JP4848770B2 - 研磨パッド表面形状測定装置、研磨パッド表面形状測定装置の使用方法、研磨パッドの円錐頂角の測定方法、研磨パッドの溝深さ測定方法、ｃｍｐ研磨装置、及び半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＣＭＰ研磨装置等に使用される研磨パッドの表面形状測定装置、研磨パッド表面形状測定装置の使用方法、研磨パッドの円錐頂角の測定方法、研磨パッドの溝深さ測定方法、ＣＭＰ研磨装置、及び半導体デバイスの製造方法に関するものである。

半導体集積回路の高集積化、微細化に伴って半導体製造プロセスの工程が増加し、複雑となってきている。これに伴い、半導体デバイスの表面状態が必ずしも平坦ではなくなってきている。表面における段差の存在は配線の段切れ、局所的な抵抗値の増大などを招き、断線や電流容量の低下等をもたらす。又、絶縁膜では耐圧劣化やリークの発生にもつながる。

一方、半導体集積回路の高集積化、微細化に伴って光リソグラフィの光源波長は短くなり、開口数いわゆるＮＡが大きくなってきていることに伴い、半導体露光装置の焦点深度が実質的に浅くなってきている。焦点深度が浅くなることに対応するためには、今まで以上にデバイス表面の平坦化が要求される。

このような半導体デバイスの表面を平坦化する方法としては、化学的機械的研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ＰｏｌｉｓｈｉｎｇまたはＣｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ、以下ではＣＭＰと称す）技術が広く行われている。現在、ＣＭＰ技術はシリコンウェハの全面を平坦化できる唯一の方法である。

ＣＭＰはシリコンウェハの鏡面研磨法を基に発展しており、図１８に示すようなＣＭＰ装置を用いて行われている。６５は研磨対象物であるウエハ６６を保持しながら回転を与えるヘッド部であり回転駆動機構６７を有している。このヘッド部６５に対面して研磨パッド６８が貼り付けられた回転プラテン６９及びその回転駆動機構７０があり、これら研磨パッド６８、回転プラテン６９、回転駆動機構７０は、回転式揺動アーム７１により揺動を与えられると共に、上下方向に駆動される。

このようなＣＭＰ研磨装置を使用して研磨を行う際には、ウエハ６６及び研磨パッド６８を高速回転させ、回転式揺動アーム７１を図示されていない上下駆動機構により下降させて、研磨パッド６８によりウエハ６６を加圧する。そして、研磨パッド６８とウエハ６６間に研磨剤であるスラリーを供給する。さらに、回転式揺動アーム７１を、図示されていない揺動駆動機構により破線矢印で示す如く揺動する。すると、研磨パッド６８とウエハ６６の相対回転及び揺動により、ウエハ６６の研磨が行われ、表面が平坦化される。すなわち、研磨パッド６８とウエハ６６の相対運動による機械的研磨と、スラリーによる化学的研磨の相乗作用により、良好な研磨が行われる。

このようなＣＭＰ研磨装置において、ウエハ６６を研磨するにつれて研磨パッド６８も摩耗する。そのため、研磨パッド６８の表面形状及び摩耗（厚さの減少）、研磨パッド６８に形成される溝深さの減少を測定し、研磨パッド６８そのものの研磨（ドレッシング）を行ったり、研磨パッド６８の交換を行ったりする必要がある。

従来のＣＭＰ装置研磨室内部構成を図１９に示す。この研磨室４１内には、研磨ステーション４２、ドレスステーション４３、パッド交換ステーション４４が設けられている。

回転式揺動アーム４６に保持された研磨パッド４８は、回転式揺動アーム４６の回転により、研磨ステーション４２、ドレスステーション４３、パッド交換ステーション４４の他の上に位置することができるようになっている。

ウエハの研磨を所定回数終了した場合に、回転式揺動アーム４６は、研磨パッド４８を研磨ステーション４２からドレスステーション４３に移動し、研磨パッド４８のドレッシングを行う。ドレッシング終了後、研磨パッド４８は取り外され、図示しない測定装置によって形状を測定された後、再び回転プラテンに取り付けられ、測定結果が良好であれば、そのまま研磨に使用される。形状が良好でない場合は、再ドレッシングが行われる。このように、従来はＣＭＰ装置内で研磨パッドの表面を観測する手段が無く、一旦研磨パッドを研磨室から外して形状を計測していた。

しかしながら、研磨パッドの形状測定のために、いちいち研磨パッドを回転式揺動アーム４６から外すのは手間がかかり、スループットを低下させるだけでなく、再び研磨パッドを回転プラテンに装着したとき、その装着状態が取り外し前と異なり、そのために、新たに歪みが発生したり、平坦性が悪化して、目的とする研磨が行えない場合がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ＣＭＰ研磨装置本体内に設置可能であり、研磨パッドを取り外さなくても測定が可能な研磨パッドの表面形状測定装置、研磨パッド表面形状測定装置の使用方法、研磨パッドの円錐頂角の測定方法、研磨パッドの溝深さ測定方法、前記研磨パッド表面形状測定装置を備えたＣＭＰ研磨装置、及びこのＣＭＰ研磨装置を使用した半導体デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するための第１の発明は、研磨パッドの表面までの距離を計測する第１の検出器と、基準平面度を持つ基準部材の表面までの距離を計測する第２の検出器と、案内機構に倣って摺動すると共に、前記第１の検出器と前記第２の検出器を積載する可動子と、前記研磨パッドの径方向へ前記可動子を駆動させる駆動部と、前記可動子の前記研磨パッドの径方向の位置を検出する位置検出手段と、前記第１の検出器からの距離出力と前記第２の検出器からの距離出力と前記可動子の研磨パッド径方向位置出力を用い、前記研磨パッド表面の成す円錐頂角、溝深さ及びパッド厚さのうち少なくとも一つを計測する計測手段とを有する表面形状測定装置であって、前記基準部材は、少なくともその一端が前記可動子の駆動方向の変位及びその方向の曲げが可能な機構により保持されていることを特徴とする研磨パッド表面形状測定装置である。

本発明によれば、基準平面から研磨パッドまでの距離を測定することにより、その測定結果に基づいて研磨パッド表面の成す円錐頂角及び溝深さ及びパッド厚さのうち少なくとも一つを、自動計測することが可能となる。

基準部材が、少なくともその一端が前記可動子の駆動方向の変位及びその方向の曲げが可能な機構により保持されているので、特に温度変化の影響で、基準部材を取り付けている部材が変形した場合や、振動を受ける場合でも、基準部材には変形や振動が伝わりにくく、測定の基準制度を維持することができる。

前記目的を達成するための第２の発明は、前記第１の発明であって、少なくとも前記第１の検出器、前記第２の検出器、前記基準部材、前記案内機構、前記可動子、前記駆動部の一部、前記位置検出手段を収納する防水カバーを有し、当該防水カバーには、前記研磨パッドを観測するための窓部が設けられ、当該窓部を開閉する機構が設けられていることを特徴とするものである。

本発明においては、測定部の要部が、研磨液や洗浄液で汚されることが少なくなり、測定時のみに窓を開けて測定すればよいので、さらに、汚れを防止できる。

前記目的を達成するための第３の発明は、前記第１の発明であって、研磨パッドに接触可能な測定子をさらに有し、前記第１の検出器は、研磨パッド表面までの距離、又は前記測定子までの距離を非接触で計測し、前記可動子は、案内機構に倣って摺動すると共に、前記測定子、前記第１の検出器及び前記第２の検出器を積載し、前記測定子を研磨パッドに接触させた状態で測定子までの距離を前記第１の検出器で測定する状態と、前記測定子を研磨パッドから離間させた状態で研磨パッドの表面までの距離を前記第１の検出器で測定する状態とを切り替える手段をさらに有することを特徴とする研磨パッド表面形状測定装置である。

本手段においては、測定子を研磨パッドに接触させて、その位置を第１の検出器により測定することにより研磨パッドの表面形状を測定する方法と、第１の検出器で直接研磨パッドの表面形状を測定する方法を切り換えて用いることができるので、互いの特色を生かして、研磨パッドの表面形状を正確に測定することができる。

すなわち、研磨パッドの表面のケバが測定精度に影響を与える可能性があるような場合には、測定子により研磨パッドの表面形状を測定することにより、ケバの影響が少ない状態で、研磨パッドの円錐頂角や研磨パッド厚みを測定することができる。ケバが測定精度に影響を与えない状態では、第１の検出器で直接研磨パッドの表面形状を測定することにより、非接触測定が可能である。又、溝深さは、第１の検出器で直接研磨パッドの表面形状を測定することにより求めることができる。

前記課題を解決するための第４の発明は、前記第３の発明であって、前記基準部材が、少なくともその一端が前記可動子の駆動方向の変位及びその方向の曲げが可能な機構により保持されていることを特徴とするものである。

本手段においては、基準部材が、少なくともその一端が前記可動子の駆動方向の変位及びその方向の曲げが可能な機構により保持されているので、特に温度変化の影響で、基準部材を取り付けている部材が変形した場合や、振動を受ける場合でも、基準部材には変形や振動が伝わりにくく、測定の基準制度を維持することができる。

前記目的を達成するための第５の発明は、前記第３の発明であって、少なくとも前記第１の検出器、前記第２の検出器、前記測定子、前記基準部材、前記案内機構、前記可動子、前記駆動部の一部、前記位置検出手段を収納する防水カバーを有し、当該防水カバーには、前記研磨パッドを観測するための窓部が設けられ、当該窓部を開閉する機構が設けられていることを特徴とするものである。

本発明においては、測定部の要部が、研磨液や洗浄液で汚されることが少なくなり、測定時のみに窓を開けて測定すればよいので、さらに、汚れを防止できる。

前記目的を達成するための第６の発明は、前記第１の発明であって、前記第１の検出器が、光学的距離検出器であることを特徴とするものである。

本発明においては、第１の検出器として光学式のものを用いているので、非常に小さい被測定部分を精度良く検査できる。よって、表面に溝が形成されている場合でも、その溝の内部までの距離をも測定することが可能となる。

前記目的を達成するための第８の発明は、前記第６の発明であって、前記第１の検出器の投光部と受光部を気体ブローする装置を有することを特徴とするものである。

本発明によれば、投受光器を気体ブローできるので、これらの光学系が研磨液や洗浄液で汚されることを少なくすることができる。

前記目的を達成するための第１０の発明は、前記第１の発明であって、測定中に、前記研磨パッド表面の測定箇所を気体ブローする装置を有することを特徴とするものである。

本発明によれば、研磨パッド表面の測定箇所を気体ブローしているので、研磨パッド表面に研磨液や洗浄液が残留している場合でも、これらをブローして正確な測定を行うことができる。

前記目的を達成するための第１２の発明は、前記第１の発明であって、前記可動子の前記基準部材に対する傾きを検出する傾斜検出器を有し、前記計測手段は、前記傾斜検出器の出力を使用して、前記第１の検出器からの距離出力と前記第２の検出器からの距離出力を補正する機能を有することを特徴とするものである。

可動子が傾くと、その分測定距離に誤差が発生する。本発明においては可動子の基準部材に対する傾きを検出する傾斜検出器の出力により距離補正を行っているので、可動子が傾いても誤差の発生を抑えることができる。

前記目的を達成するための第１４の発明は、前記第１の発明であって、前記案内機構の温度検出器を有し、前記計測手段は、前記温度検出器の出力を使用して、円錐頂角の測定値を補正する機能を有することを特徴とするものである。

本発明においては、案内機構の温度検出器の出力により、求められた円錐頂角の値を補正しているので、バイメタル効果による案内機構の撓み等により誤差が発生しても、それを補正して正確な測定を行うことができる。

前記目的を達成するための第１６の発明は、前記第１の発明であって、前記基準部材が、その一端を１自由度変位が可能な弾性体により、他の一端を２自由度変位が可能な弾性体により、それぞれ研磨パッド表面形状測定装置に保持され、これにより、当該基準部材の可動子駆動方向の伸びと、その方向曲げの保持剛性が小さくなるようにされていることを特徴とするものである。

本発明によれば、前記基準部材は、合計３自由度変位が可能な保持部材により保持されていることになり、他の部分が変形したような場合でも、基準部材に起こる変形を軽減することができる。

前記目的を達成するための第１８の発明は、前記第１の発明であって、研磨パッドに接触可能な測定子をさらに有し、前記第１の検出器は、研磨パッド表面までの距離、又は前記測定子までの距離を非接触で計測し、前記測定子を研磨パッドに接触させた状態で測定子までの距離を前記第１の検出器で測定する状態と、前記測定子を研磨パッドから離間させた状態で研磨パッドの表面までの距離を前記第１の検出器で測定する状態とを切り替える手段をさらに有することを特徴とする研磨パッド表面形状測定装置である。

本手段においては、測定子を研磨パッドに接触させて、その位置を第１の検出器により測定することにより研磨パッドの表面形状を測定する方法と、第１の検出器で直接研磨パッドの表面形状を測定する方法を切り換えて用いることができるので、互いの特色を生かして、研磨パッドの表面形状を正確に測定することができる。

すなわち、研磨パッドの表面のケバが測定精度に影響を与える可能性があるような場合には、測定子により研磨パッドの表面形状を測定することにより、ケバの影響が少ない状態で、研磨パッドの円錐頂角や研磨パッド厚みを測定することができる。ケバが測定精度に影響を与えない状態では、第１の検出器で直接研磨パッドの表面形状を測定することにより、非接触測定が可能である。又、溝深さは、第１の検出器で直接研磨パッドの表面形状を測定することにより求めることができる。

前記目的を達成するための第１９の発明は、前記第１の発明から第１８の発明のいずれかの研磨パッド表面形状測定装置を用い、かつ、前記研磨パッドを回転させて各々の回転位置で測定を行い、複数個の円錐頂角を求めて、その統計的処理値に基づき、前記研磨パッドのドレス位置を決定することを特徴とするものである。

本発明によれば、円周方向全体にわたって所定のピッチで測定し、その統計的処理値（たとえば平均値）に基づき、研磨パッドのドレス位置を決定するようにしているので、研磨パッドを全体として適当な形状にドレッシングすることができる。

前記目的を達成するための第２０の発明は、前記第１の発明から第１８の発明のいずれかの研磨パッド表面形状測定装置を用い、かつ、前記研磨パッドを回転させて各々の回転位置で測定を行い、複数個の前記溝深さを求めて、その統計的処理値に基づき、研磨パッドの交換を行うことを特徴とするものである。

本発明によれば、円周方向全体にわたって所定のピッチで測定し、その統計的処理値（たとえば平均値）に基づき、複数個の前記溝深さを求めて、その平均値に基づき、研磨パッドの交換を行うようにしているので、研磨パッドを適当な時期に交換することができる。

前記目的を達成するための第２１の発明は、前記第１の発明から第１８の発明のいずれかの研磨パッド表面形状測定装置を用い、かつ、前記研磨パッドを回転させて各々の回転位置で測定を行い、複数個の前記研磨パッド厚さを計測し、その統計的処理値（たとえば平均値）に基づき、ドレス装置のコンディショナの交換を行うことを特徴とするものである。

本発明においては、研磨パッド全体のパッド厚さを求め、例えば前回のドレッシング時と厚さの変化があまり無ければ、ドレス装置のコンディショナが劣化したものとして交換を行うことができるので、適当な時期にパッドコンディショナの交換を行うことができる。

前記目的を達成するための第２２の発明は、前記第１の発明の研磨パッド表面形状測定装置の前記計測手段によって使用される測定方法であって、基準面から研磨パッド表面までの距離を、前記研磨パッドの中心近傍を通る直線又は曲線に沿って測定し、前記研磨パッドの研磨有効面におけるデータから、前記研磨パッドの中心の両側の前記研磨パッドの表面を示す２つの直線を回帰計算によって求め、当該２つの直線の交角から前記研磨パッドの円錐頂角を求める方法であって、各々の直線を求めるに際し、最初は、一つの直線を決定するためのデータの最大、最小、又は平均値のいずれかから所定距離範囲内にあるデータを使用して回帰計算を行って回帰直線と標準偏差を求め、次に当該回帰直線から前記標準偏差に係数を掛けた値だけ遠方に離れたデータまでを使用して回帰計算を行って新しい回帰直線と新しい標準偏差を求める操作を、少なくとも２回以上、又は前記新しい標準偏差が所定値以下になるまで繰り返し、所定回数経過、又は前記新しい標準偏差が所定値以下となったときの回帰直線を、前記一つの直線とする工程を有することを特徴とする研磨パッドの円錐頂角の測定方法である。

測定されるデータには、パッドの表面のデータの他に溝部のデータも含まれているので、正確に表面形状を測定するには、溝部のデータを排除する必要がある。しかし、どこが溝部でどこが表面部かを、直ちにデータから識別するのは困難である。よって、本発明においては、回帰直線を求めることを繰り返し行い、その際、求まった回帰直線からある程度離れたデータを排除して、残ったデータで新しい回帰直線を求めている。このようにすれば、特異点である溝部のデータが順次排除されて行き、正確な表面形状を表す回帰直線が求まる。そして、この正確な回帰直線に基づいて円錐頂角を求めている。

なお、所定回数を無限大に近くすれば、新しい標準偏差が所定値以下になるまで繰り返すことのみが条件となり、標準偏差の所定値を０に近くすれば、実質上所定回数繰り返すことのみが条件となるので、本発明は、このような１つの条件のみで決まるものをも含むものである。

前記目的を達成するための第２３の発明は、前記第１の発明の研磨パッド表面形状測定装置の前記計測手段によって使用される測定方法であって、基準面から研磨パッド表面までの距離を、前記研磨パッドの中心近傍を通る直線又は曲線に沿って測定し、前記研磨パッドの研磨有効面におけるデータから、研磨パッドに形成された溝の深さを測定する方法であって、前記研磨パッドの中心の両側のデータのそれぞれについて、最初は、データのうち最大、最小、又は平均値のいずれかから所定距離にあるデータを用いて、その距離と前記研磨パッドの半径方向位置で形成されるデータの２次元の重心位置を求め、一方、測定したデータ全部を使用して求めた回帰直線の傾き、又は前記第２２の発明によって求めた研磨パッドの表面を示す直線の傾きを用いて、その傾きを有し前記重心位置を通る直線を求め、これを研磨パッド溝底部直線とし、前記第２２の発明によって求めた研磨パッド表面を示す直線との相対距離を、前記研磨パッドの溝深さであるとする工程を有することを特徴とする研磨パッドの溝深さ測定方法。である。

前記目的を達成するための第２４の発明は、前記第１の発明から第１８の発明のいずれかの研磨パッド表面形状測定装置を、装置内に組み込んだＣＭＰ研磨装置である。

装置によれば、研磨、ドレッシング、パッド交換、パッドの測定の動作を一つの装置の中で行うことができ、全体の研磨工程を無駄時間無く遂行することができる。

前記目的を達成するための第２５の発明は、前記第２４の発明であるＣＭＰ研磨装置を用いて半導体ウエハの表面を平坦化する行程を有することを特徴とする半導体デバイスの製造方法である。

本発明によれば、半導体デバイスをスループットよく製造することができる。

本発明の実施の形態の第１の例である研磨パッド表面形状測定装置の構成を示す全体概要図である。 研磨パッド表面形状測定装置本体部の主要部の詳細図である。 図２におけるＡ−Ａ断面図である。 第１保持部材と第２保持部材の役割を説明するための図である。 保持構造の効果を計算した結果を示す図である。 本発明の実施の形態の第２の例である研磨パッド表面形状測定装置の主要部の構成を示す図である。 本発明の実施の形態の第３の例である研磨パッド表面形状測定装置の主要部の構成を示す図である。 本発明の実施の形態の第４の例である研磨パッド表面形状測定装置の主要部の構成を示す図である。 本発明の実施の形態である研磨パッド表面形状測定装置を設けた研磨室の概要を示す図である。 ドレッシングの状態を示す図である。 パッドの形状を示すパラメータ示す図である。 円錐頂角補角を用いた温度テーブルの例を示す図である。 本発明の実施の形態の第５の例である研磨パッド表面形状測定装置の構成を示す全体概要図である。 図１３に示される研磨パッド表面形状測定装置本体部３の主要部の詳細図である。 図１３に示された実施の形態の、図３に対応する図である。 接触計測と非接触計測の比較を示す図である。 基準ブロック１２の支持方法についての変形例を示す図である。 従来のＣＭＰ研磨装置の概要を示す図である。 従来のＣＭＰ装置研磨室内部構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の第１の例である研磨パッド表面形状測定装置の構成を示す全体概要図である。研磨ヘッド１には、研磨パッド２が真空吸着等により取り付けられている。研磨パッド２は金属性のパッドプレートに発泡性のポリウレタン等のパッドと呼ばれる研磨布を貼り付けたものである。研磨パッド２は回転可能な軸先端に真空吸着などで保持される。この研磨パッド回転保持を行う機構を研磨ヘッド１と呼ぶ。パッドと呼ばれる研磨布は一般的に格子状の溝を有し、研磨の際に研磨液の拡散が促進されるようになっている。溝幅はおよそ１ｍｍ、深さも１ｍｍ程度である。

研磨パッド２の表面形状を測定する研磨パッド表面形状測定装置本体部３は、防水カバーを取り付けられた筐体４内に収納され、筐体４には、前ブロック５と後ブロック６が取り付けられている。前ブロック５と後ブロック６の間には、オーステナイト系ステンレスからなる案内保持板７が取り付けられており、案内保持板７には、スライドブロックの一方を構成する案内８が取り付けられている。可動子９は、後に示すようにスライドブロックのもう一方を構成する部材に取り付けられ、これにより案内８に沿って摺動可能なようにされている。又、案内保持板７にはボールスクリュー１０が取り付けられ、後に説明するように可動子９に取り付けられたスクリューナットと螺合して、ボールスクリュー１０の回転により可動子９を駆動するようになっている。

後ブロック６には、モータ保持部材１１Ａを介してモータ１１が取り付けられており、このモータによりボールスクリュー１０が回転するようになっている。又、基準ブロック１２が、第１保持部材１３、第２保持部材１４を介して、それぞれ前ブロック５と後ブロック６に保持されている。

可動子９の上部にはメインセンサ１５が設けられ、研磨パッド２の表面との距離を測定するようになっている。又、可動子９の下部にはサブセンサ１６が設けられ、基準ブロック１２との距離を測定するようになっている。後に説明するように筐体４の研磨パッド２と対面する側には窓が設けられ、この窓は測定を行うときのみ開とされるようになっている。この窓を開閉するためにエアシリンダ１７が設けられ、このエアシリンダを制御するために電磁弁１８とスピコン１９が設けられている。又、窓の開閉を検知するためにこの電磁弁１８又は窓には、窓開閉センサが設けられている。窓の開閉にはエアシリンダ以外にも、例えば電磁アクチュエータを用いることができる。

さらに、可動子９の暴走を検出し非常停止を行うためのＯＴセンサ２０が案内８の両側に設けられると共に、可動子９の原点位置を検出するための原点センサ２１が案内８に設けられている。又、案内８の温度を検出するための温度センサ２２が、案内保持板７に取り付けられている。

研磨パッド表面形状測定装置本体部３は、制御基板２４を介して、制御装置２３により制御される。制御装置２３は、ＣＭＰ装置制御装置２５と信号のやりとりを行っている。制御基板２４と研磨パッド表面形状測定装置本体部３内に設けられた各装置・部材との間には図示したような信号のやりとりが行われるが、このうち、メインセンサ１５からの信号は、メインセンサアンプ２６、サブセンサ１６からの信号は、サブセンサアンプ２７をそれぞれ介して制御基板２４に入力される。又、モータ１１からのモータエンコーダ信号（パルス信号）はモータドライバ２８を介して制御基板２４に入力され、モータドライブ信号は、モータドライバ２８を介して制御基板２４からモータ１１に出力される。

なお、筐体４の防水カバーの材質はＰＶＣを使用している。防水カバーの材質は研磨室内の湿潤雰囲気、スラリー雰囲気に耐性を有する材質であればよい。又、水の浸入があっても、底から排水できるドレーン構造をもつようにする。研磨パッド表面観測器機構部全体を覆うのに、防水カバーは底部カバーと蓋部カバーに分かれている。蓋部カバーには前述のように窓が設けられる。

図２に、研磨パッド表面形状測定装置本体部３の主要部の詳細図を示す。なお、以下の図においては、本欄における前出の図に示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付して説明を省略することがある。研磨パッド２の表面にはパッド２ａが取り付けられており、実際に測定されるのはこのパッド２ａの形状、溝深さ、厚さ等である。メインセンサ１５は、パッド２ａの表面までの距離Ｌｍを測定し、サブセンサ１６は基準ブロック１２の表面までの距離Ｌｓを測定する。可動子９がパッドに近づくとＬｍが小さくなりＬｓが大きくなる極性において、実際に測定値とされるのは（Ｌｍ＋Ｌｓ）の値である。一方、すなわち、基準ブロック１２は、パッド２ａの表面位置を測定するための基準位置を与えるために使用されており、このため、例えば案内保持板７や案内８の変形により可動子９の位置が変動しても、正しい測定が行われるようになっている。なお、後に説明するように、基準ブロック１２が応力により変形しないように、これを保持する第１保持部材１３と第２保持部材１４に特別の工夫がなされている。

測定位置において、パッド２ａの中心近傍がメインセンサ１５による測定線を通るようになっており、可動子９が、ボールスクリュー１０の回転により図の左右方向に移動することにより、パッド２ａの中心近傍を通る線に沿って、その表面までの距離が測定できる。これにより、パッド２ａの中心近傍を通る線に沿ったパッド２ａの表面形状が測定できる。又、研磨ヘッド１を回転させることにより、パッド２ａの中心近傍を通る複数の線に沿ったパッド２ａの表面形状が測定できる。なお、測定位置はパッド２ａの中心に限られず中心近傍であればよい。本実施の形態として各図に示す距離測定装置は、直線運動をするものであるが、距離測定装置として、センサ部を支持するアームを、ある回転軸を中心にして回転するようなものを使用してもよく、この場合には、測定位置はパッド２ａの中心又はその近傍を通る円弧状の位置となる。

メインセンサ１５として、この実施の形態においては光学式の変位センサを用いている。測定対象表面は前述のパッド２ａなので発泡体樹脂になる。発泡体の空孔径が２０〜３０μｍであるので、光学式センサスポットとしてはこの空孔面積よりも大なることが望ましい。溝幅としては１０００μｍ程度であるのでスポット径は溝幅よりも小なることが望ましい。接触式のピックセンサの場合は、プローブ先端が直径１ｍｍ以上なので溝部の深さが検出できない。渦電流式や超音波式も測定範囲が直径５ｍｍ程度なので同様に溝部検出ができない。

サブセンサ１６として、この実施の形態では渦電流式の変位センサを用いている。測定感度を上げ、ノイズの影響を少なくするために、基準ブロック１２は鉄系材料やマルテンサイト系ステンレスを用いる。特に精度を必要としない場合はアルミニウム、銅系などの各種金属でも構わない。１２の表面は平坦に精密加工されているが、直径数ｍｍ程度の範囲の平均的な距離を算出することができる、渦電流式の変位センサを使用することが好ましい。

メインセンサ１５の測定点とサブセンサ１６の測定点は、可動子９の駆動点と同軸上に配置し、可動子９の駆動方向に対し３点を結んだ軸が直交している。この配置であれば、可動子９のピッチング、ローリングによる測定点の計測方向変動が２次の微小項として無視できる。

モータ１１は、ＡＣモータ、ＤＣモータ、ステッピングモータいずれでも構わない。ロータリーエンコーダを内蔵し可動子の位置を検出するようにしている。原点位置に関しては、案内８に原点センサ２１を取り付け、可動子９がこの位置を通過するときに、原点リセット動作を行うようにしている。ロータリーエンコーダが絶対値型であり、かつ、ボールスクリューを含む機械系の精度が十分ある場合には、原点センサ２１は不要である。また、リニアモータとリニアエンコーダの組み合わせでも構わない。モータ軸からは、ギア機構とベルト等を介してトルクをボールスクリュー１０に伝達する機構となっている。

図３は、図２におけるＡ−Ａ断面図である。筐体に取り付けられた取り付け用台座２９には、前ブロック５が取り付けられ、前ブロック５には案内保持板７が取り付けられて保持されている。そして、案内保持板７に案内８が締結されている。案内８にはスライドテーブル８Ａが摺動可能に嵌合しており、案内８とスライドテーブル８Ａがスライドブロックを形成している。スライドテーブル８Ａにはスクリューナットが嵌り込んでおり、このスクリューナットにボールスクリュー１０が螺合している。可動子９はスライドテーブル８Ａに締結されており、ボールスクリュー１０の回転によりスライドテーブル８Ａと共に案内８に沿って摺動する。可動子９には、図に示すようにメインセンサ１５とサブセンサ１６が締結されている。

図４は、第１保持部材１３と第２保持部材１４の役割を説明するための図である。第１保持部材１３と第２保持部材１４は、（ａ）に示すように基準ブロック１２を保持するものであり、第１保持部材１３は板バネで構成されている。そして、図に示すようなｘ−ｙ−ｚ直交座標系において、基準ブロック１２を、図におけるｘ方向の変位とｙ軸周りの捻れに対し自由度を持つように保持している。すなわち、第１保持部材１３は２次元の自由度のある保持部材とされている。

第２保持部材１４は、剛体部１４ａと板バネ部１４ｂとから構成されており、板バネ部１４ｂの作用により、基準ブロック１２をｚ方向の変位に対し自由度のあるように保持ししている。すなわち、第２保持部材１４は１次元の自由度のある保持部材とされている。

基準ブロック１２の両端を第１保持部材１３と第２保持部材１４とで保持することにより、例えば（ｂ）に示すように、案内部分にモーメントＭがかかり、案内８が図に示すように変形したとしても、第１保持部材１３、第２保持部材１４がモーメントに起因する変形を受け持つために、基準ブロック１２に曲げが発生しない。従って、基準ブロック１２の直線性が確保され、研磨パッドの円錐頂角が正しく計測できることになる。

なお、（ａ）における第２保持部材１４を第１保持部材１３に代え、基準ブロック１２を両側から第１保持部材１３を介して保持するようにしてもよい。

図５に本保持構造の効果を計算した結果を示す。図５において横軸は案内８の位置、縦軸は撓み量である。図に示すように曲げモーメントにより案内８には曲げが発生しているが、基準ブロック１２には曲げが発生していない。

図６は、本発明の実施の形態の第２の例である研磨パッド表面形状測定装置の主要部の構成を示す図である。この実施の形態は、第１の実施の形態とは、図２と図６を比較すると分かるように、サブセンサを、基準ブロック１２の長さ方向に１６ａ、１６ｂで示されるように２つ有しているところだけが異なるのみであるので、図２と同じ部分は説明を省略し、異なる部分のみを説明する。

サブセンサ１６ａとサブセンサ１６ｂの出力を比較することにより、可動子９が、基準ブロック１２の長さ方向にどの程度傾いているか、すなわち可動子９のピッチング量が分かる。このピッチング量をνとするとき、実際に測定された距離にｃｏｓνを掛けたものが真の距離となるので、これにより、例えば案内８の湾曲に伴うピッチング誤差を補正することができる。

図７は、本発明の実施の形態の第３の例である研磨パッド表面形状測定装置の主要部の構成を示す図である。この実施の形態は、第１の実施の形態とは、図３と図７を比較すると分かるように、サブセンサを、基準ブロック１２の幅方向に１６ｃ、１６ｄで示されるように２つ有しているところだけが異なるのみであるので、図２と同じ部分は説明を省略し、異なる部分のみを説明する。

サブセンサ１６ｃとサブセンサ１６ｄの出力を比較することにより、可動子９が、基準ブロック１２の幅方向にどの程度傾いているか、すなわち可動子９のローリング量が分かる。このローリング量をωとするとき、実際に測定された距離にｃｏｓωを掛けたものが真の距離となるので、これにより、例えば案内８の湾曲に伴うローリング誤差を補正することができる。

図８は、本発明の実施の形態の第４の例である研磨パッド表面形状測定装置の主要部の構成を示す図である。この実施の形態は、第１の実施の形態とは、図２と図８を比較すると分かるように、測定面のエアブロー機構がついているところのみであるので、図２と同じ部分は説明を省略し、異なる部分のみを説明する。

この実施の形態においては、可動子９にエア配管３０を取り付け、エア配管３０の先端にエアノズル３１を設けて、エアノズル３１よりエア３２をパッド２ａの測定面に吹き付ける。これにより、パッド２ａの表面に残留する水分その他の液体をパージし、正確な測定を行うことができる。エアの代わりに窒素等の乾燥気体を使用してもよく、ブロー流量としては水滴を吹き飛ばす程度が望ましい。又、図において、エアノズル３１は、可動子９の移動方向の前後についている。これは、可動子９が往復運動する場合があるので、どちらの方向に移動しても、測定点に当たる場所を予めエアブローできるようにするためである。

図９は、本発明の実施の形態である研磨パッド表面形状測定装置を設けた研磨室の概要を示す図である。この研磨室４１内には、従来と同じように研磨ステーション４２、ドレスステーション４３、パッド交換ステーション４４が設けられているが、これに加えて、研磨パッド表面形状測定装置本体部３が取り付け台座４５の上に設けられている。

回転式揺動アーム４６に保持された研磨パッド２は、４６の回転により、研磨ステーション４２、ドレスステーション４３、パッド交換ステーション４４の他、研磨パッド表面形状測定装置本体部３の上にも位置することができるようになっている。

ウエハの研磨を所定回数終了した場合に、回転式揺動アーム４６は、研磨パッド２を研磨ステーション４２からドレスステーション４３に移動し、研磨パッド２のドレッシングを行う。ドレッシング終了後、回転式揺動アーム４６は、研磨パッド２をドレスステーション４３から研磨パッド表面形状測定装置本体部３の位置に移動させ、研磨パッド２の表面形状（円錐頂角、溝深さ）とパッド厚さの計測を行う。もし、パッド厚さや溝深さが規定の値以下となっていた場合は、研磨パッド２をパッド交換ステーション４４に移動させて研磨パッド２の交換を行い、さらに研磨パッド２を研磨ステーション４２に移動させて新しくウエハの研磨を行う。

もし、パッド厚さや溝深さが規定の値以上ではあるが、パットの円錐頂角が規定値に入らない場合は、研磨パッド２をドレスステーション４３に戻し、ドレッシング条件を変更してドレッシングをやり直し、その後、再び研磨パッド２の表面形状の測定を行う動作を繰り返す。

パッド厚さや溝深さが規定の値以上であり、パットの円錐頂角が規定値に入った場合は、研磨パッド２を研磨ステーション４２に戻して、新しいウエハの研磨を開始する。

以下、以上説明した本発明の実施の形態である研磨パッド表面形状測定装置の計測動作と円錐頂角算出、溝深さ算出、パッド厚さ算出までのシーケンスを説明する。

（ステップ１） 研磨パッド表面形状測定装置のイニシャライズ電源投入と同時に、ＣＰＵのイニシャライズ、モータ１１のイニシャライズが行われる。モータイニシャライズは一定回転方向（可動子９の駆動座標で説明するとＸ軸の単一方向）に一定回転数（可動子では一定速度）に駆動する。可動子９は、その移動中に案内８付近に設置している原点センサ２１を通過する。通過のタイミングでモータエンコーダのカウンタを０リセットすることにより、原点からのＸ座標が確定し、可動子９のＸ方向の位置検出が可能になる。ＣＰＵは制御基板２４にある制御用ＣＰＵ、制御装置２３にあるコントロールＣＰＵなどを意味する。一般的にはＣＭＰ装置の電源投入に合わせ研磨パッド表面観測器のイニシャライズが行われる。

（ステップ２） ＣＭＰ装置側はｎ枚のウエハ研磨終了のタイミングを計り、パッド表面計測のための研磨パッドのドレスを開始する。このドレス条件はウエハ研磨中の同一ドレス位置で、なおかつ研磨残存物とスラリー成分の除去を主目的にしたドレス時間となる。

（ステップ３） 水滴は光学式センサにおいては計測誤差の要因と成りうる。そのため、ドレスで用いた研磨水の水滴の付着除去のためヘッドの最高回転数近傍で水滴飛ばしを行う。これにより、目立て後のパッド表面に均一な保水層が得られる。水飛ばし位置は、ドレスステーション付近で構わない。

（ステップ４） パッド表面の水滴飛ばしが終了した時点でＣＭＰ装置制御装置２５は、制御装置２３に対し観測窓を開けるための窓開けコマンドを送信する。コマンドを受けた制御装置２３は制御基板２４を介し、窓を開けるための電磁弁制御信号を電磁弁１８に送る。これにより、弁が切り替わりエアシリンダ１７が動作する。エアシリンダ１７は窓に連結された部材を所定位置まで駆動し、窓を開放する。エアシリンダ１７に内蔵されたセンサにより、開放終点を検知し、窓開け動作は完了する。制御装置２３は窓開けコマンド実行終了をＣＭＰ装置制御装置２５側に通知する。

（ステップ５） ＣＭＰ装置制御装置２５は、ステップ４の窓開けコマンド送信と同時に研磨ヘッド１の観測点への移動を行う。移動中と同時かあるいは移動終了後かに研磨ヘッド１の回転位置を初期位置（研磨ヘッドの回転イニシャライズ位置）に合わせる。ステップ４及び本ステップの遅い方の完了を以って、パッドの観測位置決めを終了とする。

（ステップ６） ＣＭＰ装置制御装置２５は制御装置２３に対して測定コマンドを送信する。制御装置２３は制御基板２４へ測定指令を送り、制御基板２４はモータドライバ２８へ駆動指令を出し、可動子９が動き出す。エンコーダで得られるＸ軸位置情報から所定のサンプルピッチでメインセンサ１５、サブセンサ１６のＺ軸方向距離計測値を取り込む。その際、Ｘ軸方向の計測開始点と終了点は事前にパラメータセットしてあるものとする。基準ワークの面を基準面とするため、メインセンサ出力Ｌｍ、サブセンサ出力Ｌｓとし、可動子９が研磨パッド２に近づくと、Ｌｍが小となる出力、Ｌｓが大となる出力を得る構成であったとすると、基準面からのパッド表面までの相対距離ＬはＬ＝（Ｌｍ＋Ｌｓ）で得られる。

円錐頂角、溝深さ、研磨パッド厚さの測定方法は後に詳細に説明する。これらの値が求まったときに、制御装置２３はＣＭＰ装置制御装置２５に計測コマンド終了信号を送る。

（ステップ７） 計測コマンド終了を受け取ったＣＭＰ装置制御装置２５は、研磨ヘッド１を所定角度回転させる。回転角回動後、ＣＭＰ装置制御装置２５は制御装置２３に再び計測コマンドを送信する。そして、研磨パッド２全体の面をスキャンするまで、研磨ヘッド回転と計測を繰り返す。例えば、１０度刻みであれば、１８回の往復スキャン動作で全面計測ができる。

（ステップ８） データ処理の前提条件として、ＣＭＰ装置制御装置２５は計測時に用いた研磨パッド２とパッドコンディショナ（ドレッサ）４７の識別情報を有しておかねばならない。これは、初期の取り付けの際、あるいは交換の際に識別ＮｏをＣＭＰ装置制御装置２５に入力するような形で行われる。ステップ７の例のように１８回の測定が行われたとする。

例えば研磨パッド２の識別子をｐａｄ００１、パッドコンディショナ４７の識別子をｐｃｎ００１とする。円錐頂角補角θは１８個のデータのうち最大、最小値を除く１６個のデータの平均を算出し、ｐａｄ００１の円錐頂角補角平均値θｍとしてメモリに残す。同様に溝深さｄｆｅも平均をとりｐａｄ００１の溝深さ平均値ｄｆｅｍとしてメモリに残す。パッド厚さｐａｄ＿ｔ（ｎ）は、前回計測のｐａｄ＿ｔ（ｎ−１）と計測間のドレス積算時間ｔｄｓｕｍを用いてｐｃｎ００１のドレスレートＲｐｃｎ＝（ｐａｄ＿ｔ（ｎ）−ｐａｄ＿ｔ（ｎ−１））／ｔｄｓｕｍを算出しメモリに残す。

ＣＭＰ装置制御装置２５は、ドレス位置変更や研磨パッド２の交換やパッドコンディショナ４７交換の目安となる基準値を有しており、その基準値と計測結果を比較しドレス位置変更や研磨パッド２の交換やパッドコンディショナ４７の交換のための警告情報などを作成報告する。報告後、ＣＭＰ装置制御装置２５が自動的に位置変更動作やパッド交換やパッドコンディショナ交換を行ってもよい。また、研磨途中で研磨パッド２や、パッドコンディショナ４７が警告前に交換されて、再び装着された場合でも識別子ごとの履歴をメモリで保有しているので継続して管理することができる。

先に述べた、ドレス位置変更や研磨パッド２の交換やパッドコンディショナ４７交換の目安となる基準値であるが、詳細を、図１０のドレス位置を用いて以下に述べる。

ドレス位置変更ドレス位置変更に関しては円錐頂角α、あるいは補角θ、あるいは凹凸変位δで基準値を保有する。例えば現在のドレス位置ｐｏｓ１で計測された補角θｍが目標値より＋側にある場合、補角θが−となるドレス位置ｐｏｓ３にドレス位置を変更する。ちなみにドレス位置はパッドコンディショナ回転中心とパッド回転中心の間の距離を意味する。ドレス時間についてはθｍと目標値θｔの差分及びドレス位置ｐｏｓ３との関係で決まる値にセットし、このドレス位置とドレス時間で補正ドレスを行う。補正ドレス後に前記再度ステップ３からステップ７のシーケンスを行い、基準値に入るまであるいは所定回数分繰り返す。

基準値は下限のθＬｌｉｍ、上限のθＨｌｉｍが保有され、θＬｌｉｍ＜＝θｍ−θｔ＜＝θＨｌｉｍが基準値に入るという意味である。基準値に入った後の研磨を行うドレス位置に関しては、初期のＰＯＳ１に戻すか、あるいはＰＯＳ１から補正ドレス条件で得た結果から若干ＰＯＳ３よりに変更しても構わない。

パッド２の交換に関しては、パッド溝深さｄｆｅｍで基準値を保有する。基準値は下限のｄｆｅｌｉｍが保有され、ｄｆｅｍ＜ｄｆｅｌｉｍとなった場合にパッド交換警告を発する。

パッドコンディショナ４７の交換に関してはドレスレートＲｐｃｎで基準値を保有する。基準値は下限のＲｐｃｎｌｉｍが保有され、Ｒｐｃｎ＜Ｐｐｃｎｌｉｍとなった場合にパッドコンディショナ交換警告を発する。

以下、パッド２ａの円錐頂角を測定する方法について説明するが、それに先立ち、円錐頂角を決定する方法について図１０を用いて説明する。図１０はドレッシングの状態を示すもので、研磨パッド２のパッド２ａをパッドコンディショナ４７を用いて研磨してドレッシングを行っている状態を示している。

ドレッシングは、研磨パッド２とパッドコンディショナ４７を回転させながら、パッドコンディショナ４７によりパッド２ａを研磨することにより行う。その際、コパッドコンディショナ４７の回転中心が研磨パッド２の回転中心から遠い位置にあると（ａ）に示されるように、パッド２ａの中心が厚く、周辺が薄い状態にパッド２ａが研磨される。逆にパッドコンディショナ４７の回転中心が研磨パッド２の回転中心から近い位置にあると（ｃ）に示されるように、パッド２ａの中心が薄く、周辺が厚い状態にパッド２ａが研磨される。パッドコンディショナ４７の中心が（ａ）の状態と（ｃ）の状態の中間の位置にあると、（ｂ）に示されるように、パッド２ａの表面が平坦になるように研磨される。

（ａ）に示すように円錐頂角αがα＜πの場合を凸状パッド、（ｃ）のようにα＞πを凹状パッド、（ｂ）のようにα＝πの場合を平坦パッドと定義する。図に示す円錐頂角αの補角θは、（π−α）で表されるから、補角θに着目すれば、α＝０の場合が平坦パッド、θ＞０の場合が凸状パッド、α＜０の場合が凹状パッドである。このような関係から、円錐頂角を求めるには、αかθかどちらかが求まれば良いことになる。

図１１は、パッド２ａの形状を示すパラメータを図示したものであるが、図１１に示すように、パッド２ａの外周部と内周部の高さの差を凹凸変位δと定義し、Ｒｍ＝（パッド外径−パッド内径）／２とした場合、測定対象の補角θは微小であるので、常にδ＝Ｒｍ＊θ／２が成り立つ。上記の極性の定義に適応して、凸状パッドの場合はδの極性は＋、凹状パッドの場合はδの極性は−とする。

図１１において、距離測定器によるパッド２ａまでの距離測定を、左側から右側に行うものとし、パッド２ａの中心を境に、図の左側をフロント側、右側をエンド側と呼ぶことにする。そして、図の左右方向にｘ座標、上下方向にｚ座標をとったｘ−ｚ直交座標系を考える。

測定開始点のｘ座標をＸｓ、測定終了点をＸｅとする。通常ＸｓとＸｅは、パッド２ａの中心に対して対称の位置にある。パッド２ａの中心部には、穴２ｂが開いており、この部分にはパッド２ａが設けられていない。この直径（パッド２ａの内径）を２Ｒ_ｏｆｆとする。すると、フロント側の有効測定領域はＸｓ〜｛（Ｘｓ＋Ｘｅ）／２−Ｒ_ｏｆｆ｝の領域であり、エンド側の有効測定領域は｛（Ｘｓ＋Ｘｅ）／２＋Ｒ_ｏｆｆ｝〜Ｘｅの領域となる。

このような状態において、図１１におけるパッド２ａのフロント側の表面を直線で近似し、その直線を求める方法を以下に説明する。エンド側の直線を求める方法も、同様であるので、エンド側の直線を求める方法については説明を省略する。

距離測定器によって測定される点は、パッド２ａの表面の点のみならず、溝部の点のデータも含んでいる。もし、溝部が理想的な形状をしていれば、溝の底部の点とパッド２ａの表面の点との間には距離の較差があるので、所定の閾値以上の距離の点を除外すれば、溝部の点のデータを除外することができる。しかし、実際には、溝部が傾斜を持った側面を有しているので、単に閾値を設けることにより溝部の点とパッド２ａの表面の点とを区別することができず、これらを区別するには特別の工夫を要する。

よって、本実施の形態においては、この点を以下のようにして解決している。まず、暫定的に計算に使用するデータを抽出するために予備トランケーション幅ｔｒｗを設定する。そして、有効測定領域で測定された距離データのうち最小のものをｈｍｉｎ、最大のものをｈｍａｘとする。

そして、これらのデータに基づき、予備トランケーションレベルｔｒｕｎｃ１を設定する。これは、以下のようにして定める。

（ｈｍａｘ−ｈｍｉｎ）≦２^＊ｔｒｗ のとき
ｔｒｕｎｃ１＝（ｈｍａｘ−ｈｍｉｎ）／２
（ｈｍａｘ−ｈｍｉｎ）＞２^＊ｔｒｗ のとき
ｔｒｕｎｃ１＝ｈｍｉｎ＋ｔｒｗ
とする。そして、有効測定範囲のデータのうち、距離が予備トランケーションレベルｔｒｕｎｃ１以下のデータの平均値を求め、それをａｖｅとする。そして、トランケーション幅ｔｒｗ２を適当に定めて、（ａｖｅ＋ｔｒｗ２）以下の距離のデータを用いて回帰計算を行い、回帰直線を求める。この回帰直線を
ｚ＝ａ１＊ｘ＋ｂ１ （ａ１、ｂ１は定数）
とする。但し、ｘ座標の原点をパッド２ａの中心にとり、ｚ座標の原点は適当に定めた値とする（以下同じであるが、以下の計算においても、本計算と各原点は同じとする）。そして、この回帰の標準偏差をσ１とする。

次に、信頼区間係数ｍを適当に定め、トランケーション幅を、（ｍ＊σ１）とする。そして、距離データｚが
ａ１^＊ｘ＋ｂ１−ｍ^＊σ１≦ｚ≦ａ１^＊ｘ＋ｂ１＋ｍ^＊σ１
となるデータを用いて再び回帰計算を行い、回帰直線を求める。この回帰直線を
ｚ＝ａ２＊ｘ＋ｂ２ （ａ２、ｂ２は定数）
とする。そして、このσ２を用いて次のトランケーション幅（ｍ＊σ２）を決定する。そして、距離データｚが
ａ２^＊ｘ＋ｂ２−ｍ^＊σ２≦ｚ≦ａ２^＊ｘ＋ｂ２＋ｍ^＊σ２
となるデータを用いて再び回帰計算を行う操作を、所定回数繰り返す。又は、回帰による標準偏差が所定値以内になるまで繰り返すようにしてもよい。さらには、どちらかの条件が成立したときに打ち切るようにしても良い。

このようにして、フロント側の表面の回帰直線
ｚ＝ａ＊ｘ＋ｂ …（１） （ａ、ｂは定数）
を求め、同様にしてエンド側の表面の回帰直線を求める。両方の回帰直線が求まれば、その交差角より、パッド２ａの円錐頂角が求まる。又、フロント側の回帰直線の勾配とエンド側の回帰直線の勾配の差より、パッド２ａの取り付けの傾きを求めることができる。

次に溝深さを求める方法について説明する。溝深さについてもフロント側とエンド側について別々に求めるが、その求め方は同じであるので、フロント側についてのみ説明する。

まず、計算に使用する重心決定用データを選択するが、これらの重心決定用データは、ｘ方向について有効測定範囲より少し狭い範囲のデータとすることが好ましい。そして、予備トランケーション幅ｍｔｒｗ１を適当に定める。そして計算に使用する重心決定用データの内で距離データが最大のものをｈｍａｘ’とすると、予備トランケーションレベルｍｔｒｕｎｃ１を
ｍｔｒｕｎｃ１＝ｈｍａｘ’−ｍｔｒｗ１
として定める。予備トランケーション幅ｍｔｒｗ１は、予備トランケーションレベルｍｔｒｕｎｃ１以上の距離のデータに、なるべく表面近傍のデータが含まれないように定める。

そして、重心決定用データのうちで、距離が予備トランケーションレベルｍｔｒｕｎｃ１より大きいもの距離データの平均値を求め、これをｍａｖｅとする。

次に、溝部領域トランケーションレベルｍｔｒｕｎｃ２を適当に定める。そして、（ｍａｖｅ−ｍｔｒｕｎｃ２）以上の距離を有するデータについて、その重心（Ｘ，Ｚ）を求める。溝部領域トランケーションレベルｍｔｒｕｎｃ２は、（ｍａｖｅ−ｍｔｒｕｎｃ２）以上の距離を有するデータになるべく表面近傍のデータが含まれないように定める。

一方、全測定データについて、直線
ｚ＝ｃ＊ｘ＋ｄ
なる直線（ｃ、ｄは係数）に当てはめるように回帰分析を行い、ｃとｄの値を求め、このうち勾配ｃのみを使用して、
ｚ＝ｃ（ｘ−Ｘ）＋Ｚ …（２）
を、溝の底面を示す直線とする。

そして重心決定用データのうちｘ方向の値が最大のものと最小のものとの中心値Ｘ_Ｍを求め、ｘがＸ_Ｍの位置における、表面を示す（１）式と、溝の底面を示す（２）式とのｚ方向の距離を、溝深さとする。すなわち
溝深さ＝（ｃ−ａ）Ｘ_Ｍ−ｃＸ＋（Ｚ−ｂ）
と示される。又、溝底面を表す直線の傾きｃとして、（１）式のａを用いることもできる。その場合は、
溝深さ＝−ａＸ＋（Ｚ−ｂ）と示される。

以上の計算を、フロント側とエンド側について行い、両者の平均を最終的な溝深さとする。

次に、パッド厚さを求める方法について説明する。まずフロント側とエンド側において、（１）式により、表面の測定有効領域のｘ方向中心におけるパッド表面位置を求め、それをフロント側とエンド側とで平均した（足して２で割った）値を、パッド中心表面位置とする。一方、図１１に示すように研磨パッド２の中心には穴２ｂが内部分があるので、この部分の底面までの距離を求め、この距離と、前記パッド中心表面位置のｚ方向距離との差を、パッド厚さとする。

以下、円錐頂角の温度補正について説明を行う。本発明の請求項６の説明を行う。案内８は、温度変化があるとバイメタル効果により変形が顕著に表れ、それによりピッチング、ローリング変動に相当する可動子９の動きを誘発する。そのため、前述のように、可動子９のピッチング、ローリングを検出して距離補正を行うことも行っているが、本実施の形態においては、それに加え、案内保持板７の温度を検出し、それに応じて測定された円錐頂角の補正をも行うようにしている。

すなわち、図１に示すように、案内保持板７の中央部付近に温度センサ２２を取り付け、その信号を制御基板２４に取り込んで、円錐頂角を補正する。事前準備としては、制御基板２４内又は制御装置２３内に温度毎の計測した円錐頂角のテーブルを作成しておく。テーブル作成の作成のためには、測定装置全体を恒温槽などに入れ、温度制御を行いながら温度を可変する。そして、所定温度毎に、パッド状の基準平面について円錐頂角の測定を行う。パッド状の基準平面はほほ平坦で凹凸０である。この操作で温度と円錐頂角の関係を示すテーブルを作成することが可能である。

ＣＭＰ装置に本測定装置が搭載される場合、研磨パッドの計測を、前述の先のステップ３からステップ７までのシーケンスで行う。その際、制御基板２４は温度センサ２２の出力値を常に得ている。制御基板２４は計測時の温度に対応する円錐頂角の補正値をテーブルから読み込み、計測値に補正分を加減算する。以上により、温度変動があっても、研磨パッドの円錐頂角を精度良く観測できる。上記円錐頂角は、補角、凹凸変位のテーブルであっても構わない。

図１２に円錐頂角補角を用いた温度テーブルの例をグラフとして示す。例えば２０℃の場合の補正値は−０．２７ｍｒａｄである。研磨パッドを２０℃のときに計測した値が０．１ｍｒａｄであったとすると０．１−（−０．２７）＝０．３７ｍｒａｄが本来の円錐頂角補角となる。

なお、以上の説明は、測定をパッド２ａの中心近傍を通る直線に沿って行っているが、前述のように、距離測定装置として、センサ部を支持するアームを、ある回転軸を中心にして回転するようなものを使用する場合には、回転角度と測定距離との関係を示す線は、直線とはならず、パッド表面を示す円錐面と、センサが回転する曲面を表す円筒面との交線で示される曲線となる。このうち、センサが回転する曲面を表す円筒面は、測定装置によって決定されるので、パッド表面を示す円錐面を仮定し、これらの交線を示す曲線を仮定する。そして、測定データに基づいて回帰計算によりこの曲線の係数を定めて決定し、これから円錐頂角を求めるようにする。このときの、回帰計算に用いる手法は、前述の直線回帰に用いた手法と同じように、段階的に回帰計算を繰り返す方法を採用する。

図１３は、本発明の実施の形態の第５の例である研磨パッド表面形状測定装置の構成を示す全体概要図であり、図１に対応するものである。但し、図１３に示される研磨パッド表面形状測定装置も、窓開閉用のエアシリンダ１７、電磁弁１８、スピコン１９を有するが、図示の関係上これらの構成要素の図示を省略している。

図１に示す実施の形態と図１３に示す実施の形態との違いは、図１３に示す実施の形態においては、測定子８１、測定子１駆動機構８２、測定子駆動用電磁弁８３、スピコン８４が設けられているところのみである。図１３に示す実施の形態は、図１に示す構成要素を全て要しており、これらの構成要素の作用は図１に示す実施の形態と同じであるので、その説明を省略する。

図１４に、図１３に示される研磨パッド表面形状測定装置本体部３の主要部の詳細図を示す。これは図２に対応するものである。図１４（ａ）において、測定子駆動機構８２は、空圧ロータリアクチュエータ８２ａ、第１リンク部材８２ｂ、第２リンク部材８２ｃを有している。

空圧ロータリアクチュエータ８２ａは、図１３に示す測定子駆動用電磁弁８３の切り換えにより、第１リンク部材８２ｂとそれに取り付けられた部材を回転させ、図１４（ａ）に示す実線の位置と破線の位置のいずれかに位置させる。第１リンク部材８２ｂと第２リンク部材８２ｃは、図１４（ｂ）に示すようなリンク機構で結合されており、第２リンク部材８２ｃの先端部には測定子８１が取り付けられている。

図１４（ｂ）を参照すると分かるように、第１リンク部材８２ｂと第２リンク部材８２ｃは、回動ピン８２ｄで、互いに回動可能なように結合されている。そして、回動ピン８２ｄには、バネ８２ｇが巻き付けられ、その両端部が凸部８２ｅ、８２ｆに当接して、バネ８２ｇの付勢力により、第１リンク部材８２ｂと第２リンク部材８２ｃの間の角度が開くような方向（すなわち、図において第２リンク部材８２ｃが反時計回りに向かう方向）に付勢されている。但し、第１リンク部材８２ｂと第２リンク部材８２ｃとの角度が開きすぎないようにストッパ８２ｈが第１リンク部材８２ｂの先端部に取り付けられている。

測定子駆動用電磁弁８３の切換により、第１リンク部材８２ｂが破線の位置から実線の位置に回動すると、測定子８１の上部表面がパッド２ａに当接する。この状態で可動子９を図の左右方向に移動させると、測定子８１はパッド２ａの表面に倣って摺動する。バネ８２ｇの付勢力は、測定子８１がパッド２ａの表面に当接し、かつ、パッド２ａの表面に形成されたケバを押しつぶすのに十分ではあるが、パッド２ａ本体を押し付け力により大きく変形させないようなものとされている。

以上説明した部分以外の図１４に示された構成要素は、図２に示されたものと同じであり、その作用も図２に示されたものと同じであるので、その説明を省略する。

図１５は、図１３に示された実施の形態の、図３に対応する図である。この図において、測定子８１はパッド２ａに当接している位置にある。測定子８１の裏側には反射板８１ａが取り付けられている。反射板８１ａは、鏡面状の反射面を有するものであっても、逆に光を拡散する反射面を有するものであってもよい。また、反射板８１ａは、測定子８１と同一部材であってもよい。この状態では、メインセンサ１５は、反射板８１ａまでの距離を測定する。すなわち、メインセンサ１５は、図１４において第１リンク部材８２ｂとそれに取り付けられた第２リンク部材８２ｃ、測定子８１が破線の位置にあるときは、研磨パッド２の表面（すなわち、パッド２ａの表面）までの距離を測定し、第１リンク部材８２ｂとそれに取り付けられた第２リンク部材８２ｃ、測定子８１が実線の位置にあるときは、図１５に示すように反射板８１ａまでの距離を測定する。

どちらを測定するかは、測定子駆動用電磁弁８３により切り換えられる。以下、メインセンサ１５が研磨パッド２の表面までの距離を測定する場合を非接触計測、メインセンサ１５が反射板８１ａまでの距離を測定し、間接的に研磨パッド２の表面までの距離を測定する場合を接触計測と呼ぶ。

図１６に、接触計測と非接触計測の比較を示す。接触計測の場合は、（ａ）に示すように、パッド２ａの表面にケバ８５がある場合でも、測定子８１によってそれが押しつぶされるので、ケバ８５の影響を受けずにパッド２ａの表面形状を測定することができる反面、測定子８１が溝部に入り込めないので、溝深さを測定することは不可能である。

非接触計測の場合は、（ｂ）に示すように、溝深さを測定することが可能であるが、表面のケバ８５の影響を受け、パッド２ａの表面形状を正確に測れない場合がある。

このように、接触計測と非接触計測には一長一短があるので、測定対象及びパッド２ａの表面のケバ８５の状態に合わせて、両者を使い分けることが好ましい。すなわち、ケバ８５が少なく、非接触計測でも十分にパッド２ａの表面状態が測定可能であると思われるときには、全ての計測を非接触計測のみで行うことができる。

ケバ８５の状態が、非接触計測では誤差を生じる恐れのあるときは、パッド２ａの表面形状の測定のみを接触計測で行い、このデータに基づいて円錐頂角、パッド厚みを測定するようにし、溝深さを測定する場合には、溝の底面位置を非接触計測で測定し、そのデータと接触計測で測定したパッド２ａの表面形状のデータから、溝深さを算出するようにすればよい。

接触計測により円錐頂角算出とパッド厚さを算出するシーケンスは、ステップ１〜ステップ８として説明した、前述の方法と変わらない。この方法では、溝深さも同時に算出されてしまうが、この算出結果は信頼性がないので、算出された溝深さは使用しないようにする。

以下、基準ブロック１２の支持方法についての変形例を図１７を用いて説明する。図４においては、基準ブロック１２は、第１保持部材１３と第２保持部材１４により、それぞれ前ブロック５、後ブロック６に支持されていたが、このような方法のみでなく、図１７（ａ）に示すように、基準となる定盤９１の上に、支持部９２、９３を設け、支持部９２に第１保持部材１３、支持部９３に第２保持部材１４を取り付けるようにしてもよい。このようにしても、案内８の変形が基準ブロック１２の位置変動を引き起こすことを防止することができる。

さらに、図１７（ｂ）に示すように、基準ブロック１２を後ブロック６に直接取り付け、前ブロック５には、基準ブロック１２を弾性体９４を介して取り付けることにより、案内８の変形が基準ブロック１２の位置変動を引き起こすことを防止することができる。勿論、さらに、基準ブロック１２を弾性体を介して後ブロック６に取り付けるようにしてもよい。

Claims (25)

1. 研磨パッドの表面までの距離を計測する第１の検出器と、基準平面度を持つ基準部材の表面までの距離を計測する第２の検出器と、案内機構に倣って摺動すると共に、前記第１の検出器と前記第２の検出器を積載する可動子と、前記研磨パッドの径方向へ前記可動子を駆動させる駆動部と、前記可動子の前記研磨パッドの径方向の位置を検出する位置検出手段と、前記第１の検出器からの距離出力と前記第２の検出器からの距離出力と前記可動子の研磨パッド径方向位置出力を用い、前記研磨パッド表面の成す円錐頂角、溝深さ及びパッド厚さのうち少なくとも一つを計測する計測手段とを有する表面形状測定装置であって、前記基準部材は、少なくともその一端が前記可動子の駆動方向の変位及びその方向の曲げが可能な機構により保持されていることを特徴とする研磨パッド表面形状測定装置。
2. 少なくとも前記第１の検出器、前記第２の検出器、前記基準部材、前記案内機構、前記可動子、前記駆動部の一部、前記位置検出手段を収納する防水カバーを有し、当該防水カバーには、前記研磨パッドを観測するための窓部が設けられ、当該窓部を開閉する機構が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の研磨パッド表面形状測定装置。
3. 請求項１に記載の研磨パッド表面形状測定装置であって、研磨パッドに接触可能な測定子をさらに有し、前記第１の検出器は、研磨パッド表面までの距離、又は前記測定子までの距離を非接触で計測し、前記可動子は、案内機構に倣って摺動すると共に、前記測定子、前記第１の検出器及び前記第２の検出器を積載し、前記測定子を研磨パッドに接触させた状態で測定子までの距離を前記第１の検出器で測定する状態と、前記測定子を研磨パッドから離間させた状態で研磨パッドの表面までの距離を前記第１の検出器で測定する状態とを切り替える手段をさらに有することを特徴とする研磨パッド表面形状測定装置。
4. 請求項３に記載の研磨パッド表面形状測定装置であって、前記基準部材は、少なくともその一端が前記可動子の駆動方向の変位及びその方向の曲げが可能な機構により保持されていることを特徴とする研磨パッド表面形状測定装置。
5. 少なくとも前記第１の検出器、前記第２の検出器、前記測定子、前記基準部材、前記案内機構、前記可動子、前記駆動部の一部、前記位置検出手段を収納する防水カバーを有し、当該防水カバーには、前記研磨パッドを観測するための窓部が設けられ、当該窓部を開閉する機構が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の研磨パッド表面形状測定装置。
6. 前記第１の検出器が、光学的距離検出器であることを特徴とする請求項１に記載の研磨パッド表面形状測定装置。
7. 前記第１の検出器が、光学的距離検出器であることを特徴とする請求項３に記載の研磨パッド表面形状測定装置。
8. 前記第１の検出器の投光部と受光部を気体ブローする装置を有することを特徴とする請求項６に記載の研磨パッド表面形状測定装置。
9. 前記第１の検出器の投光部と受光部を気体ブローする装置を有することを特徴とする請求項８に記載の研磨パッド表面形状測定装置。
10. 測定中に、前記研磨パッド表面の測定箇所を気体ブローする装置を有することを特徴とする請求項１に記載の研磨パッド表面形状測定装置。
11. 測定中に、前記研磨パッド表面の測定箇所を気体ブローする装置を有することを特徴とする請求項３に記載の研磨パッド表面形状測定装置。
12. 前記可動子の前記基準部材に対する傾きを検出する傾斜検出器を有し、前記計測手段は、前記傾斜検出器の出力を使用して、前記第１の検出器からの距離出力と前記第２の検出器からの距離出力を補正する機能を有することを特徴とする請求項１に記載の研磨パッド表面形状測定装置。
13. 前記可動子の前記基準部材に対する傾きを検出する傾斜検出器を有し、前記計測手段は、前記傾斜検出器の出力を使用して、前記第１の検出器からの距離出力と前記第２の検出器からの距離出力を補正する機能を有することを特徴とする請求項３に記載の研磨パッド表面形状測定装置。
14. 前記案内機構の温度検出器を有し、前記計測手段は、前記温度検出器の出力を使用して、円錐頂角の測定値を補正する機能を有することを特徴とする請求項１に記載の研磨パッド表面形状測定装置。
15. 前記案内機構の温度検出器を有し、前記計測手段は、前記温度検出器の出力を使用して、円錐頂角の測定値を補正する機能を有することを特徴とする請求項３に記載の研磨パッド表面形状測定装置。
16. 前記基準部材が、その一端を１自由度変位が可能な弾性体により、他の一端を２自由度変位が可能な弾性体により、それぞれ研磨パッド表面形状測定装置に保持され、これにより、当該基準部材の可動子駆動方向の伸びと、その方向曲げの保持剛性が小さくなるようにされていることを特徴とする請求項１に記載の研磨パッド表面形状測定装置。
17. 前記基準部材が、その一端を１自由度変位が可能な弾性体により、他の一端を２自由度変位が可能な弾性体により、それぞれ研磨パッド表面形状測定装置に保持され、これにより、当該基準部材の可動子駆動方向の伸びと、その方向曲げの保持剛性が小さくなるようにされていることを特徴とする請求項３に記載の研磨パッド表面形状測定装置。
18. 請求項１に記載の研磨パッド表面形状測定装置であって、研磨パッドに接触可能な測定子をさらに有し、前記第１の検出器は、研磨パッド表面までの距離、又は前記測定子までの距離を非接触で計測し、前記測定子を研磨パッドに接触させた状態で測定子までの距離を前記第１の検出器で測定する状態と、前記測定子を研磨パッドから離間させた状態で研磨パッドの表面までの距離を前記第１の検出器で測定する状態とを切り替える手段をさらに有することを特徴とする研磨パッド表面形状測定装置。
19. 請求項１から請求項１８のうちいずれか１項に記載の研磨パッド表面形状測定装置を用い、かつ、前記研磨パッドを回転させて各々の回転位置で測定を行い、複数個の円錐頂角を求めて、その統計的処理値に基づき、前記研磨パッドのドレス位置を決定することを特徴とする特徴とする研磨パッド表面形状測定装置の使用方法。
20. 請求項１から請求項１８のうちいずれか１項に記載の研磨パッド表面形状測定装置を用い、かつ、前記研磨パッドを回転させて各々の回転位置で測定を行い、複数個の前記溝深さを求めて、その統計的処理値に基づき、研磨パッドの交換を行うことを特徴とする研磨パッド表面形状測定装置の使用方法。
21. 請求項１から請求項１８のうちいずれか１項に記載の研磨パッド表面形状測定装置を用い、かつ、前記研磨パッドを回転させて各々の回転位置で測定を行い、複数個の前記研磨パッド厚さを計測し、その統計的処理値に基づき、ドレス装置のコンディショナの交換を行うことを特徴とする研磨パッド表面形状測定装置の使用方法。
22. 請求項１に記載の研磨パッド表面形状測定装置の前記計測手段によって使用される測定方法であって、基準面から研磨パッド表面までの距離を、前記研磨パッドの中心近傍を通る直線又は曲線に沿って測定し、前記研磨パッドの研磨有効面におけるデータから、前記研磨パッドの中心の両側の前記研磨パッドの表面を示す２つの直線を回帰計算によって求め、当該２つの直線の交角から前記研磨パッドの円錐頂角を求める方法であって、各々の直線を求めるに際し、最初は、一つの直線を決定するためのデータの最大、最小、又は平均値のいずれかから所定距離範囲内にあるデータを使用して回帰計算を行って回帰直線と標準偏差を求め、次に当該回帰直線から前記標準偏差に係数を掛けた値だけ遠方に離れたデータまでを使用して回帰計算を行って新しい回帰直線と新しい標準偏差を求める操作を、少なくとも２回以上、又は前記新しい標準偏差が所定値以下になるまで繰り返し、所定回数経過、又は前記新しい標準偏差が所定値以下となったときの回帰直線を、前記一つの直線とする工程を有することを特徴とする研磨パッドの円錐頂角の測定方法。
23. 請求項１に記載の研磨パッド表面形状測定装置の前記計測手段によって使用される測定方法であって、基準面から研磨パッド表面までの距離を、前記研磨パッドの中心近傍を通る直線又は曲線に沿って測定し、前記研磨パッドの研磨有効面におけるデータから、研磨パッドに形成された溝の深さを測定する方法であって、前記研磨パッドの中心の両側のデータのそれぞれについて、最初は、データのうち最大、最小、又は平均値のいずれかから所定距離にあるデータを用いて、その距離と前記研磨パッドの半径方向位置で形成されるデータの２次元の重心位置を求め、一方、測定したデータ全部を使用して求めた回帰直線の傾き、又は請求項２２の発明によって求めた研磨パッドの表面を示す直線の傾きを用いて、その傾きを有し前記重心位置を通る直線を求め、これを研磨パッド溝底部直線とし、請求項２２において求めた研磨パッド表面部を示す直線との平均相対距離を、前記研磨パッドの溝深さであるとする工程を有することを特徴とする研磨パッドの溝深さ測定方法。
24. 請求項１から請求項１８のうちいずれか１項に記載の研磨パッド表面形状測定装置を、装置内に組み込んだＣＭＰ研磨装置。
25. 請求項２４に記載のＣＭＰ研磨装置を用いて半導体ウエハの表面を平坦化する工程を有することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。

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