JP6232295B2

JP6232295B2 - 研磨装置

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Publication number: JP6232295B2
Application number: JP2014003237A
Authority: JP
Inventors: 高橋　信行; 信行高橋; 丸山　徹; 徹丸山; 卓作川; 鍋谷　治; 治鍋谷
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2017-11-15
Anticipated expiration: 2034-01-10
Also published as: JP2015131360A

Description

本発明は、ウェハなどの基板を研磨する研磨装置に関し、特に基板を研磨パッドに対して押し付けるための圧力室内の圧力を制御する圧力レギュレータを備えた研磨装置に関する。

図１８は、ウェハを研磨するための研磨装置を示す模式図である。図１８に示すように、研磨装置は、研磨パッド２３を支持する研磨テーブル２２と、ウェハＷを研磨パッド２３に押し付けるトップリング（基板保持部）３０とを備えている。研磨テーブル２２は、テーブル軸２２ａを介してその下方に配置されるテーブルモータ２９に連結されており、このテーブルモータ２９により研磨テーブル２２が矢印で示す方向に回転されるようになっている。研磨パッド２３は研磨テーブル２２の上面に貼付されており、研磨パッド２３の上面がウェハＷを研磨する研磨面２３ａを構成している。トップリング３０はトップリングシャフト２７の下端に固定されている。トップリング３０は、真空吸着によりその下面にウェハＷを保持できるように構成されている。

ウェハＷの研磨は次のようにして行われる。トップリング３０および研磨テーブル２２をそれぞれ矢印で示す方向に回転させ、研磨液供給ノズル２５から研磨パッド２３上に研磨液（スラリー）を供給する。この状態で、下面にウェハＷを保持したトップリング３０が所定の位置（所定の高さ）まで下降され、この所定の位置でウェハＷを研磨パッド２３の研磨面２３ａに押し付ける。ウェハＷの表面は、研磨液に含まれる砥粒の機械的作用と研磨液の化学的作用により研磨される。このような研磨装置は、ＣＭＰ（化学機械研磨）装置として知られている。

図１９は、トップリング３０の構造を示す模式図である。図１９に示すように、トップリング３０の下部には弾性膜（メンブレン）３４から形成された圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４が設けられている。これらの圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４には加圧気体が供給され、圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４内の圧力によりウェハＷの研磨パッド２３に対する研磨圧力が調整される。圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４内の圧力は、圧力レギュレータ２００によって調整される。

特開２００１−１０５２９８号公報特開２０１０−５０４３６号公報特表２００７−５０７０７９号公報特開２００５−８１５０７号公報

このような圧力室Ｃ１〜Ｃ４を備えたトップリング３０は、剛体でウェハを押し付ける他のタイプのトップリングに比べて、ウェハの全体に均一な圧力を加えることができるので、均一かつ安定した研磨特性を得ることができる。しかしながら、デバイスの高密度化が進むにつれて、研磨装置に要求される研磨性能は増々厳しくなってきている。特に、ウェハの研磨中に圧力室Ｃ１〜Ｃ４内の気体圧力を安定させることが強く求められている。

図１９に示すように、ウェハの研磨中、研磨テーブル２２とトップリング３０は回転されるため、研磨テーブル２２とトップリング３０の上下方向の相対位置は回転に伴って僅かに変化する。この相対位置の変化によって圧力室Ｃ１〜Ｃ４の内部容積が変動するので、圧力室Ｃ１〜Ｃ４の内部圧力も変動してしまう。

通常、研磨テーブル２２とトップリング３０の回転速度は毎分５０〜１００回転程度である。しかも、研磨テーブル２２およびトップリング３０は互いに異なる回転速度で回転される。これは、トップリング３０に保持されたウェハが研磨パッド２３の同じ部分を通過しないようにすることで、研磨パターンがウェハの被研磨面に発生してしまうことを防ぐためである。このように、研磨テーブル２２とトップリング３０との間には回転速度差が存在するため、圧力室Ｃ１〜Ｃ４の内部容積の変動の大きさも周期的に変化する。

圧力室Ｃ１〜Ｃ４の内部容積の変動は、研磨テーブル２２およびトップリング３０の回転速度に対応した周期で発生する。しかしながら、従来の圧力レギュレータ２００では、この瞬間的かつその変動の大きさが常に変化する圧力変動に追従することが困難であった。

そこで、本発明は、トップリング（基板保持部）の圧力室内の圧力変動を減少させて圧力室内の圧力を安定させることができる研磨装置を提供することを目的とする。

第１の態様は、研磨パッドを支持するための回転可能な研磨テーブルと、基板を前記研磨パッドに押し付けるための圧力室を有する回転可能なトップリングと、前記圧力室内の気体の圧力を制御する圧力レギュレータと、前記圧力レギュレータと前記圧力室とを接続する気体移送ラインと、前記気体移送ラインを流れる気体の流量を計測する流量計と、前記気体移送ラインに連通するバッファタンクとを備え、前記バッファタンクは、前記圧力レギュレータと前記流量計との間に配置されており、前記バッファタンクの容積は、前記圧力室の容積と同じか、または前記圧力室の容積よりも大きく、前記バッファタンクは、前記トップリングの外に配置されていることを特徴とする研磨装置である。
第２の態様は、研磨パッドを支持するための回転可能な研磨テーブルと、基板を前記研磨パッドに押し付けるための圧力室を有する回転可能なトップリングと、前記圧力室内の気体の圧力を制御する圧力レギュレータと、前記圧力レギュレータと前記圧力室とを接続する気体移送ラインと、前記気体移送ラインを流れる気体の流量を計測する流量計と、前記気体移送ラインに連通するバッファタンクとを備え、前記バッファタンクは、前記圧力レギュレータと前記流量計との間に配置されており、前記バッファタンクの少なくとも一部は、前記バッファタンクの内部の圧力に応じて変形する部材から構成されており、前記バッファタンクの変形を制限する制限カバーを前記バッファタンクの外側に配置したことを特徴とする研磨装置である。

第３の態様は、研磨パッドを支持するための回転可能な研磨テーブルと、基板を前記研磨パッドに押し付けるための圧力室を有する回転可能なトップリングと、前記圧力室内の気体の圧力を制御する圧力レギュレータと、前記圧力レギュレータと前記圧力室とを接続する気体移送ラインと、前記気体移送ラインに連通するバッファタンクとを備え、前記バッファタンクは、その内部の圧力に応じて該バッファタンクの容積が変化するように構成されており、前記バッファタンクの容積は、前記圧力室の容積と同じか、または前記圧力室の容積よりも大きく、前記バッファタンクは、前記トップリングの外に配置されていることを特徴とする研磨装置である。
第４の態様は、研磨パッドを支持するための回転可能な研磨テーブルと、基板を前記研磨パッドに押し付けるための圧力室を有する回転可能なトップリングと、前記圧力室内の気体の圧力を制御する圧力レギュレータと、前記圧力レギュレータと前記圧力室とを接続する気体移送ラインと、前記気体移送ラインに連通するバッファタンクとを備え、前記バッファタンクは、その内部の圧力に応じて該バッファタンクの容積が変化するように構成されており、前記バッファタンクの少なくとも一部は、前記バッファタンクの内部の圧力に応じて変形する部材から構成されており、前記バッファタンクの変形を制限する制限カバーを前記バッファタンクの外側に配置したことを特徴とする研磨装置である。

第１および第２の態様によれば、バッファタンクは、圧力レギュレータから圧力室までの気体通路の体積を大きくすることで、圧力室の圧力の変動を相対的に小さくすることができる。したがって、圧力レギュレータは、圧力室内の圧力を安定して制御することができる。
第３および第４の態様によれば、バッファタンクは、圧力室内の圧力変動を吸収することができる。したがって、圧力レギュレータは、圧力室内の圧力を安定して制御することができる。

本発明の一実施形態に係る研磨装置を示す図である。トップリングを示す断面図である。バッファタンク、電空レギュレータ、流量計、圧力室の配置を説明するための模式図である。図３の比較例を示す図である。目標圧力値を変化させたときの電空レギュレータの応答時間の実験結果を示すグラフである。バッファタンクを電空レギュレータと流量計との間に設けた場合およびバッファタンクを設けなかった場合における電空レギュレータの下流側での圧力の変動の大きさを示すグラフである。バッファタンクを電空レギュレータと流量計との間に設けた場合およびバッファタンクを設けなかった場合における電空レギュレータの下流側での流量の変動の大きさを示すグラフである。バッファタンクの他の例を示す断面図である。内部の圧力が低いときのバッファタンク、および内部の圧力が高いときのバッファタンクを示す図である。バッファタンクのさらに他の例を示す断面図である。バッファタンクの膨張が制限カバーによって制限される様子を示す図である。バッファタンクのさらに他の例を示す断面図である。内部の圧力が低いときのバッファタンク、および内部の圧力が高いときのバッファタンクを示す図である。バッファタンクのさらに他の例を示す断面図である。内部の圧力が低いときのバッファタンク、および内部の圧力が高いときのバッファタンクを示す図である。バッファタンクのさらに他の例を示す断面図である。内部の圧力が低いときのバッファタンク、および内部の圧力が高いときのバッファタンクを示す図である。ウェハを研磨するための研磨装置を示す模式図である。トップリングの構造を示す模式図である。

以下、研磨装置の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る研磨装置を示す図である。図１に示すように、研磨装置は、研磨パッド２３を支持する研磨テーブル２２と、研磨対象物であるウェハ等の基板を保持して研磨テーブル２２上の研磨パッド２３に押圧するトップリング（基板保持部）３０とを備えている。

研磨テーブル２２は、テーブル軸２２ａを介してその下方に配置されるテーブルモータ２９に連結されており、そのテーブル軸２２ａ周りに回転可能になっている。研磨パッド２３は研磨テーブル２２の上面に貼付されており、研磨パッド２３の表面２３ａがウェハＷを研磨する研磨面を構成している。研磨テーブル２２の上方には研磨液供給ノズル２５が設置されており、この研磨液供給ノズル２５によって研磨テーブル２２上の研磨パッド２３上に研磨液Ｑが供給されるようになっている。

トップリング３０は、ウェハＷを研磨面２３ａに対して押圧するトップリング本体３１と、ウェハＷを保持してウェハＷがトップリング３０から飛び出さないようにするリテーナリング３２とを備えている。トップリング３０は、トップリングシャフト２７に接続されており、このトップリングシャフト２７は、上下動機構８１によりトップリングヘッド６４に対して上下動するようになっている。このトップリングシャフト２７の上下動により、トップリングヘッド６４に対してトップリング３０の全体を昇降させ位置決めするようになっている。トップリングシャフト２７の上端にはロータリージョイント８２が取り付けられている。

トップリングシャフト２７およびトップリング３０を上下動させる上下動機構８１は、軸受８３を介してトップリングシャフト２７を回転可能に支持するブリッジ８４と、ブリッジ８４に取り付けられたボールねじ８８と、支柱８６により支持された支持台８５と、支持台８５上に設けられたサーボモータ９０とを備えている。サーボモータ９０を支持する支持台８５は、支柱８６を介してトップリングヘッド６４に固定されている。

ボールねじ８８は、サーボモータ９０に連結されたねじ軸８８ａと、このねじ軸８８ａが螺合するナット８８ｂとを備えている。トップリングシャフト２７は、ブリッジ８４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９０を駆動すると、ボールねじ８８を介してブリッジ８４が上下動し、これによりトップリングシャフト２７およびトップリング３０が上下動する。

トップリングシャフト２７はキー（図示せず）を介して回転筒６６に連結されている。この回転筒６６はその外周部にタイミングプーリ６７を備えている。トップリングヘッド６４にはトップリングモータ６８が固定されており、上記タイミングプーリ６７は、タイミングベルト６９を介してトップリングモータ６８に設けられたタイミングプーリ７０に接続されている。したがって、トップリングモータ６８を回転駆動することによってタイミングプーリ７０、タイミングベルト６９、およびタイミングプーリ６７を介して回転筒６６およびトップリングシャフト２７が一体に回転し、トップリング３０が回転する。トップリングヘッド６４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８０によって支持されている。研磨装置は、トップリングモータ６８、サーボモータ９０をはじめとする装置内の各機器を制御する研磨制御部５０を備えている。

トップリング３０は、その下面にウェハＷを保持できるように構成されている。トップリングヘッド６４はトップリングヘッドシャフト８０を中心として旋回可能に構成されており、下面にウェハＷを保持したトップリング３０は、トップリングヘッド６４の旋回によりウェハＷの受取位置から研磨テーブル２２の上方位置に移動される。ウェハＷの研磨は次のようにして行われる。トップリング３０および研磨テーブル２２をそれぞれ回転させ、研磨テーブル２２の上方に設けられた研磨液供給ノズル２５から研磨パッド２３上に研磨液Ｑを供給する。この状態で、トップリング３０を所定の位置（所定の高さ）まで下降させ、この所定の位置でウェハＷを研磨パッド２３の研磨面２３ａに押圧する。ウェハＷは研磨パッド２３の研磨面２３ａに摺接され、これによりウェハＷの表面が研磨される。

次に、トップリング３０について説明する。図２は、トップリング３０を示す断面図である。トップリング３０は、トップリングシャフト２７に自由継手３９を介して連結されるトップリング本体３１と、トップリング本体３１の下方に配置されたリテーナリング３２とを備えている。

トップリング本体３１の下方には、ウェハＷに当接する柔軟なメンブレン（弾性膜）３４と、メンブレン３４を保持するチャッキングプレート３５とが配置されている。メンブレン３４とチャッキングプレート３５との間には、４つの圧力室（エアバッグ）Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４が設けられている。圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４はメンブレン３４とチャッキングプレート３５とによって形成されている。中央の圧力室Ｃ１は円形であり、他の圧力室Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は環状である。これらの圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４は、同心上に配列されている。

圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４にはそれぞれ気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４を介して気体供給源（流体供給源）４０により加圧空気等の加圧気体（加圧流体）が供給されるようになっている。また、気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４には真空ラインＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４が接続されており、真空ラインＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４によって圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に負圧が形成されるようになっている。圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の内部圧力は互いに独立して変化させることが可能であり、これにより、ウェハＷの対応する４つの領域、すなわち、中央部、内側中間部、外側中間部、および周縁部に対する研磨圧力を独立に調整することができる。また、トップリング３０の全体を昇降させることにより、リテーナリング３２を所定の圧力で研磨パッド２３に押圧できるようになっている。

チャッキングプレート３５とトップリング本体３１との間には圧力室Ｃ５が形成され、この圧力室Ｃ５には気体移送ラインＦ５を介して上記気体供給源４０により加圧気体が供給されるようになっている。また、気体移送ラインＦ５には真空ラインＶ５が接続されており、真空ラインＶ５によって圧力室Ｃ５に負圧が形成されるようになっている。これにより、チャッキングプレート３５およびメンブレン３４全体が上下方向に動くことができる。

ウェハＷの周端部はリテーナリング３２に囲まれており、研磨中にウェハＷがトップリング３０から飛び出さないようになっている。圧力室Ｃ３を構成する、メンブレン３４の部位には開口が形成されており、圧力室Ｃ３に真空を形成することによりウェハＷがトップリング３０に吸着保持されるようになっている。また、この圧力室Ｃ３に窒素ガスやクリーンエアなどを供給することにより、ウェハＷがトップリング３０からリリースされるようになっている。

トップリング本体３１とリテーナリング３２との間には、環状のローリングダイヤフラム３６が配置されおり、このローリングダイヤフラム３６の内部には圧力室Ｃ６が形成されている。圧力室Ｃ６は、気体移送ラインＦ６を介して上記気体供給源４０に連結されている。気体供給源４０は加圧気体を圧力室Ｃ６内に供給し、これによりリテーナリング３２を研磨パッド２３に対して押圧する。また、気体移送ラインＦ６には真空ラインＶ６が接続されており、真空ラインＶ６によって圧力室Ｃ６に負圧が形成されるようになっている。圧力室Ｃ６内に真空が形成されると、リテーナリング３２の全体が上昇する。

圧力室Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６に連通する気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６には、それぞれ電空レギュレータ（圧力レギュレータ）Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６が設けられている。気体供給源４０からの加圧気体は、電空レギュレータＲ１〜Ｒ６を通って圧力室Ｃ１〜Ｃ６内に供給される。電空レギュレータＲ１〜Ｒ６は、気体供給源４０から供給される加圧気体の圧力を調整することによって、圧力室Ｃ１〜Ｃ６内の圧力を制御する。電空レギュレータＲ１〜Ｒ６は研磨制御部５０に接続されている。圧力室Ｃ１〜Ｃ６は大気開放弁（図示せず）にも接続されており、圧力室Ｃ１〜Ｃ６を大気開放することも可能である。研磨制御部５０は、圧力室Ｃ１〜Ｃ６それぞれの目標圧力値を電空レギュレータＲ１〜Ｒ６に送り、電空レギュレータＲ１〜Ｒ６は、圧力室Ｃ１〜Ｃ６内の圧力が対応する目標圧力値に維持されるように動作する。

電空レギュレータＲ１〜Ｒ６は、気体移送ラインＦ１〜Ｆ６によって圧力室Ｃ１〜Ｃ６に接続されている。気体移送ラインＦ１〜Ｆ６には、その内部を流れる気体の流量を測定するための流量計Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５，Ｇ６がそれぞれ設けられている。これら流量計Ｇ１〜Ｇ６は、対応する圧力室Ｃ１〜Ｃ６の気体漏洩の検出に使用される。圧力室Ｃ１〜Ｃ６の気体漏洩の検出が必要でない場合は、流量計Ｇ１〜Ｇ６は省略してもよい。気体移送ラインＦ１〜Ｆ６は、圧力室Ｃ１〜Ｃ６からロータリージョイント８２を経由して電空レギュレータＲ１〜Ｒ６まで延びている。真空ラインＶ１〜Ｖ６は、圧力室Ｃ１〜Ｃ６と流量計Ｇ１〜Ｇ６との間の位置において、気体移送ラインＦ１〜Ｆ６にそれぞれ接続されている。

電空レギュレータＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６と、加圧気体のユースポイントであるトップリング３０との間には、バッファタンクＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６が設けられている。これらバッファタンクＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６は、分岐ラインＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６を通じて気体移送ラインＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６にそれぞれ接続されている。バッファタンクＴ１〜Ｔ６は、電空レギュレータＲ１〜Ｒ６と、流量計Ｇ１〜Ｇ６との間に配置されている。言い換えれば、分岐ラインＢ１〜Ｂ６は、電空レギュレータＲ１〜Ｒ６と流量計Ｇ１〜Ｇ６との間の位置において気体移送ラインＦ１〜Ｆ６に接続されている。

研磨制御部５０には、研磨パッド２３に対するトップリング３０の相対的な高さの最適値である目標高さが予め記憶されている。ウェハＷの研磨中、研磨パッド２３に対するトップリング３０の相対的な高さは、この所定の目標高さに維持される。この目標高さは、圧力室Ｃ１〜Ｃ４に負圧を形成してウェハＷをメンブレン３４上に引き付けているときに、ウェハＷと研磨パッド２３の研磨面２３ａとの間に僅かな隙間が形成される高さである。この隙間は、圧力室Ｃ１〜Ｃ４内に気体を供給することで０となる。研磨パッド２３に対するトップリング３０の相対的な高さは、サーボモータ９０によって調整され、サーボモータ９０の動作は研磨制御部５０によって制御される。

トップリング３０の相対的な高さを上記目標高さに維持するためには、研磨パッド２３の研磨面２３ａの高さを検出する必要がある。研磨パッド２３の研磨面２３ａの高さは、次のようにして検出することができる。トップリング３０を所定の初期位置から下降させてトップリング３０の下面（すなわち、リテーナリング３２の下面）を研磨パッド２３の研磨面２３ａに接触させる。トップリング３０の下面が研磨パッド２３の研磨面２３ａに接触すると、サーボモータ９０に対する負荷が増加し、サーボモータ９０に流れる電流が増加する。したがって、研磨制御部５０は、サーボモータ９０に流れる電流の変化から、トップリング３０の下面が研磨パッド２３の研磨面２３ａに接触した時点を検出することができる。研磨制御部５０は、トップリング３０の下面が研磨パッド２３の研磨面２３ａに接触したときにサーボモータ９０の動作を停止させ、トップリング３０の下降を停止させる。研磨制御部５０は、トップリング３０の初期位置と、トップリング３０の下降距離とから、研磨パッド２３の研磨面２３ａの高さを算出する。

ウェハＷの研磨中、研磨パッド２３に対するトップリング３０の相対的な高さが一定に維持された条件下で、研磨テーブル２２とトップリング３０は回転される。しかしながら、研磨テーブル２２およびトップリング３０の回転軸受には軸方向の振れが僅かにあるため、これら研磨テーブル２２およびトップリング３０の回転に伴って、研磨テーブル２２とトップリング３０の上下方向の相対位置は僅かに変化する。この相対位置の変化によって圧力室Ｃ１〜Ｃ６の内部容積が変動するので、圧力室Ｃ１〜Ｃ６の内部圧力も変動してしまう。そこで、このような圧力室Ｃ１〜Ｃ６の内部圧力の変動を小さくするために、圧力室Ｃ１〜Ｃ６にはバッファタンクＴ１〜Ｔ６がそれぞれ連通している。

それぞれのバッファタンクＴ１〜Ｔ６の構成および配置は、互いに同じである。したがって、以下、バッファタンクＴ１について図３を参照して説明する。図３は、バッファタンクＴ１、電空レギュレータ（圧力レギュレータ）Ｒ１、流量計Ｇ１、圧力室Ｃ１の配置を説明するための模式図である。バッファタンクＴ１は、金属または硬質の樹脂などの硬質の材料から形成された密閉容器である。バッファタンクＴ１は、剛性の高い構造を有しており、その内部容積は実質的に変化しない。一例として、バッファタンクＴ１はＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）から形成されている。

バッファタンクＴ１は気体移送ラインＦ１に接続されている。したがって、バッファタンクＴ１は、気体移送ラインＦ１を通じて圧力室Ｃ１に連通している。このバッファタンクＴ１の容積は、圧力室Ｃ１の容積と同じか、またはそれよりも大きい。このようなバッファタンクＴ１は、電空レギュレータＲ１から圧力室Ｃ１までの気体通路の体積を大きくすることで、圧力室Ｃ１の圧力の変動を相対的に小さくすることができる。

バッファタンクＴ１は、電空レギュレータＲ１と流量計Ｇ１との間に位置している。これは、電空レギュレータＲ１の応答性を向上させるためである。電空レギュレータＲ１の応答性は、目標圧力値が変化した時点と、電空レギュレータＲ１の下流側の圧力（すなわち、電空レギュレータＲ１の二次側圧力）がその目標圧力値に到達した時点との差分の示す応答時間で表される。流量計Ｇ１は、絞り孔を有しており、絞り孔の上流側での圧力と下流側での圧力の差に基づいて流量を測定するように構成されている。このような構成を持つ流量計Ｇ１の上流側にバッファタンクＴ１が接続されているので、電空レギュレータＲ１から供給される気体は、その流量が流量計Ｇ１によって低下される前にバッファタンクＴ１に供給され、速やかにバッファタンクＴ１を満たす。よって、電空レギュレータＲ１は、目標圧力値の変化に応じて圧力室Ｃ１内の圧力を速やかに変化させることができる。流量計Ｇ１は、バッファタンクＴ１と圧力室Ｃ１との間に位置している。

図３から分かるように、バッファタンクＴ１は、電空レギュレータＲ１と真空ラインＶ１との間に配置されている。このような配置とすることにより、真空ラインＶ１によって圧力室Ｃ１内に真空を形成するときに、バッファタンクＴ１は真空形成にほとんど影響を与えない。したがって、真空ラインＶ１は、速やかに圧力室Ｃ１内に真空を形成することができる。

図４は、図３の比較例を示す図である。図４に示す例では、バッファタンクＴ１は、流量計Ｇ１と圧力室Ｃ１との間に配置されている。このような配置では、電空レギュレータＲ１から供給される気体は、その流量が流量計Ｇ１によって低下された後にバッファタンクＴ１に供給される。結果として、気体がバッファタンクＴ１を満たすのにより長い時間がかかり、応答性が低下してしまう。しかも、真空ラインＶ１によって圧力室Ｃ１内に真空を形成するときに、バッファタンクＴ１内の気体が真空ラインＶ１によって吸い込まれるために、圧力室Ｃ１内に真空を形成するのにより長い時間がかかる。

図５は、図３に示す配置、図４に示す配置、およびバッファタンクＴ１がない配置において、目標圧力値を変化させたときの電空レギュレータＲ１の応答時間の実験結果を示すグラフである。この実験結果から分かるように、図３に示す配置は、図４に示す配置よりも短い応答時間を示している。しかも、図３に示す配置は、バッファタンクＴ１がない配置とほぼ同じ応答時間を示している。これは、図３に示すようにバッファタンクＴ１を電空レギュレータＲ１と流量計Ｇ１との間に配置することにより、バッファタンクを設けない場合と同等の良好な応答性が得られることを意味している。

図６は、バッファタンクＴ１を電空レギュレータＲ１と流量計Ｇ１との間に設けた場合およびバッファタンクＴ１を設けなかった場合における電空レギュレータＲ１の下流側での圧力の変動の大きさを示すグラフであり、図７は、バッファタンクＴ１を電空レギュレータＲ１と流量計Ｇ１との間に設けた場合およびバッファタンクＴ１を設けなかった場合における電空レギュレータＲ１の下流側での流量の変動の大きさを示すグラフである。図６および図７において、圧力の変動の大きさは、圧力の最大値と最小値との差分を表し、流量の変動の大きさは、流量の最大値と最小値との差分を表している。図６および図７に示す実験結果から、バッファタンクＴ１を設けることによって圧力変動および流量変動が低下することが分かる。

図５乃至図７に示す実験結果から分かるように、バッファタンクＴ１を電空レギュレータＲ１と流量計Ｇ１との間に設けることによって、圧力変動および流量変動を低下させつつ、バッファタンクを設けない場合と同等の良好な応答性を得ることができる。上述したように、圧力室Ｃ１〜Ｃ６の気体漏洩の検出が必要でない場合は、流量計Ｇ１〜Ｇ６は省略してもよい。この場合でも、バッファタンクＴ１〜Ｔ６は、圧力室Ｃ１〜Ｃ６の圧力の変動を相対的に小さくすることができる。

次に、バッファタンクＴ１の他の構成例について説明する。以下に説明するバッファタンクＴ１の配置は、図３に示すバッファタンクＴ１の上記配置と同じである。図８は、バッファタンクＴ１の他の例を示す断面図である。他のバッファタンクＴ２〜Ｔ６も図８に示すバッファタンクＴ１と同じ構成および配置を有している。

図８に示すバッファタンクＴ１は、その内部の圧力に応じてバッファタンクＴ１の容積が変化するように構成されている点で、上述したバッファタンクと異なっている。この例のバッファタンクＴ１は、その全体がゴムなどの弾性材料から構成されており、バッファタンクＴ１内の圧力に応じてバッファタンクＴ１の全体が変形（すなわち、膨張および収縮）する。すなわち、バッファタンクＴ１の全体は、その内部の圧力に応じて変形可能な部材から構成されている。例えば、バッファタンクＴ１は、ゴム製のエアバッグから構成されている。バッファタンクＴ１の一部のみがゴムなどの弾性材料から構成されていてもよい。

図９は、内部の圧力が低いときのバッファタンクＴ１、および内部の圧力が高いときのバッファタンクＴ１を示す図である。図９に示すように、バッファタンクＴ１内の圧力が高くなると、バッファタンクＴ１全体が膨張してバッファタンクＴ１の容積が増加する。このように、バッファタンクＴ１内の圧力に応じてバッファタンクＴ１の容積が変化するので、バッファタンクＴ１はウェハの研磨時に発生する圧力室Ｃ１内での圧力変動を吸収することができる。

図１０は、バッファタンクＴ１のさらに他の例を示す断面図である。他のバッファタンクＴ２〜Ｔ６も図１０に示すバッファタンクＴ１と同じ構成および配置を有している。この例のバッファタンクＴ１自体は図８に示すバッファタンクＴ１と同じであるが、バッファタンクＴ１の外側に制限カバー１００が設けられている点で異なっている。この制限カバー１００は、バッファタンクＴ１の上面および側面全体を覆う形状を有している。制限カバー１００は、バッファタンクＴ１全体の体積よりも大きな内部空間を有している。この制限カバー１００は、バッファタンクＴ１内の圧力上昇に応じて膨張したバッファタンクＴ１の破裂を防ぐために設けられている。

図１１は、バッファタンクＴ１の変形（膨張）が制限カバー１００によって制限される様子を示す図である。図１１に示すように、バッファタンクＴ１内の圧力が低いときは、バッファタンクＴ１の外面は制限カバー１００の内面に接触していないが、バッファタンクＴ１内の圧力がある程度上昇すると、バッファタンクＴ１の外面は制限カバー１００の内面に接触する。図１１から分かるように、バッファタンクＴ１の膨張は制限カバー１００によって制限されるので、バッファタンクＴ１の破裂を防止することができる。

バッファタンクＴ１の壁を薄くするほど、バッファタンクＴ１は圧力変動をより吸収しやすくなる。その一方で、バッファタンクＴ１の壁を薄くすると、ウェハ研磨中にバッファタンクＴ１が大きく膨らみ、バッファタンクＴ１が破裂するおそれがある。制限カバー１００は、このようなバッファタンクＴ１の破裂のリスクを大きく低減させることが可能である。さらに、バッファタンクＴ１の形状および厚みと、制限カバー１００の形状および大きさとの組み合わせにより、バッファタンクＴ１によって吸収される圧力範囲および圧力変動の大きさを調整することが可能である。

図１２は、バッファタンクＴ１のさらに他の例を示す断面図である。他のバッファタンクＴ２〜Ｔ６も図１２に示すバッファタンクＴ１と同じ構成および配置を有している。この例のバッファタンクＴ１の周壁部は、樹脂や金属（例えばステンレス）からなるベローズ管１０２で構成されている。ベローズ管１０２は、バッファタンクＴ１内の圧力に応じて変形（すなわち、膨張および収縮）することが可能に構成される。ベローズ管１０２は膨張しても、その肉厚が変わらず、機械的強度が低下しないという利点がある。

図１３は、内部の圧力が低いときのバッファタンクＴ１、および内部の圧力が高いときのバッファタンクＴ１を示す図である。図１３に示すように、バッファタンクＴ１内の圧力が高くなると、ベローズ管１０２が伸びてバッファタンクＴ１の容積が増加する。このように、バッファタンクＴ１内の圧力に応じてバッファタンクＴ１の容積が変化するので、バッファタンクＴ１はウェハの研磨時に発生する圧力室Ｃ１内での圧力変動を吸収することができる。

図１４は、バッファタンクＴ１のさらに他の例を示す断面図である。他のバッファタンクＴ２〜Ｔ６も図１４に示すバッファタンクＴ１と同じ構成および配置を有している。この例では、バッファタンクＴ１の一部は、樹脂またはゴムなどの弾性材料からなるダイヤフラム１０５から構成されている。より具体的は、バッファタンクＴ１は、開口部を有する容器１０６と、この開口部を塞ぐダイヤフラム１０５とを備えている。ダイヤフラム１０５は、屈曲部のない平坦な形状を有している。容器１０６は硬質の部材（例えば、金属または硬質の樹脂）から形成されている。ダイヤフラム１０５は容器１０６の開口部を塞いでおり、これによってバッファタンクＴ１内には密閉空間が形成される。この密閉空間は分岐ラインＢ１に連通している。

図１５は、内部の圧力が低いときのバッファタンクＴ１、および内部の圧力が高いときのバッファタンクＴ１を示す図である。図１５に示すように、バッファタンクＴ１内の圧力が高くなると、ダイヤフラム１０５が外側に膨らんでバッファタンクＴ１の容積が増加する。このように、バッファタンクＴ１内の圧力に応じてバッファタンクＴ１の容積が変化するので、バッファタンクＴ１はウェハの研磨時に発生する圧力室Ｃ１内での圧力変動を吸収することができる。ダイヤフラム１０５は、バッファタンクＴ１内の圧力に応じて変形する部材である。ダイヤフラム１０５は、その形状が単純で変形量も比較的小さいので長期間に亘って安定した動作が期待できる。

図１６は、バッファタンクＴ１のさらに他の例を示す断面図である。他のバッファタンクＴ２〜Ｔ６も図１６に示すバッファタンクＴ１と同じ構成および配置を有している。この例のバッファタンクＴ１は、分岐ラインＢ１に接続されたシリンダ１１１と、このシリンダ１１１内に収容されたピストン１１２と、シリンダ１１１とピストン１１２との間の隙間を封じるローリングダイヤフラム１１４と、ピストン１１２を支持するスプリング１１６とを有している。ローリングダイヤフラム１１４は、ゴムなどの弾性部材から構成されている。

ローリングダイヤフラム１１４は、ピストン１１２を囲むように配置された逆Ｕ字型の断面を有する屈曲部を有しており、この屈曲部がシリンダ１１１とピストン１１２との間の隙間をシールしている。バッファタンクＴ１内の密閉空間は、ローリングダイヤフラム１１４とシリンダ１１１の内面とによって形成されている。この密閉空間は分岐ラインＢ１に連通している。ローリングダイヤフラム１１４は、バッファタンクＴ１内の圧力に応じて変形する部材である。

図１７は、内部の圧力が低いときのバッファタンクＴ１、および内部の圧力が高いときのバッファタンクＴ１を示す図である。図１７に示すように、バッファタンクＴ１内の圧力が高くなると、ピストン１１２がスプリング１１６の反発力に抗って外側に移動してバッファタンクＴ１の容積が増加するとともに、ローリングダイヤフラム１１４が変形する。このように、バッファタンクＴ１内の圧力に応じてバッファタンクＴ１の容積が変化するので、バッファタンクＴ１はウェハの研磨時に発生する圧力室Ｃ１内での圧力変動を吸収することができる。

ローリングダイヤフラム１１４の屈曲部は、ピストン１１２の動作にあわせて転動するのみであり、ローリングダイヤフラム１１４はピストン１１２およびシリンダ１１１に摺接しない。したがって、ローリングダイヤフラム１１４が変形するときにローリングダイヤフラム１１４に作用する摩擦抵抗はほぼ０である。したがって、ピストン１１２はバッファタンクＴ１内の圧力変化に応じて速やかかつ滑らかに移動することができる。更に、スプリング１１６の反発力はピストン１１２の移動量に従って変化するので、ピストン１１２のストロークを長くすることで広い範囲での圧力振動を吸収することが可能である。

上述した図８乃至図１７に示す構成は、適宜組み合わせることも可能である。例えば、図８に示すエアバックタイプのバッファタンクＴ１の一部に、図１４に示すダイヤフラム１０５を組み込むことで、バッファタンクＴ１はより広い範囲での圧力変動を吸収することが可能となる。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

２２研磨テーブル
２２ａテーブル軸
２３研磨パッド
２３ａ研磨面
２５研磨液供給ノズル
２７トップリングシャフト
３０トップリング
３１トップリング本体
３２リテーナリング
３４弾性膜（メンブレン）
３５チャッキングプレート
３６ローリングダイヤフラム
３９自由継手
４０気体供給源
５０研磨制御部
６４トップリングヘッド
６６回転筒
６７タイミングプーリ
６８トップリングモータ
６９タイミングベルト
７０タイミングプーリ
８０トップリングヘッドシャフト
８１上下動機構
８２ロータリージョイント
８３軸受
８４ブリッジ
８５支持台
８６支柱
８８ボールねじ
８８ａねじ軸
８８ｂナット
９０サーボモータ
１００制限カバー
１０２ベローズ管
１０５ダイヤフラム
１０６容器
１１１シリンダ
１１２ピストン
１１４ローリングダイヤフラム
１１６スプリング
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６圧力室
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６気体移送ライン
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６真空ライン
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６電空レギュレータ（圧力レギュレータ）
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５，Ｇ６流量計
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６分岐ライン
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６バッファタンク

Claims

研磨パッドを支持するための回転可能な研磨テーブルと、
基板を前記研磨パッドに押し付けるための圧力室を有する回転可能なトップリングと、
前記圧力室内の気体の圧力を制御する圧力レギュレータと、
前記圧力レギュレータと前記圧力室とを接続する気体移送ラインと、
前記気体移送ラインを流れる気体の流量を計測する流量計と、
前記気体移送ラインに連通するバッファタンクとを備え、
前記バッファタンクは、前記圧力レギュレータと前記流量計との間に配置されており、
前記バッファタンクの容積は、前記圧力室の容積と同じか、または前記圧力室の容積よりも大きく、
前記バッファタンクは、前記トップリングの外に配置されていることを特徴とする研磨装置。
前記バッファタンクは、その内部の圧力にかかわらず内部容積が変化しない構成を有していることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
前記バッファタンクは、その内部の圧力に応じて該バッファタンクの容積が変化するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
前記バッファタンクの少なくとも一部は、前記バッファタンクの内部の圧力に応じて変形する部材から構成されていることを特徴とする請求項３に記載の研磨装置。
前記バッファタンクの内部の圧力に応じて変形する前記部材は、ダイヤフラムであることを特徴とする請求項４に記載の研磨装置。
前記バッファタンクの内部の圧力に応じて変形する前記部材は、ベローズ管であることを特徴とする請求項４に記載の研磨装置。
前記バッファタンクは、
シリンダと、
前記シリンダ内に収容されたピストンと、
前記シリンダと前記ピストンとの間の隙間を封じるローリングダイヤフラムと、
前記ピストンを支持するスプリングとを有し、
前記ローリングダイヤフラムは、前記ピストンを囲むように配置された屈曲部を有しており、前記屈曲部は逆Ｕ字型の断面を有することを特徴とする請求項３に記載の研磨装置。
前記基板を前記研磨パッドに押し付けているときの前記トップリングの前記研磨パッドに対する相対的な高さは一定であることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
研磨パッドを支持するための回転可能な研磨テーブルと、
基板を前記研磨パッドに押し付けるための圧力室を有する回転可能なトップリングと、
前記圧力室内の気体の圧力を制御する圧力レギュレータと、
前記圧力レギュレータと前記圧力室とを接続する気体移送ラインと、
前記気体移送ラインを流れる気体の流量を計測する流量計と、
前記気体移送ラインに連通するバッファタンクとを備え、
前記バッファタンクは、前記圧力レギュレータと前記流量計との間に配置されており、
前記バッファタンクの少なくとも一部は、前記バッファタンクの内部の圧力に応じて変形する部材から構成されており、
前記バッファタンクの変形を制限する制限カバーを前記バッファタンクの外側に配置したことを特徴とする研磨装置。
前記圧力レギュレータと前記流量計との間の位置において前記気体移送ラインに接続された分岐ラインをさらに備え、
前記バッファタンクは前記分岐ラインを介して前記気体移送ラインに接続されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の研磨装置。
研磨パッドを支持するための回転可能な研磨テーブルと、
基板を前記研磨パッドに押し付けるための圧力室を有する回転可能なトップリングと、
前記圧力室内の気体の圧力を制御する圧力レギュレータと、
前記圧力レギュレータと前記圧力室とを接続する気体移送ラインと、
前記気体移送ラインに連通するバッファタンクとを備え、
前記バッファタンクは、その内部の圧力に応じて該バッファタンクの容積が変化するように構成されており、
前記バッファタンクの容積は、前記圧力室の容積と同じか、または前記圧力室の容積よりも大きく、
前記バッファタンクは、前記トップリングの外に配置されていることを特徴とする研磨装置。
前記バッファタンクの少なくとも一部は、前記バッファタンクの内部の圧力に応じて変形する部材から構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の研磨装置。
前記バッファタンクの内部の圧力に応じて変形する前記部材は、ダイヤフラムであることを特徴とする請求項１２に記載の研磨装置。
前記バッファタンクの内部の圧力に応じて変形する前記部材は、ベローズ管であることを特徴とする請求項１２に記載の研磨装置。
前記バッファタンクは、
シリンダと、
前記シリンダ内に収容されたピストンと、
前記シリンダと前記ピストンとの間の隙間を封じるローリングダイヤフラムと、
前記ピストンを支持するスプリングとを有し、
前記ローリングダイヤフラムは、前記ピストンを囲むように配置された屈曲部を有しており、前記屈曲部は逆Ｕ字型の断面を有することを特徴とする請求項１１に記載の研磨装置。
前記基板を前記研磨パッドに押し付けているときの前記トップリングの前記研磨パッドに対する相対的な高さは一定であることを特徴とする請求項１１に記載の研磨装置。
研磨パッドを支持するための回転可能な研磨テーブルと、
基板を前記研磨パッドに押し付けるための圧力室を有する回転可能なトップリングと、
前記圧力室内の気体の圧力を制御する圧力レギュレータと、
前記圧力レギュレータと前記圧力室とを接続する気体移送ラインと、
前記気体移送ラインに連通するバッファタンクとを備え、
前記バッファタンクは、その内部の圧力に応じて該バッファタンクの容積が変化するように構成されており、
前記バッファタンクの少なくとも一部は、前記バッファタンクの内部の圧力に応じて変形する部材から構成されており、
前記バッファタンクの変形を制限する制限カバーを前記バッファタンクの外側に配置したことを特徴とする研磨装置。