JP2000331969A - ウェーハ研磨装置及びウェーハ製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ウェーハ研磨の終点検出を安定して行うこと
ができるウェーハ研磨装置及びウェーハ製造方法を提供
することを目的としている。 【解決手段】 回転自在に支持されているスピンドル１
は、ウェーハ保持ヘッドを連結させるためのスピンドル
側連結部４を備えている。このスピンドル側連結部４の
外筒部１７内部には、鍔部１８ｂを有した位置調整部材
１８が設けられており、鍔部１８ｂには圧電素子からな
る圧力センサ２０が円周方向に複数配置されている。ウ
ェーハ保持ヘッドに保持されたウェーハに作用される力
は圧力センサ２０によって検出されるようになってお
り、圧力センサ２０の出力信号によって研磨終点の検出
が可能となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造プロセ
スにおける、半導体ウェーハ表面を研磨する装置に用い
られるウェーハ研磨装置及びウェーハ製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体製造装置の高集積化に伴う
パターンの微細化が進んでおり、特に多層構造の微細な
パターンの形成が容易かつ確実に行われるために、製造
工程中における半導体ウェーハの表面を極力平坦化させ
ることが重要となってきている。その場合、表面の膜を
研磨するために平坦化の度合いが高い化学機械的研磨法
（ＣＭＰ法）が脚光を浴びている。

【０００３】ＣＭＰ法とは、ＳｉＯ2 を用いたアルカリ
溶液やＳｅＯ2を用いた中性溶液、或いはＡｌ2Ｏ3を用
いた酸性溶液、砥粒剤等を用いて化学的・機械的にウェ
ーハ表面を研磨し、平坦化する方法であるが、この方法
に用いられるウェーハ研磨装置として、例えば図６に示
されるものがある。

【０００４】図６において、ウェーハ研磨装置１００
は、研磨すべきウェーハＷを保持したウェーハ保持ヘッ
ド１０１と、円盤状に形成されたプラテン１０３上面に
全面にわたって貼付された研磨パッド１０２とを備えて
いる。このうちウェーハ保持ヘッド１０１は、ヘッド駆
動機構であるカルーセル１０４下部に複数取り付けられ
たものであり、スピンドル１１１によって回転可能に支
持され、研磨パッド１０２上で遊星回転されるようにな
っている。なおこの場合、プラテン１０３の中心位置と
ウェーハ保持ヘッド１０１の公転中心とを偏芯させて設
置することも可能である。

【０００５】プラテン１０３は、基台１０５の中央に水
平に配置されており、この基台１０５内に設けられたプ
ラテン駆動機構により軸線まわりに回転されるようにな
っている。基台１０５の側方には支柱１０７が設けられ
ているとともに、支柱１０７の間には、カルーセル駆動
機構１１０を支持する上側取付板１０９が配置されてい
る。カルーセル駆動機構１１０は、下方に設けられたカ
ルーセル１０４を軸線まわりに回転させる機能を有して
いる。

【０００６】基台１０５からは、突き合わせ部１１２が
上方に突出するように配置されており、突き合わせ部１
１２の上端には、間隔調整機構１１３が設けられてい
る。一方、突き合わせ部１１２の上方には、係止部１１
４が対向配置されている。この係止部１１４は、上側取
付板１０９に固定されるとともに、上側取付板１０９か
ら下方に突出する構成となっている。そして、この間隔
調整機構１１３を調節し、突き合わせ部１１２と係止部
１１４とを当接させることにより、ウェーハ保持ヘッド
１０１と研磨パッド１０２との距離寸法を適切なものと
している。そして、ウェーハ保持ヘッド１０１に保持さ
れたウェーハＷと研磨パッド１０２表面とを当接させる
とともに、カルーセル１０４とプラテン１０３とを回転
させることによってウェーハＷは研磨される。

【０００７】このようなウェーハ研磨装置１００を用い
て研磨を行う場合、ウェーハＷの研磨面が所望の状態に
達したかどうかを検知するために、例えばプラテン駆動
機構の回転動力の変動を観測していた。つまりウェーハ
Ｗの研磨が不十分のときは研磨パッド１０２とウェーハ
Ｗとの間に生じる摩擦力は変動した状態となり、一方、
ウェーハＷが所望の研磨面に研磨されると安定する。こ
のときプラテン１０３は一定速度で回転させられるよう
になっているため、例えば研磨抵抗が大きいときはプラ
テン駆動機構の回転動力は大きくなり、研磨抵抗が小さ
いときは回転動力も小さくなる。そして、プラテン駆動
機構の回転動力の変動を観測し、この観測値が安定した
ら、ウェーハＷの研磨面は所望の状態に達したと判断さ
れる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うにプラテン駆動機構の回転動力変動を観測する方法で
は、複数設置されたウェーハ保持ヘッド１０１について
個々に研磨終点検出をすることができず、ウェーハＷに
は過研磨品や研磨不足のものが生じたり、過研磨品と研
磨不足品とが混在してしまう問題が起こった。

【０００９】また、プラテン１０３は、ウェーハＷと研
磨パッド１０２とが当接していない状態でも空転されて
いる状態が多いが、このとき、例えばウェーハＷがもと
もと研磨抵抗の小さい材質からなる場合、ウェーハＷの
研磨途中状態と完了状態とのプラテン駆動機構の回転動
力変動は小さいため、プラテン１０３の空転動力成分と
紛れてしまい、ウェーハＷの研磨終点検出を行うことは
困難であった。

【００１０】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、ウェーハの研磨が完了した状態を安定して検
出することができるウェーハ研磨装置及びその製造方法
を提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、請求項１に記載の発明は、表面に研磨パッドが貼付
されたプラテンと、研磨すべきウェーハを保持して前記
研磨パッドにウェーハの一面を当接させるウェーハ保持
ヘッドとを具備し、このウェーハ保持ヘッドと前記プラ
テンとの相対運動により前記研磨パッドで前記ウェーハ
を研磨するウェーハ研磨装置であって、前記ウェーハ保
持ヘッドは、上部に連結されたスピンドルによって水平
回転自在に支持されるとともに、このスピンドルの前記
ウェーハ保持ヘッドとの連結部分の一面には、研磨時に
おける前記ウェーハに作用する力を観測するためのセン
サが設けられたことを特徴とするウェーハ研磨装置であ
る。

【００１２】本発明によれば、スピンドルとウェーハ保
持ヘッドとの連結部分にセンサを設けたことにより、複
数のウェーハ保持ヘッドを有する場合でも、それぞれの
ウェーハ保持ヘッドに保持されたウェーハに作用する力
を観測することができる。そのため、過研磨状態や研磨
不足状態のウェーハを生じさせること無く、安定した研
磨終点検出を行うことができる。また、センサをスピン
ドル側に設けたため、個々のウェーハ保持ヘッドにセン
サを設置する必要が無く、使用するセンサの数を抑える
ことができる。

【００１３】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
のウェーハ研磨装置であって、前記ウェーハ保持ヘッド
は、その上部に設けられ外周面におねじ部を有した円柱
状のシャフト部を備え、前記スピンドルは、下向きに開
口した円筒状の外筒部と、この外筒部の内周面に形成さ
れ前記おねじ部と螺合されるためのめねじ部と、前記外
筒部内部に設けられ前記おねじ部とめねじ部とを螺着し
たとき前記シャフト部上端面と当接される位置に配置さ
れた当接面とを備えており、前記センサは、前記当接面
の周方向に間隔を有して複数配置されたことを特徴とす
るウェーハ研磨装置である。

【００１４】本発明によれば、前記スピンドルとウェー
ハ保持ヘッドとは、それぞれに形成された前記めねじ部
とおねじ部とを螺着させることによって安定して連結さ
れる。そして、前記シャフト部上端面に当接される部分
にセンサを配置させたことにより、ウェーハに作用する
力は前記ウェーハ保持ヘッドを介して確実に前記センサ
に観測される。

【００１５】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
のウェーハ研磨装置であって、前記ウェーハ保持ヘッド
は、その上部に設けられ外周面におねじ部を有した円柱
状のシャフト部を備え、前記スピンドルは、このスピン
ドル軸本体下部に連結され下向きに開口した円筒状の外
筒部と、この外筒部の内周面に形成され前記おねじ部と
螺合されるためのめねじ部と、前記外筒部内部に設けら
れ一面を前記軸本体下端面に当接させるとともに他面を
前記おねじ部とめねじ部とが螺着されたとき前記シャフ
ト部上端面に当接される位置調整部材とを備えており、
前記センサは、前記軸本体下端面と位置調整部材との当
接面の周方向に間隔を有して複数配置されたことを特徴
とする。

【００１６】本発明によれば、スピンドルとウェーハ保
持ヘッドとの間に位置調整部材を設けるとともに、この
位置調整部材の厚みを変更することによって、スピンド
ルに連結されるウェーハ保持ヘッドの位置を調整するこ
とが可能となる。そして、スピンドル軸本体下端面と位
置調整部材とが当接される部分にセンサを配置させたこ
とにより、ウェーハに作用する力は前記ウェーハ保持ヘ
ッドを介して確実に前記センサに観測される。

【００１７】請求項４に記載の発明は、請求項１、２、
３のいずれかに記載のウェーハ研磨装置であって、前記
センサは、圧電素子からなることを特徴をするウェーハ
研磨装置である。

【００１８】本発明によれば、センサに圧電素子を用い
たことにより、ウェーハに作用する鉛直方向の力とせん
断方向の力とを観測することができるとともに、装置の
剛性の低下を最小限に抑えることができる。

【００１９】請求項５に記載の発明は、表面に研磨パッ
ドが貼付されたプラテンと、研磨すべきウェーハを保持
して前記研磨パッドにウェーハの一面を当接させるウェ
ーハ保持ヘッドとを具備し、このウェーハ保持ヘッドと
前記プラテンとの相対運動により前記研磨パッドで前記
ウェーハを研磨する研磨工程を含んだウェーハ製造方法
であって、前記ウェーハ保持ヘッドの上部をスピンドル
によって水平回転自在に支持させるとともに、このスピ
ンドルの前記ウェーハ保持ヘッドとの連結部分の一面
に、研磨時における前記ウェーハに作用する力を観測す
るためのセンサを設け、このセンサの観測結果によって
前記ウェーハの研磨状態を検知しつつ研磨を行うことを
特徴とするウェーハ製造方法である。

【００２０】本発明によれば、複数のウェーハ保持ヘッ
ドが設置された場合でも、各々のウェーハに作用する力
をそれぞれ確実に観測しつつ研磨を行うことができる。
そのため、過研磨状態や研磨不足状態のウェーハの製造
を防ぐことができ、効率の良いウェーハの製造を実現す
ることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態による
ウェーハ研磨装置を図面を参照して説明する。図１は本
発明のウェーハ研磨装置の一実施形態のうちスピンドル
１を示す断面図である。

【００２２】なおこのスピンドル１は、例えば図６に示
したカルーセルとウェーハ保持ヘッドとを連結する部分
に設置されるものである。

【００２３】図１において、スピンドル１は、カルーセ
ル２に設けられているスピンドルハウジング１６に形成
された貫通孔である係合部２２内部に設けられている。
このスピンドル１は、ほぼ円筒管形状に形成された軸本
体１ａと、カルーセル２の下部に配されたスピンドル側
連結部４と、カルーセル２の上部に配されたハンドル支
持部９と、このハンドル支持部９から水平方向に延びる
ように設けられた調整ハンドル８と、上端側に設けられ
軸本体１ａの管路１ｂと連通された流体供給口１０とを
備えている。係合部２２内部には第１ベアリング３が設
置されており、軸本体１ａは第１ベアリング３によって
回転自在に支持されている。また、カルーセル２の上面
には、上側フランジ部１５が設けられている。そして、
スピンドル１とカルーセル２とは取付ネジ２ａによって
連結されている。

【００２４】スピンドルハウジング１６のうち筒状に形
成された係合部２２内部には第１ベアリング３が嵌合さ
れている。このとき、第１ベアリング３は係合部２２内
部において軸線方向に摺動自在に支持されており、第１
ベアリング３の外周と係合部２２内周とは固定されてい
ない状態となっている。また、第１ベアリング３と軸本
体１ａの軸線方向の相対的位置は変化されないように設
けられている。

【００２５】スピンドルハウジング１６の下面には、円
環状に形成された環状凸部１６ａが鉛直方向下向きに二
重に形成されている。また、第１ベアリング３の内周下
部には、半径方向に突出した円環状の係止部１６ｂが形
成されており、摺動自在に支持された第１ベアリング３
の下方への移動を規制している。このとき、係止部１６
ｂの上面に円環状の板ばね２５を設けることも可能であ
り、この板ばね２５によって第１ベアリング３の下部と
係止部１６ｂとが当接されたときの衝撃をやわらげるよ
うになっている。

【００２６】円筒状に形成された上側フランジ部１５の
内部にはベアリング支持部５が設けられている。このベ
アリング支持部５は筒状に形成されており、外周面の下
部には位置調整用おねじ部６が形成されている。この位
置調整用おねじ部６は、スピンドルハウジング１６の内
周面の上部に形成された位置調整用めねじ部１３と螺合
されるようになっている。このとき位置調整用めねじ部
１３の軸線方向の幅は、位置調整用おねじ部６の軸線方
向の幅より大きく形成されている。また、ベアリング支
持部５外周面と上側フランジ部１５の内周面とは当接さ
れた状態であり、ベアリング支持部５は上側フランジ部
１５内部で回転可能となっている。

【００２７】ベアリング支持部５の筒状内部には第２ベ
アリング７が設けられており、軸本体１ａは、この第２
ベアリング７と第１ベアリング３とで回転自在に支持さ
れた構成となっている。また、ベアリング支持部５の下
部には第２ベアリング７を下方から支持するように設け
られた段部５ａが形成されているとともに、第２ベアリ
ング７外周とベアリング支持部５内周とは固定されてい
る。この第２ベアリング７はアンギュラ玉軸受によって
形成されており、軸本体１ａの軸線方向（スラスト方
向）の移動を規制している。このため、軸本体１ａと第
２ベアリング７との相対的位置は変化されないようにな
っている。

【００２８】ベアリング支持部５の上方には筒状のハン
ドル支持部９が設けられている。このハンドル支持部９
はボルト１４によってベアリング支持部５と固定されて
いるとともに、水平方向に延びるように設けられた調整
ハンドル８を連結させている。このとき、軸本体１ａは
ハンドル支持部９の筒状内部で回転可能となっている。
そして調整ハンドル８を用いて、ハンドル支持部９をベ
アリング支持部５とともに回転させることにより、軸本
体１ａは軸線方向に移動されるようになっている。

【００２９】つまり、ベアリング支持部５とハンドル支
持部９と第２ベアリング７とは固定されているととも
に、第１ベアリング３はスピンドルハウジング１６に対
して摺動可能となっている。また、第２ベアリング７に
よって軸本体１ａのスラスト方向への移動は規制されて
おり、第１ベアリング３と第２ベアリング７と軸本体１
ａとの相対的位置は変わらないように設けられている。

【００３０】このとき、ベアリング支持部５を回転させ
ることによって、位置調整用おねじ部６が位置調整用め
ねじ部１３に沿って回転され、それに伴ってベアリング
支持部５はスピンドルハウジング１６に対して軸線方向
に移動される。そのため軸本体１ａは、ベアリング支持
部５との相対的位置を変えることなく、カルーセル２に
固定されたスピンドルハウジング１６に対して相対的に
軸線方向に移動されるようになっている。

【００３１】なお、ハンドル支持部９の上方には目盛盤
２６が設置されており、この目盛盤２６によってハンド
ル支持部９を回転させた角度を確認できるようになって
いる。

【００３２】スピンドル１の上方には、軸本体１ａの管
路１ｂ内部に連通するように流体供給口１０が設けられ
ている。この流体供給口１０から供給される例えば空気
などの流体は、管路１ｂを通って下端の開口側まで送ら
れるようになっている。この流体供給口１０近傍の軸本
体１ａの周囲にはハウジング１１が設けられており、流
体供給口１０から供給される以外の流体が管路１ｂ内部
に侵入するのを防止している。なお、ハウジング１１内
部には第３ベアリング１２が設けられており、軸本体１
ａの回転を妨げないように構成されている。

【００３３】カルーセル２下方に突出したスピンドル１
の下部には、ウェーハ保持ヘッドと連結されるためのス
ピンドル側連結部４が形成されている。このスピンドル
連結部４は、軸本体１ａに連結された外筒部１７と、こ
の外筒部１７内部に設けられた筒状の位置調整部材１８
とを備えている。また、位置調整部材１８の上方に一体
的に設置されたスペーサー２１の厚みを変更することに
より、スピンドル側連結部４に連結されるウェーハ保持
ヘッドの位置を調整することも可能となっている。

【００３４】このうち位置調整部材１８は、円筒状に形
成され下方に突出するように形成された突起部１８ａ
と、この突起部１８ａと連続するように形成された鍔部
１８ｂと、突起部１８ａ内部の空間である凹部１８ｃと
を備えている。また、突起部１８ａの内部には、管路１
ｂと連通するように鉛直方向に形成された供給管１８ｄ
が、突起部１８ａの下端面まで貫通するように設けられ
ている。

【００３５】外筒部１７の内周面にはヘッド取付用めね
じ部１９が、突起部１８ａの外周面と対向する高さの位
置に形成されている。また、外筒部１７の外側上面に
は、環状凸部１６ａに沿うように形成された環状凹部１
７ａが設けられている。すなわちこれらによってラビリ
ンスリングが構成されており、環状凸部１６ａと環状凹
部１７ａとによって複雑な形状を有する隙間が形成され
たことにより、この隙間には粘性摩擦抵抗や表面張力が
作用され、第１ベアリング３側には研磨剤などの液体や
異物などが侵入しないようになっている。

【００３６】鍔部１８ｂには、圧電素子からなる圧力セ
ンサ２０が設置されている。この圧力センサ２０は、図
３に示すように鍔部１８ｂの円周方向に等間隔に複数
（本実施形態では３つ）埋め込まれるように配置されて
いる。それぞれの圧力センサ２０にはリード線が連結さ
れており、管路１ｂを通ってスピンドル１の上端に設け
られたアンプ２０ｂに接続されている。圧力センサ２０
の出力信号はリード線によってアンプ２０ｂまで送ら
れ、外部の演算部に伝達されるようになっている。

【００３７】次に、このスピンドル１に取り付けられる
ウェーハ保持ヘッドについて、図２を参照して説明す
る。図２において、ウェーハ保持ヘッド５０は、天板部
５３及び筒状に形成された周壁部５４からなるヘッド本
体５２と、ヘッド本体５２の内部に張られたダイヤフラ
ム５５と、ダイヤフラム５５の下面に固定された円盤状
のキャリア５６と、周壁部５４の内壁とキャリア５６の
外周面に同心状に設けられた円環状のリテーナリング５
７とを備えている。これらキャリア５６及びリテーナリ
ング５７は、ダイヤフラム５５の弾性変形によって軸線
方向に移動可能となったフローティング構造となってい
る。

【００３８】ヘッド本体５２は、円板状の天板部５３と
天板部５３の外周下方に固定された筒状の周壁部５４と
から構成され、ヘッド本体５２の下端部は開口されて中
空になっている。天板部５３は、スピンドル１に連結さ
れるためのヘッド側連結部であるシャフト部５９に同軸
に固定されており、シャフト部５９には、スピンドル１
の管路１ｂと連通される流路６５が鉛直方向に形成され
ている。このシャフト部５９の外周面には、ヘッド取付
用おねじ部５８が形成されている。また、周壁部５４の
下部には、全周にわたって段部５４ａ及び半径方向内方
に突出された円環状の係止部６０が形成されている。

【００３９】繊維補強ゴムなどの弾性材料からなるダイ
ヤフラム５５は円環状または円板状に形成されており、
ダイヤフラム固定リング６１によって周壁部４の内壁に
形成された段部５４ａ上に固定されている。

【００４０】ダイヤフラム５５上方には流体室６４が形
成されており、シャフト部５９に形成された流路６５と
連通されている。そして、流体室６４内部に、スピンド
ル１の管路１ｂから流路６５を通して、空気をはじめと
する流体が供給されることによって、流体室６４内部の
圧力は調整される。

【００４１】セラミック等の高剛性材料からなるキャリ
ア５６はほぼ円盤状に一定の厚さで形成されており、ダ
イヤフラム５５の上面に設けられたキャリア固定リング
６２によって固定されている。キャリア固定リング６２
の上部には円環状に段部６２ａが形成されており、天板
部５３から鉛直方向に挿通されたナット６９、スぺーサ
ー６９ａによって固定されているストッパーボルト６８
の下端に形成された段部６８ａと係合されるようになっ
ている。そして、ウェーハ保持ヘッド５０が、例えば昇
降機構１１８によって上昇し、キャリア５６などの自重
によってダイヤフラム５５が下方にたわんでも、段部６
２ａと段部６８ａとが係合することにより、ダイヤフラ
ム５５に過剰な力を作用させないようになっている。

【００４２】リテーナリング５７は、周壁部５４の内壁
とキャリア５６の外周面との間に円環状に形成されてお
り、周壁部５４の内壁との間及びキャリア５６の外周面
との間に僅かな隙間を空けて、周壁部５４及びキャリア
５６と同心状に配置されている。また、リテーナリング
５７は、上端面及び下端面が水平に形成されており、ダ
イヤフラム５５の上面に設けられたリテーナリング固定
リング６３によって固定されている。また、リテーナリ
ング５７の外周面には段部５７ａが形成されており、ウ
ェーハ保持ヘッド５０が前記昇降機構１１８によって上
昇した際、段部５７ａと係止部６０とが係合することに
よってリテーナリング５７の下方向への過剰な移動を抑
え、ダイヤフラム５５に局所的な力を作用させないよう
になっている。

【００４３】キャリア５６上面には、ダイヤフラム５５
を介してトルク伝達部７０が複数設けられている。この
トルク伝達部７０は、図２、図４に示すように、キャリ
ア５６上面に固定された断面Ｕ字状の第一部材７０ａ
と、この第一部材７０ａ上方の天板部５３に固定された
直方体状の第二部材７０ｂとから構成されている。第一
部材７０ａはその平面状部分を円周方向に向けて配置さ
れているとともに、第二部材７０ｂは先端を第一部材７
０ａのＵ字状内部に位置させている。このトルク伝達部
７０は、ウェーハＷ研磨時においてスピンドル１の回転
力をキャリア５６に安定して伝達させるとともに、ダイ
ヤフラム５５に作用するねじれ方向の力を低減させ、ダ
イヤフラム５５の破損を防止させている。

【００４４】このトルク伝達部７０は少なくとも円周方
向に２箇所以上設置されている。また、第一部材７０ａ
のＵ字状内部と第二部材７０ｂの先端とは間隔を有する
ように配置されており、キャリア５６の軸線方向への移
動を妨げないようになっている。なおこのトルク伝達部
７０の形状は上述のものに限らず、例えば第一部材７０
ａをピン形状のものとし、第二部材７０ｂを円筒形状の
ものとすることも可能である。

【００４５】このように構成されたスピンドル１とウェ
ーハ保持ヘッド５０とは、それぞれに形成されたヘッド
取付用めねじ部１９とヘッド取付用おねじ部５８とを螺
着することによって連結される。

【００４６】つまり、まずウェーハ保持ヘッド５０をス
ピンドル１のスピンドル側連結部４の下方に配置すると
ともに、ヘッド側連結部であるシャフト部５９とスピン
ドル側連結部４とを接近させる。このとき、突起部１８
ａと流路６５とを嵌め合わせるようにし位置合わせを行
いつつ接近させる。このように、スピンドル側連結部４
にセンタリングを行うための位置調整部材１８を設けた
ことにより、スピンドル１とウェーハ保持ヘッド５０と
の中心位置合わせを容易に行うことができる。

【００４７】位置合わせを行いつつヘッド取付用めねじ
部１９とヘッド取付用おねじ部５８とを螺着させる。そ
して、ウェーハ保持ヘッド５０のシャフト部９上端面と
スピンドル側連結部４内部に設けられた位置調整部材１
８の鍔部１８ｂとが当接されるまでねじ込む。このと
き、シャフト部９上端面が当接される部分である鍔部１
８ｂに圧力センサ２０を設けたことにより、このシャフ
ト部９上端面と圧力センサ２０とは当接される。

【００４８】そして、シャフト部９上端面が圧力センサ
２０を備えた鍔部１８ｂを若干押さえるまでヘッド取付
用めねじ部１９とヘッド取付用おねじ部５８とを螺合さ
せることにより、ウェーハ保持ヘッド５０とスピンドル
１との連結は終了される。

【００４９】このようなスピンドル１に連結されたウェ
ーハ保持ヘッド５０を用いてウェーハＷの研磨を行う場
合、まずウェーハＷは、キャリア５６の下面に設けられ
たウェーハ付着シート５６ａに付着される。そして、ウ
ェーハＷはリテーナリング５７によって周囲を係止され
つつ、その表面をプラテン１０３上面に貼付された研磨
パッド１０２に当接させられる。なお、研磨パッド１０
２の材質には、従来よりウェーハの研磨に使用されてい
たものであればいずれでも良く、例えばポリエステル等
からなる不織布にポリウレタン樹脂等の軟質樹脂を含浸
させたベロアタイプパッド、ポリエステル等の不織布を
基材としてその上に発泡ポリウレタン等からなる発泡樹
脂層を形成したスエードタイプパッド、或いは独立発泡
させたポリウレタン等からなる発泡樹脂シートが使用さ
れる。

【００５０】次に、図示しない流体供給手段から流体供
給口１０に空気などの流体を供給させる。供給された流
体は管路１ｂを通過し、流路６５から流体室６４に流入
される。流入された流体は、流体室６４内の圧力を調節
し、キャリア５６及びリテーナリング５７の研磨パッド
１０２への押圧圧力を調節する。キャリア５６及びリテ
ーナリング５７はダイヤフラム５５に支持された、それ
ぞれ独立して上下方向に変位可能なフローティング構造
となっており、流体室６４内部の圧力によって研磨パッ
ド１０２への押圧圧力が調節可能となっている。

【００５１】そして、キャリア５６及びリテーナリング
５７の研磨パッド１０２への押圧圧力を調節しつつ、プ
ラテン１０３を回転させるとともに、ウェーハ保持ヘッ
ド５０を遊星回転させるようになっている。これと同時
に、図示しない研磨剤供給手段から研磨剤を研磨パッド
１０２表面やウェーハＷの研磨面に供給させることによ
りウェーハＷは研磨される。

【００５２】ウェーハＷに作用する鉛直方向及び円周方
向に作用される研磨抵抗は、シャフト部５９の上端面に
当接された圧力センサ２０によって検知される。

【００５３】この圧力センサ２０は圧電素子からなって
おり、水平方向に作用されるせん断力と鉛直方向に作用
される応力とを両方検出可能としている。そして、水平
方向の力においては、回転方向の力（トルク）と、半径
方向（直角方向）の力とを両方検出可能となっている。
つまり、この圧電素子に外部応力などが作用されること
によって、その出力端に電気信号が発生する圧電効果を
利用したものである。この圧電素子は、両端に設けられ
た電極と、これら電極に挟まれるように設けられた積層
体である圧電セラミックとから概略構成されており、例
えば初期状態から圧縮されると正電圧を生じさせ、逆に
伸張されると負電圧を生じさせるものである。この圧電
素子からなる圧力センサ２０は、スピンドル１とウェー
ハ保持ヘッド５０とを締結させることにより、予めある
程度圧縮された状態となっている。つまり、ウェーハＷ
研磨前にあたかもバイアス電圧が印加されたような初期
状態を形成させている。

【００５４】ウェーハＷ研磨時には、ウェーハ保持ヘッ
ド５０のウェーハＷを研磨パッド１０２に当接させるこ
とによって圧力センサ２０には鉛直方向の力が作用され
るため、圧力センサ２０は圧縮状態となっている。この
とき、圧力センサ２０は例えば正電圧を出力させるよう
になっており、この出力信号は、リード線によってアン
プ２０ｂに伝達されるとともに、外部に設けられ圧力セ
ンサ２０からの信号を力の値に演算する演算部を経てモ
ニターなどに送信されるようになっている。

【００５５】また、ウェーハＷが研磨パッド１０２によ
って研磨される場合、ウェーハＷと研磨パッド１０２と
の間には摩擦力が生じる。そして、ウェーハ保持ヘッド
５０には回転方向の力が作用し、この圧力センサ２０に
はせん断力が作用される。このとき、圧電素子からなる
圧力センサ２０は、あたかも伸縮されるように変形され
るため、例えば負電圧を生じさせる。

【００５６】このように、圧力センサ２０として圧電素
子を用いたことにより、ウェーハＷに作用する鉛直方向
の力と水平方向の力（回転円周方向及び半径方向）とを
検出することができる。

【００５７】研磨されているウェーハＷが所望の研磨状
態を得たとき、圧力センサ２０から検出される信号はそ
れまでの値から変化するとともに、その後一定値を示す
ようになる。そして、この値が安定した時点で所望の研
磨状態を得たとみなしウェーハＷの研磨を終了させる。

【００５８】例えば図５（ａ１）、（ｂ１）に示すよう
な構成を持つ２種類のウェーハＷ１、Ｗ２を研磨した場
合について説明する。図５（ａ１）に示すウェーハＷ１
はＳｉＯ2 層の溝部にＣｕが埋め込まれるように研磨さ
れるべきものであって、この場合の研磨終点はＣｕ層を
研磨してバリアメタル層を表面に現させるとともにこの
バリアメタル層と溝部のＣｕとを平坦化させた状態であ
る。一方、図５（ｂ１）に示すウェーハＷ２は、酸化膜
を平坦化させるように研磨されるべきものであって、こ
の場合の研磨終点は酸化膜を平坦化させた状態である。
図５（ａ２）、（ｂ２）は、このときの圧力センサ２０
の信号に基づく演算部からの出力値である。ウェーハＷ
１において、研磨されるＣｕ層は除々に平坦化されて研
磨パッド１０２との接触面積を大きくさせるので摩擦力
は上昇し、したがって図５（ａ２）に示すようにこのと
きの出力信号の値は除々に上昇する。そしてＣｕ層をさ
らに研磨し、バリアメタル層が表面に現れると、バリア
メタル層はＣｕ層より摩擦係数が低いので、出力信号は
急激に低下する。この、出力信号が急激に低下した状態
が研磨終点であってこの時点で研磨は終了される。ウェ
ーハＷ２において、研磨終点は酸化膜が平坦化された状
態である。したがって、酸化膜が平坦化して出力信号の
最大値が一定時間安定した時点で研磨を終了させる。す
なわち、図５（ｂ１）、（ｂ２）に示すように、酸化膜
が平坦化された時点ｈ１からさらに研磨を行い、出力信
号の最大値が一定時間安定した時点ｈ２において研磨を
終了させる。

【００５９】このように、ウェーハＷの研磨終点検出と
して、スピンドル１とウェーハ保持ヘッド５０との連結
部分に圧力センサ２０を設置したことにより、複数のウ
ェーハ保持ヘッド５０を有する場合でも、それぞれのウ
ェーハ保持ヘッド５０に保持されたウェーハＷに作用す
る力を観測することができる。そのため、過研磨状態や
研磨不足状態のウェーハＷを生じさせること無く、個々
のウェーハ保持ヘッド５０で安定した研磨終点検出を行
うことができる。また、圧力センサ２０をスピンドル１
側に設置したため、個々のウェーハ保持ヘッド５０に圧
力センサ２０を設置する必要が無く、使用するセンサの
数を抑えることができる。

【００６０】圧力センサ２０に圧電素子を用いたことに
より、装置の剛性の低下を最小限に抑えることができる
る。また、ウェーハＷに作用する力は圧電素子に作用さ
れるせん断力によって検出することができ、わずかな研
磨抵抗の変化でも確実に観測することができる。

【００６１】そして、圧力センサ２０をシャフト部５９
上端面とスピンドル側連結部４との当接部分である鍔部
１８ｂに、円周方向に複数設置させたことにより、円周
方向と半径方向とのせん断力を、いずれかの圧力センサ
２０で確実に検出することができる。なお、この圧力セ
ンサ２０は、軸本体１ａ下端面と位置調整部材１８の上
部に一体的に設けられたスペーサー２１との当接面に配
置することも可能である。すなわち、複数の圧力センサ
２０をスペーサー２１の上端面に円周方向に設置するこ
とも可能であるし、あるいは軸本体１ａの下端面に設置
することも可能である。

【００６２】また、ウェーハ保持ヘッド５０の高さ調整
機構として、ベアリング支持部５外方の位置調整用おね
じ部６と、この位置調整用おねじ部６に螺合されカルー
セル２に設けられているスピンドルハウジング１６に形
成させた位置調整用めねじ部１３と、前記ベアリング支
持部５に固定され、このベアリング支持部５を回転させ
るとともに調節ハンドル８を有したハンドル支持部９と
を設けたことにより、ベアリング支持部５をハンドル支
持部９とともに回転させることによって、スピンドル１
は上下方向に移動されるようになっている。そのため、
ウェーハ保持ヘッド５０の位置の微調整を容易に行うこ
とができるとともに、ウェーハＷと研磨パッド１０２と
の押圧力の微調整を行うことができ、複数のウェーハ保
持ヘッド５０を備えた構成でも、それぞれの調整を行う
ことができ、全てのウェーハＷの研磨を安定して行うこ
とができる。

【００６３】なお、この高さ調整は調整ハンドル８によ
って手動に行われるが、サーボモータ等の各種アクチュ
エータを用いて自動的に行うことももちろん可能であ
る。

【００６４】また、トルク伝達部７０を設けたことによ
り、フローティング構造であるウェーハ保持ヘッド５０
が回転されても、ダイヤフラム５５に作用するねじり方
向への過剰な力の作用を低減させることができ、フロー
ティング効果を維持しつつ、このダイヤフラム５５の損
傷を防止することができる。

【００６５】なお、このトルク伝達部７０をキャリア５
６の上面のみに設けるだけではなく、図２の第２トルク
伝達部７０’のように、リテーナリング５７上方にも設
けることは可能である。このようなトルク伝達部７０’
をリテーナリング５７上面にダイヤフラム５５を介して
設けさせることにより、ダイヤフラム５５に作用するね
じり方向の力を更に低減させつつ、スピンドル１の回転
力をキャリア５６及びリテーナリング５７に伝達させる
ことができる。

【００６６】また、このダイヤフラム５５をゴムによっ
て形成するのではなく、例えばフローティング効果を失
わない程度の弾性を有する鉄などの金属膜を用いること
も可能である。ダイヤフラム５５に金属膜を用いること
によりその強度は増され、ウェーハ保持ヘッド５０が高
速に回転されても、ダイヤフラム５５の損傷を防止する
ことができる。

【００６７】

【発明の効果】本発明のウェーハ研磨装置及びウェーハ
製造方法は、以下のような効果を有するものである。

【００６８】請求項１に記載の発明によれば、スピンド
ルとウェーハ保持ヘッドとの連結部分にセンサを設けた
ことにより、複数のウェーハ保持ヘッドを有する場合で
も、それぞれのウェーハ保持ヘッドに保持されたウェー
ハに作用する力を観測することができる。そのため、過
研磨状態や研磨不足状態のウェーハを生じさせること無
く、安定した研磨終点検出を行うことができる。また、
センサをスピンドル側に設けたため、個々のウェーハ保
持ヘッドにセンサを設置する必要が無く、使用するセン
サの数を抑えることができる。

【００６９】請求項２に記載の発明によれば、前記スピ
ンドルとウェーハ保持ヘッドとは、それぞれに形成され
た前記めねじ部とおねじ部とを螺着させることによって
安定して連結される。そして、前記シャフト部上端面に
当接される部分にセンサを配置させたことにより、ウェ
ーハに作用する力は前記ウェーハ保持ヘッドを介して確
実に前記センサに観測される。

【００７０】請求項３に記載の発明によれば、スピンド
ルとウェーハ保持ヘッドとの間に位置調整部材を設ける
とともに、この位置調整部材のスペーサー部分の厚みを
変更することによって、スピンドルに連結されるウェー
ハ保持ヘッドの位置を調整することが可能となる。そし
て、スピンドル軸本体下端面と位置調整部材とが当接さ
れる部分にセンサを配置させたことにより、ウェーハに
作用する力は前記ウェーハ保持ヘッドを介して確実に前
記センサに観測される。

【００７１】請求項４に記載の発明によれば、センサに
圧電素子を用いたことにより、ウェーハに作用する鉛直
方向の力とせん断方向の力とを観測することができると
ともに、装置の剛性の低下を最小限に抑えることができ
る。

【００７２】請求項５に記載の発明によれば、複数のウ
ェーハ保持ヘッドが設置された場合でも、各々のウェー
ハに作用する力をそれぞれ確実に観測しつつ研磨を行う
ことができる。そのため、過研磨状態や研磨不足状態の
ウェーハの製造を防ぐことができ、効率の良いウェーハ
の製造を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のウェーハ研磨装置の実施形態の一例を
示す図のうちスピンドルの断面図である。

【図２】本発明のウェーハ研磨装置の実施形態の一例を
示す図のうちウェーハ保持ヘッドの断面図である。

【図３】スピンドルに設けられた圧力センサの配置を説
明する図である。

【図４】トルク伝達部を説明する図である。

【図５】ウェーハの層構成を示す断面図及びこれらのウ
ェーハを研磨したときのセンサの出力結果を説明する図
である。

【図６】ウェーハ研磨装置全体を説明する図である。

【符号の説明】

１ スピンドル １ａ 軸本体 １ｂ 管路 ２ カルーセル ３ 第１ベアリング ４ スピンドル側連結部 ５ ベアリング支持部 ６ 位置調整用おねじ部 ７ 調整ハンドル ９ ハンドル支持部 １０ 流体供給口 １３ 位置調整用めねじ部 １６ スピンドルハウジング １８ 位置調整部材 １８ａ 突起部 １８ｂ 鍔部 １９ ヘッド取付用めねじ部 ２０ 圧力センサ ５０ ウェーハ保持ヘッド ５２ ヘッド本体 ５３ 天板部 ５４ 周壁部 ５５ ダイヤフラム ５６ キャリア ５７ リテーナリング ５８ ヘッド取付用おねじ部 ５９ シャフト部 ７０ トルク伝達部 １０２ 研磨パッド １０３ プラテン Ｗ ウェーハ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面に研磨パッドが貼付されたプラテン
   と、研磨すべきウェーハを保持して前記研磨パッドにウ
   ェーハの一面を当接させるウェーハ保持ヘッドとを具備
   し、このウェーハ保持ヘッドと前記プラテンとの相対運
   動により前記研磨パッドで前記ウェーハを研磨するウェ
   ーハ研磨装置であって、 前記ウェーハ保持ヘッドは、上部に連結されたスピンド
   ルによって水平回転自在に支持されるとともに、 このスピンドルの前記ウェーハ保持ヘッドとの連結部分
   の一面には、研磨時における前記ウェーハに作用する力
   を観測するためのセンサが設けられたことを特徴とする
   ウェーハ研磨装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のウェーハ研磨装置であ
   って、 前記ウェーハ保持ヘッドは、その上部に設けられ外周面
   におねじ部を有した円柱状のシャフト部を備え、 前記スピンドルは、下向きに開口した円筒状の外筒部
   と、この外筒部の内周面に形成され前記おねじ部と螺合
   されるためのめねじ部と、前記外筒部内部に設けられ前
   記おねじ部とめねじ部とを螺着したとき前記シャフト部
   上端面と当接される位置に配置された当接面とを備えて
   おり、 前記センサは、前記当接面の周方向に間隔を有して複数
   配置されたことを特徴とするウェーハ研磨装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載のウェーハ研磨装置であ
   って、 前記ウェーハ保持ヘッドは、その上部に設けられ外周面
   におねじ部を有した円柱状のシャフト部を備え、 前記スピンドルは、このスピンドル軸本体下部に連結さ
   れ下向きに開口した円筒状の外筒部と、この外筒部の内
   周面に形成され前記おねじ部と螺合されるためのめねじ
   部と、前記外筒部内部に設けられ一面を前記軸本体下端
   面に当接させるとともに他面を前記おねじ部とめねじ部
   とが螺着されたとき前記シャフト部上端面に当接される
   位置調整部材とを備えており、 前記センサは、前記軸本体下端面と位置調整部材との当
   接面の周方向に間隔を有して複数配置されたことを特徴
   とするウェーハ研磨装置。
4. 【請求項４】 請求項１、２、３のいずれかに記載のウ
   ェーハ研磨装置であって、 前記センサは、圧電素子からなることを特徴をするウェ
   ーハ研磨装置。
5. 【請求項５】 表面に研磨パッドが貼付されたプラテン
   と、研磨すべきウェーハを保持して前記研磨パッドにウ
   ェーハの一面を当接させるウェーハ保持ヘッドとを具備
   し、このウェーハ保持ヘッドと前記プラテンとの相対運
   動により前記研磨パッドで前記ウェーハを研磨する研磨
   工程を含んだウェーハ製造方法であって、 前記ウェーハ保持ヘッドの上部をスピンドルによって水
   平回転自在に支持させるとともに、 このスピンドルの前記ウェーハ保持ヘッドとの連結部分
   の一面に、研磨時における前記ウェーハに作用する力を
   観測するためのセンサを設け、 このセンサの観測結果によって前記ウェーハの研磨状態
   を検知しつつ研磨を行うことを特徴とするウェーハ製造
   方法。