JP2000225559A - 基板把持装置及び研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板の背圧や研磨境界面の温度の制御を、比
較的簡単な構成でより厳密に行うことができるような基
板把持装置を提供する。 【解決手段】 基板Ｗの把持面を有する把持板１２を備
え、該基板把持面に弾性マット１８を介して基板を保持
し、該基板の被研磨面を研磨テーブルの研磨面に押し付
ける基板把持装置において、該把持板の前記基板把持面
には流体流通溝が設けられ、前記把持板には前記流体流
通溝に連通する流体流路が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板把持装置に関
し、特に半導体ウエハなどの基板の表面を平坦かつ鏡面
に研磨するポリッシング装置に用いて好適な基板把持装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスの高集積化が進む
につれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭く
なりつつある。特に線幅が０．５μｍ以下の光リソグラ
フィの場合、許容される焦点深度が浅くなるためステッ
パーの結像面の平坦度を必要とする。そこで、半導体ウ
エハの表面を平坦化することが必要となるが、この平坦
化法の１手段としてポリッシング装置により研磨するこ
とが行われている。

【０００３】従来、この種のポリッシング装置は、上面
に研磨布を貼付して研磨面を構成するターンテーブル
と、基板の被研磨面をターンテーブルに向けて基板を保
持するトップリングとを有し、これらをそれぞれ自転さ
せながらトップリングにより基板を一定の圧力でターン
テーブルに押しつけ、砥液を供給しつつ基板の被研磨面
を平坦且つ鏡面に研磨している。

【０００４】図９は、従来のポリッシング装置の一例の
主要部を示す図である。ポリッシング装置は、上面に研
磨布１００を貼った回転するターンテーブル１０２と、
回転および押圧可能にポリッシング対象物である半導体
ウエハ（基板）Ｗを保持するトップリング１０４と、研
磨布１００に砥液Ｑを供給する砥液供給ノズル１０６を
備えている。トップリング１０４はトップリングシャフ
ト１０８に連結され、このトップリングシャフト１０８
は図示しないトップリングヘッドにエアシリンダを介し
て上下動可能に支持されている。

【０００５】トップリング１０４はその下面にポリウレ
タン等の弾性マット１１０を備えており、この弾性マッ
ト１１０に接触させて半導体ウエハＷを保持するように
なっている。さらにトップリング１０４は、研磨中に半
導体ウエハＷがトップリング１０４の下面から外れない
ようにするため、円筒状のガイドリング１１２を外周縁
部に備えている。ガイドリング１１２はトップリング１
０４に対して固定され、その下端面はトップリング１０
４の把持面から突出しており、その内側に凹所を形成し
ている。これにより、ポリッシング対象物である半導体
ウエハＷが凹所内に保持され、研磨中にトップリング１
０４外へ飛び出さないようになっている。

【０００６】このような構成の研磨装置において、半導
体ウエハＷをトップリング１０４の下面の弾性マット１
１０の下部に保持し、ターンテーブル１０２上の研磨布
１００に半導体ウエハＷをトップリング１０４によって
押圧するとともに、ターンテーブル１０２およびトップ
リング１０４を回転させて研磨布１００と半導体ウエハ
Ｗを相対運動させて研磨する。このとき、砥液供給ノズ
ル１０６から研磨布１００上に砥液Ｑを供給する。砥液
は、例えばアルカリ溶液に微粒子からなる砥粒を懸濁し
たものを用い、アルカリによる化学的研磨作用と、砥粒
による機械的研磨作用との複合作用によって半導体ウエ
ハＷを研磨する。

【０００７】上述したポリッシング装置により半導体ウ
エハＷの全面に渡ってこれを高い精度で平坦化するため
には、研磨量に影響する種々の複雑な要因を制御する必
要が有る。これらの要因としては、半導体ウエハＷとタ
ーンテーブル１０２の相対的な摺動速度、半導体ウエハ
Ｗと研磨布１００の間の面（研磨境界面）における砥液
の供給量（分布量）、トップリング１０４から半導体ウ
エハＷに作用する研磨布１００に向けた押圧力、研磨境
界面における温度等が挙げられる。

【０００８】押圧力を制御するために、例えば、図１０
に示すように、トップリング１０４の把持板１１４と被
覆板１１６の間に背圧空間Ｓ１，Ｓ２を形成し、把持板
１１４及び弾性マット１１０にこれを挿通して半導体ウ
エハＷ裏面と背圧空間Ｓ１，Ｓ２を連通する貫通孔１１
８，１２０を設ける構成が考えられる。これにより、半
導体ウエハＷに対して弾性マット１１０の裏面側から正
負の流体圧を作用させて押圧力を半導体ウエハＷの全面
に渡りあるいは局部的に制御することができる。

【０００９】一方、研磨境界面の温度は、特に酸やアル
カリの研磨液を用いていわゆる化学機械研磨を行なう場
合に、研磨速度に大きく影響するだけでなく、トップリ
ング１０４が昇温して変形すると、押圧力にも影響す
る。従って、研磨境界面の温度を制御することは、研磨
の平坦度に関して二重に意味を持つことになる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１０
に示すような背圧空間Ｓ１，Ｓ２を形成する方法では、
半導体ウエハＷの全面に渡って背圧を作用させるために
トップリング１０４の構成が複雑になってしまうという
課題がある。すなわち、トップリング１０４において
は、半導体ウエハＷと研磨布１００の間の摩擦による傾
動への追随性を高めるために、トップリングシャフト１
０８からの押圧力をトップリング１０４に伝達する球面
継手１２２を低い位置にしており、このため、被覆板１
１６には下面側に凸部を形成して把持板１１４の凹部に
嵌合させている。このため、半導体ウエハＷ縁部に対応
する位置に背圧を作用させるために、異なる段差面に背
圧空間Ｓ１，Ｓ２を形成しなくてはならないので、シー
ルや流体圧を作用させるカップリングの構成が複雑にな
っていた。

【００１１】また、研磨境界面の温度制御に関しては、
研磨に伴って摩擦熱が発生し、これの一部は砥液により
運ばれ、他は、トップリング１０４と研磨テーブル１０
２に伝達され、これらの冷却機構によって除去される。
しかしながら、境界面における砥液量の制御は難しく、
また、トップリング１０４や研磨テーブル１０２の冷却
機構はいずれも機械の内部に設けているので、半導体ウ
エハＷと研磨布１００の間の境界面の温度を直接的に制
御するのは困難であった。

【００１２】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたもので、基板の背圧や研磨境界面の温度の制
御を、比較的簡単な構成でより厳密に行うことができる
ような基板把持装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、基板の把持面を有する把持板を備え、該基板把持面
に弾性マットを介して基板を保持し、該基板の被研磨面
を研磨テーブルの研磨面に押し付ける基板把持装置にお
いて、該把持板の前記基板把持面には流体流通溝が設け
られ、前記把持板には前記流体流通溝に連通する流体流
路が形成されていることを特徴とする基板把持装置であ
る。

【００１４】これにより、流体流路を複雑な構成とする
ことなく、また、把持板の裏面側に流体用の空間を特に
形成することなく、基板の裏面側の全面に渡って必要な
流体を流通させ、あるいは流体圧力を作用させることが
できる。溝の形状、寸法、数等は状況に適合するように
適宜に設計することができる。また、複数系統の流体流
通溝及びこれに連通する流体流路を形成して、異なる作
用を同時に行うようにしてもよい。

【００１５】請求項２に記載の発明は、前記流体流通溝
は基板の裏面側に背圧を付与する背圧付与溝であること
を特徴とする請求項１に記載の基板把持装置である。こ
れにより、基板の裏面側の背圧を制御して研磨状況に応
じた押圧力を付与でき、また、溝の形状を工夫すること
により、部分的に背圧制御を行なうこともできる。

【００１６】請求項３に記載の発明は、前記流体流通溝
は基板の裏面側に温度調整用流体を供給する背圧を付与
する背圧付与溝であることを特徴とする請求項１に記載
の基板把持装置である。これにより、研磨速度に影響す
る研磨境界面の温度をより近い箇所から温度調整するこ
とができ、温度調整を効率よくかつ応答性良く行なうこ
とができる。

【００１７】請求項４に記載の発明は、前記流体流通溝
は基板の裏面側を経由して被研磨面に砥液を供給する砥
液流通溝であることを特徴とする請求項１に記載の基板
把持装置である。これにより、基板と研磨テーブルの間
の研磨境界面により近い箇所から砥液を供給することが
でき、砥液供給を効率良く行なうことができる。

【００１８】請求項５に記載の発明は、請求項１ないし
４に記載の基板把持装置と、研磨テーブルとを有する研
磨装置である。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図１及び図２は本発明の１
つの実施の形態を示す図であり、トップリング１０は、
把持板１２とこれの裏面を覆う被覆板１４と、ガイドリ
ング１６とから構成され、把持板１２とガイドリング１
６により形成される凹所に弾性マット１８を介して半導
体ウエハＷを保持するようになっている。被覆板１４は
ボール２０を有する自在継手部２２を介してトップリン
グシャフト２４に接続されており、このトップリングシ
ャフト２４はトップリングヘッド２６に固定されたトッ
プリング用エアシリンダ（図示略）に連結されて上下動
可能に、かつトップリング１０の下端面に保持された半
導体ウエハＷをターンテーブル１０２（図９参照）に押
圧可能になっている。

【００２０】トップリングシャフト２４内には、後述す
るように、半導体ウエハＷを真空吸着しあるいは背圧を
調整するための真空排気源及びウエハＷを離脱したり背
圧を調整するための圧縮空気源に接続される圧力調整管
３０や、トップリング１０の温度・歪みやトップリング
１０内の空間の圧力等を検出するセンサあるいはトップ
リング１０に設けた弁等を駆動するための信号やケーブ
ルを通すための空間が形成されている。なお、真空排気
源、圧縮空気源を任意に切り換えて所定の圧力の空気・
窒素等の気体を圧力調整管３０に供給することができ
る。

【００２１】また、トップリングシャフト２４はキー
（図示せず）を介して回転筒３２に連結されており、こ
の回転筒３２は、その外周部のタイミングプーリ３４、
タイミングベルト３６等を介してトップリングヘッド２
６に固定されたトップリング用モータ（図示略）に接続
されている。したがって、トップリング用モータを回転
駆動することによって回転筒３２及びトップリングシャ
フト２４が一体に回転し、トップリング１０が回転す
る。トップリングヘッド２６は、図示しないトップリン
グヘッドシャフトによって揺動可能に支持されている。

【００２２】トップリング１０の外周を囲むようにかつ
これとは個別に上下動可能に押圧リング３８が設けられ
ている。これはトップリングヘッド２６より垂下して設
けられた複数の押圧リング用エアシリンダ４０に連結さ
れている。これにより、押圧リング３８はトップリング
１０に対して上下動自在であるが回転は規制されてい
る。押圧リング３８は、円周方向に複数個（本実施の形
態では３個）が配設された押圧リング用エアシリンダ４
０を介してトップリングヘッド２６に上下動可能に取り
付けられている。

【００２３】トップリング用エアシリンダ及び押圧リン
グ用エアシリンダ４０は、それぞれレギュレータを介し
て圧縮空気源に接続され、トップリング用エアシリンダ
へ供給する空気圧を調整することによりトップリング１
０が半導体ウエハＷを研磨布１００に押圧する押圧力を
調整することができ、押圧リング用エアシリンダ４０へ
供給する空気圧を調整することにより押圧リング３８が
研磨布１００を押圧する押圧力を調整することができ
る。

【００２４】把持板１２の上面の中央には凹部４２が形
成されており、被覆板１４には凹部４２に沿うような形
状の突出部４４が下方に突出して形成され、両者はこれ
らを嵌合するように取り付けられている。被覆板１４
は、押え板４６を把持板１２にボルト固定することによ
り把持板１２に取り付けられている。把持板１２の凹部
４２と被覆板１４の突出部４４の間に背圧空間Ｓが形成
され、これは把持板１２及び押え板４６の内部に形成さ
れた流路４８を介して、押え板４６上部に設けられたカ
プラ５０に接続され、さらに、圧力調整管３０、レギュ
レータを介して真空排気源及び圧縮気体源に接続されて
いる。

【００２５】把持板１２の下面（基板保持面）には、図
２に示すように、十文字状に径方向に、及び同心円状に
周方向に延びる複数の背圧付与溝５２が形成されてい
る。そして、この背圧付与溝５２と背圧空間Ｓとを連通
する貫通孔（内部流路）５４が、図の例では５個形成さ
れている。基板保持面に装着される弾性マット１８に
は、背圧付与溝５２に沿って所定間隔で貫通孔５６が形
成されている。背圧付与溝５２は、この例では、径方向
溝５２ａ及び周方向溝５２ｂから構成されている。圧力
調整管３０は、図示しないロータリーカプラを介して、
制御装置によって制御されるレギュレータ、真空排気源
及び圧縮気体源に接続されている。なお、背圧付与溝５
２の形状は適宜に選択することができ、例えば、スパイ
ラル状でもよい。

【００２６】以下、このように構成された研磨装置の作
用を説明する。研磨は、ターンテーブル１０２を回転さ
せ、砥液供給ノズル１０６から研磨砥液Ｑを供給しつ
つ、トップリング１０によって把持した半導体ウエハＷ
をトップリング用エアシリンダによって所定圧力でター
ンテーブル１０２の研磨布１００面に押圧することによ
り行われる。制御装置は、あらかじめ設定された、ある
いは所定のセンサ等により得られたデータに基づいて算
出された圧力目標値となるようにレギュレータを制御
し、背圧空間Ｓを所定圧力に維持する。

【００２７】背圧空間Ｓの圧力は、把持板１２の貫通孔
５４及び背圧付与溝５２を介し、さらに弾性マットの貫
通孔５６を介して半導体ウエハＷの裏面に作用する。こ
こにおいて、背圧は背圧付与溝５２を介して半導体ウエ
ハＷの裏面側の全面に均等に伝達されるので、背圧が半
導体ウエハＷに局部的に作用して半導体ウエハＷを変形
させるような事態が防止され、平坦度の高い研磨を行な
うことができる。このように半導体ウエハＷの全面に渡
って背圧を作用させる場合でも、把持板１２や被覆板１
４に複雑な背圧空間Ｓを形成する必要が無く、簡単な構
成で均一な圧力分布を達成することができる。

【００２８】なお、この実施の形態では、把持板１２と
被覆板１４の間に背圧空間Ｓを形成したが、背圧付与溝
５２に背圧を直接に付与すれば良いので、半導体ウエハ
Ｗの裏面に平面的に広がる背圧空間Ｓを設ける必要は無
い。従って、背圧空間Ｓを形成するために把持板１２と
被覆板１４を別個に作製して重ね合わせる必要は無く、
両者を一体に構成して構造を簡略化することもできる。

【００２９】図３及び図４は本発明の第２の実施の形態
のトップリングを示すもので、把持板１２の溝を２系列
設け、これを別の目的に用いている例である。すなわ
ち、この例では、先の実施の形態と同様の背圧付与溝５
２が内側に形成され、最外側に半導体ウエハＷの温度を
調整するための温度制御流体を流すための温度調整流体
溝５８を形成している。温度調整流体溝５８は円形であ
り、中心を挟んで対向する一方に流入口６０が、他方に
流出口６２が開口している。これらの開口は、把持板１
２、被覆板１４、押え板４６の内部流路６４を経由し
て、それぞれ温度調整流体供給及び排出用カプラ６６に
接続されている。これらのカプラ６６は、トップリング
シャフト２４内部のチューブ６８、二重管継手７０及び
図示しないロータリーカプラを介してそれぞれ流体供給
源やドレンに接続されている。

【００３０】この実施の形態では、背圧の付与は半導体
ウエハＷの中央側のみを行い、半導体ウエハＷの縁部で
は裏面に温度制御した温度調整用流体を流通させる。流
体供給源において所定温度に温度調整された流体をカプ
ラ６６を介して温度調整流体溝５８に流入させ、弾性マ
ット１８を介して半導体ウエハＷに近い位置から半導体
ウエハＷの温度調整を行なうことができる。従って、研
磨境界面の温度調整をより効果的に、また制御応答性良
く行うことができる。

【００３１】図５は図４の実施の形態の変形例であり、
内側の背圧付与溝５２の代わりに、従来と同様の背圧空
間Ｓに連通する複数の貫通孔７２を形成したものであ
る。また、図６も図４の実施の形態の変形例であり、内
側と外側に背圧付与溝５２を形成し、その中間に温度調
整流体溝５８を形成している。この例では、内外の背圧
付与溝５２を径方向溝で連通させるために、温度調整流
体溝５８は一部が切り欠かれた円弧状溝としてある。

【００３２】図７及び図８は、第２の実施の形態のさら
に他の変形例を示すもので、ここでは、図４の温度調整
流体溝５８の代わりに砥液流通溝７４を設け、これに開
口する砥液供給孔７６から温度調整した砥液を供給する
ようにしている。砥液流通溝７４は、砥液供給孔７６と
反対側において砥液排出溝７８が径方向外側に延びてお
り、ガイドリング１６に向けて開口している。さらにガ
イドリング１６には砥液排出溝７８の開口位置に凹所８
０が形成されており、この凹所８０から砥液が研磨布１
００の面上に供給され、さらに半導体ウエハＷの下面に
供給されるようになっている。これにより、研磨境界面
の温度調整と同時に砥液の効率的な供給を行なうことが
できる。なお、温度調整と兼用することなく、砥液の供
給を行なうことができることは言うまでもない。また、
砥液排出溝７８やガイドリング１６の凹所８０の位置や
形状、寸法等は目的に合わせて適宜に形成すればよい。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の基板把持
装置によれば、基板を把持する把持面に背圧付与溝を形
成し、これの一部に圧力調整用の流路を開口させること
により、基板の裏面側の背圧制御を簡単な構成で達成す
ることができ、その結果、装置コストやメンテナンスコ
ストを低減させることができる。さらに、把持面に形成
した溝に温度調整用流体を流すことにより、基板と研磨
テーブルの間の研磨境界面をより近い位置から温度調整
し、効率的で応答性の高い温度制御を行うことができ
る。また、把持面に形成した溝から砥液を供給すること
により、砥液の損失を防止して砥液を節約しながら効率
的に研磨することができる。これらにより、結果として
研磨量の分布を改善して基板の全面を平坦かつ鏡面に研
磨し、半導体製造工程における質の高いポリッシングを
行うとともに、半導体ウエハの周縁部まで製品に供する
ことができるため、半導体ウエハの歩留りの向上に寄与
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１つの実施の形態のトップリングの断
面図である。

【図２】図１のトップリングの基板把持面を下から見た
図である。

【図３】本発明の他の実施の形態のトップリングの断面
図である。

【図４】図３のトップリングの基板把持面を下から見た
図である。

【図５】図４のトップリングの変形例の基板把持面を下
から見た図である。

【図６】図４のトップリングの他の変形例の基板把持面
を下から見た図である。

【図７】本発明のさらに他の実施の形態のトップリング
の断面図である。

【図８】図７のトップリングの基板把持面を下から見た
図である。

【図９】従来のポリッシング装置の構成を示す断面図で
ある。

【図１０】従来のトップリングの概略を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１０ トップリング １２，１１４ 把持板 １４，１１６ 被覆板 １６，１１２ ガイドリング １８，１１０ 弾性マット ２０ ボール ２２ 自在継手部 ２４，１０８ トップリングシャフト ２６ トップリングヘッド ３０ 圧力調整管 ３２ 回転筒 ３４ タイミングプーリ ３６ タイミングベルト ３８ 押圧リング ４０ 押圧リング用エアシリンダ ４２ 凹部 ４４ 突出部 ４６ 板 ４８ 流路 ５０，６６ カプラ ５２ 背圧付与溝 ５２ａ 径方向溝 ５２ｂ 周方向溝 ５４，５６，７２，１１８，１２０ 貫通孔 ５８ 温度調整流体溝 ６０ 流入口 ６２ 流出口 ６４ 内部流路 ６８ チューブ ７０ 二重管継手 ７４ 砥液流通溝 ７６ 砥液供給孔 ７８ 砥液排出溝 ８０ 凹所 １００ 研磨布 １０２ ターンテーブル １０４ トップリング １０６ 砥液供給ノズル １２２ 球面継手 Ｑ 砥液 Ｓ，Ｓ１，Ｓ２ 背圧空間 Ｗ 半導体ウエハ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の把持面を有する把持板を備え、該
   基板把持面に弾性マットを介して基板を保持し、該基板
   の被研磨面を研磨テーブルの研磨面に押し付ける基板把
   持装置において、 該把持板の前記基板把持面には流体流通溝が設けられ、 前記把持板には前記流体流通溝に連通する流体流路が形
   成されていることを特徴とする基板把持装置。
2. 【請求項２】 前記流体流通溝は基板の裏面側に背圧を
   付与する背圧付与溝であることを特徴とする請求項１に
   記載の基板把持装置。
3. 【請求項３】 前記流体流通溝は基板の裏面側に温度調
   整用流体を供給する背圧を付与する背圧付与溝であるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の基板把持装置。
4. 【請求項４】 前記流体流通溝は基板の裏面側を経由し
   て被研磨面に砥液を供給する砥液流通溝であることを特
   徴とする請求項１に記載の基板把持装置。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４に記載の基板把持装置
   と、研磨テーブルとを有することを特徴とする研磨装
   置。