JP5301840B2 - 研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、研磨装置に係り、特に半導体ウエハなどの研磨対象物（基板）を研磨して平坦化する研磨装置に関するものである。

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。

従って、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技術がますます重要になっている。この平坦化技術のうち、最も重要な技術は、化学的機械研磨（ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing））である。この化学的機械的研磨は、研磨装置を用いて、シリカ（ＳｉＯ_２）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッド等の研磨面上に供給しつつ半導体ウエハなどの基板を研磨面に摺接させて研磨を行うものである。

この種の研磨装置は、研磨パッドからなる研磨面を有する研磨テーブルと、半導体ウエハを保持するためのトップリング又は研磨ヘッド等と称される基板保持装置とを備えている。このような研磨装置を用いて半導体ウエハの研磨を行う場合には、基板保持装置により半導体ウエハを保持しつつ、この半導体ウエハを研磨面に対して所定の圧力で押圧する。このとき、研磨テーブルと基板保持装置とを相対運動させることにより半導体ウエハが研磨面に摺接し、半導体ウエハの表面が平坦かつ鏡面に研磨される。

このような研磨装置において、研磨中の半導体ウエハと研磨パッドの研磨面との間の相対的な押圧力が半導体ウエハの全面に亘って均一でない場合には、半導体ウエハの各部分に与えられる押圧力に応じて研磨不足や過研磨が生じてしまう。半導体ウエハに対する押圧力を均一化するために、基板保持装置の下部に弾性膜から形成される圧力室を設け、この圧力室に空気などの流体を供給することで弾性膜を介して流体圧により半導体ウエハを押圧することが行われている。

上述の研磨装置において、樹脂製の研磨パッドを用いて研磨を行った場合、ドレッシングや研磨時間の経過とともに研磨パッドが摩耗する。この場合において、トップリング又は研磨ヘッドに保持された半導体ウエハの面圧分布が変化しないようにするためには、研磨時のトップリング又は研磨ヘッドと研磨パッドとの距離を一定に保つ必要がある。

そのため、特開２００４−１５４９３３号公報（特許文献１）に記載の研磨装置においては、半導体ウエハ等の基板を保持した基板ヘッドを下降させて研磨ヘッドおよび基板の被研磨面を研磨パッドに接地（接触）させ、研磨ヘッド内のサブキャリアの下面と弾性膜の上面とを接触させ、このときの研磨ヘッドの高さ位置をセンサにより検知し、この高さ位置から研磨ヘッドを所定距離だけ持ち上げて、研磨時のサブキャリアの下面と弾性膜の上面との間の距離、すなわちサブキャリアの下面と研磨パッドとの間の距離を一定に保っている。なお、研磨ヘッドの高さ位置は、研磨ヘッドを固定するシャフトにセンサを設け、研磨ヘッド全体を保持するサポートアーム（固定部）にストッパを設け、センサとストッパとの間の距離をセンサにより測定することにより検知している。

また、特開２００６−１２８５８２号公報（特許文献２）に記載の研磨装置においては、半導体ウエハを保持したトップリングを下降させてトップリングの下面を研磨パッドの表面（研磨面）に接地（接触）させたときのトップリングの位置をセンサ等により検出し、この検出された位置から研磨パッドの表面の高さを把握するパッドサーチという工程を行い、この把握された研磨パッドの表面の高さから研磨時のトップリングの最適な位置を算出する。そして、研磨時には、当該研磨以前に行われた研磨やドレッシング等によって研磨パッドが摩耗（減耗）するため、研磨パッドの摩耗量（減耗量）を測定し、この研磨パッドの摩耗量から研磨時のトップリングの最適な高さ設定位置を算出し、トップリングを昇降させるサーボモータを駆動してトップリングを下降させ、トップリングが最適な位置に達したところでサーボモータを停止・保持させ、トップリングと研磨パッドの研磨面との距離が一定となるように制御している。

特開２００４−１５４９３３号公報 特開２００６−１２８５８２号公報

上述した特開２００４−１５４９３３号公報に記載の研磨装置においては、サブキャリアの下面と弾性膜の上面との間の距離、すなわちサブキャリアの下面と研磨パッドとの間の距離を一定に保つためには、研磨開始前に基板を保持した研磨ヘッドを下げて研磨ヘッドおよび基板の被研磨面を研磨パッドに接地（接触）させて、この接地時の研磨ヘッドの高さを測定してから研磨ヘッドを所定距離持ち上げる必要があり、この研磨ヘッドの接地および研磨ヘッドの持ち上げに要する時間が全体の研磨時間を増大させて、スループットを低下させる要因となっていた。

一方、特開２００６−１２８５８２号公報に記載の研磨装置においては、半導体ウエハを保持したトップリングを下げてトップリングの下面を研磨パッドの表面（研磨面）に接触させたときのトップリングの位置をセンサ等により検出し、この検出された位置から研磨パッドの表面の高さを把握するパッドサーチという工程を行い、この把握された研磨パッドの表面の高さから研磨時のトップリングの最適な位置を算出する。そして、研磨時には、当該研磨以前に行われた研磨やドレッシング等によって研磨パッドが摩耗するため、研磨パッドの摩耗量を測定し、この研磨パッドの摩耗量から当該研磨時のトップリングの最適な位置を算出し、トップリングと研磨パッドの研磨面との距離が一定になるように制御している。そのため、研磨開始前にトップリングの高さ位置を制御するために要する時間は、特開２００４−１５４９３３号公報に記載の研磨装置に比べて飛躍的に短くすることができる。このため、本件出願人は、研磨パッドの摩耗量に基づいて研磨開始前のトップリングの最適な高さ位置を算出して制御する方式を採用してきたが、研磨装置の連続運転によって基板の研磨枚数が増えて累積研磨時間が長くなるにつれて基板の研磨プロファイルが変化するという現象が生じてきた。

本発明者らは、装置の連続運転によって基板の研磨プロファイルが変化する原因をつきとめるために、種々の実験を行うとともに実験結果の解析を進めた結果、トップリングを保持して昇降させるトップリングシャフトが回転保持部の摩擦による温度上昇によって伸び、トップリングが算出された最適な高さ位置より下方位置にあることが原因であることを究明した。

また、特開２００４−１５４９３３号公報および特開２００６−１２８５８２号公報に記載のいずれの研磨装置においても、研磨時の研磨ヘッド又はトップリングの最適な高さ位置（研磨時設定位置）を得るために、半導体ウエハを保持した研磨ヘッド又はトップリングを研磨パッドに接地（接触）するパッドサーチを行っているが、このパッドサーチの際に、弾性膜（メンブレン）を介して半導体ウエハとサブキャリア（チャッキングプレート）とが接触して半導体ウエハに最大で１５００Ｎ程度の力が局所的に加わるため、半導体ウエハ上に形成されたデバイスを破壊する可能性がある。
すなわち、トップリング又は研磨ヘッドを昇降させるトップリングシャフトは、ボールネジとモータとギヤで駆動して精密送りをするため、ギヤ、ボールネジ、その他の部品の機械的損失が大きい。トップリングシャフトに精密送りをかける際には、モータにトルクリミットを設定しているが、低トルクで送りをかけようとすると、瞬間的に機械損失が大きくなるところがあり、モータが途中で止まってしまう。トップリングシャフトの確実な送りができるトルクは最大トルク値の２５％〜３０％程度であり、３０％のトルクで送りをかけた場合に、トップリングが研磨パッドに接地するとトップリングシャフトには最大で１５００Ｎ程度の荷重が発生する。弾性膜の圧力室でウエハを均一に加圧する場合と異なり、この荷重は製品ウエハ全体ではなく局所的に加わる為、デバイスが破損してしまうことがある。そのため、この接地作業の際には、製品ウエハに代えてダミーウエハを用いることも行われているが、ダミーウエハを研磨ヘッド又はトップリングに着脱させる等の余分な作業が必要となり、スループットを低下させる要因となる。したがって、研磨時の研磨ヘッド又はトップリングの最適な高さ位置を得るためのトップリングによるパッドサーチ動作を可能な限り省略することができる研磨装置が求められている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、シャフトの温度上昇による研磨処理中の変化にも対応しながら、研磨開始前にトップリングの高さ（又は研磨面の高さ）を検知するためにトップリングを研磨面に接地（接触）させる動作を可能な限り省略してスループットを高め、かつトップリングを保持するトップリングシャフトが温度上昇によって伸びても研磨時にトップリングを最適な位置に保つことができる研磨装置を提供することを目的とする。

また本発明は、装置を連続運転してもトップリングを保持するトップリングシャフトの温度上昇を防止することができる研磨装置を提供することを目的とする。
また、本発明は研磨パッドが摩耗することによる弾性の変化に対して研磨プロファイルを一定に保つ研磨装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様によれば、研磨面を有した研磨テーブルと、基板を保持して前記研磨面に押圧するトップリングと、前記トップリングを昇降させる昇降軸であるトップリングシャフトと、前記トップリングシャフトを昇降させる昇降機構と、前記トップリングシャフトの伸び量を検知する伸び量検知手段と、研磨時の前記トップリングの高さ位置を設定し、この設定された高さ位置である研磨時設定位置まで前記昇降機構を制御して前記トップリングを下降させる制御部とを備え、前記トップリングは、圧縮空気が供給される圧力室を形成するとともに基板に当接する弾性膜を備え、前記圧力室に圧縮空気を供給することで前記弾性膜を介して空気圧により前記基板を前記研磨面に押圧するように構成され、前記制御部は、前記伸び量検知手段により検知された前記トップリングシャフトの伸び量に基づいて前記設定されたトップリングの研磨時設定位置を補正することを特徴とする。
本発明によれば、研磨時のトップリングの研磨時設定位置に影響を与える要素であるトップリングシャフトの伸び量を検知し、この検知したトップリングシャフトの伸び量を相殺するように先に設定されたトップリングの研磨時設定位置を補正するようにしたので、研磨時に常にトップリングを最適な位置に保つことができる。したがって、トップリングに保持された基板に加わる面圧を均一に維持することができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記トップリングの下面または前記トップリングに保持された基板の下面が前記研磨面に接触したときの前記トップリングの位置を検出する位置検出手段を備え、前記制御部は、前記位置検出手段により検出された前記トップリングの位置から前記研磨時設定位置を算出して設定することを特徴とする。
本発明によれば、半導体ウエハを保持したトップリングを下降させてトップリングの下面又は基板の下面を研磨パッドの表面（研磨面）に接地（接触）させたときのトップリングの位置をセンサ等からなる位置検出手段により検出し、この検出された位置から研磨パッドの表面の高さを検知するパッドサーチという工程を行い、検知された研磨パッドの表面の高さから研磨時のトップリングの研磨時設定位置を算出して設定することができるので、研磨パッドを交換した際に、研磨時のトップリングの研磨時設定位置を正確に設定することができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記研磨面は研磨パッドから構成され、研磨パッドをドレッシングするドレッサと、前記研磨パッドの摩耗量を検知する摩耗量検知手段とを備え、前記制御部は、前記摩耗量検知手段により検知された前記研磨パッドの摩耗量と前記トップリングシャフトの伸び量に基づいて前記設定されたトップリングの研磨時設定位置を補正することを特徴とする。
本発明によれば、研磨時のトップリングの高さ位置に影響を与える要素である研磨パッドの摩耗量とトップリングシャフトの伸び量の両方を検知し、この検知した研磨パッドの摩耗量とトップリングシャフトの伸び量を相殺するように先に設定されたトップリングの研磨時設定位置を補正するようにしたので、研磨時に常にトップリングを最適な位置に保つことができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記研磨パッドの摩耗量と前記トップリングシャフトの伸び量に基づいて補正されたトップリングの研磨時設定位置（Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}）は、パッドが摩耗する前に前記設定されたトップリングの研磨時設定位置をＨ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}とし、前記研磨パッドの摩耗量をΔＨとし、前記トップリングシャフトの伸び量をΔＬとすると、Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}＝Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}＋ΔＨ−ΔＬで表されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記ΔＨを、ΔＨに０≦Ｃ＜１又は１＜Ｃ≦２の調整係数（Ｃ）を掛けたＣΔＨに代えることを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記設定されたトップリングの研磨時設定位置および前記補正後のトップリングの研磨時設定位置は、前記圧力室に圧縮空気が供給される前に前記トップリングに保持された基板の下面と前記研磨面との間に間隙が形成される位置であることを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記伸び量検知手段は、前記トップリングシャフトの温度を測定する温度センサと、前記温度センサにより測定された温度変化から前記トップリングシャフトの伸び量を算出する算出手段とからなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記伸び量検知手段は、測距離センサからなることを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記測距離センサは、前記トップリングシャフトを支持するトップリングヘッドに固定され、該測距離センサと前記トップリングの上面との間の距離を測定することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記測距離センサは、前記トップリングとの間で基板を受け渡す基板受渡し装置又は基板受渡し装置の近傍に設けられ、基板受け渡し時に前記トップリングの位置を測定することを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記摩耗量検知手段は、前記ドレッサが前記研磨パッドに接触しているときの前記ドレッサの高さ位置を検知するセンサからなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記摩耗量検知手段は、ドレッサシャフトの伸びを考慮して前記研磨パッドの摩耗量を検知することを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記位置検出手段は、前記トップリングシャフトを昇降させるモータの電流値を検知し、この電流値の変化により前記トップリングの下面または前記トップリングに保持された基板の下面が前記研磨面に接触したことを検出する電流検出器からなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記位置検出手段により、前記トップリングの位置を検出するときに、基板としてダミーウエハを前記トップリングに保持することを特徴とする。

本発明の実施態様によれば、研磨パッドを有した研磨テーブルと、基板を保持して前記研磨面に押圧するトップリングと、前記トップリングを昇降させる昇降軸であるトップリングシャフトと、前記トップリングシャフトを昇降させる昇降機構と、前記研磨パッドの摩耗量を検知する摩耗量検知手段と、研磨時の前記トップリングの高さ位置を設定し、この設定された高さ位置である研磨時設定位置まで前記昇降機構を制御して前記トップリングを下降させる制御部とを備え、前記制御部は、前記摩耗量検知手段により検知された前記研磨パッドの摩耗量に０≦Ｃ＜１又は１＜Ｃ≦２の調整係数（Ｃ）を掛けた値に基づいて前記設定されたトップリングの研磨時設定位置を補正する。
本発明の実施態様によれば、研磨パッドの種類や研磨プロセスに応じて０≦Ｃ＜１又は１＜Ｃ≦２の調整係数（Ｃ）を研磨パッドの摩耗量（ΔＨ）に掛けてＣΔＨを求め、研磨パッドの実際の摩耗量（ΔＨ）よりも小さい値又は大きい値であるＣΔＨを用いて先に設定されたトップリングの研磨時設定位置を補正するようにしたので、研磨パッドの弾性変化にも対応でき、研磨時に常にトップリングを最適な位置に保つことができる。

本発明の実施態様によれば、前記トップリングの下面または前記トップリングに保持された基板の下面が前記研磨面に接触したときの前記トップリングの位置を検出する位置検出手段を備え、前記制御部は、前記位置検出手段により検出された前記トップリングの位置から前記研磨時設定位置を算出して設定する。
本発明の実施態様によれば、前記調整係数（Ｃ）の値は、研磨パッドの厚さ、研磨パッドの種類、研磨対象膜種、研磨圧力のいずれか１つ以上によって変更する。

本発明の実施態様によれば、基板を保持して前記研磨面に押圧するトップリングと、前記トップリングを昇降させる昇降軸であるトップリングシャフトと、前記トップリングシャフトを昇降させる昇降機構と、前記トップリングシャフトを冷却する冷却手段と、研磨時の前記トップリングの高さ位置を設定し、この設定された高さ位置である研磨時設定位置まで前記昇降機構を制御して前記トップリングを下降させる制御部とを備えた。
本発明の実施態様によれば、装置を連続運転してもトップリングを保持するトップリングシャフトの温度上昇を防止することができるため、研磨時に常にトップリングを最適な位置に保つことができる。

本発明の実施態様によれば、前記トップリングの下面または前記トップリングに保持された基板の下面が前記研磨面に接触したときの前記トップリングの位置を検出する位置検出手段を備え、前記制御部は、前記位置検出手段により検出された前記トップリングの位置から前記研磨時設定位置を算出して設定する。

本発明の実施態様によれば、前記研磨面は研磨パッドから構成され、研磨パッドをドレッシングするドレッサと、前記研磨パッドの摩耗量を検知する摩耗量検知手段とを備え、前記制御部は、前記摩耗量検知手段により検知された前記研磨パッドの摩耗量に基づいて前記設定されたトップリングの研磨時設定位置を補正する。
本発明の実施態様によれば、前記冷却手段は、前記トップリングシャフト内に形成された流路に冷却水を供給する手段からなる。

本発明の実施態様によれば、研磨面を有した研磨テーブルと、前記研磨面をドレッシングするドレッサと、前記ドレッシング工程毎に前記研磨面の摩耗量を検知する摩耗量検知手段とを備え、前記摩耗量検知手段は、（ｎ−ｍ）回目〜ｎ回目までのドレッシング工程で得られた研磨面の摩耗量を平均することにより、ｎ回目の研磨面摩耗量を得る。
望ましくは、ドレッシング工程は、基板を１枚研磨するごとに行われる。
本発明の実施態様によれば、前記摩耗量検知手段は、前記ドレッサが研磨面へ接触する際の前記ドレッサの高さ位置の変化により研磨面の摩耗量を得る。

本発明の実施態様によれば、研磨面を有した研磨テーブルと、基板を保持して前記研磨面に押圧するトップリングと、前記トップリングを昇降させる昇降軸であるトップリングシャフトと、前記トップリングシャフトを昇降させる昇降機構と、前記トップリングの下面または前記トップリングに保持された基板の下面が前記研磨面に接触したときの前記トップリングの高さ位置を検出する位置検出手段を備え、前記トップリングを前記研磨面に接地させる接地動作を前記研磨面上の複数の異なった位置で行い、複数回の接地動作で得られた前記研磨面の高さ位置を平均して前記研磨面の高さ位置を求める。

本発明の実施態様によれば、研磨面を有した研磨テーブルと、前記研磨面をドレッシングするドレッサと、前記ドレッサを昇降させる昇降軸であるドレッサシャフトと、前記ドレッサシャフトを昇降させる昇降機構と、前記ドレッサの下面が前記研磨面に接触したときの前記ドレッサの高さ位置を検出する位置検出手段を備え、前記ドレッサを前記研磨面に接地させる接地動作を前記研磨面上の複数の異なった位置で行い、複数回の接地動作で得られた前記研磨面の高さ位置を平均して前記研磨面の高さ位置を求める。

本発明によれば、研磨時のトップリングの高さ位置に影響を与える要素であるトップリングシャフトの伸び量を検知し、この検知したトップリングシャフトの伸び量を相殺するように先に設定されたトップリングの研磨時設定位置を補正するようにしたので、研磨時に常にトップリングを最適な位置に保つことができる。したがって、研磨装置の連続運転によって基板の研磨枚数が増えて累積研磨時間が長くなるにつれて基板の研磨プロファイルが変化するという、従来の研磨装置の持つ問題点を解決することができる。
また、この発明によって従来はトップリングの伸びを調整する場合は、トップリングの研磨面への接地（接触）動作が必要なパッドサーチによって補正していたが、これを省略することができる。

また本発明によれば、研磨時のトップリングの高さ位置に影響を与える要素である研磨パッドの摩耗量とトップリングシャフトの伸び量の両方を検知し、この検知した研磨パッドの摩耗量とトップリングシャフトの伸び量を相殺するように先に設定されたトップリングの研磨時設定位置を補正するようにしたので、研磨時に常にトップリングを最適な位置に保つことができる。

さらに本発明によれば、装置を連続運転してもトップリングを保持するトップリングシャフトの温度上昇を防止することができるため、研磨時に常にトップリングを最適な位置に保つことができる。したがって、装置を連続運転しても基板の研磨プロファイルの変化を防止することができる。
また本発明によれば、研磨パッドの厚み変化により、弾性が変化することによってパッドのリバウンドが変化することに伴うウエハへの圧力分布の変化に対応できる。この場合、研磨パッドの種類、研磨対象膜種、及び研磨圧力ごとに、パッドが摩耗した際にそれぞれ適したトップリングの研磨時高さ位置に調整できる。

以下、本発明に係る研磨装置の実施形態について図１から図２２を参照して詳細に説明する。なお、図１から図２２において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明の第１の実施形態における研磨装置１０を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置１０は、研磨テーブル１２と、支軸１４の上端に連結されたトップリングヘッド１６と、トップリングヘッド１６の自由端に取り付けられたトップリングシャフト１８と、トップリングシャフト１８の下端に連結された略円盤状のトップリング２０とを備えている。なお、トップリングシャフト１８は、タイミングベルト等の連結手段を介してトップリング回転モータに連結されて回転駆動されるようになっているが、図１においては、トップリング回転モータおよびタイミングベルト等は図示を省略している。

研磨テーブル１２は、テーブル軸１２ａを介してその下方に配置されるモータ（図示せず）に連結されており、そのテーブル軸１２ａ周りに回転可能になっている。この研磨テーブル１２の上面には研磨パッド２２が貼付されており、研磨パッド２２の表面２２ａが半導体ウエハＷを研磨する研磨面を構成している。

なお、市場で入手できる研磨パッドとしては種々のものがあり、例えば、ロデール社製のＳＵＢＡ８００、ＩＣ−１０００、ＩＣ−１０００／ＳＵＢＡ４００（二層クロス）、フジミインコーポレイテッド社製のＳｕｒｆｉｎ ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ ０００等がある。ＳＵＢＡ８００、Ｓｕｒｆｉｎ ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ ０００は繊維をウレタン樹脂で固めた不織布であり、ＩＣ−１０００は硬質の発泡ポリウレタン（単層）である。発泡ポリウレタンは、ポーラス（多孔質状）になっており、その表面に多数の微細なへこみまたは孔を有している。

トップリングシャフト１８は、図示しないモータの駆動により回転するようになっている。このトップリングシャフト１８の回転により、トップリング２０がトップリングシャフト１８周りに回転するようになっている。また、トップリングシャフト１８は、上下動機構２４によりトップリングヘッド１６に対して上下動するようになっており、このトップリングシャフト１８の上下動によりトップリング２０がトップリングヘッド１６に対して上下動するようになっている。なお、トップリングシャフト１８の上端にはロータリージョイント２５が取り付けられている。

トップリング２０は、その下面に半導体ウエハＷなどの基板を保持できるようになっている。トップリングヘッド１６は支軸１４を中心として旋回可能に構成されており、下面に半導体ウエハＷを保持したトップリング２０は、トップリングヘッド１６の旋回により半導体ウエハＷの受取位置から研磨テーブル１２の上方に移動される。そして、トップリング２０を下降させて半導体ウエハＷを研磨パッド２２の表面（研磨面）２２ａに押圧する。このとき、トップリング２０および研磨テーブル１２をそれぞれ回転させ、研磨テーブル１２の上方に設けられた研磨液供給ノズル（図示せず）から研磨パッド２２上に研磨液を供給する。このように、半導体ウエハＷを研磨パッド２２の研磨面２２ａに摺接させて半導体ウエハＷの表面を研磨する。

トップリングシャフト１８およびトップリング２０を昇降させる昇降機構２４は、軸受２６を介してトップリングシャフト１８を回転可能に支持するブリッジ２８と、ブリッジ２８に取り付けられたボールねじ３２と、支柱３０により支持された支持台２９と、支持台２９上に設けられたＡＣサーボモータ３８とを備えている。サーボモータ３８を支持する支持台２９は、支柱３０を介してトップリングヘッド１６に固定されている。

ボールねじ３２は、サーボモータ３８に連結されたねじ軸３２ａと、このねじ軸３２ａが螺合するナット３２ｂとを備えている。トップリングシャフト１８は、ブリッジ２８と一体となって昇降（上下動）するようになっている。したがって、サーボモータ３８を駆動すると、ボールねじ３２を介してブリッジ２８が昇降（上下動）し、これによりトップリングシャフト１８およびトップリング２０が昇降（上下動）する。研磨装置１０は、サーボモータ３８をはじめとする装置内の各機器を制御する制御部４７を備えている。

この研磨装置１０は、研磨テーブル１２の研磨面２２ａをドレッシングするドレッシングユニット４０を備えている。このドレッシングユニット４０は、研磨面２２ａに摺接されるドレッサ５０と、ドレッサ５０が連結されるドレッサシャフト５１と、ドレッサシャフト５１の上端に設けられたエアシリンダ５３と、ドレッサシャフト５１を回転自在に支持する揺動アーム５５とを備えている。ドレッサ５０の下部はドレッシング部材５０ａにより構成され、このドレッシング部材５０ａの下面には針状のダイヤモンド粒子が付着している。エアシリンダ５３は、支柱５６により支持された支持台５７上に配置されており、これらの支柱５６は揺動アーム５５に固定されている。

揺動アーム５５は図示しないモータに駆動されて、支軸５８を中心として旋回するように構成されている。ドレッサシャフト５１は、図示しないモータの駆動により回転し、このドレッサシャフト５１の回転により、ドレッサ５０がドレッサシャフト５１周りに回転するようになっている。エアシリンダ５３は、ドレッサシャフト５１を介してドレッサ５０を上下動させ、ドレッサ５０を所定の押圧力で研磨パッド２２の研磨面２２ａに押圧する。

研磨パッド２２の研磨面２２ａのドレッシングは次のようにして行われる。ドレッサ５０はエアシリンダ５３により研磨面２２ａに押圧され、これと同時に図示しない純水供給ノズルから純水が研磨面２２ａに供給される。この状態で、ドレッサ５０がドレッサシャフト５１周りに回転し、ドレッシング部材５０ａの下面（ダイヤモンド粒子）を研磨面２２ａに摺接させる。このようにして、ドレッサ５０により研磨パッド２２が削り取られ、研磨面２２ａがドレッシングされる。

本実施形態の研磨装置１０では、このドレッサ５０を利用して研磨パッド２２の摩耗量を測定する。すなわち、ドレッシングユニット４０はドレッサ５０の変位を測定する変位センサ６０を備えている。この変位センサ６０は、研磨パッド２２の摩耗量を検知する摩耗量検知手段を構成し、揺動アーム５５の上面に設けられている。ドレッサシャフト５１にはターゲットプレート６１が固定されており、ドレッサ５０の上下動にともなって、ターゲットプレート６１が上下動するようになっている。変位センサ６０はこのターゲットプレート６１を挿通するように配置されており、ターゲットプレート６１の変位を測定することによりドレッサ５０の変位を測定する。なお、変位センサ６０としては、リニアスケール、レーザ式センサ、超音波センサ、もしくは渦電流式センサなどのあらゆるタイプのセンサが用いられる。

本実施形態では、次のようにして研磨パッド２２の摩耗量が測定される。まず、エアシリンダ５３を駆動させてドレッサ５０を、初期目立て済の研磨パッド２２の研磨面２２ａに当接させる。この状態で、変位センサ６０はドレッサ５０の初期位置（高さ初期値）を検知し、その初期位置（高さ初期値）を制御部（演算部）４７に記憶する。そして、１つの、または複数の半導体ウエハＷの研磨処理が終了した後、再びドレッサ５０を研磨面２２ａに当接させ、この状態でドレッサ５０の位置を測定する。ドレッサ５０の位置は研磨パッド２２の摩耗量に応じて下方に変位するため、制御部４７は、上記初期位置と研磨後のドレッサ５０の位置との差を求めることで、研磨パッド２２の摩耗量を求めることができる。このようにして、ドレッサ５０の位置に基づいて研磨パッド２２の摩耗量が求められる。

ドレッシングは半導体ウエハＷよりも大径のドレッサにより研磨面上の固定位置でドレッシングを行う場合と、半導体ウエハＷよりも小径のドレッサを研磨面上を揺動させながらドレッシングを行う場合がある。以下、小径のドレッサを研磨面上を揺動させながら行うドレッシングをスキャンドレッシングと称す。
次に、スキャンドレッシングの際における研磨パッド２２の摩耗量の測定方法について説明する。
図１９は、スキャンドレッシングを行う場合のドレッシングユニット４０の構成を示す模式的断面図である。図１９に示すように、変位センサ６０はエアシリンダ５３により上下動されるサポートブロック５９に固定されており、サポートブロック５９にはドレッサシャフト５１も固定されている。ドレッサ５０はドレッサ回転モータ５２により回転駆動される。エアシリンダ５３を駆動することにより、ドレッサ５０、ドレッサシャフト５１、サポートブロック５９および変位センサ６０が一体に上下動するようになっている。支軸５８内には、揺動アーム５５を揺動させるためのドレッサ揺動モータ６３が設けられている。ターゲットプレート６１は揺動アーム５５の上面に設けられており、ターゲットプレート６１の高さ方向の位置は固定で変わらないようになっている。また、揺動アーム５５の上面には、ドレッサシャフト５１の温度を測定する温度センサ６２が設けられている。温度センサ６２は、放射温度センサからなり、ドレッサシャフト５１に対向するように設置されている。図１９に示すドレッシングユニット４０の他の構成は図１に示すドレッシングユニット４０の構成と同じである。

図１９に示すドレッシングユニット４０は、半導体ウエハＷを１枚研磨する毎に研磨パッド２２のドレッシングを行う。図２０は、図１９に示すドレッサ５０により研磨パッド２２のドレッシングを行う方法を示す模式的平面図である。ドレッサ５０は、ドレッサ揺動モータ６３により、ドレッシング中揺動（スキャン）し、図２０に示すように円弧を描きながら研磨パッド２２上を移動する。なお、図２０では、研磨テーブル１２の回転も考慮して、ドレッサ５０の軌跡が模式的に描かれている。例えば、１分間ドレッシングを行う場合、ある程度ドレッシングを行った後、最新の情報を得るために、最後の数回のスキャン分でドレッサ５０の高さを測定する。例えば最後の６スキャン分でドレッサ５０の高さを測定することにより、より正確な研磨パッド２２の摩耗量を測定する。

パッド摩耗量（パッド高さ）の測定位置としては、ドレッサ５０が揺動端（図２０において、位置ａ，ｂ）に到達する毎に、変位センサ６０によりドレッサ５０の高さ位置を測定する。そして、この揺動端（ａ，ｂ）のドレッサ５０の高さ位置の測定結果、例えば計６回の測定結果を平均することにより、１枚目のウエハ研磨後の研磨パッド２２の摩耗量（研磨パッドの高さ位置）を把握する。この研磨パッド摩耗量のデータをＮｏ．１とする。なお、ドレッサ５０がドレッサ５０の軌跡の揺動中心（図２０において、位置ｃ）を通過する際にドレッサ５０の高さ位置を測定し、６回のスキャン分の測定結果を平均して、研磨パッド２２の摩耗量を判断するようにしてもよい。
続いて、２枚目の半導体ウエハＷの研磨後に、同様に、スキャンドレッシングの最後の６回のスキャン分におけるドレッサ５０の高さの測定結果を平均して、データＮｏ．２を得る。以下、同様にデータＮｏ．３、データＮｏ．４、・・・データＮｏ．ｎを得る。
このようにして得られた連続した摩耗量のデータを複数個取り出し、平均することにより、ドレッシング工程毎の誤差を無くし、より正確なパッド摩耗量を測定することができる。連続した３回分のデータを平均する場合は、
データＮｏ．３Ｒ＝（データＮｏ．１＋データＮｏ．２＋データＮｏ．３）／３
データＮｏ．４Ｒ＝（データＮｏ．２＋データＮｏ．３＋データＮｏ．４）／３
となる。平均するデータの個数は、適宜設定すればよいが、例えば３個でも、４個でもよい。

本実施形態の研磨装置１０は、トップリングシャフト１８の温度を測定する温度センサ７０を備えている。温度センサ７０は、放射温度センサからなり、トップリングシャフト１８に対向するようにトップリングヘッド１６の上面に固定されている。

図２は、トップリング２０を支持するトップリングシャフト１８、トップリングシャフト１８を回転可能に支持する軸受７１および温度センサ７０等を模式的に示す概略図である。図２に示すように、トップリングシャフト１８は軸受７１を介してトップリングヘッド１６により支持されている。トップリングシャフト１８はタイミングベルト７２を介してトップリング回転モータ７３に連結されており、トップリングシャフト１８はトップリング回転モータ７３を駆動することにより回転するようになっている。そして、半導体ウエハＷを保持するトップリング２０を支持しているトップリングシャフト１８には、研磨時にスラスト方向の比較的大きな力が加わるため、トップリングシャフト１８を回転可能に支持する軸受７１には耐荷重の大きな軸受が用いられている。軸受７１は、球やころなどの転動体の転がり接触運動によって回転の案内をする機械要素であるため、摩擦熱により発熱する。そのため、軸受７１の内輪に固定されたトップリングシャフト１８は、温度上昇によって伸び、トップリング２０は算出され設定されたトップリングの高さ位置である研磨時設定位置より下方位置になってしまう。

本実施形態の研磨装置１０においては、装置の運転中に、トップリングシャフト１８の温度を温度センサ７０により測定し、この測定値を制御部４７内の算出部（算出手段）に入力することにより、温度上昇によるトップリングシャフト１８の伸び量（ΔＬ）を算出するようにしている。そして、このトップリングシャフト１８の伸び量（ΔＬ）に基づいて前記設定されたトップリングの研磨時設定位置を補正し、研磨時にトップリング２０が最適な位置になるように制御している（後述する）。

図１および図２に示す研磨装置１０を用いて半導体ウエハＷの研磨を行う場合、ドレッシングやパッド交換などにより、研磨パッド２２の厚さが常に変化する。弾性膜を膨らましてウエハを加圧する研磨装置においては、弾性膜とウエハの距離によってウエハ外周部における弾性膜の接触範囲と面圧分布が変化する。この場合において、研磨の進行に伴い半導体ウエハＷの面圧分布が変化しないようにするためには、研磨時のトップリング２０と研磨パッド２２の表面（研磨面）との距離を一定に維持する必要がある。このように、トップリング２０と研磨パッド２２の表面との距離を一定にするためには、例えば、研磨パッド２２を交換して、研磨パッド２２のドレッサ５０による初期目立て（後述する）を行った後に、研磨パッド２２の表面の高さ（位置）を検知してトップリング２０の下降位置を調整する必要がある。以下、この研磨パッド２２の表面の高さ（位置）を検知する工程をトップリングによるパッドサーチという。

トップリングによるパッドサーチは、トップリング２０の下面（又は半導体ウエハＷの下面）を研磨パッド２２の表面（研磨面）に接触させたときのトップリング２０の高さ位置を検知することにより行われる。すなわち、トップリングによるパッドサーチ時には、サーボモータ３８を駆動して、エンコーダにより回転数を積算しながらトップリング２０を下降させる。トップリング２０の下面が研磨パッド２２の表面に接触すると、サーボモータ３８に対する負荷が増し、サーボモータ３８に流れる電流が大きくなる。したがって、制御部４７の電流検出器によりサーボモータ３８に流れる電流を検出し、電流が大きくなったときに、トップリング２０の下面が研磨パッド２２の表面に接触したと判断する。トップリング２０の下面が研磨パッド２２の表面に接触したと判断されると、制御部４７は、サーボモータ３８のエンコーダの積算値からトップリング２０の下降距離（位置）を算出し、この下降距離を記憶する。このトップリング２０の下降距離から研磨パッド２２の表面の高さを得て、制御部４７は、この研磨パッド２２の表面の高さから研磨時のトップリング２０の研磨時設定位置を算出する。

この場合において、トップリングによるパッドサーチ時に使用する半導体ウエハＷとしては、製品ウエハではなく、パッドサーチ用のダミーウエハを用いるのが好ましい。製品ウエハでパッドサーチを行ってよい場合もあるが、パッドサーチ用のダミーウエハを用いることにより、製品ウエハの場合に生ずるデバイスの破壊を防止することができる。

また、サーボモータ３８としては、モータの最大電流が可変なものを使用することが好ましい。このようなサーボモータを用いることで、例えば、トップリングによるパッドサーチ時にモータの最大電流値を２５％〜３０％程度に設定しておくことにより、トップリング２０の下面または半導体ウエハ（ダミーウエハ）Ｗの表面が研磨パッド２２に接触したときに、半導体ウエハ（ダミーウエハ）Ｗ、トップリング２０、研磨パッド２２などに極端に大きな負荷がかかることを防止することができる。また、この場合において、トップリング２０の下降時間や下降距離から、トップリング２０が研磨パッド２２に接触するときをある程度予測できるので、トップリング２０が研磨パッド２２に接触する前にサーボモータ３８の最大電流値を下げることが好ましい。このようにすれば、速やかで確実な下降動作ができる。

研磨パッド２２自体のうねりや取り付け方のばらつき、研磨テーブル１２の表面の加工精度等により、研磨面（研磨パッドの表面）２２ａは完全な平坦とならないことがある。トップリングによるパッドサーチの精度を向上させるために、トップリング２０の研磨パッド２２の表面への接地動作をトップリング２０を研磨パッド２２上で位相をずらして、複数箇所で行うことが考えられる。図２１は、トップリング２０の接地動作を研磨パッド２２上の複数箇所で行う場合を示す模式的平面図である。図２１に示すように、研磨パッド２２の同心円上の例えば８箇所でトップリング２０によるパッドサーチを行い、それらのデータを平均し、初期の研磨パッド２２の高さ位置を把握する。
なお、後述するドレッサ５０によるパッドサーチも同様に、研磨パッド２２上の複数箇所で行い、それらの測定結果を平均してもよい。

次に、図１および図２に示すように構成された研磨装置１０による一連の研磨処理工程について図３を参照して説明する。図３は本実施形態の研磨装置１０により実施される一連の研磨処理工程を示すフローチャートである。図３に示すように、研磨処理工程は、研磨パッドの交換から始まる（ステップＳ１０１）。すなわち、研磨により消耗した研磨パッドを研磨テーブル１２から取り外し、新たな研磨パッド２２を研磨テーブル１２に取り付ける。

この場合、卸し立ての研磨パッドは、表面が荒れていないため研磨能力に欠け、また研磨テーブルへの取り付け方法によって及び製品ごとの個体差によって研磨パッド表面にはうねりがあるため、それらを是正して研磨に使える状態にするために、切削能力が大きくなるようにパッド表面を荒らす表面調整（ドレッシング）をする必要がある。この初期表面調整（ドレッシング）を初期目立て（ステップＳ１０２）と称する。

次に、パッドサーチ用のダミーウエハを用いてトップリング２０によるパッドサーチを行う（ステップＳ１０３）。上述したように、パッドサーチは研磨パッド２２の表面の高さ（位置）を検知する工程である。
トップリングによるパッドサーチは、トップリング２０の下面を研磨パッド２２の表面（研磨面）に接触させたときのトップリング２０の高さ位置を検知することにより行われる。すなわち、パッドサーチ時には、サーボモータ３８を駆動して、エンコーダにより回転数を積算しながらトップリング２０を下降させる。トップリング２０の下面が研磨パッド２２の表面に接触すると、サーボモータ３８に対する負荷が増し、サーボモータ３８に流れる電流が大きくなる。したがって、制御部４７の電流検出器によりサーボモータ３８に流れる電流を検出し、電流が大きくなったときに、トップリング２０の下面が研磨パッド２２の表面に接触したと判断する。トップリング２０の下面が研磨パッド２２の表面に接触したと判断されると、制御部４７は、サーボモータ３８のエンコーダの積算値からトップリング２０の下降距離（位置）を算出し、この下降距離を記憶する。このトップリング２０の下降距離から研磨パッド２２の表面の高さを得て、制御部４７は、この研磨パッド２２の表面の高さから研磨時のトップリング２０の最適な位置を算出する。そして、本実施形態においては、トップリング２０によるパッドサーチの際に、温度センサ７０によりトップリングシャフト１８の温度測定を行い、シャフト温度Ｔ_{ｉｎｉｔｉａｌ}を求める。

本実施形態においては、図４（ａ）に示すように、研磨時のトップリング２０の最適な位置は、トップリング２０に保持された製品ウエハとしての半導体ウエハＷの下面（被研磨面）と研磨パッド２２の表面（研磨面）とにわずかな間隙（ｇ）（例えば、約１ｍｍ）があるような位置である。この場合、半導体ウエハＷの裏面に当接する弾性膜（メンブレン）３１４には圧縮空気等の圧力流体が供給されておらず、弾性膜３１４が膨らむ前の状態である。なお、符号３０２は半導体ウエハＷの外周部を保持するリテーナリングである。
すなわち、研磨対象の製品ウエハとしての半導体ウエハＷの下面（被研磨面）が研磨パッド２２の表面（研磨面）に接触することなく、半導体ウエハＷの下面（被研磨面）と研磨パッド２２の表面（研磨面）との間にわずかな間隙（ｇ）がある状態のトップリングの高さ位置を、トップリング２０の研磨時設定位置（Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}）として制御部４７に設定する（ステップＳ１０３）。なお、図４（ａ）では、研磨時のトップリング２０の研磨時設定位置（Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}）は、トップリング２０が最も上昇した位置を基準位置（ゼロ点）としてこの基準位置（ゼロ点）からの距離として表している。そして、トップリング２０の研磨時設定位置（Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}）は弾性膜３１４の下面が基準となる。

次に、ドレッサ５０によるパッドサーチを行う（ステップＳ１０４）。ドレッサによるパッドサーチはドレッサ５０の下面を所定の圧力で研磨パッド２２の表面（研磨面）に接触させたときのドレッサ５０の高さ位置を検知することにより行われる。すなわち、エアシリンダ５３を駆動させてドレッサ５０を、初期目立て済みの研磨パッド２２の研磨面２２ａに当接させる。この状態で、変位センサ６０はドレッサ５０の初期位置（高さ初期値）を検知し、この初期位置（高さ初期値）を制御部（演算部）４７に記憶する。なお、ステップＳ１０２の初期目立てとステップＳ１０４のドレッサによるパッドサーチとを兼用させることもできる。すなわち、初期目立ての最終工程としてドレッサ５０の高さ位置（初期位置）を検知し、この初期位置（高さ初期値）を制御部（演算部）４７に記憶する。
このように、ステップＳ１０２の初期目立てとステップＳ１０４のドレッサによるパッドサーチとを兼用した場合には、この後にステップＳ１０３のトップリングによるパッドサーチを行う。

次に、トップリング２０は、基板受渡し装置から製品ウエハとしての半導体ウエハＷを受け取って保持した後に、ステップＳ１０３によるトップリングによるパッドサーチで得たトップリングの研磨時設定位置（Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}）まで下降する。この研磨時設定位置（Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}）では、研磨前は、ウエハをトップリングで吸着保持しているので半導体ウエハＷの下面（被研磨面）と研磨パッド２２の表面（研磨面）との間には、わずかな間隙（例えば、約１ｍｍ）がある。このとき、研磨テーブル１２およびトップリング２０は、ともに回転駆動されている。この状態で、半導体ウエハＷの裏面側にある弾性膜３１４を膨らませ、半導体ウエハＷの下面（被研磨面）を研磨パッド２２の表面（研磨面）に当接させ、研磨テーブル１２とトップリング２０とを相対運動させることにより、半導体ウエハＷの表面（被研磨面）が所定の状態（例えば、所定の厚膜）になるまで研磨する（ステップＳ１０５）。

ステップＳ１０５における研磨が終了したら、トップリング２０は、基板受渡し装置（プッシャ）に研磨済の半導体ウエハＷを受け渡すとともに基板受渡し装置（プッシャ）から新たな研磨対象である半導体ウエハＷを受け取る。トップリング２０による研磨済みのウエハから研磨前のウエハへの交換作業の間に、ドレッサ５０による研磨パッド２２のドレッシングが行われる（ステップＳ１０６）。

研磨パッド２２の研磨面２２ａのドレッシングは次のようにして行われる。ドレッサ５０はエアシリンダ５３により研磨面２２ａに押圧され、これと同時に図示しない純水供給ノズルから純水が研磨面２２ａに供給される。この状態で、ドレッサ５０がドレッサシャフト５１周りに回転し、ドレッシング部材５０ａの下面（ダイヤモンド粒子）を研磨面２２ａに摺接させる。このようにして、ドレッサ５０により研磨パッド２２が削り取られ、研磨面２２ａがドレッシングされる。

前記ドレッシングの終了後に、ドレッサ５０によるパッドサーチを行う（ステップＳ１０６）。このドレッサによるパッドサーチは、ステップＳ１０４で述べたとおりである。なお、ドレッシングの終了後にドレッサによるパッドサーチを別途行うようにしてもよいが、ドレッシングの最終工程として、そのまま測定すれば、ドレッシング兼パッドサーチを同時に行うことができる。よって、ステップＳ１０４のドレッサと研磨テーブルの回転数、ドレッサの荷重条件もこれと同じにすることが望ましい。このように、ドレッサ５０によるパッドサーチにより、ドレッシング後のドレッサ５０の高さ位置を検知する（ステップＳ１０６）。

次に、ステップＳ１０４で求めたドレッサ５０の初期位置（高さ初期値）とステップＳ１０６で求めたドレッシング後のドレッサ５０の高さ位置との差を求めることで、研磨パッド２２の摩耗量（ΔＨ）を求める。これと併行して温度センサ７０によりトップリングシャフト１８の温度測定を行ってシャフト温度Ｔ_ｐｏｓｔを求め、このシャフト温度Ｔ_ｐｏｓｔからパッドサーチ時に求めたシャフト温度Ｔ_{ｉｎｉｔｉａｌ}を減算してパッドサーチ以後のシャフト温度の変化（ΔＴ）を求め（式（１）で示す）、さらにこの温度変化（ΔＴ）からトップリングシャフト１８の伸び量（ΔＬ）を算出する（式（２）で示す）。温度センサ７０によるトップリングシャフト１８の温度測定は、例えば、基板受渡し装置（プッシャ）の位置においてトップリング２０の上昇中に行う。温度変化（ΔＴ）の算出及び温度変化（ΔＴ）からトップリングシャフト１８の伸び量（ΔＬ）の算出は、制御部４７の算出部（算出手段）で行う。
ΔＴ＝Ｔ_ｐｏｓｔ−Ｔ_{ｉｎｉｔｉａｌ}（Ｔ_ｐｏｓｔ：変化後のシャフト温度）…（１）
ΔＬ＝α・Ｌ_{ｉｎｉｔｉａｌ}・ΔＴ（α：線膨張係数Ｌ_{ｉｎｉｔｉａｌ}：シャフトの元の長さ）…（２）

制御部４７は、このようにして求めた研磨パッド２２の摩耗量（ΔＨ）およびトップリングシャフト１８の伸び量（ΔＬ）と、ステップＳ１０３のトップリング２０によるパッドサーチで求めた、研磨時のトップリング２０の研磨時設定位置（Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}）とから、式（３）に基づいて次の半導体ウエハＷを研磨するためのトップリング２０の研磨時設定位置（Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}）を算出する（ステップＳ１０７）。
Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}＝Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}＋ΔＨ−ΔＬ…（３）
すなわち、図４（ｂ）に示すように、研磨時のトップリングの高さ位置に影響を与える要素である研磨パッドの摩耗量（ΔＨ）とトップリングシャフトの伸び量（ΔＬ）とを検知し、この検知した研磨パッドの摩耗量（ΔＨ）とトップリングシャフトの伸び量（ΔＬ）に基づいて、先に設定した研磨時のトップリング２０の研磨時設定位置（Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}）を補正し、次の半導体ウエハＷを研磨するためのトップリング２０の研磨時設定位置（Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}）を求めることにより、研磨時にトップリングが常に最適な高さ位置になるように制御する。

次に、サーボモータ３８を駆動して半導体ウエハＷを保持したトップリング２０をステップＳ１０７において求めたトップリング２０の研磨時設定位置（Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}）まで下降させ、トップリング２０の高さ調整を行う（ステップＳ１０８）。この後、ステップＳ１０５〜ステップＳ１０８までの工程が研磨パッドが消耗するまで繰り返されて、多数の半導体ウエハＷが研磨される。その後、再び、研磨パッドが交換されるステップＳ１０１が実行される。なお、ステップＳ１０７において、式（１）および式（２）に基づいてトップリングシャフト１８の伸び量（ΔＬ）を算出したが、トップリングシャフト１８の伸び量をシャフト温度の変化（ΔＴ）に応じて下記のような固定のシャフト伸び量ΔＬ_１〜ΔＬ_８としてもよい。

すなわち、ΔＴ≦−２０℃の時はΔＬ_１、−２０℃＜ΔＴ≦−１５℃の時はΔＬ_２、−１５＜ΔＴ≦−１０℃の時はΔＬ_３、−１０℃＜ΔＴ≦−５℃の時はΔＬ_４、５℃≦ΔＴ＜１０℃の時はΔＬ_５、１０℃≦ΔＴ＜１５℃の時はΔＬ_６、１５℃≦ΔＴ＜２０℃の時はΔＬ_７、２０℃≦ΔＴの時はΔＬ_８とし、ステップＳ１０７における式（３）を以下のように書換えてもよい。
Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}＝Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}＋ΔＨ−（ΔＬ_１〜ΔＬ_８）
なお、−５℃＜ΔＴ＜５℃の場合は、シャフトの伸縮は無視できるほど小さいため、修正の必要はない。

図３に示すフローチャートで説明したように、本実施形態においては、装置の運転中に、研磨時のトップリングの高さ位置に影響を与える要素である研磨パッドの摩耗量（ΔＨ）とトップリングシャフトの伸び量（ΔＬ）とを検知し、この検知した研磨パッドの摩耗量（ΔＨ）とトップリングシャフトの伸び量（ΔＬ）に基づいて、先に設定した研磨時のトップリング２０の研磨時設定位置（Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}）を補正し、次の半導体ウエハＷを研磨するためのトップリング２０の研磨時設定位置（Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}）を求めることにより、研磨時にトップリングが常に研磨時設定の高さ位置になるように制御することができる。したがって、研磨時のトップリングの研磨時設定位置を、トップリングが直接得るためのトップリングによるパッドサーチは、研磨パッドを交換したときのみ行えば済み、スループットを飛躍的に高めることができる。
なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）においては、Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}の基準位置（ゼロ点）をトップリング２０が最も上昇した位置としたが、Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}の基準位置（ゼロ点）を研磨面２２ａの位置としてもよい。この場合には、Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}は研磨面２２ａから弾性膜３１４までの距離になり、Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}を求める（３）式は同一である。

図５は、トップリングシャフト１８の伸び量を直接に測定する非接触式測距離センサ８０を設けた実施形態を示す概略図である。図５に示す実施形態においては、測距離センサ８０がトップリングヘッド１６の上面に固定されている。トップリングヘッド１６の高さ方向の位置は温度変化等により影響を受けない固定高さ位置として見なせるため、測距離センサ８０はトップリングヘッド１６の上面に固定されている。測距離センサ８０は、レーザ式センサ、超音波センサ等からなり、測距離センサ８０からトップリング２０の上面までの距離を測定するようになっている。

図５に示す構成において、前記ステップＳ１０３におけるトップリングによるパッドサーチ時にトップリング２０が研磨時設定位置（Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}）にあるときに、測距離センサ８０により、トップリング２０の上面までの距離（Ｌ_{ｉｎｉｔｉａｌ}）を測定する。次に、前記ステップＳ１０７における温度測定に代わって、測距離センサ８０により、トップリング２０の上面までの距離（Ｌ_ｐｏｓｔ）を測定し、この測定値（Ｌ_ｐｏｓｔ）からトップリングによるパッドサーチ時に求めた測定値（Ｌ_{ｉｎｉｔｉａｌ}）を減算してパッドサーチ以後のシャフト温度の上昇によるトップリングシャフト１８の伸び量（ΔＬ）を算出する（式（４）で示す）。
ΔＬ＝Ｌ_ｐｏｓｔ−Ｌ_{ｉｎｉｔｉａｌ}…（４）
その後、式（３）を用いて次の半導体ウエハを研磨するためのトップリング２０の研磨時設定位置（Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}）を算出するステップは、前記ステップＳ１０７に記載した手順と同様に行われる。また、ステップＳ１０１，Ｓ１０２，Ｓ１０４，Ｓ１０５，Ｓ１０６，Ｓ１０８も同様の手順で行われる。

図５に示す実施形態によれば、温度上昇によるトップリングシャフト１８の伸び量（ΔＬ）を測距離センサ８０により直接検知することができるため、研磨時のトップリング２０の研磨時設定位置（Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}）の制御を正確に行うことができる。

図６（ａ）および図６（ｂ）は、トップリングシャフト１８の伸び量を直接に測定する接触式測距離センサ９０を設けた実施形態を示す概略図であり、図６（ａ）はトップリング２０を支持するトップリングシャフト１８、トップリングヘッド１６および測距離センサ９０等を模式的に示す概略図であり、図６（ｂ）は測距離センサ９０の接触子部分を示す概略図である。図６（ａ）および図６（ｂ）に示す実施形態においては、測距離センサ９０はトップリングヘッド１６の側面に固定されている。測距離センサ９０は、リニアスケールや渦電流式センサ等からなり、センサ本体９１から下方に伸びる接触用ロッド９２と、接触用ロッド９２の先端に取り付けられたローラからなる接触子９３とを備えている。測距離センサ９０は、接触子９３がトップリング２０の上面に接触することにより、センサ本体９１からトップリング２０の上面までの距離を測定するようになっている。図６に示す測距離センサ９０を用いて実施される各ステップは、図５に示す実施形態における各ステップと同様である。なお、図６に示す測距離センサ９０においては、トップリングの回転に対応するようにローラからなる接触子９３を用いているが、測定時のみ接触用ロッド９２が下方に伸びる構成にすれば、トップリングの回転時に接触させる必要がないので、ローラを省略できる。

図７（ａ）および図７（ｂ）は、トップリングシャフト１８の伸び量を測定する接触式測距離センサ１００を基板受渡し装置（プッシャ）に設けた実施形態を示す概略図であり、図７（ａ）はトップリングシャフト１８が膨張する前の状態を示す図であり、図７（ｂ）はトップリングシャフト１８が膨張した後の状態を示す図である。図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、プッシャ１０１は、半導体ウエハＷを載置するプッシャアーム１０２と、プッシャアーム１０２を昇降させるプッシャシャフト１０３と、プッシャシャフト１０３を昇降させるとともに半導体ウエハＷをトップリング２０に対して押し付けるウエハ押し付けシリンダ１０４とを備えている。プッシャシャフト１０３には、被測定アーム１０５が固定されている。そして、ウエハ押し付けシリンダ１０４に隣接して接触式測距離センサ１００が設置されており、接触式測距離センサ１００の接触用ロッド１００ａは被測定アーム１０５に接触して、プッシャシャフト１０３の高さ位置を検知することができるようになっている。

図７（ａ）に示すように、前記ステップＳ１０３におけるトップリングによるパッドサーチ時に、プッシャ１０１がトップリング２０にダミーウエハを受け渡す際に、接触式測距離センサ１００によりプッシャシャフト１０３の高さ位置を検知する。ウエハをプッシャ１０１からトップリング２０に受け渡す際には、トップリング２０、ダミーウエハＷおよびプッシャアーム１０２が互いに接触し、トップリング２０は所定の下降位置にあって、プッシャシャフト１０３は所定の上昇位置にある。したがって、接触式測距離センサ１００によりプッシャシャフト１０３の高さ位置を検知することによりトップリング２０の高さ位置を検知することになる。この時、トップリングシャフト１８には温度上昇による伸びがないため、接触式測距離センサ１００によりトップリングシャフト１８の初期長さ（Ｌ_{ｉｎｉｔｉａｌ}）を間接的に測定していることになる。

次に、図７（ｂ）に示すように、製品ウエハとしての半導体ウエハＷをトップリング２０に受け渡す際には、トップリング２０、ダミーウエハおよびプッシャアーム１０２が互いに接触し、トップリング２０は所定の下降位置にあって、プッシャシャフト１０３は所定の上昇位置にある。したがって、接触式測距離センサ１００によりプッシャシャフト１０３の高さ位置を検知することによりトップリング２０の高さ位置を検知することになる。この時、トップリングシャフト１８には温度上昇による伸びがあるため、接触式測距離センサ１００によりトップリングシャフト１８の熱膨張後の長さ（Ｌ_ｐｏｓｔ）を間接的に測定していることになり、この測定値（Ｌ_ｐｏｓｔ）からパッドサーチ時に求めた測定値（Ｌ_{ｉｎｉｔｉａｌ}）を減算してパッドサーチ以後のシャフトの温度上昇によるトップリングシャフト１８の伸び量（ΔＬ）を算出する。その後、式（３）を用いて次の半導体ウエハを研磨するためのトップリング２０の研磨時設定位置（Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}）を算出するステップは、前記ステップＳ１０７に記載した手順と同様に行われる。また、ステップＳ１０１，Ｓ１０２，Ｓ１０４，Ｓ１０５，Ｓ１０６，Ｓ１０８も同様の手順で行われる。

図７においては、接触式測距離センサを設けた例を示したが、接触式測距離センサを非接触式測距離センサに代え、この接触式測距離センサを基板受渡し装置の近傍に設け、基板受け渡し時にプッシャアーム１０２の位置を検知するようにしてもよい。

図１乃至図７に示す実施形態では、トップリングシャフトの伸び量に基づいてトップリングの研磨時設定位置を補正する例を示したが、ドレッサ５０を用いてパッド摩耗量を測定する際におけるドレッサシャフトの伸び量を考慮することもできる。図２２は、ドレッサ５０によるパッド摩耗量の測定の際に、ドレッサシャフトの伸び量を考慮する場合の実施形態を示す模式図である。
ドレッサシャフト５１の伸び量の算出又は検出は、トップリングシャフトの伸び量の算出又は検出と同様の方法を用いて求められる。
温度変化ΔＴｄ＝Ｔｄ_ｐｏｓｔ−Ｔｄ_{ｉｎｉｔｉａｌ}（Ｔｄ_ｐｏｓｔ：変化後のドレッサシャフト温度）
ドレッサシャフトの伸び量ΔＬｄ＝β・Ｌｄ_{ｉｎｉｔｉａｌ}・ΔＴｄ（β：線膨張係数、Ｌｄ_{ｉｎｉｔｉａｌ}：ドレッサシャフトの元の長さ）
パッド摩耗量ΔＨ＝Ｈｉ−Ｈｗ−ΔＬｄ（Ｈｉ：パッド初期の変位センサ６０とターゲットプレート６１の距離、Ｈｗ：研磨パッドの摩耗後の変位センサ６０とターゲットプレート６１の距離）で得られる。ドレッサシャフトの伸び量の検出は、温度センサ以外にも、トップリングシャフトの場合と同様、リニアスケールセンサや渦電流式センサ等の接触式測距離センサを用いてもよい。

図１乃至図７に示す実施形態においては、研磨時のトップリングの高さ位置に影響を与える要素である研磨パッドの摩耗量（ΔＨ）とトップリングシャフトの伸び量（ΔＬ）とを検知し、この検知した研磨パッドの摩耗量（ΔＨ）とトップリングシャフトの伸び量（ΔＬ）に基づいて、先に設定した研磨時のトップリング２０の研磨時設定位置（Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}）を補正し、次の半導体ウエハＷを研磨するためのトップリング２０の研磨時設定位置（Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}）を求めることにより、研磨時にトップリングが常に最適な高さ位置になるように制御するようにしたが、図８に示す実施形態においては、トップリングシャフトを冷却することにより、研磨装置の運転中にトップリングシャフトが熱膨張によって伸びることがないようにしたものである。

図８に示すように、トップリングシャフト１８内には冷却水流路１８ａが形成されており、研磨装置１０の運転中に、所定温度の冷却水を冷却水流路１８ａに流すことにより、トップリングシャフト１８の温度上昇を防止することができる。したがって、本実施形態においては、図３に示すステップＳ１０７におけるトップリングシャフトの伸び量（ΔＬ）＝０として、図３のフローチャートと同様の各ステップを実施すればよい。すなわち、ステップＳ１０７における式（３）は以下のように書換えられる。
Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}＝Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}＋ΔＨ

次に、図３のフローチャートに示すステップＳ１０７において求めた研磨パッド２２の摩耗量（ΔＨ）を調整した後にトップリング２０の研磨時設定位置（Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}）を算出する実施形態について説明する。
研磨パッド２２が単層パッドの場合には、前記ステップＳ１０７で求めた研磨パッドの摩耗量（ΔＨ）を式（３）に直接に代入してトップリング２０の研磨時設定位置（Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}）を算出することができる。しかしながら、研磨パッド２２が二層パッド等の積層パッドの場合には、上層のＩＣ層（硬質層）が摩耗して薄くなっていくと、下層のＳＵＢＡ層（軟質層）の影響が強くなる。この影響は、リテーナリングに押圧された研磨パッドの部分のやや内側にある研磨パッドの部分のリバウンド（はねかえり又はもりあがり）として現れる。なお、リテーナリングは、図４において、符号３０２として示されている。

積層パッドとしての柔軟性は、上層のＩＣ層と下層のＳＵＢＡ層からなる二つの層の合計であるので、パッドが摩耗すると、下層のＳＵＢＡ層は柔軟なので、上層の硬いＩＣ層が薄くなると、前記リテーナリングのやや内側の研磨パッドの部分のリバウンドが大きくなる。半導体ウエハＷのエッジのプロファイルコントロールは、研磨パッドのリバウンドを利用しているので、研磨パッドの摩耗に対して最適なエッジプロファイルを確保するには、この増加したパッドのリバウンド分だけトップリングを持ち上げてウエハを逃がしてやればよい。このような場合には、ステップＳ１０７で求めた研磨パッド２２の摩耗量（ΔＨ）に対して０≦Ｃ＜１又は１＜Ｃ≦２の調整係数（Ｃ）を掛けてＣΔＨを求め、式（３）においてΔＨをＣΔＨに代えてトップリング２０の研磨時設定位置（Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}）を算出すればよい。すなわち、ステップＳ１０７における式（３）は以下のように書換えられる。
Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}＝Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}＋ＣΔＨ−ΔＬ

次に、研磨パッド２２の摩耗量（ΔＨ）の調整係数（Ｃ）を、例えば、１．０（調整なし）→０．８→０．６などのように切り替える場合の、切り替えのタイミングと切り替えの傾向について説明する。
研磨パッド２２の摩耗量（ΔＨ）の調整係数（Ｃ）の切り替えは、パッドの種類、研磨プロセスの種類に依る。パッド種類は、単層パッドか積層パッドかによって調整係数（Ｃ）は異なる。積層パッドであれば、上層と下層の材質、及びそれぞれの厚みによって調整係数（Ｃ）は異なる。単層パッドの場合、調整係数（Ｃ）は基本的に１．０で良い。
プロセスは、研磨レートがケミカル要素（化学的研磨）が支配的であるか、機械的要素（機械的研磨）が支配的であるかで、大きく変わる。機械的要素が支配的である場合の方が、調整係数（Ｃ）が有効になる。研磨途中で調整係数（Ｃ）を切り替える場合もある。パッドの限界摩耗量が、例えば、０．６ｍｍであれば、摩耗量が限界摩耗量に達する前の０．３ｍｍで切り替えてもよい。切り替えは、１→０．８又は０．８→０．６のように、パッドが摩耗するにつれて調整係数（Ｃ）が小さくなるように行なう。

なお、上述した研磨パッドの摩耗量の調整については、図８に示す実施形態にも適用可能であり、また図８に示す実施形態に限らずトップリングシャフトの伸びを防止でき、又は無視できるようにした態様にも適用可能である。この場合、ステップＳ１０７における式（３）は以下のように書換えられる。
Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}＝Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}＋ＣΔＨ
さらに、例えば研磨パッド表面の溝が浅くなることによりエッジスローになる（ウエハのエッジ部分が削れにくくなる）特性を有する研磨パッドや研磨プロセスの場合には、調整係数Ｃを１より大きくすると有効になる場合もある。その場合は、１＜Ｃ≦２の調整係数を掛けると良い。

次に、上述した図１乃至図８に示す実施形態において好適に使用できるトップリング２０についてより詳細に説明する。図９乃至図１２は、このようなトップリング２０の断面図であり、複数の半径方向に沿って切断した図である。図１３は図９乃至図１２に示す下部材の平面図である。

図９から図１２に示すように、トップリング２０は、半導体ウエハＷを研磨面２２ａに対して押圧するトップリング本体２００と、研磨面２２ａを直接押圧するリテーナリング３０２とから基本的に構成されている。トップリング本体２００は、円盤状の上部材３００と、上部材３００の下面に取り付けられた中間部材３０４と、中間部材３０４の下面に取り付けられた下部材３０６とを備えている。リテーナリング３０２は、上部材３００の外周部に取り付けられている。上部材３００は、ボルト３０８によりトップリングシャフト１８に連結されている。また、中間部材３０４は、ボルト（図示せず）を介して上部材３００に固定されており、下部材３０６はボルト（図示せず）を介して上部材３００に固定されている。上部材３００、中間部材３０４、および下部材３０６から構成される本体部は、エンジニアリングプラスティック（例えば、ＰＥＥＫ）などの樹脂により形成されている。

下部材３０６の下面には、半導体ウエハの裏面に当接する弾性膜３１４が取り付けられている。この弾性膜３１４は、外周側に配置された環状のエッジホルダ３１６と、エッジホルダ３１６の内方に配置された環状のリプルホルダ３１８，３１９とによって下部材３０６の下面に取り付けられている。弾性膜３１４は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴム等の強度および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。

エッジホルダ３１６はリプルホルダ３１８により保持され、リプルホルダ３１８は複数のストッパ３２０により下部材３０６の下面に取り付けられている。リプルホルダ３１９は複数のストッパ３２２により下部材３０６の下面に取り付けられている。図１３に示すように、ストッパ３２０およびストッパ３２２はトップリング２０の円周方向に均等に設けられている。

図９に示すように、弾性膜３１４の中央部にはセンター室３６０が形成されている。リプルホルダ３１９には、このセンター室３６０に連通する流路３２４が形成されており、下部材３０６には、この流路３２４に連通する流路３２５が形成されている。リプルホルダ３１９の流路３２４および下部材３０６の流路３２５は、図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体が流路３２５および流路３２４を通ってセンター室３６０に供給されるようになっている。

リプルホルダ３１８は、弾性膜３１４のリプル３１４ｂおよびエッジ３１４ｃをそれぞれ爪部３１８ｂ，３１８ｃで下部材３０６の下面に押さえつけるようになっており、リプルホルダ３１９は、弾性膜３１４のリプル３１４ａを爪部３１９ａで下部材３０６の下面に押さえつけるようになっている。

図１０に示すように、弾性膜３１４のリプル３１４ａとリプル３１４ｂとの間には環状のリプル室３６１が形成されている。弾性膜３１４のリプルホルダ３１８とリプルホルダ３１９との間には隙間３１４ｆが形成されており、下部材３０６にはこの隙間３１４ｆに連通する流路３４２が形成されている。また、中間部材３０４には、下部材３０６の流路３４２に連通する流路３４４が形成されている。下部材３０６の流路３４２と中間部材３０４の流路３４４との接続部分には、環状溝３４７が形成されている。この下部材３０６の流路３４２は、環状溝３４７および中間部材３０４の流路３４４を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通ってリプル室３６１に供給されるようになっている。また、この流路３４２は、図示しない真空ポンプにも切替可能に接続されており、真空ポンプの作動により弾性膜３１４の下面に半導体ウエハを吸着できるようになっている。

図１１に示すように、リプルホルダ３１８には、弾性膜３１４のリプル３１４ｂおよびエッジ３１４ｃによって形成される環状のアウター室３６２に連通する流路３２６が形成されている。また、下部材３０６には、リプルホルダ３１８の流路３２６にコネクタ３２７を介して連通する流路３２８が、中間部材３０４には、下部材３０６の流路３２８に連通する流路３２９がそれぞれ形成されている。このリプルホルダ３１８の流路３２６は、下部材３０６の流路３２８および中間部材３０４の流路３２９を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通ってアウター室３６２に供給されるようになっている。

図１２に示すように、エッジホルダ３１６は、弾性膜３１４のエッジ３１４ｄを押さえて下部材３０６の下面に保持するようになっている。このエッジホルダ３１６には、弾性膜３１４のエッジ３１４ｃおよびエッジ３１４ｄによって形成される環状のエッジ室３６３に連通する流路３３４が形成されている。また、下部材３０６には、エッジホルダ３１６の流路３３４に連通する流路３３６が、中間部材３０４には、下部材３０６の流路３３６に連通する流路３３８がそれぞれ形成されている。このエッジホルダ３１６の流路３３４は、下部材３０６の流路３３６および中間部材３０４の流路３３８を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通ってエッジ室３６３に供給されるようになっている。

このように、本実施形態におけるトップリング２０においては、弾性膜３１４と下部材３０６との間に形成される圧力室、すなわち、センター室３６０、リプル室３６１、アウター室３６２、およびエッジ室３６３に供給する流体の圧力を調整することにより、半導体ウエハを研磨パッド２２に押圧する押圧力を半導体ウエハの部分ごとに調整できるようになっている。

図１４は図９に示すリテーナリングの拡大図である。リテーナリング３０２は半導体ウエハの外周縁を保持するものであり、図１４に示すように、上部が閉塞された円筒状のシリンダ４００と、シリンダ４００の上部に取り付けられた保持部材４０２と、保持部材４０２によりシリンダ４００内に保持される弾性膜４０４と、弾性膜４０４の下端部に接続されたピストン４０６と、ピストン４０６により下方に押圧されるリング部材４０８とを備えている。リング部材４０８の外周面とシリンダ４００の下端との間には上下方向に伸縮自在な接続シート４２０が設けられている。この接続シート４２０は、リング部材４０８とシリンダ４００との間の隙間を埋めることで研磨液（スラリー）の浸入を防止する役割を持っている。

弾性膜３１４のエッジ（外周縁）３１４ｄには、弾性膜３１４とリテーナリング３０２とを接続する、上方に屈曲した形状のシール部材４２２が形成されている。このシール部材４２２は弾性膜３１４とリング部材４０８との隙間を埋めるように配置されており、変形しやすい材料から形成されている。シール部材４２２は、トップリング本体２００とリテーナリング３０２との相対移動を許容しつつ、弾性膜３１４とリテーナリング３０２との隙間に研磨液が浸入してしまうことを防止するために設けられている。本実施形態では、シール部材４２２は弾性膜３１４のエッジ３１４ｄに一体的に形成されており、断面Ｕ字型の形状を有している。

ここで、接続シート４２０やシール部材４２２を設けない場合は、研磨液がトップリング２０内に浸入してしまい、トップリング２０を構成するトップリング本体２００やリテーナリング３０２の正常な動作を阻害してしまう。本実施形態によれば、接続シート４２０やシール部材４２２によって研磨液のトップリング２０への浸入を防止することができ、これによりトップリング２０を正常に動作させることができる。なお、弾性膜４０４、接続シート４２０、およびシール部材４２２は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴム等の強度および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。

リング部材４０８は、ピストン４０６に当接する上リング部材４０８ａと、研磨面２２ａに接触する下リング部材４０８ｂとに分割されている。この上リング部材４０８ａの外周面および下リング部材４０８ｂの外周面には、周方向に伸びるフランジ部がそれぞれ形成されている。これらのフランジ部はクランプ４３０により把持されており、これにより上リング部材４０８ａと下リング部材４０８ｂとが締結されている。図１５は図１４に示すクランプ４３０の平面図である。このクランプ４３０はたわみやすい材料から構成されている。クランプ４３０の初期形状はほぼ直線状であり、クランプ４３０をリング部材４０８のフランジ部に取り付けることにより、図１５に示すような一部に切り欠きが形成された略環状となる。

図１６（ａ）はクランプ４３０の他の構成例を示す図である。この例では、硬質の材料から形成された複数のクランプ４３０が使用される（図１６（ａ）では１つのクランプのみを示す）。上リング部材４０８ａおよび下リング部材４０８ｂの外周面には、外側に突出する複数のフランジ部４３１ａ，４３１ｂがそれぞれ形成されている。クランプ４３０はリング部材４０８の外周面に沿ってカーブした形状を有している。

このクランプ４３０は次のようにしてリング部材４０８に取り付けられる。まず、フランジ部４３１ａ，４３１ｂの位置が一致するように上リング部材４０８ａと下リング部材４０８ｂとを重ね合わせる。次に、隣接するフランジ部の間の隙間にクランプ４３０を位置させる。そして、クランプ４３０を横方向にスライドさせ、フランジ部４３１ａ，４３１ｂをクランプ４３０により把持させる。これにより上リング部材４０８ａと下リング部材４０８ｂとがクランプ４３０により締結される。この例では、図１６（ｂ）に示すように、接続シート４２０の内周面に、上記フランジ部間の隙間に嵌合する複数の突起部４２０ａが形成されている。これらの突起部４２０ａがフランジ部の間の隙間に嵌合するように接続シート４２０がリング部材４０８に取り付けられ、これによりクランプ４３０の位置が固定される。

図１４に示すように、保持部材４０２には、弾性膜４０４によって形成される室４１０に連通する流路４１２が形成されている。また、シリンダ４００の上部には、保持部材４０２の流路４１２に連通する流路４１４が形成され、上部材３００には、シリンダ４００の流路４１４に連通する流路４１６が形成されている。この保持部材４０２の流路４１２は、シリンダ４００の流路４１４および上部材３００の流路４１６を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通って室４１０に供給されるようになっている。したがって、室４１０に供給する流体の圧力を調整することにより、弾性膜４０４を伸縮させてピストン４０６を上下動させ、リテーナリング３０２のリング部材４０８を所望の圧力で研磨パッド２２に押圧することができる。

図示した例では、弾性膜４０４としてローリングダイヤフラムを用いている。ローリングダイヤフラムは、屈曲した部分をもつ弾性膜からなるもので、ローリングダイヤフラムで仕切る室の内部圧力の変化等により、その屈曲部が転動することにより室の空間を広げることができるものである。室が広がる際にダイヤフラムが外側の部材と摺動せず、ほとんど伸縮しないため、摺動摩擦が極めて少なくてすみ、ダイヤフラムを長寿命化することができ、また、リテーナリング３０２が研磨パッド２２に与える押圧力を精度よく調整することができるという利点がある。

このような構成により、リテーナリング３０２のリング部材４０８だけを下降させることができる。したがって、リテーナリング３０２のリング部材４０８が摩耗しても、下部材３０６と研磨パッド２２との距離を一定に維持することが可能となる。また、研磨パッド２２に接触するリング部材４０８とシリンダ４００とは変形自在な弾性膜４０４で接続されているため、荷重点のオフセットによる曲げモーメントが発生しない。このため、リテーナリング３０２による面圧を均一にすることができ、研磨パッド２２に対する追従性も向上する。

図１３および図１４に示すように、上リング部材４０８ａの内側面には縦方向に伸びるＶ字状溝４１８が均等に複数形成されている。また、下部材３０６の外周部には、外方に突出する複数のピン３４９が設けられており、このピン３４９がリング部材４０８のＶ字状溝４１８に係合するようになっている。Ｖ字状溝４１８内でリング部材４０８とピン３４９が相対的に上下方向にスライド可能になっているとともに、このピン３４９により上部材３００および下部材３０６を介してトップリング本体２００の回転がリテーナリング３０２に伝達され、トップリング本体２００とリテーナリング３０２は一体となって回転する。このような構成により、弾性膜（ローリングダイヤフラム）４０４のねじれを防止し、研磨中にリング部材４０８を研磨面２２ａに対して円滑に均一に押圧することができる。また弾性膜の寿命を長くすることができる。

上記した構成例では、トップリング本体２００に設けられたピン３４９がリテーナリング３０２のＶ字状溝４１８に係合することでトップリング本体２００の回転がリテーナリング３０２に伝達される。このため、ピン３４９がＶ字状溝４１８に擦れてＶ字状溝４１８の表面に凹部が形成されてしまうことがある。このような凹部はピン３４９を強制的に位置決めしてしまい、結果としてリテーナリング３０２の動きが不安定となるおそれがある。図１７及び図１８はこのような不都合を防止することができるトップリングの部分断面図である。

図１７はトップリングの他の構成例を示す部分断面図であり、図１８はこの構成例における下部材の平面図である。図１７及び図１８に示すように、トップリング本体２００の下部材３０６には、環状のシート部材４４０がピン４４１により固定されている。このシート部材４４０の外周部には複数のスライドリング４４４が等間隔に取り付けられている。リテーナリング３０２の上リング部材４０８ａには、上下方向に伸びる複数のドライブピン４４２が等間隔に設けられている。これらのドライブピン４４２はスライドリング４４４にそれぞれスライド可能に嵌合されている。トップリング本体２００の回転は、シート部材４４０、スライドリング４４４、およびドライブピン４４２を介してリテーナリング３０２に伝達され、トップリング本体２００とリテーナリング３０２とは一体となって回転する。

この構成例では、ドライブピン４４２とスライドリング４４４との接触面積が大きいため、ドライブピン４４２およびスライドリング４４４の摩耗を防止することができる。したがって、リング部材４０８は自由に上下動することができ、リテーナリング３０２の正常な動作を確保することができる。なお、シート部材４４０の材料にはゴムが好適に使用される。ゴム製のシート部材４４０を用いることにより、トップリング本体２００とリテーナリング３０２との間で伝達される振動を減衰させることができる。

弾性膜３１４のセンター室３６０、リプル室３６１、アウター室３６２、およびエッジ室３６３に供給する圧力により半導体ウエハに対する押圧力を制御するので、研磨中には下部材３０６は研磨パッド２２から上方に離れた位置にする必要がある。しかしながら、リテーナリング３０２が摩耗すると、半導体ウエハと下部材３０６との間の距離が変化し、弾性膜３１４の変形の仕方も変わるため、半導体ウエハに対する面圧分布も変化することになる。このような面圧分布の変化は、プロファイルが不安定になる要因となっていた。

本実施形態では、リテーナリング３０２を下部材３０６とは独立して上下動させることができるので、リテーナリング３０２のリング部材４０８が摩耗しても、半導体ウエハと下部材３０６との間の距離を一定に維持することができる。したがって、研磨後の半導体ウエハのプロファイルを安定化させることができる。

なお、上述した例では、半導体ウエハの略全面に弾性膜３１４が配置されているが、これに限られるものではなく、弾性膜３１４は半導体ウエハの少なくとも一部に当接するものであればよい。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

本発明の第１の実施形態における研磨装置を示す模式図である。 トップリングを支持するトップリングシャフト、トップリングシャフトを回転可能に支持する軸受および温度センサ等を模式的に示す概略図である。 本実施形態の研磨装置により実施される一連の研磨処理工程を示すフローチャートである。 研磨時のトップリングの研磨時設定位置を補正する方法を模式的に示す図である。 トップリングシャフトの伸び量を直接に測定する非接触式測距離センサを設けた実施形態を示す概略図である。 図６（ａ）はトップリングを支持するトップリングシャフト、トップリングヘッドおよび測距離センサ等を模式的に示す概略図であり、図６（ｂ）は測距離センサの接触子部分を示す概略図である。 トップリングシャフトの伸び量を測定する接触式測距離センサを基板受渡し装置（プッシャ）に設けた実施形態を示す概略図である。 トップリングシャフトを冷却する実施形態を示す断面図である。 図１に示すトップリングの構成例を示す断面図である。 図１に示すトップリングの構成例を示す断面図である。 図１に示すトップリングの構成例を示す断面図である。 図１に示すトップリングの構成例を示す断面図である。 図９乃至図１２に示す下部材の平面図である。 図９に示すリテーナリングの拡大図である。 図１４に示すクランプの平面図である。 図１６（ａ）はクランプの他の構成例を示す斜視図である。図１６（ｂ）はこの構成例で用いられる接続シートの平面図である。 トップリングの他の構成例を示す部分断面図である。 図１７に示す構成例における下部材の平面図である。 スキャンドレッシングを行う場合のドレッシングユニットの構成を示す模式的断面図である。 ドレッサにより研磨パッドのドレッシングを行う方法を示す模式的平面図である。 トップリングの接地動作を複数箇所で行う場合を示す模式的平面図である。 ドレッサによるパッド摩耗量の測定に、ドレッサシャフトの伸び量を考慮する際の実施形態を示す模式図である。

符号の説明

１０ 研磨装置
１２ 研磨テーブル
１２ａ テーブル軸
１４，５８ 支軸
１６ トップリングヘッド
１８ トップリングシャフト
１８ａ 冷却水流路
２０ トップリング
２２ 研磨パッド
２２ａ 研磨面
２４ 昇降機構
２５ ロータリージョイント
２８ ブリッジ
２９，５７ 支持台
３０，５６ 支柱
３２ ボールねじ
３２ａ ねじ軸
３２ｂ ナット
３８ ＡＣサーボモータ
４０ ドレッシングユニット
４７ 制御部（演算部）
５０ ドレッサ
５０ａ ドレッシング部材
５１ ドレッサシャフト
５２ ドレッサ回転モータ
５３ エアシリンダ
５５ 揺動アーム
５６ 支柱
５７ 支持台
５８ 支軸
５９ サポートブロック
６０ 変位センサ
６１ ターゲットプレート
６２ 温度センサ
６３ ドレッサ揺動モータ
７０ 温度センサ
７１ 軸受
７２ タイミングベルト
７３ トップリング回転モータ
９０，１００ 接触式測距離センサ
９１ センサ本体
９２ 接触用ロッド
９３ 接触子
１０１ プッシャ
１０２ プッシャアーム
１０３ プッシャシャフト
１０４ ウエハ押し付けシリンダ
１０５ 被測定アーム
２００ トップリング本体
３００ 上部材
３０２ リテーナリング
３０４ 中間部材
３０６ 下部材
３１４，４０４ 弾性膜
３１６ エッジホルダ
３１８，３１９ リプルホルダ
３２０，３２２ ストッパ
４００ シリンダ
４０２ 保持部材
４０６ ピストン
４０８ リング部材
４２０ 接続シート
４２２ シール部材
Ｗ 半導体ウエハ

Claims (14)

1. 研磨面を有した研磨テーブルと、
   基板を保持して前記研磨面に押圧するトップリングと、
   前記トップリングを昇降させる昇降軸であるトップリングシャフトと、
   前記トップリングシャフトを昇降させる昇降機構と、
   前記トップリングシャフトの伸び量を検知する伸び量検知手段と、
   研磨時の前記トップリングの高さ位置を設定し、この設定された高さ位置である研磨時設定位置まで前記昇降機構を制御して前記トップリングを下降させる制御部とを備え、
   前記トップリングは、圧縮空気が供給される圧力室を形成するとともに基板に当接する弾性膜を備え、前記圧力室に圧縮空気を供給することで前記弾性膜を介して空気圧により前記基板を前記研磨面に押圧するように構成され、
   前記制御部は、前記伸び量検知手段により検知された前記トップリングシャフトの伸び量に基づいて前記設定されたトップリングの研磨時設定位置を補正することを特徴とする研磨装置。
2. 前記トップリングの下面または前記トップリングに保持された基板の下面が前記研磨面に接触したときの前記トップリングの位置を検出する位置検出手段を備え、
   前記制御部は、前記位置検出手段により検出された前記トップリングの位置から前記研磨時設定位置を算出して設定することを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
3. 前記研磨面は研磨パッドから構成され、研磨パッドをドレッシングするドレッサと、
   前記研磨パッドの摩耗量を検知する摩耗量検知手段とを備え、
   前記制御部は、前記摩耗量検知手段により検知された前記研磨パッドの摩耗量と前記トップリングシャフトの伸び量に基づいて前記設定されたトップリングの研磨時設定位置を補正することを特徴とする請求項１または２記載の研磨装置。
4. 前記研磨パッドの摩耗量と前記トップリングシャフトの伸び量に基づいて補正されたトップリングの研磨時設定位置（Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}）は、パッドが摩耗する前に前記設定されたトップリングの研磨時設定位置をＨ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}とし、前記研磨パッドの摩耗量をΔＨとし、前記トップリングシャフトの伸び量をΔＬとすると、Ｈ_{ｐｏｓｔ−ｂｅｓｔ}＝Ｈ_{ｉｎｉｔｉａｌ−ｂｅｓｔ}＋ΔＨ−ΔＬで表されることを特徴とする請求項３記載の研磨装置。
5. 前記ΔＨを、ΔＨに０≦Ｃ＜１又は１＜Ｃ≦２の調整係数（Ｃ）を掛けたＣΔＨに代えることを特徴とする請求項４記載の研磨装置。
6. 前記設定されたトップリングの研磨時設定位置および前記補正後のトップリングの研磨時設定位置は、前記圧力室に圧縮空気が供給される前に前記トップリングに保持された基板の下面と前記研磨面との間に間隙が形成される位置であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の研磨装置。
7. 前記伸び量検知手段は、前記トップリングシャフトの温度を測定する温度センサと、前記温度センサにより測定された温度変化から前記トップリングシャフトの伸び量を算出する算出手段とからなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の研磨装置。
8. 前記伸び量検知手段は、測距離センサからなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の研磨装置。
9. 前記測距離センサは、前記トップリングシャフトを支持するトップリングヘッドに固定され、該測距離センサと前記トップリングの上面との間の距離を測定することを特徴とする請求項８記載の研磨装置。
10. 前記測距離センサは、前記トップリングとの間で基板を受け渡す基板受渡し装置又は基板受渡し装置の近傍に設けられ、基板受け渡し時に前記トップリングの位置を測定することを特徴とする請求項８記載の研磨装置。
11. 前記摩耗量検知手段は、前記ドレッサが前記研磨パッドに接触しているときの前記ドレッサの高さ位置を検知するセンサからなることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の研磨装置。
12. 前記摩耗量検知手段は、ドレッサシャフトの伸びを考慮して前記研磨パッドの摩耗量を検知することを特徴とする請求項１１記載の研磨装置。
13. 前記位置検出手段は、前記トップリングシャフトを昇降させるモータの電流値を検知し、この電流値の変化により前記トップリングの下面または前記トップリングに保持された基板の下面が前記研磨面に接触したことを検出する電流検出器からなることを特徴とする請求項２記載の研磨装置。
14. 前記位置検出手段により、前記トップリングの位置を検出するときに、基板としてダミーウエハを前記トップリングに保持することを特徴とする請求項２記載の研磨装置。

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