JP2001054860A

JP2001054860A - ウェーハの研磨状態検出方法及びウェーハ保持ヘッド

Info

Publication number: JP2001054860A
Application number: JP22949499A
Authority: JP
Inventors: Taizo Omura; 泰三大村; Tatsunobu Kobayashi; 達宜小林; Kanji Hosoki; 寛二細木; Hiroshi Tanaka; 弘志田中
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1999-08-13
Filing date: 1999-08-13
Publication date: 2001-02-27

Abstract

(57)【要約】【課題】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の研磨状態の検出方法及
びウェーハ保持ヘッドを提供する。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の研
磨状態の検出方法及びウェーハ保持ヘッドを提供する。【解決手段】ウェーハ保持ヘッドにおいて、ヘッド本
体２内に張られたダイヤフラム５の上面に、ダイヤフラ
ム５を介してサブキャリア６とリテーナリング７と接続
される金属製の薄板２０を設ける。薄板２０において、
ヘッド本体２とリテーナリング７との間に位置する部分
に第一の歪みゲージ２５を、リテーナリング７とサブキ
ャリア６との間に位置する部分に第二の歪みゲージ２６
を取り付ける。これら第一、第二の歪みゲージ２５、２
６が検出する歪みをもとに研磨抵抗を算出する演算装置
２７を接続する。

Description

【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
の研磨状態検出方法及びウェーハ保持ヘッドに関する。

【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、製造
工程中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、表面の膜を
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。そし
て、ＣＭＰ法を用いてウェーハの表面を研磨する装置と
しては、例えば図６に示されるものが知られている。

【０００４】図６において、ウェーハ研磨装置１００
は、研磨すべきウェーハＷを保持したウェーハ保持ヘッ
ド１０１と、円盤状に形成されたプラテン１０３上面に
全面にわたって貼付された研磨パッド１０２とを備えて
いる。このうちウェーハ保持ヘッド１０１は、ヘッド駆
動機構であるカルーセル１０４下部に複数取り付けられ
たものであり、スピンドル１１１によって回転可能に支
持され、研磨パッド１０２上で遊星回転されるようにな
っている。なおこの場合、プラテン１０３の中心位置と
ウェーハ保持ヘッド１０１の公転中心とを偏芯させて設
置することも可能である。

【０００５】プラテン１０３は、基台１０５の中央に水
平に配置されており、この基台１０５内に設けられたプ
ラテン駆動機構（図示せず）により軸線まわりに回転さ
れるようになっている。基台１０５の側方には支柱１０
７が設けられているとともに、支柱１０７の間には、カ
ルーセル駆動機構１１０を支持する上側取付板１０９が
配置されている。カルーセル駆動機構１１０は、下方に
設けられたカルーセル１０４を軸線まわりに回転させる
機能を有している。

【０００６】基台１０５からは、突き合わせ部１１２が
上方に突出するように配置されており、突き合わせ部１
１２の上端には間隔調整機構１１３が設けられている。
一方、突き合わせ部１１２の上方には係止部１１４が対
向配置されている。この係止部１１４は上側取付板１０
９に固定されているとともに上側取付板１０９から下方
に突出する構成となっている。そして、この間隔調整機
構１１３を調節し、突き合わせ部１１２と係止部１１４
とを当接させることにより、ウェーハ保持ヘッド１０１
と研磨パッド１０２との距離寸法を適切なものとしてい
る。そして、ウェーハ保持ヘッド１０１に保持されたウ
ェーハＷと研磨パッド１０２表面とを当接させるととも
に、カルーセル１０４とプラテン１０３とを回転させる
ことによってウェーハＷは研磨される。ここで研磨パッ
ド１０２は、通常は一回研磨を行う毎にその表面状態の
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）。ドレッシングは、例えばリング状の研磨材（ド
レスリング）を、研磨パッド１０２の表面に当接させた
状態で研磨パッド１０２の表面と略平行な平面上で相対
移動させ、これによって研磨パッド１０２の表面を削り
取って新しい面を形成するとともに、その表面を適度な
粗さとすることで行っている。ところで、研磨材は消耗
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
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１０２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。またウェーハ保持ヘッド１０１
は、ヘッド本体内に張られたダイヤフラムと、ダイヤフ
ラムに固定されこのダイヤフラムとともにヘッド軸線方
向に変位可能に設けられ、研磨すべきウェーハＷの一面
を保持するためのサブキャリアとを備えたものである。

【０００７】このようなウェーハ研磨装置１００を用い
て研磨を行う場合においてウェーハ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、ウェーハの研磨抵抗、すな
わちウェーハ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、例えばプラテン駆動機構（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１０２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。
このときプラテン１０２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
プラテン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、プラテン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。

【０００８】第二の終点検出方法として、ウェーハＷの
膜の厚さを測定して膜が所望の厚さに研磨されたことを
もって研磨終点を検出する方法が知られている。この方
法では、ウェーハＷの被研磨面に光をあて、この光がウ
ェーハＷの表面の膜によって反射されることで生じる光
の干渉の様子を測定し、これによってウェーハＷの表面
の膜厚を測定している。なお、ウェーハＷの被研磨面に
光をあてる方法としては、ウェーハＷの研磨作業を一旦
中断してウェーハＷの被研磨面に光をあてるか、または
研磨パッド１０２とプラテン１０３とに窓を設けて、こ
の窓を通じて、ウェーハＷの研磨作業を行いながらから
被研磨面に光をあてる方法が採られている。

【０００９】

【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。研磨装置１０
０において、プラテン１０３は、ウェーハＷと研磨パッ
ド１０２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プラテン駆動機構の回転動力の差
は小さく、プラテン１０３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において、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、プラテン１０３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。

【００１０】そして、第一の研磨終点検出方法におい
て、従来はプラテン１０３とウェーハ保持ヘッド１０１
を回転駆動するプラテン駆動機構またはカルーセル駆動
機構１１０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、モータとプ
ラテン１０３またはモータとウェーハ保持ヘッド１０１
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。このようにプラテン駆動機
構またはカルーセル駆動機構１１０の動力の検出は間接
的な手法で行われるので、プラテン１０３とウェーハ保
持ヘッド１０１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、ウェーハ保
持ヘッド１０１においてウェーハＷ以外で研磨パッド１
０２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。

【００１１】また、第一の研磨終点検出方法において、
研磨パッド１０２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１０２の表面が摩耗するなど、研
磨パッド１０２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
１０２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１０２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１０２の表面の状態を検
出する手段がないので、研磨パッド１０２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。

【００１２】また、第二の終点検出方法では、研磨パッ
ド１０２に供給される砥粒剤などのスラリー（懸濁液）
によって光が遮られてしまうために測定エラーが発生し
やすいという問題があった。また、膜厚の測定はウェー
ハＷの表面の局所的な部分でのみ行われるために、ウェ
ーハＷ全体において膜厚を把握することは困難であると
いう問題があった。

【００１３】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の研磨状態の検出方法及
びウェーハ保持ヘッド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
きるウェーハの研磨状態の検出方法及びウェーハ保持ヘ
ッドを提供することも目的とする。

【００１４】

【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に記載の発明は、表面に研磨パッドが貼付
されたプラテンと、研磨すべきウェーハを保持して前記
研磨パッドに前記ウェーハの一面を当接させるウェーハ
保持ヘッドとを具備し、該ウェーハ保持ヘッドと前記プ
ラテンとをそれぞれ回転させることで前記ウェーハの研
磨を行うウェーハ研磨装置におけるウェーハの研磨状態
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ヘッド軸線に対
し垂直に張られたダイヤフラムと、前記ダイヤフラムと
前記ヘッド本体との間に形成される流体室に満たされた
流体圧力を調整する圧力調整機構と、前記ダイヤフラム
に固定されこのダイヤフラムとともにヘッド軸線方向に
変位可能に設けられ、前記ウェーハの一面を保持するた
めのサブキャリアと、前記ダイヤフラムに、前記サブキ
ャリアの外周面と前記ヘッド本体の内壁面との間に位置
するように設けられるとともに前記ヘッド軸線方向に変
位可能に設けられ、研磨時には前記研磨パッドに当接す
るリテーナリングとを備えており、前記ダイヤフラム
を、金属製の薄板によって構成し、このウェーハ保持ヘ
ッドによる前記ウェーハの研磨時に、前記ダイヤフラム
の、前記ヘッド本体と前記リテーナリングとの間に位置
する部分に取り付けられる第一の歪みゲージによってこ
の部分に生じる歪みを測定し、該歪みの大きさをもと
に、全研磨抵抗の大きさを算出することを特徴とする。

【００１５】このように構成されるウェーハの研磨状態
検出方法においては、ダイヤフラムが歪みの測定の容易
な金属薄板によって構成され、第一の歪みゲージによっ
て測定されるダイヤフラムの歪みの大きさをもとに、全
研磨抵抗の大きさが算出される。

【００１６】請求項２に記載の発明は、表面に研磨パッ
ドが貼付されたプラテンと、研磨すべきウェーハを保持
して前記研磨パッドに前記ウェーハの一面を当接させる
ウェーハ保持ヘッドとを具備し、該ウェーハ保持ヘッド
と前記プラテンとをそれぞれ回転させることで前記ウェ
ーハの研磨を行うウェーハ研磨装置におけるウェーハの
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ヘッ
ド軸線に対し垂直に張られたダイヤフラムと、前記ダイ
ヤフラムと前記ヘッド本体との間に形成される流体室に
満たされた流体圧力を調整する圧力調整機構と、前記ダ
イヤフラムに固定されこのダイヤフラムとともにヘッド
軸線方向に変位可能に設けられ、前記ウェーハの一面を
保持するためのサブキャリアと、前記ダイヤフラムに、
前記サブキャリアの外周面と前記ヘッド本体の内壁面と
の間に位置するように設けられるとともに前記ヘッド軸
線方向に変位可能に設けられ、研磨時には前記研磨パッ
ドに当接するリテーナリングとを備えており前記ダイヤ
フラムを、金属製の薄板によって構成し、このウェーハ
保持ヘッドによる前記ウェーハの研磨時に、前記ダイヤ
フラムの、前記リテーナリングと前記サブキャリアとの
間に位置する部分に取り付けられる第二の歪みゲージに
よってこの部分に生じる歪みを測定し、該歪みの大きさ
をもとに、前記サブキャリアに保持される前記ウェーハ
が受ける研磨抵抗の大きさを算出し、該研磨抵抗の変動
を観測することで前記ウェーハの研磨終点を検出するこ
とを特徴とする。

【００１７】このように構成されるウェーハの研磨状態
検出方法においては、ダイヤフラムが歪みの測定の容易
な金属薄板によって構成され、第二の歪みゲージによっ
て測定されるダイヤフラムの歪みの大きさをもとに、サ
ブキャリアが受ける研磨抵抗、すなわちウェーハが受け
る研磨抵抗の大きさが算出される。そして、このウェー
ハが受ける研磨抵抗の変動を観測することでウェーハの
研磨終点が検出される。

【００１８】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
のウェーハの研磨状態検出方法において、前記ダイヤフ
ラムの、前記リテーナリングと前記サブキャリアとの間
に位置する部分に取り付けられる第二の歪みゲージによ
ってこの部分に生じる歪みを測定し、該歪みの大きさを
もとに、前記サブキャリアに保持される前記ウェーハが
受ける研磨抵抗の大きさを算出し、前記全研磨抵抗と前
記ウェーハが受ける研磨抵抗との差をもとに前記ウェー
ハが受ける研磨抵抗の大きさを補正して前記ウェーハの
研磨終点を検出することを特徴とする。このように構成
されるウェーハの研磨状態検出方法においては、第一、
第二の歪みゲージによってそれぞれ測定されるダイヤフ
ラムの歪みから、全研磨抵抗とウェーハが受ける研磨抵
抗が算出され、これら研磨抵抗の差をもとにリテーナリ
ングが受ける研磨抵抗の大きさが算出される。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、リテ
ーナリングが受ける研磨抵抗の変動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
を検出する。

【００１９】請求項４に記載の発明は、請求項１に記載
のウェーハの研磨状態検出方法において、前記ダイヤフ
ラムの、前記リテーナリングと前記サブキャリアとの間
に位置する部分に取り付けられる第二の歪みゲージによ
ってこの部分に生じる歪みを測定し、該歪みの大きさを
もとに、前記サブキャリアに保持される前記ウェーハが
受ける研磨抵抗の大きさを算出し、前記全研磨抵抗と前
記ウェーハが受ける研磨抵抗との差をもとに、前記リテ
ーナリングが受ける研磨抵抗の大きさを算出し、該研磨
抵抗の大きさから、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。このように構成されるウェーハ
の研磨状態検出方法においては、第一、第二の歪みゲー
ジによってそれぞれ測定されるダイヤフラムの歪みか
ら、全研磨抵抗とウェーハが受ける研磨抵抗が算出され
る。そして、これら研磨抵抗の差をもとに算出されるリ
テーナリングが受ける研磨抵抗の大きさから、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。

【００２０】請求項５に記載の発明は、請求項１から４
のいずれかに記載のウェーハの研磨状態検出方法におい
て、前記ダイヤフラムを金属製の薄板に代えてゴム膜に
よって構成し、前記ダイヤフラムの前記ヘッド本体内側
の面に、前記ダイヤフラムを介して前記サブキャリア、
前記リテーナリング並びに前記ヘッド本体とに接続され
る金属製の円環形状の薄板を前記周壁部と同心状に設
け、前記薄板の、前記ダイヤフラムにおける測定位置と
同じ位置に取り付けられる前記第一の歪みゲージまたは
第二の歪みゲージ、もしくはこれら両方によって前記測
定位置に生じる歪みを測定し、該歪みの大きさをもと
に、前記ウェーハの研磨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ウェーハの研磨状況
検出方法においては、サブキャリアに保持されるウェー
ハ及びリテーナリングが受ける研磨抵抗が、ダイヤフラ
ムを介して歪みの測定の容易な金属製の薄板に伝達され
る。そして、薄板に生じた歪みは第一の歪みゲージまた
は第二の歪みゲージ、もしくはこれら両方によって測定
され、この歪みの大きさをもとに、ウェーハまたはリテ
ーナリングもしくはこれら両方が受ける研磨抵抗が算出
されてウェーハの研磨状態が検出される。すなわち、ダ
イヤフラムをサブキャリア及びリテーナリングのフロー
ティング支持の性能を優先して弾性変形の容易なゴム膜
によって構成しつつ、サブキャリアまたはリテーナリン
グ、もしくはこれら両方が受ける研磨抵抗の測定も行う
ことができる。また、ウェーハの研磨時にウェーハまた
はリテーナリングが研磨抵抗を受けることによってダイ
ヤフラムにダイヤフラムをねじる向きの力が加わるが、
この力が薄板によって受けられるので、ダイヤフラムの
ねじれが規制される。

【００２２】請求項６に記載の発明は、表面に研磨パッ
ドが貼付されたプラテンと、研磨すべきウェーハを保持
して前記研磨パッドに前記ウェーハの一面を当接させる
ウェーハ保持ヘッドとを具備し、該ウェーハ保持ヘッド
と前記プラテンとをそれぞれ回転させることで前記ウェ
ーハの研磨を行うウェーハ研磨装置に用いられるウェー
ハ保持ヘッドであって、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
ヘッド本体内にヘッド軸線に対し垂直に張られたダイヤ
フラムと、前記ダイヤフラムと前記ヘッド本体との間に
形成される流体室に満たされた流体圧力を調整する圧力
調整機構と、前記ダイヤフラムに固定されこのダイヤフ
ラムとともにヘッド軸線方向に変位可能に設けられ、前
記ウェーハの一面を保持するためのサブキャリアと、前
記ダイヤフラムに、前記サブキャリアの外周面と前記ヘ
ッド本体の内壁面との間に位置するように設けられると
ともに前記ヘッド軸線方向に変位可能に設けられ、研磨
時には前記研磨パッドに当接するリテーナリングとを備
え、前記ダイヤフラムが金属製の薄板によって構成さ
れ、前記ダイヤフラムの、前記ヘッド本体と前記リテー
ナリングとの間に位置する部分にこの部分に生じる歪み
を測定する第一の歪みゲージが取り付けられ、該第一の
歪みゲージには、前記第一の歪みゲージによって測定さ
れる前記ダイヤフラムの歪みの大きさをもとに全研磨抵
抗の大きさを算出する演算装置が接続されていることを
特徴とする。

【００２３】このように構成されるウェーハ保持ヘッド
においては、ダイヤフラムが歪みの測定の容易な金属薄
板によって構成され、第一の歪みゲージによって測定さ
れるダイヤフラムの歪みの大きさをもとに、演算装置に
よって全研磨抵抗の大きさが算出される。

【００２４】請求項７に記載の発明は、表面に研磨パッ
ドが貼付されたプラテンと、研磨すべきウェーハを保持
して前記研磨パッドに前記ウェーハの一面を当接させる
ウェーハ保持ヘッドとを具備し、このウェーハ保持ヘッ
ドと前記プラテンとをそれぞれ回転させることにより前
記ウェーハを研磨するウェーハ研磨装置に用いられるウ
ェーハ保持ヘッドであって、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り、研磨装置本体
によって回転されるヘッド本体と、前記ヘッド本体内に
ヘッド軸線に対し垂直に張られたダイヤフラムと、前記
ダイヤフラムと前記ヘッド本体との間に形成される流体
室に満たされた流体圧力を調整する圧力調整機構と、前
記ダイヤフラムに固定されこのダイヤフラムとともにヘ
ッド軸線方向に変位可能に設けられ、前記ウェーハの一
面を保持するためのサブキャリアと、前記ダイヤフラム
に、前記サブキャリアの外周面と前記ヘッド本体の内壁
面との間に位置するように設けられるとともに前記ヘッ
ド軸線方向に変位可能に設けられるリテーナリングとを
備え、前記ダイヤフラムが金属製の薄板によって構成さ
れ、前記ダイヤフラムの、前記リテーナリングと前記サ
ブキャリアとの間に位置する部分にこの部分に生じる歪
みを測定する第二の歪みゲージが取り付けられ、該第二
の歪みゲージには、前記第二の歪みゲージによって測定
される前記ダイヤフラムの歪みの大きさをもとに前記サ
ブキャリアによって保持される前記ウェーハが受ける研
磨抵抗の大きさを算出し、該研磨抵抗の変動から前記ウ
ェーハの研磨終点を検出する演算装置が接続されている
ことを特徴とする。

【００２５】このように構成されるウェーハ保持ヘッド
においては、ダイヤフラムが歪みの測定の容易な金属薄
板によって構成され、第二の歪みゲージによって測定さ
れるダイヤフラムの歪みの大きさをもとに、演算装置に
よってサブキャリアが受ける研磨抵抗、すなわちウェー
ハが受ける研磨抵抗の大きさが算出される。そして、こ
のウェーハが受ける研磨抵抗の変動を観測することでウ
ェーハの研磨終点が検出される。

【００２６】請求項８に記載の発明は、請求項６に記載
のウェーハ保持ヘッドにおいて、前記ダイヤフラムの、
前記リテーナリングと前記サブキャリアとの間に位置す
る部分に前記ダイヤフラムのこの部分に生じる歪みを測
定する第二の歪みゲージが取り付けられ、該第二の歪み
ゲージ及び前記第一の歪みゲージには、前記第二の歪み
ゲージによって測定される前記ダイヤフラムの歪みの大
きさから前記サブキャリアによって保持される前記ウェ
ーハが受ける研磨抵抗の大きさを算出し、前記全研磨抵
抗と前記ウェーハが受ける研磨抵抗との差をもとに前記
ウェーハが受ける研磨抵抗の大きさを補正して研磨終点
を検出する演算装置が接続されていることを特徴とす
る。このように構成されるウェーハ保持ヘッドにおいて
は、第一、第二の歪みゲージによってそれぞれ測定され
るダイヤフラムの歪みから、全研磨抵抗とウェーハが受
ける研磨抵抗の大きさが算出され、これら研磨抵抗の差
をもとにリテーナリングが受ける研磨抵抗の大きさが算
出される。そして、リテーナリングが受ける研磨抵抗の
変動をもとに、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を検出する。

【００２７】請求項９に記載の発明は、請求項６に記載
のウェーハ保持ヘッドにおいて、前記ダイヤフラムの、
前記リテーナリングと前記サブキャリアとの間に位置す
る部分に前記ダイヤフラムのこの部分に生じる歪みを測
定する第二の歪みゲージが取り付けられ、該第二の歪み
ゲージ及び前記第一の歪みゲージには、前記第二の歪み
ゲージによって測定される前記ダイヤフラムの歪みの大
きさから前記サブキャリアによって保持される前記ウェ
ーハが受ける研磨抵抗の大きさを算出し、前記全研磨抵
抗と前記ウェーハが受ける研磨抵抗との差をもとに前記
研磨パッドの表面の状態を検出する演算装置が接続され
ていることを特徴とする。このように構成されるウェー
ハ保持ヘッドにおいては、第一、第二の歪みゲージによ
ってそれぞれ測定されるダイヤフラムの歪みから、全研
磨抵抗とウェーハが受ける研磨抵抗が算出され、これら
研磨抵抗の差をもとにリテーナリングが受ける研磨抵抗
の大きさが算出される。そして、リテーナリングが受け
る研磨抵抗の大きさから、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況も検知される。

【００２８】請求項１０に記載の発明は、請求項６から
９のいずれかに記載のウェーハ保持ヘッドにおいて、前
記ダイヤフラムが金属製の薄板に代えてゴム膜によって
構成され、前記ダイヤフラムの前記ヘッド本体内側の面
に、前記ダイヤフラムを介して前記サブキャリア、前記
リテーナリング並びに前記ヘッド本体とに接続される金
属製の円環形状の薄板が前記周壁部と同心状に設けら
れ、前記第一の歪みゲージまたは第二の歪みゲージ、も
しくはこれら両方が、前記薄板の、前記ダイヤフラムに
おける測定位置と同じ位置に取り付けられ、前記第一の
歪みゲージまたは第二の歪みゲージ、もしくはこれら両
方には、前記薄板の前記測定位置に生じる歪みの大きさ
から前記ウェーハの研磨状態を検出する演算装置が接続
されていることを特徴とする。

【００２９】このように構成されるウェーハ保持ヘッド
においては、サブキャリアに保持されるウェーハまたは
リテーナリングが受ける研磨抵抗が、ダイヤフラムを介
して歪みの測定の容易な金属製の薄板に伝達される。そ
して、薄板に生じた歪みは第一の歪みゲージまたは第二
の歪みゲージ、もしくはこれら両方によって測定され、
この歪みの大きさをもとに、ウェーハまたはリテーナリ
ングが受ける研磨抵抗が演算装置によって算出されてウ
ェーハの研磨状態が検出される。すなわち、ダイヤフラ
ムをサブキャリア及びリテーナリングのフローティング
支持の性能を優先して弾性変形の容易なゴム膜によって
構成しつつ、サブキャリアまたはリテーナリング、もし
くはこれら両方が受ける研磨抵抗の測定も行うことがで
きる。また、ウェーハの研磨時にサブキャリアまたはリ
テーナリングが研磨抵抗を受けることによってダイヤフ
ラムにダイヤフラムをねじる向きの力が加わるが、この
力が薄板によって受けられるので、ダイヤフラムのねじ
れが規制される。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態による
ウェーハの研磨状態検出方法及びウェーハ保持ヘッドに
ついて図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施
形態であるウェーハ保持ヘッド１を示す正断面図であ
る。また、図２は薄板２０近傍の様子を示す図であっ
て、図１の要部拡大図である。図３は薄板２０を説明す
るための図であって、図１におけるＡ−Ａ矢視断面図で
ある。なおこのウェーハ保持ヘッド１は、例えば図６に
示したカルーセル１０４に設置されるものである。

【００３１】図１において、ウェーハ保持ヘッド１は、
天板部３及び筒状に形成された周壁部４からなるヘッド
本体２と、ヘッド本体２の内部に張られた弾性体からな
るダイヤフラム５と、ダイヤフラム５の下面に固定され
た円盤状のサブキャリア６と、周壁部４の内壁とサブキ
ャリア６の外周面に同心状に設けられた円環状のリテー
ナリング７と、ダイヤフラム５の上面に設けられた円環
状の薄板２０とを備えている。

【００３２】ヘッド本体２は、円板状の天板部３と天板
部３の外周下方に固定された筒状の周壁部４とから構成
され、ヘッド本体２の下端部は開口されて中空になって
いる。天板部３は、カルーセルに連結されるための連結
部であるシャフト部９に同軸に固定されており、シャフ
ト部９には、流路１５及び配線挿通路１６が鉛直方向に
形成されている。このシャフト部９の外周面には、おね
じ部８が形成されている。また、周壁部４の半径方向内
方下部には、全周にわたって段部４ａ及び半径方向内方
に突出された円環状の係止部１０が形成されている。

【００３３】繊維補強ゴムなどの弾性材料からなるダイ
ヤフラム５は円環状または円板状に形成されたものであ
る。また、ダイヤフラム５の上方には流体室１４が形成
されており、シャフト部９に形成された流路１５と連通
されている。そして、流体室１４内部に、圧力調整機構
３０から流路１５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、流体室１４内部の圧力は調整
される。

【００３４】セラミック等の高剛性材料からなるサブキ
ャリア６は円盤状に一定の厚さで形成されており、下面
にはウェーハＷを付着させるためのウェーハ付着シート
を備えている。また、リテーナリング７は、周壁部４の
内壁とサブキャリア６の外周面との間に円環状に形成さ
れており、周壁部４の内壁との間及びサブキャリア６の
外周面との間に僅かな隙間を空けて、周壁部４及びサブ
キャリア６と同心状に配置されている。またリテーナリ
ング７は、上端面及び下端面が水平に形成されている。

【００３５】ダイヤフラム５の上面に設けられた薄板２
０は例えばステンレス鋼などの剛性を有する材質からな
っており、円環状に形成されたものである。この薄板２
０の内側は、図２に示すように、固定手段であるサブキ
ャリア固定リング１２及びサブキャリア固定ボルト１２
ａによってダイヤフラム５を介してサブキャリア６に固
定されている。このとき、ダイヤフラム５と薄板２０と
の間にはサブキャリア用スペーサー２１ａが介在されて
おり、薄板２０がダイヤフラム５上面に設置される際の
薄板２０の変形を防止するようになっている。

【００３６】同様に、薄板２０の半径方向中間部分とリ
テーナリング７とは、ダイヤフラム５を介して固定手段
であるリテーナリング固定リング１３及びリテーナリン
グ固定ボルト１３ａによって連結されており、薄板２０
の外側と周壁部４の内壁に形成された段部４ａとは、ダ
イヤフラム５を介して固定手段であるダイヤフラム固定
リング１１及びダイヤフラム固定ボルト１１ａによって
固定されている。そして、リテーナリング固定ボルト１
３ａ及びダイヤフラム固定ボルト１１ａによる連結部分
の薄板２０とダイヤフラム５との間にはリテーナリング
用スペーサー２１ｂ及びヘッド本体用スペーサー２１ｃ
が介在されており、薄板２０がダイヤフラム５上面に設
置される際の変形を防止するようになっている。

【００３７】上記のサブキャリア用スペーサー２１ａ、
リテーナリング用スペーサー２１ｂ及びヘッド本体用ス
ペーサー２１ｃは、ダイヤフラム５が変形する際に薄板
２０とこすれて損傷してしまうことのないようこれらを
隔離する役目も果たしている。ここで、本実施の形態で
は、図１及び図２に示すように、サブキャリア用スペー
サー２１ａ、リテーナリング用スペーサー２１ｂ及びヘ
ッド本体用スペーサー２１ｃとして円環形状の板を用い
たが、これに限られることなく、ダイヤフラム５の変形
する力をより効果的に分散させてダイヤフラム５の特定
の部分に負荷が加わらないようにするために、これらサ
ブキャリア用スペーサー２１ａ、リテーナリング用スペ
ーサー２１ｂ及びヘッド本体用スペーサー２１ｃを、円
環形状の線材、例えばガラス繊維または鋼線を複数同心
状に配置したものとしてもよい。

【００３８】図２に示すように、サブキャリア固定リン
グ１２の上部には円環状に段部３１が形成されており、
天板部３から鉛直方向に挿通されたナット１９、スぺー
サー１９ａによって固定されているストッパーボルト１
８の下端に形成された段部１８ａと係合されるようにな
っている。そして、ウェーハ保持ヘッド１が、例えば昇
降機構によって上昇し、サブキャリア６などの自重及び
流体室１４内部の圧力によってダイヤフラム５が下方に
たわんでも、段部３１と段部１８ａとが係合することに
より、ダイヤフラム５に過剰な力を作用させないように
なっている。

【００３９】リテーナリング７の外周面には段部７ａが
形成されており、ウェーハ保持ヘッド１が昇降機構によ
って上昇した際、リテーナリング７の自重及び流体室１
４内部の圧力によってダイヤフラム５が局所的にたわん
でも、段部７ａと係止部１０とが係合することによっ
て、ダイヤフラム５に局所的に過剰な力を作用させない
ようになっている。そして、これらサブキャリア６及び
リテーナリング７は、ダイヤフラム５の弾性変形によっ
てヘッド軸線方向に移動可能となったフローティング構
造となっている。

【００４０】図３に示すように、薄板２０は円環状に形
成されており、平面中心側から回転方向に向かって延び
る複数の穴部２２が円環状に設けられている。この穴部
２２は、薄板２０とリテーナリング７とを固定するリテ
ーナリング固定ボルト１３ａが挿通されるボルト孔１３
ｂに対して半径方向の内方、すなわちボルト孔１３ｂと
サブキャリア固定ボルト１２ａが挿通されるボルト孔１
２ｂとの間に円環状に配された内側穴部２２ａと、ボル
ト孔１３ｂに対して半径方向の外方、すなわちボルト孔
１３ｂとダイヤフラム固定ボルト１１ａが挿通されるボ
ルト孔１１ｂとの間に円環状に配された外側穴部２２ｂ
とからなっている。

【００４１】そして、内側穴部２２ａは図３に示すよう
に、サブキャリア６とリテーナリング７との間隙のほぼ
上方に配されており、一方、外側穴部２２ｂはリテーナ
リング７と周壁部４との間隙のほぼ上方に配されてい
る。内側穴部２２ａは、ほぼ長方形状に形成されたもの
であり、その長手方向が矢印ｙ１で示すウェーハ保持ヘ
ッド１の回転方向に向けられて設けられている。また、
それぞれの内側穴部２２ａは等間隔に配置されていると
ともに、隣接する内側穴部２２ａどうしの連結部２３ａ
の幅は、内側穴部２２ａの回転方向の幅より小さくなる
ように形成されている。

【００４２】外側穴部２２ｂもほぼ長方形状に形成され
たものであり、その長手方向が矢印ｙ１で示すウェーハ
保持ヘッド１の回転方向に向けられている。また、それ
ぞれの外側穴部２２ｂは等間隔に配置されているととも
に、隣接する外側穴部２２ｂどうしの連結部２３ｂの幅
は、外側穴部２２ｂの回転方向の幅より小さくなるよう
に形成されている。

【００４３】そして、薄板２０において、連結部２３
ｂ、すなわちヘッド本体２の周壁部４とリテーナリング
７との間隙のほぼ上方に位置する部分の上面には第一の
歪みゲージ２５が取り付けられ、連結部２３ａ、すなわ
ちリテーナリング７とサブキャリア６との間隙のほぼ上
方に位置する部分の上面には、第二の歪みゲージ２６が
取り付けられている。ここで、本実施の形態では、第
一、第二の歪みゲージ２５、２６は、薄板２０の周方向
の複数箇所で歪みを測定できるように、それぞれ連結部
２３ｂ、２３ａに例えばひとつおきに設けられている。
また、第一、第二の歪みゲージ２５、２６は、それぞれ
が測定した薄板２０の連結部２３ｂに生じる歪みと連結
部２３ａに生じる歪みとを比較検討することができるよ
うに、それぞれ薄板２０の中心に対して周方向の位相を
揃えて配置されている。

【００４４】そして、これら第一、第二の歪みゲージ２
５、２６には、図２に示すように、ヘッド本体２の内部
とシャフト部９の配線挿通路１６を通じて、かつ図示せ
ぬスリップリング等を介してヘッド本体２の回転を許容
した状態で、演算装置２７と有線にて接続されている。
ここで、演算装置２７は、これら第一、第二の歪みゲー
ジ２５、２６が測定した薄板２０の連結部２３ｂ、２３
ａに生じる歪みの大きさをもとに、これら連結部２３
ｂ、２３ａに加わる力、すなわち研磨抵抗を算出するも
のである。本実施の形態では、演算装置２７は、測定値
の精度を向上させるためにこれら第一、第二の歪みゲー
ジ２５、２６についてそれぞれ測定値の平均を取り、そ
の値をそれぞれ連結部２３ｂ、２３ａの歪みとしてい
る。

【００４５】このように構成されたウェーハ保持ヘッド
１は、おねじ部８をスピンドルに螺着することによって
研磨装置本体に連結される。このウェーハ保持ヘッド１
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、サブキャリア６の下面に設けられたウェーハ付着シ
ートに付着される。そして、ウェーハＷはリテーナリン
グ７によって周囲を係止されつつ、その表面をプラテン
１０３上面に貼付された研磨パッド１０２に当接させら
れる。なお、研磨パッド１０２の材質には、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でも
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。

【００４６】次に、圧力調整機構３０から空気などの流
体を流路１５に供給させる。供給された流体は流体室１
４に流入され、流体室１４内の圧力を調節する。サブキ
ャリア６及びリテーナリング７はダイヤフラム５に支持
された、それぞれ独立して上下方向に変位可能なフロー
ティング構造となっており、流体室１４内部の圧力によ
ってサブキャリア６及びリテーナリング７の研磨パッド
１０２への押圧圧力が調節可能となっている。

【００４７】このとき薄板２０には、サブキャリア６と
リテーナリング７との間隙の上方及びリテーナリング７
とヘッド本体２の周壁部４との間隙の上方に位置するよ
うに円環状に配された内側穴部２２ａ及び外側穴部２２
ｂが形成されているため、薄板２０は軸線方向に弾性変
形可能となっており、そのためダイヤフラム５に固定さ
れたサブキャリア６及びリテーナリング７のヘッド軸線
方向への変動すなわちフローティング効果は妨げられな
いようになっている。さらに、内側穴部２２ａ及び外側
穴部２２ｂのそれぞれの回転方向の幅が、連結部２３
ａ、２３ｂの幅より大きくなるように形成されているの
で、薄板２０のヘッド軸線方向への弾性変形はさらに容
易に実現されるようになっている。そのため、サブキャ
リア６及びリテーナリング７は安定したフローティング
効果を得ることができる。

【００４８】そして、サブキャリア６及びリテーナリン
グ７の研磨パッド１０２への押圧圧力を調節しつつプラ
テン１０３を回転させるとともにウェーハ保持ヘッド１
を遊星回転させ、これと同時に、図示しない研磨剤供給
手段から砥粒剤を研磨パッド１０２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１の回転速度を上
げてウェーハＷの外周側の研磨パッド１０２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１の回転によってウェーハ
Ｗを保持したサブキャリア６及びリテーナリング７に回
転力が生じ、これらが取り付られるダイヤフラム５には
ダイヤフラム５をねじる向きの力が加わるが、この力は
金属製の薄板２０によって受けられるので、ダイヤフラ
ム５のねじれが規制される。

【００４９】このウェーハ保持ヘッド１を用いるウェー
ハＷの研磨作業においては、研磨終点検出方法として、
砥粒剤（スラリー）に影響される前記第二の終点検出方
法ではなく、前記第一の終点検出方法、すなわちウェー
ハＷの研磨抵抗の変動を観測することによって研磨の終
点を検出する方法を採用している。そして、ウェーハＷ
の研磨抵抗の観測は、第一、第二の歪みゲージ２５、２
６によってウェーハＷの研磨中に薄板２０に生じる歪み
を測定することで行われる。

【００５０】ここで、薄板２０の連結部２３ｂ、すなわ
ちヘッド本体２の周壁部４とリテーナリング７との間隙
のほぼ上方に位置する部分の変形は、サブキャリア６に
保持されるウェーハＷ及びリテーナリング７が研磨パッ
ド１０２から受ける研磨抵抗、すなわち全研磨抵抗が作
用することによって生じている。また、薄板２０の連結
部２３ａ、すなわちリテーナリング７とサブキャリア６
との間隙のほぼ上方に位置する部分の変形は、ウェーハ
Ｗが研磨パッド１０２から受ける研磨抵抗がサブキャリ
ア６を介して薄板２０に作用することによって生じてい
る。

【００５１】上記の関係を利用して、演算装置２７によ
って、第一の歪みゲージ２５によって測定される連結部
２３ｂの歪みの大きさをもとに、全研磨抵抗の大きさを
算出し、第二の歪みゲージ２６によって測定される連結
部２３ａの歪みの大きさをもとに、サブキャリア６に保
持されるウェーハＷが研磨パッド１０２から受ける研磨
抵抗の大きさを算出する。そして、全研磨抵抗とウェー
ハＷが受ける研磨抵抗との差をもとに、研磨パッド１０
２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する。そし
て、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。

【００５２】ところで、全研磨抵抗とウェーハＷが受け
る研磨抵抗との差から求められるものはリテーナリング
７が受ける研磨抵抗である。そして、リテーナリング７
が受ける研磨抵抗の変動から、研磨パッド１０２の表面
の状態を検出することができる。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のに対し
てリテーナリング７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７が研磨パッド１０２から
受ける研磨抵抗の大きさは、研磨パッド１０２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。

【００５３】そして、研磨パッド１０２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、研磨パッド１０２の表面の調整（ドレ
ッシング）を行うなどして研磨パッド１０２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。

【００５４】ところで、研磨パッド１０２のドレッシン
グは、研磨材（図示せず）を用いて研磨パッド１０２の
研磨能力が適正範囲内になるまで行うものであるが、あ
る程度の時間ドレッシングを行っても研磨パッド１０２
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、研磨材の交換時期が来た
とみなし、研磨材を新しいものに交換する。

【００５５】このように構成されるウェーハ保持ヘッド
１によれば、リテーナリング７、ウェーハＷ（サブキャ
リア６）のそれぞれが受ける研磨抵抗が、これらの研磨
抵抗を受ける薄板２０の歪みの大きさから算出されるの
で、これらリテーナリング７、ウェーハＷ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、
従来の研磨終点検出方法に比べて研磨抵抗、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１０２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
向上することができる。そして、研磨パッド１０２の表
面の状態を検出することができるので、研磨パッド１０
２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１０２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１０２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、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Ｗの研磨作業を適切な条
件下で行うことができる。

【００５６】また、ダイヤフラム５を、サブキャリア６
及びリテーナリング７のフローティング支持の性能を優
先して弾性変形の容易なゴム膜で構成しつつ、サブキャ
リア６及びリテーナリング７が受ける研磨抵抗の測定も
行うことができる。また、ダイヤフラム５にダイヤフラ
ム５をねじる向きの力が加わっても、ダイヤフラム５に
過剰な負荷が加わらないので、ダイヤフラム５のへた
り、または損傷を防止することができる。

【００５７】ここで、上記実施の形態では、ダイヤフラ
ム５の上面に、ウェーハＷ及びリテーナリング７が研磨
パッド１０２から受ける研磨抵抗をダイヤフラム５を介
して受ける金属製の薄板２０を設けたウェーハ保持ヘッ
ド１を用い、この薄板２０に生じる歪みを第一、第二の
歪みゲージ２５、２６によって測定し、この歪みの大き
さをもとに演算装置２７によって、全研磨抵抗並びにウ
ェーハＷ、リテーナリング７のそれぞれが受ける研磨抵
抗を算出する例を示した。しかし、本発明ではこれに限
られることなく、図４に示すように、ウェーハ保持ヘッ
ド１において薄板２０、サブキャリア用スペーサー２１
ａ、リテーナリング用スペーサー２１ｂ及びヘッド本体
用スペーサー２１ｃをなくし、代わりにダイヤフラム５
を金属製の薄板によって構成したウェーハ保持ヘッド１
ａを用い、ダイヤフラム５に直接第一、第二の歪みゲー
ジ２５、２６を設けてダイヤフラム５に生じる歪みを測
定し、この歪みの大きさをもとに演算装置２７によって
全研磨抵抗並びにウェーハＷ、リテーナリング７のそれ
ぞれが受ける研磨抵抗の大きさを算出するようにしても
構わない。この場合、第一の歪みゲージ２５は、ダイヤ
フラム５の上面の、ヘッド本体２の周壁部４とリテーナ
リング７との間隙のほぼ上方に位置する部分に取り付
け、第二の歪みゲージ２６は、ダイヤフラム５の上面
の、リテーナリング７とサブキャリア６との間隙のほぼ
上方に位置する部分に取り付ける。

【００５８】また、上記実施の形態では、第一、第二の
歪みゲージ２５、２６と演算装置２７との接続を、ヘッ
ド本体２内及びシャフト部９の配線挿通通路１６内を通
じて有線にて接続した例を用いたが、これに限られるこ
となく、図５に示すウェーハ保持ヘッド１ｂのように、
ヘッド本体２の天板部３上に発振器２８を設け、天板３
に設けた貫通口３ａを通じて第一、第二の歪みゲージ２
５、２６と発振器２８を有線にて接続し、演算装置２７
とは、発振器２８を介して無線にて接続してもよい。

【００５９】

【発明の効果】本発明のウェーハの研磨状態検出方法及
びウェーハ保持ヘッドは、以下のような効果を有するも
のである。請求項１に記載のウェーハの研磨状態検出方
法によれば、全研磨抵抗がダイヤフラムの歪みの大きさ
から算出されるので、全研磨抵抗を直接的に検出するこ
とができる。すなわち、従来の研磨終点検出方法に比べ
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。

【００６０】請求項２記載のウェーハの研磨状態検出方
法によれば、ウェーハ（サブキャリア）が受ける研磨抵
抗が、サブキャリアの研磨抵抗を受ける薄板に生じる歪
みの大きさから算出されるので、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
の研磨終点検出方法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。

【００６１】請求項３記載のウェーハの研磨状態検出方
法によれば、ウェーハ（サブキャリア）が受ける研磨抵
抗が、サブキャリアの研磨抵抗を受ける薄板に生じる歪
みの大きさから算出されるので、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
の研磨終点検出方法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するこ
とができる。

【００６２】請求項４記載のウェーハの研磨状態検出方
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。

【００６３】請求項５記載のウェーハの研磨状態検出方
法によれば、ダイヤフラムをサブキャリア及びリテーナ
リングのフローティング支持の性能を優先して弾性変形
の容易なゴム膜で構成しつつ、サブキャリアまたはリテ
ーナリングもしくはこれら両方が受ける研磨抵抗の測定
も行うことができる。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
止することができるので、ウェーハ保持ヘッドのメンテ
ナンスが容易になる。

【００６４】請求項６に記載のウェーハ保持ヘッドによ
れば、全研磨抵抗が、ダイヤフラムの歪みの大きさから
算出されるので、全研磨抵抗を直接的に検出することが
できる。すなわち、従来の研磨終点検出方法に比べてウ
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。

【００６５】請求項７記載のウェーハ保持ヘッドによれ
ば、ウェーハ（サブキャリア）が受ける研磨抵抗が、サ
ブキャリアの研磨抵抗を受ける薄板に生じる歪みの大き
さから算出されるので、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、従来の研磨終
点検出方法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。

【００６６】請求項８記載のウェーハ保持ヘッドによれ
ば、ウェーハ（サブキャリア）が受ける研磨抵抗が、サ
ブキャリアの研磨抵抗を受ける薄板に生じる歪みの大き
さから算出されるので、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、従来の研磨終
点検出方法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することがで
きる。

【００６７】請求項９記載のウェーハ保持ヘッドによれ
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。

【００６８】請求項１０記載のウェーハ保持ヘッドによ
れば、ダイヤフラムをサブキャリア及びリテーナリング
のフローティング支持の性能を優先して弾性変形の容易
なゴム膜で構成しつつ、サブキャリアまたはリテーナリ
ングもしくはこれら両方が受ける研磨抵抗の測定も行う
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
ことができるので、ウェーハ保持ヘッドのメンテナンス
が容易になる。

【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１におけるＡ−
Ａ矢視断面図である。

【図４】本発明の他の実施の形態におけるウェーハ保持
ヘッドの要部の構成及び構造を示す拡大正断面図であ
る。

【図５】本発明の他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正断面図である。

【図６】従来のウェーハ研磨装置の構成及び構造を示す
正面図である。

【符号の説明】

１ウェーハ保持ヘッド２ヘッド本体３天板部４周壁部５ダイヤフラム６サブキャリ
ア７リテーナリング１４流体室２０薄板２５第一の歪み
ゲージ２６第二の歪みゲージ２７演算装置３０圧力調整機構１００ウェーハ
研磨装置１０２研磨パッド１０３プラテンＷウェーハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者細木寛二埼玉県大宮市北袋町１丁目297番地三菱マテリアル株式会社総合研究所内 (72)発明者田中弘志埼玉県大宮市北袋町１丁目297番地三菱マテリアル株式会社総合研究所内Ｆターム(参考） 3C058 AA07 AA12 AB04 BA09 BB09 DA12 DA17

Claims

【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、研磨すべきウェーハを保持して前記研磨パッドに前
記ウェーハの一面を当接させるウェーハ保持ヘッドとを
具備し、該ウェーハ保持ヘッドと前記プラテンとをそれ
ぞれ回転させることで前記ウェーハの研磨を行うウェー
ハ研磨装置におけるウェーハの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ヘッド軸線に対し垂直に張られたダ
イヤフラムと、前記ダイヤフラムと前記ヘッド本体との
間に形成される流体室に満たされた流体圧力を調整する
圧力調整機構と、前記ダイヤフラムに固定されこのダイ
ヤフラムとともにヘッド軸線方向に変位可能に設けら
れ、前記ウェーハの一面を保持するためのサブキャリア
と、前記ダイヤフラムに、前記サブキャリアの外周面と
前記ヘッド本体の内壁面との間に位置するように設けら
れるとともに前記ヘッド軸線方向に変位可能に設けら
れ、研磨時には前記研磨パッドに当接するリテーナリン
グとを備えており、前記ダイヤフラムを、金属製の薄板によって構成し、このウェーハ保持ヘッドによる前記ウェーハの研磨時
に、前記ダイヤフラムの、前記ヘッド本体と前記リテー
ナリングとの間に位置する部分に取り付けられる第一の
歪みゲージによってこの部分に生じる歪みを測定し、該歪みの大きさをもとに、全研磨抵抗の大きさを算出す
ることを特徴とするウェーハの研磨状態検出方法。
【請求項２】表面に研磨パッドが貼付されたプラテン
と、研磨すべきウェーハを保持して前記研磨パッドに前
記ウェーハの一面を当接させるウェーハ保持ヘッドとを
具備し、該ウェーハ保持ヘッドと前記プラテンとをそれ
ぞれ回転させることで前記ウェーハの研磨を行うウェー
ハ研磨装置におけるウェーハの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ヘッド軸線に対し垂直に張られたダ
イヤフラムと、前記ダイヤフラムと前記ヘッド本体との
間に形成される流体室に満たされた流体圧力を調整する
圧力調整機構と、前記ダイヤフラムに固定されこのダイ
ヤフラムとともにヘッド軸線方向に変位可能に設けら
れ、前記ウェーハの一面を保持するためのサブキャリア
と、前記ダイヤフラムに、前記サブキャリアの外周面と
前記ヘッド本体の内壁面との間に位置するように設けら
れるとともに前記ヘッド軸線方向に変位可能に設けら
れ、研磨時には前記研磨パッドに当接するリテーナリン
グとを備えており、前記ダイヤフラムを、金属製の薄板によって構成し、このウェーハ保持ヘッドによる前記ウェーハの研磨時
に、前記ダイヤフラムの、前記リテーナリングと前記サ
ブキャリアとの間に位置する部分に取り付けられる第二
の歪みゲージによってこの部分に生じる歪みを測定し、該歪みの大きさをもとに、前記サブキャリアに保持され
る前記ウェーハが受ける研磨抵抗の大きさを算出し、該研磨抵抗の変動を観測することで前記ウェーハの研磨
終点を検出することを特徴とするウェーハの研磨状態検
出方法。
【請求項３】前記ダイヤフラムの、前記リテーナリン
グと前記サブキャリアとの間に位置する部分に取り付け
られる第二の歪みゲージによってこの部分に生じる歪み
を測定し、該歪みの大きさをもとに、前記サブキャリアに保持され
る前記ウェーハが受ける研磨抵抗の大きさを算出し、前記全研磨抵抗と前記ウェーハが受ける研磨抵抗との差
をもとに前記ウェーハが受ける研磨抵抗の大きさを補正
して前記ウェーハの研磨終点を検出することを特徴とす
る請求項１記載のウェーハの研磨状態検出方法。
【請求項４】前記ダイヤフラムの、前記リテーナリン
グと前記サブキャリアとの間に位置する部分に取り付け
られる第二の歪みゲージによってこの部分に生じる歪み
を測定し、該歪みの大きさをもとに、前記サブキャリアに保持され
る前記ウェーハが受ける研磨抵抗の大きさを算出し、前記全研磨抵抗と前記ウェーハが受ける研磨抵抗との差
をもとに、前記リテーナリングが受ける研磨抵抗の大き
さを算出し、該研磨抵抗の大きさから、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請求項１に記載のウェーハ
の研磨状態検出方法。
【請求項５】前記ダイヤフラムを金属製の薄板に代え
てゴム膜によって構成し、前記ダイヤフラムの前記ヘッド本体内側の面に、前記ダ
イヤフラムを介して前記サブキャリア、前記リテーナリ
ング並びに前記ヘッド本体とに接続される金属製の円環
形状の薄板を前記周壁部と同心状に設け、前記薄板の、前記ダイヤフラムにおける測定位置と同じ
位置に取り付けられる前記第一の歪みゲージまたは第二
の歪みゲージ、もしくはこれら両方によって前記測定位
置に生じる歪みを測定し、該歪みの大きさをもとに、前記ウェーハの研磨状態を検
出することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記
載のウェーハの研磨状態検出方法。
【請求項６】表面に研磨パッドが貼付されたプラテン
と、研磨すべきウェーハを保持して前記研磨パッドに前
記ウェーハの一面を当接させるウェーハ保持ヘッドとを
具備し、該ウェーハ保持ヘッドと前記プラテンとをそれ
ぞれ回転させることで前記ウェーハの研磨を行うウェー
ハ研磨装置に用いられるウェーハ保持ヘッドであって、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ヘッド軸線に対し垂直に張られたダ
イヤフラムと、前記ダイヤフラムと前記ヘッド本体との間に形成される
流体室に満たされた流体圧力を調整する圧力調整機構
と、前記ダイヤフラムに固定されこのダイヤフラムとともに
ヘッド軸線方向に変位可能に設けられ、前記ウェーハの
一面を保持するためのサブキャリアと、前記ダイヤフラムに、前記サブキャリアの外周面と前記
ヘッド本体の内壁面との間に位置するように設けられる
とともに前記ヘッド軸線方向に変位可能に設けられ、研
磨時には前記研磨パッドに当接するリテーナリングとを
備え、前記ダイヤフラムが金属製の薄板によって構成され、前記ダイヤフラムの、前記ヘッド本体と前記リテーナリ
ングとの間に位置する部分にこの部分に生じる歪みを測
定する第一の歪みゲージが取り付けられ、該第一の歪み
ゲージには、前記第一の歪みゲージによって測定される
前記ダイヤフラムの歪みの大きさをもとに全研磨抵抗の
大きさを算出する演算装置が接続されていることを特徴
とするウェーハ保持ヘッド。
【請求項７】表面に研磨パッドが貼付されたプラテン
と、研磨すべきウェーハを保持して前記研磨パッドに前
記ウェーハの一面を当接させるウェーハ保持ヘッドとを
具備し、このウェーハ保持ヘッドと前記プラテンとをそ
れぞれ回転させることにより前記ウェーハを研磨するウ
ェーハ研磨装置に用いられるウェーハ保持ヘッドであっ
て、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
とからなり、研磨装置本体によって回転されるヘッド本
体と、前記ヘッド本体内にヘッド軸線に対し垂直に張られたダ
イヤフラムと、前記ダイヤフラムと前記ヘッド本体との間に形成される
流体室に満たされた流体圧力を調整する圧力調整機構
と、前記ダイヤフラムに固定されこのダイヤフラムとともに
ヘッド軸線方向に変位可能に設けられ、前記ウェーハの
一面を保持するためのサブキャリアと、前記ダイヤフラムに、前記サブキャリアの外周面と前記
ヘッド本体の内壁面との間に位置するように設けられる
とともに前記ヘッド軸線方向に変位可能に設けられるリ
テーナリングとを備え、前記ダイヤフラムが金属製の薄板によって構成され、前記ダイヤフラムの、前記リテーナリングと前記サブキ
ャリアとの間に位置する部分にこの部分に生じる歪みを
測定する第二の歪みゲージが取り付けられ、該第二の歪みゲージには、前記第二の歪みゲージによっ
て測定される前記ダイヤフラムの歪みの大きさをもとに
前記サブキャリアによって保持される前記ウェーハが受
ける研磨抵抗の大きさを算出し、該研磨抵抗の変動から
前記ウェーハの研磨終点を検出する演算装置が接続され
ていることを特徴とするウェーハ保持ヘッド。
【請求項８】前記ダイヤフラムの、前記リテーナリン
グと前記サブキャリアとの間に位置する部分に前記ダイ
ヤフラムのこの部分に生じる歪みを測定する第二の歪み
ゲージが取り付けられ、該第二の歪みゲージ及び前記第一の歪みゲージには、前
記第二の歪みゲージによって測定される前記ダイヤフラ
ムの歪みの大きさから前記サブキャリアによって保持さ
れる前記ウェーハが受ける研磨抵抗の大きさを算出し、前記全研磨抵抗と前記ウェーハが受ける研磨抵抗との差
をもとに前記ウェーハが受ける研磨抵抗の大きさを補正
して研磨終点を検出する演算装置が接続されていること
を特徴とする請求項６記載のウェーハ保持ヘッド。
【請求項９】前記ダイヤフラムの、前記リテーナリン
グと前記サブキャリアとの間に位置する部分に前記ダイ
ヤフラムのこの部分に生じる歪みを測定する第二の歪み
ゲージが取り付けられ、該第二の歪みゲージ及び前記第一の歪みゲージには、前
記第二の歪みゲージによって測定される前記ダイヤフラ
ムの歪みの大きさから前記サブキャリアによって保持さ
れる前記ウェーハが受ける研磨抵抗の大きさを算出し、前記全研磨抵抗と前記ウェーハが受ける研磨抵抗との差
をもとに前記研磨パッドの表面の状態を検出する演算装
置が接続されていることを特徴とする請求項６記載のウ
ェーハ保持ヘッド。
【請求項１０】前記ダイヤフラムが金属製の薄板に代
えてゴム膜によって構成され、前記ダイヤフラムの前記ヘッド本体内側の面に、前記ダ
イヤフラムを介して前記サブキャリア、前記リテーナリ
ング並びに前記ヘッド本体とに接続される金属製の円環
形状の薄板が前記周壁部と同心状に設けられ、前記第一の歪みゲージまたは第二の歪みゲージ、もしく
はこれら両方が、前記薄板の、前記ダイヤフラムにおけ
る測定位置と同じ位置に取り付けられ、前記第一の歪みゲージまたは第二の歪みゲージ、もしく
はこれら両方には、前記薄板の前記測定位置に生じる歪
みの大きさから前記ウェーハの研磨状態を検出する演算
装置が接続されていることを特徴とする請求項６から９
のいずれかに記載のウェーハ保持ヘッド。