JP4704312B2

JP4704312B2 - 研磨装置及び研磨方法

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Publication number: JP4704312B2
Application number: JP2006285524A
Authority: JP
Inventors: 淳史袋田; 由弘有本; 亘中村
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1995-04-26
Filing date: 2006-10-19
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2016-04-03
Also published as: JP2007015107A

Description

本発明は、研磨装置及び研磨方法に関し、より詳しくは半導体素子を構成する絶縁膜や導電膜の表面などの平坦化に用いる研磨装置及び研磨方法に関する。

半導体記憶装置などの半導体装置は年々集積度が増し、その内部回路の配線の多層化もさらに進んでいる。その配線の多層化を可能にするために、化学機械研磨（以下、ＣＭＰ(chemical mechanical polishing) という）技術を利用して配線上の層間絶縁膜が平坦化されている。ＣＭＰ技術では時間的、コスト的な面から研磨の終点検出や自動化が重視されている。

しかし、その研磨の終了時期については、研磨布の劣化などが原因で研磨速度が一定に保てないために、時間的に制御したとしても厳密に決定することはできなかった。従って、これまでは短時間の研磨を行っては一旦研磨を中止して被研磨物の研磨状態を観察する、といった作業を平坦面が得られるまで繰り返していた。このような方法では手間や時間もかかるので実用的でない。

ＣＭＰの終点検出はこれまで、定盤（ヘッドともいう）を回転させるモータのトルクの変化を検出してその変化に基づいて研磨面の摩擦抵抗をモニタする方法があった。しかし、この方法は高周波成分が皆無のため、研磨面の擦り摩擦力の位置的、時間的平均を得るに過ぎないので、感度が悪く、さらにヘッドの構造によっては使用できない場合もある。例えば、ヘッドと筐体が弾性体で接合されるような構造を有するエアバック方式では、研磨面の摩擦の影響が回転軸に伝わりにくくなり、著しく感度が低下して実用にならない。

また、光学式膜厚計で研磨物を測定して終点を検出する方法もあるが、リアルタイムで検出できない。また、窒化シリコン膜とSiO_２膜を同時に研磨する場合には、光学式膜厚計でその研磨膜厚を精度良く測定することができない。

そこで、モーターの回転トルクや定盤の振動の変化に基づいて研磨の終点検出を行うことが、特開平６−３２０４１６号公報、特開平６−４５２９９号公報において提案されている。しかし、それらの公報では、研磨面が単に平坦化された否かではなくて、研磨が進んで異質の材料が研磨面に露出し、これにより研磨面の摩擦抵抗が変化して振動が変化した時点を終点としている。

また、研磨面と研磨布との摩擦による定盤の歪みを、歪みセンサで測定する方法が特開平６−３２０４１６号公報に記載されている。
特開平６−３２０４１６号公報特開平６−４５２９９号公報特開平６−３２０４１６号公報

しかし、歪みセンサを使用する研磨装置では、研磨により生じる振動が小さいので、研磨装置のモータ振動などの機械的振動（音）がバックグラウンドノイズとして混入するので、十分な感度が得られない。この結果、研磨面の全領域の研磨状態を精度良く検知したり或いは終点を検出することは難しく、基本的な研磨を終えた後に、さらに追加の研磨が必要となる。

また、研磨面と研磨布との摩擦により生じるヘッドの歪みを歪みセンサで測定する場合には、その歪みは歪みセンサに現れるほど大きくはない。しかも、研磨装置自体の振動をフイルタで低減しても、歪みセンサによりウェハ表面の凹凸の変化は検出できないのが実状である。なぜならば歪みセンサは高い振動周波数に感度が無いからである。

従来の研磨装置では、研磨布の目立てや交換の時期に関する客観的な指標がないので、それらの作業を無用に行いがちである。

さらに、研磨の際のゴミ（異物）により研磨面に傷が付いたとしても、研磨終了後に研磨対象物を取り出してその研磨面を顕微鏡で観察することにより始めて傷の存在がわかることになる。ＣＭＰによる研磨の際のゴミの発生及び混入に対しては何等の対策もとられておらず、研磨面の傷を観察することで間接的に評価していた。

一方、従来では研磨終了後に研磨評価を行っているので、１ロット（通常は２５枚程度）の初期の段階でゴミが混入して被研磨物の表面に傷が付きはじめても、その１ロットが終了するまではゴミの混入は気がつかなかった。このため、研磨面を傷付けるようなゴミが入ってから後に研磨される被研磨物には当然に傷が付くので、半導体ウェハのような研磨対象物が無駄に消費される。しかも、傷付いた研磨面からその一部が欠落してゴミとなり、さらにゴミが増加することもある。

また、研磨の際にゴミが存在しても、その場所が特定できないので、ゴミを除去するために研磨布全体を交換することもあり、そのような場合には手間がかかってしまう。

さらに、上記した特許公開公報では、定盤振動検出のための信号を定盤の上から増幅器に伝達することが記載されているが、その信号伝達を無線で行おうとする場合には、定盤を回転させるためのモータのシャフトによって無線信号が一時的に途切れてしまう。

ところで、研磨量は、パターンの形状に依存し、しかも加圧力、回転数、研磨液流量、研磨布の表面状態などの研磨条件によって大幅に変化する。従って、時間で研磨量を制御する場合には、ロット毎に一旦試し研磨を行い、研磨速度を確認することを行っているが、これでは手間がかかってしまう。しかも、パターンの異なる複数種類のロットについて研磨を行う場合には、試し研磨の占める時間が増えてスループットが低下する。

本発明の目的は、研磨の際の振動を高感度に検出して研磨のバラツキを精度良く、しかもリアルタイムで検出して研磨時間を短縮し、また、ゴミの存在の確認を容易にするとともに、定盤の振動の伝達を無線で正常に行うとともに、研磨状態を捉えるために利用される研磨固有の振動の検出能力を改善することができる研磨装置及び研磨方法を提供することを目的とする。

上記した課題は、図１５に例示するように、被研磨物を支持する第一の定盤３と、前記第一の定盤３に対向して配置される第二の定盤２と、前記第二の定盤２に張り付けられる研磨布１ａと、前記第一の定盤３又は前記第二の定盤２に取付けられた振動検出器１０と、少なくとも前記第１の定盤３又は前記第２の定盤２を駆動する駆動機構２１と、前記振動検出器１０が取付けられた側の前記第一の定盤３又は前記第二の定盤２に取り付けられ、且つ前記振動検出器１０によって検出された情報を無線送信する送信部１３と、前記送信部１３から出力された無線信号を受信する受信部１４と、前記受信部１４に接続されて、受信した前記無線信号を解析する信号解析部１５と、前記信号解析部１５からの信号に基づいて、研磨停止、研磨条件を変更を指示する信号を少なくとも前記駆動機構に出力する制御部１７と、前記振動検出器１０が取り付けられた前記第一の定盤３又は前記第二の定盤２の回転軸の周囲に取付けられ且つ前記送信部１３に接続された環状の送信アンテナ２５と、前記回転軸の延長上に取付けられ且つ前記受信部１４に接続される受信アンテナ２６とを有することを特徴とする研磨装置によって解決する。

この場合、図１９に例示するように、前記振動検出器１０Ａの出力に基づく振動信号の振幅レンジを広げるための対数アンプ３４ｃと、前記受信部１４の出力側に接続されて前記受信部からの出力信号を変換する逆対数アンプ３５とを有することを特徴とする。

上記した研磨装置において、図３９〜図４７に例示するように、研磨対象物を支持する第１の定盤３と、前記第１の定盤３に対向して配置される第２の定盤２と、前記第２の定盤２に張り付けられる研磨布１ｄと、前記第１の定盤３を前記研磨布１ｄ上の一定範囲内で周期的に移動させる駆動手段８，２１と、前記第１の定盤３の振動強度又は前記駆動手段の駆動トルクの値を、前記第１の定盤の位置成分を含む関数で割算してその結果を研磨状態信号として出力し、該研磨状態信号の変化を時間で微分し、その微分値に基づいて研磨終了を検出する研磨終点検出手段７７とを有することを特徴とする研磨装置によって解決する。

上記した課題は、図４８に例示するように、被研磨物Ｗを支持する定盤３と、該被研磨物Ｗを研磨する研磨布１と、前記研磨布１と前記被研磨物Ｗの摩擦によって前記研磨布１の移動方向又は前記定盤の回転方向に引きずられる前記第定盤３の変位の変化を測定する変位検出器６１〜６３とを有することを特徴とする研磨装置により解決する。

この研磨装置において、前記研磨布１との摩擦によって平坦化される前記被研磨物Ｗの平坦化速度と前記変位検出器６１〜６３の出力信号とを対応させ、該出力信号の変化が該平坦か速度の所定の範囲内又は所定の値に達した時を研磨終点として判別する研磨終点判別手段１５を有することを特徴とする。

上記課題は、図３９〜図４７に例示するように、研磨対象物を支持する第１の定盤と、該第１の定盤に対向して配置される第２の定盤と、該第２の定盤に張り付けられた研磨布とを備えた研磨装置を用いる研磨方法において、駆動手段により、前記第１の定盤を前記研磨布上の一定範囲内で周期的に移動させ、前記第１の定盤の振動強度又は前記駆動手段の回転トルクの値を、前記第１の定盤の位置成分を含む関数で割算してその結果を研磨状態信号とし、該研磨状態信号の変化を時間で微分し、その微分値に基づいて研磨を終了する工程を含むことを特徴とする研磨方法により解決する。

上記研磨方法において、前記関数は、前記研磨布の回転中心からの距離に比例する比例関数であることを特徴とする。また、前記研磨布において、略等密度に溝又は孔が形成されている場合は、前記関数は、前記研磨布の回転中心からの距離の二乗に比例する関数であることを特徴とする。さらに、前記関数には、前記第２の定盤の回転数が含まれることを特徴とする。

上記課題は、図２６〜図２８に例示するように、研磨対象物を支持する第１の定盤と、該第１の定盤に対向して配置される第２の定盤と、該第２の定盤に張り付けられる研磨布とを使用して、該研磨対象物を前記研磨布により研磨する研磨方法において、振動検出器によって、前記第１の定盤又は前記第２の定盤の研磨時の振動を検出し、前記振動検出器により検出された振動強度の異常を検出し、該振動強度の異常検出時間が前記第２の定盤の回転周期よりも短い場合に、前記第１の定盤と前記第２の定盤の駆動を制御することを有することを特徴とする研磨方法によって解決する。

（作用）
本発明によれば、研磨時の振動の検出する振動検出器の出力を無線で外部に送信する場合に、送信アンテナと受信アンテナを同軸上に配置するようにしたので、アンテナが回転したり揺動しても安定な送受信がなされる。

さらに、定盤に取付けられる振動検出器や送信部に電力を供給する場合にはその定盤を回転するシャフトの周囲に環状導電体を取付け、この環状導電体に接触するブラッシを通して電力を供給するようにしているので、電池交換の手間や電力不足による作業停止といった事態が回避される。なお、環状導電体として市販のスリップリングを用いてもよい。

さらに、本発明によれば、研磨時において、定盤に取付けられた振動検出器により検出された振動強度の異常を検出して、振動強度の異常検出時間が定盤の回転周期よりも短い場合にゴミの存在を示す信号を出力する信号分析部を設けるようにしているので、その後に続く被研磨物の研磨面のゴミによる傷の発生が未然に防止される。

また、振動強度の異常が定盤の周期よりも長く発生する場合には、傷以外の原因なので、直ぐに研磨を停止すると、ゴミ以外の原因による研磨装置の異常動作を容易に検出できる。

また、振動検出器により検出した振動信号を無線で制御部に送る場合に、対数アンプを介して振動信号の振幅レンジを拡大して無線で送り、受信後に逆対数アンプで振動信号を復元すると、Ｓ／Ｎ比が向上する。

また、研磨の進行によって変化する被研磨物支持盤の振動を振動検出器で検出する場合に、検出時において、被研磨物支持盤を駆動するエネルギーの供給を一時的に停止すると、バックグラウンドノイズを大幅に低減でき、Ｓ／Ｎ比を改善できる。

さらに他の本発明の研磨装置によれば、研磨の際に被研磨物支持盤の位置を検出する変位検出器を有しているので、研磨が進むにつれて研磨布と被研磨物の摩擦力が変化して被研磨物支持盤の位置が変化し、その変位の変化量により研磨の終点等を検出できる。この場合、被研磨物支持盤の位置の変化量はバックグラウンドノイズとは振動周波数帯が異なるので、モータ等の振動の影響を受けずにＳ／Ｎ比の良い検出が可能になる。

なお、本発明では、研磨時固有の振動を大きくしたり、Ｓ／Ｎ比を改善する等の手法を採用しているので、研磨終点検出用の異物を有しないウェハの研磨終点検出などの判断が容易になる。

そこで、以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の研磨装置の要部を示す構成図である。

研磨装置は、モータＭによって回転される円盤状の下側定盤２と、吸着パッド（不図示）を介して被研磨物Ｗを支持する円盤状の上側定盤３とを有している。下側定盤２と上側定盤３内にはそれぞれ１つ又は複数の空洞からなる共振部２ａ，３ａが形成されている。また、下側定盤２上には、被研磨物Ｗと対向接触する研磨布１が張りつけられている。

研磨布１は例えば発泡ウレタンからなるもので二層構造となっている。

研磨布１の上層部には、図２(a),(b)に示すような深さ２mm程度の第一の溝４が複数の箇所に形成されている。第一の溝４に囲まれた矩形状の領域は例えば２０mm四方の広さを有し、研磨時に被研磨物Ｗに接触して振動を誘発する励振部５となっている。また、研磨布１の下層部には、励振部５に重なる第二の溝（空洞）６が形成され、その第二の溝６は、励振部５の振動に共振するようになっている。

第一の溝４の形成領域は特に限定されるものではないが、例えば図２(a)、(b)に示すようなものがある。図２(a)に示す第一の溝４は平面が矩形状のもので、十字方向に複数本形成されている。また、図２(b)に示す第一の溝４は、直線状に縦横に複数本形成されたものである。

上側定盤３は、図３に示すように、ゴムやバネ等の弾性部７を介して内部空洞の筐体８に支持されていて、筐体８とは異なる動きをするようになっている。筐体８の上部は、シャフト駆動部２１によって回転及び上下動されるシャフト９の下端に固定されている。筐体８と上側定盤３と弾性部７は全体でヘッドとも呼ばれ、そのヘッド内部の空間は、上側定盤３を研磨布１に押圧し得るような内部圧力となっている。

上側定盤３の上部又は側部には振動検出素子（以下、加速度素子ともいう）１０が取り付けられ、その振動検出素子１０の出力端は筐体８に取り付けられた送信機１３に接続されている。振動検出素子１０として、例えば圧電素子加速度センサーが使用される。

筐体８と上側定盤３と弾性部７によって囲まれる空間が所定の圧力に保持される構造のヘッドは、エアバック式ヘッドと呼ばれる。エアバック式ヘッドでは、上側定盤３が上にずれると上側定盤３には位置を元に戻す下向きの圧力が加わる一方、上側定盤３が下にずれると上側定盤３には位置を元に戻す上向きの圧力が加わるような圧力が加えられ又はそのような圧力が保持される。その圧力は、シャフト９内の空洞を通して外部から加えられる。

また、送信機１３は、振動検出素子１０からの振動周波数、振動強度に関する情報の信号を無線で受信機１４に送信し、受信機１４で受けた振動情報を信号解析部１５によって分析し、得られた振動周波数と振動強度のパワースペクトルから研磨以外の原因による固有振動成分（例えば、研磨装置固有の振動成分）を差し引き、その結果を例えば表示部１６に表示したり、駆動制御部１７を介してシャフト９やドレッサー１２を移動したり駆動、停止したり、或いは駆動制御部１７を介してノズル１１から供給される研磨液供給量を制御したりしている。

研磨布１の表面はドレッサー１２により目立てされる。ドレッサー１２の上下動及び回転動作は、駆動制御部１７によって制御される。

下側定盤２を回転させるモータＭの回転数は、駆動制御部１７によって制御される。

上述した研磨装置により研磨される被研磨物Ｗとしては、例えばシリコン、ゲルマニウムや化合物半導体などのウェハや、そのようなウェハに形成された導電膜、絶縁膜、金属膜がある。

なお、上記した第一及び第二の溝の代わりに研磨布１に複数の小孔を形成するようにしてもよい。

そこで次に、半導体ウェハの研磨を例に挙げて上記した研磨装置の動作を説明する。

まず、被研磨物Ｗとして半導体ウェハＷを上側定盤３の下面に貼った後に、かつ駆動制御部１７からの信号により下側定盤２を回転させる。さらに、駆動制御部１７からの信号によりシャフト９を回転、下降させて半導体ウェハＷを研磨布１に押圧する。その研磨の際にはノズル１１を通して研磨液を研磨布１に供給する。

研磨が開始すると、半導体ウェハＷと研磨布１の摩擦によって半導体ウェハＷが振動するので、研磨布１に形成された振動部５が振動し、その振動は第二の溝６や下側定盤２及び上側定盤３の共振部２ａ，３ａの共振によって増幅され、振動検出素子１０に伝達される。

振動検出素子１０に入力する振動としては、摩擦による振動成分の他にシャフト９を駆動するシャフト駆動部２１からの振動成分が存在する。シャフト駆動部２１の固有振動は、摩擦振動を検出する振動検出素子１０のノイズになる。しかし、振動検出素子１０は、上側定盤３に取り付けられているので、シャフト９及び筐体８に伝達したシャフト駆動部２１の固有振動は、弾性体７の振動吸収によって減衰される。この結果、上側定盤３に伝わるシャフト駆動部２１の固有振動は弱くなるので、振動検出素子１０に入力するノイズが低減する。

振動検出素子１０によって検出された振動周波数や振動強度等の振動情報は、送信機１３、受信機１４、信号解析部１５を介して表示部１６に表示される。表示部１６では、例えば図４に示すような振動のパワースペクトルが表示される。このパワースペクトルは、信号解析部１５によって研磨以外の原因による固有振動成分を引いたものである。

研磨の初期段階であって研磨面の全面に凹凸が存在する状態では、図４に見られるように低周波から高周波までの広い振動周波数帯にわたり振動強度が大きくなっていることがわかる。研磨が進んで研磨面の一部が局部的に平坦になると、振動強度が振動周波数全体で減少するだけでなく、５００Ｈｚ程度の低い振動周波数の振動強度の減衰が顕著になる。低周波の減衰は、研磨面の一部が平坦に研磨されることにより起こる特有の現象であり、全体が一様に研磨されている場合には１０００Ｈｚ前後の高周波の振動強度が減衰する。研磨面の一部が平坦化されている場合には、駆動制御部１７によって上側定盤３や下側定盤２の回転数や上側定盤３による圧力などを調整して、研磨のバラツキを少なくする。

研磨面の全面が一様に平坦化すると振動が生じなくなるので、図４に見られるように振動強度が全振動周波数帯域でほぼ零になる。

このように、研磨布１に設けた励振部５の振動誘発によって振動周波数帯域が広くかつ振動強度が大きくなって感度が良くなるばかりでなく、研磨布１の第二の溝６や上側定盤３及び下側定盤２の共振部２ａ，３ａによる共振によって振動が増幅される。

これにより、研磨面での微細な凹凸の存在を増幅して検出することが可能になった。その振動の変化によって研磨状態が研磨面の０．０５μｍ以下の微小な凹凸でも検出でき、また、研磨面の研磨バラツキの状況を精度良く把握でき、そのバラツキが低下する方向に研磨圧力を変えたり上側又は下側定盤２，３の回転数を変えることにより自動的に修正して研磨バラツキを修正することができる。これにより、研磨状態を高精度に把握して、研磨の終了の判断を容易にしたり、追加研磨が不要になってスループットが向上する。

振動周波数に対する振動強度のスペクトルを信号解析部１５により積分すると研磨が進行するにつれて積分値は次第に減少するので、積分値の時間的変化が無くなった場合には研磨が終了したと判断して信号解析部１５から研磨終了の信号を駆動制御部１７に送り、駆動制御部１７はシャフト９の回転を停止したり、シャフト９を上昇させたりして、半導体ウェハＷと研磨布１の接触を断って研磨を終了させる。

なお、その積分値が研磨終了時にも完全に零にならないような場合には、その積分値が予め設定した基準値となったり、或いは積分値の時間的変化が予め設定した基準値よりも小さくなった時点で研磨終了であると判断してもよい。

ところで、研磨が終わらない状態で研磨布１が磨耗すると、被研磨物Ｗと励振部５との摩擦が減少して振動が生じなくなり、振動強度が急速に減衰して研磨終了の状態とほぼ同じ特性に変化する。このような急峻な振動強度の減衰は、振動検出素子１０、送信機１３、受信機１４を介して信号解析部１５によって検出され、信号解析部１５により研磨布１の劣化と判断される。この場合には、駆動制御部１７を介して研磨を中止するとともにドレッサー１２を駆動して研磨布１を目立てすることになる。そして、目立てを終えた後に研磨を再開する。

研磨布１の表面が滑らかになった場合には、振動周波数の０〜数百Ｈｚの帯域の振動強度が数ｄＢの大きさで存在するので、その振動周波数帯域での振動強度の存在と振動強度の変化の情報に基づいて研磨布が磨耗したことを検知してもよい。

研磨布の劣化の基準は、研磨開始から終了までの時間が予め設定した時間よりも短い場合や、積分値の時間的変化が指定値を超えて減少した場合を劣化基準としてもよい。

次に、上記した研磨装置を用いて半導体装置の配線を覆う絶縁膜を研磨する工程について説明する。

半導体装置の配線を形成する場合には、まず、図５(a)に示すように半導体基板Ｗ_１の上に第一の絶縁膜Ｗ_２を形成した後に、第一の絶縁膜Ｗ_２上に金属膜を形成し、ついで、図５(b)に示すようにその金属膜をパターニングして配線パターンＷ_３を形成する。その後に、図６(a)に示すように、配線パターンＷ_３を保護するための第二の絶縁膜Ｗ_４を形成する。配線パターンＷ_３と第一の絶縁膜Ｗ_２によって形成される段差は、第二の絶縁膜Ｗ_４の表面に凹凸となって現れる。第二の絶縁膜Ｗ_４の表面は、上記した研磨装置によって終点が検出されるまで研磨され、その研磨面は図６(b)に示すように平坦になった。

第二の絶縁膜Ｗ_４が、例えばＴＥＯＳを使用したSiO_２膜である場合には、研磨速度が大きいので、図７(a)に示すように、第二の絶縁膜Ｗ_４の上にＣＶＤにより窒化シリコン膜Ｗ_５が形成される場合もある。その窒化シリコン膜Ｗ_５の表面には凹凸が現れる。第二の絶縁膜Ｗ_４と窒化シリコン膜Ｗ_５の表面は本発明の研磨装置によって終点が検出されるまで研磨され、その研磨面は図７(b)に示すように平坦になる。窒化シリコンはSiO_２よりも硬いので、窒化シリコン膜Ｗ_５が存在する場合の研磨量は、窒化シリコン膜Ｗ_５が存在しない場合の研磨量よりも少ない。

第二の絶縁膜Ｗ_４だけを研磨する場合には、その研磨面は図８(a)〜(c)のように変化し、これらの場合に振動検出素子１０に入力する振動の波形は図１０に示すように研磨が進行するにつれて小さくなる。

一方、第二の絶縁膜Ｗ_４及び窒化シリコン膜Ｗ_５を研磨する場合には、図９(a),(b)に示すように、初期の状態で全体を覆っていた窒化シリコン膜Ｗ_５は、研磨が進むにつれて一部が消失し、その部分から第二の絶縁膜Ｗ_４が露出することになる。さらに窒化シリコン膜Ｗ_５と第一の絶縁膜Ｗ_４を研磨すると、研磨面が平坦化した時点で研磨の終点が検出され、研磨は停止される。その研磨面には、図９(c)に示すように、第一の絶縁膜Ｗ_４のみが露出する場合もあるし、一部に窒化シリコン膜Ｗ_５が残っている場合もある。

これらの研磨の際に振動検出素子１０に入力する振動の波形はほぼ図１０に示すようになる。

従って、上記した研磨装置は、特開平６−３２０４１６号公報に記載されているように膜質の変化によって振幅が大きくなるような状況を捉えるものではなく、研磨面の平坦性が良くなるにつれて振動強度が減少する事象を捉え、振動の減少が所定の基準に達した段階で研磨終点を判断して研磨を停止する構成となっている。

なお、上記した振動検出素子１０は上側定盤３に複数個取り付けてもよい。例えば、縦方向の振動と横方向の振動を別々に検出して研磨状態をさらに詳細に検出してもよい。また、振動検出素子１０の振動は縦方向の振動でなく、横方向又は円周方向の振動であってもよく、円周方向の振動については第８、９実施形態で詳述する。また、振動検出素子１０の取り付け場所を上側定盤３でなく下側定盤３としてもよい。その取付け箇所については、以下の実施形態でも同様に適用される。

（第２実施形態）
図１１は、本発明の第２実施形態を示す側面図である。

本実施形態では、図１１に示すように、セラミックや水晶等の圧電材料からなる振動検出素子（加速度素子）１８を上側定盤３の中間層に介在させている。これにより、被研磨物Ｗの研磨面に垂直な振動は勿論のこと、研磨面の面に沿って生じる捩れ方向の摩擦、即ち「ずり摩擦力」を検出できる。ずり摩擦力は、研磨面の一部が局所的に平坦化すると急激に減少するので、全体的に均一に研磨したい場合には、急激に減少しないように研磨条件（例えば研磨圧力、研磨速度）を調整して研磨のバラツキを解消させる。

この実施形態の振動検出素子１８は、第１実施形態と同様に送信機１３に接続される。また、この振動検出素子１８は、研磨布１に励振部５を有しない研磨装置にも適用してもよい。

（第３実施形態）
図１２は、本発明の第３実施形態を示す側面図である。

本実施形態では、図１２に示すように、歪みゲージのようなフィルム状の圧力センサ１９を被研磨物Ｗと上側定盤３の間に介在させている。これにより、被研磨物Ｗが研磨面に垂直な方向に受ける圧力変化を電気抵抗の変化として検出することにより、垂直方向の振動周波数や振動強度を検出できる。この圧力センサ１９として圧力分布を検出できるタイプのものを用いてもよい。

この実施形態の振動検出素子１８は、第１実施形態と同様に送信機１３に接続されるが、研磨布に上記した励振部を有しない研磨装置にも適用できる。

（第４実施形態）
上記した実施形態では被研磨物を上側定盤に取り付け、研磨布を下側定盤に貼り付けるようにしたが、図１３に示すように、被研磨物Ｗを下側定盤２に取り付け、研磨布１を上側定盤３に貼り付けるようにしてもよい。

この実施形態でも、研磨布１には励振部５が設けられ、また振動検出素子１０及び送信機１３が上側定盤３に取り付けられている。

なお、本実施形態でも研磨布１には第１実施形態と同様に第二の溝６を形成したり、上側定盤３や下側定盤２には空洞からなる共振部２ａ，３ａを設けてもよい。

（第５実施形態）
上記した実施形態では、シャフトで上側定盤を回転する機構となっているが、図１４に示すように、回転機構のない上側定盤２０を使用するいわゆるデッドウェイト型の研磨装置を使用する場合にも、上側定盤２０に振動検出素子１０や送信機１３を搭載してもよい。この場合、下側定盤２上の研磨布１に励振部５を設けたり、上側定盤２０や下側定盤２に空洞からなる共振部を設けてもよい。

なお、図１４において、図１と同一符号は同一要素を示している。

（第６実施形態）
図１５は、本発明の第６実施形態の側面図である。本実施形態では、電池を使用せずに送信機に電力を供給する構造と、送信機と受信機を無線で接続する構造を有する研磨装置を示す。図１５において図１と同一符号は同一要素を示している。

図１５において、シャフト９の上には、モーターを有するシャフト駆動部２１が取り付けられ、このシャフト駆動部２１は弾性体２２を介して揺動装置２３に取り付けられている。揺動装置２３は、ベルト２４に接続されて研磨布１ａの上面に沿って縦横に移動可能に配置されている。

また、上側定盤３には振動検出素子（例えば加速センサー) １０が、上側定盤３の中心から定盤半径の１／４〜３／４だけ離れた位置に取り付けられている。また送信機１３が取付けられた筐体８の外周面には送信機１３に接続された送信用アンテナ２５が少なくとも１周形成されている。また、揺動装置の外周面には受信用アンテナ２６が少なくとも１周形成され、受信用アンテナ２６は弾性体２２及びベルト２４に沿って配置された信号線２７を介して図１に示した受信機１４に接続される。なお、受信用アンテナ２６は、接地されたシールド線２７ａに囲まれている。

一方、シャフト９の周囲には、その表面から絶縁された環状導体２８が形成され、この環状導体２８には導電性のブラッシ２９が接触しており、導電性ブラッシ２９は外部に引き出される電力供給用配線に接続されている。また、環状導体２８からはシャフト９の内部又は外部に沿って電線３０が引き出されており、その電線３０は送信機１３の電源端子に接続されている。その電線３０は絶縁物によって被覆されている。

なお、上側定盤３を筐体８に支持するための弾性部７が絶縁体である場合には、上側定盤３と送信機１３の間にはアース電位を確保するために上側定盤３を導電体により形成するか或いは上側定盤３の表面に金属を蒸着してそれらをアース線に接続する必要がある。これにより接地電位であるシャフト９の長さ方向に引かれる電線３０は１本で足りることになる。

このような研磨装置によれば上側定盤３をシャフト９により回転する場合でも、送信機１３から出力された信号は上側定盤３の周囲にある略環状の送信用アンテナ２５を通して無線で送信される。その無線信号は、シャフト駆動部２１の周囲の略環状の受信用アンテナ２６を介して図１に示す受信機１４に入力することになるので、無線信号がシャフト９によって妨害されることがなくなる。この場合、揺動装置２３が揺動しても送信用アンテナ２５と受信用アンテナ２６は同時に揺動し、そのうちの送信用アンテナ２５が回転する。なお、受信用アンテナ２６は回転することはない。

送信用アンテナ２５と受信用アンテナ２６は、それらのうちの一方をシャフト９の周囲に略環状に配置すれば送受信が可能になる。しかし、シャフト９の揺動による送受信状態の不安定性を避けるためには、上記したように送信用アンテナ２５と受信用アンテナ２６の双方を環状にした上で、それらを同軸上に配置することが好ましい。

一方、送信機１３で消費される電力は、シャフト９に沿って配置された電線３０を通して供給されるので、送信機１３に電力を供給するための電池の交換の手間が不用となり、しかも、電力不足による研磨の中断を回避してスループットを向上することができる。

なお、研磨布１ａは、第１実施形態のように励振部が形成されたものであってもよい。また、電力供給系統及び信号伝達系統以外は、第１実施に示した構造を採用してもよい。

（第７実施形態）
第１実施形態や第６実施形態に示した研磨装置を複数台使用して、複数の被研磨物を並行して研磨する場合に管理システムを構築する必要があるので、その実施形態を図１６に基づいて説明する。

図１６において、上記した構造を有する複数の研磨装置ｍ_１〜ｍ_ｎには、周波数の異なる信号ｆ_１〜ｆnを送信する上記した送信機１３が取付けられ、送信機１３にはそれぞれ上記した振動検出素子１０が接続されている。また、それらの送信機１３は、フィルターにより特定の振動周波数帯域のみを送信するように構成されている。

各送信機１３から出力された信号は送信用アンテナ２５及び受信用アンテナ２６を介して無線で伝搬される。

送信用アンテナ２５の上方の受信用アンテナ２６に入力した周波数の異なる信号ｆ_１〜ｆnは合成器３１を介して受信機３２に入力するようになっている。受信機３２は、信号解析部３３が一定量の受信データを要求する毎に複数の送信機１３の信号ｆ_１〜ｆnを時分割で順に同調して、同調した信号を信号解析部３３に送信するとともに、オートチューニング（自動周波数制御) 機構を有している。オートチューニング機構は、同調すべき信号の周波数の変動を参照周波数の範囲内に自動的に保持する機構なので、各信号ｆ_１〜ｆnの周波数が温度変化などにより僅かにずれても、受信不能といった不都合が回避される。このため、送信機１３の送信周波数が温度変化などによって変動しても、常に最良の受信状態で受信される。

また、受信機３２は、同調した信号と同一か最も近い周波数の信号ｆ_１〜ｆnとして信号解析部３３に伝送するので、信号解析部３３での信号処理は正常に行われる。

信号解析部３３では、時分割された信号ｆ_１〜ｆnの情報に基づいて各研磨装置ｍ_１〜ｍ_ｎの駆動制御部１７を制御して定盤の駆動、停止や圧力調整、或いは定盤の回転数の調整を行ったり、又はドレッサーを駆動、停止する。

なお、チューニングは、周波数の大きさ順に行ってこれを何度も繰り返す。

以上により、複数の研磨装置を効率良く且つ最適に管理することができる。

（第８実施形態）
本実施形態では、研磨面の円周方向（又は回転方向）の振動によって研磨を制御する研磨装置について説明する。図１７は、第８実施形態を示す研磨装置の側面図であり、図１８は、ヘッドの底面図を示している。図１７において、図１及び図１５と同一符号は同一要素を示し、また、図示しない部分は図１及び図１５の何れかと同じ機構となっている。

本実施形態において、エアバック式の筐体８と上側定盤３を接続する弾性体７は特に材料を限定されるものでないが、布を挟み込んだ多層構造のゴムシートを使用したり、そのゴムシートを複数枚重ねたものを使用すれば機械的強度の大きいものが得られる。

上側定盤３の上には振動検出素子１０Ａが取付けられていて、図１８に示すように上側定盤３の円周方向の微小振動を検出する向きとなっている。その振動検出素子１０Ａは、その向きを変えることによって検知すべき振動の方向を選択できる構造となっている。前述した第１〜第７の実施形態における振動検出素子１０は上下の振動を検出する向きに配置されている。

振動検出素子１０は、信号線を介して筐体８上の送信機１３Ａに接続されている。送信機１３Ａの信号出力端は筐体８外周面の環状の送信用アンテナ２５に接続され、また、送信機１３Ａの電源端は図１５で示した環状導電体２８に接続されている。送信用アンテナ２５から出力される無線信号を受ける側の機構は、図１５で示した環状の受信用アンテナ２６を含む構成となっている。

なお、図１７中符号３４は、後述する第１のアンプ３４ａとフィルタ３４ｂと第２のアンプ３４ｃを集積した回路を示している。

その送信系と受信系の回路は図１９のようになる。

振動検出素子１０Ａは、第１のアンプ３４ａとフィルタ３４ｂと第２のアンプ３４ｃを介して送信機１３Ａに有線で接続されている。振動検出素子１０Ａは、５０ｍＶ／Ｇ（約５０μＶ／ガル）相当以上の感度であってノイズレベルが１ｍＧ（約１ガル）相当以下のものが使用され、振動検出素子１０Ａとして加速度センサを使用する場合には、その共振周波数が２０ｋＨｚ以上であり、または、研磨の進行に伴って振動強度が変化する周波数に共振をもつものである。

第１のアンプ３４ａは増幅率５００、フィルタは１０Ｈｚ〜３０ＫＨｚのバンドパス、第２のアンプ３４ｃは増幅率１／５０の特性のものが使用され、送信機１３Ａとして例えばＦＭ送信機が用いられる。

そのアンプ３４ａ，３４ｃはそれぞれ市販のオペアンプを適用できる。また、フィルタ３４ｂは、研磨条件や被研磨物の変化や研磨装置改造による振動モードの変化にすぐに対応できるように、グラフィックイコライザのように中心周波数の異なるバンドパスフィルタを複数個組み合わせたものを使用したり、或いはプログラマブル・バンドパスフィルタを使用し、各振動周波数帯域の透過率を変えるようにしてもよい。グラフィックイコライザを用いたフィルタの特性の一例を図２０に示す。なお、各バンドパスフィルタは、それぞれ、減衰率が３４ｄＢ／ｏｃｔ以上、帯域幅が中心の周波数と同等以下又は１ｋＨｚ程度のものを使用することが好ましい。

一方、受信系では、受信用アンテナ２６に接続された受信機１４は、図１に示す信号解析部１５、駆動制御部１７を有する処理部３５を有し、処理部３５はＦＦＴアナライザ又はＣＰＵボード又は所謂パソコンによって構成される。処理部３５は例えば１０Ｈｚ程度から３０ｋＨｚ程度までの振動周波数のスペクトルを得るようにする。

以上は研磨固有の振動を測定するための構造について説明しているが、実際には、下側定盤２や上側定盤３を回転するためのモータなどの振動が振動検出素子１０Ａに入力する。そこで、研磨装置自体の振動が原因となる上側定盤３の振動が５０ｍＧ（約５０ガル）以下になるような構造にすることが好ましい。５０ｍＧ以下か否かを判断する方法として、被研磨物Ｗとして平坦なウェハを用いた場合に上側定盤３に及ぼす研磨振動を測定すればよい。

次に、上記した構造の研磨装置を使用して研磨終点を検出することについて説明する。

まず、下側定盤２と上側定盤３を回転させるとともに、下側定盤２の下に貼り付けた被研磨物Ｗを下側定盤２上の研磨布１に押しつけて被研磨物Ｗの研磨を開始する。研磨布１は第１実施形態で説明したような格子状の溝４と振動部５を有している。

上側定盤３の円周方向の０〜２５ｋＨｚの振動の周波数とその振動の強度の関係が研磨時間によってどのように変化するかを調べたところ図２１のような結果が得られ、研磨が進むにつれて振動周波数の帯域全体で振動強度が低下することがわかる。

このことから、振動検出素子１０Ａによって検出された振動信号は、送信機１３Ａ、受信機１４などを介して処理部３５に入力する。処理部３５では、基準値であるリファレンススペクトルと測定中の振動信号とを比較し、例えば、特定の周波数域における振動強度の積分値とリファレンススペクトルの積分値との比が所定の閾値以下になったとき、或いは、特定の周波数域の振動強度の積分値の時間変化量が所定の閾値以下になったときに、研磨の終了と判定する。

振動信号の検出精度は、無線送信機１３Ａの性能に大きく影響する。第１及び第２のアンプ３４ａ，３４ｃとフィルタ３４ｂに要求される特性や送信する振動信号は次のような手順を踏んで決定される。

まず、有線で上側定盤３の振動強度を測定する。次に、振動強度信号を増幅した電圧がフィルタ３４ｂの許容入力電圧を越えないような値となるように第１のアンプ３４ａの増幅率を決定する。さらに、フィルタ３４ｂを通過した振動強度信号を増幅して得られる電圧が送信機１３Ａの許容入力電圧を越えないような値になるように第２のアンプ３４ｃの増幅率が決定される。

また、フィルタ３４ｂの振動強度周波数の透過周波数帯域を決定する場合にはまず、実際に研磨を行いながら無線送信し、研磨が進行しても振動強度が変化しない振動周波数を調べ、この振動周波数を透過させないような透過周波数帯域を決定する。研磨が進行しても振動強度が変化しない振動成分は、研磨装置自身に起因する振動ノイズである。

研磨布１の劣化や研磨液の濃度変化は、予め測定しておいたスペクトルと実測のスペクトルの形状を比較することにより知ることができる。これらの情報が不要であって研磨終点のみを知りたい場合には、送信機１３Ａの前段で特定の周波数域の振動強度信号をその実効値に対応する直流信号に変換し、これを送信機１３Ａから受信機１４に送るようにしてもよい。

また、振動信号を無線送信する際に振幅レンジを拡大するために、振動信号を対数アンプ３４ｃで増幅してから送信機１３Ａで無線送信し、その無線信号を受信機１４で受信した後にその受信信号を処理部３５内の逆対数アンプで元の信号を再現するようにしてもよい。

なお、本実施形態では、図１５に示すと同じように環状導電体２８を使用して発振器１３Ａに電力を供給する構造となっているが、電池を使用する構造としてもよい。また、送信機１３Ａは、無線でなく、電源供給用に使用した環状導電体２８と同じ構造の信号用環状導電体を使用して有線で受信機１４に送信してもよい。さらに、送信機１３Ａは、筐体８の外部に取り付けているが、振動検出素子１０と同様に筐体８内の空洞の内部に取り付けてもよい。

図１７では、１個の下側定盤２の上に１個の上側定盤３を配置したが、１個の下側定盤２の上に複数個の上側定盤を配置したり、或いは下側定盤２と上側定盤３の組を複数備えた研磨装置を使用する場合には、研磨の進行や終了を各ヘッド毎に上記した構成を設けて、各々独立に研磨を制御するようにする。

本実施形態で説明したアンプやフィルタは、第１〜第７の実施形態の研磨装置に適用してもよい。

（第９実施形態）
上記した第８実施形態では、１つの振動検出素子１０Ａを取付ける場合について説明したが、振動検出素子１０Ａと同じ重さの錘又は第２の振動検出素子を上側定盤３の上に振動検出素子１０Ａと中心対称にして取付けると、回転する上側定盤３のバランスがよくなって回転時の振動が安定する。

第２の振動検出素子を取付けた装置を示すと図２２のようになり、この構成では以下に示すような回路構成を採ることによって２つの振動検出素子１０Ａ，１０Ｂの振動ノイズを低減できる。

その振動ノイズは測定方向に対して直角方向の振動成分によるものである。振動検出素子１０Ａ，１０Ｂは、一般に、測定方向に対して直角方向となる振動成分に数％の感度を有する。本実施形態において、その直角方向の振動成分は縦方向の振動である。

図２２において、２つの振動検出素子１０Ａ，１０Ｂにそれぞれ入力する２つの縦方向の振動ノイズは、図２３(a),(b)に示すように逆方向の場合と、図２４(a),(b)に示すように同方向の場合がある。

図２３に示すような逆方向で縦の振動ノイズが生じる場合には図２５(a)に示すように、振動検出素子１０Ａ，１０Ｂの出力端に接続された第１のアンプ３４ｄ，３４ｅの出力端に加算器３６を接続し、その加算器３６の出力端をフィルタ３４ｂに接続することになる。この場合、図２２(a)の実線の矢印で示すように、２つの振動検出素子１０Ａ，１０Ｂはそれぞれ上側定盤３の回転振動を同一円周方向で検出するように配置する。

このような振動検出素子１０Ａ，１０Ｂの配置にして、第１のアンプ３４ｄ，３４ｅの出力側に加算回路３６を挿入することによって縦方向の振動ノイズを打ち消して低減することができ、しかも、フィルタ３４ｂに入力する円周方向の振動強度が２倍になるのでＳ／Ｎ比が改善される。

これに対して、図２４(a),(b)に示すような同方向の縦の振動ノイズが生じる場合には図２５(b)に示すように、振動検出素子１０Ａ，１０Ｂの出力端に接続された第１の増幅器３４ｄ，３４ｅの出力端に減算器３８を接続し、その減算器３８の出力端をフィルタ３４ｂに接続する。この場合、図２２(a)の破線の矢印で示すように、２つの振動検出素子１０Ａ，１０Ｂはそれぞれ上側定盤３の回転振動を逆方向で検出するように配置する。

このような振動検出素子１０Ａ，１０Ｂの配置にして、第１のアンプ２４ｄ，３４ｅの出力側に減算器３８を挿入することによって逆向きの振動ノイズを加えて振動ノイズを低減できる。しかも、逆方向に検出された円周方向の振動強度は、減算器３８によって絶対値が２倍になるので、フィルタ３４ｂに入力する円周方向の振動強度が２倍になり、Ｓ／Ｎ比が改善される。

上側定盤３が、図２３(a),(b)に示すような縦振動となるか或いは図２４(a),(b)に示すような縦振動になるかは研磨装置や研磨条件によって異なるので、予めどちらの縦振動をとるかを調査しておく必要がある。そのような縦の振動は、２つの振動検出素子１０Ａ，１０Ｂの取付け方向を変えたり、信号の加算器と減算器を入れ換えて、一番ノイズの少ない構成を選べばよい。

なお、本実施形態では、円周方向の振動成分を検出対象とし、縦方向の振動成分を除くようにしたが、縦方向の振動成分を検出対象とする場合には、円周方向の振動成分を除去対象とするが、この場合には２つの振動検出素子の向きを調整する必要がある。

（第１０実施形態）
図２６は、本発明の第１０実施形態を示す側面図である。

本実施形態は、研磨中にゴミにより研磨面が傷つくことを防止するとともに、ゴミの除去を容易にするものである。研磨面を傷つけるようなゴミとしては、研磨液に含まれる酸化シリコンが乾燥して固まったものや、被研磨物のかけらなどがある。

図２６において、デッドウェイト型の上側定盤４１を使用し、その表面には加速度検出素子（振動検出素子）４２が取り付けられている。また、上側定盤４１の下には被研磨物Ｗとして例えば半導体ウェハを張りつけ、これを下側定盤４３に張り付けられた研磨布４４の上に載置する。

また、下側定盤４３の側部には光反射率が高いマーカー４５が取付けられ、マーカーが所定位置に有るか否かは下側定盤４３の側方のマーカー位置検出器４６によって検出される。マーカー検出器４６は発光素子と受光素子を有し、マーカー４５による反射光により受光量が増加するので、マーカー４５の有無が検出される。

上側定盤４１の加速度センサー４２の信号は、第１実施形態で示した送信機１３、受信機１４を介して信号解析部１５に入力される。

上記した研磨装置において、下側定盤４３を回転させて研磨布４４により被研磨物Ｗを研磨する。この場合、被研磨物Ｗは図示しないアームによって一定の方向に移動される。そして、マーカー４５が１回転する間に加速度センサー４２によって検出された上側定盤４１の振動情報を図１に示す送信機１３、受信機１４を介して信号処解析部１５に少なくとも１度、或いは連続して入力する。

正常に研磨がなされる場合には図２７(a)のような振動周波数と振動強度のスペクトルが得られるが、研磨布４４上のゴミによって被研磨物Ｗの研磨面が傷付くと図２７(b)のように一部の周波数で振動強度が増加する。増加の判断基準となるスペクトルは、予め調べておいてもよいし、傷付く前のスペクトルを用いてもよい。

そのような、振動強度の異常によってゴミの存在が明らかになった場合に、駆動制御部１７は、ノズル１１を通して水を研磨布４４に供給させながらドレッサー１２を駆動して研磨布４４の表面からゴミを下側定盤４３の外部に排出させた後に、再び研磨を再開させる、といった制御を行う。

ところで、ゴミの位置を特定したい場合には次のような処理を行う。

研磨の際には、上側定盤４１の振動情報を信号解析部１５に連続して入力すると、マーカー検出器４６によってマーカー４３の検出時が分かるので、これを時間軸にマーカー位置として記録し、併せて異常信号を記録してゆくと、例えば図２８のような特性が得られる。マーカー位置は一定周期で現れるので、研磨面にゴミによる傷が発生した場合には、異常信号の発生時を時間軸に記録する。これにより、マーカー通過の時間的間隔とマーカー通過時から異常信号発生までの時間との割合から、研磨布４４の中心からマーカー４５を結ぶ線を基準にしてそこからゴミの発生した角度θが容易に求まる。

そこで、信号解析部１５は駆動制御部１７に駆動信号を送ってドレッサー１２２を駆動して、少なくともその角度θの法線に沿って研磨布４４の表面をドレッサー１２を駆動させるとゴミの除去が短時間で行われる。

また、ドレッサー後にも同じ位置で異常信号が発生したり、被研磨物Ｗを交換しても同じ位置で異常信号が発生するような場合には、研磨を即時停止するとともに異常信号を発生させて作業員に知らせ、作業員は異常信号の原因を取り除くことなる。これにより、次の被研磨物Ｗの研磨は正常な状態で開始することができるので、無駄に消費される被研磨物Ｗ、例えば半導体ウェハの数が減り、また研磨効率が良くなる。

ところで、図２８に示すように、マーカーの１周期以内で異常信号が止まれば異常信号がゴミによるものであることがわかる。しかし、１周期以上続く場合にはゴミ以外の原因による異常信号の発生の可能性が大きいので、この場合には信号解析部によって研磨を完全に停止させ構成にし、停止指令と同時に異常信号音を発するようにして作業員に知らせる必要がある。

（第１１実施形態）
本実施形態では、振動検出素子の出力のＳ／Ｎ比や振動検出素子に入力する振動のＳ／Ｎ比を改善するための装置を図２９〜図３５に基づいて説明する。振動検出素子に入力する振動のノイズは、被研磨物Ｗと研磨布１の摩擦によって生じる振動以外の振動であって主にモータから発生し、このようなノイズを以下にバックグラウンドノイズという。

なお、図２９〜図３５において、振動検出素子１０を上側定盤（ヘッドの底板）３の上面中央に置いているのは、被振動検出物Ｗと研磨布１の相対速度が安定して検出の誤差が小さくなるなるからである。本実施形態の基本的な構造は第１又は第７実施形態と同じであり、それらの実施形態と同じ符号は、同じ要素を示している。

図２９は、ヘッドの筐体８内の空洞において、防音／吸音材５０により間隙を介して振動検出素子１０を囲む構造を採用したものである。防音／吸音材５０は、上側定盤３が自由に振動できるような蛇腹式スプリング、ゴム等の弾性材や多孔性樹脂などにより構成されている。

このような構成を採用することにより、筐体８内の空間を伝達するバックグラウンドノイズを防音、吸音して、振動検出素子１０に入力するＳ／Ｎ比を向上することができる。しかも、防音／吸音材５０と振動検出素子１０の間に間隙が形成されているので、防音／吸音材５０と振動検出素子１０の摩擦による新たなノイズが発生することがない。

上側定盤３の固有振動周波数とバックグラウンドノイズの振動周波数とを一致させないようにすると、さらにＳ／Ｎ比が改善される。

なお、図２９中符号５１は、被研磨物Ｗの厚さバラツキを吸収するために上側定盤３と被研磨物Ｗの間に介在されたインナーシートを示している。

図３０は、図２９に示した振動検出素子１０と上側定盤３の間に共振板５２を介在させた装置である。共振板５２は、測定しようとする特定の振動周波数で共振するもので、例えばスプリングコイルなどから形成されている。

これによれば、共振板５２の共振周波数と相違する周波数のバックグラウンドノイズは、共振板５２によって遮蔽されて振動検出素子１０への入力が妨げられるので、振動検出素子１０への入力のＳ／Ｎ比は向上する。

図３１は、図３０に示した共振器１０の側方にアンプ５３を取り付けた装置である。

振動検出素子１０自体のインピーダンスが高い場合に、アンプ５３との接続配線が長ければ振動検出素子１０の出力信号にノイズが入り易くなるが、共振器１０とアンプ５３を上側定盤３上に取り付けることによりその接続配線を短くして振動信号に加わるノイズを大幅に低減でき、これによりＳ／Ｎ比が改善される。

図３２に示す研磨装置のヘッドにおいて、上側定盤３とインナーシート５１の双方にはそれらを貫通する孔５４が形成されており、その孔５４の中には振動検出素子１０と被検出物Ｗに接触する振動伝達用針５５が挿通されている。研磨布１との摩擦によって被検出物Ｗに生じた振動は、インナーシート５１によって吸収されずに振動伝達用針５５を介して振動検出素子１０に伝達されるので、振動検出素子１０に入力する振動強度が大きくなってＳ／Ｎ比が向上する。

図３３は、図２９に示した振動検出素子１０と上側定盤３の間に振動板５６を介在させ、且つ筐体８の上にバックグラウンド測定用の第２の振動検出素子５７を搭載した装置である。第２の振動検出素子５７から出力されたバックグラウンドノイズの信号は、振動制御部５８によって逆位相に変換された後に、その振動制御部５８によってその逆位相の信号と同じ波形で振動板５６を振動させるようにした装置である。振動板５６は、例えばピエゾ素子などの圧電材料から形成されたものがある。

この装置によれば、振動板５６により発生する振動は、振動検出素子１０に入力するバックグラウンドノイズを打ち消すので、研磨布１と被研磨物Ｗにより発生する振動を選択的に振動検出素子１０に入力することが可能になり、Ｓ／Ｎ比が大幅に向上する。

ところで、振動検出素子１０の共振周波数ｆ_０はそれ以外の周波数に比べて５〜１０倍の感度がある。しかし、検出しようとする振動の周波数ｆ_１がその共振周波数ｆ_０と一致しない場合がある。この場合には、図３４に示すように、検出した周波数ｆ_１の振動を周波数変換回路５９に入力して、この周波数変換回路５９により検出した振動周波数ｆ_１と同じ強度又は比例した強度で振動板５６を周波数ｆ_０で発振させ、その周波数ｆ_０の振動を振動検出素子１０にフィードバックすることにより、高感度な振動検出が可能になる。この場合、振動数ｆ_０の振動について第１又は第６実施形態で示したような処理を行う。

図３５は、図２９に示した振動検出素子１０を上側定盤３の上に複数個配置するとともに、それらの振動検出素子１０と上側定盤３の間に個々に振動板５２を介在させた装置である。そして、各振動板５２に一定の信号を加えることにより、振動検出素子１０の感度の検査を行って検出しようとする振動の周波数に対し最も感度が良い振動検出素子１０を図示しない選択回路により選択するようにしている。

これにより振動検出素子１０の特性のバラツキを回避するとともに、劣化した振動検出素子１０の代わりに電気回路によって別なものに選択することができ、振動検出素子１０の交換作業の手間を軽減することができる。

Ｓ／Ｎ比を改善する上記以外の方法として、振動検出時に研磨装置の一部又は全てのモータの電源供給を停止させてもよく、これによれば、バックグラウンドノイズは大幅に減少する。その停止時間は数秒以下とし、この程度の時間であればヘッド及び下側定盤２は慣性によって回転するので研磨処理は続行される。また、振動検出には数秒以下の時間あれば十分であり、振動検出に支障はない。そのモータの電源供給の停止は、図１に示すような駆動制御部１７の制御信号によって行われる。

また、振動検出素子１０の出力は、第８実施形態に示したようなアンプ、フィルタを通して外部に取り出すか、或いはＡ／Ｄ変換してから外部に取り出すことにより、信号伝達系で生じるノイズを低減することができる。Ａ／Ｄ変換した信号を無線送信する場合には、図１７に示す発振器１３Ａと振動検出素子１０Ａの間にＡ／Ｄ変換器（不図示）を介在させる。

さらに、ヘッドが揺動しているような場合には、ヘッドの方向が変化する場所ではその揺動によるバックグラウンドノイズが大きくなるので、振動の検知を避ける。

なお、各振動検出素子の一例として米国バイブロメータ社の圧電素子加速センサーの型名CE507M101、CE507M301があり、これらのセンサーを使用する場合には、図３６に示すように、高感度が得られる共振周波数ｆ_０で振動強度を検出するのが好ましい。このことは上記した各実施形態についても適用できる。

次に、測定結果を図３７及び図３８に示す。

図３７は、振動の周波数スペクトルが研磨時間の経過とともにどのように変化すかを示す一例である。これによれば、研磨時間の経過とともに、振動強度が低下することがわかる。

図３８は、図３７のようなスペクトルにおいて、特定の周波数範囲のスペクトルを積分し、一定時間経過毎の積分値の差を算出して記載したものである。これによれば、研磨時間経過とともに、積分値の変化量が小さくなって研磨による平坦化が進行していることがわかる。積分値の変化が無くなった時が研磨の終点となる。この終点の判断は上記した各実施形態についても適用できる。

（第１２実施形態）
図３９(a)は、本発明の第１２実施形態に係る研磨装置の機械部分を示す断面図、図３９(b)は、下側定盤を示す平面図である。図４０は、本発明の第１２実施形態に係る研磨装置の信号処理部分を示す回路図である。なお、これらの図において、図１、図１５と同じ符号は同じ要素を示している。

図３９(a)において、シャフト駆動部２１の側方には上側定盤３の位置を検出する位置検出器６１が配置されている。この位置検出器６１は、シャフト駆動部２１に取り付けた検知板６２に光を照射する発光素子６１ａと、検知板６２からの反射光を受光する受光素子６１ｂを有している。位置検出器６１は、受光素子６１ｂの入射光量に応じてシャフト駆動部２１からの距離Ｌを測定し、その測定データを後述するコンピュータ７７に入力するものである。発光素子６１ａとしては例えば半導体レーザを使用し、受光素子６１ｂとしてはフォトダイオードを使用する。

下側定盤２には、縦横に複数本の溝４ａが切られている研磨布１ｄが張り付けられており、研磨布１ｄは、下側定盤２とともにモータＭによって研磨時に回転される。その研磨布１ｄ上では、研磨の際に、上側定盤３が点ａと点ｂの間を往復動し、さらに上側定盤３は定速で回転するようになっている。その上側定盤３の往復動及び回転は、弾性体７、筐体８、シャフト９を介してシャフト駆動部２１から伝達される。シャフト駆動部２１の動作は第１実施形態と同様にして駆動制御部１７によって制御される。

上側定盤３に取り付けられた振動検出素子１０の出力端は、図４０に示すように、整流器６３を介して電圧が印加され、さらにコンデンサ６４、アンプ６５、ローパスフィルタ６６及びハイパスフィルター６７を介してＦＭ送信機３４Ｂに接続されている。振動検出素子１０から出力された振動信号は、コンデンサ６４で機械的及び電気的ノイズが除かれ、アンプ６５により増幅された後に、ローパスフィルタ６６とハイパスフィルタ６７によって特定振動数帯域に狭められてＦＭ送信機３４Ｂに入力する。その特定振動数帯域は、例えばローパスフィルタ６６が１８ｋＨｚ以上の振動信号を除去し、ハイパスフィルター６７が８ｋＨｚ以下の振動信号を除去するものである場合には、８ｋＨｚ〜１８ｋＨｚとなる。

ＦＭ送信機３４Ｂは、振動信号を筐体８周囲の送信用アンテナ２５から無線でＦＭ受信機６９へ送信する。

シャフト駆動部２１の周囲に取り付けられた受信アンテナ２６に入力した振動信号は、図４０に示すように、ＦＭ受信機６９で受信される。

ＦＭ受信機６９の出力端には記録装置７０が接続されていて、記録装置７０に格納された振動信号データは、データライブラリの作成、周波数解析、処理回路の調整などに利用される。また、ＦＭ受信機６９の出力端は、１ｋＨｚハイパスフィルター７１、第１のアンプ７２、整流回路７３、０．５Ｈｚローパスフィルター７４、第２のアンプ７５、Ａ／Ｄ変換器７６を介してコンピュータ７７に接続されている。そのハイパスフィルター７１は振動信号の直流成分をカットするもので、また、整流回路７３とローパスフィルター７４は振動信号の特定振動数帯域を積分して振動数の実効値を求めるものである。

上記したコンピュータ７７では振動信号を図４１のフローチャートに従って演算及び表示が行われる。

まず、上側定盤３の回転中心が研磨布面上を移動せずに、上側定盤３の回転のみによって研磨対象物Ｗを研磨する場合について説明する。

コンピュータ７７では、連続して入力する振動信号の実効値を１秒間に１０個の割合（１０Ｈｚ）で順次サンプリングし、ついで、サンプリングした１０個のデータＤ_１の平均値を計算し、その平均値を１つの点データＤ_２とする。

次に、点データＤ_２をそのまま経時的に画像表示すると凹凸の多い線が得られるので、その線を平滑に表示するために５つの点データＤ_２の平均値を求めて点表示データＤ_３を得る。この場合、演算された順に１つずつ点データＤ_２を繰上げながら５つの点データＤ_２の平均を求めるようにすると、点表示データＤ_３は１秒間に１個得られることになる。このような平均を移動平均という。

この移動平均により得られた点表示データは、順次、コンピュータの画像表示部７７Ｄに描かれ、点表示データが複数描かれることにより振動強度曲線が得られる。

ところで、サンプリングされたデータＤ_１は、上記した実施形態から推測されるように、上側定盤３が単に回転するだけの場合には研磨に進むにつれて緩やかに減衰していくことになる。

しかし、上側定盤３が回転以外の動作、例えば研磨布１ｄ上で往復動作を伴う場合には、点表示データＤ_３は図４２(a)の一点鎖線で示すように交流成分を含むようになるので、研磨の終点が検出しにくくなる。例えば、図４２(a)の一点鎖線の曲線を微分すると図４２(b)の一点鎖線のような曲線となるので、その微分値が零になった時点を研磨の終点として判断することはできない。

そこで、上側定盤３が研磨布１ｄ上で点ａ・点ｂ間で往復動作する場合には、１０Ｈｚでサンプリングした実効値のデータＤ_１をそれぞれ補正係数ηで割算する補正を行い、その後に点データＤ_２、点表示データＤ_３を求め、ついで点表示データＤ_３を画像表示部７７Ｄに表示すると、図４２(a)の実線で示す曲線が得られる。そしてその曲線の微分を示す曲線は図４２(b)の実線で示す曲線が得られる。通常、往復動作の周期は数十秒程度以上なので、点データＤ_２に対して補正関数で割算してもよい。

回転している上側定盤３が、図３９(b)に示すように、下側定盤２の回転中心Ｏ_０からの直径方向にある２つの点ａと点ｂの間を往復する場合には、距離ｒの時間的変化は図４３(a)のようになり、補正係数ηは図４３(b)のようなｒ²／ｒ_１ ²となる。例えば、点ａと点ｂ間の距離が３２mm、上側定盤３の移動速度ｖが２mm／秒である場合には、図４３(b)の波形の周期Ｔは３２秒となる。この場合のｒ_１は１３４mmである。

このような補正係数ηは次のようにして決定される。

研磨布１ｄの回転中心からの距離ｒにある研磨対象物Ｗの研磨面の微小部分Ｐが角速度ωで回転する研磨布１ｄにより擦られることを考えると、微小部分Ｐと研磨布１ｄとの相対速度はｒωの関数となる。この距離ｒは、位置検出器６１からの位置データに基づいて求められる。なお、微小部分Ｐは上側定盤３の回転中心とした。

また、研磨布１ｄの表面には図４４(a),(b)に示すように、一定の密度で溝４ｅ又は小孔４ｆが掘ってあるものがあり、この場合には、研磨布１ｄが１回転する間に微小部分Ｐが溝４ｅ又は小孔４ｆと接触する接触回数ｐはｒωの関数となる。また、図４４(c),(d)に示すように、溝４ｇ又は小孔４ｈが、研磨布１ｄの回転中心から放射状に拡がっている場合には、研磨布１ｄが１回転する間に微小部分Ｐが溝４Ｇ又は小孔４Ｈと接触する接触回数ｐはωの関数となる。なお、溝及び小孔が形成されていない研磨布を使用する場合には、微小部分Ｐの溝及び小孔による影響を考慮する必要がなくなる。

そこで、上記した相対速度ｒωと接触回数ｐとの積を補正関数ηとした。補正関数ηの基本は表１のようになる。

なお、研磨液の種類、研磨布の材料などの要因は研磨中には殆ど変化しないと考えられるので、補正係数ηには含めないことにした。また、上側定盤３が回転以外の動作を伴わない場合にはｒは一定であるのでｒを１とし、また、上側定盤３の回転数は研磨中に変化しないのが一般的であり、ωを１として補正関数ηを決めてもよい。さらに、補正関数ηは、係数を含むようなものであってもよい。例えば、図３９(b)、図４３(b)に示すように、距離ｒを距離ｒ_１（定数）で割ってもよい。

以上のように、補正されたサンプリングデータＤｓは、図４１に示すように、１０Ｈｚで平均化された後に、点データＤ_２に変換され、ついで、点表示データＤ_３に変換される。そして、点表示データＤ_３は、画像表示部７７ｄにおいて、例えば図４２(a)の実線のように研磨時間と振動強度の関係で表示される。

さらに、コンピュータ７７内では点表示データＤ_３に基づいて描かれた曲線の微分値（ｄＶ／ｄｔ）又は時間変化量ΔＶが演算される。その演算結果は、例えば図４２(b)の実線のように曲線として画像表示部７７ｄに表示される。

点表示データの時間変化量ΔＶの演算は、例えば、現在の点表示データＤ_３から１０個前の点表示データＤ_３を差し引いた値で示される。この例の場合、時間変化量ΔＶは、１秒間に１個のデータとなって表示される。

その微分値（ｄＶ／ｄｔ）又は時間変化量ΔＶが零又はそれ以上になった時点を研磨終点とし、その終点検出結果は画像表示部７７Ｄに表示される。

以上のような演算及び表示を行うコンピュータ７７は、第１実施形態で示す駆動制御部１７として機能するので、研磨終点を検出した時点で研磨の停止をシャフト駆動部２１に指令する。

ところで、上側定盤３が研磨布１ｄ上で２点ａ，ｂ間を往復する軌跡は、研磨布１ｄの回転中心Ｏ_０から直径方向にあるとは限らない。例えば図４５(a)に示すように、直径方向に直交する直線状の軌跡となって存在したり、或いは図４６(a)に示すように、ロボットのアームによって上側定盤３が揺動されて、上側定盤３の軌跡が円弧状になることもある。

これらの場合、上側定盤３の回転中心と研磨布１ｄの回転中心Ｏ_０の間の距離ｒは、図４５(a)に示す軌跡の場合には図４５(b)のように時間的に変化し、また、図４６(a)に示す軌跡の場合には図４６(b)のように時間的に変化する。

コンピュータ７７においては、位置検出器６１によって検出されたデータに基づいて実効値測定時の距離ｒを演算し、補正関数ηとして利用する。

ところで、上側定盤３に回転動作だけを付与した場合には、補正関数ηを考慮する必要はなく、その点表示データによる曲線は図４７(a)のようになり、その微分値を示す曲線は図４７(b)のようになる。なお、図４７(a),(b)における曲線Ａは、ＴＥＯＳを使用して形成されたSiO_２膜を研磨した状態を示し、また、曲線Ｂは、そのSiO_２膜の上にさらに窒化シリコン膜を形成した後にそれらの膜を研磨した状態を示している。

なお、上記した説明では、上側定盤３の振動強度に基づいて研磨終点を検出することについて説明した。しかし、研磨の進行状況は、シャフト駆動部２１に内蔵したモータのトルクの変化としても捕らえられる。従って、上記したようにトルクの実効値を求めて、その実効値をサンプリングしたり補正する手段によって研磨状況を把握したり、終点検出をすることができる。

（第１３実施形態）
本実施形態では、ヘッドと研磨布の摩擦による振動（音）を測定するのではなく、ヘッドと研磨布の摩擦力の変化に基づいて研磨状態や研磨終点を測定するようにした装置の一例を示す。

図４８は、第１２実施形態の要部を示す断面図及び底面図である。図４８において、図１、図１５、図１７と同じ符号は同じ要素を示している。

図４８(a),(b)において、研磨布１が上面に貼り付けられた下側定盤２は、シャフト駆動部２１によって所定の回転数によって回転される。また、研磨布１の上面に押しつけられて研磨される被研磨物Ｗは、エアバック式のヘッドの底部にある金属製の上側定盤３の下面にインナーパッド５１を介して貼り付けられている。上側定盤３の周囲には側壁３ｂが固定され、その側壁３ｂとヘッドの筐体（支持体）８は弾性部７を介して接続されている。筐体８の中央には、筐体８を回転させるための筒状のシャフト９が取付けられている。また、シャフト９及び筐体８の周囲には、筒状のヘッドカバー８０が回転不可能に取り付けられており、ヘッドの研磨液による汚染が防止されている。

上側定盤３の上面には、上側定盤の横方向の変位（ずれ）量を縦方向の変位量に変換するための傾斜面（不図示）が形成されている。

筐体８の底面には、上側定盤３の側壁３ｂの変位を検出するための第１の変位検出器８１が取り付けられ、また、ヘッドカバー８０の底面には上側定盤３の側壁３ｂの変位を検出するための第２の変位検出器８２が取り付けられ、さらに、上側定盤３の傾斜面の上方にある筐体８内の天井面には、傾斜面との距離の変位を検出するための第３の変位検出器８３が取り付けられている。

第１、第２及び第３の変位検出器８１〜８３は針の伸縮によって変位量を検出する触針式変位計や、上側定盤側壁３ｂとの距離の変化によるキャパシタの変化量によって変位量を検出する容量式変位計や、上側定盤側壁３ｂとの距離の変化による磁束密度の変化量によって変位量を検出する渦電流変位計、光の反射によって距離を検出する光学式変位計などがある。

このような第１〜第３の変位検出器８１〜８３は、図４８(b)のヘッドの底面図に示すように複数個配置してもよいし、１つずつ配置してもよい。また、第１〜第３の変位検出器８１〜８３は、図４８(a),(b)のように全て設ける必要はなく、少なくとも１つ取り付ければよい。

第１〜第３の変位検出器８１〜８３の出力は、図１９に示すようなアンプ３４ａ，３４ｃ、フィルタ３４ｂを介して送信機１３ｂに接続され、送信機１３ｂから発振された検出信号は受信機１４を介して処理部３５に入力するように構成され、処理部３５は、変位信号の変化によって研磨終点を判断したり、研磨条件を変えることになる。

なお、特に図示していないが、上記した実施形態と同様に研磨液供給用ノズルやドレッサが研磨布１の上方に配置されている。

また、第１及び第２の変位検出器８１、８２に研磨液や水がかからないように透明なカバーで保護するようにしてもよい。第３の変位検出器８３は、筐体８内に配置されるのでカバーは不要である。

次に、このような研磨装置を使用した研磨終点検出について説明する。

まず、平坦な標準ウェハをインナーパッド５１の下面に取り付けて研磨動作を行わせると、上側定盤３の位置は図４９(a)から図４９(c)のように変化する。この時の第１〜第３の変位検出器８１〜８３の変位信号を規準信号として記録する。標準ウェハは規準信号測定後に外される。

次に、被研磨物Ｗとして層間膜が形成されたウェハをインナーパッド５１の下面に取り付けて研磨作業を行わせると、図４９(a)の位置に存在した上側定盤３は筐体８の移動にともなって図４９(b)のように変位する。このような上側定盤３な変位が生じるのは、被研磨物Ｗと研磨布１との摩擦が大きいので上側定盤３周囲の弾性体７に加わる応力が大きくくずれるからである。このため、上側定盤３が筐体８の移動方向に引かれるように偏ってしまう。これを初期状態とし、このとき第１〜第３の変位検出器８１〜８３により検出された変位量を最大値とする。

そして、研磨を続けると時間の経過とともに被研磨物Ｗと研磨布１との摩擦が少しずつ小さくなり上側定盤３は図４９(c)のように筐体８の中央寄りに位置するようになる。さらに上側定盤３の変化も小さくなって、図５０に示すように、第１〜第３の変位検出器８１〜８３により検出される変位の変化量も徐々に小さくなり遂には変化量が零又は零に近くなり、この状態で研磨を停止する。研磨の停止は、筐体３を持ち上げることにより研磨圧力を低減するか被研磨物Ｗを研磨布１から離すことで行う。

なお、上側定盤３の変位の変化量によって終点検出がし難い場合には、図５１に示すように、変位量と規準信号を比べて一致した時点あるいは差がほとんどなくなった時点を研磨の終了点としてもよい。終点検出がし難い例として、例えば被研磨物Ｗ内に終点検出のための異物質を形成している場合に、平坦化されてその異物質が露出したときにさらに変位が増加することがある。

このような定盤の変位を調べる場合には、変位検出器８１〜８３の出力信号の変化は緩やかであって直流成分として測定すればよい。また、筐体８、上側定盤３及び研磨布１の回転に伴って変位検出器８１〜８３の検出信号が数十Ｈｚの低周波の場合にはその低周波成分のみを検出信号として抽出すればよい。バックグラウンドノイズのような高周波信号はフィルタによって除去されるので、変位検出器８１〜８３の感度は振動検出素子１０に比べて高くなる。そのように検出信号が直流の場合、或いは周波数帯域が０〜１００Ｈｚ前後と狭い場合には、高周波の場合よりも検出器への伝達精度が良いので、上記した振動測定の場合に比べて高感度測定が可能になる。

ところで、第１の変位検出器８１は、ヘッドと同期して回転しているので、上側定盤３の測定する範囲が変わらないので上側定盤３の形状のバラツキの影響を受けない。しかし、第１の変位検出器８１は、上側定盤３が１回転する間に上側定盤３との距離が変化するので、変位信号の強度や変位方向が自転周波数に対応して周期的に変化する。この自転周波数は、最大でも１００Ｈｚ前後であり、しかもヘッドの回転と同期しているからＳ／Ｎ比を劣化させない。

第２の変位検出器８２は、変位信号が周期的に変わらずに上側定盤３の変化量をリニアに検出できるが、筐体８や上側定盤３の形状のバラツキの影響を受けやすい。

第３の変位検出器８３は、上側定盤３の上に形成した斜面の上下動を被検出対象としてるが、そのような斜面をなくして上側定盤３の上面の上下動を被検出対象としてもよい。

このような変位検出器８１〜８２を複数取り付けることにより、筐体８や上側定盤３の前後、左右及び上下の変位を測定することにより、総合的な情報量が豊富になってが受ける種々の力を総合して、ウェハの脱落、ウェハの破損、研磨条件（研磨液の供給、研磨布の異常、圧力の変更、回転数の変更など）についてさらに多くの情報を得ることができる。

また、上側定盤３の側壁３ｂの検出場所に図５２(a),(b)に示すような半球形の突起９１，９２又は図示しない窪みを形成しておけば、同一場所における多方向の変位を検出することができる。

なお、複数の研磨対象物Ｗを同時に研磨する場合には図３９に示すヘッドを複数同時に起動させることになる。各ヘッドの下での研磨のバラツキが１０パーセント以下の場合には、全てのヘッドで研磨終点を検出する必要はなく一部のヘッド（１つでもよい）に変位検出器８１〜８３や上記実施形態の振動検出素子１０を取り付けるだけいよい。この場合には、変位検出器８１〜８３又は振動検出素子１０を取り付けたヘッドが終点に達したときに、全ヘッドの研磨を停止することによっても良好な結果がえられる。なお、その終点に達した後で所定の時間だけ研磨を過剰に行ってもよい。

また、全てのヘッドに振動検出素子や変位検出器を取付けるには、研磨の終点検出を終えた順にヘッド（上側定盤３）を上昇させて研磨を停止させて全ての研磨が終わるまで待機させてもよい。

複数のヘッドの研磨の停止指令は、図１や図１９に示した制御部１７，３５によって行わせる。

以上述べたように本発明によれば、研磨時の振動を誘発する機構を研磨布に形成するようにしているので、研磨時に生じる振動の振動強度が大きくなるとともに、振動検出素子により検出できる振動周波数帯域が広くなって、研磨条件を緻密に制御でき、また研磨の終点検出を容易にできる。そのような機構としては、研磨布に複数の溝を形成し、その溝に囲まれた領域での振動を誘発させるものがある。

この場合、研磨布や定盤の内部に空洞を形成すると、誘発された研磨時の振動が増幅されて、振動検出の振動強度の変化の把握を容易にできる。

また、振動検出素子から得られる振動情報を周波数分析し、研磨以外の原因による固有振動成分を差し引いた振動強度を時間毎に積分し、積分値が基準値を下回った時、又はその積分値の時間的変化が基準値を下回った時の何れかの時点で、研磨停止の信号を送る信号解析手段により研磨を停止するようにしたので、研磨の終点検出が容易にできる。

その信号解析手段では、研磨開始から研磨停止までの時間が設定時間よりも短い場合と、前記積分値の時間的変化が指定値を越えて減少した場合とのいずれかで、研磨布劣化信号を示す信号を出力するので、研磨の終了か研磨布の劣化かの判断が容易になり、研磨作業を最適にできる。

研磨の際に、特定の振動周波数の振動強度の減少率が他の振動周波数のそれに比べて大きい場合には、研磨が一様に行われていないことが実験的に確認されているので、そのような振動強度の減衰を検知して研磨条件を変えて研磨が一様になるように研磨条件を変えるて研磨を最適にできる。

さらに、研磨の際の振動検出器による振動の減衰量を実効値として捉え、この実効値の変化を時間毎に測定してその変化の積分値又は一定時間の変化量が零又はそれ以上になった時点を研磨の終点検出とする場合であって、第１の定盤が回転の他に研磨布上を移動する動作を伴う場合には、第１の定盤の位置を含む関数によって実効値を割ることにより検出信号を補正すると、研磨の終点検出が速く且つ正確に検出できる。

また、本発明によれば、研磨時の振動の検出する振動検出素子の出力を無線で外部に送信する場合に、送信アンテナと受信アンテナを同軸上に配置するようにしたので、アンテナが回転したり揺動のある状態ででも送受信を安定にすることができる。

さらに、定盤に取付けられる振動検出素子や送信部に電力を供給する場合にはその定盤を回転するシャフトの周囲に環状導電体を取付け、この環状導電体に接触するブラッシを通して電力を供給するようにしているので、電池交換の手間や電力不足による作業停止といった事態を回避できる。

また本発明によれば、複数の研磨を同時に行い、研磨情報を無線で送受信する場合に自動周波数制御機構を用いているので、温度変化による周波数変動が生じても安定した受信状態にすることができる。

さらに、本発明によれば、研磨時において、定盤に取付けられた振動検出素子により検出された振動強度の異常を検出して、振動強度の異常検出時間が定盤の回転周期よりも短い場合にゴミの存在を示す信号を出力する信号分析部を設けるようにしているので、その後に続く被研磨物の研磨面のゴミによる傷の発生を未然に防止できる。

さらに別の本発明によれば、内部が空洞で機密保持される筐体から防振されたエアバック式の上側定盤を有する構造において、円周方向の振動を検出するような振動検出素子を上側定盤に取り付け、その振動検出素子から出力された振動強度又は振動スペクトルの信号の変化によって研磨の終了などを行わせているので、エアバック式の上側定盤の回転方向の振動強度やそのスペクトルの変化を知ることにより、研磨状態の変化を判断することが容易になる。

また、振動検出素子からの信号をバンドパスフィルタを介して制御部に出力するようにすると、研磨装置や研磨条件に合わせて、研磨装置固有の周波数の振動に依存する振動成分を除去して、実際の研磨によって発生する振動だけを選択することができる。

また、振動検出素子により検出した振動信号を無線で制御部に送る場合に、対数アンプを介して振動信号の振幅レンジを拡大して無線で送り、受信後に逆対数アンプで振動信号を復元すると、Ｓ／Ｎ比が向上する。

また、振動検出素子による出力信号が小さい場合に、振動検出素子を複数接続することにより出力信号を大きくすることができる。しかも、それら複数の振動検出素子によって不要な振動成分も大きくなるので、その不要な振動成分が互いに打ち消しあい且つ必要な振動成分が加算されるように振動検出素子の向きや配置を選択するようにしているので、不要な振動成分によるノイズを低減してＳ／Ｎ比を向上できる。

また、他の本発明の研磨装置によれば、研磨の進行によって変化する被研磨物支持盤の振動を振動検出素子で検出する場合に、その振動検出素子の周囲に防音材を配置しているために、モータなどのバックグラウンドノイズの振動検出素子への入力を抑制してＳ／Ｎ比を改善できる。

また、研磨の進行によって変化する被研磨物支持盤の振動を振動検出素子で検出する場合に、検出しようとする振動の周波数を振動検出素子の最大感度周波数に変換するようにしたので、Ｓ／Ｎ比を改善できる。

また、研磨の進行によって変化する被研磨物支持盤の振動を振動検出素子で検出する場合に、検出しようとする振動周波数と同じ周波数の固有振動周波数を有する振動板を被研磨物支持盤と振動検出素子の間に介在させたので、振動検出素子に入力する検出振動を共振させて増幅することができ、Ｓ／Ｎ比が改善される。

また、研磨の進行によって変化する被研磨物支持盤の振動を振動検出素子で検出する場合に、被研磨物支持盤を貫通して振動検出素子と被研磨物に接触する振動伝達体を設けたので、被研磨物から振動検出素子への振動伝達効率が良くなってＳ／Ｎを改善できる。

また、研磨の進行によって変化する被研磨物支持盤の振動を振動検出素子で検出する場合に、検出時において、被研磨物支持盤を駆動するエネルギーの供給を一時的に停止するようにしたので、バックグラウンドノイズを大幅に低減でき、Ｓ／Ｎ比を改善できる。

また、研磨の進行によって変化する被研磨物支持盤の振動を振動検出素子で検出する場合に、検出しようとする振動周波数とバックグラウンドノイズの振動周波数とを相違させるとともに、被研磨物支持盤の固有振動周波数と検出しようとする振動周波数を同じにしたので、Ｓ／Ｎ比を改善できる。

また、研磨の進行によって変化する被研磨物支持盤の振動を振動検出素子で検出する場合に、バックグラウンドノイズと逆位相で振動する振動板を被研磨物支持盤と振動検出素子の間に介在させたので、振動検出素子へのバックグラウンドノイズの入力を排除してＳ／Ｎ比を改善できる。

また、研磨の進行によって変化する被研磨物支持盤の振動を振動検出素子で検出する場合に、被研磨物支持盤上に振動検出素子を複数取り付けて選択可能にしたので、振動検出素子の故障による交換の手間が軽減できる。

図１は、本発明の第１実施形態の研磨装置を示す構成図である。図２(a),(b)は、本発明の第１実施形態の研磨装置に適用される研磨布の溝を示す平面図である。図３は、本発明の第１実施形態の研磨装置に用いるヘッドを一部切断した斜視図である。図４は、本発明の第１実施形態の研磨装置を使用して研磨する過程で振動検出素子によって検出された振動周波数と振動強度の関係を示すスペクトルである。図５(a),(b)は、半導体装置製造の一部の工程を示す断面図である。図６(a),(b) は、本発明の第１実施形態の研磨装置を使用して半導体装置の絶縁膜を研磨する第１例を示す断面図である。図７(a),(b)は、本発明の第１実施形態の研磨装置を使用して半導体装置の絶縁膜を研磨する第２例を示す断面図である。図８(a) 〜(c)は、本発明の第１実施形態の研磨装置を使用して半導体装置の絶縁膜を研磨の推移の第１例を示す断面図である。図９(a) 〜(c)は、本発明の第１実施形態の研磨装置を使用して半導体装置の絶縁膜を研磨の推移の第２例を示す断面図である。図１０は、本発明の第１実施形態の研磨装置の振動検出素子から出力される振動の変化を示す波形図である。図１１は、本発明の第２実施形態に係る研磨装置のヘッド部分を示す側面図である。図１２は、本発明の第２実施形態に係る研磨装置のヘッド部分を示す側面図である。図１３は、本発明の第３実施形態に係る研磨装置のヘッド部分を示す側面図である。図１４は、本発明の第５実施形態に係る研磨装置のヘッド部分を示す側面図である。図１５(a)は、本発明の第６実施形態の研磨装置を示す側面図、図１５(b)はその送信アンテナ及び受信アンテナの配置関係を示す斜視図である。図１６は、本発明の第７実施形態の研磨装置の回路構成を示すブロック図である。図１７は、本発明の第８実施形態の研磨装置を示す側面図である。図１８は、本発明の第８実施形態の研磨装置の上側定盤の底面図である。図１９は、本発明の第８実施形態の研磨装置の信号系統を示すブロック図である。図２０は、本発明の第８実施形態の研磨装置に適用される複数のバンドパスフィルタの通過周波数と信号透過率の関係の一例を示す図である。図２１は、本発明の第８実施形態の研磨装置の振動検出素子により検出された振動周波数と振動強度の関係を示すスペクトルである。図２２(a),(b)は、本発明の第９実施形態の研磨装置の側面図とその研磨装置の上側定盤の底面図である。図２３(a),(b)は、本発明の第９実施形態の研磨装置の上側定盤の縦方向の振動の第１例を示す側面図である。図２４(a),(b)は、本発明の第９実施形態の研磨装置の上側定盤の縦方向の振動の第２例を示す側面図である。図２５(a),(b)は、本発明の第９実施形態に適用される信号系統の２つの例を示すブロック図である。図２６(a),(b)は、本発明の第１０実施形態の研磨装置の側面図と平面図である。図２７(a),(b)は、本発明の第１０実施形態による振動周波数と振動強度の関係を示すスペクトルである。図２８は、本発明の第１０実施形態の研磨装置によるゴミによる異常信号とそれ以外の異常信号を示すスペクトル図である。図２９は、本発明の第１１実施形態の研磨装置において、ヘッド内に吸音材を設けた例を示す部分断面図である。図３０は、本発明の第１１実施形態の研磨装置において、振動検出素子の底部に振動体を取り付けた例を示す部分断面図である。図３１は、本発明の第１１実施形態の研磨装置において、振動検出素子の底部に振動体を取り付けた例を示す部分断面図である。図３２は、本発明の第１１実施形態の研磨装置において、振動検出素子と被検出物の間に振動伝達用針を介在させた例を示す部分断面図である。図３３は、本発明の第１１実施形態の研磨装置において、振動検出素子に入力するノイズ振動を除去する回路を設けた例を示す部分断面図である。図３４は、本発明の第１１実施形態の研磨装置において、振動検出素子に入力する振動周波数を変化する回路を設けた例を示す部分断面図である。図３５は、本発明の第１１実施形態の研磨装置において、振動検出素子とその底面に取り付ける振動板を複数設けた例を示す部分断面図である。図３６は、本発明の研磨装置に適用される振動検出素子の振動周波数と感度の関係を示す特性図である。図３７は、本発明の第１１実施形態の研磨装置において検出された研磨固有振動の周波数と強度の関係を示すスペクトルである。図３８は、本発明の第１１実施形態の研磨装置において検出された研磨固有振動のスペクトルの積分値の時間経過による変化量を示す特性図である。図３９(a),(b)は、本発明の第１２実施形態の研磨装置の側面図と、下側定盤及び研磨布を示す平面図である。図４０は、本発明の第１２実施形態の研磨装置の信号系統を示すブロック図である。図４１は、本発明の第１２実施形態の研磨装置のコンピュータの信号処理を示すブロック図である。図４２(a)は、本発明の第１２実施形態の研磨装置においてサンプリングデータを平均して表示した補正前の振動強度曲線と、補正された振動強度曲線を示す図であり、図４２(b)は、補正前と補正後のの振動強度曲線の微分した曲線を示す図である。図４３(a)は、本発明の第１２実施形態の研磨装置において、上側定盤が研磨布の直径方向に移動する場合の上側定盤の回転中心と研磨布の回転中心の距離ｒの変化を示す波形図、図４３(b)は、その距離ｒを用いた補正関数の波形図である。図４４(a)〜(d)は、本発明の第１２実施形態の研磨装置に使用される研磨布のバリエーションを示す平面図である。図４５(a)は、本発明の第１２実施形態の研磨装置において、上側定盤の移動軌跡の第２の例を示す平面図、図４５(b)は、その移動軌跡における上側定盤の回転中心と研磨布の回転中心の距離ｒの変化を示す波形図である。図４６(a)は、本発明の第１２実施形態の研磨装置において、上側定盤の移動軌跡の第３の例を示す平面図、図４６(b)は、その移動軌跡における上側定盤の回転中心と研磨布の回転中心の距離ｒの変化を示す波形図である。図４７(a)は、本発明の第１２実施形態の研磨装置において、上側定盤が研磨布上を移動しない場合の時間的変化を示す振動強度曲線、図４７(b)はその振動強度曲線の微分曲線である。図４８(a),(b)は、本発明の第１３実施形態の研磨装置の要部を示す断面図及び底面図である。図４９(a)〜(c)は、本発明の第１３実施形態の研磨装置のヘッドの底面の研磨による変化を示す底面図である。図５０は、本発明の第１３実施形態の研磨装置において、研磨の進行による上側定盤の変位の変化量を示す図である。図５１は、本発明の第１３実施形態の研磨装置において、研磨の進行による上側定盤の変位の変化量と規準信号の比較を示す図である。図５２(a),(b)は、本発明の第１３実施形態の研磨装置において、振動検出領域に突起を形成した状態を示すヘッドの部分断面図である。

符号の説明

１、１ｄ研磨布
２下側定盤
２ａ空洞
３上側定盤
３ａ空洞
３ｂ側壁
４第一の溝
５第二の溝
６第二の溝（空洞）
７弾性部
８指示体
９シャフト
１０、１０Ａ、１０Ｂ振動検出素子
１１ノズル
１２ドレッサー
１３、１３Ａ送信機
１４受信機
１５駆動制御部
１６表示部
２１シャフト駆動部
２２弾性部
２３揺動装置
２４ベルト
２５送信用アンテナ
２６受信用アンテナ
２７信号線
２８環状導電体
２９ブラッシ
３０電線
３１合成器
３２受信機
３３信号解析部
３４ａ、３４ｄ、３４ｅ第１のアンプ
３４ｂフィルタ
３４ｃ第２のアンプ
３４ＢＦＭ送信機
３５処理部
４１上側定盤
４２加速度センサー
４３下側定盤
４４研磨布
４５マーカー
４６マーカー検出器
５０防音／吸音材
５１インナーシート
５２共振板
５３アンプ
５４孔
５５振動伝達用針
５６振動板
５７振動検出素子
５８振動制御部
５９周波数変換回路
６１位置検出器
６２検知板
６３整流器
６４コンデンサ
６５アンプ
６６ローパスフィルタ
６７ハイパスフィルタ
６９ＦＭ受信機
７０記録装置
７１フィルター
７２第１のアンプ
７３整流回路
７４ローパスフィルター
７５第２のアンプ
７６Ａ／Ｄ変換器
７７コンピュータ
８１、８２、８３変位検出器
９１、９２突起

Claims

研磨対象物を支持する第１の定盤と、
前記第１の定盤に対向して配置される第２の定盤と、
前記第２の定盤に張り付けられる研磨布と、
前記第１の定盤又は前記第２の定盤に取付けられた振動検出器と、
少なくとも前記第１の定盤又は前記第２の定盤を駆動する駆動機構と、
前記振動検出器が取付けられた側の前記第１の定盤又は前記第２の定盤に取り付けられ、且つ前記振動検出器により検出された振動情報を無線送信する送信部と、
前記送信部から出力された無線信号を受信する受信部と、
前記受信部に接続されて、受信した前記無線信号を解析する信号解析部と、
前記信号解析部からの信号に基づいて、研磨停止又は研磨条件の変更を指示する信号を少なくとも前記駆動機構に出力する制御部と、
前記振動検出器が取り付けられた前記第１の定盤又は前記第２の定盤の回転軸の周囲に取付けられ、且つ前記送信部に接続された環状の送信アンテナと、
前記回転軸の延長上に取付けられ、且つ前記受信部に接続される受信アンテナと
を有することを特徴とする研磨装置。
前記振動検出器の出力に基づく振動信号の振幅レンジを広げるための対数アンプと、
前記受信部の出力側に接続されて前記受信部からの出力信号を変換する逆対数アンプと
を有することを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
前記駆動機構が、前記第１の定盤を前記研磨布上の一定範囲内で周期的に移動させる駆動手段を有し、
前記第１の定盤の振動強度又は前記駆動手段の駆動トルクの値を、前記第１の定盤の位置成分を含む関数で割算してその結果を研磨状態信号とし、該研磨状態信号の変化を時間で微分し、その微分値に基づいて研磨終了を検出する研磨終点検出手段と
を有することを特徴とする請求項１または２に記載の研磨装置。
前記第１の定盤の周辺部を弾性体を介して支持し、且つ内部が空洞の筐体と、
前記研磨対象物を研磨する研磨布と、
前記研磨布と前記研磨対象物の摩擦によって前記研磨布の移動方向又は前記筐体の移動方向に引きずられる前記定盤の前記筐体に対する相対位置を測定する変位検出器と
を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の研磨装置。
前記研磨布との摩擦によって平坦化される前記研磨対象物の平坦化速度と前記変位検出器の出力信号とを対応させ、該出力信号の変化が該平坦化速度の所定の範囲内又は所定の値に達した時を研磨終点として判別する研磨終点判別手段を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の研磨装置。
研磨対象物を支持する第１の定盤と、
前記第１の定盤に対向して配置される第２の定盤と、
前記第２の定盤に張り付けられる研磨布と、
前記第１の定盤又は前記第２の定盤に取付けられた振動検出器と、
少なくとも前記第１の定盤又は前記第２の定盤を駆動する駆動機構と、
前記振動検出器が取付けられた側の前記第１の定盤又は前記第２の定盤に取り付けられ、且つ前記振動検出器により検出された振動情報を無線送信する送信部と、
前記送信部から出力された無線信号を受信する受信部と、
前記受信部に接続されて、受信した前記無線信号を解析する信号解析部と、
前記信号解析部からの信号に基づいて、研磨停止又は研磨条件の変更を指示する信号を少なくとも前記駆動機構に出力する制御部と、
前記振動検出器が取り付けられた前記第１の定盤又は前記第２の定盤の回転軸の周囲に取付けられ、且つ前記送信部に接続された環状の送信アンテナと、
前記回転軸の延長上に取付けられ、且つ前記受信部に接続される受信アンテナと
を備えた研磨装置を用いる研磨方法において、
前記駆動機構における駆動手段により、前記第１の定盤を前記研磨布上の一定範囲内で周期的に移動させ、
前記第１の定盤の振動強度又は前記駆動手段の回転トルクの値を、前記第１の定盤の位置成分を含む関数で割算してその結果を研磨状態信号とし、該研磨状態信号の変化を時間で微分し、その微分値に基づいて研磨を終了する工程を含むことを特徴とする研磨方法。
前記関数は、前記研磨布の回転中心からの距離に比例する比例関数であることを特徴とする請求項６記載の研磨方法。
前記研磨布において、略等密度に溝又は孔が形成されている場合は、前記関数は、前記研磨布の回転中心からの距離の二乗に比例する関数であることを特徴とする請求項６記載の研磨方法。
前記関数には、前記第２の定盤の回転数が含まれることを特徴とする請求項６記載の研磨方法。
前記振動検出器によって、前記第１の定盤又は前記第２の定盤の研磨時の振動を検出し、
前記振動検出器により検出された振動強度の異常を検出し、該振動強度の異常検出時間が前記第２の定盤の回転周期よりも短い場合に、前記第１の定盤と前記第２の定盤の駆動を制御することを有することを特徴とする請求項６から９のいずれか一項に記載の研磨方法。