JP2001129756A - ウェーハ研磨装置及び研磨状態検出方法 - Google Patents

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研磨装置及び研磨状態検
出方法を提供する。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。 【解決手段】 ウェーハ保持ヘッド１１のヘッド本体１
２にダイヤフラム１５を介してサブキャリア１６と、サ
ブキャリア１６の下面から下端が突出されるリテーナリ
ング１７を設ける。サブキャリア１６下面に、凹部３２
と、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を設ける。凹部３２に第二の流体室３８
の内圧を調整する第二の圧力調整機構３６を接続する。
サブキャリア１６の外周とヘッド本体１２の内面との間
に係合部４０を設け、係合部４０に作用する力を測定す
るセンサー４１と、この測定値をもとに研磨抵抗を算出
する演算装置４２を設ける。

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
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（Ｃ
ＭＰ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。ＣＭ
Ｐ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。

【００１８】請求項２記載のウェーハ研磨装置において
は、前記演算装置が、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
が受ける研磨抵抗を算出することを特徴とする。

【００１９】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３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４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１
５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３
２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２
２ｂ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１
６ａ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１
６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３
８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４
０ｂ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４０
ａ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３
７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３
６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３
７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１
１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１
６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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (72)発明者 森田 悦郎 東京都千代田区大手町一丁目５番１号 三 菱マテリアルシリコン株式会社内 (72)発明者 原田 晴司 東京都千代田区大手町一丁目５番１号 三 菱マテリアルシリコン株式会社内 Ｆターム(参考） 3C058 AA09 AA12 AB04 AC02 BA01 BA05 BA09 BB04 BB09 CB03 CB05 DA17

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【請求項２】 前記演算装置が、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研磨抵抗を算出する
   ことを特徴とする請求項１記載のウェーハ研磨装置。
3. 【請求項３】 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。
4. 【請求項４】 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
   る研磨抵抗を算出することを特徴とする請求項３記載の
   研磨状態検出方法。