JP4049579B2 - 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、研磨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」などの不均一な研磨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、半導体ウェハの側端部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】
しかしながら、上述したガイドリング又はリテーナリングの押圧力を制御するだけでは、縁だれなどの不均一な研磨が十分に抑制されない場合がある。また、半導体ウェハの外周縁部には通常デバイスは形成されないが、金属の溶出やその他のディフェクトを防止するためなどの目的で、半導体ウェハの外周縁部において下層の膜を露出させないように外周縁部の研磨レートを意図的に小さくしたり、これとは逆に完全に膜を取り除くために研磨レートを意図的に大きくしたりしたいという要望がある。従来のポリッシング装置では、半導体ウェハの外周縁部の研磨レートを任意に制御することが十分にできていないのが現状である。
【０００９】
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を均一に研磨しつつ、特に研磨対象物の外周縁部の研磨レートを任意に制御す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。
【００１０】
【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、本発明の一態様は、研磨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、前記基板を保持するトップリング本体と、前記基板の外周縁部に当接するエッジバッグと、前記エッジバッグの径方向内側で前記基板に当接するトルク伝達部材とを備え、前記トルク伝達部材には、該トルク伝達部材の内部の空間と、前記トップリング本体で基板を保持した時に前記エッジバッグの径方向内側に位置して該トルク伝達部材の周囲に形成される空間とを連通する連通孔が形成され、前記エッジバッグの内部に形成される第１の圧力室の圧力と、前記トルク伝達部材の内部の空間と前記トップリング本体で基板を保持した時に前記エッジバッグの径方向内側に位置して該トルク伝達部材の周囲に形成される空間からなる第２の圧力室の圧力とを独立に制御することを特徴とする基板保持装置である。
【００１１】
このような構成により、トルク伝達部材により基板に十分なトルクを伝達することができ、また、第２の圧力室の圧力により基板の外周縁部を除く全面を均一な力で研磨面に押圧すると共に、第１の圧力室の圧力を第２の圧力室の圧力とは独立に制御することができる。従って、基板の外周縁部における研磨レートの制御、即ち外周縁部における研磨プロファイルの制御が可能となる。
【００１３】
また、半導体ウェハの外周縁部の研磨レートを制御する観点から、上記第１の圧力室を形成する上記エッジバッグの部材の径方向幅が１ｍｍ乃至１０ｍｍであることが好ましい。
【００１４】
本発明の好ましい一態様は、上記トップリング本体に固定されるか又は一体に設けられ基板の側端部を保持するリテーナリングを備え、上記リテーナリングの研磨面に対する押圧力を上記圧力室の圧力とは独立に制御することを特徴としている。このように、リテーナリングの押圧力も制御することにより、より細かな制御が可能になる。
【００１５】
本発明の他の一態様は、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。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る基板保持装置の一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、研磨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。
【００１７】
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。
【００１８】
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を介して圧力調整部１２０に接続されている。この圧力調整部１２０は、圧縮空気源から加圧空気等の加圧流体を供給することによって、あるいはポンプ等により真空引きすることによって圧力の調整を行うものである。この圧力調整部１２０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レギュレータＲ１を介して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。
【００１９】
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）に回転可能に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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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の外周縁部に当接するエッジバッグ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と、エッジバッグ４の径方向内側で半導体ウェハＷと当接するトルク伝達部材７とが収容されている。
【００２４】
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。
【００２５】
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８が張設されている。この加圧シート８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８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を介して圧力調整部１２０に接続されている。なお、加圧シート８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。
【００２６】
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から延びハウジング部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はエッジバッグ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。
【００２７】
図３は、図２のエッジバッグ４を示す部分断面図である。図３に示すように、エッジバッグ４は、その外周側がホルダーリング５のストッパ部５ｂとホルダーリング５の下部に配置されたエッジバッグホルダ６ａとの間に挟み込まれており、その内周側がエッジバッグホルダ６ａとチャッキングプレート本体６ｂとの間に挟み込まれて固定されている。このエッジバッグ４の下端面は、研磨対象物である半導体ウェハＷの外周縁部に接する。エッジバッグ４は、弾性膜によって構成されており、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。
【００２８】
エッジバッグ４の下面は半導体ウェハＷの外周縁部に当接するが、この下面には半径方向内方に張り出したつば４１が設けられている。また、エッジバッグ４の内部には、上述した弾性膜によって（第１の）圧力室２２が形成されている。この圧力室２２には、チューブ、コネクタ等からなる流体路３３が連通されており、圧力室２２はこの流体路３３上に配置されたレギュレータＲ３を介して圧力調整部１２０に接続されている。
【００２９】
研磨の際、トップリング１の回転に伴い半導体ウェハＷも回転するが、上述したエッジバッグ４だけでは半導体ウェハＷとの接触面積が小さく、回転トルクを伝達しきれないおそれがある。このため、半導体ウェハＷに当接して、半導体ウェハＷに十分なトルクを伝達するトルク伝達部材７がチャッキングプレート６に固定されている。このトルク伝達部材７は環状のバッグ形状をしており、半導体ウェハＷに十分なトルクを伝達するだけの接触面積をもって半導体ウェハＷと接触する。
【００３０】
図４は、図２のトルク伝達部材７を示す部分断面図である。図４に示すように、トルク伝達部材７は、半導体ウェハＷの上面に当接する弾性膜７１と、弾性膜７１を着脱可能に保持するトルク伝達部材ホルダー７２とから構成されており、これらの弾性膜７１とトルク伝達部材ホルダー７２によってトルク伝達部材７の内部に空間６０が形成されている。トルク伝達部材７の弾性膜７１は、エッジバッグ４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。
【００３１】
トルク伝達部材７の弾性膜７１は、図４に示すように、外方に張り出したつば７１ａを有する当接部７１ｂと、上記トルク伝達部材ホルダー７２を介してチャッキングプレート６に接続される接続部７１ｃとを備えている。そして、つば７１ａの基部７１ｄから上方に向かって上記接続部７１ｃが延びている。また、当接部７１ｂ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。接続部７１ｃには、内周側及び外周側の両方に複数の連通孔７３が形成されており、トルク伝達部材７の内部空間６０と外部空間６１，６２とが連通されている。
【００３２】
鉛直方向に延びる２つの接続部７１ｃを比較的近い距離に並べて配置することで、接続部７１ｃがトルクを伝えるのに十分な強度を持たせることができる。また、つば７１ａを設けることによって半導体ウェハＷとの接触面積を十分に確保することができる。
【００３３】
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、複数の空間、即ち、エッジバッグ４の径方向内側の圧力室２２、上述したトルク伝達部材７の内部の空間６０、エッジバッグ４とトルク伝達部材７との間の空間６１、トルク伝達部材７の径方向内側の空間６２に区画することができる。上述したように、トルク伝達部材７の接続部７１ｃには連通孔７３が設けられているため、空間６１、空間６０、空間６２はこの連通孔７３を介して互いに連通されて、エッジバッグ４の径方向内側に（第２の）圧力室２３が形成される。
【００３４】
トルク伝達部材７内の空間６０には、チューブ、コネクタ等からなる流体路３４が連通されており、空間６０はこの流体路３４上に配置されたレギュレータＲ４を介して圧力調整部１２０に接続されている。また、エッジバッグ４とトルク伝達部材７との間の空間６１は、チューブ、コネクタ等からなる流体路３５が連通されており、空間６０はこの流体路３５上に配置されたレギュレータＲ５を介して圧力調整部１２０に接続されている。更に、トルク伝達部材７の径方向内側の空間６２はチューブ、コネクタ等からなる流体路３６に連通しており、空間６２は流体路３６上に配置されたレギュレータ（図示せず）を介して圧力調整部１２０に接続されている。なお、上記圧力室２１〜２３は、トップリングシャフト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に接続される。
【００３５】
上述したように空間６１、空間６０、空間６２は互いに連通されているため、このように複数の流体路を設けなくても、１つの流体路からの加圧流体の供給によって圧力室２３の圧力を均一に保つことはできるが、圧力室２３の圧力を変化させたときの応答を良くするためには本実施形態のように複数の流体路３４，３５，３６を設けることが好ましい。ただし、レギュレータは必ずしも各流体路３４，３５，３６ごとに設ける必要はなく、流体路３４，３５，３６を１つのレギュレータに接続して圧力制御を行ってもよい。
【００３６】
半導体ウェハを研磨する際、圧力室２２及び圧力室２３にはそれぞれ加圧流体が供給される。エッジバッグ４の下端面にはつば４１が設けられているが、このつば４１は、圧力室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、圧力室２３内の加圧流体がエッジバッグ４の下面に回りこむことがない。従って、上記つば４１を設けることによって、圧力室２２及び圧力室２３の圧力を変化させたときにも安定した制御が可能になる。ここで、エッジバッグ４内の圧力室２２を形成する弾性膜の径方向幅ｄは、半導体ウェハＷの外周縁部の研磨レートを制御するという観点から１〜１０ｍｍ程度であることが好ましく、本実施形態においては５ｍｍとしている。
【００３７】
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２２，２３には、各圧力室に連通される流体路３１，３３，３４〜３６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。即ち、圧力室２１〜２３の流体路３１，３３，３４〜３６上に配置されたレギュレータ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２１〜２３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。このような構成により、圧力室２３の圧力により半導体ウェハＷの外周縁部を除く全面を均一な力で研磨面に押圧すると共に、圧力室２２の圧力を圧力室２３の圧力とは独立に制御することができ、半導体ウェハＷの外周縁部における研磨速度の制御、即ち外周縁部における研磨プロファイルの制御ができる。更には、リテーナリング３の押圧力も制御することにより、より細かな制御が可能になる。
【００３８】
この場合において、各圧力室２２，２３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。
【００３９】
また、チャッキングプレート６には、下方に突出する吸着部４０がエッジバッグ４とトルク伝達部材７との間に設けられており、本実施形態においては、４個の吸着部４０が設けられている。この吸着部４０には、チューブ、コネクタ等からなる流体路３７に連通する連通孔４０ａが形成されており、吸着部４０はこの流体路３７上に配置されたレギュレータ（図示せず）を介して圧力調整部１２０に接続されている。この圧力調整部１２０により吸着部４０の連通孔４０ａの開口端に負圧を形成し、吸着部４０に半導体ウェハＷを吸着することができる。なお、吸着部４０の下端面には薄いゴムシート等からなる弾性シート４０ｂが貼着されており、吸着部４０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。
【００４０】
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、吸着部４０の連通孔４０ａを流体路３７を介して圧力調整部１２０に接続する。この連通孔４０ａの吸引作用により吸着部４０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の側端部はリテーナリング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。
【００４１】
研磨時には、吸着部４０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及び圧力室２３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。
【００４２】
ここで、半導体ウェハＷの圧力室２２及び圧力室２３の下方に位置する部分は、それぞれ圧力室２２及び圧力室２３に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。従って、半導体ウェハＷに加わる研磨圧力は、圧力室２２及び圧力室２３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の外周縁部を除く全面を均一な力で研磨面に押圧すると共に、半導体ウェハＷの外周縁部における研磨レートを制御することができ、半導体ウェハＷの外周縁部における研磨プロファイルの制御を行うことができる。また、同様に、レギュレータＲ２によって圧力室２１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の外周縁部における研磨プロファイルをより細かく制御することができる。なお、半導体ウェハＷの圧力室２３の下方に位置する部分には、トルク伝達部材７の当接部７１ｂを介して流体から押圧力が加えられる部分と、加圧流体の圧力そのものが半導体ウェハＷに加わる部分とがあるが、これらの部分に加えられる押圧力は同一圧力である。
【００４３】
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、圧力室２２及び圧力室２３に供給する加圧流体による半導体ウェハＷ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を吸着部４０の下端面に再び真空吸着する。この時、圧力室２２及び圧力室２３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、吸着部４０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の吸着部４０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。
【００４４】
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、吸着部４０の連通孔４０ａ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。
【００４５】
ところで、エッジバッグ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、及びエッジバッグ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。
【００４６】
上述の実施形態では、流体路３１，３３〜３７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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、トルク伝達部材により基板に十分なトルクを伝達することができ、また、第２の圧力室の圧力により基板の外周縁部を除く全面を均一な力で研磨面に押圧すると共に、第１の圧力室の圧力を第２の圧力室の圧力とは独立に制御することができる。従って、基板の外周縁部における研磨レートの制御、即ち外周縁部における研磨プロファイルの制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一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のエッジバッグを示す部分断面図である。
【図４】図２のトルク伝達部材を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１ トップリング
２ トップリング本体
３ リテーナリング
４ エッジバッグ
５ ホルダーリング
６ チャッキングプレート
７ トルク伝達部材
８ 加圧シート
１０ 自在継手部
１１ トップリング駆動軸
１２ ベアリングボール
２１〜２３ 圧力室
３１〜３７ 流体路
４０ 吸着部
４０ａ 連通孔
４０ｂ 弾性シート
５１ 洗浄液路
５２ 貫通孔
５３ 連通孔
６０〜６２ 空間
７１ 弾性膜
７１ａ つば
７１ｂ 当接部
７１ｃ 接続部
７１ｄ 基部
７２ トルク伝達部材ホルダー
７３ 連通孔
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 圧力調整部
Ｇ 間隙
Ｑ 研磨液
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５ レギュレータ
Ｗ 半導体ウェハ
【発明の属する技術分野】
本発明は、研磨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」などの不均一な研磨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、半導体ウェハの側端部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】
しかしながら、上述したガイドリング又はリテーナリングの押圧力を制御するだけでは、縁だれなどの不均一な研磨が十分に抑制されない場合がある。また、半導体ウェハの外周縁部には通常デバイスは形成されないが、金属の溶出やその他のディフェクトを防止するためなどの目的で、半導体ウェハの外周縁部において下層の膜を露出させないように外周縁部の研磨レートを意図的に小さくしたり、これとは逆に完全に膜を取り除くために研磨レートを意図的に大きくしたりしたいという要望がある。従来のポリッシング装置では、半導体ウェハの外周縁部の研磨レートを任意に制御することが十分にできていないのが現状である。
【０００９】
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を均一に研磨しつつ、特に研磨対象物の外周縁部の研磨レートを任意に制御す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。
【００１０】
【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、本発明の一態様は、研磨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、前記基板を保持するトップリング本体と、前記基板の外周縁部に当接するエッジバッグと、前記エッジバッグの径方向内側で前記基板に当接するトルク伝達部材とを備え、前記トルク伝達部材には、該トルク伝達部材の内部の空間と、前記トップリング本体で基板を保持した時に前記エッジバッグの径方向内側に位置して該トルク伝達部材の周囲に形成される空間とを連通する連通孔が形成され、前記エッジバッグの内部に形成される第１の圧力室の圧力と、前記トルク伝達部材の内部の空間と前記トップリング本体で基板を保持した時に前記エッジバッグの径方向内側に位置して該トルク伝達部材の周囲に形成される空間からなる第２の圧力室の圧力とを独立に制御することを特徴とする基板保持装置である。
【００１１】
このような構成により、トルク伝達部材により基板に十分なトルクを伝達することができ、また、第２の圧力室の圧力により基板の外周縁部を除く全面を均一な力で研磨面に押圧すると共に、第１の圧力室の圧力を第２の圧力室の圧力とは独立に制御することができる。従って、基板の外周縁部における研磨レートの制御、即ち外周縁部における研磨プロファイルの制御が可能となる。
【００１３】
また、半導体ウェハの外周縁部の研磨レートを制御する観点から、上記第１の圧力室を形成する上記エッジバッグの部材の径方向幅が１ｍｍ乃至１０ｍｍであることが好ましい。
【００１４】
本発明の好ましい一態様は、上記トップリング本体に固定されるか又は一体に設けられ基板の側端部を保持するリテーナリングを備え、上記リテーナリングの研磨面に対する押圧力を上記圧力室の圧力とは独立に制御することを特徴としている。このように、リテーナリングの押圧力も制御することにより、より細かな制御が可能になる。
【００１５】
本発明の他の一態様は、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。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る基板保持装置の一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、研磨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。
【００１７】
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。
【００１８】
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を介して圧力調整部１２０に接続されている。この圧力調整部１２０は、圧縮空気源から加圧空気等の加圧流体を供給することによって、あるいはポンプ等により真空引きすることによって圧力の調整を行うものである。この圧力調整部１２０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レギュレータＲ１を介して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。
【００１９】
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）に回転可能に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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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の外周縁部に当接するエッジバッグ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と、エッジバッグ４の径方向内側で半導体ウェハＷと当接するトルク伝達部材７とが収容されている。
【００２４】
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。
【００２５】
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８が張設されている。この加圧シート８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８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を介して圧力調整部１２０に接続されている。なお、加圧シート８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。
【００２６】
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から延びハウジング部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はエッジバッグ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。
【００２７】
図３は、図２のエッジバッグ４を示す部分断面図である。図３に示すように、エッジバッグ４は、その外周側がホルダーリング５のストッパ部５ｂとホルダーリング５の下部に配置されたエッジバッグホルダ６ａとの間に挟み込まれており、その内周側がエッジバッグホルダ６ａとチャッキングプレート本体６ｂとの間に挟み込まれて固定されている。このエッジバッグ４の下端面は、研磨対象物である半導体ウェハＷの外周縁部に接する。エッジバッグ４は、弾性膜によって構成されており、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。
【００２８】
エッジバッグ４の下面は半導体ウェハＷの外周縁部に当接するが、この下面には半径方向内方に張り出したつば４１が設けられている。また、エッジバッグ４の内部には、上述した弾性膜によって（第１の）圧力室２２が形成されている。この圧力室２２には、チューブ、コネクタ等からなる流体路３３が連通されており、圧力室２２はこの流体路３３上に配置されたレギュレータＲ３を介して圧力調整部１２０に接続されている。
【００２９】
研磨の際、トップリング１の回転に伴い半導体ウェハＷも回転するが、上述したエッジバッグ４だけでは半導体ウェハＷとの接触面積が小さく、回転トルクを伝達しきれないおそれがある。このため、半導体ウェハＷに当接して、半導体ウェハＷに十分なトルクを伝達するトルク伝達部材７がチャッキングプレート６に固定されている。このトルク伝達部材７は環状のバッグ形状をしており、半導体ウェハＷに十分なトルクを伝達するだけの接触面積をもって半導体ウェハＷと接触する。
【００３０】
図４は、図２のトルク伝達部材７を示す部分断面図である。図４に示すように、トルク伝達部材７は、半導体ウェハＷの上面に当接する弾性膜７１と、弾性膜７１を着脱可能に保持するトルク伝達部材ホルダー７２とから構成されており、これらの弾性膜７１とトルク伝達部材ホルダー７２によってトルク伝達部材７の内部に空間６０が形成されている。トルク伝達部材７の弾性膜７１は、エッジバッグ４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。
【００３１】
トルク伝達部材７の弾性膜７１は、図４に示すように、外方に張り出したつば７１ａを有する当接部７１ｂと、上記トルク伝達部材ホルダー７２を介してチャッキングプレート６に接続される接続部７１ｃとを備えている。そして、つば７１ａの基部７１ｄから上方に向かって上記接続部７１ｃが延びている。また、当接部７１ｂ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。接続部７１ｃには、内周側及び外周側の両方に複数の連通孔７３が形成されており、トルク伝達部材７の内部空間６０と外部空間６１，６２とが連通されている。
【００３２】
鉛直方向に延びる２つの接続部７１ｃを比較的近い距離に並べて配置することで、接続部７１ｃがトルクを伝えるのに十分な強度を持たせることができる。また、つば７１ａを設けることによって半導体ウェハＷとの接触面積を十分に確保することができる。
【００３３】
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、複数の空間、即ち、エッジバッグ４の径方向内側の圧力室２２、上述したトルク伝達部材７の内部の空間６０、エッジバッグ４とトルク伝達部材７との間の空間６１、トルク伝達部材７の径方向内側の空間６２に区画することができる。上述したように、トルク伝達部材７の接続部７１ｃには連通孔７３が設けられているため、空間６１、空間６０、空間６２はこの連通孔７３を介して互いに連通されて、エッジバッグ４の径方向内側に（第２の）圧力室２３が形成される。
【００３４】
トルク伝達部材７内の空間６０には、チューブ、コネクタ等からなる流体路３４が連通されており、空間６０はこの流体路３４上に配置されたレギュレータＲ４を介して圧力調整部１２０に接続されている。また、エッジバッグ４とトルク伝達部材７との間の空間６１は、チューブ、コネクタ等からなる流体路３５が連通されており、空間６０はこの流体路３５上に配置されたレギュレータＲ５を介して圧力調整部１２０に接続されている。更に、トルク伝達部材７の径方向内側の空間６２はチューブ、コネクタ等からなる流体路３６に連通しており、空間６２は流体路３６上に配置されたレギュレータ（図示せず）を介して圧力調整部１２０に接続されている。なお、上記圧力室２１〜２３は、トップリングシャフト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に接続される。
【００３５】
上述したように空間６１、空間６０、空間６２は互いに連通されているため、このように複数の流体路を設けなくても、１つの流体路からの加圧流体の供給によって圧力室２３の圧力を均一に保つことはできるが、圧力室２３の圧力を変化させたときの応答を良くするためには本実施形態のように複数の流体路３４，３５，３６を設けることが好ましい。ただし、レギュレータは必ずしも各流体路３４，３５，３６ごとに設ける必要はなく、流体路３４，３５，３６を１つのレギュレータに接続して圧力制御を行ってもよい。
【００３６】
半導体ウェハを研磨する際、圧力室２２及び圧力室２３にはそれぞれ加圧流体が供給される。エッジバッグ４の下端面にはつば４１が設けられているが、このつば４１は、圧力室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、圧力室２３内の加圧流体がエッジバッグ４の下面に回りこむことがない。従って、上記つば４１を設けることによって、圧力室２２及び圧力室２３の圧力を変化させたときにも安定した制御が可能になる。ここで、エッジバッグ４内の圧力室２２を形成する弾性膜の径方向幅ｄは、半導体ウェハＷの外周縁部の研磨レートを制御するという観点から１〜１０ｍｍ程度であることが好ましく、本実施形態においては５ｍｍとしている。
【００３７】
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２２，２３には、各圧力室に連通される流体路３１，３３，３４〜３６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。即ち、圧力室２１〜２３の流体路３１，３３，３４〜３６上に配置されたレギュレータ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２１〜２３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。このような構成により、圧力室２３の圧力により半導体ウェハＷの外周縁部を除く全面を均一な力で研磨面に押圧すると共に、圧力室２２の圧力を圧力室２３の圧力とは独立に制御することができ、半導体ウェハＷの外周縁部における研磨速度の制御、即ち外周縁部における研磨プロファイルの制御ができる。更には、リテーナリング３の押圧力も制御することにより、より細かな制御が可能になる。
【００３８】
この場合において、各圧力室２２，２３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。
【００３９】
また、チャッキングプレート６には、下方に突出する吸着部４０がエッジバッグ４とトルク伝達部材７との間に設けられており、本実施形態においては、４個の吸着部４０が設けられている。この吸着部４０には、チューブ、コネクタ等からなる流体路３７に連通する連通孔４０ａが形成されており、吸着部４０はこの流体路３７上に配置されたレギュレータ（図示せず）を介して圧力調整部１２０に接続されている。この圧力調整部１２０により吸着部４０の連通孔４０ａの開口端に負圧を形成し、吸着部４０に半導体ウェハＷを吸着することができる。なお、吸着部４０の下端面には薄いゴムシート等からなる弾性シート４０ｂが貼着されており、吸着部４０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。
【００４０】
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、吸着部４０の連通孔４０ａを流体路３７を介して圧力調整部１２０に接続する。この連通孔４０ａの吸引作用により吸着部４０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の側端部はリテーナリング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。
【００４１】
研磨時には、吸着部４０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及び圧力室２３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。
【００４２】
ここで、半導体ウェハＷの圧力室２２及び圧力室２３の下方に位置する部分は、それぞれ圧力室２２及び圧力室２３に供給される加圧流体の圧力で研磨面に押圧される。従って、半導体ウェハＷに加わる研磨圧力は、圧力室２２及び圧力室２３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の外周縁部を除く全面を均一な力で研磨面に押圧すると共に、半導体ウェハＷの外周縁部における研磨レートを制御することができ、半導体ウェハＷの外周縁部における研磨プロファイルの制御を行うことができる。また、同様に、レギュレータＲ２によって圧力室２１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の外周縁部における研磨プロファイルをより細かく制御することができる。なお、半導体ウェハＷの圧力室２３の下方に位置する部分には、トルク伝達部材７の当接部７１ｂを介して流体から押圧力が加えられる部分と、加圧流体の圧力そのものが半導体ウェハＷに加わる部分とがあるが、これらの部分に加えられる押圧力は同一圧力である。
【００４３】
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、圧力室２２及び圧力室２３に供給する加圧流体による半導体ウェハＷ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を吸着部４０の下端面に再び真空吸着する。この時、圧力室２２及び圧力室２３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、吸着部４０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の吸着部４０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。
【００４４】
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、吸着部４０の連通孔４０ａ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。
【００４５】
ところで、エッジバッグ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、及びエッジバッグ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。
【００４６】
上述の実施形態では、流体路３１，３３〜３７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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、トルク伝達部材により基板に十分なトルクを伝達することができ、また、第２の圧力室の圧力により基板の外周縁部を除く全面を均一な力で研磨面に押圧すると共に、第１の圧力室の圧力を第２の圧力室の圧力とは独立に制御することができる。従って、基板の外周縁部における研磨レートの制御、即ち外周縁部における研磨プロファイルの制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一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のエッジバッグを示す部分断面図である。
【図４】図２のトルク伝達部材を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１ トップリング
２ トップリング本体
３ リテーナリング
４ エッジバッグ
５ ホルダーリング
６ チャッキングプレート
７ トルク伝達部材
８ 加圧シート
１０ 自在継手部
１１ トップリング駆動軸
１２ ベアリングボール
２１〜２３ 圧力室
３１〜３７ 流体路
４０ 吸着部
４０ａ 連通孔
４０ｂ 弾性シート
５１ 洗浄液路
５２ 貫通孔
５３ 連通孔
６０〜６２ 空間
７１ 弾性膜
７１ａ つば
７１ｂ 当接部
７１ｃ 接続部
７１ｄ 基部
７２ トルク伝達部材ホルダー
７３ 連通孔
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 圧力調整部
Ｇ 間隙
Ｑ 研磨液
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５ レギュレータ
Ｗ 半導体ウェハ
Claims (4)
- 研磨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、
前記基板を保持するトップリング本体と、前記基板の外周縁部に当接するエッジバッグと、前記エッジバッグの径方向内側で前記基板に当接するトルク伝達部材とを備え、
前記トルク伝達部材には、該トルク伝達部材の内部の空間と、前記トップリング本体で基板を保持した時に前記エッジバッグの径方向内側に位置して該トルク伝達部材の周囲に形成される空間とを連通する連通孔が形成され、
前記エッジバッグの内部に形成される第１の圧力室の圧力と、前記トルク伝達部材の内部の空間と前記トップリング本体で基板を保持した時に前記エッジバッグの径方向内側に位置して該トルク伝達部材の周囲に形成される空間からなる第２の圧力室の圧力とを独立に制御することを特徴とする基板保持装置。 - 前記第１の圧力室を形成する前記エッジバッグの部材の径方向幅が１ｍｍ乃至１０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の基板保持装置。
- 前記トップリング本体に固定されるか又は一体に設けられ基板の側端部を保持するリテーナリングを備え、
前記リテーナリングの研磨面に対する押圧力を前記第１及び第２の圧力室の圧力とは独立に制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の基板保持装置。 - 請求項１乃至３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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