JP2017164901A - 弾性膜、基板保持装置、および研磨装置 - Google Patents

弾性膜、基板保持装置、および研磨装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ウェハエッジ部の狭い領域において研磨プロファイルを精密に調整することができる弾性膜を提供する。【解決手段】弾性膜１０は、基板に当接して該基板を研磨パッド１９に押圧する当接部１１と、当接部１１の周端部から上方に延びる第１エッジ周壁１０ｈと、第１エッジ周壁１０ｈに接続された第２エッジ周壁１０ｇと、当接部１１の上面に接続された傾斜部１２１を有する第３エッジ周壁１０ｆとを備える。【選択図】図４

Description

本発明は、ウェハなどの基板を保持するための基板保持装置に用いられる弾性膜に関する。また、本発明は、そのような弾性膜を備えた基板保持装置および研磨装置に関する。
近年、半導体デバイスの高集積化・高密度化に伴い、回路の配線がますます微細化し、多層配線の層数も増加している。回路の微細化を図りながら多層配線を実現しようとすると、下側の層の表面凹凸を踏襲しながら段差がより大きくなるので、配線層数が増加するに従って、薄膜形成における段差形状に対する膜被覆性（ステップカバレッジ）が悪くなる。したがって、多層配線するためには、このステップカバレッジを改善し、然るべき過程で平坦化処理しなければならない。また光リソグラフィの微細化とともに焦点深度が浅くなるため、半導体デバイスの表面の凹凸段差が焦点深度以下に収まるように半導体デバイス表面を平坦化処理する必要がある。
したがって、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がますます重要になっている。この表面の平坦化において最も重要な技術は、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）である。この化学機械研磨は、シリカ（ＳｉＯ２）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッドの研磨面上に供給しつつウェハを研磨面に摺接させて研磨を行うものである。
ＣＭＰを行うための研磨装置は、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、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ウェハの研磨を行う場合には、基板保持装置によりウェハを保持しつつ、このウェハを研磨パッドの研磨面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ウェハが研磨面に摺接し、ウェハの表面が研磨される。
研磨中の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ウェハの全面に亘って均一でない場合には、ウェハの各部分に与えられる押圧力に応じて研磨不足や過研磨が生じてしまう。そこで、ウェハに対する押圧力を均一化するために、基板保持装置の下部に弾性膜から形成される圧力室を設け、この圧力室に空気などの流体を供給することで弾性膜を介して流体圧によりウェハを押圧することが行われている。
上記研磨パッドは弾性を有するため、研磨中のウェハのエッジ部（周縁部）に加わる押圧力が不均一になり、ウェハのエッジ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、ウェハのエッジ部を保持するリテーナリングをトップリング本体（又はキャリアヘッド本体）に対して上下動可能に設け、ウェハの外周縁側に位置する研磨パッドの研磨面をリテーナリングで押圧するようにしている。
特開２０１３−１１１６７９号公報
近年、半導体デバイスの種類が飛躍的に増大しており、デバイス毎やＣＭＰ工程毎（酸化膜研磨や金属膜研磨など）にウェハエッジ部の研磨プロファイルを調整する必要性が高くなってきている。この理由の１つには、各ＣＭＰ工程の前に行われる成膜工程が膜の種類によって異なるためにウェハの初期膜厚分布が異なることが挙げられる。通常ＣＭＰ後にウェハ全面で均一な膜厚分布とすることが必要とされるため、異なる初期膜厚分布ごとに必要となる研磨プロファイルが異なってくる。
他の理由としては、コストなどの観点から研磨装置で使用される研磨パッドや研磨液などの種類が非常に増加していることも挙げられる。研磨パッドや研磨液などの消耗材が異なると、特にウェハエッジ部での研磨プロファイルは大きく異なってくる。半導体デバイス製造においては、ウェハエッジ部の研磨プロファイルは製品の歩留まりに大きく影響する。したがって、ウェハエッジ部、特に半径方向に狭い領域でウェハエッジ部の研磨プロファイルを精密に調整することは非常に重要である。
ウェハエッジ部の研磨プロファイルを調整するために特許文献１に示されるような種々の弾性膜が提案されている。しかしながら、これらは比較的広い領域でのウェハエッジ部の研磨プロファイルを調整する場合に適していた。
そこで、本発明は、ウェハエッジ部の狭い領域において研磨プロファイルを精密に調整することができる弾性膜（メンブレン）を提供することを目的とする。また、本発明は、そのような弾性膜を備えた基板保持装置および研磨装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、基板保持装置に用いられる弾性膜であって、基板に当接して該基板を研磨パッドに押圧する当接部と、前記当接部の周端部から上方に延びる第１エッジ周壁と、前記第１エッジ周壁に接続された第２エッジ周壁と、前記当接部の上面に接続された傾斜部を有する第３エッジ周壁とを備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第１エッジ周壁と前記第２エッジ周壁との間には第１エッジ圧力室が形成され、前記第２エッジ周壁と前記第３エッジ周壁との間には第２エッジ圧力室が形成されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第３エッジ周壁の径方向内側に配置された第４周壁をさらに備え、前記第３エッジ周壁と前記第４周壁との間には中間圧力室が形成されており、前記第２エッジ圧力室の一部は前記中間圧力室の上方に位置していることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記傾斜部は、前記第２エッジ周壁の下方であって、かつ前記当接部の上方に位置していることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第１エッジ周壁は、前記当接部に垂直な内周面を有していることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記第３エッジ周壁の下端と前記第１エッジ周壁の下側内周面との距離は、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記距離は１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする。
本発明の他の態様は、基板を押圧するための複数の圧力室を形成する弾性膜と、前記弾性膜が取り付けられるヘッド本体と、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、前記弾性膜は上記弾性膜であることを特徴とする基板保持装置である。
本発明のさらに他の態様は、研磨パッドを支持するための研磨テーブルと、基板を前記研磨パッドに押し付けるための基板保持装置とを備えた研磨装置であって、前記基板保持装置は、基板を押圧するための複数の圧力室を形成する弾性膜と、前記弾性膜が取り付けられるヘッド本体と、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、前記弾性膜は上記弾性膜であることを特徴とする。
本発明の一参考例は、基板保持装置に用いられる弾性膜であって、基板に当接して該基板を研磨パッドに押圧する当接部と、前記当接部の周端部から上方に延びる第１エッジ周壁と、前記第１エッジ周壁の内周面に接続された水平部を有する第２エッジ周壁とを備え、前記第１エッジ周壁の内周面は、前記当接部に対して垂直に延びる上側内周面および下側内周面を有しており、前記上側内周面は前記第２エッジ周壁の前記水平部から上方に延び、前記下側内周面は前記第２エッジ周壁の前記水平部から下方に延びることを特徴とする。
上記参考例の好ましい態様は、前記上側内周面および前記下側内周面は、同一面内にあることを特徴とする。
上記参考例の好ましい態様は、前記下側内周面には、前記第１エッジ周壁の周方向に延びる環状溝が形成されていることを特徴とする。
上記参考例の好ましい態様は、前記環状溝は、前記下側内周面の下端に形成されていることを特徴とする。
上記参考例の好ましい態様は、前記第２エッジ周壁の径方向内側に配置された第３エッジ周壁をさらに備え、前記第３エッジ周壁の下端は前記当接部に接続されており、前記第３エッジ周壁の下端は前記第１エッジ周壁に隣接していることを特徴とする。
弾性膜を研磨装置の基板保持装置に使用することで、基板の外周部の狭い範囲での研磨レートを精密に制御することが可能となる。したがって、種々のプロセスにおいて基板面内での研磨レートの均一性が高まり、歩留まりを向上させることが出来る。
研磨装置の一実施形態を示す図である。 図１に示す研磨装置に備えられている研磨ヘッド（基板保持装置）を示す図である。 図２に示す研磨ヘッドに備えられた弾性膜（メンブレン）を示す断面図である。 弾性膜の一部を示す拡大断面図である。 第１エッジ周壁の上側内周面および下側内周面が傾斜している場合の力の作用方向を説明する図である。 第１エッジ周壁の上側内周面および下側内周面が傾斜している場合の力の作用方向を説明する図である。 第１エッジ周壁の上側内周面が傾斜している場合の力の作用方向を説明する図である。 第１エッジ周壁の下側内周面が傾斜している場合の力の作用方向を説明する図である。 第１エッジ周壁の上側内周面および下側内周面が当接部に対して垂直に延びる場合の力の作用方向を説明する図である。 弾性膜の他の実施形態を示す断面図である。 弾性膜のさらに他の実施形態を示す断面図である。
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、研磨装置の一実施形態を示す図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨パッド１９を支持する研磨テーブル１８と、研磨対象物である基板の一例としてのウェハＷを保持して研磨テーブル１８上の研磨パッド１９に押圧する研磨ヘッド（基板保持装置）１とを備えている。
研磨テーブル１８は、テーブル軸１８ａを介してその下方に配置されるテーブルモータ２９に連結されており、そのテーブル軸１８ａ周りに回転可能になっている。研磨パッド１９は研磨テーブル１８の上面に貼付されており、研磨パッド１９の表面１９ａがウェハＷを研磨する研磨面を構成している。研磨テーブル１８の上方には研磨液供給ノズル２５が設置されており、この研磨液供給ノズル２５によって研磨テーブル１８上の研磨パッド１９上に研磨液Ｑが供給されるようになっている。
研磨ヘッド１は、ウェハＷを研磨面１９ａに対して押圧するヘッド本体２と、ウェハＷを保持してウェハＷが研磨ヘッド１から飛び出さないようにするリテーナリング３とを備えている。研磨ヘッド１は、ヘッドシャフト２７に接続されており、このヘッドシャフト２７は、上下動機構８１によりヘッドアーム６４に対して上下動するようになっている。このヘッドシャフト２７の上下動により、ヘッドアーム６４に対して研磨ヘッド１の全体を昇降させ位置決めするようになっている。ヘッドシャフト２７の上端にはロータリージョイント８２が取り付けられている。
ヘッドシャフト２７および研磨ヘッド１を上下動させる上下動機構８１は、軸受８３を介してヘッドシャフト２７を回転可能に支持するブリッジ８４と、ブリッジ８４に取り付けられたボールねじ８８と、支柱８６により支持された支持台８５と、支持台８５上に設けられたサーボモータ９０とを備えている。サーボモータ９０を支持する支持台８５は、支柱８６を介してヘッドアーム６４に固定されている。
ボールねじ８８は、サーボモータ９０に連結されたねじ軸８８ａと、このねじ軸８８ａが螺合するナット８８ｂとを備えている。ヘッドシャフト２７は、ブリッジ８４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９０を駆動すると、ボールねじ８８を介してブリッジ８４が上下動し、これによりヘッドシャフト２７および研磨ヘッド１が上下動する。
ヘッドシャフト２７はキー（図示せず）を介して回転筒６６に連結されている。この回転筒６６はその外周部にタイミングプーリ６７を備えている。ヘッドアーム６４にはヘッドモータ６８が固定されており、上記タイミングプーリ６７は、タイミングベルト６９を介してヘッドモータ６８に設けられたタイミングプーリ７０に接続されている。したがって、ヘッドモータ６８を回転駆動することによってタイミングプーリ７０、タイミングベルト６９、およびタイミングプーリ６７を介して回転筒６６およびヘッドシャフト２７が一体に回転し、研磨ヘッド１が回転する。ヘッドアーム６４は、フレーム（図示せず）に回転可能に支持されたアームシャフト８０によって支持されている。研磨装置は、ヘッドモータ６８、サーボモータ９０をはじめとする装置内の各機器を制御する制御装置４０を備えている。
研磨ヘッド１は、その下面にウェハＷを保持できるように構成されている。ヘッドアーム６４はアームシャフト８０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を保持した研磨ヘッド１は、ヘッドアーム６４の旋回によりウェハＷの受取位置から研磨テーブル１８の上方位置に移動される。
ウェハＷの研磨は次のようにして行われる。研磨ヘッド１および研磨テーブル１８をそれぞれ回転させ、研磨テーブル１８の上方に設けられた研磨液供給ノズル２５から研磨パッド１９上に研磨液Ｑを供給する。この状態で、研磨ヘッド１を所定の位置（所定の高さ）まで下降させ、この所定の位置でウェハＷを研磨パッド１９の研磨面１９ａに押圧する。ウェハＷは研磨パッド１９の研磨面１９ａに摺接され、これによりウェハＷの表面が研磨される。
次に、図１に示す研磨装置に備えられている研磨ヘッド（基板保持装置）１について、図２を参照して詳細に説明する。図２に示すように、研磨ヘッド１は、ヘッドシャフト２７の下端に固定されたヘッド本体２と、研磨面１９ａを直接押圧するリテーナリング３と、ウェハＷを研磨面１９ａに対して押圧する柔軟な弾性膜１０とから基本的に構成される。リテーナリング３はウェハＷを囲むように配置されており、ヘッド本体２に連結されている。弾性膜１０は、ヘッド本体２の下面を覆うようにヘッド本体２に取り付けられている。
弾性膜１０は、同心状に配置された複数（図示では８つ）の環状の周壁１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ，１０ｇ，１０ｈを有し、これらの複数の周壁１０ａ〜１０ｈによって、弾性膜１０の上面とヘッド本体２の下面との間に、中央に位置する円形状の中央圧力室１２、最外周に位置する環状のエッジ圧力室１４ａ，１４ｂ、及び中央圧力室１２とエッジ圧力室１４ａ，１４ｂとの間に位置する、この例では環状の５つの中間圧力室（第１〜第５中間圧力室）１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅが形成されている。
ヘッド本体２内には、中央圧力室１２に連通する流路２０、エッジ圧力室１４ａに連通する流路２２、エッジ圧力室１４ｂに連通する流路２４ｆ、及び中間圧力室１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅにそれぞれ連通する流路２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ，２４ｅがそれぞれ形成されている。そして、流路２０，２２，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ，２４ｅ，２４ｆは、それぞれ流体ライン２６，２８，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆを介して流体供給源３２に接続されている。流体ライン２６，２８，３０ａ〜３０ｆには、開閉バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ８と圧力レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８がそれぞれ設置されている。
リテーナリング３の直上にはリテーナ室３４が形成されており、リテーナ室３４は、ヘッド本体２内に形成された流路３６および開閉バルブＶ９と圧力レギュレータＲ９が設置された流体ライン３８を介して流体供給源３２に接続されている。圧力レギュレータＲ１〜Ｒ９は、それぞれ流体供給源３２から圧力室１２，１４ａ，１４ｂ，１６ａ〜１６ｅおよびリテーナ室３４に供給する圧力流体の圧力を調整する圧力調整機能を有している。圧力レギュレータＲ１〜Ｒ９および開閉バルブＶ１〜Ｖ９は、制御装置４０に接続されていて、それらの作動が制御装置４０で制御されるようになっている。
図２に示すように構成された研磨ヘッド１によれば、ウェハＷを研磨ヘッド１で保持した状態で、各圧力室１２，１４ａ，１４ｂ，１６ａ〜１６ｅに供給される圧力流体の圧力をそれぞれ制御することで、ウェハＷの半径方向に沿った弾性膜１０上の複数のエリア毎に異なった圧力でウェハＷを押圧することができる。このように、研磨ヘッド１においては、ヘッド本体２と弾性膜１０との間に形成される各圧力室１２，１４ａ，１４ｂ，１６ａ〜１６ｅに供給する流体の圧力を調整することにより、ウェハＷに加えられる押圧力をウェハＷの領域毎に調整できる。同時に、リテーナ室３４に供給する圧力流体の圧力を制御することで、リテーナリング３が研磨パッド１９を押圧する押圧力を調整できる。
ヘッド本体２は、例えば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、弾性膜１０は、例えば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。
図３は、弾性膜（メンブレン）１０を示す断面図である。弾性膜１０は、ウェハＷに接触する円形の当接部１１と、当接部１１に直接または間接に接続される８つの周壁１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ，１０ｇ，１０ｈを有している。当接部１１はウェハＷの裏面、すなわち研磨すべき表面とは反対側の面に接触し、ウェハＷを研磨パッド１９に対して押し付ける。周壁１０ａ〜１０ｈは、同心状に配置された環状の周壁である。
周壁１０ａ〜１０ｈの上端は、４つの保持リング５，６，７，８によってヘッド本体２の下面に取り付けられている。これら保持リング５，６，７，８は保持手段（図示せず）によってヘッド本体２に着脱可能に固定されている。したがって、保持手段を解除すると、保持リング５，６，７，８がヘッド本体２から離れ、これによって弾性膜１０をヘッド本体２から取り外すことができる。保持手段としてはねじなどを用いることが出来る。
当接部１１は、中間圧力室１６ｃに連通する複数の通孔１７を有している。図３では１つの通孔１７のみを示す。当接部１１にウェハＷが接触した状態で中間圧力室１６ｃに真空が形成されると、ウェハＷが当接部１１の下面に、すなわち研磨ヘッド１に真空吸引により保持される。さらに、ウェハＷが研磨パッド１９から離れた状態で中間圧力室１６ｃに加圧流体を供給すると、ウェハＷが研磨ヘッド１からリリースされる。通孔１７は中間圧力室１６ｃの代わりに他の圧力室に形成してもよい。その際にはウェハＷの真空吸引やリリースは通孔１７を形成した圧力室の圧力を制御することにより行う。
周壁１０ｈは、最も外側の周壁であり、周壁１０ｇは周壁１０ｈの径方向内側に配置されている。さらに、周壁１０ｆは周壁１０ｇの径方向内側に配置されている。以下、周壁１０ｈを第１エッジ周壁、周壁１０ｇを第２エッジ周壁、周壁１０ｆを第３エッジ周壁と呼ぶ。
図４は、弾性膜１０の一部を示す拡大断面図である。ウェハＷのエッジ部の狭い範囲での研磨レートを調整可能とするために、弾性膜１０は図４に示されるような形状を採用している。以下、弾性膜１０について詳細に説明する。第１エッジ周壁１０ｈは、当接部１１の周端部から上方に延び、第２エッジ周壁１０ｇは第１エッジ周壁１０ｈに接続されている。
第２エッジ周壁１０ｇは第１エッジ周壁１０ｈの内周面１０１に接続された外側水平部１１１を有している。第１エッジ周壁１０ｈの内周面１０１は、当接部１１に対して垂直に延びる上側内周面１０１ａおよび下側内周面１０１ｂを有している。上側内周面１０１ａは第２エッジ周壁１０ｇの水平部１１１から上方に延び、下側内周面１０１ｂは第２エッジ周壁１０ｇの水平部１１１から下方に延びている。言い換えれば、当接部１１に対して垂直に延びる内周面１０１を分割する位置に第２エッジ周壁１０ｇの外側水平部１１１が接続されている。下側内周面１０１ｂは当接部１１の周端部に接続されている。下側内周面１０１ｂの外側に位置する外周面１０２も、当接部１１に対して垂直に延びている。上側内周面１０１ａおよび下側内周面１０１ｂは、同一面内にある。この「同一面」とは、当接部１１に垂直な想像面である。つまり、上側内周面１０１ａの径方向位置と下側内周面１０１ｂの径方向位置は同じである。
第１エッジ周壁１０ｈは、当接部１１の上下動を許容する折り曲げ部１０３を有している。この折り曲げ部１０３は、上側内周面１０１ａに接続されている。折り曲げ部１０３は、当接部１１と垂直な方向（すなわち、鉛直方向）に伸縮自在に構成されたベローズ構造を有している。したがって、ヘッド本体２と研磨パッド１９との距離が変化しても、当接部１１の周端部とウェハＷとの接触を維持することができる。ヘッド本体２と研磨パッド１９との距離が変化する要因としては、ヘッド本体２と研磨パッド１９との相対的な傾き、研磨テーブル１８の回転に伴う研磨パッド表面１９ａの面振れ、ヘッドシャフト２７の回転に伴うアキシアル振れ（鉛直方向の振れ）などが挙げられる。第１エッジ周壁１０ｈは、折り曲げ部１０３の上端から径方向内側に延びるリム部１０４を有している。リム部１０４は、図３に示す保持リング８によってヘッド本体２の下面に固定される。
第２エッジ周壁１０ｇは、第１エッジ周壁１０ｈの内周面１０１から水平に延びる外側水平部１１１を有している。さらに、第２エッジ周壁１０ｇは、外側水平部１１１に接続された傾斜部１１２と、傾斜部１１２に接続された内側水平部１１３と、内側水平部１１３に接続された鉛直部１１４と、鉛直部１１４に接続されたリム部１１５とを有している。傾斜部１１２は、外側水平部１１１から径方向内側に延びつつ上方に傾斜している。リム部１１５は、鉛直部１１４から径方向外側に延びており、図３に示す保持リング８によってヘッド本体２の下面に固定される。第１エッジ周壁１０ｈおよび第２エッジ周壁１０ｇが保持リング８によってヘッド本体２の下面に取り付けられると、第１エッジ周壁１０ｈと第２エッジ周壁１０ｇとの間にエッジ圧力室１４ａが形成される。
第３エッジ周壁１０ｆは、第２エッジ周壁１０ｇの径方向内側に配置されている。第３エッジ周壁１０ｆは、当接部１１の上面に接続された傾斜部１２１と、傾斜部１２１に接続された水平部１２２と、水平部１２２に接続された鉛直部１２３と、鉛直部１２３に接続されたリム部１２４とを有している。傾斜部１２１は、当接部１１の上面から径方向内側に延びつつ上方に傾斜している。リム部１２４は、鉛直部１２３から径方向内側に延びており、図３に示す保持リング７によってヘッド本体２の下面に固定される。第２エッジ周壁１０ｇおよび第３エッジ周壁１０ｆが保持リング８，７によってそれぞれヘッド本体２の下面に取り付けられると、第２エッジ周壁１０ｇと第３エッジ周壁１０ｆとの間にエッジ圧力室１４ｂが形成される。
周壁１０ｅは、第３エッジ周壁１０ｆの径方向内側に配置されている。周壁１０ｅは、当接部１１の上面に接続された傾斜部１３１と、傾斜部１３１に接続された水平部１３２と、水平部１３２に接続された鉛直部１３３と、鉛直部１３３に接続されたリム部１３４とを有している。傾斜部１３１は、当接部１１の上面から径方向内側に延びつつ上方に傾斜している。リム部１３４は、鉛直部１３３から径方向外側に延びており、図３に示す保持リング７によってヘッド本体２の下面に固定される。周壁１０ｅおよび第３エッジ周壁１０ｆが保持リング７によってヘッド本体２の下面に取り付けられると、周壁１０ｅと第３エッジ周壁１０ｆとの間に中間圧力室１６ｅが形成される。
図３に示す周壁１０ｂ，１０ｄは、図４に示す第３エッジ周壁１０ｆと実質的に同じ構成を有しており、図３に示す周壁１０ａ，１０ｃは、図４に示す周壁１０ｅと実質的に同じ構成を有しているので、それらの説明を省略する。図３に示すように、周壁１０ａ，１０ｂのリム部は保持リング５によってヘッド本体２の下面に固定され、周壁１０ｃ，１０ｄのリム部は保持リング６によってヘッド本体２の下面に固定される。
図４に示すように、エッジ圧力室１４ａはエッジ圧力室１４ｂの上方に配置されている。エッジ圧力室１４ａとエッジ圧力室１４ｂとは、概ね水平に延びる第２エッジ周壁１０ｇによって仕切られている。第２エッジ周壁１０ｇは第１エッジ周壁１０ｈに接続されているので、エッジ圧力室１４ａとエッジ圧力室１４ｂとの差圧は第１エッジ周壁１０ｈを鉛直方向に押し下げる下向きの力を発生させる。つまり、エッジ圧力室１４ａ内の圧力がエッジ圧力室１４ｂ内の圧力よりも大きいとき、エッジ圧力室１４ａ，１４ｂ間の差圧によって下向きの力が第１エッジ周壁１０ｈに発生し、第１エッジ周壁１０ｈは当接部１１の周縁部を鉛直方向にウェハの裏面に押し付ける。結果として、当接部１１の周縁部がウェハエッジ部を研磨パッド１９に対して押し付ける。このように、第１エッジ周壁１０ｈ自体に下向きの力が鉛直方向に作用するので、当接部１１の周縁部はウェハエッジ部の狭い領域を研磨パッド１９に対して押し付けることができる。したがって、ウェハのエッジ部のプロファイルを精密に制御することが可能となる。
上側内周面１０１ａは当接部１１に対して垂直に上方に延び、下側内周面１０１ｂは当接部１１に対して垂直に下方に延びている。このような上側内周面１０１ａおよび下側内周面１０１ｂの形状により、第１エッジ周壁１０ｈと第２エッジ周壁１０ｇとの接続部分には斜め方向の力が作用せず、ウェハエッジ部の狭い領域で研磨レートを制御することが可能となる。この点について、図５乃至図９を参照して説明する。
図５乃至図８に示すように、上側内周面１０１ａおよび／または下側内周面１０１ｂが傾斜していると、第１エッジ周壁１０ｈと第２エッジ周壁１０ｇとの接続部分には斜め方向の力が作用する。このため、第１エッジ周壁１０ｈと当接部１１との接続部分に力が広い範囲で作用し、ウェハエッジ部の狭い範囲での研磨レートを制御できなくなる。さらに、エッジ圧力室１４ａ，１４ｂ間に差圧が発生したときに、第１エッジ周壁１０ｈと第２エッジ周壁１０ｇとの接続部分に斜め方向の力が作用し、第１エッジ周壁１０ｈが変形したり倒れたりして、ウェハへ力が伝達されない。
これに対し、図９に示すように、本実施形態の上側内周面１０１ａおよび下側内周面１０１ｂの両方は、鉛直方向に、すなわち当接部１１に対して垂直に延びている。このような形状にすることにより、第１エッジ周壁１０ｈと第２エッジ周壁１０ｇとの接続部分には斜め方向の力はほとんど作用せず、エッジ圧力室１４ａ，１４ｂ間の差圧によって発生する下向きの力は第１エッジ周壁１０ｈを伝ってウェハエッジ部に鉛直方向に作用する。したがって、ウェハエッジ部の狭い範囲での研磨レートを制御することが可能となる。
図１０は、弾性膜１０の他の実施形態を示す断面図である。特に説明しない構成は図４に示す構成と同じである。図１０に示すように、下側内周面１０１ｂには、第１エッジ周壁１０ｈの周方向に延びる環状溝１０５が形成されている。この環状溝１０５は、下側内周面１０１ｂの下端に形成されており、第１エッジ周壁１０ｈに薄肉部を形成している。このような環状溝１０５が当接部１１に隣接して形成されているので、第１エッジ周壁１０ｈに斜め方向の力が作用した場合であっても、その斜め方向の力は当接部１１に伝達されにくくなる。したがって、ウェハエッジ部の狭い範囲での研磨レートを制御することが可能となる。
図１１は、弾性膜１０のさらに他の実施形態を示す断面図である。特に説明しない構成は図４に示す構成と同じである。図１１に示すように、第３エッジ周壁１０ｆの下端１２５は第１エッジ周壁１０ｈに隣接している。例えば、第３エッジ周壁１０ｆの下端１２５と第１エッジ周壁１０ｈの下側内周面１０１ｂとの距離は、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、より望ましくは１ｍｍ以上５ｍｍ以下である。本実施形態の形状によれば、エッジ圧力室１４ｂ内の圧力が当接部１１に作用する領域を狭くすることができる。したがって、ウェハエッジ部の狭い範囲での研磨レートを制御することが可能となる。
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
１ 研磨ヘッド
２ ヘッド本体
３ リテーナリング
５，６，７，８ 保持リング
１０ 弾性膜（メンブレン）
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ，１０ｇ，１０ｈ 周壁
１１ 当接部
１２ 中央圧力室
１４ａ，１４ｂ エッジ圧力室
１６ａ〜１６ｅ 中間圧力室
１７ 通孔
１８ 研磨テーブル
１８ａ テーブル軸
１９ 研磨パッド
１９ａ 研磨面
２５ 研磨液供給ノズル
２７ ヘッドシャフト
３２ 流体供給源
３４ リテーナ室
４０ 制御装置
６４ ヘッドアーム
６６ 回転筒
６７ タイミングプーリ
６８ ヘッドモータ
６９ タイミングベルト
７０ タイミングプーリ
８０ アームシャフト
８１ 上下動機構
８２ ロータリージョイント
８３ 軸受
８４ ブリッジ
８５ 支持台
８６ 支柱
８８ ボールねじ
８８ａ ねじ軸
８８ｂ ナット
９０ サーボモータ
１０１ 内周面
１０１ａ 上側内周面
１０１ｂ 下側内周面
１１１ 水平部
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ９ 開閉バルブ
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９ 圧力レギュレータ

Claims (9)

  1. 基板保持装置に用いられる弾性膜であって、
    基板に当接して該基板を研磨パッドに押圧する当接部と、
    前記当接部の周端部から上方に延びる第１エッジ周壁と、
    前記第１エッジ周壁に接続された第２エッジ周壁と、
    前記当接部の上面に接続された傾斜部を有する第３エッジ周壁とを備えたことを特徴とする弾性膜。
  2. 前記第１エッジ周壁と前記第２エッジ周壁との間には第１エッジ圧力室が形成され、
    前記第２エッジ周壁と前記第３エッジ周壁との間には第２エッジ圧力室が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の弾性膜。
  3. 前記第３エッジ周壁の径方向内側に配置された第４周壁をさらに備え、
    前記第３エッジ周壁と前記第４周壁との間には中間圧力室が形成されており、
    前記第２エッジ圧力室の一部は前記中間圧力室の上方に位置していることを特徴とする請求項２に記載の弾性膜。
  4. 前記傾斜部は、前記第２エッジ周壁の下方であって、かつ前記当接部の上方に位置していることを特徴とする請求項１に記載の弾性膜。
  5. 前記第１エッジ周壁は、前記当接部に垂直な内周面を有していることを特徴とする請求項１に記載の弾性膜。
  6. 前記第３エッジ周壁の下端と前記第１エッジ周壁の下側内周面との距離は、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の弾性膜。
  7. 前記距離は１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の弾性膜。
  8. 基板を押圧するための複数の圧力室を形成する弾性膜と、
    前記弾性膜が取り付けられるヘッド本体と、
    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、
    前記弾性膜は請求項１乃至７のいずれか一項に記載の弾性膜であることを特徴とする基板保持装置。
  9. 研磨パッドを支持するための研磨テーブルと、
    基板を前記研磨パッドに押し付けるための基板保持装置とを備えた研磨装置であって、
    前記基板保持装置は、基板を押圧するための複数の圧力室を形成する弾性膜と、前記弾性膜が取り付けられるヘッド本体と、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、前記弾性膜は請求項１乃至７のいずれか一項に記載の弾性膜であることを特徴とする研磨装置。
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