(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023177421
(43)【公開日】2023-12-14
(54)【発明の名称】研磨装置
(51)【国際特許分類】
B24B 37/30 20120101AFI20231207BHJP
B24B 41/06 20120101ALI20231207BHJP
B24B 49/10 20060101ALI20231207BHJP
B24B 37/32 20120101ALI20231207BHJP
H01L 21/304 20060101ALI20231207BHJP
【ＦＩ】
B24B37/30 Z
B24B41/06 L
B24B49/10
B24B37/32 A
H01L21/304 622R
H01L21/304 622S
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022090066
(22)【出願日】2022-06-02
(71)【出願人】
【識別番号】000000239
【氏名又は名称】株式会社荏原製作所
(74)【代理人】
【識別番号】100118500
【弁理士】
【氏名又は名称】廣澤 哲也
(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】100174089
【弁理士】
【氏名又は名称】郷戸 学
(74)【代理人】
【識別番号】100186749
【弁理士】
【氏名又は名称】金沢 充博
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 佑多
(72)【発明者】
【氏名】高橋 太郎
(72)【発明者】
【氏名】渡辺 和英
(72)【発明者】
【氏名】▲高▼田 暢行
【テーマコード（参考）】
3C034
3C158
5F057
【Ｆターム（参考）】
3C034AA19
3C034BB92
3C034CA16
3C034CB08
3C158AA07
3C158AA14
3C158AA16
3C158AB04
3C158AC02
3C158DA12
3C158EA12
3C158EB01
3C158ED00
5F057AA20
5F057AA31
5F057BA15
5F057BA21
5F057BB03
5F057CA12
5F057DA03
5F057FA01
5F057FA18
5F057FA19
5F057GA02
5F057GA12
5F057GA15
5F057GB04
5F057GB26
5F057GB30
(57)【要約】
【課題】ウェハと研磨パッドとの間に生じる摩擦力を精度よく決定することができる研磨装置が提供される。
【解決手段】研磨装置は、ヘッドアーム２０に隣接して配置され、かつ研磨ヘッド１に作用する三軸方向の力に関する情報を検出する三軸センサを備える。
【選択図】図２
【解決手段】研磨装置は、ヘッドアーム２０に隣接して配置され、かつ研磨ヘッド１に作用する三軸方向の力に関する情報を検出する三軸センサを備える。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
研磨パッドを支持する研磨テーブルと、
基板を前記研磨テーブルに押圧する研磨ヘッドと、
前記研磨ヘッドに連結されたヘッドシャフトと、
前記ヘッドシャフトを回転可能に支持するヘッドアームと、
前記ヘッドアームに隣接して配置され、かつ前記研磨ヘッドに作用する三軸方向の力に関する情報を検出する三軸センサと、を備える、研磨装置。
基板を前記研磨テーブルに押圧する研磨ヘッドと、
前記研磨ヘッドに連結されたヘッドシャフトと、
前記ヘッドシャフトを回転可能に支持するヘッドアームと、
前記ヘッドアームに隣接して配置され、かつ前記研磨ヘッドに作用する三軸方向の力に関する情報を検出する三軸センサと、を備える、研磨装置。
【請求項2】
前記研磨装置は、前記三軸センサに電気的に接続された制御装置を備えており、
前記制御装置は、前記基板の研磨中において、前記三軸センサから送られる信号に基づいて算出された前記基板と前記研磨ヘッドとの間に生じる摩擦力を監視する、請求項１に記載の研磨装置。
前記制御装置は、前記基板の研磨中において、前記三軸センサから送られる信号に基づいて算出された前記基板と前記研磨ヘッドとの間に生じる摩擦力を監視する、請求項１に記載の研磨装置。
【請求項3】
前記制御装置は、
前記三軸センサから送られる信号に基づいて、前記基板の傾きを測定し、
前記測定された基板の傾きに基づいて、前記研磨ヘッドの姿勢を制御する、請求項２に記載の研磨装置。
前記三軸センサから送られる信号に基づいて、前記基板の傾きを測定し、
前記測定された基板の傾きに基づいて、前記研磨ヘッドの姿勢を制御する、請求項２に記載の研磨装置。
【請求項4】
前記制御装置は、
前記算出された摩擦力と所定のしきい値とを比較し、
前記摩擦力が前記しきい値に到達したときに、前記基板の研磨終点を決定する、請求項２または請求項３に記載の研磨装置。
前記算出された摩擦力と所定のしきい値とを比較し、
前記摩擦力が前記しきい値に到達したときに、前記基板の研磨終点を決定する、請求項２または請求項３に記載の研磨装置。
【請求項5】
前記研磨装置は、前記研磨ヘッドのリテーナリングの一部に局所荷重を加える、前記制御装置に電気的に接続された局所荷重付与装置を備えており、
前記制御装置は、
前記三軸センサから送られる信号に基づいて、前記基板と前記研磨ヘッドとの間に生じる摩擦力を算出し、
前記算出された摩擦力に基づいて、前記局所荷重付与装置の動作を制御する、請求項２または請求項３に記載の研磨装置。
前記制御装置は、
前記三軸センサから送られる信号に基づいて、前記基板と前記研磨ヘッドとの間に生じる摩擦力を算出し、
前記算出された摩擦力に基づいて、前記局所荷重付与装置の動作を制御する、請求項２または請求項３に記載の研磨装置。
【請求項6】
研磨パッドを支持する研磨テーブルと、
基板を前記研磨テーブルに押圧する研磨ヘッドと、
前記研磨ヘッドに連結されたヘッドシャフトと、
前記ヘッドシャフトを回転可能に支持するヘッドアームと、
前記ヘッドアームの両側に配置された第１ハウジングプレートおよび第２ハウジングプレートと、
前記第１ハウジングプレートと前記ヘッドアームとの間に配置され、かつ前記研磨ヘッドに作用する力に関する情報を検出する第１センサ群と、
前記第２ハウジングプレートと前記ヘッドアームとの間に配置され、かつ前記研磨ヘッドに作用する力に関する情報を検出する第２センサ群と、を備える、研磨装置。
基板を前記研磨テーブルに押圧する研磨ヘッドと、
前記研磨ヘッドに連結されたヘッドシャフトと、
前記ヘッドシャフトを回転可能に支持するヘッドアームと、
前記ヘッドアームの両側に配置された第１ハウジングプレートおよび第２ハウジングプレートと、
前記第１ハウジングプレートと前記ヘッドアームとの間に配置され、かつ前記研磨ヘッドに作用する力に関する情報を検出する第１センサ群と、
前記第２ハウジングプレートと前記ヘッドアームとの間に配置され、かつ前記研磨ヘッドに作用する力に関する情報を検出する第２センサ群と、を備える、研磨装置。
【請求項7】
前記第１センサ群および前記第２センサ群のそれぞれは、複数の力センサを備えており、
前記複数の力センサは、前記ヘッドシャフトからの距離が等しい位置に配置されている、請求項６に記載の研磨装置。
前記複数の力センサは、前記ヘッドシャフトからの距離が等しい位置に配置されている、請求項６に記載の研磨装置。
【請求項8】
前記研磨装置は、前記第１センサ群および前記第２センサ群に電気的に接続された制御装置を備えており、
前記制御装置は、前記基板の研磨中において、前記第１センサ群および前記第２センサ群から送られる信号に基づいて算出された前記基板と前記研磨ヘッドとの間に生じる摩擦力を監視する、請求項６または請求項７に記載の研磨装置。
前記制御装置は、前記基板の研磨中において、前記第１センサ群および前記第２センサ群から送られる信号に基づいて算出された前記基板と前記研磨ヘッドとの間に生じる摩擦力を監視する、請求項６または請求項７に記載の研磨装置。
【請求項9】
前記制御装置は、
前記第１センサ群および前記第２センサ群から送られる信号に基づいて、前記基板の傾きを測定し、
前記測定された基板の傾きに基づいて、前記研磨ヘッドの姿勢を制御する、請求項８に記載の研磨装置。
前記第１センサ群および前記第２センサ群から送られる信号に基づいて、前記基板の傾きを測定し、
前記測定された基板の傾きに基づいて、前記研磨ヘッドの姿勢を制御する、請求項８に記載の研磨装置。
【請求項10】
前記制御装置は、
前記算出された摩擦力と所定のしきい値とを比較し、
前記摩擦力が前記しきい値に到達したときに、前記基板の研磨終点を決定する、請求項８に記載の研磨装置。
前記算出された摩擦力と所定のしきい値とを比較し、
前記摩擦力が前記しきい値に到達したときに、前記基板の研磨終点を決定する、請求項８に記載の研磨装置。
【請求項11】
前記研磨装置は、前記研磨ヘッドのリテーナリングの一部に局所荷重を加える、前記制御装置に電気的に接続された局所荷重付与装置を備えており、
前記制御装置は、
前記第１センサ群および前記第２センサ群から送られる信号に基づいて、前記基板と前記研磨ヘッドとの間に生じる摩擦力を算出し、
前記算出された摩擦力に基づいて、前記局所荷重付与装置の動作を制御する、請求項８に記載の研磨装置。
前記制御装置は、
前記第１センサ群および前記第２センサ群から送られる信号に基づいて、前記基板と前記研磨ヘッドとの間に生じる摩擦力を算出し、
前記算出された摩擦力に基づいて、前記局所荷重付与装置の動作を制御する、請求項８に記載の研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、研磨装置に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体デバイスの製造工程における技術として、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）が知られている。ＣＭＰを行うための研磨装置は、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、ウェハを保持するための研磨ヘッドと、を備えている。
【0003】
このような研磨装置を用いてウェハを研磨する場合には、研磨ヘッドによりウェハを保持しつつ、ウェハを研磨パッドの研磨面に対して所定の圧力で押圧する。このとき、研磨テーブルと研磨ヘッドとを相対運動させることによりウェハが研磨面に摺接し、ウェハの表面が研磨される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０２１－０９１０９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ウェハを研磨するとき、ウェハと研磨パッドとの間には、摩擦力が生じる。この摩擦力を監視することにより、研磨ヘッドの押圧力を制御したり、ウェハの研磨終点を決定することができる。例えば、積層された上層膜および下層膜を有するウェハを研磨する場合、上層膜が研磨により除去されると、下層膜が露出する。摩擦力を監視することにより、下層膜が露出した時点を研磨終点に決定することができる。
【0006】
ウェハと研磨パッドとの間に生じる摩擦力に応じて、研磨テーブルを回転させるテーブルモータのトルク電流が変化する。このトルク電流の変化に基づいて摩擦力を決定する方法があるが、このような方法では、モータの機差や研磨ヘッドの組み立てのばらつきに起因する電流の誤差範囲が大きい。結果として、ウェハと研磨パッドとの間に生じる摩擦力を精度よく決定することができないおそれがある。
【0007】
そこで、本発明は、ウェハと研磨パッドとの間に生じる摩擦力を精度よく決定することができる研磨装置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】
【0008】
一態様では、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、基板を前記研磨テーブルに押圧する研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドに連結されたヘッドシャフトと、前記ヘッドシャフトを回転可能に支持するヘッドアームと、前記ヘッドアームに隣接して配置され、かつ前記研磨ヘッドに作用する三軸方向の力に関する情報を検出する三軸センサと、を備える、研磨装置が提供される。
【0009】
一態様では、前記研磨装置は、前記三軸センサに電気的に接続された制御装置を備えており、前記制御装置は、前記基板の研磨中において、前記三軸センサから送られる信号に基づいて算出された前記基板と前記研磨ヘッドとの間に生じる摩擦力を監視する。
一態様では、前記制御装置は、前記三軸センサから送られる信号に基づいて、前記基板の傾きを測定し、前記測定された基板の傾きに基づいて、前記研磨ヘッドの姿勢を制御する。
一態様では、前記制御装置は、前記算出された摩擦力と所定のしきい値とを比較し、前記摩擦力が前記しきい値に到達したときに、前記基板の研磨終点を決定する。
一態様では、前記研磨装置は、前記研磨ヘッドのリテーナリングの一部に局所荷重を加える、前記制御装置に電気的に接続された局所荷重付与装置を備えており、前記制御装置は、前記三軸センサから送られる信号に基づいて、前記基板と前記研磨ヘッドとの間に生じる摩擦力を算出し、前記算出された摩擦力に基づいて、前記局所荷重付与装置の動作を制御する。
一態様では、前記制御装置は、前記三軸センサから送られる信号に基づいて、前記基板の傾きを測定し、前記測定された基板の傾きに基づいて、前記研磨ヘッドの姿勢を制御する。
一態様では、前記制御装置は、前記算出された摩擦力と所定のしきい値とを比較し、前記摩擦力が前記しきい値に到達したときに、前記基板の研磨終点を決定する。
一態様では、前記研磨装置は、前記研磨ヘッドのリテーナリングの一部に局所荷重を加える、前記制御装置に電気的に接続された局所荷重付与装置を備えており、前記制御装置は、前記三軸センサから送られる信号に基づいて、前記基板と前記研磨ヘッドとの間に生じる摩擦力を算出し、前記算出された摩擦力に基づいて、前記局所荷重付与装置の動作を制御する。
【0010】
一態様では、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、基板を前記研磨テーブルに押圧する研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドに連結されたヘッドシャフトと、前記ヘッドシャフトを回転可能に支持するヘッドアームと、前記ヘッドアームの両側に配置された第１ハウジングプレートおよび第２ハウジングプレートと、前記第１ハウジングプレートと前記ヘッドアームとの間に配置され、かつ前記研磨ヘッドに作用する力に関する情報を検出する第１センサ群と、前記第２ハウジングプレートと前記ヘッドアームとの間に配置され、かつ前記研磨ヘッドに作用する力に関する情報を検出する第２センサ群と、を備える、研磨装置が提供される。
【0011】
一態様では、前記第１センサ群および前記第２センサ群のそれぞれは、複数の力センサを備えており、前記複数の力センサは、前記ヘッドシャフトからの距離が等しい位置に配置されている。
一態様では、前記研磨装置は、前記第１センサ群および前記第２センサ群に電気的に接続された制御装置を備えており、前記制御装置は、前記基板の研磨中において、前記第１センサ群および前記第２センサ群から送られる信号に基づいて算出された前記基板と前記研磨ヘッドとの間に生じる摩擦力を監視する。
一態様では、前記制御装置は、前記第１センサ群および前記第２センサ群から送られる信号に基づいて、前記基板の傾きを測定し、前記測定された基板の傾きに基づいて、前記研磨ヘッドの姿勢を制御する。
一態様では、前記研磨装置は、前記第１センサ群および前記第２センサ群に電気的に接続された制御装置を備えており、前記制御装置は、前記基板の研磨中において、前記第１センサ群および前記第２センサ群から送られる信号に基づいて算出された前記基板と前記研磨ヘッドとの間に生じる摩擦力を監視する。
一態様では、前記制御装置は、前記第１センサ群および前記第２センサ群から送られる信号に基づいて、前記基板の傾きを測定し、前記測定された基板の傾きに基づいて、前記研磨ヘッドの姿勢を制御する。
【0012】
一態様では、前記制御装置は、前記算出された摩擦力と所定のしきい値とを比較し、前記摩擦力が前記しきい値に到達したときに、前記基板の研磨終点を決定する。
一態様では、前記研磨装置は、前記研磨ヘッドのリテーナリングの一部に局所荷重を加える、前記制御装置に電気的に接続された局所荷重付与装置を備えており、前記制御装置は、前記第１センサ群および前記第２センサ群から送られる信号に基づいて、前記基板と前記研磨ヘッドとの間に生じる摩擦力を算出し、前記算出された摩擦力に基づいて、前記局所荷重付与装置の動作を制御する。
一態様では、前記研磨装置は、前記研磨ヘッドのリテーナリングの一部に局所荷重を加える、前記制御装置に電気的に接続された局所荷重付与装置を備えており、前記制御装置は、前記第１センサ群および前記第２センサ群から送られる信号に基づいて、前記基板と前記研磨ヘッドとの間に生じる摩擦力を算出し、前記算出された摩擦力に基づいて、前記局所荷重付与装置の動作を制御する。
【発明の効果】
【0013】
研磨装置は、研磨ヘッドに作用する力に関する情報を検出するセンサを備えている。したがって、研磨装置は、研磨ヘッドに保持されたウェハと研磨パッドとの間に生じる摩擦力を精度よく決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】研磨装置の一実施形態を示す図である。
【図2】第１センサ群および第２センサ群を示す図である。
【図3】研磨ヘッドとウェハとの間に作用する摩擦力の成分の一例を示す図である。
【図4】摩擦力の変化を示す図である。
【図5】研磨ヘッドとウェハとの間に作用する摩擦力の成分の一例を示す図である。
【図6】研磨パッドに対してウェハが傾いた様子を示す図である。
【図7】研磨装置の他の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、研磨装置の一実施形態を示す図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨パッド２を支持する研磨テーブル３と、膜を有するウェハＷ（基板など）を研磨パッド２に押し付ける研磨ヘッド１と、研磨テーブル３を回転させるテーブルモータ６と、研磨パッド２上にスラリーなどの研磨液を供給するための研磨液供給ノズル５と、研磨装置の動作を制御するための制御装置９と、を備えている。研磨パッド２の上面は、ウェハＷを研磨する研磨面２ａを構成する。制御装置９は、テーブルモータ６に電気的に接続されている。
図１は、研磨装置の一実施形態を示す図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨パッド２を支持する研磨テーブル３と、膜を有するウェハＷ（基板など）を研磨パッド２に押し付ける研磨ヘッド１と、研磨テーブル３を回転させるテーブルモータ６と、研磨パッド２上にスラリーなどの研磨液を供給するための研磨液供給ノズル５と、研磨装置の動作を制御するための制御装置９と、を備えている。研磨パッド２の上面は、ウェハＷを研磨する研磨面２ａを構成する。制御装置９は、テーブルモータ６に電気的に接続されている。
【0016】
研磨ヘッド１はヘッドシャフト１０に連結されており、ヘッドシャフト１０は、ベルトなどの連結手段を介して図示しない研磨ヘッドモータに連結されている。研磨ヘッドモータは、研磨ヘッド１をヘッドシャフト１０とともに矢印で示す方向に回転させる。
【0017】
ヘッドシャフト１０は、ヘッドシャフト１０を回転可能に支持するヘッドアーム２０に連結されており、図示しない上下動機構によりヘッドアーム２０に対して上下動するように構成されている。ヘッドアーム２０は、アームシャフト２１に連結されており、アームシャフト２１を中心として、旋回可能である。研磨テーブル３はテーブルモータ６に連結されており、テーブルモータ６は研磨テーブル３および研磨パッド２を矢印で示す方向に回転させるように構成されている。
【0018】
ウェハＷは次のようにして研磨される。研磨テーブル３および研磨ヘッド１を図１の矢印で示す方向に回転させながら、研磨液供給ノズル５から研磨液が研磨テーブル３上の研磨パッド２の研磨面２ａに供給される。ウェハＷは研磨ヘッド１によって、ヘッドシャフト１０を中心に回転されながら、研磨パッド２上に研磨液が存在した状態でウェハＷは研磨ヘッド１によって研磨パッド２の研磨面２ａに押し付けられる。研磨テーブル３は、その中心ＣＰを中心に回転する。ウェハ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または研磨パッド２の機械的作用により研磨される。
【0019】
制御装置９は、少なくとも１台のコンピュータから構成される。制御装置９は、プログラムが格納された記憶装置９ａ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９ｂと、を備えている。演算装置９ｂは、記憶装置９ａに格納されているプログラムに含まれている命令に従って演算を行うＣＰＵ（中央処理装置）またはＧＰＵ（グラフィックプロセッシングユニット）などを含む。記憶装置９ａは、演算装置９ｂがアクセス可能な主記憶装置（例えばランダムアクセスメモリ）と、データおよびプログラムを格納する補助記憶装置（例えば、ハードディスクドライブまたはソリッドステートドライブ）を備えている。
【0020】
研磨ヘッド１の押圧力を精度よく制御したり、ウェハＷの研磨終点を精度よく決定するために、ウェハＷと研磨パッド２との間に生じる摩擦力を精度よく決定することが重要である。そこで、本実施形態では、研磨装置は、摩擦力を精度よく決定するために、ヘッドアーム２０に隣接して配置された第１センサ群３０および第２センサ群３１を備えている。以下、これらセンサ群３０，３１の構成について、図面を参照して説明する。
【0021】
図２は、第１センサ群および第２センサ群を示す図である。図２に示すように、第１センサ群３０および第２センサ群３１のそれぞれは、ヘッドアーム２０の先端側（すなわち、ヘッドシャフト１０の連結側）に配置されている。
【0022】
研磨装置は、ヘッドアーム２０の両側（図２に示す実施形態では、ヘッドアーム２０の上方および下方）に配置された第１ハウジングプレート２５Ａおよび第２ハウジングプレート２５Ｂを備えている。図１では、図面を見やすくするために、これらハウジングプレート２５Ａ，２５Ｂは省略されているが、図１に示す実施形態においても、研磨装置は、ハウジングプレート２５Ａ，２５Ｂを備えている。
【0023】
ハウジングプレート２５Ａ，２５Ｂは同一の構造を有している。ハウジングプレート２５Ａ，２５Ｂのそれぞれは、ヘッドアーム２０と平行に延びる平板形状を有している。第１ハウジングプレート２５Ａはヘッドアーム２０の下方に配置されており、第２ハウジングプレート２５Ｂはヘッドアーム２０の上方に配置されている。
【0024】
図２に示すように、第１センサ群３０は、第１ハウジングプレート２５Ａとヘッドアーム２０との間に配置されており、研磨ヘッド１に作用する力に関する情報を検出するように構成されている。より具体的には、第１センサ群３０は、複数の力センサ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃを備えている。これら力センサ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃは、ヘッドシャフト１０の周囲に配置されており、ヘッドシャフト１０からの距離が等しい位置に配置されている（図１および図２参照）。力センサ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃは、第１ハウジングプレート２５Ａの上方において、同一平面内に配置されている。
【0025】
第２センサ群３１は第１センサ群３０と同様の構成を有している。第２センサ群３１は、第２ハウジングプレート２５Ｂとヘッドアーム２０との間に配置されており、研磨ヘッド１に作用する力に関する情報を検出するように構成されている。より具体的には、第２センサ群３１は、複数の力センサ３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃを備えている。これら力センサ３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃは、ヘッドシャフト１０の周囲に配置されており、ヘッドシャフト１０からの距離が等しい位置に配置されている（図１および図２参照）。力センサ３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃは、第２ハウジングプレート２５Ｂの下方において、同一平面内に配置されている。
【0026】
図１および図２に示す実施形態では、第１センサ群３０および第２センサ群３１のそれぞれは、３つの力センサを備えているが、力センサの数は本実施形態には限定されない。力センサの数は、研磨ヘッド１のサイズや研磨ヘッド１の押圧力に応じて決定されてもよい。一実施形態では、第１センサ群３０および第２センサ群３１のそれぞれは、少なくとも１つの力センサを備えてもよい。
【0027】
図１および図２に示す実施形態では、力センサ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ（および力センサ３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ）のそれぞれは、研磨ヘッド１に作用する三軸方向（すなわち、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸）の力に関する情報を検出する三軸センサである。三軸センサの一例として、水晶式圧電素子を挙げることができる。ここで、ｘ軸方向およびｙ軸方向は、ヘッドシャフト１０に対して垂直に延びる方向（すなわち、研磨パッド２と平行に延びる方向）であり、本実施形態では、水平方向である。ｚ軸方向は、ヘッドシャフト１０と平行に延びる方向（すなわち、研磨パッド２に対して垂直に延びる方向）であり、本実施形態では、鉛直方向である。
【0028】
一実施形態では、力センサ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ（および力センサ３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ）のそれぞれは、二軸方向（すなわち、ｘ軸およびｙ軸）の力に関する情報を検出する二軸センサであってもよく、一軸方向（すなわち、ｚ軸）の力に関する情報を検出する一軸センサであってもよい。一実施形態では、力センサ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ（および力センサ３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ）のそれぞれは、二軸センサおよび一軸センサの組み合わせであってもよい。このような構成によっても、研磨装置は、摩擦力を精度よく決定することができる。
【0029】
図２に示すように、ヘッドシャフト１０は、ハウジングプレート２５Ａ，２５Ｂの中央部分に形成された貫通穴を貫通している。研磨装置は、ヘッドシャフト１０と第１ハウジングプレート２５Ａとの間に配置された第１軸受２６Ａと、ヘッドシャフト１０と第２ハウジングプレート２５Ｂとの間に配置された第２軸受２６Ｂと、を備えている。
【0030】
軸受２６Ａ，２６Ｂのそれぞれは、ヘッドシャフト１０を通じて研磨ヘッド１の荷重（より具体的には、ラジアル荷重およびアキシャル荷重（すなわち、スラスト荷重））を受けるように構成されている。研磨ヘッド１がウェハＷを研磨パッド２に押し付けると、研磨ヘッド１の荷重は、力センサ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃのそれぞれに作用する。
【0031】
本実施形態では、研磨装置は、ハウジングプレート２５Ａ，２５Ｂのそれぞれ（および軸受２６Ａ，２６Ｂ）によってヘッドシャフト１０を支持する構造を有しており、ハウジングプレート２５Ａ，２５Ｂとヘッドアーム２０との間にセンサ群３０，３１を挟む構造を有している。このような構造により、研磨装置は、研磨ヘッド１に作用する荷重を、ヘッドシャフト１０を介してセンサ群３０，３１のそれぞれに均一に伝達させることができる。
【0032】
ヘッドアーム２０の上方および下方に形成された空間に複数の力センサを配置することにより、力センサとして、コンパクトなサイズを有する力センサを採用することができ、結果として、研磨装置の省スペース化を実現することができる。さらに、このような構成により、コンパクトなサイズを有する分解能の高い複数の力センサを採用することができ、結果として、より精度よく、研磨ヘッド１に作用する力に関する情報を検出することができる。
【0033】
制御装置９は、力センサ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃのそれぞれに電気的に接続されている。制御装置９は、力センサ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃのそれぞれによって検出された信号に基づいて、研磨ヘッド１の荷重を算出し、算出された研磨ヘッド１の荷重からウェハＷに作用する摩擦力Ｆを算出する。図２に示すように、摩擦力Ｆは、力センサ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃに作用する力の成分ＦＬの絶対値と、力センサ３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃに作用する力の成分ＦＵの絶対値と、の和である（Ｆ＝｜ＦＬ｜＋｜ＦＵ｜）。
【0034】
図３は、研磨ヘッドとウェハとの間に作用する摩擦力の成分の一例を示す図である。図３に示すように、研磨ヘッド１を上から見たとき、力センサ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃに作用する力のｘ軸方向の成分をｆｘ１，ｆｘ２，ｆｘ３，ｆｘ４，ｆｘ５，ｆｘ６と定義し、ｙ軸方向の成分をｆｙ１，ｆｙ２，ｆｙ３，ｆｙ４，ｆｙ５，ｆｙ６と定義する。
【0035】
力センサ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃに作用する力のｘ軸方向の成分ＦｘＬは、ｆｘ１＋ｆｘ２＋ｆｘ３で表現され、ｙ軸方向の成分ＦｙＬは、ｆｙ１＋ｆｙ２＋ｆｙ３で表現される。力センサ３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃに作用する力のｘ軸方向の成分ＦｘＵは、ｆｘ４＋ｆｘ５＋ｆｘ６で表現され、ｙ軸方向の成分ＦｙＵは、ｆｙ４＋ｆｙ５＋ｆｙ６で表現される。
【0036】
互いに直行するｘ軸方向およびｙ軸方向における、力センサ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃおよび力センサ３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃに作用する力の合成成分（すなわち、研磨パッド２とウェハＷとの間に生じる摩擦力）Ｆは、以下の式１で表現される。
【数1】
【0037】
制御装置９は、上記式１に関するデータを記憶装置９ａに格納している。したがって、制御装置９は、センサ群３０，３１に属する各力センサから送られる信号と、上記式１と、に基づいて、摩擦力Ｆを算出する。制御装置９は、ウェハＷの研磨中において、常時、算出された摩擦力Ｆを監視してもよい。摩擦力Ｆを監視することにより、制御装置９は、摩擦力Ｆの変化に応じて、ウェハＷの研磨終点を精度よく決定することができる。
【0038】
図４は、摩擦力の変化を示す図である。図４に示す実施形態では、ウェハＷは、積層された上層膜および下層膜を有している。上層膜は下層膜よりも柔らかい材質から構成されているため、上層膜と研磨パッド２との間に生じる摩擦力は、下層膜と研磨パッド２との間に生じる摩擦力よりも小さい。ウェハＷを研磨し続けると、やがて、上層膜が除去され、下層膜が露出する。図４のグラフに示すように、下層膜が露出すると、摩擦力Ｆが変化する。なお、図４のグラフは、摩擦力Ｆの時間変化を示すグラフである。
【0039】
制御装置９は、ウェハＷの研磨中において、摩擦力Ｆを監視することにより、研磨終点（すなわち、下層膜が露出した時点）を決定することができる。より具体的には、制御装置９は、研磨対象のウェハＷの膜の種類に応じたしきい値を記憶装置９ａに格納している。このしきい値は、研磨終点における摩擦力に相当する値である。制御装置９は、算出された摩擦力Ｆと所定のしきい値とを比較し、現在の摩擦力Ｆがしきい値に到達したときに、ウェハＷの研磨終点を決定する。
【0040】
図４に示す実施形態では、上層膜は下層膜よりも柔らかい材質から構成されているため、ウェハＷの研磨の進行とともに摩擦力Ｆは大きくなっているが、ウェハＷの種類によっては、上層膜は下層膜よりも硬い材質から構成されている場合もある。この場合には、摩擦力Ｆは、ウェハＷの研磨の進行とともに小さくなる。この場合であっても、制御装置９は、算出された摩擦力Ｆと所定のしきい値とを比較し、現在の摩擦力Ｆが所定のしきい値に到達したときに、ウェハＷの研磨終点を決定する。
【0041】
制御装置９は、テーブルモータ６のトルク電流の変化に基づいて摩擦力を決定してもよいが、モータの機差や研磨ヘッド１の組み立てのばらつきに起因して、摩擦力を精度よく決定することができないおそれがある。本実施形態によれば、制御装置９は、研磨ヘッド１に作用する力に関する情報を検出する力センサに基づいて、摩擦力Ｆを決定している。したがって、制御装置９は、研磨ヘッド１に保持されたウェハＷと研磨パッド２との間に生じる摩擦力Ｆを精度よく決定することができる。
【0042】
図５は、研磨ヘッドとウェハとの間に作用する摩擦力の成分の一例を示す図である。図５に示すように、力センサ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃに作用する力のｚ軸方向の成分をｆｚ１，ｆｚ２，ｆｚ３，ｆｚ４，ｆｚ５，ｆｚ６と定義する。力センサ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃに作用する力のｚ軸方向の成分（すなわち、垂直抗力）Ｎは、ｆｚ１＋ｆｚ２＋ｆｚ３＋ｆｚ４＋ｆｚ５＋ｆｚ６で表現される（Ｎ＝ｆｚ１＋ｆｚ２＋ｆｚ３＋ｆｚ４＋ｆｚ５＋ｆｚ６）。
【0043】
研磨パッド２とウェハＷとの間に生じる摩擦力Ｆは、以下の式２で表現される。
式２：Ｆ＝μ×Ｎ
式２：Ｆ＝μ×Ｎ
【0044】
ここで、μは、摩擦係数を表している。摩擦係数μは、ウェハＷの種類によって異なり、さらには、ウェハＷの研磨中においても変化する。そこで、制御装置９は、摩擦係数μを任意の数値に決定（推定）し、決定された摩擦係数μと、垂直抗力Ｎと、に基づいて、摩擦力Ｆを決定してもよい。このような方法によっても、制御装置９は、摩擦力Ｆを精度よく決定することができる。
【0045】
本実施形態では、力センサ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃのそれぞれは、三軸センサである。したがって、制御装置９は、上記式１から摩擦力Ｆを導き、かつ垂直抗力Ｎを算出することにより、上記式２から摩擦係数μを導くことができる。制御装置９は、摩擦係数μと、垂直抗力Ｎと、から、より正確な摩擦力Ｆを求めることができる。
【0046】
上記式２は摩擦係数μを含んでいるため、上記式１と上記式２との間には、摩擦係数μに応じた比例関係が成立する。そこで、制御装置９は、式１から導いた摩擦力Ｆと、式２から導いた摩擦力Ｆと、を比較することにより、力センサの異常（および／または研磨ヘッド１の組み立て異常）を判断することができる。より具体的には、制御装置９は、ウェハＷの研磨中において、上記式１および式２から導いた２つの摩擦力Ｆを比較し、これら２つの摩擦力Ｆの間に比例関係が成立しない場合には、力センサ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃの少なくとも１つに異常が発生していると決定してもよい。
【0047】
図６は、研磨パッドに対してウェハが傾いた様子を示す図である。図６に示すように、ウェハＷの研磨中において、研磨パッド２に対してウェハＷが傾く場合がある。この状態でウェハＷを研磨し続けると、ウェハＷの膜厚の均一性が低下するのみならず、ウェハＷの研磨終点を精度よく決定することができないおそれがある。より具体的には、ウェハＷが傾いていると、上層膜が均一に研磨されず、上層膜が部分的に残った状態で、下層膜の一部が露出するおそれがある。この場合、上層膜の一部および下層膜の一部が混在した状態で、ウェハＷが研磨されるため、時間経過とともに摩擦力Ｆがなだらかに変化し、摩擦力Ｆがしきい値に達した時点においても、ウェハＷの研磨終点が到達していないおそれがある。
【0048】
そこで、制御装置９は、力センサ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃから送られる信号に基づいて、各力センサに作用する垂直抗力Ｎを算出し、これら垂直抗力ＮからウェハＷの傾きを測定してもよい。センサ群３０，３１に属する複数の力センサをヘッドシャフト１０の周囲に配置することにより、制御装置９は、ウェハＷの傾きを正確に測定することができる。
【0049】
制御装置９は、測定されたウェハＷの傾きに基づいて、研磨ヘッド１の姿勢を制御してもよい。研磨ヘッド１は、ウェハＷを研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付けるための弾性膜（図示しない）を備えている。したがって、制御装置９は、圧縮気体を弾性膜に供給して、研磨ヘッド１が研磨パッド２と平行になるように、研磨ヘッド１の姿勢を制御してもよい。
【0050】
さらに、本実施形態によれば、制御装置９は、複数の力センサのそれぞれから送られる信号に基づいて、ウェハＷの全体に作用する研磨ヘッド１の押圧力が均一か否かを判断することができる。各力センサから送られる信号が異なる場合には、制御装置９は、研磨ヘッド１の押圧力が均一でないと判断することができる。この場合には、制御装置９は、圧縮気体を弾性膜に供給して、研磨ヘッド１の押圧力が均一になるように、研磨ヘッド１の押圧力を制御してもよい。
【0051】
図７は、研磨装置の他の実施形態を示す図である。図７に示す実施形態では、研磨ヘッド１は、ウェハＷを取り囲むリテーナリング４０を備えている。図７に示すように、研磨装置は、リテーナリング４０の一部に局所荷重を加える第１局所荷重付与装置５０Ａと、リテーナリング４０の一部に局所荷重を加える第２局所荷重付与装置５０Ｂと、を備えている。
【0052】
局所荷重付与装置５０Ａ，５０Ｂは、リテーナリング４０の上方に配置されており、ヘッドアーム２０に固定されている。したがって、研磨中のリテーナリング４０はその軸心周りに回転する一方で、局所荷重付与装置５０Ａ，５０Ｂは、リテーナリング４０とは一体に回転せずに、静止している。
【0053】
第１局所荷重付与装置５０Ａは、研磨パッド２の研磨面２ａの進行方向において、リテーナリング４０の上流側（研磨面２ａに対して研磨液が流入するリテーナリング４０の一方側）に配置されており、第２局所荷重付与装置５０Ｂは、研磨パッド２の研磨面２ａの進行方向においてリテーナリング４０の下流側（研磨面２ａに対して研磨液が流出するリテーナリング４０の反対側）に配置されている。制御装置９は、局所荷重付与装置５０Ａ，５０Ｂのそれぞれに電気的に接続されており、局所荷重付与装置５０Ａ，５０Ｂのそれぞれは、リテーナリング４０の一部に下向きの局所荷重を与える。
【0054】
研磨液がウェハＷと研磨パッド２との間に流入すると、リテーナリング４０の上流側と下流側との間で、ウェハＷと研磨パッド２との間に生じる摩擦力が異なる可能性がある。ウェハＷに作用する摩擦力は、ウェハＷの全体において均一であることが望ましい。そこで、制御装置９は、複数の力センサのそれぞれから送られる信号に基づいて、ウェハＷの全体に作用する摩擦力Ｆを算出し、リテーナリング４０の上流側と下流側との間で、摩擦力Ｆが異なる場合には、局所荷重付与装置５０Ａ，５０Ｂのそれぞれの動作を制御してもよい。このような構成により、制御装置９は、ウェハＷの全体に作用する摩擦力を均一にし、かつ摩擦力を一定に維持することができる。
【0055】
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。
【符号の説明】
【0056】
１ 研磨ヘッド
２ 研磨パッド
２ａ 研磨面
３ 研磨テーブル
５ 研磨液供給ノズル
６ テーブルモータ
９ 制御装置
９ａ 記憶装置
９ｂ 演算装置
１０ ヘッドシャフト
２０ ヘッドアーム
２５Ａ 第１ハウジングプレート
２５Ｂ 第２ハウジングプレート
３０ 第１センサ群
３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ 力センサ
３１ 第２センサ群
３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ 力センサ
４０ リテーナリング
５０Ａ 第１局所荷重付与装置
５０Ｂ 第２局所荷重付与装置
２ 研磨パッド
２ａ 研磨面
３ 研磨テーブル
５ 研磨液供給ノズル
６ テーブルモータ
９ 制御装置
９ａ 記憶装置
９ｂ 演算装置
１０ ヘッドシャフト
２０ ヘッドアーム
２５Ａ 第１ハウジングプレート
２５Ｂ 第２ハウジングプレート
３０ 第１センサ群
３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ 力センサ
３１ 第２センサ群
３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ 力センサ
４０ リテーナリング
５０Ａ 第１局所荷重付与装置
５０Ｂ 第２局所荷重付与装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】