JP6085572B2 - 圧力制御装置および該圧力制御装置を備えた研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、ウェハなどの基板を研磨パッドに対して押し付けるための圧力室内の圧力を制御する圧力制御装置に関する。また、本発明は、このような圧力制御装置を備えた研磨装置に関する。

図１５は、ウェハを研磨するための研磨装置を示す模式図である。図１５に示すように、研磨装置は、研磨パッド２３を支持する研磨テーブル２２と、ウェハＷを研磨パッド２３に押し付けるトップリング３０とを備えている。研磨テーブル２２は、テーブル軸２２ａを介してその下方に配置されるテーブルモータ２９に連結されており、このテーブルモータ２９により研磨テーブル２２が矢印で示す方向に回転されるようになっている。研磨パッド２３は研磨テーブル２２の上面に貼付されており、研磨パッド２３の上面がウェハＷを研磨する研磨面２３ａを構成している。トップリング３０はトップリングシャフト２７の下端に固定されている。トップリング３０は、真空吸着によりその下面にウェハＷを保持できるように構成されている。

ウェハＷの研磨は次のようにして行われる。トップリング３０および研磨テーブル２２をそれぞれ矢印で示す方向に回転させ、研磨液供給機構２５から研磨パッド２３上に研磨液（スラリー）を供給する。この状態で、下面にウェハＷを保持したトップリング３０が下降されてウェハＷを研磨パッド２３の研磨面２３ａに押し付ける。ウェハＷの表面は、研磨液に含まれる砥粒の機械的作用と研磨液の化学的作用により研磨される。このような研磨装置は、ＣＭＰ（化学機械研磨）装置として知られている。

トップリング３０の下部には弾性膜から形成された圧力室（図１５には図示せず）が設けられている。この圧力室には加圧気体が供給され、圧力室内の圧力によりウェハＷの研磨パッド２３に対する研磨圧力が調整される。図１６は、トップリング３０の圧力室に気体（空気、または窒素など）を供給して圧力室内の圧力を制御する圧力制御装置１００を示す模式図である。図１６に示すように、圧力制御装置１００は、気体供給源から供給される気体の圧力を調整する圧力調整弁１０１と、圧力調整弁１０１の下流側の気体の圧力（二次側圧力）を測定する圧力センサ１０２と、圧力センサ１０２により取得された圧力値に基づいて圧力調整弁１０１の動作を制御するレギュレータ制御部１０３とを備えている。このような構成の圧力制御装置１００は、電空レギュレータとして知られている。

圧力調整弁１０１は、気体供給源から供給される気体の圧力を調整するパイロット弁１１０と、パイロット弁１１０に送られるパイロット空気の圧力を調整する給気用電磁弁１１１および排気用電磁弁１１２とを備えている。パイロット弁１１０は、一部がダイヤフラムから形成されたパイロット室１１５と、パイロット室１１５に連結された弁体１１６とを有している。パイロット空気は、給気用電磁弁１１１を通じてパイロット室１１５内に送られ、パイロット室１１５内のパイロット空気は排気用電磁弁１１２を通じて排気される。したがって、給気用電磁弁１１１および排気用電磁弁１１２を操作することにより、パイロット室１１５内の圧力が調整される。レギュレータ制御部１０３は電磁弁１１１，１１２の開閉動作を制御し、弁体１１６はパイロット室１１５内の圧力に従って移動する。弁体１１６の位置によって、気体供給源からの気体がパイロット弁１１０を通過し、またはパイロット弁１１０の下流側（二次側）の気体がパイロット弁１１０を通じて排気される。これによりパイロット弁１１０の下流側の気体の圧力、すなわち二次側圧力が調整される。

レギュレータ制御部１０３は、研磨装置の研磨制御部５０に接続されており、研磨制御部５０から送られる圧力指令値を受ける。レギュレータ制御部１０３は、圧力センサ１０２によって測定された気体の圧力現在値と圧力指令値との差がなくなるように給気用電磁弁１１１および排気用電磁弁１１２の動作を制御し、これによりトップリング３０の圧力室内の圧力を調整する。

特開２００１−１０５２９８号公報

しかしながら、上述した構成を有する圧力制御装置では、圧力の安定性または入力信号に対する応答性のいずれか一方が低いという問題がある。すなわち、圧力の安定性を向上させると、応答時間が長くなり、応答性を向上させると、圧力が不安定となる。

本発明は、圧力の安定性および入力信号に対する応答性の両方を向上させることができる圧力制御装置を提供することを目的とする。また、本発明はそのような圧力制御装置を備えた研磨装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、流体供給源から供給される流体の圧力を調整する圧力調整弁と、前記圧力調整弁によって調整された圧力を測定する第１の圧力センサと、前記第１の圧力センサの下流側に配置された第２の圧力センサと、外部から入力された圧力指令値と、前記第２の圧力センサによって測定された前記流体の第２の圧力値との差をなくすための補正指令値を生成するＰＩＤ制御部と、前記圧力指令値および前記補正指令値のうちのいずれか一方と、前記第１の圧力センサによって測定された前記流体の第１の圧力値との差がなくなるように前記圧力調整弁の動作を制御するレギュレータ制御部とを備え、前記ＰＩＤ制御部は、前記圧力指令値が変化した時点からＰＩＤ制御開始点まで、前記補正指令値の生成を停止し、前記ＰＩＤ制御開始点後は、前記補正指令値を生成するように構成され、前記レギュレータ制御部は、前記圧力指令値が変化した時点から前記ＰＩＤ制御開始点まで、前記圧力指令値と前記第１の圧力値との差がなくなるように前記圧力調整弁の動作を制御し、前記ＰＩＤ制御開始点後は、前記補正指令値と前記第１の圧力値との差がなくなるように前記圧力調整弁の動作を制御するように構成され、前記ＰＩＤ制御開始点は、予め設定された遅延時間が経過した時点であることを特徴とする圧力制御装置である。

本発明の他の態様は、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、基板を前記研磨テーブル上の前記研磨パッドに押し付けるトップリングと、前記トップリングの動作を制御する研磨制御部と、前記トップリングに接続された圧力制御装置とを備え、前記トップリングは、前記基板を前記研磨パッドに対して押し付けるための圧力室を備えた研磨装置であって、前記圧力室内の圧力は、前記圧力制御装置によって調整され、前記圧力制御装置は、流体供給源から供給される流体の圧力を調整する圧力調整弁と、前記圧力調整弁によって調整された圧力を測定する第１の圧力センサと、前記第１の圧力センサの下流側に配置された第２の圧力センサと、前記研磨制御部から入力された圧力指令値と、前記第２の圧力センサによって測定された前記流体の第２の圧力値との差をなくすための補正指令値を生成するＰＩＤ制御部と、前記圧力指令値および前記補正指令値のうちのいずれか一方と、前記第１の圧力センサによって測定された前記流体の第１の圧力値との差がなくなるように前記圧力調整弁の動作を制御するレギュレータ制御部とを備え、前記ＰＩＤ制御部は、前記圧力指令値が変化した時点からＰＩＤ制御開始点まで、前記補正指令値の生成を停止し、前記ＰＩＤ制御開始点後は、前記補正指令値を生成するように構成され、前記レギュレータ制御部は、前記圧力指令値が変化した時点から前記ＰＩＤ制御開始点まで、前記圧力指令値と前記第１の圧力値との差がなくなるように前記圧力調整弁の動作を制御し、前記ＰＩＤ制御開始点後は、前記補正指令値と前記第１の圧力値との差がなくなるように前記圧力調整弁の動作を制御するように構成され、前記ＰＩＤ制御開始点は、予め設定された遅延時間が経過した時点であることを特徴とする。

第１の圧力センサおよびレギュレータ制御部によって第１のループ制御が構成され、第２の圧力センサおよびＰＩＤ制御部によって第２のループ制御が構成される。外部からの圧力指令値（すなわち、目標圧力値）が変化した時点からＰＩＤ制御開始点までは、第２のループ制御は圧力の制御に関与せず、第１のループ制御のみが関与する。したがって、圧力制御装置は、圧力指令値の変化に迅速に追従して圧力を調整することができる。ＰＩＤ制御開始点後は、第１のループ制御および第２のループ制御の両方が圧力の制御に関与する。したがって、圧力制御装置は、安定して圧力を調整することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る圧力制御装置を備えた研磨装置を示す図である。 図２は、研磨装置のトップリングを示す断面図である。 図３は、研磨装置の一部を示す斜視図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る圧力制御装置を示す模式図である。 図５は、圧力制御装置の制御フローを示す図である。 図６は、ＰＩＤ制御部が動作せず、レギュレータ制御部のみが動作しているときの圧力制御装置の制御フローを示す図である。 図７は、研磨制御部から入力される圧力指令値の変化に従って変化する圧力現在値（第２の圧力値）を示すグラフである。 図８（ａ）および図８（ｂ）は、リニアリティ評価およびヒステリシス評価を説明する図である。 図９（ｂ）および図９（ｂ）は、安定性評価を説明する図である。 図１０（ｂ）および図１０（ｂ）は、繰り返し性評価を説明する図である。 図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、温度特性評価を説明する図である。 図１２は、図１６に示す従来の圧力制御装置の評価結果と、図４に示す圧力制御装置の評価結果を示す図である。 図１３は、誤差を含むインライン圧力センサの出力値を正しい出力値に補正するための補正式を説明するための図である。 図１４（ａ）はインライン圧力センサの出力値が補正される前のリニアリティおよびヒステリシスのグラフを示す図であり、図１４（ｂ）はインライン圧力センサの出力値が補正された後のリニアリティおよびヒステリシスのグラフを示す図である。 図１５は、ウェハを研磨するための研磨装置を示す模式図である。 図１６は、従来の圧力制御装置を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る圧力制御装置を備えた研磨装置を示す図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨パッド２３を支持する研磨テーブル２２と、研磨対象物であるウェハ等の基板を保持して研磨テーブル２２上の研磨パッド２３に押圧するトップリング（基板保持装置）３０とを備えている。

研磨テーブル２２は、テーブル軸２２ａを介してその下方に配置されるテーブルモータ２９に連結されており、そのテーブル軸２２ａ周りに回転可能になっている。研磨パッド２３は研磨テーブル２２の上面に貼付されており、研磨パッド２３の表面２３ａがウェハＷを研磨する研磨面を構成している。研磨テーブル２２の上方には研磨液供給機構２５が設置されており、この研磨液供給機構２５によって研磨テーブル２２上の研磨パッド２３上に研磨液Ｑが供給されるようになっている。

トップリング３０は、ウェハＷを研磨面２３ａに対して押圧するトップリング本体３１と、ウェハＷを保持してウェハＷがトップリング３０から飛び出さないようにするリテーナリング３２とを備えている。トップリング３０は、トップリングシャフト２７に接続されており、このトップリングシャフト２７は、上下動機構８１によりトップリングヘッド６４に対して上下動するようになっている。このトップリングシャフト２７の上下動により、トップリングヘッド６４に対してトップリング３０の全体を昇降させ位置決めするようになっている。トップリングシャフト２７の上端にはロータリージョイント８２が取り付けられている。

トップリングシャフト２７およびトップリング３０を上下動させる上下動機構８１は、軸受８３を介してトップリングシャフト２７を回転可能に支持するブリッジ８４と、ブリッジ８４に取り付けられたボールねじ８８と、支柱８６により支持された支持台８５と、支持台８５上に設けられたサーボモータ９０とを備えている。サーボモータ９０を支持する支持台８５は、支柱８６を介してトップリングヘッド６４に固定されている。
ボールねじ８８は、サーボモータ９０に連結されたねじ軸８８ａと、このねじ軸８８ａが螺合するナット８８ｂとを備えている。トップリングシャフト２７は、ブリッジ８４と一体となって上下動するようになっている。したがって、サーボモータ９０を駆動すると、ボールねじ８８を介してブリッジ８４が上下動し、これによりトップリングシャフト２７およびトップリング３０が上下動する。

トップリングシャフト２７はキー（図示せず）を介して回転筒６６に連結されている。この回転筒６６はその外周部にタイミングプーリ６７を備えている。トップリングヘッド６４にはトップリング回転モータ６８が固定されており、上記タイミングプーリ６７は、タイミングベルト６９を介してトップリング回転モータ６８に設けられたタイミングプーリ７０に接続されている。したがって、トップリング回転モータ６８を回転駆動することによってタイミングプーリ７０、タイミングベルト６９、およびタイミングプーリ６７を介して回転筒６６およびトップリングシャフト２７が一体に回転し、トップリング３０が回転する。トップリングヘッド６４は、フレーム（図示せず）に回転可能に支持されたトップリングヘッドシャフト８０によって支持されている。研磨装置は、トップリング回転モータ６８、サーボモータ９０をはじめとする装置内の各機器を制御する研磨制御部５０を備えている。

トップリング３０は、その下面にウェハＷを保持できるようになっている。トップリングヘッド６４はトップリングヘッドシャフト８０を中心として旋回可能に構成されており、下面にウェハＷを保持したトップリング３０は、トップリングヘッド６４の旋回によりウェハＷの受取位置から研磨テーブル２２の上方位置に移動される。ウェハＷの研磨は次のようにして行われる。トップリング３０および研磨テーブル２２をそれぞれ回転させ、研磨テーブル２２の上方に設けられた研磨液供給機構２５から研磨パッド２３上に研磨液Ｑを供給する。この状態で、トップリング３０を下降させてウェハＷを研磨パッド２３の研磨面２３ａに押圧する。ウェハＷは研磨パッド２３の研磨面２３ａに摺接され、これによりウェハＷの表面が研磨される。

次に、トップリング３０について説明する。図２は、トップリング３０を示す断面図である。トップリング３０は、トップリングシャフト２７に自由継手３９を介して連結されるトップリング本体３１と、トップリング本体３１の下方に配置されたリテーナリング３２とを備えている。

トップリング本体３１の下方には、ウェハＷに当接する柔軟なメンブレン（弾性膜）３４と、メンブレン３４を保持するチャッキングプレート３５とが配置されている。メンブレン３４とチャッキングプレート３５との間には、４つの圧力室（エアバッグ）Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４が設けられている。圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４はメンブレン３４とチャッキングプレート３５とによって形成されている。中央の圧力室Ｃ１は円形であり、他の圧力室Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は環状である。これらの圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は、同心上に配列されている。

圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４にはそれぞれ流体路Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４を介して気体供給源（流体供給源）４０により加圧空気等の加圧気体（加圧流体）が供給されるようになっている。また、圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４には、図示しない真空源によって負圧が形成されるようになっている。圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の内部圧力は互いに独立して変化させることが可能であり、これにより、ウェハ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、および周縁部に対する研磨圧力を独立に調整することができる。また、トップリング３０の全体を昇降させることにより、リテーナリング３２を所定の圧力で研磨パッド２３に押圧できるようになっている。

チャッキングプレート３５とトップリング本体３１との間には圧力室Ｃ５が形成され、この圧力室Ｃ５には流体路Ｆ５を介して上記気体供給源４０により加圧気体が供給されるようになっている。また、圧力室Ｃ５には、図示しない真空源によって負圧が形成されるようになっている。これにより、チャッキングプレート３５およびメンブレン３４全体が上下方向に動くことができる。ウェハＷの周端部はリテーナリング３２に囲まれており、研磨中にウェハＷがトップリング３０から飛び出さないようになっている。圧力室Ｃ３を構成する、メンブレン３４の部位には開口が形成されており、圧力室Ｃ３に真空を形成することによりウェハＷがトップリング３０に吸着保持されるようになっている。また、この圧力室Ｃ３に窒素ガスやクリーンエアなどを供給することにより、ウェハＷがトップリング３０からリリースされるようになっている。

トップリング本体３１とリテーナリング３２との間には、環状のローリングダイヤフラム３６が配置されおり、このローリングダイヤフラム３６の内部には圧力室Ｃ６が形成されている。圧力室Ｃ６は、流体路Ｆ６を介して上記気体供給源４０に連結されている。気体供給源４０は加圧気体を圧力室Ｃ６内に供給し、これによりリテーナリング３２を研磨パッド２３に対して押圧する。

圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６に連通する流体路Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６には、それぞれ電空レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６が設けられている。気体供給源４０からの加圧気体は、電空レギュレータＲ１〜Ｒ６を通って圧力室Ｃ１〜Ｃ６内に供給される。電空レギュレータＲ１〜Ｒ６は、気体供給源４０から供給される加圧気体の圧力を調整することによって、圧力室Ｃ１〜Ｃ６内の圧力を制御する。電空レギュレータＲ１〜Ｒ６はＰＩＤ制御部５に接続されており、ＰＩＤ制御部５は研磨制御部５０に接続されている。なお、ＰＩＤ制御部５は研磨制御部５０内に組み込まれてもよい。圧力室Ｃ１〜Ｃ６は大気開放弁（図示せず）にも接続されており、圧力室Ｃ１〜Ｃ６を大気開放することも可能である。

電空レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６と、加圧気体のユースポイントであるトップリング３０との間には、インライン圧力センサＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６が設けられている。これらインライン圧力センサＰ１〜Ｐ６は、圧力室Ｃ１〜Ｃ６に連通する流体路Ｆ１〜Ｆ６にそれぞれ設けられており、流体路Ｆ１〜Ｆ６内および圧力室Ｃ１〜Ｃ６内の圧力を計測する。

図３は、電空レギュレータＲ１〜Ｒ６およびインライン圧力センサＰ１〜Ｐ６の配置を示す斜視図である。図３に示すように、電空レギュレータＲ１〜Ｒ６は、トップリング回転モータ６８に取り付けられているが、インライン圧力センサＰ１〜Ｐ６は電空レギュレータＲ１〜Ｒ６およびトップリングヘッド６４から離間して配置されている。これは、トップリング回転モータ６８、ロータリージョイント８２などの熱源から発せられる熱に起因するインライン圧力センサＰ１〜Ｐ６の温度ドリフトを防ぐためである。これらの熱源から遠ざけるために、インライン圧力センサＰ１〜Ｐ６は、トップリングヘッド６４から離れて配置されている。より具体的には、インライン圧力センサＰ１〜Ｐ６は、トップリングヘッドカバー７１の外側であって、研磨装置の内部に配置されている。

インライン圧力センサＰ１〜Ｐ６は、温度が一定に保たれた雰囲気内に設置されることが好ましい。例えば、インライン圧力センサＰ１〜Ｐ６は、トップリングカバー７１の外などの研磨装置内の開放空間内に設置される。一般に、研磨装置が設置されるクリーンルームには調温装置が備えられており、クリーンルーム内の温度が一定に保たれる。したがって、インライン圧力センサＰ１〜Ｐ６の周囲雰囲気の温度が一定に保たれるように、これらインライン圧力センサＰ１〜Ｐ６をクリーンルーム内の温度に近い、研磨装置内の開放空間内に配置することが好ましい。例えば、インライン圧力センサＰ１〜Ｐ６を研磨装置の天井に配置してもよい。さらに、インライン圧力センサＰ１〜Ｐ６を研磨装置の外に設置してもよい。例えば、インライン圧力センサＰ１〜Ｐ６を研磨装置の外面上または研磨装置から離れた場所に置いてもよい。インライン圧力センサＰ１〜Ｐ６の計測点は、加圧気体のユースポイントであるトップリング３０にできるだけ近いことが好ましい。

研磨制御部５０は、各圧力室Ｃ１〜Ｃ６の目標圧力値である圧力指令値を生成するように構成されている。圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の圧力指令値は、各圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に対応するウェハ表面の領域での膜厚測定値に基づいて生成される。研磨制御部５０はＰＩＤ制御部５に圧力指令値を送信し、ＰＩＤ制御部５は、インライン圧力センサＰ１〜Ｐ６によって計測された圧力現在値と、対応する圧力指令値との差をなくすための補正指令値を生成する。ＰＩＤ制御部５は補正指令値を上記電空レギュレータＲ１〜Ｒ６に送り、圧力室Ｃ１〜Ｃ６内の圧力が対応する補正指令値に一致するように電空レギュレータＲ１〜Ｒ６が作動する。このように、複数の圧力室を持つトップリング３０は、研磨の進捗に従ってウェハの表面上の各領域を独立に研磨パッド２３に押圧できるので、ウェハＷの膜を均一に研磨することができる。

電空レギュレータＲ１〜Ｒ６，インライン圧力センサＰ１〜Ｐ６，およびＰＩＤ制御部５は、トップリング３０の圧力室Ｃ１〜Ｃ６内の圧力を調整する圧力制御装置１を構成する。電空レギュレータＲ１〜Ｒ６は互いに同一の構成を有し、並列に接続されている。同様に、インライン圧力センサＰ１〜Ｐ６は互いに同一の構成を有し、並列に接続されている。インライン圧力センサＰ１〜Ｐ６は、それぞれ電空レギュレータＲ１〜Ｒ６に直列に接続されている。複数の電空レギュレータおよび複数のインライン圧力センサに対応して複数のＰＩＤ制御部５を設けてもよい。本実施形態に係る圧力制御装置１は、複数の電空レギュレータＲ１〜Ｒ６および複数のインライン圧力センサＰ１〜Ｐ６を備えているが、１つの電空レギュレータおよび１つのインライン圧力センサのみを備えてもよい。

以下、説明を簡略化するために、１つの電空レギュレータＲ１および１つのインライン圧力センサＰ１を備えた圧力制御装置１の一実施形態について、図４を参照して説明する。図４に示すように、圧力制御装置１は、電空レギュレータＲ１と、この電空レギュレータＲ１の下流側（二次側）に配置されたインライン圧力センサＰ１と、このインライン圧力センサＰ１に接続されたＰＩＤ制御部５とを備えている。

電空レギュレータＲ１は、気体供給源４０から供給される気体の圧力を調整する圧力調整弁６と、圧力調整弁６の下流側の気体の圧力（二次側圧力）を測定する内部圧力センサ（第１の圧力センサ）７と、内部圧力センサ７によって取得された圧力値に基づいて圧力調整弁６の動作を制御するレギュレータ制御部８とを備えている。

圧力調整弁６は、気体供給源４０から供給される気体の圧力を調整するパイロット弁１０と、パイロット弁１０に送られるパイロット空気の圧力を調整する給気用電磁弁１１および排気用電磁弁１２とを備えている。パイロット弁１０は、一部がダイヤフラムから形成されたパイロット室１４と、パイロット室１４に連結された弁体１５とを有している。パイロット空気は、給気用電磁弁１１を通じてパイロット室１４内に送られ、パイロット室１４内のパイロット空気は排気用電磁弁１２を通じて排気される。したがって、給気用電磁弁１１および排気用電磁弁１２を操作することにより、パイロット室１４内の圧力が調整される。レギュレータ制御部８は電磁弁１１，１２の開閉動作を制御し、弁体１５はパイロット室１４内の圧力に従って移動する。弁体１５の位置によって、気体供給源４０からの気体がパイロット弁１０を通過し、またはパイロット弁１０の下流側（二次側）の気体がパイロット弁１０を通じて排気される。これによりパイロット弁１０の下流側の気体の圧力、すなわち二次側圧力が調整される。このような構成を有する電空レギュレータＲ１は、給気用電磁弁１１および排気用電磁弁１２のデューティ比を制御して圧力を調整するタイプの電空レギュレータであるが、本発明はこのタイプに限らず、比例制御弁式、フォースバランス式などの他のタイプの電空レギュレータにも本発明を適用することが可能である。

圧力調整弁６、レギュレータ制御部８、および内部圧力センサ（第１の圧力センサ）７は、一体に組み付けられて電空レギュレータＲ１を構成しているが、インライン圧力センサ（第２の圧力センサ）Ｐ１は電空レギュレータＲ１から分離している。インライン圧力センサＰ１は、内部圧力センサ７の下流側に配置され、電空レギュレータＲ１とトップリング３０との間に設置されている。このインライン圧力センサＰ１の圧力計側点は、ユースポイントであるトップリング３０の近くであることが好ましい。インライン圧力センサＰ１は、電空レギュレータＲ１の下流側の気体の圧力、すなわち流体路Ｆ１および圧力室Ｃ１内の現在の圧力を測定し、得られた圧力現在値をＰＩＤ制御部５に送る。

インライン圧力センサＰ１は、内部圧力センサ７よりも高い圧力測定精度を有している。より具体的には、圧力センサの圧力測定精度を表す指標として一般に使用されるリニアリティ、ヒステリシス、安定性、繰り返し性などのすべての評価項目において、インライン圧力センサＰ１は内部圧力センサ７を上回る精度を有している。

内部圧力センサ７およびインライン圧力センサＰ１は、圧力調整弁６の下流側に配置されている。したがって、内部圧力センサ（第１の圧力センサ）７は、圧力調整弁６の二次側の圧力を測定してその測定値（第１の圧力値）を取得し、さらにインライン圧力センサ（第２の圧力センサ）Ｐ１は、圧力調整弁６の二次側の圧力を測定してその測定値（第２の圧力値）を取得する。

図４に示すように、インライン圧力センサＰ１は研磨制御部５０にも接続されており、インライン圧力センサＰ１によって取得された圧力現在値は研磨制御部５０にも送られるようになっている。研磨制御部５０は、この圧力現在値を、トップリングの圧力室Ｐ１内の現在の圧力を示す値として使用し、圧力現在値に基づいて上述の圧力指令値を生成する。

ＰＩＤ制御部５は、研磨装置の研磨制御部５０に接続されている。研磨制御部５０によって生成された圧力指令値はＰＩＤ制御部５に送られるようになっている。ＰＩＤ制御部５は、圧力現在値と圧力指令値との差をなくすための補正指令値（アナログ信号）を生成し、その補正指令値をレギュレータ制御部８に送る。レギュレータ制御部８は、内部圧力センサ７から送られてくる圧力値と補正指令値との差をなくすように給気用電磁弁１１および排気用電磁弁１２の動作を制御する。

パイロット室１４内のパイロット空気は、パイロット弁１０の弁体１５を作動させ、これにより気体（空気、窒素など）の圧力が調整される。パイロット弁１０の下流側の気体の圧力は内部圧力センサ７により測定され、さらに内部圧力センサ７の下流側に配置されたインライン圧力センサＰ１により測定される。内部圧力センサ７により取得された圧力現在値はレギュレータ制御部８にフィードバックされ、インライン圧力センサＰ１により取得された圧力現在値はＰＩＤ制御部５にフィードバックされる。すなわち、圧力制御装置１は、二重ループ制御構造を有している。

図５は、圧力制御装置１の制御フローを示す図である。研磨装置の研磨制御部５０にて生成された圧力指令値Ｍ１はＰＩＤ制御部５に入力され、インライン圧力センサＰ１により取得された圧力現在値（第２の圧力値）Ｎ２もＰＩＤ制御部５に入力される。ＰＩＤ制御部５は、ＰＩＤ演算を行って、圧力指令値Ｍ１と圧力現在値Ｎ２との差をなくすための補正指令値Ｍ２を生成する。この補正指令値Ｍ２は電空レギュレータＲ１のレギュレータ制御部８に送られる。

レギュレータ制御部８は、補正指令値Ｍ２と内部圧力センサ７によって取得された圧力現在値（第１の圧力値）Ｎ１との差とを比較し、圧力現在値Ｎ１が補正指令値Ｍ２に等しくなるまで、電磁弁１１，１２の操作および圧力現在値Ｎ１の取得を繰り返す（第１のループ制御）。圧力現在値Ｎ１が補正指令値Ｍ２に等しい場合は、ＰＩＤ制御部５は、圧力指令値Ｍ１と圧力現在値Ｎ２とを比較する。圧力現在値Ｎ２が圧力指令値Ｍ１と等しくない場合は、ＰＩＤ制御部５は、圧力指令値Ｍ１と圧力現在値Ｎ２を再度取り込み、圧力指令値Ｍ１と圧力現在値Ｎ２との差をなくすための補正指令値Ｍ２を再度生成する。圧力現在値Ｎ２が圧力指令値Ｍ１に等しくなるまで、補正指令値Ｍ２の生成、第１のループ制御、および圧力現在値Ｎ２の取得が繰り返される（第２のループ制御）。第１のループ制御における圧力現在値Ｎ１のサンプリングタイムは、第２のループ制御における圧力現在値Ｎ２のサンプリングタイムよりも短いことが好ましい。

圧力指令値Ｍ１は研磨制御部５０からＰＩＤ制御部５に入力される。この圧力指令値Ｍ１は、ウェハの研磨の進捗によって変わりうる。圧力制御装置１には、このような圧力指令値Ｍ１の変化に迅速に応答してトップリング３０の圧力室Ｃ１〜Ｃ６内の圧力を変化させることが必要とされる。加えて、圧力制御装置１には、圧力室Ｃ１〜Ｃ６内の圧力を変化させた後にその圧力を安定させることも必要とされる。

そこで、圧力指令値Ｍ１の変化に迅速に応答するために、圧力制御装置１は、圧力指令値Ｍ１が変化したとき、ＰＩＤ制御部５のＰＩＤ動作を停止させ、レギュレータ制御部８のみを動作させる。図６は、ＰＩＤ制御部５が動作せず、レギュレータ制御部８のみが動作しているときの圧力制御装置１の制御フローを示す図である。圧力指令値Ｍ１が変化した直後は、図６に示すように、第１のループ制御のみが動作して圧力を調整する。第２のループ制御は動作しないので、圧力室Ｃ１〜Ｃ６内の圧力は圧力指令値Ｍ１の変化に速やかに追随して変化する。圧力指令値Ｍ１が変化し、さらに予め定められた遅延時間が経過した後は、第１のループ制御および第２のループ制御の両方が動作して圧力が制御される。したがって、圧力室Ｃ１〜Ｃ６内の圧力が安定する。

図７は、研磨制御部５０から入力される圧力指令値の変化に従って変化する圧力現在値（第２の圧力値）Ｎ２を示すグラフである。図７に示すように、時点ｔ１からＰＩＤ制御開始点ｔ３まで、ＰＩＤ制御部５は補正指令値Ｍ２の生成を停止する。時点ｔ１は、圧力指令値Ｍ１がＳＶ１からＳＶ２に変化した時点であり、ＰＩＤ制御開始点ｔ３は、上述した遅延時間（符号ＤＴで示される）が経過した時点である。ＰＩＤ制御部５が補正指令値Ｍ２の生成を停止している間、レギュレータ制御部８は、圧力指令値Ｍ１と圧力現在値（第１の圧力値）Ｎ１との差がなくなるように圧力調整弁６の動作を制御する。したがって、圧力指令値Ｍ１が変化した時点ｔ１からＰＩＤ制御開始点ｔ３まで、圧力調整弁６の二次側圧力は、レギュレータ制御部８によって制御される。

遅延時間ＤＴは、圧力指令値Ｍ１が変化した後に最初に所定の条件が満たされたときに始まる。この所定の条件は、変化した圧力指令値Ｍ１からの圧力現在値（第２の圧力値）Ｎ２の偏差が所定の範囲（−Ｅ〜＋Ｅ）内にあることである。図７に示すグラフでは、時点ｔ２が遅延時間ＤＴの始点である。この時点ｔ２では、変化した圧力指令値Ｍ１からの圧力現在値Ｎ２の偏差は所定の範囲（−Ｅ〜＋Ｅ）内にある。したがって、時点ｔ２は、圧力指令値Ｍ１が変化した後に初めて上記所定の条件が満たされた時点である。

図７の時点ｔ３は、予め設定された遅延時間ＤＴが終了した（経過した）時点である。この時点ｔ３が上述したＰＩＤ制御開始点である。このＰＩＤ制御開始点ｔ３で、ＰＩＤ制御部５は、補正指令値Ｍ２の生成を開始する。したがって、ＰＩＤ制御開始点ｔ３以降では、レギュレータ制御部８は、補正指令値Ｍ２と圧力現在値Ｎ１との差がなくなるように圧力調整弁６の動作を制御する。すなわち、ＰＩＤ制御開始点ｔ３以降では、第１のループ制御と第２のループ制御が同時に実行される。

図７の時点ｔ４は、圧力指令値Ｍ１がさらにＳＶ２からＳＶ３に変化した時点である。この時点ｔ４では、圧力指令値Ｍ１が変化すると同時に上述した所定の条件が満たされる。すなわち、圧力指令値Ｍ１が変化したとき、変化した圧力指令値Ｍ１からの圧力現在値（第２の圧力値）Ｎ２の偏差が所定の範囲（−Ｅ〜＋Ｅ）内にある。したがって、遅延時間ＤＴは時点ｔ４で始まり、時点ｔ５で終わる。この時点ｔ５は上述したＰＩＤ制御開始点である。このＰＩＤ制御開始点ｔ５で、ＰＩＤ制御部５は、補正指令値Ｍ２の生成を再び開始する。ＰＩＤ制御開始点ｔ５以降では、レギュレータ制御部８は、補正指令値Ｍ２と圧力現在値Ｎ１との差がなくなるように圧力調整弁６の動作を制御する。

次に、このように構成された圧力制御装置１の評価結果について説明する。上記構成の圧力制御装置１の評価を、リニアリティ、ヒステリシス、安定性、および繰り返し性の４項目について実施した。図８（ａ）および図８（ｂ）は、リニアリティ評価およびヒステリシス評価を説明する図である。リニアリティ評価は次のようにして実施した。図８（ａ）に示すように、気体の圧力を０から５００ｈＰａに直線的に上昇させ、その後０ｈＰａに直線的に減少させ、その間インライン圧力センサＰ１によって気体の圧力を測定した。

図８（ｂ）は、気体の圧力を０ｈＰａ→５００ｈＰａ→０ｈＰａと直線的に変化させたときにインライン圧力センサＰ１によって測定された圧力の値（センサ出力値）を示すグラフである。図８（ｂ）に示す理想直線は、気体の圧力を直線的に変化させたときに、理想的な圧力センサの出力値によって描かれる理想的な直線である。リニアリティは、理想直線上の理想値とインライン圧力センサＰ１の対応する出力値との差の最大値である。ヒステリシスは、圧力上昇時のセンサ出力値と圧力減少時のセンサ出力値との差の最大値である。

図９（ａ）および図９（ｂ）は、安定性評価を説明する図である。安定性評価は次のようにして実施した。図９（ａ）に示すように、気体の圧力を２５０ｈＰａに２時間維持し、その間インライン圧力センサＰ１によって気体の圧力を測定した。

図９（ｂ）は、２５０ｈＰａに維持された気体の圧力を２時間測定したときのインライン圧力センサＰ１の出力値を示すグラフである。図９（ｂ）に示すように、気体の圧力は一定であるが、インライン圧力センサＰ１の出力値は僅かに変動する。安定性は、圧力一定に維持された気体の圧力を所定時間測定したときのインライン圧力センサＰ１の出力値の最大値と最小値との差である。

図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、繰り返し性評価を説明する図である。繰り返し性評価は次のようにして実施した。図１０（ａ）に示すように、気体の圧力を０ｈＰａと２５０ｈＰａとの間で所定の時間間隔で切り替え、その間インライン圧力センサＰ１によって気体の圧力を測定した。

図１０（ｂ）は、気体の圧力を０ｈＰａと２５０ｈＰａとの間で定期的に切り替えたときにインライン圧力センサＰ１によって測定された圧力の値（センサ出力値）を示すグラフである。図１０（ｂ）に示すように、繰り返し性評価は、圧力を０ｈＰａと所定の値との間で繰り返し切り替え、圧力が上記所定の値にあるときに取得されたセンサ出力値の平均値である。

評価項目に、以下に説明する温度特性評価を含ませてもよい。図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、温度特性評価を説明する図である。温度特性評価は次のようにして実施される。図１１（ａ）に示すように、圧力２５０ｈＰａに維持した気体の温度を２５度から８０度に上昇させ、さらに２５度に低下させ、その間インライン圧力センサＰ１によって気体の圧力が測定される。

図１１（ｂ）は、気体の温度を２５度から８０度に上昇させ、さらに２５度に低下させたときにインライン圧力センサＰ１によって測定された圧力の値（センサ出力値）を示すグラフである。図１１（ｂ）に示すように、気体の圧力は一定であるが、センサ出力値は温度によって僅かに変動する。温度特性は、一定圧力の気体の温度を変化させたときのセンサ出力値の最大値と最小値との差である。

図１２は、図１６に示す従来の圧力制御装置の評価結果と、図４に示す圧力制御装置の評価結果を示す図である。図１２に示す総合評価点数は、リニアリティ、ヒステリシス、安定性、および繰り返し性の各評価項目の点数のうち最も悪い数値（最も大きな数値）を合計した数であり、点数が小さいほど測定精度が高いことを示している。図１２から分かるように、すべての評価項目において、本実施形態に係る圧力制御装置は、従来の圧力制御装置を上回っている。したがって、本発明に係る圧力制御装置は、トップリングの圧力室内の圧力を正確に制御することができる。

インライン圧力センサＰ１は、上述したように高精度の圧力センサではあるが、何らの原因によりインライン圧力センサＰ１の出力値が正しい値からずれることがある。このような場合には、インライン圧力センサＰ１の較正が行われる。インライン圧力センサＰ１の較正は、インライン圧力センサＰ１よりもさらに高精度の圧力センサ（以下、超高精度圧力センサという）を用いて行われる。超高精度圧力センサはインライン圧力センサＰ１に接続され、この状態で、気体の圧力を直線的に変化させる。気体の圧力は、超高精度圧力センサおよびインライン圧力センサＰ１により同時に測定され、これら圧力センサの出力値はＰＩＤ制御部５に送られる。

ＰＩＤ制御部５は、予め定められた複数の圧力値での超高精度圧力センサの出力値とインライン圧力センサＰ１の出力値とを比較し、複数の圧力値での出力値間の差を決定する。ＰＩＤ制御部５は、さらに、上記複数の圧力値での出力値間の差をなくすための変換式を生成する。この変換式は、インライン圧力センサＰ１の出力値を超高精度圧力センサの対応する出力値に変換するための式である。言い換えれば、変換式は、誤差を含むインライン圧力センサＰ１の出力値を正しい出力値に補正する補正式である。

図１３は、変換式を表す図である。図１３において、横軸は、インライン圧力センサＰ１の出力値（すなわち、補正前のセンサ出力値）を表し、縦軸は、超高精度圧力センサの出力値（すなわち、補正後のセンサ出力値）を表している。インライン圧力センサＰ１の出力値を補正するための変換式は、インライン圧力センサＰ１の出力値の関数として表され、図１３に示すように曲線グラフまたは折れ線グラフとして描かれる。インライン圧力センサＰ１の出力値を変換式に入力することにより、補正されたセンサ出力値を得ることができる。

図１４（ａ）はインライン圧力センサＰ１の出力値が補正される前のリニアリティおよびヒステリシスのグラフを示す図であり、図１４（ｂ）はインライン圧力センサＰ１の出力値が補正された後のリニアリティおよびヒステリシスのグラフを示す図である。図１４（ａ）のグラフと図１４（ｂ）のグラフとから分かるように、変換式によってリニアリティが改善される。したがって、補正されたセンサ出力値に基づいて、より正確な圧力制御が可能になる。

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。

１ 圧力制御装置
５ ＰＩＤ制御部
６ 圧力調整弁
７ 内部圧力センサ（第１の圧力センサ）
８ レギュレータ制御部
１０ パイロット弁
１１ 給気用電磁弁
１２ 排気用電磁弁
１４ パイロット室
１５ 弁体
２２ 研磨テーブル
２２ａ テーブル軸
２３ 研磨パッド
２３ａ 研磨面
２５ 研磨液供給機構
２７ トップリングシャフト
３０ トップリング
３１ トップリング本体
３２ リテーナリング
３４ 弾性膜（メンブレン）
３５ チャッキングプレート
３６ ローリングダイヤフラム
３９ 自由継手
４０ 気体供給源
５０ 研磨制御部
６４ トップリングヘッド
６６ 回転筒
６７ タイミングプーリ
６８ トップリング回転モータ
６９ タイミングベルト
７０ タイミングプーリ
７１ トップリングヘッドカバー
８０ トップリングヘッドシャフト
８１ 上下動機構
８２ ロータリージョイント
８３ 軸受
８４ ブリッジ
８５ 支持台
８６ 支柱
８８ ボールねじ
８８ａ ねじ軸
８８ｂ ナット
９０ サーボモータ
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６ 圧力室
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６ 流体路
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６ 電空レギュレータ
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６ インライン圧力センサ（第２の圧力センサ）

Claims (6)

1. 流体供給源から供給される流体の圧力を調整する圧力調整弁と、
   前記圧力調整弁によって調整された圧力を測定する第１の圧力センサと、
   前記第１の圧力センサの下流側に配置された第２の圧力センサと、
   外部から入力された圧力指令値と、前記第２の圧力センサによって測定された前記流体の第２の圧力値との差をなくすための補正指令値を生成するＰＩＤ制御部と、
   前記圧力指令値および前記補正指令値のうちのいずれか一方と、前記第１の圧力センサによって測定された前記流体の第１の圧力値との差がなくなるように前記圧力調整弁の動作を制御するレギュレータ制御部とを備え、
   前記ＰＩＤ制御部は、前記圧力指令値が変化した時点からＰＩＤ制御開始点まで、前記補正指令値の生成を停止し、前記ＰＩＤ制御開始点後は、前記補正指令値を生成するように構成され、
   前記レギュレータ制御部は、前記圧力指令値が変化した時点から前記ＰＩＤ制御開始点まで、前記圧力指令値と前記第１の圧力値との差がなくなるように前記圧力調整弁の動作を制御し、前記ＰＩＤ制御開始点後は、前記補正指令値と前記第１の圧力値との差がなくなるように前記圧力調整弁の動作を制御するように構成され、
   前記ＰＩＤ制御開始点は、予め設定された遅延時間が経過した時点であることを特徴とする圧力制御装置。
2. 前記遅延時間は、前記圧力指令値が変化した後に最初に所定の条件が満たされたときに始まり、前記所定の条件は、前記変化した圧力指令値からの前記第２の圧力値の偏差が所定の範囲内にあることであることを特徴とする請求項１に記載の圧力制御装置。
3. 前記第２の圧力センサは、リニアリティ、ヒステリシス、安定性、および繰り返し性を含む評価項目に関して、前記第１の圧力センサよりも高い圧力測定精度を有していることを特徴とする請求項１に記載の圧力制御装置。
4. 研磨パッドを支持する研磨テーブルと、
   基板を前記研磨テーブル上の前記研磨パッドに押し付けるトップリングと、
   前記トップリングの動作を制御する研磨制御部と、
   前記トップリングに接続された圧力制御装置とを備え、
   前記トップリングは、前記基板を前記研磨パッドに対して押し付けるための圧力室を備えた研磨装置であって、
   前記圧力室内の圧力は、前記圧力制御装置によって調整され、
   前記圧力制御装置は、
   流体供給源から供給される流体の圧力を調整する圧力調整弁と、
   前記圧力調整弁によって調整された圧力を測定する第１の圧力センサと、
   前記第１の圧力センサの下流側に配置された第２の圧力センサと、
   前記研磨制御部から入力された圧力指令値と、前記第２の圧力センサによって測定された前記流体の第２の圧力値との差をなくすための補正指令値を生成するＰＩＤ制御部と、
   前記圧力指令値および前記補正指令値のうちのいずれか一方と、前記第１の圧力センサによって測定された前記流体の第１の圧力値との差がなくなるように前記圧力調整弁の動作を制御するレギュレータ制御部とを備え、
   前記ＰＩＤ制御部は、前記圧力指令値が変化した時点からＰＩＤ制御開始点まで、前記補正指令値の生成を停止し、前記ＰＩＤ制御開始点後は、前記補正指令値を生成するように構成され、
   前記レギュレータ制御部は、前記圧力指令値が変化した時点から前記ＰＩＤ制御開始点まで、前記圧力指令値と前記第１の圧力値との差がなくなるように前記圧力調整弁の動作を制御し、前記ＰＩＤ制御開始点後は、前記補正指令値と前記第１の圧力値との差がなくなるように前記圧力調整弁の動作を制御するように構成され、
   前記ＰＩＤ制御開始点は、予め設定された遅延時間が経過した時点であることを特徴とする研磨装置。
5. 前記遅延時間は、前記圧力指令値が変化した後に最初に所定の条件が満たされたときに始まり、前記所定の条件は、前記変化した圧力指令値からの前記第２の圧力値の偏差が所定の範囲内にあることであることを特徴とする請求項４に記載の研磨装置。
6. 前記第２の圧力センサは、リニアリティ、ヒステリシス、安定性、および繰り返し性を含む評価項目に関して、前記第１の圧力センサよりも高い圧力測定精度を有していることを特徴とする請求項４に記載の研磨装置。

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