(57)【要約】【課題】研磨液のトップリングへの浸入を防止することができ、トップリングを正常に動作させることができる研磨装置を提供する。【解決手段】研磨装置１０は、基板を押圧するトップリング本体２００と、トップリング本体２００の外周部に設けられ、研磨面を押圧するリテーナリング３０２とを備える。リテーナリング３０２は、内部に形成される室に供給される流体により上下方向に伸縮するローリングダイヤフラム４０４と、ローリングダイヤフラム４０４の動きに伴って上下動し、研磨面に接触するリング部材４０８と、ローリングダイヤフラム４０４を収容するシリンダ４００と、シリンダ４００とリング部材４０８との間を接続する伸縮自在な接続シート４２０とを備える。接続シート４２０は、シリンダ４００とリング部材４０８との間の隙間を覆うように配置されている。【選択図】図７
2011143537.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を研磨面に押圧して該基板を研磨する研磨装置であって、
基板を押圧するトップリング本体と、
前記トップリング本体の外周部に設けられ、前記研磨面を押圧するリテーナリングとを備え、
前記リテーナリングは、
内部に形成される室に供給される流体により上下方向に伸縮するローリングダイヤフラムと、
前記ローリングダイヤフラムの動きに伴って上下動し、前記研磨面に接触するリング部材と、
前記ローリングダイヤフラムを収容するシリンダと、
前記シリンダと前記リング部材との間を接続する伸縮自在な接続シートとを備え、
前記接続シートは、前記シリンダと前記リング部材との間の隙間を覆うように配置されていることを特徴とする研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研磨装置に係り、特に半導体ウェハなどの基板を研磨して平坦化する研磨装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスの高集積化が進むにつれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭くなりつつある。特に線幅が０．５μｍ以下の光リソグラフィの場合、焦点深度が浅くなるためステッパーの結像面の平坦度を必要とする。このような半導体ウェハの表面を平坦化する一手段として、化学機械研磨（Chemical  Mechanical  Polishing：ＣＭＰ）を行う研磨装置が知られている。
【０００３】
この種の研磨装置は、研磨パッドからなる研磨面を有する研磨テーブルと、研磨対象物としての半導体ウェハを保持するためのトップリングとを備えている。一般に、半導体ウェハの外周縁側には、研磨面を押圧するリテーナリングが設けられる。このような研磨装置を用いて半導体ウェハの研磨を行う場合には、トップリングにより半導体ウェハを保持しつつ、この半導体ウェハを研磨テーブルに対して所定の圧力で押圧する。このとき、研磨面に研磨液を供給しつつ、研磨テーブルとトップリングとを相対運動させることにより、研磨液の存在下で半導体ウェハが研磨面に摺接し、半導体ウェハの表面が平坦かつ鏡面に研磨される。
【０００４】
このような研磨装置において、研磨工程が正常に行われているか否かを確認するためには、半導体ウェハへの押圧力、研磨液の濃度や流量などを監視することが必要とされる。しかしながら、例えば、研磨液を監視するためには、成分分析器や粒度分布測定器などの機器を設ける必要があり、装置コストが高くなる。また、研磨パッドやリテーナリングの摩耗によっても半導体ウェハの研磨プロファイルも変わりうるため、押圧力や研磨液を監視するのみでは、正常な研磨工程が行われていることを保証するのは不十分である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１７３９９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、研磨工程が正常に行われているか否かを容易に、かつ低コストで判断することができる研磨装置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】
【０００７】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、基板を研磨面に押圧して該基板を研磨する研磨装置であって、基板を押圧するトップリング本体と、前記トップリング本体の外周部に設けられ、前記研磨面を押圧するリテーナリングとを備え、前記リテーナリングは、内部に形成される室に供給される流体により上下方向に伸縮するローリングダイヤフラムと、前記ローリングダイヤフラムの動きに伴って上下動し、前記研磨面に接触するリング部材と、前記ローリングダイヤフラムを収容するシリンダと、前記シリンダと前記リング部材との間を接続する伸縮自在な接続シートとを備え、前記接続シートは、前記シリンダと前記リング部材との間の隙間を覆うように配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、構成部材の摩耗量に基づいて研磨工程が正常に行われているか否かを判断することができるので、特別な手段を設けることなく研磨工程を監視することができる。したがって、演算部の判断に基づいて正常な研磨工程が行われていることを保証することができる。
また、プッシャに設けられた摩耗測定部はリテーナリングの摩耗量を直接測定することができるので、正確な摩耗量を取得することができる。したがって、研磨工程が正常に行われているか否かをより正確に判断することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態における研磨装置を示す模式図である。
【図２】図１に示すトップリングの構成例を示す断面図である。
【図３】図１に示すトップリングの構成例を示す断面図である。
【図４】図１に示すトップリングの構成例を示す断面図である。
【図５】図１に示すトップリングの構成例を示す断面図である。
【図６】図２乃至図５に示す下部材の平面図である。
【図７】図２に示すリテーナリングの拡大図である。
【図８】図７に示すクランプの平面図である。
【図９】図９（ａ）はクランプの他の構成例を示す斜視図であり、図９（ｂ）はこの構成例で用いられる接続シートの平面図である。
【図１０】トップリングの他の構成例を示す部分断面図である。
【図１１】図１０に示す構成例における下部材の平面図である。
【図１２】リテーナリング摩耗検知器が組み込まれたプッシャを示す図である。
【図１３】プッシャの動作を説明するための図である。
【図１４】プッシャの動作を説明するための図である。
【図１５】プッシャの動作を説明するための図である。
【図１６】プッシャの動作を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係る研磨装置の実施形態について図１から図１６を参照して詳細に説明する。なお、図１から図１６において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００１１】
図１は、本発明の第１の実施形態における研磨装置１０を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置１０は、研磨テーブル１２と、支軸１４の上端に連結されたトップリングヘッド１６と、トップリングヘッド１６の自由端に取り付けられたトップリングシャフト１８と、トップリングシャフト１８の下端に連結された略円盤状のトップリング２０とを備えている。
【００１２】
研磨テーブル１２は、テーブル軸１２ａを介してその下方に配置されるモータ（図示せず）に連結されており、そのテーブル軸１２ａ周りに回転可能になっている。この研磨テーブル１２の上面には研磨パッド２２が貼付されており、研磨パッド２２の表面２２ａが半導体ウェハＷを研磨する研磨面を構成している。
【００１３】
なお、市場で入手できる研磨パッドとしては種々のものがあり、例えば、ロデール社製のＳＵＢＡ８００、ＩＣ−１０００、ＩＣ−１０００／ＳＵＢＡ４００（二層クロス）、フジミインコーポレイテッド社製のＳｕｒｆｉｎ  ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ  ０００等がある。ＳＵＢＡ８００、Ｓｕｒｆｉｎ  ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ  ０００は繊維をウレタン樹脂で固めた不織布であり、ＩＣ−１０００は硬質の発泡ポリウレタン（単層）である。発泡ポリウレタンは、ポーラス（多孔質状）になっており、その表面に多数の微細なへこみまたは孔を有している。
【００１４】
トップリングシャフト１８は、図示しないモータの駆動により回転するようになっている。このトップリングシャフト１８の回転により、トップリング２０がトップリングシャフト１８周りに回転するようになっている。また、トップリングシャフト１８は、上下動機構２４によりトップリングヘッド１６に対して上下動するようになっており、このトップリングシャフト１８の上下動によりトップリング２０がトップリングヘッド１６に対して上下動するようになっている。なお、トップリングシャフト１８の上端にはロータリージョイント２５が取り付けられている。
【００１５】
トップリング２０は、その下面に半導体ウェハＷなどの基板を保持できるようになっている。トップリングヘッド１６は支軸１４を中心として旋回可能に構成されており、下面に半導体ウェハＷを保持したトップリング２０は、トップリングヘッド１６の旋回により半導体ウェハＷの受取位置から研磨テーブル１２の上方に移動される。そして、トップリング２０を下降させて半導体ウェハＷを研磨パッド２２の表面（研磨面）２２ａに押圧する。このとき、トップリング２０および研磨テーブル１２をそれぞれ回転させ、研磨テーブル１２の上方に設けられた研磨液供給ノズル（図示せず）から研磨パッド２２上に研磨液を供給する。このように、半導体ウェハＷを研磨パッド２２の研磨面２２ａに摺接させて半導体ウェハＷの表面を研磨する。
【００１６】
トップリングシャフト１８およびトップリング２０を上下動させる上下動機構２４は、軸受２６を介してトップリングシャフト１８を回転可能に支持するブリッジ２８と、ブリッジ２８に取り付けられたボールねじ３２と、支柱３０により支持された支持台２９と、支持台２９上に設けられたＡＣサーボモータ３８とを備えている。サーボモータ３８を支持する支持台２９は、支柱３０を介してトップリングヘッド１６に固定されている。
【００１７】
ボールねじ３２は、サーボモータ３８に連結されたねじ軸３２ａと、このねじ軸３２ａが螺合するナット３２ｂとを備えている。トップリングシャフト１８は、ブリッジ２８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３８を駆動すると、ボールねじ３２を介してブリッジ２８が上下動し、これによりトップリングシャフト１８およびトップリング２０が上下動する。研磨装置１０は、サーボモータ３８をはじめとする装置内の各機器を制御する制御部４７を備えている。
【００１８】
この研磨装置１０は、研磨テーブル１２の研磨面２２ａをドレッシングするドレッシングユニット４０を備えている。このドレッシングユニット４０は、研磨面２２ａに摺接されるドレッサ５０と、ドレッサ５０が連結されるドレッサシャフト５１と、ドレッサシャフト５１の上端に設けられたエアシリンダ５３と、ドレッサシャフト５１を回転自在に支持する揺動アーム５５とを備えている。ドレッサ５０の下部はドレッシング部材５０ａにより構成され、このドレッシング部材５０ａの下面には針状のダイヤモンド粒子が付着している。エアシリンダ５３は、支柱５６により支持された支持台５７上に配置されており、これらの支柱５６は揺動アーム５５に固定されている。
【００１９】
揺動アーム５５は図示しないモータに駆動されて、支軸５８を中心として旋回するように構成されている。ドレッサシャフト５１は、図示しないモータの駆動により回転し、このドレッサシャフト５１の回転により、ドレッサ５０がドレッサシャフト５１周りに回転するようになっている。エアシリンダ５３は、ドレッサシャフト５１を介してドレッサ５０を上下動させ、ドレッサ５０を所定の押圧力で研磨パッド２２の研磨面２２ａに押圧する。
【００２０】
研磨パッド２２の研磨面２２ａのドレッシングは次のようにして行われる。ドレッサ５０はエアシリンダ５３により研磨面２２ａに押圧され、これと同時に図示しない純水供給ノズルから純水が研磨面２２ａに供給される。この状態で、ドレッサ５０がドレッサシャフト５１周りに回転し、ドレッシング部材５０ａの下面（ダイヤモンド粒子）を研磨面２２ａに摺接させる。このようにして、ドレッサ５０により研磨パッド２２が削り取られ、研磨面２２ａがドレッシングされる。
【００２１】
本実施形態の研磨装置１０では、このドレッサ５０を利用して研磨パッド２２の摩耗量を測定する。すなわち、ドレッシングユニット４０はドレッサ５０の変位を測定する変位センサ（研磨パッド摩耗検知器）６０を備えている。この変位センサ６０は、揺動アーム５５の上面に設けられている。ドレッサシャフト５１にはターゲットプレート６１が固定されており、ドレッサ５０の上下動にともなって、ターゲットプレート６１が上下動するようになっている。変位センサ６０はこのターゲットプレート６１を挿通するように配置されており、ターゲットプレート６１の変位を測定することによりドレッサ５０の変位を測定する。なお、変位センサ６０としては、リニアスケール、レーザ式センサ、超音波センサ、もしくは渦電流式センサなどのあらゆるタイプのセンサが用いられる。
【００２２】
本実施形態では、次のようにして研磨パッド２２の摩耗量が測定される。まず、エアシリンダ５３を駆動させてドレッサ５０を、未使用の研磨パッド２２の研磨面２２ａに当接させる。この状態で、変位センサ６０はドレッサ５０の初期位置を測定し、その初期位置を制御部（演算部）４７に保存する。そして、１つの、または複数の半導体ウェハＷの研磨処理が終了した後、再びドレッサ５０を研磨面２２ａに当接させ、この状態でドレッサ５０の位置を測定する。ドレッサ５０の位置は研磨パッド２２の摩耗量に応じて下方に変位するため、制御部４７は、上記初期位置と研磨後のドレッサ５０の位置との差を求めることで、研磨パッド２２の摩耗量を求めることができる。このようにして、ドレッサ５０の位置に基づいて研磨パッド２２の摩耗量が求められる。
【００２３】
制御部４７では、研磨パッド２２の総摩耗量と所定の設定値とが比較される。そして、研磨パッド２２の総摩耗量が設定値に達した場合には、研磨パッド２２の交換を促す信号が制御部４７から発せられる。なお、１回（または複数回）の研磨工程当たりの研磨パッド２２の摩耗量（削れ量）は制御部４７に保存され、摩耗量の変化が制御部４７により監視されるようになっている。この場合、研磨工程ごとの研磨パッド２２の摩耗量を一定にするために、制御部４７によりドレッサ５０の操作レシピ（ドレッシング時間、ドレッサ５０の回転速度、ドレッサ５０の研磨パッド２２に対する押圧力などのドレッシング条件）を変更するようにしてもよい。
【００２４】
制御部４７は、研磨パッド２２の摩耗量に基づいて、トップリング２０と研磨パッド２２の研磨面２２ａとの距離が一定となるようにサーボモータ３８を制御する。すなわち、制御部４７は、この研磨パッド２２の摩耗量（研磨面２２ａの変位）から研磨時のトップリング２０の最適な位置を算出し、この位置を記憶装置（図示せず）内に記憶する。そして、半導体ウェハＷの研磨時には、図１に示す状態からサーボモータ３８を駆動して、ブリッジ２８および半導体ウェハＷを保持したトップリング２０を下降させる。このとき、制御部４７によりサーボモータ３８を制御して、トップリング２０が上述した最適な位置に達したところでサーボモータ３８を停止させる。この位置でトップリング２０の下面に保持された半導体ウェハＷが研磨パッド２２に押圧され研磨される。
【００２５】
次に、上述した実施形態において好適に使用できるトップリング２０についてより詳細に説明する。図２から図５は、このようなトップリング２０の断面図であり、複数の半径方向に沿って切断した図である。図６は図２乃至図５に示す下部材の平面図である。
【００２６】
図２から図５に示すように、トップリング２０は、半導体ウェハＷを研磨面２２ａに対して押圧するトップリング本体２００と、研磨面２２ａを直接押圧するリテーナリング３０２とから基本的に構成されている。トップリング本体２００は、円盤状の上部材３００と、上部材３００の下面に取り付けられた中間部材３０４と、中間部材３０４の下面に取り付けられた下部材３０６とを備えている。リテーナリング３０２は、上部材３００の外周部に取り付けられている。上部材３００は、ボルト３０８によりトップリングシャフト１８に連結されている。また、中間部材３０４は、ボルト（図示せず）を介して上部材３００に固定されており、下部材３０６はボルト（図示せず）を介して上部材３００に固定されている。上部材３００、中間部材３０４、および下部材３０６から構成される本体部は、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。
【００２７】
下部材３０６の下面には、半導体ウェハの裏面に当接する弾性膜３１４が取り付けられている。この弾性膜３１４は、外周側に配置された環状のエッジホルダ３１６と、エッジホルダ３１６の内方に配置された環状のリプルホルダ３１８，３１９とによって下部材３０６の下面に取り付けられている。弾性膜３１４は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴム等の強度および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。
【００２８】
エッジホルダ３１６はリプルホルダ３１８により保持され、リプルホルダ３１８は複数のストッパ３２０により下部材３０６の下面に取り付けられている。リプルホルダ３１９は複数のストッパ３２２により下部材３０６の下面に取り付けられている。図６に示すように、ストッパ３２０およびストッパ３２２はトップリング２０の円周方向に均等に設けられている。
【００２９】
図２に示すように、弾性膜３１４の中央部にはセンター室３６０が形成されている。リプルホルダ３１９には、このセンター室３６０に連通する流路３２４が形成されており、下部材３０６には、この流路３２４に連通する流路３２５が形成されている。リプルホルダ３１９の流路３２４および下部材３０６の流路３２５は、図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体が流路３２５および流路３２４を通ってセンター室３６０に供給されるようになっている。
【００３０】
リプルホルダ３１８は、弾性膜３１４のリプル３１４ｂおよびエッジ３１４ｃをそれぞれ爪部３１８ｂ，３１８ｃで下部材３０６の下面に押さえつけるようになっており、リプルホルダ３１９は、弾性膜３１４のリプル３１４ａを爪部３１９ａで下部材３０６の下面に押さえつけるようになっている。
【００３１】
図３に示すように、弾性膜３１４のリプル３１４ａとリプル３１４ｂとの間には環状のリプル室３６１が形成されている。弾性膜３１４のリプルホルダ３１８とリプルホルダ３１９との間には隙間３１４ｆが形成されており、下部材３０６にはこの隙間３１４ｆに連通する流路３４２が形成されている。また、中間部材３０４には、下部材３０６の流路３４２に連通する流路３４４が形成されている。下部材３０６の流路３４２と中間部材３０４の流路３４４との接続部分には、環状溝３４７が形成されている。この下部材３０６の流路３４２は、環状溝３４７および中間部材３０４の流路３４４を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通ってリプル室３６１に供給されるようになっている。また、この流路３４２は、図示しない真空ポンプにも切替可能に接続されており、真空ポンプの作動により弾性膜３１４の下面に半導体ウェハを吸着できるようになっている。
【００３２】
図４に示すように、リプルホルダ３１８には、弾性膜３１４のリプル３１４ｂおよびエッジ３１４ｃによって形成される環状のアウター室３６２に連通する流路３２６が形成されている。また、下部材３０６には、リプルホルダ３１８の流路３２６にコネクタ３２７を介して連通する流路３２８が、中間部材３０４には、下部材３０６の流路３２８に連通する流路３２９がそれぞれ形成されている。このリプルホルダ３１８の流路３２６は、下部材３０６の流路３２８および中間部材３０４の流路３２９を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通ってアウター室３６２に供給されるようになっている。
【００３３】
図５に示すように、エッジホルダ３１６は、弾性膜３１４のエッジ３１４ｄを押さえて下部材３０６の下面に保持するようになっている。このエッジホルダ３１６には、弾性膜３１４のエッジ３１４ｃおよびエッジ３１４ｄによって形成される環状のエッジ室３６３に連通する流路３３４が形成されている。また、下部材３０６には、エッジホルダ３１６の流路３３４に連通する流路３３６が、中間部材３０４には、下部材３０６の流路３３６に連通する流路３３８がそれぞれ形成されている。このエッジホルダ３１６の流路３３４は、下部材３０６の流路３３６および中間部材３０４の流路３３８を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通ってエッジ室３６３に供給されるようになっている。
【００３４】
このように、本実施形態におけるトップリング２０においては、弾性膜３１４と下部材３０６との間に形成される圧力室、すなわち、センター室３６０、リプル室３６１、アウター室３６２、およびエッジ室３６３に供給する流体の圧力を調整することにより、半導体ウェハを研磨パッド２２に押圧する押圧力を半導体ウェハの部分ごとに調整できるようになっている。
【００３５】
図７は図２に示すリテーナリングの拡大図である。リテーナリング３０２は半導体ウェハの外周縁を保持するものであり、図７に示すように、上部が閉塞された円筒状のシリンダ４００と、シリンダ４００の上部に取り付けられた保持部材４０２と、保持部材４０２によりシリンダ４００内に保持される弾性膜４０４と、弾性膜４０４の下端部に接続されたピストン４０６と、ピストン４０６により下方に押圧されるリング部材４０８とを備えている。リング部材４０８の外周面とシリンダ４００の下端との間には上下方向に伸縮自在な接続シート４２０が設けられている。この接続シート４２０は、リング部材４０８とシリンダ４００との間の隙間を埋めることで研磨液（スラリー）の浸入を防止する役割を持っている。
【００３６】
弾性膜３１４のエッジ（外周縁）３１４ｄには、弾性膜３１４とリテーナリング３０２とを接続する、上方に屈曲した形状のシール部材４２２が形成されている。このシール部材４２２は弾性膜３１４とリング部材４０８との隙間を埋めるように配置されており、変形しやすい材料から形成されている。シール部材４２２は、トップリング本体２００とリテーナリング３０２との相対移動を許容しつつ、弾性膜３１４とリテーナリング３０２との隙間に研磨液が浸入してしまうことを防止するために設けられている。本実施形態では、シール部材４２２は弾性膜３１４のエッジ３１４ｄに一体的に形成されており、断面Ｕ字型の形状を有している。
【００３７】
ここで、接続シート４２０やシール部材４２２を設けない場合は、研磨液がトップリング２０内に浸入してしまい、トップリング２０を構成するトップリング本体２００やリテーナリング３０２の正常な動作を阻害してしまう。本実施形態によれば、接続シート４２０やシール部材４２２によって研磨液のトップリング２０への浸入を防止することができ、これによりトップリング２０を正常に動作させることができる。なお、弾性膜４０４、接続シート４２０、およびシール部材４２２は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴム等の強度および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。
【００３８】
リング部材４０８は、ピストン４０６に当接する上リング部材４０８ａと、研磨面２２ａに接触する下リング部材４０８ｂとに分割されている。この上リング部材４０８ａの外周面および下リング部材４０８ｂの外周面には、周方向に延びるフランジ部がそれぞれ形成されている。これらのフランジ部はクランプ４３０により把持されており、これにより上リング部材４０８ａと下リング部材４０８ｂとが締結されている。図８は図７に示すクランプ４３０の平面図である。このクランプ４３０はたわみやすい材料から構成されている。クランプ４３０の初期形状はほぼ直線状であり、クランプ４３０をリング部材４０８のフランジ部に取り付けることにより、図８に示すような一部に切り欠きが形成された略環状となる。
【００３９】
図９（ａ）はクランプ４３０の他の構成例を示す図である。この例では、硬質の材料から形成された複数のクランプ４３０が使用される（図９（ａ）では１つのクランプのみを示す）。上リング部材４０８ａおよび下リング部材４０８ｂの外周面には、外側に突出する複数のフランジ部４３１ａ，４３１ｂがそれぞれ形成されている。クランプ４３０はリング部材４０８の外周面に沿ってカーブした形状を有している。
【００４０】
このクランプ４３０は次のようにしてリング部材４０８に取り付けられる。まず、フランジ部４３１ａ，４３１ｂの位置が一致するように上リング部材４０８ａと下リング部材４０８ｂとを重ね合わせる。次に、隣接するフランジ部の間の隙間にクランプ４３０を位置させる。そして、クランプ４３０を横方向にスライドさせ、フランジ部４３１ａ，４３１ｂをクランプ４３０により把持させる。これにより上リング部材４０８ａと下リング部材４０８ｂとがクランプ４３０により締結される。この例では、図９（ｂ）に示すように、接続シート４２０の内周面に、上記フランジ部間の隙間に嵌合する複数の突起部４２０ａが形成されている。これらの突起部４２０ａがフランジ部の間の隙間に嵌合するように接続シート４２０がリング部材４０８に取り付けられ、これによりクランプ４３０の位置が固定される。
【００４１】
図７に示すように、保持部材４０２には、弾性膜４０４によって形成される室４１０に連通する流路４１２が形成されている。また、シリンダ４００の上部には、保持部材４０２の流路４１２に連通する流路４１４が形成され、上部材３００には、シリンダ４００の流路４１４に連通する流路４１６が形成されている。この保持部材４０２の流路４１２は、シリンダ４００の流路４１４および上部材３００の流路４１６を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通って室４１０に供給されるようになっている。したがって、室４１０に供給する流体の圧力を調整することにより、弾性膜４０４を伸縮させてピストン４０６を上下動させ、リテーナリング３０２のリング部材４０８を所望の圧力で研磨パッド２２に押圧することができる。
【００４２】
図示した例では、弾性膜４０４としてローリングダイヤフラムを用いている。ローリングダイヤフラムは、屈曲した部分をもつ弾性膜からなるもので、ローリングダイヤフラムで仕切る室の内部圧力の変化等により、その屈曲部が転動することにより室の空間を広げることができるものである。室が広がる際にダイヤフラムが外側の部材と摺動せず、ほとんど伸縮しないため、摺動摩擦が極めて少なくてすみ、ダイヤフラムを長寿命化することができ、また、リテーナリング３０２が研磨パッド２２に与える押圧力を精度よく調整することができるという利点がある。
【００４３】
このような構成により、リテーナリング３０２のリング部材４０８だけを下降させることができる。したがって、リテーナリング３０２のリング部材４０８が摩耗しても、下部材３０６と研磨パッド２２との距離を一定に維持することが可能となる。また、研磨パッド２２に接触するリング部材４０８とシリンダ４００とは変形自在な弾性膜４０４で接続されているため、荷重点のオフセットによる曲げモーメントが発生しない。このため、リテーナリング３０２による面圧を均一にすることができ、研磨パッド２２に対する追従性も向上する。
【００４４】
図６および図７に示すように、上リング部材４０８ａの内側面には縦方向に延びるＶ字状溝４１８が均等に複数形成されている。また、下部材３０６の外周部には、外方に突出する複数のピン３４９が設けられており、このピン３４９がリング部材４０８のＶ字状溝４１８に係合するようになっている。Ｖ字状溝４１８内でリング部材４０８とピン３４９が相対的に上下方向にスライド可能になっているとともに、このピン３４９により上部材３００および下部材３０６を介してトップリング本体２００の回転がリテーナリング３０２に伝達され、トップリング本体２００とリテーナリング３０２は一体となって回転する。このような構成により、弾性膜（ローリングダイヤフラム）４０４のねじれを防止し、研磨中にリング部材４０８を研磨面２２ａに対して円滑に均一に押圧することができる。また弾性膜の寿命を長くすることができる。
【００４５】
上記した構成例では、トップリング本体２００に設けられたピン３４９がリテーナリング３０２のＶ字状溝４１８に係合することでトップリング本体２００の回転がリテーナリング３０２に伝達される。このため、ピン３４９がＶ字状溝４１８に擦れてＶ字状溝４１８の表面に凹部が形成されてしまうことがある。このような凹部はピン３４９を強制的に位置決めしてしまい、結果としてリテーナリング３０２の動きが不安定となるおそれがある。図１０及び図１１はこのような不都合を防止することができるトップリングの部分断面図である。
【００４６】
図１０はトップリングの他の構成例を示す部分断面図であり、図１１はこの構成例における下部材の平面図である。図１０及び図１１に示すように、トップリング本体２００の下部材３０６には、環状のシート部材４４０がピン４４１により固定されている。このシート部材４４０の外周部には複数のスライドリング４４４が等間隔に取り付けられている。リテーナリング３０２の上リング部材４０８ａには、上下方向に延びる複数のドライブピン４４２が等間隔に設けられている。これらのドライブピン４４２はスライドリング４４４にそれぞれスライド可能に嵌合されている。トップリング本体２００の回転は、シート部材４４０、スライドリング４４４、およびドライブピン４４２を介してリテーナリング３０２に伝達され、トップリング本体２００とリテーナリング３０２とは一体となって回転する。
【００４７】
この構成例では、ドライブピン４４２とスライドリング４４４との接触面積が大きいため、ドライブピン４４２およびスライドリング４４４の減耗を防止することができる。したがって、リング部材４０８は自由に上下動することができ、リテーナリング３０２の正常な動作を確保することができる。なお、シート部材４４０の材料にはゴムが好適に使用される。ゴム製のシート部材４４０を用いることにより、トップリング本体２００とリテーナリング３０２との間で伝達される振動を減衰させることができる。
【００４８】
弾性膜３１４のセンター室３６０、リプル室３６１、アウター室３６２、およびエッジ室３６３に供給する圧力により半導体ウェハに対する押圧力を制御するので、研磨中には下部材３０６は研磨パッド２２から上方に離れた位置にする必要がある。しかしながら、リテーナリング３０２が摩耗すると、半導体ウェハと下部材３０６との間の距離が変化し、弾性膜３１４の変形の仕方も変わるため、半導体ウェハに対する面圧分布も変化することになる。このような面圧分布の変化は、プロファイルが不安定になる要因となっていた。
【００４９】
本実施形態では、リテーナリング３０２を下部材３０６とは独立して上下動させることができるので、リテーナリング３０２のリング部材４０８が摩耗しても、半導体ウェハと下部材３０６との間の距離を一定に維持することができる。したがって、研磨後の半導体ウェハのプロファイルを安定化させることができる。
【００５０】
なお、上述した例では、半導体ウェハの略全面に弾性膜３１４が配置されているが、これに限られるものではなく、弾性膜３１４は半導体ウェハの少なくとも一部に当接するものであればよい。
【００５１】
研磨が行われている間、リテーナリング３０２は研磨面２２ａと摺接するため、リテーナリング３０２（下リング部材４０８ｂ）が徐々に摩耗する。リテーナリング３０２の摩耗がある程度進むと、リング部材４０８を研磨面２２ａに対して所望の押圧力で押圧することができなくなり、結果として半導体ウェハのプロファイルが変化してしまう。そこで、本実施形態では、プッシャに設けられたリテーナリング摩耗検知器を用いてリテーナリング３０２の摩耗量を測定する。
【００５２】
図１２はリテーナリング摩耗検知器が組み込まれたプッシャを示す図である。図１２に示すように、プッシャ５００は、半導体ウェハを押し上げて該半導体ウェハをトップリング本体２００の弾性膜３１４に保持させるプッシュステージ５１０と、トップリング２０とプッシャ５００との芯出しを行うリテーナリングガイド５１５と、プッシュステージ５１０を上下動させる第１のエアシリンダ５１８と、プッシュステージ５１０およびリテーナリングガイド５１５を上下動させる第２のエアシリンダ５１９とを備えている。
【００５３】
第１のエアシリンダ５１８は第１の垂直軸５２１を介してプッシュステージ５１０に連結され、第２のエアシリンダ５１９は第２の垂直軸５２２を介して第１のエアシリンダ５１８に連結されている。第１の垂直軸５２１は、ハウジング５２５に収容されたスライドガイド５２６によりスライド可能に支持されている。リテーナリングガイド５１５はスプリング５３０を介して第１の垂直軸５２１に支持されている。リテーナリングガイド５１５の上端面にはリテーナリング３０２のリング部材４０８の下面と接触するくぼみ部５１５ａが形成されている。第２のエアシリンダ５１９を駆動させてリテーナリングガイド５１５およびプッシュステージ５１０を持ち上げると、リング部材４０８の下部がくぼみ部５１５ａに嵌合され、これによりトップリング２０とプッシャ５００との芯出しが行われる。このとき、スプリング５３０はリテーナリングガイド５１５により下方に押圧され、トップリング２０とプッシャ５００との接触による衝撃をスプリング５３０が吸収するようになっている。
【００５４】
リテーナリングガイド５１５には渦電流センサ（リテーナリング摩耗検知器）５４０が取り付けられている。また、プッシュステージ５１０には、渦電流センサ５４０に対向するように金属製のターゲットプレート５４１が取り付けられている。この渦電流センサ５４０はターゲットプレート５４１を介してプッシュステージ５１０とリテーナリングガイド５１５との距離を測定するものである。なお、リテーナリング摩耗検知器としては渦電流センサに限らず、リニアスケール、レーザ式センサ、超音波センサなどのあらゆるタイプの測距センサを用いることができる。
【００５５】
トップリング２０とプッシャ５００との間には、半導体ウェハＷを搬送する２つのリニアトランスポータ５５０，５６０と、これらのリニアトランスポータ５５０，５６０にそれぞれ保持されたウェハトレー５７０，５８０とが配置されている。上述したプッシュステージ５１０は、これらのウェハトレー５７０，５８０を介して半導体ウェハのロードおよびアンロードを行う。リニアトランスポータ５５０，５６０は研磨装置と図示しない搬送ロボットとの間で半導体ウェハＷを搬送するものであり、水平に移動するように構成されている。ロード用のリニアトランスポータ５５０はアンロード用のリニアトランスポータ５６０よりも上方に配置される。なお、図１２では、リニアトランスポータ５５０とリニアトランスポータ５６０とが上下に整列しているが、実際には、リニアトランスポータ５５０とリニアトランスポータ５６０とは互いにすれ違うように平行に移動するようになっている。
【００５６】
半導体ウェハのロード時には、プッシュステージ５１０は、半導体ウェハＷが載置されたウェハトレー５７０を押し上げてトップリング２０に半導体ウェハＷを保持させる。また、半導体ウェハＷのアンロード時には、プッシュステージ５１０はウェハトレー５８０を押し上げ、トップリング２０からリリースされる半導体ウェハＷをウェハトレー５８０上に載置させる。なお、プッシャ５００は研磨テーブル１２（図１参照）の側方に配置されており、半導体ウェハの受け渡し時には、支軸１４を回転させてトップリング２０をプッシャ５００の上方に移動させる。
【００５７】
ここで、図１２から図１６を参照してプッシャの動作について説明する。まず、リニアトランスポータ５５０を移動させて、研磨すべき半導体ウェハＷが載置されたウェハトレー５７０をプッシャ５００の上方に移動させる（図１３参照）。次に、第２のエアシリンダ５１９を駆動させて第１のエアシリンダ５１８、プッシュステージ５１０、およびリテーナリングガイド５１５を上昇させ、リテーナリングガイド５１５をリング部材４０８の下面に当接させる（図１４参照）。さらに、第１のエアシリンダ５１８を駆動させ、プッシュステージ５１０を上昇させてウェハトレー５７０を半導体ウェハＷとともに押し上げ、半導体ウェハＷをトップリング２０に保持（吸着）させる（図１５参照）。その後、トップリング２０は研磨テーブル１２の上方に移動し、半導体ウェハＷの研磨を行う。
【００５８】
研磨終了後、支軸１４を回転させてトップリング２０をプッシャ５００の上方に再び移動させる。このとき、リニアトランスポータ５６０を移動させて、ウェハトレー５８０をプッシャ５００の上方に移動させる。次に、第２のエアシリンダ５１９を駆動させて第１のエアシリンダ５１８、プッシュステージ５１０、およびリテーナリングガイド５１５を上昇させ、リテーナリングガイド５１５をリング部材４０８の下面に当接させる。この状態で、研磨された半導体ウェハＷをトップリング２０からリリースさせ、ウェハトレー５８０の上に載置させる（図１６参照）。そして、第２のエアシリンダ５１９を駆動してプッシュステージ５１０およびリテーナリングガイド５１５を下降させる。その後、リニアトランスポータ５６０が移動して、研磨された半導体ウェハＷを図示しない搬送ロボットに搬送する。
【００５９】
リテーナリングガイド５１５がリング部材４０８の下面に当接しているとき（図１４および図１６参照）、スプリング５３０により支持されているリテーナリングガイド５１５の位置はリング部材４０８の摩耗量に応じて変化する。一方、プッシュステージ５１０は第１の垂直軸５２１に固定されているのでその位置は常に一定である。制御部４７は、渦電流センサ５４０により測定されたリテーナリングガイド５１５とプッシュステージ５１０との距離と基準値（初期距離）とを比較することにより、リング部材４０８（リテーナリング３０２）の摩耗量を測定する。なお、リテーナリングガイド５１５をリテーナリング３０２に当接させた状態において、プッシュステージ５１０を昇降させたときの、渦電流センサ５４０の測定値の変化量（プッシュステージ５１０の移動距離）から、リング部材４０８（リテーナリング３０２）の摩耗量を測ることもできる。すなわち、渦電流センサ５４０の測定値の変化量とリング部材４０８の摩耗量との相関関係を示すデータを予め制御部４７に入力しておき、渦電流センサ５４０の測定値の変化量からリング部材４０８の摩耗量を測ることができる。
【００６０】
従来では、研磨テーブルに埋設された渦電流センサにより、リテーナリングに埋設された金属製のターゲットの位置を検知することでリテーナリングの摩耗量を測定することが行われていた。しかしながら、このような方法では、渦電流センサとターゲットとの間に研磨パッドが存在するため、研磨パッドの摩耗を考慮する必要があり、正確な摩耗量を測定することが困難であった。本実施形態によれば、渦電流センサ５４０の測定値が研磨パッドやその他の部材に影響されることがないので、リング部材４０８の摩耗量を正確に測定することができる。
【００６１】
リング部材４０８の摩耗量は、半導体ウェハのロード時及び／又はアンロード時に測定される。そして、リング部材４０８の総摩耗量が所定の値に達したときに、制御部４７からリング部材４０８の交換を促す信号が発せられる。制御部４７には、１回の、または複数回の研磨工程当たりの摩耗量が記録されるようになっており、摩耗量の推移（変化）が制御部４７によって監視されるようになっている。そして、制御部４７は、１回の、または複数回の研磨工程で摩耗するリング部材４０８の摩耗量が所定のしきい値を超えたときに、研磨工程が正常に行われていないと判断するようになっている。以下、この原理について説明する。
【００６２】
リング部材４０８の摩耗量は、リング部材４０８に作用する押圧力（室４１０の内部圧力）、研磨液に含まれる主成分の濃度、研磨液中の砥粒の濃度、研磨液の流量など各種要素に依存する。これらの要素が変わらない限り、１回の研磨工程ごとにリング部材４０８（リテーナリング３０２）が摩耗する量はほぼ一定である。したがって、研磨工程当たりのリング部材４０８の摩耗量が所定のしきい値以上に変化した場合には、正しい研磨工程が行われていないということが分かる。この場合、例えば、室４１０の内部圧力、研磨液の流量が所定の値に維持されているのであれば、研磨液の成分または砥粒の濃度が正しくないと推測することができる。このように、複数のセンサを用いることで研磨工程が正しく行われていないことの原因を特定することも可能である。
【００６３】
さらにリング部材４０８の摩耗量と半導体ウェハの研磨プロファイルとの相関を研磨特性データ（相関データ）として予め制御部４７にて保有することで、この相関データに基づいて、研磨中にリング部材４０８の押圧力を制御部４７にて制御することができる。例えばリング部材４０８の研磨工程ごとの削れ量が少なくなってきた場合、リング部材４０８の総摩耗量が大きくなったため、今までと同じ押圧力でリング部材４０８を研磨パッド２２に押圧しても研磨パッド２２に充分な圧力が加えられないと考えられる。このような場合は、制御部４７によってリング部材４０８の押圧力を上記相関データを基にして計算した値に調整することが好ましい。これにより、リング部材４０８の寿命を延ばすことができる。
【００６４】
また、研磨工程が開始される前に研磨シミュレーションを予め行うようにしてもよい。この場合は、研磨シミュレーションの結果と目標とする研磨プロファイルのデータに基づいて、リング部材４０８の押圧力と、センター室３６０、リプル室３６１、アウター室３６２、およびエッジ室３６３のそれぞれの内部圧力を調整することで、好適な研磨プロファイルを得ることができる。
【００６５】
また、リング部材４０８の摩耗量のほかに、研磨パッド２２の摩耗量の変化を監視することによっても、研磨工程が正常に行われているか否かを判断することができる。すなわち、研磨液の流量などの研磨条件が変わらない限り、１回の研磨工程当たりの研磨パッド２２の摩耗量はほぼ一定であるため、研磨パッド２２の摩耗量の変化を捉えることにより研磨条件の変化を検知することができる。この場合も、制御部４７は、１回の、または複数回の研磨工程で摩耗する研磨パッド２２の摩耗量が所定のしきい値（例えば、予め設定された第１のしきい値）以上となったときに、研磨工程が正常に行われていないと判断する。また、リング部材４０８の摩耗量に応じたレシピ（トップリング２０の回転速度やリング部材４０８の押圧力などの研磨条件）を予め設定しておき、制御部４７からの指令によりレシピを変更してもよい。こうすることによりリング部材４０８の寿命を延ばすことができる。
【００６６】
ドレッサ５０は、その下面に付着された針状のダイヤモンド粒子を研磨パッド２２に摺接させることで研磨面２２ａを削り取るため、経時的にダイヤモンド粒子が摩耗する。ダイヤモンド粒子がある程度摩耗すると、研磨面２２ａの好ましい表面粗さが得られない。その結果、研磨面２２ａに保持される砥粒の量が少なくなり、正常な研磨工程を行うことができなくなる。そこで、本実施形態では、次のような方法でダイヤモンド粒子の摩耗量を測定する。
【００６７】
単位時間当たりにドレッサ５０により削り取られる研磨パッド２２の量（以下、カットレートという）は、ドレッサ５０の研磨面２２ａに対する押圧力、およびダイヤモンド粒子の形状に依存する。したがって、ドレッサ５０の押圧力が一定の条件下では、ダイヤモンド粒子が摩耗するにしたがって、カットレートが少なくなる。本実施形態では、上述した変位センサ６０を用いて、カットレート（すなわち、単位時間当たりの研磨面２２ａの変位）が測定される。
【００６８】
制御部４７では、変位センサ６０からの出力信号（測定値）に基づき、研磨パッド２２のカットレート、すなわち、単位時間当たりの研磨面２２ａの変位（研磨パッド２２の摩耗量）が算出される。制御部４７には、カットレートとドレッサ５０（すなわちダイヤモンド粒子）の摩耗量との相関関係を示すデータが予め入力されている。そして、制御部４７は、このデータからドレッサ５０の摩耗量を算出し、ドレッサ５０の総摩耗量が所定の値に達したときにドレッサ５０の交換を促す信号を発する。このように、変位センサ６０は、ドレッサ５０の摩耗を検知するドレッサ摩耗検知器としても機能する。
【００６９】
上述したように、ダイヤモンド粒子が摩耗すると、研磨面２２ａに保持される砥粒の量が少なくなり、研磨工程ごとのリテーナリング３０２（リング部材４０８）の摩耗量（削れ量）が少なくなると予想される。したがって、一回の、または複数回の研磨工程当たりのリテーナリング３０２の摩耗量が所定のしきい値（例えば、予め設定された第２のしきい値）以下である場合は、制御部４７により研磨工程が正常に行われていないと判断することができる。なお、ドレッサ５０の摩耗量に応じて、制御部４７によりドレッサ５０の操作レシピ（ドレッシング時間、ドレッサ５０の回転速度、ドレッサ５０の研磨パッド２２に対する押圧力などのドレッシング条件）を変更するようにしてもよい。
【００７０】
上述したように、リング部材４０８、研磨パッド２２、およびドレッサ５０などの摩耗部材の摩耗量を検出しつつ、摩耗量の時間的変化を検知することによって次に列挙する効果を得ることができる。
１）各摩耗部材の寿命の検知、交換時期の予測、交換時期の検出、摩耗部材の長寿命化。２）各摩耗部材の摩耗量と研磨プロファイルとの相関関係を示す相関データを蓄積することによって、研磨条件（摩耗部材の押圧条件、トップリングの各圧力室の内部圧力、研磨液の条件（温度、ｐＨなど）、トップリングの回転速度、研磨テーブルの回転速度、基板と研磨パッドとの相対速度）を好適に制御する。
３）研磨異常やプロセス異常の検知。
【００７１】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００７２】
１０    研磨装置
１８    トップリングシャフト
２０    トップリング
２２    研磨パッド
２２ａ  研磨面
２４    上下動機構
２８    ブリッジ
３２    ボールねじ
３８    ＡＣサーボモータ
４７    制御部（演算部）
５０    ドレッサ
６０    変位センサ
２００    トップリング本体
３００    上部材
３０２    リテーナリング
３０４    中間部材
３０６    下部材
３１４，４０４    弾性膜
３１６    エッジホルダ
３１８，３１９    リプルホルダ
３２０，３２２    ストッパ
４００    シリンダ
４０２    保持部材
４０６    ピストン
４０８    リング部材
４２０    接続シート
４２２    シール部材
５００    プッシャ
５１０    プッシュステージ
５１５    リテーナリングガイド
５４０    渦電流センサ
Ｗ    半導体ウェハ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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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１０】
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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１５】
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【図１６】
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