知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(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】2023-10-11
(45)【発行日】2023-10-19
(54)【発明の名称】研磨ヘッドシステムおよび研磨装置
(51)【国際特許分類】
B24B 37/32 20120101AFI20231012BHJP
B24B 37/30 20120101ALI20231012BHJP
B24B 37/00 20120101ALI20231012BHJP
B24B 37/005 20120101ALI20231012BHJP
B24B 37/10 20120101ALI20231012BHJP
B24B 49/10 20060101ALI20231012BHJP
H01L 21/304 20060101ALI20231012BHJP
【ＦＩ】
B24B37/32 A
B24B37/30 E
B24B37/00 K
B24B37/005 A
B24B37/10
B24B49/10
H01L21/304 622K
H01L21/304 622R
H01L21/304 622L
【請求項の数】
19
(21)【出願番号】P 2020056240
(22)【出願日】2020-03-26
(65)【公開番号】P2021154421
(43)【公開日】2021-10-07
【審査請求日】2022-09-08
(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
(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】渡辺 和英
(72)【発明者】
【氏名】小畠 厳貴
【審査官】マキロイ 寛済
(56)【参考文献】
【文献】特開２０００－１２７０２４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－２６３９０３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００６－５２４５８８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－１３８４４２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１７４２２９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２４Ｂ ３７／３２
Ｂ２４Ｂ ３７／３０
Ｂ２４Ｂ ３７／００
Ｂ２４Ｂ ３７／００５
Ｂ２４Ｂ ３７／１０
Ｂ２４Ｂ ４９／１０
Ｈ０１Ｌ ２１／３０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
被処理膜を有するワークピースを研磨面に対して押し付けながら、研磨液の存在下において、該ワークピースと前記研磨面とを相対運動をさせることで該ワークピースを研磨するための研磨ヘッドシステムであって、前記ワークピースに対して押付力を加えるアクチュエータ、前記アクチュエータの外側に配置されたリテーナ部材、および前記リテーナ部材に連結された複数の第一の圧電素子を有する研磨ヘッドと、
前記複数の第一の圧電素子に独立に電圧を印加する駆動電圧印加装置を備え、
前記研磨ヘッドは、前記複数の第一の圧電素子にそれぞれ連結された複数の連結部材を備えており、前記複数の連結部材の端面は前記リテーナ部材に接続されており、
前記研磨ヘッドは、前記複数の連結部材の、前記リテーナ部材の押付方向と垂直な方向の移動範囲を制限する第一の保持部材をさらに備えている、研磨ヘッドシステム。
【請求項2】
前記リテーナ部材は、前記複数の第一の圧電素子にそれぞれ連結された複数のリテーナ部材である、請求項１に記載の研磨ヘッドシステム。
【請求項3】
前記複数の第一の圧電素子および前記リテーナ部材の全体を前記研磨面に向かって移動させるリテーナ部材移動装置をさらに備えている、請求項１または２に記載の研磨ヘッドシステム。
【請求項4】
前記リテーナ部材移動装置は、内部に第一の圧力室を形成する弾性バッグと、前記第一の圧力室に連通する第一の気体供給ラインを備えている、請求項３に記載の研磨ヘッドシステム。
【請求項5】
前記研磨ヘッドは、前記複数の第一の圧電素子がそれぞれ発生した複数の押付力を測定する複数の押付力測定装置をさらに備えている、請求項１に記載の研磨ヘッドシステム。
【請求項6】
前記複数の押付力測定装置は、前記複数の第一の圧電素子と前記複数の連結部材との間にそれぞれ配置されている、請求項５に記載の研磨ヘッドシステム。
【請求項7】
前記研磨ヘッドは、電圧分配器をさらに有しており、前記電圧分配器は、前記駆動電圧印加装置および前記複数の第一の圧電素子に電気的に接続されており、前記駆動電圧印加装置から印加された電圧を該複数の第一の圧電素子に分配するように構成されている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の研磨ヘッドシステム。
【請求項8】
前記アクチュエータは流体圧力式アクチュエータであり、前記流体圧力式アクチュエータは、複数の第二の圧力室を形成し、かつ前記ワークピースの裏面に接触する弾性膜と、前記複数の第二の圧力室にそれぞれ連通する複数の第二の気体供給ラインを有する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の研磨ヘッドシステム。
【請求項9】
前記アクチュエータは複数の第二の圧電素子であり、前記ワークピースの複数の領域に押付力を加えるように配列されている、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の研磨ヘッドシステム。
【請求項10】
被処理膜を有するワークピースを研磨面に対して押し付けながら、研磨液の存在下において、該ワークピースと前記研磨面とを相対運動をさせることで該ワークピースを研磨するための研磨ヘッドシステムであって、
前記ワークピースに対して押付力を加えるアクチュエータ、前記アクチュエータの外側に配置されたリテーナ部材、および前記リテーナ部材に連結された複数の第一の圧電素子を有する研磨ヘッドと、
前記複数の第一の圧電素子に独立に電圧を印加する駆動電圧印加装置を備え、
前記アクチュエータは複数の第二の圧電素子であり、前記複数の第二の圧電素子は、前記ワークピースの複数の領域に押付力を加えるように配列されており、
前記研磨ヘッドは、前記複数の第二の圧電素子にそれぞれ連結された複数の押付部材をさらに備えている、研磨ヘッドシステム。
【請求項11】
前記研磨ヘッドは、前記複数の押付部材を前記ワークピースの押付方向と垂直な方向の移動範囲を制限する第二の保持部材をさらに備えている、請求項１０に記載の研磨ヘッドシステム。
【請求項12】
前記第二の圧電素子は、電圧分配器に電気的に接続されており、前記電圧分配器は前記駆動電圧印加装置から印加された電圧を該複数の第二の圧電素子に分配するように構成されている、請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の研磨ヘッドシステム。
【請求項13】
ワークピースの研磨装置であって、研磨パッドを保持する研磨テーブルと、
研磨液を前記研磨パッド上に供給する研磨液供給ノズルと、
請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の研磨ヘッドシステムと、
前記研磨テーブル、前記研磨液供給ノズル及び前記研磨ヘッドシステムの動作を制御する動作制御部と、を備える、研磨装置。
【請求項14】
前記研磨装置は、前記ワークピースの被処理膜の膜厚を測定する膜厚センサをさらに備えており、前記膜厚センサは前記研磨テーブル内に配置されている、請求項１３に記載の研磨装置。
【請求項15】
前記動作制御部は、前記膜厚センサにより取得された前記ワークピースの被処理膜の膜厚の測定値から膜厚プロファイルを作成し、該膜厚プロファイルをもとに、前記駆動電圧印加装置への複数の電圧の指令値を決定するように構成されている、請求項１４に記載の研磨装置。
【請求項16】
前記動作制御部は、前記膜厚プロファイルと目標膜厚プロファイルとの差をもとに、前記駆動電圧印加装置への複数の電圧の指令値を決定するように構成されている、請求項１５に記載の研磨装置。
【請求項17】
前記研磨装置は、前記ワークピースを前記研磨ヘッドに保持させるためのロード・アンロード装置をさらに備えている、請求項１３乃至１６のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項18】
前記研磨装置は、前記ワークピースの周方向における向きを検出する指向検出器をさらに備えている、請求項１３乃至１７のいずれか一項に記載の研磨装置。
【請求項19】
ワークピースを処理する処理システムであって、前記ワークピースを研磨する請求項１３乃至１８のいずれか一項に記載の研磨装置と、
前記研磨されたワークピースを洗浄する洗浄装置と、
前記洗浄されたワークピースを乾燥させる乾燥装置と、
前記研磨装置、前記洗浄装置、および前記乾燥装置間で前記ワークピースを搬送する搬送装置を有する、処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ウェーハ、基板、パネルなどのワークピースを研磨パッドの研磨面に押し付けて該ワークピースを研磨する研磨ヘッドシステムに関する。また、本発明は、そのような研磨ヘッドシステムを備えた研磨装置に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体デバイスの製造では、ウェー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、ウェーハが研磨される。化学機械研磨（ＣＭＰ）は、ウェーハ研磨の代表的な技術である。このＣＭＰは、研磨面上に研磨液を供給しながら、ウェーハを研磨面に摺接させることにより行われる。ウェー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。
【0003】
ウェーハの研磨中、ウェーハの表面は回転する研磨パッドに摺接されるため、ウェーハには摩擦力が作用する。そこで、ウェーハの研磨中にウェーハが研磨ヘッドから外れないようにするために、研磨ヘッドはリテーナリング等のリテーナ部材を備えている（特許文献１参照）。このリテーナリングは、ウェーハを囲むように配置されており、ウェーハの研磨中、リテーナリングは回転しながらウェーハの外側で研磨パッドを押し付けている。
【0004】
リテーナリングは、ウェーハの研磨中にウェーハが研磨ヘッドから外れることを防止するのみならず、研磨パッドを押し付けることで、ウェーハのエッジ部近傍において研磨パッドの一部を変形させ、このパッド変形によりウェーハのエッジ部においてウェーハと研磨パッドとの接触状態を変化させることで、ウェーハのエッジ部の研磨レートを制御する機能も有している。具体的には、リテーナリングを研磨パッドに対して強く押し付けると、研磨パッドの一部はウェーハのエッジ部で隆起し、この隆起した部位はウェーハのエッジ部を上方に押す。結果として、ウェーハのエッジ部に対する研磨圧力は増加する。このようにして、リテーナリングの研磨パッドに対する押付力により、ウェーハのエッジ部の研磨レートを制御することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２０１７－０４７５０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、ウェーハの研磨中は、リテーナリングと研磨パッドとの摩擦に起因して、リテーナリングが傾き、リテーナリングの研磨パッドへの押付力の周方向分布が不均一になる。結果として、ウェーハのエッジ部の研磨パッドとウェーハ表面との接触状態が不均一になることで、ウェーハのエッジ部の周方向における研磨レート分布が不均一となる。また、リテーナリング自体の摩耗に起因して、リテーナリングの研磨パッドへの押付力の周方向分布が不均一になることもある。
【0007】
そこで、本発明は、リテーナリングなどのリテーナ部材の研磨パッドへの押付力をリテーナ部材の周方向において精密に制御することができる研磨ヘッドシステムを提供する。また、本発明は、そのような研磨ヘッドシステムを備えた研磨装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
一態様では、被処理膜を有するワークピースを研磨面に対して押し付けながら、研磨液の存在下において、該ワークピースと前記研磨面とを相対運動をさせることで該ワークピースを研磨するための研磨ヘッドシステムであって、前記ワークピースに対して押付力を加えるアクチュエータ、前記アクチュエータの外側に配置されたリテーナ部材、および前記リテーナ部材に連結された複数の第一の圧電素子を有する研磨ヘッドと、前記複数の第一の圧電素子に独立に電圧を印加する駆動電圧印加装置と、を備えている、研磨ヘッドシステムが提供される。
【0009】
一態様では、前記リテーナ部材は、前記複数の第一の圧電素子にそれぞれ連結された複数のリテーナ部材である。
一態様では、前記研磨ヘッドシステムは、前記複数の第一の圧電素子および前記リテーナ部材の全体を前記研磨面に向かって移動させるリテーナ部材移動装置をさらに備えている。
一態様では、前記リテーナ部材移動装置は、内部に第一の圧力室を形成する弾性バッグと、前記第一の圧力室に連通する第一の気体供給ラインを備えている。
一態様では、前記研磨ヘッドは、前記複数の第一の圧電素子にそれぞれ連結された複数の連結部材をさらに備えており、前記複数の連結部材の端面は前記リテーナ部材に接続されている。
一態様では、前記研磨ヘッドは、前記複数の連結部材の、前記リテーナ部材の押付方向と垂直な方向の移動範囲を制限する第一の保持部材をさらに備えている。
一態様では、前記研磨ヘッドシステムは、前記複数の第一の圧電素子および前記リテーナ部材の全体を前記研磨面に向かって移動させるリテーナ部材移動装置をさらに備えている。
一態様では、前記リテーナ部材移動装置は、内部に第一の圧力室を形成する弾性バッグと、前記第一の圧力室に連通する第一の気体供給ラインを備えている。
一態様では、前記研磨ヘッドは、前記複数の第一の圧電素子にそれぞれ連結された複数の連結部材をさらに備えており、前記複数の連結部材の端面は前記リテーナ部材に接続されている。
一態様では、前記研磨ヘッドは、前記複数の連結部材の、前記リテーナ部材の押付方向と垂直な方向の移動範囲を制限する第一の保持部材をさらに備えている。
【0010】
一態様では、前記研磨ヘッドは、前記複数の第一の圧電素子がそれぞれ発生した複数の押付力を測定する複数の押付力測定装置をさらに備えている。
一態様では、前記複数の押付力測定装置は、前記複数の第一の圧電素子と前記複数の連結部材との間にそれぞれ配置されている。
一態様では、前記研磨ヘッドは、電圧分配器をさらに有しており、前記電圧分配器は、前記駆動電圧印加装置および前記複数の第一の圧電素子に電気的に接続されており、前記駆動電圧印加装置から印加された電圧を該複数の第一の圧電素子に分配するように構成されている。
一態様では、前記複数の押付力測定装置は、前記複数の第一の圧電素子と前記複数の連結部材との間にそれぞれ配置されている。
一態様では、前記研磨ヘッドは、電圧分配器をさらに有しており、前記電圧分配器は、前記駆動電圧印加装置および前記複数の第一の圧電素子に電気的に接続されており、前記駆動電圧印加装置から印加された電圧を該複数の第一の圧電素子に分配するように構成されている。
【0011】
一態様では、前記アクチュエータは流体圧力式アクチュエータであり、前記流体圧力式アクチュエータは、複数の第二の圧力室を形成し、かつ前記ワークピースの裏面に接触する弾性膜と、前記複数の第二の圧力室にそれぞれ連通する複数の第二の気体供給ラインを有する。
一態様では、前記アクチュエータは複数の第二の圧電素子であり、前記ワークピースの複数の領域に押付力を加えるように配列されている。
一態様では、前記研磨ヘッドは、前記複数の第二の圧電素子にそれぞれ連結された複数の押付部材をさらに備えている。
一態様では、前記研磨ヘッドは、前記複数の押付部材を前記ワークピースの押付方向と垂直な方向の移動範囲を制限する第二の保持部材をさらに備えている。
一態様では、前記第二の圧電素子は、電圧分配器に電気的に接続されており、前記電圧分配器は前記駆動電圧印加装置から印加された電圧を該複数の第二の圧電素子に分配するように構成されている。
一態様では、前記アクチュエータは複数の第二の圧電素子であり、前記ワークピースの複数の領域に押付力を加えるように配列されている。
一態様では、前記研磨ヘッドは、前記複数の第二の圧電素子にそれぞれ連結された複数の押付部材をさらに備えている。
一態様では、前記研磨ヘッドは、前記複数の押付部材を前記ワークピースの押付方向と垂直な方向の移動範囲を制限する第二の保持部材をさらに備えている。
一態様では、前記第二の圧電素子は、電圧分配器に電気的に接続されており、前記電圧分配器は前記駆動電圧印加装置から印加された電圧を該複数の第二の圧電素子に分配するように構成されている。
【0012】
一態様では、ワークピースの研磨装置であって、研磨パッドを保持する研磨テーブルと、研磨液を前記研磨パッド上に供給する研磨液供給ノズルと、上記研磨ヘッドシステムと、前記研磨テーブル、前記研磨液供給ノズル及び前記研磨ヘッドシステムの動作を制御する動作制御部と、を備える、研磨装置が提供される。
【0013】
一態様では、前記研磨装置は、前記ワークピースの被処理膜の膜厚を測定する膜厚センサをさらに備えており、前記膜厚センサは前記研磨テーブル内に配置されている。
一態様では、前記動作制御部は、前記膜厚センサにより取得された前記ワークピースの被処理膜の膜厚の測定値から膜厚プロファイルを作成し、該膜厚プロファイルをもとに、前記駆動電圧印加装置への複数の電圧の指令値を決定するように構成されている。
一態様では、前記動作制御部は、前記膜厚プロファイルと目標膜厚プロファイルとの差をもとに、前記駆動電圧印加装置への複数の電圧の指令値を決定するように構成されている。
一態様では、前記研磨装置は、前記ワークピースを前記研磨ヘッドに保持させるためのロード・アンロード装置をさらに備えている。
一態様では、前記研磨装置は、前記ワークピースの周方向における向きを検出する指向検出器をさらに備えている。
一態様では、前記動作制御部は、前記膜厚センサにより取得された前記ワークピースの被処理膜の膜厚の測定値から膜厚プロファイルを作成し、該膜厚プロファイルをもとに、前記駆動電圧印加装置への複数の電圧の指令値を決定するように構成されている。
一態様では、前記動作制御部は、前記膜厚プロファイルと目標膜厚プロファイルとの差をもとに、前記駆動電圧印加装置への複数の電圧の指令値を決定するように構成されている。
一態様では、前記研磨装置は、前記ワークピースを前記研磨ヘッドに保持させるためのロード・アンロード装置をさらに備えている。
一態様では、前記研磨装置は、前記ワークピースの周方向における向きを検出する指向検出器をさらに備えている。
【0014】
一態様では、ワークピースを処理する処理システムであって、前記ワークピースを研磨する上記研磨装置と、前記研磨されたワークピースを洗浄する洗浄装置と、前記洗浄されたワークピースを乾燥させる乾燥装置と、前記研磨装置、前記洗浄装置、および前記乾燥装置間で前記ワークピースを搬送する搬送装置を有する、処理システムが提供される。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、複数の圧電素子は、リテーナ部材の研磨パッドへの押付力をリテーナ部材の周方向において精密に制御することができる。したがって、研磨ヘッドシステムは、ワークピースのエッジ部の研磨レートの周方向分布を精密に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】研磨装置の一実施形態を示す模式図である。
【図3】押付部材、圧電素子、およびリテーナ部材を下から見たときの模式図である。
【図4】押付部材、圧電素子、および複数のリテーナ部材を下から見たときの模式図である。
【図6】研磨ヘッドシステムの他の実施形態を示す断面図である。
【図7】研磨ヘッドシステムの他の実施形態を示す断面図である。
【図8】研磨ヘッドシステムの他の実施形態を示す断面図である。
【図9】ワークピースを処理する処理システムの一実施形態を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
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。研磨装置１は、ウェーハ、基板、パネルなどワークピースを化学機械的に研磨する装置である。図１に示すように、この研磨装置１は、研磨面２ａを有する研磨パッド２を支持する研磨テーブル５と、ワークピースＷを研磨面２ａに対して押し付ける研磨ヘッド７と、研磨液（例えば、砥粒を含むスラリー）を研磨面２ａに供給する研磨液供給ノズル８と、研磨装置１の動作を制御する動作制御部１０を備えている。研磨ヘッド７は、その下面にワークピースＷを保持できるように構成されている。ワークピースＷは被研磨膜を有する。
【0018】
動作制御部１０は、プログラムが格納された記憶装置１０ａ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１０ｂを備えている。記憶装置１０ａは、ＲＡＭなどの主記憶装置と、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）などの補助記憶装置を備えている。演算装置１０ｂ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。ただし、動作制御部１０の具体的構成はこれらの例に限定されない。
【0019】
動作制御部１０は、少なくとも１台のコンピュータから構成されている。前記少なくとも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。動作制御部１０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。動作制御部１０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、動作制御部１０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。
【0020】
研磨装置１は、支軸１４と、支軸１４の上端に連結された研磨ヘッド揺動アーム１６と、研磨ヘッド揺動アーム１６の自由端に回転可能に支持された研磨ヘッドシャフト１８と、研磨ヘッド７をその軸心を中心に回転させる回転モータ２０をさらに備えている。回転モータ２０は、研磨ヘッド揺動アーム１６に固定されており、ベルトおよびプーリ等から構成されるトルク伝達機構（図示せず）を介して研磨ヘッドシャフト１８に連結されている。研磨ヘッド７は、研磨ヘッドシャフト１８の下端に固定されている。回転モータ２０は、上記トルク伝達機構を介して研磨ヘッドシャフト１８を回転させ、研磨ヘッド７は研磨ヘッドシャフト１８とともに回転する。このようにして、研磨ヘッド７は、その軸心を中心として矢印で示す方向に回転モータ２０により回転される。研磨ヘッド７の軸心は、研磨ヘッドシャフト１８の軸心に一致する。
【0021】
回転モータ２０は、研磨ヘッド７の回転角度を検出する回転角度検出器としてのロータリエンコーダ２２に連結されている。このロータリエンコーダ２２は、回転モータ２０の回転角度を検出するように構成されている。回転モータ２０の回転角度は、研磨ヘッド７の回転角度に一致する。したがって、ロータリエンコーダ２２によって検出された回転モータ２０の回転角度は、研磨ヘッド７の回転角度に相当する。ロータリエンコーダ２２は動作制御部１０に接続されており、ロータリエンコーダ２２から出力された回転モータ２０の回転角度の検出値（すなわち、研磨ヘッド７の回転角度の検出値）は、動作制御部１０に送られる。
【0022】
研磨装置１は、研磨パッド２および研磨テーブル５をそれらの軸心を中心に回転させる回転モータ２１をさらに備えている。回転モータ２１は研磨テーブル５の下方に配置されており、研磨テーブル５は、回転軸５ａを介して回転モータ２１に連結されている。研磨テーブル５および研磨パッド２は、回転モータ２１により回転軸５ａを中心に矢印で示す方向に回転されるようになっている。研磨パッド２および研磨テーブル５の軸心は、回転軸５ａの軸心に一致する。研磨パッド２は、研磨テーブル５のパッド支持面５ｂに貼り付けられている。研磨パッド２の露出面は、ウェーハなどのワークピースＷを研磨する研磨面２ａを構成している。
【0023】
研磨ヘッドシャフト１８は、昇降機構２４により研磨ヘッド揺動アーム１６に対して相対的に上下動可能であり、この研磨ヘッドシャフト１８の上下動により研磨ヘッド７が研磨ヘッド揺動アーム１６および研磨テーブル５に対して相対的に上下動可能となっている。研磨ヘッドシャフト１８の上端にはロータリコネクタ２３およびロータリジョイント２５が取り付けられている。
【0024】
研磨ヘッドシャフト１８および研磨ヘッド７を昇降させる昇降機構２４は、研磨ヘッドシャフト１８を回転可能に支持する軸受２６と、軸受２６が固定されたブリッジ２８と、ブリッジ２８に取り付けられたボールねじ機構３２と、支柱３０により支持された支持台２９と、支持台２９に固定されたサーボモータ３８とを備えている。サーボモータ３８を支持する支持台２９は、支柱３０を介して研磨ヘッド揺動アーム１６に連結されている。
【0025】
ボールねじ機構３２は、サーボモータ３８に連結されたねじ軸３２ａと、このねじ軸３２ａが螺合するナット３２ｂとを備えている。ナット３２ｂはブリッジ２８に固定されている。研磨ヘッドシャフト１８は、ブリッジ２８と一体となって昇降（上下動）するようになっている。したがって、サーボモータ３８がボールねじ機構３２を駆動すると、ブリッジ２８が上下動し、これにより研磨ヘッドシャフト１８および研磨ヘッド７が上下動する。
【0026】
昇降機構２４は、研磨ヘッド７の研磨テーブル５に対する相対的な高さを調節するための研磨ヘッド位置決め機構として機能する。ワークピースＷを研磨するとき、昇降機構２４は、研磨ヘッド７を予め定められた高さに位置させ、その高さに研磨ヘッド７が保たれたまま、研磨ヘッド７はワークピースＷを研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付ける。
【0027】
研磨装置１は、研磨ヘッド揺動アーム１６を支軸１４を中心に旋回させるアーム旋回モータ１７を備えている。このアーム旋回モータ１７が研磨ヘッド揺動アーム１６を旋回させると、研磨ヘッド７は、研磨ヘッドシャフト１８に垂直な方向に移動する。アーム旋回モータ１７は、研磨ヘッド７を、研磨テーブル５の上方の研磨位置と、研磨テーブル５の外側のロード・アンロード位置との間を移動させることができる。
【0028】
研磨されるワークピースＷは、ロード・アンロード位置でロード・アンロード装置３９により研磨ヘッド７に取り付けられ、その後研磨位置に移動される。研磨されたワークピースＷは、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ード・アンロード装置３９により研磨ヘッド７から取り外される。図１では、ロード・アンロード装置３９は模式的に示されており、ロード・アンロード装置３９の位置および構成は、その意図した目的を達成できる限りにおいて特に限定されない。
【0029】
研磨装置１は、ワークピースＷの周方向における向きを検出する指向検出器としてのノッチアライナー４０を備えている。なお、本図では、ノッチアライナー４０は独立して研磨装置１内に配置されているが、ロード・アンロード装置３９と一体配置されていてもよい。ノッチアライナー４０は、ワークピースＷの縁部に形成されているノッチ（切り欠き）を検出するための装置である。ノッチアライナー４０の具体的構成は、ノッチを検出することができるものであれば、特に限定されない。一例では、ノッチアライナー４０は、ワークピースＷを回転させながら、レーザ光をワークピースＷの縁部に当て、反射したレーザ光を受光部により検出する光学式ノッチ検出器であり、ノッチ位置にて受光したレーザ光の強さが変化することからノッチの位置を検出するように構成される。他の例では、ワークピースＷを回転させながら、純水などの液体の噴流を、ワークピースＷの縁部に近づけたノズルからワークピースＷの縁部に供給し、ノズルに向かって流れる液体の圧力または流量を検出する液体式ノッチ検出器であり、ノッチ位置にて液体の圧力または流量が変化することからノッチの位置を検出するように構成される。
【0030】
ノッチの検出、すなわちワークピースＷの周方向における向きの検出は、ワークピースＷの研磨前に実行される。ノッチの検出は、後述の圧電素子の配置に対するワークピースＷの配置状態を認識・補正することを目的としている。ノッチの検出は、ワークピースＷが研磨ヘッド７に保持される前に実行されてもよいし、またはワークピースＷが研磨ヘッド７に保持された状態で実行されてもよい。例えば、ワークピースＷを研磨ヘッド７へ保持する前にノッチ検出を実施する場合は、ロード・アンロード位置においてワークピースＷのノッチ位置をノッチアライナー４０にて検出する。そして、検出されたノッチ位置が研磨ヘッド７の特定の位置になるように、研磨ヘッド７を回転させた後、ワークピースＷをロード・アンロード装置にて研磨ヘッド７に受渡しし、ワークピースＷを研磨ヘッド７に吸着等の方式で保持させてもよい。
【0031】
ここで、ノッチアライナー４０は動作制御部１０に接続されている。動作制御部１０は、ワークピースＷのノッチの位置を、研磨ヘッド７の回転角度に関連付けるように構成されている。より具体的には、動作制御部１０は、ノッチアライナー４０によって検出されたノッチの位置をもとに、研磨ヘッド７の回転角度の基準位置を指定し、その回転角度の基準位置を記憶装置１０ａ内に記憶する。そのうえで、ノッチアライナー４０によって検出されたノッチ位置も同時に記憶装置１０ａに記憶し、これらの基準位置とノッチ位置とを比較することで、動作制御部１０は、ワークピースＷの表面上の位置を、研磨ヘッド７の回転角度の基準位置に基づいて特定することができる。
【0032】
そのうえで、例えば研磨ヘッド７を回転モータ２０によりある角度だけ回転させ、ワークピースＷのノッチ位置が研磨ヘッド７の基準位置に対して所定角度になるように補正した後、ワークピースＷをロード・アンロード装置にて受渡しし、研磨ヘッド７に保持させる。ここで、研磨ヘッド７の回転角度の基準位置を後述する圧電素子の配置をもとに設定しておけば、研磨ヘッド７は、ワークピースＷが圧電素子の特定の配置に対応した状態でワークピースＷを保持することが可能となる。
【0033】
ワークピースＷの研磨は次のようにして行われる。ワークピースＷは、その被研磨面が下を向いた状態で、研磨ヘッド７に保持される。研磨ヘッド７および研磨テーブル５をそれぞれ回転させながら、研磨テーブル５の上方に設けられた研磨液供給ノズル８から研磨液（例えば、砥粒を含むスラリー）を研磨パッド２の研磨面２ａ上に供給する。研磨パッド２はその中心軸線を中心に研磨テーブル５と一体に回転する。研磨ヘッド７は昇降機構２４により所定の高さまで移動される。さらに、研磨ヘッド７は上記所定の高さに維持されたまま、ワークピースＷを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付ける。ワークピースＷは研磨ヘッド７と一体に回転する。すなわち、ワークピースＷは研磨ヘッド７と同じ速度で回転する。研磨液が研磨パッド２の研磨面２ａ上に存在した状態で、ワークピースＷは研磨パッド２の研磨面２ａに摺接される。ワークピース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の機械的作用との組み合わせにより、研磨される。
【0034】
研磨装置１は、研磨面２ａ上のワークピースＷの膜厚を測定する膜厚センサ４２を備えている。膜厚センサ４２は、ワークピースＷの膜厚を直接または間接に示す膜厚指標値を生成するように構成されている。この膜厚指標値は、ワークピースＷの膜厚に従って変化する。膜厚指標値は、ワークピースＷの膜厚自体を表す値であってもよいし、または膜厚に換算される前の物理量または信号値であってもよい。
【0035】
膜厚センサ４２の例としては、渦電流センサ、光学式膜厚センサが挙げられる。膜厚センサ４２は、研磨テーブル５内に設置されており、研磨テーブル５と一体に回転する。より具体的には、膜厚センサ４２は、研磨テーブル５が一回転するたびに、研磨面２ａ上のワークピースＷを横切りながら、ワークピースＷの複数の測定点での膜厚を測定するように構成されている。複数の測定点での膜厚は、膜厚指標値として膜厚センサ４２から出力され、膜厚指標値は動作制御部１０に送られる。動作制御部１０は、膜厚指標値に基づいて研磨ヘッド７の動作を制御するように構成されている。
【0036】
動作制御部１０は、膜厚センサ４２から出力された膜厚指標値から、ワークピースＷの膜厚プロファイルを作成する。ワークピースＷの膜厚プロファイルは、膜厚指標値の分布である。動作制御部１０は、得られたワークピースＷの現在の膜厚プロファイルと目標膜厚プロファイルとの差をなくすように研磨ヘッド７の動作を制御する。ワークピースＷの目標膜厚プロファイルは、動作制御部１０の記憶装置１０ａ内に予め格納されている。ワークピースＷの現在の膜厚プロファイルの例としては、図１に示す研磨装置１で研磨される前のワークピースＷの初期膜厚プロファイル、および図１に示す研磨装置１でワークピースＷを研磨しているときに膜厚センサ４２から出力された膜厚指標値から作成された膜厚プロファイルが挙げられる。初期膜厚プロファイルは、例えば、図示しないスタンドアローン型の膜厚測定装置により取得された膜厚測定値、または膜厚センサを備えた他の研磨装置１により取得された膜厚測定値から作成される。初期膜厚プロファイルは、動作制御部１０の記憶装置１０ａ内に格納される。
【0037】
図２は、図１に示す研磨ヘッド７を含む研磨ヘッドシステムの一実施形態を示す断面図である。図２に示すように、研磨ヘッドシステムは、研磨ヘッド７、動作制御部１０、および駆動電圧印加装置５０を含む。研磨ヘッド７は、ワークピースＷを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付けるように構成されている。研磨ヘッド７は、研磨ヘッドシャフト１８の下端に固定されたキャリア４５と、キャリア４５に保持された複数の圧電素子４７を備えている。研磨ヘッド７は、研磨ヘッドシャフト１８の下端に剛的に固定されており、研磨ヘッドシャフト１８に対する研磨ヘッド７の角度は固定されている。複数の圧電素子４７は、ワークピースＷの裏側に位置している。
【0038】
キャリア４５は、複数の圧電素子４７を保持するハウジング４５Ａと、ハウジング４５Ａに着脱可能に取り付けられたフランジ４５Ｂを有している。フランジ４５Ｂは、図示しないねじによりハウジング４５Ａに固定されている。図示しないがメンテナンス用の蓋をフランジ４５Ｂに設けてもよい。蓋を外すと、ユーザーは圧電素子４７にアクセスすることが可能となる。フランジ４５Ｂの蓋は、圧電素子４７の交換や圧電素子４７の位置調節などのメンテナンスが必要なときに外される。
【0039】
研磨ヘッド７は、ワークピースＷに複数の押付力を独立に加えることができる複数のアクチュエータを備えている。アクチュエータとしては、油圧シリンダ・モータのような油圧式アクチュエータ、空気圧モータや空気圧シリンダのような空気圧式アクチュエータ、電動モータのような電気式アクチュエータや後述の圧電素子を使ったアクチュエータ、磁歪素子を使った磁歪アクチュエータやリニアモータのような電磁アクチュエータや小型ピストン、等が挙げられる。
【0040】
本実施形態では、ワークピースＷに複数の押付力を独立に加えることができる複数のアクチュエータとして、複数の圧電素子４７が採用されている。圧電素子４７は、駆動電圧印加装置５０に電力線５１を通じて電気的に接続されている。圧電素子４７は、駆動源としての駆動電圧印加装置５０によって作動される。電力線５１は、ロータリコネクタ２３を経由して延びている。駆動電圧印加装置５０は、電源部５０ａと、圧電素子４７に印加すべき電圧の指令値を電源部５０ａに送る電圧制御部５０ｂを備えており、電圧を複数の圧電素子４７にそれぞれ独立に印加するように構成されている。
【0041】
駆動電圧印加装置５０は動作制御部１０に接続されている。動作制御部１０は、複数の圧電素子４７にそれぞれ印加すべき電圧の複数の指令値を決定し、決定された複数の指令値を駆動電圧印加装置５０の電圧制御部５０ｂに送るように構成されている。電圧制御部５０ｂは、これらの指令値に従って、電源部５０ａに指令を出すことで、電源部５０ａはそれぞれの圧電素子４７に所定の電圧を印加するように構成されている。なお、電源部５０ａは直流電源、交流電源、もしくは電圧パターンを設定可能なプログラマブル電源のいずれかまたはその組合せからなる。
【0042】
研磨ヘッド７は、複数の圧電素子４７にそれぞれ連結された複数の押付部材５４と、複数の押付部材５４を保持する保持部材５６と、複数の圧電素子４７がそれぞれ発生した複数の押付力を測定する複数の押付力測定装置５７をさらに備えている。複数の押付部材５４および保持部材５６は、ワークピースＷの裏側に対向している。
【0043】
駆動電圧印加装置５０が複数の圧電素子４７に電圧を印加すると、これら圧電素子４７は押付部材５４に向かって伸長する。この圧電素子４７の伸長は、押付部材５４を介してワークピースＷを研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付ける押付力を発生させる。このように、電圧が印加された圧電素子４７は、複数の押付力を独立にワークピースＷに加えることができ、ワークピースＷの複数の部位（領域）を異なる押付力で研磨面２ａに対して押し付けることができる。
【0044】
本実施形態では、複数の押付部材５４の端面は、ワークピースＷを研磨面２ａに対して押し付けるための押圧面５４ａを構成する。複数の押付部材５４の押圧面５４ａは、ワークピースＷの裏側に接触している。押圧面５４ａはシリコーンゴムなどの弾性部材から構成されてもよい。押圧面５４ａの形状の具体例としては、正多角形、円形、扇形、円弧形状、楕円形、およびそれらの形状の組合せが挙げられる。押圧面５４ａの中心から各頂点までの距離が等しい正多角形の例としては、正三角形、正四角形、正六角形が挙げられる。
【0045】
保持部材５６は、複数の押付部材５４を限られた範囲内で移動可能にこれら押付部材５４を保持している。より具体的には、保持部材５６は、押付部材５４が上下方向および水平方向に移動する範囲をクリアランスにより制限しつつ、複数の押付部材５４が上下方向に移動することを許容する。この保持部材５６により、複数の押付部材５４の、ワークピースＷの押付方向と垂直な方向の移動範囲が制限される。このように、押付部材５４の上下方向の移動が制限されているので、押付部材５４は、過度な衝撃または力が圧電素子４７に伝わることを防止することができる。一実施形態では、複数の押付部材５４と保持部材５６を省略し、複数の圧電素子４７で直接ワークピースＷの裏面を加圧し、ワークピースＷを研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付けてもよい。
【0046】
研磨ヘッドシステムは、研磨ヘッド７がワークピースＷを真空吸引により保持することを可能とする真空ライン６０をさらに備えている。この真空ライン６０は、ロータリジョイント２５を経由して延び、研磨ヘッド７のワークピース接触面５６ａに連通している。より具体的には、真空ライン６０の一端は、研磨ヘッド７のワークピース接触面５６ａで開口し、真空ライン６０の他端は真空ポンプなどの真空源６２に連結されている。真空ライン６０には真空弁６１が取り付けられている。真空弁６１は、アクチュエータ駆動型開閉弁（例えば電動弁、電磁弁、エアオペレート弁）であり、動作制御部１０に接続されている。真空弁６１の動作は動作制御部１０によって制御される。動作制御部１０が真空弁６１を開くと、真空ライン６０は、研磨ヘッド７のワークピース接触面５６ａに真空を形成し、これにより研磨ヘッド７は真空吸引によりワークピースＷを研磨ヘッド７のワークピース接触面５６ａに保持することができる。
【0047】
一実施形態では、ワークピースＷの研磨中に、ワークピースＷが研磨ヘッド７に対して相対的に回転してしまうことを防止するために（すなわち、ワークピースＷの研磨ヘッド７に対する相対位置を固定するために）、真空ライン６０により研磨ヘッド７のワークピース接触面５６ａに真空を形成し、ワークピースＷを真空吸引により研磨ヘッド７のワークピース接触面５６ａに保持してもよい。なお、本図では、真空ライン６０はワークピースＷの中央に１個配置されているが、ワークピース接触面５６ａ内の複数箇所に開口する複数の真空ライン６０を設けてもよい。
【0048】
研磨ヘッド７は、複数の圧電素子４７の外側に配置されたリテーナ部材６６と、リテーナ部材６６に連結された複数の圧電素子７２をさらに備えている。各圧電素子７２は、リテーナ部材６６を研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付けるためのアクチュエータである。リテーナ部材６６は、ワークピースＷ、複数の押付部材５４、および複数の圧電素子４７を囲むように配置されている。本実施形態では、ワークピースＷは円形であり、リテーナ部材６６の全体は、ワークピースＷを囲む環状である。なお、リテーナ部材６６はＰＰＳやＰＥＥＫ等の樹脂材料で形成されており、また研磨面２ａとの接触面には研磨液の流入を調整するための溝が形成されていてもよい。
【0049】
圧電素子７２は、圧電素子４７と同様に、キャリア４５のハウジング４５Ａに保持されている。研磨ヘッド７は、複数の圧電素子７２にそれぞれ連結された複数の連結部材８０と、複数の連結部材８０を保持する保持部材８５と、複数の圧電素子７２がそれぞれ発生した複数の押付力を測定する複数の押付力測定装置８８をさらに備えている。保持部材８５は環状であり、キャリア４５に固定されている。複数の圧電素子７２は、複数の連結部材８０および複数の押付力測定装置８８を介してリテーナ部材６６に連結されている。
【0050】
圧電素子７２は駆動電圧印加装置５０に電気的に接続されている。動作制御部１０は、複数の圧電素子７２にそれぞれ印加すべき電圧の複数の指令値を決定し、決定された複数の指令値を駆動電圧印加装置５０の電圧制御部５０ｂに送るように構成されている。電圧制御部５０ｂは、これらの指令値に従って、電源部５０ａに指令を出すことで、それぞれの圧電素子７２に所定の電圧を印加するように構成されている。
【0051】
圧電素子７２に電圧が印加されると、圧電素子７２は押付力測定装置８８および連結部材８０を研磨パッド２の研磨面２ａに向かって押し、連結部材８０は、リテーナ部材６６を、圧電素子７２に印加された電圧に応じた押付力で、研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付ける。押付力の測定値は、押付力測定装置８８から動作制御部１０に送られる。動作制御部１０は、押付力の測定値に基づき、圧電素子７２に印加すべき電圧の指令値を調整する。
【0052】
図３は、押付部材５４、圧電素子７２、およびリテーナ部材６６を下から見たときの模式図である。図３に示すように、圧電素子７２は、押付部材５４（および圧電素子４７）を囲むように配置されている。リテーナ部材６６は、ワークピースＷ（図３には示さず）の外周部に沿って配置されている。圧電素子７２は、リテーナ部材６６に沿って配列されている。
【0053】
図３に示す例では、複数の押付部材５４はハニカム状に配列されており、各押付部材５４の押圧面５４ａは正六角形である。図３から分かるように、ハニカム配列を構成する正六角形の押圧面５４ａは、隣接する押圧面５４ａ間の隙間を最小にできる。さらに、正六角形は、正三角形および正四角形に比べて、各頂点の角度が大きく、応力集中が発生しにくいという利点もある。
【0054】
図３に示す各押付部材５４は、各圧電素子４７に連結されている。したがって、図３に示す押付部材５４の配列は、圧電素子４７の配列と実質的に同じである。複数の圧電素子４７および複数の押付部材５４は、研磨ヘッド７の径方向および周方向に沿って分布している。したがって、研磨ヘッドシステムは、ワークピースＷの膜厚プロファイルを精密に制御することができる。特に、研磨ヘッドシステムは、ワークピースＷの周方向にばらつく膜厚を解消することができる。
【0055】
押付部材５４の配列は、図３に示す例に限られず、格子状、同心円状、千鳥状などの他の配列であってもよい。また、各押付部材５４の押圧面５４ａも正六角形に限られず、円形、矩形状、扇形、またはこれらの組み合わせであってもよい。
【0056】
図４に示すように、一実施形態では、研磨ヘッド７は、複数のリテーナ部材６６を備えてもよい。複数のリテーナ部材６６は、ワークピースＷ、複数の押付部材５４、および複数の圧電素子４７を囲むように配列される。複数の圧電素子７２は、複数の連結部材８０（図５参照）および複数の押付力測定装置８８（図５参照）を介して複数のリテーナ部材６６にそれぞれ連結される。
【0057】
図５は、図２に示す圧電素子７２、保持部材８５、連結部材８０、およびリテーナ部材６６を示す断面図である。図５を参照する以下の説明は、図４の実施形態にも適用される。図５に示すように、キャリア４５のハウジング４５Ａは、複数の段付き穴９０を有しており、複数の圧電素子７２はこれら段付き穴９０にそれぞれ収容されている。各圧電素子７２はストッパー突起７２ａを有している。ストッパー突起７２ａが段付き穴９０の段部９０ａに当接することにより、圧電素子７２のキャリア４５に対する相対的な位置決めが達成される。
【0058】
本実施形態では、各押付力測定装置８８は、圧電素子７２および連結部材８０と直列に配置されている。より具体的には、各押付力測定装置８８は、圧電素子７２と連結部材８０との間に配置されている。このように配置された押付力測定装置８８は、圧電素子７２がそれぞれ発生した複数の押付力を別々に測定することができる。押付力測定装置８８の配置は、図５に示す実施形態に限られない。圧電素子７２がそれぞれ発生した複数の押付力を別々に測定することができる限りにおいて、押付力測定装置８８は、リテーナ部材６６と連結部材８０との間に配置されてもよいし、あるいは連結部材８０の横に配置されてもよい。
【0059】
押付力測定装置８８は、測定した押付力［Ｎ］を圧力［Ｐａ］に換算するように構成されてもよい。押付力測定装置８８の例として、複数の圧電素子７２に連結されたロードセル、圧電シートが挙げられる。圧電シートは、複数の圧電センサを有しており、これら圧電シートに加えられた力に応じた電圧を発生し、電圧の値を力または圧力に変換するように構成されている。
【0060】
複数の連結部材８０の端面は、リテーナ部材６６に接続されている。保持部材８５は、複数の連結部材８０を限られた範囲内で移動可能にこれら連結部材８０を保持している。より具体的には、各連結部材８０は、その上端および下端に位置する突出部８０ｂ，８０ｃと、これら突出部８０ｂ，８０ｃの間に位置する胴部８０ｄを有している。胴部８０ｄの幅は、突出部８０ｂ，８０ｃの幅よりも小さい。保持部材８５は、胴部８０ｄと一定のクリアランスを有し、連結部材８０を移動可能に支持する支持部８５ａを有している。各連結部材８０の突出部８０ｂ，８０ｃと、保持部材８５の支持部８５ａは、連結部材８０が上下方向および水平方向に移動する範囲をクリアランスにより制限しつつ、各連結部材８０が上下方向に移動することを許容する。保持部材８５の支持部８５ａは、連結部材８０の、リテーナ部材６６の押付方向と垂直な方向の移動範囲を制限する。連結部材８０の上下方向の移動が制限されているので、連結部材８０は、過度な衝撃または力が圧電素子７２に伝わることを防止することができる。
【0061】
リテーナ部材６６に押された研磨パッド２は変形し、研磨パッド２の一部はリテーナ部材６６の周囲で上方に隆起する。これにより、ワークピースＷのエッジ部にて研磨パッド２の接触圧力が増加することで、ワークピースＷのエッジ部に対する研磨レートを高めることができる。本実施形態によれば、複数の圧電素子７２は、リテーナ部材６６を独立に研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付けることができるので、ワークピースＷのエッジ部の研磨レート分布を精密に制御することができる。
【0062】
次に、研磨ヘッド７の動作の一例を説明する。動作制御部１０は、ワークピースＷの現在の膜厚プロファイルと、記憶装置１０ａ内に予め格納されている目標膜厚プロファイルとの差を算定し、ワークピースＷの被研磨面での目標研磨量の分布を作成する。さらに、動作制御部１０は、作成された目標研磨量の分布に基づき、所定の研磨時間内に目標研磨量を達成するために、圧電素子７２および圧電素子４７に印加すべき電圧の指令値を決定する。例えば、動作制御部１０は、目標研磨量の分布と、上記所定の研磨時間とから、目標研磨レートの分布を作成し、目標研磨レートを達成できる電圧の指令値を研磨レート相関データから決定する。研磨レート相関データは、研磨レートと電圧の指令値との関係を示すデータである。
【0063】
動作制御部１０は、電圧の指令値を駆動電圧印加装置５０の電圧制御部５０ｂに送る。電圧制御部５０ｂは、これら電圧の指令値に従って、電源部５０ａに指令を出すことで、電源部５０ａは圧電素子７２および圧電素子４７に所定の電圧を印加し、ワークピースＷの膜厚プロファイルの調整を行う。なお、ワークピースＷの研磨中においては、例えば一定時間ごと、または研磨テーブル５の一回転周期ごとに、膜厚プロファイルの調整を行う。
【0064】
研磨ヘッド７の動作の別の例では、動作制御部１０は、目標研磨量の分布を作成せずに、膜厚センサ４２により得られたワークピースＷの現在の膜厚プロファイルに基づいて、圧電素子７２および圧電素子４７に印加すべき電圧の指令値を決定する。例えば、目標膜厚プロファイルが平坦な膜厚プロファイルである場合、動作制御部１０は、現在の膜厚プロファイルを平坦な膜厚プロファイルに近づけるために、膜厚指標値の大きい領域に対応する圧電素子７２および圧電素子４７には、現在印加している電圧よりも所定の変更量だけ高い電圧を印加し、膜厚指標値の小さい領域に対応する圧電素子７２および圧電素子４７には、現在印加している電圧よりも所定の変更量だけ低い電圧を印加するような電圧の指令値を決定する。なお、これらの電圧の変更量は、パラメータとして予め動作制御部１０に設定される。
【0065】
図２に戻り、本実施形態では、各押付力測定装置５７は、圧電素子４７および押付部材５４と直列に配置されている。より具体的には、各押付力測定装置５７は、圧電素子４７と押付部材５４との間に配置されている。このように配置された押付力測定装置５７は、圧電素子４７がそれぞれ発生した複数の押付力を別々に測定することができる。押付力測定装置５７の配置は、図２に示す実施形態に限られない。圧電素子４７がそれぞれ発生した複数の押付力を別々に測定することができる限りにおいて、押付力測定装置５７は、ワークピースＷと押付部材５４との間に配置されてもよいし、あるいは押付部材５４の横に配置されてもよい。
【0066】
押付力測定装置５７は、測定した押付力［Ｎ］を圧力［Ｐａ］に換算するように構成されてもよい。押付力測定装置５７の例として、複数の圧電素子４７に連結されたロードセル、圧電シートが挙げられる。圧電シートは、複数の圧電センサを有しており、これら圧電シートに加えられた力に応じた電圧を発生し、電圧の値を力または圧力に変換するように構成されている。
【0067】
圧電素子４７に電圧が印加されると、圧電素子４７は押付力測定装置５７および押付部材５４を研磨パッド２の研磨面２ａに向かって押し、押付部材５４は、ワークピースＷの対応する部位（領域）を、圧電素子４７に印加された電圧に応じた押付力で、研磨面２ａに対して押し付ける。押付力の測定値は、押付力測定装置５７から動作制御部１０に送られる。動作制御部１０は、押付力の測定値に基づき、圧電素子４７に印加すべき電圧の指令値を調整する。
【0068】
【0069】
研磨ヘッドシステムは、複数の圧電素子７２およびリテーナ部材６６の全体を、圧電素子４７に対して相対的に研磨パッド２の研磨面２ａに向かって移動させるリテーナ部材移動装置１００を備えている。リテーナ部材移動装置１００は、内部に圧力室１０２を形成する弾性バッグ１０３と、圧力室１０２に連通している気体供給ライン１０５と、気体供給ライン１０５に接続された圧力レギュレータ１０８を備えている。複数の圧電素子７２は、キャリア４５のハウジング４５Ａに上下動可能に支持されている。
【0070】
弾性バッグ１０３は、研磨ヘッド７のキャリア４５内に設置されており、弾性バッグ１０３の一部はキャリア４５に保持されている。弾性バッグ１０３は、伸縮可能な柔軟な弾性材料から構成されている。弾性バッグ１０３は、リテーナ部材６６の全体に沿って延びている。本実施形態では、リテーナ部材６６は環状であり、弾性バッグ１０３も環状である。
【0071】
気体供給ライン１０５は、ロータリジョイント２５を経由して圧縮気体供給源１１０まで延びている。圧縮気体供給源１１０は、研磨装置１が配置されている工場に設置されたユーティリティ設備としての圧縮気体供給源であってもよいし、あるいは圧縮気体を送るポンプであってもよい。圧縮空気などの圧縮気体は、圧縮気体供給源１１０から気体供給ライン１０５を通って圧力室１０２内に供給される。
【0072】
圧力レギュレータ１０８は、気体供給ライン１０５に取り付けられており、圧力室１０２内の圧縮気体の圧力を調節するように構成されている。圧力レギュレータ１０８は、動作制御部１０に接続されており、圧力レギュレータ１０８の動作（すなわち圧力室１０２内の圧縮気体の圧力）は動作制御部１０によって制御される。より具体的には、動作制御部１０は、圧力指令値を圧力レギュレータ１０８に送り、圧力レギュレータ１０８は圧力室１０２内の圧力が圧力指令値に維持されるように動作する。
【0073】
圧縮気体が圧力室１０２内に供給されると、弾性バッグ１０３が膨らみ、圧電素子７２およびリテーナ部材６６の全体を研磨パッド２の研磨面２ａに向かって移動させ、その一方で、キャリア４５およびアクチュエータとしての圧電素子４７の位置は変わらない。したがって、リテーナ部材移動装置１００は、圧電素子４７からワークピースＷに加えられる押付力とは独立した均一な押付力を、圧電素子７２およびリテーナ部材６６の全体に加えることができる。
【0074】
本実施形態によれば、リテーナ部材移動装置１００は、圧電素子７２およびリテーナ部材６６の全体を研磨パッド２の研磨面２ａに向かって移動させ、リテーナ部材６６を均一な力で研磨面２ａに対して押し付けることができる。さらに、複数の圧電素子７２は、リテーナ部材６６を局所的に異なる圧力で研磨面２ａに対して押し付けることができる。動作制御部１０は、リテーナ部材移動装置１００および圧電素子７２の両方を同時に作動させてもよく、またはいずれか一方のみを選択的に作動させてもよい。
【0075】
図６では、弾性バッグ１０３は圧電素子７２を直接押すように配置されているが、圧電素子７２が図示しないケーシング内に配置され、弾性バッグ１０３がケーシングを加圧することで、圧電素子７２およびリテーナ部材６６の全体を研磨パッド２の研磨面２ａに向かって移動させてもよい。ケーシングを設けることで、弾性バッグ１０３からの過度な力が圧電素子７２に直接伝わることを防止することができる。
【0076】
【0077】
本実施形態の研磨ヘッドシステムは、研磨ヘッド７内に配置された電圧分配器１２１を備えている。電圧分配器１２１は、電圧を圧電素子４７，７２に分配する分岐装置１２５と、分岐装置１２５に接続された通信装置１２８を備えている。分岐装置１２５および通信装置１２８は、キャリア４５に固定されている。分岐装置１２５は、電力線５１およびロータリコネクタ２３を介して駆動電圧印加装置５０の電源部５０ａに電気的に接続されている。電力は電力線５１を通じて駆動電圧印加装置５０の電源部５０ａから分岐装置１２５に供給され、さらに分岐装置１２５から圧電素子４７，７２に分配される。
【0078】
分岐装置１２５は、電力線５１およびロータリコネクタ２３を通じて駆動電圧印加装置５０の電源部５０ａに接続されており、電力は電源部５０ａから分岐装置１２５に供給される。通信装置１２８は、通信線１３０を介して動作制御部１０に接続されている。通信線１３０は、通信装置１２８からロータリコネクタ２３および電圧制御部５０ｂを経由して動作制御部１０に延びている。動作制御部１０は、圧電素子４７および圧電素子７２に印加すべき電圧の指令値を電圧制御部５０ｂおよび通信装置１２８に送り、通信装置１２８は電圧の指令値を分岐装置１２５に送る。分岐装置１２５は、通信装置１２８から得た指令値と、同じく電圧制御部５０ｂからの指令値をもとに、電源部５０ａから印加された電圧をそれぞれの圧電素子４７および圧電素子７２に分配し、印加する。本実施形態によれば、圧電素子４７，７２から電源部５０ａまで延びる電力線５１の本数を減らすことができる。
【0079】
【0080】
本実施形態では、ワークピースＷを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付けるアクチュエータとして、圧電素子４７に代えて、流体圧力式アクチュエータが採用されている。より具体的には、流体圧力式アクチュエータは、複数の圧力室Ｃ１～Ｃ４を形成する弾性膜１３５と、これらの圧力室Ｃ１～Ｃ４にそれぞれ連通する複数の気体供給ラインＦ１～Ｆ４と、これら気体供給ラインＦ１～Ｆ４にそれぞれ接続された複数の圧力レギュレータＲ１～Ｒ４を備えている。弾性膜１３５の露出面は、ワークピースＷを研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付けるワークピース接触面を構成する。
【0081】
弾性膜１３５は、キャリア４５の下面に保持されている。この弾性膜１３５は、同心状の複数の隔壁１３５ａ～１３５ｄを有している。これら隔壁１３５ａ～１３５ｄは、弾性膜１３５の内側の空間を複数の圧力室Ｃ１～Ｃ４に分割する。これら圧力室Ｃ１～Ｃ４の配列は同心状である。本実施形態では４つの圧力室Ｃ１～Ｃ４が設けられているが、４つよりも少ない、または４つよりも多い圧力室が設けられてもよい。リテーナ部材６６は、弾性膜１３５および圧力室Ｃ１～Ｃ４を囲むように配置されている。
【0082】
気体供給ラインＦ１～Ｆ４は、ロータリジョイント２５を経由して圧縮気体供給源１４０まで延びている。圧縮気体供給源１４０は、研磨装置１が配置されている工場に設置されたユーティリティ設備としての圧縮気体供給源であってもよいし、あるいは圧縮気体を送るポンプであってもよい。圧縮空気などの圧縮気体は、圧縮気体供給源１４０から気体供給ラインを通って圧力室Ｃ１～Ｃ４内に供給される。
【0083】
圧力レギュレータＲ１～Ｒ４は、気体供給ラインＦ１～Ｆ４にそれぞれ取り付けられており、圧力室Ｃ１～Ｃ４内の圧縮気体の圧力を独立に調節するように構成されている。圧力レギュレータＲ１～Ｒ４は、動作制御部１０に接続されており、圧力レギュレータＲ１～Ｒ４の動作（すなわち圧力室Ｃ１～Ｃ４内の圧縮気体の圧力）は動作制御部１０によって制御される。より具体的には、動作制御部１０は、複数の圧力指令値を圧力レギュレータＲ１～Ｒ４にそれぞれ送り、圧力レギュレータＲ１～Ｒ４は圧力室Ｃ１～Ｃ４内の圧力が対応する圧力指令値に維持されるように動作する。研磨ヘッド７は、ワークピースＷの異なる領域を異なる押圧力で押し付けることができる。
【0084】
次に、図８に示す研磨ヘッド７の動作の一例を説明する。動作制御部１０は、ワークピースＷの現在の膜厚プロファイルと、記憶装置１０ａ内に予め格納されている目標膜厚プロファイルとの差を算定し、ワークピースＷの被研磨面での目標研磨量の分布を作成する。さらに、動作制御部１０は、作成された目標研磨量の分布に基づき、所定の研磨時間内に目標研磨量を達成するために、圧電素子７２に印加すべき電圧の指令値と、圧力レギュレータＲ１～Ｒ４に送るべき圧力指令値を決定する。例えば、動作制御部１０は、目標研磨量の分布と、上記所定の研磨時間とから、目標研磨レートの分布を作成し、目標研磨レートを達成できる電圧の指令値および圧力指令値を研磨レート相関データから決定する。研磨レート相関データは、研磨レートと電圧の指令値との関係を示すデータ、および研磨レートと圧力指令値との関係を示すデータを含む。
【0085】
動作制御部１０は圧力指令値を圧力レギュレータＲ１～Ｒ４にそれぞれ送り、電圧の指令値を駆動電圧印加装置５０の電圧制御部５０ｂに送る。圧力レギュレータＲ１～Ｒ４は、圧力室Ｃ１～Ｃ４内の圧力が圧力指令値にそれぞれ維持されるように動作する。電圧制御部５０ｂは、電圧の指令値に従って、電源部５０ａに指令を出すことで、電源部５０ａは圧電素子７２に所定の電圧を印加する。このようにして、研磨ヘッド７はワークピースＷの膜厚プロファイルの調整を行う。なお、ワークピースＷの研磨中においては、例えば一定時間ごと、または研磨テーブル５の一回転周期ごとに、膜厚プロファイルの調整を行う。
【0086】
研磨ヘッド７の動作の別の例では、動作制御部１０は、目標研磨量の分布を作成せずに、膜厚センサ４２により得られたワークピースＷの現在の膜厚プロファイルに基づいて、圧電素子７２に印加すべき電圧の指令値と、圧力レギュレータＲ１～Ｒ４に送るべき圧力指令値を決定する。例えば、目標膜厚プロファイルが平坦な膜厚プロファイルである場合、動作制御部１０は、現在の膜厚プロファイルを平坦な膜厚プロファイルに近づけるために、膜厚指標値の大きい領域に対応する圧電素子７２には、現在印加している電圧よりも所定の変更量だけ高い電圧を印加し、膜厚指標値の小さい領域に対応する圧電素子７２には、現在印加している電圧よりも所定の変更量だけ低い電圧を印加するような電圧の指令値を決定する。同様に、動作制御部１０は、膜厚指標値の大きい領域に対応する圧力室には、現在の圧力よりも所定の変更量だけ高い圧力を形成し、膜厚指標値の小さい領域に対応する圧力室には、現在の圧力よりも所定の変更量だけ低い圧力を形成するような圧力指令値を決定する。なお、これらの電圧の変更量および圧力の変更量は、パラメータとして予め動作制御部１０に設定される。
【0087】
【0088】
本発明は、円形のワークピースのみならず、矩形状、四角形などの多角形状のワークピースの研磨にも適用することができる。例えば、四角形のワークピースを研磨するための研磨ヘッドシステムは、四角形のワークピースを囲むようにリテーナ部材が構成される。
【0089】
図９は、ワークピースを処理する処理システムの一実施形態を示す平面図である。図示の処理システム１０００は、本明細書で説明されるような、ワークピースＷを研磨処理する研磨装置１－Ａ～１－Ｃと、ワークピースＷを洗浄するための洗浄装置３５０－Ａ，３５０－Ｂと、ワークピースＷの搬送装置としてのロボット４００と、ワークピースＷのロードポート５００と、乾燥装置６００と、を有する。かかるシステム構成において、処理されるワークピースＷは、ロードポート５００に入れられる。ロードポート５００にロードされたワークピースＷは、ロボット４００により研磨装置１－Ａ～１－Ｃのいずれかに搬送され、研磨処理が行われる。基板などのワークピースＷは、複数の研磨装置で順次研磨処理されてもよい。研磨処理が行われたワークピースＷは、ロボット４００により洗浄装置３５０－Ａ，３５０－Ｂのいずれかに搬送され、洗浄される。ワークピースＷは、洗浄装置３５０－Ａ，３５０－Ｂで順次洗浄されてもよい。洗浄処理が行われたワークピースＷは、乾燥装置６００へ搬送されて、乾燥処理が行われる。乾燥したワークピースＷは、再びロードポート５００に戻される。
【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
１－Ａ～１－Ｃ 研磨装置
２ 研磨パッド
２ａ 研磨面
５ 研磨テーブル
５ａ 回転軸
５ｂ パッド支持面
７ 研磨ヘッド
８ 研磨液供給ノズル
１０ 動作制御部
１０ａ 記憶装置
１０ｂ 演算装置
１４ 支軸
１６ 研磨ヘッド揺動アーム
１７ アーム旋回モータ
１８ 研磨ヘッドシャフト
２０ 回転モータ
２１ 回転モータ
２２ ロータリエンコーダ
２３ ロータリコネクタ
２４ 昇降機構
２５ ロータリジョイント
２６ 軸受
２８ ブリッジ
２９ 支持台
３０ 支柱
３２ ボールねじ機構
３２ａ ねじ軸
３２ｂ ナット
３８ サーボモータ
３９ ロード・アンロード装置
４０ ノッチアライナー
４２ 膜厚センサ
４５ キャリア
４５Ａ ハウジング
４５Ｂ フランジ
４７ 圧電素子
５０ 駆動電圧印加装置
５０ａ 電源部
５０ｂ 電圧制御部
５１ 電力線
５４ 押付部材
５４ａ 押付面
５６ 保持部材
５６ａ ワークピース接触面、端面
５７ 押付力測定装置
６０ 真空ライン
６１ 真空弁
６２ 真空源
６６ リテーナ部材
７２ 圧電素子
７２ａ ストッパー突起
８０ 連結部材
８０ｂ，８０ｃ 突出部
８０ｄ 胴部
８５ 保持部材
８５ａ 支持部
８８ 押付力測定装置
９０ 段付き穴
９０ａ 段部
１００ リテーナ部材移動装置
１０２ 圧力室
１０３ 弾性バッグ
１０５ 気体供給ライン
１０８ 圧力レギュレータ
１１０ 圧縮気体供給源
１２１ 電圧分配器
１２５ 分岐装置
１２８ 通信装置
１３０ 通信線
１３５ 弾性膜
１３５ａ～１３５ｄ 隔壁
１４０ 圧縮気体供給源
３５０Ａ～３５０Ｂ 洗浄装置
４００ ロボット（搬送装置）
５００ ロードポート
６００ 乾燥装置
１０００ 処理システム
Ｃ１～Ｃ４ 圧力室
Ｆ１～Ｆ４ 気体供給ライン
Ｒ１～Ｒ４ 圧力レギュレータ
Ｗ ワークピース
１－Ａ～１－Ｃ 研磨装置
２ 研磨パッド
２ａ 研磨面
５ 研磨テーブル
５ａ 回転軸
５ｂ パッド支持面
７ 研磨ヘッド
８ 研磨液供給ノズル
１０ 動作制御部
１０ａ 記憶装置
１０ｂ 演算装置
１４ 支軸
１６ 研磨ヘッド揺動アーム
１７ アーム旋回モータ
１８ 研磨ヘッドシャフト
２０ 回転モータ
２１ 回転モータ
２２ ロータリエンコーダ
２３ ロータリコネクタ
２４ 昇降機構
２５ ロータリジョイント
２６ 軸受
２８ ブリッジ
２９ 支持台
３０ 支柱
３２ ボールねじ機構
３２ａ ねじ軸
３２ｂ ナット
３８ サーボモータ
３９ ロード・アンロード装置
４０ ノッチアライナー
４２ 膜厚センサ
４５ キャリア
４５Ａ ハウジング
４５Ｂ フランジ
４７ 圧電素子
５０ 駆動電圧印加装置
５０ａ 電源部
５０ｂ 電圧制御部
５１ 電力線
５４ 押付部材
５４ａ 押付面
５６ 保持部材
５６ａ ワークピース接触面、端面
５７ 押付力測定装置
６０ 真空ライン
６１ 真空弁
６２ 真空源
６６ リテーナ部材
７２ 圧電素子
７２ａ ストッパー突起
８０ 連結部材
８０ｂ，８０ｃ 突出部
８０ｄ 胴部
８５ 保持部材
８５ａ 支持部
８８ 押付力測定装置
９０ 段付き穴
９０ａ 段部
１００ リテーナ部材移動装置
１０２ 圧力室
１０３ 弾性バッグ
１０５ 気体供給ライン
１０８ 圧力レギュレータ
１１０ 圧縮気体供給源
１２１ 電圧分配器
１２５ 分岐装置
１２８ 通信装置
１３０ 通信線
１３５ 弾性膜
１３５ａ～１３５ｄ 隔壁
１４０ 圧縮気体供給源
３５０Ａ～３５０Ｂ 洗浄装置
４００ ロボット（搬送装置）
５００ ロードポート
６００ 乾燥装置
１０００ 処理システム
Ｃ１～Ｃ４ 圧力室
Ｆ１～Ｆ４ 気体供給ライン
Ｒ１～Ｒ４ 圧力レギュレータ
Ｗ ワークピース
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】