WO2022190771A1 - センサを備えた測定ウェーハ、およびその使用方法 - Google Patents

センサを備えた測定ウェーハ、およびその使用方法 Download PDF

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WO2022190771A1
WO2022190771A1 PCT/JP2022/005597 JP2022005597W WO2022190771A1 WO 2022190771 A1 WO2022190771 A1 WO 2022190771A1 JP 2022005597 W JP2022005597 W JP 2022005597W WO 2022190771 A1 WO2022190771 A1 WO 2022190771A1
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polishing
wafer
measurement
measurement wafer
sensor
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PCT/JP2022/005597
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良和 加藤
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株式会社荏原製作所
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    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B37/00—Lapping machines or devices; Accessories
    • B24B37/04—Lapping machines or devices; Accessories designed for working plane surfaces
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    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B49/00—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation
    • B24B49/10—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation involving electrical means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/302—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to change their surface-physical characteristics or shape, e.g. etching, polishing, cutting
    • H01L21/304—Mechanical treatment, e.g. grinding, polishing, cutting

Definitions

  • the present invention relates to management of a polishing apparatus for polishing wafers, and more particularly to technology for measuring physical quantities on the surface of a wafer being polished by a polishing apparatus.
  • a chemical mechanical polishing apparatus is used to polish the surface of the wafer.
  • This chemical mechanical polishing apparatus (hereinafter simply referred to as a polishing apparatus) supplies a polishing liquid (typically slurry) to the polishing pad on the polishing table while rotating the polishing table and the polishing head, and furthermore, the wafer is removed by the polishing head. It is configured to press against the polishing surface of the polishing pad.
  • the wafer is brought into sliding contact with the polishing surface of the polishing pad in the presence of the polishing liquid.
  • the surface of the wafer is planarized by the chemical action of the polishing liquid and the mechanical action of abrasive grains and/or polishing pad contained in the polishing liquid.
  • the wafer polishing rate (also called removal rate) can vary depending on the operating conditions of the polishing apparatus.
  • the polishing conditions for polishing the wafer and the dressing conditions for regenerating the polishing surface of the polishing pad greatly affect the polishing rate of the wafer.
  • polishing conditions include the rotational speed of the polishing head and polishing table, the force with which the polishing head presses the wafer against the polishing pad, the flow rate and supply position of the polishing liquid, and the like.
  • dressing conditions include the rotation speed of the dresser, the force with which the dresser presses the polishing pad, and the speed at which the dresser moves over the polishing pad.
  • sensors embedded in the polishing table or polishing pad cannot directly sense the surface of the wafer.
  • there is a polishing liquid between the sensor and the wafer surface and the relative positions of the wafer and the sensor are constantly changing during wafer polishing. For this reason, it has been difficult for the conventional technology to monitor the surface state of the wafer correctly.
  • the present invention provides a technique capable of measuring a physical quantity substantially equivalent to the physical quantity on the surface of the wafer being polished.
  • a method for measuring physical quantities in a polishing apparatus for polishing a target wafer comprising a polishing table and a polishing head, wherein a measurement wafer having a sensor is placed on a polishing pad on the polishing table to the polishing apparatus.
  • a method is provided for pressing with a head and measuring a physical quantity with the sensor.
  • the physical quantity is at least one of temperature, pressure, force, acceleration, and sound. In one aspect, the physical quantity is measured by the sensor while supplying a polishing liquid onto the polishing pad and pressing the measurement wafer against the polishing pad on the rotating polishing table by the polishing head. In one aspect, the method further includes the step of determining an operational abnormality of the polishing apparatus based on the measurement data of the physical quantity. In one aspect, the step of determining the operation abnormality of the polishing apparatus is a step of generating an alarm signal indicating the operation abnormality of the polishing apparatus when the measured value included in the measurement data of the physical quantity does not reach a target value. .
  • the step of determining an operation abnormality of the polishing apparatus generates an alarm signal indicating an operation abnormality of the polishing apparatus when the measurement data of the physical quantity deviates from the reference data exceeding a predetermined allowable range. It is a process to do.
  • the reference data is physical quantity measurement data obtained by another polishing apparatus.
  • the physical quantity is measured by the sensor when the polishing apparatus is started up and before the target wafer is polished. In one aspect, the physical quantity is measured by the sensor after polishing a plurality of target wafers. In one aspect, the sensor is a plurality of sensors. In one aspect, the plurality of sensors are configured to measure a plurality of physical quantities. In one aspect, the measurement wafer has a layer to be polished, and the bottom surface of the measurement wafer is formed from the layer to be polished. In one aspect, the method further includes forming a new layer to be polished on the measurement wafer after the thickness of the layer to be polished falls below a predetermined lower limit. In one aspect, the measurement wafer has a thickness of 2 mm or less. In one aspect, the measurement wafer has the same size and shape as the target wafer.
  • a measurement wafer for measuring a physical quantity in a polishing apparatus for polishing a target wafer comprising a polishing table and a polishing head, comprising: a substrate;
  • a measurement wafer is provided having a sensor configured to:
  • the senor is configured to measure at least one of temperature, pressure, force, acceleration, sound. In one aspect, the sensor is a plurality of sensors. In one aspect, the plurality of sensors are configured to measure a plurality of physical quantities. In one aspect, the measurement wafer further includes a layer to be polished, and the bottom surface of the measurement wafer is formed from the layer to be polished. In one aspect, the measurement wafer has a thickness of 2 mm or less. In one aspect, the measurement wafer has the same size and shape as the target wafer. In one aspect, the sensor includes a diaphragm having an exposed surface. In one aspect, the diaphragm is constructed from a portion of the base. In one aspect, the measurement wafer further comprises a protective film covering the sensors.
  • the sensors built into the measurement wafer can measure physical quantities (eg, temperature, pressure, etc.) on the surface of the measurement wafer.
  • This physical quantity substantially corresponds to the physical quantity on the surface of the target wafer (for example, a product wafer on which devices are formed) being polished by a polishing apparatus. Therefore, the operating state of the polishing apparatus can be accurately monitored based on the physical quantity measurement data obtained by the sensor.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of a polishing apparatus
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the polishing head shown in FIG. 1
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating one embodiment of a monitoring system including a measurement wafer
  • FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view showing part of a measurement wafer
  • FIG. 5A is a cross-sectional view showing an example of sensor placement
  • FIG. 5B is a cross-sectional view showing an example of sensor placement.
  • It is a schematic diagram which shows one Embodiment of the concrete structure of a sensor.
  • FIG. 8A is an enlarged cross-sectional view showing a configuration example of a diaphragm.
  • FIG. 8B is an enlarged cross-sectional view showing a configuration example of a diaphragm.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing another example of a more detailed configuration of the sensor;
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing another embodiment of a measurement wafer;
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing yet another embodiment of a measurement wafer;
  • 5 is a graph showing an example of temporal change in temperature measurement data acquired by a measurement wafer;
  • FIG. 7 is a graph showing another example of temporal change in temperature measurement data acquired by a measurement wafer;
  • FIG. It is a figure explaining one embodiment which measures a physical quantity using a plurality of measurement wafers.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing one embodiment of a polishing apparatus.
  • the polishing apparatus comprises a polishing table 5 supporting a polishing pad 2 having a polishing surface 2a, a polishing head 7 pressing a wafer W against the polishing surface 2a, and supplying a polishing liquid to the polishing surface 2a. and an operation control unit 47 for controlling the operation of the polishing apparatus.
  • the polishing head 7 is configured to hold the wafer W on its lower surface.
  • a wafer W is a target wafer to be polished. Wafers W are used in the manufacture of semiconductor devices. Although the wafer W is circular, in one embodiment the target wafer to be polished may have other shapes, such as a square wafer.
  • the polishing apparatus includes a support shaft 14, a polishing head swing arm 16 connected to the upper end of the support shaft 14 and swinging the polishing head 7, and a polishing head rotatably supported by the free end of the polishing head swing arm 16.
  • a head shaft 18 and a polishing head rotation motor 20 for rotating the polishing head 7 around its axis are further provided.
  • the polishing head rotating motor 20 is arranged in the polishing head swing arm 16 and connected to the polishing head shaft 18 via a torque transmission mechanism (not shown) composed of a belt, pulleys, and the like.
  • the polishing head 7 is connected to the lower end of the polishing head shaft 18 .
  • the polishing head rotation motor 20 rotates the polishing head shaft 18 via the torque transmission mechanism, and the polishing head 7 rotates together with the polishing head shaft 18 . In this manner, the polishing head 7 is rotated by the polishing head rotating motor 20 in the direction indicated by the arrow about its axis.
  • the polishing head shaft 18 can be moved up and down relative to the polishing head swing arm 16 by an elevating mechanism (not shown). 16 can move up and down.
  • the polishing apparatus further includes a table rotation motor 21 that rotates the polishing pad 2 and the polishing table 5 about their axes.
  • the polishing table 5 is connected to a table rotation motor 21 via a table shaft 5a.
  • the polishing table 5 and the polishing pad 2 are rotated by a table rotating motor 21 about a table shaft 5a in the direction indicated by the arrow.
  • the polishing pad 2 is attached to the upper surface of the polishing table 5 .
  • the upper surface of the polishing pad 2 constitutes a polishing surface 2a for polishing the wafer W. As shown in FIG.
  • the polishing of the wafer W is performed as follows. While rotating the polishing head 7 and the polishing table 5 , the polishing liquid is supplied onto the polishing surface 2 a of the polishing pad 2 from the polishing liquid supply nozzle 8 provided above the polishing table 5 .
  • the polishing liquid supplied to the polishing pad 2 include slurry containing abrasive grains.
  • the polishing pad 2 rotates integrally with the polishing table 5 about its axis.
  • the polishing head 7 is lowered to a predetermined polishing position by an elevating mechanism (not shown). Further, the polishing head 7 presses the wafer W against the polishing surface 2a of the polishing pad 2 at the polishing position.
  • the wafer W is brought into sliding contact with the polishing surface 2 a of the polishing pad 2 while the polishing liquid is present on the polishing surface 2 a of the polishing pad 2 .
  • the surface of the wafer W is polished by a combination of the chemical action of the polishing liquid and the mechanical action of the abrasive grains contained in the polishing liquid and/or the polishing pad 2 .
  • the polishing apparatus includes a dresser 50 for dressing the polishing surface 2a of the polishing pad 2, a dresser shaft 51 to which the dresser 50 is connected, an air cylinder 53 as a dresser pressing actuator provided at the upper end of the dresser shaft 51, and the dresser shaft. 51, a support shaft 58 to which the dresser swing arm 55 is fixed, and a dressing liquid supply nozzle 59 for supplying the dressing liquid to the polishing surface 2a of the polishing pad 2.
  • the lower surface of the dresser 50 constitutes a dressing surface 50a, and this dressing surface 50a is composed of abrasive grains (for example, diamond grains).
  • the air cylinder 53 is arranged on a support base 57 supported by columns 56 , and these columns 56 are fixed to the dresser swing arm 55 .
  • the air cylinder 53 is connected to the dresser 50 via the dresser shaft 51 .
  • the air cylinder 53 vertically moves the dresser shaft 51 and the dresser 50 integrally to press the dressing surface 50a of the dresser 50 against the polishing surface 2a of the polishing pad 2 with a predetermined force.
  • a combination of a servomotor and a ball screw mechanism may be used as the dresser pressing actuator.
  • the polishing apparatus further includes a dresser rotation motor 60 that rotates the dresser 50 about its axis.
  • the dresser rotating motor 60 is arranged in the dresser swing arm 55 and connected to the dresser shaft 51 via a torque transmission mechanism (not shown) composed of a belt, pulleys, and the like.
  • the dresser 50 is connected to the lower end of the dresser shaft 51 .
  • the dresser rotation motor 60 rotates the dresser shaft 51 via the torque transmission mechanism, and the dresser 50 rotates together with the dresser shaft 51 . In this manner, the dresser 50 is rotated about its axis in the direction indicated by the arrow by the dresser rotation motor 60 .
  • the polishing apparatus further includes a dresser swing motor 63 that swings the dresser 50 on the polishing surface 2a.
  • the dresser swing motor 63 is connected to the support shaft 58 .
  • the dresser swing arm 55 is configured so as to be able to rotate together with the support shaft 58 around the support shaft 58 .
  • the dresser swing motor 63 swings the dresser swing arm 55 clockwise and counterclockwise about the support shaft 58 by a predetermined angle, so that the dresser 50 moves the dressing surface 50 a of the polishing pad 2 to the polishing surface of the polishing pad 2 . While being pressed against 2a, it swings on the polishing pad 2 in the radial direction of the polishing pad 2.
  • the dresser swing arm 55 is fixed to the support shaft 58
  • the dresser swing motor 63 is connected to the support shaft 58 so as to rotate the support shaft 58 together with the dresser swing arm 55 .
  • the dresser swing motor 63 may be mounted on the upper end of the spindle 58 and arranged to swing the dresser swing arm 55 without rotating the spindle 58 .
  • the dressing of the polishing surface 2a of the polishing pad 2 is performed as follows. While the polishing table 5 and the polishing pad 2 are rotating, the dressing liquid is supplied onto the polishing surface 2a of the polishing pad 2 from the dressing liquid supply nozzle 59 .
  • An example of the dressing liquid is pure water.
  • the dresser 50 rotates around a dresser shaft 51 while the air cylinder 53 presses the dressing surface 50a of the dresser 50 against the polishing surface 2a.
  • the dresser 50 is brought into sliding contact with the polishing surface 2a while the dressing liquid is present on the polishing surface 2a.
  • the dresser swing motor 63 rotates the dresser swing arm 55 clockwise and counterclockwise about the support shaft 58 by a predetermined angle, thereby moves in the radial direction of the polishing pad 2 . In this manner, the polishing pad 2 is scraped off by the dresser 50, and the polishing surface 2a is dressed (regenerated).
  • the operation control unit 47 includes a storage device 47a in which programs are stored, and an arithmetic device 47b that executes calculations according to instructions included in the programs.
  • the operation control unit 47 is composed of at least one computer.
  • the storage device 47a includes a main storage device such as a random access memory (RAM) and an auxiliary storage device such as a hard disk drive (HDD) and solid state drive (SSD).
  • Examples of the arithmetic unit 47b include a CPU (central processing unit) and a GPU (graphic processing unit).
  • the specific configuration of the operation control unit 47 is not limited to this embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the polishing head 7 shown in FIG.
  • the polishing head 7 has a carrier 71 fixed to the polishing head shaft 18 and a retainer ring 72 arranged below the carrier 71 .
  • a flexible membrane (elastic film) 74 that contacts the wafer W is held under the carrier 71 .
  • Pressure chambers G 1 , G 2 , G 3 and G 4 are formed by membrane 74 and carrier 71 .
  • the central pressure chamber G1 is circular and the other pressure chambers G2, G3, G4 are annular. These pressure chambers G1, G2, G3 and G4 are arranged concentrically. In one embodiment, 5 or more pressure chambers may be provided, or 3 or less pressure chambers may be provided.
  • Compressed gas such as compressed air is supplied from a gas supply source 77 to the pressure chambers G1, G2, G3, and G4 via fluid paths F1, F2, F3, and F4, respectively.
  • the wafer W is pressed against the polishing surface 2 a of the polishing pad 2 by the membrane 74 . More specifically, the pressure of the compressed gas in the pressure chambers G1, G2, G3, G4 acts on the wafer W via the membrane 74 to press the wafer W against the polishing surface 2a.
  • the internal pressures of the pressure chambers G1, G2, G3, G4 can be varied independently, thereby changing the corresponding four regions of the wafer W: center, inner middle, outer middle, and The polishing pressure on the peripheral edge can be adjusted independently.
  • An annular rolling diaphragm 76 is arranged between the carrier 71 and the retainer ring 72, and a pressure chamber G5 is formed inside the rolling diaphragm 76.
  • the pressure chamber G5 communicates with the gas supply source 77 via a fluid path F5.
  • the gas supply source 77 supplies compressed gas into the pressure chamber G5, and the compressed gas in the pressure chamber G5 presses the retainer ring 72 against the polishing surface 2a of the polishing pad 2 via the rolling diaphragm .
  • a retainer ring 72 surrounds the peripheral edge of the wafer W and the lower surface of the membrane 74 (that is, the wafer pressing surface). During polishing of the wafer W, the retainer ring 72 presses against the polishing surface 2a of the polishing pad 2 outside the wafer W to prevent the wafer W from jumping out of the polishing head 7 during polishing.
  • the fluid paths F1, F2, F3, F4, F5 extend from the pressure chambers G1, G2, G3, G4, G5 to the gas supply source 77.
  • Pressure regulators R1, R2, R3, R4 and R5 are attached to fluid paths F1, F2, F3, F4 and F5, respectively.
  • Compressed gas from gas supply source 77 is supplied into pressure chambers G1-G5 through pressure regulators R1-R5 and fluid paths F1-F5.
  • the pressure regulators R1, R2, R3, R4, R5 are configured to control the pressure in the pressure chambers G1, G2, G3, G4, G5.
  • Pressure regulators R 1 , R 2 , R 3 , R 4 and R 5 are connected to operation control section 47 .
  • the operation control section 47 is configured to generate a target pressure value for each of the pressure chambers G1-G5.
  • the operation control unit 47 sends the target pressure values to the pressure regulators R1-R5, and the pressure regulators R1-R5 operate so that the pressures in the pressure chambers G1-G5 match the corresponding target pressure values.
  • the polishing head 7, which has a plurality of pressure chambers G1, G2, G3, G4, and G5, can independently press each area on the surface of the wafer W against the polishing pad 2 based on the progress of polishing, so that the film of the wafer W can be removed. It can be polished evenly.
  • a measurement wafer which will be described below, is used to measure physical quantities in the polishing apparatus configured as described above.
  • This measurement wafer is a sensor-equipped wafer capable of measuring a physical quantity substantially equivalent to the physical quantity on the surface of the wafer W being polished.
  • the measurement wafer is polished by the polishing apparatus shown in FIG. 1 in the same manner as the wafer W described above. That is, while the polishing head 7 and the polishing table 5 are being rotated, the polishing liquid is supplied onto the polishing surface 2a of the polishing pad 2 from the polishing liquid supply nozzle 8 provided above the polishing table 5 .
  • the polishing head 7 presses the measurement wafer against the polishing surface 2 a of the polishing pad 2 .
  • the measurement wafer is brought into sliding contact with the polishing surface 2 a of the polishing pad 2 while the polishing liquid is present on the polishing surface 2 a of the polishing pad 2 .
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing one embodiment of a monitoring system including measurement wafers.
  • the monitoring system includes a measurement wafer 100 for measuring physical quantities in the polishing apparatus, and a data analysis device 103 for analyzing measurement data of the physical quantities.
  • the measurement wafer 100 is depicted as a top view.
  • the measurement wafer 100 has a substrate 110 , a plurality of sensors 112 for measuring physical quantities (for example temperature), a memory 115 for storing measurement data of physical quantities, a data communication section 117 and a battery 118 .
  • the sensor 112, memory 115, data communication unit 117, and battery 118 are electrically connected by wiring (not shown).
  • the substrate 110 of this embodiment is circular and has the same size and diameter as the target wafer W shown in FIG.
  • the arrangement of each component of the measurement wafer 100 shown in FIG. 3 is an example, and the arrangement of these components is not limited to the example shown in FIG.
  • the data analysis device 103 may be connected to a plurality of polishing devices having the same configuration as the polishing device shown in FIG.
  • the measurement wafer 100 has the same shape and size as the target wafer (wafer W described above) to be polished. For example, if the target wafer is circular with a diameter of 200 mm or 300 mm, then the measurement wafer 100 is also circular with a diameter of 200 mm or 300 mm. As another example, if the target wafer is square, the measurement wafer 100 is also square of the same size.
  • the measurement wafer 100 has a thickness equal to or greater than that of the target wafer (wafer W described above) to be polished. This is to allow the measurement wafer 100 to measure physical quantities in the polishing apparatus under the same conditions as the target wafer to be polished. From this point of view, the measurement wafer 100 has a thickness of 2 mm or less. In the present specification, the word “same” does not necessarily mean exactly the same, but includes the range that can be considered the same for those skilled in the art.
  • a hard material (excluding metal) is used for the base 110 .
  • materials for substrate 110 include silicon, silicon carbide (SiC), ceramics, and the like.
  • a plurality of sensors 112 are arranged on the base 110 . More specifically, a plurality of sensors 112 are embedded within substrate 110 .
  • Examples of physical quantities measured by the sensor 112 include temperature, pressure, force, acceleration, and sound.
  • the multiple sensors 112 may include different types of sensors that measure different types of physical quantities, or may be multiple sensors of the same type that measure the same type of physical quantity.
  • sensors 112 may include a temperature sensor that measures temperature and a pressure sensor that measures pressure.
  • sensors 112 may include a temperature sensor to measure temperature, a pressure sensor to measure pressure, and an acceleration sensor to measure acceleration.
  • the plurality of sensors 112 may include only temperature sensors that measure temperature or pressure sensors that measure pressure.
  • the sensor 112 mounted on the measurement wafer 100 is a minute sensor, and its specific configuration is not limited unless otherwise specified.
  • the sensors 112 may be sensing devices fabricated in the measurement wafer 100 using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology.
  • the sensor 112 may be configured by manufacturing a sensing device in advance and then placing the sensing device on the measurement wafer 100 .
  • the multiple sensors 112 are distributed in the radial direction of the measurement wafer 100 .
  • the measurement wafer 100 may further comprise sensors 112 distributed around its circumference. Each sensor 112 operates by being powered by a battery 118 .
  • measurement wafer 100 may include only one sensor 112 .
  • the data communication unit 117 is configured to be connectable to the operation control unit 47 of the polishing apparatus through wireless communication and/or wired communication.
  • wireless communication include Radio-frequency identification (RFID), Bluetooth, infrared communication, and the like.
  • wired communication include cable communication and USB communication.
  • the sensor 112, memory 115, data communication unit 117, and battery 118 are electrically connected by wiring (not shown).
  • the physical quantity measurement data acquired by the sensor 112 is temporarily stored in the memory 115 .
  • the physical quantity measurement data stored in the memory 115 is transmitted by the data communication unit 117 to the operation control unit 47 of the polishing apparatus, which is an external device.
  • the operation control unit 47 is connected to the data analysis device 103 by wired communication or wireless communication.
  • the data analysis device 103 determines whether or not an abnormality has occurred in the operation of the polishing apparatus based on the measurement data of the physical quantity, and outputs an alarm signal when it is determined that an operation abnormality has occurred in the polishing apparatus. It is configured to generate an alarm signal and send the alarm signal to the operation control unit 47 . In one embodiment, the data analysis device 103 is configured to generate an alarm signal and send the alarm signal to the operation controller 47 when the measured value contained in the measurement data does not reach a predetermined target value. . In one embodiment, the data analysis device 103 compares the measured data to the reference data and generates and activates an alarm signal when the measured data deviates from the reference data by more than a predetermined tolerance. It is configured to send to the control unit 47 .
  • the data analysis device 103 includes a storage device 103a in which programs are stored, and an arithmetic device 103b that executes calculations according to instructions included in the programs.
  • the data analysis device 103 is composed of at least one computer.
  • the storage device 103a includes a main storage device such as a random access memory (RAM) and an auxiliary storage device such as a hard disk drive (HDD) and solid state drive (SSD).
  • Examples of the arithmetic unit 103b include a CPU (central processing unit) and a GPU (graphic processing unit).
  • the specific configuration of the data analysis device 103 is not limited to this embodiment.
  • the data analysis device 103 is composed of at least one computer.
  • the at least one computer may be a server or multiple servers.
  • the data analysis device 103 may be an edge server connected to the operation control unit 47 via wired or wireless communication, or a cloud server connected to the operation control unit 47 via a communication network such as the Internet or a local area network. It may be a fog server.
  • Data analysis device 103 may be located in a gateway, router, or the like.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing part of the measurement wafer 100.
  • the measurement wafer 100 includes a protective film 120 for protecting the sensor 112, memory 115, data communication section 117, and battery 118 from the polishing liquid.
  • a protective film 120 is disposed over the exposed surface of substrate 110 and forms the top surface of measurement wafer 100 .
  • a protective film 120 covers the substrate 110 , the sensor 112 , the memory 115 , the data communication section 117 and the battery 118 .
  • the protective film 120 is required to have electrical insulation, acid resistance, alkali resistance, and low water absorption.
  • the protective film 120 is required to not warp (stress) the substrate 110, contain no air bubbles, have a flat exposed surface, and be easily adhered to various interfaces.
  • An example of a material for the protective film 120 that meets these requirements is a UV-curable epoxy acrylate resin.
  • the bottom surface 100a of the measurement wafer 100 is the surface that is pressed against the polishing surface 2a of the polishing pad 2 by the polishing head 7 shown in FIG.
  • the bottom surface 100a of the measurement wafer 100 consists of the bottom surface of the substrate 110.
  • the entire sensor 112 is embedded in the substrate 110, and the front surface of the sensor 112 (the bottom surface of the sensor 112 in FIG. 4) extends from the bottom surface 100a of the measurement wafer 100 (that is, the bottom surface of the substrate 110). Exposed.
  • the overall thickness T of the measurement wafer 100 is 2 mm or less.
  • FIG. 5A and 5B are cross-sectional views showing examples of the arrangement of the sensors 112.
  • the bottom surface 100a of the measurement wafer 100 (that is, the bottom surface of the substrate 110) is formed with an opening 100b, and the sensor 112 is arranged in the opening 100b. This opening 100b is formed in the bottom surface of the substrate 110.
  • the front surface of the sensor 112 is positioned inside the bottom surface 100 a of the measurement wafer 100 .
  • the sensor 112 is the same as FIG. 5A in that the sensor 112 is positioned within the opening 100b, but the front surface of the sensor 112 is flush with the bottom surface 100a of the measurement wafer 100 (i.e., the bottom surface of the substrate 110). inside.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing an embodiment of a specific configuration of the sensor 112.
  • the sensor 112 includes a detection section 140, an integrated circuit section 150, and a circuit holding section 160.
  • the detection unit 140 includes components for measuring physical quantities, and has an exposed surface 140a that constitutes the front surface (lower surface in the example of FIG. 6) of the sensor 112 .
  • the integrated circuit section 150 has electronic circuits including temperature correction processing, control circuits, and the like.
  • the circuit holding portion 160 is a member that holds the integrated circuit portion 150 . Wiring (not shown) for sending measurement data is electrically connected to the integrated circuit section 150 through the circuit holding section 160 .
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of a more detailed configuration of the sensor 112.
  • FIG. Sensor 112 shown in FIG. 7 is an example of a pressure sensor built directly into substrate 110 .
  • the detection unit 140 of the sensor 112 includes a diaphragm 141 having an exposed surface 140a forming the front surface (lower surface in the example of FIG. 7) of the sensor 112, and piezoelectric elements and electrodes arranged on the diaphragm 141. and a space 143 formed above the diaphragm 141 .
  • An elastic body for example, silicone rubber
  • the diaphragm 141 may consist of a portion of the base 110, as shown in FIG. 8A.
  • a corner reinforcing portion 144 having a triangular cross section may be provided at the end of the diaphragm 141 .
  • the diaphragm 141 may be multiple diaphragms 141A and 141B connected by a physical quantity transmission member 145.
  • At least one of the plurality of diaphragms 141A, 141B may be constructed from a portion of the base 110. As shown in FIG. In the example shown in FIG.
  • the lower diaphragm 141A is made up of part of the base 110.
  • All of the diaphragms 141A and 141B may be part of the base 110 .
  • the physical quantity transmission member 145 is made of resin such as silicone rubber, epoxy resin, UV curable resin, or silicone film.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing another example of a more detailed configuration of the sensor 112.
  • FIG. The sensor 112 shown in FIG. 9 has a configuration in which a pre-manufactured pressure sensor is installed within the base 110 .
  • the diaphragm 141 of the detection section 140 is composed of a plurality of diaphragms 141A and 141B connected by a physical quantity transmission member 145.
  • the lower diaphragm 141A of the plurality of diaphragms 141A and 141B is made up of part of the base 110.
  • a physical quantity transmission member 145 is arranged between the upper diaphragm 141B and the lower diaphragm 141A, and a space 143 is formed between the upper diaphragm 141B and the integrated circuit section 150.
  • sensing portion 140 may comprise a single diaphragm.
  • An elastic body (for example, silicone rubber) may be arranged between the integrated circuit section 150 and the circuit holding section 160 .
  • sensor 112 may be installed within base 110 in a variety of ways.
  • the specific configuration of the sensor 112 is not particularly limited as long as the intended physical quantity can be measured.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing another embodiment of the measurement wafer 100.
  • FIG. Configurations that are not particularly described are the same as those of the embodiment described with reference to FIGS. 4 and 5, so duplicate descriptions thereof will be omitted.
  • measurement wafer 100 has a layer to be polished 125 covering the bottom surface of substrate 110 .
  • This layer 125 to be polished forms the bottom surface 100 a of the measurement wafer 100 . Therefore, when the measurement wafer 100 is being polished by the polishing apparatus shown in FIG. 1, the polishing target layer 125 is pressed against the polishing surface 2a of the polishing pad 2 by the polishing head 7 shown in FIG.
  • the measurement wafer 100 can be polished under the same polishing conditions as the target wafer (wafer W described above), while the physical quantity in the polishing apparatus can be measured by the sensor 112.
  • the material of the layer to be polished 125 may be the same as the material forming the surface to be polished of the target wafer (wafer W described above).
  • materials for the layer to be polished 125 include metals and insulating materials.
  • the metal is copper, aluminum, tungsten, cobalt, or ruthenium, and the insulating material is SiO 2 or TEOS.
  • the polishing target layer 125 is gradually polished by the polishing device during the measurement of the physical quantity. Therefore, a new layer to be polished is formed on the measurement wafer 100 after the thickness of the layer to be polished 125 has fallen below the predetermined lower limit.
  • the exposed surface (bottom surface) of the layer to be polished 125 may have markers such as grooves. When the marker disappears, it can be determined that the thickness of the layer to be polished 125 has fallen below the predetermined lower limit.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing another embodiment of the measurement wafer 100. As shown in FIG. Configurations that are not particularly described are the same as those of the embodiment described with reference to FIGS. 4 to 10, and redundant description thereof will be omitted.
  • the measurement wafer 100 further has a low thermal conductivity layer 130 with a lower thermal conductivity than the substrate 110 .
  • the low thermal conductivity layer 130 has a through hole 130a having the same size and shape as the horizontal cross section of the sensor 112, and the sensor 112 is arranged through the through hole 130a.
  • the front surface of sensor 112 (the bottom surface of sensor 112 in FIG. 11) is exposed from low thermal conductivity layer 130 .
  • the material of the low thermal conductivity layer 130 is not particularly limited as long as it has a thermal conductivity lower than that of the substrate 110, but silicon dioxide (SiO 2 ) is used, for example.
  • the thickness of the low thermal conductivity layer 130 is, for example, in the range of several nanometers to several tens of micrometers.
  • FIG. 11 is advantageous when a temperature sensor is used as sensor 112 . That is, heat generated at the bottom surface 100 a of the measurement wafer 100 and/or the polishing pad 2 is transmitted to the sensor 112 without diffusing into the substrate 110 . As a result, the sensor 112 can accurately measure the temperature of the bottom surface 100a of the measurement wafer 100.
  • FIG. 11 is advantageous when a temperature sensor is used as sensor 112 . That is, heat generated at the bottom surface 100 a of the measurement wafer 100 and/or the polishing pad 2 is transmitted to the sensor 112 without diffusing into the substrate 110 . As a result, the sensor 112 can accurately measure the temperature of the bottom surface 100a of the measurement wafer 100.
  • the measurement wafer 100 can be used for operation monitoring of the polishing apparatus. That is, the data analysis device 103 shown in FIG. 3 analyzes the measurement data of the physical quantities in the polishing apparatus (for example, temperature, pressure, etc. on the surface of the measurement wafer 100) acquired by the measurement wafer 100, and based on the analysis result, is used to determine whether or not an operational abnormality has occurred in the polishing apparatus. There are various examples of the timing of operation monitoring. For example, a wafer transport container containing at least one measurement wafer 100 is included in a plurality of wafer transport containers (for example, FOUPs) flowing in a mass production system, and a measurement wafer 100 is included in a normal wafer polishing process.
  • a wafer transport container containing at least one measurement wafer 100 is included in a plurality of wafer transport containers (for example, FOUPs) flowing in a mass production system, and a measurement wafer 100 is included in a normal wafer polishing process.
  • Measurements of physical quantities may be made at 100 .
  • a wafer transport container containing at least one measurement wafer 100 is periodically flowed through the polishing apparatus so that the operation of the polishing apparatus can be monitored periodically.
  • the timing at which the wafer transfer container (for example, FOUP) containing the measurement wafer 100 is transferred to the polishing apparatus can be determined arbitrarily.
  • An embodiment for determining the operating state of the polishing apparatus based on the analysis results of the measurement data will be described below, but the use of the measurement data is not limited to the following embodiments.
  • the physical quantity of the measurement wafer 100 is measured by the sensor 112 while supplying the polishing liquid onto the polishing pad 2 and pressing the measurement wafer 100 against the polishing pad 2 with the polishing head 7 .
  • the measurement wafer 100 is rotated by the polishing head 7 in the same way as the target wafer. In one embodiment, the measurement wafer 100 may not be rotated by the polishing head 7 during the physical quantity measurement.
  • the temperature of the measurement wafer 100 is measured by the sensor 112 while the polishing liquid is supplied onto the polishing pad 2 and the measurement wafer 100 is pressed against the polishing pad 2 by the polishing head 7, and the temperature measurement data is is sent to the operation control unit 47 .
  • the data analysis device 103 acquires temperature measurement data from the operation control unit 47 and analyzes temperature changes over time. Then, as shown in FIG. 12, when the temperature does not reach the predetermined target value, the data analysis device 103 determines that the polishing apparatus has an operational abnormality.
  • the reasons why the temperature does not reach the predetermined target value are that the flow rate of the polishing liquid is high, the pressing force of the polishing head 7 is low, the polishing liquid supply position of the polishing liquid supply nozzle 8 is not appropriate, and the polishing pad 2 It is thought that the dressing of the body is not appropriate.
  • the measurement wafer 100 while supplying polishing liquid onto the polishing pad 2 and pressing the measurement wafer 100 against the polishing pad 2 with the polishing head 7, the measurement wafer 100 measures the pressure by the sensor 112, and the pressure measurement data is is sent to the operation control unit 47 .
  • the data analysis device 103 acquires pressure measurement data from the operation control unit 47 and analyzes pressure changes over time. Then, when the pressure does not reach the predetermined target value, the data analysis device 103 determines that the polishing device has an operational abnormality. Possible reasons why the pressure does not reach the predetermined target value include malfunction of the pressure regulator (see FIG. 2), leakage of compressed gas, and the like.
  • the data analysis device 103 uses measurement data sent from another polishing device (see FIG. 3) connected to the data analysis device 103 as reference data, and operates as shown in FIG. When the measurement data obtained from the control unit 47 deviates from the reference data exceeding the allowable range, the data analysis device 103 determines that the polishing apparatus has an operational abnormality.
  • the reference data may be preset target data.
  • the user can check the operation of the polishing device.
  • operation check items include the rotation speed of the polishing table 5, the rotation speed of the polishing head 7, the supply position of the polishing liquid, the flow rate of the polishing liquid, and the pressing force of the polishing head 7 (the pressure inside the pressure chambers G1 to G5). , the rotational speed of the dresser 50, the pressing force of the dresser 50, the moving speed of the dresser 50 on the polishing pad 2, and the like.
  • the polishing device may be calibrated. For example, when a plurality of measurement wafers are polished under the same process conditions by a plurality of polishing apparatuses having the same configuration, the pressure measurement data obtained by the measurement wafer 100 in the polishing apparatus shown in FIG. If the pressure measurement data obtained by the apparatus deviates beyond the allowable range, the pressure regulators R1 to R5 (see FIG. 2) are calibrated so that the pressure measured by the measurement wafer 100 becomes the same. may
  • sensor 112 of measurement wafer 100 may be an acceleration sensor that measures acceleration.
  • sensor 112 is a three-axis acceleration sensor capable of measuring acceleration in three dimensions.
  • Such sensors 112 can measure the behavior of the measurement wafer 100 as it is being polished by the polishing apparatus. More specifically, the sensors 112 measure the acceleration along the bottom surface of the measurement wafer 100 within the retainer ring 72 (see FIG. 2) of the polishing head 7 and the acceleration perpendicular to the bottom surface of the measurement wafer 100. can do.
  • the data analysis device 103 can identify the velocity and position of the measurement wafer 100 by integrating the acceleration over time, and clarify the behavior of the measurement wafer 100 within the retainer ring 72 . Based on such analysis results, optimization of process conditions (for example, rotation speed of the polishing head 7, rotation speed of the polishing table 5, etc.) for stabilizing the behavior of the wafer within the retainer ring 72, and consumption Optimization of members (material of retainer ring 72, inner diameter of retainer ring 72, material of membrane 74, surface roughness of membrane 74, etc.) can be achieved.
  • process conditions for example, rotation speed of the polishing head 7, rotation speed of the polishing table 5, etc.
  • optimization of members material of retainer ring 72, inner diameter of retainer ring 72, material of membrane 74, surface roughness of membrane 74, etc.
  • a plurality of measurement wafers 100 may be used to measure physical quantities.
  • a wafer carrier 140 such as a FOUP accommodates a first measurement wafer 100A, a plurality of target wafers W, and a second measurement wafer 100B, and the wafer carrier 140 is shown in FIG.
  • the first measurement wafer 100A, the plurality of target wafers W, and the second measurement wafer 100B are polished in this order.
  • the sensor 112 of the first measurement wafer 100A measures the physical quantity inside the polishing apparatus when the polishing apparatus is started up and before polishing the plurality of target wafers W.
  • the second measurement wafer 100B measures physical quantities in the polishing apparatus after the plurality of target wafers W are polished.
  • the first measurement wafer 100A is configured to measure a plurality of types of physical quantities (for example, pressure, temperature, acceleration, etc.) with a plurality of sensors 112, based on the measurement data of these plurality of types of physical quantities, , it becomes easier to identify the cause when the operating state of the polishing apparatus is unstable when it is started up.
  • a plurality of types of physical quantities for example, pressure, temperature, acceleration, etc.
  • the battery 118 (see FIG. 3) of each measurement wafer 100 may be configured to charge when the first measurement wafer 100A and the second measurement wafer 100B are accommodated in the wafer transport container 140. good.
  • the method of charging the battery 118 may be either contact charging or non-contact charging.
  • the measurement data stored in the memory 115 (see FIG. 3) of each measurement wafer 100A, 100B are converted into data. It may be transmitted by the communication unit 117 to an external device (for example, the operation control unit 47 of the polishing apparatus shown in FIG. 3).
  • the present invention can be used to manage a polishing apparatus for polishing wafers, and in particular to a technique for measuring physical quantities on the surface of a wafer being polished by a polishing apparatus.
  • polishing pad 5 polishing table 5a table shaft 7 polishing head 8 polishing liquid supply nozzle 14 support shaft 16 polishing head swing arm 18 polishing head shaft 20 polishing head rotation motor 21 table rotation motor 47 operation control unit 50 dresser 50a dressing surface 51 dresser Shaft 53 Air cylinder 55 Dresser swing arm 56 Support 57 Support base 58 Support shaft 59 Dressing liquid supply nozzle 60 Dresser rotation motor 63 Dresser swing motor 71 Carrier 72 Retainer ring 74 Membrane (elastic film) 76 rolling diaphragm 77 gas supply source 100 measurement wafer 103 data analysis device 110 substrate 112 sensor 115 memory 117 data communication unit 118 battery 120 protective film 125 layer to be polished 130 low thermal conductivity layer W wafers G1, G2, G3, G4, G5 pressure chamber F1, F2, F3, F4, F5 Fluid paths R1, R2, R3, R4, R5 Pressure regulator

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Abstract

本発明は、ウェーハを研磨するための研磨装置の管理に関し、特に研磨装置によって研磨されているウェーハの表面上の物理量を測定する技術に関する。研磨装置は、研磨テーブル（５）および研磨ヘッド（７）を含む。研磨装置内の物理量を測定する本方法は、センサ（１１２）を備えた測定ウェーハ（１００）を、研磨テーブル（５）上の研磨パッド（２）に研磨ヘッド（７）により押し付け、センサ（１１２）により物理量を測定する。

Description

センサを備えた測定ウェーハ、およびその使用方法
　本発明は、ウェーハを研磨するための研磨装置の管理に関し、特に研磨装置によって研磨されているウェーハの表面上の物理量を測定する技術に関する。
　化学機械研磨装置（ＣＭＰ装置）は、ウェーハの表面を研磨するために使用される。この化学機械研磨装置（以下単に研磨装置という）は、研磨テーブルおよび研磨ヘッドを回転させながら、研磨テーブル上の研磨パッドに研磨液（典型的にはスラリー）を供給し、さらに研磨ヘッドによりウェーハを研磨パッドの研磨面に対して押し付けるように構成されている。ウェーハは、研磨液の存在下で研磨パッドの研磨面に摺接される。ウェーハの表面は、研磨液の化学的作用と、研磨液に含まれる砥粒および／または研磨パッドの機械的作用により平坦化される。
　ウェーハの研磨レート（除去レートともいう）は、研磨装置の運転条件に依存して変わりうる。例えば、ウェーハを研磨するための研磨条件や、研磨パッドの研磨面を再生するためのドレッシング条件は、ウェーハの研磨レートに大きく影響する。研磨条件の例としては、研磨ヘッドおよび研磨テーブルの回転速度、研磨ヘッドがウェーハを研磨パッドに押し付ける力、研磨液の流量および供給位置などが挙げられる。ドレッシング条件の例としては、ドレッサの回転速度、ドレッサが研磨パッドを押し付ける力、ドレッサが研磨パッド上を移動する速度などが挙げられる。
　これらの研磨条件およびドレッシング条件を最適化するためには、研磨中のウェーハの表面状態を監視することが重要である。そこで、従来から、研磨テーブルまたは研磨パッドに埋設されたセンサにより研磨中のウェーハの表面状態を監視する技術が提案されている。
米国特許出願公開第２０１７－０１３３２５２号明細書
　しかしながら、研磨テーブルまたは研磨パッドに埋設されたセンサは、ウェーハの表面を直接的に感知することはできない。さらに、センサとウェーハ表面との間には、研磨液が存在し、さらにはウェーハ研磨中にウェーハとセンサの相対位置は常に変化している。このため、従来の技術では、ウェーハの表面状態を正しく監視することが難しかった。
　そこで、本発明は、研磨中のウェーハの表面上の物理量と実質的に等価の物理量を測定することができる技術を提供する。
　一態様では、研磨テーブルおよび研磨ヘッドを含み、ターゲットウェーハを研磨するための研磨装置内の物理量を測定する方法であって、センサを備えた測定ウェーハを、前記研磨テーブル上の研磨パッドに前記研磨ヘッドにより押し付け、前記センサにより物理量を測定する、方法が提供される。
　一態様では、前記物理量は、温度、圧力、力、加速度、音響のうちの少なくとも１つである。
　一態様では、前記研磨パッド上に研磨液を供給しながら、かつ前記測定ウェーハを、回転する前記研磨テーブル上の前記研磨パッドに前記研磨ヘッドにより押し付けながら、前記センサにより前記物理量を測定する。
　一態様では、前記物理量の測定データに基づいて、前記研磨装置の運転異常を判定する工程をさらに含む。
　一態様では、前記研磨装置の運転異常を判定する工程は、前記物理量の測定データに含まれる測定値が目標値に到達しないときに前記研磨装置の運転異常を示す警報信号を生成する工程である。
　一態様では、前記研磨装置の運転異常を判定する工程は、前記物理量の測定データが基準データから所定の許容範囲を超えて乖離しているときに前記研磨装置の運転異常を示す警報信号を生成する工程である。
　一態様では、前記基準データは、他の研磨装置で得られた物理量の測定データである。
　一態様では、前記研磨装置の立ち上げ時であって、かつターゲットウェーハを研磨する前に、前記センサにより前記物理量を測定する。
　一態様では、複数のターゲットウェーハを研磨した後に、前記センサにより前記物理量を測定する。
　一態様では、前記センサは、複数のセンサである。
　一態様では、前記複数のセンサは、複数種の物理量を測定するように構成されている。
　一態様では、前記測定ウェーハは研磨対象層を有しており、前記測定ウェーハの底面は前記研磨対象層から形成されている。
　一態様では、前記方法は、前記研磨対象層の厚さが所定の下限値を下回った後、新たな研磨対象層を前記測定ウェーハ上に形成する工程をさらに含む。
　一態様では、前記測定ウェーハは、２ｍｍ以下の厚さを有する。
　一態様では、前記測定ウェーハは、前記ターゲットウェーハと同じ大きさおよび同じ形状を有する。
　一態様では、研磨テーブルおよび研磨ヘッドを含み、ターゲットウェーハを研磨するための研磨装置内の物理量を測定するための測定ウェーハであって、基盤と、前記基盤に設置され、前記物理量を測定するように構成されたセンサを備えている、測定ウェーハが提供される。
　一態様では、前記センサは、温度、圧力、力、加速度、音響のうちの少なくとも１つを測定するように構成されている。
　一態様では、前記センサは、複数のセンサである。
　一態様では、前記複数のセンサは、複数種の物理量を測定するように構成されている。
　一態様では、前記測定ウェーハは研磨対象層をさらに備えており、前記測定ウェーハの底面は前記研磨対象層から形成されている。
　一態様では、前記測定ウェーハは、２ｍｍ以下の厚さを有する。
　一態様では、前記測定ウェーハは、前記ターゲットウェーハと同じ大きさおよび同じ形状を有する。
　一態様では、前記センサは、露出面を有するダイヤフラムを含む。
　一態様では、前記ダイヤフラムは、前記基盤の一部から構成されている。
　一態様では、前記測定ウェーハは、前記センサを覆う保護膜をさらに備えている。
　本発明によれば、研磨ヘッドにより測定ウェーハを研磨パッドに押し付けながら、測定ウェーハに内蔵されたセンサは測定ウェーハの表面上の物理量（例えば温度、圧力など）を測定することができる。この物理量は、ターゲットウェーハ（例えばデバイスが形成されている製品ウェーハ）を研磨装置で研磨しているときのターゲットウェーハの表面上の物理量に実質的に相当する。したがって、センサによって得られた物理量の測定データに基づいて、研磨装置の運転状態を正確に監視することができる。
研磨装置の一実施形態を示す模式図である。 図１に示す研磨ヘッドの断面図である。 測定ウェーハを含む監視システムの一実施形態を示す模式図である。 測定ウェーハの一部を示す断面図である。 図５Ａは、センサの配置の例を示す断面図である。 図５Ｂは、センサの配置の例を示す断面図である。 センサの具体的構成の一実施形態を示す模式図である。 センサのより詳細な構成の一例を示す模式図である。 図８Ａは、ダイヤフラムの構成例を示す拡大断面図である。 図８Ｂは、ダイヤフラムの構成例を示す拡大断面図である。 センサのより詳細な構成の他の例を示す模式図である。 測定ウェーハの他の実施形態を示す断面図である。 測定ウェーハのさらに他の実施形態を示す断面図である。 測定ウェーハによって取得された温度の測定データの時間変化の一例を示すグラフである。 測定ウェーハによって取得された温度の測定データの時間変化の他の例を示すグラフである。 複数の測定ウェーハを用いて物理量を測定する一実施形態を説明する図である。
　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、ウェーハ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４７を備えている。研磨ヘッド７は、その下面にウェーハＷを保持できるように構成されている。ウェーハＷは、研磨対象であるターゲットウェーハである。ウェーハＷは半導体デバイスの製造に使用される。ウェーハＷは円形であるが、一実施形態では、研磨対象であるターゲットウェーハは角型ウェーハなどの他の形状を有してもよい。
　研磨装置は、支軸１４と、支軸１４の上端に連結され、研磨ヘッド７を揺動させる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研磨ヘッド回転モータ２０をさらに備えている。研磨ヘッド回転モータ２０は、研磨ヘッド揺動アーム１６内に配置されており、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の下端に連結されている。研磨ヘッド回転モータ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研磨ヘッド回転モータ２０により回転される。
　研磨ヘッドシャフト１８は、昇降機構（図示せず）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に対して相対的に上下動可能となっている。
　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テーブル回転モータ２１をさらに備えている。研磨テーブル５は、テーブル軸５ａを介してテーブル回転モータ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、テーブル回転モータ２１によりテーブル軸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は、研磨テーブル５の上面に貼り付けられている。研磨パッド２の上面はウェーハＷを研磨する研磨面２ａを構成している。
　ウェーハＷの研磨は次のようにして行われる。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から研磨液を研磨パッド２の研磨面２ａ上に供給する。研磨パッド２に供給される研磨液の例としては、砥粒を含むスラリーが挙げられる。研磨パッド２はその軸心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（図示せず）により所定の研磨位置まで下降される。さらに、研磨ヘッド７は上記研磨位置でウェーハＷを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付ける。研磨液が研磨パッド２の研磨面２ａ上に存在した状態で、ウェーハＷは研磨パッド２の研磨面２ａに摺接される。ウェーハ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および／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、研磨パッド２の研磨面２ａをドレッシングするドレッサ５０と、ドレッサ５０が連結されるドレッサシャフト５１と、ドレッサシャフト５１の上端に設けられたドレッサ押圧アクチュエータとしてのエアシリンダ５３と、ドレッサシャフト５１を回転可能に支持するドレッサ揺動アーム５５と、ドレッサ揺動アーム５５が固定された支軸５８と、研磨パッド２の研磨面２ａにドレッシング液を供給するドレッシング液供給ノズル５９をさらに備えている。
　ドレッサ５０の下面はドレッシング面５０ａを構成し、このドレッシング面５０ａは砥粒（例えば、ダイヤモンド粒子）から構成されている。エアシリンダ５３は、支柱５６により支持された支持台５７上に配置されており、これらの支柱５６はドレッサ揺動アーム５５に固定されている。エアシリンダ５３は、ドレッサシャフト５１を介してドレッサ５０に連結されている。エアシリンダ５３は、ドレッサシャフト５１およびドレッサ５０を一体に上下動させ、ドレッサ５０のドレッシング面５０ａを所定の力で研磨パッド２の研磨面２ａに押し付けるように構成されている。エアシリンダ５３に代えて、サーボモータおよびボールねじ機構との組み合わせをドレッサ押圧アクチュエータに用いてもよい。
　研磨装置は、ドレッサ５０をその軸心を中心に回転させるドレッサ回転モータ６０をさらに備えている。このドレッサ回転モータ６０は、ドレッサ揺動アーム５５内に配置されており、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）を介してドレッサシャフト５１に連結されている。ドレッサ５０はドレッサシャフト５１の下端に連結されている。ドレッサ回転モータ６０は、上記トルク伝達機構を介してドレッサシャフト５１を回転させ、ドレッサ５０はドレッサシャフト５１とともに回転する。このようにして、ドレッサ５０はその軸心を中心に矢印で示す方向にドレッサ回転モータ６０により回転される。
　研磨装置は、ドレッサ５０を研磨面２ａ上で揺動させるドレッサ揺動モータ６３をさらに備えている。このドレッサ揺動モータ６３は支軸５８に連結されている。ドレッサ揺動アーム５５は支軸５８を中心として支軸５８とともに旋回可能に構成されている。ドレッサ揺動モータ６３は、ドレッサ揺動アーム５５を支軸５８を中心に時計回りおよび反時計回りに所定の角度だけ旋回させることにより、ドレッサ５０は、そのドレッシング面５０ａを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付けながら、研磨パッド２上で研磨パッド２の半径方向に揺動する。
　本実施形態では、ドレッサ揺動アーム５５は支軸５８に固定され、ドレッサ揺動モータ６３は、支軸５８をドレッサ揺動アーム５５とともに回転させるように支軸５８に連結されている。一実施形態では、ドレッサ揺動モータ６３は支軸５８の上端に設置され、支軸５８を回転させずにドレッサ揺動アーム５５を旋回させるように配置されてもよい。
　研磨パッド２の研磨面２ａのドレッシングは次のようにして行われる。研磨テーブル５および研磨パッド２が回転しながら、ドレッシング液供給ノズル５９からドレッシング液が研磨パッド２の研磨面２ａ上に供給される。ドレッシング液の例としては、純水が挙げられる。ドレッサ５０は、ドレッサシャフト５１を中心に回転しながら、ドレッサ５０のドレッシング面５０ａはエアシリンダ５３により研磨面２ａに押し付けられる。研磨面２ａ上にドレッシング液が存在した状態で、ドレッサ５０は研磨面２ａに摺接される。ドレッサ５０が研磨面２ａに摺接されている間、ドレッサ揺動モータ６３は、ドレッサ揺動アーム５５を支軸５８を中心に時計回りおよび反時計回りに所定の角度だけ旋回させて、ドレッサ５０を研磨パッド２の半径方向に移動させる。このようにして、ドレッサ５０により研磨パッド２が削り取られ、研磨面２ａがドレッシング（再生）される。
　動作制御部４７は、プログラムが格納された記憶装置４７ａ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４７ｂを備えている。動作制御部４７は、少なくとも１台のコンピュータから構成される。記憶装置４７ａは、ランダムアクセスメモリ（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４７ｂ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４７の具体的構成は本実施形態に限定されない。
　図２は、図１に示す研磨ヘッド７の断面図である。研磨ヘッド７は、研磨ヘッドシャフト１８に固定されたキャリア７１と、キャリア７１の下方に配置されたリテーナリング７２とを備えている。キャリア７１の下部には、ウェーハＷに当接する柔軟なメンブレン（弾性膜）７４が保持されている。メンブレン７４とキャリア７１との間には、４つの圧力室Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４が形成されている。圧力室Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４はメンブレン７４とキャリア７１とによって形成されている。中央の圧力室Ｇ１は円形であり、他の圧力室Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４は環状である。これらの圧力室Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４は、同心上に配列されている。一実施形態では、５つ以上の圧力室が設けられてもよく、あるいは、３つ以下の圧力室が設けられてもよい。
　圧力室Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４にはそれぞれ流体路Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４を介して気体供給源７７から圧縮空気等の圧縮気体が供給されるようになっている。ウェーハＷは、メンブレン７４によって研磨パッド２の研磨面２ａに押し付けられる。より具体的には、圧力室Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４内の圧縮気体の圧力は、メンブレン７４を介してウェーハＷに作用し、ウェーハＷを研磨面２ａに対して押し付ける。圧力室Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の内部圧力は独立して変化させることが可能であり、これにより、ウェーハＷの対応する４つの領域、すなわち、中央部、内側中間部、外側中間部、および周縁部に対する研磨圧力を独立に調整することができる。
　キャリア７１とリテーナリング７２との間には、環状のローリングダイヤフラム７６が配置されおり、このローリングダイヤフラム７６の内部には圧力室Ｇ５が形成されている。圧力室Ｇ５は、流体路Ｆ５を介して上記気体供給源７７に連通している。気体供給源７７は圧縮気体を圧力室Ｇ５内に供給し、圧力室Ｇ５内の圧縮気体はローリングダイヤフラム７６を介してリテーナリング７２を研磨パッド２の研磨面２ａに対して押圧する。
　ウェーハＷの周端部およびメンブレン７４の下面（すなわちウェーハ押圧面）はリテーナリング７２に囲まれている。ウェーハＷの研磨中、リテーナリング７２は、ウェーハＷの外側で研磨パッド２の研磨面２ａを押し付け、研磨中にウェーハＷが研磨ヘッド７から飛び出すことを防止している。
　流体路Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５は、圧力室Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５から気体供給源７７に延びている。流体路Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５には、圧力レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５がそれぞれ取り付けられている。気体供給源７７からの圧縮気体は、圧力レギュレータＲ１～Ｒ５および流体路Ｆ１～Ｆ５を通って圧力室Ｇ１～Ｇ５内に供給される。
　圧力レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５は、圧力室Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５内の圧力を制御するように構成されている。圧力レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５は動作制御部４７に接続されている。動作制御部４７は、各圧力室Ｇ１～Ｇ５の目標圧力値を生成するように構成されている。動作制御部４７は目標圧力値を上記圧力レギュレータＲ１～Ｒ５に送り、圧力室Ｇ１～Ｇ５内の圧力が対応する目標圧力値に一致するように圧力レギュレータＲ１～Ｒ５が作動する。複数の圧力室Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５を持つ研磨ヘッド７は、研磨の進捗に基づいてウェーハＷの表面上の各領域を独立に研磨パッド２に押圧できるので、ウェーハＷの膜を均一に研磨することができる。
　上述のように構成された研磨装置内の物理量を測定するために、以下に説明する測定ウェーハが使用される。この測定ウェーハは、研磨中のウェーハＷの表面上の物理量と実質的に等価の物理量を測定することができるセンサ搭載ウェーハである。測定ウェーハは、上記ウェーハＷと同じようにして、図１に示す研磨装置によって研磨される。すなわち、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から研磨液を研磨パッド２の研磨面２ａ上に供給する。研磨ヘッド７は測定ウェーハを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付ける。研磨液が研磨パッド２の研磨面２ａ上に存在した状態で、測定ウェーハは研磨パッド２の研磨面２ａに摺接される。
　図３は、測定ウェーハを含む監視システムの一実施形態を示す模式図である。監視システムは、研磨装置内の物理量を測定する測定ウェーハ１００と、物理量の測定データを解析するデータ解析装置１０３を備えている。図３において、測定ウェーハ１００は上面図として描かれている。測定ウェーハ１００は、基盤１１０と、物理量（例えば温度）を測定する複数のセンサ１１２と、物理量の測定データを記憶するメモリ１１５と、データ通信部１１７と、バッテリー１１８を有している。センサ１１２、メモリ１１５、データ通信部１１７、およびバッテリー１１８は、図示しない配線により電気的に接続されている。
　本実施形態の基盤１１０は、円形であり、図１に示すターゲットウェーハＷと同じ大きさおよび同じ直径を有している。図３に示す測定ウェーハ１００の各構成要素の配置は一例であり、これら構成要素の配置は図３に示す例に限定されない。図３に示す例のように、データ解析装置１０３は、図１に示す研磨装置と同様の構成を持つ複数の研磨装置に接続されてもよい。
　測定ウェーハ１００は、研磨対象であるターゲットウェーハ（上記ウェーハＷ）と同じ形状および同じ大きさを有する。例えば、ターゲットウェーハが直径２００ｍｍまたは３００ｍｍの円形であれば、測定ウェーハ１００も直径２００ｍｍまたは３００ｍｍの円形である。他の例では、ターゲットウェーハが四角形であれば、測定ウェーハ１００も同じ大きさの四角形である。測定ウェーハ１００は、研磨対象であるターゲットウェーハ（上記ウェーハＷ）と同じ厚さか、またはそれよりも大きい厚さを有する。これは、研磨対象であるターゲットウェーハと同じ条件下で、測定ウェーハ１００が研磨装置内の物理量を測定することを可能とするためである。この観点から、測定ウェーハ１００は、２ｍｍ以下の厚さを有する。本明細書において、「同じ」との文言は、厳密に同じであることを必ずしも意味しなく、当業者にとって同じとみなすことができる範囲を含む。
　基盤１１０には硬質の材料（金属は除く）が用いられる。基盤１１０の材料の例としては、シリコン、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、セラミックなどが挙げられる。複数のセンサ１１２は基盤１１０上に配置されている。より具体的には、複数のセンサ１１２は基盤１１０内に埋設されている。
　センサ１１２によって測定される物理量の例としては、温度、圧力、力、加速度、音響が挙げられる。複数のセンサ１１２は、異なるタイプの物理量を測定する異なるタイプのセンサを含んでもよく、あるいは同じタイプの物理量を測定する同じタイプの複数のセンサであってもよい。例えば、複数のセンサ１１２は、温度を測定する温度センサと、圧力を測定する圧力センサを含んでもよい。別の例では、複数のセンサ１１２は、温度を測定する温度センサと、圧力を測定する圧力センサと、加速度を測定する加速度センサを含んでもよい。さらに別の例では、複数のセンサ１１２は、温度を測定する温度センサまたは圧力を測定する圧力センサのみを含んでもよい。測定ウェーハ１００に搭載されるセンサ１１２は、微小なセンサであり、特に説明しない限りその具体的構成は限定されない。例えば、センサ１１２は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の技術を用いて測定ウェーハ１００内に製造されたセンシングデバイスであってもよい。あるいは、予めセンシングデバイスを製造した後に、そのセンシングデバイスを測定ウェーハ１００に設置することでセンサ１１２を構成してもよい。
　図３に示す実施形態では、複数のセンサ１１２は、測定ウェーハ１００の半径方向に分布している。一実施形態では、測定ウェーハ１００は、その周方向に分布するセンサ１１２をさらに備えてもよい。各センサ１１２は、バッテリー１１８からの電力供給を受けて動作する。一実施形態では、測定ウェーハ１００は、１つのセンサ１１２のみを備えてもよい。
　データ通信部１１７は、無線通信および／または有線通信により、研磨装置の動作制御部４７に接続可能に構成されている。無線通信の例としては、ＲＦＩＤ（Radio-frequency identification）、Bluetooth、赤外線通信などが挙げられる。有線通信の例としては、ケーブル通信、ＵＳＢ通信が挙げられる。
　センサ１１２、メモリ１１５、データ通信部１１７、およびバッテリー１１８は、図示しない配線により電気的に接続されている。センサ１１２によって取得された物理量の測定データは、一旦メモリ１１５に保存される。メモリ１１５内に保存された物理量の測定データは、データ通信部１１７によって外部機器である研磨装置の動作制御部４７に送信される。動作制御部４７は、データ解析装置１０３に有線通信または無線通信により接続されている。
　データ解析装置１０３は、物理量の測定データに基づいて、研磨装置の運転に異常が発生しているか否かを判定し、研磨装置の運転異常が発生していると判定したときに、警報信号を生成し、その警報信号を動作制御部４７に送るように構成されている。一実施形態では、データ解析装置１０３は、測定データに含まれる測定値が所定の目標値に到達しないときは、警報信号を生成し、警報信号を動作制御部４７に送るように構成されている。一実施形態では、データ解析装置１０３は、測定データを基準データと比較し、測定データが基準データから所定の許容範囲を超えて乖離しているときは、警報信号を生成し、警報信号を動作制御部４７に送るように構成されている。
　データ解析装置１０３は、プログラムが格納された記憶装置１０３ａ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１０３ｂを備えている。データ解析装置１０３は、少なくとも１台のコンピュータから構成される。記憶装置１０３ａは、ランダムアクセスメモリ（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１０３ｂ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、データ解析装置１０３の具体的構成は本実施形態に限定されない。
　データ解析装置１０３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。データ解析装置１０３は、動作制御部４７に有線通信または無線通信で接続された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よって動作制御部４７に接続されたクラウドサーバまたはフォグサーバであってもよい。データ解析装置１０３は、ゲートウェイ、ルーターなどの中に配置されてもよい。
　図４は、測定ウェーハ１００の一部を示す断面図である。図４に示すように、測定ウェーハ１００は、センサ１１２、メモリ１１５、データ通信部１１７、およびバッテリー１１８を研磨液から保護するための保護膜１２０を備えている。保護膜１２０は、基盤１１０の露出面の上に配置されており、測定ウェーハ１００の上面を形成している。保護膜１２０は、基盤１１０、センサ１１２、メモリ１１５、データ通信部１１７、およびバッテリー１１８を覆っている。保護膜１２０には、電気絶縁性、耐酸性、耐アルカリ性、低吸水率を有することが求められる。さらに、保護膜１２０には、基盤１１０に反り（応力）を発生させないこと、気泡を含まないこと、平坦な露出面を有すること、各種界面に接着しやすいこと、などが求められる。これらの要件を満たす保護膜１２０の材料の例として、ＵＶ硬化型エポキシアクリレート樹脂が挙げられる。
　測定ウェーハ１００の底面１００ａは、図１に示す研磨ヘッド７によって研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付けられる面である。図４に示す実施形態では、測定ウェーハ１００の底面１００ａは、基盤１１０の底面から構成されている。本実施形態では、センサ１１２の全体は、基盤１１０内に埋設されており、センサ１１２の前面（図４ではセンサ１１２の下面）は、測定ウェーハ１００の底面１００ａ（すなわち、基盤１１０の底面）から露出している。測定ウェーハ１００の全体の厚さＴは、２ｍｍ以下である。
　図５Ａおよび図５Ｂは、センサ１１２の配置の例を示す断面図である。図５Ａに示す例では、測定ウェーハ１００の底面１００ａ（すなわち、基盤１１０の底面）には開口１００ｂが形成されており、センサ１１２は開口１００ｂ内に配置されている。この開口１００ｂは、基盤１１０の底面に形成されている。センサ１１２の前面は、測定ウェーハ１００の底面１００ａよりも内側に位置している。図５Ｂに示す例では、センサ１１２は開口１００ｂ内に配置されている点では図５Ａと同じであるが、センサ１１２の前面は測定ウェーハ１００の底面１００ａ（すなわち、基盤１１０の底面）と同一平面内にある。
　図６は、センサ１１２の具体的構成の一実施形態を示す模式図である。図６に示すように、センサ１１２は、検出部１４０、集積回路部１５０、および回路保持部１６０を備えている。検出部１４０は、物理量を測定するための構成要素を含み、センサ１１２の前面（図６の例では下面）を構成する露出面１４０ａを有する。集積回路部１５０は、温度補正処理、制御回路等を含む電子回路を有する。回路保持部１６０は、集積回路部１５０を保持する部材である。測定データを送るための配線（図示せず）は回路保持部１６０を通って集積回路部１５０に電気的に接続される。
　図７は、センサ１１２のより詳細な構成の一例を示す模式図である。図７に示すセンサ１１２は、基盤１１０内に直接作り込まれた圧力センサの一例である。図７に示すように、センサ１１２の検出部１４０は、センサ１１２の前面（図７の例では下面）を構成する露出面１４０ａを有するダイヤフラム１４１と、ダイヤフラム１４１上に配置された圧電素子、電極などを含む検出素子１４２と、ダイヤフラム１４１の上方に形成された空間１４３を有している。集積回路部１５０と回路保持部１６０の間に弾性体（例えば、シリコーンゴム）が配置されてもよい。
　図８Ａに示すように、ダイヤフラム１４１は、基盤１１０の一部から構成されてもよい。この場合、ダイヤフラム１４１の機械的強度を高めるために、ダイヤフラム１４１の端部に三角断面形状のコーナー補強部１４４を設けてもよい。図８Ｂに示すように、ダイヤフラム１４１は、物理量伝達部材１４５によって連結された複数のダイヤフラム１４１Ａ，１４１Ｂであってもよい。複数のダイヤフラム１４１Ａ，１４１Ｂのうちの少なくとも１つは、基盤１１０の一部から構成されてもよい。図８Ｂに示す例では、下側のダイヤフラム１４１Ａは、基盤１１０の一部から構成されている。複数のダイヤフラム１４１Ａ，１４１Ｂの全てが基盤１１０の一部から構成されてもよい。物理量伝達部材１４５は、例えばシリコーンゴム、エポキシ樹脂、ＵＶ硬化樹脂、シリコーンフィルムなどの樹脂から構成される。
　図９は、センサ１１２のより詳細な構成の他の例を示す模式図である。図９に示すセンサ１１２は、予め製造された圧力センサが基盤１１０内に設置された構成を有している。この例では、検出部１４０のダイヤフラム１４１は、物理量伝達部材１４５によって連結された複数のダイヤフラム１４１Ａ，１４１Ｂから構成されている。複数のダイヤフラム１４１Ａ，１４１Ｂのうちの下側のダイヤフラム１４１Ａは、基盤１１０の一部から構成されている。上側のダイヤフラム１４１Ｂと下側のダイヤフラム１４１Ａとの間には物理量伝達部材１４５が配置されており、上側のダイヤフラム１４１Ｂと集積回路部１５０との間には空間１４３が形成されている。一実施形態では、検出部１４０は、単一のダイヤフラムを備えてもよい。集積回路部１５０と回路保持部１６０の間に弾性体（例えば、シリコーンゴム）が配置されてもよい。
　図６乃至図９に示すように、センサ１１２は、様々な態様で基盤１１０内に設置されうる。意図した物理量を測定することができる限りにおいて、センサ１１２の具体的構成は特に限定されない。
　図１０は、測定ウェーハ１００の他の実施形態を示す断面図である。特に説明しない構成は、図４および図５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１０に示す実施形態では、測定ウェーハ１００は、基盤１１０の底面を覆う研磨対象層１２５を有している。この研磨対象層１２５は、測定ウェーハ１００の底面１００ａを形成する。したがって、測定ウェーハ１００が図１に示す研磨装置によって研磨されているとき、研磨対象層１２５は、図１に示す研磨ヘッド７によって研磨パッド２の研磨面２ａに押し付けられる。このような研磨対象層１２５を備えることで、測定ウェーハ１００は、ターゲットウェーハ（上記ウェーハＷ）と同じ研磨条件下で研磨されながら、センサ１１２により研磨装置内の物理量を測定することができる。
　一実施形態では、研磨対象層１２５の材料は、ターゲットウェーハ（上記ウェーハＷ）の被研磨面を構成する材料と同じであってもよい。研磨対象層１２５の材料の例としては、金属および絶縁材が挙げられる。例えば、金属は、銅、アルミニウム、タングステン、コバルト、またはルテニウムなどであり、絶縁材は、ＳｉＯ２、またはＴＥＯＳなどである。
　研磨対象層１２５は、物理量の測定中に研磨装置によって徐々に研磨される。したがって、研磨対象層１２５の厚さが所定の下限値を下回った後、新たな研磨対象層が測定ウェーハ１００上に形成される。一実施形態では、研磨対象層１２５の露出面（底面）は、溝などのマーカーを有してもよい。マーカーが消えると、研磨対象層１２５の厚さが所定の下限値を下回ったと判断することができる。
　図１１は、測定ウェーハ１００の他の実施形態を示す断面図である。特に説明しない構成は、図４乃至図１０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１１に示す実施形態では、測定ウェーハ１００は、基盤１１０よりも熱伝導率が低い低熱伝導層１３０をさらに有している。この低熱伝導層１３０は、センサ１１２の水平断面と同じ大きさおよび同じ形状の通孔１３０ａを有しており、センサ１１２は通孔１３０ａを貫通して配置されている。センサ１１２の前面（図１１ではセンサ１１２の下面）は、低熱伝導層１３０から露出している。低熱伝導層１３０の材料は、基盤１１０の熱伝導率よりも低いものであれば特に限定されないが、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が使用される。低熱伝導層１３０の厚さは、例えば、数ｎｍ～数十μｍの範囲である。
　図１１に示す実施形態は、センサ１１２として温度センサが使用されるときに有利である。すなわち、測定ウェーハ１００の底面１００ａおよび／または研磨パッド２で発生する熱は、基盤１１０内に拡散することなくセンサ１１２に伝わる。結果として、センサ１１２は、測定ウェーハ１００の底面１００ａの温度を精度良く測定することができる。
　今まで説明した各実施形態に係る測定ウェーハ１００は、研磨装置の運転監視に使用することができる。すなわち、図３に示すデータ解析装置１０３は、測定ウェーハ１００によって取得された研磨装置内の物理量（例えば、測定ウェーハ１００の表面上の温度、圧力など）の測定データを解析し、解析結果に基づいて研磨装置に運転異常が発生しているか否かを判定する。運転監視のタイミングには様々な例が挙げられる。例えば、量産体制の中で流れてくる複数のウェーハ搬送容器（例えばＦＯＵＰ）の中に、少なくとも１つの測定ウェーハ１００を収容したウェーハ搬送容器を含ませ、通常のウェーハ研磨処理の中で、測定ウェーハ１００で物理量の測定を行ってもよい。少なくとも１つの測定ウェーハ１００を収容するウェーハ搬送容器を定期的に研磨装置に流すことで、研磨装置を定期的に運転監視することができる。測定ウェーハ１００を含むウェーハ搬送容器（例えばＦＯＵＰ）を研磨装置に流すタイミングは任意に決められる。以下、測定データの解析結果に基づいて研磨装置の運転状態を判定する実施形態について説明するが、測定データの用途は以下の実施形態には限定されない。
　一実施形態では、研磨パッド２上に研磨液を供給しながら、かつ研磨ヘッド７で測定ウェーハ１００を研磨パッド２に押し付けながら、測定ウェーハ１００は、センサ１１２により物理量を測定する。物理量の測定中、測定ウェーハ１００はターゲットウェーハと同じように研磨ヘッド７により回転される。一実施形態では、物理量の測定中、測定ウェーハ１００を研磨ヘッド７で回転させないでもよい。
　一実施形態では、研磨パッド２上に研磨液を供給しながら、かつ研磨ヘッド７で測定ウェーハ１００を研磨パッド２に押し付けながら、測定ウェーハ１００は、センサ１１２により温度を測定し、温度の測定データを動作制御部４７に送る。データ解析装置１０３は、温度の測定データを動作制御部４７から取得し、温度の時間変化を解析する。そして、図１２に示すように、温度が所定の目標値に到達しない場合は、データ解析装置１０３は、研磨装置に運転異常が発生していると判定する。温度が所定の目標値に到達しない原因としては、研磨液の流量が高いこと、研磨ヘッド７の押し付け力が低いこと、および研磨液供給ノズル８の研磨液供給位置が適切でないこと、研磨パッド２のドレッシングが適切でないこと、などが考えられる。
　一実施形態では、研磨パッド２上に研磨液を供給しながら、かつ研磨ヘッド７で測定ウェーハ１００を研磨パッド２に押し付けながら、測定ウェーハ１００は、センサ１１２により圧力を測定し、圧力の測定データを動作制御部４７に送る。データ解析装置１０３は、圧力の測定データを動作制御部４７から取得し、圧力の時間変化を解析する。そして、データ解析装置１０３は、圧力が所定の目標値に到達しない場合は、データ解析装置１０３は、研磨装置に運転異常が発生していると判定する。圧力が所定の目標値に到達しない原因としては、圧力レギュレータ（図２参照）の動作不良、圧縮気体の漏洩などが考えられる。
　一実施形態では、データ解析装置１０３は、データ解析装置１０３に接続されている別の研磨装置（図３参照）から送られてきた測定データを基準データとして用い、図１３に示すように、動作制御部４７から得られた測定データが基準データから許容範囲を超えて乖離している場合は、データ解析装置１０３は、研磨装置に運転異常が発生している、と判定する。基準データは、予め設定された目標データであってもよい。
　データ解析装置１０３によって研磨装置に運転異常が発生していると判定された場合には、ユーザーは、研磨装置の動作チェックをすることができる。動作チェックの項目の例としては、研磨テーブル５の回転速度、研磨ヘッド７の回転速度、研磨液の供給位置、研磨液の流量、研磨ヘッド７の押し付け力（圧力室Ｇ１～Ｇ５内の圧力）、ドレッサ５０の回転速度、ドレッサ５０の押し付け力、ドレッサ５０の研磨パッド２上での移動速度、などが挙げられる。
　一実施形態では、データ解析装置１０３によって研磨装置に運転異常が発生していると判定された場合には、研磨装置のキャリブレーションをしてもよい。例えば、同じ構成の複数の研磨装置で同じプロセス条件下で複数の測定ウェーハを研磨している場合において、図１に示す研磨装置で測定ウェーハ１００によって得られた圧力の測定データが、別の研磨装置で得られた圧力の測定データから許容範囲を超えて乖離している場合は、測定ウェーハ１００によって測定される圧力が同一になるように圧力レギュレータＲ１～Ｒ５（図２参照）をキャリブレーションしてもよい。
　一実施形態では、測定ウェーハ１００のセンサ１１２は、加速度を測定する加速度センサであってもよい。例えば、センサ１１２は、３次元の加速度を測定することができる３軸加速度センサである。このようなセンサ１１２は、研磨装置により研磨されているときの測定ウェーハ１００の挙動を測定することができる。より具体的には、センサ１１２は、研磨ヘッド７のリテーナリング７２（図２参照）内の測定ウェーハ１００の底面に沿った方向の加速度、および測定ウェーハ１００の底面に垂直な方向の加速度を測定することができる。
　データ解析装置１０３は、加速度を時間で積分することで、測定ウェーハ１００の速度や位置を特定し、リテーナリング７２内での測定ウェーハ１００の挙動を解明することができる。このような解析結果に基づいて、リテーナリング７２内でのウェーハの挙動を安定化させるためのプロセス条件（例えば、研磨ヘッド７の回転速度、研磨テーブル５の回転速度など）の最適化、および消耗部材の最適化（リテーナリング７２の材料、リテーナリング７２内径、メンブレン７４の材料、メンブレン７４の表面粗さなど）が達成できる。
　一実施形態では、複数の測定ウェーハ１００を用いて物理量を測定してもよい。例えば、図１４に示すように、ＦＯＵＰなどのウェーハ搬送容器１４０内に、第１測定ウェーハ１００Ａ、複数のターゲットウェーハＷ、および第２測定ウェーハ１００Ｂを収容し、ウェーハ搬送容器１４０を図１に示す研磨装置に搬送し、第１測定ウェーハ１００Ａ、複数のターゲットウェーハＷ、および第２測定ウェーハ１００Ｂの順にこれらウェーハを研磨する。第１測定ウェーハ１００Ａのセンサ１１２は、研磨装置の立ち上げ時であって、かつ複数のターゲットウェーハＷの研磨前に研磨装置内の物理量を測定する。第２測定ウェーハ１００Ｂは、複数のターゲットウェーハＷが研磨された後に研磨装置内の物理量を測定する。
　このように、研磨装置の立ち上げ時のウェーハ表面での物理量の測定データが得られるので、研磨装置が正常に起動しているか否かを高い精度で判断することができる。また、第１測定ウェーハ１００Ａが複数のセンサ１１２で複数種の物理量（例えば、圧力、温度、加速度など）を測定するように構成されている場合は、これら複数種の物理量の測定データに基づいて、研磨装置の立ち上げ時の運転状態が不安定である場合の原因を特定しやすくなる。
　一実施形態では、第１測定ウェーハ１００Ａおよび第２測定ウェーハ１００Ｂがウェーハ搬送容器１４０内に収容されると、各測定ウェーハ１００のバッテリー１１８（図３参照）が充電されるように構成されてもよい。バッテリー１１８の充電の仕方は、接触式充電または非接触式充電のいずれであってもよい。さらに、研磨後に第１測定ウェーハ１００Ａおよび第２測定ウェーハ１００Ｂがウェーハ搬送容器１４０内に収容されると、各測定ウェーハ１００Ａ，１００Ｂのメモリ１１５（図３参照）に格納された測定データは、データ通信部１１７により外部機器（例えば、図３に示す研磨装置の動作制御部４７）に送信されてもよい。
　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。
　本発明は、ウェーハを研磨するための研磨装置の管理に利用可能であり、特に研磨装置によって研磨されているウェーハの表面上の物理量を測定する技術に利用可能である。
　２　　　研磨パッド
　５　　　研磨テーブル
　５ａ　　テーブル軸
　７　　　研磨ヘッド
　８　　　研磨液供給ノズル
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　　　研磨ヘッド回転モータ
２１　　　テーブル回転モータ
４７　　　動作制御部
５０　　　ドレッサ
５０ａ　　ドレッシング面
５１　　　ドレッサシャフト
５３　　　エアシリンダ
５５　　　ドレッサ揺動アーム
５６　　　支柱
５７　　　支持台
５８　　　支軸
５９　　　ドレッシング液供給ノズル
６０　　　ドレッサ回転モータ
６３　　　ドレッサ揺動モータ
７１　　　キャリア
７２　　　リテーナリング
７４　　　メンブレン（弾性膜）
７６　　　ローリングダイヤフラム
７７　　　気体供給源
１００　　測定ウェーハ
１０３　　データ解析装置
１１０　　基盤
１１２　　センサ
１１５　　メモリ
１１７　　データ通信部
１１８　　バッテリー
１２０　　保護膜
１２５　　研磨対象層
１３０　　低熱伝導層
　Ｗ　　　ウェーハ
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５　　　圧力室
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５　　　流体路
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５　　　圧力レギュレータ

Claims (25)

  1. 　研磨テーブルおよび研磨ヘッドを含み、ターゲットウェーハを研磨するための研磨装置内の物理量を測定する方法であって、
    　センサを備えた測定ウェーハを、前記研磨テーブル上の研磨パッドに前記研磨ヘッドにより押し付け、
    　前記センサにより物理量を測定する、方法。
  2. 　前記物理量は、温度、圧力、力、加速度、音響のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の方法。
  3. 　前記研磨パッド上に研磨液を供給しながら、かつ前記測定ウェーハを、回転する前記研磨テーブル上の前記研磨パッドに前記研磨ヘッドにより押し付けながら、前記センサにより前記物理量を測定する、請求項１または２に記載の方法。
  4. 　前記物理量の測定データに基づいて、前記研磨装置の運転異常を判定する工程をさらに含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 　前記研磨装置の運転異常を判定する工程は、前記物理量の測定データに含まれる測定値が目標値に到達しないときに前記研磨装置の運転異常を示す警報信号を生成する工程である、請求項４に記載の方法。
  6. 　前記研磨装置の運転異常を判定する工程は、前記物理量の測定データが基準データから所定の許容範囲を超えて乖離しているときに前記研磨装置の運転異常を示す警報信号を生成する工程である、請求項４に記載の方法。
  7. 　前記基準データは、他の研磨装置で得られた物理量の測定データである、請求項６に記載の方法。
  8. 　前記研磨装置の立ち上げ時であって、かつ前記ターゲットウェーハを研磨する前に、前記センサにより前記物理量を測定する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
  9. 　複数のターゲットウェーハを研磨した後に、前記センサにより前記物理量を測定する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法。
  10. 　前記センサは、複数のセンサである、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法。
  11. 　前記複数のセンサは、複数種の物理量を測定するように構成されている、請求項１０に記載の方法。
  12. 　前記測定ウェーハは研磨対象層を有しており、前記測定ウェーハの底面は前記研磨対象層から形成されている、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の方法。
  13. 　前記研磨対象層の厚さが所定の下限値を下回った後、新たな研磨対象層を前記測定ウェーハ上に形成する工程をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 　前記測定ウェーハは、２ｍｍ以下の厚さを有する、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の方法。
  15. 　前記測定ウェーハは、前記ターゲットウェーハと同じ大きさおよび同じ形状を有する、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の方法。
  16. 　研磨テーブルおよび研磨ヘッドを含み、ターゲットウェーハを研磨するための研磨装置内の物理量を測定するための測定ウェーハであって、
    　基盤と、
    　前記基盤に設置され、前記物理量を測定するように構成されたセンサを備えている、測定ウェーハ。
  17. 　前記センサは、温度、圧力、力、加速度、音響のうちの少なくとも１つを測定するように構成されている、請求項１６に記載の測定ウェーハ。
  18. 　前記センサは、複数のセンサである、請求項１６または１７に記載の測定ウェーハ。
  19. 　前記複数のセンサは、複数種の物理量を測定するように構成されている、請求項１８に記載の測定ウェーハ。
  20. 　前記測定ウェーハは研磨対象層をさらに備えており、前記測定ウェーハの底面は前記研磨対象層から形成されている、請求項１６乃至１９のいずれか一項に記載の測定ウェーハ。
  21. 　前記測定ウェーハは、２ｍｍ以下の厚さを有する、請求項１６乃至２０のいずれか一項に記載の測定ウェーハ。
  22. 　前記測定ウェーハは、前記ターゲットウェーハと同じ大きさおよび同じ形状を有する、請求項１６乃至２１のいずれか一項に記載の測定ウェーハ。
  23. 　前記センサは、露出面を有するダイヤフラムを含む、請求項１６乃至２２のいずれか一項に記載の測定ウェーハ。
  24. 　前記ダイヤフラムは、前記基盤の一部から構成されている、請求項２３に記載の測定ウェーハ。
  25. 　前記測定ウェーハは、前記センサを覆う保護膜をさらに備えている、請求項１６乃至２４のいずれか一項に記載の測定ウェーハ。
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