JPH10217111A - 基板把持装置およびポリッシング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 トップリング本体の剛性及び貫通穴やピンの
植設のためのスペースを損なうことなく、しかも、ター
ンテーブルの研磨布面と基板の密着性を維持しつつ安定
した研磨を行なうことができるような基板把持装置を提
供する。 【解決手段】 ターンテーブルに対向して基板Ｗを把持
するトップリング本体１０と、トップリング本体１０を
これに回転と押圧力とを伝達可能に支持する駆動軸１２
と、駆動軸の端部とトップリング本体の間に設けられて
両者の相対傾動を許容する曲面軸受７０を備え、トップ
リング本体は、基板を前面に把持する把持板と、把持板
の裏面に取り付けられた被覆板とから構成され、これら
把持板と被覆板の対向面には、把持板側に凹部３２、被
覆板側に凸部７６が互いに嵌合するように形成され、曲
面軸受の少なくとも一部は凹部内に位置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ等の
ポリッシング対象物を平坦化するポリッシング装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】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の結像面の平坦
度を必要とする。そこで、半導体ウエハの表面を平坦化
することが必要となるが、この平坦化法の一手段として
ポリッシング装置により研磨することが行われている。

【０００３】この種のポリッシング装置の従来技術とし
ては、例えば特開平６−１９８５６１号に記載されたポ
リッシング装置が知られている。このポリッシング装置
は、上面に研磨布を貼ったターンテーブルと、これに対
向して設けられたトップリング本体と、トップリング本
体を押圧するための押圧装置と、トップリング本体を回
転駆動するための駆動装置を備えた構成となっている。

【０００４】トップリング本体１００は、図４および図
５に示すように、押圧装置及び駆動装置に駆動軸１０２
（スプライン軸）を介して連結されている。この駆動軸
１０２の下端部には側方に張り出してフランジ部１０４
が形成され、この側方には複数の駆動ピン１０６が径方
向に突出して設けられている。一方、トップリング本体
１００上面には複数の被駆動ピン１０８が上方に突出し
て設けられており、駆動軸１０２の回転により、駆動ピ
ン１０６と被駆動ピン１０８とが係合して駆動軸１０２
からトップリング本体１００への動力伝達がなされる。

【０００５】また、駆動軸１０２の下端とトップリング
本体１００上面にはそれぞれ球面状の凹所１１０，１１
２が形成され、これに耐摩耗性の球体１１４が摺動自在
に配置されて球面軸受１１６が構成されている。これに
より、ターンテーブルが駆動軸１０２に対して傾いて
も、トップリング本体１００が追随して傾動し、ポリッ
シング対象物をターンテーブル面に密着させるようにな
っている。

【０００６】このような構成により、トップリング本体
１００を介してポリッシング対象物Ｗを所定の力でター
ンテーブルに向けて押圧しつつ、ターンテーブルとトッ
プリング本体１００とをそれぞれ回転させることによ
り、ポリッシング対象物Ｗの表面を研磨し、平坦且つ鏡
面化している。

【０００７】駆動軸１０２の中心部には貫通孔１１８が
設けてあり、貫通孔１１８の上部は流体供給源又は真空
源等の外部の装置と連通し、また貫通孔１１８の下部に
はトップリング本体１００とポリッシング対象物である
基板Ｗとの間隙部に連通するチューブ１２０の一端が接
合してあり、チューブ１２０を介して、外部の装置とポ
リッシング装置との間の流体の受け渡しをしたり、トッ
プリング本体１００に基板Ｗを真空吸着する、または研
磨時にポリッシング対象物Ｗをターンテーブルに流体噴
出により押し付ける等の動作を行う。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のポリッ
シング装置においては、駆動軸１０２からの押圧力が駆
動軸とトップリング本体１００の間に構成された球面軸
受１１６を介して伝達されるために、基板Ｗのターンテ
ーブル面への密着性は向上しているが、同時に基板とタ
ーンテーブルの研磨布面の間の摩擦力により、トップリ
ング本体１００に球面軸受１１６を中心とする回転モー
メントが発生して、条件によっては安定した研磨ができ
ない場合があった。

【０００９】この回転モーメントは、球面軸受１１６と
基板Ｗの表面の間の距離に比例するので、例えば、トッ
プリング本体１００を薄くすれば回転モーメントが小さ
くなって安定化する。しかしながら、この場合は、トッ
プリング本体１００の剛性の低下による変形の問題があ
り、さらに、チューブと隙間の接続孔１２２や駆動ピン
１０８の植設のためのスペースが減少して加工が難しく
なったり、構造が脆弱化する問題も発生した。

【００１０】この発明は、前記課題に鑑み、トップリン
グ本体の剛性及び貫通穴やピンの植設のためのスペース
を損なうことなく、しかも、ターンテーブルの研磨布面
と基板の密着性を維持しつつ安定した研磨を行なうこと
ができるような基板把持装置を提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためになされたもので、請求項１に記載の発明
は、ターンテーブルに対向して基板を把持するトップリ
ング本体と、該トップリング本体をこれに回転と押圧力
とを伝達可能に支持する駆動軸と、該駆動軸の端部と前
記トップリング本体の間に設けられて両者の相対傾動を
許容する曲面軸受を備え、前記トップリング本体は、基
板を前面に把持する把持板と、該把持板の裏面に取り付
けられた被覆板とから構成され、これら把持板と被覆板
の対向面には、把持板側に凹部、被覆板側に凸部が互い
に嵌合するように形成され、上記曲面軸受の少なくとも
一部は上記凹部内に位置することを特徴とする基板把持
装置である。

【００１２】このように、把持板側に凹部、被覆板側に
凸部を設けてトップリングを肉薄にし、かつ、曲面軸受
の少なくとも一部を凹部内に位置させることにより、曲
面軸受をターンテーブルに近付けることができる。従っ
て、ターンテーブルと基板の間に作用する回転モーメン
トの値も小さくなって基板の姿勢が安定する。しかも、
し、把持板側に凹部、被覆板側に凸部が互いに嵌合する
ので、トップリングの強度も損なわれず、トップリング
本体の流体供給穴等のためのスペースを確保しつつ、し
かも、ターンテーブルの研磨布面と基板の密着性を維持
して安定した研磨を行なうことができる。上記曲面軸受
は、通常球面軸受が採用されるが、条件に応じて適宜の
形状の軸受を採用することができる。

【００１３】請求項２に記載の発明は、前記被覆板の裏
面側に凹所が、前記駆動軸の端部に前記被覆板の凹所に
挿入される凸部が設けられ、前記曲面軸受はこれら被覆
板の凹部と駆動軸の凸部の間に設けられていることを特
徴とする請求項１に記載の基板把持装置であるので、こ
れにより、被覆板の中央部も減厚され、前記の安定作用
を一層向上させる。

【００１４】請求項３に記載の発明は、ターンテーブル
と、請求項１又は２に記載の基板把持装置とを有するこ
とを特徴とするポリッシング装置である。

【００１５】

【実施例】以下、本発明に係る基板把持装置の一実施例
を図１ないし図３に基づいて説明する。この基板把持装
置は、全体として円板状のトップリング本体１０と、こ
のトップリング本体１０を支持し、かつこれに回転駆動
力と押圧力を伝達する駆動軸１２と、これら駆動軸１２
及びトップリング本体１０を互いの傾動を許容しつつ連
結する自在継手部１４とから構成されている。

【００１６】以下、これらの各部を詳細に説明する。ト
ップリング本体１０は、この例では、下面にポリッシン
グ対象物である半導体ウエハ（基板）を吸着等により把
持するほぼ円板状の把持板１６と、この把持板１６の上
側に間に隙間Ｓを形成するように重ねて固着されるほぼ
円板状の被覆板１８と、把持板１６と被覆板１８をさら
に上から覆って押さえる中空円板状の押え板２０とから
構成されている。把持板１６下部の外周部には、基板の
外周を取り巻くようにガイドリング２２が取付けられて
いる。

【００１７】把持板１６の上面（基板取付側を前面とす
れば裏面）には、中央に凹部２４が形成され、その周辺
部に段差面２６が形成されている。一方、被覆板１８の
下面には、中央に把持板１６の凹部２４と嵌合する凸部
２８が形成され、その周辺部に把持板１６の段差面２６
にボルト固定される薄肉のフランジ部３０が設けられて
いる。被覆板１８の上面には、中央に凹所３２が形成さ
れ、その周囲を取り囲むように環状の肩部３４が形成さ
れ、その外側は押え板２０を取り付けるための段差面３
６となっている。

【００１８】把持板１６の凹部２４の深さは被覆板１８
の凸部２８の高さよりも大きくなっており、これによ
り、これら凹部２４と凸部２８の間には所定厚さの隙間
Ｓが形成される。把持板１６には、上下に貫通する多数
の流通孔３８が形成され、これは上記の被覆板１８と把
持板１６の間の隙間Ｓを介して押え板２０の接続穴４０
に連通している。また、流通孔３８は、把持板１６の下
面に保持された基板の裏面に連通する。隙間Ｓは、後述
するように、圧力流体が保持されるもので、真空源を繋
いだ時は基板の裏面に吸着力が作用し、一方、圧力流体
源を繋いだ時は押圧力が加えられるようになっている。

【００１９】駆動軸１２は、ポリッシング装置に固定的
に設けられたトップリングヘッド４２によって回転自在
かつ上下動自在に支持されており、トップリングヘッド
４２に設けられた駆動源（減速機付きモータ、図示略）
の出力軸とプーリベルト機構４４によって連結され、ま
た、トップリングヘッド４２と駆動軸ホルダ４６の間に
設けられたトップリングシリンダ４８の棒４８ａの伸縮
によって上下方向に移動させられる構造になっている。
すなわち、トップリングシリンダ４８の本体は、駆動軸
ホルダ４６の肩部に固定してあり、棒４８ａの先端は、
トップリングヘッド４２上面に固定してある。

【００２０】駆動軸１２は中空の筒状に形成されてお
り、その中心部の貫通孔５０は上端に取り付けられたロ
ータリージョイント５２を介して外部の流体供給装置５
４に連通されるようになっている。貫通孔５０の内部に
はテフロン又はポリプロピレンなどの耐食性のある樹脂
等の材質によって形成されたチューブ５６が挿通されて
おり、これの上端はロータリージョイント５２に連通
し、下端は２つの分岐管５６ａ，５６ｂとなって前記押
え板２０の接続穴４０に連通している。ロータリージョ
イント５２と貫通孔５０の上端との間で圧力流体の受け
渡しを行うため、駆動軸１２に、貫通孔５０の側方に連
通する横穴を設ける必要がなく、構成が簡単でかつ製造
コストも安くなる。

【００２１】なお、外部の流体供給装置５４は、例えば
真空源５８，加圧空気源６０及び純水供給源６２などを
備えており、これら各供給源５８，６０，６２は、選択
制御弁６４、ロータリージョイント５２、チューブ５
６，５６ａ，５６ｂを介して把持板１６の流通孔３８と
選択的に連通されるようになっている。また、ターンテ
ーブルの上方には研磨砥液ノズル（図示略）が設置され
ており、ターンテーブル上の研磨布に研磨砥液を供給で
きるようになっている。

【００２２】駆動軸１２の下端部には、外側に張り出し
たフランジ部６６を有する駆動板６８が固定されてい
る。この駆動板６８とトップリング本体１２の被覆板１
８の間にはトップリング本体１２を傾動可能に支持しか
つ押圧力を伝達する自在継手１４が設けられ、これは球
面軸受機構７０と、駆動軸１２の回転をトップリング本
体１０に伝達する回転伝達機構７２とを有している。

【００２３】まず、球面軸受機構７０について説明する
と、駆動板６８の下面の中央には、下面がなだらかな球
面（逃げ面）７４となっている凸部７６が形成されてお
り、この凸部７６の中央には、セラミックスのような高
硬度材料からなるベアリングボール７８を摺動自在に収
容する球面状凹所８０が形成されている。そして、被覆
板１８の上面中央の凹所３２は、駆動板６８の凸部７６
を収容できる広さと高さならびに深さを持つように形成
され、この凹所３２の底面の中央には、やはりベアリン
グボール７８を収容する球面状凹所８２が形成されてい
る。

【００２４】ベアリングボール７８の下端は、把持板１
６の凹部２４内に位置しており、すなわち、段差面２６
のレベル以下に位置している。このように、把持板に凹
部を、被覆板に凸部を設けてトップリングを肉薄にし、
かつ、曲面軸受の少なくとも一部を凹部内に位置させる
ことにより、曲面軸受をターンテーブルに近付けること
ができる。ベアリングボール７８の中心と把持板１６の
下面までの距離Ｌは２６ｍｍ以下に設定するのが好まし
い。

【００２５】図１、３に示すように被覆板１８の凹所３
２の周囲に突出する肩部３４には、上方から見て等角度
間隔に複数（この例では６本）のピン８４，８６が立設
されており、これらのピンは駆動板６８のフランジ部６
６の対応する位置に形成された穴８８，９０を挿通して
いる。これらのピンは、トップリング本体１０を吊持す
る吊持ピン８４と、トップリング本体１０へ駆動軸１２
の回転を伝達する被駆動ピン８６とが交互に設けられて
いる。吊持ピン８４は駆動板６８の上面より突出してお
り、ピン上端の止め板９２と駆動板６８の間にはバネ９
４が装着されて、バネ９４の弾性力によりトップリング
本体１０の荷重（の一部）を支持している。

【００２６】上記の被駆動ピン８６には、その周囲にゴ
ムクッション９６が取り付けられ、一方、駆動板６８の
穴９０にはそれぞれの被駆動ピン８６をフランジ部６６
の周方向両側から挟むように２本の平行な駆動ピン９８
が水平方向に延びて埋設されている。被駆動ピン８６と
駆動板６８とは、相対的に上下方向に移動自在になって
いる。これによって、駆動軸１２の回転を円滑にトップ
リング本体１０に伝達する回転伝達機構７２が構成され
ている。

【００２７】次に、上述のように構成された基板把持装
置の動作について説明する。外部の流体供給装置５４の
真空源５８をロータリージョイント５２に接続すること
により、把持板１６の流通孔３８で基板を吸着して把持
板１６の下面に取付け、駆動源を作動して駆動軸１２を
回転させて把持板１６を回転する。

【００２８】トップリングシリンダ４８を作動させて棒
４８ａをトップリングシリンダ本体４８へ引きこむ方向
に移動すると、トップリングヘッド４２が固定的に設け
てあるため、トップリングシリンダ４８本体が駆動軸ホ
ルダ４６と共に下降し、基板をターンテーブルに当接さ
せ、さらに基板をターンテーブルに押圧する。すなわ
ち、棒４８ａによる引込力は、駆動軸１２、ベアリング
ボール７８、被覆板１８のフランジ部３０、把持板１６
を介して基板への押圧力として基板に伝達され、これを
ターンテーブル上の研磨布上に一定の圧力で圧接させ
る。一方、トップリング本体１０が下降する時点で既に
ターンテーブルは回転を開始し、研磨砥液ノズルからタ
ーンテーブル上の研磨布に研磨砥液が供給されている。
そして、基板の被研磨面（下面）に研磨砥液を浸入させ
てポリッシングが開始される。

【００２９】ここにおいて、駆動軸１２からの押圧力が
駆動軸１２とトップリング本体１０の間に構成された球
面軸受７０を介して伝達されるために、例えば、ターン
テーブル面が僅かに傾くなどして、駆動軸１２とターン
テーブルの研磨布面の垂直性が損なわれた場合でも、把
持板１６がベアリングボール７８を中心に傾動して結果
的に基板をターンテーブル面に密着させる。

【００３０】また、把持板１６と被覆板１８の対向面
に、把持板１６側に凹部２４、被覆板１８側に凸部２８
が互いに嵌合するように形成されており、これにより、
把持板１６の中央部が減厚され、また、凹部２４内に球
面軸受の一部が位置するため球面軸受７０の中心と基板
の表面の間の距離が小さくなっている。従って、ターン
テーブルと基板の間に作用する力による球面軸受７０ま
わりの回転モーメントの値も小さくなって基板の姿勢が
安定する。そして、これによって把持板の剛性を損うこ
ともなく、トップリング本体１０の流体供給穴のための
スペースを確保しつつ、しかも、ターンテーブルの研磨
布面と基板の密着性を維持して安定した研磨を行なうこ
とができる。

【００３１】さらに、ベアリングボール７８が被覆板１
８の凹所３２と駆動軸１２下端の凸部７６の間に設けら
れているので、これによっても、球面軸受７０の中心と
基板の表面の間の距離が小さくなって基板の姿勢が安定
する。しかも、トップリング本体１０の周辺部は、肩部
３４及び段差面３６を含めて厚さが確保されており、従
って、剛性は損なわれておらず、また、接続孔４０や被
駆動ピン８６の植設のためのスペースも充分確保されて
いる。

【００３２】この場合、把持板１６が傾いても、被駆動
ピン８６と駆動ピン９８は相対的に上下方向に移動可能
であるため、互いの接触点をずらして係合し、駆動軸１
２の回転トルクを把持板１６に確実に伝達する。また、
この実施例では、駆動板６８の凸部７６の下端面が球面
（逃げ面）７４であるので中心から離れるにつれて被覆
板１８の上面から離れる形状になっており、そのため、
球面凹所８２を充分大きくしても凹所３２と干渉せず、
駆動軸１２からベアリングボール７８への安定した押圧
力の受け渡しがなされる。なお、基板の研磨布への密着
をより確実に行なうために、チューブ５６を加圧空気源
６０に切り替え、加圧空気を隙間Ｓから流通孔３８を介
して基板の裏面に供給してもよい。

【００３３】研磨作業が終了すると、駆動軸１２が上昇
させられ、駆動軸１２と一体の駆動板６８が上昇し、バ
ネ９４及び吊持ピン８４を介して、被覆板１８及びトッ
プリング本体１０がほぼ水平状態にかつ弾性的に支持さ
れ、トップリング本体１０をターンテーブルから退避さ
せ、また、流体供給装置５４を動作させてトップリング
本体１０に対し基板を適宜吸着、離脱することにより、
外部とトップリング本体１０との間で基板の受け渡しが
行われる。

【００３４】この実施例では、押圧力が被覆板１８のフ
ランジ部３０から把持板１６の段差面２６へと伝わる構
成であるため、ベアリングボール７８から把持板１６の
中央部へ押圧力が加わる従来構成と比べて、力が円周状
に加わる分だけ把持板１６の上下方向のたわみ量が少な
くなり、基板全面に対して均一に把持板１６から力を加
えることができる。

【００３５】また、本実施例では、駆動軸１２の回転ト
ルクを把持板１６に伝達するのに一対の駆動ピン９８お
よび被駆動ピン８６を使用しているが、これに限らず、
軸またはピンの代わりに板状部材を用いてもよい。ま
た、被駆動ピンをさらに多くの駆動ピンで挟持するよう
にしてもよい。逆に、例えば、駆動板６８の側面に駆動
ピンを突出して設け、被覆板１８の上面に複数の被駆動
ピンを駆動ピンを挟むように設けてもよい。また、本実
施例では、駆動軸１２には別体の駆動板６８が固定され
ているが、駆動板６８を駆動軸１２と一体に形成しても
よい。

【００３６】

【発明の効果】この発明によれば、トップリング本体の
剛性を損なわず、トップリング本体の流体供給穴や被駆
動ピンの植設のためのスペースを確保しつつ、しかも、
球面軸受の中心と基板の表面の間の距離を小さくして荷
重点を下げ、ターンテーブルと基板の間に作用する回転
モーメントを小さくして、ターンテーブルの研磨布面と
基板の密着性を維持しつつ安定した研磨を行なうことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るポリッシング装置の一実施例の全
体を示す縦断面図である。

【図２】本発明に係るポリッシング装置の一実施例の要
部平面図である。

【図３】本発明の他の実施例を示す要部断面図で、図３
（ａ）は上下動可能なガイドリングを使用した構成の断
面図、図３（ｂ）はガイドリングと上下動可能な押圧リ
ングとを組合せた構成の断面図である。

【図４】従来のポリッシング装置を示す断面図である。

【図５】図４の平面図である。

【符号の説明】

１０ トップリング本体 １２ 駆動軸 １６ 把持板 １８ 被覆板 ２４ 凹部 ２８ 凸部 ３２ 凹所 ３４ 肩部 ６６ フランジ部 ６８ 駆動板 ７０ 球面軸受 ７６ 凸部 ８６ 被駆動ピン ９８ 駆動ピン Ｗ 基板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ターンテーブルに対向して基板を把持す
   るトップリング本体と、該トップリング本体をこれに回
   転と押圧力とを伝達可能に支持する駆動軸と、該駆動軸
   の端部と前記トップリング本体の間に設けられて両者の
   相対傾動を許容する曲面軸受を備え、 前記トップリング本体は、基板を前面に把持する把持板
   と、該把持板の裏面に取り付けられた被覆板とから構成
   され、これら把持板と被覆板の対向面には、把持板側に
   凹部、被覆板側に凸部が互いに嵌合するように形成さ
   れ、上記曲面軸受の少なくとも一部は上記凹部内に位置
   することを特徴とする基板把持装置。
2. 【請求項２】 前記被覆板の裏面側に凹所が、前記駆動
   軸の端部に前記被覆板の凹所に挿入される凸部が設けら
   れ、前記曲面軸受はこれら被覆板の凹部と駆動軸の凸部
   の間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載
   の基板把持装置。
3. 【請求項３】 ターンテーブルと、請求項１又は２に記
   載の基板把持装置とを有することを特徴とするポリッシ
   ング装置。