JP7517832B2 - 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の研磨面に押し付け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。配線・コンタクトの形成工程では、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、研磨面上に研磨液を供給しながら、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、研磨液に含まれる砥粒または研磨パッドによる機械的作用と、研磨液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３２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４００は、キャリア４０１の下面に保持された弾性膜４０２を有している。この弾性膜４０２は、同心状の複数の円環壁４０２ａ～４０２ｄを有している。これら円環壁４０２ａ～４０２ｄは、弾性膜４０２の内側の空間を複数の圧力室４０５Ａ～４０５Ｄに分割する。これら圧力室４０５Ａ～４０５Ｄには圧縮気体が供給される。弾性膜４０２は、それぞれの圧力室４０５Ａ～４０５Ｄ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５００の研磨面５００ａに対して押し付けることができる。複数の圧力室４０５Ａ～４０５Ｄ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４０５Ａ～４０５Ｄ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４００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

昨今の半導体デバイスの製造における各工程への要求精度は既に数ｎｍのオーダに達しており、ＣＭＰもその例外ではない。また、半導体集積回路の形成の高集積化に伴い、微細化、多層化がますます加速されている。よって、これらの微細化や多層化を実現するには、ＣＭＰ研磨においても、ウェーハＷの全面において、数ｎｍオーダでのＣＭＰ研磨後の残膜厚ばらつきに収めることが課題として求められている。本要求を達成するためには、ウェーハＷ面内方向に対し、例えばチップサイズレベルの分解能の膜厚プロファイルの制御が可能な研磨方式が必要となる。

ここで、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。

また、図３２に示す従来の研磨ヘッド４００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の半径方向の膜厚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４０５Ａ～４０５Ｄの配置は同心状であるので、上述した研磨ヘッド４００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の周方向における膜厚プロファイルを制御することができない。これに対しては、圧力室の分割を周方向にも行う方法もあるが、その実現においては、圧力室の寸法および各圧力室への圧縮気体の供給ライン数に実質制限があるため、例えばウェーハＷ面内に形成されたチップサイズレベルの分解能の膜厚プロファイルの制御は困難である。

そこで、本発明は、上記課題を鑑み、ウェーハ、基板、パネルなどのワークピースの膜厚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対して押し付けながら、研磨液の存在下において、該ワークピースと前記研磨面とを相対運動をさせることで該ワークピースを研磨するための研磨ヘッドシステムであって、前記ワークピースの複数の領域に対して押付力を加える複数のアクチュエータを有する研磨ヘッドと、前記複数のアクチュエータを動作させる駆動源と、前記駆動源に対して複数の指令値を決定かつ送信する動作制御部と、を備える、研磨ヘッドシステムが提供される。

一態様では、前記複数のアクチュエータは、複数の圧電素子であり、前記駆動源は、前記複数の圧電素子に独立に電圧を印加する電源部および電圧制御部を備えた駆動電圧印加装置であり、前記動作制御部は、前記複数の圧電素子に印加すべき電圧の複数の指令値を決定するように構成されている。
一態様では、前記複数の圧電素子は、前記研磨ヘッド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、前記複数の圧電素子は、格子状、同心円状、千鳥状配置のいずれか１つまたはその組み合わせで前記研磨ヘッド内に配置されている。
一態様では、前記研磨ヘッドは、前記複数の圧電素子にそれぞれ連結された複数の押付部材をさらに備え、前記複数の押付部材は、前記複数の圧電素子にそれぞれ対向する複数の第一の面と、前記ワークピースを押し付けるための複数の第二の面を有している。
一態様では、前記複数の第二の面の形状は、円形、楕円形、多角形、円弧形の少なくとも１つからなる。
一態様では、前記複数の第一の面の面積は前記複数の第二の面の面積よりも大きい。
一態様では、１つの押付部材に少なくとも２つの圧電素子が連結されている。

一態様では、前記研磨ヘッドは、前記複数の押付部材を限られた範囲内で移動可能に保持する保持部材をさらに備えている。
一態様では、前記保持部材は、前記複数の押付部材の、前記ワークピースの押付方向と垂直な方向の移動範囲を制限するように構成されている。
一態様では、前記複数の押付部材は、全方向に傾動可能な複数の可動部材を有する複数のジンバル機構をそれぞれ備えており、前記複数の可動部材は前記複数の第二の面をそれぞれ有している。
一態様では、前記研磨ヘッドは、ワークピース接触面を有する弾性膜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、前記研磨ヘッド内に圧力室を形成する弾性膜と、前記圧力室に連通する圧縮気体供給ラインをさらに備え、前記圧力室は、前記複数の押付部材と前記弾性膜との間に位置している。
一態様では、前記研磨ヘッドシステムは、前記研磨ヘッド内に圧力室を形成する弾性シートと、前記圧力室に連通する圧縮気体供給ラインをさらに備え、前記圧電素子は、前記弾性シートと前記複数の押付部材との間に位置している。

一態様では、前記研磨ヘッドは、前記複数の圧電素子がそれぞれ発生した複数の押付力を測定する複数の押付力測定装置をさらに備えている。
一態様では、前記複数の押付力測定装置は、前記複数の圧電素子と前記複数の押付部材との間に配置されている。
一態様では、前記複数の押付力測定装置は、複数の圧電センサである。
一態様では、前記研磨ヘッドは、電圧分配器をさらに有しており、前記電圧分配器は、前記駆動電圧印加装置および前記複数の圧電素子に電気的に接続されており、前記駆動電圧印加装置から印加された電圧を該複数の圧電素子に分配するように構成されている。
一態様では、前記電圧分配器は、前記駆動電圧印加装置から印加された電圧を前記複数の圧電素子に分配する分岐装置と、前記分岐装置および前記駆動電圧印加装置に接続された通信装置を有する。
一態様では、前記電圧分配器は、前記複数の圧電素子と接触する複数のプランジャと、前記複数のプランジャと前記分岐装置とを電気的に接続する電力分配線をさらに有する。

一態様では、前記電圧分配器は、前記研磨ヘッドに着脱可能に取り付けられる。
一態様では、前記研磨ヘッドは、前記複数の圧電素子の温度を測定する温度測定器をさらに有する。
一態様では、前記研磨ヘッドシステムは、前記研磨ヘッドのワークピース接触面に連通する真空ラインをさらに備えている。
一態様では、前記研磨ヘッドは、前記複数の圧電素子の外側に位置するリテーナリングと、前記リテーナリングに固定された少なくとも３つのワークピースチャック機構をさらに備えている。
一態様では、前記電源部は、直流電源である。

一態様では、ワークピースの研磨装置であって、研磨パッドを保持する研磨テーブルと、研磨液を前記研磨パッド上に供給する研磨液供給ノズルと、上記研磨ヘッドシステムを備える、研磨装置が提供される。
一態様では、前記研磨装置は、前記ワークピースの膜厚を測定する膜厚センサをさらに備えており、前記膜厚センサは前記研磨テーブル内に配置されている。
一態様では、前記動作制御部は、前記膜厚センサにより取得された前記ワークピースの膜厚の測定値から膜厚プロファイルを作成し、該膜厚プロファイルをもとに、前記複数のアクチュエータを駆動させるよう、前記駆動源に指示するように構成されている。
一態様では、前記動作制御部は、前記膜厚プロファイルと目標膜厚プロファイルとの差をもとに、前記複数のアクチュエータの駆動条件を決定し、前記駆動源に指示するように構成されている。

一態様では、ワークピースの研磨装置であって、研磨パッドを保持する研磨テーブルと、研磨液を前記研磨パッド上に供給する研磨液供給ノズルと、上記研磨ヘッドシステムを備える、研磨装置が提供される。
一態様では、前記研磨装置は、前記ワークピースの膜厚を測定する膜厚センサをさらに備えており、前記膜厚センサは前記研磨テーブル内に配置されている。
一態様では、前記動作制御部は、前記膜厚センサにより取得された前記ワークピースの膜厚の測定値から膜厚プロファイルを作成し、該膜厚プロファイルをもとに、前記複数の圧電素子に印加すべき電圧の複数の指令値を決定するように構成されている。
一態様では、前記動作制御部は、前記膜厚プロファイルと目標膜厚プロファイルとの差をもとに、前記複数の圧電素子に印加すべき電圧の複数の指令値を決定するように構成されている。
一態様では、前記研磨装置は、前記ワークピースを前記研磨ヘッドに保持させるためのロード・アンロード装置をさらに備えている。
一態様では、前記研磨装置は、前記ワークピースの周方向における向きを検出する指向検出器をさらに備えている。

一態様では、ワークピースを研磨する研磨システムであって、上記研磨装置と、研磨後に前記ワークピースを洗浄する洗浄装置と、洗浄後に前記ワークピースを乾燥させる乾燥装置と、前記研磨装置、前記洗浄装置、および前記乾燥装置間で前記ワークピースを搬送する搬送機構を有する、研磨システムが提供される。

本発明によれば、複数の圧電素子は、ワークピースの異なる部位（領域）を異なる力で押し付けることができる。したがって、研磨ヘッドは、ワークピースの膜厚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。 ワークピースの膜厚プロファイルの一例を示す図である。 ワークピースを横切るときの膜厚センサの軌跡を示す図である。 ワークピースの被研磨面の全体の膜厚プロファイルを示す図である。 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。 研磨ヘッドの一部を示す拡大断面図である。 押付部材の配列の例を示す模式図である。 押付部材の配列の例を示す模式図である。 押付部材の配列の例を示す模式図である。 押付部材の配列の例を示す模式図である。 押付部材の配列の例を示す模式図である。 研磨レートと、圧電素子に印加された電圧との関係を示す研磨レートデータの一例を示すグラフである。 圧電素子に印加される電圧と、圧電素子が発生する押付力との関係を示す押付力相関データの一例を示すグラフである。 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。 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１６に示す第１圧力室が無くなり、第１弾性膜の当接部が複数の押付部材の押圧面に接触した状態を示す図である。 ジンバル機構を備えた研磨ヘッドの一部を示す断面図である。 ジンバル機構の他の構成例を示す模式図である。 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２０に示す接触部材がワークピースに接触する様子を示す模式図である。 ワークピースチャック機構およびチャック駆動装置の他の実施形態を示す断面図である。 図２２に示すワークピースチャック機構およびチャック駆動装置の拡大断面図である。 図２２に示すワークピースチャック機構およびチャック駆動装置の拡大断面図である。 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。 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。 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２７に示す接触ピンの拡大図である。 研磨装置の他の実施形態を示す模式図である。 複数の圧力室を有する研磨ヘッドを備えた研磨装置を示す模式断面図である。 図１乃至図２９を参照して説明したいずれかの実施形態に係る研磨ヘッドを備えた研磨装置と、図３０を参照して説明した研磨装置を備えたワークピース研磨システムを示す模式図である。 ＣＭＰに使用され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。研磨装置は、ウェーハ、基板、パネルなどワークピースを化学機械的に研磨する装置である。図１に示すように、この研磨装置は、研磨面２ａを有する研磨パッド２を支持する研磨テーブル５と、ワークピースＷを研磨面２ａに対して押し付ける研磨ヘッド７と、研磨液（例えば、砥粒を含むスラリー）を研磨面２ａに供給する研磨液供給ノズル８と、研磨装置の動作を制御する動作制御部１０を備えている。研磨ヘッド７は、その下面にワークピースＷを保持できるように構成されている。

動作制御部１０は、プログラムが格納された記憶装置１０ａと、プログラムに含まれる命令に従って演算を実行する演算装置１０ｂを備えている。記憶装置１０ａ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。演算装置１０ｂ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１０の具体的構成はこれらの例に限定されない。

動作制御部１０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１０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１０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１０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。

研磨装置は、支軸１４と、支軸１４の上端に連結された研磨ヘッド揺動アーム１６と、研磨ヘッド揺動アーム１６の自由端に回転可能に支持された研磨ヘッドシャフト１８と、研磨ヘッド７をその軸心を中心に回転させる回転モータ２０をさらに備えている。回転モータ２０は、研磨ヘッド揺動アーム１６に固定されており、ベルトおよびプーリ等から構成されるトルク伝達機構（図示せず）を介して研磨ヘッドシャフト１８に連結されている。研磨ヘッド７は、研磨ヘッドシャフト１８の下端に固定されている。回転モータ２０は、上記トルク伝達機構を介して研磨ヘッドシャフト１８を回転させ、研磨ヘッド７は研磨ヘッドシャフト１８とともに回転する。このようにして、研磨ヘッド７は、その軸心を中心として矢印で示す方向に回転モータ２０により回転される。

回転モータ２０は、研磨ヘッド７の回転角度を検出する回転角度検出器としてのロータリエンコーダ２２に連結されている。このロータリエンコーダ２２は、回転モータ２０の回転角度を検出するように構成されている。回転モータ２０の回転角度は、研磨ヘッド７の回転角度に一致する。したがって、ロータリエンコーダ２２によって検出された回転モータ２０の回転角度は、研磨ヘッド７の回転角度に相当する。ロータリエンコーダ２２は動作制御部１０に接続されており、ロータリエンコーダ２２から出力された回転モータ２０の回転角度の検出値（すなわち、研磨ヘッド７の回転角度の検出値）は、動作制御部１０に送られる。

研磨装置は、研磨パッド２および研磨テーブル５をそれらの軸心を中心に回転させる回転モータ２１をさらに備えている。回転モータ２１は研磨テーブル５の下方に配置されており、研磨テーブル５は、回転軸５ａを介して回転モータ２１に連結されている。研磨テーブル５および研磨パッド２は、回転モータ２１により回転軸５ａを中心に矢印で示す方向に回転されるようになっている。研磨パッド２および研磨テーブル５の軸心は、回転軸５ａの軸心に一致する。研磨パッド２は、研磨テーブル５のパッド支持面５ｂに貼り付けられている。研磨パッド２の露出面はウェーハなどのワークピースＷを研磨する研磨面２ａを構成している。

研磨ヘッドシャフト１８は、昇降機構２４により研磨ヘッド揺動アーム１６に対して相対的に上下動可能であり、この研磨ヘッドシャフト１８の上下動により研磨ヘッド７が研磨ヘッド揺動アーム１６および研磨テーブル５に対して相対的に上下動可能となっている。研磨ヘッドシャフト１８の上端にはロータリコネクタ２３およびロータリジョイント２５が取り付けられている。

研磨ヘッドシャフト１８および研磨ヘッド７を昇降させる昇降機構２４は、研磨ヘッドシャフト１８を回転可能に支持する軸受２６と、軸受２６が固定されたブリッジ２８と、ブリッジ２８に取り付けられたボールねじ機構３２と、支柱３０により支持された支持台２９と、支持台２９に固定されたサーボモータ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を介して研磨ヘッド揺動アーム１６に連結されている。

ボールねじ機構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。ナット３２ｂはブリッジ２８に固定されている。研磨ヘッドシャフト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がボールねじ機構３２を駆動すると、ブリッジ２８が上下動し、これにより研磨ヘッドシャフト１８および研磨ヘッド７が上下動する。

昇降機構２４は、研磨ヘッド７の研磨テーブル５に対する相対的な高さを調節するための研磨ヘッド位置決め機構として機能する。ワークピースＷを研磨するとき、昇降機構２４は、研磨ヘッド７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７が保たれたまま、研磨ヘッド７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。

研磨装置は、研磨ヘッド揺動アーム１６を支軸１４を中心に旋回させるアーム旋回モータ（図示せず）を備えている。このアーム旋回モータが研磨ヘッド揺動アーム１６を旋回させると、研磨ヘッド７は、研磨テーブル５の上方の研磨位置と、研磨テーブル５の外側のロード・アンロード位置との間を移動することができる。研磨されるワークピースＷは、ロード・アンロード位置でロード・アンロード装置３９により研磨ヘッド７に取り付けられ、その後研磨位置に移動される。研磨されたワークピースＷは、研磨位置からロード・アンロード位置に移動され、ロード・アンロード位置でロード・アンロード装置３９により研磨ヘッド７から取り外される。図１では、ロード・アンロード装置３９は模式的に示されており、ロード・アンロード装置３９の位置および構成は、その意図した目的を達成できる限りにおいて特に限定されない。

研磨装置は、ワークピースＷの周方向における向きを検出する指向検出器としてのノッチアライナー４０を備えている。なお、本図では、ノッチアライナー４０は独立して研磨装置内に配置されているが、ロード・アンロード装置３９と一体配置されていてもよい。ノッチアライナー４０は、ワークピースＷの縁部に形成されているノッチ（切り欠き）を検出するための装置である。ノッチアライナー４０の具体的構成は、ノッチを検出することができるものであれば、特に限定されない。一例では、ノッチアライナー４０は、ワークピースＷを回転させながら、レーザ光をワークピースＷの縁部に当て、反射したレーザ光を受光部により検出する光学式ノッチ検出器であり、ノッチ位置にて受光したレーザ光の強さが変化することからノッチの位置を検出するように構成される。他の例では、ワークピースＷを回転させながら、純水などの液体の噴流を、ワークピースＷの縁部に近づけたノズルからワークピースＷの縁部に供給し、ノズルに向かって流れる液体の圧力または流量を検出する液体式ノッチ検出器であり、ノッチ位置にて液体の圧力または流量が変化することからノッチの位置を検出するように構成される。

ノッチの検出、すなわちワークピースＷの周方向における向きの検出は、ワークピースＷの研磨前に実行される。ノッチの検出は、後述の圧電素子の配置に対するワークピースＷの配置状態を認識・補正することを目的としている。ノッチの検出は、ワークピースＷが研磨ヘッド７に保持される前に実行されてもよいし、またはワークピースＷが研磨ヘッド７に保持された状態で実行されてもよい。例えば、ワークピースＷを研磨ヘッド７へ保持する前にノッチ検出を実施する場合は、ロード・アンロード位置においてワークピースＷのノッチ位置をノッチアライナー４０にて検出する。そして、検出されたノッチ位置が研磨ヘッド７の特定の位置になるように、研磨ヘッド７を回転させた後、ワークピースＷをロード・アンロード装置にて研磨ヘッド７の保持部材５６のワークピース接触面５６ａに受渡しし、ワークピースＷを研磨ヘッド７に吸着等の方式で保持させてもよい。

ここで、ノッチアライナー４０は動作制御部１０に接続されている。動作制御部１０は、ワークピースＷのノッチの位置を、研磨ヘッド７の回転角度に関連付けるように構成されている。より具体的には、動作制御部１０は、ノッチアライナー４０によって検出されたノッチの位置をもとに、研磨ヘッド７の回転角度の基準位置を指定し、その回転角度の基準位置を記憶装置１０ａ内に記憶する。そのうえで、ノッチアライナー４０によって検出されたノッチ位置も同時に記憶装置１０ａに記憶し、これらの基準位置とノッチ位置とを比較することで、動作制御部１０は、ワークピースＷの表面上の位置を、研磨ヘッド７の回転角度の基準位置に基づいて特定することができる。

そのうえで、例えば研磨ヘッド７を回転モータ２０によりある角度だけ回転させ、ワークピースＷのノッチ位置が研磨ヘッド７の基準位置に対して所定角度になるように補正した後、ワークピースＷをロード・アンロード装置にて受渡しし、研磨ヘッド７に保持させる。ここで、研磨ヘッド７の回転角度の基準位置を後述する圧電素子の配置をもとに設定しておけば、研磨ヘッド７は、ワークピースＷが圧電素子の特定の配置に対応した状態でワークピースＷを保持することが可能となる。

ワークピースＷの研磨は次のようにして行われる。ワークピースＷは、その被研磨面が下を向いた状態で、研磨ヘッド７に保持される。研磨ヘッド７および研磨テーブル５をそれぞれ回転させながら、研磨テーブル５の上方に設けられた研磨液供給ノズル８から研磨液（例えば、砥粒を含むスラリー）を研磨パッド２の研磨面２ａ上に供給する。研磨パッド２はその中心軸線を中心に研磨テーブル５と一体に回転する。研磨ヘッド７は昇降機構２４により所定の高さまで移動される。さらに、研磨ヘッド７は上記所定の高さに維持されたまま、ワークピースＷを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付ける。ワークピースＷは研磨ヘッド７と一体に回転する。すなわち、ワークピースＷは研磨ヘッド７と同じ速度で回転する。研磨液が研磨パッド２の研磨面２ａ上に存在した状態で、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の機械的作用との組み合わせにより、研磨される。

研磨装置は、研磨面２ａ上のワークピースＷの膜厚を測定する膜厚センサ４２を備えている。膜厚センサ４２は、ワークピースＷの膜厚を直接または間接に示す膜厚指標値を生成するように構成されている。この膜厚指標値は、ワークピースＷの膜厚に従って変化する。膜厚指標値は、ワークピースＷの膜厚自体を表す値であってもよいし、または膜厚に換算される前の物理量または信号値であってもよい。

膜厚センサ４２の例としては、渦電流センサ、光学式膜厚センサが挙げられる。膜厚センサ４２は、研磨テーブル５内に設置されており、研磨テーブル５と一体に回転する。より具体的には、膜厚センサ４２は、研磨テーブル５が一回転するたびに、研磨面２ａ上のワークピースＷを横切りながら、ワークピースＷの複数の測定点での膜厚を測定するように構成されている。複数の測定点での膜厚は、膜厚指標値として膜厚センサ４２から出力され、膜厚指標値は動作制御部１０に送られる。動作制御部１０は、膜厚指標値に基づいて研磨ヘッド７の動作を制御するように構成されている。

動作制御部１０は、膜厚センサ４２から出力された膜厚指標値から、ワークピースＷの膜厚プロファイルを作成する。ワークピースＷの膜厚プロファイルは、膜厚指標値の分布である。図２は、ワークピースＷの膜厚プロファイルの一例を示す図である。図２において、縦軸はワークピースＷの膜厚を直接または間接に示す膜厚指標値を表し、横軸はワークピースＷの半径方向の位置である。膜厚の測定点は、ワークピースＷの半径方向に沿って並んでいる。したがって、膜厚センサ４２から出力された膜厚指標値は、ワークピースＷの半径方向に沿って分布する。図２に示す膜厚プロファイルは、ワークピースＷの半径方向に沿った膜厚プロファイルである。

図３は、ワークピースＷを横切るときの膜厚センサ４２の軌跡を示す図である。ワークピースＷの研磨中、研磨テーブル５と研磨ヘッド７は、異なる速度で回転する。このような条件下では、図３に示すように、膜厚センサ４２は研磨テーブル５が一回転するたびに、異なる軌跡を描いてワークピースＷを横切る。より具体的には、研磨テーブル５が一回転するたびに、膜厚センサ４２の軌跡は、ワークピースＷの中心の周りを一定の角度で回転する。図３から分かるように、研磨テーブル５が複数回回転すると、膜厚センサ４２は、ワークピースＷのほぼ全体を走査し、ワークピースＷのほぼ全体で膜厚を測定することができる。なお、本図では膜厚センサ４２は研磨テーブル５内に１個配置されているが、膜厚センサ４２は研磨テーブル５内に複数個配置されていてもよく、その場合、より詳細な膜厚プロファイルが得られる。

動作制御部１０は、研磨テーブル５が複数回回転している間に膜厚センサ４２によって得られた膜厚指標値から、図４に示すような、ワークピースＷの被研磨面の全体の膜厚プロファイルを作成することができる。図４は、ＸＹＺ座標系上に表されたワークピースＷの被研磨面の全体の膜厚プロファイルを示す図である。図４において、Ｘ軸はワークピースＷの被研磨面に平行な方向を表し、Ｙ軸はワークピースＷの被研磨面に平行であって、かつＸ方向に垂直な方向を表し、Ｚ軸は膜厚指標値を表す。ワークピースＷの被研磨面上の位置は、Ｘ軸およびＹ軸上の座標によって表され、ワークピースＷの膜厚を直接または間接に示す膜厚指標値は、Ｚ軸上の座標によって表される。動作制御部１０によって作成されたワークピースＷの被研磨面の全体の膜厚プロファイルは、記憶装置１０ａ内に記憶される。

図５は、図１に示す研磨ヘッド７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５に示すように、研磨ヘッドシステムは、上述した研磨ヘッド７、動作制御部１０、および駆動電圧印加装置５０を含む。研磨ヘッド７は、研磨ヘッドシャフト１８の下端に固定されたキャリア４５と、キャリア４５に保持された複数の圧電素子４７を備えている。研磨ヘッド７は、研磨ヘッドシャフト１８の下端に剛的に固定されており、研磨ヘッドシャフト１８に対する研磨ヘッド７の角度は固定されている。複数の圧電素子４７は、ワークピースＷの裏側に位置している。

キャリア４５は、複数の圧電素子４７を保持するハウジング４５Ａと、ハウジング４５Ａに着脱可能に取り付けられたフランジ４５Ｂを有している。フランジ４５Ｂは、図示しないねじによりハウジング４５Ａに固定されている。図示しないがメンテナンス用の蓋をハウジング４５Ａに設けてもよい。蓋を外すと、ユーザーは圧電素子４７にアクセスすることが可能となる。フランジ４５Ｂの蓋は、圧電素子４７の交換や圧電素子４７の位置調節などのメンテナンスが必要なときに外される。

研磨ヘッド７は、ワークピースＷに複数の押付力を独立に加えることができる複数のアクチュエータを備えている。アクチュエータとしては、油圧シリンダ・モータのような油圧式アクチュエータ、空気圧モータや空気圧シリンダのような空気圧式アクチュエータ、電動モータのような電気式アクチュエータや後述の圧電素子を使ったアクチュエータ、磁歪素子を使った磁歪アクチュエータやリニアモータのような電磁アクチュエータや小型ピストン、等が挙げられる。

本実施形態では、ワークピースＷに複数の押付力を独立に加えることができる複数のアクチュエータとして、複数の圧電素子４７が採用されている。圧電素子４７は、駆動電圧印加装置５０に電力線５１を通じて電気的に接続されている。圧電素子４７は、駆動源としての駆動電圧印加装置５０によって作動される。電力線５１は、ロータリコネクタ２３を経由して延びている。駆動電圧印加装置５０は、電源部５０ａと、圧電素子４７に印加すべき電圧の指令値を電源部５０ａに送る電圧制御部５０ｂを備えており、電圧を複数の圧電素子４７にそれぞれ独立に印加するように構成されている。駆動電圧印加装置５０は動作制御部１０に接続されている。動作制御部１０は、複数の圧電素子４７にそれぞれ印加すべき電圧の複数の指令値を決定し、決定された複数の指令値を駆動電圧印加装置５０の電圧制御部５０ｂに送るように構成されている。電圧制御部５０ｂは、これらの指令値に従って、電源部５０ａに指令を出すことで、それぞれの圧電素子４７に所定の電圧を印加するように構成されている。なお、電源部５０ａは直流電源、交流電源、もしくは電圧パターンを設定可能なプログラマブル電源のいずれかまたはその組合せからなる。

研磨ヘッド７は、複数の圧電素子４７にそれぞれ連結された複数の押付部材５４と、複数の押付部材５４を保持する保持部材５６と、複数の圧電素子４７がそれぞれ発生した複数の押付力を測定する複数の押付力測定装置５７をさらに備えている。複数の押付部材５４および保持部材５６は、ワークピースＷの裏側に対向している。

駆動電圧印加装置５０が複数の圧電素子４７に電圧を印加すると、これら圧電素子４７は押付部材５４に向かって伸長する。この圧電素子４７の伸長は、押付部材５４を介してワークピースＷを研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付ける押付力を発生させる。このように、電圧が印加された圧電素子４７は、複数の押付力を独立にワークピースＷに加えることができ、ワークピースＷの複数の部位（領域）を異なる押付力で研磨面２ａに対して押し付けることができる。

一実施形態では、複数の押付部材５４と保持部材５６を省略し、複数の圧電素子４７で直接ワークピースＷの裏面を加圧し、ワークピースＷを研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付けてもよい。

研磨ヘッドシステムは、研磨ヘッド７がワークピースＷを真空吸引により保持することを可能とする真空ライン６０をさらに備えている。この真空ライン６０は、ロータリジョイント２５を経由して延び、研磨ヘッド７のワークピース接触面５６ａに連通している。より具体的には、真空ライン６０の一端は、研磨ヘッド７のワークピース接触面５６ａで開口し、真空ライン６０の他端は真空ポンプなどの真空源６２に連結されている。真空ライン６０には真空弁６１が取り付けられている。真空弁６１は、アクチュエータ駆動型開閉弁（例えば電動弁、電磁弁、エアオペレート弁）であり、動作制御部１０に接続されている。真空弁６１の動作は動作制御部１０によって制御される。動作制御部１０が真空弁６１を開くと、真空ライン６０は、研磨ヘッド７のワークピース接触面５６ａに真空を形成し、これにより研磨ヘッド７は真空吸引によりワークピースＷを研磨ヘッド７のワークピース接触面５６ａに保持することができる。

一実施形態では、ワークピースＷの研磨中に、ワークピースＷが研磨ヘッド７に対して相対的に回転してしまうことを防止するために（すなわち、ワークピースＷの研磨ヘッド７に対する相対位置を固定するために）、真空ライン６０により研磨ヘッド７のワークピース接触面５６ａに真空を形成し、ワークピースＷを真空吸引により研磨ヘッド７のワークピース接触面５６ａに保持してもよい。なお、本図では、真空ライン６０はワークピースＷの中央に１個配置されているが、ワークピース接触面５６ａ内の複数箇所に開口する複数の真空ライン６０を設けてもよい。

研磨ヘッド７は、複数の圧電素子４７の外側に配置されたリテーナリング６５をさらに備えている。リテーナリング６５はキャリア４５に保持されている。リテーナリング６５は、ワークピースＷおよび押付部材５４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７から飛び出すことを防止している。本実施形態では、リテーナリング６５はキャリア４５に固定されているが、一実施形態では、リテーナリング６５とキャリア４５の間にエアバッグ等のアクチュエータを配置し、リテーナリング６５はキャリア４５に対して相対的に移動可能なようにキャリア４５に保持されてもよい。

図６は、研磨ヘッド７の一部を示す拡大断面図である。図６に示すように、キャリア４５のハウジング４５Ａは、複数の段付き穴６６を有しており、複数の圧電素子４７はこれら段付き穴６６にそれぞれ収容されている。各圧電素子４７はストッパー突起４７ａを有している。ストッパー突起４７ａが段付き穴６６の段部６６ａに当接することにより、圧電素子４７のキャリア４５に対する相対的な位置決めが達成される。

本実施形態では、各押付力測定装置５７は、圧電素子４７および押付部材５４と直列に配置されている。より具体的には、各押付力測定装置５７は、圧電素子４７と押付部材５４との間に配置されている。このように配置された押付力測定装置５７は、圧電素子４７がそれぞれ発生した複数の押付力を別々に測定することができる。押付力測定装置５７の配置は、図６に示す実施形態に限られない。圧電素子４７がそれぞれ発生した複数の押付力を別々に測定することができる限りにおいて、押付力測定装置５７は、ワークピースＷと押付部材５４との間に配置されてもよいし、あるいは押付部材５４の横に配置されてもよい。

押付力測定装置５７は、測定した押付力［Ｎ］を圧力［Ｐａ］に換算するように構成されてもよい。押付力測定装置５７の例として、複数の圧電素子４７に連結されたロードセル、圧電シートが挙げられる。圧電シートは、複数の圧電センサを有しており、これら圧電シートに加えられた力に応じた電圧を発生し、電圧の値を力または圧力に変換するように構成されている。

複数の押付部材５４の端面は、ワークピースＷを研磨面２ａに対して押し付けるための押圧面５４ａを構成する。保持部材５６は、複数の押付部材５４を限られた範囲内で移動可能にこれら押付部材５４を保持している。より具体的には、各押付部材５４は、その上端および下端に位置する突出部５４ｂ，５４ｃと、これら突出部５４ｂ，５４ｃの間に位置する胴部５４ｄを有している。胴部５４ｄの幅は、突出部５４ｂ，５４ｃの幅よりも小さい。保持部材５６は、胴部５４ｄと一定のクリアランスを有し、押付部材５４を移動可能に支持する支持部５６ｂを有している。各押付部材５４の突出部５４ｂ，５４ｃと、保持部材５６の支持部５６ｂは、押付部材５４が上下方向および水平方向に移動する範囲をクリアランスにより制限しつつ、各押付部材５４が上下方向に移動することを許容する。保持部材５６の支持部５６ｂは、押付部材５４の、ワークピースＷの押付方向と垂直な方向の移動範囲を制限する。押付部材５４の上下方向の移動が制限されているので、押付部材５４は、過度な衝撃または力が圧電素子４７に伝わることを防止することができる。

圧電素子４７に電圧が印加されると、圧電素子４７は押付力測定装置５７および押付部材５４を研磨パッド２の研磨面２ａに向かって押し、押付部材５４は、ワークピースＷの対応する部位（領域）を、圧電素子４７に印加された電圧に応じた押付力で、研磨面２ａに対して押し付ける。

本実施形態では、複数の押付部材５４の押圧面５４ａは、ワークピースＷの裏側に接触している。押圧面５４ａは、ワークピースＷに接触するワークピース接触面を構成する。押圧面５４ａはシリコーンゴムなどの弾性部材から構成されてもよい。押圧面５４ａの形状の具体例としては、正多角形、円形、扇形、円弧形状、楕円形、およびそれらの形状の組合せが挙げられる。押圧面５４ａの中心から各頂点までの距離が等しい正多角形の例としては、正三角形、正四角形、正六角形が挙げられる。

複数の押付部材５４は、複数の圧電素子４７にそれぞれ対向する複数の第一の面５４ｅと、ワークピースＷを研磨面２ａに対して押し付けるための第二の面としての複数の押圧面５４ａを有する。本実施形態では、各押付部材５４の押圧面５４ａの面積は、第一の面５４ｅの面積と同じであるが、一実施形態では各押付部材５４の押圧面５４ａの面積は、第一の面５４ｅの面積よりも大きくてもよい。押圧面５４ａの形状および面積を変えることで、様々な押圧面５４ａのパターンが可能となる。

図７乃至図１１は、押付部材５４の配列の例を示す模式図である。図７に示す例では、複数の押付部材５４はハニカム状または千鳥状に配列されており、各押付部材５４の押圧面５４ａは正六角形である。図７から分かるように、ハニカム配列を構成する正六角形の押圧面５４ａは、隣接する押圧面５４ａ間の隙間を最小できる。さらに、正六角形は、正三角形および正四角形に比べて、各頂点の角度が大きく、応力集中が発生しにくいという利点もある。

図８に示す例では、複数の押付部材５４は格子状に配列されており、各押付部材５４の押圧面５４ａは円形である。図９に示す例では、複数の押付部材５４は同心円状に配列されており、各押付部材５４の押圧面５４ａは円形である。図１０に示す例では、複数の押付部材５４は同心円状に配列されており、押付部材５４の押圧面５４ａは扇形であり、中心の押付部材５４の押圧面５４ａは円形である。図１１に示す例では、複数の押付部材５４は同心円状に配列されており、押付部材５４の押圧面５４ａは円形と扇型である。より具体的には、最外周に位置する押付部材５４は扇形の押圧面５４ａを有しており、扇形の押圧面５４ａの内側に位置する押付部材５４は円形の押圧面５４ａを有する。

図７乃至図１１に示す各押付部材５４は、各圧電素子４７に連結されている。したがって、図７乃至図１１に示す押付部材５４の配列は、圧電素子４７の配列と実質的に同じである。複数の圧電素子４７および複数の押付部材５４は、研磨ヘッド７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、研磨ヘッドシステムは、ワークピースＷの膜厚プロファイルを精密に制御することができる。特に、研磨ヘッドシステムは、ワークピースＷの周方向にばらつく膜厚を解消することができる。圧電素子４７の配列は、格子状、同心円状、千鳥状配置のいずれか１つまたはその組み合わせであってもよい。

一実施形態では、各押付部材５４の第一の面５４ｅの面積は、押圧面５４ａの面積よりも大きくてもよい。この場合は、各押付部材５４に複数の胴部５４ｄを設けてもよい。さらに、１つの押付部材５４は、少なくとも２つの圧電素子４７に連結されてもよい。一例では、研磨ヘッド７に設けられた複数の押付部材５４のうちの少なくとも１つは、２つまたはそれよりも多い圧電素子４７に連結されてもよい。このような構成によれば、１つの押圧面５４ａに対して複数の圧電素子４７での押付が可能となり、押圧面５４ａ内の押付力の均一性が向上する。

動作制御部１０は、ワークピースＷの現在の膜厚プロファイルと目標膜厚プロファイルとの差をなくすために必要な電圧の複数の指令値を決定するように構成されている。ワークピースＷの目標膜厚プロファイルは、動作制御部１０の記憶装置１０ａ内に予め格納されている。ワークピースＷの現在の膜厚プロファイルの例としては、図１に示す研磨装置で研磨される前のワークピースＷの初期膜厚プロファイル、および図１に示す研磨装置でワークピースＷを研磨しているときに膜厚センサ４２から出力された膜厚指標値から作成された膜厚プロファイルが挙げられる。初期膜厚プロファイルは、例えば、図示しないスタンドアローン型の膜厚測定装置により取得された膜厚測定値、または膜厚センサを備えた他の研磨装置により取得された膜厚測定値から作成される。初期膜厚プロファイルは、動作制御部１０の記憶装置１０ａ内に格納される。

動作制御部１０は、演算装置１０ｂにより、ワークピースＷの現在の膜厚プロファイルと目標膜厚プロファイルとの差を算定し、ワークピースＷの被研磨面での目標研磨量の分布を作成する。さらに、動作制御部１０は、作成された目標研磨量の分布に基づき、所定の研磨時間内に目標研磨量を達成するために圧電素子４７に印加すべき電圧の指令値を決定する。例えば、動作制御部１０は、目標研磨量の分布と、上記所定の研磨時間とから、目標研磨レートの分布を作成し、目標研磨レートを達成できる電圧の指令値を研磨レート相関データから決定する。

電圧の指令値を決定後、動作制御部１０は指令値を駆動電圧印加装置５０の電圧制御部５０ｂに送り、電圧制御部５０ｂから電源部５０ａに各電圧素子４７に印加する電圧の変更指令を行うことで、ワークピースＷの膜厚プロファイルの調整を行う。なお、研磨中においては、例えば一定時間ごと、もしくは研磨テーブル５の一回転周期ごとに、膜厚プロファイルの調整を行う。

図１２は、研磨レートと圧電素子４７に印加された電圧との関係を示すデータの一例を示すグラフであり、図１３は圧電素子４７に印加された電圧と押付力との関係を示すデータの一例を示すグラフである。研磨レートは、研磨によって除去される単位時間あたりの膜の量である。研磨によって除去される膜の量は、研磨によって減少する膜の厚さで表される。研磨レートは、除去レートともいう。図１２に示す研磨レート相関データは、他のワークピースの研磨結果から得られた研磨レートと、前記他のワークピースを研磨しているときに圧電素子４７に印加された電圧を含むデータベースから作成される。研磨レート相関データは、記憶装置１０ａ内に予め格納されている。

一般的に、圧電素子は印加電圧に対する変位量および押付力はヒステリシスの特性を有する。ここで、研磨レートは押付力に比例することから、研磨レートも電圧に対してヒステリシスの特性を有する。よって、所望の研磨レートを得るために、研磨中において印加電圧を変更する場合は、電圧を増加もしくは減少させるかのいずれの方向に変更するかも電圧指令値の決定のためのパラメータの１つとなる。

一実施形態では、動作制御部１０は、目標研磨量の分布を作成せずに、膜厚センサ４２により得られたワークピースＷの現在の膜厚プロファイルに基づいて、圧電素子４７に印加すべき電圧の指令値を決定してもよい。例えば、目標膜厚プロファイルが平坦な膜厚プロファイルである場合、動作制御部１０は、現在の膜厚プロファイルを平坦な膜厚プロファイルに近づけるために、膜厚指標値の大きい領域に対応する圧電素子４７には、現在印加している電圧よりも所定の変更量だけ高い電圧を印加し、逆に、膜厚指標値の小さい領域に対応する他の圧電素子４７には、現在印加している電圧よりも所定の変更量だけ低い電圧を印加するような電圧の指令値を決定する。なお、電圧の変更量は、パラメータとして予め動作制御部１０に設定される。

圧電素子４７は、ワークピースＷの径方向のみならず、周方向にも配列されている。動作制御部１０は、ワークピースＷの周方向における膜厚のばらつきを解消するために必要な電圧の指令値を決定し、この指令値を駆動電圧印加装置５０に送る。駆動電圧印加装置５０は、対応する圧電素子４７に電圧を印加し、これによりワークピースＷの周方向における膜厚のばらつきを解消することができる。このようにして、上記実施形態に係る研磨ヘッドシステムを備えた研磨装置は、ワークピースＷの周方向における膜厚のばらつきを解消し、さらには目標膜厚プロファイルを達成することができる。

次に、複数の圧電素子４７のキャリブレーションについて説明する。圧電素子４７のキャリブレーションは、圧電素子４７に印加される電圧と、圧電素子４７によって発生される押付力との関係を調節する工程である。このキャリブレーションは、圧電素子４７の変形のヒステリシス、および／または圧電素子４７の設置高さのわずかな違いに起因する押付力の差を解消することを目的として行われる。

キャリブレーションは次のようにして実施される。まず、すべての圧電素子４７に電圧を印加しない状態で、動作制御部１０は、昇降機構２４（図１参照）に指令を発して、ワークピースＷ（またはダミーワークピース）を保持した研磨ヘッド７を研磨テーブル５に向かって移動させ、ワークピースＷを研磨パッド２の研磨面２ａに接触させる。研磨ヘッド７が研磨テーブル５に向かって移動している間、押付力測定装置５７は押付部材５４を通じて圧電素子４７に加えられる研磨パッド２からの反力を測定する。昇降機構２４は、すべての圧電素子４７に連結されたすべての押付力測定装置５７が研磨パッド２からの反力を検出するまで、研磨ヘッド７の移動を継続させる。

動作制御部１０は、すべての押付力測定装置５７が研磨パッド２からの反力を検出したときの研磨ヘッド７の高さである基準高さを決定する。基準高さは、例えば、すべての押付力測定装置５７が最初に押付力を感知した高さである。研磨ヘッド７の高さは、研磨テーブル５に対する研磨ヘッド７の相対的な高さである。動作制御部１０は、ボールねじ機構３２のピッチと、サーボモータ３８の回転回数から研磨ヘッド７の高さを算定することができる。研磨ヘッド７の基準高さは記憶装置１０ａ内に記憶される。すべての押付力測定装置５７が研磨パッド２からの反力を検出したとき、動作制御部１０は昇降機構２４に指令を発して研磨ヘッド７の研磨テーブル５に向かう方向への移動を停止させる。さらに、動作制御部１０は、研磨ヘッド７の移動を停止したときにすべての押付力測定装置５７から出力された反力の測定値を記憶装置１０ａに記憶する。

研磨パッド２の研磨面２ａの高さのばらつきの影響を排除するために、上述した研磨ヘッド７の基準高さの決定および反力の測定を研磨面２ａ上の異なる領域で複数回実施してもよい。この場合は、研磨面２ａ上の異なる領域で得られた複数の基準高さの平均および反力の複数の測定値の平均を、研磨ヘッド７の基準高さ、および反力の測定値とすることができる。

動作制御部１０は、基準高さにおける押付力測定装置５７で測定した各圧電素子４７にかかる反力の分布に基づき、電圧補正値を押付力相関データから決定する。電圧補正値は、複数の圧電素子４７にそれぞれ対応するキャリブレーション電圧である。電圧補正値は、記憶装置１０ａ内に記憶される。図１３に示す押付力相関データは、他のワークピースの研磨中に得られた押付力の測定値と、前記他のワークピースを研磨しているときに圧電素子４７に印加された電圧を含むデータベースから作成される。押付力相関データは、記憶装置１０ａ内に予め格納されている。

ワークピースＷを研磨するとき、動作制御部１０は、昇降機構２４に指令を発して研磨ヘッド７を上記基準高さに位置させる。動作制御部１０は、それぞれの圧電素子４７に印加すべき電圧の仮指令値を決定し、これら仮指令値を、対応する電圧補正値を用いて補正することで指令値を決定し、この指令値を駆動電圧印加装置５０の電圧制御部５０ｂに送信する。電圧制御部５０ｂは、指令値に従って、対応する圧電素子４７に電圧を印加するよう電源部５０ａに指示を出し、電源部５０ａは電圧を圧電素子４７に印加する。

別の例では、キャリブレーションは次のようにして実施してもよい。まず、すべての圧電素子４７に所定の電圧値を印加した状態で、動作制御部１０は、昇降機構２４（図１参照）に指令を発して、ワークピースＷ（またはダミーワークピース）を保持した研磨ヘッド７を研磨テーブル５に向かって移動させ、ワークピースＷを研磨パッド２の研磨面２ａに接触させる。研磨ヘッド７が研磨テーブル５に向かって移動している間、押付力測定装置５７は押付部材５４を通じて圧電素子４７に加えられる研磨パッド２からの反力を測定する。昇降機構２４は、すべての圧電素子４７に連結されたすべての押付力測定装置５７が研磨パッド２からの反力を検出するまで、研磨ヘッド７の移動を継続させる。

動作制御部１０は、すべての押付力測定装置５７が研磨パッド２からの反力を検出したときの研磨ヘッド７の高さである基準高さを決定する。研磨ヘッド７の基準高さは記憶装置１０ａ内に記憶される。すべての押付力測定装置５７が研磨パッド２からの反力を検出したとき、動作制御部１０は昇降機構２４に指令を発して研磨ヘッド７の研磨テーブル５に向かう方向への移動を停止させる。

動作制御部１０は、演算装置１０ｂにて、研磨ヘッド７の移動を停止したときに押付力測定装置５７から出力された反力の測定値の平均値または中央値を決定する。研磨ヘッド７を基準高さに維持したまま、すべての押付力測定装置５７から出力される測定値が上記平均値または中央値に達するまで、動作制御部１０は駆動電圧印加装置５０に指令を発して圧電素子４７に印加する電圧を調整する。動作制御部１０は、すべての押付力測定装置５７から出力される測定値が上記平均値または中央値に達したときにそれぞれの圧電素子４７に印加された電圧を決定し、当該決定された電圧を電圧補正値として記憶装置１０ａに記憶する。

研磨パッド２の研磨面２ａの高さのばらつきの影響を排除するために、上述した研磨ヘッド７の基準高さの決定および電圧補正値の決定を研磨面２ａ上の異なる領域で複数回実施してもよい。この場合は、研磨面２ａ上の異なる領域で得られた複数の基準高さの平均および複数の電圧補正値の平均を、研磨ヘッド７の基準高さ、および電圧補正値とすることができる。

ワークピースＷを研磨するとき、動作制御部１０は、昇降機構２４に指令を発して研磨ヘッド７を上記基準高さに位置させる。動作制御部１０は、それぞれの圧電素子４７に印加すべき電圧の仮指令値を決定し、これら仮指令値を、対応する電圧補正値を用いて補正することで指令値を決定し、この指令値を駆動電圧印加装置５０の電圧制御部５０ｂに送信する。電圧制御部５０ｂは、指令値に従って、対応する圧電素子４７に電圧を印加するよう電源部５０ａに指示を出し、電源部５０ａは電圧を圧電素子４７に印加する。

一実施形態では、研磨ヘッド７の基準高さを次のようにして求めた後、圧電素子４７のキャリブレーションは実施せずに研磨を開始してもよい。まず、すべての圧電素子４７に電圧を印加しない状態で、動作制御部１０は、昇降機構２４（図１参照）に指令を発して、ワークピースＷ（またはダミーワークピース）を保持した研磨ヘッド７を研磨テーブル５に向かって移動させ、ワークピースＷを研磨パッド２の研磨面２ａに接触させる。研磨ヘッド７が研磨テーブル５に向かって移動している間、押付力測定装置５７は押付部材５４を通じて圧電素子４７に加えられる研磨パッド２からの反力を測定する。昇降機構２４は、すべての圧電素子４７に連結されたすべての押付力測定装置５７が研磨パッド２からの反力を検出するまで、研磨ヘッド７の移動を継続させる。

動作制御部１０は、すべての押付力測定装置５７が研磨パッド２からの反力を検出したときの研磨ヘッド７の高さである基準高さを決定する。研磨ヘッド７の基準高さは記憶装置１０ａ内に記憶される。研磨パッド２の研磨面２ａの高さのばらつきの影響を排除するために、上述した研磨ヘッド７の基準高さの決定を研磨面２ａ上の異なる領域で複数回実施してもよい。この場合は、研磨面２ａ上の異なる領域で得られた複数の基準高さの平均を、研磨ヘッド７の基準高さとすることができる。

ワークピースＷを研磨するとき、動作制御部１０は、昇降機構２４に指令を発して研磨ヘッド７を上記基準高さに位置させる。動作制御部１０は、膜厚センサ４２（図１参照）から出力された膜厚指標値から、図４に示すような膜厚プロファイルを作成し、この膜厚プロファイルに基づいて、それぞれの圧電素子４７に印加すべき電圧の指令値を決定し、この指令値を駆動電圧印加装置５０の電圧制御部５０ｂに送信する。電圧制御部５０ｂは、指令値に従って、対応する圧電素子４７に電圧を印加するよう電源部５０ａに指示を出し、電源部５０ａは電圧を圧電素子４７に印加する。

上述した各例において、研磨パッド２からの反力の測定は、押付力測定装置５７の代わりに、圧電素子４７によって実行されてもよい。圧電素子４７はワークピースＷを研磨パッド２に押し付けるためのアクチュエータとして機能する一方で、圧電素子４７に加えられた力を測定する装置としても機能する。この場合は、駆動電圧印加装置５０は、電圧印加回路とセンシング回路の両方を有する。押付力測定装置５７は省略してもよい。

図１４は、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。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１乃至図１３を参照して説明したいずれかの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１４に示す実施形態の研磨ヘッド７は、押付部材５４の押圧面５４ａに接する弾性膜６７を有している。弾性膜６７は、すべての押付部材５４の押圧面５４ａおよび保持部材５６の端面（本実施形態では下面）を覆っている。弾性膜６７の内面は押付部材５４に接触し、弾性膜６７の外面はワークピースＷに接触するワークピース接触面６７ａを構成する。真空ライン６０は、研磨ヘッド７のワークピース接触面６７ａに連通している。より具体的には、真空ライン６０は、ワークピース接触面６７ａを構成する弾性膜６７に形成された通孔６９に連通している。真空ライン６０が通孔６９内に真空を形成すると、ワークピースＷは真空吸引によって弾性膜６７に保持される（すなわち研磨ヘッド７に保持される）。

弾性膜６７はシリコーンゴムやＥＰＤＭなどの柔軟かつ耐薬品性の高い材料から構成されている。弾性膜６７は、押付部材５４の押圧面５４ａや保持部材５６に対してワークピースＷの裏面が直接接触することによるダメージの抑制や、研磨ヘッド７の回転時にワークピースＷへの回転トルクの伝達をより効率的に行う役割がある。弾性膜６７はヤング率としては１０ＭＰａ以下、厚みは１０ｍｍ以下であることが望ましい。

本実施形態によれば、押付部材５４は、ワークピースＷには直接接触せず、押付部材５４は弾性膜６７を介してワークピースＷを研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付ける。弾性膜６７は、研磨液や洗浄液などの液体が研磨ヘッド７の内部に侵入することを防ぎ、特に液体が圧電素子４７に接触することを防止することができる。

また、弾性膜６７は、ワークピースＷの研磨中に、ワークピースＷが研磨ヘッド７に対して相対的に回転することを防止することができる。もし、ワークピースＷが研磨ヘッド７に対して相対的に回転してしまうと、ワークピースＷの周方向の位置と、研磨ヘッド７の圧電素子４７との位置関係が変化してしまう。結果として、意図した圧電素子４７に最適な電圧を印加することができず、ワークピースＷの周方向に沿った膜厚のばらつきを解消することができない。本実施形態によれば、弾性膜６７は、ワークピースＷの研磨中に該ワークピースＷの裏側に密接し、ワークピースＷが研磨ヘッド７に対して相対的に回転することを防止することができる。

図１５に示すように、複数の押付部材５４の押圧面５４ａと弾性膜６７との間にプレート７０を配置してもよい。プレート７０は、ステンレス鋼などの金属、または硬質の樹脂などの硬質の材料から構成される。真空ライン６０はプレート７０を貫通して延び、通孔６９に連通している。プレート７０は、複数の圧電素子４７によって発生された押付力を分散させ、直線的に変化する押付力をワークピースＷに加えることができる。なお、本図ではプレート７０は研磨ヘッド７内の圧電素子４７に対して１枚配置されているが、プレート７０は複数に分割されていてもよい。

図１６は、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。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１乃至図１５を参照して説明したいずれか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１６に示す実施形態の研磨ヘッドシステムは、研磨ヘッド７内に第１圧力室７４を形成するための第１弾性膜７５と、第１圧力室７４に連通する第１圧縮気体供給ライン７７と、研磨ヘッド７内に第２圧力室８０を形成するための第２弾性膜８１と、第２圧力室８０に連通する第２圧縮気体供給ライン８３をさらに備えている。第１弾性膜７５は、すべての押付部材５４の押圧面５４ａおよび保持部材５６の端面（本実施形態では下面）５６ａを覆う当接部７５Ａと、当接部７５Ａの縁に接続された側壁７５Ｂを有している。側壁７５Ｂは、保持部材５６に保持されている。一実施形態では、側壁７５Ｂはキャリア４５に保持されてもよい。

第１圧力室７４は、複数の押付部材５４と第１弾性膜７５との間に位置している。当接部７５Ａの内面は第１圧力室７４を形成し、当接部７５Ａの外面はワークピースＷに接触するワークピース接触面７５ｃを構成する。真空ライン６０は、研磨ヘッド７のワークピース接触面７５ｃに連通している。より具体的には、真空ライン６０は、ワークピース接触面７５ｃを構成する当接部７５Ａに形成された通孔６９に連通している。真空ライン６０が通孔６９内に真空を形成すると、ワークピースＷは真空吸引によって弾性膜の当接部７５Ａに保持される（すなわち研磨ヘッド７に保持される）。

第２圧力室８０は、キャリア４５とリテーナリング６５との間に形成される。第２圧力室８０を形成する第２弾性膜８１は、キャリア４５とリテーナリング６５の両方に接続されている。第２弾性膜８１は、リテーナリング６５の全周に沿って延びる環状の形状を有している。第２弾性膜８１は、複数の圧電素子４７を囲むように配置されている。第１弾性膜７５および第２弾性膜８１は、いずれもシリコーンゴムやＥＰＤＭなどの柔軟かつ耐薬品性の高い材料から構成されている。

研磨ヘッドシステムは、第１圧縮気体供給ライン７７に取り付けられた第１圧力レギュレータ８５および第１開閉弁８６と、第２圧縮気体供給ライン８３に取り付けられた第２圧力レギュレータ８８および第２開閉弁８９を備えている。第１開閉弁８６は、電動弁、電磁弁、エアオペレート弁などのアクチュエータ駆動型開閉弁である。第１開閉弁８６は、動作制御部１０に接続されており、第１開閉弁８６の動作は動作制御部１０によって制御される。同様に、第２開閉弁８９は、電動弁、電磁弁、エアオペレート弁などのアクチュエータ駆動型開閉弁である。第２開閉弁８９は、動作制御部１０に接続されており、第２開閉弁８９の動作は動作制御部１０によって制御される。

第１圧縮気体供給ライン７７は、キャリア４５および保持部材５６を貫通し、第１圧縮気体供給ライン７７の一端は保持部材５６の端面（本実施形態では下面）５６ａで開口している。第１圧縮気体供給ライン７７は、ロータリジョイント２５、第１圧力レギュレータ８５、および第１開閉弁８６を通って延びる。第１圧縮気体供給ライン７７の他端は、圧縮気体供給源９０に接続されている。第２圧縮気体供給ライン８３は、ロータリジョイント２５、第２圧力レギュレータ８８、および第２開閉弁８９を通って延びる。第２圧縮気体供給ライン８３の一端は第２圧力室８０に接続され、第２圧縮気体供給ライン８３の他端は、圧縮気体供給源９０に接続されている。

圧縮気体供給源９０は、空気、不活性ガス（例えば窒素ガス）などからなる圧縮気体を第１圧縮気体供給ライン７７および第２圧縮気体供給ライン８３に供給する。圧縮気体供給源９０は、研磨装置が配置されている工場に設置されたユーティリティ設備としての圧縮気体供給源であってもよいし、あるいは圧縮気体を送るポンプであってもよい。動作制御部１０が第１開閉弁８６を開くと、圧縮気体が第１圧縮気体供給ライン７７を通じて研磨ヘッド７内に供給される。その結果、第１弾性膜７５の側壁７５Ｂが延びて第１圧力室７４が押付部材５４と第１弾性膜７５との間に形成され、その一方で第１弾性膜７５の当接部７５Ａは押付部材５４から離れる。第１弾性膜７５の当接部７５Ａは、ワークピースＷと実質的に同じ大きさおよび同じ形状を有している。したがって、第１圧力室７４内の圧縮気体の圧力は、第１弾性膜７５の当接部７５Ａを通じてワークピースＷの全体に加えられる。ワークピースＷの表面全体は、均一な圧力で研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付けられる。

第１圧力室７４内の圧縮気体の圧力は、第１圧力レギュレータ８５によって調節される。第１圧力レギュレータ８５は、動作制御部１０に接続されており、第１圧力レギュレータ８５の動作（すなわち第１圧力室７４内の圧縮気体の圧力）は動作制御部１０によって制御される。より具体的には、動作制御部１０は、第１圧力指令値を第１圧力レギュレータ８５に送り、第１圧力レギュレータ８５は第１圧力室７４内の圧力が第１圧力指令値に維持されるように動作する。

動作制御部１０が第１開閉弁８６を閉じて第１圧力室７４への圧縮気体の供給を停止し、真空弁６１を開くと、真空ライン６０により第１圧力室７４内に真空が形成される。その結果、図１７に示すように、第１圧力室７４は無くなり、第１弾性膜７５の当接部７５Ａは複数の押付部材５４の押圧面５４ａに接触する。第１弾性膜７５の当接部７５Ａが複数の押付部材５４の押圧面５４ａに接触した状態で、圧電素子４７に電圧を印加すると、圧電素子４７は、押付部材５４および第１弾性膜７５の当接部７５Ａを介してワークピース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。このように、本実施形態は、圧縮気体によるワークピースＷの均一な押し付けと、複数の圧電素子４７による異なる力でのワークピースＷの押し付けを実現することができる。なお、図１７の状態では、第１圧力室７４が無くなる分ワークピースＷが上方に移動することになる。その場合は、昇降機構２４により研磨ヘッド７の高さを調整してもよい。

動作制御部１０が第２開閉弁８９を開くと、圧縮気体が第２圧力室８０内に供給される。その結果、第２圧力室８０内の圧縮気体の圧力は第２弾性膜８１を通じてリテーナリング６５に加わり、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。第２圧力室８０はリテーナリング６５の全周に沿って延びている。したがって、第２圧力室８０内の圧縮気体の圧力は、第２弾性膜８１を通じてリテーナリング６５の全体に加えられ、リテーナリング６５は、均一な圧力で研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付けられる。

第２圧力室８０内の圧縮気体の圧力は、第２圧力レギュレータ８８によって調節される。第２圧力レギュレータ８８は、動作制御部１０に接続されており、第２圧力レギュレータ８８の動作（すなわち第２圧力室８０内の圧縮気体の圧力）は動作制御部１０によって制御される。より具体的には、動作制御部１０は、第２圧力指令値を第２圧力レギュレータ８８に送り、第２圧力レギュレータ８８は第２圧力室８０内の圧力が第２圧力指令値に維持されるように動作する。

図１６および図１７を参照して説明した実施形態に係る研磨ヘッドシステムを備えた研磨装置は、次のようにしてワークピースＷを研磨することができる。
まず、図１に示す研磨テーブル５および研磨ヘッド７をそれぞれ回転させながら、研磨液供給ノズル８により、研磨液を研磨パッド２の研磨面２ａに供給する。研磨ヘッド７を所定の高さに位置させ、そして動作制御部１０は第１開閉弁８６および第２開閉弁８９を開いて、圧縮気体を第１圧縮気体供給ライン７７および第２圧縮気体供給ライン８３を通じて第１圧力室７４および第２圧力室８０にそれぞれ供給する（図１６参照）。第１圧力室７４内の圧力および第２圧力室８０内の圧力は、第１圧力レギュレータ８５および第２圧力レギュレータ８８によってそれぞれ調節される。

第１圧力室７４内の圧縮気体は第１弾性膜７５を介してワークピースＷを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付け、その一方で第２圧力室８０内の圧縮気体は第２弾性膜８１を介してリテーナリング６５を研磨パッド２の研磨面２ａに押し付ける。所定の研磨時間が経過したとき、または膜厚センサ４２（図１参照）から出力される膜厚指標値が、例えば目標残膜厚のような目標値に達したとき、動作制御部１０は第１開閉弁８６を閉じて第１圧力室７４への圧縮気体の供給を停止する。さらに動作制御部１０は真空弁６１を開いて真空を第１圧力室７４内に形成して第１圧力室７４を消滅させ、第１弾性膜７５の当接部７５Ａを押付部材５４の押圧面５４ａに接触させる（図１７参照）。同時に、動作制御部１０は第２圧力レギュレータ８８に指令を発して、第２圧力室８０内の圧力を低下させる。なお、この際、昇降機構２４により研磨ヘッド７の高さを調整してもよい。

動作制御部１０は、駆動電圧印加装置５０に指令を発して圧電素子４７に電圧を印加させ、圧電素子４７に押付力を発生させる。押付力は押付部材５４および第１弾性膜７５の当接部７５Ａを通じてワークピースＷに加えられる。ワークピースＷは、圧電素子４７によって発生された押付力により研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付けられる。先に説明した実施形態と同じように、動作制御部１０は、ワークピースＷの現在の膜厚プロファイルと目標膜厚プロファイルとの差をなくすために必要な電圧の複数の指令値を決定し、この指令値を駆動電圧印加装置５０に送る。駆動電圧印加装置５０は、指令値に従って、対応する圧電素子４７に電圧を印加する。押付力は、圧電素子４７ごとに変えられるので、ワークピースＷの複数の部位（領域）は、異なる押付力で研磨面２ａに押し付けられる。

このように、本実施形態の研磨装置は、ワークピースＷの均一な研磨と、ワークピースＷの膜厚プロファイルを調整するための研磨の二段階研磨を行うことができる。

なお、図１７では、ワークピースＷを加圧する圧力室は第１圧力室７４のみであるが、例えば複数の同心円状に圧力室が分割され、それぞれの圧力室に対して圧縮気体供給ラインが設けられてもよい。圧縮気体加圧により膜厚プロファイルを調整し、その後圧電素子４７により高精度の膜厚プロファイル調整を行うことにより、より均一な膜厚プロファイルが得られる。

図１８は、さらに他の実施形態に係る研磨ヘッド７の一部を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１乃至図１７を参照して説明したいずれかの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１８に示すように、各押付部材５４は、全方向に傾動可能な可動部材９４を有するジンバル機構９２をそれぞれ備えている。図１８では２つの押付部材５４のみが描かれているが、他の押付部材５４も同様にジンバル機構９２をそれぞれ備えている。ジンバル機構９２は、突出部５４ｃに固定された球面軸受９３と、この球面軸受９３に接触する可動部材９４を有している。可動部材９４は、球面軸受９３を受ける凹面９５と、ワークピースＷを押し付けるための押圧面５４ａを有している。凹面９５は球面軸受９３に滑らかに摺接しながら、可動部材９４の全体は全方向に傾くことができる。

本実施形態のジンバル機構９２は、各押付部材５４がワークピースＷの表面に追随すること可能とする。複数の押付部材５４が異なる押付力でワークピースＷを研磨パッド２に対して押し付けたとき、ワークピースＷの表面がうねることがある。このような場合であっても、図１８に示すジンバル機構９２は、各可動部材９４がワークピースＷの表面に追随して傾くことを許容し、各押付部材５４がワークピースＷを正しく押し付けることを可能とする。

図１９は、ジンバル機構９２の他の構成例を示す模式図である。ジンバル機構９２は、突出部５４ｃに固定された支持部材９６を有している。この支持部材９６は、球面軸受９３を受ける凹面９５を有している。球面軸受９３は可動部材９４と一体である。球面軸受９３は可動部材９４に固定されてもよく、あるいは球面軸受９３と可動部材９４は一体構造物であってもよい。可動部材９４は、ワークピースＷを押し付けるための押圧面５４ａを有している。

押圧面５４ａを有する可動部材９４は、球面軸受９３と一体に傾く。球面軸受９３の曲率中心Ｏは、可動部材９４の押圧面５４ａ上、または押圧面５４ａの近くに位置している。球面軸受９３および可動部材９４は、曲率中心Ｏの周りに傾くことができる。本実施形態のジンバル機構９２は、図１８のジンバル機構９２よりも曲率中心Ｏがより研磨面２ａに近いため、可動部材９４が必要以上に傾動することを抑制しつつ、各可動部材９４がワークピースＷの表面に、より追随しやすくすることができる。

図２０は、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。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１乃至図１９を参照して説明したいずれかの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２０に示す実施形態に係る研磨ヘッドシステムは、ワークピースＷの縁部を保持する少なくとも３つのワークピースチャック機構１００と、これらワークピースチャック機構１００を駆動するチャック駆動装置１０１を備えている。ワークピースチャック機構１００は、リテーナリング６５に固定されている。ワークピースチャック機構１００は、研磨ヘッド７内のワークピースＷの縁部よりも外周側に配列されている。

各ワークピースチャック機構１００は、ワークピースＷの縁部に接触する接触部材１０３と、接触部材１０３に固定された軸１０５と、軸１０５に固定された第１歯車１０８を備えている。チャック駆動装置１０１は、第１歯車１０８に噛み合う第２歯車１０９と、リテーナリング６５に固定された第３歯車１１０と、第３歯車１１０に噛み合う第４歯車１１４と、第４歯車１１４に連結された電動機１１５を備えている。接触部材１０３は、ワークピースＷと同じ高さに位置しており、研磨パッド２の研磨面２ａからやや離れている。軸１０５はリテーナリング６５に回転可能に保持されている。接触部材１０３は軸１０５の端部に接続されており、軸１０５と一体に回転可能である。

第２歯車１０９はキャリア４５の外面に固定されており、キャリア４５を囲む形状を有している。リテーナリング６５の内面は複数の軸受１２０によって回転可能に支持されている。より具体的には、軸受１２０の内輪はキャリア４５の外面に固定されており、軸受１２０の外輪はリテーナリング６５の内面に固定されている。したがって、リテーナリング６５および複数のワークピースチャック機構１００は、キャリア４５に対して相対的に回転することができる。電動機１１５はキャリア４５にブラケット１２２を介して固定されている。

電動機１１５は、動作制御部１０に接続されており、電動機１１５の動作は動作制御部１０によって制御される。動作制御部１０が電動機１１５を作動させると、電動機１１５に連結された第４歯車１１４が回転し、第３歯車１１０に回転が伝達されることで、リテーナリング６５および複数のワークピースチャック機構１００は、研磨ヘッド７の軸心を中心に回転する。第１歯車１０８は第２歯車１０９に噛み合いながらリテーナリング６５とともに回転し、接触部材１０３がワークピースＷの縁部に接触するまで軸１０５および接触部材１０３を回転させる。

図２１は、図２０に示す接触部材１０３がワークピースＷに接触する様子を示す模式図である。本図では３個の接触部材１０３が配置されているが、本発明は本実施形態に限定されない。一実施形態では、４つ以上の接触部材１０３（すなわち４つ以上のワークピースチャック機構１００）が設けられてもよい。図２１に示すように、リテーナリング６５が一方向に回転すると、接触部材１０３は研磨ヘッド７の中心に近づく方向に回転し、接触部材１０３はワークピースＷの縁部に接触する。複数の接触部材１０３は同期して回転し、ワークピースＷを研磨ヘッド７の中心に向かって押す。このような接触部材１０３とワークピースＷとの接触により、ワークピースＷのセンタリングが達成されるとともに、ワークピースＷの半径方向の位置が固定される。逆に、接触部材１０３による固定を解除するときは、電動機１１５を逆回転させることで、リテーナリング６５が反対方向に回転すると、接触部材１０３は研磨ヘッド７の中心から遠ざかる方向に回転し、接触部材１０３はワークピースＷの縁部から離れる。

図２０および図２１を参照して説明したワークピースチャック機構１００およびチャック駆動装置１０１は、ワークピースＷの研磨中にワークピースＷが研磨ヘッド７に対して相対的に回転することを防止し、かつワークピースＷが研磨ヘッド７に対して半径方向に移動することを防止することができる。したがって、ワークピースＷの研磨中、ワークピースＷに対する圧電素子４７の相対的な位置は固定される。結果として、圧電素子４７は、ワークピースＷの意図した部位（領域）に押付力を加えることができ、目標膜厚プロファイルを形成することができる。

図２２は、ワークピースチャック機構１００およびチャック駆動装置１０１の他の実施形態を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１乃至図２１を参照して説明したいずれかの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２２に示す実施形態に係る研磨ヘッドシステムは、ワークピースＷの縁部を保持する少なくとも３つのワークピースチャック機構１００と、これらワークピースチャック機構１００をそれぞれ駆動する少なくとも３つのチャック駆動装置１０１を備えている。ワークピースチャック機構１００およびチャック駆動装置１０１は、リテーナリング６５に固定されている。ワークピースチャック機構１００およびチャック駆動装置１０１は、研磨ヘッド７の中心の周りに配列されている。

図２３および図２４は、図２２に示すワークピースチャック機構１００およびチャック駆動装置１０１の拡大断面図である。各ワークピースチャック機構１００は、ワークピースＷの縁部に接触する接触部材１０３と、接触部材１０３を回転可能に支持する軸１０５と、接触部材１０３を付勢して接触部材１０３を軸１０５を中心に回転させるばね１２５を備えている。接触部材１０３の一端は、ワークピースＷと同じ高さに位置しており、研磨パッド２の研磨面２ａからやや離れている。接触部材１０３の他端は、ばね１２５に接触している。軸１０５はリテーナリング６５に保持されている。ばね１２５は、接触部材１０３の一端を研磨ヘッド７の中心に近づく方向に接触部材１０３を回転させるように配置されている。

チャック駆動装置１０１は、エアシリンダ、圧電素子、電動シリンダなどのアクチュエータから構成されている。チャック駆動装置１０１は、ワークピースチャック機構１００と同様に、リテーナリング６５に固定されている。図２４に示すように、チャック駆動装置１０１は、接触部材１０３の一端が研磨ヘッド７の中心から遠ざかる方向に接触部材１０３を回転させるように構成されている。より具体的には、チャック駆動装置１０１は、ばね１２５の力に抗って接触部材１０３を押し、接触部材１０３の一端がワークピースＷの縁部から離れる方向に接触部材１０３を回転させる。

チャック駆動装置１０１は、動作制御部１０に接続されており、チャック駆動装置１０１の動作は動作制御部１０によって制御される。図２３に示すように、チャック駆動装置１０１が接触部材１０３から離れているとき、ばね１２５は接触部材１０３に力を加えて接触部材１０３を一方向に回転させ、接触部材１０３をワークピースＷの縁部に接触させる。図２４に示すように、チャック駆動装置１０１が接触部材１０３を押しているとき、接触部材１０３は反対方向に回転し、接触部材１０３はワークピースＷの縁部から離間する。

動作制御部１０は、複数のチャック駆動装置１０１を同時に作動させる。複数の接触部材１０３は同期して回転し、ワークピースＷを研磨ヘッド７の中心に向かって押す。このような接触部材１０３とワークピースＷとの接触により、ワークピースＷのセンタリングが達成されるとともに、ワークピースＷの半径方向の位置が固定される。

図２２乃至図２４を参照して説明したワークピースチャック機構１００およびチャック駆動装置１０１は、ワークピースＷの研磨中にワークピースＷが研磨ヘッド７に対して相対的に回転することを防止し、かつワークピースＷが研磨ヘッド７に対して半径方向に移動することを防止することができる。したがって、ワークピースＷの研磨中、ワークピースＷに対する圧電素子４７の相対的な位置は固定される。結果として、圧電素子４７は、ワークピースＷの意図した部位（領域）に押付力を加えることができ、目標膜厚プロファイルを形成することができる。

図２０および図２４に示す実施形態によれば、研磨ヘッド７は、ワークピースチャック機構１００によりワークピースＷを保持することができる。したがって、ワークピースＷを真空吸引により保持するための真空ライン６０を省略してもよい。

図２５は、研磨ヘッド７のさらに他の実施形態を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１乃至図２４を参照して説明したいずれかの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２５に示すように、研磨ヘッドシステムは、キャリア４５のフランジ４５Ｂと複数の圧電素子４７との間に圧力室１３０を形成する弾性シート１３１と、圧力室１３０に連通する圧縮気体供給ライン１３２と、圧縮気体供給ライン１３２に取り付けられた圧力レギュレータ１３３および開閉弁１３４を備えている。キャリア４５は、フランジ４５Ｂ、フランジ４５Ｂに着脱可能に取り付けられる側部４５Ｃ、および複数の圧電素子４７を保持するハウジング４５Ａを有する。ハウジング４５Ａは、フランジ４５Ｂおよび側部４５Ｃから分離されており、フランジ４５Ｂおよび側部４５Ｃに対して移動可能である。

弾性シート１３１は、キャリア４５の内部に配置されている。より具体的には、弾性シート１３１は、キャリア４５のフランジ４５Ｂとハウジング４５Ａの間（すなわちフランジ４５Ｂと複数の圧電素子４７との間）に位置している。本実施形態では、弾性シート１３１は、圧電素子４７の上方に位置している。弾性シート１３１はその内側に圧力室１３０を形成する形状を有している。圧電素子４７は、弾性シート１３１と押付部材５４との間に位置している。

圧縮気体供給ライン１３２は、ロータリジョイント２５、圧力レギュレータ１３３、および開閉弁１３４を通って延びている。圧縮気体供給ライン１３２はキャリア４５のフランジ４５Ｂを貫通し、圧縮気体供給ライン１３２の一端は圧力室１３０に連通している。圧縮気体供給ライン１３２の他端は、圧縮気体供給源９０に接続されている。圧縮気体供給源９０は、空気、不活性ガス（例えば窒素ガス）などからなる圧縮気体を圧縮気体供給ライン１３２に供給する。

開閉弁１３４は、電動弁、電磁弁、エアオペレート弁などのアクチュエータ駆動型開閉弁である。開閉弁１３４は、動作制御部１０に接続されており、開閉弁１３４の動作は動作制御部１０によって制御される。圧力室１３０内の圧縮気体の圧力は、圧力レギュレータ１３３によって調節される。圧力レギュレータ１３３は、動作制御部１０に接続されており、圧力レギュレータ１３３の動作（すなわち圧力室１３０内の圧縮気体の圧力）は動作制御部１０によって制御される。より具体的には、動作制御部１０は、圧力指令値を圧力レギュレータ１３３に送り、圧力レギュレータ１３３は圧力室１３０内の圧力が圧力指令値に維持されるように動作する。

動作制御部１０が開閉弁１３４を開くと、圧縮気体は圧縮気体供給ライン１３２を通って圧力室１３０内に供給される。圧力室１３０内の圧縮気体の圧力は、弾性シート１３１を介して複数の圧電素子４７およびハウジング４５Ａを押し、圧電素子４７、押付力測定装置５７、押付部材５４、および保持部材５６をキャリア４５のフランジ４５Ｂから遠ざかる方向に（すなわち研磨パッド２および研磨テーブル５に向かって）移動させる。圧力室１３０内の圧縮気体の圧力は、圧電素子４７および保持部材５６を通じてワークピースＷの全体に加えられる。

本実施形態によれば、圧力室１３０内の圧縮気体の圧力をワークピースＷの全体に加えながら、圧電素子４７はワークピースＷの複数の部位（領域）に異なる押付力を押付力測定装置５７にて測定しながら加えることができる。本実施形態に係る研磨ヘッドシステムは、ワークピースＷの全体の研磨レートを増加させつつ、ワークピースＷの目標膜厚プロファイルを達成することができる。

図２６は、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。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１乃至図２５を参照して説明したいずれかの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。

本実施形態では、研磨ヘッドシャフト１８は、図１を参照して説明した昇降機構２４に代えて、エアシリンダ１３５に連結されている。エアシリンダ１３５は、研磨ヘッド揺動アーム１６（図１参照）に固定されている。エアシリンダ１３５は、圧縮気体供給ライン１３６に接続されている。より具体的には、圧縮気体供給ライン１３６の一端はエアシリンダ１３５に接続され、圧縮気体供給ライン１３６の他端は、圧縮気体供給源９０に接続されている。圧縮気体供給源９０は、空気、不活性ガス（例えば窒素ガス）などからなる圧縮気体を圧縮気体供給ライン１３６に供給する。

圧縮気体供給ライン１３６には、圧力レギュレータ１３７および開閉弁１３８が取り付けられている。開閉弁１３８は、電動弁、電磁弁、エアオペレート弁などのアクチュエータ駆動型開閉弁である。開閉弁１３８は、動作制御部１０に接続されており、開閉弁１３８の動作は動作制御部１０によって制御される。エアシリンダ１３５内の圧縮気体の圧力は、圧力レギュレータ１３７によって調節される。圧力レギュレータ１３７は、動作制御部１０に接続されており、圧力レギュレータ１３７の動作（すなわちエアシリンダ１３５内の圧縮気体の圧力）は動作制御部１０によって制御される。

動作制御部１０が開閉弁１３８を開くと、圧縮気体は圧縮気体供給ライン１３６を通ってエアシリンダ１３５内に供給される。エアシリンダ１３５は、研磨ヘッドシャフト１８を介して研磨ヘッド７の全体を研磨パッド２および研磨テーブル５に向かって移動させる。エアシリンダ１３５によって発生された力は、研磨ヘッド７からワークピースＷの全体に加えられる。

本実施形態によれば、エアシリンダ１３５はワークピースＷの全体に力を加えながら、圧電素子４７はワークピースＷの複数の部位（領域）に異なる押付力を押付力測定装置５７にて測定しながら加えることができる。本実施形態に係る研磨ヘッドシステムは、ワークピースＷの全体の研磨レートを増加させつつ、ワークピースＷの目標膜厚プロファイルを達成することができる。

図２７は、研磨ヘッド７のさらに他の実施形態を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１乃至図２５を参照して説明したいずれかの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。

本実施形態の研磨ヘッドシステムは、研磨ヘッド７内に配置された電圧分配器１４１を備えている。電圧分配器１４１は、着脱可能に研磨ヘッド７に取り付けられている。より具体的には、電圧分配器１４１は、キャリア４５に位置決めねじ１４２によって固定されている。位置決めねじ１４２は、電圧分配器１４１の圧電素子４７に対する相対的な位置を固定するための位置決め装置である。位置決めねじ１４２を取り外すと、電圧分配器１４１を研磨ヘッド７から取り外すことができる。電圧分配器１４１が取り外されると、ユーザーは圧電素子４７にアクセスすることができ、必要に応じて圧電素子４７を修理または交換することができる。

電圧分配器１４１は、複数の圧電素子４７の電極に電気的に接触する複数の接触ピン１４５と、接触ピン１４５を保持する基台１５０と、電圧を接触ピン１４５に分配する分岐装置１５１と、分岐装置１５１に接続された通信装置１５３を備えている。分岐装置１５１は、電力線５１およびロータリコネクタ２３を介して駆動電圧印加装置５０の電源部５０ａに電気的に接続されている。電力は電力線５１を通じて駆動電圧印加装置５０の電源部５０ａから分岐装置１５１に供給され、さらに分岐装置１５１から複数の接触ピン１４５に分配される。

接触ピン１４５は基台１５０から突出し、すべての圧電素子４７の電極に接触している。１つの圧電素子４７に対して２つの接触ピン１４５が接触するように接触ピン１４５は配列されている。接触ピン１４５は圧電素子４７の電極に接触しているが、圧電素子４７に固定されてはいない。したがって、位置決めねじ１４２を取り外すだけで、電圧分配器１４１を圧電素子４７から切り離すことができる。電圧分配器１４１が位置決めねじ１４２によりキャリア４５に固定されると、すべての接触ピン１４５は、対応する圧電素子４７に接触する。

研磨ヘッドシステムは、研磨ヘッド７の内部にパージガスを供給するパージガス供給ライン１５６と、パージガス供給ライン１５６に取り付けられたパージガス供給弁１５７をさらに備えている。一般的に、圧電素子４７は湿度の影響を受けやすく、接触ピン１４５等も湿度による短絡回路の形成等の電気的故障を引き起こす可能性がある。パージガスは、圧電素子４７の周囲雰囲気の湿度を低下させるので、圧電素子４７の故障および接触ピン１４５の短絡などを防ぐことができる。パージガス供給ライン１５６は、研磨ヘッド７の内部からロータリジョイント２５を経由してパージガス供給源１５９まで延びている。パージガス供給源１５９は、不活性ガス（例えば窒素ガス）または乾燥空気などのパージガスをパージガス供給ライン１５６に供給する。

パージガス供給弁１５７は、動作制御部１０に接続されており、パージガス供給弁１５７の動作は動作制御部１０により制御される。パージガス供給ライン１５６は、電圧分配器１４１の基台１５０を貫通しており、電圧分配器１４１とハウジング４５Ａとの間の隙間に連通している。動作制御部１０がパージガス供給弁１５７を開くと、パージガスは、電圧分配器１４１とハウジング４５Ａとの間の隙間に供給され、圧電素子４７に接触する。

また、研磨ヘッド７の内部には、温度センサなどの温度測定器１６０が配置されている。これは、一般的に圧電素子４７の押圧力の電圧依存性が素子温度の影響を受け、特に高温になると押付力の低下に繋がるためである。そこで、圧電素子４７の温度を測定するために、温度測定器１６０が研磨ヘッド７内に設けられている。本実施形態では、温度測定器１６０は、電圧分配器１４１の基台１５０上に配置されている。温度測定器１６０は、通信装置１５３に接続され、さらに通信装置１５３を経由して動作制御部１０に接続されている。温度測定器１６０は、電圧分配器１４１とハウジング４５Ａとの間の隙間に面している。温度測定器１６０は研磨ヘッド７の内部の温度を測定し、温度の測定値を通信装置１５３を経由して動作制御部１０に送信する。温度の測定値は、記憶装置１０ａに記憶される。

動作制御部１０は、温度の測定値に基づいてパージガス供給弁１５７を操作してもよい。具体的には、温度の測定値がしきい値を上回ったときに、動作制御部１０はパージガス供給弁１５７を開いて、パージガスを研磨ヘッド７の内部に供給する。パージガスは、温度調整された気体であり、研磨ヘッド７の内部の温度を適正な範囲内に維持することができる。特に、圧電素子４７に電圧が印加されると、印加電圧のパターンによっては圧電素子４７は発熱し、研磨ヘッド７の内部は高温となりやすい。本実施形態によれば、パージガスの供給により、研磨ヘッド７の内部の温度を適正な範囲内に維持することができる。

図２８は、接触ピン１４５の拡大図である。接触ピン１４５は、プランジャ１６５と、プランジャ１６５を圧電素子４７の電極１６７に対して押し付けるばね１７０と、プランジャ１６５およびばね１７０を収容するケーシング１７１を備えている。プランジャ１６５およびケーシング１７１は、金属などの導電材から構成されている。ケーシング１７１は分岐装置１５１から延びる電力分配線１７４に接続されている。プランジャ１６５は、ケーシング１７１を通じて電力分配線１７４に電気的に接続される。なお、電力分配線１７４は導線からなる配線であってもよく、あるいは基台１５０にプリント等により形成された配線であってもよい。

プランジャ１６５はばね１７０により圧電素子４７の電極１６７に対して押し付けられており、これにより分岐装置１５１と圧電素子４７との電気的接続が確立される。本実施形態によれば、複数の圧電素子４７から電源部５０ａまで延びる電力線５１の本数を減らすことができる。また、電圧分配器１４１の取り外しが容易であり、結果として圧電素子４７のメンテナンス性も向上する。

図２７に示すように、分岐装置１５１は、電力線５１およびロータリコネクタ２３を通じて駆動電圧印加装置５０の電源部５０ａに接続されており、電力は電源部５０ａから分岐装置１５１に供給される。通信装置１５３は、通信線１７６を介して動作制御部１０に接続されている。通信線１７６は、通信装置１５３からロータリコネクタ２３および電圧制御部５０ｂを経由して動作制御部１０に延びている。動作制御部１０は、圧電素子４７に印加すべき電圧の指令値を電圧制御部５０ｂおよび通信装置１５３に送り、通信装置１５３は電圧の指令値を分岐装置１５１に送る。分岐装置１５１は、通信装置１５３から得た指令値と、同じく電圧制御部５０ｂからの指令値をもとに、電源部５０ａから印加された電圧をそれぞれの圧電素子４７に分配し、印加する。

図１乃至図２８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に示すように、ワークピースＷの被研磨面が下向きとなるフェイスダウンタイプの研磨装置のみならず、図２９に示すように、ワークピースＷの被研磨面が上向きになるフェイスアップタイプの研磨装置にも適用可能である。以下、図２９に示すフェイスアップタイプの研磨装置について説明する。

図２９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７は、押付部材５４の押圧面５４ａが上を向くように配置されている。研磨ヘッド７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７の上方には、研磨液供給ノズル８と、研磨パッド２を支持したパッド支持部２００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。

パッド支持部２００は回転軸２００ａの下端に固定されている。パッド支持部２００は、回転軸２００ａおよび昇降機構２０５を介して支持アーム２０１に支持されている。回転軸２００ａは支持アーム２０１を貫通して延びている。回転軸２００ａは、昇降機構２０５により支持アーム２０１に対して上下動するようになっている。この回転軸２００ａの上下動により、パッド支持部２００および研磨パッド２を支持アーム２０１に対して相対的に昇降させ位置決めするようになっている。

昇降機構２０５は、支持台２０７に固定されている。この支持台２０７は、支持アーム２０１に固定されている。昇降機構２０５は、回転軸２００ａを回転可能に支持する軸受２１０と、軸受２１０を保持するブリッジ２１２と、ブリッジ２１２に連結されたボールねじ機構２１４と、支持台２０７上に固定されたサーボモータ２１６とを備えている。

ボールねじ機構２１４は、サーボモータ２１６に連結されたねじ軸２１４ａと、このねじ軸２１４ａが螺合するナット２１４ｂとを備えている。ナット２１４ｂはブリッジ２１２に保持されている。回転軸２００ａは、軸受２１０およびブリッジ２１２と一体となって上下動可能である。サーボモータ２１６を駆動すると、ボールねじ機構２１４を介してブリッジ２１２が上下動し、これにより回転軸２００ａ、パッド支持部２００、および研磨パッド２が上下動する。

回転軸２００ａは、その軸方向に移動可能にボールスプライン軸受２２０に支持されている。このボールスプライン軸受２２０の外周部にはプーリ２２２が固定されている。支持アーム２０１には回転モータ２２７が固定されており、上記プーリ２２２は、回転モータ２２７に取り付けられたプーリ２２３にベルト２２５を介して接続されている。回転モータ２２７が動作すると、プーリ２２３、ベルト２２５、およびプーリ２２２を介してボールスプライン軸受２２０および回転軸２００ａが一体に回転し、パッド支持部２００および研磨パッド２が回転軸２００ａとともに回転する。

支持アーム２０１は、旋回軸２２８によって支持されている。旋回軸２２８は揺動装置２３０に連結されている。揺動装置２３０は、旋回軸２２８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２３０が旋回軸２２８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２０１は旋回軸２２８を中心に揺動し、これにより支持アーム２０１に連結されたパッド支持部２００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７のキャリア４５は、研磨ヘッドシャフト１８の上端に固定されている。研磨ヘッドシャフト１８は回転モータ２０に連結されており、研磨ヘッドシャフト１８および研磨ヘッド７は回転モータ２０により一体に回転される。図２９は、図５に示す実施形態に係る研磨ヘッド７が研磨装置に適用された例を示すが、図５以外の上述した実施形態に係る研磨ヘッド７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。ワークピースＷは、その被研磨面が上を向いた状態で、研磨ヘッド７に保持される。動作制御部１０は、ワークピースＷの膜厚の測定データから、図４に示すような膜厚プロファイルを作成し、この膜厚プロファイルに基づいて、それぞれの圧電素子４７に印加すべき電圧の指令値を決定し、この指令値を駆動電圧印加装置５０の電圧制御部５０ｂに送信する。電圧制御部５０ｂは、指令値に従って、対応する圧電素子４７に電圧を印加するよう電源部５０ａに指示を出し、電圧を圧電素子４７に印加する。パッド支持部２００および研磨ヘッド７を図２９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８から研磨ヘッド７上のワークピースＷの被研磨面上に供給される。パッド支持部２００に保持された研磨パッド２の研磨面２ａはワークピースＷの表面に接触しながら、揺動装置２３０はパッド支持部２００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７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。

なお、研磨パッド２がワークピースＷ内を支持アーム２０１にて揺動させる際、圧電素子４７によるワークピースＷの加圧分布により、研磨パッド２およびパッド支持部２００がワークピースＷから受ける反力が変わるため、本反力に釣り合うよう、サーボモータ２１６にて研磨パッド２の高さもしくは研磨パッド２のワークピースＷへの押圧力を調整する。

図２９に示す実施形態では、研磨パッド２の直径はワークピースＷの半径よりも小さいが、一実施形態では研磨パッド２の直径はワークピースＷの半径よりも大きくてもよく、またはワークピースＷの直径と同じであってもよい。これらの場合は、ワークピースＷの研磨中にパッド支持部２００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なくてもよい。研磨液供給ノズル８はパッド支持部２００の内部に配置され、研磨パッド２に形成された通孔（図示せず）を通じて研磨液がワークピースＷ上に供給されてもよい。研磨液供給ノズル８の形状および位置は、研磨液をワークピースＷの被研磨面の全体に供給できる限りにおいて特に限定されない。

図１乃至図２９を参照して説明した実施形態に係る研磨ヘッド７を備えた研磨装置は、圧電素子４７に代えて複数の圧力室を有する研磨ヘッドを備えた研磨装置と組み合わせて使用することができる。図３０は、複数の圧力室４０５Ａ，４０５Ｂ，４０５Ｃ，４０５Ｄを有する研磨ヘッド４００を備えた研磨装置を示す模式断面図である。図３０に示す研磨ヘッド４００は、図３２を参照して説明した研磨ヘッド４００と同じ構成を有しているので、その重複する説明を省略する。研磨テーブル４６０には、渦電流センサ、光学式膜厚センサなどの膜厚センサ４７０が配置されている。研磨パッド５００は研磨テーブル４６０の上面に取り付けられている。

ワークピースＷは次のようにして研磨される。研磨テーブル４６０および研磨ヘッド４００をそれぞれ回転させながら、研磨液供給ノズル４８０から研磨液（例えば、砥粒を含むスラリー）を研磨パッド５００の研磨面５００ａ上に供給する。研磨ヘッド４００はワークピースＷを回転させながら、研磨パッド５００の研磨面５００ａに押し付ける。ワークピースＷの表面は、研磨液に含まれる砥粒または研磨パッド５００による機械的作用と、研磨液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。

ワークピースＷの研磨中、膜厚センサ４７０はワークピースＷの膜厚指標値を生成し、膜厚指標値を動作制御部１０に送る。動作制御部１０は、図４に示すような、ワークピースＷの被研磨面の全体の膜厚プロファイルを作成する。作成された膜厚プロファイルは、記憶装置１０ａ内に記憶される。

図３１は、図１乃至図２９を参照して説明したいずれかの実施形態に係る研磨ヘッド７を備えた研磨装置と、図３０を参照して説明した研磨装置を備えたワークピース研磨システムを示す模式図である。以下の説明では、図３０を参照して説明した研磨装置を第１研磨装置７０１と称し、図１乃至図２９を参照して説明したいずれかの実施形態に係る研磨ヘッド７を備えた研磨装置を第２研磨装置７０２と称する。

ワークピース研磨システムは、第１研磨装置７０１と、第２研磨装置７０２と、ワークピースＷを搬送する搬送装置７０５と、研磨されたワークピースＷを洗浄する洗浄装置７０７と、洗浄されたワークピースＷを乾燥させる乾燥装置７０９と、第１研磨装置７０１、第２研磨装置７０２、洗浄装置７０７、および乾燥装置７０９の動作を制御する上述した動作制御部１０を備えている。第１研磨装置７０１、第２研磨装置７０２、洗浄装置７０７、および乾燥装置７０９は、それぞれ複数台設けられてもよい。

ワークピースＷは、図３０を参照して説明した第１研磨装置７０１に搬送装置７０５によって搬送される。ワークピースＷは、第１研磨装置７０１によって研磨される（第１研磨工程）。動作制御部１０は、第１研磨工程中に取得された膜厚指標値から、図４に示すようなワークピースＷの被研磨面の現在の膜厚プロファイルを作成する。作成された膜厚プロファイルは、記憶装置１０ａ内に記憶される。なお、第１研磨工程中での膜厚指標値の取得は、研磨液を用いた研磨中に行ってもよいが、研磨後にワークピースＷ表面の研磨液の除去を目的に、純水を供給しながらワークピースＷと研磨パッド２とを相対運動させる水研磨時に実施してもよい。水研磨時では、ワークピースＷの膜の研磨がなされないため、より精度の高い膜厚指標値、ひいては膜厚プロファイルを作成することができる。

研磨されたワークピースＷは、図１乃至図２９を参照して説明したいずれかの実施形態に係る研磨ヘッド７を備えた第２研磨装置７０２に搬送装置７０５によって搬送される。ワークピースＷは次に第２研磨装置７０２によって研磨される（第２研磨工程）。第２研磨工程では、第１研磨工程にて取得した膜厚プロファイルに基づいて、動作制御部１０は、目標膜厚プロファイルを達成するために必要な電圧の指令値を演算装置１０ｂにて決定した後、駆動電圧印加装置５０の電圧制御部５０ｂに指令値を送り、電源部５０ａから研磨ヘッド７内の圧電素子４７に電圧を印加する。これにより、研磨ヘッド７はワークピースＷを研磨パッド２に対して押し付けて、ワークピースＷの表面を研磨する。

第１研磨装置７０１および第２研磨装置７０２によって研磨されたワークピースＷは、搬送装置７０５によって洗浄装置７０７に搬送され、洗浄装置７０７によって洗浄される。洗浄装置７０７には、ロール洗浄具またはペン型洗浄具などを備えた公知の洗浄装置が使用できる。洗浄されたワークピースＷは、搬送装置７０５により乾燥装置７０９に搬送され、乾燥装置７０９により乾燥される。乾燥装置７０９には、スピン乾燥装置、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）を用いた乾燥装置などの公知の乾燥装置が使用できる。

本発明は、円形のワークピースのみならず、矩形状、四角形などの多角形状のワークピースの研磨にも適用することができる。

上述した実施形態は適宜組み合わせることができる。例えば、図１４に示す弾性膜６７は、図１８乃至図２９を参照して説明した実施形態にも適用することができる。

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。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。

２ 研磨パッド
２ａ 研磨面
５ 研磨テーブル
５ａ 回転軸
７ 研磨ヘッド
８ 研磨液供給ノズル
１０ 動作制御部
１０ａ 記憶装置
１０ｂ 演算装置
１４ 支軸
１６ 研磨ヘッド揺動アーム
１８ 研磨ヘッドシャフト
２０ 回転モータ
２１ 回転モータ
２２ ロータリエンコーダ
２３ ロータリコネクタ
２４ 昇降機構
２５ ロータリジョイント
２６ 軸受
２８ ブリッジ
２９ 支持台
３０ 支柱
３２ ボールねじ機構
３８ サーボモータ
３９ ロード・アンロード装置
４０ ノッチアライナー
４２ 膜厚センサ
４５ キャリア
４５Ａ ハウジング
４５Ｂ フランジ
４７ 圧電素子
５０ 駆動電圧印加装置
５０ａ 電源部
５０ｂ 電圧制御部
５１ 電力線
５４ 押付部材
５６ 保持部材
５６ａ ワークピース接触面、端面
５７ 押付力測定装置
６０ 真空ライン
６１ 真空弁
６２ 真空源
６５ リテーナリング
６６ 段付き穴
６７ 弾性膜
６７ａ ワークピース接触面
７０ プレート
７４ 第１圧力室
７５ 第１弾性膜
７５Ａ 当接部
７５Ｂ 側壁
７７ 第１圧縮気体供給ライン
８０ 第２圧力室
８１ 第２弾性膜
８３ 第２圧縮気体供給ライン
８５ 第１圧力レギュレータ
８６ 第１開閉弁
８８ 第２圧力レギュレータ
８９ 第２開閉弁
９０ 圧縮気体供給源
９２ ジンバル機構
９３ 球面軸受
９４ 可動部材
９５ 凹面
９６ 支持部材
１００ ワークピースチャック機構
１０１ チャック駆動装置
１０３ 接触部材
１０５ 軸
１０８ 第１歯車
１０９ 第２歯車
１１０ 第３歯車
１１４ 第４歯車
１１５ 電動機
１２２ ブラケット
１２５ ばね
１３０ 圧力室
１３１ 弾性シート
１３２ 圧縮気体供給ライン
１３３ 圧力レギュレータ
１３４ 開閉弁
１３５ エアシリンダ
１３６ 圧縮気体供給ライン
１３７ 圧力レギュレータ
１３８ 開閉弁
１４１ 電圧分配器
１４２ 位置決めねじ
１４５ 接触ピン
１５０ 基台
１５１ 分岐装置
１５３ 通信装置
１５６ パージガス供給ライン
１５７ パージガス供給弁
１５９ パージガス供給源
１６０ 温度測定器
１６５ プランジャ
１６７ 電極
１７０ ばね
１７１ ケーシング
１７４ 電力分配線
１７６ 通信線
２００ パッド支持部
２００ａ 回転軸
２０１ 支持アーム
２０５ 昇降機構
２０７ 支持台
２１０ 軸受
２１２ ブリッジ
２１４ ボールねじ機構
２１６ サーボモータ
２２０ ボールスプライン軸受
２２２ プーリ
２２３ プーリ
２２５ ベルト
２２７ 回転モータ
４００ 研磨ヘッド
４０５Ａ，４０５Ｂ，４０５Ｃ，４０５Ｄ 圧力室
４６０ 研磨テーブル
４７０ 膜厚センサ
４８０ 研磨液供給ノズル
５００ 研磨パッド
７０１ 第１研磨装置
７０２ 第２研磨装置
７０５ 搬送装置
７０７ 洗浄装置
７０９ 乾燥装置
Ｗ ワークピース

Claims (26)

1. ワークピースを研磨パッドの研磨面に対して押し付けながら、研磨液の存在下において、該ワークピースと前記研磨面とを相対運動をさせることで該ワークピースを研磨するための研磨ヘッドシステムであって、
   前記ワークピースの複数の領域にそれぞれ対応し、かつ前記複数の領域に対して押付力を加える複数の圧電素子を有する研磨ヘッドと、
   前記複数の圧電素子に独立に電圧を印加する電源部および電圧制御部を備えた駆動電圧印加装置と、
   前記ワークピースの現在の膜厚プロファイルと目標膜厚プロファイルとの差をなくすために必要な電圧を前記複数の圧電素子に印加するための複数の指令値を決定するように構成された動作制御部と、
   前記ワークピースの前記複数の領域に圧縮気体の圧力を加えるための圧力室を前記研磨ヘッド内に形成する弾性膜と、
   前記圧力室に連通し、前記圧縮気体を前記圧力室に供給するための圧縮気体供給ラインと、
   前記圧力室内に真空を形成するための真空ラインを備え、
   前記研磨ヘッドは、前記複数の圧電素子にそれぞれ連結された複数の押付部材をさらに備え、前記複数の押付部材は、前記複数の圧電素子にそれぞれ対向する複数の第一の面と、前記ワークピースを押し付けるための複数の第二の面を有しており、
   前記圧力室は、前記複数の押付部材と前記弾性膜との間に位置しており、
   前記圧力室内に真空が形成されたときに、前記複数の押付部材は前記弾性膜に接触する、研磨ヘッドシステム。
2. 前記複数の圧電素子は、前記研磨ヘッド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. 前記複数の圧電素子は、格子状、同心円状、千鳥状配置のいずれか１つまたはその組み合わせで前記研磨ヘッド内に配置されている、請求項１に記載の研磨ヘッドシステム。
4. 前記複数の第二の面の形状は、円形、楕円形、多角形、円弧形の少なくとも１つからなる、請求項１に記載の研磨ヘッドシステム。
5. 前記複数の第一の面の面積は前記複数の第二の面の面積よりも大きい、請求項１に記載の研磨ヘッドシステム。
6. １つの押付部材に少なくとも２つの圧電素子が連結されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の研磨ヘッドシステム。
7. 前記研磨ヘッドは、前記複数の押付部材を限られた範囲内で移動可能に保持する保持部材をさらに備えている、請求項１に記載の研磨ヘッドシステム。
8. 前記保持部材は、前記複数の押付部材の、前記ワークピースの押付方向と垂直な方向の移動範囲を制限するように構成されている、請求項７記載の研磨ヘッドシステム。
9. 前記複数の押付部材は、全方向に傾動可能な複数の可動部材を有する複数のジンバル機構をそれぞれ備えており、前記複数の可動部材は前記複数の第二の面をそれぞれ有している、請求項１に記載の研磨ヘッドシステム。
10. ワークピースを研磨パッドの研磨面に対して押し付けながら、研磨液の存在下において、該ワークピースと前記研磨面とを相対運動をさせることで該ワークピースを研磨するための研磨ヘッドシステムであって、
    前記ワークピースの複数の領域にそれぞれ対応し、かつ前記複数の領域に対して押付力を加える複数の圧電素子を有する研磨ヘッドと、
    前記複数の圧電素子に独立に電圧を印加する電源部および電圧制御部を備えた駆動電圧印加装置と、
    前記ワークピースの現在の膜厚プロファイルと目標膜厚プロファイルとの差をなくすために必要な電圧を前記複数の圧電素子に印加するための複数の指令値を決定するように構成された動作制御部と、
    前記複数の圧電素子に圧縮気体の圧力を加えるための圧力室を前記研磨ヘッド内に形成する弾性シートと、
    前記圧力室に連通し、前記圧縮気体を前記圧力室に供給するための圧縮気体供給ラインを備え、
    前記研磨ヘッドは、前記複数の圧電素子にそれぞれ連結された複数の押付部材と、前記複数の押付部材を保持する保持部材をさらに備え、前記複数の押付部材は、前記複数の圧電素子にそれぞれ対向する複数の第一の面と、前記ワークピースを押し付けるための複数の第二の面を有しており、
    前記複数の圧電素子は、前記弾性シートと前記複数の押付部材との間に位置しており、
    前記圧縮気体が前記圧力室に供給されたとき、前記圧力室内の前記圧縮気体の圧力は前記複数の圧電素子、前記複数の押付部材、および前記保持部材を介して前記ワークピースに加えられる、研磨ヘッドシステム。
11. 前記研磨ヘッドは、前記複数の圧電素子がそれぞれ発生した複数の押付力を測定する複数の押付力測定装置をさらに備えている、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の研磨ヘッドシステム。
12. 前記複数の押付力測定装置は、前記複数の圧電素子と前記複数の押付部材との間に配置されている、請求項１１に記載の研磨ヘッドシステム。
13. 前記複数の押付力測定装置は、複数の圧電センサである、請求項１１または１２に記載の研磨ヘッドシステム。
14. 前記研磨ヘッドは、電圧分配器をさらに有しており、
    前記電圧分配器は、前記駆動電圧印加装置および前記複数の圧電素子に電気的に接続されており、前記駆動電圧印加装置から印加された電圧を該複数の圧電素子に分配するように構成されている、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の研磨ヘッドシステム。
15. 前記電圧分配器は、前記駆動電圧印加装置から印加された電圧を前記複数の圧電素子に分配する分岐装置と、前記分岐装置および前記駆動電圧印加装置に接続された通信装置を有する、請求項１４に記載の研磨ヘッドシステム。
16. 前記電圧分配器は、前記複数の圧電素子と接触する複数のプランジャと、前記複数のプランジャと前記分岐装置とを電気的に接続する電力分配線をさらに有する、請求項１５に記載の研磨ヘッドシステム。
17. 前記電圧分配器は、前記研磨ヘッドに着脱可能に取り付けられる、請求項１４乃至１６のいずれか一項に記載の研磨ヘッドシステム。
18. 前記研磨ヘッドは、前記複数の圧電素子の温度を測定する温度測定器をさらに有する、請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の研磨ヘッドシステム。
19. 前記研磨ヘッドシステムは、前記研磨ヘッドのワークピース接触面に連通する真空ラインをさらに備えている、請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の研磨ヘッドシステム。
20. 前記研磨ヘッドは、
    前記複数の圧電素子の外側に位置するリテーナリングと、
    前記リテーナリングに固定された少なくとも３つのワークピースチャック機構をさらに備えている、請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の研磨ヘッドシステム。
21. 前記電源部は、直流電源である、請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の研磨ヘッドシステム。
22. ワークピースの研磨装置であって、
    研磨パッドを保持する研磨テーブルと、
    研磨液を前記研磨パッド上に供給する研磨液供給ノズルと、
    請求項１乃至２１のいずれか一項に記載の研磨ヘッドシステムを備える、研磨装置。
23. 前記研磨装置は、前記ワークピースの膜厚を測定する膜厚センサをさらに備えており、前記膜厚センサは前記研磨テーブル内に配置されており、
    前記動作制御部は、前記膜厚センサにより取得された前記ワークピースの膜厚の測定値から膜厚プロファイルを作成し、該膜厚プロファイルをもとに、前記複数の圧電素子に印加すべき電圧の複数の指令値を決定するように構成されている、請求項２２に記載の研磨装置。
24. 前記動作制御部は、前記膜厚プロファイルと目標膜厚プロファイルとの差をもとに、前記複数の圧電素子に印加すべき電圧の複数の指令値を決定するように構成されている、請求項２３に記載の研磨装置。
25. 前記研磨装置は、前記ワークピースを前記研磨ヘッドに保持させるためのロード・アンロード装置をさらに備えている、請求項２２乃至２４のいずれか一項に記載の研磨装置。
26. ワークピースを研磨する研磨システムであって、
    請求項２２乃至２５のいずれか一項に記載の研磨装置と、
    研磨後に前記ワークピースを洗浄する洗浄装置と、
    洗浄後に前記ワークピースを乾燥させる乾燥装置と、
    前記研磨装置、前記洗浄装置、および前記乾燥装置間で前記ワークピースを搬送する搬送機構を有する、研磨システム。

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