特開 2024-161938 研磨装置および研磨方法

(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】P2024161938

(43)【公開日】2024-11-21

(54)【発明の名称】研磨装置および研磨方法

(51)【国際特許分類】

   B24B 37/30 20120101AFI20241114BHJP

   B24B 37/10 20120101ALI20241114BHJP

   B24B 37/005 20120101ALI20241114BHJP

   B24B 21/04 20060101ALI20241114BHJP

   B24B 37/00 20120101ALI20241114BHJP

   B24B 57/02 20060101ALI20241114BHJP

   B24B 37/013 20120101ALI20241114BHJP

   H01L 21/304 20060101ALI20241114BHJP

【ＦＩ】

B24B37/30 E

B24B37/10

B24B37/005 A

B24B21/04

B24B37/00 K

B24B57/02

B24B37/013

H01L21/304 621D

H01L21/304 622R

【審査請求】未請求

【請求項の数】16

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023077012

(22)【出願日】2023-05-09

(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】

【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】鍋谷 治

(72)【発明者】

【氏名】塩川 陽一

【テーマコード（参考）】

3C047

3C158

5F057

【Ｆターム（参考）】

3C047FF08

3C047GG01

3C158AA05

3C158AA07

3C158AA11

3C158AB01

3C158AB04

3C158AC02

3C158AC04

3C158BA02

3C158BA04

3C158BA05

3C158BA07

3C158BB02

3C158BB06

3C158BB08

3C158BB09

3C158BC01

3C158BC02

3C158CB01

3C158DA12

3C158DA17

3C158EA11

3C158EA13

3C158EA23

3C158EB01

5F057AA16

5F057BA15

5F057CA12

5F057DA03

5F057FA20

5F057GA16

5F057GB02

5F057GB13

(57)【要約】

【課題】複雑な機構を有することなく、複数の押圧アクチュエータのそれぞれを制御して、基板の膜厚プロファイルを精度よく制御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１は、研磨構造体２０と、研磨ヘッド１０と、所定の回転角度の範囲内で研磨ヘッド１０を回転させるヘッド回転機構１５と、を備えている。研磨ヘッド１０は、複数の押圧アクチュエータ１１を備えている。研磨構造体２０は、研磨テーブル２１、または研磨ベルト６０を備えている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

研磨面を有する研磨構造体と、
基板を前記研磨面に押し付ける研磨ヘッドと、
所定の回転角度の範囲内で前記研磨ヘッドを回転させるヘッド回転機構と、を備え、
前記研磨ヘッドは、そのアクチュエータ保持面の全体に敷き詰められ、かつ前記基板の特定部位を独立して押圧する複数の押圧アクチュエータを備えており、
前記研磨構造体は、円軌道に沿って並進運動するスクロール式の研磨テーブル、または進行方向に沿って直線運動する研磨ベルトを備えている、研磨装置。

【請求項2】

前記複数の押圧アクチュエータは、前記基板に押圧力を付与する複数のエアバッグを備えており、
前記複数のエアバッグは、複数の流体供給ラインに接続されている、請求項１に記載の研磨装置。

【請求項3】

前記複数の押圧アクチュエータは、前記基板に押圧力を付与する複数の圧電素子を備えており、
前記複数の圧電素子は、前記複数の圧電素子の動作を制御するための複数の制御ラインに接続されている、請求項１に記載の研磨装置。

【請求項4】

前記研磨構造体が前記研磨テーブルである場合、前記研磨装置は、前記研磨テーブルに形成された流通孔を通じて、液体を前記研磨面に供給する液体供給ノズルを備えている、請求項１に記載の研磨装置。

【請求項5】

前記複数の押圧アクチュエータは、
前記基板に押圧力を付与し、かつ複数の流体供給ラインに接続された複数のエアバッグと、
前記基板に押圧力を付与し、かつ複数の制御ラインに接続された複数の圧電素子と、を備えている、請求項１に記載の研磨装置。

【請求項6】

前記研磨装置は、前記複数の押圧アクチュエータの動作を制御する各種装置を収容する制御ボックスを備えており、
前記制御ボックスは、前記研磨ヘッドとともに、回転する、請求項１に記載の研磨装置。

【請求項7】

前記ヘッド回転機構は、所定の回転角度の範囲内で前記研磨ヘッドを往復回転させる、請求項１に記載の研磨装置。

【請求項8】

前記ヘッド回転機構は、
モータと、
前記モータに接続されたモータプーリと、
前記研磨ヘッドの外周面に形成された歯車と、
前記モータプーリと前記歯車との間に掛け渡されたタイミングベルトと、を備えている、請求項１に記載の研磨装置。

【請求項9】

前記研磨装置は、前記基板の被研磨面の膜厚プロファイルに基づいて、前記複数の押圧アクチュエータのそれぞれの動作を制御する制御装置を備えており、
前記制御装置は、現在の膜厚プロファイルと目標の膜厚プロファイルとの比較結果に基づいて、前記基板の特定部位を特定し、前記基板の特定部位に対応する対象押圧アクチュエータを決定する、請求項１に記載の研磨装置。

【請求項10】

円軌道に沿って並進運動するスクロール式の研磨テーブル、または進行方向に沿って直線運動する研磨ベルトを備える研磨構造体を動作させ、
研磨ヘッドのアクチュエータ保持面の全体に敷き詰められ、かつ基板の特定部位を独立して押圧する複数の押圧アクチュエータを動作させて、前記基板の特定部位を前記研磨構造体の研磨面に押し付け、
所定の回転角度の範囲内で前記研磨ヘッドを回転させる、研磨方法。

【請求項11】

前記研磨方法は、前記複数の押圧アクチュエータとしての複数のエアバッグに接続された複数の流体供給ラインを通じて、前記複数のエアバッグを動作させる、請求項１０に記載の研磨方法。

【請求項12】

前記研磨方法は、前記複数の押圧アクチュエータとしての複数の圧電素子に接続された複数の制御ラインを通じて、前記複数の圧電素子を動作させる、請求項１０に記載の研磨方法。

【請求項13】

前記研磨構造体が前記研磨テーブルである場合、前記研磨方法は、前記研磨テーブルに形成された流通孔を通じて、液体供給ノズルから液体を前記研磨面に供給する、請求項１０に記載の研磨方法。

【請求項14】

前記研磨方法は、
前記複数の押圧アクチュエータとしての複数のエアバッグに接続された複数の流体供給ラインを通じて、前記複数のエアバッグを動作させ、
前記複数の押圧アクチュエータとしての複数の圧電素子に接続された複数の制御ラインを通じて、前記複数の圧電素子を動作させる、請求項１０に記載の研磨方法。

【請求項15】

前記研磨方法は、所定の回転角度の範囲内で前記研磨ヘッドを往復回転させる、請求項１０に記載の研磨方法。

【請求項16】

前記研磨方法は、現在の膜厚プロファイルと目標の膜厚プロファイルとの比較結果に基づいて、前記基板の特定部位を特定し、前記特定部位に対応する対象押圧アクチュエータを決定する、請求項１０に記載の研磨方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、研磨装置および研磨方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイスの製造では、基板の一例であるウェハ上に様々な種類の膜が形成される。配線・コンタクトの形成工程では、成膜工程の後には、膜の不要な部分や表面凹凸を除去するために、ウェハが研磨される。化学機械研磨（ＣＭＰ）は、ウェハを研磨するための代表的な技術である。

【0003】

ＣＭＰは、研磨液を研磨面上に供給しながら、ウェハを研磨面に摺接させることにより行われる。ウェハに形成された膜は、研磨液に含まれる砥粒または研磨パッドによる機械的作用と、研磨液の化学成分による化学的作用との複合により研磨される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－１１２７９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ＣＭＰでは、ウェハを全面に亘って均一に研磨する技術を磨いてきたが、微細化が進むにつれて、研磨後のウェハの膜厚のばらつきをより一層、低減することが求められている。このような要求に対して、特許文献１は、複数のアクチュエータ（圧電素子など）を有する研磨ヘッドを開示している。研磨ヘッドは、各アクチュエータの動作を制御することにより、ウェハの複数の領域に対して個別に押付力を付与して、ウェハの膜厚プロファイルを制御する。

【0006】

しかしながら、各アクチュエータの動作を制御するために、複数のアクチュエータのそれぞれに対して、配線を接続する必要がある。特に、より精度よく膜厚プロファイルを制御するためには、多数のアクチュエータを配置する必要があるが、配線の数はアクチュエータの数に応じて、多くなる。

【0007】

一般的な研磨装置では、ウェハの被研磨面全体における相対速度を均一にするために、研磨ヘッドを研磨テーブルと同一の回転方向に連続的に回転させる必要がある。しかしながら、多数の配線を接続した状態で、研磨ヘッドを回転させることは困難である。

【0008】

このような問題を解決するために、継手（例えば、ロータリーコネクタ）を各配線に接続したり、各アクチュエータを無線通信手段によって制御する方法が考えられる。しかしながら、このような方法では、機構が複雑になり、結果として、装置全体のサイズが大きくなったり、コストが増大するという問題がある。

【0009】

そこで、本発明は、複雑な機構を有することなく、複数の押圧アクチュエータのそれぞれを制御して、基板の膜厚プロファイルを精度よく制御することができる研磨装置および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】

【0010】

一態様では、研磨面を有する研磨構造体と、基板を前記研磨面に押し付ける研磨ヘッドと、所定の回転角度の範囲内で前記研磨ヘッドを回転させるヘッド回転機構と、を備える研磨装置が提供される。前記研磨ヘッドは、そのアクチュエータ保持面の全体に敷き詰められ、かつ前記基板の特定部位を独立して押圧する複数の押圧アクチュエータを備えており、前記研磨構造体は、円軌道に沿って並進運動するスクロール式の研磨テーブル、または進行方向に沿って直線運動する研磨ベルトを備えている。

【0011】

一態様では、前記複数の押圧アクチュエータは、前記基板に押圧力を付与する複数のエアバッグを備えており、前記複数のエアバッグは、複数の流体供給ラインに接続されている。
一態様では、前記複数の押圧アクチュエータは、前記基板に押圧力を付与する複数の圧電素子を備えており、前記複数の圧電素子は、前記複数の圧電素子の動作を制御するための複数の制御ラインに接続されている。
一態様では、前記研磨構造体が前記研磨テーブルである場合、前記研磨装置は、前記研磨テーブルに形成された流通孔を通じて、液体を前記研磨面に供給する液体供給ノズルを備えている。

【0012】

一態様では、前記複数の押圧アクチュエータは、前記基板に押圧力を付与し、かつ複数の流体供給ラインに接続された複数のエアバッグと、前記基板に押圧力を付与し、かつ複数の制御ラインに接続された複数の圧電素子と、を備えている。
一態様では、前記研磨装置は、前記複数の押圧アクチュエータの動作を制御する各種装置を収容する制御ボックスを備えており、前記制御ボックスは、前記研磨ヘッドとともに、回転する。
一態様では、前記ヘッド回転機構は、所定の回転角度の範囲内で前記研磨ヘッドを往復回転させる。

【0013】

一態様では、前記ヘッド回転機構は、モータと、前記モータに接続されたモータプーリと、前記研磨ヘッドの外周面に形成された歯車と、前記モータプーリと前記歯車との間に掛け渡されたタイミングベルトと、を備えている。
一態様では、前記研磨装置は、前記基板の被研磨面の膜厚プロファイルに基づいて、前記複数の押圧アクチュエータのそれぞれの動作を制御する制御装置を備えており、前記制御装置は、現在の膜厚プロファイルと目標の膜厚プロファイルとの比較結果に基づいて、前記基板の特定部位を特定し、前記基板の特定部位に対応する対象押圧アクチュエータを決定する。

【0014】

一態様では、円軌道に沿って並進運動するスクロール式の研磨テーブル、または進行方向に沿って直線運動する研磨ベルトを備える研磨構造体を動作させ、研磨ヘッドのアクチュエータ保持面の全体に敷き詰められ、かつ基板の特定部位を独立して押圧する複数の押圧アクチュエータを動作させて、前記基板の特定部位を前記研磨構造体の研磨面に押し付け、所定の回転角度の範囲内で前記研磨ヘッドを回転させる、研磨方法が提供される。

【0015】

一態様では、前記研磨方法は、前記複数の押圧アクチュエータとしての複数のエアバッグに接続された複数の流体供給ラインを通じて、前記複数のエアバッグを動作させる。
一態様では、前記研磨方法は、前記複数の押圧アクチュエータとしての複数の圧電素子に接続された複数の制御ラインを通じて、前記複数の圧電素子を動作させる。
一態様では、前記研磨構造体が前記研磨テーブルである場合、前記研磨方法は、前記研磨テーブルに形成された流通孔を通じて、液体供給ノズルから液体を前記研磨面に供給する。

【0016】

一態様では、前記研磨方法は、前記複数の押圧アクチュエータとしての複数のエアバッグに接続された複数の流体供給ラインを通じて、前記複数のエアバッグを動作させ、前記複数の押圧アクチュエータとしての複数の圧電素子に接続された複数の制御ラインを通じて、前記複数の圧電素子を動作させる。
一態様では、前記研磨方法は、所定の回転角度の範囲内で前記研磨ヘッドを往復回転させる。
一態様では、前記研磨方法は、現在の膜厚プロファイルと目標の膜厚プロファイルとの比較結果に基づいて、前記基板の特定部位を特定し、前記特定部位に対応する対象押圧アクチュエータを決定する。

【発明の効果】

【0017】

ヘッド回転機構は、研磨ヘッドを連続的に回転させることなく、所定の回転角度の範囲内で回転させる。したがって、複数の押圧アクチュエータに接続されたライン（すなわち、制御ライン、流体供給ライン）の捻れを防止しつつ、基板の膜厚プロファイルを精度よく制御することができる。さらに、このような構成により、複雑な機構を有することなく、各押圧アクチュエータを制御することができる。

【0018】

研磨ヘッドに保持された基板を研磨構造体に押し付けることにより、基板の被研磨面全体における相対速度を均一にするための相対運動を研磨ヘッド側で生じさせることなく、基板を研磨することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】研磨装置の一実施形態を示す図である。

【図2】揺動する研磨ヘッドを示す図である。

【図3】昇降する研磨ヘッドを示す図である。

【図4】研磨ヘッドのアクチュエータ保持面の全体に敷き詰められた押圧アクチュエータを示す図である。

【図5】偏心回転運動を行う研磨パッド（および研磨テーブル）を示す図である。

【図6】往復回転する研磨ヘッドを示す図である。

【図7】各押圧アクチュエータの動作を制御する制御フローの一実施形態を示す図である。

【図8】ウェハのノッチ位置を検出する膜厚センサを示す図である。

【図9】研磨装置の他の実施形態を示す図である。

【図10】押圧アクチュエータ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】

【0020】

以下、実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下で説明する図面において、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。以下で説明する複数の実施形態において、特に説明しない一実施形態の構成は、他の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。

【0021】

図１は、研磨装置の一実施形態を示す図である。研磨装置１は、基板の一例であるウェハＷを化学機械的に研磨する装置である。図１に示すように、研磨装置１は、研磨構造体２０と、ウェハＷを保持する研磨ヘッド１０と、液体（例えば、研磨液または純水）を供給する液体供給ノズル３１と、を備えている。

【0022】

本実施形態では、研磨構造体２０は、研磨面２２ａを有する研磨パッド２２と、研磨パッド２２を支持する研磨テーブル２１と、を備えている。研磨テーブル２１は、その内部に形成された流通孔２１ａを有している。流通孔２１ａは、研磨パッド２２に向かって延びており、研磨パッド２２に形成された開口部２２ｂに接続されている。

【0023】

液体供給ノズル３１は、研磨テーブル２１の下部に接続されており、研磨テーブル２１の流通孔２１ａに連通している。液体供給ノズル３１は、液体（例えば、研磨液または純水）を供給するための液体供給ライン３０に接続されている。液体供給ライン３０を通じて液体供給ノズル３１から液体が供給されると、液体は、流通孔２１ａおよび開口部２２ｂを通じて、研磨面２２ａ上から噴出（湧出）する。

【0024】

図１に示すように、研磨装置１は、研磨ヘッド１０に連結された揺動アーム２と、揺動アーム２を支持する揺動軸３と、揺動軸３を中心として揺動アーム２を旋回させる旋回モータ４と、揺動アーム２および揺動軸３を通じて研磨ヘッド１０を昇降させる昇降機構５と、を備えている。

【0025】

図２は、揺動する研磨ヘッドを示す図である。図３は、昇降する研磨ヘッドを示す図である。図２に示すように、旋回モータ４が揺動軸３を中心として揺動アーム２を旋回させると、研磨ヘッド１０は、研磨構造体２０の上方の研磨位置と、研磨構造体２０の外側のロード・アンロード位置との間を移動することができる。

【0026】

研磨対象のウェハＷは、ロード・アンロード位置でロボットハンドＲＨにより、研磨ヘッド１０に取り付けられ、その後、研磨ヘッド１０によって研磨位置に移動される。研磨されたウェハＷは、研磨ヘッド１０によって研磨位置からロード・アンロード位置に移動され、ロード・アンロード位置でロボットハンドＲＨにより研磨ヘッド１０から取り外される。

【0027】

図３に示すように、研磨ヘッド１０（および揺動軸３、揺動アーム２）は、昇降機構５により、研磨構造体２０に対して相対的に上下動するように構成されている。昇降機構５は、昇降モータ５ａと、昇降モータ５ａに接続されたボールねじ５ｂと、ボールねじ５ｂが螺合する突起部５ｃと、を有している。突起部５ｃは、揺動軸３に固定されている。

【0028】

昇降モータ５ａが駆動すると、ボールねじ５ｂの回転とともに、研磨ヘッド１０（および揺動軸３、揺動アーム２）は、突起部５ｃを通じて、研磨構造体２０に近接（または離間）する。昇降機構５は、研磨ヘッド１０の、研磨構造体２０に対する相対的な高さを調整するための位置決め機構として機能する。ウェハＷを研磨するとき、昇降機構５は、研磨ヘッド１０を所定の高さに配置する。この状態で、研磨ヘッド１０は、その下面に保持されたウェハＷを研磨面２２ａに押し付ける。

【0029】

図４は、研磨ヘッドのアクチュエータ保持面の全体に敷き詰められた押圧アクチュエータを示す図である。図１および図４に示すように、研磨ヘッド１０は、揺動アーム２に連結されたキャリア１３と、キャリア１３に保持された複数の押圧アクチュエータ１１と、押圧アクチュエータ１１の外側に配置されたリテーナリング１７と、を備えている。リテーナリング１７は、ウェハＷおよび押圧アクチュエータ１１を囲むように配置されており、ウェハＷの研磨中にウェハＷが研磨ヘッド１０から飛び出すことを防止している。

【0030】

複数の押圧アクチュエータ１１は、研磨ヘッド１０に保持されたウェハＷの裏側に位置している。キャリア１３は、複数の押圧アクチュエータ１１を保持するアクチュエータ保持面８を有している。複数の押圧アクチュエータ１１は、アクチュエータ保持面８の全体に敷き詰められており、ウェハＷの特定部位を独立して押圧するように構成されている。言い換えれば、複数の押圧アクチュエータ１１は、ウェハＷの複数の領域を異なる押圧力で、研磨面２２ａに押し付けるように構成されている。

【0031】

本実施形態では、複数の押圧アクチュエータ１１のそれぞれは、ウェハＷに押圧力を付与する圧電素子を備えている。以下、本明細書において、押圧アクチュエータ１１を圧電素子１１と呼ぶことがある。

【0032】

研磨装置１は、複数の圧電素子１１の動作を制御するための複数の制御ライン１２と、複数の圧電素子１１の動作を制御するために必要な装置を収容する制御ボックス１４と、を備えている（図１参照）。複数の制御ライン１２は、複数の圧電素子１１の動作を制御するための制御用配線であり、複数の圧電素子１１の数に対応する数を有している。

【0033】

複数の制御ライン１２は、キャリア１３に収容されており、制御ボックス１４に接続されている。制御ボックス１４は、各圧電素子１１に印加される電力（すなわち、電流、電圧）を制御するための各種装置（例えば、インバータ）を収容している。制御ボックス１４は、キャリア１３に装着されており、圧電素子１１の上方に配置されている。

【0034】

研磨装置１は、制御ボックス１４に接続された複数の集約線１６を備えている。集約線１６は、電力や制御信号などの動作信号を制御ボックス１４内の各種装置に送るための配線であり、揺動アーム２に形成された貫通孔２ａを通じて外部に延びている。集約線１６を通じて制御ボックス１４内の各種装置に送られた動作信号は、各種装置によって調整され、各圧電素子１１に送られる。

【0035】

本実施形態では、集約線１６は、制御ライン１２よりも少ない数を有しており、制御ライン１２よりも太い直径を有している。このような構造により、集約線１６は、揺動アーム２の旋回動作に起因する繰り返しの曲げに対する耐久性を向上させることができる。

【0036】

一実施形態では、研磨装置１は、必ずしも、集約線１６を備えなくてもよい。この場合、押圧アクチュエータ１１の数に対応する数を有する制御ライン１２は、制御ボックス１４に接続されており、揺動アーム２の貫通孔２ａを通じて外部に延びている。

【0037】

一実施形態では、制御ライン１２はエア配管であり、圧電素子１１は分割されたエアバックでもよい。集約線１６は制御ボックス１４に格納された圧力制御ユニットの電気的制御に用いられ、集約線１６にはエアバックに供給するエア配管が含まれる。

【0038】

図１に示すように、研磨テーブル２１は、円軌道に沿って並進運動するスクロール式の研磨テーブルである。より具体的には、研磨装置１は、研磨テーブル２１を支持する支持機構２５Ａ，２５Ｂを備えている。支持機構２５Ａ，２５Ｂは、研磨テーブル２１の偏心回転運動を許容しつつ、研磨テーブル２１を水平に支持している。

【0039】

図１に示す実施形態では、２つの支持機構２５Ａ，２５Ｂが配置されているが、支持機構の数は本実施形態には限定されない。一実施形態では、３つ以上の支持機構が研磨テーブル２１の円周方向に沿って等間隔に配置されてもよい。支持機構２５Ａ，２５Ｂは、同一の構造を有しているため、以下、支持機構２５Ａの構造について説明する。

【0040】

支持機構２５Ａは、研磨テーブル２１の下面に固定された軸受２９と、軸受２９に回転自在に支持された偏心軸２８と、偏心軸２８を回転させるモータ２３と、を備えている。偏心軸２８は、所定の偏心量（すなわち、オフセット量）だけずれた２つの軸部２７，２６を有している。軸部２７は軸受２９に回転自在に支持されており、軸部２６はモータ２３に固定されている。

【0041】

図５は、偏心回転運動を行う研磨パッド（および研磨テーブル）を示す図である。モータ２３が駆動すると、研磨テーブル２１（および研磨パッド２２）は、偏心軸２８の回転とともに、所定の偏心量を半径とした円軌道に沿って並進運動（すなわち、スクロール運動）を行う（図５参照）。

【0042】

図１に示すように、研磨装置１は、所定の回転角度の範囲内で研磨ヘッド１０を回転させるヘッド回転機構１５を備えている。ヘッド回転機構１５は、モータ１５ａと、モータ１５ａに接続されたモータプーリ１５ｂと、研磨ヘッド１０のキャリア１３の外周面に形成された歯車１５ｃと、モータプーリ１５ｂと歯車１５ｃとの間に掛け渡されたタイミングベルト１５ｄと、を備えている。

【0043】

図６は、往復回転する研磨ヘッドを示す図である。モータ１５ａは、例えば、サーボモータやステッピングモータなどの精密モータである。モータ１５ａが駆動すると、モータプーリ１５ｂおよびタイミングベルト１５ｄの回転とともに、歯車１５ｃが回転する。図６に示すように、研磨ヘッド１０は、歯車１５ｃの回転によって、その中心軸線ＣＬを中心として所定の回転角度の範囲内で往復回転する。論理的に平均化処理に必要となる所定の回転角度は、３６０度の整数倍である。一実施形態では、ヘッド回転機構１５は、研磨ヘッド１０を往復回転させることなく、研磨時間内で一方向に回転させてもよい。

【0044】

図１に示すように、研磨装置１は、揺動アーム２とキャリア１３との間に配置された軸受１８Ａ，１８Ｂを備えている。軸受１８Ａ，１８Ｂは、同一の構造を有しており、上下方向に配置されている。研磨ヘッド１０は、軸受１８Ａ，１８Ｂに回転自在に支持されている。軸受１８Ａ，１８Ｂの数は、本実施形態には限定されない。

【0045】

このような構成により、研磨ヘッド１０は、揺動アーム２に対して相対的に回転可能である。キャリア１３に収容されている制御ボックス１４は、研磨ヘッド１０とともに回転する。

【0046】

本実施形態によれば、ヘッド回転機構１５は、複数の押圧アクチュエータ１１を備える研磨ヘッド１０を連続的に回転させることなく、所定の回転角度の範囲内で回転させる。したがって、研磨ヘッド１０は、その連続回転に起因する制御ライン１２の捻れを防止し、集約線１６にロータリーコネクタなどの追加を不要にすることができる。

【0047】

所定の回転角度は、制御ライン１２が捻れない程度（または、制御ライン１２の捻れに起因して、制御ライン１２が断線しない程度）の回転角度に決定される。例えば、研磨ヘッド１０の回転角度は、０度～１０８０度の範囲内の回転角度に決定される。したがって、「連続回転」は、このように決定された回転角度の上限を超えて、ウェハＷの研磨中に一方向に回転することを意味する。

【0048】

さらに、本実施形態によれば、継手（例えば、ロータリーコネクタ）を各制御ライン１２に接続する必要はなく、各押圧アクチュエータ１１を無線通信手段によって制御する必要もない。したがって、研磨ヘッド１０のサイズが大きくなったり、研磨装置１のコストが増大するといった問題は生じない。このように、本実施形態によれば、研磨ヘッド１０は、制御ライン１２の捻れを防止することができるため、複雑な機構を有することなく、各押付アクチュエータ１１を制御することができる。

【0049】

円軌道に沿って並進運動する研磨テーブル２１は、その全体で、ウェハＷの被研磨面に対して、同一の相対移動量を生じさせることができる。したがって、研磨圧力が同一である条件下において、理論上、均一な研磨レートでウェハＷを研磨することができる。このような構成により、研磨ヘッド１０に保持されたウェハＷを、円軌道に沿って並進運動する研磨テーブル２１上の研磨パッド２２の研磨面２２ａに押し付けることにより、ウェハＷの被研磨面全体における相対速度を均一にするための相対運動を研磨ヘッド１０側で生じさせることなく、ウェハＷを研磨することができる。

【0050】

ウェハＷを研磨するとき、ウェハＷを保持する研磨ヘッド１０を下降させて、研磨パッド２２の研磨面２２ａにウェハＷを押し付けると同時に、液体供給ノズル３１を通じて、研磨テーブル２１の流通孔２１ａに研磨液を供給する。流通孔２１ａに供給された研磨液は、研磨パッド２２の開口部２２ｂを通じて、研磨面２２ａ上に供給される。このようにして、研磨液の存在下で研磨パッド２２の研磨面２２ａがウェハＷの被研磨面を研磨する。

【0051】

ウェハＷの研磨中において、ヘッド回転機構１５は、所定の回転角度の範囲内で研磨ヘッド１０を回転させる。研磨ヘッド１０を回転させる理由は次の通りである。研磨パッド２２の研磨面２２ａは、研磨パッド２２に形成された開口部２２ｂには存在しない。

【0052】

研磨ヘッド１０の回転を停止した状態で、研磨テーブル２１が並進運動すると、開口部２２ｂは、一定の軌跡を描いて、ウェハＷの被研磨面上を移動する。したがって、開口部２２ｂの軌跡上のウェハＷの被研磨面は研磨されず、開口部２２ｂの軌跡上におけるウェハＷの研磨の均一性が低下してしまう。

【0053】

そこで、ウェハＷの研磨の均一性を高めるために、ヘッド回転機構１５は、所定の回転速度で研磨ヘッド１０を回転させる。一実施形態では、ヘッド回転機構１５によって研磨ヘッド１０を回転させるとともに、旋回モータ４によって研磨ヘッド１０を揺動させてもよい。

【0054】

従来の連続回転する研磨テーブルを用いた研磨では、基板面内である程度均一な相対速度での相対運動を生じさせるには、研磨テーブルおよび研磨ヘッドを所定の回転速度で連続回転させる必要がある。その一方で、本実施形態では、研磨テーブル２１のスクロール運動によって必要な相対速度を生じさせることができる。研磨ヘッド１０は、研磨パッド２２に形成された溝や開口部の軌跡の、研磨動作への転写を防ぐことを目的に回転する。

【0055】

したがって、研磨ヘッド１０の回転速度は、相対的に小さくてもよい。このような構成により、制御ボックス１４が複雑で繊細な装置を有していても、研磨ヘッド１０の高速回転に起因する衝撃を受けることなく、制御ボックス１４を研磨ヘッド１０に搭載することができる。

【0056】

図１に示すように、研磨装置１は、その構成要素の動作を制御する制御装置５０を備えている。制御装置５０は、プログラムが格納された記憶部５０ａ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部５０ｂと、を備えている。記憶部５０ａは、ＲＡＭなどの主記憶部と、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）などの補助記憶部と、を備えている。演算部５０ｂ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。

【0057】

制御装置５０は、少なくとも１台のコンピュータから構成されている。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。制御装置５０は、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接続されたクラウドサーバであってもよいし、あるいはネットワーク内に設置されたフォグコンピューティングデバイス（ゲートウェイ、フォグサーバ、ルーターなど）であってもよい。制御装置５０は、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り接続された複数のサーバであってもよい。例えば、制御装置５０は、エッジサーバとクラウドサーバとの組み合わせであってもよい。

【0058】

制御装置５０は、研磨装置１の構成要素（例えば、旋回モータ４、昇降モータ５ａ、モータ１５ａ、およびモータ２３）に電気的に接続されており、これら構成要素の動作を制御するように構成されている。

【0059】

さらに、制御装置５０は、集約線１６（および制御ライン１２）に電気的に接続されており、複数の押圧アクチュエータ１１のそれぞれの動作を制御するように構成されている。例えば、制御装置５０は、ウェハＷの被研磨面の膜厚プロファイルに基づいて、各押圧アクチュエータ１１の動作を制御するように構成されている。

【0060】

図７は、各押圧アクチュエータの動作を制御する制御フローの一実施形態を示す図である。図７のステップＳ１０１に示すように、まず、膜厚測定器（図示しない）でウェハＷ（より具体的には、被研磨面）の膜厚を測定する。制御装置５０は、膜厚測定器で測定された膜厚に基づいて、ウェハＷの膜厚プロファイルを作成する。膜厚プロファイルは、ウェハＷの半径方向および円周方向におけるウェハＷの膜厚分布である。

【0061】

例えば、膜厚測定器は、研磨装置１の外部に配置された、ウェハＷが静止した状態でウェハＷの膜厚を測定するスタンドアローン型の膜厚測定器である。一実施形態では、膜厚測定器は、研磨装置１の内部に配置された膜厚センサ４０であってもよい。

【0062】

図１に示すように、研磨装置１は、研磨構造体２０（より具体的には、研磨テーブル２１）に隣接して配置された膜厚センサ４０を備えている。図１に示す膜厚センサ４０は、光学式センサである。一実施形態では、膜厚センサ４０は、研磨テーブル２１に埋め込まれた渦電流センサであってもよい。膜厚センサ４０は、そのセンサ部がウェハＷの被研磨面に対向するように配置されている。制御装置５０は、膜厚センサ４０に電気的に接続されている。制御装置５０は、揺動アーム２を動作させて、研磨ヘッド１０に保持されたウェハＷを膜厚センサ４０の上方に配置させる。

【0063】

この状態で、ヘッド回転機構１５（および／または揺動アーム２）を動作させることにより、膜厚センサ４０は、ウェハＷの膜厚に相当する信号を検出する。制御装置５０は、膜厚センサ４０によって検出された信号に基づいて、ウェハＷの膜厚を測定し、膜厚プロファイルを作成する。

【0064】

図２に示す実施形態では、研磨装置１は、研磨テーブル２１の外側に配置された固定テーブル４１を備えており、複数の膜厚センサ４０は、固定テーブル４１に埋め込まれている。これら複数の膜厚センサ４０は、研磨テーブル２１に沿って曲線状に配置されている。このように、複数の膜厚センサ４０を配置することにより、制御装置５０は、短時間で、ウェハＷの膜厚を広範囲に亘って測定することができる。

【0065】

その後、制御装置５０は、膜厚測定器（または膜厚センサ４０）で測定された膜厚に基づいて作成した現在の膜厚プロファイルと目標の膜厚プロファイルとを比較し（ステップＳ１０２参照）、より積極的に（または、より消極的に）研磨すべきウェハＷの特定部位を特定する（ステップＳ１０３参照）。目標の膜厚プロファイルは、予め記憶部５０ａに記憶されている。目標の膜厚プロファイルは、過去の実験データに基づいて作成されてもよく、理論データに基づいて作成されてもよい。

【0066】

制御装置５０は、特定されたウェハＷの特定部位に基づいて、特定部位に対応する押圧アクチュエータ１１（すなわち、対象押圧アクチュエータ１１）と、対象押圧アクチュエータ１１の押圧力と、を決定する。

【0067】

例えば、制御装置５０は、現在の膜厚プロファイルと目標の膜厚プロファイルとの比較結果に基づいて、ウェハＷの目標研磨量の分布を算出し、所定の研磨時間以内における目標研磨量を達成するために、対象押圧アクチュエータ１１を含む複数の押圧アクチュエータ１１の押圧力を決定する。その後、制御装置５０は、対象押圧アクチュエータ１１を含む複数の押圧アクチュエータ１１を動作させて、決定された押圧力をウェハＷに印加し、膜厚のばらつきを解消する。

【0068】

アクチュエータ保持面８の全体に敷き詰められた複数の押圧アクチュエータ１１は、研磨ヘッド１０の半径方向および円周方向に沿って分布しており、ウェハＷの特定部位を独立して押圧する。したがって、制御装置５０は、複数の押圧アクチュエータ１１を動作させて、ウェハＷの膜厚プロファイルを精度よく制御することができる。

【0069】

複数の押圧アクチュエータ１１は、研磨ヘッド１０のアクチュエータ保持面８の全体に配置されていれば、格子状に配列されてもよく、同心円状に配列されてもよい。一実施形態では、複数の押圧アクチュエータ１１は、ランダムに配列されてもよい。

【0070】

ウェハＷの研磨を開始した後（ステップＳ１０４参照）、ウェハＷの研磨中において、制御装置５０は、固定テーブル４１に配置された膜厚センサ４０によって、ウェハＷの膜厚を測定する（ステップＳ１０５参照）。より具体的には、制御装置５０は、揺動アーム２を動作させて、研磨ヘッド１０を膜厚センサ４０の上方まで移動させる。膜厚センサ４０は、研磨ヘッド１０に保持されたウェハＷの膜厚に相当する信号を検出し、制御装置５０は、膜厚センサ４０によって検出された信号に基づいてウェハＷの膜厚を測定する。

【0071】

制御装置５０は、測定されたウェハＷの膜厚に基づいて、ウェハＷの研磨終点に到達したか否かを決定する（ステップＳ１０６参照）。例えば、制御装置５０は、ウェハＷの膜厚における最も厚い部位と、最も薄い部位との差分が所定の範囲内に到達した時点で、研磨終点を決定する。

【0072】

制御装置５０が研磨終点を決定した場合（ステップＳ１０６の「ＹＥＳ」参照）、制御装置５０は、ウェハＷの研磨を終了する（ステップＳ１０７参照）。その一方で、制御装置５０が研磨終点を決定しない場合（ステップＳ１０６の「ＮＯ」参照）、制御装置５０は、ウェハＷの研磨を継続する。

【0073】

一般的な研磨装置の場合、ウェハＷを研磨するために、研磨ヘッド１０を高速で回転させる必要がある。この場合、摩擦力に起因して、ウェハＷが研磨ヘッド１０に対して円周方向にずれてしまう。結果として、制御装置５０は、ウェハＷのずれをリアルタイムで測定し、ウェハＷのずれに応じて、ウェハＷの特定部位を研磨するための対象押圧アクチュエータ１１を常に変更しなければならない。

【0074】

本実施形態では、研磨装置１は、円軌道に沿って並進運動する研磨テーブル２１上の研磨パッド２２の研磨面２２ａにウェハＷを押し付けることによってウェハＷを研磨するように構成されている。このような構成により、研磨ヘッド１０は、高速で回転する必要はないため、研磨パッド２２とウェハＷとの摩擦力に起因して、ウェハＷが研磨ヘッド１０に対して円周方向にずれることを防止することができる。

【0075】

図８は、ウェハのノッチ位置を検出する膜厚センサを示す図である。ウェハＷが研磨ヘッド１０に対して円周方向にずれた場合に備えて、制御装置５０は、ウェハＷの円周方向の角度を特定する基準位置（本実施形態では、ノッチ位置Ｎｔ）を測定するように構成されてもよい。ノッチ位置Ｎｔは、ウェハＷの周縁部（ウェハ円を形成するウェハＷの最も外側の端部）に形成されている。

【0076】

例えば、ウェハＷの研磨を開始した後、制御装置５０は、揺動アーム２を動作させて、ウェハＷの周縁部を研磨テーブル２１の外側に配置させ、この状態で、ヘッド回転機構１５を動作させて、研磨ヘッド１０を回転させる。このような動作により、研磨テーブル２１からはみ出したウェハＷの周縁部が回転し、膜厚センサ４０は、ウェハＷのノッチ位置Ｎｔを検出する。制御装置５０は、膜厚センサ４０の検出信号に基づいて、ウェハＷのノッチ位置Ｎｔを特定することができる。

【0077】

ノッチ位置Ｎｔは、ウェハＷの円周方向の角度の基準位置である。記憶部５０ａは、ウェハＷの研磨開始時における研磨ヘッド１０の回転角度と、ノッチ位置Ｎｔと、の関係を記憶している。したがって、制御装置５０は、研磨ヘッド１０の回転角度と、ノッチ位置Ｎｔと、の関係に基づいて、ウェハＷのずれを決定する。

【0078】

仮に、ウェハＷがずれていた場合、制御装置５０は、ウェハＷのずれに相当する補正量を算出し、算出された補正量に基づいて、ウェハＷの研磨開始時に特定した初期の対象押圧アクチュエータ１１を変更する。このような変更により、仮に、ウェハＷの研磨に起因して、ウェハＷがずれたとしても、制御装置５０は、ウェハＷの膜厚プロファイルを精度よく制御することができる。

【0079】

図９は、研磨装置の他の実施形態を示す図である。上述した実施形態では、研磨装置１は、研磨構造体２０としてのスクロール式の研磨テーブル２１を備えているが、図９に示す実施形態では、研磨装置１は、研磨構造体２０としての研磨ベルト６０を備えている。

【0080】

研磨ベルト６０は、２つのベルトローラ６２Ａ，６２Ｂと、ベルトローラ６２Ａ，６２Ｂの間に掛け渡されたベルト６１と、を備えている。ベルトローラ６２Ａ，６２Ｂは、同一の回転方向に回転するように構成されている。ベルト６１は、ベルトローラ６２Ａ，６２Ｂの駆動によって回転する。

【0081】

ベルト６１は、その表面に形成された研磨面６１ａを有している。したがって、ウェハＷを保持する研磨ヘッド１０を下降させて、回転するベルト６１の研磨面６１ａにウェハＷを押し付けることにより、ウェハＷは研磨される。ウェハＷを研磨するとき、ウェハＷの下方に位置するベルト６１は、その進行方向に沿って直線運動する。

【0082】

研磨装置１は、ベルト６１の進行方向において、研磨ヘッド１０の上流側に配置された液体供給ノズル７０を備えている。液体供給ノズル７０は、液体供給ノズル３１と同様に、液体（例えば、研磨液または純水）を供給するように構成されている。

【0083】

直線運動する研磨ベルト６０は、ウェハＷの被研磨面に対して、同一の相対移動量を生じさせることができる。したがって、研磨ヘッド１０に保持されたウェハＷを研磨面６１ａに押し付けることにより、ウェハＷの被研磨面全体における相対速度を均一にするための相対運動を研磨ヘッド１０側で生じさせることなく、ウェハＷを研磨することができる。

【0084】

なお、他の実施形態として、研磨ベルトを巻出しローラに巻き回した研磨ベルトを巻取りローラで巻取る、いわゆるロール・ツー・ロール方式の機構を用いて、研磨ベルトを直線運動させるようにしてもよい。

【0085】

図１０は、押圧アクチュエータの他の実施形態を示す図である。上述した実施形態では、押圧アクチュエータ１１は、圧電素子を備えているが、図１０に示す実施形態では、複数の押圧アクチュエータ１１１は、ウェハＷに押圧力を付与する複数のエアバッグを備えている。以下、本明細書において、押圧アクチュエータ１１１をエアバッグ１１１と呼ぶことがある。

【0086】

本実施形態においても、複数のエアバッグ１１１は、研磨ヘッド１０のアクチュエータ保持面８の全体に配置されていれば、格子状に配列されてもよく、同心円状に配列されてもよい。一実施形態では、複数のエアバッグ１１１は、ランダムに配列されてもよい。

【0087】

研磨装置１は、複数のエアバッグ１１１に接続された複数の流体供給ライン１１２を備えている。複数の流体供給ライン１１２は、複数のエアバッグ１１１の数に対応する数を有している。制御ボックス１４は、各エアバッグ１１１に供給される圧縮気体を制御するための各種装置（例えば、電空レギュレータ、バルブなど）を収容している。流体供給ライン１１２および制御ライン１２（図１参照）を総称して、単にラインと呼ばれてもよい。

【0088】

本実施形態においても、ヘッド回転機構１５は、研磨ヘッド１０を連続的に回転させることなく、所定の回転角度の範囲内で回転させるため、継手（例えば、ロータリージョイント）を各流体供給ライン１１２に接続する必要はない。したがって、研磨ヘッド１０のサイズが大きくなったり、研磨装置１のコストが増大するといった問題は生じない。

【0089】

一実施形態では、図１に示す実施形態と、図１０に示す実施形態と、を組み合わせてもよい。この場合、複数の押圧アクチュエータは、複数のエアバッグ１１１と、複数の圧電素子１１と、を備えている。研磨装置１は、複数のエアバッグ１１１の数に対応する数を有する複数の流体供給ライン１１２と、複数の圧電素子１１の数に対応する数を有する複数の制御ライン１２と、を備えている。

【0090】

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】

【0091】

１ 研磨装置
２ 揺動アーム
２ａ 貫通孔
３ 揺動軸
４ 旋回モータ
５ 昇降機構
５ａ 昇降モータ
５ｂ ボールねじ
５ｃ 突起部
８ アクチュエータ保持面
１０ 研磨ヘッド
１１ 押圧アクチュエータ（圧電素子）
１３ キャリア
１４ 制御ボックス
１５ ヘッド回転機構
１５ａ モータ
１５ｂ モータプーリ
１５ｃ 歯車
１５ｄ タイミングベルト
１６ 集約線
１８Ａ，１８Ｂ 軸受
２１ 研磨テーブル
２１ａ 流通孔
２２ 研磨パッド
２２ａ 研磨面
２３ モータ
２５Ａ，２５Ｂ 支持機構
２６，２７ 軸部
２８ 偏心軸
２９ 軸受
３０ 液体供給ライン
３１ 液体供給ノズル
４０ 膜厚センサ
４１ 固定テーブル
５０ 制御装置
５０ａ 記憶部
５０ｂ 演算部
６０ 研磨ベルト
６１ ベルト
６１ａ 研磨面
６２Ａ，６２Ｂ ベルトローラ
７０ 液体供給ノズル
１１１ 押圧アクチュエータ（エアバッグ）
１１２ 流体供給ライン
ＲＨ ロボットハンド
ＣＬ 中心軸線
Ｎｔ ノッチ位置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】