JP2021030382A - リテーナリングに局所荷重を伝達するローラーの異常検出方法および研磨装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】リテーナリングに局所荷重を伝達するローラーの異常を検出する方法を提供する。【解決手段】本方法は、基板Ｗを押圧する押圧面４５ａを有するヘッド本体１１と、押圧面４５ａを囲むように配置されたリテーナリング２０とを備えた研磨ヘッド１０を回転させ、リテーナリング２０に固定され、かつ複数のローラー５２を有する回転リング５１を研磨ヘッド１０と共に回転させながら、かつ回転リング５１上に配置された静止リングに局所荷重を加えながら、研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクを測定し、研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクの測定値と、トルクの測定時間との関係を示すトルク波形を生成し、トルク波形にフーリエ変換処理を行って、トルク波形の周波数成分の強度を決定し、決定された周波数成分の強度が所定のしきい値よりも大きい場合に、複数のローラー５２のうちの少なくとも１つに異常があると判断する。【選択図】図３
Description
本発明は、ウェーハなどの基板を研磨する研磨装置に使用されるリテーナリングに局所荷重を伝達するローラーの異常を検出する方法に関する。また、本発明は、そのようなローラーの異常を検出することができる研磨装置に関する。
近年、半導体デバイスの高集積化・高密度化に伴い、回路の配線がますます微細化し、多層配線の層数も増加している。回路の微細化を図りながら多層配線を実現しようとすると、下側の層の表面凹凸を踏襲しながら段差がより大きくなるので、配線層数が増加するに従って、薄膜形成における段差形状に対する膜被覆性（ステップカバレッジ）が悪くなる。したがって、多層配線するためには、このステップカバレッジを改善し、然るべき過程で平坦化処理しなければならない。また光リソグラフィの微細化とともに焦点深度が浅くなるため、半導体デバイスの表面の凹凸段差が焦点深度以下に収まるように半導体デバイス表面を平坦化処理する必要がある。
したがって、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がますます重要になっている。この表面の平坦化において最も重要な技術は、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）である。この化学機械研磨（以下、ＣＭＰという）は、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ウェーハを研磨面に摺接させて研磨を行うものである。
ＣＭＰを行うための研磨装置は、研磨面を有する研磨パッドを支持する研磨テーブルと、基板を保持するための研磨ヘッドを備えている。このような研磨装置を用いた基板の研磨は次のようにして行われる。研磨テーブルを研磨パッドとともに回転させながら、研磨パッド上にスラリーを供給する。研磨ヘッドは基板を回転させながら、該基板を研磨パッドの研磨面に対して押し付ける。基板はスラリーの存在下で研磨パッドに摺接されながら、基板の表面は、スラリーの化学的作用と、スラリーに含まれる砥粒の機械的作用との組み合わせにより平坦化される。
基板の研磨中、基板の表面は回転する研磨パッドに摺接されるため、基板には摩擦力が作用する。そこで、基板の研磨中に基板が研磨ヘッドから外れないようにするために、研磨ヘッドはリテーナリングを備えている。このリテーナリングは、基板を囲むように配置されており、基板の研磨中、リテーナリングは回転しながら基板の外側で研磨パッドを押し付けている。
リテーナリングは、ウェーハの周囲で研磨パッドを押し付けるため、リテーナリングの荷重はウェーハのエッジ部のプロファイルに影響する。ウェーハのエッジ部のプロファイルを積極的に制御するために、リテーナリングの一部に局所荷重を与えることもある（特許文献１参照）。
特許文献１では、リテーナリングの上方に複数のローラーが配置されている。複数のローラーは、リテーナリングと共に回転する。複数のローラー上には静止リングが配置されている。静止リングは、局所荷重付与装置に連結されており、その位置は固定されている。複数のローラーは、静止リングに転がり接触しながら回転するように構成されている。局所荷重付与装置は、静止リングの一部に下向きの局所荷重を与える。下向きの局所荷重は、静止リングおよび複数のローラーを通じてリテーナリングに伝達される。各ローラーは、荷重の作用点を通過するときにのみ荷重を受ける。このようにして、リテーナリングの一部に局所荷重が与えられる。
しかしながら、従来は、ローラーに回転不良や破損等の異常が発生していても、ローラーの異常を検出する手段がなく、動作不良のローラーを使用し続けることによって、研磨装置の正常動作が妨げられる可能性があった。
そこで、本発明は、リテーナリングに局所荷重を伝達するローラーの異常を検出する方法を提供する。また、本発明は、そのようなローラーの異常を検出することができる研磨装置を提供する。
一態様では、基板を押圧する押圧面を有するヘッド本体と、前記押圧面を囲むように配置されたリテーナリングとを備えた研磨ヘッドを回転させ、前記リテーナリングに固定され、かつ複数のローラーを有する回転リングを前記研磨ヘッドと共に回転させながら、かつ前記回転リング上に配置された静止リングに局所荷重を加えながら、前記研磨ヘッドを回転させるためのトルクを測定し、前記トルクの測定値と、前記トルクの測定時間との関係を示すトルク波形を生成し、前記トルク波形にフーリエ変換処理を行って、前記トルク波形の周波数成分の強度を決定し、前記決定された周波数成分の強度が所定のしきい値よりも大きい場合に、前記複数のローラーのうちの少なくとも１つに異常があると判断する方法が提供される。
一態様では、前記フーリエ変換処理は、高速フーリエ変換処理である。
一態様では、前記トルクの測定は、前記研磨ヘッドが前記基板を保持していないとき、かつ前記研磨ヘッドが前記基板を研磨する研磨面を有する研磨パッドに接触していないときに行う。
一態様では、前記研磨ヘッドの回転速度に相当する周波数成分の強度が前記所定のしきい値よりも大きい場合に、前記複数のローラーのうちの少なくとも１つに異常があると判断する。
一態様では、前記トルクの測定は、前記研磨ヘッドが前記基板を保持していないとき、かつ前記研磨ヘッドが前記基板を研磨する研磨面を有する研磨パッドに接触していないときに行う。
一態様では、前記研磨ヘッドの回転速度に相当する周波数成分の強度が前記所定のしきい値よりも大きい場合に、前記複数のローラーのうちの少なくとも１つに異常があると判断する。
一態様では、基板を研磨面に押し付ける研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドと共に回転可能な回転リングと、前記回転リング上に配置された静止リングと、前記静止リングに局所荷重を加える局所荷重付与装置と、前記研磨ヘッドを回転させるためのトルクを測定するトルク測定装置と、前記トルク測定装置に接続された異常検出装置とを備え、前記研磨ヘッドは、前記基板を押圧する押圧面を有するヘッド本体と、前記押圧面を囲むように配置されたリテーナリングとを備え、前記回転リングは、前記リテーナリングに固定され、かつ前記静止リングに接触する複数のローラーを有し、前記異常検出装置は、前記トルクの測定値と前記トルクの測定時間との関係を示すトルク波形を生成し、前記トルク波形にフーリエ変換処理を行って、前記トルク波形の周波数成分の強度を決定し、前記決定された周波数成分の強度が所定のしきい値よりも大きい場合に、前記複数のローラーのうちの少なくとも１つに異常があると判断するように構成されている研磨装置が提供される。
一態様では、前記フーリエ変換処理は、高速フーリエ変換処理である。
一態様では、前記異常検出装置は、前記研磨ヘッドの回転速度に相当する周波数成分の強度が前記所定のしきい値よりも大きい場合に、前記複数のローラーのうちの少なくとも１つに異常があると判断するように構成されている。
一態様では、前記異常検出装置は、前記研磨ヘッドの回転速度に相当する周波数成分の強度が前記所定のしきい値よりも大きい場合に、前記複数のローラーのうちの少なくとも１つに異常があると判断するように構成されている。
異常なローラーが荷重の作用点を通過するとき、研磨ヘッドを回転させるためのトルクは変化する。本発明によれば、研磨ヘッドのトルク波形にフーリエ変換処理を行うことによって研磨ヘッドを回転させるためのトルクの変化を検出することができる。結果として、ローラーの異常を検出することができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、研磨装置の一実施形態を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置１は、基板の一例であるウェーハを保持し回転させる研磨ヘッド１０と、研磨パッド２を支持する研磨テーブル３と、研磨パッド２に研磨液（スラリー）を供給する研磨液供給ノズル５と、研磨装置１の各構成要素の動作を制御する動作制御部７とを備えている。研磨パッド２の上面は、ウェーハを研磨する研磨面２ａを構成する。研磨パッド２は、研磨テーブル３と一体に回転するように構成されている。
動作制御部７は、少なくとも１台のコンピュータから構成される。動作制御部７は、プログラムが格納された記憶装置７ａと、プログラムに含まれる命令に従って演算を実行する演算装置７ｂを備えている。演算装置７ｂは、記憶装置７ａに格納されているプログラムに含まれている命令に従って演算を行うＣＰＵ（中央処理装置）またはＧＰＵ（グラフィックプロセッシングユニット）などを含む。記憶装置７ａは、演算装置７ｂがアクセス可能な主記憶装置（例えばランダムアクセスメモリ）と、データおよびプログラムを格納する補助記憶装置（例えば、ハードディスクドライブまたはソリッドステートドライブ）を備えている。
研磨装置１は、研磨ヘッドシャフト１２と、ヘッドアーム１６と、研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクを測定するトルク測定装置１８とをさらに備えている。研磨ヘッド１０は研磨ヘッドシャフト１２の下端に連結されている。この研磨ヘッドシャフト１２はヘッドアーム１６により回転自在に保持されている。ヘッドアーム１６内には、研磨ヘッドシャフト１２を回転させる回転装置１７と、研磨ヘッドシャフト１２を上昇および下降させる昇降装置（図示せず）と、トルク測定装置１８が配置されている。研磨ヘッド１０は回転装置１７により研磨ヘッドシャフト１２を介して回転し、昇降装置により研磨ヘッド１０が研磨ヘッドシャフト１２を介して上昇および下降されるようになっている。研磨ヘッド１０の回転速度は、回転装置１７によって制御される。
回転装置１７の一例として、サーボモータとモータドライバの組み合わせが挙げられる。研磨ヘッド１０は、一定の速度で回転するように回転装置１７によって制御される。したがって、研磨ヘッド１０を一定の速度で回転させるために必要なトルクが変化すると、回転装置１７のサーボモータの駆動電流が変化する。以下、本明細書では、研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクを、研磨ヘッド１０をその軸心周りに回転させる力の大きさを直接的または間接的に表す物理量と定義する。研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクは、研磨ヘッド１０をその軸心周りに回転させるトルクそのものであってもよく、回転装置１７のサーボモータの駆動電流であってもよい。トルク測定装置１８の一例として、回転装置１７のサーボモータの駆動電流を測定する電流測定器が挙げられる。電流測定器は、ヘッドアーム１６の外側に配置されてもよい。別の例では、トルク測定装置１８は、サーボモータを駆動するモータドライバの少なくとも一部から構成されてもよい。この場合、モータドライバは、研磨ヘッド１０を一定の速度で回転させるために必要な電流値を決定し、この決定された電流値を出力する。決定された電流値は、研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクに相当する。一実施形態では、トルク測定装置１８は、研磨ヘッド１０をその軸心周りに回転させるトルクを直接測定するトルク測定装置であってもよい。
ヘッドアーム１６は旋回軸１５に固定されており、旋回軸１５の回転により研磨ヘッド１０を研磨テーブル３の外側に移動させることが可能となっている。研磨ヘッド１０は、その下面に真空吸引によりウェーハを保持できるように構成されている。研磨ヘッド１０および研磨テーブル３（研磨パッド２）は、図１の矢印で示すように同じ方向に回転し、この状態で研磨ヘッド１０は、ウェーハを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付ける。研磨液供給ノズル５からは研磨液が研磨パッド２の研磨面２ａ上に供給され、ウェーハは、研磨液の存在下で研磨面２ａとの摺接により研磨される。
研磨ヘッド１０は、ウェーハを研磨パッド２に押し付けるヘッド本体１１と、ウェーハを囲むように配置されたリテーナリング２０とを備えている。ヘッド本体１１およびリテーナリング２０は、研磨ヘッドシャフト１２と一体に回転するように構成されている。リテーナリング２０は、ヘッド本体１１とは独立して上下動可能に構成されている。リテーナリング２０は、ヘッド本体１１から半径方向外側に張り出している。ウェーハの研磨中、リテーナリング２０は研磨パッド２の研磨面２ａに接触し、回転しながらウェーハの外側で研磨パッド２を押し付ける。
研磨装置１は、内部に複数のローラー（後述する）が配置された回転リング５１と、静止リング９１と、回転リング５１のローラーの異常を検出する異常検出装置１１０とをさらに備えている。回転リング５１は、リテーナリング２０の上面に固定されており、リテーナリング２０と共に回転可能に構成されている。静止リング９１は、回転リング５１上に配置されている。回転リング５１は、研磨ヘッド１０と共に回転するが、静止リング９１は回転せず、静止している。異常検出装置１１０は、トルク測定装置１８に接続されている。
研磨装置１は、静止リング９１の一部に局所荷重を加える局所荷重付与装置３０をさらに備えている。局所荷重付与装置３０は、リテーナリング２０の上方に配置されており、ヘッドアーム１６に固定されている。研磨中のリテーナリング２０はその軸心周りに回転するが、局所荷重付与装置３０はリテーナリング２０とは一体に回転せず、静止している。静止リング９１は、局所荷重付与装置３０に連結されている。
図２は局所荷重付与装置３０を示す斜視図である。図２に示すように、局所荷重付与装置３０は、静止リング９１に下向きの局所荷重を与える２つの押圧ロッド３１と、ブリッジ３２と、エアシリンダ（荷重発生装置）３３と、リニアガイド３８と、ガイドロッド３９と、ユニットベース４０とを備えている。
ユニットベース４０はヘッドアーム１６（図１参照）に固定されている。ユニットベース４０にはエアシリンダ３３およびリニアガイド３８が取り付けられている。エアシリンダ３３のピストンロッド３３ａおよびガイドロッド３９は、ブリッジ３２に接続されている。ガイドロッド３９はリニアガイド３８により低摩擦で上下動自在に支持されている。
エアシリンダ３３は圧力調整装置（図示せず）および大気開放機構（図示せず）に接続されており、荷重を発生できるように構成されている。エアシリンダ３３が発生した荷重はブリッジ３２に伝えられる。ブリッジ３２は２つの押圧ロッド（押圧部材）３１により静止リング９１に接続されており、押圧ロッド３１はブリッジ３２に加えられたエアシリンダ３３の荷重を静止リング９１に伝達する。このようにして、押圧ロッド３１は静止リング９１の一部に局所荷重を加える。
研磨ヘッド１０は自身の軸心を中心として回転するが、局所荷重付与装置３０はヘッドアーム１６に固定されるため研磨ヘッド１０と共には回転しない。すなわち、ウェーハの研磨中、研磨ヘッド１０およびウェーハは回転している一方、局所荷重付与装置３０は所定の位置に静止している。同様に、ウェーハの研磨中、回転リング５１は研磨ヘッド１０と共に回転している一方、静止リング９１は所定の位置に静止している。
局所荷重付与装置３０は、静止リング９１の一部に下向きの局所荷重を与える。下向きの局所荷重は、静止リング９１および回転リング５１を通じてリテーナリング２０に伝達される。このようにして、局所荷重付与装置３０は、静止リング９１および回転リング５１を介してリテーナリング２０の一部に下向きの局所荷重を与える。
研磨装置１は、回転リング５１を研磨ヘッド１０と共に回転させながら、かつ局所荷重付与装置３０の押圧ロッド３１から静止リング９１に局所荷重を加えながらウェーハを研磨する。ウェーハの研磨中、リテーナリング２０は研磨パッド２の研磨面２ａに接触し、回転しながらウェーハの外側で研磨パッド２を押し付け、かつ研磨面２ａの一部に下向きの局所荷重を与える。ウェーハの研磨中にリテーナリング２０の一部に下向きの局所荷重を与える理由は、ウェーハの周縁部（エッジ部）のプロファイルを積極的に制御するためである。一実施形態では、研磨装置１は、複数の局所荷重付与装置３０を備えていてもよい。リテーナリング２０の複数の箇所のいずれか１つに選択的に局所荷重を加えることにより、ウェーハの周縁部のプロファイルをさらに精密に制御することができる。
次に、研磨ヘッド１０の詳細について説明する。図３は、研磨ヘッド１０の断面図である。研磨ヘッド１０は、ヘッド本体１１とリテーナリング２０とを備えている。ヘッド本体１１は、研磨ヘッドシャフト１２（図１参照）に連結されたキャリア４３と、キャリア４３の下面に取り付けられた弾性膜（メンブレン）４５と、キャリア４３に対するリテーナリング２０の傾動および上下移動を許容しつつリテーナリング２０を支持する球面軸受４７とを備えている。リテーナリング２０は連結部材７５を介して球面軸受４７に連結され、支持されている。連結部材７５はキャリア４３内で上下動可能に配置されている。
弾性膜４５の下面は押圧面４５ａを構成しており、この押圧面４５ａはウェーハＷの上面（被研磨面とは反対側の面）に接触している。弾性膜４５には複数の通孔（図示せず）が形成されている。キャリア４３と弾性膜４５との間には圧力室４６が形成されている。この圧力室４６は圧力調整装置（図示せず）に接続されている。圧力室４６に加圧流体（例えば、加圧空気）が供給されると、圧力室４６内の流体圧力を受けた弾性膜４５の押圧面４５ａは、ウェーハＷを研磨パッド２の研磨面２ａに対して押圧する。圧力室４６内に負圧が形成されると、ウェーハＷは弾性膜４５の押圧面４５ａに真空吸引により保持される。一実施形態では、複数の圧力室がキャリア４３と弾性膜４５との間に設けられてもよい。
リテーナリング２０は、ウェーハＷおよび弾性膜４５の押圧面４５ａを囲むように配置されている。このリテーナリング２０は、研磨パッド２に接触するリング部材２０ａと、このリング部材２０ａの上部に固定されたドライブリング２０ｂとを有している。リング部材２０ａは、図示しない複数のボルトによってドライブリング２０ｂに結合されている。リング部材２０ａは、ウェーハＷの外周縁および弾性膜４５の押圧面４５ａを囲むように配置されている。
連結部材７５は、ヘッド本体１１の中心部に配置された軸部７６と、この軸部７６から放射状に延びる複数のスポーク７８とを備えている。軸部７６はヘッド本体１１の中央部に配置された球面軸受４７内を縦方向に延びている。軸部７６は、球面軸受４７に縦方向に移動自在に支持されている。ドライブリング２０ｂはスポーク７８に接続されている。このような構成により、連結部材７５およびこれに接続されたリテーナリング２０は、ヘッド本体１１に対して縦方向に移動可能となっている。
球面軸受４７は、内輪４８と、内輪４８の外周面を摺動自在に支持する外輪４９とを備えている。内輪４８は、連結部材７５を介してリテーナリング２０に連結されている。外輪４９はキャリア４３に固定されている。連結部材７５の軸部７６は、内輪４８に上下動自在に支持されている。リテーナリング２０は、連結部材７５を介して球面軸受４７により傾動可能に支持されている。
球面軸受４７は、リテーナリング２０の上下移動および傾動を許容する一方で、リテーナリング２０の横方向の移動（水平方向の移動）を制限する。ウェーハＷの研磨中は、リテーナリング２０はウェーハＷと研磨パッド２との摩擦に起因した横方向の力（ウェーハＷの半径方向外側に向かう力）をウェーハＷから受ける。この横方向の力は球面軸受４７によって受けられる。このように、球面軸受４７は、ウェーハＷの研磨中に、ウェーハＷと研磨パッド２との摩擦に起因してリテーナリング２０がウェーハＷから受ける横方向の力（ウェーハＷの半径方向外側に向かう力）を受けつつ、リテーナリング２０の横方向の移動を制限する（すなわちリテーナリング２０の水平方向の位置を固定する）支持機構として機能する。
キャリア４３には、複数対の駆動カラー８０が固定されている。各対の駆動カラー８０は各スポーク７８の両側に配置されており、キャリア４３の回転は、駆動カラー８０を介してリテーナリング２０に伝達され、これによりヘッド本体１１とリテーナリング２０とは一体に回転する。駆動カラー８０はスポーク７８に接触しているだけであり、連結部材７５およびリテーナリング２０の上下動および傾動を妨げない。
リテーナリング２０の上部は、環状のリテーナリング押圧機構６０に連結されている。このリテーナリング押圧機構６０は、リテーナリング２０の上面（より具体的には、ドライブリング２０ｂの上面）の全体に均一な下向きの荷重を与え、リテーナリング２０の下面（すなわち、リング部材２０ａの下面）を研磨パッド２の研磨面２ａに対して押圧する。
リテーナリング押圧機構６０は、ドライブリング２０ｂの上部に固定された環状のピストン６１と、ピストン６１の上面に接続された環状のローリングダイヤフラム６２とを備えている。ローリングダイヤフラム６２の内部には圧力室６３が形成されている。この圧力室６３は圧力調整装置（図示せず）に接続されている。圧力室６３に加圧流体（例えば、加圧空気）が供給されると、ローリングダイヤフラム６２がピストン６１を下方に押し下げ、さらに、ピストン６１はリテーナリング２０の全体を下方に押し下げる。このようにして、リテーナリング押圧機構６０は、リテーナリング２０の下面を研磨パッド２の研磨面２ａに対して押圧する。
図４は、回転リング５１および静止リング９１の断面図である。回転リング５１は、複数のローラー５２と、これらローラー５２をそれぞれ支持するローラーシャフト５４と、ローラーシャフト５４が固定されるローラーハウジング５５とを備えている。図４では、１つのローラー５２および１つのローラーシャフト５４のみが描かれている。ローラーハウジング５５は環状の形状を有しており、リテーナリング２０の上面に固定されている。ローラー５２は、ローラーシャフト５４に取り付けられた軸受５７を有しており、ローラー５２はローラーシャフト５４を中心として回転自在となっている。
静止リング９１は、ローラー５２の頂部に接触する円環レール９２と、円環レール９２が固定される環状のレールベース９４とを備えている。円環レール９２の下面には、環状溝９５が形成されており、各ローラー５２の頂部は環状溝９５に接触している。ローラー５２は、円環レール９２に転がり接触しながら回転するように構成されている。レールベース９４の上部には押圧ロッド３１が連結されている。
ローラー５２の軸受５７の内輪を貫通するローラーシャフト５４は、ローラーハウジング５５の内側の壁と外側の壁に支持され、内側の壁に挿入されたねじ５８で固定される。そのためローラーシャフト５４には雌ねじが形成されており、雌ねじの反対側はねじ５８の締結時に空回りしないようにマイナスドライバが嵌る溝５４ａが形成されている。回転リング５１はリテーナリング２０のドライブリング２０ｂの上面に乗せられる。ドライブリング２０ｂと回転リング５１とは位置決めピン（図示せず）で位置決めされ、リテーナリング２０に対して回転リング５１が滑らない構造となっている。
ローラー５２は、ローラーシャフト５４に取り付けられた軸受５７と、軸受５７の外輪に固定されたホイール５９とから構成されている。ホイール５９は、耐摩耗性の高い樹脂、例えばポリアセタール、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）、ＰＰＳ（ポリエチレンサルファイド）、ＭＣナイロン（登録商標）などの材料から構成される。円環レール９２の材料はステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）などの耐食性の高い金属が好ましい。軸受５７には単列深溝玉軸受が使用され、軸受５７の外輪に樹脂製のホイール５９を圧入することで、ホイール５９が軸受５７に取り付けられる。
ローラーハウジング５５の内部には環状凹部５５ａが形成されており、この環状凹部５５ａ内に複数のローラー５２が収容されている。各ローラー５２の下面、両側面は、環状凹部５５ａによって囲まれている。回転リング５１のローラーハウジング５５と静止リング９１のレールベース９４との間にはシール１００Ａ，１００Ｂが配置されている。より具体的には、円環レール９２の外側には外側シール１００Ａが配置され、円環レール９２の内側には内側シール１００Ｂが配置されている。環状凹部５５ａを構成する両側面および底面には開口は存在せず、静止リング９１と回転リング５１との間にはシール１００Ａ，１００Ｂが配置されている。したがって、ローラー５２および円環レール９２から発生する摩耗粉は環状凹部５５ａ内に閉じ込められ、研磨パッド２上には落下しない。
図４に示す実施形態では、外側シール１００Ａおよび内側シール１００Ｂはラビリンスシールである。外側シール１００Ａは、円環レール９２の外側に配置された第１の周壁１０１と、第１の周壁１０１の外側に配置された第２の周壁１０２とを備えている。第１の周壁１０１はローラーハウジング５５から上方に延びており、ローラーハウジング５５と一体に形成されている。第２の周壁１０２はレールベース９４から下方に延びており、レールベース９４と一体に形成されている。第１の周壁１０１と第２の周壁１０２との間には極めて微小な隙間が形成されている。内側シール１００Ｂも同様に、円環レール９２の内側に配置された第１の周壁１０１と、第１の周壁１０１の内側に配置された第２の周壁１０２とを備えている。
図５は、ローラー５２と円環レール９２とを示す斜視図であり、図６は、図５に示すローラー５２と円環レール９２を下から見た図である。本実施形態では、２４個のローラー５２が設けられている。ウェーハの研磨中、これらのローラー５２はリテーナリング２０と一体に回転する一方で、円環レール９２は静止している。したがって、各ローラー５２は、円環レール９２に転がり接触する。図４を参照して説明したローラー５２の構成により、ローラー５２は滑らかに回転することができ、かつ円環レール９２を損傷させずに荷重を伝達できる。ローラー５２は、荷重の作用点（押圧ロッド３１の直下）を通過する際にのみ荷重を受ける。局所荷重付与装置３０の下向きの局所荷重は円環レール９２からローラー５２に伝達され、ローラー５２を通じてリテーナリング２０に伝達される。
ローラー５２の数は、ローラー５２の外径と円環レール９２の直径に基づいて決定される。荷重のスムーズな伝達のためには、ローラー５２の数をできるだけ多くしてローラー５２間の間隔が小さくなるようにした方がよい。ローラー５２は滑らかな外周面を有しており、より大きな荷重を伝達できるようにするために、広い接触面積で円環レール９２に接触している。円環レール９２はローラー５２上に置かれる。ローラー５２は円環レール９２に転がり接触する。円環レール９２の横方向位置はローラー５２の湾曲断面形状の角部と円環レール９２の湾曲断面形状の隅との接触でガイドされる。この場合、局所荷重付与装置３０の荷重は主に円環レール９２からローラー５２の外周面に伝達される。
上述のように、研磨装置１は、ローラー５２の異常を検出する異常検出装置１１０をさらに備えている（図１参照）。図１に示すように異常検出装置１１０は、研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクの測定値と研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクの測定時間との関係を示すトルク波形（以下、研磨ヘッド１０のトルク波形と呼ぶことがある。）を生成し、研磨ヘッド１０のトルク波形の周波数成分の強度を決定し、決定された周波数成分の強度に基づいてローラー５２の異常の有無を判断するように構成されている。
より具体的には、異常検出装置１１０は、研磨ヘッド１０のトルク波形を生成し、研磨ヘッド１０のトルク波形の周波数成分の強度を決定し、決定された周波数成分の強度に基づいてローラー５２の異常の有無を判断するためのプログラムが格納された記憶装置１１０ａと、プログラムに含まれる命令に従って演算を実行するための演算装置１１０ｂを備えている。演算装置１１０ｂは、記憶装置１１０ａに格納されているプログラムに含まれている命令に従って演算を行うＣＰＵ（中央処理装置）またはＧＰＵ（グラフィックプロセッシングユニット）などを含む。記憶装置１１０ａは、演算装置１１０ｂがアクセス可能な主記憶装置（例えばランダムアクセスメモリ）と、データおよびプログラムを格納する補助記憶装置（例えば、ハードディスクドライブまたはソリッドステートドライブ）を備えている。
上記プログラムは、研磨ヘッド１０のトルク波形にフーリエ変換処理を行って、研磨ヘッド１０のトルク波形の周波数成分の強度を決定するためのプログラムと、上記決定された周波数成分の強度が所定のしきい値よりも大きい場合に、複数のローラー５２のうちの少なくとも１つに異常があると判断するためのプログラムを含んでいる。フーリエ変換処理の一例として、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理が挙げられる。
次に、ローラー５２の異常を検出する方法について説明する。図７は、ローラー５２の異常を検出する方法の一実施形態を示すフローチャートである。図７を参照して説明するローラー５２の異常検出、特に研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクの測定は、研磨ヘッド１０がウェーハを保持していないとき、かつ研磨ヘッド１０が研磨パッド２に接触していないときに行われる。一例として、ローラー５２の異常検出は、ウェーハの研磨後に研磨ヘッド１０に付着した研磨液等を洗い流す目的で行われる研磨ヘッド１０の洗浄時に行われる。ローラー５２の異常検出は、所定の枚数のウェーハを研磨した後の研磨ヘッド１０の洗浄時に行ってもよく、毎回の研磨ヘッド１０の洗浄時に行ってもよい。
ステップ１では、動作制御部７は、回転装置１７に指令を発して研磨ヘッド１０を回転リング５１と共に予め設定された回転速度で回転させる。ステップ２では、動作制御部７は、局所荷重付与装置３０に指令を発して、局所荷重付与装置３０から静止リング９１に予め設定された大きさの局所荷重を加える。
ステップ３では、研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクを測定する。より具体的には、研磨ヘッド１０を回転リング５１と共に回転させながら、かつ局所荷重付与装置３０から静止リング９１に局所荷重を加えながら、トルク測定装置１８によって研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクを測定する。
ステップ４では、異常検出装置１１０は、トルク測定装置１８から研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクの測定値を取得し、研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクの測定値と研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクの測定時間との関係を示すトルク波形（研磨ヘッド１０のトルク波形）を生成する。
図８に研磨ヘッド１０のトルク波形の一例を示す。図８は、２４個中隣り合う１０個のローラー５２に異常（回転不良）が発生しているときの研磨ヘッド１０のトルク波形であり、研磨ヘッド１０を８０ｍｉｎ−１で回転させながら３００Ｎの局所荷重を静止リング９１に６０秒間加えたときの研磨ヘッド１０のトルク波形である。
ローラー５２が正常な場合、ローラー５２は円環レール９２に転がり接触するため、ローラー５２は滑らかに回転しながら荷重の作用点（押圧ロッド３１の直下）を通過する。しかしながら、いくつかのローラー５２に回転不良等の異常が発生している場合、異常なローラー５２は滑らかに回転することができず、異常なローラー５２が荷重の作用点を通過するとき、研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクは変化する。したがって、異常検出装置１１０は、研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクの変化から、ローラー５２の異常を検出することができる。
上述のように、異常なローラー５２が荷重の作用点を通過するとき、研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクは変化するため、複数のローラー５２のうちの少なくとも１つに異常なローラー５２が存在する場合、研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクは周期的に変化する。
図７のステップ５では、研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクの周期的な変化を検出するため、異常検出装置１１０は、研磨ヘッド１０のトルク波形にフーリエ変換処理を行って、研磨ヘッド１０のトルク波形の周波数成分の強度を決定する。より具体的には、異常検出装置１１０は、研磨ヘッド１０のトルク波形に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を行って、研磨ヘッド１０のトルク波形の周波数成分の強度を決定する。
図９は、図８のトルク波形にＦＦＴ処理を行ったときの研磨ヘッド１０のトルク波形の周波数成分の強度を示す図である。図９では、８０ｍｉｎ−１に相当する１．３Ｈｚ付近の周波数成分の強度が比較的大きくなっている。この結果は、研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクが研磨ヘッド１０の回転速度に対応する周期で変化していること、すなわち異常なローラー５２が荷重の作用点を通過するとき、研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクが変化していることを示している。
図７のステップ６では、異常検出装置１１０は、ステップ５で決定された周波数成分の強度を所定のしきい値と比較する。異常検出装置１１０は、決定された周波数成分の強度が所定のしきい値よりも大きい場合に、複数のローラー５２のうちの少なくとも１つに異常があると判断する。
一実施形態では、研磨ヘッド１０の回転速度に相当する周波数成分の強度が所定のしきい値よりも大きい場合に、複数のローラー５２のうちの少なくとも１つに異常があると判断してもよい。さらに一実施形態では、異常検出装置１１０は、ローラー５２に異常があると判断した場合、作業者にローラー５２の点検を促す警報信号を生成してもよい（ステップ７）。
上述のように、異常なローラー５２が荷重の作用点を通過するとき、研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクは変化する。上述した実施形態によれば、異常検出装置１１０は、研磨ヘッド１０のトルク波形にフーリエ変換処理を行うことによって研磨ヘッド１０を回転させるためのトルクの変化を検出することができる。結果として、異常検出装置１１０は、ローラー５２の異常を検出することができる。
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。
１ 研磨装置
２ 研磨パッド
２ａ 研磨面
３ 研磨テーブル
５ 研磨液供給ノズル
７ 動作制御部
１０ 研磨ヘッド
１１ ヘッド本体
１２ 研磨ヘッドシャフト
１５ 旋回軸
１６ ヘッドアーム
１７ 回転装置
１８ トルク測定装置
２０ リテーナリング
２０ａ リング部材
２０ｂ ドライブリング
３０ 局所荷重付与装置
３１ 押圧ロッド
３２ ブリッジ
３３ エアシリンダ（荷重発生装置）
３８ リニアガイド
３９ ガイドロッド
４０ ユニットベース
４３ キャリア
４５ 弾性膜（メンブレン）
４６ 圧力室
４７ 球面軸受
４８ 内輪
４９ 外輪
５１ 回転リング
５２ ローラー
５４ ローラーシャフト
５５ ローラーハウジング
５５ａ 環状凹部
５７ 軸受
５８ ねじ
５９ ホイール
６０ リテーナリング押圧機構
６１ ピストン
６２ ローリングダイヤフラム
６３ 圧力室
７５ 連結部材
７６ 軸部
７８ スポーク
８０ 駆動カラー
９１ 静止リング
９２ 円環レール
９４ レールベース
９５ 環状溝
１００Ａ 外側シール
１００Ｂ 内側シール
１０１ 第１の周壁
１０２ 第２の周壁
１１０ 異常検出装置
２ 研磨パッド
２ａ 研磨面
３ 研磨テーブル
５ 研磨液供給ノズル
７ 動作制御部
１０ 研磨ヘッド
１１ ヘッド本体
１２ 研磨ヘッドシャフト
１５ 旋回軸
１６ ヘッドアーム
１７ 回転装置
１８ トルク測定装置
２０ リテーナリング
２０ａ リング部材
２０ｂ ドライブリング
３０ 局所荷重付与装置
３１ 押圧ロッド
３２ ブリッジ
３３ エアシリンダ（荷重発生装置）
３８ リニアガイド
３９ ガイドロッド
４０ ユニットベース
４３ キャリア
４５ 弾性膜（メンブレン）
４６ 圧力室
４７ 球面軸受
４８ 内輪
４９ 外輪
５１ 回転リング
５２ ローラー
５４ ローラーシャフト
５５ ローラーハウジング
５５ａ 環状凹部
５７ 軸受
５８ ねじ
５９ ホイール
６０ リテーナリング押圧機構
６１ ピストン
６２ ローリングダイヤフラム
６３ 圧力室
７５ 連結部材
７６ 軸部
７８ スポーク
８０ 駆動カラー
９１ 静止リング
９２ 円環レール
９４ レールベース
９５ 環状溝
１００Ａ 外側シール
１００Ｂ 内側シール
１０１ 第１の周壁
１０２ 第２の周壁
１１０ 異常検出装置
Claims (7)
- 基板を押圧する押圧面を有するヘッド本体と、前記押圧面を囲むように配置されたリテーナリングとを備えた研磨ヘッドを回転させ、
前記リテーナリングに固定され、かつ複数のローラーを有する回転リングを前記研磨ヘッドと共に回転させながら、かつ前記回転リング上に配置された静止リングに局所荷重を加えながら、前記研磨ヘッドを回転させるためのトルクを測定し、
前記トルクの測定値と、前記トルクの測定時間との関係を示すトルク波形を生成し、
前記トルク波形にフーリエ変換処理を行って、前記トルク波形の周波数成分の強度を決定し、
前記決定された周波数成分の強度が所定のしきい値よりも大きい場合に、前記複数のローラーのうちの少なくとも１つに異常があると判断する、方法。 - 前記フーリエ変換処理は、高速フーリエ変換処理である、請求項１に記載の方法。
- 前記トルクの測定は、前記研磨ヘッドが前記基板を保持していないとき、かつ前記研磨ヘッドが前記基板を研磨する研磨面を有する研磨パッドに接触していないときに行う、請求項１または２に記載の方法。
- 前記研磨ヘッドの回転速度に相当する周波数成分の強度が前記所定のしきい値よりも大きい場合に、前記複数のローラーのうちの少なくとも１つに異常があると判断する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
- 基板を研磨面に押し付ける研磨ヘッドと、
前記研磨ヘッドと共に回転可能な回転リングと、
前記回転リング上に配置された静止リングと、
前記静止リングに局所荷重を加える局所荷重付与装置と、
前記研磨ヘッドを回転させるためのトルクを測定するトルク測定装置と、
前記トルク測定装置に接続された異常検出装置とを備え、
前記研磨ヘッドは、
前記基板を押圧する押圧面を有するヘッド本体と、
前記押圧面を囲むように配置されたリテーナリングとを備え、
前記回転リングは、前記リテーナリングに固定され、かつ前記静止リングに接触する複数のローラーを有し、
前記異常検出装置は、
前記トルクの測定値と前記トルクの測定時間との関係を示すトルク波形を生成し、
前記トルク波形にフーリエ変換処理を行って、前記トルク波形の周波数成分の強度を決定し、
前記決定された周波数成分の強度が所定のしきい値よりも大きい場合に、前記複数のローラーのうちの少なくとも１つに異常があると判断するように構成されている、研磨装置。 - 前記フーリエ変換処理は、高速フーリエ変換処理である、請求項５に記載の研磨装置。
- 前記異常検出装置は、前記研磨ヘッドの回転速度に相当する周波数成分の強度が前記所定のしきい値よりも大きい場合に、前記複数のローラーのうちの少なくとも１つに異常があると判断するように構成されている、請求項５または６に記載の研磨装置。
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