JP3862920B2 - 基板保持装置の姿勢制御装置を備えたポリッシング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等の基板を研磨して平坦化する際に基板を保持する基板保持装置および該基板保持装置を具備したポリッシング装置に関する。
【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０．５μｍ以下の光リソグラフィの場合、焦点深度が浅くなるためステッパ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、この平坦化法の一手段としてポリッシング装置により研磨することが行われている。
【０００３】
従来、この種のポリッシング装置は、ターンテーブルとトップリングとを有し、トップリングが一定の圧力をターンテーブルに与え、ターンテーブルとトップリングとの間にポリッシング対象物を介在させて、砥液を供給しつつ該ポリッシング対象物の表面を平坦且つ鏡面に研磨している。
【０００４】
上述したポリッシング装置において、研磨中のポリッシング対象物と研磨布との間の相対的な押圧力がポリッシング対象物の全面に亘って均一でないと、各部分の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、従来のポリッシング装置においては、図１８に示すように、トップリング駆動軸５１の先端に球面部５２を一体に形成し、ポリッシング対象物である半導体ウエハ５３を保持するトップリング５４の上面に前記球面部５２を収容する球面座５５を形成し、トップリング５４を駆動軸５１に対して傾動可能に構成し、トップリング５４をターンテーブル１６の傾きに自動的に倣うようにしている。これによって、トップリング５４のウエハ保持面５４ａとターンテーブル１６の上面との平行度を保ち、半導体ウエハ５３とターンテーブル１６に貼設された研磨布５７との相対的な押圧力をウエハの全面に亘って均一になるようにしている。なお、トップリング駆動軸と球面部とを分離してトップリング駆動軸と球ベアリング（ボール）とし、トップリング駆動軸とトップリングとの間に球ベアリングを介装したものも提案されている（特開平６−１９８５６１）。
【０００５】
しかしながら、上述の装置においては、研磨中に駆動軸５１からトップリング５４を介して半導体ウエハ５３に押圧力Ｆが加えられるため、半導体ウエハ５３と研磨布５７との接触面に摩擦力μＦ（μ：摩擦係数）を生じ、接触面からトップリング５４の傾動中心Ｏまでの高さＨによってトップリング５４を傾けようとする回転モーメントＭ＝μＦＨが生じ、研磨方向の前側の部分で半導体ウエハ５３が研磨布５７の表層に「突っ込む」現象が発生する。すなわち、半導体ウエハの全面を研磨布に均一に押圧することができないという欠点があった。このモーメントＭを０にするためには、傾動中心の高さＨを０にする必要があり、このため傾動中心がポリッシング対象物と研磨布との接触面上に位置する球面軸受を採用した装置も提案されている。
【０００６】
ポリッシング対象物と研磨布との接触面上に傾動中心を位置させれば、摩擦力に起因するトップリングを傾けようとする回転モーメントＭは、０になり、理論的には、トップリングとターンテーブルとの平行度は維持されるはずである。しかしながら、研磨作用に寄与する研磨布の上面、即ち、研磨面は、その全面が平坦というわけではないため、ターンテーブルの回転によって研磨面に微小なうねりが形成される。トップリングは研磨面のうねりに追従して傾動しようとするため、傾動時の慣性力等に起因してトップリングが過度に傾動しすぎたり、あるいはトップリングの動きが不安定となってしまい、この結果、ポリッシング対象物に不均一な研磨圧力の面圧分布状態が生ずるという問題点があった。
【０００７】
上述の問題点を解決するため、本件出願人は、特開平１０−５８３０８号公報において、トップリングの回転軸をスラスト磁気軸受とラジアル磁気軸受により支持する磁気軸受装置と、この磁気軸受装置を制御することによりトップリングのターンテーブルに対する姿勢を制御する姿勢制御手段を備えたポリッシング装置を提案した。これにより、磁気軸受装置の制御機構を応用してトップリングの姿勢を制御することにより、ポリッシング対象物の被研磨面の研磨圧力の面圧分布を最適の状態にして研磨を行い、平坦度の高い研磨を行おうとするものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１０−５８３０８号公報に記載の装置においては、トップリングの回転軸を磁気軸受装置によって完全に支承する構成を採用しているため、以下に列挙する問題点がある。
【０００９】
１）ポリッシング対象物をターンテーブルの研磨面に対して押し付ける押圧力をアキシャル磁気軸受で支持するため、非常に大きな磁気力を発生させる必要があり、その結果、大きな磁気軸受が必要となる。
【００１０】
２）トップリングを回転させる駆動モータも磁気軸受装置を内蔵するケーシング内に収容せざるを得ず、この駆動モータも大きなトルクを発生できるものが必要なため、磁気軸受装置および駆動モータを含めた全体機構に相当大きなものが必要となる。
【００１１】
３）ポリッシング対象物のトップリングへの着脱にはトップリングの上下動が不可欠であるが、上述の磁気軸受装置と駆動モータとトップリングとを含む全体のユニットを上下動させる必要があり、この上下動させる機構自体も大型のものを必要とする。
【００１２】
本発明は、磁気軸受装置によってトップリングの回転軸を支承する方式が有する上述の１）〜３）の問題点を解決し、ポリッシング対象物である基板を保持するためのトップリングの姿勢を制御することによりポリッシング対象物の被研磨面の面圧分布を最適の状態にして研磨を行うことができる基板保持装置を備えたポリッシング装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するため、本発明のポリッシング装置は、研磨面を有するターンテーブルと、ポリッシング対象物である基板を保持してターンテーブル上の研磨面に押圧する基板保持装置とを備えたポリッシング装置において、基板保持装置が、前記基板を保持するトップリング本体と、該トップリング本体をターンテーブルの研磨面に対して押圧する押圧手段と、前記トップリング本体の姿勢を電磁気力によって制御する姿勢制御手段とを設けたことを特徴とするものである。
【００１４】
押圧手段を、前記トップリングに回転を与えるための駆動軸とし、該駆動軸とトップリングとが継手を介して相互に傾動可能に連結されているようにすることができる。
【００１５】
基板保持装置が、駆動軸をその軸線を中心に回転可能に支持するフレームを有し、姿勢制御装置が、フレームに固定された電磁石装置と、トップリングに固定され、電磁石装置の磁力により動かされるアーマチャーとを有するものとすることができる。
【００１６】
また、電磁式姿勢制御装置が、トップリングの姿勢を検知し、それに基づき当該姿勢をフィードバック制御するようにすることもできる。
【００１７】
更に、トップリングの周囲に押圧リングを上下動自在に配置し、押圧リングを研磨面に対して可変の押圧力で押圧する押圧手段を設け、押圧リングをベアリングを介してトップリングに支持させ、当該押圧リングを非回転状態に維持しながら、トップリングの回転を許容するようにしたものとすることもできる
また、トップリングの、基板を保持する保持面が、当該トップリングにかけられる流体圧によって研磨面に対して変位可能とされ、かつ、トップリングの周囲にリテーナリングを有し、該リテーナリングが研磨面に対して、トップリングとは独立に、押圧可能としたものとすることもできる。
【００１８】
本発明によれば、電磁気力を応用してポリッシング対象物である基板を保持するトップリングの姿勢を制御することにより、被研磨面に加わる押圧力の面圧分布を最適の状態にして研磨を行い、平坦度の高い研磨を行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るポリッシング装置の実施の形態を図１乃至図１０を参照して説明する。
【００２０】
図１はポリッシング装置の第１の実施形態の全体構成を示す縦断面図であり、図２は当該ポリッシング装置における基板保持装置の要部断面図である。
【００２１】
図１および図２に示すように、ポリッシング装置は、上面に研磨布２を貼ったターンテーブル１と、基板である半導体ウエハ３を保持し研磨布２に押圧するための基板保持装置５とを備えている。基板保持装置５は、半導体ウエハ３を保持するためのトップリング６と、トップリング６を支持しかつトップリング６に押圧力と回転駆動力とを与えるトップリング駆動軸７と、トップリング駆動軸７からトップリング６へ互いの傾動を許容しつつ押圧力を伝達する自在継手部８と、トップリング６の姿勢を制御する姿勢制御装置１１とから構成されている。また、ターンテーブル１の上方には砥液供給ノズル６０が設置されており、砥液供給ノズル６０によってターンテーブル１上の研磨布２上に研磨砥液が供給されるようになっている。研磨布２の上面は半導体ウエハ３の被研磨面と摺接する研磨面を構成している。
【００２２】
トップリング６は、図２に示すように、下部の保持板９Ａと上部の上部板９Ｂとからなるトップリング本体９と、トップリング本体９の外周部に固定されたリテーナリング１０とからなり、トップリング６はトップリング本体９の下面の基板保持面によって半導体ウエハ３の上面を保持し、リテーナリング１０によって半導体ウエハ３の外周部を保持するようになっている。トップリング本体９の下面には弾性マット６１１が貼着されている。
【００２３】
また図２に示すように、トップリング本体９は、保持板９Ａと上部板９Ｂとの間に間隙Ｇを有しており、この間隙Ｇに真空、加圧空気、水等の液体が供給できるようになっている。トップリング本体９は間隙Ｇと連通して下面に開口する多数の連通孔（図示せず）を有している。弾性マット６１１も同様に前記連通孔に対向した位置に開口を有している。これによって、半導体ウエハ３の上面を真空によって吸着可能であり、又、半導体ウエハ３の上面に液体又は加圧空気を供給できるようになっている。
【００２４】
前記トップリング駆動軸７は、図１に示すように、トップリングヘッド２１に固定されたトップリング用エアシリンダ２２に連結されており、このトップリング用エアシリンダ２２によってトップリング駆動軸７は上下動し、トップリング６の下端面に保持された半導体ウエハ３をターンテーブル１に押圧するようになっている。
【００２５】
また、トップリング駆動軸７はキー（図示せず）を介して回転筒２３に連結されており、この回転筒２３はその外周部にタイミングプーリ２４を有している。そして、タイミングプーリ２４は、タイミングベルト２５を介して、トップリングヘッド２１に固定されたトップリング用モータ２６に設けられたタイミングプーリ２７に接続されている。したがって、トップリング用モータ２６を回転駆動することによってタイミングプーリ２７、タイミングベルト２５およびタイミングプーリ２４を介して回転筒２３およびトップリング駆動軸７が一体に回転し、トップリング６が回転する。トップリングヘッド２１は、フレームに固定支持されたトップリングヘッドシャフト２９によって支持されている。
【００２６】
一方、トップリング駆動軸７からトップリング６へ互いの傾動を許容しつつ押圧力を伝達する自在継手部８は、トップリング６とトップリング駆動軸７の互いの傾動を可能とする球面軸受機構４０と、トップリング駆動軸７の回転をトップリング本体９に伝達する回転伝達機構４５とを有している。球面軸受機構４０は、トップリング駆動軸７の下端に固定された駆動フランジ４１の下面の中央に形成された球面状凹部４１ａと、上部板９Ｂの上面の中央に形成された球面状凹部９ａと、両凹部４１ａ，９ａ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４２とから構成されている。
【００２７】
回転伝達機構４５は、駆動フランジ４１に固定された駆動ピン（図示せず）と上部板９Ｂに固定された被駆動ピン（図示せず）とから構成され、トップリング本体９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、互いの接触点をずらして係合し、トップリング駆動軸７の回転トルクをトップリング本体９に確実に伝達する。
【００２８】
次に、トップリング６の姿勢を制御する姿勢制御装置１１を図２乃至図６を参照して説明する。図２は前述したように基板保持装置の要部断面図であり、図３は図２のIII−III線矢視図であり、図４は図３のIV−IV線断面図である。
【００２９】
図２および図３に示すように、姿勢制御装置１１は、トップリングヘッド２１に固定された電磁石コア１２と、電磁石コア１２より半径方向の外方に向けて突出する４つの磁極１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと、これら磁極１２ａ〜１２ｄに巻装された４つの電磁コイル１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄと、磁極１２ａ〜１２ｄにギャップを有して対向した円筒状のアーマチャー１４とから構成されている。アーマチャー１４はトップリング本体９に固定されている。
【００３０】
図４に示すように、各磁極１２ａ〜１２ｄは、コ字形断面を有し、コ字形部の上部側に電磁コイル１３ａ〜１３ｄが巻装されている。尚、電磁コイルは、図２に示すように磁極１２の下側にコイルを巻いてもよい。磁極１２ａ〜１２ｄおよびアーマチャー１４はパーマロイ等の磁性材によって構成されている。電磁コイル１３ａはＸ軸正方向側に配置され、電磁コイル１３ｂはＸ軸負方向側に配置されている。また電磁コイル１３ｃはＹ軸正方向側に配置され、電磁コイル１３ｄはＹ軸負方向側に配置されている。またＸ軸およびＹ軸に対して４５゜傾いた２つの軸Ｐ，Ｑ上には、上下２個の変位センサが対となった４対の変位センサ１５ａ１，１５ａ２；１５ｂ１，１５ｂ２；１５ｃ１，１５ｃ２；１５ｄ１，１５ｄ２が配置されている。各変位センサ対は、センサホルダ１７により保持されている。
【００３１】
図５は、姿勢制御装置１１を制御する制御部の機能構成を示すブロック図である。図示するように、制御部は、減算器３０及びコントローラ３１を具備し、該減算器３０にはトップリングの姿勢の目標値と、センサ（変位センサ１５ａ１，１５ａ２；１５ｂ１，１５ｂ２；１５ｃ１，１５ｃ２；１５ｄ１，１５ｄ２）１５で検出され、座標変換部３５で変換された制御対象（トップリング６）の変位値α，βが入力され、その差が誤差信号ｅα，ｅβとしてコントローラ３１に入力される。ここでα，βはそれぞれ図６に示すように，Ｘ軸回りの傾き、Ｙ軸回りの傾きを示す。Ｘ軸、Ｙ軸は水平面内に位置している。この場合、トップリング６はベアリングボール４２を中心としてＸ軸回りの傾動およびＹ軸回りの傾動の複合運動となる。
【００３２】
誤差信号ｅα，ｅβ はＰＩＤ＋局部位相進み処理部３１−１で傾き制御及び減衰処理を受け、さらに振動除去のためノッチフィルタ３１−２を通って電圧指令信号Ｖα，Ｖβ に変換される。そして座標変換部３１−３で姿勢制御装置用の制御信号Ｖｘｕ，Ｖｙｕに変換されて駆動部３２に供給される。
【００３３】
駆動部３２は電磁コイル１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄとこれらを励磁する駆動回路２４で構成されている。上記信号Ｖｘｕ，Ｖｙｕのそれぞれは各駆動回路２４に供給され、該各駆動回路２４でアーマチャー１４を図３に示すＸ，Ｙ軸の正負の方向へ変位させるための励磁電流Ｉｘｕ＋，Ｉｘｕ−，Ｉｙｕ＋，Ｉｙｕ−に変換され、電磁コイル１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄに供給され、制御対象物（トップリング６）の姿勢を制御する。この場合、トップリング６の回転中心（ベアリングボール４２）と図３に示すアーマチャー１４のＸ，Ｙ軸とは所定の高さ（Ｌ）離間しているため、アーマチャー１４を図３に示すＸ，Ｙ軸の正負の方向に変位させると、トップリング本体９、すなわちトップリング６はベアリングボール４２を中心として水平面に対して任意の方向に傾動することができる。
【００３４】
次に、図１乃至図６に示すように構成されたポリッシング装置の作用を説明する。トップリングの下面に半導体ウエハ３を保持させ、トップリング用エアシリンダ２２を作動させてトップリング６を回転しているターンテーブルに向かって押圧し、回転しているターンテーブル１の上面の研磨布２に半導体ウエハ３を押圧する。この場合、エアシリンダ２２からの押圧力は、トップリング駆動軸７および自在継手部８を介してトップリング本体９に伝えられる。一方、砥液供給ノズル６０から研磨砥液を流すことにより、研磨布２に研磨砥液が保持されており、半導体ウエハ３の被研磨面（下面）と研磨布２の間に研磨砥液が存在した状態でポリッシングが行われる。トップリング駆動軸７の回転は、駆動フランジ４１に固定された駆動ピンおよびトップリング本体９に固定された被駆動ピンを介してトップリング本体９に伝えられる。
【００３５】
上記研磨中に、半導体ウエハ３を保持するトップリング本体９の姿勢を姿勢制御装置１１により制御する。この場合、上述したように、トップリング本体９の傾きを変位センサ１５（１５ａ１，１５ａ２；１５ｂ１，１５ｂ２；１５ｃ１，１５ｃ２；１５ｄ１，１５ｄ２）の出力を処理して検知し、ターンテーブル１の上面、即ち研磨面のうねりに応じてトップリング本体９の傾きを水平面に対して任意の方向に任意の角度に制御することができ、トップリング本体９の基板保持面、即ち半導体ウエハの被研磨面と研磨布２の上面、即ち研磨面との平行度を維持し、半導体ウエハ３の被研磨面に加わる押し付け圧力の分布を面内均一に制御することができる。なお、半導体ウエハ３の被研磨面とターンテーブルの研磨面とは、必ずしも平行でなく、わずかに相対的に傾いた状態で維持することにより、半導体ウエハ３の被研磨面に加わる押し付け圧力の分布を面内均一に制御できる場合もある。
【００３６】
本実施形態によれば、半導体ウエハ３をターンテーブル１の研磨面に対して押し付ける押圧力は、エアシリンダの押圧力をそのままトップリング６に伝達することにより得るようにしている。そして、トップリング６の傾きの制御のみを電磁気力を用いた姿勢制御装置１１により行うようにしている。そのため、姿勢制御装置１１が小型になり、簡易な構造になる。トップリング６の姿勢を制御する際には、予めターンテーブル１の上面の研磨面の状態（うねり等）を計測してコントローラに入力しておき、この入力値に基づきトップリング６の最適な姿勢を求めておく。そして、変位センサ１５によりトップリング６の姿勢を検知しつつ、姿勢制御装置１１により、トップリング６の姿勢を最適な状態に制御する。
【００３７】
また本実施形態によれば、半導体ウエハ３のトップリング６への着脱を行う際には、トップリング６とコンパクトで軽量な構造の姿勢制御装置１１とを一体に上下動させればよいため、上下動機構は簡易なもの、たとえばエアシリンダを用いることができる。
【００３８】
次に、本発明のポリッシング装置の第２の実施の形態を図７乃至図１０を参照して説明する。図７はポリッシング装置の縦断面図であり、図８は図７のVIII−VIII線断面図であり、図９は図８のIX−IX線断面図である。
【００３９】
第２の実施形態においては、トップリング６および姿勢制御装置１１を含むトップリングユニットの構成は第１の実施形態と同一であるが、ターンテーブルの構成、即ちターンテーブルの姿勢を制御することができるようになっている点が異なっている。
【００４０】
図７に示すように、ターンテーブル１０１とモータ（図示せず）の回転軸１０２とは、上下のカップリング部材１０３，１０４を介して連結されている。下部カップリング部材１０４はモータの回転軸１０２の上端に固定され、上部カップリング部材１０３はターンテーブル１０１の下面に固定されている。そして、下部カップリング部材１０４と上部カップリング部材１０３との間には自動調芯ころ軸受１０５が配設されており、ターンテーブル１０１と上部カップリング部材１０３とが自動調芯ころ軸受１０５を中心として下部カップリング部材１０４に対して全方向に傾くことができるようになっている。また下部カップリング部材１０４には短柱状のピン１０６が植設されており、このピン１０６は上部カップリング部材１０３の係合孔１０３ａに係合してターンテーブル１０１が回転するようになっている。なお係合孔１０３ａとピン１０６との間には、ターンテーブル１０１の傾きを吸収できるように所定の隙間が形成されるようになっている。
【００４１】
本実施の形態においては、ターンテーブル１０１の姿勢を制御する姿勢制御装置１１１が設けられている。姿勢制御装置１１１は、フレーム２８に固定された電磁石コア１１２と、電磁石コア１１２に設けられた４つの磁極１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄと、これら磁極１１２ａ〜１１２ｄに巻装された４つの電磁コイル１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄと、磁極１１２ａ〜１１２ｄにギャップを有して対向した環状でかつ円盤状のアーマチャー１１４とから構成されている。アーマチャー１１４はターンテーブル１０１に固定されている。
【００４２】
図９に示すように、各磁極１１２ａ〜１１２ｄは、逆Ｕ字形断面を有し、逆Ｕ字形部の内部側に電磁コイル１１３ａ〜１１３ｄが巻装されている。磁極１１２ａ〜１１２ｄおよびアーマチャー１１４はパーマロイ等の磁性材によって構成されている。図８に示すように、電磁コイル１１３ａはＸ軸正方向側に配置され、電磁コイル１１３ｂはＸ軸負方向側に配置されている。また電磁コイル１１３ｃはＹ軸正方向側に配置され、電磁コイル１１３ｄはＹ軸負方向側に配置されている。またＸ軸およびＹ軸に対して４５゜傾いた２つの軸Ｒ，Ｓ上には、４個の変位センサ１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄが配置されている。
【００４３】
図１０は、姿勢制御装置１１１を制御する制御部の機能構成を示すブロック図である。図示するように、ターンテーブル、トップリングそれぞれの制御部は図５に示す制御部と同様の構成であり、両者の信号を入力し両者の相対位置を精密に出すための演算部が付加された構成となっている。
【００４４】
図１０に示すようにトップリングの制御部は、減算器３０及びコントローラ３１を具備し、減算器３０には、トップリングの姿勢の目標値と、センサ１５で検出され、座標変換器３５で変換され、さらに演算器３６によりターンテーブルの傾き情報により修正された制御対象の変位値α，βとが入力され、その差が誤差信号ｅα，ｅβとしてコントローラ３１に入力される。
【００４５】
一方、ターンテーブルの制御部では減算器３０’及びコントローラ３１’を具備し、減算器３０’には、ターンテーブルの姿勢の目標値と、センサ１１５（変位センサ１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄ）で検出され座標変換器３５’で変換され、さらに演算器３６によりトップリングの傾き情報により修正された制御対象の変位値α’，β’とが入力され、その差が誤差信号ｅα’，ｅβ’としてコントローラ３１’に入力される。
【００４６】
演算器３６では、トップリング、ターンテーブルの傾き情報から相対的な誤差を演算し、それぞれの目標値を修正することにより精度の高い制御が可能となる。通常はターンテーブルの傾きを基準としてトップリングの目標位置を修正することで精度を上げられるため、ターンテーブルへのフィードバックＲ２は省略できる。もちろん、演算器がない構成でもそれぞれの制御は可能である。ここでα’，β’はそれぞれ図８において，Ｘ軸回りの傾き、Ｙ軸回りの傾きを示す。この場合、ターンテーブル１０１は自動調芯ころ軸受１０５を中心としてＸ軸回りの傾動およびＹ軸回りの傾動の複合運動となる。
【００４７】
誤差信号ｅα’，ｅβ’はＰＩＤ＋局部位相進み処理部３１’−１で傾き制御及び減衰処理を受け、さらに振動除去のためノッチフィルタ３１’−２を通って電圧指令信号Ｖα’，Ｖβ’に変換される。そして座標変換部３１’−３で姿勢制御装置用の制御信号Ｖｘ１，Ｖｙ１ に変換されて駆動部３２’に供給される。
【００４８】
駆動部３２’は電磁コイル１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄとこれらを励磁する駆動回路２４’で構成されている。上記信号Ｖｘ１，Ｖｙ１のそれぞれは各駆動回路２４’に供給され、該各駆動回路２４’でアーマチャー１１４を図８に示すＸ，Ｙ軸の正負の方向へ変位させるための励磁電流Ｉｘ１＋，Ｉｘ１−，Ｉｙ１＋，Ｉｙ１−に変換され、電磁コイル１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄに供給され、制御対象物（ターンテーブル１０１）の姿勢を制御する。
【００４９】
図７乃至図１０に示す実施形態によれば、トップリング６の姿勢制御に加え、ターンテーブル１０１の姿勢制御をすることができる。従って、半導体ウエハ３の被研磨面とターンテーブル１０１上の研磨面との両者を最適な状態に維持して半導体ウエハ３の研磨を行うことができる。
【００５０】
図１１及び図１２には、上述の如き姿勢制御装置１１が、他の形態のポリッシング装置に適用されている例が示されている。
【００５１】
すなわち、このポリッシング装置は、トップリング本体９の保持板９Aが可撓性を有するものとするとともに、保持板９Aと上部板９Bとの間の間隙Gに流体圧を与えることにより当該保持板９Aが上下方向で撓み可能とし、かつ,トップリング９の周囲に配置されるリテーナリング１０を、トップリング9に対して上下方向で相対的に可動なるようにすると共に、該リテーナの上部に流体圧バッグ８８設け、該流体圧バッグ８８に流体圧力を導入することにより、当該リテーナリング１０を可変の押圧力で研磨布２に押圧するようにしたことを特徴とするものであり、この装置に前述の実施形態における同様の姿勢制御装置５を設けている。従って、この実施形態においては、保持板９Aはその上面から下面に至る上記実施形態における如き連通孔は設けられていない。
【００５２】
図１１および図１２において、間隙GはレギュレータＲ１ を介して流体源８５に接続されている。保持板９Ａは、全体的に薄肉とされ、間隙Gに導入される加圧流体による加圧時又は負圧時にウエハ保持面（保持板下面）の全面が均一に変形するように工夫されている。なお、符号８９は間隙GとレギュレータＲ１ とを接続するためのチューブである。
【００５３】
リテーナリング１０は、図１２に示すように、最下位置にあって樹脂材からなり研磨布２と接触する第１リテーナリング部材１０aと、第１リテーナリング部材１０aの上方にあり第１リテーナリング部材１０aを保持するＬ形状の断面を有する第２リテーナリング部材１０ｂとから構成されている。第２リテーナリング部材１０ｂは上端においてピン９９により回転方向において上板部９Ｂと連結されており、リテーナリング１０はトップリング６と一体に回転するようになっている。またリテーナリング１０とトップリング６との間には、円環状のゴム製のチューブからなる流体圧バッグ８８が配置されている。流体圧バッグ８８は保持板９Ａに固定されている。そして、流体圧バッグ８８はレギュレータＲ２ を介して流体源８５に接続されている。なお、符号９０は流体圧バッグ８８とレギュレータＲ２ とを接続するためのチューブである。
【００５４】
前記トップリング６は自在継手８を介して駆動フランジ４１を有したトップリング駆動軸７に接続されており、このトップリング駆動軸７はトップリングヘッド２１に固定されたトップリング用流体圧（エア）シリンダ２２に連結されている。トップリング用流体圧シリンダ２２はレギュレータＲ３ を介して流体源８５に接続されている。前記自在継手８は、トップリング６をターンテーブル１の傾動に追従して傾動させるための傾動機構を構成している。
【００５５】
また、トップリング駆動軸７はキー（図示せず）を介して回転筒２３に連結されており、この回転筒２３はその外周部にタイミングプーリ２４を有している。そして、タイミングプーリ２４は、タイミングベルト２５を介して、トップリングヘッド２１に固定されたトップリング用モータ２６に設けられたタイミングプーリ２７に接続されている。したがって、トップリング用モータ２６を回転駆動することによってタイミングプーリ２７、タイミングベルト２５およびタイミングプーリ２４を介して回転筒２３及びトップリング駆動軸７が一体に回転し、トップリング６が回転する。なおトップリング駆動軸７の回転は、複数のピンからなる回転伝達機構１２８によりトップリング６に伝達される。トップリングヘッド２１は、フレーム（図示せず）に固定支持されたトップリングヘッドシャフト２９によって支持されている。
【００５６】
一方、リテーナリング１０はピン９９および流体圧バッグ８８を介してトップリング６に連結されており、トップリング６の回転はピン９９によってリテーナリング１０に伝達され、またリテーナリング１０は流体圧バッグ８８により上下動される。すなわち、リテーナリング１０はトップリング６に対して上下動自在であるとともにトップリング６と一体に回転可能になっている。
【００５７】
前述したように、間隙GはレギュレータＲ１ を介して流体源８５に接続されている。レギュレータＲ１ によって間隙Gへ供給する流体の流体圧を調整することにより保持板９Ａの下面（ウエハ保持面）の湾曲形状（下側に凸、上側に凸等）を調整することができるとともに、この湾曲の度合いを調整することができる。またトップリング用流体圧シリンダ２２および流体圧バッグ８８は、それぞれレギュレータＲ３ ，Ｒ２ を介して流体源８５に接続されている。なお間隙Gおよび流体圧バッグ８８は、それぞれトップリング駆動軸７内を延びるチューブ８９，９０およびトップリング駆動軸７の上端部のロータリージョイント９３を介してレギュレータＲ１，Ｒ２に接続されている。そして、レギュレータＲ３によってトップリング用エアシリンダ２２へ供給する加圧流体の流体圧を調整することによりトップリング６が半導体ウエハ３を研磨布２に押圧する押圧力を調整することができ、レギュレータＲ２ によって流体圧バッグ８８へ供給する加圧流体の流体圧を調整することによりリテーナリング１０が研磨布２を押圧する押圧力を調整することができる。
【００５８】
前記レギュレータＲ１ ，Ｒ２ ，Ｒ３ は、コントローラ１２４に接続されており、コントローラ１２４の入力値にしたがって制御される。この場合、レギュレータＲ１ はコントローラ１２４によって独立して制御されるが、レギュレータＲ２ ，Ｒ３ は互いに関連させて制御される。すなわち、リテーナリング１０を研磨布２に押圧すると、リテーナリング１０は反力を受けて、トップリング６の押圧力に影響を与えることになる。そのため、トップリング６の押圧力とリテーナリング１０の押圧力の設定値をコントローラ１２４に入力し、コントローラ１２４によってトップリング用流体圧シリンダ２２および流体圧バッグ８８に与える流体圧を演算し、レギュレータＲ１ ，Ｒ２ を調整して、所定の圧力の流体をトップリング用流体圧シリンダ２２および流体圧バッグ８８にそれぞれ供給する。これによって、トップリング６の押圧力およびリテーナリング１０の押圧力としてそれぞれ所望の値が得られるようになっている。すなわち、トップリング６の押圧力とリテーナリング１０の押圧力は、研磨中にそれぞれ影響を受けることなく独立に変更可能になっている。
【００５９】
また、図１２に示すように、保持板９Ａは下面に開口する複数の連通孔３ｈを有しており、この連通孔３ｈは、ジョイント１２６、上板部９Ｂに形成された連通孔２ｈおよびチューブ１２７を介して真空ポンプ等の真空源（図示せず）に連通されている。これによって、保持板９Ａのウエハ保持面は半導体ウエハ３の上面を真空吸着することができるようになっている。ジョイント１２６は上下外周部にOリング１３８を備えており、間隙Gが連通孔２ｈ，３ｈに連通しないように構成している。またジョイント１２６と保持板９Ａとはすきま嵌めにより嵌合されており、保持板９Ａの変形が阻害されないようになっている。なお、連通孔３ｈは、トップリング駆動軸７内を延びるチューブ１２７、ロータリージョイント９３を介して切替弁（図示せず）に接続されており、切替弁を適宜切替ることにより連通孔３ｈを真空源又は加圧空気源又は液体源と連通させることが可能になっている。したがって、保持板９Ａのウエハ保持面は、真空源によって連通孔３ｈを負圧にすることにより半導体ウエハ３を真空吸着し、加圧空気源によって連通孔３ｈから加圧空気を噴出することにより研磨中に半導体ウエハ３にバックサイドプレッシャを加えることができる。研磨中に半導体ウエハ３に若干のバックサイドプレッシャをかけることにより、真空吸着による半導体ウエハの搬送中についた吸着跡をとり除くことができる。また液体源によって連通孔３ｈから液体を噴出することによりウエハ保持面から半導体ウエハ３を離脱させることができる。
【００６０】
また、ターンテーブル１の上方には砥液供給ノズル６０が設置されており、砥液供給ノズル６０によってターンテーブル１上の研磨布２上に研磨砥液Ｑが供給されるようになっている。
【００６１】
上記構成のポリッシング装置において、トップリング６のウエハ保持面に半導体ウエハ３を保持させ、トップリング用流体圧シリンダ２２を作動させてトップリング６をターンテーブル１に向かって押圧し、回転しているターンテーブル１の上面の研磨布２に半導体ウエハ３を押圧する。一方、砥液供給ノズル６０から研磨砥液Ｑを流すことにより、研磨布２に研磨砥液Ｑが保持されており、半導体ウエハ３の研磨される面（下面）と研磨布２の間に研磨砥液Ｑが存在した状態で研磨が行われる。
【００６２】
そして、研磨中に流体源８５から圧縮空気等の加圧流体を間隙Gに供給すると、加圧流体の加圧力によって保持板９Ａのウエハ保持面が下側に凸状に湾曲する。これにより、半導体ウエハ３は中央部側が外周部側より高い圧力で研磨布２に押し付けられる。そのため、半導体ウエハ３の外周部側が中央部側より研磨される傾向にあるときは、上記のように保持板９Ａのウエハ保持面の変形作用により、中央部側の研磨不足を補正することができる。
【００６３】
一方、半導体ウエハ３の中央部側が外周部側より研磨される傾向にあるときは、レギュレータＲ１を調節して流体源８５から間隙Gに供給される加圧流体の圧力を弱めるか、又は０にして保持板９Ａのウエハ保持面の湾曲形状を変える。これによって、半導体ウエハ３の外周部側の研磨圧力を中央部側の研磨圧力より高め、外周部側の研磨不足を補正し、半導体ウエハ３の全面を均一に研磨することができる。
【００６４】
また本実施形態において、トップリング６がポリッシング対象物である半導体ウエハ３をターンテーブル１上の研磨布２に押圧する押圧力Ｆ１を可変とし、またリテーナリング１０が研磨布２を押圧する押圧力Ｆ２を可変としている。そして、押圧力Ｆ１ と押圧力Ｆ２ とは、それぞれ独立して押圧力を変更できるようになっている。したがって、リテーナリング１０が研磨布２を押圧する押圧力Ｆ２ をトップリング６が半導体ウエハ３を研磨布２に押圧する押圧力Ｆ１ に応じて変更することができる。
【００６５】
すなわち、レギュレータＲ３によってトップリング６が半導体ウエハ３をターンテーブル１上の研磨布２に押圧する押圧力Ｆ１を変更でき、レギュレータＲ２によってリテーナリング１０が研磨布２を押圧する押圧力Ｆ２ を変更できる（図１参照）。押圧力Ｆ１に対する押圧力Ｆ２を適宜調整するとともに、保持板９Ａのウエハ保持面の形状を適宜調整することにより、半導体ウエハ３の中心部から周縁部、さらには半導体ウエハ３の外側にあるリテーナリング１０の外周部までの研磨圧力の分布が連続かつ均一になる。そのため、半導体ウエハ３の中心部および周縁部における研磨量の過不足を防止することができる。
【００６６】
また半導体ウエハ３の周縁部の研磨量を内部側より意図的に多くし又は逆に少なくしたい場合には、リテーナリング１０の押圧力Ｆ２をトップリング６の押圧力Ｆ１に基づいて最適な値に選択することにより、半導体ウエハ３の周縁部の研磨量を意図的に増減できる。
【００６７】
すなわち、前記間隙Gに供給する流体の圧力を制御することによるウエハ保持面３ａの形状補正作用とリテーナリング１０による研磨布２の形状補正作用の協働作用により半導体ウエハ３を研磨する。これによって、半導体ウエハの局部（例えば、中央部、外周部等）的な研磨不足を補正することができる。また、半導体ウエハ３の局部（例えば、中央部、外周部等）を意図的に研磨量を多くし、または逆に少なくすることができる。
【００６８】
またターンテーブル１に半導体ウエハ３の研磨量を計測する膜厚計等の計測計を設け、研磨中に被研磨面のプロファイル（形状）を検知し、この検知結果をコントローラ１２４に入力して、保持板９Ａのウエハ保持面の形状変更を行うこともできる。
【００６９】
姿勢制御装置１１は、前述の実施形態のものと実質的に同じ構成を有するものであり、トップリング６の上部板９Ｂに円筒状のアーマチャー１４が設けられ、トップリングヘッド２１に電磁石コア１２及び電磁コイル１３a〜１３dが設けられており、前述の実施形態におけると同様にしてトップリング６の姿勢制御を行う。
図１３ないし図１５には、他の形態のポリッシング装置に、前述と同様の姿勢制御装置１１が取付けられた例が示されている。
【００７０】
すなわち、このポリッシング装置においては、トップリング６の保持板９Ａの外周部にボルト３１によって着脱可能に固定されたリテーナリング10の外側に、押圧リング１３３が上下動可能に設けられていることを特徴としている。
【００７１】
保持板９Ａは間隙Ｇと連通して下面に開口する多数の連通孔１３５を有している。弾性マット１３２も同様に前記連通孔１３５に対向した位置に貫通孔を有している。これによって、半導体ウエハ３の上面を真空によって吸着可能であり、又、半導体ウエハ３の上面に液体又は加圧空気を供給できるようになっている。
【００７２】
トップリング６の周囲に設けられた押圧リング１３３は、図１４に示すように、最下位置にあってアルミナセラミックからなる第１押圧リング部材１３３aと、第１押圧リング部材１３３aの上方にあるステンレス鋼からなる第２、第３押圧リング部材１３３b，１３３ｃとから構成されている。第２および第３押圧リング部材１３３b，１３３ｃは、ボルト（図示せず）によって相互に接続されており、第１押圧リング部材１３３aは第２押圧リング部材１３３bに接着等によって固定されている。第１押圧リング部材１３３aの下端部は、研磨布２を押圧する押圧面１３３fになっている。
【００７３】
トップリング６のトップリング本体9Aには、ベアリング受けフランジ１３６が固定されている。そして、ベアリング受けフランジ１３６と押圧リング１３３との間には、押圧リング１３３を支持するための押圧リング支持ベアリング１３７が介装されている。押圧リング支持ベアリング１３７は、図１３および図１４に示すように、第３押圧リング部材１３３ｃに嵌合されたベアリングケ−ス１３７aと、上下２列で全周に亘って配置された多数のボール１３７bと、ベアリングケース１３７a内でボール１３７bを保持するためのリテーナ（図示せず）とを有している。押圧リング支持ベアリング１３７は押圧リング１３３の上端に固定されたベアリング押さえ１５０によって上端が押さえられている。
【００７４】
本実施の形態においては、トップリング６と押圧リング１３３との間に、トップリング６の回転を押圧リング１３３に伝達するためのキー等の手段が設けられていない。従って、研磨中にトップリング６はトップリング駆動軸７の軸心まわりに回転するが、押圧リング１３３は自身の軸線に対して非回転に構成されており、即ち、トップリング６と押圧リング１３３との間には相対回転が生ずるが、この際、トップリング６に固定されたベアリング受けフランジ１３６の外周面は、ボール１３７bが転動するベアリング転動面３６Ｒを構成している。押圧リング支持ベアリング１３７は、回転支持ベアリングと上下移動支持ベアリングの両者の機能を有しており、トップリング６と押圧リング１３３とは押圧リング支持ベアリング１３７の回転支持ベアリング機能によって相対回転が許容され、押圧リング１３３は押圧リング支持ベアリング１３７の上下移動支持ベアリング機能によってトップリング６に対して上下動が許容されている。
【００７５】
押圧リング１３３の第３押圧リング部材１３３ｃには、押圧リング用エアシリンダ１２２のシャフト１２２ａの下端部が係合している。押圧リング用エアシリンダ１２２はトップリングヘッド９に固定されている。押圧リング用エアシリンダ１２２は円周上に複数個（例えば３個）配設されている。またリテーナリング１０はステンレス鋼等の金属からなり、リテーナリング１０の外周部には、下部に半径方向内方に傾斜したテーパ面１０Ｂｔを形成して下部側を上部側より薄肉に形成している。一方、押圧リング１３３の内周部にリテーナリング１０のテーパ面１０Ｂｔに対応した位置に半径方向内方に傾斜したテーパ面１３３ｔを形成し、押圧リング１３３の押圧面１３３fをトップリング６に保持された半導体ウエハ３の周縁部に可能な限り近づけるようにしている。
【００７６】
上述のリテーナリング１０および押圧リング１３３の構成により、押圧リング１３３の押圧面１３３fの内周縁と半導体ウエハ３の周縁部との離間距離を短かくすることができるため、押圧リング１３３は半導体ウエハ３の周縁部近傍の研磨布２を押圧することができる。
【００７７】
図１３に示すように、トップリング用エアシリンダ２２及び押圧リング用エアシリンダ１２２は、それぞれレギュレータＲ１，Ｒ２を介して圧縮空気源２４に接続されている。そして、レギュレータＲ１によってトップリング用エアシリンダ２２へ供給する空気圧を調整することによりトップリング６が半導体ウエハ３を研磨布２に押圧する押圧力を調整することができ、レギュレータＲ２によって押圧リング用エアシリンダ１２２へ供給する空気圧を調整することにより押圧リング１３３が研磨布２を押圧する押圧力を調整することができる。
【００７８】
上記構成のポリッシング装置において、トップリング６の下面に半導体ウエハ３を保持させ、トップリング用エアシリンダ２２を作動させてトップリング６をターンテーブル１に向かって押圧し、回転しているターンテーブル１の上面の研磨布２に半導体ウエハ３を押圧する。一方、砥液供給配管２５から研磨砥液Ｑを流すことにより、研磨布２に研磨砥液Ｑが保持されており、半導体ウエハ３の研磨される面（下面）と研磨布２の間に研磨砥液Ｑが存在した状態でポリッシングが行われる。
【００７９】
トップリング用エアシリンダ２２によるトップリング６の押圧力に応じて押圧リング用エアシリンダ１２２による押圧リング１３３の研磨布２への押圧力を適宜調整して半導体ウエハ３の研磨を行う。研磨中にレギュレータＲ１によってトップリング６が半導体ウエハ３をターンテーブル１上の研磨布２に押圧する押圧力Ｆ１ を変更でき、レギュレータＲ２によって押圧リング１３３が研磨布２を押圧する押圧力Ｆ２ を変更できる（図１参照）。したがって、研磨中に、押圧リング１３３が研磨布２を押圧する押圧力Ｆ２ を、トップリング６が半導体ウエハ３を研磨布２に押圧する押圧力Ｆ１に応じて変更することができる。この押圧力Ｆ１に対する押圧力Ｆ２ を適宜調整することにより、半導体ウエハ３の中心部から周縁部、さらには半導体ウエハ３の外側にある押圧リング１３３の外周部までの研磨圧力の分布が連続かつ均一になる。そのため、半導体ウエハ３の周縁部における研磨量の過不足を防止することができる。
【００８０】
また半導体ウエハ３の周縁部で内部側より意図的に研磨量を多くし又は逆に少なくしたい場合には、押圧リングの押圧力Ｆ２をトップリングの押圧力Ｆ１に基づいて最適な値に選択することにより、半導体ウエハ３の周縁部の研磨量を意図的に増減できる。
【００８１】
本実施の形態においては、押圧リング１３３が押圧リング支持ベアリング１３７を介してトップリング６に支持されているため、押圧リング１３３が剛性高く、即ち、十分にしっかりと支持される。また押圧リング１３３は、押圧リング支持ベアリング１３７の上下移動支持ベアリング機能によってトップリング６に対して上下動が許容されているため、上下動時の押圧リング１３３の摺動抵抗は極めて小さく、押圧リング１３３は円滑に上下動する。
【００８２】
また押圧リング１３３がトップリング６の軸線と同芯に配置された押圧リング支持ベアリング１３７によって支持されているため、押圧リング１３３とトップリング６との同芯度を精度良く確保することができる。この結果、押圧リング１３３とトップリング６との間隔、ひいては、押圧リング１３３の内周縁とトップリング６に支持された半導体ウエハ３の外周縁の間隔を全周に亘って均一に保つことができる。更に、ウエハの研磨面のより周縁に近いところまで均一に研磨できるので１枚のウエハから得られる半導体デバイス製品の数が増え、また研磨時の押圧リングの押圧力等の運転条件を変化させたときの応答性が良くなる。
【００８３】
姿勢制御装置１１は、このように構成されたポリッシング装置に取付けられているものであり、その構成は前述したものと実質的に同じであり、押圧リング１３３の上端に取付けられたアーマチャー１４と、その外周に間隔を空けて設定され、トップリングヘッド２１に取付けられた電磁コア１２及び電磁コイル１２a〜１２dから構成されている。
【００８４】
図１６および図１７は、更に別の形態のポリッシング装置に前述と同様の姿勢制御装置１１を取付けた例を示す。すなわち、このポリッシング装置においては、図13及び図14に示した実施の形態における押圧リング支持ベアリング１３７の回転支持ベアリング機能と上下移動支持ベアリング機能を分割してそれぞれの機能を個別のベアリング１３８，１３９に分担させるようにしたものである。即ち、トップリング６のトップリング本体９の外周部には回転支持ベアリング１３８を介してベアリング受けリング１４０が設けられており、ベアリング受けリング１４０と押圧リング１３３との間には上下移動支持ベアリング１３９が介装されている。回転支持ベアリング１３８は通常のラジアルベアリングからなっている。上下移動支持ベアリング１３９は図１６および図１７に示すように、円周上に３カ所設置されており、各上下移動支持ベアリング１３９は押圧リング１３３に固定された外側レースウエイ部材１３９ａと、２行２列の４個の短円柱状ロ−ラ１３９ｂと、ローラ１３９ｂを収容する内側レースウエイ部材１３９ｃとからなっている。内側レースウエイ部材１３９ｃはベアリング受けリング１４０に固定されており、ベアリング受けリング１４０にはベアリング押さえ１６９が固定されている。
【００８５】
押圧リング１３３の上端部には押圧リングストッパ１７０が固定され、またトップリング本体９の上端部にはカバー１７１が固定されている。そして、回転支持ベアリング１３８と上下移動支持ベアリング１３９とを囲むように３つのラビリンス１７５，１７６，１７７が形成されている。即ち、ベアリング押さえ１６９、押圧リングストッパ１７０、およびカバー１７１との間にはラビリンス１７５が形成され、ベアリング受けリング１４０とトップリング本体９Aとの間にはラビリンス１７６が形成され、押圧リング１３３の第３押圧リング部材１３３ｃとリテーナ１０との間にはラビリンス１７７が形成されている。
【００８６】
このポリッシング装置においては、図１３ないし図１５に示したものと比べてベアリングの支持の位置を研磨面に対して近づけることが可能となる。その結果、押圧リング１３３の支持安定性をより確保することが可能となる。また、トップリング６と押圧リング１３３との相対回転は回転支持ベアリング１３８により支持され、押圧リング１３３のトップリング６に対する上下動は上下移動支持ベアリング１３９で支持されるようになされているので、ベアリングの寿命の向上にも寄与することが可能である。
【００８７】
上述の構造を採用するに際して、ベアリング設置部に対しては異物の進入、例えば、水、研磨液等の液体や研磨くず等の固体物の侵入は好ましくない。従って、ベアリングの周辺に、上記の液体や固体物が入らないようにする必要があり、その手段として、その周辺を接触型のシールによって機械的にシールするか、ラビリンス等の構造で覆う等の方法が考えられる。例えば、機械的にシールした場合には接触部においては少なからず摩耗が生じ、シール自体が消耗部材となる可能性がある。また、摩耗するということは、摩耗による異物の発生にもつながり、それ自身が異物の発生源になりかねない。それに対して、上記の如きラビリンス構造は非接触であるため、そのような懸念はない。さらに、複数のラビリンス１７５，１７６，１７７を並べることで、異物の侵入阻止の精度の向上も可能である。また、研磨面に対しても、必要外の異物の侵入は好ましくなく、上記ラビリンス構造の採用により、研磨面より上の部分で発生した異物の落下を防ぐ効果も期待できる。
【００８８】
姿勢制御装置１１は、このように構成されたポリッシング装置に取付けられているものであり、その構成は前述したものと実質的に同じであり、押圧リング１３３の上端に取付けられたアーマチャー１４と、その外周に間隔を空けて設定され、トップリングヘッド２１に取付けられた電磁コア１２及び電磁コイル１２a〜１２dから構成されている。
【００８９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電磁気力を応用してポリッシング対象物である基板を保持するトップリングの姿勢を制御することにより、被研磨面の面圧分布を最適の状態にして研磨を行い、平坦度の高い研磨を行うことができる。
【００９０】
また本発明によれば、ポリッシング対象物である基板をターンテーブルの研磨面に対して押し付ける押圧力は、エアシリンダの押圧力をそのままトップリングに伝達することにより得るようにしている。そして、トップリングの傾きの制御のみを電磁力を用いた姿勢制御装置により行うようにしている。そのため、姿勢制御装置が小型になり、簡易な構造になる。
【００９１】
また本発明によれば、ポリッシング対象物である基板のトップリングへの着脱を行う際には、トップリングとコンパクトで軽量な構造の姿勢制御装置とを一体に上下動させればよいため、上下動機構は簡易なもの、たとえばエアシリンダを用いることができる。
【００９２】
さらに、図１１及び図１２に示した如きもににおいては、ポリッシングに際してポリッシング対象物の中央部又は周縁部における押圧力分布が不均一になることを防止して研磨圧力をポリッシング対象物の全面に亘って均一にし、ポリッシング対象物の中央部又は周縁部の研磨量が過不足となることを防止することができる。したがって、ポリッシング対象物の全面を平坦かつ鏡面に研磨することができる。そして、半導体製造工程等に用いてより質の高いポリッシングを行うことができ、また半導体ウエハの周縁部まで製品に供することができるため、半導体ウエハの歩留りの向上に寄与する。更に、
半導体ウエハ等のポリッシング対象物によってはポリッシング対象物の周縁部を内部側より意図的に研磨量を多く又は逆に少なくしたいという要請があるため、この要請にも答えることができるようにポリッシング対象物の周縁部の研磨量を意図的に増減することができる。さらに、ポリッシング対象物の周縁部のみならず、研磨面の狙った一部の領域（例えば、中央部、外周部等）の研磨量を増減するように研磨することができる。
【００９３】
また、図１３乃至図１７に示した如きものにおいては、押圧リングとポリッシング対象物との研磨面に対する押圧力を調整することにより、当該ポリッシング対象物を所要に応じ適切に研磨を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るポリッシング装置の第１実施形態の全体構成を示す縦断面図である。
【図２】本発明に係る基板保持装置の要部断面図である。
【図３】図２のIII−III線断面図である。
【図４】図３のIV−IV線断面図である。
【図５】トップリングの姿勢制御装置を制御する制御部の機能構成を示すブロック図である。
【図６】トップリングのＸ軸回りの傾きα、Ｙ軸回りの傾きβの関係を説明する図である。
【図７】本発明に係るポリッシング装置の第２実施形態の全体構成を示す縦断面図である。
【図８】図７のVIII−VIII線断面図である。
【図９】図８のIX−IX線断面図である。
【図１０】ターンテーブルの姿勢制御装置を制御する制御部の機能構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明に係るポリッシング装置の他の実施形態を示す図である。
【図１２】図１１のポリッシング装置の部分拡大図である。
【図１３】本発明に係るポリッシング装置の更に別の実施形態を示す図である。
【図１４】図１３のポリッシング装置の部分拡大図である。
【図１５】図１４のXIIII-XIIII線断面図である。
【図１６】本発明に係るポリッシング装置の他の実施形態を示す図である。
【図１７】図１６のXVII-XVII線断面図である。
【図１８】従来のポリッシング装置の概略図である。
【符号の説明】
１，５６，１０１ ターンテーブル
２，５７ 研磨布
３，５３ 半導体ウエハ
５ 基板保持装置
６，５４ トップリング
７，５１ トップリング駆動軸
８ 自在継手部
９ トップリング本体
９ａ，４１ａ 凹部
９Ｂ 上部板
１０ リテーナリング
１１，１１１ 姿勢制御装置
１２，１１２ 電磁石コア
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄ磁極
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄ電磁コイル
１４，１１４ アーマチャー
１５，１５ａ１，１５ａ２；１５ｂ１，１５ｂ２；１５ｃ１，１５ｃ２；１５ｄ１，１５ｄ２，１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄ 変位センサ
２１ トップリングヘッド
２２ トップリング用エアシリンダ
２３ 回転筒
２４ タイミングプーリ、駆動回路
２５ タイミングベルト
２６ トップリング用モータ
２７ タイミングプーリ
２９ トップリングヘッドシャフト
３０ 減算器
３１ コントローラ
３１−１ 処理部
３１−２ ノッチフィルタ
３１−３ 座標変換部
３２ 駆動部
４０ 球面軸受機構
４１ フランジ
４２ ベアリングボール
５２ 球面部
５４ａ ウエハ保持面
５５ 球面座
６０ 砥液供給ノズル
１０２ 回転軸
１０３ 下部カップリング部材
１０４ 上部カップリング部材
１０４ａ 係合孔
１０５ 自動調芯ころ軸受
１０６ ピン

Claims (5)

1. 研磨面を有するターンテーブルと、ポリッシング対象物である基板を保持してターンテーブル上の研磨面に押圧するトップリングを有する基板保持装置とを備えたポリッシング装置において、基板保持装置が、トップリングをターンテーブルの研磨面に対して押圧する押圧手段と、該トップリングの姿勢を電磁力によって制御する姿勢制御手段とを設け、前記押圧手段が前記トップリングに回転を与えるための駆動軸とされ、該駆動軸と前記トップリングとが継手を介して相互に傾動可能に連結されていることを特徴とするポリッシング装置。
2. 前記基板保持装置が、駆動軸をその軸線を中心に回転可能に支持するフレームを有し、前記姿勢制御装置が、前記フレームに固定された電磁石装置と、前記トップリングに固定され、前記電磁石装置の磁力により動かされるアーマチャーとを有することを特徴とする請求項１に記載のポリッシング装置。
3. 前記姿勢制御装置が、トップリングの姿勢を検知し、それに基づき当該姿勢をフィードバック制御するようにしたことを特徴とする請求項１若しくは２に記載のポリッシング装置。
4. 前記トップリングの周囲に押圧リングを上下動自在に配置し、前記押圧リングを前記研磨面に対して可変の押圧力で押圧する押圧手段を設け、前記押圧リングをベアリングを介して前記トップリングに支持させ、当該押圧リングを非回転状態に維持しながら、トップリングの回転を許容するようにしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のポリッシング装置。
5. 前記トップリングの、基板を保持する保持面が、当該トップリングにかけられる流体圧によって前記研磨面に対して変位可能とされ、かつ、トップリングの周囲にリテーナリングを有し、該リテーナリングが前記研磨面に対して、トップリングとは独立に、押圧可能とされたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のポリッシング装置。

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