JP4597634B2 - トップリング、基板の研磨装置及び研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、研磨装置に係り、特に半導体ウェハなどの研磨対象物（基板）を研磨して平坦化する基板の研磨装置及び研磨方法、並びに該研磨装置に用いられるトップリングに関するものである。

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、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。このような半導体ウェハの表面を平坦化する一手段として、化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）を行う研磨装置が知られている。

この種の研磨装置は、研磨パッドからなる研磨面を有する研磨テーブルと、研磨対象物としての半導体ウェハを保持するためのトップリングとを備えている。このような研磨装置を用いて半導体ウェハの研磨を行う場合には、トップリング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、研磨テーブルとトップリング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。

このような研磨装置において、樹脂製の研磨パッドを用いて研磨を行った場合、ドレッシングやパッド交換などにより研磨パッドが摩耗する。この場合において、トップリングに保持された半導体ウェハの面圧分布が変化しないようにするためには、研磨時のトップリングの半導体ウェハを保持する面と研磨パッドとの距離を一定に保つ必要がある。また、半導体ウェハの外周部を把持するリテーナリングが設けられる場合においても、このリテーナリングが研磨の進行に伴い摩耗することがある。このように、リテーナリングが摩耗した場合においても、研磨時のトップリングの半導体ウェハを保持する面と研磨パッドとの距離を一定に保つ必要がある。

特開２００４−１５４８７４号公報 米国特許出願公開第２００４／０１２１７０４号明細書 特開２００３−１７３９９５号公報

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、基板の外周部を保持するリテーナリングが研磨により摩耗しても、基板と研磨面との距離を一定にして基板の研磨を行うことができる基板の研磨装置及び研磨方法、並びに該研磨装置に用いられるトップリングを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様によれば、基板を保持しながら研磨テーブルの研磨面に押圧させて該基板を研磨する研磨装置に用いられるトップリングが提供される。このトップリングは、基板の研磨時に基板の外周縁を保持するリテーナリングを備え、上記リテーナリングは、保持部材を介して上部を固定され、内部に形成された室に供給される流体によって上下方向に伸縮しうる、上下方向に変形自在な屈曲した部分を下部に有するローリングダイヤフラムからなる弾性膜と、上下方向に変形自在な屈曲した部分を下部に有し、保持部材を介して上部を固定され、内部に形成された室に供給される流体によって上下方向に伸縮しうるローリングダイヤフラムからなる弾性膜と、下面を上記研磨面に接触するリング部材と、上部を上記弾性膜の下端部に、下部を上記リング部材の上端部にそれぞれ連結され、上記弾性膜の上下方向の伸縮に伴って上記リング部材と一体に上下動するピストンとを備えている。

このような構成により、リテーナリングのリング部材が摩耗しても、リテーナリングだけを下降させることができる。したがって、リテーナリングのリング部材が摩耗しても、トップリングと研磨面との距離を一定に維持することが可能となる。また、研磨面に接触するリング部材は上下方向に変形自在なローリングダイヤフラムで連結されているため、荷重点のオフセットによる曲げモーメントが発生しない。このため、リテーナリングによる面圧を均一にすることができ、研磨面に対する追従性も向上する。

上記保持部材は、前記弾性膜の内部に設けられていてもよい。
上記弾性膜は、前記室の内部圧力の変化により前記屈曲した部分が転動することにより前記室の空間を広げることができるように構成されていてもよい。
前記弾性膜は、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ことが好ましい。

本発明の第２の態様によれば、上記トップリングを備えた研磨装置が提供される。

本発明の第３の態様によれば、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のトップリングによって基板を保持し、研磨テーブルの研磨面に基板を押圧しながら基板と研磨面とを相対運動させて該基板を研磨する基板の研磨方法が提供される。この研磨方法は、上記リテーナリングに設けられた上記弾性膜の内部に形成された上記室に圧力を調整した流体を供給して上記弾性膜を上下方向に伸縮させ、該弾性膜の上下方向の伸縮に伴って上記リング部材を上記ピストンと一体に上下動させて該リング部材の上記研磨面への押圧力を調整する。

本発明によれば、基板の外周部を保持するリテーナリングが研磨により摩耗しても、基板と研磨面との距離を一定にして基板の研磨を行うことができる。

以下、本発明の実施形態について図１から図１３を参照して詳細に説明する。なお、図１から図１３において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明の第１の実施形態における研磨装置１０を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置１０は、研磨テーブル１２と、支軸１４の上端に連結されたトップリングヘッド１６と、トップリングヘッド１６の自由端に取り付けられたトップリングシャフト１８と、トップリングシャフト１８の下端に連結された略円盤状のトップリング２０とを備えている。

研磨テーブル１２は、テーブル軸１２ａを介してその下方に配置されるモータ（図示せず）に連結されており、そのテーブル軸１２ａ周りに回転可能になっている。この研磨テーブルの上面には研磨パッド２２が貼付されており、研磨パッド２２の表面が半導体ウェハＷを研磨する研磨面を構成している。

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または孔を有している。

トップリングシャフト１８は、図示しないモータの駆動により回転するようになっている。このトップリングシャフト１８の回転により、トップリング２０がトップリングシャフト１８周りに回転するようになっている。また、トップリングシャフト１８は、上下動機構２４によりトップリングヘッド１６に対して上下動するようになっており、このトップリングシャフト１８の上下動によりトップリング２０がトップリングヘッド１６に対して上下動するようになっている。なお、トップリングシャフト１８の上端にはロータリージョイント２５が取り付けられている。

トップリング２０は、その下面に半導体ウェハＷなどの基板を保持できるようになっている。トップリングヘッド１６は支軸１４を中心として旋回可能に構成されており、下面に半導体ウェハＷを保持したトップリング２０は、トップリングヘッド１６の旋回により半導体ウェハＷの受取位置から研磨テーブル１２の上方に移動される。そして、トップリング２０を下降させて半導体ウェハＷを研磨パッド１０の表面（研磨面）に押圧する。このとき、トップリング２０および研磨テーブル１２をそれぞれ回転させ、研磨テーブル１２の上方に設けられた研磨液供給ノズル（図示せず）から研磨パッド２２上に研磨液を供給する。このように、半導体ウェハＷを研磨パッド１０の研磨面に摺接させて半導体ウェハＷの表面を研磨する。

トップリングシャフト１８およびトップリング２０を上下動させる上下動機構２４は、軸受２６を介してトップリングシャフト１８を回転可能に支持する第１フレーム２８と、第１フレーム２８に取り付けられたナット３０に螺合されるボールねじ３２と、軸受３４を介してボールねじ３２を回転可能に支持する第２フレーム３６と、第２フレーム３６上に設けられたＡＣサーボモータ３８と、第２フレーム３６を支持するエアシリンダ４０とを備えている。

ボールねじ３２は、ベルト４２を介して第２フレーム３６上のサーボモータ３８に連結されている。また、トップリングシャフト１８は、第１フレーム２８と一体となって上下動するようになっている。したがって、サーボモータ３８を駆動すると、ボールねじ３２を介して第１フレーム２８が第２フレーム３６に対して上下動し、トップリングシャフト１８およびトップリング２０が第２フレーム３６に対して上下動するようになっている。

エアシリンダ４０は、トップリングヘッド１６の上部に配置されており、上下動するロッド４０ａの上端により第２フレーム３６を支持している。また、ボールねじ３２は、第２フレーム３６と一体となって上下動するようになっている。したがって、エアシリンダ４０のロッド４０ａを上下動させると、第２フレーム３６がトップリングヘッド１６に対して上下動し、さらにボールねじ３２および第１フレーム２８がトップリングヘッド１６に対して上下動するようになっている。

また、トップリングヘッド１６には、上方に伸びるガイドシャフト４４が設けられており、このガイドシャフト４４は第２フレーム３６に挿通されている。したがって、第２フレーム３６は、ガイドシャフト４４にガイドされつつ上下動する。なお、ガイドシャフト４４の上端にはストッパ４４ａが設けられており、このストッパ４４ａに第２フレーム３６の上面が係止することで、第２フレーム３６の上方への移動が規制されるようになっている。

図１に示すように、研磨装置１０は、第１フレーム２８の下面までの距離、すなわち第１フレーム２８の位置を検出する位置検出部としての測距センサ４６を備えている。この測距センサ４６により第１フレーム２８の位置を検出することで、トップリング２０の位置を検出することができるようになっている。また、研磨装置１０は、測距センサ４６、サーボモータ３８、およびシリンダ４０をはじめとする装置内の各機器を制御する制御部４７を備えている。

このような研磨装置１０を用いて半導体ウェハＷの研磨を行う場合、ドレッシングやパッド交換などにより研磨パッド２２が摩耗し、研磨パッド２２の厚さが常に変化する。この場合において、研磨の進行に伴い半導体ウェハＷの面圧分布が変化しないようにするためには、研磨時のトップリング２０と研磨パッド２２の表面（研磨面）との距離を一定に維持する必要がある。このように、トップリング２０と研磨パッド２２の表面との距離を一定にするためには、例えば、半導体ウェハ１ロット（例えば２５枚）ごとに、研磨パッド２２の表面の高さ（位置）を検知してトップリング２０の下降位置を調整する必要がある。以下、この研磨パッド２２の表面の高さ（位置）を検知する工程をパッドサーチという。

本実施形態では、トップリング２０の下面を研磨パッド２２の表面（研磨面）に接触させたときのトップリング２０の位置を記憶し、この位置から研磨パッド２２の表面の高さを検知する。すなわち、パッドサーチ時には、図２に示すように、エアシリンダ４０のロッド４０ａを下げ、第２フレーム３６、ボールねじ３２、第１フレーム２８、トップリングシャフト１８、およびトップリング２０を自重により下降させ、トップリング２０の下面を研磨パッド２２の表面に接触させて停止させる。このとき、測距センサ４６により第１フレーム２８の位置を検出し、検出された位置から研磨パッド２２の表面の高さを得る。制御部４７の演算部（位置算出部）は、この研磨パッド２２の表面の高さから研磨時のトップリング２０の最適な位置を算出し、この位置を記憶装置（図示せず）内に記憶する。

半導体ウェハの研磨時には、図１に示す状態からサーボモータ３８を駆動して、図３に示すように第１フレーム２８および半導体ウェハＷを保持したトップリング２０を下降させる。このとき、制御部４７によりサーボモータ３８を制御して、トップリング２０が上述した最適な位置に達したところでサーボモータ３８を停止する。この位置でトップリング２０の下面に保持された半導体ウェハＷが研磨パッド２２に押圧され研磨される。なお、この場合において、測距センサ４６により第１フレーム２８の位置を検出・確認しながら、第１フレーム２８およびトップリング２０を下降させてもよい。なお、測距センサ４６は、レーザ式センサ、超音波センサ、過電流式センサ、もしくはリニアスケール式センサであってもよい。

このように、本実施形態では、サーボモータ３８とボールねじ３２とを有するボールねじ機構を用いることにより、パッドサーチにより求められた最適な位置までトップリング２０を正確に移動させることができ、トップリング２０と研磨パッド２２との距離を一定にして半導体ウェハＷの研磨を行うことができる。

図４は、本発明の第２の実施形態における研磨装置１１０を示す模式図である。図４に示すように、本実施形態における研磨装置１１０においては、上下動機構１２４によりトップリングシャフト１８がトップリングヘッド１６に対して上下動するようになっている。この上下動機構１２４は、軸受１２６を介してトップリングシャフト１８を回転可能に支持する第１フレーム１２８と、第１フレーム１２８に取り付けられたナット１３０に螺合されるボールねじ１３２と、トップリングヘッド１６に固定された第２フレーム１３６と、第２フレーム１３６上に設けられボールねじ１３２を回転させるＡＣサーボモータ１３８とを備えている。制御部４７は、サーボモータ１３８に流れる電流を検出する電流検出器を含んでいる。

トップリングシャフト１８は、第１フレーム１２８と一体となって上下動するようになっているため、サーボモータ１３８を駆動すると、ボールねじ１３２を介して第１フレーム１２８がトップリングヘッド１６に対して上下動し、トップリングシャフト１８およびトップリング２０がトップリングヘッド１６に対して上下動するようになっている。

本実施形態のパッドサーチは、第１の実施形態と同様に、トップリング２０の下面を研磨パッド２２の表面（研磨面）に接触させたときのトップリング２０の位置を検知することにより行われるが、本実施形態のパッドサーチは測距センサを用いずに行われる。すなわち、パッドサーチ時には、サーボモータ１３８を駆動して、エンコーダにより回転数を積算しながらトップリング２０を下降させる。図５に示すように、トップリング２０の下面が研磨パッド２２の表面に接触すると、サーボモータ１３８に対する負荷が増し、サーボモータ１３８に流れる電流が大きくなる。したがって、制御部４７の電流検出器によりサーボモータ１３８に流れる電流を検出し、電流が大きくなったときに、トップリング２０の下面が研磨パッド２２の表面に接触したと判断する。トップリング２０の下面が研磨パッド２２の表面に接触したと判断されると、制御部４７は、サーボモータ１３８のエンコーダの積算値からトップリング２０の下降距離（位置）を算出し、この下降距離を記憶装置に記憶する。このトップリング２０の下降距離から研磨パッド２２の表面の高さを得て、制御部４７の演算部（位置算出部）は、この研磨パッド２２の表面の高さから研磨時のトップリング２０の最適な位置を算出する。

半導体ウェハＷの研磨時には、図４に示す状態からサーボモータ１３８を駆動して第１フレーム１２８およびトップリング２０を下降させる。このとき、制御部４７によりサーボモータ１３８を制御して、トップリング２０が上述した最適な位置に達したところでサーボモータ１３８を停止する。この位置でトップリング２０の下面に保持された半導体ウェハＷが研磨パッド２２に押圧され研磨される。

なお、本実施形態においては、パッドサーチ時にトップリング２０が半導体ウェハＷを保持している例を説明したが、第１の実施形態においても、トップリング２０が半導体ウェハＷを保持した状態でパッドサーチを行ってもよい。この場合において、パッドサーチ時に使用する半導体ウェハＷとしては、製品ウェハではなく、パッドサーチ用のダミーウェハを用いることが好ましい。ダミーウェハを用いれば、トップリング２０の下面が露出しないので、トップリング２０の下面に取り付けられた部材を研磨パッド２２に直接接触させることがなくなり、これらの部材へのスラリー（研磨液）の付着を防止することができる。

また、サーボモータ１３８としては、モータの最大電流が可変なものを使用することが好ましい。このようなサーボモータを用いることで、例えば、パッドサーチ時にモータの最大電流値を５％程度に設定しておくことにより、トップリング２０の下面または半導体ウェハ（ダミーウェハ）Ｗの表面が研磨パッド２２に接触したときに、半導体ウェハ（ダミーウェハ）Ｗ、トップリング２０、研磨パッド２２などに極端に大きな負荷がかかることを防止することができる。また、この場合において、トップリング２０の下降時間や下降距離から、トップリング２０が研磨パッド２２に接触するときを予測できる場合には、トップリング２０が研磨パッド２２に接触する前にサーボモータ１３８の最大電流値を下げることが好ましい。このようにすれば、トップリング２０の下面または半導体ウェハＷを傷つけにくくすることができる。

図６は、本発明の第３の実施形態における研磨装置２１０を示す模式図である。図６に示すように、本実施形態における研磨装置２１０は、研磨パッド２２の高さを検出するレーザ測距センサ２４６と、研磨パッド２２の表面に向けて窒素ガスまたは空気を噴射して研磨パッド２２上のスラリ（研磨液）２５０を吹き飛ばす噴射ノズル２５２とを備えている。測距センサ２４６は、超音波測距センサであってもよい。

このような構成により、窒素ガスまたは空気の噴射によりスラリ２５０が除去された研磨パッド２２上に、レーザ測距センサ２４６からのレーザを照射することができるので、レーザが研磨パッド２２上のスラリや水によって反射することなく、研磨パッド２２の表面までの距離を正確に測定することができる。したがって、測定された研磨パッド２２の表面までの距離に基づいて、半導体ウェハＷと研磨パッド２２との距離を一定に保持することができる。

上述した各実施形態では、半導体ウェハ１ロットごとに、トップリング２０の高さ（位置）を検知することによりパッドサーチを行う例を説明したが、パッドサーチはこれに限られるものではない。例えば、パッドサーチのために製品ウェハを用いたくない場合やダミーウェハを用意できない場合には、パッドサーチの一部を、研磨面の目立て（ドレッシング）を行うドレッサによって行うこともできる。図７は、第４の実施形態における研磨装置の一部を示す模式図であり、パッドサーチを行う機能を有するドレッサ５０を示すものである。なお、ドレッサ５０のドレッサヘッド５２には、シリンダ５３が取り付けられており、このシリンダ５３の駆動によりドレッサ５０が研磨パッド２２に押圧されるようになっている。

このドレッサ５０を用いて研磨パッド２２の厚さの変化を測定する。この場合においても、研磨パッドごとに厚さの違いがあるため、研磨パッドを交換した際には、上述したトップリング２０によるパッドサーチを行う。このとき、トップリング２０には製品ウェハやダミーウェハを装着せず、トップリング２０の下面に取り付けられた部材（例えば弾性膜）を直接研磨パッド２２に接触させても、研磨パッド２２が未使用であるため問題がない。１枚の半導体ウェハの研磨ごと、もしくは半導体ウェハ１ロットごとの研磨パッド２２の消耗に対する追従は、ドレッサ５０のドレッサヘッド５２に取り付けられた測距センサ５４が検出した変化量を目安にする。すなわち、ドレッサ５０の初期の高さ位置と、測定時の高さ位置の差を測距センサ５４により検知し、研磨パッド２２の減耗量を判断する。この研磨パッド２２の減耗量は上述した制御部４７に送られ、トップリング２０による研磨パッド交換時のパッドサーチ結果と、ドレッサ５０による研磨パッド２２の厚さの変化量とから、研磨パッド２２の減耗量を判断し、この減耗量に追従するようにトップリング２０の高さ制御が行われる。このようにドレッサ５０を用いて研磨パッド２２の厚さの変化を測定することにより、半導体ウェハ１ロット（例えば２５枚）ごとにトップリング２０でパッドサーチを行う場合に比べ、スループットを上げることができる。

次に、上述した第１から第４の実施形態において用いられる本発明の実施形態のトップリング２０についてより詳細に説明する。図８から図１０は、このようなトップリング２０の断面図であり、複数の半径方向に沿って切断した図である。

図８から図１０に示すように、トップリング２０は、円盤状の上部材３００と、上部材３００の外周部に取り付けられたリテーナリング３０２と、上部材３００の下面に取り付けられた中間部材３０４と、中間部材３０４の下面に取り付けられた下部材３０６とを備えている。上部材３００は、ボルト３０８によりトップリングシャフト１８に連結されている。また、中間部材３０４は、図１０に示すように、ボルト３１０（締結具）を介して上部材３００に固定されており、下部材３０６はボルト３１２（締結具）を介して上部材３００に固定されている。なお、このような締結具はボルトに限られるものではない。

下部材３０６の下面には、トップリング２０によって保持される半導体ウェハの裏面に当接する弾性膜３１４が取り付けられている。この弾性膜３１４は、外周側に配置されたエッジホルダ３１６と、エッジホルダ３１６の内方に配置されたリプルホルダ３１８とによって下部材３０６の下面に保持されている。エッジホルダ３１６およびリプルホルダ３１８は、それぞれストッパ３２０およびストッパ３２２により下部材３０６の下面に保持されている。なお、弾性膜３１４は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴム等の強度および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。

弾性膜３１４の中央部には開口３１４ａが形成されており、図８に示すように、下部材３０６にはこの開口３１４ａに連通する流路３２４が形成されている。この下部材３０６の流路３２４は、図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体が流路３２４を通って弾性膜３１４の中央部（センター部）に供給されるようになっている。また、この流路３２４は、図示しない真空ポンプにも切替可能に接続されており、真空ポンプの作動により下部材３０６の下面に半導体ウェハを吸着できるようになっている。

リプルホルダ３１８は、弾性膜３１４のリプル３１４ｂ，３１４ｃをそれぞれ爪部３１８ｂ，３１８ｃで押さえて下部材３０６の下面に保持するようになっている。このリプルホルダ３１８には、弾性膜３１４のリプル３１４ｂ，３１４ｃによって形成される室に連通する流路３２６が形成されている。また、下部材３０６には、図１０に示すように、リプルホルダ３１８の流路３２６に連通する流路３２８が、中間部材３０４には、下部材３０６の流路３２８に連通する流路３３０がそれぞれ形成されている。下部材３０６の流路３２８と中間部材３０４の流路３３０との接続部分には、シール部材としてのＯリング３３２が配置されている。このリプルホルダ３１８の流路３２６は、下部材３０６の流路３２８および中間部材３０４の流路３３０を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通って弾性膜３１４のリプル部に供給されるようになっている。

また、図１０に示すように、エッジホルダ３１６は、弾性膜３１４のエッジ３１４ｄ，３１４ｅをそれぞれ爪部３１６ｄ，３１６ｅで押さえて下部材３０６の下面に保持するようになっている。このエッジホルダ３１６には、弾性膜３１４のエッジ３１４ｄ，３１４ｅによって形成される室に連通する流路３３４が形成されている。また、下部材３０６には、エッジホルダ３１６の流路３３４に連通する流路３３６が、中間部材３０４には、下部材３０６の流路３３６に連通する流路３３８がそれぞれ形成されている。下部材３０６の流路３３６と中間部材３０４の流路３３８との接続部分には、シール部材としてのＯリング３４０が配置されている。このエッジホルダ３１６の流路３３４は、下部材３０６の流路３３６および中間部材３０４の流路３３８を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通って弾性膜３１４のエッジ部に供給されるようになっている。

図９に示すように、弾性膜３１４のリプルホルダ３１８とエッジホルダ３１６との間には開口３１４ｆが形成されており、下部材３０６にはこの開口３１４ｆに連通する流路３４２が形成されている。また、中間部材３０４には、下部材３０６の流路３４２に連通する流路３４４が形成されている。下部材３０６の流路３４２と中間部材３０４の流路３４４との接続部分には、シール部材としてのＯリング３４６が配置されている。この下部材３０６の流路３４２は、中間部材３０４の流路３４４を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通って弾性膜３１４のアウター部に供給されるようになっている。また、この流路３４２は、図示しない真空ポンプにも切替可能に接続されており、真空ポンプの作動により下部材３０６の下面に半導体ウェハを吸着できるようになっている。

このように、本実施形態におけるトップリング２０においては、上述した弾性膜３１４の各部（センタ部、リプル部、アウター部、エッジ部）に供給する流体の圧力を調整することにより、半導体ウェハを研磨パッド２２に押圧する押圧力を半導体ウェハの部分ごとに調整できるようになっている。

中間部材３０４の外周部には、洗浄液流路３４８が形成されている。この中間部材３０４の洗浄液流路３４８は、図示しない洗浄液供給源に接続されており、洗浄液が洗浄液流路３４８を通ってリテーナリング３０２と中間部材３０４との間に供給されるようになっている。

図９に示すように、エッジホルダ３１６は、その上部にフック３１６ａを有している。また、エッジホルダ３１６を保持するストッパ３２０は円筒状に形成されており、その下部に係合部３２０ａを有している。図１１に示すように、ストッパ３２０はトップリング２０の円周方向に均等に複数設けられている。図１２（ａ）から図１２（ｃ）は、このストッパ３２０の詳細を示す図であり、図１２（ａ）は平面図、図１２（ｂ）は縦断面図、図１２（ｃ）は底面図である。

図１２（ｃ）に示すように、ストッパ３２０の係合部３２０ａは円周方向の一部に形成されており、円周方向に沿って係合部３２０ａが厚さが次第に大きくなるようにテーパ部Ｔが設けられている。したがって、ストッパ３２０を回転させることにより、ストッパ３２０の係合部３２０ａがエッジホルダ３１６のフック３１６ａに次第に係合して、最終的にエッジホルダ３１６のフック３１６ａがストッパ３２０の係合部３２０ａにより下部材３０６に固定されるようになっている。なお、ストッパ３２０の頂部には、回転用具を挿入するための溝３２０ｂが形成されており、弾性膜３１４を下部材３０６の上方からの作業で取り外すことができる。

また、同様に、リプルホルダ３１８は、その上部にフック３１８ａを有している。また、リプルホルダ３１８を保持するストッパ３２２は円筒状に形成されており、その下部にフック３２２ａを有している。ストッパ３２２のフック３２２ａは円周方向の一部に形成されており、円周方向に沿ってフック３２２ａが厚さが次第に大きくなるようにテーパ部が設けられている。したがって、ストッパ３２２を回転させることにより、ストッパ３２２のフック３２２ａがリプルホルダ３１８のフック３１８ａに次第に係合して、最終的にリプルホルダ３１８のフック３１８ａがストッパ３２２のフック３２２ａにより下部材３０６に固定されるようになっている。なお、ストッパ３２２の頂部には、回転用具を挿入するための溝３２２ｂが形成されており、弾性膜３１４を下部材３０６の上方からの作業で取り外すことができる。

なお、ストッパ３２０，３２２にはそれぞれＯリング３５０，３５２が取り付けられており、これらのＯリング３５０，３５２により弾性膜３１４のエッジ部およびリプル部に供給される加圧流体がシールされる。

リテーナリング３０２は半導体ウェハの外周縁を保持するものであり、図８に示すように、上部が閉塞された円筒状のシリンダ４００と、シリンダ４００の上部に取り付けられた保持部材４０２と、保持部材４０２によりシリンダ４００内に保持される弾性膜４０４と、弾性膜４０４の下端部に接続されたピストン４０６と、ピストン４０６により下方に押圧されるリング部材４０８とを備えている。なお、弾性膜４０４は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴム等の強度および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。

保持部材４０２には、弾性膜４０４によって形成される室４１０に連通する流路４１２が形成されている。また、シリンダ４００の上部には、保持部材４０２の流路４１２に連通する流路４１４が形成され、上部材３００には、シリンダ４００の流路４１４に連通する流路４１６が形成されている。この保持部材４０２の流路４１２は、シリンダ４００の流路４１４および上部材３００の流路４１６を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通って室４１０に供給されるようになっている。したがって、室４１０に供給する流体の圧力を調整することにより、弾性膜４０４を伸縮させてピストン４０６を上下動させ、リテーナリング３０２のリング部材４０８を所望の圧力で研磨パッド２２に押圧することができる。

図示した例では、弾性膜４０４としてローリングダイヤフラムを用いている。ローリングダイヤフラムは、屈曲した部分をもつ弾性膜からなるもので、ローリングダイヤフラムで仕切る室の内部圧力の変化等により、その屈曲部が転動することにより室の空間を広げることができるものである。室が広がる際にダイヤフラムが外側の部材と摺動せず、ほとんど伸縮しないため、摺動摩擦が極めて少なくてすみ、ダイヤフラムを長寿命化することができるという利点がある。

このような構成により、リテーナリング３０２のリング部材４０８が摩耗しても、リテーナリング３０２だけを下降させることができる。したがって、リテーナリング３０２のリング部材４０８が摩耗しても、下部材３０６と研磨パッド２２との距離を一定に維持することが可能となる。また、研磨パッド２２に接触するリング部材４０８とシリンダ４００とは変形自在な弾性膜４０４で接続されているため、荷重点のオフセットによる曲げモーメントが発生しない。このため、リテーナリング３０２による面圧を均一にすることができ、研磨パッド２２に対する追従性も向上する。

リング部材４０８の内側面には縦方向に延びるＶ字状溝４１８が均等に複数形成されている。また、下部材３０６の外周部には、外方に突出する複数のピン３４９が設けられており、このピン３４９がリング部材４１８のＶ字状溝４１８に係合するようになっている。Ｖ字状溝４１８内でリング部材４０８とピン３４９が相対的に上下方向にスライド可能になっているとともに、このピン３４９により上部材３００および下部材３０６を介してトップリング２０の回転がリング部材４０８に伝達され、トップリング２０とリング部材４０８は一体となって回転する。このような構成により、弾性膜（ローリングダイヤフラム）４０４のねじれを防止し、研磨中にリング部材４０８を研磨面２２に対して円滑に均一に押圧することができる。また弾性膜の寿命を長くすることができる。

弾性膜３１４のセンタ部、リプル部、アウター部、エッジ部に供給する圧力により半導体ウェハに対する押圧力を制御するので、研磨中には下部材３０６は研磨パッド２２から上方に離れた位置にする必要がある。しかしながら、リテーナリング３０２が摩耗すると、半導体ウェハと下部材３０６との間の距離が変化し、弾性膜３１４の変形の仕方も変わるため、半導体ウェハに対する面圧分布も変化することになる。このような面圧分布の変化は、プロファイルが不安定になる要因となっていた。

本実施形態では、リテーナリング３０２を下部材３０６とは独立して上下動させることができるので、リテーナリング３０２のリング部材４０８が摩耗しても、半導体ウェハと下部材３０６との間の距離を一定に維持することができる。したがって、研磨後の半導体ウェハのプロファイルを安定化させることができる。

本実施形態においては、弾性膜３１４を交換する際に、トップリング２０の全体をトップリングシャフト１８から取り外す必要がなくなる。すなわち、弾性膜３１４を下部材３０６から取り外す際は、まず、ボルト３１２（図１０参照）を取り外し、下部材３０６を上部材３００および中間部材３０４から取り外す。そして、ストッパ３２０の頂部の溝３２０ｂ（図９参照）に回転用具を挿入し、ストッパ３２０を回転させる。これにより、ストッパ３２０の係合部３２０ａとエッジホルダ３１６のフック３１６ａとの係合が外れ、エッジホルダ３１６を下部材３０６から取り外すことができる。同様に、ストッパ３２２の頂部の溝３２２ｂに回転用具を挿入し、ストッパ３２２を回転させる。これにより、ストッパ３２２のフック３２２ａとリプルホルダ３１８のフック３１８aとの係合が外れ、リプルホルダ３１８を下部材３０６から取り外すことができる。

このように、エッジホルダ３１６とリプルホルダ３１８とを下部材３０６から取り外すことで、エッジホルダ３１６とリプルホルダ３１８で保持していた弾性膜３１４を下部材３０６から簡単に取り外すことができる。また、弾性膜３１４を下部材３０６に取り付ける際は、上述した操作とは逆の操作を行うことにより、簡単に弾性膜３１４を下部材３０６に取り付けることができる。

また、下部材３０６の流路と中間部材３０４の流路との接続部分には、シール部材としてのＯリング３３２，３４０，３４６が介装されているため、ボルト３１２を締結することによりこれらの流路を確実にシールした状態で接続することができる。したがって、弾性膜３１４の交換の際に、特別な配管の抜き差しが行う必要がない。

なお、上述した例では、半導体ウェハの略全面に弾性膜３１４が配置されているが、これに限られるものではなく、弾性膜３１４は半導体ウェハの少なくとも一部に当接するものであればよい。

図１３は、図８に示すトップリング２０の変形例を示す拡大断面図である。図１３に示す例では、リテーナリング３０２と下部材３０６との間に、研磨液のトップリング２０内部への浸入やトップリング２０内部から異物の排出を防止するリング状のシール部材４２０が設けられている。このシール部材４２０は軟質の材料で形成されており、リテーナリング３０２および下部材３０６の上下動に対応して変形するようになっている。

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。

本発明の第１の実施形態における研磨装置を示す模式図である。 図１に示す研磨装置によりパッドサーチを行うときの状態を示す模式図である。 図１に示す研磨装置により半導体ウェハの研磨を行うときの状態を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態における研磨装置を示す模式図である。 図４に示す研磨装置によりパッドサーチを行うときの状態を示す模式図である。 本発明の第３の実施形態における研磨装置を示す模式図である。 本発明の第４の実施形態における研磨装置の一部を示す模式図である。 本発明の第１から第４の実施形態における研磨装置に用いられる本発明の実施形態のトップリングの縦断面図である。 図８に示すトップリングの縦断面図である。 図８に示すトップリングの縦断面図である。 図８に示すトップリングの下部材の平面図である。 図１２（ａ）は図８に示すトップリングのストッパの平面図、図１２（ｂ）は縦断面図、図１２（ｃ）は底面図である。 図８に示すトップリングの変形例を示す拡大断面図である。

符号の説明

１０，１１０，２１０ 研磨装置
１８ トップリングシャフト
２０ トップリング
２２ 研磨パッド
２４，１２４ 上下動機構
２８，１２８ 第１フレーム
３０，１３０ ナット
３２，１３２ ボールねじ
３６，１３６ 第２フレーム
３８，１３８ ＡＣサーボモータ
４６，５４，２４６ 測距センサ
４７ 制御部
５０ ドレッサ
２５２ 噴射ノズル
３００ 上部材
３０２ リテーナリング
３０４ 中間部材
３０６ 下部材
３１０，３１２ ボルト（締結具）
３１４，４０４ 弾性膜
３１６ エッジホルダ
３１６ａ，３１８ａ フック
３１８ リプルホルダ
３２０，３２２ ストッパ
３２０ａ，３２２ａ 係合部
４００ シリンダ
４０２ 保持部材
４０６ ピストン
４０８ リング部材
４２０ シール部材
Ｗ 半導体ウェハ

Claims (6)

1. 基板を保持しながら研磨テーブルの研磨面に押圧させて該基板を研磨する研磨装置に用いられるトップリングであって、
   基板の研磨時に基板の外周縁を保持するリテーナリングを備え、
   前記リテーナリングは、
   保持部材を介して上部を固定され、内部に形成された室に供給される流体によって上下方向に伸縮しうる、上下方向に変形自在な屈曲した部分を下部に有するローリングダイヤフラムからなる弾性膜と、
   下面を前記研磨面に接触するリング部材と、
   上部を前記弾性膜の下端部に、下部を前記リング部材の上端部にそれぞれ連結され、前記弾性膜の上下方向の伸縮に伴って前記リング部材と一体に上下動するピストンと、
   を備えたことを特徴とするトップリング。
2. 前記保持部材は、前記弾性膜の内部に設けられていることを特徴とする請求項１記載のトップリング。
3. 前記弾性膜は、前記室の内部圧力の変化により前記屈曲した部分が転動することにより前記室の空間を広げることができるように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載のトップリング。
4. 前記弾性膜は、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トップリング。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載のトップリングを備えたことを特徴とする研磨装置。
6. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載のトップリングによって基板を保持し、研磨テーブルの研磨面に基板を押圧しながら基板と研磨面とを相対運動させて該基板を研磨する基板の研磨方法であって、
   前記リテーナリングに設けられた前記弾性膜の内部に形成された前記室に圧力を調整した流体を供給して前記弾性膜を上下方向に伸縮させ、該弾性膜の上下方向の伸縮に伴って前記リング部材を上記ピストンと一体に上下動させて該リング部材の前記研磨面への押圧力を調整することを特徴とする基板の研磨方法。

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