JP4101403B2

JP4101403B2 - ウェーハ研磨装置及びウェーハ製造方法

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Publication number: JP4101403B2
Application number: JP17595099A
Authority: JP
Inventors: 達宜小林; 弘志田中
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1999-06-22
Filing date: 1999-06-22
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2019-06-22
Also published as: JP2001009712A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造プロセスにおける、半導体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ウェーハ製造方法に関するものである。
【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、或いは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が、この方法に用いられるウェーハ研磨装置として、例えば図９に示されるものがある。
【０００４】
図９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１０６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１０７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１１２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１０９に固定されるとともに、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。
【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、ウェーハＷの研磨面が所望の状態に達したかどうかの判断（研磨終点検出）は、例えばプラテン駆動機構１０６の回転動力の変動を観測することによって行っていた。つまりウェーハＷの研磨が不十分のときは、研磨パッド１０２とウェーハＷとの間に生じる摩擦力は安定せずに変動した状態となり、一方、ウェーハＷが所望の研磨面に研磨されたときは、前記摩擦力は安定したものとなる。このときプラテン１０３は一定速度で回転するようになっているため、例えば研磨抵抗が大きいときは、プラテン駆動機構１０６の回転動力は大きくなり、一方、研磨抵抗が小さいときは、回転動力は小さくなる。そして、プラテン駆動機構１０６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の研磨面は所望の状態に達したと判断される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このとき、ウェーハＷを研磨することにより研磨パッド１０２は劣化する。劣化した研磨パッド１０２にはドレッシングが施されるが、ウェーハ研磨中においていつドレッシングを行うかどうかの判別は困難であるため、実際にドレッシングを行うタイミングは、ウェーハＷの研磨時間の長短に限らず所定間隔（例えば１セットのウェーハＷの研磨毎に）で行われていた。そのため研磨パッド１０２が劣化していない状態においてもドレッシングを行うためにウェーハ研磨を一旦停止しなければならないため、作業効率が悪かった。
【０００９】
また、従来のようにプラテン駆動機構１０６の回転動力の変動を観測する方法では、もともと研磨抵抗の小さい材質からなるウェーハＷの研磨終点検出を行う場合、正確な研磨終点検出を行うことが困難であった。すなわち、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が、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の研磨途中状態と完了状態とにおいてプラテン駆動機構１０６の回転動力変動が小さいため、プラテン１０３の空転動力成分と紛れてしまって正確なウェーハＷの研磨終点検出を行うことは困難であった。
また、研磨パッド１０２の劣化に伴ってウェーハＷに作用する研磨抵抗は徐々に大きくなる場合があるが、このとき、例えばウェーハＷ表面のある一層（例えば酸化膜層）の凹凸が除去された状態を研磨終点とする場合など研磨途中状態と完了状態との研磨抵抗の変化が小さい場合には、研磨パッド１０２の劣化に起因する研磨抵抗の変化分に紛れてしまって、プラテン駆動機構１０６の回転動力の変動から正確な研磨終点を検出することは困難であった。
さらに、複数設置されたウェーハ保持ヘッド１０１について個々のウェーハ保持ヘッド１０１に対する研磨終点検出はできず、ウェーハＷには過研磨、あるいは研磨不足であるものが生じたり、過研磨品と研磨不足品とが混在してしまうといった問題が生じた。
【００１０】
一方、研磨終点検出としてそれぞれのウェーハ保持ヘッド１０１の回転動力を検出する方法も考えられるが、応答性が悪く、ウェーハＷに作用する力を正確に検出することができなかった。また、このとき検出される力は、ウェーハＷに作用する摩擦力以外に、ウェーハ保持ヘッド１０１のウェーハＷを保持した以外の部分と研磨パッド１０２との当接部分に作用する摩擦力も含んでおり、研磨パッド１０２が劣化して摩擦力が変化した場合などにおいては正確な研磨終点検出を行うことができなかった。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、研磨パッドの劣化状態を容易に把握することができるとともに、ウェーハの研磨状態や研磨が完了した状態を安定して検出することができるウェーハ研磨装置及びその製造方法を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明のウェーハ研磨装置は、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研磨パッドで前記ウェーハを研磨するウェーハ研磨装置であって、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、研磨すべきウェーハの一面を保持するためのキャリアと、前記周壁部の内壁と前記キャリアの外周との間に同心状に配置されるとともに、前記ダイヤフラムに固定され前記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、研磨時には研磨パッドに当接するリテーナリングと、前記ヘッド本体とリテーナリングとの間に円周方向に沿って複数設けられ、前記ヘッド本体のトルクを前記リテーナリングに伝達するためのリングトルク伝達機構と、前記それぞれのリングトルク伝達機構に設けられ、前記リテーナリングに作用する回転方向の力を観測するための複数のリングセンサ部と、前記それぞれのリングセンサ部に連結され、これらリングセンサ部からの出力に基づき前記リテーナリングに作用する力を算出する演算部とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、リテーナリングの上面に設けられたリングトルク伝達機構にセンサ部を設け、研磨パッドに当接するリテーナリングに作用する力を直接的に検出できるので研磨パッドの劣化を安定して検出することができる。さらに、ウェーハ研磨を行いつつ研磨パッドの表面状態を検知することができるので作業効率は向上する。また、弾性体であるダイヤフラムを備えた構成においても、リングトルク伝達機構によってヘッド本体のトルクはリテーナリングに正確に伝達されるとともに、ダイヤフラムは過剰な回転方向の力を作用されないようになるため、ダイヤフラムの劣化は防止される。
【００１４】
また、前記ヘッド本体とキャリアとの間に円周方向に沿って複数設けられ、前記ヘッド本体のトルクを前記キャリアに伝達するためのキャリアトルク伝達機構と、前記それぞれのキャリアトルク伝達機構に設けられ、前記キャリアに作用する回転方向の力を観測するための複数のキャリアセンサ部とを設けるとともに、前記演算部を前記それぞれのキャリアセンサ部に連結し、前記リングセンサ部からの出力と前記キャリアセンサ部からの出力とに基づいて前記ウェーハに作用する力を算出するようにしたことによって、ウェーハの研磨終点検出を正確に行うことができる。すなわち、研磨パッドの劣化による研磨抵抗の変化をリングセンサ部によって検出し、この値に基づいてウェーハに作用する力を直接的に検出しているキャリアセンサ部の値を補正することにより、ウェーハに作用する力を正確に検出することができる。
【００１５】
本発明のウェーハ製造方法は、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運動させることにより前記研磨パッドで前記ウェーハを研磨する研磨工程を含んだウェーハ製造方法であって、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、研磨すべきウェーハの一面を保持するためのキャリアと、前記周壁部の内壁と前記キャリアの外周との間に同心状に配置されるとともに、前記ダイヤフラムに固定され前記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、研磨時には研磨パッドに当接するリテーナリングと、前記ヘッド本体とキャリアとの間に円周方向に沿って複数設けられ、前記ヘッド本体のトルクを前記キャリアに伝達するためのキャリアトルク伝達機構と、前記ヘッド本体とリテーナリングとの間に円周方向に沿って複数設けられ、前記ヘッド本体のトルクを前記リテーナリングに伝達するためのリングトルク伝達機構と、前記それぞれのキャリアトルク伝達機構に設けられ、前記キャリアに作用する回転方向の力を観測するための複数のキャリアセンサ部と、前記それぞれのリングトルク伝達機構に設けられ、前記リテーナリングに作用する回転方向の力を観測するための複数のリングセンサ部とを備えており、前記リングセンサ部の検出信号に基づいて前記キャリアセンサ部の検出信号を補正し、得られた補正値に基づいて前記ウェーハに作用する力を検出しつつ研磨を行うことを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、リテーナリングに作用する力を検出することによって研磨パッドの劣化に起因する研磨抵抗の変化分を検出するとともに、キャリアに保持されたウェーハに作用する力を検出し、ウェーハに作用する力を研磨パッドの劣化に起因する研磨抵抗の変化分に基づいて補正することによって、正確な研磨状況の把握や研磨終点検出を行うことができる。
【００１７】
【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研磨装置及びウェーハ製造方法を図面を参照して説明する。図１は本発明のウェーハ研磨装置の一実施形態のうちウェーハ保持ヘッド１を示す断面図である。
なおこのウェーハ保持ヘッド１は、例えば図９に示したカルーセル１０４に設置されるものである。
【００１８】
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キャリア６と、周壁部４の内壁とキャリア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とを備えている。これらキャリア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。
【００１９】
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。
【００２０】
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ており、ダイヤフラム固定リング１１によって周壁部４の内壁に形成された段部４ａ上に固定されている。
【００２１】
ダイヤフラム５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。
【００２２】
セラミック等の高剛性材料からなるキャリア６は円盤状に一定の厚さで形成されており、ダイヤフラム５の上面に設けられたキャリア固定リング１２によって固定されている。キャリア固定リング１２の上部には円環状に段部１２ａ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１８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１１８によって上昇し、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１２ａ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。
【００２３】
リテーナリング７は、周壁部４の内壁とキャリア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おり、ダイヤフラム５の上面に設けられたリテーナリング固定リング１３によって固定されている。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１１８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１４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リテーナリング７の下方向への過剰な移動を抑え、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。
【００２４】
このリテーナリング７上面にはリングトルク伝達機構２０が複数設けられている。リングトルク伝達機構２０は、図１、図２に示すように、天板部３の下面から円周方向に沿って下方に延びるように形成された板状の第１部材２０ａと、この第１部材２０ａにそれぞれ対応するようにリテーナリング７の上面にダイヤフラム５を介して設けられた断面Ｕ字状の第２部材２０ｂとを備えている。第１部材２０ａと第２部材２０ｂとはその平面状部分を円周方向に向けて配置されているとともに、第１部材２０ａの先端は第２部材２０ｂのＵ字状内部に配置されている。
【００２５】
また、第１部材２０ａの先端と第２部材２０ｂのＵ字状内部とは間隔を有しており、リテーナリング７の軸線方向への移動を妨げないようになっている。すなわち第２部材２０ｂは、リテーナリング７とともに第１部材２０ａに対して軸線方向に変動可能に設けられている。
【００２６】
このリングトルク伝達機構２０は、ウェーハＷ研磨時においてヘッド本体２が回転されたとき、ヘッド本体２のトルクをリテーナリング７に伝達するためのものである。すなわち、ウェーハＷの研磨時においてヘッド本体２が図２中、矢印Ａ方向に回転された場合、ダイヤフラム５に支持されたリテーナリング７は、自身の下面と研磨パッド１０２との摩擦力によって矢印Ｂ側にねじられながら矢印Ａ方向に回転させられる。このとき、第１部材２０ａの一側と第２部材２０ｂのＵ字状内部とが当接することによって、ダイヤフラム５に作用するねじれ方向の力を低減させつつヘッド本体２のトルクをリテーナリング７に伝達させる。このとき、第１部材２０ａと第２部材２０ｂとは軸線方向に互いに摺動可能となっており、リテーナリング７のフローティング効果を妨げないようになっている。
【００２７】
第１部材２０ａの側面一部にはリングセンサ部２１が設置されている。このリングセンサ部２１は、回転方向に向けられた第２部材２０ｂの平面状部分に平行に設けられているとともに、ウェーハ保持ヘッド１が回転した際、第２部材２０ｂ内部に押圧される側に設けられている。
【００２８】
すなわちリングトルク伝達機構２０は、ウェーハ保持ヘッド１が回転されていない場合において、リテーナリング７の軸線方向への揺動を妨げないようにリングセンサ部２１の表面と第２部材２０ｂ内部とをわずかに離間させた状態としている。そして、ウェーハ保持ヘッド１が回転された際、リングセンサ部２１を設置させた第１部材２０ａの一側面と、第２部材２０ｂ内部の面とが押圧される側に、リングセンサ部２１を設けさせている。
【００２９】
このリングセンサ部２１には、例えば圧電素子や歪みゲージなどの圧力センサが用いられており、ウェーハ保持ヘッド１の回転によって生じる第１部材２０ａと第２部材２０ｂとの押圧力を検出可能とさせている。すなわち、ウェーハＷの研磨時において、研磨パッド１０２との摩擦によってリテーナリング７の下面に作用する回転方向の力は、リングセンサ部２１により直接的に検出されるようになっている。
【００３０】
一方、キャリア６上面には、ウェーハＷ研磨時においてヘッド本体２が回転されたとき、ヘッド本体２のトルクをキャリア６に伝達するためのキャリアトルク伝達機構４０が複数設けられている。キャリアトルク伝達機構４０は、リングトルク伝達機構２０と同様の構成となっており、天板部３の下面から円周方向に沿って下方に延びるように形成された板状の第１部材４０ａと、この第１部材４０ａにそれぞれ対応するようにキャリア６の上面に設けられた断面Ｕ字状の第２部材４０ｂとを備えている。また、第１部材４０ａは回転方向に向けられた第２部材４０ｂの平面状部分に平行に設けられており、この第１部材４０ａの側面一部の、ウェーハ保持ヘッド１が回転した際に第２部材４０ｂ内部に押圧される側にはキャリアセンサ部４１が設けられている。
【００３１】
第１部材４０ａの先端と第２部材４０ｂのＵ字状内部とが間隔を有して配置されることによって、キャリア６の軸線方向への移動は妨げられないようになっている。また、キャリアセンサ部４１はウェーハ保持ヘッド１が回転された際、第１部材４０ａの一側面と第２部材４０ｂ内部の面とが押圧される側に設けられている。
【００３２】
このキャリアセンサ部４１には、リングセンサ部２１同様に、例えば圧電素子や歪みゲージなどの圧力センサが用いられており、ウェーハ保持ヘッド１の回転によって生じる第１部材４０ａと第２部材４０ｂとの押圧力を検出可能とさせている。すなわち、ウェーハＷの研磨時において、ウェーハＷに作用する回転方向の力は、キャリアセンサ部４１によりキャリア６を介して直接的に検出されるようになっている。
【００３３】
なお、ウェーハ保持ヘッド１が回転されていない場合において、リングセンサ部２１の表面と第２部材２０ｂ内部とは、リテーナリング７の軸線方向への揺動を妨げない程度にわずかに当接された状態としてもよい。また、リングセンサ部２１は、ウェーハ保持ヘッド１を回転させた際、押圧される部分に設置させればよく、例えば第２部材２０ｂ側の平面部分に設けさせてもよい。さらに、第１部材２０ａが断面Ｕ字状に形成されるとともに第２部材２０ｂが板状に形成されてもよいし、第１、第２部材２０ａ、２０ｂがそれぞれ板状に形成されてもよい。キャリアトルク伝達機構４０及びキャリアセンサ部４１も同様である。
【００３４】
このリングセンサ部２１を備えたリングトルク伝達機構２０は、図３に示すように、ウェーハ保持ヘッド１のリテーナリング７上面において円周方向に複数箇所に設けられたものであり、回転軸中心から半径方向に同じ距離の位置に４箇所設けられている。同様に、キャリアセンサ部４１を備えたキャリアトルク伝達機構４０もキャリア６上面において円周方向に複数箇所に設けられたものであり、回転軸中心から半径方向に同じ距離の位置に例えば４箇所設けられている。
【００３５】
それぞれのリングセンサ部２１は、スピンドルと連結されるシャフト部９に挿通されたハーネス３１ａによって演算部３１と接続されている。これら各リングセンサ部２１からの出力信号は、それぞれに連結されたハーネス３１ａによって演算部３１に送られ、演算部３１は、それぞれのリングセンサ部２１からの出力信号を受け取って、リテーナリング７下面と研磨パッド１０２との間に作用される力を出力するようになっている。同様に、キャリアセンサ部４１からの出力信号もハーネス３１ｂによって演算部３１に送られ、演算部３１はそれぞれのキャリアセンサ部４１からの出力信号を受け取ってウェーハＷに作用する力を出力するようになっている。
【００３６】
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をカルーセルに螺着することによって連結される。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、キャリア６の下面に設けられたウェーハ付着シート６ａ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、或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。
【００３７】
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１４に流入される。流入された流体は、流体室１４内の圧力を調節し、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する。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研磨パッド１０２への押圧圧力が調節可能となっている。
【００３８】
そして、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研磨剤を研磨パッド１０２表面やウェーハＷの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。
【００３９】
研磨されるウェーハＷ及びリテーナリング７下面と研磨パッド１０２との間に作用する力によって、ウェーハＷを保持したキャリア６及びリテーナリング７はヘッド本体２に対してねじられる。このとき、リングトルク伝達機構２０及びキャリアトルク伝達機構４０に設けられたリングセンサ部２１及びキャリアセンサ部４１は各第２部材２０ｂ、４０ｂ内部の平面部分に押圧されるとともにこの押圧力に応じた信号を出力する。すなわち、リングセンサ部２１はリテーナリング７下面と研磨パッド１０２との間に作用する力に応じた出力信号を、キャリアセンサ部４１はウェーハＷと研磨パッド１０２との間に作用する力に応じた出力信号をそれぞれ独立して演算部３１に送る。そして演算部３１は、複数設けられたそれぞれのリングセンサ部２１及びキャリアセンサ部４１からの出力信号に基づいてリテーナリング７及びウェーハＷに作用する力を独立して算出する。
【００４０】
例えばリテーナリング７には、図４に示すように、研磨パッド１０２上で自転することによってウェーハ保持ヘッド１の回転方向に生ずる回転力Ｔと、研磨パッド１０２の回転によって研磨パッド１０２の回転方向に生ずる研磨力Ｆとが作用される。そして演算部３１は、これら回転力Ｔと研磨力Ｆとを算出するようになっている。
【００４１】
この回転力Ｔはウェーハ保持ヘッド１の自転によって生ずるものであってリテーナリング７の回転方向に作用し、内径側位置と外径側位置とで異なるものである。一方、研磨力Ｆは研磨パッド１０２の回転によって生ずるものであって、リテーナリング７の下面全体に研磨パッド１０２の回転方向に一様に作用するものである。
【００４２】
この研磨力Ｆはリテーナリング７と研磨パッド１０２との当接面全体に作用するものであって、図４のように、例えばリテーナリング７の中心位置に作用される合力とすることができる。このとき、リテーナリング７の外周部分のうち、自転するリテーナリング７の接線方向と研磨パッド１０２の回転方向とが一致する位置ａにおいては、研磨パッド１０２の回転によってリテーナリング７に作用する力はＦ／２である。また、リテーナリング７の回転方向には回転力Ｔが作用されている。そして、リテーナリング７の円周方向に沿って設けられた４つのリングセンサ部２１は、それぞれ感度方向をウェーハ保持ヘッド１の回転方向に向けて設置されているので、このうち位置ａに移動されたリングセンサ部２１に作用する力Ｆａは、
Ｆａ＝Ｆ／２＋Ｔ（１）
である。
同様に、研磨パッド１０２の内周側の位置ｂに移動されたリングセンサ部２１に作用する力Ｆｂは、
Ｆｂ＝Ｆ／２−Ｔ（２）
である。よって、（１）、（２）式より、
Ｆａ＋Ｆｂ＝Ｆ（３）
となり、研磨力Ｆを求めることができる。
【００４３】
また、研磨パッド１０２の回転方向の位置であって位置ａ、ｂと直角位置の関係である位置ｃに移動されたリングセンサ部２１はその感度方向をウェーハ保持ヘッド１の回転方向に向けて設置されているためウェーハ保持ヘッド１の自転により生じる回転力Ｔのみを検出するようになっている。すなわち、位置ｃにおいてリングセンサ部２１の感度方向と研磨パッド１０２の回転方向とは垂直関係にあるため、リングセンサ部２１はウェーハ保持ヘッド１と研磨パッド１０２との相対運動によって生じる研磨力Ｆを検出しない。したがって位置ｃに移動されたリングセンサ部２１に作用する力Ｆｃは、
Ｆｃ＝Ｔ（４）
である。同様に、位置ｄに移動されたリングセンサ部２１に作用する力Ｆｄは、
Ｆｄ＝Ｔ（５）
である。
よって、（３）式、（４）式（或いは（５）式）より、リテーナリング７に作用する回転力Ｔと研磨力Ｆとを導き出すことができる。
なお、カルーセルの単位時間あたりの回転数：Ｒｃ
ウェーハ保持ヘッド１の単位時間あたりの回転数：Ｒｈ
プラテン１０３の単位時間あたりの回転数Ｒｐ
としたとき、
Ｒｃ＋Ｒｈ＝Ｒｐ（６）
である場合、一般に、キャリア６にはトルクは作用しない。
【００４４】
ウェーハ保持ヘッド１の１回の自転において、１つのリングセンサ部２１は、最大値である力Ｆａと、最小値である力Ｆｂと、その中間時間において観測される力Ｆｃ及び力Ｆｄとを有した正弦波的に変動する信号を出力する。このとき、ウェーハ保持ヘッド１の回転時間（回転速度）はあらかじめ分かっているため、ウェーハＷの回転力Ｔおよび研磨力Ｆは１つのリングセンサ部２１によって検出可能である。したがって、１つのリングセンサ部２１から時々刻々に出力される信号を検出することにより、研磨力Ｆや回転力Ｔを求めることができる。
【００４５】
また、位置ａ、ｂにそれぞれ２つのリングセンサ部２１、２１を設けることにより、これらの出力信号を同時に受ける演算部３１は、ウェーハＷの研磨を行いつつウェーハＷに作用する研磨力Ｆを検出する。すなわち、（１）、（２）、（３）式により、２つのリングセンサ部２１を設けることによって研磨力Ｆが算出可能となる。したがって、リングセンサ部２１をリテーナリング７の上面に少なくとも２つ設置するとともに、これらのリングセンサ部２１、２１をリテーナリング７の回転中心から半径方向に等しい距離の位置に対向させて設置させることにより、研磨力Ｆあるいは回転力Ｔは、ウェーハＷの研磨を行いつつ検出可能となる。
【００４６】
さらに、位置ａ、ｂと、これら位置ａ、ｂに対して直角関係にある位置ｃとにそれぞれリングセンサ部２１、２１、２１を配することにより、（１）、（２）、（３）式から研磨力Ｆを、（４）式（あるいは（５）式）より、回転力Ｔを同時に導き出すことができる。このように、リングセンサ部２１をリテーナリング７の上面に３つ設置するとともに、これらのうち２つをリテーナリング７の回転中心から半径方向に等しい距離の位置に対向するように配置させ、他の１つを前記２つのリングセンサ部２１に対して直角位置に配置させることにより、研磨力Ｆと回転力Ｔとは、ウェーハＷの研磨を行いつつ同時に検出可能となる。
【００４７】
また、リングセンサ部２１をリテーナリング７上面に少なくとも４つ設置するとともに、これらのうち２つをリテーナリング７の回転中心から半径方向に等しい距離の位置に対向させて配置させ、他の２つを前記２つのリングセンサ部２１に対して直角位置に配置させることにより、リテーナリング７に作用する研磨力Ｆと回転力Ｔとは、ウェーハＷの研磨を行いつつ常に同時に検出可能となる。
【００４８】
以上のように、リングセンサ部２１を複数、好ましくは４つ以上設けることによって研磨力Ｆと回転力Ｔとは同時に検出可能となる。また、（３）式に示したように、研磨力Ｆは対向配置させた２つのリングセンサ部２１からのそれぞれの出力に基づいて導き出される。したがって、少なくとも２つのリングセンサ部２１、２１をリテーナリング７の回転中心を基準として半径方向に等しい距離の位置に対向配置させることにより、すなわち全体としてリングセンサ部２１を偶数箇所に設けることにより研磨力Ｆは検出される。
【００４９】
上述と同様に、演算部３１はキャリア６の上面に設けられたキャリアセンサ部４１からの出力信号に基づき、キャリア６下面に保持させたウェーハＷに作用する力を算出する。このように演算部３１は、リテーナリング７下面に作用する力とウェーハＷに作用する力とを同時に独立して算出する。
【００５０】
このようなウェーハ保持ヘッド１を用いて、図５に示すような酸化膜を備えたウェーハＷ１を平坦化させる場合について説明する。このウェーハＷ１は、表面に凹凸を有する酸化膜を平坦化させるように研磨されるべきものであって、時点ｈ１を通過して時点ｈ２まで研磨されることを目標とする。すなわちこの場合の研磨終点はウェーハＷ１の酸化膜を平坦化させた状態である。そしてウェーハＷ１について研磨を行った場合、演算部３１はリングトルク伝達機構２０に設けられたリングセンサ部２１の出力に基づく検出値ｇ１とキャリアトルク伝達機構４０に設けられたキャリアセンサ部４１の出力に基づく検出値ｇ２とを算出する。
【００５１】
このとき研磨パッド１０２が劣化していない状態において研磨を行う場合、研磨開始から時点ｈ１までの間ではウェーハＷ１と研磨パッド１０２との当接面積が徐々に増加するためウェーハＷ１の研磨抵抗も徐々に上昇し、時点ｈ１から時点ｈ２までの間においてはウェーハＷ１と研磨パッド１０２との当接面積は一定なので研磨抵抗も一定値を示す。
【００５２】
しかしながら研磨パッド１０２が劣化している状態においてウェーハＷ１の研磨を行った場合、図６（ａ）に示すように、キャリアセンサ部４１の出力値に基づく検出値ｇ２は時点ｈ１から時点ｈ２において徐々に上昇している。このときリングセンサ部２１の出力値に基づく検出値ｇ１も徐々に上昇している。これはウェーハＷの研磨進行により研磨パッド１０２が徐々に劣化するのでリテーナリング７下面と研磨パッド１０２との間に作用する研磨抵抗が徐々に増加していることを示している。したがって時点ｈ１から時点ｈ２の間においてもウェーハＷ１の研磨抵抗である検出値ｇ２は上昇している。このため、研磨終点を決定することが困難である。
【００５３】
なおこの検出値ｇ１、ｇ２は、それぞれのセンサ部２１、４１から出力された信号のうち最大値の変化を示したものである。
【００５４】
このとき、研磨パッド１０２の表面状態の変化、すなわち研磨パッド１０２に直接接しながら回転されるリテーナリング７の研磨抵抗の変化の値に基づいて、ウェーハＷの研磨抵抗を観測しているキャリアセンサ部４１の検出値を補正することにより、ウェーハＷ１の研磨状態が把握される。すなわち、研磨パッド１０２の劣化に起因する研磨抵抗の変化分（すなわち検出値ｇ１の変化分）を、この変化分を含んだウェーハＷの研磨抵抗値（すなわち検出値ｇ２）から差し引くことにより、図６（ｂ）に示すように、時点ｈ１と時点ｈ２との間における算出値は安定した一定値を示すようになり、研磨終点検出を正確に把握することができる。
【００５５】
そして、ウェーハＷの研磨面が平坦化され所望の研磨面が得られたら（すなわち、時点ｈ２まで達したら）、ウェーハＷの研磨面は所望の状態に達したと判断され、ウェーハの研磨が終了される。
【００５６】
このように、リテーナリング７の上面に設けられたリングトルク伝達機構２０にリングセンサ部２１を設け研磨パッド１０２に当接するリテーナリング７に作用する力を検出することによって、ウェーハ研磨を行いつつ研磨パッド１０２の劣化状態を検出することができる。この劣化状態の検出はウェーハの研磨と同時に行えるので作業効率は向上される。そして、リングトルク伝達機構２０によってヘッド本体２のトルクはリテーナリング７に正確に伝達されるとともに、ダイヤフラム５には過剰な回転方向の力を作用されないようになるため、ダイヤフラム５の劣化は防止される。
【００５７】
さらに、キャリア６の上面にキャリアトルク伝達機構４０を設けたことにより、ヘッド本体２のトルクはキャリア６に正確に伝達されるとともに、ダイヤフラム５には過剰な回転方向の力が作用されないようになる。そのため、ダイヤフラム５の劣化を防ぐことができ、安定したフローティング効果を長期間持続することができる。
【００５８】
リングトルク伝達機構２０及びキャリアトルク伝達機構４０にそれぞれリングセンサ部２１及びキャリアセンサ部４１を設けたことにより、リテーナリング７下面及びウェーハＷに作用する力は直接的に各センサ部２１、４１に検出される。すなわち、リテーナリング７下面及びウェーハＷに作用される力を直接的に検出することによって、リテーナリング７及びウェーハＷを保持するキャリア６に作用する力を直接的に正確に検出することができる。
【００５９】
そして、これらセンサ部２１、４１の出力信号が演算部３１に送られ演算させることによって研磨パッド１０２の劣化に起因する変化分を差し引いたウェーハＷの研磨抵抗の値を算出することができるため、研磨終点検出は精度良く行われる。
【００６０】
これらリングセンサ部２１及びキャリアセンサ部４１からの出力は演算部３１によって演算され、演算部３１はリテーナリング７及びウェーハＷに作用する力をウェーハＷの研磨中に出力するようになっている。したがってウェーハＷの研磨は、ウェーハＷに作用する力を観測しつつ行われるため、ウェーハＷの研磨面が所望の状態に達したかどうかを判断しつつ行われる。そのため、過研磨あるいは研磨不足といったウェーハの発生を低減させることができ、安定したウェーハＷの研磨を実現することができる。
【００６１】
また、センサ部２１（４１）は第１部材２０ａ（４０ａ）と第２部材２０ｂ（４０ｂ）との当接部分に設けられたため、ウェーハ保持ヘッド１が回転状態であっても、ウェーハＷに作用する力は確実に検出される。さらに、第２部材２０ｂ（４０ｂ）は第１部材２０ａ（２０ａ）に対して変位可能に設けられたため、ダイヤフラム５に支持されているキャリア６及びリテーナリング７の軸線方向の変位は妨げられないようになっており、ウェーハＷの研磨は安定して行われる。
【００６２】
なお、上述した複数のセンサ部２１（４１）はそれぞれウェーハ保持ヘッド１の回転中心から半径方向に同じ距離の位置に設けられたものであるが、対向する一組のセンサ部の回転中心からのそれぞれの距離と、他の対向する組のセンサ部の回転中心からのそれぞれの距離とが異なるように配置させてもよい。この場合、各センサ部は、所定距離における回転力Ｔを検出することができる。すなわち、対向するセンサ部を複数組設けることによって、ウェーハＷの半径方向の様々な位置の回転力が検出可能となる。
【００６３】
図７（ａ）に示すように、第１、第２部材２０ａ、２０ｂのそれぞれの当接部分のいずれかあるいは両方の形状を、丸棒状にすることも可能である。第１、第２部材２０ａ、２０ｂを丸棒状に形成することによりそれぞれの接触面積を小さくすることができるので、リテーナリング７の上下方向の揺動（フローティング効果）はより安定して行われる。さらに、図７（ｂ）に示すように、リングセンサ部２１を天板部３と第１部材２０ａとの間（あるいはリテーナリング７と第２部材２０ｂとの間）に配置させ、この位置に生ずるせん断力でもって、ウェーハＷに作用する回転方向の力を検出することも可能である。この場合、リングセンサ部２１として圧電素子を用いることによりせん断力は検出可能となる。さらに、圧電素子を用いてせん断力を検出させる構成とすることにより、１つのリングセンサ部２１で複数方向に作用する力を同時に検出することができ、設置するべきリングセンサ部２１の数を低減することができる。もちろん、図７の形態をキャリアトルク伝達機構４０に適用できることは言うまでもない。
【００６４】
また、図８に示すように、リングセンサ部２１は、ヘッド本体２上面に設置された駆動・増幅回路ユニット３２のうち駆動回路によって駆動されるとともに、リングセンサ部２１からの出力信号は駆動・増幅回路ユニット３２のうち増幅回路を介して演算部３１に送られる構成としてもよい。このとき、リングセンサ部２１と駆動・増幅回路ユニット３２とを接続するハーネス３２ａは、ヘッド本体２の天板部３の一部を挿通されるように設けられる。同様に、キャリアトルク伝達機構４０に設けられたキャリアセンサ部４１は、ハーネス３２ｂによって駆動・増幅回路ユニット３２に連結されている。駆動・増幅ユニット３２をヘッド本体２に設置させたことにより、ハーネス３２ａ、３２ｂを短く形成できるので、センサ部２１はノイズの影響を受けにくくなる。
【００６５】
【発明の効果】
本発明のウェーハ研磨装置及びウェーハ製造方法は、以下のような効果を有するものである。
（１）リテーナリングの上面に設けられたリングトルク伝達機構にセンサ部を設け、研磨パッドに当接するリテーナリングに作用する力を直接的に検出できるので研磨パッドの劣化を安定して検出することができる。さらに、ウェーハ研磨を行いつつ研磨パッドの表面状態を検知することができるので作業効率は向上する。また、弾性体であるダイヤフラムを備えた構成においても、リングトルク伝達機構によってヘッド本体のトルクはリテーナリングに正確に伝達されるとともに、ダイヤフラムは過剰な回転方向の力を作用されないようになるため、ダイヤフラムの劣化は防止される。
（２）キャリアに作用する回転方向の力を観測するための複数のキャリアセンサ部とを設けるとともに演算部をそれぞれのキャリアセンサ部に連結し、リングセンサ部からの出力とキャリアセンサ部からの出力とに基づいてウェーハに作用する力を算出するようにしたことによって、ウェーハの研磨終点検出をより正確に行うことができる。すなわち、研磨によって劣化した研磨パッドの研磨抵抗変化をリングセンサ部によって検出し、この値に基づいてウェーハに作用する力を直接的に検出しているキャリアセンサ部の値を補正することにより、ウェーハに作用する力をより正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のウェーハ研磨装置の実施形態の一例を示す図のうちウェーハ保持ヘッドの断面図である。
【図２】トルク伝達機構及びセンサ部を説明する断面図である。
【図３】トルク伝達機構及びセンサ部の配置を説明する図である。
【図４】センサ部によってウェーハに作用する力を検出する様子を説明する図である。
【図５】ウェーハの層構成を示す断面図である。
【図６】図５のウェーハを研磨したときの演算部からの出力結果を説明する図である。
【図７】トルク伝達機構及びセンサ部の他の実施形態を示す断面図である。
【図８】本発明のウェーハ研磨装置の実施形態の一例を示す図のうちウェーハ保持ヘッドの断面図である。
【図９】ウェーハ研磨装置全体を説明する図である。
【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キャリア
７リテーナリング
９シャフト部
１４流体室
１５流路
２０リングトルク伝達機構
２１リングセンサ部
３０圧力調整機構
３１演算部
４０キャリアトルク伝達機構
４１キャリアセンサ部
１０２研磨パッド
１０３プラテン
Ｗウェーハ

Claims

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研磨パッドで前記ウェーハを研磨するウェーハ研磨装置であって、
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、研磨すべきウェーハの一面を保持するためのキャリアと、
前記周壁部の内壁と前記キャリアの外周との間に同心状に配置されるとともに、前記ダイヤフラムに固定され前記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、研磨時には研磨パッドに当接するリテーナリングと、
前記ヘッド本体とリテーナリングとの間に円周方向に沿って複数設けられ、前記ヘッド本体のトルクを前記リテーナリングに伝達するためのリングトルク伝達機構と、
前記それぞれのリングトルク伝達機構に設けられ、前記リテーナリングに作用する回転方向の力を観測するための複数のリングセンサ部と、
前記それぞれのリングセンサ部に連結され、これらリングセンサ部からの出力に基づき前記リテーナリングに作用する力を算出する演算部と、
前記ヘッド本体とキャリアとの間に円周方向に沿って複数設けられ、前記ヘッド本体のトルクを前記キャリアに伝達するためのキャリアトルク伝達機構と、
前記それぞれのキャリアトルク伝達機構に設けられ、前記キャリアに作用する回転方向の力を観測するための複数のキャリアセンサ部とを備え、
前記演算部は、前記それぞれのキャリアセンサ部に連結されるとともに、前記リングセンサ部からの出力と前記キャリアセンサ部からの出力とに基づいて前記ウェーハに作用する力を算出することを特徴とするウェーハ研磨装置。
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運動させることにより前記研磨パッドで前記ウェーハを研磨する研磨工程を含んだウェーハ製造方法であって、
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、研磨すべきウェーハの一面を保持するためのキャリアと、
前記周壁部の内壁と前記キャリアの外周との間に同心状に配置されるとともに、前記ダイヤフラムに固定され前記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、研磨時には研磨パッドに当接するリテーナリングと、
前記ヘッド本体とキャリアとの間に円周方向に沿って複数設けられ、前記ヘッド本体のトルクを前記キャリアに伝達するためのキャリアトルク伝達機構と、
前記ヘッド本体とリテーナリングとの間に円周方向に沿って複数設けられ、前記ヘッド本体のトルクを前記リテーナリングに伝達するためのリングトルク伝達機構と、
前記それぞれのキャリアトルク伝達機構に設けられ、前記キャリアに作用する回転方向の力を観測するための複数のキャリアセンサ部と、
前記それぞれのリングトルク伝達機構に設けられ、前記リテーナリングに作用する回転方向の力を観測するための複数のリングセンサ部とを備えており、
前記リングセンサ部の検出信号に基づいて前記キャリアセンサ部の検出信号を補正し、得られた補正値に基づいて前記ウェーハに作用する力を検出しつつ研磨を行うことを特徴とするウェーハ製造方法。