JP3872629B2

JP3872629B2 - Polishing device provided with attitude control device for turntable device

Info

Publication number: JP3872629B2
Application number: JP2000066070A
Authority: JP
Inventors: 一樹佐藤; 憲雄木村; 勝弥奥村
Original assignee: Ebara Corp; Toshiba Corp
Current assignee: Ebara Corp; Toshiba Corp
Priority date: 1999-03-11
Filing date: 2000-03-10
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2020-03-10
Also published as: JP2000317824A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等のポリッシング対象物を研磨するための研磨面を有したターンテーブル装置および該ターンテーブル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。
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。
【０００３】
図１７は従来のポリッシング装置を示す概略図である。図１７に示すように、上面に研磨布５１を張り付けたターンテーブル５２と、半導体ウエハ５３を保持するトップリング５４とを備えている。ターンテーブル５２とトップリング５４とは、それぞれモータに連結されており、独立に回転駆動される。
【０００４】
上述したポリッシング装置において、研磨中にポリッシング対象物である半導体ウエハ５３と研磨布５１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、トップリング駆動軸５５の先端に球面部を一体に形成し、また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の上面に球面座を形成し、両球面座間に球ベアリング５６を介装してトップリング５４を駆動軸５５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５２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５２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５２に貼設された研磨布５１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。なお符号５７は砥液供給用のノズルである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のポリッシング装置においては、ターンテーブル５２の上面と半導体ウエハ５３の被研磨面との間の平行度は、トップリング５４を傾動自在に構成し、トップリング５４をターンテーブル５２の傾きに自動的に倣うようにして得ようとしている。しかしながら、ターンテーブルをいかに精度良く加工したとしても、ターンテーブルの上面の全面が平坦に加工できるわけではなく、また、ターンテーブルの回転軸を研磨面であるターンテーブルの表面に対して垂直に固定するのが困難であり、ターンテーブルの回転によって、研磨布の上面、即ち研磨面に微小なうねりが形成される。
【０００６】
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が、トップリングの傾動動作がターンテーブル上の研磨面のうねりに追従しきれない場合があり、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。また逆に、トップリングが研磨面のうねりに追従して傾動する際に、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。すなわち、トップリングを傾動させてターンテーブル上の研磨面のうねりに追従させるという従来の方法では、ターンテーブル上の研磨面とポリッシング対象物の被研磨面との平行度を維持するのに限界があった。
【０００７】
本発明は上述の事情に鑑みなされたもので、ターンテーブルの研磨面のうねりを最小限にするか、又はうねりをほぼ完全になくし、ポリッシング対象物の被研磨面の押圧力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ターンテーブル装置および該ターンテーブル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。
【０００８】
【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、本発明に係るポリッシング装置では、ターンテーブルを傾動可能に支持する支持部と、ターンテーブルの姿勢を制御する姿勢制御手段とを設けたことを特徴とする。姿勢制御手段は、電磁力によってターンテーブルの傾斜角度を制御するものとすることができる。この電磁力による姿勢制御装置は、当該ポリッシング装置の静止フレームに固定された電磁コイルを備える電磁石装置と、ターンテーブルに固定され、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。
【０００９】
また本発明のポリッシング装置は、姿勢制御装置を、ターンテーブルの下方位置において当該ポリッシング装置の静止フレームに設定され、且つ、ターンテーブルの下面に係合し、伸縮することによって当該ターンテーブルの姿勢を制御するようにしたシリンダ装置を有するものとすることもできる。
【００１０】
本発明によれば、ターンテーブルの研磨面のうねりを最小限にするか、又は研磨面のうねりをほぼ完全になくし、ポリッシング対象物の被研磨面の押圧力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。
【００１１】
【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。
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はターンテーブル装置の要部断面図である。
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を有したターンテーブル装置１１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とから構成されている。
【００１２】
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。
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６１が貼着されている。
【００１３】
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と連通して保持板の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６１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。
【００１４】
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。
【００１５】
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はタイミングベルト２５によってトップリング用モータ（図示せず）に連結されている。したがって、トップリング用モータを回転駆動することによって回転筒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。
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ベアリングボール７０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７５とを有している。
【００１６】
次に、ターンテーブル装置１１を図２乃至図６を参照して説明する。図２は前述したようにターンテーブル装置の要部断面図であり、図３は図２のIII−III線断面図であり、図４は図３のIV−IV線断面図である。
図２および図３に示すように、ターンテーブル装置１１は、研磨布２を上面に貼着したターンテーブル１と、ターンテーブル１を回転駆動するモータ２０と、モータ２０の回転軸２１とターンテーブル１とを連結する上下のカップリング部材４１，４２と、上下部カップリング部材４１，４２間に介装された自動調芯ころ軸受４３と、ターンテーブル１の姿勢を制御する姿勢制御装置４５とを備えている。下部カップリング部材４２はモータ２０の回転軸２１の上端に固定され、上部カップリング部材４１はターンテーブル１の下面に固定されている。そして、下部カップリング部材４２と上部カップリング部材４１との間に介装された自動調芯ころ軸受４３を中心として、ターンテーブル１と上部カップリング部材４１は下部カップリング部材４２に対して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４２には短柱状のピン４４が植設されており、このピン４４は上部カップリング部材４１の係合孔４１ａに係合してターンテーブル１が回転するようになっている。なお係合孔４１ａとピン４４との間には、ターンテーブル１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。
【００１７】
ターンテーブル１の姿勢を制御する姿勢制御装置４５は、フレーム２８に固定された電磁石コア１２と、電磁石コア１２に設けられた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環状でかつ円盤状のアーマチャー１４とから構成されている。アーマチャー１４はターンテーブル１に固定されている。
【００１８】
図４に示すように、各磁極１２ａ〜１２ｄ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１３ａ〜１３ｄが巻装されている。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。図３に示すように、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、４個の変位センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄが配置されている。各変位センサは、電磁石コア１２により保持されている。
【００１９】
図５は、姿勢制御装置４５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にはターンテーブル１の姿勢の目標値と、センサ（変位センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ）１５で検出され、座標変換部３５で変換された制御対象（ターンテーブル１）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軸およびＹ軸は水平面上に位置している。この場合、ターンテーブル１の動きは自動調芯ころ軸受４３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。
【００２０】
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。
【００２１】
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を水平面に一致させるか又は水平面に対して傾斜させるように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（ターンテーブル１）の姿勢を制御する。この場合、アーマチャー１４を図３に示すＸ，Ｙ軸に対して回転変位させると、ターンテーブル１は自動調芯ころ軸受４３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。
【００２２】
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７１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。
【００２３】
上記研磨中に、ターンテーブル１の姿勢を姿勢制御装置４５により制御する。この場合、上述したように、ターンテーブル１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の傾きを制御し、ターンテーブル１の上面、即ち研磨面のうねりを可能な限りなくすように制御する。即ち、ターンテーブル１の研磨面を水平面に一致させるように制御する。これによって、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ターンテーブル１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、ターンテーブル１の上面をわずかに水平面に対して傾けることにより、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し、これ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。
【００２４】
図７および図８は、ターンテーブル１の姿勢制御装置４５の変形例を示す図であり、図７は図３に対応した断面図、図８は図７のVIII−VIII線断面図である。姿勢制御装置４５は、フレーム２８に固定された電磁石コア１２と、電磁石コア１２に設けられた８つの磁極１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，１２ｇ，１２ｈと、これら磁極１２ａ〜１２ｈに巻装された８つの電磁コイル１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ，１３ｇ，１３ｈと、磁極１２ａ〜１２ｈ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１４とから構成されている。
【００２５】
図８に示すように、各磁極１２ａ〜１２ｈ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１３ａ〜１３ｈが巻装されている。磁極１２ａ〜１２ｈ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と１３ｅの中間位置はＸ軸正方向側に配置され、電磁コイル１３ｂと１３ｆの中間位置はＸ軸負方向側に配置されている。また電磁コイル１３ｃと１３ｇの中間位置はＹ軸正方向側に配置され、電磁コイル１３ｄと１３ｈの中間位置はＹ軸負方向側に配置されている。またＸ軸およびＹ軸上には４個の変位センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄが配置されている。図７および図８に示す姿勢制御装置４５の作用は、図３および図４に示す姿勢制御装置４５と同様である。
【００２６】
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９乃至図１２を参照して説明する。図９はポリッシング装置の縦断面図であり、図１０は図９のＸ−Ｘ線断面図であり、図１１は図１０のXI−XI線断面図である。
第２の実施形態においては、ターンテーブル１および姿勢制御装置４５を含むターンテーブル装置１１の構成は第１の実施形態と同一であるが、トップリングの構成、即ちトップリング６の姿勢を制御する姿勢制御装置１１１を備えている点が異なっている。
【００２７】
図９乃至図１１に示すように、姿勢制御装置１１１は、トップリングヘッド２１に固定された電磁石コア１１２と、電磁石コア１１２より半径方向の外方に向けて突出する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円筒状のアーマチャー１１４とから構成されている。アーマチャー１１４はトップリング本体９に固定されている。
【００２８】
図１１に示すように、各磁極１１２ａ〜１１２ｄは、コ字形断面を有し、コ字形部の上部側に電磁コイル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。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１１５ａ１，１１５ａ２；１１５ｂ１，１１５ｂ２；１１５ｃ１，１１５ｃ２；１１５ｄ１，１１５ｄ２が配置されている。各変位センサ対は、センサホルダ１１７により保持されている。
【００２９】
図１２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。
図１２に示すようにターンテーブルの制御部は、減算器３０及びコントローラ３１を具備し、減算器３０には、ターンテーブルの姿勢の目標値と、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。
【００３０】
一方、トップリング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、トップリングの姿勢の目標値と、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。
【００３１】
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、トップリングへのフィードバックＲ１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１３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の動きはベアリングボール７０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Ｖｘｌ，Ｖｙｌ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Ｖｘｌ，Ｖｙｌ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１０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Ｉｘｌ＋，Ｉｘｌ−，Ｉｙｌ＋，Ｉｙｌ−に変換され、電磁コイル１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄ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７０）と図１０に示すアーマチャー１１４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１１４を図１０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７０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９乃至図１３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（図９の符号７０，７５などの組合せで構成される）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、回転伝達機構７５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１１１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１１５（１１５ａ１，１１５ａ２；１１５ｂ１，１１５ｂ２；１１５ｃ１，１１５ｃ２；１１５ｄ１，１１５ｄ２）の出力を処理して検知し、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る。したがって、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、ターンテーブル１の研磨面とトップリング６に保持された半導体ウエハ３の被研磨面の両方の傾きを制御することができる。また半導体ウエハ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１１１により行うようにしている。そのため、姿勢制御装置１１１が小型になり、簡易な構造になる。
【００３７】
図１４及び図１５には、本発明に係るポリッシング装置の他の実施形態が示されている。すなわち、このポリッシング装置においては、前述の電磁石を用いた姿勢制御装置ではなく、他のアクチュエータすなわちエアシリンダ２２０を用いた姿勢制御装置４５が設けられている。この姿勢制御装置４５は、ターンテーブル１の外周縁の下方位置にある当該ポリッシング装置のフレーム２２２上に、同外周縁に沿った方向で所定間隔離して設けられた複数エアシリンダ２２０を有しており、該エアシリンダ２２０から上方に延びるロッド２２４の上端に取り付けられたローラ２３０が、ターンテーブル１の外周縁下面に係合している。また、フレーム２２２上には、各エアシリンダ２２２に隣接して、ギャップセンサ２３４が設けられており、該センサとターンテーブルの外周縁下面との間のギャップを感知するようになっている。このポリッシング装置では、各ギャップセンサ２３４において感知された上記ギャップに基づき、（図示しない）制御装置が各エアシリンダ２２２への供給圧力を制御して、エアシリンダ２２２のロッド２２４の伸縮量を制御し、当該ターンテーブル１の姿勢を制御するようになっている。図中、参照番号２３８は、回転軸２１の回転をターンテーブル１に伝達すると共に、回転軸に対するターンテーブル１の傾動を許容するためのカップリング装置である。
図１６は、更に他の形式の姿勢制御装置を備えたポリッシング装置を示している。すなわち、このポリッシング装置においては、ターンテーブル１の回転軸２１に、ディスク２５０が水平に固定されており、該ディスク上には複数のエアシリンダ２５２が回転軸の周囲で等間隔離して固定されており、該エアシリンダのロッド２４２の上端２５６がターンテーブル１に下面に固定されている。また、ディスク２５０の上には、図１４及び１５に示したものと同様のギャップセンサ（図示せず）が設けられている。従って、この実施形態では、姿勢制御装置を構成するエアシリンダ２５２及びギャップセンサがターンテーブル１と一緒に回転しながら、ギャップセンサで感知した当該センサとターンテーブルとの間のギャップに基づき、エアシリンダのロッド２４２を伸縮することによって当該ターンテーブル１の姿勢を制御するようになっている。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ターンテーブルを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押圧力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。
【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の実施形態の全体構成を示す縦断面図である。
【図２】本発明に係るターンテーブル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】本発明の第１実施形態における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６】ターンテーブルの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】ターンテーブルの姿勢制御装置の変形例を示す図であり、図３に対応した断面図である。
【図８】図７のVIII−VIII線断面図である。
【図９】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１０】図９のＸ−Ｘ線断面図である。
【図１１】図１１は図１０のXI−XI線断面図である。
【図１２】本発明の第２実施形態における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１３】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１４】本発明のポリッシング装置の第３の実施形態を示す概略側面図である。
【図１５】図１４のポリッシング装置における姿勢制御装置を構成するエアシリンダの側面図である。
【図１６】本発明のポリッシング装置の第４の実施形態を示す概略側面図である。
【図１７】従来のポリッシング装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１ターンテーブル
２研磨布
３半導体ウエハ
５基板保持装置
６トップリング
７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保持板
９Ｂ上部板
１０リテーナリング
１１ターンテーブル装置
１２電磁石コア
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，１２ｇ，１２ｈ，１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄ磁極
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ，１３ｇ，１３ｈ，１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ，１１３ｄ電磁コイル
１４，１１４アーマチャー
１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１１５ａ１，１１５ａ２；１１５ｂ１，１１５ｂ２；１１５ｃ１，１１５ｃ２；１１５ｄ１，１１５ｄ２変位センサ
２０モータ
２１回転軸
２２トップリング用エアシリンダ
２３回転筒
２４駆動回路
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
３５座標変換器
４１，４２カップリング部材
４１ａ係合孔
４３自動調芯ころ軸受
４４ピン
４５姿勢制御装置
６０砥液供給ノズル
６１弾性マット
７０ベアリングボール
７１駆動フランジ
７５回転伝達機構[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a turntable device having a polishing surface for polishing an object to be polished such as a semiconductor wafer and a polishing device provided with the turntable device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, as semiconductor devices are highly integrated, circuit wiring is becoming finer and the distance between wirings is becoming narrower. In particular, in the case of optical lithography of 0.5 μm or less, the depth of focus becomes shallow, so that the flatness of the imaging surface of the stepper is required. Therefore, it is necessary to flatten the surface of the semiconductor wafer, and polishing is performed by a polishing apparatus as one means of this flattening method.
Conventionally, this type of polishing apparatus has a turntable and a top ring, the top ring applies a constant pressure to the turntable, and an object to be polished is interposed between the turntable and the top ring, so that an abrasive liquid is obtained. The surface of the polishing object is polished to a flat and mirror surface.
[0003]
FIG. 17 is a schematic view showing a conventional polishing apparatus. As shown in FIG. 17, a turntable 52 having a polishing cloth 51 attached to the upper surface and a top ring 54 for holding a semiconductor wafer 53 are provided. The turntable 52 and the top ring 54 are each connected to a motor and are driven to rotate independently.
[0004]
In the polishing apparatus described above, if the relative pressing force between the semiconductor wafer 53 that is a polishing object and the polishing pad 51 is not uniform over the entire surface of the polishing object during polishing, the polishing apparatus 51 depends on the pressing force of each part. As a result, insufficient polishing or excessive polishing occurs. Therefore, a spherical portion is integrally formed at the tip of the top ring drive shaft 55, and a spherical seat is formed on the upper surface of the top ring 54 that holds the semiconductor wafer 53 that is the object to be polished, and a ball bearing 56 is provided between both spherical seats. The top ring 54 is configured to be tiltable with respect to the drive shaft 55 so that the top ring 54 automatically follows the tilt of the turntable 52. Thus, the parallelism between the wafer holding surface 54a of the top ring 54 and the upper surface of the turntable 52 is maintained, and the relative pressing force between the semiconductor wafer 53 and the polishing pad 51 attached to the turntable 52 is applied to the entire surface of the wafer. Over a uniform area. Reference numeral 57 denotes a nozzle for supplying abrasive liquid.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional polishing apparatus, the parallelism between the upper surface of the turntable 52 and the surface to be polished of the semiconductor wafer 53 is configured such that the top ring 54 is tiltable and the top ring 54 is automatically adjusted to the tilt of the turntable 52. I'm trying to get it to follow. However, no matter how accurately the turntable is processed, the entire upper surface of the turntable cannot be processed flat, and the rotation axis of the turntable is fixed perpendicular to the surface of the turntable that is the polishing surface. It is difficult to achieve this, and a minute undulation is formed on the upper surface of the polishing pad, that is, the polishing surface, by the rotation of the turntable.
[0006]
The top ring tries to tilt following the waviness of the polishing surface, but the tilting movement of the top ring may not be able to follow the waviness of the polishing surface on the turntable, resulting in unevenness of the polishing object. There was a problem that a surface pressure distribution state of the polishing pressure occurred. Conversely, when the top ring tilts following the waviness of the polished surface, the top ring tilts excessively due to the inertial force during tilting, or the movement of the top ring becomes unstable. As a result, there is a problem that a non-uniform surface pressure distribution state of the polishing pressure occurs in the polishing object. That is, in the conventional method of tilting the top ring to follow the waviness of the polishing surface on the turntable, there is a limit in maintaining the parallelism between the polishing surface on the turntable and the surface to be polished of the polishing object. there were.
[0007]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and minimizes the waviness of the polishing surface of the turntable or eliminates the waviness almost completely, and the surface pressure distribution of the polishing target surface of the polishing object is obtained. It is an object of the present invention to provide a turntable device that can perform polishing in an optimum state and a polishing device including the turntable device.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-described object, the polishing apparatus according to the present invention is characterized in that a support portion for tiltably supporting the turntable and an attitude control means for controlling the attitude of the turntable are provided. The attitude control means can control the tilt angle of the turntable by electromagnetic force. This attitude control device using electromagnetic force may include an electromagnet device having an electromagnetic coil fixed to a stationary frame of the polishing device, and an armature fixed to a turntable and moved by the magnetic force of the electromagnet device. .
[0009]
Further, the polishing apparatus of the present invention sets the attitude of the turntable by setting the attitude control device to the stationary frame of the polishing apparatus at the lower position of the turntable, and engaging with the lower surface of the turntable and extending and contracting. It is also possible to have a cylinder device that is controlled.
[0010]
According to the present invention, the waviness of the polishing surface of the turntable is minimized or the waviness of the polishing surface is almost completely eliminated, and the surface pressure distribution of the pressing force of the polishing target surface of the polishing object is optimized. Can be polished.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a polishing apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing the overall configuration of the first embodiment of the polishing apparatus, and FIG. 2 is a sectional view of an essential part of the turntable apparatus.
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the polishing apparatus holds a turntable device 11 having a turntable 1 with a polishing cloth 2 pasted on the upper surface and a semiconductor wafer 3 as a substrate and presses it against the polishing cloth 2. The substrate holding device 5 is provided. The substrate holding device 5 includes a top ring 6 for holding the semiconductor wafer 3, a top ring driving shaft 7 that supports the top ring 6 and applies pressing force and rotational driving force to the top ring 6, and a top ring driving shaft. The universal joint portion 8 is configured to transmit a pressing force while allowing the tilting from the 7 to the top ring 6.
[0012]
An abrasive liquid supply nozzle 60 is installed above the turntable 1, and the abrasive liquid is supplied onto the polishing cloth 2 on the turntable 1 by the abrasive liquid supply nozzle 60. The upper surface of the polishing pad 2 constitutes a polishing surface that is in sliding contact with the surface to be polished of the semiconductor wafer 3.
As shown in FIG. 2, the top ring 6 includes a top ring body 9 composed of a lower holding plate 9A and an upper upper plate 9B, and a retainer ring 10 fixed to the outer periphery of the top ring body 9. The top ring 6 holds the upper surface of the semiconductor wafer 3 by a substrate holding surface on the lower surface of the top ring main body 9 and holds the outer peripheral portion of the semiconductor wafer 3 by a retainer ring 10. An elastic mat 61 is attached to the lower surface of the top ring body 9.
[0013]
As shown in FIG. 2, the top ring body 9 has a gap G between the holding plate 9A and the upper plate 9B, and a liquid such as vacuum, pressurized air, water or the like can be supplied to the gap G. It is like that. The top ring body 9 has a large number of communication holes (not shown) communicating with the gap G and opening on the lower surface of the holding plate. Similarly, the elastic mat 61 has an opening at a position facing the communication hole. Thereby, the upper surface of the semiconductor wafer 3 can be adsorbed by vacuum, and liquid or pressurized air can be supplied to the upper surface of the semiconductor wafer 3.
[0014]
As shown in FIG. 1, the top ring drive shaft 7 is connected to a top ring air cylinder 22 fixed to a top ring head 21, and the top ring drive shaft 7 is moved up and down by the top ring air cylinder 22. The semiconductor wafer 3 held on the lower end surface of the top ring 6 is pressed against the turntable 1.
[0015]
The top ring drive shaft 7 is connected to a rotating cylinder 23 via a key (not shown), and the rotating cylinder 23 is connected to a top ring motor (not shown) by a timing belt 25. Accordingly, when the top ring motor is rotationally driven, the rotary cylinder 23 and the top ring drive shaft 7 rotate integrally, and the top ring 6 rotates.
On the other hand, the universal joint portion 8 that transmits the pressing force while allowing the tilting from the top ring drive shaft 7 to the top ring 6 is a bearing ball 70 that enables the top ring 6 and the top ring drive shaft 7 to tilt each other. And a rotation transmission mechanism 75 that transmits the rotation of the top ring drive shaft 7 to the top ring main body 9.
[0016]
Next, the turntable device 11 will be described with reference to FIGS. 2 is a sectional view of the main part of the turntable device as described above, FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 2, and FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV in FIG.
As shown in FIGS. 2 and 3, the turntable device 11 includes a turntable 1 having a polishing cloth 2 attached to the upper surface, a motor 20 that rotationally drives the turntable 1, a rotating shaft 21 of the motor 20, and a turntable. 1, upper and lower coupling members 41, 42, an automatic centering roller bearing 43 interposed between the upper and lower coupling members 41, 42, and a posture control device 45 that controls the posture of the turntable 1, It has. The lower coupling member 42 is fixed to the upper end of the rotating shaft 21 of the motor 20, and the upper coupling member 41 is fixed to the lower surface of the turntable 1. The turntable 1 and the upper coupling member 41 are inclined with respect to the lower coupling member 42 around the self-aligning roller bearing 43 interposed between the lower coupling member 42 and the upper coupling member 41. Be able to. Further, a short columnar pin 44 is implanted in the lower coupling member 42, and the pin 44 engages with an engagement hole 41 a of the upper coupling member 41 so that the turntable 1 rotates. . A predetermined gap is formed between the engagement hole 41a and the pin 44 so that the tilt of the turntable 1 can be absorbed.
[0017]
The attitude control device 45 that controls the attitude of the turntable 1 includes an electromagnet core 12 fixed to the frame 28, four magnetic poles 12a, 12b, 12c, and 12d provided on the electromagnet core 12, and these magnetic poles 12a to 12d. It is composed of four wound electromagnetic coils 13a, 13b, 13c, and 13d, and an annular and disk-shaped armature 14 facing the magnetic poles 12a to 12d with a gap. The armature 14 is fixed to the turntable 1.
[0018]
As shown in FIG. 4, each of the magnetic poles 12 a to 12 d has an inverted U-shaped cross section, and electromagnetic coils 13 a to 13 d are wound on the inner side of the inverted U-shaped portion. The magnetic poles 12a to 12d and the armature 14 are made of a magnetic material such as permalloy. As shown in FIG. 3, the electromagnetic coil 13a is arranged on the X axis positive direction side, and the electromagnetic coil 13b is arranged on the X axis negative direction side. The electromagnetic coil 13c is arranged on the Y axis positive direction side, and the electromagnetic coil 13d is arranged on the Y axis negative direction side. Four displacement sensors 15a, 15b, 15c, and 15d are arranged on two axes P and Q inclined by 45 ° with respect to the X axis and the Y axis. Each displacement sensor is held by an electromagnet core 12.
[0019]
FIG. 5 is a block diagram illustrating a functional configuration of a control unit that controls the attitude control device 45. As shown in the figure, the control unit includes a subtractor 30 and a controller 31. The subtracter 30 is detected by a target value of the attitude of the turntable 1 and a sensor (displacement sensors 15 a, 15 b, 15 c, 15 d) 15. Then, the displacement values α and β of the controlled object (turntable 1) converted by the coordinate conversion unit 35 are input, and the difference is input to the controller 31 as error signals eα and eβ. Here, α and β respectively indicate the inclination around the X axis and the inclination around the Y axis, as shown in FIG. The X axis and the Y axis are located on the horizontal plane. In this case, the movement of the turntable 1 is a combined motion of tilting about the X axis and tilting about the Y axis around the self-aligning roller bearing 43.
[0020]
The error signals eα and eβ are subjected to inclination control and attenuation processing by the PID + local phase advance processing unit 31-1, and are further converted into voltage command signals Vα and Vβ through the notch filter 31-2 for vibration removal. The coordinate conversion unit 31-3 converts the control signals Vxu and Vyu for the attitude control device and supplies them to the drive unit 32.
[0021]
The drive unit 32 includes electromagnetic coils 13a, 13b, 13c, and 13d and a drive circuit 24 that excites them. Each of the signals Vxu and Vyu is supplied to each drive circuit 24, and the excitation currents Ixu +, Ixu−, for displacing the armature 14 so as to coincide with the horizontal plane or to be inclined with respect to the horizontal plane. It is converted into Iyu +, Iyu−, supplied to the electromagnetic coils 13a, 13b, 13c, 13d, and controls the posture of the control object (turntable 1). In this case, when the armature 14 is rotationally displaced with respect to the X and Y axes shown in FIG. 3, the turntable 1 can tilt in any direction with respect to the horizontal plane around the self-aligning roller bearing 43.
[0022]
Next, the operation of the polishing apparatus configured as shown in FIGS. 1 to 6 will be described. The semiconductor wafer 3 is held on the lower surface of the top ring, the top ring air cylinder 22 is operated to press the top ring 6 against the rotating turntable, and the polishing cloth on the upper surface of the rotating turntable 1 2, the semiconductor wafer 3 is pressed. In this case, the pressing force from the air cylinder 22 is transmitted to the top ring body 9 via the top ring drive shaft 7 and the universal joint portion 8. On the other hand, by flowing the polishing abrasive liquid from the abrasive liquid supply nozzle 60, the polishing abrasive liquid is held on the polishing cloth 2, and the polishing abrasive liquid exists between the polishing surface (lower surface) of the semiconductor wafer 3 and the polishing cloth 2. Polishing is performed in this state. The rotation of the top ring drive shaft 7 is transmitted to the top ring body 9 via a drive pin fixed to the drive flange 71 and a driven pin fixed to the top ring body 9.
[0023]
During the polishing, the posture of the turntable 1 is controlled by the posture controller 45. In this case, as described above, the inclination of the turntable 1 is detected by processing the output of the displacement sensor 15 (15a1, 15a2; 15b1, 15b2; 15c1, 15c2; 15d1, 15d2). Then, the upper surface of the turntable 1, that is, the polishing surface is controlled so as to eliminate as much as possible. That is, control is performed so that the polishing surface of the turntable 1 coincides with the horizontal plane. This maintains the parallelism between the substrate holding surface of the top ring body 9, that is, the polished surface of the semiconductor wafer, and the upper surface of the turntable 1, that is, the polished surface, and the distribution of the pressing pressure applied to the polished surface of the semiconductor wafer 3. Can be controlled uniformly in the plane. Note that, by slightly tilting the upper surface of the turntable 1 with respect to the horizontal plane, the surface to be polished of the semiconductor wafer 3 and the polishing surface of the turntable are not necessarily parallel, and are maintained in a slightly tilted state. As a result, the distribution of the pressing pressure applied to the surface to be polished of the semiconductor wafer 3 may be controlled uniformly in the surface.
[0024]
7 and 8 are views showing a modification of the attitude control device 45 of the turntable 1. FIG. 7 is a sectional view corresponding to FIG. 3, and FIG. 8 is a sectional view taken along line VIII-VIII in FIG. The attitude control device 45 includes an electromagnet core 12 fixed to the frame 28, eight magnetic poles 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12g, and 12h provided on the electromagnet core 12, and these magnetic poles 12a to 12h. It is composed of eight wound electromagnetic coils 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f, 13g, and 13h, and an annular and disk-shaped armature 14 that faces the magnetic poles 12a to 12h with a gap. Yes.
[0025]
As shown in FIG. 8, each of the magnetic poles 12a to 12h has an inverted U-shaped cross section, and electromagnetic coils 13a to 13h are wound on the inner side of the inverted U-shaped portion. The magnetic poles 12a to 12h and the armature 14 are made of a magnetic material such as permalloy. An intermediate position between the electromagnetic coils 13a and 13e is disposed on the X axis positive direction side, and an intermediate position between the electromagnetic coils 13b and 13f is disposed on the X axis negative direction side. An intermediate position between the electromagnetic coils 13c and 13g is arranged on the Y axis positive direction side, and an intermediate position between the electromagnetic coils 13d and 13h is arranged on the Y axis negative direction side. Four displacement sensors 15a, 15b, 15c, and 15d are arranged on the X and Y axes. The operation of the attitude control device 45 shown in FIGS. 7 and 8 is the same as that of the attitude control device 45 shown in FIGS. 3 and 4.
[0026]
Next, a second embodiment of the polishing apparatus of the present invention will be described with reference to FIGS. 9 is a longitudinal sectional view of the polishing apparatus, FIG. 10 is a sectional view taken along line XX of FIG. 9, and FIG. 11 is a sectional view taken along line XI-XI of FIG.
In the second embodiment, the configuration of the turntable device 11 including the turntable 1 and the posture control device 45 is the same as that of the first embodiment, but the configuration of the top ring, that is, the posture of the top ring 6 is controlled. The difference is that an attitude control device 111 is provided.
[0027]
As shown in FIGS. 9 to 11, the attitude control device 111 includes an electromagnet core 112 fixed to the top ring head 21, and four magnetic poles 112 a, 112 b, protruding outward from the electromagnet core 112 in the radial direction. 112c, 112d, four electromagnetic coils 113a, 113b, 113c, 113d wound around these magnetic poles 112a-112d, and a cylindrical armature 114 facing each other with a gap in the magnetic poles 112a-112d. Yes. The armature 114 is fixed to the top ring body 9.
[0028]
As shown in FIG. 11, each of the magnetic poles 112a to 112d has a U-shaped cross section, and electromagnetic coils 113a to 113d are wound on the upper side of the U-shaped portion. The magnetic poles 112a to 112d and the armature 114 are made of a magnetic material such as permalloy. The electromagnetic coil 113a is disposed on the X axis positive direction side, and the electromagnetic coil 113b is disposed on the X axis negative direction side. The electromagnetic coil 113c is arranged on the Y axis positive direction side, and the electromagnetic coil 113d is arranged on the Y axis negative direction side. Further, four pairs of displacement sensors 115a1, 115a2; 115b1, 115b2; 115c1, 115c2 in which two upper and lower displacement sensors are paired on two axes P, Q inclined by 45 ° with respect to the X axis and the Y axis. 115d1 and 115d2 are arranged. Each displacement sensor pair is held by a sensor holder 117.
[0029]
FIG. 12 is a block diagram illustrating a functional configuration of a control unit that controls the attitude control device 111. As shown in the figure, the control units for the turntable and the top ring have the same configuration as the control unit shown in FIG. 5, and an arithmetic unit for inputting both signals and accurately outputting the relative positions of both is added. It has a configuration.
As shown in FIG. 12, the control unit of the turntable includes a subtractor 30 and a controller 31. The subtractor 30 detects the turntable attitude target value and the sensor 15, and converts it by the coordinate converter 35. Further, the displacement values α and β to be controlled corrected by the top ring inclination information are input by the calculator 36, and the difference between them is input to the controller 31 as error signals eα and eβ.
[0030]
On the other hand, the control unit of the top ring includes a subtractor 30 ′ and a controller 31 ′. The subtractor 30 ′ includes a target value of the top ring attitude and a sensor 115 (displacement sensors 115a, 115b, 115c, and 115d). The displacement values α ′ and β ′ to be controlled, which are detected and converted by the coordinate converter 35 ′ and further corrected by the calculator 36 based on the tilt information of the turntable, are input, and the difference between them is the error signals eα ′ and eβ ′. Is input to the controller 31 '.
[0031]
The calculator 36 calculates a relative error from the tilt information of the top ring and the turntable, and corrects each target value to enable highly accurate control. Usually, the accuracy can be improved by correcting the target position of the top ring with reference to the tilt of the turntable, and therefore the feedback R1 to the top ring can be omitted. Of course, each control is possible even in a configuration without an arithmetic unit. Here, α ′ and β ′ respectively indicate the inclination around the X axis and the inclination around the Y axis, as shown in FIG. The X axis and the Y axis are located in the horizontal plane. In this case, the movement of the top ring 6 is a combined motion of tilting about the X axis and tilting about the Y axis around the bearing ball 70.
[0032]
The error signals eα ′ and eβ ′ are subjected to inclination control and attenuation processing by the PID + local phase advance processing unit 31′-1, and further to the voltage command signals Vα ′ and Vβ ′ through the notch filter 31′-2 for vibration removal. Converted. The coordinate conversion unit 31′-3 converts the control signals Vxl and Vyl for the attitude control device and supplies them to the drive unit 32 ′.
[0033]
The drive unit 32 ′ includes electromagnetic coils 113a, 113b, 113c, and 113d and a drive circuit 24 ′ that excites them. Each of the signals Vxl and Vyl is supplied to each driving circuit 24 ′, and the exciting currents Ixl + and Ixl− for displacing the armature 114 in the positive and negative directions of the X and Y axes shown in FIG. , Iyl +, Iyl− and supplied to the electromagnetic coils 113a, 113b, 113c, 113d to control the attitude of the control object (top ring 6). In this case, since the rotation center (bearing ball 70) of the top ring 6 and the X and Y axes of the armature 114 shown in FIG. 10 are separated from each other by a predetermined height (L), the armature 114 is shown in FIG. When displaced in the positive and negative directions of the Y axis, the top ring body 9, that is, the top ring 6, can tilt in any direction with respect to the horizontal plane around the bearing ball 70.
[0034]
Next, the operation of the polishing apparatus configured as shown in FIGS. 9 to 13 will be described. The semiconductor wafer 3 is held on the lower surface of the top ring, the top ring air cylinder 22 is operated to press the top ring 6 against the rotating turntable, and the polishing cloth on the upper surface of the rotating turntable 1 2, the semiconductor wafer 3 is pressed. In this case, the pressing force from the air cylinder 22 is transmitted to the top ring body 9 via the top ring drive shaft 7 and the universal joint portion 8 (configured by a combination of reference numerals 70 and 75 in FIG. 9). On the other hand, by flowing the polishing abrasive liquid from the abrasive liquid supply nozzle 60, the polishing abrasive liquid is held on the polishing cloth 2, and the polishing abrasive liquid exists between the polishing surface (lower surface) of the semiconductor wafer 3 and the polishing cloth 2. Polishing is performed in this state. The rotation of the top ring drive shaft 7 is transmitted to the top ring body 9 via the rotation transmission mechanism 75.
[0035]
During the polishing, the attitude of the top ring body 9 holding the semiconductor wafer 3 is controlled by the attitude control device 111. In this case, as described above, the inclination of the top ring body 9 is detected by processing the output of the displacement sensor 115 (115a1, 115a2; 115b1, 115b2; 115c1, 115c2; 115d1, 115d2). Can be controlled at any angle in any direction with respect to the horizontal plane. Therefore, the parallelism of the substrate holding surface of the top ring body 9, that is, the surface to be polished of the semiconductor wafer, and the upper surface of the polishing pad 2, that is, the polishing surface is maintained, and the distribution of the pressing pressure applied to the surface to be polished of the semiconductor wafer 3 In-plane uniformity can be controlled. It should be noted that the surface to be polished of the semiconductor wafer 3 and the polishing surface of the turntable are not necessarily parallel, and the pressure pressure applied to the surface to be polished of the semiconductor wafer 3 is maintained by being slightly inclined. May be controlled uniformly in the surface.
[0036]
According to this embodiment, it is possible to control the inclination of both the polishing surface of the turntable 1 and the surface to be polished of the semiconductor wafer 3 held by the top ring 6. The pressing force for pressing the semiconductor wafer 3 against the polishing surface of the turntable 1 is obtained by transmitting the pressing force of the air cylinder to the top ring 6 as it is. Only the inclination control of the top ring 6 is performed by the attitude control device 111 using electromagnetic force. Therefore, the attitude control device 111 is downsized and has a simple structure.
[0037]
14 and 15 show another embodiment of the polishing apparatus according to the present invention. That is, this polishing apparatus is provided with an attitude control device 45 using another actuator, that is, an air cylinder 220, instead of the above-described attitude control device using an electromagnet. This attitude control device 45 has a plurality of air cylinders 220 provided on the frame 222 of the polishing device at a position below the outer peripheral edge of the turntable 1 and separated by a predetermined distance in the direction along the outer peripheral edge. A roller 230 attached to the upper end of a rod 224 extending upward from the air cylinder 220 is engaged with the lower surface of the outer peripheral edge of the turntable 1. In addition, a gap sensor 234 is provided on the frame 222 adjacent to each air cylinder 222 so as to sense a gap between the sensor and the lower surface of the outer peripheral edge of the turntable. In this polishing apparatus, based on the gap sensed by each gap sensor 234, a control device (not shown) controls the supply pressure to each air cylinder 222 to control the amount of expansion and contraction of the rod 224 of the air cylinder 222. The posture of the turntable 1 is controlled. In the figure, reference numeral 238 is a coupling device for transmitting the rotation of the rotating shaft 21 to the turntable 1 and allowing the turntable 1 to tilt with respect to the rotating shaft.
FIG. 16 shows a polishing apparatus provided with still another type of attitude control device. That is, in this polishing apparatus, a disk 250 is fixed horizontally to the rotating shaft 21 of the turntable 1, and a plurality of air cylinders 252 are fixed on the disk at an equal interval around the rotating shaft. The upper end 256 of the rod 242 of the air cylinder is fixed to the lower surface of the turntable 1. A gap sensor (not shown) similar to that shown in FIGS. 14 and 15 is provided on the disk 250. Therefore, in this embodiment, the air cylinder 252 and the gap sensor constituting the attitude control device rotate together with the turntable 1, and the air cylinder is based on the gap between the sensor and the turntable sensed by the gap sensor. The position of the turntable 1 is controlled by extending and contracting the rod 242.
[0038]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by controlling the posture of the turntable, the surface pressure distribution of the pressing force of the surface to be polished of the polishing object can be polished in an optimum state.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an overall configuration of a first embodiment of a polishing apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of a turntable device according to the present invention.
3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG.
4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG.
FIG. 5 is a block diagram illustrating a functional configuration of a control unit that controls the attitude control device of the turntable according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram for explaining the relationship between the inclination α around the X axis and the inclination β around the Y axis of the turntable.
FIG. 7 is a view showing a modification of the attitude control device for the turntable, and is a cross-sectional view corresponding to FIG. 3;
8 is a cross-sectional view taken along line VIII-VIII in FIG.
FIG. 9 is a longitudinal sectional view showing an overall configuration of a second embodiment of a polishing apparatus according to the present invention.
10 is a cross-sectional view taken along line XX of FIG.
11 is a cross-sectional view taken along line XI-XI in FIG.
FIG. 12 is a block diagram illustrating a functional configuration of a control unit that controls the attitude control device of the turntable according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a diagram illustrating the relationship between the inclination α ′ around the X axis and the inclination β ′ around the Y axis of the top ring.
FIG. 14 is a schematic side view showing a third embodiment of the polishing apparatus of the present invention.
15 is a side view of an air cylinder constituting the attitude control device in the polishing apparatus of FIG. 14;
FIG. 16 is a schematic side view showing a fourth embodiment of a polishing apparatus of the present invention.
FIG. 17 is a schematic view showing a conventional polishing apparatus.
[Explanation of symbols]
1 Turntable
2 Abrasive cloth
3 Semiconductor wafer
5 Substrate holding device
6 Top ring
7 Top ring drive shaft
8 Universal joint
9 Top ring body
9A holding plate
9B Upper plate
10 Retainer ring
11 Turntable device
12 Electromagnet core
12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12g, 12h, 112a, 112b, 112c, 112d
13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f, 13g, 13h, 113a, 113b, 113c, 113d Electromagnetic coil
14,114 Armature
15, 15a, 15b, 15c, 15d, 115a1, 115a2; 115b1, 115b2; 115c1, 115c2; 115d1, 115d2 Displacement sensor
20 Motor
21 Rotating shaft
22 Air cylinder for top ring
23 Rotating cylinder
24 Drive circuit
30 Subtractor
31 controller
31-1 Processing unit
31-2 Notch filter
31-3 Coordinate converter
32 Drive unit
35 Coordinate converter
41, 42 Coupling member
41a engagement hole
43 Self-aligning roller bearings
44 pins
45 Attitude control device
60 Abrasive liquid supply nozzle
61 Elastic mat
70 Bearing ball
71 Drive flange
75 Rotation transmission mechanism

Claims

In a polishing apparatus comprising a turntable having a polishing surface, and a substrate holding device having a top ring that holds a substrate that is a polishing object and presses the polishing table on the turntable.
A support unit for tiltably supported the turntable conductive magnetic bearing, a conductive magnetic bearing for supporting the top ring tiltably, and a posture control device for controlling the attitude of the turntable and the top ring is provided,
The attitude control device controls the inclination of the top ring and the turntable based on a relative error calculated by a predetermined calculator based on the inclination information of the top ring and the turntable. Polishing device.

The posture control device is fixed to an electromagnet device having an electromagnetic coil fixed to a stationary frame of the polishing device, an armature fixed to the turntable and moved by the magnetic force of the electromagnet device, and a top ring head of the top ring. The polishing apparatus according to claim 1, further comprising an armature fixed to the electromagnet core and the top ring body .