JPH1177522A - 基板保持装置及び該基板保持装置を備えたポリッシング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ロータリジョイントをトップリング駆動軸と
は別個のユニットとすることにより、トップリング駆動
軸に特別な加工を施す必要がなく、ロータリジョイント
が損耗した場合に容易に取り替えることができる基板保
持装置および該基板保持装置を具備したポリッシング装
置を提供する。 【解決手段】 ポリッシング対象物である基板を保持し
てターンテーブル上の研磨面に押圧する基板保持装置１
において、基板を保持するトップリング本体１０と、ト
ップリング本体１０を回転駆動するとともにターンテー
ブルに対して押圧する駆動軸１２と、駆動軸１２の上端
部に着脱可能に設けられ外部の流体源５４との間で流体
の授受を行うロータリジョイント７０と、駆動軸１２内
に設けられロータリジョイント７０とトップリング本体
１０に形成された連通孔とを連通させる連通路とを備え
た。

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
基板を研磨して平坦化する際に基板を保持する基板保持
装置および該基板保持装置を具備したポリッシング装置
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
半導体ウエハ等の基板を保持するトップリング本体と、
トップリング本体をターンテーブルに対して押圧するた
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。トップリング本
体は駆動軸を介して押圧装置および駆動装置に連結され
ている。またトップリング本体は、受け渡し時に基板を
真空吸着して保持し、または研磨時に基板の裏面に加圧
空気等の圧力流体を供給してターンテーブルの研磨面に
基板の被研磨面を押し付ける等の動作を行う。そのた
め、トップリング本体の上部に連結される駆動軸は、そ
の上部にロータリジョイントを備え、このロータリジョ
イントを介して外部の真空源又は流体供給源等の流体源
に連通している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のポリッシング装
置においては、ロータリジョイントは駆動軸と概略一体
に形成されていた。すなわち、駆動軸の上部に、軸芯に
形成された軸孔に対して連通する横孔を設け、シール部
を内蔵したロータリジョイント部を駆動軸に嵌合し、駆
動軸の横孔とロータリジョイント部の外部流体源との接
続部とを連通させるようにしていた。そのため、駆動軸
の加工が複雑であるとともにシール部が損耗した場合の
ロータリジョイント部の取り替え作業が極めて煩雑であ
るという問題点があった。

【０００５】また前記ロータリジョイントは本体内に設
けられた固定環と回転環との接触面をシール面としてお
り、ポリッシング装置においては、ロータリジョイント
のシール面によって真空、加圧空気および加圧液体等を
シールする必要がある。そして、トップリング本体と真
空源とをロータリジョイントを介して連通させた場合
に、ロータリジョイントのシール面の箇処までスラリー
状の研磨砥液が吸引されてくることがある。この場合、
シール面に研磨砥液が侵入してシール面が摩耗し、荒れ
た状態になり、流体が漏れるという問題点がある。

【０００６】さらに、従来のロータリジョイントにおい
ては、回転環と固定環とを押圧するスプリングの押圧力
を強くすることにより、高い面圧でシール面から流体が
漏れることを防止しているため、摩耗が進行するととも
にシール面における温度上昇によって、固定環又は回転
環の熱応力割れが生ずる場合があるという問題点があっ
た。

【０００７】本発明は上述の事情に鑑みなされたもの
で、ロータリジョイントをトップリング駆動軸とは別個
のユニットとすることにより、トップリング駆動軸に特
別な加工を施す必要がなく、ロータリジョイントが損耗
した場合に容易に取り替えることができる基板保持装置
および該基板保持装置を具備したポリッシング装置を提
供することを目的とする。また本発明は、ロータリジョ
イントのシール面にスラリーが侵入することを防止する
とともにシール面の温度上昇を抑え固定環又は回転環の
熱応力割れを防止することができる基板保持装置および
該基板保持装置を具備したポリッシング装置を提供する
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の基板保持装置は、ポリッシング対象物であ
る基板を保持してターンテーブル上の研磨面に押圧する
基板保持装置において、前記基板を保持するトップリン
グ本体と、該トップリング本体を回転駆動するとともに
ターンテーブルに対して押圧する駆動軸と、該駆動軸の
上端部に着脱可能に設けられ外部の流体源との間で流体
の授受を行うロータリジョイントと、前記駆動軸内に設
けられ前記ロータリジョイントとトップリング本体に形
成された連通孔とを連通させる連通路とを備えたことを
特徴とするものである。

【０００９】本発明によれば、ロータリジョイントは駆
動軸の上端部に着脱可能に設けられているため、ロータ
リジョイントが損耗した場合の取り替え作業を簡単に行
うことができる。またロータリジョイントはトップリン
グ本体を回転駆動する駆動軸とは別個のユニットとして
設けられているため、駆動軸に穴加工等の特別な加工を
施す必要がなく、製作コストの低減を図ることができ
る。

【００１０】前記ロータリジョイントは、本体部と、該
本体部内に固定して設けられた固定環と、該本体部内に
収容され前記駆動軸と一体に回転する回転環と、前記本
体部に設けられ前記固定環と回転環との接触面の外周部
に純水を供給する純水供給孔とを備えたことを特徴とす
るものである。

【００１１】本発明によれば、ロータリジョイントのシ
ール面外周に純水を注水することにより、真空状態の時
に純水のシール膜を形成することができる。この純水の
シール膜により、スラリーがシール面に浸入するのを防
止できる。また、シール面外周に純水を注入することに
より、セラミック同士でドライな運転時の温度上昇を抑
え、熱応力割れを防止することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る基板保持装置
の一実施例を図１乃至図３に基づいて説明する。図１は
基板保持装置の全体構成を示す縦断面図、図２は図１の
要部を示す縦断面図である。図１及び図２に示すよう
に、基板保持装置１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。

【００１３】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
吸着等により保持するほぼ円板状の保持板１６と、この
保持板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、保持板１６と被
覆板１８をさらに上から覆って押さえる環状の押え板２
０とから構成されている。保持板１６の下部外周部に
は、基板の外周縁を保持するガイドリング２２が取付け
られている。また保持板１６の下面には弾性マット１５
が貼着されている。

【００１４】保持板１６の上面には、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、中央に保持板１６の凹部
２４と嵌合する凸部２８が形成され、その周辺部に保持
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を取付け
るための段差面となっている。

【００１５】保持板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。保持板１６には、上下に挿通する多数
の連通孔３８が形成され、これは上記の被覆板１８と保
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。また連通孔３８は、保持板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、真空源に連通
した場合には基板の裏面に吸着力が作用し、一方、圧力
流体源に連通した場合には押圧力が加えられるようにな
っている。

【００１６】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いる。即ち、駆動軸１２
は、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４
４によって連結されて回転可能になっている。また駆動
軸１２は、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中への空気
の吸気、排気によって上下方向に移動可能になってい
る。前記トップリングシリンダ４８の本体は駆動軸ホル
ダ４６の肩部に固定されており、ロッド４８ａの先端は
トップリングヘッド４２の上面に固定されている。

【００１７】駆動軸１２は中空の筒状に形成されてお
り、その中心部の軸孔５０はロータリジョイント７０を
介して外部の流体源５４に連通されるようになってい
る。軸孔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連通
管（チューブ）５６が挿通されており、連通管５６の上
端はロータリジョイント７０に連通し、下端は分岐部５
７を介して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。

【００１８】前記ロータリジョイント７０は下部に取り
付け用のねじ部７０ａを有しており、このねじ部７０ａ
が駆動軸１２の上端部に固定された部材６３のねじ部６
３ａに螺合されている。即ち、ロータリジョイント７０
は駆動軸１２に対してねじ部によって固定されているた
め、その着脱は極めて容易になっており、ロータリジョ
イント７０が損耗した場合の取り替え作業が簡易に行え
る。またロータリジョイント７０は、駆動軸１２とは別
個のユニットになっているため、駆動軸１２に圧力流体
の受け渡しを行うための軸孔５０の側方に連通する横孔
を設ける必要はなく、駆動軸１２の加工が容易である。

【００１９】外部の流体源５４は、真空源５８、加圧空
気源６０及び純水供給源６２を備えており、これら各供
給源５８，６０，６２は、選択制御弁６４ａ〜６４ｃ、
ロータリジョイント７０、連通管（チューブ）５６，分
岐管５６ａ，５６ｂを介して保持板１６の連通孔３８と
選択的に連通されるようになっている。

【００２０】図３はロータリジョイント７０の詳細構造
を示す部分断面を有した正面図である。図３に示すよう
に、ロータリジョイント７０は、ロータリジョイント本
体下部７１と、ロータリジョイント本体下部７１に接続
されたロータリジョイント本体上部７２と、ロータリジ
ョイント本体下部７１内に設けられ軸受７３，７３によ
って支承された中空の回転軸７４と、ロータリジョイン
ト本体上部７２に連結された中空の固定軸７５とを備え
ている。ロータリジョイント本体上部７２には流体の流
出入口７２ａが設けられており、この流出入口７２ａを
介して外部の流体源５４と流体の授受を行うようになっ
ている。

【００２１】前記回転軸７４の上端には炭化ケイ素（Ｓ
ｉＣ）等のセラミックからなる回転環７６が固定され、
回転軸７４の下端には駆動軸１２と連結するための取り
付け用の前記ねじ部７０ａが形成されている。また固定
軸７５の下端には前記回転環７６と摺接する炭化ケイ素
（ＳｉＣ）等のセラミックからなる固定環７７が固定さ
れている。固定環７７はコイルバネ７９によって回転環
７６に対して押圧されており、固定環７７は回転環７６
に常に接触するようになっている。即ち、回転環７６と
固定環７７とは回転部と固定部との間で流体を授受する
とともに流体が外部に漏洩しないようにするシール面を
構成している。

【００２２】また回転軸７４の上部外周部には、オイル
シール８０が設けられ、このオイルシール８０の上部の
空間８１に、ロータリジョイント本体下部７１に形成さ
れた純水供給孔７１ａより純水が供給されるようになっ
ている。これによって、回転環７６と固定環７７とから
なるシール面の外周部に純水を注水することが可能にな
っている。またオイルシール８０と軸受７３との間に
は、上下一対の部材で構成される水切リング８２が配設
されており、軸受７３への純水等の液体の侵入を防止し
ている。即ち、水切リング８２は軸受７３への漏液の浸
入を防止する漏液防止部を構成している。なお、符号８
３はドレン孔であり、このドレン孔８３を介して、オイ
ルシール８０からの漏液を排出できるようになってい
る。

【００２３】図１及び図２に示すように、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１８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が設けられている。自在継手１４は球面軸受機構７
０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】球面軸受機構７０は、駆動板６８の下面の
中央に形成された凸部７６の中央に形成された球面状凹
部８０と、被覆板１８の上面中央の凹所３２の底面の中
央に形成された球面状凹部８２と、両凹部８０，８２間
に介装された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とから構成されている。

【００２５】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８４，８６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８４，８６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とをそれぞれ構成して
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が装着されており、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】フランジ部６６には、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。この場合、後述するよ
うに保持板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１２の回転トルクを保
持板１６に確実に伝達する。

【００２７】図４は、図１乃至図３に示す基板保持装置
１を具備したポリッシング装置の全体構成を示す図であ
る。図４において、符号９０はターンテーブルであり、
ターンテーブル９０は軸９０ａを中心に回転できるよう
になっている。ターンテーブル９０の上面には研磨布９
１が貼設されている。基板保持装置１は半導体ウエハ２
を保持してターンテーブル９０の上方に配設されてい
る。またターンテーブル９０の上方には研磨砥液ノズル
９２が設置されており、ターンテーブル９０上の研磨布
９１に研磨砥液Ｑを供給できるようになっている。

【００２８】次に、図１乃至図４に示すように構成され
た基板保持装置１およびポリッシング装置の動作につい
て説明する。外部の流体源５４の真空源５８と駆動軸１
２内の連通管５６とをロータリジョイント７０を介して
連通させることにより、保持板１６の連通孔３８を介し
て半導体ウエハ２を吸着して該半導体ウエハ２を保持板
１６の下面に保持する。駆動源を作動して駆動軸１２を
回転させて保持板１６を回転させる。この場合、連通管
５６がテフロン又はポリプロピレンによって形成されて
いるので、真空源５８に連通した状態でも極度に変形し
ない程度の強度を備えている。

【００２９】トップリング本体１０によって半導体ウエ
ハ２を保持し、トップリング本体１０とターンテーブル
９０が回転している状態で両者の間に相対運動を起こさ
せ、トップリングシリンダ４８により研磨布９１に対し
てトップリング本体１０を押圧する。この時、研磨砥液
ノズル９２から研磨布９１上に研磨砥液Ｑを供給してお
り、研磨布９１に研磨砥液Ｑが保持され、半導体ウエハ
２の研磨される面（下面）に砥液Ｑが有る状態でポリッ
シングが行われる。研磨中に、流体源５４の加圧空気源
６０と駆動軸１２内の連通管５６とをロータリジョイン
ト７０を介して連通させることにより、加圧空気を保持
板１６の連通孔３８から半導体ウエハ２の裏面に噴出さ
せ、加圧空気によって半導体ウエハ２を研磨布９１に押
圧することができる。

【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、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９０の研磨面の垂直性が損なわれた場合でも、保
持板１６がベアリングボール７８を中心に傾動し、半導
体ウエハ２をターンテーブル９０の研磨面に密着させ
る。

【００３１】研磨が終了すると、駆動軸１２が上昇し
て、トップリング本体１０が上昇し、トップリング本体
１０をターンテーブル上から退避させ、半導体ウエハを
受け渡しする台の上に位置させる。このとき、外部の流
体源５４の真空源５８と駆動軸１２内の連通管５６とを
ロータリジョイント７０を介して接続することにより、
保持板１６の下面に半導体ウエハ２が吸着されている。
次に、真空源５８との接続を解除するとともに、外部の
流体源５４の純水供給源６２と駆動軸１２内の連通管５
６とをロータリジョイント７０を介して接続することに
より、連通管５６から隙間Ｓ、保持板１６の連通孔３８
を経て純水が半導体ウエハ２を裏面から押すので、半導
体ウエハ２が保持板１６から容易に剥離する。

【００３２】本実施例によれば、ロータリジョイント７
０は駆動軸１２とは別個のユニットとして構成されてお
り、駆動軸１２の上端部にねじ込みにより固定されてい
る。したがって、ロータリジョイント７０の着脱は極め
て容易になっており、ロータリジョイント７０が損耗し
た場合の取り替え作業が簡易に行える。また駆動軸１２
に軸孔５０に連通する横孔等の加工を施す必要がなく、
駆動軸１２の加工が極めて簡易となる。

【００３３】また、本実施例によれば、ロータリジョイ
ント７０のシール面外周、即ち回転環７６と固定環７７
の外周に純水を注水することにより、真空状態の時に、
両環７６，７７の接触面に純水のシール膜を形成するこ
とができる。この純水のシール膜により、スラリーがシ
ール面に侵入するのを防止できる。また、シール面外周
に純水を注水することにより、セラミック同士でドライ
な運転時の温度上昇を抑え、熱応力割れを防止すること
ができる。そして、軸受７３の上部に水切リング８２を
設けることにより、シール部分から漏れた液体が軸受７
３の内部に侵入し、軸受破損を起こすことを防止でき
る。

【００３４】さらに、本実施例によれば、回転環７６と
固定環７７の外径をシールしようとする流体の性状や圧
力に応じて適宜設定することにより、ロータリジョイン
ト７０のシール面を最適な圧力バランス径にすることが
でき、シール面に過大な面圧が加わることがない。した
がって、シール面の摩耗を最小限に抑えることができる
とともにシール面の温度上昇も防止できる。またロータ
リジョイント７０と接続される連通管５６を耐食性のあ
る材質によって形成しているので、これを介して空気や
水を交互に供給しても、連通管５６中の錆の生成が防止
され、これらの流体に錆が混入させることなく、研磨の
精度、品質を向上させることができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ロータリジョイントは駆動軸の上端部に着脱可能に設け
られているため、ロータリジョイントが損耗した場合の
取り替え作業を簡単に行うことができる。またロータリ
ジョイントはトップリング本体を回転駆動する駆動軸と
は別個のユニットとして設けられているため、駆動軸に
穴加工等の特別な加工を施す必要がなく、製作コストの
低減を図ることができる。

【００３６】さらに本発明によれば、ロータリジョイン
トのシール面外周に純水を注水することにより、真空状
態の時に純水のシール膜を形成することができる。この
純水のシール膜により、スラリーがシール面に侵入する
のを防止できる。また、シール面外周に純水を注水する
ことにより、セラミック同士でドライな運転時の温度上
昇を抑え、熱応力割れを防止することができる。

【００３７】また本発明によれば、ロータリジョイント
のシール面を最適な圧力バランス径にすることにより、
シール面に過大な面圧が加わることがない。したがっ
て、シール面の摩耗を最小限に抑えることができるとと
もにシール面の温度上昇も防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るポリッシング装置における基板保
持装置の一実施例の縦断面図である。

【図２】図１に示す基板保持装置の要部を示す縦断面図
である。

【図３】図１に示す基板保持装置におけるロータリジョ
イントの縦断面図である。

【図４】本発明に係るポリッシング装置の全体構成を示
す断面図である。

【符号の説明】

１ 基板保持装置 ２ 半導体ウエハ １０ トップリング本体 １２ 駆動軸 １６ 保持板 １８ 被覆板 ２０ 押え板 ５０ 軸孔 ５４ 流体源 ５８ 真空源 ６０ 加圧空気源 ６２ 純水供給源 ７０ ロータリジョイント ７１ ロータリジョイント本体下部 ７２ ロータリジョイント本体上部 ７３ 軸受 ７４ 回転軸 ７５ 固定軸 ７６ 回転環 ７７ 固定環 ９０ ターンテーブル ９１ 研磨布

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ポリッシング対象物である基板を保持し
   てターンテーブル上の研磨面に押圧する基板保持装置に
   おいて、 前記基板を保持するトップリング本体と、該トップリン
   グ本体を回転駆動するとともにターンテーブルに対して
   押圧する駆動軸と、該駆動軸の上端部に着脱可能に設け
   られ外部の流体源との間で流体の授受を行うロータリジ
   ョイントと、前記駆動軸内に設けられ前記ロータリジョ
   イントとトップリング本体に形成された連通孔とを連通
   させる連通路とを備えたことを特徴とする基板保持装
   置。
2. 【請求項２】 前記ロータリジョイントは、本体部と、
   該本体部内に固定して設けられた固定環と、該本体部内
   に収容され前記駆動軸と一体に回転する回転環と、前記
   本体部に設けられ前記固定環と回転環との接触面の外周
   部に純水を供給する純水供給孔とを備えたことを特徴と
   する請求項１記載の基板保持装置。
3. 【請求項３】 前記ロータリジョイントは、前記回転環
   を保持した回転部を支承する軸受と、該軸受の上方で前
   記回転部と本体部との間に介装されたシール部と、該シ
   ール部と前記軸受との間に設けられ軸受への漏液の侵入
   を防止する漏液防止部とを備えたことを特徴とする請求
   項１記載の基板保持装置。
4. 【請求項４】 前記ロータリジョイントは前記駆動軸の
   上端部にねじ込みによって着脱可能になっていることを
   特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の基板
   保持装置。
5. 【請求項５】 前記連通路は、前記駆動軸内に設けられ
   耐食性のある材料から形成された連通管から構成されて
   いることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に
   記載の基板保持装置。
6. 【請求項６】 研磨面を有するターンテーブルと、請求
   項１乃至５のいずれか１項に記載の基板保持装置とを備
   えたことを特徴とするポリッシング装置。