JP3989234B2 - 基板保持装置及びポリッシング装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置、特に、半導体ウェハ等の基板を研磨して平坦化するポリッシング装置において該基板を保持する基板保持装置に関するものである。また、本発明は、かかる基板保持装置を備えたポリッシング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスがますます微細化され素子構造が複雑になり、またロジック系の多層配線の層数が増えるに伴い、半導体デバイスの表面の凹凸はますます増え、段差が大きくなる傾向にある。半導体デバイスの製造では薄膜を形成し、パターンニングや開孔を行う微細加工の後、次の薄膜を形成するという工程を何回も繰り返すためである。
【０００３】
半導体デバイスの表面の凹凸が増えると、薄膜形成時に段差部での膜厚が薄くなったり、配線の断線によるオープンや配線層間の絶縁不良によるショートが起こったりするため、良品が取れなかったり、歩留まりが低下したりする傾向がある。また、初期的に正常動作をするものであっても、長時間の使用に対しては信頼性の問題が生じる。更に、リソグラフィ工程における露光時に、照射表面に凹凸があると露光系のレンズ焦点が部分的に合わなくなるため、半導体デバイスの表面の凹凸が増えると微細パターンの形成そのものが難しくなるという問題が生ずる。
【０００４】
従って、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技術がますます重要になっている。この平坦化技術のうち、最も重要な技術は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing））である。この化学的機械的研磨は、ポリッシング装置を用いて、シリカ（ＳｉＯ２）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッド等の研磨面上に供給しつつ半導体ウェハなどの基板を研磨面に摺接させて研磨を行うものである。
【０００５】
この種のポリッシング装置は、研磨パッドからなる研磨面を有する研磨テーブルと、半導体ウェハを保持するためのトップリング又はキャリアヘッド等と称される基板保持装置とを備えている。このようなポリッシング装置を用いて半導体ウェハの研磨を行う場合には、基板保持装置により半導体ウェハを保持しつつ、この半導体ウェハを研磨テーブル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半導体ウェハが研磨面に摺接し、半導体ウェハの表面が平坦かつ鏡面に研磨される。
【０００６】
このようなポリッシング装置において、研磨中の半導体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半導体ウェハの全面に亘って均一でない場合には、半導体ウェハの各部分に印加される押圧力に応じて研磨不足や過研磨が生じてしまう。そのため、基板保持装置の半導体ウェハの保持面をゴム等の弾性材からなる弾性膜で形成し、弾性膜の裏面に空気圧等の流体圧を加え、半導体ウェハに印加する押圧力を全面に亘って均一化することも行われている。
【０００７】
また、上記研磨パッドは弾性を有するため、研磨中の半導体ウェハの外周縁部に加わる押圧力が不均一になり、半導体ウェハの外周縁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、半導体ウェハの外周縁をガイドリング又はリテーナリングによって保持すると共に、ガイドリング又はリテーナリングによって半導体ウェハの外周縁側に位置する研磨面を押圧する構造を備えた基板保持装置も用いられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体ウェハの表面に形成される薄膜は、成膜の際の方法や装置の特性により、半導体ウェハの半径方向の位置によって膜厚が異なる。即ち、半径方向に膜厚分布を持っている。このため、上述したような従来の半導体ウェハの全面を均一に押圧し研磨する基板保持装置では、半導体ウェハの全面に亘って均一に研磨されるため、上述した半導体ウェハの表面上の膜厚分布と同じ研磨量分布を得ることができない。従って、従来のポリッシング装置では、上記半径方向の膜厚分布には十分に対応することができず、これが原因で研磨不足や過研磨が生じていた。
【０００９】
また、成膜の方法や成膜装置の種類により、上述した半導体ウェハの表面上の膜厚分布も異なる。即ち、膜厚の厚い部分の半径方向の位置やその数、及び膜厚の薄い部分と厚い部分との膜厚の差は、成膜の方法や成膜装置の種類により異なっている。従って、ある特定の膜厚分布にのみ対応した基板保持装置ではなく、様々な膜厚分布に容易かつ低コストで対応することができる基板保持装置が要望されている。
【００１０】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、半導体ウェハ等の研磨対象物の表面に形成された薄膜の膜厚分布に対応して研磨を行うことができ、研磨後の膜厚の均一性を得ることができる基板保持装置及びポリッシング装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような従来技術における問題点を解決するために、本発明の第１の態様は、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、内部に収容空間を有するトップリング本体と、該トップリング本体の収容空間内で上下動可能な上下動部材とを備え、上記上下動部材の下面には、弾性膜を備えた当接部材を取付け、上記当接部材の弾性膜は、外方に張り出したつばを有すると共に上記基板に直接的又は間接的に当接する当接部と、上記当接部のつばとの間に溝を形成しつつ該つばの基部から外方に向かって該つばの先端より内方の位置まで延びる延出部と、上記延出部の外方端部から上方に延びて上記上下動部材に接続される接続部とを備えたことを特徴とする基板保持装置である。
【００１２】
このような構成により、成膜時の膜厚分布に依存せずに基板の全面に亘って過不足のない研磨が可能となる。また、基板を当接部に密着させた後、上下動部材を上方に持ち上げて研磨を行う場合には、接続部による上向きの力が延出部によって横方向あるいは斜め方向の力に変換されてつばの基部に加えられることとなる。従って、つばの基部に加わる上向きの力を極めて小さくすることができ、当接部には過剰な上向きの力が加わることがない。このため、基部の近傍に真空が形成されることがなく、基部に挟まれた領域において均一な研磨レートを実現することができる。
【００１３】
本発明の好ましい一態様は、径方向内側に位置する上記接続部の厚さと径方向外側に位置する上記接続部の厚さとが異なることを特徴としている。この場合において、上記径方向内側に位置する接続部の厚さが上記径方向外側に位置する接続部の厚さよりも薄いことが好ましい。
【００１４】
本発明の好ましい一態様は、径方向外側に張り出した上記つばの長さと径方向内側に張り出した上記つばの長さとが異なることを特徴としている。この場合において、上記径方向外側に張り出したつばの長さが上記径方向内側に張り出したつばの長さよりも長いことが好ましい。
【００１５】
一般に、曲率の小さい円筒の方が曲率の大きい円筒よりも剛性が大きいため、径方向内側に位置する接続部がつばの基部に加える上下方向の力は、径方向外側に位置する接続部がつばの基部に加える力よりも大きくなる。従って、上述のような構成により、径方向内側のつばの基部と径方向外側のつばの基部とに加わる力を同じレベルに調整することが可能となり、あるいは、径方向外側のつばのシール性を高めることができ、基部に挟まれた領域において均一な研磨レートを実現することができる。
【００１６】
本発明の第２の態様は、上述した基板保持装置と、研磨面を有する研磨テーブルとを備えたことを特徴とするポリッシング装置である。
【００１７】
なお、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、内部に収容空間を有するトップリング本体と、該トップリング本体の収容空間内で上下動可能な上下動部材とを備え、上記上下動部材の下面には、弾性膜を備えた当接部材を取付け、上記当接部材の弾性膜は、外方に張り出したつばを有すると共に上記基板に直接的又は間接的に当接する当接部と、上記当接部のつばの基部から上方に延びて上記上下動部材に接続される接続部とを備え、上記接続部は上記当接部よりも伸縮性に富んだ材質で形成されている構成としてもよい。
【００１８】
このような構成により、基板に加える圧力を独立に制御して、膜厚の厚い部分の研磨面への押圧力を膜厚の薄い部分の研磨面への押圧力より大きくすることが可能となるので、その部分の研磨レートを選択的に高めることができる。これにより、成膜時の膜厚分布に依存せずに基板の全面に亘って過不足のない研磨が可能となる。更に、上下動部材を下方に押し付けて研磨を行う場合においても、接続部が弾性変形しやすいので、当接部に密着させた基板に過剰な下向きの力が加わることがなく、つばの基部に挟まれた領域において均一な研磨レートを実現することができる。また、上下動部材を上方に持ち上げて研磨を行う場合においても、接続部が延びやすく当接部に過剰な上向きの力が加わることがないので、つばの基部の近傍に真空が形成されることがなく、基部に挟まれた領域において均一な研磨レートを実現することができる。
【００１９】
また、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、内部に収容空間を有するトップリング本体と、該トップリング本体の収容空間内で上下動可能な上下動部材とを備え、上記上下動部材の下面には、弾性膜を備えた当接部材を取付け、上記当接部材の弾性膜は、外方に張り出したつばを有すると共に上記基板に直接的又は間接的に当接する当接部と、上記当接部のつばの基部から上方に延びて上記上下動部材に接続される接続部とを備え、上記接続部は上記当接部よりも厚さの薄い薄肉部を有する構成としてもよい。
【００２０】
このような構成により、成膜時の膜厚分布に依存せずに基板の全面に亘って過不足のない研磨が可能となると共に、上下動部材を下方に押し付けて研磨を行う場合においても、薄肉部において接続部が変形しやすくなるので、当接部に密着させた基板に過剰な下向きの力が加わることがなく、つばの基部に挟まれた領域において均一な研磨レートを実現することができる。また、上下動部材を上方に持ち上げて研磨を行う場合においても、薄肉部が延びやすく当接部に過剰な上向きの力が加わることがないので、つばの基部の近傍に真空が形成されることがなく、基部に挟まれた領域において均一な研磨レートを実現することができる。特に、薄肉部を断面形状が内方にくびれるように形成すれば、これらの効果がより効果的に発揮される。
【００２１】
さらに、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、内部に収容空間を有するトップリング本体と、該トップリング本体の収容空間内で上下動可能な上下動部材とを備え、上記上下動部材の下面には、弾性膜を備えた当接部材を取付け、上記当接部材の弾性膜は、外方に張り出したつばを有すると共に上記基板に直接的又は間接的に当接する当接部と、上記当接部のつばの基部から上方に延びて上記上下動部材に接続される接続部とを備え、上記当接部のつばの基部の下面の密着性を弱めた構成としてもよい。
【００２２】
このような構成により、成膜時の膜厚分布に依存せずに基板の全面に亘って過不足のない研磨が可能となると共に、上下動部材を上方に持ち上げて研磨を行う場合に、つばの基部が基板に密着しにくくなるので、つばの基部の近傍に真空が形成されにくくなる。従って、基部に挟まれた領域において均一な研磨レートを実現することができる。
【００２３】
この場合において、上記当接部のつばの基部の下面に上記基板に対しての密着性の低い中間部材を介在させて上記つばの基部の下面の密着性を弱めることができる。あるいは、つばの基部の下面に例えば溝を形成することによって、又は粗面にすることによって、つばの基部と基板との密着性を弱めることもできる。
【００２４】
さらに、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、内部に収容空間を有するトップリング本体と、該トップリング本体の収容空間内で上下動可能な上下動部材とを備え、上記上下動部材の下面には、弾性膜を備えた当接部材を取付け、上記当接部材の弾性膜は、外方に張り出したつばを有すると共に上記基板に直接的又は間接的に当接する当接部と、上記当接部のつばの基部から上方に延びて上記上下動部材に接続される接続部とを備え、上記当接部のつばの基部に該弾性膜よりも硬い材質で形成された硬質部材を埋設した構成としてもよい。この場合において、上記硬質部材が環状であることが好ましい。
【００２５】
このような構成により、成膜時の膜厚分布に依存せずに基板の全面に亘って過不足のない研磨が可能となると共に、上下動部材を下方に押し付けて研磨を行う場合においても、接続部による下向きの力が硬質部材により分散されるので、当接部に密着させた基板に過剰な下向きの力が加わることがなく、つばの基部に挟まれた領域において均一な研磨レートを実現することができる。また、上下動部材を上方に持ち上げて研磨を行う場合においても、硬質部材がつばの基部の近傍の変形を抑制するので、つばの基部の近傍に真空が形成されることがなく、基部に挟まれた領域において均一な研磨レートを実現することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る基板保持装置の第１の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係る基板保持装置を備えたポリッシング装置の全体構成を示す断面図である。ここで、基板保持装置は、ポリッシング対象物である半導体ウェハ等の基板を保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧する装置である。図１に示すように、本発明に係る基板保持装置を構成するトップリング１の下方には、上面に研磨パッド１０１を貼付した研磨テーブル１００が設置されている。また、研磨テーブル１００の上方には研磨液供給ノズル１０２が設置されており、この研磨液供給ノズル１０２によって研磨テーブル１００上の研磨パッド１０１上に研磨液Ｑが供給されるようになっている。
【００２７】
なお、市場で入手できる研磨パッドとしては種々のものがあり、例えば、ロデール社製のＳＵＢＡ８００、ＩＣ−１０００、ＩＣ−１０００／ＳＵＢＡ４００（二層クロス）、フジミインコーポレイテッド社製のＳｕｒｆｉｎ ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ ０００等がある。ＳＵＢＡ８００、Ｓｕｒｆｉｎ ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ ０００は繊維をウレタン樹脂で固めた不織布であり、ＩＣ−１０００は硬質の発泡ポリウレタン（単層）である。発泡ポリウレタンは、ポーラス（多孔質状）になっており、その表面に多数の微細なへこみ又は孔を有している。
【００２８】
トップリング１は、自在継手部１０を介してトップリング駆動軸１１に接続されており、トップリング駆動軸１１はトップリングヘッド１１０に固定されたトップリング用エアシリンダ１１１に連結されている。このトップリング用エアシリンダ１１１によってトップリング駆動軸１１は上下動し、トップリング１の全体を昇降させると共にトップリング本体２の下端に固定されたリテーナリング３を研磨テーブル１００に押圧するようになっている。トップリング用エアシリンダ１１１はレギュレータＲ１を介して圧縮空気源１２０に接続されており、レギュレータＲ１によってトップリング用エアシリンダ１１１に供給される加圧空気の空気圧等を調整することができる。これにより、リテーナリング３が研磨パッド１０１を押圧する押圧力を調整することができる。
【００２９】
また、トップリング駆動軸１１はキー（図示せず）を介して回転筒１１２に連結されている。この回転筒１１２はその外周部にタイミングプーリ１１３を備えている。トップリングヘッド１１０にはトップリング用モータ１１４が固定されており、上記タイミングプーリ１１３は、タイミングベルト１１５を介してトップリング用モータ１１４に設けられたタイミングプーリ１１６に接続されている。従って、トップリング用モータ１１４を回転駆動することによってタイミングプーリ１１６、タイミングベルト１１５、及びタイミングプーリ１１３を介して回転筒１１２及びトップリング駆動軸１１が一体に回転し、トップリング１が回転する。なお、トップリングヘッド１１０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１１７によって支持されている。
【００３０】
以下、本発明に係る基板保持装置を構成するトップリング１についてより詳細に説明する。図２は本実施形態におけるトップリング１を示す縦断面図、図３は図２に示すトップリング１の底面図である。図２に示すように、基板保持装置を構成するトップリング１は、内部に収容空間を有する円筒容器状のトップリング本体２と、トップリング本体２の下端に固定されたリテーナリング３とを備えている。トップリング本体２は金属やセラミックス等の強度及び剛性が高い材料から形成されている。また、リテーナリング３は、剛性の高い樹脂材又はセラミックス等から形成されている。
【００３１】
トップリング本体２は、円筒容器状のハウジング部２ａと、ハウジング部２ａの円筒部の内側に嵌合される環状の加圧シート支持部２ｂと、ハウジング部２ａの上面の外周縁部に嵌合された環状のシール部２ｃとを備えている。トップリング本体２のハウジング部２ａの下端にはリテーナリング３が固定されている。このリテーナリング３の下部は内方に突出している。なお、リテーナリング３をトップリング本体２と一体的に形成することとしてもよい。
【００３２】
トップリング本体２のハウジング部２ａの中央部の上方には、上述したトップリング駆動軸１１が配設されており、トップリング本体２とトップリング駆動軸１１とは自在継手部１０により連結されている。この自在継手部１０は、トップリング本体２及びトップリング駆動軸１１とを互いに傾動可能とする球面軸受機構と、トップリング駆動軸１１の回転をトップリング本体２に伝達する回転伝達機構とを備えており、トップリング駆動軸１１からトップリング本体２に対して互いの傾動を許容しつつ押圧力及び回転力を伝達する。
【００３３】
球面軸受機構は、トップリング駆動軸１１の下面の中央に形成された球面状凹部１１ａと、ハウジング部２ａの上面の中央に形成された球面状凹部２ｄと、両凹部１１ａ，２ｄ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１２とから構成されている。一方、回転伝達機構は、トップリング駆動軸１１に固定された駆動ピン（図示せず）とハウジング部２ａに固定された被駆動ピン（図示せず）とから構成される。トップリング本体２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、これらは互いの接触点をずらして係合し、回転伝達機構がトップリング駆動軸１１の回転トルクをトップリング本体２に確実に伝達する。
【００３４】
トップリング本体２及びトップリング本体２に一体に固定されたリテーナリング３の内部に画成された空間内には、トップリング１によって保持される半導体ウェハＷの外周部に当接するシールリング４と、環状のホルダーリング５と、トップリング本体２内部の収容空間内で上下動可能な概略円盤状のチャッキングプレート６（上下動部材）とが収容されている。シールリング４は、その外周部がホルダーリング５とホルダーリング５の下端に固定されたチャッキングプレート６との間に挟み込まれており、チャッキングプレート６の外縁近傍の下面を覆っている。このシールリング４の下端面は、ポリッシング対象物である半導体ウェハＷの上面に接する。なお、半導体ウェハＷの外縁にはノッチやオリエンテーションフラットと呼ばれる、半導体ウェハの向きを認識（特定）するための切り欠きが設けられているが、このようなノッチやオリエンテーションフラットよりもチャッキングプレート６の内周側にまでシールリング４が延出していることが好ましい。
【００３５】
なお、チャッキングプレート６は金属材料から形成されていてもよいが、研磨すべき半導体ウェハがトップリングに保持された状態で、渦電流を用いた膜厚測定方法でその表面に形成された薄膜の膜厚を測定する場合などにおいては、磁性を持たない材料、例えば、フッ素系樹脂、エポキシ系樹脂やセラミックスなどの絶縁性の材料から形成されていることが好ましい。
【００３６】
ホルダーリング５とトップリング本体２との間には弾性膜からなる加圧シート７が張設されている。この加圧シート７は、一端をトップリング本体２のハウジング部２ａと加圧シート支持部２ｂとの間に挟み込み、他端をホルダーリング５の上端部５ａとストッパ部５ｂとの間に挟み込んで固定されている。トップリング本体２、チャッキングプレート６、ホルダーリング５、及び加圧シート７によってトップリング本体２の内部に圧力室２１が形成されている。図２に示すように、圧力室２１にはチューブ、コネクタ等からなる流体路３１が連通されており、圧力室２１は流体路３１上に配置されたレギュレータＲ２を介して圧縮空気源１２０に接続されている。なお、加圧シート７は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴムなど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。
【００３７】
なお、加圧シート７がゴムなどの弾性体である場合に、加圧シート７をリテーナリング３とトップリング本体２との間に挟み込んで固定した場合には、弾性体としての加圧シート７の弾性変形によってリテーナリング３の下面において好ましい平面が得られなくなってしまう。従って、これを防止するため、本実施形態では、別部材として加圧シート支持部２ｂを設けて、これをトップリング本体２のハウジング部２ａと加圧シート支持部２ｂとの間に挟み込んで固定している。なお、リテーナリング３をトップリング本体２に対して上下動可能としたり、リテーナリング３をトップリング本体２とは独立に押圧可能な構造としたりすることもでき、このような場合には、必ずしも上述した加圧シート７の固定方法が用いられるとは限らない。
【００３８】
トップリング本体２のシール部２ｃが嵌合されるハウジング部２ａの上面の外周縁付近には、環状の溝からなる洗浄液路５１が形成されている。この洗浄液路５１はシール部２ｃの貫通孔５２を介して流体路３２に連通されており、この流体路３２を介して洗浄液（純水）が供給される。また、洗浄液路５１からハウジング部２ａ、加圧シート支持部２ｂを貫通する連通孔５３が複数箇所設けられており、この連通孔５３はシールリング４の外周面とリテーナリング３との間のわずかな間隙Ｇへ連通されている。
【００３９】
チャッキングプレート６と半導体ウェハＷとの間に形成される空間の内部には、半導体ウェハＷに当接する当接部材としてのセンターバッグ８及びリングチューブ９が設けられている。本実施形態においては、図２及び図３に示すように、センターバッグ８はチャッキングプレート６の下面の中心部に配置され、リングチューブ９はこのセンターバッグ８の周囲を取り囲むようにセンターバッグ８の外側に配置されている。なお、シールリング４、センターバッグ８及びリングチューブ９は、加圧シート７と同様に、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。
【００４０】
チャッキングプレート６と半導体ウェハＷとの間に形成される空間は、上記センターバッグ８及びリングチューブ９によって複数の空間に区画されており、これによりセンターバッグ８とリングチューブ９の間には圧力室２２が、リングチューブ９の外側には圧力室２３がそれぞれ形成されている。
【００４１】
センターバッグ８は、半導体ウェハＷの上面に当接する弾性膜８１と、弾性膜８１を着脱可能に保持するセンターバッグホルダー８２とから構成されている。センターバッグホルダー８２にはネジ穴８２ａが形成されており、このネジ穴８２ａにネジ５５を螺合させることにより、センターバッグ８がチャッキングプレート６の下面の中心部に着脱可能に取付けられている。センターバッグ８の内部には、弾性膜８１とセンターバッグホルダー８２とによって中心部圧力室２４が形成されている。
【００４２】
同様に、リングチューブ９は、半導体ウェハＷの上面に当接する弾性膜９１と、弾性膜９１を着脱可能に保持するリングチューブホルダー９２とから構成されている。リングチューブホルダー９２にはネジ穴９２ａが形成されており、このネジ穴９２ａにネジ５６を螺合させることにより、リングチューブ９がチャッキングプレート６の下面に着脱可能に取付けられている。リングチューブ９の内部には、弾性膜９１とリングチューブホルダー９２とによって中間部圧力室２５が形成されている。
【００４３】
本実施形態では、センターバッグ８の弾性膜８１とセンターバッグホルダー８２により圧力室２４を、リングチューブ９の弾性膜９１とリングチューブホルダー９２により圧力室２５をそれぞれ形成しているが、圧力室２２，２３についても同様に、弾性膜とこれを固定するホルダーを用いて圧力室を形成することができる。また、適宜、弾性膜とホルダーを追加し、圧力室を増やすことができるのは言うまでもない。
【００４４】
圧力室２２，２３、中心部圧力室２４、及び中間部圧力室２５には、チューブ、コネクタ等からなる流体路３３，３４，３５，３６がそれぞれ連通されており、各圧力室２２〜２５はそれぞれの流体路３３〜３６上に配置されたレギュレータＲ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６を介して供給源としての圧縮空気源１２０に接続されている。なお、上記流体路３１〜３６は、トップリングヘッド１１０の上端部に設けられたロータリージョイント（図示せず）を介して各レギュレータＲ１〜Ｒ６に接続されている。
【００４５】
上述したチャッキングプレート６の上方の圧力室２１及び上記圧力室２２〜２５には、各圧力室に連通される流体路３１，３３，３４，３５，３６を介して加圧空気等の加圧流体を供給する、あるいは大気圧や真空にすることができるようになっている。図１に示すように、圧力室２１〜２５の流体路３１，３３，３４，３５，３６上に配置されたレギュレータＲ２〜Ｒ６によってそれぞれの圧力室に供給される加圧流体の圧力を調整することができる。これにより各圧力室２１〜２５の内部の圧力を各々独立に制御する又は大気圧や真空にすることができるようになっている。このように、レギュレータＲ２〜Ｒ６によって各圧力室２１〜２５の内部の圧力を独立に可変とすることにより、半導体ウェハＷを研磨パッド１０１に押圧する押圧力を半導体ウェハＷの部分ごとに調整することができる。なお、場合によっては、これらの圧力室２１〜２５を真空源１２１に接続することとしてもよい。
【００４６】
この場合において、各圧力室２２〜２５に供給される加圧流体や大気圧の温度をそれぞれ制御することとしてもよい。このようにすれば、半導体ウェハ等の研磨対象物の被研磨面の裏側から研磨対象物の温度を直接制御することができる。特に、各圧力室の温度を独立に制御することとすれば、ＣＭＰにおける化学的研磨の化学反応速度を制御することが可能となる。
【００４７】
チャッキングプレート６には、下方に突出する内周部吸着部６１がセンターバッグ８とリングチューブ９との間に設けられており、また、下方に突出する外周部吸着部６２がリングチューブ９の外側に設けられている。本実施形態においては、８個の吸着部６１，６２が設けられている。
【００４８】
内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２には、流体路３７，３８にそれぞれ連通する連通孔６１ａ，６２ａがそれぞれ形成されており、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２は流体路３７，３８及びバルブＶ１，Ｖ２を介して真空ポンプ等の真空源１２１に接続されている。そして、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の連通孔６１ａ，６２ａが真空源１２１に接続されると、連通孔６１ａ，６２ａの開口端に負圧が形成され、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２に半導体ウェハＷが吸着される。なお、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の下端面には薄いゴムシート等からなる弾性シート６１ｂ，６２ｂが貼着されており、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２は半導体ウェハＷを柔軟に吸着保持するようになっている。
【００４９】
ここで、シールリング４の外周面とリテーナリング３との間には、わずかな間隙Ｇがあるので、ホルダーリング５とチャッキングプレート６及びチャッキングプレート６に取付けられたシールリング４等の部材は、トップリング本体２及びリテーナリング３に対して上下方向に移動可能で、フローティングする構造となっている。ホルダーリング５のストッパ部５ｂには、その外周縁部から外方に突出する突起５ｃが複数箇所に設けられており、この突起５ｃがリテーナリング３の内方に突出している部分の上面に係合することにより、上記ホルダーリング５等の部材の下方への移動が所定の位置までに制限される。
【００５０】
次に、このように構成されたトップリング１の作用について詳細に説明する。上記構成のポリッシング装置において、半導体ウェハＷの搬送時には、トップリング１の全体を半導体ウェハの移送位置に位置させ、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の連通孔６１ａ，６２ａを流体路３７，３８を介して真空源１２１に接続する。連通孔６１ａ，６２ａの吸引作用により内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の下端面に半導体ウェハＷが真空吸着される。そして、半導体ウェハＷを吸着した状態でトップリング１を移動させ、トップリング１の全体を研磨面（研磨パッド１０１）を有する研磨テーブル１００の上方に位置させる。なお、半導体ウェハＷの外周縁はリテーナリング３によって保持され、半導体ウェハＷがトップリング１から飛び出さないようになっている。
【００５１】
研磨時には、吸着部６１，６２による半導体ウェハＷの吸着を解除し、トップリング１の下面に半導体ウェハＷを保持させると共に、トップリング駆動軸１１に連結されたトップリング用エアシリンダ１１１を作動させてトップリング１の下端に固定されたリテーナリング３を所定の押圧力で研磨テーブル１００の研磨面に押圧する。この状態で、圧力室２２，２３、中心部圧力室２４、及び中間部圧力室２５にそれぞれ所定の圧力の加圧流体を供給し、半導体ウェハＷを研磨テーブル１００の研磨面に押圧する。そして、予め研磨液供給ノズル１０２から研磨液Ｑを流すことにより、研磨パッド１０１に研磨液Ｑが保持され、半導体ウェハＷの研磨される面（下面）と研磨パッド１０１との間に研磨液Ｑが存在した状態で研磨が行われる。
【００５２】
ここで、半導体ウェハＷの圧力室２２及び２３の下方に位置する部分は、それぞれ圧力室２２，２３に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。また、半導体ウェハＷの中心部圧力室２４の下方に位置する部分は、センターバッグ８の弾性膜８１を介して、中心部圧力室２４に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。半導体ウェハＷの中間部圧力室２５の下方に位置する部分は、リングチューブ９の弾性膜９１を介して、中間部圧力室２５に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。
【００５３】
従って、半導体ウェハＷに加わる研磨圧力は、各圧力室２２〜２５に供給される加圧流体の圧力をそれぞれ制御することにより、半導体ウェハＷの部分ごとに調整することができる。即ち、レギュレータＲ３〜Ｒ６によって各圧力室２２〜２５に供給される加圧流体の圧力をそれぞれ独立に調整し、半導体ウェハＷを研磨テーブル１００上の研磨パッド１０１に押圧する押圧力を半導体ウェハＷの部分ごとに調整している。このように、半導体ウェハＷの部分ごとに研磨圧力が所望の値に調整された状態で、回転している研磨テーブル１００の上面の研磨パッド１０１に半導体ウェハＷが押圧される。同様に、レギュレータＲ１によってトップリング用エアシリンダ１１１に供給される加圧流体の圧力を調整し、リテーナリング３が研磨パッド１０１を押圧する押圧力を変更することができる。このように、研磨中に、リテーナリング３が研磨パッド１０１を押圧する押圧力と半導体ウェハＷを研磨パッド１０１に押圧する押圧力を適宜調整することにより、半導体ウェハＷの中心部（図３のＣ１）、中心部から中間部（Ｃ２）、中間部（Ｃ３）、そして周縁部（Ｃ４）、更には半導体ウェハＷの外側にあるリテーナリング３の外周部までの各部分における研磨圧力の分布を所望の分布とすることができる。
【００５４】
このように、半導体ウェハＷを同心の４つの円及び円環部分（Ｃ１〜Ｃ４）に区切り、それぞれの部分を独立した押圧力で押圧することができる。研磨レートは半導体ウェハＷの研磨面に対する押圧力に依存するが、上述したように各部分の押圧力を制御することができるので、半導体ウェハＷの４つの部分（Ｃ１〜Ｃ４）の研磨レートを独立に制御することが可能となる。従って、半導体ウェハＷの表面の研磨すべき薄膜の膜厚に半径方向の分布があっても、半導体ウェハ全面に亘って研磨の不足や過研磨をなくすことができる。即ち、半導体ウェハＷの表面の研磨すべき薄膜が、半導体ウェハＷの半径方向の位置によって膜厚が異なっている場合であっても、上記各圧力室２２〜２５のうち、半導体ウェハＷの表面の膜厚の厚い部分の上方に位置する圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも高くすることにより、あるいは、半導体ウェハＷの表面の膜厚の薄い部分の上方に位置する圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも低くすることにより、膜厚の厚い部分の研磨面への押圧力を膜厚の薄い部分の研磨面への押圧力より大きくすることが可能となり、その部分の研磨レートを選択的に高めることができる。これにより、成膜時の膜厚分布に依存せずに半導体ウェハＷの全面に亘って過不足のない研磨が可能となる。
【００５５】
半導体ウェハＷの周縁部に起こる縁だれは、リテーナリング３の押圧力を制御することにより防止することができる。また、半導体ウェハＷの周縁部において研磨すべき薄膜の膜厚に大きな変化がある場合には、リテーナリング３の押圧力を意図的に大きく、あるいは、小さくすることで、半導体ウェハＷの周縁部の研磨レートを制御することができる。なお、上記各圧力室２２〜２５に加圧流体を供給すると、チャッキングプレート６は上方向の力を受けるので、本実施形態では、圧力室２１には流体路３１を介して圧力流体を供給し、各圧力室２２〜２５からの力によりチャッキングプレート６が上方に持ち上げられるのを防止している。
【００５６】
上述のようにして、トップリング用エアシリンダ１１１によるリテーナリング３の研磨パッド１０１への押圧力と、各圧力室２２〜２５に供給する加圧空気による半導体ウェハＷの部分ごとの研磨パッド１０１への押圧力とを適宜調整して半導体ウェハＷの研磨が行われる。そして、研磨が終了した際は、半導体ウェハＷを内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の下端面に再び真空吸着する。この時、半導体ウェハＷを研磨面に対して押圧する各圧力室２２〜２５への加圧流体の供給を止め、大気圧に開放することにより、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の下端面を半導体ウェハＷに当接させる。また、圧力室２１内の圧力を大気圧に開放するか、もしくは負圧にする。これは、圧力室２１の圧力を高いままにしておくと、半導体ウェハＷの内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２に当接している部分のみが、研磨面に強く押圧されることになってしまうためである。従って、圧力室２１の圧力を速やかに下げる必要があり、図２に示すように、圧力室２１からトップリング本体２を貫くようにリリーフポート３９を設けて、圧力室２１の圧力が速やかに下がるようにしてもよい。この場合には、圧力室２１に圧力をかける際には流体路３１から常に圧力流体を供給し続ける必要がある。また、リリーフポート３９は逆止弁を備えており、圧力室２１内を負圧にする際には外気が圧力室２１に入らないようにしている。
【００５７】
上述のように半導体ウェハＷを吸着させた後、トップリング１の全体を半導体ウェハの移送位置に位置させ、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の連通孔６１ａ，６２ｂから半導体ウェハＷに流体（例えば、圧縮空気もしくは窒素と純水を混合したもの）を噴射して半導体ウェハＷをリリースする。
【００５８】
ところで、シールリング４の外周面とリテーナリング３との間のわずかな間隙Ｇには、研磨に用いられる研磨液Ｑが侵入してくるが、この研磨液Ｑが固着すると、ホルダーリング５、チャッキングプレート６、及びシールリング４などの部材のトップリング本体２及びリテーナリング３に対する円滑な上下動が妨げられる。そのため、流体路３２を介して洗浄液路５１に洗浄液（純水）を供給する。これにより、複数の連通孔５３より間隙Ｇの上方に純水が供給され、純水が間隙Ｇを洗い流して上述した研磨液Ｑの固着が防止される。この純水の供給は、研磨後の半導体ウェハがリリースされ、次に研磨される半導体ウェハが吸着されるまでの間に行われるのが好ましい。また、次の研磨までに供給された純水が全て外部に排出されるように、リテーナリング３には図２に示すような複数の貫通孔３ａを設けるのが好ましい。更に、リテーナリング３、ホルダーリング５、及び加圧シート７により形成される空間２６内に圧力がこもっていると、チャッキングプレート６の上昇を妨げることとなるので、スムーズにチャッキングプレート６を上昇させるためにも上記貫通孔３ａを設け、空間２６を大気と同圧にすることが好ましい。
【００５９】
以上説明したように、本実施形態における基板保持装置によれば、圧力室２２，２３、センターバッグ８の内部の圧力室２４、及びリングチューブ９の内部の圧力室２５の圧力を独立に制御することにより半導体ウェハに対する押圧力を制御することができる。
【００６０】
ここで、本実施形態におけるリングチューブ９についてより詳細に説明する。なお、以下では、リングチューブ９についてのみ説明するが、センターバッグ８についても同様に考えることができる。
【００６１】
図４は図２に示すリングチューブ９を示す縦断面図、図５は図４に示すリンクチューブ９の弾性膜９１を示す縦断面図である。本実施形態におけるリングチューブ９の弾性膜９１は、図４及び図５に示すように、外方に張り出したつば９１ａを有する当接部９１ｂと、上記リングチューブホルダー９２を介してチャッキングプレート６に接続される接続部９１ｃとを有している。つば９１ａの基部９１ｄから上方に向かって上記接続部９１ｃが延びている。また、当接部９１ｂの下面は半導体ウェハＷの上面に当接するようになっている。これらのつば９１ａ、当接部９１ｂ、接続部９１ｃは同一の材料で一体に形成されている。
【００６２】
上述したように、半導体ウェハを研磨する際、圧力室２２及びリングチューブ９を取り囲む圧力室２３には加圧流体が供給される。これにより、つば９１ａは、それぞれ圧力室２２，２３に供給される加圧流体によって半導体ウェハＷに密着する。このため、リングチューブ９の内部の圧力室２５に供給される加圧流体の圧力よりも、その周囲の圧力室２２又は２３に供給される加圧流体の圧力の方がかなり高い場合であっても、リングチューブ９の下方に周囲の圧力の高い加圧流体が回り込むことがない。従って、上記つば９１ａを設けることによって、各圧力室の圧力制御の幅を大きくすることができ、半導体ウェハの押圧をより安定的に行うことが可能となっている。
【００６３】
また、リングチューブ９の当接部９１ｂの中央部には開口９１ｅが形成されており、当接部９１ｂの開口９１ｅを介して、中間部圧力室２５に供給される加圧流体が半導体ウェハＷの上面に直接接触することとなる。研磨中は、中間部圧力室２５に加圧流体が供給されるため、この加圧流体によりリングチューブ９の当接部９１ｂが半導体ウェハＷの上面に押し付けられる。従って、このような開口９１ｅが形成されている場合であっても、中間部圧力室２５の内部の加圧流体が外部に漏れることはほとんどない。また、半導体ウェハＷのリリース時においては、上記開口９１ｅを介して半導体ウェハＷに加圧流体による下方向の圧力を加えることができるので、半導体ウェハＷのリリースがよりスムーズになる。
【００６４】
更に、上述したように、中間部圧力室２５に供給される加圧流体の温度を制御し、被研磨面の裏側から半導体ウェハＷの温度を制御する場合においては、このような開口９１ｅをリングチューブ９の当接部９１ｂに形成することによって、温度制御された加圧流体が半導体ウェハＷに接触する面積を増やすことができるので、半導体ウェハＷの温度制御性を向上させることができる。また、研磨終了後、半導体ウェハＷをリリースする際には、上記開口９１ｅを介して中間部圧力室２５がそれぞれ外気に開放されることとなるので、中間部圧力室２５に供給された流体などがその内部にこもることがない。従って、連続して半導体ウェハＷを研磨する場合においても温度制御の安定性を保つことができる。
【００６５】
ここで、リングチューブ９の当接部９１ｂに上述したようなつば９１ａを設けると、圧力室２１に圧力流体を供給してチャッキングプレート６を下方に押し付けて研磨を行う場合、リングチューブ９のつば９１ａの基部９１ｄの近傍において、接続部９１ｃによる下向きの力が半導体ウェハＷに過剰にかかってしまい、この部分の研磨レートが局所的に高くなってしまうことが考えられる。
【００６６】
一方、図６（ａ）乃至図６（ｃ）に示すように、半導体ウェハＷをリングチューブ９の当接部９１ｂに密着させた後、圧力室２１に、圧力室２２〜２５にかかる押圧力の合計より小さくなるように圧力を供給して、チャッキングプレート６を上方に持ち上げて研磨を行う場合、接続部９１ｃによる上向きの力が半導体ウェハＷと密着しているつば９１ａの基部９１ｄの近傍に加わり、基部９１ｄの近傍において真空９３が形成されて（図６（ｃ）参照）、この部分の研磨レートが局所的に低くなってしまうことが考えられる。
【００６７】
これらの観点から、本実施形態では、リングチューブ９の接続部９１ｃを当接部９１ｂよりも伸縮性に富んだ柔らかい材質で形成している。このようにすることで、チャッキングプレート６を下方に押し付けて研磨を行う場合においても、接続部９１ｃが弾性変形しやすいので、当接部９１ｂに密着させた半導体ウェハＷに過剰な下向きの力が加わることがなく、つば９１ａを除く当接部９１ｂの全面において均一な研磨レートを実現することができる。また、チャッキングプレート６を上方に持ち上げて研磨を行う場合においても、接続部９１ｃが延びやすく当接部９１ｂに過剰な上向きの力が加わることがないので、つば９１ａの基部９１ｄの近傍に真空が形成されることがなく、つば９１ａを除く当接部９１ｂの全面において均一な研磨レートを実現することができる。なお、接続部９１ｃの上下に延びる部分９１ｆ（図５参照）だけを伸縮性に富んだ柔らかい材質で形成してもよいし、これに加えてリングチューブホルダー９２に保持される部分９１ｇも伸縮性に富んだ柔らかい材質で形成してもよい。
【００６８】
図７は、本発明の第２の実施形態におけるリングチューブの弾性膜９１を示す縦断面図である。本実施形態の接続部９１ｃは、当接部９１ｂの厚さよりも薄い薄肉部９４を有している。この薄肉部９４は、図７に示すように内方にくびれている。このような薄肉部９４を設けることで、チャッキングプレート６を下方に押し付けて研磨を行う場合においても、薄肉部９４において接続部９１ｃが変形しやすくなるので、当接部９１ｂに密着させた半導体ウェハＷに過剰な下向きの力が加わることがなく、つば９１ａを除く当接部９１ｂの全面において均一な研磨レートを実現することができる。また、チャッキングプレート６を上方に持ち上げて研磨を行う場合においても、薄肉部９４が延びやすく当接部９１ｂに過剰な上向きの力が加わることがないので、つば９１ａの基部９１ｄの近傍に真空が形成されることがなく、つば９１ａを除く当接部９１ｂの全面において均一な研磨レートを実現することができる。特に、薄肉部９４を断面形状が内方にくびれるように形成すれば、これらの効果がより効果的に発揮される。
【００６９】
図８は、本発明の第３の実施形態におけるリングチューブの弾性膜９１を示す縦断面図である。本実施形態においては、つば９１ａの基部９１ｄの下面に半導体ウェハＷに対して密着性の低い中間部材９５を取付けている。この中間部材９５としては、ウェハＷとの密着性が低いものであればどのようなものでもよく、例えばセロハンテープなどを用いることができる。また厚さは薄い程よく、０．２ｍｍ以下のものが好ましい。このようにすることで、チャッキングプレート６を上方に持ち上げて研磨を行う場合に、つば９１ａの基部９１ｄが半導体ウェハＷに密着しにくくなるので、つば９１ａの基部９１ｄの近傍に真空が形成されにくくなる。従って、つば９１ａを除く当接部９１ｂの全面において均一な研磨レートを実現することができる。また、このような中間部材９５を取付ける代わりに、つば９１ａの基部９１ｄの下面に例えば溝を形成することによって、又は粗面にすることによって、つば９１ａの基部９１ｄと半導体ウェハＷとの密着性を弱めてもよい。
【００７０】
図９は、本発明の第４の実施形態におけるリングチューブの弾性膜９１を示す縦断面図である。本実施形態においては、つば９１ａの基部９１ｄに弾性膜９１よりも硬い材質（例えばステンレス）でできたリング状の硬質部材９６を埋設している。このようにすることで、チャッキングプレート６を下方に押し付けて研磨を行う場合においても、接続部９１ｃによる下向きの力が硬質部材９６により分散されるので、当接部９１ｂに密着させた半導体ウェハＷに過剰な下向きの力が加わることがなく、つば９１ａを除く当接部９１ｂの全面において均一な研磨レートを実現することができる。また、チャッキングプレート６を上方に持ち上げて研磨を行う場合においても、硬質部材９６がつば９１ａの基部９１ｄの近傍の変形を抑制するので、つば９１ａの基部９１ｄの近傍に真空が形成されることがなく、つば９１ａを除く当接部９１ｂの全面において均一な研磨レートを実現することができる。
【００７１】
図１０は、本発明の第５の実施形態におけるリングチューブの弾性膜９１を示す縦断面図である。本実施形態は、上述の第１の実施形態の弾性膜９１において、径方向内側、即ち半導体ウェハＷの中心側に位置する接続部９１ｈを、径方向外側に位置する接続部９１ｉよりも薄くした例である。一般に、曲率の小さい円筒の方が曲率の大きい円筒よりも剛性が大きいため、径方向内側に位置する接続部がつばの基部に加える上下方向の力は、径方向外側に位置する接続部がつばの基部に加える力よりも大きくなる。従って、本実施形態のように、径方向内側に位置する接続部９１ｈを径方向外側に位置する接続部９１ｉよりも薄くすることで、これらの接続部９１ｈ，９１ｉがつばの基部に加える上下方向の力を同じレベルに調整することが可能となり、つば９１ａを除く当接部９１ｂの全面において均一な研磨レートを実現することができる。また、第１の実施形態において、径方向内側の接続部を径方向外側の接続部よりも伸縮性に富んだ柔らかい材質で形成することでも同様の効果が期待できる。
【００７２】
図１１は、本発明の第６の実施形態におけるリングチューブの弾性膜９１を示す縦断面図である。本実施形態は、上述の第１の実施形態の弾性膜９１において、径方向外側に張り出したつば９１ｊの長さを径方向内側に張り出したつば９１ｋの長さよりも長くした例である。このようにすることで、径方向外側のつば９１ｊのシール性を高めることができ、つば９１ａを除く当接部９１ｂの全面において均一な研磨レートを実現することができる。
【００７３】
図１２（ａ）乃至図１２（ｃ）は、本発明の第７の実施形態におけるリングチューブを示す縦断面図である。図１２（ａ）に示すように、本実施形態におけるリングチューブの弾性膜１９１は、外方に張り出したつば１９１ａを有する当接部１９１ｂと、つば１９１ａとの間に溝１９２を形成しつつ、つば１９１ａの基部１９１ｃから外方に延びる延出部１９１ｄと、リングチューブホルダー９２を介してチャッキングプレート６に接続される接続部１９１ｅとを有している。延出部１９１ｄは、つば１９１ａの基部１９１ｃから外方に向かってつば１９１ａの先端よりも内方の位置まで延びており、この延出部１９１ｄの外方端部から上方に向かって上記接続部１９１ｅが延びている。これらのつば１９１ａ、当接部１９１ｂ、接続部１９１ｅ、延出部１９１ｄは同一の材料で一体に形成されている。また、当接部１９１ｂの中央部には開口１９１ｆが形成されている。
【００７４】
このような構成とすることで、半導体ウェハＷをリングチューブの当接部１９１ｂに密着させた（図１２（ｂ）参照）後、チャッキングプレート６を上方に持ち上げて研磨を行う場合には、接続部１９１ｅによる上向きの力が延出部１９１ｄによって横方向あるいは斜め方向の力に変換されてつば１９１ａの基部１９１ｃに加えられることとなる（図１２（ｃ）参照）。従って、つば１９１ａの基部１９１ｃに加わる上向きの力を極めて小さくすることができ、当接部１９１ｂには過剰な上向きの力が加わることがない。このため、基部１９１ｃの近傍に真空が形成されることがなく、つば９１ａを除く当接部１９１ｂの全面において均一な研磨レートを実現することができる。この場合において、上述した第５及び第６の実施形態のように、接続部１９１ｅの厚さやつば１９１ａの長さを径方向内側と外側とで変えてもよく、また延出部１９１ｄの長さも径方向内側と外側で変えることもできる。更に、研磨される半導体ウェハ上の膜種や研磨パッドの種類により、つば１９１ａの厚みを変えてもよい。半導体ウェハに伝えられる抵抗、研磨トルクが大きい場合は、つば１９１ａのねじれを防ぐため、厚くするのが好ましい。
【００７５】
上述の実施形態では、流体路３１，３３，３４，３５，３６をそれぞれ別個に設けたが、これらの流体路を統合したり、各圧力室同士を連通させたりするなど、半導体ウェハＷに加えるべき押圧力の大きさや加える位置により自由に改変することが可能である。また、上述した実施形態においては、センターバッグ８及びリングチューブ９が直接半導体ウェハＷに接触する例を説明したが、これに限られるものではなく、例えば、センターバッグ８及びリングチューブ９と半導体ウェハＷとの間に弾性パッドを介在させ、センターバッグ８及びリングチューブ９が間接的に半導体ウェハＷに接触することとしてもよい。また、上述した各実施形態を適宜組み合わせることも可能である。
【００７６】
また、上述した実施形態においては、研磨パッドにより研磨面が形成されることとしたが、これに限られるものではない。例えば、固定砥粒により研磨面を形成してもよい。固定砥粒は、砥粒をバインダ中に固定し板状に形成されたものである。固定砥粒を用いた研磨においては、固定砥粒から自生した砥粒により研磨が進行する。固定砥粒は砥粒とバインダと気孔により構成されており、例えば砥粒には平均粒径０．５μｍ以下の酸化セリウム（ＣｅＯ２）、バインダにはエポキシ樹脂を用いる。このような固定砥粒は硬質の研磨面を構成する。また、固定砥粒には、上述した板状のものの他に、薄い固定砥粒層の下に弾性を有する研磨パッドを貼付して二層構造とした固定砥粒パッドも含まれる。その他の硬質の研磨面としては、上述したＩＣ−１０００がある。
【００７７】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【００７８】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、基板に加える圧力を独立に制御して、膜厚の厚い部分の研磨面への押圧力を膜厚の薄い部分の研磨面への押圧力より大きくすることが可能となるので、その部分の研磨レートを選択的に高めることができる。これにより、成膜時の膜厚分布に依存せずに基板の全面に亘って過不足のない研磨が可能となる。更に、上下動部材を下方に押し付けて研磨を行う場合においても、当接部に密着させた基板に過剰な下向きの力が加わることがなく、基部に挟まれた領域において均一な研磨レートを実現することができる。また、上下動部材を上方に持ち上げて研磨を行う場合においても、当接部に過剰な上向きの力が加わることがないので、つばの基部の近傍に真空が形成されることがなく、基部に挟まれた領域において均一な研磨レートを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるポリッシング装置の全体構成を示す断面図である。
【図２】図１のポリッシング装置における基板保持装置を示す縦断面図である。
【図３】図２に示す基板保持装置の底面図である。
【図４】図２の基板保持装置におけるリングチューブを示す縦断面図である。
【図５】図４に示すリングチューブの弾性膜を示す縦断面図である。
【図６】リングチューブの弾性膜の変形状態を示す縦断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態におけるリングチューブの弾性膜を示す縦断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態におけるリングチューブの弾性膜を示す縦断面図である。
【図９】本発明の第４の実施形態におけるリングチューブの弾性膜を示す縦断面図である。
【図１０】本発明の第５の実施形態におけるリングチューブの弾性膜を示す縦断面図である。
【図１１】本発明の第６の実施形態におけるリングチューブの弾性膜を示す縦断面図である。
【図１２】本発明の第７の実施形態におけるリングチューブを示す縦断面図である。
【符号の説明】
１ トップリング
２ トップリング本体
２ａ ハウジング部
２ｂ 加圧シート支持部
２ｃ シール部
２ｄ 球面状凹部
３ リテーナリング
４ シールリング
５ ホルダーリング
５ａ 上端部
５ｂ ストッパ部
５ｃ 突起
６ チャッキングプレート（上下動部材）
７ 加圧シート
８ センターバッグ（当接部材）
９ リングチューブ（当接部材）
１０ 自在継手部
１１ トップリング駆動軸
１１ａ 球面状凹部
１２ ベアリングボール
２１，２２，２３ 圧力室
２４ 中心部圧力室
２５ 中間部圧力室
２６ 空間
３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８ 流体路
３９ リリーフポート
５１ 洗浄液路
５２ 貫通孔
５３ 連通孔
５５，５６ ネジ
６１ 内周部吸着部
６１ａ，６２ａ 連通孔
６１ｂ，６２ｂ 弾性シート
６２ 外周部吸着部
８１，９１ 弾性膜
８２ センターバッグホルダー
８２ａ，９２ａ ネジ穴
９１ａ，９１ｊ，９１ｋ，１９１ａ つば
９１ｂ，１９１ｂ 当接部
９１ｃ，９１ｈ，９１ｉ，１９１ｅ 接続部
９１ｄ，１９１ｃ 基部
９１ｅ，１９１ｆ 開口
９２ リングチューブホルダー
９４ 薄肉部
９５ 中間部材
９６ 硬質部材
１０１ 研磨パッド
１００ 研磨テーブル
１０２ 研磨液供給ノズル
１１０ トップリングヘッド
１１１ トップリング用エアシリンダ
１１２ 回転筒
１１３，１１６ タイミングプーリ
１１４ トップリング用モータ
１１５ タイミングベルト
１１７ トップリングヘッドシャフト
１２０ 圧縮空気源（供給源）
１２１ 真空源
１９１ 弾性膜
１９１ｄ 延出部
１９２ 溝
Ｇ 間隙
Ｑ 研磨液
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６ レギュレータ
Ｖ１，Ｖ２ バルブ
Ｗ 半導体ウェハ
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置、特に、半導体ウェハ等の基板を研磨して平坦化するポリッシング装置において該基板を保持する基板保持装置に関するものである。また、本発明は、かかる基板保持装置を備えたポリッシング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスがますます微細化され素子構造が複雑になり、またロジック系の多層配線の層数が増えるに伴い、半導体デバイスの表面の凹凸はますます増え、段差が大きくなる傾向にある。半導体デバイスの製造では薄膜を形成し、パターンニングや開孔を行う微細加工の後、次の薄膜を形成するという工程を何回も繰り返すためである。
【０００３】
半導体デバイスの表面の凹凸が増えると、薄膜形成時に段差部での膜厚が薄くなったり、配線の断線によるオープンや配線層間の絶縁不良によるショートが起こったりするため、良品が取れなかったり、歩留まりが低下したりする傾向がある。また、初期的に正常動作をするものであっても、長時間の使用に対しては信頼性の問題が生じる。更に、リソグラフィ工程における露光時に、照射表面に凹凸があると露光系のレンズ焦点が部分的に合わなくなるため、半導体デバイスの表面の凹凸が増えると微細パターンの形成そのものが難しくなるという問題が生ずる。
【０００４】
従って、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技術がますます重要になっている。この平坦化技術のうち、最も重要な技術は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing））である。この化学的機械的研磨は、ポリッシング装置を用いて、シリカ（ＳｉＯ２）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッド等の研磨面上に供給しつつ半導体ウェハなどの基板を研磨面に摺接させて研磨を行うものである。
【０００５】
この種のポリッシング装置は、研磨パッドからなる研磨面を有する研磨テーブルと、半導体ウェハを保持するためのトップリング又はキャリアヘッド等と称される基板保持装置とを備えている。このようなポリッシング装置を用いて半導体ウェハの研磨を行う場合には、基板保持装置により半導体ウェハを保持しつつ、この半導体ウェハを研磨テーブル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半導体ウェハが研磨面に摺接し、半導体ウェハの表面が平坦かつ鏡面に研磨される。
【０００６】
このようなポリッシング装置において、研磨中の半導体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半導体ウェハの全面に亘って均一でない場合には、半導体ウェハの各部分に印加される押圧力に応じて研磨不足や過研磨が生じてしまう。そのため、基板保持装置の半導体ウェハの保持面をゴム等の弾性材からなる弾性膜で形成し、弾性膜の裏面に空気圧等の流体圧を加え、半導体ウェハに印加する押圧力を全面に亘って均一化することも行われている。
【０００７】
また、上記研磨パッドは弾性を有するため、研磨中の半導体ウェハの外周縁部に加わる押圧力が不均一になり、半導体ウェハの外周縁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、半導体ウェハの外周縁をガイドリング又はリテーナリングによって保持すると共に、ガイドリング又はリテーナリングによって半導体ウェハの外周縁側に位置する研磨面を押圧する構造を備えた基板保持装置も用いられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体ウェハの表面に形成される薄膜は、成膜の際の方法や装置の特性により、半導体ウェハの半径方向の位置によって膜厚が異なる。即ち、半径方向に膜厚分布を持っている。このため、上述したような従来の半導体ウェハの全面を均一に押圧し研磨する基板保持装置では、半導体ウェハの全面に亘って均一に研磨されるため、上述した半導体ウェハの表面上の膜厚分布と同じ研磨量分布を得ることができない。従って、従来のポリッシング装置では、上記半径方向の膜厚分布には十分に対応することができず、これが原因で研磨不足や過研磨が生じていた。
【０００９】
また、成膜の方法や成膜装置の種類により、上述した半導体ウェハの表面上の膜厚分布も異なる。即ち、膜厚の厚い部分の半径方向の位置やその数、及び膜厚の薄い部分と厚い部分との膜厚の差は、成膜の方法や成膜装置の種類により異なっている。従って、ある特定の膜厚分布にのみ対応した基板保持装置ではなく、様々な膜厚分布に容易かつ低コストで対応することができる基板保持装置が要望されている。
【００１０】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、半導体ウェハ等の研磨対象物の表面に形成された薄膜の膜厚分布に対応して研磨を行うことができ、研磨後の膜厚の均一性を得ることができる基板保持装置及びポリッシング装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような従来技術における問題点を解決するために、本発明の第１の態様は、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、内部に収容空間を有するトップリング本体と、該トップリング本体の収容空間内で上下動可能な上下動部材とを備え、上記上下動部材の下面には、弾性膜を備えた当接部材を取付け、上記当接部材の弾性膜は、外方に張り出したつばを有すると共に上記基板に直接的又は間接的に当接する当接部と、上記当接部のつばとの間に溝を形成しつつ該つばの基部から外方に向かって該つばの先端より内方の位置まで延びる延出部と、上記延出部の外方端部から上方に延びて上記上下動部材に接続される接続部とを備えたことを特徴とする基板保持装置である。
【００１２】
このような構成により、成膜時の膜厚分布に依存せずに基板の全面に亘って過不足のない研磨が可能となる。また、基板を当接部に密着させた後、上下動部材を上方に持ち上げて研磨を行う場合には、接続部による上向きの力が延出部によって横方向あるいは斜め方向の力に変換されてつばの基部に加えられることとなる。従って、つばの基部に加わる上向きの力を極めて小さくすることができ、当接部には過剰な上向きの力が加わることがない。このため、基部の近傍に真空が形成されることがなく、基部に挟まれた領域において均一な研磨レートを実現することができる。
【００１３】
本発明の好ましい一態様は、径方向内側に位置する上記接続部の厚さと径方向外側に位置する上記接続部の厚さとが異なることを特徴としている。この場合において、上記径方向内側に位置する接続部の厚さが上記径方向外側に位置する接続部の厚さよりも薄いことが好ましい。
【００１４】
本発明の好ましい一態様は、径方向外側に張り出した上記つばの長さと径方向内側に張り出した上記つばの長さとが異なることを特徴としている。この場合において、上記径方向外側に張り出したつばの長さが上記径方向内側に張り出したつばの長さよりも長いことが好ましい。
【００１５】
一般に、曲率の小さい円筒の方が曲率の大きい円筒よりも剛性が大きいため、径方向内側に位置する接続部がつばの基部に加える上下方向の力は、径方向外側に位置する接続部がつばの基部に加える力よりも大きくなる。従って、上述のような構成により、径方向内側のつばの基部と径方向外側のつばの基部とに加わる力を同じレベルに調整することが可能となり、あるいは、径方向外側のつばのシール性を高めることができ、基部に挟まれた領域において均一な研磨レートを実現することができる。
【００１６】
本発明の第２の態様は、上述した基板保持装置と、研磨面を有する研磨テーブルとを備えたことを特徴とするポリッシング装置である。
【００１７】
なお、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、内部に収容空間を有するトップリング本体と、該トップリング本体の収容空間内で上下動可能な上下動部材とを備え、上記上下動部材の下面には、弾性膜を備えた当接部材を取付け、上記当接部材の弾性膜は、外方に張り出したつばを有すると共に上記基板に直接的又は間接的に当接する当接部と、上記当接部のつばの基部から上方に延びて上記上下動部材に接続される接続部とを備え、上記接続部は上記当接部よりも伸縮性に富んだ材質で形成されている構成としてもよい。
【００１８】
このような構成により、基板に加える圧力を独立に制御して、膜厚の厚い部分の研磨面への押圧力を膜厚の薄い部分の研磨面への押圧力より大きくすることが可能となるので、その部分の研磨レートを選択的に高めることができる。これにより、成膜時の膜厚分布に依存せずに基板の全面に亘って過不足のない研磨が可能となる。更に、上下動部材を下方に押し付けて研磨を行う場合においても、接続部が弾性変形しやすいので、当接部に密着させた基板に過剰な下向きの力が加わることがなく、つばの基部に挟まれた領域において均一な研磨レートを実現することができる。また、上下動部材を上方に持ち上げて研磨を行う場合においても、接続部が延びやすく当接部に過剰な上向きの力が加わることがないので、つばの基部の近傍に真空が形成されることがなく、基部に挟まれた領域において均一な研磨レートを実現することができる。
【００１９】
また、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、内部に収容空間を有するトップリング本体と、該トップリング本体の収容空間内で上下動可能な上下動部材とを備え、上記上下動部材の下面には、弾性膜を備えた当接部材を取付け、上記当接部材の弾性膜は、外方に張り出したつばを有すると共に上記基板に直接的又は間接的に当接する当接部と、上記当接部のつばの基部から上方に延びて上記上下動部材に接続される接続部とを備え、上記接続部は上記当接部よりも厚さの薄い薄肉部を有する構成としてもよい。
【００２０】
このような構成により、成膜時の膜厚分布に依存せずに基板の全面に亘って過不足のない研磨が可能となると共に、上下動部材を下方に押し付けて研磨を行う場合においても、薄肉部において接続部が変形しやすくなるので、当接部に密着させた基板に過剰な下向きの力が加わることがなく、つばの基部に挟まれた領域において均一な研磨レートを実現することができる。また、上下動部材を上方に持ち上げて研磨を行う場合においても、薄肉部が延びやすく当接部に過剰な上向きの力が加わることがないので、つばの基部の近傍に真空が形成されることがなく、基部に挟まれた領域において均一な研磨レートを実現することができる。特に、薄肉部を断面形状が内方にくびれるように形成すれば、これらの効果がより効果的に発揮される。
【００２１】
さらに、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、内部に収容空間を有するトップリング本体と、該トップリング本体の収容空間内で上下動可能な上下動部材とを備え、上記上下動部材の下面には、弾性膜を備えた当接部材を取付け、上記当接部材の弾性膜は、外方に張り出したつばを有すると共に上記基板に直接的又は間接的に当接する当接部と、上記当接部のつばの基部から上方に延びて上記上下動部材に接続される接続部とを備え、上記当接部のつばの基部の下面の密着性を弱めた構成としてもよい。
【００２２】
このような構成により、成膜時の膜厚分布に依存せずに基板の全面に亘って過不足のない研磨が可能となると共に、上下動部材を上方に持ち上げて研磨を行う場合に、つばの基部が基板に密着しにくくなるので、つばの基部の近傍に真空が形成されにくくなる。従って、基部に挟まれた領域において均一な研磨レートを実現することができる。
【００２３】
この場合において、上記当接部のつばの基部の下面に上記基板に対しての密着性の低い中間部材を介在させて上記つばの基部の下面の密着性を弱めることができる。あるいは、つばの基部の下面に例えば溝を形成することによって、又は粗面にすることによって、つばの基部と基板との密着性を弱めることもできる。
【００２４】
さらに、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、内部に収容空間を有するトップリング本体と、該トップリング本体の収容空間内で上下動可能な上下動部材とを備え、上記上下動部材の下面には、弾性膜を備えた当接部材を取付け、上記当接部材の弾性膜は、外方に張り出したつばを有すると共に上記基板に直接的又は間接的に当接する当接部と、上記当接部のつばの基部から上方に延びて上記上下動部材に接続される接続部とを備え、上記当接部のつばの基部に該弾性膜よりも硬い材質で形成された硬質部材を埋設した構成としてもよい。この場合において、上記硬質部材が環状であることが好ましい。
【００２５】
このような構成により、成膜時の膜厚分布に依存せずに基板の全面に亘って過不足のない研磨が可能となると共に、上下動部材を下方に押し付けて研磨を行う場合においても、接続部による下向きの力が硬質部材により分散されるので、当接部に密着させた基板に過剰な下向きの力が加わることがなく、つばの基部に挟まれた領域において均一な研磨レートを実現することができる。また、上下動部材を上方に持ち上げて研磨を行う場合においても、硬質部材がつばの基部の近傍の変形を抑制するので、つばの基部の近傍に真空が形成されることがなく、基部に挟まれた領域において均一な研磨レートを実現することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る基板保持装置の第１の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係る基板保持装置を備えたポリッシング装置の全体構成を示す断面図である。ここで、基板保持装置は、ポリッシング対象物である半導体ウェハ等の基板を保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧する装置である。図１に示すように、本発明に係る基板保持装置を構成するトップリング１の下方には、上面に研磨パッド１０１を貼付した研磨テーブル１００が設置されている。また、研磨テーブル１００の上方には研磨液供給ノズル１０２が設置されており、この研磨液供給ノズル１０２によって研磨テーブル１００上の研磨パッド１０１上に研磨液Ｑが供給されるようになっている。
【００２７】
なお、市場で入手できる研磨パッドとしては種々のものがあり、例えば、ロデール社製のＳＵＢＡ８００、ＩＣ−１０００、ＩＣ−１０００／ＳＵＢＡ４００（二層クロス）、フジミインコーポレイテッド社製のＳｕｒｆｉｎ ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ ０００等がある。ＳＵＢＡ８００、Ｓｕｒｆｉｎ ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ ０００は繊維をウレタン樹脂で固めた不織布であり、ＩＣ−１０００は硬質の発泡ポリウレタン（単層）である。発泡ポリウレタンは、ポーラス（多孔質状）になっており、その表面に多数の微細なへこみ又は孔を有している。
【００２８】
トップリング１は、自在継手部１０を介してトップリング駆動軸１１に接続されており、トップリング駆動軸１１はトップリングヘッド１１０に固定されたトップリング用エアシリンダ１１１に連結されている。このトップリング用エアシリンダ１１１によってトップリング駆動軸１１は上下動し、トップリング１の全体を昇降させると共にトップリング本体２の下端に固定されたリテーナリング３を研磨テーブル１００に押圧するようになっている。トップリング用エアシリンダ１１１はレギュレータＲ１を介して圧縮空気源１２０に接続されており、レギュレータＲ１によってトップリング用エアシリンダ１１１に供給される加圧空気の空気圧等を調整することができる。これにより、リテーナリング３が研磨パッド１０１を押圧する押圧力を調整することができる。
【００２９】
また、トップリング駆動軸１１はキー（図示せず）を介して回転筒１１２に連結されている。この回転筒１１２はその外周部にタイミングプーリ１１３を備えている。トップリングヘッド１１０にはトップリング用モータ１１４が固定されており、上記タイミングプーリ１１３は、タイミングベルト１１５を介してトップリング用モータ１１４に設けられたタイミングプーリ１１６に接続されている。従って、トップリング用モータ１１４を回転駆動することによってタイミングプーリ１１６、タイミングベルト１１５、及びタイミングプーリ１１３を介して回転筒１１２及びトップリング駆動軸１１が一体に回転し、トップリング１が回転する。なお、トップリングヘッド１１０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１１７によって支持されている。
【００３０】
以下、本発明に係る基板保持装置を構成するトップリング１についてより詳細に説明する。図２は本実施形態におけるトップリング１を示す縦断面図、図３は図２に示すトップリング１の底面図である。図２に示すように、基板保持装置を構成するトップリング１は、内部に収容空間を有する円筒容器状のトップリング本体２と、トップリング本体２の下端に固定されたリテーナリング３とを備えている。トップリング本体２は金属やセラミックス等の強度及び剛性が高い材料から形成されている。また、リテーナリング３は、剛性の高い樹脂材又はセラミックス等から形成されている。
【００３１】
トップリング本体２は、円筒容器状のハウジング部２ａと、ハウジング部２ａの円筒部の内側に嵌合される環状の加圧シート支持部２ｂと、ハウジング部２ａの上面の外周縁部に嵌合された環状のシール部２ｃとを備えている。トップリング本体２のハウジング部２ａの下端にはリテーナリング３が固定されている。このリテーナリング３の下部は内方に突出している。なお、リテーナリング３をトップリング本体２と一体的に形成することとしてもよい。
【００３２】
トップリング本体２のハウジング部２ａの中央部の上方には、上述したトップリング駆動軸１１が配設されており、トップリング本体２とトップリング駆動軸１１とは自在継手部１０により連結されている。この自在継手部１０は、トップリング本体２及びトップリング駆動軸１１とを互いに傾動可能とする球面軸受機構と、トップリング駆動軸１１の回転をトップリング本体２に伝達する回転伝達機構とを備えており、トップリング駆動軸１１からトップリング本体２に対して互いの傾動を許容しつつ押圧力及び回転力を伝達する。
【００３３】
球面軸受機構は、トップリング駆動軸１１の下面の中央に形成された球面状凹部１１ａと、ハウジング部２ａの上面の中央に形成された球面状凹部２ｄと、両凹部１１ａ，２ｄ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１２とから構成されている。一方、回転伝達機構は、トップリング駆動軸１１に固定された駆動ピン（図示せず）とハウジング部２ａに固定された被駆動ピン（図示せず）とから構成される。トップリング本体２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、これらは互いの接触点をずらして係合し、回転伝達機構がトップリング駆動軸１１の回転トルクをトップリング本体２に確実に伝達する。
【００３４】
トップリング本体２及びトップリング本体２に一体に固定されたリテーナリング３の内部に画成された空間内には、トップリング１によって保持される半導体ウェハＷの外周部に当接するシールリング４と、環状のホルダーリング５と、トップリング本体２内部の収容空間内で上下動可能な概略円盤状のチャッキングプレート６（上下動部材）とが収容されている。シールリング４は、その外周部がホルダーリング５とホルダーリング５の下端に固定されたチャッキングプレート６との間に挟み込まれており、チャッキングプレート６の外縁近傍の下面を覆っている。このシールリング４の下端面は、ポリッシング対象物である半導体ウェハＷの上面に接する。なお、半導体ウェハＷの外縁にはノッチやオリエンテーションフラットと呼ばれる、半導体ウェハの向きを認識（特定）するための切り欠きが設けられているが、このようなノッチやオリエンテーションフラットよりもチャッキングプレート６の内周側にまでシールリング４が延出していることが好ましい。
【００３５】
なお、チャッキングプレート６は金属材料から形成されていてもよいが、研磨すべき半導体ウェハがトップリングに保持された状態で、渦電流を用いた膜厚測定方法でその表面に形成された薄膜の膜厚を測定する場合などにおいては、磁性を持たない材料、例えば、フッ素系樹脂、エポキシ系樹脂やセラミックスなどの絶縁性の材料から形成されていることが好ましい。
【００３６】
ホルダーリング５とトップリング本体２との間には弾性膜からなる加圧シート７が張設されている。この加圧シート７は、一端をトップリング本体２のハウジング部２ａと加圧シート支持部２ｂとの間に挟み込み、他端をホルダーリング５の上端部５ａとストッパ部５ｂとの間に挟み込んで固定されている。トップリング本体２、チャッキングプレート６、ホルダーリング５、及び加圧シート７によってトップリング本体２の内部に圧力室２１が形成されている。図２に示すように、圧力室２１にはチューブ、コネクタ等からなる流体路３１が連通されており、圧力室２１は流体路３１上に配置されたレギュレータＲ２を介して圧縮空気源１２０に接続されている。なお、加圧シート７は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴムなど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。
【００３７】
なお、加圧シート７がゴムなどの弾性体である場合に、加圧シート７をリテーナリング３とトップリング本体２との間に挟み込んで固定した場合には、弾性体としての加圧シート７の弾性変形によってリテーナリング３の下面において好ましい平面が得られなくなってしまう。従って、これを防止するため、本実施形態では、別部材として加圧シート支持部２ｂを設けて、これをトップリング本体２のハウジング部２ａと加圧シート支持部２ｂとの間に挟み込んで固定している。なお、リテーナリング３をトップリング本体２に対して上下動可能としたり、リテーナリング３をトップリング本体２とは独立に押圧可能な構造としたりすることもでき、このような場合には、必ずしも上述した加圧シート７の固定方法が用いられるとは限らない。
【００３８】
トップリング本体２のシール部２ｃが嵌合されるハウジング部２ａの上面の外周縁付近には、環状の溝からなる洗浄液路５１が形成されている。この洗浄液路５１はシール部２ｃの貫通孔５２を介して流体路３２に連通されており、この流体路３２を介して洗浄液（純水）が供給される。また、洗浄液路５１からハウジング部２ａ、加圧シート支持部２ｂを貫通する連通孔５３が複数箇所設けられており、この連通孔５３はシールリング４の外周面とリテーナリング３との間のわずかな間隙Ｇへ連通されている。
【００３９】
チャッキングプレート６と半導体ウェハＷとの間に形成される空間の内部には、半導体ウェハＷに当接する当接部材としてのセンターバッグ８及びリングチューブ９が設けられている。本実施形態においては、図２及び図３に示すように、センターバッグ８はチャッキングプレート６の下面の中心部に配置され、リングチューブ９はこのセンターバッグ８の周囲を取り囲むようにセンターバッグ８の外側に配置されている。なお、シールリング４、センターバッグ８及びリングチューブ９は、加圧シート７と同様に、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。
【００４０】
チャッキングプレート６と半導体ウェハＷとの間に形成される空間は、上記センターバッグ８及びリングチューブ９によって複数の空間に区画されており、これによりセンターバッグ８とリングチューブ９の間には圧力室２２が、リングチューブ９の外側には圧力室２３がそれぞれ形成されている。
【００４１】
センターバッグ８は、半導体ウェハＷの上面に当接する弾性膜８１と、弾性膜８１を着脱可能に保持するセンターバッグホルダー８２とから構成されている。センターバッグホルダー８２にはネジ穴８２ａが形成されており、このネジ穴８２ａにネジ５５を螺合させることにより、センターバッグ８がチャッキングプレート６の下面の中心部に着脱可能に取付けられている。センターバッグ８の内部には、弾性膜８１とセンターバッグホルダー８２とによって中心部圧力室２４が形成されている。
【００４２】
同様に、リングチューブ９は、半導体ウェハＷの上面に当接する弾性膜９１と、弾性膜９１を着脱可能に保持するリングチューブホルダー９２とから構成されている。リングチューブホルダー９２にはネジ穴９２ａが形成されており、このネジ穴９２ａにネジ５６を螺合させることにより、リングチューブ９がチャッキングプレート６の下面に着脱可能に取付けられている。リングチューブ９の内部には、弾性膜９１とリングチューブホルダー９２とによって中間部圧力室２５が形成されている。
【００４３】
本実施形態では、センターバッグ８の弾性膜８１とセンターバッグホルダー８２により圧力室２４を、リングチューブ９の弾性膜９１とリングチューブホルダー９２により圧力室２５をそれぞれ形成しているが、圧力室２２，２３についても同様に、弾性膜とこれを固定するホルダーを用いて圧力室を形成することができる。また、適宜、弾性膜とホルダーを追加し、圧力室を増やすことができるのは言うまでもない。
【００４４】
圧力室２２，２３、中心部圧力室２４、及び中間部圧力室２５には、チューブ、コネクタ等からなる流体路３３，３４，３５，３６がそれぞれ連通されており、各圧力室２２〜２５はそれぞれの流体路３３〜３６上に配置されたレギュレータＲ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６を介して供給源としての圧縮空気源１２０に接続されている。なお、上記流体路３１〜３６は、トップリングヘッド１１０の上端部に設けられたロータリージョイント（図示せず）を介して各レギュレータＲ１〜Ｒ６に接続されている。
【００４５】
上述したチャッキングプレート６の上方の圧力室２１及び上記圧力室２２〜２５には、各圧力室に連通される流体路３１，３３，３４，３５，３６を介して加圧空気等の加圧流体を供給する、あるいは大気圧や真空にすることができるようになっている。図１に示すように、圧力室２１〜２５の流体路３１，３３，３４，３５，３６上に配置されたレギュレータＲ２〜Ｒ６によってそれぞれの圧力室に供給される加圧流体の圧力を調整することができる。これにより各圧力室２１〜２５の内部の圧力を各々独立に制御する又は大気圧や真空にすることができるようになっている。このように、レギュレータＲ２〜Ｒ６によって各圧力室２１〜２５の内部の圧力を独立に可変とすることにより、半導体ウェハＷを研磨パッド１０１に押圧する押圧力を半導体ウェハＷの部分ごとに調整することができる。なお、場合によっては、これらの圧力室２１〜２５を真空源１２１に接続することとしてもよい。
【００４６】
この場合において、各圧力室２２〜２５に供給される加圧流体や大気圧の温度をそれぞれ制御することとしてもよい。このようにすれば、半導体ウェハ等の研磨対象物の被研磨面の裏側から研磨対象物の温度を直接制御することができる。特に、各圧力室の温度を独立に制御することとすれば、ＣＭＰにおける化学的研磨の化学反応速度を制御することが可能となる。
【００４７】
チャッキングプレート６には、下方に突出する内周部吸着部６１がセンターバッグ８とリングチューブ９との間に設けられており、また、下方に突出する外周部吸着部６２がリングチューブ９の外側に設けられている。本実施形態においては、８個の吸着部６１，６２が設けられている。
【００４８】
内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２には、流体路３７，３８にそれぞれ連通する連通孔６１ａ，６２ａがそれぞれ形成されており、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２は流体路３７，３８及びバルブＶ１，Ｖ２を介して真空ポンプ等の真空源１２１に接続されている。そして、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の連通孔６１ａ，６２ａが真空源１２１に接続されると、連通孔６１ａ，６２ａの開口端に負圧が形成され、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２に半導体ウェハＷが吸着される。なお、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の下端面には薄いゴムシート等からなる弾性シート６１ｂ，６２ｂが貼着されており、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２は半導体ウェハＷを柔軟に吸着保持するようになっている。
【００４９】
ここで、シールリング４の外周面とリテーナリング３との間には、わずかな間隙Ｇがあるので、ホルダーリング５とチャッキングプレート６及びチャッキングプレート６に取付けられたシールリング４等の部材は、トップリング本体２及びリテーナリング３に対して上下方向に移動可能で、フローティングする構造となっている。ホルダーリング５のストッパ部５ｂには、その外周縁部から外方に突出する突起５ｃが複数箇所に設けられており、この突起５ｃがリテーナリング３の内方に突出している部分の上面に係合することにより、上記ホルダーリング５等の部材の下方への移動が所定の位置までに制限される。
【００５０】
次に、このように構成されたトップリング１の作用について詳細に説明する。上記構成のポリッシング装置において、半導体ウェハＷの搬送時には、トップリング１の全体を半導体ウェハの移送位置に位置させ、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の連通孔６１ａ，６２ａを流体路３７，３８を介して真空源１２１に接続する。連通孔６１ａ，６２ａの吸引作用により内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の下端面に半導体ウェハＷが真空吸着される。そして、半導体ウェハＷを吸着した状態でトップリング１を移動させ、トップリング１の全体を研磨面（研磨パッド１０１）を有する研磨テーブル１００の上方に位置させる。なお、半導体ウェハＷの外周縁はリテーナリング３によって保持され、半導体ウェハＷがトップリング１から飛び出さないようになっている。
【００５１】
研磨時には、吸着部６１，６２による半導体ウェハＷの吸着を解除し、トップリング１の下面に半導体ウェハＷを保持させると共に、トップリング駆動軸１１に連結されたトップリング用エアシリンダ１１１を作動させてトップリング１の下端に固定されたリテーナリング３を所定の押圧力で研磨テーブル１００の研磨面に押圧する。この状態で、圧力室２２，２３、中心部圧力室２４、及び中間部圧力室２５にそれぞれ所定の圧力の加圧流体を供給し、半導体ウェハＷを研磨テーブル１００の研磨面に押圧する。そして、予め研磨液供給ノズル１０２から研磨液Ｑを流すことにより、研磨パッド１０１に研磨液Ｑが保持され、半導体ウェハＷの研磨される面（下面）と研磨パッド１０１との間に研磨液Ｑが存在した状態で研磨が行われる。
【００５２】
ここで、半導体ウェハＷの圧力室２２及び２３の下方に位置する部分は、それぞれ圧力室２２，２３に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。また、半導体ウェハＷの中心部圧力室２４の下方に位置する部分は、センターバッグ８の弾性膜８１を介して、中心部圧力室２４に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。半導体ウェハＷの中間部圧力室２５の下方に位置する部分は、リングチューブ９の弾性膜９１を介して、中間部圧力室２５に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。
【００５３】
従って、半導体ウェハＷに加わる研磨圧力は、各圧力室２２〜２５に供給される加圧流体の圧力をそれぞれ制御することにより、半導体ウェハＷの部分ごとに調整することができる。即ち、レギュレータＲ３〜Ｒ６によって各圧力室２２〜２５に供給される加圧流体の圧力をそれぞれ独立に調整し、半導体ウェハＷを研磨テーブル１００上の研磨パッド１０１に押圧する押圧力を半導体ウェハＷの部分ごとに調整している。このように、半導体ウェハＷの部分ごとに研磨圧力が所望の値に調整された状態で、回転している研磨テーブル１００の上面の研磨パッド１０１に半導体ウェハＷが押圧される。同様に、レギュレータＲ１によってトップリング用エアシリンダ１１１に供給される加圧流体の圧力を調整し、リテーナリング３が研磨パッド１０１を押圧する押圧力を変更することができる。このように、研磨中に、リテーナリング３が研磨パッド１０１を押圧する押圧力と半導体ウェハＷを研磨パッド１０１に押圧する押圧力を適宜調整することにより、半導体ウェハＷの中心部（図３のＣ１）、中心部から中間部（Ｃ２）、中間部（Ｃ３）、そして周縁部（Ｃ４）、更には半導体ウェハＷの外側にあるリテーナリング３の外周部までの各部分における研磨圧力の分布を所望の分布とすることができる。
【００５４】
このように、半導体ウェハＷを同心の４つの円及び円環部分（Ｃ１〜Ｃ４）に区切り、それぞれの部分を独立した押圧力で押圧することができる。研磨レートは半導体ウェハＷの研磨面に対する押圧力に依存するが、上述したように各部分の押圧力を制御することができるので、半導体ウェハＷの４つの部分（Ｃ１〜Ｃ４）の研磨レートを独立に制御することが可能となる。従って、半導体ウェハＷの表面の研磨すべき薄膜の膜厚に半径方向の分布があっても、半導体ウェハ全面に亘って研磨の不足や過研磨をなくすことができる。即ち、半導体ウェハＷの表面の研磨すべき薄膜が、半導体ウェハＷの半径方向の位置によって膜厚が異なっている場合であっても、上記各圧力室２２〜２５のうち、半導体ウェハＷの表面の膜厚の厚い部分の上方に位置する圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも高くすることにより、あるいは、半導体ウェハＷの表面の膜厚の薄い部分の上方に位置する圧力室の圧力を他の圧力室の圧力よりも低くすることにより、膜厚の厚い部分の研磨面への押圧力を膜厚の薄い部分の研磨面への押圧力より大きくすることが可能となり、その部分の研磨レートを選択的に高めることができる。これにより、成膜時の膜厚分布に依存せずに半導体ウェハＷの全面に亘って過不足のない研磨が可能となる。
【００５５】
半導体ウェハＷの周縁部に起こる縁だれは、リテーナリング３の押圧力を制御することにより防止することができる。また、半導体ウェハＷの周縁部において研磨すべき薄膜の膜厚に大きな変化がある場合には、リテーナリング３の押圧力を意図的に大きく、あるいは、小さくすることで、半導体ウェハＷの周縁部の研磨レートを制御することができる。なお、上記各圧力室２２〜２５に加圧流体を供給すると、チャッキングプレート６は上方向の力を受けるので、本実施形態では、圧力室２１には流体路３１を介して圧力流体を供給し、各圧力室２２〜２５からの力によりチャッキングプレート６が上方に持ち上げられるのを防止している。
【００５６】
上述のようにして、トップリング用エアシリンダ１１１によるリテーナリング３の研磨パッド１０１への押圧力と、各圧力室２２〜２５に供給する加圧空気による半導体ウェハＷの部分ごとの研磨パッド１０１への押圧力とを適宜調整して半導体ウェハＷの研磨が行われる。そして、研磨が終了した際は、半導体ウェハＷを内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の下端面に再び真空吸着する。この時、半導体ウェハＷを研磨面に対して押圧する各圧力室２２〜２５への加圧流体の供給を止め、大気圧に開放することにより、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の下端面を半導体ウェハＷに当接させる。また、圧力室２１内の圧力を大気圧に開放するか、もしくは負圧にする。これは、圧力室２１の圧力を高いままにしておくと、半導体ウェハＷの内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２に当接している部分のみが、研磨面に強く押圧されることになってしまうためである。従って、圧力室２１の圧力を速やかに下げる必要があり、図２に示すように、圧力室２１からトップリング本体２を貫くようにリリーフポート３９を設けて、圧力室２１の圧力が速やかに下がるようにしてもよい。この場合には、圧力室２１に圧力をかける際には流体路３１から常に圧力流体を供給し続ける必要がある。また、リリーフポート３９は逆止弁を備えており、圧力室２１内を負圧にする際には外気が圧力室２１に入らないようにしている。
【００５７】
上述のように半導体ウェハＷを吸着させた後、トップリング１の全体を半導体ウェハの移送位置に位置させ、内周部吸着部６１及び外周部吸着部６２の連通孔６１ａ，６２ｂから半導体ウェハＷに流体（例えば、圧縮空気もしくは窒素と純水を混合したもの）を噴射して半導体ウェハＷをリリースする。
【００５８】
ところで、シールリング４の外周面とリテーナリング３との間のわずかな間隙Ｇには、研磨に用いられる研磨液Ｑが侵入してくるが、この研磨液Ｑが固着すると、ホルダーリング５、チャッキングプレート６、及びシールリング４などの部材のトップリング本体２及びリテーナリング３に対する円滑な上下動が妨げられる。そのため、流体路３２を介して洗浄液路５１に洗浄液（純水）を供給する。これにより、複数の連通孔５３より間隙Ｇの上方に純水が供給され、純水が間隙Ｇを洗い流して上述した研磨液Ｑの固着が防止される。この純水の供給は、研磨後の半導体ウェハがリリースされ、次に研磨される半導体ウェハが吸着されるまでの間に行われるのが好ましい。また、次の研磨までに供給された純水が全て外部に排出されるように、リテーナリング３には図２に示すような複数の貫通孔３ａを設けるのが好ましい。更に、リテーナリング３、ホルダーリング５、及び加圧シート７により形成される空間２６内に圧力がこもっていると、チャッキングプレート６の上昇を妨げることとなるので、スムーズにチャッキングプレート６を上昇させるためにも上記貫通孔３ａを設け、空間２６を大気と同圧にすることが好ましい。
【００５９】
以上説明したように、本実施形態における基板保持装置によれば、圧力室２２，２３、センターバッグ８の内部の圧力室２４、及びリングチューブ９の内部の圧力室２５の圧力を独立に制御することにより半導体ウェハに対する押圧力を制御することができる。
【００６０】
ここで、本実施形態におけるリングチューブ９についてより詳細に説明する。なお、以下では、リングチューブ９についてのみ説明するが、センターバッグ８についても同様に考えることができる。
【００６１】
図４は図２に示すリングチューブ９を示す縦断面図、図５は図４に示すリンクチューブ９の弾性膜９１を示す縦断面図である。本実施形態におけるリングチューブ９の弾性膜９１は、図４及び図５に示すように、外方に張り出したつば９１ａを有する当接部９１ｂと、上記リングチューブホルダー９２を介してチャッキングプレート６に接続される接続部９１ｃとを有している。つば９１ａの基部９１ｄから上方に向かって上記接続部９１ｃが延びている。また、当接部９１ｂの下面は半導体ウェハＷの上面に当接するようになっている。これらのつば９１ａ、当接部９１ｂ、接続部９１ｃは同一の材料で一体に形成されている。
【００６２】
上述したように、半導体ウェハを研磨する際、圧力室２２及びリングチューブ９を取り囲む圧力室２３には加圧流体が供給される。これにより、つば９１ａは、それぞれ圧力室２２，２３に供給される加圧流体によって半導体ウェハＷに密着する。このため、リングチューブ９の内部の圧力室２５に供給される加圧流体の圧力よりも、その周囲の圧力室２２又は２３に供給される加圧流体の圧力の方がかなり高い場合であっても、リングチューブ９の下方に周囲の圧力の高い加圧流体が回り込むことがない。従って、上記つば９１ａを設けることによって、各圧力室の圧力制御の幅を大きくすることができ、半導体ウェハの押圧をより安定的に行うことが可能となっている。
【００６３】
また、リングチューブ９の当接部９１ｂの中央部には開口９１ｅが形成されており、当接部９１ｂの開口９１ｅを介して、中間部圧力室２５に供給される加圧流体が半導体ウェハＷの上面に直接接触することとなる。研磨中は、中間部圧力室２５に加圧流体が供給されるため、この加圧流体によりリングチューブ９の当接部９１ｂが半導体ウェハＷの上面に押し付けられる。従って、このような開口９１ｅが形成されている場合であっても、中間部圧力室２５の内部の加圧流体が外部に漏れることはほとんどない。また、半導体ウェハＷのリリース時においては、上記開口９１ｅを介して半導体ウェハＷに加圧流体による下方向の圧力を加えることができるので、半導体ウェハＷのリリースがよりスムーズになる。
【００６４】
更に、上述したように、中間部圧力室２５に供給される加圧流体の温度を制御し、被研磨面の裏側から半導体ウェハＷの温度を制御する場合においては、このような開口９１ｅをリングチューブ９の当接部９１ｂに形成することによって、温度制御された加圧流体が半導体ウェハＷに接触する面積を増やすことができるので、半導体ウェハＷの温度制御性を向上させることができる。また、研磨終了後、半導体ウェハＷをリリースする際には、上記開口９１ｅを介して中間部圧力室２５がそれぞれ外気に開放されることとなるので、中間部圧力室２５に供給された流体などがその内部にこもることがない。従って、連続して半導体ウェハＷを研磨する場合においても温度制御の安定性を保つことができる。
【００６５】
ここで、リングチューブ９の当接部９１ｂに上述したようなつば９１ａを設けると、圧力室２１に圧力流体を供給してチャッキングプレート６を下方に押し付けて研磨を行う場合、リングチューブ９のつば９１ａの基部９１ｄの近傍において、接続部９１ｃによる下向きの力が半導体ウェハＷに過剰にかかってしまい、この部分の研磨レートが局所的に高くなってしまうことが考えられる。
【００６６】
一方、図６（ａ）乃至図６（ｃ）に示すように、半導体ウェハＷをリングチューブ９の当接部９１ｂに密着させた後、圧力室２１に、圧力室２２〜２５にかかる押圧力の合計より小さくなるように圧力を供給して、チャッキングプレート６を上方に持ち上げて研磨を行う場合、接続部９１ｃによる上向きの力が半導体ウェハＷと密着しているつば９１ａの基部９１ｄの近傍に加わり、基部９１ｄの近傍において真空９３が形成されて（図６（ｃ）参照）、この部分の研磨レートが局所的に低くなってしまうことが考えられる。
【００６７】
これらの観点から、本実施形態では、リングチューブ９の接続部９１ｃを当接部９１ｂよりも伸縮性に富んだ柔らかい材質で形成している。このようにすることで、チャッキングプレート６を下方に押し付けて研磨を行う場合においても、接続部９１ｃが弾性変形しやすいので、当接部９１ｂに密着させた半導体ウェハＷに過剰な下向きの力が加わることがなく、つば９１ａを除く当接部９１ｂの全面において均一な研磨レートを実現することができる。また、チャッキングプレート６を上方に持ち上げて研磨を行う場合においても、接続部９１ｃが延びやすく当接部９１ｂに過剰な上向きの力が加わることがないので、つば９１ａの基部９１ｄの近傍に真空が形成されることがなく、つば９１ａを除く当接部９１ｂの全面において均一な研磨レートを実現することができる。なお、接続部９１ｃの上下に延びる部分９１ｆ（図５参照）だけを伸縮性に富んだ柔らかい材質で形成してもよいし、これに加えてリングチューブホルダー９２に保持される部分９１ｇも伸縮性に富んだ柔らかい材質で形成してもよい。
【００６８】
図７は、本発明の第２の実施形態におけるリングチューブの弾性膜９１を示す縦断面図である。本実施形態の接続部９１ｃは、当接部９１ｂの厚さよりも薄い薄肉部９４を有している。この薄肉部９４は、図７に示すように内方にくびれている。このような薄肉部９４を設けることで、チャッキングプレート６を下方に押し付けて研磨を行う場合においても、薄肉部９４において接続部９１ｃが変形しやすくなるので、当接部９１ｂに密着させた半導体ウェハＷに過剰な下向きの力が加わることがなく、つば９１ａを除く当接部９１ｂの全面において均一な研磨レートを実現することができる。また、チャッキングプレート６を上方に持ち上げて研磨を行う場合においても、薄肉部９４が延びやすく当接部９１ｂに過剰な上向きの力が加わることがないので、つば９１ａの基部９１ｄの近傍に真空が形成されることがなく、つば９１ａを除く当接部９１ｂの全面において均一な研磨レートを実現することができる。特に、薄肉部９４を断面形状が内方にくびれるように形成すれば、これらの効果がより効果的に発揮される。
【００６９】
図８は、本発明の第３の実施形態におけるリングチューブの弾性膜９１を示す縦断面図である。本実施形態においては、つば９１ａの基部９１ｄの下面に半導体ウェハＷに対して密着性の低い中間部材９５を取付けている。この中間部材９５としては、ウェハＷとの密着性が低いものであればどのようなものでもよく、例えばセロハンテープなどを用いることができる。また厚さは薄い程よく、０．２ｍｍ以下のものが好ましい。このようにすることで、チャッキングプレート６を上方に持ち上げて研磨を行う場合に、つば９１ａの基部９１ｄが半導体ウェハＷに密着しにくくなるので、つば９１ａの基部９１ｄの近傍に真空が形成されにくくなる。従って、つば９１ａを除く当接部９１ｂの全面において均一な研磨レートを実現することができる。また、このような中間部材９５を取付ける代わりに、つば９１ａの基部９１ｄの下面に例えば溝を形成することによって、又は粗面にすることによって、つば９１ａの基部９１ｄと半導体ウェハＷとの密着性を弱めてもよい。
【００７０】
図９は、本発明の第４の実施形態におけるリングチューブの弾性膜９１を示す縦断面図である。本実施形態においては、つば９１ａの基部９１ｄに弾性膜９１よりも硬い材質（例えばステンレス）でできたリング状の硬質部材９６を埋設している。このようにすることで、チャッキングプレート６を下方に押し付けて研磨を行う場合においても、接続部９１ｃによる下向きの力が硬質部材９６により分散されるので、当接部９１ｂに密着させた半導体ウェハＷに過剰な下向きの力が加わることがなく、つば９１ａを除く当接部９１ｂの全面において均一な研磨レートを実現することができる。また、チャッキングプレート６を上方に持ち上げて研磨を行う場合においても、硬質部材９６がつば９１ａの基部９１ｄの近傍の変形を抑制するので、つば９１ａの基部９１ｄの近傍に真空が形成されることがなく、つば９１ａを除く当接部９１ｂの全面において均一な研磨レートを実現することができる。
【００７１】
図１０は、本発明の第５の実施形態におけるリングチューブの弾性膜９１を示す縦断面図である。本実施形態は、上述の第１の実施形態の弾性膜９１において、径方向内側、即ち半導体ウェハＷの中心側に位置する接続部９１ｈを、径方向外側に位置する接続部９１ｉよりも薄くした例である。一般に、曲率の小さい円筒の方が曲率の大きい円筒よりも剛性が大きいため、径方向内側に位置する接続部がつばの基部に加える上下方向の力は、径方向外側に位置する接続部がつばの基部に加える力よりも大きくなる。従って、本実施形態のように、径方向内側に位置する接続部９１ｈを径方向外側に位置する接続部９１ｉよりも薄くすることで、これらの接続部９１ｈ，９１ｉがつばの基部に加える上下方向の力を同じレベルに調整することが可能となり、つば９１ａを除く当接部９１ｂの全面において均一な研磨レートを実現することができる。また、第１の実施形態において、径方向内側の接続部を径方向外側の接続部よりも伸縮性に富んだ柔らかい材質で形成することでも同様の効果が期待できる。
【００７２】
図１１は、本発明の第６の実施形態におけるリングチューブの弾性膜９１を示す縦断面図である。本実施形態は、上述の第１の実施形態の弾性膜９１において、径方向外側に張り出したつば９１ｊの長さを径方向内側に張り出したつば９１ｋの長さよりも長くした例である。このようにすることで、径方向外側のつば９１ｊのシール性を高めることができ、つば９１ａを除く当接部９１ｂの全面において均一な研磨レートを実現することができる。
【００７３】
図１２（ａ）乃至図１２（ｃ）は、本発明の第７の実施形態におけるリングチューブを示す縦断面図である。図１２（ａ）に示すように、本実施形態におけるリングチューブの弾性膜１９１は、外方に張り出したつば１９１ａを有する当接部１９１ｂと、つば１９１ａとの間に溝１９２を形成しつつ、つば１９１ａの基部１９１ｃから外方に延びる延出部１９１ｄと、リングチューブホルダー９２を介してチャッキングプレート６に接続される接続部１９１ｅとを有している。延出部１９１ｄは、つば１９１ａの基部１９１ｃから外方に向かってつば１９１ａの先端よりも内方の位置まで延びており、この延出部１９１ｄの外方端部から上方に向かって上記接続部１９１ｅが延びている。これらのつば１９１ａ、当接部１９１ｂ、接続部１９１ｅ、延出部１９１ｄは同一の材料で一体に形成されている。また、当接部１９１ｂの中央部には開口１９１ｆが形成されている。
【００７４】
このような構成とすることで、半導体ウェハＷをリングチューブの当接部１９１ｂに密着させた（図１２（ｂ）参照）後、チャッキングプレート６を上方に持ち上げて研磨を行う場合には、接続部１９１ｅによる上向きの力が延出部１９１ｄによって横方向あるいは斜め方向の力に変換されてつば１９１ａの基部１９１ｃに加えられることとなる（図１２（ｃ）参照）。従って、つば１９１ａの基部１９１ｃに加わる上向きの力を極めて小さくすることができ、当接部１９１ｂには過剰な上向きの力が加わることがない。このため、基部１９１ｃの近傍に真空が形成されることがなく、つば９１ａを除く当接部１９１ｂの全面において均一な研磨レートを実現することができる。この場合において、上述した第５及び第６の実施形態のように、接続部１９１ｅの厚さやつば１９１ａの長さを径方向内側と外側とで変えてもよく、また延出部１９１ｄの長さも径方向内側と外側で変えることもできる。更に、研磨される半導体ウェハ上の膜種や研磨パッドの種類により、つば１９１ａの厚みを変えてもよい。半導体ウェハに伝えられる抵抗、研磨トルクが大きい場合は、つば１９１ａのねじれを防ぐため、厚くするのが好ましい。
【００７５】
上述の実施形態では、流体路３１，３３，３４，３５，３６をそれぞれ別個に設けたが、これらの流体路を統合したり、各圧力室同士を連通させたりするなど、半導体ウェハＷに加えるべき押圧力の大きさや加える位置により自由に改変することが可能である。また、上述した実施形態においては、センターバッグ８及びリングチューブ９が直接半導体ウェハＷに接触する例を説明したが、これに限られるものではなく、例えば、センターバッグ８及びリングチューブ９と半導体ウェハＷとの間に弾性パッドを介在させ、センターバッグ８及びリングチューブ９が間接的に半導体ウェハＷに接触することとしてもよい。また、上述した各実施形態を適宜組み合わせることも可能である。
【００７６】
また、上述した実施形態においては、研磨パッドにより研磨面が形成されることとしたが、これに限られるものではない。例えば、固定砥粒により研磨面を形成してもよい。固定砥粒は、砥粒をバインダ中に固定し板状に形成されたものである。固定砥粒を用いた研磨においては、固定砥粒から自生した砥粒により研磨が進行する。固定砥粒は砥粒とバインダと気孔により構成されており、例えば砥粒には平均粒径０．５μｍ以下の酸化セリウム（ＣｅＯ２）、バインダにはエポキシ樹脂を用いる。このような固定砥粒は硬質の研磨面を構成する。また、固定砥粒には、上述した板状のものの他に、薄い固定砥粒層の下に弾性を有する研磨パッドを貼付して二層構造とした固定砥粒パッドも含まれる。その他の硬質の研磨面としては、上述したＩＣ−１０００がある。
【００７７】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【００７８】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、基板に加える圧力を独立に制御して、膜厚の厚い部分の研磨面への押圧力を膜厚の薄い部分の研磨面への押圧力より大きくすることが可能となるので、その部分の研磨レートを選択的に高めることができる。これにより、成膜時の膜厚分布に依存せずに基板の全面に亘って過不足のない研磨が可能となる。更に、上下動部材を下方に押し付けて研磨を行う場合においても、当接部に密着させた基板に過剰な下向きの力が加わることがなく、基部に挟まれた領域において均一な研磨レートを実現することができる。また、上下動部材を上方に持ち上げて研磨を行う場合においても、当接部に過剰な上向きの力が加わることがないので、つばの基部の近傍に真空が形成されることがなく、基部に挟まれた領域において均一な研磨レートを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるポリッシング装置の全体構成を示す断面図である。
【図２】図１のポリッシング装置における基板保持装置を示す縦断面図である。
【図３】図２に示す基板保持装置の底面図である。
【図４】図２の基板保持装置におけるリングチューブを示す縦断面図である。
【図５】図４に示すリングチューブの弾性膜を示す縦断面図である。
【図６】リングチューブの弾性膜の変形状態を示す縦断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態におけるリングチューブの弾性膜を示す縦断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態におけるリングチューブの弾性膜を示す縦断面図である。
【図９】本発明の第４の実施形態におけるリングチューブの弾性膜を示す縦断面図である。
【図１０】本発明の第５の実施形態におけるリングチューブの弾性膜を示す縦断面図である。
【図１１】本発明の第６の実施形態におけるリングチューブの弾性膜を示す縦断面図である。
【図１２】本発明の第７の実施形態におけるリングチューブを示す縦断面図である。
【符号の説明】
１ トップリング
２ トップリング本体
２ａ ハウジング部
２ｂ 加圧シート支持部
２ｃ シール部
２ｄ 球面状凹部
３ リテーナリング
４ シールリング
５ ホルダーリング
５ａ 上端部
５ｂ ストッパ部
５ｃ 突起
６ チャッキングプレート（上下動部材）
７ 加圧シート
８ センターバッグ（当接部材）
９ リングチューブ（当接部材）
１０ 自在継手部
１１ トップリング駆動軸
１１ａ 球面状凹部
１２ ベアリングボール
２１，２２，２３ 圧力室
２４ 中心部圧力室
２５ 中間部圧力室
２６ 空間
３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８ 流体路
３９ リリーフポート
５１ 洗浄液路
５２ 貫通孔
５３ 連通孔
５５，５６ ネジ
６１ 内周部吸着部
６１ａ，６２ａ 連通孔
６１ｂ，６２ｂ 弾性シート
６２ 外周部吸着部
８１，９１ 弾性膜
８２ センターバッグホルダー
８２ａ，９２ａ ネジ穴
９１ａ，９１ｊ，９１ｋ，１９１ａ つば
９１ｂ，１９１ｂ 当接部
９１ｃ，９１ｈ，９１ｉ，１９１ｅ 接続部
９１ｄ，１９１ｃ 基部
９１ｅ，１９１ｆ 開口
９２ リングチューブホルダー
９４ 薄肉部
９５ 中間部材
９６ 硬質部材
１０１ 研磨パッド
１００ 研磨テーブル
１０２ 研磨液供給ノズル
１１０ トップリングヘッド
１１１ トップリング用エアシリンダ
１１２ 回転筒
１１３，１１６ タイミングプーリ
１１４ トップリング用モータ
１１５ タイミングベルト
１１７ トップリングヘッドシャフト
１２０ 圧縮空気源（供給源）
１２１ 真空源
１９１ 弾性膜
１９１ｄ 延出部
１９２ 溝
Ｇ 間隙
Ｑ 研磨液
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６ レギュレータ
Ｖ１，Ｖ２ バルブ
Ｗ 半導体ウェハ
Claims (6)
- ポリッシング対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置において、
内部に収容空間を有するトップリング本体と、該トップリング本体の収容空間内で上下動可能な上下動部材とを備え、
前記上下動部材の下面には、弾性膜を備えた当接部材を取付け、
前記当接部材の弾性膜は、外方に張り出したつばを有すると共に前記基板に直接的又は間接的に当接する当接部と、前記当接部のつばとの間に溝を形成しつつ該つばの基部から外方に向かって該つばの先端より内方の位置まで延びる延出部と、前記延出部の外方端部から上方に延びて前記上下動部材に接続される接続部とを備えたことを特徴とする基板保持装置。 - 径方向内側に位置する前記接続部の厚さと径方向外側に位置する前記接続部の厚さとが異なることを特徴とする請求項１に記載の基板保持装置。
- 前記径方向内側に位置する接続部の厚さが前記径方向外側に位置する接続部の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項２に記載の基板保持装置。
- 径方向外側に張り出した前記つばの長さと径方向内側に張り出した前記つばの長さとが異なることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の基板保持装置。
- 前記径方向外側に張り出したつばの長さが前記径方向内側に張り出したつばの長さよりも長いことを特徴とする請求項４に記載の基板保持装置。
- 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の基板保持装置と、研磨面を有する研磨テーブルとを備えたことを特徴とするポリッシング装置。
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