JP2007181893A - 研磨装置における圧力制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来技術に比して確実かつ簡易な方法をもって、変更前の設定圧力から変更後の設定圧力に至るまで、チャックおよびリテーナを加圧する圧力の変化率をほぼ同等なものとして、ほぼ同じ時期に変更後の設定圧力に到達させる。
【解決手段】 研磨レシピに従い、第１の圧力指令値および第２の圧力指令値を順次変更して、下エアバッグ１５および上エアバッグ１６内の圧力Ｐ1、Ｐ2を、各設定圧力に変更するとともに、各変更された設定圧力を所定時間保持する制御を行う。この制御は、変更前の設定圧力から変更後の設定圧力に至るまでの圧力変化幅を、分割して、分割した各圧力指令値Ｌ41b、Ｌ42bを生成し、変更前の圧力指令値から変更後の圧力指令値に至るまで、分割した各圧力指令値Ｌ41b、Ｌ42bを順次出力することで、変更前の設定圧力から変更後の設定圧力に至るまで、チャック１３およびリテーナ１４を加圧する圧力を段階的に変化させるようにして行う。
【選択図】 図８

Description

本発明は、半導体ウェーハなどの研磨対象物を研磨する研磨装置に関し、特に、研磨装置の加圧機構の圧力を制御する装置に関するものである。

図１（ａ）、（ｂ）は、研磨装置１の外観を上面図および側面図にて示している。

同図１に示すように、研磨装置１は、半導体ウェーハＷを研磨する装置であり、円盤状の定盤２が設置されたテーブル３と、定盤２の上方に位置する研磨ヘッド１０とを備えている。テーブル３の定盤２には、その上面に研磨用クロス４が貼設されており、定盤２は、駆動スピンドル５によって水平面内を回転駆動される。

研磨ヘッド１０は、上部支持体１１によって支持されて回転駆動する。研磨ヘッド１０は、ヘッド本体１２と、ヘッド本体１２によって支持されたチャック１３を中心に構成されている。チャック１３によって半導体ウェーハＷが保持されるとともに、ヘッド本体１２とともにチャック１３が回転駆動する。そして、駆動スピンドル５の回転駆動によって定盤２を回転させつつ、チャック１３を加圧して半導体ウェーハＷを定盤２上の研磨用クロス４上に押し付けることで、半導体ウェーハＷの表面の研磨が行われる。

チャック１３による半導体ウェーハＷの保持は、加圧機構によって行われる。加圧機構は、エアバッグを中心に構成されている。エアバッグに加圧エアを導入することで、チャック１３が加圧される。

研磨加工において、研磨用クロス４の粘弾性の影響によってウェーハＷの外周部分で過研磨が発生することがある。そこで、ウェーハＷの外方にリテーナ１４（リテーナリング）を設けて、リテーナ１４を加圧してウェーハＷの外方の研磨用クロス４を押圧してウェーハ外周部の過研磨を低減させるという技術が一般に使われている。リテーナ１４を加圧する加圧機構についても、エアバッグを中心に構成されている。エアバッグに加圧エアを導入することで、リテーナ１４が加圧される。

このように研磨装置１には、一般的に、チャック１３を加圧するためのエアバッグ、リテーナ１４を加圧するためのエアバッグが備えられている。

エアバッグは、研磨ヘッド１０内に設けられている。研磨ヘッド１０内のエアバッグの配列には、大きく分類すると、並列型と直列型とがある。

並列型のエアバッグ配列とは、研磨ヘッド１０の横方向にエアバッグを配置したものであり、チャック１３を加圧するためのエアバッグが、研磨ヘッド１０のほぼ中心に配置され、リテーナ１４を加圧するためのエアバッグが研磨ヘッド１０の中心に対してリング状に配置されたものである。

並列型のエアバッグ配列の研磨ヘッドは、たとえば後掲する特許文献１に開示されている。

これに対して直列型のエアバッグ配列の研磨ヘッドは、たとえば後掲する特許文献２に開示されている。

図２は、直列型のエアバッグ配列の構成を例示している。

図２は、研磨ヘッド１０の構成を断面図にて示すとともに、加圧機構の構成を示している。

研磨ヘッド１０は、回転駆動されるヘッド本体１２と、ワーク保持面Ｃwに半導体ウェーハＷを保持する円盤状のチャック１３と、チャック１３を取り囲むようにチャック１３の外周に環状に設けられたリテーナ１４とを備えている。チャック１３とリテーナ１４は、ヘッド本体１２と一体に回転動作するように連結されている。

研磨ヘッド１０の上下には、上エアバッグ１６、下エアバッグ１５が設けられている。
上エアバッグ１６には、レギュレータ１９を介してエアポンプ２０が接続されている。

同様に下エアバッグ１５には、レギュレータ１７を介してエアポンプ１８が接続されている。

レギュレータ１７には、コントローラ３０から第１の圧力指令値が与えられる。レギュレータ１９には、コントローラ３０から第２の圧力指令値が与えられる。

これにより下エアバッグ１５内の圧力は、第１の圧力指令値に応じた圧力Ｐ1となって、チャック１３が加圧されて、チャック１３が半導体ウェーハＷを押圧する。また上エアバッグ１６内の圧力は、第２の圧力指令値に応じた圧力Ｐ2となって、リテーナ１４が加圧されて、リテーナ１４がチャック１３と同じ下方向に、研磨用クロス４を押圧する。

チャック１３に作用する押力Ｆcは、下エアバッグ１５内の圧力Ｐ1と下エアバッグ１５内圧力Ｐ1の受圧面積Ｓ1によって定まり、次式（１）で表される。チャック１３の加圧力は、下エアバッグ１５内のエア圧によって制御することができる。

Ｆc＝Ｐ1・Ｓ1 …（１）
リテーナ１４に作用する押力Ｆrは、上エアバッグ１６内の圧力Ｐ2と上エアバッグ１６内圧力Ｐ2の受圧面積Ｓ2とによって定まる押力Ｆ2から、下エアバッグ１５内の圧力Ｐ1と下エアバッグ１５内圧力Ｐ1の受圧面積Ｓ3によって定まる押力Ｆ1を差し引いた押力であり、次式（２）で表される。つまりリテーナ１４の加圧力は、上エアバッグ１６の下方向への押力Ｆ2（＝Ｐ2・Ｓ2）から、下エアバッグ１５の上方向への力Ｆ1（＝Ｐ1・Ｓ3）を差し引いたものであり、リテーナ１４の加圧力は、２つのエアバッグ１５、１６による力のバランスで定まる。

Ｆr＝Ｐ2・Ｓ2−Ｐ1・Ｓ3 …（２）
コントローラ３０は、たとえば図３に示す研磨レシピに従い、第１の圧力指令値および第２の圧力指令値を順次変更して、下エアバッグ１５および上エアバッグ１６内の圧力Ｐ1、Ｐ2を、各設定圧力に変更するとともに、各変更された設定圧力を所定時間保持する制御を行う。研磨加工は、図３の研磨レシピに示すように、研磨ヘッド１０が定盤２上に降りてから、加圧力を低圧から徐々に高めていき、最大の設定圧力（加工ステップ（３））に達すると、所望の研磨加圧力で所定時間研磨加工し、その後徐々に圧力を低下させていくというレシピで行われる。昇圧時、降圧時ともに、圧力を段階的に変更して、変更後の圧力を所定時間維持する制御が行われる。これは、急激に圧力をかけると半導体ウェーハＷへダメージを与えやすく、また研磨装置１の負担も大きくなり、その後の安定した研磨加工ができなるなるおそれがあるからである。また研磨用クロス４に研磨用スラリをなじませる必要があるからである。

図３に示すように、たとえば、加工ステップ（１）から加工ステップ（２）に移行する際には、上エアバッグ１６内の圧力Ｐ2は、変更前の設定圧力８０ｇ/ｃｍ2から変更後の１２０ｇ/ｃｍ2に昇圧され、下エアバッグ１５内の圧力Ｐ1は、変更前の圧力５０ｇ/ｃｍ2から変更後の圧力１００ｇ/ｃｍ2に昇圧される。加工ステップ（２）は、２０秒間に設定されている。すなわち、加工ステップ（２）では、変更後の圧力（たとえば上エアバッグ１６の場合は１２０ｇ/ｃｍ2）が、圧力変更（８０ｇ/ｃｍ2→１２０ｇ/ｃｍ2）に要した時間を除き、約２０秒間、維持されて研磨加工が行われる。

レギュレータ１７、１９は、エアバッグ１５、１６内のエア圧力を制御する機器であり、電空レギュレータが一般的に用いられている。電空レギュレータは、指令電圧（電流）を与えると、２次側の圧力を、指令電圧に応じた圧力に調整する機器である。電空レギュレータの圧力精度（リニアリティ）は良く、研磨レシピ上の設定圧力とほぼ同じ値の圧力に調整することができる。このようにして研磨装置１を安定して稼動させることができ、研磨加工後のウェーハの品質が安定する。
特許第３１５８９３４号公報 特開２００１−３８６０４号公報

以上のようにレギュレータ１７、１９の圧力精度は十分であるが、変更前の設定圧から変更後の設定圧に移行する過渡状態では、応答遅れが生じる。しかも、この応答遅れは、エアバッグ（エアバッグの容量）毎に異なったり、変更前の設定圧力と変更後の設定圧力との圧力変化幅によって異なったりする。これを図４を用いて説明する。

図４は、横軸に時間をとり縦軸に圧力をとった圧力変化のカーブを示している。

図４において、Ｌ1は、レギュレータ１７に与えられる第１の圧力指令値を示すカーブである。Ｌ2は、レギュレータ１９に与えられる第２の圧力指令値を示すカーブである。Ｌ3は、Ｌ1で示す第１の圧力指令値に応じて、下エアバッグ１５内の圧力Ｐ1が実際に変化する様子を示すカーブである。Ｌ4は、Ｌ2で示す第２の圧力指令値に応じて、上エアバッグ１６内の圧力Ｐ2が実際に変化する様子を示すカーブである。Ｌ5は、Ｌ1で示す第１の圧力指令値が与えられたときの下エアバッグ１５内の圧力Ｐ1の理想的な変化を示すカーブである。Ｌ6は、Ｌ2で示す第２の圧力指令値が与えられたときの上エアバッグ１６内の圧力Ｐ2の理想的な変化を示すカーブである。

同図４のＬ1、Ｌ2で示すように、第１および第２の圧力指令値をステップ状に変化させたとしても、Ｌ3、Ｌ4で示すように、実際のエアバッグ１５、１６内の圧力Ｐ1、Ｐ2は即座に、変更後の設定圧力に到達せず所定の応答遅れをもって設定圧力に達する。応答遅れの大きさは、レギュレータ１７、１９の機器自身の特性による応答遅れと、レギュレータ１７、１９から研磨ヘッド１０までの配管容量とエアバッグ室内の空間容量とに起因する応答遅れと、圧力変化幅に起因する応答遅れによって定まる。

図５は、エアバッグの容量と応答時間との関係を示している。図５の横軸は時間であり縦軸は圧力である。図５において、Ｌ11は、レギュレータ１７、１９に与えられる圧力指令値（第１および第２の圧力指令値）を示すカーブである。Ｌ12は、エアバッグの容量が５００ｍＬであるときの応答遅れを示すカーブであり、Ｌ11で示す圧力指令値に応じて、エアバッグ内の圧力が実際に変化する様子を示している。Ｌ13は、エアバッグの容量が１５００ｍＬであるときの応答遅れを示すカーブであり、Ｌ11で示す圧力指令値に応じて、エアバッグ内の圧力が実際に変化する様子を示している。

図５からわかるように、設定圧力に到達するまでの時間は、エアバッグの容量が１５００ｍＬであるとき（Ｌ13）の方が、エアバッグの容量が５００ｍＬであるとき（Ｌ12）よりも遅くなっている。すなわち、エアバッグの容量が大きい程、圧力変化が遅く、応答遅れが大きくなることがわかる。

同様に、レギュレータ１７、１９から研磨ヘッド１０までの配管長さが長くなる程、圧力変化が遅く、応答遅れが大きくなる。

またレギュレータ１７、１９自身にも、電圧指令値が入力されてから圧力が変化し始めるまでに、約０．１秒程度のタイムラグがあるといわれている。

図６は、変更前の設定圧力と変更後の設定圧力との圧力変化幅と応答時間との関係を示している。図６の横軸は時間（応答時間）であり縦軸は圧力（圧力変化幅）である。

図６において、Ｌ21は、レギュレータ１７、１９に与えられる圧力指令値（第１および第２の圧力指令値）を示すカーブである。Ｌ22は、圧力変化幅が１０（ＫＰa）であるときの応答遅れを示すカーブであり、Ｌ21で示す圧力指令値に応じて、エアバッグ内の圧力が実際に変化する様子を示してる。同様に、Ｌ23は、圧力変化幅が２０（ＫＰa）であるときの応答遅れを示すカーブであり、Ｌ24は、圧力変化幅が３０（ＫＰa）であるときの応答遅れを示すカーブであり、Ｌ25は、圧力変化幅が４０（ＫＰa）であるときの応答遅れを示すカーブであり、Ｌ26は、圧力変化幅が５０（ＫＰa）であるときの応答遅れを示すカーブであり、Ｌ27は、圧力変化幅が６０（ＫＰa）であるときの応答遅れを示すカーブであり、Ｌ28は、圧力変化幅が７０（ＫＰa）であるときの応答遅れを示すカーブであり、Ｌ29は、圧力変化幅が８０（ＫＰa）であるときの応答遅れを示すカーブである。

同図６からわかるように、圧力変化幅が大きくなる程、設定圧に達するまでの時間が長くなり、応答遅れが大きくなる。また、圧力変化幅の大きさによって、圧力変化率も異なる。

以上のように、応答遅れや圧力変化率があるため、図４のＬ2、Ｌ3で示すように、下エアバッグ１５内の圧力Ｐ1の実際の変化率と、上エアバッグ１６内の圧力Ｐ2の実際の変化率は、異なるとともに、それぞれが設定圧力に到達するまでの時間に違いが生じる。場合によっては、ある加工ステップからつぎの加工ステップに切り替わる間に、上エアバッグ１６内の圧力Ｐ2と下エアバッグ１５内の圧力Ｐ1が同じ値になったり、下エアバッグ１５内の圧力Ｐ1の方が高くなるという逆転現象が生じる。

一方で、直列型のエアバッグ配列の研磨ヘッド１０では、上記（１）、（２）式で示すように、加圧力が連動するため、上エアバッグ１６内の圧力が設定値に対してずれると、リテーナ１４の加圧力がずれてしまい、下エアバッグ１５内の圧力が設定値に対してずれると、チャック１３とリテーナ１４の両方の加圧力がずれてしまう。このため、設定圧力に到達するまでの圧力変化中に、チャック１３の加圧力に比してリテーナ１４の加圧力が極端に低下したり（場合によっては負の加圧力になったり）、チャック１３の加圧力に比してリテーナ１４の加圧力が極端に増大したりすることがある。

リテーナ１４には、チャック１３によって保持されている半導体ウェーハＷが外方に飛び出してしまうことを防止するというガイド機能がある。しかし、上述したように。リテーナ１４の加圧力が極端に低下すると、リテーナ１４の下面が半導体ウェーハＷよりも高くなり、リテーナ１４が持ち上がり、半導体ウェーハＷがチャック１３から外れて、外方に飛び出してしまい、ガイド機能を補償できなくなるおそれがある。また、研磨用クロス４を破くなどして研磨装置１に被害を与えるおそれがある。また、リテーナ１４の加圧力が極端に増大すると、リテーナ１４の摩耗が早くなったり、リテーナ１４の支持機構にダメージを与えるおそれがある。

上述した現象は、研磨装置１で研磨加工する度に毎回起こるというものではなく、たまに起こる現象である。このため研磨レシピを、つぎの加工ステップに移行する際の圧力変化幅を極力小さく抑えるように作成することで、ウェーハの飛び出し等の不具合を回避しているのが現状である。

また、上エアバッグ１６と下エアバッグ１５の容量を同じにしたり、配管長さを同じにすることで、改善が可能であるが、実際には、設計上の制約があり、そのように設計することは困難である。

また、ウェーハ飛び出し現象を防止するための方策として、図７（ｂ）に示すものがある。図７（ａ）のＬ31は、図４のＬ1と同様に、ステップ状に変化させた圧力指令値を示すカーブであり、Ｌ32は、図４のＬ2、Ｌ3と同様にエアバッグ内の実際の圧力変化を示すカーブである。これに対して、図７（ｂ）のＬ33は、ステップ状ではなく所定の傾きをもって設定圧力まで変化させる圧力指令値を示すカーブであり、Ｌ34は、Ｌ33で示す圧力指令値が与えられたときのエアバッグ内の実際の圧力変化を示すカーブである。

しかし、ウェーハ飛び出し現象を回避するための圧力指令値Ｌ33の圧力の傾き具合の調整が難しく、ウェーハ飛び出し現象には、効果が少ないという実験結果を得ている。

その原因の大部分は、上述したエアバッグ容量と、圧力変化幅に起因する応答遅れにある。上下エアバッグの容量が異なる場合には、上述したように応答遅れ時間が異なり、設定圧力に到達するまでの時間が異なり、設定圧力に達する途中の圧力変化率が異なる。圧力指令値Ｌ33の圧力傾き具合によって、これらをマッチングさせるには、高度な制御が必要となる。また、研磨レシピの各加工ステップ毎の設定圧力値は、ユーザ毎に任意に定められる。これは、ユーザ毎に、使用する研磨用クロス４の種類、研磨用スラリの種類、研磨取り代の大きさ等が異なり、研磨条件が異なるためである。よって、圧力変化幅は、ユーザ毎に、また研磨しようとするウェーハの種類毎に、まちまちである。このため無数の圧力変化幅毎に、図７（ｂ）に示す圧力指令値Ｌ33の傾き具合を個別に調整しなければならず、マッチングは、一層困難なものとなる。

本発明は、こうした実状に鑑みてなされたものであり、従来技術に比して確実かつ簡易な方法をもって、変更前の設定圧力から変更後の設定圧力に至るまで、チャックおよびリテーナを加圧する圧力の変化率をほぼ同等なものとするとともに、ほぼ同じ時期に変更後の設定圧力に到達させることを解決課題とするものである。

第１発明は、
ヘッド本体と、研磨対象物を保持するチャックと、チャックの外周に設けられたリテーナとを有する研磨ヘッドと、
第１の圧力指令値に応じた圧力でチャックを加圧して、チャックを研磨対象物方向に押圧する第１の加圧機構と、
第２の圧力指令値に応じた圧力でリテーナを加圧して、リテーナをチャックと同じ方向に押圧する第２の加圧機構と
を備えてなる研磨装置の圧力制御装置であって、
研磨レシピに従い、第１の圧力指令値および第２の圧力指令値を順次変更して、第１および第２の加圧機構に与える圧力を、各設定圧力に変更するとともに、各変更された設定圧力を所定時間保持する制御を行うに際して、
変更前の設定圧力から変更後の設定圧力に至るまでの圧力変化幅を、分割して、分割した各圧力指令値を生成し、変更前の設定圧力から変更後の設定圧力に至るまで、分割した各圧力指令値を順次出力することで、変更前の設定圧力から変更後の設定圧力に至るまで、チャックおよびリテーナを加圧する圧力を段階的に変化させる制御手段
を備えた研磨装置における圧力制御装置であることを特徴とする。

第２発明は、第１発明において、
研磨ヘッドの上下にエアバッグが設けられた研磨装置であって、
第１の加圧機構は、下エアバッグ内の圧力と当該下エアバッグ内圧力の受圧面積によって定まる押力をチャックに作用させる加圧機構であり、
第２の加圧機構は、上エアバッグ内の圧力と当該上エアバッグ内圧力の受圧面積とによって定まる押力から、下エアバッグ内の圧力と当該下エアバッグ内圧力の受圧面積によって定まる押力を差し引いた押力をリテーナに作用させる加圧機構であること
を特徴とする。

第３発明は、第１発明において、
分割した圧力指令値は、第１の加圧機構と第２の加圧機構に対して交互に出力されること
を特徴とする。

第４発明は、第３発明において、
設定圧力を昇圧する側に変更する際には、第２の加圧機構に対して先に分割した圧力指令値を出力すること
を特徴とする。

第５発明は、第３発明において、
設定圧力を降圧する側に変更する際には、第１の加圧機構に対して先に圧力指令値を出力すること
を特徴とする。

第１発明の研磨装置１は、図２に示すように、ヘッド本体１２と、研磨対象物Ｗを保持するチャック１３と、チャック１３の外周に設けられたリテーナ１４とを有する研磨ヘッド１０と、第１の加圧機構４１と、第２の加圧機構４２とを備えた研磨装置である。第１の加圧機構４１は、第１の圧力指令値に応じた圧力Ｐ1でチャック１３を加圧して、チャック１３を半導体ウェーハＷの方向に押圧するものである。第２の加圧機構４２は、第２の圧力指令値に応じた圧力Ｐ2（および第１の圧力指令値に応じた圧力Ｐ1）でリテーナ１４を加圧して、リテーナ１４をチャック１３と同じウェーハＷ方向に押圧するものである。

第２発明の研磨装置１は、図２に示すように、研磨ヘッド１０の上下にエアバッグ１６、１５が設けられた研磨装置である。第１の加圧機構４１は、下エアバッグ１５内の圧力Ｐ1と下エアバッグ１５内圧力Ｐ1の受圧面積Ｓ1によって定まる押力Ｆcをチャック１３に作用させる加圧機構である。第２の加圧機構４２は、上エアバッグ１６内の圧力Ｐ2と上エアバッグ１６内圧力Ｐ2の受圧面積Ｓ2とによって定まる押力Ｆ2（＝Ｐ2・Ｓ2）から、下エアバッグ１５内の圧力Ｐ1と下エアバッグ１５内圧力Ｐ1の受圧面積Ｓ3によって定まる押力Ｆ1（＝Ｐ1・Ｓ3）を差し引いた押力Ｆrをリテーナ１４に作用させる加圧機構である。

第１発明、第２発明では、コントローラ３０は、たとえば図３に示す研磨レシピに従い、第１の圧力指令値および第２の圧力指令値を順次変更して、下エアバッグ１５および上エアバッグ１６内の圧力Ｐ1、Ｐ2を、各設定圧力に変更するとともに、各変更された設定圧力を所定時間保持する制御を行う。この制御は、図８（ａ）に示すように、変更前の設定圧力から変更後の設定圧力に至るまでの圧力変化幅を、分割して、分割した各圧力指令値Ｌ41b、Ｌ42bを生成し、変更前の設定圧力から変更後の設定圧力に至るまで、分割した各圧力指令値Ｌ41b、Ｌ42bを順次出力することで、変更前の設定圧力から変更後の設定圧力に至るまで、チャック１３およびリテーナ１４を加圧する圧力を段階的に変化させるようにして行う。

この結果、図８（ｂ）にＬ43、Ｌ44で示すように、下エアバッグ１５内の圧力Ｐ1と、上エアバッグ１６内の圧力Ｐ2は、図４に示す理想の圧力変化カーブＬ5、Ｌ6と同様に、圧力変化率をほぼ一定に維持しつつ変化し、両者はほぼ同じ時期に変更後の設定圧力に到達する。比較例Ｌ3、Ｌ4のように、圧力変化率がばらつき、変更後の設定圧力に到達する時期が大きく異なることはない。このため、本発明によれば、従来技術に比して確実かつ簡易な方法をもって、変更前の設定圧力から変更後の設定圧力に至るまで、チャック１３およびリテーナ１４を加圧する圧力の変化率をほぼ同等なものとすることができるとともに、ほぼ同じ時期に変更後の設定圧力に到達させることができる。これにより、設定圧力に到達するまでの圧力変化中に、チャック１３の加圧力に比してリテーナ１４の加圧力が極端に低下したり（場合によっては負の加圧力になったり）、チャック１３の加圧力に比してリテーナ１４の加圧力が極端に増大したりするようなことがなくなり、半導体ウェーハＷの飛び出し現象等の不具合を回避することができる。

図８（ａ）では、分割した第１の圧力指令値Ｌ41b、分割した第２の圧力指令値Ｌ42bを同じタイミングで、第１の加圧機構４１のレギュレータ１７、第２の加圧機構４２のレギュレータ１９に出力しているが、図１０に示すように、分割した第１の圧力指令値Ｌ41b、分割した第２の圧力指令値Ｌ42bを出力するタイミングをずらして、第１の加圧機構４１のレギュレータ１７、第２の加圧機構４２のレギュレータ１９に対して交互に出力させてもよい（第３発明）。すなわち、直列型のエアバッグ配列の場合には、前述したように２つのエアバッグ１５、１６による力のバランスでリテーナ１４の押力が定まる。仮に、２つのエアバッグ１５、１６のエア圧を同時に変化させたとすると、リテーナ１４の押力は、両エアバッグの両エア圧の圧力指令値からのずれの影響を受けてしまう。これに対して、２つのエアバッグ１５、１６のエア圧を交互に変化させれば、リテーナ１４の押力は、一方のエアバッグのエア圧の圧力指令値からのずれの影響を受けるだけで済み、圧力指令値と実際の圧力値のずれの影響を低減させて、リテーナ１４の押力を精度よく変化させることができる。

また、分割圧力指令値Ｌ41b、Ｌ42bを交互に出力する場合であって設定圧力を昇圧する側に変更する際には、図１０に示すように、分割した第２の圧力指令値Ｌ42bの方を先に出力して、第２の加圧機構４２のレギュレータ１９に先に圧力指令値を与えることが望ましい（第４発明）。すなわち、仮に、分割した第１の圧力指令値Ｌ41bを先に出力すると、上記（２）式からわかるように、リテーナ１４の加圧力Ｆrが小さくなり、相対的にチャック１３の加圧力Ｆcがリテーナ１４の加圧力Ｆrよりも大きくなり、半導体ウェーハＷがチャック１３の外方へ飛び出すおそれがある。これに対して、図１０に示すように、分割した第２の圧力指令値Ｌ42bを先に出力すれば、リテーナ１４の加圧力Ｆrが小さくなることを抑制でき、ウェーハ飛び出し現象を回避することができる。

同様に、分割圧力指令値Ｌ41b、Ｌ42bを交互に出力する場合であって設定圧力を降圧する側に変更する際には、図１１に示すように、分割した第１の圧力指令値Ｌ41bの方を先に出力して、第１の加圧機構４１のレギュレータ１７に先に圧力指令値を与えることが望ましい（第５発明）。すなわち、仮に、分割した第２の圧力指令値Ｌ42bを先に出力すると、上記（２）式からわかるように、リテーナ１４の加圧力Ｆrが小さくなり、相対的にチャック１３の加圧力Ｆcがリテーナ１４の加圧力Ｆrよりも大きくなり、半導体ウェーハＷがチャック１３の外方へ飛び出すおそれがある。これに対して、図１１に示すように、分割した第１の圧力指令値Ｌ41bを先に出力すれば、リテーナ１４の加圧力Ｆrが小さくなることを抑制でき、ウェーハ飛び出し現象を回避することができる。

以下、図面を参照して本発明に係る研磨装置における圧力制御装置の実施の形態について説明する。

図１（ａ）、（ｂ）は、実施例の研磨装置１の外観を上面図および側面図にて示している。

同図１に示すように、研磨装置１は、半導体ウェーハＷを研磨する装置であり、円盤状の定盤２が設置されたテーブル３と、定盤２の上方に位置する研磨ヘッド１０とを備えている。テーブル３上の定盤２には、その上面に研磨用クロス４が貼設されており、定盤２は、駆動スピンドル５によって水平面内を回転駆動される。

研磨ヘッド１０は、上部支持体１１によって支持されて回転駆動する。研磨ヘッド１０は、ヘッド本体１２と、ヘッド本体１２によって支持されたチャック１３を中心に構成されている。チャック１３によって半導体ウェーハＷが保持されるとともに、ヘッド本体１２とともにチャック１３が回転駆動する。そして、駆動スピンドル５の回転駆動によって半導体ウェーハＷを回転させつつ、チャック１３を加圧して半導体ウェーハＷを定盤Ｓ上の研磨用クロス４上に押し付けることで、半導体ウェーハＷの表面の研磨が行われる。

チャック１３による半導体ウェーハＷの保持は、加圧機構によって行われる。加圧機構は、エアバッグを中心に構成されている。エアバッグに加圧エアを導入することで、チャック１３が加圧される。

研磨用クロス４の粘弾性の影響によってウェーハＷの外周部分で過研磨が発生することを防止するために、ウェーハＷの外方には、リテーナ１４（リテーナリング）が設けられている。リテーナ１４を加圧する加圧機構についても、エアバッグを中心に構成されている。エアバッグに加圧エアを導入することで、リテーナ１４が加圧される。

エアバッグは、研磨ヘッド１０内に設けられている。

本実施例では、直列型のエアバッグ配列の研磨ヘッド１０を想定している。

図２は、実施例の直列型のエアバッグ配列の構成を例示している。

図２は、研磨ヘッド１０の構成を断面図にて示すとともに、加圧機構の構成を示している。

研磨ヘッド１０は、回転駆動されるヘッド本体１２と、ワーク保持面Ｃwに半導体ウェーハＷを保持する円盤状のチャック１３と、チャック１３を取り囲むようにチャック１３の外周に環状に設けられたリテーナ１４とを備えている。チャック１３とリテーナ１４は、ヘッド本体１２と一体に回転動作するように連結されている。

研磨ヘッド１０の上下には、上エアバッグ１６、下エアバッグ１５が設けられている。
上エアバッグ１６には、レギュレータ１９を介してエアポンプ２０が接続されている。

同様に下エアバッグ１５には、レギュレータ１７を介してエアポンプ１８が接続されている。

レギュレータ１７には、コントローラ３０から第１の圧力指令値が与えられる。レギュレータ１９には、コントローラ３０から第２の圧力指令値が与えられる。

これにより下エアバッグ１５内の圧力は、第１の圧力指令値に応じた圧力Ｐ1となって、チャック１３が加圧されて、チャック１３が半導体ウェーハＷを押圧する。また上エアバッグ１６内の圧力は、第２の圧力指令値に応じた圧力Ｐ2となって、リテーナ１４が加圧されて、リテーナ１４がチャック１３と同じ下方向に、研磨用クロス４を押圧する。

チャック１３に作用する押力Ｆcは、下エアバッグ１５内の圧力Ｐ1と下エアバッグ１５内圧力Ｐ1の受圧面積Ｓ1によって定まり、次式（１）で表される。チャック１３の加圧力は、下エアバッグ１５内のエア圧によって制御することができる。

Ｆc＝Ｐ1・Ｓ1 …（１）
リテーナ１４に作用する押力Ｆrは、上エアバッグ１６内の圧力Ｐ2と上エアバッグ１６内圧力Ｐ2の受圧面積Ｓ2とによって定まる押力Ｆ2から、下エアバッグ１５内の圧力Ｐ1と下エアバッグ１５内圧力Ｐ1の受圧面積Ｓ3によって定まる押力Ｆ1を差し引いた押力であり、次式（２）で表される。つまりリテーナ１４の加圧力は、上エアバッグ１６の下方向への押力Ｆ2（＝Ｐ2・Ｓ2）から、下エアバッグ１５の上方向への力Ｆ1（＝Ｐ1・Ｓ3）を差し引いたものであり、リテーナ１４の加圧力は、２つのエアバッグ１５、１６による力のバランスで定まる。

Ｆr＝Ｐ2・Ｓ2−Ｐ1・Ｓ3 …（２）
以上のように、エアポンプ１８、レギュレータ１７、下エアバッグ１５によって第１の加圧機構４１が構成される。第１の加圧機構４１は、第１の圧力指令値に応じた圧力Ｐ1でチャック１３を加圧して、チャック１３を半導体ウェーハＷの方向に押圧するものである。

また、エアポンプ１８、２０、レギュレータ１７、１９、下エアバッグ１５、上エアバッグ１６によって第２の加圧機構４２が構成される。第２の加圧機構４２は、第２の圧力指令値に応じた圧力Ｐ2（および第１の圧力指令値に応じた圧力Ｐ1）でリテーナ１４を加圧して、リテーナ１４をチャック１３と同じウェーハＷ方向に押圧するものである。

第１の加圧機構４１は、上記（１）式からわかるように、下エアバッグ１５内の圧力Ｐ1と下エアバッグ１５内圧力Ｐ1の受圧面積Ｓ1によって定まる押力Ｆcをチャック１３に作用させる加圧機構である。

第２の加圧機構４２は、上記（２）式からわかるように、上エアバッグ１６内の圧力Ｐ2と上エアバッグ１６内圧力Ｐ2の受圧面積Ｓ2とによって定まる押力Ｆ2（＝Ｐ2・Ｓ2）から、下エアバッグ１５内の圧力Ｐ1と下エアバッグ１５内圧力Ｐ1の受圧面積Ｓ3によって定まる押力Ｆ1（＝Ｐ1・Ｓ3）を差し引いた押力Ｆrをリテーナ１４に作用させる加圧機構である。

コントローラ３０は、たとえば図３に示す研磨レシピに従い、第１の圧力指令値および第２の圧力指令値を順次変更して、下エアバッグ１５および上エアバッグ１６内の圧力Ｐ1、Ｐ2を、各設定圧力に変更するとともに、各変更された設定圧力を所定時間保持する制御を行う。研磨加工は、図３に示すように、研磨ヘッド１０が定盤２上に降りてから、加圧力を低圧から徐々に高めていき、最大の設定圧力（加工ステップ（３））に達すると、所望の研磨加圧力で所定時間研磨加工し、その後徐々に圧力を低下させていくというレシピで行われる。

図３に示すように、たとえば、加工ステップ（１）から加工ステップ（２）に移行する際には、上エアバッグ１６内の圧力Ｐ2は、変更前の設定圧力８０ｇ/ｃｍ2から変更後の１２０ｇ/ｃｍ2に昇圧され、下エアバッグ１５内の圧力Ｐ1は、変更前の圧力５０ｇ/ｃｍ2から変更後の圧力１００ｇ/ｃｍ2に昇圧される。加工ステップ（２）は、２０秒間に設定されている。すなわち、加工ステップ（２）では、変更後の圧力（たとえば上エアバッグ１６の場合は１２０ｇ/ｃｍ2）が、圧力変更（８０ｇ/ｃｍ2→１２０ｇ/ｃｍ2）に要した時間を除き、約２０秒間、維持されて研磨加工が行われる。

レギュレータ１７、１９は、エアバッグ１５、１６内のエア圧力を制御する機器であり、本実施例では、電空レギュレータを想定している。

図８（ａ）のＬ41、Ｌ42は、コントローラ３０からレギュレータ１７、１９に与えられる第１の圧力指令値、第２の圧力指令値を示すカーブである。図８では、図４と同様に、横軸に時間を、縦軸に圧力をとっている。図８（ａ）では、図３に示す研磨レシピ上で加工ステップ（１）から加工ステップ（２）に移行して加工ステップ（２）から加工ステップ（３）に移行する過程を示している。なお、図８（ａ）中、比較例として、図４に示す、ステップ状に変化させた第１の圧力指令値Ｌ1、同第２の圧力指令値Ｌ2を破線にて図示している。

図８（ｂ）は、図８（ａ）に対応させた図であり、Ｌ43は、Ｌ41bで示す分割した第１の圧力指令値に応じて、下エアバッグ１５内の圧力Ｐ1が実際に変化する様子を示すカーブである。Ｌ44は、Ｌ42bで示す第２の圧力指令値に応じて、上エアバッグ１６内の圧力Ｐ2が実際に変化する様子を示すカーブである。なお、図８（ｂ）中、比較例として、図４に示す、従来のステップ状の第１の圧力指令値Ｌ1に応じた圧力Ｐ1の実際の変化Ｌ3、同じく従来のステップ状の第２の圧力指令値Ｌ1に応じた圧力Ｐ2の実際の変化Ｌ4を図示している。

コントローラ３０は、研磨レシピに従い、第１の圧力指令値および第２の圧力指令値を順次変更して、第１および第２の加圧機構４１、４２に与える圧力Ｐ1、Ｐ2を、各設定圧力に変更するとともに、各変更された設定圧力を所定時間保持する制御を行う。この制御は、図８（ａ）に示すように、変更前の設定圧力から変更後の設定圧力に至るまでの圧力変化幅を、分割して、分割した各圧力指令値Ｌ41b、Ｌ42bを生成し、変更前の設定圧力から変更後の設定圧力に至るまで、分割した各圧力指令値Ｌ41b、Ｌ42bを順次出力することで、変更前の設定圧力から変更後の設定圧力に至るまで、チャック１３およびリテーナ１４を加圧する圧力を段階的に変化させるようにして行われる。

図８（ａ）に示すように、第１の圧力指令値Ｌ41と、第２の圧力指令値Ｌ42は、加工ステップ（１）の設定圧力と加工ステップ（２）の設定圧力との圧力変化幅が、同じｎ1個の個数となるように、分割されるとともに、加工ステップ（２）の設定圧力と加工ステップ（３）の設定圧力との圧力変化幅が、同じｎ2個の個数となるように、等分割される。また第１の圧力指令値Ｌ41の圧力変化幅は、分割幅が同じ幅ΔＰ1となるように等分割され、同様に、第２の圧力指令値Ｌ42の圧力変化幅は、分割幅が同じ幅ΔＰ2となるように等分割される。分割した各圧力指令値Ｌ41b、Ｌ42bは、ステップ状の圧力指令値として、コントローラ３０から出力される。なお、図８（ａ）では、設定圧力を昇圧させる場合を示しているが、設定圧力を降圧させる場合も同様にして分割される。

以上のような分割を行った理由について述べる。

本実施例では、圧力変化幅を複数に分割し、各分割した第１の圧力指令値Ｌ41b、各分割した第２の圧力指令値Ｌ42bをステップ状に変化させて、変更前の設定圧から変更後の設定圧に昇圧させるようにしている。ここで、圧力変化幅の分割数ｎ1、ｎ2は、応答遅れが生じないように、できる限り細かい個数に調整することが望ましい。圧力変化幅の分割数ｎ1、ｎ2を細かくすることで、圧力指令値と実際の圧力とのずれを小さくすることができる。

また本実施例では、圧力変化幅を同じ幅ΔＰ1、ΔＰ2に等分割している。等分割することで、圧力指令値と実際の圧力とのずれ量を安定させることができる。

また本実施例では、両方の圧力指令値Ｌ41、Ｌ42の圧力変化幅を同じ個数ｎ1（ｎ2）に分割するようにしている。この分割方法による効果について図９を用いて説明する。

図９（ａ）は、比較例であり、同じ個数ではなくて、同じ圧力幅ΔＰで分割した場合を示している。Ｌ51は、第１の圧力指令値を所定の圧力幅ΔＰで分割した場合の圧力指令値を示しており、Ｌ52は、第２の圧力指令値を同じ圧力幅ΔＰで分割した場合の圧力指令値を示している。Ｌ53は、圧力指令値Ｌ51が与えられたときの実際の圧力の変化を示し、Ｌ54は、圧力指令値Ｌ52が与えられたときの実際の圧力の変化を示している。

このように同じ圧力幅ΔＰで分割すると、圧力変化幅が小さい方（図９（ａ）の場合には第１の圧力指令値）が、先に設定圧力に達してしまい、図中、Ａで示すように、その後、実際の圧力が急激に変化してしまうことになる。

これに対して、図９（ｂ）は、同じ個数ｎで分割した場合を示している。Ｌ61は、第１の圧力指令値を所定の個数ｎで分割した場合の圧力指令値を示しており、Ｌ62は、第２の圧力指令値を同じ個数ｎで分割した場合の圧力指令値を示している。Ｌ63は、圧力指令値Ｌ61が与えられたときの実際の圧力の変化を示し、Ｌ64は、圧力指令値Ｌ62が与えられたときの実際の圧力の変化を示している。

このように同じ個数ｎで分割すると、第１の圧力指令値と第２の圧力指令値とで圧力変化幅が異なっていたとしても、両エアバッグ１５、１６は、ほぼ同じ圧力変化率を維持したまま、ほぼ同時に設定圧力に達することになる。

この結果、図８（ｂ）にＬ43、Ｌ44で示すように、下エアバッグ１５内の圧力Ｐ1と、上エアバッグ１６内の圧力Ｐ2は、図４に示す理想の圧力変化Ｌ5、Ｌ6と同様に、圧力変化率をほぼ一定に維持しつつ変化し、両者はほぼ同じ時期に変更後の設定圧力に到達する。比較例Ｌ3、Ｌ4のように、圧力変化率がばらつき、変更後の設定圧力に到達する時期が大きく異なることはない。このため、本実施例によれば、従来技術に比して確実かつ簡易な方法をもって、変更前の設定圧力から変更後の設定圧力に至るまで、チャック１３およびリテーナ１４を加圧する圧力の変化率をほぼ同等なものとすることができるとともに、ほぼ同じ時期に変更後の設定圧力に到達させることができる。これにより、設定圧力に到達するまでの圧力変化中に、チャック１３の加圧力に比してリテーナ１４の加圧力が極端に低下したり（場合によっては負の加圧力になったり）、チャック１３の加圧力に比してリテーナ１４の加圧力が極端に増大したりするようなことがなくなり、半導体ウェーハＷの飛び出し現象等の不具合を回避することができる。

図８（ａ）では、分割した第１の圧力指令値Ｌ41b、分割した第２の圧力指令値Ｌ42bを同じタイミングで、第１の加圧機構４１のレギュレータ１７、第２の加圧機構４２のレギュレータ１９に出力しているが、図１０に示すように、分割した第１の圧力指令値Ｌ41b、分割した第２の圧力指令値Ｌ42bを出力するタイミングをずらして、第１の加圧機構４１のレギュレータ１７、第２の加圧機構４２のレギュレータ１９に対して交互に出力させてもよい。すなわち、直列型のエアバッグ配列の場合には、前述したように２つのエアバッグ１５、１６による力のバランスでリテーナ１４の押力が定まる。仮に、２つのエアバッグ１５、１６のエア圧を同時に変化させたとすると、リテーナ１４の押力は、両エアバッグの両エア圧の圧力指令値からのずれの影響を受けてしまう。これに対して、２つのエアバッグ１５、１６のエア圧を交互に変化させれば、リテーナ１４の押力は、一方のエアバッグのエア圧の圧力指令値からのずれの影響を受けるだけで済み、圧力指令値と実際の圧力値のずれの影響を低減させて、リテーナ１４の押力を精度よく変化させることができる。

また、分割圧力指令値Ｌ41b、Ｌ42bを交互に出力する場合であって設定圧力を昇圧する側に変更する際には、図１０に示すように、分割した第２の圧力指令値Ｌ42bの方を先に出力して、第２の加圧機構４２のレギュレータ１９に先に圧力指令値を与えることが望ましい。すなわち、仮に、分割した第１の圧力指令値Ｌ41bを先に出力すると、上記（２）式からわかるように、リテーナ１４の加圧力Ｆrが小さくなり、相対的にチャック１３の加圧力Ｆcがリテーナ１４の加圧力Ｆrよりも大きくなり、半導体ウェーハＷがチャック１３の外方へ飛び出すおそれがある。これに対して、図１０に示すように、分割した第２の圧力指令値Ｌ42bを先に出力すれば、リテーナ１４の加圧力Ｆrが小さくなることを抑制でき、ウェーハ飛び出し現象を回避することができる。

同様に、分割圧力指令値Ｌ41b、Ｌ42bを交互に出力する場合であって設定圧力を降圧する側に変更する際には、図１１に示すように、分割した第１の圧力指令値Ｌ41bの方を先に出力して、第１の加圧機構４１のレギュレータ１７に先に圧力指令値を与えることが望ましい。すなわち、仮に、分割した第２の圧力指令値Ｌ42bを先に出力すると、上記（２）式からわかるように、リテーナ１４の加圧力Ｆrが小さくなり、相対的にチャック１３の加圧力Ｆcがリテーナ１４の加圧力Ｆrよりも大きくなり、半導体ウェーハＷがチャック１３の外方へ飛び出すおそれがある。これに対して、図１１に示すように、分割した第１の圧力指令値Ｌ41bを先に出力すれば、リテーナ１４の加圧力Ｆrが小さくなることを抑制でき、ウェーハ飛び出し現象を回避することができる。

なお、上述した実施例では、直列型のエアバッグ配列の研磨ヘッド１０の構成（図２）を前提として説明したが、本発明は、並列型のエアバッグ配列の研磨ヘッドの構成に対しても同様に適用することができる。

また、本実施例では、半導体ウェーハを研磨する場合を想定して説明したが、本発明の研磨装置が研磨する対象物は任意であり、ガラス、液晶基板など半導体ウェーハ以外を研磨する場合にも本発明を適用することができる。

図１（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、研磨装置の外観の上面図、側面図である。 図２は、直列型のエアバッグ配列の研磨ヘッドの構成を断面にて示した図である。 図３は、研磨加工の研磨レシピを例示した表である。 図４は、従来技術を説明する図で、圧力変化を示すカーブを示す図で、圧力指令値をステップ状に変化させたときの実際の圧力変化、理想的な圧力変化を示す図である。 図５は、エアバッグ容量と応答時間との関係を示す図である。 図６は、圧力変化幅と応答時間との関係を示す図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、従来技術を説明する図で、圧力指令値をステップ状に変化させた場合と、圧力指令値を所定の傾きをもって変化させた与えた場合とを対比して説明する図である。 図８（ａ）、（ｂ）は、実施例の圧力指令値と、実施例の圧力指令値を与えたときの圧力の実際の変化を示す図である。 図９（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、第１の圧力指令値、第２の圧力指令値を同じ圧力幅で分割した場合と、第１の圧力指令値、第２の圧力指令値を同じ個数で分割した場合とを対比して説明する図である。 図１０は、分割した第１の圧力指令値、第２の圧力指令値を交互に出力して、設定圧力を昇圧するに際して、分割した第２の圧力指令値を先に出力する場合を示した図である。 図１１は、分割した第１の圧力指令値、第２の圧力指令値を交互に出力して、設定圧力を降圧するに際して、分割した第１の圧力指令値を先に出力する場合を示した図である。

符号の説明

１ 研磨装置 １０ 研磨ヘッド １２ ヘッド本体 １３ チャック １４ リテーナ １５、１６ エアバッグ １７、１９ レギュレータ、３０ コントローラ、４１ 第１の加圧機構、４２ 第２の加圧機構

Claims (5)

1. ヘッド本体と、研磨対象物を保持するチャックと、チャックの外周に設けられたリテーナとを有する研磨ヘッドと、
   第１の圧力指令値に応じた圧力でチャックを加圧して、チャックを研磨対象物方向に押圧する第１の加圧機構と、
   第２の圧力指令値に応じた圧力でリテーナを加圧して、リテーナをチャックと同じ方向に押圧する第２の加圧機構と
   を備えてなる研磨装置の圧力制御装置であって、
   研磨レシピに従い、第１の圧力指令値および第２の圧力指令値を順次変更して、第１および第２の加圧機構に与える圧力を、各設定圧力に変更するとともに、各変更された設定圧力を所定時間保持する制御を行うに際して、
   変更前の設定圧力から変更後の設定圧力に至るまでの圧力変化幅を、分割して、分割した各圧力指令値を生成し、変更前の設定圧力から変更後の設定圧力に至るまで、分割した各圧力指令値を順次出力することで、変更前の設定圧力から変更後の設定圧力に至るまで、チャックおよびリテーナを加圧する圧力を段階的に変化させる制御手段
   を備えたことを特徴とする研磨装置における圧力制御装置。
2. 研磨ヘッドの上下にエアバッグが設けられた研磨装置であって、
   第１の加圧機構は、下エアバッグ内の圧力と当該下エアバッグ内圧力の受圧面積によって定まる押力をチャックに作用させる加圧機構であり、
   第２の加圧機構は、上エアバッグ内の圧力と当該上エアバッグ内圧力の受圧面積とによって定まる押力から、下エアバッグ内の圧力と当該下エアバッグ内圧力の受圧面積によって定まる押力を差し引いた押力をリテーナに作用させる加圧機構であること
   を特徴とする請求項１記載の研磨装置における圧力制御装置。
3. 分割した圧力指令値は、第１の加圧機構と第２の加圧機構に対して交互に出力されること
   を特徴とする請求項１記載の研磨装置における圧力制御装置。
4. 設定圧力を昇圧する側に変更する際には、第２の加圧機構に対して先に分割した圧力指令値を出力すること
   を特徴とする請求項３記載の研磨装置における圧力制御装置。
5. 設定圧力を降圧する側に変更する際には、第１の加圧機構に対して先に圧力指令値を出力すること
   を特徴とする請求項３記載の研磨装置における圧力制御装置。

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