JP5980476B2 - ポリッシング装置およびポリッシング方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体ウェハなどの基板の表面を研磨するポリッシング装置に関し、より具体的には、基板の中心部および周縁部を含む基板の全面における膜厚分布を基板の研磨中に取得し、得られた膜厚分布に基づいて基板への荷重を制御するポリッシング装置およびポリッシング方法に関する。
半導体ウェハなどの基板の表面を研磨する装置として、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）装置が広く知られている。このＣＭＰ装置は、回転する研磨テーブル上の研磨パッドに研磨液を供給しながら、トップリングで基板を研磨パッドに押し付けることで基板の表面を研磨する。ＣＭＰ装置は、一般に、基板の膜厚または膜厚に等価な信号を測定する膜厚測定部を備えており、膜厚測定部から得られる膜厚の測定値に基づいて、基板に対する研磨荷重を制御し、さらには研磨終点を決定する。膜厚測定部としては、渦電流センサや光学式センサが一般的に使用される。
図１は、従来のＣＭＰ装置における膜厚測定部と基板との位置関係を示す平面図である。膜厚測定部１００は、研磨パッド１０５上の基板Ｗに対向するように研磨テーブル１０２の内部に配置される。したがって、研磨テーブル１０２が回転するたびに、膜厚測定部１００が基板Ｗを横切って移動しながら、基板Ｗ上の複数の測定点で膜厚を測定する。従来のＣＭＰ装置では、膜厚測定部１００は、図１に示すように、基板Ｗの中心を通るように配置される。これは、図２に示すように、基板Ｗの径方向に分布する複数の測定点で膜厚を測定するためである。
研磨される基板の表面には、微細な回路パターンが存在するため、基板上の領域によっては、同一の膜厚であっても得られる膜厚に相当するデータ（例えば、渦電流センサであれば電圧値または電流値、光学式センサであれば相対反射率）が異なる場合がある。このような回路パターンの影響を回避するために、得られたデータに対して平滑化が行われる。
ＣＭＰ装置は、研磨中に得られる膜厚プロファイルに基づいて、基板の各領域（例えば、中心部、中間部、周縁部）への研磨荷重を決定し、膜厚が均一になるように基板を研磨する。しかしながら、従来のＣＭＰ装置では、基板の周縁部に対応する測定点の数が少ないため、正確な膜厚が得られないという問題がある。この問題点について図２を参照して説明する。図２は、研磨テーブルが一回転する間に膜厚測定が行われる基板上の測定点を示す図である。基板の周縁部は、最も外側に位置する環状の領域であり、その幅は１０ｍｍ〜２０ｍｍである。このため、図２から分かるように、周縁部上の測定点の数が少なくなってしまう。
基板の周縁部は、研磨荷重や研磨液の影響を最も受けやすい領域であり、基板の他の領域に比べて研磨中に膜厚が大きく変化しやすい領域である。さらに、基板の周縁部での初期膜厚は、多くの場合、他の領域での膜厚よりも大きい。したがって、基板の研磨中は、周縁部における膜厚を正確に測定し、監視する必要がある。しかしながら、上述したように、基板の周縁部での測定点が少ないため、周縁部の膜厚を正確に取得することが難しい。
図３は、基板の中心部における膜厚の測定値および周縁部における膜厚の測定値の変化を示すグラフである。図３に示すグラフの縦軸は、光学式センサにより得られた膜厚の測定値（推定値）を表し、横軸は研磨時間を表す。図３から分かるように、基板の中心部（図２参照）での膜厚は、研磨時間に従って徐々に減少しているのに対して、基板の周縁部（図２参照）での膜厚は、不規則に変化する。これは、周縁部での測定点の数が少ないため、平滑化処理のために必要なデータが得られないからである。特に、研磨テーブルが高速で回転する場合には、基板の周縁部での測定点の数はさらに少なくなってしまう。
このように、基板の周縁部では、精度の高い膜厚データを取得することが困難であるため、精度の高い基板の膜厚プロファイルを研磨中に取得することができなかった。結果として、膜厚プロファイルを研磨荷重にフィードバックして所望の膜厚プロファイルを得ることが難しかった。
特開２００４−１５４９２８号公報 特表２００９−５０５８４７号公報
本発明は、上述した従来の問題点を解決するためになされたもので、基板の中心部および周縁部を含む全面において、精度の高い膜厚データを取得することができるポリッシング装置およびポリッシング方法を提供することを目的とする。
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、膜を有する基板を研磨パッドに摺接させて該基板を研磨するポリッシング装置であって、前記研磨パッドを保持するための回転可能な研磨テーブルと、前記基板を保持し、該基板の表面を前記研磨パッドに対して押圧するトップリングと、光を発する少なくとも１つの光源と、前記光源からの光を前記基板の表面に照射し、前記基板からの反射光を受光する第一の光学ヘッドと、前記光源からの光を前記基板の表面に照射し、前記基板からの反射光を受光する第二の光学ヘッドと、前記第一の光学ヘッドおよび前記第二の光学ヘッドにより受光された反射光の各波長での強度を測定する少なくとも１つの分光器と、前記分光器により測定された反射光の各波長での強度から、反射光の強度と波長との関係を示すスペクトルを生成し、該スペクトルから前記基板の膜厚を決定する処理部とを備え、前記第一の光学ヘッドは、前記トップリングに保持された前記基板の中心に対向するように配置され、前記第二の光学ヘッドは、前記トップリングに保持された前記基板の周縁部に対向するように配置されており、前記第一の光学ヘッドと前記第二の光学ヘッドは、前記研磨テーブル内に配置され、かつ前記研磨テーブルの周方向において異なる位置に配置されており、前記第一の光学ヘッドと前記第二の光学ヘッドは、異なる時間に前記基板の表面を横切りながら、交互に前記基板の表面に光を照射し、前記基板の表面からの反射光を受光するように配置されており、前記第一の光学ヘッドは、前記研磨テーブルが回転するたびに、前記基板の中心を通る軌跡を描いて前記基板の表面を横切りながら、該基板の径方向に分布する複数の第一の測定点において前記基板の表面に光を照射し、前記基板の表面からの反射光を受光し、前記第二の光学ヘッドは、前記研磨テーブルが回転するたびに、前記基板の周縁部のみを通る軌跡を描きながら、該基板の周縁部上の複数の第二の測定点において前記基板の周縁部に光を照射し、前記基板の周縁部からの反射光を受光し、前記複数の第二の測定点は、前記基板の半径方向において該基板の中心から異なる距離に位置していることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第二の光学ヘッドは、前記研磨テーブルの半径方向に関して、前記第一の光学ヘッドよりも外側に配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第二の光学ヘッドは、前記研磨テーブルの半径方向に関して、前記第一の光学ヘッドよりも内側に配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第二の光学ヘッドは、前記第一の光学ヘッドが前記基板の表面の下にないときに、前記基板の周縁部を横切りながら、前記基板の周縁部に光を照射し、かつ前記基板の周縁部からの反射光を受光することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第一の光学ヘッドと前記研磨テーブルの中心とを結ぶ線と、前記第二の光学ヘッドと前記研磨テーブルの中心とを結ぶ線とがなす角度は実質的に１８０度であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記トップリングは、前記基板の中心部および周縁部を前記研磨パッドに対して独立に押し付ける機構を有しており、前記ポリッシング装置は、前記基板の前記中心部における膜厚と、前記基板の前記周縁部における膜厚に基づいて、前記基板の前記中心部および前記周縁部に対する前記トップリングの荷重を決定する制御部をさらに備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨パッドは、前記第一の光学ヘッドおよび前記第二の光学ヘッドに対応する位置に２つの通孔を有することを特徴とする。
本発明の一参考例は、膜を有する基板を研磨パッドに摺接させて該基板を研磨するポリッシング装置であって、前記研磨パッドを保持するための回転可能な研磨テーブルと、前記基板を保持し、該基板を前記研磨パッドに対して押圧するトップリングと、前記研磨テーブル内に配置され、前記基板の膜厚を測定する第一の膜厚センサおよび第二の膜厚センサとを備え、前記第一の膜厚センサは、前記トップリングに保持された前記基板の中心に対向するように配置され、前記第二の膜厚センサは、前記トップリングに保持された前記基板の周縁部に対向するように配置されており、前記第二の膜厚センサは、前記研磨テーブルの半径方向に関して、前記第一の膜厚センサよりも内側に配置されており、かつ前記第一の膜厚センサと前記研磨テーブルの中心とを結ぶ線と、前記第二の膜厚センサと前記研磨テーブルの中心とを結ぶ線とがなす角度は、実質的に１８０度であることを特徴とする。
本発明のさらに他の態様は、膜を有する基板を研磨パッドに摺接させて該基板を研磨するポリッシング方法であって、前記研磨パッドを保持する研磨テーブルを回転させ、前記回転する研磨パッドに対して前記基板の表面を押圧し、前記研磨テーブルが回転するたびに、第一の光学ヘッドが前記基板の中心を通る軌跡を描いて前記基板の表面を横切りながら、該基板の径方向に分布する複数の第一の測定点において前記第一の光学ヘッドにより前記基板の表面に光を照射し、前記基板の表面からの反射光を受光し、前記研磨テーブルが回転するたびに、第二の光学ヘッドが前記基板の周縁部のみを通る軌跡を描きながら、該基板の周縁部上の複数の第二の測定点において前記第二の光学ヘッドにより前記基板の周縁部に光を照射し、前記基板の周縁部からの反射光を受光し、前記第一の光学ヘッドおよび前記第二の光学ヘッドにより受光された反射光の各波長での強度を測定し、測定された強度から、反射光の強度と波長との関係を示すスペクトルを生成し、前記スペクトルから前記基板の膜厚を決定する工程を含み、前記第一の光学ヘッドと前記第二の光学ヘッドは、前記研磨テーブル内に配置され、かつ前記研磨テーブルの周方向において異なる位置に配置されており、前記第一の光学ヘッドと前記第二の光学ヘッドは、異なる時間に前記基板の表面を横切りながら、交互に前記基板の表面に光を照射し、前記基板の表面からの反射光を受光するように配置されており、前記複数の第二の測定点は、前記基板の半径方向において該基板の中心から異なる距離に位置していることを特徴とする。
本発明の他の態様は、膜を有する基板を研磨パッドに摺接させて該基板を研磨するポリッシング方法であって、前記研磨パッドを保持する研磨テーブルを回転させ、前記回転する研磨パッドに対して前記基板の表面を押圧し、前記研磨テーブルが回転するたびに、第一の光学ヘッドが前記基板の中心を通る軌跡を描いて前記基板の表面を横切りながら、該基板の径方向に分布する複数の第一の測定点において前記第一の光学ヘッドにより前記基板の表面に光を照射し、前記基板の表面からの反射光を受光し、前記研磨テーブルが回転するたびに、第二の光学ヘッドが前記基板の周縁部のみを通る軌跡を描きながら、該基板の周縁部上の複数の第二の測定点において前記第二の光学ヘッドにより前記基板の周縁部に光を照射し、前記基板の周縁部からの反射光を受光し、前記第一の光学ヘッドおよび前記第二の光学ヘッドにより受光された反射光の各波長での強度を測定し、測定された強度から、反射光の強度と波長との関係を示すスペクトルを生成し、前記スペクトルから前記基板の膜厚を決定する工程を含み、前記第一の光学ヘッドおよび前記第二の光学ヘッドは、略一定の時間間隔で交互に前記基板の表面に光を照射し、かつ前記基板からの反射光を受光するように配置されており、前記複数の第二の測定点は、前記基板の半径方向において該基板の中心から異なる距離に位置していることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記基板の周縁部は、該基板の最も外側にある環状の部位であり、その幅は１０ｍｍ〜２０ｍｍであること特徴とする。
本発明によれば、第２の光学ヘッドの先端は、研磨テーブルの回転に伴って基板の周縁部に沿って移動する。したがって、周縁部における測定点の数が多くなり、より精度の高い膜厚を得ることができる。その結果、精度の高い膜厚プロファイル（基板の径方向に沿った膜厚分布）を研磨中に生成することができ、この膜厚プロファイルに基づいて所望の膜厚プロファイルを得ることができる。
従来のＣＭＰ装置における膜厚測定部と基板との位置関係を示す平面図である。 研磨テーブルが一回転する間に膜厚測定が行われる基板上の測定点を示す図である。 基板の中心部における膜厚の測定値および周縁部における膜厚の測定値の変化を示すグラフである。 図４（ａ）は、基板からの反射光のスペクトルに基づいて膜厚を決定する原理を説明するための模式図であり、図４（ｂ）は基板と研磨テーブルとの位置関係を示す平面図である。 図４（ａ）に示す構造の基板に関して、光の干渉理論に基づいてシミュレーションを行って得られた反射光のスペクトルを示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るポリッシング装置の構成を示す断面図である。 第一の投光部および第一の受光部を有する第一の光学ヘッドと、第二の投光部および第二の受光部を有する第二の光学ヘッドの配置を示す平面図である。 第二の光学ヘッドの先端が描く基板の表面上の軌跡を示す図である。 処理部によって作成された膜厚プロファイルの例を示す図である。 基板の複数の領域を独立に押圧する複数の押圧機構を備えたトップリングの一例を示す断面図である。 基板の膜厚プロファイルを示すグラフである。 第一の光学ヘッドおよび第二の光学ヘッドの配置の他の例を示す平面図である。 図１２に示す第二の光学ヘッドの先端が描く軌跡を示す図である。 第一の光学ヘッドおよび第二の光学ヘッドの配置のさらに他の例を示す平面図である。 第一の光学ヘッドおよび第二の光学ヘッドについて共通の分光器および共通の光源を備えた例を示す図である。 第一の光学ヘッドおよび第二の光学ヘッドの配置のさらに他の例を示す平面図である。 第一の光学ヘッドおよび第二の光学ヘッドの配置のさらに他の例を示す平面図である。 第一の光学ヘッドおよび第二の光学ヘッドの配置のさらに他の例を示す平面図である。 第一の光学ヘッドおよび第二の光学ヘッドに加えて、第三の光学ヘッドが設けられた例を示す平面図である。 第一の光学ヘッド、第二の光学ヘッド、および第三の光学ヘッドの配置の他の例を示す平面図である。 第一の光学ヘッド、第二の光学ヘッド、および第三の光学ヘッドの配置のさらに他の例を示す平面図である。 第一の光学ヘッド、第二の光学ヘッド、および第三の光学ヘッドの配置のさらに他の例を示す平面図である。 第二の光学ヘッドのさらに他の配置例を示す平面図である。 第二の光学ヘッドのさらに他の配置例を示す平面図である。 図６に示すポリッシング装置の変形例を示す断面図である。
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４（ａ）は、基板からの反射光のスペクトルに基づいて膜厚を決定する原理を説明するための模式図であり、図４（ｂ）は基板と研磨テーブルとの位置関係を示す平面図である。図４（ａ）に示すように、研磨対象となる基板Ｗは、下地層（例えば、シリコン層）と、その上に形成された膜（例えば、光透過性を有するＳｉＯ２などの絶縁膜）を有している。基板Ｗの表面は、回転する研磨テーブル２０上の研磨パッド２２に押圧され、基板Ｗの膜は研磨パッド２２との摺接により研磨される。
投光部１１および受光部１２は、基板Ｗの表面に対向して配置されている。投光部１１は光源１６に接続されており、光源１６からの光を基板Ｗの表面に照射する。投光部１１は、基板Ｗの表面に対してほぼ垂直に光を投光し、受光部１２は基板Ｗからの反射光を受ける。光源１６が発する光は、多波長の光である。図４（ｂ）に示すように、研磨テーブル２０が１回転するたびに基板Ｗの表面に光が照射される。受光部１２には分光器１４が接続されている。この分光器１４は、反射光を波長に従って分解し、反射光の強度を波長ごとに測定する。
分光器１４には処理部１５が接続されている。この処理部１５は、分光器１４によって取得された測定データを読み込み、強度の測定値から反射光の強度分布を生成する。より具体的には、処理部１５は、波長ごとの光の強度を表すスペクトル（分光プロファイル）を生成する。このスペクトルは、反射光の波長と強度との関係を示す線グラフとして表すことができる。処理部１５は、さらに、スペクトルから基板Ｗの膜厚を決定し、さらには研磨終点を決定するように構成されている。処理部１５としては、汎用または専用のコンピュータを使用することができる。処理部１５は、プログラム（またはコンピュータソフトウエア）によって所定の処理ステップを実行する。
図５は、図４（ａ）に示す構造の基板に関して、光の干渉理論に基づいてシミュレーションを行って得られた反射光のスペクトルを示すグラフである。図５において、横軸は光の波長を表わし、縦軸は光の強度から求められた相対反射率を表す。この相対反射率とは、光の強度を表す１つの指標であり、具体的には、反射光の強度と所定の基準強度との比である。このように反射光の強度（実測強度）を所定の基準強度で割ることにより、ノイズ成分が除去された光の強度を得ることができる。所定の基準強度は、例えば、膜が形成されていないシリコンウェハを水の存在下で研磨しているときに得られた反射光の強度とすることができる。なお、相対反射率を使用せずに、反射光の強度そのものを使用してもよい。
スペクトルは、波長の順に並ぶ光の強度の配列であり、各波長での光の強度を示す。このスペクトルは、基板の膜厚によって変化する。これは、光の波の干渉による現象である。つまり、基板に照射された光は、媒質と膜との界面と、膜とこの膜の下にある層との界面で反射し、これらの界面で反射した光の波が互いに干渉する。この光の波の干渉の仕方は、膜の厚さ（すなわち光路長）に応じて変化する。このため、基板から戻ってくる反射光のスペクトルは、図５に示すように、膜の厚さによって変化する。
処理部１５は、得られたスペクトルから膜厚を決定するように構成されている。スペクトルから膜厚を決定する方法には、公知の技術を使うことができる。例えば、研磨中に得られたスペクトル（実測スペクトル）と予め用意された基準スペクトルとを比較して膜厚を推定する方法がある（例えば、特表２００９−５０５８４７号公報参照）。この方法は、研磨中の各時点でのスペクトルを複数の基準スペクトルと比較し、そのスペクトルに最も形状が近い基準スペクトルから膜厚を決定する。複数の基準スペクトルは、研磨対象となる基板と同種のサンプル基板を研磨することによって予め用意される。各基準スペクトルは、その基準スペクトルが取得された膜厚に関連付けられている。したがって、研磨中に得られたスペクトルに最も近い形状を有する基準スペクトルから、現在の膜厚を推定することができる。
処理部１５は、基板に対する研磨荷重などの研磨条件を決定する制御部１９に接続されている。処理部１５によって生成されたスペクトルは制御部１９に送信されるようになっている。制御部１９は、研磨中に得られるスペクトルに基づいて、目標膜厚プロファイルを得るための最適な研磨荷重を決定し、後述するように、基板に対する研磨荷重を制御する。
図６は、本発明の一実施形態に係るポリッシング装置の構成を示す断面図である。ポリッシング装置は、研磨パッド２２を支持する研磨テーブル２０と、基板Ｗを保持して研磨パッド２２に押圧するトップリング２４と、研磨パッド２２に研磨液（スラリ）を供給する研磨液供給機構２５とを備えている。研磨テーブル２０は、その下方に配置されるモータ（図示せず）に連結されており、その軸心周りに回転可能になっている。研磨パッド２２は、研磨テーブル２０の上面に固定されている。
研磨パッド２２の上面２２ａは、基板Ｗを研磨する研磨面を構成している。トップリング２４は、トップリングシャフト２８を介してモータ及び昇降シリンダ（図示せず）に連結されている。これにより、トップリング２４は昇降可能かつトップリングシャフト２８周りに回転可能となっている。このトップリング２４の下面には、基板Ｗが真空吸着等によって保持される。
トップリング２４の下面に保持された基板Ｗはトップリング２４によって回転させられつつ、回転している研磨テーブル２０上の研磨パッド２２にトップリング２４によって押圧される。このとき、研磨液供給機構２５から研磨パッド２２の研磨面２２ａに研磨液が供給され、基板Ｗの表面と研磨パッド２２との間に研磨液が存在した状態で基板Ｗの表面が研磨される。基板Ｗと研磨パッド２２とを摺接させる相対移動機構は、研磨テーブル２０およびトップリング２４によって構成される。
研磨テーブル２０には、その上面で開口する孔３０Ａ，３０Ｂが形成されている。また、研磨パッド２２には、この孔３０Ａ，３０Ｂに対応する位置に通孔３１Ａ，３１Ｂが形成されている。孔３０Ａと通孔３１Ａとは連通し、孔３０Ｂと通孔３１Ｂとは連通している。通孔３１Ａ，３１Ｂは研磨面２２ａで開口している。孔３０Ａ，３０Ｂは液体供給路３３およびロータリージョイント３２を介して液体供給源３５に連結されている。研磨中は、液体供給源３５からは、透明な液体として水（好ましくは純水）が孔３０Ａ，３０Ｂに供給されるようになっている。水は、基板Ｗの下面と通孔３１Ａ，３１Ｂとによって形成される空間を満たし、液体排出路３４を通じて排出される。研磨液は水と共に排出され、これにより光路が確保される。液体供給路３３には、研磨テーブル２０の回転に同期して作動するバルブ（図示せず）が設けられている。このバルブは、通孔３１Ａ，３１Ｂの上に基板Ｗが位置しないときは水の流れを止める、または水の流量を少なくするように動作する。
ポリッシング装置は、上述した方法に従って基板の膜厚を測定する光学式膜厚測定部を備えている。この光学式膜厚測定部は、光を発する光源１６ａ，１６ｂと、光源１６ａから発せられた光を基板Ｗの表面に照射する第一の投光部１１ａと、基板Ｗから戻ってくる反射光を受光する第一の受光部１２ａと、光源１６ｂから発せられた光を基板Ｗの表面に照射する第二の投光部１１ｂと、基板Ｗから戻ってくる反射光を受光する第二の受光部１２ｂと、基板Ｗからの反射光を波長に従って分解し、所定の波長範囲に亘って反射光の強度を測定する分光器１４ａ，１４ｂと、分光器１４ａ，１４ｂによって取得された測定データからスペクトルを生成し、このスペクトルに基づいて基板Ｗの膜厚を決定する処理部１５とを備えている。スペクトルは、所定の波長範囲に亘って分布する光の強度を示し、光の強度と波長との関係を示す。
第一の投光部１１ａ、第一の受光部１２ａ、第二の投光部１１ｂ、および第二の受光部１２ｂは、光ファイバーから構成されている。第一の投光部１１ａおよび第一の受光部１２ａは、第一の光学ヘッド（光学式膜厚測定ヘッド）１３Ａを構成し、第二の投光部１１ｂおよび第二の受光部１２ｂは、第二の光学ヘッド（光学式膜厚測定ヘッド）１３Ｂを構成している。第一の投光部１１ａは光源１６ａに接続されており、第二の投光部１１ｂは光源１６ｂに接続されている。第一の受光部１２ａは分光器１４ａに接続されており、第二の受光部１２ｂは分光器１４ｂに接続されている。
光源１６ａ，１６ｂとしては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ハロゲンランプ、キセノンフラッシュランプなど、複数の波長を持つ光を発する光源を用いることができる。第一の投光部１１ａ、第一の受光部１２ａ、第二の投光部１１ｂ、第二の受光部１２ｂ、光源１６ａ，１６ｂ、および分光器１４ａ，１４ｂは、研磨テーブル２０の内部に配置されており、研磨テーブル２０とともに回転する。第一の投光部１１ａおよび第一の受光部１２ａは、研磨テーブル２０に形成された孔３０Ａ内に配置されており、それぞれの先端は基板Ｗの被研磨面の近傍に位置している。同様に、第二の投光部１１ｂおよび第二の受光部１２ｂは、研磨テーブル２０に形成された孔３０Ｂ内に配置されており、それぞれの先端は基板Ｗの被研磨面の近傍に位置している。
第一の投光部１１ａおよび第一の受光部１２ａは、基板Ｗの表面に対して垂直に配置されており、第一の投光部１１ａは基板Ｗの表面に垂直に光を照射するようになっている。同様に、第二の投光部１１ｂおよび第二の受光部１２ｂは、基板Ｗの表面に対して垂直に配置されており、第二の投光部１１ｂは基板Ｗの表面に垂直に光を照射するようになっている。
第一の投光部１１ａおよび第一の受光部１２ａは、トップリング２４に保持された基板Ｗの中心に対向して配置される。したがって、図４（ｂ）に示すように、研磨テーブル２０が回転するたびに、第一の投光部１１ａおよび第一の受光部１２ａの先端は基板Ｗを横切って移動し、基板Ｗの中心を含む領域に光が照射される。これは、第一の投光部１１ａおよび第一の受光部１２ａが基板Ｗの中心を通ることで、基板Ｗの中心部の膜厚も含め、基板Ｗの全面の膜厚を測定するためである。処理部１５は、測定された膜厚データを基に膜厚プロファイル（膜厚分布）を生成することができる。
一方、第二の投光部１１ｂおよび第二の受光部１２ｂは、トップリング２４に保持された基板Ｗの周縁部に対向して配置される。第二の投光部１１ｂおよび第二の受光部１２ｂの先端は、研磨テーブル２０が回転するたびに、基板Ｗの周縁部に沿って移動する。したがって、研磨テーブル２０が回転するたびに基板Ｗの周縁部に光が照射される。
基板Ｗの研磨中は、第一の投光部１１ａおよび第二の投光部１１ｂから光が基板Ｗに照射される。第一の投光部１１ａからの光は、基板Ｗの表面で反射し、第一の受光部１２ａによって受光される。第二の投光部１１ｂからの光は、基板Ｗの表面で反射し、第二の受光部１２ｂによって受光される。基板Ｗに光が照射される間は、孔３０Ａおよび通孔３１Ａには水が供給され、これにより、第一の投光部１１ａおよび第一の受光部１２ａの各先端と、基板Ｗの表面との間の空間は水で満たされる。同様に、基板Ｗに光が照射される間は、孔３０Ｂおよび通孔３１Ｂには水が供給され、これにより、第二の投光部１１ｂおよび第二の受光部１２ｂの各先端と、基板Ｗの表面との間の空間は水で満たされる。
分光器１４ａは、第一の受光部１２ａから送られてくる反射光を波長に従って分解し、波長ごとの反射光の強度を測定する。同様に、分光器１４ｂは、第二の受光部１２ｂから送られてくる反射光を波長に従って分解し、波長ごとの反射光の強度を測定する。処理部１５は、分光器１４ａおよび分光器１４ｂによって測定された反射光の強度から、反射光の強度と波長との関係を示すスペクトルを生成する。さらに、処理部１５は、得られたスペクトルから、上述したような公知技術を用いて基板Ｗの現在の膜厚を決定する。
図７は、第一の投光部１１ａおよび第一の受光部１２ａを有する第一の光学ヘッド１３Ａと、第二の投光部１１ｂおよび第二の受光部１２ｂを有する第二の光学ヘッド１３Ｂの配置を示す平面図である。図７に示すように、第一の光学ヘッド１３Ａが描く軌跡上に基板Ｗの中心が位置しており、第二の光学ヘッド１３Ｂが描く軌跡上に基板Ｗの周縁部が位置している。図７から分かるように、第二の光学ヘッド１３Ｂは、基板Ｗの周縁部のみを横切って移動し、その進行方向は概ね基板Ｗの周方向である。
第一の光学ヘッド１３Ａと第二の光学ヘッド１３Ｂは、研磨テーブル２０の半径方向に沿って配列されている。したがって、第一の光学ヘッド１３Ａと研磨テーブル２０の中心Ｏとを結ぶ線と、第二の光学ヘッド１３Ｂと研磨テーブル２０の中心Ｏとを結ぶ線とがなす角度は０度である。第二の光学ヘッド１３Ｂは、研磨テーブル２０の半径方向に関して、第一の光学ヘッド１３Ａの外側に配置されている。すなわち、第二の光学ヘッド１３Ｂと研磨テーブル２０の中心Ｏとの距離は、第一の光学ヘッド１３Ａと研磨テーブル２０の中心Ｏとの距離よりも長い。
図８は、第二の光学ヘッド１３Ｂの先端が描く基板Ｗの表面上の軌跡を示す図である。より具体的には、図８は、研磨テーブル２０が２回転したときに第二の光学ヘッド１３Ｂが描く軌跡を示している。図８から分かるように、第二の光学ヘッド１３Ｂは、研磨テーブル２０の回転と共に、基板Ｗの周縁部に沿って移動する。結果として、基板Ｗの周縁部における測定点の数は、図２に示す従来のＣＭＰ装置における測定点の数よりも多くなる。したがって、より多くの測定データから基板Ｗの周縁部の膜厚を正確に決定することができる。
ここで、本明細書において、基板の周縁部とは、図８に示すように、基板の最も外側の環状の部位であり、その幅は１０ｍｍ〜２０ｍｍである。例えば、直径３００ｍｍの基板の場合、その周縁部の幅は約１０ｍｍである。基板の周縁部はデバイスが形成されている領域である。基板の周縁部は、研磨中に研磨荷重や研磨液の影響を最も受けやすい領域であり、基板の他の領域比べて研磨中に膜厚が大きく変化しやすい領域である。したがって、研磨中は精度の高い膜厚監視が要求される。
基板Ｗは、研磨パッド２２と基板Ｗとの摺接および研磨液の化学的作用により研磨されるため、第一の光学ヘッド１３Ａおよび第二の光学ヘッド１３Ｂが配置されている研磨パッド２２の部分は、基板Ｗの研磨には寄与しない。図８から分かるように、第二の光学ヘッド１３Ｂは、基板Ｗの周縁部のみを通過し、他の部位は通過しない。したがって、第二の光学ヘッド１３Ｂの基板研磨への影響を最小限にすることができる。
研磨テーブル２０の直径が基板Ｗの直径よりも大きい場合では、研磨テーブル２０の回転速度が低いほど、第二の光学ヘッド１３Ｂが基板Ｗを通過する時間が長くなる。したがって、例えば、基板Ｗの研磨中に研磨テーブル２０の回転速度を５０ｍｉｎ−１以下で回転させてもよく、または基板Ｗの研磨中に、所定の時間間隔で、研磨テーブル２０の回転速度を予め設定された回転速度よりも低い回転速度に低下させてもよい。
研磨中に基板の膜厚を測定するin-situ測定では、膜厚の測定が研磨液の影響を受けることがある。特に、光学式膜厚測定装置では、研磨液によって光が遮られてしまい、精度の高い膜厚測定が行われない場合がある。そこで、研磨液による膜厚測定の影響を排除するために、純水を定期的に研磨パッド２２に供給しながら基板を研磨（ウォーターポリッシュ）し、純水の供給中に基板の膜厚を測定するようにしてもよい。
処理部１５は、第一の光学ヘッド１３Ａを用いて取得された膜厚値と、第二の光学ヘッド１３Ｂを用いて取得された膜厚値とを組み合わせて膜厚プロファイルを作成する。図９は、処理部１５によって作成された膜厚プロファイルの例を示す図である。図９に示すように、膜厚プロファイルは、処理部１５によって決定された多数の膜厚値から構成される。第一の光学ヘッド１３Ａを用いて取得された膜厚値（△で示す）は、基板Ｗの周縁部を除く部位に割り当てられ、第二の光学ヘッド１３Ｂを用いて取得された膜厚値（○で示す）は、基板Ｗの周縁部に割り当てられる。このように、基板Ｗの周縁部に対応する膜厚プロファイルの部分には、第二の光学ヘッド１３Ｂを通じて得られた膜厚値が使用されるので、処理部１５は、基板Ｗの中心から周縁部まで精度の高い膜厚プロファイルを生成することができる。
膜厚プロファイルは、研磨中の基板Ｗの各領域での膜厚を示す膜厚分布である。したがって、研磨中に基板Ｗの各領域に対する研磨荷重を調整することによって、所望の膜厚プロファイルまたは研磨プロファイル（膜の除去量の分布を示すプロファイル）を得ることができる。トップリング２４は、基板Ｗの中心部および周縁部を含む複数の領域を独立に押圧することができる機構を有している。以下、このトップリング２４の構成について、図１０を参照して説明する。
図１０は、基板の複数の領域を独立に押圧する複数の押圧機構を備えたトップリング２４の一例を示す断面図である。トップリング２４は、トップリングシャフト２８に自由継手５０を介して連結されるトップリング本体５１と、トップリング本体５１の下部に配置されたリテーナリング５２とを備えている。トップリング本体５１の下方には、基板Ｗに当接する円形の可撓性メンブレン５６と、メンブレン５６を保持するチャッキングプレート５７とが配置されている。メンブレン５６とチャッキングプレート５７との間には、４つの圧力室（エアバッグ）Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が設けられている。圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４はメンブレン５６とチャッキングプレート５７とによって形成されている。中央の圧力室Ｐ１は円形であり、他の圧力室Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は環状である。これらの圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は、同心上に配列されている。
圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４にはそれぞれ流体路６１，６２，６３，６４を介して圧力調整部７０により加圧空気等の加圧流体が供給され、あるいは真空引きがされるようになっている。圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の内部圧力は互いに独立して変化させることが可能であり、これにより、基板Ｗの４つの領域、すなわち、中心部、内側中間部、外側中間部、および周縁部に対する荷重を独立に調整することができる。また、トップリング２４の全体を昇降させることにより、リテーナリング５２を所定の荷重で研磨パッド２２に押圧できるようになっている。
チャッキングプレート５７とトップリング本体５１との間には圧力室Ｐ５が形成され、この圧力室Ｐ５には流体路６５を介して上記圧力調整部７０により加圧流体が供給され、あるいは真空引きがされるようになっている。これにより、チャッキングプレート５７およびメンブレン５６全体が上下方向に動くことができる。基板Ｗはリテーナリング５２に囲まれており、研磨中に基板Ｗがトップリング２４から飛び出さないようになっている。圧力室Ｐ３を構成する、メンブレン５６の部位には開口が形成されており、圧力室Ｐ３に真空を形成することにより基板Ｗがトップリング２４に吸着保持されるようになっている。また、この圧力室Ｐ３に窒素ガスやクリーンエアなどを供給することにより、基板Ｗがトップリング２４からリリースされるようになっている。
圧力調整部７０は、制御部１９に接続されている。基板Ｗの各領域に対する研磨荷重、すなわち、圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の内部圧力は制御部１９によって決定される。制御部１９は、上述した処理部１５に接続されており、処理部１５によって生成された膜厚プロファイルは制御部１９に送られる。制御部１９は、研磨中に得られた膜厚プロファイルに基づいて、圧力調整部７０を介してトップリング２４の圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の内部圧力を制御する。すなわち、制御部１９は、研磨中に得られた膜厚プロファイルを目標膜厚プロファイルに一致させるための圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の目標内部圧力を決定し、圧力調整部７０に目標内部圧力の指令信号を送る。圧力調整部７０は、制御部１９からの指令信号に基づいて、圧力室Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の内部圧力を調整する。このような操作により、トップリング２４は、基板Ｗの各部位をそれぞれ最適な荷重で押し付けることができる。得られた膜厚プロファイルに基づいて、ある圧力室のみ、例えば基板Ｗの周縁部に対応する圧力室Ｐ４の内部圧力のみを制御することも可能である。なお、第二の光学ヘッド１３Ｂは、圧力室Ｐ４に対応する位置に配置される。
図１１は、研磨初期の膜厚プロファイル、目標膜厚プロファイル、研磨中に得られた膜厚プロファイルに基づいて研磨荷重をフィードバックコントロールしながら研磨した基板の膜厚プロファイル、フィードバックコントロールを行わないで研磨した基板の膜厚プロファイルを示すグラフである。図１１に示すグラフは、基板の周縁部の膜厚が他の領域での膜厚に比べて大きい初期膜厚プロファイルを有する基板を研磨した結果を示している。図１１から分かるように、膜厚プロファイルに基づいて研磨荷重をフィードバックコントロールしながら基板を研磨した結果、目標膜厚プロファイルに近い膜厚プロファイルが得られている。一方、フィードバックコントロールを行わなかった場合では、所望の膜厚プロファイルが得られていないことが分かる。
一般に、同じ種類の基板は同一の研磨条件下で研磨される。しかしながら、ポリッシング装置に使用される研磨パッド２２やトップリング２４のリテーナリング５２などの消耗品は、研磨時間と共に徐々に摩耗していくため、得られる膜厚プロファイルも徐々に変化してしまう。このような膜厚プロファイルの変化は、基板の周縁部で特に顕著に現われる。これは、基板の周縁部には研磨荷重が集中しやすく、また基板の周縁部はリテーナリング５２および研磨パッド２２の摩耗の影響を受けやすいためと考えられる。上述した本実施形態によれば、基板の周縁部の膜厚を精度よく測定することができるので、このような研磨パッド２２および／またはリテーナリング５２の摩耗に起因する研磨異常を検知することができる。すなわち、基板の周縁部での膜厚の経時的変化から、研磨パッド２２および／またはリテーナリング５２の摩耗を検知することができる。例えば、同一の研磨条件下で基板を研磨しているにもかかわらず、基板の周縁部において所望の膜厚が得られない場合には、研磨パッド２２および／またはリテーナリング５２が摩耗していると判断することができる。このように、基板の周縁部での膜厚の測定データは、基板の研磨荷重のリアルタイムフィードバックコントロールのみならず、研磨パッド２２やリテーナリング５２などの消耗品の摩耗検知にも利用することができる。
図１２は、第一の光学ヘッド１３Ａおよび第二の光学ヘッド１３Ｂの配置の他の例を示す平面図である。図１２に示す第一の光学ヘッド１３Ａおよび第二の光学ヘッド１３Ｂの配置は、基本的に図７に示す配置と同じであるが、第二の光学ヘッド１３Ｂが第一の光学ヘッド１３Ａよりも研磨テーブル２０の中心Ｏに近づけて配置されている点で異なっている。すなわち、図１２に示す例では、第二の光学ヘッド１３Ｂは、研磨テーブル２０の半径方向に関して、第一の光学ヘッド１３Ａよりも内側に位置している。したがって、第二の光学ヘッド１３Ｂと研磨テーブル２０の中心Ｏとの距離は、第一の光学ヘッド１３Ａと研磨テーブル２０の中心Ｏとの距離よりも短くなっている。
図１３は、図１２に示す第二の光学ヘッド１３Ｂの先端が描く軌跡を示す図であり、研磨テーブル２０が２回転したときの軌跡を示す。図１３から分かるように、第二の光学ヘッド１３Ｂは、研磨テーブル２０の回転に伴って、基板Ｗの周縁部に沿って移動する。したがって、より多くの測定点で基板Ｗの周縁部の膜厚を測定することができる。さらに、図８に示す軌跡と図１３に示す軌跡との対比から、図１３に示す第二の光学ヘッド１３Ｂの軌跡は、図８に示す第二の光学ヘッド１３Ｂの軌跡よりも長いことが分かる。したがって、図１２に示す配置では、より多くの測定点で基板Ｗの周縁部の膜厚を測定することができる。一方、第二の光学ヘッド１３Ｂは基板Ｗの研磨には寄与しないので、研磨速度（膜の除去レート）を向上させる観点からは、第二の光学ヘッド１３Ｂが描く軌跡は短いほうが好ましい。図７に示す配置は、図１２に示す配置に比べて基板Ｗの周縁部での測定点数はやや少なくなるが、研磨性能を向上させる観点からは好ましい。
図１４は、第一の光学ヘッド１３Ａおよび第二の光学ヘッド１３Ｂの配置のさらに他の例を示す平面図である。図１４に示すように、第一の光学ヘッド１３Ａおよび第二の光学ヘッド１３Ｂは、研磨テーブル２０の中心Ｏに関してそれぞれ反対側に配置されている。より具体的には、第一の光学ヘッド１３Ａと研磨テーブル２０の中心Ｏとを結ぶ線と、第二の光学ヘッド１３Ｂと研磨テーブル２０の中心Ｏとを結ぶ線とがなす角度は、実質的に１８０度である。図１４は、第一の光学ヘッド１３Ａが基板Ｗ（実線で示す）の中心に対向している状態と、第二の光学ヘッド１３Ｂが基板Ｗ（点線で示す）の周縁部に対向している状態を示している。第二の光学ヘッド１３Ｂは、研磨テーブル２０の半径方向に関して、第一の光学ヘッド１３Ａよりも外側に配置されている。
図７および図１２に示す上記例では、第一の光学ヘッド１３Ａおよび第二の光学ヘッド１３Ｂは、ほぼ同時に基板Ｗに光を当て、かつ基板Ｗからの光を受光するが、図１４に示す例では、第一の光学ヘッド１３Ａおよび第二の光学ヘッド１３Ｂは、それぞれ異なるタイミングで基板Ｗに光を当て、基板Ｗからの光を受光する。
上述したように、図１４に示す配置では、基板Ｗの中心部での膜厚と、基板Ｗの周縁部での膜厚は、異なる時間に測定される。したがって、１つの分光器で第一の光学ヘッド１３Ａからの反射光と第二の光学ヘッド１３Ｂからの反射光を受けることができる。つまり、１つの分光器で、基板Ｗの中心部からの反射光と、基板Ｗの周縁部からの反射光を受けても、これら反射光は分光器内で重畳することがない。また、１つの光源を第一の光学ヘッド１３Ａまたは第二の光学ヘッド１３Ｂに選択的に接続することも可能である。このような、共通の分光器および共通の光源を備えた例について図１５について説明する。
図１５に示すように、第一の投光部１１ａおよび第二の投光部１１ｂは、第一の光スイッチ４０Ａを介して光源１６に接続されている。この第一の光スイッチ４０Ａは、光源１６を第一の投光部１１ａおよび第二の投光部１１ｂのうちのいずれか一方に選択的に接続するように構成されている。同様に、第一の受光部１２ａおよび第二の受光部１２ｂは、第二の光スイッチ４０Ｂを介して分光器１４に接続されている。ここで、光スイッチとは、光の伝送経路を切り換える装置である。代表的な光スイッチは、光の進行方向を変えるための鏡を備えた構成を有しており、入射光を鏡で反射させて光の伝送経路を切り換えるように構成される。鏡を利用した光スイッチのほかに、熱や電気などの入力により屈折率が変化する材料を用いた導波路型光スイッチが用いられることもある。第一の光スイッチ４０Ａおよび第二の光スイッチ４０Ｂとしては、このような公知の光スイッチを使用することができる。
上述の構成において、第一の光学ヘッド１３Ａが基板Ｗを横切って移動するときは、光源１６および分光器１４は第一の投光部１１ａおよび第一の受光部１２ａに光スイッチ４０Ａ，４０Ｂによってそれぞれ接続される。一方、第二の光学ヘッド１３Ｂが基板Ｗを横切って移動するときは、光源１６および分光器１４は第二の投光部１１ｂおよび第二の受光部１２ｂに光スイッチ４０Ａ，４０Ｂによってそれぞれ接続される。このように、第一の光スイッチ４０Ａおよび第二の光スイッチ４０Ｂを用いることにより、光源１６および分光器１４を第一の光学ヘッド１３Ａまたは第二の光学ヘッド１３Ｂに交互に接続することができる。
また、図１４に示す例では、第一の光学ヘッド１３Ａと第二の光学ヘッド１３Ｂが、研磨テーブル２０の周方向において実質的に等間隔で配置されているので、第一の光学ヘッド１３Ａおよび第二の光学ヘッド１３Ｂは、略一定の時間間隔で交互に光を基板Ｗに照射し、基板Ｗからの反射光を受光する。したがって、処理部１５は分光器１４から送られてくる測定データ（反射光の強度の測定値を含むデータ）の処理のために十分な時間を確保することができる。
図１４に示す例では、第二の光学ヘッド１３Ｂは、研磨テーブル２０の半径方向に関して、第一の光学ヘッド１３Ａよりも外側に配置されているが、図１６に示すように、第二の光学ヘッド１３Ｂを、研磨テーブル２０の半径方向に関して、第一の光学ヘッド１３Ａよりも内側に配置してもよい。すなわち、第二の光学ヘッド１３Ｂと研磨テーブル２０の中心Ｏとの距離を、第一の光学ヘッド１３Ａと研磨テーブル２０の中心Ｏとの距離よりも短くしてもよい。この場合でも、図１４および図１５に示す例と同様の効果が得られる。
図１７は、第一の光学ヘッド１３Ａおよび第二の光学ヘッド１３Ｂの配置のさらに他の例を示す平面図である。先に説明した図１４の例では、第一の光学ヘッド１３Ａおよび第二の光学ヘッド１３Ｂは、一直線上に配列されていたが、図１７に示す例では、第二の光学ヘッド１３Ｂは、研磨テーブル２０の周方向において第一の光学ヘッド１３Ａからずれた位置に配置される。図１７は、第一の光学ヘッド１３Ａが基板Ｗ（実線で示す）の中心に対向している状態と、第二の光学ヘッド１３Ｂが基板Ｗ（点線で示す）の周縁部に対向している状態を示している。この例では、第一の光学ヘッド１３Ａと研磨テーブル２０の中心Ｏとを結ぶ線と、第二の光学ヘッド１３Ｂと研磨テーブル２０の中心Ｏとを結ぶ線とがなす角度は、約１２０度である。この例においても、基板Ｗの中心部の膜厚と、周縁部の膜厚とは異なる時間に測定されるので、図１５に示すように、１つの光源１６および１つの分光器１４を第一の光学ヘッド１３Ａおよび第二の光学ヘッド１３Ｂに選択的に使用することができる。
図１７に示す例では、第二の光学ヘッド１３Ｂは、研磨テーブル２０の半径方向に関して、第一の光学ヘッド１３Ａよりも外側に配置されているが、図１８に示すように、第二の光学ヘッド１３Ｂを、第一の光学ヘッド１３Ａよりも内側に配置してもよい。
図１９は、第一の光学ヘッド１３Ａおよび第二の光学ヘッド１３Ｂに加えて、第三の光学ヘッド１３Ｃが設けられた例を示す平面図である。なお、第三の光学ヘッド１３Ｃの構成は、上述した第一の光学ヘッド１３Ａおよび第二の光学ヘッド１３Ｂと同様であり、図示しない光源および分光器に接続されている。図１９に示すように、第一の光学ヘッド１３Ａ、第二の光学ヘッド１３Ｂ、および第三の光学ヘッド１３Ｃは、研磨テーブル２０の半径方向に沿って配列されており、第二の光学ヘッド１３Ｂおよび第三の光学ヘッド１３Ｃは、第一の光学ヘッド１３Ａよりも外側に位置している。
第一の光学ヘッド１３Ａと第二の光学ヘッド１３Ｂの配列は、図７に示す配列と同じである。第三の光学ヘッド１３Ｃは、第一の光学ヘッド１３Ａと第二の光学ヘッド１３Ｂとの中間に位置している。すなわち、第一の光学ヘッド１３Ａと第三の光学ヘッド１３Ｃとの距離は、第三の光学ヘッド１３Ｃと第二の光学ヘッド１３Ｂとの距離と略同一である。第三の光学ヘッド１３Ｃの位置は、基板の中心部と周縁部との間に位置する中間部に対応している。第二の光学ヘッド１３Ｂは、上述した圧力室Ｐ４に対応する位置に配置され、第三の光学ヘッド１３Ｃは、圧力室Ｐ２または圧力室Ｐ３に対応する位置に配置される。したがって、より精度の高い膜厚プロファイルを得ることができる。
図２０は、第一の光学ヘッド１３Ａ、第二の光学ヘッド１３Ｂ、および第三の光学ヘッド１３Ｃの配置の他の例を示す平面図である。図２０に示す配列は、図１９に示す配列と基本的に同じであるが、第二の光学ヘッド１３Ｂおよび第三の光学ヘッド１３Ｃは、研磨テーブル２０の径方向に関して、第一の光学ヘッド１３Ａよりも内側に位置している。
図２１は、図１９の配置の変形例を示す図であり、図２２は、図２０の配置の変形例を示す図である。図２１および図２２に示すように、第三の光学ヘッド１３Ｃを、第一の光学ヘッド１３Ａよりも第二の光学ヘッド１３Ｂに近づけて配置してもよい。このような配置によれば、基板の周縁部により近い中間部の膜厚を第三の光学ヘッド１３Ｃを用いて測定することができる。
図２３は、第二の光学ヘッド１３Ｂのさらに他の配置例を示す平面図である。この例では、第二の光学ヘッド１３Ｂは、研磨テーブル２０の外側に配置されている。第一の光学ヘッド１３Ａの位置は、上述の例と同様である。第二の光学ヘッド１３Ｂの位置は固定であり、図示しない支持部材に固定されている。したがって、第二の光学ヘッド１３Ｂは、研磨テーブル２０とともには回転しない。この例では、矢印Ｓで示すように、トップリング２４（図６参照）は、基板Ｗの周縁部が研磨テーブル２０上の研磨パッド２２からはみ出るように、基板Ｗの研磨中に研磨テーブル２０の径方向に揺動するようになっている。したがって、第二の光学ヘッド１３Ｂは、露出した基板Ｗの周縁部に光を当て、その反射光を受光することができる。
図２４は、第二の光学ヘッド１３Ｂのさらに他の配置例を示す平面図である。この例では、図２４に示すように、第二の光学ヘッド１３Ｂは、研磨テーブル２０の中心に配置されている。この例においては、基板Ｗの周縁部が研磨テーブル２０の中心に位置するように、トップリング２４が矢印Ｔで示すように研磨テーブル２０の径方向に揺動するようになっている。したがって、この例においても、第二の光学ヘッド１３Ｂは、基板Ｗの周縁部に光を当て、その反射光を受光することができる。
図２５は、図６に示すポリッシング装置の変形例を示す断面図である。図２５に示す例では、液体供給路、液体排出路、液体供給源は設けられていない。これに代えて、研磨パッド２２には透明窓４５Ａ，４５Ｂが設けられている。投光部１１ａ，１１ｂは、この透明窓４５Ａ，４５Ｂを通じて研磨パッド２２上の基板Ｗの表面に光を照射し、受光部１２ａ，１２ｂは、透明窓４５Ａ，４５Ｂを通じて基板Ｗからの反射光を受光する。その他の構成は、図６に示すポリッシング装置と同様である。図２５に示す透明窓は、図７乃至図２４に示す例にも適用することができる。
上述した各例では、２つの光学ヘッドまたは３つの光学ヘッドが設けられているが、本発明はこれらの例に限定されず、少なくとも１つの光学ヘッドが基板の周縁部に対向して配置されていれば、４つ以上の光学ヘッドを設けてもよい。さらに、本発明は、光学式膜厚測定装置に限らず、渦電流センサなどの他の膜厚測定装置にも適用することができる。例えば、上述した７乃至図２４に示す例に従って、膜厚センサである第一の渦電流センサを基板の中心に対向するように配置し、第二の渦電流センサを基板の周縁部に対向するように配置してもよい。
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ことである。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。
１１，１１ａ，１１ｂ 投光部
１２，１２ａ，１２ｂ 受光部
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ 光学ヘッド
１４，１４ａ，１４ｂ 分光器
１５ 処理部
１６，１６ａ，１６ｂ 光源
２０ 研磨テーブル
２２ 研磨パッド
２４ トップリング
２５ 研磨液供給機構
２８ トップリングシャフト
３０Ａ，３０Ｂ 孔
３１Ａ，３１Ｂ 通孔
３２ ロータリージョイント
３３ 液体供給路
３４ 液体排出路
３５ 液体供給源
４０Ａ，４０Ｂ 光スイッチ
４５Ａ，４５Ｂ 透明窓

Claims (19)

  1. 膜を有する基板を研磨パッドに摺接させて該基板を研磨するポリッシング装置であって、
    前記研磨パッドを保持するための回転可能な研磨テーブルと、
    前記基板を保持し、該基板の表面を前記研磨パッドに対して押圧するトップリングと、
    光を発する少なくとも１つの光源と、
    前記光源からの光を前記基板の表面に照射し、前記基板からの反射光を受光する第一の光学ヘッドと、
    前記光源からの光を前記基板の表面に照射し、前記基板からの反射光を受光する第二の光学ヘッドと、
    前記第一の光学ヘッドおよび前記第二の光学ヘッドにより受光された反射光の各波長での強度を測定する少なくとも１つの分光器と、
    前記分光器により測定された反射光の各波長での強度から、反射光の強度と波長との関係を示すスペクトルを生成し、該スペクトルから前記基板の膜厚を決定する処理部とを備え、
    前記第一の光学ヘッドは、前記トップリングに保持された前記基板の中心に対向するように配置され、
    前記第二の光学ヘッドは、前記トップリングに保持された前記基板の周縁部に対向するように配置されており、
    前記第一の光学ヘッドと前記第二の光学ヘッドは、前記研磨テーブル内に配置され、かつ前記研磨テーブルの周方向において異なる位置に配置されており、
    前記第一の光学ヘッドと前記第二の光学ヘッドは、異なる時間に前記基板の表面を横切りながら、交互に前記基板の表面に光を照射し、前記基板の表面からの反射光を受光するように配置されており、
    前記第一の光学ヘッドは、前記研磨テーブルが回転するたびに、前記基板の中心を通る軌跡を描いて前記基板の表面を横切りながら、該基板の径方向に分布する複数の第一の測定点において前記基板の表面に光を照射し、前記基板の表面からの反射光を受光し、
    前記第二の光学ヘッドは、前記研磨テーブルが回転するたびに、前記基板の周縁部のみを通る軌跡を描きながら、該基板の周縁部上の複数の第二の測定点において前記基板の周縁部に光を照射し、前記基板の周縁部からの反射光を受光し、
    前記複数の第二の測定点は、前記基板の半径方向において該基板の中心から異なる距離に位置していることを特徴とするポリッシング装置。
  2. 前記第二の光学ヘッドは、前記研磨テーブルの半径方向に関して、前記第一の光学ヘッドよりも外側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のポリッシング装置。
  3. 前記第二の光学ヘッドは、前記研磨テーブルの半径方向に関して、前記第一の光学ヘッドよりも内側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のポリッシング装置。
  4. 前記第二の光学ヘッドは、前記第一の光学ヘッドが前記基板の表面の下にないときに、前記基板の周縁部を横切りながら、前記基板の周縁部に光を照射し、かつ前記基板の周縁部からの反射光を受光することを特徴とする請求項１に記載のポリッシング装置。
  5. 前記第一の光学ヘッドと前記研磨テーブルの中心とを結ぶ線と、前記第二の光学ヘッドと前記研磨テーブルの中心とを結ぶ線とがなす角度は実質的に１８０度であることを特徴とする請求項１に記載のポリッシング装置。
  6. 前記トップリングは、前記基板の中心部および周縁部を前記研磨パッドに対して独立に押し付ける機構を有しており、
    前記ポリッシング装置は、前記基板の前記中心部における膜厚と、前記基板の前記周縁部における膜厚に基づいて、前記基板の前記中心部および前記周縁部に対する前記トップリングの荷重を決定する制御部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のポリッシング装置。
  7. 前記研磨パッドは、前記第一の光学ヘッドおよび前記第二の光学ヘッドに対応する位置に２つの通孔を有することを特徴とする請求項１に記載のポリッシング装置。
  8. 前記複数の第二の測定点の数は、前記第一の光学ヘッドの前記基板の周縁部での測定点の数よりも多いことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のポリッシング装置。
  9. 前記処理部は、前記第一の光学ヘッドを用いて取得された膜厚を前記基板の周縁部を除く部位に割り当て、前記第二の光学ヘッドを用いて取得された膜厚を前記基板の周縁部に割り当てることにより、前記基板の膜厚プロファイルを作成することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のポリッシング装置。
  10. 前記基板の周縁部は、該基板の最も外側にある環状の部位であり、その幅は１０ｍｍ〜２０ｍｍであること特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のポリッシング装置。
  11. 膜を有する基板を研磨パッドに摺接させて該基板を研磨するポリッシング方法であって、
    前記研磨パッドを保持する研磨テーブルを回転させ、
    前記回転する研磨パッドに対して前記基板の表面を押圧し、
    前記研磨テーブルが回転するたびに、第一の光学ヘッドが前記基板の中心を通る軌跡を描いて前記基板の表面を横切りながら、該基板の径方向に分布する複数の第一の測定点において前記第一の光学ヘッドにより前記基板の表面に光を照射し、前記基板の表面からの反射光を受光し、
    前記研磨テーブルが回転するたびに、第二の光学ヘッドが前記基板の周縁部のみを通る軌跡を描きながら、該基板の周縁部上の複数の第二の測定点において前記第二の光学ヘッドにより前記基板の周縁部に光を照射し、前記基板の周縁部からの反射光を受光し、
    前記第一の光学ヘッドおよび前記第二の光学ヘッドにより受光された反射光の各波長での強度を測定し、
    測定された強度から、反射光の強度と波長との関係を示すスペクトルを生成し、
    前記スペクトルから前記基板の膜厚を決定する工程を含み、
    前記第一の光学ヘッドと前記第二の光学ヘッドは、前記研磨テーブル内に配置され、かつ前記研磨テーブルの周方向において異なる位置に配置されており、
    前記第一の光学ヘッドと前記第二の光学ヘッドは、異なる時間に前記基板の表面を横切りながら、交互に前記基板の表面に光を照射し、前記基板の表面からの反射光を受光するように配置されており、
    前記複数の第二の測定点は、前記基板の半径方向において該基板の中心から異なる距離に位置していることを特徴とするポリッシング方法。
  12. 前記第二の光学ヘッドは、前記第一の光学ヘッドが前記基板の表面の下にないときに、前記基板の周縁部を横切りながら、前記基板の周縁部に光を照射し、かつ前記基板の周縁部からの反射光を受光することを特徴とする請求項１１に記載のポリッシング方法。
  13. 前記基板の周縁部は、該基板の最も外側にある環状の部位であり、その幅は１０ｍｍ〜２０ｍｍであること特徴とする請求項１１に記載のポリッシング方法。
  14. 前記複数の第二の測定点の数は、前記第一の光学ヘッドの前記基板の周縁部での測定点の数よりも多いことを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載のポリッシング方法。
  15. 前記第一の光学ヘッドを用いて取得された膜厚を前記基板の周縁部を除く部位に割り当て、前記第二の光学ヘッドを用いて取得された膜厚を前記基板の周縁部に割り当てることにより、前記基板の膜厚プロファイルを作成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載のポリッシング方法。
  16. 膜を有する基板を研磨パッドに摺接させて該基板を研磨するポリッシング方法であって、
    前記研磨パッドを保持する研磨テーブルを回転させ、
    前記回転する研磨パッドに対して前記基板の表面を押圧し、
    前記研磨テーブルが回転するたびに、第一の光学ヘッドが前記基板の中心を通る軌跡を描いて前記基板の表面を横切りながら、該基板の径方向に分布する複数の第一の測定点において前記第一の光学ヘッドにより前記基板の表面に光を照射し、前記基板の表面からの反射光を受光し、
    前記研磨テーブルが回転するたびに、第二の光学ヘッドが前記基板の周縁部のみを通る軌跡を描きながら、該基板の周縁部上の複数の第二の測定点において前記第二の光学ヘッドにより前記基板の周縁部に光を照射し、前記基板の周縁部からの反射光を受光し、
    前記第一の光学ヘッドおよび前記第二の光学ヘッドにより受光された反射光の各波長での強度を測定し、
    測定された強度から、反射光の強度と波長との関係を示すスペクトルを生成し、
    前記スペクトルから前記基板の膜厚を決定する工程を含み、
    前記第一の光学ヘッドおよび前記第二の光学ヘッドは、略一定の時間間隔で交互に前記基板の表面に光を照射し、かつ前記基板からの反射光を受光するように配置されており、
    前記複数の第二の測定点は、前記基板の半径方向において該基板の中心から異なる距離に位置していることを特徴とするポリッシング方法。
  17. 前記複数の第二の測定点の数は、前記第一の光学ヘッドの前記基板の周縁部での測定点の数よりも多いことを特徴とする請求項１６に記載のポリッシング方法。
  18. 前記第一の光学ヘッドを用いて取得された膜厚を前記基板の周縁部を除く部位に割り当て、前記第二の光学ヘッドを用いて取得された膜厚を前記基板の周縁部に割り当てることにより、前記基板の膜厚プロファイルを作成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１６または１７に記載のポリッシング方法。
  19. 前記基板の周縁部は、該基板の最も外側にある環状の部位であり、その幅は１０ｍｍ〜２０ｍｍであること特徴とする請求項１６乃至１８のいずれか一項に記載のポリッシング方法。
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