TWI614091B - 基板保持裝置、研磨裝置、研磨方法、及扣環 - Google Patents

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Description

基板保持裝置、研磨裝置、研磨方法、及扣環
本發明係關於一種保持晶圓等基板之基板保持裝置，特別是關於為了將基板按壓於研磨墊等研磨具來研磨基板表面所使用之基板保持裝置。此外，本發明係關於使用此種基板保持裝置之研磨裝置及研磨方法。再者，本發明係關於使用於上述基板保持裝置之扣環。
半導體元件之製造工序，為了研磨晶圓表面而廣泛使用研磨裝置。此種研磨裝置具備：支撐具有研磨面之研磨墊的研磨台；用於保持晶圓之稱為上方環形轉盤或研磨頭的基板保持裝置；及向研磨面上供給研磨液之研磨液供給噴嘴。
研磨裝置如以下所述方式研磨晶圓。使研磨台與研磨墊一起旋轉，而且從研磨液供給噴嘴向研磨面上供給研磨液。藉由基板保持裝置保持晶圓，進一步使晶圓以其軸心為中心而旋轉。在該狀態下，基板保持裝置將晶圓表面按壓於研磨墊之研磨面，在研磨液存在下使晶圓表面滑動接觸於研磨面。晶圓表面藉由研磨液中包含之研磨粒的機械性作用、與研磨液之化學性作用加以研磨平坦。此種研磨裝置亦稱為CMP(化學機械研磨)裝置。
晶圓研磨中，因為晶圓表面滑動接觸於研磨墊，所以摩擦力作用於晶圓。因此，在晶圓研磨中為了避免晶圓從基板保持裝置脫離，基板保持裝置具備扣環。該扣環以包圍晶圓之方式配置，並在晶圓之外側按壓研磨墊。
【先前技術文獻】 【專利文獻】
[專利文獻1]日本特開平10-286769號公報
晶圓之研磨率(亦稱為除去率)依晶圓對研磨墊之負荷、扣環之負荷、研磨台及晶圓之旋轉速度、研磨液種類等研磨條件而變化。連續研磨複數個晶圓時，為了獲得相同研磨結果，通常是將研磨條件保持一定。但是，隨著研磨複數個晶圓後，儘管研磨條件相同，但是晶圓邊緣部之剖面仍會逐漸改變。具體而言，邊緣部之研磨率隨著研磨晶圓的數量增加而上昇。
此種研磨率上昇的原因在於扣環的形狀變化。第十九圖係顯示晶圓研磨中之扣環的模式圖。如第十九圖所示，晶圓W研磨中，因為扣環200按壓於旋轉之研磨墊201的研磨面201a，所以扣環200會磨損。特別是扣環200之內周面及外周面磨損而成為帶圓的形狀。扣環200之內周面如第十九圖所示地磨損時，扣環200按壓接近晶圓W邊緣部之墊區域的力道降低，結果導致邊緣部之研磨率上昇。
本發明係為了解決上述問題而形成者，目的為提供一種即使 連續研磨複數個基板(例如晶圓)時，仍可防止基板邊緣部之研磨率上昇的基板保持裝置。此外，本發明之目的為提供一種使用此種基板保持裝置之研磨裝置及研磨方法。再者，本發明之目的為提供一種使用於基板保持裝置之扣環。
為了達成上述目的，本發明一種樣態之基板保持裝置，係用於將基板按壓於研磨墊，其特徵為具備：上方環形轉盤本體，其係保持前述基板；及扣環，其係以包圍保持於前述上方環形轉盤本體之前述基板的方式配置，而前述扣環具備環狀之墊按壓部，其係接觸於前述研磨墊，前述墊按壓部具有3mm以上、7.5mm以下之寬度。
本發明其他樣態之研磨裝置，係具備：研磨台，其係用於支撐研磨墊；基板保持裝置，其係保持基板，並將該基板按壓於前述研磨墊；及研磨液供給噴嘴，其係向前述研磨墊上供給研磨液，其特徵為：前述基板保持裝置具備：上方環形轉盤本體，其係保持前述基板；及扣環，其係以包圍保持於前述上方環形轉盤本體之前述基板的方式配置，而前述扣環具備環狀之墊按壓部，其係接觸於前述研磨墊，前述墊按壓部具有3mm以上、7.5mm以下之寬度。
本發明又其他樣態之研磨方法的特徵為：使研磨台與研磨墊一起旋轉，向前述研磨墊上供給研磨液，將基板按壓於前述研磨墊，同時以具有3mm以上、7.5mm以下寬度之環狀墊按壓部邊包圍前述基板，邊按壓前述研磨墊。
本發明又其他樣態之扣環，係使用於為了將基板按壓於研磨 墊之基板保持裝置，其特徵為：具備環狀之墊按壓部，其係接觸於前述研磨墊，前述墊按壓部具有3mm以上、7.5mm以下之寬度。
因為墊按壓部之寬度小，所以墊按壓部具備其形狀之自行修復功能。亦即，墊按壓部之形狀因磨損而改變時，墊按壓部之墊接觸面的面積減少，而墊接觸面之壓力增加。當墊接觸面之壓力增加時，墊接觸面磨損，結果墊接觸面之面積增加。反覆進行此種墊接觸面之壓力與面積的微小變動，而且墊按壓部之形狀大致維持一定。因此，具有寬度窄之墊按壓部的扣環可使基板邊緣部之研磨率穩定。
1‧‧‧上方環形轉盤
2‧‧‧研磨墊
2a‧‧‧研磨面
3‧‧‧研磨台
3a‧‧‧台軸
5‧‧‧研磨液供給噴嘴
7‧‧‧膜厚感測器
9‧‧‧研磨控制部
10‧‧‧上方環形轉盤本體
11‧‧‧上方環形轉盤軸桿
12‧‧‧旋轉筒
13‧‧‧馬達
14‧‧‧定時滑輪
16‧‧‧上方環形轉盤頭
18‧‧‧上方環形轉盤用馬達
19‧‧‧定時皮帶
20‧‧‧定時滑輪
21‧‧‧上方環形轉盤頭軸桿
25‧‧‧旋轉接頭
26‧‧‧軸承
27‧‧‧上下運動機構
28‧‧‧橋接物
29‧‧‧支撐台
30‧‧‧支柱
32‧‧‧滾珠螺桿
38‧‧‧伺服馬達
40‧‧‧扣環
41‧‧‧凸緣
42‧‧‧間隔物
43‧‧‧載體
43a‧‧‧溝
43b‧‧‧凹部
45‧‧‧彈性膜
45a‧‧‧基板保持面
45b‧‧‧間隔壁
50‧‧‧中央室
51‧‧‧波動室
52‧‧‧外側室
53‧‧‧邊緣室
60‧‧‧扣環按壓機構
61‧‧‧活塞
62‧‧‧滾動隔膜
63‧‧‧扣環壓力室
65‧‧‧壓力調整裝置
70‧‧‧磁鐵
75‧‧‧連結構件
76‧‧‧軸部
77‧‧‧輪轂
78‧‧‧輻條
79‧‧‧螺絲
80‧‧‧驅動銷
81‧‧‧驅動環
82‧‧‧補強銷
85‧‧‧球面軸承
88‧‧‧貫穿孔
91‧‧‧中間輪
91a‧‧‧外面
91b‧‧‧內面
92‧‧‧外輪
92a‧‧‧摺緣
92b‧‧‧內面
92c‧‧‧貫穿孔
93‧‧‧內輪
93a‧‧‧外面
93b‧‧‧貫穿孔
101‧‧‧內輪
101a‧‧‧貫穿孔
102‧‧‧外輪
103‧‧‧支撐構件
121‧‧‧圓環部
122‧‧‧墊按壓部
123‧‧‧徑向溝
124‧‧‧孔
40a‧‧‧墊接觸面
200‧‧‧扣環
201‧‧‧研磨墊
201a‧‧‧研磨面
W‧‧‧晶圓
第一圖係顯示具備本發明一種實施形態之基板保持裝置的研磨裝置模式圖。
第二圖係顯示研磨裝置之詳細構成圖。
第三圖係上方環形轉盤之剖面圖。
第四圖係顯示驅動環及連結構件之俯視圖。
第五圖係顯示球面軸承圖。
第六圖(a)係顯示連結構件對球面軸承上下運動之狀態圖，第六圖(b)及第六圖(c)係顯示連結構件與內輪一起傾斜運動之狀態圖。
第七圖係顯示球面軸承之其他構成例的放大剖面圖。
第八圖(a)係顯示連結構件對球面軸承上下運動之狀態圖，第八圖(b)及第八圖(c)係顯示連結構件與中間輪一起傾斜運動之狀態圖。
第九圖係扣環之立體圖。
第十圖係扣環之底視圖。
第十一圖係扣環之側視圖。
第十二圖(a)係顯示扣環之一部分的縱剖面圖，第十二圖(b)係顯示扣環之一部分的底視圖。
第十三圖(a)至第十三圖(d)係顯示墊按壓部藉由與研磨墊滑動接觸而磨損的狀態圖。
第十四圖係顯示調查墊按壓部之寬度與墊按壓部之變形量的關係之構造分析結果曲線圖。
第十五圖係顯示使用過去寬度大之扣環研磨複數個晶圓時的扣環表面形狀曲線圖。
第十六圖係顯示使用具有寬度為5mm之墊按壓部的扣環研磨複數個晶圓時之扣環表面形狀曲線圖。
第十七圖係顯示使用具有寬度為7.5mm之墊按壓部的扣環研磨複數個晶圓時之扣環表面形狀曲線圖。
第十八圖係顯示具有墊按壓部之本實施形態的扣環之其他實施形態剖面圖。
第十九圖係顯示晶圓研磨中之扣環的模式圖。
以下，參照圖式說明本發明之實施形態。
第一圖係顯示具備本發明一種實施形態之基板保持裝置的研磨裝置模式圖。如第一圖所示，研磨裝置具備：保持晶圓(基板)W而使其旋轉之上方環形轉盤(基板保持裝置)1；支撐研磨墊2之研磨台3；向研磨墊2 上供給研磨液(漿液)之研磨液供給噴嘴5；及取得按照晶圓W之膜厚而變化的膜厚信號之膜厚感測器7。膜厚感測器7設置於研磨台3中，研磨台3每旋轉1次，取得包含晶圓W中心部之複數個區域的膜厚信號。膜厚感測器7之例可列舉光學式感測器或渦電流感測器。
上方環形轉盤1係構成藉由真空吸著可在其下面保持晶圓W。上方環形轉盤1及研磨台3如箭頭所示地在相同方向旋轉，在該狀態下，上方環形轉盤1將晶圓W按壓於研磨墊2的研磨面2a。從研磨液供給噴嘴5向研磨墊2上供給研磨液，晶圓W在研磨液存在下藉由與研磨墊2滑動接觸而加以研磨。晶圓W研磨中，膜厚感測器7與研磨台3一起旋轉，並如符號A所示地橫跨晶圓W表面同時取得膜厚信號。該膜厚信號係直接或間接顯示膜厚的指標值，且隨晶圓W之膜厚減少而變化。膜厚感測器7連接於研磨控制部9，膜厚信號可傳送至研磨控制部9。研磨控制部9在藉由膜厚信號顯示之晶圓W的膜厚到達指定之目標值時，結束晶圓W之研磨。
第二圖係顯示研磨裝置之詳細構成圖。研磨台3經由台軸3a而與配置於其下方之馬達13連結，可在其研磨台3周圍旋轉。研磨台3之上面貼合有研磨墊2，研磨墊2之上面構成研磨晶圓W之研磨面2a。藉由馬達13使研磨台3旋轉，研磨面2a對上方環形轉盤1相對移動。因此，馬達13構成使研磨面2a水平方向移動之研磨面移動機構。
上方環形轉盤1連接於上方環形轉盤軸桿11，該上方環形轉盤軸桿11藉由上下運動機構27可對上方環形轉盤頭16上下運動。藉由該上方環形轉盤軸桿11之上下運動，使整個上方環形轉盤1對上方環形轉盤頭16昇降而定位。在上方環形轉盤軸桿11之上端安裝有旋轉接頭25。
使上方環形轉盤軸桿11及上方環形轉盤1上下運動之上下運動機構27具備：經由軸承26可旋轉地支撐上方環形轉盤軸桿11之橋接物28；安裝於橋接物28之滾珠螺桿32；藉由支柱30支撐之支撐台29；及設於支撐台29上之伺服馬達38。支撐伺服馬達38之支撐台29經由支柱30而固定於上方環形轉盤頭16。
滾珠螺桿32具備：連結於伺服馬達38之螺旋軸32a；以及該螺旋軸32a螺合之螺帽32b。上方環形轉盤軸桿11可與橋接物28一體地上下運動。因此，驅動伺服馬達38時，橋接物28經由滾珠螺桿32而上下運動，藉此上方環形轉盤軸桿11及上方環形轉盤1上下運動。
此外，上方環形轉盤軸桿11經由鍵(無圖示)而連結於旋轉筒12。該旋轉筒12在其外周部具備定時滑輪14。上方環形轉盤頭16上固定有上方環形轉盤用馬達18，上述定時滑輪14經由定時皮帶19而與設於上方環形轉盤用馬達18之定時滑輪20連接。因此，藉由旋轉驅動上方環形轉盤用馬達18，旋轉筒12及上方環形轉盤軸桿11經由定時滑輪20、定時皮帶19及定時滑輪14而一體旋轉，上方環形轉盤1以其軸心為中心而旋轉。上方環形轉盤用馬達18、定時滑輪20、定時皮帶19及定時滑輪14構成使上方環形轉盤1以其軸心為中心而旋轉的旋轉機構。上方環形轉盤頭16藉由可旋轉地支撐於框架(無圖示)的上方環形轉盤頭軸桿21來支撐。
上方環形轉盤1可在其下面保持晶圓W等基板。上方環形轉盤頭16構成可將上方環形轉盤頭軸桿21為中心而回旋，下面保持晶圓W之上方環形轉盤1藉由上方環形轉盤頭16之回旋而從晶圓W之接收位置移動至研磨台3上方。而後，使上方環形轉盤1下降，將晶圓W按壓於研磨墊2之 研磨面2a。此時，使上方環形轉盤1及研磨台3分別旋轉，並從設於研磨台3上方之研磨液供給噴嘴5向研磨墊2上供給研磨液。如此，使晶圓W滑動接觸於研磨墊2之研磨面2a來研磨晶圓W表面。
其次，說明構成基板保持裝置之上方環形轉盤1。第三圖係上方環形轉盤1之剖面圖。如第三圖所示，上方環形轉盤1具備：保持晶圓W，並將晶圓W對研磨面2a按壓之上方環形轉盤本體10；及以包圍晶圓W之方式而配置的扣環40。上方環形轉盤本體10及扣環40構成可藉由上方環形轉盤軸桿11之旋轉而一體旋轉。扣環40構成可對上方環形轉盤本體10相對地上下運動。
上方環形轉盤本體10具備：圓形之凸緣41；安裝於凸緣41下面之間隔物42；及安裝於間隔物42下面之載體43。凸緣41連結於上方環形轉盤軸桿11。載體43經由間隔物42而連結於凸緣41，凸緣41、間隔物42及載體43一體旋轉且上下運動。由凸緣41、間隔物42及載體43構成之上方環形轉盤本體10藉由工程塑膠(例如PEEK：Polyether ether ketone(聚醚醚酮))等之樹脂而形成。另外，亦可以SUS(不鏽鋼)、鋁等金屬形成凸緣41。
在載體43之下面安裝有抵接於晶圓W背面的彈性膜45。彈性膜45之下面構成基板保持面45a。彈性膜45具有環狀之間隔壁45b，藉由此等間隔壁45b而在彈性膜45與上方環形轉盤本體10之間形成4個壓力室，亦即形成中央室50、波動室51、外側室52及邊緣室53。此等壓力室50~53經由旋轉接頭25而連接於壓力調整裝置65，可從壓力調整裝置65供給加壓流體。壓力調整裝置65可獨立調整此等4個壓力室50~53中的壓力。再者，壓力調整裝置65亦可在壓力室50~53中形成負壓。
彈性膜45在對應於波動室51或外側室52的位置具有通孔(無圖示)，藉由在該通孔中形成負壓，上方環形轉盤1可在其基板保持面45a上保持晶圓W。彈性膜45藉由乙烯丙烯橡膠(EPDM：ethylene-propylene-diene terpolymer)、聚氨酯橡膠、矽膠等強度及耐用性優的橡膠材料形成。中央室50、波動室51、外側室52及邊緣室53也連接於對大氣開放機構(無圖示)，亦可將中央室50、波動室51、外側室52及邊緣室53對大氣開放。
扣環40以包圍上方環形轉盤本體10之載體43及彈性膜45的方式配置。該扣環40係接觸於研磨墊2之研磨面2a的環狀構件。扣環40以包圍晶圓W之外周緣的方式配置，並以晶圓W研磨中，晶圓W不致從上方環形轉盤1彈出的方式保持晶圓W。
扣環40之上面固定有驅動環81。驅動環81之上部連結於環狀的扣環按壓機構60，該扣環按壓機構60經由驅動環81對扣環40之整個上面賦予均勻朝下的負荷，藉此對研磨墊2之研磨面2a按壓扣環40的下面。
扣環按壓機構60具備：固定於驅動環81上部之環狀活塞61；及連接於活塞61上面之環狀滾動隔膜62。在滾動隔膜62之內部形成有扣環壓力室63。該扣環壓力室63經由旋轉接頭25而連接於壓力調整裝置65。
從壓力調整裝置65在扣環壓力室63中供給加壓流體(例如加壓空氣)時，滾動隔膜62將活塞61壓入下方，再者，活塞61經由驅動環81將整個扣環40壓入下方。如此，扣環按壓機構60對研磨墊2之研磨面2a按壓扣環40下面。再者，藉由壓力調整裝置65在扣環壓力室63中形成負壓，可使整個扣環40上昇。扣環壓力室63亦連接於大氣開放機構(無圖示)，亦可對扣環壓力室63大氣開放。
驅動環81可裝卸地連接於扣環按壓機構60。更具體而言，活塞61由金屬等磁性材料形成，在驅動環81之上部配置有複數個磁鐵70。藉由此等磁鐵70吸住活塞61，而將驅動環81藉由磁力固定於活塞61。活塞61之磁性材料例如使用耐腐蝕性之磁性不銹鋼。另外，亦可以磁性材料形成驅動環81，並在活塞61中配置磁鐵。
扣環40經由驅動環81及連結構件75連結於球面軸承85。該球面軸承85配置於扣環40之半徑方向內側。第四圖係顯示驅動環81及連結構件75之俯視圖。如第四圖所示，連結構件75具備：配置於上方環形轉盤本體10之中心部的軸部76；固定於該軸部76之輪轂77；及從該輪轂77放射狀延伸之複數個輻條78。
輻條78之一方端部固定於輪轂77，輻條78之另一方端部固定於驅動環81。輪轂77、輻條78及驅動環81一體地形成。載體43中固定有複數對驅動銷80,80。各對驅動銷80,80配置於各輻條78之兩側，載體43之旋轉經由驅動銷80,80而傳達至驅動環81及扣環40，藉此，上方環形轉盤本體10與扣環40一體旋轉。
如第三圖所示，軸部76在球面軸承85中縱方向延伸。如第四圖所示，載體43中形成有收容輻條78之複數個放射狀的溝43a，各輻條78在各溝43a中於縱方向移動自如。連結構件75之軸部76於縱方向移動自如地支撐於配置在上方環形轉盤本體10中央部的球面軸承85。藉由如此構成，連結構件75及與其連結之驅動環81及扣環40對上方環形轉盤本體10可在縱方向移動。再者，驅動環81及扣環40藉由球面軸承85可傾斜運動地支撐。
第五圖係顯示球面軸承85之圖。軸部76藉由複數個螺絲79 而固定於輪轂77。軸部76中形成有在縱方向延伸之貫穿孔88。該貫穿孔88在軸部76對球面軸承85在縱方向移動時發揮排氣孔之作用，藉此，扣環40對上方環形轉盤本體10可在縱方向平滑地移動。
球面軸承85具備：環狀之內輪101；及滑動自如地支撐內輪101外周面的外輪102。內輪101經由連結構件75而連結於驅動環81及扣環40。外輪102固定於支撐構件103，該支撐構件103固定於載體43。支撐構件103配置於載體43之凹部43b中。
內輪101之外周面具有切除上部及下部的球面形狀，其球面形狀之中心點(支點)O位於內輪101中心。外輪102之內周面由沿著內輪101外周面之凹面構成，外輪102滑動自如地支撐內輪101。因此，內輪101對外輪102可在全方向(360°)傾斜運動。
內輪101之內周面構成插入軸部76之貫穿孔101a。軸部76對內輪101僅可在縱方向移動。因此，連結於軸部76之扣環40不容許在橫方向移動，扣環40在橫方向(水平方向)之位置藉由球面軸承85加以固定。球面軸承85在晶圓研磨中，接受因晶圓與研磨墊2摩擦，扣環40從晶圓接受橫方向之力(朝向晶圓半徑方向外側之力)，且發揮限制扣環40之橫方向移動(亦即固定扣環40水平方向之位置)的支撐機構之功能。
第六圖(a)係顯示連結構件75對球面軸承85上下運動之狀態圖，第六圖(b)及第六圖(c)係顯示連結構件75與內輪101一起傾斜運動之狀態圖。連結於連結構件75之扣環40與內輪101一體地以支點O為中心可傾斜運動，且對內輪101可上下移動。
第七圖係顯示球面軸承85之其他構成例的放大剖面圖。如第 七圖所示，球面軸承85具備：經由連結構件75而連結於扣環40之中間輪91；從上滑動自如地支撐中間輪91之外輪92；及從下滑動自如地支撐中間輪91之內輪93。中間輪91具有比球殼上半部分小之部分球殼形狀，且夾在外輪92與內輪93之間。
外輪92配置於凹部43b中。外輪92在其外周部具有摺緣92a，藉由螺栓(無圖示)將該摺緣92a固定於凹部43b之階部，而將外輪92固定於載體43，並且可在中間輪91及內輪93上施加壓力。內輪93配置於凹部43b之底面上，並以在中間輪91之下面與凹部43b的底面之間形成間隙的方式，從下方支撐中間輪91。
外輪92之內面92b、中間輪91之外面91a及內面91b、及內輪93之外面93a由以支點O為中心之概略半球面構成。中間輪91之外面91a滑動自如地接觸於外輪92的內面92b，中間輪91之內面91b滑動自如地接觸於內輪93之外面93a。外輪92之內面92b(滑動接觸面)、中間輪91之外面91a及內面91b(滑動接觸面)、及內輪93之外面93a(滑動接觸面)具有比球面之上半部分小的部分球面形狀。藉由如此構成，中間輪91對外輪92及內輪93可在全方向(360°)傾斜運動，且傾斜運動中心之支點O位於比球面軸承85下方。
外輪92、中間輪91及內輪93中分別形成有插入軸部76之貫穿孔92c,91c,93b。在外輪92的貫穿孔92c與軸部76之間形成有間隙，同樣地，在內輪93的貫穿孔93b與軸部76之間形成有間隙。中間輪91之貫穿孔91c具有比外輪92及內輪93之貫穿孔92c,93b小的直徑，軸部76對中間輪91僅可在縱方向移動。因此，連結於軸部76之扣環40實質上不容許在橫方向移動， 扣環40在橫方向(水平方向)之位置藉由球面軸承85固定。
第八圖(a)係顯示連結構件75對球面軸承85上下運動之狀態圖，第八圖(b)及第八圖(c)係顯示連結構件75與中間輪91一起傾斜運動之狀態圖。如第八圖(a)至第八圖(c)所示，連結於連結構件75之扣環40與中間輪91一體地可以支點O為中心而傾斜運動，且可對中間輪91上下移動。第七圖所示之球面軸承85，關於傾斜運動中心之支點O在扣環40的中心軸線上是與第五圖所示之球面軸承85相同，不過，不同之處為第七圖所示之支點O在比第五圖所示之支點O低的位置。第七圖所示之球面軸承85，其支點O之高度可與研磨墊2之表面相同，或是比其低。
第九圖係扣環40之立體圖，第十圖係扣環40之底視圖，第十一圖係扣環40之側視圖。第十二圖(a)係顯示扣環40之一部分的縱剖面圖，第十二圖(b)係顯示扣環40之一部分的底視圖。扣環40內周面之直徑，亦即扣環40之內徑比晶圓的直徑稍大。更具體而言，扣環40內周面之直徑比晶圓直徑大0.5mm~3mm，並宜大1mm~2mm程度。
扣環40具備：圓環部121；及從該圓環部121之內周端延伸於下方的環狀墊按壓部122。此等圓環部121及墊按壓部122由同一材料一體形成。墊按壓部122以包圍保持於上方環形轉盤本體10之彈性膜45(參照第三圖)的晶圓之方式來配置。墊按壓部122之寬度(亦即，墊按壓部122在扣環40半徑方向之寬度)比圓環部121之寬度小。具體而言，墊按壓部122之寬度係3mm以上、7.5mm以下，更宜為3mm以上、5mm以下。墊按壓部122之高度與其寬度相同，或是比其寬度大。
墊按壓部122之下面係接觸於研磨墊2的墊接觸面40a。亦 即，晶圓研磨中，墊按壓部122之墊接觸面40a按壓於研磨墊2。在墊接觸面40a上形成有延伸於扣環40之半徑方向的複數個徑向溝123。此等徑向溝123容許供給於研磨墊2上之研磨液從扣環40的內側流到外側，及從外側流到內側。各徑向溝123之寬度的一例係4mm。
扣環40中，沿著其周方向形成有複數個孔124(第十二圖(a)僅顯示1個孔124)。更具體而言，此等孔124係形成於扣環40之圓環部121的上面。如第三圖所示，在驅動環81之下部固定有不銹鋼製的複數個補強銷82，此等補強銷82分別插入扣環40的複數個孔124中。扣環40之強度藉由此等補強銷82而補強。
過去扣環之寬度約為15mm。而本實施形態之扣環40的寬度係3mm~7.5mm。如此，因為墊按壓部122之寬度小，所以墊按壓部122中具備其形狀之自行修復功能。就該自行修復功能，參照第十三圖(a)至第十三圖(d)作說明。第十三圖(a)至第十三圖(d)係顯示墊按壓部122藉由與研磨墊2滑動接觸而磨損的狀態圖。初期狀態之墊按壓部122如第十三圖(a)所示具有矩形狀的縱剖面。墊按壓部122滑動接觸於研磨墊2時，墊按壓部122磨損，如第十三圖(b)所示，墊按壓部122之內側邊緣與外側邊緣變成圓形，並且墊接觸面40a之面積變小。墊按壓部122之磨損進一步進行時，如第十三圖(c)所示，墊接觸面40a之面積進一步變小。
在施加於扣環40之朝下的負荷一定條件下，隨著墊接觸面40a之面積變小，墊接觸面40a之壓力增加。結果，如第十三圖(d)所示，墊按壓部122在墊接觸面40a之面積增加的方向磨損。反覆進行此種墊接觸面40a之壓力與面積的微小變動，而且墊按壓部122之形狀概略維持一定。因 此，具有寬度窄之墊按壓部122的扣環40，可使晶圓邊緣部之研磨率穩定。
墊按壓部122寬度下限值之3mm係依據墊按壓部122的機械性強度來決定。第十四圖係顯示調查墊按壓部122之寬度與墊按壓部122之變形量的關係之構造分析結果曲線圖。第十四圖中，橫軸表示墊按壓部122之寬度，縱軸表示墊按壓部122向橫方向之最大變形量(計算值)。就墊按壓部122之寬度係1mm,2mm,3mm,4mm,5mm的5種扣環進行構造分析。具體而言，研磨時，在扣環從晶圓接受之力施加於扣環側面的條件下，計算墊按壓部122向橫方向的變形量。使用於構造分析之扣環的材料係聚伸苯基硫醚。
墊按壓部122之寬度係1mm時，墊按壓部122之變形量過大而無法計算。墊按壓部122之寬度係2mm時，墊按壓部122之變形量大。墊按壓部122之寬度係3mm以上時，墊按壓部122之變形量小。特別是，從曲線圖瞭解，寬度比3mm小時，墊按壓部122之變形量大。從該構造分析結果，將墊按壓部122之寬度下限值決定為3mm。
第十五圖係顯示使用過去寬度大之扣環研磨複數個晶圓時的扣環表面形狀曲線圖。第十五圖中，縱軸表示扣環對墊接觸面的位準(上下方向之位置)，且顯示沿著縱軸朝向下方，墊接觸面與研磨墊之距離逐漸變大。第十五圖之橫軸表示墊接觸面之位準的測定點位置。位準測定點沿著扣環之半徑方向排列。
從第十五圖瞭解，過去的扣環從其內周面(晶圓保持面)擴及外側之寬度7mm的區域，其墊接觸面的磨損大。如此，墊接觸面之內側區域磨損大時，扣環無法沿著晶圓之邊緣部按住研磨墊，結果，導致晶圓 邊緣部之研磨率上昇。
第十六圖係顯示使用具有寬度為5mm之墊按壓部122的本實施形態之扣環40研磨複數個晶圓時之扣環40表面形狀曲線圖。從第十六圖瞭解，即使研磨複數個晶圓時，扣環40之墊接觸面40a的內側區域，不致如第十五圖所示之過去扣環磨損大。更具體而言，從墊按壓部122內周面(晶圓保持面)起3mm的區域，其磨損程度不至於比其他區域大。因此，具有寬度為5mm之墊按壓部122的本實施形態之扣環40可從墊按壓部122之內周面(晶圓保持面)按壓3mm的區域。從第十六圖瞭解，即使研磨複數個晶圓時，墊接觸面40a之形狀變化不大。因此，扣環40可沿著晶圓邊緣部良好地按住研磨墊2。結果，晶圓邊緣部之研磨率不太會上昇，可在晶圓邊緣部實現良好之剖面。換言之，即使連續研磨複數個晶圓時，仍可穩定地在晶圓邊緣部實現良好的剖面。
第十七圖係顯示使用具有寬度為7.5mm之墊按壓部122的本實施形態之扣環40研磨複數個晶圓時之扣環40表面形狀曲線圖。從第十七圖瞭解，扣環40從墊按壓部122內周面(晶圓保持面)起5mm之區域的磨損並未比其他區域大。換言之，具有寬度為7.5mm之墊按壓部122的本實施形態之扣環40可按壓墊按壓部122內周面(晶圓保持面)起5mm的區域。結果，晶圓邊緣部之研磨率不太上昇，在晶圓之邊緣部可實現良好之剖面。換言之，即使連續研磨複數個晶圓時，仍可穩定地在晶圓邊緣部實現良好之剖面。
第十八圖係顯示具有墊按壓部122之本實施形態的扣環40之其他實施形態剖面圖。該實施形態之墊按壓部122具有5mm以上、7.5mm以 下寬度。接觸於研磨墊2之墊接觸面40a具有突出於下方的剖面形狀，該墊接觸面40a之最下點位於從墊按壓部122內周面起3mm~5mm的範圍內。換言之，從墊按壓部122內周面至墊接觸面40a最下點之距離對墊按壓部122的寬度之比在3/5~2/3的範圍內。此種形狀之扣環40如第十六圖及第十七圖所示，可按壓接近墊按壓部122內周面(晶圓保持面)之區域。結果，晶圓邊緣部之研磨率不太上昇，可在晶圓之邊緣部實現良好的剖面。
上述實施形態之基板保持裝置可適合使用於淺溝渠隔離(STI：Shallow Trench Isolation)工序等半導體元件製造工序。
研磨墊2具有包含發泡聚氨酯構成之上層、及不織布構成之下層的疊層構造。上層具有以4000hPa至12000hpa按壓時之彈性率約為50MPa至100MPa的高均勻微小發泡構造，下層具有以2500hPa至4500hpa按壓時之彈性率約為1.5MPa至2.5MPa的連續發泡構造。在此種研磨墊22上按壓扣環40時，扣環40沈入研磨墊22，扣環40之緣部的面壓上昇，導致該緣部的磨損增大。因此，使用上述材料特性之研磨墊22時，宜使用墊按壓部122之寬度為3mm以上7.5mm以下之扣環40。
晶圓研磨時之研磨條件係扣環40之支點高度從研磨墊2表面起為-10mm至+50mm。因為扣環40之支點高度變化時，扣環40的姿勢變化，所以會影響扣環40緣部之磨損形狀。此種情況下，採用墊按壓部122之寬度為3mm以上7.5mm以下的扣環40亦有效。在上方環形轉盤1與無圖示之晶圓交接機構(基板交接機構)之間交接晶圓時，扣環40之外周面發揮引導該晶圓交接機構之引導面的功能。
在淺溝渠隔離(STI)工序之一部分，採用扣環40之墊接觸 面的面積不太變化，且墊按壓部122之寬度為3mm以上7.5mm以下的扣環40有效。
以上係說明本發明的一種實施形態，不過本發明不限定於上述實施形態，在其技術性思想的範圍內當然可以各種不同形態來實施。
1‧‧‧上方環形轉盤
10‧‧‧上方環形轉盤本體
11‧‧‧上方環形轉盤軸桿
25‧‧‧旋轉接頭
40‧‧‧扣環
41‧‧‧凸緣
42‧‧‧間隔物
43‧‧‧載體
45‧‧‧彈性膜
45a‧‧‧基板保持面
45b‧‧‧間隔壁
50‧‧‧中央室
51‧‧‧波動室
52‧‧‧外側室
53‧‧‧邊緣室
60‧‧‧扣環按壓機構
61‧‧‧活塞
62‧‧‧滾動隔膜
63‧‧‧扣環壓力室
65‧‧‧壓力調整裝置
70‧‧‧磁鐵
75‧‧‧連結構件
76‧‧‧軸部
77‧‧‧輪轂
78‧‧‧輻條
81‧‧‧驅動環
82‧‧‧補強銷
85‧‧‧球面軸承
122‧‧‧墊按壓部
W‧‧‧晶圓

Claims (27)

  1. 一種基板保持裝置，係用於將基板按壓於研磨墊，其特徵為具備：上方環形轉盤本體，其係保持前述基板；及單一扣環，其係具有外周面，該外周面構成前述基板保持裝置之最外側露出面之最下部，而前述單一扣環具備環狀之墊按壓部，其係接觸於前述研磨墊，該墊按壓部具有內周面，該內周面構成基板保持面，前述墊按壓部具有3mm以上、7.5mm以下之寬度。
  2. 如申請專利範圍第1項之基板保持裝置，其中前述墊按壓部具有3mm以上、5mm以下之寬度。
  3. 如申請專利範圍第1項之基板保持裝置，其中前述墊按壓部具有5mm以上、7.5mm以下之寬度，前述墊按壓部具有接觸於前述研磨墊之墊接觸面，前述墊接觸面具有突出於下方之剖面形狀，前述墊接觸面之最下點位於從前述墊按壓部之前述內周面起3mm~5mm的範圍內。
  4. 如申請專利範圍第1項之基板保持裝置，其中在前述墊按壓部之下面形成有延伸於前述扣環之半徑方向的複數個徑向溝。
  5. 如申請專利範圍第1項之基板保持裝置，其中前述墊按壓部之高度大於或等於前述寬度。
  6. 如申請專利範圍第1項之基板保持裝置，更具備驅動環以及固定於前述驅動環之複數個補強銷，在前述單一扣環形成有複數個孔，前述複數個 補強銷插入前述複數個孔。
  7. 一種基板保持裝置，係用於將基板按壓於研磨墊，該基板保持裝置之特徵為，具備：上方環形轉盤本體，其係保持前述基板；及單一扣環，其係具有外周面，該外周面構成前述基板保持裝置之最外側露出面之最下部，前述單一扣環具備環狀之墊按壓部，其係接觸於前述研磨墊，其中前述墊按壓部具有5mm以上、7.5mm以下之寬度，前述墊按壓部具有接觸於前述研磨墊之墊接觸面，前述墊接觸面具有突出於下方之剖面形狀，從前述墊按壓部內周面至前述墊接觸面最下點之距離對前述墊按壓部的寬度之比在3/5~2/3的範圍內。
  8. 如申請專利範圍第7項之基板保持裝置，更具備驅動環以及固定於前述驅動環之複數個補強銷，在前述單一扣環形成有複數個孔，前述複數個補強銷插入前述複數個孔。
  9. 一種研磨裝置，係具備：研磨台，其係用於支撐研磨墊；基板保持裝置，其係保持基板，並將該基板按壓於前述研磨墊；及研磨液供給噴嘴，其係向前述研磨墊上供給研磨液，其特徵為：前述基板保持裝置具備：上方環形轉盤本體，其係保持前述基板；及單一扣環，其係具有外周面，該外周面構成前述基板保持裝置之最外側露出面之最下部，而前述單一扣環具備環狀之墊按壓部，其係接觸於前述研磨墊，該墊 按壓部具有內周面，該內周面構成基板保持面，前述墊按壓部具有3mm以上、7.5mm以下之寬度。
  10. 如申請專利範圍第9項之研磨裝置，其中前述墊按壓部具有3mm以上、5mm以下之寬度。
  11. 如申請專利範圍第9項之研磨裝置，其中前述墊按壓部具有5mm以上、7.5mm以下之寬度，前述墊按壓部具有接觸於前述研磨墊之墊接觸面，前述墊接觸面具有突出於下方之剖面形狀，前述墊接觸面之最下點位於從前述墊按壓部之前述內周面起3mm~5mm的範圍內。
  12. 如申請專利範圍第9項之研磨裝置，其中在前述墊按壓部之下面形成有延伸於前述扣環之半徑方向的複數個徑向溝。
  13. 如申請專利範圍第9項之研磨裝置，其中前述墊按壓部之高度大於或等於前述寬度。
  14. 如申請專利範圍第9項之研磨裝置，其中前述基板保持裝置具備驅動環以及固定於前述驅動環之複數個補強銷，在前述單一扣環形成有複數個孔，前述複數個補強銷插入前述複數個孔。
  15. 一種研磨裝置，係具備：研磨台，其係用於支撐研磨墊；基板保持裝置，其係保持基板，並將該基板按壓於前述研磨墊；及研磨液供給噴嘴，其係向前述研磨墊上供給研磨液，前述研磨裝置之特徵為：前述基板保持裝置具備：上方環形轉盤本體，其係保持前述基板；及單一扣環，其係具有外周面，該外周面構成前述基板保持裝置之最外側露出面之最下 部，而前述單一扣環具備環狀之墊按壓部，其係接觸於前述研磨墊，其中前述墊按壓部具有5mm以上、7.5mm以下之寬度，前述墊按壓部具有接觸於前述研磨墊之墊接觸面，前述墊接觸面具有突出於下方之剖面形狀，從前述墊按壓部內周面至前述墊接觸面最下點之距離對前述墊按壓部的寬度之比在3/5~2/3的範圍內。
  16. 如申請專利範圍第15項之研磨裝置，其中前述基板保持裝置具備驅動環以及固定於前述驅動環之複數個補強銷，在前述單一扣環形成有複數個孔，前述複數個補強銷插入前述複數個孔。
  17. 一種研磨方法，其特徵為：使研磨台與研磨墊一起旋轉，向前述研磨墊上供給研磨液，將基板按壓於前述研磨墊，同時僅以具有3mm以上、7.5mm以下寬度之環狀墊按壓部邊包圍前述基板，邊將該墊按壓部按壓在前述研磨墊，該墊按壓部具有內周面，該內周面構成基板保持面。
  18. 如申請專利範圍第17項之研磨方法，其中前述墊按壓部具有3mm以上、5mm以下之寬度。
  19. 如申請專利範圍第17項之研磨方法，其中前述墊按壓部之高度大於或等於前述寬度。
  20. 一種扣環，係使用於為了將基板按壓於研磨墊之基板保持裝置，其特徵為：具備環狀之墊按壓部，其係接觸於前述研磨墊， 前述墊按壓部具有內周面，該內周面構成基板保持面，前述墊按壓部具有3mm以上、7.5mm以下之寬度，前述扣環具有供複數個補強銷插入之複數個孔。
  21. 如申請專利範圍第20項之扣環，其中前述墊按壓部具有3mm以上、5mm以下之寬度。
  22. 如申請專利範圍第20項之扣環，其中前述墊按壓部具有5mm以上、7.5mm以下之寬度，前述墊按壓部具有接觸於前述研磨墊之墊接觸面，前述墊接觸面具有突出於下方之剖面形狀，前述墊接觸面之最下點位於從前述墊按壓部之前述內周面起3mm~5mm的範圍內。
  23. 如申請專利範圍第20項之扣環，其中在前述墊按壓部之下面形成有延伸於前述扣環之半徑方向的複數個徑向溝。
  24. 如申請專利範圍第20項之扣環，其中前述墊按壓部之高度大於或等於前述寬度。
  25. 如申請專利範圍第20項之扣環，其中前述墊按壓部之高度等於前述寬度。
  26. 一種扣環，係使用於為了將基板按壓於研磨墊之基板保持裝置，該扣環之特徵為：具備環狀之墊按壓部，其係接觸於前述研磨墊，前述扣環具有供複數個補強銷插入之複數個孔，其中前述墊按壓部具有5mm以上、7.5mm以下之寬度，前述墊按壓部具有接觸於前述研磨墊之墊接觸面， 前述墊接觸面具有突出於下方之剖面形狀，從前述墊按壓部內周面至前述墊接觸面最下點之距離對前述墊按壓部的寬度之比在3/5~2/3的範圍內。
  27. 如申請專利範圍第26項之扣環，其中前述墊按壓部之高度等於前述寬度。
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