JP4660505B2 - 基板キャリアシステムおよび基板を研磨する方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板を研磨し平坦化する研磨装置の基板キャリアシステム及び基板を研磨する方法に関するものであり、特に半導体ウェハのような基板を化学的、機械的に研磨し平坦化する研磨装置の基板キャリアシステム及び基板を研磨する方法に関するものである。

従来の研磨装置の基板キャリアシステムは、基板キャリア下面にポリッシング対象物を保持し、ポリッシング対象物を研磨パッドに対して押圧すると共に、研磨パッドの研磨面に砥液を供給し、基板と研磨パッドを相対運動させてポリッシング対象物を研磨していた。この研磨の際、基板が基板キャリア下面から外れないようするために、基板キャリアはリテーナリングを備えていた。基板キャリアは、リテーナリングにより基板を囲んで保持していた。

弾性を有する研磨パッドには、研磨の際、ポリッシング対象物の周縁部分が過研磨される、所謂「縁だれ」が発生する。この「縁だれ」を抑制するため、リテーナリングは、その周縁部分で僅かに下向きに撓むように研磨パッドに押圧されている。

以上のような従来の研磨装置によれば、リテーナリングを研磨パッドに押圧すると、「縁だれ」が解消し、ポリッシング対象物の表面の仕上げ精度は向上する。一方で、リテーナリングが研磨パッドによって摩耗し、研磨面と基板キャリアの距離は変化する。この結果、研磨条件がリテーナリングの摩耗に応じて変化してしまう。しかし、従来の研磨装置では、このような研磨条件の変化に対しては対策がなされていなかった。

そこで、本発明は、研磨面と基板キャリアの距離を一定に保ちつつ基板に加わる研磨圧力を調整することができる基板キャリアシステム、および研磨方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の基板キャリアシステムでは、研磨の間、基板を保持する基板キャリアと、前記基板キャリアを駆動、上昇及び下降させるために前記基板キャリアに接続された基板キャリア駆動軸と、前記基板キャリア駆動軸に接続されたボールネジ及びボールナットと、前記基板キャリアを所望の鉛直方向位置まで上昇及び下降させるための、前記ボールネジに取り付けられたパルスモータと、前記基板と前記基板キャリアとの間に加圧流体を供給するための加圧流体源と、前記パルスモータ、前記ボールネジ及びボールナットによって前記基板キャリアが所望の鉛直方向位置で固定されるまで、前記基板キャリアの鉛直方向位置を制御し、且つ前記基板を前記研磨面に対して押圧するために前記基板と前記基板キャリアとの間に加圧流体を供給するための、制御機構を備える、という構成を採っている。

また、本発明の基板を研磨する方法では、基板キャリアによって前記基板を保持し、前記基板キャリアを降下させることによって、前記基板キャリアを前記研磨面に接触させ、前記基板キャリアを鉛直方向に上昇させ、前記研磨面から所定の距離の位置で固定し、前記基板を前記研磨面に対して押圧するために前記基板と前記基板キャリアの間に加圧流体を供給し、前記基板を研磨するために、前記基板と研磨面とに相対摺動運動を生じさせる、という構成を採っている。

以上に説明したように本発明は、基板キャリアを所望の位置に固定した状態で、圧力室に所定の圧力の加圧流体を供給し、基板をターンテーブルの研磨面に押圧する。このため、リテーナリングが摩耗していても、研磨パッドと基板キャリアとの位置を一定にすることができる。この結果、リテーナリングや研磨面の摩耗に関わらず、圧力室に供給される加圧流体の圧力を制御することにより、基板に加わる研磨圧力を常に所望の値に調整することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。この説明の目的から、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明の実施の形態に係る基板キャリアシステムを含む研磨装置１の外形図である。図１を参照してこの研磨装置の構成を説明する。

研磨装置１は、基板Ｓを保持する基板キャリア１０と、基板キャリア１０を回転駆動する基板キャリア駆動軸１２と、基板キャリア駆動軸１２を支持する基板キャリアヘッド１３と、揺動軸１４を備える。揺動軸１４が自己を中心として揺動することにより基板キャリアヘッド１３、基板キャリア１０も同じように揺動する。

研磨装置１はさらに、研磨工具１５が固定された研磨テーブル３６と、後述のリフタ２９とプッシャ３０間の搬送を行うロータリトランスポータ２７とを備える（共に後述する）。研磨工具１５は、研磨パッド１５Ａと、固定砥粒１５Ｂから構成される。研磨テーブル３６は、研磨パッド１５Ａが固定されたターンテーブル３６Ａと、固定砥粒１５Ｂが固定されたスクロールテーブル３６Ｂから構成される。研磨工具１５の研磨面１７は、研磨パッド１５Ａの研磨面１７Ａと、固定砥粒１５Ｂの研磨面１７Ｂから構成される。

ターンテーブル３６Ａおよびスクロールテーブル３６Ｂには、純水、砥液又は薬液（又はこれらの組合せ）のいずれかが研磨に際して研磨液として供給可能である。揺動軸１４を揺動させることにより、基板キャリア１０を、ターンテーブル３６Ａの真上、スクロールテーブル３６Ｂの真上、プッシャ３０（後述する）の真上に位置することが可能である。揺動軸１４は位置決め機構（図示略）を有し、基板キャリア１０の揺動による位置決めが可能である。

研磨装置１はさらに、基板Ｓを反転させる基板反転機２８と、基板反転機２８とロータリトランスポータ２７間で基板Ｓを搬送するリフタ２９と、ロータリトランスポータ２７によって搬送された基板Ｓを基板キャリア１０に受け渡すプッシャ３０と、ターンテーブル３６Ａの研磨パッド１５Ａのドレッシングを行う第１のドレッサ２０と、スクロールテーブル３６Ｂの固定砥粒１５Ｂのドレッシングを行う第２のドレッサ５０とを備える。

図２を参照して、基板キャリア１０の構成を説明する。基板キャリア１０は、内部に収納空間を有する円筒容器状の基板キャリア本体２と、基板キャリア本体２の下端に一体に取り付けられたリテーナリング３を有する。基板キャリア本体２およびリテーナリング３の内部に画成された空間内には、基板Ｓの上面に接するシールリング４２と、環状のホルダーリング５と、シールリング４２を支持する概略円盤状のチャッキングプレート６とが収容されている。基板Ｓの下面が被研磨面ＳＡである。

シールリング４２は、弾性膜からなり、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の上面外縁、側周部、下面外縁を覆っている。これによりシールリング４２とチャッキングプレート６との間には空間Ｇが形成されている。研磨時には、シールリング４２が基板Ｓの上面に密着し、この空間Ｇをシールする。

ホルダーリング５と基板キャリア本体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、外周縁部を基板キャリア本体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、内周縁部をホルダーリング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。基板キャリア本体２、チャッキングプレート６、ホルダーリング５、および加圧シート７を組み合わせることによって基板キャリア本体２の内部に圧力室２１が形成されている。

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Ｒ１を介して圧縮空気源（図示略）に接続されている。

基板Ｓとチャッキングプレート６との間に形成される空間の内部には、基板Ｓに当接するセンターバッグ８およびリングチューブ９が設けられている。円形状の当接部を有するセンターバッグ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、環状の当接部を有するリングチューブ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。

チャッキングプレート６と基板Ｓとの間に形成される空間は、前述のセンターバッグ８およびリングチューブ９によって複数の空間に区画されている。すなわち、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。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(または単に圧力室と表す)２４が形成されている。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(または単に圧力室と表す)２５が形成されている。

圧力室２２、２３、中心部圧力室２４、および中間部圧力室２５には、チューブ、コネクタ等からなる流体路３２、３３、３４、３５がそれぞれ連通されている。各圧力室２２〜２５はそれぞれの流体路３２〜３５上に配置されたレギュレータＲ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５を介して供給源としての圧縮空気源（図示略）に接続されている。

前述したチャッキングプレート６の上方の圧力室２１及び前述の圧力室２２〜２５には、各圧力室に連通される流体路３１〜３５を介して圧縮空気又は大気圧空気等の流体が供給されるようになっている。圧力室２１〜２５の流体路３１〜３５上に配置されたレギュレータＲ１〜Ｒ５によってそれぞれの圧力室２１〜２５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でき、または大気圧にすることができる。このように、レギュレータＲ１〜Ｒ５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、基板Ｓを研磨パッド１５Ａに押圧する押圧力を基板Ｓの部分ごとに調整することができる。なお、圧力室２２、２３を真空源（図示略）に切替接続することができるよう構成され、圧力室２２、２３を真空に切り替えることができる。

ここで、シールリング４２の外周面とリテーナリング３との間には、僅かな間隙Ｈ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およ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４２等の）所定の構成要素は、基板キャリア本体２およびリテーナリング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３Ａの上面３Ｂに係合することにより、（ホルダーリング５等の）構成要素の上下方向への移動が所定の位置までに制限される。

レギュレータＲ１〜Ｒ５、流体路３１〜３５、圧力室２１〜２５、チャッキングプレート６を含んで、基板押圧機構１１が構成される。

次に、基板キャリア１０を回転させる機構、基板キャリア１０を上下に移動させる機構等について説明する。基板キャリア１０は、基板キャリア駆動軸１２の下端部に取り付けられたロードセル５１に、ジンバル機構５２を介して接続されている。
装置内に鉛直に配置された基板キャリア駆動軸１２はスプライン軸受５３に挿入され、スプライン軸受５３はプーリ５４に挿入されている。プーリ５４は、プーリ５４を収納する支持体５６の中空部５６Ａに回転可能に取り付けられている。鉛直に配置された基板キャリア駆動軸１２は、水平に配置された支持体５６を貫通する。基板キャリア駆動軸１２は、駆動手段（図示略）により、プーリ５４にかけられたタイミングベルト５５(図中、２点鎖線にて表示)を介して回転駆動される。タイミングベルト５５は、中空部５６Ａ内部を移動する。

支持体５６の上部には、ボールネジ５８の一端部に連結されたパルスモータ５７が取り付けられている。ボールネジ５８は、基板キャリア駆動軸１２の上端部に連結されたボールナット５９に螺合されている。パルスモータ５７の回転により、基板キャリア１０と基板キャリア１０に接続されたが基板キャリア駆動軸１２とが一体となって上下に移動し、所望の位置に停止する。パルスモータとして、ステッピングモータ、サーボモータを使用することができる。

なお、支持体５６を含んで支持体５６より上の部分は、図２には図示されていない基板キャリアヘッド１３(図１参照)の内部に収納されている。また、支持体５６の下側に突出する基板キャリア駆動軸１２の一部、ロードセル５１、およびジンバル機構５２の一部は防水板６０Ａ、Ｂに囲まれているが、防水板６０Ａ、Ｂは図１では省略してある。

ターンテーブル３６Ａには、検出機構としての第１の終点検知機構１８が備えられ、スクロールテーブル３６Ｂには、検出機構としての第２の終点検知機構１９が備えられている。第１、第２の終点検知機構１８、１９は、基板Ｓの研磨量が所定の値(終点)に達した場合これを検知し、制御機構（図示略）に検出信号を送る。第１、第２の終点検知機構１８、１９のセンサは、光学式、渦電流式などいずれの形式であってもよい。研磨装置１が研磨トルクを検出する研磨トルク検出機構（図示略）を備えるようにし、検出された研磨トルクの値によって、研磨量を求める場合は、テーブル自体には終点検知機構を設けなくてもよい。

なお、パルスモータ５７、ボールネジ５８、ボールナット５９、ロードセル５１、基板キャリア駆動軸１２を含んで、リテーナリング位置調整機構４が構成される。さらに、パルスモータ５７、ボールネジ５８、ボールナット５９、ロードセル５１、基板キャリア駆動軸１２を含んで、リテーナリング押圧機構１６が構成される。

図２を参照し、適宜図１、図３を参照して、本発明の実施の形態に係る基板キャリアシステムを含む研磨装置１の基板キャリア１０の作用を説明する。

本実施の形態の研磨装置１において、基板Ｓを基板キャリア１０にて保持するときには、まず基板キャリア１０の全体を基板Ｓの真上に位置させる。センターバッグ８および（リングチューブ９の内部の）圧力室２４、２５に所定の圧力の加圧流体を供給し、これらを所定の圧力まで加圧する。制御機構（図示略）より、パルスモータ５７に基板キャリア１０を下降させるパルス信号を送る。パルスモータ５７の回転によりボールネジ５８が回転し、ボールネジ５８の回転により、ボールナット５９にねじ込まれ、これにより基板キャリア駆動軸１２が下降するため基板キャリア１０が下降し、センターバッグ８およびリングチューブ９の下端面が保持しようとする基板Ｓに密着する。

次に、圧力室２２、２３をそれぞれ流体路３２、３３を介して真空源（図示略）に接続することにより、圧力室２２、２３の内部を負圧にし、圧力室２２、２３の吸引作用により基板Ｓを真空吸着する。そして、基板Ｓを吸着した状態で、制御機構（図示略）より、パルスモータ５７に基板キャリア１０を上昇させるパルス信号を送る。パルスモータ５７を下降のときの回転とは反対の方向に回転し、前述の下降のときと同様に（ボールネジ５８、ボールナット５９、基板キャリア駆動軸１２を介して）基板キャリア１０を上昇させる。次に揺動軸１４を揺動して基板キャリア１０を移動させ、基板キャリア１０の全体を、研磨パッド１５Ａを有するターンテーブル３６Ａの真上に位置させる。なお、基板Ｓの外周縁はリテーナリング３によって保持され、研磨の際に基板Ｓが基板キャリア１０から飛び出さないようになっている。

次に、基板キャリア１０を下降させ、基板Ｓの被加工面とリテーナリング３の下面を研磨パッド１５Ａに接触させる。基板Ｓとリテーナリング３が研磨面１７Ａに接触すると基板キャリア駆動軸１２の下端部に設置されたロードセル５１に荷重がかかり、ロードセル５１がこの荷重を検出し、検出した荷重信号を制御機構（図示略）に送り、制御機構は研磨パッド１５Ａに基板Ｓとリテーナリング３が接触したことを認識する。

次に、制御機構がパルスモータ５７に対し、所定の量だけ上昇するようにパルス信号を送ると、パルスモータ５７が回転し、基板キャリア１０が所定の位置まで上昇する。このため、リテーナリング３が摩耗していても、研磨パッド１５Ａとリテーナリング３との位置を一定にすることができる。具体的には、基板キャリア１０を０.２ｍｍ程度上昇させるが、基板Ｓは０.８ｍｍ程度の厚さがあるため、研磨の際に基板キャリア１０の下面から外に飛び出すことはない。

この状態で、圧力室２１〜２３にそれぞれ所定の圧力の加圧流体を供給し、基板Ｓをターンテーブル３６Ａの研磨面１７Ａに押圧する。そして、研磨液供給ノズル（図示略）から研磨液を流すことにより、研磨パッド１５Ａに十分な量の研磨液が保持され、基板Ｓの被研磨面(下面)ＳＡと研磨パッド１５Ａの研磨面１７Ａとの間に研磨液が存在した状態で研磨が行われる。

ここで（図３参照）、基板Ｓの（圧力室２２、２３の下方に位置する部分）Ｃ２、Ｃ４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１７Ａに押圧される。また、基板Ｓの中心部圧力室２４の下方に位置する部分Ｃ１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パッド１５Ａに押圧される。基板Ｓの中間部圧力室２５の下方に位置する部分Ｃ３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１７Ａに押圧される。圧力室２１に加圧流体を供給することにより、あるいは供給された加圧流体の圧力を変えることにより、基板Ｓの研磨面１７Ａへの押圧力を変更することができる。

したがって、基板Ｓに加わる研磨圧力は、各圧力室２１〜２５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調整することができる。すなわち、基板Ｓをターンテーブル３６Ａ上の研磨パッド１５Ａに押圧する押圧力を基板Ｓの部分Ｃ１〜Ｃ４ごとに調整できる。これは、流体路３１〜３５にそれぞれ配置されたレギュレータＲ１〜Ｒ５によって、各圧力室２１〜２５に供給される加圧流体の圧力を独立に調整することにより行われる。

このように、基板Ｓの部分Ｃ１〜Ｃ４ごとに研磨圧力が所望の値に調整された状態で、回転しているターンテーブル３６Ａの研磨パッド１５Ａに基板Ｓが押圧される。基板Ｓを研磨パッド１５Ａに押圧する押圧力を適宜調整することにより、基板Ｓの（中心部圧力室２４の下方に位置する部分Ｃ１、圧力室２２の下方に位置する部分Ｃ２、中間部圧力室２５の下方に位置する部分Ｃ３、圧力室２２の部分Ｃ４）の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。

このように、基板Ｓを同心の４つの円(円部分Ｃ１および円環部分Ｃ２〜Ｃ４)に区切り、それぞれの部分Ｃ１〜Ｃ４を独立した押圧力で押圧することができる。研磨レートは基板Ｓの研磨パッド１５Ａに対する押圧力に依存するが、前述したように基板Ｓの各部分Ｃ１〜Ｃ４の押圧力を調整することができるので、当該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。したがって、基板Ｓ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、基板Ｓの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。

また、リテーナリング３が、研磨面１７Ａに接触しない状態で基板Ｓを研磨することができ、リテーナリング３が研磨面１７Ａに接触する研磨に比べて、研磨液の基板Ｓの被研磨面ＳＡと研磨面１７Ａとの間への入り込みがよくなり、研磨速度を高くすることができる。よって、研磨レートが上昇し、さらにリテーナリング３が研磨面に接触せずリテーナリング３の摩耗が抑制され、リテーナリング３の寿命が飛躍的に延びる。

リテーナリング３を研磨パッド１５Ａに接触させて研磨を行う場合には、基板キャリア１０を十分下降させ、基板Ｓとリテーナリング３が研磨パッド１５Ａに接触した後、次の動作が行われる。すなわち、パルスモータ５７がボールネジ５８を回転させるために、制御機構（図示略）からパルスモータ５７にパルス信号が送られ、この動作でボールナット５９、基板キャリア駆動軸１２を介して基板キャリア１０が更に下降し、これにより、予めレシピ設定されたリテーナリング圧に対応する荷重をロードセル５１が検出するまで、リテーナリング３が研磨パッド１５Ａに押圧される。

研磨圧はフィードバック制御により制御される。リテーナリング３が研磨パッド１５Ａに押し付けられると、それに伴いロードセル５１に荷重がかかり、荷重が所定の値に達するとパルスモータ５７の回転を停止させるために、ロードセル５１からの荷重信号が制御機構に伝達される。その後、前述のように圧力室２１〜２３を加圧して基板Ｓを研磨パッド１５Ａに押し付け、必要に応じて中心部圧力室２４、および中間部圧力室２５の圧力変更が行われ、ターンテーブル３６Ａを回転させて研磨が行われる。

こうすることにより、研磨パッド１５ＡとしてＩＣＩ１０００/ＳＵＢＡ４００等の研磨布を使用するときに問題となる研磨パッドの「縁だれ」を、リテーナリング圧を制御することにより解決し、ひいては基板Ｓのエッジ部分の研磨後の面内均一性を改善し生産性を向上させることができる。

次に、図を参照し、リテーナリング３を研磨面１７に接触させて行う研磨工程と、リテーナリング３を研磨面１７に接触させないで行う研磨工程と、を本実施の形態の研磨装置１にて行う場合を説明する。但し、ターンテーブル３６Ａ、スクロールテーブル３６Ｂは以下に示す研磨工具１５を使用するものとする。

図２を参照し、適宜図５、図４(Ａ)を参照し、研磨手順(1)を説明する。この手順では、最初に金属膜６１が研磨され、その後に、金属膜６１の残りと金属膜６２が同時に研磨される。

この場合、図１と同じように、図５に示すように、ターンテーブル３６Ａが研磨パッド１５Ａを、スクロールテーブル３６Ｂが研磨パッド１１５Ａを使用する。なお、図５では、スクロールテーブル３６Ｂの研磨工具として研磨パッド１１５Ａ（固定砥粒１５Bの代わり）が用いられている点が、図１と異なる。研磨パッド１１５Ａは、研磨面１１７Ａを有する。

また、図４(Ａ)の断面図に示すように、基板Ｓ１は、メッキ等により形成された（銅など）の金属膜６１と、金属膜６１の下にあるバリア層としての金属膜６２を含んで構成される。位置Ｘ１までは、金属膜６１だけの研磨が行われ、位置Ｘ１から位置Ｙ１の間は金属膜６１と金属膜６２の研磨が同時に行われる。

まず、基板キャリアヘッド１３を、揺動軸１４を中心に揺動し、基板キャリア１０がプッシャ３０の真上に移動するようにする。次に、圧力室２４、２５を加圧し、プッシャ３０にてポリッシング対象物たる基板Ｓ１を基板キャリア１０の下面（シールリング４２と弾性膜８１，８２）に接触するまで上昇させる。その後、圧力室２２、２３を負圧にして基板Ｓ１を吸着させ、基板キャリア１０に基板Ｓ１を保持する。このとき基板キャリア１０に保持された基板Ｓ１はリテーナリング３に囲まれている。

次に基板キャリア１０をターンテーブル３６Ａの真上に移動させた後、パルスモータ５７を回転して基板キャリア１０を下降させ、ターンテーブル３６Ａの研磨パッド１５Ａにリテーナリング３を接触させ、基板Ｓ１を研磨パッド１５Ａに押圧する。但し、この際、基板キャリア１０が一旦研磨パッド１５Ａに接触した後、パルスモータ５７を下降の場合の回転とは反対の方向に回転させ、基板キャリア１０を僅かに(例えば、０.２ｍｍ)上昇させ、リテーナリング３を研磨パッド１５Ａに対して上方に位置させ、リテーナリング３の下面と研磨パッド１５Ａの研磨面１７Ａとの間に所定の隙間を形成する。

そして圧力室２１〜２３を加圧し、基板Ｓ１を研磨パッド１５Ａに押圧し、ターンテーブル３６Ａを回転させ、基板Ｓ１と研磨面１７Ａとの間に相対運動を生じさせ金属膜６１を研磨する。この技術（すなわち、リテーナリングが研磨面１７Ａと接触しない研磨）は、基板Ｓ１の被研磨面ＳＡ１と研磨面１７Ａとの間への研磨液の入り込みがよくなり研磨レートを上昇させることができる。さらにリテーナリング３が摩耗しないため飛躍的にその寿命が延びる。

所定の研磨量の研磨を行い、第１の終点検知機構１８により被研磨面ＳＡ１が位置Ｘ１達したことを検知した時点で、ターンテーブル３６Ａの回転を止める。そして、圧力室２１を大気圧にし、さらに圧力室２２、２３を負圧にし、基板Ｓ１を基板キャリア１０に吸着させる。そして、パルスモータ５７を回転して基板キャリア１０を上昇させ、ターンテーブル３６Ａでの研磨を終了させる。

その後、基板キャリアヘッド１３を、揺動軸１４を中心に揺動し、基板キャリア１０をスクロールテーブル３６Ｂの真上に移動させる。そして、基板キャリア１０を下降させ、圧力室２１〜２３を加圧し、被研磨基板面ＳＡ１を研磨パッド１１５Ａに押圧し研磨する。この際、基板キャリア１０が一旦研磨パッド１１５Ａに接触した後、基板キャリア１０を上昇させず、パルスモータ５７を僅かに回転し基板キャリア１０を僅かに下降させて、リテーナリング３を研磨パッド１１５Ａに対して押圧し、金属膜６１と金属膜６２を研磨する。このようにすると研磨パッド１１５Ａは「縁だれ」の問題を生じさせない。このため、被研磨基板面ＳＡ１の周縁部までより均一に研磨し、平坦度を高めることが可能になる。
所定の研磨量を研磨した時点、すなわち被研磨面ＳＡ１が位置Ｙ１に達した時点で、第２の終点検知機構１９によりこれを検知し、研磨を終了させる。

そして、圧力室２１を大気圧に、圧力室２２、２３を負圧にし、基板Ｓ１を基板キャリア１０に吸着する。そして、基板キャリア１０を上昇させ、スクロールテーブル３６Ｂでの研磨工程を終了させる。次に、基板キャリア１０をプッシャ３０の真上に移動させて、プッシャ３０を基板受け渡し位置まで上昇させる。圧力室２２、２３を大気圧に戻し、基板Ｓ１を基板キャリア１０から離脱させ、基板Ｓ１をプッシャ３０に渡す。

前述の研磨手順(1)において、基板Ｓ１の研磨される部分は、金属膜６１と金属膜６２を含むものとして説明した。しかし、図４(Ｂ)に示すように、基板Ｓ２の研磨される部分が、金属膜６１のみを有し、最初に位置Ｘ２まで研磨し、次に位置Ｙ２まで研磨する場合も、前述の研磨手順(1)と同様の研磨手順(1)に従った研磨を行うことができる。この場合、位置Ｘ２までは研磨レートを高くし、生産性を重視した研磨を行い、位置Ｘ２から位置Ｙ２までは、表面の平坦度向上を重視した研磨を行うことができる。

図２を参照し、適宜図４(Ｂ)を参照して、研磨手順(2)として、金属膜６１を研磨する際に１つの研磨テーブル３６で行う場合の研磨手順を説明する。この例では、ターンテーブル３６Ａ（図２）を利用し、ターンテーブル３６Ａには研磨パッド１５Ａを使用するものとする。また、研磨される基板Ｓ２は図４(Ｂ)で示したものを使用している。

この手順と前述の研磨手順(1)と相違する部分だけ説明すると、位置Ｘ２までは、リテーナリング３の下に隙間を確保して基板Ｓ２の研磨を行い、次に基板キャリア１０を上昇させた後、（基板キャリア１０をスクロールテーブル３６Ｂに移動させることなく）再び基板キャリア１０を下降させ、リテーナリング３を研磨面１１７Ａに押圧した研磨を、位置Ｙ２まで行う。研磨手順(2)で研磨を行った場合、前述の研磨手順(1)とほぼ同様な効果を得ることができ、手順(2)では、さらに基板キャリア１０のスクロールテーブル３６Ｂへの移動がない分、作業時間を短縮することができる。

図６を参照し、適宜図４を参照して、研磨手順(3)について説明する。この手順としては、固定砥粒１５Ｂで研磨した後に研磨パッド１５Ａで研磨する場合の研磨手順を説明する。本研磨手順(3)は、研磨手順(1)と基本的に同様である。

図６の装置では、ターンテーブル３６Ａに固定砥粒１５Ｂが使用され、スクロールテーブル３６Ｂに研磨パッド１５Ａが使用されている点が、図１と異なる。但し、被加工物は、図４(Ａ)に示す基板Ｓ１であってもよいし、図４(Ｂ)に示す基板Ｓ２であってもよい。

以下の説明は基盤Ｓ２にも適用できる。すなわち、以下の記載では、Ｓ１をすべてＳ２に置き換えることが出来る。基板Ｓ１を基板キャリア１０に吸着させる。そして、基板キャリア１０をターンテーブル３６Ａの真上に移動させ、基板キャリア１０をリテーナリング３が固定砥粒１５Ｂに接触するまで下降させる。リテーナリング３が固定砥粒１５Ｂに接触した後、基板キャリア１０を僅かに上昇させ、リテーナリング３と固定砥粒１５Ｂの研磨面１７Ｂとの間に所定の隙間を形成させる。次に、基板Ｓ１を固定砥粒１５Ｂに押圧し研磨する。固定砥粒１５Ｂではリテーナリング３の初期押圧により「縁だれ」の問題が生じないため、リテーナリング３を研磨面１７Ｂに押圧してリバウンドを抑制する必要がない。

リテーナリング３と固定砥粒１５Ｂの研磨面１７Ｂとの間に所定の隙間が形成されるため、研磨液の、基板Ｓ１の被研磨面ＳＡ１と固定砥粒１５Ｂの研磨面１７Ｂとの間への入り込みがよくなり、研磨レートを上昇させることができ、さらにリテーナリング３が摩耗しないため飛躍的にその寿命が延びる。

所定の研磨量を研磨した時点、すなわち基板Ｓ１の被研磨面ＳＡ１が位置Ｘ１(基板Ｓ２の場合はＸ２)に達した時点で、これを第１の終点検知機構１８により検出し、検出後、基板キャリア１０を上昇させ、ターンテーブル３６Ａでの研磨を終了させる。

その後基板キャリア１０に基板Ｓ１を吸着させ、基板キャリア１０をスクロールテーブル３６Ｂの真上に移動させ、下降させて、リテーナリング３を研磨パッド１５Ａに接触させる。その後、基板キャリア１０を僅かに下降させ、リテーナリング３を研磨パッド１５Ａに押圧する。そして、基板Ｓ１を研磨パッド１５Ａに押圧し研磨する。このため基板Ｓ１の周縁部までより均一に研磨することが可能になる。

第２の終点検知機構１９により、所定の研磨量を研磨した時点、すなわち被研磨面ＳＡ１が位置Ｙ１(基板Ｓ２の場合は位置Ｙ２)に達した時点を検出し、基板キャリア１０を上昇させ、スクロールテーブル３６Ｂでの研磨を終了させる。研磨後の基板Ｓ１は、基板キャリア１０をプッシャ３０の真上に移動させて、プッシャ３０に渡される。

なお、研磨手順(3)において、研磨工程の順番は、前述のような、固定砥粒１５Ｂを使用した研磨、研磨パッド１５Ａを使用した研磨の順ではなく、この逆でもよい。但し、逆の順序で研磨を行う場合も、前述のように、研磨パッド１５Ａを使用して研磨をする際に、リテーナリング３を研磨パッド１５Ａに押圧し、固定砥粒１５Ｂを使用して研磨をする際に、リテーナリング３と固定砥粒１５Ｂの間に所定の隙間を形成するとよい。

以上、２つの研磨工具１５を使用する研磨工程を１つの基板キャリアにより連続して行う場合を述べた。しかし、３つ以上の研磨工具１５を使用する研磨工程を行う場合も本発明が有用なことは言うまでもない。また、研磨する膜を具体的に金属膜として述べてきたが、その他、絶縁膜、ＳＴＩ（shallow trench isolation）研磨の際にも本発明が有効であることは言うまでもない。また、本研磨装置１は、１つの研磨工具１５を使用する研磨工程の場合だけでなく、複数の研磨工具１５を使用する場合でも適用できる。また、リテーナリング３の押圧を必要とする場合と、リテーナリング３の押圧を必要とせず、リテーナリング３と研磨面１７との間に隙間を設ける場合の両方の研磨に対応している。よって、本発明は、基板の平坦度の高い研磨と、研磨レートが高く生産性の高い研磨に対応した研磨を行うため、研磨装置１、研磨方法としての汎用性が高くなる。

図７は、本発明の更に他の実施形態に係る基板キャリアシステムを含む研磨装置を示している。この実施形態に係る研磨装置は、リテーナリング位置調整機構４に関して、上記した各実施形態の研磨装置と異なっている。すなわち、上記装置では、リテーナリング位置調整機構４は設けられておらず、本実施形態の装置では、パルスモータ５７の代わりに、アクチュエータ又はリテーナリング押圧機構として、空気シリンダが用いられている。

本実施形態のリテーナリング位置調整機構は、上記実施形態と同じような精度で研磨面に対してリテーナリングを相対的に位置決めできない。実際、本実施形態の機構は、リテーナリングを研磨面に接触させながら上向き方向の作動力を加えることにより効果的に調整される。加えられる力は、リテーナリングと研磨面との接触を維持するのに十分な大きさだけでよく、これにより、研磨液が容易にリテーナリングと研磨面との間を通過し、基板面と研磨面との間に入り込み、研磨レートの向上を実現できる。言うまでも無く、上記した実施形態で行われたように、本実施形態ではリテーナリング位置調整機構がリテーナリングを研磨面から離間させることができる。

本発明の実施の形態に係る研磨装置の基板キャリアシステムを含む外形図である。 基板キャリアがターンテーブルの真上にある場合の、図１の研磨装置の部分拡大断面模式図である。 図１の研磨装置の基板キャリアに保持された基板の底面図である。 図４(Ａ)は、金属膜とこの金属膜に挟まれる他の金属膜とが研磨される部分の基板の断面を示す模式的断面図である。図４(Ｂ)は、一つの金属膜からなりこの一つの金属膜が研磨される基板の断面を示す模式的断面図である。 本発明の他の実施の形態に係る基板キャリアシステムを含む研磨装置の外形図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係る基板キャリアシステムを含む研磨装置の外形図である。 本発明の更に他の実施形態に係る基板キャリアシステムを含む研磨装置の部分拡大断面模式図である。

Claims (5)

1. 基板キャリアシステムであって、
   研磨の間、基板を保持する基板キャリアと、
   前記基板キャリアを駆動、上昇及び下降させるために前記基板キャリアに接続された基板キャリア駆動軸と、
   前記基板キャリア駆動軸に接続されたボールネジ及びボールナットと、
   前記基板キャリアを所望の鉛直方向位置まで上昇及び下降させるための、前記ボールネジに取り付けられたパルスモータと、
   前記基板と前記基板キャリアとの間に加圧流体を供給するための加圧流体源と、
   前記パルスモータ、前記ボールネジ及びボールナットによって前記基板キャリアが所望の鉛直方向位置で固定されるまで、前記基板キャリアの鉛直方向位置を制御し、且つ前記基板を前記研磨面に対して押圧するために前記基板と前記基板キャリアとの間に加圧流体を供給するための、制御機構と、
   前記基板キャリア駆動軸の下端に取り付けられて前記基板キャリアと前記研磨面との接触を検出するロードセルとを備え、
   前記制御機構は、前記基板キャリアの下面が前記研磨面と接触するまで前記基板キャリアを降下させて、その後、前記基板キャリアの鉛直方向位置を固定するために前記基板キャリアが前記研磨面から所定の距離だけ上昇するまで前記基板キャリアを上昇させ、前記基板と前記基板キャリアの間に加圧流体を供給し、更に前記基板を研磨するために前記基板と研磨面とに相対摺動運動を生じさせるものである、基板キャリアシステム。
2. 前記基板上に前記加圧流体の流体圧を印加するための圧力室を画成するための弾性部材を更に備えている、請求項１に記載の基板キャリアシステム。
3. 前記研磨面からの前記所定の距離は、前記基板の厚さ未満である、請求項１に記載の基板キャリアシステム。
4. 前記弾性部材は、前記基板キャリアの半径方向にわたる複数の前記圧力室を画成している、請求項２に記載の基板キャリアシステム。
5. 基板を研磨する方法であって、
   基板キャリアによって前記基板を保持し、
   前記基板キャリアの駆動軸に連結されたボールナットと、このボールナットに螺合するボールネジに取り付けられたパルスモータによって、前記基板キャリアを降下させて前記基板キャリアを前記研磨面に接触させ、その後前記基板キャリアを鉛直方向に上昇させ、前記研磨面から所定の距離の位置で固定し、
   前記基板を前記研磨面に対して押圧するために、前記基板と前記基板キャリアの間に設けられた弾性部材によって画成される圧力室の内部に加圧流体を供給し、
   前記基板を研磨するために、前記基板と研磨面とに相対摺動運動を生じさせるステップを含み、
   前記基板キャリアと前記研磨面との接触は、前記基板キャリア駆動軸の下端に取り付けられたロードセルによって検出する、研磨方法。

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