JP4689367B2 - 研磨プロファイル又は研磨量の予測方法、研磨方法及び研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体デバイス製造工程においてウエハ等の研磨対象物に形成された配線材料や絶縁膜の表面を平坦に研磨する研磨工程において、研磨プロファイル又は研磨量を予測し制御する方法、及び該方法を用いて研磨を行う研磨方法及び研磨装置に関する。

半導体デバイス製造工程において、基板上に積層された配線材料や絶縁膜の表面を平坦に研磨するＣＭＰ工程では、製造ラインで運用する研磨条件は予め最適化され、最適化された条件で、研磨部材の消耗度が限度に達するまで、同一条件で研磨処理される。しかしながら、研磨部材が消耗していく過程で、基板上の配線材料や絶縁膜の研磨後の表面形状（これを研磨プロファイルという）は、研磨部材の消耗度に合わせ経時的に変化していく。一般的に、研磨部材の交換時期は、これら経時変化がデバイスの性能に影響を与える前に設定される。

近年の半導体デバイスは微細化が進み、配線が多層に積層されてデバイスの処理速度の高速化がなされている。その中で、配線メタルや絶縁膜の研磨後の表面形状、即ち研磨プロファイルは一層精度の高い平坦度が求められる。つまり、許容される研磨プロファイルの経時変化は、配線の微細化や多層化の進んだデバイスにおいては一層狭められることになり、消耗した研磨部材の交換頻度も高くなる。しかしながら、ＣＭＰで使用される消耗部材は、一般に非常に高価であり、消耗部材の交換頻度が高くなるとデバイスのコストに大きな影響を与える。

従来から、ＣＭＰ工程において、ウエハの研磨前と研磨後で膜厚測定を行い、その測定結果から次に研磨するウエハの研磨条件を設定する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この技術では、測定結果を基に単位面圧当たりの研磨レートを表す研磨係数を１枚のウエハ内で分布を持たない平均値として求め、次に研磨するウエハに対して所望の平均研磨量が得られるような研磨時間と研磨圧力を設定する。これは、研磨係数が研磨状態（消耗部材の消耗度やスラリーの状態、温度などを含む）によって変化するため、測定結果を使って、随時、研磨係数を更新して研磨時間と研磨圧力を設定更新することが必要となるからである。しかしながら、現在では、研磨の終点を検知する技術が十分発達しており、研磨状態が変化しても所望の膜厚となったところで自動的に研磨を終了することが可能になっているので、上記のような処理は不要である。

更に、この技術では、所望の平均研磨量が得られる様に研磨時間と研磨圧力を更新するだけなので、研磨部材の消耗による研磨プロファイルの経時変化を修正することは不可能である。

また、ＣＭＰ工程において、研磨中に残膜をモニタリングすることで、研磨中の残膜の厚さを計算し、残膜の平坦度を高めるように各圧力チャンバの圧力を変えることにより、スラリーや研磨パッドの経時変化による研磨プロファイルの経時変化を補正する技術も公知である（例えば、特許文献２参照）。この技術が対象とするウエハ研磨工程アプリケーションは、光学式のセンサーによって膜厚を計測するアプリケーションであり、光学式センサーのスポット径の大きさや研磨テーブルの回転速度によって測定可能な測定点数が限定される。このため、研磨後の残膜を平坦にするために変化させるチャンバ圧の設定に対して十分な情報が得られないという問題がある。また、研磨レートの高いアプリケーションでは、残膜の厚さ測定から補正値のフィードバックまでの応答時間が研磨終了までの時間に対して大きくなることがあり、制御が残膜を平坦にするように収束しないうちに研磨を終了することもあるという問題もある。

特表２００１−５０１５４５号公報 特開２００１−６０５７２号公報

本発明は、上記の課題に鑑みて提案されたものであり、本発明の目的は、半導体デバイス製造工程で基板上に積層された配線材料や絶縁膜の表面を平坦に研磨する研磨工程において、研磨部材の消耗度によって経時的に変化する研磨プロファイルからのデータに基づいて、研磨部材の状態に合わせて自動的に研磨条件を再設定することにより、研磨部材の延命化を図るとともに、一層精度の高い平坦性を得ることのできる研磨方法及びそのための装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明に係る研磨装置は、ウエハ等の研磨対象物を研磨するために研磨対象物を保持しつつ回転させるとともに研磨対象物に対して圧力を与えて研磨部材に押し付けるトップリングを備えている。トップリングは、研磨対象物に対し、同心円状に区切られたエリアごとに圧力を任意に設定することができるので、研磨対象物と研磨部材との間の押圧力を制御することができる。したがって、研磨対象物の研磨形状が平坦にならない場合、例えば研磨量が不足している部分には、必要な研磨量分の押圧力を更に加えることが可能となり、平坦精度の高い研磨性能を得ることができる。

トップリングの各エリア内の圧力は、通常、研磨対象物に形成された配線メタルまたは層間絶縁膜の研磨後の表面が平坦になるように設定される。従来、この圧力設定は、エンジニアの経験則に従って行われるケースが多く、研磨対象物の表面を平坦に研磨するための条件を作るまでに数枚の研磨対象物を研磨して調整しなければならなかった。

そこで、本発明では、上記の構造のトップリングにおける各エリアの圧力設定条件を入力することにより、研磨対象物の研磨プロファイルを予測し算出する第一のシミュレーション・ツールを利用する。この第一のシミュレーション・ツールによるシミュレーション結果は、実際の研磨プロファイルと比較して１〜５％の誤差でしかないことが判明した。本発明により、圧力設定の調整段階で使用していた研磨対象物の無駄を省くことができ、また、シミュレーションにより極めて短時間に研磨プロファイルを予測することができるので、圧力設定の調整に要する時間も短縮できる。

この第一のシミュレーション・ツールは、比較的少数の測定点での残膜形状（もしくは研磨形状）の測定結果から求めることができる研磨係数（研磨パッドやスラリーによる影響を含んだ係数）を更新するだけで、その測定点以外の多数の点の研磨後の残膜厚を予測することができるので、スラリーや研磨パッド等の研磨部材の変化による影響を容易に補正でき、補正後の設定された研磨条件における研磨プロファイルを予測することが可能である。研磨係数の更新が、第一のシミュレーション・ツールに使う研磨条件設定値に近いところで研磨された結果を用いて行われている場合には、誤差は１〜３％程度にまで低減できる。実際の半導体生産ラインで連続的に研磨されている場合には、連続した研磨対象物間での研磨条件設定値に大きな差が無いため、より精度の高いシミュレーションを行うことができる。研磨形状の測定点が比較的少数の場合には、この測定点を滑らかに補間した曲線を用いて研磨係数を算出すればより望ましい。

本発明は、ウエハ面上の膜形状を所望の膜厚とすることで所望の研磨プロファイルをも得るようにする。そのために、本発明では、所望の研磨時間、平均研磨量、残膜形状（研磨形状でもよい）を入力することにより、これらの条件を満たすよう、トップリングの各エリアの設定圧力を第二のシミュレーション・ツールにより算出する。第二のシミュレーション・ツールには、第一のシミュレーション・ツールがモジュールとして組み込まれている。ある設定圧力における研磨プロファイルの予測値を第一のシミュレーション・ツールにより算出し、この予測値を所望の研磨プロファイルと比較して設定圧力の修正値を算出する。第二のシミュレーション・ツールによって、この研磨プロファイルの予測値の算出と、設定圧力の修正値の算出を繰り返し行えば、所望の研磨プロファイルにより近づくような設定圧力を算出することができる。

ここでは、設定した研磨時間を参考値（目標値）として扱い、研磨は、エンドポイント・システムで実際にモニタリングしている残膜量が所望の値になったところで終了してもよい。

本発明により、今までは平均研磨量を安定させていただけだったが、研磨後の平坦度もしくは所望の残膜形状をも制御して安定させることができる。そのために、本発明では、好ましくは１枚の試験研磨対象物を処理して研磨係数を更新した後に、第二のシミュレーション・ツールにより所望の研磨時間、平均研磨量、残膜形状が得られるように最適化された研磨条件を得る。研磨対象物は、この最適化された研磨条件により研磨されるが、研磨部材の消耗度により適宜研磨係数を更新し、所望の研磨時間、平均研磨量、残膜形状が安定して得られるように研磨条件を再度最適化する。

ここで、研磨した研磨対象物の研磨条件をフィードバックして研磨を行うようにすれば、研磨後の残膜の平坦性の精度や研磨条件によって影響を受けるフィードバック制御の精度を考慮すると、研磨後の研磨対象物に対する品質をより高い精度で確保することが可能になる。また、研磨装置に故障が発生したり、研磨部材（消耗部材）が消耗しきって使用限度に到ると、研磨条件を調整しても所望の研磨形状を得られなくなる。本発明は、第二のシミュレーション・ツールで算出した研磨条件を元に研磨装置の動作を停止したり警告を発することができるため、歩留まりを向上したり、研磨部材を使用限度まで延命させることができる。

本発明では、研磨形状に関するデータを、光学式の測定器で計測できる膜ばかりでなく金属膜に対しても計測可能な測定器を用いて取得し、フィードバック制御を行うことが可能であり、研磨工程のアプリケーションに制限を受けず汎用性に富む。また、膜厚データの取得方法も、研磨中にモニタリングできる計測器による計測方法、研磨後に計測器までウエハを搬送して計測する方法、研磨装置外で測定したデータを研磨装置へ転送し入力する方法など、任意の手段を選ぶことができ、また、運用のし易いよう研磨前と研磨後の膜厚データを異なる方法でそれぞれ取得する等、上記の方法の任意の組合せも可能である。

また、研磨装置を制御するコンピュータに本発明のシミュレーションツールを実行するプログラムをコンピュータ読み込み可能な記憶媒体から読み込むことで、従来の研磨装置の機能を拡張することができる。

以下、本発明に係る研磨方法及び研磨装置(ＣＭＰ装置)の実施の形態について、図面を参照しながら詳述する。まず、本発明に係る研磨装置の一つの実施の形態を、その各部の配置構成を示す平面図である図１と研磨装置の斜視図を示す図２とを用いて説明する。

図１及び図２において、領域Ａ，Ｂ内に配置された２つの研磨部に共通の搬送機構として、２つの研磨部にそれぞれ専用の搬送機構として往復直線移動をする２台のステージを備えたリニア・トランスポータが個別に配置される。すなわち、図１及び図２に示す研磨装置は、多数の半導体ウエハをストックするウエハ・カセット１を載置するロード・アンロード・ステージ２を４つ備えている。ロード・アンロード・ステージ２上の各ウエハ・カセット１に到達可能となるように、走行機構３の上に２つのハンドを有した搬送ロボット４が配置されている。走行機構３にはリニアモータからなる走行機構が採用されている。リニアモータからなる走行機構を採用することにより、ウエハが大口径化し重量が増加しても高速且つ安定した搬送ができる。

図１に示す研磨装置では、ウエハ・カセット１を載置するロード・アンロード・ステージ２として、ＳＭＩＦ(Standard Manufacturing Interface)ポッド又はＦＯＵＰ（Front Opening Unified Pod）を用い、ロード・アンロード・ステージ２が外付けされている。ＳＭＩＦ及びＦＯＵＰは、共に中にウエハ・カセットを収納して隔壁で覆うことにより、外部空間とは独立した環境を保つことができる密閉容器である。ＳＭＩＦ又はＦＯＵＰを研磨装置のロード・アンロード・ステージ２として設置した場合、研磨装置側のハウジングＨに設けられたシャッターＳ及びＳＭＩＦ又はＦＯＵＰ側のシャッターが開くことにより、研磨装置とウエハ・カセット１が一体化する。

ＳＭＩＦ又はＦＯＵＰは、ウエハの研磨工程が終わると、シャッターを閉じて研磨装置と分離し、別の処理工程へ自動的に又は手動で搬送されるため、その内部雰囲気を清浄に保っておくことが必要である。そのため、ウエハがウエハ・カセット１に戻る直前に通る領域Ｃの上部には、ケミカル・フィルタを通して清浄な空気のダウン・フローが形成されている。また、搬送ロボット４の移動にリニアモータを用いているため、発塵が抑えられ、領域Ｃの雰囲気をより正常に保つことができる。なお、ウエハ・カセット１内のウエハを清浄に保つために、ウエハ・カセット１として、ＳＭＩＦやＦＯＵＰの様な密閉容器にケミカル・フィルタやファンを内蔵し、自らクリーン度を維持するクリーン・ボックスを用いるようにしてもよい。

搬送ロボット４の走行機構３を対称軸に、ウエハ・カセット１とは反対側に２台の洗浄機５，６が配置される。各洗浄機５，６は、搬送ロボット４のハンドが到達可能な位置に配置される。２台の洗浄機５，６の間で且つ搬送ロボット４が到達可能な位置に、４つの半導体ウエハの載置台７，８，９，１０を備えたウエハ・ステーション５０が配置される。

洗浄機５，６及び載置台７，８，９，１０が配置されている領域Ｄとウエハ・カセット１及び搬送ロボット４が配置されている領域Ｃとのクリーン度を分けるために、隔壁１４が配置され、互いの領域の間で半導体ウエハを搬送するための隔壁１４の開口部にシャッター１１が設けられる。洗浄機５と３つの載置台７，９，１０に到達可能な位置には搬送ロボット２０が配置され、洗浄機６と３つの載置台８，９，１０とに到達可能な位置には搬送ロボット２１が配置される。

洗浄機５と隣接するように且つ搬送ロボット２０のハンドが到達可能な位置に、洗浄機２２が配置される。また、洗浄機６と隣接するように且つ搬送ロボット２１のハンドが到達可能な位置に、洗浄機２３が配置される。洗浄機２２，２３は、両面洗浄が可能な洗浄機である。これら洗浄機５，６，２２，２３、ウエハ・ステーション５０の載置台７，８，９，１０及び搬送ロボット２０，２１は、全て領域Ｄの中に配置されていて、領域Ｃ内の気圧よりも低い気圧に調整されている。

図１及び図２に示す研磨装置は、各機器を囲むハウジングＨを有しており、ハウジングＨ内は、隔壁１４及び隔壁２４Ａ，２４Ｂにより複数の部屋（領域Ｃ，Ｄを含む）に区画されている。隔壁２４Ａ，２４Ｂによって、領域Ｄと２つの領域Ａ，Ｂが区分され、２つの研磨室が形成される。２つの領域Ａ，Ｂにはそれぞれ、２つの研磨テーブルと、１枚の半導体ウエハを保持し且つ半導体ウエハを前記研磨テーブルに対して押し付けながら研磨するための１つのトップリングとが配置される。即ち、領域Ａには研磨テーブル３４，３６が、領域Ｂには研磨テーブル３５，３７がそれぞれ配置されており、また、領域Ａにはトップリング３２が、領域Ｂにはトップリング３３がそれぞれ配置されている。領域Ａ内には、研磨テーブル３４に研磨砥液を供給するための砥液ノズル４０と、研磨テーブル３４のドレッシングを行うための機械的ドレッサ３８とが配置され、領域Ｂ内には、研磨テーブル３５に研磨砥液を供給するための砥液ノズル４１と、研磨テーブル３５のドレッシングを行うための機械的ドレッサ３９とが配置される。さらに、領域Ａ内の研磨テーブル３６のドレッシングを行うためのドレッサ４８と、領域Ｂ内の研磨テーブル３７のドレッシングを行うためのドレッサ４９とが配置される。

研磨テーブル３４，３５は、機械的ドレッサ３８，３９の他に、流体圧によるドレッサとして、アトマイザー４４，４５を備えている。アトマイザーとは、液体（例えば純水）と気体（例えば窒素）の混合流体を霧状にして複数のノズルから研磨面に噴射して、研磨面上に堆積し又は目詰まりした研磨カスやスラリー粒子を洗い流すものである。アトマイザーの流体圧による研磨面の浄化と、機械的接触であるドレッサ３８，３９による研磨面の目立て作業により、より望ましいドレッシング、即ち研磨面の再生を達成することができる。
図３は、トップリング３２と研磨テーブル３４，３６との関係を示す図である。トップリング３３と研磨テーブル３５，３７との関係も同様である。図３に示すように、トップリング３２は、回転可能なトップリング駆動軸９１によってトップリング・ヘッド３１から吊下されている。トップリング・ヘッド３１は、位置決め可能な揺動軸９２によって支持されており、トップリング３２は、研磨テーブル３４，３６にアクセス可能になっている。ドレッサ３８は、回転可能なドレッサ駆動軸９３によってドレッサ・ヘッド９４から吊下されている。ドレッサ・ヘッド９４は、位置決め可能な揺動軸９５によって支持されており、ドレッサ３８は、待機位置と研磨テーブル３４上のドレッサ位置との間を移動することができる。ドレッサ・ヘッド（揺動アーム）９７は、位置決め可能な揺動軸９８によって支持されており、ドレッサ４８は、待機位置と研磨テーブル３６上のドレッサ位置との間を移動することができる。

ドレッサ４８は、研磨テーブル３６の直径よりも長い長尺状の形状を成しており、ドレッサ・ヘッド９７が揺動軸９８を中心に揺動する。ドレッサ・ヘッド９７の揺動軸９８と反対側のドレッサ固定機構９６とドレッサ４８がピボット運動することにより、ドレッサ４８は、自転を伴わず車のワイパーの様な動きで、研磨テーブル３６上をドレッシングできるように、ドレッサ固定機構９６によってドレッサ・ヘッド９７から吊り下げられている。研磨テーブル３６，３７としては、スクロール型研磨テーブルを使用することができる。

図１に戻って、隔壁２４Ａによって領域Ｄとは仕切られた領域Ａの中にあって、搬送ロボット２０のハンドが到達可能な位置に、半導体ウエハを反転させる反転機２８が配置されている。同様に、隔壁２４Ｂによって領域Ｄとは仕切られた領域Ｂの中にあって、搬送ロボット２１のハンドが到達可能な位置に、半導体ウエハを反転させる反転機２８’が配置されている。また、領域Ｄと領域Ａ，Ｂとを仕切る隔壁２４Ａ，２４Ｂには、半導体ウエハ搬送用の開口部が設けられ、該開口部にはそれぞれ、反転機２８，２８’専用のシャッター２５，２６が設けられている。

それぞれの反転機２８，２８’は、半導体ウエハをチャックするチャック機構と、半導体ウエハの表面と裏面を反転させる反転機構と、半導体ウエハを前記チャック機構によりチャックしているかどうかを確認するウエハ有無検知センサとを備えている。反転機２８には搬送ロボット２０によって半導体ウエハが搬送され、反転機２８’には搬送ロボット２１によって半導体ウエハが搬送される。

一方の研磨室を構成する領域Ａ内には、反転機２８とトップリング３２との間で半導体ウエハを移送するための搬送機構を構成するリニア・トランスポータ２７Ａが配置されている。他方の研磨室を構成する領域Ｂ内には、反転機２８’とトップリング３３との間で半導体ウエハを移送するための搬送機構を構成するリニア・トランスポータ２７Ｂが配置されている。リニア・トランスポータ２７Ａ，２７Ｂは、直線往復移動する２個のステージを備えており、半導体ウエハは、リニア・トランスポータとトップリング、又はリニア・トランスポータと反転機との間でウエハ・トレイを介して受け渡される。

図３の右側部分には、リニア・トランスポータ２７Ａ、リフタ２９及びプッシャー３０の位置関係が示されている。リニア・トランスポータ２７Ｂ、リフタ２９’及びプッシャー３０’の位置関係も図３に示すものと同様である。以下ではリニア・トランスポータ２７Ａ、リフタ２９及びプッシャー３０のみを説明する。図３に示すように、リフタ２９とプッシャー３０はリニア・トランスポータ２７Ａの下方に配置される。リニア・トランスポータ２７Ａの上方に反転機２８が配置される。トップリング３２は、揺動した際、プッシャー３０及びリニア・トランスポータ２７Ａの上方に位置することができる。

図４は、リニア・トランスポータと反転機、及びリニア・トランスポータとトップリングとの間の半導体ウエハの受け渡しを説明するための図である。図４に示すように、搬送ロボット２０により反転機２８に搬送された研磨前の半導体ウエハ１０１は、反転機２８により反転される。リフタ２９が上昇すると、ロード用ステージ９０１上のウエハ・トレイ９２５がリフタ２９に移載され、リフタ２９が更に上昇すると、半導体ウエハ１０１は、反転機２８からリフタ２９上のウエハ・トレイ９２５に移載される。その後、リフタ２９が下降し、半導体ウエハ１０１は、ウエハ・トレイ９２５とともにロード用ステージ９０１に載置される。ウエハ・トレイ９２５と半導体ウエハ１０１は、ロード用ステージ９０１の直線移動によりプッシャー３０の上方へ搬送される。このとき、アンロード用ステージ９０２は、ウエハ・トレイ９２５を介して研磨済の半導体ウエハ１０１をトップリング３２から受け取り、リフタ２９に向かって移動する。ロード用ステージ９０１とアンロード用ステージ９０２は、移動途中ですれ違うこととなる。ロード用ステージ９０１がプッシャー３０の上方へ到達したときには、トップリング３２は、図４に示す位置に予め揺動している。次に、プッシャー３０が上昇し、プッシャー３０は、ロード用ステージ９０１からウエハ・トレイ９２５及び半導体ウエハ１０１を受け取った後に更に上昇し、半導体ウエハ１０１のみをトップリング３２へ移送する。

トップリング３２に移送されたウエハ１０１は、トップリング３２の真空吸着機構により吸着されて研磨テーブル３４まで吸着されたまま搬送される。次いで、ウエハ１０１は、研磨テーブル３４上に取り付けられた研磨パッド又は砥石等からなる研磨面で研磨される。トップリング３２がそれぞれに到達可能な位置に、第１の研磨テーブル３４と第２の研磨テーブル３６が配置されている。これにより、ウエハは第１の研磨テーブル３４で研磨が終了した後、第２の研磨テーブル３６で研磨される。しかしながら、半導体ウエハに形成された膜種によっては、第２の研磨テーブル３６で研磨した後に第１の研磨テーブル３４で研磨してもよい。

研磨が終了したウエハ１０１は、前述とは逆のルートで反転機２８まで戻される。反転機２８まで戻されたウエハ１０１は、リンス・ノズルから供給される純水もしくは洗浄用の薬液によりリンスされる。また、ウエハを離脱したトップリング３２のウエハ吸着面は、トップリング洗浄ノズルから供給される純水もしくは薬液によって洗浄される。

ここで、図１〜図４に示す研磨装置で行われる処理工程の概略を説明する。２段洗浄の２カセット・パラレル処理の場合には、一方のウエハは、ウエハ・カセット（ＣＳ１）→搬送ロボット４→ウエハ・ステーション５０の置き台７→搬送ロボット２０→反転機２８→リニア・トランスポータ２７Ａのロード用ステージ９０１→トップリング３２→研磨テーブル３４→研磨テーブル３６（必要に応じ）→リニア・トランスポータ２７Ａのアンロード用ステージ９０２→反転機２８→搬送ロボット２０→洗浄機２２→搬送ロボット２０→洗浄機５→搬送ロボット４→ウエハ・カセット（ＣＳ１）に至る経路をたどる。

また、他方のウエハは、ウエハ・カセット（ＣＳ２）→搬送ロボット４→ウエハ・ステーション５０の置き台８→搬送ロボット２１→反転機２８’→リニア・トランスポータ２７Ｂのロード用ステージ９０１→トップリング３３→研磨テーブル３５→研磨テーブル３７（必要に応じ）→リニア・トランスポータ２７Ｂのアンロード用ステージ９０２→反転機２８’→搬送ロボット２１→洗浄機２３→搬送ロボット２１→洗浄機６→搬送ロボット４→ウエハ・カセット（ＣＳ２）に至る経路を経る。

３段洗浄の２カセット・パラレル処理の場合には、一方のウエハは、ウエハ・カセット（ＣＳ１）→搬送ロボット４→ウエハ・ステーション５０の置き台７→搬送ロボット２０→反転機２８→リニア・トランスポータ２７Ａのロード用ステージ９０１→トップリング３２→研磨テーブル３４→研磨テーブル３６（必要に応じ）→リニア・トランスポータ２７Ａのアンロード用ステージ９０２→反転機２８→搬送ロボット２０→洗浄機２２→搬送ロボット２０→ウエハ・ステーション５０の置き台１０→搬送ロボット２１→洗浄機６→搬送ロボット２１→ウエハ・ステーション５０の置き台９→搬送ロボット２０→洗浄機５→搬送ロボット４→ウエハ・カセット（ＣＳ１）に至る経路をたどる。

また、他方のウエハは、ウエハ・カセット（ＣＳ２）→搬送ロボット４→ウエハ・ステーション５０の置き台８→搬送ロボット２１→反転機２８’→リニア・トランスポータ２７Ｂのロード用ステージ９０１→トップリング３３→研磨テーブル３５→研磨テーブル３７（必要に応じ）→リニア・トランスポータ２７Ｂのアンロード用ステージ９０２→反転機２８’→搬送ロボット２１→洗浄機２３→搬送ロボット２１→洗浄機６→搬送ロボット２１→ウエハ・ステーション５０の置き台９→搬送ロボット２０→洗浄機５→搬送ロボット４→ウエハ・カセット（ＣＳ２）に至る経路を経る。

さらに、３段洗浄のシリーズ処理の場合には、ウエハは、ウエハ・カセット（ＣＳ１）→搬送ロボット４→ウエハ・ステーション５０の置き台７→搬送ロボット２０→反転機２８→リニア・トランスポータ２７Ａのロード用ステージ９０１→トップリング３２→研磨テーブル３４→研磨テーブル３６（必要に応じ）→リニア・トランスポータ２７Ａのアンロード用ステージ９０２→反転機２８→搬送ロボット２０→洗浄機２２→搬送ロボット２０→ウエハ・ステーション５０の置き台１０→搬送ロボット２１→反転機２８’→リニア・トランスポータ２７Ｂのロード用ステージ９０１→トップリング３３→研磨テーブル３５→研磨テーブル３７（必要に応じ）→リニア・トランスポータ２７Ｂのアンロード用ステージ９０２→反転機２８’→搬送ロボット２１→洗浄機２３→搬送ロボット２１→洗浄機６→搬送ロボット２１→ウエハ・ステーション５０の置き台９→搬送ロボット２０→洗浄機５→搬送ロボット４→ウエハ・カセット（ＣＳ１）に至る経路を経る。

図１〜図４に示す研磨装置によれば、各研磨部に専用の搬送機構として、直線往復移動する少なくとも２台のステージ（置き台）を有したリニア・トランスポータを備えるため、反転機とトップリングとの間で研磨対象物を移送するのに要する時間を短縮することができ、単位時間当たりの研磨対象物の処理枚数を増すことが可能である。また、研磨対象物がリニア・トランスポータのステージと反転機との間で移送されるとき、研磨対象物はウエハ・トレイと反転機との間で移送され、研磨対象物がリニア・トランスポータのステージとトップリングとの間で移送されるとき、研磨対象物はウエハ・トレイとトップリングとの間で移送されるので、ウエハ・トレイは移送時の衝撃を吸収でき、研磨対象物の移送速度を増加させることができるばかりでなく、研磨対象物のスループットを向上させることができる。また、反転機からトップリングへのウエハの移載をリニア・トランスポータの各ステージに着脱自在に保持したトレイを介して行うことで、例えば、リフタとリニア・トランスポータとの間、リニア・トランスポータとプッシャーとの間でのウエハの移し替えをなくして、発塵や把持ミスに伴う損傷を防止することができる。

さらに、複数のトレイを研磨前の研磨対象物を保持するロード専用のトレイと、研磨後の研磨対象物を保持するアンロード専用のトレイに２分することで、研磨前のウエハはプッシャーからでなく、ロード専用のトレイからトップリングへ受け渡され、研磨後のウエハはトップリングからプッシャーにではなくアンロード専用のトレイに受け渡されるので、トップリングへのウエハのロードとトップリングからのウエハのアンロードが、別の治具又は部材で行われることになり、研磨後のウエハに付着した砥液等がロードとアンロード共通のウエハの支持部材に付着し固化して砥液等が研磨前のウエハを傷けるという問題点を解決できる。

以上説明した研磨装置の領域Ｃの適所にはインライン・モニタＩＭが設置され、研磨及び洗浄が終了したウエハは、搬送ロボット４によりインライン・モニタＩＭへ搬送され、そこでウエハの膜厚や研磨プロファイルが計測される。実際には、インライン・モニタＩＭは、搬送ロボット４の上方に配置される。また、研磨装置全体の動作は、制御ユニットＣＵによって制御される。制御ユニットＣＵには記憶媒体読取装置が接続されるコネクタが設けられており、必要に応じて記憶媒体読取装置を接続して制御プログラムやデータを外部の記憶媒体から読み取ることが可能となっている。制御ユニットＣＵは、図１に示すように研磨装置内に設けられていてもよいし、研磨装置とは別体であってもよい。なお、インライン・モニタＩＭ及び制御ユニットＣＵは、図２では省略されている。

ウエハ表面を研磨パッドに押し付ける押圧力と研磨量とは概ね比例することがプレストンの式から知られている。しかし、押圧力を求めるためには、複雑な構造のトップリングをモデル化し、弾性材料である研磨パッドの非線形性や、薄板であるウエハの大きな変形、特にウエハの端面に顕著に表れる応力集中を考慮する必要があり、解析的に数式的な解を得ることは困難である。一方、押圧力を有限要素法や境界要素法を用いて求めるのでは、対象物を多数の要素に分割することになるので、計算量はきわめて大量になり、多大な計算時間と高い計算能力が必要となる。そのうえ、適切な結果を得るためには作業者に数値解析の専門知識が必要となるため、現場で簡易的な調整を行う際の参考にすることや、研磨装置に組み込んで利用することはコスト面や実用面から事実上不可能である。

この問題は上記の構成の研磨装置におけるトップリングをプロファイル・コントロール型とした場合、更に複雑化してしまう。ここで言うプロファイル・コントロール型トップリングは、複数の押圧部分を有するトップリングの総称である。即ち、複数のメンブレンで同心円状に区画されたエアバックやウォータバックによる複数の押圧部分を有するもの、区画された空気室に個別に加圧することによりウェハ裏面を空気圧で直接押圧する部分を複数有するもの、圧力をばねによって発生させる部分を有するもの、１つ又は複数の圧電素子を配置して局所的な押圧部分を有するものや、これらの組み合わせたものがトップリングとして使用される。これら複数の押圧部分の相互作用が上記の問題に加わるため、ウエハ表面の押圧力を求めることは簡単ではない。そこで本発明では、以下に説明する第一のシミュレーション・ツールを利用してウエハ表面の押圧力分布を得る。以下では、押圧部分として、同心円状に区画された複数のエアバックを有するトップリングを用いて説明する。

すなわち、図５に示すように、トップリングＴは、複数の同心円状のエアバックを備え、ウエハのそれぞれのエリアに対して各エアバックから印加される圧力を新規の方法によって調整する。なお、以下では、ウエハのエアバック側をウエハ裏面、研磨パッド側をウエハ表面と呼ぶ。図５は、本発明に係る研磨装置で使用されるトップリングの回転軸を含む面での断面図を示しており、トップリングＴは、中心の円盤状のエアバックＥ１、該エアバックＥ１を囲むドーナツ状のエアバックＥ２、該エアバックＥ２を囲むドーナツ状のエアバックＥ３、該エアバックＥ３を囲むドーナツ状のエアバックＥ４、及び該エアバックＥ４を囲むドーナツ状のリテーナリングＥ５を有する。図５に示すように、リテーナリングＥ５は、研磨パッドに接触可能となるように構成され、研磨テーブルの上に載置されたウエハＷは、リテーナリングＥ５によって囲まれた空間内に収容されてエアバックＥ１〜Ｅ４によって個別に加圧される。

なお、トップリングＴを構成するエアバックの数は、４個に限定されるものではなく、ウエハのサイズに応じて増減され得る。また、図５には示されていないが、これらのエアバックＥ１〜Ｅ４がウエハＷの裏面に対して加える圧力を調整するための空気圧力供給装置が各エアバックＥ１〜Ｅ４毎にトップリングＴの適所に設けられる。また、リテーナリングＥ５への圧力は、リテーナリングＥ５の上にエアバックを設けて、このエアバックをその他のエアバックＥ１〜Ｅ４と同様に制御してもよいし、トップリングＴを支持するシャフトから直接に圧力を伝達して制御してもよい。

本発明においては、各エアバックＥ１〜Ｅ４及びリテーナリングＥ５がウエハＷの裏面及びウエハＷの周辺の研磨パッドに印加する圧力の組み合わせに対するウエハＷの表面の押圧力の分布を研磨装置の前記制御ユニットＣＵのメモリに予め記憶させておく。そして、或る研磨工程におけるエアバックからウエハ裏面に与える圧力、及びリテーナリングから研磨パッドに与える圧力の実用上の圧力設定範囲を１００〜５００ｈＰａと仮定し、空気圧の範囲が±２００ｈＰａの範囲であれば、ウエハＷの表面における押圧力分布は実質的に線形（即ち、実質的に重ね合わせの原理が成立する）であるとみなせるとすると、各エアバックがウエハ裏面の対応エリアに加える所望の圧力によるウエハ表面の押圧力分布は、１００ｈＰａ，３００ｈＰａ，５００ｈＰａの３種類の裏面圧力の組み合わせによるウエハ表面の押圧力分布を合成することによって、±２００ｈＰａの裏面圧力の設定範囲において求めることができる。

以下、図５に示すように、トップリングＴが４つのエアバックＥ１〜Ｅ４及びリテーナリングＥ５の合計５箇所でウエハＷ及びウエハＷ周辺の研磨パッド（研磨面）に対する押し付け力が制御できる構造を有している場合の、各エアバックＥ１〜Ｅ４がウエハに印加する圧力とリテーナリングＥ５が研磨パッドに対して印加する圧力（以下、裏面圧力と呼ぶ）からウエハ表面の押圧力を合成する方法について、図６を参照して説明する。

まず、ウエハ表面が研磨部材（研磨パッド）に押し付けられる押圧力の分布を予めデータとして蓄えておく。上記のような５領域、３圧力の場合、上記の裏面圧力の組み合わせは、全部で３^５＝２４３通りとなる。このうち、ウエハ表面の押圧力分布を合成するために必要な組み合わせとして、２７通りを選択する。すなわち、エアバックＥ１〜Ｅ４及びリテーナリングＥ５のそれぞれがウエハＷ及び周辺の研磨パッドを押し付ける圧力（単位：ｈＰａ）をＺ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４，Ｚ５とし、これらのＺ１〜Ｚ５が１００，３００，５００のいずれかの値を取ることができるとするとき、Ｚ１〜Ｚ５が取る値の２７通りの組み合わせは、下記の通りとなり、これを制御ユニットＣＵのメモリに記憶させておく。

（１）Ｚ１〜Ｚ５＝１００
（２）Ｚ１〜Ｚ５＝３００
（３）Ｚ１〜Ｚ５＝５００
（４）Ｚ１＝１００，Ｚ２〜Ｚ５＝３００
（５）Ｚ１＝１００，Ｚ２〜Ｚ５＝５００
（６）Ｚ１＝３００，Ｚ２〜Ｚ５＝１００
（７）Ｚ１＝３００，Ｚ２〜Ｚ５＝５００
（８）Ｚ１＝５００，Ｚ２〜Ｚ５＝１００
（９）Ｚ１＝５００，Ｚ２〜Ｚ５＝３００
（１０）Ｚ１＝Ｚ２＝１００，Ｚ３〜Ｚ５＝３００
（１１）Ｚ１＝Ｚ２＝１００，Ｚ３〜Ｚ５＝５００
・・・・
（２７）Ｚ１＝Ｚ２＝Ｚ３＝Ｚ４＝５００，Ｚ５＝３００

また、上記のウエハ裏面の設定圧力の２７通りの組み合わせ一つ一つに対応するウエハ表面の押圧力の分布は、有限要素法などを用いて事前に計算しておくことができ、上記２７通りの圧力の組み合わせに対応する形で制御ユニットＣＵのメモリに記憶させておく。制御ユニットＣＵのメモリに記憶される設定圧力の組合せと、設定圧力一つ一つの組合せに対応するウエハ表面の押圧力の分布は、制御ユニットＣＵに接続された記憶媒体読取装置を介して、記憶媒体より読み取って記憶してもよく、制御ユニットＣＵ上に搭載されたＲＯＭに予め記録しておき、ＲＯＭから読み出してもよい。

そして、ウエハ裏面圧力が様々に変化する場合にウエハ表面に発生する種々の押圧力分布を、メモリに記憶させた２７通りの組み合わせを用いて合成する。具体的には、エアバックＥ１が１５０ｈＰａ、エアバックＥ２が２００ｈＰａ、エアバックＥ３とエアバックＥ４が１５０ｈＰａ、リテーナリングＥ５が２５０ｈＰａの圧力をそれぞれ印加する場合、すなわち、計算しようとする設定圧力がＺ１＝１５０，Ｚ２＝２００，Ｚ３＝Ｚ４＝１５０，Ｚ５＝２５０である場合、この所望の設定圧力をＺｐ＝〔150 200 150 150 250〕^Ｔという行列の形で表すことができる。Ｔは行列の転置を表す記号である。したがって、同様にして、上記の２７通りの圧力の組み合わせも行列表記可能であり、例えば、上記（４）の場合の圧力の組み合わせはＺ_Ｃ２＝〔100 300 300 300 300〕^Ｔという行列で表される。ここで、添え字（例えばＣ２）は条件を表す整理番号である。

次に、所望の設定圧力Ｚｐに対するウエハ表面の押圧力分布を求めるに際しては、各エアバックＥ１〜Ｅ４及びリテーナリングＥ５によって、ウエハの各対応エリアに印加される圧力を、各エリアごとに、上記の２７通りの組み合わせから、所望の設定圧力の隣り合う各エリアの設定圧力の変化に対応するように５つを選択する。例えば、上記のＺ１＝１５０，Ｚ２＝２００，Ｚ３＝Ｚ４＝１５０，Ｚ５＝２５０という設定圧力印加条件を実現するには、下記の５つの行列で表される組み合わせを採用する。

Ｚ_Ｃ１＝〔100 100 100 100 100〕^Ｔ
Ｚ_Ｃ２＝〔100 300 300 300 300〕^Ｔ
Ｚ_Ｃ３＝〔300 300 100 100 100〕^Ｔ
Ｚ_Ｃ４＝〔100 100 100 100 100〕^Ｔ
Ｚ_Ｃ５＝〔100 100 100 100 300〕^Ｔ

これらの行列を用いて、上記の設定圧力Ｚｐを
Ｚｐ＝ｆ１×Ｚ_Ｃ１＋ｆ２×Ｚ_Ｃ２＋ｆ３×Ｚ_Ｃ３＋ｆ４×Ｚ_Ｃ４＋ｆ５×Ｚ_Ｃ５
（１）
Ｚｐ＝〔150 200 150 150 250〕^Ｔ
とおく。ｆ１〜ｆ５は定数である。上記式（１）から、ｆ１〜ｆ５を未知数とする下記の５個の方程式を得ることができる。
150＝ｆ１・100＋ｆ２・100＋ｆ３・300＋ｆ４・100＋ｆ５・100
200＝ｆ１・100＋ｆ２・300＋ｆ３・300＋ｆ４・100＋ｆ５・100
150＝ｆ１・100＋ｆ２・300＋ｆ３・100＋ｆ４・100＋ｆ５・100
150＝ｆ１・100＋ｆ２・300＋ｆ３・100＋ｆ４・100＋ｆ５・100
250＝ｆ１・100＋ｆ２・300＋ｆ３・100＋ｆ４・100＋ｆ５・300
ここからｆ１〜ｆ５の値を求めることができる。なお、上記の方程式では、ｆ３＝ｆ４であるから、未知数と方程式は共に４個である。

換言すると、これら５つの行列を要素とする行列Ｍ_Ｃ＝〔Ｚ_Ｃ１ Ｚ_Ｃ２ Ｚ_Ｃ３ Ｚ_Ｃ４ Ｚ_Ｃ５〕を用いると、所望の設定圧力Ｚｐと係数ｆ１〜ｆ５を要素とする係数行列ｆ＝〔ｆ１ ｆ２ ｆ３ ｆ４ ｆ５〕^Ｔとの関係は、
Ｚｐ＝Ｍ_Ｃｆ （２）
と表すことができる。この式（２）は、計算しようとする設定圧力Ｚｐが、予め制御ユニットＣＵのメモリに記憶させておいた設定圧力の組み合わせからなる行列の１次線形結合で表すことができることを意味している。上記の式（２）から、係数ベクトルｆは、
ｆ＝Ｍ_Ｃ ^−１・Ｚｐ
で求めることができる。

なお、行列Ｍ_Ｃの中に一次独立でない行もしくは列が生じて逆行列を求めるのに不都合がある場合がある。この場合には、一次独立でない部分は、いずれか他方で代用できるため、行や列を適切に入れ替えたり、加減したりして、逆行列を求めることができる形に変形すればよい。これらの演算処理は、通常の数学的処理であり、何ら特別な手段を要するものではない。このようにして係数ｆ１〜ｆ５が求められると、求めた係数ｆ１〜ｆ５を、予め選択しておいたウエハ裏面の圧力の組み合わせ（この例では、前記Ｚ_Ｃ１〜Ｚ_Ｃ５までの５つの組み）の一つ一つそれぞれに対応するウエハ表面の押圧力分布のデータにそれぞれの係数を乗じて全てを加算することにより、下記のようにして、所望の設定圧力Ｚｐに対応するウエハ表面の押圧力分布Ｐｃを得ることができる。
Ｐｃ＝ｆ１Ｐ_ｃ１＋ｆ２Ｐ_ｃ２…

すなわち、表面押圧力の変化が実質的に線形（重ね合わせの原理が成立する）とみなせる範囲に裏面の設定圧力を区分して、予め計算したウエハ表面の押圧力分布のデータを複数のケース（上記の例では２７通り）について用意し、その中から適切に選択して合成することにより、有限要素法などによる複雑な計算を行うことなく、任意のウエハ裏面の設定圧力に対応するウエハ表面の押圧力分布を求める。

以上、例をもって説明した手順に従って、ウエハの表面に発生する押圧力分布を求めることができる。こうした手順をコンピュータに記憶させることにより、ウエハ裏面における設定圧力に対するウエハ表面の押圧力分布を得るシミュレーション・ツールを作ることができる。

なお、５エリア、３圧力の組合せを３^５＝２４３通り計算しておき、全ての組み合わせを並べた行列Ｍ_Ｃａｌｌ＝〔Ｚ_Ｃ１ Ｚ_Ｃ２ ・・・ Ｚ_Ｃ２４２ Ｚ_Ｃ２４３〕と２４３個の係数を表す係数行列ｆ_ａｌｌ＝〔ｆ１ ｆ２ ・・・ｆ２４２ ｆ２４３〕を用いて、Ｚｐ＝Ｍ_Ｃａｌｌｆ_ａｌｌなる関係式をつくり、Ｍ_Ｃａｌｌの擬似逆行列を使って、ｆ_ａｌｌ＝Ｍ_Ｃａｌｌ ^−１・Ｚｐから係数行列を求めるようにしてもよい。すなわち、適切な係数を求める方法については特に限定されない。区分的に線形とみなせる範囲での重ね合わせを利用するのであるから、前記の係数ｆ１〜ｆ５に相当する係数を求めるには線形代数的ないかなる方法を用いてもよい。

また、事前に計算しておくウエハ裏面の圧力値の範囲とその区分の仕方も、ここで示した１００〜５００ｈＰａの範囲で１００，３００，５００ｈＰａの３種類の圧力値に限定するものではなく、例えば、エアバックＥ４及びリテーナリングＥ５に対応する部分のみ５種類の圧力（１００，２００，３００，４００，５００ｈＰａ）に区分してもよい。

こうして、ウエハ表面での押圧力分布が求まると、この押圧力分布と、研磨すべきウエハについて予め求められた、ウエハ表面上の研磨係数の分布データとを乗算することによって、当該ウエハの研磨プロファイル予測値を求めることができる。ウエハの研磨量Ｑは、プレストンの実験式から、各エアバックがウエハを押し付ける圧力、すなわち押圧力Ｐと接触面の移動速度ｖと研磨時間ｔとの積に概ね比例することが知られている。すなわち
Ｑ∝ｋ・Ｐ・ｖ・ｔ
となる。ここで、ｋは研磨パッドや研磨される材質、研磨時のスラリーの種類などによって決まる比例定数である。

ウエハ表面上での接触面の移動速度（即ち、ウエハ表面と研磨パッドとの相対速度）ｖは、ウエハ表面上の場所で異なり、研磨時間ｔも研磨条件によって異なる。単位圧力当たりの研磨レートを研磨係数とするならば、研磨係数はｋｖに相当し、ウエハ表面上についてプレストンの式の研磨係数ｋｖに相当する値の分布を求めておけば、ウエハ表面上における予測研磨量Ｑ_ｅｓｔは、
Ｑ_ｅｓｔ＝Ｋｖ・Ｐｃ
として求めることができる。
また、単位時間当たりの予測研磨量、すなわち予測研磨レートＱ_ｅｓｔΔｔも、
Ｑ_ｅｓｔΔｔ＝Ｑ_ｅｓｔ／ｔ
として求めることができる。

このような簡単な計算によりウエハの予測研磨量（予測研磨レート）を求めることができるため、シミュレーション・ツールによる計算結果を現場での簡易な調整の参考としたり、研磨装置（ＣＭＰ装置）に組み込んで利用することができる。図６は、以上説明したシミュレーション・ツールのプログラムフロー図を示す。このシミュレーション・ツールは、ウェハ裏面に与える圧力設定値と、予め計算したウエハ表面の押圧力分布や研磨係数の分布に基づいて研磨プロファイルの予測値を計算できる。このため、従来の研磨装置とは独立に機能でき、制御ユニットＣＵに搭載されたコンピュータにシミュレーション・ツールを実行するプログラムを記憶媒体読取装置から読み込み、制御ユニットＣＵのパネルや別のソフトウエアから呼び出すだけで、研磨量を推定する機能を追加することができる。

前記のウエハ表面上の研磨係数の分布データは、任意の形で与えられ得る。最も簡単な例として、移動速度ｖは、ウエハ中心とウエハ面上の任意の点との距離ｒと、研磨パッドとウエハの回転速度の差Δωに概ね比例するので、Δωが一定であれば、距離ｒに比例する値として研磨率を与える方法がある。ここでは、前述の方法以外でウエハ表面上の研磨係数の分布データを得る手順の一例を図７に示す。

先ず、ステップ１において、或るウエハ上の成膜形状を予め測定する。次いでステップ２において、その測定したウエハを特定の設定圧力条件と研磨時間で実際に研磨する。このとき、ステップ３において、この圧力条件でのウエハ表面の押圧力分布をシミュレーション・ツールを用いて計算しておく。こうして研磨されたウエハの表面上の膜形状を再度測定し、研磨前と研磨後との差から、ウエハ表面上の研磨量の分布を算出する（ステップ４）。次いで、ステップ５において、算出された研磨量の分布を研磨時間及び計算された押圧力分布で割って、ウエハ表面上の各点での単位圧力当たりの研磨レートの分布、すなわちウエハ表面上の研磨係数の分布を求める。なお、ここで、研磨時間で割らず、単位圧力当たりの研磨量の分布を求めてもよい。

また、研磨パッドの初期状態、或る程度使用した状況及び使用限度近傍の研磨係数の分布をそれぞれ予め算出しておき、研磨係数の経時変化のデータとして制御ユニットＣＵ内部に記憶させておいてもよい。

ここまで説明した、プロファイル・コントロール形トップリングに対する研磨量又は研磨レートを予測し算出する方法による予測結果が、実際にウエハを研磨した結果とほぼ同等であることが実験的に判明している。なお、ウエハの最外周から１０ｍｍほど内側までの環状領域における研磨形状は、ウエハ表面の押圧力分布形状とは多少異なる場合がある。これは、ウエハの前記環状領域が、研磨時にウエハ裏面から受ける圧力の影響に加えて、弾性体である研磨パッドの変形から受ける反力やウエハ最外周に成形される面取り部分の影響を受けるためである。しかし、押圧力分布と実際の研磨形状から研磨係数を求めることにより、これらの押圧力分布以外の要因による影響もモデル化できるため、ウエハ表面全体の研磨プロファイルを精度よく予測し算出することが可能になる。

また、ウエハ表面の外周部の研磨形状が押圧力分布以外の別の物理的要因と特定の関係を示すことが予めわかっている場合には、この特定の関係を用いたウエハ外周部の研磨形状の予測方法と組み合わせてもよい。例えば、リテーナリングＥ５の圧力Ｅ５ｐとウエハ裏面の最外周のエアバックＥ４の圧力Ｅ４ｐの差がスラリーの流動状態と関連して、最外周から１０ｍｍまでの範囲の研磨係数に影響を与えるとする。この場合には、ウエハ表面の押圧力分布と或る特定の研磨条件から算出した研磨係数だけでは、圧力Ｅ４ｐ，Ｅ５ｐの大きな変化に対して精度よく研磨形状を予測することが困難となる。しかし、スラリーの流動が圧力の相対的な変化分、例えば、（Ｅ４ｐ−Ｅ５ｐ）／│Ｅ４ｐ│に比例して変化することがわかっている場合には、１＋ｍ・（Ｅ４ｐ−Ｅ５ｐ）／│Ｅ４ｐ│（ここで、ｍは適切な比例定数）なる適切な補正係数を研磨係数に掛けて、最外周部の研磨係数を補正することができる。

具体的には、或る特定の研磨条件で研磨した結果から算出した研磨係数と、リテーナリングＥ５の圧力だけを変化させて研磨した結果から算出した研磨係数を比較して、適切な比例定数ｍを求め、これを用いて外周部の研磨形状を予測する。このように研磨係数を表面押圧力と関連しない別の物理的要因、例えば、スラリー流動性、温度分布、スラリーの濃度分布などを用いて補正することにより、より正確に研磨形状を予測することができる。

また、ウェハの最外周の面取り部近傍には、ウエハ中央部に較べて平坦度が劣り、理想的な形状からずれる部分がある。例えば、表面に酸化膜を形成したウェハの最外周部には、ベアウエハのロールオフ（Roll Off）に起因したロールオフが形成される。ここで、ロールオフとは、ウエハのエッジ部の理想形状からずれた形状を指す。ロールオフの大きさは、例えば最外周部から１ｍｍの地点における表面の基準面からのずれ量としてＲＯＡで定義される。なお、ベアウエハのロールオフやＲＯＡについては、文献（M. Kimura, Y. Saito, et al., A new Method for the Precise Measurement of Wafer Roll Off Silicon Polished Wafer, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 38 (1999), pp. 38-39）に記載されている。

ベアウエハのＲＯＡは、高々１μｍ程度以下であり、酸化膜のロールオフの大きさも同程度であるが、このロールオフは、ウェハの最外周から５ｍｍ程度の押圧力分布に影響を与える。ＲＯＡは、ウエハ毎、ウエハロット毎に異なるため、ウエハ外周部の研磨ばらつきの要因となっている。通常、有限要素法のためにモデル化したウエハのエッジ形状（通常は理想的なエッジ形状）と実際に研磨するウエハのエッジ形状とは異なるので、研磨前又は研磨中に測定したＲＯＡにより最外周部の研磨係数を補正することで、より正確に研磨プロファイルを予測することができる。ＲＯＡによる研磨係数の補正に限らず、ロールオフの形状や大きさを表せる他の指標によって研磨係数を補正してもよい。

ＲＯＡの測定方法としては、例えばレーザ光による非接触測定方法として（株）コベルコ科研のエッジロールオフ測定装置（ＬＥＲ−１００）などがある。また、他にもロールオフの形状の測定方法として、例えば、光学方式、触針方式、渦電流センサなどを含む電気方式、磁気方式、電磁方式、流体方式などから選ぶことができる。ロールオフの形状測定装置は、研磨装置に搭載されてもよいし、研磨装置と別に用意しておいてもよい。研磨装置に搭載する場合は、例えば図４に示すインライン・モニタＩＭと隣接して搭載し、研磨前のウェハのエッジ部分の形状を測定し記憶できるようにする。

また、表面に金属膜を形成したウエハのエッジ部においては、汚染防止などの目的のためにウエハの最外周部の金属膜を除去したり、またはウエハの最外周部に金属膜を始めから成膜しないようにしている。この金属膜の端部の形状も平坦ではなく、研磨係数を補正する必要が生じるが、酸化膜のロールオフの場合と同様の方法で補正することができる。

ここまで説明したとおり、本方式はエアバックによるプロファイル・コントロール形のトップリングに限るものではなく、ウェハ裏面から作用している力が判れば、それを基にウェハ表面の押圧力分布を求めてプロファイルを予測できる。従って、本方式が応用できるトップリングとしては、各押圧部分が、加圧気体を内部に受け入れることができるエアバックや、純水などの加圧液体を内部に受け入れることができる液体バック、区画された空気室を加圧気体で直接加圧するもの、圧力を弾性体、例えば、ばねによって発生させるもの、圧電素子により押圧するものなどがあり、これらの組み合わせで構成したトップリングであってもよい。

こうしたシミュレーション・ツールを用い、本発明においては、トップリングの各エリア毎に、つまりエアバックＥ１〜Ｅ４及びリテーナリングＥ５の研磨圧力が設定できるよう構成し、目標とする研磨プロファイルを得るために各エリア毎に設定することが必要な圧力を予測計算し、算出された圧力値を以降に研磨されるウエハに対してフィードバックする。これにより、研磨部材の消耗度で研磨プロファイルが経時的に変化しても、その変化を適時に補正し、安定して所望の研磨プロファイルを得ることが可能となる。これを実現するために、制御フローの一例を図８を参照して説明する。

先ず、インラインモニタＩＭ等の膜厚測定装置で研磨前のウエハの形状、つまりウエハ上の配線メタルまたは絶縁膜の厚さの分布を測定し、測定データをメモリに記憶する（ステップ１）。この測定は、ウエハ内のトップリングのエアバックＥ１〜Ｅ４及びリテーナリングＥ５に対応する各エリア内の少なくとも１個所で行う。そして、最初は、各エリアの裏面圧力を任意に設定して、この設定した裏面圧力をメモリに記憶し（ステップ２）、この設定圧力を含む研磨条件でウエハを研磨する（ステップ３）。

次に、研磨後のウエハの形状、つまりウエハ上の配線メタルまたは絶縁膜の厚さの分布を、インラインモニタＩＭ等の膜厚測定装置で測定し、この測定データをメモリに記憶する（ステップ４）。この測定は、研磨装置に設置したインラインモニタＩＭで行っても、研磨装置外に設置した測定器で行ってもよい。測定データの取り込みはオンラインでもよいし、他の記憶媒体に記録された測定データを取り込むようにしてもよい。この測定は、ウエハ内のトップリングのエアバックＥ１〜Ｅ４及びリテーナリングＥ５に対応する各エリア内の少なくとも１個所で行う。

この測定結果に基づいて、目標とする研磨プロファイルを作り出すための研磨圧力条件を算出する。これは以下の手順で行われる。先ず、目標とする研磨プロファイルを設定する。この設定は、例えば、ウエハ表面上で、研磨量を管理したい任意の点を複数指定し、指定された各点における研磨量Ｑ_Ｔを設定する方法や、各点における研磨レートＱ_ＴΔｔ＝Ｑ_Ｔ／ｔを設定する方法などがあり、どの方法でも処理が可能である。ここでは、研磨量Ｑ_Ｔを設定する場合について説明する。つまり、所望研磨量を入力してメモリに記憶し、測定点に対応する所望研磨量Ｑ_Ｔを算出する。

そして、ステップ１及びステップ４でメモリに記憶された測定データを基に、研磨後のウエハのエアバックＥ１〜Ｅ４及びリテーナリングＥ５にそれぞれ対応する各エリア毎の研磨量Ｑ_Ｐｏｌｉを算出する（ステップ５）。算出された各点における研磨量Ｑ_Ｐｏｌｉを、ステップ２において、研磨時に設定してメモリに記憶した、その点が含まれる各エリアの研磨圧力Ｐで割って、単位面圧当たりの研磨量Ｑ_ＰｏｌｉΔＰ＝Ｑ_Ｐｏｌｉ／Ｐを算出する（ステップ６）。

次に、測定点に最も近い点の目標研磨量Ｑ_Ｔを抽出するか、または測定点の近傍の二点から、線形で目標研磨量Ｑ_Ｔを近似し、それぞれ各点において、目標研磨量Ｑ_Ｔと研磨量Ｑ_Ｐｏｌｉの研磨量差ΔＱ＝Ｑ_Ｔ−Ｑ_Ｐｏｌｉを求め（ステップ７）、その研磨量差ΔＱに相当する分の研磨量を、ステップ６で算出した単位面圧当たりの研磨量Ｑ_ＰｏｌｉΔＰで割算し、裏面圧力の補正研磨圧力ΔＰ＝ΔＱ／Ｑ_ＰｏｌｉΔＰを計算する（ステップ８）。

このステップ８で算出した補正研磨圧力ΔＰを、ステップ２において、研磨時に設定した圧力Ｐに加算して推奨研磨圧力値Ｐ_{ｉｎｐｕｔ}＝Ｐ＋ΔＰを求める（ステップ９）。エリア内に複数の測定点が含まれる場合には、複数点で算出した圧力値を平均し、これをエリアの推奨研磨圧力値Ｐ_{ｉｎｐｕｔ}とする。
このステップ９で算出した推奨研磨圧力値Ｐ_{ｉｎｐｕｔ}を本発明に係るシュミレーション・ツールに入力し（ステップ１０）、前述のようにして、各点における研磨量を予測計算して、予測計算された研磨量Ｑ_ｅｓｔを求める。そして、各点における予測計算された研磨量Ｑ_ｅｓｔと目標研磨量Ｑ_Ｔとの研磨量差ΔＱ＝Ｑ_Ｔ−Ｑ_ｅｓｔを計算する（ステップ１１）。

ステップ１１で算出した各点において、予測計算された研磨量Ｑ_ｅｓｔと目標研磨量Ｑ_Ｔの研磨量差ΔＱが予め任意に設定された許容範囲内であるか否かを判断し（ステップ１２）、この研磨量差ΔＱが許容範囲内にある時には、推奨研磨圧力値Ｐ_{ｉｎｐｕｔ}をメモリに記憶し、ステップ２にフィードバックして、実際に研磨されるウエハに対して適用する（ステップ１３）。研磨量差ΔＱが許容範囲外であれば、Ｑ_Ｐｏｌｉ＝Ｑ_ｅｓｔ，Ｐ＝Ｐ_{ｉｎｐｕｔ}と置き換えてステップ６に戻し、研磨量差ΔＱが許容範囲内になるまで、ステップ６からステップ１１までの手順を繰り返して推奨研磨圧力値Ｐ_{ｉｎｐｕｔ}を求める。

図８に示す、ステップ３における「研磨実行」は、従来の研磨装置の制御プログラムを呼び出す部分であり、ステップ１０における「シミュレーション・ツール」は、図６に示すシミュレーションツールのプログラムを呼び出す部分である。このように、記憶媒体読み出し装置からプログラムを従来の研磨装置の制御ユニットＣＵに読み込み、従来の研磨装置の制御機能を呼び出すことで、本願発明の機能を従来の研磨装置に追加することができる。

なお、フィードバックの周期は自由に設定可能で、周期の設定例として、全てのウエハに対して測定を行って次に研磨されるウエハにフィードバックをかける方法や、研磨部材の消耗度合が少ないときは研磨プロファイルの変化が小さいのでフィードバックをかけず、消耗度合が多くなってきた時点からフィードバックをかける方法がある。更に後者で設定される周期も任意のウエハ毎に測定を行い、一度測定が行われてから次にウエハが測定されるまでは、その直前にフィードバックされた研磨条件を適用し続ける方法があり、消耗が更に進んだ時点ではその周期を短くしていくように設定することも可能である。

なお、研磨レートを設定する場合は、上記ステップ６において、各研磨量Ｑ_Ｐｏｌｉを研磨時間ｔで割ればよい。また、研磨速度を考慮する場合には、前述したような相対速度差Δωと半径の関係を取り入れてもよい。このようにシミュレーションツールを用いて、所望のプロファイルが得られる研磨条件（研磨圧力・研磨時間・研磨速度）を求めることができる。

また、研磨装置に故障が発生したり、消耗部材が消耗しきって使用限度に到ると、研磨条件を調整しても所望の研磨形状を得られなくなる。上記ステップ７で算出した予測研磨量と目標研磨量の研磨量差ΔＱが、前回の計算に比べて極端に変化したり、得られた推奨研磨圧力Ｐ_{ｉｎｐｕｔ}が研磨装置で実現可能な範囲を外れた場合には、研磨装置の動作を停止したり警告を発することができる。従来では、研磨部材（消耗部材）を一定の研磨回数で交換することでデバイスの性能に影響しないように管理していたが、この発明によれば、研磨枚数に影響されることなく、研磨部材を使用限度まで利用することが可能となり、このため、研磨部材の交換頻度を低減することができる。また故障診断としても用いることができるため、研磨対象物の歩留まりを向上させることができる。

さらに、研磨プロファイルの予測の際に行っていたエッジ形状の影響による研磨係数を補正する代わりに、上記推奨研磨圧力値の算出後にエッジ形状測定結果による裏面圧力の補正を行うことにより、エッジ部の研磨プロファイルの補正を行うことができ、エッジ形状によるウエハ外周部の研磨ばらつきを抑制することができる。例えば、表面に酸化膜を形成したウエハの場合、最外方に位置するリテーナリングＥ５の推奨研磨圧力値に、ロールオフの大きさに応じた圧力補正係数を乗じればよい（補正リテーナリング部圧力値＝圧力補正係数×リテーナリング部推奨圧力値）。ここで、圧力補正係数は、例えば事前に既知のロールオフを持つウエハをリテーナリング圧力を変えて実際に研磨することで作成される。また、有限要素法により押圧力とロールオフの大きさとの関係を計算して作成してもよい。

また、ロールオフの大きさは研磨されることによって時々刻々と変化するので、研磨装置に設置された測定器で研磨中にロールオフの大きさを測定することにより、研磨中に圧力を補正するようにしてもよい。また、圧力補正係数を研磨時間をも考慮して作成することにより、研磨中にロールオフの大きさを測定することなく圧力を補正することができる。

表面に金属膜を形成したウエハの金属膜の端部の形状についても、酸化膜のロールオフの補正方法と同様の方法で補正することができる。なお、圧力補正係数によるエッジ形状の補正方法は、上記推奨圧力値の算出を実施しない場合にも適応可能である。

また、研磨装置は、トップリングを交換することで、様々な研磨対象物に適用することができる。研磨対象物を変更するためにトップリングを交換した際には、一般にはトップリングの形状に合わせて各研磨対象物毎に予め計算しておいた研磨対象物表面の押圧力分布の組みを変更する必要がある。これは、前述のごとく、別途に予め計算してある設定圧力の組と押圧力分布データの計算結果をコンピュータ読み出し可能な記憶媒体から読み込んで設定してもよいし、研磨装置の初期立ち上げ時にトップリングのエアバックの数や使用圧力範囲などのパラメータを入力してそれに対応した複数の研磨対象物表面の押圧力分布を研磨装置内部で計算してコントロール・ユニットに記憶させておく方式としてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、平坦に研磨する場合のみならず特有の形状に研磨するようにもレシピを作ることが可能であり、研磨前のウエハの膜表面形状が平坦でない場合にも、その形状を考慮して、研磨後の残膜形状を平坦にするレシピを作ることが可能になる。また、研磨条件の最適化も、従来のようにエンジニアの経験則に頼ることが無く、最適条件を算出して所望の研磨プロファイルになるよう研磨することができ、複数枚の試験ウエハを研磨してから研磨条件を設定する従来の調整方法に較べ、手間、時間、コストを削減することができる。また、研磨装置を制御するコンピュータに、本発明のプログラムを読み込むことで、研磨装置に新しい機能を追加したり、トップリングの交換による性能向上に対応することができる。

本発明に係る研磨装置の一つの実施の形態を概略的に示す平面図である。 図１の研磨装置の斜視図である。 図１の研磨装置のトップリングと研磨テーブルとの関係を示す図である。 図１の研磨装置のリニア・トランスポータと反転機、及びリニア・トランスポータとトップリングの間の半導体ウエハの受け渡しを説明するための図である。 図１の研磨装置で用いられるトップリングの構成を示す断面図である。 シミュレーション・ツールの一例を示すプログラムフロー図である。 図１の研磨装置において、研磨率の分布データを得るための手順を説明するフロー図である。 本発明の制御フロー図である。

符号の説明

Ｔ トップリング
Ｅ１〜Ｅ４ エアバック
Ｅ５ リテーナリング
Ｗ ウエハ（研磨対象物）

Claims (12)

1. 少なくとも２つの押圧部分を有し、該押圧部分ごとに任意の圧力を研磨対象物に加えることができるトップリングを有する研磨装置を用いて前記研磨対象物を研磨する時の研磨プロファイル又は研磨量を予測する方法であって、
   前記押圧部分が前記研磨対象物の対応エリアを押圧する裏面圧力の組み合わせを予め設定するステップと、
   前記裏面圧力の組み合わせの一つ一つに対応する前記研磨対象物表面の押圧力分布を予め求めておくステップと、
   前記裏面圧力の組み合わせ及び該裏面圧力の組み合わせに対応する前記研磨対象物表面の押圧力分布から、前記各押圧部分が前記研磨対象物の各対応エリアを所望の裏面圧力で押圧しながら研磨を行う所望の設定圧力に対する前記研磨対象物の研磨面を押圧する押圧力分布を求めるステップと、
   前記被研磨物の研磨前の形状を測定するステップと、
   前記所望の設定圧力の内の任意の設定圧力で前記各対応エリアをそれぞれ押圧しながら前記被研磨物を実際に研磨するステップと、
   前記被研磨物の研磨後の形状を測定するステップと、
   前記被研磨物の研磨前後の形状の差から研磨量の分布を求めるステップと、
   前記所望の設定圧力の内の任意の設定圧力に対する前記研磨対象物の研磨面を押圧する押圧力分布と前記研磨量の分布から、前記研磨対象物における単位面圧当たりの研磨レート又は研磨量の分布を予め求めるステップと、
   前記所望の設定圧力に対する前記研磨対象物の研磨面を押圧する押圧力分布と、予め求めた前記研磨対象物における単位面圧当たりの研磨レート又は研磨量の分布から、前記所望の設定圧力で前記各対応エリアをそれぞれ押圧しながら被研磨物を研磨した時の研磨プロファイルまたは研磨量の予測値を求めるステップと、
   を備えることを特徴とする研磨プロファイル又は研磨量の予測方法。
2. 請求項１に記載の研磨プロファイル又は研磨量の予測方法であって、
   前記裏面圧力の組み合わせを予め設定するステップは、
   前記裏面圧力を複数設定するステップと、
   前記複数の裏面圧力の内の一つを前記各押圧部分にそれぞれ割り当てて得られる裏面圧力の組み合わせの内から任意の裏面圧力の組み合わせを選択するステップと、
   を備え、
   前記所望の設定圧力に対する前記研磨対象物の研磨面を押圧する押圧力分布を求めるステップは、
   前記選択された裏面圧力の組み合わせの内から更に任意の裏面圧力の組み合わせを選択するステップを備えることを特徴とする研磨プロファイル又は研磨量の予測方法。
3. 少なくとも２つの押圧部分を有し、該押圧部分ごとに任意の圧力を研磨対象物に加えることができるトップリングを有する研磨装置を用いて前記研磨対象物を研磨する研磨方法において、
   請求項１又は２に記載の方法によって、所望の設定圧力で各対応エリアをそれぞれ押圧しながら被研磨物を研磨した時の研磨プロファイルを予測するステップと、
   前記予測した研磨プロファイルと研磨後の所望の研磨プロファイルとの差を求めるステップと、
   前記予測した研磨プロファイルと研磨後の所望の研磨プロファイルとの差が所定の範囲内となる前記所望の設定圧力を求め、該所望の設定圧力を推奨研磨圧力値とするステップと、
   前記推奨研磨圧力値で各対応エリアをそれぞれ押圧しながら前記研磨対象物の研磨を行うステップと、
   を備えることを特徴とする研磨方法。
4. 請求項３に記載の研磨方法であって、１つの前記研磨対象物の研磨が終了する度に、研磨前後の被研磨物の研磨プロファイルを測定し、その測定結果に基づいて、前記推奨研磨圧力値を求め、この推奨研磨圧力値をフィードバックして、次に研磨される研磨対象物を該推奨研磨圧力値で研磨することを特徴とする研磨方法。
5. 請求項３に記載の研磨方法であって、前記研磨対象物の研磨前後の研磨プロファイルを一定周期で測定し、その測定結果に基づいて、前記推奨研磨圧力値を求め、この推奨研磨圧力値を一定周期毎にフィードバックして該推奨研磨圧力値を変更することを特徴とする研磨方法。
6. 請求項４又は５に記載の研磨方法であって、前記研磨対象物の研磨後の研磨プロファイルと所望の研磨プロファイルとの差が設定許容範囲内にあるか否かに基づいて、前記推奨研磨圧力値のフィードバックを行うかどうかを決定することを特徴とする研磨方法。
7. 請求項３に記載の研磨方法であって、前記推奨研磨圧力値が所定の許容範囲外になったときにインターロックがかけられることを特徴とする研磨方法。
8. 少なくとも２つの押圧部分を有し、該押圧部分ごとに任意の圧力を研磨対象物に加えるトップリングと、
   研磨後の被研磨物の研磨プロファイルまたは研磨量を予測するシミュレーション・ツールと、
   前記トップリングを制御する制御ユニットとを備え、
   前記シミュレーション・ツールは、
   予め設定した前記押圧部分が前記研磨対象物の対応エリアを押圧する裏面圧力の組み合わせ、及び該裏面圧力の組み合わせの一つ一つに対応する前記研磨対象物表面の押圧力分布から、前記各押圧部分が前記研磨対象物の各対応エリアを所望の裏面圧力で押圧しながら研磨を行う所望の設定圧力に対する前記研磨対象物の研磨面を押圧する押圧力分布を求め、
   測定した前記被研磨物の研磨前の形状と前記所望の設定圧力の内の任意の設定圧力で前記各対応エリアをそれぞれ押圧しながら前記被研磨物を実際に研磨した後に測定した前記被研磨物の研磨後の形状との差から求めた研磨量の分布と、前記所望の設定圧力の内の任意の設定圧力に対する前記研磨対象物の研磨面を押圧する押圧力分布とから、前記研磨対象物における単位面圧当たりの研磨レート又は研磨量の分布を予め求め、
   前記所望の設定圧力に対する前記研磨対象物の研磨面を押圧する押圧力分布と、予め求めた前記研磨対象物における単位面圧当たりの研磨レート又は研磨量の分布から、前記所望の設定圧力で前記各対応エリアをそれぞれ押圧しながら被研磨物を研磨した時の研磨プロファイルまたは研磨量の予測値を求め、
   前記制御ユニットは、
   前記シミュレーション・ツールで予測した研磨プロファイルと研磨後の所望の研磨プロファイルとの差を求め、
   前記予測した研磨プロファイルと研磨後の所望の研磨プロファイルとの差が所定の範囲内となる前記所望の設定圧力を求め、該所望の設定圧力を推奨研磨圧力値となし、
   前記推奨研磨圧力値によって前記研磨対象物の研磨を行うように前記トップリングを制御する、
   ことを特徴とする研磨装置。
9. 請求項８に記載の研磨装置であって、１つの前記研磨対象物の研磨が終了する度に、研磨前後の研磨プロファイルを測定し、その測定結果に基づいて、前記推奨研磨圧力値を求め、この推奨研磨圧力値をフィードバックして、次に研磨される研磨対象物を該推奨研磨圧力値で研磨することを特徴とする研磨装置。
10. 請求項８に記載の研磨装置であって、前記研磨対象物の研磨前後の研磨プロファイルを一定周期で測定し、その測定結果に基づいて、前記推奨研磨圧力値を求め、この推奨研磨圧力値を一定周期毎にフィードバックして該推奨研磨圧力値を変更することを特徴とする研磨装置。
11. 請求項９又は１０に記載の研磨装置であって、前記研磨対象物の研磨後の研磨プロファイルと所望の研磨プロファイルとの差が設定許容範囲内にあるか否かに基づいて、前記推奨研磨圧力値のフィードバックを行うかどうかを決定することを特徴とする研磨装置。
12. 請求項８に記載の研磨装置であって、前記推奨研磨圧力値が所定の許容範囲外になったときにインターロックがかけられることを特徴とする研磨装置。

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