JP3731411B2

JP3731411B2 - ウェーハ研磨装置

Info

Publication number: JP3731411B2
Application number: JP28856299A
Authority: JP
Inventors: 実沼本
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 1998-11-09
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2019-10-08
Also published as: JP2001001260A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はウェーハ研磨装置に係り、特に化学的機械研磨法（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing ）による半導体ウェーハの研磨装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のウェーハ研磨装置は、ウェーハの表面に形成された酸化膜やメタル膜を研磨する研磨装置であり、微妙な研磨量のコントロールが要求されている。そこで、このような研磨量をコントロールする装置として、即ち、研磨の終点を検出する装置として、ウェーハ保持ヘッドの回転トルクを検出し、この回転トルクによって研磨終点を検出する装置が提案されている。
【０００３】
斯かる終点検出装置は図４に示すように、研磨液（スラリー）の種類により、各層の加工抵抗が異なるために起こる回転抵抗（加工抵抗）の差に着目し、この加工抵抗の変化を検出し、目的層で加工を終了する。前記各層と回転抵抗との関係は、同図の如くメタル層＜層間膜＜バリヤメタル層の関係にある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記モータの電気抵抗の変化でウェーハ保持ヘッドの回転トルクを検出する装置では、モータの出力軸とウェーハ保持ヘッドとを連結する減速機構の回転抵抗を含んだ回転トルクを検出するので、ウェーハ保持ヘッドのみの回転トルクを検出することができず、これによって、研磨終点を正確に検出することができないという欠点がある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、研磨中におけるウェーハの回転抵抗の変化に基づいて研磨終点を検出する検出装置を備えたウェーハ研磨装置において、研磨終点を正確に検出することができるウェーハ研磨装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために、ウェーハを保持ヘッドに保持し回転する研磨定盤に押し付けて、ウェーハを研磨する研磨装置において、前記保持ヘッドは、回転されると共に前記研磨定盤に対向配置されるヘッド本体と、前記ヘッド本体の下方に配置され、その下面で前記ウェーハを保持するキャリアと、前記ヘッド本体と前記キャリアとを連結し、ヘッド本体からの回転力をキャリアに伝達する連結部材と、前記連結部材に設けられ、前記保持ヘッドの回転中、前記キャリアによってウェーハを前記研磨定盤に押し付けた際に生じる、前記ヘッド本体に対するキャリアの水平方向の変位量を、ウェーハと研磨定盤とで生じる研磨定盤回転方向の摩擦力として検出する摩擦力検出手段と、から構成され、前記摩擦力検出手段で検出された前記摩擦力の変化に基づいて、ウェーハの研磨制御を行う制御手段を備え、前記連結部材は平行ばねであり、前記摩擦力検出手段は、前記保持ヘッドの回転中、前記キャリアによってウェーハを前記研磨定盤に押し付けた際に、前記キャリアが受ける水平方向の力によって変位する前記平行ばね間の変位を検出する検出手段と、該変位に基づいて摩擦力を演算する演算手段とを備えていることを特徴としている。
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、保持ヘッドを構成するヘッド本体とキャリアとを連結部材で連結し、この連結部材に摩擦力検出手段を設け、この摩擦力検出手段でウェーハと研磨定盤とで生じた研磨定盤回転方向の摩擦力を検出し、この摩擦力に基づいて制御手段がウェーハの研磨制御を行う。
【００１０】
ＣＭＰによるウェーハの研磨は、研磨定盤のドレス状態が悪く研磨レートが落ちると、ウェーハと研磨定盤との摩擦係数が変化する。この摩擦係数は、研磨レートの高い場合には低く、研磨レートが落ちると高くなる傾向がある。したがって、摩擦係数の変化、即ち摩擦力の変化を検出する本発明は、制御手段に研磨定盤のドレスが必要であることを示す摩擦力、研磨定盤の交換が必要であることを示す摩擦力を予め記憶させておくことによって、研磨定盤のドレス時期、交換時期を自動で判断することができる。
【００１１】
請求項２記載の発明によれば、連結部材として平行ばねを適用し、摩擦力検出手段として、前記平行ばね間の変位を検出する検出手段を適用し、前記キャリアが受ける横方向の力によって変位する平行ばね間の変位に基づいてウェーハと研磨定盤とで生じる摩擦力を演算手段で演算したので、摩擦力を簡単な構造で取得することができる。
請求項３記載の発明によれば、連結部材として摩擦力で弾性変形する部材を適用し、摩擦力検出手段として、前記部材の弾性変形量を検出する検出手段を適用し、前記部材の弾性変形量に基づいてウェーハと研磨定盤とで生じる摩擦力を演算手段で演算したので、摩擦力を簡単な構造で取得することができる。
【００１２】
請求項４記載の発明によれば、検出手段として差動トランスを適用したので、平行ばね間の変位を容易に検出することができ、よって、前記摩擦力を容易に取得することができる。
請求項５記載の発明によれば、前記ヘッド本体と前記キャリアとの中心軸上に前記連結部材を配置したので、キャリアの回転トルク、或いは研磨定盤回転方向の摩擦力を保持ヘッドの中心軸上で受けることができる。これにより、保持ヘッドの外周部で回転トルクを伝達するよりもトルク検出機構の小型化が可能になる。また、押圧力と回転抵抗を分離できるため摩擦力を正確に検出することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下添付図面に従って本発明に係るウェーハ研磨装置の好ましい実施の形態について詳説する。
図１は、第１の実施の形態のウェーハ研磨装置１０の全体構成図である。
同図に示すウェーハ研磨装置１０は、研磨定盤１２とウェーハ保持ヘッド１４とを備えている。研磨定盤１２は円盤状に形成されており、その上面には研磨布１６が設けられている。また、研磨定盤１２の下部には、軸１８が連結され、この軸１８はモータ２０の図示しない出力軸に連結されている。したがって、前記モータ２０を駆動すると、前記研磨定盤１２は、図１上矢印Ａ方向に回転され、その回転する研磨定盤１２の研磨布１６上に図示しないノズルからスラリが供給される。
【００１４】
図２は前記ウェーハ保持ヘッド１４の縦断面図である。同図に示すウェーハ保持ヘッド１４は、ヘッド本体２２、キャリア２４、ガイドリング２６、リテーナーリング２８、及びゴムシート３０等から構成される。
前記ヘッド本体２２は円盤状に形成され、その上面には回転軸３２がヘッド本体２２の中心軸と同軸上に固定されている。前記回転軸３２は、図示しないモータの出力軸に連結され、このモータの駆動力によってヘッド本体２２は図２上矢印Ｂ方向に回転される。
【００１５】
前記ヘッド本体２２にはエア供給路３４、３６が形成されている。このエア供給路３４は図２上二点鎖線で示すようにウェーハ保持ヘッド１４の外部に延設され、レギュレータ３８を介してエアポンプ４０に接続されている。また、エア供給路３６も同様にウェーハ保持ヘッド１４の外部に延設され、レギュレータ４２を介して前記エアポンプ４０に接続されている。
【００１６】
前記キャリア２４は、円盤状に形成されてヘッド本体２２の下部にヘッド本体２２の中心軸と同軸上に配置されている。また、キャリア２４の下面には凹部２５が形成され、この凹部２５に通気性を有する多孔質板４４が収納されている。多孔質板４４にはエア吸引路４６が連通され、エア吸引路４６は図２上二点鎖線で示すようにウェーハ保持ヘッド１４の外部に延設されてサクションポンプ４８に接続されている。したがって、サクションポンプ４８が駆動されると、多孔質板４４が吸引部材として機能し、この多孔質板４４にウェーハ５０が吸着保持される。前記多孔質板４４は、内部に多数の通気路を有するものであり、例えば、セラミック材料の焼結体よりなるものが用いられている。
【００１７】
前記キャリア２４の下面外周部には、多数のエア噴射口５２、５２…が同心円上に所定の間隔をもって形成されている。また、これらのエア噴射口５２、５２…は、キャリア２４の下面に形成された環状のエア溝５４に貫通している。更に、前記エア噴射口５２、５２…は、図２上二点鎖線で示すエア供給路５６に連通されており、このエア供給路５６は、ウェーハ保持ヘッド１４の外部に延設され、レギュレータ５８を介してエアポンプ４０に接続されている。
【００１８】
したがって、エアポンプ４０が駆動されると、エアポンプ４０からの圧縮エアがエア供給路５６、エア噴射口５２を介してエア溝５４から下方に噴き出される。これにより、キャリア２４の下面とウェーハ５０の裏面との間に圧力エア層６０が形成される。ウェーハ５０は、前記圧力エア層６０を介して伝達されるキャリア２４からの押圧力によって研磨布１６に押し付けられ研磨される。
【００１９】
前記ゴムシート３０は、均一な厚さで１枚の円盤状に形成される。また、ゴムシート３０は、大中小の環状の止め金６２、６４、６６によってヘッド本体２２の下面に固定され、これらの止め金６２、６４、６６によってゴムシート３０は外側部３０Ａと内側部３０Ｂとに２分されている。このように２分されたゴムシート３０の内側部３０Ｂは、キャリア２４を押圧し、外側部３０Ａはガイドリング２６を介してリテーナーリング２８を押圧する。なお、符号６８は、止め金６２、６４、６６をヘッド本体２２に締結するためのボルトである。
【００２０】
前記の如くゴムシート３０を２分すると、ヘッド本体２２の下方には、ゴムシート３０の内側部３０Ｂによって密閉される環状の空間７０と、外側部３０Ａによって密閉される環状の空間７２とが形成される。前記空間７０には、前記エア供給路３４が連通されている。したがって、エアポンプ４０からの圧縮エアをエア供給路３４から空間７０に供給すると、ゴムシート３０の内側部３０Ｂはエア圧で膨張される。これにより、内側部３０Ｂの下部に位置するキャリア２４が、内側部３０Ｂの膨張によって下方に押圧される。そして、この押圧力は、圧力エア層６０を介してウェーハ５０に伝達されるので、研磨布１６に対するウェーハ５０の押し付け力が得られる。また、エア圧をレギュレータ３８で調整すれば、研磨布１６に対するウェーハ５０の押し付け力を制御することができる。
【００２１】
一方、前記空間７２には、前記エア供給路３６が連通されているので、エアポンプ４０からの圧縮エアをエア供給路３６から空間７２に供給すると、ゴムシート３０の外側部３０Ａをエア圧で膨張させることができる。これによって、外側部３０Ａの下部に位置するガイドリング２６が外側部３０Ａに押し下げられ、そして、ガイドリング２６の下部に配置されたリテーナーリング２８が研磨布１６に押し付けられる。また、レギュレータ４２でエア圧を調整すれば、リテーナーリング２８の押し付け力を制御することができる。この場合のリテーナーリング２８の押し付け力は、研磨布１６からの応力がウェーハ５０のエッジ部に集中しない力に設定される。
【００２２】
前記ガイドリング２６は、円筒状に形成されてヘッド本体２２の下部にヘッド本体２２の中心軸と同軸上に配置される。また、ガイドリング２６の上部外周にはフランジ２６Ａが形成され、このフランジ２６Ａは、ウェーハ保持ヘッド１４を研磨布１６から上昇させた時に、止め金６２の下部内周に形成されたフランジ６２Ａに当接される。これにより、ウェーハ保持ヘッド１４からのガイドリング２６の脱落が防止されている。
【００２３】
ところで、前記リテーナーリング２８は、研磨中のウェーハ５０がウェーハ保持ヘッド１４から飛び出すのを防止するためのリングであり、キャリア２４の下部外周部にＯリング７４を介して装着されている。このように、リテーナーリング２８をＯリング７４を介してキャリア２４に装着すると、ウェーハ５０がリテーナーリング２８に当接した時の衝撃力が、前記Ｏリング７４で吸収される。また、リテーナーリング２８は、キャリア２４と同じ中心軸上に保持されるためキャリア２４にウェーハ５０を容易にセットできる。
【００２４】
次に、本実施の形態のウェーハ保持ヘッド１４に適用された研磨終点検出装置について説明する。
本実施の形態の研磨終点検出装置は、ウェーハ５０の加工材質の差によるキャリア２４の回転トルクの差に着目し、構成されたものである。即ち、前記研磨終点検出装置は、キャリア２４の回転トルクを歪みとして検出する歪みゲージ９６、歪みゲージ９６から出力される電気信号に基づいて前記回転トルクを演算する演算部９８を有する制御装置（研磨量検出手段に相当）１００から構成される。
【００２５】
前記歪みゲージ９６は、連結バー８０に取り付けられている。この連結バー８０は、ヘッド本体２２にキャリア２４を吊り下げ支持する部材であり、ウェーハ保持ヘッド１４の中心軸と同軸上に配置されている。また、連結バー８０は基部８２、連結部８４、及び括れ部８６から構成されている。前記基部８２は、前記ヘッド本体２２に図示しないボルトによって固定され、前記連結部８４はキャリア２４の上面に形成された矩形状の凹状溝８８に挿入されている。前記連結部８４の下部には図３に示すように矩形状のフランジ９０が形成され、このフランジ９０が前記溝８８に嵌入されている。これによって、前記キャリア２４は、ヘッド本体２２に対して回り止めされた状態で連結されると共に、振れ止めされた状態で連結される。なお、キャリア２４の抜け止めにリング９４がある。
【００２６】
前記連結バー８０の括れ部８６には図２に示すように、前記歪みゲージ９６が取り付けられている。この歪みゲージ９６は、前記括れ部８６のネジレ（回転方向）の歪みを電気信号として検出し、この電気信号は前記制御装置１００の演算部９８に出力される。演算部９８は、歪みゲージ９６から出力された電気信号に基づいてキャリア２４の回転トルクを演算する。そして、演算部９８で演算された前記回転トルクが、終点材質に対応する回転トルクに変化した時に、制御装置１００がウェーハ研磨装置１０を制御してウェーハ５０の研磨を終了させる。なお、前記基準の回転トルクは、制御装置１００のＲＡＭ（不図示）に予め記憶されており、ウェーハ研磨時に制御装置１００によって読み出され、実測された回転トルクと比較される。
【００２７】
このように、ヘッド本体２２とキャリア２４とを連結バー８０で連結し、この連結バー８０に歪みゲージ９６を設け、この歪みゲージ９６から出力される電気信号に基づいてキャリア２４の回転トルクを検出すれば、その回転トルクを正確に検出することができる。
よって、本実施の形態の研磨終点検出装置によれば、ウェーハ保持ヘッド１４を回転させるモータの電気抵抗でキャリア２４の回転トルクを検出する研磨終点検出装置と比較すると、その回転トルクを正確に検出することができるので、ウェーハ５０の研磨終点を正確に検出することができる。
【００２８】
なお、キャリア２４の回転トルクを検出できるものであれば、前記歪みゲージ９６に代えて圧電素子等の他の検出手段を適用して良い。
また、本実施の形態では、キャリア２４の横方向（水平方向）の力Ｆを、ウェーハ保持ヘッド１４の中心軸上で受けるので、ウェーハ保持ヘッド１４の外周部で前記力Ｆを受けるよりも、ウェーハ保持ヘッド１４全体の傾きに対する自由度を広げることができる。
【００２９】
次に、前記の如く構成されたウェーハ研磨装置１０のウェーハ保持ヘッド１４の作用について説明する。
まず、研磨対象のウェーハ５０を多孔質板４４で吸着保持し、この状態でウェーハ保持ヘッド１４を研磨布１６上の所定の位置に移動させる。
次に、多孔質板４４によるウェーハ５０の吸着保持を解除し、このウェーハ５０を研磨布１６上に載置する。
【００３０】
次に、エアポンプ４０を駆動して、圧縮エアをエア供給路５６からエア噴射口５２及びエア溝５４を介してキャリア２４とウェーハ５０との間に噴射し、キャリア２４とウェーハ５０との間に圧力エア層６０を形成する。
そして、エアポンプ４０からの圧縮エアをエア供給路３４を介して空間７０に供給し、ゴムシート３０の内側部３０Ｂを内部エア圧により膨張させてキャリア２４を押圧する。これによって、ウェーハ５０は、圧力エア層６０を介して伝達されるキャリア２４の押圧力によって研磨布１６に押し付けられる。そして、レギュレータ３８でエア圧を調整して内部エア圧力を所望の圧力に制御し、研磨布１６に対するウェーハ５０の押付力を一定にする。
【００３１】
次に、エアポンプ４４からの圧縮エアをエア供給路３６を介して空間７２に供給し、ゴムシート３０の外側部３０Ａを内部エア圧により膨張させてリテーナーリング２８をガイドリング２６を介して押圧し、リテーナーリング２８を研磨布１６に押し付ける。そして、レギュレータ４２でエア圧を調整して内部エア圧力を所望の圧力に制御し、研磨布１６に対するリテーナーリング２８の押付力を一定に保持する。
【００３２】
次いで、ウェーハ保持ヘッド１４と研磨定盤１２とを回転させてウェーハ５０の研磨を開始する。
この研磨中において前記ウェーハ５０は、その外周部がリテーナーリング２８の内周部に当接することによって、ウェーハ保持ヘッド１４からの飛び出しが防止された状態で研磨される。そして、リテーナーリング２８にウェーハ５０が当接した時の衝撃力は、リテーナーリング２８の変形とＯリング７４で吸収されている。また、前記ウェーハ保持ヘッド１４では、リテーナーリング２８がキャリア２４にガタなく固定され、これにより、ウェーハ５０はリテーナーリング２８によって包囲された状態で研磨される。
【００３３】
一方、ウェーハ研磨中におけるウェーハ５０の研磨量は、歪みゲージ９６と制御装置１００とでキャリア２４の回転トルクを検出することにより常時検出されている。そして、検出された回転トルクが、終点材質に対応する回転トルクに変化した時に、制御装置１００がウェーハ研磨装置１０を制御してウェーハ５０の研磨を終了する。
【００３４】
その後、研磨終了したウェーハ５０を、多孔質板４４で吸着保持し、ウェーハ保持ヘッド１４のアンロード動作によって次工程の洗浄装置に向けて搬送する。以上で、前記ウェーハ保持ヘッド１４の作用が終了する。
図５は、第２の実施の形態のウェーハ保持ヘッド２００の縦断面図であり、図２に示した第１の実施の形態のウェーハ保持ヘッド１４と同一若しくは類似の部材については同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００３５】
前記ウェーハ保持ヘッド２００は、ヘッド本体２２とキャリア２４とが一組の平行ばね２０２によって連結され、この平行ばね２０２間に差動トランス２０４が取り付けられている。差動トランス２０４のコア２０６は、図５、図６に示すように平行ばね２０２の一方のばね２０２Ａに水平方向に取り付けられ、差動トランス２０４のボビン２０８は、平行ばね２０２の他方のばね２０２Ｂに水平方向に取り付けられている。なお、前記平行ばね２０２は、その上端部が止め金６６に固定され、その下端部がキャリア２４に取り付けられた座板２０５に遊嵌支持されている。
【００３６】
前記差動トランス２０２から出力される電気信号は、図５に示すウェーハ保持ヘッド２００の外部に配設された制御装置２１０に出力される。制御装置２１０は、前記電気信号を増幅する増幅器（図示せず）、増幅された電気信号（図７参照）に基づいてウェーハ５０と研磨布１６とで生じている摩擦力を演算する演算部（演算手段）２１２を備えている。また、前記制御装置２１０には、前記増幅された電気信号を整流化する整流平滑回路（図示せず）も備えられている。
【００３７】
ウェーハ５０と研磨布１６とで生じる摩擦力（摩擦係数）が大きくなると、ヘッド本体２２に対するキャリア２４の水平方向の変位量が大きくなるため、平行ばね２０２のばね２０２Ａ、２０２Ｂ間の変位（２〜３μｍ）が大きくなる。この変位は前記差動トランス２０４によって検出されるので、前記増幅器から演算部２１２には、図７に示す振幅の大きい検出信号（交流電圧信号）が出力され、そして、演算部２１２は前記検出信号に基づいて前記摩擦力を演算する。
【００３８】
演算部２１２には、検出信号の振幅に対応する摩擦力が予め記憶されており、検出信号が入力されるとその振幅に対応する摩擦力が読み出され、その摩擦力は演算値として制御装置２１０に出力される。制御装置２１０には、研磨布１６のドレスが必要であることを示す摩擦力（図７上で振幅Ａ１に相当）、研磨布１６の交換が必要であることを示す摩擦力（図７上で振幅Ａ２に相当）が予め記憶されている。制御装置２１０は、演算部２１２から出力された摩擦力に基づいて研磨布１６のドレス時期、交換時期を自動で判断する。これにより、研磨レートを一定に保ちつつ研磨することができる。
【００３９】
即ち、第２の実施の形態のウェーハ保持ヘッド２００は、キャリア２４の横方向の力Ｆを、加工対象膜質（表面状態）の変化によるウェーハ５０の研磨布１６に対する摩擦力として検出し、所定の膜質の摩擦力になったら加工を停止又は次工程研磨へと進める終端検出信号を出力する。また、ドレス圧力とドレス時間で磨耗する研磨布の量を予め取得しておくことにより、研磨布（厚み：約１．５ｍｍ）１６の使用限界も予測することができる。
【００４０】
また、演算部２１２は、前記整流平滑回路で整流化された直流電圧に基づいて、キャリア２４から平行ばね２０２にかかるキャリア２４の回転トルクを演算することができる。演算部２１２には、整流化された直流電圧に対応するキャリア２４の回転トルクが予め記憶されており、その直流電圧に対応する回転トルクが読み出され、その回転トルクが制御装置２１０に出力される。制御装置２１０には、ウェーハ５０の研磨終端を示す回転トルク（図７上では電圧Ｖ１に相当）が予め記憶されている。制御装置２１０は、演算部２１２から出力された回転トルクに基づいてウェーハ５０の研磨量の終端を自動で判断する。
【００４１】
一方、研磨布１６をドレスする場合、研磨布１６が初期の状態（初期値の摩擦係数＝摩擦力）に復帰するまでのドレス圧力と時間の変化を監視し、研磨布１６が使用限界厚さになるまでの予測を行えば、研磨布１６の交換準備を事前に行うこともできる。
また、第２の実施の形態では、連結部材として平行ばね２０２を適用し、摩擦力検出手段として、平行ばね２０２間の変位を検出する差動トランス２０４を適用し、差動トランス２０４から出力される電気信号に基づいて、ウェーハ５０と研磨布１６とで生じる摩擦力を演算部２１２で演算したので、摩擦力を簡単な構造で正確に検出することができる。なお、差動トランス２０４に代えて、他の摩擦力検出手段を適用してもよい。
【００４２】
更に、第２の実施の形態では、ヘッド本体２２とキャリア２４との中心軸対称に平行ばね２０２のばね２０２Ａ、２０２Ｂを配置し、前記中心軸上にコア２０６を配置したので、研磨布回転方向の摩擦力を保持ヘッド２００の中心軸上で受けることができる。これにより、保持ヘッド２０２の外周部で摩擦力を検出するよりも、摩擦力を正確に検出することができる。
【００４３】
図８は、第３の実施の形態のウェーハ保持ヘッド３００の縦断面図であり、図２に示した第１の実施の形態のウェーハ保持ヘッド１４と同一若しくは類似の部材については同一の符号を付して、その説明は省略する。
前記ウェーハ保持ヘッド３００は、ヘッド本体２２とキャリア２４とがピン３０２によって連結され、このピン３０２に４台の差動トランス３０４、３０４…が取り付けられている。前記ピン３０２の上部には、くびれ部３０３が形成されており、ピン３０２に水平方向の力Ｆが加わると、ピン３０２はくびれ部３０３を支点に水平方向に若干量弾性変形される。
【００４４】
前記差動トランス３０４のコア３０６は、図９に示すようにピン３０２の外周部に水平方向に等間隔で４箇所取り付けられ、差動トランス３０４のボビン３０８は、ピン３０２を外装する筒体３１０に形成された開口部３１０Ａに水平方向に等間隔で４箇所取り付けられている。前記筒体３１０は、その上端部が止め金６６に固定され、下端部がフリーな状態となっている。
【００４５】
前記４台の差動トランス３０４、３０４…から出力される電気信号は、図８に示すウェーハ保持ヘッド３００の外部に配設された制御装置３１２にそれぞれ出力される。制御装置３１２には、前記電気信号を増幅する増幅器（図示せず）、増幅された電気信号に基づいてウェーハ５０と研磨布１６とで生じている摩擦力を演算する演算部（演算手段）３１４を備えている。また、前記制御装置３１２には、前記増幅された電気信号を整流化する整流平滑回路（図示せず）も備えられている。
【００４６】
本実施の形態では４台の差動トランス３０４を設け、これらの差動トランス３０４に印加する交流電圧を９０°位相をずらして印加した。これにより、ウェーハ保持ヘッド３００の１／４回転で振幅や電圧を検出することができるので、サンプリング時間を細分することができる。なお、本実施の形態では４台の差動トランス３０４を設けたが、差動トランス３０４の台数は４台に限定されるものではなく１台でもよいが、サンプリング時間を細分する観点からみると、２台以上設けることが好ましい。
【００４７】
また、第３の実施の形態では、連結部材として弾性変形可能なピン３０２を適用し、摩擦力検出手段として、差動トランス３０４を適用し、差動トランス３０４から出力される電気信号に基づいて、ウェーハ５０と研磨布１６とで生じる摩擦力を演算部３１４で演算したので、摩擦力を簡単な構造で正確に検出することができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るウェーハ研磨装置によれば、保持ヘッドを構成するヘッド本体とキャリアとを連結部材で連結し、この連結部材にトルク検出手段、或いは摩擦力検出手段を設けたので、正確に摩擦力を検出することができる。これにより、加工初期のウェーハと研磨定盤の摩擦力の差により研磨定盤のドレス時期や研磨レートが予測可能となり、研磨終点も正確に検出することができる。
【００４９】
また、ドレス後のウェーハと研磨定盤の摩擦力の変化により研磨定盤の寿命を予測することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態のウェーハ研磨装置の全体構造図
【図２】図１に示したウェーハ研磨装置のウェーハ保持ヘッドの縦断面図
【図３】キャリアに対する連結バーの取付位置を示す平面図
【図４】ウェーハを研磨した時の研磨時間に対する加工層の変化とウェーハの加工抵抗との関係を示すグラフ
【図５】第２の実施の形態のウェーハ保持ヘッドの縦断面図
【図６】図５のウェーハ保持ヘッドに取り付けられた平行ばねの動作説明図
【図７】差動トランスから出力される検出信号を示す図
【図８】第３の実施の形態のウェーハ保持ヘッドの縦断面図
【図９】図８のウェーハ保持ヘッドに取り付けられたピンと差動トランスの拡大図
【符号の説明】
１０…ウェーハ研磨装置、１２…研磨定盤、１４、２００、３００…ウェーハ保持ヘッド、１６…研磨布、２２…ヘッド本体、２４…キャリア、２８…リテーナーリング、３０…ゴムシート、７４…Ｏリング、８０…連結バー、９６…歪みゲージ、２０２…平行ばね、２０４、３０４…差動トランス、３０２…ピン

Claims

ウェーハを保持ヘッドに保持し回転する研磨定盤に押し付けて、ウェーハを研磨する研磨装置において、
前記保持ヘッドは、
回転されると共に前記研磨定盤に対向配置されるヘッド本体と、
前記ヘッド本体の下方に配置され、その下面で前記ウェーハを保持するキャリアと、
前記ヘッド本体と前記キャリアとを連結し、ヘッド本体からの回転力をキャリアに伝達する連結部材と、
前記連結部材に設けられ、前記保持ヘッドの回転中、前記キャリアによってウェーハを前記研磨定盤に押し付けた際に生じる、前記ヘッド本体に対するキャリアの水平方向の変位量を、ウェーハと研磨定盤とで生じる研磨定盤回転方向の摩擦力として検出する摩擦力検出手段と、から構成され、
前記摩擦力検出手段で検出された前記摩擦力の変化に基づいて、ウェーハの研磨制御を行う制御手段を備え、
前記連結部材は平行ばねであり、前記摩擦力検出手段は、前記保持ヘッドの回転中、前記キャリアによってウェーハを前記研磨定盤に押し付けた際に、前記キャリアが受ける水平方向の力によって変位する前記平行ばね間の変位を検出する検出手段と、該変位に基づいて摩擦力を演算する演算手段とを備えていることを特徴とするウェーハ研磨装置。
前記検出手段は、コアとボビンとを備えた差動トランスであることを特徴とする請求項１に記載のウェーハ研磨装置。