JP7178259B2 - 研磨装置および研磨方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ウェーハなどの基板を研磨する研磨装置に関し、特に基板を囲むリテーナリングを備えた研磨装置に関する。また、本発明は、そのような研磨装置を用いてウェーハなどの基板を研磨する研磨方法に関する。
近年、半導体デバイスの高集積化・高密度化に伴い、回路の配線がますます微細化し、多層配線の層数も増加している。回路の微細化を図りながら多層配線を実現しようとすると、下側の層の表面凹凸を踏襲しながら段差がより大きくなるので、配線層数が増加するに従って、薄膜形成における段差形状に対する膜被覆性（ステップカバレッジ）が悪くなる。したがって、多層配線するためには、このステップカバレッジを改善し、然るべき過程で平坦化処理しなければならない。また光リソグラフィの微細化とともに焦点深度が浅くなるため、半導体デバイスの表面の凹凸段差が焦点深度以下に収まるように半導体デバイス表面を平坦化処理する必要がある。
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がますます重要になっている。この表面の平坦化において最も重要な技術は、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）である。この化学機械研磨（以下、ＣＭＰという）は、シリカ（ＳｉＯ２）等の砥粒を含んだ研磨液（スラリー）を研磨パッドの研磨面上に供給しつつウェー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。
ＣＭＰを行うための研磨装置は、研磨面を有する研磨パッドを支持する研磨テーブルと、基板を保持するための研磨ヘッドを備えている。このような研磨装置を用いた基板の研磨は次のようにして行われる。研磨テーブルを研磨パッドとともに回転させながら、研磨パッド上にスラリーを供給する。研磨ヘッドは基板を回転させながら、該基板を研磨パッドの研磨面に対して押し付ける。基板はスラリーの存在下で研磨パッドに摺接されながら、基板の表面は、スラリーの化学的作用と、スラリーに含まれる砥粒の機械的作用との組み合わせにより平坦化される。
基板の研磨中、基板の表面は回転する研磨パッドに摺接されるため、基板には摩擦力が作用する。そこで、基板の研磨中に基板が研磨ヘッドから外れないようにするために、研磨ヘッドはリテーナリングを備えている。このリテーナリングは、基板を囲むように配置されており、基板の研磨中、リテーナリングは回転しながら基板の外側で研磨パッドを押し付けている。
近年、半導体デバイスやＣＭＰ工程に応じて変わりうる種々の初期膜厚プロファイルへの対応や、基板の外周縁まで平坦化することによる歩留まり向上等の理由から、基板の周縁部の研磨プロファイルをより精密に制御することへの要請が高まりつつある。
リテーナリング全体の圧力の調整によって基板の周縁部の研磨レートを制御することは可能である。しかしながら、リテーナリング全体の圧力を変更すると、周縁部のみならず、その他の領域を含む比較的広い範囲で研磨レートが変化してしまう。したがって、この方法では、周縁部の研磨プロファイルを精密に制御することは難しい。
そこで、本発明は、基板の周縁部の研磨プロファイルを精密に制御することができる研磨装置、およびそのような研磨装置を用いてウェーハなどの基板を研磨する方法を提供する。
一態様では、研磨面を有する研磨パッドを支持するための研磨テーブルと、基板を前記研磨面に押し付けるための押圧面を有する回転可能なヘッド本体と、前記押圧面を囲むように配置され、かつ前記ヘッド本体と共に回転しながら前記研磨面を押し付けるためのリテーナリングと、前記リテーナリングに固定され、前記リテーナリングと共に回転可能な回転リングと、前記回転リング上に配置された静止リングと、前記静止リングに局所荷重を加える複数の局所荷重付与装置とを備え、前記複数の局所荷重付与装置は、前記静止リングに連結された第１押圧部材および第２押圧部材と、前記第１押圧部材および前記第２押圧部材にそれぞれ連結された第１アクチュエータおよび第２アクチュエータを備え、前記第１押圧部材は、前記研磨面の進行方向において前記リテーナリングの上流側に配置され、前記第２押圧部材は、前記研磨面の前記進行方向において前記リテーナリングの下流側に配置されており、前記第１押圧部材は、前記リテーナリングが前記基板から最も離れる位置に配置され、前記第２押圧部材は、前記リテーナリングが前記基板に接触する位置に配置されている、研磨装置が提供される。
一態様では、前記第１押圧部材および前記第２押圧部材は、前記リテーナリングの中心と前記研磨テーブルの中心とを通る基準直線の両側に位置している。
一態様では、研磨面を有する研磨パッドを支持するための研磨テーブルと、基板を前記研磨面に押し付けるための押圧面を有する回転可能なヘッド本体と、前記押圧面を囲むように配置され、かつ前記ヘッド本体と共に回転しながら前記研磨面を押し付けるためのリテーナリングと、前記リテーナリングに固定され、前記リテーナリングと共に回転可能な回転リングと、前記回転リング上に配置された静止リングと、前記静止リングに局所荷重を加える複数の局所荷重付与装置とを備え、前記複数の局所荷重付与装置は、前記静止リングに連結された第１押圧部材および第２押圧部材と、前記第１押圧部材および前記第２押圧部材にそれぞれ連結された第１アクチュエータおよび第２アクチュエータを備え、前記第１押圧部材は、前記研磨面の進行方向において前記リテーナリングの上流側に配置され、前記第２押圧部材は、前記研磨面の前記進行方向において前記リテーナリングの下流側に配置されており、前記第１押圧部材および前記第２押圧部材は、前記リテーナリングの中心と前記研磨テーブルの中心とを通る基準直線と垂直に交わりかつ前記リテーナリングの中心を通る直線上に配置されている、研磨装置が提供される。
一態様では、研磨面を有する研磨パッドを支持するための研磨テーブルと、基板を前記研磨面に押し付けるための押圧面を有する回転可能なヘッド本体と、前記押圧面を囲むように配置され、かつ前記ヘッド本体と共に回転しながら前記研磨面を押し付けるためのリテーナリングと、前記リテーナリングに固定され、前記リテーナリングと共に回転可能な回転リングと、前記回転リング上に配置された静止リングと、前記静止リングに局所荷重を加える複数の局所荷重付与装置とを備え、前記複数の局所荷重付与装置は、前記静止リングに連結された第１押圧部材および第２押圧部材と、前記第１押圧部材および前記第２押圧部材にそれぞれ連結された第１アクチュエータおよび第２アクチュエータを備え、前記第１押圧部材は、前記研磨面の進行方向において前記リテーナリングの上流側に配置され、前記第２押圧部材は、前記研磨面の前記進行方向において前記リテーナリングの下流側に配置されており、前記第１押圧部材および前記第２押圧部材は、前記リテーナリングの中心と前記研磨テーブルの中心とを通る基準直線と垂直に交わりかつ前記リテーナリングの中心を通る直線上に配置されている、研磨装置が提供される。
一態様では、研磨パッドを支持する研磨テーブルを回転させ、押圧面を有するヘッド本体を回転させながら、前記押圧面で基板を前記研磨パッドの研磨面に押し付け、前記基板を囲むように配置されたリテーナリングを、前記ヘッド本体および前記基板と共に回転させながら前記研磨面に押し付け、前記リテーナリングに固定された回転リングを前記リテーナリングと共に回転させながら、かつ第１押圧部材または第２押圧部材から前記回転リング上に配置された静止リングに局所荷重を加えながら前記基板を研磨する工程を含み、前記第１押圧部材は、前記研磨面の進行方向において前記リテーナリングの上流側に配置され、前記第２押圧部材は、前記研磨面の前記進行方向において前記リテーナリングの下流側に配置されており、前記第１押圧部材は、前記リテーナリングが前記基板から最も離れる位置に配置され、前記第２押圧部材は、前記リテーナリングが前記基板に接触する位置に配置されている、方法が提供される。
研磨面の進行方向における静止リングの上流側と下流側のそれぞれに局所荷重を加えると、研磨面の一部が盛り上がり、上向きの局所反発力を発生させる。これらの局所反発力は、基板の研磨中に基板の半径方向において基板の周縁部上の異なる位置に作用する。したがって、基板の研磨レートを局所的に変化させることができる。結果として、基板の周縁部の研磨プロファイルを精密に制御することができる。
以下、本発明の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、研磨装置の一実施形態を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置１は、基板の一例であるウェーハを保持し回転させる研磨ヘッド１０と、研磨パッド２を支持する研磨テーブル３と、研磨パッド２に研磨液（スラリー）を供給する研磨液供給ノズル５とを備えている。研磨パッド２の上面は、ウェーハを研磨する研磨面２ａを構成する。研磨パッド２は、研磨テーブル３と一体に回転するように構成されている。
研磨ヘッド１０は研磨ヘッドシャフト１２の下端に連結されている。この研磨ヘッドシャフト１２はヘッドアーム１６により回転自在に保持されている。ヘッドアーム１６内には、研磨ヘッドシャフト１２を回転させる回転装置（図示せず）と、研磨ヘッドシャフト１２を上昇および下降させる昇降装置（図示せず）が配置されている。研磨ヘッド１０は回転装置により研磨ヘッドシャフト１２を介して回転し、昇降機構により研磨ヘッド１０が研磨ヘッドシャフト１２を介して上昇および下降されるようになっている。ヘッドアーム１６は旋回軸１５に固定されており、旋回軸１５の回転により研磨ヘッド１０を研磨テーブル３の外側に移動させることが可能となっている。
研磨ヘッド１０は、その下面に真空吸引によりウェーハを保持できるように構成されている。研磨ヘッド１０および研磨テーブル３（研磨パッド２）は、矢印で示すように同じ方向に回転し、この状態で研磨ヘッド１０は、ウェーハを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付ける。研磨液供給ノズル５からは研磨液が研磨パッド２の研磨面２ａ上に供給され、ウェーハは、研磨液の存在下で研磨面２ａとの摺接により研磨される。
研磨ヘッド１０は、ウェーハを研磨パッド２に対して押圧するヘッド本体１１と、ウェーハを囲むように配置されたリテーナリング２０とを備えている。ヘッド本体１１およびリテーナリング２０は、研磨ヘッドシャフト１２と一体に回転するように構成されている。リテーナリング２０は、ヘッド本体１１とは独立して上下動可能に構成されている。リテーナリング２０は、ヘッド本体１１から半径方向外側に張り出している。ウェーハの研磨中、リテーナリング２０は研磨パッド２の研磨面２ａに接触し、回転しながらウェーハの外側で研磨パッド２を押し付ける。
研磨ヘッド１０は、内部に複数のローラー（後述する）が配置された回転リング５１と、静止リング９１とをさらに備えている。回転リング５１は、リテーナリング２０の上面に固定されており、リテーナリング２０と共に回転可能に構成されている。静止リング９１は、回転リング５１上に配置されている。回転リング５１はリテーナリング２０と共に回転するが、静止リング９１は回転せず、静止している。
研磨装置１は、リテーナリング２０の一部に局所荷重を加える第１局所荷重付与装置３０Ａと、リテーナリング２０の一部に局所荷重を加える第２局所荷重付与装置３０Ｂをさらに備えている。局所荷重付与装置３０Ａ，３０Ｂは、リテーナリング２０の上方に配置されている。局所荷重付与装置３０Ａ，３０Ｂは、ヘッドアーム１６に固定されている。研磨中のリテーナリング２０はその軸心周りに回転するが、局所荷重付与装置３０Ａ，３０Ｂはリテーナリング２０とは一体に回転せず、静止している。静止リング９１は、局所荷重付与装置３０Ａ，３０Ｂに連結されている。第１局所荷重付与装置３０Ａは、研磨パッド２の研磨面２ａの進行方向においてリテーナリング２０の上流側（研磨面２ａが流入するリテーナリング２０の一方側）に配置されており、第２局所荷重付与装置３０Ｂは、研磨パッド２の研磨面２ａの進行方向においてリテーナリング２０の下流側（研磨面２ａが流出するリテーナリング２０の反対側）に配置されている。
図２は局所荷重付与装置３０Ａ，３０Ｂを示す斜視図である。図２に示すように、複数の局所荷重付与装置３０Ａ，３０Ｂは、静止リング９１に下向きの局所荷重を与える複数の押圧部材３１Ａ，３１Ｂと、複数のブリッジ３３Ａ，３３Ｂと、下向きの力を発生する複数のエアシリンダ３５Ａ，３５Ｂと、エアシリンダ３５Ａ，３５Ｂ内の圧縮気体の圧力を調節する複数の圧力レギュレータＲ１，Ｒ２と、複数のリニアガイド３８Ａ，３８Ｂと、複数のガイドロッド３９Ａ，３９Ｂと、複数のユニットベース４０Ａ，４０Ｂとを備えている。
具体的には、第１局所荷重付与装置３０Ａは、第１押圧部材３１Ａと、第１ブリッジ３３Ａと、第１エアシリンダ３５Ａと、第１圧力レギュレータＲ１と、第１リニアガイド３８Ａと、第１ガイドロッド３９Ａと、第１ユニットベース４０Ａとを備えている。第２局所荷重付与装置３０Ｂは、第２押圧部材３１Ｂと、第２ブリッジ３３Ｂと、第２エアシリンダ３５Ｂと、第２圧力レギュレータＲ２と、第２リニアガイド３８Ｂと、第２ガイドロッド３９Ｂと、第２ユニットベース４０Ｂとを備えている。
第１エアシリンダ３５Ａのピストンロッド３６ａは、第１ブリッジ３３Ａを介して第１押圧部材３１Ａに連結され、第１押圧部材３１Ａの端部は静止リング９１に連結されている。したがって、第１エアシリンダ３５Ａによって発生した力は第１押圧部材３１Ａに伝えられ、第１押圧部材３１Ａは静止リング９１の一部に局所荷重を加える。同様に、第２エアシリンダ３５Ｂのピストンロッド３６ｂは、第２ブリッジ３３Ｂを介して第２押圧部材３１Ｂに連結され、第２押圧部材３１Ｂの端部は静止リング９１に連結されている。したがって、第２エアシリンダ３５Ｂによって発生した力は第２押圧部材３１Ｂに伝えられ、第２押圧部材３１Ｂは静止リング９１の一部に局所荷重を加える。
本実施形態では、第１エアシリンダ３５Ａと第１圧力レギュレータＲ１との組み合わせは、第１押圧部材３１Ａから静止リング９１に加えられる局所荷重を調節する第１アクチュエータ３７Ａを構成し、第２エアシリンダ３５Ｂと第２圧力レギュレータＲ２との組み合わせは、第２押圧部材３１Ｂから静止リング９１に加えられる局所荷重を調節する第２アクチュエータ３７Ｂを構成する。一実施形態では、第１アクチュエータ３７Ａおよび第２アクチュエータ３７Ｂのそれぞれは、サーボモータと、ボールねじ機構と、モータドライバとの組み合わせから構成されてもよい。
第１押圧部材３１Ａは２つの押圧ロッド３２ａを含んでおり、第２押圧部材３１Ｂは２つの押圧ロッド３２ｂを含んでいる。押圧ロッド３２ａおよび押圧ロッド３２ｂは静止リング９１に連結されている。第１押圧部材３１Ａは、研磨パッド２の研磨面２ａの進行方向においてリテーナリング２０の上流側で静止リング９１に接続されており、第２押圧部材３１Ｂは、研磨パッド２の研磨面２ａの進行方向においてリテーナリング２０の下流側で静止リング９１に接続されている。言い換えれば、第１押圧部材３１Ａは、研磨パッド２の研磨面２ａの進行方向において静止リング９１の上流側の部分に局所荷重を加えるように構成されており、第２押圧部材３１Ｂは、研磨パッド２の研磨面２ａの進行方向において静止リング９１の下流側の部分に局所荷重を加えるように構成されている。
局所荷重付与装置３０Ａ，３０Ｂは、ユニットベース４０Ａ，４０Ｂを介してヘッドアーム１６に固定されている。したがって、ウェーハの研磨中、研磨ヘッド１０およびウェーハは回転している一方、局所荷重付与装置３０Ａ，３０Ｂは静止している。同様に、ウェーハの研磨中、回転リング５１は研磨ヘッド１０と共に回転している一方で、静止リング９１は静止している。
局所荷重付与装置３０Ａ，３０Ｂは同一の構成を有する。以下の説明は第１局所荷重付与装置３０Ａに関するものであるが、第２局所荷重付与装置３０Ｂにも同様に適用される。第１ユニットベース４０Ａには、第１エアシリンダ３５Ａおよび第１リニアガイド３８Ａが取り付けられている。第１エアシリンダ３５Ａのピストンロッド３６ａおよび第１ガイドロッド３９Ａは、第１ブリッジ３３Ａに接続されている。第１ガイドロッド３９Ａは第１リニアガイド３８Ａにより低摩擦で上下動自在に支持されている。第１リニアガイド３８Ａにより、第１ブリッジ３３Ａは傾くことなく滑らかに上下動可能となっている。
エアシリンダ３５Ａ，３５Ｂは、気体移送ラインＦ１，Ｆ２を通じて圧縮気体供給源（図示せず）に接続されている。圧力レギュレータＲ１，Ｒ２は、気体移送ラインＦ１，Ｆ２にそれぞれ設けられている。圧縮気体供給源からの圧縮気体は、圧力レギュレータＲ１，Ｒ２を通ってエアシリンダ３５Ａ，３５Ｂにそれぞれ独立に供給される。
圧力レギュレータＲ１，Ｒ２は、エアシリンダ３５Ａ，３５Ｂ内の圧縮気体の圧力を調節するように構成されている。圧力レギュレータＲ１，Ｒ２は、エアシリンダ３５Ａ，３５Ｂ内の圧縮気体の圧力を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、エアシリンダ３５Ａ，３５Ｂは、互いに独立して力を発生させることが可能となる。
研磨装置１は、制御部４２をさらに備えている。制御部４２は、その内部に記憶装置４２ａと、演算装置４２ｂを備えている。演算装置４２ｂは、記憶装置４２ａに格納されているプログラムに従って演算を行うＣＰＵ（中央処理装置）またはＧＰＵ（グラフィックプロセッシングユニット）などを含む。記憶装置４２ａは、演算装置４２ｂがアクセス可能な主記憶装置（例えばランダムアクセスメモリ）と、データおよびプログラムを格納する補助記憶装置（例えば、ハードディスクドライブまたはソリッドステートドライブ）を備えている。
圧力レギュレータＲ１，Ｒ２は、制御部４２に電気的に接続されている。ウェーハＷの研磨中、制御部４２は、圧力レギュレータＲ１，Ｒ２のうちのいずれか１つに指令を出して、エアシリンダ３５Ａまたはエアシリンダ３５Ｂ内の圧縮気体の圧力を調節させる。
エアシリンダ３５Ａ，３５Ｂが発生させた力は、ブリッジ３３Ａ，３３Ｂにそれぞれ伝えられる。ブリッジ３３Ａ，３３Ｂは、押圧部材３１Ａ，３１Ｂを介して静止リング９１に接続されており、押圧部材３１Ａ，３１Ｂはブリッジ３３Ａ，３３Ｂに加えられたエアシリンダ３５Ａ，３５Ｂの力を静止リング９１に伝達する。すなわち、第１押圧部材３１Ａは、第１エアシリンダ３５Ａが発生させた力に相当する局所荷重で、静止リング９１の一部を押圧し、第２押圧部材３１Ｂは、第２エアシリンダ３５Ｂが発生させた力に相当する局所荷重で静止リング９１の一部を押圧する。
局所荷重付与装置３０Ａ，３０Ｂのそれぞれは、静止リング９１および回転リング５１を介してリテーナリング２０の一部に下向きの局所荷重を与える。すなわち、下向きの局所荷重は、静止リング９１および回転リング５１を通じてリテーナリング２０に伝達される。
研磨装置１は、リテーナリング２０に固定された回転リング５１をリテーナリング２０と共に回転させながら、かつ第１押圧部材３１Ａまたは第２押圧部材３１Ｂから静止リング９１に局所荷重を加えながらウェーハを研磨する。ウェーハの研磨中、リテーナリング２０は研磨パッド２の研磨面２ａに接触し、回転しながらウェーハの外側で研磨パッド２を押し付け、かつ研磨面２ａの一部に下向きの局所荷重を与える。
図３に示すように、リテーナリング２０が研磨面２ａの一部に下向きの局所荷重を与えると、研磨面２ａの一部が上方に盛り上がる。上方に盛り上がった研磨面２ａはウェーハＷに局所的な上向きの力を加える。以下の説明では、この局所的な上向きの力を局所反発力と称する。図３では、説明のために、研磨面２ａの盛り上がった部分のみがウェーハＷに接触しているが、実際の研磨中では、ウェーハＷの下面（被研磨面）の全体が研磨面２ａに接触している。局所反発力を受けた部分のウェーハＷの研磨レートは大きくなる。局所反発力の大きさはリテーナリング２０が研磨パッド２を押し付ける力の大きさに依存し、局所反発力の大きさに依存して研磨レートは変化する。すなわち、局所反発力が大きくなるほど、研磨レートは大きくなる。局所反発力が発生する位置は、リテーナリング２０が研磨面２ａに与える局所荷重位置に依存する。
したがって、第１押圧部材３１Ａまたは第２押圧部材３１Ｂから静止リング９１に局所荷重を加えながらウェーハを研磨することによって、それぞれの局所荷重に対応した局所反発力を発生させ、局所反発力を受ける部分のウェーハの研磨レートを変化させることができる。例えば、制御部４２は、第１押圧部材３１Ａが与える局所荷重を上げたいときは、圧力レギュレータＲ１に指令を出して、エアシリンダ３５Ａ内の圧縮気体の圧力を上昇させる。第２押圧部材３１Ｂが与える局所荷重を上げたいときは、圧力レギュレータＲ２に指令を出して、エアシリンダ３５Ｂ内の圧縮気体の圧力を上昇させる。
図４は、研磨中のウェーハＷと押圧部材３１Ａ，３１Ｂとの位置関係を模式的に示した上面図であり、図５は、ウェーハＷと局所反発力との位置関係を模式的に示した縦断面図である。図４の矢印は、研磨面２ａの進行方向を表す。リテーナリング２０の中心Ｐと、研磨テーブル３の中心Ｏを通る直線を基準直線ＬＯとすると、第１押圧部材３１Ａおよび第２押圧部材３１Ｂは、基準直線ＬＯの両側に位置している。より具体的には、第１押圧部材３１Ａは、研磨面２ａの進行方向において基準直線ＬＯよりも上流側に位置し、第２押圧部材３１Ｂは、研磨面２ａの進行方向において基準直線ＬＯよりも下流側に位置している。本実施形態では、第１押圧部材３１Ａおよび第２押圧部材３１Ｂは、基準直線ＬＯと垂直に交わりかつ中心Ｐを通る直線ＬＰ上に配置されている。図４に示すように、ウェーハＷは、その研磨中、回転しながらリテーナリング２０の内側で下流側に偏る。したがって、図５に示すように、第１押圧部材３１Ａから静止リング９１に局所荷重を与えたときに発生する局所反発力のウェーハＷに対する相対位置は、第２押圧部材３１Ｂから静止リング９１に局所荷重を与えたときに発生する局所反発力のウェーハＷに対する相対位置と異なる。図５では、説明のために、研磨面２ａの盛り上がった部分のみがウェーハＷに接触しているが、実際の研磨中では、ウェーハＷの下面（被研磨面）の全体が研磨面２ａに接触している。
研磨面２ａは、その進行方向に関して基準直線ＬＯの上流側と、基準直線ＬＯの下流側とに分けることができる。基準直線ＬＯの上流側および基準直線ＬＯの下流側は、言い換えれば、研磨面２ａの進行方向に関してリテーナリング２０および静止リング９１の上流側および下流側である。
図４において、直線ＬＰとリテーナリング２０の外周縁との２つの交点のうち上流側の交点を角度０度とし、下流側の交点を角度１８０度とする。基準直線ＬＯとリテーナリング２０の外周縁との２つの交点のうち、研磨面中心側の交点を角度２７０度、研磨面外周側の交点を角度９０度とする。一実施形態では、第１押圧部材３１Ａは、０度±３０度の範囲内に配置され、かつ第２押圧部材３１Ｂは、１８０度±３０度の範囲内に配置されてもよい。さらに一実施形態では、第１押圧部材３１Ａは、０度±６０度の範囲内に配置され、かつ第２押圧部材３１Ｂは、１８０度±６０度の範囲内に配置されてもよい。さらに一実施形態では、第１押圧部材３１Ａは、０度±９０度の範囲内に配置され、かつ第２押圧部材３１Ｂは、１８０度±９０度の範囲内に配置されてもよい。
さらに一実施形態では、リテーナリング２０の内径を変更してもよい。リテーナリング２０の内径を変更することにより、上記局所反発力のウェーハＷに対する相対位置を変えることができる。
第１押圧部材３１Ａおよび第２押圧部材３１Ｂを上述した各実施形態のように配置することにより、ウェーハＷの研磨中、第１押圧部材３１Ａから静止リング９１に局所荷重を与えたときは、ウェーハＷの周縁部内の外側領域の研磨レートを大きくすることができ、第２押圧部材３１Ｂから静止リング９１に局所荷重を与えたときは、ウェーハＷの周縁部内の内側領域の部分の研磨レートを大きくすることができる。したがって、ウェーハＷの周縁部の研磨プロファイルを精密に制御することが可能となる。
上述した各実施形態によれば、研磨面２ａの進行方向における静止リング９１の上流側と下流側のそれぞれに局所荷重を加えることにより、ウェーハＷの異なる位置に作用する局所反発力を発生させ、ウェーハの周縁部の研磨レートを局所的に変化させることができる。結果として、ウェーハの周縁部の研磨プロファイルを精密に制御することができる。
次に、研磨ヘッド１０の詳細について説明する。図６は、研磨ヘッド１０の断面図である。研磨ヘッド１０は、ヘッド本体１１とリテーナリング２０とを備えている。ヘッド本体１１は、研磨ヘッドシャフト１２（図１参照）に連結されたキャリア４３と、キャリア４３の下面に取り付けられた弾性膜（メンブレン）４５と、キャリア４３に対するリテーナリング２０の傾動および上下移動を許容しつつリテーナリング２０を支持する球面軸受４７とを備えている。リテーナリング２０は連結部材７５を介して球面軸受４７に連結され、支持されている。連結部材７５はキャリア４３内で上下動可能に配置されている。
弾性膜４５の下面は押圧面４５ａを構成しており、この押圧面４５ａはウェーハＷの上面（被研磨面とは反対側の面）に接触している。弾性膜４５には複数の通孔（図示せず）が形成されている。キャリア４３と弾性膜４５との間には圧力室４６が形成されている。この圧力室４６は圧力調整装置（図示せず）に接続されている。圧力室４６に加圧流体（例えば、加圧空気）が供給されると、圧力室４６内の流体圧力を受けた弾性膜４５の押圧面４５ａは、ウェーハＷを研磨パッド２の研磨面２ａに対して押し付ける。圧力室４６内に負圧が形成されると、ウェーハＷは弾性膜４５の押圧面４５ａに真空吸引により保持される。一実施形態では、複数の圧力室がキャリア４３と弾性膜４５との間に設けられてもよい。
リテーナリング２０は、ウェーハＷおよび弾性膜４５の押圧面４５ａを囲むように配置されている。このリテーナリング２０は、研磨パッド２に接触するリング部材２０ａと、このリング部材２０ａの上部に固定されたドライブリング２０ｂとを有している。リング部材２０ａは、図示しない複数のボルトによってドライブリング２０ｂに結合されている。リング部材２０ａは、ウェーハＷの外周縁および弾性膜４５の押圧面４５ａを囲むように配置されている。
連結部材７５は、ヘッド本体１１の中心部に配置された軸部７６と、この軸部７６から放射状に延びる複数のスポーク７８とを備えている。軸部７６はヘッド本体１１の中央部に配置された球面軸受４７内を縦方向に延びている。軸部７６は、球面軸受４７に縦方向に移動自在に支持されている。ドライブリング２０ｂはスポーク７８に接続されている。このような構成により、連結部材７５およびこれに接続されたリテーナリング２０は、ヘッド本体１１に対して縦方向に移動可能となっている。
球面軸受４７は、内輪４８と、内輪４８の外周面を摺動自在に支持する外輪４９とを備えている。内輪４８は、連結部材７５を介してリテーナリング２０に連結されている。外輪４９はキャリア４３に固定されている。連結部材７５の軸部７６は、内輪４８に上下動自在に支持されている。リテーナリング２０は、連結部材７５を介して球面軸受４７により傾動可能に支持されている。
球面軸受４７は、リテーナリング２０の上下移動および傾動を許容する一方で、リテーナリング２０の横方向の移動（水平方向の移動）を制限する。ウェーハＷの研磨中は、リテーナリング２０はウェーハＷと研磨パッド２との摩擦に起因した横方向の力（ウェーハＷの半径方向外側に向かう力）をウェーハＷから受ける。この横方向の力は球面軸受４７によって受けられる。このように、球面軸受４７は、ウェーハＷの研磨中に、ウェーハＷと研磨パッド２との摩擦に起因してリテーナリング２０がウェーハＷから受ける横方向の力（ウェーハＷの半径方向外側に向かう力）を受けつつ、リテーナリング２０の横方向の移動を制限する（すなわちリテーナリング２０の水平方向の位置を固定する）支持機構として機能する。
キャリア４３には、複数対の駆動カラー８０が固定されている。各対の駆動カラー８０は各スポーク７８の両側に配置されており、キャリア４３の回転は、駆動カラー８０を介してリテーナリング２０に伝達され、これによりヘッド本体１１とリテーナリング２０とは一体に回転する。駆動カラー８０はスポーク７８に接触しているだけであり、連結部材７５およびリテーナリング２０の上下動および傾動を妨げない。
リテーナリング２０の上部は、環状のリテーナリング押圧機構６０に連結されている。このリテーナリング押圧機構６０は、リテーナリング２０の上面（より具体的には、ドライブリング２０ｂの上面）の全体に均一な下向きの荷重を与え、リテーナリング２０の下面（すなわち、リング部材２０ａの下面）を研磨パッド２の研磨面２ａに対して押圧する。
リテーナリング押圧機構６０は、ドライブリング２０ｂの上部に固定された環状のピストン６１と、ピストン６１の上面に接続された環状のローリングダイヤフラム６２とを備えている。ローリングダイヤフラム６２の内部には圧力室６３が形成されている。この圧力室６３は圧力調整装置（図示せず）に接続されている。圧力室６３に加圧流体（例えば、加圧空気）が供給されると、ローリングダイヤフラム６２がピストン６１を下方に押し下げ、さらに、ピストン６１はリテーナリング２０の全体を下方に押し下げる。このようにして、リテーナリング押圧機構６０は、リテーナリング２０の下面を研磨パッド２の研磨面２ａに対して押圧する。
図７は、回転リング５１および静止リング９１の断面図である。回転リング５１は、複数のローラー５２と、これらローラー５２をそれぞれ支持するローラーシャフト５４と、ローラーシャフト５４が固定されるローラーハウジング５５とを備えている。図７では、１つのローラー５２および１つのローラーシャフト５４のみが描かれている。ローラーハウジング５５は環状の形状を有しており、リテーナリング２０の上面に固定されている。ローラー５２は、ローラーシャフト５４に取り付けられた軸受５７を有しており、ローラー５２はローラーシャフト５４を中心として回転自在となっている。
静止リング９１は、ローラー５２の頂部に接触する円環レール９２と、円環レール９２が固定される環状のレールベース９４とを備えている。円環レール９２の下面には、環状溝９５が形成されており、各ローラー５２の頂部は環状溝９５に接触している。ローラー５２は、円環レール９２に転がり接触しながら回転するように構成されている。レールベース９４の上部には押圧ロッド３２ａ，３２ｂ（押圧ロッド３２ｂは図示せず）が連結されている。
ローラー５２の軸受５７の内輪を貫通するローラーシャフト５４は、ローラーハウジング５５の内側の壁と外側の壁に支持され、内側の壁に挿入されたねじ５８で固定される。そのためローラーシャフト５４には雌ねじが形成されており、雌ねじの反対側はねじ５８の締結時に空回りしないようにマイナスドライバが嵌る溝５４ａが形成されている。回転リング５１はリテーナリング２０のドライブリング２０ｂの上面に乗せられる。ドライブリング２０ｂと回転リング５１とは位置決めピン（図示せず）で位置決めされ、リテーナリング２０に対して回転リング５１が滑らない構造となっている。
ローラー５２は、ローラーシャフト５４に取り付けられた軸受５７と、軸受５７の外輪に固定されたホイール５９とから構成されている。ホイール５９は、耐摩耗性の高い樹脂、例えばポリアセタール、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）、ＰＰＳ（ポリエチレンサルファイド）、ＭＣナイロン（登録商標）などの材料から構成される。円環レール９２の材料はステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）などの耐食性の高い金属が好ましい。軸受５７には単列深溝玉軸受が使用され、軸受５７の外輪に樹脂製のホイール５９を圧入することで、ホイール５９が軸受５７に取り付けられる。
ローラーハウジング５５の内部には環状凹部５５ａが形成されており、この環状凹部５５ａ内に複数のローラー５２が収容されている。各ローラー５２の下面、両側面は、環状凹部５５ａによって囲まれている。回転リング５１のローラーハウジング５５と静止リング９１のレールベース９４との間にはシール１００Ａ，１００Ｂが配置されている。より具体的には、円環レール９２の外側には外側シール１００Ａが配置され、円環レール９２の内側には内側シール１００Ｂが配置されている。環状凹部５５ａを構成する両側面および底面には開口は存在せず、静止リング９１と回転リング５１との間にはシール１００Ａ，１００Ｂが配置されている。したがって、ローラー５２および円環レール９２から発生する摩耗粉は環状凹部５５ａ内に閉じ込められ、研磨パッド２上には落下しない。
図７に示す実施形態では、外側シール１００Ａおよび内側シール１００Ｂはラビリンスシールである。外側シール１００Ａは、円環レール９２の外側に配置された第１の周壁１０１と、第１の周壁１０１の外側に配置された第２の周壁１０２とを備えている。第１の周壁１０１はローラーハウジング５５から上方に延びており、ローラーハウジング５５と一体に形成されている。第２の周壁１０２はレールベース９４から下方に延びており、レールベース９４と一体に形成されている。第１の周壁１０１と第２の周壁１０２との間には極めて微小な隙間が形成されている。内側シール１００Ｂも同様に、円環レール９２の内側に配置された第１の周壁１０１と、第１の周壁１０１の内側に配置された第２の周壁１０２とを備えている。
図８は、ローラー５２と円環レール９２とを示す斜視図であり、図９は、図８に示すローラー５２と円環レール９２を下から見た図である。本実施形態では、２４個のローラー５２が設けられている。ウェーハの研磨中、これらのローラー５２はリテーナリング２０と一体に回転する一方で、円環レール９２は静止している。したがって、各ローラー５２は、円環レール９２に転がり接触する。図７を参照して説明したローラー５２の構成により、ローラー５２は滑らかに回転することができ、かつ円環レール９２を損傷させずに荷重を伝達できる。第１局所荷重付与装置３０Ａおよび第２局所荷重付与装置３０Ｂの荷重は円環レール９２からローラー５２に伝達される。ローラー５２は、荷重の作用点を通過する際にのみ荷重を受ける。
ローラー５２の数は、ローラー５２の外径と円環レール９２の直径に基づいて決定される。荷重のスムーズな伝達のためには、ローラー５２の数をできるだけ多くしてローラー５２間の間隔が小さくなるようにした方がよい。ローラー５２は滑らかな外周面を有しており、より大きな荷重を伝達できるようにするために、広い接触面積で円環レール９２に接触している。円環レール９２はローラー５２上に置かれる。ローラー５２は円環レール９２に転がり接触する。円環レール９２の横方向位置はローラー５２の湾曲断面形状の角部と円環レール９２の湾曲断面形状の隅との接触でガイドされる。この場合、第１局所荷重付与装置３０Ａおよび第２局所荷重付与装置３０Ｂの荷重は主に円環レール９２からローラー５２の外周面に伝達される。
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。
１ 研磨装置
２ 研磨パッド
２ａ 研磨面
３ 研磨テーブル
５ 研磨液供給ノズル
１０ 研磨ヘッド
１１ ヘッド本体
１２ 研磨ヘッドシャフト
１５ 旋回軸
１６ ヘッドアーム
２０ リテーナリング
２０ａ リング部材
２０ｂ ドライブリング
３０Ａ，３０Ｂ 局所荷重付与装置
３１Ａ，３１Ｂ 押圧部材
３２ａ，３２ｂ 押圧ロッド
３３Ａ，３３Ｂ ブリッジ
３５Ａ，３５Ｂ エアシリンダ
３６ａ，３６ｂ ピストンロッド
３７Ａ，３７Ｂ アクチュエータ
３８Ａ，３８Ｂ リニアガイド
３９Ａ，３９Ｂ ガイドロッド
４０Ａ，４０Ｂ ユニットベース
４２ 制御部
４２ａ 記憶装置
４２ｂ 演算装置
４３ キャリア
４５ 弾性膜（メンブレン）
４６ 圧力室
４７ 球面軸受
４８ 内輪
４９ 外輪
５１ 回転リング
５２ ローラー
５４ ローラーシャフト
５５ ローラーハウジング
５５ａ 環状凹部
５７ 軸受
５８ ねじ
５９ ホイール
６０ リテーナリング押圧機構
６１ ピストン
６２ ローリングダイヤフラム
６３ 圧力室
７５ 連結部材
７６ 軸部
７８ スポーク
８０ 駆動カラー
９１ 静止リング
９２ 円環レール
９４ レールベース
９５ 環状溝
１００Ａ 外側シール
１００Ｂ 内側シール
１０１ 第１の周壁
１０２ 第２の周壁
２ 研磨パッド
２ａ 研磨面
３ 研磨テーブル
５ 研磨液供給ノズル
１０ 研磨ヘッド
１１ ヘッド本体
１２ 研磨ヘッドシャフト
１５ 旋回軸
１６ ヘッドアーム
２０ リテーナリング
２０ａ リング部材
２０ｂ ドライブリング
３０Ａ，３０Ｂ 局所荷重付与装置
３１Ａ，３１Ｂ 押圧部材
３２ａ，３２ｂ 押圧ロッド
３３Ａ，３３Ｂ ブリッジ
３５Ａ，３５Ｂ エアシリンダ
３６ａ，３６ｂ ピストンロッド
３７Ａ，３７Ｂ アクチュエータ
３８Ａ，３８Ｂ リニアガイド
３９Ａ，３９Ｂ ガイドロッド
４０Ａ，４０Ｂ ユニットベース
４２ 制御部
４２ａ 記憶装置
４２ｂ 演算装置
４３ キャリア
４５ 弾性膜（メンブレン）
４６ 圧力室
４７ 球面軸受
４８ 内輪
４９ 外輪
５１ 回転リング
５２ ローラー
５４ ローラーシャフト
５５ ローラーハウジング
５５ａ 環状凹部
５７ 軸受
５８ ねじ
５９ ホイール
６０ リテーナリング押圧機構
６１ ピストン
６２ ローリングダイヤフラム
６３ 圧力室
７５ 連結部材
７６ 軸部
７８ スポーク
８０ 駆動カラー
９１ 静止リング
９２ 円環レール
９４ レールベース
９５ 環状溝
１００Ａ 外側シール
１００Ｂ 内側シール
１０１ 第１の周壁
１０２ 第２の周壁
Claims (2)
- 研磨面を有する研磨パッドを支持するための研磨テーブルと、
基板を前記研磨面に押し付けるための押圧面を有する回転可能なヘッド本体と、
前記押圧面を囲むように配置され、かつ前記ヘッド本体と共に回転しながら前記研磨面を押し付けるためのリテーナリングと、
前記リテーナリングに固定され、前記リテーナリングと共に回転可能な回転リングと、
前記回転リング上に配置された静止リングと、
前記静止リングに局所荷重を加える複数の局所荷重付与装置とを備え、
前記複数の局所荷重付与装置は、前記静止リングに連結された第１押圧部材および第２押圧部材と、前記第１押圧部材および前記第２押圧部材にそれぞれ連結された第１アクチュエータおよび第２アクチュエータを備え、
前記第１押圧部材は、前記研磨面の進行方向において前記リテーナリングの上流側に配置され、前記第２押圧部材は、前記研磨面の前記進行方向において前記リテーナリングの下流側に配置されており、
前記第１押圧部材および前記第２押圧部材は、前記リテーナリングの中心と前記研磨テーブルの中心とを通る基準直線と垂直に交わりかつ前記リテーナリングの中心を通る直線上に配置されている、研磨装置。 - 研磨パッドを支持する研磨テーブルを回転させ、
押圧面を有するヘッド本体を回転させながら、前記押圧面で基板を前記研磨パッドの研磨面に押し付け、
前記基板を囲むように配置されたリテーナリングを、前記ヘッド本体および前記基板と共に回転させながら前記研磨面に押し付け、
前記リテーナリングに固定された回転リングを前記リテーナリングと共に回転させながら、かつ第１押圧部材または第２押圧部材から前記回転リング上に配置された静止リングに局所荷重を加えながら前記基板を研磨する工程を含み、
前記第１押圧部材は、前記研磨面の進行方向において前記リテーナリングの上流側に配置され、前記第２押圧部材は、前記研磨面の前記進行方向において前記リテーナリングの下流側に配置されており、
前記第１押圧部材および前記第２押圧部材は、前記リテーナリングの中心と前記研磨テーブルの中心とを通る基準直線と垂直に交わりかつ前記リテーナリングの中心を通る直線上に配置されている、方法。
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