JP5340795B2

JP5340795B2 - 研磨方法及び研磨装置

Info

Publication number: JP5340795B2
Application number: JP2009107656A
Authority: JP
Inventors: 洋一小林; 康正廣尾
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2009-04-27
Filing date: 2009-04-27
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2029-04-27
Also published as: JP2010253627A; US20100273396A1; US8398456B2

Description

本発明は、半導体基板などの研磨対象物の研磨方法及び研磨装置に関わり、特に研磨対象物を保持するトップリングを揺動させながら監視用センサで研磨対象物である基板の膜厚をはじめとする状態を監視するのに用いて好適な研磨方法及び研磨装置に関するものである。

従来、半導体デバイスの高集積化に伴う配線の微細化、及び多層化の要求によって、半導体基板（以下「基板」という）の表面の平坦度が要求されている。このため、化学機械研磨（ＣＭＰ）により基板表面の凹凸を除去してその表面を平坦化することが行われている。

上記化学機械研磨においては、所望の膜厚で研磨を終了する必要がある。たとえば、Ｃｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）などの金属配線の上部にＳｉＯ₂などの絶縁層（この後の工程で絶縁層の上にさらに金属などの層を形成するため。このような絶縁層は層間膜と呼ばれる）を残したい場合がある。このような場合、研磨を必要以上に行うと十分な絶縁性能が得られないので、層間膜を所定の膜厚だけ残すように研磨を終了する必要がある。

また、基板上に予め所定パターンの配線用の溝を形成しておき、その中にＣｕまたはその合金を充填した後に、表面の不要部分をＣＭＰにより除去する場合がある。Ｃｕ層をＣＭＰプロセスにより研磨する場合、配線用溝の内部に形成されたＣｕ層のみを残して基板からＣｕ層を選択的に除去することが必要とされる。すなわち、配線用溝以外の箇所では、（ＴａＮなどからなる）バリア層が露出するまでＣｕ層を除去することが求められる。

これらのことから、基板表面の研磨状態を研磨の途中に検出して監視する監視用センサをＣＭＰ装置に取り付けておき、この監視用センサによって測定した測定値に基づいて研磨プロセスの加工終点を判断していた。

研磨プロセスにおいては基板を保持するトップリングの回転に起因して研磨プロファイルが、基板の回転中心を通り研磨表面に垂直な軸に関してほぼ軸対称となることが知られている。したがって研磨の進み・遅れなどの特異点が発生する基板中心や基板端部を含んで、基板上のあらゆる半径位置の研磨状態を前記監視用センサによって検出・監視することが重要である。

図１８はＣＭＰ装置における研磨テーブル５００と基板５５０の位置関係を示す図である。同図に示すようにＣＭＰ装置は、回転駆動される研磨テーブル５００の表面（研磨面）５０１にトップリングに保持された基板５５０を回転駆動しながら当接し、これによって基板５５０の表面（被研磨面）を均一に研磨するように構成されている。監視用センサは研磨テーブル５００中の所定位置、即ち図１５の一点鎖線で示す監視用センサ軌跡ｌ１中の所定の１点、に設置され、基板５５０の真下に位置した際に基板５５０の表面の研磨状態を検出する。

そしてこのＣＭＰ装置の場合は、前記研磨工程の際にトップリングを揺動させることで基板５５０を回転し且つ揺動しながら研磨している。すなわち基板５５０は図１８に実線で示す位置と点線で示す位置との間を移動する。このような構成において基板５５０の表面を監視用センサによって監視する際は、研磨テーブル５００の各周回において研磨テーブル５００（監視用センサ）の回転角を検知し、監視用センサがトップリングの揺動位置にかかわらず必ず基板５５０の下を通過するタイミングの測定点、すなわち図１８に示す黒点位置ａ１に絞って、監視用センサからの信号を監視することが行われていた。

特開２００４−１５４９２８号公報

しかしながらこのような研磨方法においては、監視用センサが基板の全計測点を監視することができず（図１８の白点位置ａ２や、点線で示す位置の場合の基板中心は監視できず）、つまり基板中心や基板端部を監視し難く、安定した監視データが得られないという問題があった。

またトップリングを揺動させているので、研磨テーブル５００の周回ごとに計測点の基板面に関する半径位置が異なって、研磨中に一貫し安定した監視を行うことが難しかった。特に監視データに基づいて実時間で研磨プロファイルを制御しようとする場合には、研磨中に各半径位置の正確な膜厚プロファイルを把握する必要があるため、問題であった。

本発明は上述の点に鑑みてなされたものでありその目的は、研磨対象物である基板の研磨中に被研磨面の膜厚をはじめとする安定した監視データを得ることができ、基板の中心や端部の監視も容易に行うことができる研磨方法及び研磨装置を提供することにある。

本願請求項１に記載の発明は、監視用センサを装着した研磨テーブルの回転する研磨面に、揺動中心を中心に揺動且つ回転するトップリングに装着した基板を当接して研磨を開始し、前記監視用センサによって研磨中の基板の少なくとも膜厚状態を検出し監視しながら基板の研磨を行うとともに、前記研磨を開始した後に所定の時間だけ経過したときに、監視用センサの位置、トップリングの回転中心の位置、及びトップリングの揺動の向きが、それぞれ前記所定の時間だけ前の値にほぼ一致するように、研磨テーブルの回転速度とトップリングの揺動条件とを定めたことを特徴とする研磨方法にある。

本願請求項２に記載の発明は、前記基板の研磨時間が、前記所定の時間の３倍以上あることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法にある。

本願請求項３に記載の発明は、基板の被研磨面の少なくとも膜厚状態を監視用センサにより監視し、前記監視用センサからの少なくとも膜厚信号に所定の演算処理をしてモニタ信号を生成し、前記モニタ信号に基づいてトップリングによる基板の押圧力を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の研磨方法にある。

本願請求項４に記載の発明は、前記所定の時間の整数倍が、監視データ平滑化のための移動平均時間に一致することを特徴とする請求項１に記載の研磨方法にある。

本願請求項５に記載の発明は、研磨テーブルの回転に同期してトップリングが揺動を開始することを特徴とする請求項１または２に記載の研磨方法にある。

本願請求項６に記載の発明は、研磨中のトップリングの中心位置を計算して、監視用センサによる計測点の基板中心からの距離を求めることを特徴とする請求項５に記載の研磨方法にある。

本願請求項７に記載の発明は、前記所定の時間が経過するごとに１回、研磨テーブルの回転とトップリングの揺動との同期を取ることを特徴とする請求項１または２に記載の研磨方法にある。

本願請求項８に記載の発明は、前記所定の時間に少なくとも１回、監視用センサがトップリングのほぼ中心を通るようにトップリングを揺動することを特徴とする請求項７に記載の研磨方法にある。

本願請求項９に記載の発明は、前記トップリングは、それぞれ独立に押圧を調整できる同心円状の領域を有し、研磨テーブルの回転ごとに前記監視用センサが最も内側の領域を通るように、トップリングの揺動の振幅が定められることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法にある。

本願請求項１０に記載の発明は、基板監視時におけるトップリングの中心の揺動軌跡が監視用センサの軌跡と接し、前記トップリングの揺動がないことを仮定して求められたトップリング各領域の監視データを移動平均して用いることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法にある。

本願請求項１１に記載の発明は、研磨面を有する研磨テーブルと、基板を保持しつつ揺動中心を中心に揺動且つ回転させながら前記研磨テーブルに押圧するトップリングと、前記研磨テーブルの研磨面に装着され研磨中の基板の少なくとも膜厚状態を検出する監視用センサと、前記トップリングの揺動及び回転と、前記研磨テーブルの回転とを制御する制御部とを備え、前記制御部は、回転する研磨テーブルに、揺動且つ回転するトップリングに装着した基板を当接したときを研磨開始とし、前記研磨開始の後に所定の時間だけ経過したときに、監視用センサの位置、トップリングの回転中心の位置、及びトップリングの揺動の向きが、それぞれ前記所定の時間だけ前の値にほぼ一致するように定め、研磨テーブルの回転速度とトップリングの揺動とを制御することを特徴とする研磨装置にある。

本発明によれば、研磨対象物の研磨中に被研磨面各部の膜厚を反映した偏りのない安定した監視データを得ることができる。

研磨装置を示す平面図である。図１に示す研磨ユニット１６の一部を示す模式図である。図２に示すトップリング２０の縦断面図である。図２に示すトップリング２０の底面図である。研磨テーブル１８と基板Ｗの位置関係を示す概略平面図である。図５に示す構成で基板Ｗを研磨したときの基板内センサ軌跡Ｌ１´の例を示す図である。図５に示す構成で基板Ｗを研磨したときの基板内センサ軌跡Ｌ１´の例を示す図である。研磨テーブル１８と基板Ｗの位置関係を座標を用いて示す概略平面図である。トップリング２０の角速度θ_W´の変化の状態を示す図である。トップリング２０の揺動角速度の変化の状態を示す図である。基板中心と監視用センサ５２との位置関係を示す図である。トップリング２０の揺動振幅を定める方法の説明図である。渦電流センサからなる監視用センサ５２の基板Ｗ上での移動軌跡を示す図である。基板Ｗを渦電流センサで走査したときのセンサ出力値を示す図である。トップリング２０の中心の揺動軌跡と監視用センサ軌跡Ｌ１とが接する場合を示す図である。図１６（ａ），（ｂ）は図１５に示す場合の基板内センサ軌跡Ｌ１´と仮の基板内センサ軌跡Ｌ１″とを示す図である。監視用センサ５２のセンサ出力と研磨時間との関係を示す図である。ＣＭＰ装置における研磨テーブル５００と基板５５０との位置関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明を適用する研磨装置を示す平面図である。図１に示すように、この研磨装置は、多数の半導体ウェハをストックするウェハカセット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。このロード／アンロードステージ２の列に沿って走行機構３が設けられており、この走行機構３の上には、２つのハンドを有する第１搬送ロボット４が配置されている。第１搬送ロボット４のハンドは、ロード／アンロードステージ２上の各ウェハカセット１にアクセス可能となっている。

第１搬送ロボット４の走行機構３に対してウェハカセット１と反対側には、２台の洗浄・乾燥機５，６が配置されている。第１搬送ロボット４のハンドは、洗浄・乾燥機５，６にもアクセス可能となっている。各洗浄・乾燥機５，６は、ウェハを高速回転させて乾燥させるスピンドライ機能を有している。また、２台の洗浄・乾燥機５，６の間には、４つの半導体ウェハの載置台７，８，９，１０を備えたウェハステーション１１が配置されており、第１搬送ロボット４のハンドがこのウェハステーション１１にアクセス可能となっている。

洗浄・乾燥機５と３つの載置台７，９，１０に到達可能な位置には、２つのハンドを有する第２搬送ロボット１２が配置されており、洗浄・乾燥機６と３つの載置台８，９，１０に到達可能な位置には、２つのハンドを有する第３搬送ロボット１３が配置されている。載置台７は第１搬送ロボット４と第２搬送ロボット１２との間で半導体ウェハを受渡すために使用され、載置台８は第１搬送ロボット４と第３搬送ロボット１３との間で半導体ウェハを受渡すために使用される。また、載置台９は第２搬送ロボット１２から第３搬送ロボット１３へ半導体ウェハを搬送するために使用され、載置台１０は第３搬送ロボット１３から第２搬送ロボット１２へ半導体ウェハを搬送するために使用される。載置台９は載置台１０の上に位置している。

洗浄・乾燥機５に隣接して、第２搬送ロボット１２のハンドがアクセス可能な位置には、研磨後の半導体ウェハを洗浄する洗浄機１４が配置されている。また、洗浄・乾燥機６に隣接して、第３搬送ロボット１３のハンドがアクセス可能な位置には、研磨後の半導体ウェハを洗浄する洗浄機１５が配置されている。

図１に示すように、研磨装置は、２つの研磨ユニット１６，１７を備えている。それぞれの研磨ユニット１６，１７は、２つの研磨テーブルと、半導体ウェハを保持しかつ半導体ウェハを研磨テーブルに対して押圧しながら研磨するための１つのトップリングとを備えている。すなわち、研磨ユニット１６は、第１の研磨テーブル１８と、第２の研磨テーブル１９と、トップリング２０と、第１の研磨テーブル１８に研磨液を供給するための研磨液供給ノズル２１と、第１の研磨テーブル１８のドレッシングを行うためのドレッサ２２と、第２の研磨テーブル１９のドレッシングを行うためのドレッサ２３とを備えている。また、研磨ユニット１７は、第１の研磨テーブル２４と、第２の研磨テーブル２５と、トップリング２６と、第１の研磨テーブル２４に研磨液を供給するための研磨液供給ノズル２７と、第１の研磨テーブル２４のドレッシングを行うためのドレッサ２８と、第２の研磨テーブル２５のドレッシングを行うためのドレッサ２９とを備えている。

研磨ユニット１６には、第２搬送ロボット１２のハンドがアクセス可能な位置に半導体ウェハを反転させる反転機３０が設置されており、この反転機３０には半導体ウェハが第２搬送ロボット１２によって搬送される。同様に、研磨ユニット１７には、第３搬送ロボット１３のハンドがアクセス可能な位置に半導体ウェハを反転させる反転機３１が設置されており、この反転機３１には半導体ウェハが第３搬送ロボット１３によって搬送される。

これらの反転機３０，３１とトップリング２０，２６の下方には、反転機３０，３１とトップリング２０，２６との間で半導体ウェハを搬送するロータリトランスポータ３２が配置されている。ロータリトランスポータ３２には、半導体ウェハを載せるステージが４ヶ所等配に設けられており、複数の半導体ウェハを同時に搭載できるようになっている。反転機３０または３１に搬送された半導体ウェハは、ロータリトランスポータ３２のステージの中心と、反転機３０または３１でチャックされたウェハの中心の位相が合ったときに、ロータリトランスポータ３２の下方に設置されたリフタ３３または３４が昇降することで、ロータリトランスポータ３２上に搬送される。

トップリング２０または２６に移送された半導体ウェハは、トップリング２０または２６の真空吸着機構により吸着され、半導体ウェハは吸着されたまま研磨テーブル１８または２４まで搬送される。そして、半導体ウェハは研磨テーブル１８または２４上に取付けられた研磨パッドまたは砥石等からなる研磨面で研磨される。第２の研磨テーブル１９，２５は、それぞれトップリング２０または２６が到達可能な位置に配置されている。これにより、第１の研磨テーブル１８または２４で半導体ウェハを研磨した後に、この半導体ウェハを第２の研磨テーブル１９または２５でも研磨できる。研磨が終了した半導体ウェハは、上述と同じルートで反転機３０または３１まで戻される。

反転機３０または３１まで戻された半導体ウェハは、第２搬送ロボット１２または第３搬送ロボット１３により洗浄機１４または１５に搬送され、ここで洗浄される。洗浄機１４または１５で洗浄された半導体ウェハは、第２搬送ロボット１２または第３搬送ロボット１３により洗浄機５または６に搬送され、ここで洗浄され乾燥される。洗浄機５または６で洗浄された半導体ウェハは、第２搬送ロボット１２または第３搬送ロボット１３により載置台７または８に載置され、第１搬送ロボット４によりロード／アンロードステージ２上のウェハカセット１に戻される。

次に、上述した研磨ユニットについてより詳細に説明する。研磨ユニット１６と研磨ユニット１７は同一の構成であるので、ここでは研磨ユニット１６についてのみ説明するが、以下の説明は研磨ユニット１７についても適用できる。

図２は、図１に示す研磨ユニット（研磨装置）１６の一部を示す模式図である。図２に示すように、トップリング２０の下方に、上面に研磨パッド４０を貼付した研磨テーブル１８が設置されている。研磨テーブル１８の上方には研磨液供給ノズル２１が設置されており、この研磨液供給ノズル２１から研磨テーブル１８上の研磨パッド４０に研磨液Ｑが供給される。研磨テーブル１８は、研磨テーブル１８とトップリング２０との間に相対運動を生じさせる駆動機構としてのモータ（図示せず）に連結されており、回転可能に構成されている。

市場で入手できる研磨パッドとしては種々のものがあり、例えば、ロデール社製のＳＵＢＡ８００、ＩＣ−１０００、ＩＣ−１０００／ＳＵＢＡ４００（二層クロス）、フジミインコーポレイテッド社製のＳｕｒｆｉｎｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ０００等がある。ＳＵＢＡ８００、Ｓｕｒｆｉｎｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ０００は繊維をウレタン樹脂で固めた不織布であり、ＩＣ−１０００は硬質の発泡ポリウレタン（単層）である。発泡ポリウレタンは、多孔質状になっており、その表面に多数の微細なへこみまたは孔を有している。

トップリング２０は、自在継手４１を介してトップリングシャフト４２に接続されており、トップリングシャフト４２はトップリングヘッド４３に固定されたトップリング用エアシリンダ４４に連結されている。トップリング２０はトップリングシャフト４２の下端に連結される。

トップリング用エアシリンダ４４はレギュレータＲＥ１を介して圧力調整部４５に接続されている。この圧力調整部４５は、圧縮空気源から加圧空気等の加圧流体を供給することによって、あるいはポンプ等により真空引きすることによって圧力の調整を行う。この圧力調整部４５によって、トップリング用エアシリンダ４４に供給される加圧空気の空気圧等をレギュレータＲＥ１を介して調整することができる。このトップリング用エアシリンダ４４によってトップリングシャフト４２は上下動し、トップリング２０の全体を昇降させると共にトップリング本体６０に取り付けられた下記するリテーナリング６１を所定の押圧力で研磨テーブル１８に向けて押圧する。

トップリングシャフト４２はキー（図示せず）を介して回転筒４６に連結されている。この回転筒４６はその外周部にタイミングプーリ４７を備えている。トップリングヘッド４３には、研磨テーブル１８とトップリング２０との間に相対運動を生じさせる駆動機構としてのトップリング用モータ４８が固定されており、タイミングプーリ４７は、タイミングベルト４９を介してトップリング用モータ４８に設けられたタイミングプーリ５０に接続されている。したがって、トップリング用モータ４８を回転駆動することによってタイミングプーリ５０、タイミングベルト４９、およびタイミングプーリ４７を介して回転筒４６およびトップリングシャフト４２が一体に回転し、トップリング２０が回転する。トップリングヘッド４３は、フレーム（図示せず）に回転可能に支持されたトップリングヘッドシャフト５１によって支持されている。

図２に示すように、研磨テーブル１８の内部には、研磨される半導体ウェハの膜厚をはじめとする基板状態を監視（検知）するセンサ５２が埋設されている。このセンサ５２は、モニタ装置５３および制御部５４に接続されている。センサ５２の出力信号はモニタ装置５３に送られ、このモニタ装置５３で、センサ５２の出力信号に対して必要な変換・処理（演算処理）を施してモニタ信号が生成される。モニタ装置５３は、このモニタ信号に基づいて制御演算を行う制御部５３ａを有している。この制御部５３ａでは、モニタ信号に基づいてトップリング２０がウェハを押圧する力（押圧力）を決定し、この押圧力を制御部５４に送信することができる。上記センサ５２として、例えば渦電流センサが用いられる。モニタ装置５３の外部の制御部５４は、モニタ装置５３から指令があった場合、トップリング２０による押圧力を変更するように圧力調整部４５に指令を出す。制御部５４は、トップリング２０の揺動及び回転と、研磨テーブル１８の回転など、研磨ユニット（研磨装置）１６全体を制御する。ここで、これらのモニタ装置５３の制御部５３ａと制御部５４とを一体化して１つの制御部に構成してもよい。

図３は図２に示すトップリング２０の縦断面図、図４は図２に示すトップリング２０の底面図である。図３に示すように、トップリング２０は、内部に収容空間を有する円筒容器状のトップリング本体６０と、トップリング本体６０の下端に固定されたリテーナリング６１とを備えている。リテーナリング６１の下部は径方向内方に突出している。トップリング本体６０は金属やセラミックス等の強度および剛性が高い材料から形成されている。また、リテーナリング６１は、剛性の高い樹脂材またはセラミックス等から形成されている。リテーナリング６１をトップリング本体６０と一体的に形成してもよい。

トップリング本体６０の中央部の上方には、トップリングシャフト４２が配設されており、トップリング本体６０とトップリングシャフト４２とは自在継手４１により連結されている。この自在継手４１は、トップリング本体６０およびトップリングシャフト４２を互いに傾動可能とする球面軸受機構と、トップリングシャフト４２の回転をトップリング本体６０に伝達する回転伝達機構とを備えている。これらの球面軸受機構および回転伝達機構は、トップリングシャフト４２とトップリング本体６０との互いの傾動を許容しつつ、トップリングシャフト４２の押圧力および回転力をトップリング本体６０に伝達する。

球面軸受機構は、トップリングシャフト４２の下面の中央に形成された半球面状凹部４２ａと、トップリング本体６０の上面の中央に形成された半球面状凹部６０ａと、凹部４２ａ，６０ａの間に介装されたセラミックスのような高硬度材料からなるベアリングボール６２とを含んでいる。一方、回転伝達機構は、トップリングシャフト４２に固定された駆動ピン（図示せず）とトップリング本体６０に固定された被駆動ピン（図示せず）とを含んでいる。トップリング本体６０が傾いても被駆動ピンと駆動ピンは相対的に上下方向に移動可能であるため、これらは互いの接触点をずらして係合し、回転伝達機構がトップリングシャフト４２の回転トルクをトップリング本体６０に確実に伝達する。

トップリング本体６０およびリテーナリング６１の内部に画成された空間内には、トップリング２０によって保持される半導体ウェハＷに当接する弾性パッド６３と、環状のホルダーリング６４と、弾性パッド６３を支持する概略円盤状のチャッキングプレート６５とが収容されている。弾性パッド６３は、その径方向外周部がホルダーリング６４とチャッキングプレート６５との間に挟み込まれており、チャッキングプレート６５の下面を覆うように径方向内側に延びている。これにより、弾性パッド６３とチャッキングプレート６５との間には空間が形成されている。

なお、チャッキングプレート６５は金属材料から形成されていてもよいが、センサ５２として渦電流センサを用いて半導体ウェハＷ上に形成された薄膜の膜厚を測定する場合などにおいては、磁性を持たない材料、例えば、４フッ化エチレン樹脂などのフッ素系樹脂、もしくはＳｉＣ（炭化ケイ素）、Ａｌ₂Ｏ₃（アルミナ）などのセラミックスなどの絶縁性の材料から形成されていることが好ましい。

ホルダーリング６４とトップリング本体６０との間には弾性膜からなる加圧シート６６が張設されている。トップリング本体６０、チャッキングプレート６５、ホルダーリング６４、および加圧シート６６によってトップリング本体６０の内部に圧力室７１が形成されている。圧力室７１にはチューブ、コネクタ等からなる流体路８１が連通されており、圧力室７１は流体路８１上に配置されたレギュレータＲＥ２（図２参照）を介して圧力調整部４５に接続されている。加圧シート６６は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴムなどの強度および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。

弾性パッド６３とチャッキングプレート６５との間に形成される空間の内部には、弾性パッド６３に当接するセンターバッグ９０およびリングチューブ９１が設けられている。本実施形態においては、図３および図４に示すように、センターバッグ９０はチャッキングプレート６５の下面の中心部に配置され、リングチューブ９１はこのセンターバッグ９０の周囲を取り囲むようにセンターバッグ９０の外側に配置されている。各弾性パッド６３、センターバッグ９０、およびリングチューブ９１は、加圧シート６６と同様に、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴム等の強度および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。

チャッキングプレート６５と弾性パッド６３との間に形成される空間は、センターバッグ９０およびリングチューブ９１によって複数の空間に区画されており、これによりセンターバッグ９０とリングチューブ９１の間には圧力室７２が、リングチューブ９１の径方向外側には圧力室７３がそれぞれ形成されている。

センターバッグ９０は、弾性パッド６３の上面に当接する弾性膜９０ａと、弾性膜９０ａを所定の位置に着脱可能に保持するセンターバッグホルダー９０ｂとを含んでいる。センターバッグ９０の内部には、弾性膜９０ａとセンターバッグホルダー９０ｂとによって中心部圧力室７４が形成されている。同様に、リングチューブ９１は、弾性パッド６３の上面に当接する弾性膜９１ａと、弾性膜９１ａを所定の位置に着脱可能に保持するリングチューブホルダー９１ｂとを含んでいる。リングチューブ９１の内部には、弾性膜９１ａとリングチューブホルダー９１ｂとによって中間部圧力室７５が形成されている。

圧力室７２，７３，７４，７５には、チューブ、コネクタ等からなる流体路８２，８３，８４，８５がそれぞれ連通されており、圧力室７２〜７５はそれぞれの流体路８２〜８５上に配置されたレギュレータＲＥ３〜ＲＥ６を介して圧力調整部４５に接続されている。流体路８１〜８５は、トップリングシャフト４２の上端部に設けられたロータリージョイント（図示せず）を介してそれぞれ各レギュレータＲＥ２〜ＲＥ６に接続されている。

チャッキングプレート６５の上方の圧力室７１および圧力室７２〜７５には、各圧力室に連通される流体路８１〜８５を介して加圧空気等の加圧流体が供給され、あるいは真空引きされる。図２に示すように、圧力室７１〜７５の流体路８１〜８５上に配置されたレギュレータＲＥ２〜ＲＥ６によってそれぞれの圧力室に供給される加圧流体の圧力を調整することができる。これにより各圧力室７１〜７５の内部の圧力を各々独立に制御するまたは大気圧や真空にすることができる。このように、レギュレータＲＥ２〜ＲＥ６によって各圧力室７１〜７５の内部の圧力を独立に可変とすることにより、弾性パッド６３を介して半導体ウェハＷを研磨パッド４０に押圧する押圧力を半導体ウェハＷの部分（区画領域）毎に調整することができる。場合によっては、これらの圧力室７１〜７５を真空源５５（図２参照）に接続してもよい。

この場合において、各圧力室７２〜２５に供給される流体の温度をそれぞれ制御してもよい。このようにすれば、半導体ウェハ等の基板の被研磨面の裏側から基板の温度を直接制御することができる。特に、各圧力室の温度を独立に制御することにより、ＣＭＰにおける化学的研磨の化学反応速度を制御することが可能となる。

弾性パッド６３には、図４に示すように、複数の開口部９２が形成されている。センターバッグ９０とリングチューブ９１との間の開口部９２から露出するようにチャッキングプレート６５から下方に突出する内周部吸着部９３が設けられており、また、リングチューブ９１の径方向外側の開口部９２から露出するように外周部吸着部９４が設けられている。本実施形態においては、弾性パッド６３には８個の開口部９２が形成され、各開口部９２に吸着部９３，９４が露出している。

吸着部９３，９４には、流体路８６，８７にそれぞれ連通する連通孔９３ａ，９４ａがそれぞれ形成されている。図２に示すように、吸着部９３，９４は流体路８６，８７およびバルブＶ１，Ｖ２を介して真空ポンプ等の真空源５５に接続されている。吸着部９３，９４の連通孔９３ａ，９４ａが真空源５５に接続されると、連通孔９３ａ，９４ａの開口端に負圧が形成され、吸着部９３，９４の下端に半導体ウェハＷが吸着される。

図３に示すように、半導体ウェハＷの研磨中には、吸着部９３，９４は弾性パッド６３の下端面より上方に位置して、弾性パッド６３の下端面より突出することはない。半導体ウェハＷを吸着する際には、吸着部９３，９４の下端面は弾性パッド６３の下端面と略同一面になる。

弾性パッド６３の外周面とリテーナリング６１の内周面との間には、わずかな間隙Ｇがあるので、ホルダーリング６４、チャッキングプレート６５、およびチャッキングプレート６５に取付けられた弾性パッド６３は、トップリング本体６０およびリテーナリング６１に対して上下方向に移動可能で、トップリング本体６０およびリテーナリング６１に対してフローティングする構造となっている。ホルダーリング６４には、その下部の外周縁部から径方向外方に突出する突起６４ａが複数箇所に設けられており、この突起６４ａがリテーナリング６１の径方向内方に突出している部分の上面に係合することにより、上記ホルダーリング６４等の部材の下方への移動が所定の範囲に制限される。

トップリング本体６０の外周縁部には流体路８８が区画されており、この流体路８８を介して洗浄液（純水）が弾性パッド６３の外周面とリテーナリング６１の内周面との間の隙間Ｇに供給される。

このように構成されたトップリング２０において、半導体ウェハＷをトップリング２０に保持するときには、吸着部９３，９４の連通孔９３ａ，９４ａを、流体路８６，８７を介して真空源５５に接続する。これにより、連通孔９３ａ，９４ａの吸引作用により吸着部９３，９４の下端面に半導体ウェハＷが真空吸着される。半導体ウェハＷを吸着した状態でトップリング２０を移動させ、トップリング２０の全体を研磨面（研磨パッド４０）の上方に位置させる。半導体ウェハＷがトップリング２０から飛び出さないよう、半導体ウェハＷの外周縁はリテーナリング６１によって保持される。

半導体ウェハの研磨時には、吸着部９３，９４による半導体ウェハＷの吸着を解除し、トップリング２０の下面に半導体ウェハＷを保持させると共に、トップリング用エアシリンダ４４を作動させてトップリング２０の下端に固定されたリテーナリング６１を所定の押圧力で研磨テーブル１８の研磨パッド４０に押圧する。この状態で、圧力室７２〜７５にそれぞれ所定の圧力の加圧流体を供給し、半導体ウェハＷを研磨テーブル１８の研磨面に押圧する。研磨液供給ノズル２１から研磨液Ｑを研磨パッド４０に供給することにより、研磨パッド４０に研磨液Ｑが保持され、半導体ウェハＷの研磨される面（下面）と研磨パッド４０との間に研磨液Ｑが存在した状態で半導体ウェハＷが研磨される。

半導体ウェハＷの圧力室７２，７３の下方に位置する部分は、それぞれ圧力室７２，７３に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。半導体ウェハＷの中心部圧力室７４の下方に位置する部分は、センターバッグ９０の弾性膜９０ａおよび弾性パッド６３を介して、圧力室７４に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。半導体ウェハＷの圧力室７５の下方に位置する部分は、リングチューブ９１の弾性膜９１ａおよび弾性パッド６３を介して、圧力室７５に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。

したがって、半導体ウェハＷに加わる研磨圧力（押圧力）は、各圧力室７２〜７５に供給される加圧流体の圧力をそれぞれ制御することにより、半導体ウェハＷの半径方向に各部分毎に調整することができる。半導体ウェハＷの半径方向各部分毎の研磨圧力（押圧力）は、予め同種サンプルウェーハを研磨して求め研磨中一定としてもよいが、制御部５４（図２参照）がレギュレータＲＥ３〜ＲＥ６によって各圧力室７２〜７５に供給する加圧流体の圧力を、監視用センサ５２の出力に基づいてそれぞれ独立に調整し、半導体ウェハＷを研磨テーブル１８上の研磨パッド４０に押圧する押圧力を半導体ウェハＷの部分毎に調整することもできる。このように、半導体ウェハＷの部分毎に研磨圧力が所望の値に調整された状態で、回転している研磨テーブル１８の上面の研磨パッド４０に半導体ウェハＷが押圧される。同様に、レギュレータＲＥ１によってトップリング用エアシリンダ４４に供給される加圧流体の圧力を調整し、リテーナリング６１が研磨パッド４０を押圧する押圧力を変更することができる。

このように、半導体ウェハＷの研磨中に、リテーナリング６１が研磨パッド４０を押圧する押圧力と半導体ウェハＷを研磨パッド４０に押圧する押圧力を適宜調整することにより、半導体ウェハＷの中心部（図４のＣ１）、中心部から中間部（Ｃ２）、外方部（Ｃ３）、そして周縁部（Ｃ４）、さらには半導体ウェハＷの外側にあるリテーナリング６１の外周部までの各部分における研磨圧力の分布を所望の分布とすることができる。

半導体ウェハＷの圧力室７２，７３の下方に位置する部分には、弾性パッド６３を介して流体から押圧力が加えられる部分と、開口部９２の箇所のように、加圧流体の圧力そのものが半導体ウェハＷに加わる部分とがある。これらの部分に加えられる押圧力は、同一圧力でもよく、それぞれ任意の圧力でも押圧ができる。また、研磨時には、弾性パッド６３は開口部９２の周囲において半導体ウェハＷの裏面に密着するため、圧力室７２，７３の内部の加圧流体が外部に漏れることはほとんどない。

半導体ウェハＷの研磨が終了した際は、上述と同様に、半導体ウェハＷを吸着部９３，９４の下端面に再び真空吸着する。このとき、半導体ウェハＷを研磨面に対して押圧する各圧力室７２〜７５への加圧流体の供給を止め、各圧力室７２〜７５を大気圧に開放することにより、吸着部９３，９４の下端面を半導体ウェハＷに当接させる。また、圧力室７１内の圧力を大気圧に開放するか、もしくは負圧にする。これは、圧力室７１の圧力を高いままにしておくと、半導体ウェハＷの吸着部９３，９４に当接している部分のみが、研磨面に強く押圧されることになってしまうためである。したがって、圧力室７１の圧力を速やかに下げる必要があり、図３に示すように、圧力室７１からトップリング本体６０を貫くようにリリーフポート６７を設けて、圧力室７１の圧力が速やかに下がるようにしてもよい。この場合には、圧力室７１に圧力をかける際には流体路８１から常に圧力流体を供給し続ける必要がある。リリーフポート６７は逆止弁を備えており、圧力室７１内を負圧にする際には外気が圧力室７１に入らないようにしている。

上述のように半導体ウェハＷを吸着させた後、トップリング２０の全体を半導体ウェハＷの移送位置に位置させ、吸着部９３，９４の連通孔９３ａ，９４ａから半導体ウェハＷに流体（例えば、圧縮空気もしくは窒素と純水を混合したもの）を噴射して半導体ウェハＷをトップリング２０からリリースする。

図５は研磨テーブル１８と半導体ウェハ（以下「基板」という）Ｗの位置関係を示す概略平面図である。同図に示す例では、研磨テーブル１８は反時計回りに回転し、基板Ｗも反時計回りに回転する。またトップリング２０は揺動中心Ｃを中心に所定の揺動角度の範囲で揺動する。このとき監視用センサ５２は研磨テーブル１８の回転とともに監視用センサ軌跡Ｌ１上を回転する。したがって監視用センサ５２が基板Ｗの下に位置している間、基板Ｗの膜厚などの基板状態を検出できる。

また図５に示すように、研磨テーブル１８の回転角を知る手段として、研磨テーブル１８（回転系）と研磨テーブル１８外（静止系）とにそれぞれ近接センサ１０１とセンサターゲット１０３とを設置している。近接センサ１０１とセンサターゲット１０３とはどちらが研磨テーブル１８に装着されてもよい。また研磨テーブル１８の回転角を検知する手段は近接センサ１０１及びセンサターゲット１０３に限らず、他の種々の装置・方法があり、たとえばロータリーエンコーダを用いてもよい。

図６は、図５に示す構成で基板Ｗを研磨したときの基板Ｗ内における監視用センサ５２の軌跡（以下「基板内センサ軌跡」という）Ｌ１´の例を示す図である。基板内センサ軌跡は、基板Ｗの面上に固定された座標系におけるセンサの軌跡を表わす。ただしこのとき、仮想的にトップリング２０の回転を停止、すなわち、トップリング２０の回転速度＝０、として各軌跡の基板中心Ｗ１からの距離（半径位置）が分かりやすいようにした。またトップリング２０は揺動中心Ｃの回りに基本的に一定の回転速度で揺動し、両端では一定の加速度で減速して向きを変え加速するものとした。

この図で研磨テーブル１８の回転周期をＴ_S、トップリング２０の揺動周期をＴ_Wとして、ｍＴ_W＝ｎＴ_S（ｍとｎとは互いに素な自然数）としている。これによって研磨テーブル１８がｎ回転した時点で、監視用センサ５２と基板中心Ｗ１とが元の位置関係に戻る。

具体的に図６では、ｍ＝２、ｎ＝５としたときに監視用センサ５２が基板Ｗの真下を通過していく１〜６回までの基板内センサ軌跡Ｌ１´を示している。同図に示すように、２Ｔ_W＝５Ｔ_S、であれば研磨テーブル１８が５回転するごとに監視用センサ５２が基板Ｗ上の等しい半径位置を走査する。このように、１枚の基板Ｗの研磨時間内に、少なくとも１回以上監視用センサ５２が基板Ｗ上の等しい半径位置を走査するように制御すれば、基板Ｗの径方向の膜厚ばらつきによらず監視データから除去速度を推定することが可能になる。言い換えれば、基板Ｗの研磨開始後に所定の時間だけ経過したときに、監視用センサ５２の位置、トップリング２０の回転中心の位置、及びトップリング２０の揺動の向きが、それぞれ前記所定の時間だけ前の値にほぼ一致するように、研磨テーブル１８の回転速度とトップリング２０の揺動条件とを定めている。

ここで図７は、ｍ＝１、ｎ＝３０としたときに監視用センサ５２が基板Ｗの真下を通過していく１〜６回までの基板内センサ軌跡Ｌ１´を示す図である。この例のようにＴ_WがＴ_Sより大きすぎる場合、研磨テーブル１８の回転とともに基板内センサ軌跡Ｌ１´が基板面上を徐々に移動してしまい元の位置に戻るまでの時間が長時間となり（もちろん長時間経過後には元の位置に戻るのではあるが）、研磨時間が研磨テーブル３０回転に要する時間より短いと１枚の基板Ｗの研磨時間内には監視用センサ５２が基板Ｗ上の等しい半径位置を再び走査することができなくなる。つまりタイミングによっては、監視用センサ５２が基板中心Ｗ１から離れた領域を長時間走査する。したがって基板面上の様々な半径位置を反映しない片寄った情報が得られてしまい、研磨の進捗の様子を安定して監視することができない。

つまり本実施形態においては、基板Ｗの被研磨面上の監視用センサ５２の軌跡の、基板中心Ｗ１からの半径距離（基板中心Ｗ１から半径方向に離れている距離、すなわち半径位置）を制御しながらトップリング２０と研磨テーブル１８とを相対運動させて、この基板Ｗを研磨しながら監視しており、そのためにトップリング２０の揺動周期と研磨テーブル１８の回転周期との比を決定して、監視用センサ５２の軌跡分布を決めている。

なお、以上の実施形態において、１枚の基板Ｗの研磨時間内にできれば３回以上監視用センサ５２が基板Ｗ上の等しい半径位置を走査することが研磨の進捗の様子を安定して監視する上で好ましい。つまり研磨時間は、前記所定の時間の３倍以上であることが好ましい。このようにすれば、同一半径位置の走査線に関して，研磨中にそれぞれ３回以上監視データを取得することができ、除去速度の変化の傾向等、研磨の進捗の様子をより細かく監視することができる。

また基板面上の計測点を１つ以上の半径範囲に分割し（図４の各範囲Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４のようにドーナツ状に分割し）各半径範囲の特性値を求めて監視する場合、あるいは基板走査中の特定の順番の計測点に着目して研磨状態を監視する場合、研磨テーブル１８のｎ回転ごとに各計測点の半径位置が一致するのであるから、特性値に対し研磨テーブル１８のｎ周分（またはその整数倍分）の移動平均を計算すれば、すなわち基板研磨中の監視用センサ５２から得られる監視データを、第１の整数ｎに対応する研磨テーブル１８の周回数分（またはその整数倍分）だけ移動平均して用いれば、さらにいえば前記所定の時間の整数倍が監視データ平準化のための移動平均時間に一致するようにすれば、研磨テーブル１８の周回ごとの半径位置の違いを相殺して安定した監視データが得られる。

前記図４に示すように、前記図１に示すトップリング２０による基板Ｗの押圧力は、この例では同心円状の複数の領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４においてそれぞれ異ならせ、各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４ごとに最適な押圧力にて基板Ｗを研磨テーブル１８に押し付けるようにしている。前述のように、基板Ｗの研磨プロセスにおいては、基板Ｗを保持するトップリング２０の回転に起因して研磨プロファイルが、基板Ｗの回転中心を通り研磨表面に垂直な軸に関してほぼ軸対象となるので、同心円状の複数の領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４ごとに独立した異なる押圧力（もちろん同一の押圧力となる場合もある）としたのである。

さらに、研磨中において、監視データに基づいて各領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の押圧力を操作する実時間制御を行う場合、一法として、事前に同一の研磨条件で同種基板を研磨して、このときのモニタリング信号を基に基板Ｗの径方向の領域ごとに基準信号を作成しておき、実際の基板研磨の際は各領域ごとに取得されるモニタリング信号がこれらの基準信号に収束するように押圧力を操作して制御する。このように同一の研磨条件で事前に同種基板を研磨して、各半径範囲に対し基準信号を作成すれば、実時間のプロファイル制御が可能になる。

プロファイル制御の場合、基板Ｗの半径位置に関して偏りのない監視データを得ることは取り分け重要である。そこで、前述のようにして、１枚の基板Ｗの研磨時間内に３回以上、監視用センサ５２が基板Ｗ上の等しい半径位置を走査するように条件を定める。監視データに基づく研磨圧力の操作（変更）は、研磨開始後、前記所定の時間経過後に開始して、以後、適当な周期で繰り返す。ここで、監視データや特性値に対する移動平均は、前記所定の時間の整数倍とするのが好ましいが、制御周期は前記所定の時間に必ずしも一致する必要はない。

図８は研磨テーブル１８と基板Ｗの位置関係を座標を用いて示す概略平面図である。研磨テーブル１８の中心に原点Ｏを持つＸ−Ｙ座標系をとり、研磨テーブル１８は反時計回りに定速回転するものとして回転周期をＴ_S、近接センサ１０１とセンサターゲット１０３が反応した時点の時刻をｔ₀、このときの監視用センサ５２の回転角をθ_S0と表すと、時刻ｔにおける監視用センサ５２の回転角θ_Sは、
θ_S＝θ_S0＋ω_S（ｔ−ｔ₀）（１）
ただし ω_S＝２π／Ｔ_S
ここで図８においては、監視用センサ５２の回転角θ_S，θ_S0および基板Ｗの揺動角θ_W，θ_W0，θ_W1がいずれも負であることに注意する。

このとき監視用センサ軌跡Ｌ１の半径をＲ_Sとおくと、監視用センサ５２の位置（Ｘ_S，Ｙ_S）は、
Ｘ_S＝Ｒ_Sｃｏｓθ_S，Ｙ_S＝Ｒ_Sｓｉｎθ_S （２）
となる。

一方図９に示すように、トップリング２０の揺動の周期をＴ_wとして、時刻ｔ₁で最小角θ_W0にあって、角加速度α_Wで加速、角速度ω_Wで一定速回転、角加速度−α_Wで減速し最大角θ_W1に達して加速，角速度−ω_Wで一定速回転、角加速度α_Wで減速して最小角θ_W0に戻るものとする。さらにトップリング２０は微小な調整時間δの間、最小角θ_woに停止して、以後同様の動きを繰り返すものとするが、特別な場合として、δ＝０であってもよい。いま、ｍを０以上の適当な整数、「´」を時間微分とすると、
Ｔ_w＝２（θ_W1−θ_W0）／ω_W＋２ω_W／α_W＋δ
ｔ₁≦ｔ−ｍＴ_W≦ｔ₁＋ω_W／α_Wなら
θ_W´＝α_W（ｔ−ｍＴ_W−ｔ₁）
θ_W＝θ_W0＋α_W（ｔ−ｍＴ_W−ｔ₁）²／２
ｔ₁＋ω_W／α_W≦ｔ−ｍＴ_W≦ｔ₁＋（θ_W1−θ_W0）／ω_Wなら
θ_W´＝ω_W
θ_W＝θ_W0−ω_W ²／２α_W＋ω_W（ｔ−ｍＴ_W−ｔ₁）（３）
ｔ₁＋（θ_W1−θ_W0）／ω_W≦ｔ−ｍＴ_W≦ｔ₁＋（θ_W1−θ_W0）／ω_W＋２ω_W／α_Wなら
θ_W´＝ω_W−α_W｛ｔ−ｍＴ_W−ｔ₁−（θ_W1−θ_W0）／ω_W｝
θ_W＝θ_W0−ω_W ²／２α_W＋ω_W（ｔ−ｍＴ_W−ｔ₁）−α_W｛ｔ−ｍＴ_W−ｔ₁−（θ_W1−θ_W0）／ω_W｝²／２
ｔ₁＋（θ_W1−θ_W0）／ω_W＋２ω_W／α_W≦ｔ−ｍＴ_W≦ｔ₁＋２（θ_W1−θ_W0）／ω_W＋ω_W／α_Wなら
θ_W´＝−ω_W
θ_W＝２θ_W1−θ_W0＋３ω_W ²／２α_W−ω_W（ｔ−ｍＴ_W−ｔ₁）
ｔ₁＋２（θ_W1−θ_W0）／ω_W＋ω_W／α_W≦ｔ−ｍＴ_W≦ｔ₁＋２（θ_W1−θ_W0）／ω_W＋２ω_W／α_Wなら
θ_W´＝−ω_W＋α_W｛ｔ−ｍＴ_W−ｔ₁−２（θ_W1−θ_W0）／ω_W−ω_W／α_W｝
θ_W＝２θ_W1−θ_W0−３ω_W ²／２α_W−ω_W（ｔ−ｍＴ_W−ｔ₁）
＋α_W｛ｔ−ｍＴ_W−ｔ₁−２（θ_W1−θ_W0）／ω_W−ω_W／α_W｝²／２
ｔ₁＋２（θ_W1−θ_W0）／ω_W＋２ω_W／α_W≦ｔ−ｍＴ_W≦ｔ₁＋２（θ_W1−θ_W0）／ω_W＋２ω_W／α_W＋δなら
θ_W´＝０，θ_W＝θ_W0

以上により、トップリング２０が揺動の最小角θ_W0にあるときの時刻ｔ₁を基にして、任意の時刻ｔにおけるトップリング２０の回転角θ_Wが一義的に求められた。このとき揺動中心Ｃを（Ｘ_C，Ｙ_C）とすると、基板中心の座標（Ｘ_W，Ｙ_W）が下式（４）により求められる。
Ｘ_W＝Ｘ_C＋Ｒ_Wｃｏｓθ_W，Ｙ_W＝Ｙ_C＋Ｒ_Wｓｉｎθ_W （４）

また、時刻ｔにおける監視用センサ５２と基板中心との距離Ｄは、
Ｄ＝√{（Ｘ_S−Ｘ_W）²＋（Ｙ_S−Ｙ_W）²} （５）
距離Ｄが基板Ｗの半径を超える場合には、もちろん監視用センサ５２が基板Ｗの外側にあって基板状態の監視ができない。

ここで揺動時の速度のパターンはこれに限られるものではなく、例えば正弦波で表わされるものであってもよい。また時刻ｔ₁におけるトップリング２０の位置を揺動の最小角θ_w0としたが、ある時刻におけるトップリング２０の位置が定まれば、任意の時刻における基板中心の座標が同様に計算できる。

以上を踏まえて、
〔１〕近接センサ１０１及びセンサターゲット１０３が基板Ｗの研磨中初回に反応してから所定の時間τだけ経過後に、トップリング２０の揺動を開始することにすれば、すなわち研磨テーブル１８の回転に同期して基板Ｗの揺動を開始することにすれば、１周目，２周目，・・・ｎ周目に監視用センサ５２が基板Ｗを走査するときの基板中心位置が複数の基板Ｗ間でそれぞれ等しく、そのときの監視用センサ軌跡の基板Ｗに対する半径位置が等しくなって、基板間でばらつきのない監視・制御が可能になる。すなわち
ｔ₁＝ｔ₀＋τ （６）
τは、近接センサ１０１及びセンサターゲット１０３の反応から揺動開始までの計算や通信の遅れを考慮して定めてもよい。

〔２〕さらに研磨中の基板Ｗの中心位置を（４）式によって計算して求め、（５）式を用いて監視用センサ５２による計測点の基板中心からの距離Ｄ、すなわち研磨中各時点の計測点の半径位置を求めることができる。ここで研磨テーブル１８の回転速度やトップリング２０の揺動の速度・加速度などが設定値からずれて、研磨時間とともに誤差が累積する恐れがある場合には、研磨テーブル１８の回転周期やトップリング２０の揺動の周期などを実測して、これらに基づき計算して影響を軽減する。

〔３〕〔１〕〜〔２〕において、研磨テーブル１８の回転周期のｎ倍と、トップリング２０の揺動周期のｍ倍（ｍとｎとは互いに素な整数）とが、時間Ｔ（たとえば３秒、５秒、１０秒など）に一致するように研磨テーブル１８の回転速度やトップリング２０の揺動の仕様を設定すれば、前述のように、研磨テーブル１８のｎ回転ごとに、監視用センサ軌跡の半径位置が同じになり、全研磨時間に亘ってより安定した監視・制御が可能になる。

〔４〕また〔１〕〜〔２〕において、図１０に示すように、トップリング２０の揺動を１往復ごとに時間δ（たとえばδ≒２００ｍｓ）だけ一旦停止させる。そして、トップリング２０がｍ回揺動する度に、直前で研磨テーブル１８が所定の回転角にあることを検知した時点をｔ₀とおき直して、（６）式で求めたｔ₁の時点でトップリング２０の次の揺動動作を行うことにする。つまり第１の時間（＝ｎＴ_S）が経過するごとに１回、研磨テーブル１８の回転とトップリング２０の揺動との同期を取る。このようにすれば、研磨テーブル１８の回転速度やトップリング２０の揺動の仕様が設定値から微小な偏差を持ったり微小な変動をしたとしても、誤差が累積することなく、監視用センサ５２と基板中心とは、時間Ｔを周期としてほぼ同じ位置関係を繰り返し、研磨テーブル１８のｎ回転ごとに監視用センサ軌跡の半径位置は等しくなる。よって、全研磨時間に亘り、機差や機械部分の微小変動によらず、確実で安定した監視・制御が可能になる。ここで所定の回転角は、監視用センサ５２が基板Ｗを走査し始める直前になるように定めて誤差の影響をさらに小さくすることが好ましい。

〔５〕加えて、〔１〕，〔２〕，〔４〕において、時間Ｔの間に少なくとも１回監視用センサ５２が基板中心を通るように、時間τを定める。いま図１１に示すように、揺動中心Ｃの原点からの距離をＲ_C、Ｘ軸に関する角をθ_Cとして
Ｒ_C＝√（Ｘ_C ²＋Ｙ_C ²），Ｘ_C＝Ｒ_Cｃｏｓθ_C，Ｙ_C＝Ｒ_Cｓｉｎθ_C
（５）式でＤ＝０とすると、式（２），（４）が成り立つとき余弦定理より
ｃｏｓ（θ_S−θ_C）＝（Ｒ_S ²＋Ｒ_C ²−Ｒ_W ²）／２Ｒ_SＲ_C
ｃｏｓ（θ_C−θ_W）＝−（Ｒ_W ²＋Ｒ_C ²−Ｒ_S ²）／２Ｒ_WＲ_C
したがってたとえば、基板中心と監視用センサ５２とが図１１のような位置関係にある。
すなわち
θ_S＜θ_C，θ_W＋π＞θ_C
である場合、ｍ_S、ｍ_Wを整数として、
θ_S＝θ_C−ａｃｏｓ｛（Ｒ_S ²＋Ｒ_C ²−Ｒ_W ²）／２Ｒ_SＲ_C｝＋２ｍ_Sπ
θ_W＝θ_C＋ａｃｏｓ｛（Ｒ_W ²＋Ｒ_C ²−Ｒ_S ²）／２Ｒ_WＲ_C｝＋（２ｍ_w−１）π
よって、（１）式と、例えば（３）式が成り立つ範囲で監視用センサ５２が基板中心を通るものとして、（３）式とから、
ｔ＝ｔ₀＋〔θ_C−ａｃｏｓ｛（Ｒ_S ²＋Ｒ_C ²−Ｒ_W ²）／２Ｒ_SＲ_C｝＋２ｍ_Sπ−θ_S0〕／ω_S
ｔ＝ｔ₁＋〔θ_C＋ａｃｏｓ｛（Ｒ_W ²＋Ｒ_C ²−Ｒ_S ²）／２Ｒ_WＲ_C｝＋（２ｍ_W−１）π−θ_W0〕／ω_W＋ω_W／２α_W＋ｍＴ_W
したがって、研磨初期に基板中心を通るものとし、ｍ＝ｍ_S＝ｍ_W＝０とすれば、（６）式より、
τ＝〔θ_C−θ_S0−ａｃｏｓ｛（Ｒ_S ²＋Ｒ_C ²−Ｒ_w ²）／２Ｒ_SＲ_C｝〕／ω_S＋〔θ_W0−θ_C−ａｃｏｓ｛（Ｒ_W ²＋Ｒ_C ²−Ｒ_S ²）／２Ｒ_WＲ_C｝＋π〕／ω_W−ω_W／２α_W
その他の場合に関しても、同様に時間τが求められる。
このようにすれば、すなわち第１の時間に少なくとも１回、監視用センサ５２がトップリング２０のほぼ中心を通るようにトップリング２０を揺動すれば、研磨テーブル１８がｎ回転する間に少なくとも１回、研磨の進み・遅れなどの特異現象がおき易い基板中心を確実に監視することができる。

さらに、研磨テーブル１８の回転ごと（１回転ごと）にすべての領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の研磨状態を検出するには、監視用センサ５２がトップリング２０の最も内側の領域、すなわち中心の押圧領域Ｃ１を通るように、トップリング２０の揺動振幅を定める必要がある。

図１２は前記トップリング２０の揺動振幅を定める方法の説明図である。トップリング２０が揺動の両端に来たとき、図１２に示すように監視用センサ軌跡Ｌ１と基板Ｗの中心押圧領域Ｃ１の外周とが接するような位置関係にあれば、研磨テーブル１８の回転速度、トップリング２０の揺動の周期、およびタイミング（研磨テーブル１８の回転とトップリング２０の揺動の位相差）によらず、監視用センサ５２は、毎周必ず中心押圧領域Ｃ１を通る。
したがって図１２において、中心押圧領域Ｃ１の半径をＲ_Iとすると、
（Ｒ_S−Ｒ_I）²≦（Ｘ_C＋Ｒ_Wｃｏｓθ_W）²＋（Ｙ_C＋Ｒ_Wｓｉｎθ_W）²
≦（Ｒ_S＋Ｒ_I）²
これより、この図の場合、―π＜θ_W＜０の範囲で考えて、
ａｃｏｓ〔｛Ｒ_C ²＋Ｒ_w ²−（Ｒ_S−Ｒ_I）²｝／２Ｒ_CＲ_w〕＋γ−π≦θ_w
≦ａｃｏｓ〔｛Ｒ_C ²＋Ｒ_W ²−（Ｒ_S＋Ｒ_I）²｝／２Ｒ_CＲ_W〕＋γ−π
ｃｏｓγ＝Ｘ_C／Ｒ_C，ｓｉｎγ＝Ｙ_C／Ｒ_C
とすればよい。
このようにすれば、研磨テーブル１８の周回ごとに、監視用センサ５２が必ず基板Ｗの中心押圧領域Ｃ１に対応する部分を走査して、プロファイル制御が容易かつ効果的になる。

図１３は、監視用センサ５２が渦電流センサである場合について、監視用センサ５２が基板Ｗの面を１走査したときの基板Ｗの面上における計測スポット（有効計測域）の移動軌跡を示す図である。渦電流センサの場合には、原理上、計測スポットが有限の大きさを持つため、中心が基板Ｗの端部に近づくと部分的に基板Ｗ上の成膜範囲を外れるため、出力が低下する。

図１４には、表面に銅がほぼ均一の厚みに成膜された基板（ブランケットウェーハ）を渦電流センサで走査したときのセンサ出力値を示している。前述したように、基板Ｗの端部付近でのセンサ出力値は急激に低下している。

図１５に示すようにトップリング２０の中心の揺動軌跡が監視用センサ軌跡Ｌ１と接する場合は、基板面上の監視用センサ軌跡、すなわち基板内センサ軌跡Ｌ１´は、図１６（ａ）に示すようになる（ただしこの図の場合、トップリング２０を揺動させていない）。この例では、基板面上における監視用センサ５２の軌跡が研磨テーブル５周ごとに基板面上を周方向に１周するよう、研磨テーブル１８とトップリング２０との回転速度比を５：６に調節している。このように基板内センサ軌跡Ｌ１´が基板Ｗの被研磨面の全周にわたってほぼ均等に分布するようにトップリング２０と研磨テーブル１８の回転速度を設定すれば、所定の測定時間内に監視用センサ５２が基板Ｗの被研磨面の局所エリアに偏らず、ほぼ全面を均等に走査することができる。その結果基板面上周方向の膜厚ばらつきの影響を抑えて平均的な膜厚を捉えることが可能になる。

具体的に図１６においては、研磨テーブル１８の回転速度を６０〔ｒｐｍ〕、トップリング２０の回転速度を７２〔ｒｐｍ〕とし、図１６（ａ）は前述のようにトップリング２０の揺動がない場合の基板面上の基板内センサ軌跡Ｌ１´を実線で示し、図１６（ｂ）はトップリング２０の揺動が上記図１５に示すようにある場合に、揺動がないことを仮定して求められた仮の基板内センサ軌跡Ｌ１″が、実際には基板面に対してどう分布するかを実線と点線とで示したものである。

図１６（ａ）の場合、研磨テーブル１８が５回転する度に１回、監視用センサ５２が同一の軌跡を通り、かつ監視用センサ５２は基板面を走査するたびに基板Ｗの中心を通過する。一方図１６（ｂ）の場合は、研磨テーブル１８が２回転する度に１回、監視用センサ５２が同一の半径位置を通り、研磨テーブル１８が１０回転する度に１回、監視用センサ５２が同一の軌跡を通り、かつ監視用センサ５２が基板面を走査するたびに正確ではないがほぼ基板Ｗの中心を通過する。したがって基板Ｗの揺動がないことを仮定して求めた基板Ｗの監視データは、研磨中の基板Ｗの状態監視に用いることができる。

なお図１６（ｂ）に点線と実線で示すように、仮の基板内センサ軌跡Ｌ１″が基板端付近で早めに始まる場合には、基板端付近で早く終わり、仮の基板内センサ軌跡Ｌ１″が基板端付近で遅めに始まる場合には、基板端付近で遅く終わる。したがって仮の基板内センサ軌跡Ｌ１″の中央の点を基板中心と考えて、両側同一距離の計測点の監視データを比べると、多くの場合、一方が大きめであれば、他方が小さめである。そこで両側同一距離の計測点の平均値を当該半径位置の監視データとする。

さらに研磨テーブル１８がｎ回転する間（トップリング２０の揺動周期のｍ倍に相当）の監視データの移動平均を求めることにすれば、図１７に示すように、研磨テーブル１８の各周回における監視データの誤差は軽減されて、膜厚プロファイルを相対的に捉えることが可能になる。

つまり、基板監視時におけるトップリング２０の中心の揺動軌跡が監視用センサ５２の軌跡と接する場合は、トップリング２０の揺動がないことを仮定して求めたトップリング２０の各領域の監視データを、第１の整数ｎに対応する研磨テーブル１８の周回数分だけ移動平均して用いることで、研磨中の基板Ｗの状態を監視してもよい。

以上において、トップリングは、所定の軸の回り、円弧上の軌道に沿って揺動するものとして説明したが、トップリングの揺動の方法はこれに限られるものではない。たとえば、トップリングが研磨テーブル上に略楕円の軌跡を描いて揺動することであってもよい。

Ｗ基板
１８研磨テーブル
２０トップリング
５２監視用センサ
１０１近接センサ
１０３センサターゲット
Ｃ揺動中心
Ｌ１監視用センサ軌跡
Ｌ１´ 基板内センサ軌跡
Ｌ１″ 仮の基板内センサ軌跡

Claims

監視用センサを装着した研磨テーブルの回転する研磨面に、揺動中心を中心に揺動且つ回転するトップリングに装着した基板を当接して研磨を開始し、前記監視用センサによって研磨中の基板の少なくとも膜厚状態を検出し監視しながら基板の研磨を行うとともに、
前記研磨を開始した後に所定の時間だけ経過したときに、監視用センサの位置、トップリングの回転中心の位置、及びトップリングの揺動の向きが、それぞれ前記所定の時間だけ前の値にほぼ一致するように、研磨テーブルの回転速度とトップリングの揺動条件とを定めたことを特徴とする研磨方法。
前記基板の研磨時間が、前記所定の時間の３倍以上あることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
基板の被研磨面の少なくとも膜厚状態を監視用センサにより監視し、前記監視用センサからの少なくとも膜厚信号に所定の演算処理をしてモニタ信号を生成し、前記モニタ信号に基づいてトップリングによる基板の押圧力を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の研磨方法。
前記所定の時間の整数倍が、監視データ平滑化のための移動平均時間に一致することを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
研磨テーブルの回転に同期してトップリングが揺動を開始することを特徴とする請求項１または２に記載の研磨方法。
研磨中のトップリングの中心位置を計算して、監視用センサによる計測点の基板中心からの距離を求めることを特徴とする請求項５に記載の研磨方法。
前記所定の時間が経過するごとに１回、研磨テーブルの回転とトップリングの揺動との同期を取ることを特徴とする請求項１または２に記載の研磨方法。
前記所定の時間に少なくとも１回、監視用センサがトップリングのほぼ中心を通るようにトップリングを揺動することを特徴とする請求項７に記載の研磨方法。
前記トップリングは、それぞれ独立に押圧を調整できる同心円状の領域を有し、研磨テーブルの回転ごとに前記監視用センサが最も内側の領域を通るように、トップリングの揺動の振幅が定められることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
基板監視時におけるトップリングの中心の揺動軌跡が監視用センサの軌跡と接し、前記トップリングの揺動がないことを仮定して求められたトップリング各領域の監視データを移動平均して用いることを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
研磨面を有する研磨テーブルと、
基板を保持しつつ揺動中心を中心に揺動且つ回転させながら前記研磨テーブルに押圧するトップリングと、
前記研磨テーブルの研磨面に装着され研磨中の基板の少なくとも膜厚状態を検出する監視用センサと、
前記トップリングの揺動及び回転と、前記研磨テーブルの回転とを制御する制御部とを備え、
前記制御部は、回転する研磨テーブルに、揺動且つ回転するトップリングに装着した基板を当接したときを研磨開始とし、前記研磨開始の後に所定の時間だけ経過したときに、監視用センサの位置、トップリングの回転中心の位置、及びトップリングの揺動の向きが、それぞれ前記所定の時間だけ前の値にほぼ一致するように定め、研磨テーブルの回転速度とトップリングの揺動とを制御することを特徴とする研磨装置。