JPH10291153A - 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】 トップリングと駆動軸の相対傾動の自由度を
維持しつつ、駆動軸からトップリングへの駆動力を確実
に伝達して安定な研磨を行わせ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を曲
面軸受を介して傾動自在に支持する駆動軸１２と、駆動
軸１２の端部とトップリング本体１０の間に設けられて
駆動軸１２からトップリング本体１０に回転駆動力を伝
達する伝達機構７２とを有し、伝達機構は、駆動軸側か
らある方向に延びる駆動部材と、トップリング本体側か
ら駆動軸が回転するときに駆動部材と係合する位置に延
びる被駆動部材とを有し、駆動部材と被駆動部材は、一
方に対して他方が一方を挟み込むように少なくとも２本
が配置されて組をなし、トップリング本体１０と駆動軸
１２の周方向の相対移動を規制している。

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】従来のポリッシング装置として、図５に示
されるように、上面にクロス（研磨布）１３１を貼り付
けたターンテーブル１３２と、半導体ウエハ１を保持し
つつターンテーブル１３２に押しつけるトップリング１
３３とを具備し、ノズル１３４よりクロス１３１面に研
磨液Ｑを供給しながらターンテーブル１３２とトップリ
ング本体１００をそれぞれ回転させて化学的、機械的作
用により研磨を行なうものがある。

【０００４】例えば特開平６−１９８５６１号に記載さ
れたトップリング本体１００は、図６および図７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】

【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。しかしながら、ト
ップリング側の被駆動ピンと駆動軸側の駆動ピンがそれ
ぞれ１本であったので、両者の相対傾動の自由度は高い
が、一旦トップリングの回転が不安定になると両者が離
れて回転の伝達が不安定になり、回転の不安定さを増幅
する結果を招いていた。

【０００８】この発明は、前記課題に鑑み、トップリン
グと駆動軸の相対傾動の自由度を維持しつつ、駆動軸か
らトップリングへの駆動力を確実に伝達して安定な研磨
を行わせるような基板把持装置を提供することを目的と
する。

【０００９】

【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曲面軸受を介して傾
動自在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前記駆動軸から前記トッ
プリング本体に回転駆動力を伝達する伝達機構とを有
し、前記伝達機構は、前記駆動軸側からある方向に延び
る駆動部材と、前記トップリング本体側から該駆動軸が
回転するときに前記駆動部材と係合する位置に延びる被
駆動部材とを有し、前記駆動部材と被駆動部材は、一方
に対して他方が前記一方を挟み込むように少なくとも２
本が配置されて組をなし、トップリング本体と駆動軸の
周方向の相対移動を規制していることを特徴とする基板
把持装置である。

【００１０】このような構成により、駆動部材と被駆動
部材の係合が離れることがなく、駆動軸からトップリン
グへの駆動力の伝達が確実に行われる。駆動部材及び被
駆動部材の寸法、形状、向き等に関しては、種々の態様
が考えられるが、一般的にはピン形状が用いられる。素
材としては、駆動力伝達に充分な剛性を有し、かつ、あ
る程度の弾性変形によりトップリングの傾動の自由度を
維持することができることが望ましい。

【００１１】これらの部材は、交差するように配置され
て互いに係合する。通常は駆動部材が径方向に外側に向
かって延び、被駆動部材はトップリングの上面から上方
向に延びる。駆動部材と被駆動部材の組が１つであって
も駆動力伝達は可能であるが、２つ又はそれ以上の組を
通常周方向に等間隔に配置すると伝達の安定性が向上す
る。

【００１２】請求項２に記載の発明は、前記駆動部材と
被駆動部材は互いの稜線どうしが点接触するようになっ
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。これにより、駆動軸とトップリングの間の傾動
の自由度が高く、特に、駆動軸方向の上下の傾動と、周
方向への変位を含むねじれをある程度許容するようにな
っている。

【００１３】請求項３に記載の発明は、前記駆動部材と
被駆動部材の間には弾性を有する緩衝部材が配置されて
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、駆動軸とトップリングの間の傾動の自由度を
維持するとともに、弾性部材が振動を吸収してトップリ
ングの基板把持作用を安定させる。

【００１４】請求項４に記載の発明は、前記他方の部材
が前記一方の部材を遊嵌せしめる穴の中に埋設されてい
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。これにより、これらの部材が装置外部に突出して邪
魔になることがなく、他方の部材の位置決めや構造が簡
単となってコストを低減させる。

【００１５】請求項５に記載の発明は、研磨面を有する
ターンテーブルと、請求項１ないし４のいずれかに記載
の基板把持装置を有することを特徴とするポリッシング
装置である。

【００１６】

【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４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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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、上下に挿通する多数
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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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６４ａ，６４ｂ，６４ｃ、ロータリージョイント
５２、チューブ５６，５６ａ，５６ｂを介して把持板１
６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。

【００２３】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。

【００２４】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７６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。ベアリングホール７８の下端は把持板１６の凹部２
４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の中心から把持板１６の下面
までの距離Ｌは２６ｍｍ以下に設定されている。

【００２５】図１，３，４に示すように、被覆板１８の
凹所３２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６６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９４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】駆動板６８の穴９０にはそれぞれの被駆動
ピン８６を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。すなわ
ち、図４に示すように、駆動板６８のフランジ部６６に
は、その側面及び穴９０に開口する細穴９９が２つ形成
され、これに駆動ピン９８がそれぞれ挿入され、固定さ
れている。

【００２７】被駆動ピン８６には、その周囲にゴム等の
弾性材料からなるクッション９６が取り付けられ、クッ
ション９６の周囲はパイプ状のクッションカバー９７が
覆っている。駆動ピン９８は周方向両側からこのクッシ
ョンカバー９７の外面に接触している。これらの駆動ピ
ン９８、被駆動ピン８６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７
２が構成されている。

【００２８】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。

【００２９】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４
８ａによる引込力は、駆動軸１２、ベアリングボール７
８、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が下降する時点ですでにターンテ
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。

【００３０】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、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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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、
被駆動ピン８６と駆動ピン９８を直交して配置され、点
接触しているので摩擦が小さく、傾動の自由度が維持さ
れている。

【００３４】この実施例では、被駆動ピン８６の周囲に
ゴム等の弾性材料からなるクッション９６が取り付けら
れて駆動軸とトップリングの間の振動を吸収するように
している。さらに、クッション９６の周囲はパイプ状の
クッションカバー９７で覆われており、駆動ピン９８は
フランジ部６６の周方向両側からこのクッションカバー
９７の外面に接触している。従って、被駆動ピン８６と
駆動板６８とは、弾性的接触を維持しながら相対的に上
下方向移動自在になっている。

【００３５】また、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。

【００３６】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、離脱させることによ
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。

【００３７】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。

【００３８】また、本実施例では、駆動軸１２の回転ト
ルクを把持板１６に伝達する駆動部材及び被駆動部材を
ピン形状としているが、これに限らず板状部材等の種々
の形状の部材を用いてもよい。また、１つの被駆動ピン
８６を挟む駆動ピン９８は平行に配置しているが、平行
でなくてもよく、２本でなくてもよい。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１
８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。

【００３９】

【発明の効果】この発明によれば、駆動部材と被駆動部
材の係合が離れることがなく、駆動軸からトップリング
への駆動力の伝達が確実に行われ、しかも、トップリン
グと駆動軸の相対傾動の自由度が維持される。従って、
トップリングの安定な回転と、滑らかな傾動による基板
とターンテーブルの密着性の維持が両立してなされ、基
板の平坦な研磨が確実に行われる。

【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縦
断面図である。

【図２】図１の上側の部分の縦断面図である。

【図３】図１の実施例の要部の平面図である。

【図４】図１の実施例の要部の斜視図である。

【図５】従来のポリッシング装置を示す断面図である。

【図６】従来のトップリングを示す断面図である。

【図７】図６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 ６６ フランジ部 ６８ 駆動板 ７０ 球面軸受 ７６ 凸部 ８６ 被駆動ピン ９０ 穴 ９６ クッション（弾性部材） ９７ クッションカバー ９８ 駆動ピン

Claims (5)

【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曲面軸受
   を介して傾動自在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前記駆動軸か
   ら前記トップリング本体に回転駆動力を伝達する伝達機
   構とを有し、 前記伝達機構は、前記駆動軸側からある方向に延びる駆
   動部材と、前記トップリング本体側から該駆動軸が回転
   するときに前記駆動部材と係合する位置に延びる被駆動
   部材とを有し、 前記駆動部材と被駆動部材は、一方に対して他方が前記
   一方を挟み込むように少なくとも２本が配置されて組を
   なし、トップリング本体と駆動軸の周方向の相対移動を
   規制していることを特徴とする基板把持装置。
2. 【請求項２】 前記駆動部材と被駆動部材は互いの稜線
   どうしが点接触するようになっ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】 前記駆動部材と被駆動部材の間には弾性
   を有する緩衝部材が配置さ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。
4. 【請求項４】 前記他方の部材は前記一方の部材を遊嵌
   せしめる穴の中に埋設さ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。
5. 【請求項５】 研磨面を有するターンテーブルと、請求
   項１ないし４のいずれかに記載の基板把持装置を有する
   ことを特徴とするポリッシング装置。