特許 7155035 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】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-07

(45)【発行日】2022-10-18

(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 37/013 20120101AFI20221011BHJP

   H01L 21/304 20060101ALI20221011BHJP

   G01N 19/00 20060101ALN20221011BHJP

【ＦＩ】

B24B37/013

H01L21/304 622S

G01N19/00 Z

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2019026255

(22)【出願日】2019-02-18

(65)【公開番号】P2020131329

(43)【公開日】2020-08-31

【審査請求日】2021-09-22

(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

(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

(72)【発明者】

【氏名】中村 顕

【審査官】奥隅 隆

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－０５８１９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５９－０２０１０６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００４－２４５８２２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２４Ｂ ３７／０１３

Ｈ０１Ｌ ２１／３０４

Ｇ０１Ｎ １９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板を研磨するための研磨装置であって、
研磨パッドを支持するための回転可能な研磨テーブルと、
基板を前記研磨パッドに押し付ける研磨ヘッドと、
前記研磨ヘッドに連結された回転軸と、
前記回転軸を回転可能に支持する支持構造体と、
前記支持構造体のひずみを測定するひずみ測定器と、
前記ひずみの変化に基づいて前記基板の研磨終点を決定する終点検出器を備え、
前記ひずみ測定器は、前記支持構造体の側面に固定された少なくとも１つのひずみセンサを備えている、研磨装置。

【請求項2】

前記ひずみ測定器は、前記ひずみを第１の分解能で測定する低分解能測定モードと、前記第１の分解能よりも高い第２の分解能で前記ひずみを測定する高分解能測定モードの２つの測定モードを備えている、請求項１に記載の研磨装置。

【請求項3】

前記低分解能測定モードは、前記ひずみの第１範囲を、予め定められた測定出力範囲に変換する低ゲインモードであり、
前記高分解能測定モードは、前記第１範囲よりも狭い前記ひずみの第２範囲を前記測定出力範囲に変換する高ゲインモードである、請求項２に記載の研磨装置。

【請求項4】

前記ひずみ測定器は、前記第１範囲を前記測定出力範囲に変換し、前記第２範囲を前記測定出力範囲に変換する信号コンバータを備えており、前記ひずみセンサは前記信号コンバータに接続されている、請求項３に記載の研磨装置。

【請求項5】

前記ひずみ測定器は、前記低分解能測定モードで動作する第１ひずみ測定器と、前記高分解能測定モードで動作する第２ひずみ測定器を備えており、
前記第１ひずみ測定器は、前記支持構造体に固定された第１ひずみセンサを備え、
前記第２ひずみ測定器は、前記支持構造体に固定された第２ひずみセンサを備えている、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の研磨装置。

【請求項6】

前記終点検出器は、前記基板の研磨中に前記支持構造体のひずみがピーク値に達した後、前記ひずみ測定器に指令を発して、前記ひずみ測定器の測定モードを前記低分解能測定モードから前記高分解能測定モードに切り替えるように構成されている、請求項２乃至５のいずれか一項に記載の研磨装置。

【請求項7】

基板を研磨するための研磨方法であって、
研磨パッドを支持する研磨テーブルを回転させ、
回転軸に連結されている研磨ヘッドで基板を前記研磨パッドに押し付けて該基板を研磨し、
前記基板の研磨中に、前記回転軸を回転可能に支持している支持構造体のひずみをひずみ測定器により測定し、
前記ひずみの変化に基づいて前記基板の研磨終点を決定する工程を含み、
前記ひずみ測定器は、前記支持構造体の側面に固定された少なくとも１つのひずみセンサを備えている、研磨方法。

【請求項8】

前記基板の研磨中に、前記ひずみ測定器の測定モードを低分解能測定モードから高分解能測定モードに切り替える工程をさらに含み、
前記低分解能測定モードは、前記ひずみを第１の分解能で測定する測定モードであり、
前記高分解能測定モードは、前記第１の分解能よりも高い第２の分解能で前記ひずみを測定する測定モードであり、
前記ひずみの変化に基づいて前記基板の研磨終点を決定する工程は、前記高分解能測定モードで測定された前記ひずみの変化に基づいて前記基板の研磨終点を決定する工程である、請求項７に記載の研磨方法。

【請求項9】

前記基板の研磨中に前記ひずみがピーク値に達した後に、前記ひずみ測定器の測定モードを前記低分解能測定モードから前記高分解能測定モードに切り替える、請求項８に記載の研磨方法。

【請求項10】

前記ひずみ測定器の測定モードを前記低分解能測定モードから前記高分解能測定モードに切り替えた後に、前記ひずみ測定器の出力値を予め設定された値に調整する工程をさらに含む、請求項８または９に記載の研磨方法。

【請求項11】

前記低分解能測定モードは、前記ひずみの第１範囲を、予め定められた測定出力範囲に変換する低ゲインモードであり、
前記高分解能測定モードは、前記第１範囲よりも狭い前記ひずみの第２範囲を前記測定出力範囲に変換する高ゲインモードである、請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の研磨方法。

【請求項12】

前記基板を研磨する前に、前記ひずみ測定器を較正する工程をさらに含む、請求項７乃至１１のいずれか一項に記載の研磨方法。

【請求項13】

前記ひずみ測定器を較正する工程は、
第１の力を前記支持構造体に加えたときの前記ひずみ測定器の第１の出力値を決定し、
前記第１の力とは異なる第２の力を前記支持構造体に加えたときの前記ひずみ測定器の第２の出力値を決定し、
前記第１の出力値および前記第２の出力値を、第１の基準値および第２の基準値にそれぞれ合わせる工程を含む、請求項１２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、ウェーハなどの基板を研磨するための研磨装置および研磨方法に関し、特に基板の研磨終点を検出するための技術に関する。

【背景技術】

【0002】

化学機械研磨（ＣＭＰ）は、ウェーハなどの基板をスラリーの存在下で研磨する技術である。より具体的には、回転する研磨テーブル上の研磨パッドにスラリーを供給しながら、ウェーハを研磨パッドに押し付けることで、ウェーハの表面をスラリーの存在下で研磨パッドに摺接させる。ウェーハの表面は、スラリーの化学的作用と、スラリーに含まれる砥粒の機械的作用により、研磨される。

【0003】

ウェーハの研磨終点は、ウェーハの表面状態の変化に基づいて決定される。一例では、研磨終点は、ウェーハの表面を形成する膜が除去され、下地層が露出した時点である。このような研磨終点を決定するために、研磨テーブルを回転させるテーブルモータに供給されるモータ電流の変化を監視する技術がある。ウェーハの表面状態が変化すると、ウェーハと研磨パッドとの摩擦が変化し、結果としてモータ電流が変化する。したがって、モータ電流の変化点を、研磨終点とすることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特表２００７－５１０１６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

最近では、上述したモータ電流を監視する方法に代えて、研磨テーブルのひずみに基づいて研磨終点を決定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【0006】

本発明は、ウェーハなどの基板と研磨パッドの間の摩擦に起因して起こる研磨装置の構成要素のひずみに基づいて基板の研磨終点を決定する新規な研磨装置および研磨方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

一態様では、基板を研磨するための研磨装置であって、研磨パッドを支持するための回転可能な研磨テーブルと、基板を前記研磨パッドに押し付ける研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドに連結された回転軸と、前記回転軸を回転可能に支持する支持構造体と、前記支持構造体のひずみを測定するひずみ測定器と、前記ひずみの変化に基づいて前記基板の研磨終点を決定する終点検出器を備え、前記ひずみ測定器は、前記支持構造体の側面に固定された少なくとも１つのひずみセンサを備えている、研磨装置が提供される。

【0008】

一態様では、前記ひずみ測定器は、前記ひずみを第１の分解能で測定する低分解能測定モードと、前記第１の分解能よりも高い第２の分解能で前記ひずみを測定する高分解能測定モードの２つの測定モードを備えている。
一態様では、前記低分解能測定モードは、前記ひずみの第１範囲を、予め定められた測定出力範囲に変換する低ゲインモードであり、前記高分解能測定モードは、前記第１範囲よりも狭い前記ひずみの第２範囲を前記測定出力範囲に変換する高ゲインモードである。
一態様では、前記ひずみ測定器は、前記第１範囲を前記測定出力範囲に変換し、前記第２範囲を前記測定出力範囲に変換する信号コンバータを備えており、前記ひずみセンサは前記信号コンバータに接続されている。

【0009】

一態様では、前記ひずみ測定器は、前記低分解能測定モードで動作する第１ひずみ測定器と、前記高分解能測定モードで動作する第２ひずみ測定器を備えており、前記第１ひずみ測定器は、前記支持構造体に固定された第１ひずみセンサを備え、前記第２ひずみ測定器は、前記支持構造体に固定された第２ひずみセンサを備えている。
一態様では、前記終点検出器は、前記基板の研磨中に前記支持構造体のひずみがピーク値に達した後、前記ひずみ測定器に指令を発して、前記ひずみ測定器の測定モードを前記低分解能測定モードから前記高分解能測定モードに切り替えるように構成されている。

【0010】

一態様では、基板を研磨するための研磨方法であって、研磨パッドを支持する研磨テーブルを回転させ、回転軸に連結されている研磨ヘッドで基板を前記研磨パッドに押し付けて該基板を研磨し、前記基板の研磨中に、前記回転軸を回転可能に支持している支持構造体のひずみをひずみ測定器により測定し、前記ひずみの変化に基づいて前記基板の研磨終点を決定する工程を含み、前記ひずみ測定器は、前記支持構造体の側面に固定された少なくとも１つのひずみセンサを備えている、研磨方法が提供される。

【0011】

一態様では、前記基板の研磨中に、前記ひずみ測定器の測定モードを低分解能測定モードから高分解能測定モードに切り替える工程をさらに含み、前記低分解能測定モードは、前記ひずみを第１の分解能で測定する測定モードであり、前記高分解能測定モードは、前記第１の分解能よりも高い第２の分解能で前記ひずみを測定する測定モードであり、前記ひずみの変化に基づいて前記基板の研磨終点を決定する工程は、前記高分解能測定モードで測定された前記ひずみの変化に基づいて前記基板の研磨終点を決定する工程である。
一態様では、前記基板の研磨中に前記ひずみがピーク値に達した後に、前記ひずみ測定器の測定モードを前記低分解能測定モードから前記高分解能測定モードに切り替える。

【0012】

前記研磨方法は、前記ひずみ測定器の測定モードを前記低分解能測定モードから前記高分解能測定モードに切り替えた後に、前記ひずみ測定器の出力値を予め設定された値に調整する工程をさらに含む。
一態様では、前記低分解能測定モードは、前記ひずみの第１範囲を、予め定められた測定出力範囲に変換する低ゲインモードであり、前記高分解能測定モードは、前記第１範囲よりも狭い前記ひずみの第２範囲を前記測定出力範囲に変換する高ゲインモードである。
一態様では、前記研磨方法は、前記基板を研磨する前に、前記ひずみ測定器を較正する工程をさらに含む。
一態様では、前記ひずみ測定器を較正する工程は、第１の力を前記支持構造体に加えたときの前記ひずみ測定器の第１の出力値を決定し、前記第１の力とは異なる第２の力を前記支持構造体に加えたときの前記ひずみ測定器の第２の出力値を決定し、前記第１の出力値および前記第２の出力値を、第１の基準値および第２の基準値にそれぞれ合わせる工程を含む。

【発明の効果】

【0013】

基板と研磨パッドとの間に生じる摩擦力は、研磨ヘッドおよび回転軸を介して支持構造体に伝わる。基板の研磨中の支持構造体のひずみは、基板と研磨パッドとの間に生じる摩擦力に従って変化する。基板の表面を形成する膜が除去され、下地層が露出すると、上記摩擦力が変化する。したがって、終点検出器は、基板の終点を、支持構造体のひずみの変化に基づいて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模式図である。

【図2】ウェーハを研磨パッドに接触させた時点からの支持構造体のひずみの変化を示すグラフである。

【図3】ひずみがピーク値に達した後に、ひずみ測定器の測定モードが低分解能測定モードから高分解能測定モードに切り替えられたときの、ひずみの変化を示すグラフである。

【図4】低分解能測定モードで動作する第１ひずみ測定器と、高分解能測定モードで動作する第２ひずみ測定器を備えた研磨装置の一実施形態を示す模式図である。

【図5】ひずみ測定器の較正をしているときの支持構造体の上面図である。

【図6】支持構造体に第１の力を加えたときのひずみ測定器の第１の出力値と、支持構造体に第２の力を加えたときのひずみ測定器の第２の出力値と、第１の基準値および第２の基準値の関係を示すグラフである。

【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説明する。
図１は、研磨装置の一実施形態を示す模式図である。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、基板の一例であるウェーハＷ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、研磨ヘッド１に連結された回転軸１１と、回転軸１１を回転可能に支持する支持構造体１５と、研磨パッド２上にスラリーを供給するためのスラリー供給ノズル５とを備えている。研磨パッド２の表面は、ウェーハＷを研磨する研磨面２ａを構成する。

【0016】

研磨テーブル３はテーブルモータ６に連結されており、研磨テーブル３および研磨パッド２を一体に回転させるように構成されている。研磨ヘッド１は、回転軸１１の端部に固定されており、回転軸１１は、支持構造体１５に回転可能に支持されている。回転軸１１は、支持構造体１５の内部に配置されている回転装置（図示せず）に連結されており、回転軸１１および研磨ヘッド１は回転装置によって回転される。支持構造体１５は、支軸１６に固定された旋回モータ１８に支持されている。旋回モータ１８が動作すると、支持構造体１５および研磨ヘッド１は、支軸１６を中心に旋回する。

【0017】

研磨ヘッド１は、ウェーハＷを囲むリテーナリング７を備えている。リテーナリング７は、ウェーハＷの研磨中にウェーハＷが研磨ヘッド１から外れてしまうことを防止するために設けられている。リテーナリング７は、ウェーハＷの研磨中は、ウェーハＷの外側で研磨パッド２に押し付けられる。

【0018】

ウェーハ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、スラリー供給ノズル５からスラリーが研磨テーブル３上の研磨パッド２の研磨面２ａに供給される。ウェーハＷは研磨ヘッド１によって回転されながら、研磨パッド２とウェーハＷとの間にスラリーが存在した状態で研磨パッド２の研磨面２ａに押し付けられる。ウェーハＷの表面は、スラリーの化学的作用と、スラリーに含まれる砥粒の機械的作用により研磨される。

【0019】

研磨装置は、研磨ヘッド１、研磨テーブル３、およびスラリー供給ノズル５の動作を制御する動作制御部９をさらに備えている。動作制御部９は、少なくとも１台のコンピュータから構成されている。

【0020】

研磨装置は、支持構造体１５のひずみを測定するひずみ測定器２０と、支持構造体１５のひずみの変化に基づいてウェーハＷの研磨終点を決定する終点検出器２２をさらに備えている。ひずみ測定器２０は、支持構造体１５に固定されたひずみセンサ２５と、ひずみセンサ２５に電気的に接続された信号コンバータ２８を備えている。本実施形態では、ひずみセンサ２５は、支持構造体１５の側面に固定されている。２つのひずみセンサ２５を支持構造体１５の両側面に固定してもよい。

【0021】

終点検出器２２は、少なくとも１台のコンピュータから構成されている。終点検出器２２は、プログラムが内部に格納された記憶装置２２ａと、プログラムに従って演算を実行する演算装置２２ｂを備えている。演算装置２２ｂは、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２２ａは、演算装置２２ｂ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。

【0022】

支持構造体１５上のひずみセンサ２５の位置は、ひずみ測定器２０が支持構造体１５のひずみを正しく測定できる限りにおいて、特に限定されない。一実施形態では、１つまたはそれよりも多いひずみセンサ２５を、支持構造体１５の上面および／または下面に固定してもよい。

【0023】

本実施形態で使用されているひずみセンサ２５は、水晶を備えた圧電式センサである。支持構造体１５のひずみに起因して水晶が変形すると、水晶は圧電効果により電荷を放出する。電荷は信号コンバータ２８に送られ、電圧に変換される。一例では、信号コンバータ２８は、チャージアンプから構成されている。変換された電圧の値はひずみの大きさに比例する。信号コンバータ２８は、電圧の値をひずみの大きさを示す出力値として出力する。信号コンバータ２８の出力値（電圧値）は、支持構造体１５のひずみの大きさを表し、支持構造体１５のひずみの大きさに従って変化する。

【0024】

ただし、ひずみ測定器２０は、支持構造体１５のひずみを直接または間接に測定できる装置であれば特に限定されない。例えば、ひずみ測定器２０は、ひずみゲージとアンプとの組み合わせ、または水晶以外の材料を用いた圧電素子を備えてもよい。

【0025】

本明細書において、ひずみを測定することは、ひずみの大きさ自体を測定することのみならず、ひずみの大きさに従って変化する物理量または指標値を決定することも意味する。ひずみの大きさに従って変化する信号コンバータ２８の出力値（電圧値）は、ひずみの測定値の一例である。

【0026】

図２は、ウェーハＷを研磨パッド２に接触させた時点からの支持構造体１５のひずみの変化を示すグラフである。図２において、縦軸は支持構造体１５のひずみを表し、横軸は時間を表している。時点ｔ１でウェーハＷを研磨パッド２に接触させると、支持構造体１５のひずみは急激に増加する。ウェーハＷを研磨パッド２に接触させるとき、リテーナリング７も研磨パッド２に接触する。したがって、支持構造体１５のひずみは、ウェーハＷと研磨パッド２との間に生じる摩擦力と、リテーナリング７と研磨パッド２との間に生じる摩擦力の合力によって引き起こされる。

【0027】

ウェーハＷの研磨開始後、ウェーハＷの研磨が安定するまで、支持構造体１５のひずみは増加し続ける。ウェーハＷの研磨が安定すると、ひずみはピーク値Ｐ１に到達し（時点ｔ２）、その後ひずみはウェーハＷの研磨の進行とともに徐々に減少する。ウェーハＷの表面を構成する膜が除去されて下地層が露出すると、ウェーハＷと研磨パッド２との間の摩擦力が増加する。この摩擦力の増加に起因して、支持構造体１５のひずみが増加し始める（時点ｔ３）。

【0028】

終点検出器２２は、ひずみ測定器２０に電気的に接続されており、ひずみ測定器２０の出力値は終点検出器２２に送られるようになっている。終点検出器２２は、支持構造体１５のひずみの変化に基づいて、ウェーハＷの研磨終点を決定する。より具体的には、終点検出器２２は、ひずみの変化率（すなわち、単位時間当たりのひずみの変化量）がしきい値を上回った時点であるウェーハＷの研磨終点を決定する。

【0029】

ウェーハＷの表面を構成する膜の材料と、膜の下に存在する下地層の材料の組み合わせによっては、ウェーハＷの研磨によって下地層が露出すると、支持構造体１５のひずみが大きく減少することもある。このような場合は、終点検出器２２は、ひずみの変化率がしきい値を下回った時点であるウェーハＷの研磨終点を決定する。

【0030】

ウェーハＷと研磨パッド２との間に生じる摩擦力は、研磨ヘッド１および回転軸１１を介して支持構造体１５に伝わる。リテーナリング７と研磨パッド２との間に生じる摩擦力も支持構造体１５に加わるが、ウェーハＷの研磨中は、リテーナリング７と研磨パッド２との間に生じる摩擦力は実質的に一定である。したがって、ウェーハＷの研磨中の支持構造体１５のひずみは、ウェーハＷと研磨パッド２との間に生じる摩擦力に従って変化する。ウェーハＷの表面を形成する膜が除去され、下地層が露出すると、上記摩擦力が変化する。したがって、終点検出器２２は、ウェーハＷの終点を、支持構造体１５のひずみの変化に基づいて決定することができる。

【0031】

支持構造体１５のひずみは、ウェーハＷと研磨パッド２との間に生じる摩擦力と、リテーナリング７と研磨パッド２との間に生じる摩擦力の合力によって引き起こされる。図２のグラフに示すピーク値Ｐ１は、これら２つの摩擦力によって生じる支持構造体１５のひずみの大きさの最大値である。ピーク値Ｐ１に比べて、ウェーハＷの研磨に伴うひずみの変化は小さい。

【0032】

ウェーハＷの研磨終点を精度よく決定するためには、ウェーハＷの研磨に伴うひずみの変化を高感度で検出する必要がある。１つの考えられる解決策は、ひずみ測定器２０の測定分解能を上げることである。しかしながら、測定分解能を上げると、ピーク値Ｐ１がひずみ測定器２０の有効測定範囲内に収まらなくなってしまうことがある。

【0033】

そこで、一実施形態では、ひずみ測定器２０は、ウェーハＷの研磨中に測定モードを低分解能測定モードから高分解能測定モードに切り替えるように構成されている。ひずみ測定器２０は、支持構造体１５のひずみを第１の分解能で測定する低分解能測定モードと、第１の分解能よりも高い第２の分解能で支持構造体１５のひずみを測定する高分解能測定モードの２つの測定モードを備えている。

【0034】

本実施形態では、低分解能測定モードは、ひずみの第１範囲を、予め定められた測定出力範囲に変換する低ゲインモードであり、高分解能測定モードは、第１範囲よりも狭いひずみの第２範囲を上記測定出力範囲に変換する高ゲインモードである。信号コンバータ２８は、低分解能測定モードの間は、ひずみの第１範囲を、予め定められた測定出力範囲に変換し、高分解能測定モードの間は、ひずみの第２範囲を前記測定出力範囲に変換するように構成されている。例えば、ひずみの第１範囲を０～１０００、ひずみの第２範囲を０～１０、測定出力範囲を０Ｖ～１０Ｖとすると、低分解能測定モードでは、ひずみの第１範囲０～１０００は測定出力範囲０Ｖ～１０Ｖに対応する。一方、高分解能測定モードでは、ひずみの第２範囲０～１０は測定出力範囲０Ｖ～１０Ｖに対応する。高分解能測定モードでは１Ｖ当たりのひずみの変化が、低分解能測定モードに比べて小さいので、高分解能測定モードのひずみ測定器２０は、支持構造体１５のひずみをより細かく測定することができる。

【0035】

ひずみ測定器２０は、ウェーハＷの研磨中に、測定モードを低分解能測定モードから高分解能測定モードに切り替える。測定モードを低分解能測定モードから高分解能測定モードに切り替えるタイミングは、ウェーハＷの研磨が安定しているときであって、かつウェーハＷの研磨の初期段階であることが好ましい。よって、本実施形態では、ひずみ測定器２０は、ひずみがピーク値Ｐ１に達した後に、測定モードを低分解能測定モードから高分解能測定モードに切り替える。

【0036】

図３は、ひずみがピーク値Ｐ１に達した後に、ひずみ測定器２０の測定モードが低分解能測定モードから高分解能測定モードに切り替えられたときの、ひずみの変化を示すグラフである。終点検出器２２は、ひずみ測定器２０に指令を発して、ウェーハＷ研磨の初期段階ではひずみ測定器２０に低分解能測定モードで支持構造体１５のひずみを測定させる（時点ｔ１からｔ２）。終点検出器２２は、ひずみがピーク値Ｐ１に達したことをひずみ測定器２０の出力値に基づいて決定し、その後、ひずみ測定器２０に指令を発して、ひずみ測定器２０の測定モードを低分解能測定モードから高分解能測定モードに切り替えさせる（時点ｔ２）。ひずみ測定器２０は、支持構造体１５のひずみを高分解能測定モードで測定する。そして、終点検出器２２は、高分解能測定モードで測定されたひずみの変化に基づいてウェーハＷの研磨終点を決定する（時点ｔ３）。

【0037】

図３に示すように、本実施形態においては、ひずみ測定器２０の測定モードが低分解能測定モードから高分解能測定モードに切り替えられたとき、ひずみ測定器２０は、その出力値を予め設定された値に調整する出力値リセットを実行するように構成されている。本実施形態では、予め設定された値は０である。したがって、高分解能測定モードでは、ひずみ測定器２０の出力値は０から開始される。一実施形態では、出力値リセットに使用される予め設定された値は、０以外の数値であってもよい。

【0038】

ひずみ測定器２０の出力値リセットは、１枚のウェーハを研磨するたびに実施してもよいし、または、複数枚のウェーハを研磨するたびに実施してもよい。あるいは、ダミーウェーハ（ダミー基板）を用いてひずみ測定器２０の出力値リセットを実施してもよい。ダミーウェーハの例としては、膜が形成されていないベアシリコンウェーハ、均一な膜が表面に形成されたブラケットウェーハなどが挙げられる。例えば、ひずみ測定器２０の出力値が単調減少することが想定される場合には、ひずみ測定器２０の出力値を、信号コンバータ２８への入力最大値に調整することで、ひずみ測定器２０はより大きな範囲で支持構造体１５のひずみを測定することができる。

【0039】

上述した実施形態では、１つのひずみ測定器２０の測定モードが低分解能測定モードから高分解能測定モードに切り替えられるが、本発明はこの実施形態に限定されない。一実施形態では、図４に示すように、ひずみ測定器２０は、低分解能測定モードで動作する第１ひずみ測定器２０Ａと、高分解能測定モードで動作する第２ひずみ測定器２０Ｂを備えている。

【0040】

第１ひずみ測定器２０Ａは、支持構造体１５に固定された第１ひずみセンサ２５Ａと、第１ひずみセンサ２５Ａに接続された第１信号コンバータ２８Ａを備えている。第２ひずみ測定器２０Ｂは、支持構造体１５に固定された第２ひずみセンサ２５Ｂと、第２ひずみセンサ２５Ｂに接続された第２信号コンバータ２８Ｂを備えている。終点検出器２２は、第１ひずみ測定器２０Ａおよび第２ひずみ測定器２０Ｂの両方に接続されており、第１ひずみ測定器２０Ａの出力値および第２ひずみ測定器２０Ｂの出力値は、終点検出器２２に送られる。

【0041】

終点検出器２２は、ウェーハＷの研磨中に、第１ひずみ測定器２０Ａおよび第２ひずみ測定器２０Ｂに指令を発し、支持構造体１５のひずみの測定を、第１ひずみ測定器２０Ａによる測定から、第２ひずみ測定器２０Ｂによる測定に切り替える。より具体的には、終点検出器２２は、第１ひずみ測定器２０Ａに指令を発して、ウェーハＷの研磨の初期段階では第１ひずみ測定器２０Ａに低分解能測定モードで支持構造体１５のひずみを測定させる。終点検出器２２は、ひずみがピーク値Ｐ１に達したことを第１ひずみ測定器２０Ａの出力値に基づいて決定し、その後、第２ひずみ測定器２０Ｂに指令を発して、第２ひずみ測定器２０Ｂに高分解能測定モードで支持構造体１５のひずみを測定させる。そして、終点検出器２２は、高分解能測定モードで測定されたひずみの変化に基づいてウェーハＷの研磨終点を決定する。

【0042】

図４に示す実施形態においても、図３に示すグラフのように、ウェーハＷの研磨中にひずみの測定モードは、低分解能測定モードから高分解能測定モードに切り替えられる。したがって、終点検出器２２は、ウェーハＷの研磨終点を精度よく決定することができる。

【0043】

ひずみ測定器２０によって測定される支持構造体１５のひずみの大きさは、摩擦力に加えて、支持構造体１５の強度、およびひずみセンサ２５の取り付け位置によっても変わりうる。言い換えれば、ウェーハＷと研磨パッド２との間に生じる摩擦力が同じであっても、支持構造体１５の強度、およびひずみセンサ２５の取り付け位置によって、ひずみ測定器２０の出力値は変わりうる。

【0044】

そこで、一実施形態では、以下に説明するように、支持構造体１５に加わる力を、ひずみ測定器２０の出力値に関連付けることによって、ひずみ測定器２０を較正（キャリブレーション）する。

【0045】

図５は、ひずみ測定器２０の較正をしているときの支持構造体１５の上面図である。ロードセルなどの荷重測定器３２が支持構造体１５の横に設置される。荷重測定器３２は、図示しない静止部材に固定されている。第１のトルク電流を旋回モータ１８に流すと、支持構造体１５は旋回モータ１８を中心に回転し、荷重測定器３２に押し付けられる。このとき、支持構造体１５は、荷重測定器３２から第１の力（反力）を受けて、ひずむ。荷重測定器３２は、支持構造体１５に加えられる第１の力を測定し、同時にひずみ測定器２０は支持構造体１５のひずみを測定する。

【0046】

次に、第１のトルク電流とは異なる第２のトルク電流を旋回モータ１８に流すと、支持構造体１５は同様に荷重測定器３２に押し付けられる。このとき、支持構造体１５は、荷重測定器３２から第１の力とは異なる第２の力（反力）を受けて、ひずむ。荷重測定器３２は、支持構造体１５に加えられる第２の力を測定し、同時にひずみ測定器２０は支持構造体１５のひずみを測定する。

【0047】

ひずみ測定器２０の較正は、第１の力を支持構造体１５に加えたときのひずみ測定器２０の第１の出力値を決定するステップと、第１の力とは異なる第２の力を支持構造体１５に加えたときのひずみ測定器２０の第２の出力値を決定するステップと、第１の出力値および第２の出力値を、第１の基準値および第２の基準値にそれぞれ合わせるステップを含む。第１の基準値および第２の基準値は、予め定められた値である。

【0048】

図６は、支持構造体１５に第１の力を加えたときのひずみ測定器２０の第１の出力値と、支持構造体１５に第２の力を加えたときのひずみ測定器２０の第２の出力値と、第１の基準値および第２の基準値の関係を示すグラフである。図６において、縦軸は較正されたひずみ測定器２０の出力値を表し、横軸は較正される前のひずみ測定器２０の出力値を表している。

【0049】

図６に示すように、第１の力を支持構造体１５に加えたときのひずみ測定器２０の第１の出力値Ｍ１は、第１の基準値Ｎ１に合わせられ、第２の力を支持構造体１５に加えたときのひずみ測定器２０の第２の出力値Ｍ２は、第２の基準値Ｎ２に合わせられる。このようにして、支持構造体１５に加えられる第１の力および第２の力は、ひずみ測定器２０の出力値に関連付けられる。本実施形態によれば、支持構造体１５の強度、およびひずみセンサ２５の取り付け位置に影響されずに、ひずみ測定器２０は、摩擦力に対応した出力値を生成することができる。

【0050】

ひずみ測定器２０の較正は、ウェーハを研磨する前に実施される。ただし、研磨しようとするすべてのウェーハの研磨前に較正を実施しなくてもよい。

【0051】

ひずみ測定器２０の較正方法は、支持構造体１５に予め定められた力を加えることができる限り、図５に示す実施形態に限られない。次に説明する方法は、荷重測定器３２を用いないでひずみ測定器２０を較正する一実施形態である。

【0052】

動作制御部９は、研磨テーブル３を回転させ、さらに研磨ヘッド１に指令を発して、第１の荷重でウェーハＷを研磨パッド２に研磨ヘッド１で押し付けさせ、次いで第２の荷重でウェーハＷを研磨ヘッド１で研磨パッド２に押し付けさせる。第２の荷重は第１の荷重とは異なる。したがって、第１の荷重を研磨パッド２に加えたときにウェーハＷと研磨パッド２との間に生じる摩擦力は、第２の荷重を研磨パッド２に加えたときにウェーハＷと研磨パッド２との間に生じる摩擦力とは異なる。

【0053】

第１の荷重を研磨パッド２に加えたとき、第１の荷重に対応する第１の力が研磨ヘッド１を通じて支持構造体１５に加えられ、支持構造体１５がひずむ。このとき、ひずみ測定器２０は、支持構造体１５のひずみを測定する。同様に、第２の荷重を研磨パッド２に加えたとき、第２の荷重に対応する第２の力が研磨ヘッド１を通じて支持構造体１５に加えられ、支持構造体１５がひずむ。このとき、ひずみ測定器２０は、支持構造体１５のひずみを測定する。

【0054】

次に、図６を参照して説明したように、第１の力を支持構造体１５に加えたときのひずみ測定器２０の第１の出力値は、第１の基準値に合わせられ、第２の力を支持構造体１５に加えたときのひずみ測定器２０の第２の出力値は、第２の基準値に合わせられる。

【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 スラリー供給ノズル
６ テーブルモータ
７ リテーナリング
９ 動作制御部
１１ 回転軸
１５ 支持構造体
１６ 支軸
１８ 旋回モータ
２０ ひずみ測定器
２０Ａ 第１ひずみ測定器
２０Ｂ 第２ひずみ測定器
２２ 終点検出器
２２ａ 記憶装置
２２ｂ 演算装置
２５ ひずみセンサ
２５Ａ 第１ひずみセンサ
２５Ｂ 第２ひずみセンサ
２８ 信号コンバータ
２８Ａ 第１信号コンバータ
２８Ｂ 第２信号コンバータ
３２ 荷重測定器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】