JP2024014487A - 表面性状判定方法および表面性状判定システム - Google Patents

表面性状判定方法および表面性状判定システム Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、研磨パッドの表面性状を適切に判定することができる研磨パッドの表面性状判定方法および表面性状判定システムを提供する。【解決手段】表面性状判定方法は、研磨パッド２を研磨テーブル３で支持した状態で、研磨テーブル３を研磨パッド２とともに回転させ、表面データ生成装置４１により、研磨パッド２の表面性状を表す複数の形状指標値を含む表面データを生成し、表面データに基づいて、複数の形状指標値の分布を示すヒストグラムを作成し、ヒストグラムに基づいて研磨パッド２の表面性状を判定する。【選択図】図１６

Description

本発明は、ウェーハなどの基板を研磨するための研磨パッドの表面性状を判定する研磨パッドの表面性状判定方法および表面性状判定システムに関する。
半導体デバイスの製造工程において、半導体デバイス表面の平坦化がますます重要になっている。この表面の平坦化において最も重要な技術は、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）である。化学機械研磨（以下、ＣＭＰという）は、シリカ（ＳｉＯ２）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッドの研磨面上に供給しつつウェーハなどの基板を研磨面に摺接させて該基板を研磨するプロセスである。
ＣＭＰを行うための研磨装置は、研磨面を有する研磨パッドを支持する研磨テーブルと、基板を保持して研磨パッドに押し付ける研磨ヘッドを備えている。研磨装置は、次のようにして基板を研磨する。研磨テーブルおよび研磨パッドを一体に回転させながら、研磨液（典型的にはスラリー）を研磨パッドの研磨面に供給する。研磨ヘッドは基板を回転させながら、基板の表面を研磨パッドの研磨面に対して押し付ける。基板は、研磨液の存在下で研磨パッドに摺接される。基板の表面は、研磨液の化学的作用と、研磨液に含まれる砥粒および／または研磨パッドの機械的作用により、研磨される。
基板の研磨を行うと、研磨パッドの研磨面には砥粒や研磨屑が付着し、研磨性能が低下する。そこで、研磨パッドの研磨面を再生するために、ドレッサによる研磨パッドのドレッシング（コンディショニング）が行なわれる。ドレッサは、その下面に固定されたダイヤモンド粒子などの硬質の砥粒を有しており、このドレッサで研磨パッドの研磨面を削り取ることにより、研磨パッドの研磨面を再生する。
研磨パッドは、基板の研磨やドレッシングを繰り返すにつれて徐々に減耗していく。研磨パッドが減耗すると、意図した研磨性能が得られなくなるため、研磨パッドを定期的に交換することが必要となる。そこで、研磨パッドの使用時間が、予め定められた時間を超えたとき、または研磨された基板の枚数が、予め定められた数を超えたときに、研磨パッドが新たなものに交換される。
国際公開第２００５－０７２９１０号
しかしながら、研磨パッドの使用時間および研磨された基板の枚数は、研磨パッドの減耗を間接的に表しているにすぎず、研磨パッドの減耗を適切に反映していないことがある。そのため、まだ寿命に到達していない研磨パッドが交換されること、あるいは使用限界を超えて減耗した研磨パッドが使用され続けることがある。特に、過度に減耗した研磨パッドが使用されると、基板の目標の膜厚プロファイルが達成できないことがある。また、研磨パッドの個体差によって、適切な交換時期が異なることがある。
そこで、本発明は、研磨パッドの表面性状を適切に判定することができる研磨パッドの表面性状判定方法および表面性状判定システムを提供する。
一態様では、研磨パッドを研磨テーブルで支持した状態で、前記研磨テーブルを前記研磨パッドとともに回転させ、表面データ生成装置により、前記研磨パッドの表面性状を表す複数の形状指標値を含む表面データを生成し、前記表面データに基づいて、前記複数の形状指標値の分布を示すヒストグラムを作成し、前記ヒストグラムに基づいて前記研磨パッドの表面性状を判定する、表面性状判定方法が提供される。
一態様では、前記研磨パッドの表面性状の判定は、前記ヒストグラムに現れるピークの位置に基づいて行う。
一態様では、前記研磨パッドの表面性状の判定は、前記ヒストグラムに現れるピークの高さに基づいて行う。
一態様では、前記表面性状判定方法は、交換時期に達した過去の研磨パッドの表面性状を表す複数の参照形状指標値を含む参照表面データを生成し、前記参照表面データに基づいて、前記複数の参照形状指標値の分布を示す参照ヒストグラムを作成することをさらに含み、前記研磨パッドの表面性状の判定は、前記参照ヒストグラムの形状に対する前記ヒストグラムの形状の類似度に基づいて行う。
一態様では、前記表面性状判定方法は、交換時期に達する前の過去の研磨パッドの表面性状を表す複数の参照形状指標値を含む参照表面データを生成し、前記参照表面データに基づいて、前記複数の参照形状指標値の分布を示す参照ヒストグラムを作成することをさらに含み、前記ヒストグラムに基づいて前記研磨パッドの表面性状を判定することは、前記参照ヒストグラムの形状に対する前記ヒストグラムの形状の類似度を算出し、前記類似度に基づいて、前記研磨パッドの表面性状を判定することである。
一態様では、前記表面性状判定方法は、複数の使用時間における過去の研磨パッドの表面性状を表す複数の過去の形状指標値を含む複数の過去の表面データを生成し、前記複数の過去の表面データに基づいて、前記複数の過去の形状指標値の分布を示す複数の過去のヒストグラムを作成し、前記複数の過去のヒストグラムから、前記過去の研磨パッドが交換時期に達したことを示す予測ヒストグラムを作成することをさらに含み、前記ヒストグラムに基づいて前記研磨パッドの表面性状を判定することは、前記予測ヒストグラムの形状に対する前記ヒストグラムの形状の類似度を算出し、前記類似度に基づいて、前記研磨パッドの表面性状を判定することである。
一態様では、前記研磨パッドの表面性状の判定は、前記研磨パッドの交換時期に達したか否かを判定することを含む。
一態様では、前記表面性状判定方法は、前記研磨パッドの交換時期に達したときに、警報を発することをさらに含む。
一態様では、前記研磨パッドの表面性状の判定は、前記ヒストグラムの形状を機械学習により構築された学習済みモデルに入力し、前記学習済みモデルから劣化度を出力することにより行う。
一態様では、前記表面データを作成することは、前記表面データ生成装置により、前記研磨パッドの複数の測定領域の表面性状を表す複数の形状指標値を含む複数の領域表面データを生成することであり、前記複数の測定領域は、前記研磨パッドの半径方向に沿って配列されており、前記ヒストグラムを作成することは、前記複数の領域表面データに基づいて、前記複数の測定領域に対応する複数のヒストグラムを作成することであり、前記研磨パッドの表面性状を判定することは、前記複数のヒストグラムに基づいて、前記複数の測定領域の表面性状を判定することである。
一態様では、前記表面データ生成装置は、距離センサまたは形状測定センサを備えている。
一態様では、回転する研磨パッドの表面性状を表す複数の形状指標値を含む表面データを生成する表面データ生成装置と、前記表面データに基づいて、前記複数の形状指標値の分布を示すヒストグラムを作成し、前記ヒストグラムに基づいて前記研磨パッドの表面性状を判定するように構成された演算システムを備えた、表面性状判定システムが提供される。
一態様では、前記演算システムは、前記ヒストグラムに現れるピークの位置に基づいて、前記研磨パッドの表面性状を判定するように構成されている。
一態様では、前記演算システムは、前記ヒストグラムに現れるピークの高さに基づいて、前記研磨パッドの表面性状を判定するように構成されている。
一態様では、前記演算システムは、交換時期に達した過去の研磨パッドの表面性状を表す複数の参照形状指標値を含む参照表面データを生成し、前記参照表面データに基づいて、前記複数の参照形状指標値の分布を示す参照ヒストグラムを作成し、前記参照ヒストグラムの形状に対する前記ヒストグラムの形状の類似度に基づいて、前記研磨パッドの表面性状を判定するように構成されている。
一態様では、前記演算システムは、交換時期に達する前の過去の研磨パッドの表面性状を表す複数の参照形状指標値を含む参照表面データを生成し、前記参照表面データに基づいて、前記複数の参照形状指標値の分布を示す参照ヒストグラムを作成し、前記参照ヒストグラムの形状に対する前記ヒストグラムの形状の類似度を算出し、前記類似度に基づいて、前記研磨パッドの表面性状を判定するように構成されている。
一態様では、前記演算システムは、複数の使用時間における過去の研磨パッドの表面性状を表す複数の過去の形状指標値を含む複数の過去の表面データを生成し、前記複数の過去の表面データに基づいて、前記複数の過去の形状指標値の分布を示す複数の過去のヒストグラムを作成し、前記複数の過去のヒストグラムから、前記過去の研磨パッドが交換時期に達したことを示す予測ヒストグラムを作成し、前記予測ヒストグラムの形状に対する前記ヒストグラムの形状の類似度を算出し、前記類似度に基づいて、前記研磨パッドの表面性状を判定するように構成されている。
一態様では、前記演算システムは、前記研磨パッドの交換時期に達したか否かを判定するように構成されている。
一態様では、前記演算システムは、前記研磨パッドの交換時期に達したときに、警報を発するように構成されている。
一態様では、前記演算システムは、機械学習により構築された学習済みモデルを有しており、前記演算システムは、前記ヒストグラムの形状を学習済みモデルに入力し、前記学習済みモデルから劣化度を出力することにより、前記研磨パッドの表面性状を判定するように構成されている。
一態様では、前記表面データ生成装置は、前記研磨パッドの複数の測定領域の表面性状を表す複数の形状指標値を含む複数の領域表面データを生成するように構成されており、前記複数の測定領域は、前記研磨パッドの半径方向に沿って配列されており、前記演算システムは、前記複数の領域表面データに基づいて、前記複数の測定領域に対応する複数のヒストグラムを作成し、前記複数のヒストグラムに基づいて、前記研磨パッドの前記複数の測定領域の表面性状を判定するように構成されている。
一態様では、前記表面データ生成装置は、距離センサまたは形状測定センサを備えている。
本発明によれば、表面性状判定方法は、研磨パッドの表面性状を表す複数の形状指標値を含む表面データに基づいてヒストグラムを作成し、作成されたヒストグラムに基づいて、研磨パッドの表面性状を適切に判定することができる。
研磨装置の一実施形態を示す上面図である。 図１に示す研磨装置の側面図である。 図３（ａ）乃至図３（ｄ）は、研磨パッドの研磨面に形成されたパッド溝のパターンの一例を示す図である。 研磨パッドの研磨面に形成されたパーフォレーションの一例を示す図である。 表面性状測定システムの一実施形態を示す模式図である。 表面データ生成装置が研磨パッドの研磨面の形状指標値を測定する様子を示す図である。 研磨パッドの研磨面上の複数の測定点を示す図である。 複数の測定点で測定された距離と測定時間の関係を示すグラフである。 図９（ａ）は、表面データ生成装置が研磨面の凹部が形成されていない平面部を測定している様子を示す図であり、図９（ｂ）は、表面データ生成装置が研磨面に形成された凹部の底部を測定している様子を示す図である。 図１０（ａ）は、表面データ生成装置が減耗した研磨面を測定している様子を示す図であり、図１０（ｂ）は、表面データ生成装置が研磨屑が凹部に詰まっている研磨面を測定している様子を示す図である。 複数の測定点で測定された距離と使用時間の関係を示すグラフである。 演算システムにより作成されたヒストグラムの一例を示す図である。 研磨パッドの使用時間の経過とともに変化するヒストグラムの一例を示す図である。 研磨パッドの使用時間の経過とともに変化するヒストグラムの他の例を示す図である。 研磨パッドの研磨面に形成された凹部のエッジが丸くなっている状態を示す図である。 作成されたヒストグラムに基づいて、研磨パッドの表面性状を判定する方法を示す図である。 図１７（ａ）および図１７（ｂ）は、作成されたヒストグラムの形状と参照ヒストグラムの形状とを比較する方法を示す図である。 図１８（ａ）および図１８（ｂ）は、過去の研磨パッドの表面性状を表す複数の過去の表面データに基づいて作成された複数の過去のヒストグラムから、過去の研磨パッドが交換時期に達したことを示す予測ヒストグラムを作成する方法を示す図である。 図１９（ａ）および図１９（ｂ）は、過去の研磨パッドの表面性状を表す複数の過去の表面データに基づいて作成された複数の過去のヒストグラムから、過去の研磨パッドが交換時期に達したことを示す予測ヒストグラムを作成する方法を示す図である。 ディープラーニング法を用いて構築された学習済みモデルの一例を示す模式図である。 表面性状判定システムの他の実施形態に係る複数の測定領域を示す図である。 複数の測定領域における領域表面データに基づいて生成された複数のヒストグラムの一例を示す図である。 表面データ生成装置の他の実施形態を示す模式図である。 図２４（ａ）は、図２３に示す表面データ生成装置で研磨パッドの表面形状を測定している様子を示す模式図である。図２４（ｂ）は、図２４（ａ）に示す研磨パッドの表面形状の測定結果を示す図である。 複数の測定ラインで測定された面積と測定時間の関係を示すグラフである。 複数の測定ラインで測定された面積と使用時間の関係を示すグラフである。 研磨パッドの使用時間の経過とともに変化するヒストグラムの一例を示す図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、研磨装置の一実施形態を示す上面図である。図２は、図１に示す研磨装置の側面図である。研磨装置は、ウェーハなどの基板Ｗを化学機械的に研磨する装置である。図１および図２に示すように、この研磨装置は、研磨面２ａを有する研磨パッド２を支持する研磨テーブル３と、基板Ｗを研磨面２ａに対して押し付ける研磨ヘッド１と、研磨液（例えば、砥粒を含むスラリー）を研磨面２ａに供給する研磨液供給ノズル５と、研磨パッド２の研磨面２ａをドレッシング（コンディショニング）するドレッサ２０を備えている。
研磨装置は、研磨ヘッド揺動シャフト１４と、研磨ヘッド揺動シャフト１４の上端に連結された研磨ヘッド揺動アーム１６と、研磨ヘッド揺動アーム１６の自由端に回転可能に支持された研磨ヘッドシャフト１０をさらに備えている。研磨ヘッド１は、研磨ヘッドシャフト１０の下端に固定されている。研磨ヘッド１は、その下面に基板Ｗを保持できるように構成されている。基板Ｗは、研磨するべき面が下向きになるように保持されている。
研磨ヘッド揺動アーム１６内には、電動機などを備えた研磨ヘッド揺動機構（図示せず）が配置されている。研磨ヘッド揺動機構は、研磨ヘッド揺動シャフト１４に連結されている。この研磨ヘッド揺動機構は、研磨ヘッド１および研磨ヘッドシャフト１０を研磨ヘッド揺動アーム１６を介して、研磨ヘッド揺動シャフト１４の軸心を中心に揺動させるように構成されている。さらに、研磨ヘッド揺動アーム１６内には、電動機などを備えた研磨ヘッド回転機構（図示せず）が配置されている。この研磨ヘッド回転機構は、研磨ヘッドシャフト１０に連結されており、研磨ヘッドシャフト１０および研磨ヘッド１を研磨ヘッドシャフト１０の軸心を中心に回転させるように構成されている。
研磨ヘッドシャフト１０は、図示しない研磨ヘッド昇降機構（例えばボールねじ機構を含む）に連結されている。この研磨ヘッド昇降機構は、研磨ヘッドシャフト１０を研磨ヘッド揺動アーム１６に対して相対的に上下動させるように構成されている。この研磨ヘッドシャフト１０の上下動により、研磨ヘッド１は、研磨ヘッド揺動アーム１６および研磨テーブル３に対して相対的に上下動可能となっている。
研磨装置は、研磨テーブル３を研磨パッド２とともに回転させるテーブルモータ６をさらに備えている。テーブルモータ６は研磨テーブル３の下方に配置されており、研磨テーブル３は、テーブル軸３ａを介してテーブルモータ６に連結されている。研磨テーブル３および研磨パッド２は、テーブルモータ６によりテーブル軸３ａの軸心を中心に回転される。研磨パッド２は、研磨テーブル３の上面に貼り付けられている。研磨パッド２の露出面は、ウェーハなどの基板Ｗを研磨する研磨面２ａを構成している。
ドレッサ２０は、研磨パッド２の研磨面２ａに接触するドレッシングディスク２２と、ドレッシングディスク２２に連結されたドレッサシャフト２４と、ドレッサシャフト２４の上端を回転可能に支持するサポートブロック２５と、ドレッサシャフト２４を回転可能に支持するドレッサ揺動アーム２９と、ドレッサ揺動アーム２９を支持するドレッサ揺動シャフト３０を備えている。ドレッシングディスク２２の下面は、ダイヤモンド粒子などの砥粒が固定されたドレッシング面を構成する。
ドレッサ揺動アーム２９内には、電動機などを備えたドレッサ揺動機構（図示せず）が配置されている。ドレッサ揺動機構は、ドレッサ揺動シャフト３０に連結されている。このドレッサ揺動機構は、ドレッシングディスク２２およびドレッサシャフト２４を、ドレッサ揺動アーム２９を介してドレッサ揺動シャフト３０の軸心を中心に揺動させるように構成されている。
ドレッサシャフト２４は、ドレッサ揺動アーム２９内に配置された図示しないディスク押圧機構（例えばエアシリンダを含む）に連結されている。このディスク押圧機構は、ドレッサシャフト２４を介して、ドレッシング面を構成するドレッシングディスク２２の下面を研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付けるように構成されている。ドレッサシャフト２４およびドレッシングディスク２２は、ドレッサ揺動アーム２９に対して上下動可能である。さらに、ドレッサシャフト２４は、ドレッサ揺動アーム２９内に配置された図示しないディスク回転機構（例えば電動機を含む）に連結されている。このディスク回転機構は、ドレッサシャフト２４を介してドレッシングディスク２２をドレッサシャフト２４の軸心を中心に回転させるように構成されている。
ドレッサ２０は、研磨面２ａの高さを測定するパッド高さ測定装置３２を備えている。本実施形態に使用されるパッド高さ測定装置３２は接触式変位センサである。パッド高さ測定装置３２は、サポートブロック２５に固定されており、パッド高さ測定装置３２の接触子は、ドレッサ揺動アーム２９に接触している。サポートブロック２５は、ドレッサシャフト２４およびドレッシングディスク２２と一体に上下動可能であるので、パッド高さ測定装置３２は、ドレッサシャフト２４およびドレッシングディスク２２と一体に上下動可能である。一方、ドレッサ揺動アーム２９の上下方向の位置は固定されている。パッド高さ測定装置３２の接触子がドレッサ揺動アーム２９に接触したまま、パッド高さ測定装置３２はドレッサシャフト２４およびドレッシングディスク２２と一体に上下動する。したがって、パッド高さ測定装置３２は、ドレッサ揺動アーム２９に対するドレッシングディスク２２の変位を測定することができる。
パッド高さ測定装置３２は、研磨面２ａの高さをドレッシングディスク２２を介して測定することができる。すなわち、パッド高さ測定装置３２は、ドレッサシャフト２４を介してドレッシングディスク２２に連結されているので、パッド高さ測定装置３２は、研磨パッド２のドレッシング中に研磨面２ａの高さを測定することができる。研磨面２ａの高さは、予め設定された基準平面からドレッシングディスク２２の下面までの距離である。基準平面は、仮想上の平面である。例えば、基準平面が研磨テーブル３の上面であれば、研磨面２ａの高さは、研磨パッド２の厚さに相当する。
本実施形態では、パッド高さ測定装置３２として、リニアスケール式センサが使用されているが、一実施形態では、パッド高さ測定装置３２として、レーザ式センサ、超音波センサ、または渦電流式センサなどの非接触式センサを用いてもよい。さらに、一実施形態では、パッド高さ測定装置３２はドレッサ揺動アーム２９に固定され、サポートブロック２５の変位を測定するように配置されてもよい。この場合でも、パッド高さ測定装置３２は、ドレッサ揺動アーム２９に対するドレッシングディスク２２の変位を測定することができる。
上述した実施形態では、パッド高さ測定装置３２は、研磨面２ａに接触しているときのドレッシングディスク２２の位置から研磨面２ａの高さを間接的に測定するように構成されているが、研磨面２ａの高さを精度よく測定できる限りにおいて、パッド高さ測定装置３２の構成は、本実施形態に限定されない。一実施形態では、パッド高さ測定装置３２は、研磨パッド２の上方に配置され、研磨面２ａの高さを直接測定するレーザ式センサ、超音波センサなどの非接触式センサであってもよい。
研磨装置は、研磨制御部６０を備えており、パッド高さ測定装置３２は、研磨制御部６０に接続されている。パッド高さ測定装置３２の出力信号（すなわち、研磨面２ａの高さの測定値）は研磨制御部６０に送られる。
研磨装置の研磨ヘッド１、研磨液供給ノズル５、テーブルモータ６、ドレッサ２０は、研磨制御部６０に電気的に接続されており、研磨ヘッド１、研磨液供給ノズル５、テーブルモータ６、ドレッサ２０の動作は、研磨制御部６０により制御される。
研磨制御部６０は、少なくとも１台のコンピュータから構成されている。研磨制御部６０は、研磨装置の動作を制御するためのプログラムが格納された記憶装置６０ａと、プログラムに含まれる命令に従って演算を実行する処理装置６０ｂを備えている。記憶装置６０ａは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの主記憶装置と、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）などの補助記憶装置を備えている。処理装置６０ｂの例としては、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＧＰＵ（グラフィックプロセッシングユニット）が挙げられる。ただし、研磨制御部６０の具体的構成はこれらの例に限定されない。
基板Ｗは次のようにして研磨される。研磨テーブル３および研磨ヘッド１を図１および図２の矢印で示す方向に回転させながら、研磨液供給ノズル５から研磨液が研磨テーブル３上の研磨パッド２の研磨面２ａに供給される。ドレッシングディスク２２は、研磨パッド２の外側に配置されている。基板Ｗは研磨ヘッド１によって回転されながら、研磨パッド２上に研磨液が存在した状態で研磨パッド２の研磨面２ａに研磨ヘッド１によって押し付けられる。基板Ｗの表面は、研磨液の化学的作用と、研磨液に含まれる砥粒および／または研磨パッド２の機械的作用により研磨される。その後、図示しない純水ノズルから純水を研磨パッド２上に供給しながら、基板Ｗを水研磨してもよい。
基板Ｗの研磨終了後、基板Ｗは研磨パッド２の外側に移動され、次の処理を行う装置に搬送される。その後、ドレッサ２０による研磨パッド２の研磨面２ａのドレッシングが行われる。具体的には、研磨パッド２および研磨テーブル３を回転させながら、図示しない純水ノズルから純水が研磨面２ａに供給される。ドレッシングディスク２２は、研磨パッド２上に配置され、回転しながら研磨パッド２の研磨面２ａに摺接される。ドレッシングディスク２２は、研磨パッド２を少しだけ削り取ることで、研磨面２ａをドレッシング（コンディショニング）する。ドレッサ２０による研磨パッド２のドレッシングは、基板Ｗを１枚研磨する毎に行われてもよいし、所定の枚数の基板Ｗを研磨する毎に行われてもよい。
研磨パッド２には、研磨面２ａに多数の微細な孔（ポア）を有する発泡ポリウレタンが一般的に使用されている。研磨パッド２の研磨面２ａには、所定のパターンを有するパッド溝やパーフォレーションとも呼ばれる孔が形成されている。図３（ａ）乃至図３（ｄ）は、研磨パッド２の研磨面２ａに形成されたパッド溝のパターンの一例を示す図である。図３（ａ）は格子状のパターン、図３（ｂ）は放射状のパターン、図３（ｃ）は同心円状のパターン、図３（ｄ）は渦巻き状のパターンを有するパッド溝をそれぞれ示している。図４は、研磨パッド２の研磨面２ａに形成されたパーフォレーションの一例を示す図である。パーフォレーションは、研磨パッド２の研磨面２ａの全体に形成されている。研磨パッド２の研磨面２ａには、パッド溝とパーフォレーションの両方が形成されていてもよい。このようなパッド溝およびパーフォレーションは、研磨液を基板Ｗの全体に均一に行き渡らせることなどを目的として、形成されている。本明細書中、研磨パッド２に形成されたパッド溝および孔を総じて「凹部」と称する。
研磨パッド２の研磨面２ａは、基板Ｗの研磨や研磨パッド２のドレッシングを繰り返すにつれて徐々に減耗し、また、研磨面２ａに形成された孔やパッド溝に研磨屑などが詰まってしまう。このような研磨パッド２の表面性状の変化により、研磨パッド２の研磨性能が低下し、結果的に、基板Ｗの研磨時の研磨レートが低下する。そのため、研磨パッド２の交換時期を把握するために、研磨パッド２の表面性状を適切に判定する必要がある。そこで、本実施形態の研磨装置は、研磨パッド２の表面性状を判定する表面性状判定システム４０をさらに備えている。
図５は、表面性状判定システム４０の一実施形態を示す模式図である。表面性状判定システム４０は、研磨パッド２の研磨面２ａの表面性状を表す複数の形状指標値を含む表面データを生成する表面データ生成装置４１と、研磨パッド２の研磨面２ａに対向するカバー部材４４と、研磨パッド２上に透明液を供給する透明液供給ライン４５と、研磨パッド２上の透明液を吸引する透明液吸込ライン５５と、表面性状判定システム４０の動作を制御する演算システム６５を備えている。表面性状判定システム４０は、研磨ヘッド１およびドレッサ２０とは接触しない位置に配置されている（図１および図２参照）。したがって、表面性状判定システム４０は、研磨ヘッド１による基板Ｗの研磨中や、ドレッサ２０による研磨パッド２のドレッシング中も、研磨パッド２の表面性状を判定することができる。
表面性状判定システム４０の各構成要素は、演算システム６５に連結されており、表面性状判定システム４０の動作は、演算システム６５により制御される。演算システム６５は、少なくとも１台のコンピュータから構成されている。演算システム６５は、プログラムが格納された記憶装置６５ａと、プログラムに含まれる命令に従って演算を実行する処理装置６５ｂを備えている。記憶装置６５ａは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの主記憶装置と、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）などの補助記憶装置を備えている。処理装置６５ｂの例としては、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＧＰＵ（グラフィックプロセッシングユニット）が挙げられる。ただし、演算システム６５の具体的構成はこれらの例に限定されない。
一実施形態では、演算システム６５は、研磨制御部６０と一体に構成されてもよい。すなわち、演算システム６５および研磨制御部６０は、プログラムが格納された記憶装置、およびプログラムに含まれる命令に従って演算を実行する処理装置を含む少なくとも１台のコンピュータにより構成されてもよい。
表面データ生成装置４１は、研磨パッド２の上方に配置されている。カバー部材４４は、研磨パッド２と表面データ生成装置４１との間に配置されている。表面データ生成装置４１は、研磨パッド２の表面性状を測定するように構成されている。本実施形態の表面データ生成装置４１は、光学的に研磨パッド２の表面性状を測定するように構成されている。カバー部材４４は、研磨パッド２の研磨面２ａと平行な対向面４４ｃを有する。カバー部材４４は研磨パッド２の研磨面２ａから離間している（すなわち、研磨面２ａとは非接触である）。カバー部材４４は、後述する表面データ生成装置４１の測定ヘッド４２により照射される光および研磨面２ａからの反射光の光路上に光透過部４４ａを有している。光透過部４４ａは、測定ヘッド４２により照射される光および研磨面２ａからの反射光が通過する、図５の破線で示す部分である。光透過部４４ａは、測定ヘッド４２により照射される光および研磨面２ａからの反射光を透過させる透明材料で構成されている。本実施形態では、カバー部材４４は透明板であり、光透過部４４ａを含むカバー部材４４の全体が透明材料で構成されている。
カバー部材４４には、研磨パッド２の回転方向において、光透過部４４ａよりも上流側に位置する注入口４４ｂが設けられている。すなわち、注入口４４ｂは、測定ヘッド４２から照射される光および研磨面２ａからの反射光の光路よりも上流側に位置している。本実施形態では、注入口４４ｂは、表面データ生成装置４１の測定ヘッド４２よりも上流側に位置している。
透明液供給ライン４５は、カバー部材４４の注入口４４ｂに連結されており、注入口４４ｂを通じて研磨パッド２上に透明液を供給するように構成されている。図５に示すように、カバー部材４４の全体は、研磨パッド２の研磨面２ａから離れており、カバー部材４４の対向面４４ｃと研磨パッド２の研磨面２ａとの間には、透明液が流れる隙間が存在している。透明液供給ライン４５から供給された透明液は、カバー部材４４と研磨パッド２の研磨面２ａとの隙間を研磨パッド２の回転方向に沿って流れる。透明液は、例えば純水である。透明液は透明な液体であればよく、例えば、研磨液に用いられるＫＯＨ溶液などであってもよい。
カバー部材４４には、研磨パッド２の回転方向において、光透過部４４ａよりも下流側に位置する吸込口４４ｄが設けられている。すなわち、吸込口４４ｄは、測定ヘッド４２から照射される光および研磨面２ａからの反射光の光路よりも下流側に位置している。本実施形態では、吸込口４４ｄは、表面データ生成装置４１の測定ヘッド４２よりも下流側に位置している。
透明液吸込ライン５５は、吸込口４４ｄを通じてカバー部材４４の対向面４４ｃと研磨パッド２の研磨面２ａとの隙間を流れる透明液を吸引するように構成されている。透明液供給ライン４５から供給された透明液は、カバー部材４４と研磨パッド２の研磨面２ａとの隙間を研磨パッド２の回転方向に沿って流れ、透明液吸込ライン５５により吸引される。より具体的には、透明液供給ライン４５から注入口４４ｂを通じて供給された透明液は、注入口４４ｂから光透過部４４ａを経由して吸込口４４ｄに向かって流れ、透明液吸込ライン５５により吸込口４４ｄを通じて吸引される。吸引された透明液は、透明液吸込ライン５５の外へ排出される。一実施形態では、透明液供給ライン４５から供給される透明液の流量は、透明液吸込ライン５５により吸引される透明液の流量よりも多い。
本実施形態によれば、カバー部材４４の対向面４４ｃと研磨パッド２の研磨面２ａとの隙間に、注入口４４ｂから吸込口４４ｄに向かう透明液の流れが形成されるので、研磨パッド２の表面性状測定時の光路を透明液で満たすことができる。このような構成により、表面データ生成装置４１による光学的な測定において外乱となる気泡や気層（気液界面）が、測定光路上に存在しないため、安定した測定が可能となる。また、注入口４４ｂがカバー部材４４と研磨パッド２の研磨面２ａとの隙間の直上に位置しているため、透明液を隙間にスムーズに供給することができる。透明液が隙間に流入する際に、透明液の流れに乱れが生じないため、気泡の発生を防止できる。
さらに、透明液吸込ライン５５により研磨パッド２上の透明液を吸引することで、カバー部材４４の外側への透明液の流出を抑制することができる。したがって、研磨液を用いた基板Ｗの研磨中に研磨パッド２の表面性状を測定する際に、研磨液が透明液で希釈されるのを防止することができる。また、研磨液を用いた基板Ｗの研磨中に研磨パッド２の表面性状を測定することにより、実際に研磨液を用いて基板Ｗを研磨している状態における研磨パッド２の表面性状を測定することができる。
表面性状判定システム４０の構成は、本実施形態に限られず、一実施形態では、透明液吸込ライン５５を備えておらず、カバー部材４４に吸込口４４ｄが設けられなくてもよい。他の実施形態では、表面性状判定システム４０は、カバー部材４４、透明液供給ライン４５、および透明液吸込ライン５５を備えていなくてもよい。さらに他の実施形態では、表面データ生成装置４１による研磨パッド２の形状指標値の測定は、図示しない純水ノズルから純水を研磨パッド２上に供給しながら、基板Ｗを水研磨している間に行ってもよいし、あるいは、図示しない専用の透明液供給ノズルから透明液を供給しながら行ってもよい。
図６は、表面データ生成装置４１が研磨パッド２の研磨面２ａの形状指標値を測定する様子を示す図である。図６では、説明のためにカバー部材４４および透明液供給ライン４５の図示は省略されている。表面データ生成装置４１は、測定ヘッド４２を備えている。本実施形態の測定ヘッド４２は、予め設定された基準平面から対象物までの距離を測定する距離センサである。一例として、測定ヘッド４２は、非接触型のレーザ変位センサであり、市販の分光干渉式レーザ変位計、マルチカラーレーザ変位計などを使用することができる。測定ヘッド４２は、レーザ光を照射する光源４２ａと、対象物からの反射光を受ける受光部４２ｂを備えている。基準平面は、仮想上の平面であり、例えば、測定ヘッド４２の下端を含む平面である。
測定ヘッド４２は、表面性状を表す形状指標値として、研磨パッド２の研磨面２ａまでの距離Ｄを測定するように構成されている。測定ヘッド４２は、研磨パッド２の研磨面２ａの上方に配置されており、測定ヘッド４２の下端は、研磨パッド２の研磨面２ａに対向している。本実施形態では、基準平面は測定ヘッド４２の下端を含む平面に設定されている。したがって、距離Ｄは、測定ヘッド４２の下端から研磨面２ａ上の測定点ＭＰまでの距離である。測定ヘッド４２は、光源４２ａから研磨パッド２の研磨面２ａに光（レーザ光）を照射し、研磨面２ａからの反射光を受光部４２ｂで受ける。測定ヘッド４２は、反射光に基づいて研磨パッド２の測定点ＭＰまでの距離Ｄを測定する。図５および図６において、光源４２ａから照射される光の光路と受光部４２ｂで受ける反射光の光路は異なっているが、光源４２ａから照射される光と受光部４２ｂで受ける反射光の光路は同じであってもよい。
一実施形態では、表面データ生成装置４１は、超音波で研磨パッド２の形状指標値を測定するように構成されてもよい。測定ヘッド４２は、一例として、超音波式距離センサが挙げられる。この場合、表面性状判定システム４０は、図５に示すカバー部材４４、透明液供給ライン４５、および透明液吸込ライン５５を備えていなくてもよい。あるいは、カバー部材４４は、光透過部４４ａに代えて測定ヘッド４２の下端が貫通する図示しない貫通孔を有しており、カバー部材４４の対向面４４ｃは、測定ヘッド４２の下端よりも上方に位置してもよい。カバー部材４４の対向面４４ｃと研磨パッド２の研磨面２ａとの隙間が透明液で満たされると、測定ヘッド４２の下端は透明液中に浸される。測定ヘッド４２から発せられる超音波は、透明液中を伝搬し、研磨パッド２の研磨面２ａで反射する。
一実施形態では、表面性状判定システム４０は、複数の表面データ生成装置４１を備えてもよい。この複数の表面データ生成装置４１は、同じタイプの複数の測定ヘッド４２を有してもよいし、または異なる測定スポット径で測定する複数の測定ヘッド４２を有してもよいし、または上述した非接触型のレーザ変位センサ、超音波式距離センサなどの異なるタイプの複数の測定ヘッド４２を有してもよい。
図７は、研磨パッド２の研磨面２ａ上の複数の測定点ＭＰを示す図である。測定ヘッド４２は、所定の時間毎（例えば５ミリ秒毎）に、回転する研磨パッド２の研磨面２ａに光を照射し、研磨面２ａからの反射光に基づいて、研磨パッド２の研磨面２ａまでの距離Ｄを測定する。図７に示すように、複数の測定点ＭＰは、研磨パッド２の回転中心Ｏを中心とする円の円周上に等間隔に位置している。測定ヘッド４２は、所定の時間、複数の測定点ＭＰにおける研磨面２ａまでの距離Ｄを連続的に測定する。一実施形態では、１回の連続的な測定において、複数の測定点ＭＰのそれぞれにおける距離Ｄの複数の測定値が取得されてもよい。１回の連続的な測定は、基板Ｗを１枚研磨する毎に行われてもよいし、所定の枚数の基板Ｗを研磨する毎に行われてもよい。
図１および図６に示すように、表面性状判定システム４０は、測定ヘッド４２に連結された測定ヘッド移動機構４７をさらに備えていてもよい。測定ヘッド移動機構４７は、測定ヘッド４２を研磨テーブル３および研磨パッド２の半径方向に移動可能に構成されている。測定ヘッド移動機構４７は、演算システム６５に連結されており、測定ヘッド移動機構４７の動作は、演算システム６５により制御される。
一実施形態では、研磨パッド２の形状指標値の測定中に、測定ヘッド移動機構４７により測定ヘッド４２を研磨パッド２の半径方向に移動させてもよい。測定ヘッド移動機構４７は、測定ヘッド４２を支持する測定ヘッドアーム４８と、測定ヘッドアーム４８に連結されたアクチュエータ４９を備えている。アクチュエータ４９は、研磨テーブル３の外側に配置されている。アクチュエータ４９は、モータおよびトルク伝達機構（例えばギヤを含む）の組み合わせなどから構成される。
図８は、複数の測定点ＭＰで測定された距離Ｄと測定時間Ｔの関係を示すグラフである。図８において、縦軸は距離Ｄを表し、横軸は測定時間Ｔを表す。図８に示すグラフは、１回の連続的な測定において、研磨パッド２を回転させて、測定ヘッド４２により研磨面２ａ上の複数の測定点ＭＰを測定して得られたものである。測定時の研磨パッド２は、減耗していない使用初期の状態である。距離Ｄが数値Ｌａの近傍にある測定値は、図９（ａ）に示すように、研磨面２ａの凹部２ｂが形成されていない平面部までの距離Ｄを測定ヘッド４２が測定したときに得られた測定値である。距離Ｄが数値Ｌｂの近傍にある測定値は、図９（ｂ）に示すように、研磨面２ａに形成された凹部２ｂの底部までの距離Ｄを測定ヘッド４２が測定したときに得られた測定値である。
図１０（ａ）に示すように、基板Ｗの研磨や研磨パッド２のドレッシングを繰り返すにつれて、研磨パッド２は減耗前の研磨面２ａ－１から研磨面２ａ－２まで減耗する。減耗する前の距離Ｄの測定値Ｌａ１と、減耗した後の距離Ｄの測定値Ｌａ２の関係は、Ｌａ１＜Ｌａ２である。すなわち、研磨パッド２が減耗するにつれて、図８に示す測定値Ｌａに相当する距離Ｄの数値は大きくなる。
また、図１０（ｂ）に示すように、基板Ｗの研磨や研磨パッド２のドレッシングを繰り返すにつれて、研磨パッド２の研磨面２ａに形成された凹部２ｂに研磨屑などが詰まる。測定ヘッド４２により研磨屑が詰まった凹部２ｂを測定すると、測定ヘッド４２から照射された光は、凹部２ｂ内の研磨屑の表面で反射する。研磨屑が詰まる前の凹部２ｂの底部までの距離Ｄの測定値Ｌｂ１と、凹部２ｂに詰まった研磨屑の表面までの距離Ｄの測定値Ｌｂ２の関係は、Ｌｂ１＞Ｌｂ２である。すなわち、研磨パッド２の凹部２ｂに研磨屑などが詰まるにつれて、図８に示す測定値Ｌｂに相当する距離Ｄの数値は小さくなる。
図１１は、複数の測定点ＭＰで測定された距離Ｄと研磨パッド使用時間Ｕの関係を示すグラフである。図１１では、研磨パッド２の使用初期から終期にかけて実行された複数回の連続的な測定で得られた距離Ｄの測定値がプロットされている。図１１に示すグラフは、複数回の連続的な測定のそれぞれで得られた測定値Ｌａ，Ｌｂのそれぞれの平均値と研磨パッド使用時間Ｕとの関係をプロットしたものであってもよい。図１１において、縦軸は距離Ｄを表し、横軸は研磨パッド使用時間Ｕを表す。距離Ｄの測定値は、研磨パッド使用時間Ｕの経過とともに変化する。図１０（ａ）を参照して説明したように、研磨パッド２の使用時間の経過とともに、研磨パッド２の平面部が減耗する。図１１に示すように、距離Ｄの測定値は、研磨パッド２が減耗していないとき（使用時間Ｕ１）における測定値Ｌａ１から、研磨パッド２が減耗したとき（使用時間Ｕ２）における測定値Ｌａ２まで大きくなる。したがって、距離Ｄの測定値の変化から研磨パッド２の減耗の程度を推定することができる。
また、図１０（ｂ）を参照して説明したように、研磨パッド２の使用時間の経過とともに、研磨パッド２の凹部２ｂに研磨屑などが詰まる。したがって、図１１に示すように、距離Ｄの測定値は、研磨パッド２の凹部２ｂが詰まっていないとき（使用時間Ｕ１）における測定値Ｌｂ１から、研磨パッド２の凹部２ｂが詰まっているとき（使用時間Ｕ２）における測定値Ｌｂ２まで小さくなる。したがって、距離Ｄの測定値の変化から研磨パッド２の凹部２ｂの詰まり具合を推定することができる。
研磨パッド２の形状指標値（本実施形態では距離Ｄ）の測定は、研磨液または純水を用いた基板Ｗの研磨中、研磨パッド２のドレッシング中、研磨パッド２のドレッシング後であって、次の基板を研磨するまでの間などに行われる。
図５に示すように、表面データ生成装置４１は演算システム６５に連結されている。表面データ生成装置４１は、測定ヘッド４２により測定された複数の形状指標値を含む表面データを生成する。生成された表面データは、演算システム６５に送られる。演算システム６５は、表面データ生成装置４１から送られた表面データに基づいて、複数の形状指標値の分布を示すヒストグラムを作成する。本実施形態では、演算システム６５は、複数の距離Ｄの測定値の分布を示すヒストグラムを作成する。このヒストグラムは、研磨パッド２の表面性状を反映する現在のヒストグラムである。
図１２は、演算システム６５により作成されたヒストグラムの一例を示す図である。図１２において、縦軸は度数を表し、横軸は距離Ｄを表す。度数は、距離Ｄの各測定値のデータ数に相当する。演算システム６５は、１回の連続的な測定で得られた研磨パッド２の形状指標値である距離Ｄの測定値の分布を示すヒストグラムを作成する。図１２のヒストグラムは、１回の連続的な測定で得られた研磨パッド２の形状指標値である距離Ｄの測定値の分布を示しており、図８に示す形状指標値である距離Ｄの測定値に基づいて作成されたものである。
図１２のヒストグラムには、２つのピークＰａ，Ｐｂが現れている。ピークＰａにおける距離Ｄは、図８に示す数値Ｌａに対応し、ピークＰｂにおける距離Ｄは、図８に示す数値Ｌｂに対応する。演算システム６５は、ピークＰａ，Ｐｂの位置および高さ、または、ヒストグラムの形状に基づいて、研磨パッド２の表面性状を判定する。研磨パッド２の表面性状の判定は、研磨パッド２の交換時期に達したか否かを判定することを含む。本実施形態のヒストグラムには、２つのピークＰａ，Ｐｂが現れているが、１つ、あるいは３つ以上のピークが現れる場合もある。いずれの場合も、以下に説明するように、ピークの位置および高さ、または、ヒストグラムの形状に基づいて、研磨パッド２の表面性状を判定することができる。
図１３は、研磨パッド２の使用時間の経過とともに変化するヒストグラムの一例を示す図である。図１３の３つのヒストグラムは、それぞれ１回の連続的な測定で得られた研磨パッド２の形状指標値である距離Ｄの測定値の分布を示している。実線で示すヒストグラムは、研磨パッド２の使用初期に取得された距離Ｄの測定値の分布を示しており、図１２に示すヒストグラムと同じである。破線で示すヒストグラムは、研磨パッド２の使用中期に取得された距離Ｄの測定値の分布を示している。一点鎖線で示すヒストグラムは、研磨パッド２の使用終期に取得された距離Ｄの測定値の分布を示している。
使用初期は、研磨パッド２が基板Ｗの研磨に未だ使用されていない時期、あるいは研磨パッド２の使用時間が経過して間もない時期である。使用終期は、研磨パッド２の寿命に到達するまで使用時間が経過した時期である。使用中期は、使用初期と使用終期の間の時期であり、研磨パッド２の寿命の半分程度に到達するまで使用時間が経過した時期である。
図１３の使用初期、使用中期、および使用終期のヒストグラムには、いずれも２つのピークが現れている。それぞれのヒストグラムに現れた２つのピークＰａ，Ｐｂの位置は研磨パッド２の使用時間の経過とともに移動している。ピークＰａの位置、すなわち距離Ｄの数値Ｌａは、研磨パッド２の使用時間の経過とともに大きくなっている。これは、図１０（ａ）を参照して説明したように、研磨パッド２の使用時間の経過とともに、研磨パッド２が減耗したことを示している。
ピークＰｂの位置、すなわち距離Ｄの数値Ｌｂは、研磨パッド２の使用時間の経過とともに小さくなっている。これは、図１０（ｂ）を参照して説明したように、研磨パッド２の使用時間の経過とともに、研磨面２ａの凹部２ｂに詰まった研磨屑などの量が増したことを示している。
ピークＰａの高さ、すなわち距離Ｄの数値Ｌａの度数Ｆａは、研磨パッド２の使用時間が経過してもほとんど変化していない。また、ピークＰｂの高さ、すなわち距離Ｄの数値Ｌｂの度数Ｆｂは、研磨パッド２の使用時間が経過してもほとんど変化していない。
図１４は、研磨パッド２の使用時間の経過とともに変化するヒストグラムの他の例を示す図である。図１４の３つのヒストグラムは、図１３と同様に研磨パッド２の使用初期、使用中期、使用終期において、それぞれ１回の連続的な測定で得られた研磨パッド２の形状指標値である距離Ｄの測定値の分布を示している。図１４の例では、図１３の例とは異なる態様で研磨パッド２の表面性状が変化している。
図１４の使用初期、使用中期、および使用終期のヒストグラムには、いずれも２つのピークが現れている。それぞれのヒストグラムに現れたピークＰａの位置、すなわち距離Ｄの数値Ｌａは、研磨パッド２の使用時間の経過とともに大きくなっている。これは、研磨パッド２の使用時間の経過とともに、研磨パッド２が減耗したことを示している。
ピークＰｂの位置、すなわち距離Ｄの数値Ｌｂは、研磨パッド２の使用時間が経過してもほとんど変化していない。これは、研磨パッド２の使用時間が経過しても、研磨面２ａに形成された凹部２ｂには研磨屑などが詰まっていないことを示している。
ピークＰａの高さ、すなわち距離Ｄの数値Ｌａの度数Ｆａは、研磨パッド２の使用時間の経過とともに小さくなっている。また、ピークＰｂの高さ、すなわち距離Ｄの数値Ｌｂの度数Ｆｂは、研磨パッド２の使用時間の経過とともに大幅に小さくなっている。これは、研磨パッド２の使用時間の経過とともに距離Ｄの測定値の分布が変化し、数値Ｌａと数値Ｌｂの間の距離Ｄの測定値の数が増加していることを示している。このような距離Ｄの分布の変化は、一例として、図１５に示すように、研磨パッド２の研磨面２ａに形成された凹部２ｂのエッジ２ｃの形状が変化して、丸くなっていることを示している。凹部２ｂのエッジ２ｃが丸くなると、研磨パッド２の研磨性能が変化する。
ヒストグラムを用いることの利点は、研磨パッド２の１つの測定点における測定値ではなく、複数の測定点における測定値をグラフ化することができ、研磨パッド２の表面性状を適切に判定できることである。このように、ヒストグラムを用いることにより、研磨パッド２の形状指標値である距離Ｄの測定値の分布の変化に基づいて、研磨パッド２の表面性状の様々な変化の態様を把握することができる。したがって、研磨パッド２の交換時期を適切に判定することができる。
演算システム６５は、作成したヒストグラムに基づいて、研磨パッド２の表面性状を判定する。一実施形態では、演算システム６５は、ヒストグラムに現れるピークの位置に基づいて、研磨パッド２の表面性状を判定する。図１６は、作成されたヒストグラムに基づいて、研磨パッド２の表面性状を判定する方法を示す図である。図１６に示すように、ヒストグラムに現れるピークＰａの位置、すなわち距離Ｄの数値Ｌａが所定の位置しきい値Ｘａよりも大きいときに、演算システム６５は、研磨パッド２の表面性状を「研磨パッド２の交換時期に達した」と判定する。言い換えれば、演算システム６５は、研磨パッド２が所定の減耗度合いを超えたときに、研磨パッド２の表面性状を「研磨パッド２の交換時期に達した」と判定することができる。
さらに、演算システム６５は、ヒストグラムに現れるピークＰｂの位置、すなわち距離Ｄの数値Ｌｂが所定の位置しきい値Ｘｂよりも小さいときに、研磨パッド２の表面性状を「研磨パッド２の交換時期に達した」と判定する。言い換えれば、演算システム６５は、研磨パッド２の研磨面２ａに形成された凹部２ｂに詰まった研磨屑などが所定の厚みを超えたときに、研磨パッド２の表面性状を「研磨パッド２の交換時期に達した」と判定することができる。
演算システム６５は、ヒストグラムに現れるピークＰａの位置、ピークＰｂの位置のいずれか一方に基づいて研磨パッド２の表面性状を判定してもよい。あるいは、演算システム６５は、ピークＰａの位置が所定の位置しきい値Ｘａよりも大きく、かつピークＰｂの位置が所定の位置しきい値Ｘｂよりも小さいときに、研磨パッド２の表面性状を「研磨パッド２の交換時期に達した」と判定してもよい。
他の実施形態では、演算システム６５は、ヒストグラムに現れるピークの高さに基づいて、研磨パッド２の表面性状を判定する。図１６に示すように、演算システム６５は、ヒストグラムに現れるピークＰａの高さ、すなわち距離Ｄの数値Ｌａの度数Ｆａが所定の高さしきい値Ｙａよりも小さいときに、研磨パッド２の表面性状は「研磨パッド２の交換時期に達した」と判定する。さらに、演算システム６５は、ヒストグラムに現れるピークＰｂの高さ、すなわち距離Ｄの数値Ｌｂの度数Ｆｂが所定の高さしきい値Ｙｂよりも小さいときに、研磨パッド２の表面性状を「研磨パッド２の交換時期に達した」と判定する。これにより、図１５を参照して説明したように、演算システム６５は、研磨パッド２の研磨面２ａの形状が許容レベルを超えて変化したときに、研磨パッド２の表面性状を「研磨パッド２の交換時期に達した」と判定することができる。
演算システム６５は、ヒストグラムに現れるピークＰａの高さ、ピークＰｂの高さのいずれか一方に基づいて研磨パッド２の表面性状を判定してもよい。あるいは、演算システム６５は、ピークＰａの高さが所定の高さしきい値Ｙａよりも小さく、かつピークＰｂの高さが所定の高さしきい値Ｙｂよりも小さいときに、研磨パッド２の表面性状を「研磨パッド２の交換時期に達した」と判定してもよい。
さらに他の実施形態では、演算システム６５は、ピークＰａ，Ｐｂの高さの比率、すなわち距離Ｄの数値Ｌａの度数Ｆａと、距離Ｄの数値Ｌｂの度数Ｆｂの比率Ｆａ／Ｆｂが、所定の比率しきい値よりも大きいとき、または所定の比率しきい値よりも小さいときに、研磨パッド２の表面性状を「研磨パッド２の交換時期に達した」と判定してもよい。演算システム６５は、ピークＰａ，Ｐｂの高さの比率Ｆｂ／Ｆａが所定の比率しきい値よりも大きいとき、または所定の比率しきい値よりも小さいときに、研磨パッド２の表面性状を「研磨パッド２の交換時期に達した」と判定してもよい。
さらに他の実施形態では、演算システム６５は、交換時期に達した過去の研磨パッドの表面性状を表す参照表面データに基づいて作成された参照ヒストグラムを用いて、研磨パッド２の表面性状を判定してもよい。表面データ生成装置４１は、交換時期に達した過去の研磨パッドの表面性状を表す複数の参照形状指標値を含む参照表面データを生成する。演算システム６５は、参照表面データに基づいて、複数の参照形状指標値の分布を示す参照ヒストグラムを作成する。
参照ヒストグラムの具体例としては、研磨レートの低下やディフェクトの増加などの事象から、パッド交換時期に達したと判断された過去の複数の研磨パッドの参照表面データに基づいて生成された複数の参照ヒストグラムであってもよい。複数の参照ヒストグラムは、研磨パッドの減耗により交換時期に達した過去の研磨パッドに基づいて作成された参照ヒストグラムと、研磨パッドの凹部に研磨屑などが詰まったことにより交換時期に達した過去の研磨パッドに基づいて作成された参照ヒストグラムの両方を含んでもよい。研磨パッドの減耗および凹部の目詰まりに起因する研磨パッドの劣化を反映した複数の参照ヒストグラムを使用することで、演算システム６５は、研磨パッド２の表面性状を並列的に判断することができる。一実施形態では、複数の参照ヒストグラムに平均化などの処理を行って生成された１つの参照ヒストグラムを使用してもよい。
参照形状指標値の測定、および複数の参照形状指標値を含む参照表面データの生成は、上述した表面データ生成装置４１による形状指標値の測定、および複数の形状指標値を含む表面データの生成と同様の方法で行われる。作成された参照ヒストグラムは、演算システム６５の記憶装置６５ａに格納される。図１３および図１４を参照して説明したように、研磨パッド２の表面性状の変化には、様々な態様が存在するため、演算システム６５の記憶装置６５ａには、複数の参照ヒストグラムが格納されてもよい。
演算システム６５は、研磨パッド２の表面データに基づいて作成されたヒストグラムの形状と参照ヒストグラムの形状とを比較し、参照ヒストグラムの形状に対するヒストグラムの形状の類似度を算出する。類似度の算出は、例えば、最小二乗法、研磨パッド２の表面データに基づいて作成されたヒストグラムと参照ヒストグラムとの偏差、コサイン類似度、ユークリッド距離を用いる方法などの公知の方法を使用することができる。
図１７（ａ）および図１７（ｂ）は、作成されたヒストグラムの形状と参照ヒストグラムの形状とを比較する方法を示す図である。図１７（ａ）に示す参照ヒストグラムの形状に対するヒストグラムの形状の類似度はＳａであり、図１７（ｂ）に示す参照ヒストグラムの形状に対するヒストグラムの形状の類似度はＳｂである。類似度は、参照ヒストグラムの形状に対するヒストグラムの形状の類似度合いを示す数値であり、０～１００％の割合、１～１０までの数値、あるいは１～５段階などの予め定められた方法で表すことができる。例えば、類似度を０～１００％の割合で表したとき、類似度０％は、参照ヒストグラムに対して全く類似していないことを示し、類似度１００％は、参照ヒストグラムと一致することを示す。
類似度Ｓｂは、類似度Ｓａよりも類似度合いが高いことを示す数値であり、図１７（ａ）に示すヒストグラムの形状よりも図１７（ｂ）に示すヒストグラムの形状の方が、参照ヒストグラムの形状に類似していることを示している。例えば、類似度を０～１００％の割合で表したとき、類似度Ｓａは４０％、類似度Ｓｂは９０％である。
演算システム６５は、算出された類似度に基づいて、研磨パッド２の表面性状を判定する。一実施形態では、演算システム６５は、算出された類似度が所定の類似しきい値よりも大きいときに、研磨パッド２の表面性状を「研磨パッド２の交換時期に達した」と判定する。類似度および類似しきい値は、０～１００％の割合で表してもよい。例えば、演算システム６５は、研磨パッド２の表面データに基づいて作成されたヒストグラムの形状と、交換時期に達した過去の研磨パッドの表面性状を表す参照表面データに基づいて作成された参照ヒストグラムの形状との類似度を算出し、類似度が、所定の類似しきい値９０％よりも大きいときに、研磨パッド２の表面性状を「研磨パッド２の交換時期に達した」と判定してもよい。
本実施形態によれば、ヒストグラムの類似度によって、研磨パッド２の劣化程度を把握することができる。例えば、算出された類似度が５０％であるとき、現在の研磨パッド２の劣化程度が、研磨パッド２の交換時期における劣化程度の半分であると把握することができる。
比較するヒストグラムの形状は、ヒストグラムの全体の形状でもよいし、ヒストグラムのうちの一部の形状であってもよい。例えば、ヒストグラムに現れた特定のピークとその周辺のヒストグラムの形状と、参照ヒストグラムに現れた特定のピークとその周辺のヒストグラムの形状とを比較して、類似度を算出してもよい。
さらに他の実施形態では、演算システム６５は、交換時期に達する前の過去の研磨パッドの表面性状を表す参照表面データに基づいて作成された参照ヒストグラムを用いて、研磨パッド２の表面性状を判定してもよい。表面データ生成装置４１は、交換時期に達する前の過去の研磨パッドの表面性状を表す複数の参照形状指標値を含む参照表面データを生成する。演算システム６５は、参照表面データに基づいて、複数の参照形状指標値の分布を示す参照ヒストグラムを作成する。交換時期に達する前の過去の研磨パッドの表面性状を表す参照表面データに基づいて作成された参照ヒストグラムの具体例としては、研磨レートの低下やディフェクトの増加などの事象から、パッド交換時期に達したと判断される前の過去の複数の研磨パッドの参照表面データに基づいて生成された複数の参照ヒストグラムであってもよい。あるいは、これら複数の参照ヒストグラムに平均化などの処理を行って生成された参照ヒストグラムを使用してもよい。
参照形状指標値の測定、および複数の参照形状指標値を含む参照表面データの生成は、上述した表面データ生成装置４１による形状指標値の測定、および複数の形状指標値を含む表面データの生成と同様の方法で行われる。作成された参照ヒストグラムは、演算システム６５の記憶装置６５ａに格納される。図１３および図１４を参照して説明したように、研磨パッド２の表面性状の変化には、様々な態様が存在するため、演算システム６５の記憶装置６５ａには、複数の参照ヒストグラムが格納されてもよい。
演算システム６５は、研磨パッド２の表面データに基づいて作成されたヒストグラムの形状と参照ヒストグラムの形状とを比較し、参照ヒストグラムの形状に対するヒストグラムの形状の類似度を算出する。作成されたヒストグラムの形状と参照ヒストグラムの形状との比較は、上述した実施形態と同様の方法で行われる。
演算システム６５は、算出された類似度に基づいて、研磨パッド２の表面性状を判定する。一実施形態では、演算システム６５は、算出された類似度が所定の類似しきい値よりも小さいときに、研磨パッド２の表面性状を「研磨パッド２の交換時期に達した」と判定する。類似度および類似しきい値は、０～１００％の割合で表してもよい。例えば、演算システム６５は、研磨パッド２の表面データに基づいて作成されたヒストグラムの形状と、交換時期に達する前の研磨パッドの表面性状を表す参照表面データに基づいて作成された参照ヒストグラムの形状とを比較して類似度を算出し、類似度が所定の類似しきい値９０％よりも小さいときに、研磨パッド２の表面性状を「研磨パッド２の交換時期に達した」と判定してもよい。
さらに他の実施形態では、演算システム６５は、過去の研磨パッドの表面性状を表す複数の過去の表面データに基づいて作成された複数の過去のヒストグラムから、上記過去の研磨パッドが交換時期に達したことを示す予測ヒストグラムを作成し、この予測ヒストグラムを用いて、研磨パッド２の表面性状を判定してもよい。図１８（ａ）乃至図１９（ｂ）は、過去の研磨パッドの表面性状を表す複数の過去の表面データに基づいて作成された複数の過去のヒストグラムから、予測ヒストグラムを作成する方法を示す図である。
図１８（ａ）において、実線で示す過去のヒストグラムＨ１は、使用時間Ｔ１における過去の研磨パッドの表面性状を表す過去の表面データに基づいて作成されたヒストグラムである。破線で示す過去のヒストグラムＨ２は、使用時間Ｔ２における過去の研磨パッドの表面性状を表す過去の表面データに基づいて作成されたヒストグラムである。使用時間Ｔ１，Ｔ２は、いずれも過去の研磨パッドが交換時期に達する前の時間であり、使用時間Ｔ１は、使用時間Ｔ２よりも前の時間である。複数の過去のヒストグラムＨ１，Ｈ２を作成するための過去の表面データ（本実施形態では距離Ｄ）は、ノイズ成分を除去するための前処理として、いくつかの性状指標値を平均化するスムージング処理や、性状指標値を多項式回帰して再プロットする処理を行った表面データであってもよい。
過去のヒストグラムＨ１には、３つの極値点Ｅａ１，Ｅｂ１，Ｅｃ１が現れている。より具体的には、過去のヒストグラムＨ１には、２つの極大点Ｅａ１，Ｅｃ１と１つの極小点Ｅｂ１が現れている。過去のヒストグラムＨ２には、３つの極値点Ｅａ２，Ｅｂ２，Ｅｃ２が現れている。より具体的には、過去のヒストグラムＨ２には、２つの極大点Ｅａ２，Ｅｃ２と１つの極小点Ｅｂ２が現れている。過去のヒストグラムＨ１，Ｈ２にそれぞれ現れる極値点の数は、３つよりも多いこともある。
図１８（ｂ）に示すように、演算システム６５は、これらの極値点Ｅａ１，Ｅｂ１，Ｅｃ１，Ｅａ２，Ｅｂ２，Ｅｃ２を含む範囲内で、過去のヒストグラムＨ１，Ｈ２の一部を抽出してもよい。本実施形態では、演算システム６５は、極値点Ｅａ１，Ｅｂ１，Ｅｃ１，Ｅａ２，Ｅｂ２，Ｅｃ２に対応する距離Ｄの値を含む、距離Ｄ１から距離Ｄ２の範囲内の過去のヒストグラムＨ１，Ｈ２を抽出する。
図１９（ａ）に示すように、演算システム６５は、過去のヒストグラムＨ１の極値点Ｅａ１の座標、および過去のヒストグラムＨ２の極値点Ｅａ２の座標から、回帰式１を求める。過去のヒストグラムＨ１の極値点Ｅａ１の座標は（ｘａ１，ｙａ１）であり、過去のヒストグラムＨ２の極値点Ｅａ２の座標は（ｘａ２，ｙａ２）である。本実施形態では、極値点の数が２つであるため、回帰式１は一次式で求められる。演算システム６５は、過去の研磨パッドがその交換時期に達したと予想される時点での予測極値点ＥａＰを回帰式１から算出する。
具体的には、交換時期と判断すべき程度に過去の研磨パッドが劣化すると予測される予測使用時間ＴＰを予め算出する。使用時間Ｔ１と使用時間Ｔ２の差と、使用時間Ｔ２と予測使用時間ＴＰの差との比に基づいて、極値点Ｅａ１のｘ座標ｘａ１と極値点Ｅａ２のｘ座標ｘａ２の差から、予測極値点ＥａＰのｘ座標ｘａＰを算出する。さらに、算出した予測極値点ＥａＰのｘ座標ｘａＰを回帰式１に代入することで、予測極値点ＥａＰのｙ座標ｙａＰを求めることができる。
演算システム６５は、過去のヒストグラムＨ１の極値点Ｅｂ１の座標、および過去のヒストグラムＨ２の極値点Ｅｂ２の座標から、回帰式２を求める。過去のヒストグラムＨ１の極値点Ｅｂ１の座標は（ｘｂ１，ｙｂ１）であり、過去のヒストグラムＨ２の極値点Ｅｂ２の座標は（ｘｂ２，ｙｂ２）である。本実施形態では、極値点の数が極値点Ｅｂ１，Ｅｂ２の２つであるため、回帰式２は一次式で求められる。上述した予測極値点ＥａＰの座標を求めた方法と同様に、演算システム６５は、回帰式２より、過去の研磨パッドがその交換時期に達したと予想される時点である予測使用時間ＴＰにおける予測極値点ＥｂＰの座標（ｘｂＰ，ｙｂＰ）を算出する。
さらに、演算システム６５は、過去のヒストグラムＨ１の極値点Ｅｃ１の座標、および過去のヒストグラムＨ２の極値点Ｅｃ２の座標から、回帰式３を求める。ここで、過去のヒストグラムＨ１の極値点Ｅｃ１の座標は（ｘｃ１，ｙｃ１）であり、過去のヒストグラムＨ２の極値点Ｅｃ２の座標は（ｘｃ２，ｙｃ２）である。本実施形態では、極値点の数が極値点Ｅｃ１，Ｅｃ２の２つであるため、回帰式３は一次式で求められる。上述した予測極値点ＥａＰの座標を求めた方法と同様に、演算システム６５は、回帰式３より、過去の研磨パッドがその交換時期に達したと予想される時点である予測使用時間ＴＰにおける予測極値点ＥｃＰの座標（ｘｃＰ，ｙｃＰ）を算出する。
図１９（ｂ）に示すように、演算システム６５は、このように算出した複数の予測極値点ＥａＰ，ＥｂＰ，ＥｃＰから、一点鎖線で示す回帰式を求める。本実施形態では、予測極値点の数が予測極値点ＥａＰ，ＥｂＰ，ＥｃＰの３つであるため、この回帰式は二次式で求められる。演算システム６５は、求めた回帰式を、過去の研磨パッドが交換時期に達したことを示す予測ヒストグラムＨＰとして作成する。予測ヒストグラムＨＰは、演算システム６５の記憶装置６５ａに格納される。演算システム６５は、この予測ヒストグラムＨＰを用いて、研磨パッド２の表面性状を判定する。
演算システム６５は、研磨パッド２の表面データに基づいて作成されたヒストグラムの形状と予測ヒストグラムＨＰの形状とを比較し、予測ヒストグラムＨＰの形状に対するヒストグラムの形状の類似度を算出する。作成されたヒストグラムの形状と予測ヒストグラムＨＰの形状との比較は、上述したヒストグラムの形状と参照ヒストグラムの形状との比較と同様の方法で行われる。比較するヒストグラムの形状は、ヒストグラムの全体の形状でもよいし、ヒストグラムのうちの一部の形状であってもよい。例えば、作成されたヒストグラムのうち、距離Ｄ１から距離Ｄ２の範囲内のヒストグラムの形状と、予測ヒストグラムの形状とを比較して、類似度を算出してもよい。
演算システム６５は、算出された類似度に基づいて、研磨パッド２の表面性状を判定する。一実施形態では、演算システム６５は、算出された類似度が所定の類似しきい値よりも大きいときに、研磨パッド２の表面性状を「研磨パッド２の交換時期に達した」と判定する。類似度および類似しきい値は、０～１００％の割合で表してもよい。例えば、演算システム６５は、研磨パッド２の表面データに基づいて作成されたヒストグラムの形状と、予測ヒストグラムの形状とを比較して類似度を算出し、類似度が所定の類似しきい値９０％よりも大きいときに、研磨パッド２の表面性状を「研磨パッド２の交換時期に達した」と判定してもよい。
本実施形態では、演算システム６５は、使用時間Ｔ１，Ｔ２における過去の研磨パッドの表面性状を表す２つの過去の表面データに基づいて作成された２つの過去のヒストグラムから、過去の研磨パッドが交換時期に達したことを示す予測ヒストグラムを作成したが、一実施形態では、演算システム６５は、３つ以上の使用時間における過去の研磨パッドの表面性状を表す３つ以上の過去の表面データに基づいて作成された３つ以上の過去のヒストグラムから、過去の研磨パッドが交換時期に達したことを示す予測ヒストグラムを作成してもよい。この場合、予測ヒストグラムを作成するために求める回帰式は、過去のヒストグラムの数に応じた多項式であってもよい。
本実施形態では、演算システム６５は、予測使用時間ＴＰにおける１つの予測ヒストグラムＨＰを用いて、研磨パッド２の表面性状を判定したが、一実施形態では、演算システム６５は、過去の研磨パッドがその交換時期に達したと予想される時点である複数の予測使用時間での複数の予測ヒストグラムを用いて、研磨パッド２の表面性状を判定してもよい。
次に、機械学習により構築された学習済みモデル６７を用いて研磨パッド２の表面性状を判定する方法について説明する。本実施形態では、図５に示すように、演算システム６５は、記憶装置６５ａに格納された学習済みモデル６７を有している。学習済みモデル６７は、機械学習により構築される。機械学習の例としては、ＳＶＲ法（サポートベクター回帰法）、ＰＬＳ法（部分最小二乗法：Partial Least Squares）、ディープラーニング法（深層学習法）、ランダムフォレスト法、および決定木法などが挙げられる。一例では、学習済みモデル６７は、ディープラーニング法によって構築されたニューラルネットワークから構成されている。
本実施形態では、学習済みモデル６７の構築に用いられる訓練データは、学習用ヒストグラムの形状を含み、さらに正解ラベルである学習用ヒストグラムに対応する劣化度を含む。劣化度は、研磨パッド２の劣化度合いを示す数値であり、０～１００％の割合、１～１０までの数値、あるいは１～５段階などの予め定められた方法で表すことができる。例えば、劣化度を０～１００％の割合で表したとき、劣化度０％は、研磨パッド２が新品の状態を示し、劣化度１００％は、研磨パッド２が交換時期に達した状態を示す。
図２０は、ディープラーニング法を用いて構築された学習済みモデル６７の一例を示す模式図である。学習済みモデル６７は、入力層１０１と、複数の隠れ層（中間層ともいう）１０２と、出力層１０３を有している。図２０に示す学習済みモデル６７は、４つの隠れ層１０２を有しているが、学習済みモデル６７の構成は図２０に示す実施形態に限られない。
ディープラーニングを用いた学習済みモデル６７の構築は、次のようにして行われる。図２０に示す入力層１０１に、学習用ヒストグラムの形状が入力される。学習用ヒストグラムは、学習用研磨パッドの表面性状を示す学習用表面データに基づいて作成されたヒストグラムである。表面データ生成装置４１は、学習用研磨パッドの表面性状を表す複数の学習用形状指標値を含む学習用表面データを生成する。演算システム６５は、学習用表面データに基づいて、複数の学習用形状指標値の分布を示す学習用ヒストグラムを作成する。
学習用形状指標値の測定、および複数の学習用形状指標値を含む学習用表面データの生成は、上述した表面データ生成装置４１による形状指標値の測定、および複数の形状指標値を含む表面データの生成と同様の方法で行われる。
学習済みモデル６７は、入力層１０１にヒストグラムの形状が入力されると、出力層１０３からヒストグラムに対応する研磨パッドの劣化度が出力されるように構成されている。学習済みモデル６７を構築するための機械学習では、演算システム６５は、出力層１０３から出力された劣化度と、学習用ヒストグラムに対応する研磨パッドの劣化度（正解ラベル）とを比較し、その誤差を最小とするように各ノード（ニューロン）のパラメータ（重みやしきい値など）を調整する。これにより、学習済みモデル６７は、入力層１０１に入力されたヒストグラムに基づいて、出力層１０３から適切な劣化度を出力するように学習される。
複数の学習用研磨パッドの表面性状を示す学習用表面データに基づいて作成された複数の学習用ヒストグラムを用いて上記学習を繰り返すことにより、学習済みモデル６７が構築される。機械学習による学習済みモデル６７は、基本的に経験したことのない入力データに対する予測精度が低くなる。したがって、異なる態様で表面性状が変化する多数の学習用研磨パッドの学習用表面データに基づいて作成された多数の学習用ヒストグラムを用いることにより、学習済みモデル６７から出力される劣化度の精度を高めることができる。
学習済みモデル６７を用いた研磨パッド２の表面性状の判定は、次のように行われる。表面データ生成装置４１は、研磨パッド２の表面性状を示す複数の形状指標値を含む表面データを生成する。演算システム６５は、生成された表面データに基づいて、複数の形状指標値の分布を示すヒストグラムを作成する。演算システム６５は、作成したヒストグラムの形状を、機械学習により構築された学習済みモデル６７の入力層１０１に入力する。
演算システム６５は、学習済みモデル６７の入力層１０１に入力されたヒストグラムの形状を用いて、学習済みモデル６７によって規定されるアルゴリズムに従って演算を実行し、学習済みモデル６７の出力層１０３からヒストグラムに対応する劣化度を出力することにより、研磨パッド２の表面性状を判定する。一実施形態では、演算システム６５は、出力された劣化度が所定の劣化しきい値よりも大きいときに、研磨パッド２の表面性状を「研磨パッド２の交換時期に達した」と判定する。例えば、演算システム６５は、劣化度を０～１００％の割合で表し、算出された劣化度が所定の劣化しきい値９０％よりも大きいときに、研磨パッド２の表面性状を「研磨パッド２の交換時期に達した」と判定してもよい。
本実施形態によれば、出力された劣化度によって、研磨パッド２の劣化程度を把握することができる。例えば、出力された劣化度が５０％であるとき、現在の研磨パッド２の劣化程度が、研磨パッド２の交換時期における劣化程度の半分であると把握することができる。
演算システム６５は、上述した各実施形態において、研磨パッド２の表面性状が「研磨パッド２の交換時期に達した」と判定されたときに、警報を発して研磨パッド２の交換を促してもよい。このようにして、表面性状判定システム４０は、研磨パッド２の表面性状を適切に判定することができる。
一実施形態では、演算システム６５は、上述した各実施形態において、研磨パッド２の使用時間が所定の時間を超えたとき、または研磨された基板Ｗの枚数が所定の数を超えたときであって、かつ研磨パッド２の表面性状が「研磨パッド２の交換時期に達した」と未だ判定されていないときに、警報を発して研磨パッド２の交換を促してもよい。
一実施形態では、演算システム６５は、上述した各実施形態を組み合わせて、研磨パッド２の表面性状を判定してもよい。例えば、演算システム６５は、交換時期に達した過去の研磨パッドの参照ヒストグラムに対する類似度を用いた研磨パッド２の表面性状の判定と、研磨パッドが交換時期に達したことを示す予測ヒストグラムに対する類似度を用いた研磨パッド２の表面性状の判定の、どちらか一方が「研磨パッド２の交換時期に達した」ことを示しているときに、研磨パッド２の表面性状が「研磨パッド２の交換時期に達した」と判定してもよい。あるいは、演算システム６５は、交換時期に達した過去の研磨パッドの参照ヒストグラムに対する類似度を用いた研磨パッド２の表面性状の判定と、研磨パッドが交換時期に達したことを示す予測ヒストグラムに対する類似度を用いた研磨パッド２の表面性状の判定の両方が「研磨パッド２の交換時期に達した」ことを示しているときに、研磨パッド２の表面性状が「研磨パッド２の交換時期に達した」と判定してもよい。
図２１は、表面性状判定システム４０の他の実施形態に係る複数の測定領域ＭＲ１～ＭＲ６を示す図である。本実施形態の表面性状判定システム４０は、研磨パッド２の研磨面２ａ上に位置する複数の測定領域ＭＲ１～ＭＲ６において、形状指標値の測定値を取得する。複数の測定領域ＭＲ１～ＭＲ６は、研磨パッド２の半径方向に沿って配列されている。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、上述した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態では、測定領域の数は６つであるが、測定領域の数は本実施形態に限られず、５つ以下、あるいは７つ以上であってもよい。
複数の測定領域ＭＲ１～ＭＲ６は、研磨パッド２の回転中心Ｏを中心として、研磨パッド２の半径方向に沿って配列された、同心円状の複数の領域である。一例では、複数の測定領域ＭＲ１～ＭＲ６は、研磨パッド２の半径方向に沿って等間隔に配列されてもよい。測定領域ＭＲ１～ＭＲ６のそれぞれは、環状の領域である。測定ヘッド４２は、複数の測定領域ＭＲ１～ＭＲ６のそれぞれにおいて、所定の時間毎（例えば５ミリ秒毎）に、回転する研磨パッド２の研磨面２ａに光を照射し、研磨面２ａからの反射光に基づいて、複数の測定領域ＭＲ１～ＭＲ６上のそれぞれの複数の測定点ＭＲにおける形状指標値を連続的に測定する。本実施形態では、形状指標値は、研磨パッド２の研磨面２ａまでの距離Ｄである。測定ヘッド４２は、上述した測定ヘッド移動機構４７により、各測定領域間を移動して、複数の測定領域ＭＲ１～ＭＲ６における形状指標値を測定する。
表面データ生成装置４１は、複数の測定領域ＭＲ１～ＭＲ６のそれぞれについて、測定ヘッド４２により測定された複数の形状指標値を含む領域表面データを生成する。生成された測定領域ＭＲ１～ＭＲ６に対応する複数の領域表面データは、演算システム６５に送られる。演算システム６５は、表面データ生成装置４１から送られた複数の領域表面データに基づいて、各領域表面データの複数の形状指標値の分布を示すヒストグラムを作成する。すなわち、演算システム６５は、複数の測定領域ＭＲ１～ＭＲ６に対応する複数のヒストグラムを作成する。本実施形態では、６つのヒストグラムが作成される。
図２２は、複数の測定領域ＭＲ１～ＭＲ６の領域表面データに基づいて生成された複数のヒストグラムの一例を示す図である。図２２の例では、測定領域ＭＲ１～ＭＲ５の５つのヒストグラムの形状は、ほぼ同じであり、実線で示す１つのヒストグラムで表している。破線で示す測定領域ＭＲ６のヒストグラムは、測定領域ＭＲ１～ＭＲ５のヒストグラムよりも、ピークＰａの位置、すなわち距離Ｄの数値Ｌａが大きい。これは、図１０（ａ）を参照して説明したように、研磨パッド２の研磨面２ａの面内において、測定領域ＭＲ６の方が測定領域ＭＲ１～ＭＲ５よりも減耗していることを示している。
演算システム６５は、複数の測定領域ＭＲ１～ＭＲ６に対応する複数のヒストグラムに基づいて、研磨パッド２の複数の測定領域ＭＲ１～ＭＲ６の表面性状を判定する。研磨パッド２の表面性状の判定は、研磨パッド２の複数の測定領域ＭＲ１～ＭＲ６における、相対的な表面性状を判定することを含む。本実施形態では、演算システム６５は、「測定領域ＭＲ６は、測定領域ＭＲ１～ＭＲ５よりも減耗度合いが大きい」と判定する。
研磨パッド２の複数の測定領域ＭＲ１～ＭＲ６の表面性状の判定結果は、ドレッサ２０によるドレッシング条件に反映させるために用いられてもよい。例えば、演算システム６５による、「測定領域ＭＲ６は測定領域ＭＲ１～ＭＲ５よりも減耗度合いが大きい」との判定結果に基づいて、複数の測定領域ＭＲ１～ＭＲ６における表面性状が均一となるように、ドレッシング条件が決定される。ドレッシング条件は、例えば、ドレッシング時間、ドレッシング圧力などを含む。このドレッシング条件の決定は、作業者により行われてもよいし、研磨制御部６０により行われてもよい。研磨制御部６０によって行われる場合、演算システム６５は、複数の測定領域ＭＲ１～ＭＲ６の表面性状の判定結果を研磨制御部６０に送る。研磨制御部６０は、ドレッサ２０に指令を発して、決定したドレッシング条件で研磨パッド２の研磨面２ａをドレッシングさせる。
演算システム６５は、複数の測定領域ＭＲ１～ＭＲ６に対応する複数のヒストグラムのピークＰａの位置、すなわち距離Ｄの数値Ｌａに基づいて、各測定領域ＭＲ１～ＭＲ６の表面性状の劣化度合いを示す領域劣化度を算出して、研磨パッド２の複数の測定領域ＭＲ１～ＭＲ６における表面性状を判定してもよい。領域劣化度は、０～１００％の割合、１～１０までの数値、あるいは１～５段階などの予め定められた方法で表すことができる。例えば、領域劣化度を０～１００％の割合で表したとき、演算システム６５は、測定領域ＭＲ１～ＭＲ５の領域劣化度を１０％、測定領域ＭＲ６の領域劣化度を３０％と算出して、研磨パッド２の複数の測定領域ＭＲ１～ＭＲ６の表面性状を判定する。研磨制御部６０は、測定領域ＭＲ１～ＭＲ６の領域劣化度に基づいてドレッシング条件を決定することにより、複数の測定領域ＭＲ１～ＭＲ６における表面性状を精度よく均一にすることができる。
本実施形態では、演算システム６５は、複数の測定領域ＭＲ１～ＭＲ６に対応する複数のヒストグラムのピーク位置に基づいて、研磨パッド２の複数の測定領域ＭＲ１～ＭＲ６における表面性状を判定したが、一実施形態では、演算システム６５は、複数の測定領域ＭＲ１～ＭＲ６に対応する複数のヒストグラムのピーク高さ、交換時期に達した過去の研磨パッドの表面性状を表す参照表面データに基づいて作成された参照ヒストグラムに対する類似度、過去の研磨パッドが交換時期に達したことを示す予測ヒストグラムに対する類似度、および機械学習により構築された学習済みモデル６７のいずれか１つ、またはそれらの組み合わせを用いて、研磨パッド２の複数の測定領域ＭＲ１～ＭＲ６における表面性状を判定してもよい。
これまで説明した実施形態の表面データ生成装置４１は、測定ヘッド４２として距離センサを備え、測定ヘッド４２の下端から研磨パッド２の研磨面２ａまでの距離Ｄを形状指標値として測定するように構成されているが、表面データ生成装置４１の構成はこれに限られない。図２３は、表面データ生成装置４１の他の実施形態を示す模式図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、上述した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。
図２３に示す表面データ生成装置４１は、光源８０ａおよび受光部８０ｂを有する測定ヘッド８０と、データ処理部８１を備えている。測定ヘッド８０は、対象物の表面形状を測定する形状測定センサである。一例として、測定ヘッド８０は、非接触型のレーザ変位センサであり、市販の２次元プロファイル測定器などを使用することができる。図２３に示すように、測定ヘッド８０は、光源８０ａから研磨パッド２の研磨面２ａにライン光（ライン状レーザ光）を照射し、研磨面２ａからの反射光を受光部８０ｂで受ける。測定ヘッド８０は、反射光に基づいて測定ラインＭＬにおける研磨パッド２の表面形状を測定する。
図２４（ａ）は、図２３に示す表面データ生成装置４１で研磨パッド２の表面形状を測定している様子を示す模式図である。図２４（ｂ）は、図２４（ａ）に示す研磨パッド２の表面形状の測定結果を示す図である。図２４（ａ）は、測定ヘッド８０を正面から見た図である。光源８０ａから照射されたライン光は、研磨パッド２の研磨面２ａの表面形状に沿って研磨面２ａから反射する。表面データ生成装置４１は、ライン光の幅に相当する測定ラインＭＬにおける研磨パッド２の表面形状を測定することができる。
表面データ生成装置４１は、研磨パッド２の表面性状を表す形状指標値として、図２４（ｂ）のクロスハッチングで示す凹部２ｂの面積Ａを測定するように構成されている。測定ヘッド８０は、データ処理部８１に連結されている。測定ヘッド８０による測定値は、データ処理部８１に送られる。データ処理部８１は、予め設定された基準線までの凹部２ｂの面積Ａを算出する。基準線は、例えば、研磨パッド２の研磨面２ａと同じ高さにある線である。図７を参照して説明した実施形態と同様に、測定ヘッド８０は、所定の時間毎（例えば５ミリ秒毎）に、回転する研磨パッド２の研磨面２ａにライン光を照射し、研磨面２ａからの反射光に基づいて、研磨パッド２の研磨面２ａに形成された凹部２ｂの面積Ａを測定する。
測定ヘッド８０は、所定の時間、複数の測定ラインＭＬにおける研磨面２ａに形成された凹部２ｂの面積Ａを連続的に測定する。一実施形態では、１回の連続的な測定において、複数の測定ラインＭＬのそれぞれにおける面積Ａの測定値が複数取得されてもよい。１回の連続的な測定は、基板Ｗを１枚研磨する毎に行われてもよいし、所定の枚数の基板Ｗを研磨する毎に行われてもよい。
図２５は、複数の測定ラインＭＬで測定された面積Ａと測定時間Ｔの関係を示すグラフである。図２５において、縦軸は面積Ａを表し、横軸は測定時間Ｔを表す。図２５に示すグラフは、１回の連続的な測定において、研磨パッド２を回転させて、測定ヘッド８０により研磨面２ａ上の複数の測定ラインＭＬを測定して得られたものである。測定時の研磨パッド２は、減耗していない使用初期の状態である。図２６は、複数の測定ラインＭＬで測定された面積Ａと研磨パッド使用時間Ｕの関係を示すグラフである。図２６では、研磨パッド２の使用初期から終期にかけて実行された複数回の連続的な測定で得られた面積Ａの測定値がプロットされている。図２６に示すグラフは、複数回の連続的な測定のそれぞれで得られた測定値の平均値Ａｖと研磨パッド使用時間Ｕとの関係をプロットしたものであってもよい。図２６において、縦軸は面積Ａを表し、横軸は研磨パッド使用時間Ｕを表す。面積Ａの測定値は、研磨パッド使用時間Ｕの経過とともに変化する。
図２６に示すように、複数の面積Ａの測定値の平均値Ａｖは、研磨パッド２の使用時間の経過とともに小さくなる。これは、図１０（ａ）に示すように、研磨パッド２が減耗して研磨面２ａに形成された凹部２ｂの面積Ａが小さくなったこと、または図１０（ｂ）に示すように、凹部２ｂに研磨屑などが詰まって面積Ａが小さくなったことを示している。したがって、面積Ａの測定値の変化から研磨パッド２の減耗の程度、または凹部２ｂの詰まり具合を推定することができる。
図２３に示すように、表面データ生成装置４１のデータ処理部８１は、演算システム６５に連結されている。表面データ生成装置４１は、測定ヘッド８０により測定され、データ処理部８１により算出された複数の形状指標値を含む表面データを生成する。生成された表面データは、演算システム６５に送られる。演算システム６５は、表面データ生成装置４１から送られた表面データに基づいて、複数の形状指標値の分布を示すヒストグラムを作成する。本実施形態では、演算システム６５は、複数の面積Ａの測定値の分布を示すヒストグラムを作成する。
図２７は、研磨パッド２の使用時間の経過とともに変化するヒストグラムの一例を示す図である。図２７において、縦軸は度数を表し、横軸は面積Ａを表す。度数は、面積Ａの各測定値のデータ数に相当する。演算システム６５は、１回の連続的な測定で得られた研磨パッド２の形状指標値である面積Ａの測定値の分布を示すヒストグラムを作成する。図２７の３つのヒストグラムは、それぞれ１回の連続的な測定で得られた研磨パッド２の形状指標値である面積Ａの測定値の分布を示している。実線で示すヒストグラムは、研磨パッド２の使用初期に取得された面積Ａの測定値の分布を示している。破線で示すヒストグラムは、研磨パッド２の使用中期に取得された面積Ａの測定値の分布を示している。一点鎖線で示すヒストグラムは、研磨パッド２の使用終期に取得された面積Ａの測定値の分布を示している。
図２７の使用初期、使用中期、および使用終期のヒストグラムには、いずれも１つのピークが現れている。それぞれのヒストグラムに現れたピークＰｃの位置は研磨パッド２の使用時間の経過とともに移動している。ピークＰｃの位置、すなわち面積Ａの数値Ｌｃは、研磨パッド２の使用時間の経過とともに小さくなっている。これは、図１０（ａ）および図１０（ｂ）を参照して説明したように、研磨パッド２の使用時間の経過とともに、研磨パッド２が減耗したこと、または研磨面２ａに形成された凹部２ｂに詰まった研磨屑の量が増したことを示している。
演算システム６５は、このようにして作成されたヒストグラムに基づいて、上述した実施形態と同様に、所定の位置しきい値、所定の高さしきい値、交換時期に達した過去の研磨パッドの表面性状を表す参照表面データに基づいて作成された参照ヒストグラムに対する類似度、過去の研磨パッドが交換時期に達したことを示す予測ヒストグラムに対する類似度、および機械学習により構築された学習済みモデル６７のいずれか１つ、またはそれらの組み合わせを用いて、研磨パッド２の表面性状を判定する。
一実施形態では、表面性状判定システム４０は、複数の表面データ生成装置４１を備えてもよい。この複数の表面データ生成装置４１は、同じタイプの複数の測定ヘッド８０を有してもよいし、あるいは図５を参照して説明した測定ヘッド４２を有する表面データ生成装置４１と、図２３を参照して説明した測定ヘッド８０を有する表面データ生成装置４１との組み合わせであってもよい。複数の表面データ生成装置４１は、異なる測定スポット径で測定する複数の測定ヘッド４２を含んでもよいし、異なるライン光の幅で測定する複数の測定ヘッド８０を含んでもよい。
表面データ生成装置４１による研磨パッド２の形状指標値の測定は、上述したように、研磨パッド２を回転させた状態で行われてもよいし、研磨パッド２の回転を停止させた状態で行われてもよい。
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
１ 研磨ヘッド
２ 研磨パッド
３ 研磨テーブル
５ 研磨液供給ノズル
６ テーブルモータ
１０ 研磨ヘッドシャフト
１４ 研磨ヘッド揺動シャフト
１６ 研磨ヘッド揺動アーム
２０ ドレッサ
２２ ドレッシングディスク
２４ ドレッサシャフト
２５ サポートブロック
２９ ドレッサ揺動アーム
３０ ドレッサ揺動シャフト
３２ パッド高さ測定装置
４０ 表面性状判定システム
４１ 表面データ生成装置
４２ 測定ヘッド
４４ カバー部材
４５ 透明液供給ライン
４７ 測定ヘッド移動機構
４８ 測定ヘッドアーム
４９ アクチュエータ
５５ 透明液吸込ライン
６０ 研磨制御部
６５ 演算システム
６７ 学習済みモデル
８０ 測定ヘッド
８１ データ処理部
１０１ 入力層
１０２ 隠れ層（中間層）
１０３ 出力層

Claims (22)

  1. 研磨パッドを研磨テーブルで支持した状態で、前記研磨テーブルを前記研磨パッドとともに回転させ、
    表面データ生成装置により、前記研磨パッドの表面性状を表す複数の形状指標値を含む表面データを生成し、
    前記表面データに基づいて、前記複数の形状指標値の分布を示すヒストグラムを作成し、
    前記ヒストグラムに基づいて前記研磨パッドの表面性状を判定する、表面性状判定方法。
  2. 前記研磨パッドの表面性状の判定は、前記ヒストグラムに現れるピークの位置に基づいて行う、請求項１に記載の表面性状判定方法。
  3. 前記研磨パッドの表面性状の判定は、前記ヒストグラムに現れるピークの高さに基づいて行う、請求項１に記載の表面性状判定方法。
  4. 交換時期に達した過去の研磨パッドの表面性状を表す複数の参照形状指標値を含む参照表面データを生成し、
    前記参照表面データに基づいて、前記複数の参照形状指標値の分布を示す参照ヒストグラムを作成することをさらに含み、
    前記研磨パッドの表面性状の判定は、前記参照ヒストグラムの形状に対する前記ヒストグラムの形状の類似度に基づいて行う、請求項１に記載の表面性状判定方法。
  5. 交換時期に達する前の過去の研磨パッドの表面性状を表す複数の参照形状指標値を含む参照表面データを生成し、
    前記参照表面データに基づいて、前記複数の参照形状指標値の分布を示す参照ヒストグラムを作成することをさらに含み、
    前記ヒストグラムに基づいて前記研磨パッドの表面性状を判定することは、前記参照ヒストグラムの形状に対する前記ヒストグラムの形状の類似度を算出し、前記類似度に基づいて、前記研磨パッドの表面性状を判定することである、請求項１に記載の表面性状判定方法。
  6. 複数の使用時間における過去の研磨パッドの表面性状を表す複数の過去の形状指標値を含む複数の過去の表面データを生成し、
    前記複数の過去の表面データに基づいて、前記複数の過去の形状指標値の分布を示す複数の過去のヒストグラムを作成し、
    前記複数の過去のヒストグラムから、前記過去の研磨パッドが交換時期に達したことを示す予測ヒストグラムを作成することをさらに含み、
    前記ヒストグラムに基づいて前記研磨パッドの表面性状を判定することは、前記予測ヒストグラムの形状に対する前記ヒストグラムの形状の類似度を算出し、前記類似度に基づいて、前記研磨パッドの表面性状を判定することである、請求項１に記載の表面性状判定方法。
  7. 前記研磨パッドの表面性状の判定は、前記研磨パッドの交換時期に達したか否かを判定することを含む、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の表面性状判定方法。
  8. 前記研磨パッドの交換時期に達したときに、警報を発することをさらに含む、請求項７に記載の表面性状判定方法。
  9. 前記研磨パッドの表面性状の判定は、前記ヒストグラムの形状を機械学習により構築された学習済みモデルに入力し、前記学習済みモデルから劣化度を出力することにより行う、請求項１に記載の表面性状判定方法。
  10. 前記表面データを作成することは、前記表面データ生成装置により、前記研磨パッドの複数の測定領域の表面性状を表す複数の形状指標値を含む複数の領域表面データを生成することであり、前記複数の測定領域は、前記研磨パッドの半径方向に沿って配列されており、
    前記ヒストグラムを作成することは、前記複数の領域表面データに基づいて、前記複数の測定領域に対応する複数のヒストグラムを作成することであり、
    前記研磨パッドの表面性状を判定することは、前記複数のヒストグラムに基づいて、前記複数の測定領域の表面性状を判定することである、請求項１に記載の表面性状判定方法。
  11. 前記表面データ生成装置は、距離センサまたは形状測定センサを備えている、請求項１に記載の表面性状判定方法。
  12. 回転する研磨パッドの表面性状を表す複数の形状指標値を含む表面データを生成する表面データ生成装置と、
    前記表面データに基づいて、前記複数の形状指標値の分布を示すヒストグラムを作成し、前記ヒストグラムに基づいて前記研磨パッドの表面性状を判定するように構成された演算システムを備えた、表面性状判定システム。
  13. 前記演算システムは、前記ヒストグラムに現れるピークの位置に基づいて、前記研磨パッドの表面性状を判定するように構成されている、請求項１２に記載の表面性状判定システム。
  14. 前記演算システムは、前記ヒストグラムに現れるピークの高さに基づいて、前記研磨パッドの表面性状を判定するように構成されている、請求項１２に記載の表面性状判定システム。
  15. 前記演算システムは、交換時期に達した過去の研磨パッドの表面性状を表す複数の参照形状指標値を含む参照表面データを生成し、前記参照表面データに基づいて、前記複数の参照形状指標値の分布を示す参照ヒストグラムを作成し、前記参照ヒストグラムの形状に対する前記ヒストグラムの形状の類似度に基づいて、前記研磨パッドの表面性状を判定するように構成されている、請求項１２に記載の表面性状判定システム。
  16. 前記演算システムは、交換時期に達する前の過去の研磨パッドの表面性状を表す複数の参照形状指標値を含む参照表面データを生成し、前記参照表面データに基づいて、前記複数の参照形状指標値の分布を示す参照ヒストグラムを作成し、前記参照ヒストグラムの形状に対する前記ヒストグラムの形状の類似度を算出し、前記類似度に基づいて、前記研磨パッドの表面性状を判定するように構成されている、請求項１２に記載の表面性状判定システム。
  17. 前記演算システムは、複数の使用時間における過去の研磨パッドの表面性状を表す複数の過去の形状指標値を含む複数の過去の表面データを生成し、前記複数の過去の表面データに基づいて、前記複数の過去の形状指標値の分布を示す複数の過去のヒストグラムを作成し、前記複数の過去のヒストグラムから、前記過去の研磨パッドが交換時期に達したことを示す予測ヒストグラムを作成し、前記予測ヒストグラムの形状に対する前記ヒストグラムの形状の類似度を算出し、前記類似度に基づいて、前記研磨パッドの表面性状を判定するように構成されている、請求項１２に記載の表面性状判定システム。
  18. 前記演算システムは、前記研磨パッドの交換時期に達したか否かを判定するように構成されている、請求項１２乃至１７のいずれか一項に記載の表面性状判定システム。
  19. 前記演算システムは、前記研磨パッドの交換時期に達したときに、警報を発するように構成されている、請求項１８に記載の表面性状判定システム。
  20. 前記演算システムは、機械学習により構築された学習済みモデルを有しており、
    前記演算システムは、前記ヒストグラムの形状を学習済みモデルに入力し、前記学習済みモデルから劣化度を出力することにより、前記研磨パッドの表面性状を判定するように構成されている、請求項１２に記載の表面性状判定システム。
  21. 前記表面データ生成装置は、前記研磨パッドの複数の測定領域の表面性状を表す複数の形状指標値を含む複数の領域表面データを生成するように構成されており、前記複数の測定領域は、前記研磨パッドの半径方向に沿って配列されており、
    前記演算システムは、前記複数の領域表面データに基づいて、前記複数の測定領域に対応する複数のヒストグラムを作成し、前記複数のヒストグラムに基づいて、前記研磨パッドの前記複数の測定領域の表面性状を判定するように構成されている、請求項１２に記載の表面性状判定システム。
  22. 前記表面データ生成装置は、距離センサまたは形状測定センサを備えている、請求項１２に記載の表面性状判定システム。
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