(57)【要約】【課題】  被研磨基板の温度の制御を、比較的簡単な構成でより直接的に、しかも正確に行うことのできる化学機械研磨装置の基板把持機構のヘッド構造を提供する。【解決手段】  基板の把持面を有するトップリングを備え、該トップリングの下面に被研磨基板を保持し、該基板の被研磨面を研磨テーブルの研磨面に押し付ける化学機械研磨装置の基板把持機構のヘッド構造において、該ヘッド内で被研磨基板の裏面に当接し、その内部に温度調整された流体をレギュレータ及び流量調整弁を介して流通させるエアーバックを設けてなる被研磨基板の温度制御機構を有することを特徴とする基板把持機構のヘッド構造。トップリング内に温度計を設けること、エアーバックとして非開放型又は開放型のものを使用すること、及び分割型エアーバックを使用することが好ましい。【選択図】      図１
2005268566.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の把持面を有するトップリングを備え、該トップリングの下面に被研磨基板を保持し、該基板の被研磨面を研磨テーブルの研磨面に押し付ける化学機械研磨装置の基板把持機構のヘッド構造において、
該ヘッド内で被研磨基板の裏面に当接し、その内部に温度調整された流体をレギュレータ及び流量調整弁を介して流通させるエアーバックを設けてなる被研磨基板の温度制御機構を有することを特徴とする基板把持機構のヘッド構造。
【請求項２】
基板の把持面を有するトップリングを備え、該トップリングの下面に被研磨基板を保持し、該基板の被研磨面を研磨テーブルの研磨面に押し付ける化学機械研磨装置の基板把持機構のヘッド構造において、
該ヘッド内で被研磨基板の裏面に当接し、その内部に温度調整された流体をレギュレータを介して導入するエアーバックを設け、該エアーバック内に被研磨基板の温度を測定する温度計を配置してなる被研磨基板の温度制御機構を有することを特徴とする基板把持機構のヘッド構造。
【請求項３】
前記温度計により被研磨基板の温度をモニターし、それにより温度調整された流体を導入又は流通させることにより被研磨基板の温度を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の基板把持機構のヘッド構造。
【請求項４】
前記エアーバックが非開放型又は開放型エアーバックであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の記載の基板把持機構のヘッド構造。
【請求項５】
前記エアーバックとして分割型エアーバックを使用することにより、被研磨基板の部分的な温度制御を可能にすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の基板把持機構のヘッド構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学機械研磨装置の基板把持機構のヘッド構造に関し、特に半導体ウエハ等の被研磨基板の表面を平坦化する研磨装置に用いるのに好適な基板把持機構のヘッド構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。特に線幅が０．５μｍ以下の光リソグラフィの場合、許容される焦点深度が浅くなるためステッパーの結像面の高度な平坦度を必要とする。そこで、半導体ウエハの表面を高度に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研磨装置により研磨することが広く行われている。
【０００３】
従来、この種の研磨装置は、上面に研磨布を貼付して研磨面を構成するターンテーブルと、基板の被研磨面をターンテーブルに向けて基板を保持するトップリングとを有し、これらをそれぞれ自転させながらトップリングにより基板を一定の圧力でターンテーブルに押し付け、砥液を供給しつつ基板の被研磨面を平坦に研磨している。
【０００４】
図８は、従来の研磨装置の一例であるポリッシング装置の主要部を示す図である。ポリッシング装置は、上面に研磨布１００を貼った回転するターンテーブル１０２と、回転及び押圧可能に被研磨物である半導体ウエハ（基板）Ｗを保持するトップリング１０４と、研磨布１００に砥液Ｑを供給する砥液供給ノズル１０６を備えている。トップリング１０４はトップリングシャフト１０８に連結され、このトップリングシャフト１０８は図示しないトップリングヘッドにエアシリンダを介して上下動可能に支持されている。
【０００５】
トップリング１０４は、その下面にポリウレタン製等の弾性マット１１０を備えており、この弾性マット１１０に接触させて半導体ウエハＷを保持するようになっている。さらにトップリング１０４は、研磨中に半導体ウエハＷがトップリング１０４の下面から外れないようにするため、円筒状のガイドリング１１２を外周縁部に備えている。ガイドリング１１２はトップリング１０４に対して固定され、その下端面はトップリング１０４把持面から突出しており、その内側に凹所を形成している。これにより、被研磨物である半導体ウエハＷが凹所内に保持され、研磨中にトップリング１０４外へ飛び出さないようになっている。
【０００６】
このような構成のポリッシング装置において、半導体ウエハＷをトップリング１０４の下面の弾性マット１１０の下部に保持し、ターンテーブル１０２上の研磨布１００に半導体ウエハＷをトップリング１０４によって押圧するとともに、ターンテーブル１０２及びトップリング１０４を回転させて研磨布１００と半導体ウエハＷを相対運動させて研磨する。このとき、砥液供給ノズル１０６から研磨布１００上に砥液Ｑを供給する。砥液は、例えばアルカリ溶液に微粒子からなる砥粒を懸濁したものを用い、アルカリによる化学的研磨作用と、砥粒による機械的研磨作用との複合作用によって半導体ウエハＷを研磨する。
【０００７】
上述したポリッシング装置により、半導体ウエハＷの全面に渡ってこれを高い精度で平坦化するためには、研磨量に影響する種々の複雑な要因を制御する必要がある。これらの要因としては、半導体ウエハＷとターンテーブル１０２の相対的な摺動速度、半導体ウエハＷと研磨布１００の間の面（研磨境界面）における砥液の供給量（分布量）、トップリング１０４から半導体ウエハＷに作用する研磨布１００に向けた押圧力、研磨境界面における温度等が挙げられる。
【０００８】
これらの要因のうち、研磨境界面の温度は、特に酸やアルカリの研磨液を用いて、いわゆる化学機械研磨（ＣＭＰ）を行う場合に、研磨速度に大きく影響するだけでなく、トップリング１０４が昇温して変形すると、押圧力にも影響する。従って、研磨境界面の温度を制御することは、研磨の平坦度に関して二重に意味を持つことになる。
【０００９】
この研磨境界面の温度制御手段を備えた基板把持装置として、特許文献１には、その図３〜４に示すように、基板の把持面を有する把持板を備え、該基板把持面に弾性マットを介して基板を保持し、該基板の被研磨面を研磨テーブルの研磨面に押し付ける基板把持装置において、該把持板の前記基板把持面には温度調整流体溝が設けられ、前記温度調整流体溝には温度調整流体を流入させて、前記弾性マットを介して基板の温度調整をするようにした基板把持装置が開示されている。
【００１０】
図９は、特許文献１の図３の温度調整用流体の流体流通溝の作用機構を理解しやすいように簡略化した断面図である。図９から分かるように、温度調整用流体９は、圧力調整装置（レギュレータ）５を経てトップリング２内に形成された複数の流通溝８を経て、トップリング２の下面を冷却するが、その冷却効果は弾性マット７を介して被研磨物であるウエハ１に熱伝導により伝わるため、冷却効果が劣るという欠点がある。また、出口には流動調整弁でなくレギュレータ５が取り付けられておるため、流体流通溝８内の流体の圧力が低下したときにしか温度調整用流体が供給されなく、冷却効果としては不満足なものであった。さらに、温度調整用流体９が弾性マット７の周囲から漏れてウエハ１の方に流れると、温度調整が不均一になるし、ウエハ１を汚染するという問題もあり、前記流体として液体を使用することができないという問題もある。
【００１１】
更に、トップリング２中に複数の流体流通溝８、８を形成し、かつ、この複数の流体流通溝８、８に複数の温度調整用流体の流路を形成しなければならなく、溝加工や穴加工の工程が繁雑であるばかりでなく、トップリング２の構造も複雑となる欠点がある。したがって、この流体流通溝を利用することは、どちらかと言えば、ウエハ１の裏面側に背圧を付与する面で効果的であると言えるものである。
【００１２】
上記の欠点を除去するものとして、図１０に示すエアーバックを使用する基板把持装置が提案されている。
この基板把持装置は、ウエハ１を下面に保持し、シャフト３で回転させられるトップリング２のウエハ１と接するヘッド部にエアーバッグ４を内蔵し、このエアーバッグ４には、温度制御された流体がレギュレータ５を経て供給されるように構成されている。
この基板把持装置は、図９に示す特許文献１に開示された基板支持装置とは異なり、弾性マットを介してウエハ１の温度制御を行うのではなく、ウエハ１の裏面をエアーバック４中の温度調整用流体が直接温度制御するように構成されている。もっとも、この基板把持装置においては、エアーバック４がウエハ１を均一に押圧するためのもので、前記レギュレータ５によって、エアーバック４内の圧力を所定の圧力に調整するものことを第１の目的としているから、内部の圧力が所定の圧力よりも低い場合のみ流体が流入するだけである。
【００１３】
【特許文献１】特開２０００−２２５５５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、この基板支持装置のウエハ温度の制御方式においても、ウエハの直接温度制御を意図しながらも、エアーバッグ４中の温度制御用流体の排出について全く考慮されていないため、ウエハ１裏面の温度制御用流体は置換されることがなく、押圧力を制御するための圧力を供給するだけの背圧付与流体として機能するだけである。従って、ウエハ１の温度は研磨とともに上昇する。
そして、Ｃｕ−ＣＭＰ（化学機械研磨）の場合、一定温度以上になると研磨レートの低下が生じる。特に、ウエハ中心部の研磨レートの低下が顕著である。
【００１５】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、基板の温度の制御を、比較的簡単な構成でより直接的に、しかも正確に行うことのできる化学機械研磨装置の基板把持機構のヘッド構造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】
【００１６】
本発明は、下記の手段により上記の課題を解決することができた。
（１）基板の把持面を有するトップリングを備え、該トップリングの下面に被研磨基板を保持し、該基板の被研磨面を研磨テーブルの研磨面に押し付ける化学機械研磨装置の基板把持機構のヘッド構造において、
該ヘッド内で被研磨基板の裏面に当接し、その内部に温度調整された流体をレギュレータ及び流量調整弁を介して流通させるエアーバックを設けてなる被研磨基板の温度制御機構を有することを特徴とする基板把持機構のヘッド構造。
（２）基板の把持面を有するトップリングを備え、該トップリングの下面に被研磨基板を保持し、該基板の被研磨面を研磨テーブルの研磨面に押し付ける化学機械研磨装置の基板把持機構のヘッド構造において、
該ヘッド内で被研磨基板の裏面に当接し、その内部に温度調整された流体をレギュレータを介して導入するエアーバックを設け、該エアーバック内に被研磨基板の温度を測定する温度計を配置してなる被研磨基板の温度制御機構を有することを特徴とする基板把持機構のヘッド構造。
（３）前記温度計により被研磨基板の温度をモニターし、それにより温度調整された流体を導入又は流通させることにより被研磨基板の温度を制御することを特徴とする前記（１）又は（２）記載の基板把持機構のヘッド構造。
（４）前記エアーバックが非開放型又は開放型エアーバックであることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか１項記載の記載の基板把持機構のヘッド構造。
（５）前記エアーバックとして分割型エアーバックを使用することにより、被研磨基板の部分的な温度制御を可能にすることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれか１項記載の基板把持機構のヘッド構造。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の基板把持機構のヘッド構造は、ヘッド内で被研磨基板（ウエハ）を裏面から温度制御するために、ウエハの裏面に温度を制御された流体（液体又は気体）を通して排出させるように構成されているため、効率的に熱交換が行われ、化学機械研磨（ＣＭＰ）処理中のウエハ温度を、長時間にわたって安定化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明は、これらの実施の形態により何等制限されるものではない。
【００１９】
図１は、本発明により、温度調整された流体、レギュレータ５及び流量調整弁（スピードコントローラ）６を使用することにより、トップリングとウエハの裏面の間の空間部を温度制御する機構を有する基板把持機構のヘッド構造の一実施形態の断面図である。
図１に示すヘッド構造においては、ウエハ１裏面の流体が、レギュレータ５と流量調整弁６をエアーバック４と組み合わせることにより置換される機構に構成されており、ヘッド構造内を流通させる流体は、所定温度に冷却して供給するように必要な手段が講じられている。なお、流体としては、気体はドライエアー、窒素ガス、ヘリウムガス、液体は水などが挙げられる。
【００２０】
このヘッド構造においては、ウエハ１を均一な圧力でターンテーブルに押し付けるためのエアーバック４が設けられ、流体がエアーバック４内の圧力を所定の圧力に維持調整するためのレギュレータ５を通ってエアーバック４内に入るが、流量調整弁６を通って連続的に、或いは間欠的に流通するようにすることにより、ウエハ１との間で熱交換が行われ、前記流体の温度を調整することにより、ウエハ１の温度を所定の温度に維持することができる。そして、この場合、熱の伝導が悪い弾性パッドが存在せず、エアーバック４の薄い皮膜を介して熱伝導が行われる。
その結果、長時間（厚膜Ｃｕ）のＣＭＰにおいても、温度上昇は生じず、研磨終了まで高研磨レートを維持できる。また、研磨レートを高めるために、高押しつけ圧、高回転にした場合も、温度上昇を制御することができた。
【００２１】
図５に、図１に示す本発明の基板把持機構のヘッド構造を使用してウエハ裏面を冷却した場合と、図１０に示す従来の流体が置換されないためウエハ裏面を冷却しない場合で、ウエハ通過直後のＰａｄ（研磨テーブル）表面温度を測定した結果の比較を示す。冷却した場合、温度上昇を抑えていることが分かる。
一方、冷却しない場合、温度上昇によって反応が低下し、それに伴って温度の低下が起こることが見られる。
【００２２】
次に、温度構成要素の一構成要素として、非開放型のエアーバックを使用する場合の実施形態の断面図を図２に示す。
図２は、トップリング２の下面である把持面がウエハ１をまだ保持していない状態の断面図である。化学機械研磨を行うときには、トップリング２は、図示してないトップリングの押圧リングを、図示してない研磨布を貼ったターンテーブルへ押圧するための押圧リング用エアシリンダにより、下方へ押し下げられ、図１に示すように、エアーバック４の底面とウエハ１の裏面が密着されるようになる。この機構の詳細については、前記した特許文献１の図１を参照されたい。
【００２３】
図２より明らかなように、エアーバック４は風船状になっており、加圧された温度調整用流体はエアーバックのみで密封されるように構成されているので、流体の密封性には問題がない。
加圧状態の温度調整流体は、エアーバック材料を介して半導体ウエハ４の裏面に接するので、開放型のものに比して熱伝導の点では若干劣ることになる。
【００２４】
これに対して、開放型のエアーバックを使用した実施形態の断面図を図３に示す。
図３の場合も図２の場合と同様に、トップリング２がウエハ１を保持していない状態の断面図を示している。図２で説明したのと同様に、ウエハ４を研磨する状態では、エアーバック４の底面はウエハ１の裏面に密着されるようになる。
【００２５】
図３より明らかなように、エアーバック４の底面は開放状態になっており、研磨状態でエアーバック４の周縁部でウエハ１と接してシール部を形成し、加圧状態の温度調整用流体が密封されるように構成されているので、加圧状態の流体を密封することができる。ただ、その密封性は非開放型のものよりも劣ることになる。
しかしながら、加圧状態の温度調整用流体が直接ウエハ１の裏面と接するため、効率的に熱交換が行われるという利点がある。
【００２６】
続いて、レギュレータ５と流量調整弁６の複数の組合せを用いて、複数の分割型エアーバック４に別々に温度調整用流体を流通させて、ウエハ４の周縁部分、中間部分及び中心部分をそれぞれ別個に温度制御を行えるようにした実施形態の断面図及びエアーバックの平面図を図４に示す。（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）はエアーバックの平面図である。
なお、図４（Ａ）の断面図は、トップリング２の把持面がウエハ４を保持する寸前の状態を示す図である。
【００２７】
このように、分割された形に構成された各分割型エアーバック４Ａ、４Ｂ、４Ｃに、それぞれ別個の対を形成するレギュレータ５と流量調整弁６のそれぞれ別個の組合せを使用して、それぞれ異なる流量の温度調整用の流体を流通させることにより、ウエハ４の周縁部、中間部及び中心部をそれぞれ別々に冷却することができる。
【００２８】
上記の構成の分割型エアーバックを温度調整機構の構成要素として使用することにより、ウエハ４の各領域ごとの温度制御が可能となるので、特にＣｕ−ＣＭＰの場合に一定温度以上になると研磨レートの低下が発生し、特にウエハの中心部の研磨レートの低下が温度上昇により顕著となる現象が生じるが、中心領域を意識的に強く冷却することにより、有効に研磨レートの低下現象を防止することが可能になる。
【００２９】
上記した温度調整機構ではエアーバック内に温度調整した流体を導入させることによりウエハ４の温度制御を行っているが、温度制御を正確に行うためには、ウエハのような被研磨基板の温度を正確に測定することが前提となる。ところで、従来はウエハの表面温度を直接測定できないため、ウエハの温度をウエハが通過した後のパッド表面温度を測定していた。
ところで、弾性マットを使用しないエアーバック方式では、直接ウエハ裏面の温度を測定することが可能である。そこで、本発明では、トップリング内に温度計を設けることにより、ウエハ裏面の温度を測定するようにした。そのモニタリングをすることにより温度調整機構によるウエハの温度制御を一層正確に行うことができる。
【００３０】
トップリング内に温度計を設ける際には、温度計がウエハに直接触れると、ウエハにゆがみを与えるので、非接触型の放射温度計などを用いるのが好適であり、放射温度計としては赤外放射温度計が好ましく用いられる。ただし、赤外放射温度計を用いる場合には、赤外線がＳｉウエハを透過してしまうので、メタルウエハにしか適しないという問題がある。放射温度計などを用いる場合には、エアーバックを放射電磁線（光線も含む）が透過する材料で作製すれば、温度計の測定端がエアーバックの上にあっても、十分測定することができる。ただ、エアーバックの皮膜が薄くても、それは放射電磁線の透過を多少阻害するので、エアーバックとして図３に示す開放型のものを使用すると、ウエハの裏面上にエアーバックの皮膜が存在しないので、測定精度が向上する利点がある。
【００３１】
トップリング内に温度計を設置する態様としては、図６及び図７の構成が考えられる。この温度計を設置する態様については、図１のように、その内部に温度調整された流体をレギュレータ及び流量調整弁を介して流通させるエアーバックを用いなくても、温度調整された流体をレギュレータを介して導入するだけの形式のもの、すなわち図１０の形式のものでもよい。それが図６に示すものであり、トップリング２内に温度計１０が設けられている。
また、図７は、図１に示す、その内部に温度調整された流体をレギュレータ及び流量調整弁を介して流通させるエアーバックを用いる形式のものであり、トップリング２内に温度計１０が設けられていて、エアーバック４内に温度調整された流体が流通するため、ウエハ１の温度調整がより一層容易に且つ正確になる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の化学機械研磨（ＣＭＰ）装置の基板把持機構のヘッド構造は、ＣＭＰ処理中の被研磨基板の温度変化を安定させるために、被研磨基板の裏面に温度制御された流体を接触させるように構成されているので、被研磨基板の長時間のＣＭＰでも温度上昇が起こらず、研磨レートを高めるため、高押圧、高回転にした場合も温度上昇を制御でき、研磨終了まで高研磨レートを維持できる。従って、表面を平坦かつ鏡面に研磨する高集積化半導体用の研磨装置の基板把持装置に特に有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の温度制御機構を有する基板把持機構のヘッド構造の断面図である。
【図２】非開放型エアーバックを使用するヘッド構造の断面図である。
【図３】開放型エアーバックを使用するヘッド構造の断面図である。
【図４】分割型エアーバックを使用するヘッド構造の断面図であり、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は分割型エアーバックの平面図である。
【図５】ウエハ裏面を冷却した場合と、しない場合の、ウエハ裏面冷却効果の比較を示すグラフである。
【図６】エアーバック内に温度計を設け、温度を調整した流体を導入させる本発明のヘッド構造の断面図である。
【図７】エアーバック内に温度計を設け、温度を調整した流体を流通させる本発明のヘッド構造の断面図である。
【図８】従来の研磨装置の構成を示す断面図である。
【図９】特開２０００−２２５５５９号公報のヘッド構造の冷却機構を説明する断面概要図である。
【図１０】従来のエアーバックを使用するヘッド構造の断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  ウエハ
２  トップリング
３  シャフト
４  エアーバック
５  レギュレータ
６  流量調整弁
７  弾性マット
８  流体流通溝
９  温度調整された流体
１０  温度計
１００  研磨布
１０２  ターンテーブル
１０４  トップリング
１０６  砥液供給ノズル
１０８  トップリングシャフト
１１０  弾性マット
１１２  ガイドリング
Ｑ  砥液
Ｗ  半導体ウエハ
【図１】
2005268566.tif 000003
【図２】
2005268566.tif 000004
【図３】
2005268566.tif 000005
【図４】
2005268566.tif 000006
【図５】
2005268566.tif 000007
【図６】
2005268566.tif 000008
【図７】
2005268566.tif 000009
【図８】
2005268566.tif 000010
【図９】
2005268566.tif 000011
【図１０】
2005268566.tif 000012