JP2005081507A - 圧力コントロールシステム及び研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の圧力コントローラを用いて複数の圧力制御対象部の圧力制御を行なう場合に、複数の圧力コントローラの個体差をなくすことができる圧力コントロールシステムを提供する。
【解決手段】 複数の圧力制御対象部１０−１，１０−２，１０−３，１０−４，１０−５に加圧流体を供給する複数の圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５と、基準となる圧力を有した加圧流体を供給するマスター圧力コントローラ２と、マスター圧力コントローラからの加圧流体が供給されるとともに圧力コントローラからの加圧流体が供給される複数の校正チャンバ６，６−１，６−２，６−３，６−４，６−５と、マスター圧力コントローラからの加圧流体と圧力コントローラからの加圧流体との差圧を検出する差圧検出部１２，１４と、差圧検出部の差圧をゼロにするように圧力コントローラの出力を調整する演算部１とを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の圧力コントローラを用いて複数の圧力制御対象部の圧力制御を行なう場合に、複数の圧力コントローラの個体差をなくすことができる圧力コントロールシステムに関するものである。また本発明は、研磨対象物である半導体ウェハ等の基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置及び該基板保持装置を備えた研磨装置に関するものである。

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。

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。

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（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。

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。

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。

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。

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。

しかしながら、半導体ウェハの被研磨面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ゾーン（領域）毎に制御する場合、圧力室と同数の圧力コントローラを設け、各圧力コントローラを各圧力室に１対１に対応させ、各圧力コントローラにより各圧力室の圧力を所望の値にする必要がある。この場合、各圧力コントローラは、自身のフィードバック制御を行なうことができるが、他の圧力コントローラとの間での制御は何ら行なわれない。すなわち、各圧力コントローラは、他の圧力コントローラとの個体差を解消することはできない。そのため、各圧力コントローラを制御することにより、同一圧力の流体を各圧力室に供給しようとしても、圧力コントローラの個体差分、各圧力コントローラから出力される圧力に差異があるため、各圧力室を同一圧力に保つことができないという問題があった。その結果、半導体ウェハの全面を均一に研磨することができないという問題があった。

また、二つの圧力室間に所定の圧力差を設け、半導体ウェハ上の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ようとする場合にも、圧力コントローラの個体差分、二つの圧力コントローラから出力される圧力差に誤差分が加わり、二つの圧力室間に所定の圧力差を設けることができないという問題があった。その結果、半導体ウェハの各ゾーン（領域）を所望の研磨レートで研磨することができないという問題があった。

上述の例では、圧力コントローラの個体差について、研磨装置を例に挙げて説明したが、複数の圧力コントローラを用いて複数の圧力制御対象部の圧力制御を行なう場合に、圧力コントローラの個体差により同様の問題点があった。すなわち、各圧力コントローラの個体差により、各圧力制御対象部の圧力を所望の圧力に制御することができないという問題があった。

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、複数の圧力コントローラを用いて複数の圧力制御対象部の圧力制御を行なう場合に、複数の圧力コントローラの個体差をなくすことができる圧力コントロールシステムを提供することを目的とする。
また本発明は、研磨対象物である半導体ウェハ等の基板を保持して研磨面に押圧する際に、基板の被研磨面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加圧流体の圧力を所望の圧力に正確に制御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。

上記目的を達成するために、本発明の圧力コントロールシステムは、複数の圧力制御対象部に加圧流体を供給する複数の圧力コントローラと、基準となる圧力を有した加圧流体を供給するマスター圧力コントローラと、前記複数の圧力コントローラに対応して設けられ、前記マスター圧力コントローラからの加圧流体が供給されるとともに圧力コントローラからの加圧流体が供給される複数の校正チャンバと、前記各校正チャンバ内に設けられ、前記マスター圧力コントローラからの加圧流体と前記圧力コントローラからの加圧流体との差圧を検出する差圧検出部と、前記差圧検出部からの信号を受け、前記マスター圧力コントローラからの加圧流体と前記圧力コントローラからの加圧流体との差圧をゼロにするように前記圧力コントローラの出力を調整する演算部とを備えたことを特徴とする。

本発明の圧力コントロールシステムによれば、マスター圧力コントローラから基準となる圧力を有した加圧流体が校正チャンバに供給され、圧力コントローラから加圧流体が校正チャンバに供給され、校正チャンバ内の差圧検出部においてマスター圧力コントローラからの加圧流体と圧力コントローラからの加圧流体との差圧が検出され、差圧検出部にて検出された差圧は演算部に入力され、演算部において前記差圧がゼロとなるように圧力コントローラの出力が調整される。すなわち、マスター圧力コントローラの出力を基準に複数の圧力コントローラの圧力の校正を行なうことができる。

本発明の１態様によれば、前記差圧検出部は、前記校正チャンバ内に設けられ前記マスター圧力コントローラからの加圧流体と前記圧力コントローラからの加圧流体とを仕切るダイヤフラムと、該ダイヤフラムの変位を検出するセンサとからなる。
本発明の１態様によれば、前記マスター圧力コントローラと各校正チャンバとの間には密閉バルブが設けられ、該密閉バルブを閉じることにより、前記マスター圧力コントローラからの加圧流体を前記校正チャンバに封止可能である。
本発明の１態様によれば、前記密閉バルブが閉じている間、前記校正チャンバからの加圧流体のリークの有無を検出するリークセンサを備えている。

本発明の基板保持装置は、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、前記圧力コントロールシステムと、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と、前記複数の圧力室と前記圧力コントロールシステムの複数の圧力コントローラとをそれぞれ接続する流体路とを備えたことを特徴とする。
本発明の基板保持装置によれば、マスター圧力コントローラの出力を基準として複数の圧力コントローラの圧力の校正を行なうことができるため、基板の被研磨面の裏面側に位置する複数の圧力室に供給される加圧流体の圧力を所望の圧力に制御することができる。

本発明の１態様によれば、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を備えている。
本発明の１態様によれば、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。

本発明の研磨装置は、研磨面を有する研磨テーブルと、前記基板保持装置とを備えたことを特徴とする。
本発明の研磨装置によれば、基板の被研磨面の裏面側に位置する複数の圧力室に供給される加圧流体の圧力を所望の圧力に制御することができるため、基板をゾーン（領域）毎に研磨面に所望の圧力で押圧することができる。

本発明の圧力コントロールシステムによれば、マスター圧力コントローラの出力を基準に複数の圧力コントローラの圧力の校正を行なうことができるため、複数の圧力コントローラの個体差をなくし、複数の圧力コントローラの圧力をそれぞれ所望の圧力に正確に制御することができる。
本発明の基板保持装置によれば、研磨対象物である半導体ウェハ等の基板の被研磨面の裏面側に位置する複数の圧力室に供給される加圧流体の圧力を所望の圧力に正確に制御することができ、基板に印加される圧力をゾーン（領域）毎に正確に制御することができる。

本発明の研磨装置によれば、基板に印加される圧力をゾーン（領域）毎に正確に制御することができるため、基板をゾーン（領域）毎に研磨面に所望の圧力で押圧することができるため、基板の被研磨面の各ゾーンの研磨レートを所望の値にすることができる。したがって、基板の全面を均一に押圧することにより、基板の全面の研磨レートを均一にすることができ、また基板に対して部分的に異なった圧力を加えたり減じたりすることで、その部分の研磨レートを選択的に制御することもできる。

以下、本発明に係る圧力コントロールシステムの実施形態について図１を参照して説明する。
図１は本発明の圧力コントロールシステムの全体構成を示すブロック図である。本発明の圧力コントロールシステムは、マスター圧力コントローラの出力を基準に複数の圧力コントローラの圧力の校正を行なうことにより、複数の圧力コントローラの圧力をそれぞれ所望の圧力に正確に制御する装置である。図１に示すように、本発明の圧力コントロールシステムＣＳは、演算部１と、１つのマスター圧力コントローラ２と、複数の圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５とを備えている。マスター圧力コントローラ２および複数の圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５の入力側は、それぞれ、レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６を介して圧縮空気源４に接続されている。レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６は、圧縮空気源４からマスター圧力コントローラ２および各圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５へ圧縮空気を送る際に、圧力が高すぎて圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５内のセンサなどが破壊されるのを防止するために設けられている。例えば、圧力コントローラの出力範囲が０〜５０ｋＰａの場合、入力側圧力は０．１５ＭＰａ±０．０５ＭＰａに設定されている。また、レシピに対応する圧力を設定するため、マスター圧力コントローラ２および圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５には内部に圧力センサを内蔵し、出力側の圧力を測定し、その結果をもとにフィードバック制御をしている。

マスター圧力コントローラ２の出力側は、流体路５を介して複数の校正チャンバ６−１，６−２，６−３，６−４，６−５に接続されている。流体路５は、主流体路５ａと分岐流体路５ｂ−１，５ｂ−２，５ｂ−３，５ｂ−４，５ｂ−５とから構成されている。主流体路５ａには、残圧排気バルブＥＶが設置されており、分岐流体路５ｂ−１，５ｂ−２，５ｂ−３，５ｂ−４，５ｂ−５には、それぞれ密閉バルブＣＶ−１，ＣＶ−２，ＣＶ−３，ＣＶ−４，ＣＶ−５、残圧排気バルブＥＶ−１，ＥＶ−２，ＥＶ−３，ＥＶ−４，ＥＶ−５および流量計ＦＭ−１，ＦＭ−２，ＦＭ−３，ＦＭ−４，ＦＭ−５が設置されている。

圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５の出力側は、流体路９−１，９−２，９−３，９−４，９−５を介して、それぞれ、第１圧力制御対象部１０−１，第２圧力制御対象部１０−２，第３圧力制御対象部１０−３，第４圧力制御対象部１０−４，第５圧力制御対象部１０−５に接続されるとともに校正チャンバ６−１，６−２，６−３，６−４，６−５に接続されている。流体路９−１，９−２，９−３，９−４，９−５には、それぞれ遮断バルブＳＶ−１，ＳＶ−２，ＳＶ−３，ＳＶ−４，ＳＶ−５および大気開放バルブＬＶ−１，ＬＶ−２，ＬＶ−３，ＬＶ−４，ＬＶ−５が設置されている。

次に、演算部について説明する。
演算部１は、ホストコンピュータ１１と通信する機能を持ち、ホストコンピュータ１１からレシピを受け取り、そのレシピに従い各圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５に、圧力設定値としての信号を送ることができる。そして、演算部１は、実際に出力した圧力をホストコンピュータ１１に送ることができる。
また、演算部１は、校正チャンバ６−１，６−２，６−３，６−４，６−５内のセンサの出力を０（ゼロ）にするように各圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５を制御することができる。演算部１においては、ＰＩＤ制御でもいいし、ファジィやニューロといった制御方法を用いることもできる。さらに、演算部１は、マスター圧力コントローラ２と各圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５の間にある残圧排気バルブＥＶ−１，ＥＶ−２，ＥＶ−３，ＥＶ−４，ＥＶ−５、密閉バルブＣＶ−１，ＣＶ−２，ＣＶ−３，ＣＶ−４，ＣＶ−５、大気開放バルブＬＶ−１，ＬＶ−２，ＬＶ−３，ＬＶ−４，ＬＶ−５、および遮断バルブＳＶ−１，ＳＶ−２，ＳＶ−３，ＳＶ−４，ＳＶ−５の開閉もコントロールすることができる。更に、流量計ＦＭ−１，ＦＭ−２，ＦＭ−３，ＦＭ−４，ＦＭ−５の出力に基づき、必要に応じてトップリング１０１による研磨を止める等の処理を行なうこともできる。なお、演算部１は圧力コントローラの数を簡単に増減できるようにモジュール化されていることが望ましい。また演算部１はデバイスネット等にも対応していることが望ましい。

次に、校正チャンバについて説明する。
校正チャンバ６−１，６−２，６−３，６−４，６−５は２つの圧力ポートを持ち、一方の圧力ポートがマスター圧力コントローラ２に接続され、他方の圧力ポートが各圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５に接続されている。マスター圧力コントローラ２と圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５から出力された圧力は、耐腐食性に富んだ材料（ＳＵＳ３１６やハステロイ、テフロン（登録商標）、セラミック等）で構成されたダイヤフラム１２で仕切られている。すなわち、各校正チャンバ６−１，６−２，６−３，６−４，６−５はダイヤフラム１２により二つのサブチャンバ１３Ａ，１３Ｂに仕切られており、一方のサブチャンバ１３Ａにはマスター圧力コントローラ２からの圧力流体が供給され、他方のサブチャンバ１３Ｂには圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５からの圧力流体が供給される。ダイヤフラム１２には、センサ１４が取り付けられており、このセンサ１４は、腐食や発塵を考慮し、マスター圧力コントローラ２側に取付けられている。マスター圧力コントローラ２から出力された圧力と圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５から出力された圧力に差がある場合、ダイヤフラム１２は変形し、ダイヤフラム１２に取付けられたセンサ１４から電気信号として演算部１に出力する。すなわち、ダイヤフラム１２とセンサ１４は、マスター圧力コントローラからの加圧流体と圧力コントローラからの加圧流体との差圧を検出する差圧検出部を構成する。電気信号への変換の方法としては、変位を静電容量方式によって電気量に変換する方法や、歪を歪ゲージを利用して電気抵抗に変換する方法がある。なお、ダイヤフラム１２に生じた力を検出するのであれば、圧力とダイヤフラムの面積に力は比例するので、力平衡式と呼ばれる方法を利用しても良い。

図２は、校正チャンバの一例を示す断面図である。図２においては、校正チャンバを符号６として示す。校正チャンバ６は２つの圧力ポート６ａ，６ｂを持ち、一方の圧力ポート６ａがマスター圧力コントローラ２に接続され、他方の圧力ポート６ｂが各圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５に接続されている。校正チャンバ６はＳＵＳ３１６、ハステロイ、セラミック又はテフロン（登録商標）からなるダイヤフラム１２により二つのサブチャンバ１３Ａ，１３Ｂに仕切られており、一方のサブチャンバ１３Ａにはマスター圧力コントローラ２からの圧力流体が供給され、他方のサブチャンバ１３Ｂには圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５からの圧力流体が供給される。ダイヤフラム１２には、移動電極１５が取り付けられており、移動電極１５に対向して測定電極１６が設けられている。測定電極１６はハウジング１７に固定されている。また、測定電極１６に隣接して参照電極１８が設置されている。なお、ハウジング１７内には信号増幅用のアンプ１９が配置されている。

上述の構成において、マスター圧力コントローラ２から出力された圧力と圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５から出力された圧力に差がある場合、ダイヤフラム１２は変形し、移動電極１５と上部の測定電極１６の間の静電容量は変化するが、移動電極１５と参照電極１８の間の静電容量はほとんど変化しない。そこで、移動電極１５と測定電極１６の間の静電容量と移動電極１５と参照電極１８の間の静電容量の差から圧力差を求めることができる。

本発明の場合、マスター圧力コントローラ２から出力された圧力を密閉バルブＣＶ−１，ＣＶ−２，ＣＶ−３，ＣＶ−４，ＣＶ−５を閉じ校正チャンバ６−１，６−２，６−３，６−４，６−５内に封止することによって成り立つため、常にリークしていないことを監視していることが望ましい。そのため、本発明では校正チャンバ６−１，６−２，６−３，６−４，６−５と密閉バルブＣＶ−１，ＣＶ−２，ＣＶ−３，ＣＶ−４，ＣＶ−５の間にリークチェック用の流量計ＦＭ−１，ＦＭ−２，ＦＭ−３，ＦＭ−４，ＦＭ−５を挿入し監視している。これら流量計ＦＭ−１，ＦＭ−２，ＦＭ−３，ＦＭ−４，ＦＭ−５は、マスター圧力コントローラ２に内蔵された圧力センサの出力値が設定値と同じになったという信号で密閉バルブＣＶ−１，ＣＶ−２，ＣＶ−３，ＣＶ−４，ＣＶ−５が閉じ、その閉じたという信号をトリガーにリークチェックを開始する。そして、流量計ＦＭ−１，ＦＭ−２，ＦＭ−３，ＦＭ−４，ＦＭ−５は、密閉バルブＣＶ−１，ＣＶ−２，ＣＶ−３，ＣＶ−４，ＣＶ−５が開となるまで、リークの監視を継続する。もし、リークが発生した場合には、圧力制御対象部の装置（例えば、研磨装置（ＣＭＰ装置））に信号を送り、適切な処理が行なわれる。

次に、制御用の各バルブについて説明する。
密閉バルブＣＶ−１，ＣＶ−２，ＣＶ−３，ＣＶ−４，ＣＶ−５と校正チャンバ６−１，６−２，６−３，６−４，６−５の間には残圧排気バルブＥＶ−１，ＥＶ−２，ＥＶ−３，ＥＶ−４，ＥＶ−５が配置され、更に、密閉バルブＣＶ−１，ＣＶ−２，ＣＶ−３，ＣＶ−４，ＣＶ−５とマスター圧力コントローラ２の間にも残圧排気バルブＥＶが配置されている。これらの残圧排気バルブＥＶ，ＥＶ−１〜ＥＶ−５は、設定圧力が変更になった場合に開き、大気開放する。一方、各圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５と校正チャンバ６−１，６−２，６−３，６−４，６−５の間には、遮断バルブＳＶ−１，ＳＶ−２，ＳＶ−３，ＳＶ−４，ＳＶ−５と大気開放バルブＬＶ−１，ＬＶ−２，ＬＶ−３，ＬＶ−４，ＬＶ−５が配置されている。マスター圧力コントローラ２が圧力を校正チャンバ６−１，６−２，６−３，６−４，６−５に充填中は大気開放バルブＬＶ−１，ＬＶ−２，ＬＶ−３，ＬＶ−４，ＬＶ−５は開いている。これは、校正チャンバ６−１，６−２，６−３，６−４，６−５内のダイヤフラム１２の変形による容積変化に伴う圧力変化の影響を防ぐためである。そして、応答性を良くするため、各機器間を接続する流体路は最短距離で配管されている。

次に、図１に示す圧力コントロールシステムの作用を説明する。
まず、ホストコンピュータ１１から演算部１にレシピが送られる。このときの各バルブの状態は、密閉バルブＣＶ−１，ＣＶ−２，ＣＶ−３，ＣＶ−４，ＣＶ−５と残圧排気バルブＥＶ，ＥＶ−１，ＥＶ−２，ＥＶ−３，ＥＶ−４，ＥＶ−５と遮断バルブＳＶ−１，ＳＶ−２，ＳＶ−３，ＳＶ−４，ＳＶ−５および大気開放バルブＬＶ−１，ＬＶ−２，ＬＶ−３，ＬＶ−４，ＬＶ−５は開の状態になっている。各バルブが開になっているのは、各校正チャンバ６−１，６−２，６−３，６−４，６−５内のダイヤフラム１２に余分な圧力をかけないためである。次に、演算部１は、ホストコンピュータ１１から送られてきたレシピに従いマスター圧力コントローラ２と各圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５に指令を送ると同時に残圧排気バルブＥＶ，ＥＶ−１，ＥＶ−２，ＥＶ−３，ＥＶ−４，ＥＶ−５と遮断バルブＳＶ−１，ＳＶ−２，ＳＶ−３，ＳＶ−４，ＳＶ−５を閉じる。

各圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５は演算部１から送られたレシピに従い出力を開始する。演算部１は圧力の応答時間を短くするために、レシピの中で最も圧力の低い圧力コントローラに対応した校正用チャンバに圧力を供給し、マスター圧力コントローラ２に内蔵されるか、または校正チャンバとの間に設けられたフィードバック用圧力センサ２０の出力が安定した後、圧力が供給された校正用チャンバに対応した密閉バルブを閉じる。これにより、マスター圧力コントローラ２より出力された圧力が校正チャンバに封止される。密閉バルブを閉じている間、閉じている密閉バルブに対応した流量計が働きリークチェックをしている。前記密閉バルブが閉じられたあと、２番目に低い圧力を要求されている圧力コントローラに対応した校正チャンバに圧力を供給していく。この手順で、順次、各校正チャンバに所定圧力の流体を封止する。もし、複数の圧力コントローラに同じ圧力が要求されている場合には、対応した校正チャンバへの圧力の供給は同時に行なわれる。

密閉バルブが閉じられると、直ちに、大気開放バルブが閉じ遮断バルブが開く。そして、圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５から出力された圧力は、流体路９−１，９−２，９−３，９−４，９−５で接続されたゾーン（第１圧力制御対象部１０−１，第２圧力制御対象部１０−２，第３圧力制御対象部１０−３，第４圧力制御対象部１０−４，第５圧力制御対象部１０−５）に供給されると同時に、圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５の出口で分岐され、校正チャンバ６−１，６−２，６−３，６−４，６−５にも供給される。この時点では、ダイヤフラム１２を境にマスター圧力コントローラ側と圧力コントローラ側で圧力に差があるため、ダイヤフラム１２に取付けられたセンサ１４が、ダイヤフラム１２の変位を検知し電気信号として演算部１に出力する。その信号を受け取った演算部１は、ダイヤフラム１２の変位を０（ゼロ）にするよう圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５の出力を調整する。この場合、校正チャンバ６−１，６−２，６−３，６−４，６−５内のセンサ１４に個体差があっても、変位量０は０なので、個体差は発生しない。圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５により、各圧力制御対象部１０−１，１０−２，１０−３，１０−４，１０−５に長時間同圧を供給し続ける場合には、上述の動作をあるインターバルで繰返し行なえばよい。

以上のように、本発明の圧力コントロールシステムによれば、マスター圧力コントローラ２から正確な圧力を校正チャンバ６−１，６−２，６−３，６−４，６−５にそれぞれ供給し、圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５の圧力を校正チャンバ６−１，６−２，６−３，６−４，６−５に導き、マスター圧力コントロール側と圧力コントロール側で圧力に差がある場合には、校正チャンバ６−１，６−２，６−３，６−４，６−５内のダイヤフラム１２が変位するため、このダイヤフラム１２の変位を０（ゼロ）にするように、圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５の出力を調整する。すなわち、マスター圧力コントローラ２の出力を基準に複数の圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５の圧力の校正を行なうことができるため、複数の圧力コントローラの個体差をなくすことができ、複数の圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５の圧力をそれぞれ所望の圧力に正確に制御することができる。

次に、本発明に係る圧力コントロールシステムＣＳを用いた基板保持装置及び研磨装置の実施形態について図３乃至図７を参照して詳細に説明する。本発明の基板保持装置は、図１に示す圧力コントロールシステムＣＳを備えており、圧力コントロールシステムＣＳにより基板保持装置内の複数の圧力室に供給される加圧流体の圧力を正確に制御できるように構成している。すなわち、圧力コントロールシステムＣＳの圧力制御対象部は複数の圧力室である。

図３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３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１０１の下方には、上面に研磨パッド２０１を貼付した研磨テーブル２００が設置されている。また、研磨テーブル２００の上方には研磨液供給ノズル２０２が設置されており、この研磨液供給ノズル２０２によって研磨テーブル２００上の研磨パッド２０１上に研磨液Ｑが供給されるようになっている。

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、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。

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ＣｅＯ_２又はＳｉＯ_２又はＡｌ_２Ｏ_３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。

図３に示すように、トップリング１０１は自在継手部１１０を介してトップリング駆動軸１１１に接続されており、トップリング駆動軸１１１はトップリングヘッド２１０に固定されたトップリング用エアシリンダ２１１に連結されている。このトップリング用エアシリンダ２１１によってトップリング駆動軸１１１は上下動し、トップリング１０１の全体を昇降させると共にトップリング本体１０２の下端に固定されたリテーナリング１０３を研磨パッド２０１に押圧するようになっている。

トップリング用エアシリンダ２１１は流体路１３１及びレギュレータＲ７を介して圧縮空気源４に接続されており、レギュレータＲ７によってトップリング用エアシリンダ２１１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、トップリング１０１を上下動可能とし、かつリテーナリング１０３が研磨パッド２０１を押圧する押圧力を調整することができる。

また、トップリング駆動軸１１１はキー（図示せず）を介して回転筒２１２に連結されている。この回転筒２１２はその外周部にタイミングプーリ２１３を備えている。トップリングヘッド２１０にはトップリング用モータ２１４が固定されており、上記タイミングプーリ２１３は、タイミングベルト２１５を介してトップリング用モータ２１４に設けられたタイミングプーリ２１６に接続されている。従って、トップリング用モータ２１４を回転駆動することによってタイミングプーリ２１６、タイミングベルト２１５、及びタイミングプーリ２１３を介して回転筒２１２及びトップリング駆動軸１１１が一体に回転し、トップリング１０１が回転する。なお、トップリングヘッド２１０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２１７によって支持されている。

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１０１についてより詳細に説明する。図４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４に示すように、基板保持装置を構成するトップリング１０１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１０２と、トップリング本体１０２の下端に固定された環状のリテーナリング１０３とを備えている。トップリング本体１０２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１０３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。

トップリング本体１０２は、円筒容器状のハウジング部１０２ａと、ハウジング部１０２ａの円筒部の内側に嵌合される環状の加圧シート支持部１０２ｂとを備えている。トップリング本体１０２のハウジング部１０２ａの下端にはリテーナリング１０３が固定されている。このリテーナリング１０３の下部は内方に突出している。なお、リテーナリング１０３をトップリング本体１０２と一体的に形成することとしてもよい。

トップリング本体１０２のハウジング部１０２ａの中央部の上方には、上述したトップリング駆動軸１１１が配設されており、トップリング本体１０２とトップリング駆動軸１１１とは自在継手部１１０により連結されている。この自在継手部１１０は、トップリング本体１０２及びトップリング駆動軸１１１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１１１の回転をトップリング本体１０２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１１１からトップリング本体１０２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。

球面軸受機構は、トップリング駆動軸１１１の下面の中央に形成された球面状凹部１１１ａと、ハウジング部１０２ａの上面の中央に形成された球面状凹部１０２ｄと、両凹部１１１ａ，１０２ｄ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１１２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１１１に固定された駆動ピン（図示せず）とハウジング部１０２ａ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１０２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１１１の回転トルクをトップリング本体１０２に確実に伝達する。

トップリング本体１０２とトップリング本体１０２に一体に固定されたリテーナリング１０３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１０５と、トップリング本体１０２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）１０６とが収容されている。このチャッキングプレート１０６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。

ホルダーリング１０５とトップリング本体１０２との間には弾性を有する加圧シート１１３が張設されている。この加圧シート１１３は、一端をトップリング本体１０２のハウジング部１０２ａと加圧シート支持部１０２ｂとの間に挟み込み、他端をホルダーリング１０５とチャッキングプレート１０６との間に挟み込んで固定されている。トップリング本体１０２、チャッキングプレート１０６、ホルダーリング１０５、及び加圧シート１１３によってトップリング本体１０２の内部に圧力室１２１が形成されている。図４に示すように、圧力室１２１にはチューブ、コネクタ等からなる流体路９−５が連通されており、圧力室１２１は流体路９−５に配置された圧力コントローラ３−５およびレギュレータＲ５を介して圧縮空気源４に接続されている（図３参照）。なお、加圧シート１１３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。

なお、加圧シート１１３がゴムなどの弾性体である場合に、加圧シート１１３をリテーナリング１０３とトップリング本体１０２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１１３の弾性変形によってリテーナリング１０３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１０２ｂを設けて、これをトップリング本体１０２のハウジング部１０２ａと加圧シート支持部１０２ｂとの間に挟み込んで固定している。なお、リテーナリング１０３をトップリング本体１０２に対して上下動可能としたり、リテーナリング１０３をトップリング本体１０２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１１３の固定方法が用いられるとは限らない。

チャッキングプレート１０６の外周縁部には、トップリング１０１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）１０７が設けられている。このエッジメンブレン１０７の上端は、チャッキングプレート１０６の外周縁部と環状のエッジリング１０４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１０７がチャッキングプレート１０６に取付けられる。

図４に示すように、半導体ウェハＷがトップリング１０１に保持された際に、エッジメンブレン１０７の内部には圧力室１２２が形成されるようになっている。この圧力室１２２には、チューブ、コネクタ等からなる流体路９−４が連通されており、圧力室１２２はこの流体路９−４に配置された圧力コントローラ３−４およびレギュレータＲ４を介して圧縮空気源４に接続されている（図３参照）。なお、エッジメンブレン１０７は、加圧シート１１３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１０７を形成するゴム材としては、硬度（ｄｕｒｏ）が２０〜７０のものが好適に使用される。

半導体ウェハＷを研磨する際、トップリング１０１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１０７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１１９がチャッキングプレート１０６の下面に固定されている。この中間エアバッグ１１９は、エッジメンブレン１０７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。

中間エアバッグ１１９は、半導体ウェハＷの上面に当接する弾性膜１９１と、弾性膜１９１を着脱可能に保持するエアバッグホルダー１９２とから構成されている。エアバッグホルダー１９２は、チャッキングプレート１０６の下面に形成された環状溝１０６ａ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１１９を構成する弾性膜１９１の上端は、環状溝１０６ａとエアバッグホルダー１９２との間に挟まれており、これにより、弾性膜１９１がチャッキングプレート１０６の下面に着脱可能に取付けられる。

半導体ウェハＷがトップリング１０１に保持された際に、中間エアバッグ１１９の内部には、弾性膜１９１とエアバッグホルダー１９２とによって圧力室１２４が形成されるようになっている。この圧力室１２４には、チューブ、コネクタ等からなる流体路９−２が連通されており、圧力室１２４はこの流体路９−２に配置された圧力コントローラ３−２およびレギュレータＲ２を介して圧縮空気源４に接続されている（図３参照）。なお、弾性膜１９１は、加圧シート１１３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。

エッジメンブレン７、中間エアバッグ１１９、半導体ウェハＷ、及びチャッキングプレート１０６によって画成される環状の空間は、圧力室１２３として構成されている。この圧力室１２３にはチューブ、コネクタ等からなる流体路９−３が連通しており、圧力室１２３はこの流体路９−３に配置された圧力コントローラ３−３およびレギュレータＲ３を介して圧縮空気源４に接続されている（図３参照）。

また、中間エアバッグ１１９、半導体ウェハＷ、及びチャッキングプレート１０６によって画成される円形の空間は、圧力室１２５として構成されている。この圧力室１２５にはチューブ、コネクタ等からなる流体路９−１が連通しており、圧力室１２５はこの流体路９−１に配置された圧力コントローラ３−１およびレギュレータＲ１を介して圧縮空気源４に接続されている（図３参照）。なお、上記流体路９−１，９−２，９−３，９−４，９−５は、トップリングヘッド２１０の上端部に設けられたロータリージョイント（図示せず）を介して各圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５および各レギュレータＲ１〜Ｒ５に接続されている。

エッジメンブレン１０７の外周面とリテーナリング１０３との間には、わずかな間隙Ｇがあるので、エッジリング１０４とチャッキングプレート１０６に取付けられたエッジメンブレン１０７等の部材は、トップリング本体１０２及びリテーナリング１０３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１０６には、その外周縁部から外方に突出する突起１０６ｃが複数箇所に設けられており、この突起１０６ｃがリテーナリング１０３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１０６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。

ここで、図５（ａ）乃至図５（ｃ）を参照して中間エアバッグ１１９について詳細に説明する。図５（ａ）乃至図５（ｃ）は、図４の中間エアバッグを示す拡大断面図である。
図５（ａ）に示すように、本実施形態における中間エアバッグ１１９の弾性膜１９１は、外方に張り出したつば１９１ａを有する中間当接部１９１ｂと、つば１９１ａとの間に環状の凹部１９３を形成しつつ、つば１９１ａの基部１９１ｃから外方に延びる延出部１９１ｄと、エアバッグホルダー１９２を介してチャッキングプレート１０６に接続される接続部１９１ｅとを有している。延出部１９１ｄの外方端部は、つば１９１ａの先端よりも内方に位置しており、この延出部１９１ｄの外方端部から上方に向かって上記接続部１９１ｅが延びている。これらのつば１９１ａ、中間当接部１９１ｂ、接続部１９１ｅ、延出部１９１ｄ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１９１ｂの中央部には開口１９１ｆが形成されている。

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１１９の中間当接部１９１ｂに密着させた後（図５（ｂ）参照）、チャッキングプレート１０６を上方に持ち上げて研磨を行う場合には、接続部１９１ｅによる上向きの力が延出部１９１ｄ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１９１ａの基部１９１ｃに加えられることとなる（図５（ｃ）参照）。従って、つば１９１ａの基部１９１ｃ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１９１ｂ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１９１ｃの近傍に真空が形成されることがなく、つば１９１ａを除く中間当接部１９１ｂ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１９１ｅの厚さやつば１９１ａ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１９１ｄ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１９１ａ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１９１ａのねじれを防ぐため、厚くするのが好ましい。

次に、図６（ａ）乃至図６（ｃ）を参照して、エッジメンブレン１０７について詳細に説明する。図６（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６（ｂ）及び図６（ｃ）は図４に示す基板保持装置の部分断面図である。

本実施形態に係るエッジメンブレン（弾性膜）１０７は、半導体ウェハＷの外周縁部に当接する環状の当接部１０８と、この当接部１０８から上方に延びてチャッキングプレート１０６に接続される環状の周壁部１０９とを備えている。この周壁部１０９は、外周壁部１０９ａと、外周壁部１０９ａよりも径方向内側に配置された内周壁部１０９ｂとから構成されている。当接部１０８は、周壁部１０９（外周壁部１０９ａ及び内周壁部１０９ｂ）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１０９ａと内周壁部１０９ｂとの間に位置する当接部１０８の部位には、周方向に延びる切れ目１１８が設けられ、これにより、当接部１０８は外周壁部１０９ａと内周壁部１０９ｂとの間において外側当接部１０８ａと内側当接部１０８ｂとに分断されている。

図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示すように、外周壁部１０９ａ及び内周壁部１０９ｂは、環状のエッジリング１０４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１０６とエッジリング１０４の上面との間に挟みこまれている。エッジリング１０４はねじ（図示せず）によりチャッキングプレート１０６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１０６に着脱可能に取付けられる。上述した流体路９−４はエッジリング１０４の内部を鉛直方向に貫通し、エッジリング１０４の下面で開口している。従って、エッジリング１０４、エッジメンブレン１０７、及び半導体ウェハＷにより画成された環状の圧力室１２２は流体路９−４に連通し、流体路９−４、圧力コントローラ３−４及びレギュレータＲ４を介して圧縮空気源４に接続されている。

周壁部１０９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１４０を有している。より具体的には、周壁部１０９を構成する外周壁部１０９ａは、上下方向に伸縮自在な伸縮部１４０ａを有しており、この伸縮部１４０ａは、外周壁部１０９ａ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１４０ａは、外側当接部１０８ａ近傍に位置し、エッジリング１０４よりも下方の位置に設けられている。また、周壁部１０９を構成する内周壁部１０９ｂにも上下方向に伸縮自在な伸縮部１４０ｂが設けられている。この伸縮部１４０ｂは、内周壁部１０９ｂ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１４０ａ，１４０ｂを外周壁部１０９ａ及び内周壁部１０９ｂにそれぞれ設けたことにより、当接部１０８（外側当接部１０８ａ及び内側当接部１０８ｂ）の形状を保持した状態で外周壁部１０９ａ及び内周壁部１０９ｂを大きく伸縮させることができる。従って、図６（ｃ）に示すように、チャッキングプレート１０６が上昇したときに、このチャッキングプレート１０６の動きに伸縮部１４０ａ，１４０ｂ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。

上述したチャッキングプレート１０６の上方の圧力室１２１及びチャッキングプレート１０６の下方の圧力室１２２，１２３，１２４，１２５には、各圧力室に連通される流体路９−１，９−２，９−３，９−４，９−５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９−１〜９−５に設置された圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５によってそれぞれの圧力室１２１〜１２５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１２１〜１２５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。

ここで、図３及び図４に示すように、各圧力室１２５，１２４，１２３，１２２に接続された流体路９−１，９−２，９−３，９−４には、各流体路９−１〜９−４を通って各圧力室１２５，１２４，１２３，１２２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。

次に、各圧力室１２５，１２４，１２３，１２２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９−１，９−２，９−３，９−４を流れる流体（加圧空気）が各圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４側から各圧力室１２５，１２４，１２３，１２２側に流れるのか、あるいは各圧力室１２５，１２４，１２３，１２２側から各圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４側に流れるのかを検知できるように構成されている。

また各センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、各流体路９−１，９−２，９−３，９−４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９−１，９−２，９−３，９−４を流れる流体の流速を検知できるため、各流体路９−１，９−２，９−３，９−４の流路面積を乗ずることにより各流体路９−１，９−２，９−３，９−４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。

上述のセンサＳ１〜Ｓ４の構成において、各圧力室１２５，１２４，１２３，１２２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、圧力の高い側の圧力コントローラから加圧流体は供給され、圧力の低い側の圧力コントローラは加圧流体を大気へ放出することになる。

図７（ａ）及び図７（ｂ）は、中間エアバッグ１１９が正常に作動している場合と、中間エアバッグ１１９が破損した場合の動作を示す説明図である。図７（ａ）に示すように、中間エアバッグ１１９が正常に作動している場合には、圧力室１２３及び圧力室１２４内の各圧力が設定圧力に到達すれば流体路９−３，９−２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７（ｂ）に示すように、中間エアバッグ１１９が破損した場合には、加圧流体は圧力が高い圧力室１２４側から圧力が低い圧力室１２３側に流れることになる。この場合、圧力の高い側の圧力コントローラ３−２から加圧流体は供給され、圧力の低い側の圧力コントローラ３−３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。

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。

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。

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。

次に、図３及び図４に示す圧力コントロールシステムＣＳを有したトップリング１０１を備えた研磨装置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１０１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１２３及び／又は圧力室１２４及び／又は圧力室１２５を流体路９−３及び／又は流体路９−２及び／又は流体路９−１を介して真空源に接続し、圧力室１２３及び／又は圧力室１２４及び／又は圧力室１２５を真空引きするとともに流体路９−５を介して真空源に接続された圧力室１２１を真空にする。この圧力室１２３及び／又は圧力室１２４及び／又は圧力室１２５の吸引作用によりトップリング１０１の下端面に半導体ウェハＷが真空吸着される。そして、圧力室１２１の吸引作用により半導体ウェハＷともどもチャッキングプレート１０６をトップリング本体１０２の内側底面１０２ｅに接触するまで上昇させる。次に、半導体ウェハＷを吸着した状態でトップリング１０１を移動させ、トップリング１０１の全体を研磨面（研磨パッド２０１）を有する研磨テーブル２００の上方に位置させる。なお、半導体ウェハＷの外周縁はリテーナリング１０３によって保持され、半導体ウェハＷがトップリング本体１０２とリテーナリング１０３で形成される下向き凹の凹部開口１００に収容され、保護されている。

次いで、圧力室１２３及び／又は圧力室１２４及び／又は圧力室１２５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、圧力室１２１の吸着を解除するとともにトップリング駆動軸１１１に連結されたトップリング用エアシリンダ２１１を作動させてトップリング１０１を研磨テーブル２００に貼着された研磨パッド２０１に、所定の圧力で下降接触させる。接触後、トップリング１０１の下端に固定されたリテーナリング１０３を所定の押圧力で研磨テーブル２００の研磨面に押圧すると同時に、圧力室１２１に加圧流体を供給してチャッキングプレート１０６を下降させ、エッジメンブレン１０７及び中間エアバッグ１１９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１０７及び中間エアバッグ１１９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１２２〜１２５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１０６を上昇させると共に、半導体ウェハＷを研磨テーブル２００の研磨面に押圧する。

このとき、各圧力室１２１〜１２５に供給される流体の圧力は、図１に示すホストコンピュータ１１に設定されて記憶されており、ホストコンピュータ１１から演算部１に各設定圧力が送られ、その結果、演算部１から各圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５に各設定圧力が送られる。各圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５は、レシピが送られてきた最初の時点では、その圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５の精度で各圧力室１２５，１２４，１２３，１２２，１２１に設定圧力を印加する。その後、図１に説明した方法で、マスター圧力コントローラ２によって各圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５の圧力の校正を行なう。この校正は、図１の実施形態において説明したように、設定圧力が小さい圧力コントローラから行なうことが応答性の点から望ましい。そして、校正が完了すると、各圧力コントローラ３−１，３−２，３−３，３−４，３−５は、設定圧力に正確に調整された圧力の加圧流体を各圧力室１２５，１２４，１２３，１２２，１２１に供給する。これにより、半導体ウェハＷに印加される圧力をゾーン（領域）毎に正確に制御することができる。

このとき、チャッキングプレート１０６の上昇に追従してエッジメンブレン１０７の伸縮部１４０ａ，１４０ｂが伸張するため、エッジメンブレン１０７の下面（当接部１０８）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２０２から研磨液Ｑを流すことにより、研磨パッド２０１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２０１との間に研磨液Ｑが存在した状態で研磨が行われる。

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）１０１によれば、エッジメンブレン１０７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。

また、エッジメンブレン１０７の当接部１０８に周方向に延びる切れ目１１８を設けたことにより、周壁部１０９（外周壁部１０９ａ及び内周壁部１０９ｂ）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１２２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１０７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。

ここで、半導体ウェハＷの圧力室１２２，１２３，１２４，１２５の下方に位置する部分は、それぞれ圧力室１２２〜１２５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１２２〜１２５に供給される加圧流体の圧力を圧力コントローラ３−４，３−３，３−２，３−１により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、圧力コントローラ３−５によって圧力室１２１に供給される加圧流体の圧力を調整し、リテーナリング１０３が研磨パッド２０１を押圧する押圧力を変更することができる。このように、リテーナリング１０３が研磨パッド２０１を押圧する押圧力と各圧力室１２２〜１２５が半導体ウェハＷを研磨パッド２０１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１１９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。
上述のようにして、各圧力室１２１〜１２５に供給する正確に制御された加圧流体により、リテーナリング１０３の研磨パッド２０１への押圧力と半導体ウェハＷの研磨パッド２０１への押圧力とを正確に制御して半導体ウェハＷの研磨が行われる。

上述の研磨中において、圧力室１２２〜１２５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１２２〜１２５に供給している流体路９−１〜９−４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１２２〜１２５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１０１により半導体ウェハＷを真空吸着してトップリング１０１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１２２〜１２５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。

そして、研磨が終了した際は、圧力室１２２への加圧流体の供給を止め、圧力室を大気圧に開放すると同時に、圧力室１２３及び／又は圧力室１２４及び／又は圧力室１２５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１０１の下端面に再び真空吸着させる。この時、圧力室１２１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１２１の圧力を高いままにしておくと、チャッキングプレート１０６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。

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１０１の全体を半導体ウェハの移送位置に位置させ、圧力室１２３及び／又は圧力室１２４及び／又は圧力室１２５による真空吸着を解除する。そして、流体路９−３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。

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。

本発明の圧力コントロールシステムの全体構成を示すブロック図である。 校正チャンバの一例を示す断面図である。 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。 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５（ａ）乃至図５（ｃ）は、図４の中間エアバッグを示す拡大断面図である。 図６（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６（ｂ）及び図６（ｃ）は図４に示す基板保持装置の部分断面図である。 図７（ａ）は中間エアバッグが正常に作動している場合、図７（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。

符号の説明

１ 演算部
２ マスター圧力コントローラ
３−１，３−２，３−３，３−４，３−５ 圧力コントローラ
４ 圧縮空気源
５ 流体路
５ａ 主流体路
５ｂ−１，５ｂ−２，５ｂ−３，５ｂ−４，５ｂ−５ 分岐流体路
６，６−１，６−２，６−３，６−４，６−５ 校正チャンバ
６ａ，６ｂ 圧力ポート
９−１，９−２，９−３，９−４，９−５ 流体路
１０−１，１０−２，１０−３，１０−４，１０−５ 圧力制御対象部
１１ ホストコンピュータ
１２ ダイヤフラム
１３Ａ，１３Ｂ サブチャンバ
１４ センサ
１５ 移動電極
１６ 測定電極
１７ ハウジング
１８ 参照電極
１９ アンプ
２０ フィードバック用圧力センサ
１００ 凹部開口
１０１ トップリング
１０２ トップリング本体
１０２ａ ハウジング部
１０２ｂ 加圧シート支持部
１０２ｃ シール部
１０２ｄ 球面状凹部
１０２ｅ 内側底面
１０３ リテーナリング
１０４ エッジリング
１０４ａ 収容溝
１０５ ホルダーリング
１０６ チャッキングプレート（上下動部材）
１０６ｃ 突起
１０７ エッジメンブレン（弾性膜）
１０８ 当接部
１０８ａ 外当接部
１０８ｂ 外周壁部
１０９ 周壁部
１０９ａ 外周壁部
１０９ｂ 内周壁部
１１０ 自在継手部
１１１ トップリング駆動軸
１１１ａ 球面状凹部
１１２ ベアリングボール
１１３ 加圧シート
１１８ 切れ目
１１９ 中間エアバッグ
１２１，１２２，１２３，１２４，１２５ 圧力室
１４０，１４０ａ，１４０ｂ 伸縮部
１４５ 押圧部材
１４６，１４６ａ，１４６ｂ 溝
１４８ 肉厚部
１５０ 補強部材
１５１ 洗浄液路
１５３ 連通孔
１６０ センサチップ
１６１ ヒータ
１６２ 温度センサ
１７１ 折り曲げ箇所
１７２ 結合箇所
１９１ 弾性膜
１９１ａ つば
１９１ｂ 中間当接部
１９１ｃ 基部
１９１ｅ 接続部
１９１ｆ 開口
１９２ エアバッグホルダー
１９３ 凹部
１９６ 硬質部材
１９７ 硬質の材料
２００ 研磨テーブル
２０１ 研磨パッド
２０２ 研磨液供給ノズル
２１０ トップリングヘッド
２１１ トップリング用エアシリンダ
２１２ 回転筒
２１３，２１６ タイミングプーリ
２１４ トップリング用モータ
２１５ タイミングベルト
２１７ トップリングヘッドシャフト
２８０ 通孔
２８０ａ 第１開口部（流体供給口）
２８０ｂ 第２開口部
２８０ｃ 第３開口部
２９０ 補強部材
ＣＳ 圧力コントロールシステム
ＣＶ−１，ＣＶ−２，ＣＶ−３，ＣＶ−４，ＣＶ−５ 密閉バルブ
ＥＶ，ＥＶ−１，ＥＶ−２，ＥＶ−３，ＥＶ−４，ＥＶ−５ 残圧排気バルブ
ＦＭ−１，ＦＭ−２，ＦＭ−３，ＦＭ−４，ＦＭ−５ 流量計
Ｇ 間隙
ＬＶ−１，ＬＶ−２，ＬＶ−３，ＬＶ−４，ＬＶ−５ 大気開放バルブ
Ｑ 研磨液
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７ レギュレータ
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４ センサ
ＳＶ−１，ＳＶ−２，ＳＶ−３，ＳＶ−４，ＳＶ−５ 遮断バルブ
Ｗ 半導体ウェハ

Claims (8)

1. 複数の圧力制御対象部に加圧流体を供給する複数の圧力コントローラと、
   基準となる圧力を有した加圧流体を供給するマスター圧力コントローラと、
   前記複数の圧力コントローラに対応して設けられ、前記マスター圧力コントローラからの加圧流体が供給されるとともに圧力コントローラからの加圧流体が供給される複数の校正チャンバと、
   前記各校正チャンバ内に設けられ、前記マスター圧力コントローラからの加圧流体と前記圧力コントローラからの加圧流体との差圧を検出する差圧検出部と、
   前記差圧検出部からの信号を受け、前記マスター圧力コントローラからの加圧流体と前記圧力コントローラからの加圧流体との差圧をゼロにするように前記圧力コントローラの出力を調整する演算部とを備えたことを特徴とする圧力コントロールシステム。
2. 前記差圧検出部は、前記校正チャンバ内に設けられ前記マスター圧力コントローラからの加圧流体と前記圧力コントローラからの加圧流体とを仕切るダイヤフラムと、該ダイヤフラムの変位を検出するセンサとからなることを特徴とする請求項１記載の圧力コントロールシステム。
3. 前記マスター圧力コントローラと各校正チャンバとの間には密閉バルブが設けられ、該密閉バルブを閉じることにより、前記マスター圧力コントローラからの加圧流体を前記校正チャンバに封止可能であることを特徴とする請求項１又は２記載の圧力コントロールシステム。
4. 前記密閉バルブが閉じている間、前記校正チャンバからの加圧流体のリークの有無を検出するリークセンサを備えたことを特徴とする請求項３記載の圧力コントロールシステム。
5. 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、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧力コントロールシステムと、
   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と、
   前記複数の圧力室と前記圧力コントロールシステムの複数の圧力コントローラとをそれぞれ接続する流体路とを備えたことを特徴とする基板保持装置。
6. 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を備えたことを特徴とする請求項５記載の基板保持装置。
7. 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６記載の基板保持装置。
8. 研磨面を有する研磨テーブルと、
   請求項５乃至７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研磨装置。

Images