(57)【要約】研磨装置１は、研磨部材４０がドライブプレート１０を用いてヘッドハウジング３１に対し上下移動可能に配設されており、ドライブプレート１０の変形量を検出可能な歪みゲージ９２と、研磨ヘッド３０の上下移動を規制可能なロック機構９１と、ロック機構９１の作動を制御する制御部９０とを備え、研磨開始前において、研磨ヘッド３０が下方へ移動して研磨部材４０がウェハ２０に当接し、歪みゲージ９２に検出されるドライブプレート１０の変形量が零近傍になると、制御部９０がロック機構９１を作動させて研磨ヘッド３０の上下移動が規制されるように構成される。
2005016595.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨対象物を保持する対象物保持具と、前記研磨対象物を研磨する研磨部材を保持する研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドを上下移動可能に保持する上下位置調整手段とを備え、前記上下位置調整手段を利用して前記研磨ヘッドを下方へ移動させ前記研磨部材を前記研磨対象物に当接させたのち、前記研磨部材を前記研磨対象物に当接させながら相対移動させて前記研磨対象物の研磨を行うように構成された研磨装置において、
前記研磨ヘッドは、下面側に開口を有するヘッドハウジングと、前記ヘッドハウジング内に略水平に固設され前記研磨部材を上下移動可能に保持する板状の弾性部材とを有し、
前記研磨部材は、前記弾性部材を用いて前記開口を通過するように配設され、前記ヘッドハウジング内に給排される空気を利用して上下移動可能に構成されており、
前記研磨部材の厚さの変化による前記弾性部材の変形量が零近傍となるように前記上下位置調整手段の作動を制御する制御部を備えて構成されることを特徴とする研磨装置。
【請求項２】
前記研磨部材の厚さの変化を測定する測定器を備え、
前記制御部は、前記測定器から出力された信号に応じて前記上下位置調整手段の作動を制御することを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項３】
前記弾性部材の変形量を検出する変位検出部を備え、
前記制御部は、前記変位検出部から出力された信号に応じて前記上下位置調整手段の作動を制御することを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項４】
研磨対象物を保持する対象物保持具と、前記研磨対象物を研磨する研磨部材を保持する研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドを上下移動可能に保持する上下機構とを備え、前記上下機構を利用して前記研磨ヘッドを下方へ移動させ前記研磨部材を前記研磨対象物に当接させたのち、前記研磨部材を前記研磨対象物に当接させながら相対移動させて前記研磨対象物の研磨を行うように構成された研磨装置において、
前記研磨ヘッドは、下面側に開口を有するヘッドハウジングと、前記ヘッドハウジング内に略水平に固設され前記研磨部材を上下移動可能に保持する板状の弾性部材とを有し、
前記研磨部材は、前記弾性部材を用いて前記開口を通過するように配設され、前記ヘッドハウジング内に給排される空気を利用して上下移動可能に構成されており、
前記研磨ヘッドに設けられて前記弾性部材の変形量を検出する変位検出部と、
前記研磨ヘッドの上下移動を規制するロック機構と、
前記ロック機構の作動を制御する制御部とを備え、
研磨開始前において、前記研磨ヘッドが下方へ移動して前記研磨部材が前記研磨対象物に当接し、前記変位検出部に検出される前記弾性部材の変形量が零近傍になると、前記制御部が前記ロック機構を作動させて前記研磨ヘッドの上下移動が規制されるように構成されることを特徴とする研磨装置。
【請求項５】
前記変位検出部が、前記弾性部材に配設された歪みゲージであることを特徴とする請求項４に記載の研磨装置。
【請求項６】
前記変位検出部が、前記ヘッドハウジング内に前記弾性部材と対向して設けられた磁気センサもしくは光学センサであることを特徴とする請求項４に記載の研磨装置。
【請求項７】
前記変位検出部が、相対移動する一方側の部材が前記弾性部材に取り付けられるとともに他方側の部材が前記研磨ヘッド側部材に取り付けられた差動トランスからなることを特徴とする請求項４に記載の研磨装置。
【請求項８】
前記変位検出部により検出される前記弾性部材の変形量の変化速度が予め定めた所定値を超えたとき、前記研磨ヘッドの作動を停止させる作動停止手段を備えたことを特徴とする請求項４から請求項７のうちいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項９】
前記変位検出部により検出された前記弾性部材の変形量が零近傍であるときの前記研磨ヘッドの上下方向位置を検出する研磨ヘッド位置検出部と、前記研磨ヘッド位置検出部により検出された前記研磨ヘッドの上下方向位置の変化量から前記研磨部材の厚さ変化量を算出する厚さ変化量算出部とを備えたことを特徴とする請求項４から請求項８のうちいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項１０】
前記研磨対象物は半導体ウェハであり、請求項１から請求項９のうちいずれか一項に記載の研磨装置を用いて前記半導体ウェハの表面を平坦化する工程を有することを特徴とする半導体デバイス製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の半導体デバイス製造方法により製造されたことを特徴とする半導体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、半導体ウェハ等の研磨対象物の表面を平坦化する研磨装置に関する。さらに、この研磨装置を用いた半導体デバイス製造方法および半導体デバイスに関する。
【背景技術】  このような研磨装置として、研磨対象物としての半導体ウェハを保持具により保持し、これを研磨部材（研磨パッド）に接触させながら相対回転移動させて半導体ウェハの表面研磨を行う研磨装置がある（例えば、特開平１１−１５６７１１号公報参照）。このように半導体ウェハの表面研磨を行う研磨装置では、非常に精密且つ均一な研磨が要求されるため、ウェハ（研磨対象物）の表面の凹凸に追従して研磨部材がその姿勢を変えるようにしたり、もしくはウェハがその姿勢を変えるようにしたりして、常に最適な加工状態を維持するような工夫がなされている。
例えば、米国特許第６，２５１，２１５号に開示の研磨装置では、ウェハを保持するヘッド部に柔軟性に富んだゴムシートを用い、ゴムシートの裏面側に空気圧を作用させてこのゴムシートを介してウェハを研磨部材となる研磨パッドに押し付けるように構成されている。また、特開平１０−２３５５５５号公報に開示の装置では、ウェハを保持するヘッド部がボールジョイント構造を介して回転駆動軸に連結されて、ヘッド部がボールジョイント部を介して揺動自在な状態で回転駆動されるように構成されている。このようにゴムシートや、ボールジョイント構造を用いることにより、研磨パッドが貼り付けられる定盤の回転精度や研磨パッドの厚みのバラツキに応じてその姿勢が柔軟に変化し、ウェハが研磨パッドに常に均一に接触し、均一な表面研磨を行うことができるようになっている。
上記構成とは逆に、研磨部材側すなわち研磨パッドの姿勢を柔軟に変化させることができるようにする構成の装置も知られている。この装置では、例えば、ウェハチャックにウェハがその被研磨面を上方に向けて（フェイスアップ状態で）真空吸着され、ウェハチャックとともに回転駆動される。このウェハの上方にこれと対向して研磨ヘッドが配設されており、研磨ヘッドは、ウェハの被研磨面と接触する研磨パッドを貼り付けた研磨部材と、これに柔軟に支えるドライブプレートおよびゴムシート（弾性部材）と、これらに空気圧を加えるための圧力室を構成するための内部空間が形成されたヘッドハウジングとを有して構成される。
ヘッドハウジングの下端外周においてドライブプレートおよびゴムシートの外周が接合され、ドライブプレートおよびゴムシートが内周部において研磨部材と結合されており、ヘッドハウジングの内部空間がこれらドライブプレートおよびゴムシートにより覆われて圧力室が形成されている。この結果、研磨部材はドライブプレートを介してヘッドハウジングに支持され、且つゴムシートを介して圧力室内の空気圧を均一に受ける。そして、ヘッドハウジングが回転駆動されるとドライブプレートを介して研磨部材に回転駆動力が伝達されて全体が回転されるようになっている。
このような構成の研磨装置を用いたウェハの研磨加工は、研磨パッドを回転させながらウェハチャックに回転保持されたウェハの被研磨面に当接させて行われ、このとき、研磨パッドは回転しながらウェハに対して水平方向へ往復運動をすることで、ウェハの全表面が均一に研磨加工される。この方式の研磨装置においては、研磨ヘッドとともに回転するウェハのデバイス面（被研磨面）に押し付けられる。このとき、研磨ヘッドには揺動運動と呼ばれる水平な往復運動がさらに与えられることによって、ウェハのデバイス面の全面を均一に研磨することができるようになっている。
なお、ウェハの研磨開始時には研磨ヘッドが下降し、研磨ヘッドと連結されるスピンドルに設けられたストッパーが装置本体側に設けられた固定ブロックに当接して、研磨ヘッドが所定位置で停止するようになっている。この所定位置において、新品の研磨パッドを使用した場合に、研磨部材（研磨パッド）と結合されたドライブプレートが略水平状態、すなわちドライブプレートの上下方向の変形量がほぼ零となるように調整されている。
また、研磨パッドはそれぞれの研磨が開始される前に、パッドコンディショナー（ドレッサー）と呼ばれる工具によってパッド材質の表面を約１μｍ程度除去する加工を行う。このパッドコンディショナーの構造は、表面に粒状のダイヤモンドが電着されたディスクを、回転させつつ一定の押し付け力で研磨パッドに押し付け、研磨パッドの表面の研磨を行うものである。
従って、ウェハの研磨加工の度に研磨パッドが約１μｍ除去されることになり、１０００枚のウェハが研磨されると、研磨パッドの表面は約１ｍｍ取り除かれることになる。当然に、研磨パッドの表面が取り除かれることは、研磨パッドの厚みが薄くなることを意味し、例えば、初期厚みが３ｍｍの研磨パッドは、１０００枚のウェハを研磨すると約２ｍｍの厚みへと薄くなることを意味している。なお、このようなことから研磨パッドおよびコンディショナの寿命を判定する方法等が特開２００４−２５４１３号公報に開示されている。
上述のように、研磨装置でウェハを連続加工すると、使用している研磨パッドの厚みがパッドコンディショナーの働きによって次第に薄くなっていく。そのため、研磨部材に加圧空気による圧力が加えられ研磨パッドがウェハの被研磨面に当接する際には、研磨パッドの厚みが薄くなった分だけドライブプレートが下向きに弾性変形した状態となる。これにより、ドライブプレートに上向きの弾性反発力が生じて研磨部材のウェハに対する研磨荷重が減少し、これが研磨パッドの厚み変化による研磨荷重の誤差となってしまう。
ところで、半導体デバイスに要求されるパターンの線幅は、ますます微細化し、最近では線幅５０ｎｍ程度のものが実用化されつつある。しかしながら、このように線幅が微細化すると、配線パターンの電気抵抗（Ｒ）と絶縁物の静電容量（Ｃ）の積で決定される配線遅延が半導体デバイスの遅延より大きくなり、結果として微細化による高速化のメリットが得られないという問題がある。そこで、絶縁物の誘電率として２以下のもの（Ｕｌｔｒａ  Ｌｏｗ−Ｋ）が使用されるようになっている。一般にウェハ上に形成される絶縁物であるＳｉＯ２の誘電率は３．９〜４．５程度であり、これに比べてかなり高い。そのため、絶縁物としてＳｉＯ２を使用しながら誘電率を下げる方法として、ＳｉＯ２をポーラスにする方法が用いられるようになっている。
ところが、ＳｉＯ２をポーラスにすると、それだけ機械的強度が弱くなり、ＣＭＰ研磨を行うときに剥離が発生したりして、良好に研磨が行えなくなるという問題が発生する。そのため、Ｕｌｔｒａ  Ｌｏｗ−Ｋの絶縁材を有するウェハを研磨する際には、ウェハに対する研磨荷重を低くする方法が用いられるようになっている。このように、ウェハに対する研磨荷重が低い場合には、前述した研磨パッドの厚み変化による研磨荷重の誤差が大きく影響してしまう。
【発明の開示】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、研磨部材（研磨パッド）の厚み変化による研磨荷重の誤差を低減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。
また、この研磨装置を用いた半導体デバイス製造方法および半導体デバイスを提供することを目的とする。
このような目的達成のため、本発明に係る研磨装置は、研磨対象物を保持する対象物保持具と、研磨対象物を研磨する研磨部材を保持する研磨ヘッドと、研磨ヘッドを上下移動可能に保持する上下位置調整手段とを備え、上下位置調整手段を利用して研磨ヘッドを下方へ移動させ研磨部材を研磨対象物に当接させたのち、研磨部材を研磨対象物に当接させながら相対移動させて研磨対象物の研磨を行うように構成された研磨装置において、研磨ヘッドは、下面側に開口を有するヘッドハウジングと、ヘッドハウジング内に略水平に固設され研磨部材を上下移動可能に保持する板状の弾性部材とを有し、研磨部材は、弾性部材を用いて開口を通過するように配設され、ヘッドハウジング内に給排される空気を利用して上下移動可能に構成されており、研磨部材の厚さの変化による弾性部材の変形量が零近傍となるように上下位置調整手段の作動を制御する制御部を備えて構成される。
さらに、この研磨装置において、研磨部材の厚さの変化を測定する測定器を備え、制御部は、測定器から出力された信号に応じて上下位置調整手段の作動を制御するように構成されるのが好ましい。
上記研磨装置において、弾性部材の変形量を検出する変位検出部を備え、制御部は、変位検出部から出力された信号に応じて上下位置調整手段の作動を制御するように構成しても良い。
また、第２の本発明に係る研磨装置は、研磨対象物を保持する対象物保持具と、研磨対象物を研磨する研磨部材を保持する研磨ヘッドと、研磨ヘッドを上下移動可能に保持する上下機構とを備え、上下機構を利用して研磨ヘッドを下方へ移動させ研磨部材を研磨対象物に当接させたのち、研磨部材を研磨対象物に当接させながら相対移動させて研磨対象物の研磨を行うように構成された研磨装置において、研磨ヘッドは、下面側に開口を有するヘッドハウジングと、ヘッドハウジング内に略水平に固設され研磨部材を上下移動可能に保持する板状の弾性部材とを有し、研磨部材は、弾性部材を用いて開口を通過するように配設され、ヘッドハウジング内に給排される空気を利用して上下移動可能に構成されており、研磨ヘッドに設けられて弾性部材の変形量を検出する変位検出部と、研磨ヘッドの上下移動を規制するロック機構と、ロック機構の作動を制御する制御部とを備え、研磨開始前において、研磨ヘッドが下方へ移動して研磨部材が研磨対象物に当接し、変位検出部に検出される弾性部材の変形量が零近傍になると、制御部がロック機構を作動させて研磨ヘッドの上下移動が規制されるように構成される。
このように構成される研磨装置において、変位検出部が、弾性部材に配設された歪みゲージであることが好ましい。
さらに、上記研磨装置において、変位検出部が、ヘッドハウジング内に弾性部材と対向して設けられた磁気センサもしくは光学センサであることが好ましい。
また、上記研磨装置において、変位検出部が、相対移動する一方側の部材が弾性部材に取り付けられるとともに他方側の部材が研磨ヘッド側部材に取り付けられた差動トランスからなるように構成するのが好ましい。
さらに、上記研磨装置において、変位検出部により検出される弾性部材の変形量の変化速度が予め定めた所定値を超えたとき、研磨ヘッドの作動を停止させる作動停止手段を備えるのが好ましい。
さらに、上記研磨装置において、変位検出部により検出された弾性部材の変形量が零近傍であるときの研磨ヘッドの上下方向位置を検出する研磨ヘッド位置検出部と、研磨ヘッド位置検出部により検出された研磨ヘッドの上下方向位置の変化量から研磨部材の厚さ変化量を算出する厚さ変化量算出部とを備えるのが好ましい。
本発明に係る半導体デバイス製造方法は、研磨対象物は半導体ウェハであり、上述の構成の研磨装置を用いてこの半導体ウェハの表面を平坦化する工程を有することを特徴とする。
本発明に係る半導体デバイスは、上記半導体デバイス製造方法により製造されたことを特徴とする。
本発明によれば、研磨部材（研磨パッド）の厚み変化による研磨部材の研磨荷重の誤差をなくすことができ、研磨対象物の加工精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明に係る研磨装置の一例であるＣＭＰ装置の要部構成を示す正面図である。
図２は、ＣＭＰ装置に構成される研磨ヘッドの正断面図である。
図３は、研磨ヘッドの分解斜視図である。
図４は、第１の変形例に係るＣＭＰ装置の要部構成を示す正面図である。
図５は、第２の変形例に係るＣＭＰ装置の要部構成を示す正面図である。
図６は、本発明に係る半導体デバイスの製造プロセスを示すフローチャートである。
【発明を実施するための最良の形態】  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。本発明に係る研磨装置の代表例であるＣＭＰ装置（化学的機械的研磨装置）の要部構成を図１に示している。このＣＭＰ装置１は、研磨対象物たる半導体ウェハ２０（以下、ウェハ２０と称する）をその上面側に着脱自在に吸着保持可能なウェハ保持テーブル２５と、このウェハ保持テーブル２５の上方位置に設けられ、ウェハ保持テーブル２５上に保持されたウェハ２０の被研磨面２１と対向する研磨パッド６０が取り付けられた研磨部材４０を保持してなる研磨ヘッド３０とを備えて構成されている。このＣＭＰ装置１では、研磨パッド６０の寸法（直径）はウェハ２０の寸法（直径）よりも小さく（すなわち研磨パッド６０はウェハ２０よりも小径であり）、研磨パッド６０をウェハ２０に接触させた状態で双方を相対移動させることにより、ウェハ２０の被研磨面（上面）全体を研磨できるようになっている。
ウェハ保持テーブル２５は、ウェハ２０とほぼ同じ直径を有する円盤状の回転テーブルであり、上下方向に延びた回転軸２４の上端に取り付けられてほぼ水平姿勢に保持されている。ウェハ保持テーブル２５の上面には図示しない真空チャックが設けられており、これによりウェハ２０をウェハ保持テーブル２５の上面側に着脱自在に吸着保持できるようになっている。回転軸２４は、図示しない電動モータを有して構成されるウェハ回転機構２３（図１参照）を用いて垂直軸まわりに回転駆動されるようになっており、これによりウェハ保持テーブル２５を水平面内で回転させることができる。なお、ウェハ保持テーブル２５は本発明における対象物保持具となっている。
研磨ヘッド３０は上下に延びるスピンドル２９の下端部に取り付けられている。このスピンドル２９は、図示しない電動モータを有して構成される研磨ヘッド回転機構２８（図１参照）を用いて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３０全体を回転させて研磨パッド６０を水平面内で回転させることができる。また、スピンドル２９は、複数の図示しない電動モータを有して構成される研磨ヘッド移動機構２７（図１参照）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３０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。なお、研磨ヘッド移動機構２７は本発明における上下機構となっている。
研磨ヘッド３０は、図２及び図３に示すように、スピンドル２９の下端部にボルトＢ５により結合される円盤部材３１ａ及びこの円盤部材３１ａの下面外周にボルトＢ１により結合された円筒部材３１ｂからなるヘッドハウジング３１と、円筒部材３１ｂの下端部にボルトＢ２により固定される保持リング３２と、これら円筒部材３１ｂと保持リング３２とにより外周部が狭持される円盤状のドライブプレート１０およびダイアフラム３５と、ダイアフラム３５の下面側に位置して取り付けられる上述の研磨部材４０とを有して構成される。この構成から分かるように、ヘッドハウジング３１内には、下面側に開口を有する円筒状の空間Ｈが形成され、この空間Ｈが後述するようにダイアフラム３５により覆われて圧力室が形成される。なお、研磨部材４０はヘッドハウジング３１の開口を通過するように配設される。
ドライブプレート１０はオーステナイト系ステンレス板等の弾性変形可能な金属板から作られ、中央に円形孔１１を形成した円盤に、同心円状に並んだ多数の開孔を形成して作られている。ダイアフラム３５は所定厚さの（比較的薄い）ゴムシートをドライブプレート１０と同一径の円盤状に形成して作られている。ダイアフラム３５の中央にはドライブプレート１０の円形孔１１と同一径の円形孔３５ａが形成されている。ドライブプレート１０およびダイアフラム３５は、上下に重ねられた状態で、その外周部が上述のようにヘッドハウジング３１と保持リング３２とに狭持されて略水平に固定される。なお、ドライブプレート１０およびダイアフラム３５は本発明における弾性部材となっている。
研磨部材４０は、ダイアフラム３５の下面側に取り付けられる円盤状の基準プレート４１と、この基準プレート４１の下面に真空吸着により着脱自在に取り付けられる研磨工具５０とを有して構成される。基準プレート４１の中央部上面側にはドライブプレート１０及びダイアフラム３５の円形孔１１，３５ａよりも若干小さい半径を有する円盤状の中心部材４４がボルトＢ３により固定されており、この中心部材４４に芯合わせをされたドライブプレート１０およびダイアフラム３５の内周部が、基準プレート４１とこの基準プレート４１の上面側にボルトＢ４により固定されるリング部材４５との間に狭持される。
このように、基準プレート４１（すなわち、研磨部材４０）は、弾性を有するドライブプレート１０およびダイアフラム３５を用いてヘッドハウジング３１に上下移動可能に取り付けられ、スピンドル２９の回転駆動力がドライブプレート１０を介して基準プレート４１に伝達される。また、ドライブプレート１０に重なって取り付けられるダイアフラム３５がヘッドハウジング３１の内部空間Ｈを下面側から密封状態で覆い、圧力室を形成する。なお、基準プレート４１の外周部から外方に張り出したフリンジ４１ａの外径は保持リング３２の内周部から内方に張り出したフリンジ３２ａの内径よりも大きく形成されており、基準プレート４１が保持リング３２から抜け出ることがないようになっている。
研磨工具５０は上記基準プレート４１とほぼ同じ外径を有する円盤状のパッドプレート５１と、このパッドプレート５１の下面である研磨パッド取付面５１ａに取り付けられた円形の研磨パッド（研磨布）６０とから構成される。ここで、研磨パッド６０は研磨により劣化していく消耗品であるため、上記研磨パッド取付面５１ａ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。
図２に示すように、基準プレート４１の内部には下面側に複数の吸着開口を有する空気吸入路７１が形成されており、この空気吸入路７１は中心部材４４側にも延びてヘッドハウジング３１の内部空間（圧力室）Ｈ側に開口している。この開口部にはスピンドル２９の中央に貫通形成されたエア供給路８０内を延びた吸入管７２が接続されており、基準プレート４１の下面側にパッドプレート５１を位置させた状態でこの吸入管７２から空気を吸入することにより、パッドプレート５１を基準プレート４１に吸着取り付けできるようになっている。ここで、パッドプレート５１は基準プレート４１との間に設けられたセンターピンＰ１と位置決めピンＰ２とにより芯出しと回転方向の位置決めとがなされる。
また、エア供給路８０内には研磨剤供給装置８７（図１を参照）と繋がる研磨剤供給管８１が延びており、スピンドル２９と中心部材４４との間に位置する接続具８２を介して中心部材４４を貫通して設けられた流路８３、センターピンＰ１内を貫通する流路８４、パッドプレート５１内に形成された流路８５および研磨パッド６０に設けられた流路８６と繋がっている。
さらに、図１に示すように、エア供給路８０はレギュレータ８８を介してエア供給源８９に繋がっており、エア供給源８９から供給されるエア圧により圧力室Ｈ内の圧力を所望の圧力に調整設定できるようになっている。なお、図１においては、研磨ヘッド３０およびスピンドル２９を説明のため簡略化して示すとともに、他の構成要素を模式的に示している。
ところで、スピンドル２９にはロック機構９１が配設されており、制御部９０からのロック作動信号を受けてスピンドル２９、すなわち研磨ヘッド３０の上下移動を（回転は規制せずに）規制するように構成される。なお、ロック機構９１として、磁石を利用したブレーキ（図示せず）や、変位可能なストッパー（図示せず）を固定する構成等がある。また、ドライブプレート１０には、歪みゲージ９２がドライブプレート１０の半径方向に向けて取り付けられており、ドライブプレート１０の上下方向の変形量を検出し、その検出信号を制御部９０に出力するように構成される。なお、歪みゲージ９２は本発明における変位検出部となっている。
制御部９０は、ウェハ回転機構２３にウェハ回転信号を出力し、研磨ヘッド回転機構２８にヘッド回転信号を出力し、研磨ヘッド移動機構２７にヘッド移動信号を出力し、研磨剤供給装置８７に研磨剤供給信号を出力し、レギュレータ８８にエア供給信号を出力し、そしてロック機構９１にロック作動信号を出力するように構成される。また、前述したように、制御部９０には歪みゲージ９２からの検出信号が入力される。
このような構成のＣＭＰ装置１を用いてウェハ２０の研磨を行うには、まず、ウェハ保持テーブル２５の上面に研磨対象となるウェハ２０が吸着取り付けされ（このときウェハ２０の中心はウェハ保持テーブル２５の回転中心に一致させる）、制御部９０から出力されるウェハ回転信号によりウェハ回転機構２３が作動しウェハ保持テーブル２５が回転駆動される。次に、制御部９０が研磨ヘッド移動機構２７にヘッド移動信号を出力することで（研磨ヘッド移動機構２７により）研磨ヘッド３０がウェハ２０の上方に位置し、研磨ヘッド回転機構２８にヘッド回転信号を出力することで（研磨ヘッド回転機構２８により）スピンドル２９および研磨ヘッド３０が回転する。続いて、制御部９０が研磨ヘッド移動機構２７にヘッド移動信号を出力することで（研磨ヘッド移動機構２７により）研磨ヘッド３０が下方へ移動し、研磨パッド６０の下面（研磨面）がウェハ２０の上面（被研磨面）に当接する。
このとき、研磨部材４０は弾性を有するドライブプレート１０およびダイアフラム３５に上下移動可能に保持されているため、研磨ヘッド３０のヘッドハウジング３１がさらに下降すると、研磨部材４０が（ウェハ２０に当接したまま）ヘッドハウジング３１に対して上方へ相対移動し、これに伴ってドライブプレート１０およびダイアフラム３５の下方への変形量が減少する。なお、圧力室Ｈ内のエア圧が大気圧であって研磨部材４０がウェハ２０に当接していないときには、研磨部材４０の自重によりドライブプレート１０およびダイアフラム３５は下方へ弾性変形した状態となる。
そして、歪みゲージ９２に検出されるドライブプレート１０の（上下方向の）変形量が零近傍の所定値以内になると、制御部９０はロック機構９１にロック作動信号を出力し、ロック機構９１が作動して研磨ヘッド３０の上下移動が規制される。これにより、研磨パッド６０（研磨部材４０）の厚みに拘わらずドライブプレート１０の変形量が零近傍（すなわち、ドライブプレート１０が略水平）になったときから研磨が開始されるため、研磨パッド６０の厚み変化による研磨部材４０の研磨荷重の誤差をなくすことができ、ウェハ２０の加工精度を向上させることができる。
次に、制御部９０がレギュレータ８８にエア供給信号を出力することで（レギュレータ８８を介して）エア供給源８９から圧力室Ｈ内に所定のエア圧が供給され、圧力室Ｈ内のエア圧によりウェハ２０と研磨パッド６０との接触圧、すなわち、研磨部材４０のウェハ２０に対する研磨荷重が所定の値に設定される。そして、制御部９０が研磨ヘッド移動機構２７にヘッド移動信号を出力することで（研磨ヘッド移動機構２７により）研磨ヘッド３０が略水平面内（ウェハ２０と研磨パッド６０との接触面の面内方向）で揺動する。このとき同時に、制御部９０が研磨剤供給装置８７に研磨剤供給信号を出力することで研磨剤供給装置８７より研磨剤（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６０の下面側に研磨剤が供給される。これにより、ウェハ２０の被研磨面２１は、研磨剤の供給を受けつつウェハ２０自身の回転運動と研磨ヘッド３０の（すなわち研磨パッド６０の）回転及び揺動運動とにより研磨される。
この結果、上記のような構成のＣＭＰ装置１によれば、研磨パッド６０の厚み変化による研磨部材４０の研磨荷重の誤差をなくすことができ、ウェハ２０の加工精度を向上させることができる。特に、研磨部材４０の研磨荷重を低くしてウェハ２０を研磨する場合に有効である。また、本発明に係る変位検出部として歪みゲージ９２を用いることで、より確実にドライブプレート１０の（上下方向の）変形量を検出することができる。
また、上記ＣＭＰ装置１においては、制御部９０が、歪ゲージ９２により検出されるドライブプレート１０（或いはダイアフラム３５）の変形量の変化速度が予め定めた所定値を超えたとき、研磨ヘッド３０の作動を停止させる作動停止手段としての役割を果たすことが好ましい。ここで、ドライブプレート１０の変形量の変化速度とは、或る微小単位時間当たりのドライブプレート１０の変形量である。また、上記所定値とは、具体的には、研磨中のウェハ２０がウェハ保持テーブル２５から飛び出した場合に、それまでそのウェハ２０と接触していた研磨部材４０が下方に大きく降下することによってドライブプレート１０が大きく下方に変位する状況を模擬し得る値である。このような構成であれば、研磨中のウェハ２０がウェハ保持テーブル２５から飛び出してしまった場合には研磨ヘッド３０の作動を停止させることができるので、ウェハ２０の飛び出しに気付かずに研磨を続行して研磨部材４０或いはウェハ保持テーブル２５を損傷させてしまうようなことがなく、安全性を高めることができる。
図４に示すＣＭＰ装置１′は上記ＣＭＰ装置１の第１の変形例であり、前述のＣＭＰ装置１′に、歪ゲージ９２により検出されたドライブプレート１０（或いはダイアフラム３５）の変形量が零近傍であるときの研磨ヘッド３０の上下方向位置を検出する研磨ヘッド位置検出部１００と、この研磨ヘッド位置検出部１００により検出された研磨ヘッド３０の上下方向位置の変化量から研磨部材４０の（詳細には研磨パッドの６０）厚さ変化量を算出する厚さ変化量算出部１１０とを備えたものである。ここで、研磨ヘッド位置検出部１００は、研磨ヘッド３０の上下方向位置を検出するヘッド位置検出器１０２と、上記歪ゲージ９２により検出されたドライブプレート１０の変形量が零近傍であるときに、ヘッド位置検出器１０２が出力した研磨ヘッド３０の上下方向位置の値を読み取る研磨ヘッド位置読み取り器１０４とから構成される。また、厚さ変化量算出部１１０は、研磨ヘッド位置読み取り器１０４が読み取った研磨ヘッド３０の上下方向位置の変化から研磨ヘッド３０の厚さ変化量を算出する演算器からなる。ヘッド位置検出器１０２が検出する研磨ヘッド３０の上下方向位置は、研磨ヘッド３０或いは研磨ヘッド３０と一体になって上下動する部材上の代表点の、ＣＭＰ装置１′に固定された（上下方向に移動しない）任意の水平基準面からの上下方向位置でよく、研磨パッド６０の厚さが変化する前後における研磨ヘッド３０の上下方向位置の相対移動量が検出できればよい。
このような第１の変形例に係るＣＭＰ装置１′によれば、研磨パッド６０の初期厚さ（研磨開始前の新品時の厚さ）のほか、研磨の進行により減少する研磨パッド６０の厚さの減少量（厚さ減少量）とを計測ことができる。研磨パッド６０の初期厚さを計測するには、先ず、パッドプレート５１の下面に研磨パッド６０を装着していない状態で研磨ヘッド３０を降下させ、パッドプレート５１の下面をウェハ２０（これは必ずしもこれから研磨しようとするウェハ２０でなくてもよく、同じ厚さのダミーのウェハ等であってもよい）の表面（上面）に上方から接触させる。そして、歪ゲージ９２の出力からドライブプレート１０の変形量が零近傍となったときに、ヘッド位置検出器１０２が検出して出力している研磨ヘッド３０の上下方向位置の値（第１の値とする）を研磨ヘッド位置読み取り器１０４が読み取り、その値を厚さ変化量算出部１１０に出力する。次に、研磨ヘッド３０を一旦上昇させてパッドプレート５１の下面に研磨パッド６０を装着し、そのうえで研磨ヘッド３０を降下させて研磨パッド６０の下面をウェハ２０の表面に上方から接触させる。そして、歪ゲージ９２の出力からドライブプレート１０の変形量が零近傍となったときに、ヘッド位置検出器１０２が検出して出力している研磨ヘッド３０の上下方向位置の値（第２の値とする）を研磨ヘッド位置読み取り器１０４が読み取り、その値を厚さ変化量算出部１１０に出力する。厚さ変化量算出部１１０は、上記第１の値と第２の値との差を求め、これをパッドプレート５１の下面に装着した研磨パッド６０の初期厚さとして記憶する。
このようにして研磨パッド６０の初期厚さが計測されたら、前述した方法でウェハ２０の研磨を行う。ウェハ２０の研磨工程の途中には、ドレッシングなどにより研磨を中断して研磨ヘッド３０を上昇させることがあるが、その後ウェハ２０の研磨を開始（再開）する前には必ず歪ゲージ９２により検出されるドライブプレート１０の変形量が零近傍となるときがあり、このときの研磨ヘッド３０の上下方向位置（第３の値とする）を上記と同様な手順で読み取れば、第２の値と第３の値の差から研磨工程において減少した研磨パッド６０の厚さ、すなわち研磨パッド６０の厚さ減少量が計測される。また、この厚さ減少量と上記初期厚さとから研磨パッド６０の現在の厚さも分かる。
このように第１の変形例に係るＣＭＰ装置１′によれば、研磨パッド６０の厚さ変化をモニターすることができるので、研磨パッド６０の寿命管理が大変容易である。また、研磨パッド６０の厚さに応じた接触圧（ウェハ２０に対する研磨部材４０の接触圧）の調整等も非常に容易となる。
なお、上述の実施形態（ＣＭＰ装置１の実施形態及び第１の変形例に係るＣＭＰ装置１′の実施形態）において、歪みゲージ９２を用いてドライブプレート１０の（上下方向の）変形量を検出しているが、これに限られるものではなく、図１に示すように、ヘッドハウジング３１内におけるドライブプレート１０と対向する位置に磁気センサ９３（もしくは光学センサ）を配設し、磁気センサ９３（もしくは光学センサ）とドライブプレート１０との間の距離を測定することにより、ドライブプレート１０の（上下方向の）変形量を検出して制御部９０に出力するようにしてもよい。このようにすれば、センサ（変位検出部）の取り付けおよび調整が容易である。また、ドライブプレート１０（或いはダイアフラム３５）の変形量を検出する上記変位検出部は、相対移動する一方側の部材（例えばコイル側部材）をドライブプレート１０に取り付けるとともに、他方側の部材（例えば鉄心側部材）を研磨ヘッド３０に取り付けて構成される差動トランスであってもよい。
また、上述の実施形態において、本発明に係る上下機構として研磨ヘッド３０を上下、左右および前後方向へ移動可能に保持する研磨ヘッド移動機構２７が用いられているが、これに限られるものではなく、例えば、研磨ヘッドと連結される回転軸（スピンドル）と、この回転軸を回転可能に且つ上下移動可能に保持するロータリーボールスプラインと、回転軸を回転駆動する電動モータと、回転軸を上下方向へ駆動するシリンダとを備え、シリンダの上下駆動により研磨ヘッドが（回転軸を介して）上下移動可能に構成されてもよく、研磨ヘッドを上下移動可能に保持する上下機構であればよい。
また、研磨部材（研磨パッド）の厚み変化だけでなく、半導体ウェハの厚さのバラツキによる研磨部材（研磨パッド）の半導体ウェハに対する当接位置のずれが研磨特性に与える影響を取り除くこともできる。
ところで、図５に示すＣＭＰ装置１″は、上記ＣＭＰ装置１の第２の変形例であり、前述のＣＭＰ装置１において、歪ゲージ９２（もしくは、磁気センサ９３）に替えて、研磨パッド６０（研磨部材４０）の厚さの変化を測定する測定器１５０を備えたものである。測定器１５０は、ウェハ保持テーブル２５の側方に設けられた市販の接触触針式変位計であり、触針１５１が研磨パッド６０の研磨面の接触してその高さに応じて上下し、触針１５１を研磨パッド６０の半径方向にスライドさせることにより、研磨パッド６０の半径方向の厚さ分布を測定できるようになっている。
このとき、研磨パッド６０の厚さとして、半径方向の厚さの分布の平均値（最大値または最小値でもよい）を採用してもよく、また例えば、研磨パッド６０の一点のみの厚さを測定するだけでもよい。なお、測定器１５０として、例えば、接触触針式変位計に替えて光学式変位計を用いるようにしてもよい。
上述のようにして測定された研磨パッド６０の厚さのデータ（測定信号）は、測定器１５０から制御部９０″へ入力されるようになっており、ＣＭＰ装置１の第２の変形例であるＣＭＰ装置１″の制御部９０″は、測定器１５０から出力された研磨パッド６０の厚さのデータ（測定信号）に応じて、本発明に係る上下位置調整手段である研磨ヘッド移動機構２７およびロック機構９１の作動を制御するようになっている。
このような第２の変形例に係るＣＭＰ装置１″において、ウェハ２０の研磨を行うには、まず、上述したＣＭＰ装置１と同様に、ウェハ保持テーブル２５の上面にウェハ２０が吸着取り付けされ、ウェハ回転機構２３によりウェハ保持テーブル２５が回転駆動される。次に、制御部９０″が研磨ヘッド移動機構２７にヘッド移動信号を出力することで研磨ヘッド３０がウェハ２０の上方に位置し、研磨ヘッド回転機構２８にヘッド回転信号を出力することでスピンドル２９および研磨ヘッド３０が回転する。
続いて、制御部９０″が研磨ヘッド移動機構２７にヘッド移動信号を出力することで研磨ヘッド３０が下方へ移動し、研磨パッド６０の下面（研磨面）がウェハ２０の上面（被研磨面）に当接する。このとき、制御部９０″はロック機構９１にロック作動信号を出力し、ロック機構９１が作動して研磨ヘッド３０の上下移動が規制される。なお、研磨ヘッド３０の上下移動が規制される位置は、研磨パッド６０の厚さに応じて、ドライブプレート１０の（上下方向の）変形量が零近傍となるように設定される。
そして、上述したＣＭＰ装置１と同様に、圧力室Ｈ内に所定のエア圧が供給されて研磨部材４０のウェハ２０に対する研磨荷重が所定の値に設定され、研磨ヘッド３０が略水平面内（ウェハ２０と研磨パッド６０との接触面の面内方向）で揺動するとともに、研磨パッド６０の下面側に研磨剤が供給される。これにより、ウェハ２０の被研磨面２１は、研磨剤の供給を受けつつウェハ２０自身の回転運動と研磨ヘッド３０の（すなわち研磨パッド６０の）回転及び揺動運動とにより研磨される。
研磨終了後、研磨済みのウェハ２０はウェハ保持テーブル２５から取り外され、所定の洗浄等が行われる。そして、新しいウェハ２０が再びウェハ保持テーブル２５の上面に吸着取り付けされ、ＣＭＰ装置１″による研磨が繰り返される。
所定枚数のウェハ２０の研磨が行われた後、新しいウェハ２０がウェハ保持テーブル２５の上面に吸着取り付けされて、ウェハ回転機構２３によりウェハ保持テーブル２５が回転駆動されると、制御部９０″が研磨ヘッド移動機構２７にヘッド移動信号を出力するとともに、ロック機構９１にロック作動信号を出力することで、研磨ヘッド３０が測定器１５０上方における所定の測定位置に移動する。そして、測定器１５０により研磨パッド６０の厚さが測定され、その測定データ（測定信号）が制御部９０″に入力される。
続いて、制御部９０″が研磨ヘッド移動機構２７にヘッド移動信号を出力することで研磨ヘッド３０がウェハ２０の上方に位置し、研磨ヘッド回転機構２８にヘッド回転信号を出力することでスピンドル２９および研磨ヘッド３０が回転する。次に、制御部９０″が研磨ヘッド移動機構２７にヘッド移動信号を出力することで研磨ヘッド３０が下方へ移動し、研磨パッド６０の下面（研磨面）がウェハ２０の上面（被研磨面）に当接する。
このとき、制御部９０″はロック機構９１にロック作動信号を出力し、ロック機構９１が作動して研磨ヘッド３０の上下移動が規制される。なおこのとき、研磨ヘッド３０の上下移動が規制される位置は、（制御部９０″に入力された）研磨パッド６０の厚さの変化に応じて、前述において設定された位置よりも下方（もしくは上方）に位置調整される。これにより、研磨パッド６０が摩耗しても、ドライブプレート１０の（上下方向の）変形量が零近傍となるように調整される。
そして、圧力室Ｈ内に所定のエア圧が供給されて研磨部材４０のウェハ２０に対する研磨荷重が所定の値に設定され、研磨ヘッド３０が略水平面内（ウェハ２０と研磨パッド６０との接触面の面内方向）で揺動するとともに、研磨パッド６０の下面側に研磨剤が供給される。これにより、ウェハ２０の被研磨面２１は、研磨剤の供給を受けつつウェハ２０自身の回転運動と研磨ヘッド３０の（すなわち研磨パッド６０の）回転及び揺動運動とにより研磨される。
このように第２の変形例に係るＣＭＰ装置１″によれば、前述のＣＭＰ装置１と同様に、研磨パッド６０の厚み変化による研磨部材４０の研磨荷重の誤差をなくすことができ、ウェハ２０の加工精度を向上させることができる。特に、研磨部材４０の研磨荷重を低くしてウェハ２０を研磨する場合に有効である。また、制御部９０″が、測定器１５０から出力された研磨パッド６０の厚さのデータ（測定信号）に応じて、研磨ヘッド移動機構２７およびロック機構９１（上下位置調整手段）の作動を制御することで、より確実に研磨パッド６０の厚み変化に対応することができる。
なお、本実施形態（第２の変形例に係るＣＭＰ装置１″の実施形態）において、新品の研磨パッド６０を最初に使用するときに、測定器１５０により研磨パッド６０の厚さを測定し、測定した研磨パッド６０の厚さのデータ（測定信号）に応じて、ドライブプレート１０の（上下方向の）変形量が零近傍となるように研磨ヘッド３０の上下移動が規制される位置を設定するようにしてもよい。
また、本実施形態（第２の変形例に係るＣＭＰ装置１″の実施形態）において、制御部９０″が、測定器１５０から出力された研磨パッド６０の厚さのデータ（測定信号）に応じて、研磨ヘッド移動機構２７およびロック機構９１（上下位置調整手段）の作動を制御しているが、これに限られるものではない。例えば、ドライブプレート１０（或いはダイアフラム３５）の変形量を検出可能な変位検出部（例えば、図１における歪みゲージ９２や磁気センサ９３等）を設け、制御部９０″が、変位検出部から出力されたドライブプレート１０の変形量のデータ（検出信号）に応じて、研磨ヘッド移動機構２７およびロック機構９１（上下位置調整手段）の作動を制御するようにしてもよい。このようにしても、上述の場合と同様の効果を得ることができる。
続いて、本発明に係る半導体デバイスの製造方法の実施例について説明する。図６は半導体デバイスの製造プロセスを示すフローチャートである。半導体製造プロセスをスタートすると、まずステップＳ２００で次に挙げるステップＳ２０１〜Ｓ２０４の中から適切な処理工程を選択し、いずれかのステップに進む。
ここで、ステップＳ２０１はウェハの表面を酸化させる酸化工程である。ステップＳ２０２はＣＶＤ等によりウェハ表面に絶縁膜や誘電体膜を形成するＣＶＤ工程である。ステップＳ２０３はウェハに電極を蒸着等により形成する電極形成工程である。ステップＳ２０４はウェハにイオンを打ち込むイオン打ち込み工程である。
ＣＶＤ工程（Ｓ２０２）もしくは電極形成工程（Ｓ２０３）の後で、ステップＳ２０５に進む。ステップＳ２０５はＣＭＰ工程である。ＣＭＰ工程では本発明による研磨装置により、層間絶縁膜の平坦化や半導体デバイス表面の金属膜の研磨、誘電体膜の研磨等が行われ、ダマシン（ｄａｍａｓｃｅｎｅ）プロセスが適用されることもある。
ＣＭＰ工程（Ｓ２０５）もしくは酸化工程（Ｓ２０１）の後でステップＳ２０６に進む。ステップＳ２０６はフォトソリグラフィ工程である。この工程ではウェハへのレジストの塗布、露光装置を用いた露光によるウェハへの回路パターンの焼き付け、露光したウェハの現像が行われる。さらに、次のステップＳ２０７は現像したレジスト像以外の部分をエッチングにより削り、その後レジスト剥離が行われ、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くエッチング工程である。
次に、ステップＳ２０８で必要な全工程が完了したかを判断し、完了していなければステップＳ２００に戻り、先のステップを繰り返してウェハ上に回路パターンが形成される。ステップＳ２０８で全工程が完了したと判断されればエンドとなる。
本発明による半導体デバイス製造方法では、ＣＭＰ工程において本発明に係る研磨装置を用いているため、ウェハの加工精度および歩留まりが向上する。これにより、従来の半導体デバイス製造方法に比べて低コストで半導体デバイスを製造することができるという効果がある。なお、上記半導体デバイス製造プロセス以外の半導体デバイス製造プロセスのＣＭＰ工程に本発明による研磨装置を用いても良い。また、本発明による半導体デバイス製造方法により製造された半導体デバイスは、歩留まりが高く低コストの半導体デバイスとなる。
【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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【国際調査報告】
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