JP2015116656A - 基板保持装置、研磨装置、研磨方法、およびリテーナリング - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の基板を連続して研磨する場合でも、基板のエッジ部での研磨レートの上昇を防止することができる基板保持装置を提供する。【解決手段】基板保持装置を構成するトップリング１は、基板としてのウェハＷを保持するトップリング本体１０と、トップリング本体１０に保持されたウェハＷを囲むように配置されたリテーナリング４０とを備える。リテーナリング４０は、研磨パッドに接触する環状のパッド押圧部１２２を備え、パッド押圧部１２２は、３ｍｍ以上、７．５ｍｍ以下の幅を有する。【選択図】図３
Description
本発明は、ウェハなどの基板を保持する基板保持装置に関し、特に基板を研磨パッドなどの研磨具に押し付けて基板の表面を研磨するために使用される基板保持装置に関する。また、本発明は、そのような基板保持装置を用いた研磨装置および研磨方法に関する。さらに、本発明は、上記基板保持装置に使用されるリテーナリングに関する。
半導体デバイスの製造工程では、ウェハの表面を研磨するために研磨装置が広く使用されている。この種の研磨装置は、研磨面を有する研磨パッドを支える研磨テーブルと、ウェハを保持するためのトップリング又は研磨ヘッドと称される基板保持装置と、研磨液を研磨面に供給する研磨液供給ノズルとを備えている。
研磨装置は次のようにしてウェハを研磨する。研磨パッドとともに研磨テーブルを回転させながら、研磨液供給ノズルから研磨液を研磨面に供給する。基板保持装置によりウェハを保持し、さらにウェハをその軸心を中心として回転させる。この状態で、基板保持装置はウェハの表面を研磨パッドの研磨面に押し付け、研磨液の存在下でウェハの表面を研磨面に摺接させる。ウェハの表面は、研磨液に含まれる砥粒の機械的作用と、研磨液の化学的作用により平坦に研磨される。このような研磨装置はＣＭＰ（化学機械研磨）装置とも呼ばれる。
ウェハの研磨中、ウェハの表面は研磨パッドに摺接されるため、ウェハには摩擦力が作用する。そこで、ウェハの研磨中にウェハが基板保持装置から外れないようにするために、基板保持装置はリテーナリングを備えている。このリテーナリングは、ウェハを囲むように配置され、ウェハの外側で研磨パッドを押し付けている。
ウェハの研磨レート（除去レートともいう）は、研磨パッドに対するウェハの荷重、リテーナリングの荷重、研磨テーブルおよびウェハの回転速度、研磨液の種類などの研磨条件に依存して変わりうる。複数のウェハを連続的に研磨する場合、同一の研磨結果を得るために、研磨条件は一定に維持されるのが通常である。しかしながら、複数のウェハを研磨していくにつれて、研磨条件が同じであるにもかかわらず、ウェハのエッジ部のプロファイルが徐々に変わることがある。具体的には、研磨されたウェハの枚数が増えるに従って、エッジ部での研磨レートが上昇する。
このような研磨レートの上昇の原因は、リテーナリングの形状変化にあると考えられる。図１９は、ウェハの研磨中のリテーナリングを示す模式図である。図１９に示すように、ウェハＷの研磨中、リテーナリング２００は回転する研磨パッド２０１の研磨面２０１ａに押し付けられるため、リテーナリング２００が摩耗する。特に、リテーナリング２００の内周面および外周面が摩耗して丸みを帯びた形状となる。リテーナリング２００の内周面が図１９に示すように摩耗すると、リテーナリング２００がウェハＷのエッジ部に近いパッド領域を押し付ける力が低下し、結果として、エッジ部での研磨レートが上昇してしまう。
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、複数の基板（例えばウェハ）を連続して研磨する場合でも、基板のエッジ部での研磨レートの上昇を防止す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。また、本発明は、そのような基板保持装置を用いた研磨装置および研磨方法を提供することを目的とする。さらに、本発明は、基板保持装置に使用されるリテーナリングを提供することを目的とする。
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、基板を研磨パッドに押し付けるための基板保持装置であって、前記基板を保持するトップリング本体と、前記トップリング本体に保持された前記基板を囲むように配置されたリテーナリングとを備え、前記リテーナリングは、前記研磨パッドに接触する環状のパッド押圧部を備え、前記パッド押圧部は、３ｍｍ以上、７．５ｍｍ以下の幅を有することを特徴とする。
本発明の他の態様は、研磨パッドを支持するための研磨テーブルと、基板を保持して、該基板を前記研磨パッドに押し付ける基板保持装置と、前記研磨パッド上に研磨液を供給する研磨液供給ノズルとを備えた研磨装置であって、前記基板保持装置は、前記基板を保持するトップリング本体と、前記トップリング本体に保持された前記基板を囲むように配置されたリテーナリングとを備え、前記リテーナリングは、前記研磨パッドに接触する環状のパッド押圧部を備え、前記パッド押圧部は、３ｍｍ以上、７．５ｍｍ以下の幅を有することを特徴とする。
本発明のさらに他の態様は、研磨パッドとともに研磨テーブルを回転させ、前記研磨パッド上に研磨液を供給し、基板を前記研磨パッドに押し付けながら、３ｍｍ以上、７．５ｍｍ以下の幅を有する環状のパッド押圧部で前記基板を囲みつつ前記研磨パッドを押し付けることを特徴とする研磨方法である。
本発明のさらに他の態様は、基板を研磨パッドに押し付けるための基板保持装置に使用されるリテーナリングであって、前記研磨パッドに接触する環状のパッド押圧部を備え、前記パッド押圧部は、３ｍｍ以上、７．５ｍｍ以下の幅を有することを特徴とする。
パッド押圧部の幅が小さいため、パッド押圧部にはその形状の自己修復機能が備えられる。すなわち、パッド押圧部の摩耗によってその形状が変わると、パッド押圧部のパッド接触面の面積が減少し、パッド接触面の圧力が増加する。パッド接触面の圧力が増加すると、パッド接触面が摩耗し、結果としてパッド接触面の面積が増加する。このようなパッド接触面の圧力と面積の微小な変動を繰り返しながら、パッド押圧部の形状は概ね一定に維持される。したがって、幅の狭いパッド押圧部を有するリテーナリングは、基板のエッジ部での研磨レートを安定させることができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る基板保持装置を備えた研磨装置を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置は、ウェハ（基板）Ｗを保持し回転させるトップリング（基板保持装置）１と、研磨パッド２を支持する研磨テーブル３と、研磨パッド２に研磨液（スラリー）を供給する研磨液供給ノズル５と、ウェハＷの膜厚に従って変化する膜厚信号を取得する膜厚センサ７とを備えている。膜厚センサ７は、研磨テーブル３内に設置されており、研磨テーブル３が１回転するたびに、ウェハＷの中心部を含む複数の領域での膜厚信号を取得する。膜厚センサ７の例としては、光学式センサや渦電流センサが挙げられる。
図１は、本発明の一実施形態に係る基板保持装置を備えた研磨装置を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置は、ウェハ（基板）Ｗを保持し回転させるトップリング（基板保持装置）１と、研磨パッド２を支持する研磨テーブル３と、研磨パッド２に研磨液（スラリー）を供給する研磨液供給ノズル５と、ウェハＷの膜厚に従って変化する膜厚信号を取得する膜厚センサ７とを備えている。膜厚センサ７は、研磨テーブル３内に設置されており、研磨テーブル３が１回転するたびに、ウェハＷの中心部を含む複数の領域での膜厚信号を取得する。膜厚センサ７の例としては、光学式センサや渦電流センサが挙げられる。
トップリング１は、その下面に真空吸着によりウェハＷを保持できるように構成されている。トップリング１および研磨テーブル３は、矢印で示すように同じ方向に回転し、この状態でトップリング１は、ウェハＷを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付ける。研磨液供給ノズル５からは研磨液が研磨パッド２上に供給され、ウェハＷは、研磨液の存在下で研磨パッド２との摺接により研磨される。ウェハＷの研磨中、膜厚センサ７は研磨テーブル３と共に回転し、記号Ａに示すようにウェハＷの表面を横切りながら膜厚信号を取得する。この膜厚信号は、膜厚を直接または間接に示す指標値であり、ウェハＷの膜厚の減少に従って変化する。膜厚センサ７は研磨制御部９に接続されており、膜厚信号は研磨制御部９に送られるようになっている。研磨制御部９は、膜厚信号によって示されるウェハＷの膜厚が所定の目標値に達したときに、ウェハＷの研磨を終了させる。
図２は、研磨装置の詳細な構成を示す図である。研磨テーブル３は、テーブル軸３ａを介してその下方に配置されるモータ１３に連結されており、そのテーブル軸３ａ周りに回転可能になっている。研磨テーブル３の上面には研磨パッド２が貼付されており、研磨パッド２の上面がウェハＷを研磨する研磨面２ａを構成している。モータ１３により研磨テーブル３を回転させることにより、研磨面２ａはトップリング１に対して相対的に移動する。したがって、モータ１３は、研磨面２ａを水平方向に移動させる研磨面移動機構を構成する。
トップリング１は、トップリングシャフト１１に接続されており、このトップリングシャフト１１は、上下動機構２７によりトップリングヘッド１６に対して上下動するようになっている。このトップリングシャフト１１の上下動により、トップリングヘッド１６に対してトップリング１の全体を昇降させ位置決めするようになっている。トップリングシャフト１１の上端にはロータリージョイント２５が取り付けられている。
トップリングシャフト１１およびトップリング１を上下動させる上下動機構２７は、軸受２６を介してトップリングシャフト１１を回転可能に支持するブリッジ２８と、ブリッジ２８に取り付けられたボールねじ３２と、支柱３０により支持された支持台２９と、支持台２９上に設けられたサーボモータ３８とを備えている。サーボモータ３８を支持する支持台２９は、支柱３０を介してトップリングヘッド１６に固定されている。
ボールねじ３２は、サーボモータ３８に連結されたねじ軸３２ａと、このねじ軸３２ａが螺合するナット３２ｂとを備えている。トップリングシャフト１１は、ブリッジ２８と一体となって上下動するようになっている。したがって、サーボモータ３８を駆動すると、ボールねじ３２を介してブリッジ２８が上下動し、これによりトップリングシャフト１１およびトップリング１が上下動する。
また、トップリングシャフト１１はキー（図示せず）を介して回転筒１２に連結されている。この回転筒１２はその外周部にタイミングプーリ１４を備えている。トップリングヘッド１６にはトップリング用モータ１８が固定されており、上記タイミングプーリ１４は、タイミングベルト１９を介してトップリング用モータ１８に設けられたタイミングプーリ２０に接続されている。したがって、トップリング用モータ１８を回転駆動することによってタイミングプーリ２０、タイミングベルト１９、およびタイミングプーリ１４を介して回転筒１２およびトップリングシャフト１１が一体に回転し、トップリング１がその軸心を中心として回転する。トップリング用モータ１８，タイミングプーリ２０、タイミングベルト１９、およびタイミングプーリ１４は、トップリング１をその軸心を中心として回転させる回転機構を構成する。トップリングヘッド１６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２１によって支持されている。
トップリング１は、その下面にウェハＷなどの基板を保持できるようになっている。トップリングヘッド１６はトップリングヘッドシャフト２１を中心として旋回可能に構成されており、下面にウェハＷを保持したトップリング１は、トップリングヘッド１６の旋回によりウェハＷの受取位置から研磨テーブル３の上方に移動される。そして、トップリング１を下降させてウェハＷを研磨パッド２の研磨面２ａに押圧する。このとき、トップリング１および研磨テーブル３をそれぞれ回転させ、研磨テーブル３の上方に設けられた研磨液供給ノズル５から研磨パッド２上に研磨液を供給する。このように、ウェハＷを研磨パッド２の研磨面２ａに摺接させてウェハＷの表面を研磨する。
次に、基板保持装置を構成するトップリング１について説明する。図３は、トップリング１の断面図である。図３に示すように、トップリング１は、ウェハＷを保持し、ウェハＷを研磨面２ａに対して押圧するトップリング本体１０と、ウェハＷを囲むように配置されたリテーナリング４０とを備えている。トップリング本体１０およびリテーナリング４０は、トップリングシャフト１１の回転により一体に回転するように構成されている。リテーナリング４０は、トップリング本体１０に対して相対的に上下動可能に構成されている。
トップリング本体１０は、円形のフランジ４１と、フランジ４１の下面に取り付けられたスペーサ４２と、スペーサ４２の下面に取り付けられたキャリア４３とを備えている。フランジ４１は、トップリングシャフト１１に連結されている。キャリア４３は、スペーサ４２を介してフランジ４１に連結されており、フランジ４１、スペーサ４２、およびキャリア４３は、一体に回転し、かつ上下動する。フランジ４１、スペーサ４２、およびキャリア４３から構成されるトップリング本体１０は、エンジニアリングプラスティック（例えば、ＰＥＥＫ）などの樹脂により形成されている。なお、フランジ４１をＳＵＳ、アルミニウムなどの金属で形成してもよい。
キャリア４３の下面には、ウェハＷの裏面に当接する弾性膜４５が取り付けられている。弾性膜４５の下面が基板保持面４５ａを構成する。弾性膜４５は環状の隔壁４５ｂを有しており、これらの隔壁４５ｂにより、弾性膜４５とトップリング本体１０との間に４つの圧力室、すなわち、センター室５０、リプル室５１、アウター室５２、およびエッジ室５３が形成されている。これらの圧力室５０〜５３はロータリージョイント２５を経由して圧力調整装置６５に接続されており、圧力調整装置６５から加圧流体が供給されるようになっている。圧力調整装置６５は、これら４つの圧力室５０〜５３内の圧力を独立に調整できるようになっている。さらに、圧力調整装置６５は、圧力室５０〜５３内に負圧を形成することも可能となっている。
弾性膜４５は、リプル室５１またはアウター室５２に対応する位置に通孔（図示せず）を有しており、この通孔に負圧を形成することによりトップリング１はその基板保持面４５ａ上にウェハＷを保持できるようになっている。弾性膜４５は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコーンゴム等の強度および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。センター室５０、リプル室５１、アウター室５２、およびエッジ室５３は大気開放機構（図示せず）にも接続されており、センター室５０、リプル室５１、アウター室５２、およびエッジ室５３を大気開放することも可能である。
リテーナリング４０は、トップリング本体１０のキャリア４３および弾性膜４５を囲むように配置されている。このリテーナリング４０は、研磨パッド２の研磨面２ａに接触するリング状の部材である。リテーナリング４０は、ウェハＷの外周縁を囲むように配置されており、ウェハＷの研磨中にウェハＷがトップリング１から飛び出さないようにウェハＷを保持している。
リテーナリング４０の上面はドライブリング８１に固定されている。ドライブリング８１の上部は、環状のリテーナリング押圧機構６０に連結されており、このリテーナリング押圧機構６０は、ドライブリング８１を介してリテーナリング４０の上面の全体に均一な下向きの荷重を与え、これによりリテーナリング４０の下面を研磨パッド２の研磨面２ａに対して押圧する。
リテーナリング押圧機構６０は、ドライブリング８１の上部に固定された環状のピストン６１と、ピストン６１の上面に接続された環状のローリングダイヤフラム６２とを備えている。ローリングダイヤフラム６２の内部にはリテーナリング圧力室６３が形成されている。このリテーナリング圧力室６３はロータリージョイント２５を経由して圧力調整装置６５に接続されている。
圧力調整装置６５からリテーナリング圧力室６３に加圧流体（例えば、加圧空気）を供給すると、ローリングダイヤフラム６２がピストン６１を下方に押し下げ、さらに、ピストン６１はドライブリング８１を介してリテーナリング４０の全体を下方に押し下げる。このようにして、リテーナリング押圧機構６０は、リテーナリング４０の下面を研磨パッド２の研磨面２ａに対して押圧する。さらに、圧力調整装置６５によりリテーナリング圧力室６３内に負圧を形成することにより、リテーナリング４０の全体を上昇させることができる。リテーナリング圧力室６３は大気開放機構（図示せず）にも接続されており、リテーナリング圧力室６３を大気開放することも可能である。
ドライブリング８１は、リテーナリング押圧機構６０に着脱可能に連結されている。より具体的には、ピストン６１は金属などの磁性材から形成されており、ドライブリング８１の上部には複数の磁石７０が配置されている。これら磁石７０がピストン６１を引き付けることにより、ドライブリング８１がピストン６１に磁力により固定される。ピストン６１の磁性材としては、例えば、耐蝕性の磁性ステンレスが使用される。なお、ドライブリング８１を磁性材で形成し、ピストン６１に磁石を配置してもよい。
リテーナリング４０は、ドライブリング８１および連結部材７５を介して球面軸受８５に連結されている。この球面軸受８５は、リテーナリング４０の半径方向内側に配置されている。図４は、ドライブリング８１および連結部材７５を示す平面図である。図４に示すように、連結部材７５は、トップリング本体１０の中心部に配置された軸部７６と、この軸部７６に固定されたハブ７７と、このハブ７７からから放射状に延びる複数のスポーク７８とを備えている。
スポーク７８の一方の端部は、ハブ７７に固定されており、スポーク７８の他方の端部は、ドライブリング８１に固定されている。ハブ７７と、スポーク７８と、ドライブリング８１とは一体に形成されている。キャリア４３には、複数対の駆動ピン８０，８０が固定されている。各対の駆動ピン８０，８０は各スポーク７８の両側に配置されており、キャリア４３の回転は、駆動ピン８０，８０を介してドライブリング８１およびリテーナリング４０に伝達され、これによりトップリング本体１０とリテーナリング４０とは一体に回転する。
図３に示すように、軸部７６は球面軸受８５内を縦方向に延びている。図４に示すように、キャリア４３には、スポーク７８が収容される複数の放射状の溝４３ａが形成されており、各スポーク７８は各溝４３ａ内で縦方向に移動自在となっている。連結部材７５の軸部７６は、トップリング本体１０の中央部に配置された球面軸受８５に縦方向に移動自在に支持されている。このような構成により、連結部材７５およびこれに連結されたドライブリング８１およびリテーナリング４０は、トップリング本体１０に対して縦方向に移動可能となっている。さらに、ドライブリング８１およびリテーナリング４０は、球面軸受８５により傾動可能に支持されている。
図５は、球面軸受８５を示す図である。軸部７６は、複数のねじ７９によりハブ７７に固定されている。軸部７６には縦方向に延びる貫通穴８８が形成されている。この貫通穴８８は軸部７６が球面軸受８５に対して縦方向に移動する際の空気抜き穴として作用し、これによりリテーナリング４０はトップリング本体１０に対して縦方向にスムーズに移動可能となっている。
球面軸受８５は、環状の内輪１０１と、内輪１０１の外周面を摺動自在に支持する外輪１０２とを備えている。内輪１０１は、連結部材７５を介してドライブリング８１およびリテーナリング４０に連結されている。外輪１０２は支持部材１０３に固定されており、この支持部材１０３はキャリア４３に固定されている。支持部材１０３はキャリア４３の凹部４３ｂ内に配置されている。
内輪１０１の外周面は、上部および下部を切り欠いた球面形状を有しており、その球面形状の中心点（支点）Ｏは、内輪１０１の中心に位置している。外輪１０２の内周面は、内輪１０１の外周面に沿った凹面から構成されており、外輪１０２は内輪１０１を摺動自在に支持している。したがって、内輪１０１は、外輪１０２に対して全方向（３６０°）に傾動可能となっている。
内輪１０１の内周面は、軸部７６が挿入される貫通孔１０１ａを構成している。軸部７６は内輪１０１に対して縦方向にのみ移動可能となっている。したがって、軸部７６に連結されたリテーナリング４０は、横方向に移動することは許容されず、リテーナリング４０の横方向（水平方向）の位置は球面軸受８５によって固定される。球面軸受８５は、ウェハの研磨中に、ウェハと研磨パッド２との摩擦に起因してリテーナリング４０がウェハから受ける横方向の力（ウェハの半径方向外側に向かう力）を受けつつ、リテーナリング４０の横方向の移動を制限する（すなわちリテーナリング４０の水平方向の位置を固定する）支持機構として機能する。
図６（ａ）は、連結部材７５が球面軸受８５に対して上下動している様子を示し、図６（ｂ）および図６（ｃ）は、連結部材７５が内輪１０１と共に傾動している様子を示している。連結部材７５に連結されたリテーナリング４０は、内輪１０１と一体に支点Ｏを中心として傾動可能であり、かつ内輪１０１に対して上下に移動可能となっている。
図７は、球面軸受８５の他の構成例を示す拡大断面図である。図７に示すように、球面軸受８５は、連結部材７５を介してリテーナリング４０に連結された中間輪９１と、中間輪９１を上から摺動自在に支持する外輪９２と、中間輪９１を下から摺動自在に支持する内輪９３とを備えている。中間輪９１は、球殻の上半分よりも小さい部分球殻形状を有し、外輪９２と内輪９３との間に挟まれている。
外輪９２は凹部４３ｂ内に配置されている。外輪９２は、その外周部につば９２ａを有しており、このつば９２ａを凹部４３ｂの段部にボルト（図示せず）により固定することにより、外輪９２がキャリア４３に固定されるとともに、中間輪９１および内輪９３に圧力を掛けることが可能となっている。内輪９３は凹部４３ｂの底面上に配置されており、中間輪９１の下面と凹部４３ｂの底面との間に隙間が形成されるように、中間輪９１を下から支えている。
外輪９２の内面９２ｂ、中間輪９１の外面９１ａおよび内面９１ｂ、および内輪９３の外面９３ａは、支点Ｏを中心とした略半球面から構成されている。中間輪９１の外面９１ａは、外輪９２の内面９２ｂに摺動自在に接触し、中間輪９１の内面９１ｂは、内輪９３の外面９３ａに摺動自在に接触している。外輪９２の内面９２ｂ（摺接面）、中間輪９１の外面９１ａおよび内面９１ｂ（摺接面）、および内輪９３の外面９３ａ（摺接面）は、球面の上半分よりも小さい部分球面形状を有している。このような構成により、中間輪９１は、外輪９２および内輪９３に対して全方向（３６０°）に傾動可能であり、かつ傾動中心である支点Ｏは球面軸受８５よりも下方に位置する。
外輪９２、中間輪９１、および内輪９３には、軸部７６が挿入される貫通孔９２ｃ，９１ｃ，９３ｂがそれぞれ形成されている。外輪９２の貫通孔９２ｃと軸部７６との間には隙間が形成されており、同様に、内輪９３の貫通孔９３ｂと軸部７６との間には隙間が形成されている。中間輪９１の貫通孔９１ｃは、外輪９２および内輪９３の貫通孔９２ｃ，９３ｂよりも小さな直径を有しており、軸部７６は中間輪９１に対して縦方向にのみ移動可能となっている。したがって、軸部７６に連結されたリテーナリング４０は、横方向に移動することは実質的に許容されず、リテーナリング４０の横方向（水平方向）の位置は球面軸受８５によって固定される。
図８（ａ）は、連結部材７５が球面軸受８５に対して上下動している様子を示し、図８（ｂ）および図８（ｃ）は、連結部材７５が中間輪９１と共に傾動している様子を示している。図８（ａ）乃至図８（ｃ）に示すように、連結部材７５に連結されたリテーナリング４０は、中間輪９１と一体に支点Ｏを中心として傾動可能であり、かつ中間輪９１に対して上下に移動可能となっている。図７に示す球面軸受８５は、傾動の中心である支点Ｏがリテーナリング４０の中心軸線上にある点では図５に示す球面軸受８５と同じであるが、図７に示す支点Ｏは図５に示す支点Ｏよりも低い位置にある点で異なっている。図７に示す球面軸受８５は、支点Ｏの高さを研磨パッド２の表面と同じか、それよりも低くすることができる。
図９はリテーナリング４０の斜視図であり、図１０はリテーナリング４０の下面図であり、図１１はリテーナリング４０の側面図である。図１２（ａ）はリテーナリング４０の一部を示す縦断面図であり、図１２（ｂ）はリテーナリング４０の一部を示す下面図である。リテーナリング４０の内周面の直径、すなわちリテーナリング４０の内径はウェハの直径よりも僅かに大きい。より具体的には、リテーナリング４０の内周面の直径は、ウェハの直径よりも０．５ｍｍ〜３ｍｍ、好ましくは１ｍｍ〜２ｍｍだけ大きい。
リテーナリング４０は、円環部１２１と、この円環部１２１の内周端から下方に延びる環状のパッド押圧部１２２とを備えている。これら円環部１２１とパッド押圧部１２２は、同一の材料から一体に形成されている。パッド押圧部１２２は、トップリング本体１０の弾性膜４５（図３参照）に保持されたウェハを囲むように配置されている。パッド押圧部１２２の幅（すなわち、リテーナリング４０の半径方向におけるパッド押圧部１２２の幅）は、円環部１２１の幅よりも小さい。具体的には、パッド押圧部１２２の幅は、３ｍｍ以上、７．５ｍｍ以下であり、より好ましくは、３ｍｍ以上、５ｍｍ以下である。パッド押圧部１２２の高さは、その幅と同じであるか、またはその幅よりも大きい。
パッド押圧部１２２の下面は、研磨パッド２に接触するパッド接触面４０ａである。すなわち、ウェハの研磨中は、パッド押圧部１２２のパッド接触面４０ａが研磨パッド２に押し付けられる。パッド接触面４０ａには、リテーナリング４０の半径方向に延びる複数のラジアル溝１２３が形成されている。これらのラジアル溝１２３は、研磨パッド２上に供給された研磨液をリテーナリング４０の内側から外側に、および外側から内側に流れることを許容する。一例として、各ラジアル溝１２３の幅は４ｍｍである。
リテーナリング４０には、その周方向に沿って複数の穴１２４が形成されている（図１２（ａ）では１つの穴１２４のみを示す）。より具体的には、これらの穴１２４は、リテーナリング４０の円環部１２１の上面に形成されている。図３に示すように、ドライブリング８１の下部にはステンレス製の複数の補強ピン８２が固定されており、これらの補強ピン８２は、リテーナリング４０の複数の穴１２４にそれぞれ差し込まれている。リテーナリング４０の強度はこれら補強ピン８２によって補強されている。
従来のリテーナリングの幅は、おおよそ１５ｍｍである。これに対して、本実施形態に係るリテーナリング４０の幅は、３ｍｍ〜７．５ｍｍである。このようにパッド押圧部１２２の幅が小さいため、パッド押圧部１２２にはその形状の自己修復機能が備えられる。この自己修復機能について、図１３（ａ）乃至図１３（ｄ）を参照して説明する。図１３（ａ）乃至図１３（ｄ）は、パッド押圧部１２２が研磨パッド２との摺接により摩耗する様子を示す図である。初期状態のパッド押圧部１２２は、図１３（ａ）に示すように、矩形状の縦断面を有している。パッド押圧部１２２が研磨パッド２に摺接されると、パッド押圧部１２２が摩耗し、図１３（ｂ）に示すように、パッド押圧部１２２の内側エッジと外側エッジが丸くなるとともに、パッド接触面４０ａの面積が小さくなる。パッド押圧部１２２の摩耗がさらに進行すると、図１３（ｃ）に示すように、パッド接触面４０ａの面積がさらに小さくなる。
リテーナリング４０に加えられる下向きの荷重が一定である条件下では、パッド接触面４０ａの面積が小さくなるにつれて、パッド接触面４０ａの圧力は増加する。結果として、図１３（ｄ）に示すように、パッド接触面４０ａの面積が増加する方向にパッド押圧部１２２が摩耗する。このようなパッド接触面４０ａの圧力と面積の微小な変動を繰り返しながら、パッド押圧部１２２の形状は概ね一定に維持される。したがって、幅の狭いパッド押圧部１２２を有するリテーナリング４０は、ウェハのエッジ部での研磨レートを安定させることができる。
パッド押圧部１２２の幅の下限値である３ｍｍは、パッド押圧部１２２の機械的強度に基づいて決定される。図１４は、パッド押圧部１２２の幅と、パッド押圧部１２２の変形量との関係を調べた構造解析結果を示すグラフである。図１４において、横軸はパッド押圧部１２２の幅を表し、縦軸はパッド押圧部１２２の横方向への最大変形量（計算値）を表している。パッド押圧部１２２の幅が１ｍｍ，２ｍｍ，３ｍｍ，４ｍｍ，５ｍｍの５つのリテーナリングについて構造解析を行った。具体的には、研磨時にリテーナリングがウェハから受ける力をリテーナリング側面に加えるという条件下で、パッド押圧部１２２の横方向への変形量を計算した。構造解析に使用したリテーナリングの材料は、ポリフェニレンサルファイドであった。
パッド押圧部１２２の幅が１ｍｍの場合、パッド押圧部１２２の変形量が大きすぎて、その計算ができなかった。パッド押圧部１２２の幅が２ｍｍの場合、パッド押圧部１２２の変形量が大きかった。パッド押圧部１２２の幅が３ｍｍ以上の場合、パッド押圧部１２２の変形量が小さかった。特に、グラフから、幅が３ｍｍよりも小さいとパッド押圧部１２２の変形量が大きくなることが分かる。この構造解析結果から、パッド押圧部１２２の幅の下限値は３ｍｍに決定された。
図１５は、従来の幅の広いリテーナリングを用いて複数のウェハを研磨したときのリテーナリングの表面形状を示すグラフである。図１５において、縦軸はリテーナリングのパッド接触面のレベル（上下方向の位置）を表しており、縦軸に沿って下方に向かうほど、パッド接触面の研磨パッドからの距離が大きいことを示している。図１５の横軸は、パッド接触面のレベルの測定点の位置を表している。レベル測定点は、リテーナリングの半径方向に沿って配列されている。
図１５から分かるように、従来のリテーナリングでは、その内周面（ウェハ保持面）から外側に広がる幅７ｍｍの領域では、パッド接触面が大きく摩耗している。このようにパッド接触面の内側領域が大きく摩耗すると、リテーナリングはウェハのエッジ部に沿って研磨パッドを押すことができず、その結果、ウェハのエッジ部の研磨レートが上昇してしまう。
図１６は、幅５ｍｍのパッド押圧部１２２を有する本実施形態のリテーナリング４０を用いて複数のウェハを研磨したときのリテーナリング４０の表面形状を示すグラフである。図１６から、複数のウェハを研磨した場合でも、リテーナリング４０のパッド接触面４０ａの内側領域は、図１５に示す従来のリテーナリングのように大きく摩耗していないことが分かる。より具体的には、パッド押圧部１２２の内周面（ウェハ保持面）から３ｍｍの領域では、その他の領域に比べて大きくは摩耗していない。したがって、幅５ｍｍのパッド押圧部１２２を有する本実施形態のリテーナリング４０は、パッド押圧部１２２の内周面（ウェハ保持面）から３ｍｍの領域を押し付けることができる。図１６から分かるように、複数のウェハを研磨した場合でも、パッド接触面４０ａの形状はあまり変化していない。したがって、リテーナリング４０は、ウェハのエッジ部に沿って研磨パッド２を良好に押すことができる。結果として、ウェハのエッジ部の研磨レートはあまり上昇せず、ウェハのエッジ部において良好なプロファイルを実現することができる。つまり、複数のウェハを連続研磨した場合であっても、安定して、ウェハのエッジ部において良好なプロファイルを実現することができる。
図１７は、幅７．５ｍｍのパッド押圧部１２２を有する本実施形態のリテーナリング４０を用いて複数のウェハを研磨したときのリテーナリング４０の表面形状を示すグラフである。図１７から分かるように、リテーナリング４０は、パッド押圧部１２２の内周面（ウェハ保持面）から５ｍｍの領域では、その他の領域に比べて大きくは摩耗していない。言い換えれば、幅７．５ｍｍのパッド押圧部１２２を有する本実施形態のリテーナリング４０は、パッド押圧部１２２の内周面（ウェハ保持面）から５ｍｍの領域を押し付けることができる。結果として、ウェハのエッジ部の研磨レートはあまり上昇せず、ウェハのエッジ部において良好なプロファイルを実現することができる。つまり、複数のウェハを連続研磨した場合であっても、安定して、ウェハのエッジ部において良好なプロファイルを実現することができる。
図１８は、パッド押圧部１２２を有する本実施形態のリテーナリング４０の他の実施形態を示す断面図である。この実施形態のパッド押圧部１２２は、５ｍｍ以上、７．５ｍｍ以下の幅を有している。研磨パッド２に接触するパッド接触面４０ａは、下方に突出する断面形状を有しており、このパッド接触面４０ａの最下点は、パッド押圧部１２２の内周面から３ｍｍ〜５ｍｍの範囲内に位置している。言い換えれば、パッド押圧部１２２の幅に対する、パッド押圧部１２２の内周面からパッド接触面４０ａの最下点までの距離の比は、３／５〜２／３の範囲内にある。このような形状のリテーナリング４０は、図１６および図１７で示したように、パッド押圧部１２２の内周面（ウェハ保持面）から近い領域を押し付けることができる。結果として、ウェハのエッジ部の研磨レートはあまり上昇せず、ウェハのエッジ部において良好なプロファイルを実現することができる。
上述した実施形態に係る基板保持装置は、シャロー・トレンチ・アイソレーション（ＳＴＩ）工程などの半導体デバイス製造工程に好適に使用することができる。
研磨パッド２は、発泡ポリウレタンからなる上層と、不織布からなる下層を含む積層構造を有している。上層は、４０００ｈＰａから１２０００ｈＰａで押圧された時の弾性率がおよそ５０ＭＰａから１００ＭＰａである高均一な微小発泡構造を持ち、下層は、２５００ｈＰａから４５００ｈＰａで押圧された時の弾性率がおよそ１．５ＭＰａから２．５ＭＰａである連続発泡構造を持つ。このような研磨パッド２２にリテーナリング４０を押し付けると、リテーナリング４０が研磨パッド２２に沈み込み、リテーナリング４０の縁部の面圧が上昇し、この縁部が大きく摩耗してしまう。したがって、上記の材料特性の研磨パッド２２を用いる場合では、パッド押圧部１２２の幅が３ｍｍ以上７．５ｍｍ以下であるリテーナリング４０が有効となる。
ウェハ研磨時における研磨条件は、研磨パッド２の表面からのリテーナリング４０の支点高さが−１０ｍｍから＋５０ｍｍである。リテーナリング４０の支点高さが変化すると、リテーナリング４０の姿勢が変化するためリテーナリング４０の縁部の摩耗形状に影響を及ぼす。このような場合も、パッド押圧部１２２の幅が３ｍｍ以上７．５ｍｍ以下であるリテーナリング４０が有効となる。トップリング１と図示しないウェハ受渡機構（基板受渡機構）との間でウェハを受け渡すときに、リテーナリング４０の外周面は、このウェハ受渡機構をガイドするガイド面として機能する。
シャロー・トレンチ・アイソレーション（ＳＴＩ）工程の一部において、リテーナリング４０のパッド接触面の面積があまり変化しない、パッド押圧部１２２の幅が３ｍｍ以上７．５ｍｍ以下であるリテーナリング４０が有効となる。
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。
１ トップリング
２ 研磨パッド
３ 研磨テーブル
５ 研磨液供給ノズル
７ 膜厚センサ
９ 研磨制御部
１０ トップリング本体
１１ トップリングシャフト
１２ 回転筒
１３ モータ
１４ 上下動機構
１６ トップリングヘッド
２０ タイミングプーリ
２１ トップリングヘッドシャフト
２５ ロータリージョイント
２６ 軸受
２７ 上下動機構
２８ ブリッジ
２９ 支持台
３０ 支柱
３２ ボールねじ
３８ サーボモータ
４０ リテーナリング
４１ フランジ
４２ スペーサ
４３ キャリア
４５ 弾性膜
４５ａ 基板保持面
５０〜５３ 圧力室
６０ リテーナリング押圧機構
６１ ピストン
６２ ローリングダイヤフラム
６３ リテーナリング圧力室
６５ 圧力調整装置
７０ 磁石
７５ 連結部材
７６ 軸部
７７ ハブ
７８ スポーク
７９ ねじ
８０ 駆動ピン
８１ ドライブリング
８２ 補強ピン
８５ 球面軸受
８８ 貫通穴
９１ 中間輪
９２，１０２ 外輪
９３，１０１ 内輪
１２１ 円環部
１２２ パッド押圧部
１２３ ラジアル溝
１２４ 穴
２ 研磨パッド
３ 研磨テーブル
５ 研磨液供給ノズル
７ 膜厚センサ
９ 研磨制御部
１０ トップリング本体
１１ トップリングシャフト
１２ 回転筒
１３ モータ
１４ 上下動機構
１６ トップリングヘッド
２０ タイミングプーリ
２１ トップリングヘッドシャフト
２５ ロータリージョイント
２６ 軸受
２７ 上下動機構
２８ ブリッジ
２９ 支持台
３０ 支柱
３２ ボールねじ
３８ サーボモータ
４０ リテーナリング
４１ フランジ
４２ スペーサ
４３ キャリア
４５ 弾性膜
４５ａ 基板保持面
５０〜５３ 圧力室
６０ リテーナリング押圧機構
６１ ピストン
６２ ローリングダイヤフラム
６３ リテーナリング圧力室
６５ 圧力調整装置
７０ 磁石
７５ 連結部材
７６ 軸部
７７ ハブ
７８ スポーク
７９ ねじ
８０ 駆動ピン
８１ ドライブリング
８２ 補強ピン
８５ 球面軸受
８８ 貫通穴
９１ 中間輪
９２，１０２ 外輪
９３，１０１ 内輪
１２１ 円環部
１２２ パッド押圧部
１２３ ラジアル溝
１２４ 穴
Claims (17)
- 基板を研磨パッドに押し付けるための基板保持装置であって、
前記基板を保持するトップリング本体と、
前記トップリング本体に保持された前記基板を囲むように配置されたリテーナリングとを備え、
前記リテーナリングは、前記研磨パッドに接触する環状のパッド押圧部を備え、
前記パッド押圧部は、３ｍｍ以上、７．５ｍｍ以下の幅を有することを特徴とする基板保持装置。 - 前記パッド押圧部は、３ｍｍ以上、５ｍｍ以下の幅を有することを特徴とする請求項１に記載の基板保持装置。
- 前記パッド押圧部は、５ｍｍ以上、７．５ｍｍ以下の幅を有し、
前記パッド押圧部は、前記研磨パッドに接触するパッド接触面を有し、
前記パッド接触面は、下方に突出する断面形状を有し、
前記パッド接触面の最下点は、前記パッド押圧部の内周面から３ｍｍ〜５ｍｍの範囲内に位置し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。 - 前記パッド押圧部は、５ｍｍ以上、７．５ｍｍ以下の幅を有し、
前記パッド押圧部は、前記研磨パッドに接触するパッド接触面を有し、
前記パッド接触面は、下方に突出する断面形状を有し、
前記パッド押圧部の幅に対する、前記パッド押圧部の内周面から前記パッド接触面の最下点までの距離の比は、３／５〜２／３の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の基板保持装置。 - 前記パッド押圧部の下面には、前記リテーナリングの半径方向に延びる複数のラジアル溝が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の基板保持装置。
- 研磨パッドを支持するための研磨テーブルと、
基板を保持して、該基板を前記研磨パッドに押し付ける基板保持装置と、
前記研磨パッド上に研磨液を供給する研磨液供給ノズルとを備えた研磨装置であって、
前記基板保持装置は、前記基板を保持するトップリング本体と、前記トップリング本体に保持された前記基板を囲むように配置されたリテーナリングとを備え、
前記リテーナリングは、前記研磨パッドに接触する環状のパッド押圧部を備え、
前記パッド押圧部は、３ｍｍ以上、７．５ｍｍ以下の幅を有することを特徴とする研磨装置。 - 前記パッド押圧部は、３ｍｍ以上、５ｍｍ以下の幅を有することを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
- 前記パッド押圧部は、５ｍｍ以上、７．５ｍｍ以下の幅を有し、
前記パッド押圧部は、前記研磨パッドに接触するパッド接触面を有し、
前記パッド接触面は、下方に突出する断面形状を有し、
前記パッド接触面の最下点は、前記パッド押圧部の内周面から３ｍｍ〜５ｍｍの範囲内に位置していることを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。 - 前記パッド押圧部は、５ｍｍ以上、７．５ｍｍ以下の幅を有し、
前記パッド押圧部は、前記研磨パッドに接触するパッド接触面を有し、
前記パッド接触面は、下方に突出する断面形状を有し、
前記パッド押圧部の幅に対する、前記パッド押圧部の内周面から前記パッド接触面の最下点までの距離の比は、３／５〜２／３の範囲内にあることを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。 - 前記パッド押圧部の下面には、前記リテーナリングの半径方向に延びる複数のラジアル溝が形成されていることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか一項に記載の研磨装置。
- 研磨パッドとともに研磨テーブルを回転させ、
前記研磨パッド上に研磨液を供給し、
基板を前記研磨パッドに押し付けながら、３ｍｍ以上、７．５ｍｍ以下の幅を有する環状のパッド押圧部で前記基板を囲みつつ前記研磨パッドを押し付けることを特徴とする研磨方法。 - 前記パッド押圧部は、３ｍｍ以上、５ｍｍ以下の幅を有することを特徴とする請求項１１に記載の研磨方法。
- 基板を研磨パッドに押し付けるための基板保持装置に使用されるリテーナリングであって、
前記研磨パッドに接触する環状のパッド押圧部を備え、
前記パッド押圧部は、３ｍｍ以上、７．５ｍｍ以下の幅を有することを特徴とするリテーナリング。 - 前記パッド押圧部は、３ｍｍ以上、５ｍｍ以下の幅を有することを特徴とする請求項１３に記載のリテーナリング。
- 前記パッド押圧部は、５ｍｍ以上、７．５ｍｍ以下の幅を有し、
前記パッド押圧部は、前記研磨パッドに接触するパッド接触面を有し、
前記パッド接触面は、下方に突出する断面形状を有し、
前記パッド接触面の最下点は、前記パッド押圧部の内周面から３ｍｍ〜５ｍｍの範囲内に位置していることを特徴とする請求項１３に記載のリテーナリング。 - 前記パッド押圧部は、５ｍｍ以上、７．５ｍｍ以下の幅を有し、
前記パッド押圧部は、前記研磨パッドに接触するパッド接触面を有し、
前記パッド接触面は、下方に突出する断面形状を有し、
前記パッド押圧部の幅に対する、前記パッド押圧部の内周面から前記パッド接触面の最下点までの距離の比は、３／５〜２／３の範囲内にあることを特徴とする請求項１３に記載のリテーナリング。 - 前記パッド押圧部の下面には、前記リテーナリングの半径方向に延びる複数のラジアル溝が形成されていることを特徴とする請求項１３に記載のリテーナリング。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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