JP7373165B2 - 研磨ヘッドシステムおよび研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、ウェーハ、基板、パネルなどのワークピースを研磨パッドに摺接させて該ワークピースを研磨する研磨ヘッドシステムに関する。また、本発明は、そのような研磨ヘッドシステムを備えた研磨装置に関する。

半導体デバイスの製造では、ウェーハ上に様々な種類の膜が形成される。成膜工程の後には、膜の不要な部分や表面凹凸を除去するために、ウェーハが研磨される。化学機械研磨（ＣＭＰ）は、ウェーハ研磨の代表的な技術である。このＣＭＰは、研磨面上にスラリーを供給しながら、ウェーハを研磨面に摺接させることにより行われる。ウェーハに形成された膜は、スラリーに含まれる砥粒や研磨パッドによる機械的作用と、スラリーの化学成分による化学的作用との複合により研磨される。

図１１は、ＣＭＰに使用される従来の研磨ヘッドを示す断面図である。研磨ヘッドは、キャリア４００の下面に保持された弾性膜（メンブレン）２０１を有している。この弾性膜２０１は、同心状の複数の円環壁２０２ａ～２０２ｄを有している。これら円環壁２０２ａ～２０２ｄは、弾性膜２０１の内側の空間を複数の圧力室２０５Ａ～２０５Ｄに分割する。これら圧力室２０５Ａ～２０５Ｄには圧縮気体が供給される。弾性膜２０１は、それぞれの圧力室２０５Ａ～２０５Ｄを満たす圧縮気体の圧力を受け、ウェーハＷを研磨パッド３００の研磨面３００ａに対して押し付けることができる。複数の圧力室２０５Ａ～２０５Ｄは、複数の圧力レギュレータＲ１～Ｒ４にそれぞれ連通している。これらの圧力レギュレータＲ１～Ｒ４は、対応する圧力室２０５Ａ～２０５Ｄ内の圧縮気体の圧力を独立に制御することが可能であり、これにより研磨ヘッドは、ウェーハＷの異なる領域を異なる押圧力で押し付けることができる。

特開２０１７－０４７５０３号公報 米国特許第７０７４１１４号明細書

ウェーハＷに膜を形成する工程は、めっき、化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）などの種々の成膜技術を用いて行われる。これらの成膜技術では、ウェーハＷの全面に亘って膜が均一に形成されないことがある。例えば、ウェーハＷの周方向に沿って膜厚のばらつきがあることもある。特に、複数の成膜装置を用いて複数のウェーハにそれぞれ膜を形成した場合には、膜厚分布がウェーハ間で異なることがある。

図１１に示す従来の研磨ヘッドは、ウェーハＷの半径方向に沿った押圧力を独立に変化させることができるので、ウェーハＷの半径方向の研磨プロファイルを制御することは可能である。しかしながら、圧力室２０５Ａ～２０５Ｄの配置は同心状であるので、上述した研磨ヘッドは、ウェーハＷの周方向に沿った押圧力を制御することができず、ウェーハＷの周方向における研磨プロファイルを制御することができない。

そこで、本発明は、ウェーハ、基板、パネルなどのワークピースの研磨プロファイルを精密に制御することができる研磨ヘッドシステムを提供する。また、本発明は、そのような研磨ヘッドシステムを備えた研磨装置を提供する。

一態様では、ワークピースを研磨面に摺接させるための研磨ヘッドシステムであって、磁気粘弾性エラストマーシートと、前記磁気粘弾性エラストマーシートに対向する複数の磁場印加装置と、前記複数の磁場印加装置に電気的に接続され、電流を前記複数の磁場印加装置に独立に供給するように構成された電流供給装置を備えている、研磨ヘッドシステムが提供される。

一態様では、前記複数の磁場印加装置は、前記磁気粘弾性エラストマーシートの径方向および周方向に沿って分布している。
一態様では、前記複数の磁場印加装置は、複数の磁石と、前記複数の磁石をそれぞれ囲む複数の電磁コイルと、前記複数の磁石および前記複数の電磁コイルが収容された磁気ヨークを備えている。
一態様では、前記磁石は、アルニコ磁石、鉄クロムコバルト磁石、およびサマリウムコバルト磁石のうちのいずれか１つである。
一態様では、前記磁石は、保磁力が２００００～７００００Ａ／ｍで、かつ残留磁束密度が１．０Ｔ以上の磁石である。

一態様では、前記電流供給装置は、正方向の単発パルス電流または逆方向の単発パルス電流を選択的に、前記複数の電磁コイルのうちの少なくとも１つに供給するように構成されている。
一態様では、前記複数の磁場印加装置は、前記複数の電磁コイルの端部と前記磁気粘弾性エラストマーシートとの間に配置された複数の非磁性スペーサをさらに備え、前記複数の磁石、前記複数の非磁性スペーサ、および前記磁気ヨークは、前記磁気粘弾性エラストマーシートに接触している。
一態様では、前記研磨ヘッドシステムは、前記複数の磁石に加わる力を測定する複数の荷重検出器をさらに備えている。
一態様では、前記研磨ヘッドシステムは、キャリアと、前記キャリアから遠ざかる方向および前記キャリアに近づく方向に前記複数の磁場印加装置および前記磁気粘弾性エラストマーシートを移動させるアクチュエータをさらに備えている。

一態様では、研磨面を有する研磨パッドを支持するためのパッド支持体と、ワークピースを前記研磨面に摺接させるための上記研磨ヘッドシステムを備えている、研磨装置が提供される。

複数の磁場印加装置のそれぞれは、磁気粘弾性エラストマーシートのヤング率（縦弾性係数）を局所的に増加させることができる。ヤング率が増加した部位は、他の部位よりも高い圧力でワークピースを研磨面に対して摺接させることができる。複数の磁場印加装置は、従来の研磨ヘッドの圧力室に比べて、自由に配列することができ、かつ圧力室に接続される気体供給ライン、バルブ、圧力レギュレータなども不要である。特に、複数の磁場印加装置は、磁気粘弾性エラストマーシートの径方向および周方向に沿って配列することができる。したがって、研磨ヘッドシステムは、ワークピースの研磨プロファイルを精密に制御することができる。

研磨装置の一実施形態を示す模式図である。 図１に示す研磨ヘッドを含む研磨ヘッドシステムの一実施形態を示す断面図である。 研磨ヘッドシステムの他の実施形態を示す断面図である。 研磨ヘッドシステムのさらに他の実施形態を示す断面図である。 図２乃至図４に示す磁場印加装置の底面図である。 図５のＡ－Ａ線断面図である。 図６に示す磁場印加装置が発生する磁場を測定したグラフである。 粘弾性可変装置の他の実施形態を示す模式図である。 粘弾性可変装置のさらに他の実施形態を示す模式図である。 研磨装置の他の実施形態を示す模式図である。 従来の研磨ヘッドを示す断面図である。

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。
図１は、研磨装置の一実施形態を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨パッド２を支持するパッド支持体３と、ウェーハ、基板、パネルなどのワークピースＷを研磨パッド２に押し付ける研磨ヘッド１と、研磨パッド２上にスラリーなどの研磨液を供給するための研磨液供給ノズル５を備えている。

パッド支持体３は、支持軸３ａを介して支持体回転モータ６に連結されており、その支持軸３ａを中心に回転可能になっている。支持体回転モータ６は、パッド支持体３の下方に配置されている。研磨パッド２はパッド支持体３の上面に貼付されており、研磨パッド２の上面はワークピースＷを研磨する研磨面２ａを構成している。パッド支持体回転装置としての支持体回転モータ６は、パッド支持体３および研磨パッド２を矢印で示す方向に回転させるように構成されている。研磨液供給ノズル５は研磨パッド２およびパッド支持体３の上方に配置されており、この研磨液供給ノズル５から研磨パッド２の研磨面２ａ上に研磨液（例えばスラリー）が供給されるようになっている。

研磨ヘッド１は、ヘッドシャフト１０の下端に連結されている。ヘッドシャフト１０はヘッドアーム１２を貫通して延びている。ヘッドシャフト１０はアクチュエータ１５に連結されており、ヘッドシャフト１０および研磨ヘッド１は、アクチュエータ１５によりヘッドアーム１２に対して上下動するようになっている。本実施形態では、アクチュエータ１５は、エアシリンダ１５Ａと圧力レギュレータ１５Ｂの組み合わせから構成されている。圧力レギュレータ１５Ｂは、エアシリンダ１５Ａに連通しており、エアシリンダ１５Ａ内の気体の圧力を調節するように構成されている。

アクチュエータ１５は、研磨ヘッド１およびヘッドシャフト１０をヘッドアーム１２に対して相対的に移動させることが可能である。アクチュエータ１５によって移動される研磨ヘッド１の方向は、研磨面２ａに垂直である。ヘッドシャフト１０の上端にはロータリージョイント１８が取り付けられている。

アクチュエータ１５を構成するエアシリンダ１５Ａは、支持台３０に固定されている。この支持台３０は、ヘッドアーム１２の上面に固定されている。エアシリンダ１５Ａは、ヘッドシャフト１０を回転可能に支持する軸受２０と、軸受２０を保持するブリッジ２２を介して、ヘッドシャフト１０に連結されている。研磨ヘッド１は、ヘッドシャフト１０、軸受２０、およびブリッジ２２を介してエアシリンダ１５Ａに連結されている。

エアシリンダ１５Ａは、圧力レギュレータ１５Ｂを通って延びる圧縮気体供給ライン１６に接続されている。圧縮気体供給ライン１６および圧力レギュレータ１５Ｂを通じて圧縮気体（例えば圧縮空気）がエアシリンダ１５Ａ内に供給されると、エアシリンダ１５Ａはヘッドシャフト１０および研磨ヘッド１を下降させ、研磨ヘッド１は、その下面に接触しているワークピースＷを研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付けることができる。研磨ヘッド１がワークピースＷの全体を研磨面２ａに対して押し付ける力は、アクチュエータ１５を構成する圧力レギュレータ１５Ｂによって調節される。

ヘッドシャフト１０は、その軸方向に移動可能にボールスプライン軸受３２に支持されている。このボールスプライン軸受３２の外周部にはプーリ３５が固定されている。ヘッドアーム１２には、研磨ヘッド回転装置としての研磨ヘッド回転モータ３７が固定されており、上記プーリ３５は、研磨ヘッド回転モータ３７に取り付けられたプーリ４０にベルト３９を介して接続されている。研磨ヘッド回転モータ３７が回転すると、プーリ４０、ベルト３９、およびプーリ３５を介してボールスプライン軸受３２およびヘッドシャフト１０が一体に回転し、研磨ヘッド１がヘッドシャフト１０を中心に回転する。プーリ３５，４０、ベルト３９、およびボールスプライン軸受３２は、ヘッドアーム１２内に配置されている。ヘッドアーム１２は、フレーム（図示せず）に支持された旋回軸４３によって支持されている。

研磨装置は、研磨ヘッド１、研磨ヘッド回転モータ３７、アクチュエータ１５の圧力レギュレータ１５Ｂを含む各機器の動作を制御する動作制御部５０をさらに備えている。動作制御部５０は、プログラムが格納された記憶装置５０ａと、プログラムに含まれる命令に従って演算を実行する処理装置５０ｂを備えている。記憶装置５０ａは、ＲＡＭなどの主記憶装置と、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）などの補助記憶装置を備えている。処理装置５０ｂの例としては、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＧＰＵ（グラフィックプロセッシングユニット）が挙げられる。ただし、動作制御部５０の具体的構成はこれらの例に限定されない。

動作制御部５０は、少なくとも１台のコンピュータから構成されている。前記少なくとも１台のコンピュータは、１台のサーバまたは複数台のサーバであってもよい。動作制御部５０は、エッジサーバであってもよいし、インターネットまたはローカルエリアネットワークなどの通信ネットワークに接続されたクラウドサーバであってもよいし、あるいはネットワーク内に設置されたフォグコンピューティングデバイス（ゲートウェイ、フォグサーバ、ルーターなど）であってもよい。動作制御部５０は、インターネットまたはローカルエリアネットワークなどの通信ネットワークにより接続された複数のサーバであってもよい。例えば、動作制御部５０は、エッジサーバとクラウドサーバとの組み合わせであってもよい。

ワークピースＷは次のようにして研磨される。パッド支持体３および研磨ヘッド１を図１の矢印で示す方向に回転させながら、研磨液が研磨液供給ノズル５からパッド支持体３上の研磨パッド２の研磨面２ａに供給される。ワークピースＷは研磨ヘッド１によって回転されながら、研磨パッド２上に研磨液が存在した状態でワークピースＷは研磨ヘッド１によって研磨パッド２の研磨面２ａに摺接される。ワークピースＷの表面は、研磨液の化学的作用と、研磨液に含まれる砥粒または研磨パッド２の機械的作用により研磨される。

図２は、図１に示す研磨ヘッド１を含む研磨ヘッドシステムの一実施形態を示す断面図である。図２に示すように、研磨ヘッドシステムは、ヘッドシャフト１０の下端に連結されたキャリア５１と、キャリア５１に連結された粘弾性可変装置５５を備えている。粘弾性可変装置５５は、磁気粘弾性エラストマーシート５８と、磁気粘弾性エラストマーシート５８に対向する複数の磁場印加装置６０と、これら磁場印加装置６０に電気的に接続された電流供給装置６２を備えている。磁気粘弾性エラストマーシート５８はキャリア５１の下方に配置されており、複数の磁場印加装置６０は、キャリア５１と磁気粘弾性エラストマーシート５８との間に配置されている。

磁気粘弾性エラストマーシート５８および磁場印加装置６０は、キャリア５１とともに研磨ヘッド１を構成する。したがって、キャリア５１、磁気粘弾性エラストマーシート５８、および磁場印加装置６０は、一体に上下動し、一体に回転する。電流供給装置６２は、研磨ヘッド１の外に配置されている。一実施形態では、電流供給装置６２は、研磨ヘッド１内に配置されてもよい。電流供給装置６２は、動作制御部５０に電気的に接続されており、電流供給装置６２の動作は動作制御部５０によって制御される。

研磨ヘッド１は、磁気粘弾性エラストマーシート５８を囲むリテーナリング６５と、リテーナリング６５とキャリア５１との間に配置された環状メンブレン６６をさらに備えている。リテーナリング６５はキャリア５１の下方に配置され、環状メンブレン６６はリテーナリング６５の上部に接続されている。リテーナリング６５は、ワークピースＷを囲むように配置されており、研磨中にワークピースＷが研磨ヘッド１から飛び出すことを防止している。

環状メンブレン６６の内部には環状の圧力室６７が形成されている。この圧力室６７は、圧縮気体供給ライン６８に連通している。圧縮気体供給ライン６８には、圧力レギュレータ６９が取り付けられている。圧縮気体供給ライン６８は、ロータリージョイント１８および圧力レギュレータ６９を通って延びている。圧縮空気などの圧縮気体は、圧縮気体供給ライン６８および圧力レギュレータ６９を通って圧力室６７内に供給される。圧力室６７内の圧縮気体はリテーナリング６５を研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付けることができる。圧力室６７内の圧縮気体の圧力は、圧力レギュレータ６９によって調節される。圧力レギュレータ６９は動作制御部５０に接続されており、圧力レギュレータ６９の動作（すなわち、圧力室６７内の圧縮気体の圧力）は動作制御部５０によって制御される。

粘弾性可変装置５５は、複数の磁場印加装置６０と磁気粘弾性エラストマーシート５８を保持する磁気ヨーク７１をさらに備えている。磁気ヨーク７１は、キャリア５１の下に配置され、キャリア５１の下部に固定されている。磁気ヨーク７１は、磁場印加装置６０によって発生される磁場を制御するための部材であり、透磁率や残留磁気特性などの電磁気的特性の良い磁性材料（例えば鉄）から構成されている。キャリア５１、リテーナリング６５、環状メンブレン６６、磁気粘弾性エラストマーシート５８、磁気ヨーク７１、および複数の磁場印加装置６０は、研磨ヘッド１を構成し、研磨ヘッド１はヘッドシャフト１０と一体に回転し、かつ上下動する。

研磨されるべきワークピースＷは、磁気粘弾性エラストマーシート５８の下面に接触している。磁気粘弾性エラストマーシート５８は、ワークピースＷと同じ大きさおよび同じ形状を有しており、ワークピースＷの被研磨面とは反対側の面の全体に接触するように構成されている。ワークピースＷの研磨中、アクチュエータ１５を構成するエアシリンダ１５Ａは、磁気粘弾性エラストマーシート５８を含む研磨ヘッド１を下降させ、磁気粘弾性エラストマーシート５８はワークピースＷを研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付ける。ワークピースＷは、スラリーなどの研磨液の存在下で研磨パッド２の研磨面２ａに摺接され、ワークピースＷの表面は研磨液の化学的作用と研磨液に含まれる砥粒または研磨パッド２の機械的作用により平坦化される。

磁気粘弾性エラストマーシート５８は、その一部に磁場が印加されると、その部分のみのヤング率（縦弾性係数）が局所的に増加するという特性を有している。すなわち、磁気粘弾性エラストマーシート５８の全体は、弾性を有した柔らかいメンブレンであるが、その一部に磁場が印加されると、その部分が固くなる。言い換えれば、磁場が印加された磁気粘弾性エラストマーシート５８の部分の剛性が高くなる。

エアシリンダ１５Ａから研磨ヘッド１に与えられる力が一定である条件下において、磁気粘弾性エラストマーシート５８の一部に磁場が印加されると、その部分のワークピースＷに対する圧力が増加する。結果として、ワークピースＷの研磨レートは局所的に上昇する。複数の磁場印加装置６０は、磁気粘弾性エラストマーシート５８の複数の部位にそれぞれ磁場を印加し、磁気粘弾性エラストマーシート５８の上記複数の部位のヤング率（あるいは剛性）を上昇させるように配置されている。

電流供給装置６２は、電流を複数の磁場印加装置６０に独立かつ選択的に供給することができるように構成されている。すなわち、電流供給装置６２は、電流を複数の磁場印加装置６０のうちの少なくとも１つに選択的に供給し、前記少なくとも１つの磁場印加装置６０は磁場を発生させて、磁気粘弾性エラストマーシート５８の対応する部位のヤング率を局所的に上昇させることができる。

磁気粘弾性エラストマーシート５８は、弾性を有するエラストマー基材と、このエラストマー基材内に分散された磁性粒子を有している。磁性粒子は、エラストマー基材の厚さ方向に配向するクラスターをエラストマー基材内で形成している。本実施形態では、エラストマー基材は、シリコンゴムとシリコンオイルとの混合から構成されており、磁性粒子は鉄粉から構成されている。シリコンゴムに代えて、各種ゴム材、ジメチルポリシロキサン、天然ゴムなどを用いてもよい。エラストマー基材は、ゲル状であってもよい。

磁気粘弾性エラストマーシート５８は、シリコンゴムとシリコンオイルとの混合がエラストマーを形成する範囲内で、できるだけ柔らかいことが好ましい。これは、磁場が印加されたときに磁気粘弾性エラストマーシート５８のヤング率をできるだけ大きく変化させて、ワークピースＷに対する局所圧力を大きくするためである。このような観点から、磁気粘弾性エラストマーシート５８の初期ヤング率(初期縦弾性係数)は、０．０５ＭＰａ～１．００ＭＰａの範囲内である。ここで、初期ヤング率(初期縦弾性係数)は、磁場が印加されていないときの磁気粘弾性エラストマーシート５８のヤング率である。磁気粘弾性エラストマーシート５８の初期ヤング率は、シリコンゴムとシリコンオイルとの混合割合によって変えることができる。

磁気粘弾性エラストマーシート５８の透磁率を大きくして強い磁場が印加されるようにするために、磁気粘弾性エラストマーシート５８内の磁性粒子の濃度は、ある程度高くすることが好ましい。その一方で、磁性粒子の濃度が高すぎると、エラストマー基材の量が減少し、磁気粘弾性エラストマーシート５８を柔らかくすることが困難になる。このような観点から、磁性粒子の濃度は、７０～９０ｗｔ％の範囲内である。

本実施形態では、磁気粘弾性エラストマーシート５８の厚さは、２．０ｍｍである。磁気粘弾性エラストマーシート５８が薄すぎると、意図した機能を持つ磁気粘弾性エラストマーシート５８の製造が困難となる。その一方で、磁気粘弾性エラストマーシート５８が厚すぎると、磁場が磁気粘弾性エラストマーシート５８内に十分に透過しないことがあり、磁気粘弾性エラストマーシート５８の局所的なヤング率が変化しにくくなる（ワークピースＷに対する局所圧力が上昇しにくくなる）。このような観点から、磁気粘弾性エラストマーシート５８の厚さは、０．５ｍｍ～３．０ｍｍの範囲内としてもよい。

本実施形態では、ワークピースＷは磁気粘弾性エラストマーシート５８に直接接触している。磁気粘弾性エラストマーシート５８に含まれる磁性粒子に起因するワークピースＷの汚染を防止するために、一実施形態では、図３に示すように、磁気粘弾性エラストマーシート５８とワークピースＷとの間に弾性膜７３を配置してもよい。この弾性膜７３は、柔軟な樹脂、例えばシリコンゴムから構成される。弾性膜７３は、磁気粘弾性エラストマーシート５８の下面、すなわちワークピース押圧面に貼り付けられる。図３に示す実施形態のその他の構成は、図２に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。

図２および図３に示す実施形態では、リテーナリング６５とキャリア５１との間に環状メンブレン６６が配置されているが、一実施形態では、環状メンブレン６６を省略し、リテーナリング６５がキャリア５１に直接固定されてもよい。

図４に示すように、一実施形態では、キャリア５１と複数の磁場印加装置６０との間に、アクチュエータ７５を配置してもよい。アクチュエータ７５は、複数の磁場印加装置６０、磁気ヨーク７１、および磁気粘弾性エラストマーシート５８を含む粘弾性可変装置５５を、キャリア５１から遠ざかる方向および近づく方向に移動させるように構成されている。

アクチュエータ７５は、圧力室７６を内側に形成する弾性シート７７を備えている。圧力室７６は、キャリア６１と弾性シート７７との間に位置している。弾性シート７７はキャリア５１に保持されており、弾性シート７７の外面は磁場印加装置６０と磁気ヨーク７１に接触している。圧力室７６は、圧縮気体供給ライン８０に連通しており、圧縮気体供給ライン８０は、ロータリージョイント１８および圧力レギュレータ８２を通って延びている。圧縮空気などの圧縮気体は、圧縮気体供給ライン８０および圧力レギュレータ８２を通って圧力室７６内に供給される。

図４に示す実施形態では、図１乃至図３に示すアクチュエータ１５に代えて、研磨ヘッド位置決め装置８４が設けられている。この研磨ヘッド位置決め装置８４は、ヘッドシャフト１０に連結されたボールねじ機構８５と、ボールねじ機構８５を駆動するサーボモータ８６を備えている。ボールねじ機構８５は、サーボモータ８６に連結されたねじ８５Ａと、ヘッドシャフト１０に連結された可動部８５Ｂを有する。ねじ８５Ａは可動部８５Ｂに螺合されている。サーボモータ８６がねじ８５Ａを回転させると、可動部８５Ｂがねじ８５Ａに沿って移動し、これによりヘッドシャフト１０および研磨ヘッド１が可動部８５Ｂとともに移動する。

研磨ヘッド位置決め装置８４は、研磨ヘッド１の研磨パッド２に対する相対的な高さを調節するための機構である。研磨ヘッド位置決め機構８４は、研磨ヘッド１を予め定められた高さに位置させ、その高さに研磨ヘッド１が保たれたまま、圧縮気体が圧力室７６と圧力室６７に供給される。

圧力室７６内の圧力は、弾性シート７７を介して磁場印加装置６０、磁気ヨーク７１、および磁気粘弾性エラストマーシート５８に伝えられ、磁気粘弾性エラストマーシート５８はワークピースＷを研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付ける。圧力室６７内の圧力は、環状メンブレン６６を介してリテーナリング６５に伝えられ、リテーナリング６５は研磨パッド２の研磨面２ａを押し付ける。

圧力室７６内の圧縮気体の圧力は圧力レギュレータ８２によって調節され、圧力室６７内の圧縮気体の圧力は圧力レギュレータ６９によって調節される。圧力レギュレータ８２および圧力レギュレータ６９は、動作制御部５０に接続されている。動作制御部５０は、圧力レギュレータ８２および圧力レギュレータ６９を独立に制御することが可能である。したがって、圧力レギュレータ８２および圧力レギュレータ６９は、圧力室７６内の圧力と、圧力室６７内の圧力を独立に調節することができる。

本実施形態によれば、２つの圧力室７６，６７内の圧力は、ワークピースＷおよびリテーナリング６５に別々に加えられる。したがって、研磨ヘッド１は、ワークピースＷおよびリテーナリング６５をそれぞれ目標とする力（圧力）で研磨パッド２の研磨面２ａに対して正確に押し付けることができる。図４に示す研磨ヘッド１は、図３に示す弾性膜７３を備えてもよい。

次に、磁場印加装置６０について説明する。図５は、図２乃至図４に示す磁場印加装置６０の底面図であり、図６は、図５のＡ－Ａ線断面図である。複数の磁場印加装置６０は、磁性コアである複数の磁石７８と、複数の磁石７８をそれぞれ囲む複数の電磁コイル８１を備えている。各磁石７８は円柱形状を有し、各電磁コイル８１は円筒形状を有する。ただし、本発明は本実施形態には限定されず、磁石７８は多角柱の形状を有してもよい。電磁コイル８１も同様に他の形状を有してもよい。図６に示すように、複数の電磁コイル８１は、電流供給装置６２に電気的に接続されている。電流供給装置６２から電流が電磁コイル８１に供給されると、電磁コイル８１は磁場を磁石７８内に発生させる。

複数の磁場印加装置６０は、磁気ヨーク７１に形成された複数の孔７１ａ内にそれぞれ収容されている。磁場印加装置６０は、電磁コイル８１の端部と磁気粘弾性エラストマーシート５８との間に配置された非磁性スペーサ９０を備えている。非磁性スペーサ９０は、磁石７８の端部を囲んでおり、磁気ヨーク７１の孔７１ａ内に配置されている。各非磁性スペーサ９０は、円環状であり、各磁石７８と同心状に配置されている。本実施形態では、非磁性スペーサ９０は、非磁性のステンレス鋼から構成されている。

複数の磁石７８の端面と、複数の非磁性スペーサ９０の端面と、磁気ヨーク７１の端面は、同一平面内にある。磁気ヨーク７１、複数の磁石７８、および複数の非磁性スペーサ９０は、磁気粘弾性エラストマーシート５８に接触している。より具体的には、磁石７８の端面、非磁性スペーサ９０の端面、および磁気ヨーク７１の端面は、磁気粘弾性エラストマーシート５８の裏側に接触している。磁気粘弾性エラストマーシート５８の表側は、ワークピースＷを支持するワークピース支持面を構成している。

図７は、図６に示す磁場印加装置６０が発生する磁場を測定したグラフである。図７の縦軸は磁束密度を表し、横軸は磁石７８の中心からの距離を表している。図７に示す実線は、図６に示す、磁気ヨーク７１、複数の磁石７８、および複数の非磁性スペーサ９０が磁気粘弾性エラストマーシート５８に接触した配置を有する磁場印加装置６０の磁場の磁束密度の分布を示している。図７の点線は比較例として、非磁性スペーサ９０を設けず、磁石７８のみが磁気粘弾性エラストマーシート５８に接触し、磁気ヨーク７１は磁気粘弾性エラストマーシート５８に接触していない配置を有する磁場印加装置の磁場の磁束密度の分布を示している。

図７から分かるように、磁気ヨーク７１、複数の磁石７８、および複数の非磁性スペーサ９０が磁気粘弾性エラストマーシート５８に接触した本実施形態の配置は、複数の磁石７８のみが磁気粘弾性エラストマーシート５８に接触する配置に比べて、磁場印加装置６０が発生させる磁場を強めることができる。したがって、各磁場印加装置６０は、強い磁場を磁気粘弾性エラストマーシート５８に印加することができる。

磁石７８は、高い着磁と容易な消磁ができるように、保磁力［Ｈcj］が２００００～７００００Ａ／ｍで、かつ残留磁束密度［Ｂｒ］が１．０Ｔ以上の磁石である。このような磁石の例として、着磁および消磁が容易なアルニコ磁石、鉄クロムコバルト磁石、サマリウムコバルト磁石が挙げられる。

本実施形態では、磁石７８としてアルニコ５磁石が用いられている。アルニコ５磁石の周りの電磁コイル８１に正方向の電流を瞬間的に流すと、アルニコ５磁石は永久磁石として機能し始める。すなわち、電磁コイル８１に正方向の電流を瞬間的に流すと、アルニコ５磁石は着磁し、電磁コイル８１への電流の供給を止めた後でも、アルニコ５磁石は磁場を発生し続ける。一方、電磁コイル８１に逆方向の電流を瞬間的に流すと、アルニコ５磁石が消磁し、永久磁石としての機能が消滅する。鉄クロムコバルト４磁石も同様の特性を有している。

電流供給装置６２は、正方向の単発パルス電流または逆方向の単発パルス電流を選択的に、複数の電磁コイル８１のうちの少なくとも１つに供給するように構成されている。正方向の単発パルス電流は、アルニコ５磁石からなる磁石７８を着磁させるための着磁トリガー電流であり、逆方向の単発パルス電流は、アルニコ５磁石からなる磁石７８を消磁させるための消磁トリガー電流である。電流供給装置６２は、正方向の単発パルス電流および／または逆方向の単発パルス電流を、複数の電磁コイル８１に独立に供給することができるように構成されている。

電流供給装置６２は、動作制御部５０に電気的に接続されている。電流供給装置６２の動作は動作制御部５０によって制御される。具体的には、動作制御部５０は、電流供給装置６２に指令を発して、正方向の単発パルス電流または逆方向の単発パルス電流を選択的に、複数の電磁コイル８１のうちの少なくとも１つに供給させる。より具体的には、動作制御部５０は、作動させるべき磁場印加装置６０を決定し、電流供給装置６２に指令を発して、予め定められた大きさ（アンペア：Ａ）の正方向の単発パルス電流または逆方向の単発パルス電流を、決定された磁場印加装置６０の電磁コイル８１に供給させる。

電流供給装置６２と、アルニコ５磁石からなる磁石７８との組み合わせは、次のような利点がある。鉄のような保磁力の極めて小さい材料を磁石７８に使用した場合、磁場を発生し続けるためには電磁コイル８１に電流を流し続ける必要がある。しかしながら、電流を流し続けるにつれて、電磁コイル８１が徐々に発熱する。電磁コイル８１の熱は磁気粘弾性エラストマーシート５８に伝わり、磁気粘弾性エラストマーシート５８が熱膨張するか、あるいは熱によって磁気粘弾性エラストマーシート５８が硬化する。結果として、磁場の強さが一定であるにもかかわらず、磁気粘弾性エラストマーシート５８のヤング率が少しずつ変化してしまう。さらに、磁石７８を消磁しても、熱の影響で磁気粘弾性エラストマーシート５８のヤング率が元に戻らない。

そこで、このような問題を解決するために、本実施形態では、電流を瞬間的に電磁コイル８１に印加する電流供給装置６２と、アルニコ５磁石からなる磁石７８との組み合わせが使用されている。上述したように、電流供給装置６２が電磁コイル８１に正方向の単発パルス電流（着磁トリガー電流）を流すと、磁石７８は着磁し、電磁コイル８１への電流供給が停止した後も磁石７８は永久磁石として機能する。一実施形態では、正方向の単発パルス電流（着磁トリガー電流）のパルス幅、すなわち時間的長さは、０．０５～０．１秒の範囲内である。したがって、電磁コイル８１はほとんど発熱せず、磁気粘弾性エラストマーシート５８への伝熱も起こらない。

同様に、電流供給装置６２が電磁コイル８１に逆方向の単発パルス電流（消磁トリガー電流）を流すと、アルニコ５磁石からなる磁石７８は消磁し、永久磁石としての機能が消滅する。一実施形態では、この逆方向の単発パルス電流（消磁トリガー電流）のパルス幅、すなわち時間的長さは、０．０５～０．１秒の範囲内である。したがって、電磁コイル８１はほとんど発熱せず、磁気粘弾性エラストマーシート５８への伝熱も起こらない。

このように、電流を瞬間的に印加する電流供給装置６２と、アルニコ５磁石からなる磁石７８との組み合わせは、電磁コイル８１の発熱を最小にし、磁気粘弾性エラストマーシート５８のヤング率変化の再現性を確保することができる。結果として、本実施形態の研磨ヘッドシステムは、ワークピースＷに対する局所圧力を精度良く制御することができ、ワークピースＷの研磨プロファイルを精密に制御することができる。電流供給装置６２と、鉄クロムコバルト４磁石からなる磁石７８との組み合わせも、同様の効果が得られる。

電流供給装置６２は、複数の電磁コイル８１にそれぞれ電気的に接続された複数のコンデンサー（図示せず）と、パルス電流の流れ方向を正方向と逆方向との間で切り替える切り替え装置（図示せず）を有している。各コンデンサーは、商用電源などの交流電源から供給される交流電力を整流して電荷をその内部に蓄え、その後電荷を瞬間的に放電することで、単発パルス電流を電磁コイル８１に印加する。ただし、電流供給装置６２の構成は、本実施形態に係るコンデンサータイプに限らず、他のタイプであってもよい。

複数の磁場印加装置６０は、磁気粘弾性エラストマーシート５８の全体に亘って分布している。より具体的には、複数の磁場印加装置６０は、磁気粘弾性エラストマーシート５８の径方向および周方向に沿って分布している。したがって、複数の磁場印加装置６０は、磁気粘弾性エラストマーシート５８の径方向に沿った複数の部位、および周方向に沿った複数の部位を選択的に硬化させることができる。結果として、研磨ヘッド１は、ワークピースＷの径方向に沿った研磨プロファイルおよびワークピースＷの周方向に沿った研磨プロファイルを精密に制御することができる。

図５に示す磁場印加装置６０の配列は一例である。複数の磁場印加装置６０が磁気粘弾性エラストマーシート５８の径方向および周方向に沿って分布している限りにおいて、磁場印加装置６０の配列は特に限定されない。例えば、複数の磁場印加装置６０はマトリックス状に配列されてもよい。

磁気粘性流体（ＭＲ流体ともいう）は、磁気粘弾性エラストマーシート５８と同じような磁場印加による粘弾性可変特性を有している。しかしながら、磁気粘性流体は流動性が高いため、チャンバーなどの部屋内に閉じ込める必要がある。仮に、磁気粘性流体が部屋から漏れると、研磨パッド２やワークピースＷを汚染してしまう。これに対し、磁気粘弾性エラストマーシート５８は弾性があるものの、流動性はないため、磁気粘弾性エラストマーシート５８の一部が離脱することはない。さらに、磁気粘弾性エラストマーシート５８は、磁場を受けた部分だけ局所的にヤング率（または剛性）を変えることができ、その部分の周囲のヤング率はそのままに維持することができる。これに対して、磁気粘性流体は、それ自体が流動性を持つために、ヤング率を安定的に変化させることが難しい。

図８は、粘弾性可変装置５５の他の実施形態を示す模式図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図１乃至図６を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態の粘弾性可変装置５５は、複数の磁石７８に加わる力を測定する複数の荷重検出器９３を備えている。複数の荷重検出器９３は、複数の磁石７８と磁気粘弾性エラストマーシート５８との間に配置されている。複数の荷重検出器９３は、複数の磁石７８の下端にそれぞれ接触している。

ワークピースＷの研磨中にアクチュエータ１５（図２または図３参照）またはアクチュエータ７５（図４参照）が発生する力は、複数の磁石７８および磁気粘弾性エラストマーシート５８を経由してワークピースＷに伝えられる。荷重検出器９３は、ワークピースＷの研磨中に磁石７８に加えられる力を測定する。荷重検出器９３としては、ロードセルまたは面圧検出器を用いることができる。荷重検出器９３は、動作制御部５０に電気的に接続されており、荷重検出器９３によって測定された力の測定値は、動作制御部５０に送られるようになっている。

磁気粘弾性エラストマーシート５８はヒステリシス特性を持つために、同じ強さの磁場を磁気粘弾性エラストマーシート５８に印加しても、同じ剛性が再現されないことがある。動作制御部５０は、荷重検出器９３から送られる測定値が目標の値に達するように、複数の磁場印加装置６０の少なくとも１つを制御するように構成されている。

図９に示すように、複数の荷重検出器９３は、複数の磁石７８と磁気ヨーク７１との間に配置されてもよい。複数の荷重検出器９３は、複数の磁石７８の上端にそれぞれ接触している。その他の構成は、図２乃至図８を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。

図１乃至図９を参照して説明したそれぞれの実施形態に係る研磨ヘッドシステムは、図１に示すタイプの研磨装置のみならず、図１０に示すタイプの研磨装置にも適用可能である。以下、図１０に示すタイプの研磨装置について説明する。

図１０は、研磨装置の他の実施形態を示す模式図である。研磨ヘッド１は、磁気粘弾性エラストマーシート５８が上を向くように配置されている。研磨ヘッド１に支持されたワークピースＷの被研磨面は上を向いている。研磨ヘッド１の上方には、研磨液供給ノズル５と、研磨パッド２を保持したパッド支持体３が配置されている。研磨パッド２の下面は研磨面２ａを構成し、研磨面２ａは下方を向いている。研磨パッド２は、ワークピースＷよりも小さいサイズを有している。

パッド支持体３は支持軸３ａの下端に固定されており、支持軸３ａの上部は支持アーム１００に回転可能に支持されている。支持軸３ａは、支持アーム１００内に配置されている支持軸回転モータ６に連結されている。支持軸３ａ、パッド支持体３、および研磨パッド２は、支持軸回転モータ６により一体に回転される。支持軸３ａは、支持アーム１００に保持されたアクチュエータ９９に連結されている。アクチュエータ９９は、支持軸３ａを下方に押し、支持軸３ａに固定されているパッド支持体３は研磨パッド２の研磨面２ａをワークピースＷの表面に対して押し付けることができる。

支持アーム１００は揺動軸１０１に連結されており、揺動軸１０１は揺動装置１０２に連結されている。揺動装置１０２は、揺動軸１０１を回転させるための電動機（図示せず）を有している。揺動装置１０２が揺動軸１０１を時計回りおよび反時計回りに交互に所定の角度だけ回転させると、支持アーム１００は揺動軸１０１を中心に揺動し、これにより支持アーム１００に連結されたパッド支持体３および研磨パッド２は、ワークピースＷの表面上をその半径方向に往復する。

研磨ヘッド１のキャリア５１は、ヘッドシャフト１０の上端に固定されている。ヘッドシャフト１０は研磨ヘッド回転モータ３７に連結されており、ヘッドシャフト１０および研磨ヘッド１は研磨ヘッド回転モータ３７により一体に回転される。研磨ヘッド１は、上述したリテーナリング６５、環状メンブレン６６、圧力室６７、圧縮気体供給ライン６８を備えていないが、その他の構成は、図１乃至図９を参照して説明した実施形態のうちのいずれかと同じである。図１０は、図１に示す実施形態が研磨装置に適用された例を示すが、図１以外の上述した実施形態も同様に適用可能である。

ワークピースＷは次のようにして研磨される。パッド支持体３および研磨ヘッド１を図１の矢印で示す方向に回転させながら、研磨液が研磨液供給ノズル５から研磨ヘッド１上のワークピースＷの被研磨面上に供給される。パッド支持体３は研磨パッド２の研磨面２ａをワークピースＷに押し付けながら、パッド支持体３および研磨パッド２をワークピースＷの半径方向に移動させる。ワークピースＷ上に研磨液が存在した状態で、ワークピースＷは研磨ヘッド１によって回転されながら、ワークピースＷは研磨パッド２の研磨面２ａに摺接される。ワークピースＷの表面は、研磨液の化学的作用と、研磨液に含まれる砥粒または研磨パッド２の機械的作用により研磨される。

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。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に解釈されるものである。

１ 研磨ヘッド
２ 研磨パッド
２ａ 研磨面
３ パッド支持体
３ａ 支持軸
５ 研磨液供給ノズル
６ 支持体回転モータ
１０ ヘッドシャフト
１２ ヘッドアーム
１５ アクチュエータ
１５Ａ エアシリンダ
１５Ｂ 圧力レギュレータ
１６ 圧縮気体供給ライン
１８ ロータリージョイント
２０ 軸受
２２ ブリッジ
３０ 支持台
３２ ボールスプライン軸受
３５ プーリ
３７ 研磨ヘッド回転モータ
３９ ベルト
４０ プーリ
４３ 旋回軸
５０ 動作制御部
５０ａ 記憶装置
５０ｂ 処理装置
５１ キャリア
５５ 粘弾性可変装置
５８ 磁気粘弾性エラストマーシート
６０ 磁場印加装置
６２ 電流供給装置
６５ リテーナリング
６６ 環状メンブレン
６７ 圧力室
６８ 圧縮気体供給ライン
６９ 圧力レギュレータ
７１ 磁気ヨーク
７３ 弾性膜
７５ アクチュエータ
７６ 圧力室
７７ 弾性シート
７８ 磁石
８０ 圧縮気体供給ライン
８１ 電磁コイル
８２ 圧力レギュレータ
８４ 研磨ヘッド位置決め装置
８５ ボールねじ機構
８５Ａ ねじ
８５Ｂ 可動部
８６ サーボモータ
９０ 非磁性スペーサ
９３ 荷重検出器
９９ アクチュエータ
１００ 支持アーム
１０１ 揺動軸
１０２ 揺動装置
Ｗ ワークピース

Claims (10)

1. ワークピースを研磨面に摺接させるための研磨ヘッドシステムであって、
   磁気粘弾性エラストマーシートと、
   前記磁気粘弾性エラストマーシートに対向する複数の磁場印加装置と、
   前記複数の磁場印加装置に電気的に接続され、電流を前記複数の磁場印加装置に独立に供給するように構成された電流供給装置を備えている、研磨ヘッドシステム。
2. 前記複数の磁場印加装置は、前記磁気粘弾性エラストマーシートの径方向および周方向に沿って分布している、請求項１に記載の研磨ヘッドシステム。
3. 前記複数の磁場印加装置は、複数の磁石と、前記複数の磁石をそれぞれ囲む複数の電磁コイルと、前記複数の磁石および前記複数の電磁コイルが収容された磁気ヨークを備えている、請求項１または２に記載の研磨ヘッドシステム。
4. 前記磁石は、アルニコ磁石、鉄クロムコバルト磁石、およびサマリウムコバルト磁石のうちのいずれか１つである、請求項３に記載の研磨ヘッドシステム。
5. 前記磁石は、保磁力が２００００～７００００Ａ／ｍで、かつ残留磁束密度が１．０Ｔ以上の磁石である、請求項３または４に記載の研磨ヘッドシステム。
6. 前記電流供給装置は、正方向の単発パルス電流または逆方向の単発パルス電流を選択的に、前記複数の電磁コイルのうちの少なくとも１つに供給するように構成されている、請求項４または５に記載の研磨ヘッドシステム。
7. 前記複数の磁場印加装置は、前記複数の電磁コイルの端部と前記磁気粘弾性エラストマーシートとの間に配置された複数の非磁性スペーサをさらに備え、
   前記複数の磁石、前記複数の非磁性スペーサ、および前記磁気ヨークは、前記磁気粘弾性エラストマーシートに接触している、請求項３乃至６のいずれか一項に記載の研磨ヘッドシステム。
8. 前記複数の磁石に加わる力を測定する複数の荷重検出器をさらに備えている、請求項３乃至７のいずれか一項に記載の研磨ヘッドシステム。
9. キャリアと、
   前記キャリアから遠ざかる方向および前記キャリアに近づく方向に前記複数の磁場印加装置および前記磁気粘弾性エラストマーシートを移動させるアクチュエータをさらに備えている、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の研磨ヘッドシステム。
10. 研磨面を有する研磨パッドを支持するためのパッド支持体と、
    ワークピースを前記研磨面に摺接させるための、請求項１乃至９に記載の研磨ヘッドシステムを備えている、研磨装置。

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