TW201412459A - 彈性膜及基板保持裝置 - Google Patents

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TW201412459A TW102130188A TW102130188A TW201412459A TW 201412459 A TW201412459 A TW 201412459A TW 102130188 A TW102130188 A TW 102130188A TW 102130188 A TW102130188 A TW 102130188A TW 201412459 A TW201412459 A TW 201412459A
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Makoto Fukushima
Hozumi Yasuda
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Shingo Togashi
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Abstract

【課題】縮小沿著基板半徑方向而同心狀擴大之加壓區內的研磨速度分布範圍，提高基板研磨面之面內均勻性，而使良率提高。【解決手段】本發明之彈性膜10具有配置成同心圓狀之複數個周壁10a~10h，同心圓狀之複數個周壁係劃分形成加壓基板W之複數個加壓區CA、EA、MA1~MA6，形成於位於中央之圓板狀的中央加壓區CA、與位於最外周之圓環狀的邊緣加壓區EA之間的複數個中間加壓區MA1~MA6中，至少1個中間加壓區，例如中間加壓區MA5、MA6之半徑方向區寬，係設定成即使改變區寬，研磨速度應答寬亦不改變之範圍內的區寬。

Description

彈性膜及基板保持裝置
本發明係關於一種在研磨半導體晶圓等基板加以平坦化之研磨裝置中，使用於保持該基板並按壓於研磨面之基板保持裝置的彈性膜。此外，本發明係關於一種具有該彈性膜之基板保持裝置。
近年來，伴隨半導體設備之高積體化、高密度化，電路之配線日益微細化，多層配線之層數亦增加。為了謀求電路之微細化以實現多層配線，由於承襲下側之層的表面凹凸而使階差更大，因而隨著配線層數的增加，造成形成薄膜時對階差形狀之膜被覆性(階差覆蓋狀態)惡化。因此，為了形成多層配線，須改善該階差覆蓋狀態，並以適當過程進行平坦化處理。此外，因為隨著光微影術之微細化導致景深變淺，所以需要對半導體設備表面進行平坦化處理，俾使半導體設備之表面的凹凸階差抑制在景深以下。
因此，在半導體設備之製造工序中，半導體設備表面之平坦化技術日益重要。該平坦化技術中最重要的技術係化學機械研磨(CMP(Chemical Mechanical Polishing))。該化學機械研磨係使用研磨裝置，在研磨墊等之研磨面上供給含有二氧化矽(SiO2)等研磨粒的研磨液，並使半導體晶圓等之基板滑動接觸於研磨面來進行研磨者。
此種研磨裝置具備：具有由研磨墊構成之研磨面的研磨 台；及保持半導體晶圓等之基板的基板保持裝置。使用此種研磨裝置進行半導體晶圓之研磨情況下，係藉由基板保持裝置保持半導體晶圓，並對研磨面以指定之壓力按壓該半導體晶圓。此時，藉由使研磨台與基板保持裝置相對運動，半導體晶圓滑動接觸於研磨面，而將半導體晶圓表面研磨成平坦的鏡面。
此種研磨裝置中，半導體晶圓之研磨速度在整個半導體晶圓中不均勻情況下，依半導體晶圓各部分之研磨速度而發生研磨不足或研磨過度。因而，習知一種研磨裝置，係在基板保持裝置之下部設置以彈性膜劃分形成之複數個同心狀的壓力室，藉由分別控制供給至該各壓力室之壓力流體的壓力，可在對應於各壓力室之沿著半導體晶圓半徑方向的各加壓區以各個不同之壓力，將半導體晶圓按壓於研磨面。
第一圖顯示上述研磨裝置之基板保持裝置的一例。如第一圖所示，該基板保持裝置具備裝置本體200、固定環202、及設於裝置本體200下面之彈性膜204。在彈性膜204之上面設置配置成同心狀之複數個(圖示係4個)周壁204a,204b,204c,204d，藉由此等周壁204a~204d，而在彈性膜204之上面與裝置本體200的下面之間分別形成位於半導體晶圓W中央之圓形的中央壓力室206、位於最外周之環狀的邊緣壓力室208、及位於中央壓力室206與邊緣壓力室208之間的2個環狀之中間壓力室210,212。
藉此，半導體晶圓W在以劃分成由對應於中央壓力室206之圓形的中央加壓區CA、對應於邊緣壓力室208之環狀的邊緣加壓區EA、及對應於中間壓力室210,212之環狀的2個中間加壓區MA1,MA2構 成之彈性膜204上的4個加壓區狀態下，保持於基板保持裝置。
在裝置本體200內分別形成有連通於中央壓力室206之流路214、連通於邊緣壓力室208之流路216、及分別連通於中間壓力室210,212之流路218,220。而後，各流路214,216,218,220分別經由流路222,224,226,228而連接於流體供給源230。此外，在流路222,224,226,228中分別設置有開關閥門V10,V11,V12,V13與壓力調節器R10,R11,R12,R13。
壓力調節器R10~R13分別具有調整從流體供給源230供給至各壓力室206,208,210,212之壓力流體的壓力之壓力調整功能。壓力調節器R10~R13及開關閥門V10~V13連接於控制裝置232，可藉由控制裝置232控制此等之動作。
藉此，在以基板保持裝置保持半導體晶圓W之狀態下，藉由分別控制供給至各壓力室206,208,210,212之壓力流體的壓力，可在沿著半導體晶圓W半徑方向之彈性膜204上的各加壓區CA,EA,MA1,MA2以各個不同的壓力，使半導體晶圓W按壓於研磨面(無圖示)。
為了將形成於彈性膜204上面之壓力室206,208,210,212的流體壓有效傳導至半導體晶圓W，以均勻之壓力按壓半導體晶圓至半導體晶圓W的端部，彈性膜204一般使用橡膠等柔軟之素材。
以此種構成之基板保持裝置保持半導體晶圓並按壓於研磨面而研磨時，若在彼此鄰接之壓力室中供給不同壓力之壓力流體，則在彼此鄰接之加壓區間，按壓基板之按壓壓力(研磨壓力)上也會產生階梯狀之階差，結果在研磨形狀(研磨輪廓)上也會產生階梯狀的階差。此時， 若供給至彼此鄰接之2個壓力室的壓力流體之壓力差過大，則研磨形狀(研磨輪廓)之階梯狀的階差，也會在鄰接之2個加壓區，依按壓基板之壓力差而變大。
因而，本案申請人在日本特開2009-131920號公報(專利文獻1)中，提出以橫跨彼此鄰接之2個壓力室的方式，在彈性膜上設置由比彈性膜剛性高(縱彈性係數大)之材料構成的隔膜。
【先前技術文獻】 【專利文獻】
[專利文獻1]日本特開2009-131920號公報
第二圖係顯示使用第一圖所示之基板保持裝置保持半導體晶圓，使供給至各壓力室206,208,210,212之壓力流體的壓力均勻，來研磨半導體晶圓時半導體晶圓之半徑方向位置與研磨速度的關係圖。如第二圖中實線A所示，有時研磨速度會隨著朝向半導體晶圓之半徑方向外方而逐漸降低。在第二圖之半導體晶圓的半徑方向位置中，沿著半導體晶圓之半徑方向的區CA,MA1,MA2分別對應於第一圖所示之彈性膜204上的加壓區CA,MA1,MA2。
此種情況下，提高供給至中間壓力室210,212之壓力流體的壓力，以提高對應於中間加壓區MA1,MA2之半導體晶圓區域的研磨速度時，如第二圖之一點鏈線B所示，對應於中間加壓區MA1,MA2之區域的研磨速度雖然整體性提高，但是在中間加壓區MA1,MA2內之研磨速度 的斜率，與提高供給至中間壓力室210,212之壓力流體的壓力並以之前實線A所示的研磨速度斜率概等。換言之，中間加壓區MA1,MA2內之研磨速度是在使其斜率大致一定狀態下，以大致一定之比率平行地上昇。
因而，半導體晶圓面內全面之研磨速度分布的範圍(研磨速度之變動範圍)雖可減低，但是各加壓區內，例如在中間加壓區MA1內之沿著半導體晶圓半徑方向的研磨速度分布範圍(研磨速度之變動範圍)，即使提高壓力流體之壓力仍然不會縮小，因而，依加壓區MA1之半徑方向區寬的大小，會限制半導體晶圓之研磨面的面內均勻性改善，良率改善之效果有限。
本發明係鑑於上述情況而研創者，其目的為提供一種縮小對應於沿著基板半徑方向而同心狀擴大之加壓區的基板區域中研磨速度分布之範圍(研磨速度之變動範圍)，可提高基板研磨面之面內均勻性，而使良率提高之使用於研磨裝置的基板保持裝置之彈性膜。此外，本發明之目的為提供一種具備此種彈性膜之基板保持裝置。
為了達成上述目的，本發明之彈性膜係使用於保持基板之基板保持裝置的彈性膜，前述彈性膜具有同心圓狀配置之複數個周壁，同心圓狀配置之複數個周壁係劃分形成加壓基板之複數個加壓區，在形成於位於中央之圓板狀的中央加壓區與位於最外周之圓環狀的邊緣加壓區之間的複數個中間加壓區中，至少1個中間加壓區之半徑方向區寬係設定成即使改變區寬，研磨速度應答寬亦不改變之範圍內的區寬。
以下，將各加壓區之半徑方向區寬稱為適宜區寬。
前述研磨速度應答寬，係各中間加壓區分別獲得之基板的半徑方向區域，且係算出在各中間加壓區內，以某個壓力條件下研磨時之研磨速度與從前述壓力條件只改變一定壓力程度而研磨時之研磨速度的變化量絕對值，將各中間加壓區內之研磨速度變化量絕對值的最大值作為基準，將對最大研磨速度變化量絕對值成為20%以上、100%以下之研磨速度變化量絕對值的基板半徑方向區域作為前述研磨速度應答寬。
上述某個壓力條件之例，係舉出在各中間加壓區內分別調整研磨速度達到均勻之壓力條件等，不過未必需要係在一定條件下所調整之壓力。
設定成即使改變前述區寬，研磨速度應答寬亦不改變之範圍內的區寬之中間加壓區，例如係前述複數個中間加壓區內，彼此鄰接之至少2個中間加壓區。
如此，藉由將複數個中間加壓區中至少1個中間加壓區，例如彼此鄰接之至少2個中間加壓區的區寬，設定成即使改變區寬，研磨速度應答寬亦不改變之範圍內的區寬，可縮小如此設定區寬之中間加壓區內的研磨速度分布範圍，提高基板之研磨面的面內均勻性，而使良率提高。
前述彈性膜使用於保持直徑300mm之半導體晶圓的基板保持裝置時，前述複數個中間加壓區中，至少1個中間加壓區之區寬，或是彼此鄰接之至少2個中間加壓區的各區寬，宜設定成2mm以上、15mm以下。
前述彈性膜使用於保持直徑300mm之半導體晶圓的基板保 持裝置時，亦可將前述複數個中間加壓區中，位於外周側之至少1個中間加壓區的區寬設定成2mm以上、15mm以下，位於區寬設定成2mm以上、15mm以下之前述中間加壓區的半徑方向內側之中間加壓區的區寬設定成2mm以上、20mm以下。
前述彈性膜使用於保持直徑450mm之半導體晶圓的基板保持裝置時，前述中間加壓區中，至少1個中間加壓區之區寬，或是彼此鄰接之至少2個中間加壓區的各區寬，宜設定成2mm以上、26mm以下。
前述彈性膜使用於保持直徑450mm之半導體晶圓的基板保持裝置時，亦可將前述中間加壓區中，位於外周側之至少1個中間加壓區的區寬設定成2mm以上、26mm以下，位於區寬設定成2mm以上、26mm以下之前述中間加壓區的半徑方向內側之中間加壓區的區寬設定成2mm以上、34mm以下。
前述彈性膜使用於保持厚度t(μm)、楊氏模量E(MPa)之半導體晶圓的基板保持裝置時，前述複數個中間加壓區中，至少1個中間加壓區之區寬宜設定成2mm以上，且下述公式所定義之EWb mm以下。
EWb=15×(t/775)3×(E/194000)
本發明之基板保持裝置係具有彈性膜與保持該彈性膜之裝置本體，在前述彈性膜與前述裝置本體的下面之間形成藉由前述彈性膜之分隔壁所隔離之複數個壓力室，藉由在前述彈性膜之下面保持基板，並且在前述複數個壓力室中供給壓力流體，而藉由流體壓將基板按壓於研磨面，其特徵為：前述彈性膜具有同心圓狀配置之複數個周壁，同心圓狀配置之複數個周壁係劃分形成加壓基板之複數個加壓區，在形成於位於中央 之圓板狀的中央加壓區與位於最外周之圓環狀的邊緣加壓區之間的複數個中間加壓區中，至少1個中間加壓區之半徑方向區寬係設定成即使改變區寬，研磨速度應答寬亦不改變之範圍內的區寬。
本發明之基板保持裝置係具有彈性膜與保持該彈性膜之裝置本體，在前述彈性膜與前述裝置本體的下面之間形成藉由前述彈性膜之分隔壁所隔離之複數個壓力室，藉由在前述彈性膜之下面保持厚度t(μm)、楊氏模量E(MPa)之半導體晶圓，並且在前述複數個壓力室中供給壓力流體，而藉由流體壓將半導體晶圓按壓於研磨面，其特徵為：前述彈性膜具有同心圓狀配置之複數個周壁，同心圓狀配置之複數個周壁係劃分形成加壓半導體晶圓之複數個加壓區，在形成於位於中央之圓板狀的中央加壓區與位於最外周之圓環狀的邊緣加壓區之間的複數個中間加壓區中，至少1個中間加壓區之半徑方向區寬係設定成即使改變區寬，研磨速度應答寬亦不改變之範圍內的區寬，前述複數個中間加壓區中，至少1個中間加壓區之區寬係設定成2mm以上，且下述公式所定義之EWb mm以下。
EWb=15×(t/775)3×(E/194000)
(發明之效果)根據本發明之彈性膜，藉由使用於研磨基板表面之研磨裝置的基板保持裝置，可縮小以彈性膜所劃分形成之複數個加壓區間及各加壓區內的研磨速度分布範圍(研磨速度之變動範圍)，提高基板之研磨面的面內均勻性，而使良率提高。
1‧‧‧基板保持裝置
2‧‧‧裝置本體
3‧‧‧固定環
10‧‧‧彈性膜
10a,10b,10c,10d,10e,10f,10g,10h‧‧‧周壁
12‧‧‧中央壓力室
14‧‧‧邊緣壓力室
16a,16b,16c,16d,16e,16f‧‧‧中間壓力室
22,24a,24b,24c,24d,24e,24f,26,28,30a,30b,30c,30d,30e,30f‧‧‧流路
32‧‧‧流體供給源
34‧‧‧固定室
36,38‧‧‧流路
40‧‧‧控制裝置
100‧‧‧研磨台
100a‧‧‧台軸
101‧‧‧研磨墊
101a‧‧‧研磨面
102‧‧‧研磨液供給噴嘴
110‧‧‧研磨頭
111‧‧‧主軸
112‧‧‧旋轉筒
113,116‧‧‧同步滑輪
114‧‧‧馬達
115‧‧‧同步帶
117‧‧‧頭轉軸
124‧‧‧上下移動機構
125‧‧‧旋轉接頭
126‧‧‧軸承
128‧‧‧橋接物
129‧‧‧支撐台
130‧‧‧支柱
132‧‧‧滾珠螺桿
132a‧‧‧螺絲軸
132b‧‧‧螺帽
138‧‧‧伺服馬達
200‧‧‧裝置本體
202‧‧‧固定環
204‧‧‧彈性膜
204a,204b,204c,204d‧‧‧周壁
206‧‧‧中央壓力室
208‧‧‧邊緣壓力室
210,212‧‧‧中間壓力室
214,216,218,220,222,224,226,228‧‧‧流路
230‧‧‧流體供給源
MA1,MA2,MA3,MA4,MA5,
MA6,MAa,MAb,MAc‧‧‧中間加壓區
R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7,R8,R10,R11,R12,R13‧‧‧壓力調節器
Ra,Rb,Rc‧‧‧研磨速度應答寬
V1,V2,V3,V4,V5,V6,V7,V8,V10,V11,V12,V13‧‧‧開關閥門
W‧‧‧半導體晶圓
Wa‧‧‧研磨速度應答寬
第一圖係先前之基板保持裝置的概要圖。
第二圖係參考性顯示以第一圖所示之基板保持裝置保持半導體晶圓而研磨時沿著晶圓半徑方向的位置與研磨速度之關係圖。
第三圖係顯示具備本發明之基板保持裝置的研磨裝置之整體構成模式圖。
第四圖係第三圖所示之研磨裝置所具備的基板保持裝置之概要圖。
第五圖係顯示使用第三圖所示之研磨裝置研磨半導體晶圓時，僅使供給至一個壓力室之壓力流體的壓力增加20hPa前後的研磨速度(任意單位)與沿著半導體晶圓半徑方向之位置的關係圖。
第六圖係加壓區之研磨速度應答寬的定義之附加說明圖。
第七圖係顯示加壓區之區寬與研磨速度應答寬的關係圖。
第八圖係顯示區寬較寬之3個中間加壓區彼此鄰接時，中間加壓區與對應於該中間加壓區之研磨速度應答寬的關係圖。
第九圖係顯示區寬較窄之3個中間加壓區彼此鄰接時，中間加壓區與對應於該中間加壓區之研磨速度應答寬的關係圖。
第十圖係顯示夾著區寬較窄之1個中間加壓區，而區寬較寬之2個中間加壓區彼此鄰接時，中間加壓區與對應於該中間加壓區之研磨速度應答寬的關係圖。
第十一圖係將加壓區之區寬與研磨速度應答寬的關係模型化之圖。
第十二圖係區寬20mm且研磨速度應答寬30mm之中間加壓區彼此鄰接時的研磨速度應答重疊率之附加說明圖。
第十三圖係區寬10mm且研磨速度應答寬25mm之中間加壓區彼此鄰接時的研磨速度應答重疊率之附加說明圖。
第十四圖係顯示加壓區之區寬與研磨速度應答重疊率的關係圖。
第十五圖係參考性顯示使用第三圖所示之研磨裝置，研磨直徑300mm之半導體晶圓時半導體晶圓的半徑方向位置與研磨速度之關係圖。
以下，參照第三圖至第十五圖說明本發明之實施形態。另外，以下之例係使用直徑300mm、厚度775±25μm之半導體晶圓作為基板。該半導體晶圓之楊氏模量(MPa)係194000。
第三圖係顯示具備本發明之基板保持裝置的研磨裝置之整體構成模式圖。如第三圖所示，研磨裝置具備研磨台100；及保持直徑300mm的半導體晶圓(基板)W，而按壓於研磨台100上之研磨面的基板保持裝置1，該半導體晶圓(基板)W是研磨對象物。研磨台100係經由台軸100a連結於配置在其下方之馬達(無圖示)，並可在其台軸100a周圍旋轉。在研磨台100之上面貼合有研磨墊101，研磨墊101之表面構成研磨半導體晶圓W之研磨面101a。在研磨台100之上方設置有研磨液供給噴嘴102，藉由該研磨液供給噴嘴102供給研磨液Q至研磨台100上之研磨墊101的研磨面101a。
基板保持裝置1連接於主軸111，該主軸111藉由上下移動機構124可對研磨頭110上下移動。藉由該主軸111之上下移動，可使基板保持裝置1全體對研磨頭110昇降來進行定位。另外，在主軸111之上端安裝有旋轉接頭125。
使主軸111及基板保持裝置1上下移動之上下移動機構124係具備：經由軸承126可旋轉地支撐主軸111之橋接物128；安裝於橋接物 128之滾珠螺桿132、藉由支柱130支撐之支撐台129、及設於支撐台129上之AC伺服馬達138。支撐伺服馬達138之支撐台129經由支柱130而固定於研磨頭110。
滾珠螺桿132具備連結於伺服馬達138之螺絲軸132a、及該螺絲軸132a螺合之螺帽132b。主軸111可與橋接物128一體地上下移動。因此，驅動伺服馬達138時，橋接物128經由滾珠螺桿132而上下移動，藉此主軸111及基板保持裝置1上下移動。
此外，主軸111經由鍵(無圖示)而連結於旋轉筒112。該旋轉筒112在其外周部具備同步滑輪113。研磨頭110上固定有馬達114，上述同步滑輪113經由同步帶115而連接於設在馬達114上的同步滑輪116。因此，藉由旋轉驅動馬達114，旋轉筒112及主軸111經由同步滑輪116、同步帶115及同步滑輪113而一體旋轉，使基板保持裝置1旋轉。另外，研磨頭110係藉由可旋轉地支撐於框架(無圖示)的頭轉軸117而支撐。
如第三圖所示地構成之研磨裝置中，基板保持裝置1可在其下面保持半導體晶圓(基板)W。研磨頭110構成可以頭轉軸117為中心而旋轉，在下面保持有半導體晶圓W之基板保持裝置1，藉由研磨頭110之旋轉，而從半導體晶圓W之接收位置移動至研磨台100之上方。而後，使基板保持裝置1下降，將半導體晶圓W按壓於研磨墊101之研磨面101a。此時，分別使基板保持裝置1及研磨台100旋轉，而從設於研磨台100上方之研磨液供給噴嘴102供給研磨液Q至研磨墊101之研磨面101a上。如此，在研磨液Q的存在下，使半導體晶圓W滑動接觸於研磨墊101之研磨 面101a，來研磨半導體晶圓W之表面。
其次，參照第四圖詳細說明第三圖所示之研磨裝置具備的本發明實施形態之基板保持裝置1。
如第四圖所示，基板保持裝置1基本上由對研磨面101a按壓半導體晶圓W之裝置本體2，以及直接按壓研磨面101a之固定環3所構成，在裝置本體2之下面設有覆蓋該下面之彈性膜10。彈性膜10具有配置成同心狀而豎立於上方的複數個(圖示係8個)周壁(第一~第八周壁)10a,10b,10c,10d,10e,10f,10g,10h，藉由此等複數個周壁10a~10h，而在彈性膜10之上面與裝置本體2的下面之間形成有：位於中央之圓形狀的中央壓力室12；位於最外周之環狀的邊緣壓力室14；及位於中央壓力室12與邊緣壓力室14之間，本例係環狀之6個中間壓力室(第一~第六中間壓力室)16a,16b,16c,16d,16e,16f。
藉此，半導體晶圓W在劃分成：由對應於中央壓力室10之中央加壓區CA；對應於邊緣壓力室14之邊緣加壓區EA；及分別對應於中間壓力室16a,16b,16c,16d,16e,16f之6個環狀的中間加壓區(第一~第六中間加壓區)MA1,MA2,MA3,MA4,MA5,MA6構成之彈性膜10上的8個加壓區之狀態下，保持於基板保持裝置1。
本例中，中央加壓區CA之半徑，換言之位於最內方之第一周壁10a的半徑設定成30mm。另外，第一周壁10a之半徑，係從彈性膜10之中心至第一周壁10a之豎立部的剖面中心之距離。關於此，以下之各周壁10b~10h亦同。
位於彈性膜10中心側之第一中間加壓區MA1的區寬，換言 之，位於最內方之第一周壁10a的半徑與從內側起位於第二個之第二周壁10b的半徑之差設定成30mm。從彈性膜10之中心側起位於第二個之第二中間加壓區MA2的區寬，換言之，從內側起位於第二個之第二周壁10b的半徑與從內側起位於第三個之第三周壁10c的半徑之差設定成25mm。
同樣地，從彈性膜10中心側起位於第三個之第三中間加壓區MA3的區寬設定成25mm，從彈性膜10中心側起位於第四個之第四中間加壓區MA4的區寬設定成17mm，從彈性膜10中心側起位於第五個之第五中間加壓區MA5的區寬設定成13.5mm，從彈性膜10中心側起位於第六個之第六中間加壓區MA6的區寬設定成4.5mm。
另外，第四中間加壓區MA4之區寬在2mm以上、20mm以下之範圍任意設定，第五中間加壓區MA5及第六中間加壓區MA6之區寬在2mm以上、15mm以下之範圍任意設定。亦可僅將第五中間加壓區MA5及第六中間加壓區MA6之區寬的一方在2mm以上、15mm以下之範圍任意設定。例如亦可將第五中間加壓區MA5之區寬在2mm以上、20mm以下之範圍任意設定，將第六中間加壓區MA6之區寬在2mm以上、15mm以下之範圍任意設定。
在裝置本體2內分別形成有連通於中央壓力室12之流路20、連通於邊緣壓力室14之流路22、及分別連通於中間壓力室16a,16b,16c,16d,16e,16f之流路24a,24b,24c,24d,24e,24f。而後，各流路20,22,24a,24b,24c,24d,24e,24f分別經由流路26,28,30a,30b,30c,30d,30e,30f連接於流體供給源32。此外，在流路26,28,30a~30f中，分別設置有開關閥門V1,V2,V3,V4,V5,V6,V7,V8與壓力調節器R1,R2,R3,R4,R5,R6, R7,R8。
此外，在固定環3之正上方亦形成有固定室34，固定室34經由形成於裝置本體2內之流路36及設置有開關閥門V9與壓力調節器R9之流路38而連接於流體供給源32。壓力調節器R1~R9分別具有調整從流體供給源32供給至壓力室12,14,16a~16f及固定室34之壓力流體的壓力之壓力調整功能。壓力調節器R1~R9及開關閥門V1~V9連接於控制裝置40，可以控制裝置40控制此等之動作。根據如第四圖所示地構成之基板保持裝置1，在以基板保持裝置1保持半導體晶圓W之狀態下，藉由分別控制供給至各壓力室12,14,16a~16f之壓力流體的壓力，沿著半導體晶圓W半徑方向之彈性膜10上的各加壓區CA,EA,MA1~MA6可以各個不同之壓力按壓半導體晶圓W。如此，在基板保持裝置1中，藉由調整供給至形成於裝置本體2與彈性膜10間之各壓力室12,14,16a~16f的流體壓力，可在對應於各加壓區CA,EA,MA1~MA6之半導體晶圓W的每個區域，調整將半導體晶圓W按壓於研磨墊101之按壓力。同時，藉由控制供給至固定室34之壓力流體的壓力，可調整固定環3按壓研磨墊101之按壓力。
裝置本體2係藉由例如工程塑料(例如聚二醚酮(Polyether ether ketone：PEEK))等樹脂而形成，彈性膜10藉由例如乙丙橡膠(Ethylene-propylene-diene rubber：EPDM)、聚氨酯橡膠、矽橡膠等強度及耐用性優異的橡膠材料而形成。
以下說明該基板保持裝置1中，分別將第四中間加壓區MA4之區寬設定在2mm以上、20mm以下，本例係設定成17.5mm；將第五中間加壓區MA5及第六中間加壓區MA6之區寬設定在2mm以上、15mm 以下，本例係將第五中間加壓區MA5之區寬設定成13.5mm，將第六中間加壓區MA6之區寬設定成4.5mm的理由。
第五圖係顯示使用第三圖所示之研磨裝置，對各壓力室12,14,16a~16f供給指定壓力之壓力流體，而實際研磨直徑為300mm之半導體晶圓時，研磨速度(任意單位)與沿著半導體晶圓半徑方向之位置的關係圖。第五圖中，線C表示各區中研磨速度大致相同地調整各壓力室之壓力的條件(稱為中心條件)下，研磨速度(任意單位)與沿著半導體晶圓半徑方向之位置的關係；線D表示僅使供給至對應於第一中間加壓區MA1之第一中間壓力室16a的壓力流體之壓力，比中心條件之壓力增加20hPa時的研磨速度(任意單位)與沿著半導體晶圓半徑方向之位置的關係。
從該第五圖判明，例如僅使供給至對應於第一中間加壓區MA1之第一中間壓力室16a的壓力流體之壓力增加20hPa時，該影響會達到比第一中間加壓區MA1更寬之研磨速度應答寬Wa。
第六圖係將從第五圖中線D所示之研磨速度減去線C所示之研磨速度的差分作為研磨速度變化量(任意單位)而顯示之圖，且將顯示最大值之研磨速度變化量係1.0作為基準。亦即，第六圖之研磨速度變化量顯示在指定之加壓區內，使一定壓力從中心條件之壓力變化時的研磨速度之變化量。
如此算出在指定之加壓區內使一定壓力從某個壓力變化時的研磨速度變化量，並將研磨速度變化量對作為基準之最大研磨速度變化量為20%以上、100%以下之半導體晶圓的半徑方向區域定義為研磨速度應答寬。
第五圖及第六圖係根據將壓力從中心條件增加時之研磨結果來決定研磨速度應答寬，不過，亦可根據將壓力從中心條件降低時之研磨結果來決定研磨速度應答寬。
此處，在第一中間加壓區MA1內之最大研磨速度變化量係1作為基準時，研磨速度變化量係最大研磨速度變化量之20%以下情況(第六圖中，係0.2以下之情況)下，由於考慮到將該研磨速度變化量對研磨輪廓之影響抑制在容許範圍內，因此將研磨速度變化量對該第一中間加壓區MA1內作為基準之最大研磨速度變化量1，係20%以上、100%以下(第六圖中係0.2以上、1.0以下)之半導體晶圓的半徑方向區域定義為研磨速度應答寬。第六圖之情況，第一中間加壓區MA1之研磨速度應答寬Wa係41mm。
同樣地，測定其他各中間加壓區MA2~MA6之研磨速度應答寬時，僅使供給至對應於第二中間加壓區MA2之第二中間壓力室16b的壓力流體之壓力從中心條件增加20hPa時的研磨速度應答寬係35mm；僅使供給至對應於第三中間加壓區MA3之第三中間壓力室16c的壓力流體之壓力從中心條件增加20hPa時的研磨速度應答寬係37mm；僅使供給至對應於第四中間加壓區MA4之第四中間壓力室16d的壓力流體之壓力從中心條件增加20hPa時的研磨速度應答寬係26mm；僅使供給至對應於第五中間加壓區MA5之第五中間壓力室16e的壓力流體之壓力從中心條件增加20hPa時的研磨速度應答寬係27mm；僅使供給至對應於第六中間加壓區MA6之第六中間壓力室16f的壓力流體之壓力從中心條件增加20hPa時的研磨速度應答寬係25mm。
表1顯示如前述所求出之各中間加壓區MA1~MA6的各區寬與研磨速度應答寬的關係。
第七圖顯示依據該表1所製作之中間加壓區的區寬與研磨速度應答寬之關係。從該第七圖判明加壓區之區寬係25mm以上時(群G1)，係分別在區寬加上約10mm之範圍的研磨速度應答寬，即使加壓區之區寬比25mm小時(群G2)，研磨速度應答寬之最小值仍約為25mm。群G2中，即使中間加壓區之區寬變化(減少)為17mm、13.5mm、4.5mm，研磨速度應答寬幾乎無變化，而分別是26mm、27mm、25mm。由此瞭解即使中間加壓區之區寬為15mm以下，研磨速度應答寬仍無變化。
第八圖顯示區寬較寬之3個中間加壓區MAa,MAb,MAc彼此鄰接時，中間加壓區MAa,MAb,MAc與對應於該中間加壓區MAa,MAb,MAc之研磨速度應答寬Ra,Rb,Rc的關係。第八圖中，在水平線上方之3個山形的實線表示使各區之壓力從中心條件增加時的研磨速度，在水平線下方之3個谷形的實線表示使各區之壓力從中心條件減少時的研磨速度。此時，在位於中間之中間加壓區MAb的中心附近，存在不受對應於其他中間加壓區MAa,MAc之研磨速度應答寬Ra,Rc影響的區域Sb，對應於該區域Sb之半導體晶圓區域的研磨速度斜率，即使改變中間加壓區MAa,MAc之壓力仍無法補償。
第九圖顯示區寬較窄之3個中間加壓區MAa,MAb,MAc彼 此鄰接時，中間加壓區MAa,MAb,MAc與對應於該中間加壓區MAa,MAb,MAc之研磨速度應答寬Ra,Rb,Rc的關係。第九圖中，在水平線上方之3個山形的實線表示使各區之壓力從中心條件增加時的研磨速度，在水平線下方之3個谷形的實線表示使各區之壓力從中心條件減少時的研磨速度。此時，位於中間之中間加壓區MAb受到對應於其他2個中間加壓區MAa,MAc之研磨速度應答寬Ra,Rc的影響，對應於該中間加壓區MAb之半導體晶圓區域的研磨速度斜率，可藉由改變中間加壓區MAa,MAc的壓力來補償。特別是在半導體晶圓之邊緣附近，應細部分割中間加壓區。
第十圖顯示夾著區寬較窄之1個中間加壓區MAb，而區寬較寬之2個中間加壓區MAa,MAc彼此鄰接時，中間加壓區MAa,MAb,MAc與對應於該中間加壓區MAa,MAb,MAc之研磨速度應答寬Ra,Rb,Rc的關係。第十圖中，在水平線上方之3個山形的實線表示使各區之壓力從中心條件增加時的研磨速度，在水平線下方之3個谷形的實線表示使各區之壓力從中心條件減少時的研磨速度。此時，位於中間之區寬較窄的中間加壓區MAb受到對應於其他2個中間加壓區MAa,MAc之研磨速度應答寬Ra,Rc的影響，對應於該中間加壓區MAb之半導體晶圓區域的研磨速度斜率，可藉由改變中間加壓區MAa,MAc的壓力來補償。如此藉由在區寬較寬之中間加壓區MAa,MAc之間配置區寬較窄的中間加壓區MAb，可微妙調整研磨輪廓。
第十一圖顯示將第七圖模型化之中間加壓區的區寬與研磨速度應答寬之關係。該第十一圖中，區寬為20mm之中間加壓區的研磨速度應答寬成為30mm。以該區寬20mm而研磨速度應答寬為30mm之中間加 壓區彼此鄰接時，如第十二圖所示，研磨速度應答寬彼此重疊之比率(研磨速度應答重疊率)約為33(=10/30)(%)。第十二圖中，在水平線上方之2個山形的實線表示使各區之壓力從中心條件增加時的研磨速度，在水平線下方之2個谷形的實線表示使各區之壓力從中心條件減少時的研磨速度。
此外，第十一圖中，區寬為10mm之中間加壓區的研磨速度應答寬成為25mm。以該區寬10mm而研磨速度應答寬為25mm之中間加壓區彼此鄰接時，如第十三圖所示，研磨速度應答寬彼此重疊之比率(研磨速度應答重疊率)成為60(=15/25)(%)。第十三圖中，在水平線上方之2個山形的實線表示使各區之壓力從中心條件增加時的研磨速度，在水平線下方之2個谷形的實線表示使各區之壓力從中心條件減少時的研磨速度。
第十四圖顯示依據第十一圖之中間加壓區的區寬與研磨速度應答重疊率之關係。從該第十四圖判明區寬為15mm以下之中間加壓區，因為研磨速度應答寬不比25mm小，所以研磨速度應答寬彼此重疊之比率(研磨速度應答重疊率)變大，藉此，可微妙調整研磨輪廓。此外，判明即使區寬為20mm以下之中間加壓區，研磨速度應答寬彼此重疊之比率(研磨速度應答重疊率)仍較大而約為33%以上，可微妙調整研磨輪廓。從第十四圖瞭解，區寬為15mm以下時，由於研磨速度應答寬彼此重疊之比率(研磨速度應答重疊率)變大，因此將15mm以下作為一個區寬設定基準。此外，即使從15mm以下之區寬至寬度為20mm以下之區寬，由於研磨速度應答寬彼此重疊之比率(研磨速度應答重疊率)變較大，因此20mm 以下之區寬亦作為一個區寬設定基準。
因而，本例係考慮周壁之厚度(約1mm)，而將位於半導體晶圓等基板之邊緣附近，最需要微妙調整的研磨輪廓之第五中間加壓區MA5及第六中間加壓區MA6的區寬設定為2mm以上、15mm以下，特別是分別將第五中間加壓區MA5之區寬設定為13.5mm，將第六中間加壓區MA6之區寬設定為4.5mm。而後，將第五中間加壓區MA5及第六中間加壓區MA6其次需要微妙調整之第四中間加壓區MA4的區寬設定為2mm以上、20mm以下，特別是設定為17.5mm。將區寬設為2mm以上者，係考慮周壁之厚度(約1mm)，及壓力流體之流路(下限約1mm)。
第十五圖參考性顯示使用第三圖所示之研磨裝置，研磨直徑為300mm之半導體晶圓時的半導體晶圓之半徑方向位置與研磨速度的關係。第十五圖中，實線E表示將供給至各壓力室12,14,16a~16f之壓力流體的壓力保持均勻而研磨時，一點鏈線F分別表示調整供給至中間壓力室16a~16f之壓力流體的壓力而研磨的情況。在第十五圖之半導體晶圓的半徑方向位置，沿著半導體晶圓之半徑方向的區CA,MA1~MA6,EA分別對應於第四圖所示之加壓區CA,MA1~MA6,ME。
從該第十五圖判明使用第三圖所示之研磨裝置調整供給至各壓力室12,14,16a~16f之壓力流體的壓力，藉由使用調整按壓半導體晶圓之各加壓區的半徑方向區寬之彈性膜，可縮小複數個加壓區間及各加壓區內之研磨速度分布的範圍(研磨速度之變動範圍)RV，提高半導體晶圓之研磨面的面內均勻性，並提高良率。
其次說明研磨直徑為450mm之半導體晶圓的情況。直徑為 450mm之半導體晶圓的標準厚度為925±25μm。
此時，圓板之彎曲剛性D由以下之公式表示。
D=Eh3/12(1-ν2)
其中，E係楊氏模量，h係板厚，ν係泊松比(Poisson's ratio)，圓板之彎曲剛性D與板厚h之3次方成正比。
直徑為300mm之半導體晶圓中，即使縮小中間加壓區之區寬，研磨速度應答寬仍然不在一定值以下(25mm以下)者，是因為半導體晶圓之剛性。直徑為450mm之半導體晶圓與直徑為300mm之半導體晶圓比較，其剛性為(925/775)之3次方倍，亦即約為1.7倍。
因此，直徑為300mm之半導體晶圓的區寬為20mm、15mm，而直徑為450mm之半導體晶圓，則區寬分別相當於20×1.7=34mm、15×1.7=26mm。
因而，使用第三圖所示之研磨裝置研磨直徑為450mm之半導體晶圓時，對應於第四中間壓力室16d之第四中間加壓區MA4的區寬，係在2mm以上、34mm以下之範圍任意設定，對應於第五中間壓力室16e及第六中間壓力室16f之第五中間加壓區MA5及第六中間加壓區MA6的區寬，係在2mm以上、26mm以下之範圍任意設定。
更一般性敘述時，厚度t(μm)、楊氏模量E(MPa)之半導體晶圓時中間區的區寬EWb，在將直徑為300mm之半導體晶圓時的中間區之區寬設為EWa時，則成為EWb=EWa×(t/775)3×(E/194000)。
以上係說明本發明適宜之實施形態，不過本發明不限定於上述之實施形態，在其技術性思想範圍內，當然可以各種不同形態來實 施。
1‧‧‧基板保持裝置
2‧‧‧裝置本體
3‧‧‧固定環
10‧‧‧彈性膜
10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g、10h‧‧‧周壁
12‧‧‧中央壓力室
14‧‧‧邊緣壓力室
16a、16b、16c、16d、16e、16f‧‧‧中間壓力室
22、24a、24b、24c、24d、24e、24f、26、28、30a、30b、30c、30d、30e、30f‧‧‧ 流路
32‧‧‧流體供給源
34‧‧‧固定室
36、38‧‧‧流路
40‧‧‧控制裝置
MA1、MA2、MA3、MA4、MA5、MA6、MAa、MAb、MAc‧‧‧中間加壓區
R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8‧‧‧壓力調節器
V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8‧‧‧開關閥門

Claims (20)

  1. 一種彈性膜，係使用於保持基板之基板保持裝置，其特徵為：前述彈性膜具有同心圓狀配置之複數個周壁，同心圓狀配置之複數個周壁係劃分形成加壓基板之複數個加壓區，在形成於位於中央之圓板狀的中央加壓區與位於最外周之圓環狀的邊緣加壓區之間的複數個中間加壓區中，至少1個中間加壓區之半徑方向區寬係設定成即使改變區寬，研磨速度應答寬亦不改變之範圍內的區寬。
  2. 如申請專利範圍第1項之彈性膜，其中前述研磨速度應答寬，係各中間加壓區分別獲得之基板的半徑方向區域，且係算出在各中間加壓區內，以某個壓力條件下研磨時之研磨速度與從前述壓力條件只改變一定壓力程度而研磨時之研磨速度的變化量絕對值，將各中間加壓區內之研磨速度變化量絕對值的最大值作為基準，將對最大研磨速度變化量絕對值成為20%以上、100%以下之研磨速度變化量絕對值的基板半徑方向區域作為前述研磨速度應答寬。
  3. 如申請專利範圍第1項之彈性膜，其中設定成即使改變前述區寬，研磨速度應答寬亦不改變之範圍內的區寬之中間加壓區，係前述複數個中間加壓區中，彼此鄰接之至少2個中間加壓區。
  4. 如申請專利範圍第1項之彈性膜，係使用於保持直徑300mm之半導體晶圓的基板保持裝置，前述複數個中間加壓區中，至少1個中間加壓區之區寬係設定成2mm以上、15mm以下。
  5. 如申請專利範圍第4項之彈性膜，其中前述複數個中間加壓區中，彼此 鄰接之至少2個中間加壓區的各區寬係設定成2mm以上、15mm以下。
  6. 如申請專利範圍第1項之彈性膜，係使用於保持直徑300mm之半導體晶圓的基板保持裝置，並將前述複數個中間加壓區中，位於外周側之至少1個中間加壓區的區寬設定成2mm以上、15mm以下，位於區寬設定成2mm以上、15mm以下之前述中間加壓區的半徑方向內側之中間加壓區的區寬設定成2mm以上、20mm以下。
  7. 如申請專利範圍第1項之彈性膜，係使用於保持直徑450mm之半導體晶圓的基板保持裝置，前述複數個中間加壓區中，至少1個中間加壓區之區寬係設定成2mm以上、26mm以下。
  8. 如申請專利範圍第7項之彈性膜，其中前述複數個中間加壓區中，彼此鄰接之至少2個中間加壓區的各區寬係設定成2mm以上、26mm以下。
  9. 如申請專利範圍第1項之彈性膜，係使用於保持直徑450mm之半導體晶圓的基板保持裝置，並將前述複數個中間加壓區中，位於外周側之至少1個中間加壓區的區寬設定成2mm以上、26mm以下，位於區寬設定成2mm以上、26mm以下之前述中間加壓區的半徑方向內側之中間加壓區的區寬設定成2mm以上、34mm以下。
  10. 一種彈性膜，係使用於保持厚度t(μm)、楊氏模量E(MPa)之半導體晶圓的基板保持裝置，其特徵為：前述彈性膜具有同心圓狀配置之複數個周壁，同心圓狀配置之複數個周壁係劃分形成加壓半導體晶圓之複數個加壓區， 在形成於位於中央之圓板狀的中央加壓區與位於最外周之圓環狀的邊緣加壓區之間的複數個中間加壓區中，至少1個中間加壓區之半徑方向區寬係設定成即使改變區寬，研磨速度應答寬亦不改變之範圍內的區寬，前述複數個中間加壓區中，至少1個中間加壓區之區寬係設定成2mm以上，且下述公式所定義之EWb mm以下。
  11. EWb=15×(t/775)3×(E/194000)如申請專利範圍第10項之彈性膜，其中前述研磨速度應答寬，係各中間加壓區分別獲得之半導體晶圓的半徑方向區域，且係算出在各中間加壓區內，以某個壓力條件下研磨時之研磨速度與從前述壓力條件只改變一定壓力程度而研磨時之研磨速度的變化量絕對值，將各中間加壓區內之研磨速度變化量絕對值的最大值作為基準，將對最大研磨速度變化量絕對值成為20%以上、100%以下之研磨速度變化量絕對值的半導體晶圓半徑方向區域作為前述研磨速度應答寬。
  12. 如申請專利範圍第10項之彈性膜，其中設定成即使改變前述區寬，研磨速度應答寬亦不改變之範圍內的區寬之中間加壓區，係前述複數個中間加壓區中，彼此鄰接之至少2個中間加壓區。
  13. 如申請專利範圍第10項之彈性膜，係使用於保持直徑300mm之半導體晶圓的基板保持裝置，前述複數個中間加壓區中，至少1個中間加壓區之區寬係設定成2mm以上、15mm以下。
  14. 如申請專利範圍第13項之彈性膜，其中前述複數個中間加壓區中，彼 此鄰接之至少2個中間加壓區的各區寬係設定成2mm以上、15mm以下。
  15. 如申請專利範圍第10項之彈性膜，係使用於保持直徑300mm之半導體晶圓的基板保持裝置，並將前述複數個中間加壓區中，位於外周側之至少1個中間加壓區的區寬設定成2mm以上、15mm以下，位於區寬設定成2mm以上、15mm以下之前述中間加壓區的半徑方向內側之中間加壓區的區寬設定成2mm以上、20mm以下。
  16. 如申請專利範圍第10項之彈性膜，係使用於保持直徑450mm之半導體晶圓的基板保持裝置，前述複數個中間加壓區中，至少1個中間加壓區之區寬係設定成2mm以上、26mm以下。
  17. 如申請專利範圍第16項之彈性膜，其中前述複數個中間加壓區中，彼此鄰接之至少2個中間加壓區的各區寬係設定成2mm以上、26mm以下。
  18. 如申請專利範圍第10項之彈性膜，係使用於保持直徑450mm之半導體晶圓的基板保持裝置，並將前述複數個中間加壓區中，位於外周側之至少1個中間加壓區的區寬設定成2mm以上、26mm以下，位於區寬設定成2mm以上、26mm以下之前述中間加壓區的半徑方向內側之中間加壓區的區寬設定成2mm以上、34mm以下。
  19. 一種基板保持裝置，係具有彈性膜與保持該彈性膜之裝置本體，在前述彈性膜與前述裝置本體的下面之間形成藉由前述彈性膜之分隔壁所隔離之複數個壓力室，藉由在前述彈性膜之下面保持基板，並且在前述複數個壓力室中供給壓力流體，而藉由流體壓將基板按壓於研磨面， 其特徵為：前述彈性膜具有同心圓狀配置之複數個周壁，同心圓狀配置之複數個周壁係劃分形成加壓基板之複數個加壓區，在形成於位於中央之圓板狀的中央加壓區與位於最外周之圓環狀的邊緣加壓區之間的複數個中間加壓區中，至少1個中間加壓區之半徑方向區寬係設定成即使改變區寬，研磨速度應答寬亦不改變之範圍內的區寬。
  20. 一種基板保持裝置，係具有彈性膜與保持該彈性膜之裝置本體，在前述彈性膜與前述裝置本體的下面之間形成藉由前述彈性膜之分隔壁所隔離之複數個壓力室，藉由在前述彈性膜之下面保持厚度t(μm)、楊氏模量E(MPa)之半導體晶圓，並且在前述複數個壓力室中供給壓力流體，而藉由流體壓將半導體晶圓按壓於研磨面，其特徵為：前述彈性膜具有同心圓狀配置之複數個周壁，同心圓狀配置之複數個周壁係劃分形成加壓半導體晶圓之複數個加壓區，在形成於位於中央之圓板狀的中央加壓區與位於最外周之圓環狀的邊緣加壓區之間的複數個中間加壓區中，至少1個中間加壓區之半徑方向區寬係設定成即使改變區寬，研磨速度應答寬亦不改變之範圍內的區寬，前述複數個中間加壓區中，至少1個中間加壓區之區寬係設定成2mm以上，且下述公式所定義之EWb mm以下。 EWb=15×(t/775)3×(E/194000)
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