(57)【特許請求の範囲】
【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球面軸受を介して傾動自在に支持する駆動軸とを有し、
前記駆動軸の中心部には軸孔が形成され、該軸孔内には、一端が流体源等の外部の装置と連通し、他端が前記トップリング本体とポリッシング対象物との間に連通する流通管が挿通され、
前記トップリング本体は、下面に基板を把持し、上面の中央に凹部が形成された把持板と、下面の中央に前記凹部と嵌合する凸部が形成された被覆板とを有し、
前記球面軸受は、少なくとも一部が前記把持板の凹部の内部に位置するように配置され、
前記把持板の凹部の深さを前記被覆板の凸部の高さよりも大きくして、前記凹部と前記凸部の間に隙間を形成し、
前記流通管は、前記凹部と前記凸部との間の隙間に連通されていることを特徴とする基板把持装置。
【請求項２】
前記把持板には上下に挿通する流通孔が形成され、
前記流通管は、前記凹部と前記凸部との間の隙間を介して前記把持板の連通孔に連通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。
【請求項３】
前記球面軸受は、前記駆動軸の下面に形成された凹所と前記被覆板の上面に形成された凹所の間に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の基板把持装置。
【請求項４】
前記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をさらに備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の基板把持装置。
【請求項５】
研磨面を有するターンテーブルと、請求項１から４のいずれか一項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。
【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】
この種のポリッシング装置の従来技術としては、例えば特開平６−１９８５６１号に記載されたポリッシング装置が知られている。こ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たトップリング本体と、トップリング本体を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。
【０００４】
トップリング本体１００は、図４および図５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１１０，１１２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】
駆動軸１０２の中心部には軸孔１１８が設けてあり、軸孔１１８の上部は流体供給源又は真空源等の外部の装置と連通し、また軸孔１１８の下部にはトップリング本体１００とポリッシング対象物である基板Ｗとの間隙部に連通するチューブ１２０の一端が接合してあり、チューブ１２０を介して、外部の装置とポリッシング装置との間の流体の受け渡しをしたり、トップリング本体１００に基板Ｗを真空吸着し、または研磨時にポリッシング対象物Ｗをターンテーブルに流体圧により押し付ける等の動作を行う。
【０００８】
【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が金属からなっており、その中心部の軸孔１１８内面にピンホールがあると、軸孔１１８の表面に防錆のためのコーティングをしても被覆が不十分となり、この表面が錆びるおそれがある。すると、この軸孔１１８を介してトップリング本体１００とポリッシング対象物Ｗとの間隙部に純水を供給しても、この錆が純水に混入してウエハを汚染し、製品の特性を鈍化させてしまう危険性があった。
【０００９】
この発明は、前記課題に鑑み、トップリングとポリッシング対象物の間にポリッシング対象物を汚染することがない清浄な流体を供給することができるような基板把持装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【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球面軸受を介して傾動自在に支持する駆動軸とを有し、前記駆動軸の中心部には軸孔が形成され、該軸孔内には、一端が流体源等の外部の装置と連通し、他端が前記トップリング本体とポリッシング対象物との間に連通する流通管が挿通され、前記トップリング本体は、下面に基板を把持し、上面の中央に凹部が形成された把持板と、下面の中央に前記凹部と嵌合する凸部が形成された被覆板とを有し、前記球面軸受は、少なくとも一部が前記把持板の凹部の内部に位置するように配置され、前記把持板の凹部の深さを前記被覆板の凸部の高さよりも大きくして、前記凹部と前記凸部の間に隙間を形成し、前記流通管は、前記凹部と前記凸部との間の隙間に連通されていることを特徴とする基板把持装置である。
【００１１】
本発明によれば、駆動軸の中心部に軸孔を設け、この軸孔内に駆動軸とは異なる適宜の材質による流通管を設け、この流通管により純水等の流体をトップリング本体とポリッシング対象物との間隙部に供給するので、錆が流体に混入するのが防止され、基板の錆による汚染が防止され、研磨の精度、品質を向上させる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、前記把持板には上下に挿通する流通孔が形成され、前記流通管は、前記凹部と前記凸部との間の隙間を介して前記把持板の連通孔に連通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。
請求項３に記載の発明は、前記球面軸受が、前記駆動軸の下面に形成された凹所と前記被覆板の上面に形成された凹所の間に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の基板把持装置である。
請求項４に記載の発明は、前記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をさらに備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の基板把持装置である。
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から４のいずれか一項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。
【００１３】
【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３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。
【００１４】
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。
【００１５】
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３６となっている。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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チューブ（流通管）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、下端は分岐部５７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。ロータリージョイント５２と軸孔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、軸孔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。
【００１９】
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６４、ロータリージョイント５２、流通管５６、分岐管５６ａ，５６ｂを介して把持板１６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。
【００２０】
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、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。
【００２１】
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、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を摺動自在に収容する球面状凹所８０が形成され、被覆板１８の上面中央の凹所３２の底面の中央に、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、構成されている。ベアリング７８の下端は、把持板１６の凹部２４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の中心と把持板１６の下面までの距離Ｌは２６ｍｍ以下に設定するのが好ましい。これにより本研磨装置は低支点タイプとなっており、基板に安定した荷重を加えることができる。
【００２２】
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。
【００２３】
駆動板６８の穴９０にはそれぞれの被駆動ピン８６をフランジ部６６の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１２の回転トルクを把持板１６に確実に伝達する。
【００２４】
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。この場合、流通管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。
【００２５】
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４８ａによる引込力は、駆動軸１２、ベアリングボール７８、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。
【００２６】
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。
【００２７】
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なうこともなく、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うことができる。
【００２８】
さらに、ベアリングボール７８が被覆板１８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。
【００２９】
研磨が終了すると、駆動軸１２が上昇させられ、トップリング本体１０が上昇させられ、トップリング本体１０をターンテーブル上から退避させ、基板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の下面に基板が吸着されており、次に、外部の流体供給装置５４の純水供給源６２をロータリージョイント５２に接続することにより、流通管５６から隙間Ｓ、把持板１６の流通孔３８を経て純水が基板を裏面から押すので、基板が把持板１６から容易に剥離する。
【００３０】
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。
【００３１】
このポリッシング装置においては、流通管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、流通管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。
【００３２】
【発明の効果】
この発明によれば、駆動軸の中心部に軸孔を設け、この軸孔内に駆動軸とは異なる適宜の材質による流通管を設け、この流通管により純水等の流体をトップリング本体とポリッシング対象物との間隙部に供給するので、特に流通管を耐食性のある材質により形成することで錆の生成が防止され、基板裏面に供給する流体を錆の混入のない清浄なものとして、研磨の精度、品質を向上させることができる。
【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】従来のポリッシング装置を示す断面図である。
【図５】図４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
５０    軸孔
５４    流体供給装置
５６    流通管
７０    球面軸受
７２    伝達機構
【図１】
0003693448.tif 000002
【図２】
0003693448.tif 000003
【図３】
0003693448.tif 000004
【図４】
0003693448.tif 000005
【図５】
0003693448.tif 000006