JP2015196211A - 研磨装置及び研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板保持部材の保持リングの形状の保持リングごとのばらつきや経時変化による研磨プロファイルの再現性の低下を抑える研磨装置を提供する。【解決手段】基板を研磨パッドに押し付けるとともに、研磨パッドに押し付けられた基板を囲うリテーナリング３を有する研磨ヘッド１と、リテーナリング３の表面形状を測定する測定用センサ５１と、測定用センサ５１によって測定されたリテーナリング３の表面形状に基づいて、基板の研磨条件を決定する制御部５００を備えている。【選択図】図４

Description

本発明は、保持リングを備えた基板保持部材で基板を研磨パッドに押し付けて基板を研磨する研磨装置及び研磨方法に関するものである。

研磨装置では、基板保持部材に基板を保持して回転させ、回転する研磨パッドに基板を押し付けて基板の表面を研磨する。このとき、基板保持部材には、基板が研磨位置から外れることを防止するために、研磨中の基板を囲む保持リングが設けられる。保持リングは、研磨パッドに押し付けられた基板を囲うとともに、それ自体も底面が研磨パッドに押し付けられる。このとき、保持リングの底面の研磨パッドに対する押圧力は基板エッジ部の研磨プロファイルに影響を与える。

しかしながら、研磨パッドに対する保持リングの押圧力を所定の値に設定して基板を研磨した場合でも、保持リングの底面の三次元形状により、基板エッジ部が所望の研磨プロファイルにならないことがある。これは、保持リングの押圧力を所定の圧力としても、保持リングの底面の三次元形状によって、基板エッジ部の近傍で研磨パッドに対する保持リングの押圧力が異なり、研磨パッドのリバウンド状態が異なっているためであると考えられる。

また、保持リングは製造時の機械加工時の精度条件によって、保持リングごとに底面の三次元形状にはばらつきが生じるため、保持リングを新たなものに交換した際には、交換前の研磨プロファイルを再現できないことがある。保持リングの内周面形状についても、使用中の経時変化が研磨プロファイル、特に基板エッジ付近の研磨プロファイルに影響することが一般に知られている。

このような問題を解決するための方法として、従来、実機でのダミー基板の研磨による保持リングのブレイクインによって、保持リングの底面の三次元形状を揃える方法や、保持リングの底面をあらかじめ機械加工によりブレイクイン完了後の三次元形状に加工しておく方法などが採用されてきた。

特開２００６−１２８５８２号公報 特開２００１−０６０５７２号公報 特許第４６８９３６７号公報

しかしながら、従来の方法には、以下の問題がある。まず、保持リングの加工精度を上げる必要があるためコストが高くなってしまう。また、ブレイクインを行うと、装置の稼働率が下がり、ダミー基板やスラリなどのコストもかかる。さらに、半導体製造現場では製品の種類により研磨条件を変えている場合があるが、保持リングの底面の三次元形状は、厳密にはプロセス種類や研磨条件によって変わるので、実際には形状を厳密に管理することは困難である。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、基板保持部材の保持リングの形状の保持リングごとのばらつきや経時変化による研磨プロファイルの再現性の低下を抑える研磨装置及び研磨方法を提供することを目的とする。

本発明の研磨装置は、基板を研磨パッドに押し付けるとともに、前記研磨パッドに押し付けられた前記基板を囲う保持リングを有する基板保持部材と、前記保持リングの表面形状を測定する測定手段と、前記測定手段によって測定された前記保持リングの表面形状に基づいて、前記基板の研磨条件を決定する制御部とを備えた構成を有している。この構成により、保護リングの表面形状を測定してそれに基づいて基板の研磨条件を決定するので、保護リングの表面形状のばらつきや経時変化による影響を低減できる。

上記の研磨装置は、前記基板を前記基板保持部材にロードし、及び／又は前記基板を前記基板保持部材からアンロードするための基板受渡手段をさらに備えていてよく、前記測定手段は、前記基板保持部材と前記基板受渡手段との間で前記基板を受け渡す際に、前記保持リングの表面形状を測定してよい。この構成により、基板受渡手段において、保持リングの表面形状を測定するので、１枚又は複数枚の基板を交換するごとに保持リングの表面形状を測定できる。

上記の研磨装置において、前記測定手段は、前記保持リングの底面の形状を測定してよい。この構成により、保持リングの製造時の機械加工時の精度条件による保持リングごとの底面の形状のばらつきによる研磨プロファイルへの影響を抑えることができる。

上記の研磨装置において、前記測定手段は、前記保持リングの底面の径全体を測定してよい。この構成により、保持リングの底面の径方向の全体の形状を測定できる。

上記の研磨装置において、前記測定手段は、前記保持リングの底面の径方向の内周側半分以上の部分の形状を測定してよい。この構成により、保持リングの底面の径方向の内周側半分の部分の形状を測定できる。

上記の研磨装置において、前記測定手段は、前記保持リングの内周面の形状を測定してよい。この構成により、使用によって基板が保持リングの内周面にあたることによって形状が経時変化することによる研磨プロファイルへの影響を抑えることができる。

上記の研磨装置において、前記測定手段は、超音波センサ、渦電流センサ、光センサ、又は接触式センサのうちのいずれかであってよい。この構成により、保持リングの表面形状を好適に測定できる。

上記の研磨装置において、前記基板受渡手段は、前記保持リングの底面の一部を支持する支持部を有していてよく、前記測定手段は、前記支持部に底面の一部を支持されている前記保持リングの表面形状を測定してよい。この構成により、底面を支持部に保持された状態の保持リングの表面形状を測定できる。

上記の研磨装置において、前記支持部は、切欠き部を有していてよく、前記測定手段は、前記切欠き部に配置されて前記保持リングの底面形状を測定してよい。この構成により、底面を支持部に保持された状態の保持リングの底面形状を測定できる。

上記の研磨装置において、前記測定手段は前記保持リングの底面の径方向の形状を測定してよい。この構成により、保持リングの底面の径方向の形状のばらつきを測定できる。

上記の研磨装置において、前記測定手段は、前記保持リングの径方向に移動しながら測定を行うことで、前記保持リングの径方向の形状を測定してよい。この構成により、小さなセンシング範囲をスキャンさせることで保持リングの底面の径方向の形状を測定できる。

上記の研磨装置において、前記測定手段は、前記保持リングの径方向に延びるラインセンサ又はエリアセンサであってよい。この構成により、高速に保持リングの底面の径方向の形状を測定できる。

上記の研磨装置において、複数の前記測定手段が、前記保持リングの径方向に並んで設置されてよい。この構成によっても、高速に保持リングの底面の径方向の形状を測定できる。

上記の研磨装置において、複数の前記測定手段が、前記保持リングの周方向に並んで配置されてよい。この構成により、保持リングの底面の周方向の形状を測定できる。

上記の研磨装置において、前記制御部は、前記測定手段の測定結果に基づいて前記保持リングの傾きを補正してよい。この構成により、基板保持部材に保持された保持リングの傾きを補正できる。

上記の研磨装置は、前記保持リングの測定される表面への付着物を除去するクリーニング手段をさらに備えていてよい。この構成により、保持リングの表面がクリーニングされるので、精度の高い測定結果を得ることができる。

上記の研磨装置は、前記測定手段への付着物を除去するクリーニング手段をさらに備えていてよい。この構成により、センサがクリーニングされるので、精度の高い測定結果を得ることができる。

上記の研磨装置は、前記保持リングの測定される表面の温度を検知する温度検知手段と、前記温度検知手段が検知した温度に基づいて、前記保持リングの測定される表面の温度を一定にするために、前記保持リングを冷却する冷却手段とをさらに備えていてよい。この構成により、保持リングの温度が制御されるので、保持リングの表面形状の測定が安定する。

上記の研磨装置は、校正用リングをさらに備えていてよく、前記制御部は、前記測定手段が前記校正用リングの表面形状を測定した結果に基づいて、前記保持リングの表面形状の測定結果を校正してよい。この構成により、センサの検出値を自動的に校正できる。

上記の研磨装置において、前記校正用リングの測定される表面の平面度が５μｍ以下であってよい。この構成により、センサの校正を高精度に行うことができる。

上記の研磨装置において、前記基板保持部材は、回転可能であってよく、前記制御部は、前記保持リングの表面形状の測定の際に、前記基板保持部材の回転位相を制御することで、前記測定手段と前記保持リングとを所定の位置関係にしてよい。この構成により、保持リングに溝が形成されている場合にも、溝のない箇所、あるいは溝のある個所の任意の箇所の表面形状を測定できる。

本発明の研磨方法は、基板を保持リングで囲って研磨パッドに押し付けた状態で、前記基板と前記研磨パッドとを相対的に移動させることで、前記基板を研磨する研磨ステップと、前記保持リングの表面形状を測定する測定ステップと、前記測定ステップで測定された前記保持リングの表面形状に基づいて、前記研磨ステップにおける研磨条件を決定する制御ステップとを含み、前記研磨ステップは、前記制御ステップにて決定された前記研磨条件に従って前記基板を研磨する構成を有している。この構成により、保護リングの表面形状を測定してそれに基づいて基板の研磨条件を決定するので、保護リングの表面形状のばらつきや経時変化による影響を低減できる。

本発明によれば、保護リングの表面形状を測定してそれに基づいて基板の研磨条件を決定するので、保護リングの表面形状のばらつきや経時変化による影響を低減できる。

本発明の実施の形態における研磨装置の全体構成を示す概略図 本発明の実施の形態における研磨ヘッドの模式的断面図 本発明の実施の形態における研磨ヘッドとプッシャとを模式的に示す平面図 本発明の実施の形態における図３のＡ−Ａ断面図 本発明の実施の形態における図３のＢ−Ｂ断面図 本発明の実施の形態における測定手段の変形例を示す断面図 本発明の実施の形態における測定手段の変形例を示す断面図 本発明の実施の形態における測定手段の変形例を示す断面図 本発明の実施の形態における測定手段の変形例を示す断面図 本発明の実施の形態におけるプッシャに設置された基準リングを示す平面図 本発明の実施の形態における図１０のＣ−Ｃ断面図

以下、本発明の実施の形態の研磨装置について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する場合の一例を示すものであって、本発明を以下に説明する具体的構成に限定するものではない。本発明の実施にあたっては、実施の形態に応じた具体的構成が適宜採用されてよい。

図１は、本発明の実施の形態に係る研磨装置の全体構成を示す概略図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨テーブル１００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１００上の研磨面に押圧する基板保持装置としての研磨ヘッド１とを備えている。研磨テーブル１００は、テーブル軸１００ａを介してその下方に配置されるモータ（不図示）に連結されている。研磨テーブル１００は、モータが回転することにより、テーブル軸１００ａ周りに回転する。

研磨テーブル１００の上面には、研磨部材としての研磨パッド１０１が貼付されている。この研磨パッド１０１の表面１０１ａは、基板Ｗを研磨する研磨面を構成している。研磨テーブル１００の上方には研磨液供給ノズル７０が設置されている。この研磨液供給ノズル７０から、研磨テーブル１００上の研磨パッド１０１上に研磨液（研磨スラリ）Ｑが供給される。

なお、市場で入手できる研磨パッドとしては種々のものがあり、例えば、ニッタ・ハース社製のＳＵＢＡ８００、ＩＣ−１０００、ＩＣ−１０００／ＳＵＢＡ４００（二層クロス）、フジミインコーポレイテッド社製のＳｕｒｆｉｎ ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ ０００等がある。ＳＵＢＡ８００、Ｓｕｒｆｉｎ ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ ０００は繊維をウレタン樹脂で固めた不織布であり、ＩＣ−１０００は硬質の発泡ポリウレタン（単層）である。発泡ポリウレタンは、ポーラス（多孔質状）になっており、その表面に多数の微細なへこみまたは孔を有している。

研磨ヘッド１は、基板Ｗを研磨面１０１ａに対して押圧する研磨ヘッド本体２と、基板Ｗの外周縁を囲って基板Ｗが研磨ヘッド１から飛び出さないようにする保持リングとしてのリテーナリング３とから基本的に構成されている。研磨ヘッド１は、研磨ヘッドシャフト１１１に接続されている。この研磨ヘッドシャフト１１１は、上下動機構１２４により研磨ヘッドアーム１１０に対して上下動する。研磨ヘッド１の上下方向の位置決めは、研磨ヘッドシャフト１１１の上下動により、研磨ヘッドアーム１１０に対して研磨ヘッド１の全体を昇降させて行われる。研磨ヘッドシャフト１１１の上端にはロータリージョイント２５が取り付けられている。

研磨ヘッドシャフト１１１及び研磨ヘッド１を上下動させる上下動機構１２４は、軸受１２６を介して研磨ヘッドシャフト１１１を回転可能に支持するブリッジ１２８と、ブリッジ１２８に取り付けられたボールねじ１３２と、支柱１３０により支持された支持台１２９と、支持台１２９上に設けられたＡＣサーボモータ１３８とを備えている。サーボモータ１３８を支持する支持台１２９は、支柱１３０を介して研磨ヘッドアーム１１０に固定されている。

ボールねじ１３２は、サーボモータ１３８に連結されたねじ軸１３２ａと、このねじ軸１３２ａが螺合するナット１３２ｂとを備えている。研磨ヘッドシャフト１１１は、ブリッジ１２８と一体となって上下動する。従って、サーボモータ１３８を駆動すると、ボールねじ１３２を介してブリッジ１２８が上下動し、これにより研磨ヘッドシャフト１１１及び研磨ヘッド１が上下動する。

また、研磨ヘッドシャフト１１１はキー（図示せず）を介して回転筒１１２に連結されている。回転筒１１２は、その外周部にタイミングプーリ１１３を備えている。研磨ヘッドアーム１１０には研磨ヘッド用回転モータ１１４が固定されており、タイミングプーリ１１３は、タイミングベルト１１５を介して研磨ヘッド用回転モータ１１４に設けられたタイミングプーリ１１６に接続されている。従って、研磨ヘッド用回転モータ１１４を回転駆動することによってタイミングプーリ１１６、タイミングベルト１１５、及びタイミングプーリ１１３を介して回転筒１１２及び研磨ヘッドシャフト１１１が一体に回転し、研磨ヘッド１が回転する。

研磨ヘッドアーム１１０は、フレーム（図示せず）に回転可能に支持された研磨ヘッドアームシャフト１１７によって支持されている。研磨装置は、研磨ヘッド用回転モータ１１４、サーボモータ１３８、研磨テーブル回転モータをはじめとする装置内の各機器を制御する制御部５００を備えている。

次に、本発明の研磨装置における研磨ヘッド１について説明する。図２は、研磨対象物である基板Ｗを保持して研磨テーブル１００上の研磨面に押圧する基板保持装置としての研磨ヘッド１の模式的断面図である。図２においては、研磨ヘッド１を構成する主要構成要素だけを図示している。

図２に示すように、研磨ヘッド１は、基板Ｗを研磨面１０１ａに対して押圧する研磨ヘッド本体（キャリアとも称する）２と、研磨面１０１ａを直接押圧するリテーナ部材としてのリテーナリング３とから基本的に構成されている。研磨ヘッド本体（キャリア）２は概略円盤状の部材からなり、リテーナリング３は研磨ヘッド本体２の外周部に取り付けられている。

研磨ヘッド本体２は、エンジニアリングプラスティック（例えば、ＰＥＥＫ）などの樹脂により形成されている。研磨ヘッド本体２の下面には、半導体ウエハの裏面に当接する弾性膜（メンブレン）４が取り付けられている。弾性膜（メンブレン）４は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴム等の強度及び耐久性に優れたゴム材によって形成されている。弾性膜（メンブレン）４は、半導体ウエハ等の基板を保持する基板保持面を構成している。

弾性膜（メンブレン）４は同心状の複数の隔壁４ａを有し、これら隔壁４ａによって、メンブレン４の上面と研磨ヘッド本体２の下面との間に円形状のセンター室５、環状のリプル室６、環状のアウター室７、環状のエッジ室８が形成されている。すなわち、研磨ヘッド本体２の中心部にセンター室５が形成され、中心から外周方向に向かって、順次、同心状に、リプル室６、アウター室７、エッジ室８が形成されている。研磨ヘッド本体２内には、センター室５に連通する流路１１、リプル室６に連通する流路１２、アウター室７に連通する流路１３、エッジ室８に連通する流路１４がそれぞれ形成されている。

センター室５に連通する流路１１、アウター室７に連通する流路１３、エッジ室８に連通する流路１４は、ロータリージョイント２５を介して流路２１、２３、２４にそれぞれ接続されている。流路２１、２３、２４は、それぞれバルブＶ１−１、Ｖ３−１、Ｖ４−１及び圧力レギュレータＲ１、Ｒ３、Ｒ４を介して圧力調整部３０に接続されている。また、流路２１、２３、２４は、それぞれバルブＶ１−２、Ｖ３−２、Ｖ４−２を介して真空源３１に接続されるとともに、バルブＶ１−３、Ｖ３−３、Ｖ４−３を介して大気に連通可能になっている。

一方、リプル室６に連通する流路１２は、ロータリージョイント２５を介して流路２２に接続されている。そして、流路２２は、気水分離槽３５、バルブＶ２−１及び圧力レギュレータＲ２を介して圧力調整部３０に接続されている。また、流路２２は、気水分離槽３５及びバルブＶ２−２を介して真空源１３１に接続されるとともに、バルブＶ２−３を介して大気に連通可能になっている。

また、リテーナリング３の直上にも弾性膜（メンブレン）３２によってリテーナリング圧力室９が形成されている。弾性膜（メンブレン）３２は、研磨ヘッド１のフランジ部に固定されたシリンダ３３内に収容されている。リテーナリング圧力室９は、研磨ヘッド本体（キャリア）２内に形成された流路１５及びロータリージョイント２５を介して流路２６に接続されている。流路２６は、バルブＶ５−１及び圧力レギュレータＲ５を介して圧力調整部３０に接続されている。また、流路２６は、バルブＶ５−２を介して真空源３１に接続されるとともに、バルブＶ５−３を介して大気に連通可能になっている。

圧力レギュレータＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５は、それぞれ圧力調整部３０からセンター室５、リプル室６、アウター室７、エッジ室８、リテーナリング圧力室９に供給する圧力流体の圧力を調整する圧力調整機能を有している。圧力レギュレータＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５及び各バルブＶ１−１〜Ｖ１−３、Ｖ２−１〜Ｖ２−３、Ｖ３−１〜Ｖ３−３、Ｖ４−１〜Ｖ４−３、Ｖ５−１〜Ｖ５−３は、制御部５００（図１参照）に接続されていて、それらの作動が制御されるようになっている。また、流路２１、２２、２３、２４、２６にはそれぞれ圧力センサＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５及び流量センサＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５が設置されている。

センター室５、リプル室６、アウター室７、エッジ室８、リテーナリング圧力室９に供給する流体の圧力は、圧力調整部３０及び圧力レギュレータＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５によってそれぞれ独立に調整される。このような構造により、基板Ｗを研磨パッド１０１に押圧する押圧力を半導体ウエハの領域毎に調整でき、かつリテーナリング３が研磨パッド１０１を押圧する押圧力を調整できる。

次に、図１および図２に示すように構成された研磨装置による一連の研磨処理工程について説明する。研磨ヘッド１はプッシャ１５０（図３等参照）から基板Ｗを受け取り真空吸着により保持する。弾性膜（メンブレン）４には基板Ｗを真空吸着するための複数の孔（図示せず）が設けられており、これらの孔は真空源に連通されている。基板Ｗを真空吸着により保持した研磨ヘッド１は、予め設定したトップリングの研磨時設定位置まで下降する。

この研磨時設定位置では、リテーナリング３は研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａに接地しているが、研磨前は、研磨ヘッド１で基板Ｗを吸着保持しているので、基板Ｗの下面（被研磨面）と研磨パッド１０１の表面（研磨面）１０１ａとの間には、わずかな間隙（例えば、約１ｍｍ）がある。このとき、研磨テーブル１００および研磨ヘッド１は、ともに回転駆動されている。この状態で、各圧力室に圧力流体を供給して基板の裏面側にある弾性膜（メンブレン）４を膨らませ、基板Ｗの下面（被研磨面）を研磨パッド１０１の表面（研磨面）に当接させ、研磨テーブル１００と研磨ヘッド１とを相対運動させることにより、基板Ｗの研磨を開始する。

そして、制御部５００の制御によって、各圧力室５、６、７、８、９に供給する流体の圧力を調整することにより、基板Ｗを研磨パッド１０１に押圧する押圧力を基板の領域毎に調整し、かつリテーナリング３が研磨パッド１０１を押圧する押圧力を調整し、基板の表面が所定の状態（例えば、所定の膜厚）になるまで研磨する。研磨パッド１０１上でのウエハ処理工程の終了後、基板Ｗを研磨ヘッド１に吸着し、研磨ヘッド１を上昇させ、プッシャ１５０（図３等参照）へ移動させて、基板Ｗの離脱を行う。

図３は、研磨ヘッド１とプッシャ１５０とを模式的に示す平面図であり、図４は、図３のＡ−Ａ断面図であり、図５は、図３のＢ−Ｂ断面図である。図４及び図５では基板Ｗは図示を省略しているが、図４は、研磨ヘッド１とプッシャ１５０との間で基板Ｗを受け渡すために、プッシャ１５０を上昇させた状態を示しており、図５は、プッシャ１５０を下降させた状態を示している。プッシャ１５０は、基板Ｗを研磨ヘッド１にロードするとともに、基板Ｗを研磨ヘッド１からアンロードするのに用いられる。なお、基板Ｗを研磨ヘッド１にロードするプッシャと基板Ｗを研磨ヘッド１からアンロードするプッシャとが別々のプッシャとして構成されていてもよい。

図３及び図４に示すように、プッシャ１５０は、研磨ヘッド１との間で芯出しを行うために研磨ヘッド１の外周面と嵌合可能な支持部１５２を有する研磨ヘッドガイド１５１と、研磨ヘッド１とプッシャ１５０との間で基板を受け渡しする際に基板を支持するためのプッシャステージ１５３と、プッシャステージ１５３を上下動させるためのエアシリンダ（図示せず）と、プッシャステージ１５３と研磨ヘッドガイド１５１とを上下動させるためのエアシリンダ（図示せず）とを備えている。

研磨ヘッド１とプッシャ１５０との間で基板Ｗを受け渡す際には、研磨ヘッド１がプッシャ１５０の上方へ移動した後、プッシャ１５０のプッシャステージ１５３と研磨ヘッドガイド１５１が上昇し、研磨ヘッドガイド１５１の支持部１５２がリテーナリング３の外周面と嵌合して研磨ヘッド１とプッシャ１５０との芯出しを行う。このとき、支持部１５２は、リテーナリング３の底面を押し上げるが、これと同時にリテーナリング加圧室９を真空にすることにより、リテーナリング３の上昇を速やかに行うようにしている。

プッシャ１５０の上昇完了時、リテーナリング３の底面は、支持部１５２の上面に押圧されてメンブレン４の下面よりも上方に押し上げられているので、基板Ｗとメンブレン４との間が露出された状態となっている。図４に示す例においては、リテーナリング３の底面はメンブレン４の下面よりも１ｍｍ上方に位置している。その後、研磨ヘッド１による基板Ｗの真空吸着を止め、基板リリース動作を行う。なお、プッシャ１５０が上昇する代わりに研磨ヘッド１が下降することによって所望の位置関係に移動してもよい。

上記の研磨において、基板Ｗのエッジ近傍の研磨パッド１０１のリバウンド状態を厳密にコントロールするには、リテーナリング圧力室９によってリテーナリング３にかける圧力（以下、「リテーナリング圧力」といい、「ＲＲＰ」とも表記する。）とリテーナリング３の表面の三次元形状の両方を管理する必要がある。そこで、本実施の形態の研磨装置は、リテーナリング３の表面の三次元形状を測定するための構成として、図３〜５に示すように、プッシャ１５０には、測定手段としての測定用センサ５１と、温度検知手段としての温度センサ５２と、測定用センサ５１のクリーニング手段としてのエアノズル４１と、リテーナリング３のクリーニング手段と冷却手段とを兼ねた温調エアノズル４２とを備えている。

測定用センサ５１は、リテーナリング３の表面形状、具体的には底面の形状を測定する。図３に示すように、研磨ヘッドガイド１５１の支持部１５２は、周方向に切欠きを有しており、これによって、支持部１５２は４分割されている。測定用センサ５１は、支持部１５２との干渉を避けるように、この切欠きの位置に配置されており、リテーナリング３の底面の形状を下方から測定する。測定用センサ５１は、非接触式の測距センサであり、測定用センサ５１からリテーナリング３の底面までの距離を測定する。

測定用センサ５１は、測定位置をリテーナリング３の径方向に移動させることで、リテーナリング３の径全体を測定する。このために、測定用センサ５１は、測定位置がリテーナリング３の底面の内側エッジから外側エッジまで径方向に移動するように、図示しない駆動機構によってリテーナリング３の径方向に移動可能である。測定用センサ５１によって、測定用センサ５１からリテーナリング３の表面の複数の点までの距離を測定することで、リテーナリング３の表面の三次元形状が得られる。測定用センサ５１は、具体的には光（レーザ）センサであるが、非接触式の測距センサとしては、光センサのほか、渦電流センサ、超音波センサ等を採用してもよい。また、測定用センサ５１は、ダイヤルゲージ等の接触式のセンサであってもよい。

エアノズル４１は、測定用センサ５１の表面に付着した付着物（スラリ、水滴、水膜等）を除去するために、測定用センサ５１に対して加圧エアを吹きかける（噴射する）。具体的には、エアノズル４１は、測定用センサ５１が上記のようにリテーナリング３の径方向に移動する前の初期位置にあるときに、その測定用センサ５１のエネルギー送出口に向けて加圧エアを吹きかけることで、風圧によってエネルギー送出口から付着物を除去する。ここで、エネルギー送出口とは、測定用センサ５１が光（レーザ）センサであるときは、レーザの出射口である。

測定用センサ５１で測定されたリテーナリング３の底面の三次元形状の情報は、制御部５００に送られる。制御部５００は、測定用センサ５１から送られてきた測定結果を基に、以降の基板Ｗに対するＲＲＰを決定し、基板Ｗの研磨を行う。即ち、制御部５００は、測定されたリテーナリング３の底面の三次元形状の情報を所定のアルゴリズムによってＲＲＰ設定値に変換し、その後の基板Ｗの研磨にはそのようにして得られたＲＲＰ設定値に従ってＲＲＰを制御する。制御部５００は、例えば、リテーナリング３の底面が外周側より内周側が突き出た形状をしている場合には、ＲＲＰが効き易い傾向があるので、ＲＲＰを低めに設定し、逆に内周側よりも外周側の方が突き出た形状の場合にはＲＲＰが効き難い傾向にあるため、ＲＲＰを高めに設定する等の制御を行う。

温度センサ５２は、図５に示すように、プッシャ１５０が下降したときに用いられ、リテーナリング３の測定される表面である底面の温度を検出する非接触式のセンサである。温調エアノズル４２も、図５に示すようにプッシャ１５０が下降したときに用いられ、リテーナリング３の測定される表面である底面に付着した付着物（スラリ、水滴、水膜等）を除去するために、リテーナリング３の底面に対して加圧エアを吹きかける（噴射する）。このように、付着物を除去する温調エアノズル４２の機能は、クリーニング手段に相当する。このエアの噴射によって、リテーナリング３の底面は冷却される。リテーナリングを冷却する温調エアノズル４２の機能は、冷却手段に相当する。

温度センサ５２で測定されたリテーナリング３の底面の温度の情報は、制御部５００に送られる。制御部５００は、温度センサ５２から送られてきた測定結果を基に、温調エアノズル４２によるエアの噴射時間を制御する。制御部５００は、具体的には、フィードバック制御によって、温度センサ５２にて測定されるリテーナリング３の底面の温度が所定の温度以下に低下するまで温調エアノズル４２によるエアの噴射を継続し、リテーナリング３の底面の温度が所定の温度以下になると温調エアノズル４２によるエアの噴射を停止する。

このようにリテーナリング３を所定の温度に保つのは、リテーナリング３には通常樹脂が使用されるところ、樹脂は線膨張係数が大きいため、リテーナリング３の形状が温度の影響を受けやすいからである。このような温度の影響による表面形状の変化を低減ないしなくすために、表面形状を測定する際の温度が一定ないしは所定の温度以下となるように、上記のように温調エアノズル４２によってエアを吹きかけている。

以上のように、本実施の形態の研磨装置によれば、リテーナリング３の初期（出荷時）の底面の三次元形状がどのような形状であっても、また、様々な研磨条件で研磨を行うことにより底面の三次元形状が様々に変化しても、基板Ｗのエッジ部につき、一定の研磨プロファイルを得ることができる。

図６は、測定手段の変形例を示した断面図であり、図４に対応している。図６に示すように、本変形例では、３つの測定用センサ５２ａ〜５２ｃがリテーナリング３の径方向に並んでいる。各測定用センサ５２ａ〜５２ｃの構成は、測定用センサ５１と同じである。各測定用センサ５２ａ〜５２ｃの位置は固定されている。本変形例によれば、測定用センサ５２ａ〜５２ｃを移動させる必要がなく、よってそのための駆動機構も不要である。各測定用センサ５２ａ〜５２ｃを動かさなくても３点の測距の結果を比較することで、リテーナリング３の底面の形状を知ることができる。その他の構成は上記の実施の形態と同じである。

各測定用センサ５２ａ〜５２ｃが、リテーナリング３の径方向に移動可能であってよい。３つの測定用センサ５２ａ〜５２ｃがそれぞれ径方向に移動可能であると、リテーナリング３の底面の三次元形状の測定を高速化できる。このように、本変形例によれば、リテーナリング３の径方向に複数の測定用センサ５２ａ〜５２ｃを設けたので、リテーナリング３の底面の三次元形状を求めるために各測定用センサをリテーナリング３の測定用センサを駆動させるための駆動機構を省略できる。

図７は、測定手段の変形例を示した断面図であり、図４に対応している。図７に示すように、本変形例では、測定用センサ５３として、直線状に並んだ複数の点までの距離を同時に測定するラインセンサを採用している。このラインセンサは、二次元状に配置された複数の点までの距離を同時に測定するエリアセンサであってもよい。測定用センサ５３が測定する範囲は、リテーナリング３の底面の内側エッジから外側エッジまで亘っている。

本変形例によれば、測定用センサ５３を移動させる必要がなく、よってそのための駆動機構も不要であり、測定用センサ５３の位置は固定されている。測定用センサ５３を動かさなくても直線状又は二次元状に配置された複数の点についての測距の結果に基づいて、リテーナリング３の底面の形状を知ることができる。その他の構成は上記の実施の形態と同じである。本変形例によれば、リテーナリング３の径方向に測定範囲を有する測定用センサ５３を設けたので、リテーナリング３の底面の三次元形状を求めるために一つの測定用センサを径方向に移動させる必要がなく、複数の測定用センサを設けるも必要がない。

図８は、測定手段の変形例を示した断面図であり、図４に対応している。図８に占め正に、本変形例では、測定用センサ５４は、リテーナリング３の内周面の三次元形状を測定する。このために、測定用センサ５４は、プッシャ１５０の中に配置されており、測定視野は外向きかつ斜め上向きに設定される。

上述のように、プッシャ１５０の上昇が完了して基板Ｗがメンブレン４とプッシャステージ１５３との間で受け渡される際には、リテーナリング圧力室９が真空とされて、基板Ｗとメンブレ４がリテーナリング３の底面よりも下方に露出された状態となるが、このような基板Ｗの受け渡しの後に、図８に示すようにしてリテーナリング３の内周面の形状を測定するために、リテーナリング３が研磨ヘッドガイド１５１の支持部１５２に支持された状態でリテーナリング圧力室９が加圧される。これによって、メンブレン４が上方に持ち上げられて、リテーナリング３の内周面が測定用センサ５４に対して露出する。

測定用センサ５４は、リテーナリング３の内周面の中段位置から下端までを測定するラインセンサである。測定用センサ５４は、リテーナリング３の周方向にも広がった測定範囲を有するエリアセンサであってもよい。測定センサ５４による測定結果は、制御部５００に送られる。なお、測定用センサ５４は、上記の測定用センサ５１、５２ａ〜５２ｃ、５３とともに用いられてもよい。

リテーナリング３の内周面の形状を測定する意義について説明する。リテーナリング３の内周面は、研磨条件によっては基板Ｗのエッジ部との接触によって溝が形成される。研磨中に基板Ｗのエッジがこの溝に嵌ることよって、ＲＲＰの一部が基板Ｗのエッジにかかり、基板Ｗのエッジ部が過研磨されることがある。本変形例では、測定用センサ５４によってこのような基板Ｗのエッジ部の過研磨の原因となる溝がリテーナリング３の内周面で測定された場合には、制御部５００は、ＲＲＰを低めに設定するなど研磨条件を変更する。また、この溝の深さが一定値を超えたときには、研磨条件を変更しても基板の研磨形状が復帰しないだけでなく、研磨中に基板がスリップアウトする可能性がある為、制御部５００は、警報やインターロックを発報してリテーナリング３の交換を促す。

図９は、リテーナリング３の内周面を測定する測定手段の他の変形例を示した断面図である。図８の例では、測定用センサ５４の位置は固定されており、下方からリテーナリング３の内周面の形状を測定したが、本変形例では、測定用センサ５５は、昇降リフト５５１の先端に取り付けられており、昇降リフト５５１が上下動することによって、上述のようにして露出したリテーナリング３の内周面の形状を測定する。

基板Ｗの受け渡しの際には、昇降リフト５５１が下降することで、測定用センサ５５が少なくともプレッシャステージ１５３より低い位置まで下がることで、メンブレン４とプレッシャステージ１５３との間での基板Ｗの受け渡しに干渉しないようにされている。その他の構成は図８の例と同様である。

次に、上記で説明した測定用センサ５１、５２ａ〜５２ｃ、５３、５４、５５の自動校正について説明する。図１０は、プッシャ１５０に設置された基準リングを示す平面図であり、図１１は、図１０のＣ−Ｃ断面図である。測定用センサは、ある周期で校正用リングとしての基準リング６０によって自動校正される。図１０及び図１１の例では、測定用センサ５１が採用されている形態を示している。

基準リング６０は、研磨ヘッド１の旋回経路を避けるよう固定され、研磨ヘッド１がプッシャ１５０以外の位置、例えば研磨パッド１０１上にあるときなどに、研磨ヘッドガイド１５１の支持部１５２まで移動できるような構造になっている。基準リング６０は、リング形状をしており、リテーナリング３と同様に、そのエッジ部が研磨ヘッドガイド１５１の４つの支持部１５２に保持される。基準リング６０の少なくとも測定される表面の平面度は５μｍ以下であることが望ましい。

基準リング６０を測定した結果は、制御部５００に送られる。制御部５００は、基準リング６０を測定した結果を基準値として、それ以降の測定用センサ５１の測定結果を校正する。これによって、測定用センサ５１の使用による経時変化があっても、これを補正して、リテーナリング３の表面形状について精度の高い測定を行うことができる。

以上のように、本実施の形態及びその変形例によれば、基板Ｗを研磨パッド１０１に押し付けるとともに、研磨パッド１０１に押し付けられた基板Ｗをリテーナリング３で囲うとともに、測定用センサ５１等でリテーナリングの表面形状を測定し、制御部５００が測定されたリテーナリング３の表面形状に基づいて基板Ｗの研磨条件を決定するので、リテーナリング３の表面形状に基づいて制御部５００にて最適な研磨条件を計算して、以降の基板の研磨を行うことができる。よって、リテーナリング３の表面形状のばらつきや経時変化によって基板Ｗの研磨に与える影響を低減できる。

なお、上記の実施の形態及びその変形例では、リテーナリング３の径方向の複数の点について、測定用センサからの距離を測定したが、駆動するセンサ、複数のセンサ、又は複数の点を同時に計測するセンサによって、円周方向の複数の点の測定をしてもよい。このように周方向の複数の点を測定することで、それらを統計的に扱って（例えば平均化して）、それぞれの径における表面形状（測定用センサからの距離）の測定値とすることができ、これによって、円周方向の測定値のばらつきを平準化できる。

また、円周方向に配置された少なくとも３つのセンサで、リテーナリング３の底面の３箇所以上の測距を行うことによって、センサに対するリテーナリング３の傾きを測定してもよい。制御部５００は、この測定に基づいて、リテーナリング３の底面の距離の分布を補正することができる。

また、リテーナリング３の底面には、研磨の際に供給されるスラリ等を通過させるための溝が形成されることがある。この溝は、リテーナリング３の底面の内側エッジから外側エッジまで形成されている。測定用センサがこの溝のない箇所の表面形状を測定できるように、制御部５００がリテーナリング３の回転位相を制御してもよい。さらに、測定用センサによって積極的にこの溝のある個所の表面形状を測定する場合には、制御部５００は、測定用センサの測定範囲に溝が来るようにリテーナリング３の回転位相を制御してもよい。

また、上記のようにリテーナリング３の周方向に複数の測定用センサを設ける代わりに、制御部５００がリテーナリング３を回転させるとともに回転位相を変化させながら複数回の測定を行ってよい。

また、上記の実施の形態及びその変形例では、リテーナリング３の底面の径全体の測定をしたが、底面の径方向の一部のみを測定範囲として測定してもよい。測定範囲は、例えば、リテーナリング３の内周側部分のみを測定してもよい。この場合に、測定範囲の径方向の幅は、リテーナリング３の底面の径方向の幅の半分以上であってよい。
円周方向のばらつきも考慮し円周方向に少なくとも二箇所以上測定する。

本発明は、保護リングの表面形状を測定してそれに基づいて基板の研磨条件を決定するので、保護リングの表面形状のばらつきや経時変化による影響を低減できるという効果を有し、保持リングを備えた基板保持部材で基板を研磨パッドに押し付けて基板を研磨する研磨装置等として有用である。

１ 研磨ヘッド（基板保持装置）
２ 研磨ヘッド本体
３ リテーナリング
４ 弾性膜（メンブレン）
４ａ 隔壁
５ センター室
６ リプル室
７ アウター室
８ エッジ室
９ リテーナリング圧力室
１１、１２、１３、１４、１５ 流路
２１、２２、２３、２４、２６ 流路
２５ ロータリージョイント
３１ 真空源
３２ 弾性膜（メンブレン）
３３ シリンダ
３５ 気水分離槽
Ｖ１−１〜Ｖ１−３、Ｖ２−１〜Ｖ２−３、Ｖ３−１〜Ｖ３−３、Ｖ４−１〜Ｖ４−３、Ｖ５−１〜Ｖ５−３ バルブ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５ 圧力レギュレータ
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５ 圧力センサ
Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５ 流量センサ
４１ エアノズル
４２ 温調エアノズル
５１、５２ａ〜５２ｃ、５３、５４、５５ 測定用センサ
５２ 温度センサ
５５１ 昇降リフト
６０ 基準リング
１００ 研磨テーブル
１０１ 研磨パッド
１０１ａ 研磨面
１０２ 孔
１１０ トップリングヘッド
１１１ トップリングシャフト
１１２ 回転筒
１１３ タイミングプーリ
１１４ トップリング用回転モータ
１１５ タイミングベルト
１１６ タイミングプーリ
１１７ トップリングヘッドシャフト
１２４ 上下動機構
１２６ 軸受
１２８ ブリッジ
１２９ 支持台
１３０ 支柱
１３１ 真空源
１３２ ボールねじ
１３２ａ ねじ軸
１３２ｂ ナット
１３８ ＡＣサーボモータ
５００ 制御部

Claims (22)

1. 基板を研磨パッドに押し付けるとともに、前記研磨パッドに押し付けられた前記基板を囲う保持リングを有する基板保持部材と、
   前記保持リングの表面形状を測定する測定手段と、
   前記測定手段によって測定された前記保持リングの表面形状に基づいて、前記基板の研磨条件を決定する制御部と、
   を備える研磨装置。
2. 前記基板を前記基板保持部材にロードし、及び／又は前記基板を前記基板保持部材からアンロードするための基板受渡手段をさらに備え、
   前記測定手段は、前記基板保持部材と前記基板受渡手段との間で前記基板を受け渡す際に、前記保持リングの表面形状を測定することを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
3. 前記測定手段は、前記保持リングの底面の形状を測定することを特徴とする請求項１又は２に記載の研磨装置。
4. 前記測定手段は、前記保持リングの底面の径全体を測定することを特徴とする請求項３に記載の研磨装置。
5. 前記測定手段は、前記保持リングの底面の径方向の内周側半分以上の部分の形状を測定することを特徴とする請求項３に記載の研磨装置。
6. 前記測定手段は、前記保持リングの内周面の形状を測定することを特徴とする請求項１又は２のいずれか一項に記載の研磨装置。
7. 前記測定手段は、超音波センサ、渦電流センサ、光センサ、又は接触式センサのうちのいずれかである請求項１ないし６のいずれか一項に記載の研磨装置。
8. 前記基板受渡手段は、前記保持リングの底面の一部を支持する支持部を有し、
   前記測定手段は、前記支持部に底面の一部を支持されている前記保持リングの表面形状を測定することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載の研磨装置。
9. 前記支持部は、切欠き部を有し、
   前記測定手段は、前記切欠き部に配置されて前記保持リングの底面形状を測定することを特徴とする請求項８に記載の研磨装置。
10. 前記測定手段は前記保持リングの底面の径方向の形状を測定することを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一項に記載の研磨装置。
11. 前記測定手段は、前記保持リングの径方向に移動しながら測定を行うことで、前記保持リングの径方向の形状を測定することを特徴とする請求項１０に記載の研磨装置。
12. 前記測定手段は、前記保持リングの径方向に延びるラインセンサ又はエリアセンサであることを特徴とする請求項１０に記載の研磨装置。
13. 複数の前記測定手段が、前記保持リングの径方向に並んで設置されることを特徴とする請求項１０に記載の研磨装置。
14. 複数の前記測定手段が、前記保持リングの周方向に並んで配置されることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の研磨装置。
15. 前記制御部は、前記測定手段の測定結果に基づいて前記保持リングの傾きを補正することを特徴とする請求項１４に記載の研磨装置。
16. 前記保持リングの測定される表面への付着物を除去するクリーニング手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか一項に記載の研磨装置。
17. 前記測定手段への付着物を除去するクリーニング手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし１６のいずれか一項に記載の研磨装置。
18. 前記保持リングの測定される表面の温度を検知する温度検知手段と、
    前記温度検知手段が検知した温度に基づいて、前記保持リングの測定される表面の温度を一定にするために、前記保持リングを冷却する冷却手段と、
    をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし１７のいずれか一項に記載の研磨装置。
19. 校正用リングをさらに備え、
    前記制御部は、前記測定手段が前記校正用リングの表面形状を測定した結果に基づいて、前記保持リングの表面形状の測定結果を校正することを特徴とする請求項１ないし１８のいずれか一項に記載の研磨装置。
20. 前記校正用リングの測定される表面の平面度が５μｍ以下であることを特徴とする請求項１９に記載の研磨装置。
21. 前記基板保持部材は、回転可能であり、
    前記制御部は、前記保持リングの表面形状の測定の際に、前記基板保持部材の回転位相を制御することで、前記測定手段と前記保持リングとを所定の位置関係にすることを特徴とする請求項１ないし２０のいずれか一項に記載の研磨装置。
22. 基板を保持リングで囲って研磨パッドに押し付けた状態で、前記基板と前記研磨パッドとを相対的に移動させることで、前記基板を研磨する研磨ステップと、
    前記保持リングの表面形状を測定する測定ステップと、
    前記測定ステップで測定された前記保持リングの表面形状に基づいて、前記研磨ステップにおける研磨条件を決定する制御ステップと、
    を含み、
    前記研磨ステップは、前記制御ステップにて決定された前記研磨条件に従って前記基板を研磨することを特徴とする研磨方法。

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