JP6313611B2

JP6313611B2 - 研磨装置

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Publication number: JP6313611B2
Application number: JP2014038889A
Authority: JP
Inventors: 晃一武田
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2018-04-18
Anticipated expiration: 2034-02-28
Also published as: JP2015160303A

Description

本発明は、ウェハなどの基板を研磨するための研磨装置に関し、特に基板の研磨に使用される研磨パッドのプロファイル（表面形状または縦断面形状）または摩耗量を取得することができる研磨装置に関する。

近年、半導体デバイスはますます微細化され、素子構造は複雑になりつつある。半導体デバイスの製造工程において、ウェハ表面の平坦化は非常に重要な工程とされる。ウェハ表面の平坦化に用いられる代表的な技術は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ，Chemical Mechanical Polishing）である。この化学的機械的研磨では、砥粒を含んだ研磨液を研磨パッドの研磨面（上面）上に供給しつつウェハを研磨面に摺接させる。ウェハの表面は、砥粒による機械的作用と、研磨液の化学的作用とにより研磨される。

ウェハの研磨を行った後、研磨パッドの研磨面には砥粒や研磨屑が付着し、研磨パッドの特性が変化する。そこで、研磨パッドの研磨面を再生するために、ドレッサーが研磨テーブルの隣に設けられている。このドレッサーは、回転するドレッシングヘッドを研磨パッドの研磨面に押し付けることにより、研磨パッドの研磨面をわずかに削り取り、これによって研磨パッドの研磨面をドレッシング（すなわち再生）する。

研磨パッドのドレッシングを繰り返すにつれて、研磨パッドの研磨面の形状、すなわち研磨パッドのプロファイルが変化する。研磨パッドのプロファイルは、ウェハの研磨結果に大きく影響する。このため、研磨パッドのプロファイルを取得し、得られた研磨パッドのプロファイルに基づいて研磨パラメータ（例えば、ウェハを研磨パッドに押し付ける圧力）を制御することが必要とされる。

研磨パッドのプロファイルは、研磨パッドの表面高さを研磨面上の複数点で測定することにより取得することができる。例えば、図１０に示すように、エアシリンダ２００によってドレッシングヘッド２０１を研磨パッド２０２に押し付けながら、研磨面２０２ａ上の複数点でのドレッシングヘッド２０１の鉛直方向の位置が位置センサ２０３により測定される。ドレッシングヘッド２０１の鉛直方向の位置は、研磨パッド２０２の表面高さに従って変化するので、ドレッシングヘッド２０１の鉛直方向の位置から研磨パッド２０２の表面高さを取得することができる。

特開２００９−１３１９５５号公報

しかしながら、研磨パッド２０２の表面高さが測定されるとき、研磨パッド２０２はドレッシングヘッド２０１に押し付けられて弾性変形するため、研磨パッド２０２の正確なプロファイルを取得することが難しい。特に、弾性変形の量は、研磨面２０２ａの凸部と凹部とで異なり、さらにドレッシングヘッド２０１の荷重にも依存して変わる。

そこで、本発明は、研磨パッドの正確なプロファイルを取得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。

本発明の一態様は、研磨パッドを支持するための研磨テーブルと、基板を前記研磨パッドの表面に押し付ける研磨ヘッドと、前記研磨パッドの表面をドレッシングするドレッシングヘッドと、前記ドレッシングヘッドに連結されたボールねじ機構と、前記ボールねじ機構を駆動して前記ドレッシングヘッドを昇降させるサーボモータと、前記ドレッシングヘッドが前記研磨パッドの表面に接触している間、前記サーボモータのトルクが所定の値に維持されるように前記サーボモータを駆動するサーボドライバと、前記研磨パッドの表面に接触している時の前記ドレッシングヘッドの高さを測定する高さ測定器と、前記ドレッシングヘッドを前記研磨パッドの表面上で移動させるドレッシングヘッド移動機構と、前記研磨パッドの表面上の前記ドレッシングヘッドの位置を算出し、前記ドレッシングヘッドの高さの測定値および前記ドレッシングヘッドの位置の算出値から、前記研磨パッドのプロファイルを生成するパッドプロファイル生成器とを備え、前記高さ測定器は、前記ドレッシングヘッドが前記研磨パッドをドレッシングしているときに、前記ドレッシングヘッドの高さを測定し、前記パッドプロファイル生成器は、前記サーボモータのトルクと、摩耗していない前記研磨パッドの表面に接触している時の前記ドレッシングヘッドの初期高さとの関係を表す関係テーブルまたは関係式を記憶しており、前記トルクの前記所定の値に対応する前記初期高さと前記高さの測定値との差分から前記研磨パッドの摩耗量を決定することを特徴とする研磨装置である。

好ましい態様は、前記パッドプロファイル生成器は、前記研磨パッドの摩耗量および前記ドレッシングヘッドの位置の算出値から、前記研磨パッドの摩耗分布を生成することを特徴とする。

好ましい態様は、前記サーボドライバの動作を制御するモータ制御部をさらに備え、前記モータ制御部は、前記ドレッシングヘッドの前記研磨パッドに対する荷重を前記サーボモータのトルクに変換する変換テーブルまたは変換式を記憶しており、前記荷重をトルクに変換することを特徴とする。

サーボドライバは、サーボモータのトルクを一定に保つために、サーボモータを動作させてドレッシングヘッドを上下動させる。ドレッシングヘッドの上下動は、研磨パッドの研磨面の形状に追従する動きである。したがって、ドレッシングヘッドの鉛直方向の位置から研磨パッドの研磨面の形状を取得することができる。ドレッシングヘッドは、研磨パッドの表面凹凸に追従して上下動するので、研磨パッドの研磨面の凸部と凹部を同じ荷重で押すことができる。したがって、研磨パッドの弾性変形の影響を排除することができる。

研磨装置の斜視図である。ドレッサーの詳細な構成を示す図である。サーボモータのトルクと、摩耗していない研磨パッドの表面に接触している時のドレッシングヘッドの初期高さとの関係を表す関係テーブルである。サーボモータのトルクと、摩耗していない研磨パッドの表面に接触している時のドレッシングヘッドの初期高さとの関係を表す関係式を示す図である。サーボモータのトルクとドレッシングヘッドの初期高さ（研磨パッドの初期の表面高さ）との相関関係を取得する工程を示すフローチャートである。ドレッシングヘッドの荷重をサーボモータのトルクに変換する変換テーブルである。ドレッシングヘッドの荷重をサーボモータのトルクに変換する変換式を示す図である。研磨パッドとドレッシングヘッドを模式的に示す平面図である。ドレッシングヘッドの高さ（研磨パッドの表面高さ）と、対応するドレッシングヘッドの位置を取得する工程を示すフローチャートである。従来のドレッサーを示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。同一または対応する構成要素には同一の符号を付して、その重複する説明を省略する。
図１は、研磨装置の斜視図である。研磨装置は、研磨パッド１０を支持する研磨テーブル１１と、基板の一例であるウェハＷを研磨パッド１０に押し付ける研磨ヘッド２０と、研磨パッド１０をドレッシング（またはコンディショニング）するドレッサー３０とを備えている。研磨パッド１０は研磨テーブル１１の上面に取り付けられており、研磨パッド１０の上面はウェハＷを研磨する研磨面１０ａを構成している。研磨テーブル１１は、テーブルモータ１３に連結されており、このテーブルモータ１３によって研磨テーブル１１および研磨パッド１０は、矢印で示す方向に回転されるようになっている。

研磨ヘッド２０は、研磨ヘッド駆動軸２２に連結されている。研磨ヘッド駆動軸２２は研磨ヘッド揺動アーム２３の一端に回転自在に保持されている。研磨ヘッド揺動アーム２３の他端は、研磨ヘッド揺動軸２４によって支持されている。研磨ヘッド揺動アーム２３の内部には、研磨ヘッド駆動軸２２に連結された図示しない研磨ヘッドモータが設置されている。この研磨ヘッドモータは、研磨ヘッド駆動軸２２を介して研磨ヘッド２０を矢印で示す方向に回転させるように構成されている。

研磨ヘッド２０の下面は、真空吸引などによりウェハを保持するウェハ保持面（すなわち基板保持面）を構成している。研磨ヘッド駆動軸２２は、図示しない上下動アクチュエータに連結されている。研磨ヘッド２０は、上下動アクチュエータにより研磨ヘッド駆動軸２２とともに上下動する。研磨ヘッド揺動軸２４は、研磨テーブル１１の外側に配置されている。この研磨ヘッド揺動軸２４は回転可能に構成されており、これにより研磨ヘッド２０は研磨パッド１０の上方の位置と、研磨パッド１０の外側の位置との間を移動可能となっている。

研磨テーブル１１に隣接して、研磨液及びドレッシング液を研磨パッド１０の研磨面１０ａに供給する液体供給ノズル２５が配置されている。この液体供給ノズル２５は、研磨液（例えばスラリ）を研磨パッド１０に供給する研磨液供給ノズル（図示せず）と、ドレッシング液（例えば純水）を研磨パッド１０に供給するドレッシング液供給ノズル（図示せず）とを備えている。液体供給ノズル２５は、ウェハの研磨時には研磨液を研磨パッド１０上に供給し、ウェハのドレッシング時にはドレッシング液を研磨パッド１０上に供給する。研磨液供給ノズルとドレッシング液供給ノズルとを別々に設けてもよい。

ウェハＷの研磨は、次のようにして行なわれる。研磨ヘッド２０の下面にウェハＷが保持され、研磨ヘッド２０および研磨テーブル１１が回転される。この状態で、研磨パッド１０の研磨面１０ａには研磨液が供給され、そして、研磨ヘッド２０によりウェハＷが研磨パッド１０の研磨面１０ａに押し付けられる。ウェハＷの表面（下面）は、研磨液に含まれる砥粒の機械的研磨作用と研磨液の化学的研磨作用により研磨される。研磨ヘッド２０の下面（ウェハ保持面または基板保持面）は、柔軟な弾性膜から構成された複数の圧力バッグ（図示せず）から構成されており、ウェハＷの複数の領域を別々に研磨パッド１０に押し付けることが可能となっている。

ドレッサー３０は、研磨パッド１０の研磨面１０ａに押し付けられるドレッシングヘッド３１と、このドレッシングヘッド３１に連結されたドレッサー駆動軸３２と、ドレッサー駆動軸３２を回転自在に保持するドレッサー揺動アーム３３とを備えている。ドレッシングヘッド３１の下面は、ダイヤモンド粒子などの硬質の砥粒から構成されたドレッシング面である。

研磨パッド１０のドレッシングは次のようにして行われる。研磨テーブル１１を研磨パッド１０とともに回転させ、液体供給ノズル２５からドレッシング液（例えば純水）を研磨パッド１０上に供給する。ドレッシングヘッド３１のドレッシング面が研磨パッド１０の研磨面１０ａに接触するまで、ドレッシングヘッド３１はその軸心まわりに回転しながら下降する。さらに、ドレッシングヘッド３１はドレッサー揺動アーム３３によって研磨パッド１０上を揺動させられる。ドレッシングヘッド３１は、そのドレッシング面を研磨パッド１０の研磨面１０ａに摺接させることにより、研磨パッド１０をドレッシングする。研磨パッド１０のドレッシングが終了すると、ドレッサー揺動アーム３３が旋回してドレッシングヘッド３１を研磨テーブル１１の外側の退避位置にまで移動させる。

図２は、ドレッサー３０の詳細な構成を示す図である。図２に示すように、ドレッシングヘッド３１はドレッサー駆動軸３２の下端に連結されている。ドレッサー駆動軸３２は、伸縮可能なジョイント４１を介してドレッサーモータ３６に連結されている。ドレッサーモータ３６はモータ保持部３９に固定され、このモータ保持部３９はドレッサー揺動アーム３３に固定されている。ジョイント４１は、ドレッサー駆動軸３２の鉛直方向の移動を許容しつつ、ドレッサーモータ３６のトルクをドレッサー駆動軸３２に伝達できるように構成されている。ドレッサーモータ３６は、そのトルクをジョイント４１およびドレッサー駆動軸３２を介してドレッシングヘッド３１に伝え、ドレッシングヘッド３１を矢印で示す方向に回転させる。

ドレッサー駆動軸３２は、ドレッサー揺動アーム３３の一端に回転自在に支持されており、ドレッサー揺動アーム３３の他端はドレッサー揺動軸３４に固定されている。ドレッサー揺動軸３４はアームモータ４２に連結されている。このアームモータ４２は、ドレッサー揺動軸３４を中心としてドレッサー揺動アーム３３を所定の角度だけ時計方向および反時計方向に交互に旋回させることにより、研磨パッド１０上のドレッシングヘッド３１を研磨パッド１０の半径方向に揺動させる。アームモータ４２は、ドレッシングヘッド３１を研磨パッド１０の表面上で移動させるドレッシングヘッド移動機構である。アームモータ４２およびテーブルモータ１３はモータ制御部５７に接続されており、アームモータ４２およびテーブルモータ１３の動作はモータ制御部５７によって制御される。

ドレッサー駆動軸３２には軸受４５が取り付けられており、この軸受４５は連結部材４９を介してボールねじ機構５０のナット５１に連結されている。ナット５１は連結部材４９に固定されている。ボールねじ機構５０は、連結部材４９、軸受４５、およびドレッサー駆動軸３２を介してドレッシングヘッド３１に連結されている。

ボールねじ機構５０のねじ軸５２は、サーボモータ５５に連結されている。サーボモータ５５は、モータ保持部３９に固定されており、サーボモータ５５の鉛直方向の位置は固定されている。サーボモータ５５は、ボールねじ機構５０を駆動してドレッシングヘッド３１を昇降させるための昇降モータである。すなわち、サーボモータ５５がボールねじ機構５０のねじ軸５２を回転させると、連結部材４９、軸受４５、ドレッサー駆動軸３２、およびドレッシングヘッド３１が一体に上昇および下降する。ドレッシングヘッド３１は、ドレッサーモータ３６によって回転させられ、サーボモータ５５によって研磨パッド１０に押し付けられる。

サーボモータ５５はサーボドライバ５６に接続されており、サーボモータ５５はサーボドライバ５６によって駆動される。サーボドライバ５６はモータ制御部５７に接続されており、サーボドライバ５６の動作はモータ制御部５７によって制御される。研磨パッド１０に加えられるドレッシングヘッド３１の荷重は、モータ制御部５７によって制御される。

サーボドライバ５６は、サーボモータ５５を位置決め制御モードとトルク制御モードの２つのモードのいずれかで駆動するように構成されている。位置決め制御モードは、ドレッシングヘッド３１を予め設定された位置まで比較的高速で移動させるモードであり、トルク制御モードは、サーボモータ５５に掛かる負荷の変動にかかわらず、サーボモータ５５が発生するトルクを所定の値に維持するモードである。モータ制御部５７からのモード切り替え信号を受け取ると、サーボドライバ５６は位置決め制御モードからトルク制御モードに、またはその逆に切り替える。

研磨パッド１０のドレッシングを行うとき、サーボドライバ５６は、まずサーボモータ５５を位置決め制御モードで駆動し、続いてトルク制御モードで駆動する。すなわち、サーボドライバ５６はサーボモータ５５を位置決め制御モードで駆動して、ドレッシングヘッド３１を予め設定された位置まで高速で下降させる。例えば、研磨パッド１０の研磨面１０ａから１ｍｍだけ上方の位置までドレッシングヘッド３１を高速で下降させる。このように位置決め制御モードでは、サーボモータ５５は、ドレッシングヘッド３１が研磨パッド１０に接触する直前までドレッシングヘッド３１を高速で下降させることができるので、全体のドレッシング時間を短縮することができる。

ドレッシングヘッド３１が予め設定された位置に達すると、モータ制御部５７はサーボドライバ５６にモード切り替え信号を送り、サーボドライバ５６の運転モードを位置決め制御モードからトルク制御モードに切り替える。さらに、モータ制御部５７は、サーボモータ５５のトルクを所定の値に維持するためのトルク指令信号をサーボドライバ５６に送る。サーボドライバ５６は、サーボモータ５５のトルクが上記所定の値に維持されるように、サーボモータ５５をトルク制御モードで駆動する。

ドレッシングヘッド３１が研磨パッド１０に接触していないとき、サーボモータ５５のトルクは極めて小さい。ドレッシングヘッド３１が研磨パッド１０に接触すると、サーボモータ５５のトルクが上昇する。より具体的には、弾性材から構成される研磨パッド１０にドレッシングヘッド３１が押し込まれるにつれて、サーボモータ５５のトルクが徐々に上昇する。トルクが所定の値に達すると、サーボドライバ５６はトルクがその所定の値に維持されるようにサーボモータ５５の動作を制御する。

ドレッシングヘッド３１は、研磨パッド１０上を移動しながら研磨パッド１０をドレッシングする。研磨パッド１０の研磨面１０ａに凹凸があると、研磨パッド１０からの反発力は変化する。すなわち、ドレッシングヘッド３１が研磨面１０ａの凸部を横切るとき、ドレッシングヘッド３１に作用する反発力が増加する。このとき、サーボドライバ５６は、サーボモータ５５のトルクを一定に保つために、ドレッシングヘッド３１が上昇する方向にサーボモータ５５を駆動する。一方、ドレッシングヘッド３１が研磨面１０ａの凹部を横切るとき、ドレッシングヘッド３１に作用する反発力が減少する。このとき、サーボドライバ５６は、サーボモータ５５のトルクを一定に保つために、ドレッシングヘッド３１が下降する方向にサーボモータ５５を駆動する。

このように、トルク制御モードでは、サーボドライバ５６は、サーボモータ５５のトルクを一定に保つために、サーボモータ５５を動作させてドレッシングヘッド３１を上下動させる。ドレッシングヘッド３１の上下動は、研磨パッド１０の研磨面１０ａの形状に追従する動きである。したがって、ドレッシングヘッド３１の鉛直方向の位置から研磨パッド１０の研磨面１０ａの形状を取得することができる。ドレッシングヘッド３１は、研磨パッド１０の表面凹凸に追従して上下動するので、研磨パッド１０の研磨面１０ａの凸部と凹部を同じ荷重で押し付けることができる。したがって、研磨パッド１０の弾性変形の影響を排除することができる。

サーボモータ５５の内部には、サーボモータ５５のロータの回転角度を測定するロータリエンコーダ６１が配置されている。ロータリエンコーダ６１は高さ算出器６２に接続され、回転角度の測定値は高さ算出器６２に送られる。高さ算出器６２は、サーボモータ５５の回転角度の測定値と、ボールねじ機構５０のねじピッチとからドレッシングヘッド３１の鉛直方向の位置、すなわちドレッシングヘッド３１の高さを算出する。

トルク制御モードでは、研磨パッド１０の研磨面１０ａに接触しているときのドレッシングヘッド３１の高さは、研磨パッド１０の研磨面１０ａの高さに依存して変わる。したがって、ドレッシングヘッド３１の高さから、研磨パッド１０の研磨面１０ａの高さ、すなわち研磨パッド１０の表面形状を取得することができる。ロータリエンコーダ６１および高さ算出器６２は、ドレッシングヘッド３１の高さを測定する高さ測定器を構成する。この高さ測定器によって取得されたドレッシングヘッド３１の高さの測定値は、パッドプロファイル生成器７０に送られる。

アームモータ４２の内部にはロータリエンコーダ６５が配置されており、ドレッサー揺動アーム３３の旋回角度（すなわちドレッサー揺動軸３４の回転角度）がロータリエンコーダ６５によって測定される。ドレッサー揺動アーム３３の旋回角度の測定値は、パッドプロファイル生成器７０に送られる。同様に、テーブルモータ１３の内部にはロータリエンコーダ６６が配置されており、研磨テーブル１１の回転角度がロータリエンコーダ６６によって測定される。研磨テーブル１１の回転角度の測定値は、パッドプロファイル生成器７０に送られる。

摩耗していない（すなわち新品の）研磨パッド１０の表面に接触している時のドレッシングヘッド３１の初期高さが既知であれば、研磨パッド１０の初期の表面高さと研磨パッド１０の現在の表面高さとの差分から研磨パッド１０の摩耗量を算出することができる。すなわち、パッドプロファイル生成器７０は、ドレッシングヘッド３１の初期高さ（研磨パッド１０の初期の表面高さ）からドレッシングヘッド３１の高さの測定値（研磨パッド１０の現在の表面高さ）を減算することにより、研磨パッド１０の摩耗量を決定することができる。

しかしながら、研磨パッド１０は弾性材から構成されているので、ドレッシングヘッド３１の荷重はドレッシングヘッド３１の高さの測定値に影響を与える。したがって、正確な研磨パッド１０の摩耗量を決定するためには、ドレッシングヘッド３１の初期高さを測定したときのドレッシングヘッド３１の荷重は、ドレッシングヘッド３１の現在の高さを測定したときのドレッシングヘッド３１の荷重と同じであることが必要である。

そこで、パッドプロファイル生成器７０は、サーボモータ５５のトルクと、摩耗していない研磨パッド１０の表面に接触している時のドレッシングヘッド３１の初期高さとの関係を表す関係テーブルまたは関係式を記憶している。サーボモータ５５のトルクは、ボールねじ機構５０によってドレッシングヘッド３１の荷重に変換され、ドレッシングヘッド３１の荷重はサーボモータ５５のトルクに比例する。

図３は、サーボモータ５５のトルクと、摩耗していない研磨パッド１０の表面に接触している時のドレッシングヘッド３１の初期高さとの関係を表す関係テーブルであり、図４は、サーボモータ５５のトルクと、摩耗していない研磨パッド１０の表面に接触している時のドレッシングヘッド３１の初期高さとの関係を表す関係式を示す図である。図３および図４から分かるように、サーボモータ５５のトルクとドレッシングヘッド３１の初期高さ（研磨パッド１０の初期の表面高さ）との間には相関関係がある。この相関関係は、使用された研磨パッドを新しい研磨パッド１０に交換した後であって、その研磨パッド１０を用いてウェハを研磨する前に、取得される。

図５は、サーボモータ５５のトルクとドレッシングヘッド３１の初期高さ（研磨パッド１０の初期の表面高さ）との相関関係を取得する工程を示すフローチャートである。モータ制御部５７は、サーボドライバ５６の運転モードを位置決め制御モードに切り替える（ステップ１）。サーボドライバ５６は、位置決め制御モードでサーボモータ５５を駆動し、サーボモータ５５はドレッシングヘッド３１を予め設定された位置まで高速で下降させる（ステップ２）。

ドレッシングヘッド３１が予め設定された位置に達した後、モータ制御部５７はサーボドライバ５６の運転モードを位置決め制御モードからトルク制御モードに切り替える（ステップ３）。サーボドライバ５６は、トルクの設定値を少しずつ変えながら、サーボモータ５５を駆動する（ステップ４）。ロータリエンコーダ６１および高さ算出器６２から構成される高さ測定器は、トルクのそれぞれの設定値でのドレッシングヘッド３１の高さを測定する（ステップ５）。ステップ１からステップ５までの工程は、研磨パッド１０上の所定の測定点のすべてにおいて実行される（ステップ６）。

上述したように、サーボモータ５５のトルクとドレッシングヘッド３１の初期高さ（研磨パッド１０の初期の表面高さ）との相関関係は、関係テーブルまたは関係式の形態でパッドプロファイル生成器７０に記憶される。パッドプロファイル生成器７０は、研磨パッド１０のドレッシング時のサーボモータ５５のトルク値に対応するドレッシングヘッド３１の初期高さを関係テーブルまたは関係式から取得し、得られたドレッシングヘッド３１の初期高さ（研磨パッド１０の初期の表面高さ）からドレッシングヘッド３１の高さの測定値（研磨パッド１０の現在の表面高さ）を減算することにより、研磨パッド１０の摩耗量を決定する。

パッドプロファイル生成器７０は、サーボモータ５５のトルクが同じ条件下で取得されたドレッシングヘッド３１の初期高さおよびドレッシングヘッド３１の高さの測定値から正確な研磨パッド１０の摩耗量を算出することができる。すなわち、ドレッシングヘッド３１の荷重が同じ条件下でドレッシングヘッド３１の高さ（すなわち、研磨パッド１０の表面高さ）が測定されるので、研磨パッド１０の弾性変形の影響を排除して正確な研磨パッド１０の摩耗量を算出することができる。

一般に、ドレッサー３０の動作条件を定めるドレッシングレシピは、ドレッシングヘッド３１の荷重［Ｎ］を使用して作成される。そこで、パッドプロファイル生成器７０およびモータ制御部５７は、ドレッシングヘッド３１の研磨パッド１０に対する荷重をサーボモータ５５のトルクに変換する変換テーブルまたは変換式を有している。サーボモータ５５のトルクは、例えばサーボモータ５５の定格トルクに対するパーセントで表される。

図６は、ドレッシングヘッド３１の荷重をサーボモータ５５のトルクに変換する変換テーブルであり、図７は、ドレッシングヘッド３１の荷重をサーボモータ５５のトルクに変換する変換式を示す図である。図６および図７に示す変換テーブルおよび変換式は、ドレッシングヘッド３１と研磨パッド１０との間にロードセルなどの荷重測定器を配置し、サーボモータ５５のトルクの設定値を少しずつ変えながらサーボモータ５５を駆動し、トルクのそれぞれの設定値での荷重を荷重測定器により測定することにより取得することができる。

上述のようにして取得されたドレッシングヘッド３１の高さの測定値および研磨パッド１０の摩耗量は、研磨パッド１０上のドレッシングヘッド３１の位置と組み合わせてパッドプロファイル生成器７０に保存される。パッドプロファイル生成器７０は、ドレッシングヘッド３１の高さの測定値と、対応するドレッシングヘッド３１の位置とから研磨パッド１０のプロファイルを作成することができる。さらに、パッドプロファイル生成器７０は、研磨パッド１０の摩耗量と、対応するドレッシングヘッド３１の位置とから研磨パッド１０の摩耗分布を作成することができる。

パッドプロファイル生成器７０は、研磨テーブル１１の回転角度、ドレッサー揺動アーム３３の旋回角度、ドレッサー揺動軸３４の位置、およびドレッシングヘッド３１とドレッサー揺動軸３４との距離から、研磨パッド１０上のドレッシングヘッド３１の相対位置を計算するように構成されている。以下、研磨パッド１０上のドレッシングヘッド３１の相対位置の算出方法について図８を参照して説明する。図８は、研磨パッド１０とドレッシングヘッド３１を模式的に示す平面図である。図８において、ｘ−ｙ座標系は研磨パッド１０の研磨面１０ａ上に定義された固定座標系であり、Ｘ−Ｙ座標系は研磨パッド１０の研磨面１０ａ上に定義された回転座標系である。図８に示すように、研磨テーブル１１およびその上の研磨パッド１０はｘ−ｙ固定座標系の原点Ｏを中心として回転する。ドレッサー揺動アーム３３はｘ−ｙ固定座標系上のドレッサー揺動軸３４を中心として時計周りおよび反時計回りに交互に所定の角度だけ旋回する。

研磨テーブル１１とドレッサー揺動軸３４の相対位置は固定であるから、ｘ−ｙ固定座標系上のドレッサー揺動軸３４の座標は必然的に決定される。ドレッサー揺動アーム３３の旋回角度θは、ロータリエンコーダ６５により計測される。研磨パッド１０（研磨テーブル１１）の回転角度αは、ｘ−ｙ固定座標系の座標軸とＸ−Ｙ回転座標系の座標軸とがなす角度であり、この回転角度αはロータリエンコーダ６６により計測される。

ｘ−ｙ固定座標系上のドレッシングヘッド３１の中心の座標は、ドレッサー揺動軸３４の座標と、ドレッシングヘッド３１とドレッサー揺動軸３４との距離Ｌと、ドレッサー揺動アーム３３の旋回角度θとから決定することができる。さらに、Ｘ−Ｙ回転座標系上のドレッシングヘッド３１の中心の座標は、ｘ−ｙ固定座標系上のドレッシングヘッド３１の中心の座標と、研磨パッド１０の回転角度αとから決定することができる。固定座標系上の座標から回転座標系上の座標への変換は、公知の変換式を用いて行うことができる。

パッドプロファイル生成器７０は、上述のようにしてＸ−Ｙ回転座標系上のドレッシングヘッド３１の中心の座標を算出する。Ｘ−Ｙ回転座標系は、研磨面１０ａ上に定義された二次元平面である。すなわち、Ｘ−Ｙ回転座標系上のドレッシングヘッド３１の座標は、研磨面１０ａに対するドレッシングヘッド３１の相対位置を示す。したがって、ドレッシングヘッド３１の位置は、研磨面１０ａに定義された二次元平面上の位置として表される。

パッドプロファイル生成器７０は、ドレッシングヘッド３１の高さの測定値および研磨パッド１０の摩耗量を取得するたびに、そのドレッシングヘッド３１の高さの測定値および研磨パッド１０の摩耗量を取得したＸ−Ｙ回転座標系上の座標を特定する。この座標は、取得したドレッシングヘッド３１の高さの測定値および研磨パッド１０の摩耗量に対応するドレッシングヘッド３１の位置を示している。したがって、パッドプロファイル生成器７０は、ドレッシングヘッド３１の高さの測定値および対応するドレッシングヘッド３１の位置から、研磨パッド１０のプロファイルを作成することができる。さらに、パッドプロファイル生成器７０は、研磨パッド１０の摩耗量および対応するドレッシングヘッド３１の位置から、研磨パッド１０の摩耗分布を作成することができる。

ドレッシングヘッド３１の高さの測定値および研磨パッド１０の摩耗量と、対応するドレッシングヘッド３１の位置は、テーブルモータ１３、アームモータ４２、およびサーボモータ５５の動作に基づいて取得される。図２に示すように、テーブルモータ１３、アームモータ４２、およびサーボモータ５５の動作は、共通のモータ制御部５７によって制御される。したがって、ドレッシングヘッド３１の高さの測定値および研磨パッド１０の摩耗量と、対応するドレッシングヘッド３１の位置は、実質的に同じタイミングで取得される。結果として、パッドプロファイル生成器７０は、ドレッシングヘッド３１の高さの測定値および研磨パッド１０の摩耗量と、対応するドレッシングヘッド３１の位置を正しく組み合わせることができ、正確なパッドプロファイルおよび摩耗分布を生成することができる。

図９は、ドレッシングヘッド３１の高さ（研磨パッド１０の表面高さ）と、対応するドレッシングヘッド３１の位置を取得する工程を示すフローチャートである。アームモータ４２を作動させてドレッシングヘッド３１を研磨パッド１０の上方位置に移動させる（ステップ１）。モータ制御部５７は、サーボドライバ５６の運転モードを位置決め制御モードに切り替える（ステップ２）。サーボドライバ５６は、位置決め制御モードでサーボモータ５５を駆動し、サーボモータ５５はドレッシングヘッド３１を予め設定された位置まで高速で下降させる（ステップ３）。

ドレッシングヘッド３１が予め設定された位置に達した後、モータ制御部５７はサーボドライバ５６の運転モードを位置決め制御モードからトルク制御モードに切り替える（ステップ４）。モータ制御部５７は、サーボモータ５５のトルクを所定の値に維持するためのトルク指令信号をサーボドライバ５６に送る（ステップ５）。サーボドライバ５６は、サーボモータ５５のトルクが上記所定の値に維持されるように、サーボモータ５５をトルク制御モードで駆動する（ステップ６）。

次に、アームモータ４２が作動されてドレッシングヘッド３１を研磨パッド１０上で揺動させる（ステップ７）。パッドプロファイル生成器７０は、研磨テーブル１１の回転角度、ドレッサー揺動アーム３３の旋回角度、ドレッシングヘッド３１の高さの測定値の取得を開始する（ステップ８）。予め設定されたドレッシング時間が経過すると（ステップ９）、パッドプロファイル生成器７０は、研磨テーブル１１の回転角度、ドレッサー揺動アーム３３の旋回角度、ドレッシングヘッド３１の高さの測定値の取得を停止する（ステップ１０）。

モータ制御部５７は、サーボドライバ５６の運転モードをトルク制御モードから位置決め制御モードに切り替える（ステップ１１）。サーボドライバ５６は、位置決め制御モードでサーボモータ５５を駆動し、サーボモータ５５はドレッシングヘッド３１を予め設定された位置まで高速で上昇させる（ステップ１２）。

パッドプロファイル生成器７０は、研磨テーブル１１の回転角度を取得しなくてもよい。この場合であっても、ドレッシングヘッド３１は研磨パッド１０の半径方向に揺動するので、研磨パッド１０のプロファイルを取得することができる。

取得された研磨パッド１０のプロファイルまたは摩耗分布に基づいて、ドレッシング条件を変更してもよい。例えば、研磨パッド１０の研磨面１０ａが平坦になるように、研磨面１０ａの凸部ではドレッシングヘッド３１の荷重を増やすか、またはドレッシングヘッド３１の揺動速度を遅くし、研磨面１０ａの凹部ではドレッシングヘッド３１の荷重を減らすか、またはドレッシングヘッド３１の揺動速度を速くしてもよい。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲とすべきである。

１０研磨パッド
１１研磨テーブル
１３テーブルモータ
２０研磨ヘッド
３０ドレッサー
２２研磨ヘッド駆動軸
２３研磨ヘッド揺動アーム
２４研磨ヘッド揺動軸
２５液体供給ノズル
３１ドレッシングヘッド
３２ドレッサー駆動軸
３３ドレッサー揺動アーム
３４ドレッサー揺動軸
３６ドレッサーモータ
３９モータ保持部
４１ジョイント
４２アームモータ
４５軸受
４９連結部材
５０ボールねじ機構
５１ナット
５２ねじ軸
５５サーボモータ
５６サーボドライバ
５７モータ制御部
６１ロータリエンコーダ
６２高さ算出器
６５ロータリエンコーダ
６６ロータリエンコーダ
７０パッドプロファイル生成器

Claims

研磨パッドを支持するための研磨テーブルと、
基板を前記研磨パッドの表面に押し付ける研磨ヘッドと、
前記研磨パッドの表面をドレッシングするドレッシングヘッドと、
前記ドレッシングヘッドに連結されたボールねじ機構と、
前記ボールねじ機構を駆動して前記ドレッシングヘッドを昇降させるサーボモータと、
前記ドレッシングヘッドが前記研磨パッドの表面に接触している間、前記サーボモータのトルクが所定の値に維持されるように前記サーボモータを駆動するサーボドライバと、
前記研磨パッドの表面に接触している時の前記ドレッシングヘッドの高さを測定する高さ測定器と、
前記ドレッシングヘッドを前記研磨パッドの表面上で移動させるドレッシングヘッド移動機構と、
前記研磨パッドの表面上の前記ドレッシングヘッドの位置を算出し、前記ドレッシングヘッドの高さの測定値および前記ドレッシングヘッドの位置の算出値から、前記研磨パッドのプロファイルを生成するパッドプロファイル生成器とを備え、
前記高さ測定器は、前記ドレッシングヘッドが前記研磨パッドをドレッシングしているときに、前記ドレッシングヘッドの高さを測定し、
前記パッドプロファイル生成器は、前記サーボモータのトルクと、摩耗していない前記研磨パッドの表面に接触している時の前記ドレッシングヘッドの初期高さとの関係を表す関係テーブルまたは関係式を記憶しており、前記トルクの前記所定の値に対応する前記初期高さと前記高さの測定値との差分から前記研磨パッドの摩耗量を決定することを特徴とする研磨装置。
前記パッドプロファイル生成器は、前記研磨パッドの摩耗量および前記ドレッシングヘッドの位置の算出値から、前記研磨パッドの摩耗分布を生成することを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
前記サーボドライバの動作を制御するモータ制御部をさらに備え、
前記モータ制御部は、前記ドレッシングヘッドの前記研磨パッドに対する荷重を前記サーボモータのトルクに変換する変換テーブルまたは変換式を記憶しており、前記荷重をトルクに変換することを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。