JP5112614B2 - 基板保持装置および研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェハなどの基板を平坦かつ鏡面状に研磨する研磨装置に係り、特に基板を研磨装置の研磨面に弾性膜を介して押圧する基板保持装置に関するものである。

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。

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。さらに、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。

したがって、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（ＳｉＯ_２）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。

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と称される基板保持装置を備えている。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。

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わたって均一化することも行われている。

しかしながら、このような弾性膜を用いた場合、半導体ウェハの回転に伴い、弾性膜にねじれやたわみが生じ、半導体ウェハの外周縁部（エッジ部）での研磨レートが他の部分に比べて極端に低下したり、研磨プロファイルが特にエッジ部分において半導体ウェハの中心に対して対称にならなかったりする場合がある。また、弾性膜や半導体ウェハの外周縁部を保持するリテーナリング部の個体差により、トップリング間で研磨プロファイルのバラツキが生じる。

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、基板の保持面に取り付けられる弾性膜のねじれやたわみを抑えて、高品質の研磨を実現可能とする基板保持装置および研磨装置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、基板の裏面に当接し、内側に圧力室を形成することにより基板を押圧する弾性膜と、上記弾性膜の少なくとも一部を固定する取付部材と、上記弾性膜に当接した基板の外周縁を保持するリテーナリング部とを備えた基板保持装置が提供される。上記弾性膜は外周膜を有し、該外周膜はその内周面から径方向内側に突出する突出部を備えている。上記取付部材は、上記弾性膜の突出部の周方向側面に係合する係合部を備えている。この場合において、上記弾性膜の外周膜の突出部および上記取付部材の係合部をそれぞれ複数設けてもよい。これらの係合部は上記基板の中心に対して対称に配置されることが好ましい。また、上記係合部は、上記基板の裏面に当接する上記弾性膜よりも厚いまたはこれと同じ厚さであることが好ましい。

このような構成により、基板保持装置の回転に伴い、弾性膜がねじれそうになっても、弾性膜の突出部が取付部材の係合部に係合してねじれの発生を阻止するので、弾性膜のねじれを最小限に抑えることができる。したがって、研磨プロファイルを適切に制御して高品質な研磨を実現することができる。

本発明の参考例によれば、基板の裏面に当接し、内側に圧力室を形成することにより基板を押圧する弾性膜と、上記弾性膜の少なくとも一部を固定する取付部材と、上記弾性膜に当接された基板の外周縁を保持するリテーナリング部とを備えた基板保持装置が提供される。上記弾性膜は、基板の裏面に当接する底面膜と、該底面膜の外周縁から上方に延びる外周膜と、該外周膜の上端から径方向内側に延びる延出部とを有し、該外周膜はその内周面から径方向内側に突出する突出部を全周にわたって有し、該突出部は上記延出部よりも下方であって、かつ上記底面膜の上方に位置する。

このように、弾性膜の外周縁から径方向内側に突出する突出部を全周にわたって形成したため、弾性膜の外周膜の径方向の伸縮を抑えることができる。したがって、例えば、弾性膜の外周膜が径方向外側に伸びてリテーナリング部に接触して傷ついてしまうことを防止することができる。また、上記全周にわたる突出部は、強度を増すために異材質（例えば、ステンレススチール・樹脂）としても構わないし、突出部を他の部分より硬くしてもよい。

上記弾性膜は、上記基板が研磨面に押圧される方向、すなわち基板の押圧方向に伸縮自在のベローズ部を備えていることが好ましい。上述した突出部を弾性膜に形成することより、弾性膜が押圧方向に伸縮しにくくなることも考えられるが、基板の押圧方向に伸縮自在のベローズ部を設けることによって、突出部によって弾性膜が押圧方向に伸縮しにくくなった分をベローズ部の伸縮により補うことができ、弾性膜の外周縁部を研磨面に柔軟に追従させることができる。

また、上記基板の裏面に当接する上記弾性膜の厚さを厚くしてもよい。このように、基板に当接する弾性膜の部分を厚くすることによって、弾性膜の径方向に生じるうねりを防止することができる。そして、この部分の弾性膜の厚さは、上記ベローズ部より厚くなっていることが好ましい。ベローズ部は伸縮性を得るために薄く形成され、基板の裏面に当接する部分は弾性膜のねじれを防止するために厚く形成される。さらに、上記係合部もねじれの発生を阻止するために、上記ベローズ部より厚くなっていることが望ましく、最外周部はモーメントが最も大きく作用するので、基板の裏面に当接する部分より厚いことが好ましい。

本発明の参考例によれば、基板の裏面に当接する弾性膜と、上記弾性膜の少なくとも一部を固定する取付部材と、上記弾性膜に当接した基板の外周縁を保持するリテーナリング部とを備えた基板保持装置が提供される。上記弾性膜は、押圧方向に延びる同心円状の複数の円筒面により構成される外周膜と、上記外周膜と略直角をなして上記基板の裏面に当接する底面膜とを備えている。このように、弾性膜の底面膜と外周膜が略直角をなすように構成することで、弾性膜の外周縁部が確実に基板の外周縁部に接触して押圧するようになっている。この場合においては、硬度が低く柔らかい材質で弾性膜を形成することが好ましい。

本発明の第２の態様によれば、研磨面を有する研磨テーブルと、上述した基板保持装置とを備えた研磨装置が提供される。この研磨装置においては、基板保持装置により保持された基板を研磨テーブルに押圧して該基板を研磨する。

本発明によれば、基板の保持面に取り付けられる弾性膜のねじれやたわみを抑えて、高品質の研磨を実現することができる。

以下、本発明に係る基板保持装置を備えた研磨装置の実施形態について図１から図７を参照して詳細に説明する。なお、図１から図７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基板保持装置を備えた研磨装置を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置は、上面に研磨パッド１を貼付した研磨テーブル２と、半導体ウェハＷなどの基板を保持して研磨テーブル２上の研磨パッド１に押圧する基板保持装置としてのトップリング３とを備えている。研磨テーブル２の上方には研磨液供給ノズル４が設置されており、この研磨液供給ノズル４によって研磨テーブル２上の研磨パッド１上に研磨液Ｑが供給されるようになっている。また、トップリング３は、回転自在および昇降自在のトップリングシャフト５と、トップリングシャフト５に連結されたトップリング本体６とを備えている。

半導体ウェハＷの研磨を行うときは、研磨テーブル２とトップリング３とをそれぞれ独立に回転させながら、トップリング３により半導体ウェハＷを一定の圧力で研磨テーブル２上の研磨パッド１に押圧する。このとき、研磨液供給ノズル４から研磨液Ｑを研磨パッド１上に供給する。これにより、半導体ウェハＷの被研磨面と研磨パッド１とが摺接し、半導体ウェハＷの研磨面が平坦かつ鏡面に研磨される。

図２は図１にトップリング３の詳細を示す縦断面図、図３は図２のIII−III線断面図である。図２に示すように、トップリング３のトップリング本体６は、トップリングシャフト５に連結される円板部１０と、半導体ウェハの外周縁を保持するリテーナリング部１２とを備えている。円板部１０とリテーナリング部１２とにより形成される空間には、この空間内で上下動可能な上下動部材１４が収容されている。この上下動部材１４は、環状の弾性シート１６を介してトップリング本体６に連結されている。

これらのトップリング本体６、上下動部材１４、および弾性シート１６によって、これらの内側に圧力室１８が形成されており、この圧力室１８は、流体流路１９を介して流体供給源（図示せず）に接続されている。流体流路１９にはレギュレータ（図示せず）が設けられており、このレギュレータにより圧力室１８に供給する流体の圧力を調整することができるようになっている。このように、圧力室１８に供給する流体の圧力を調整することによって圧力室１８内の圧力を制御し、上下動部材１４の上下動を行う。

上下動部材１４の下面には、上下動部材１４の下面を覆う弾性膜２０が取付部材２２を介して取り付けられており、この弾性膜２０が半導体ウェハの裏面に当接するようになっている。ここで、半導体ウェハの裏面とは、半導体ウェハの研磨が行われる面とは反対側の面を意味する。なお、弾性膜２０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る。

図２に示すように、弾性膜２０は、半導体ウェハの裏面に当接する底面膜２４と、底面膜２４の外周縁から上方に伸びる第１の外周膜２６と、外周膜２６よりも径方向内側の底面膜２４から上方に伸びる第２の外周膜２８とを備えている。弾性膜２０の外周膜２６の上端には径方向内側に伸びる延出部３０が形成されている。また、外周膜２８の上端には径方向外側に伸びる延出部３２が形成されている。取付部材２２は、これら弾性膜２０の延出部３０，３２を上下動部材１４に押圧して固定する基部３４，３６を有している。

弾性膜２０の底面膜２４、外周膜２８、および上下動部材１４によって、これらの内側に圧力室３８が形成されており、この圧力室３８は、流体流路３９を介して流体供給源に接続されている。この流体流路３９にもレギュレータ（図示せず）が設けられており、このレギュレータにより圧力室３８に供給する流体の圧力を調整することができるようになっている。このように、圧力室３８に供給する流体の圧力を調整することによって圧力室３８内の圧力を制御し、圧力室３８下方の底面膜２４に当接する半導体ウェハの部分の押圧力を調整できるようになっている。

また、弾性膜の底面膜２４、外周膜２８、外周膜２６、および上下動部材１４によって、これらの内側に圧力室４０が形成されており、この圧力室４０は、流体流路４１を介して流体供給源に接続されている。この流体流路４１にもレギュレータ（図示せず）が設けられており、このレギュレータにより圧力室４０に供給する流体の圧力を調整することができるようになっている。このように、圧力室４０に供給する流体の圧力を調整することによって圧力室４０内の圧力を制御し、圧力室４０下方の底面膜２４に当接する半導体ウェハの部分の押圧力を調整できるようになっている。

このように、本実施形態においては、圧力室３８および圧力室４０の圧力をそれぞれ独立に制御して、圧力室３８の下方に位置する半導体ウェハの部分への押圧力と、圧力室４０の下方に位置する半導体ウェハの部分への押圧力とを調整することができる。したがって、半導体ウェハの周縁部とそれより径方向内方の内側部とで研磨速度の調整を行うことができ、半導体ウェハの研磨プロファイルの制御を行うことができる。

ここで、図２に示すように、外周膜２６には、外周縁から径方向内側に突出するブロック状の突出部４２が設けられている。また、図２および図３に示すように、取付部材２２の下部には、この突出部４２の周方向側面に係合する係合部４４が設けられている。このような構成により、トップリング３の回転に伴い、弾性膜２０がねじれそうになっても、弾性膜２０の突出部４２が取付部材２２の係合部４４に係合してねじれの発生を阻止するので、弾性膜２０のねじれを最小限に抑えることができる。したがって、研磨プロファイルを適切に制御して高品質な研磨を実現することができる。

図３に示す例では、６つの突出部４２と６つの係合部４４が交互に均等に設けられているが、突出部４２と係合部４４の個数はこれに限られるものではない。また、突出部４２および係合部４４の大きさも図示のものに限られるものではない。さらに、突出部４２は、外周膜２６と一体に形成されていてもよいし、他の材質からなる部材を外周膜２６に取り付けたものであってもよい。突出部４２と係合部４４は、均等に力を受けるために、半導体ウェハの中心に対して対称に配置されていることが好ましい。

図２に示すように、外周膜２６は、取付部材２２の基部３４の下方に蛇腹状のベローズ部４６を有している。また、外周膜２８は、取付部材２２の基部３６の下方に蛇腹状のベローズ部４８を有している。これらのベローズ部４６，４８により外周膜２６および外周膜２８が、半導体ウェハが研磨パッド１に押圧される方向（押圧方向）に伸縮自在となっている。

上述したブロック状の突出部４２を外周膜２６に形成することより、弾性膜２０の外周膜２６が押圧方向に伸縮しにくくなることが考えられる。しかしながら、外周膜２６および外周膜２８にベローズ部４６，４８を設けることにより、突出部４２によって外周膜２６が押圧方向に伸縮しにくくなった分を、ベローズ部４６，４８の伸縮により補うことができ、弾性膜２０の外周縁部を研磨パッド１の表面に柔軟に追従させることができる。

図４は、本発明の第１の参考例におけるトップリング１０３を示す縦断面図である。このトップリング１０３の弾性膜２０の外周膜２６には、外周縁から径方向内側に突出するブロック状の突出部１４２が設けられており、この突出部１４２は全周にわたって形成されている。したがって、本参考例の取付部材２２には、第１の実施形態における係合部４４が設けられていない。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

このように、弾性膜２０の外周膜２６から径方向内側に突出する突出部を全周にわたって形成したため、外周膜２６の径方向の伸縮を抑えることができる。したがって、例えば、トップリング１０３の回転時などに、外周膜２６が径方向外側に伸びてリテーナリング部１２に接触して傷ついてしまうことを防止することができる。

図５は、本発明の第２の参考例におけるトップリング２０３を示す縦断面図である。このトップリング２０３は、第１の参考例におけるトップリング１０３を改良したものであり、弾性膜２０の底面膜２２４が第１の参考例の底面膜２４よりも厚く、またベローズ部４６，４８よりも厚くなっている。このように、半導体ウェハに当接する底面膜２２４を１．２〜２．０ｍｍ程度の厚さにすることによって、弾性膜２０の径方向に生じるうねりを防止することができる。

図６は、本発明の第３の参考例におけるトップリング３０３を示す縦断面図である。本参考例における弾性膜２０の外周膜２６には、第１の実施形態における突出部４２や第１および第２の参考例における突出部１４２が設けられていないが、第２の参考例と同様に半導体ウェハに当接する底面膜２２４を厚くしている。

図７は、本発明の第４の参考例におけるトップリング４０３を示す縦断面図である。本参考例における取付部材４２２はリング状となっている。取付部材４２２の内周面は全面にわたって弾性膜２０の外周膜４２８に接触しており、外周面は全面にわたって弾性膜の外周膜４２６に接触している。このように、本参考例の弾性膜２０には、上述した実施形態および参考例におけるベローズ部４６，４８が設けられておらず、弾性膜２０の外周膜４２６は、押圧方向に延びる円筒面により形成されている。

上述した実施形態および参考例のように、弾性膜にベローズ部が形成されている場合には、このベローズ部が伸びることにより、半導体ウェハの外周縁部が弾性膜によって押圧される。しかしながら、本参考例の弾性膜２０にはベローズ部が設けられていないため、半導体ウェハの押圧方向における弾性膜２０の伸縮が不十分となり、適切に半導体ウェハの外周縁部を押圧できないおそれがある。そこで、本参考例では、弾性膜２０の底面膜２４と外周膜４２６が略直角をなすように構成し、弾性膜２４の外周縁が確実に半導体ウェハの外周縁部に接触して押圧するようになっている。この場合においては、硬度が低く柔らかい材質で弾性膜２０を形成することが好ましい。

上述した各実施形態および参考例において、外周膜２６，４２６や外周膜２８，４２８との摺動の可能性がある、取付部材２２，４２２の少なくとも外周部とその近傍および／またはリテーナリング部１２の内周部をフッ素樹脂などの低摩擦部材で構成してもよい。さらに、表面摩擦を低減させるためのシリコンやフッ素あるいはそれらの化合物などを外周膜２６，４２６や外周膜２８，４２８に含浸していてもよい。このような構成により、研磨中に、弾性膜２０のねじれを防止しつつ、さらに弾性膜２０の外周膜２６，４２６や外周膜２８，４２８の上下動部材１４やリテーナリング部１２に対する上下方向の移動を円滑に行うことができる。したがって、研磨プロファイルを適切に制御してより高品質な研磨を実現することが可能となる。

上述した実施形態および参考例においては、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（ＣｅＯ_２）、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。

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に示す研磨装置のトップリングを示す縦断面図である。 図２のIII−III線断面図である。 本発明の第１の参考例におけるトップリングを示す縦断面図である。 本発明の第２の参考例におけるトップリングを示す縦断面図である。 本発明の第３の参考例におけるトップリングを示す縦断面図である。 本発明の第４の参考例におけるトップリングを示す縦断面図である。

符号の説明

Ｗ 半導体ウェハ
１ 研磨パッド
２ 研磨テーブル
３，１０３，２０３，３０３，４０３ トップリング
１２ リテーナリング部
２０ 弾性膜
２２，４２２ 取付部材
２４，２２４ 底面膜
２６，２８，４２６，４２８ 外周膜
３０，３２ 延出部
３４，３６ 基部
４２，１４２ 突出部
４４ 係合部
４６，４８ ベローズ部

Claims (8)

1. 基板の裏面に当接し、内側に圧力室を形成することにより基板を押圧する弾性膜と、前記弾性膜の少なくとも一部を固定する取付部材と、前記弾性膜に当接した基板の外周縁を保持するリテーナリング部とを備えた基板保持装置において、
   前記弾性膜は外周膜を有し、該外周膜はその内周面から径方向内側に突出する突出部を備え、
   前記取付部材は、前記弾性膜の突出部の周方向側面に係合する係合部を備えたことを特徴とする基板保持装置。
2. 前記弾性膜の突出部および前記取付部材の係合部をそれぞれ複数設けたことを特徴とする請求項１に記載の基板保持装置。
3. 前記複数の係合部は前記基板の中心に対して対称に配置されることを特徴とする請求項２に記載の基板保持装置。
4. 前記係合部は、前記基板の裏面に当接する前記弾性膜よりも厚いまたはこれと同じ厚さであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の基板保持装置。
5. 前記弾性膜は、前記基板の押圧方向に伸縮自在のベローズ部を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の基板保持装置。
6. 前記基板の裏面に当接する前記弾性膜の厚さを前記ベローズ部より厚くしたことを特徴とする請求項５に記載の基板保持装置。
7. 研磨面を有する研磨テーブルと、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の基板保持装置とを備え、
   前記基板保持装置により保持された基板を前記研磨テーブルに押圧して該基板を研磨することを特徴とする研磨装置。
8. 基板保持装置の上下動部材に取付部材により取り付けられ、内側に圧力室を形成することにより基板を押圧する弾性膜であって、
   基板の裏面に当接する底面膜と、
   前記底面膜の外周縁から上方に延びる外周膜とを備え、
   前記外周膜は、その内周面から径方向内側に突出する突出部を備え、
   前記取付部材に形成された係合部が前記突出部の周方向側面に係合するように構成されていることを特徴とする弾性膜。

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