基板保持装置および研磨装置
【課題】 リテーナリングが研磨面を押圧する圧力を周方向に沿って制御することができる基板保持装置を提供する。
【解決手段】 基板保持装置としてのトップリング２０は、ウェハＷを研磨面２２ａに押圧するトップリング本体２００と、トップリング本体２００の外周部に設けられ、研磨面２２ａを押圧するリテーナリング３０２とを備えている。リテーナリング３０２は、リテーナリング３０２の周方向に沿って一様でない所定の圧力分布を形成するように、リテーナリング３０２が研磨面２２ａを押圧する圧力を制御する圧力制御機構を備えている。圧力制御機構は、研磨面２２ａに接触するリング部材４０８と、独立に圧力制御された流体によりリング部材４０８を研磨面２２に押圧する複数の圧力室４１０とにより構成される。
【解決手段】 基板保持装置としてのトップリング２０は、ウェハＷを研磨面２２ａに押圧するトップリング本体２００と、トップリング本体２００の外周部に設けられ、研磨面２２ａを押圧するリテーナリング３０２とを備えている。リテーナリング３０２は、リテーナリング３０２の周方向に沿って一様でない所定の圧力分布を形成するように、リテーナリング３０２が研磨面２２ａを押圧する圧力を制御する圧力制御機構を備えている。圧力制御機構は、研磨面２２ａに接触するリング部材４０８と、独立に圧力制御された流体によりリング部材４０８を研磨面２２に押圧する複数の圧力室４１０とにより構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研磨対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置、特に半導体ウェハなどの基板を研磨して平坦化する研磨装置において該基板を保持する基板保持装置に関するものである。また、本発明は、かかる基板保持装置を備えた研磨装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスがますます微細化され素子構造が複雑になり、またロジック系の多層配線の層数が増えるに伴い、半導体デバイスの表面の凹凸はますます増え、段差が大きくなる傾向にある。半導体デバイスの製造では薄膜を形成し、パターンニングや開孔を行う微細加工の後、次の薄膜を形成するという工程を何回も繰り返すためである。
【０００３】
半導体デバイスの表面の凹凸が増えると、薄膜形成時に段差部での膜厚が薄くなったり、配線の断線によるオープンや配線層間の絶縁不良によるショートが起こったりするため、良品が取れなかったり、歩留まりが低下したりする傾向がある。また、初期的に正常動作をするものであっても、長時間の使用に対しては信頼性の問題が生じる。さらに、リソグラフィ工程における露光時に、照射表面に凹凸があると露光系のレンズ焦点が部分的に合わなくなるため、半導体デバイスの表面の凹凸が増えると微細パターンの形成そのものが難しくなるという問題が生ずる。
【０００４】
したがって、半導体デバイスの製造工程においては、半導体デバイス表面の平坦化技術がますます重要になっている。この平坦化技術のうち、最も重要な技術は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing））である。この化学的機械的研磨は、研磨装置を用いて、シリカ（ＳｉＯ２）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッド等の研磨面上に供給しつつ半導体ウェハなどの基板を研磨面に摺接させて研磨を行うものである。
【０００５】
この種の研磨装置は、研磨パッドからなる研磨面を有する研磨テーブルと、半導体ウェハを保持するための基板保持装置とを備えている。このような研磨装置を用いて半導体ウェハの研磨を行う場合には、基板保持装置により半導体ウェハを保持しつつ、この半導体ウェハを研磨テーブルに対して所定の圧力で押圧する。このとき、研磨テーブルと基板保持装置とを相対運動させることにより半導体ウェハが研磨面に摺接し、半導体ウェハの表面が平坦かつ鏡面に研磨される。
【０００６】
このような研磨装置において、研磨面として使用される研磨パッドは弾性を有するため、研磨中の半導体ウェハの外周縁部に加わる押圧力が不均一になり、半導体ウェハの外周縁部のみが多く研磨される、いわゆる「縁だれ」などの不均一な研磨を起こしてしまう場合がある。このような縁だれを防止するため、半導体ウェハの側端部をリテーナリングによって保持するとともに、リテーナリングによって半導体ウェハの外周縁側に位置する研磨面を押圧する構造を備えた基板保持装置も用いられている。
【０００７】
ここで、従来のリテーナリングは、周方向の全長にわたって均等に研磨面を押圧するように構成されている。しかしながら、上述したように、研磨面として使用される研磨パッドは弾性を有するため、研磨テーブルの回転方向の上流側に位置するリテーナリングの最外周において、研磨パッドの弾性変形による抵抗が極端に大きくなる。このため、リテーナリングが研磨テーブルの回転方向の下流側に押され、リテーナリングに傾きが生じる。従来の基板保持装置は、このようなリテーナリングの傾きが生じても、リテーナリングが研磨面を押圧する圧力を大きくすることで、半導体ウェハが基板保持装置から飛び出すことを防止しており、また、リテーナリングの傾きによる研磨プロファイルの不均一は、半導体ウェハの回転による平均化により解消していた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した従来のリテーナリングでは、研磨パッドの温度と研磨プロファイルの制御性を高めることが難しい。したがって、研磨パッドの温度と研磨プロファイルの制御性をより高めるためには、リテーナリングが研磨面を押圧する圧力を周方向に沿って制御する必要が生じている。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、リテーナリングが研磨面を押圧する圧力を周方向に沿って制御することができる基板保持装置およびかかる基板保持装置を備えた研磨装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様によれば、リテーナリングが研磨面を押圧する圧力を周方向に沿って制御することができる基板保持装置が提供される。この基板保持装置は、基板を研磨面に押圧するトップリング本体と、上記トップリング本体の外周部に設けられ、上記研磨面を押圧するリテーナリングとを備えている。上記リテーナリングは、該リテーナリングの周方向に沿って一様でない所定の圧力分布を形成するように、上記リテーナリングが上記研磨面を押圧する圧力を制御する圧力制御機構を備えている。
【００１１】
ここで、上記圧力制御機構を、上記研磨面に接触するリング部材と、独立に圧力制御された流体により上記リング部材を上記研磨面に押圧する複数の圧力室とにより構成することができる。あるいは、上記圧力制御機構を、上記研磨面に接触する下面とテーパ面が形成された上面とを有する下リング部材と、上記下リング部材のテーパ面に当接可能なテーパ面が形成された下面を有し、上記テーパ面の当接により上記下リング部材に作用する径方向の力を下向きの力に変える上リング部材とにより構成することができる。また、上記圧力制御機構を、上記研磨面に接触する下面とテーパ面が形成された上面とを有する下リング部材と、上記下リング部材のテーパ面に当接可能なテーパ面が形成された下面を有し、上記テーパ面の当接により上記下リング部材に作用する径方向の力を下向きの力に変える上リング部材と、圧力制御された流体により上記上リング部材を上記研磨面側に押圧する圧力室と、上記上リング部材と接触して該上リング部材の上下方向の移動を規制する規制部材とにより構成することもできる。また、上記圧力制御機構は、上記所定の圧力分布が静止系からみて一定となるように、上記トップリング本体の回転に応じて、上記リテーナリングが上記研磨面を押圧する圧力を制御することが好ましい。
【００１２】
本発明の第２の態様によれば、リテーナリングが研磨面を押圧する圧力を周方向に沿って制御することができる基板保持装置を備えた研磨装置が提供される。この研磨装置は、上記研磨面を有する回転可能な研磨テーブルと、上述した基板保持装置とを備えている。この場合において、上記基板保持装置の圧力制御機構は、上記研磨テーブルの回転方向の下流側に位置する部分の圧力が上流側に位置する部分の圧力よりも高くなるように、上記リテーナリングが上記研磨面を押圧する圧力を制御することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、上述した圧力制御機構によって、リテーナリングの周方向に沿って一様でない所定の圧力分布を形成することができる。例えば、研磨テーブルの回転方向の下流側に位置する部分の圧力が上流側に位置する部分よりも高くなるように、リテーナリングが研磨パッドを押圧する圧力を制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る研磨装置の実施形態について図１から図９を参照して詳細に説明する。なお、図１から図９において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態における研磨装置１０を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置１０は、研磨テーブル１２と、支軸１４の上端に連結されたトップリングヘッド１６と、トップリングヘッド１６の自由端に取り付けられたトップリングシャフト１８と、トップリングシャフト１８の下端に連結された略円盤状のトップリング２０とを備えている。
【００１６】
研磨テーブル１２は、テーブル軸１２ａを介してその下方に配置されるモータ（図示せず）に連結されており、そのテーブル軸１２ａ周りに回転可能になっている。この研磨テーブル１２の上面には研磨パッド２２が貼付されており、研磨パッド２２の表面２２ａが半導体ウェハＷを研磨する研磨面を構成している。
【００１７】
なお、市場で入手できる研磨パッドとしては種々のものがあり、例えば、ロデール社製のＳＵＢＡ８００、ＩＣ−１０００、ＩＣ−１０００／ＳＵＢＡ４００（二層クロス）、フジミインコーポレイテッド社製のＳｕｒｆｉｎ ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ ０００等がある。ＳＵＢＡ８００、Ｓｕｒｆｉｎ ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ ０００は繊維をウレタン樹脂で固めた不織布であり、ＩＣ−１０００は硬質の発泡ポリウレタン（単層）である。発泡ポリウレタンは、ポーラス（多孔質状）になっており、その表面に多数の微細なへこみまたは孔を有している。
【００１８】
トップリングシャフト１８は、図示しないモータの駆動により回転するようになっている。このトップリングシャフト１８の回転により、トップリング２０がトップリングシャフト１８周りに回転するようになっている。また、トップリングシャフト１８は、上下動機構２４によりトップリングヘッド１６に対して上下動するようになっており、このトップリングシャフト１８の上下動によりトップリング２０がトップリングヘッド１６に対して上下動するようになっている。なお、トップリングシャフト１８の上端にはロータリージョイント２５が取り付けられている。
【００１９】
トップリング２０は、その下面に半導体ウェハＷなどの基板を保持できるようになっている。トップリングヘッド１６は支軸１４を中心として旋回可能に構成されており、下面に半導体ウェハＷを保持したトップリング２０は、トップリングヘッド１６の旋回により半導体ウェハＷの受取位置から研磨テーブル１２の上方に移動される。そして、トップリング２０を下降させて半導体ウェハＷを研磨パッド２２の表面（研磨面）２２ａに押圧する。このとき、トップリング２０および研磨テーブル１２をそれぞれ回転させ、研磨テーブル１２の上方に設けられた研磨液供給ノズル（図示せず）から研磨パッド２２上に研磨液を供給する。このように、半導体ウェハＷを研磨パッド２２の研磨面２２ａに摺接させて半導体ウェハＷの表面を研磨する。
【００２０】
トップリングシャフト１８およびトップリング２０を上下動させる上下動機構２４は、軸受２６を介してトップリングシャフト１８を回転可能に支持するブリッジ２８と、ブリッジ２８に取り付けられたボールねじ３２と、支柱３０により支持された支持台２９と、支持台２９上に設けられたＡＣサーボモータ３８とを備えている。サーボモータ３８を支持する支持台２９は、支柱３０を介してトップリングヘッド１６に固定されている。
【００２１】
ボールねじ３２は、サーボモータ３８に連結されたねじ軸３２ａと、このねじ軸３２ａが螺合するナット３２ｂとを備えている。トップリングシャフト１８は、ブリッジ２８と一体となって上下動するようになっている。したがって、サーボモータ３８を駆動すると、ボールねじ３２を介してブリッジ２８が上下動し、これによりトップリングシャフト１８およびトップリング２０が上下動する。
【００２２】
この研磨装置１０は、研磨テーブル１２の研磨面２２ａをドレッシングするドレッシングユニット４０を備えている。このドレッシングユニット４０は、研磨面２２ａに摺接されるドレッサ５０と、ドレッサ５０が連結されるドレッサシャフト５１と、ドレッサシャフト５１の上端に設けられたエアシリンダ５３と、ドレッサシャフト５１を回転自在に支持する揺動アーム５５とを備えている。ドレッサ５０の下部はドレッシング部材５０ａにより構成され、このドレッシング部材５０ａの下面には針状のダイヤモンド粒子が付着している。エアシリンダ５３は、支柱５６により支持された支持台５７上に配置されており、これらの支柱５６は揺動アーム５５に固定されている。
【００２３】
揺動アーム５５は図示しないモータに駆動されて、支軸５８を中心として旋回するように構成されている。ドレッサシャフト５１は、図示しないモータの駆動により回転し、このドレッサシャフト５１の回転により、ドレッサ５０がドレッサシャフト５１周りに回転するようになっている。エアシリンダ５３は、ドレッサシャフト５１を介してドレッサ５０を上下動させ、ドレッサ５０を所定の押圧力で研磨パッド２２の研磨面２２ａに押圧する。
【００２４】
研磨パッド２２の研磨面２２ａのドレッシングは次のようにして行われる。ドレッサ５０はエアシリンダ５３により研磨面２２ａに押圧され、これと同時に図示しない純水供給ノズルから純水が研磨面２２ａに供給される。この状態で、ドレッサ５０がドレッサシャフト５１周りに回転し、ドレッシング部材５０ａの下面（ダイヤモンド粒子）を研磨面２２ａに摺接させる。このようにして、ドレッサ５０により研磨パッド２２が削り取られ、研磨面２２ａがドレッシングされる。
【００２５】
次に、上述したトップリング２０についてより詳細に説明する。図２から図５は、このようなトップリング２０の断面図であり、複数の半径方向に沿って切断した図である。
【００２６】
図２から図５に示すように、トップリング２０は、半導体ウェハＷを研磨面２２ａに対して押圧するトップリング本体２００と、研磨面２２ａを直接押圧するリテーナリング３０２とから基本的に構成されている。トップリング本体２００は、円盤状の上部材３００と、上部材３００の下面に取り付けられた中間部材３０４と、中間部材３０４の下面に取り付けられた下部材３０６とを備えている。
【００２７】
リテーナリング３０２は、上部材３００の外周部に取り付けられている。上部材３００は、ボルト３０８によりトップリングシャフト１８に連結されている。また、中間部材３０４は、ボルト（図示せず）を介して上部材３００に固定されており、下部材３０６はボルト（図示せず）を介して上部材３００に固定されている。上部材３００、中間部材３０４、および下部材３０６は、例えばエンジニアリングプラスティック（例えば、ＰＥＥＫ）などの樹脂により形成されている。
【００２８】
下部材３０６の下面には、半導体ウェハの裏面に当接する弾性膜３１４が取り付けられている。この弾性膜３１４は、外周側に配置された環状のエッジホルダ３１６と、エッジホルダ３１６の内方に配置された環状のリプルホルダ３１８，３１９とによって下部材３０６の下面に取り付けられている。弾性膜３１４は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴム等の強度および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。エッジホルダ３１６はリプルホルダ３１８により保持され、リプルホルダ３１８は複数のストッパ３２０により下部材３０６の下面に取り付けられている。リプルホルダ３１９は複数のストッパ３２２により下部材３０６の下面に取り付けられている。
【００２９】
図２に示すように、弾性膜３１４の中央部にはセンター室３６０が形成されている。リプルホルダ３１９には、このセンター室３６０に連通する流路３２４が形成されており、下部材３０６には、この流路３２４に連通する流路３２５が形成されている。リプルホルダ３１９の流路３２４および下部材３０６の流路３２５は、図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体が流路３２５および流路３２４を通ってセンター室３６０に供給されるようになっている。
【００３０】
リプルホルダ３１８は、弾性膜３１４のリプル３１４ｂおよびエッジ３１４ｃをそれぞれ爪部３１８ｂ，３１８ｃで下部材３０６の下面に押さえつけるようになっており、リプルホルダ３１９は、弾性膜３１４のリプル３１４ａを爪部３１９ａで下部材３０６の下面に押さえつけるようになっている。
【００３１】
図３に示すように、弾性膜３１４のリプル３１４ａとリプル３１４ｂとの間には環状のリプル室３６１が形成されている。弾性膜３１４のリプルホルダ３１８とリプルホルダ３１９との間には隙間３１４ｆが形成されており、下部材３０６にはこの隙間３１４ｆに連通する流路３４２が形成されている。また、中間部材３０４には、下部材３０６の流路３４２に連通する流路３４４が形成されている。下部材３０６の流路３４２と中間部材３０４の流路３４４との接続部分には、環状溝３４７が形成されている。この下部材３０６の流路３４２は、環状溝３４７および中間部材３０４の流路３４４を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通ってリプル室３６１に供給されるようになっている。また、この流路３４２は、図示しない真空ポンプにも切替可能に接続されており、真空ポンプの作動により弾性膜３１４の下面に半導体ウェハを吸着できるようになっている。
【００３２】
図４に示すように、リプルホルダ３１８には、弾性膜３１４のリプル３１４ｂおよびエッジ３１４ｃによって形成される環状のアウター室３６２に連通する流路３２６が形成されている。また、下部材３０６には、リプルホルダ３１８の流路３２６にコネクタ３２７を介して連通する流路３２８が、中間部材３０４には、下部材３０６の流路３２８に連通する流路３２９がそれぞれ形成されている。このリプルホルダ３１８の流路３２６は、下部材３０６の流路３２８および中間部材３０４の流路３２９を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通ってアウター室３６２に供給されるようになっている。
【００３３】
図５に示すように、エッジホルダ３１６は、弾性膜３１４のエッジ３１４ｄを押さえて下部材３０６の下面に保持するようになっている。このエッジホルダ３１６には、弾性膜３１４のエッジ３１４ｃおよびエッジ３１４ｄによって形成される環状のエッジ室３６３に連通する流路３３４が形成されている。また、下部材３０６には、エッジホルダ３１６の流路３３４に連通する流路３３６が、中間部材３０４には、下部材３０６の流路３３６に連通する流路３３８がそれぞれ形成されている。このエッジホルダ３１６の流路３３４は、下部材３０６の流路３３６および中間部材３０４の流路３３８を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通ってエッジ室３６３に供給されるようになっている。
【００３４】
このように、本実施形態におけるトップリング２０においては、弾性膜３１４と下部材３０６との間に形成される圧力室、すなわち、センター室３６０、リプル室３６１、アウター室３６２、およびエッジ室３６３に供給する流体の圧力を調整することにより、半導体ウェハを研磨パッド２２に押圧する押圧力を半導体ウェハの部分ごとに調整できるようになっている。
【００３５】
図６は、図２に示すリテーナリング３０２の拡大図である。リテーナリング３０２は、半導体ウェハの外周縁を保持するものであり、図６に示すように、上部が閉塞された円筒状のシリンダ４００と、シリンダ４００の上部に取り付けられた保持部材４０２と、保持部材４０２によりシリンダ４００内に保持される弾性膜４０４と、弾性膜４０４の下端部に接続されたピストン４０６と、ピストン４０６により下方に押圧されるリング部材４０８とを備えている。リング部材４０８の外周面とシリンダ４００の下端との間には上下方向に伸縮自在な接続シート４２０が設けられている。この接続シート４２０は、リング部材４０８とシリンダ４００との間の隙間を埋めることで研磨液（スラリー）の浸入を防止する役割を持っている。
【００３６】
弾性膜３１４のエッジ（外周縁）３１４ｄには、弾性膜３１４とリテーナリング３０２とを接続する、上方に屈曲した形状のシール部材４２２が形成されている。このシール部材４２２は弾性膜３１４とリング部材４０８との隙間を埋めるように配置されており、変形しやすい材料から形成されている。シール部材４２２は、トップリング本体２００とリテーナリング３０２との相対移動を許容しつつ、弾性膜３１４とリテーナリング３０２との隙間に研磨液が浸入してしまうことを防止するために設けられている。本実施形態では、シール部材４２２は弾性膜３１４のエッジ３１４ｄに一体的に形成されており、断面Ｕ字型の形状を有している。
【００３７】
ここで、接続シート４２０やシール部材４２２を設けない場合は、研磨液がトップリング２０内に浸入してしまい、トップリング２０を構成するトップリング本体２００やリテーナリング３０２の正常な動作を阻害してしまう。本実施形態によれば、接続シート４２０やシール部材４２２によって研磨液のトップリング２０への浸入を防止することができ、これによりトップリング２０を正常に動作させることができる。なお、弾性膜４０４、接続シート４２０、およびシール部材４２２は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴム等の強度および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。
【００３８】
リング部材４０８は、ピストン４０６に当接する上リング部材４０８ａと、研磨面２２ａに接触する下リング部材４０８ｂとに分割されている。この上リング部材４０８ａの外周面および下リング部材４０８ｂの外周面には、周方向に延びるフランジ部がそれぞれ形成されている。これらのフランジ部はクランプ４３０により把持されており、これにより上リング部材４０８ａと下リング部材４０８ｂとが締結されている。
【００３９】
ここで、弾性膜４０４は周方向に複数の隔膜（図示せず）を有しており、弾性膜４０４の内部には周方向に分割された複数の圧力室４１０が形成されている。この圧力室４１０の数は３以上であることが好ましい。図６に示すように、保持部材４０２には、それぞれの圧力室４１０に連通する流路４１２が形成されており、シリンダ４００の上部には、これらの流路４１２に連通する流路４１４が形成されている。さらに、上部材３００には、シリンダ４００の流路４１４に連通する流路４１６が形成されている。それぞれの圧力室４１０は、保持部材４０２の流路４１２、シリンダ４００の流路４１４、および上部材３００の流路４１６を介して図示しない流体供給源に接続されている。
【００４０】
各圧力室４１０に連通する流路４１２，４１４，４１６は互いに独立しており、それぞれの圧力室４１０に対応して圧力コントローラ（図示せず）が設けられている。このように、各圧力コントローラによって独立に圧力制御された流体が流路４１２，４１４，４１６を通って各圧力室４１０に供給されるようになっている。したがって、各圧力コントローラにより各圧力室４１０に供給する流体の圧力を調整することにより、弾性膜４０４を伸縮させてピストン４０６を上下動させ、リテーナリング３０２のリング部材４０８を所望の圧力で研磨パッド２２に押圧することができるようになっている。
【００４１】
このように、本実施形態では、複数の圧力室４１０に供給する流体の圧力を独立に制御することによって、リテーナリング３０２の周方向に沿って一様でない所定の圧力分布を形成することができる。すなわち、本実施形態においては、リング部材４０８と、このリング部材を押圧する複数の圧力室４１０とが、リテーナリング３０２の周方向に沿って一様でない所定の圧力分布を形成する圧力制御機構として機能している。
【００４２】
このような圧力制御機構により、例えば、研磨テーブル１２の回転方向の下流側に位置する部分の圧力が上流側に位置する部分よりも高くなるように、リテーナリング３０２が研磨パッド２２を押圧する圧力を制御することができる。この場合には、トップリング２０の回転に伴って各圧力室４１０に供給する流体の圧力を動的に変化させる必要が生じるが、トップリング２０の回転速度が高くなると、圧力制御の追従性が低下してくる。このような圧力制御の追従性の低下を防止するために、例えば、各圧力室４１０に対応して圧力切替弁（図示せず）を設け、圧力切替弁をトップリング２０の回転に伴って切り替えることで、予め用意された圧力の流体を各圧力室４１０に導入するようにしてもよい。
【００４３】
図示した例では、弾性膜４０４としてローリングダイヤフラムを用いている。ローリングダイヤフラムは、屈曲した部分を持つ弾性膜からなるもので、ローリングダイヤフラムで仕切る室の内部圧力の変化等により、その屈曲部が転動することにより室の空間を広げることができるものである。室が広がる際にダイヤフラムが外側の部材と摺動せず、ほとんど伸縮しないため、摺動摩擦が極めて少なくてすみ、ダイヤフラムを長寿命化することができ、また、リテーナリング３０２が研磨パッド２２に与える押圧力を精度よく調整することができるという利点がある。
【００４４】
このような構成により、リテーナリング３０２のリング部材４０８だけを下降させることができる。したがって、リテーナリング３０２のリング部材４０８が摩耗しても、下部材３０６と研磨パッド２２との距離を一定に維持することが可能となる。また、研磨パッド２２に接触するリング部材４０８とシリンダ４００とは変形自在な弾性膜４０４で接続されているため、荷重点のオフセットによる曲げモーメントが発生しない。
【００４５】
図６に示すように、上リング部材４０８ａの内側面には縦方向に延びるＶ字状溝４１８が均等に複数形成されている。また、下部材３０６の外周部には、外方に突出する複数のピン３４９が設けられており、このピン３４９がリング部材４０８のＶ字状溝４１８に係合するようになっている。Ｖ字状溝４１８内でリング部材４０８とピン３４９が相対的に上下方向にスライド可能になっているとともに、このピン３４９により上部材３００および下部材３０６を介してトップリング本体２００の回転がリテーナリング３０２に伝達され、トップリング本体２００とリテーナリング３０２は一体となって回転する。このような構成により、弾性膜（ローリングダイヤフラム）４０４のねじれを防止し、弾性膜の寿命を長くすることができる。
【００４６】
図７は、本発明の第２の実施形態におけるトップリング１０２０を示す模式図である。図７に示すように、このトップリング１０２０のリテーナリング１３０２は、上リング部材１４０８ａと下リング部材１４０８ｂとを有している。図８は、上リング部材１４０８ａと下リング部材１４０８ｂの拡大図である。図８に示すように、下リング部材１４０８ｂは、研磨面２２ａに接触する下面１４００と、テーパ面１４０１が形成された上面とを有している。また、上リング部材１４０８ａは、下リング部材１４０８ｂのテーパ面１４０１に当接可能なテーパ面１４０２が形成された下面を有している。
【００４７】
上下動可能なリテーナリング１３０２は、半径方向にわずかながら移動可能に構成されている。研磨中は、リテーナリング１３０２と研磨面２２ａとの間に生じる摩擦力と基板Ｗを保持するための半径方向の力とがリテーナリング１３０２に作用する。したがって、研磨中のリテーナリング１３０２は、研磨テーブル２２の回転方向の下流側に常に偏って位置することとなる。本実施形態では、図７および図８に示すように、上リング部材１４０８ａと下リング部材１４０８ｂとをテーパ面１４０２，１４０１で当接させることにより、リテーナリング１３０２に作用する半径方向の力ＦＲを下向きの力ＦＤに変換している。
【００４８】
このように、本実施形態においては、テーパ面１４０２を有する上リング部材１４０８ａと、テーパ面１４０１を有する下リング部材１４０８ｂとが、リテーナリング１３０２の周方向に沿って一様でない所定の圧力分布を形成する圧力制御機構として機能しており、特に、研磨テーブル１２の回転方向の下流側に位置する部分の圧力が上流側に位置する部分よりも高くなるように、リテーナリング１３０２が研磨パッド２２を押圧する圧力が制御される。なお、テーパ面１４０１とテーパ面１４０２との間に、例えばコロのような転動体を配置してもよい。このようにすれば、よりスムーズに下方向の力を発生させることができる。
【００４９】
図９は、本発明の第３の実施形態におけるトップリングの部分拡大図である。図９に示すように、このトップリングのリテーナリング２３０２は、第１の実施形態におけるリテーナリング３０２と第２の実施形態におけるリテーナリング１３０２とを組み合わせたものである。すなわち、リテーナリング２３０２は、ピストン４０６に当接する上リング部材２４０８ａと、研磨面２２ａに接触する下リング部材２４０８ｂとに分割されたリング部材２４０８を備えており、下リング部材２４０８ｂは、研磨面２２ａに接触する下面２４００と、テーパ面１４０１が形成された上面とを有している。また、上リング部材２４０８ａは、下リング部材２４０８ｂのテーパ面２４０１に当接可能なテーパ面２４０２が形成された下面を有している。
【００５０】
第１の実施形態においては、複数の圧力室４１０が形成されている例を説明したが、本実施形態のリテーナリング１３０２では、上述した上リング部材２４０８ａおよび下リング部材２４０８ｂにより圧力制御機構が構成されるので、必ずしも圧力室４１０を複数個設ける必要はない。
【００５１】
この場合において、上リング部材２４０８ａの上下方向の移動を規制しなければ、上リング部材２４０８ａの上方には圧力室４１０があるため、上リング部材２４０８ａおよび下リング部材２４０８ｂのテーパ面２４０２，２４０１の当接によって発生する上下方向の力が圧力室４１０によって吸収されてしまい、圧力室４１０によって与えられる以上の力がリング部材２４０８に働くことがない。そこで、本実施形態では、シリンダ４００の内周面に、上リング部材２４０８ａと接触して上リング部材２４０８ａの上下方向の移動を規制する規制部材２５００を設けている。例えば摩擦係数の大きなゴムなどを規制部材２５００として用いることができる。
【００５２】
このような規制部材２５００を設けることにより、研磨テーブル２２の回転方向の下流側の上リング部材２４０８ａが浮き上がろうとするのを抑制することができる。したがって、リング部材２４０８ａおよび下リング部材２４０８ｂのテーパ面２４０２，２４０１の当接によって発生する力を圧力室４１０によって発生する力よりも大きくすることができ、より積極的に研磨テーブル２２の回転方向の下流側におけるリテーナリング２３０２の押圧力を増加させることができる。なお、第２の実施形態と同様にテーパ面２４０１とテーパ面２４０２との間に、コロのような転動体を配置してもよい。
【００５３】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の実施形態における研磨装置を示す図である。
【図２】図１に示す研磨装置のトップリングの断面図である。
【図３】図１に示す研磨装置のトップリングの断面図である。
【図４】図１に示す研磨装置のトップリングの断面図である。
【図５】図１に示す研磨装置のトップリングの断面図である。
【図６】図２に示すトップリングのリテーナリング付近の拡大図である。
【図７】本発明の第２の実施形態におけるトップリングを示す模式図である。
【図８】図７に示すトップリングのリテーナリングの拡大図である。
【図９】本発明の第３の実施形態におけるトップリングの部分拡大図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０ 研磨装置
２０，１０２０ トップリング
２２ 研磨パッド
２２ａ 研磨面
４０ ドレッシングユニット
２００ トップリング本体
３００ 上部材
３０２，１３０２，２３０２ リテーナリング
３０４ 中間部材
３０６ 下部材
３１４，４０４ 弾性膜
４００ シリンダ
４０２ 保持部材
４０６ ピストン
４０８，２４０８ リング部材
４０８ａ，１４０８ａ，２４０８ａ 上リング部材
４０８ｂ，１４０８ｂ，２４０８ｂ 下リング部材
１４００，２４００ 下面
１４０１，１４０２，２４０１，２４０２ テーパ面
２５００ 規制部材
Ｗ 半導体ウェハ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研磨対象物である基板を保持して研磨面に押圧する基板保持装置、特に半導体ウェハなどの基板を研磨して平坦化する研磨装置において該基板を保持する基板保持装置に関するものである。また、本発明は、かかる基板保持装置を備えた研磨装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスがますます微細化され素子構造が複雑になり、またロジック系の多層配線の層数が増えるに伴い、半導体デバイスの表面の凹凸はますます増え、段差が大きくなる傾向にある。半導体デバイスの製造では薄膜を形成し、パターンニングや開孔を行う微細加工の後、次の薄膜を形成するという工程を何回も繰り返すためである。
【０００３】
半導体デバイスの表面の凹凸が増えると、薄膜形成時に段差部での膜厚が薄くなったり、配線の断線によるオープンや配線層間の絶縁不良によるショートが起こったりするため、良品が取れなかったり、歩留まりが低下したりする傾向がある。また、初期的に正常動作をするものであっても、長時間の使用に対しては信頼性の問題が生じる。さらに、リソグラフィ工程における露光時に、照射表面に凹凸があると露光系のレンズ焦点が部分的に合わなくなるため、半導体デバイスの表面の凹凸が増えると微細パターンの形成そのものが難しくなるという問題が生ずる。
【０００４】
したがって、半導体デバイスの製造工程においては、半導体デバイス表面の平坦化技術がますます重要になっている。この平坦化技術のうち、最も重要な技術は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing））である。この化学的機械的研磨は、研磨装置を用いて、シリカ（ＳｉＯ２）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッド等の研磨面上に供給しつつ半導体ウェハなどの基板を研磨面に摺接させて研磨を行うものである。
【０００５】
この種の研磨装置は、研磨パッドからなる研磨面を有する研磨テーブルと、半導体ウェハを保持するための基板保持装置とを備えている。このような研磨装置を用いて半導体ウェハの研磨を行う場合には、基板保持装置により半導体ウェハを保持しつつ、この半導体ウェハを研磨テーブルに対して所定の圧力で押圧する。このとき、研磨テーブルと基板保持装置とを相対運動させることにより半導体ウェハが研磨面に摺接し、半導体ウェハの表面が平坦かつ鏡面に研磨される。
【０００６】
このような研磨装置において、研磨面として使用される研磨パッドは弾性を有するため、研磨中の半導体ウェハの外周縁部に加わる押圧力が不均一になり、半導体ウェハの外周縁部のみが多く研磨される、いわゆる「縁だれ」などの不均一な研磨を起こしてしまう場合がある。このような縁だれを防止するため、半導体ウェハの側端部をリテーナリングによって保持するとともに、リテーナリングによって半導体ウェハの外周縁側に位置する研磨面を押圧する構造を備えた基板保持装置も用いられている。
【０００７】
ここで、従来のリテーナリングは、周方向の全長にわたって均等に研磨面を押圧するように構成されている。しかしながら、上述したように、研磨面として使用される研磨パッドは弾性を有するため、研磨テーブルの回転方向の上流側に位置するリテーナリングの最外周において、研磨パッドの弾性変形による抵抗が極端に大きくなる。このため、リテーナリングが研磨テーブルの回転方向の下流側に押され、リテーナリングに傾きが生じる。従来の基板保持装置は、このようなリテーナリングの傾きが生じても、リテーナリングが研磨面を押圧する圧力を大きくすることで、半導体ウェハが基板保持装置から飛び出すことを防止しており、また、リテーナリングの傾きによる研磨プロファイルの不均一は、半導体ウェハの回転による平均化により解消していた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した従来のリテーナリングでは、研磨パッドの温度と研磨プロファイルの制御性を高めることが難しい。したがって、研磨パッドの温度と研磨プロファイルの制御性をより高めるためには、リテーナリングが研磨面を押圧する圧力を周方向に沿って制御する必要が生じている。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、リテーナリングが研磨面を押圧する圧力を周方向に沿って制御することができる基板保持装置およびかかる基板保持装置を備えた研磨装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様によれば、リテーナリングが研磨面を押圧する圧力を周方向に沿って制御することができる基板保持装置が提供される。この基板保持装置は、基板を研磨面に押圧するトップリング本体と、上記トップリング本体の外周部に設けられ、上記研磨面を押圧するリテーナリングとを備えている。上記リテーナリングは、該リテーナリングの周方向に沿って一様でない所定の圧力分布を形成するように、上記リテーナリングが上記研磨面を押圧する圧力を制御する圧力制御機構を備えている。
【００１１】
ここで、上記圧力制御機構を、上記研磨面に接触するリング部材と、独立に圧力制御された流体により上記リング部材を上記研磨面に押圧する複数の圧力室とにより構成することができる。あるいは、上記圧力制御機構を、上記研磨面に接触する下面とテーパ面が形成された上面とを有する下リング部材と、上記下リング部材のテーパ面に当接可能なテーパ面が形成された下面を有し、上記テーパ面の当接により上記下リング部材に作用する径方向の力を下向きの力に変える上リング部材とにより構成することができる。また、上記圧力制御機構を、上記研磨面に接触する下面とテーパ面が形成された上面とを有する下リング部材と、上記下リング部材のテーパ面に当接可能なテーパ面が形成された下面を有し、上記テーパ面の当接により上記下リング部材に作用する径方向の力を下向きの力に変える上リング部材と、圧力制御された流体により上記上リング部材を上記研磨面側に押圧する圧力室と、上記上リング部材と接触して該上リング部材の上下方向の移動を規制する規制部材とにより構成することもできる。また、上記圧力制御機構は、上記所定の圧力分布が静止系からみて一定となるように、上記トップリング本体の回転に応じて、上記リテーナリングが上記研磨面を押圧する圧力を制御することが好ましい。
【００１２】
本発明の第２の態様によれば、リテーナリングが研磨面を押圧する圧力を周方向に沿って制御することができる基板保持装置を備えた研磨装置が提供される。この研磨装置は、上記研磨面を有する回転可能な研磨テーブルと、上述した基板保持装置とを備えている。この場合において、上記基板保持装置の圧力制御機構は、上記研磨テーブルの回転方向の下流側に位置する部分の圧力が上流側に位置する部分の圧力よりも高くなるように、上記リテーナリングが上記研磨面を押圧する圧力を制御することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、上述した圧力制御機構によって、リテーナリングの周方向に沿って一様でない所定の圧力分布を形成することができる。例えば、研磨テーブルの回転方向の下流側に位置する部分の圧力が上流側に位置する部分よりも高くなるように、リテーナリングが研磨パッドを押圧する圧力を制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る研磨装置の実施形態について図１から図９を参照して詳細に説明する。なお、図１から図９において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態における研磨装置１０を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置１０は、研磨テーブル１２と、支軸１４の上端に連結されたトップリングヘッド１６と、トップリングヘッド１６の自由端に取り付けられたトップリングシャフト１８と、トップリングシャフト１８の下端に連結された略円盤状のトップリング２０とを備えている。
【００１６】
研磨テーブル１２は、テーブル軸１２ａを介してその下方に配置されるモータ（図示せず）に連結されており、そのテーブル軸１２ａ周りに回転可能になっている。この研磨テーブル１２の上面には研磨パッド２２が貼付されており、研磨パッド２２の表面２２ａが半導体ウェハＷを研磨する研磨面を構成している。
【００１７】
なお、市場で入手できる研磨パッドとしては種々のものがあり、例えば、ロデール社製のＳＵＢＡ８００、ＩＣ−１０００、ＩＣ−１０００／ＳＵＢＡ４００（二層クロス）、フジミインコーポレイテッド社製のＳｕｒｆｉｎ ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ ０００等がある。ＳＵＢＡ８００、Ｓｕｒｆｉｎ ｘｘｘ−５、Ｓｕｒｆｉｎ ０００は繊維をウレタン樹脂で固めた不織布であり、ＩＣ−１０００は硬質の発泡ポリウレタン（単層）である。発泡ポリウレタンは、ポーラス（多孔質状）になっており、その表面に多数の微細なへこみまたは孔を有している。
【００１８】
トップリングシャフト１８は、図示しないモータの駆動により回転するようになっている。このトップリングシャフト１８の回転により、トップリング２０がトップリングシャフト１８周りに回転するようになっている。また、トップリングシャフト１８は、上下動機構２４によりトップリングヘッド１６に対して上下動するようになっており、このトップリングシャフト１８の上下動によりトップリング２０がトップリングヘッド１６に対して上下動するようになっている。なお、トップリングシャフト１８の上端にはロータリージョイント２５が取り付けられている。
【００１９】
トップリング２０は、その下面に半導体ウェハＷなどの基板を保持できるようになっている。トップリングヘッド１６は支軸１４を中心として旋回可能に構成されており、下面に半導体ウェハＷを保持したトップリング２０は、トップリングヘッド１６の旋回により半導体ウェハＷの受取位置から研磨テーブル１２の上方に移動される。そして、トップリング２０を下降させて半導体ウェハＷを研磨パッド２２の表面（研磨面）２２ａに押圧する。このとき、トップリング２０および研磨テーブル１２をそれぞれ回転させ、研磨テーブル１２の上方に設けられた研磨液供給ノズル（図示せず）から研磨パッド２２上に研磨液を供給する。このように、半導体ウェハＷを研磨パッド２２の研磨面２２ａに摺接させて半導体ウェハＷの表面を研磨する。
【００２０】
トップリングシャフト１８およびトップリング２０を上下動させる上下動機構２４は、軸受２６を介してトップリングシャフト１８を回転可能に支持するブリッジ２８と、ブリッジ２８に取り付けられたボールねじ３２と、支柱３０により支持された支持台２９と、支持台２９上に設けられたＡＣサーボモータ３８とを備えている。サーボモータ３８を支持する支持台２９は、支柱３０を介してトップリングヘッド１６に固定されている。
【００２１】
ボールねじ３２は、サーボモータ３８に連結されたねじ軸３２ａと、このねじ軸３２ａが螺合するナット３２ｂとを備えている。トップリングシャフト１８は、ブリッジ２８と一体となって上下動するようになっている。したがって、サーボモータ３８を駆動すると、ボールねじ３２を介してブリッジ２８が上下動し、これによりトップリングシャフト１８およびトップリング２０が上下動する。
【００２２】
この研磨装置１０は、研磨テーブル１２の研磨面２２ａをドレッシングするドレッシングユニット４０を備えている。このドレッシングユニット４０は、研磨面２２ａに摺接されるドレッサ５０と、ドレッサ５０が連結されるドレッサシャフト５１と、ドレッサシャフト５１の上端に設けられたエアシリンダ５３と、ドレッサシャフト５１を回転自在に支持する揺動アーム５５とを備えている。ドレッサ５０の下部はドレッシング部材５０ａにより構成され、このドレッシング部材５０ａの下面には針状のダイヤモンド粒子が付着している。エアシリンダ５３は、支柱５６により支持された支持台５７上に配置されており、これらの支柱５６は揺動アーム５５に固定されている。
【００２３】
揺動アーム５５は図示しないモータに駆動されて、支軸５８を中心として旋回するように構成されている。ドレッサシャフト５１は、図示しないモータの駆動により回転し、このドレッサシャフト５１の回転により、ドレッサ５０がドレッサシャフト５１周りに回転するようになっている。エアシリンダ５３は、ドレッサシャフト５１を介してドレッサ５０を上下動させ、ドレッサ５０を所定の押圧力で研磨パッド２２の研磨面２２ａに押圧する。
【００２４】
研磨パッド２２の研磨面２２ａのドレッシングは次のようにして行われる。ドレッサ５０はエアシリンダ５３により研磨面２２ａに押圧され、これと同時に図示しない純水供給ノズルから純水が研磨面２２ａに供給される。この状態で、ドレッサ５０がドレッサシャフト５１周りに回転し、ドレッシング部材５０ａの下面（ダイヤモンド粒子）を研磨面２２ａに摺接させる。このようにして、ドレッサ５０により研磨パッド２２が削り取られ、研磨面２２ａがドレッシングされる。
【００２５】
次に、上述したトップリング２０についてより詳細に説明する。図２から図５は、このようなトップリング２０の断面図であり、複数の半径方向に沿って切断した図である。
【００２６】
図２から図５に示すように、トップリング２０は、半導体ウェハＷを研磨面２２ａに対して押圧するトップリング本体２００と、研磨面２２ａを直接押圧するリテーナリング３０２とから基本的に構成されている。トップリング本体２００は、円盤状の上部材３００と、上部材３００の下面に取り付けられた中間部材３０４と、中間部材３０４の下面に取り付けられた下部材３０６とを備えている。
【００２７】
リテーナリング３０２は、上部材３００の外周部に取り付けられている。上部材３００は、ボルト３０８によりトップリングシャフト１８に連結されている。また、中間部材３０４は、ボルト（図示せず）を介して上部材３００に固定されており、下部材３０６はボルト（図示せず）を介して上部材３００に固定されている。上部材３００、中間部材３０４、および下部材３０６は、例えばエンジニアリングプラスティック（例えば、ＰＥＥＫ）などの樹脂により形成されている。
【００２８】
下部材３０６の下面には、半導体ウェハの裏面に当接する弾性膜３１４が取り付けられている。この弾性膜３１４は、外周側に配置された環状のエッジホルダ３１６と、エッジホルダ３１６の内方に配置された環状のリプルホルダ３１８，３１９とによって下部材３０６の下面に取り付けられている。弾性膜３１４は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴム等の強度および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。エッジホルダ３１６はリプルホルダ３１８により保持され、リプルホルダ３１８は複数のストッパ３２０により下部材３０６の下面に取り付けられている。リプルホルダ３１９は複数のストッパ３２２により下部材３０６の下面に取り付けられている。
【００２９】
図２に示すように、弾性膜３１４の中央部にはセンター室３６０が形成されている。リプルホルダ３１９には、このセンター室３６０に連通する流路３２４が形成されており、下部材３０６には、この流路３２４に連通する流路３２５が形成されている。リプルホルダ３１９の流路３２４および下部材３０６の流路３２５は、図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体が流路３２５および流路３２４を通ってセンター室３６０に供給されるようになっている。
【００３０】
リプルホルダ３１８は、弾性膜３１４のリプル３１４ｂおよびエッジ３１４ｃをそれぞれ爪部３１８ｂ，３１８ｃで下部材３０６の下面に押さえつけるようになっており、リプルホルダ３１９は、弾性膜３１４のリプル３１４ａを爪部３１９ａで下部材３０６の下面に押さえつけるようになっている。
【００３１】
図３に示すように、弾性膜３１４のリプル３１４ａとリプル３１４ｂとの間には環状のリプル室３６１が形成されている。弾性膜３１４のリプルホルダ３１８とリプルホルダ３１９との間には隙間３１４ｆが形成されており、下部材３０６にはこの隙間３１４ｆに連通する流路３４２が形成されている。また、中間部材３０４には、下部材３０６の流路３４２に連通する流路３４４が形成されている。下部材３０６の流路３４２と中間部材３０４の流路３４４との接続部分には、環状溝３４７が形成されている。この下部材３０６の流路３４２は、環状溝３４７および中間部材３０４の流路３４４を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通ってリプル室３６１に供給されるようになっている。また、この流路３４２は、図示しない真空ポンプにも切替可能に接続されており、真空ポンプの作動により弾性膜３１４の下面に半導体ウェハを吸着できるようになっている。
【００３２】
図４に示すように、リプルホルダ３１８には、弾性膜３１４のリプル３１４ｂおよびエッジ３１４ｃによって形成される環状のアウター室３６２に連通する流路３２６が形成されている。また、下部材３０６には、リプルホルダ３１８の流路３２６にコネクタ３２７を介して連通する流路３２８が、中間部材３０４には、下部材３０６の流路３２８に連通する流路３２９がそれぞれ形成されている。このリプルホルダ３１８の流路３２６は、下部材３０６の流路３２８および中間部材３０４の流路３２９を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通ってアウター室３６２に供給されるようになっている。
【００３３】
図５に示すように、エッジホルダ３１６は、弾性膜３１４のエッジ３１４ｄを押さえて下部材３０６の下面に保持するようになっている。このエッジホルダ３１６には、弾性膜３１４のエッジ３１４ｃおよびエッジ３１４ｄによって形成される環状のエッジ室３６３に連通する流路３３４が形成されている。また、下部材３０６には、エッジホルダ３１６の流路３３４に連通する流路３３６が、中間部材３０４には、下部材３０６の流路３３６に連通する流路３３８がそれぞれ形成されている。このエッジホルダ３１６の流路３３４は、下部材３０６の流路３３６および中間部材３０４の流路３３８を介して図示しない流体供給源に接続されており、加圧された流体がこれらの流路を通ってエッジ室３６３に供給されるようになっている。
【００３４】
このように、本実施形態におけるトップリング２０においては、弾性膜３１４と下部材３０６との間に形成される圧力室、すなわち、センター室３６０、リプル室３６１、アウター室３６２、およびエッジ室３６３に供給する流体の圧力を調整することにより、半導体ウェハを研磨パッド２２に押圧する押圧力を半導体ウェハの部分ごとに調整できるようになっている。
【００３５】
図６は、図２に示すリテーナリング３０２の拡大図である。リテーナリング３０２は、半導体ウェハの外周縁を保持するものであり、図６に示すように、上部が閉塞された円筒状のシリンダ４００と、シリンダ４００の上部に取り付けられた保持部材４０２と、保持部材４０２によりシリンダ４００内に保持される弾性膜４０４と、弾性膜４０４の下端部に接続されたピストン４０６と、ピストン４０６により下方に押圧されるリング部材４０８とを備えている。リング部材４０８の外周面とシリンダ４００の下端との間には上下方向に伸縮自在な接続シート４２０が設けられている。この接続シート４２０は、リング部材４０８とシリンダ４００との間の隙間を埋めることで研磨液（スラリー）の浸入を防止する役割を持っている。
【００３６】
弾性膜３１４のエッジ（外周縁）３１４ｄには、弾性膜３１４とリテーナリング３０２とを接続する、上方に屈曲した形状のシール部材４２２が形成されている。このシール部材４２２は弾性膜３１４とリング部材４０８との隙間を埋めるように配置されており、変形しやすい材料から形成されている。シール部材４２２は、トップリング本体２００とリテーナリング３０２との相対移動を許容しつつ、弾性膜３１４とリテーナリング３０２との隙間に研磨液が浸入してしまうことを防止するために設けられている。本実施形態では、シール部材４２２は弾性膜３１４のエッジ３１４ｄに一体的に形成されており、断面Ｕ字型の形状を有している。
【００３７】
ここで、接続シート４２０やシール部材４２２を設けない場合は、研磨液がトップリング２０内に浸入してしまい、トップリング２０を構成するトップリング本体２００やリテーナリング３０２の正常な動作を阻害してしまう。本実施形態によれば、接続シート４２０やシール部材４２２によって研磨液のトップリング２０への浸入を防止することができ、これによりトップリング２０を正常に動作させることができる。なお、弾性膜４０４、接続シート４２０、およびシール部材４２２は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコンゴム等の強度および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。
【００３８】
リング部材４０８は、ピストン４０６に当接する上リング部材４０８ａと、研磨面２２ａに接触する下リング部材４０８ｂとに分割されている。この上リング部材４０８ａの外周面および下リング部材４０８ｂの外周面には、周方向に延びるフランジ部がそれぞれ形成されている。これらのフランジ部はクランプ４３０により把持されており、これにより上リング部材４０８ａと下リング部材４０８ｂとが締結されている。
【００３９】
ここで、弾性膜４０４は周方向に複数の隔膜（図示せず）を有しており、弾性膜４０４の内部には周方向に分割された複数の圧力室４１０が形成されている。この圧力室４１０の数は３以上であることが好ましい。図６に示すように、保持部材４０２には、それぞれの圧力室４１０に連通する流路４１２が形成されており、シリンダ４００の上部には、これらの流路４１２に連通する流路４１４が形成されている。さらに、上部材３００には、シリンダ４００の流路４１４に連通する流路４１６が形成されている。それぞれの圧力室４１０は、保持部材４０２の流路４１２、シリンダ４００の流路４１４、および上部材３００の流路４１６を介して図示しない流体供給源に接続されている。
【００４０】
各圧力室４１０に連通する流路４１２，４１４，４１６は互いに独立しており、それぞれの圧力室４１０に対応して圧力コントローラ（図示せず）が設けられている。このように、各圧力コントローラによって独立に圧力制御された流体が流路４１２，４１４，４１６を通って各圧力室４１０に供給されるようになっている。したがって、各圧力コントローラにより各圧力室４１０に供給する流体の圧力を調整することにより、弾性膜４０４を伸縮させてピストン４０６を上下動させ、リテーナリング３０２のリング部材４０８を所望の圧力で研磨パッド２２に押圧することができるようになっている。
【００４１】
このように、本実施形態では、複数の圧力室４１０に供給する流体の圧力を独立に制御することによって、リテーナリング３０２の周方向に沿って一様でない所定の圧力分布を形成することができる。すなわち、本実施形態においては、リング部材４０８と、このリング部材を押圧する複数の圧力室４１０とが、リテーナリング３０２の周方向に沿って一様でない所定の圧力分布を形成する圧力制御機構として機能している。
【００４２】
このような圧力制御機構により、例えば、研磨テーブル１２の回転方向の下流側に位置する部分の圧力が上流側に位置する部分よりも高くなるように、リテーナリング３０２が研磨パッド２２を押圧する圧力を制御することができる。この場合には、トップリング２０の回転に伴って各圧力室４１０に供給する流体の圧力を動的に変化させる必要が生じるが、トップリング２０の回転速度が高くなると、圧力制御の追従性が低下してくる。このような圧力制御の追従性の低下を防止するために、例えば、各圧力室４１０に対応して圧力切替弁（図示せず）を設け、圧力切替弁をトップリング２０の回転に伴って切り替えることで、予め用意された圧力の流体を各圧力室４１０に導入するようにしてもよい。
【００４３】
図示した例では、弾性膜４０４としてローリングダイヤフラムを用いている。ローリングダイヤフラムは、屈曲した部分を持つ弾性膜からなるもので、ローリングダイヤフラムで仕切る室の内部圧力の変化等により、その屈曲部が転動することにより室の空間を広げることができるものである。室が広がる際にダイヤフラムが外側の部材と摺動せず、ほとんど伸縮しないため、摺動摩擦が極めて少なくてすみ、ダイヤフラムを長寿命化することができ、また、リテーナリング３０２が研磨パッド２２に与える押圧力を精度よく調整することができるという利点がある。
【００４４】
このような構成により、リテーナリング３０２のリング部材４０８だけを下降させることができる。したがって、リテーナリング３０２のリング部材４０８が摩耗しても、下部材３０６と研磨パッド２２との距離を一定に維持することが可能となる。また、研磨パッド２２に接触するリング部材４０８とシリンダ４００とは変形自在な弾性膜４０４で接続されているため、荷重点のオフセットによる曲げモーメントが発生しない。
【００４５】
図６に示すように、上リング部材４０８ａの内側面には縦方向に延びるＶ字状溝４１８が均等に複数形成されている。また、下部材３０６の外周部には、外方に突出する複数のピン３４９が設けられており、このピン３４９がリング部材４０８のＶ字状溝４１８に係合するようになっている。Ｖ字状溝４１８内でリング部材４０８とピン３４９が相対的に上下方向にスライド可能になっているとともに、このピン３４９により上部材３００および下部材３０６を介してトップリング本体２００の回転がリテーナリング３０２に伝達され、トップリング本体２００とリテーナリング３０２は一体となって回転する。このような構成により、弾性膜（ローリングダイヤフラム）４０４のねじれを防止し、弾性膜の寿命を長くすることができる。
【００４６】
図７は、本発明の第２の実施形態におけるトップリング１０２０を示す模式図である。図７に示すように、このトップリング１０２０のリテーナリング１３０２は、上リング部材１４０８ａと下リング部材１４０８ｂとを有している。図８は、上リング部材１４０８ａと下リング部材１４０８ｂの拡大図である。図８に示すように、下リング部材１４０８ｂは、研磨面２２ａに接触する下面１４００と、テーパ面１４０１が形成された上面とを有している。また、上リング部材１４０８ａは、下リング部材１４０８ｂのテーパ面１４０１に当接可能なテーパ面１４０２が形成された下面を有している。
【００４７】
上下動可能なリテーナリング１３０２は、半径方向にわずかながら移動可能に構成されている。研磨中は、リテーナリング１３０２と研磨面２２ａとの間に生じる摩擦力と基板Ｗを保持するための半径方向の力とがリテーナリング１３０２に作用する。したがって、研磨中のリテーナリング１３０２は、研磨テーブル２２の回転方向の下流側に常に偏って位置することとなる。本実施形態では、図７および図８に示すように、上リング部材１４０８ａと下リング部材１４０８ｂとをテーパ面１４０２，１４０１で当接させることにより、リテーナリング１３０２に作用する半径方向の力ＦＲを下向きの力ＦＤに変換している。
【００４８】
このように、本実施形態においては、テーパ面１４０２を有する上リング部材１４０８ａと、テーパ面１４０１を有する下リング部材１４０８ｂとが、リテーナリング１３０２の周方向に沿って一様でない所定の圧力分布を形成する圧力制御機構として機能しており、特に、研磨テーブル１２の回転方向の下流側に位置する部分の圧力が上流側に位置する部分よりも高くなるように、リテーナリング１３０２が研磨パッド２２を押圧する圧力が制御される。なお、テーパ面１４０１とテーパ面１４０２との間に、例えばコロのような転動体を配置してもよい。このようにすれば、よりスムーズに下方向の力を発生させることができる。
【００４９】
図９は、本発明の第３の実施形態におけるトップリングの部分拡大図である。図９に示すように、このトップリングのリテーナリング２３０２は、第１の実施形態におけるリテーナリング３０２と第２の実施形態におけるリテーナリング１３０２とを組み合わせたものである。すなわち、リテーナリング２３０２は、ピストン４０６に当接する上リング部材２４０８ａと、研磨面２２ａに接触する下リング部材２４０８ｂとに分割されたリング部材２４０８を備えており、下リング部材２４０８ｂは、研磨面２２ａに接触する下面２４００と、テーパ面１４０１が形成された上面とを有している。また、上リング部材２４０８ａは、下リング部材２４０８ｂのテーパ面２４０１に当接可能なテーパ面２４０２が形成された下面を有している。
【００５０】
第１の実施形態においては、複数の圧力室４１０が形成されている例を説明したが、本実施形態のリテーナリング１３０２では、上述した上リング部材２４０８ａおよび下リング部材２４０８ｂにより圧力制御機構が構成されるので、必ずしも圧力室４１０を複数個設ける必要はない。
【００５１】
この場合において、上リング部材２４０８ａの上下方向の移動を規制しなければ、上リング部材２４０８ａの上方には圧力室４１０があるため、上リング部材２４０８ａおよび下リング部材２４０８ｂのテーパ面２４０２，２４０１の当接によって発生する上下方向の力が圧力室４１０によって吸収されてしまい、圧力室４１０によって与えられる以上の力がリング部材２４０８に働くことがない。そこで、本実施形態では、シリンダ４００の内周面に、上リング部材２４０８ａと接触して上リング部材２４０８ａの上下方向の移動を規制する規制部材２５００を設けている。例えば摩擦係数の大きなゴムなどを規制部材２５００として用いることができる。
【００５２】
このような規制部材２５００を設けることにより、研磨テーブル２２の回転方向の下流側の上リング部材２４０８ａが浮き上がろうとするのを抑制することができる。したがって、リング部材２４０８ａおよび下リング部材２４０８ｂのテーパ面２４０２，２４０１の当接によって発生する力を圧力室４１０によって発生する力よりも大きくすることができ、より積極的に研磨テーブル２２の回転方向の下流側におけるリテーナリング２３０２の押圧力を増加させることができる。なお、第２の実施形態と同様にテーパ面２４０１とテーパ面２４０２との間に、コロのような転動体を配置してもよい。
【００５３】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の実施形態における研磨装置を示す図である。
【図２】図１に示す研磨装置のトップリングの断面図である。
【図３】図１に示す研磨装置のトップリングの断面図である。
【図４】図１に示す研磨装置のトップリングの断面図である。
【図５】図１に示す研磨装置のトップリングの断面図である。
【図６】図２に示すトップリングのリテーナリング付近の拡大図である。
【図７】本発明の第２の実施形態におけるトップリングを示す模式図である。
【図８】図７に示すトップリングのリテーナリングの拡大図である。
【図９】本発明の第３の実施形態におけるトップリングの部分拡大図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０ 研磨装置
２０，１０２０ トップリング
２２ 研磨パッド
２２ａ 研磨面
４０ ドレッシングユニット
２００ トップリング本体
３００ 上部材
３０２，１３０２，２３０２ リテーナリング
３０４ 中間部材
３０６ 下部材
３１４，４０４ 弾性膜
４００ シリンダ
４０２ 保持部材
４０６ ピストン
４０８，２４０８ リング部材
４０８ａ，１４０８ａ，２４０８ａ 上リング部材
４０８ｂ，１４０８ｂ，２４０８ｂ 下リング部材
１４００，２４００ 下面
１４０１，１４０２，２４０１，２４０２ テーパ面
２５００ 規制部材
Ｗ 半導体ウェハ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を研磨面に押圧するトップリング本体と、前記トップリング本体の外周部に設けられ、前記研磨面を押圧するリテーナリングとを備えた基板保持装置であって、
前記リテーナリングは、該リテーナリングの周方向に沿って一様でない所定の圧力分布を形成するように、前記リテーナリングが前記研磨面を押圧する圧力を制御する圧力制御機構を備えたことを特徴とする基板保持装置。
【請求項２】
前記圧力制御機構は、
前記研磨面に接触するリング部材と、
独立に圧力制御された流体により前記リング部材を前記研磨面に押圧する複数の圧力室と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の基板保持装置。
【請求項３】
前記圧力制御機構は、
前記研磨面に接触する下面とテーパ面が形成された上面とを有する下リング部材と、
前記下リング部材のテーパ面に当接可能なテーパ面が形成された下面を有し、前記テーパ面の当接により前記下リング部材に作用する径方向の力を下向きの力に変える上リング部材と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の基板保持装置。
【請求項４】
前記圧力制御機構は、
前記研磨面に接触する下面とテーパ面が形成された上面とを有する下リング部材と、
前記下リング部材のテーパ面に当接可能なテーパ面が形成された下面を有し、前記テーパ面の当接により前記下リング部材に作用する径方向の力を下向きの力に変える上リング部材と、
圧力制御された流体により前記上リング部材を前記研磨面側に押圧する圧力室と、
前記上リング部材と接触して該上リング部材の上下方向の移動を規制する規制部材と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の基板保持装置。
【請求項５】
前記圧力制御機構は、前記所定の圧力分布が静止系からみて一定となるように、前記トップリング本体の回転に応じて、前記リテーナリングが前記研磨面を押圧する圧力を制御することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の基板保持装置。
【請求項６】
前記研磨面を有する回転可能な研磨テーブルと、
請求項１から５のいずれか一項に記載の基板保持装置と、
を備えたことを特徴とする研磨装置。
【請求項７】
前記基板保持装置の圧力制御機構は、前記研磨テーブルの回転方向の下流側に位置する部分の圧力が上流側に位置する部分の圧力よりも高くなるように、前記リテーナリングが前記研磨面を押圧する圧力を制御することを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
【請求項１】
基板を研磨面に押圧するトップリング本体と、前記トップリング本体の外周部に設けられ、前記研磨面を押圧するリテーナリングとを備えた基板保持装置であって、
前記リテーナリングは、該リテーナリングの周方向に沿って一様でない所定の圧力分布を形成するように、前記リテーナリングが前記研磨面を押圧する圧力を制御する圧力制御機構を備えたことを特徴とする基板保持装置。
【請求項２】
前記圧力制御機構は、
前記研磨面に接触するリング部材と、
独立に圧力制御された流体により前記リング部材を前記研磨面に押圧する複数の圧力室と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の基板保持装置。
【請求項３】
前記圧力制御機構は、
前記研磨面に接触する下面とテーパ面が形成された上面とを有する下リング部材と、
前記下リング部材のテーパ面に当接可能なテーパ面が形成された下面を有し、前記テーパ面の当接により前記下リング部材に作用する径方向の力を下向きの力に変える上リング部材と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の基板保持装置。
【請求項４】
前記圧力制御機構は、
前記研磨面に接触する下面とテーパ面が形成された上面とを有する下リング部材と、
前記下リング部材のテーパ面に当接可能なテーパ面が形成された下面を有し、前記テーパ面の当接により前記下リング部材に作用する径方向の力を下向きの力に変える上リング部材と、
圧力制御された流体により前記上リング部材を前記研磨面側に押圧する圧力室と、
前記上リング部材と接触して該上リング部材の上下方向の移動を規制する規制部材と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の基板保持装置。
【請求項５】
前記圧力制御機構は、前記所定の圧力分布が静止系からみて一定となるように、前記トップリング本体の回転に応じて、前記リテーナリングが前記研磨面を押圧する圧力を制御することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の基板保持装置。
【請求項６】
前記研磨面を有する回転可能な研磨テーブルと、
請求項１から５のいずれか一項に記載の基板保持装置と、
を備えたことを特徴とする研磨装置。
【請求項７】
前記基板保持装置の圧力制御機構は、前記研磨テーブルの回転方向の下流側に位置する部分の圧力が上流側に位置する部分の圧力よりも高くなるように、前記リテーナリングが前記研磨面を押圧する圧力を制御することを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００６−３２４４１３（Ｐ２００６−３２４４１３Ａ）
【公開日】平成１８年１１月３０日（２００６．１１．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１４５５６６（Ｐ２００５−１４５５６６）
【出願日】平成１７年５月１８日（２００５．５．１８）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月３０日（２００６．１１．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月１８日（２００５．５．１８）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
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