JP2004349340A - 基板保持装置及び研磨装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】メンブレン（弾性膜）が破損して圧力室にリークが生じた場合や、基板とメンブレン（弾性膜）との間で気密が保たれずにリークが生じた場合に、このリークを速やかに検知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研磨装置を提供する。
【解決手段】基板Ｗを保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、基板Ｗを保持する上下動可能なトップリング本体１と、トップリング本体１の内部に形成された複数の圧力室２２，２３，２４，２５にそれぞれ流体を供給する複数の流体路３３，３４，３５，３６と、複数の流体路３３，３４，３５，３６に設置され流体路３３，３４，３５，３６を流れる流体の流れの状態を検知するセンサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４とを備えた。
【選択図】 図２
【解決手段】基板Ｗを保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、基板Ｗを保持する上下動可能なトップリング本体１と、トップリング本体１の内部に形成された複数の圧力室２２，２３，２４，２５にそれぞれ流体を供給する複数の流体路３３，３４，３５，３６と、複数の流体路３３，３４，３５，３６に設置され流体路３３，３４，３５，３６を流れる流体の流れの状態を検知するセンサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４とを備えた。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、研磨対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置、特に、半導体ウェハ等の基板を研磨して平坦化する研磨装置において該基板を保持する基板保持装置に関するものである。また、本発明は、かかる基板保持装置を備えた研磨装置に関するものである。
【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、半導体デバイスの表面の凹凸はますます増え、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、パターンニングや開孔を行う微細加工の後、次の薄膜を形成するという工程を何回も繰り返すためである。
【０００３】
半導体デバイスの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、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ったりするため、良品が取れなかったり、歩留まりが低下したりする傾向がある。また、初期的に正常動作をするものであっても、長時間の使用に対しては信頼性の問題が生じる。更に、リソグラフィ工程における露光時に、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るため、半導体デバイスの表面の凹凸が増えると微細パターンの形成そのものが難しくなるという問題が生ずる。
【０００４】
従って、半導体デバイスの製造工程においては、半導体デバイス表面の平坦化技術が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は、研磨装置を用いて、シリカ（ＳｉＯ２）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ェハなどの基板を研磨面に摺接させて研磨を行うものである。
【０００５】
この種の研磨装置は、研磨パッドからなる研磨面を有する研磨テーブルと、半導体ウェ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。このような研磨装置を用いて半導体ウェハの研磨を行う場合には、基板保持装置により半導体ウェハを保持しつつ、この半導体ウェハを研磨テーブルに対して所定の圧力で押圧する。このとき、研磨テーブルと基板保持装置とを相対運動させることにより半導体ウェハが研磨面に摺接し、半導体ウェハの表面が平坦かつ鏡面に研磨される。
【０００６】
このような研磨装置において、研磨中の半導体ウェ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ェハの全面に亘って均一でない場合には、半導体ウェハの各部分に印加される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ェハの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、半導体ウェ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。
【０００７】
また、上記研磨パッドは弾性を有するため、研磨中の半導体ウェハの外周縁部に加わる押圧力が不均一になり、半導体ウェハの外周縁部のみが多く研磨される、いわゆる「縁だれ」を起こしてしまう場合がある。このような縁だれを防止するため、半導体ウェハの外周縁をガイドリング又はリテーナリングによって保持すると共に、ガイドリング又はリテーナリングによって半導体ウェハの外周縁側に位置する研磨面を押圧する構造を備えた基板保持装置も用いられている。
【０００８】
ところで、半導体ウェハの表面に形成される薄膜は、成膜の際の方法や装置の特性により、半導体ウェハの半径方向の位置によって膜厚が異なる。即ち、半径方向に膜厚分布を持っている。このため、上述したような従来の半導体ウェハの全面を均一に押圧し研磨する基板保持装置では、半導体ウェハの全面に亘って均一に研磨されるため、上述した半導体ウェハの表面上の膜厚分布と同じ研磨量分布を得ることができない。そこで、半導体ウェハに対して部分的に異なった圧力を加え、膜厚の厚い部分の研磨面への押圧力を膜厚の薄い部分の研磨面への押圧力より大きくすることにより、その部分の研磨レートを選択的に高め、これにより、成膜時の膜厚分布に依存せずに基板の全面に亘って過不足のない研磨を可能とする研磨装置も提案されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体ウェハの裏面側に位置する複数の圧力室に供給される加圧空気などの流体の圧力をそれぞれ制御し、半導体ウェハに印加される圧力を部分的に制御して半導体ウェハに対して部分的に異なった圧力で押圧する場合、異なった圧力の境界に存在するメンブレン（弾性膜）が破損したり、半導体ウェハとメンブレンとの間で気密が保たれずにエア漏れ（リーク）が起こると、半導体ウェハの各場所を所定の押圧力で押圧することができず、研磨結果に悪影響を及ぼすという問題があった。この場合、リークが起こると、流体の圧力を調整しているレギュレータはリークによる圧力低下を補うように流量を増加する。そのため、圧力監視では軽度のリーク検知が難しい。また、１つの流量計でリークを検知しようとする場合、リークしていない状態で加圧しても流体の流れは発生するため、誤検知することが多く信頼性に欠けていた。
【００１０】
本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、メンブレン（弾性膜）が破損して圧力室にリークが生じた場合や、基板とメンブレン（弾性膜）との間で気密が保たれずにリークが生じた場合に、このリークを速やかに検知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研磨装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、被研磨物を保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、前記被研磨物を保持する上下動可能なトップリング本体と、前記トップリング本体の内部に形成された複数の圧力室にそれぞれ流体を供給する複数の流体路と、前記複数の流体路に設置され該流体路を流れる流体の流れの状態を検知するセンサとを備えたことを特徴とする基板保持装置である。
【００１２】
本発明の第１の態様によれば、加圧流体の流れの状態を検知することで、圧力室のリークや被研磨物である基板とメンブレン（弾性膜）との間のリークを検知し、圧力室を形成する弾性膜等の破損やトップリングの組立不良などを検知することが可能となる。また、圧力室の圧力を設定圧力に維持することができるので、基板の破損の危険性を低減することができる。更に、このような圧力室のリークを検知できるだけでなく、研磨中にトップリングの下面から基板が外れたことも検知することができ、基板の破損の危険性を更に低減することができる。
【００１３】
本発明の好ましい態様は、前記複数の圧力室のうち境界部により隔てられた隣接する二つの圧力室にそれぞれ流体を供給する二つの流体路に、それぞれ前記センサが設置されていることを特徴とする。
本発明によれば、隣接する二つの圧力室の境界部でリークが発生した際、加圧流体は圧力が高い圧力室側から圧力が低い圧力室側に流れることになる。この場合、圧力の高い側のレギュレータから加圧流体は供給され、圧力の低い側のレギュレータは加圧流体を大気へ放出することになる。したがって、異なった圧力の加圧流体が供給される隣接する二つの圧力室の境界部でリークが発生した場合には、加圧流体は、圧力の高い側から圧力の低い側へ定まった方向で、かつ同一の流量で流れることになるため、前記二つのセンサがこの加圧流体の流れ方向または同一流量を検知することにより、境界部で発生するリークを検知することができる。
【００１４】
本発明の好ましい態様は、前記センサは、前記流体の流れの方向を検知できる。
本発明の好ましい態様は、前記センサは、前記流体の流速を検知できる。
本発明の好ましい態様は、前記センサは、前記流体の流量を検知できる。
本発明の好ましい態様は、前記センサは、前記流体の流速と流れの方向を検知できる。
【００１５】
本発明の他の態様は、研磨面を有する研磨テーブルと、上述の基板保持装置とを備えたことを特徴とする研磨装置である。
本発明の好ましい態様は、前記隣接する二つの圧力室にそれぞれ流体を供給する二つの流体路に設置された前記センサがある定まった流体の流れ方向を検知したときに、基板の研磨を中止することを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、隣接する二つの圧力室の境界部でリークが発生した際、加圧流体は圧力が高い圧力室側から圧力が低い圧力室側に流れることになる。この場合、圧力の高い側のレギュレータから加圧流体は供給され、圧力の低い側のレギュレータは加圧流体を大気へ放出することになる。したがって、異なった圧力の加圧流体が供給される隣接する二つの圧力室の境界部でリークが発生した場合には、加圧流体は、圧力の高い側から圧力の低い側へ定まった方向で、かつ同一の流量で流れることになるため、前記二つのセンサがこの加圧流体の流れ方向を検知することにより、さらに流量を同時に検知することにより、より高精度に境界部で発生するリークを検知することができる。そして、このリークを検知した場合に、基板の研磨を中止する。
【００１７】
この研磨の中止は、例えば、基板をトップリングにより真空吸着してからトップリングを研磨面から上昇させることにより行うことができる。そして、この情報を記録しておき、再研磨の時に利用しても良いし、微小リークを検知できることから、メンブレンの寿命検知としても利用できる。
【００１８】
本発明の好ましい態様は、前記ある定まった流体の流れ方向が、１つは基板に対して加圧する方向で、１つが基板に対して減圧する方向であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ある定まった流体の流れ方向が互いに反対方向であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記隣接する二つの圧力室にそれぞれ流体を供給する二つの流体路に設置された前記センサが同一の流量を検知したときに、基板の研磨を中止することを特徴とする。
【００１９】
本発明によれば、隣接する二つの圧力室の境界部でリークが発生した際、加圧流体は圧力が高い圧力室側から圧力が低い圧力室側に流れることになる。この場合、圧力の高い側のレギュレータから加圧流体は供給され、圧力の低い側のレギュレータは加圧流体を大気へ放出することになる。したがって、異なった圧力の加圧流体が供給される隣接する二つの圧力室の境界部でリークが発生した場合には、加圧流体は、圧力の高い側から圧力の低い側へ二つの流体路を同一の流量で流れることになるため、前記二つのセンサが同一流量、もしくは正反対の流れ方向を検知することにより、境界部で発生するリークを検知することができる。そして、このリークを検知した場合に、基板の研磨を中止する。
【００２０】
本発明の好ましい態様は、前記隣接する二つの圧力室にそれぞれ流体を供給する二つの流体路に設置された前記センサがある定まった流体の流れ方向と定まった流量を検知したときに、基板の研磨を中止することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ある定まった流体の流れ方向が互いに反対方向であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ある定まった流体の流れ方向が互いに反対方向であり、定まった流量は同一であることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る基板保持装置及び研磨装置の実施形態について図１乃至図６を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の基板保持装置を備えた研磨装置の全体構成を示す断面図である。ここで、基板保持装置は、被研磨物である半導体ウェ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、本発明に係る基板保持装置を構成するトップリング１の下方には、上面に研磨パッド１０１を貼付した研磨テーブル１００が設置されている。また、研磨テーブル１００の上方には研磨液供給ノズル１０２が設置されており、この研磨液供給ノズル１０２によって研磨テーブル１００上の研磨パッド１０１上に研磨液Ｑが供給されるようになっている。
【００２２】
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、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、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又は孔を有している。
【００２３】
また、上述した研磨パッドに限らず、例えば、固定砥粒により研磨面を形成してもよい。固定砥粒は、砥粒をバインダ中に固定し板状に形成したものである。固定砥粒を用いた研磨においては、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ＣｅＯ２又はＳｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３を用い、バインダにはエポキシ樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂又はＭＢＳ樹脂やＡＢＳ樹脂などの熱可塑性樹脂を用いる。このような固定砥粒は硬質の研磨面を構成する。また、固定砥粒には、上述した板状のものの他に、薄い固定砥粒層の下に弾性を有する研磨パッドを貼付して二層構造とした固定砥粒パッドも含まれる。
【００２４】
図１に示すように、トップリング１は自在継手部１０を介してトップリング駆動軸１１に接続されており、トップリング駆動軸１１はトップリングヘッド１１０に固定されたトップリング用エアシリンダ１１１に連結されている。このトップリング用エアシリンダ１１１によってトップリング駆動軸１１は上下動し、トップリング１の全体を昇降させると共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１００に押圧するようになっている。
【００２５】
トップリング用エアシリンダ１１１は流体路３１及びレギュレータＲ１を介して圧縮空気源１２０に接続されており、レギュレータＲ１によってトップリング用エアシリンダ１１１に供給される加圧空気の空気圧等を調整することができる。これにより、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することができる。
【００２６】
また、トップリング駆動軸１１はキー（図示せず）を介して回転筒１１２に連結されている。この回転筒１１２はその外周部にタイミングプーリ１１３を備えている。トップリングヘッド１１０にはトップリング用モータ１１４が固定されており、上記タイミングプーリ１１３は、タイミングベルト１１５を介してトップリング用モータ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、トップリング用モータ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及びトップリング駆動軸１１が一体に回転し、トップリング１が回転する。なお、トップリングヘッド１１０は、フレーム（図示せず）に回転可能に支持されたトップリングヘッドシャフト１１７によって支持されている。
【００２７】
以下、本発明に係る基板保持装置を構成するトップリング１についてより詳細に説明する。図２は本発明の基板保持装置を構成するトップリングを示す縦断面図である。
図２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環状のリテーナリング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形成されている。また、リテーナリング３は、剛性の高い樹脂材又はセラミックス等から形成されている。
【００２８】
トップリング本体２は、円筒容器状のハウジング部２ａと、ハウジング部２ａの円筒部の内側に嵌合される環状の加圧シート支持部２ｂとを備えている。トップリング本体２のハウジング部２ａの下端にはリテーナリング３が固定されている。このリテーナリング３の下部は内方に突出している。なお、リテーナリング３をトップリング本体２と一体的に形成することとしてもよい。
【００２９】
トップリング本体２のハウジング部２ａの中央部の上方には、上述したトップリング駆動軸１１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１１とは自在継手部１０により連結されている。この自在継手部１０は、トップリング本体２及びトップリング駆動軸１１とを互いに傾動可能とする球面軸受機構と、トップリング駆動軸１１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備えており、トップリング駆動軸１１からトップリング本体２に対して互いの傾動を許容しつつ押圧力及び回転力を伝達する。
【００３０】
球面軸受機構は、トップリング駆動軸１１の下面の中央に形成された球面状凹部１１ａと、ハウジング部２ａの上面の中央に形成された球面状凹部２ｄと、両凹部１１ａ，２ｄ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１２とから構成されている。一方、回転伝達機構は、トップリング駆動軸１１に固定された駆動ピン（図示せず）とハウジング部２ａに固定された被駆動ピン（図示せず）とから構成される。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、これらは互いの接触点をずらして係合し、回転伝達機構がトップリング駆動軸１１の回転トルクをトップリング本体２に確実に伝達する。
【００３１】
トップリング本体２とトップリング本体２に一体に固定されたリテーナリング３との内部に画成された空間内には、環状のホルダーリング５と、トップリング本体２内部の収容空間内で上下動可能な概略円盤状のチャッキングプレート（上下動部材）６とが収容されている。このチャッキングプレート６は金属材料から形成されていてもよいが、研磨すべき半導体ウェハがトップリングに保持された状態で、渦電流を用いた膜厚測定方法でその表面に形成された薄膜の膜厚を測定する場合などにおいては、磁性を持たない材料、例えば、エポキシガラス、フッ素系樹脂やセラミックスなどの絶縁性の材料から形成されていることが好ましい。
【００３２】
ホルダーリング５とトップリング本体２との間には弾性を有する加圧シート１３が張設されている。この加圧シート１３は、一端をトップリング本体２のハウジング部２ａと加圧シート支持部２ｂとの間に挟み込み、他端をホルダーリング５とチャッキングプレート６との間に挟み込んで固定されている。トップリング本体２、チャッキングプレート６、ホルダーリング５、及び加圧シート１３によってトップリング本体２の内部に圧力室２１が形成されている。図２に示すように、圧力室２１にはチューブ、コネクタ等からなる流体路３２が連通されており、圧力室２１は流体路３２上に配置されたレギュレータＲ２を介して圧縮空気源１２０に接続されている。なお、加圧シート１３は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴムなど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。
【００３３】
なお、加圧シート１３がゴムなどの弾性体である場合に、加圧シート１３をリテーナリング３とトップリング本体２との間に挟み込んで固定した場合には、弾性体としての加圧シート１３の弾性変形によってリテーナリング３の下面において好ましい平面が得られなくなってしまう。従って、これを防止するため、本実施形態では、別部材として加圧シート支持部２ｂを設けて、これをトップリング本体２のハウジング部２ａと加圧シート支持部２ｂとの間に挟み込んで固定している。なお、リテーナリング３をトップリング本体２に対して上下動可能としたり、リテーナリング３をトップリング本体２とは独立に押圧可能な構造としたりすることもでき、このような場合には、必ずしも上述した加圧シート１３の固定方法が用いられるとは限らない。
【００３４】
チャッキングプレート６の外周縁部には、トップリング１によって保持される半導体ウェハＷの外周縁部に当接する環状のエッジメンブレン（弾性膜）７が設けられている。このエッジメンブレン７の上端は、チャッキングプレート６の外周縁部と環状のエッジリング４との間に挟み込まれており、これにより、エッジメンブレン７がチャッキングプレート６に取付けられる。
【００３５】
図２に示すように、半導体ウェハＷがトップリング１に保持された際に、エッジメンブレン７の内部には圧力室２２が形成されるようになっている。この圧力室２２には、チューブ、コネクタ等からなる流体路３３が連通されており、圧力室２２はこの流体路３３上に配置されたレギュレータＲ３を介して圧縮空気源１２０に接続されている。なお、エッジメンブレン７は、加圧シート１３と同様に、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。また、エッジメンブレン７を形成するゴム材としては、硬度（ｄｕｒｏ）が２０〜６０のものが好適に使用される。
【００３６】
半導体ウェハＷを研磨する際、トップリング１の回転に伴い半導体ウェハＷも回転するが、上述したエッジメンブレン７だけでは半導体ウェハＷとの接触範囲が小さく、回転トルクを伝達しきれないおそれがある。このため、半導体ウェハＷに当接して、半導体ウェハＷに十分なトルクを伝達する環状の中間エアバッグ１９がチャッキングプレート６の下面に固定されている。この中間エアバッグ１９は、エッジメンブレン７の径方向内側に配置され、半導体ウェハＷに十分なトルクを伝達するだけの接触面積をもって半導体ウェハＷと接触する。中間エアバッグは、プロファイルコントロールを行うためのものである。
【００３７】
中間エアバッグ１９は、半導体ウェハＷの上面に当接する弾性膜９１と、弾性膜９１を着脱可能に保持するエアバッグホルダー９２とから構成されている。エアバッグホルダー９２は、チャッキングプレート６の下面に形成された環状溝６ａにねじ（図示せず）を介して固定されている。中間エアバッグ１９を構成する弾性膜９１の上端は、環状溝６ａとエアバッグホルダー９２との間に挟まれており、これにより、弾性膜９１がチャッキングプレート６の下面に着脱可能に取付けられる。
【００３８】
半導体ウェハＷがトップリング１に保持された際に、中間エアバッグ１９の内部には、弾性膜９１とエアバッグホルダー９２とによって圧力室２４が形成されるようになっている。この圧力室２４には、チューブ、コネクタ等からなる流体路３５が連通されており、圧力室２４はこの流体路３５上に配置されたレギュレータＲ５を介して圧縮空気源１２０に接続されている。なお、弾性膜９１は、加圧シート１３と同様に、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。
【００３９】
エッジメンブレン７、中間エアバッグ１９、半導体ウェハＷ、及びチャッキングプレート６によって画成される環状の空間は、圧力室２３として構成されている。この圧力室２３にはチューブ、コネクタ等からなる流体路３４が連通しており、圧力室２３はこの流体路３４上に配置されたレギュレータＲ４を介して圧縮空気源１２０に接続されている。
【００４０】
また、中間エアバッグ１９、半導体ウェハＷ、及びチャッキングプレート６によって画成される円形の空間は、圧力室２５として構成されている。この圧力室２５にはチューブ、コネクタ等からなる流体路３６が連通しており、圧力室２５はこの流体路３６上に配置されたレギュレータＲ６を介して圧縮空気源１２０に接続されている。なお、上記流体路３２，３３，３４，３５，３６は、トップリングヘッド１１０の上端部に設けられたロータリージョイント（図示せず）を介して各レギュレータＲ２〜Ｒ６に接続されている。
【００４１】
エッジメンブレン７の外周面とリテーナリング３との間には、わずかな間隙Ｇがあるので、エッジリング４とチャッキングプレート６に取付けられたエッジメンブレン７等の部材は、トップリング本体２及びリテーナリング３に対して上下方向に移動可能で、フローティングする構造となっている。チャッキングプレート６には、その外周縁部から外方に突出する突起６ｃが複数箇所に設けられており、この突起６ｃがリテーナリング３の内方に突出している部分の上面に係合することにより、上記チャッキングプレート６等の部材の下方への移動が所定の位置までに制限される。
【００４２】
ここで、図３（ａ）乃至図３（ｃ）を参照して中間エアバッグ１９について詳細に説明する。図３（ａ）乃至図３（ｃ）は、図２の中間エアバッグを示す拡大断面図である。
図３（ａ）に示すように、本実施形態における中間エアバッグ１９の弾性膜９１は、外方に張り出したつば９１ａを有する中間当接部９１ｂと、つば９１ａとの間に環状の凹部９３を形成しつつ、つば９１ａの基部９１ｃから外方に延びる延出部９１ｄと、エアバッグホルダー９２を介してチャッキングプレート６に接続される接続部９１ｅとを有している。延出部９１ｄの外方端部は、つば９１ａの先端よりも内方に位置しており、この延出部９１ｄの外方端部から上方に向かって上記接続部９１ｅが延びている。これらのつば９１ａ、中間当接部９１ｂ、接続部９１ｅ、延出部９１ｄは弾性を有する同一の材料で一体に形成されている。また、中間当接部９１ｂの中央部には開口９１ｆが形成されている。
【００４３】
このような構成とすることで、半導体ウェハＷを中間エアバッグ１９の中間当接部９１ｂに密着させた後（図３（ｂ）参照）、チャッキングプレート６を上方に持ち上げて研磨を行う場合には、接続部９１ｅによる上向きの力が延出部９１ｄによって横方向あるいは斜め方向の力に変換されてつば９１ａの基部９１ｃに加えられることとなる（図３（ｃ）参照）。従って、つば９１ａの基部９１ｃに加わる上向きの力を極めて小さくすることができ、中間当接部９１ｂには過剰な上向きの力が加わることがない。このため、基部９１ｃの近傍に真空が形成されることがなく、つば９１ａを除く中間当接部９１ｂの全面において均一な研磨レートを実現することができる。この場合において、接続部９１ｅの厚さやつば９１ａの長さを径方向内側と外側とで変えてもよく、また延出部９１ｄの長さも径方向内側と外側で変えることもできる。更に、研磨される半導体ウェハ上の膜種や研磨パッドの種類により、つば９１ａの厚みを変えてもよい。半導体ウェハに伝えられる抵抗、研磨トルクが大きい場合は、つば９１ａのねじれを防ぐため、厚くするのが好ましい。
【００４４】
次に、図４（ａ）乃至図４（ｃ）を参照して、エッジメンブレン７について詳細に説明する。図４（ａ）は本実施形態に係るエッジメンブレンの全体構成を示す断面図であり、図４（ｂ）及び図４（ｃ）は図２に示す基板保持装置の部分断面図である。
【００４５】
本実施形態に係るエッジメンブレン（弾性膜）７は、半導体ウェハＷの外周縁部に当接する環状の当接部８と、この当接部８から上方に延びてチャッキングプレート６に接続される環状の周壁部９とを備えている。この周壁部９は、外周壁部９ａと、外周壁部９ａよりも径方向内側に配置された内周壁部９ｂとから構成されている。当接部８は、周壁部９（外周壁部９ａ及び内周壁部９ｂ）から径方向内側に向かって張り出した形状を有している。外周壁部９ａと内周壁部９ｂとの間に位置する当接部８の部位には、周方向に延びる切れ目１８が設けられ、これにより、当接部８は外周壁部９ａと内周壁部９ｂとの間において外側当接部８ａと内側当接部８ｂとに分断されている。
【００４６】
図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示すように、外周壁部９ａ及び内周壁部９ｂは、環状のエッジリング４の外周面及び内周面に沿って上方に延び、それぞれの上端がチャッキングプレート６とエッジリング４の上面との間に挟みこまれている。エッジリング４はねじ（図示せず）によりチャッキングプレート６に固定されており、これにより、エッジメンブレン７がチャッキングプレート６に着脱可能に取付けられる。上述した流体路３３はエッジリング４の内部を鉛直方向に貫通し、エッジリング４の下面で開口している。従って、エッジリング４、エッジメンブレン７、及び半導体ウェハＷにより画成された環状の圧力室２２は流体路３３に連通し、流体路３３及びレギュレータＲ３を介して圧縮空気源１２０に接続されている。
【００４７】
周壁部９は上下方向に、即ち、半導体ウェハＷに対して略垂直方向に伸縮自在な伸縮部４０を有している。より具体的には、周壁部９を構成する外周壁部９ａは、上下方向に伸縮自在な伸縮部４０ａを有しており、この伸縮部４０ａは、外周壁部９ａの一部が周方向に沿って内方に折り曲げられた後、さらに外方に折り返された構成を有している。この伸縮部４０ａは、外側当接部８ａ近傍に位置し、エッジリング４よりも下方の位置に設けられている。また、周壁部９を構成する内周壁部９ｂにも上下方向に伸縮自在な伸縮部４０ｂが設けられている。この伸縮部４０ｂは、内周壁部９ｂの下端近傍の部位が周方向に沿って内方に折り曲げられた形状を有している。このような伸縮部４０ａ，４０ｂを外周壁部９ａ及び内周壁部９ｂにそれぞれ設けたことにより、当接部８（外側当接部８ａ及び内側当接部８ｂ）の形状を保持した状態で外周壁部９ａ及び内周壁部９ｂを大きく伸縮させることができる。従って、図４（ｃ）に示すように、チャッキングプレート６が上昇したときに、このチャッキングプレート６の動きに伸縮部４０ａ，４０ｂが追従して伸張し、エッジメンブレン７と半導体ウェハＷとの接触範囲を一定に維持することができる。
【００４８】
上述したチャッキングプレート６の上方の圧力室２１及びチャッキングプレート６の下方の圧力室２２，２３，２４，２５には、各圧力室に連通される流体路３２，３３，３４，３５，３６を介して加圧空気等の加圧流体を供給する、あるいは大気圧や真空にすることができるようになっている。即ち、流体路３２〜３６上に配置されたレギュレータＲ２〜Ｒ６によってそれぞれの圧力室２１〜２５に供給される加圧流体の圧力を調整することができる。これにより各圧力室２１〜２５の内部の圧力を各々独立に制御する又は大気圧や真空にすることができるようになっている。
【００４９】
ここで、図１及び図２に示すように、各圧力室２２，２３，２４，２５に接続された流体路３３，３４，３５，３６には、各流体路３３〜３６を通って各圧力室２２，２３，２４，２５に供給される流体の流れ状態を検知するセンサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４がそれぞれ設けられている。
【００５０】
ここで、図６（ａ）乃至図６（ｃ）を参照して、上記各センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４について説明する。図６（ａ）は流体（加圧空気）の流れのない状態を示す図であり、図６（ｂ）は図中左側から右側に流体が流れた状態を示す図であり、図６（ｃ）は図中右側から左側に流体が流れた状態を示す図である。
各センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、図６に示すセンサチップ６０からなり、このセンサチップ６０内の中央にヒータ６１が配置されており、このヒータ６１を挟んで両側に温度センサ６２，６２が配置されている。
【００５１】
上述の構成において、ヒータ６１に通電加熱すると、図６（ａ）に示すように流体の流れのない状態では、ヒータ６１を中心とした温度分布が対称となるが、図６（ｂ）に示すように、図中左側から右側に流体が流れた状態では、ヒータ６１の上流側の温度が低下し、下流側の温度が上昇して、温度分布の対称性が崩れてしまう。同様に、図６（ｃ）に示すように図中右側から左側に流体が流れた状態においても、ヒータ６１の上流側の温度が低下し、下流側の温度が上昇して、温度分布の対称性が崩れてしまう。
【００５２】
この温度差は、温度センサの抵抗値の差となって現れ、これにより質量流量（流速×密度）を求めることができる。この方式を用いることによって、双方向の流れを検知することができる。
図６に示すセンサチップ６０においては、流体の流量と出力との間には直線性があり、センサチップ６０の出力から流体の流量を検出することができる。従って、各センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、各流体路３３，３４，３５，３６を流れる流体の流量も検知できる。
【００５３】
次に、各圧力室２２，２３，２４，２５と各センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４との関係について詳述する。
上記各センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、流体の流れの方向を検知できるようになっている。すなわち、各センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、各流体路３３，３４，３５，３６を流れる流体（加圧空気）が各レギュレータＲ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６側から各圧力室２２，２３，２４，２５側に流れるのか、あるいは各圧力室２２，２３，２４，２５側から各レギュレータＲ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６側に流れるのかを検知できるように構成されている。
【００５４】
また各センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、各流体路３３，３４，３５，３６を流れる流体の流速を検知できるように構成されている。そして、各センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、各流体路３３，３４，３５，３６を流れる流体の流速を検知できるため、各流体路３３，３４，３５，３６の流路面積を乗ずることにより各流体路３３，３４，３５，３６を流れる流体の流量も検知できるようになっている。なお、この演算はセンサＳ１〜Ｓ４の内部で行う構成にしても良いし、研磨装置を制御するための制御装置（図示せず）の演算部で行うように構成してもよい。
【００５５】
上述のセンサＳ１〜Ｓ４の構成において、各圧力室２２，２３，２４，２５に異なった圧力の加圧流体（圧縮空気）が供給された場合に、異なった圧力の境界部でリークが発生した際、隣接した二つの圧力室間において、加圧流体は圧力が高い圧力室側から圧力が低い圧力室側に流れることになる。この場合、圧力の高い側のレギュレータから加圧流体は供給され、圧力の低い側のレギュレータは加圧流体を大気へ放出することになる。
【００５６】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、中間エアバッグ１９が正常に作動している場合と、中間エアバッグ１９が破損した場合の動作を示す説明図である。図５（ａ）に示すように、中間エアバッグ１９が正常に作動している場合には、圧力室２３及び圧力室２４内の各圧力が設定圧力に到達すれば流体路３４，３５を流れる流体の流量はそれぞれゼロになる。しかしながら、図５（ｂ）に示すように、中間エアバッグ１９が破損した場合には、加圧流体は圧力が高い圧力室２４側から圧力が低い圧力室２３側に流れることになる。この場合、圧力の高い側のレギュレータＲ５から加圧流体は供給され、圧力の低い側のレギュレータＲ４は加圧流体を大気に放出することになる。すなわち、異なった圧力の加圧流体が供給される隣接する二つの圧力室の境界部でリークが発生した際には、加圧流体は、圧力の高い側から圧力の低い側へ決まった方向で、かつ同一の流量で流れる。
【００５７】
通常の半導体ウェハへの加圧または減圧は同時に行われるため、隣接する圧力室に供給される流体の流れ方向は常に同一であるし、流量もそれぞれ異なっている。従って、隣接する二つの圧力室に加圧流体を供給する流体路において、圧力設定の高い側と低い側にそれぞれ流体の流れ方向と流量を検知できるセンサを設けることにより流体のリークを監視することが可能である。すなわち、設置された二つのセンサが圧力の高い方から低い方への流体の流れと同一流量を検知すれば、リークが発生していると判定することができる。この場合、リークの判定には、二つのセンサにより流体の流れ方向だけ検知してもよく、また同一流量だけ検知してもよいが、安定したリークの検知には、これらの両方を監視することが望ましい。
【００５８】
上述のような方法を用いれば、微小リークを検知することが可能になる。従来、メンブレンの寿命は経験的に十分な安全率を見込んで決められていたが、実際に微小亀裂が生じ、そこからの微小リークを検知した時点を寿命と判断することができる。これは、微小亀裂が成長し、大きな「穴」や破断に至るまでには少なからず時間が必要だからである。この場合の微小リークとは、圧力コントローラがフィードバック回路により圧力を補正できる程度の流量を示す。
【００５９】
また、流体の流れ方向を検知できない通常の流量計でも、半導体ウェハに対して押圧力の高低が定まっていれば、リークした際の流体の流れ方向は常に同じであるので、その流れ方向にならって流量計を設置すれば検知可能である。
以上のように本発明は、リークが起こりうる境界部の両側に、それぞれセンサを設置し、リーク発生時と通常の加圧時との流体の流れの状態の相違を利用することで、安定したリーク検知を可能としたものである。
【００６０】
次に、図１及び図２に示すトップリング１の全体の動作について説明する。
上記構成の研磨装置において、半導体ウェハＷの搬送時には、トップリング１の全体を半導体ウェハＷの移送位置に位置させる。圧力室２３及び／又は圧力室２４を流体路３４及び／又は流体路３５を介して真空源に接続し、圧力室２３及び／又は圧力室２４を真空引きする。この圧力室２３及び／又は圧力室２４の吸引作用によりトップリング１の下端面に半導体ウェハＷが真空吸着される。そして、半導体ウェハ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（研磨パッド１０１）を有する研磨テーブル１００の上方に位置させる。なお、半導体ウェハＷの外周線はリテーナリング３によって保持され、半導体ウェハ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。
【００６１】
次いで、圧力室２３及び／又は圧力室２４による半導体ウェハＷの吸着を解除し、それとほぼ同時に、トップリング駆動軸１１に連結されたトップリング用エアシリンダ１１１を作動させてトップリング１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１００の研磨面に押圧する。その後、圧力室２１に加圧流体を供給してチャッキングプレート６を下降させ、エッジメンブレン７及び中間エアバッグ１９を半導体ウェハＷに対して押圧する。これにより、エッジメンブレン７及び中間エアバッグ１９の下面を半導体ウェハＷの上面に確実に密着させることができる。この状態で、圧力室２２〜２５にそれぞれ所定の圧力の加圧流体を供給し、チャッキングプレート６を上昇させると共に、半導体ウェハＷを研磨テーブル１００の研磨面に押圧する。この時、チャッキングプレート６の上昇に追従してエッジメンブレン７の伸縮部４０ａ，４０ｂが伸張するため、エッジメンブレン７の下面（当接部８）と半導体ウェハＷの外周縁部との接触範囲が一定に維持される。そして、予め研磨液供給ノズル１０２から研磨液Ｑを流すことにより、研磨パッド１０１に研磨液Ｑが保持され、半導体ウェハＷの研磨される面（下面）と研磨パッド１０１との間に研磨液Ｑが存在した状態で研磨が行われる。
【００６２】
このように、本実施形態に係るトップリング（基板保持装置）１によれば、エッジメンブレン７と半導体ウェハＷの外周縁部との接触範囲が一定に維持されるので、半導体ウェハＷの外周縁部での押圧力の変化を防止することができる。従って、半導体ウェハＷの外周縁部を含む全面を均一な押圧力で研磨面に押圧することができる。その結果、半導体ウェハＷの外周縁部での研磨レートの低下を防止することができ、さらには、外周縁部の径方向内側に位置する領域での研磨レートの局所的な上昇を防止することができる。具体的には、直径２００ｍｍの半導体ウェハの場合では半導体ウェハの外周縁部から約２０ｍｍに位置する領域、直径３００ｍｍの半導体ウェハの場合では半導体ウェハの外周縁部から約２５ｍｍに位置する領域での研磨レートの上昇が防止できる。
【００６３】
また、エッジメンブレン７の当接部８に周方向に延びる切れ目１８を設けたことにより、周壁部９（外周壁部９ａ及び内周壁部９ｂ）の下方への伸張性を向上させることができる。従って、圧力室２２に供給される加圧流体の圧力を下げた場合でも、エッジメンブレン７と半導体ウェハＷとの接触範囲を良好に保つことができ、より少ない押圧力で半導体ウェハＷを押圧することができる。
【００６４】
ここで、半導体ウェハＷの圧力室２２，２３，２４，２５の下方に位置する部分は、それぞれ圧力室２２〜２５に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。従って、圧力室２２〜２５に供給される加圧流体の圧力をそれぞれ制御することにより、半導体ウェハＷの全面を均一な力で研磨面に押圧することができ、半導体ウェハＷの全面に亘って均一な研磨レートを得ることができる。また、同様に、レギュレータＲ２によって圧力室２１に供給される加圧流体の圧力を調整し、リテーナリング３が研磨パッド１０１を押圧する押圧力を変更することができる。このように、研磨中に、リテーナリング３が研磨パッド１０１を押圧する押圧力と各圧力室２２〜２５が半導体ウェハＷを研磨パッド１０１に押圧する押圧力を適宜調整することにより、半導体ウェハＷの研磨プロファイルを制御することができる。なお、半導体ウェハＷには、中間エアバッグ１９の当接部を介して流体から押圧力が加えられる部分と、加圧流体の圧力そのものが半導体ウェハＷに加わる部分とがあるが、これらの部分に加えられる押圧力は同一圧力である。
【００６５】
上述のようにして、トップリング用エアシリンダ１１１によるリテーナリング３の研磨パッド１０１への押圧力と、各圧力室２２〜２５に供給する加圧流体による半導体ウェハＷの研磨パッド１０１への押圧力とを適宜調整して半導体ウェハＷの研磨が行われる。
【００６６】
上述の研磨中において、圧力室２２〜２５に供給される加圧流体がそれぞれ異なった圧力で、半導体ウェハＷが部分的に異なった押圧状態にあるときに、圧力室２２〜２５に供給している流体路３３〜３６に備えられたセンサＳ１〜Ｓ４のうち隣接する二つの圧力室用の二つのセンサがある定まった流体の流れ方向を検知したときに、隣接する圧力室２２〜２５を隔てている境界部（メンブレン）に破損等が起きたと判定される。したがって、このとき、トップリング１により半導体ウェハＷを真空吸着してトップリング１を研磨面から上昇させる等の操作により、半導体ウェハＷの研磨を中止する。また、センサＳ１〜Ｓ４のうち隣接する二つの圧力室用の二つのセンサが同一の流量の流体の流れを検知したときに、隣接する圧力室２２〜２５を隔てている境界部（メンブレン）に破損等が起きたと判定される。したがって、このとき、半導体ウェハＷの研磨を中止する。
【００６７】
そして、研磨が終了した際は、圧力室２２〜２５への加圧流体の供給を止め、各圧力室を大気圧に開放する。その後、圧力室２３及び／又は圧力室２４に負圧を形成することにより、半導体ウェハＷをトップリング１の下端面に再び真空吸着させる。この時、圧力室２１内の圧力を大気圧に開放するか、もしくは負圧にする。これは、圧力室２１の圧力を高いままにしておくと、チャッキングプレート６の下面によって半導体ウェハＷが研磨面に局所的に押圧されることになってしまうためである。
【００６８】
上述のように半導体ウェハＷを吸着させた後、トップリング１の全体を半導体ウェハの移送位置に位置させ、圧力室２３及び／又は圧力室２４による真空吸着を解除する。そして、流体路３４から半導体ウェハＷに流体（例えば、加圧流体もしくは窒素と純水を混合したもの）を噴射して半導体ウェハＷをリリースする。
【００６９】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【００７０】
【発明の効果】
上述したように、本発明の基板保持装置の態様によれば、加圧流体の流れの状態を検知することで、圧力室のリークや被研磨物である基板とメンブレン（弾性膜）との間のリークを検知し、圧力室を形成する弾性膜等の破損やトップリングの組立不良、寿命などを検知することが可能となる。また、圧力室の圧力を設定圧力に維持することができるので、基板の破損の危険性を低減することができる。更に、このような圧力室のリークを検知できるだけでなく、研磨中にトップリングの下面から基板が外れたことも検知することができ、基板の破損の危険性を更に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る基板保持装置を備えた研磨装置の全体構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るトップリングを示す縦断面図である。
【図３】図３（ａ）乃至図３（ｃ）は、図２の中間エアバッグを示す拡大断面図である。
【図４】図４（ａ）は本発明の実施形態に係るエッジメンブレンの全体構成を示す断面図であり、図４（ｂ）及び図４（ｃ）は図２に示す基板保持装置の部分断面図である。
【図５】図５（ａ）は中間エアバッグが正常に作動している場合、図５（ｂ）は中間エアバッグが破損した場合の動作を示す説明図である。
【図６】図６（ａ）乃至図６（ｃ）は流体の流れの状態を検知するセンサを示す図であり、図６（ａ）は流体（加圧空気）の流れのない状態を示す図であり、図６（ｂ）は図中左側から右側に流体が流れた状態を示す図であり、図６（ｃ）は図中右側から左側に流体が流れた状態を示す図である。
【符号の説明】
１ トップリング
２ トップリング本体
２ａ ハウジング部
２ｂ 加圧シート支持部
２ｃ シール部
２ｄ 球面状凹部
３ リテーナリング
４ エッジリング
４ａ 収容溝
５ ホルダーリング
６ チャッキングプレート（上下動部材）
６ｃ 突起
７ エッジメンブレン（弾性膜）
８ 当接部
８ａ 外当接部
８ｂ 外周壁部
９ 周壁部
９ａ 外周壁部
９ｂ 内周壁部
１０ 自在継手部
１１ トップリング駆動軸
１１ａ 球面状凹部
１２ ベアリングボール
１３ 加圧シート
１８ 切れ目
１９ 中間エアバッグ
２１，２２，２３，２４，２５ 圧力室
３１，３２，３３，３４，３５，３６ 流体路
４０，４０ａ，４０ｂ 伸縮部
４５ 押圧部材
４６，４６ａ，４６ｂ 溝
４８ 肉厚部
５０ 補強部材
５１ 洗浄液路
５３ 連通孔
６０ センサチップ
６１ ヒータ
６２ 温度センサ
７１ 折り曲げ箇所
７２ 結合箇所
９１ 弾性膜
９１ａ つば
９１ｂ 中間当接部
９１ｃ 基部
９１ｅ 接続部
９１ｆ 開口
９２ エアバッグホルダー
９３ 凹部
９６ 硬質部材
９７ 硬質の材料
１０１ 研磨パッド
１００ 研磨テーブル
１０２ 研磨液供給ノズル
１１０ トップリングヘッド
１１１ トップリング用エアシリンダ
１１２ 回転筒
１１３，１１６ タイミングプーリ
１１４ トップリング用モータ
１１５ タイミングベルト
１１７ トップリングヘッドシャフト
１２０ 圧縮空気源
１８０ 通孔
１８０ａ 第１開口部（流体供給口）
１８０ｂ 第２開口部
１８０ｃ 第３開口部
１９０ 補強部材
Ｇ 間隙
Ｑ 研磨液
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６ レギュレータ
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４ センサ
Ｗ 半導体ウェハ
【発明の属する技術分野】
本発明は、研磨対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置、特に、半導体ウェハ等の基板を研磨して平坦化する研磨装置において該基板を保持する基板保持装置に関するものである。また、本発明は、かかる基板保持装置を備えた研磨装置に関するものである。
【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、半導体デバイスの表面の凹凸はますます増え、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、パターンニングや開孔を行う微細加工の後、次の薄膜を形成するという工程を何回も繰り返すためである。
【０００３】
半導体デバイスの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、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ったりするため、良品が取れなかったり、歩留まりが低下したりする傾向がある。また、初期的に正常動作をするものであっても、長時間の使用に対しては信頼性の問題が生じる。更に、リソグラフィ工程における露光時に、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るため、半導体デバイスの表面の凹凸が増えると微細パターンの形成そのものが難しくなるという問題が生ずる。
【０００４】
従って、半導体デバイスの製造工程においては、半導体デバイス表面の平坦化技術が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は、研磨装置を用いて、シリカ（ＳｉＯ２）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ェハなどの基板を研磨面に摺接させて研磨を行うものである。
【０００５】
この種の研磨装置は、研磨パッドからなる研磨面を有する研磨テーブルと、半導体ウェ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。このような研磨装置を用いて半導体ウェハの研磨を行う場合には、基板保持装置により半導体ウェハを保持しつつ、この半導体ウェハを研磨テーブルに対して所定の圧力で押圧する。このとき、研磨テーブルと基板保持装置とを相対運動させることにより半導体ウェハが研磨面に摺接し、半導体ウェハの表面が平坦かつ鏡面に研磨される。
【０００６】
このような研磨装置において、研磨中の半導体ウェ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ェハの全面に亘って均一でない場合には、半導体ウェハの各部分に印加される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ェハの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、半導体ウェ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。
【０００７】
また、上記研磨パッドは弾性を有するため、研磨中の半導体ウェハの外周縁部に加わる押圧力が不均一になり、半導体ウェハの外周縁部のみが多く研磨される、いわゆる「縁だれ」を起こしてしまう場合がある。このような縁だれを防止するため、半導体ウェハの外周縁をガイドリング又はリテーナリングによって保持すると共に、ガイドリング又はリテーナリングによって半導体ウェハの外周縁側に位置する研磨面を押圧する構造を備えた基板保持装置も用いられている。
【０００８】
ところで、半導体ウェハの表面に形成される薄膜は、成膜の際の方法や装置の特性により、半導体ウェハの半径方向の位置によって膜厚が異なる。即ち、半径方向に膜厚分布を持っている。このため、上述したような従来の半導体ウェハの全面を均一に押圧し研磨する基板保持装置では、半導体ウェハの全面に亘って均一に研磨されるため、上述した半導体ウェハの表面上の膜厚分布と同じ研磨量分布を得ることができない。そこで、半導体ウェハに対して部分的に異なった圧力を加え、膜厚の厚い部分の研磨面への押圧力を膜厚の薄い部分の研磨面への押圧力より大きくすることにより、その部分の研磨レートを選択的に高め、これにより、成膜時の膜厚分布に依存せずに基板の全面に亘って過不足のない研磨を可能とする研磨装置も提案されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体ウェハの裏面側に位置する複数の圧力室に供給される加圧空気などの流体の圧力をそれぞれ制御し、半導体ウェハに印加される圧力を部分的に制御して半導体ウェハに対して部分的に異なった圧力で押圧する場合、異なった圧力の境界に存在するメンブレン（弾性膜）が破損したり、半導体ウェハとメンブレンとの間で気密が保たれずにエア漏れ（リーク）が起こると、半導体ウェハの各場所を所定の押圧力で押圧することができず、研磨結果に悪影響を及ぼすという問題があった。この場合、リークが起こると、流体の圧力を調整しているレギュレータはリークによる圧力低下を補うように流量を増加する。そのため、圧力監視では軽度のリーク検知が難しい。また、１つの流量計でリークを検知しようとする場合、リークしていない状態で加圧しても流体の流れは発生するため、誤検知することが多く信頼性に欠けていた。
【００１０】
本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、メンブレン（弾性膜）が破損して圧力室にリークが生じた場合や、基板とメンブレン（弾性膜）との間で気密が保たれずにリークが生じた場合に、このリークを速やかに検知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研磨装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、被研磨物を保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、前記被研磨物を保持する上下動可能なトップリング本体と、前記トップリング本体の内部に形成された複数の圧力室にそれぞれ流体を供給する複数の流体路と、前記複数の流体路に設置され該流体路を流れる流体の流れの状態を検知するセンサとを備えたことを特徴とする基板保持装置である。
【００１２】
本発明の第１の態様によれば、加圧流体の流れの状態を検知することで、圧力室のリークや被研磨物である基板とメンブレン（弾性膜）との間のリークを検知し、圧力室を形成する弾性膜等の破損やトップリングの組立不良などを検知することが可能となる。また、圧力室の圧力を設定圧力に維持することができるので、基板の破損の危険性を低減することができる。更に、このような圧力室のリークを検知できるだけでなく、研磨中にトップリングの下面から基板が外れたことも検知することができ、基板の破損の危険性を更に低減することができる。
【００１３】
本発明の好ましい態様は、前記複数の圧力室のうち境界部により隔てられた隣接する二つの圧力室にそれぞれ流体を供給する二つの流体路に、それぞれ前記センサが設置されていることを特徴とする。
本発明によれば、隣接する二つの圧力室の境界部でリークが発生した際、加圧流体は圧力が高い圧力室側から圧力が低い圧力室側に流れることになる。この場合、圧力の高い側のレギュレータから加圧流体は供給され、圧力の低い側のレギュレータは加圧流体を大気へ放出することになる。したがって、異なった圧力の加圧流体が供給される隣接する二つの圧力室の境界部でリークが発生した場合には、加圧流体は、圧力の高い側から圧力の低い側へ定まった方向で、かつ同一の流量で流れることになるため、前記二つのセンサがこの加圧流体の流れ方向または同一流量を検知することにより、境界部で発生するリークを検知することができる。
【００１４】
本発明の好ましい態様は、前記センサは、前記流体の流れの方向を検知できる。
本発明の好ましい態様は、前記センサは、前記流体の流速を検知できる。
本発明の好ましい態様は、前記センサは、前記流体の流量を検知できる。
本発明の好ましい態様は、前記センサは、前記流体の流速と流れの方向を検知できる。
【００１５】
本発明の他の態様は、研磨面を有する研磨テーブルと、上述の基板保持装置とを備えたことを特徴とする研磨装置である。
本発明の好ましい態様は、前記隣接する二つの圧力室にそれぞれ流体を供給する二つの流体路に設置された前記センサがある定まった流体の流れ方向を検知したときに、基板の研磨を中止することを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、隣接する二つの圧力室の境界部でリークが発生した際、加圧流体は圧力が高い圧力室側から圧力が低い圧力室側に流れることになる。この場合、圧力の高い側のレギュレータから加圧流体は供給され、圧力の低い側のレギュレータは加圧流体を大気へ放出することになる。したがって、異なった圧力の加圧流体が供給される隣接する二つの圧力室の境界部でリークが発生した場合には、加圧流体は、圧力の高い側から圧力の低い側へ定まった方向で、かつ同一の流量で流れることになるため、前記二つのセンサがこの加圧流体の流れ方向を検知することにより、さらに流量を同時に検知することにより、より高精度に境界部で発生するリークを検知することができる。そして、このリークを検知した場合に、基板の研磨を中止する。
【００１７】
この研磨の中止は、例えば、基板をトップリングにより真空吸着してからトップリングを研磨面から上昇させることにより行うことができる。そして、この情報を記録しておき、再研磨の時に利用しても良いし、微小リークを検知できることから、メンブレンの寿命検知としても利用できる。
【００１８】
本発明の好ましい態様は、前記ある定まった流体の流れ方向が、１つは基板に対して加圧する方向で、１つが基板に対して減圧する方向であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ある定まった流体の流れ方向が互いに反対方向であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記隣接する二つの圧力室にそれぞれ流体を供給する二つの流体路に設置された前記センサが同一の流量を検知したときに、基板の研磨を中止することを特徴とする。
【００１９】
本発明によれば、隣接する二つの圧力室の境界部でリークが発生した際、加圧流体は圧力が高い圧力室側から圧力が低い圧力室側に流れることになる。この場合、圧力の高い側のレギュレータから加圧流体は供給され、圧力の低い側のレギュレータは加圧流体を大気へ放出することになる。したがって、異なった圧力の加圧流体が供給される隣接する二つの圧力室の境界部でリークが発生した場合には、加圧流体は、圧力の高い側から圧力の低い側へ二つの流体路を同一の流量で流れることになるため、前記二つのセンサが同一流量、もしくは正反対の流れ方向を検知することにより、境界部で発生するリークを検知することができる。そして、このリークを検知した場合に、基板の研磨を中止する。
【００２０】
本発明の好ましい態様は、前記隣接する二つの圧力室にそれぞれ流体を供給する二つの流体路に設置された前記センサがある定まった流体の流れ方向と定まった流量を検知したときに、基板の研磨を中止することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ある定まった流体の流れ方向が互いに反対方向であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ある定まった流体の流れ方向が互いに反対方向であり、定まった流量は同一であることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る基板保持装置及び研磨装置の実施形態について図１乃至図６を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の基板保持装置を備えた研磨装置の全体構成を示す断面図である。ここで、基板保持装置は、被研磨物である半導体ウェ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、本発明に係る基板保持装置を構成するトップリング１の下方には、上面に研磨パッド１０１を貼付した研磨テーブル１００が設置されている。また、研磨テーブル１００の上方には研磨液供給ノズル１０２が設置されており、この研磨液供給ノズル１０２によって研磨テーブル１００上の研磨パッド１０１上に研磨液Ｑが供給されるようになっている。
【００２２】
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、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、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又は孔を有している。
【００２３】
また、上述した研磨パッドに限らず、例えば、固定砥粒により研磨面を形成してもよい。固定砥粒は、砥粒をバインダ中に固定し板状に形成したものである。固定砥粒を用いた研磨においては、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ＣｅＯ２又はＳｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３を用い、バインダにはエポキシ樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂又はＭＢＳ樹脂やＡＢＳ樹脂などの熱可塑性樹脂を用いる。このような固定砥粒は硬質の研磨面を構成する。また、固定砥粒には、上述した板状のものの他に、薄い固定砥粒層の下に弾性を有する研磨パッドを貼付して二層構造とした固定砥粒パッドも含まれる。
【００２４】
図１に示すように、トップリング１は自在継手部１０を介してトップリング駆動軸１１に接続されており、トップリング駆動軸１１はトップリングヘッド１１０に固定されたトップリング用エアシリンダ１１１に連結されている。このトップリング用エアシリンダ１１１によってトップリング駆動軸１１は上下動し、トップリング１の全体を昇降させると共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１００に押圧するようになっている。
【００２５】
トップリング用エアシリンダ１１１は流体路３１及びレギュレータＲ１を介して圧縮空気源１２０に接続されており、レギュレータＲ１によってトップリング用エアシリンダ１１１に供給される加圧空気の空気圧等を調整することができる。これにより、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することができる。
【００２６】
また、トップリング駆動軸１１はキー（図示せず）を介して回転筒１１２に連結されている。この回転筒１１２はその外周部にタイミングプーリ１１３を備えている。トップリングヘッド１１０にはトップリング用モータ１１４が固定されており、上記タイミングプーリ１１３は、タイミングベルト１１５を介してトップリング用モータ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、トップリング用モータ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及びトップリング駆動軸１１が一体に回転し、トップリング１が回転する。なお、トップリングヘッド１１０は、フレーム（図示せず）に回転可能に支持されたトップリングヘッドシャフト１１７によって支持されている。
【００２７】
以下、本発明に係る基板保持装置を構成するトップリング１についてより詳細に説明する。図２は本発明の基板保持装置を構成するトップリングを示す縦断面図である。
図２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環状のリテーナリング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形成されている。また、リテーナリング３は、剛性の高い樹脂材又はセラミックス等から形成されている。
【００２８】
トップリング本体２は、円筒容器状のハウジング部２ａと、ハウジング部２ａの円筒部の内側に嵌合される環状の加圧シート支持部２ｂとを備えている。トップリング本体２のハウジング部２ａの下端にはリテーナリング３が固定されている。このリテーナリング３の下部は内方に突出している。なお、リテーナリング３をトップリング本体２と一体的に形成することとしてもよい。
【００２９】
トップリング本体２のハウジング部２ａの中央部の上方には、上述したトップリング駆動軸１１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１１とは自在継手部１０により連結されている。この自在継手部１０は、トップリング本体２及びトップリング駆動軸１１とを互いに傾動可能とする球面軸受機構と、トップリング駆動軸１１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備えており、トップリング駆動軸１１からトップリング本体２に対して互いの傾動を許容しつつ押圧力及び回転力を伝達する。
【００３０】
球面軸受機構は、トップリング駆動軸１１の下面の中央に形成された球面状凹部１１ａと、ハウジング部２ａの上面の中央に形成された球面状凹部２ｄと、両凹部１１ａ，２ｄ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１２とから構成されている。一方、回転伝達機構は、トップリング駆動軸１１に固定された駆動ピン（図示せず）とハウジング部２ａに固定された被駆動ピン（図示せず）とから構成される。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、これらは互いの接触点をずらして係合し、回転伝達機構がトップリング駆動軸１１の回転トルクをトップリング本体２に確実に伝達する。
【００３１】
トップリング本体２とトップリング本体２に一体に固定されたリテーナリング３との内部に画成された空間内には、環状のホルダーリング５と、トップリング本体２内部の収容空間内で上下動可能な概略円盤状のチャッキングプレート（上下動部材）６とが収容されている。このチャッキングプレート６は金属材料から形成されていてもよいが、研磨すべき半導体ウェハがトップリングに保持された状態で、渦電流を用いた膜厚測定方法でその表面に形成された薄膜の膜厚を測定する場合などにおいては、磁性を持たない材料、例えば、エポキシガラス、フッ素系樹脂やセラミックスなどの絶縁性の材料から形成されていることが好ましい。
【００３２】
ホルダーリング５とトップリング本体２との間には弾性を有する加圧シート１３が張設されている。この加圧シート１３は、一端をトップリング本体２のハウジング部２ａと加圧シート支持部２ｂとの間に挟み込み、他端をホルダーリング５とチャッキングプレート６との間に挟み込んで固定されている。トップリング本体２、チャッキングプレート６、ホルダーリング５、及び加圧シート１３によってトップリング本体２の内部に圧力室２１が形成されている。図２に示すように、圧力室２１にはチューブ、コネクタ等からなる流体路３２が連通されており、圧力室２１は流体路３２上に配置されたレギュレータＲ２を介して圧縮空気源１２０に接続されている。なお、加圧シート１３は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴムなど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。
【００３３】
なお、加圧シート１３がゴムなどの弾性体である場合に、加圧シート１３をリテーナリング３とトップリング本体２との間に挟み込んで固定した場合には、弾性体としての加圧シート１３の弾性変形によってリテーナリング３の下面において好ましい平面が得られなくなってしまう。従って、これを防止するため、本実施形態では、別部材として加圧シート支持部２ｂを設けて、これをトップリング本体２のハウジング部２ａと加圧シート支持部２ｂとの間に挟み込んで固定している。なお、リテーナリング３をトップリング本体２に対して上下動可能としたり、リテーナリング３をトップリング本体２とは独立に押圧可能な構造としたりすることもでき、このような場合には、必ずしも上述した加圧シート１３の固定方法が用いられるとは限らない。
【００３４】
チャッキングプレート６の外周縁部には、トップリング１によって保持される半導体ウェハＷの外周縁部に当接する環状のエッジメンブレン（弾性膜）７が設けられている。このエッジメンブレン７の上端は、チャッキングプレート６の外周縁部と環状のエッジリング４との間に挟み込まれており、これにより、エッジメンブレン７がチャッキングプレート６に取付けられる。
【００３５】
図２に示すように、半導体ウェハＷがトップリング１に保持された際に、エッジメンブレン７の内部には圧力室２２が形成されるようになっている。この圧力室２２には、チューブ、コネクタ等からなる流体路３３が連通されており、圧力室２２はこの流体路３３上に配置されたレギュレータＲ３を介して圧縮空気源１２０に接続されている。なお、エッジメンブレン７は、加圧シート１３と同様に、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。また、エッジメンブレン７を形成するゴム材としては、硬度（ｄｕｒｏ）が２０〜６０のものが好適に使用される。
【００３６】
半導体ウェハＷを研磨する際、トップリング１の回転に伴い半導体ウェハＷも回転するが、上述したエッジメンブレン７だけでは半導体ウェハＷとの接触範囲が小さく、回転トルクを伝達しきれないおそれがある。このため、半導体ウェハＷに当接して、半導体ウェハＷに十分なトルクを伝達する環状の中間エアバッグ１９がチャッキングプレート６の下面に固定されている。この中間エアバッグ１９は、エッジメンブレン７の径方向内側に配置され、半導体ウェハＷに十分なトルクを伝達するだけの接触面積をもって半導体ウェハＷと接触する。中間エアバッグは、プロファイルコントロールを行うためのものである。
【００３７】
中間エアバッグ１９は、半導体ウェハＷの上面に当接する弾性膜９１と、弾性膜９１を着脱可能に保持するエアバッグホルダー９２とから構成されている。エアバッグホルダー９２は、チャッキングプレート６の下面に形成された環状溝６ａにねじ（図示せず）を介して固定されている。中間エアバッグ１９を構成する弾性膜９１の上端は、環状溝６ａとエアバッグホルダー９２との間に挟まれており、これにより、弾性膜９１がチャッキングプレート６の下面に着脱可能に取付けられる。
【００３８】
半導体ウェハＷがトップリング１に保持された際に、中間エアバッグ１９の内部には、弾性膜９１とエアバッグホルダー９２とによって圧力室２４が形成されるようになっている。この圧力室２４には、チューブ、コネクタ等からなる流体路３５が連通されており、圧力室２４はこの流体路３５上に配置されたレギュレータＲ５を介して圧縮空気源１２０に接続されている。なお、弾性膜９１は、加圧シート１３と同様に、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。
【００３９】
エッジメンブレン７、中間エアバッグ１９、半導体ウェハＷ、及びチャッキングプレート６によって画成される環状の空間は、圧力室２３として構成されている。この圧力室２３にはチューブ、コネクタ等からなる流体路３４が連通しており、圧力室２３はこの流体路３４上に配置されたレギュレータＲ４を介して圧縮空気源１２０に接続されている。
【００４０】
また、中間エアバッグ１９、半導体ウェハＷ、及びチャッキングプレート６によって画成される円形の空間は、圧力室２５として構成されている。この圧力室２５にはチューブ、コネクタ等からなる流体路３６が連通しており、圧力室２５はこの流体路３６上に配置されたレギュレータＲ６を介して圧縮空気源１２０に接続されている。なお、上記流体路３２，３３，３４，３５，３６は、トップリングヘッド１１０の上端部に設けられたロータリージョイント（図示せず）を介して各レギュレータＲ２〜Ｒ６に接続されている。
【００４１】
エッジメンブレン７の外周面とリテーナリング３との間には、わずかな間隙Ｇがあるので、エッジリング４とチャッキングプレート６に取付けられたエッジメンブレン７等の部材は、トップリング本体２及びリテーナリング３に対して上下方向に移動可能で、フローティングする構造となっている。チャッキングプレート６には、その外周縁部から外方に突出する突起６ｃが複数箇所に設けられており、この突起６ｃがリテーナリング３の内方に突出している部分の上面に係合することにより、上記チャッキングプレート６等の部材の下方への移動が所定の位置までに制限される。
【００４２】
ここで、図３（ａ）乃至図３（ｃ）を参照して中間エアバッグ１９について詳細に説明する。図３（ａ）乃至図３（ｃ）は、図２の中間エアバッグを示す拡大断面図である。
図３（ａ）に示すように、本実施形態における中間エアバッグ１９の弾性膜９１は、外方に張り出したつば９１ａを有する中間当接部９１ｂと、つば９１ａとの間に環状の凹部９３を形成しつつ、つば９１ａの基部９１ｃから外方に延びる延出部９１ｄと、エアバッグホルダー９２を介してチャッキングプレート６に接続される接続部９１ｅとを有している。延出部９１ｄの外方端部は、つば９１ａの先端よりも内方に位置しており、この延出部９１ｄの外方端部から上方に向かって上記接続部９１ｅが延びている。これらのつば９１ａ、中間当接部９１ｂ、接続部９１ｅ、延出部９１ｄは弾性を有する同一の材料で一体に形成されている。また、中間当接部９１ｂの中央部には開口９１ｆが形成されている。
【００４３】
このような構成とすることで、半導体ウェハＷを中間エアバッグ１９の中間当接部９１ｂに密着させた後（図３（ｂ）参照）、チャッキングプレート６を上方に持ち上げて研磨を行う場合には、接続部９１ｅによる上向きの力が延出部９１ｄによって横方向あるいは斜め方向の力に変換されてつば９１ａの基部９１ｃに加えられることとなる（図３（ｃ）参照）。従って、つば９１ａの基部９１ｃに加わる上向きの力を極めて小さくすることができ、中間当接部９１ｂには過剰な上向きの力が加わることがない。このため、基部９１ｃの近傍に真空が形成されることがなく、つば９１ａを除く中間当接部９１ｂの全面において均一な研磨レートを実現することができる。この場合において、接続部９１ｅの厚さやつば９１ａの長さを径方向内側と外側とで変えてもよく、また延出部９１ｄの長さも径方向内側と外側で変えることもできる。更に、研磨される半導体ウェハ上の膜種や研磨パッドの種類により、つば９１ａの厚みを変えてもよい。半導体ウェハに伝えられる抵抗、研磨トルクが大きい場合は、つば９１ａのねじれを防ぐため、厚くするのが好ましい。
【００４４】
次に、図４（ａ）乃至図４（ｃ）を参照して、エッジメンブレン７について詳細に説明する。図４（ａ）は本実施形態に係るエッジメンブレンの全体構成を示す断面図であり、図４（ｂ）及び図４（ｃ）は図２に示す基板保持装置の部分断面図である。
【００４５】
本実施形態に係るエッジメンブレン（弾性膜）７は、半導体ウェハＷの外周縁部に当接する環状の当接部８と、この当接部８から上方に延びてチャッキングプレート６に接続される環状の周壁部９とを備えている。この周壁部９は、外周壁部９ａと、外周壁部９ａよりも径方向内側に配置された内周壁部９ｂとから構成されている。当接部８は、周壁部９（外周壁部９ａ及び内周壁部９ｂ）から径方向内側に向かって張り出した形状を有している。外周壁部９ａと内周壁部９ｂとの間に位置する当接部８の部位には、周方向に延びる切れ目１８が設けられ、これにより、当接部８は外周壁部９ａと内周壁部９ｂとの間において外側当接部８ａと内側当接部８ｂとに分断されている。
【００４６】
図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示すように、外周壁部９ａ及び内周壁部９ｂは、環状のエッジリング４の外周面及び内周面に沿って上方に延び、それぞれの上端がチャッキングプレート６とエッジリング４の上面との間に挟みこまれている。エッジリング４はねじ（図示せず）によりチャッキングプレート６に固定されており、これにより、エッジメンブレン７がチャッキングプレート６に着脱可能に取付けられる。上述した流体路３３はエッジリング４の内部を鉛直方向に貫通し、エッジリング４の下面で開口している。従って、エッジリング４、エッジメンブレン７、及び半導体ウェハＷにより画成された環状の圧力室２２は流体路３３に連通し、流体路３３及びレギュレータＲ３を介して圧縮空気源１２０に接続されている。
【００４７】
周壁部９は上下方向に、即ち、半導体ウェハＷに対して略垂直方向に伸縮自在な伸縮部４０を有している。より具体的には、周壁部９を構成する外周壁部９ａは、上下方向に伸縮自在な伸縮部４０ａを有しており、この伸縮部４０ａは、外周壁部９ａの一部が周方向に沿って内方に折り曲げられた後、さらに外方に折り返された構成を有している。この伸縮部４０ａは、外側当接部８ａ近傍に位置し、エッジリング４よりも下方の位置に設けられている。また、周壁部９を構成する内周壁部９ｂにも上下方向に伸縮自在な伸縮部４０ｂが設けられている。この伸縮部４０ｂは、内周壁部９ｂの下端近傍の部位が周方向に沿って内方に折り曲げられた形状を有している。このような伸縮部４０ａ，４０ｂを外周壁部９ａ及び内周壁部９ｂにそれぞれ設けたことにより、当接部８（外側当接部８ａ及び内側当接部８ｂ）の形状を保持した状態で外周壁部９ａ及び内周壁部９ｂを大きく伸縮させることができる。従って、図４（ｃ）に示すように、チャッキングプレート６が上昇したときに、このチャッキングプレート６の動きに伸縮部４０ａ，４０ｂが追従して伸張し、エッジメンブレン７と半導体ウェハＷとの接触範囲を一定に維持することができる。
【００４８】
上述したチャッキングプレート６の上方の圧力室２１及びチャッキングプレート６の下方の圧力室２２，２３，２４，２５には、各圧力室に連通される流体路３２，３３，３４，３５，３６を介して加圧空気等の加圧流体を供給する、あるいは大気圧や真空にすることができるようになっている。即ち、流体路３２〜３６上に配置されたレギュレータＲ２〜Ｒ６によってそれぞれの圧力室２１〜２５に供給される加圧流体の圧力を調整することができる。これにより各圧力室２１〜２５の内部の圧力を各々独立に制御する又は大気圧や真空にすることができるようになっている。
【００４９】
ここで、図１及び図２に示すように、各圧力室２２，２３，２４，２５に接続された流体路３３，３４，３５，３６には、各流体路３３〜３６を通って各圧力室２２，２３，２４，２５に供給される流体の流れ状態を検知するセンサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４がそれぞれ設けられている。
【００５０】
ここで、図６（ａ）乃至図６（ｃ）を参照して、上記各センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４について説明する。図６（ａ）は流体（加圧空気）の流れのない状態を示す図であり、図６（ｂ）は図中左側から右側に流体が流れた状態を示す図であり、図６（ｃ）は図中右側から左側に流体が流れた状態を示す図である。
各センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、図６に示すセンサチップ６０からなり、このセンサチップ６０内の中央にヒータ６１が配置されており、このヒータ６１を挟んで両側に温度センサ６２，６２が配置されている。
【００５１】
上述の構成において、ヒータ６１に通電加熱すると、図６（ａ）に示すように流体の流れのない状態では、ヒータ６１を中心とした温度分布が対称となるが、図６（ｂ）に示すように、図中左側から右側に流体が流れた状態では、ヒータ６１の上流側の温度が低下し、下流側の温度が上昇して、温度分布の対称性が崩れてしまう。同様に、図６（ｃ）に示すように図中右側から左側に流体が流れた状態においても、ヒータ６１の上流側の温度が低下し、下流側の温度が上昇して、温度分布の対称性が崩れてしまう。
【００５２】
この温度差は、温度センサの抵抗値の差となって現れ、これにより質量流量（流速×密度）を求めることができる。この方式を用いることによって、双方向の流れを検知することができる。
図６に示すセンサチップ６０においては、流体の流量と出力との間には直線性があり、センサチップ６０の出力から流体の流量を検出することができる。従って、各センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、各流体路３３，３４，３５，３６を流れる流体の流量も検知できる。
【００５３】
次に、各圧力室２２，２３，２４，２５と各センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４との関係について詳述する。
上記各センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、流体の流れの方向を検知できるようになっている。すなわち、各センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、各流体路３３，３４，３５，３６を流れる流体（加圧空気）が各レギュレータＲ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６側から各圧力室２２，２３，２４，２５側に流れるのか、あるいは各圧力室２２，２３，２４，２５側から各レギュレータＲ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６側に流れるのかを検知できるように構成されている。
【００５４】
また各センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、各流体路３３，３４，３５，３６を流れる流体の流速を検知できるように構成されている。そして、各センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、各流体路３３，３４，３５，３６を流れる流体の流速を検知できるため、各流体路３３，３４，３５，３６の流路面積を乗ずることにより各流体路３３，３４，３５，３６を流れる流体の流量も検知できるようになっている。なお、この演算はセンサＳ１〜Ｓ４の内部で行う構成にしても良いし、研磨装置を制御するための制御装置（図示せず）の演算部で行うように構成してもよい。
【００５５】
上述のセンサＳ１〜Ｓ４の構成において、各圧力室２２，２３，２４，２５に異なった圧力の加圧流体（圧縮空気）が供給された場合に、異なった圧力の境界部でリークが発生した際、隣接した二つの圧力室間において、加圧流体は圧力が高い圧力室側から圧力が低い圧力室側に流れることになる。この場合、圧力の高い側のレギュレータから加圧流体は供給され、圧力の低い側のレギュレータは加圧流体を大気へ放出することになる。
【００５６】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、中間エアバッグ１９が正常に作動している場合と、中間エアバッグ１９が破損した場合の動作を示す説明図である。図５（ａ）に示すように、中間エアバッグ１９が正常に作動している場合には、圧力室２３及び圧力室２４内の各圧力が設定圧力に到達すれば流体路３４，３５を流れる流体の流量はそれぞれゼロになる。しかしながら、図５（ｂ）に示すように、中間エアバッグ１９が破損した場合には、加圧流体は圧力が高い圧力室２４側から圧力が低い圧力室２３側に流れることになる。この場合、圧力の高い側のレギュレータＲ５から加圧流体は供給され、圧力の低い側のレギュレータＲ４は加圧流体を大気に放出することになる。すなわち、異なった圧力の加圧流体が供給される隣接する二つの圧力室の境界部でリークが発生した際には、加圧流体は、圧力の高い側から圧力の低い側へ決まった方向で、かつ同一の流量で流れる。
【００５７】
通常の半導体ウェハへの加圧または減圧は同時に行われるため、隣接する圧力室に供給される流体の流れ方向は常に同一であるし、流量もそれぞれ異なっている。従って、隣接する二つの圧力室に加圧流体を供給する流体路において、圧力設定の高い側と低い側にそれぞれ流体の流れ方向と流量を検知できるセンサを設けることにより流体のリークを監視することが可能である。すなわち、設置された二つのセンサが圧力の高い方から低い方への流体の流れと同一流量を検知すれば、リークが発生していると判定することができる。この場合、リークの判定には、二つのセンサにより流体の流れ方向だけ検知してもよく、また同一流量だけ検知してもよいが、安定したリークの検知には、これらの両方を監視することが望ましい。
【００５８】
上述のような方法を用いれば、微小リークを検知することが可能になる。従来、メンブレンの寿命は経験的に十分な安全率を見込んで決められていたが、実際に微小亀裂が生じ、そこからの微小リークを検知した時点を寿命と判断することができる。これは、微小亀裂が成長し、大きな「穴」や破断に至るまでには少なからず時間が必要だからである。この場合の微小リークとは、圧力コントローラがフィードバック回路により圧力を補正できる程度の流量を示す。
【００５９】
また、流体の流れ方向を検知できない通常の流量計でも、半導体ウェハに対して押圧力の高低が定まっていれば、リークした際の流体の流れ方向は常に同じであるので、その流れ方向にならって流量計を設置すれば検知可能である。
以上のように本発明は、リークが起こりうる境界部の両側に、それぞれセンサを設置し、リーク発生時と通常の加圧時との流体の流れの状態の相違を利用することで、安定したリーク検知を可能としたものである。
【００６０】
次に、図１及び図２に示すトップリング１の全体の動作について説明する。
上記構成の研磨装置において、半導体ウェハＷの搬送時には、トップリング１の全体を半導体ウェハＷの移送位置に位置させる。圧力室２３及び／又は圧力室２４を流体路３４及び／又は流体路３５を介して真空源に接続し、圧力室２３及び／又は圧力室２４を真空引きする。この圧力室２３及び／又は圧力室２４の吸引作用によりトップリング１の下端面に半導体ウェハＷが真空吸着される。そして、半導体ウェハ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（研磨パッド１０１）を有する研磨テーブル１００の上方に位置させる。なお、半導体ウェハＷの外周線はリテーナリング３によって保持され、半導体ウェハ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。
【００６１】
次いで、圧力室２３及び／又は圧力室２４による半導体ウェハＷの吸着を解除し、それとほぼ同時に、トップリング駆動軸１１に連結されたトップリング用エアシリンダ１１１を作動させてトップリング１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１００の研磨面に押圧する。その後、圧力室２１に加圧流体を供給してチャッキングプレート６を下降させ、エッジメンブレン７及び中間エアバッグ１９を半導体ウェハＷに対して押圧する。これにより、エッジメンブレン７及び中間エアバッグ１９の下面を半導体ウェハＷの上面に確実に密着させることができる。この状態で、圧力室２２〜２５にそれぞれ所定の圧力の加圧流体を供給し、チャッキングプレート６を上昇させると共に、半導体ウェハＷを研磨テーブル１００の研磨面に押圧する。この時、チャッキングプレート６の上昇に追従してエッジメンブレン７の伸縮部４０ａ，４０ｂが伸張するため、エッジメンブレン７の下面（当接部８）と半導体ウェハＷの外周縁部との接触範囲が一定に維持される。そして、予め研磨液供給ノズル１０２から研磨液Ｑを流すことにより、研磨パッド１０１に研磨液Ｑが保持され、半導体ウェハＷの研磨される面（下面）と研磨パッド１０１との間に研磨液Ｑが存在した状態で研磨が行われる。
【００６２】
このように、本実施形態に係るトップリング（基板保持装置）１によれば、エッジメンブレン７と半導体ウェハＷの外周縁部との接触範囲が一定に維持されるので、半導体ウェハＷの外周縁部での押圧力の変化を防止することができる。従って、半導体ウェハＷの外周縁部を含む全面を均一な押圧力で研磨面に押圧することができる。その結果、半導体ウェハＷの外周縁部での研磨レートの低下を防止することができ、さらには、外周縁部の径方向内側に位置する領域での研磨レートの局所的な上昇を防止することができる。具体的には、直径２００ｍｍの半導体ウェハの場合では半導体ウェハの外周縁部から約２０ｍｍに位置する領域、直径３００ｍｍの半導体ウェハの場合では半導体ウェハの外周縁部から約２５ｍｍに位置する領域での研磨レートの上昇が防止できる。
【００６３】
また、エッジメンブレン７の当接部８に周方向に延びる切れ目１８を設けたことにより、周壁部９（外周壁部９ａ及び内周壁部９ｂ）の下方への伸張性を向上させることができる。従って、圧力室２２に供給される加圧流体の圧力を下げた場合でも、エッジメンブレン７と半導体ウェハＷとの接触範囲を良好に保つことができ、より少ない押圧力で半導体ウェハＷを押圧することができる。
【００６４】
ここで、半導体ウェハＷの圧力室２２，２３，２４，２５の下方に位置する部分は、それぞれ圧力室２２〜２５に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。従って、圧力室２２〜２５に供給される加圧流体の圧力をそれぞれ制御することにより、半導体ウェハＷの全面を均一な力で研磨面に押圧することができ、半導体ウェハＷの全面に亘って均一な研磨レートを得ることができる。また、同様に、レギュレータＲ２によって圧力室２１に供給される加圧流体の圧力を調整し、リテーナリング３が研磨パッド１０１を押圧する押圧力を変更することができる。このように、研磨中に、リテーナリング３が研磨パッド１０１を押圧する押圧力と各圧力室２２〜２５が半導体ウェハＷを研磨パッド１０１に押圧する押圧力を適宜調整することにより、半導体ウェハＷの研磨プロファイルを制御することができる。なお、半導体ウェハＷには、中間エアバッグ１９の当接部を介して流体から押圧力が加えられる部分と、加圧流体の圧力そのものが半導体ウェハＷに加わる部分とがあるが、これらの部分に加えられる押圧力は同一圧力である。
【００６５】
上述のようにして、トップリング用エアシリンダ１１１によるリテーナリング３の研磨パッド１０１への押圧力と、各圧力室２２〜２５に供給する加圧流体による半導体ウェハＷの研磨パッド１０１への押圧力とを適宜調整して半導体ウェハＷの研磨が行われる。
【００６６】
上述の研磨中において、圧力室２２〜２５に供給される加圧流体がそれぞれ異なった圧力で、半導体ウェハＷが部分的に異なった押圧状態にあるときに、圧力室２２〜２５に供給している流体路３３〜３６に備えられたセンサＳ１〜Ｓ４のうち隣接する二つの圧力室用の二つのセンサがある定まった流体の流れ方向を検知したときに、隣接する圧力室２２〜２５を隔てている境界部（メンブレン）に破損等が起きたと判定される。したがって、このとき、トップリング１により半導体ウェハＷを真空吸着してトップリング１を研磨面から上昇させる等の操作により、半導体ウェハＷの研磨を中止する。また、センサＳ１〜Ｓ４のうち隣接する二つの圧力室用の二つのセンサが同一の流量の流体の流れを検知したときに、隣接する圧力室２２〜２５を隔てている境界部（メンブレン）に破損等が起きたと判定される。したがって、このとき、半導体ウェハＷの研磨を中止する。
【００６７】
そして、研磨が終了した際は、圧力室２２〜２５への加圧流体の供給を止め、各圧力室を大気圧に開放する。その後、圧力室２３及び／又は圧力室２４に負圧を形成することにより、半導体ウェハＷをトップリング１の下端面に再び真空吸着させる。この時、圧力室２１内の圧力を大気圧に開放するか、もしくは負圧にする。これは、圧力室２１の圧力を高いままにしておくと、チャッキングプレート６の下面によって半導体ウェハＷが研磨面に局所的に押圧されることになってしまうためである。
【００６８】
上述のように半導体ウェハＷを吸着させた後、トップリング１の全体を半導体ウェハの移送位置に位置させ、圧力室２３及び／又は圧力室２４による真空吸着を解除する。そして、流体路３４から半導体ウェハＷに流体（例えば、加圧流体もしくは窒素と純水を混合したもの）を噴射して半導体ウェハＷをリリースする。
【００６９】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【００７０】
【発明の効果】
上述したように、本発明の基板保持装置の態様によれば、加圧流体の流れの状態を検知することで、圧力室のリークや被研磨物である基板とメンブレン（弾性膜）との間のリークを検知し、圧力室を形成する弾性膜等の破損やトップリングの組立不良、寿命などを検知することが可能となる。また、圧力室の圧力を設定圧力に維持することができるので、基板の破損の危険性を低減することができる。更に、このような圧力室のリークを検知できるだけでなく、研磨中にトップリングの下面から基板が外れたことも検知することができ、基板の破損の危険性を更に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る基板保持装置を備えた研磨装置の全体構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るトップリングを示す縦断面図である。
【図３】図３（ａ）乃至図３（ｃ）は、図２の中間エアバッグを示す拡大断面図である。
【図４】図４（ａ）は本発明の実施形態に係るエッジメンブレンの全体構成を示す断面図であり、図４（ｂ）及び図４（ｃ）は図２に示す基板保持装置の部分断面図である。
【図５】図５（ａ）は中間エアバッグが正常に作動している場合、図５（ｂ）は中間エアバッグが破損した場合の動作を示す説明図である。
【図６】図６（ａ）乃至図６（ｃ）は流体の流れの状態を検知するセンサを示す図であり、図６（ａ）は流体（加圧空気）の流れのない状態を示す図であり、図６（ｂ）は図中左側から右側に流体が流れた状態を示す図であり、図６（ｃ）は図中右側から左側に流体が流れた状態を示す図である。
【符号の説明】
１ トップリング
２ トップリング本体
２ａ ハウジング部
２ｂ 加圧シート支持部
２ｃ シール部
２ｄ 球面状凹部
３ リテーナリング
４ エッジリング
４ａ 収容溝
５ ホルダーリング
６ チャッキングプレート（上下動部材）
６ｃ 突起
７ エッジメンブレン（弾性膜）
８ 当接部
８ａ 外当接部
８ｂ 外周壁部
９ 周壁部
９ａ 外周壁部
９ｂ 内周壁部
１０ 自在継手部
１１ トップリング駆動軸
１１ａ 球面状凹部
１２ ベアリングボール
１３ 加圧シート
１８ 切れ目
１９ 中間エアバッグ
２１，２２，２３，２４，２５ 圧力室
３１，３２，３３，３４，３５，３６ 流体路
４０，４０ａ，４０ｂ 伸縮部
４５ 押圧部材
４６，４６ａ，４６ｂ 溝
４８ 肉厚部
５０ 補強部材
５１ 洗浄液路
５３ 連通孔
６０ センサチップ
６１ ヒータ
６２ 温度センサ
７１ 折り曲げ箇所
７２ 結合箇所
９１ 弾性膜
９１ａ つば
９１ｂ 中間当接部
９１ｃ 基部
９１ｅ 接続部
９１ｆ 開口
９２ エアバッグホルダー
９３ 凹部
９６ 硬質部材
９７ 硬質の材料
１０１ 研磨パッド
１００ 研磨テーブル
１０２ 研磨液供給ノズル
１１０ トップリングヘッド
１１１ トップリング用エアシリンダ
１１２ 回転筒
１１３，１１６ タイミングプーリ
１１４ トップリング用モータ
１１５ タイミングベルト
１１７ トップリングヘッドシャフト
１２０ 圧縮空気源
１８０ 通孔
１８０ａ 第１開口部（流体供給口）
１８０ｂ 第２開口部
１８０ｃ 第３開口部
１９０ 補強部材
Ｇ 間隙
Ｑ 研磨液
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６ レギュレータ
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４ センサ
Ｗ 半導体ウェハ
Claims (14)
- 基板を保持して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上下動可能なトップリング本体と、
前記トップリング本体の内部に形成された複数の圧力室にそれぞれ流体を供給する複数の流体路と、
前記複数の流体路に設置され該流体路を流れる流体の流れの状態を検知するセンサとを備えたことを特徴とする基板保持装置。 - 前記複数の圧力室のうち境界部により隔てられた隣接する二つの圧力室にそれぞれ流体を供給する二つの流体路に、それぞれ前記センサが設置されていることを特徴とする請求項１に記載の基板保持装置。
- 前記センサは、前記流体の流れの方向を検知できることを特徴とする請求項１に記載の基板保持装置。
- 前記センサは、前記流体の流速を検知できることを特徴とする請求項１に記載の基板保持装置。
- 前記センサは、前記流体の流量を検知できることを特徴とする請求項１に記載の基板保持装置。
- 前記センサは、前記流体の流速と流れの方向を検知できることを特徴とする請求項１に記載の基板保持装置。
- 研磨面を有する研磨テーブルと、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の基板保持装置とを備えたことを特徴とする研磨装置。 - 前記隣接する二つの圧力室にそれぞれ流体を供給する二つの流体路に設置された前記センサがある定まった流体の流れ方向を検知したときに、基板の研磨を中止することを特徴とする請求項７に記載の研磨装置。
- 前記ある定まった流体の流れ方向が、１つは基板に対して加圧する方向で、１つが基板に対して減圧する方向であることを特徴とする請求項８に記載の研磨装置。
- 前記ある定まった流体の流れ方向が互いに反対方向であることを特徴とする請求項８に記載の研磨装置。
- 前記隣接する二つの圧力室にそれぞれ流体を供給する二つの流体路に設置された前記センサが同一の流量を検知したときに、基板の研磨を中止することを特徴とする請求項７に記載の研磨装置。
- 前記隣接する二つの圧力室にそれぞれ流体を供給する二つの流体路に設置された前記センサがある定まった流体の流れ方向と定まった流量を検知したときに、基板の研磨を中止することを特徴とする請求項７に記載の研磨装置。
- 前記ある定まった流体の流れ方向が互いに反対方向であることを特徴とする請求項１２に記載の研磨装置。
- 前記ある定まった流体の流れ方向が互いに反対方向であり、定まった流量は同一であることを特徴とする請求項１２に記載の研磨装置。
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