(57)【要約】【課題】加工における平坦性および均一性に対する要求を充分な精度で満たすことが可能な構成の加工装置、およびこの装置を用いた加工方法を提供する。【解決手段】基板Ｗを保持する基板保持機構１０と、基板Ｗを加工可能な研磨パッド２２と、基板保持機構１０に保持された基板Ｗと対向するように研磨パッド２２を保持する研磨ヘッド２０とを備え、研磨パッド２２を基板Ｗに当接させて当該基板Ｗの加工を行うように構成された研磨装置１であって、基板保持機構１０に設けられて可逆的に物理的特性を可変とする機能性材料Ｆ1が封入された可撓性容器１４と、機能性材料Ｆ1の物理的特性を制御する制御装置とを備え、機能性材料Ｆ1の物理的特性を制御装置により制御して、研磨パッド２２を基板Ｗに当接させたときに基板Ｗと研磨パッド２２との間に生じる接触圧力を調節するように構成される。【選択図】図９
2011083856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物を保持する対象物保持機構と、
前記加工対象物を加工可能な加工部材と、
前記対象物保持機構に保持された前記加工対象物と対向するように前記加工部材を保持する加工ヘッドとを備え、
前記加工部材を前記加工対象物に当接させて当該加工対象物の加工を行うように構成された加工装置であって、
可逆的に物理的特性を可変とする機能性材料が封入された１つ以上の可撓性容器と、
前記機能性材料の物理的特性を制御する可変制御部とを備え、
前記機能性材料が封入された前記可撓性容器は、前記対象物保持機構もしくは前記加工ヘッドに設けられて前記加工対象物もしくは前記加工部材を保持し、
前記機能性材料の物理的特性を前記可変制御部により制御して、前記加工部材を前記加工対象物に当接させたときに前記加工対象物と前記加工部材との間に生じる接触圧力を調節することを特徴とする加工装置。
【請求項２】
前記加工部材が、前記加工対象物を研磨加工可能な研磨布を有しており、
前記研磨布の硬度が、ＪＩＳ規格Ｋ６３０１で規定される研磨布硬度４０未満であることを特徴とする請求項１に記載の加工装置。
【請求項３】
前記加工部材の加工面を前記加工対象物の被加工面に当接させたときの前記加工部材と前記加工対象物との間の接触圧力を計測可能な測定器を設けて構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の加工装置。
【請求項４】
前記機能性材料が、電気粘性流体、磁気粘性流体、低融点合金のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の加工装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の加工装置を用いて、前記加工対象物と前記加工部材との間の接触圧力を調節して、前記加工部材により前記加工対象物を加工することを特徴とする加工方法。
【請求項６】
前記加工対象物における被加工面内の表面形状に応じて、前記被加工面内を選択的に加工することを特徴とする請求項５に記載の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体ウェハ等の基板や各種光学素子を加工する加工装置、およびこの加工装置を用いた加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハ等の被研磨物の表面を平坦研磨する加工装置として、半導体ウェハを保持する対象物保持機構と、半導体ウェハの被研磨面に当接して研磨を行うシート状の研磨パッドおよびこの研磨パッドを平面状に貼付保持する貼付面を有した研磨支持体とからなる研磨ヘッドとを備え、この研磨ヘッドを対象物保持機構に保持された半導体ウェハの被研磨面に当接させながら、対象物保持機構と研磨ヘッドとを相対移動させて半導体ウェハの被研磨面の研磨を行うように構成された研磨装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。また、このような機械的研磨に加え、研磨パッドと半導体ウェハとの接触面に研磨剤（スラリー）を供給して研磨剤の化学的作用により上記研磨を促進させる化学機械研磨を行うＣＭＰ装置も知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２００７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記のような研磨装置を用いて行う半導体ウェハの研磨プロセスにおいては、被研磨面の平坦性および研磨量の均一性に対する所定の要求が満たされる必要がある。このような半導体ウェハの研磨状態には、研磨パッドの材料硬軟が大きく影響し、研磨パッドが硬質である場合と軟質である場合とで、その研磨特性が大きく異なることが知られている。例えば、研磨パッドが軟質材料からなる場合には、半導体ウェハの表面の凹凸形状に倣い易く研磨量の均一性は向上するが、被研磨面の平坦性（平坦度）は低下するという問題がある。一方、研磨パッドが硬質材料からなる場合には、被研磨面の平坦性（平坦度）は向上するが、半導体ウェハ表面の凹凸形状に倣い難く研磨量の均一性は低下してしまうという問題があった。つまり、研磨加工において平坦性および均一性の確保はトレードオフの関係となるため、平坦性および均一性に対する所定の要求を共に確保するのが困難であった。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、加工における平坦性および均一性に対する要求を充分な精度で満たすことが可能な構成の加工装置、およびこの装置を用いた加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明を例示する第１の態様に従えば、加工対象物を保持する対象物保持機構と、加工対象物を加工可能な加工部材と、対象物保持機構に保持された加工対象物と対向するように加工部材を保持する加工ヘッドとを備え、加工部材を加工対象物に当接させて当該加工対象物の加工を行うように構成された加工装置であって、可逆的に物理的特性を可変とする機能性材料が封入された１つ以上の可撓性容器と、機能性材料の物理的特性を制御する可変制御部とを備え、機能性材料が封入された可撓性容器は、対象物保持機構もしくは加工ヘッドに設けられて加工対象物もしくは加工部材を保持し、機能性材料の物理的特性を可変制御部により制御して、加工部材を加工対象物に当接させたときに加工対象物と加工部材との間に生じる接触圧力を調節するように構成される。
【０００７】
本発明を例示する第２の態様に従えば、上記構成の加工装置を用いて、加工対象物と加工部材との間の接触圧力を調節して、加工部材により加工対象物を加工することを特徴とする加工方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、加工対象物の表面加工の平坦性および均一性に対する要求を充分な精度で満たすことが可能な加工装置、およびこの装置を用いた加工方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の適用例として示す第１の実施形態に係る研磨装置の構成図である。
【図２】軟質の研磨パッドを用いて基板を押圧したときの面圧分布を示す図である。
【図３】軟質の研磨パッドを用いて研磨したときの基板の径方向と研磨量との関係を示すグラフである。
【図４】軟質の研磨パッドが基板表面に倣った状態を説明するための図である。
【図５】硬質の研磨パッドを用いて基板を押圧したときの面圧分布を示す図である。
【図６】硬質の研磨パッドを用いて研磨したときの基板の径方向と研磨量との関係を示すグラフである。
【図７】硬質の研磨パッドが基板表面に倣い難い状態を説明するための図である。
【図８】機能性材料を利用して基板表面を研磨する方法を説明するための図である。
【図９】上記研磨装置の要部構成図である。
【図１０】上記研磨装置を用いて研磨パッドと基板とを接触させたときの面圧分布の変化を説明するための図である。
【図１１】第２の実施形態に係る研磨装置を示す要部構成図である。
【図１２】（Ａ）は均一系電気粘性流体の特性を示すグラフであり、（Ｂ）は分散系電気粘性流体の特性を示すグラフである。
【図１３】第３の実施形態に係る研磨装置を示す要部構成図である。
【図１４】第４の実施形態に係る研磨装置を示す要部構成図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明を適用した第１の実施形態に係る研磨装置の概略構成を図１に示している。この研磨装置１は、半導体ウェハやガラス基板等からなる研磨対象物たる基板Ｗをその上面側に着脱自在に保持する基板保持機構１０と、基板保持機構１０の上方に対向して設けられ下面側において研磨パッド２２が装着される研磨ヘッド２０と、研磨パッド２２の中心部から研磨剤を供給する研磨剤供給装置４０と、研磨パッド２２を下向きに加圧する加圧機構５０と、基板Ｗや研磨パッド２２の回転、基板Ｗに対する研磨パッド２２の昇降および揺動、研磨加工部への研磨剤の供給、研磨パッド２２の加圧等、研磨装置１の作動を統括的に制御する制御装置６０とを主体に構成される。この研磨装置１では、研磨パッド２２の寸法は基板Ｗの寸法よりも小さく、研磨パッド２２を基板Ｗに接触させた状態で双方を相対移動させることにより、基板Ｗの被研磨面（上面）全体を研磨できるようになっている。
【００１１】
基板保持機構１０は、基板Ｗを保持可能な保持テーブル１１と、この保持テーブル１１の下部から鉛直下方に延びるスピンドル１２とを備えており、図示しない電動モータを有して構成される基板回転機構１３によりスピンドル１２に回転駆動力を伝達して保持テーブル１１が図１に矢印Ｒで示すように垂直軸まわりに回転駆動させるようになっている。保持テーブル１１は、セラミック等の高剛性材料を用いて、その上面の形状を基板Ｗの形状に合わせた平面度の高い定盤状に形成され、この保持テーブル１１上に保持された基板Ｗの研磨対象面（すなわち被研磨面）が上向きの水平姿勢で保持される。
【００１２】
研磨ヘッド２０は、保持テーブル１１と同様の高剛性材料を用いて平面度の高い円板状に形成されたヘッド部材２１と、このヘッド部材２１の下面に取り付けられた研磨パッド２２（研磨布）と、ヘッド部材２１を支持して鉛直上方に延びるスピンドル２３とを備えている。研磨パッド２２は、全体として円状のフィルム状に形成されヘッド部材２１の下面に貼り付けられて研磨面が下向きの水平姿勢で保持される。研磨パッド２２は研磨によって経時的に劣化していく消耗品であるため、ヘッド部材２１の下面（研磨パッド取付面）に着脱可能に取り付け可能にして（例えば、接着剤による）、交換作業を容易にしている。また、研磨パッド２２を研磨パッド支持体に接着剤で固定し、この研磨パッド支持体をヘッド部材２１に真空吸着により取り付けることにより、研磨パッド２２をヘッド部材２１から着脱可能としてもよい。
【００１３】
スピンドル２３は、図示しない電動モータを有して構成されるヘッド回転機構３０を用いて図１に矢印Ｒ′で示すように垂直軸まわりに回転駆動されるようになっており、これにより研磨ヘッド２０全体を回転させて研磨パッド２２を水平面内で回転させることができる。また、スピンドル２３は、複数の図示しない電動モータを有して構成されるヘッド移動機構３１を用いて三次元的に平行移動可能に構成されており、これにより研磨ヘッド２０全体を垂直姿勢のまま三次元的、すなわち、上下、左右および前後方向に平行移動させることができる。
【００１４】
研磨剤供給装置４０は、図示しない配管を通じて、スピンドル２３、ヘッド部材２１および研磨パッド２２の中心部に上下に貫通して形成された研磨剤供給通路２４から研磨パッド２２の中心部（研磨パッド２２と基板Ｗとの当接部）に研磨剤を供給する。
【００１５】
加圧機構５０は、研磨ヘッド２０の内部に形成された加圧室（図示せず）にエアを供給して研磨パッド２２を下向きに加圧する、いわゆるエアバッグ式のパッド加圧機構により構成されており、ヘッド部材２１に保持された研磨パッド２２の研磨面（下面）を基板Ｗの被研磨面（上面）に当接させた状態で加圧室の圧力を制御することにより、基板Ｗと研磨パッド２２との接触圧力、すなわち研磨圧力を全体的に調節可能になっている。
【００１６】
制御装置６０は、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リード・オン・メモリ）、ＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）等からなる所謂マイクロコンピュータを有して構成されており、予め設定記憶された制御プログラムや、研磨対象に応じて読み込まれた加工プログラムに基づいて、基板保持機構１０、研磨ヘッド２０、研磨剤供給装置４０、加圧機構５０等の各作動を制御する。
【００１７】
このような構成の研磨装置１を用いて基板Ｗの研磨を行うには、まず、保持テーブル１１の上面側に研磨対象となる基板Ｗが取り付けられ（このとき基板Ｗの中心は保持テーブル１１の回転中心に一致させる）、制御装置５０から出力される基板回転信号により基板回転機構１３が作動して保持テーブル１１が矢印Ｒ方向へ回転駆動される。次に、制御装置５０がヘッド移動機構３１にヘッド移動信号を出力することで研磨ヘッド２０が基板Ｗの上方位置に移動し、ヘッド回転機構３０にヘッド回転信号を出力することで研磨ヘッド２１が矢印Ｒ′方向へ回転駆動する。続いて、制御装置６０がヘッド移動機構３１にヘッド移動信号を出力することで研磨ヘッド２０が下方へ移動し、研磨パッド２２の研磨面（下面）が基板Ｗの被研磨面（上面）に当接する。
【００１８】
次に、制御装置６０が加圧機構５０にエア供給信号を出力することで研磨ヘッド２０の圧力室内にエア圧が供給され、この圧力室内のエア圧を受けて研磨パッド２２が所定の研磨荷重（研磨圧力）で基板Ｗを押圧する。そして、制御装置６０がヘッド移動機構３１にヘッド移動信号を出力することで研磨ヘッド２０が略水平面内（研磨パッド２２と基板Ｗとの接触面の面内方向）で揺動する。このとき同時に、制御装置６０が研磨剤供給装置４０に研磨剤供給信号を出力することで研磨剤供給装置４０より研磨剤（例えば、シリカ粒を含んだ液状のスラリー）が圧送され、研磨パッド２２の下面側に研磨剤が供給される。これにより基板Ｗの被研磨面は、研磨剤の供給を受けつつ基板Ｗ自身の回転運動と、研磨ヘッド２０の（すなわち研磨パッド２２の）回転および揺動運動とにより研磨される。
【００１９】
ところで、このような研磨装置１を用いて行う基板Ｗの研磨プロセスに際しては、被研磨面の平坦性および当該面内での研磨量の均一性に対する所定の要求が満たされる必要がある。基板Ｗの研磨状態には、研磨パッド２２の材料硬軟が大きく影響しており、研磨パッド２２が軟らかい場合と硬い場合とでその研磨特性が大きく異なることが知られている。
【００２０】
ここで、研磨パッド２２において硬質材料を用いた場合と軟質材料を用いた場合とでの一般的な研磨特性を比較する。まず、軟質材料の研磨パッド２２を用いて面圧測定および研磨量測定を行った結果を以下に例示する。ここでは、内径４ｍｍ、外径２６６ｍｍのバフ用研磨布に厚さ０．５ｍｍのポロン層を貼り付けた二層構造の研磨布（研磨パッド２２）をヘッド部材２１に取り付けており、この研磨パッド２２としては、例えば、東レコーテックス社製［シーガル（スエードタイプ発泡ウレタン）］等が例示される。研磨パッド２２と基板Ｗとの間に、圧電素子をマトリクス状に並設した図示しないタクタイルセンサ（面圧分布センサ）を挿入し、加圧機構５０によって研磨パッド２２を基板Ｗに対して３ｐｓｉの圧力で加圧して得られた、研磨パッド２２と基板Ｗとの間に生じる圧力分布（接触圧力分布）を図２に示している。図２については、白色に近く色の薄い部分が高圧、黒色に近く色の濃い部分が低圧というように、色の濃淡によって圧力の高低がわかるようになっている（以下に示す、図５および図１０においても同様とする）。この図から、研磨パッド２２と基板Ｗとの間には、その接触面内において全体的に均一な圧力がかかっていることがわかる。
【００２１】
さらに、この加圧状態を維持したまま、研磨パッド回転数１００ｒｐｍ、基板回転数１０１ｒｐｍとし、研磨パッド２２を基板Ｗに対して所定の水平方向に２５ｍｍだけ揺動させて、基板Ｗとして直径３００ｍｍの酸化膜ウェハを研磨した結果を図３に示す。この図３は、基板Ｗの直径方向に対して被研磨面内での研磨量をプロットしたグラフである。この図からも、基板Ｗの被研磨面内（ウェハ面内）において均一な研磨量で研磨されていることがわかる。
【００２２】
このように、軟質の研磨パッド２２を用いた場合には、基板Ｗに均一な圧力（研磨圧力）がかかるため、研磨量の均一性が確保できることがわかる。ところが、基板Ｗ表面に図４に示すような凹凸形状がある場合、軟質の研磨パッド２２を使用して研磨を行うと、研磨パッド２２が基板Ｗ表面に倣ってその形状が大きく変形するため、平坦化したい部分（凸部分）を選択的に研磨できず（この場合でも被研磨面全体を一様な研磨量で研磨することとなるため）、基板Ｗの被研磨面の平坦性（平坦度）を確保するのが困難である。
【００２３】
続いて、硬質材料の研磨パッド２２を用いて面圧測定および研磨量測定を行った結果を以下に例示する。ここでは、内径４ｍｍ、外径２６６ｍｍの連続発泡ポリウレタンに厚さ０．５ｍｍのポロン層を貼り付けた二層構造の研磨布（研磨パッド２２）をヘッド部材２１に取り付けている。基板Ｗには直径３００ｍｍの酸化膜ウェハを用いて保持テーブル１１に固定保持（例えば、真空吸着等）している。研磨パッド２２と基板Ｗとの間に、圧電素子をマトリクス状に並設した図示しないタクタイルセンサ（面圧分布センサ）を挿入し、加圧機構５０によって研磨パッド２２を基板Ｗに対して３ｐｓｉの圧力で加圧して得られた、研磨パッド２２と基板Ｗとの間に生じる圧力分布（接触圧力分布）を図５に示している。この硬質の研磨パッド２２では、研磨パッド２２が基板Ｗの表面に適切に倣わず、また、パッドコンディションによる影響が大きく、例えば、研磨パッド２２の表面凹凸ムラ、研磨パッド２２の厚みムラ、接着層の厚みムラ、ヘッド部材２１への張りムラ（研磨パッド２２とヘッド部材２１との間に侵入した気泡による）などの影響により、研磨パッド２２と基板Ｗとが均一な接触圧力とはならないことがわかる。
【００２４】
さらに、この加圧状態を維持したまま、先ほどと同じ加工条件で基板Ｗ（酸化膜ウェハ）を研磨し、この基板Ｗの直径方向に対して被研磨面内での研磨量をプロットしたグラフを図６に示す。この場合、研磨圧力（接触圧力）が均一とはならないため、ウェハ中心部とその周辺部での研磨量が大きく異なり、基板Ｗ表面全体に亘って研磨量の均一性を確保するのが困難となる。一方、基板Ｗ表面に図７に示すような凹凸形状がある場合に硬質のパッド２２を使用して研磨を行うと、研磨パッド２２が基板Ｗ表面に倣い難いため被研磨面の平坦性は向上する。ただし、硬質の研磨パッド２２では、前述したように研磨パッド２２の各種ムラの影響を強く受け易いため、高い面精度での研磨パッド２２の維持管理が必要になるとともに、硬質の研磨パッド２２には傷が入り易いという欠点もあるため、パッドコンディションを最適に維持するのが困難であるという問題がある。
【００２５】
ここで、次式（１）にプレストン（Ｐｒｅｓｔｏｎ）の式を示す。
Ｑ＝Ｋ×Ｐ×Ｖ  …（１）
なお、Ｑを研磨速度とし、Ｋをプレストン係数とし、Ｐを研磨パッド２２と基板Ｗとの接触圧力（研磨圧力）とし、Ｖを研磨パッド２２と基板Ｗとの相対移動速度（剪断速度）とする。
【００２６】
このプレストンの式によれば、研磨速度は研磨パッド２２と基板Ｗとの相対移動速度と研磨圧力とに比例することがわかる。一般に、被研磨面内での相対移動速度（剪断速度）は当該面内の位置によらずほぼ一定であることから（相対移動速度が被研磨面内で常時一定となるような加工条件を採用するため）、被研磨面全体に亘って均一な研磨を行うためには（研磨量の均一性を確保するためには）、被研磨面上の各点において均一な研磨圧力が作用するように調節して、被研磨面上の各点において研磨速度を等しくすればよい。
【００２７】
一方、被研磨面の平坦性を確保するためには、平坦化したい領域もしくは修正したい領域に作用する研磨圧力が他の領域よりも相対的に高くなるように調節して、当該領域における研磨速度を他の領域よりも相対的に高くすればよい。ところが従来、基板Ｗに作用する研磨圧力の制御は、加圧機構５０により研磨パッド２２全体に対して一様な研磨荷重が加わるような制御であったため、被研磨面の各点に対して研磨圧力を個別に制御することができなかった。
【００２８】
そこで、本実施形態に係る研磨装置１では、軟質な研磨パッド２２を用いてパッド表面を被研磨面に倣わせつつ、可逆的に物理的特性が変化する機能性材料を用いて研磨パッド２２と基板Ｗとの接触面の各点に対して研磨圧力を個別に制御することにより、基板Ｗの表面研磨に対する均一性および平坦性の両立を図ることを可能としている。それでは、以下に、図８を追加参照して、研磨圧力を制御する方法について基本的な概念から説明する。
【００２９】
まず、図８（Ａ）に示すように、研磨対象物である基板Ｗを例えば可撓性の容器内に封入された機能性材料Ｆの上に載置する。このとき軟質の研磨パッド２２を用いて基板Ｗを押圧することで、基板Ｗの被研磨面（上面）全体に対して均一な圧力（接触圧力）が作用していると仮定する。ここで用いられる機能性材料Ｆとしては、比較的低温度で固体から液体に相転移する低融点合金や、電場の有無によってレオロジー特性が変化する電気粘性流体、磁場の有無によってレオロジー特性が変化する磁気粘性流体などが例示される。
【００３０】
この機能性材料Ｆを利用して、その物理的特性（例えば電気粘性流体においては弾粘性）を変化させた場合を図８（Ｂ）を追加参照して考えてみる。機能性材料Ｆにおける物理的特性が軟化した領域Ｅ1においては、基板Ｗを介して研磨パッド２２からの研磨圧力が印加されることで下方に変形するため、その領域Ｅ1においては上部に位置する基板Ｗおよび研磨パッド２２も下地に倣って下方に変形する。そのため、機能性材料Ｆにおける物理的特性が軟化した領域Ｅ1では、研磨パッド２２と基板Ｗとの間の研磨圧力が一部解放されて低下することとなる。そのため、物理的特性を変化（軟化）させた領域Ｅ1と変化させていない領域Ｅ2とで、基板Ｗと研磨パッド２２との間に生じる研磨圧力に違いを生じさせることができる。よって、このようにターゲットとなる領域ごとに機能性材料Ｆの物理的特性を変化させることで、研磨パッド２２と基板Ｗとの間に生じる研磨圧力を任意に制御することが可能になる。
【００３１】
また、上記で例示したように、基板Ｗ表面に凹凸形状が存在する場合には、まず、研磨したい凸部分以外の平坦な領域に対して機能性材料の物理的特性を軟化させることで、凸部分以外の領域に作用する研磨圧力を相対的に低くする。これにより、凸部分に作用する研磨圧力が相対的に高くなる。よって、凸部分に対する研磨速度が他よりも高くなるため、凸部分が大きく除去されていき、基板Ｗ表面が平坦化される。その後、機能性材料の物理的特性を元に戻す（物理的特性を全領域で均一に戻す）ことで、研磨パッド２２の研磨面と基板Ｗの被研磨面との接触面全面に均一な研磨圧力が作用することになり、基板Ｗの表面全面を均一な研磨量で研磨することができる。なお、基板Ｗの局所的な凹凸部分を選択的に研磨する、いわゆる修正研磨にも適用することができ、この場合には、凹凸部分を研磨除去して被研磨面が平坦化した時点で研磨を終了させることもできる。
【００３２】
なお、上記のように基板Ｗに作用する研磨圧力を制御するには、軟質性を有する研磨パッド２２を用いることが必要であり、例えば、ＪＩＳ規格Ｋ６３０１で規定される研磨布硬度４０未満を使用することが望ましい。これは、研磨パッド２２を基板Ｗに沿って倣わせることを前提として、ベースとなる機能性材料の物理的変化（例えば硬軟変化）に対応して、研磨パッド２２と基板Ｗとの間の研磨圧力（接触圧力）を変化させるからである。
【００３３】
次に、研磨装置１において機能性材料を用いて研磨圧力を制御可能な具体的構成について図９を追加参照して説明する。なお、ここでは基板保持機構１０により保持される研磨対象物たる基板Ｗとしては、いわゆる６０２５レクチル（縦１５２ｍｍ×横１５２ｍｍ×厚６．３５ｍｍ）を例示している。
【００３４】
基板保持機構１０において、保持テーブル１１の上面側には機能性材料として特定温度の融点を有する低融点合金Ｆ1が２つの可撓性容器１４（１４ａ，１４ｂ）にそれぞれ封入されて配設されている。低融点合金Ｆ1としては、例えば大阪アサヒメタル製［Ｕ−Ａｌｌｏｙ４７］が例示され、これはビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、鉛（Ｐｂ）からなる五元共晶合金を用いており、その融点が４７℃程度に調整されている。可撓性容器１４には、例えば、厚さ０．１ｍｍのポリプロピンフィルムを裁断し、レクチルマスク（基板Ｗ）に対応した大きさ（縦１５２．０ｍｍ×横７６．０ｍｍ）に熱融着させた袋状の容器が例示され、この容器内に低融点合金が２００ｇ程度だけ封入されている。この可撓性容器１４は、気密性を有するとともに、被接触物（被保持物）の外形に対応する柔軟性を有している。
【００３５】
可撓性容器１４と保持テーブル１１との間には、各可撓性容器１４に対応して電熱ヒータ１５，１５がそれぞれ配設されている。電熱ヒータ１５は電源装置１６に電気的に接続されており、制御装置６０から送られてくる制御信号に応じて電源装置１６から電力供給を受けることで駆動制御されている。よって、可撓性容器１４内の低融点合金Ｆ1は、特定温度よりも低温状態では固相状態に維持され、電熱ヒータ１５からの加熱を受けて特定温度以上に達することで溶融することとなる。
【００３６】
このような構成において、低融点合金Ｆ1の相転移を利用して研磨パッド２２と基板Ｗとの間の研磨圧力を部分的に制御可能であることを検証（シミュレーション）した結果を以下に示す。はじめに電熱ヒータ１５を駆動させて低融点合金Ｆ1の温度が融点（４７℃）以上に達するまで加熱し、両可撓性容器１４中の低融点合金Ｆ1を液相状態にそれぞれ保持した状態を想定する。低融点合金Ｆ1が液相状態において、両可撓性容器１４（低融点合金Ｆ1）の上面に基板Ｗを載置し、更にその上に圧電素子をマトリクス上に並設した図示しないタクタイルセンサ（面圧分布センサ）を挿入し、加圧機構５０によって研磨ヘッド２０を基板Ｗに対して３ｐｓｉの一様な圧力で加圧した場合を考えてみる。このような条件において、研磨パッド２２と基板Ｗとの間の圧力分布を厳密に計算した結果を図１０（Ａ）に示している。各可撓性容器１４内の低融点合金Ｆ1は共に液相状態であるため、研磨パッド２２と基板Ｗとの接触面全面に亘ってほぼ一様な研磨圧力となっているのがわかる。
【００３７】
このとき、一方の電熱ヒータ１５（図９において左側の電熱ヒータ１５）による加熱のみを中断して、当該一方側の可撓性容器１４ａ中に封入された低融点合金Ｆ1の温度を融点（４７℃）よりも低く調節した場合を想定すると、その低融点合金Ｆ1が液相状態から固相状態に転移すると考えられる。そのときの研磨パッド２２と基板Ｗとの間の圧力分布を厳密に計算した結果を図１０（Ｂ）に示す。低融点合金Ｆ1が固体化した状態の領域（図１０（Ｂ）に示す下部領域）において圧力が強く作用しているのがわかる。これは、他方側（図９において右側）の可撓性容器１４ｂ中に封入された液層状態の低融点合金Ｆ1上に載置された基板Ｗ部分が、研磨パッド２２からの押圧力を受けて可撓性容器１４ｂ（低融点合金Ｆ1）とともに相対的に下方に変形し、研磨パッド２２自体もこれに倣って変形することで、その実効圧力が低下したからである。
【００３８】
このように、機能性材料の物理的特性（低融点合金Ｆ1の固液相状態）を変化させ、基板Ｗおよび研磨パッド２２を機能性材料に倣わせることにより、狙い通りに研磨圧力に差が生じることが検証できた。
【００３９】
このように構成される本実施形態の研磨装置１によれば、機能性材料の物理的特性（低融点合金Ｆ1の温度を変化させて固液相状態）を制御することで、研磨パッド２２と基板Ｗとの接触面内の各点において研磨圧力を個別に制御することが可能になる。そのため、研磨パッド２２と基板Ｗとの間の研磨圧力を全体的に均一に調整することにより研磨量・研磨レート等の均一性を確保することができ、また、当該研磨圧力を局所的に変化させることにより基板Ｗ上の所望の部分をピンポイントで研磨することができるため被研磨面の平坦化も可能になる。すなわち、研磨装置１によれば、研磨パッド２２と基板Ｗとの接触面内の各点において研磨圧力を所望の大きさに変化させて、被研磨面の平坦性と研磨の均一性の両方を向上させることができる。
【００４０】
次に、第２の実施形態に係る研磨装置について説明する。この第２の実施形態に係る研磨装置１０１の要部構成を図１１に示している。なお、この実施形態においては、第１の実施形態と同一態様の要素構成については同一の符号を付して重複説明を省略し、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００４１】
本実施形態が上記第１の実施形態と異なるところは、上記第１の実施形態では基板保持機構１０に機能性材料（低融点合金Ｆ1）が設けられているのに対し、本実施形態では研磨ヘッド１２０に機能性材料（電気粘性流体Ｆ2）が設けられている点である。
【００４２】
第２の実施形態の研磨ヘッド１２０は、セラミック等の高剛性材料を用いて円板状に形成されたヘッド部材１２１と、ヘッド部材２１を支持して鉛直上方に延びるスピンドル１２３と、ヘッド部材１２１の下面側に設けられた複数の可撓性容器１２５と、可撓性容器１２５の下面側に設けられた複数の研磨パッド１２２とを備えている。
【００４３】
ヘッド部材１２１と複数の研磨パッド１２２との間には、各可撓性容器１２５を上下から挟み込むようにして共通電極１２６および複数の制御基板１２７が設けられている。共通電極１２６は１枚の電極からなり、各制御電極１２７は複数の研磨パッド１２２および可撓性容器１２５に対応して分割された電極からなる。共通電極１２６および複数の制御電極１２７は電源装置１２８に電気的に接続されており、制御装置６０から送られてくる制御信号に応じて電源装置１２８から電力供給を受けることで、両電極１２６，１２７間に位置する後述の電気粘性流体Ｆ2に電場（電圧）が印加される。
【００４４】
可撓性容器１２５には、機能性材料として外部から電圧（電場）を印加することによって粘弾性が可逆的に変化する電気粘性流体（ＥＲ流体）Ｆ2が封入されている。また、この可撓性容器１２５は、気密性を有するとともに、被接触物（被保持物）の外形に対応する柔軟性を有している。ここで、電気粘性流体Ｆ2は２種類あり、均一系電気粘性流体と分散系電気粘性流体とに分類される。均一系電気粘性流体は、図１２（Ａ）に示す物理的特性を有しており、外部から電場が印加されることで、この電気粘性流体が受ける剪断速度（ずり速度）に応じて剪断応力（ずり応力）が非線形的且つ可逆的に変化する非ニュートン流体である。一方、分散系電気粘性流体は、図１２（Ｂ）に示す物理的特性を有しており、電場が印加されると降伏値を持つビンガム流体である。本実施形態の電気粘性流体Ｆ2としては、均一系電気粘性流体を採用し、この均一系電気粘性流体Ｆ2に作用する剪断速度と電場とを制御することによって生じる物理的特性の変化を利用することとする。なお、この研磨装置１０１で基板Ｗの研磨を行った場合、均一系電気粘性流体Ｆ2に発生する剪断速度（ずり速度）は、研磨パッド１２２と基板Ｗとの相対移動速度に一致する。
【００４５】
このように構成される研磨装置１０１において、均一系電気粘性流体Ｆ2として液晶ポリシロキサンをベースとしたものを利用して研磨を行った場合に、研磨パッド１２２と基板Ｗとの間に生じる圧力分布を厳密に計算した結果を以下に示す。ここで研磨条件として、研磨パッド１２２と基板Ｗとを所定の圧力で均一に接触させつつ回転数２００ｒｐｍでともに回転させ、水平方向に２５ｍｍの相対揺動をさせた場合を考える。このような条件で研磨を行うと約２００ｓ-1のずり速度が均一系電気粘性流体Ｆ2に発生する。このとき、電源装置１２８より両電極１２６，１２７を介して均一系電気粘性流体Ｆ2に３ｋＶ／ｍの直流電場を印加した場合を想定すると、電場を印加しない場合と比較して約１ｐｓｉの圧力差（剪断応力差）が生じることが計算結果から得られる。すなわち、複数の可撓性容器１２５のうちで、電場を印加した容器１２５中の電気粘性流体と、電場を印加しなかった容器１２５中の電気粘性流体とでは、約１ｐｓｉの圧力差が生じることがわかる。よって、均一系電気粘性流体Ｆ2に印加する電場（電圧）の強度を制御装置６０によって調節することで、０ｐｓｉ〜１ｐｓｉの圧力領域において剪断応力（この場合は研磨パッド１２２と基板Ｗとの間の研磨圧力が変化することになる）を制御することが可能になる。研磨パッド１２２と基板Ｗとの相対移動速度を高めれば、更に制御可能な圧力範囲が広がることは図１２（Ａ）からも明らかである。
【００４６】
また、均一系電気粘性流体は分散系電気粘性流体と比べて、電場の有無によって変化する剪断応力の値が１０倍以上大きいため、分散系電気粘性流体を用いた場合と比較して基板Ｗの表面研磨において広い圧力範囲で制御可能であることがわかる。
【００４７】
このように構成される第２の実施形態の研磨装置１０１によれば、均一系電気粘性流体Ｆ2に印加する電場と剪断速度とを変化させてこの流体の物理的特性（剪断応力、粘弾性）を制御することにより、研磨パッド１２２と基板Ｗとの接触面内の各点において研磨圧力を個別に制御することが可能になる。そのため、研磨パッド１２２と基板Ｗとの間の研磨圧力を全体的に均一に調整することにより研磨量・研磨レート等の均一性を確保することができ、また、当該研磨圧力を局所的に変化させることにより基板Ｗ上の所望の部分をピンポイントで研磨することができるため被研磨面の平坦化も可能になる。そのため、第１の実施形態と同様に、研磨パッド１２２と基板Ｗとの接触面内の各点において研磨圧力を所望の大きさに変化させて、被研磨面の平坦性と研磨の均一性の両方を向上させることができる。
【００４８】
ところで、研磨加工においては長時間の使用等によって研磨パッド１２２が経時的変化を起こし、そのパッド表面が磨耗して厚みが薄くなるとともに、同時に軟質層の硬化が生じるおそれがある。また、研磨パッド１２２が研磨剤による侵食によって変形し難くなったり、研磨剤（薬液）の影響によりヘタリを起こして消耗するおそれもある。このため、研磨パッド１２２は初期の状態よりも硬く作用するとともに変形し難くなって（すなわち、基板表面に倣い難くなって）、研磨初期の状態と比較して研磨特性（研磨レートなど）が変化し、研磨後の基板Ｗの実寸法が製造規格値を逸脱するような不具合が発生するおそれがある。
【００４９】
この研磨装置１０１によれば、研磨パッド１２２とヘッド部材１２０との間に機能性材料（均一系電気粘性流体）Ｆ2が設けられているため、この均一系電気粘性流体Ｆ2の粘弾性（剪断応力）を変化させることで、研磨パッド１２２を所望の硬軟状態で用いることができる。例えば、研磨初期の研磨パッド１２２は変質が生じていないため、電気粘性流体Ｆ2に印加する電場の強度を強めて、基板Ｗに対して研磨パッド１２２本来の硬さで作用させる。基板Ｗの研磨によって研磨パッド１２２の磨耗等が進行した場合には、その分研磨パッド１２２の厚みが薄くなり（さらに軟質層の硬化が生じることもあり）、研磨パッド１２２が変形し難くなるため、研磨パッド１２２が本来の硬度よりも硬く作用することになるが、その場合には、電気粘性流体Ｆ2に印加する電場の強度を弱め、研磨パッド１２２に対して適度なクッション性を持たせることで、研磨パッド１２２を初期と同様の硬さで作用させることができる。このように研磨パッド１２２の見かけ上の硬さ（変形量）を制御することで、研磨パッド１２２の性能を長時間にわたって一定に保つことができ、長寿命化を実現することができる。
【００５０】
なお、研磨圧力の制御において、第１の実施形態でも示したような面圧分布センサにより計測した結果（圧力分布）を反映させて研磨パッド１２２と基板Ｗとの接触面内の各点の研磨圧力を制御してもよいし、研磨パッド１２２表面のドレッシングを行うパッドコンディション時のトルク変動や、膜厚計や終点検出器（Ｅｎｄ  Ｐｏｉｎｔ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）による研磨量変化をトリガにして接触面内の各点の研磨圧力を制御してもよい。
【００５１】
次に、第３の実施形態に係る研磨装置について説明する。この第３の実施形態に係る研磨装置２０１の要部構成を図１３に示している。なお、この実施形態においては、第１の実施形態と同一態様の要素構成については同一の符号を付して重複説明を省略し、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００５２】
本実施形態が上記第１の実施形態と異なるところは、上記第１の実施形態ではウェハ保持機構１０に機能性材料として低融点合金Ｆ1が設けられているのに対し、本実施形態では基板保持機構に機能性材料として電気粘性流体Ｆ3が設けられている点である。
【００５３】
第３の実施形態の基板保持機構２１０は、セラミック等の高剛性材料を用いて定盤状に形成された保持テーブル２１１と、保持テーブル２１１の上面側に配設された可撓性容器２１４と、可撓性容器２１４を挟み込むようにして上下に対向配置された電極２１５，２１６とを備えている。
【００５４】
共通電極２１５および複数の制御電極２１６は電源装置２１７に電気的にそれぞれ接続されており、制御装置６０から送られてくる制御信号に応じて電源装置２１７から電力供給を受けることで、両電極２１５，２１６間に位置する後述の電気粘性流体Ｆ3に電場（電圧）が印加される。なお、各制御電極２１６は、例えば半径方向に沿って等間隔に設けられている。
【００５５】
可撓性容器２１４には、機能性材料として外部から電圧（電場）を印加することによって粘弾性が可逆的に変化する電気粘性流体（ＥＲ流体）Ｆ3が封入されている。また、この可撓性容器２１４は、気密性を有するとともに、被接触物（被保持物）の外形に対応する柔軟性を有している。ここで、上述したように電気粘性流体Ｆ3は均一系電気粘性流体と分散系電気粘性流体とに分類されるが、本実施形態では、分散系電気粘性流体を用いることが望ましい。これは、基板Ｗを基板保持機構１０（チャック）側に真空吸着等により固定保持するための手段が設けられていない場合では、基板Ｗと研磨パッド２２との間に発生する剪断速度（相対移動速度）が効率よく電気粘性流体Ｆ3へ伝達されないため、剪断速度に応じて剪断応力が非線形に変化する均一系電気粘性流体を効率よく利用することができないからである。したがって、この場合には、降伏値（剪断速度ゼロにおいて電場の有無により剪断応力が異なる）を持つ分散系電気粘性流体を利用することで、剪断速度の大きさに拘らず、外部からの電場印加の有無によってのみでも剪断応力（この場合は研磨パッドと基板との間の研磨圧力）を大きく変化させることができる。つまり、剪断速度によらず分散系電気粘性流体Ｆ3に電場を印加すれば、降伏値以下の応力では分散系電気粘性流体Ｆ3をほぼ固体状態とみなして利用することができる。
【００５６】
このように構成される研磨装置２０１において、分散系電気粘性流体Ｆ3としてスルホン化ポリマー粒子をフッ素系分散溶媒に分散させたものを利用して研磨を行った場合に、研磨パッド２２と基板Ｗとの間に生じる圧力分布を厳密に計算した結果を以下に示す。ここで研磨条件として、研磨パッド２２と基板Ｗとを所定の圧力で一様に接触させつつ回転数２００ｒｐｍでともに回転させ、水平方向に２５ｍｍの相対揺動をさせた場合を考える。このとき、電源装置２１７より両電極２１５，２１６を介して分散系電気粘性流体Ｆ3に３ｋＶ／ｍの直流電場を印加した場合を想定すると、電場を印加しない場合と比較して約０．５ｐｓｉの応力差が生じることが計算結果から得られる。すなわち、可撓性容器２１４中で両電極２１５，２１６を介して電場が印加された分散系電気粘性流体Ｆ3の収容部分と、電場が印加されていない分散系電気粘性流体Ｆ3の収容部分では約０．５ｐｓｉの応力差が生じることがわかる。
【００５７】
このように構成される第３の実施形態の研磨装置２０１によれば、分散系電気粘性流体Ｆ3に印加する電場を変化させてこの流体の物理的特性（剪断応力、粘弾性）を制御することにより、研磨パッド２２と基板Ｗとの接触面内の各点において研磨圧力を個別に制御することが可能になる。そのため、研磨パッド２２と基板Ｗとの間の研磨圧力を全体的に均一に調整することにより研磨量・研磨レート等の均一性を確保することができ、また、当該研磨圧力を局所的に変化させることにより基板Ｗ上の所望の部分をピンポイントで研磨することができるため被研磨面の平坦化も可能になる。そのため、第１の実施形態と同様に、研磨パッド２２と基板Ｗとの接触面内の各点において研磨圧力を所望の大きさに変化させて、被研磨面の平坦性と研磨の均一性の両方を向上させることができる。また、研磨パッド２２と基板Ｗとの間に剪断速度（相対移動速度）が生じていない場合でも、電場の印加の有無によってのみでも分散系電気粘性流体Ｆ3の物理的特性を的確に変化させることができるため、その制御が簡単になり好ましい。
【００５８】
次に、第４の実施形態に係る研磨装置について説明する。この第４の実施形態に係る研磨装置３０１の要部構成を図１４に示している。なお、この実施形態においては、第１の実施形態と同一態様の要素構成については同一の符号を付して重複説明を省略し、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００５９】
本実施形態が上記第１の実施形態と異なるところは、上記第１の実施形態では基板保持機構１０に機能性材料（低融点合金Ｆ1）が設けられているのに対し、本実施形態では研磨ヘッド３２０に機能性材料（電気粘性流体Ｆ4）が設けられている点である。
【００６０】
第４の実施形態の研磨ヘッド３２０は、セラミック等の高剛性材料を用いて円板状に形成されたヘッド部材３２１と、ヘッド部材３２１の下面側に設けられた可撓性容器３２５と、可撓性容器３２５の下面側に設けられた研磨パッド３２２と、ヘッド部材３２１を支持して鉛直上方に延びるスピンドル３２３とを備えている。
【００６１】
ヘッド部材３２１と研磨パッド３２２との間には、可撓性容器３２５を上下から挟みこむようにして共通電極３２６と複数の制御電極３２７とが設けられている。共通電極３２６は１枚の電極からなり、複数の制御電極３２７は例えば半径方向に沿って複数に分割された電極からなる。共通電極３２６および複数の制御電極３２７は電源装置３２８に電気的に接続されており、制御装置６０から送られてくる制御信号に応じて電源装置３２８から電力供給を受けることで、両電極３２６，３２７間に位置する後述の電気粘性流体Ｆ4に電場（電圧）が印加される。
【００６２】
可撓性容器３２５には、機能性材料として外部から電場を印加することによって粘弾性が可逆的に変化する電気粘性流体Ｆ4が封入されている。また、この可撓性容器３２５は、気密性を有するとともに、被接触物（被保持物）の外形に対応する柔軟性を有している。ここでは電気粘性流体Ｆ4として、上述した均一系電気粘性流体および分散系電気粘性流体のいずれを用いてもよい。
【００６３】
本実施形態においては、共通基板３２６と各制御基板３２７との間で、相互に電場の強度を変更したり、電場をオンオフ切り換えたりすることで、各制御基板３２７近傍に収容された部分の電気粘性流体Ｆ４の物理的特性を変化させ、研磨パッド３２２の見かけ上の硬さを全体的または部分的に変更することができる。これにより、基板Ｗの研磨において、研磨パッド３２２と基板Ｗとの接触面内での各点の研磨圧力を任意に制御することができる。
【００６４】
このように構成される第４の実施形態の研磨装置３０１によれば、電気粘性流体Ｆ4に印加する剪断速度や電場を変化させてこの流体の物理的特性（剪断応力、粘弾性）を制御することにより、研磨パッド３２２と基板Ｗとの接触面内の各点において研磨圧力を個別に制御することが可能になる。そのため、研磨パッド３２２と基板Ｗとの間の研磨圧力を全体的に均一に調整することにより研磨量・研磨レート等の均一性を確保することができ、また、当該研磨圧力を局所的に変化させることにより基板Ｗ上の所望の部分をピンポイントで研磨することができるため被研磨面の平坦化も可能になる。そのため、第１の実施形態と同様に、研磨パッド３２２と基板Ｗとの接触面内の各点において研磨圧力を所望の大きさに変化させて、被研磨面の平坦性と研磨の均一性の両方を向上させることができる。
【００６５】
また、研磨パッド３２２の見かけ上の硬さ（変形量）を制御することで、この研磨パッド３２２の性能を長時間にわたって一定に保つことができ、長寿命化を実現することができる。なお、本実施形態では、電気粘性流体Ｆ4を封入する可撓性容器３２５を１つのみで構成しているため、第２の実施形態の研磨装置１０１と比較して、研磨パッド３２２と基板Ｗとの接触面内での各点の研磨圧力を個別に制御する上では、その制御精度が劣ることになり兼ねないが、研磨パッド３２２の長寿命化に重点をおいて研磨圧力を制御する観点で使用する場合には、本実施形態の研磨装置３０１の構成でも十分であり、これにより装置構成が簡便化されコストを抑えることが可能になる。
【００６６】
これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、図１等に示すように、研磨パッド２２の下方において基板保持機構１０により基板Ｗが保持される研磨装置について説明したが、これに限られるものではなく、研磨パッドの上方において基板保持装置により基板が保持される構成の研磨装置にも適用することができる。
【００６７】
また、上述の実施形態において、研磨パッド２２は基板Ｗよりも小さくなっているが、これに限られるものではなく、研磨パッド（研磨面）が基板（被研磨面）よりも大きくなるように（コンベンショナルの研磨装置として）構成されてもよい。
【００６８】
なお、上述した実施形態では、加工装置の一例として研磨装置に適用した場合を例示して説明したが、これに限定されるものではなく、平面研削装置や切削加工機等の他の加工装置に適用してもよい。
【符号の説明】
【００６９】
１  研磨装置（加工装置）              １０  基板保持機構（対象物保持機構）
１４  可撓性容器                        ２０  研磨ヘッド（加工ヘッド）
２１  研磨パッド（加工部材）            ６０  制御装置（可変制御部）
１０１  研磨装置（第２実施形態）        １１０  基板保持機構
１２０  研磨ヘッド                      １２１  研磨パッド
１２５  可撓性容器
２０１  研磨装置（第３実施形態）        ２１０  基板保持機構
２１４  可撓性容器                      ２２０  研磨ヘッド
２２１  研磨パッド
３０１  研磨装置（第４実施形態）        ３１０  基板保持機構
３２０  研磨ヘッド                      ３２１  研磨パッド
３２５  可撓性容器
Ｗ  基板（加工対象物）
Ｆ  機能性材料
【図１】
2011083856.tif 000003
【図３】
2011083856.tif 000004
【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図２】
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【図５】
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【図１０】
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