JP2002096261A

JP2002096261A - 基板保持装置及び該基板保持装置を備えたポリッシング装置

Info

Publication number: JP2002096261A
Application number: JP2000280216A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Gunji; 芳宏軍司; Hozumi Yasuda; 穂積安田; Keisuke Namiki; 計介並木
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2000-09-14
Filing date: 2000-09-14
Publication date: 2002-04-02
Anticipated expiration: 2020-09-14
Also published as: JP3856634B2

Abstract

(57)【要約】【課題】研磨中においてリテーナリングの挙動の安定
性を得るとともにリテーナリングとポリッシング対象物
の周縁部（エッジ部）との距離を一定とし研磨の均一性
および安定性を得ることができるとともに、ポリッシン
グ対象物を搬送する際などにポリッシング対象物を変形
させることなく確実に保持する。【解決手段】半導体ウエハＷを保持するトップリング
本体２と、トップリング本体２に固定されるか又は一体
に設けられ半導体ウエハＷの外周縁を保持するリテーナ
リング３と、開口部４ａを有した弾性膜４で覆われ流体
が供給されるトップリング本体２内に設けられた流体室
８と、弾性膜４の開口部４ａに設けられるとともに連通
孔１４ｈを有した吸着部１４とを備え、流体室８内に加
圧流体を供給することにより半導体ウエハＷを研磨面に
押圧し、吸着部１４の連通孔１４ｈを真空源２５に連通
させることにより吸着部１４により半導体ウエハＷを吸
着する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ等の
基板を研磨して平坦化する際に基板を保持する基板保持
装置および該基板保持装置を具備したポリッシング装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスがますます微細化
され素子構造が複雑になり、またロジック系の多層配線
の層数が増えるに伴い、半導体デバイス表面はますます
凹凸が増え、段差が大きくなる傾向にある。半導体デバ
イスの製造では薄膜を形成し、パターニングや開孔を行
う微細加工の後、次の薄膜を積むという工程を何回も繰
り返すためである。表面の凹凸が増えると、薄膜形成時
に段差部での膜厚が薄くなったり、また配線の断線によ
るオープンや配線層間の絶縁不良によるショートが起こ
るため、良品が取れなかったり、歩留りが低下したりす
る。また初期的に正常動作しても、長時間の使用に対し
信頼性の問題が生じる。

【０００３】表面凹凸のもう一つの大きな問題は、リソ
グラフィ工程である。露光時、照射表面に凹凸がある
と、露光系のレンズ焦点が部分的に合わなくなり微細パ
ターンの形成そのものが難しくなるためである。これら
の理由により、半導体デバイスの製造工程において、表
面の平坦化技術は、ますます重要になっている。この平
坦化技術のうち、最も重要な技術は、化学的機械的研磨
（ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing））であ
る。この化学的機械的研磨においては、ポリッシング装
置を用いて、シリカ（ＳｉＯ_２）等の砥粒を含んだ研磨
液を研磨パッド等の研磨面上に供給しつつ半導体ウエハ
を研磨面に摺接させて研磨を行うものである。

【０００４】従来、この種のポリッシング装置は、研磨
パッドからなる研磨面を有した研磨テーブルと、半導体
ウエハを保持するためのトップリング又はキャリアヘッ
ド等と称される基板保持装置とを備えている。基板保持
装置は半導体ウエハを保持しつつ半導体ウエハを研磨テ
ーブルに対して所定の圧力で押圧し、かつ基板保持装置
と研磨テーブルとを相対運動させることにより半導体ウ
エハを研磨面に対して摺接させ、半導体ウエハの表面を
平坦かつ鏡面に研磨している。

【０００５】上述したポリッシング装置において、研磨
中の半導体ウエハと研磨パッドの研磨面との間の相対的
な押圧力が半導体ウエハの全面に亘って均一でないと、
各部分の押圧力に応じて研磨不足や過研磨が生じてしま
う。そのため、基板保持装置の半導体ウエハ保持面をゴ
ム等の弾性材からなる弾性膜で形成し、弾性膜の裏面に
空気圧等の流体圧を加え、半導体ウエハに印加する押圧
力を全面に亘って均一化することも行われている。この
場合、半導体ウエハの周縁は研磨面との接触／非接触の
境界になっている。特に研磨パッドが弾性を有するた
め、半導体ウエハの周縁部に加わる研磨圧力が不均一に
なり、半導体ウエハの周縁のみが多く研磨され、いわゆ
る「縁だれ」を起こしてしまうという欠点があった。上
述した半導体ウエハの縁だれを防止するため、半導体ウ
エハの外周縁を保持するガイドリング又はリテーナリン
グにより半導体ウエハの外周側に位置する研磨面を押圧
する構造を有した基板保持装置も用いられている。この
装置においては、リテーナリングは空気圧等の流体圧に
よって研磨面に押圧されるようになっている。

【０００６】図５は、上述した半導体ウエハを空気圧等
の流体圧で研磨面に押圧するとともにリテーナリングを
流体圧で研磨面に押圧する構造を有した基板保持装置の
模式図である。図５に示すように、基板保持装置を構成
するトップリング５０は、内部に収容空間を有したトッ
プリング本体５１と、トップリング本体５１内に収容さ
れるとともに半導体ウエハＷを研磨テーブル６０上の研
磨面６１に押圧するウエハ加圧機構５２と、トップリン
グ本体５１に対して上下動可能に設けられるとともに半
導体ウエハＷの外周縁を保持するリテーナリング５３
と、リテーナリング５３を研磨面６１に押圧するリテー
ナリング加圧機構５４とから構成されている。

【０００７】ウエハ加圧機構５２は、詳細構造は図示さ
れていないが、トップリング本体５１に連結されたゴム
等の弾性材からなる弾性膜で構成されており、弾性膜内
に加圧空気等の加圧流体が供給され、流体圧によって半
導体ウエハＷを研磨面６１に押圧するようになってい
る。またリテーナリング加圧機構５４は、詳細構造は図
示されていないが、トップリング本体５１に連結された
ゴム等の弾性材からなる弾性膜で構成されており、弾性
膜内に加圧空気等の加圧流体が供給され、流体圧によっ
てリテーナリング５３を研磨面６１に押圧するようにな
っている。トップリング本体５１は駆動軸５５に連結さ
れており、駆動軸５５はエアシリンダ等の昇降機構によ
って昇降されるようになっている。

【０００８】上述の構成において、駆動軸５５に連結さ
れたエアシリンダ等の昇降機構を作動させトップリング
本体５１の全体を研磨テーブル６０に近接させて半導体
ウエハＷを研磨面６１に近接させた状態で、ウエハ加圧
機構５２に所定圧力の加圧流体を供給して半導体ウエハ
Ｗを研磨テーブル６０の研磨面６１に押圧する。この場
合には、半導体ウエハＷに加わる研磨圧力は、ウエハ加
圧機構５２に供給される加圧流体の圧力を調整すること
により、所望の値に調整する。またリテーナリング加圧
機構５４に所定圧力の加圧流体を供給してリテーナリン
グ５３を研磨テーブル６０の研磨面６１に押圧する。

【０００９】上述のように、流体圧によって半導体ウエ
ハＷが研磨面６１に押圧されるので、半導体ウエハＷの
中央部から周縁部に至るまで全面に亘って均一な研磨圧
力を加えることができる。そのため、半導体ウエハＷの
全面を均一に研磨できる。そして、半導体ウエハＷに加
えられる研磨圧力と概略同一の押圧力がリテーナリング
加圧機構５４を介してリテーナリング５３に加えられる
ため、半導体ウエハＷの周囲の研磨パッド等の研磨面が
半導体ウエハＷと概略同一の圧力で押され、半導体ウエ
ハＷの中心部から周縁部、さらには半導体ウエハＷの外
側にあるリテーナリング５３の外周部までの圧力分布が
連続かつ均一になる。そのため、ポリッシング対象物で
ある半導体ウエハＷの周縁部における研磨量の過不足を
防止することができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述したような半導体
ウエハの押圧およびリテーナリングの押圧にいずれも流
体圧を使用した従来の基板保持装置においては、トップ
リング本体に対してリテーナリングは上下（垂直方向）
および左右（半径方向）に自由に動くことができるよう
に構成されている。即ち、リテーナリングはトップリン
グ本体に対して独立した動きができる構造になってお
り、そのため半導体ウエハの外周部の研磨均一性を左右
するリテーナリングの動きが、ウエハに対して、必要な
上下動のみならず左右にも動く現象がある。その結果、
リテーナリングと半導体ウエハの周縁部（エッジ部）と
の距離が一定にならず、半導体ウエハの外周部の研磨均
一性と安定性に問題が生じていた。

【００１１】また従来のトップリングにおいては、半導
体ウエハを保持する部分が弾性膜で覆われているため、
半導体ウエハの搬送時には弾性膜に吸盤状の形状を作る
などの工夫により、半導体ウエハの保持を行う必要があ
った。その結果、半導体ウエハ自体に対して、反り（変
形）を与え、その反り（変形）のため、搬送中に半導体
ウエハが破損したり、あるいは半導体ウエハ上に形成さ
れているデバイス構造が損傷したりすることがあった。
また半導体ウエハの保持が弾性膜を介しての間接的な保
持であるため、搬送時に半導体ウエハの保持ミスなどが
起こり易く、装置の稼働率、半導体ウエハの歩留まりに
影響を与えていた。

【００１２】また、このような砥液（スラリ）を用いた
化学的機械的研磨（ＣＭＰ）における更なる問題点は、
凹凸パターンを有するデバイスウエハを研磨する際、研
磨初期は凸部が優先的に研磨されるが、次第に凹部も削
られるようになるため、凹凸の段差がなかなか解消され
ない点である。また、ウエハ上の凹凸パターンの疎密に
よっても、削れ方に差が出ていた。これは、研磨が比較
的柔らかい弾性を有する研磨パッドを用いて、且つ遊離
砥粒を多量に含むスラリ状の砥液により研磨を行うた
め、化学的機械的研磨が半導体ウェハ表面上の凸部のみ
ならず凹部にも作用するためである。

【００１３】このため、最近、酸化セリウム（Ｃｅ
Ｏ_２）等の砥粒を例えばフェノール樹脂等のバインダを
用いて固定した、いわゆる固定砥粒からなる研磨面を用
いた半導体ウエハの研磨が研究されている。このような
固定砥粒を用いた研磨では、研磨面が従来の化学的機械
的研磨の場合の研磨パッドと異なり硬質であるため、凹
凸の凸部を優先的に研磨し、凹部は研磨され難いため、
絶対的な平坦性が得やすいという利点がある。しかしな
がら、このような固定砥粒からなる硬質な研磨面に適す
るトップリングの開発はなされていなかった。

【００１４】本発明は上述した事情に鑑みなされたもの
で、リテーナリングとトップリング本体との相対運動を
なくし、研磨中においてリテーナリングの挙動の安定性
を得るとともにリテーナリングとポリッシング対象物の
周縁部（エッジ部）との距離を一定とし研磨の均一性お
よび安定性を得ることができるとともに、ポリッシング
対象物を搬送する際などにポリッシング対象物を変形さ
せることなく確実に保持することができる基板保持装置
及び該基板保持装置を備えたポリッシング装置を提供す
ることを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ため、本発明の基板保持装置の１態様は、ポリッシング
対象物である基板を保持して研磨テーブル上の研磨面に
押圧する基板保持装置において、前記基板を保持するト
ップリング本体と、前記トップリング本体に固定される
か又は一体に設けられ基板の外周縁を保持するリテーナ
リングと、開口部を有した弾性膜で覆われ流体が供給さ
れるトップリング本体内に設けられた流体室と、前記弾
性膜の開口部に設けられるとともに連通孔を有した吸着
部とを備え、前記流体室内に加圧流体を供給することに
より前記基板を前記研磨面に押圧し、前記トップリング
本体に押圧力を加えることにより前記リテーナリングを
前記研磨面に押圧し、前記吸着部の連通孔を真空源に連
通させることにより該吸着部により前記基板を吸着する
ようにしたことを特徴とするものである。

【００１６】本発明によれば、リテーナリングを剛構造
のトップリング本体に一体構造として設け、トップリン
グ本体の上下動によりリテーナリングを上下動させる。
これにより、トップリング本体への押圧力をリテーナリ
ングへの押圧力として利用し、トップリング本体との一
体構造により不必要なリテーナリングの左右（半径方
向）の動きをなくすことができる。したがって、リテー
ナリングとポリッシング対象物である基板の周縁部（エ
ッジ部）との距離を常に最小に抑えることが可能にな
り、基板の外周部における研磨の均一性と研磨の安定性
の向上を図ることができる。

【００１７】またリテーナリングをトップリング本体と
一体構造とすることにより、高剛性のリテーナリング構
造を可能にし、研磨中にリテーナリングの挙動の安定性
が得られる。そして、安定した高剛性のリテーナリング
構造の内側において、フローティング構造の基板保持加
圧機構が研磨面のうねり等に追従し、結果として、硬質
の研磨面においてリテーナリングの挙動が安定し、基板
の研磨の安定性が得られる。

【００１８】また本発明においては、ポリッシング対象
物である基板を保持する部分にある弾性膜に開口部を形
成し、その開口部に基板を真空により直接的に保持する
機構を持つ吸着部が露出する構造になっている。この吸
着部により、ポリッシング対象物を真空吸着して保持す
るため、基板に反り（変形）を与えることがなく、基板
が破損したり、基板上のデバイス構造が損傷したりする
ことがない。また、弾性膜を介さないで基板を直接に保
持するため、基板の保持の安定性が飛躍的に高まる。結
果として、装置の稼働率を向上させることができ、また
製品の歩留まり向上を達成できる。

【００１９】また本発明のポリッシング装置の１態様
は、研磨面を有する研磨テーブルと、ポリッシング対象
物である基板を保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧
するトップリングとを備え、前記研磨面を硬質の研磨部
材で形成し、前記トップリング内に開口部を有した弾性
膜により形成された流体室を設け、かつ前記弾性膜の開
口部に連通孔を有した吸着部を設け、前記流体室内に加
圧流体を供給することにより前記基板を前記硬質の研磨
面に押圧し、前記吸着部の連通孔を真空源に連通させる
ことにより該吸着部により前記基板を吸着するようにし
たことを特徴とするものである。

【００２０】本発明のトップリングは、硬質な研磨面を
構成する、特に圧縮弾性係数１９．６ＭＰａ（２００ｋ
ｇ／ｃｍ^２）以上の研磨部材との適合性に優れている。
本発明のトップリングによれば、高剛性のリテーナリン
グの内側で基板は弾性膜を介して流体圧により保持され
ているので、基板の裏面に加わる流体圧により、硬質の
研磨面の凹凸を吸収できる。したがって、硬質の研磨面
を用いる場合にも研磨性能がよく、またバッキングパッ
ドの真空吸着孔が基板に転写されることもない。なお、
弾性膜を省略して、基板を直接流体で押圧してもよい。

【００２１】また本発明のポリッシング方法は、研磨面
を有する研磨テーブルとトップリングとを有し、トップ
リングによりポリッシング対象物である基板を保持して
研磨テーブル上の研磨面に押圧することによって基板を
研磨するポリッシング方法において、前記トップリング
内に弾性膜により形成された流体室に加圧流体を供給す
ることにより、前記基板を流体圧により硬質の研磨部材
で形成された研磨面に押圧して研磨し、前記基板を前記
研磨テーブルに搬出入する際に、前記弾性膜の開口部に
設けられた吸着部の連通孔を真空源に連通させ該吸着部
により前記基板を吸着することを特徴とするものであ
る。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る基板保持装置
及び該基板保持装置を備えたポリッシング装置の実施の
形態を図１乃至図４を参照して説明する。図１は本発明
の基板保持装置の実施形態を示す縦断面図であり、図２
は図１で示す基板保持装置の底面図であり、図３は図１
で示す基板保持装置の動作状態を示す縦断面図である。
基板保持装置は、ポリッシング対象物である半導体ウエ
ハ等の基板を保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧す
る装置である。図１に示すように、基板保持装置を構成
するトップリング１は、内部に収容空間を有する円筒容
器状のトップリング本体２と、トップリング本体２の下
端に固定されたリテーナリング３とを備えている。トッ
プリング本体２は金属やセラミックス等の強度及び剛性
が高い材料からなり、トップリング本体２は円盤状の上
部板２Ａと、上部板２Ａより下方に延設された周壁部２
Ｂとから構成されている。前記リテーナリング３は周壁
部２Ｂの下端に固定されている。リテーナリング３は、
剛性が高い樹脂材から形成されている。なお、リテーナ
リング３はトップリング本体２と一体に形成してもよ
い。

【００２３】トップリング本体２およびトップリング本
体２に一体に固定されたリテーナリング３の内部に画成
された空間内には、弾性膜４と、弾性膜４の外周部が保
持された概略円盤状の弾性膜支持部材５が収容されてい
る。そして、弾性膜支持部材５とトップリング本体２と
の間には弾性膜からなる加圧シート６が張設されてい
る。前記トップリング本体２と弾性膜４と加圧シート６
とにより流体室８が形成されている。弾性膜４および加
圧シート６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および耐久性
に優れたゴム材によって形成されている。そして、流体
室８にはチューブおよびコネクタ等からなる流体路１０
を介して加圧空気等の加圧流体が供給されるようになっ
ている。流体室８に供給された加圧流体は弾性膜支持部
材５に設けられた貫通孔５ｈを介して弾性膜４の裏面に
供給され、弾性膜４の裏面に加圧流体の圧力が加えられ
る。流体室８に供給される加圧流体の圧力はレギュレー
タ等により可変になっている。弾性膜４の外周面とトッ
プリング本体２およびリテーナリング３との間には、わ
ずかな間隙があり、弾性膜４および弾性膜支持部材５
は、トップリング本体２およびリテーナリング３に対し
て上下方向に移動可能になっている。なお、より高い研
磨性能を得るためには、本実施例のように弾性膜により
流体室８を形成するのが望ましいが、弾性膜４を設けず
に、ポリッシング対象物を直接流体で押圧してもよい。
この場合は、トップリング本体２の内部空間と、ポリッ
シング対象物である半導体ウエハの裏面によって流体室
が形成されることになる。

【００２４】前記トップリング本体２の上部板２Ａに
は、サポート１２を介して環状のストッパプレート１３
が固定されている。ストッパプレート１３の上端面１３
ａは所定高さ位置に設定されており、ストッパプレート
１３は規制部材を構成している。そして、流体室８に加
圧空気等の加圧流体が供給された際に、弾性膜４および
弾性膜支持部材５は一体にトップリング本体２に対して
下方に移動することになるが、弾性膜支持部材５の上端
部５ａがストッパプレート１３の上端面１３ａと係合す
ることにより、この下方への移動が所定範囲に規制され
るようになっている。また弾性膜４には複数の開口部４
ａが設けられ、この開口部４ａに連通孔１４ｈを有した
吸着部１４が露出するように設けられている。複数の吸
着部１４は弾性膜支持部材５の中央部側に設けられてい
る。この実施形態においては、吸着部１４は弾性膜支持
部材５と一体に形成されているが、弾性膜支持部材５を
環状に形成し、複数の吸着部１４を有した円盤状のチャ
ッキングプレートを弾性膜支持部材５の内側に固定して
もよい。

【００２５】図２に示すように、弾性膜４の中央部には
５個の開口部４ａが設けられ、各開口部４ａに吸着部１
４が露出するように設けられている。図１に示すよう
に、各吸着部１４の連通孔１４ｈの下端は開口してお
り、各連通孔１４ｈは弾性膜支持部材５内で合流し、こ
の合流した連通孔は流体室８内を通るチューブ１１を介
して真空源に接続されるようになっている。そして、吸
着部１４の連通孔１４ｈが真空源に接続されると、連通
孔１４ｈの開口端に負圧が形成され、吸着部１４に半導
体ウエハＷが吸着される。吸着部１４は、図１に示すよ
うに、半導体ウエハＷの研磨中には弾性膜４の下端面よ
り内方に位置して弾性膜４の下端面より突出することは
ない。そして、半導体ウエハＷを吸着する際には、図３
に示すように、吸着部１４の下端面は弾性膜４の下端面
と略同一面になる。吸着部１４の下端面には薄いゴムシ
ート等からなる弾性シート１５が貼着されており、吸着
部１４は半導体ウエハＷを柔軟に吸着保持するようにな
っている。

【００２６】トップリング本体２の上部板２Ａの上方に
はトップリング駆動軸１８が配設されており、トップリ
ング本体２とトップリング駆動軸１８とは自在継手部１
９により連結されている。トップリング駆動軸１８から
トップリング本体２へ互いの傾動を許容しつつ押圧力及
び回転力を伝達する自在継手部１９は、トップリング本
体２とトップリング駆動軸１８の互いの傾動を可能とす
る球面軸受機構と、トップリング駆動軸１８の回転をト
ップリング本体２に伝達する回転伝達機構とを有してい
る。球面軸受機構は、トップリング駆動軸１８の下面の
中央に形成された球面状凹部１８ａと、上部板２Ａの上
面の中央に形成された球面状凹部２ａと、両凹部１８
ａ，２ａ間に介装されたセラミックスのような高硬度材
料からなるベアリングボール２１とから構成されてい
る。

【００２７】回転伝達機構は、トップリング駆動軸１８
に固定された駆動ピン（図示せず）と上部板２Ａに固定
された被駆動ピン（図示せず）とから構成され、トップ
リング本体２が傾いても、被駆動ピンと駆動ピンは相対
的に上下方向に移動可能であるため、互いの接触点をず
らして係合し、トップリング駆動軸１８の回転トルクを
トップリング本体２に確実に伝達する。

【００２８】次に、前述のように構成されたトップリン
グ１の作用を説明する。トップリング１の全体を半導体
ウエハの移送位置に位置させ、吸着部１４の連通孔１４
ｈをチューブ１１を介して真空源に接続することによ
り、図３に示すように、連通孔１４ｈの吸引作用により
吸着部１４の下端面に半導体ウエハＷを真空吸着する。
このとき、弾性膜支持部材５および吸着部１４が上昇し
ないように流体室８にはわずかな正圧が加えられ、弾性
膜支持部材５の上端部５ａがストッパプレート１３の上
端面１３ａに係合し、弾性膜支持部材５および吸着部１
４が所定の位置に保持されている。そして、半導体ウエ
ハＷを吸着した状態でトップリング１を移動させ、トッ
プリング１の全体を研磨面（例えば研磨パッドからな
る）を有する研磨テーブル（図４の符号３０）の上方に
位置させ、半導体ウエハＷおよびリテーナリング３を研
磨面に押圧し研磨を開始する。半導体ウエハＷの外周縁
はリテーナリング３によって保持され、半導体ウエハＷ
がトップリング１から飛び出さないようになっている。

【００２９】半導体ウエハＷを研磨する際には、トップ
リング駆動軸１８に連結されたエアシリンダ（図４の符
号３３）を作動させ、トップリング本体２の下端に固定
されたリテーナリング３を所定の押圧力で研磨テーブル
の研磨面に押圧する。この状態で、流体室８に所定圧力
の加圧流体を供給して半導体ウエハＷを研磨テーブルの
研磨面に押圧する。半導体ウエハＷに加わる研磨圧力
は、流体室８に加わる加圧流体の圧力を調整することに
より、所望の値に調整する。この場合、半導体ウエハＷ
には弾性膜４を介して流体から押圧力が加えられる部分
と、開口部４ａの箇処のように、加圧流体の圧力そのも
のが半導体ウエハＷに加わる部分とがあるが、これら両
方の部分に加えられる押圧力は同一圧力である。即ち、
流体室８内の流体から押圧力が半導体ウエハＷの全面に
加えられるので、半導体ウエハＷの厚みによらず、半導
体ウエハＷの中央部から周縁部に至るまで全面に亘って
均一な研磨圧力を加えることができる。そのため、半導
体ウエハＷの全面を均一に研磨できる。なお、研磨時に
開口部４ａの周囲で、弾性膜４は半導体ウエハＷの裏面
に密接するため、流体室８内の加圧流体が外部に漏れる
ことはほとんどない。

【００３０】半導体ウエハＷに加えられる研磨圧力と概
略同一又はそれより若干大きい押圧力がエアシリンダを
介してリテーナリング３に加えられるため、半導体ウエ
ハＷの周囲の研磨面が半導体ウエハＷと概略同一の圧力
で押圧され、半導体ウエハＷの中心部から周縁部、さら
には半導体ウエハＷの外側にあるリテーナリング３の外
周部までの圧力分布が連続かつ均一になる。そのため、
ポリッシング対象物である半導体ウエハＷの周縁部にお
ける研磨量の過不足を防止することができる。

【００３１】図１乃至図３に示す基板保持装置を構成す
るトップリングによれば、リテーナリング３を剛構造の
トップリング本体２に一体構造として設け、トップリン
グ本体２の上下動によりリテーナリング３を上下動させ
る。これにより、トップリング本体２への押圧力をリテ
ーナリング３への押圧力として利用し、トップリング本
体２との一体構造により不必要なリテーナリング３の左
右（半径方向）の動きをなくすことができる。したがっ
て、リテーナリング３と半導体ウエハＷの周縁部（エッ
ジ部）との距離を常に最小に抑えることが可能になり、
半導体ウエハＷの外周部における研磨の均一性と研磨の
安定性の向上を図ることができる。

【００３２】またリテーナリング３をトップリング本体
２と一体構造とすることにより、高剛性のリテーナリン
グ構造を可能にし、研磨中にリテーナリングの挙動の安
定性が得られる。そして、安定した高剛性のリテーナリ
ング構造の内側において、フローティング構造のウエハ
保持加圧機構が研磨面のうねり等に追従し、結果として
硬質の研磨面においてリテーナリングの挙動が安定し、
半導体ウエハの研磨の安定性が得られる。

【００３３】また、弾性膜４に複数の開口部４ａを形成
して、これら開口部４ａに連通孔１４ｈを有した吸着部
１４を設け、連通孔１４ｈを真空源に連通させることに
より、半導体ウエハＷを真空吸着する。即ち、半導体ウ
エハＷの吸着時に、真空圧で吸着部１４が直接に半導体
ウエハＷを吸着するため、弾性膜４に吸盤作用をさせる
必要がなく、弾性膜４の物性変化が少なくなり、研磨均
一性の安定性が増す。

【００３４】図４は、図１乃至図３に示す基板保持装置
を備えたポリッシング装置の全体構成を示す断面図であ
る。図中、符号１は基板保持装置を構成するトップリン
グであり、トップリング１の下方には、上面に研磨パッ
ド３１を備えた研磨テーブル３０が設置されている。前
記トップリング１は自在継手部１９を介してトップリン
グ駆動軸１８に接続されており、このトップリング駆動
軸１８はトップリングヘッド３２に固定されたトップリ
ング上下用エアシリンダ３３に連結されており、このト
ップリング上下用エアシリンダ３３によってトップリン
グ駆動軸１８は上下動し、トップリング１の全体を昇降
させるとともにトップリング本体２の下端に固定された
リテーナリング３を研磨テーブル３０に押圧するように
なっている。

【００３５】また、トップリング駆動軸１８はキー（図
示せず）を介して回転筒３４に連結されており、この回
転筒３４はその外周部にタイミングプーリ３５を有して
いる。そして、タイミングプーリ３５は、タイミングベ
ルト３６を介して、トップリングヘッド３２に固定され
たトップリング用モータ３７に設けられたタイミングプ
ーリ３８に接続されている。従って、トップリング用モ
ータ３７を回転駆動することによってタイミングプーリ
３８、タイミングベルト３６およびタイミングプーリ３
５を介して回転筒３４及びトップリング駆動軸１８が一
体に回転し、トップリング１が回転する。トップリング
ヘッド３２は、フレーム（図示せず）に固定支持された
トップリングヘッドシャフト３９によって支持されてい
る。

【００３６】トップリング上下用エアシリンダ３３及び
流体室８は、それぞれレギュレータＲ１，Ｒ２を介して
圧縮空気源２４に接続されている。そして、レギュレー
タＲ１によってトップリング上下用エアシリンダ３３へ
供給する加圧空気の空気圧を調整することにより、リテ
ーナリング３が研磨パッド３１を押圧する押圧力を調整
することができ、レギュレータＲ２によって流体室８へ
供給する加圧空気の空気圧を調整することにより、半導
体ウエハＷを研磨パッド３１に押圧する研磨圧力を調整
することができる。また吸着部１４の連通孔１４ｈはバ
ルブＶを介して真空ポンプ等の真空源２５に接続されて
いる。

【００３７】また、研磨テーブル３０の上方には研磨液
供給ノズル４０が設置されており、研磨液供給ノズル４
０によって研磨テーブル３０上の研磨パッド３１上に研
磨液Ｑが供給されるようになっている。

【００３８】上記構成のポリッシング装置において、半
導体ウエハＷの搬送時には、吸着部１４の連通孔１４ｈ
を真空源２５に連通させて、吸着部１４により半導体ウ
エハＷを吸着する。そして、研磨時には、吸着部１４に
よる半導体ウエハＷの吸着を解除し、トップリング１の
弾性膜４の下面に半導体ウエハＷを保持させ、トップリ
ング上下用エアシリンダ３３を作動させてトップリング
１に一体に固定されたリテーナリング３を研磨テーブル
３０に向かって押圧し、かつ流体室８へ加圧空気を供給
して回転している研磨テーブル３０の上面の研磨パッド
３１に半導体ウエハＷを押圧する。一方、研磨液供給ノ
ズル４０から研磨液Ｑを流すことにより、研磨パッド３
１に研磨液Ｑが保持されており、半導体ウエハＷの研磨
される面（下面）と研磨パッド３１の間に研磨液Ｑが存
在した状態で研磨が行われる。

【００３９】トップリング上下用エアシリンダ３３によ
るリテーナリング３の研磨パッド３１への押圧力と、流
体室８に供給する加圧空気による半導体ウエハＷの研磨
パッド３１への押圧力とを適宜調整して半導体ウエハＷ
の研磨を行う。研磨中にレギュレータＲ２によって半導
体ウエハＷを研磨テーブル３０上の研磨パッド３１に押
圧する押圧力を変更でき、レギュレータＲ１によってリ
テーナリング３が研磨パッド３１を押圧する押圧力を変
更できる。従って、研磨中に、リテーナリング３が研磨
パッド３１を押圧する押圧力と半導体ウエハＷを研磨パ
ッド３１に押圧する押圧力を適宜調整することにより、
半導体ウエハＷの中心部から周縁部、さらには半導体ウ
エハＷの外側にあるリテーナリング３の外周部までの研
磨圧力の分布が連続かつ均一になる。そのため、半導体
ウエハＷの周縁部における研磨量の過不足を防止するこ
とができる。

【００４０】本発明においては、研磨テーブル上に形成
される研磨面は、前述した研磨パッドにより形成しても
よく、又、固定砥粒により形成してもよい。研磨パッド
としては、市場で入手できるものとして、種々のものが
あり、例えば、ロデール社製の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，Ｓｕｒｆｉｎ０００等である。ＳＵＢ
Ａ８００，Ｓｕｒｆｉｎｘｘｘ−５，Ｓｕｒｆｉｎ
０００は繊維をウレタン樹脂で固めた不織布であり、Ｉ
Ｃ−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又は孔を有して
いる。

【００４１】固定砥粒は、砥粒をバインダ中に固定し板
状に形成されたものである。固定砥粒から自生した砥粒
により研磨が進行する。固定砥粒は砥粒とバインダと気
孔により構成されており、例えば砥粒には平均粒径０．
５μｍ以下の酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、バインダには
エポキシ樹脂を用いる。固定砥粒は硬質の研磨面を構成
する。固定砥粒には、前記板状のものの他に、薄い固定
砥粒層の下に弾性を有する研磨パッドを貼り付けて二層
構造とした固定砥粒パッドも含まれる。その他の硬質の
研磨面としては、前記ＩＣ−１０００がある。

【００４２】本発明のトップリングは、硬質な研磨面を
構成する、特に圧縮弾性係数１９．６ＭＰａ（２００ｋ
ｇ／ｃｍ^２）以上の研磨部材との適合性に優れている。
従来のトップリングの一例においては、剛体のトップリ
ング本体にバッキングパッドを介して半導体ウエハを保
持し、研磨パッドが弾性を有しているため、半導体ウエ
ハに対する衝撃を主に研磨パッド側で吸収していた。し
かし、研磨面が硬質の研磨面になった場合は、研磨面の
凹凸がそのまま半導体ウエハに転写され、影響してしま
う。また、トップリング側の半導体ウエハの真空吸着用
の孔が半導体ウエハ裏面に転写していた。しかしなが
ら、半導体ウエハを弾性膜を介して流体圧により保持す
るトップリングによれば、半導体ウエハの裏面に加わる
流体圧により、硬質の研磨面の凹凸を吸収できる。した
がって、硬質の研磨面を用いる場合にも研磨性能がよ
く、またバッキングパッドの真空吸着孔が半導体ウエハ
に転写されることもない。更に、本発明によれば、リテ
ーナリングがトップリング本体と一体に構成されている
ため、剛性が高く、リテーナリングの必要以上の不安定
な動きが抑制され、研磨性能が安定する。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、リテーナリングを剛構
造のトップリング本体に一体構造として設け、トップリ
ング本体の上下動によりリテーナリングを上下動させ
る。これにより、トップリング本体への押圧力をリテー
ナリングへの押圧力として利用し、トップリング本体と
の一体構造により不必要なリテーナリングの左右（半径
方向）の動きをなくすことができる。したがって、リテ
ーナリングとポリッシング対象物である基板の周縁部
（エッジ部）との距離を常に最小に抑えることが可能に
なり、基板の外周部における研磨の均一性と研磨の安定
性の向上を図ることができる。

【００４４】またリテーナリングをトップリング本体と
一体構造とすることにより、高剛性のリテーナリング構
造を可能にし、研磨中にリテーナリングの挙動の安定性
が得られる。そして、安定した高剛性のリテーナリング
構造の内側において、フローティング構造の基板保持加
圧機構が研磨面のうねり等に追従し、結果として硬質の
研磨面においてリテーナリングの挙動が安定し、基板の
研磨の安定性が得られる。

【００４５】また本発明においては、ポリッシング対象
物である基板を保持する部分にある弾性膜に開口部を形
成し、その開口部に基板を真空により直接的に保持する
機構を持つ吸着部が露出する構造になっている。この吸
着部により、ポリッシング対象物を真空吸着して保持す
るため、基板に反り（変形）を与えることがなく、基板
が破損したり、基板上のデバイス構造が損傷したりする
ことがない。また、弾性膜を介さないで基板を直接に保
持するため、基板の保持の安定性が飛躍的に高まる。結
果として、装置の稼働率を向上させることができ、また
製品の歩留まり向上を達成できる。

【００４６】本発明のトップリングは、特に硬質な研磨
面、特に圧縮弾性係数１９．６ＭＰａ（２００ｋｇ／ｃ
ｍ^２）以上の研磨面との適合性に優れている。本発明の
トップリングによれば、高剛性のリテーナリングの内側
で基板は弾性膜を介して流体圧により保持されているの
で、基板の裏面に加わる流体圧により、硬質の研磨面の
凹凸を吸収できる。したがって、硬質の研磨面を用いる
場合にも研磨性能がよく、またバッキングパッドの真空
吸着孔が基板に転写されることもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基板保持装置の実施形態を示す縦断面
図である。

【図２】図１で示す基板保持装置の底面図である。

【図３】図１で示す基板保持装置の動作状態を示す縦断
面図である。

【図４】図１乃至図３に示す基板保持装置を備えたポリ
ッシング装置の全体構成を示す断面図である。

【図５】半導体ウエハを空気圧等の流体圧で研磨面に押
圧するとともにリテーナリングを流体圧で研磨面に押圧
する構造を有した基板保持装置の模式図である。

【符号の説明】

１トップリング２トップリング本体２Ａ上部板２Ｂ周壁部３，５３リテーナリング４弾性膜４ａ開口部５弾性膜支持部材５ａ上端部５ｈ貫通孔６加圧シート８流体室１０流体路１１チューブ１２サポート１３ストッパプレート１３ａ上端面１４吸着部１４ｈ連通孔１８トップリング駆動軸１９自在継手部２１ベアリングボール２４圧縮空気源２５真空源３０研磨テーブル３１研磨パッド３２トップリングヘッド３３トップリング上下用エアシリンダ３４回転筒３５，３８タイミングプーリ３６タイミングベルト３７トップリング用モータ３９トップリングヘッドシャフト４０研磨液供給ノズル５２ウエハ加圧機構５４リテーナリング加圧機構５５駆動軸Ｗ半導体ウエハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者並木計介東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内Ｆターム(参考） 3C058 AA07 AA12 AB04 AC04 BA02 BA05 BC01 CB01 CB03 DA17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ポリッシング対象物である基板を保持し
て研磨テーブル上の研磨面に押圧する基板保持装置にお
いて、前記基板を保持するトップリング本体と、前記トップリ
ング本体に固定されるか又は一体に設けられ基板の外周
縁を保持するリテーナリングと、開口部を有した弾性膜
で覆われ流体が供給されるトップリング本体内に設けら
れた流体室と、前記弾性膜の開口部に設けられるととも
に連通孔を有した吸着部とを備え、前記流体室内に加圧
流体を供給することにより前記基板を前記研磨面に押圧
し、前記トップリング本体に押圧力を加えることにより
前記リテーナリングを前記研磨面に押圧し、前記吸着部
の連通孔を真空源に連通させることにより該吸着部によ
り前記基板を吸着するようにしたことを特徴とする基板
保持装置。
【請求項２】前記流体室に供給する加圧流体の圧力を
調整することにより基板に加わる研磨圧力を調整するこ
とを特徴とする請求項１記載の基板保持装置。
【請求項３】前記弾性膜は支持部材によって前記トッ
プリング本体内で上下動可能に支持され、前記支持部材
の前記トップリング本体に対する上下方向位置は規制部
材により規制されることを特徴とする請求項１又は２に
記載の基板保持装置。
【請求項４】前記弾性膜は複数の開口部を有し、該複
数の開口部に前記吸着部が設けられていることを特徴と
する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の基板保持装
置。
【請求項５】前記吸着部は前記支持部材に設けられて
いることを特徴とする請求項３記載の基板保持装置。
【請求項６】前記トップリング本体に押圧力を加える
手段は、トップリング本体を上下動させる機構からなる
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載
の基板保持装置。
【請求項７】研磨面を有する研磨テーブルと、ポリッ
シング対象物である基板を保持して研磨テーブル上の研
磨面に押圧するトップリングとを備え、前記研磨面を硬
質の研磨部材で形成し、前記トップリング内に開口部を
有した弾性膜により形成された流体室を設け、かつ前記
弾性膜の開口部に連通孔を有した吸着部を設け、前記流
体室内に加圧流体を供給することにより前記基板を前記
硬質の研磨面に押圧し、前記吸着部の連通孔を真空源に
連通させることにより該吸着部により前記基板を吸着す
るようにしたことを特徴とするポリッシング装置。
【請求項８】前記トップリングはトップリング本体に
固定されるか又は一体に設けられ基板の外周縁を保持す
るリテーナリングを備え、前記トップリング本体に押圧
力を加えることにより前記リテーナリングを前記研磨面
に押圧するようにしたことを特徴とする請求項７記載の
ポリッシング装置。
【請求項９】前記硬質の研磨部材は、１９．６ＭＰａ
（２００ｋｇ／ｃｍ ^２）以上の圧縮弾性係数を有するこ
とを特徴とする請求項７記載のポリッシング装置。
【請求項１０】前記硬質の研磨部材は、砥粒をバイン
ダ中に固定し板状に形成した固定砥粒により構成される
ことを特徴とする請求項９記載のポリッシング装置。
【請求項１１】研磨面を有する研磨テーブルと、ポリ
ッシング対象物である基板を保持して研磨テーブル上の
研磨面に押圧する請求項１乃至６のいずれか１項に記載
の基板保持装置とを備えたことを特徴とするポリッシン
グ装置。
【請求項１２】研磨面を有する研磨テーブルとトップ
リングとを有し、トップリングによりポリッシング対象
物である基板を保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧
することによって基板を研磨するポリッシング方法にお
いて、前記トップリング内に弾性膜により形成された流
体室に加圧流体を供給することにより、前記基板を流体
圧により硬質の研磨部材で形成された研磨面に押圧して
研磨し、前記基板を前記研磨テーブルに搬出入する際
に、前記弾性膜の開口部に設けられた吸着部の連通孔を
真空源に連通させ該吸着部により前記基板を吸着するこ
とを特徴とするポリッシング方法。