特許 6372847 研磨装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6372847

(24)【登録日】2018年7月27日

(45)【発行日】2018年8月15日

(54)【発明の名称】研磨装置

(51)【国際特許分類】

   B24B 49/12 20060101AFI20180806BHJP

   B24B 37/20 20120101ALI20180806BHJP

   B24B 53/017 20120101ALI20180806BHJP

   H01L 21/304 20060101ALI20180806BHJP

【ＦＩ】

   B24B49/12

   B24B37/20

   B24B53/017 Z

   H01L21/304 622M

   H01L21/304 622R

   H01L21/304 621D

【請求項の数】13

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2014-50546(P2014-50546)

(22)【出願日】2014年3月13日

(65)【公開番号】特開2015-174156(P2015-174156A)

(43)【公開日】2015年10月5日

【審査請求日】2017年3月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000239

【氏名又は名称】株式会社荏原製作所

(73)【特許権者】

【識別番号】504174135

【氏名又は名称】国立大学法人九州工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100091498

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 勇

(74)【代理人】

【識別番号】100118500

【弁理士】

【氏名又は名称】廣澤 哲也

(72)【発明者】

【氏名】松尾 尚典

(72)【発明者】

【氏名】望月 宣宏

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 恵友

(72)【発明者】

【氏名】田尻 貴寛

(72)【発明者】

【氏名】市岡 宗一郎

【審査官】 小川 真

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１３７４８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０８８２９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００３−５３１７３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２２３１９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第６２６４５３２（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２４Ｂ ４９／１２

Ｂ２４Ｂ ４９／１８

Ｂ２４Ｂ ３７／００５

Ｂ２４Ｂ ３７／２０

Ｂ２４Ｂ ５３／０１７

Ｈ０１Ｌ ２１／３０４

ＤＷＰＩ（Ｄｅｒｗｅｎｔ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板を研磨テーブル上の研磨パッドに押圧して基板を研磨する研磨装置において、
研磨パッド上で液体を堰き止めて研磨パッド上の少なくとも一部の領域に所定以上の厚さの液膜を形成するための堰と、
前記堰により形成された液膜中に投光端を持ち、研磨パッドにレーザ光を投光する投光部と、
前記堰により形成された液膜中にあって、前記投光部から投光された後に研磨パッド表面性状により複数の角度で散乱および跳ね返された光を受光する受光部と、
前記受光部で受光した光を、反射強度分布に対応する所定の波長にフーリエ変換してパッド表面性状の特徴量を求める演算部とを備えたことを特徴とする研磨装置。

【請求項2】

基板を研磨テーブル上の研磨パッドに押圧して基板を研磨する研磨装置において、
研磨パッド上で液体を堰き止めて研磨パッド上の少なくとも一部の領域に所定以上の厚さの液膜を形成するための堰と、
前記堰により形成された液膜中に投光端を持ち、研磨パッドにレーザ光を投光する投光部と、
前記液膜外に設置され、光を受光する受光部と、
前記堰で形成された液膜中とその上層にある大気中にまたがって設置され、前記投光部から投光された後に研磨パッド表面性状により複数の角度で散乱および跳ね返された光を前記受光部に受光せしめるための光路を形成する光路形成部材と、
前記受光部で受光した光を、反射強度分布に対応する所定の波長にフーリエ変換してパッド表面性状の特徴量を求める演算部とを備えたことを特徴とする研磨装置。

【請求項3】

基板を研磨テーブル上の研磨パッドに押圧して基板を研磨する研磨装置において、
前記研磨テーブルの外形に沿って円弧状に湾曲して形成された板状体からなり、研磨パッド上で液体を堰き止めて研磨パッド上の一部の領域に所定以上の厚さの液膜を形成するための堰と、
前記堰により形成される前記所定以上の厚さの液膜から離間して設けられ、前記基板を保持して前記研磨パッドに押圧させて前記基板を研磨するキャリアと、
大気中に設置され、レーザ光を投光する投光部と、
大気中に設置され、光を受光する受光部と、
前記堰で形成された液膜中とその上層にある大気中にまたがって設置されるとともに研磨パッドから離間して設置され、前記投光部から投光されたレーザ光を液膜下にある研磨パッドに到達せしめ、且つ、研磨パッド表面性状により複数の角度で散乱および跳ね返された光を前記受光部に受光せしめるための光路を形成する光路形成部材と、
前記受光部で受光した光を、反射強度分布に対応する所定の波長にフーリエ変換してパッド表面性状の特徴量を求める演算部とを備えたことを特徴とする研磨装置。

【請求項4】

基板を研磨テーブル上の研磨パッドに押圧して基板を研磨する研磨装置において、
研磨パッド上で液体を堰き止めて研磨パッド上の少なくとも一部の領域に所定以上の厚さの液膜を形成するための堰と、
大気中に設置され、レーザ光を投光する投光部と、
大気中に設置され、光を受光する受光部と、
前記堰で形成された液膜中とその上層にある大気中にまたがって設置されるとともに研磨パッドから離間して設置され、前記投光部から投光されたレーザ光を液膜下にある研磨パッドに到達せしめ、且つ、研磨パッド表面性状により複数の角度で散乱および跳ね返された光を前記受光部に受光せしめるための光路を形成する光路形成部材と、
前記受光部で受光した光を、反射強度分布に対応する所定の波長にフーリエ変換してパッド表面性状の特徴量を求める演算部とを備え、
前記投光部より研磨パッド表面に照射される角度は、研磨パッドの垂直線に対して８０度±１０度となるよう、前記投光部及び／又は前記光路形成部材が設置されていることを特徴とする研磨装置。

【請求項5】

基板を研磨テーブル上の研磨パッドに押圧して基板を研磨する研磨装置において、
研磨パッド上で液体を堰き止めて研磨パッド上の少なくとも一部の領域に所定以上の厚さの液膜を形成するための堰と、
大気中に設置され、レーザ光を投光する投光部と、
大気中に設置され、光を受光する受光部と、
前記堰で形成された液膜中とその上層にある大気中にまたがって設置されるとともに研磨パッドから離間して設置され、前記投光部から投光されたレーザ光を液膜下にある研磨パッドに到達せしめ、且つ、研磨パッド表面性状により複数の角度で散乱および跳ね返された光を前記受光部に受光せしめるための光路を形成する光路形成部材と、
前記受光部で受光した光を、反射強度分布に対応する所定の波長にフーリエ変換してパッド表面性状の特徴量を求める演算部とを備え、
前記研磨パッド表面に対して、一定の位置にレーザ光を照射するか、または研磨パッド表面から一定の散乱角の光を受光するため、研磨パッド表面の位置を検知するセンサと、前記投光部と前記受光部と前記光路形成部材の少なくとも２つを一体で動作可能な動作機構とをさらに備えたことを特徴とする研磨装置。

【請求項6】

前記光路形成部材は、三角形断面又は四角形断面を持つプリズムからなることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の研磨装置。

【請求項7】

前記投光部は、光ファイバーによって光源に接続されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の研磨装置。

【請求項8】

前記投光部より研磨パッド表面に照射される角度は、研磨パッドの垂直線に対して８０度±１０度となるよう、前記投光部及び／又は前記光路形成部材が設置されていることを特徴とする請求項１、２、３、５、６、７のいずれか１項に記載の研磨装置。

【請求項9】

前記受光部は、複数の光ファイバーから構成されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の研磨装置。

【請求項10】

前記受光部は、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサから構成されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の研磨装置。

【請求項11】

前記研磨パッド表面に対して、一定の位置にレーザ光を照射するか、または研磨パッド表面から一定の散乱角の光を受光するため、研磨パッド表面の位置を検知するセンサと、前記投光部と前記受光部と前記光路形成部材の少なくとも２つを一体で動作可能な動作機構とを備えることを特徴とする請求項２、３、４、６、７、８、９、１０のいずれか１項に記載の研磨装置。

【請求項12】

請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の研磨装置を用い、
前記演算部で得られたパッド表面性状の特徴量に基づいて、ドレッシング荷重、ドレッサー回転数、テーブル回転数、ドレッサー揺動速度、ドレッサー揺動距離の少なくとも一つのドレッシングパラメータを調整することを特徴とする研磨方法。

【請求項13】

請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の研磨装置を用い、
前記演算部で得られたパッド表面性状の特徴量に基づいて、ドレッサー、研磨パッドの少なくとも一方の寿命を見積もり、見積もった寿命が所定値を越えたら、警報を発報することを特徴とする研磨方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体ウエハ等の基板の研磨に用いられる研磨パッドの表面形状や表面状態などの表面性状を測定する研磨パッドの表面性状測定装置を備えた研磨装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、半導体デバイスの高集積化・高密度化に伴い、回路の配線がますます微細化し、多層配線の層数も増加している。回路の微細化を図りながら多層配線を実現しようとすると、下側の層の表面凹凸を踏襲しながら段差がより大きくなるので、配線層数が増加するに従って、薄膜形成における段差形状に対する膜被覆性（ステップカバレッジ）が悪くなる。したがって、多層配線するためには、このステップカバレッジを改善し、然るべき過程で平坦化処理しなければならない。また光リソグラフィの微細化とともに焦点深度が浅くなるため、半導体デバイスの表面の凹凸段差が焦点深度以下に収まるように半導体デバイス表面を平坦化処理する必要がある。

【0003】

従って、半導体デバイスの製造工程においては、半導体デバイス表面の平坦化技術がますます重要になっている。この平坦化技術のうち、最も重要な技術は、化学的機械研磨（ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing））である。この化学的機械的研磨は、研磨装置を用いて、シリカ（ＳｉＯ_２）やセリア（ＣｅＯ_２）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッドに供給しつつ半導体ウエハなどの基板を研磨パッドに摺接させて研磨を行うものである。

【0004】

上述したＣＭＰを行う研磨装置は、研磨パッドを有する研磨テーブルと、半導体ウエハ（基板）を保持するためのキャリア又はトップリング等と称される基板保持装置とを備えている。このような研磨装置を用いて基板保持装置により基板を保持しつつ、この基板を研磨パッドに対して所定の圧力で押圧して、基板上の絶縁膜や金属膜を研磨することが行われている。

【0005】

基板の研磨を行なうと、研磨パッドの表面には砥粒や研磨屑が付着し、また、研磨パッドの表面形状や状態が変化して研磨性能が劣化してくる。このため、基板の研磨を繰り返すに従い、研磨速度が低下し、また、研磨むらが生じてしまう。そこで、劣化した研磨パッドの表面形状や状態を再生するために、研磨パッドのドレッシング（コンディショニング）を行っている。

【0006】

一般にＣＭＰでは、所望のＣＭＰ性能が得られる消耗材の組合せ（パッドとドレッサー）およびパッドドレッシング条件が適用されている。しかしながら、消耗材には個体差や経時変化があり、安定的に所望のＣＭＰ性能を得るためには、都度、最適なドレッシング条件を適用する必要がある。またＣＭＰには表面粗さなどのパッド表面性状を測定する機器は搭載されていない。ＣＭＰの研磨パッド表面性状を測定する手法としては、特開平９−１１９８２２号公報（特許文献１）に開示されるような技術が提案されている。この方法ではパッド表面性状を測定するために、パッド表面に常時存在する液体をガス噴射で除去している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開平９−１１９８２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

従来の方法では、パッドの表面性状に関する情報を求めていないため、経験に基づいて、安定的なＣＭＰ性能が得られるドレッシング条件を適用しているが、消耗材の個体差や経時変化によるばらつきは許容しているのが現状である。
また、特許文献１に開示される方法によれば、パッド表面性状を得ることはできると考えられるが、パッド上に常時存在する液膜をガス噴射で除去するために、実際に研磨に供する湿潤状態でのパッド表面性状は得られない。

【0009】

一方、パッド表面に液膜が存在した状態で光を使ってパッド表面性状を測定しようとすると、液膜界面で光が反射、散乱し、パッド表面の情報が正しく得られないという問題がある。すなわち、投光部から投光された光は、大気中を進行して空気と液膜の界面で大気側に反射散乱し、界面から液膜中に入射した光のみが研磨パッド表面に入射する。そして、研磨パッドの表面で反射散乱した散乱光は、液膜中を進行して液膜と空気の界面で液膜側へ反射散乱し、界面から大気中に出射した散乱光のみが受光部へ到達する。このため、受光部へ到達した光からは、パッド表面の情報が正しく得られないという問題がある。

【0010】

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、研磨パッド上に液膜が存在する状態で研磨パッドの表面性状を測定することができる研磨パッドの表面性状測定装置を備えた研磨装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、研磨パッドの表面性状の測定結果に基づいて運転条件を設定して、研磨やドレッシングを行う研磨方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の第１の態様は、基板を研磨テーブル上の研磨パッドに押圧して基板を研磨する研磨装置において、研磨パッド上で液体を堰き止めて研磨パッド上の少なくとも一部の領域に所定以上の厚さの液膜を形成するための堰と、前記堰により形成された液膜中に投光端を持ち、研磨パッドにレーザ光を投光する投光部と、前記堰により形成された液膜中にあって、前記投光部から投光された後に研磨パッド表面性状により複数の角度で散乱および跳ね返された光を受光する受光部と、前記受光部で受光した光を、反射強度分布に対応する所定の波長にフーリエ変換してパッド表面性状の特徴量を求める演算部とを備えたことを特徴とする。

【0012】

本発明の第２の態様は、基板を研磨テーブル上の研磨パッドに押圧して基板を研磨する研磨装置において、研磨パッド上で液体を堰き止めて研磨パッド上の少なくとも一部の領域に所定以上の厚さの液膜を形成するための堰と、前記堰により形成された液膜中に投光端を持ち、研磨パッドにレーザ光を投光する投光部と、前記液膜外に設置され、光を受光する受光部と、前記堰で形成された液膜中とその上層にある大気中にまたがって設置され、前記投光部から投光された後に研磨パッド表面性状により複数の角度で散乱および跳ね返された光を前記受光部に受光せしめるための光路を形成する光路形成部材と、前記受光部で受光した光を、反射強度分布に対応する所定の波長にフーリエ変換してパッド表面性状の特徴量を求める演算部とを備えたことを特徴とする。

【0013】

本発明の第３の態様は、基板を研磨テーブル上の研磨パッドに押圧して基板を研磨する研磨装置において、前記研磨テーブルの外形に沿って円弧状に湾曲して形成された板状体からなり、研磨パッド上で液体を堰き止めて研磨パッド上の一部の領域に所定以上の厚さの液膜を形成するための堰と、前記堰により形成される前記所定以上の厚さの液膜から離間して設けられ、前記基板を保持して前記研磨パッドに押圧させて前記基板を研磨するキャリアと、大気中に設置され、レーザ光を投光する投光部と、大気中に設置され、光を受光する受光部と、前記堰で形成された液膜中とその上層にある大気中にまたがって設置されるとともに研磨パッドから離間して設置され、前記投光部から投光されたレーザ光を液膜下にある研磨パッドに到達せしめ、且つ、研磨パッド表面性状により複数の角度で散乱および跳ね返された光を前記受光部に受光せしめるための光路を形成する光路形成部材と、前記受光部で受光した光を、反射強度分布に対応する所定の波長にフーリエ変換してパッド表面性状の特徴量を求める演算部とを備えたことを特徴とする。
本発明の第４の態様は、基板を研磨テーブル上の研磨パッドに押圧して基板を研磨する研磨装置において、研磨パッド上で液体を堰き止めて研磨パッド上の少なくとも一部の領域に所定以上の厚さの液膜を形成するための堰と、大気中に設置され、レーザ光を投光する投光部と、大気中に設置され、光を受光する受光部と、前記堰で形成された液膜中とその上層にある大気中にまたがって設置されるとともに研磨パッドから離間して設置され、前記投光部から投光されたレーザ光を液膜下にある研磨パッドに到達せしめ、且つ、研磨パッド表面性状により複数の角度で散乱および跳ね返された光を前記受光部に受光せしめるための光路を形成する光路形成部材と、前記受光部で受光した光を、反射強度分布に対応する所定の波長にフーリエ変換してパッド表面性状の特徴量を求める演算部とを備え、前記投光部より研磨パッド表面に照射される角度は、研磨パッドの垂直線に対して８０度±１０度となるよう、前記投光部及び／又は前記光路形成部材が設置されていることを特徴とする。
本発明の第５の態様は、基板を研磨テーブル上の研磨パッドに押圧して基板を研磨する研磨装置において、研磨パッド上で液体を堰き止めて研磨パッド上の少なくとも一部の領域に所定以上の厚さの液膜を形成するための堰と、大気中に設置され、レーザ光を投光する投光部と、大気中に設置され、光を受光する受光部と、前記堰で形成された液膜中とその上層にある大気中にまたがって設置されるとともに研磨パッドから離間して設置され、前記投光部から投光されたレーザ光を液膜下にある研磨パッドに到達せしめ、且つ、研磨パッド表面性状により複数の角度で散乱および跳ね返された光を前記受光部に受光せしめるための光路を形成する光路形成部材と、前記受光部で受光した光を、反射強度分布に対応する所定の波長にフーリエ変換してパッド表面性状の特徴量を求める演算部とを備え、前記研磨パッド表面に対して、一定の位置にレーザ光を照射するか、または研磨パッド表面から一定の散乱角の光を受光するため、研磨パッド表面の位置を検知するセンサと、前記投光部と前記受光部と前記光路形成部材の少なくとも２つを一体で動作可能な動作機構とをさらに備えたことを特徴とする。

【0014】

（１）本発明によれば、パッド表面性状の測定はレーザ光によって行われる。研磨パッド上で液体を堰き止めて研磨パッド上の少なくとも一部の領域に所定以上の厚さの液膜を形成するための堰を設けており、レーザ光は液膜中を進行して研磨パッド表面に照射される。本発明の第１の態様では、投光部と受光部は、両者ともパッド上の液膜中に設置する。

【0015】

（２）本発明の第２および第３の態様では、液膜とその上層の空気層とをまたぐように設置された光路形成部材を備えることにより、投光部、受光部の少なくとも一方を液膜外の空気層に設置させる。これにより、液環境に不都合な投光部、受光部を用いることができる。また、光路形成部材の材料の屈折率や形状を最適化することで、所望の光路を形成でき、またパッド表面に所望の入射角でレーザ光を照射可能となる。

【0016】

（３）本発明によれば、受光部で受光した光を、反射強度分布に対応する所定の波長にフーリエ変換してパッド表面性状の特徴量を求める演算部を備えることにより、ＣＭＰ性能と相関あるパッド表面性状を定量的に取得し、その値に基づいて、ドレッシング荷重、ドレッサー回転数、テーブル回転数、ドレッサー揺動速度、ドレッシング時間、などのドレッシングパラメータを調整する。

【0017】

本発明の好ましい態様は、前記光路形成部材は、三角形断面又は四角形断面を持つプリズムからなることを特徴とする。
本発明によれば、光路形成部材は三角形断面又は四角形断面を持つことにより、最低二面の屈折面を持つことができる。

【0018】

本発明の好ましい態様は、前記投光部は、光ファイバーによって光源に接続されていることを特徴とする。

【0019】

本発明の好ましい態様は、前記投光部より研磨パッド表面に照射される角度は、研磨パッドの垂直線に対して８０度±１０度となるよう、前記投光部及び／又は前記光路形成部材が設置されていることを特徴とする。
本発明によれば、研磨パッドに対するレーザ光の入射角を８０度程度、すなわち８０度±１０度とすることにより、ＣＭＰ性能と相関の良いパッド表面性状を測定できる。

【0020】

本発明の好ましい態様は、前記受光部は、複数の光ファイバーから構成されることを特徴とする。
本発明によれば、受光部はファイバーアレーやファイバーマトリクス等からなる複数の光ファイバーから構成されているため、複数の散乱角の光を受光することができる。

【0021】

本発明の好ましい態様は、前記受光部は、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサから構成されることを特徴とする。
本発明によれば、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサからなる受光部は、大気中に設置してもよいし液膜中に設置してもよい。受光部を液膜中に設置する場合には、受光部に防水処理を施す。

【0022】

本発明の好ましい態様は、前記研磨パッド表面に対して、一定の位置にレーザ光を照射するか、または研磨パッド表面から一定の散乱角の光を受光するため、研磨パッド表面の位置を検知するセンサと、前記投光部と前記受光部と前記光路形成部材の少なくとも２つを一体で動作可能な動作機構とを備えることを特徴とする。

【0023】

本発明の第６の態様は、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の研磨装置を用い、前記演算部で得られたパッド表面性状の特徴量に基づいて、ドレッシング荷重、ドレッサー回転数、テーブル回転数、ドレッサー揺動速度、ドレッサー揺動距離の少なくとも一つのドレッシングパラメータを調整することを特徴とする。

【0024】

本発明の第７の態様は、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の研磨装置を用い、前記演算部で得られたパッド表面性状の特徴量に基づいて、ドレッサー、研磨パッドの少なくとも一方の寿命を見積もり、見積もった寿命が所定値を越えたら、警報を発報することを特徴とする。

【発明の効果】

【0025】

本発明によれば、液膜が存在する状態で研磨パッド表面性状が把握できるために、以下のＣＭＰの安定運用が可能となる。
（１）研磨パッドやドレッサーを無駄なく寿命の最後まで使い切ることでできるために消耗材コストを抑制できる。
（２）何らかのドレッシング異常によるパッド表面性状の非定常状態を即座に検知することができるために、ＣＭＰ性能不良による半導体デバイスの製造不良を最低限に抑えることができる。
（３）パッドの表面性状の変化に応じてドレッシング条件を変更することで、常にパッドの表面性状をＣＭＰ性能の確保に必要な状態に維持できる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】図１は、本発明に係る研磨パッドの表面性状測定装置を備えた研磨装置の全体構成を示す模式図である。

【図2】図２は、図１に示す研磨装置の平面図である。

【図3】図３は、図２の要部縦断面図である。

【図4】図４は、研磨パッドの表面性状測定装置の他の実施形態を示す模式的立面図である。

【図5】図５は、研磨パッドの表面性状測定装置の更に他の実施形態を示す模式的立面図である。

【図6】図６は、光路形成部材の屈折率を変更することにより研磨パッドに対する入射角を変更した例を示す模式的立面図である。

【図7】図７は、光路形成部材により光路を調整して、研磨パッドに対するレーザ光の入射角を調整する態様を示す模式的立面図である。

【図8】図８（ａ），（ｂ）は、図７に示す投光側の光路と概略線対称の受光側の光路を形成する光路形成部材を示す模式的立面図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、本発明に係る研磨パッドの表面性状測定装置を備えた研磨装置の実施形態について図１乃至図８を参照して詳細に説明する。なお、図１から図８において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

【0028】

図１は、本発明に係る研磨パッドの表面性状測定装置を備えた研磨装置の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨テーブル１と、研磨対象物である半導体ウエハ等の基板Ｗを保持して研磨テーブル上の研磨パッドに押圧するキャリア１０とを備えている。研磨テーブル１は、テーブル軸１ａを介してその下方に配置される研磨テーブル回転モータ（図示せず）に連結されており、テーブル軸１ａの回りに回転可能になっている。研磨テーブル１の上面には研磨パッド２が貼付されており、研磨パッド２の表面が基板Ｗを研磨する研磨面２ａを構成している。研磨パッド２には、ダウケミカル社（Dow Chemical Company）製のＳＵＢＡ８００、ＩＣ１０００、ＩＣ１０００／ＳＵＢＡ４００（二層クロス）等が用いられている。ＳＵＢＡ８００は繊維をウレタン樹脂で固めた不織布である。ＩＣ１０００は硬質の発泡ポリウレタンであり、その表面に多数の微細な孔（ポア）を有したパッドであり、パーフォレートパッドとも呼ばれている。研磨テーブル１の上方には研磨液供給ノズル３が設置されており、この研磨液供給ノズル３によって研磨テーブル１上の研磨パッド２に研磨液（スラリー）が供給されるようになっている。

【0029】

キャリア１０は、シャフト１１に接続されており、シャフト１１は、キャリアアーム１２に対して上下動するようになっている。シャフト１１の上下動により、キャリアアーム１２に対してキャリア１０の全体を上下動させ位置決めするようになっている。シャフト１１は、モータ（図示せず）の駆動により回転するようになっており、キャリア１０がシャフト１１の軸心の回りに回転するようになっている。

【0030】

図１に示すように、研磨装置は、研磨パッド２上に配置され、研磨パッド２上で液体を堰き止めて液体を貯留する堰５を備えている。堰５は、円弧上に湾曲して形成された板状体からなり、堰５の下面が研磨パッド２に接触して設置されていることにより堰５の内周面により液体を堰き止めて液体を貯留するようになっている。

【0031】

図１に示すように、キャリア１０は、その下面に半導体ウエハなどの基板Ｗを保持できるようになっている。キャリアアーム１２は旋回可能に構成されており、下面に基板Ｗを保持したキャリア１０は、キャリアアーム１２の旋回により基板の受取位置から研磨テーブル１の上方に移動可能になっている。キャリア１０は、下面に基板Ｗを保持して基板Ｗを研磨パッド２の表面（研磨面）に押圧する。このとき、研磨テーブル１およびキャリア１０をそれぞれ回転させ、研磨テーブル１の上方に設けられた研磨液供給ノズル３から研磨パッド２上に研磨液（スラリー）を供給する。研磨液には砥粒としてシリカ（ＳｉＯ_２）やセリア（ＣｅＯ_２）を含んだ研磨液が用いられる。このように、研磨液を研磨パッド２上に供給しつつ、基板Ｗを研磨パッド２に押圧して基板Ｗと研磨パッド２とを相対移動させて基板上の絶縁膜や金属膜等を研磨する。絶縁膜としてはＳｉＯ_２が挙げられる。金属膜としてはＣｕ膜、Ｗ膜、Ｔａ膜、Ｔｉ膜が挙げられる。

【0032】

図１に示すように、研磨装置は、研磨パッド２をドレッシングするドレッシング装置２０を備えている。ドレッシング装置２０は、ドレッサーアーム２１と、ドレッサーアーム２１に回転自在に取り付けられたドレッサー２２とを備えている。ドレッサー２２の下部はドレッシング部材２２ａにより構成され、ドレッシング部材２２ａは円形のドレッシング面を有しており、ドレッシング面には硬質な粒子が電着等により固定されている。この硬質な粒子としては、ダイヤモンド粒子やセラミック粒子などが挙げられる。ドレッサーアーム２１内には、図示しないモータが内蔵されており、このモータによってドレッサー２２が回転するようになっている。ドレッサーアーム２１は図示しない昇降機構に連結されており、この昇降機構によりドレッサーアーム２１が下降することでドレッシング部材２２ａが研磨パッド２の研磨面２ａを押圧するようになっている。研磨テーブル１、キャリア１０、ドレッシング装置２０等の各装置類は、制御装置（図示せず）に接続されており、制御装置により研磨テーブル１の回転速度、キャリア１０の回転速度および研磨圧力、ドレッサー２２の荷重、回転速度および揺動速度等が制御されるようになっている。

【0033】

図２は、図１に示す研磨装置の平面図である。図２においては、ドレッシング装置２０の図示を省略している。図３は図２の要部縦断面図である。
図２に示すように、研磨装置は、研磨パッド２の表面形状や表面状態などの表面性状を測定する研磨パッドの表面性状測定装置３０を備えている。研磨パッドの表面性状測定装置３０は、研磨パッド２にレーザ光を照射する投光部３１と、研磨パッド２の表面性状により複数の角度で散乱および跳ね返された光を受光する受光部３２とを備えている。研磨パッド２上には、円弧状に湾曲して形成された板状体からなる堰５が配置されている。

【0034】

図３に示すように、円弧状に湾曲して形成された板状体からなる堰５は、堰５の下面が研磨パッド２に接触して設置されているため、堰５の内周面により液体（例えば、水）を堰き止めて液体を貯留する。研磨パッドの表面性状測定装置３０を構成する投光部３１および受光部３２は、堰５によって堰き止められた液中に設置されている。堰５は適切な大きさに設定されているので、適切な厚さの液膜を形成し、且つ、液体は堰５内で適度に循環する。すなわち、液体は堰５内に流入し、堰５内に流入した液体は堰５外に流出した液体と交換され、常に液体は流動する。

【0035】

図２および図３に示すように、投光部３１は光ファイバー３３を介して光源３４に接続されている。光源３４は所定波長のレーザ光を投光部３１に出射し、投光部３１は光源３４から出射されたレーザ光を研磨パッド２の表面に照射するように構成されている。受光部３２は、ＣＣＤセンサからなり、研磨パッド２の表面性状により複数の角度で散乱および跳ね返された光を受光するようになっている。受光部３２は、ＣＭＯＳセンサ，フォトダイオードアレイ，フォトマルアレイでもよい。受光部３２は、光ファイバー３３を介して演算部３５に接続されている。演算部３５は、受光部３２で受光した光の情報からＣＭＰ性能と相関を持つパッド表面性状の特徴量を演算する。すなわち、演算部３５は、受光部３２で受光した光を、反射強度分布に対応する所定の波長にフーリエ変換してパッド表面性状の特徴量を演算する。より具体的には、演算部３５は、より具体的には、以下の手法によりパッドの特徴量を求める。ＣＣＤセンサにおける光を検出するピクセルの場所を検出位置とし、また各ピクセルで得られる光の検出強度の分布を光の強度分布とし、両者の関係を示す関数を求める。該検出位置は、パッド表面性状の凹凸を特徴づける波長に対応した散乱光の角度によって決まる。そのため検出位置を測定することによりパッド表面形状の情報が得られる。前記の検出位置と光の強度分布との関係を示す関数に対して、高速フーリエ変換処理（ＦＦＴ処理）を施すことで、パッドの表面性状を特徴づける波長と、各波長における信号強度との関係に変換し、パッド表面の特徴量を演算する。演算部３５からの信号はＣＭＰの制御装置へ入力される。演算部３５はＣＭＰの制御装置に組み込んでもよい。

【0036】

図４は、研磨パッドの表面性状測定装置３０の他の実施形態を示す模式的立面図である。図４に示す実施形態の研磨パッドの表面性状測定装置３０においては、投光部３１のみ堰き止められた液中に設置し、受光部３２は液膜外の気中に設置されている。研磨パッドの表面性状測定装置３０は、液膜とその上層の空気層とをまたぐように設置された光路形成部材３６を備えている。光路形成部材３６は、例えば、三角形断面のプリズムからなる。光路形成部材３６を設置することで、光路には不安定な気液界面が存在しない。また、光路形成部材３６の屈折率、形状、設置位置を最適化することで、受光部３２の設置位置およびパッド表面に対する光の照射角度を自由に選定できる。この時、レーザ光を媒介する光媒体は、空気、水（液膜には若干のスラリーが混じる場合もある）、光路形成部材３６であるが、光路形成部材３６には例えばガラスを用いる。その場合、各媒体の屈折率は、空気；１．００、水；１．３３、ガラス；１．４６程度なので、概ね図４に示すように光が進行する。すなわち、投光部３１から投光されたレーザ光は、液中を進行して研磨パッド２に照射される。そして、研磨パッド２の表面性状により複数の角度で散乱および跳ね返された光は、液中を進行して光路形成部材３６の二面の屈折面で屈折して受光部３２により受光される。光路形成部材３６の材料や形状を変更することで、光路は自由に変更可能であり、投光部３１や受光部３２の設置位置に自由度を持たせることができる。

【0037】

図５は、研磨パッドの表面性状測定装置３０の更に他の実施形態を示す模式的立面図である。図５に示す実施形態の研磨パッドの表面性状測定装置３０においては、投光部３１および受光部３２のいずれも液膜外の気中に設置されている。図５に示す実施形態においても、液膜とその上層の空気層とをまたぐように光路形成部材３６が設置されている。投光部３１から投光されたレーザ光は、気中を進行して光路形成部材３６の二面の屈折面で屈折した後に液中を進行して研磨パッド２に照射される。そして、研磨パッド２の表面性状により複数の角度で散乱および跳ね返された光は、液中を進行して光路形成部材３６に入射し、光路形成部材３６の二面の屈折面で屈折した後に、気中を進行して受光部３２により受光される。この場合も、光路に不安定な気液界面が存在しないために安定的に研磨パッド２の表面性状を測定可能である。

【0038】

一般に、研磨パッド上に存在する液膜は１ｍｍに満たないので、堰５により一定以上の厚さの液膜を形成しないと、図５に示すような光路を安定的に得ることはできない。従って、投光部３１、受光部３２の双方を気中に設置し、液中に両者の設置スペースが必要ない場合でも、堰５により一定以上の厚さの液膜を形成することは必要である。光路中に、媒体界面は、気中−光路形成部材、光路形成部材−液中、の二つが存在するため、光路形成部材３６には最低二面の屈折面を持つ必要があり、それには図５に示すような三角形断面が最も単純な形状と言える。しかし、四角形断面を始めとする多角形断面でも本発明の機能は満足できる。また、研磨パッド２は、ドレッシングにより減耗して厚さが変化するのに対し、正確なパッド表面性状を得るためには、投光部３１、受光部３２、光路形成部材３６（設置した場合）、パッド表面の位置関係が一定している必要がある。そのため、研磨パッドの表面性状測定装置３０は、研磨パッドの高さ（厚さ）を測定し、パッドの高さ変化に応じて、光学系（投光、受光、光路）を動作させる機構を持つ。すなわち、研磨パッドの高さをセンサにより測定し、測定結果に基づいて投光部３１、受光部３２、光路形成部材３６を一体で動作させて、投光部３１、受光部３２、光路形成部材３６を所望の位置に配置する。これにより、研磨パッドの表面から一定の散乱角の光を受光できる。

【0039】

本発明においては、演算部３５で求めたパッド表面性状に基づいて、ドレッシング条件や研磨条件を最適化したり、研磨パッド２やドレッサー２２などの消耗部材の寿命を検知する。消耗部材の寿命を検知したら、警報を発報する。ドレッシング条件は、ドレッシング荷重、ドレッサー回転数、研磨テーブル回転数、ドレッサー揺動速度、ドレッシング時間、などからなり、このうち少なくとも１つのパラメータをパッド表面性状に基づいて、最適化する。例えば、パッド表面性状として表面粗さを求め、また予めパッド表面粗さと研磨速度との関係、およびパッド表面粗さとドレッシング条件との関連性を求めておく。そして、測定された表面粗さが所望の研磨速度を得られる範囲外であった場合、予め求めておいたパッド表面粗さとドレッシング条件との関連を参照し、所望の研磨速度が得られる表面粗さとなるよう、ドレッシング条件を調整する。

【0040】

図６は、図５と同様の構成ではあるが、光路形成部材３６の屈折率を変更することにより研磨パッドに対する入射角を変更した例を示す模式的立面図である。図６に示す実施形態においては、光路形成部材３６の屈折率を図５に示す光路形成部材３６の屈折率と変えることにより、研磨パッド２に入射するレーザ光が所望の入射角を得ることができる。
例えば、研磨パッドに対する入射角を８０度程度とすることで、ＣＭＰ性能と相関の良いパッド表面性状が測定できる。この場合、光路形成部材３６をガラスとすると、レーザ光の媒体である空気、ガラス、水（液膜）の屈折率は、各々、１．０００３（空気）、１．５５５（ガラス）、１．３３３（水）なので、図７に示すように、光路形成部材３６に対してレーザ光の入射角α＝５６．４度とすることで、パッドへの照射角β＝８０度とすることができる。

【0041】

図８（ａ），（ｂ）は、図７に示す投光側の光路と概略線対称の受光側の光路を形成する光路形成部材を示す模式的立面図である。図８（ａ）に示すように、光路形成部材３６を研磨パッドの表面と平行に長手方向に延長して四角形断面を有した直方体状にする。このように、直方体状の光路形成部材３６により、図７に示す投光側の光路と線対称の受光側の光路を形成することができる。すなわち、投光部３１から投光されたレーザ光は、気中を進行して光路形成部材３６の二面の屈折面で屈折した後に、液中を進行して研磨パッド２に照射される。そして、研磨パッド２の表面性状により複数の角度で散乱および跳ね返された光は、液中を進行して光路形成部材３６に入射し、光路形成部材３６の二面の屈折面で屈折した後に、気中を進行して受光部３２により受光される。もちろん、投光側の光路と受光側の光路とが非対称の光路も自由に形成できる。
光路形成部材３６は、図８（ａ）に示すように、断面形状が四角形を始めとする多角形でもよい。また、図８（ｂ）に示すように、光路形成部材３６を投光側と受光側とに分割して、各々最適な屈折率と形状のものを選択してもよい。これにより、投光部および受光部の設置位置の自由度を担保できる。

【0042】

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。

【符号の説明】

【0043】

１ 研磨テーブル
１ａ テーブル軸
２ 研磨パッド
２ａ 研磨面
３ 研磨液供給ノズル
５ 堰
１０ キャリア
１１ シャフト
１２ キャリアアーム
２０ ドレッシング装置
２１ ドレッサーアーム
２２ ドレッサー
２２ａ ドレッシング部材
３０ 研磨パッドの表面性状測定装置
３１ 投光部
３２ 受光部
３３ 光ファイバー
３４ 光源
３５ 演算部
３６ 光路形成部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】