WO2021181944A1 - 研磨方法、研磨装置、およびプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体 - Google Patents

研磨方法、研磨装置、およびプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体 Download PDF

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torque
film
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伴 伊東
健 飯泉
ロイエール、ガエル
オング、パトリック
ヴァンデルスミッセン、ケヴィン
デヴリエント、カティア
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株式会社荏原製作所
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    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
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Definitions

  • the present invention relates to a polishing method and a polishing apparatus for polishing a substrate such as a wafer.
  • the present invention also relates to a computer-readable recording medium on which a program for causing a polishing apparatus to execute a polishing method is recorded.
  • CMP Chemical Mechanical Polishing
  • the polishing device for performing CMP is provided with a polishing table that supports a polishing pad having a polishing surface and a polishing head for holding a substrate.
  • the polishing table and the polishing head are moved relative to each other, and the polishing liquid such as a slurry is supplied onto the polishing surface of the polishing pad while pressing the substrate against the polishing surface of the polishing pad by the polishing head. It is composed.
  • the surface of the substrate is in sliding contact with the polishing surface in the presence of the polishing liquid, and the surface of the substrate is polished to a flat and mirror surface by the chemical action of the polishing liquid and the mechanical action of the abrasive grains contained in the polishing liquid.
  • Substrates such as wafers have a laminated structure made of different materials such as semiconductors, conductors, and insulators.
  • the frictional force acting between the substrate and the polishing pad changes depending on the material of the surface to be polished of the substrate. Therefore, conventionally, as a method of determining the polishing end point, a change in the frictional force caused by the transition of the material of the surface to be polished of the substrate to a different material is detected, and the polishing end point is determined based on the time when the frictional force changes. There is a way. Since the frictional force acts at a position away from the center of rotation (axis) of the polishing table, a change in the frictional force can be detected as a change in torque for rotating the polishing table. When the means for rotationally driving the polishing table is an electric motor, the torque can be measured as a current flowing through the electric motor.
  • Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-219248 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-11977 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-3063
  • the present invention provides a polishing method, a polishing device, and a computer-readable recording medium recording a program for causing the polishing device to perform such a polishing method, which can accurately determine the polishing end point of the substrate.
  • the purpose is.
  • a polishing table that supports the polishing pad is rotated, and a substrate having a laminated structure having an insulating film and a stopper layer formed under the insulating film is applied to the polishing surface of the polishing pad by a polishing head.
  • the step of pressing to polish the substrate and polishing the substrate includes a film thickness profile adjusting step and a polishing end point detection step performed after the film thickness profile adjusting step, and the film thickness profile adjusting step includes the substrate.
  • a plurality of film thicknesses at the above plurality of measurement points are measured, and the pressing force of the substrate against the polishing surface is adjusted based on the plurality of film thicknesses, and the film thickness is determined from at least one of the plurality of film thicknesses.
  • the polishing end point detection step includes a step of determining a time point when the film thickness index value to be formed reaches the film thickness threshold value, and the polishing end point detection step measures a torque for rotating the polishing table, and the substrate is based on the polishing torque.
  • a polishing method is provided that includes a step of determining the polishing end point of the above.
  • the step of adjusting the pressing force includes a step of adjusting the pressing force of the substrate against the polished surface so that the surface to be polished of the substrate becomes flat based on the plurality of film thicknesses.
  • the step of measuring the plurality of film thicknesses is to irradiate the substrate with light to generate a plurality of spectra of reflected light from the plurality of measurement points on the substrate, based on the plurality of spectra.
  • the step of determining the plurality of film thicknesses is included.
  • the step of polishing the substrate further comprises an initial polishing step performed prior to the film thickness profile adjusting step, in which the initial polishing step measures the torque for rotating the polishing table and said. It includes a step of determining the initial polishing end point based on the torque.
  • the substrate is polished by a polishing head having a plurality of pressure chambers connected to a plurality of pressure regulators and a step of issuing a command to a table motor to rotate a polishing table supporting the polishing pad.
  • a command is issued to the plurality of pressure regulators based on a plurality of film thicknesses at a plurality of measurement points on the substrate to press the substrate against the polished surface.
  • a computer-readable, computer-readable program that causes a computer to perform the step of determining the polishing end point of the substrate based on the torque to rotate the polishing table after determining when the threshold is reached.
  • a recording medium is provided.
  • the step of having the plurality of pressure regulators adjust the pressing force of the substrate against the polished surface issues a command to the plurality of pressure regulators based on the plurality of film thicknesses at the plurality of measurement points.
  • the step includes adjusting the pressing force of the substrate against the polished surface so that the surface to be polished of the substrate becomes flat.
  • the program rotates the polishing table while polishing the substrate and prior to the step of causing the pressure regulators to adjust the pressing force of the substrate against the polished surface.
  • the computer is made to perform a step of determining the initial polishing end point based on the torque for causing the polishing.
  • it is a polishing device for polishing a substrate having a laminated structure including an insulating film and a stopper layer formed under the insulating film, and the polishing table supporting the polishing pad and the polishing table are used.
  • a plurality of pressure regulators connected to the plurality of pressure chambers, a torque measuring device for measuring the torque for rotating the polishing table, and an operation control unit for controlling the operation of the polishing device.
  • the operation control unit issues a command to the plurality of pressure regulators based on the plurality of film thicknesses to adjust the pressing force of the substrate against the polished surface, and among the plurality of film thicknesses.
  • the film thickness profile adjusting step for determining the time when the film thickness index value determined from at least one of the above reaches the film thickness threshold is executed, and the substrate is being polished and the film thickness profile adjusting step is being performed.
  • a polishing apparatus is provided that is configured to determine the polishing end point of the substrate based on the torque.
  • the operation control unit issues a command to the plurality of pressure regulators based on the plurality of film thicknesses, and presses the substrate against the polished surface so that the surface to be polished of the substrate becomes flat.
  • the film thickness measuring device is an optical film thickness measuring device that measures the film thickness of the substrate based on the spectrum of the reflected light from the substrate.
  • the motion control unit is configured to determine the initial polishing end point based on the torque for rotating the polishing table during the polishing of the substrate and before the film thickness profile adjusting step. Has been done.
  • the polishing apparatus polishes after a film thickness profile adjusting step of polishing a substrate while adjusting a pressing force against a polishing pad of the substrate based on a plurality of film thicknesses at a plurality of measurement points on the substrate.
  • a polishing end point detection step is performed to determine the polishing end point of the substrate based on the torque for rotating the table.
  • the polishing apparatus can measure the torque in a state where the film thickness profile of the substrate is adjusted, and can accurately determine the polishing end point of the substrate.
  • FIG. 5A is a diagram showing a state before polishing the substrate.
  • FIG. 5B is a diagram showing a state of the substrate when the insulating film is polished until the film thickness index value reaches the film thickness threshold value.
  • FIG. 5C is a diagram showing a state of the substrate when the substrate is polished to the polishing end point.
  • FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of a polishing apparatus.
  • the polishing apparatus includes a polishing table 3 that supports the polishing pad 2, a polishing head 1 that presses a substrate W such as a wafer having a film against the polishing pad 2, and a table motor 6 that rotates the polishing table 3.
  • a polishing liquid supply nozzle 5 for supplying a polishing liquid such as a slurry on the polishing pad 2, a film thickness measuring device 40 (optical film thickness measuring device 40) for measuring the film thickness of the substrate W, and a polishing table.
  • a torque measuring device 8 for measuring the torque for rotating 3 and an operation control unit 9 for controlling the operation of the polishing device are provided.
  • the upper surface of the polishing pad 2 constitutes a polishing surface 2a for polishing the substrate W.
  • the object to be polished is a substrate having a laminated structure.
  • the substrate W has a laminated structure including an insulating film and a stopper layer formed under the insulating film.
  • the insulating film is formed of silicon dioxide (SiO 2 ) and the stopper layer is formed of silicon nitride (Si 3 N 4 ).
  • the insulating film and the stopper layer are configured in the present embodiment. Not limited to.
  • the stopper layer may be formed of a material that is not removed by the etching solution for removing the insulating film and is removed by the etching solution that does not damage the insulating film.
  • the polishing head 1 is connected to the head shaft 10, and the head shaft 10 is connected to a polishing head motor (not shown) via a connecting means such as a belt.
  • the polishing head motor rotates the polishing head 1 together with the head shaft 10 in the direction indicated by the arrow.
  • the polishing table 3 is connected to the table motor 6, and the table motor 6 is configured to rotate the polishing table 3 and the polishing pad 2 in the directions indicated by the arrows.
  • the rotation directions of the polishing head 1 and the polishing table 3 are not limited to this embodiment. In one embodiment, the polishing head 1 and the polishing table 3 may be configured to rotate in the direction opposite to the direction indicated by the arrow in FIG.
  • the substrate W is polished as follows. While rotating the polishing table 3 and the polishing head 1 in the direction indicated by the arrow in FIG. 1, the polishing liquid is supplied from the polishing liquid supply nozzle 5 to the polishing surface 2a of the polishing pad 2 on the polishing table 3. While the substrate W is rotated by the polishing head 1, the substrate W is pressed against the polishing surface 2a of the polishing pad 2 by the polishing head 1 in a state where the polishing liquid is present on the polishing pad 2. The surface of the substrate W is polished by the chemical action of the polishing liquid and the mechanical action of the abrasive grains or the polishing pad 2 contained in the polishing liquid.
  • the operation control unit 9 is composed of at least one computer.
  • the operation control unit 9 includes a storage device 9a in which the program is stored, and an arithmetic unit 9b that executes an operation according to an instruction included in the program.
  • the arithmetic unit 9b includes a CPU (central processing unit) or a GPU (graphic processing unit) that performs arithmetic according to instructions included in a program stored in the storage device 9a.
  • the storage device 9a includes a main storage device (for example, a random access memory) accessible to the arithmetic device 9b, and an auxiliary storage device (for example, a hard disk drive or a solid state drive) for storing data and programs.
  • the torque measuring device 8 is connected to the table motor 6. During polishing of the substrate W, the polishing table 3 is driven by the table motor 6 so as to rotate at a constant speed. Therefore, when the torque required to rotate the polishing table 3 at a constant speed changes, the drive current of the table motor 6 changes.
  • the torque for rotating the polishing table 3 is the moment of the force that rotates the polishing table 3 around its axis CP.
  • the torque for rotating the polishing table 3 corresponds to the drive current of the table motor 6. Therefore, in the present embodiment, the torque measuring device 8 is a current measuring device that measures the driving current of the table motor 6.
  • the torque measuring device 8 may consist of at least a portion of a motor driver that drives the table motor 6. In this case, the motor driver determines the current value required to rotate the polishing table 3 at a constant speed, and outputs the determined current value. The determined current value corresponds to the torque for rotating the polishing table 3.
  • the torque measuring device 8 may be a torque measuring device that directly measures the torque for rotating the polishing table 3 around its axis CP.
  • the torque measuring device 8 is connected to the operation control unit 9.
  • the operation control unit 9 controls the polishing operation of the substrate W based on the torque measured by the torque measuring device 8. For example, the motion control unit 9 determines the polishing end point of the substrate W based on the torque measured by the torque measuring device 8.
  • the film thickness measuring device 40 of the present embodiment is an optical film thickness measuring device that guides light to the surface of the substrate W and determines the film thickness of the substrate W based on the intensity measurement data of the reflected light from the substrate W.
  • the optical film thickness measuring device 40 includes a light source 44 that emits light, a spectroscope 47, an optical sensor head 7 connected to the light source 44 and the spectroscope 47, and a processing system 49 connected to the spectroscope 47. There is.
  • the optical sensor head 7, the light source 44, and the spectroscope 47 are attached to the polishing table 3, and rotate integrally with the polishing table 3 and the polishing pad 2.
  • the position of the optical sensor head 7 is a position that crosses the surface of the substrate W on the polishing pad 2 each time the polishing table 3 and the polishing pad 2 make one rotation.
  • the processing system 49 includes a storage device 49a in which a program for executing a spectrum generation and a film thickness detection of the substrate W, which will be described later, is stored, and a calculation device 49b for executing a calculation according to an instruction included in the program.
  • the processing system 49 is composed of at least one computer.
  • the storage device 49a includes a main storage device such as a RAM and an auxiliary storage device such as a hard disk drive (HDD) and a solid state drive (SSD).
  • Examples of the arithmetic unit 49b include a CPU (central processing unit) and a GPU (graphic processing unit). However, the specific configuration of the processing system 49 is not limited to these examples.
  • the light emitted from the light source 44 is transmitted to the optical sensor head 7 and guided from the optical sensor head 7 to the surface of the substrate W.
  • the light is reflected on the surface of the substrate W, and the reflected light from the surface of the substrate W is received by the optical sensor head 7 and sent to the spectroscope 47.
  • the spectroscope 47 decomposes the reflected light according to the wavelength and measures the intensity of the reflected light at each wavelength.
  • the intensity measurement data of the reflected light is sent to the processing system 49.
  • the processing system 49 is configured to generate a spectrum of reflected light from the intensity measurement data of the reflected light.
  • the spectrum of the reflected light is represented as a line graph (that is, a spectral waveform) showing the relationship between the wavelength and the intensity of the reflected light.
  • the intensity of the reflected light can also be expressed as a relative value such as reflectance or relative reflectance.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the spectrum generated by the processing system 49.
  • the spectrum is represented as a line graph (ie, a spectral waveform) showing the relationship between the wavelength and intensity of light.
  • the horizontal axis represents the wavelength of the light reflected from the substrate
  • the vertical axis represents the relative reflectance derived from the intensity of the reflected light.
  • the relative reflectance is an index value indicating the intensity of reflected light, and is a ratio of the intensity of light to a predetermined reference intensity.
  • the reference intensity is the intensity of light measured in advance for each wavelength, and the relative reflectance is calculated for each wavelength. Specifically, the relative reflectance is obtained by dividing the intensity of light at each wavelength (measured intensity) by the corresponding reference intensity.
  • the reference intensity is obtained, for example, by directly measuring the intensity of the light emitted from the optical sensor head 7, or by irradiating the mirror with light from the optical sensor head 7 and measuring the intensity of the reflected light from the mirror. ..
  • the reference strength is when a silicon substrate (bare substrate) on which a film is not formed is water-polished on the polishing pad 2 in the presence of water, or when the silicon substrate (bare substrate) is on the polishing pad 2. It may be the intensity of the reflected light from the silicon substrate measured by the spectroscope 47 when placed.
  • the dark level background strength obtained under the condition of blocking light
  • the dark level is subtracted from the measured strength to obtain the corrected measured strength
  • the dark level is subtracted from the reference strength to obtain the corrected reference strength.
  • the relative reflectance is obtained by dividing the corrected actual measurement intensity by the correction reference intensity.
  • the relative reflectance R ( ⁇ ) can be obtained by using the following equation (1).
  • ⁇ is the wavelength of the light reflected from the substrate
  • E ( ⁇ ) is the intensity at the wavelength ⁇
  • B ( ⁇ ) is the reference intensity at the wavelength ⁇
  • D ( ⁇ ) blocks the light. It is the background intensity (dark level) at the wavelength ⁇ measured under the above conditions.
  • the optical sensor head 7 guides light to the surface (polished surface) of the substrate W and receives the reflected light from the substrate W each time the polishing table 3 rotates once.
  • the reflected light is sent to the spectroscope 47.
  • the spectroscope 47 decomposes the reflected light according to the wavelength and measures the intensity of the reflected light at each wavelength.
  • the reflected light intensity measurement data is sent to the processing system 49, and the processing system 49 generates a spectrum as shown in FIG. 2 from the reflected light intensity measurement data. Further, the processing system 49 determines the film thickness of the substrate W from the spectrum of the reflected light.
  • the spectrum of the reflected light changes according to the film thickness of the substrate W.
  • the processing system 49 can determine the film thickness of the substrate W from the spectrum of the reflected light.
  • a known technique can be used as a specific method for determining the film thickness of the substrate W from the spectrum of the reflected light.
  • the spectrum of the reflected light is a spectral waveform showing the relationship between the relative reflectance and the wavelength of the reflected light, but the spectrum of the reflected light includes the intensity of the reflected light itself and the wavelength of the reflected light. It may be a spectral waveform showing the relationship between.
  • the processing system 49 is composed of at least one computer.
  • the at least one computer may be one server or a plurality of servers.
  • the processing system 49 may be an edge server connected to the spectroscope 47 by a communication line, or may be a cloud server connected to the spectroscope 47 by a communication network such as the Internet or a local area network. Alternatively, it may be a fog computing device (gateway, fog server, router, etc.) installed in a network connected to the spectroscope 47.
  • a fog computing device gateway, fog server, router, etc.
  • the processing system 49 may be a plurality of servers connected by a communication network such as the Internet or a local area network.
  • the processing system 49 may be a combination of an edge server and a cloud server.
  • the processing system 49 is connected to the operation control unit 9.
  • the operation control unit 9 controls the polishing operation of the substrate W based on the film thickness of the substrate W determined by the processing system 49. For example, the operation control unit 9 issues a command to a pressure regulator described later to adjust the pressing force of the substrate W against the polished surface 2a based on the film thickness of the substrate W.
  • the optical film thickness measuring device 40 of the present embodiment is configured to measure a plurality of film thicknesses at a plurality of measuring points on the substrate W.
  • the optical sensor head 7 crosses the substrate W once, the optical sensor head 7 emits light to a plurality of measurement points on the substrate W and receives reflected light from the plurality of measurement points.
  • only one optical sensor head 7 is provided in the polishing table 3, but a plurality of optical sensor heads 7 may be provided in the polishing table 3.
  • FIG. 3 is a schematic view showing an example of a plurality of measurement points on the surface (polished surface) of the substrate W.
  • the processing system 49 generates a plurality of spectra of the reflected light from the plurality of measurement points MP each time the optical sensor head 7 crosses the substrate W (that is, each rotation of the polishing table 3).
  • the film thickness at each measurement point MP is determined based on the spectrum of.
  • the position of each measurement point MP is determined based on the light irradiation timing, the rotation speed of the polishing table 3, the position of the polishing head 1, the rotation speed of the polishing head 1, and the like.
  • the polishing head 1 divides the substrate pressing surface that presses the substrate W against the polishing surface 2a of the polishing pad 2 into a plurality of regions, and the load applied to the substrate W can be independently adjusted for each region. It is configured.
  • the polishing head 1 can adjust the pressing force of the substrate W against the polishing surface 2a based on the film thickness of the substrate W corresponding to each region.
  • the film thickness measuring device 40 is an optical film thickness measuring device, but if it is possible to measure a plurality of film thicknesses of the insulating film at a plurality of measuring points on the substrate W, the film thickness measuring device 40 Is not limited to the optical film thickness measuring device.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the polishing head 1 shown in FIG.
  • the polishing head 1 has an elastic film 65 for pressing the substrate W against the polishing surface 2a of the polishing pad 2, a head main body 21 that holds the elastic film 65, and a lower portion of the head main body 21.
  • An annular drive ring 62 arranged and an annular retainer ring 60 fixed to the lower surface of the drive ring 62 are provided.
  • the elastic film 65 is attached to the lower part of the head body 21.
  • the head body 21 is fixed to the end of the head shaft 10, and the head body 21, the elastic film 65, the drive ring 62, and the retainer ring 60 are configured to rotate integrally by the rotation of the head shaft 10. There is.
  • the retainer ring 60 and the drive ring 62 are configured to be movable up and down relative to the head body 21.
  • the head body 21 is made of a resin such as engineering plastic (for example, PEEK).
  • the lower surface of the elastic film 65 constitutes a substrate pressing surface 65a that presses the substrate W against the polishing surface 2a of the polishing pad 2.
  • the retainer ring 60 is arranged so as to surround the substrate pressing surface 65a, and the substrate W is surrounded by the retainer ring 60.
  • Four pressure chambers 70, 71, 72, and 73 are provided between the elastic film 65 and the head body 21.
  • the pressure chambers 70, 71, 72, 73 are formed by the elastic film 65 and the head body 21.
  • the central pressure chamber 70 is circular, and the other pressure chambers 71, 72, 73 are annular. These pressure chambers 70, 71, 72, 73 are arranged concentrically.
  • the elastic film 65 forms four pressure chambers 70 to 73, but the number of pressure chambers described above is an example and may be changed as appropriate.
  • Gas transfer lines F1, F2, F3 and F4 are connected to the pressure chambers 70, 71, 72 and 73, respectively.
  • One end of the gas transfer lines F1, F2, F3, F4 is connected to a compressed gas supply source (not shown) as a utility provided in the factory where the polishing apparatus is installed.
  • Compressed gas such as compressed air is supplied to the pressure chambers 70, 71, 72, and 73 through the gas transfer lines F1, F2, F3, and F4, respectively.
  • the compressed gas is supplied to the pressure chambers 70 to 73, the elastic film 65 swells, and the compressed gas in the pressure chambers 70 to 73 presses the substrate W against the polishing surface 2a of the polishing pad 2 via the elastic film 65. ..
  • the pressure chambers 70 to 73 function as an actuator for pressing the substrate W against the polishing surface 2a of the polishing pad 2.
  • the gas transfer line F3 communicating with the pressure chamber 72 is connected to a vacuum line (not shown), and it is possible to form a vacuum in the pressure chamber 72.
  • An opening is formed in a portion of the elastic film 65 constituting the pressure chamber 72, and the substrate W is adsorbed and held by the polishing head 1 by forming a vacuum in the pressure chamber 72. Further, by supplying the compressed gas to the pressure chamber 72, the substrate W is released from the polishing head 1.
  • the elastic film 65 is formed of a rubber material having excellent strength and durability, such as ethylene propylene rubber (EPDM), polyurethane rubber, and silicone rubber.
  • the retainer ring 60 is an annular member arranged around the elastic film 65 and in contact with the polishing surface 2a of the polishing pad 2.
  • the retainer ring 60 is arranged so as to surround the outer peripheral edge of the substrate W, and prevents the substrate W from popping out from the polishing head 1 during polishing of the substrate W.
  • the upper part of the drive ring 62 is connected to the annular retainer ring pressing device 80.
  • the retainer ring pressing device 80 applies a downward load to the entire upper surface 60b of the retainer ring 60 via the drive ring 62, whereby the lower surface 60a of the retainer ring 60 is pressed against the polished surface 2a of the polishing pad 2.
  • the retainer ring pressing device 80 includes an annular piston 81 fixed to the upper part of the drive ring 62 and an annular rolling diaphragm 82 connected to the upper surface of the piston 81.
  • a retainer ring pressure chamber 83 is formed inside the rolling diaphragm 82.
  • the retainer ring pressure chamber 83 is connected to the compressed gas supply source via a gas transfer line F5. The compressed gas is supplied into the retainering pressure chamber 83 through the gas transfer line F5.
  • the rolling diaphragm 82 pushes down the piston 81, the piston 81 pushes down the drive ring 62, and the drive ring 62 pushes down the entire retainer ring 60. Push down to.
  • the retainer ring pressing device 80 presses the lower surface 60a of the retainer ring 60 against the polishing surface 2a of the polishing pad 2.
  • the drive ring 62 is detachably connected to the retainer ring pressing device 80.
  • the gas transfer lines F1, F2, F3, F4, F5 extend via the rotary joint 25 attached to the head shaft 10.
  • the polishing apparatus further includes pressure regulators R1, R2, R3, R4, R5, and pressure regulators R1, R2, R3, R4, R5 are provided in gas transfer lines F1, F2, F3, F4, F5, respectively. ing.
  • the compressed gas from the compressed gas supply source is independently supplied into the pressure chambers 70 to 73 and the retainering pressure chamber 83 through the pressure regulators R1 to R5, respectively.
  • the pressure regulators R1 to R5 are configured to regulate the pressure of the compressed gas in the pressure chambers 70 to 73 and the retainering pressure chamber 83.
  • the pressure regulators R1 to R5 are connected to the operation control unit 9.
  • the pressure regulators R1 to R5 can change the internal pressures of the pressure chambers 70 to 73 and the retainer pressure chamber 83 independently of each other, whereby the corresponding four regions of the substrate W, that is, the center.
  • the pressing force of the substrate W against the polishing surface 2a and the pressing force of the retainer ring 60 against the polishing pad 2 at the portion, the inner intermediate portion, the outer intermediate portion, and the edge portion can be independently adjusted.
  • the gas transfer lines F1, F2, F3, F4, and F5 are also connected to an air release valve (not shown), and the pressure chambers 70 to 73 and the retainer pressure chamber 83 can be opened to the atmosphere. ..
  • the elastic membrane 65 forms four pressure chambers 70 to 73, but in one embodiment, the elastic membrane 65 may form less than four pressure chambers or more than four pressure chambers. good.
  • the film thickness data relating to the plurality of film thicknesses at the plurality of measurement points of the substrate W measured by the film thickness measuring device 40 shown in FIG. 1 is sent to the operation control unit 9.
  • the operation control unit 9 issues a command to the pressure regulators R1 to R4 and presses the substrate W against the polished surface 2a in the corresponding four regions of the substrate W based on the plurality of film thicknesses measured by the film thickness measuring device 40. Adjust the force independently.
  • the motion control unit 9 compares the film thickness of the central portion of the substrate W with the film thickness of the other region, and when the film thickness of the central portion is larger than the film thickness of the other region, the motion control unit 9 Issued a command to the pressure regulator R1 to increase the internal pressure of the pressure chamber 70.
  • a stopper layer 103 made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) is formed on the convex portion of the silicon (Si) layer 100 having a surface step, and the stopper layer 103 is formed on the stopper layer 103.
  • An insulating film 107 made of silicon dioxide (SiO 2) is formed.
  • the stopper layer 103 has a property that it is not removed by the etching solution for removing the insulating film 107.
  • FIG. 5A shows the state of the substrate W before polishing
  • FIG. 5B shows the state of the substrate W when the insulating film 107 is polished until the film thickness index value reaches the film thickness threshold value, as will be described later
  • 5C indicates the state of the substrate W when the substrate W is polished to the polishing end point.
  • Examples of the laminated structure shown in FIGS. 5B and 5C include shallow trench isolation (STI). Therefore, the polishing method of the present embodiment can be applied to the step of producing shallow trench isolation (STI).
  • FIG. 6 is a flowchart showing an embodiment of a method for polishing the substrate W and a method for determining the polishing end point of the substrate W.
  • the polishing apparatus starts polishing. That is, the table motor 6 rotates the polishing table 3 integrally with the polishing pad 2 at a constant rotation speed, and the polishing head 1 rotates the substrate W at a constant rotation speed. The polishing head 1 further presses the substrate W against the polishing surface 2a of the polishing pad 2 to start polishing the substrate W.
  • the polishing apparatus executes a film thickness profile adjusting step.
  • a film thickness profile adjusting step a plurality of film thicknesses are measured at a plurality of measurement points on the substrate W while polishing the substrate W, and the pressing force of the substrate W against the polished surface 2a is adjusted based on the plurality of film thicknesses.
  • This is a step of determining the time when the film thickness index value determined from at least one of the plurality of film thicknesses reaches the film thickness threshold.
  • the film thickness measured in the film thickness profile adjusting step is the thickness of the insulating film 107.
  • the film thickness measuring device 40 measures a plurality of film thicknesses at a plurality of measurement points on the substrate W. Specifically, the optical film thickness measuring device 40 irradiates the substrate W with light a plurality of times when the optical sensor head 7 crosses the substrate W, and measures the intensity of the plurality of reflected light at each wavelength. The optical film thickness measuring device 40 generates a plurality of spectra of reflected light from a plurality of reflected light intensity measurement data. The optical film thickness measuring device 40 determines a plurality of film thicknesses at each measurement point based on a plurality of spectra. The operation control unit 9 issues a command to the optical film thickness measuring device 40 to execute step 2.
  • step 3 the pressing force of the substrate W against the polished surface 2a is adjusted based on the plurality of film thicknesses measured in step 2.
  • the operation control unit 9 acquires the film thickness data measured in step 2 from the optical film thickness measuring device 40, and based on the plurality of film thicknesses, the pressure chambers 70 to 73 of the polishing head 1 The internal pressure is determined, and a command is issued to at least one of the pressure regulators R1 to R4 to adjust the pressing force of the substrate W against the polished surface 2a.
  • the operation control unit 9 may generate a film thickness profile showing the relationship between a plurality of positions on the substrate W and a plurality of film thicknesses at the plurality of positions.
  • the operation control unit 9 may determine the internal pressure of the pressure chambers 70 to 73 of the polishing head 1 based on the film thickness profile.
  • the pressure regulator that issues the command may be one or two or more.
  • the operation control unit 9 calculates the average value of the film thicknesses at the plurality of measurement points in the region. Thereby, the film thickness in the region may be determined.
  • the film thickness at one measurement point arbitrarily selected from a plurality of measurement points in each region may be the film thickness in the region, and in one embodiment, a plurality of film thicknesses in each region may be used.
  • the maximum value or the minimum value of may be the film thickness in the region.
  • the operation control unit 9 receives the film thickness data measured in step 2 from the optical film thickness measuring device 40, and represents the relationship between the plurality of positions on the substrate W and the plurality of film thicknesses at the plurality of positions. Generate a profile.
  • the operation control unit 9 determines the film thickness of the four corresponding regions of the substrate W, that is, the central portion, the inner intermediate portion, the outer intermediate portion, and the edge portion based on the film thickness profile. When there are a plurality of measurement points in each region, the film thickness of each region is determined by calculating the average value of the film thicknesses at the plurality of measurement points in each region.
  • the operation control unit 9 compares the film thickness of the central portion of the substrate W with the film thickness of other regions. When the film thickness of the central portion is larger than the film thickness of the other region, the operation control unit 9 issues a command to the pressure regulator R1 to increase the internal pressure of the pressure chamber 70, and the film thickness of the central portion is the other. When it is smaller than the film thickness of the region, the operation control unit 9 issues a command to the pressure regulator R1 to reduce the internal pressure of the pressure chamber 70.
  • the polishing apparatus can adjust the film thickness profile of the substrate W by independently changing the internal pressures of the pressure chambers 70 to 73 based on the plurality of film thicknesses on the substrate W. ..
  • the surface to be polished of the substrate W is made flat based on the plurality of film thicknesses of the substrate W (that is, the thickness of the film constituting the surface to be polished of the substrate W is uniform).
  • the operation control unit 9 issues a command to the pressure regulators R1 to R4 to adjust the pressing force of the substrate W against the polished surface 2a. As a result, the polishing apparatus can accurately execute the polishing end point detection step described later.
  • the operation control unit 9 determines the film thickness index value from at least one of the plurality of film thicknesses at the plurality of measurement points on the substrate W measured in step 2.
  • the film thickness index value is determined by calculating the average value of a plurality of film thicknesses.
  • the film thickness at one measurement point arbitrarily selected from a plurality of measurement points may be used as the film thickness index value, and in one embodiment, the maximum or minimum value of the plurality of film thicknesses may be the film thickness. It may be used as an index value.
  • step 5 the operation control unit 9 determines the time when the film thickness index value reaches the film thickness threshold value. Specifically, the operation control unit 9 compares the film thickness index value with the film thickness threshold value, and if the film thickness index value does not reach the film thickness threshold value, returns to step 2 and returns to step 2 to step 2. Execute 5 again. When the film thickness index value reaches the film thickness threshold value, the polishing apparatus ends the film thickness profile adjusting step and executes the polishing end point detection step.
  • the film thickness threshold is determined in advance based on experiments and past polishing results.
  • the film thickness threshold value is determined based on the time when the film thickness of the insulating film 107 becomes thin until the polishing end point can be detected accurately in the polishing end point detection step described later.
  • FIG. 5B shows the state of the substrate W when the insulating film 107 is polished until the film thickness index value reaches the film thickness threshold value.
  • the polishing apparatus executes a polishing end point detection step.
  • the polishing end point detection step is a step of measuring the torque for rotating the polishing table 3 while polishing the substrate W, and determining the polishing end point of the substrate W based on the torque.
  • step 6 the torque measuring device 8 measures the torque for rotating the polishing table 3. Specifically, the operation control unit 9 issues a command to the torque measuring device 8 to measure the torque for rotating the polishing table 3.
  • the torque measuring device 8 is a current measuring device, and the torque measuring device 8 measures the drive current of the table motor 6 corresponding to the torque for rotating the polishing table 3.
  • the motion control unit 9 determines the polishing end point of the substrate W based on the torque measured in step 6. Specifically, the operation control unit 9 acquires the measured value of the torque from the torque measuring device 8 and compares the measured value of the torque with a preset torque threshold value (step 7). The measured value of this torque represents the torque required to rotate the polishing table 3 at a constant speed. If the measured torque value does not reach the torque threshold value, the motion control unit 9 returns to step 6 and executes steps 6 and 7 again. When the measured torque value reaches the torque threshold value, the operation control unit 9 determines the polishing end point at the time when the measured torque value reaches the torque threshold value (step 8). After that, the operation control unit 9 ends the polishing end point detection step.
  • the motion control unit 9 calculates the rate of change in torque for rotating the polishing table 3 based on the torque measured in step 6, and the calculated rate of change in torque is preset. It may be compared with the rate of change threshold.
  • the torque change rate represents the amount of torque change per unit time. If the torque change rate has not reached the change rate threshold, the motion control unit 9 returns to step 6 and executes steps 6 and 7 again.
  • the operation control unit 9 may determine the polishing end point at the time when the change rate of torque reaches the change rate threshold value.
  • FIG. 5C shows the state of the substrate W when the substrate W is polished to the polishing end point.
  • the polishing end point is a time when the insulating film 107 on the stopper layer 103 is removed by polishing and the entire surface of the stopper layer 103 is exposed.
  • the torque for rotating the polishing table 3 (proportional to the frictional force acting between the polishing pad 2 and the substrate W) changes as the film thickness of the insulating film 107 on the stopper layer 103 decreases, and the stopper layer 103 When the surface of the is completely exposed, the above torque does not change. Therefore, the motion control unit 9 can determine the polishing end point based on the torque measurement value at the time when the torque does not change or the rate of change of the torque measurement value.
  • the torque threshold and the rate of change threshold are predetermined based on experiments and past polishing results.
  • step 9 the polishing apparatus executes an extension polishing step.
  • the polishing apparatus polishes the substrate W for a predetermined extension time by the method described in step 1.
  • the insulating film 107 on the stopper layer 103 can be completely removed by polishing the substrate W even after the polishing end point has elapsed.
  • the extension time is predetermined based on experiments and past polishing results.
  • the polishing apparatus ends the extension polishing process. This completes the polishing of the substrate W.
  • the extension polishing step may be omitted. When the extension polishing step is omitted, the polishing of the substrate W is completed when the polishing end point is detected in step 8.
  • the polishing end point detection step is executed in a state where the film thickness profile of the substrate W is controlled to a desired state. Can be done.
  • the polishing apparatus can execute the polishing end point detection step in a state where the surface to be polished of the substrate W is flat (a state in which the in-plane uniformity of the substrate W is good).
  • the operation control unit 9 can accurately determine the polishing end point of the substrate W.
  • FIG. 7 is a diagram showing measured values of the drive current of the table motor 6 in each polishing process.
  • the curve represented by the dotted line shows the measured value of the drive current of the table motor 6 when the polishing end point detection step is executed without executing the film thickness profile adjusting step, and the curve represented by the solid line is the film thickness profile.
  • the measured value of the drive current of the table motor 6 when the polishing end point detection process is executed after the adjustment process is shown.
  • the measured value of the drive current of the table motor 6 is the time when the insulating film 107 on the stopper layer 103 is removed. Even after passing the polishing end point, it continues to decrease.
  • the polishing end point detection step is executed after the film thickness profile adjustment step (shown by the solid line)
  • the measured value of the drive current of the table motor 6 is measured when the insulating film 107 on the stopper layer 103 is removed. It becomes constant. Therefore, the operation control unit 9 can accurately determine the polishing end point of the substrate W at the time when the measured value of the drive current of the table motor 6 becomes constant.
  • the thickness of the insulating film 107 on the stopper layer 103 becomes extremely small as the substrate W approaches the polishing end point.
  • the film thickness measuring accuracy of the film thickness measuring device 40 is lowered. Therefore, it is difficult to determine the polishing end point of the substrate W based only on the film thickness measured by the film thickness measuring device 40.
  • the polishing apparatus can accurately determine the polishing end point of the substrate W by combining the film thickness profile adjusting step and the polishing end point detection step.
  • the polishing apparatus may perform an initial polishing step before the film thickness profile adjusting step.
  • the initial polishing step is a step of measuring the torque for rotating the polishing table 3 while polishing the substrate W, and determining the initial polishing end point of the substrate W based on the torque. Since the details of the initial polishing step, which are not particularly described, are the same as the polishing end point detection steps described with reference to steps 6 to 8, the overlapping description will be omitted.
  • the motion control unit 9 compares the measured torque value (or torque change rate) with a preset initial torque threshold value (or initial change rate threshold value). When the measured torque value (torque change rate) reaches the initial torque threshold value (initial change rate threshold value), the operation control unit 9 reaches the initial torque threshold value of the torque measurement value.
  • the initial polishing end point which is the time point, is determined.
  • FIG. 8 is a diagram showing a state of the substrate W when the substrate W is polished to the initial polishing end point.
  • the initial polishing end point is when the convex portion of the insulating film 107 having a surface step is polished and the surface of the insulating film 107 becomes flat.
  • FIG. 8 shows a state between the state of the substrate W shown in FIG. 5A and the state of the substrate W shown in FIG. 5B.
  • the upper insulating film 107 may have a surface step as shown in FIG. 5A.
  • the insulating film 107 has a surface step, only the convex portion on the surface of the insulating film 107 comes into contact with the polishing pad 2.
  • the contact area of the insulating film 107 with the polishing pad 2 when the insulating film 107 has a surface step is the contact area when the insulating film 107 does not have a surface step (when the surface of the insulating film 107 is flat). It is smaller than the area.
  • the frictional force (torque for rotating the polishing table 3) acting between the substrate W and the polishing pad 2 when the insulating film 107 has a surface step is such that the insulating film 107 does not have a surface step. It is different from the above frictional force (the above torque). Therefore, the motion control unit 9 can determine the initial polishing end point based on the change in the measured torque value (or the rate of change in torque).
  • the initial torque threshold value (or initial change rate threshold value) is predetermined based on experiments and past polishing results.
  • the accuracy of measuring the film thickness of the insulating film 107 by the film thickness measuring device 40 may decrease.
  • the film thickness of the insulating film 107 can be measured accurately by the film thickness measuring device 40.
  • All of the above-mentioned initial polishing step, film thickness profile adjusting step, polishing end point detection step, and extension polishing step are executed by the polishing apparatus shown in FIG. That is, the initial polishing step, the film thickness profile adjusting step, the polishing end point detection step, and the extension polishing step are sequentially executed while the substrate W is pressed against the polishing pad 2 on the same polishing table 3 by the polishing head 1. Since the plurality of steps are executed while the substrate W is in contact with the polishing pad 2 on the same polishing table 3, the throughput is improved.
  • the operation control unit 9 executes each of the above steps according to the instructions included in the program stored in the storage device 9a.
  • the program for causing the motion control unit 9 to execute each of the above steps is recorded on a computer-readable recording medium which is a non-temporary tangible object, and is provided to the motion control unit 9 via the recording medium.
  • the program may be input to the operation control unit 9 via a communication network such as the Internet or a local area network.
  • the present invention can be used in a polishing method and a polishing apparatus for polishing a substrate such as a wafer.
  • the present invention can also be used as a computer-readable recording medium on which a program for causing a polishing apparatus to execute a polishing method is recorded.
  • Polishing head Polishing pad 2a Polishing surface 3 Polishing table 5 Polishing liquid supply nozzle 6 Table motor 7 Optical sensor head 8 Torque measuring device 9 Operation control unit 10 Head shaft 21 Head body 25 Rotary joint 40 Thickness measuring device (optical film) Thickness measuring device) 44 Light source 47 Spectrometer 49 Processing system 60 Retainer ring 60a Lower surface 62 Drive ring 65 Elastic film 70, 71, 72, 73 Pressure chamber 80 Retainer ring pressing device 81 Piston 82 Rolling diaphragm 83 Retaining pressure chamber 100 Silicon layer 103 Stopper layer 107 Insulation film R1, R2, R3, R4, R5 Pressure regulator

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Abstract

本発明は、ウェーハなどの基板を研磨する研磨方法および研磨装置に関する。また、本発明は、研磨装置に研磨方法を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体に関する。本方法は、研磨テーブル（３）を回転させ、基板（Ｗ）を、研磨面（２ａ）に押し付けて基板（Ｗ）を研磨する。基板（Ｗ）を研磨する工程は、膜厚プロファイル調整工程と、研磨終点検出工程を含む。膜厚プロファイル調整工程は、複数の膜厚に基づいて基板（Ｗ）の研磨面（２ａ）に対する押し付け力を調整し、複数の膜厚のうちの少なくとも１つから決定される膜厚指標値が膜厚しきい値に達した時点を決定する工程を含む。研磨終点検出工程は、研磨テーブル（３）を回転させるためのトルクを測定し、トルクに基づいて研磨終点を決定する工程を含む。

Description

研磨方法、研磨装置、およびプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体
　本発明は、ウェーハなどの基板を研磨する研磨方法および研磨装置に関する。また、本発明は、研磨装置に研磨方法を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体に関する。
　近年、半導体デバイスの高集積化・高密度化に伴い、回路の配線がますます微細化し、多層配線の層数も増加している。回路の微細化を図りながら多層配線を実現しようとすると、下側の層の表面凹凸を踏襲しながら段差がより大きくなるので、配線層数が増加するに従って、薄膜形成における段差形状に対する膜被覆性（ステップカバレッジ）が悪くなる。したがって、多層配線するためには、このステップカバレッジを改善し、然るべき過程で平坦化処理しなければならない。
　したがって、半導体デバイスの製造工程においては、半導体デバイス表面の平坦化がますます重要になっている。この表面の平坦化において最も重要な技術は、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical　Mechanical　Polishing）である。この化学機械研磨（以下、ＣＭＰという）は、シリカ（ＳｉＯ２）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッドの研磨面上に供給しつつウェーハなどの基板を研磨面に摺接させて研磨を行うものである。
　ＣＭＰを行うための研磨装置は、研磨面を有する研磨パッドを支持する研磨テーブルと、基板を保持するための研磨ヘッドを備えている。このような研磨装置は、研磨テーブルと研磨ヘッドとを相対運動させ、さらにスラリーなどの研磨液を研磨パッドの研磨面上に供給しながら、研磨ヘッドにより基板を研磨パッドの研磨面に押し付けるように構成される。基板の表面は、研磨液の存在下で研磨面に摺接し、研磨液の化学的作用、および研磨液に含まれる砥粒の機械的作用により、基板の表面は平坦かつ鏡面に研磨される。
　ウェーハなどの基板は、半導体、導体、絶縁体などの異なる材質からなる積層構造を有している。基板の被研磨面の材質によって、基板と研磨パッドとの間に作用する摩擦力は変化する。そこで、従来から、研磨終点の決定方法として、基板の被研磨面の材質が異材質へ移行することによって生じる摩擦力の変化を検出し、摩擦力が変化した時点に基づいて研磨終点を決定する方法がある。上記摩擦力は、研磨テーブルの回転中心（軸心）から離れた位置に作用するため、摩擦力の変化は、研磨テーブルを回転させるためのトルクの変化として検出することができる。研磨テーブルを回転駆動させる手段が電動モータの場合には、上記トルクは電動モータに流れる電流として測定することができる。
特開２０１３－２１９２４８号公報 特開２００５－１１９７７号公報 特開２０１４－３０６３号公報
　しかしながら、基板の被研磨面を構成する膜の厚さが不均一である場合、基板と研磨パッドとの間に作用する摩擦力の変化が上記トルクの変化として顕著に現れず、研磨終点を正確に決定できないことがあった。
　そこで本発明は、基板の研磨終点を正確に決定することができる研磨方法、研磨装置、および研磨装置にそのような研磨方法を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供することを目的とする。
　一態様では、研磨パッドを支持する研磨テーブルを回転させ、研磨ヘッドによって、絶縁膜と前記絶縁膜の下層に形成されたストッパ層を備えた積層構造を有する基板を、前記研磨パッドの研磨面に押し付けて前記基板を研磨し、前記基板を研磨する工程は、膜厚プロファイル調整工程と、前記膜厚プロファイル調整工程の後に行われる研磨終点検出工程を含み、前記膜厚プロファイル調整工程は、前記基板上の複数の測定点での複数の膜厚を測定し、前記複数の膜厚に基づいて前記基板の前記研磨面に対する押し付け力を調整し、前記複数の膜厚のうちの少なくとも１つから決定される膜厚指標値が膜厚しきい値に達した時点を決定する工程を含み、前記研磨終点検出工程は、前記研磨テーブルを回転させるためのトルクを測定し、前記トルクに基づいて前記基板の研磨終点を決定する工程を含む、研磨方法が提供される。
　一態様では、前記押し付け力を調整する工程は、前記複数の膜厚に基づいて前記基板の被研磨面が平坦になるように前記基板の前記研磨面に対する押し付け力を調整する工程を含む。
　一態様では、前記複数の膜厚を測定する工程は、前記基板に光を照射し、前記基板上の複数の測定点からの反射光の複数のスペクトルを生成し、前記複数のスペクトルに基づいて前記複数の膜厚を決定する工程を含む。
　一態様では、前記基板を研磨する工程は、前記膜厚プロファイル調整工程の前に行われる初期研磨工程をさらに含み、前記初期研磨工程は、前記研磨テーブルを回転させるためのトルクを測定し、前記トルクに基づいて初期研磨終点を決定する工程を含む。
　一態様では、テーブルモータに指令を発して、研磨パッドを支持する研磨テーブルを回転させるステップと、複数の圧力レギュレータに連結された複数の圧力室を有する研磨ヘッドにより、基板を前記研磨パッドの研磨面に押し付けて該基板を研磨しているときに、前記基板上の複数の測定点での複数の膜厚に基づいて前記複数の圧力レギュレータに指令を発して、前記基板の前記研磨面に対する押し付け力を調整させるステップと、前記複数の膜厚のうちの少なくとも１つから決定される膜厚指標値が膜厚しきい値に達した時点を決定するステップと、前記膜厚指標値が膜厚しきい値に達した時点を決定した後に、前記研磨テーブルを回転させるためのトルクに基づいて前記基板の研磨終点を決定するステップを、コンピュータに実行させるためのプログラムを記録した、コンピュータ読み取り可能な記録媒体が提供される。
　一態様では、前記基板の前記研磨面に対する押し付け力を前記複数の圧力レギュレータに調整させる前記ステップは、前記複数の測定点での複数の膜厚に基づいて前記複数の圧力レギュレータに指令を発して、前記基板の被研磨面が平坦になるように前記基板の前記研磨面に対する押し付け力を調整させるステップを含む。
　一態様では、前記プログラムは、前記基板を研磨しているときであって、かつ前記基板の前記研磨面に対する押し付け力を前記複数の圧力レギュレータに調整させる前記ステップの前に、前記研磨テーブルを回転させるためのトルクに基づいて初期研磨終点を決定するステップを、コンピュータにさらに実行させる。
　一態様では、絶縁膜と前記絶縁膜の下層に形成されたストッパ層を備えた積層構造を有する基板を研磨するための研磨装置であって、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、前記研磨テーブルを回転させるテーブルモータと、前記基板を前記研磨パッドの研磨面に押し付けるための複数の圧力室を有する研磨ヘッドと、前記基板上の複数の測定点での複数の膜厚を測定する膜厚測定装置と、前記複数の圧力室に連結された複数の圧力レギュレータと、前記研磨テーブルを回転させるためのトルクを測定するトルク測定装置と、前記研磨装置の動作を制御する動作制御部とを備え、前記動作制御部は、前記基板の研磨中、前記複数の膜厚に基づいて前記複数の圧力レギュレータに指令を発して、前記基板の前記研磨面に対する押し付け力を調整させ、前記複数の膜厚のうちの少なくとも１つから決定される膜厚指標値が膜厚しきい値に達した時点を決定する膜厚プロファイル調整工程を実行し、前記基板の研磨中であって、かつ前記膜厚プロファイル調整工程後に、前記トルクに基づいて前記基板の研磨終点を決定するように構成されている、研磨装置が提供される。
　一態様では、前記動作制御部は、前記複数の膜厚に基づいて前記複数の圧力レギュレータに指令を発して、前記基板の被研磨面が平坦になるように前記基板の前記研磨面に対する押し付け力を調整させるように構成されている。
　一態様では、前記膜厚測定装置は、前記基板からの反射光のスペクトルに基づいて前記基板の膜厚を測定する光学式膜厚測定装置である。
　一態様では、前記動作制御部は、前記基板の研磨中であって、かつ前記膜厚プロファイル調整工程前に、前記研磨テーブルを回転させるためのトルクに基づいて初期研磨終点を決定するように構成されている。
　本発明によれば、研磨装置は、基板上の複数の測定点での複数の膜厚に基づいて基板の研磨パッドに対する押し付け力を調整しながら基板を研磨する膜厚プロファイル調整工程の後、研磨テーブルを回転させるためのトルクに基づいて基板の研磨終点を決定する研磨終点検出工程を実行する。研磨装置は、基板の膜厚プロファイルが調整された状態で、上記トルクを測定することができ、基板の研磨終点を正確に決定することができる。
研磨装置の一実施形態を示す模式図である。 処理システムによって生成されたスペクトルの一例を示す図である。 基板の表面（被研磨面）上の複数の測定点の一例を示す模式図である。 図１に示す研磨ヘッドの断面図である。 図５Ａは基板の研磨前の状態を示す図である。 図５Ｂは、絶縁膜を膜厚指標値が膜厚しきい値に達するまで研磨したときの基板の状態を示す図である。 図５Ｃは、研磨終点まで基板を研磨したときの基板の状態を示す図である。 基板の研磨方法および基板の研磨終点の決定方法の一実施形態を示すフローチャートである。 各研磨工程におけるテーブルモータの駆動電流の測定値を示す図である。 初期研磨終点まで基板を研磨したときの基板の状態を示す図である。
　以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
　図１は、研磨装置の一実施形態を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨パッド２を支持する研磨テーブル３と、膜を有するウェーハなどの基板Ｗを研磨パッド２に押し付ける研磨ヘッド１と、研磨テーブル３を回転させるテーブルモータ６と、研磨パッド２上にスラリーなどの研磨液を供給するための研磨液供給ノズル５と、基板Ｗの膜厚を測定する膜厚測定装置４０（光学式膜厚測定装置４０）と、研磨テーブル３を回転させるためのトルクを測定するトルク測定装置８と、研磨装置の動作を制御するための動作制御部９を備えている。研磨パッド２の上面は、基板Ｗを研磨する研磨面２ａを構成する。
　本実施形態では、被研磨対象は、積層構造を有する基板である。基板Ｗは、絶縁膜と絶縁膜の下層に形成されたストッパ層を備えた積層構造を有している。本実施形態では、絶縁膜は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から形成されており、ストッパ層は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）から形成されているが、絶縁膜およびストッパ層の構成は、本実施形態に限定されない。一実施形態では、ストッパ層は、絶縁膜を除去するためのエッチング液では除去されず、かつ絶縁膜にダメージを与えないエッチング液で除去される材料から形成されていればよい。
　研磨ヘッド１はヘッドシャフト１０に連結されており、ヘッドシャフト１０は、ベルト等の連結手段を介して図示しない研磨ヘッドモータに連結されている。研磨ヘッドモータは、研磨ヘッド１をヘッドシャフト１０とともに矢印で示す方向に回転させる。研磨テーブル３はテーブルモータ６に連結されており、テーブルモータ６は研磨テーブル３および研磨パッド２を矢印で示す方向に回転させるように構成されている。研磨ヘッド１および研磨テーブル３の回転方向は、本実施形態に限定されない。一実施形態では、研磨ヘッド１および研磨テーブル３は、図１の矢印で示す方向と逆方向に回転するように構成されていてもよい。
　基板Ｗは次のようにして研磨される。研磨テーブル３および研磨ヘッド１を図１の矢印で示す方向に回転させながら、研磨液供給ノズル５から研磨液が研磨テーブル３上の研磨パッド２の研磨面２ａに供給される。基板Ｗは研磨ヘッド１によって回転されながら、研磨パッド２上に研磨液が存在した状態で基板Ｗは研磨ヘッド１によって研磨パッド２の研磨面２ａに押し付けられる。基板Ｗの表面は、研磨液の化学的作用と、研磨液に含まれる砥粒または研磨パッド２の機械的作用により研磨される。
　動作制御部９は、少なくとも１台のコンピュータから構成される。動作制御部９は、プログラムが格納された記憶装置９ａと、プログラムに含まれる命令に従って演算を実行する演算装置９ｂを備えている。演算装置９ｂは、記憶装置９ａに格納されているプログラムに含まれている命令に従って演算を行うＣＰＵ（中央処理装置）またはＧＰＵ（グラフィックプロセッシングユニット）などを含む。記憶装置９ａは、演算装置９ｂがアクセス可能な主記憶装置（例えばランダムアクセスメモリ）と、データおよびプログラムを格納する補助記憶装置（例えば、ハードディスクドライブまたはソリッドステートドライブ）を備えている。
　トルク測定装置８は、テーブルモータ６に接続されている。基板Ｗの研磨中、研磨テーブル３は、一定の速度で回転するようにテーブルモータ６によって駆動される。したがって、研磨テーブル３を一定の速度で回転させるために必要なトルクが変化すると、テーブルモータ６の駆動電流が変化する。
　研磨テーブル３を回転させるためのトルクは、研磨テーブル３をその軸心ＣＰ周りに回転させる力のモーメントである。研磨テーブル３を回転させるためのトルクは、テーブルモータ６の駆動電流に相当する。したがって、本実施形態では、トルク測定装置８は、テーブルモータ６の駆動電流を測定する電流測定器である。一実施形態では、トルク測定装置８は、テーブルモータ６を駆動するモータドライバの少なくとも一部から構成されてもよい。この場合、モータドライバは、研磨テーブル３を一定の速度で回転させるために必要な電流値を決定し、この決定された電流値を出力する。決定された電流値は、研磨テーブル３を回転させるためのトルクに相当する。一実施形態では、トルク測定装置８は、研磨テーブル３をその軸心ＣＰ周りに回転させるトルクを直接測定するトルク測定装置であってもよい。
　トルク測定装置８は、動作制御部９に接続されている。動作制御部９は、トルク測定装置８によって測定されたトルクに基づいて、基板Ｗの研磨動作を制御する。例えば、動作制御部９は、トルク測定装置８によって測定されたトルクに基づいて基板Ｗの研磨終点を決定する。
　本実施形態の膜厚測定装置４０は、基板Ｗの表面に光を導き、基板Ｗからの反射光の強度測定データに基づいて基板Ｗの膜厚を決定する光学式膜厚測定装置である。光学式膜厚測定装置４０は、光を発する光源４４と、分光器４７と、光源４４および分光器４７に連結された光学センサヘッド７と、分光器４７に連結された処理システム４９を備えている。光学センサヘッド７、光源４４、および分光器４７は研磨テーブル３に取り付けられており、研磨テーブル３および研磨パッド２とともに一体に回転する。光学センサヘッド７の位置は、研磨テーブル３および研磨パッド２が一回転するたびに研磨パッド２上の基板Ｗの表面を横切る位置である。
　処理システム４９は、後述するスペクトルの生成および基板Ｗの膜厚検出を実行するためのプログラムが格納された記憶装置４９ａと、プログラムに含まれる命令に従って演算を実行する演算装置４９ｂを備えている。処理システム４９は、少なくとも１台のコンピュータから構成される。記憶装置４９ａは、ＲＡＭなどの主記憶装置と、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）などの補助記憶装置を備えている。演算装置４９ｂの例としては、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＧＰＵ（グラフィックプロセッシングユニット）が挙げられる。ただし、処理システム４９の具体的構成はこれらの例に限定されない。
　光源４４から発せられた光は、光学センサヘッド７に伝送され、光学センサヘッド７から基板Ｗの表面に導かれる。光は基板Ｗの表面で反射し、基板Ｗの表面からの反射光は光学センサヘッド７によって受けられ、分光器４７に送られる。分光器４７は反射光を波長に従って分解し、各波長での反射光の強度を測定する。反射光の強度測定データは、処理システム４９に送られる。
　処理システム４９は、反射光の強度測定データから反射光のスペクトルを生成するように構成されている。反射光のスペクトルは、反射光の波長と強度との関係を示す線グラフ（すなわち分光波形）として表される。反射光の強度は、反射率または相対反射率などの相対値として表わすこともできる。
　図２は、処理システム４９によって生成されたスペクトルの一例を示す図である。スペクトルは、光の波長と強度との関係を示す線グラフ（すなわち分光波形）として表される。図２において、横軸は基板から反射した光の波長を表わし、縦軸は反射した光の強度から導かれる相対反射率を表わす。相対反射率とは、反射光の強度を示す指標値であり、光の強度と所定の基準強度との比である。各波長において光の強度（実測強度）を所定の基準強度で割ることにより、装置の光学系や光源固有の強度のばらつきなどの不要なノイズを実測強度から除去することができる。
　基準強度は、各波長について予め測定された光の強度であり、相対反射率は各波長において算出される。具体的には、各波長での光の強度（実測強度）を、対応する基準強度で割り算することにより相対反射率が求められる。基準強度は、例えば、光学センサヘッド７から発せられた光の強度を直接測定するか、または光学センサヘッド７から鏡に光を照射し、鏡からの反射光の強度を測定することによって得られる。あるいは、基準強度は、膜が形成されていないシリコン基板（ベア基板）を研磨パッド２上で水の存在下で水研磨しているとき、または上記シリコン基板（ベア基板）が研磨パッド２上に置かれているときに、分光器４７により測定されたシリコン基板からの反射光の強度としてもよい。
　実際の研磨では、実測強度からダークレベル（光を遮断した条件下で得られた背景強度）を引き算して補正実測強度を求め、さらに基準強度から上記ダークレベルを引き算して補正基準強度を求め、そして、補正実測強度を補正基準強度で割り算することにより、相対反射率が求められる。具体的には、相対反射率Ｒ（λ）は、次の式（１）を用いて求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　ここで、λは基板から反射した光の波長であり、Ｅ（λ）は波長λでの強度であり、Ｂ（λ）は波長λでの基準強度であり、Ｄ（λ）は光を遮断した条件下で測定された波長λでの背景強度（ダークレベル）である。
　光学センサヘッド７は、研磨テーブル３が一回転するたびに、基板Ｗの表面（被研磨面）に光を導き、基板Ｗからの反射光を受ける。反射光は分光器４７に送られる。分光器４７は反射光を波長に従って分解し、各波長での反射光の強度を測定する。反射光の強度測定データは、処理システム４９に送られ、処理システム４９は反射光の強度測定データから図２に示すようなスペクトルを生成する。さらに、処理システム４９は、反射光のスペクトルから基板Ｗの膜厚を決定する。反射光のスペクトルは、基板Ｗの膜厚に従って変化する。したがって、処理システム４９は、反射光のスペクトルから基板Ｗの膜厚を決定することができる。反射光のスペクトルから基板Ｗの膜厚を決定する具体的な方法は、公知の技術を用いることができる。図２に示す例では、反射光のスペクトルは、相対反射率と反射光の波長との関係を示す分光波形であるが、反射光のスペクトルは、反射光の強度自体と、反射光の波長との関係を示す分光波形であってもよい。
　処理システム４９は、少なくとも１台のコンピュータから構成されている。前記少なくとも１台のコンピュータは、１台のサーバまたは複数台のサーバであってもよい。処理システム４９は、分光器４７に通信線で接続されたエッジサーバであってもよいし、インターネットまたはローカルエリアネットワークなどの通信ネットワークによって分光器４７に接続されたクラウドサーバであってもよいし、あるいは分光器４７に接続されたネットワーク内に設置されたフォグコンピューティングデバイス（ゲートウェイ、フォグサーバ、ルーターなど）であってもよい。
　処理システム４９は、インターネットまたはローカルエリアネットワークなどの通信ネットワークにより接続された複数のサーバであってもよい。例えば、処理システム４９は、エッジサーバとクラウドサーバとの組み合わせであってもよい。
　処理システム４９は、動作制御部９に接続されている。動作制御部９は、処理システム４９によって決定された基板Ｗの膜厚に基づいて、基板Ｗの研磨動作を制御する。例えば、動作制御部９は、後述する圧力レギュレータに指令を発して基板Ｗの膜厚に基づいて基板Ｗの研磨面２ａに対する押し付け力を調整させる。
　本実施形態の光学式膜厚測定装置４０は、基板Ｗ上の複数の測定点での複数の膜厚を測定するように構成されている。本実施形態では、光学センサヘッド７が基板Ｗを一回横切る間、光学センサヘッド７は基板Ｗ上の複数の測定点に光を放ち、これら複数の測定点からの反射光を受ける。本実施形態では、１つの光学センサヘッド７のみが研磨テーブル３内に設けられているが、複数の光学センサヘッド７が研磨テーブル３内に設けられてもよい。
　図３は、基板Ｗの表面（被研磨面）上の複数の測定点の一例を示す模式図である。図３に示すように、光学センサヘッド７は、基板Ｗを横切るたびに、複数の測定点ＭＰに光を導き、これら複数の測定点ＭＰからの反射光を受ける。したがって、処理システム４９は、光学センサヘッド７が基板Ｗを横切るたびに（すなわち、研磨テーブル３が一回転するたびに）、複数の測定点ＭＰからの反射光の複数のスペクトルを生成し、複数のスペクトルに基づいて、それぞれの測定点ＭＰにおける膜厚を決定する。各測定点ＭＰの位置は、光の照射タイミング、研磨テーブル３の回転速度、研磨ヘッド１の位置、および研磨ヘッド１の回転速度等に基づいて決定される。
　後述のように研磨ヘッド１は、基板Ｗを研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付ける基板押圧面を複数の領域に区分して、各領域毎に基板Ｗに加える荷重を独立に調整可能に構成されている。研磨ヘッド１は、各領域に対応する基板Ｗの膜厚に基づいて基板Ｗの研磨面２ａに対する押し付け力を調整することができる。本実施形態では、膜厚測定装置４０は光学式膜厚測定装置であるが、基板Ｗ上の複数の測定点での絶縁膜の複数の膜厚を測定可能であれば、膜厚測定装置４０は光学式膜厚測定装置に限定されない。
　次に、研磨ヘッド１の詳細について説明する。図４は、図１に示す研磨ヘッド１の断面図である。図４に示すように、研磨ヘッド１は、基板Ｗを研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付けるための弾性膜６５と、弾性膜６５を保持するヘッド本体２１と、ヘッド本体２１の下方に配置された環状のドライブリング６２と、ドライブリング６２の下面に固定された環状のリテーナリング６０とを備えている。弾性膜６５は、ヘッド本体２１の下部に取り付けられている。ヘッド本体２１は、ヘッドシャフト１０の端部に固定されており、ヘッド本体２１、弾性膜６５、ドライブリング６２、およびリテーナリング６０は、ヘッドシャフト１０の回転により一体に回転するように構成されている。リテーナリング６０およびドライブリング６２は、ヘッド本体２１に対して相対的に上下動可能に構成されている。ヘッド本体２１は、エンジニアリングプラスティック（例えば、ＰＥＥＫ）などの樹脂により形成されている。
　弾性膜６５の下面は、基板Ｗを研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付ける基板押圧面６５ａを構成する。リテーナリング６０は、基板押圧面６５ａを囲むように配置され、基板Ｗはリテーナリング６０によって囲まれている。弾性膜６５とヘッド本体２１との間には、４つの圧力室７０，７１，７２，７３が設けられている。圧力室７０，７１，７２，７３は弾性膜６５とヘッド本体２１によって形成されている。中央の圧力室７０は円形であり、他の圧力室７１，７２，７３は環状である。これらの圧力室７０，７１，７２，７３は、同心上に配列されている。本実施形態では、弾性膜６５は、４つの圧力室７０～７３を形成するが、上述の圧力室の数は例示であり、適宜変更してもよい。
　圧力室７０，７１，７２，７３にはそれぞれ気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４が接続されている。気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４の一端は、研磨装置が設置されている工場に設けられたユーティリティとしての圧縮気体供給源（図示せず）に接続されている。圧縮空気等の圧縮気体は、気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４を通じて圧力室７０，７１，７２，７３にそれぞれ供給されるようになっている。圧力室７０～７３に圧縮気体が供給されることで、弾性膜６５が膨らみ、圧力室７０～７３内の圧縮気体は、弾性膜６５を介して基板Ｗを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付ける。圧力室７０～７３は、基板Ｗを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付けるためのアクチュエータとして機能する。
　圧力室７２に連通する気体移送ラインＦ３は、図示しない真空ラインに接続されており、圧力室７２内に真空を形成することが可能となっている。圧力室７２を構成する、弾性膜６５の部位には開口が形成されており、圧力室７２に真空を形成することにより基板Ｗが研磨ヘッド１に吸着保持される。また、この圧力室７２に圧縮気体を供給することにより、基板Ｗが研磨ヘッド１からリリースされる。弾性膜６５は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコー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。
　リテーナリング６０は、弾性膜６５の周囲に配置されており、研磨パッド２の研磨面２ａに接触する環状の部材である。リテーナリング６０は、基板Ｗの外周縁を囲むように配置されており、基板Ｗの研磨中に基板Ｗが研磨ヘッド１から飛び出してしまうことを防止する。
　ドライブリング６２の上部は、環状のリテーナリング押圧装置８０に連結されている。リテーナリング押圧装置８０は、ドライブリング６２を介してリテーナリング６０の上面６０ｂの全体に下向きの荷重を与え、これによりリテーナリング６０の下面６０ａを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付ける。
　リテーナリング押圧装置８０は、ドライブリング６２の上部に固定された環状のピストン８１と、ピストン８１の上面に接続された環状のローリングダイヤフラム８２とを備えている。ローリングダイヤフラム８２の内部にはリテーナリング圧力室８３が形成されている。このリテーナリング圧力室８３は、気体移送ラインＦ５を介して上記圧縮気体供給源に連結されている。圧縮気体は、気体移送ラインＦ５を通じてリテーナリング圧力室８３内に供給される。
　上記圧縮気体供給源からリテーナリング圧力室８３に圧縮気体を供給すると、ローリングダイヤフラム８２がピストン８１を下方に押し下げ、ピストン８１はドライブリング６２を押し下げ、さらにドライブリング６２はリテーナリング６０の全体を下方に押し下げる。このようにして、リテーナリング押圧装置８０は、リテーナリング６０の下面６０ａを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付ける。ドライブリング６２は、リテーナリング押圧装置８０に着脱可能に連結されている。
　気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５は、ヘッドシャフト１０に取り付けられたロータリージョイント２５を経由して延びている。研磨装置は、圧力レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５をさらに備えており、圧力レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５は、気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５にそれぞれ設けられている。圧縮気体供給源からの圧縮気体は、圧力レギュレータＲ１～Ｒ５を通って圧力室７０～７３、およびリテーナリング圧力室８３内にそれぞれ独立に供給される。圧力レギュレータＲ１～Ｒ５は、圧力室７０～７３、およびリテーナリング圧力室８３内の圧縮気体の圧力を調節するように構成されている。圧力レギュレータＲ１～Ｒ５は、動作制御部９に接続されている。
　圧力レギュレータＲ１～Ｒ５は、圧力室７０～７３、およびリテーナリング圧力室８３の内部圧力を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の対応する４つの領域、すなわち、中央部、内側中間部、外側中間部、およびエッジ部における基板Ｗの研磨面２ａに対する押し付け力、およびリテーナリング６０の研磨パッド２への押し付け力を独立に調整することができる。気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５は大気開放弁（図示せず）にもそれぞれ接続されており、圧力室７０～７３、およびリテーナリング圧力室８３を大気開放することも可能である。本実施形態では、弾性膜６５は、４つの圧力室７０～７３を形成するが、一実施形態では、弾性膜６５は４つよりも少ない、または４つよりも多い圧力室を形成してもよい。
　図１に示す膜厚測定装置４０によって測定された基板Ｗの複数の測定点での複数の膜厚に関する膜厚データは、動作制御部９に送られる。動作制御部９は、圧力レギュレータＲ１～Ｒ４に指令を発して、膜厚測定装置４０によって測定された複数の膜厚に基づいて基板Ｗの対応する４つの領域における基板Ｗの研磨面２ａに対する押し付け力を独立に調整させる。一例として、動作制御部９は、基板Ｗの中央部の膜厚を他の領域の膜厚と比較し、中央部の膜厚が他の領域の膜厚よりも大きいときは、動作制御部９は、圧力レギュレータＲ１に指令を発し、圧力室７０の内部圧力を増加させる。
　以下、基板の研磨方法および基板の研磨終点の決定方法の詳細について、図５Ａ～図５Ｃに示す基板を例に説明する。図５Ａ～図５Ｃに示す基板は、表面段差を有するシリコン（Ｓｉ）層１００の凸部上に窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）から成るストッパ層１０３が形成されており、ストッパ層１０３の上に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）からなる絶縁膜１０７が形成されている。ストッパ層１０３は、絶縁膜１０７を除去するためのエッチング液では除去されない性質を有している。本実施形態では、ストッパ層１０３の表面が露出するまで絶縁膜１０７を研磨する方法について説明する。図５Ａは基板Ｗの研磨前の状態を示し、図５Ｂは、後述のように膜厚指標値が膜厚しきい値に達するまで絶縁膜１０７を研磨したときの基板Ｗの状態を示し、図５Ｃは、研磨終点まで基板Ｗを研磨したときの基板Ｗの状態を示す。図５Ｂおよび図５Ｃに示す積層構造の例としては、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）が挙げられる。したがって、本実施形態の研磨方法は、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）を製作する工程に適用することができる。
　図６は、基板Ｗの研磨方法および基板Ｗの研磨終点の決定方法の一実施形態を示すフローチャートである。
　ステップ１では研磨装置は、研磨を開始する。すなわち、テーブルモータ６は、研磨テーブル３を研磨パッド２と一体に一定の回転速度で回転させ、研磨ヘッド１は基板Ｗを一定の回転速度で回転させる。研磨ヘッド１は、さらに基板Ｗを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付けて、基板Ｗの研磨を開始する。
　ステップ２～５では、研磨装置は膜厚プロファイル調整工程を実行する。膜厚プロファイル調整工程は、基板Ｗを研磨しながら基板Ｗ上の複数の測定点での複数の膜厚を測定し、複数の膜厚に基づいて基板Ｗの研磨面２ａに対する押し付け力を調整し、複数の膜厚のうちの少なくとも１つから決定される膜厚指標値が膜厚しきい値に達した時点を決定する工程である。膜厚プロファイル調整工程で測定される膜厚は、絶縁膜１０７の厚さである。
　ステップ２では、膜厚測定装置４０は、基板Ｗ上の複数の測定点での複数の膜厚を測定する。具体的には、光学式膜厚測定装置４０は、光学センサヘッド７が基板Ｗを横切るとき、基板Ｗに複数回光を照射し、複数の反射光の各波長での強度を測定する。光学式膜厚測定装置４０は、複数の反射光の強度測定データから反射光の複数のスペクトルを生成する。光学式膜厚測定装置４０は、複数のスペクトルに基づいて、各測定点における複数の膜厚を決定する。動作制御部９は、光学式膜厚測定装置４０に指令を発してステップ２を実行させる。
　ステップ３では、ステップ２で測定された複数の膜厚に基づいて基板Ｗの研磨面２ａに対する押し付け力を調整する。具体的には、動作制御部９は、ステップ２で測定された膜厚データを光学式膜厚測定装置４０から取得し、複数の膜厚に基づいて、研磨ヘッド１の圧力室７０～７３の内部圧力を決定し、圧力レギュレータＲ１～Ｒ４のうちの少なくとも１つに指令を発して基板Ｗの研磨面２ａに対する押し付け力を調整させる。
　動作制御部９は、基板Ｗ上の複数の位置と、複数の位置における複数の膜厚の関係を表す膜厚プロファイルを生成してもよい。動作制御部９は、膜厚プロファイルに基づいて、研磨ヘッド１の圧力室７０～７３の内部圧力を決定してもよい。指令を発する圧力レギュレータは、１つでもよく、２つ以上でもよい。上述した基板Ｗの４つの領域のうちのいずれかの領域内に測定点が複数存在する場合は、動作制御部９は、その領域内の複数の測定点での膜厚の平均値を算出することにより当該領域における膜厚を決定してもよい。一実施形態では、各領域内の複数の測定点から任意に選択された１つの測定点における膜厚を当該領域における膜厚としてもよく、さらに一実施形態では、各領域内の複数の膜厚の最大値または最小値を当該領域における膜厚としてもよい。
　ステップ３の一例を以下に説明する。動作制御部９は、ステップ２で測定された膜厚データを光学式膜厚測定装置４０から受け取り、基板Ｗ上の複数の位置と、複数の位置における複数の膜厚との関係を表す膜厚プロファイルを生成する。動作制御部９は、膜厚プロファイルに基づいて基板Ｗの対応する４つの領域、すなわち、中央部、内側中間部、外側中間部、およびエッジ部の膜厚を決定する。各領域内に測定点が複数存在する場合は、各領域における複数の測定点での膜厚の平均値を算出することにより各領域の膜厚を決定する。
　一例として、動作制御部９は、基板Ｗの中央部の膜厚を他の領域の膜厚と比較する。中央部の膜厚が他の領域の膜厚よりも大きいときは、動作制御部９は、圧力レギュレータＲ１に指令を発し、圧力室７０の内部圧力を増加させ、中央部の膜厚が他の領域の膜厚よりも小さいときは、動作制御部９は、圧力レギュレータＲ１に指令を発し、圧力室７０の内部圧力を減少させる。
　このように、基板Ｗ上の複数の膜厚に基づいて圧力室７０～７３の内部圧力のそれぞれを互いに独立して変化させることにより、研磨装置は基板Ｗの膜厚プロファイルを調整することができる。本実施形態では、基板Ｗの複数の膜厚に基づいて基板Ｗの被研磨面が平坦になるように（すなわち、基板Ｗの被研磨面を構成する膜の厚さが均一となるように）、動作制御部９は、圧力レギュレータＲ１～Ｒ４に指令を発して、基板Ｗの研磨面２ａに対する押し付け力を調整する。その結果、研磨装置は、後述する研磨終点検出工程を精度良く実行することができる。
　ステップ４では、動作制御部９は、ステップ２で測定された基板Ｗ上の複数の測定点での複数の膜厚のうちの少なくとも１つから膜厚指標値を決定する。本実施形態では、複数の膜厚の平均値を算出することにより、膜厚指標値を決定する。一実施形態では、複数の測定点から任意に選択された１つの測定点における膜厚を膜厚指標値としてもよく、さらに一実施形態では、複数の膜厚の最大値または最小値を膜厚指標値としてもよい。
　ステップ５では、動作制御部９は、膜厚指標値が膜厚しきい値に達した時点を決定する。具体的には、動作制御部９は、膜厚指標値を膜厚しきい値と比較し、膜厚指標値が膜厚しきい値に達していない場合、ステップ２に戻り、ステップ２～ステップ５を再び実行する。膜厚指標値が膜厚しきい値に達した場合、研磨装置は、膜厚プロファイル調整工程を終了し、研磨終点検出工程を実行する。
　上記膜厚しきい値は、実験や過去の研磨実績に基づいて予め決定される。上記膜厚しきい値は、後述する研磨終点検出工程において、研磨終点を精度良く検出できるまで絶縁膜１０７の膜厚が薄くなる時点に基づいて決定される。図５Ｂに、絶縁膜１０７を膜厚指標値が膜厚しきい値に達するまで研磨したときの基板Ｗの状態を示す。
　ステップ６～８では、研磨装置は研磨終点検出工程を実行する。研磨終点検出工程は、基板Ｗを研磨しながら研磨テーブル３を回転させるためのトルクを測定し、上記トルクに基づいて基板Ｗの研磨終点を決定する工程である。
　ステップ６では、トルク測定装置８は、研磨テーブル３を回転させるためのトルクを測定する。具体的には、動作制御部９は、トルク測定装置８に指令を発して研磨テーブル３を回転させるためのトルクを測定させる。本実施形態では、トルク測定装置８は、電流測定器であり、トルク測定装置８は、研磨テーブル３を回転させるためのトルクに相当するテーブルモータ６の駆動電流を測定する。
　ステップ７および８では、動作制御部９は、ステップ６で測定されたトルクに基づいて基板Ｗの研磨終点を決定する。具体的には、動作制御部９は、トルク測定装置８から上記トルクの測定値を取得し、上記トルクの測定値を予め設定されたトルクしきい値と比較する（ステップ７）。このトルクの測定値は、研磨テーブル３を一定の速度で回転させるために必要なトルクを表している。上記トルクの測定値がトルクしきい値に達していない場合、動作制御部９は、ステップ６に戻り、ステップ６および７を再び実行する。上記トルクの測定値がトルクしきい値に達した場合、動作制御部９は、上記トルクの測定値がトルクしきい値に達した時点である研磨終点を決定する（ステップ８）。その後、動作制御部９は研磨終点検出工程を終了する。
　一実施形態では、動作制御部９は、ステップ６で測定されたトルクに基づいて、研磨テーブル３を回転させるためのトルクの変化割合を算出し、算出されたトルクの変化割合を予め設定された変化割合しきい値と比較してもよい。トルクの変化割合は、単位時間当たりのトルクの変化量を表す。トルクの変化割合が変化割合しきい値に達していない場合、動作制御部９は、ステップ６に戻り、ステップ６および７を再び実行する。トルクの変化割合が変化割合しきい値に達した場合、動作制御部９は、上記トルクの変化割合が変化割合しきい値に達した時点である研磨終点を決定してもよい。
　図５Ｃに、研磨終点まで基板Ｗを研磨したときの基板Ｗの状態を示す。研磨終点は、ストッパ層１０３上の絶縁膜１０７が研磨によって除去され、ストッパ層１０３の表面の全体が露出した時点である。研磨テーブル３を回転させるためのトルク（研磨パッド２と基板Ｗの間に作用する摩擦力に比例する）は、ストッパ層１０３上の絶縁膜１０７の膜厚が小さくなるにつれて変化し、ストッパ層１０３の表面が完全に露出すると、上記トルクは変化しなくなる。したがって、動作制御部９は、トルクが変化しなくなる時点のトルクの測定値またはトルクの測定値の変化割合に基づいて研磨終点を決定することができる。トルクしきい値および変化割合しきい値は、実験や過去の研磨実績に基づいて予め決定される。
　ステップ９では、研磨装置は、延長研磨工程を実行する。延長研磨工程では、研磨装置はステップ１で説明した方法で、基板Ｗを予め定められた延長時間だけ研磨する。研磨終点が経過した後も基板Ｗを研磨することにより、完全にストッパ層１０３上の絶縁膜１０７を除去することができる。延長時間は、実験や過去の研磨実績に基づいて予め決定される。延長時間経過後、研磨装置は延長研磨工程を終了する。これにより基板Ｗの研磨が終了される。延長研磨工程は省略してもよい。延長研磨工程を省略する場合は、ステップ８において研磨終点が検出されたときに、基板Ｗの研磨が終了される。
　基板Ｗの被研磨面を構成する膜（図５Ａに示す例では絶縁膜１０７）の厚さが不均一である場合、基板Ｗと研磨パッド２との間に作用する摩擦力の変化は、研磨テーブル３を回転させるトルクの変化（テーブルモータ６の駆動電流の変化）として顕著に現れず、研磨終点を正確に決定できないことがある。本実施形態によれば、研磨終点検出工程の前に、膜厚プロファイル調整工程が実行されるので、基板Ｗの膜厚プロファイルが所望の状態に制御された状態で研磨終点検出工程を実行することができる。例えば、研磨装置は、基板Ｗの被研磨面を平坦にした状態（基板Ｗの面内均一性が良い状態）で研磨終点検出工程を実行することができる。その結果、動作制御部９は、基板Ｗの研磨終点を正確に決定することができる。
　図７は、各研磨工程におけるテーブルモータ６の駆動電流の測定値を示す図である。点線で表される曲線は、膜厚プロファイル調整工程を実行せずに研磨終点検出工程を実行した場合のテーブルモータ６の駆動電流の測定値を示し、実線で表される曲線は、膜厚プロファイル調整工程の後、研磨終点検出工程を実行した場合のテーブルモータ６の駆動電流の測定値を示している。図７に示すように、膜厚プロファイル調整工程を実行しなかった場合（点線で示す）、テーブルモータ６の駆動電流の測定値は、ストッパ層１０３上の絶縁膜１０７が除去された時点である研磨終点を過ぎた後も、低下し続けている。これに対し、膜厚プロファイル調整工程の後に研磨終点検出工程を実行した場合（実線で示す）、ストッパ層１０３上の絶縁膜１０７が除去されたときに、テーブルモータ６の駆動電流の測定値が一定となる。したがって、動作制御部９は、テーブルモータ６の駆動電流の測定値が一定となった時点である基板Ｗの研磨終点を正確に決定することができる。
　基板Ｗの研磨終点に近づくと、ストッパ層１０３上の絶縁膜１０７の厚さは極めて小さくなる。膜厚測定装置４０の測定精度の限界近くまで絶縁膜１０７の厚さが低下した場合、膜厚測定装置４０の膜厚測定精度は低下する。したがって、膜厚測定装置４０によって測定された膜厚のみに基づいて基板Ｗの研磨終点を決定することは難しい。本実施形態によれば、膜厚プロファイル調整工程と、研磨終点検出工程を組み合わせることによって、研磨装置は、基板Ｗの研磨終点を正確に決定することができる。
　一実施形態では、研磨装置は、膜厚プロファイル調整工程の前に、初期研磨工程を実行してもよい。初期研磨工程は、基板Ｗを研磨しながら研磨テーブル３を回転させるためのトルクを測定し、上記トルクに基づいて基板Ｗの初期研磨終点を決定する工程である。特に説明しない初期研磨工程の詳細は、ステップ６～８を参照して説明した研磨終点検出工程と同じであるので、その重複する説明を省略する。初期研磨工程では、動作制御部９は、トルクの測定値（またはトルクの変化割合）を予め設定された初期トルクしきい値（または初期変化割合しきい値）と比較する。上記トルクの測定値（トルクの変化割合）が初期トルクしきい値（初期変化割合しきい値）に達した場合、動作制御部９は、上記トルクの測定値が初期トルクしきい値に達した時点である初期研磨終点を決定する。
　図８は、初期研磨終点まで基板Ｗを研磨したときの基板Ｗの状態を示す図である。初期研磨終点は、表面段差を有する絶縁膜１０７の凸部が研磨されて絶縁膜１０７の表面が平坦になった時点である。図８は、図５Ａに示す基板Ｗの状態と、図５Ｂに示す基板Ｗの状態の間の状態を示している。図５Ａ乃至図５Ｃに示すように、下地のシリコン層１００が凹凸段差を有する場合、上層の絶縁膜１０７が図５Ａに示すような表面段差を有することがある。絶縁膜１０７が表面段差を有する場合、絶縁膜１０７の表面の凸部のみが研磨パッド２と接触する。このため、絶縁膜１０７が表面段差を有するときの絶縁膜１０７の研磨パッド２との接触面積は、絶縁膜１０７が表面段差を有さないとき（絶縁膜１０７の表面が平坦なとき）の接触面積よりも小さくなる。結果として、絶縁膜１０７が表面段差を有するときの基板Ｗと研磨パッド２との間に作用する摩擦力（研磨テーブル３を回転させるためのトルク）は、絶縁膜１０７が表面段差を有さないときの上記摩擦力（上記トルク）とは異なる。したがって、動作制御部９は、トルクの測定値（またはトルクの変化割合）の変化に基づいて初期研磨終点を決定することができる。初期トルクしきい値（または初期変化割合しきい値）は、実験や過去の研磨実績に基づいて予め決定される。
　絶縁膜１０７が表面段差を有する場合、膜厚測定装置４０による絶縁膜１０７の膜厚の測定精度が低下することがある。上述のように膜厚プロファイル調整工程の前に初期研磨工程を実行することにより、膜厚測定装置４０によって精度良く絶縁膜１０７の膜厚を測定することができる。
　上述した初期研磨工程、膜厚プロファイル調整工程、研磨終点検出工程、および延長研磨工程のすべては、図１に示す研磨装置によって実行される。すなわち、基板Ｗが同じ研磨テーブル３上の研磨パッド２に研磨ヘッド１によって押し付けられながら、初期研磨工程、膜厚プロファイル調整工程、研磨終点検出工程、および延長研磨工程が順次実行される。基板Ｗは、同じ研磨テーブル３上の研磨パッド２に接触したまま上記複数の工程が実行されるので、スループットが向上される。
　動作制御部９は、記憶装置９ａに格納されたプログラムに含まれる命令に従って上述した各ステップを実行する。上述した各ステップを動作制御部９に実行させるためのプログラムは、非一時的な有形物であるコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録され、記録媒体を介して動作制御部９に提供される。または、プログラムは、インターネットまたはローカルエリアネットワークなどの通信ネットワークを介して動作制御部９に入力されてもよい。
　上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
　本発明は、ウェーハなどの基板を研磨する研磨方法および研磨装置に利用可能である。また、本発明は、研磨装置に研磨方法を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体に利用可能である。
　１　　　研磨ヘッド
　２　　　研磨パッド
　２ａ　　研磨面
　３　　　研磨テーブル
　５　　　研磨液供給ノズル
　６　　　テーブルモータ
　７　　　光学センサヘッド
　８　　　トルク測定装置
　９　　　動作制御部
１０　　　ヘッドシャフト
２１　　　ヘッド本体
２５　　　ロータリージョイント
４０　　　膜厚測定装置（光学式膜厚測定装置）
４４　　　光源
４７　　　分光器
４９　　　処理システム
６０　　　リテーナリング
６０ａ　　下面
６２　　　ドライブリング
６５　　　弾性膜
７０，７１，７２，７３　　圧力室
８０　　　リテーナリング押圧装置
８１　　　ピストン
８２　　　ローリングダイヤフラム
８３　　　リテーナリング圧力室
１００　　シリコン層
１０３　　ストッパ層
１０７　　絶縁膜
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５　　圧力レギュレータ

Claims (11)

  1. 　研磨パッドを支持する研磨テーブルを回転させ、
    　研磨ヘッドによって、絶縁膜と前記絶縁膜の下層に形成されたストッパ層を備えた積層構造を有する基板を、前記研磨パッドの研磨面に押し付けて前記基板を研磨し、
    　前記基板を研磨する工程は、膜厚プロファイル調整工程と、前記膜厚プロファイル調整工程の後に行われる研磨終点検出工程を含み、
    　前記膜厚プロファイル調整工程は、前記基板上の複数の測定点での複数の膜厚を測定し、前記複数の膜厚に基づいて前記基板の前記研磨面に対する押し付け力を調整し、前記複数の膜厚のうちの少なくとも１つから決定される膜厚指標値が膜厚しきい値に達した時点を決定する工程を含み、
    　前記研磨終点検出工程は、前記研磨テーブルを回転させるためのトルクを測定し、前記トルクに基づいて前記基板の研磨終点を決定する工程を含む、研磨方法。
  2. 　前記押し付け力を調整する工程は、前記複数の膜厚に基づいて前記基板の被研磨面が平坦になるように前記基板の前記研磨面に対する押し付け力を調整する工程を含む、請求項１に記載の研磨方法。
  3. 　前記複数の膜厚を測定する工程は、前記基板に光を照射し、前記基板上の複数の測定点からの反射光の複数のスペクトルを生成し、前記複数のスペクトルに基づいて前記複数の膜厚を決定する工程を含む、請求項１または２に記載の研磨方法。
  4. 　前記基板を研磨する工程は、前記膜厚プロファイル調整工程の前に行われる初期研磨工程をさらに含み、
    　前記初期研磨工程は、前記研磨テーブルを回転させるためのトルクを測定し、前記トルクに基づいて初期研磨終点を決定する工程を含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の研磨方法。
  5. 　テーブルモータに指令を発して、研磨パッドを支持する研磨テーブルを回転させるステップと、
    　複数の圧力レギュレータに連結された複数の圧力室を有する研磨ヘッドにより、基板を前記研磨パッドの研磨面に押し付けて該基板を研磨しているときに、前記基板上の複数の測定点での複数の膜厚に基づいて前記複数の圧力レギュレータに指令を発して、前記基板の前記研磨面に対する押し付け力を調整させるステップと、
    　前記複数の膜厚のうちの少なくとも１つから決定される膜厚指標値が膜厚しきい値に達した時点を決定するステップと、
    　前記膜厚指標値が膜厚しきい値に達した時点を決定した後に、前記研磨テーブルを回転させるためのトルクに基づいて前記基板の研磨終点を決定するステップを、コンピュータに実行させるためのプログラムを記録した、コンピュータ読み取り可能な記録媒体。
  6. 　前記基板の前記研磨面に対する押し付け力を前記複数の圧力レギュレータに調整させる前記ステップは、前記複数の測定点での複数の膜厚に基づいて前記複数の圧力レギュレータに指令を発して、前記基板の被研磨面が平坦になるように前記基板の前記研磨面に対する押し付け力を調整させるステップを含む、請求項５に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
  7. 　前記プログラムは、前記基板を研磨しているときであって、かつ前記基板の前記研磨面に対する押し付け力を前記複数の圧力レギュレータに調整させる前記ステップの前に、前記研磨テーブルを回転させるためのトルクに基づいて初期研磨終点を決定するステップを、コンピュータにさらに実行させる、請求項５または６に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
  8. 　絶縁膜と前記絶縁膜の下層に形成されたストッパ層を備えた積層構造を有する基板を研磨するための研磨装置であって、
    　研磨パッドを支持する研磨テーブルと、
    　前記研磨テーブルを回転させるテーブルモータと、
    　前記基板を前記研磨パッドの研磨面に押し付けるための複数の圧力室を有する研磨ヘッドと、
    　前記基板上の複数の測定点での複数の膜厚を測定する膜厚測定装置と、
    　前記複数の圧力室に連結された複数の圧力レギュレータと、
    　前記研磨テーブルを回転させるためのトルクを測定するトルク測定装置と、
    　前記研磨装置の動作を制御する動作制御部とを備え、
    　前記動作制御部は、
    　　前記基板の研磨中、前記複数の膜厚に基づいて前記複数の圧力レギュレータに指令を発して、前記基板の前記研磨面に対する押し付け力を調整させ、前記複数の膜厚のうちの少なくとも１つから決定される膜厚指標値が膜厚しきい値に達した時点を決定する膜厚プロファイル調整工程を実行し、
    　　前記基板の研磨中であって、かつ前記膜厚プロファイル調整工程後に、前記トルクに基づいて前記基板の研磨終点を決定するように構成されている、研磨装置。
  9. 　前記動作制御部は、前記複数の膜厚に基づいて前記複数の圧力レギュレータに指令を発して、前記基板の被研磨面が平坦になるように前記基板の前記研磨面に対する押し付け力を調整させるように構成されている、請求項８に記載の研磨装置。
  10. 　前記膜厚測定装置は、前記基板からの反射光のスペクトルに基づいて前記基板の膜厚を測定する光学式膜厚測定装置である、請求項８または９に記載の研磨装置。
  11. 　前記動作制御部は、前記基板の研磨中であって、かつ前記膜厚プロファイル調整工程前に、前記研磨テーブルを回転させるためのトルクに基づいて初期研磨終点を決定するように構成されている、請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の研磨装置。
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