JP6715153B2 - 基板研磨装置 - Google Patents

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Description

本開示は、基板研磨装置に関する。
基板研磨装置は、ターンテーブルに貼り付けられた研磨パッドに基板を押し付けることによって、基板の表面を研磨する。基板を研磨することで研磨パッドの表面状態が変化することがあるため、基板研磨装置は研磨パッドの表面を削って研磨に適した状態に目立て（ドレッシング）するドレッサを備えている。
ドレッシングは、基板の処理と並行して実施されること（いわゆるＩｎ−ｓｉｔｕドレッシング）もあれば、ある基板の処理後かつ次の基板の処理前に実施されること（いわゆるＥｘ−ｓｉｔｕドレッシング）もある。また、新品の研磨パッドの表面層を剥がして研磨液を保持しやすい状態にするドレッシング（いわゆるパッドブレークイン工程）もある。
特開２０１０−２８００３１号公報 特開２０１２−２５０３０９号公報 特開２０１６−１２９９３１号公報 特開２０１６−１４４８６０号公報 特開２０１６−１２４０６３号公報 特許第４５９６２２８号公報 特開２０００−３１１８７６号公報 特開２００４−１４２０８３号公報
いずれのドレッシングにおいても、一定の制御条件（レシピ）でドレッシングを行っても同一のドレッシング結果が得られないことがある。そのため、ドレッサが研磨パッドを削る力をモニターするのが望ましい。
このような問題点に鑑み、ドレッサが研磨パッドを削る力をモニターできる基板研磨装置を提供する。
本開示の一態様によれば、基板研磨用の研磨パッドが設けられたターンテーブルと、前記研磨パッド上を移動して前記研磨パッドを削るドレッサと、前記ドレッサを前記研磨パッドに押圧するとともに前記ドレッサを回転させるドレッサ駆動モジュールと、前記ドレッサ駆動モジュールを支持する支持部材と、前記ドレッサ駆動モジュールと前記支持部材との間に設けられ、それぞれが３軸方向の各力に関する情報を出力する複数の力センサと、を備える基板研磨装置が提供される。
ドレッサ駆動モジュールと、その支持部材との間に３軸力センサを設けることで、ドレッサが研磨パッドを削る力の大きさや角度をモニター可能となる。
前記複数の力センサは、前記ドレッサの回転軸から等距離であり、かつ、前記ドレッサの回転軸回りに等間隔の角度に配置されるのが望ましい。
これにより、ドレッサを回転させる際の回転中心周りのトルク成分をキャンセルできる。
前記複数の力センサは、前記ドレッサにおけるドレッシング面の回転面内における第１方向の力成分に関する第１情報と、前記ドレッサにおけるドレッシング面の回転面内において前記第１方向と直交する第２方向の力成分に関する第２情報と、前記研磨パッドから前記ドレッサに向かう方向の力成分に関する第３情報と、を出力してもよい。
これにより、ドレッシング面における力成分を算出可能となる。
前記複数の力センサのそれぞれから出力される前記第１情報に基づいて、前記複数の力センサのそれぞれの設置位置に対応する前記ドレッサにおける各位置が前記研磨パッドを削る力の前記第１方向の成分と、前記複数の力センサのそれぞれから出力される前記第２情報に基づいて、前記複数の力センサのそれぞれの設置位置に対応する前記ドレッサにおける各位置が前記研磨パッドを削る力の前記第２方向の成分と、を算出する第１パッド削り力演算部を備えてもよい。
これにより、ドレッサの各位置が研磨パッドを削る力をモニターできる。
前記複数の力センサのそれぞれから出力される前記第３情報に基づいて、前記複数の力センサのそれぞれの設置位置に対応する前記ドレッサにおける各位置が前記研磨パッドを押圧する際の反力を算出するドレッサ押圧反力算出部を備えてもよい。
これにより、ドレッサの各位置が研磨パッドを押圧する際の力をモニターできる。
前記複数の力センサから出力される前記第１情報および前記第２情報と、前記力センサのそれぞれと前記ドレッサの回転軸中心との位置関係と、に基づいて、前記ドレッサが前記研磨パッドを削る際のトルクを算出するパッド削りトルク算出部を備えてもよい。
これにより、パッド削りトルクをモニターできる。
前記複数の力センサから出力される前記第１情報および前記第２情報に基づいて、前記ドレッサが前記研磨パッドを削る力を算出する第２パッド削り力算出部を備えるのが望ましい。
これにより、ドレッサが研磨パッドを削る力をモニターできる。
また、本開示の別の態様によれば、基板研磨用の研磨パッドが設けられたターンテーブルと、前記研磨パッド上を移動して前記研磨パッドを削るドレッサと、前記ドレッサを前記研磨パッドに押圧するとともに前記ドレッサを回転させるドレッサ駆動モジュールと、前記ドレッサ駆動モジュールを支持する支持部材と、前記ドレッサ駆動モジュールと前記支持部材との間に設けられ、それぞれが前記パッドから前記ドレッサに向かう方向の力成分に関する第３情報を出力する複数の力センサと、前記複数の力センサから出力される前記第３情報と、前記複数の力センサのそれぞれと前記ドレッサのドレッシング面との距離と、に基づいて前記ドレッサが前記研磨パッドを削る力を算出する第２パッド削り力算出部と、を備える基板研磨装置が提供される。
ドレッサ駆動モジュールと、その支持部材との間に設けられる力センサが一方向の力のみを検出する場合であっても、力センサとドレッシング面との距離を用いることで、ドレッサが研磨パッドを削る力の大きさや角度をモニター可能となる。
前記ドレッサが前記研磨パッドを削る力の大きさの時間変化と、閾値と、を比較して異常判定を行う判定部を備えてもよい。
これにより、研磨パッドの異常を検出できる。
各時刻における前記ドレッサの前記研磨パッド上の位置を算出するドレッサ位置算出部と、前記ドレッサ位置算出部による算出結果と、前記判定部による異常判定結果と、に基づいて、異常と判定された際の前記ドレッサの前記研磨パッド上の位置を特定して出力する出力制御部と、を備えてもよい。
これにより、研磨パッドにおける異常発生箇所を可視化できる。
前記出力制御部は、前記研磨パッド上において異常と判定された回数を反映させた出力を行ってもよい。
これにより研磨パッドにおける異常発生密度を可視化できる。
前記第２パッド削り力算出部は、前記第１情報および前記第２情報に基づいて、前記ドレッサが前記研磨パッドを削る力の大きさおよび方向を算出するのが望ましい。
前記ドレッサが前記研磨パッドを削る力に基づいて、前記ドレッサの仕事量および／または仕事率を算出する仕事算出部と備えてもよい。
仕事量や仕事率もモニターでき、これらに基づく種々の判定が可能となる。
前記仕事量および／または前記仕事率の変化に基づいて、前記ドレッサの寿命を判定する寿命判定部を備えてもよい。
これにより、精度よくドレッサの寿命を判定できる。
前記仕事量および／または前記仕事率と閾値との比較を行う比較部を備えてもよい。
これにより、ドレッシングプロセスの良否を監視できる。
第１の実施形態に係る基板研磨装置３Ａ〜３Ｄを有する基板処理装置の概略平面図。 第１の実施形態に係る基板研磨装置３Ａの概略側面図。 図２の力センサ４６ａ〜４６ｃを通る基板研磨装置３Ａの模式的断面図。 制御装置５０の概略構成を示すブロック図。 表示部５８に表示される画面の一例を示す図。 寿命判定部５６４の動作を説明する図。 図２の変形例である基板研磨装置３Ａ’の概略側面図。 第２の実施形態の一例である力センサ４６ｈ〜４６ｋを通る基板研磨装置３Ａ’の模式的断面図。 第２の実施形態の別の例である力センサ４６ｈ〜４６ｋを通る基板研磨装置３Ａ’の模式的断面図。
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る基板研磨装置３Ａ〜３Ｄを有する基板処理装置の概略平面図である。図１に示すように、この基板処理装置は、略矩形状のハウジング１を備えており、ハウジング１の内部は隔壁１ａ，１ｂによってロード／アンロード部２と研磨部３と洗浄部４とに区画されている。これらのロード／アンロード部２、研磨部３、および洗浄部４は、それぞれ独立に組み立てられ、独立に排気される。研磨部３では基板の研磨が行われる。洗浄部４では研磨された基板の洗浄および乾燥が行われる。また、基板処理装置は基板処理動作を制御する制御部５を有している。
ロード／アンロード部２は、多数の基板（例えば半導体ウエハ）をストックする基板カセットが載置される２つ以上（本実施形態では４つ）のフロントロード部２０を備えている。これらのフロントロード部２０はハウジング１に隣接して配置され、基板処理装置の幅方向（長手方向と垂直な方向）に沿って配列されている。
また、ロード／アンロード部２には、フロントロード部２０の並びに沿って走行機構２１が敷設されており、この走行機構２１上に基板カセットの配列方向に沿って移動可能な２台の搬送ロボット（ローダー）２２が設置されている。搬送ロボット２２は走行機構２１上を移動することによってフロントロード部２０に搭載された基板カセットにアクセスできるようになっている。各搬送ロボット２２は上下に２つのハンドを備えている。そして、処理された基板を基板カセットに戻すときに上側のハンドを使用し、処理前の基板を基板カセットから取り出すときに下側のハンドを使用して、上下のハンドを使い分けることができるようになっている。さらに、搬送ロボット２２の下側のハンドは、その軸心周りに回転することで、基板を反転させることができるように構成されている。
研磨部３は、基板の研磨（平坦化）が行われる領域であり、例えばロード／アンロード部２側から順に並んだ４つの基板研磨装置３Ａ〜３Ｄを備え、そのそれぞれは研磨ユニット３０およびドレッシングユニット４０を有する。基板研磨装置３Ａ〜３Ｄの構成については、後に詳しく説明する。
洗浄部４は、基板の洗浄および乾燥が行われる領域であり、ロード／アンロード部２とは反対側から順に洗浄室１９０と、搬送室１９１と、洗浄室１９２と、搬送室１９３と、乾燥室１９４とに区画されている。
洗浄室１９０内には、垂直方向に沿って配列された２つの一次基板洗浄装置２０１（図１には１つのみ図示される）が配置されている。同様に、洗浄室１９２内には、垂直方向に沿って配列された２つの二次基板洗浄装置２０２（図１には１つのみ図示される）が配置されている。一次基板洗浄装置２０１および二次基板洗浄装置２０２は、洗浄液を用いて基板を洗浄する洗浄機である。これらの一次基板洗浄装置２０１および二次基板洗浄装置２０２は垂直方向に沿って配列されているので、フットプリント面積が小さいという利点が得られる。
乾燥室１９４内には、縦方向に沿って配列された２つの基板乾燥装置２０３（図１には１つのみ図示される）が配置されている。これら２つの基板乾燥装置２０３は互いに隔離されている。基板乾燥装置２０３の上部には、清浄な空気を基板乾燥装置２０３内にそれぞれ供給するフィルタファンユニットが設けられている。
なお、基板処理装置が制御部５を備えて基板研磨装置３Ａ〜３Ｄなどを制御してもよいし、基板研磨装置３Ａ〜３Ｄのそれぞれが制御部（制御装置）を備えていてもよい。
次に、基板を搬送するための搬送機構について説明する。図１に示すように、基板研磨装置３Ａ，３Ｂに隣接して、リニアトランスポータ６が配置されている。このリニアトランスポータ６は、これら基板研磨装置３Ａ，３Ｂが配列する方向に沿った４つの搬送位置（ロード／アンロード部２側から順に搬送位置ＴＰ１〜ＴＰ４とする）の間で基板を搬送する。
また、基板研磨装置３Ｃ，３Ｄに隣接して、リニアトランスポータ７が配置されている。このリニアトランスポータ７は、これら基板研磨装置３Ｃ，３Ｄが配列する方向に沿った３つの搬送位置（ロード／アンロード部２側から順に搬送位置ＴＰ５〜ＴＰ７とする）の間で基板を搬送する。
基板は、リニアトランスポータ６によって基板研磨装置３Ａ，３Ｂに搬送される。基板研磨装置３Ａへの基板の受け渡しは搬送位置ＴＰ２で行われる。研磨装置３Ｂへの基板の受け渡しは搬送位置ＴＰ３で行われる。基板研磨装置３Ｃへの基板の受け渡しは搬送位置ＴＰ６で行われる。基板研磨装置３Ｄへの基板の受け渡しは第７搬送位置ＴＰ７で行われる。
搬送位置ＴＰ１には、搬送ロボット２２から基板を受け取るためのリフタ１１が配置されている。基板はこのリフタ１１を介して搬送ロボット２２からリニアトランスポータ６に渡される。リフタ１１と搬送ロボット２２との間に位置して、シャッタ（図示せず）が隔壁１ａに設けられており、基板の搬送時にはシャッタが開かれて搬送ロボット２２からリフタ１１に基板が渡されるようになっている。
また、リニアトランスポータ６，７と、洗浄部４との間にはスイングトランスポータ１２が配置されている。このスイングトランスポータ１２は、搬送位置ＴＰ４，ＴＰ５との間を移動可能なハンドを有しており、リニアトランスポータ６からリニアトランスポータ７への基板の受け渡しは、スイングトランスポータ１２によって行われる。
基板は、リニアトランスポータ７によって基板研磨装置３Ｃおよび／または基板研磨装置３Ｄに搬送される。また、研磨部３で研磨された基板はスイングトランスポータ１２を経由して洗浄部４に搬送される。スイングトランスポータ１２の側方には、図示しないフレームに設置された基板の仮置き台１８０が配置されている。この仮置き台１８０は、図１に示すように、リニアトランスポータ６に隣接して配置されており、リニアトランスポータ６と洗浄部４との間に位置している。
続いて、基板研磨装置３Ａ〜３Ｄについて詳しく説明する。基板研磨装置３Ａ〜３Ｄの構成は共通しているので、以下では基板研磨装置３Ａについて説明する。
図２は、第１の実施形態に係る基板研磨装置３Ａの概略側面図である。
基板研磨装置３Ａは、基板Ｗを研磨する研磨ユニット３０として、トップリング３１と、下部にトップリング３１が連結されたトップリングシャフト３２と、研磨パッド３３Ａを有するターンテーブル３３と、研磨液をターンテーブル３３上に供給するノズル３４と、トップリングアーム３５と、旋回軸３６と、種々の制御を行う制御装置５０とを有する。
トップリング３１は真空吸着により基板Ｗを下面に保持する。
トップリングシャフト３２は、一端にトップリング３１の上面中央が連結され、他端にトップリングアーム３５が連結される。制御装置５０の制御に応じて昇降機構（不図示）がトップリングシャフト３２を昇降させることで、トップリング３１に保持された基板Ｗの下面が研磨パッド３３Ａに接触したり離れたりする。また、制御装置５０の制御に応じてモータ（不図示）がトップリングシャフト３２を回転させることでトップリング３１が回転し、これによって保持された基板Ｗも回転する。
ターンテーブル３３の上面には、基板Ｗを研磨するための研磨パッド３３Ａが設けられる。ターンテーブル３３の下面は回転軸に接続されており、ターンテーブル３３は回転可能となっている。研磨液がノズル３４から供給され、研磨パッド３３Ａに基板Ｗの下面が接触した状態で基板Ｗおよびターンテーブル３３が回転することで、基板Ｗが研磨される。この研磨により、研磨パッド３３Ａの表面は劣化することがある。
トップリングアーム３５は、一端にトップリングシャフト３２が回転自在に連結され、他端に旋回軸３６が連結される。制御装置５０の制御に応じてモータ（不図示）が旋回軸３６を回転させることでトップリングアーム３５が揺動し、トップリング３１が研磨パッド３３Ａ上と、基板受け渡し位置である搬送位置ＴＰ２（図１）との間を行き来する。
また、基板研磨装置３Ａは、ドレッシングユニット４０として、ドレッサ４１と、ドレッサシャフト４２と、ドレッサ駆動モジュール４３と、ドレッサアーム４４と、旋回軸４５と、複数の力センサ４６ａ〜４６ｃを有する。
ドレッサ４１は断面が円形であり、その下面がドレッシング面である。ドレッシング面にはダイヤモンド粒子などが固定されている。ドレッサ４１が研磨パッド３３Ａに接触しながら移動することで研磨パッド３３Ａの表面を削り、これによって研磨パッド３３Ａがドレッシング（コンディショニング）される。
ドレッサシャフト４２の下端には不図示のドレッサホルダを介してドレッサ４１が着脱可能に連結されている。
ドレッサ駆動モジュール４３はドレッサシャフト４２を回転自在かつ上下動可能に保持し、ドレッサシャフト４２を昇降および回転させる。例えば、ドレッサ駆動モジュール４３は筐体内４３ａ内に設けられた昇降機構およびモータを有する。制御装置５０の制御に応じて昇降機構がドレッサシャフト４２を下降させることで、ドレッサ４１の下面は研磨パッド３３Ａに接触してこれを押圧する。また、制御装置５０の制御に応じてモータがドレッサシャフト４２を回転させることで、ドレッサ４１は研磨パッド３３Ａと接触した状態で回転する。
ドレッサアーム４４はドレッサ駆動モジュール４３を支持する支持部材であり、水平方向に延びる一端にドレッサシャフト４２が回転自在に連結され、他端に旋回軸４５が連結される。制御装置５０の制御に応じてモータ（不図示）が旋回軸４５を回転させることでドレッサアーム４４が揺動し、ドレッサ４１が研磨パッド３３Ａ上と退避位置との間を行き来する。
本実施形態の特徴の１つとして、３軸方向の力を検出するための複数の力センサ４６ａ〜４６ｃ（図２には力センサ４６ａ，４６ｂのみ見えている）が、ドレッサ４１が研磨パッド３３Ａを削る力によって発生するモーメント荷重を許容できるように、ドレッサ駆動モジュール４３とドレッサアーム４４との間に配置される。望ましくは、ドレッサ駆動モジュール４３の下方かつドレッサアーム４４の上方に力センサ４６ａ〜４６ｃが配置され、これによってドレッサアーム４４が長くなるのを抑えることができる。
図３は、図２の力センサ４６ａ〜４６ｃを通る基板研磨装置３Ａの模式的断面図（Ａ−Ａ断面図）である。本実施形態では、水平面（言い換えると、ドレッサ４１におけるドレッシング面の回転面、以下同じ）内において、ドレッサシャフト４２の中心から等距離Ｒであり、かつ、ドレッサシャフト４２の回転軸回りに等間隔（１２０度ずつ）の角度で３つの力センサ４６ａ〜４６ｃが配置される。このように配置することで、ドレッサ４１を回転させる際の回転中心周りのトルク成分をキャンセルできる。
また、力センサ４６ａは、水平面内におけるドレッサアーム４４が延びるｘ方向（図２参照）の力成分Ｆｘａに関する情報Ｆｘａ’（例えば、力成分Ｆｘａに比例する電荷や電圧）と、水平面内においてｘ方向と直交するｙ方向の力成分Ｆｙａに関する情報Ｆｙａ’と、鉛直方向（言い換えると、研磨パッド３３Ａからドレッサ４１に向かう方向、以下、ｚ方向とする）の力成分Ｆｚａに関する情報Ｆｚａ’とを出力する。力センサ４６ｂ，４６ｃも同様である。出力される各情報は制御装置５０に入力される。
図４は、制御装置５０の概略構成を示すブロック図である。制御装置５０は、ドレッサ位置算出部５１と、パッド削り力算出部５２，５３ａ〜５３ｃと、ドレッサ押圧反力算出部５４ａ〜５４ｃと、記憶部５５と、判定部５６と、出力制御部５７と、表示部５８とを有する。これらの少なくとも一部はハードウェアで実装されてもよいしソフトウェアで実現されてもよい。後者の場合、プロセッサが所定のプログラムを実行することで各部が実現され得る。
ドレッサ位置算出部５１は各時刻におけるドレッサ４１の研磨パッド３３Ａ上の絶対位置を算出する。パッド削り力算出部５２，５３ａ〜５３ｃはドレッサ４１が研磨パッド３３Ａを削る力を算出する。ドレッサ押圧反力算出部５４ａ〜５４ｃは、ドレッサ４１が研磨パッド３３Ａを削る際の、研磨パッド３３Ａからドレッサ４１への反力を算出する。記憶部５５は上記の各算出結果を記憶する。判定部５６は上記の算出結果に基づいて種々の判定を行う。出力制御部５７は判定部５６による判定結果などを出力するためのデータを生成し、表示部５８に表示させる。以下、詳しく説明する。
ドレッサ位置算出部５１は各時刻ｔｉにおけるドレッサ４１の研磨パッド３３Ａ上の絶対位置Ｐｉを算出する。より具体的には、ドレッサ位置算出部５１は、ターンテーブル３３の回転角度θｔｔ（または回転速度Ｎｔｔ）と、ドレッサアーム４４の旋回角度θｄｒ（または旋回中心を基準とするドレッサ４１の位置Ｐｄｒ）とが入力され、ドレッシングユニット４０の構造に応じた定数を用いて、位置Ｐｉを算出する。位置Ｐｉは記憶部５５および判定部５６に出力される。
パッド削り力算出部５２は、力センサ４６ａ〜４６ｃから出力される情報Ｆｘａ’〜Ｆｘｃ’，Ｆｙａ’〜Ｆｙｃ’に基づいて、ドレッサ４１が研磨パッド３３Ａを削る力Ｆ（以下、単に「削る力Ｆ」ともいう）を算出する。なお、単に力Ｆと言った場合、そのｘ成分Ｆｘ、ｙ成分Ｆｙ、力の大きさ｜Ｆ｜および／または力の方向θを指すものとする。具体的な処理は次の通りである。
まず、パッド削り力算出部５２は力センサ４６ａ〜４６ｃのｘ方向に関する出力情報Ｆｘａ’〜Ｆｘｃ’を合算し、Ｆｘ’＝（Ｆｘａ’＋Ｆｘｂ’＋Ｆｘｃ’）を算出する。同様に、パッド削り力算出部５２はＦｙ’＝（Ｆｙａ’＋Ｆｙｂ’＋Ｆｙｃ’）を算出する。
続いて、パッド削り力算出部５２はＦｘ’，Ｆｙ’にそれぞれ基づいて削る力Ｆのｘ成分Ｆｘおよびｙ成分Ｆｙを算出する。例えば力センサ４６ａ〜４６ｃが力に比例する電荷を出力する場合、パッド削り力算出部５２はチャージアンプ（不図示）を用いて、電荷Ｆｘ’，Ｆｙ’を力Ｆｘ，Ｆｙとそれぞれ比例する電圧Ｖｘ，Ｖｙに変換する。そして、パッド削り力算出部５２は電圧Ｖｘ，Ｖｙを力Ｆｘ，Ｆｙにそれぞれ変換する。
さらに、パッド削り力算出部５２は次式に基づいて削る力Ｆの大きさ｜Ｆ｜および角度θを算出する。
パッド削り力算出部５２は力センサ４６ａ〜４６ｃから定期的にＦｘａ’〜Ｆｘｃ’，Ｆｙａ’〜Ｆｙｃ’を受け取ってＦｘ，Ｆｙ，｜Ｆ｜，θを算出し、算出結果を記憶部５５および判定部５６に出力する。
記憶部５５は、パッド削り力算出部５２およびドレッサ位置算出部５１の算出結果に基づき、ある時刻ｔｉにおける削る力Ｆｉと、その時のドレッサ４１の位置Ｐｉとを関連付けて記憶する。これにより、ある時刻ｔｉにおけるドレッサ４１が研磨パッド３３Ａ上の位置と、そのときの削る力Ｆｉとの関係が分かる。算出された削る力Ｆは出力制御部５７によって表示部５８に表示されてもよい。
パッド削り力算出部５３ａは、力センサ４６ａからの情報Ｆｘａ’，Ｆｙａ’に基づき、必要に応じてチャージアンプを用い、力センサ４６ａの設置位置に対応するドレッサ４１の位置が研磨パッド３３Ａを削る力Ｆａのｘ成分Ｆｘａおよびｙ成分Ｆｙａを算出する。次いで、パッド削り力算出部５３ａは次式に基づいて削る力Ｆａの大きさ｜Ｆａ｜および角度θａを算出する。
同様に、パッド削り力算出部５３ｂは、力センサ４６ｂの設置位置に対応するドレッサ４１の位置が研磨パッド３３Ａを削る力Ｆｂのｘ成分Ｆｘｂおよびｙ成分Ｆｙｂならびに削る力Ｆｂの大きさ｜Ｆｂ｜および角度θｂを算出する。また同様に、パッド削り力算出部５３ｃは、力センサ４６ｃの設置位置に対応するドレッサ４１の位置が研磨パッド３３Ａを削る力Ｆｃのｘ成分Ｆｘｃおよびｙ成分Ｆｙｃならびに力Ｆｃの大きさ｜Ｆｃ｜および角度θｃを算出する。
判定部５６は、これらパッド削り力算出部５３ａ〜５３ｃの算出結果に基づき、ドレッサ４１の各位置における水平方向の力を比較することで異常判定を行ってもよい。また、出力制御部５７は、水平面内の作用分布をモニターし、その結果を表示部５８に表示してもよい。
ドレッサ押圧反力算出部５４ａは、力センサ４６ａからの情報Ｆｚａ’に基づき、必要に応じてチャージアンプを用い、力センサ４６ａの設置位置に対応するドレッサ４１の位置が研磨パッド３３Ａを押圧する際の反力Ｆｚａを算出する。
同様に、ドレッサ押圧反力算出部５４ｂは力センサ４６ｂの設置位置に対応するドレッサ４１の位置が研磨パッド３３Ａを押圧する際の反力Ｆｚｂを算出する。また同様に、ドレッサ押圧反力算出部５４ｃは力センサ４６ｃの設置位置に対応するドレッサ４１の位置が研磨パッド３３Ａを押圧する際の反力Ｆｚｃを算出する。
判定部５６は、これらドレッサ押圧反力算出部５４ａ〜５７ｃの算出結果に基づき、ドレッサ４１の各位置における押圧荷重を比較することで異常判定を行ってもよい。また、出力制御部５７は、水平面内の作用分布をモニターし、その結果を表示部５８に表示してもよい。さらに、ドレッサ４１の取り付け時に、電圧Ｆｚａ〜Ｆｚｃが互いに等しくなるような調整が行われてもよい。
判定部５６は差分部５６１および比較部５６２を含み、削る力Ｆの時間変化に基づいて異常判定を行ってもよい。
差分部５６１は、外部から設定される（あるいは予め定めた）サンプリング時間指令に基づき、ある時刻における削る力Ｆの大きさ｜Ｆ｜と、その後のある時刻における削る力Ｆの大きさ｜Ｆ｜との差分値ｄＦを算出する。
比較部５６２は、差分値ｄＦと外部から設定される（あるいは予め定めた）閾値ＴＨ１とを比較し、差分値ｄＦの方が大きい場合に、異常有りと判定する。差分値ｄＦが閾値ＴＨ１より大きい場合、例えばパッド表面が偏摩耗する、あるいは、偏摩耗し始めている可能性がある。このような判定によって研磨パッド３３Ａに異常があることを検出できる。判定結果は出力制御部５７に出力されて表示部５８に表示されてもよい。
例えば、出力制御部５７は、記憶部５５に記憶されたデータおよび判定部５６の判定結果に基づいて、所定の画面を表示部５８に表示させる。
図５は、表示部５８に表示される画面の一例を示す図である。同図の円９０は研磨パッド３３Ａの表面を模擬している。出力制御部５７は、記憶部５５に記憶されたデータに基づいて、判定部５６によって異常が検出された時刻ｔｉにおけるドレッサ４１の研磨パッド３３Ａ上の位置Ｐｉを把握する。このようにして、出力制御部５７は異常が検出された研磨パッド３３Ａ上の位置を特定する。
そして、出力制御部５７は研磨パッド３３Ａにおける異常検出箇所を円９０内の対応箇所にプロットする（符号９１）などによって出力する。これにより、研磨パッド３３Ａ上における異常発生箇所が可視化される。
出力制御部５７は、ある特定の時刻における異常発生箇所をプロットしてもよいし、所定の時間範囲内における異常発生箇所を累積してプロットしてもよい。また、出力制御部５７は、異常発生回数を反映させた出力を行ってもよい。例えば、出力制御部５７は、異常発生回数が所定回数を超えた位置のみをプロットして出力してもよい。これにより、研磨パッド３３Ａ上における異常発生密度が可視化される。
図４に戻り、判定部５６は、仕事算出部５６３、寿命判定部５６４および比較部５６５を含み、ドレッサ４１の仕事に基づく判定を行ってもよい。
仕事算出部５６３は、サンプリング時間ｄｔにおけるドレッサ４１と研磨パッド３３Ａとの相対変位量Ｌ（言い換えると、ドレッサ４１が研磨パッド３３Ａをこすった距離）と、削る力の大きさ｜Ｆ｜との積、つまり、ドレッサ４１の仕事量Ｗ＝｜Ｆ｜＊Ｌ［Ｊ］を算出する。さらに、仕事算出部５６３は仕事量Ｗをサンプリング時間ｄｔで除して、ドレッサ４１の仕事率Ｐ＝Ｗ／ｄｔ［Ｗ］を算出してもよい。仕事量Ｗおよび／または仕事率Ｐと、研磨パッド３３Ａ上におけるドレッサ４１の位置（研磨パッド３３Ａの回転中心からの距離）との関係をモニターすることで、ドレッシングプロセスの良否を判定できる。判定の具体例は次の通りである。
図６は、寿命判定部５６４の動作を説明する図である。寿命判定部５６４は、ある時刻ｔ１における仕事量Ｗ１（または仕事率Ｐ、以下同じ）と、その後のある時刻ｔ２における仕事量Ｗ２とから、仕事量Ｗが閾値ＴＨ２に達する時刻ｔ３を予測する。閾値ＴＨ２はドレッサ４１の寿命に対応して設定され、ドレッサ４１が使用不可と判断される値である。このようにしてドレッサ４１の寿命を予測でき、必要に応じて交換を促すことができる。
図４に戻って別の判定例として、比較部５６５は、ドレッサ４１の仕事量Ｗと外部から設定される（あるいは予め定めた）上限閾値ＴＨ３および下限閾値ＴＨ４とを比較し、仕事量Ｗが上限閾値ＴＨ３を超える／下限閾値ＴＨ４を下回る研磨パッド３３Ａ上の位置を検出する。仕事量Ｗが上限閾値ＴＨ３を超える場合、ドレッサ４１が研磨パッド３３Ａ上の特定位置で引っかかっている可能性がある。また、仕事量が下限閾値ＴＨ４を下回る場合、ドレッサ４１が研磨パッド３３Ａ上の特定位置で浮いており、ドレッシングできていない可能性がある。出力制御部５７は検出回数に応じてアラームを表示してもよい。
出力制御部５７は研磨パッド３３Ａ上の各位置における仕事量Ｗを表示部５８に表示してもよい。また、出力制御部５７は、仕事量Ｗが上限閾値ＴＨ３を超える／下限閾値ＴＨ４を下回る研磨パッド３３Ａ上の位置を把握し、プロットしてもよい。あるいは、閾値を超える／下回る数が所定回数を超えた場合に、プロットを行ってもよい。
このように、第１の実施形態では、ドレッサ駆動モジュール４３とドレッサアーム４４との間に力センサ４６ａ〜４６ｃを設ける。これにより、ドレッサ４１が研磨パッド３３Ａを削る力Ｆ（特にその大きさ｜Ｆ｜や角度θ）を精度よくモニターでき、種々の判定に利用できる。
なお、力センサの設置位置は図２に示すものに限られない。
図７は、図２の変形例である基板研磨装置３Ａ’の概略側面図である。本基板研磨装置３Ａ’のドレッサアーム４４’は、水平方向に延びるベース部４４ａと、ドレッサ駆動モジュール４３より旋回軸４５側にあってベース部４４ａから鉛直方向に延びる鉛直部４４ｂと、ベース部４４ａの先端から鉛直方向に延びる鉛直部４４ｃとからなる。
基板研磨装置３Ａ’は、ドレッサ４１が研磨パッド３３Ａを削る力によって発生するモーメント荷重を許容できるよう、かつ、ドレッサシャフト４２の中心から等しい距離に配置された４つの力センサ４６ｄ〜４６ｇを有する。
力センサ４６ｄ，４６ｅは同一水平面上にあって、ドレッサ駆動モジュール４３の側面下部と、ドレッサアーム４４’における鉛直部４４ｂ，４４ｃの内側面との間にそれぞれ配置される。また、力センサ４６ｄはドレッサシャフト４２の中心に対して力センサ４６ｅの反対側にある。
力センサ４６ｆ，４６ｇは、力センサ４６ｄ，４６ｅが配置される面とは異なる同一水平面上にあって、ドレッサ駆動モジュール４３の側面上部と、ドレッサアーム４４’における鉛直部４４ｂ，４４ｃの内側面との間にそれぞれ配置される。また、力センサ４６ｄはドレッサシャフト４２の中心に対して力センサ４６ｅの反対側にある。
力センサ４６ｄ〜４６ｇのそれぞれは、ベース部４４ａが延びるｘ方向の力成分と、ｘ方向と直交するｙ方向の力成分と、鉛直方向の力成分に関する情報を出力する。
このようにドレッサ４１が研磨パッド３３Ａを削る力Ｆをモニターできるのであれば、力センサの数や配置位置に特に制限はない。
（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態は、力センサ４６ａ〜４６ｃが３軸方向の力を検出するものであった。これに対し次に説明する第２の実施形態は、鉛直方向（ｚ方向）の力を検出する力センサを用いるものである。本実施形態に係る基板研磨装置３Ａの概略側面図は図２とほぼ同様であるが、４つの力センサ４６ｈ〜４６ｉを用いる例を説明する。以下では第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
図８Ａは、第２の実施形態の一例である力センサ４６ｈ〜４６ｋを通る基板研磨装置３Ａ’の模式的断面図である。ドレッサシャフト４２の中心を原点とすると、力センサ４６ｈ〜４６ｋが配置される座標は順に（Ｒｘｈ，０）、（−Ｒｘｉ，０）、（０，Ｒｙｊ）、（０，−Ｒｙｋ）である。なお、Ｒｘｈ＝Ｒｘｉであってもよいし、Ｒｙｊ＝Ｒｈｋであってもよい。
図８Ｂは、第２の実施形態の別の例である力センサ４６ｈ〜４６ｋを通る基板研磨装置３Ａ’の模式的断面図である。力センサ４６ｈ〜４６ｋが配置される座標は（Ｒｘｈ，Ｒｙｈ）、（Ｒｘｉ，−Ｒｙｉ）、（−Ｒｘｊ，Ｒｙｊ）、（−Ｒｘｋ，−Ｒｋｙ）である。なお、Ｒｘｈ＝Ｒｘｉ＝Ｒｘｊ＝Ｒｘｋであってもよいし、Ｒｙｈ＝Ｒｙｉ＝Ｒｙｊ＝Ｒｙｋであってもよい。
もちろん図８Ａや図８Ｂに示す力センサの配置は例示にすぎず、第１の実施形態で説明したような配置でもよく、力センサの数や配置位置に特に制限はない。
図８Ａ，図８Ｂのいずれにおいても、力センサ４６ｈ〜４６ｋは鉛直方向（ｚ方向）の力成分に関する情報Ｆｚｈ’〜Ｆｚｋ’をそれぞれ出力する。すなわち、力センサ４６ｈ〜４ｈは必ずしも３軸方向の力を検出するものでなくてもよい。
なお、図２において、ドレッサ４１の下面と力センサ４６ｈ〜４６ｋとの距離をＨとする。
本実施形態において、制御装置５０におけるパッド削り力算出部５２（図４参照）は次のようにして削る力Ｆを算出する。なお、パッド削り力算出部５２は、各力センサ４６ｈ〜４６ｋからの出力情報Ｆｚｈ’〜Ｆｚｋ’を、ｚ方向の力Ｆｚｈ〜Ｆｚｋに予め変換しておく。
まず、パッド削り力算出部５２は、次式に基づいて、各力センサ４６ｈ〜４６ｋについて、ｘ軸回りのモーメント荷重Ｍｘｎ（ｎ＝ｈ〜ｋ）およびｙ軸回りのモーメント荷重Ｍｙｎ（ｎ＝ｈ〜ｋ）を算出する。
Ｍｘｎ＝Ｆｚｎ＊Ｒｙｎ
Ｍｙｎ＝Ｆｚｎ＊Ｒｙｎ
続いて、パッド削り力算出部５２は全力センサ４６ｈ〜４６ｋのモーメント荷重を合算し、ｘ軸回りのモーメント荷重Ｍｘおよびｙ軸回りのモーメント荷重Ｍｙを算出する。すなわち、次式の通りである。
Ｍｘ＝ΣＭｘｎ＝Ｍｘｈ＋Ｍｘｉ＋Ｍｘｊ＋Ｍｘｋ
Ｍｙ＝ΣＭｙｎ＝Ｍｙｈ＋Ｍｙｉ＋Ｍｙｊ＋Ｍｙｋ
その後、パッド削り力算出部５２は次式に基づいて削る力Ｆのｘ成分Ｆｘおよびｙ成分Ｆｙを算出する。
Ｆｘ＝Ｍｘ／Ｈ
Ｆｙ＝Ｍｙ／Ｈ
その後の処理は第１の実施形態で説明した通りである。
このように、第２の実施形態では、一方向の力を検出する力センサ４６ｈ〜４６ｋを用いて、ドレッサ４１が研磨パッド３３Ａを削る力Ｆを低コストでモニターできる。
（第３の実施形態）
次に説明する第３の実施形態は、力センサの異常を検出できるようにするものである。
本実施形態に係る基板研磨装置３Ａは、第１の実施形態と同様、３軸方向の力を検出する力センサ４６ａ〜４６ｃを有するものとする。
よって、第１の実施形態で説明したようにして、水平方向に関する出力情報Ｆｘａ’〜Ｆｘｃ’，Ｆｙａ’〜Ｆｚａ’に基づいて、パッド削り力算出部５２はＦｘ，Ｆｙ，｜Ｆ｜，θを算出できる。
また、第２の実施形態で説明したようにして、パッド削り力算出部５２は鉛直方向に関する出力情報Ｆｚａ’〜Ｆｚｃ’に基づいてＦｘ，Ｆｙ，｜Ｆ｜，θを算出することもできる。
そして、判定部５６は、水平方向に関する出力情報に基づく力の大きさ｜Ｆ｜と、鉛直方向に関する出力情報に基づく力の大きさ｜Ｆ｜とを比較する。両者の差が所定の閾値を超える場合、判定部５６は力センサに異常があると判定する。なお、力の大きさ｜Ｆ｜に代えて／加えて判定部５６はＦｘ，Ｆｙ，θを比較してもよい。
このように、第３の実施形態では、力Ｆを２つの手法で算出するため、力センサの異常を検出できる。
（第４の実施形態）
次に説明する第４の実施形態は、ドレッサ４１が研磨パッド３３Ａを削る際のトルク（以下、パッド削りトルクという）を算出してモニターするものである。
ドレッサ回転軸を回転駆動する機構のモータ電流に基づいて、ドレッサのパッド削りトルクをモニターすることも考えられる。しかしながら、このようにして得られるパッド削りトルクは回転駆動機構の損失トルク分も含まれており、正確にパッド削り力をモニターできない。そこで、本実施形態では次のようにする。以下、図８Ａに示す力センサ４６ｈ〜４６ｋの配置を例にとって説明する。
本実施形態における制御装置５０は、力センサ４６ｈ〜４６ｋが出力する水平方向に関する出力情報Ｆｘｈ’〜Ｆｘｋ’およびＦｙｈ’〜Ｆｙｋと、各力センサ４６ｈ〜４６ｋのドレッサ４１の回転軸中心からの位置情報から、ドレッサ４１の回転軸周りに作用するパッド削りトルクを算出するパッド削りトルク算出部（不図示）を備える。なお、パッド削りトルク算出部は、各力センサ４６ｈ〜４６ｋからの出力情報Ｆｘｈ’〜Ｆｘｋ’，Ｆｙｈ’〜Ｆｙｋ’を、水平方向の力Ｆｘｈ’〜Ｆｘｋ’，Ｆｙｈ’〜Ｆｙｋ’に予め変換しておく。
ここで、図８Ａにおいて、ドレッサ４１の回転軸中心すなわちドレッサシャフト４２の中心を原点とすると、力センサ４６ｈ〜４６ｋが配置される座標は順に（Ｒｘｈ，０）、（−Ｒｘｉ，０）、（０，Ｒｙｊ）、（０，−Ｒｙｋ）であり、これらの座標が上記位置情報に対応する。
パッド削りトルク算出部は、力センサー４６ｈが検出した水平方向の力Ｆｘｈ，Ｆｙｈと、上記位置情報（座標）から、ドレッサー回転軸周りに作用するトルクＴｈを次式に基づいて算出する。
Ｔｈ＝Ｆｘｈ＊０＋Ｆｙｈ＊Ｒｘｈ
同様に力センサ４６ｉ，４６ｊ，４６ｋが検出した力情報から各トルクＴｉ，Ｔｊ，Ｔｋを求める式は以下の通りである。
Ｔｉ＝Ｆｘｉ＊０＋Ｆｙｉ＊（−Ｒｘｉ）
Ｔｊ＝Ｆｘｊ＊Ｒｙｊ＋Ｆｙｊ＊０
Ｔｋ＝Ｆｘｋ＊（−Ｒｙｋ）＋Ｆｙｋ＊０
さらに、パッド削りトルク算出部は、次式に基づいて、ドレッサ回転軸周りのパッド削りトルクＴを算出する。
Ｔ＝Ｔｈ＋Ｔｉ＋Ｔｊ＋Ｔｋ
以上、図８Ａに示すように力センサ４６ｈ〜４６ｉが配置される例を示したが、パッド削りトルク算出部は、力センサの配置や数に関わらず、各力センサからの出力情報と、ドレッサ回転軸中心との位置情報（位置関係）とに基づいて、パッド削りトルクを算出できる。
このように、第４の実施形態では、力センサの出力に基づいてパッド削りトルクＴを算出できるため、ドレッサ回転駆動機構の損失トルクを含まない正確なパッド削りトルクを検出できる。
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。
３Ａ〜３Ｄ 基板研磨装置
３０ 研磨ユニット
３１ トップリング
３２ トップリングシャフト
３３ ターンテーブル
３３Ａ 研磨パッド
３４ ノズル
３５ トップリングアーム
３６ 旋回軸
４０ ドレッシングユニット
４１ ドレッサ
４２ ドレッサシャフト
４３ ドレッサ駆動モジュール
４４ ドレッサアーム
４４ａ ベース部
４４ｂ，４４ｃ 鉛直部
４５ 旋回軸
４６ａ〜４６ｆ 力センサ
５０ 制御装置
５１ ドレッサ位置算出部
５２，５３ａ〜５３ｃ パッド削り力算出部
５４ａ〜５４ｃ ドレッサ押圧反力算出部
５５ 記憶部
５６ 判定部
５６１ 差分部
５６２ 比較部
５６３ 仕事算出部
５６４ 寿命判定部
５６５ 比較部
５７ 出力制御部
５８ 表示部

Claims (15)

  1. 基板研磨用の研磨パッドが設けられたターンテーブルと、
    前記研磨パッド上を移動して前記研磨パッドを削るドレッサと、
    前記ドレッサを前記研磨パッドに押圧するとともに前記ドレッサを回転させるドレッサ駆動モジュールと、
    前記ドレッサ駆動モジュールを支持する支持部材と、
    前記ドレッサ駆動モジュールと前記支持部材との間に設けられ、それぞれが３軸方向の各力に関する情報を出力する複数の力センサと、を備える基板研磨装置。
  2. 前記複数の力センサは、前記ドレッサの回転軸から等距離であり、かつ、前記ドレッサの回転軸回りに等間隔の角度に配置される、請求項１に記載の基板研磨装置。
  3. 前記複数の力センサは、
    前記ドレッサにおけるドレッシング面の回転面内における第１方向の力成分に関する第１情報と、
    前記ドレッサにおけるドレッシング面の回転面内において前記第１方向と直交する第２方向の力成分に関する第２情報と、
    前記研磨パッドから前記ドレッサに向かう方向の力成分に関する第３情報と、
    を出力する、請求項１または２に記載の基板研磨装置。
  4. 前記複数の力センサのそれぞれから出力される前記第１情報に基づいて、前記複数の力センサのそれぞれの設置位置に対応する前記ドレッサにおける各位置が前記研磨パッドを削る力の前記第１方向の成分と、前記複数の力センサのそれぞれから出力される前記第２情報に基づいて、前記複数の力センサのそれぞれの設置位置に対応する前記ドレッサにおける各位置が前記研磨パッドを削る力の前記第２方向の成分と、を算出する第１パッド削り力演算部を備える、請求項３に記載の基板研磨装置。
  5. 前記複数の力センサのそれぞれから出力される前記第３情報に基づいて、前記複数の力センサのそれぞれの設置位置に対応する前記ドレッサにおける各位置が前記研磨パッドを押圧する際の反力を算出するドレッサ押圧反力算出部を備える、請求項３または４に記載の基板研磨装置。
  6. 前記複数の力センサから出力される前記第１情報および前記第２情報と、前記力センサのそれぞれと前記ドレッサの回転軸中心との位置関係と、に基づいて、前記ドレッサが前記研磨パッドを削る際のトルクを算出するパッド削りトルク算出部を備える、請求項３乃至５のいずれかに記載の基板研磨装置。
  7. 前記複数の力センサから出力される前記第１情報および前記第２情報に基づいて、前記ドレッサが前記研磨パッドを削る力を算出する第２パッド削り力算出部を備える、請求項３乃至６のいずれかに記載の基板研磨装置。
  8. 基板研磨用の研磨パッドが設けられたターンテーブルと、
    前記研磨パッド上を移動して前記研磨パッドを削るドレッサと、
    前記ドレッサを前記研磨パッドに押圧するとともに前記ドレッサを回転させるドレッサ駆動モジュールと、
    前記ドレッサ駆動モジュールを支持する支持部材と、
    前記ドレッサ駆動モジュールと前記支持部材との間に設けられ、それぞれが前記パッドから前記ドレッサに向かう方向の力成分に関する第３情報を出力する複数の力センサと、
    前記複数の力センサから出力される前記第３情報と、前記複数の力センサのそれぞれと前記ドレッサのドレッシング面との距離と、に基づいて前記ドレッサが前記研磨パッドを削る力を算出する第２パッド削り力算出部と、を備える基板研磨装置。
  9. 前記ドレッサが前記研磨パッドを削る力の大きさの時間変化と、閾値と、を比較して異常判定を行う判定部を備える、請求項７または８に記載の基板研磨装置。
  10. 各時刻における前記ドレッサの前記研磨パッド上の位置を算出するドレッサ位置算出部と、
    前記ドレッサ位置算出部による算出結果と、前記判定部による異常判定結果と、に基づいて、異常と判定された際の前記ドレッサの前記研磨パッド上の位置を特定して出力する出力制御部と、を備える請求項９に記載の基板研磨装置。
  11. 前記出力制御部は、前記研磨パッド上において異常と判定された回数を反映させた出力を行う、請求項１０に記載の基板研磨装置。
  12. 前記第２パッド削り力算出部は、前記第１情報および前記第２情報に基づいて、前記ドレッサが前記研磨パッドを削る力の大きさおよび方向を算出する、請求項７に記載の基板研磨装置。
  13. 前記ドレッサが前記研磨パッドを削る力に基づいて、前記ドレッサの仕事量および／または仕事率を算出する仕事算出部と備える、請求項７乃至１２のいずれかに記載の基板研磨装置。
  14. 前記仕事量および／または前記仕事率の変化に基づいて、前記ドレッサの寿命を判定する寿命判定部を備える、請求項１３に記載の基板研磨装置。
  15. 前記仕事量および／または前記仕事率と閾値との比較を行う比較部を備える、請求項１３または１４に記載の基板研磨装置。
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