(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に研磨パッドが貼付されたプラテンと、ウェーハの一面を保持して、前記研磨パッドに前記ウェーハの他面を当接させるウェーハ保持ヘッドと、該ウェーハ保持ヘッドを駆動することにより前記ウェーハの他面を研磨するヘッド駆動機構とを具備し、
前記ウェーハ保持ヘッドは、天板部と該天板部の外周下方に設けられた筒状の周壁部とからなるヘッド本体と、前記ヘッド本体内に張られたダイヤフラムと、該ダイヤフラムに固定されて前記ダイヤフラムとともにヘッド軸線方向に変位し、前記ウェーハの一面を保持する略円盤形状のサブキャリアとを具備し、
該サブキャリアの下面には、凹部と、該凹部と外部とを仕切って流体室を形成する膜体とが設けられ、
前記凹部には、前記流体室の内圧を調整し、該内圧を受けて前記膜体が前記ウェーハを前記研磨パッドに向けて押圧する押圧力を調節する圧力調整機構が接続され、
前記サブキャリアには、その外周部分に、下端を前記サブキャリアの下面よりも突出させてリテーナリングが一体に設けられ、
前記サブキャリアまたは前記リテーナリングのうちのいずれか一方の外周と前記ヘッド本体内面には、前記研磨パッドから受ける研磨抵抗による前記ヘッド軸線を回転中心としたこれらの相対的な回転を規制するよう互いを係合させる係合部が設けられ、
該係合部間に設けられてこれらの間に作用する回転方向の力を測定するセンサーと、
前記流体室の内圧を下げて前記ウェーハの押圧を解除した状態での前記センサーの測定値から、前記リテーナリングが受ける回転方向の研磨抵抗を算出するとともに、前記圧力調整機構によって前記流体室の内圧を上げて前記ウェーハを前記研磨パッドに押圧した状態での前記センサーの測定値から、前記サブキャリアに保持されるウェーハ及び前記リテーナリングが受ける回転方向の全研磨抵抗を算出し、前記全研磨抵抗と前記リテーナリングが受ける研磨抵抗との差から、前記ウェーハが受ける回転方向の研磨抵抗を算出する演算装置とが設けられていることを特徴とするウェーハ研磨装置。
【請求項２】
表面に研磨パッドが貼付されたプラテンと、ウェーハの一面を保持して、前記研磨パッドに前記ウェーハの他面を当接させるウェーハ保持ヘッドと、該ウェーハ保持ヘッドを駆動することにより前記ウェーハの他面を研磨するヘッド駆動機構とを具備するウェーハ研磨装置を用いる研磨状態検出方法であって、
前記ウェーハ保持ヘッドは、天板部と該天板部の外周下方に設けられた筒状の周壁部とからなるヘッド本体と、前記ヘッド本体内に張られたダイヤフラムと、該ダイヤフラムに固定されて前記ダイヤフラムとともにヘッド軸線方向に変位し、前記ウェーハの一面を保持する略円盤形状のサブキャリアとを具備し、
該サブキャリアの下面には、凹部と、該凹部と外部とを仕切って流体室を形成する膜体とが設けられ、
前記凹部には、前記流体室の内圧を調節し、該内圧を受けて前記膜体が前記ウェーハを前記研磨パッドへ押圧する押圧力を調節する圧力調整機構が接続され、
前記サブキャリアには、その外周部分に、下端を前記サブキャリアの下面よりも突出させてリテーナリングが一体に設けられ、
前記サブキャリアまたは前記リテーナリングのうちのいずれかの外周と、前記ヘッド本体内面には、前記ヘッド軸線を回転中心とした相対的な回転を規制するよう互いを係合させる係合部と、該係合部間に設けられてこれらの間に作用する回転方向の力を測定するセンサーとが設けられ、
前記圧力調整機構によって前記流体室の内圧を下げて前記ウェーハの押圧を解除した状態での前記センサーの測定値から、演算装置によって前記リテーナリングが受ける回転方向の研磨抵抗を算出し、これによって前記研磨パッドの表面の状態を検出することを特徴とする研磨状態検出方法。
【請求項３】
前記圧力調整機構によって前記流体室の内圧を上げて前記ウェーハを前記研磨パッドに押圧した状態での前記センサーの測定値から、前記演算装置によって前記サブキャリアに保持されるウェーハ及び前記リテーナリングが受ける回転方向の全研磨抵抗を算出し、前記全研磨抵抗と前記リテーナリングが受ける研磨抵抗との差から、前記演算装置によって前記ウェーハが受ける回転方向の研磨抵抗を算出することを特徴とする請求項２記載の研磨状態検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェーハなどのウェーハ表面を研磨する装置に用いられるウェーハ研磨装置及び研磨状態検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体製造装置の高集積化に伴うパターンの微細化が進んでおり、特に多層構造の微細なパターンの形成が容易かつ確実に行われるために、パターンが形成される半導体ウェーハ自体及びパターンを形成する過程における半導体ウェーハの表面を極力平坦化させることが重要となってきている。その場合、半導体ウェーハ（以下、単にウェーハという）の表面を研磨するために平坦化の度合いが高い化学的機械的研磨法（ＣＭＰ法）が脚光を浴びている。
【０００３】
ＣＭＰ法とは、砥粒剤としてＳｉＯ2を用いたアルカリ溶液やＳｅＯ2を用いた中性溶液、あるいはＡｌ2Ｏ3を用いた酸性溶液等を用いて化学的・機械的にウェーハ表面を研磨し、平坦化する方法である。
ＣＭＰ法を用いてウェーハの表面を研磨する装置としては、例えば次に示すようなウェーハ研磨装置が知られている。
【０００４】
このウェーハ研磨装置１は、図４の要部拡大斜視図に概略的に示すように、中心軸２に取り付けられた円板状の回転テーブル３（プラテン）上に例えば硬質ウレタンからなる研磨パッド４が設けられ、この研磨パッド４に対向してかつ研磨パッド４の中心軸２から偏心した位置に、図示せぬヘッド駆動機構によって回転駆動されるウェーハ保持ヘッド５が配設されているものである。
【０００５】
ウェーハ保持ヘッド５（以下、単に保持ヘッドという）は、研磨パッド４よりも小径の略円盤形状とされて、図示せぬアームによって上端を保持された状態で、その下部すなわちヘッド先端部に設けられたサブキャリア（図示せず）でウェーハＷを保持して研磨パッド４に当接させるものである。ここで、保持ヘッド５は、アームによって移動されることで研磨パッド４上へのウェーハＷの搬出入も行うものである。
そしてウェーハ研磨装置１では、ウェーハＷの研磨に際して、例えば上述した砥粒剤が液状のスラリーＳとして研磨パッド４上に供給されているため、スラリーＳが保持ヘッド５に保持されたウェーハＷと研磨パッド４との間に流動して、保持ヘッド５に保持されたウェーハＷが自転し、同時に研磨パッド４が中心軸２を中心として回転するために、研磨パッド４でウェーハＷの一面が研磨される。
【０００６】
ウェーハＷの研磨を行う硬質ウレタン製などの研磨パッド４上にはスラリーＳを保持する微細な発泡層が多数設けられており、これらの発泡層内に保持されたスラリーＳでウェーハＷの研磨が行われる。
ところが、ウェーハＷの研磨を繰り返すことで研磨パッド４の研磨面の平坦度が低下したり目詰まりするために、ウェーハＷの研磨精度と研磨効率が低下するという問題が生じる。
そのため従来のＣＭＰ装置１には、例えば図４に示すような研磨パッド４のコンディショナ７が設けられ、通常は一回研磨を行う毎に研磨パッド４の表面状態の調整を行って、ウェーハＷを研磨する能力が適正範囲内になるように調整している（この作業をドレッシングという）。
【０００７】
このコンディショナ７は、回転テーブル３の外部に設けられた回転軸８にアーム９を介して研磨材１０が設けられ、回転軸８によってアーム９を回動させることで、回転する研磨パッド４上において研磨材１０を往復揺動させて研磨パッド４の表面を研磨して研磨パッド４の表面の平坦度等を回復または維持し目詰まりを解消するようになっている。また、研磨材１０自体も、アーム９の先端に設けられる取付軸（図示せず）を介して図示せぬ駆動装置に接続されて研磨パッド４の表面に当接した状態で回転駆動されるか、またはアーム９の先端に、取付軸を介して研磨パッド４の表面に略平行な面上での回転を許容して設けられて、研磨パッド４から受ける摩擦力によって自転するように設けられている。
【０００８】
ここで、研磨材１０は消耗品であり、使用し続けることによって摩耗するなどしてドレッシングの能力が低下していくものである。研磨材１０のドレッシング能力が低下した場合には、ドレッシングを行う時間を長くするなどして研磨パッド４のドレッシングが確実に行われるようにする。また、研磨材１０の摩耗が進んでドレッシング能力が適正な水準を維持できなくなった場合には、作業効率を維持するために、新しい研磨材と交換する。
【０００９】
このようなウェーハ研磨装置１を用いて研磨を行う場合において、ウェーハＷの研磨状態、例えばウェーハＷの被研磨面が所望の状態に達したかどうかを判断する方法（研磨終点検出方法）としては、次のような方法が知られている。
第一の研磨終点検出方法として、ウェーハＷが受ける研磨抵抗、すなわちウェーハＷが研磨時に受ける力の変動を観測することで研磨終点を検出する方法が知られている。この方法は、例えば回転テーブル駆動機構（図示せず）の回転動力の変動を観測することで行われる。つまりウェーハＷの被研磨面の研磨が不十分のときは研磨パッド４とウェーハＷとの間に生じる研磨抵抗は安定せずに変動した状態となり、一方ウェーハＷの被研磨面が所望の状態に達したときは前記研磨抵抗は安定したものとなる。このとき回転テーブル３は一定速度で回転させられるようになっているため、例えば研磨抵抗が大きいときには回転テーブル駆動機構の回転動力は大きくなり、研磨抵抗が小さいときには回転動力は小さくなる。
このように、第一の研磨終点検出方法は、回転テーブル駆動機構の回転動力の変動を観測し、この観測値が安定したら、ウェーハＷの被研磨面は所望の状態に達したと判断して研磨終点検出とするものである。
【００１０】
第二の終点検出方法として、研磨パッド４の摩擦力を測定する装置を、研磨パッド４上の使用していない箇所に設置し、研磨パッド４の摩擦力から研磨抵抗を算出する方法が知られている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの終点検出方法には、次のような問題があった。
ウェーハ研磨装置１において、回転テーブル３は、ウェーハＷと研磨パッド４とが当接していない状態でも空転されている状態が多い。そして、例えばウェーハＷがもともと研磨抵抗の小さい材質からなる場合、ウェーハＷの研磨途中状態と研磨完了状態とで回転テーブル駆動機構の回転動力の差は小さく、回転テーブル３の空転動力成分と紛れてしまう。このため、第一の研磨終点検出方法ではウェーハＷの研磨終点検出を精度良く行うことは困難であるという問題があった。また、回転テーブル３に働く慣性も大きいために、研磨抵抗の変化に対する応答性の点で劣ってしまうという問題があった。
【００１２】
そして、第一の研磨終点検出方法において、従来は回転テーブル３と保持ヘッド５を回転駆動する回転テーブル駆動機構またはヘッド駆動機構の動力の検出を、これらに用いられるモータ（図示せず）に供給される電流の大きさや、モータと回転テーブル３またはモータと保持ヘッド５とを接続する部品、例えばプーリー等に加わるトルクを検出することで行っている。このように回転テーブル駆動機構またはヘッド駆動機構の動力の検出は間接的な手法で行われるので、回転テーブル３と保持ヘッド５のどちらで研磨抵抗の大きさの測定を行っても、応答性の点で劣ってしまうという問題があった。
また、このとき検出される研磨抵抗は、保持ヘッド５においてウェーハＷ以外で研磨パッド４に当接する部分が受ける研磨抵抗も含んでいるので、研磨終点検出を精度良く行うことは困難であるという問題があった。
【００１３】
また、第一の研磨終点検出方法において、研磨パッド４がウェーハＷの研磨屑によって目詰まりしたり、研磨パッド４の表面が摩耗するなど、研磨パッド４の表面の状態によっては研磨抵抗が安定しなくなるので、ウェーハＷの研磨が進んだ場合にも測定される研磨抵抗の大きさが安定せず、研磨の終点を検出することができない場合がある。しかし、研磨パッド４の表面の状態を検出する手段がないために、研磨終点が検出されないのはウェーハＷの研磨が不足しているのかそれとも研磨パッド４の表面の状態が変化しているためなのかを判断することができないという問題があった。
そして、研磨パッド４の表面の状態を検出する手段がないので、研磨パッド４をドレッシングする研磨材が摩耗するなどしてそのドレッシング能力が低下してしまった場合にも、これを検知することができなかった。
【００１４】
一方、第二の終点検出方法では、研磨装置に新たに装置を増設することとなり、設備コストが増加してしまう。また、実際の研磨条件に近い条件を出すことが困難であった。
【００１５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ウェーハの研磨状態の情報の検出能力が高く、また応答性のよいウェーハ研磨装置及び研磨状態検出方法を提供することを目的とする。また研磨パッドの表面の状態の情報を検出することができるウェーハ研磨装置及び研磨状態検出方法を提供することも目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１記載のウェーハ研磨装置においては、表面に研磨パッドが貼付されたプラテンと、ウェーハの一面を保持して、前記研磨パッドに前記ウェーハの他面を当接させるウェーハ保持ヘッドと、該ウェーハ保持ヘッドを駆動することにより前記ウェーハの他面を研磨するヘッド駆動機構とを具備し、前記ウェーハ保持ヘッドは、天板部と該天板部の外周下方に設けられた筒状の周壁部とからなるヘッド本体と、前記ヘッド本体内に張られたダイヤフラムと、該ダイヤフラムに固定されて前記ダイヤフラムとともにヘッド軸線方向に変位し、前記ウェーハの一面を保持する略円盤形状のサブキャリアとを具備し、該サブキャリアの下面には、凹部と、該凹部と外部とを仕切って流体室を形成する膜体とが設けられ、前記凹部には、前記流体室の内圧を調整し、該内圧を受けて前記膜体が前記ウェーハを前記研磨パッドに向けて押圧する押圧力を調節する圧力調整機構が接続され、前記サブキャリアには、その外周部分に、下端を前記サブキャリアの下面よりも突出させてリテーナリングが一体に設けられ、前記サブキャリアまたは前記リテーナリングのうちのいずれか一方の外周と前記ヘッド本体内面には、前記研磨パッドから受ける研磨抵抗による前記ヘッド軸線を回転中心としたこれらの相対的な回転を規制するよう互いを係合させる係合部が設けられ、該係合部間に設けられてこれらの間に作用する回転方向の力を測定するセンサーと、前記流体室の内圧を下げて前記ウェーハの押圧を解除した状態での前記センサーの測定値から、前記リテーナリングが受ける回転方向の研磨抵抗を算出するとともに、前記圧力調整機構によって前記流体室の内圧を上げて前記ウェーハを前記研磨パッドに押圧した状態での前記センサーの測定値から、前記サブキャリアに保持されるウェーハ及び前記リテーナリングが受ける回転方向の全研磨抵抗を算出し、前記全研磨抵抗と前記リテーナリングが受ける研磨抵抗との差から、前記ウェーハが受ける回転方向の研磨抵抗を算出する演算装置とが設けられていることを特徴とする。
【００１７】
このように構成されるウェーハ研磨装置においては、ウェーハ保持ヘッドを研磨パッドに当接させて研磨動作を行った際に、研磨パッドから受ける研磨抵抗によってウェーハを保持するサブキャリア及びリテーナリングがヘッド軸線方向に回転しようとする。そして、この回転がサブキャリアまたはリテーナリングのうちのいずれか一方とヘッド本体内面に設けられる係合部によって受けられ、この係合部に作用する回転方向の力がセンサーによって測定される。
ここで、圧力調整機構によって流体室の内圧を例えば外気圧以下に低下させて、膜体を介したウェーハの押圧を解除すると、リテーナリングのみが研磨パッドに押し付けられるので、このときのセンサーの測定値をもとに、演算装置によってリテーナリングが受ける研磨抵抗が算出される。
このように、本発明のウェーハ研磨装置においては、ウェーハの研磨時と同じ条件下でのリテーナリングが受ける研磨抵抗の値を直接的に求めることができる。リテーナリングが受ける研磨抵抗の大きさは、研磨パッドの表面の状態が変化しない限り一定の範囲内にあるので、この研磨抵抗の変動をもとに研磨パッドの表面の状態が検出される。そして、研磨パッドの表面の状態から、研磨パッドをドレッシングする研磨材の状態も検知される。
ここで、本発明のウェーハ研磨装置においては、リテーナリングの受ける研磨抵抗の測定は、圧力調整機構による流体室の内圧を低下させるだけで済むので、ウェーハ研磨中であっても任意の時点で容易に行うことができ、また例えば研磨の初期状態から適宜の時点で測定を行って、初期状態からの研磨抵抗の変動を知ることができる。
【００１９】
また、このように構成されるウェーハ研磨装置においては、ウェーハ保持ヘッドを研磨パッドに当接させて研磨動作を行い、この状態で圧力調整機構によって流体室の内圧を例えば外気圧以上に上昇させて、膜体を介してウェーハを押圧する。これによってサブキャリアに保持されるウェーハとリテーナリングがともに研磨パッドに押し付けられるので、このときのセンサーの測定値をもとに、演算装置によってウェーハ及びリテーナリングが受ける全研磨抵抗が直接的に算出される。そして、全研磨抵抗とリテーナリングが受ける研磨抵抗との差から、ウェーハが受ける研磨抵抗が算出される。また、リテーナリングの受ける研磨抵抗の変動から、研磨パッドの表面の状態の変化を把握することができるので、ウェーハが受ける研磨抵抗の値を補正して、実際にウェーハが受ける研磨抵抗の値を精度よく求めることができる。ここで、リテーナリングの研磨抵抗及び全研磨抵抗の測定は、任意の時点で容易に行うことができるので、例えば研磨の初期状態から適宜の時点でこれら研磨抵抗の測定を行うことで、ウェーハが受ける研磨抵抗の初期状態からの変動を知ることができる。
【００２０】
請求項２記載の研磨状態検出方法においては、表面に研磨パッドが貼付されたプラテンと、ウェーハの一面を保持して、前記研磨パッドに前記ウェーハの他面を当接させるウェーハ保持ヘッドと、該ウェーハ保持ヘッドを駆動することにより前記ウェーハの他面を研磨するヘッド駆動機構とを具備するウェーハ研磨装置を用いる研磨状態検出方法であって、前記ウェーハ保持ヘッドは、天板部と該天板部の外周下方に設けられた筒状の周壁部とからなるヘッド本体と、前記ヘッド本体内に張られたダイヤフラムと、該ダイヤフラムに固定されて前記ダイヤフラムとともにヘッド軸線方向に変位し、前記ウェーハの一面を保持する略円盤形状のサブキャリアとを具備し、該サブキャリアの下面には、凹部と、該凹部と外部とを仕切って流体室を形成する膜体とが設けられ、前記凹部には、前記流体室の内圧を調節し、該内圧を受けて前記膜体が前記ウェーハを前記研磨パッドへ押圧する押圧力を調節する圧力調整機構が接続され、前記サブキャリアには、その外周部分に、下端を前記サブキャリアの下面よりも突出させてリテーナリングが一体に設けられ、前記サブキャリアまたは前記リテーナリングのうちのいずれかの外周と、前記ヘッド本体内面には、前記ヘッド軸線を回転中心とした相対的な回転を規制するよう互いを係合させる係合部と、該係合部間に設けられてこれらの間に作用する回転方向の力を測定するセンサーとが設けられ、前記圧力調整機構によって前記流体室の内圧を下げて前記ウェーハの押圧を解除した状態での前記センサーの測定値から、演算装置によって前記リテーナリングが受ける回転方向の研磨抵抗を算出し、これによって前記研磨パッドの表面の状態を検出することを特徴とする。
【００２１】
このように構成される研磨状態検出方法においては、ウェーハ保持ヘッドを研磨パッドに当接させて研磨動作を行い、この状態で圧力調整機構によって流体室の内圧を例えば外気圧以下に低下させて、膜体を介したウェーハの押圧を解除する。このとき、リテーナリングのみが研磨パッドに押し付けられるので、センサーによって測定される係合部間に作用する回転方向の力の測定値からは、リテーナリングが受ける研磨抵抗が算出される。
このように、本発明のウェーハ研磨装置においてはウェーハの研磨時と同じ条件下でのリテーナリングが受ける研磨抵抗の値を直接的に求めることができる。
リテーナリングが受ける研磨抵抗の大きさは、研磨パッドの表面の状態が変化しない限り一定の範囲内にあるので、この研磨抵抗の変動をもとに研磨パッドの表面の状態が検出される。そして、研磨パッドの表面の状態から、研磨パッドをドレッシングする研磨材の状態も検知される。
ここで、本発明のウェーハ研磨装置においては、リテーナリングの受ける研磨抵抗の測定は、圧力調整機構による流体室の内圧を低下させるだけで済むので、ウェーハ研磨中であっても任意の時点で容易に行うことができ、また例えば研磨の初期状態から適宜の時点で研磨抵抗の測定を行って、初期状態からの研磨抵抗の変動を知ることができる。
【００２２】
請求項３記載の研磨状態検出方法においては、前記圧力調整機構によって前記流体室の内圧を上げて前記ウェーハを前記研磨パッドに押圧した状態での前記センサーの測定値から、前記演算装置によって前記サブキャリアに保持されるウェーハ及び前記リテーナリングが受ける回転方向の全研磨抵抗を算出し、前記全研磨抵抗と前記リテーナリングが受ける研磨抵抗との差から、前記演算装置によって前記ウェーハが受ける回転方向の研磨抵抗を算出することを特徴とする。
【００２３】
このように構成されるウェーハ研磨装置においては、ウェーハ保持ヘッドを研磨パッドに当接させて研磨動作を行い、この状態で圧力調整機構によって流体室の内圧を例えば外気圧以上に上昇させて、膜体を介してウェーハを押圧する。
このとき、サブキャリアに保持されるウェーハとリテーナリングとがともに研磨パッドに押し付けられるので、このときのセンサーの測定値からは、ウェーハ及びリテーナリングが受ける全研磨抵抗が直接的に算出される。
そして、全研磨抵抗とリテーナリングが受ける研磨抵抗との差から、ウェーハが受ける研磨抵抗が算出される。
また、リテーナリングの受ける研磨抵抗の変動から、研磨パッドの表面の状態の変化を把握することができるので、ウェーハが受ける研磨抵抗の値を補正して、実際にウェーハが受ける研磨抵抗の値を精度よく求めることができる。
ここで、リテーナリングの研磨抵抗及び全研磨抵抗の測定は、任意の時点で容易に行うことができるので、例えば研磨の初期状態から適宜の時点でこれら研磨抵抗の測定を行うことで、ウェーハが受ける研磨抵抗の初期状態からの変動を知ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のウェーハ研磨装置の実施の形態について図面を参照して説明する。ここで、本発明の一実施形態のウェーハ研磨装置は、図４に示す従来のウェーハ研磨装置１とほぼ同様の構成からなり、ウェーハ保持ヘッドとして、図１の正断面図に示すウェーハ保持ヘッド１１を用いたものである。
【００２５】
図１において、ウェーハ保持ヘッド１１（以下、単に保持ヘッドという）は、天板部１３及び筒状に形成された周壁部１４とからなるヘッド本体１２と、ヘッド本体１２内に、例えばヘッド軸線に対し略垂直に張られたダイヤフラム１５と、ダイヤフラム１５の下面に固定された略円盤形状のサブキャリア１６と、サブキャリア１６の外周下部に、周壁部１４の内壁との間に位置してサブキャリア１６と一体的に設けられた円環状のリテーナリング１７とを備えている。
これらサブキャリア１６及びリテーナリング１７は、ダイヤフラム１５の弾性変形によってヘッド軸線方向に移動可能なフローティング構造となっている。
【００２６】
ヘッド本体１２は、円板状の天板部１３と天板部１３の外周下方に固定された筒状の周壁部１４とから構成され、ヘッド本体１２の下端部は開口されて中空になっている。天板部１３は、ウェーハ研磨装置の図示せぬアームに連結されるための連結部であるシャフト部１９に同軸に固定されており、シャフト部１９には、第一、第二の流路２２ａ、２２ｂ及び配線挿通路２３が鉛直方向に形成されている。このシャフト部１９の外周面には、アームに螺着するためのおねじ部１８が形成されている。また、周壁部１４の内壁部下部には、全周にわたって段部１４ａが形成されている。
【００２７】
繊維補強ゴムなどの可撓性を有する素材からなるダイヤフラム１５は円環状に形成されたものであって、ダイヤフラム固定リング２６によって周壁部１４の内壁に形成された段部１４ａ上に固定されている。ここで、ダイヤフラム１５は、必ずしもヘッド軸線に対し略垂直に張られている必要はない。
また、ダイヤフラム１５の上方には第一の流体室２１が形成されている。第一の流体室２１は、シャフト部１９に形成された第一の流路２２ａ及び配線挿通路２３と連通されており、第一の圧力調整機構２７から第一の流路２２ａを通して、空気をはじめとする流体が供給されることによって、第一の流体室２１内の圧力は調整される。第一の圧力調整機構２７は、第一の流体室２１内の圧力すなわちダイヤフラム１５とともに変位するサブキャリア１６をヘッド軸線方向に変位させる力を調節して、サブキャリア１６に保持されるウェーハＷを研磨パッド４に当接させる圧力を研磨に適した範囲内に調節するためのものである。
【００２８】
ここで、第一の流体室２１内には、シャフト部１９に形成された第二の流路２２ｂとサブキャリア１６に設けられる流通孔３３（後述）とを接続する配管３４が設けられている。配管３４は、可撓性を有する素材からなるものであって、ダイヤフラム１５の変形に伴うサブキャリア１６のヘッド軸線方向の変位を許容するよう、適度に弛みをもって設けられている。
【００２９】
セラミック等の高剛性材料からなるサブキャリア１６は、略円盤形状の部材であって、ダイヤフラム１５の上面に設けられたサブキャリア固定リング２８によってダイヤフラム１５に固定されている。サブキャリア１６は、その外周上部に全周にわたってフランジ部１６ａが設けられ、また下面の中央部に略円形の凹部３２が設けられ、その他の部分は一定の厚さとされている。そして、サブキャリア１６には、凹部３２からサブキャリア１６の上面まで通じる流通孔３３が形成されている。流通孔３３は、第一の流体室２１内に設けられる配管３４とヘッド本体１２の天板部１３の第二の流路２２ｂとを通じて、第二の圧力調整機構３６と接続されている。
【００３０】
リテーナリング１７は、略円環形状に形成される部材であって、サブキャリア１６のフランジ部１６ａの下面に、周壁部１４の内壁とサブキャリア１６の外周との間にわずかな隙間を空けて、周壁部１４及びサブキャリア１６と同心状にして取り付けられている。またリテーナリング１７は、上端面及び下端面が水平に形成されており、研磨時には研磨パッド４に当接するように、下面をサブキャリア１６の下面よりも突出して設けられている。ここで、リテーナリング１７のサブキャリア１６の下面に対する突出量は、例えばサブキャリア１６のフランジ部１６ａとの間にシムを挟み込むことで調節可能となっている。
【００３１】
サブキャリア１６の下面には、凹部３２と外部とを仕切って第二の流体室３８を形成する膜体３７（可撓部材）が張られている。膜体３７は、例えばダイヤフラム１５と同じく繊維補強ゴムなどの可撓性を有する素材からなる略円形のシート状部材であって、その外周縁をサブキャリア１６のフランジ部１６ａの下面とリテーナリング１７の上面との間に挟み込まれることで、サブキャリア１６に対して気密に取り付けられている。ここで膜体３７は、例えば第二の流体室３８と外部とを連通する開口部を設けるか、または膜体３７を可撓性に加えて通気性を有する素材、例えばＧＯＲＥＴＥＸ（商標）等によって構成することによって、第二の流体室３８と外部との間で気体の流通を許容する構成としてもよい。
【００３２】
また、図２及び図３に示すように、サブキャリア１６のフランジ部１６ａの外周とヘッド本体１２の内面との間には、ウェーハＷ研磨時に研磨抵抗を受けることによるサブキャリア１６の回転を防止する係合部４０が設けられている。
ここで、図２は、図１の要部拡大図であって、図３は、図２のＡ−Ａ矢視断面図である。本実施の形態では、係合部４０として、サブキャリア１６のフランジ部１６ａの外周に係合突起４０ａを、ヘッド本体１２の内面側に係合溝４０ｂを設けている。ここで、この係合部４０は、サブキャリア１６を安定して支持できるよう、２箇所以上、できればサブキャリア１６の回転中心に対して対称性をもって配置されていることが望ましい。
【００３３】
そして、これら係合突起４０ａと係合溝４０ｂとの間には、これらの間に作用する回転方向の力を測定するセンサー４１が設けられ、センサー４１には、ヘッド本体１２の外部に設けられる演算装置４２が接続されている。センサー４１としては、圧電素子や歪みゲージなどの圧力感知型のセンサー、または係合突起４０ａと係合溝４０ｂとの間にまたがって設けられて、サブキャリア１６とヘッド本体１２とが相対的に移動することによって受けるせん断力の大きさから回転方向の力を検知するせん断力検知型のセンサーなどが用いられる。
演算装置４２は、センサー４１の測定値をもとに、サブキャリア１６に保持されるウェーハＷまたはリテーナリング１７が受ける研磨抵抗、もしくはこれら両方が受ける全研磨抵抗を算出し、また全研磨抵抗とリテーナリング１７が受ける研磨抵抗との差から、ウェーハＷが受ける研磨抵抗の検出を行うものである。また、これらの情報をもとに、ウェーハの研磨が最適となるよう、ウェーハ研磨装置の各部の動作の制御も行うものである。
【００３４】
演算装置４２は、係合部４０及びセンサー４１が複数設けられている場合には、測定値の精度を向上させるために、これらセンサー４１についてそれぞれ測定値の平均を取り、その値を圧力の大きさとしている。
本実施の形態では、センサー４１として、圧力感知型のセンサーを用いており、センサー４１は、係合突起４０ａにおいてヘッド本体１２の回転方向とは反対側に向く面に設けられている。また、センサー４１と演算装置４２とを接続する配線Ｌは、例えばセンサー４１からサブキャリア１６内を通じてヘッド本体１２の第一の流体室２１内に達し、第一の流体室２１からはヘッド本体１２のシャフト１９に設けられる配線挿通孔２３を経由して演算装置４２に接続されている。
【００３５】
第二の圧力調整機構３６は、第二の流体室３８を含むサブキャリア１６と膜体３７との間の空間に流体を供給または回収することでこの空間の内圧を調整するものである。
そして、第二の圧力調整機構３６は、ウェーハＷの研磨時においてサブキャリア１６と膜体３７との間の空間の内圧を所定の圧力まで高めることで膜体３７を外方に向けて押圧して、膜体３７の下面によってウェーハＷの全面をウェーハ研磨装置１の研磨パッド４に均等圧力で押し付けるようにするものである。ここで第二の圧力調整機構３６は、膜体３７が通気性を有する素材とされている場合には膜体３７を通じて流体の圧力をウェーハＷの上面に直接印加するものである。
このとき第二の圧力調整機構３６が印加する圧力は、ウェーハＷが研磨に最適な圧力で研磨パッド４に押し付けられるように調整されている。また、第二の圧力調整機構３６は、ウェーハＷを膜体３７の下面に密着させた状態で第二の流体室３８の内圧を外気圧よりも低下させることで、膜体３７を凹部３２内に向けて窪ませて、膜体３７をウェーハＷを吸着する吸盤として作用させるものである。ここで、第二の圧力調整機構３６は、膜体３７が通気性を有している場合には、膜体３７を通じて膜体３７とウェーハＷとの間の空気を吸引することで、膜体３７越しにウェーハＷの吸着を行うものである。
【００３６】
このように構成された保持ヘッド１１は、おねじ部１８を図示せぬアームに設けられるスピンドルに螺着することによってウェーハ研磨装置に連結される。この保持ヘッド１１を用いてウェーハＷの研磨を行う場合、まずウェーハＷは、図示せぬローディング装置等によってサブキャリア１６の下面に設けられた膜体３７に当接される。この状態で、第二の圧力調整機構３６によって第二の流体室３８内の内圧を下げて膜体３７を凹部３２内に向けて窪ませ、ウェーハＷを吸着する吸盤として作用させることで、ウェーハＷの保持を行う。
次に、アームによって保持ヘッド１１を移動させてウェーハＷを研磨パッド４上に搬入する。
【００３７】
そして、ウェーハＷはリテーナリング１７によって周囲を係止されつつ、その表面を回転テーブル３の上面に貼付された研磨パッド４に当接させられる。ここで、研磨パッド４としては、従来よりウェーハの研磨に使用されていたものであればいずれの材質のものを用いても良く、例えばポリエステル等からなる不織布にポリウレタン樹脂等の軟質樹脂を含浸させたベロアタイプ研磨パッド、ポリエステル等の不織布を基材としてその上に発泡ポリウレタン等からなる発泡樹脂層を形成したスエードタイプ研磨パッド、あるいは独立発泡させたポリウレタン等からなる発泡樹脂シートが使用される。
【００３８】
このように、サブキャリア１６及びリテーナリング１７の研磨パッド４への押圧圧力、並びに第二の圧力調整機構により膜体３７に加えられる背圧によってウェーハＷを研磨パッド４へ押圧する圧力を調節しつつ、回転テーブル３を回転させるとともに保持ヘッド１１を自転させ、これと同時に、図示しない研磨剤供給手段からスラリーＳを研磨パッド４の表面やウェーハＷの被研磨面に供給させることによりウェーハＷは研磨される。このとき、例えばウェーハＷの中央部分が過度に研磨されてウェーハＷが凹面状に研磨されてしまう傾向がある場合には、ウェーハ保持ヘッド１１の回転速度を上げてウェーハＷの外周側の研磨パッド４に対する相対速度すなわち研磨速度を、ウェーハＷの内周側の研磨速度に比べて大きくして、ウェーハＷの外周側の研磨量を多くすることがある。このようなウェーハＷの研磨条件では、ウェーハ保持ヘッド１１の回転によってウェーハＷを保持したサブキャリア１６及びリテーナリング１７に回転力が生じ、これらが取り付られるダイヤフラム１５にはダイヤフラム１５をねじる向きの力が加わるが、この力は係合部４０によって受けられるので、ダイヤフラム１５のねじれが規制される。
【００３９】
このように構成される保持ヘッド１１においては、ウェーハＷの研磨状態は次のようにして求められる。
まず、保持ヘッド１１を研磨パッド４に当接させて研磨動作を行う。このとき、研磨パッド４から受ける研磨抵抗によってウェーハＷを保持するサブキャリア１６及びリテーナリング１７が、ヘッド本体１２の回転方向とは反対の側に回転しようとする。そして、この回転がサブキャリア１６の外周とヘッド本体１２の内面との間に設けられる係合部４０によって受けられ、この係合部４０が受ける回転方向の力が、センサー４１によって測定される。
ここで、第二の圧力調整機構３６によって第二の流体室３８の内圧を例えば外気圧以下に低下させて、膜体３７を介したウェーハＷの押圧を解除すると、リテーナリング１７のみが研磨パッド４に押し付けられるので、このときのセンサー４１の測定値をもとに、演算装置４２によってリテーナリング１７が受ける研磨抵抗が算出される。
【００４０】
このように、本発明のウェーハ研磨装置においては、ウェーハＷの研磨時と同じ条件下でのリテーナリング１７が受ける研磨抵抗の値を直接的に求めることができる。リテーナリング１７が受ける研磨抵抗の大きさは、研磨パッド４の表面の状態が変化しない限り一定の範囲内にあるので、この研磨抵抗の変動をもとに研磨パッド４の表面の状態が検出される。これは、ウェーハＷがその表面に薄膜が形成された構成とされている場合があるのに対してリテーナリング１７は内部まで同一の素材によって構成されており、リテーナリング１７が研磨パッド４から受ける研磨抵抗の大きさは、研磨パッド４の表面の状態が変化しない限り一定の範囲内にあるということを利用している。
【００４１】
そして、研磨パッド４の表面の状態から、研磨パッド４をドレッシングする研磨材１０の状態も検知される。
ここで、本発明のウェーハ研磨装置においては、リテーナリング１７の受ける研磨抵抗の測定は、第二の圧力調整機構３６によって第二の流体室３８の内圧を低下させるだけで済むので、ウェーハ研磨中であっても任意の時点で容易に行うことができ、また例えば研磨の初期状態から適宜の時点で測定を行って、初期状態からのリテーナリング１７の受ける研磨抵抗の変動を知ることができる。
【００４２】
次に、第二の圧力調整機構３６によって第二の流体室３８の内圧を例えば外気圧以上に上げ、膜体３７を介してウェーハＷを研磨パッド４に向けて押圧しながら研磨動作を行う。これによってサブキャリア１６に保持されるウェーハＷとリテーナリング１７がともに研磨パッド４に押し付けられるので、このときのセンサー４１の測定値をもとに、演算装置４２によってウェーハＷの研磨時と同じ条件下でのウェーハＷ及びリテーナリング１７が受ける全研磨抵抗が直接的に算出される。
【００４３】
そして、全研磨抵抗とリテーナリング１７が受ける研磨抵抗との差から、ウェーハＷが受ける研磨抵抗が直接的に算出される。
また、リテーナリング１７の受ける研磨抵抗の変動から研磨パッド４の表面の状態の変化を把握することができるので、ウェーハＷが受ける研磨抵抗の値を補正して実際にウェーハＷが受ける研磨抵抗の値を精度よく求めることができる。
ここで、全研磨抵抗の測定は、任意の時点で容易に行うことができるので、例えば研磨の初期状態から適宜の時点でこれら研磨抵抗の測定を行うことで、ウェーハＷが受ける研磨抵抗の初期状態からの変動を知ることができる。
【００４４】
そして、ウェーハＷが受ける研磨抵抗をもとに、ウェーハＷの研磨が最適となるよう、ウェーハＷの研磨条件、すなわち回転テーブル３や保持ヘッド１１の回転速度、研磨圧力（ウェーハＷを研磨パッドに押し付ける圧力）、スラリーの供給量などを調整する。
また、ウェーハＷが受ける研磨抵抗の変動を観測し、研磨抵抗の測定値が安定するようになったら、安全をみて数秒間ウェーハＷの研磨を続行した後、研磨終点検出としてウェーハＷの研磨作業を終了する。
ここで、研磨パッド４の表面の状態が変化していると判断した場合には、ウェーハＷの研磨を確実に行えるよう対処する。すなわち、一旦ウェーハＷの研磨を中止して、コンディショナ７によって研磨パッド４の表面の調整（ドレッシング）を行うなどして研磨パッド４の研磨能力を回復させてからウェーハＷの研磨を再開するか、もしくは、ウェーハＷを研磨する時間を延長する。また、必要に応じてウェーハＷの研磨条件の調整を行う。
【００４５】
ところで、研磨パッド４のドレッシングは、例えば一定時間ドレッシングを行った後に研磨パッド４の状態の検出を行い、ドレッシングが不十分であれば、研磨パッド４の研磨能力が適正範囲内になるまで行われる。そして、ある程度の時間ドレッシングを行っても研磨パッド４の研磨能力が適正範囲内にならなければ、ドレッシングに用いる研磨材１０のドレッシング能力が適正水準よりも低下しているということなので、研磨材１０の交換時期が来たとみなし、研磨材１０を新しいものに交換する。
【００４６】
このように、上記した本発明のウェーハ研磨装置によれば、保持ヘッド１１によって、リテーナリング１７、ウェーハＷのそれぞれが受ける研磨抵抗をほぼ直接的に検出することができる。すなわち、従来のウェーハ研磨装置に比べて研磨抵抗、研磨終点などのウェーハＷの研磨状態の情報の検出能力が高く、またこれらの変動に対する応答性も向上させることができる。
また、研磨パッド４の表面状態の変化による影響を算出し、これをもとにウェーハＷが受ける研磨抵抗の大きさを補正してウェーハＷの研磨終点の検出精度を向上させることができる。
そして、研磨パッド４の表面の状態を検出することができるので、研磨パッド４の表面の調整などを行うタイミングを知ることができ、また研磨パッド４の研磨能力が低下した場合には、状況に応じて対処方法を選択することができる。
また、研磨パッド４のドレッシングに用いる研磨材１０の状態も検出することができ、研磨材１０の交換時期を検出することができ、また研磨材１０のドレッシング能力が低下した場合には状況に応じて対処方法を選択することができる。
これによって、ウェーハＷの研磨作業を適切な条件下で行うことができる。
また、ダイヤフラム１５にダイヤフラム１５をねじる向きの力が加わっても、ダイヤフラム１５に過剰な負荷が加わらないので、ダイヤフラム１５のへたり、または損傷を防止することができる。
【００４７】
上記実施の形態では、研磨パッド４のドレッシングを、一旦ウェーハＷの研磨を中止した後に行うこととしたが、ウェーハＷの研磨とドレッシングとを並行して行うようにしてもよい。
また、係合部４０の係合突起４０ａと係合溝４０ｂの配置は、上記実施の形態で示した配置に限らず、例えばヘッド本体１２に係合突起４０ａを、サブキャリア１６に係合溝４０ｂを設けてもよい。
【００４８】
【発明の効果】
本発明のウェーハ研磨装置及び研磨状態検出方法は、以下のような効果を有するものである。
請求項１に記載のウェーハ研磨装置によれば、研磨パッドの表面の状態を検出することができるので、研磨パッドの表面の調整などを行うタイミングを知ることができ、また研磨パッドの研磨能力が低下した場合には、状況に応じて対処方法を選択することができる。
また、研磨パッドのドレッシングに用いる研磨材の状態も検出することができるので、研磨材の交換時期を検出することができ、また研磨材のドレッシング能力が低下した場合には、状況に応じて対処方法を選択することができる。
これによって、ウェーハの研磨作業を適切な条件下で行うことができる。
また、ダイヤフラムのねじれが規制されてねじれによるダイヤフラムの劣化、損傷を防止することができ、ウェーハ保持ヘッドのメンテナンスが容易になる。
【００４９】
請求項２に記載のウェーハ研磨装置によれば、ウェーハが受ける研磨抵抗を直接的に検出することができる。すなわち、従来のウェーハ研磨装置に比べてウェーハの研磨状態の情報の検出能力が高く、またその変動に対する応答性も向上させることができる。
また、研磨パッドの表面状態の変化による影響を算出し、これをもとにウェーハが受ける研磨抵抗の大きさを補正してウェーハの研磨終点の検出精度を向上させることができる。
【００５０】
請求項３に記載の研磨状態検出方法によれば、研磨パッドの表面の状態を検出することができるので、研磨パッドの表面の調整などを行うタイミングを知ることができ、また研磨パッドの研磨能力が低下した場合には、状況に応じて対処方法を選択することができる。
また、研磨パッドのドレッシングに用いる研磨材の状態も検出することができるので、研磨材の交換時期を検出することができ、また研磨材のドレッシング能力が低下した場合には、状況に応じて対処方法を選択することができる。
これによって、ウェーハの研磨作業を適切な条件下で行うことができる。
【００５１】
請求項４に記載のウェーハ研磨装置によれば、ウェーハが受ける研磨抵抗を直接的に検出することができる。すなわち、従来のウェーハ研磨装置に比べてウェーハの研磨状態の情報の検出能力が高く、またその変動に対する応答性も向上させることができる。
また、研磨パッドの表面状態の変化による影響を算出し、これをもとにウェーハが受ける研磨抵抗の大きさを補正してウェーハの研磨終点の検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態におけるウェーハ研磨装置のウェーハ保持ヘッドの構成及び構造を示す正断面図である。
【図２】  本発明の実施の形態におけるウェーハ保持ヘッドの構成及び構造を示す図であって、図１の要部拡大図である。
【図３】  本発明の実施の形態におけるウェーハ保持ヘッドの構成及び構造を示す図であって、図２におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
【図４】  従来のウェーハ研磨装置を示す要部拡大斜視図である。
【符号の説明】
４  研磨パッド                        ３  回転テーブル（プラテン）
１１  ウェーハ保持ヘッド              １２  ヘッド本体
１３  天板部                          １４  周壁部
１５  ダイヤフラム                    １６  サブキャリア
１７  リテーナリング                  ２１、３８  第一、第二の流体室
２７、３６  第一、第二の圧力調整機構  ３２  凹部
３７  膜体                            ４０  係合部
４１  センサー                        ４２  演算装置
Ｗ  ウェーハ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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