WO2022270345A1

WO2022270345A1 - 研磨方法および研磨装置

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Publication number: WO2022270345A1
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Inventors: 真朗大田; 雅規畠山
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Filing date: 2022-06-14
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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。本方法は、基板Ｗを研磨する工程と、基板Ｗを研磨しながら、トルク波形を生成する工程と、基板Ｗの研磨前に蓄積した複数の参照トルク波形から１つの参照トルク波形を選択する工程を備える。基板Ｗを研磨する工程は、段差研磨工程と、平坦研磨工程を含み、段差研磨工程は、第１関係式に基づいて算出された参照膜データの膜厚に基づいて基板Ｗ上の複数の測定点における複数の膜厚を決定する工程と、トルク波形と、選択された参照トルク波形とを比較し、段差研磨工程を終了すべきか否かを判断する工程を含み、平坦研磨工程は、第２関係式に基づいて算出された参照膜データの膜厚に基づいて基板Ｗ上の複数の測定点における複数の膜厚を決定する工程を含む。

Description

研磨方法および研磨装置

　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。

　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（ＳｉＯ_２）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。

　基板をより平坦に研磨するために、従来から基板を研磨しながら膜厚を測定し、膜厚の測定値に基づいて基板面内の残膜厚の分布を制御することや、膜厚の測定値に基づいて基板の研磨終点を検出することが行われている。研磨中の膜厚測定方法として、研磨テーブルに取り付けられた膜厚センサによって基板の膜厚信号を検出し、検出した膜厚信号と予め取得された参照データに基づいて、膜厚を決定する方法がある。

国際公開第２０１５／１６３１６４号特開２００９－１９４１３４号公報

　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。そのため、研磨対象の基板は、被研磨膜の下側の層の構造などによって表面に凹凸段差を有することがある。このような基板では、研磨レートが常に一定とならない。そのため、上述した膜厚測定方法では、精度よく膜厚を測定できないことがある。結果として、膜厚の均一性や終点検知性能が悪化することがある。

　そこで本発明は、膜厚の均一性や、終点検知性能を向上させることができる研磨方法および研磨装置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する工程と、前記基板を研磨しながら、トルク波形を生成する工程と、前記基板の研磨前に蓄積した複数の参照トルク波形から１つの参照トルク波形を選択する工程を備え、前記トルク波形を生成する工程は、前記研磨テーブルを回転させるためのトルクの測定値、前記研磨ヘッドをその軸心を中心に回転させるためのトルクの測定値、または前記研磨ヘッドを前記研磨面に沿って揺動させるためのトルクの測定値からトルク波形を生成する工程であり、前記基板を研磨する工程は、前記基板の膜厚が段差解消膜厚に到達する前の前記基板の研磨工程である段差研磨工程と、前記段差研磨工程の後に実行される平坦研磨工程を含み、前記段差研磨工程は、第１関係式に基づいて算出された参照膜データの膜厚に基づいて前記基板上の複数の測定点における複数の膜厚を決定する工程と、前記トルク波形と、前記選択された参照トルク波形とを比較し、前記段差研磨工程を終了すべきか否かを判断する工程を含み、前記平坦研磨工程は、第２関係式に基づいて算出された参照膜データの膜厚に基づいて前記基板上の複数の測定点における複数の膜厚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、前記基板の研磨前に蓄積した複数の参照トルク波形から１つの参照トルク波形を選択する工程は、研磨前の前記基板の膜厚プロファイルおよび前記基板の種類に基づいて、前記複数の参照トルク波形から１つの参照トルク波形を選択する工程である。
　一態様では、前記段差研磨工程を終了すべきか否かを判断する工程は、前記トルク波形の現在のトルクが前記選択された参照トルク波形から推定される段差解消点に達した場合、段差研磨工程を終了すべきと判断する工程である。
　一態様では、前記段差研磨工程を終了すべきか否かを判断する工程は、所定時間経過後、前記トルク波形の形状と、前記選択された参照トルク波形の現在の研磨時間に相当する研磨時間までの形状とを比較し、前記トルク波形の形状と、前記選択された参照トルク波形の形状の一致度を算出する工程と、前記算出された一致度を所定の基準一致度と比較し、前記算出された一致度が前記所定の基準一致度以上の場合、前記選択された参照トルク波形から推定される段差解消点における研磨時間と前記現在の研磨時間との差を算出し、前記基板の研磨時間が、前記現在の研磨時間に前記差、または前記差に係数を掛けた値を加えた時間に達したときに、前記段差研磨工程を終了すべきと判断する工程を含む。
　一態様では、所定時間経過後、前記トルク波形の形状と、前記選択された参照トルク波形の現在の研磨時間に相当する研磨時間までの形状とを比較し、前記トルク波形の形状と、前記選択された参照トルク波形の形状の一致度を算出する工程と、前記算出された一致度を所定の基準一致度と比較し、前記算出された一致度が前記所定の基準一致度以下の場合、研磨条件を変更する工程をさらに含む。

　一態様では、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、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、前記基板の膜厚に従って変化する膜厚信号を出力する膜厚センサと、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、前記研磨ヘッドを回転させるためのトルク、または前記研磨ヘッドを前記研磨面に沿って揺動させるためのトルクを測定するトルク測定装置と、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、前記研磨テーブルを回転させるためのトルクの測定値、前記研磨ヘッドを回転させるためのトルクの測定値、または前記研磨ヘッドを前記研磨面に沿って揺動させるためのトルクの測定値からトルク波形を生成するように構成されており、前記動作制御部は、前記基板の研磨前に蓄積した複数の参照トルク波形から１つの参照トルク波形を選択するように構成されており、前記動作制御部は、前記基板の膜厚が段差解消膜厚に到達する前の前記基板の研磨工程である段差研磨工程と、前記段差研磨工程の後に実行される平坦研磨工程を実行するように構成されており、前記動作制御部は、前記段差研磨工程中、第１関係式に基づいて算出された参照膜データの膜厚に基づいて前記基板上の複数の測定点における複数の膜厚を決定するように構成されており、前記動作制御部は、前記段差研磨工程中、前記トルク波形と、前記選択された参照トルク波形とを比較し、前記段差研磨工程を終了すべきか否かを判断するように構成されており、前記動作制御部は、前記平坦研磨工程中、第２関係式に基づいて算出された参照膜データの膜厚に基づいて前記基板上の複数の測定点における複数の膜厚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、研磨前の前記基板の膜厚プロファイルおよび前記基板の種類に基づいて、前記複数の参照トルク波形から１つの参照トルク波形を選択するように構成されている。
　一態様では、前記動作制御部は、前記トルク波形の現在のトルクが前記選択された参照トルク波形から推定される段差解消点に達した場合、段差研磨工程を終了すべきと判断するように構成されている。
　一態様では、前記動作制御部は、所定時間経過後、前記トルク波形の形状と、前記選択された参照トルク波形の現在の研磨時間に相当する研磨時間までの形状とを比較し、前記トルク波形の形状と、前記選択された参照トルク波形の形状の一致度を算出し、前記算出された一致度を所定の基準一致度と比較し、前記算出された一致度が前記所定の基準一致度以上の場合、前記選択された参照トルク波形から推定される段差解消点における研磨時間と前記現在の研磨時間との差を算出し、前記基板の研磨時間が、前記現在の研磨時間に前記差、または前記差に係数を掛けた値を加えた時間に達したときに、前記段差研磨工程を終了すべきと判断するように構成されている。
　一態様では、前記動作制御部は、所定時間経過後、前記トルク波形の形状と、前記選択された参照トルク波形の現在の研磨時間に相当する研磨時間までの形状とを比較し、前記トルク波形の形状と、前記選択された参照トルク波形の形状の一致度を算出し、前記算出された一致度を所定の基準一致度と比較し、前記算出された一致度が前記所定の基準一致度以下の場合、前記研磨装置に研磨条件を変更する指令を発するように構成されている。
　一態様では、前記膜厚センサは、光学式膜厚センサまたは渦電流センサである。
　一態様では、前記基板の膜厚を測定する膜厚測定器をさらに備え、前記膜厚測定器は、前記研磨テーブルに取り付けられている。

　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ながら、研磨ヘッドによって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、前記基板を研磨しながら、前記基板を前記研磨面に対して相対的に移動させるために必要なモータの駆動電流を示すトルク波形を生成し、前記トルク波形を段差解消予測モデルに入力し、前記段差解消予測モデルから、前記基板の表面の段差解消指標を出力する、研磨方法が提供される。

　一態様では、前記段差解消予測モデルは、訓練用基板を、その表面の段差が解消されるまで研磨しながら、前記訓練用基板を前記研磨面に対して相対的に移動させるために必要なモータの駆動電流を示す複数の訓練用トルク波形を生成し、前記複数の訓練用トルク波形を含む訓練データを用いて機械学習を実行することにより構築された学習済みモデルである。
　一態様では、前記訓練データは、前記研磨パッドを使用して過去に研磨された基板の枚数をさらに含み、前記トルク波形に加えて、前記研磨パッドを使用して過去に研磨された基板の枚数を前記段差解消予測モデルに入力する。
　一態様では、前記研磨方法は、前記トルク波形を研磨終点予測モデルに入力し、前記研磨終点予測モデルから、前記基板の研磨終点指標を出力することをさらに含む。
　一態様では、前記研磨方法は、前記基板を仮想空間内で仮想的に研磨し、前記基板の仮想膜厚プロファイルを生成することをさらに含む。

　本発明によれば、本実施形態の研磨装置は、基板Ｗの表面形状に応じて、研磨中の基板Ｗの膜厚を決定する際に利用する関係式を変更する。さらに、研磨装置は、研磨中に生成されたトルク波形と、研磨前に取得された参照トルク波形を比較し、上記関係式を変更するタイミングを決定する。これにより、基板が表面に凹凸段差を有する場合でも研磨中の基板の膜厚を精度よく測定することができる。結果として、膜厚の均一性や、終点検知性能を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る研磨装置を示す平面図である。研磨モジュールの一実施形態を示す模式図である。動作制御部によって生成されたスペクトルの一例を示す図である。基板の表面上の複数の測定点の一例を示す模式図である。研磨レートが一定である場合の参照ウェーハの膜厚と研磨時間との関係を示すグラフである。凹凸段差を有する基板の一実施形態を示す断面図である。図７Ａは、研磨対象膜が凹凸段差を有する参照ウェーハの膜厚と研磨時間との関係を示すグラフである。図７Ｂは、研磨対象膜が凹凸段差を有する参照ウェーハの膜厚と研磨時間との関係を示すグラフである。図２に示す研磨ヘッドの断面図である。研磨モジュールの他の実施形態を示す模式図である。研磨モジュールのさらに他の実施形態を示す模式図である。参照基板の研磨方法の一実施形態を示すフローチャートである。参照基板の研磨方法の一実施形態を示すフローチャートである。表面に凹凸段差を有する基板の研磨方法の一実施形態を示すフローチャートである。表面に凹凸段差を有する基板の研磨方法の一実施形態を示すフローチャートである。表面に凹凸段差を有する基板の研磨方法の一実施形態を示すフローチャートである。表面に凹凸段差を有する基板の研磨方法の一実施形態を示すフローチャートである。表面に凹凸段差を有する基板の研磨方法の一実施形態を示すフローチャートである。表面に凹凸段差を有する基板の研磨方法の一実施形態を示すフローチャートである。表面に凹凸段差を有する基板を研磨したときのトルク波形の一例を示す図である。表面に凹凸段差を有する基板を研磨したときのトルク波形の他の例を示す図である。表面に凹凸段差を有する基板を研磨したときのトルク波形の他の例を示す図である。十分なトルク波形が蓄積された後の、表面に凹凸段差を有する基板の研磨方法の一実施形態を示すフローチャートである。十分なトルク波形が蓄積された後の、表面に凹凸段差を有する基板の研磨方法の一実施形態を示すフローチャートである。十分なトルク波形が蓄積された後の、表面に凹凸段差を有する基板の研磨方法の一実施形態を示すフローチャートである。十分なトルク波形が蓄積された後の、表面に凹凸段差を有する基板の研磨方法の一実施形態を示すフローチャートである。十分なトルク波形が蓄積された後の、表面に凹凸段差を有する基板の研磨方法の一実施形態を示すフローチャートである。十分なトルク波形が蓄積された後の、表面に凹凸段差を有する基板の研磨方法の一実施形態を示すフローチャートである。図２８Ａは、表面に凹凸段差を有する基板の他の実施形態を示す断面図である。図２８Ｂは、表面に凹凸段差を有する基板の他の実施形態を示す断面図である。図２８Ｃは、表面に凹凸段差を有する基板の他の実施形態を示す断面図である。図２９Ａは、表面に凹凸段差を有する基板の他の実施形態を示す断面図である。図２９Ｂは、表面に凹凸段差を有する基板の他の実施形態を示す断面図である。図２９Ｃは、表面に凹凸段差を有する基板の他の実施形態を示す断面図である。図３０Ａは、表面に凹凸段差を有する基板の他の実施形態を示す断面図である。図３０Ｂは、表面に凹凸段差を有する基板の他の実施形態を示す断面図である。図３０Ｃは、表面に凹凸段差を有する基板の他の実施形態を示す断面図である。研磨装置の他の実施形態を示す模式図である。研磨装置のさらに他の実施形態を示す模式図である。研磨装置のさらに他の実施形態を示す模式図である。研磨装置のさらに他の実施形態を示す模式図である。表面に凹凸段差を有する基板を研磨する方法の一実施形態を説明する図である。学習済みモデルを用いて、基板の段差解消を予測する研磨方法の一実施形態を説明するための図である。学習済みモデルを用いて、基板の段差解消を予測する研磨方法の他の実施形態を説明するための図である。学習済みモデルを用いて、基板の段差解消を予測する研磨方法のさらに他の実施形態を説明するための図である。

　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、本発明の一実施形態に係る研磨装置を示す平面図である。この研磨装置は、ウェーハなどの基板の表面を研磨し、洗浄し、乾燥させる一連の工程を行うことができる基板処理装置である。図１に示すように、研磨装置は、略矩形状のハウジング６０を備えており、ハウジング６０の内部は隔壁６０ａ，６０ｂによってロード／アンロード部６１と、研磨部６３と、洗浄部７０とに区画されている。研磨装置は、基板の膜厚を測定する膜厚測定器８０と、研磨装置の各構成要素の動作を制御する動作制御部９を備えている。研磨部６３は、ロード／アンロード部６１と洗浄部７０との間に配置されている。

　膜厚測定器８０は、光の干渉を利用して基板の膜厚を測定するように構成されており、基板の膜厚プロファイルを測定することができる。本実施形態の膜厚測定器８０は、スタンドアローン型の膜厚測定器である。本実施形態の膜厚測定器８０は、基板が静止した状態で基板の膜厚を測定する。このような膜厚測定器の一例として、ＩＴＭ（In-line　Thickness　Monitor）が挙げられる。

　ロード／アンロード部６１は、多数の基板を内部に収容した基板カセットが載置される複数のロードポート６５を備えている。このロード／アンロード部６１には、ロードポート６５の並びに沿って移動可能なローダー（搬送ロボット）６６が設置されている。ローダー６６はロードポート６５に搭載された基板カセット内の基板にアクセスし、基板を膜厚測定器８０に搬送することができるように構成されている。さらに、ローダー６６は、基板を反転させる機能を有している。

　研磨部６３は、基板の表面を研磨するための研磨モジュール１と、基板が一時的に置かれる第１仮置き台６７および第２仮置き台６８と、基板を研磨モジュール１、第１仮置き台６７、および第２仮置き台６８の間で搬送する搬送ロボット６９を備えている。研磨部６３と洗浄部７０との間には、基板を搬送するためのスイングトランスポータ６４が配置されている。研磨部６３で研磨された基板は、スイングトランスポータ６４によって洗浄部７０に搬送される。

　洗浄部７０は、研磨部６３で研磨された基板を洗浄するための第１洗浄モジュール７４、第２洗浄モジュール７５、および第３洗浄モジュール７６を備えており、さらに、これらの洗浄モジュール７４，７５，７６で洗浄された基板を乾燥させる乾燥モジュール７７を備えている。洗浄部７０は、基板を第１洗浄モジュール７４から第２洗浄モジュール７５に、第２洗浄モジュール７５から第３洗浄モジュール７６に、第３洗浄モジュール７６から乾燥モジュール７７に搬送するリニアトランスポータ７８をさらに備えている。

　図２は、研磨モジュール１の一実施形態を示す模式図である。図１に示すように、研磨モジュール１は、研磨パッド２を支持する研磨テーブル３と、基板（例えばウェーハ）Ｗを研磨パッド２に押し付ける研磨ヘッド１０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、膜厚センサ２０と、トルク測定装置８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。

　研磨モジュール１は、支軸１４と、支軸１４の上端に連結された揺動アーム１６と、揺動アーム１６の自由端に取り付けられたヘッドシャフト１１と、ヘッドシャフト１１に連結された研磨ヘッドモータ１７と、揺動アーム１６に連結され、研磨ヘッド１０を研磨面２ａに沿って揺動させる揺動モータ１８をさらに備えている。研磨ヘッド１０はヘッドシャフト１１の下端に連結されている。本実施形態では、研磨ヘッドモータ１７は、揺動アーム１６内に配置されているが、一実施形態では、研磨ヘッドモータ１７は、揺動アーム１６の外側に配置されてもよい。

　ヘッドシャフト１１は、研磨ヘッドモータ１７によって回転可能に構成されている。研磨ヘッド１０は、ヘッドシャフト１１を介して揺動アーム１６に連結されている。このヘッドシャフト１１の回転により、研磨ヘッド１０が図の矢印で示す方向にヘッドシャフト１１を中心に回転するようになっている。ヘッドシャフト１１は、図示しない昇降装置に連結されている。研磨ヘッド１０は、昇降装置によってヘッドシャフト１１を介して上昇および下降されるようになっている。揺動モータ１８は、支軸１４内に配置されており、揺動アーム１６は支軸１４を中心として旋回（回転）可能に構成されている。研磨ヘッド１０は、揺動アーム１６の旋回により、基板Ｗの図示しない受取位置と研磨テーブル２の上方位置との間を移動する。一実施形態では、揺動アーム１６は支軸１４に固定され、揺動モータ１８は支軸１４に連結されていてもよく、揺動モータ１８は、支軸１４の回転軸を中心に支軸１４と揺動アーム１６とを一体に回転させるように構成されていてもよい。

　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を図２の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１０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。

　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１０を図２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１０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、研磨ヘッド１０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。

　一実施形態では、揺動モータ１８によって所定の角度範囲で研磨ヘッド１０を研磨面２ａに沿って揺動（すなわち、支軸１４を中心とした往復回転運動）させながら基板Ｗを研磨してもよい。揺動モータ１８には、揺動アーム１６の回転角度（すなわち、研磨ヘッド１０の支軸１４周りの回転角度）を検出する角度検出器１９が取り付けられており、動作制御部９は、角度検出器１９からの角度信号に基づいて揺動モータ１８の角度範囲を制御する。角度検出器１９の例としてロータリーエンコーダが挙げられる。

　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処理装置９ｂを備えている。処理装置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、処理装置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。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ている。ただし、動作制御部９の具体的構成はこの例に限定されない。

　膜厚測定器８０、テーブルモータ６、研磨液供給ノズル５、膜厚センサ２０、トルク測定装置８、研磨ヘッドモータ１７、揺動モータ１８、角度検出器１９、および昇降装置（図示せず）は、動作制御部９に電気的に接続されている。膜厚測定器８０、テーブルモータ６、研磨液供給ノズル５、膜厚センサ２０、トルク測定装置８、研磨ヘッドモータ１７、揺動モータ１８、角度検出器１９、および昇降装置の動作は、動作制御部９によって制御される。

　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。本実施形態のトルク測定装置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ように構成されている。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。研磨テーブル３を回転させるためのトルク（テーブルモータ６の駆動電流）の測定値は、動作制御部９に送られる。

　膜厚センサ２０は、基板Ｗの膜厚に従って変化する膜厚信号を出力するセンサである。膜厚信号は、膜厚を直接または間接に示す数値またはデータである。本実施形態の膜厚センサ２０は、光学式膜厚センサである。光学式膜厚センサは、基板Ｗの表面に光を照射し、基板Ｗからの反射光の強度を波長ごとに測定し、波長に関連付けられた反射光の強度測定データを出力するように構成される。波長に関連付けられた反射光の強度測定データは、基板Ｗの膜厚に従って変化する膜厚信号である。

　膜厚センサ２０は、光を発する光源２４と、分光器２７と、光源２４および分光器２７に連結された光学センサヘッド２１を備えている。光学センサヘッド２１、光源２４、および分光器２７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２１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。

　光源２４から発せられた光は、光学センサヘッド２１に伝送され、光学センサヘッド２１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２１によって受けられ、分光器２７に送られる。分光器２７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、動作制御部９に送られる。動作制御部９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し、このスペクトルに基づいて基板Ｗの膜厚を決定する。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３は、動作制御部９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３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２１から発せられた光の強度を直接測定するか、または膜が形成されていないシリコン基板（ベア基板）に光を照射し、ベア基板からの反射光の強度を測定することによって得られる。

　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。

　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２１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２７に送られる。分光器２７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、動作制御部９に送られ、動作制御部９は反射光の強度測定データから図３に示すようなスペクトルを生成する。さらに、動作制御部９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、動作制御部９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。以下、本明細書において、研磨対象の基板Ｗからの反射光から生成されたスペクトルを、測定スペクトルということがある。

　本実施形態の膜厚センサ２０は、基板Ｗ上の複数の測定点での複数の強度測定データを出力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２１が基板Ｗを一回横切る間、光学センサヘッド２１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２１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２１が研磨テーブル３内に設けられてもよい。

　図４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４に示すように、光学センサヘッド２１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、動作制御部９は、光学センサヘッド２１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測定スペクトルを生成し、複数の測定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（測定）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１０の位置、および研磨ヘッド１０の回転速度等に基づいて決定される。

　動作制御部９は、測定スペクトル（膜測定データともいう）と複数の参照スペクトル（参照膜データともいう）との比較から膜厚を決定（測定）するように構成されている。動作制御部９は、基板Ｗの研磨中に生成された測定スペクトルと複数の参照スペクトルとを比較することで、測定スペクトルに最も形状の近い参照スペクトルを決定し、この決定された参照スペクトルに関連付けられた膜厚を決定する。測定スペクトルに最も形状の近い参照スペクトルは、参照スペクトルと測定スペクトルとの間の相対反射率の差が最も小さいスペクトルである。

　複数の参照スペクトルは、研磨対象の基板Ｗ（以下、ターゲットウェーハまたはターゲット基板ということがある）と同じ積層構造を有する参照ウェーハ（または参照基板）を研磨しながら予め取得されたものである。各参照スペクトルにはその参照スペクトルが取得されたときの膜厚が関連付けられる。すなわち、各参照スペクトルは、異なる膜厚のときに取得されたものであり、複数の参照スペクトルは複数の異なる膜厚に対応する。したがって、測定スペクトルに最も形状の近い参照スペクトルを特定することにより、基板Ｗの現在の膜厚を決定（測定）することができる。

　複数の参照スペクトルを取得する工程の一例について説明する。まず、ターゲット基板Ｗと同じ積層構造を有する参照ウェーハが用意される。参照ウェーハは、膜厚測定器８０（図１参照）に搬送され、参照ウェーハの初期膜厚が膜厚測定器８０によって測定される。参照ウェーハの初期膜厚は、参照ウェーハの研磨前の膜厚である。次に、参照ウェーハは研磨モジュール１に搬送され、研磨液としてのスラリーが研磨パッド２に供給されながら参照ウェーハが研磨される。参照ウェーハの研磨中、上述したように、参照ウェーハの表面に光が照射され、参照ウェーハからの反射光のスペクトル（すなわち参照スペクトル）が取得される。参照スペクトルは、研磨テーブル３が一回転するたびに取得される。したがって、参照ウェーハの研磨中に、複数の参照スペクトルが取得される。参照ウェーハの研磨が終了した後、参照ウェーハは膜厚測定器８０に再び搬送され、研磨された参照ウェーハの膜厚（すなわち最終膜厚）が測定される。

　動作制御部９は、参照ウェーハの膜厚と参照ウェーハの研磨時間との相関を示す関係式に基づいて、各参照スペクトルに対応する膜厚を算出する。参照スペクトルは、上述したように、研磨テーブル３が一回転するたびに周期的に取得されるので、それぞれの参照スペクトルが取得されたときの研磨時間は、研磨テーブル３の回転速度および回転回数から算出することができる。すなわち、動作制御部９は、上記関係式に、各参照スペクトルが取得された研磨時間を当てはめることによって、各参照スペクトルに対応する膜厚を算出することができる。このようにして、異なる膜厚に対応する複数の参照スペクトルが取得される。

　図５は、研磨レートが一定である場合の参照ウェーハの膜厚と研磨時間との関係を示すグラフである。参照ウェーハの研磨レートが一定である場合、図５に示すように、膜厚は研磨時間とともに直線的に減少する。すなわち、参照ウェーハの研磨レートが一定である場合、上記関係式は、研磨レートを含む一次関数を用いて表すことができる。研磨レートが一定である場合、研磨レートは、初期膜厚Ｔｉｎｉと最終膜厚Ｔｆｉｎとの差を、最終膜厚Ｔｆｉｎに到達した研磨時間ｔで割り算することにより算出することができる。動作制御部９は、算出された研磨レートに基づいて上記関係式を決定する。

　研磨対象の基板Ｗまたは参照ウェーハがその表面（被研磨面）に凹凸段差を有する場合、研磨対象膜の状態によって研磨レートは変化する。研磨対象膜の下側の層が凹凸段差を有している場合、下側の層の構造に従って研磨対象膜も凹凸段差を有することがある。図６は、凹凸段差を有する基板の一実施形態を示す断面図である。図６に示す基板は、凹凸段差を有するシリコン（Ｓｉ）層１００の凸部上に窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）から成るストッパ層１０１が形成されており、ストッパ層１０１の上に、凹凸段差を有する研磨対象膜１０２が形成されている。本実施形態の研磨対象膜１０２は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）からなる絶縁膜である。図６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。

　研磨レートは凹部と凸部で異なり、段差が小さくなると研磨レートの差異が小さくなると予測される。

　上述のように、段差解消膜厚Ｔｄに到達前は、凸部が優先的に研磨されるため、段差解消膜厚Ｔｄに到達前の研磨対象膜１０２の研磨レートは、段差解消膜厚Ｔｄに到達後の研磨レートよりも大きくなる。したがって、研磨対象膜が凹凸段差を有する参照ウェーハの膜厚（研磨対象膜の膜厚）と研磨時間との相関を示す関係式は、段差解消点の前後で異なる。

　図７Ａおよび図７Ｂは、研磨対象膜が凹凸段差を有する参照ウェーハの膜厚と研磨時間との関係を示すグラフである。図７Ａおよび図７Ｂに示すように、研磨対象膜が凹凸段差を有する場合、参照ウェーハの膜厚（研磨対象膜の膜厚）と研磨時間との相関を示す関係式は、初期膜厚Ｔｉｎｉから段差解消膜厚Ｔｄまでの間の参照ウェーハの膜厚（研磨対象膜の膜厚）と研磨時間との相関を示す第１関係式と、段差解消膜厚Ｔｄから最終膜厚Ｔｆｉｎまでの間の参照ウェーハの膜厚（研磨対象膜の膜厚）と研磨時間との相関を示す第２関係式を含む。

　各参照スペクトルに対応する膜厚は、第１関係式および第２関係式に基づいて算出される。本実施形態では、段差解消膜厚Ｔｄから最終膜厚Ｔｆｉｎまでの間の研磨レートは、一定である。この場合、第２関係式は、研磨レートを含む一次関数を用いて表すことができる。研磨レートが一定の場合、第２関係式の研磨レートは、段差解消膜厚Ｔｄと最終膜厚Ｔｆｉｎとの差を、段差解消膜厚Ｔｄから最終膜厚Ｔｆｉｎに到達するまでの間の研磨時間ｔ２で割り算することにより算出することができる。動作制御部９は、算出された研磨レートに基づいて第２関係式を決定する。段差解消膜厚Ｔｄは、段差解消点に達した時点で膜厚測定器８０によって測定される。

　一実施形態では、段差解消膜厚Ｔｄは、次のようにして決定される。参照ウェーハの膜厚が段差解消膜厚Ｔｄに到達するまでの間は、一定時間毎に膜厚測定器８０によって参照ウェーハの膜厚プロファイルが測定される。動作制御部９は、測定された膜厚プロファイルの凸部の膜厚（凸部の平均膜厚）と、予め定められた凸部しきい値を比較し、凸部の膜厚（凸部の平均膜厚）が凸部しきい値に到達したときの研磨対象膜の膜厚を段差解消膜厚Ｔｄとして決定する。さらに一実施形態では、参照ウェーハの膜厚が段差解消膜厚Ｔｄに到達するタイミングは、上記以外の方法としてトルク電流値（テーブルモータ６の駆動電流、研磨ヘッドモータ１７の駆動電流、または後述する揺動モータ１８の駆動電流）の変化によって検出してもよい。

　図７Ａに示す例では、初期膜厚Ｔｉｎｉから段差解消膜厚Ｔｄまでの間の研磨レートは一定である。したがって、図７Ａに示す第１関係式は、研磨レートを含む一次関数を用いて表すことができる。図７Ａに示す第１関係式の研磨レートは、初期膜厚Ｔｉｎｉと段差解消膜厚Ｔｄとの差を、初期膜厚Ｔｉｎｉから段差解消膜厚Ｔｄに到達するまでの間の研磨時間ｔ１で割り算することにより算出することができる。動作制御部９は、算出された研磨レートに基づいて第１関係式を決定する。

　図７Ｂに示す例では、段差解消膜厚Ｔｄに到達するまで研磨レートは徐々に減少する。図７Ｂに示す例における第１関係式の決定方法の一例を以下に示す。段差解消膜厚Ｔｄに到達するまでの間に、互いに異なる研磨時間において複数の膜厚が膜厚測定器８０によって測定される。これら複数の膜厚の測定データを、膜厚を表す縦軸と、研磨時間を表す横軸をもつ座標系上にプロットする。これら複数のデータ点に回帰分析を行うことによって回帰式を決定する。この回帰式は、第１関係式である。図７Ｂに示す例における第１関係式は、例えば二次関数を用いて表すことができる。

　図７Ａおよび図７Ｂに示す例では、段差解消膜厚Ｔｄから最終膜厚Ｔｆｉｎまでの間の研磨レートは、一定であるが、段差解消膜厚Ｔｄから最終膜厚Ｔｆｉｎまでの間の研磨レートは、一定ではない場合もある。したがって一実施形態では、参照ウェーハの膜厚が段差解消膜厚Ｔｄから最終膜厚Ｔｆｉｎに到達するまでの間に、互いに異なる研磨時間において複数の膜厚が膜厚測定器８０によって測定されてもよい。これら複数の膜厚の測定データを、膜厚を表す縦軸と、研磨時間を表す横軸をもつ座標系上にプロットし、これら複数のデータ点に回帰分析を行うことによって回帰式を決定し、この回帰式を第２関係式としてもよい。一実施形態では、第２関係式は、例えば二次関数を用いて表すことができる。

　一実施形態では、膜厚センサ２０は、渦電流センサであってもよい。渦電流センサは、そのセンサコイルが基板Ｗの導電性膜内に磁束を通過させて渦電流を発生させることにより、基板Ｗの膜厚に応じた渦電流を検出し、渦電流信号を出力する。渦電流信号は基板Ｗの膜厚に従って変化する膜厚信号である。渦電流信号は、動作制御部９に送られる。動作制御部９は、渦電流信号に基づいて基板Ｗの膜厚を決定する。膜厚センサ２０は、研磨テーブル３が一回転するたびに、渦電流を検出し、図４を参照して説明した実施形態と同様に、基板Ｗを一回横切る間、複数の測定点ＭＰにおける渦電流を検出し、それぞれの測定点ＭＰにおける渦電流信号を出力する。動作制御部９は、複数の渦電流信号に基づいて、それぞれの測定点ＭＰにおける膜厚を決定する。以下、本明細書では、ターゲット基板から検出された渦電流信号の測定値（渦電流信号の大きさ）を、測定渦電流値ということがある。

　動作制御部９は、測定渦電流値と参照渦電流値との比較から膜厚を決定するように構成されている。動作制御部９は、基板Ｗの研磨中に測定された測定渦電流値と複数の参照渦電流値とを比較することで、測定渦電流値に最も近い参照渦電流値を特定し、この決定された参照渦電流値に関連付けられた膜厚を決定する。参照渦電流値は、ターゲット基板と同じ積層構造を有する参照ウェーハ（参照基板）から検出された渦電流信号の測定値であり、複数の参照渦電流値は、参照ウェーハ（参照基板）を研磨しながら予め取得される。

　以下、本明細書では、測定スペクトルおよび測定渦電流値を総称して膜測定データということがあり、参照スペクトルおよび参照渦電流値を総称して参照膜データということがある。言い換えれば、膜測定データは、膜厚センサ２０からの膜厚信号に基づいて取得されるターゲット基板の膜厚情報を含むデータであり、参照膜データは、膜厚センサ２０からの膜厚信号に基づいて取得される参照基板の膜厚情報を含むデータである。参照渦電流値を取得する工程は、特に説明しない限り上述した参照スペクトルの取得工程と同様である。上述した参照スペクトルの取得工程は、参照スペクトルを参照渦電流値と読み替えることで、参照渦電流値の取得工程にも適用される。

　各参照渦電流値にはその参照渦電流値が取得されたときの膜厚が関連付けられる。動作制御部９は、参照ウェーハの膜厚と参照ウェーハの研磨時間との相関を示す関係式に基づいて、各参照渦電流値に対応する膜厚を算出する。参照ウェーハの研磨対象膜が凹凸段差を有する場合、図６乃至図７を参照して説明した実施形態と同様に各参照渦電流値に対応する膜厚は、第１関係式および第２関係式に基づいて算出される。

　初期膜厚のばらつきや、構造の違いにより複数のターゲット基板の段差解消膜厚Ｔｄが異なる場合、各ターゲット基板の研磨前に、各ターゲット基板と同様の構造を有する各参照ウェーハを研磨しながら複数の参照膜データを取得する。動作制御部９は、各ターゲット基板の研磨中に取得された膜測定データと、各ターゲット基板に対応する各参照ウェーハの複数の参照膜データを比較することで各ターゲット基板の膜厚を決定する。

　次に、研磨ヘッド１０の詳細について説明する。図８は、図２に示す研磨ヘッド１０の断面図である。図８に示すように、研磨ヘッド１０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４５と、弾性膜４５を保持するヘッド本体１３と、ヘッド本体１３の下方に配置された環状のドライブリング４２と、ドライブリング４２の下面に固定された環状のリテーナリング４０とを備えている。弾性膜４５は、ヘッド本体１３の下部に取り付けられている。ヘッド本体１３は、ヘッドシャフト１１の端部に固定されており、ヘッド本体１３、弾性膜４５、ドライブリング４２、およびリテーナリング４０は、ヘッドシャフト１１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４０およびドライブリング４２は、ヘッド本体１３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１３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４５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４５ａを構成する。リテーナリング４０は、基板押圧面４５ａを囲むように配置され、基板Ｗはリテーナリング４０によって囲まれている。弾性膜４５とヘッド本体１３との間には、４つの圧力室４６，４７，４８，４９が設けられている。圧力室４６，４７，４８，４９は弾性膜４５とヘッド本体１３によって形成されている。中央の圧力室４６は円形であり、他の圧力室４７，４８，４９は環状である。これらの圧力室４６，４７，４８，４９は、同心状に配列されている。

　圧力室４６，４７，４８，４９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４６，４７，４８，４９にそれぞれ供給されるようになっている。圧力室４６～４９に圧縮気体が供給されることで、弾性膜４５が膨らみ、圧力室４６～４９内の圧縮気体は、弾性膜４５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４８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４８内に真空を形成することが可能となっている。圧力室４８を構成する、弾性膜４５の部位には開口が形成されており、圧力室４８に真空を形成することにより基板Ｗが研磨ヘッド１０に吸着保持される。また、この圧力室４８に圧縮気体を供給することにより、基板Ｗが研磨ヘッド１０からリリースされる。弾性膜４５は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）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４０は、研磨面２ａに接触する環状の部材である。リテーナリング４０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１０から飛び出してしまうことを防止する。

　ドライブリング４２の上部は、環状のリテーナリング押圧装置５２に連結されている。リテーナリング押圧装置５２は、ドライブリング４２を介してリテーナリング４０の上面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４０の下面を研磨面２ａに押し付ける。

　リテーナリング押圧装置５２は、ドライブリング４２の上部に固定された環状のピストン５３と、ピストン５３の上面に接続された環状のローリングダイヤフラム５４とを備えている。ローリングダイヤフラム５４の内部にはリテーナリング圧力室５０が形成されている。このリテーナリング圧力室５０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５０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５０に圧縮気体を供給すると、ローリングダイヤフラム５４がピストン５３を下方に押し下げる。ピストン５３はドライブリング４２およびリテーナリング４０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５２は、リテーナリング４０の下面を研磨面２ａに押し付ける。

　気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５は、ヘッドシャフト１１に取り付けられたロータリージョイント１５を経由して延びている。研磨モジュール１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４６～４９、およびリテーナリング圧力室５０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４６～４９、およびリテーナリング圧力室５０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４６～４９、およびリテーナリング圧力室５０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、圧力室４６～４９に対応する基板Ｗの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４０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４６～４９、およびリテーナリング圧力室５０を大気開放することも可能である。一実施形態では、弾性膜４５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９は、研磨モジュール１の他の実施形態を示す模式図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図２に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。図９に示すように、本実施形態では、トルク測定装置８は、研磨ヘッドモータ１７に接続されている。本実施形態のトルク測定装置８は、研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクを測定するように構成されている。基板Ｗの研磨中、研磨ヘッド１０は、一定の速度で回転するようにヘッドシャフト１１を介して研磨ヘッドモータ１７によって駆動される。したがって、研磨ヘッド１０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、研磨ヘッドモータ１７の駆動電流が変化する。本実施形態では、トルク測定装置８は、揺動アーム１６内に配置されているが、一実施形態では、トルク測定装置８は、揺動アーム１６の外側に配置されてもよい。

　研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクは、研磨ヘッド１０をヘッドシャフト１１の軸心周りに回転させる力のモーメントである。研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクは、研磨ヘッドモータ１７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、研磨ヘッドモータ１７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、研磨ヘッドモータ１７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、研磨ヘッドモータ１７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、研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクに相当する。研磨ヘッド１０を回転させるためのトルク（研磨ヘッドモータ１７の駆動電流）の測定値は、動作制御部９に送られる。

　図１０は、研磨モジュール１のさらに他の実施形態を示す模式図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図２に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。図１０に示すように、本実施形態では、トルク測定装置８は、揺動モータ１８に接続されている。本実施形態のトルク測定装置８は、研磨ヘッド１０を研磨面２ａに沿って揺動させるためのトルク、すなわち研磨ヘッド１０を支軸１４を中心に回転させるためのトルクを測定するように構成されている。所定の角度範囲で研磨ヘッド１０を揺動させながら基板Ｗを研磨する場合、基板Ｗの研磨中、揺動モータ１８は、研磨ヘッド１０を、研磨面２ａ上で一定の速度で揺動（支軸１４を中心とした往復回転運動）させる。したがって、研磨ヘッド１０を一定の速度で揺動（支軸１４を中心に往復回転）させるために必要なトルクが変化すると、揺動モータ１８の駆動電流が変化する。本実施形態では、トルク測定装置８は、支軸１４内に配置されているが、一実施形態では、トルク測定装置８は、支軸１４の外側に配置されてもよい。

　研磨ヘッド１０を研磨面２ａに沿って揺動させるためのトルクは、研磨ヘッド１０を支軸１４の軸心周りに往復回転させる力のモーメントである。研磨ヘッド１０を揺動させるためのトルクは、揺動モータ１８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、揺動モータ１８の駆動電流を測定する電流測定器である。揺動モータ１８を一定の速度で往復回転させるための電流は交流電流である。したがって、一実施形態では、トルク測定装置８は、交流電流としての揺動モータ１８の駆動電流の実効値を算出し、算出された実効値を揺動モータ１８の駆動電流の測定値として出力してもよい。

　一実施形態では、トルク測定装置８は、揺動モータ１８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、揺動モータ１８を一定の速度で往復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、研磨ヘッド１０を揺動させるためのトルクに相当する。一実施形態では、揺動モータ１８を駆動するモータドライバは、揺動モータ１８を一定の速度で往復回転させるために必要な電流の実効値を決定し、この実効値を、揺動モータ１８を一定の速度で往復回転させるために必要な電流値として出力してもよい。研磨ヘッド１０を研磨面２ａに沿って揺動させるためのトルク（揺動モータ１８の駆動電流）の測定値は、動作制御部９に送られる。

　次に、表面（被研磨面）に凹凸段差を有する基板の研磨方法について説明する。以下に説明する研磨方法では、トルク波形（テーブルモータ６の駆動電流波形、研磨ヘッドモータ１７の駆動電流波形、または揺動モータ１８の駆動電流波形）に基づいて段差解消点を推定しながら基板Ｗを研磨するが、この研磨方法を実行するためには、多くのトルク波形のデータを蓄積する必要がある。一実施形態では、現在のトルク波形に基づいて基板Ｗの膜厚を推定するために十分なトルク波形のデータが蓄積されるまでは、基板Ｗは、膜厚測定器８０によって基板Ｗの膜厚を測定しながら研磨される。

　図１１および図１２は、参照基板の研磨方法の一実施形態を示すフローチャートであり、図１３乃至図１８は、表面（被研磨面）に凹凸段差を有する基板の研磨方法の一実施形態を示すフローチャートである。図１３乃至図１８に示すフローチャートは、十分なトルク波形のデータが蓄積されていない状態における基板Ｗの研磨方法を示している。研磨対象の基板Ｗの例として、図６に示す基板が挙げられるが、研磨対象の基板は、図６に示す基板に限らない。本実施形態では、基板Ｗの研磨工程の前に、参照膜データや、第１および第２関係式を取得するため、ターゲット基板としての基板Ｗと同じ積層構造を有する参照基板が研磨される。研磨装置は、複数の参照膜データを取得しながら参照基板を研磨する。

　本実施形態では、研磨装置は、研磨テーブル３を回転させるためのトルク（テーブルモータ６の駆動電流）または、研磨ヘッド１０をその軸心を中心に回転させるためのトルク（研磨ヘッドモータ１７の駆動電流）、または研磨ヘッド１０を研磨面２ａに沿って揺動させるためのトルク（揺動モータ１８の駆動電流）を測定しながら参照基板およびターゲット基板としての基板Ｗを研磨する。研磨工程中、動作制御部９は、上記トルクの測定値からトルク波形を生成する。このトルク波形は、基板と研磨パッド２の研磨面２ａとの摩擦に抗して基板を研磨面２ａに対して相対的に移動させるために必要なモータの駆動電流の経時的な波形である。例えば、このトルク波形は、研磨テーブル３（または研磨ヘッドモータ１７、または揺動モータ１８）を回転させるためのトルクと研磨時間との関係を示す線グラフとして表される。以下、本明細書では、研磨テーブル３を回転させるためのトルクのトルク波形と、研磨ヘッド１０をその軸心を中心に回転させるためのトルクのトルク波形と、研磨ヘッド１０を研磨面２ａに沿って揺動させるためのトルクのトルク波形を総称して単にトルク波形ということがある。

　以下、図１１および図１２を参照して、参照基板の研磨方法の一実施形態について説明する。ステップ１－１～１－８（図１１参照）では、参照基板の段差解消前の研磨工程が実行される。ステップ１－１では、膜厚測定器８０によって、参照基板の初期膜厚（研磨前の膜厚）が測定される。膜厚測定器８０は、研磨前の参照基板上の複数の測定点における複数の膜厚（膜厚プロファイル）を測定する。ステップ１－２では、研磨装置は、参照基板の研磨を開始する。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１０は参照基板を一定の回転速度で回転させる。研磨ヘッド１０は、さらに参照基板を研磨パッド２の研磨面２ａに押し付けて、参照基板の研磨を開始する。一実施形態では、揺動モータ１８によって所定の角度範囲で研磨ヘッド１０を研磨面２ａに沿って揺動させながら参照基板を研磨してもよい。

　ステップ１－３では、参照基板を研磨しながら参照基板上の複数の測定点における複数の参照膜データ（参照スペクトルまたは参照渦電流値）を取得する。動作制御部９は、膜厚センサ２０が参照基板を横切るたびに（すなわち、研磨テーブル３が一回転するたびに）、複数の測定点からの複数の参照膜データを周期的に取得する。複数の参照膜データは、動作制御部９の記憶装置９ａに格納される。

　ステップ１－４では、参照基板の膜厚プロファイルを測定するタイミングか否かを判定する。具体的には、動作制御部９は、現在の研磨時間（後述するステップ１－５を実行した後は現在の研磨時間と、最後に参照基板の膜厚プロファイルを測定したときの研磨時間との差）を予め定められた膜厚測定時間と比較し、現在の研磨時間が膜厚測定時間に達しているときは、参照基板の研磨を一時停止する。その後、参照基板を膜厚測定器８０に搬送し、膜厚測定器８０によって参照基板の膜厚プロファイルを測定する（ステップ１－５）。膜厚プロファイルの測定データは、動作制御部９に送信される。現在の研磨時間が膜厚測定時間に達していないときは、再びステップ１－３を実行する。

　ステップ１－６では、動作制御部９は、測定された膜厚プロファイルに対応する参照基板の膜厚が段差解消膜厚に達しているか否かを判定する。具体的には、動作制御部９は、測定された参照基板の凸部の膜厚（凸部の平均膜厚）と、予め定められた凸部しきい値を比較し、凸部の膜厚（凸部の平均膜厚）が凸部しきい値に到達している場合、参照基板の膜厚が段差解消膜厚に達していると判断する。動作制御部９が基板Ｗの膜厚が段差解消膜厚に達していると判断した場合は、段差解消前の研磨を終了し、後述するステップ１－７を実行する。動作制御部９が基板Ｗの膜厚が段差解消膜厚に達していないと判断した場合、再びステップ１－３以降が実行される。参照基板の膜厚が段差解消膜厚に達するまで互いに異なる研磨時間において、参照基板の膜厚プロファイルが複数回測定される。

　一実施形態では、動作制御部９は、測定された膜厚プロファイルの凹部の膜厚（凹部の平均膜厚）と、予め定められた凹部しきい値を比較し、凹部の膜厚（凹部の平均膜厚）が凹部しきい値に到達している場合、参照基板の膜厚が段差解消膜厚に達していると判断してもよい。さらに一実施形態では、動作制御部９は、測定された膜厚プロファイルの凸部の膜厚（凸部の平均膜厚）と、測定された膜厚プロファイルの凹部の膜厚（凹部の平均膜厚）との差を算出し、算出された差と予め定められた凹凸差しきい値を比較し、上記差が凹凸差しきい値に到達している場合、参照基板の膜厚が段差解消膜厚に達していると判断してもよい。

　さらに一実施形態では、動作制御部９は、ステップ１－５で測定された参照基板上の複数の測定点における複数の膜厚のばらつきを算出し、上記ばらつきと予め定められたばらつきしきい値を比較し、上記ばらつきがばらつきしきい値以上（または以下）である場合、参照基板の膜厚が段差解消膜厚に達していると判断してもよい。上記ばらつきの例として、複数の測定点における複数の膜厚の標準偏差が挙げられる。

　上述のように参照基板の研磨中、トルク波形が生成される。一実施形態では、動作制御部９は、トルク波形（研磨テーブル３を回転させるためのトルクのトルク波形、研磨ヘッド１０をその軸心を中心に回転させるためのトルクのトルク波形、または研磨ヘッド１０を研磨面２ａに沿って揺動させるためのトルクのトルク波形）の変化に基づいて参照基板の膜厚が段差解消膜厚に達しているか否かを判定してもよい。この場合、ステップ１－４および１－５を実行しなくてもよく、動作制御部９が、ステップ１－４で参照基板の膜厚プロファイルを測定するタイミングではないと判断した場合、ステップ１－６（すなわち、トルク波形の変化に基づく参照基板の膜厚が段差解消膜厚に達しているか否かの判定）を実行してもよい。

　具体的には、動作制御部９は、トルク波形の微分値を算出し、上記微分値と、予め定められた微分しきい値を比較し、上記微分値が微分しきい値以下である場合、参照基板の膜厚が段差解消膜厚に達していると判断する。トルク波形の微分値は、トルクの研磨時間に対する変化率（すなわち、トルクの変化の割合）を算出することによって求められる。

　図１９は、表面に凹凸段差を有する基板を研磨したときのトルク波形の一例を示す図である。具体的には、図１９は、図６に示す基板を研磨したときのテーブルモータ６の駆動電流の波形を示している。図１９に示すように、テーブルモータ６の駆動電流は、研磨開始から一定時間経過後、上昇を始める。これは、凹凸段差の凸部の研磨が進むと、凹部と研磨パッド２との接触面積が増加するためである。テーブルモータ６の駆動電流が上昇し始める時点を上昇開始点Ａと定義する。

　さらに凸部が研磨されると、トルク波形の傾き（微分値）は、徐々に減少し始める。凸部が完全に研磨された後（トルク波形が段差解消点Ｂに達した後）は、テーブルモータ６の駆動電流は、上昇しなくなる。したがって、トルク波形の微分値に基づいて段差解消点を検出することができる。研磨対象膜の下側の層（図６に示す例ではストッパ層１０１）が露出し始めるとテーブルモータ６の駆動電流は低下し始める。研磨対象膜の下側の層が露出し始める時点を露出開始点Ｃと定義する。

　トルク波形は、研磨対象の基板の構造の違いや、製造ばらつきによって異なる形状を有する。図２０および図２１は、表面に凹凸段差を有する基板を研磨したときのトルク波形の他の例を示す図である。具体的には、図２０は、凹凸段差の凸部の占める割合が図６の基板よりも大きい基板を研磨したときのテーブルモータ６の駆動電流の波形を示し、図２１は、凹凸段差の深さが、図６の基板よりも深い基板を研磨したときのテーブルモータ６の駆動電流の波形を示している。

　例えばトルク波形が図２０に示すような形状を有する場合等、上記微分値の変化のみから段差解消点を検出することが難しいことがある。したがって、さらに一実施形態では、動作制御部９は、膜厚測定器８０によって測定された膜厚プロファイルと上記微分値との組み合わせに基づいて参照基板の膜厚が段差解消膜厚に達しているか否かを判定してもよい。以下に膜厚プロファイルと微分値との組み合わせに基づく段差解消膜厚に到達しているか否かの判定基準の例を示す。なお、以下に示す膜厚プロファイルに基づいて参照基板の膜厚が段差解消膜厚に達していると判断する例として、上述した凸部の膜厚が凸部しきい値に到達している場合、凹部の膜厚が凹部しきい値に到達している場合、凸部と凹部との差が凹凸差しきい値に到達している場合、複数の測定点における複数の膜厚のばらつきがばらつきしきい値以上（または以下）である場合等が挙げられる。
・トルク波形の微分値が微分しきい値以下であり、かつトルク波形の微分値が微分しきい値以下となった時点の直近に測定した膜厚プロファイルに基づいて参照基板の膜厚が段差解消膜厚に達していると判断した場合
・トルク波形の微分値が微分しきい値以下であり、かつトルク波形の微分値が微分しきい値以下となった時点の直後に測定した膜厚プロファイルに基づいて参照基板の膜厚が段差解消膜厚に達していると判断した場合
・トルク波形の微分値が微分しきい値以下であり、かつトルク波形の微分値が微分しきい値以下となった時点の直近に測定した膜厚プロファイルに基づいて参照基板の膜厚が段差解消膜厚に達していると判断し、かつトルク波形の微分値が微分しきい値以下となった時点の直後に測定した膜厚プロファイルに基づいて参照基板の膜厚が段差解消膜厚に達していると判断した場合

　さらに一実施形態では、膜厚測定器８０の測定結果から段差解消点の補正値を算出してもよい。例えば、トルク波形の微分値が微分しきい値以下となっているのに、その直後の膜厚プロファイルからは参照基板の膜厚が段差解消膜厚に達していると判断できなかった場合等において、参照基板の膜厚が段差解消膜厚に達していると判断したときの膜厚プロファイルの測定時点の研磨時間と、トルク波形のしきい値が微分しきい値以下となったときの研磨時間との差を算出し、次回以降の参照基板の研磨の際に、トルク波形のしきい値が微分しきい値以下となった研磨時間に上記差を加えた時点を段差解消点として決定してもよい。

　さらに一実施形態では、動作制御部９は、参照基板の研磨工程中、参照膜データ（参照スペクトルまたは参照渦電流値）から参照膜波形を生成する。この参照膜波形は、参照膜データに含まれる参照基板の膜厚を間接的に表す物理量と研磨時間との関係を示す線グラフとして表される。動作制御部９は、参照基板の膜厚を間接的に表す物理量を、上記物理量を表す縦軸と、研磨時間を表す横軸をもつ座標系上にプロットすることによって参照膜波形を生成する。

　例えば、参照スペクトルは、研磨が進むにつれてそのピークおよびボトムの数が減少するが、段差解消点に近付くにつれてその減少速度が緩やかになる。一実施形態では、上記参照基板の膜厚を間接的に表す物理量とは、参照スペクトルのピークおよびボトムの数である。さらに一実施形態では、上記物理量は、参照渦電流値そのものである。

　一実施形態では、参照膜波形の変化に基づいて参照基板の膜厚が段差解消膜厚に達しているか否かを判定してもよい。この場合、ステップ１－４および１－５を実行しなくてもよく、動作制御部９が、ステップ１－４で参照基板の膜厚プロファイルを測定するタイミングではないと判断した場合、ステップ１－６（すなわち、参照膜波形の変化に基づく参照基板の膜厚が段差解消膜厚に達しているか否かの判定）を実行してもよい。

　具体的には、動作制御部９は、参照膜波形の微分値を算出し、参照膜波形の微分値と、予め定められた参照膜しきい値を比較し、参照膜波形の微分値が参照膜しきい値以下（または以上）である場合、参照基板の膜厚が段差解消膜厚に達していると判断する。参照膜波形の微分値は、参照膜データに含まれる参照基板の膜厚を間接的に表す物理量の研磨時間に対する変化率（すなわち、上記物理量の変化の割合）を算出することによって求められる。

　さらに一実施形態では、膜厚測定器８０によって測定された膜厚プロファイルと参照膜波形の微分値との組み合わせに基づいて参照基板の膜厚が段差解消膜厚に達しているか否かを判定してもよい。特に説明しない膜厚プロファイルと参照膜波形の微分値との組み合わせに基づく判定方法の詳細は、上述した膜厚プロファイルとトルク波形の微分値との組み合わせに基づく参照基板の膜厚が段差解消膜厚に達しているか否かの判定方法と同じである。上述した膜厚プロファイルとトルク波形の微分値との組み合わせに基づく判定方法のトルク波形の微分値を参照膜波形の微分値と置き換え、微分しきい値を参照膜しきい値と置き換えることで、膜厚プロファイルとトルク波形の微分値との組み合わせに基づく判定方法は、膜厚プロファイルと参照膜波形の微分値との組み合わせに基づく判定方法にも適用することができる。

　さらに一実施形態では、上述したトルク波形および／または参照膜波形に基づく段差解消膜厚の判定工程に機械学習を適用してもよい。すなわち、トルク測定装置９は、機械学習を行うことで構築された学習済みモデルを用いて、段差解消膜厚の判定を行ってもよい。

　機械学習は、人工知能（ＡＩ：Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ）のアルゴリズムである学習アルゴリズムによって実行され、機械学習によって、段差解消膜厚を予測する学習済モデルが構築される。学習済モデルを構築する学習アルゴリズムは特に限定されない。例えば、学習アルゴリズムとして、「教師あり学習」、「教師なし学習」、「強化学習」、「ニューラルネットワーク」などの公知の学習アルゴリズムを採用できる。ニューラルネットワークの例として、ディープラーニングが挙げられる。ディープラーニングは、隠れ層（中間層ともいう）が多層化されたニューラルネットワークをベースとする機械学習法である。

　ステップ１－７では、動作制御部９は、段差解消点までの参照基板の膜厚と参照基板の研磨時間との相関を示す第１関係式を生成する。動作制御部９は、ステップ１－１で測定された複数の初期膜厚の平均値と、段差解消膜厚に達していると判断した時点の複数の測定点における複数の膜厚（複数の段差解消膜厚）の平均値を算出し、初期膜厚の平均値と段差解消膜厚の平均値との差を算出する。動作制御部９は、さらに上記差を初期膜厚から段差解消膜厚までの研磨時間で割ることによって、段差解消点までの研磨レートを算出する。動作制御部９は、この研磨レートに基づいて第１関係式を生成する。この場合、段差解消点までの研磨レートは一定であるとして第１関係式が生成される。言い換えれば、研磨時間に研磨レートとしての係数を掛けることにより、参照基板の膜厚を求めることができる。

　一実施形態では、動作制御部９は、互いに異なる研磨時間において測定された膜厚プロファイルに基づいて第１関係式を生成してもよい。具体的には、動作制御部９は、各研磨時間において測定された膜厚プロファイルから、各研磨時間における参照基板の膜厚の指標値を算出する。指標値は、例えば、各研磨時間における参照基板の複数の膜厚の平均値を算出するによって算出される。動作制御部９は、各膜厚の指標値を、膜厚を表す縦軸と、研磨時間を表す横軸をもつ座標系上にプロットする。動作制御部９は、プロットされた複数の指標値に回帰分析を行うことによって回帰式を決定する。回帰式は、例えば二次関数を用いて表すことができる。動作制御部９は、この回帰式に基づいて第１関係式を生成する。第１関係式は動作制御部９の記憶装置９ａに格納される。

　ステップ１－８では、動作制御部９は、第１関係式に基づいて複数の参照膜データに膜厚を割り当てる。すなわち、動作制御部９は、第１関係式に基づいて複数の参照膜データに対応する膜厚を算出する。具体的には、動作制御部９は、第１関係式に、各参照膜データが取得された研磨時間を当てはめることによって、各参照膜データに対応する膜厚を算出する。

　ステップ２－１～２－５（図１２参照）では、参照基板の段差解消後の研磨工程が実施される。ステップ２－１では、研磨装置は、上述した方法により、段差解消後の参照基板の研磨を開始する。ステップ２－２では、ステップ１－３と同様の方法により、参照基板を研磨しながら参照基板上の複数の測定点における複数の参照膜データを取得する。複数の参照膜データは、動作制御部９の記憶装置９ａに格納される。

　ステップ２－３では、動作制御部９は、現在の研磨時間（ステップ２－１から現在までの研磨時間）を予め定められた終了研磨時間と比較する。動作制御部９は、現在の研磨時間が終了研磨時間に達していると判断した場合は参照基板の研磨を終了し、後述するステップ２－４を実行する。動作制御部９が、現在の研磨時間が最終研磨時間に達していないと判断した場合は、再びステップ２－２以降を実行する。

　終了研磨時間は、最終膜厚に達する研磨時間であり、段差解消膜厚と、最終膜厚と、段差解消後の研磨レートに基づいて決定される。一実施形態では、段差解消後の参照基板の研磨レートは一定とみなしてよい。この場合、段差解消後の参照基板の研磨レートは、被研磨面に凹凸段差を有さない参照基板の研磨レートと同様であるため、実験により求めることができ、段差解消後の参照基板の研磨レートは記憶装置９ａに予め格納される。

　ステップ２－４では、動作制御部９は、段差解消点後の参照基板の膜厚と参照基板の研磨時間との相関を示す第２関係式を生成する。動作制御部９は、予め取得された段差解消後の研磨レートと、段差解消膜厚と、最終膜厚に基づいて、第２関係式を生成する。第２関係式は動作制御部９の記憶装置９ａに格納される。

　ステップ２－５では、動作制御部９は、第２関係式に基づいて複数の参照膜データに膜厚を割り当てる。すなわち、動作制御部９は、第２関係式に基づいて複数の参照膜データに対応する膜厚を算出する。具体的には、動作制御部９は、第２関係式に、各参照膜データが取得された研磨時間を当てはめることによって、各参照膜データに対応する膜厚を算出する。

　段差解消膜厚から最終膜厚までの間の研磨レートは、一定ではない場合もある。したがって、ステップ２－１からステップ２－４までの間の所定時間ごとに参照基板の研磨を一時停止し、膜厚測定器８０によって参照基板の膜厚プロファイルを測定してもよい。これにより互いに異なる研磨時間において複数の膜厚プロファイルが測定される。一実施形態では、動作制御部９は、互いに異なる研磨時間において測定された膜厚プロファイルに基づいて第２関係式を生成してもよい。具体的には、動作制御部９は、各研磨時間において測定された膜厚プロファイルから、各研磨時間における参照基板の膜厚の指標値を算出する。指標値は、例えば、各研磨時間における参照基板の複数の膜厚の平均値を算出するによって算出される。動作制御部９は、各膜厚の指標値を、膜厚を表す縦軸と、研磨時間を表す横軸をもつ座標系上にプロットする。動作制御部９は、プロットされた複数の指標値に回帰分析を行うことによって回帰式を決定する。回帰式は、例えば二次関数を用いて表すことができる。動作制御部９は、この回帰式に基づいて第２関係式を生成してもよい。

　一実施形態では、膜厚測定器８０によって測定された膜厚プロファイルに基づいて参照基板の最終膜厚を決定してもよい。具体的には、動作制御部９は、膜厚測定器８０によって測定された参照基板の膜厚（例えば、参照基板上の複数の測定点における複数の膜厚の平均値）と、予め定められた目標膜厚を比較し、参照基板の膜厚が目標膜厚に到達している場合、参照基板の膜厚が最終膜厚に到達したと判断してもよい。

　参照基板の研磨工程後、ターゲット基板としての基板Ｗの研磨工程が実行される。以下、図１３乃至図１８を参照して、十分なトルク波形のデータが蓄積されていない状態における基板Ｗの研磨方法の一実施形態について説明する。ステップ３－１～３－１９（図１３乃至図１５参照）では、一定時間毎に研磨が停止され、膜厚測定器８０によって参照基板の膜厚が測定される。ステップ３－１～３－１９では段差研磨工程が実施される。段差研磨工程は、基板Ｗの膜厚が段差解消膜厚に到達する前の基板Ｗの研磨工程であり、第１関係式に基づいて算出された参照膜データの膜厚に基づいて基板Ｗ上の複数の測定点における複数の膜厚を決定する工程を含む。本実施形態では、研磨工程中、上述したトルクの測定値からトルク波形が生成され、トルク波形および／または後述するターゲット膜波形のデータが記憶装置９ａに蓄積される。

　ステップ３－１では、膜厚測定器８０によって、基板Ｗの初期膜厚（研磨前の膜厚）が測定される。膜厚測定器８０は、研磨前の基板Ｗ上の複数の測定点における複数の膜厚（膜厚プロファイル）を測定する。ステップ３－２では、研磨装置は、上述した方法により、基板Ｗの研磨を開始する。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１０は基板Ｗを一定の回転速度で回転させる。研磨ヘッド１０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。一実施形態では、揺動モータ１８によって所定の角度範囲で研磨ヘッド１０を研磨面２ａに沿って揺動させながら基板Ｗを研磨してもよい。

　ステップ３－３では、基板Ｗを研磨しながら基板Ｗ上の複数の測定点における複数の膜測定データ（測定スペクトルまたは測定渦電流値）を取得し、複数の膜測定データと複数の参照膜データとの比較を行い、複数の参照膜データ（参照スペクトルまたは参照渦電流値）から各膜測定データに対応する参照膜データ（すなわち、測定スペクトルに最も形状の近い参照スペクトル（測定スペクトルとの誤差が最も少ない参照スペクトル）、または測定渦電流値に最も近い参照渦電流値（測定渦電流値との誤差が最も少ない参照渦電流値））を決定（選択）する。

　ステップ３－４では、動作制御部９は、各測定点の膜厚を決定する。すなわち、動作制御部９は、ステップ３－３で決定された参照膜データの膜厚であって、第１関係式に基づいて算出された参照膜データの膜厚（参照膜データに対応する膜厚）を各測定点の膜厚にあてはめる。すなわち、動作制御部９は、ステップ３－３で決定された参照膜データの膜厚であって、第１関係式に基づいて算出された参照膜データの膜厚を、参照膜データに対応する膜測定データが取得された測定点の膜厚として決定する。

　ステップ３－５，３－６では、動作制御部９は、基板Ｗ上の複数の測定点における膜厚に基づいて、複数の圧力レギュレータＲ１～Ｒ４に指令を発して基板Ｗの研磨プロファイルを調整させる。具体的な工程は、以下の通りである。

　ステップ３－５では、動作制御部９は、上述した基板Ｗの複数の領域（本実施形態では、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）のそれぞれの平均膜厚と、基板Ｗの全体の平均膜厚を算出する。各領域ごとの平均膜厚は、各領域における複数の測定点における膜厚の平均値であり、基板Ｗの全体の平均膜厚は、基板Ｗ上の全ての測定点における膜厚の平均値である。

　ステップ３－６では、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の全体の平均膜厚と、上述の複数の領域のそれぞれの平均膜厚との差を低減させるように、基板Ｗの対応する各領域における基板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、各領域の平均膜厚を基板Ｗ全体の平均膜厚と比較し、ある領域の膜厚が基板Ｗ全体の平均膜厚よりも大きいときは、動作制御部９は、その領域に対応する圧力レギュレータ（例えば、中央部の場合は圧力レギュレータＲ１）に指令を発し、対応する圧力室（例えば圧力室４６）の内部圧力を増加させる。

　ステップ３－７では、トルク波形および／またはターゲット膜波形の特徴点を検出する。上記特徴点とは、例えば波形の傾きがしきい値を越えて変化する点であり、図１９乃至図２１のＢ点である。動作制御部９は、基板Ｗの研磨工程中、膜測定データ（測定スペクトルまたは測定渦電流値）からターゲット膜波形を生成する。このターゲット膜波形は、膜測定データに含まれる基板Ｗの膜厚を間接的に表す物理量と研磨時間との関係を示す線グラフとして表される。動作制御部９は、基板Ｗの膜厚を間接的に表す物理量を、上記物理量を表す縦軸と、研磨時間を表す横軸をもつ座標系上にプロットすることによってターゲット膜波形を生成する。例えば、測定スペクトルは、研磨が進むにつれてそのピークおよびボトムの数が減少するが、段差解消点に近付くにつれてその減少速度が緩やかになる。一実施形態では、基板Ｗの膜厚を間接的に表す物理量とは、測定スペクトルのピークおよびボトムの数である。さらに一実施形態では、上記物理量は、参照渦電流値そのものである。

　ステップ３－８では、基板Ｗの研磨を一時停止し、膜厚測定器８０によって基板Ｗの膜厚プロファイルを測定する。基板Ｗの膜厚が段差解消膜厚に達するまで互いに異なる研磨時間において、基板Ｗの膜厚プロファイルが複数回測定される。

　ステップ３－９では、基板Ｗの膜厚プロファイルとトルク波形および／またはターゲット膜波形との相関関係を確認し、かつ、基板Ｗの膜厚が段差解消膜厚に達しているか否かを判定する。動作制御部９が基板Ｗの膜厚が段差解消膜厚に達していると判断した場合、段差研磨工程を終了する（ステップ３－１０）。

　動作制御部９が基板Ｗの膜厚が段差解消膜厚に達していないと判断した場合、動作制御部９は、基板Ｗの膜厚プロファイル（残膜プロファイル）が予め定められた基準（スペック）を満たすかを判定する（ステップ３－１１）。

　ステップ３－１２では、残膜プロファイルがスペックを満たすと判断した場合、現状の研磨条件で基板Ｗの研磨を続行する。ステップ３－１２では、ステップ３－３～３－７と同様の工程を実行する。

　ステップ３－１３では、基板Ｗの研磨を一時停止し、膜厚測定器８０によって基板Ｗの膜厚プロファイルを測定する。ステップ３－１４では、ステップ３－９と同様の方法により、基板Ｗの膜厚が段差解消膜厚に達しているか否かを判定する。動作制御部９が基板Ｗの膜厚が段差解消膜厚に達していると判断した場合、膜厚プロファイルとトルク波形および／またはターゲット膜波形との相関関係を動作制御部９の記憶装置９ａに蓄積し、段差研磨工程を終了する（ステップ３－１５）。

　ステップ３－１１で、動作制御部９が残膜プロファイルがスペックを満たさないと判断した場合、残膜プロファイルを改善するように（上記基準を満たすように）研磨条件を変更して、基板Ｗを研磨する（ステップ３－１６）。上記研磨条件の例として、各圧力室の内部圧力が挙げられる。例えば、動作制御部９は、上記波形のプロファイルを改善させるため、圧力レギュレータＲ１～Ｒ４の少なくとも１つに指令を発して対応する圧力室の内部圧力を増加（または減少）させる。

　ステップ３－１７では、基板Ｗの研磨を一時停止し、膜厚測定器８０によって基板Ｗの膜厚プロファイルを測定する。ステップ３－１８では、ステップ３－９と同様の方法により、基板Ｗの膜厚が段差解消膜厚に達しているか否かを判定する。動作制御部９が基板Ｗの膜厚が段差解消膜厚に達していると判断した場合、膜厚プロファイルとトルク波形および／またはターゲット膜波形との相関関係を動作制御部９の記憶装置９ａに蓄積し、段差研磨工程を終了する（ステップ３－１９）。ステップ３－１８で、動作制御部９が基板Ｗの膜厚が段差解消膜厚に達していないと判断した場合、ステップ３－１１に戻る。一実施形態では、一度研磨条件を変更した後は、残膜プロファイルがスペックを満たすかを判定する工程（ステップ３－１１）を省略してもよい。すなわち、ステップ３－１８で、動作制御部９が基板Ｗの膜厚が段差解消膜厚に達していないと判断した場合、ステップ３－１２に戻ってもよい。

　段差研磨工程終了後、ステップ４－１～４－１７の平坦研磨工程が実行される（図１６乃至図１８参照）。平坦研磨工程は、第２関係式に基づいて算出された参照膜データの膜厚に基づいて基板Ｗ上の複数の測定点における複数の膜厚を決定する工程を含む。特に説明しないステップ４－１～４－１７の工程は、ステップ３－３～３－１９の工程と同じである。

　ステップ４－２では、動作制御部９は、ステップ４－１で決定された参照膜データの膜厚であって、第２関係式に基づいて算出された参照膜データの膜厚（参照膜データに対応する膜厚）を各測定点の膜厚にあてはめる。すなわち、動作制御部９は、ステップ４－１で決定された参照膜データの膜厚であって、第２関係式に基づいて算出された参照膜データの膜厚を、参照膜データに対応する膜測定データが取得された測定点の膜厚として決定する。ステップ４－２のより具体的な工程は、第２関係式に基づいて参照膜データに対応する膜厚が決定される以外は、ステップ３－４と同じである。

　ステップ４－７では、動作制御部９は、基板Ｗの膜厚を予め定められた最終膜厚（目標膜厚）と比較する。基板Ｗの膜厚が最終膜厚に達した場合、上記膜厚が最終膜厚に達した時点を研磨終点として決定し、基板Ｗの研磨を終了する（ステップ４－８）。具体的には、動作制御部９は、基板Ｗ全体の平均膜厚を予め定められた最終膜厚と比較する。基板Ｗ全体の平均膜厚が最終膜厚に達した場合、基板Ｗの研磨を終了する。

　平坦研磨工程中の基板Ｗの研磨レートが一定と見なせる場合、ステップ４－７では、動作制御部９は、現在の研磨時間（ステップ４－１から現在までの研磨時間）を予め定められた終了研磨時間と比較し、現在の研磨時間が終了研磨時間に達していると判断した場合は基板Ｗの研磨を終了してもよい。終了研磨時間は、最終膜厚に達する研磨時間であり、段差解消膜厚と、最終膜厚と、段差解消後の研磨レートに基づいて決定される。ステップ４－１２，４－１６においてもステップ４－７と同様の工程、すなわち、基板Ｗの膜厚を予め定められた最終膜厚と比較する工程が実行される。ステップ４－１３および４－１７では、膜厚プロファイルとトルク波形および／またはターゲット膜波形との相関関係を動作制御部９の記憶装置９ａに蓄積し、基板Ｗの研磨を終了する。

　上述した平坦研磨工程の終了後、または段差研磨工程中、または平坦研磨工程中、動作制御部９は、測定された基板Ｗの膜厚プロファイルと、トルク波形および／またはターゲット膜波形とを関連付ける。一実施形態では、動作制御部９は、測定された基板Ｗの膜厚プロファイルに基づいて、段差解消点Ｂを決定してもよい。すなわち、動作制御部９は、基板Ｗの膜厚が段差解消膜厚に達したときの研磨時間に基づいて、トルク波形の段差解消点Ｂを決定してもよい。

　さらに、動作制御部９は、上記トルク波形および／またはターゲット膜波形を、膜厚測定器８０によって測定された基板Ｗの初期膜厚データ、研磨前の基板Ｗの膜厚プロファイル、研磨中の基板Ｗの膜厚プロファイル、段差解消膜厚などと関連付けて記憶装置９ａに記憶する。

　研磨装置は、同一種類で初期膜厚がばらついている複数の基板や、凹凸構造の形状が異なる複数の基板を、トルク波形を生成しながらステップ３－１～３－１９およびステップ４－１～４－１７と同様の方法により研磨し、各基板の研磨工程中に測定された膜厚プロファイルに基づいて、各トルク波形の段差解消点を決定してもよい。動作制御部９は、各基板の研磨中に生成した各トルク波形および／またはターゲット膜波形を、研磨対象基板の膜厚データと関連付けてもよい。上記膜厚データの例として、研磨対象基板の種類、研磨対象基板の初期膜厚データ、研磨前の基板の膜厚プロファイル、研磨中の基板の膜厚プロファイル、段差解消膜厚データが挙げられる。このようにして、これら膜厚データに関連付けられた複数のトルク波形（テーブルモータ６の駆動電流波形、研磨ヘッドモータ１７の駆動電流波形、または揺動モータ１８の駆動電流波形）および／またはターゲット膜波形のデータが記憶装置９ａに蓄積される。

　一実施形態では、上述した参照基板の研磨工程（ステップ１－１～１－８およびステップ２－１～ステップ２－５）において、参照基板の研磨工程中に測定された膜厚プロファイルに基づいて、トルク波形の段差解消点を決定してもよい。動作制御部９は、参照基板の研磨中に生成したトルク波形および／または参照膜波形を、参照基板の膜厚データと関連付ける。膜厚データに関連付けられたトルク波形（テーブルモータ６の駆動電流波形、研磨ヘッドモータ１７の駆動電流波形、または揺動モータ１８の駆動電流波形）のデータおよび／または参照膜波形のデータは記憶装置９ａに蓄積される。

　図２２乃至図２７は、十分なトルク波形が蓄積された後の、表面に凹凸段差を有する基板の研磨方法の一実施形態を示すフローチャートである。本実施形態では、トルク波形に基づいて段差解消点を推定しながら基板を研磨する。研磨対象の基板Ｗの例として、図６に示す基板が挙げられるが、研磨対象の基板Ｗは、図６に示す基板に限らない。本実施形態においても、研磨装置は、研磨テーブル３を回転させるためのトルク（テーブルモータ６の駆動電流）、または研磨ヘッド１０をその軸心を中心に回転させるためのトルク（研磨ヘッドモータ１７の駆動電流）、または研磨ヘッド１０を研磨面２ａに沿って揺動させるためのトルク（揺動モータ１８の駆動電流）を測定しながら参照基板およびターゲット基板としての基板Ｗを研磨し、研磨工程中、動作制御部９は、上記トルクの測定値からトルク波形を生成する。以下、本実施形態の研磨前に取得され、記憶装置９ａに蓄積されたトルク波形を参照トルク波形ということがある。さらに一実施形態では、動作制御部９は、基板Ｗの研磨工程中、ターゲット膜波形を生成してもよい。以下、本実施形態の研磨前に取得され、記憶装置９ａに蓄積された参照膜波形およびターゲット膜波形を蓄積膜波形ということがある。

　ステップ５－１～５－２１（図２２乃至図２４参照）では段差研磨工程が実施される。特に説明しないステップ５－１～ステップ５－６の工程は、ステップ３－１～ステップ３－６と同じである。

　ステップ５－１では膜厚測定器８０によって、研磨対象である基板Ｗの初期膜厚（研磨前の基板Ｗの膜厚プロファイル）が測定される。動作制御部９は、膜厚測定器８０の測定データ（研磨前の基板Ｗの膜厚プロファイル）および基板Ｗの種類に基づいて、複数の参照トルク波形（または複数の蓄積膜波形）から１つの参照トルク波形（または１つの蓄積膜波形）を選択する。具体的には、動作制御部９は、膜厚測定器８０の測定データおよび基板Ｗの種類と、各参照トルク波形（または各蓄積膜波形）に関連付けられた膜厚データおよび基板の種類を比較する。動作制御部９は、基板の種類が同じで、膜厚測定器８０の測定データと上記膜厚データ（具体的には、参照トルク波形または蓄積膜波形の生成に使用された基板の研磨前の膜厚プロファイル）がもっとも近い参照トルク波形を基準トルク波形として選択する。一実施形態では、動作制御部９は、基板の種類が同じで、膜厚測定器８０の測定データと上記膜厚データ（具体的には、蓄積膜波形の生成に使用された基板の研磨前の膜厚プロファイル）がもっとも近い蓄積膜波形を基準膜波形として選択してもよい。以下、本明細書では、ステップ５－１で選択されたトルク波形を基準トルク波形といい、選択された蓄積膜波形を基準膜波形という。

　ステップ５－４では、動作制御部９は、各測定点の膜厚を決定する。すなわち、動作制御部９は、ステップ５－３で決定された参照膜データの膜厚であって、第１関係式に基づいて算出された参照膜データの膜厚（参照膜データに対応する膜厚）を各測定点の膜厚にあてはめる。すなわち、動作制御部９は、ステップ５－３で決定された参照膜データの膜厚であって、第１関係式に基づいて算出された参照膜データの膜厚を、参照膜データに対応する膜測定データが取得された測定点の膜厚として決定する。

　ステップ５－７では、トルク波形および／またはターゲット膜波形の特徴点を検出する。ステップ５－８では、トルク波形および／またはターゲット膜波形に異常が無いかを確認する。一実施形態では、後述するステップ５－１２，５－１７，５－２１の工程において蓄積される膜厚プロファイルとトルク波形および／またはターゲット膜波形との相関関係との比較により、トルク波形および／またはターゲット膜波形に異常が無いかを判断してもよい。動作制御部９が上記波形に異常がないと判断した場合は、段差研磨工程を終了する（ステップ５－９）。動作制御部９が上記波形に異常があると判断した場合は、ステップ５－１０以降を実行する。

　ステップ５－１０では、基板Ｗの研磨を一時停止し、膜厚測定器８０によって基板Ｗの膜厚プロファイルを測定する。一実施形態では、ステップ５－７～ステップ５－１０を実行せず、ステップ５－６の後、ステップ５－１１を実行してもよい。さらに一実施形態では、ステップ５－７の後、ステップ５－１１を実行してもよい。

　ステップ５－１１では、動作制御部９は、基板Ｗの膜厚が段差解消膜厚に達しているか否か、すなわち段差研磨工程を終了すべきか否かを判断する。具体的には、動作制御部９は、研磨中に生成したトルク波形（またはターゲット膜波形）と基準トルク波形（または基準膜波形）を比較し、基板Ｗの膜厚が段差解消膜厚に達しているか否か、すなわち段差研磨工程を終了すべきか否かを判断する。動作制御部９は、段差研磨工程を終了すべきと判断した場合、膜厚プロファイルとトルク波形および／またはターゲット膜波形との相関関係を動作制御部９の記憶装置９ａに蓄積し、段差研磨工程を終了する（ステップ５－１２）。一実施形態では、トルク波形またはターゲット膜波形が異常な場合は、段差研磨工程終了後に上記波形のプロファイル調整を行ってもよい。

　ステップ５－１１の詳細は以下の通りである。具体的には、動作制御部９は、生成したトルク波形（またはターゲット膜波形）の現在のトルク（または現在の物理量、すなわち、膜測定データに含まれる基板Ｗの膜厚を間接的に表す物理量）が基準トルク波形（または基準膜波形）から推定される段差解消点に達した場合、段差研磨工程を終了すべきと判断する。

　一実施形態では、現在のトルク（または現在の物理量）が段差解消点に達していない場合でも段差研磨工程を終了してもよい。例えば、動作制御部９は、現在のトルク（または現在の物理量）の大きさが基準トルク波形（または基準膜波形）の基準レベルの所定割合以下（例えば１３０％以下）となった場合、および／または現在の研磨時間が基準トルク波形（または基準膜波形）から推定される段差解消点における研磨時間の９０％以上となった場合に段差研磨工程を終了すべきと判断してもよい。基準レベルは、予め定められたトルク（または物理量）の大きさのしきい値である。

　一実施形態では、動作制御部９は、現在のトルク(または現在の物理量)の大きさが、基準トルク波形微分値(または基準膜波形微分値)の変化量の基準レベルの所定割合以下となった場合、および／または現在の研磨時間が基準トルク波形微分値(または基準膜波形微分値)の変化量から推定される段差解消点における研磨時間の９０％以上となった場合に段差研磨工程を終了すべきと判断してもよい。基準レベルは、予め定められたトルク波形微分値(物理量の微分値)の変化量のしきい値である。

　さらに一実施形態では、動作制御部９は、所定時間経過後、生成したトルク波形（またはターゲット膜波形）の形状と、基準トルク波形（または基準膜波形）の現在の研磨時間に相当する研磨時間までの形状を比較し、これら形状の一致度を算出してもよい。動作制御部９は、算出された一致度を所定の基準一致度と比較し、算出された一致度が所定の基準一致度以上の場合、基準トルク波形（または基準膜波形）から推定される段差解消点における研磨時間と現在の研磨時間との差を算出し、基板Ｗの研磨時間が、現在の研磨時間に上記差、または上記差に係数を掛けた値を加えた時間に達したときに、段差研磨工程を終了すべきと判断してもよい。一致度は、０～１までの数値で表され、１に近いほど一致度は高くなる。上記基準一致度は、例えば０．８である。

　一実施形態では、所定時間経過後の上記算出された形状の一致度が基準一致度以下の場合、動作制御部９は、研磨異常が発生したと判断し、基板Ｗの研磨を一時停止してもよい。その後、基板Ｗを膜厚測定器８０に搬送し、膜厚測定器８０によって基板Ｗの膜厚プロファイルを測定してもよい。

　さらに一実施形態では、所定時間経過後の上記形状の一致度が基準一致度以下の場合、動作制御部９は、研磨装置に研磨条件を変更する指令を発してもよい。例えば、動作制御部９は、圧力レギュレータＲ１～Ｒ４の少なくとも１つに指令を発して対応する圧力室の内部圧力を増加（または減少）させてもよい。研磨条件を変更した結果、上記形状の一致度が基準一致度以上となった場合は、基準トルク波形（または基準膜波形）から推定される段差解消点における研磨時間と現在の研磨時間との差を算出し、基板Ｗの研磨時間が、現在の研磨時間に上記差、または上記差に係数を掛けた値を加えた時間に達したときに、段差研磨工程を終了してもよい。一実施形態では、ステップ３－９で説明した方法、すなわち、ステップ１－６と同様の方法によって段差研磨工程を終了すべきか否かを判断してもよい。

　ステップ５－１１で、動作制御部９が基板Ｗの膜厚が段差解消膜厚に達していないと判断した場合、動作制御部９は、基板Ｗの膜厚プロファイル（残膜プロファイル）が予め定められた基準（スペック）を満たすかを判定する（ステップ５－１３）。

　ステップ５－１４では、残膜プロファイルがスペックを満たすと判断した場合、現状の研磨条件で基板Ｗの研磨を続行する。ステップ５－１４では、ステップ５－３～５－７と同様の工程を実行する。

　ステップ５－１５では、基板Ｗの研磨を一時停止し、膜厚測定器８０によって基板Ｗの膜厚プロファイルを測定する。ステップ５－１６では、ステップ５－１１と同様の方法により、基板Ｗの膜厚が段差解消膜厚に達しているか否かを判定する。動作制御部９が基板Ｗの膜厚が段差解消膜厚に達していると判断した場合、膜厚プロファイルとトルク波形および／またはターゲット膜波形との相関関係を動作制御部９の記憶装置９ａに蓄積し、段差研磨工程を終了する（ステップ５－１７）。

　ステップ５－１３で、動作制御部９が残膜プロファイルがスペックを満たさないと判断した場合、残膜プロファイルを改善するように（上記基準を満たすように）研磨条件を変更して、基板Ｗを研磨する（ステップ５－１８）。上記研磨条件の例として、各圧力室の内部圧力が挙げられる。例えば、動作制御部９は、上記波形のプロファイルを改善させるため、圧力レギュレータＲ１～Ｒ４の少なくとも１つに指令を発して対応する圧力室の内部圧力を増加（または減少）させる。

　ステップ５－１９では、基板Ｗの研磨を一時停止し、膜厚測定器８０によって基板Ｗの膜厚プロファイルを測定する。ステップ５－２０では、ステップ５－１１と同様の方法により、基板Ｗの膜厚が段差解消膜厚に達しているか否かを判定する。動作制御部９が基板Ｗの膜厚が段差解消膜厚に達していると判断した場合、膜厚プロファイルとトルク波形および／またはターゲット膜波形との相関関係を動作制御部９の記憶装置９ａに蓄積し、段差研磨工程を終了する（ステップ５－２１）。ステップ５－２０で、動作制御部９が基板Ｗの膜厚が段差解消膜厚に達していないと判断した場合、ステップ５－１３に戻る。一実施形態では、一度研磨条件を変更した後は、残膜プロファイルがスペックを満たすかを判定する工程（ステップ５－１３）を省略してもよい。すなわち、ステップ５－２０で、動作制御部９が基板Ｗの膜厚が段差解消膜厚に達していないと判断した場合、ステップ５－１４以降を実行してもよい。

　一実施形態では、ステップ５－１５および５－１９を実行せず、ステップ５－１４，５－１８の後、ステップ５－１６，５－２０を実行してもよい。さらに一実施形態では、ステップ５－１０を実行しなかった場合で、かつステップ５－１１で動作制御部９が基板Ｗの膜厚が段差解消膜厚に達していないと判断した場合、ステップ５－１１の後、ステップ５－１４～ステップ５－１７を実行してもよい。この場合、ステップ５－１５を省略してもよい。

　段差研磨工程終了後、ステップ６－１～６－１９（図２５乃至図２７参照）の平坦研磨工程が実行される。特に説明しないステップ６－１～６－１９の工程は、ステップ５－３～５－２１の工程と同じである。平坦研磨工程は、第２関係式に基づいて算出された参照膜データの膜厚に基づいて基板Ｗ上の複数の測定点における複数の膜厚を決定する工程を含む。

　ステップ６－２では、動作制御部９は、ステップ６－１で決定された参照膜データの膜厚であって、第２関係式に基づいて算出された参照膜データの膜厚を各測定点の膜厚にあてはめる。すなわち、動作制御部９は、ステップ６－１で決定された参照膜データの膜厚であって、第２関係式に基づいて算出された参照膜データの膜厚を、参照膜データに対応する膜測定データが取得された測定点の膜厚として決定する。ステップ６－２のより具体的な工程は、第２関係式に基づいて参照膜データに対応する膜厚が決定される以外は、ステップ５－４と同じである。

　ステップ６－９，６－１４，６－１８では、動作制御部９は、基板Ｗの膜厚を予め定められた最終膜厚（目標膜厚）と比較する。基板Ｗの膜厚が最終膜厚に達した場合、上記膜厚が最終膜厚に達した時点を研磨終点として決定し、基板Ｗの研磨を終了する。具体的には、動作制御部９は、基板Ｗ全体の平均膜厚を予め定められた最終膜厚と比較する。基板Ｗ全体の平均膜厚が最終膜厚に達した場合、基板Ｗの研磨を終了する。

　平坦研磨工程中の基板Ｗの研磨レートが一定と見なせる場合、ステップ６－９，６－１４，６－１８では、動作制御部９は、現在の研磨時間（ステップ６－１から現在までの研磨時間）を予め定められた終了研磨時間と比較し、現在の研磨時間が終了研磨時間に達していると判断した場合は基板Ｗの研磨を終了してもよい。終了研磨時間は、最終膜厚に達する研磨時間であり、段差解消膜厚と、最終膜厚と、段差解消後の研磨レートに基づいて決定される。ステップ６－１０，６－１５、および６－１９では、膜厚プロファイルとトルク波形および／またはターゲット膜波形との相関関係を動作制御部９の記憶装置９ａに蓄積し、基板Ｗの研磨を終了する。

　一実施形態では、ステップ６－５～ステップ６－８を実行せず、ステップ６－４の後、ステップ６－９を実行してもよい。さらに一実施形態では、ステップ６－５の後、ステップ６－９を実行してもよい。さらに一実施形態では、ステップ６－１３および６－１７を実行せず、ステップ６－１２，６－１６の後、ステップ６－１４，６－１８を実行してもよい。

　上述のように、本実施形態の研磨装置は、基板Ｗの表面形状に応じて、研磨中の基板Ｗの膜厚を決定する際に利用する関係式を変更する。さらに、研磨装置は、研磨中に生成されたトルク波形と、研磨前に取得された参照トルク波形を比較し、上記関係式を変更するタイミングを決定する。これにより、基板が表面に凹凸段差を有する場合でも研磨中の基板の膜厚を精度よく測定することができる。結果として、膜厚の均一性や、終点検知性能を向上させることができる。

　一実施形態では、第１関係式および／または第２関係式の修正が必要になった場合には、図２２乃至図２７を参照して説明した工程で得られた結果に基づいて、第１関係式および／または第２関係式を補正してもよい。さらに一実施形態では、図１１および図１２を参照して説明した工程と同様の工程により参照基板を研磨し、第１関係式および／または第２関係式を生成し直してもよい。

　上述した研磨方法は、図２８乃至図３０の基板にも適用することができる。図２８乃至図３０は、表面に凹凸段差を有する基板Ｗの他の実施形態を示す断面図である。図２８Ａ、図２９Ａ、および図３０Ａは、研磨前の各基板の状態を示し、図２８Ｂ、図２９Ｂ、および図３０Ｂは、段差解消膜厚まで最上層膜（タングステン（Ｗ）膜１０９、絶縁膜１１１、またはタングステン（Ｗ）膜１１７）を研磨した状態を示し、図２８Ｃ、図２９Ｃ、および図３０Ｃは、各基板を研磨終点まで研磨したときの状態を示している。

　図２８は、リプレースメントゲートの断面を示している。図２８に示す基板Ｗは、凹凸段差を有するシリコン（Ｓｉ）層１００と、シリコン層１００の上方に形成された絶縁膜１０５と、絶縁膜１０５の上に形成された窒化チタン（ＴｉＮ）から成るライナー膜１０７と、ライナー膜１０７の上に形成されたタングステン（Ｗ）膜１０９を有している。タングステン（Ｗ）膜１０９は、金属膜であるため、図２８に示す基板Ｗを研磨するときは、膜厚センサ２０として渦電流センサが用いられる。

　図２９は、ＳＡＣ（セルフアラインドコンタクト）ナイトライドの断面を示している。図２９に示す基板Ｗでは、図２８に示す基板Ｗからタングステン（Ｗ）膜１０９をエッチングでリセスさせた後、絶縁膜（例えば窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４））１１１が形成される。図２９に示す基板Ｗを研磨するときは、膜厚センサ２０として光学式膜厚センサが用いられる。

　図３０は、コンタクト部の断面を示している。図３０に示す基板Ｗは、シリコン（Ｓｉ）層１００と、シリコン層１００の上方に形成された絶縁膜１１３と、絶縁膜１１３の上に形成された窒化チタン（ＴｉＮ）から成るライナー膜１１５と、ライナー膜１１５の上に形成されたタングステン（Ｗ）膜１１７を有している。

　図３１は、研磨装置の他の実施形態を示す模式図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１乃至図２７に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。図３１では、一部の構成要素の図示は省略されている。本実施形態では、膜厚測定器８０は、研磨テーブル３に取り付けられている。本実施形態の膜厚測定器８０は、図１を参照して説明した膜厚測定器８０よりも小型化されている。

　本実施形態の膜厚測定器８０は、基板Ｗに光を照射する投光部８２と、基板Ｗの表面（被研磨面）で反射した反射光を受光する受光部８５とを備えている。投光部８２は、光を発する光源（図示せず）を備えている。本実施形態では、投光部８２は、斜め下から基板Ｗに光を照射するように配置されており、受光部８５は、基板Ｗの表面に対して斜めに配置されているが、投光部８２および受光部８５の配置は、この配置に限定されない。一実施形態では、膜厚測定装置８０は、投光部８２および受光部８５の代わりに渦電流センサを備えた渦電流式膜厚測定器であってもよい。

　図３１に示す例では、膜厚測定器８０として、エリプソメータが用いられる。エリプソメータの原理は一般的に知られている原理である。本実施形態では、研磨ヘッド１０に支持された基板Ｗに適用するために、測定部位の液を排除し反射光の偏向状態を測定する必要がある。そのため、膜厚測定器８０は、測定部をドライ状態にするためにＣＤＡ（clean　dry　air）、窒素（Ｎ_２）、アルゴン（Ａｒ）、空気等のガスを基板Ｗの表面に供給するガス供給ノズル８７と、研磨液（例えばスラリー）等の研磨に使用される液体を排出する廃液路８９をさらに備えている。基板Ｗは研磨ヘッド１０に支持されているため、回転、Ｘ／Ｙ方向の動作が可能であり、基板Ｗを回転させながら基板Ｗ上の任意の点を複数測定して膜厚分布を求めることが可能となる。基板Ｗの表面状態の保護のため測定部以外は液浸していることが可能となる。

　投光部８２、受光部８５、ガス供給ノズル８７、および廃液路８９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。本実施形態では、膜厚測定器８０が基板Ｗを一回横切る間、投光部８２は回転している基板Ｗ上の複数の測定点に光を放ち、受光部８５は、これら複数の測定点からの反射光を受ける。膜厚測定器８０が渦電流式膜厚測定器の場合、渦電流センサは、基板Ｗ上の複数の測定点において渦電流を発生させ、これら複数の測定点における渦電流を検出する。一実施形態では、図３２に示すように、膜厚測定器８０は、研磨テーブル３の中央部に配置されていてもよい。

　本実施形態によれば、基板Ｗを研磨ヘッド１０から取り出さずに膜厚測定器８０によって基板Ｗの膜厚や、膜厚プロファイルを測定することができる。これにより、基板Ｗの取り外しによる時間ロス低減(スループット向上)し、基板Ｗの再設置による位置や傾きズレを防ぐことができ、測定座標誤差の低減、測定後のリワークが容易、終点検知用センサ（膜厚センサ２０）出力の校正精度向上、基板Ｗの脱着・搬送によるパーティクル付着低減等の利点を得ることができる。

　本実施形態では、膜厚測定器８０は、テーブルモータ６、研磨ヘッドモータ１７、および揺動モータ１８の駆動電流を利用した段差解消点の検出や膜厚センサ２０を用いた終点検知と組み合わせることができる。膜厚センサ２０センサを用いる時に膜厚センサ２０の校正を行う必要がある。そのためには膜厚測定された基板Ｗと終点検出用センサ出力の相関を求める校正が必要となる。膜厚測定器８０が研磨モジュール１から離れて設置されたＩＴＭ（ex-situ膜厚測定器）である場合、この校正時に基板Ｗは、研磨ヘッド１０から外され、搬送ロボット６６，６９などによりＩＴＭに搬送される。膜厚測定器８０が研磨モジュール１から離れて設置されたＩＴＭである場合、膜厚の測定位置誤差や複数回の研磨、ＩＴＭ膜厚測定、複数点の膜厚センサ２０の出力取得を行う必要がある場合に誤差要因が発生するが、本実施形態では、このような誤差要因を低減できる。したがって、従来よりも高精度の校正ができるため終点検知精度の向上も可能となる。

　さらに本実施形態では、基板Ｗの高密度配線部の領域の特定を行いその膜測結果をもとに、膜厚分布と精度を判定することができる。研磨ヘッド１０から基板Ｗを外す必要がないため基板Ｗの座標と膜厚の相関関係を測定した後、座標位置誤差の小さい状態で膜厚センサ２０の出力信号の比較が可能となるため、従来よりも膜厚センサ２０信号の変化と基板Ｗの座標位置と膜厚の関係を高精度で求めることが可能となる。パターン構造が複雑なウェーハの場合は特に有効に用いることが可能となる。例えば、本実施形態は、有効領域の波形のみを用いる膜測等に用いられてもよい。

　本実施形態はさらに、酸化膜、窒化膜、金属膜、それらの混成したパターン膜、ＳＴＩ，ＳＡＣプロセスの膜等、種々のプロセスパターン膜に適用可能である。一実施形態では、図３１および図３２を参照して説明した膜厚測定器８０として、カメラ画像の処理方式を利用した膜厚測定器や、マルチスペクトルカメラや、ハイパースペクトルカメラを用いてもよい。さらに一実施形態では、膜厚測定器８０として、画像処理や光干渉方式を利用した膜厚測定器を用いてもよい。

　さらに一実施形態では、図３３に示すように、また、研磨テーブル３の脇（近傍）に膜厚測定器８０を設置してもよい。膜厚測定器８０が研磨テーブル３の近傍に設置される場合は、液浸の無い状態で測定が可能である。又、表面酸化防止のためガス供給ノズル８７より液やミスト照射をしながら基板Ｗの表面を液膜形成し測定部付近だけドライにすることも可能である。さらに一実施形態では、より小型化された膜測測定器を用いるために、測定機器や機構をＭＥＭＳ（Micro　Electro　Mechanical　Systems）により構成されてもよい。投光部８２および受光部８５の接続は直結式またはファイバ接続式が可能である。

　膜厚測定器８０を研磨テーブル３内または研磨テーブル３に近接して設置することの利点として、基板Ｗを研磨ヘッド１０から外す必要がなく研磨ヘッド１０に基板Ｗが設置された状態で膜厚測定が可能となることが挙げられる。他の利点として、基板Ｗの研磨ヘッド１０からの取り外しによる時間ロス低減(スループット向上)、基板Ｗの研磨ヘッド１０への再設置による基板Ｗの位置や傾きズレ低減、測定座標誤差の低減、測定後の基板Ｗのリワークが容易、終点検知用センサ出力の校正精度向上、脱着・搬送によるパーティクル付着低減などが挙げられる。

　図３４は、膜厚測定器８０のさらに他の実施形態を示す断面図である。この実施形態では、膜厚測定器８０は、液体供給ノズル９０を通じて液体（例えば、純水、薬液、スラリー）を膜厚測定部位に供給し、この膜厚測定部位を液体に浸した状態で基板Ｗからの反射光の干渉状態を測定する。液体を液体供給ノズル９０を通じて供給しながら、液体を廃液路８９を通じて排出し、液体のリフレッシュを行い不純物の排除を行う。基板Ｗは研磨ヘッド１０に設置してあるため、基板Ｗの回転および並進運動が可能である。例えば、基板Ｗを研磨ヘッド１０で回転させながら基板Ｗ上の任意の複数点での膜厚を測定して膜厚分布を求めることが可能となる。一実施形態では、図３４に示す膜厚測定器８０は研磨テーブル３の脇（近傍）に膜厚測定器８０を設置してもよい。

　図３５は、表面に凹凸段差を有する基板を研磨する方法の一実施形態を説明する図である。一般に、基板の露出面の状態が変化したとき（例えば、露出膜が除去されて下層膜が露出したとき、あるいは露出面の段差が解消されたとき）、基板の研磨条件が変更される。基板の研磨条件には、例えば、基板を研磨パッドの研磨面に対して押し付ける力が含まれる。以下に説明する実施形態は、段差解消点とその前または後の膜厚測定点とに基づいて研磨条件の変更点を決定する方法を提供するものである。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、先に説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。

　上記研磨装置は、基板Ｗ（ターゲットウェーハまたはターゲット基板）と同じ積層構造を有する参照基板（または参照ウェーハ）の研磨を開始する。参照基板の研磨開始から研磨終点までの間に、少なくとも２回、参照基板の研磨は一時的に中断され、参照基板の膜厚は膜厚測定器８０により測定される。より具体的には、膜厚測定器８０は、参照基板の複数の測定点での膜厚（すなわち膜厚プロファイル）を測定する。膜厚測定器８０にて膜厚が測定された後、参照基板の研磨が再度開始され、最終的に研磨終点に達するまで参照基板が研磨される。このようにして、参照基板は、膜厚測定器８０により膜厚（すなわち膜厚プロファイル）が複数回測定される。

　動作制御部９は、図３５に示すような第１トルク波形を生成する。第１トルク波形は、参照基板を研磨しているときに研磨装置（例えば、研磨テーブル３および／または研磨ヘッド１０）に必要なトルクの研磨時間に沿った変化を表す。さらに、動作制御部９は、第１トルク波形の特徴点から段差解消点Ｂを決定する。この特徴点とは、例えば第１トルク波形の傾きがしきい値を越えて変化する点である。第１トルク波形は、動作制御部９の記憶装置９ａ内に格納される。

　図３５の記号Ｄおよび記号Ｅは、膜厚測定器８０により参照基板の複数の測定点での膜厚が測定された膜厚測定点を示している。膜厚測定点Ｄは、参照基板の表面段差が解消された後の時点であり、膜厚測定点Ｅは参照基板の表面段差が解消される前の時点である。表面段差が解消されたか否かは、参照基板の膜厚プロファイルから分かる。

　さらに、動作制御部９は、膜厚測定点Ｄおよび膜厚測定点Ｅのうちのいずれか一方と、段差解消点Ｂとの間にある研磨条件変更点Ｆを決定する。一例では、研磨条件変更点Ｆは、段差解消点Ｂからの所定の時間、または第１トルク波形の変化に基づいて決定される。

　次に、ターゲット基板である基板Ｗが上記研磨装置により研磨される。動作制御部９は、基板Ｗの研磨中に第２トルク波形を生成する。第２トルク波形は、基板Ｗを研磨しているときに研磨装置（例えば、研磨テーブル３および／または研磨ヘッド１０）に必要なトルクの研磨時間に沿った変化を表す。基板Ｗと参照基板は同じ積層構造を有しているので、第１トルク波形と第２トルク波形は相似形である。動作制御部９は、第２トルク波形を生成しながら、第２トルク波形上の点が研磨条件変更点Ｆに一致する点を決定し、その決定された点で基板Ｗの研磨条件を変更する。本実施形態によれば、参照基板の段差解消点と膜厚測定点とから、研磨条件の最適な変更点を決定することができる。

　膜厚測定点Ｄと段差解消点Ｂとの間、すなわち段差解消点Ｂの後である研磨条件変更点Ｆを決定する実施形態は、段差解消の変化が緩やかな場合に有効である。つまり、段差解消状態や膜厚分布が膜厚測定点Ｄにおいて問題の無いレベル（段差が十分に解消されている、あるいは膜厚均一性が高い）の場合に有効である。

　膜厚測定点Ｅと段差解消点Ｂとの間、すなわち段差解消点Ｂの前である研磨条件変更点Ｆを決定する実施形態は、段差解消の変化が急な場合に有効である。さらに膜厚測定点Ｄにおいて膜厚分布の不均一性が大きくなっていたり、スペック上の劣化が見られる場合は、動作制御部９は、膜厚測定点Ｅと段差解消点Ｂとの間、すなわち段差解消点Ｂの前である研磨条件変更点Ｆを決定する。

　このように、全体的な波形の変化、変化点の前後の変化の緩急により研磨条件の変更点を決定することが可能となり、膜分布均一性がよい効率的な研磨を行う事が可能となる。

　波形予測ではＡＩ（人工知能）を用いることも可能である。蓄積されたデータのデータセットを用いて学習した学習済モデルにより波形予測を行いながら研磨条件変更点を求めることが可能となる。

　次に、学習済みモデルを用いて、基板Ｗの段差解消を予測する研磨方法の一実施形態について、図３６を参照して説明する。特に説明しない本実施形態の構成及び動作は、上述した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。

　動作制御部９は、その記憶装置９ａ内に格納された段差解消予測モデルＭ１を有している。研磨装置は、研磨パッド２を支持する研磨テーブル３を回転させながら、研磨ヘッド１０によって基板Ｗを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付けて基板Ｗを研磨し、動作制御部９は、基板Ｗの研磨中に、基板Ｗを研磨面２ａに対して相対的に移動させるために必要なモータの駆動電流を示すトルク波形（テーブルモータ６の駆動電流波形、研磨ヘッドモータ１７の駆動電流波形、または揺動モータ１８の駆動電流波形）を生成し、トルク波形を段差解消予測モデルＭ１に入力し、段差解消予測モデルＭ１から、基板Ｗの表面の段差解消指標を出力する。

　段差解消指標は、現在のトルク波形から段差解消予測モデルＭ１によって算定された段差解消度合い（％、レベル、段差解消点までの時間などで表される）である。したがって、動作制御部９は、段差解消度合いに基づいて、基板Ｗの現在の表面段差と、段差解消点との差を算定することができる。動作制御部９は、段差解消点に到達したときに、基板Ｗの研磨条件を変更してもよい。

　段差解消予測モデルＭ１は、以下に示す複数の指標のうちの少なくとも１つをさらに出力するように構成されてもよい。
・基板Ｗの研磨条件を変更すべき点
・段差解消点の前後の予測トルク波形
・トルク波形の異常を示す警報
・段差解消時点と現時点でのトルク波形との差（時間、波形）
・研磨パッド２のドレッシング推奨

　段差解消予測モデルＭ１は、以下に示すバーチャルメトロロジーの複数の指標のうちの少なくとも１つをさらに出力するように構成されてもよい。
・段差解消時の予測膜厚プロファイル
・段差解消前後の予測膜厚プロファイル
・現時点と段差解消時の膜厚プロファイル変化予測
・凹凸解消前後の膜厚プロファイル変化に基づく研磨条件の切り替え予測時点

　段差解消予測モデルＭ１は、ディープラーニング、強化学習、量子コンピューティングなどの機械学習により構築された学習済みモデルである。学習済みモデルは、調整されたモデルまたは調整されたニューラルネットワークとも呼ばれる。機械学習に使用される訓練データは、少なくとも１つの訓練用基板を、その表面の段差が解消されるまで研磨したときに得られた複数の訓練用トルク波形を含む。より具体的には、訓練用基板を、その表面の段差が解消されるまで研磨しながら、動作制御部９は、訓練用基板を研磨面２ａに対して相対的に移動させるために必要なモータ（テーブルモータ６、研磨ヘッドモータ１７、または揺動モータ１８）の駆動電流を示す複数の訓練用トルク波形を生成する。さらに、動作制御部９は、複数の訓練用トルク波形と、正解ラベルとしての複数の段差解消度合いを含む訓練データを用いて機械学習を実行することにより段差解消予測モデルＭ１を構築する。

　学習済みモデルである段差解消予測モデルＭ１に入力されるトルク波形、および機械学習に使用される訓練用トルク波形は、加工されたトルク波形であってもよい。加工されたトルク波形の例としては、トルク波形にフィルターを適用することにより得られたトルク波形、トルク波形を増幅器により増幅させることにより得られたトルク波形が挙げられる。

　一実施形態では、訓練データは、研磨パッド２を使用して過去に研磨された基板の枚数をさらに含んでもよい。動作制御部９は、トルク波形に加えて、研磨パッド２を使用して過去に研磨された基板の枚数を段差解消予測モデルＭ１に入力するように構成されてもよい。研磨パッド２を使用して過去に研磨された基板の枚数は、研磨パッド２の減耗に関係し、段差解消点に到達するまでの研磨時間に影響を与えると予想される。したがって、本実施形態は、より正確な段差解消指標を出力することができる。

　段差解消予測モデルＭ１に入力される入力データは、トルク波形に加えて、以下に示すデータのうちの少なくとも１つをさらに含んでもよい。
・膜厚センサ２０の出力信号
・膜厚センサ２０の加工された出力信号
・ドレッシング後の研磨パッド２を使用して過去に研磨された基板の枚数

　訓練データは、以下に示す入力データのうちの少なくとも１つをさらに含んでもよい。
・研磨パッド２を使用して過去に研磨された基板の枚数と、各基板の研磨レート
・研磨パッド２を使用して過去に研磨された基板の枚数と、各基板の研磨レートプロファイル
・ドレッシング後の研磨パッド２を使用して過去に研磨された基板の枚数

　次に、学習済みモデルを用いて、基板Ｗの段差解消を予測する研磨方法の他の実施形態について、図３７を参照して説明する。特に説明しない本実施形態の構成及び動作は、上図３６を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。

　図３７に示すように、動作制御部９は、段差解消予測モデルＭ１に加え、その記憶装置９ａ内に格納された研磨終点予測モデルＭ２を有している。動作制御部９は、基板Ｗの研磨中に、トルク波形を研磨終点予測モデルＭ２に入力し、研磨終点予測モデルＭ２から、基板Ｗの研磨終点指標を出力するように構成されている。研磨終点予測モデルＭ２に入力されるトルク波形は、段差解消予測モデルＭ１に入力されるトルク波形と同じである。研磨終点指標は、現時点と研磨終点との差を示す指標（％、レベル、研磨終点までの時間などで表される）である。

　研磨終点予測モデルＭ２は、ディープラーニング、強化学習、量子コンピューティングなどの機械学習により構築された学習済みモデルである。学習済みモデルは、調整されたモデルまたは調整されたニューラルネットワークとも呼ばれる。機械学習に使用される訓練データは、少なくとも１つの訓練用基板を、その研磨終点に達するまで研磨したときに得られた複数の訓練用トルク波形（テーブルモータ６の駆動電流波形、研磨ヘッドモータ１７の駆動電流波形、または揺動モータ１８の駆動電流波形）を含む。より具体的には、訓練用基板を、その研磨終点に達するまで研磨しながら、動作制御部９は、訓練用基板を研磨面２ａに対して相対的に移動させるために必要なモータ（テーブルモータ６、研磨ヘッドモータ１７、または揺動モータ１８）の駆動電流を示す複数の訓練用トルク波形を生成する。さらに、動作制御部９は、複数の訓練用トルク波形と、正解ラベルとしての複数の研磨終点指標を含む訓練データを用いて機械学習を実行することにより研磨終点予測モデルＭ２を構築する。

　研磨装置は、研磨パッド２を支持する研磨テーブル３を回転させながら、研磨ヘッド１０によって基板Ｗを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付けて基板Ｗを研磨し、動作制御部９は、基板Ｗの研磨中に、基板Ｗを研磨面２ａに対して相対的に移動させるために必要なモータの駆動電流を示すトルク波形（テーブルモータ６の駆動電流波形、研磨ヘッドモータ１７の駆動電流波形、または揺動モータ１８の駆動電流波形）を生成し、トルク波形を段差解消予測モデルＭ１（学習済みモデル）に入力し、段差解消予測モデルＭ１から、基板Ｗの表面の段差解消指標を出力し、さらにトルク波形を研磨終点予測モデルＭ２（学習済みモデル）に入力し、研磨終点予測モデルＭ２から、基板Ｗの研磨終点指標を出力する。

　学習済みモデルである研磨終点予測モデルＭ２に入力されるトルク波形、および機械学習に使用される訓練用トルク波形は、加工されたトルク波形であってもよい。加工されたトルク波形の例としては、トルク波形にフィルターを適用することにより得られたトルク波形、トルク波形を増幅器により増幅させることにより得られたトルク波形が挙げられる。

　一実施形態では、研磨終点予測モデルＭ２の構築のための機械学習に使用される訓練データは、研磨パッド２を使用して過去に研磨された基板の枚数をさらに含んでもよい。動作制御部９は、トルク波形に加えて、研磨パッド２を使用して過去に研磨された基板の枚数を研磨終点予測モデルＭ２に入力するように構成されてもよい。研磨パッド２を使用して過去に研磨された基板の枚数は、研磨パッド２の減耗に関係し、研磨終点に到達するまでの研磨時間に影響を与えると予想される。したがって、本実施形態は、より正確な研磨終点指標を出力することができる。

　研磨終点予測モデルＭ２に入力される入力データは、トルク波形に加えて、以下に示すデータをさらに含んでもよい。
・膜厚センサ２０の出力信号
・膜厚センサ２０の加工された出力信号
・ドレッシング後の研磨パッド２を使用して過去に研磨された基板の枚数

　研磨終点予測モデルＭ２の構築のための機械学習に使用される訓練データは、以下に示す入力データをさらに含んでもよい。
・研磨パッド２を使用して過去に研磨された基板の枚数と、各基板の研磨レート
・研磨パッド２を使用して過去に研磨された基板の枚数と、各基板の研磨レートプロファイル
・ドレッシング後の研磨パッド２を使用して過去に研磨された基板の枚数

　次に、学習済みモデルを用いて、基板Ｗの段差解消を予測する研磨方法の他の実施形態について、図３８を参照して説明する。特に説明しない本実施形態の構成及び動作は、上図３７を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。図３８に示す研磨装置は、基板Ｗを仮想空間内で仮想的に研磨する仮想研磨装置１１０をさらに備えている。この仮想研磨装置１１０は、膜厚センサ２０に接続されており、基板Ｗの膜厚を示す膜厚信号を基板Ｗの研磨中に膜厚センサ２０から受け取る。

　仮想研磨装置１１０は、プログラムが格納された記憶装置１１０ａと、プログラムに含まれる命令に従って演算を実行する処理装置１１０ｂを備えている。処理装置１１０ｂは、記憶装置１１０ａに格納されているプログラムに含まれ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１１０ａは、処理装置１１０ｂ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。仮想研磨装置１１０は、少なくとも１台のコンピュータから構成されている。ただし、仮想研磨装置１１０の具体的構成はこの例に限定されない。

　仮想研磨装置１１０は、動作制御部９に接続されている。動作制御部９の段差解消予測モデルＭ１から出力された段差解消指標は、仮想研磨装置１１０に送られるように構成されている。さらに、動作制御部９の研磨終点予測モデルＭ２から出力された研磨終点指標は、仮想研磨装置１１０に送られるように構成されている。

　仮想研磨装置１１０は、その記憶装置１１０ａ内に格納された初期膜厚プロファイルモデルＭ３、段差解消膜厚プロファイルモデルＭ４、および研磨終点膜厚プロファイルモデルＭ５を有している。仮想研磨装置１１０は、基板Ｗの膜厚を示す膜厚信号を膜厚センサ２０から受け取り、膜厚信号を初期膜厚プロファイルモデルＭ３に入力し、基板Ｗの仮想初期膜厚プロファイルを初期膜厚プロファイルモデルＭ３から出力する。

　動作制御部９の段差解消予測モデルＭ１から出力された段差解消指標が、基板Ｗの表面段差が解消されたことを示しているとき、仮想研磨装置１１０は、膜厚センサ２０から受け取った膜厚信号を段差解消膜厚プロファイルモデルＭ４に入力し、基板Ｗの仮想段差解消膜厚プロファイルを段差解消膜厚プロファイルモデルＭ４から出力する。

　動作制御部９の研磨終点予測モデルＭ２から出力された研磨終点指標が、基板Ｗの研磨終点に達したことを示しているとき、仮想研磨装置１１０は、膜厚センサ２０から受け取った膜厚信号を研磨終点膜厚プロファイルモデルＭ５に入力し、基板Ｗの仮想研磨終点膜厚プロファイルを研磨終点膜厚プロファイルモデルＭ５から出力する。

　初期膜厚プロファイルモデルＭ３、段差解消膜厚プロファイルモデルＭ４、および研磨終点膜厚プロファイルモデルＭ５は、ディープラーニング、強化学習、量子コンピューティングなどの機械学習により構築された学習済みモデルである。

　動作制御部９および仮想研磨装置１１０は、並列に処理を実行することができる。すなわち、動作制御部９が、段差解消予測モデルＭ１および研磨終点予測モデルＭ２を用いて段差解消指標および研磨終点指標をそれぞれ算定し、その一方で、仮想研磨装置１１０は、初期膜厚プロファイルモデルＭ３、段差解消膜厚プロファイルモデルＭ４、および研磨終点膜厚プロファイルモデルＭ５を用いて仮想初期膜厚プロファイル、仮想段差解消膜厚プロファイル、および仮想研磨終点膜厚プロファイルを生成することができる。

　一実施形態では、仮想研磨装置１１０は、段差解消膜厚プロファイルモデルＭ４または研磨終点膜厚プロファイルモデルＭ５のいずれかを有してもよい。さらに、一実施形態では、仮想研磨装置１１０は、初期膜厚プロファイルモデルＭ３、段差解消膜厚プロファイルモデルＭ４、および研磨終点膜厚プロファイルモデルＭ５に代えて、シミュレーションにより、仮想初期膜厚プロファイル、仮想段差解消膜厚プロファイル、および仮想研磨終点膜厚プロファイルを算定するように構成されてもよい。

　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。

　１　　　研磨モジュール
　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
　８　　　トルク測定装置
　９　　　動作制御部
１０　　　研磨ヘッド
１１　　　ヘッドシャフト
１３　　　ヘッド本体
１４　　　支軸
１５　　　ロータリージョイント
１６　　　揺動アーム
１７　　　研磨ヘッドモータ
１８　　　揺動モータ
１９　　　角度検出器
２０　　　膜厚センサ
２１　　　光学センサヘッド
２４　　　光源
２７　　　分光器
４０　　　リテーナリング
４２　　　ドライブリング
４５　　　弾性膜
４６，４７，４８，４９　　圧力室
５０　　　リテーナリング圧力室
５２　　　リテーナリング押圧装置
５３　　　ピストン
５４　　　ローリングダイヤフラム
６０　　　ハウジング
６１　　　ロード／アンロード部
６３　　　研磨部
６４　　　スイングトランスポータ
６５　　　ロードポート
６６　　　ローダー（搬送ロボット）
６７　　　第１仮置き台
６８　　　第２仮置き台
６９　　　搬送ロボット
７０　　　洗浄部
７４　　　第１洗浄モジュール
７５　　　第２洗浄モジュール
７６　　　第３洗浄モジュール
７７　　　乾燥モジュール
７８　　　リニアトランスポータ
８０　　　膜厚測定器
８２　　　投光部
８５　　　受光部
８７　　　ガス供給ノズル
８９　　　廃液路
９０　　　液体供給ノズル
１００　　シリコン層
１０１　　ストッパ層
１０２　　絶縁膜
１１０　　仮想研磨装置
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５　　圧力レギュレータ

Claims

　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する工程と、
　前記基板を研磨しながら、トルク波形を生成する工程と、
　前記基板の研磨前に蓄積した複数の参照トルク波形から１つの参照トルク波形を選択する工程を備え、
　前記トルク波形を生成する工程は、前記研磨テーブルを回転させるためのトルクの測定値、前記研磨ヘッドをその軸心を中心に回転させるためのトルクの測定値、または前記研磨ヘッドを前記研磨面に沿って揺動させるためのトルクの測定値からトルク波形を生成する工程であり、
　前記基板を研磨する工程は、前記基板の膜厚が段差解消膜厚に到達する前の前記基板の研磨工程である段差研磨工程と、前記段差研磨工程の後に実行される平坦研磨工程を含み、
　前記段差研磨工程は、
　　第１関係式に基づいて算出された参照膜データの膜厚に基づいて前記基板上の複数の測定点における複数の膜厚を決定する工程と、
　　前記トルク波形と、前記選択された参照トルク波形とを比較し、前記段差研磨工程を終了すべきか否かを判断する工程を含み、
　前記平坦研磨工程は、第２関係式に基づいて算出された参照膜データの膜厚に基づいて前記基板上の複数の測定点における複数の膜厚を決定する工程を含む、研磨方法。
　前記基板の研磨前に蓄積した複数の参照トルク波形から１つの参照トルク波形を選択する工程は、研磨前の前記基板の膜厚プロファイルおよび前記基板の種類に基づいて、前記複数の参照トルク波形から１つの参照トルク波形を選択する工程である、請求項１に記載の研磨方法。
　前記段差研磨工程を終了すべきか否かを判断する工程は、前記トルク波形の現在のトルクが前記選択された参照トルク波形から推定される段差解消点に達した場合、段差研磨工程を終了すべきと判断する工程である、請求項１または２に記載の研磨方法。
　前記段差研磨工程を終了すべきか否かを判断する工程は、
　　所定時間経過後、前記トルク波形の形状と、前記選択された参照トルク波形の現在の研磨時間に相当する研磨時間までの形状とを比較し、前記トルク波形の形状と、前記選択された参照トルク波形の形状の一致度を算出する工程と、
　　前記算出された一致度を所定の基準一致度と比較し、前記算出された一致度が前記所定の基準一致度以上の場合、前記選択された参照トルク波形から推定される段差解消点における研磨時間と前記現在の研磨時間との差を算出し、前記基板の研磨時間が、前記現在の研磨時間に前記差、または前記差に係数を掛けた値を加えた時間に達したときに、前記段差研磨工程を終了すべきと判断する工程を含む、請求項１または２に記載の研磨方法。
　　所定時間経過後、前記トルク波形の形状と、前記選択された参照トルク波形の現在の研磨時間に相当する研磨時間までの形状とを比較し、前記トルク波形の形状と、前記選択された参照トルク波形の形状の一致度を算出する工程と、
　　前記算出された一致度を所定の基準一致度と比較し、前記算出された一致度が前記所定の基準一致度以下の場合、研磨条件を変更する工程をさらに含む、請求項１または２に記載の研磨方法。
　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、
　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、
　前記基板の膜厚に従って変化する膜厚信号を出力する膜厚センサと、
　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、前記研磨ヘッドを回転させるためのトルク、または前記研磨ヘッドを前記研磨面に沿って揺動させるためのトルクを測定するトルク測定装置と、
　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、前記研磨テーブルを回転させるためのトルクの測定値、前記研磨ヘッドを回転させるためのトルクの測定値、または前記研磨ヘッドを前記研磨面に沿って揺動させるためのトルクの測定値からトルク波形を生成するように構成されており、
　前記動作制御部は、前記基板の研磨前に蓄積した複数の参照トルク波形から１つの参照トルク波形を選択するように構成されており、
　前記動作制御部は、前記基板の膜厚が段差解消膜厚に到達する前の前記基板の研磨工程である段差研磨工程と、前記段差研磨工程の後に実行される平坦研磨工程を実行するように構成されており、
　前記動作制御部は、前記段差研磨工程中、第１関係式に基づいて算出された参照膜データの膜厚に基づいて前記基板上の複数の測定点における複数の膜厚を決定するように構成されており、
　前記動作制御部は、前記段差研磨工程中、前記トルク波形と、前記選択された参照トルク波形とを比較し、前記段差研磨工程を終了すべきか否かを判断するように構成されており、
　前記動作制御部は、前記平坦研磨工程中、第２関係式に基づいて算出された参照膜データの膜厚に基づいて前記基板上の複数の測定点における複数の膜厚を決定するように構成されている、研磨装置。
　前記動作制御部は、研磨前の前記基板の膜厚プロファイルおよび前記基板の種類に基づいて、前記複数の参照トルク波形から１つの参照トルク波形を選択するように構成されている、請求項６に記載の研磨装置。
　前記動作制御部は、前記トルク波形の現在のトルクが前記選択された参照トルク波形から推定される段差解消点に達した場合、段差研磨工程を終了すべきと判断するように構成されている、請求項６または７に記載の研磨装置。
　前記動作制御部は、所定時間経過後、前記トルク波形の形状と、前記選択された参照トルク波形の現在の研磨時間に相当する研磨時間までの形状とを比較し、前記トルク波形の形状と、前記選択された参照トルク波形の形状の一致度を算出し、前記算出された一致度を所定の基準一致度と比較し、前記算出された一致度が前記所定の基準一致度以上の場合、前記選択された参照トルク波形から推定される段差解消点における研磨時間と前記現在の研磨時間との差を算出し、前記基板の研磨時間が、前記現在の研磨時間に前記差、または前記差に係数を掛けた値を加えた時間に達したときに、前記段差研磨工程を終了すべきと判断するように構成されている、請求項６または７に記載の研磨装置。
　前記動作制御部は、所定時間経過後、前記トルク波形の形状と、前記選択された参照トルク波形の現在の研磨時間に相当する研磨時間までの形状とを比較し、前記トルク波形の形状と、前記選択された参照トルク波形の形状の一致度を算出し、前記算出された一致度を所定の基準一致度と比較し、前記算出された一致度が前記所定の基準一致度以下の場合、前記研磨装置に研磨条件を変更する指令を発するように構成されている、請求項６または７に記載の研磨装置。
　前記膜厚センサは、光学式膜厚センサまたは渦電流センサである、請求項６に記載の研磨装置。
　前記基板の膜厚を測定する膜厚測定器をさらに備え、
　前記膜厚測定器は、前記研磨テーブルに取り付けられている、請求項６に記載の研磨装置。
　研磨パッドを支持する研磨テーブルを回転させながら、研磨ヘッドによって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、
　前記基板を研磨しながら、前記基板を前記研磨面に対して相対的に移動させるために必要なモータの駆動電流を示すトルク波形を生成し、
　前記トルク波形を段差解消予測モデルに入力し、
　前記段差解消予測モデルから、前記基板の表面の段差解消指標を出力する、研磨方法。
　前記段差解消予測モデルは、
　　訓練用基板を、その表面の段差が解消されるまで研磨しながら、前記訓練用基板を前記研磨面に対して相対的に移動させるために必要なモータの駆動電流を示す複数の訓練用トルク波形を生成し、
　　前記複数の訓練用トルク波形を含む訓練データを用いて機械学習を実行することにより構築された学習済みモデルである、請求項１３に記載の研磨方法。
　前記訓練データは、前記研磨パッドを使用して過去に研磨された基板の枚数をさらに含み、
　前記トルク波形に加えて、前記研磨パッドを使用して過去に研磨された基板の枚数を前記段差解消予測モデルに入力する、請求項１４に記載の研磨方法。
　前記トルク波形を研磨終点予測モデルに入力し、
　前記研磨終点予測モデルから、前記基板の研磨終点指標を出力することをさらに含む、請求項１３に記載の研磨方法。
　前記基板を仮想空間内で仮想的に研磨し、
　前記基板の仮想膜厚プロファイルを生成することをさらに含む、請求項１３に記載の研磨方法。