JP4033632B2 - 基板把持装置及び研磨装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
技術分野
本発明は、基板把持装置に関し、特に半導体ウエハなどの基板の表面を平坦かつ鏡面に研磨するポリッシング装置に用いて好適な基板把持装置に関する。
【０００２】
背景技術
近年、半導体デバイスの高集積化が進むにつれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭くなりつつある。特に線幅が０．５μｍ以下の光リソグラフィの場合、許容される焦点深度が浅くなるためステッパーの結像面の平坦度を必要とする。そこで、半導体ウエハの表面を平坦化することが必要となるが、この平坦化法の１手段として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、上面に研磨布を貼付して研磨面を構成するターンテーブルと、基板の被研磨面をターンテーブルに向けて基板を保持するトップリングとを有し、これらをそれぞれ自転させながらトップリングにより基板を一定の圧力でターンテーブルに押しつけ、砥液を供給しつつ基板の被研磨面を平坦且つ鏡面に研磨している。
【０００３】
図８は、従来のポリッシング装置の一例の主要部を示す図である。ポリッシング装置は、上面に研磨布１００を貼った回転するターンテーブル１０２と、回転および押圧可能にポリッシング対象物である半導体ウエハＷを保持するトップリング１０４と、研磨布１００に砥液Ｑを供給する砥液供給ノズル１０６を備えている。トップリング１０４はトップリングシャフト１０８に連結され、このトップリングシャフト１０８は図示しないトップリングヘッドにエアシリンダを介して上下動可能に支持されている。
【０００４】
トップリング１０４は、その下面にポリウレタン等の弾性マット１１０を備えており、この弾性マット１１０に接触させて半導体ウエハＷを保持するようになっている。さらにトップリング１０４は、研磨中に半導体ウエハＷがトップリング１０４の下面から外れないようにするため、円筒状のガイドリング１１２を外周縁部に備えている。ガイドリング１１２はトップリング１０４に対して固定され、その下端面はトップリング１０４の把持面から突出しており、その内側に凹所を形成している。これにより、ポリッシング対象物である半導体ウエハＷが凹所内に保持され、研磨中にトップリング１０４外へ飛び出さないようになっている。
【０００５】
このような構成の研磨装置において、半導体ウエハＷをトップリング１０４の下面の弾性マット１１０の下部に保持し、ターンテーブル１０２上の研磨布１００に半導体ウエハＷをトップリング１０４によって押圧するとともに、ターンテーブル１０２およびトップリング１０４を回転させて研磨布１００と半導体ウエハＷを相対運動させて研磨する。このとき、砥液供給ノズル１０６から研磨布１００上に砥液Ｑを供給する。砥液は、例えばアルカリ溶液に微粒子からなる砥粒を懸濁したものを用い、アリカリによる化学的研磨作用と、砥粒による機械的研磨作用との複合作用によって半導体ウエハＷを研磨する。
【０００６】
上述したポリッシング装置により基板を高い精度で平坦化するためには、半導体ウエハを保持するトップリング１０４の基板把持面と、研磨面である研磨布１００の表面、従って、これに影響するターンテーブル１０２の研磨布１００の貼り付け面がそれぞれ高精度な平坦度を有することが望ましいと考えられる。
しかしながら、研磨工程においては、トップリング１０４は自転しながらこれとは独立に自転するターンテーブル１０２に摺接しており、エアシリンダを介して伝達される荷重と研磨布１００からトップリング１０４に伝達される複雑な反力により変形し、基板把持面の平坦精度が悪化する。また、研磨に伴い発生する熱は、一部が供給される砥液によって持ち去られ、一部がターンテーブル１０２に伝達され、残りはトップリング１０４に伝達されるので、これによってトップリング１０４が昇温し、これによっても変形する。従って、基板把持面の平坦な状態を定常的に維持することができない場合がある。さらに、砥液の砥液供給ノズル１０６からの滴下量及び滴下箇所や滴下時での温度等、制御しにくい要因によって、例えば基板の中心と周辺領域の間で研磨速度が異なることが避けられない場合がある。
【０００７】
そこで、本出願人は、特開平９−２２５８２１において、図９に示すような基板把持装置を提案した。ここでは、トップリング１０４の内部に、壁１１４によって区画された複数の圧力空間Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３をこの例では同心状に形成し、さらに、把持板１１６の表裏に連通する複数の貫通孔１１８を形成し、弾性マット１１０にも同様に貫通孔１２０を形成している。そして、各圧力空間Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の個別に圧力を制御しつつ圧力流体を供給可能な背圧制御機構を設けている。これにより、基板把持面の各圧力空間Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に対応する領域毎に基板の背面の押圧力を個別に制御し、基板を研磨面に均一に押圧することで、被研磨面の平坦性を向上させることができる。なお、１２２はトップリング１０４の外周を囲むように、かつトップリングとは別の押圧用エアシリンダで研磨布１００を押圧する押圧リングである。
【０００８】
しかしながら、上記のように加圧流体の押圧力を用いる方法では、基本的に基板の背面と把持面との間は開放された空間であり、ここにトップリング自体から作用する圧力以上の高い圧力空間を維持することは難しく、結果として、把持板の変形による押圧力の不均一さを補正することができず、平坦度が低下してしまう。また、同様に基板の背面と把持面との間の各領域は互いに気密ではないので、基板の背面を加圧することによって生じる隙間を介して空気が流通してしまい、領域毎に個別に圧力を調整することは困難であった。また、上記の構成の装置では、実際の研磨状態に応じて背圧を制御する領域の設定を変更したり、研磨状態に対応した適切な圧力制御を行なうことも容易ではなかった。
【０００９】
発明の開示
本発明は、上述した問題点を解決すべくなされたもので、研磨の状況に応じて基板の保持状態を調整し、基板の被研磨面の全面にわたる研磨量の均一性を維持し、あるいは研磨量を意図的に制御することができるような基板把持装置を提供することを目的とする。
【００１０】
本発明の基板把持装置は、基板を把持してその被研磨面を研磨テーブルの研磨面に押し付ける基板把持装置において、基板の把持面を有する把持板と、該把持板の裏面側を覆って該裏面側に気密な背圧空間を形成する被覆部材とを備え、前記把持板には前記把持面と前記背圧空間を連絡する複数の貫通孔が前記把持面のほぼ全面にわたって分散して設けられ、前記把持板と前記被覆部材の間には前記背圧空間を平面内において複数の所定の気密な分割空間に区画する区画部材が着脱自在に設けられ、前記分割空間の背圧を個別に制御可能な制御装置が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
これにより、通常、弾性マットを介して基板の裏面に負荷される押圧力は、把持板の変形による影響を相殺したより均一なものとなり、被研磨面の平坦度が向上させられる。区画部材としては、例えば、弾性を有するシール部材が好適であり、これは所定の位置に配置して把持板と被覆部材によって挟み込むことにより、簡単に分割空間を形成することができ、また、その変更も容易である。把持板と被覆部材の少なくとも一方に、区画部材を位置決めするための、装着溝のような構造を設けてもよい。
【００１２】
前記把持板に関する物理量を測定するセンサと、このセンサの出力に基づいて把持板の変形量を算出する演算装置とを有するようにしてもよい。これにより、研磨状況によって変わる把持板からの押圧力分布の変動を推定し、これを補正するようにして被研磨面での研磨量分布を調整することができる。測定する物理量としては、把持板の局所的な変形を検知する歪みセンサを用いるのが直接的であるが、温度を測定して熱変形を算出するような間接的な方法を用いることもできる。
【００１６】
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１ないし図４は、本発明の１つの実施の形態を示す図であり、図１は基板把持装置の基板把持部材（トップリング）１を具体的に示す図、図２はその背圧制御機構を説明するための模式的な図、図３は図２の平面図、図４は基板把持装置を用いた研磨装置の全体の構成を示す図（トップリングは模式的に示している）である。
【００１７】
トップリング１は、把持板２とこれの裏面を覆う被覆板３と、ガイドリング４とから構成され、把持板２とガイドリング４により形成される凹所に弾性マット６を介して基板Ｗを保持する。被覆板３は、ボール７を介してトップリングシャフト８に接続されており、このトップリングシャフト８は、トップリングヘッド９に固定されたトップリング用エアシリンダ１０に連結されて上下動可能に、かつトップリング１の下端面に保持された基板Ｗをターンテーブル１０２に押圧可能になっている。トップリングシャフト８内には、後述するように、基板を真空吸着するための排気源に連絡する排気管や、トップリングの温度・歪みやトップリング内の空間の圧力等を検出するセンサあるいはトップリング１に設けた弁等を駆動するための信号やケーブルを通すための空間が形成されている。
【００１８】
また、トップリングシャフト８は、キー（図示せず）を介して回転筒１１に連結されており、この回転筒１１は、その外周部のタイミングプーリ１２、タイミングベルト１３、及びタイミングプーリ１５を介してトップリングヘッド９に固定されたトップリング用モータ１４の出力軸に接続されている。したがって、トップリング用モータ１４を回転駆動することによって、回転筒１１及びトップリングシャフト８が一体に回転し、トップリング１が回転する。トップリングヘッド９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１６によって支持されている。
【００１９】
トップリング１の外周を囲むように押圧リング５が配置されている。この押圧リング５は、キー（図示せず）を介してトップリング１に連結され、ラジアルベアリング１９ａとスラストベアリング１９ｂを保持したベアリング押え２０及びシャフト２１を介して押圧リング用エアシリンダ２２に連結されている。これにより、押圧リング５は、トップリング１に対して芯出しされた状態で上下動自在かつ相対回転可能になっている。押圧リング５は、円周方向に複数個（本実施の形態では３個）が配設された押圧リング用エアシリンダ２２を介してトップリングヘッド９に固定されている。
【００２０】
トップリング用エアシリンダ１０及び押圧リング用エアシリンダ２２は、それぞれレギュレータＲ４，Ｒ５を介して圧縮空気源２９（図４参照）に接続されている。そして、レギュレータＲ４によってトップリング用エアシリンダ１０へ供給する空気圧を調整することによりトップリング１が基板Ｗを研磨布１００に押圧する押圧力を調整することができ、レギュレータＲ５によって押圧リング用エアシリンダ２２へ供給する空気圧を調整することにより押圧リング５が研磨布１００を押圧する押圧力を調整することができる。
【００２１】
また、ターンテーブル１０２の上方には砥液供給ノズル１０６が設置されており、砥液供給ノズル１０６によってターンテーブル１０２上の研磨布１００上に研磨砥液Ｑが供給されるようになっている。
【００２２】
把持板２の上面の中央には断面が楕円の凹部３０が形成されており、被覆板３の下面中央には凹部３０に沿うような形状の突出部３２が下方に突出して形成されている。被覆板３の下面（把持板２との対向面）には、突出部３２のすぐ外側及び外縁部にそれぞれ２つの環状の凸部３５ａ，３５ｂが形成され、把持板２と被覆板３の間に隙間Ｇを形成している。把持板２には、複数の貫通孔２４がその全面にわたってほぼ均等に分散して形成され、弾性マット６のこれに対応する位置には貫通孔２６が形成されている。さらに、被覆板３の下面には、複数（図では５つ）の環状のシール溝３６ａ，３６ｂ，・・，３６ｅ（図２参照）が同心状に形成され、これにより隙間Ｇが複数の領域Ａ１，Ａ２，・・Ａ６に分割されている。
【００２３】
これらのシール溝３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，・・にリング状のシール部材３８を装着することにより、隙間Ｇは、シール部材３８で囲まれた同心の複数の空間Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，・・に分割可能である。このシール部材３８の素材は、例えばフッ素ゴム（バイトン）である。このような分割の仕方は、シール部材３８の装着の仕方によって変えることができる。図の例では、内側から２番目と５番目のシール溝のみにシール部材３８を装着することによって、隙間Ｇを３つの空間Ｃ１＝Ａ１＋Ａ２，Ｃ２＝Ａ３＋Ａ４＋Ａ５，Ｃ３＝Ａ６に分割している。
【００２４】
被覆板３には、各シール溝３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，・・の間の領域Ａ１，Ａ２，・・Ａ６に開口する複数の連通孔４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，・・４０ｆが被覆板３を上下に貫通して形成されている。これらの連通孔４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，・・４０ｆの被覆板の上面側のポートは、開閉弁４１、トップリングシャフト８を経由する排気流路４２ａ，４２ｂ，４２ｃ及びレギュレータＲ１〜Ｒ３を介して真空排気源２８に、レギュレータＲ６〜Ｒ８を介して圧縮空気源２７にそれぞれ接続されている。
【００２５】
この実施の形態においては、把持板２の温度を測定する温度センサ、変形を測定する歪みセンサ（まとめて符号４４で示す）が、基板全面に対応する領域にわたって適当に分散配置されている。これらのセンサ４４の検出出力は、多重伝送ユニット４６を介して制御装置４７に入力され、ここで演算処理されて把持板２の全体の変形状態が推定される。このデータの演算処理は所定のプログラムを用いれば可能であり、ここでは詳述しない。歪みセンサのデータ、あるいは温度分布のデータのいずれか一方だけでも変形状態を推定することはできるが、この実施の形態ではより高い精度を得るために両方を用いている。
【００２６】
なお、この例では、押圧リング５の所定箇所にも歪みセンサが取り付けられている。これの出力は制御装置４７に入力されており、これにより押圧リング５の変形状況が判断され、押圧リング５の変形量が一定限度を超えていると判断された場合には、レギュレータＲ５を介して押圧リング用エアシリンダ２２から押圧リング５に作用する圧力を調整する。これは、研磨布１００の経時劣化に対応するために必要な制御である。
【００２７】
以下、このように構成された研磨装置の作用を制御装置の動作を中心に説明する。研磨は、ターンテーブル１０２を回転させ、砥液供給ノズル１０６から研磨砥液Ｑを供給しつつ、トップリング１によって把持した基板Ｗをトップリング用エアシリンダ１０によって所定圧力でターンテーブル１０２の研磨布１００面に押圧することにより行われる。制御装置４７には、センサ４４より伝送ユニット４６を介して把持板２の下面（把持面）の歪み、温度のデータが送り出され、制御装置４７はこれに基づいて把持板２の変形量を推定する。
【００２８】
制御装置４７は、データを基に推定された変形量によって把持板２から基板Ｗに負荷される押圧力の不均一さを相殺するように基板Ｗと把持板２の間の圧力（背圧）を制御する。すなわち、把持板２の下面が平坦でない場合、基板側に凸となっている部分では弾性マット６が圧縮されており、基板Ｗへの押圧力が局部的に大きくなる。従って、推定された変形状態から凸の領域と凹の領域を割り出し、凸の領域の背圧が凹の領域より小さくなるようにレギュレータＲ１〜Ｒ３及びＲ６〜Ｒ８を調整して基板Ｗ裏面に作用するバックサイドプレッシャを調整する。これにより、弾性マット６を介して基板Ｗに負荷される押圧力は、把持板２の変形による影響を相殺したより均一なものとなり、被研磨面の平坦度が向上する。
【００２９】
なお、この例では、歪みセンサや温度センサ４４からの情報に基づき、把持板２の変形量が必要以上に大きいと判断される場合には、レギュレータＲ４によってトップリング用エアシリンダ１０の押圧力を調整し、把持板２の変形量を小さくするように制御している。
【００３０】
トップリング１は自転しており、ある時間を平均すれば、基板把持面の変形は回転対称な変形であると考えられるので、上記のように背圧制御も同心状の空間毎の軸対称な制御で充分であると考えられる。しかしながら、温度及び／又は歪みセンサの処理を基に得た変形の推定結果に伴い、背圧制御の空間の仕切を変えた方が良いと判断される場合には、被覆板３と把持板２を分離して、シール部材３８の配置を変え、再度結合すれば良い。あるいは、同じ構成のトップリング１においてシール部材３８の配置を変えたものを用意しておき、状況に応じてトップリング１自体を交換して用いても良い。その場合には、連通孔４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，・・４０ｆと排気流路４２ａ，４２ｂ，４２ｃの接続もそれに合わせて変える必要があることは言うまでもない。
【００３１】
なお、この実施の形態においては、トップリング１を構成する被覆板３側にシール溝３６ａ〜３６ｅを形成した例を示しているが、把持板２側、又は双方にシール溝を設けても良い。背圧制御の排気流路、レギュレータの数、シール溝の数等は実施の形態のものに限られることはない。また、背圧の制御は、各領域で加圧と負圧を使い分けてもよく、例えば中央部分と外周部分とを真空吸引し、中間部分のみを加圧することにより、研磨の過不足を一層効果的に補正することが可能となる。また、供給する流体は気体のみでなく、純水などの液体でもよい。
【００３２】
また、上記の実施の形態では、同心状の分割空間による軸対称的な制御を行ったが、シール溝及びシール部材を径方向に配置し、背圧空間を周方向にも分割して制御を行っても良い。これにより、変形が軸対称でない場合により高い精度の制御を行なうことができる。この様に本発明の趣旨を逸脱することなく、種々の変形実施例が可能である。
【００３３】
次に、実際にポリッシングを行った時の実験の結果を図５乃至図７に示す。図５は、この時に使用したトップリング１の断面構造の概略を示す断面図で、図５に示すように、把持板２と被覆板３との間の隙間Ｇを、中心側から外方に向けて同心状の圧力空間Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の３つに区画し、これらの各圧力空間Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３内の圧力を各排気流路４２ａ，４２ｂ，４２ｃを介して個別に制御してポリッシングを行うようにしたものである。なお、図５において、数字は実際の中心部からの大きさで、ｍｍで表している。
【００３４】
先ず、図５に示すトップリング１を使用し、トップリング荷重を５００ｇｆ／ｃｍ２（ほぼ５０ｋＰａ）、各圧力空間Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３の圧力を１０−１０−１０，１０−０−０，０−１０−０及び０−０−１０（単位はｋＰａで、圧力０は圧力を加えていないことを示す、以下同じ）に制御してポリッシングを行った時の結果を図６Ａに示す。ここで、各数字は、ウェハの中心を１とした時の各ウエハ内の各位置における相対値（各点は同心円状の１６点の平均値）を示す。
【００３５】
また、同様に、各圧力空間Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３の圧力を０−０−０，１０−０−０及び２０−０−０に制御してポリッシングを行った時の結果を図６Ｂに示す。
これにより、加圧した位置に対応してポリッシング形状が変化し、中央部に加圧すると面内の均一性が良くなることが判る。これは、総荷重は一定であるため、中央部を加圧すると、周縁部の荷重が相対的に低下したためであると考えられる。このように、局部的に圧力制御することで、ポリッシング形状を容易にコントロールすることができる。なお、この例では、１０−０−０としたが２０−１０−１０等に変えた場合も同じような結果になると考えられる。つまり、圧力差があることが重要で、この差によりポリッシュ形状を変化させることができる。
【００３６】
更に、各圧力空間Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３の圧力を１０−１０−１０，１０−（−２０）−１０及び１０−（−２０）−（−２０）に制御してポリッシングを行った時の結果を図７Ａに示す。ここで、マイナスは圧力をマイナス側（吸着）にしたことを示す。
また、各圧力空間Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３の圧力を１０−０−０，１０−（−２０）−（−２０）及び１０−（−４０）−（−４０）に制御してポリッシングを行った時の結果を図７Ｂに示す。
【００３７】
これにより、吸着によって部分的に圧力を低下させることで、吸着した部位に位置するポリッシング量を低下させることができることが判る。なお、このように吸着すると、ウエハと弾性マット及びトップリングが互いに密着するため、砥液が貫通孔を通して吸い上げられることはない。
【００３８】
また、このように吸着する時は、弾性マットの材質によって制御の仕方が異なる。例えば、柔らかい弾性マット（例えば、ＮＦ２００（ロデール・ニッタ株式会社製））の場合は、弾性パットが変形し易いため、２０ｋＰａ位の負圧で弾性パットが変形して効果があるが、硬いパット（例えば、シリコンゴム、ポリウレタンゴム、ペットフィルム）の場合は、変形が少ないので、負圧を大きくしないと研磨性能に影響が出ない。このため、例えば、８００ｇｆ／ｃｍ２程度の負圧をかける必要がある。
【００３９】
このように、ウェハの裏面にかかる圧力を複数に分割し、部分的に加圧（または吸着）することで、ポリッシング形状の制御を行うことができる。
以上説明したように、本発明の基板把持装置及びポリッシング装置によれば、ポリッシングに際して基板の背面側を適切に分割し、その圧力を制御することにより、把持板の変形等に起因する押圧力の不均一な分布を補正し、研磨量の分布を改善して基板の全面を平坦かつ鏡面に研磨することができる。半導体基板表面は、数万個以上のトランジスタ等の電子デバイス素子が形成され、かつ表面段差は１μｍ以下であり、かつ、素子間段差も１μｍ以下の高密度微細化技術が適用されている。上述の微小段差、スペース、アスペクト比（深さ／幅）は平坦化技術によって解決されるが、本発明のより高精度なウエハ全面に渡る圧力均一化技術を半導体製造工程等に適用することにより、質の高いポリッシングを行うことができ、半導体ウエハの周縁部まで製品に供することができるため、半導体ウエハの歩留りの向上に寄与することができる。さらに、本発明によれば、半導体ウエハ等の基板の種類に応じて意図的に研磨量を所定の分布に制御するように研磨することもできる。
【００４０】
産業上の利用の可能性
本発明は、半導体ウエハなどの基板の表面を平坦かつ鏡面に研磨するポリッシング装置、及びこれに用いて好適な基板把持装置に関するものである。従って、より高精度なウエハ全面に渡る質の高いポリッシングを行う半導体製造工程等に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明の１つの実施の形態の基板把持装置のトップリングの断面図である。
【図２】 図２は図１のトップリングにおける背圧制御の領域の設定方法を説明する図である。
【図３】 図３は図２の平面図である。
【図４】 図４はこの発明の実施の形態のポリッシング装置の全体の構成を示す図である。
【図５】 図５は実際のポリッシングに使用したトップリングの断面構造の概略を示す断面図である。
【図６】 図６は図５に示すトップリングを使用してポリッシングした時のポリッシング形状の一例を示すグラフである。
【図７】 図７は図５に示すトップリングを使用してポリッシングした時のポリッシング形状の他の例を示すグラフである。
【図８】 図８は従来のポリッシング装置の構成を示す断面図である。
【図９】 図９は従来の他のポリッシング装置の概略を示す図である。
技術分野
本発明は、基板把持装置に関し、特に半導体ウエハなどの基板の表面を平坦かつ鏡面に研磨するポリッシング装置に用いて好適な基板把持装置に関する。
【０００２】
背景技術
近年、半導体デバイスの高集積化が進むにつれて回路の配線が微細化し、配線間距離もより狭くなりつつある。特に線幅が０．５μｍ以下の光リソグラフィの場合、許容される焦点深度が浅くなるためステッパーの結像面の平坦度を必要とする。そこで、半導体ウエハの表面を平坦化することが必要となるが、この平坦化法の１手段として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、上面に研磨布を貼付して研磨面を構成するターンテーブルと、基板の被研磨面をターンテーブルに向けて基板を保持するトップリングとを有し、これらをそれぞれ自転させながらトップリングにより基板を一定の圧力でターンテーブルに押しつけ、砥液を供給しつつ基板の被研磨面を平坦且つ鏡面に研磨している。
【０００３】
図８は、従来のポリッシング装置の一例の主要部を示す図である。ポリッシング装置は、上面に研磨布１００を貼った回転するターンテーブル１０２と、回転および押圧可能にポリッシング対象物である半導体ウエハＷを保持するトップリング１０４と、研磨布１００に砥液Ｑを供給する砥液供給ノズル１０６を備えている。トップリング１０４はトップリングシャフト１０８に連結され、このトップリングシャフト１０８は図示しないトップリングヘッドにエアシリンダを介して上下動可能に支持されている。
【０００４】
トップリング１０４は、その下面にポリウレタン等の弾性マット１１０を備えており、この弾性マット１１０に接触させて半導体ウエハＷを保持するようになっている。さらにトップリング１０４は、研磨中に半導体ウエハＷがトップリング１０４の下面から外れないようにするため、円筒状のガイドリング１１２を外周縁部に備えている。ガイドリング１１２はトップリング１０４に対して固定され、その下端面はトップリング１０４の把持面から突出しており、その内側に凹所を形成している。これにより、ポリッシング対象物である半導体ウエハＷが凹所内に保持され、研磨中にトップリング１０４外へ飛び出さないようになっている。
【０００５】
このような構成の研磨装置において、半導体ウエハＷをトップリング１０４の下面の弾性マット１１０の下部に保持し、ターンテーブル１０２上の研磨布１００に半導体ウエハＷをトップリング１０４によって押圧するとともに、ターンテーブル１０２およびトップリング１０４を回転させて研磨布１００と半導体ウエハＷを相対運動させて研磨する。このとき、砥液供給ノズル１０６から研磨布１００上に砥液Ｑを供給する。砥液は、例えばアルカリ溶液に微粒子からなる砥粒を懸濁したものを用い、アリカリによる化学的研磨作用と、砥粒による機械的研磨作用との複合作用によって半導体ウエハＷを研磨する。
【０００６】
上述したポリッシング装置により基板を高い精度で平坦化するためには、半導体ウエハを保持するトップリング１０４の基板把持面と、研磨面である研磨布１００の表面、従って、これに影響するターンテーブル１０２の研磨布１００の貼り付け面がそれぞれ高精度な平坦度を有することが望ましいと考えられる。
しかしながら、研磨工程においては、トップリング１０４は自転しながらこれとは独立に自転するターンテーブル１０２に摺接しており、エアシリンダを介して伝達される荷重と研磨布１００からトップリング１０４に伝達される複雑な反力により変形し、基板把持面の平坦精度が悪化する。また、研磨に伴い発生する熱は、一部が供給される砥液によって持ち去られ、一部がターンテーブル１０２に伝達され、残りはトップリング１０４に伝達されるので、これによってトップリング１０４が昇温し、これによっても変形する。従って、基板把持面の平坦な状態を定常的に維持することができない場合がある。さらに、砥液の砥液供給ノズル１０６からの滴下量及び滴下箇所や滴下時での温度等、制御しにくい要因によって、例えば基板の中心と周辺領域の間で研磨速度が異なることが避けられない場合がある。
【０００７】
そこで、本出願人は、特開平９−２２５８２１において、図９に示すような基板把持装置を提案した。ここでは、トップリング１０４の内部に、壁１１４によって区画された複数の圧力空間Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３をこの例では同心状に形成し、さらに、把持板１１６の表裏に連通する複数の貫通孔１１８を形成し、弾性マット１１０にも同様に貫通孔１２０を形成している。そして、各圧力空間Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の個別に圧力を制御しつつ圧力流体を供給可能な背圧制御機構を設けている。これにより、基板把持面の各圧力空間Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に対応する領域毎に基板の背面の押圧力を個別に制御し、基板を研磨面に均一に押圧することで、被研磨面の平坦性を向上させることができる。なお、１２２はトップリング１０４の外周を囲むように、かつトップリングとは別の押圧用エアシリンダで研磨布１００を押圧する押圧リングである。
【０００８】
しかしながら、上記のように加圧流体の押圧力を用いる方法では、基本的に基板の背面と把持面との間は開放された空間であり、ここにトップリング自体から作用する圧力以上の高い圧力空間を維持することは難しく、結果として、把持板の変形による押圧力の不均一さを補正することができず、平坦度が低下してしまう。また、同様に基板の背面と把持面との間の各領域は互いに気密ではないので、基板の背面を加圧することによって生じる隙間を介して空気が流通してしまい、領域毎に個別に圧力を調整することは困難であった。また、上記の構成の装置では、実際の研磨状態に応じて背圧を制御する領域の設定を変更したり、研磨状態に対応した適切な圧力制御を行なうことも容易ではなかった。
【０００９】
発明の開示
本発明は、上述した問題点を解決すべくなされたもので、研磨の状況に応じて基板の保持状態を調整し、基板の被研磨面の全面にわたる研磨量の均一性を維持し、あるいは研磨量を意図的に制御することができるような基板把持装置を提供することを目的とする。
【００１０】
本発明の基板把持装置は、基板を把持してその被研磨面を研磨テーブルの研磨面に押し付ける基板把持装置において、基板の把持面を有する把持板と、該把持板の裏面側を覆って該裏面側に気密な背圧空間を形成する被覆部材とを備え、前記把持板には前記把持面と前記背圧空間を連絡する複数の貫通孔が前記把持面のほぼ全面にわたって分散して設けられ、前記把持板と前記被覆部材の間には前記背圧空間を平面内において複数の所定の気密な分割空間に区画する区画部材が着脱自在に設けられ、前記分割空間の背圧を個別に制御可能な制御装置が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
これにより、通常、弾性マットを介して基板の裏面に負荷される押圧力は、把持板の変形による影響を相殺したより均一なものとなり、被研磨面の平坦度が向上させられる。区画部材としては、例えば、弾性を有するシール部材が好適であり、これは所定の位置に配置して把持板と被覆部材によって挟み込むことにより、簡単に分割空間を形成することができ、また、その変更も容易である。把持板と被覆部材の少なくとも一方に、区画部材を位置決めするための、装着溝のような構造を設けてもよい。
【００１２】
前記把持板に関する物理量を測定するセンサと、このセンサの出力に基づいて把持板の変形量を算出する演算装置とを有するようにしてもよい。これにより、研磨状況によって変わる把持板からの押圧力分布の変動を推定し、これを補正するようにして被研磨面での研磨量分布を調整することができる。測定する物理量としては、把持板の局所的な変形を検知する歪みセンサを用いるのが直接的であるが、温度を測定して熱変形を算出するような間接的な方法を用いることもできる。
【００１６】
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１ないし図４は、本発明の１つの実施の形態を示す図であり、図１は基板把持装置の基板把持部材（トップリング）１を具体的に示す図、図２はその背圧制御機構を説明するための模式的な図、図３は図２の平面図、図４は基板把持装置を用いた研磨装置の全体の構成を示す図（トップリングは模式的に示している）である。
【００１７】
トップリング１は、把持板２とこれの裏面を覆う被覆板３と、ガイドリング４とから構成され、把持板２とガイドリング４により形成される凹所に弾性マット６を介して基板Ｗを保持する。被覆板３は、ボール７を介してトップリングシャフト８に接続されており、このトップリングシャフト８は、トップリングヘッド９に固定されたトップリング用エアシリンダ１０に連結されて上下動可能に、かつトップリング１の下端面に保持された基板Ｗをターンテーブル１０２に押圧可能になっている。トップリングシャフト８内には、後述するように、基板を真空吸着するための排気源に連絡する排気管や、トップリングの温度・歪みやトップリング内の空間の圧力等を検出するセンサあるいはトップリング１に設けた弁等を駆動するための信号やケーブルを通すための空間が形成されている。
【００１８】
また、トップリングシャフト８は、キー（図示せず）を介して回転筒１１に連結されており、この回転筒１１は、その外周部のタイミングプーリ１２、タイミングベルト１３、及びタイミングプーリ１５を介してトップリングヘッド９に固定されたトップリング用モータ１４の出力軸に接続されている。したがって、トップリング用モータ１４を回転駆動することによって、回転筒１１及びトップリングシャフト８が一体に回転し、トップリング１が回転する。トップリングヘッド９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１６によって支持されている。
【００１９】
トップリング１の外周を囲むように押圧リング５が配置されている。この押圧リング５は、キー（図示せず）を介してトップリング１に連結され、ラジアルベアリング１９ａとスラストベアリング１９ｂを保持したベアリング押え２０及びシャフト２１を介して押圧リング用エアシリンダ２２に連結されている。これにより、押圧リング５は、トップリング１に対して芯出しされた状態で上下動自在かつ相対回転可能になっている。押圧リング５は、円周方向に複数個（本実施の形態では３個）が配設された押圧リング用エアシリンダ２２を介してトップリングヘッド９に固定されている。
【００２０】
トップリング用エアシリンダ１０及び押圧リング用エアシリンダ２２は、それぞれレギュレータＲ４，Ｒ５を介して圧縮空気源２９（図４参照）に接続されている。そして、レギュレータＲ４によってトップリング用エアシリンダ１０へ供給する空気圧を調整することによりトップリング１が基板Ｗを研磨布１００に押圧する押圧力を調整することができ、レギュレータＲ５によって押圧リング用エアシリンダ２２へ供給する空気圧を調整することにより押圧リング５が研磨布１００を押圧する押圧力を調整することができる。
【００２１】
また、ターンテーブル１０２の上方には砥液供給ノズル１０６が設置されており、砥液供給ノズル１０６によってターンテーブル１０２上の研磨布１００上に研磨砥液Ｑが供給されるようになっている。
【００２２】
把持板２の上面の中央には断面が楕円の凹部３０が形成されており、被覆板３の下面中央には凹部３０に沿うような形状の突出部３２が下方に突出して形成されている。被覆板３の下面（把持板２との対向面）には、突出部３２のすぐ外側及び外縁部にそれぞれ２つの環状の凸部３５ａ，３５ｂが形成され、把持板２と被覆板３の間に隙間Ｇを形成している。把持板２には、複数の貫通孔２４がその全面にわたってほぼ均等に分散して形成され、弾性マット６のこれに対応する位置には貫通孔２６が形成されている。さらに、被覆板３の下面には、複数（図では５つ）の環状のシール溝３６ａ，３６ｂ，・・，３６ｅ（図２参照）が同心状に形成され、これにより隙間Ｇが複数の領域Ａ１，Ａ２，・・Ａ６に分割されている。
【００２３】
これらのシール溝３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，・・にリング状のシール部材３８を装着することにより、隙間Ｇは、シール部材３８で囲まれた同心の複数の空間Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，・・に分割可能である。このシール部材３８の素材は、例えばフッ素ゴム（バイトン）である。このような分割の仕方は、シール部材３８の装着の仕方によって変えることができる。図の例では、内側から２番目と５番目のシール溝のみにシール部材３８を装着することによって、隙間Ｇを３つの空間Ｃ１＝Ａ１＋Ａ２，Ｃ２＝Ａ３＋Ａ４＋Ａ５，Ｃ３＝Ａ６に分割している。
【００２４】
被覆板３には、各シール溝３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，・・の間の領域Ａ１，Ａ２，・・Ａ６に開口する複数の連通孔４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，・・４０ｆが被覆板３を上下に貫通して形成されている。これらの連通孔４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，・・４０ｆの被覆板の上面側のポートは、開閉弁４１、トップリングシャフト８を経由する排気流路４２ａ，４２ｂ，４２ｃ及びレギュレータＲ１〜Ｒ３を介して真空排気源２８に、レギュレータＲ６〜Ｒ８を介して圧縮空気源２７にそれぞれ接続されている。
【００２５】
この実施の形態においては、把持板２の温度を測定する温度センサ、変形を測定する歪みセンサ（まとめて符号４４で示す）が、基板全面に対応する領域にわたって適当に分散配置されている。これらのセンサ４４の検出出力は、多重伝送ユニット４６を介して制御装置４７に入力され、ここで演算処理されて把持板２の全体の変形状態が推定される。このデータの演算処理は所定のプログラムを用いれば可能であり、ここでは詳述しない。歪みセンサのデータ、あるいは温度分布のデータのいずれか一方だけでも変形状態を推定することはできるが、この実施の形態ではより高い精度を得るために両方を用いている。
【００２６】
なお、この例では、押圧リング５の所定箇所にも歪みセンサが取り付けられている。これの出力は制御装置４７に入力されており、これにより押圧リング５の変形状況が判断され、押圧リング５の変形量が一定限度を超えていると判断された場合には、レギュレータＲ５を介して押圧リング用エアシリンダ２２から押圧リング５に作用する圧力を調整する。これは、研磨布１００の経時劣化に対応するために必要な制御である。
【００２７】
以下、このように構成された研磨装置の作用を制御装置の動作を中心に説明する。研磨は、ターンテーブル１０２を回転させ、砥液供給ノズル１０６から研磨砥液Ｑを供給しつつ、トップリング１によって把持した基板Ｗをトップリング用エアシリンダ１０によって所定圧力でターンテーブル１０２の研磨布１００面に押圧することにより行われる。制御装置４７には、センサ４４より伝送ユニット４６を介して把持板２の下面（把持面）の歪み、温度のデータが送り出され、制御装置４７はこれに基づいて把持板２の変形量を推定する。
【００２８】
制御装置４７は、データを基に推定された変形量によって把持板２から基板Ｗに負荷される押圧力の不均一さを相殺するように基板Ｗと把持板２の間の圧力（背圧）を制御する。すなわち、把持板２の下面が平坦でない場合、基板側に凸となっている部分では弾性マット６が圧縮されており、基板Ｗへの押圧力が局部的に大きくなる。従って、推定された変形状態から凸の領域と凹の領域を割り出し、凸の領域の背圧が凹の領域より小さくなるようにレギュレータＲ１〜Ｒ３及びＲ６〜Ｒ８を調整して基板Ｗ裏面に作用するバックサイドプレッシャを調整する。これにより、弾性マット６を介して基板Ｗに負荷される押圧力は、把持板２の変形による影響を相殺したより均一なものとなり、被研磨面の平坦度が向上する。
【００２９】
なお、この例では、歪みセンサや温度センサ４４からの情報に基づき、把持板２の変形量が必要以上に大きいと判断される場合には、レギュレータＲ４によってトップリング用エアシリンダ１０の押圧力を調整し、把持板２の変形量を小さくするように制御している。
【００３０】
トップリング１は自転しており、ある時間を平均すれば、基板把持面の変形は回転対称な変形であると考えられるので、上記のように背圧制御も同心状の空間毎の軸対称な制御で充分であると考えられる。しかしながら、温度及び／又は歪みセンサの処理を基に得た変形の推定結果に伴い、背圧制御の空間の仕切を変えた方が良いと判断される場合には、被覆板３と把持板２を分離して、シール部材３８の配置を変え、再度結合すれば良い。あるいは、同じ構成のトップリング１においてシール部材３８の配置を変えたものを用意しておき、状況に応じてトップリング１自体を交換して用いても良い。その場合には、連通孔４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，・・４０ｆと排気流路４２ａ，４２ｂ，４２ｃの接続もそれに合わせて変える必要があることは言うまでもない。
【００３１】
なお、この実施の形態においては、トップリング１を構成する被覆板３側にシール溝３６ａ〜３６ｅを形成した例を示しているが、把持板２側、又は双方にシール溝を設けても良い。背圧制御の排気流路、レギュレータの数、シール溝の数等は実施の形態のものに限られることはない。また、背圧の制御は、各領域で加圧と負圧を使い分けてもよく、例えば中央部分と外周部分とを真空吸引し、中間部分のみを加圧することにより、研磨の過不足を一層効果的に補正することが可能となる。また、供給する流体は気体のみでなく、純水などの液体でもよい。
【００３２】
また、上記の実施の形態では、同心状の分割空間による軸対称的な制御を行ったが、シール溝及びシール部材を径方向に配置し、背圧空間を周方向にも分割して制御を行っても良い。これにより、変形が軸対称でない場合により高い精度の制御を行なうことができる。この様に本発明の趣旨を逸脱することなく、種々の変形実施例が可能である。
【００３３】
次に、実際にポリッシングを行った時の実験の結果を図５乃至図７に示す。図５は、この時に使用したトップリング１の断面構造の概略を示す断面図で、図５に示すように、把持板２と被覆板３との間の隙間Ｇを、中心側から外方に向けて同心状の圧力空間Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の３つに区画し、これらの各圧力空間Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３内の圧力を各排気流路４２ａ，４２ｂ，４２ｃを介して個別に制御してポリッシングを行うようにしたものである。なお、図５において、数字は実際の中心部からの大きさで、ｍｍで表している。
【００３４】
先ず、図５に示すトップリング１を使用し、トップリング荷重を５００ｇｆ／ｃｍ２（ほぼ５０ｋＰａ）、各圧力空間Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３の圧力を１０−１０−１０，１０−０−０，０−１０−０及び０−０−１０（単位はｋＰａで、圧力０は圧力を加えていないことを示す、以下同じ）に制御してポリッシングを行った時の結果を図６Ａに示す。ここで、各数字は、ウェハの中心を１とした時の各ウエハ内の各位置における相対値（各点は同心円状の１６点の平均値）を示す。
【００３５】
また、同様に、各圧力空間Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３の圧力を０−０−０，１０−０−０及び２０−０−０に制御してポリッシングを行った時の結果を図６Ｂに示す。
これにより、加圧した位置に対応してポリッシング形状が変化し、中央部に加圧すると面内の均一性が良くなることが判る。これは、総荷重は一定であるため、中央部を加圧すると、周縁部の荷重が相対的に低下したためであると考えられる。このように、局部的に圧力制御することで、ポリッシング形状を容易にコントロールすることができる。なお、この例では、１０−０−０としたが２０−１０−１０等に変えた場合も同じような結果になると考えられる。つまり、圧力差があることが重要で、この差によりポリッシュ形状を変化させることができる。
【００３６】
更に、各圧力空間Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３の圧力を１０−１０−１０，１０−（−２０）−１０及び１０−（−２０）−（−２０）に制御してポリッシングを行った時の結果を図７Ａに示す。ここで、マイナスは圧力をマイナス側（吸着）にしたことを示す。
また、各圧力空間Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３の圧力を１０−０−０，１０−（−２０）−（−２０）及び１０−（−４０）−（−４０）に制御してポリッシングを行った時の結果を図７Ｂに示す。
【００３７】
これにより、吸着によって部分的に圧力を低下させることで、吸着した部位に位置するポリッシング量を低下させることができることが判る。なお、このように吸着すると、ウエハと弾性マット及びトップリングが互いに密着するため、砥液が貫通孔を通して吸い上げられることはない。
【００３８】
また、このように吸着する時は、弾性マットの材質によって制御の仕方が異なる。例えば、柔らかい弾性マット（例えば、ＮＦ２００（ロデール・ニッタ株式会社製））の場合は、弾性パットが変形し易いため、２０ｋＰａ位の負圧で弾性パットが変形して効果があるが、硬いパット（例えば、シリコンゴム、ポリウレタンゴム、ペットフィルム）の場合は、変形が少ないので、負圧を大きくしないと研磨性能に影響が出ない。このため、例えば、８００ｇｆ／ｃｍ２程度の負圧をかける必要がある。
【００３９】
このように、ウェハの裏面にかかる圧力を複数に分割し、部分的に加圧（または吸着）することで、ポリッシング形状の制御を行うことができる。
以上説明したように、本発明の基板把持装置及びポリッシング装置によれば、ポリッシングに際して基板の背面側を適切に分割し、その圧力を制御することにより、把持板の変形等に起因する押圧力の不均一な分布を補正し、研磨量の分布を改善して基板の全面を平坦かつ鏡面に研磨することができる。半導体基板表面は、数万個以上のトランジスタ等の電子デバイス素子が形成され、かつ表面段差は１μｍ以下であり、かつ、素子間段差も１μｍ以下の高密度微細化技術が適用されている。上述の微小段差、スペース、アスペクト比（深さ／幅）は平坦化技術によって解決されるが、本発明のより高精度なウエハ全面に渡る圧力均一化技術を半導体製造工程等に適用することにより、質の高いポリッシングを行うことができ、半導体ウエハの周縁部まで製品に供することができるため、半導体ウエハの歩留りの向上に寄与することができる。さらに、本発明によれば、半導体ウエハ等の基板の種類に応じて意図的に研磨量を所定の分布に制御するように研磨することもできる。
【００４０】
産業上の利用の可能性
本発明は、半導体ウエハなどの基板の表面を平坦かつ鏡面に研磨するポリッシング装置、及びこれに用いて好適な基板把持装置に関するものである。従って、より高精度なウエハ全面に渡る質の高いポリッシングを行う半導体製造工程等に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明の１つの実施の形態の基板把持装置のトップリングの断面図である。
【図２】 図２は図１のトップリングにおける背圧制御の領域の設定方法を説明する図である。
【図３】 図３は図２の平面図である。
【図４】 図４はこの発明の実施の形態のポリッシング装置の全体の構成を示す図である。
【図５】 図５は実際のポリッシングに使用したトップリングの断面構造の概略を示す断面図である。
【図６】 図６は図５に示すトップリングを使用してポリッシングした時のポリッシング形状の一例を示すグラフである。
【図７】 図７は図５に示すトップリングを使用してポリッシングした時のポリッシング形状の他の例を示すグラフである。
【図８】 図８は従来のポリッシング装置の構成を示す断面図である。
【図９】 図９は従来の他のポリッシング装置の概略を示す図である。
Claims (9)
- 基板を把持してその被研磨面を研磨テーブルの研磨面に押し付ける基板把持装置において、
基板の把持面を有する把持板と、
該把持板の裏面側を覆って該裏面側に気密な背圧空間を形成する被覆部材とを備え、
前記把持板には前記把持面と前記背圧空間を連絡する複数の貫通孔が前記把持面のほぼ全面にわたって分散して設けられ、
前記把持板と前記被覆部材の間には前記背圧空間を平面内において複数の所定の気密な分割空間に区画する区画部材が着脱自在に設けられ、
前記分割空間の背圧を個別に制御可能な制御装置が設けられていることを特徴とする基板把持装置。 - 前記把持板に関する物理量を測定するセンサと、このセンサの出力に基づいて把持板の変形量を算出する演算装置とを有することを特徴とする請求項１に記載の基板把持装置。
- 前記把持板には歪みセンサが取り付けられ、前記制御装置は、前記歪みセンサの出力に基づいて基板の研磨テーブルへの押圧力を調整することを特徴とする請求項１に記載の基板把持装置。
- 前記把持板の周囲に配置され、該把持板とは独立に前記研磨面を押圧する押圧リングを備え、
前記押圧リングには歪みセンサが取り付けられ、前記制御装置は、前記歪みセンサの出力に基づいて押圧リングの前記研磨テーブルへの押圧力を調整することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の基板把持装置。 - 前記把持板または前記被覆部材にはシール溝が設けられ、前記区画部材は前記シール溝に装着されるＯリングからなり、前記シール溝と前記Ｏリングによって前記分割空間が区画されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の基板把持装置。
- 前記分割空間は、同心状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の基板把持装置。
- 前記分割空間の内部に流体を導入することで該分割空間の背圧を個別に制御することを特徴とする請求項６に記載の基板把持装置。
- 前記押圧リングは、流体を介して押圧されるよう構成されていることを特徴とする請求項４に記載の基板把持装置。
- 請求項１乃至８のいずれかに記載の基板把持装置と、研磨テーブルとを有することを特徴とする研磨装置。
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