JP6327958B2 - 研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、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が進むにつれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭くなりつつある。そこで、研磨対象物である半導体ウエハの表面を平坦化することが必要となるが、この平坦化法の一手段として研磨装置により研磨（ポリッシング）することが行われている。

従来、研磨装置は、研磨対象物を研磨するための研磨パッドを保持するための研磨テーブルと、研磨対象物を保持して研磨パッドに押圧するためにトップリングを備える。研磨テーブルとトップリングはそれぞれ、駆動部（例えばモータ）によって回転駆動される。研磨剤を含む液体（スラリー）を研磨パッド上に流し、そこにトップリングに保持された研磨対象物を押し当てることにより、研磨対象物は研磨される。

研磨装置では、研磨対象物の研磨が不十分であると回路間の絶縁がとれずショートするおそれが生じ、また、過研磨となった場合は、配線の断面積が減ることによる抵抗値の上昇、又は配線自体が完全に除去され回路自体が形成されないなどの問題が生じる。このため、研磨装置では、最適な研磨終点の検出することが求められる。

研磨終点検出手段の１つとして、研磨が異材質の物質へ移行した際の研磨摩擦力の変化を検出する方法が知られている。研磨対象物である半導体ウエハは、半導体、導体、絶縁体の異なる材質からなる積層構造を有しており、異材質層間で摩擦係数が異なる。このため、研磨が異材質層へ移行することによって生じる研磨摩擦力の変化を検知する方法である。この方法によれば、研磨が異材質層に達した時が研磨の終点となる。

また、研磨装置は、研磨対象物の研磨表面が平坦ではない状態から平坦になった際の研磨摩擦力の変化を検出することにより、研磨終点を検出することもできる。

ここで、研磨対象物を研磨する際に生じる研磨摩擦力は、駆動部の駆動負荷として現れる。例えば、駆動部が電動モータの場合には、駆動負荷（トルク）はモータに流れる電流として測定することができる。このため、モータ電流を電流センサで検出し、検出したモータ電流の変化に基づいて研磨の終点を検出することができる。

特開平１０−２０２５２３号

しかしながら、従来技術は、研磨終点検出の精度を向上させることは考慮されていない。

すなわち、研磨装置には、研磨テーブル又はトップリングに冷却水などを供給する目的でロータリジョイントが設けられる場合がある。ロータリジョイントは、研磨テーブル又はトップリングを駆動する駆動部によって回転駆動される回転体と、回転体の周囲に設けられたハウジングと、回転体とハウジングの間に設けられ回転体の回転を支持する軸受と
、回転体とハウジングとの間をシールするシール部などを有する。シール部は、回転体とハウジングとの間のメカニカルシール、オイルシールなどを含む。シール部には、回転体とハウジングによる摺動抵抗が発生し、この摺動抵抗は、回転体を駆動する駆動部の駆動負荷となる。

したがって、電流センサによって検出されるモータ電流には、研磨摩擦力による駆動負荷のみならず、ロータリジョイントにおけるシール部の摺動抵抗による駆動負荷も含まれる。何らかの原因によりシール部の摺動抵抗による駆動負荷に変動が生じた場合、この変動がそのままモータ電流に反映され、研磨終点を誤検出するおそれがある。

そこで、本発明の一形態は、研磨終点検出の精度を向上させることを課題とする。

本願発明の研磨装置の一形態は、上記課題に鑑みなされたもので、研磨対象物を研磨するための研磨パッドを保持するための研磨テーブルと、前記研磨テーブルを回転駆動する第１の駆動部と、前記第１の駆動部によって回転駆動される回転体、前記回転体の周囲に設けられたハウジング、及び前記回転体と前記ハウジングとの間をシールするシール部、を有する第１のロータリジョイントと、前記第１の駆動部の駆動負荷に相関する電流を検出する電流検出部と、前記第１のロータリジョイントの前記シール部における摺動抵抗を検出する抵抗検出部と、前記電流検出部によって検出された電流、及び前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に基づいて、前記研磨対象物の研磨終点を検出する終点検出装置と、を備える。

また本願発明の研磨装置の一形態は、上記課題に鑑みなされたもので、研磨対象物を保持して前記研磨対象物を研磨するための研磨パッドへ押圧するための基板保持部と、前記保持部を回転駆動する第２の駆動部と、前記第２の駆動部によって回転駆動される回転体、前記回転体の周囲に設けられたハウジング、及び前記回転体と前記ハウジングとの間をシールするシール部、を有する第２のロータリジョイントと、前記第２の駆動部の駆動負荷に相関する電流を検出する電流検出部と、前記第２のロータリジョイントの前記シール部における摺動抵抗を検出する抵抗検出部と、前記電流検出部によって検出された電流、及び前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に基づいて、前記研磨対象物の研磨終点を検出する終点検出装置と、を備える。

また、研磨装置の一形態において、前記ハウジングに固定された第１の回転止め部材、及び、前記第１の回転止め部材と接触して前記ハウジングの回転を止める第２の回転止め部材をさらに備え、前記抵抗検出部は、前記第１の回転止め部材及び前記第２の回転止め部材の互いの接触力を検出する力検出部を含む、ことができる。

また、研磨装置の一形態において、前記力検出部は、前記第１の回転止め部材及び前記第２の回転止め部材の互いの接触部の少なくとも一方に設けられた、ロードセル、歪みゲージ、圧力センサ、及び圧電素子の少なくとも１つを含む、ことができる。

また、研磨装置の一形態において、前記ハウジングに固定された第１の回転止め部材、及び、前記第１の回転止め部材と接触して前記ハウジングの回転を止める第２の回転止め部材をさらに備え、前記抵抗検出部は、前記第１の回転止め部材の変位に起因する物理量を検出する動き検出部を含む、ことができる。

また、研磨装置の一形態において、前記動き検出部は、前記第１の回転止め部材に設けられた、変位センサ、速度センサ、及び加速度センサ、の少なくとも１つを含む、ことができる。

また、研磨装置の一形態において、前記第１の回転止め部材及び前記第２の回転止め部材の互いの接触部の少なくとも一方には、互いの接触に応じて弾性変形する弾性部材が設けられていてもよい。

また、研磨装置の一形態において、前記終点検出装置は、前記電流検出部によって検出された電流、及び前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に基づいて、前記研磨対象物の研磨終点の検出用の信号を生成する信号処理部と、前記信号処理部によって生成された研磨終点の検出用の信号に基づいて、前記研磨対象物の研磨終点を検出する終点検出部と、を備える、ことができる。

また、研磨装置の一形態において、前記信号処理部は、前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に閾値より大きな変化が含まれることを検出した場合には、前記研磨終点の検出用の信号の出力を停止する、ことができる。

また、研磨装置の一形態において、前記信号処理部は、前記電流検出部によって検出された電流に相関する第１信号と、前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に相関する第２信号と、の差分を前記研磨終点の検出用の信号とする、ことができる。

また、研磨装置の一形態において、前記信号処理部は、前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に相関する第２信号における、所定の周波数成分を除去するバンドエリミネートフィルタを含み、前記バンドエリミネートフィルタによって所定の周波数成分が除去された第２信号と、前記電流検出部によって検出された電流に相関する第１信号と、に基づいて、前記研磨終点の検出用の信号を出力する、ことができる。

また、研磨装置の一形態において、前記信号処理部は、前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に閾値より大きな変化が含まれることを検出した場合には、前記第１又は第２のロータリジョイントに異常が生じていることを示す信号を出力する異常検出機能を含む、ことができる。

本願発明によれば、研磨終点検出の精度を向上させることができる。

図１は、本実施形態に係る研磨装置の基本構成を示す図である。 図２は、２相‐３相変換器の処理内容を説明するための図である。 図３は、第１実施形態の研磨装置の研磨終点検出に関する構成を模式的に示す図である。 図４は、第２実施形態の研磨装置の研磨終点検出に関する構成を模式的に示す図である。 図５は、抵抗検出部の一形態を模式的に示す図である。 図６は、抵抗検出部の一形態を模式的に示す図である。 図７は、研磨の終点の検出態様の一例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係る研磨装置を図面に基づいて説明する。始めに、研磨装置の基本構成について説明し、その後、研磨対象物の研磨終点の検出について説明する。

＜基本構成＞
図１は、本実施形態に係る研磨装置の基本構成を示す図である。研磨装置は、研磨パッ
ド１０を上面に取付け可能な研磨テーブル１２と、研磨テーブル１２を回転駆動する第１の電動モータ（第１の駆動部）１４と、第１の電動モータの回転位置を検出する位置検出センサ１６と、半導体ウエハ１８を保持可能なトップリング（基板保持部）２０と、トップリング２０を回転駆動する第２の電動モータ（第２の駆動部）２２と、を備えている。

トップリング２０は、図示しない保持装置により、研磨テーブル１２に近づけたり遠ざけたりすることができるようになっている。半導体ウエハ１８を研磨するときは、トップリング２０を研磨テーブル１２に近づけることにより、トップリング２０に保持された半導体ウエハ１８を、研磨テーブル１２に取り付けられた研磨パッド１０に当接させる。

半導体ウエハ１８を研磨するときは、研磨テーブル１２が、第１の電動モータ１４によって回転駆動された状態で、半導体ウエハ１８を保持したトップリング２０により、半導体ウエハ１８が研磨パッド１０に押圧される。また、トップリング２０は、第２の電動モータ２２によって、研磨テーブル１２の回転軸１３とは偏心した軸線２１の回りに回転駆動される。半導体ウエハ１８を研磨する際は、研磨材を含む研磨砥液が、研磨材供給装置２４から研磨パッド１０の上面に供給される。トップリング２０にセットされた半導体ウエハ１８は、トップリング２０が第２の電動モータ２２によって回転駆動されている状態で、研磨砥液が供給された研磨パッド１０に押圧される。

第１の電動モータ１４は、少なくともＵ相とＶ相とＷ相の３相の巻線を備えた同期式又は誘導式のＡＣサーボモータであることが好ましい。第１の電動モータ１４は、本実施形態においては、３相の巻線を備えたＡＣサーボモータを含む。３相の巻線は、１２０度位相のずれた電流を第１の電動モータ１４内のロータ周辺に設けられた界磁巻線に流し、これにより、ロータが回転駆動されるようになっている。第１の電動モータ１４のロータは、モータシャフト１５に接続されており、モータシャフト１５により研磨テーブル１２が回転駆動される。

第２の電動モータ２２は、少なくともＵ相とＶ相とＷ相の３相の巻線を備えた同期式又は誘導式のＡＣサーボモータであることが好ましい。第２の電動モータ２２は、本実施形態においては、３相の巻線を備えたＡＣサーボモータを含む。３相の巻線は、１２０度位相のずれた電流を第２の電動モータ２２内のロータ周辺に設けられた界磁巻線に流し、これにより、ロータが回転駆動されるようになっている。第２の電動モータ２２のロータは、モータシャフト２３に接続されており、モータシャフト２３によりトップリング２０が回転駆動される。

また、研磨装置は、第１の電動モータ１４を回転駆動するモータドライバ１００と、キーボートやタッチパネルなどの入力インターフェースを介してオペレータから第１の電動モータ１４の回転速度の指令信号を受け付ける入力部２００と、を備える。入力部２００は、受け付けた指令信号をモータドライバ１００に入力する。なお、図１は、第１の電動モータ１４を回転駆動するモータドライバ１００について説明するが、図４に示すように第２の電動モータ２２にも同様のモータドライバ１００が接続される。

モータドライバ１００は、微分器１０２と、速度補償器１０４と、２相‐３相変換器１０６と、電気角信号生成器１０８と、Ｕ相電流補償器１１０と、Ｕ相ＰＷＭ変調回路１１２と、Ｖ相電流補償器１１４と、Ｖ相ＰＷＭ変調回路１１６と、Ｗ相電流補償器１１８と、Ｗ相ＰＷＭ変調回路１２０と、パワーアンプ１３０と、電流センサ１３２，１３４とを備えている。

微分器１０２は、位置検出センサ１６によって検出された回転位置信号を微分することによって第１の電動モータ１４の実際の回転速度に相当する実速度信号を生成する。すな
わち、微分器１０２は、第１の電動モータ１４の回転位置の検出値に基づいて第１の電動モータ１４の回転速度を求める演算器である。

速度補償器１０４は、入力部２００を介して入力された回転速度の指令信号（目標値）と微分器１０２によって生成された実速度信号との偏差に相当する速度偏差信号に基づいて、第１の電動モータ１４の回転速度の補償を行う。すなわち、速度補償器１０４は、入力インターフェース（入力部２００）を介して入力された第１の電動モータ１４の回転速度の指令値と微分器１０２によって求められた第１の電動モータ１４の回転速度との偏差に基づいて、第１の電動モータ１４へ供給する電流の指令信号を生成する。

速度補償器１０４は、例えばＰＩＤ制御器で構成することができる。この場合、速度補償器１０４は、比例制御と、積分制御と、微分制御とを行い、補償された回転速度に相当する電流指令信号を生成する。比例制御は、入力部２００から入力された回転速度の指令信号と第１の電動モータの実速度信号との偏差に比例させて操作量を変える。積分制御は、その偏差を足していきその値に比例して操作量を変える。微分制御は、偏差の変化率（つまり偏差が変化する速度）を捉えこれに比例した操作量を出力する。なお、速度補償器１０４は、ＰＩ制御器で構成することもできる。

電気角信号生成器１０８は、位置検出センサ１６によって検出された回転位置信号に基づいて電気角信号を生成する。２相‐３相変換器１０６は、速度補償器１０４によって生成された電流指令信号と、電気角信号生成器１０８によって生成された電気角信号とに基づいて、Ｕ相電流指令信号、及びＶ相電流指令信号を生成する。すなわち、２相‐３相変換器１０６は、第１の電動モータ１４の回転位置の検出値に基づいて生成された電気角信号と速度補償器１０４によって生成された電流の指令信号とに基づいて、各相のうちの少なくとも２つの相の電流指令値を生成する変換器である。

ここで、２相‐３相変換器１０６の処理について詳細に説明する。図２は、２相‐３相変換器の処理内容を説明するための図である。２相‐３相変換器１０６には、速度補償器１０４から図２に示すような電流指令信号Ｉｃが入力される。また、２相‐３相変換器１０６には、電気角信号生成器１０８から図２に示すようなＵ相の電気角信号Ｓｉｎφｕが入力される。なお、図２において図示は省略したが、２相‐３相変換器１０６には、Ｖ相の電気角信号Ｓｉｎφｖも入力される。

例えばＵ相電流指令信号Ｉｕｃを生成する場合を考える。この場合、２相‐３相変換器１０６は、ある時刻ｔｉのときの電流指令信号Ｉｃ（ｉ）とＵ相の電気角信号Ｓｉｎφｕ（ｉ）とを乗算することにより、Ｕ相電流指令信号Ｉｕｃ（ｉ）を生成する。すなわち、Ｉｕｃ（ｉ）＝Ｉｃ（ｉ）×Ｓｉｎφｕ（ｉ）となる。また、２相‐３相変換器１０６は、Ｕ相の場合と同様に、ある時刻ｔｉのときの電流指令信号Ｉｃ（ｉ）とＶ相の電気角信号Ｓｉｎφｖ（ｉ）とを乗算することにより、Ｖ相電流指令信号Ｉｖｃ（ｉ）を生成する。すなわち、Ｉｖｃ（ｉ）＝Ｉｃ（ｉ）×Ｓｉｎφｖ（ｉ）となる。

電流センサ１３２は、パワーアンプ１３０のＵ相出力ラインに設けられ、パワーアンプ１３０から出力されたＵ相の電流を検出する。Ｕ相電流補償器１１０は、２相‐３相変換器１０６から出力されたＵ相電流指令信号Ｉｕｃと、電流センサ１３２によって検出されてフィードバックされたＵ相検出電流Ｉｕ＊との偏差に相当するＵ相電流偏差信号に基づいて、Ｕ相の電流補償を行う。Ｕ相電流補償器１１０は、例えばＰＩ制御器、又はＰＩＤ制御器で構成することができる。Ｕ相電流補償器１１０は、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御を用いてＵ相電流の補償を行い、補償された電流に相当するＵ相電流信号を生成する。

Ｕ相ＰＷＭ変調回路１１２は、Ｕ相電流補償器１１０によって生成されたＵ相電流信号
に基づいてパルス幅変調を行う。Ｕ相ＰＷＭ変調回路１１２は、パルス幅変調を行うことによって、Ｕ相電流信号に応じた２系統のパルス信号を生成する。

電流センサ１３４は、パワーアンプ１３０のＶ相出力ラインに設けられ、パワーアンプ１３０から出力されたＶ相の電流を検出する。Ｖ相電流補償器１１４は、２相‐３相変換器１０６から出力されたＶ相電流指令信号Ｉｖｃと、電流センサ１３４によって検出されてフィードバックされたＶ相検出電流Ｉｖ＊との偏差に相当するＶ相電流偏差信号に基づいてＶ相の電流補償を行う。Ｖ相電流補償器１１４は、例えばＰＩ制御器、又はＰＩＤ制御器で構成することができる。Ｖ相電流補償器１１４は、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御を用いてＶ相電流の補償を行い、補償された電流に相当するＶ相電流信号を生成する。

Ｖ相ＰＷＭ変調回路１１６は、Ｖ相電流補償器１１４によって生成されたＶ相電流信号に基づいてパルス幅変調を行う。Ｖ相ＰＷＭ変調回路１１４は、パルス幅変調を行うことによって、Ｖ相電流信号に応じた２系統のパルス信号を生成する。

Ｗ相電流補償器１１８は、２相‐３相変換器１０６から出力されたＵ相電流指令信号Ｉｕｃ及びＶ相電流指令信号Ｉｖｃに基づいて生成されたＷ相電流指令信号Ｉｗｃと、電流センサ１３２，１３４によって検出されてフィードバックされたＵ相検出電流Ｉｕ＊及びＶ相検出電流Ｉｖ＊との偏差に相当するＷ相電流偏差信号に基づいてＷ相の電流補償を行う。Ｗ相電流補償器１１８は、例えばＰＩ制御器、又はＰＩＤ制御器で構成することができる。Ｗ相電流補償器１１８は、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御を用いてＷ相電流の補償を行い、補償された電流に相当するＷ相電流信号を生成する。

Ｗ相ＰＷＭ変調回路１２０は、Ｗ相電流補償器１１８によって生成されたＷ相電流信号に基づいてパルス幅変調を行う。Ｗ相ＰＷＭ変調回路１１８は、パルス幅変調を行うことによって、Ｗ相電流信号に応じた２系統のパルス信号を生成する。

パワーアンプ１３０には、Ｕ相ＰＷＭ変調回路１１２、Ｖ相ＰＷＭ変調回路１１６、及びＷ相ＰＷＭ変調回路１２０によって生成された２系統のパルス信号が印加される。パワーアンプ１３０は、印加された各パルス信号に応じて、パワーアンプ１３０に内蔵されているインバータ部の各トランジスタを駆動する。これにより、パワーアンプ１３０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれについて交流電力を出力し、この３相交流電力によって第１の電動モータ１４を回転駆動する。

＜終点検出＞
次に、研磨対象物の研磨終点の検出について説明する。図３は、第１実施形態の研磨装置の研磨終点検出に関する構成を模式的に示す図である。図４は、第２実施形態の研磨装置の研磨終点検出に関する構成を模式的に示す図である。図３，図４に示すように、研磨装置は、研磨テーブル１２を回転駆動する第１の電動モータ１４側に第１のロータリジョイント４０を備え、トップリング２０を回転駆動する第２の電動モータ２２側に第２のロータリジョイント４０´を備える。すなわち、本願発明は、第１のロータリジョイント４０、及び、第２のロータリジョイント４０´のいずれに対しても適用することができる。なお、第１のロータリジョイント４０、及び、第２のロータリジョイント４０´は、同様の構成である。このため、第１のロータリジョイント４０、及び、第２のロータリジョイント４０´の構成部品については、第１実施形態及び第２実施形態において同様の符号を用いてまとめて説明する。

図３，図４に示すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のうちのいずれか１相（第１，第２実施形態ではＶ相）には、第２の電流センサ（電流検出部）３１が設けられている。第２の電流センサ３１は、モータドライバ１００と第１の電動モータ１４との間のＶ相の電流路、又
はモータドライバ１００と第２の電動モータ２２との間のＶ相の電流路、に設けられている。第２の電流センサ３１は、Ｖ相の電流を検出し、終点検出装置６０へ出力する。

また、図３に示すように、第１実施形態の研磨装置は、冷却水を研磨テーブル１２へ供給するために第１のロータリジョイント４０を備える。図４に示すように、第２実施形態の研磨装置は、冷却水をトップリング２０へ供給するために第２のロータリジョイント４０´を備える。第１，第２のロータリジョイント４０，４０´は、第１の電動モータ１４又は第２の電動モータ２２によって回転駆動される回転体４１と、回転体４１の周囲に設けられたハウジング４２と、回転体４１とハウジング４２との間に設けられ、回転体４１の回転を支持する軸受４３と、回転体４１とハウジング４２との間をシールするシール部４４と、を備える。

シール部４４は、回転体４１とハウジング４２との間で接触摺動するメカニカルシール、及び、オイルシールを含んでいる。メカニカルシールの接触面力は、メカニカルシールに作用する内／外の流体力による差圧力、スプリングによるばね力、及び、メカニカルシールのフローティングシール部と固定壁間にあるＯリングのつぶれ反力による動きを妨げる力などが考えられる。これらによって発生する接触面の力と摺動界面の状態（例えば、摩擦係数）の関係で摺動抵抗が発生する。また、ストライベックカーブで知られるように相対速度の影響も受ける。これらのいずれが変動しても第１，第２のロータリジョイント４０，４０´の摺動抵抗力は変動する。また、これらのいずれも摺動界面の状態によって、回転方向の力に変換される。この状態は、接触面の表面粗さと濡れ具合によって決まるとされている。

また、研磨装置は、第１，第２のロータリジョイント４０，４０´それぞれについて、ハウジング４２に固定された第１の回転止め部材４５、及び、第１の回転止め部材４５と接触してハウジング４２の回転を止める第２の回転止め部材４６、を備える。第１の回転止め部材４５は、ハウジング４２の外面から外方に突出する棒状に形成されたステーである。第２の回転止め部材４６は、第１の電動モータ１４の下面から下方に突出する棒状に形成されたステー、又は第２の電動モータ２２の上面から上方に突出する棒状に形成されたステー、である。第１の電動モータ１４又は第２の電動モータ２２の駆動によって回転体４１は回転する。回転体４１の回転力はシール部４４を介してハウジング４２に伝達されるが、ハウジング４２は第１の回転止め部材４５及び第２の回転止め部材４６の接触によって回転が妨げられて静止している。これにより、シール部４４は、回転体４１とハウジング４２との間で接触摺動する。シール部４４の摺動抵抗は、回転体４１を駆動する第１の電動モータ１４又は第２の電動モータ２２の駆動負荷となる。

したがって、第２の電流センサ３１によって検出されるモータ電流には、半導体ウエハ１８を研磨する際に発生する研磨摩擦力による駆動負荷のみならず、第１，第２のロータリジョイント４０，４０´におけるシール部４４の摺動抵抗による駆動負荷も含まれる。何らかの原因によりシール部４４の摺動抵抗による駆動負荷に変動が生じた場合、この変動がそのままモータ電流に反映され、研磨終点を誤検出するおそれがある。

このため、研磨装置は、第１，第２のロータリジョイント４０，４０´のシール部４４における摺動抵抗を検出する抵抗検出部５０を備える。また、研磨装置は、第２の電流センサ３１によって検出された電流、及び抵抗検出部５０によって検出された摺動抵抗に基づいて、半導体ウエハ１８の研磨終点を検出する終点検出装置６０を備える。

＜抵抗検出部＞
次に、抵抗検出部５０の詳細について説明する。図５は、抵抗検出部の一形態を模式的に示す図である。

図３〜図５に示すように、抵抗検出部５０は、第１の回転止め部材４５、及び、第２の回転止め部材４６の、互いの接触力を検出する力検出部５２を含む。図５の例では、力検出部５２は、第２の回転止め部材４６の第１の回転止め部材４５との接触面４６ａに設けられたロードセル、歪みゲージ、圧力センサ、及び圧電素子の少なくとも１つである。すなわち、第１の電動モータ１４又は第２の電動モータ２２によって回転駆動される回転体４１の回転中心から力検出部５２までの距離と、力検出部５２によって検出された接触力と、に基づいてトルクが求められる。回転体４１の回転中心から力検出部５２までの距離は一定であるので、シール部４４における摺動抵抗は、第１の回転止め部材４５及び第２の回転止め部材４６の接触力に相関する。例えば、シール部４４における摺動抵抗が増加すると、第１の回転止め部材４５及び第２の回転止め部材４６の接触力（力検出部５２によって検出される接触力）は増加し、シール部４４における摺動抵抗が減少すると、第１の回転止め部材４５及び第２の回転止め部材４６の接触力（力検出部５２によって検出される接触力）は減少する。

ロードセル、歪みゲージ、圧力センサ、及び圧電素子はいずれも、第１の回転止め部材４５と第２の回転止め部材４６との接触により生じる力を検出する。なお、力検出部５２は、第１の回転止め部材４５の第２の回転止め部材４６との接触面４５ａに設けられていてもよい。また、力検出部５２は、接触面４５ａ及び接触面４６ａの少なくとも一方に設けられていればよい。

また、図６は、抵抗検出部の一形態を模式的に示す図である。図６に示すように、抵抗検出部５０は、第１の回転止め部材４５の変位に起因する物理量を検出する動き検出部５４を含む。図６の例では、動き検出部５４は、第１の回転止め部材４５に設けられた変位センサ、速度センサ、及び加速度センサ、の少なくとも１つである。すなわち、シール部４４における摺動抵抗は、第１の回転止め部材４５の変位、速度、及び加速度に相関する。例えば、シール部４４における摺動抵抗が増加すると、第１の回転止め部材４５が第２の回転止め部材４６の方向に向かう変位、速度、及び加速度（動き検出部５４によって検出される物理量）は増加し、シール部４４における摺動抵抗が減少すると、第１の回転止め部材４５が第２の回転止め部材４６の方向に向かう変位、速度、及び加速度（動き検出部５４によって検出される物理量）は減少する。

また、図６の例では、第２の回転止め部材４６の第１の回転止め部材４５との接触面４６ａに弾性部材５６が設けられる。弾性部材５６は、例えばゴムなどで形成され、第１の回転止め部材４５及び第２の回転止め部材４６の互いの接触に応じて弾性変形する部材である。なお、弾性部材５６は、第１の回転止め部材４５の第２の回転止め部材４６との接触面４５ａに設けられていてもよい。また、弾性部材５６は、接触面４５ａ及び接触面４６ａの少なくとも一方に設けられていればよい。弾性部材５６は、第１の回転止め部材４５と第２の回転止め部材４６とが接触した状態で、第１の回転止め部材４５がさらに第２の回転止め部材４６を押圧した場合に、この押圧力による第１の回転止め部材４５の変位を生じさせるために設けられる。

＜終点検出装置＞
次に、終点検出装置６０の詳細を説明する。図３，４に示すように、終点検出装置６０は、信号処理部６２と、終点検出部６４と、を備える。

信号処理部６２は、第２の電流センサ（電流検出部）３１によって検出された電流、及び抵抗検出部５０によって検出された摺動抵抗に基づいて、半導体ウエハ１８の研磨終点の検出用の信号を生成する。

例えば、信号処理部６２は、抵抗検出部５０によって検出された摺動抵抗に閾値より大きな変化が含まれることを検出した場合には、研磨終点の検出用の信号の出力を停止することができる。すなわち、抵抗検出部５０によって検出された摺動抵抗に閾値より大きな変化が含まれるということは、何らかの原因によりシール部４４の摺動抵抗に変動が生じたということである。このような場合、第２の電流センサ（電流検出部）３１によって検出された電流に相関する第１信号に、シール部４４の摺動抵抗の変動が重畳され、その結果、半導体ウエハ１８の研磨終点を誤検出するおそれがある。そこで、このような場合には、研磨終点の検出用の信号の出力を停止することによって、誤検出が生じるのを抑制することができる。

また、例えば、信号処理部６２は、第２の電流センサ３１によって検出された電流に相関する第１信号と、抵抗検出部５０によって検出された摺動抵抗に相関する第２信号と、の差分を研磨終点の検出用の信号として出力することができる。すなわち、第１信号には、半導体ウエハ１８を研磨する際の研磨摩擦力による駆動負荷と、第１，第２のロータリジョイント４０，４０´におけるシール部４４の摺動抵抗による駆動負荷と、が含まれる。そこで、信号処理部６２は、第１信号から第２信号を減算することによって、第１，第２のロータリジョイント４０，４０´のシール部４４の摺動抵抗による駆動負荷の影響を排除することができる。その結果、研磨終点の誤検出が生じるのを抑制することができる。

また、例えば、信号処理部６２は、抵抗検出部５０によって検出された摺動抵抗に相関する第２信号における、所定の周波数成分を除去するバンドエリミネートフィルタを含んでいてもよい。この場合、信号処理部６２は、バンドエリミネートフィルタによって所定の周波数成分が除去された第２信号と、第２の電流センサ３１によって検出された電流に相関する第１信号と、に基づいて、研磨終点の検出用の信号を出力することができる。すなわち、何らかの原因によりシール部４４の摺動抵抗に変動が生じる場合には、第２信号に固有の周波数帯域が含まれる場合があり得る。そこで、あらかじめ固有の周波数帯域が分かっている場合には、信号処理部６２は、その周波数帯域を除去するバンドエリミネートフィルタによって、摺動抵抗の変動による信号を除去する。その結果、研磨終点の誤検出が生じるのを抑制することができる。

また、例えば、信号処理部６２は、抵抗検出部５０によって検出された摺動抵抗に閾値より大きな変化が含まれることを検出した場合には、第１，第２のロータリジョイント４０，４０´に異常が生じていることを示す信号を出力する異常検出機能を含むことができる。すなわち、抵抗検出部５０によって検出された摺動抵抗に閾値より大きな変化が含まれるということは、何らかの原因によりシール部４４の摺動抵抗に変動が生じたということである。このような場合、第１，第２のロータリジョイント４０，４０´に異常が生じているおそれがあるので、ディスプレイ又はスピーカなどの出力インターフェースを介して警報を出力することができる。

終点検出部６４は、信号処理部６２によって生成された研磨終点の検出用の信号に基づいて、半導体ウエハ１８の研磨終点を検出する。具体的には、終点検出部６４は、信号処理部６２から出力された研磨終点の検出用の信号の変化に基づいて半導体ウエハ１８の研磨の終点を判定する。

終点検出部６４の研磨終点の判定について図７を用いて説明する。図７は、研磨の終点の検出態様の一例を示す図である。図７において横軸は研磨時間の経過を示し、縦軸はトルク電流（Ｉ）及びトルク電流の微分値（ΔＩ／Δｔ）を示している。

終点検出部６４は、例えば図７のようにトルク電流３０ａ（Ｖ相のモータ電流）が推移
した場合、トルク電流３０ａがあらかじめ設定されたしきい値３０ｂより小さくなったら、半導体ウエハ１８の研磨が終点に達したと判定する。

また、終点検出部６４は、トルク電流３０ａの微分値３０ｃを求めて、あらかじめ設定された時間しきい値３０ｄと３０ｅとの間の期間において微分値３０ｃの傾きが負から正に転じたことを検出したら、半導体ウエハ１８の研磨が終点に達したと判定することもできる。すなわち、時間しきい値３０ｄと３０ｅは、経験則などによって研磨終点になると思われるおおよその期間に設定されており、終点検出部６４は、時間しきい値３０ｄと３０ｅとの間の期間において研磨の終点検出を行う。このため、終点検出部６４は、時間しきい値３０ｄと３０ｅとの間の期間以外では、たとえ微分値３０ｃの傾きが負から正に転じたとしても、半導体ウエハ１８の研磨が終点に達したとは判定しない。これは、例えば研磨の開始直後などに、研磨が安定していない影響によって微分値３０ｃがハンチングして傾きが負から正に転じた場合に、研磨終点であると誤検出されるのを抑制するためである。以下、終点検出部６４の研磨終点の判定の具体例を示す。

例えば、半導体ウエハ１８が、半導体、導体、絶縁体等の異なる材質で積層されている場合を考える。この場合、異材質層間で摩擦係数が異なるため、研磨が異材質層へ移行した場合に第１の電動モータ１４又は第２の電動モータ２２のモータトルクが変化する。この変化に応じてＶ相のモータ電流（検出電流信号）も変化する。終点検出部６４は、このモータ電流がしきい値より大きくなった又は小さくなったことを検出することにより半導体ウエハ１８の研磨の終点を判定する。また、終点検出部６４は、モータ電流の微分値の変化に基づいて半導体ウエハ１８の研磨の終点を判定することもできる。

また、例えば半導体ウエハ１８の研磨面が平坦ではない状態から研磨によって研磨面が平坦化される場合を考える。この場合、半導体ウエハ１８の研磨面が平坦化されると第１の電動モータ１４又は第２の電動モータ２２のモータトルクが変化する。この変化に応じてＶ相のモータ電流（検出電流信号）も変化する。終点検出部６４は、このモータ電流がしきい値より小さくなったことを検出することにより半導体ウエハ１８の研磨の終点を判定する。また、終点検出部６４は、モータ電流の微分値の変化に基づいて半導体ウエハ１８の研磨の終点を判定することもできる。

以上、第１，第２実施形態によれば、研磨終点検出の精度を向上させることができる。すなわち、第１，第２実施形態は、第２の電流センサ３１によって検出された電流には、半導体ウエハ１８を研磨する際の研磨摩擦力による駆動負荷の他に、第１，第２のロータリジョイント４０，４０´におけるシール部４４の摺動抵抗による駆動負荷も含まれていることに着目している。そこで、本実施形態は、第１，第２のロータリジョイント４０，４０´のシール部４４における摺動抵抗を検出し、検出された摺動抵抗と、第２の電流センサ３１によって検出された電流と、に基づいて、研磨対象物の研磨終点を検出するので、研磨終点検出の精度を向上させることができる。

また、第１，第２実施形態によれば、第２の電流センサ３１から出力される信号に含まれるノイズ成分の有無／強弱を判定することができる。これにより、半導体ウエハ１８を研磨する際の研磨摩擦力による駆動負荷を適切に判定できる状態か否かを判定することができる。また、信号処理部６２の信号処理によって、第２の電流センサ３１から出力される信号に含まれるノイズ成分（第１，第２のロータリジョイント４０，４０´のシール部４４の摺動抵抗の変動による駆動負荷の変動）を除去することができる。また、例えば第２の電流センサ３１から出力される信号が安定しない場合などに、その異常の発生源が第１，第２のロータリジョイント４０，４０´であるか否かを判定することができる。以上により、さらなる高分解能化ニーズ、誤検出防止ニーズ、異常検出ニーズに対応した研磨装置を提供することができる。

１０ 研磨パッド
１２ 研磨テーブル
１４ 第１の電動モータ
１８ 半導体ウエハ
２０ トップリング
２２ 第２の電動モータ
３１ 第２の電流センサ（電流検出部）
４０ 第１のロータリジョイント
４０´ 第２のロータリジョイント
４１ 回転体
４２ ハウジング
４３ 軸受
４４ シール部
４５ａ 接触面
４５ 第１の回転止め部材部材
４６ａ 接触面
４６ 第２の回転止め部材部材
５０ 抵抗検出部
５２ 力検出部
５４ 動き検出部
５６ 弾性部材
６０ 終点検出装置
６２ 信号処理部
６４ 終点検出部

Claims (12)

1. 研磨対象物を研磨するための研磨パッドを保持するための研磨テーブルと、
   前記研磨テーブルを回転駆動する第１の駆動部と、
   前記第１の駆動部によって回転駆動される回転体、前記回転体の周囲に設けられたハウジング、及び前記回転体と前記ハウジングとの間をシールするシール部、を有する第１のロータリジョイントと、
   前記第１の駆動部の駆動負荷に相関する電流を検出する電流検出部と、
   前記第１のロータリジョイントの前記シール部における摺動抵抗を検出する抵抗検出部と、
   前記電流検出部によって検出された電流、及び前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に基づいて、前記研磨対象物の研磨終点を検出する終点検出装置と、
   を備える研磨装置。
2. 研磨対象物を保持して前記研磨対象物を研磨するための研磨パッドへ押圧するための基板保持部と、
   前記保持部を回転駆動する第２の駆動部と、
   前記第２の駆動部によって回転駆動される回転体、前記回転体の周囲に設けられたハウジング、及び前記回転体と前記ハウジングとの間をシールするシール部、を有する第２のロータリジョイントと、
   前記第２の駆動部の駆動負荷に相関する電流を検出する電流検出部と、
   前記第２のロータリジョイントの前記シール部における摺動抵抗を検出する抵抗検出部と、
   前記電流検出部によって検出された電流、及び前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に基づいて、前記研磨対象物の研磨終点を検出する終点検出装置と、
   を備える研磨装置。
3. 請求項１又は２の研磨装置において、
   前記ハウジングに固定された第１の回転止め部材、及び、前記第１の回転止め部材と接触して前記ハウジングの回転を止める第２の回転止め部材をさらに備え、
   前記抵抗検出部は、前記第１の回転止め部材及び前記第２の回転止め部材の互いの接触力を検出する力検出部を含む、
   ことを特徴とする研磨装置。
4. 請求項３の研磨装置において、
   前記力検出部は、前記第１の回転止め部材及び前記第２の回転止め部材の互いの接触部の少なくとも一方に設けられた、ロードセル、歪みゲージ、圧力センサ、及び圧電素子の少なくとも１つを含む、
   ことを特徴とする研磨装置。
5. 請求項１又は２の研磨装置において、
   前記ハウジングに固定された第１の回転止め部材、及び、前記第１の回転止め部材と接触して前記ハウジングの回転を止める第２の回転止め部材をさらに備え、
   前記抵抗検出部は、前記第１の回転止め部材の変位に起因する物理量を検出する動き検出部を含む、
   ことを特徴とする研磨装置。
6. 請求項５の研磨装置において、
   前記動き検出部は、前記第１の回転止め部材に設けられた、変位センサ、速度センサ、及び加速度センサ、の少なくとも１つを含む、
   ことを特徴とする研磨装置。
7. 請求項５又は６の研磨装置において、
   前記第１の回転止め部材及び前記第２の回転止め部材の互いの接触部の少なくとも一方には、互いの接触に応じて弾性変形する弾性部材が設けられる、
   ことを特徴とする研磨装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項の研磨装置において、
   前記終点検出装置は、
   前記電流検出部によって検出された電流、及び前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に基づいて、前記研磨対象物の研磨終点の検出用の信号を生成する信号処理部と、
   前記信号処理部によって生成された研磨終点の検出用の信号に基づいて、前記研磨対象物の研磨終点を検出する終点検出部と、を備える、
   ことを特徴とする研磨装置。
9. 請求項８の研磨装置において、
   前記信号処理部は、前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に閾値より大きな変化が含まれることを検出した場合には、前記研磨終点の検出用の信号の出力を停止する、
   ことを特徴とする研磨装置。
10. 請求項８又は９の研磨装置において、
    前記信号処理部は、前記電流検出部によって検出された電流に相関する第１信号と、前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に相関する第２信号と、の差分を前記研磨終点の検出用の信号とする、
    ことを特徴とする研磨装置。
11. 請求項８〜１０のいずれか１項の研磨装置において、
    前記信号処理部は、前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に相関する第２信号における、所定の周波数成分を除去するバンドエリミネートフィルタを含み、前記バンドエリミネートフィルタによって所定の周波数成分が除去された第２信号と、前記電流検出部によって検出された電流に相関する第１信号と、に基づいて、前記研磨終点の検出用の信号を出力する、
    ことを特徴とする研磨装置。
12. 請求項８〜１１のいずれか１項の研磨装置において、
    前記信号処理部は、前記抵抗検出部によって検出された摺動抵抗に閾値より大きな変化が含まれることを検出した場合には、前記第１又は第２のロータリジョイントに異常が生じていることを示す信号を出力する異常検出機能を含む、
    ことを特徴とする研磨装置。

Images