(57)【要約】【課題】時間の経過に影響されずに、研磨ヘッドを用いて研磨パッドの研磨面を正確に検出することができる方法を提供する。【解決手段】この方法は、研磨ヘッド１から研磨パッド３に推力を加えながら、研磨ヘッド１を研磨パッド３の研磨面３ａに垂直な方向に移動させ、研磨ヘッド１の移動中に、研磨ヘッド１を支持するヘッドアーム１２の撓みを歪センサ５５で検出し、歪センサ５５からの出力信号が予め設定されたしきい値に達した時点に対応する研磨ヘッド１の位置を決定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨ヘッドから研磨パッドに推力を加えながら、前記研磨ヘッドを前記研磨パッドの研磨面に垂直な方向に移動させ、
前記研磨ヘッドの移動中に、前記研磨ヘッドを支持するヘッドアームの撓みを歪センサで検出し、
前記歪センサからの出力信号が予め設定されたしきい値に達した時点に対応する前記研磨ヘッドの位置を決定する方法。
【請求項２】
前記研磨ヘッドに保持された基板が前記研磨面に接触した状態で、前記研磨ヘッドを前記研磨パッドの前記研磨面に垂直な方向に移動させる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記決定された位置に所定の距離を加えることで、前記研磨面に対する前記研磨ヘッドの基準高さを決定する工程をさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記研磨パッドの減耗量を算出し、
前記減耗量を前記研磨ヘッドの基準高さから減算することで、前記研磨ヘッドの基準高さを更新する工程をさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記研磨ヘッドから前記研磨パッドに加えられる推力と、前記歪センサの出力信号との関係を取得する工程をさらに含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記推力と前記歪センサの出力信号との関係を取得する工程は、
前記研磨ヘッドに代えて研磨ヘッドシャフトに取り付けられた押し治具で、前記研磨面上の荷重測定器を複数の異なる荷重で押し付けながら、前記歪センサの対応する複数の出力信号を取得し、
前記荷重測定器から出力された前記複数の異なる荷重の測定値と、前記対応する複数の出力信号とに基づいて、前記推力と前記歪センサの出力信号との関係を示す一次関数を決定する工程を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記押し治具は、球面状の押圧面を有する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
研磨パッドを支持するための研磨テーブルと、
基板を前記研磨パッドに押し付けるための研磨ヘッドと、
前記研磨ヘッドを前記研磨パッドの研磨面に向かって移動させるアクチュエータと、
前記研磨ヘッドを支持するヘッドアームと、
前記ヘッドアームの撓みを検出する歪センサと、
前記歪センサに電気的に接続された動作制御部とを備え、
前記動作制御部は、前記歪センサからの出力信号が予め設定されたしきい値に達した時点に対応する前記研磨ヘッドの位置を決定するためのプログラムが格納された記憶装置と、前記プログラムを実行するための処理装置とを有する研磨装置。
【請求項９】
前記歪センサは、前記ヘッドアームの上面または下面に固定されたセンサヘッドを備え、前記センサヘッドは前記ヘッドアームの撓みを感知するように構成されている、請求項８に記載の研磨装置。
【請求項１０】
前記記憶装置は、前記研磨ヘッドから前記研磨パッドに加えられる推力と、前記歪センサの出力信号との関係を示す一次関数を内部に記憶している、請求項８または９に記載の研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウェーハなどの基板を研磨する技術に関し、特に研磨ヘッドを用いて研磨パッドの研磨面を検出するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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技術がますます重要になっている。この平坦化技術のうち、最も重要な技術は、化学的機械研磨（ＣＭＰ（Chemical  Mechanical  Polishing））である。この化学的機械的研磨は、研磨装置を用いて、シリカ（ＳｉＯ２）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッドの研磨面上に供給しつつ、研磨ヘッドでウェーハなどの基板を研磨面に押し付けて研磨を行うものである。
【０００３】
研磨パッドの研磨面のドレッシング（またはコンディショニング）および基板の研磨を繰り返し行うと、研磨パッドが徐々に摩耗する。研磨ヘッドと研磨パッドの研磨面との距離は、基板の研磨プロファイルに大きく影響する。したがって、研磨ヘッドと研磨パッドの研磨面との距離を一定に保つことは重要である。
【０００４】
研磨ヘッドと研磨面との距離を一定に保つためには、研磨パッドの研磨面を検出することが必要である。そこで、研磨パッドの研磨面を検出する、いわゆるパッドサーチが行われる。具体的には、パットサーチは研磨ヘッドを用いて次のようにして行われる。ダミーウェーハを保持した研磨ヘッドは、サーボモータおよびボールねじ機構からなるアクチュエータによって下降される。ダミーウェーハが研磨パッドの研磨面に接触すると、研磨ヘッドの推力がダミーウェーハを通じて研磨面に加えられる。予め設定された推力に達したときに研磨ヘッドの下降が停止される。
【０００５】
研磨ヘッドの位置は、サーボモータの回転回数とボールねじ機構のねじピッチから求められる。推力はサーボモータに供給されるモータ電流から間接的に求めることができる。したがって、モータ電流が、上記予め設定された推力に相当するしきい値に到達したときに、サーボモータが停止される。サーボモータが停止したときの研磨ヘッドの位置は、ダミーウェーハの底面全体が研磨面に接触しているときの研磨ヘッドの位置である。言い換えれば、ダミーウェーハの底面全体が研磨面に接触したときにサーボモータが停止される。このようにして、パッドサーチは、モータ電流（すなわちサーボモータのトルク）を監視しながら行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−９７５５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、研磨ヘッドとサーボモータとの間には、上記ボールねじ機構や、ボールスプライン軸受などのいくつかの摺動要素が存在する。これらの摺動要素が作動するとき、必然的に摩擦力が発生する。これらの摩擦力は経時的に変化するため、モータ電流が上記しきい値に達したときに研磨ヘッドが研磨パッドに加える実際の推力は経時的に変化する。言い換えれば、モータ電流が上記しきい値に達したときの研磨ヘッドの位置は、時間の経過とともに変化する。結果として、研磨ヘッドと研磨面との相対位置が変化し、基板の所望の研磨プロファイルが得られないという問題があった。さらに、推力とモータ電流との正確な関係を得るために、キャリブレーションを頻繁に行う必要があった。
【０００８】
そこで、本発明は、時間の経過に影響されずに、研磨ヘッドを用いて研磨パッドの研磨面を正確に検出することができる方法および研磨装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一態様では、研磨ヘッドから研磨パッドに推力を加えながら、前記研磨ヘッドを前記研磨パッドの研磨面に垂直な方向に移動させ、前記研磨ヘッドの移動中に、前記研磨ヘッドを支持するヘッドアームの撓みを歪センサで検出し、前記歪センサからの出力信号が予め設定されたしきい値に達した時点に対応する前記研磨ヘッドの位置を決定する方法が提供される。
【００１０】
一態様では、前記研磨ヘッドに保持された基板が前記研磨面に接触した状態で、前記研磨ヘッドを前記研磨パッドの前記研磨面に垂直な方向に移動させる。
一態様では、前記方法は、前記決定された位置に所定の距離を加えることで、前記研磨面に対する前記研磨ヘッドの基準高さを決定する工程をさらに含む。
一態様では、前記方法は、前記研磨パッドの減耗量を算出し、前記減耗量を前記研磨ヘッドの基準高さから減算することで、前記研磨ヘッドの基準高さを更新する工程をさらに含む。
【００１１】
一態様では、前記方法は、前記研磨ヘッドから前記研磨パッドに加えられる推力と、前記歪センサの出力信号との関係を取得する工程をさらに含む。
一態様では、前記推力と前記歪センサの出力信号との関係を取得する工程は、前記研磨ヘッドに代えて研磨ヘッドシャフトに取り付けられた押し治具で、前記研磨面上の荷重測定器を複数の異なる荷重で押し付けながら、前記歪センサの対応する複数の出力信号を取得し、前記荷重測定器から出力された前記複数の異なる荷重の測定値と、前記対応する複数の出力信号とに基づいて、前記推力と前記歪センサの出力信号との関係を示す一次関数を決定する工程を含む。
一態様では、前記押し治具は、球面状の押圧面を有する。
【００１２】
一態様では、研磨パッドを支持するための研磨テーブルと、基板を前記研磨パッドに押し付けるための研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドを前記研磨パッドの研磨面に向かって移動させるアクチュエータと、前記研磨ヘッドを支持するヘッドアームと、前記ヘッドアームの撓みを検出する歪センサと、前記歪センサに電気的に接続された動作制御部とを備え、前記動作制御部は、前記歪センサからの出力信号が予め設定されたしきい値に達した時点に対応する前記研磨ヘッドの位置を決定するためのプログラムが格納された記憶装置と、前記プログラムを実行するための処理装置とを有する研磨装置が提供される。
【００１３】
一態様では、前記歪センサは、前記ヘッドアームの上面または下面に固定されたセンサヘッドを備え、前記センサヘッドは前記ヘッドアームの撓みを感知するように構成されている。
一態様では、前記記憶装置は、前記研磨ヘッドから前記研磨パッドに加えられる推力と、前記歪センサの出力信号との関係を示す一次関数を内部に記憶している。
【発明の効果】
【００１４】
ヘッドアームの撓みの大きさは、研磨ヘッドから研磨パッドに加わる推力に依存し、他の要因に依存しない。したがって、推力が同じである限り、ヘッドアームの撓みの大きさも時間経過によらず同じである。歪センサの出力信号は、時間の経過に影響されることなく、ヘッドアームの撓みの大きさ、すなわち推力を正確に反映する。結果として、パッドサーチを行うたびに正確な研磨ヘッドの基準高さを決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】研磨装置の一実施形態を示す側面図である。
【図２】研磨ヘッドを示す断面図である。
【図３】推力と歪センサの出力信号との関係を示す一次関数の一例を示すグラフである。
【図４】パッドサーチからウェーハの研磨までの動作の一実施形態を説明するフローチャートである。
【図５】推力を測定するときに使用される押し部材の側面である。
【図６】研磨パッドの研磨面上に配置された荷重測定器としてのロードセルで、押し部材の推力を測定している様子を示す図である。
【図７】動作制御部の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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、研磨装置の一実施形態を示す側面図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨パッド３を支持する研磨テーブル２と、基板の一例であるウェーハＷを保持して研磨テーブル２上の研磨パッド３に押し付ける研磨ヘッド（基板保持装置）１とを備えている。
【００１７】
研磨テーブル２は、テーブル軸２ａを介してその下方に配置されるテーブルモータ５に連結されており、そのテーブル軸２ａを中心に回転可能になっている。研磨パッド３は研磨テーブル２の上面に貼付されており、研磨パッド３の上面がウェーハＷを研磨する研磨面３ａを構成している。研磨テーブル２の上方には研磨液供給ノズル７が設置されており、この研磨液供給ノズル７によって研磨パッド３の研磨面３ａ上に研磨液（例えばスラリー）が供給されるようになっている。
【００１８】
研磨ヘッド１は、研磨ヘッドシャフト８の下端に着脱可能に固定されている。研磨ヘッドシャフト８は、アクチュエータ１５によりヘッドアーム１２に対して上下動するようになっている。この研磨ヘッドシャフト８の上下動により、ヘッドアーム１２に対して研磨ヘッド１の全体を昇降させ位置決めするようになっている。研磨ヘッド１は、研磨ヘッドシャフト８およびアクチュエータ１５を介してヘッドアーム１２に支持されている。研磨ヘッドシャフト８はヘッドアーム１２を貫通して延びている。
【００１９】
アクチュエータ１５は、研磨ヘッド１および研磨ヘッドシャフト８をヘッドアーム１２に対して相対的に移動させることが可能である。アクチュエータ１５によって移動される研磨ヘッド１の方向は、研磨面３ａに垂直である。研磨ヘッドシャフト８の上端にはロータリージョイント１８が取り付けられている。
【００２０】
研磨ヘッドシャフト８および研磨ヘッド１を上下方向に移動させるアクチュエータ１５は、支持台３０に固定されている。この支持台３０は、ヘッドアーム１２の上面に固定されている。アクチュエータ１５は、研磨ヘッドシャフト８を回転可能に支持する軸受２０と、軸受２０を保持するブリッジ２２と、ブリッジ２２に連結されたボールねじ機構２４と、支持台３０上に固定されたサーボモータ２６とを備えている。
【００２１】
ボールねじ機構２４は、サーボモータ２６に連結されたねじ軸２４ａと、このねじ軸２４ａが螺合するナット２４ｂとを備えている。ナット２４ｂはブリッジ２２に保持されている。研磨ヘッドシャフト８は、軸受２０およびブリッジ２２と一体となって上下動可能である。サーボモータ２６を駆動すると、ボールねじ機構２４を介してブリッジ２２が上下動し、これにより研磨ヘッドシャフト８および研磨ヘッド１が上下動する。研磨ヘッド１は、研磨ヘッドシャフト８、アクチュエータ１５、および支持台３０を介してヘッドアーム１２に連結されている。
【００２２】
研磨ヘッドシャフト８は、その軸方向に移動可能にボールスプライン軸受３２に支持されている。このボールスプライン軸受３２の外周部にはプーリ３５が固定されている。ヘッドアーム１２には研磨ヘッド回転モータ３７が固定されており、上記プーリ３５は、研磨ヘッド回転モータ３７に取り付けられたプーリ４０にベルト３９を介して接続されている。したがって、研磨ヘッド回転モータ３７を回転駆動することによってプーリ４０、ベルト３９、およびプーリ３５を介してボールスプライン軸受３２および研磨ヘッドシャフト８が一体に回転し、研磨ヘッド１が研磨ヘッドシャフト８を中心に回転する。プーリ３５，４０、ベルト３９、およびボールスプライン軸受３２は、ヘッドアーム１２内に配置されている。
【００２３】
ヘッドアーム１２は、フレーム（図示せず）に支持された旋回軸４３によって支持されている。研磨ヘッド１は、その下面にウェーハＷを保持できるようになっている。ヘッドアーム１２は旋回軸４３を中心として旋回可能に構成されている。下面にウェーハＷを保持した研磨ヘッド１は、ヘッドアーム１２の旋回によりウェーハＷの受取位置から研磨テーブル２の上方位置に移動される。
【００２４】
研磨装置は、研磨ヘッド１、研磨ヘッド回転モータ３７、サーボモータ２６を含む各機器を制御する動作制御部５０を備えている。サーボモータ２６はモータドライバ５１に接続されており、モータドライバ５１は動作制御部５０に接続されている。動作制御部５０はモータドライバ５１に指令信号を送り、モータドライバ５１は指令信号に従ってサーボモータ２６を駆動する。
【００２５】
ウェーハＷの研磨は次のようにして行われる。研磨ヘッド１および研磨テーブル２をそれぞれ回転させ、研磨液供給ノズル７から研磨パッド３の研磨面３ａ上に研磨液を供給する。この状態で、研磨ヘッド１を所定の基準高さにまで下降させ、そして研磨ヘッド１でウェーハＷを研磨パッド３の研磨面３ａに押圧する。ウェーハＷは研磨液の存在下で研磨パッド３の研磨面３ａに摺接され、これによりウェーハＷの表面が研磨される。
【００２６】
研磨装置は、ヘッドアーム１２の撓みを検出する歪センサ５５を備えている。歪センサ５５は、ヘッドアーム１２の撓みの大きさに従って変化する出力信号を生成するように構成されている。この歪センサ５５は、ヘッドアーム１２に固定されたセンサヘッド５６と、センサヘッド５６に電気的に接続されたセンサアンプ５７とを備えている。センサヘッド５６は、ヘッドアーム１２の撓みを感知することができる圧電素子や金属抵抗体などの素子を備えており、ヘッドアーム１２の撓みの大きさに従って変化する電気信号を出力する。この電気信号はセンサアンプ５７に送られ、センサアンプ５７によって増幅される。
【００２７】
センサヘッド５６は、ヘッドアーム１２の上面に固定されている。一実施形態では、センサヘッド５６は、ヘッドアーム１２の下面に固定されてもよい。ヘッドアーム１２の撓みを精度よく感知するために、センサヘッド５６は、ヘッドアーム１２に加わる力の作用点である支持台３０の下端と、ヘッドアーム１２の支点である旋回軸４３との間にあればよく、本実施例では好ましい配置としてヘッドアーム１２の上面で作用点と支点との間の略中央に位置している。
【００２８】
歪センサ５５の出力信号は、ヘッドアーム１２の撓みの大きさに従って変化する。この出力信号は、撓みの大きさを間接的に表す電流値または電圧値などの数値であってもよく、または撓みの大きさを直接表す数値であってもよい。歪センサ５５の構成は本実施形態に限定されず、ヘッドアーム１２の撓みの大きさに従って変化する出力信号を生成することができるのであれば、他の構成を有する歪センサを用いてもよい。歪センサ５５は、センサアンプ５７から出力された信号を、他の形態の信号に変換する変換器をさらに備えてもよい。
【００２９】
歪センサ５５は動作制御部５０に電気的に接続されている。より具体的には、センサアンプ５７は動作制御部５０に電気的に接続されている。歪センサ５５の出力信号は、動作制御部５０に送られる。歪センサ５５は、後述するように、研磨ヘッド１の上記基準高さを決定する工程において使用される。
【００３０】
研磨装置は、研磨パッド３の研磨面３ａをドレッシングするドレッシングユニット６０を備えている。このドレッシングユニット６０は、研磨パッド３の研磨面３ａに摺接されるドレッサ６１と、ドレッサ６１が連結されたドレッサシャフト６２と、ドレッサシャフト６２の上端に設けられたエアシリンダ６３と、ドレッサシャフト６２を回転自在に支持するドレッサアーム６５とを備えている。ドレッサ６１の下面はドレッシング面６１ａを構成し、このドレッシング面６１ａは砥粒（例えば、ダイヤモンド粒子）から構成されている。エアシリンダ６３は、支持台６７上に配置されており、支持台６７はドレッサアーム６５に固定されている。
【００３１】
支軸６８に連結された図示しないモータを駆動すると、ドレッサアーム６５は支軸６８を中心として旋回する。ドレッサシャフト６２は、ドレッサアーム６５内に配置された図示しないドレッサ回転モータにより回転し、このドレッサシャフト６２の回転により、ドレッサ６１がドレッサシャフト６２を中心に矢印で示す方向に回転するようになっている。エアシリンダ６３は、ドレッサシャフト６２を介してドレッサ６１に連結されている。エアシリンダ６３は、ドレッサシャフト６２およびドレッサ６１を一体に上下動させ、ドレッサ６１のドレッシング面６１ａを所定の力で研磨パッド３の研磨面３ａに押し付ける。
【００３２】
研磨パッド３の研磨面３ａのドレッシングは次のようにして行われる。研磨パッド３は研磨テーブル２とともにテーブルモータ５によって回転されながら、図示しない純水供給ノズルから純水が研磨面３ａに供給される。ドレッサ６１は、ドレッサシャフト６２を中心に回転しながら、ドレッサ６１のドレッシング面６１ａはエアシリンダ６３により研磨面３ａに押圧される。研磨面３ａ上に純水が存在した状態で、ドレッサ６１は研磨面３ａに摺接される。ドレッサ６１の回転中、ドレッサアーム６５を支軸６８を中心として旋回させてドレッサ６１を研磨面３ａの半径方向に移動させる。このようにして、ドレッサ６１により研磨パッド３が削り取られ、研磨面３ａがドレッシング（再生）される。
【００３３】
ドレッシングユニット６０はドレッサ６１の高さ（すなわち研磨面３ａに対するドレッサ６１の相対的な縦方向の位置）を測定する変位センサ７０を備えている。この変位センサ７０は、ドレッサアーム６５に固定されている。ドレッサシャフト６２にはターゲットプレート７１が固定されており、ドレッサ６１およびドレッサシャフト６２の上下動に伴って、ターゲットプレート７１は上下動するようになっている。変位センサ７０は、ターゲットプレート７１を向いており、このターゲットプレート７１の高さ（ターゲットプレート７１の縦方向の位置）を測定するように構成されている。
【００３４】
エアシリンダ６３を駆動すると、ドレッサ６１、ドレッサシャフト６２、およびターゲットプレート７１は一体に上下動する。一方、ドレッサアーム６５の縦方向の位置は固定である。変位センサ７０は、ドレッサアーム６５に対するターゲットプレート７１の縦方向の位置を測定することにより、ドレッサ６１の高さを間接的に測定することができる。本実施形態では、変位センサ７０として、ターゲットプレート７１に接触する接触式変位センサが用いられているが、ターゲットプレート７１に接触しない非接触式変位センサを用いてもよい。具体的には、リニアスケール、レーザ式センサ、超音波センサ、または渦電流式センサなどを変位センサ７０として用いることができる。
【００３５】
変位センサ７０は、動作制御部５０に電気的に接続されており、ドレッサ６１の縦方向の位置の測定値は動作制御部５０に送られる。ウェーハの研磨および研磨パッド３のドレッシングに伴って研磨パッド３は徐々に摩耗する。動作制御部５０は、変位センサ７０から送られる測定値に基づいて研磨パッド３の減耗量を算出するように構成されている。より具体的には、動作制御部５０は、研磨面３ａに接触しているときのドレッサ６１の縦方向の位置の初期の測定値と現在の測定値との差を算出する。この差は、研磨パッド３の減耗量に相当する。
【００３６】
次に、研磨ヘッド１について図２を参照して詳細に説明する。図２は、研磨ヘッド１を示す断面図である。研磨ヘッド１は、研磨ヘッドシャフト８に固定されたヘッド本体８１と、ヘッド本体８１の下方に配置されたリテーナリング８２とを備えている。ヘッド本体８１の下部には、ウェーハＷに当接する柔軟なメンブレン（弾性膜）８４が固定されている。メンブレン８４とヘッド本体８１との間には、４つの圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４が形成されている。圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４はメンブレン８４とヘッド本体８１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。一実施形態では、４つよりも多い圧力室が設けられてもよく、あるいは、４つよりも少ない圧力室が設けられてもよい。
【００３７】
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７７により圧縮空気等の圧縮気体が供給されるようになっている。ウェーハＷは、メンブレン８４によって研磨パッド３の研磨面３ａに押し付けられる。より具体的には、圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４内の圧縮気体の圧力は、メンブレン８４を介してウェーハＷに作用し、ウェーハＷを研磨面３ａに対して押し付ける。圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の内部圧力は独立して変化させることが可能であり、これにより、ウェーハ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。圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は、流体路Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４を介して図示しない真空源に連通している。
【００３８】
ウェーハＷの周端部はリテーナリング８２に囲まれており、研磨中にウェーハＷが研磨ヘッド１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８４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ーハＷが研磨ヘッド１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、ウェーハＷが研磨ヘッド１からリリースされるようになっている。
【００３９】
ヘッド本体８１とリテーナリング８２との間には、環状のローリングダイヤフラム８８が配置されおり、このローリングダイヤフラム８８の内部には圧力室Ｃ５が形成されている。圧力室Ｃ５は、流体路Ｆ５を介して上記気体供給源７７に連結されている。気体供給源７７は圧縮気体を圧力室Ｃ５内に供給し、圧力室Ｃ５内の圧縮気体はリテーナリング８２を研磨パッド３に対して押圧する。
【００４０】
流体路Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５は、圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５からロータリージョイント１８を経由して気体供給源７７に延びている。流体路Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５には、圧力レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５がそれぞれ取り付けられている。気体供給源７７からの圧縮気体は、圧力レギュレータＲ１〜Ｒ５、ロータリージョイント１８、および流体路Ｆ１〜Ｆ５を通って圧力室Ｃ１〜Ｃ５内に供給される。圧力レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５は、圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５内の圧力を制御するように構成されている。圧力レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５は動作制御部５０に接続されている。流体路Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５は大気開放弁（図示せず）にも接続されており、圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５を大気開放することも可能である。
【００４１】
動作制御部５０は、各圧力室Ｃ１〜Ｃ５の目標圧力値を生成するように構成されている。圧力室Ｃ１〜Ｃ５の目標圧力値は、ウェーハの膜厚測定値に基づいて決定される。動作制御部５０は目標圧力値を上記圧力レギュレータＲ１〜Ｒ５に送り、圧力室Ｃ１〜Ｃ５内の圧力が対応する目標圧力値に一致するように圧力レギュレータＲ１〜Ｒ５が作動する。複数の圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を持つ研磨ヘッド１は、研磨の進捗に従ってウェーハＷの表面上の各領域を独立に研磨パッド３に押圧できるので、ウェーハＷの膜を均一に研磨することができる。
【００４２】
ウェーハＷの研磨中は、研磨ヘッド１は基準高さに維持される。すなわち、研磨ヘッド１が基準高さにある状態で、圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５に圧縮気体が供給される。圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を形成するメンブレン８４は、ウェーハＷを研磨パッド３の研磨面３ａに対して押し付け、圧力室Ｃ５を形成するローリングダイヤフラム８８は、リテーナリング８２を研磨パッド３の研磨面３ａに対して押し付ける。
【００４３】
研磨ヘッド１の基準高さは、研磨パッド３の研磨面３ａに対する研磨ヘッド１の全体の相対的な高さである。研磨ヘッド１の基準高さは、ウェーハに加えられる研磨荷重に影響する。したがって、ウェーハを研磨するときは、研磨ヘッド１の基準高さは常に同じである必要がある。しかしながら、ウェーハの研磨および研磨パッド３のドレッシングに伴って研磨パッド３は徐々に摩耗し、結果として研磨ヘッド１の基準高さが変化してしまう。そこで、研磨パッド３の摩耗にかかわらず研磨ヘッド１の基準高さが一定に保たれるように、研磨ヘッド３の減耗量に従って研磨ヘッド１の基準高さが調節される。
【００４４】
研磨ヘッド１の基準高さは、研磨パッド３が摩耗する前に（すなわち、研磨パッド３がウェーハ研磨に使用される前に）決定される。研磨ヘッド１の基準高さを決定するためには、まず、研磨パッド３の研磨面３ａを検出する必要がある。本明細書では、研磨パッド３の研磨面３ａを検出する作業を、パッドサーチと呼ぶ。
【００４５】
パッドサーチは、研磨ヘッド１を用いて行われる。具体的には、パッドサーチは、研磨ヘッド１が研磨パッド３に推力を加えながら行われる。研磨ヘッド１の推力は、上述したアクチュエータ１５（より具体的にはサーボモータ２６）によって発生される。研磨ヘッド１は、研磨パッド３から反力を受ける。この反力は、研磨ヘッドシャフト８、アクチュエータ１５、および支持台３０を介してヘッドアーム１２に伝達される。その結果、ヘッドアーム１２は上方向に撓む。上述した歪センサ５５は、このヘッドアーム１２の撓みに相当する出力信号を生成し、この出力信号を動作制御部５０に送る。動作制御部５０は、推力と歪センサ５５の出力信号との関係を示す一次関数を予め記憶している。したがって、動作制御部５０は、歪センサ５５の出力信号に基づいて、研磨ヘッド１から研磨パッド３に加えられている推力を決定することができる。
【００４６】
図３は、推力と歪センサ５５の出力信号との関係を示す一次関数の一例を示すグラフである。図３の縦軸は研磨ヘッド１から研磨パッド３に作用する推力（荷重）を表し、横軸は歪センサ５５の出力信号を表す。出力信号は、ヘッドアーム１２の撓みの大きさを直接または間接に示す数値から構成される。図３に示すように、推力は歪センサ５５の出力信号に比例する。したがって、動作制御部５０は、歪センサ５５の出力信号と一次関数とから推力を決定することができる。
【００４７】
図４は、パッドサーチからウェーハの研磨までの動作の一実施形態を説明するフローチャートである。ステップ１では、研磨ヘッド１は、ダミーウェーハ（ダミー基板）をメンブレン８４上に保持する。ダミーウェーハ（ダミー基板）は、予め定められた厚さを有するウェーハ（基板）である。ダミーウェーハ（ダミー基板）に代えて、予め定められた厚さを有する製品ウェーハ（製品基板）を用いてもよい。
【００４８】
ステップ２では、研磨ヘッド１でダミーウェーハを研磨面３ａに押し付けながら、研磨ヘッド１を下降（移動）させる。より具体的には、動作制御部５０は、モータドライバ５１に指令信号を送り、アクチュエータ１５を作動させる。アクチュエータ１５は、研磨ヘッド１を所定の速度で研磨パッド３の研磨面３ａに向かって下降させ、研磨ヘッド１でダミーウェーハを研磨面３ａに押し付ける。このとき研磨ヘッド１および研磨テーブル２は回転していない。研磨ヘッド１がダミーウェーハを研磨面３ａに押し付けている間、研磨ヘッド１は上記所定の速度で下降を続ける。このときの研磨ヘッド１の移動方向は研磨面３ａと垂直である。研磨ヘッド１がダミーウェーハを研磨面３ａに押し付けている間、研磨ヘッド１の圧力室Ｃ１−Ｃ５内は大気開放される。研磨ヘッド１の推力は、ダミーウェーハを通じて研磨パッド３の研磨面３ａに加えられる。リテーナリング８２は、その自重により単に研磨面３ａに接触する。
【００４９】
ステップ３では、研磨ヘッド１の移動中に、歪センサ５５はヘッドアーム１２の撓みを検出する。上記ステップ２とステップ３は実際には同時に行われる。研磨ヘッド１が下降するにつれて、研磨ヘッド１から研磨パッド３の研磨面３ａに加えられる推力は大きくなる。言い換えれば、研磨パッド３から研磨ヘッド１に加わる反力は、研磨ヘッド１の下降に従って大きくなる。この反力はヘッドアーム１２を上方に撓ませる。歪センサ５５はヘッドアーム１２の撓みの大きさを反映した出力信号を動作制御部５０に送る。
【００５０】
ステップ４では、動作制御部５０は、歪センサ５５からの出力信号が予め設定されたしきい値に達したときに、モータドライバ５１に指令信号を送り、研磨ヘッド１の移動（下降）を停止させる。
ステップ５では、動作制御部５０は、歪センサ５５からの出力信号が予め設定されたしきい値に達した時点に対応する研磨ヘッド１の位置を決定する。研磨ヘッド１の位置は、研磨パッド３の研磨面３ａに対する研磨ヘッド１の全体の相対的な高さである。研磨ヘッド１の位置は、サーボモータ２６の回転回数とボールねじ機構２４のねじピッチから求められる。
【００５１】
ステップ６では、動作制御部５０は、決定された研磨ヘッド１の位置に所定の距離を加算することで、研磨面３ａに対する研磨ヘッド１の基準高さを決定する。所定の距離は、研磨面３ａから離れる方向の距離である。
【００５２】
ステップ７では、研磨ヘッド１は、ダミーウェーハに代えて、製品ウェーハを保持する。
ステップ８では、動作制御部５０は、モータドライバ５１に指令信号を送り、アクチュエータ１５を作動させて、研磨ヘッド１を上記決定された基準高さまで移動させる。
ステップ９では、研磨液供給ノズル７は、回転する研磨テーブル２上の研磨パッド３の研磨面３ａに研磨液を供給しながら、基準高さにある研磨ヘッド１は製品ウェーハを研磨面３ａに押し付けることで、製品ウェーハを研磨する。
【００５３】
ヘッドアーム１２の撓みの大きさは、研磨ヘッド１から研磨パッド３に加わる推力に依存し、他の要因に依存しない。したがって、推力が同じである限り、ヘッドアーム１２の撓みの大きさも時間経過によらず同じである。歪センサ５５の出力信号は、時間の経過に影響されることなく、ヘッドアーム１２の撓みの大きさ、すなわち推力を正確に反映する。結果として、動作制御部５０は、パッドサーチを行うたびに正確な研磨ヘッド１の基準高さを決定することができる。
【００５４】
パッドサーチおよび研磨ヘッド１の基準高さの決定は、研磨パッド３を新たなものに交換するたびに行われる。より具体的には、新たな研磨パッド３が研磨テーブル２上に取り付けられた後、ドレッサ６１により新たな研磨パッド３の研磨面３ａがドレッシングされる。その後、パッドサーチおよび研磨ヘッド１の基準高さの決定が実行される。
【００５５】
上述したように、ウェーハの研磨および研磨パッド３のドレッシングに伴って研磨パッド３は徐々に摩耗し、結果として研磨ヘッド１の基準高さが変化してしまう。そこで、研磨パッド３の摩耗にかかわらず研磨ヘッド１の基準高さが一定に保たれるように、研磨ヘッド１の減耗量に従って研磨ヘッド１の基準高さが調節される。具体的には、１枚または所定の枚数のウェーハが研磨されるたびに、動作制御部５０は、研磨パッド３の減耗量を算出し、減耗量を研磨ヘッド１の基準高さから減算することで、研磨ヘッド１の基準高さを更新する。このような動作により、研磨パッド３の摩耗に影響されずに、研磨ヘッド１の基準高さを常に一定に保つことできる。
【００５６】
図３に示す一次関数は、異なる複数の推力を実際に測定し、これら推力に対応する歪センサ５５の複数の出力信号を取得し、推力の測定値および対応する出力信号から特定される座標点を座標系上にプロットし、これら座標点に回帰分析を実行することにより得られる。推力と歪センサ５５の出力信号との関係を示す一次関数は、パッドサーチの前に取得される。推力と歪センサ５５の出力信号との関係が一旦取得されると、その関係（一次関数で表される）は、その後に行われる複数のパッドサーチに使用することができる。
【００５７】
推力を測定するとき、研磨ヘッド１が研磨ヘッドシャフト８から外され、図５に示す押し部材９１が研磨ヘッドシャフト８に固定される。押し部材９１は、図示しないねじにより研磨ヘッドシャフト８の下端に固定される。図５に示すように、押し部材９１は、球面状の押圧面９１ａを有する。この押圧面９１ａは押し部材９１の下面を構成する。球面状の押圧面９１ａの最下点は、押し部材９１の中心および研磨ヘッドシャフト８の中心軸に一致する。
【００５８】
図６は、研磨パッド３の研磨面３ａ上に配置された荷重測定器としてのロードセル９５で、押し部材９１の推力を測定している様子を示す図である。ロードセル９５と押し部材９１との間にはスペーサ９３が配置されている。スペーサ９３は省略してもよい。アクチュエータ１５（図１参照）を作動させることで、押し部材９１の押圧面９１ａはスペーサ９３を介してロードセル９５を押し付ける。押し部材９１の押圧面９１ａはスペーサ９３に点接触する。このときの押し部材９１の推力は、研磨ヘッド１の推力に相当する。ロードセル９５は、押し部材９１の推力（荷重）を測定する。
【００５９】
図６から分かるように、押圧面９１ａは球状であるので、押し部材９１の中心のみがスペーサ９３に接触する。もし押圧面９１ａが平面であると、研磨ヘッドシャフト８が研磨面３ａに対して完全に垂直でない限り、推力の作用点が研磨ヘッドシャフト８の中心軸からずれてしまい、ロードセル９５は正確な推力を測定することができない。本実施形態によれば、推力の作用点は研磨ヘッドシャフト８の中心軸上にあるので、ロードセル９５は正確な推力を測定することができる。
【００６０】
本実施形態では、動作制御部５０は、専用のコンピュータまたは汎用のコンピュータから構成される。図７は、動作制御部５０の構成を示す模式図である。動作制御部５０は、プログラムやデータなどが格納される記憶装置１１０と、記憶装置１１０に格納されているプログラムに従って演算を行うＣＰＵ（中央処理装置）などの処理装置１２０と、データ、プログラム、および各種情報を記憶装置１１０に入力するための入力装置１３０と、処理結果や処理されたデータを出力するための出力装置１４０と、インターネットなどのネットワークに接続するための通信装置１５０を備えている。
【００６１】
記憶装置１１０は、処理装置１２０がアクセス可能な主記憶装置１１１と、データおよびプログラムを格納する補助記憶装置１１２を備えている。主記憶装置１１１は、例えばランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）であり、補助記憶装置１１２は、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）またはソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）などのストレージ装置である。
【００６２】
入力装置１３０は、キーボード、マウスを備えており、さらに、記録媒体からデータを読み込むための記録媒体読み込み装置１３２と、記録媒体が接続される記録媒体ポート１３４を備えている。記録媒体は、非一時的な有形物であるコンピュータ読み取り可能な記録媒体であり、例えば、光ディスク（例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ）や、半導体メモリー（例えば、ＵＳＢフラッシュドライブ、メモリーカード）である。記録媒体読み込み装置１３２の例としては、ＣＤドライブ、ＤＶＤドライブなどの光学ドライブや、カードリーダーが挙げられる。記録媒体ポート１３４の例としては、ＵＳＢ端子が挙げられる。記録媒体に記憶されているプログラムおよび／またはデータは、入力装置１３０を介して動作制御部５０に導入され、記憶装置１１０の補助記憶装置１１２に格納される。出力装置１４０は、ディスプレイ装置１４１、印刷装置１４２を備えている。
【００６３】
記憶装置１１０は、歪センサ５５からの出力信号が予め設定されたしきい値に達した時点に対応する研磨ヘッド１の位置を決定し、該決定された研磨ヘッド１の位置から基準高さを決定するためのプログラムを内部に格納している。このプログラムは、処理装置１２０によって実行される。さらに、記憶装置１１０は、研磨ヘッド１から研磨パッド３に加えられる推力と、歪センサ５５の出力信号との関係を示す一次関数を内部に記憶している。
【００６４】
上記プログラムは、非一時的な有形物であるコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録され、記録媒体を介して動作制御部５０に提供される。または、プログラムは、インターネットなどの通信ネットワークを介して動作制御部５０に提供されてもよい。
【００６５】
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。
【符号の説明】
【００６６】
１      研磨ヘッド（基板保持装置）
２      研磨テーブル
２ａ    テーブル軸
３      研磨パッド
３ａ    研磨面
５      テーブルモータ
７      研磨液供給ノズル
８      研磨ヘッドシャフト
１２      ヘッドアーム
１５      アクチュエータ
１８      ロータリージョイント
２０      軸受
２２      ブリッジ
２４      ボールねじ機構
２４ａ    ねじ軸
２４ｂ    ナット
２６      サーボモータ
３０      支持台
３２      ボールスプライン軸受
３５      プーリ
３７      研磨ヘッド回転モータ
３９      ベルト
４０      プーリ
４３      旋回軸
５０      動作制御部
５１      モータドライバ
５５      歪センサ
５６      センサヘッド
５７      センサアンプ
６０      ドレッシングユニット
６１      ドレッサ
６１ａ    ドレッシング面
６２      ドレッサシャフト
６３      エアシリンダ
６５      ドレッサアーム
６７      支持台
６８      支軸
７０      変位センサ
７１      ターゲットプレート
７７      気体供給源
８１      ヘッド本体
８２      リテーナリング
８４      メンブレン
８８      ローリングダイヤフラム
９１      押し部材
９１ａ    押圧面
９３      スペーサ
９５      ロードセル
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５      流体路
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５      圧力室
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５      圧力レギュレータ
【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】
2019198938.tif 000008
【図７】
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