JP2008066761A - 基板保持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ウェハ等の研磨対象物の表面に形成された薄膜の膜厚分布に対応して研磨を行うことができ、研磨後の膜厚の均一性を得ることができるようにする。
【解決手段】ポリッシング対象物である基板Ｗを保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、内部に収容空間を有するトップリング本体２と、該トップリング本体２の収容空間内で上下動可能な上下動部材６と、基板Ｗの外周縁部の上面に当接するシールリング４とを備え、上下動部材６には、シールリング４を支持する径方向長さが１ｍｍ乃至７ｍｍの支持部６ｃを設けた。
【選択図】図８

Description

本発明は、ポリッシング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ポリッシング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。

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、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。

この種のポリッシング装置は、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。このようなポリッシング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。

このようなポリッシング装置において、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。従って、従来のポリッシング装置では、上記半径方向の膜厚分布には十分に対応することができず、これが原因で研磨不足や過研磨が生じていた。

また、成膜の方法や成膜装置の種類により、上述した半導体ウェハの表面上の膜厚分布も異なる。即ち、膜厚の厚い部分の半径方向の位置やその数、及び膜厚の薄い部分と厚い部分との膜厚の差は、成膜の方法や成膜装置の種類により異なっている。従って、ある特定の膜厚分布にのみ対応した基板保持装置ではなく、様々な膜厚分布に容易かつ低コストで対応することができる基板保持装置が要望されている。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、半導体ウェハ等の研磨対象物の表面に形成された薄膜の膜厚分布に対応して研磨を行うことができ、研磨後の膜厚の均一性を得ることができる基板保持装置を提供することを目的とする。

このような従来技術における問題点を解決するために、本発明の第１の態様は、ポリッシング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において、内部に収容空間を有するトップリング本体と、該トップリング本体の収容空間内で上下動可能な上下動部材と、上記基板の外周縁部の上面に当接するシールリングとを備え、上記上下動部材には、上記シールリングを支持する径方向長さが１ｍｍ乃至７ｍｍの支持部を設けたことを特徴とする基板保持装置である。

このような構成により、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が可能となると共に、シールリング近傍の空間に加圧流体が供給されたときに、シールリングが変形して上下動部材の下面に張り付いてしまうことが防止される。また、基板の外周部においては過研磨となる傾向があるが、上下動部材の支持部の径方向長さを１ｍｍ〜７ｍｍとすることで、このような過研磨を抑制することができる。

本発明の好ましい一態様は、上記上下動部材の支持部に、上記シールリングの上面に流体を導入する流体導入溝を形成したことを特徴としている。このような構成により、シールリングの上面に加圧流体を供給することができるので、シールリングの基板に対する密着性を高め、安定的な研磨を実現することができる。

本発明によれば、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が可能となる。

以下、本発明に係る基板保持装置の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明に係る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。ここで、基板保持装置は、ポリッシング対象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。

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。

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。トップリング用エアシリンダ１１１はレギュレータＲ１を介して圧力調整部１２０に接続されている。この圧力調整部１２０は、圧縮空気源から加圧空気等の加圧流体を供給することによって、あるいはポンプ等により真空引きすることによって圧力の調整を行うものである。この圧力調整部１２０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レギュレータＲ１を介して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。

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。

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は本実施形態におけるトップリング１を示す縦断面図、図３は図２に示すトップリング１の底面図である。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。

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、ハウジング部２ａの上面の外周縁部に嵌合された環状のシール部２ｃ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。

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。

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。

トップリング本体２及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、トップリング１によって保持される半導体ウェハＷの外周部に当接するシールリング４と、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６（上下動部材）とが収容されている。

シールリング４は、その外周部がホルダーリング５とホルダーリング５の下端に固定されたチャッキングプレート６との間に挟み込まれており、チャッキングプレート６の外縁近傍の下面を覆っている。このシールリング４の下端面は、ポリッシング対象物である半導体ウェハＷの上面に接する。シールリング４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、半導体ウェハＷの外縁にはノッチやオリエンテーションフラットと呼ばれる、半導体ウェハの向きを認識（特定）するための切り欠きが設けられているが、このようなノッチやオリエンテーションフラットよりもチャッキングプレート６の内周側にまでシールリング４が延出していることが好ましい。

ホルダーリング５とトップリング本体２との間には弾性膜からなる加圧シート７が張設されている。この加圧シート７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の上端部５ａとストッパ部５ｂ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７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３１が連通されており、圧力室２１は流体路３１上に配置されたレギュレータＲ２を介して圧力調整部１２０に接続されている。なお、加圧シート７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。

加圧シート７がゴムなどの弾性体である場合に、加圧シート７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７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、この例では、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７の固定方法が用いられるとは限らない。

トップリング本体２のシール部２ｃの下面には環状の溝からなる洗浄液路５１が形成されている。この洗浄液路５１は貫通孔５２を介して流体路３２に連通されており、この流体路３２を介して洗浄液（純水）が供給される。また、シール部２ｃの洗浄液路５１から延びハウジング部２ａ、加圧シート支持部２ｂを貫通する連通孔５３が複数箇所形成されており、この連通孔５３はシールリング４の外周面とリテーナリング３との間のわずかな間隙Ｇへ連通されている。

チャッキングプレート６の下面の中央部には、中央に開口８ａが形成されたセンターポート８が設けられている。また、チャッキングプレート６と半導体ウェハＷとの間に形成される空間の内部には、半導体ウェハＷに当接する当接部材としてのリングチューブ９が設けられている。この例においては、図２及び図３に示すように、リングチューブ９はセンターポート８の周囲を取り囲むようにセンターポート８の外側に配置されている。また、チャッキングプレート６には、下方に突出する吸着部４０がリングチューブ９の外側に設けられており、この例においては、６個の吸着部４０が設けられている。

リングチューブ９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リングチューブホルダー９２とから構成されており、これらの弾性膜９１とリングチューブホルダー９２によってリングチューブ９の内部に圧力室２２が形成されている。また、チャッキングプレート６と半導体ウェハＷとの間に形成される空間は、上記リングチューブ９によって複数の空間に区画されており、リングチューブ９の内側、即ちセンターポート８の周囲には圧力室２３が、リングチューブ９の外側、即ち吸着部４０の周囲には圧力室２４がそれぞれ形成されている。なお、リングチューブ９の弾性膜９１は、加圧シート７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。

リングチューブ９内の圧力室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を介して圧力調整部１２０に接続されている。また、センターポート８の開口８ａはチューブ、コネクタ等からなる流体路３４に連通しており、センターポート８は流体路３４上に配置されたレギュレータＲ４を介して圧力調整部１２０に接続されている。吸着部４０には、チューブ、コネクタ等からなる流体路３５に連通する連通孔４０ａが形成されており、吸着部４０はこの流体路３５上に配置されたレギュレータＲ５を介して圧力調整部１２０に接続されている。この圧力調整部１２０により吸着部４０の連通孔４０ａの開口端に負圧を形成し、吸着部４０に半導体ウェハＷを吸着することができる。なお、吸着部４０の下端面には薄いゴムシート等からなる弾性シート４０ｂが貼着されており、吸着部４０は半導体ウェハＷを柔軟に吸着保持するようになっている。また、上記圧力室２１〜２４は、トップリングシャフト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〜Ｒ５に接続されている。

上述したチャッキングプレート６の上方の圧力室２１及び上記圧力室２２，２３，２４には、各圧力室に連通される流体路３１，３３，３４，３５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、図１に示すように、圧力室２１〜２４の流体路３１，３３，３４，３５上に配置されたレギュレータＲ２〜Ｒ５によってそれぞれの圧力室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２１〜２４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。このように、レギュレータＲ２〜Ｒ５によって各圧力室２１〜２４の内部の圧力を独立に可変とすることにより、半導体ウェハＷを研磨パッド１０１に押圧する押圧力を半導体ウェハＷの部分ごとに調整することができる。

この場合において、各圧力室２２〜２４に供給される加圧流体や大気圧の温度をそれぞれ制御することとしてもよい。このようにすれば、半導体ウェハ等の研磨対象物の被研磨面の裏側から研磨対象物の温度を直接制御することができる。特に、各圧力室の温度を独立に制御することとすれば、ＣＭＰにおける化学的研磨の化学反応速度を制御することが可能となる。

ここで、シールリング４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、ホルダーリング５とチャッキングプレート６及びチャッキングプレート６に取付けられたシールリング４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。ホルダーリング５のストッパ部５ｂには、その外周縁部から外方に突出する突起５ｃが複数箇所に設けられており、この突起５ｃ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、上記ホルダーリング５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。

例えば、チャッキングプレートをＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）で形成した場合、圧力室２１の圧力がチャッキングプレート６の下部の圧力室２２〜２４の圧力より高いと、チャッキングプレートが撓んで吸着部４０が半導体ウェハＷを押圧することとなり、この部分の研磨レートが局所的に高くなってしまう。そこで、この例におけるチャッキングプレート６は、ＰＰＳよりも剛性が高く軽量の材質、例えばエポキシ系樹脂、より好ましくはグラスファイバー等による繊維強化物により形成している。このように、チャッキングプレート６を剛性の高い材質で形成することで、圧力室２１の圧力がチャッキングプレート６の下部の圧力室２２〜２４の圧力より高くてもチャッキングプレート６が撓みにくくなり、局所的に研磨レートが高くなってしまうことを防止することができる。特に、エポキシ系樹脂は磁性を持たないので、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好適な材料である。また、エポキシ系樹脂に限られず、例えば、エポキシ系以外の高剛性の樹脂やその繊維強化物、セラミックスなどを用いても効果的である。

次に、このように構成されたトップリング１の作用について詳細に説明する。
上記構成のポリッシング装置において、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の移送位置に位置させ、吸着部４０の連通孔４０ａを流体路３５を介して圧力調整部１２０に接続する。この連通孔４０ａの吸引作用により吸着部４０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の外周縁はリテーナリング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。

研磨時には、吸着部４０による半導体ウェハＷの吸着を解除し、トップリング１の下面に半導体ウェハＷを保持させると共に、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。この状態で、圧力室２２，２３，２４にそれぞれ所定の圧力の加圧流体を供給し、半導体ウェハＷを研磨テーブル１００の研磨面に押圧する。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。

ここで、半導体ウェハＷの圧力室２３及び２４の下方に位置する部分は、それぞれ圧力室２３，２４に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。また、半導体ウェハＷの圧力室２２の下方に位置する部分は、リングチューブ９の弾性膜９１を介して、圧力室２２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、半導体ウェハＷに加わる研磨圧力は、各圧力室２２〜２４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の部分ごとに調整することができる。即ち、レギュレータＲ３〜Ｒ５によって各圧力室２２〜２４に供給される加圧流体の圧力をそれぞれ独立に調整し、半導体ウェハＷを研磨テーブル１００上の研磨パッド１０１に押圧する押圧力を半導体ウェハＷの部分ごとに調整している。このように、半導体ウェハＷの部分ごとに研磨圧力が所望の値に調整された状態で、回転している研磨テーブル１００の上面の研磨パッド１０１に半導体ウェハＷが押圧される。同様に、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の中心部（図３のＣ１）、中間部（Ｃ２）、周縁部（Ｃ３）、更には半導体ウェハＷの外側にあるリテーナリング３の外周部までの各部分における研磨圧力の分布を所望の分布とすることができる。

このように、半導体ウェハＷを同心の３つの円及び円環部分（Ｃ１〜Ｃ３）に区切り、それぞれの部分を独立した押圧力で押圧することができる。研磨レートは半導体ウェハＷの研磨面に対する押圧力に依存するが、上述したように各部分の押圧力を制御することができるので、半導体ウェハＷの３つの部分（Ｃ１〜Ｃ３）の研磨レートを独立に制御することが可能となる。従って、半導体ウェハＷの表面の研磨すべき薄膜の膜厚に半径方向の分布があっても、半導体ウェハ全面に亘って研磨の不足や過研磨をなくすことができる。即ち、半導体ウェハＷの表面の研磨すべき薄膜が、半導体ウェハＷの半径方向の位置によって膜厚が異なっている場合であっても、上記各圧力室２２〜２４のうち、半導体ウェハＷの表面の膜厚の厚い部分の上方に位置する圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも高くすることにより、あるいは、半導体ウェハＷの表面の膜厚の薄い部分の上方に位置する圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも低くすることにより、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が可能となり、その部分の研磨レートを選択的に高めることができる。これにより、成膜時の膜厚分布に依存せずに半導体ウェハＷの全面に亘って過不足のない研磨が可能となる。

半導体ウェハＷの周縁部に起こる縁だれは、リテーナリング３の押圧力を制御することにより防止することができる。また、半導体ウェハＷの周縁部において研磨すべき薄膜の膜厚に大きな変化がある場合には、リテーナリング３の押圧力を意図的に大きく、あるいは、小さくすることで、半導体ウェハＷの周縁部の研磨レートを制御することができる。なお、上記各圧力室２２〜２４に加圧流体を供給すると、チャッキングプレート６は上方向の力を受けるので、この例では、圧力室２１には流体路３１を介して圧力流体を供給し、各圧力室２２〜２４からの力によりチャッキングプレート６が上方に持ち上げられるのを防止している。

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２２〜２４に供給する加圧空気による半導体ウェハＷの部分ごとの研磨パッド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。そして、研磨が終了した際は、半導体ウェハＷを吸着部４０の下端面に再び真空吸着する。この時、半導体ウェハＷを研磨面に対して押圧する各圧力室２２〜２４への加圧流体の供給を止め、大気圧に開放することにより、吸着部４０の下端面を半導体ウェハＷに当接させる。また、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、半導体ウェハＷの吸着部４０に当接している部分のみが、研磨面に強く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１の全体を半導体ウェハの移送位置に位置させ、吸着部４０の連通孔４０ａから半導体ウェハＷに流体（例えば、圧縮空気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。

ところで、シールリング４の外周面とリテーナリング３との間のわずかな間隙Ｇには、研磨に用いられる研磨液Ｑが侵入してくるが、この研磨液Ｑが固着すると、ホルダーリング５、チャッキングプレート６、及びシールリング４などの部材のトップリング本体２及びリテーナリング３に対する円滑な上下動が妨げられる。そのため、流体路３２を介して洗浄液路５１に洗浄液（純水）を供給する。これにより、複数の連通孔５３より間隙Ｇの上方に純水が供給され、純水が間隙Ｇを洗い流して上述した研磨液Ｑの固着が防止される。この純水の供給は、研磨後の半導体ウェハがリリースされ、次に研磨される半導体ウェハが吸着されるまでの間に行われるのが好ましい。また、次の研磨までに供給された純水が全て外部に排出されるように、リテーナリング３には図２に示すような複数の貫通孔３ａを設けるのが好ましい。更に、リテーナリング３、ホルダーリング５、及び加圧シート７により形成される空間２５内に圧力がこもっていると、チャッキングプレート６の上昇を妨げることとなるので、スムーズにチャッキングプレート６を上昇させるためにも上記貫通孔３ａを設け、空間２５を大気と同圧にすることが好ましい。

以上説明したように、本実施形態における基板保持装置によれば、圧力室２２，２３，２４の圧力を独立に制御することにより半導体ウェハに対する押圧力を制御することができる。

ここで、本実施形態における基板保持装置のリングチューブ９についてより詳細に説明する。
図４は、図２に示すリングチューブ９を示す縦断面図である。リングチューブ９の弾性膜９１は、図４に示すように、外方に張り出したつば９１ａを有する当接部９１ｂと、上記リングチューブホルダー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９１ｃとを有している。つば９１ａの基部９１ｄから上方に向かって上記接続部９１ｃが延びている。また、当接部９１ｂの下面は半導体ウェハＷの上面に当接するようになっている。これらのつば９１ａ、当接部９１ｂ、接続部９１ｃは同一の材料で一体に形成されている。

上述したように、半導体ウェハを研磨する際、圧力室２２及びリングチューブ９を取り囲む圧力室２３，２４には加圧流体が供給される。これにより、つば９１ａは、それぞれ圧力室２３，２４に供給される加圧流体によって半導体ウェハＷに密着する。このため、リングチューブ９の内部の圧力室２２に供給される加圧流体の圧力よりも、その周囲の圧力室２３又は２４に供給される加圧流体の圧力の方がかなり高い場合であっても、リングチューブ９の下方に周囲の圧力の高い加圧流体が回り込むことがない。従って、上記つば９１ａを設けることによって、各圧力室の圧力制御の幅を大きくすることができ、半導体ウェハの押圧をより安定的に行うことが可能となっている。

また、リングチューブ９の当接部９１ｂの中央部には開口９１ｅが複数箇所に形成されており、この開口９１ｅを介して、圧力室２２に供給される加圧流体が半導体ウェハＷの上面に直接接触することとなる。研磨中は、圧力室２２に加圧流体が供給されるため、この加圧流体によりリングチューブ９の当接部９１ｂが半導体ウェハＷの上面に押し付けられる。従って、このような開口９１ｅが形成されている場合であっても、圧力室２２の内部の加圧流体が外部に漏れることはほとんどない。また、半導体ウェハＷのリリース時においては、上記開口９１ｅを介して半導体ウェハＷに加圧流体による下方向の圧力を加えることができるので、半導体ウェハＷのリリースがよりスムーズになる。

更に、上述したように、圧力室２２に供給される加圧流体の温度を制御し、被研磨面の裏側から半導体ウェハＷの温度を制御する場合においては、このような開口９１ｅをリングチューブ９の当接部９１ｂに形成することによって、温度制御された加圧流体が半導体ウェハＷに接触する面積を増やすことができるので、半導体ウェハＷの温度制御性を向上させることができる。また、研磨終了後、半導体ウェハＷをリリースする際には、上記開口９１ｅを介して圧力室２２がそれぞれ外気に開放されることとなるので、圧力室２２に供給された流体などがその内部にこもることがない。従って、連続して半導体ウェハＷを研磨する場合においても温度制御の安定性を保つことができる。

図４に示すように、チャッキングプレート６には、リングチューブ９のつば９１ａを支持する支持部６ａが設けられている。このような支持部６ａを設けない場合、リングチューブ９を取り囲む圧力室２３，２４に加圧流体が供給されたときに、つば９１ａが変形して図５に示すようにチャッキングプレート６の下面に張り付いてしまう場合がある。このような状態では、圧力室２２〜２４の圧力制御が適切にできないので、この例では、上述したように、チャッキングプレート６に、リングチューブ９のつば９１ａを支持する支持部６ａを設けることで、つば９１ａがチャッキングプレート６の下面に張り付くことを防止し、各圧力室２２〜２４の圧力の安定化を図っている。この場合において、支持部の径方向長さをつば９１ａの径方向長さよりも長くすれば、より確実につば９１ａを支持することができる。

この場合において、リングチューブ９のつば９１ａはチャッキングプレート６の支持部６ａに接触することとなるが、つば９１ａの半導体ウェハＷに対する密着性を高めるために、圧力室２３，２４に供給される加圧流体によってつば９１ａを押圧する必要がある。そこで、この例では、図６に示すように、チャッキングプレート６の支持部６ａに流体導入溝６ｂを形成し、圧力室２３，２４に供給される加圧流体によってつば９１ａを安定的に押圧し、つば９１ａと半導体ウェハＷとの密着性を高めている。

また、シールリング４についても同様に、圧力室２４に供給される加圧流体によって図７に示すように、シールリング４がチャッキングプレート６の外周縁部に張り付いてしまうことが考えられるので、この例では、図８に示すように、チャッキングプレート６の外周縁部にシールリング４を支持する支持部６ｃを設けている。この場合において、上述した支持部６ａと同様に、支持部６ｃにも流体導入溝を設け、圧力室２４に供給される加圧流体によってシールリング４を安定的に押圧し、シールリング４と半導体ウェハＷとの密着性を高めることもできる。また、この溝は、半導体ウェハの最外周まで加圧流体を導くことができるため、ウェハ外周部での均一な押圧力が実現される。

リテーナリング３を研磨パッド１０１に押圧すると、リテーナリング３の近傍の研磨パッド１０１が盛り上がる（リバウンドする）ため、半導体ウェハＷの外周部の研磨レートが局所的に高くなる場合がある。この例では、上述したチャッキングプレート６の支持部６ｃの径方向長さｄを短くすることでこのような半導体ウェハＷの外周部における過研磨を抑制することが可能となった。また、リバウンドの影響が少ない場合は、長さｄを小さくすることで押圧力を集中させたり、長さｄを大きくすることによって押圧力を分散させたりして、研磨レートを変化させることができる。具体的には、１ｍｍ〜７ｍｍの範囲で変化させることで、所望の研磨レートが得られる。

上述の実施形態では、流体路３１，３３，３４，３５をそれぞれ別個に設けたが、これらの流体路を統合したり、各圧力室同士を連通させたりするなど、半導体ウェハＷに加えるべき押圧力の大きさや加える位置により自由に改変することが可能である。また、上述した実施形態においては、リングチューブ９が直接半導体ウェハＷに接触する例を説明したが、これに限られるものではなく、例えば、リングチューブ９と半導体ウェハＷとの間に弾性パッドを介在させ、リングチューブ９が間接的に半導体ウェハＷに接触することとしてもよい。

また、上述した実施形態においては、研磨パッドにより研磨面が形成されることとしたが、これに限られるものではない。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されたものである。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以下の酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、バインダにはエポキシ樹脂を用いる。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。その他の硬質の研磨面としては、上述したＩＣ−１０００がある。

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。

本発明の一実施形態における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１のポリッシング装置における基板保持装置を示す縦断面図である。 図２に示す基板保持装置の底面図である。 図２の基板保持装置におけるリングチューブを示す縦断面図である。 チャッキングプレートに支持部を設けていない場合のリングチューブの状態を示す縦断面図である。 図４のチャッキングプレートの支持部を示す部分斜視図である。 チャッキングプレートに支持部を設けていない場合のシールリングの状態を示す縦断面図である。 図２の基板保持装置におけるシールリングを示す縦断面図である。

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 シールリング
５ ホルダーリング
５ａ 上端部
５ｂ ストッパ部
５ｃ 突起
６ チャッキングプレート（上下動部材）
６ａ，６ｃ 支持部
６ｂ 流体導入溝
７ 加圧シート
８ センターポート
８ａ 開口
９ リングチューブ（当接部材）
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
２１，２２，２３，２４ 圧力室
２５ 空間
３１，３２，３３，３４，３５ 流体路
４０ 吸着部
４０ａ 連通孔
４０ｂ 弾性シート
５１ 洗浄液路
５２ 貫通孔
５３ 連通孔
９１ 弾性膜
９１ａ つば
９１ｂ 当接部
９１ｃ 接続部
９１ｄ 基部
９１ｅ 開口
９２ リングチューブホルダー
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 圧力調整部
Ｇ 間隙
Ｑ 研磨液
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５ レギュレータ
Ｗ 半導体ウェハ

Claims (2)

1. ポリッシング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において、
   内部に収容空間を有するトップリング本体と、該トップリング本体の収容空間内で上下動可能な上下動部材と、前記基板の外周縁部の上面に当接するシールリングとを備え、
   前記上下動部材には、前記シールリングを支持する径方向長さが１ｍｍ乃至７ｍｍの支持部を設けたことを特徴とする基板保持装置。
2. 前記上下動部材の支持部に、前記シールリングの上面に流体を導入する流体導入溝を形成したことを特徴とする請求項１に記載の基板保持装置。

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