JP3795317B2

JP3795317B2 - 基板把持装置及び研磨装置

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Publication number: JP3795317B2
Application number: JP2000335866A
Authority: JP
Inventors: 伸大和田; 俊市朗皃嶋
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2000-11-02
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2020-11-02
Also published as: JP2002144223A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板把持装置に関し、特に半導体ウエハなどの基板の表面を平坦かつ鏡面に研磨するポリッシング装置に用いて好適な基板把持装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスの高集積化が進むにつれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭くなりつつある。特に線幅が０．５μｍ以下の光リソグラフィの場合、許容される焦点深度が浅くなるためステッパーの結像面の平坦度を必要とする。そこで、半導体ウエハの表面を平坦化することが必要となるが、この平坦化法の１手段として化学機械研磨（ＣＭＰ）が採用されている。
【０００３】
従来、ＣＭＰを行うポリッシング装置は、上面に研磨布を貼付して研磨面を構成するターンテーブルと、基板の被研磨面をターンテーブルに向けて基板を保持するトップリングとを有し、これらをそれぞれ自転させながらトップリングにより基板を一定の圧力でターンテーブルに押しつけ、砥液を供給しつつ基板の被研磨面を平坦かつ鏡面に研磨している。
【０００４】
図５は、この種のポリッシング装置の一例の主要部を示す図である。これは、上面に研磨布１００を貼った回転するターンテーブル１０２と、回転および押圧可能にポリッシング対象物である半導体ウエハ（基板）Ｗを保持するトップリング（基板把持装置）１０４と、研磨布１００に砥液Ｑを供給する砥液供給ノズル１０６を備えている。トップリング１０４はトップリングシャフト１０８に連結され、このトップリングシャフト１０８は図示しないトップリングヘッドにエアシリンダを介して上下動可能に支持されている。
【０００５】
トップリング１０４はその下面にポリウレタン等の弾性マット１１０を備えており、この弾性マット１１０を介して半導体ウエハＷを保持するようになっている。トップリング１０４の外周縁部には、円筒状のガイドリング１１２が下端面をトップリング１０４の半導体ウエハＷの保持面より突出させて取り付けられており、その内側にポリッシング対象物である半導体ウエハＷを保持する凹所を形成して半導体ウエハＷが研磨中にトップリング１０４から外れないようになっている。
【０００６】
このような構成の研磨装置において、半導体ウエハＷをトップリング１０４の下面の弾性マット１１０の下部に保持し、ターンテーブル１０２上の研磨布１００に半導体ウエハＷをトップリング１０４によって押圧するとともに、ターンテーブル１０２およびトップリング１０４を回転させて研磨布１００と半導体ウエハＷを相対運動させて研磨する。砥液供給ノズル１０６からは、研磨布１００上に、例えばアルカリ溶液に微粒子からなる砥粒を懸濁した砥液Ｑを供給し、アルカリによる化学的研磨作用と、砥粒による機械的研磨作用との複合作用によって半導体ウエハＷを研磨する。
【０００７】
トップリング１０４は、図６に示すように、表面（下面）に半導体ウエハＷを吸着により把持する把持板１１４と、この把持板１１４の裏面側に背圧空間Ｓ（図１参照）を形成するように重ねて固着される円板状の被覆板１１６と、把持板１１４と被覆板１１６を更に上から覆って押える中空円板状の押え板１１８とから構成されている。把持板１１４と被覆板１１６との間には、その周縁部にシールリング１２０が介装されて、背圧空間Ｓが気密的にシールされている。把持板１１４の内部には、上下方向に貫通して背圧空間Ｓに連通する複数の吸着穴１１４ａが設けられている。
【０００８】
把持板１１４と被覆板１１６は、円周方向に沿って所定の間隔をおいて配置された鉛直方向に延びる複数のボルト１２２を介して締結されている。ボルト１２２としては、一般にＭ３〜Ｍ８程度のものが６本程度使用されている。ボルト１２２は、トップリング１０４で半導体ウエハＷを吸着して搬送する時に、把持板１１４と被覆板１１６との間の周縁部に介装したシールリング１２０の潰れ代を確保して真空リーク（吸着エラー）の発生を防止するため、通常は、３ｋｇｆ・ｃｍ（２．９４ｋＮ・ｍ）〜２０ｋｇｆ・ｃｍ（１９．６ｋＮ・ｍ）程度の締付けトルクで締め付けられている。
【０００９】
トップリングシャフト１０８の下端部には、外側に張り出したフランジ部１２６を有する駆動板１２８が固定されている。この駆動板１２８とトップリング１０４の被覆板１１６の間には、トップリング１０４を傾動可能に支持しかつこれに押圧力を伝達する自在継手が設けられている。この自在継手は、球面軸受１３０と、トップリングシャフト１０８の回転をトップリング１０４に伝達する回転伝達機構１３２とを有している。被覆板１１６の下面のボルト締結箇所には、周方向に所定間隔をおいて下方に突出する押圧部１２４が形成され、トップリングシャフトから被覆板１１６が受けた押圧力は押圧部１２４から把持板１１４に伝達されるようになっている。
【００１０】
上述したポリッシング装置により半導体ウエハＷの全面に渡ってこれを高い精度で平坦化するためには、ポリッシング時に半導体ウエハＷを把持する把持板１１４の表面（下面）が高精度な平坦面であることが望ましいと考えられる。このため、把持板１１４の下面の加工精度を上げたり、実プロセス時における把持板１１４の弾性変形を相殺するように調整を行うための種々の手段（例えば、特願平１１−２５３６４号等参照）が提案されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のポリッシング装置においては、トップリングの部品の加工精度が良い場合でも、組立て作業が充分な精度をもって行われない場合には、同様に把持板の下面が変形してしまう。また、把持板の下面の変形は、研磨工程においてトップリングに負荷される力や温度上昇による把持板の熱膨張によっても起こりうる。このような傾向は半導体ウエハの大口径化に伴ってより顕著に現れる。
【００１２】
図７は、被覆板１１６と把持板１１４とを締結するボルト１２２の締付けトルクを２０ｋｇｆ・ｃｍ（１９．６ｋＮ・ｍ）（手締）と８ｋｇｆ・ｃｍ（７．８４ｋＮ・ｍ）に設定して２種類のトップリング（ボルト締結箇所直径：１５０ｍｍ（トップリング中心からの半径７５ｍｍ））を組立て、背圧空間Ｓから吸着穴１１４ａを通じて把持板１１４の下面へ導入される気体による把持板１１４の背圧（Back Side Pressure）を２００ｇｆ／ｃｍ^２（１９６ｋＮ／ｍ^２）とした同一研磨条件で直径３００ｍｍの半導体ウエハを研磨した時の研磨面の平坦度を測定したグラフである。把持板の背圧については特願平１１−２５３６４号の記載と同様である。
【００１３】
また、図８は、被覆板１１６と把持板１１４とを締結するボルト１２２の締付けトルクを８ｋｇｆ・ｃｍ（７．８４ｋＮ・ｍ）と１０ｋｇｆ・ｃｍ（９．８ｋＮ・ｍ）に設定してもう一つのトップリング（ボルト締結箇所直径：２００ｍｍ（トップリング中心からの半径１００ｍｍ））を組立て、背圧を２００ｇｆ／ｃｍ^２（１９６ｋＮ／ｍ^２）とした同一研磨条件で直径３００ｍｍの半導体ウエハを研磨した時の研磨面の平坦度を測定したグラフである。
【００１４】
これらのグラフにより、ボルトの締付けトルクが増えると、半導体ウエハの中心部分での研磨量が増え、逆に締付けトルクが少ないと、半導体ウエハの周辺部のボルト締結位置付近での研磨量が増えて、ボルトの締付けトルクの大小が研磨量に影響を与え、しかも、半導体ウエハの直径が大きいと、締付けトルクの差が僅かでも研磨量に大きく影響することが分かる。
【００１５】
これは、図９に示すように、トップリング荷重時にボルトの締付け位置に散点状に集中荷重が作用して、把持板の裏面が受ける圧力分布が不均一となり、この結果、把持板の表面が波打つように変形し、この変形量がボルトの締付け量の大小によって異なり、しかも半導体ウエハの直径が大きくなると、熱伝導が十分に行われずに、この中心部と外周部の温度差がより大きくなることに起因すると考えられる。
【００１６】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、把持板表面の変形を抑制するとともに、基板の温度分布をより均一にできるようにした基板把持装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、トップリングシャフトの下端に傾動可能に取付けられる基板把持装置であって、基板を表面に把持する把持板と、前記把持板の裏面側を覆って該把持板との間に気密な背圧空間を形成する被覆板とを備え、前記被覆板は、該被覆板と前記把持板との間に介装した粘着性を有する弾性材を介して前記把持板に保持されていることを特徴とする基板把持装置である。
【００１８】
これにより、把持板に弾性材の全表面に亘る分布荷重が作用するようにすることで、把持板の裏面が受ける圧力分布をより均一となしてこの変形を抑制し、しかも、弾性材により熱伝導を促進して、より均一な温度分布を実現できる。
【００１９】
請求項２に記載の発明は、前記弾性材は、所定温度を境に可逆的に粘着性が変化する性質を有する粘着フィルムで構成されていることを特徴とする請求項１記載の基板把持装置である。
【００２０】
これにより、例えば５℃以上で粘着力を有する粘着フィルムで弾性材を構成した場合にはこの温度以下に、６０℃以下の温度で粘着力を有する粘着フィルムで弾性材を構成した場合にはこの温度を境に、それぞれ粘着フィルム（弾性材）を冷却または加熱して粘着フィルムの粘着力を減少させることで、把持板の交換及びメンテナンスを容易に行うことができる。
【００２１】
請求項３に記載の発明は、前記弾性材は、前記被覆板に作用する押圧力を前記把持板に該把持板の径方向に所定の勾配をもつ分布加重として伝達するように設置されていることを特徴とする請求項１または２記載の基板把持装置である。弾性材の形状、配置位置及び厚さ等を任意に調整することで、このように構成することができ、これにより、把持板の変形を抑制する効果を向上させることができる。
【００２２】
請求項４に記載の発明は、前記把持板と前記被覆部部材は、前記弾性材の粘着力で一体化されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の基板把持装置である。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、研磨面を有する研磨テーブルと、該研磨面に砥液を供給する砥液供給装置と、請求項１乃至４のいずれかに記載の基板把持装置とを有することを特徴とする研磨装置である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１及び図２は、本発明の第１の実施の形態の基板把持装置を示す図であり、これは、全体として円板状のトップリング（基板把持装置）１０と、このトップリング１０を支持しかつこれに回転駆動力と押圧力を伝達するトップリングシャフト１２と、これらトップリングシャフト１２及びトップリング１０を互いの傾動を許容しつつ連結する自在継手とから構成されている。自在継手は、球面軸受７０と図示しない回転伝達機構とから構成されている。なお、図１には、トップリング１０がトップリングシャフト１２から吊り下げられた状態が示されている。
【００２５】
トップリング１０は、下面に弾性マット１６を介してポリッシング対象物である半導体ウエハ（基板）Ｗを吸着等により把持するほぼ円板状の把持板１８と、この把持板１８の上側に背圧空間Ｓを形成するように重ねて固着されるほぼ円板状の被覆板２０と、これらを更に上から覆う環状円板である押え板２２を備えている。被覆板２０には、把持板１８の下側に基板Ｗを収容する凹所を形成するガイドリング２４が固定されている。また、ガイドリング２４のさらに外方には、図５に示すターンテーブル１０２上の研磨布１００を押圧するための押圧リング２６がトップリングヘッド２８に固定されたエアシリンダ３０によって上下動自在に支持されている。
【００２６】
把持板１８には、上下に貫通して延びる多数の吸着穴１８ａが背圧空間Ｓに連通して設けられ、被覆板２０には、上下に貫通して延びる連通穴２０ａが背圧空間Ｓに連通して設けられ、この連通穴２０ａに排気配管４０が接続されている。
【００２７】
把持板１８の上面（基板取付側を表面とすれば裏面）の中央には凹部３４が形成され、その外周部は肩部３２となっている。一方、被覆板２０の下面の中央には、把持板１８の凹部３４と嵌合する形状の凸部３６が形成され、その外周部はフランジ部３８となっている。この凹部３４または凸部３６の形状は、この実施の形態では断面が円弧状、つまり球面に形成されているが、断面が中心線軸を短軸とする楕円であるような任意の回転面を有する形状としても良い。
【００２８】
把持板１８は、この中央部に配置した円板状の中央弾性フィルム（弾性材）４４と、この中央弾性フィルム４４の周囲にリング状に配置した内側外周弾性フィルム（弾性材）４６、並びに把持板１８の外周縁部に沿ってリング状に配置した外側外周弾性フィルム４８を介して被覆板２０に保持されている。この外側外周弾性フィルム（弾性材）４８は、シールを兼ねるもので、これにより、把持板１８と被覆板２０との間の外側外周弾性フィルム４８で囲まれて、中央弾性フィルム４４と内側外周弾性フィルム４６を除く領域に気密的に封止された背圧空間Ｓが形成されている。内側外周弾性フィルム４６には、この内外を連通する切欠き４６ａが設けられている。
【００２９】
ここで、弾性フィルム４４，４６，４８は、例えば５℃を境にして、この温度以上であれば粘着力を発現し、この温度以下では粘着力を発現しないクールオフタイプの粘着フィルムや、６０℃を境にして、この温度以下であれば粘着力を発現し、この温度以上では粘着力を発現しないワームタイプの粘着フィルム等、所定温度を境に可逆的に粘着性が変化する性質を有する両面粘着フィルムで構成されている。そして、この下面は把持板１８に、上面は被覆板２０にそれぞれ接合されている。
【００３０】
このように、把持板１８を平面状に拡がる弾性フィルム４４や、リング状に連続して延びる弾性フィルム４６，４８を介して被覆板２０で保持して、弾性フィルム４４，４６，４８の全表面に亘る分布荷重が作用するようにすることで、図３に示すように、把持板１８の裏面が受ける圧力分布をより均一となしてこの変形を抑制し、しかも、弾性フィルム４４，４６，４８により把持板１８と被覆板２０との間の熱伝導をその増大した接着面を利用することにより、促進して、より均一な温度分布を実現できる。
【００３１】
また、弾性フィルム４４，４６，４８をクールオフタイプやワームオフタイプの粘着フィルムで構成することにより、例えばクールオフタイプの粘着フィルムを使用した場合には、これを所定温度以下に冷却することで、ワームオフタイプの粘着フィルムを使用した場合には、これを所定温度以上に加熱することで、粘着フィルムの粘着力を減少させることができ、これにより、把持板１８の交換やメンテナンスの便を図ることができる。
【００３２】
なお、この弾性フィルム４４，４６，４８による把持板１８の保持は、この弾性フィルム４４，４６，４８を構成する粘着フィルムが粘着力を有する温度で、先ずこの一方の面を把持板１８に貼付け、しかる後、他方の面を被覆板２０に貼付けることで容易に行うことができる。
【００３３】
また、この例では、外側外周弾性フィルム４８の内側に位置して、把持板１８の上面に外側内周弾性フィルム（弾性材）５０が外側外周弾性フィルム４８と同心状に配置され、この外側内周弾性フィルム５０にはこの内外に連通する切欠き５０ａが設けられている。この外側内周弾性フィルム５０の厚みは、外側外周弾性フィルム４８の厚みより薄く設定されて、これが被覆板２０に接触しないようになっている。
【００３４】
この外側内周弾性フィルム５０は、任意の吸着穴１８ａを塞ぐためのものであり、これにより、多数の吸着穴１８ａを容易かつ迅速に塞ぐことができる。すなわち、把持板１８にあっては、製作の段階で多数の吸着穴１８ａを設けておき、使用に際して、この内の所定の吸着穴１８ａを塞ぐことが一般に行われており、従来、この吸着穴１８ａを塞ぐ作業は、各吸着穴１８ａ毎にシールテープを埋め込むことで行われているため、この作業性が著しく悪かったが、このように外側内周弾性フィルム５０を貼付けて吸着穴１８ａを塞ぐことで、この作業性を改善することができる。
【００３５】
また、把持板１８を保持する弾性フィルムの形状や配置位置等は任意に設定することができる。例えば、前記外側内周弾性フィルム５０の厚みを外側外周弾性フィルム４８同じに設定し、この上面を被覆板２０に接合することで、これを把持板保持用に使用しても良いことは勿論である。
【００３６】
トップリングシャフト１２は、図示しない支柱に取り付けられたトップリングヘッド２８によって支持されており、トップリングヘッド２８に設けられた駆動軸（減速機付きモータ、図示略）の出力軸とプーリベルト機構によって連結されて回転可能に、また、トップリングヘッド２８と駆動軸ホルダとの間に設けられたトップリングシリンダのシャフトの伸縮によって上下方向に移動可能になっている。トップリングシャフト１２は中空の筒状に形成されており、内部にはテフロン又はポリプロピレンなどの耐食性のある樹脂等の材質によって形成されたチューブが挿通されており、これの上端はロータリージョイントを介して外部の流体供給装置に連結されている。
【００３７】
トップリングシャフト１２の下端部には、外側に張り出したフランジ部５２を有する駆動板５４が取付け部材５６を介して固定されている。駆動板５４の下面中央には、下面が円錐状の逃げ面５８となっている凸部６０が形成されており、この凸部６０の中央には、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６２を摺動自在に収容する球面状凹所６４が形成されている。被覆板２０の上面中央には、駆動板５４の凸部６０を収容できる広さと高さ、並びに深さを持つ凹所６６が形成されている。この凹所６６の底面の中央には、やはりベアリングボール６２を収容する球面状凹所６８が形成されている。これら凹所６６、ベアリングボール６２及び凹所６８によって球面軸受７０が形成されている。更に、駆動板５４と被覆板２０との間には、トップリングシャフト１２の回転をトップリング１０に伝達する回転伝達機構（図示せず）が設けられている。これらの球面軸受７０と回転伝達機構により、トップリングシャフト１２とトップリング１０を互いに傾動を許容しつつ連結する自在継手が構成されている。
【００３８】
次に、前記のように構成された基板把持装置を図５に示す研磨装置に適用した時の動作を説明する。
先ず、この弾性マット１６で基板Ｗの表面を覆った後、背圧空間Ｓを減圧させて、吸着穴１８ａから吸引することで基板Ｗを吸着保持する。そして、トップリング１０を研磨布１００に向けて下降させ、背圧空間Ｓに背圧をかけつつ、ターンテーブル１０２を回転させ、砥液供給ノズル１０６から砥液Ｑを供給しつつ、トップリング１０で保持した基板Ｗを所定の圧力でターンテーブル１０２の研磨布１００面に押圧することで研磨を行う。
【００３９】
この時、被覆板２０から把持板１８に荷重が伝達されるが、この荷重の伝達は、弾性フィルム４４，４６，４８の全表面から行われて、把持板１８に弾性フィルム４４，４６，４８の全表面に亘る分布荷重が作用する。これにより、把持板１８の裏面が受ける圧力分布がより均一となって、この変形が抑制され、しかも、弾性フィルム４４，４６，４８により把持板１８と被覆板２０との間の熱伝導が促進されて、基板Ｗの温度分布がより均一となる。このため、把持板１８の変形や基板Ｗの温度分布のばらつきに伴う研磨量の過不足を無くして、基板Ｗをその全面に亘って平坦に研磨することができる。
【００４０】
図４は、本発明の第２の実施の形態の基板把持装置を示すもので、これは、把持板１８の中央部に配置した円板状の中央弾性フィルム（弾性材）７２と、把持板１８の周縁部に該把持板１８の肩部３２のほぼ全域に亘って配置した幅広の外側弾性フィルム（弾性材）７４を介して把持板１８を被覆板２０で保持し、把持板１８と被覆板２０との間の前記弾性フィルム７２，７４で挟まれた領域に背圧空間Ｓを設けたものである。他の構成は、前記第１の実施の形態と同様である。
【００４１】
この実施の形態にあっては、弾性フィルム７２，７４の面積をより広くして、トップリング荷重持に弾性フィルム７２，７４を介して把持板１８の裏面に作用する荷重をより均一にすることができる。
このように、把持板１８と被覆板２０との間に介装する弾性フィルムの形状や配置位置、更には厚み等を任意に設定することで、把持板の変形を抑制する効果を向上させることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の基板把持装置によれば、把持板に弾性フィルムの全表面に亘る分布荷重が作用するようにすることで、把持板の裏面が受ける圧力分布をより均一となしてこの変形を抑制し、しかも、弾性フィルムにより熱伝導を促進して、より均一な温度分布を実現できる。これにより、最終的に平坦度の高い研磨を行うことができる。従って、半導体製造工程における質の高いポリッシングを行うとともに、半導体ウエハの周縁部まで製品に供することができるようにすることにより半導体ウエハの歩留りを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の基板把持装置の縦断面図（図２のＸ−Ｘ線断面図）である。
【図２】図１のＹ−Ｙ線断面図である。
【図３】図１に示す実施の形態の基板把持装置におけるトップリング荷重持に把持板に作用する荷重の分布状態を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の基板把持装置の縦断面図である。。
【図５】ポリッシング装置の全体構成を示す部分断面図である。
【図６】従来の基板把持装置を示す断面図である。
【図７】従来の基板把持装置におけるボルトの締付けトルクの相違に基づく研磨面の平坦度の測定結果を示すグラフである。
【図８】従来の基板把持装置において、異なる締付けトルクで被覆板に把持板を締結して研磨した時の研磨面の平坦度を測定したグラフである。
【図９】従来の基板把持装置におけるトップリング荷重持に把持板に作用する荷重の分布状態を示す図である。
【符号の説明】
１０トップリング
１２トップリングシャフト
１６弾性マット
１８把持板
１８ａ吸着穴
２０被覆板
２０ａ連通穴
２４ガイドリング
２６押圧リング
３０エアシリンダ
４０排気配管
４４、４６，４８，５０，７２，７４弾性フィルム（弾性材）
５４駆動板
６２ベアリングボール
７０球面軸受

Claims

トップリングシャフトの下端に傾動可能に取付けられる基板把持装置であって、
基板を表面に把持する把持板と、
前記把持板の裏面側を覆って該把持板との間に気密な背圧空間を形成する被覆板とを備え、
前記被覆板は、該被覆板と前記把持板との間に介装した粘着性を有する弾性材を介して前記把持板に保持されていることを特徴とする基板把持装置。
前記弾性材は、所定温度を境に可逆的に粘着性が変化する性質を有する粘着フィルムで構成されていることを特徴とする請求項１記載の基板把持装置。
前記弾性材は、前記被覆板に作用する押圧力を前記把持板に該把持板の径方向に所定の勾配をもつ分布加重として伝達するように設置されていることを特徴とする請求項１または２記載の基板把持装置。
前記把持板と前記被覆部部材は、前記弾性材の粘着力で一体化されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の基板把持装置。
研磨面を有する研磨テーブルと、該研磨面に砥液を供給する砥液供給装置と、請求項１乃至４のいずれかに記載の基板把持装置とを有することを特徴とする研磨装置。