JPH09193003A

JPH09193003A - 研磨装置

Info

Publication number: JPH09193003A
Application number: JP483096A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Daimaru; 成一大丸; Masaharu Takagi; 正治高木
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-01-16
Filing date: 1996-01-16
Publication date: 1997-07-29

Abstract

(57)【要約】【課題】シリコンウェーハを高平坦度に研磨し得る研
磨装置を提供する。【解決手段】ブロック４および定盤９の変位をそれぞ
れ電気式マイクロメータ３３および渦電流式変位センサ
３４にて検出することにより、制御手段３０は、研磨後
のウェーハ平坦度に大きく影響するところの研磨中にお
けるブロックおよび定盤の面形状を正確に把握し、これ
に基づいて、これらの面形状の曲率が所定の関係を有す
るように、ブロック面形状を変化させる加圧分布調整機
構３５およびブロック加圧部３７と、定盤面形状を変化
させる冷却水量調節機構３６との制御を行う。また、研
磨パッド６の劣化度を考慮した制御とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば、バッチ
研磨方式のシリコンウェーハポリッシングマシンに好適
な半導体ウェーハの研磨装置にかかるものであり、特
に、高平坦度研磨を可能にする半導体ウェーハの研磨装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体ウェーハの表面を鏡面研磨
する装置としては、図１４に示すように構成されたシリ
コンウェーハポリッシングマシンと称される研磨装置が
用いられている。この図に示してある研磨装置は標準的
な構造のものである。

【０００３】加圧軸１には調心軸受け２が設けてあり、
この調心軸受け２には加圧ヘッド３が加圧軸１に対して
首振自在にかつ加圧軸１と共に回転自在に取り付けられ
ている。

【０００４】この加圧ヘッド３の下方には、図１５に示
したような被研磨材としてのシリコンウェーハ５を複数
枚（図では４枚）同時に装着可能なブロック４が装着さ
れている。この加圧ヘッド３に対向する側には、その上
面に研磨パッド６が張り付けられた定盤９が設けられて
いる。

【０００５】シリコンウェーハ５の研磨を行う場合に
は、シリカをアルカリ溶液に懸濁させた研磨液１７を定
盤９上に供給して、シリコンウェーハ５をワックス等に
よって装着した状態のブロック４を定盤９に加圧し、定
盤９の回転と共に、加圧ヘッド３を回転させながらシリ
コンウェーハ５を研磨パッド６に摺動させる。

【０００６】この研磨過程では、加圧力によるシリコン
ウェーハ５と研磨パッド６上に供給される研磨液１７と
の摩擦や化学反応により発生する研磨熱によって定盤９
やシリコンウェーハ５の温度が変化し、高平坦度でシリ
コンウェーハ５の研磨を行うことが困難であるという問
題がある。

【０００７】この温度の変化を抑制するために、研磨装
置には図にも示してあるような冷却機構が設けられてい
る。一般的な冷却機構では、定盤９に水冷ジャケット１
０を取り付け、一定温度の冷却水を供給系統１４を介し
て水冷部１１に供給し、この冷却部１１内の冷却水を排
水系統１５を介して排出する構造が採用されている。さ
らに、研磨液１７の供給量を調整することにより温度変
化の抑制を図ることもなされている。

【０００８】また、定盤９と水冷ジャケット１０は、回
転軸１６により回転するときの鉛直方向の振れ発生を防
止するため、架台１３上に取り付けたスラスト軸受け１
２などに搭載されている。さらに、加圧軸１からの加圧
力により定盤９の平面が変形することを防止するため、
および定盤９を均一に冷却するために、冷却ジャケット
１０には図１６に示すようなリブ１８が設けられ、定盤
９と水冷ジャケット１０とをボルト孔１９を介してボル
トで組み付ける構造としている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、定盤９
の変形を抑制するための冷却機構等を有する従来の研磨
装置であっても、未だ次のような問題を有している。

【００１０】すなわち、上記従来の研磨装置では、上記
のような温度一定化制御を行うものではあるが、研磨熱
によりシリコンウェーハ５が適正な研磨面品質と研磨生
産性とを得るための温度条件である約４０℃まで昇温さ
れるので、定盤９の表面温度は研磨開始から研磨終了ま
で上昇し、この温度上昇に伴なって定盤９は熱変形する
ことになる。

【００１１】図１７は、定盤９が熱膨張によって一般に
下面側に熱変形することを誇張して示したものであり、
図１８は、熱変形にともないシリコンウェーハ５がブロ
ック４の中心側に傾斜して研磨された状態を示したもの
である。一般に、シリコンウェーハ５が傾斜して研磨さ
れることを防ぐためには、予め求めた変形量曲線から定
盤９の各点における熱変形を予想し、定盤９を室温状態
ではこの変形曲線を基準レベルに対して線対称な凹面形
状になるように加工しておき、昇温状態でブロック４に
定盤９の平面状態がマッチングするように昇温時におけ
る研磨面の温度管理をすることで対応している。

【００１２】ところが、このような例えば冷却水や研磨
液による定盤９側の温度一定化制御は、シリコンウェー
ハ５の平坦度に直接影響する定盤９の面形状そのものを
測定するものでないため精度の向上は図り難く、結局は
高平坦度の加工には限界を来すことになる。しかも、定
盤９の直径は１〜１．５ｍと非常に大きいことから定盤
９をねらいとする凹面形状に仕上げるためには、多くの
加工時間を要し、熟練した加工操作も必要なことから、
定盤９の加工作業がきわめて繁雑になるという問題もあ
る。

【００１３】また、実際に研磨した後のシリコンウェー
ハ５の平坦度を測定し、その測定結果を次バッチの研磨
作業に反映させる手法も採られたが、リアルタイムな制
御ではなく、現実には各バッチ間における研磨作業条件
の不一致等の不安定化要因が数多く存在するものである
ため、必ずしも効果的な手法とは言えない。

【００１４】これに対し、本願出願人は、先に、特願平
６−１０１３２５号に示されるように、定盤の変位量を
測定し、これに追従して冷却機構の冷却水温度を制御す
る方式を提案している。

【００１５】しかしながら、前述したように研磨熱によ
りシリコンウェーハ５が所定温度に昇温されることか
ら、ブロック４の図中下面側の温度が上面側よりも高い
温度分布となって熱応力が発生したり、加圧機構による
加圧に僅かな均一性のずれが発生したりしてブロック４
自体に変形が生じることがあり、高い平坦度が要求され
る研磨加工には対応が困難であるという問題があった。

【００１６】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであり、本発明の目的は、定盤およびブ
ロックの研磨中の形状を把握することにより、研磨条件
制御を効果的にかつリアルタイムで行うことができ、シ
リコンウェーハを高い平坦度に研磨し得る研磨装置を提
供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、請求項毎に次のように特定される。請求項
１に記載の発明は、被研磨材を保持するブロックと、当
該ブロックの前記被研磨材を保持した側に対向して配置
される表面に研磨パッドが貼付された定盤と、前記ブロ
ックを前記定盤に対して加圧する加圧機構と、前記ブロ
ックと前記定盤とを相対的に摺動させる摺動駆動機構と
を有する研磨装置において、前記ブロックの面形状を検
出するブロック形状検出手段と、前記定盤の面形状を検
出する定盤形状検出手段と、前記ブロックの面形状を変
化させるブロック形状調節手段と、前記定盤の面形状を
変化させる定盤形状調節手段と、前記ブロック形状検出
手段および定盤形状検出手段の検出値に基づいて、前記
ブロックおよび定盤のそれぞれの面の曲率が所定の関係
を有するように、前記ブロック形状調節手段および定盤
形状調節手段を制御する制御手段とを有することを特徴
とする。

【００１８】このように特定された発明にあっては、制
御手段は、研磨後のウェーハ平坦度に大きく影響すると
ころの研磨中におけるブロックおよび定盤の面形状を正
確に把握し、これに基づいて、これらの面形状の曲率が
所定の関係を有するように、ブロック形状調節手段およ
び定盤形状調節手段の制御を行う。したがって、ブロッ
クおよび定盤の種々の変形による被研磨材のテーパ削り
に対し、リアルタイムで抑止するきわめて効果的な制御
を行うことができ、研磨加工を施した被研磨材の平坦度
が大幅に向上する。

【００１９】請求項２に記載の発明の構成は、上記請求
項１に記載の研磨装置において、前記ブロック形状検出
手段は、前記ブロックの上面に接触して設けられ、その
厚さ方向の変位を検出する電気式マイクロメータである
ことを特徴とする。このように特定された発明にあって
は、簡易な構成で正確かつ迅速に、ブロックの面形状を
検出することができる。

【００２０】請求項３に記載の発明の構成は、上記請求
項１に記載の研磨装置において、前記定盤形状検出手段
は、前記定盤の上方に非接触で設けられ、その厚さ方向
の変位を検出する渦電流式変位センサであることを特徴
とする。このように特定された発明にあっては、定盤と
の間に非磁性体である研磨パッドや研磨液があっても、
これらに影響されることなく直接定盤の変位を測定する
ことができる。

【００２１】請求項４に記載の発明の構成は、上記請求
項１に記載の研磨装置において、前記ブロック形状調節
手段は、前記加圧機構の前記ブロック側に、前記ブロッ
クの中央部を加圧する中央加圧部、および前記ブロック
の外縁部近傍を加圧する外縁加圧部とを備えたブロック
加圧部と、これら中央加圧部および外縁加圧部の圧力値
の割合を変化させる加圧分布調整機構とを有することを
特徴とする。このように特定された発明にあっては、加
圧機構によりブロックを定盤に向けて中央部と外縁部と
で差異を設けて加圧することによりブロックの面形状を
所定の範囲内で変化させることができる。

【００２２】請求項５に記載の発明の構成は、上記請求
項１に記載の研磨装置において、前記定盤を冷却する冷
却機構を備え、前記定盤形状調節手段は、前記冷却機構
に供給する冷却水の流量を変化させることを特徴とす
る。このように特定された発明にあっては、冷却水量を
増減調節することにより、定盤周辺の熱膨張量を増減さ
せ定盤の面形状を所定の範囲内で変化させることができ
る。

【００２３】請求項６に記載の発明の構成は、上記請求
項１から５のいずれかに記載の研磨装置において、前記
研磨パッドの劣化の度合を検出する研磨パッド劣化度検
出手段を備え、前記制御手段は、前記研磨パッド劣化度
検出手段の検出値を考慮に含めて、前記ブロックおよび
定盤のそれぞれの面の曲率が所定の関係を有するよう
に、前記ブロック形状調節手段および定盤形状調節手段
を制御することを特徴とする。このように特定された発
明にあっては、研磨パッドの劣化度によるウェーハのテ
ーパ削りの影響を含めて制御することができる。

【００２４】請求項７に記載の発明の構成は、上記請求
項６に記載の研磨装置において、前記研磨パッド劣化度
検出手段は、研磨パッドの弾性を測定することを特徴と
する。このように特定された発明にあっては、弾性測定
できる簡易な構成で研磨パッドの劣化度を検出すること
が可能となる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る
研磨装置の概略構成を示す側面図である。なお、図１４
と同一機能の部材については同一の付号を付し、その説
明を一部省略する。

【００２６】図１に示したように、本研磨装置は、被研
磨体としてのシリコンウェーハ５を保持するブロック４
を有し、ブロック４のシリコンウェーハ５を保持した側
に対向して、定盤９が配置されている。ブロック４に保
持されたシリコンウェーハ５を、表面に研磨パッド６が
貼付された定盤９に対して加圧する加圧機構として、加
圧軸１と、この加圧軸１に、首振りおよび回転自在に取
り付けられる加圧ヘッド３とが設けられている。モータ
や減速機からなる駆動機構３１により定盤９が回転され
ると共に、同様な駆動機構３２により加圧ヘッド３を回
転させながらシリコンウェーハ５を研磨パッド６に摺動
させる。

【００２７】本研磨装置では、特に、ブロック形状検出
手段としての電気式マイクロメータ３３が、ブロック４
の半径方向中心近傍と、ここを通る直径の両外縁部近傍
との合計３箇所に、加圧ヘッド３を貫通してブロック４
の上面に接触するように設けられており、ブロック厚さ
方向の変位を検出する。ここで、当該ブロック４の上面
および下面の面形状について予め精密に測定され、上記
のようにブロック４の上面の初期形状からの変位を検出
することにより、シリコンウェーハ５を加圧する側のブ
ロック４の面形状を常時検出することができるようにな
っている。なお、ブロック形状検出手段としては、電気
式マイクロメータ以外にもレーザ光を利用したセンサな
どの種々の変位センサを使用することができる。

【００２８】一方、加圧ヘッド３の下方には、ブロック
４の面形状を変化させるブロック形状調節手段３７が設
けられる。図２は本装置のブロック加圧部周辺の拡大側
面図、図３は図２のＡから見た図である。

【００２９】図１に示したように、ブロック形状調節手
段は、加圧分布調整機構３５とブロック加圧部３７とを
有しており、図２および図３に示すように、ブロック加
圧部３７は、ブロック４の中央部を加圧する中央加圧部
３７ａと、ブロック４の外縁部近傍を加圧するリング形
状を呈する外縁加圧部３７ｂとからなり、いずれも例え
ば耐熱性のシリコンゴム等からなる弾性体チューブ内に
流体を充填させたものである。加圧分布調整機構３５
は、ブロック加圧部３７の中央加圧部３７ａおよび外縁
加圧部３７ｂの圧力値の割合を変化させる機能を有する
ものであり、加圧機構によりブロック４を定盤９に向け
て中央部と外縁部とで差異を設けて加圧することにより
ブロック４の面形状を変化させることが可能となってい
る。

【００３０】図４はブロック形状調節手段の中央加圧部
の圧力値を所定の割合より大きくした場合のブロック形
状の変化の様子を示す図であり、この場合には、ブロッ
ク４は下面凸形状に変形させられる。ここで、例えばブ
ロック４の面形状を所定量だけ下面凹形状となるように
初期設定すると共に外縁加圧部３７ｂの圧力値を一定と
しておいて、この外縁加圧部３７ｂの圧力値に対して中
央加圧部３７ａの圧力値を変化させることにより、ブロ
ック４の面形状を図５（Ａ）に誇張して示すような下面
凹形状や、図５（Ｂ）に誇張して示すような下面凸形状
に所定の範囲内で任意形状に変形させることが可能であ
る。図５からもわかるように、定盤９が平坦な場合にあ
っては、図５（Ａ）では、シリコンウェーハ５がブロッ
ク４の外周側に傾斜して薄くなるように研磨されたテー
パ削り状態（以下、「外ズリ」ともいう）を、図５
（Ｂ）では、シリコンウェーハ５がブロック４の中心側
に傾斜して薄くなるように研磨されたテーパ削り状態
（以下、「内ズリ」ともいう）を示している。

【００３１】また、本研磨装置には、渦電流式変位セン
サ３４が定盤９の中心部から外周にかけて３点設けられ
ている。この渦電流式変位センサ３４は、図示しないア
ームに支持されており、測定面までの高さや測定位置の
移動が適宜微調整できるようになっている。渦電流式変
位センサ３４は、交流を流したコイルを金属体である定
盤９に接近させ、定盤９との間の距離によってコイルの
インピーダンスが変化することを利用して、定盤９の変
位を測定するものである。このため、定盤９との間に非
磁性体である研磨パッド６や研磨液（シリカや水など）
があっても、これらに影響されることなく直接定盤９の
変位を測定することが可能である。なお、当該定盤９の
上面の面形状について予め精密に測定しておき、上記の
ように定盤９の上面の初期形状からの変位を検出するこ
とにより、時々刻々と変化する定盤９の面形状を検出す
ることができるようになっている。

【００３２】定盤９は、従来技術でも述べたように、常
温では上面凹形にそった形状となっており、これが研磨
熱によって膨脹した時点で平面となるように加工されて
いるので、研磨熱による温度上昇が大きいと、図６
（Ａ）に誇張して示すように定盤９は上面凸形状にな
り、一方、例えば研磨休止中に定盤温度が下がると次の
研磨に移る際に、図６（Ｂ）に誇張して示すように定盤
９は上面凹形状になり平坦でなくなる。図６からわかる
ように、ブロック４が平坦な場合にあっては、図６
（Ａ）では、研磨後のシリコンウェーハ５は、内ズリと
なり、図６（Ｂ）では、外ズリとなる。

【００３３】冷却水量調節機構３６は、研磨装置に備え
られている冷却機構、具体的には図１４に示した水冷ジ
ャケット１０に供給する冷却水の流量を制御する機能を
有しているものである。一般的には、水冷ジャケット１
０に供給する冷却水量を増大させることにより、研磨熱
により大きく昇温される定盤９と、大きく冷却される水
冷ジャケット１０の熱膨脹の差により、定盤９が上面凸
形状となり、相対的には、定盤９を上面凸形状に変形さ
せることができる。つまり、冷却水量を増減調節するこ
とにより、定盤９の面形状を所定の範囲内で任意に変化
させることが可能となっており、冷却水量調節機構３６
は定盤形状調節手段を構成する。

【００３４】但し、実際上、両者の熱膨脹係数、熱容量
（体積）、冷却水温などの影響を考慮すれば、両者の熱
膨張量の差異によって上面凸形状か凹形状かが左右され
ることも考えられるため、試験を行って予め冷却水量に
対する定盤９の面形状の変化の方向および量を求めてお
く必要がある。

【００３５】図７は研磨パッド劣化度検出手段の概略構
成を示す図、図８は研磨パッドの劣化が進行した場合の
シリコンウェーハの研磨状態を説明する図であり、
（Ａ）は定盤の上方から見た図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線に沿
うシリコンウェーハの断面図である。

【００３６】研磨パッド劣化度検出手段３９は、ホルダ
４０の先端に固定される円筒状のウェイトホルダ４１
と、ウェイトホルダ４１の内部に摺動自在に収容され、
定盤９に貼着された研磨パッド６の上に載置される円柱
状のウェイト４２と、ウェイト４２の上下方向の移動量
を検出する電気マイクロメータ４３とを備えており、研
磨パッド６の劣化の度合をウェイト４２の沈み込み量か
ら検出するようになっている。即ち、研磨パッド６が劣
化するにしたがって固くなり弾性が低下するため沈み込
み量が小さくなる傾向にあることを利用して検出するも
のである。

【００３７】図８（Ａ）に示すように、研磨パッド６の
劣化の状況は、摺動頻度の差異から、研磨パッド６とシ
リコンウェーハ５との摺動部分におけるその内周部およ
び外周部近傍６ａの劣化の進行が大きく、中間部近傍６
ｂの劣化の進行は小さい。このため、劣化度が大きくな
るにつれ、劣化の進行が比較的少ない内周部および外周
部近傍と、劣化の進行が大きい中間部とにおける研磨量
に差が生じ、結果的に図８（Ｂ）に示すように、外ズリ
傾向になる。したがって、研磨パッド劣化度検出手段３
９による劣化度の検出値を考慮してシリコンウェーハ５
の研磨を行うことが高平坦度の観点から望ましい。

【００３８】図１に示したように、本研磨装置の制御手
段３０には、電気式マイクロメータ３３によるブロック
厚さ方向の変位の検出値と、渦電流式変位センサ３４に
よる定盤厚さ方向の変位の検出値とが入力され、ブロッ
ク４および定盤６のそれぞれの面の曲率が所定の関係と
なるように（前述した研磨パッドの劣化の影響がない場
合には、一致するように）、リアルタイムに加圧分布調
整機構３５および冷却水量調節機構３６の制御を行う。
このようにすれば、研磨後のシリコンウェーハ５は、き
わめて高い平坦度を確保することができる。

【００３９】なお、図１に示したように、制御手段３０
には研磨パッド劣化度検出手段３９による劣化度の検出
値が入力され、したがって、この研磨パッド劣化度によ
る外ズリ傾向の影響を含めて制御することが可能となっ
ている。

【００４０】次に、定盤面およびブロック面の曲率を求
め、これらの曲率を一致させる方法について説明する。
図９は定盤面の曲率の求め方を説明する図である。図９
に示す符号ｈ、ｉ、ｊは、予め精密測定した初期形状を
考慮した上で、渦電流式変位センサ３４による定盤厚さ
方向の変位の検出値に基づいて求められる定盤面の所定
基準平面からの距離、αは当該センサの取付間隔（等間
隔に取り付けた場合）を示す。

【００４１】座標系を図示のようにとり、Ｈ（０，
ｈ）、Ｉ（α，ｉ）、Ｊ（２α，ｊ）の３点を通る円を
円Ｑとする。ａ、ｂ、ｃを定数として、円Ｑは、（ｘ−ａ）²＋（ｙ−ｂ）²＝ｃ² ……（１）と表される。Ｈ、Ｉ、Ｊの各点の座標を代入してａ、
ｂ、ｃを求める。（０−ａ）²＋（ｈ−ｂ）²＝ｃ² ……（２）（α−ａ）²＋（ｉ−ｂ）²＝ｃ² ……（３）（２α−ａ）²＋（ｊ−ｂ）²＝ｃ² ……（４）よって、ａ＝α−（ｈ²−ｉ²）／α＋（（ｈ−ｉ）／α）・（ｈ²−２ｉ²＋ｊ²＋２α²）／（２（ｈ−２ｉ＋ｊ）） ……（５）ｂ＝（ｈ²−２ｉ²＋ｊ²＋２α²）／（２（ｈ−２ｉ＋ｊ）） ……（６）ｃ＝（ａ²＋（ｈ−ｂ）²）^1/2 ……（７）したがって、定盤面の曲率１／ｃ１／ｃ＝（ａ²＋（ｈ−ｂ）²）^-1/2 ……（８）を求め得る。

【００４２】図１０はブロック面の曲率の求め方を説明
する図である。図１０に示す符号ｋは、予め精密測定し
た初期形状を考慮した上で、電気式マイクロメータ３３
によるブロック厚さ方向の変位の検出値に基づいて求め
られるブロック面の中心点を含む基準平面からの距離、
βは当該センサの取付間隔を示す。但し、図１では、電
気式マイクロメータ３３を合計３箇所に取り付けたが、
ここでは、計算の簡易のため、ブロック４の半径方向中
心と、ここを通る直径の外縁部近傍との２箇所に取り付
けた場合として計算する。

【００４３】上記（５）（６）（７）式に、α＝β、ｉ
＝０、ｈ＝ｊ＝ｋを代入するとａ′＝β＋（β²−ｋ²）／２β ……（９）ｂ′＝（ｋ²＋β²）／２ｋ ……（１０）ｃ′＝ｋ−ｂ′ ……（１１）したがって、ブロック面の曲率１／ｃ′ １／ｃ′＝１／（ｋ−ｂ′） ……（１２）を求め得る。

【００４４】図１１は定盤面およびブロック面の曲率を
一致させる方法を説明する図である。ここで、予め試験
により、ブロック加圧部３７の中央加圧部３７ａおよび
外縁加圧部３７ｂの圧力値の割合と、ブロック４の変位
との関係を求めておく必要がある。例えばブロック４の
面形状を所定量だけ下面凹形状となるように初期設定す
ると共に外縁加圧部３７ｂの圧力値を一定としておい
て、この外縁加圧部３７ｂの圧力値に対する中央加圧部
３７ａの圧力値の割合（以下、ブロック中心圧力と呼
ぶ）を１％変化させた場合に、ブロック４の中央に対し
て外縁部がδμｍ変位した結果が得られたとする。

【００４５】この場合に、ブロック面のある任意の状態
（図１１ので示す面形状）からブロック中心圧力をΔ
ｐ％変化させた場合（図１１ので示す面形状）のブロ
ック面の曲率を求める。ブロック中心圧力をΔｐ％変化
させた場合のブロック４の中央に対する外縁部変位の変
化量Δｋは Δｋ＝δ・Δｐ ……（１３）（１３）式を（１０）（１２）式に代入して、図１１に
示されるの状態での曲率１／ｃ″を求める。ｂ″＝（（ｋ＋Δｋ）²＋β²）／（ｋ＋Δｋ） ……（１４）１／ｃ″＝１／（ｋ＋Δｋ−ｂ″） ……（１５）この曲率１／ｃ″が（８）式で求めた定盤面の曲率１／
ｃと等しくなればよいので、１／ｃ＝１／ｃ″ ……（１６）（１６）式を解いて、変化させるべき中央加圧部３７ａ
の圧力値の割合Δｐ％を決定することができる。

【００４６】制御手段３０は、上記のような定盤面およ
びブロック面の曲率の求め方、およびこれらの曲率を一
致させる方法を基本とし、研磨パッド劣化度検出手段３
９の検出値を考慮に含めた上で、ブロック４および定盤
９のそれぞれの面の曲率が所定の関係を有するように、
加圧分布調整機構３５および冷却水量調節機構３６を制
御する。

【００４７】図１２はブロック中心圧力と研磨後シリコ
ンウェーハのテーパ量との関係を示すグラフである。図
中において、それぞれ符号Ｇ1 は研磨パッド使用初期で
劣化度が小さい場合、Ｇ2 は使用中期で劣化度が中程度
の場合、Ｇ3 は使用末期期で劣化度が大きい場合のグラ
フを示す。前述したように、研磨パッド６の劣化が進む
につれ、研磨後のウェーハが外ズリ傾向になることを考
慮したものであり、多数の試験結果に基づいて設定する
ことができる。

【００４８】次に、本研磨装置のシリコンウェーハの平
坦研磨制御を、図１３に示すフローチャートに基づいて
説明するまず、電気式マイクロメータ３３によりブロック４の厚
さ方向の変位が、渦電流式変位センサ３４により定盤９
の厚さ方向の変位が検出され（ステップＳ１）、これら
の検出値が制御手段３０に入力される。制御手段３０
は、これらの検出値に基づいて、ブロック面および定盤
面の曲率を算出する（ステップＳ２）。

【００４９】このようにして算出されたブロック面およ
び定盤面の曲率に基づく双方の幾何学的関係から、制御
手段３０は、研磨後のシリコンウェーハのテーパ量の予
測を行う（ステップＳ３）。ここで、例えばブロック面
および定盤面の曲率が同じであれば、双方の面は平行と
みなし得るので、双方の幾何学的関係に起因するウェー
ハのテーパ量はゼロと予測される。

【００５０】なお、定盤面およびブロック面の曲率に基
づく幾何学的形状から、まずウェーハのテーパ量を予測
計算するようにしたのは、図１２に示されるように、ブ
ロック中心圧力とウェーハのテーパ量とがほぼ直線的な
比例関係にあることから、テーパ量補正のためのブロッ
ク中心圧力の算出が容易となるからである。また、後述
する研磨パッド劣化度を考慮した場合の計算も容易とな
る。

【００５１】制御手段３０は、上記のように予測された
研磨後のシリコンウェーハのテーパ量から、予め試験に
より求められたブロック中心圧力１％変化時のブロック
中央に対する外縁部の変位結果に基づき、ブロック中心
圧力の制御量を算出する（ステップＳ４）。

【００５２】次いで、研磨パッド劣化度検出手段３９に
より研磨パッドの劣化の度合がウェイト４２の沈み込み
量として検出され（ステップＳ５）、予め試験により求
められたウェイト４２の単位沈み込み量に対する外ズリ
テーパ量に基づいて、実際の研磨パッドの劣化度に起因
する外ズリテーパ量を補正するための、ブロック中心圧
力の補正制御量を算出する（ステップＳ６）。

【００５３】制御手段３０は、前記補正制御量を含めた
ブロック中心圧力の総合制御量を算出し（ステップＳ
７）、この総合制御量が装置としての制御範囲内にある
場合には（ステップＳ８でＹＥＳ）、ブロック中心圧力
を総合制御量だけ変更する（ステップＳ１１）。

【００５４】一方、制御手段３０は、ブロック中心圧力
の総合制御量が装置としての制御範囲内にない場合には
（ステップＳ８でＮＯ）、ブロック中心圧力を所定制御
量だけ変更し、かつこのブロック中心圧力の変更によっ
ても解消できないウェーハの残留テーパ量に対応する定
盤冷却水量の制御量の算出を行う（ステップＳ９）。こ
のように、まずブロック中心圧力の変更で対処するよう
にしたのは、定盤冷却水量の制御に比べてブロック中心
圧力の制御の方が時定数が短く迅速な処理が可能だから
である。そして、ステップ１０に進んで、上記計算に基
づくブロック中心圧力の変更および定盤冷却水量の変更
が行われる。なお、上記の図１３に示されるフローチャ
ートに基づくシリコンウェーハの平坦研磨制御は、これ
に限定されることなく種々の変更が可能である。

【００５５】このように、本研磨装置によれば、ブロッ
クおよび定盤の変位を検出することにより、研磨後のウ
ェーハ平坦度に大きく影響するところの研磨中における
ブロックおよび定盤の面形状を正確に把握することが可
能となると共に、この検知したブロックおよび定盤の面
形状に基づいて、これらの面形状の曲率が所定の関係を
有するように（一致させる場合を含む）制御を行うこと
により、従来の研磨装置では対処できなかったブロック
および定盤の種々の変形によるウェーハのテーパ削りに
対し、リアルタイムで抑止するきわめて効果的な制御を
行うことができる。したがって、本研磨装置によれば、
研磨加工を施すシリコンウェーハの平坦度を大幅に向上
させることができる。

【００５６】また、研磨パッド劣化度検出手段３９によ
る劣化度の検出値に基づいて、この研磨パッド劣化度に
よる外ズリ傾向の影響を含めて制御することが可能とな
り、シリコンウェーハの平坦度をより一層向上させるこ
とができる。

【００５７】なお、以上説明した実施の形態は、本発明
の理解を容易にするために記載されたものであって、本
発明を限定するために記載されたものではない。したが
って、上記実施の形態に開示された各要素は、本発明の
技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣
旨である。たとえば、上述した実施の形態では、電気式
マイクロメータ３３や渦電流式変位センサ３４をそれぞ
れ３箇所に設けたが、この検出点は３箇所に限られるこ
となく、さらに多くの測定点を設けることによりさらに
高精度の検出が可能であり、一方、面形状の対称性を利
用して２箇所とすることも可能である。また、上述した
実施の形態では、冷却水量を増減調節することにより定
盤の面形状を変化させるように構成したが、冷却水の温
度を調節することにより定盤の面形状を変化させるよう
に構成することも可能である。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
研磨後の被研磨材の平坦度に大きく影響するところの研
磨中におけるブロックおよび定盤の面形状を検出し正確
に把握することが可能となると共に、この検出したブロ
ックおよび定盤の面形状に基づいて、これらの面形状の
曲率が所定の関係を有するように制御を行うことによ
り、従来の研磨装置では対処できなかったブロックおよ
び定盤の種々の変形による被研磨材のテーパ削りに対
し、リアルタイムで抑止するきわめて効果的な制御を行
うことができる。したがって、本研磨装置によれば、研
磨加工を施す被研磨材の平坦度を大幅に向上させること
ができる。

【００５９】また、研磨パッド劣化度検出手段による劣
化度の検出値に基づいて、この研磨パッド劣化度による
外ズリ傾向の影響を含めて制御することが可能となり、
シリコンウェーハの平坦度をより一層向上させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る研磨装置の概略構
成を示す側面図である。

【図２】本装置のブロック加圧部周辺の拡大側面図で
ある。

【図３】図２のＡから見た図である。

【図４】ブロック形状調節手段の中央加圧部の圧力値
を所定の割合より大きくした場合のブロック形状の変化
の様子を示す図である。

【図５】（Ａ）はブロックが下面凹形状となった様子
を示す図、（Ｂ）はブロックが下面凸形状となった様子
を示す図である。

【図６】（Ａ）は定盤が上面凸形状になった様子を示
す図、（Ｂ）は定盤が上面凹形状となった様子を示す図
である。

【図７】研磨パッド劣化度検出手段の概略構成を示す
図である。

【図８】研磨パッドの劣化が進行した場合のシリコン
ウェーハの研磨状態を説明する図であり、（Ａ）は定盤
の上方から見た図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線に沿うシリコンウ
ェーハの断面図である。

【図９】定盤面の曲率の求め方を説明する図である。

【図１０】ブロック面の曲率の求め方を説明する図で
ある。

【図１１】定盤面およびブロック面の曲率を一致させ
る方法を説明する図である。

【図１２】ブロック中心圧力と研磨後シリコンウェー
ハのテーパ量との関係を示すグラフである。

【図１３】本装置のシリコンウェーハの平坦研磨制御
を示すフローチャートである。

【図１４】従来の研磨装置の概略構成を示す図であ
る。

【図１５】ブロック上に装着されたシリコンウェーハ
の配置状態を示す図である。

【図１６】図６に示した水冷ジャケットを示す平面図
である。

【図１７】従来の研磨装置による研磨過程において熱
変形状態を誇張して示す要部断面図である。

【図１８】研磨によって内ズリ状態となったシリコン
ウェーハの断面を示す図である。

【符号の説明】

１…加圧軸（加圧機構）、３…加圧ヘッド（加圧機構）、４…ブロック、５…シリコンウェーハ（被研磨材）、６…研磨パッド、９…定盤、１０…水冷ジャケット、１１…水冷部、１２…スラスト軸受け、１３…架台、１６…回転軸、３０…制御手段、３３…電気式マイクロメータ（ブロック形状検出手
段）、３４…渦電流式変位センサ（定盤形状検出手段）、３５…加圧分布調整機構（ブロック形状調節手段）、３６…冷却水量調節機構（定盤形状調節手段）、３７…ブロック加圧部（ブロック形状調節手段）、３７ａ…中央加圧部、３７ｂ…外縁加圧部、３９…研磨パッド劣化度検出手段。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被研磨材を保持するブロックと、当該ブ
ロックの前記被研磨材を保持した側に対向して配置され
る表面に研磨パッドが貼付された定盤と、前記ブロック
を前記定盤に対して加圧する加圧機構と、前記ブロック
と前記定盤とを相対的に摺動させる摺動駆動機構とを有
する研磨装置において、前記ブロックの面形状を検出するブロック形状検出手段
と、前記定盤の面形状を検出する定盤形状検出手段と、前記ブロックの面形状を変化させるブロック形状調節手
段と、前記定盤の面形状を変化させる定盤形状調節手段と、前記ブロック形状検出手段および定盤形状検出手段の検
出値に基づいて、前記ブロックおよび定盤のそれぞれの
面の曲率が所定の関係を有するように、前記ブロック形
状調節手段および定盤形状調節手段を制御する制御手段
とを有することを特徴とする研磨装置。
【請求項２】前記ブロック形状検出手段は、前記ブロ
ックの上面に接触して設けられ、その厚さ方向の変位を
検出する電気式マイクロメータであることを特徴とする
請求項１に記載の研磨装置。
【請求項３】前記定盤形状検出手段は、前記定盤の上
方に非接触で設けられ、その厚さ方向の変位を検出する
渦電流式変位センサであることを特徴とする請求項１に
記載の研磨装置。
【請求項４】前記ブロック形状調節手段は、前記加圧
機構の前記ブロック側に、前記ブロックの中央部を加圧
する中央加圧部、および前記ブロックの外縁部近傍を加
圧する外縁加圧部を備えたブロック加圧部と、これら中
央加圧部および外縁加圧部の圧力値の割合を変化させる
加圧分布調整機構とを有することを特徴とする請求項１
に記載の研磨装置。
【請求項５】前記定盤を冷却する冷却機構を備え、前記定盤形状調節手段は、前記冷却機構に供給する冷却
水の流量を変化させることを特徴とする請求項１に記載
の研磨装置。
【請求項６】前記研磨パッドの劣化の度合を検出する
研磨パッド劣化度検出手段を備え、前記制御手段は、前記研磨パッド劣化度検出手段の検出
値を考慮に含めて、前記ブロックおよび定盤のそれぞれ
の面の曲率が所定の関係を有するように、前記ブロック
形状調節手段および定盤形状調節手段を制御することを
特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の研磨装
置。
【請求項７】前記研磨パッド劣化度検出手段は、研磨
パッドの弾性を測定することを特徴とする請求項６に記
載の研磨装置。