JP7116645B2

JP7116645B2 - 研磨装置

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Publication number: JP7116645B2
Application number: JP2018170679A
Authority: JP
Inventors: 俊一小野; 勉三木
Original assignee: Kioxia Corp
Current assignee: Kioxia Corp
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Filing date: 2018-09-12
Publication date: 2022-08-10
Anticipated expiration: 2038-09-12
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Description

本実施形態は、研磨装置に関する。

ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法のような研磨装置を用いて半導体ウェハやその上の材料膜をほぼ均一の圧力で研磨した場合、半導体ウェハの平坦性または材料膜の厚みにばらつきが生じることがある。

特開２０１１－０８３８６５号公報特開平０９－２６０３１６号公報特開２００１－１２７９２５号公報（米国特許第６３２５６９６号公報）

研磨後の半導体ウェハや材料膜の平坦性を向上させ、それらの厚みのばらつきを抑制することができる研磨装置を提供する。

本実施形態による研磨装置は、研磨対象を研磨する研磨部を備える。ホルダは、研磨対象を保持して回転可能である。複数の弾性部材は、ホルダにその回転軸を中心に同心円状に設けられ、研磨対象を研磨部へ弾性的に押圧する。複数の振動センサは、複数の弾性部材の内部に設けられ、研磨対象の研磨面からの振動を検出する。

第１実施形態による研磨装置の構成例を示す概略図。ホルダの構成の一例を示す断面図。ホルダの面をＺ方向から見た平面図。振動センサの他の配置を示す平面図。（Ａ）メンブレンおよび振動センサを示す平面図、（Ｂ）振動センサの構成例を示す概略図。図５（Ａ）の６－６線に沿った断面図。第１実施形態による研磨方法の一例を示すフロー図。振動センサからの信号の大きさを示すグラフ。第２実施形態による研磨方法の一例を示すフロー図。第３実施形態による研磨装置の構成例を示す概略図。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。図面は模式的または概念的なものであり、各部分の比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。明細書と図面において、既出の図面に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態による研磨装置１の構成例を示す概略図である。研磨装置１は、例えば、半導体ウェハＷを研磨対象として研磨するＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）装置である。尚、本実施形態は、ＣＭＰ装置に限定されず、任意の材料を平坦に研磨する研磨装置に適用可能である。

研磨装置１は、研磨部１０と、ホルダ２０と、駆動部３０と、スラリ供給部４０と、測定部５０と、演算部６０と、制御部７０とを備えている。研磨部１０は、軸１１を中心に矢印Ａ１方向に回転（自転）可能に構成されたターンテーブル１２と、ターンテーブル１２上に設けられた研磨パッド１３とを含む。

ホルダ２０は、半導体ウェハＷを保持し、半導体ウェハＷとともに軸２１を中心に矢印Ａ２方向に回転（自転）可能に構成されている。また、ホルダ２０は、図２および図３を参照して後述するように、膜状の弾性部材（以下、メンブレンともいう）を有し、メンブレン内に空気を導入することによって半導体ウェハＷを研磨部１０へ押圧する。半導体ウェハＷを研磨部１０へ押圧する圧力はメンブレン内の気圧によって制御することができる。

駆動部３０は、ホルダ２０の回転および／またはメンブレン内の気圧の制御を行う。メンブレン内の気圧の制御は、図示しない空気ポンプ等を用いて行えばよい。

スラリ供給部４０は、研磨パッド１３上に研磨液としてスラリを供給する。スラリは、砥粒を含み、半導体ウェハＷと研磨パッド１３との間に入り、半導体ウェハＷの研磨を促進させる。

ここで、ホルダ２０の構成について説明する。

図２は、ホルダ２０の構成の一例を示す断面図である。ホルダ２０は、ヘッド部２２と、複数のメンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄと、リテーナリング２４とを備えている。ヘッド部２２は、回転軸２１に繋がっており、研磨パッド１３に対向する面Ｆ２２を有する。複数のメンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄは、ヘッド部２２の面Ｆ２２に設けられている。メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄは、例えば、樹脂、ゴムのような弾性材料からなる膜を管状（筒状）に丸めた部材であり、その管状部材を中心Ｃの周りにリング状に配置して構成される。尚、メンブレン２３ｄは、中心Ｃを中心とする円盤状の部材であってもよい。

メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄは、それぞれ中空の空洞Ｈを有し、空洞Ｈに気体を供給することによって膨張する。また、メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄは、空洞Ｈ内への気体の供給を停止し、あるいは、空洞Ｈ内の気体を吸引すると、空洞Ｈ内の気体が抜けて収縮する。このように、メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄは、空洞Ｈ内の気圧を調節することによって、半導体ウェハＷを研磨部１０の研磨パッド１３へ押圧する圧力を制御する。尚、気体は、特に限定しないが、例えば、空気、不活性ガス等でよい。

ヘッド部２２には、メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄのそれぞれに気体を供給可能な供給口２５が設けられている。駆動部３０は、供給口２５を介してメンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄのそれぞれに独立に気体を供給する。即ち、メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ内の気圧はそれぞれ個別に調節され得る。これにより、メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄは、互いに異なる圧力で半導体ウェハＷを押圧することができる。また、ヘッド部２２の中には、後述する振動センサの動作を制御するためのセンサ制御部２６が設けられている。

リテーナリング２４は、ヘッド部２２の外縁に沿って、半導体ウェハＷの側面に対向するように設けられている。リテーナリング２４は、研磨中において、研磨部１０の回転またはホルダ２０の回転によって半導体ウェハＷがホルダ２０から飛び出すことを防止する。

図３は、ホルダ２０の面Ｆ２２をＺ方向から見た平面図である。尚、図２は、図３の２－２線に沿った断面を示す。また、Ｚ方向は、ホルダ２０の回転面に対して垂直方向（回転軸２１の延伸方向）である。メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄは、それぞれホルダ２０の回転軸２１の中心Ｃに対して同心円状に設けられている。円盤状のメンブレン２３ｄは、中心Ｃに設けられており、メンブレン２３ｃは、メンブレン２３ｄの外側に配置される。メンブレン２３ｂは、メンブレン２３ｃの外側に配置される。さらに、メンブレン２３ａは、メンブレン２３ｂの外側に配置される。即ち、メンブレン２３ｄ、２３ｃ、２３ｂ、２３ａは、この順番に中心Ｃから離れるように配置されている。このように、メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄは、中心Ｃの同心円状のエリアごとに個別に設けられ、これらのエリアにおいてそれぞれ異なる圧力で半導体ウェハＷを研磨部１０へ押圧することができる。尚、本実施形態において、４つのメンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄが４つのエリアに設けられている。しかし、メンブレンの個数は、４つに限定されず、３以下でも、５以上であってもよい。これにより、半導体ウェハＷを押圧制御するエリアの数は増減させることができる。

図２および図３に示すように、メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの空洞Ｈ内には、振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄがそれぞれ設けられている。振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄは、接触式振動センサであり、例えば、ＡＥ（Acoustic Emission）センサである。

振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄは、半導体ウェハＷの研磨中において、メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの底部に位置し、メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄを介して半導体ウェハＷに接触し、半導体ウェハＷからの振動を検出する。振動検出は、連続的に行ってもよく、或る周期で離散的に行ってもよい。

ＡＥセンサは、圧電素子を用いて、半導体ウェハＷの研磨面（半導体ウェハＷと研磨パッド１３との間の界面）で生じる低域から高域の周波数成分（例えば、数ＫＨｚ～数ＭＨｚ）の弾性波を検出することができる。

半導体ウェハＷの研磨面からの振動の強さは、半導体ウェハＷの研磨面と振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄとの間の距離によって変化する。例えば、半導体ウェハＷの研磨面と振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄとの間の距離が比較的近い（半導体ウェハＷが比較的薄い）場合、半導体ウェハＷの研磨面からの振動は強くなる。逆に、半導体ウェハＷの研磨面と振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄとの間の距離が比較的遠い（半導体ウェハＷが比較的厚い）場合、半導体ウェハＷの研磨面からの振動は弱くなる。このように、半導体ウェハＷの研磨面からの振動の強度によって、半導体ウェハＷの厚みを検出することができる。半導体ウェハＷの厚みのばらつきは、半導体ウェハＷの研磨面の凹凸を表す。従って、半導体ウェハＷの研磨面からの振動の強度を検出することによって、半導体ウェハＷの研磨面の凹凸（平坦性）を検出することができる。

振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄは、メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄのそれぞれの内部において、任意の位置に配置される。例えば、図３では、振動センサ１００ａは、メンブレン２３ａ内の或る位置に配置されている。振動センサ１００ｂは、メンブレン２３ｂ内において、振動センサ１００ａに対してほぼ９０°回転させた位置に配置する。振動センサ１００ｃは、メンブレン２３ｃ内において、振動センサ１００ｂに対してほぼ９０°（振動センサ１００ａに対してほぼ１８０°）回転させた位置に配置する。振動センサ１００ｄは、メンブレン２３ｄ内において、振動センサ１００ｃに対してほぼ９０°（振動センサ１００ａに対してほぼ２７０°）回転させた位置に配置する。尚、図３では、メンブレン２３ｄは、比較的広いため、振動センサ１００ｄは複数設けられている。このように、ヘッド部２２の面Ｆ２２における振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄの位置は、任意に設定される。例えば、図４は、振動センサの他の配置を示す平面図である。図４に示すように、振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄは、面Ｆ２２の径方向に略直線状に配列してもよい。

半導体ウェハＷを研磨する際に、振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄは、ホルダ２０の回転とともに回転はせずに、その位置にほぼ静止している。即ち、ホルダ２０およびメンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄは中心Ｃを軸として回転（自転：ｒｏｔａｔｉｏｎ）するが、振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄはホルダ２０およびメンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄに対して相対的に逆方向に回転（公転：ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）移動する。これにより、振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄは、ユーザ（研磨装置１の筐体）からみるとほぼ静止しているように見える。

このように振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄを、ホルダ２０およびメンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの回転に対して相対的に逆回転させるために、本実施形態では、リニアモータ方式を用いている。

図５（Ａ）は、メンブレン２３ａおよび振動センサ１００ａを示す平面図である。図５（Ｂ）は、振動センサ１００ａの構成例を示す概略図である。尚、他のメンブレン２３ｂ、２３ｃ、２３ｄおよび他の振動センサ１００ｂ、１００ｃ、１００ｄも、メンブレン２３ａおよび振動センサ１００ａと、それぞれ同様の構成を有する。従って、メンブレン２３ａおよび振動センサ１００ａの構成のみを説明し、他のメンブレンおよび他の振動センサの説明を省略する。

メンブレン２３ａ内の両側面には、一対の磁石レールＭ１、Ｍ２が設けられている。磁石レールＭ１、Ｍ２は、Ｎ極およびＳ極の永久磁石を交互に配列して構成されている。

振動センサ１００ａは、本体１０５の両端に電磁石１０１、１０２を有する。メンブレン２３ａがヘッド部２２とともに回転する際に、電磁石１０１、１０２は、Ｎ極とＳ極とを繰り返すように制御される。これにより、振動センサ１００ａは、磁石レールＭ１、Ｍ２に沿って推進力を得て、メンブレン２３ａに対して相対的に移動することができる。振動センサ１００を矢印Ａ２と逆方向にホルダ２０とほぼ同一速度で回転させれば、振動センサ１００は、研磨装置１の本体、ユーザ、あるいは、地面からほぼ静止して見える。このように、リニアモータ方式を用いて、振動センサ１００ａをメンブレン２３ａに対して相対移動させる。これにより、振動センサ１００ａはユーザからほぼ静止して見える。振動センサ１００ｂ、１００ｃ、１００ｄも、リニアモータ方式を用いて、それぞれメンブレン２３ｂ、２３ｃ、２３ｄに対して相対的に移動する。

振動センサ１００ａの本体１０５の中には、ヘッド部２２のセンサ制御部２６と通信可能な通信部１０６と、センサ制御部２６からの制御信号に基づいて電磁石１０１、１０２を制御する電磁石制御部１０７と、本体１０５の下面に配置されるセンサ部１０８と、各要素に電力を供給するバッテリ１０９と、を有する。尚、バッテリ１０９を省略して、ベッド部２２から振動センサ１００ａへ、ワイヤレス給電の技術を用いて電力を供給してもよい。

振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄは、ＡＥセンサのように接触式センサである。従って、振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄは、メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの底部に接触し、メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄを介して半導体ウェハＷに間接的に接触している必要がある。

例えば、図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、図５（Ａ）の６－６線に沿った断面図である。図６（Ａ）は、研磨前または研磨後の待機時における振動センサ１００ａの様子を示す。図６（Ｂ）は、研磨中において振動検出を行っている振動センサ１００ａの様子を示す。本実施形態において、供給口２５の一部に電磁石１１０が設けられており、振動センサ１００ａを磁力で引きつけることができる。

図６（Ａ）に示す待機中において、電磁石１１０は電力供給を受けて機能する。振動センサ１００ａには、例えば電磁石１０１、１０２に含まれる鉄心などに磁性体材料が含まれているため、これにより、振動センサ１００ａは電磁石１１０に引きつけられる。振動センサ１００ａは、電磁石１１０に固定され、メンブレン２３ａ内を自由に移動しないように構成されている。

一方、図６（Ｂ）に示す研磨中において、電磁石１１０は電力供給を受けず停止しており、振動センサ１００ａは、自重および／または供給口２５からの気体の吹き付け力（風圧）によってメンブレン２３ａの底部に押し付けられる。より具体的には、振動センサ１００ａの下面（センサ部１０８）が、メンブレン２３ａの底部における上面に押し付けられる。さらに、研磨中において、図５（Ａ）を参照して説明したように、リニアモータ方式を用いて、振動センサ１００ａは、メンブレン２３ａに対して相対移動する。これにより、振動センサ１００ａは、メンブレン２３ａの底部に接触しながら、リニアモータ方式によって移動する。ホルダ２０が回転し、振動センサ１００ａがメンブレン２３ａ内を逆方向に移動すると、メンブレン２３ａに対応するエリア全体の研磨面の位置（高さ）を知ることができる。即ち、メンブレン２３ａに対応する半導体ウェハＷのエリアの厚みを知ることができる。尚、メンブレン２３ａは、振動センサ１００ａの下面とメンブレン２３ａの底部における上面を、摩擦係数の低い材料で構成してもよい。また、振動センサ１００ａとメンブレン２３ａとの摩擦を低減させるために、振動センサ１００ａの下面とメンブレン２３ａの底部における上面との間に、潤滑剤を供給してもよい。

同様に、振動センサ１００ｂ、１００ｃ、１００ｄも、それぞれメンブレン２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの底部に接触しながら、リニアモータ方式によって移動する。これにより、メンブレン２３ｂ、２３ｃ、２３ｄのそれぞれに対応するエリア全体の研磨面の位置（高さ）を知ることができる。

図１を再度参照して、測定部５０、演算部６０および制御部７０について説明する。

測定部５０は、振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄの通信部１０６から送信された信号を、ヘッド部２２のセンサ制御部２６を介して、受け取る。例えば、この信号の電圧値は、メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄのそれぞれにおける振動の強さ（速さ）を示している。従って、測定部５０は、振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄから信号の電圧値を参照することによってメンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄが設けられている半導体ウェハＷの各エリアの振動の強さを知ることができる。測定部５０は、振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄから信号をＡＤ（Analogue Digital）変換して演算部６０へ出力する。測定部５０は、低周波から高周波までの広域周波数の信号をＡＤ変換し、デジタル信号を研磨中にリアルタイムで演算部６０へ送る。

演算部６０は、振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄからの信号の大きさに応じて、半導体ウェハＷの研磨面の凹凸（平坦性）を判断する。例えば、振動センサ１００ａからの信号が振動センサ１００ｂからの信号よりも小さい場合、振動センサ１００ａは、振動センサ１００ｂよりも半導体ウェハＷの研磨面から遠い。従って、メンブレン２３ａに対応する半導体ウェハＷのエリアの厚みが、メンブレン２３ｂに対応する半導体ウェハＷのエリアの厚みより厚くなっている。即ち、メンブレン２３ａに対応するエリアの研磨面がメンブレン２３ｂに対応するエリアの研磨面よりも突出していることを意味する。逆に、振動センサ１００ａからの信号が振動センサ１００ｂからの信号よりも大きい場合、振動センサ１００ａは、振動センサ１００ｂよりも半導体ウェハＷの研磨面に近い。従って、メンブレン２３ａに対応する半導体ウェハＷのエリアの厚みが、メンブレン２３ｂのエリアにおける半導体ウェハＷの厚みより薄くなっている。即ち、メンブレン２３ａに対応するエリアの研磨面がメンブレン２３ｂに対応するエリアの研磨面よりも窪んでいることを意味する。このように、メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄのそれぞれに対応するエリアについて、半導体ウェハＷの研磨面の凹凸状態（平坦性）が判明する。これにより、演算部６０は、該研磨面の凹凸マップを作成することができる。

尚、演算部６０は、振動センサ１００ａからの信号と振動センサ１００ｂからの信号との差の大きさによって、半導体ウェハＷの凹凸の大きさを演算してもよい。あるいは、演算部６０は、信号の大きさによって、半導体ウェハＷの厚み自体を演算してもよい。

制御部７０は、半導体ウェハＷの研磨面の凹凸マップに基づいて、メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄのそれぞれの気圧を制御する。例えば、上述のように、メンブレン２３ａに対応するエリアの研磨面がメンブレン２３ｂに対応するエリアの研磨面よりも突出しているとすると、制御部７０は、メンブレン２３ａの気圧をレシピよりも高くし、並びに／あるいは、メンブレン２３ｂの気圧を該レシピよりも低くする。これにより、突出しているメンブレン２３ａのエリアにおいて、半導体ウェハＷを研磨部１０へ押し付ける圧力を上昇させる。一方、窪んでいるメンブレン２３ｂのエリアにおいて、半導体ウェハＷを研磨部１０へ押し付ける圧力を低下させてもよい。これにより、半導体ウェハＷの凹凸（厚みのばらつき）を減少させ、半導体ウェハＷを平坦に研磨することができる。尚、レシピは、研磨制御プログラムにおいて予め設定されているメンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの各気圧の制御シーケンスである。

制御部７０は、メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄのそれぞれの気圧を変更するために駆動部３０を制御する。駆動部３０は、図示しない空気ポンプ等を駆動して、制御部７０からの指令に従って、メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄのそれぞれの気圧を変更する。このように、制御部７０は、メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄのそれぞれの気圧をフィードバック制御することによって、研磨中にリアルタイムで半導体ウェハＷの研磨面の凹凸状態（平坦性）を補正することができる。その結果、本実施形態による研磨装置１は、研磨後の半導体ウェハＷの平坦性を向上させることができる。また、半導体ウェハＷ上の材料膜（図示せず）を研磨した場合、研磨装置１は、研磨後の材料膜の膜厚のばらつきを抑制することができる。

尚、測定部５０、演算部６０および制御部７０は、研磨装置１の内部に配置してもよく、その外部に別体として設けてもよい。研磨装置１と別体として設けた場合、測定部５０、演算部６０および制御部７０は、例えば、１または複数のパーソナルコンピュータで実現してもよい。

次に、本実施形態による研磨方法を説明する。

図７は、第１実施形態による研磨方法の一例を示すフロー図である。

まず、ホルダ２０に半導体ウェハＷを保持し、半導体ウェハＷを研磨パッド１３へ押し付ける（Ｓ１０）。

次に、スラリを供給しながら、研磨部１０およびホルダ２０を回転させ、半導体ウェハＷの研磨を開始する（Ｓ２０）。

研磨開始直後から所定時間までの間、演算部６０は、半導体ウェハＷの研磨面の凹凸を検出し研磨面の凹凸マップを作成する（Ｓ３０）。図８は、振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄからの信号の大きさを示すグラフである。縦軸は、信号の電圧を示し、横軸は時間を示す。ｔ０～ｔ１は、凹凸マップ作成期間である。ｔ１以降、研磨実施期間となる。尚、凹凸マップ作成期間においても、研磨装置１は、研磨を行ってよい。この場合、ｔ１以降、研磨装置１は、研磨を続行する。凹凸マップの作成時間（ｔ０～ｔ１）は、任意に設定可能とする。

凹凸マップの作成時間および研磨実施期間は、１枚の半導体ウェハＷの研磨工程において周期的に繰り返してもよい。即ち、研磨と凹凸マップの作成とを繰り返すことによって、半導体ウェハＷの平坦性（凹凸）をリアルタイムに検出しながら、メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの気圧を制御してもよい。これにより、研磨装置１は、凹凸マップに基づいて、半導体ウェハＷを研磨部１０へ押し付ける圧力をリアルタイムで制御することができる。

マップ作成期間において、振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄは、半導体ウェハＷの振動を検出する。測定部５０で変換された振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄからの信号は、演算部６０にて処理される。演算部６０は、振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄからの信号の大きさを平均化する。さらに、演算部６０は、メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄに対応するエリアのそれぞれについて平均化された信号の大きさに応じて、該エリアにおける半導体ウェハＷの研磨面の凹凸を判断する。凹凸の判断は上述したとおりである。そして、演算部６０は、メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄに対応する半導体ウェハＷのエリア間の平坦性を示す凹凸マップを作成する。

図８に示す例では、ｔ０～ｔ１のマップ作成期間における信号の平均値は、振動センサ１００ｃ、１００ａにおいて比較的小さく、振動センサ１００ｄ、１００ｂにおいて比較的大きい。従って、凸凹マップは、メンブレン２３ｃ、２３ａのエリアにおいて、半導体ウェハＷの研磨面が凸状態であり、メンブレン２３ｄ、２３ｂのエリアにおいて、半導体ウェハＷの研磨面が凹状態となることを示している。

図７を再度参照する。研磨開始直後から所定時間が経過するまで（Ｓ４０のＮＯ）、演算部６０は、凹凸マップの作成を継続する。

一方、研磨開始直後から所定時間が経過し、凹凸マップの作成が終了すると（Ｓ４０のＹＥＳ）、演算部６０は、凹凸マップにおいてメンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄのエリア間の信号差と閾値とを比較する（Ｓ５０）。閾値は、予め設定された所定の許容値である。信号差が微小の場合には、半導体ウェハＷの研磨面の凹凸がほとんど無く、誤差の場合もある。従って、許容値を閾値として予め設定しておく。

エリア間の信号差が閾値よりも小さい場合（Ｓ５０のＮＯ）、制御部７０は、予め設定されたレシピ通りにメンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの気圧を制御する（Ｓ６０）。

一方、エリア間の信号差が閾値以上の場合（Ｓ５０のＹＥＳ）、制御部７０は、メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの気圧を制御する（Ｓ７０）。例えば、図８の振動センサ１００ａ（または、１００ｃ）と振動センサ１００ｄ（または、１００ｂ）との信号差が閾値より大きい場合、制御部７０は、メンブレン２３ａ、２３ｃの気圧をメンブレン２３ｄ、２３ｂの気圧よりも高くする。メンブレン２３ａ、２３ｃの気圧は、信号差と閾値との差の大きさに応じて（例えば、比例させて）上昇させればよい。これにより、メンブレン２３ａ、２３ｃのエリアにおいて、メンブレン２３ｄ、２３ｂのエリアよりも半導体ウェハＷの研磨速度を上昇させる。代替的に、あるいは、これとともに、制御部７０は、メンブレン２３ｄ、２３ｂの気圧をメンブレン２３ａ、２３ｃの気圧よりも低くしてもよい。メンブレン２３ａ、２３ｃの気圧は、信号差と閾値との差の大きさに応じて（例えば、比例させて）低下させればよい。これにより、メンブレン２３ｄ、２３ｂのエリアにおいて、メンブレン２３ａ、２３ｃのエリアよりも半導体ウェハＷの研磨速度を低下させる。尚、半導体ウェハＷの研磨速度を上昇させ、スループットを改善させるためには、制御部７０は、メンブレンの気圧を上昇させることが好ましい。

メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの気圧の調整幅は、各エリアにおける一定期間（例えば、Ｓ３０～Ｓ７０の１ループ期間）の信号の最大値、最小値、平均値を用いて演算してもよい。例えば、メンブレン２３ａの気圧を上昇させる場合、演算部６０は、メンブレン２３ａに対応するエリアにおいて信号の平均値Ｓａｖｇに対する最小値Ｓｍｉｎの割合（Ｓｍｉｎ／Ｓａｖｇ）を１から引き算した値（１－Ｓｍｉｎ／Ｓａｖｇ）をメンブレン２３ａの気圧の上昇率としてよい。具体的には、Ｓｍｉｎ／Ｓａｖｇが０．９である場合、演算部６０は、０．１（１０％）を上昇率とする。制御部７０は、メンブレン２３ａの気圧を１０％上昇させる。例えば、メンブレン２３ａの現在の気圧が３００Ｈｐａである場合、制御部７０は、その気圧を１０％上昇させ、３３０Ｈｐａに制御する。

また、メンブレン２３ａの気圧を低下させる場合、演算部６０は、メンブレン２３ａに対応するエリアにおいて信号の平均値Ｓａｖｇに対する最大値Ｓｍａｘの割合（Ｓｍａｘ／Ｓａｖｇ）から１を引き算した値（Ｓｍａｘ／Ｓａｖｇ－１）をメンブレン２３ａの気圧の低下率としてよい。具体的には、Ｓｍａｘ／Ｓａｖｇが、１．２である場合、演算部６０は、０．２（２０％）を低下率とする。制御部７０は、メンブレン２３ａの気圧を２０％低下させる。例えば、メンブレン２３ａの現在の気圧が３００Ｈｐａである場合、制御部７０は、その気圧を２４０Ｈｐａへ低下させる。

ステップＳ３０～Ｓ７０は、終点検知まで繰り返される（Ｓ８０のＮＯ）。これにより、凹凸マップ作成（ｔ０～ｔ１）は、研磨中に周期的に繰り返される。研磨は、研磨時間が所定時間に達すること、あるいは、半導体ウェハＷの膜厚が所定の膜厚未満になることを検知したときに終了する。

終点を検知すると（Ｓ８０のＹＥＳ）、研磨処理は終了する。その後、残膜等がある場合等、必要に応じて追加の研磨処理が実行される。

以上のように、本実施形態によれば、演算部６０は、メンブレン２３ａ等のそれぞれの内部に設けられた振動センサ１００ａ等からの信号に基づいて、半導体ウェハＷの研磨面の凹凸マップを得る。振動センサ１００ａ等は、接触式のセンサであり、研磨による半導体ウェハＷの研磨面からの振動を精度良く検出することができる。従って、凹凸マップは、半導体ウェハＷの研磨面の平坦性を精度良く表している。そして、制御部７０は、その凹凸マップに基づいてメンブレン２３ａ等のそれぞれの気圧をフィードバック制御することによって、研磨中にリアルタイムで半導体ウェハＷの研磨面の凹凸状態（平坦性）を補正することができる。その結果、本実施形態による研磨装置１は、研磨後の半導体ウェハＷまたは材料膜の平坦性を向上させ、それらの厚みのばらつきを抑制することができる。

（第２実施形態）
図９は、第２実施形態による研磨方法の一例を示すフロー図である。上記第１実施形態では、ステップＳ５０において、演算部６０は、メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄのエリア間の信号差と閾値とを比較している。研磨装置１は、エリア間の信号を相対的に比較して、半導体ウェハＷの凹凸を閾値以内にするように制御する。

これに対し、第２実施形態では、ステップＳ５０に代わるステップＳ５１において、演算部６０は、振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄのそれぞれの信号と基準値との差を閾値と比較する。基準値は、研磨中の或る時点における半導体ウェハＷの厚みの目標値を振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄの信号（電圧）に換算した値である。即ち、基準値は、各時点における半導体ウェハＷの厚みの目標を示していると言ってもよい。また、半導体ウェハＷを平坦にするために、基準値は、全振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄに共通でもよい。あるいは、メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ間の相違および振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ間の個体差を考慮して、基準値は、振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄのそれぞれについて個別に設定してもよい。

ここで、半導体ウェハＷの厚みの目標値について説明する。例えば、研磨開始から時間の経過に伴い、半導体ウェハＷの厚みは薄くなっていく。そして、研磨終了時において、半導体ウェハＷの厚みは、最終的な所望の膜厚になっていることが好ましい。従って、ステップＳ３０～Ｓ７０が繰り返し実行される場合、ステップＳ５１の各実行時点における半導体ウェハＷの厚みの目標値は、研磨開始当初の半導体ウェハＷの厚み（当初値）から研磨終了時における半導体ウェハＷの最終的な厚みの目標値（最終目標値）まで次第に小さく（薄く）なるように設定される。研磨装置１は、この目標値に従って半導体ウェハＷを研磨することによって、漸近的に半導体ウェハＷの厚みを所望の最終目標値へ収束させることができる。

実際には、目標値に従って半導体ウェハＷを研磨するために、研磨装置１は、目標値に対応する基準値を用いて半導体ウェハＷを研磨する。即ち、研磨装置１は、振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄからの信号を基準値に適合するように半導体ウェハＷを研磨する。これにより、研磨装置１は、半導体ウェハＷの厚みを所望の最終目標値へ収束させることができる。尚、或るステップＳ５１の実行時点における振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄの信号の基準値は、その時点における半導体ウェハＷの厚みの目標値を振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄの信号（電圧）へ変換した値である。このような基準値は、予め設定され演算部６０内のメモリ（図示せず）に格納されている。

ステップＳ５１において、演算部６０は、凹凸マップを参照して、振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄからのそれぞれの信号と基準値との差を閾値と比較する（Ｓ５１）。

振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄいずれかからの信号と基準値との差が閾値より小さい場合（Ｓ５１のＮＯ）、制御部７０は、振動センサからの信号が基準値に近いと判断し、レシピ通りにメンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの気圧を制御する（Ｓ６０）。この場合、メンブレンに対応するエリアの半導体ウェハＷの厚みは、ほぼ目標値になっていると考えられるからである。

一方、振動センサ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄのいずれかからの信号と基準値との差（基準値差）が閾値以上の場合（Ｓ５１のＹＥＳ）、制御部７０は、メンブレン２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの気圧を制御する（Ｓ７０）。例えば、振動センサ１００ａからの信号が基準値よりも閾値以上に大きい場合、メンブレン２３ａに対応するエリアの半導体ウェハＷの厚みは、目標値よりも薄い。従って、制御部７０は、そのメンブレンの気圧をレシピより低くする。一方、振動センサ１００ａからの信号が基準値よりも閾値以上に小さい場合、メンブレン２３ａに対応するエリアの半導体ウェハＷの厚みは、目標値よりも厚い。従って、制御部７０は、メンブレン２３ａの気圧をレシピより高くする。制御部７０は、他のメンブレン２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの気圧についても同様に制御する。尚、メンブレンの気圧は、基準値差と閾値との差の大きさに応じて（例えば、比例させて）上昇または低下させればよい。

ステップＳ３０～Ｓ７０は、終点検知まで繰り返される（Ｓ８０のＮＯ）。終点を検知すると（Ｓ８０のＹＥＳ）、研磨処理は終了する。第２実施形態では、半導体ウェハＷの厚みを最終目標値へ向かって収束させるように研磨を実行する。従って、残膜等は残り難く、追加の研磨処理が不要となる。これは、生産性向上に繋がる。

このように、振動センサ１００ａ等のそれぞれの信号と基準値との差を閾値と比較してもよい。第２実施形態のその他の動作は、第１実施形態の対応する動作と同様でよい。従って、第２実施形態は、第１実施形態の効果も得ることができる。

（第３実施形態）
図１０は、第３実施形態による研磨装置の構成例を示す概略図である。第１実施形態において、メンブレン２３ａ等は、その内部に空洞Ｈを有し、振動センサ１００ａ等は、空洞Ｈ内に設けられている。

これに対し、第３実施形態では、メンブレン２３ａ等の内部に液体１１１が導入されている。この液体１１１は、水等の水溶性液体、油等の油性液体、粘性を有する液体であってもよい。

この場合、振動センサ１００ａ等は、液体１１１上に浮遊していてもよい。例えば、振動センサ１００ａ等に、ＡＥセンサの他、ハイドロフォンセンサ、超音波センサ等を用いる。振動センサ１００ａ等は、液体１１１およびメンブレン２３ａ等を介して半導体ウェハＷからの振動を検出することができる。

第３実施形態のその他の構成は、第１実施形態の対応する構成と同様でよい。従って、第３実施形態は、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第３実施形態は、第２実施形態と組み合わせてもよい。これにより、第３実施形態は、第２実施形態と同様の効果も得ることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１研磨装置、１０研磨部、２０ホルダ、２２ヘッド部、２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄメンブレン、２４リテーナリング、３０駆動部、４０スラリ供給部、５０測定部、６０演算部、７０制御部、１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ振動センサ、１１０電磁石、Ｍ１，Ｍ２磁石レール

Claims

研磨対象を研磨する研磨部と、
前記研磨対象を保持して回転可能なホルダと、
前記ホルダに該ホルダの回転軸を中心に同心円状に設けられ、前記研磨対象を前記研磨部へ弾性的に押圧する複数の弾性部材と、
前記複数の弾性部材の内部に設けられ、前記研磨対象の研磨面からの振動を検出する複数の振動センサと、
前記複数の振動センサで検出された振動に基づいて、前記研磨対象の研磨面の凹凸を判断する演算部と、
前記研磨対象の研磨面の凹凸に基づいて、前記複数の弾性部材のそれぞれの前記研磨対象に対する圧力を制御する制御部と、を備えた研磨装置。
前記複数の弾性部材は、中空の空洞を有し、該空洞に気体を供給することによって前記研磨対象を前記研磨部へ押圧し、
前記振動センサは、前記空洞内に設けられている、請求項１に記載の研磨装置。
前記研磨対象を研磨する際に、前記振動センサは、前記弾性部材を介して前記研磨対象に接触している、請求項１または請求項２に記載の研磨装置。
前記研磨対象を研磨する際に、前記振動センサは、前記弾性部材内において前記研磨対象に対して相対的に回転移動する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の研磨装置。
前記演算部は、前記複数の振動センサ間の信号の差を用いて、前記複数の弾性部材のそれぞれの圧力を制御するか否かを判断する、請求項１に記載の研磨装置。
前記演算部は、前記複数の振動センサのそれぞれの信号と予め設定された基準値との差を用いて、前記複数の弾性部材のそれぞれの圧力を制御するか否かを判断する、請求項１に記載の研磨装置。
研磨対象を研磨する研磨部と、前記研磨対象を保持して回転可能なホルダと、前記ホルダに該ホルダの回転軸を中心に同心円状に設けられた複数の弾性部材と、前記複数の弾性部材の内部に設けられた複数の振動センサとを備えた研磨装置を用いた研磨方法であって、
前記研磨対象を前記研磨部へ弾性的に押圧し、該研磨対象を回転させ、
前記複数の振動センサにおいて前記研磨対象の研磨面からの振動を検出し、
前記複数の振動センサで検出された振動に基づいて、前記研磨対象の研磨面の凹凸を演算部で判断し、
前記研磨対象の研磨面の凹凸に基づいて、前記複数の弾性部材のそれぞれの前記研磨対象に対する圧力を制御部で制御することを具備する研磨方法。
前記振動センサは、リニアモータ方式を用いて、前記研磨対象に対して相対的に回転移動する、請求項４に記載の研磨装置。
筐体をさらに備え、
前記研磨対象を研磨する際に、前記振動センサは、前記筐体に対して相対的な位置関係を維持する、請求項４に記載の研磨装置。
前記複数の振動センサのうち１つの振動センサは、他の振動センサに対して、ほぼ９０度またはほぼ１８０度回転させた位置に配置される、請求項４に記載の研磨装置。
前記弾性部材の内部に導入された液体をさらに備える、請求項１に記載の研磨装置。
前記振動センサは、前記弾性部材の内部において前記液体に浮遊している、請求項１１に記載の研磨装置。
前記研磨対象を研磨する際に、前記演算部は、前記研磨対象の研磨面の凹凸を検出し該研磨面の凹凸マップを作成する、請求項１に記載の研磨装置。
前記演算部は、前記凹凸マップの作成期間においても、前記研磨対象の研磨を行っている、請求項１３に記載の研磨装置。