(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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であって、
基板保持装置本体と、該基板保持装置本体内に上下動可能に取付けられた前記基板を保持・押圧するチャッキングプレートと、該チャッキングプレートに取付けられ基板の外縁部上面に当接するシールリングと、前記チャッキングプレートの下面を複数に区画する圧力室とを具備し、前記シールリングと前記圧力室下面で前記基板を保持する基板保持面を形成すると共に、前記チャッキングプレートの上方に気密空間を設け、
前記気密空間に非圧縮性流体を供給して満たし、前記基板の研磨中前記チャッキングプレートを前記基板保持装置本体に対して上下方向の所定位置に維持すると共に、前記圧力室に加圧流体を供給することにより該圧力室が前記基板を押圧する押圧力を制御することを特徴とする基板保持装置。
【請求項２】
請求項１に記載の基板保持装置において、
前記気密空間に供給された非圧縮性流体の圧力が常圧に近いことを特徴とする基板保持装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の基板保持装置において、
前記非圧縮性流体が純水であることを特徴とする基板保持装置。
【請求項４】
請求項３に記載の基板保持装置において、
前記気密空間に供給される非圧縮性流体の圧力は前記圧力室に供給される加圧流体の圧力以下であることを特徴とする基板保持装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の基板保持装置において、
前記気密空間は前記チャッキングプレートの上部に設けたことを特徴とする基板保持装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の基板保持装置において、
前記気密空間には該気密空間内の圧縮性流体を排出するための圧縮性流体排出流路を設けたことを特徴とする基板保持装置。
【請求項７】
研磨面に基板保持装置で保持する基板を押圧し、該基板と研磨面の相対的運動により該基板を研磨する基板研磨装置において、
前記基板保持装置に請求項１乃至６に記載のいずれかの基板保持装置を用いることを特徴とする基板研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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、特に半導体ウエハ等の基板を研磨して平坦化する基板研磨において該基板を保持する基板保持装置及び該基板保持装置を用いた研磨装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスがますます微細化され構造が複雑となっている。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。これは半導体デバイスの製造では薄膜を形成し、パター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、薄膜形成時の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。従って、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。特に、半導体ウエハ表面に形成される薄膜が成膜方法や装置の特性によって半径方向の位置によって膜厚が異なる場合に、即ち半径方向に膜厚分布を持っている場合、従来のように半導体ウエハの全面に亘って均一に研磨面に押圧する基板保持装置を用いた研磨装置では、半導体ウエハの全面に亘って均一に研磨されるため、半導体ウエハの表面上の膜厚分布と同じ研磨量分布を得ることができないという問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、基板、特に半導体ウエハの膜厚が半径方向で異なる膜厚分布を有する場合でも、半導体ウエハの表面上の膜厚分布と同じ研磨量分布を得ることができ、且つ安定した研磨ができる基板保持装置及び該基板保持装置を用いた基板研磨装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため請求項１に記載の発明は、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であって、基板保持装置本体と、該基板保持装置本体内に上下動可能に取付けられた前記基板を保持・押圧するチャッキングプレートと、該チャッキングプレートに取付けられ基板の外縁部上面に当接するシールリングと、前記チャッキングプレートの下面を複数に区画する圧力室とを具備し、前記シールリングと前記圧力室下面で前記基板を保持する基板保持面を形成すると共に、前記チャッキングプレートの上方に気密空間を設け、前記気密空間に非圧縮性流体を供給して満たし、前記基板の研磨中前記チャッキングプレートを前記基板保持装置本体に対して上下方向の所定位置に維持すると共に、前記圧力室に加圧流体を供給することにより該圧力室が前記基板を押圧する押圧力を制御することを特徴とする。
【０００６】
上記のように気密空間に非圧縮性流体を供給して満たすことにより、基板の研磨中チャッキングプレートを基板保持装置本体に対して上下方向の所定位置に維持することが可能となり、安定した基板の研磨が実施できる。また、チャッキングプレートの基板保持装置に対する上下方向の位置を変えることで、基板外周部の研磨状態を変化させることができる。また、チャッキングプレートの位置を変えることでシールリングのふくらみ形状を変化させ、シールリングと基板の接触面積を小さくさせ基板の外周部の研磨量を抑制することができる。また、圧力室はチャッキングプレートの下面を複数に区画して設けているので、圧力室に加圧流体を供給することにより圧力室が基板を押圧する押圧力を制御することにより、基板の表面に形成された薄膜の半径方向の膜厚分布に応じた研磨量の研磨を安定した研磨速度で実施することが可能となる。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の基板保持装置において、気密空間に供給された非圧縮性流体の圧力が常圧に近いことを特徴とする。
【０００８】
上記のように気密空間に圧力が常圧に近い非圧縮性流体を供給することにより、研磨される基板に余分な押圧力が加わることなく、安定した研磨速度で研磨することが可能となる。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の基板保持装置において、非圧縮性流体が純水であることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の基板保持装置において、気密空間に供給される非圧縮性流体の圧力は圧力室に供給される加圧流体の圧力以下であることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の基板保持装置において、気密空間はチャッキングプレートの上部に設けたことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の基板保持装置において、気密空間には該気密空間内の圧縮性流体を排出するための圧縮性流体排出流路を設けたことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項７に記載の発明は、研磨面に基板保持装置で保持する基板を押圧し、該基板と研磨面の相対的運動により該基板を研磨する基板研磨装置において、前記基板保持装置に請求項１乃至６に記載のいずれかの基板保持装置を用いることを特徴とする。
【００１６】
上記のように基板研磨装置に請求項１乃至６に記載のいずれかの基板保持装置を用いることにより、該基板保持装置が有する上記作用効果を発揮した基板研磨が実行できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。先ず、本発明に係る基板研磨装置を説明する。図１は本発明に係る基板研磨装置の構成を示す図である。基板研磨装置は図１に示すように、研磨面１ａを有する研磨部材（典型的には研磨パッドや固定砥粒）１を上面に有する回転可能なターンテーブル２と、トップリング１１を有したトップリングユニット１０と、ドレッサヘッド４１を有するドレッサユニット４０を具備する構成である。
【００１８】
トップリング１１は駆動軸１２により回転及び上下動可能に支持され、基板Ｗを保持した状態で回転しながら研磨部材１の研磨面１ａに該基板Ｗを押し付け、ターンテーブル２の回転と共に基板Ｗは研磨される。研磨面１ａ上には研磨液供給ノズル３９から研磨液が供給されるようになっている。駆動軸１２はトップリングユニット１０内の図示しないエアシリンダによって上下駆動されるようになっており、トップリング１１のトップリング本体１３の外縁下部に設けられたリテーナリング１４がこのエアシリンダからの直接の力で研磨部材１の研磨面１ａに押圧されるようになっている。
【００１９】
また、トップリング本体１３の基板Ｗを保持する基板保持面は後述のように各区画に区分された圧力室が設けられ、各圧力室にはそれぞれの流体路に設けられたレギュレータにより圧力制御された圧力流体が供給され、基板Ｗは後述するプロファイルコントロール機構により研磨部材１の研磨面に押圧されるようになっている。
【００２０】
ドレッサヘッド４１も揺動軸４２により回転及び上下動可能に支持され、該揺動軸４２が下降しドレッシング部材４３が研磨部材１の研磨面１ａに接する状態で回転し、ターンテーブル２の回転と共に、研磨部材１の研磨面１ａの形状を修正すると共に目立てする。
【００２１】
トップリングユニット１０は揺動軸１５を中心に揺動モータ１６により水平方向に揺動（旋回）可能になっており、トップリング１１を任意の位置に移動させることができるようになっている。また、ドレッサユニット４０も揺動軸４２を中心に揺動モータ４４により水平方向に揺動（旋回）可能になっており、ドレッサヘッド４１を任意の位置に移動させることができるようになっている。
【００２２】
次に、トップリング１１を説明する。図２はトップリング１１の構成例を示す図である。トップリング１１は図２に示すように、トップリング本体１３の外縁下部に設けられたリテーナリング１４と、トップリング本体１３に対して上下動するチャッキングプレート１７を具備する。なお、トップリング本体１３と駆動軸１２は自在継手部３８により連結され、該自在継手部３８はトップリング本体１３を駆動軸１２の下端に傾動自在に支持する球３８ａを具備する球軸受機構と駆動軸１２の回転をトップリング本体に伝達する回転伝達機構（図示せず）を有する。
【００２３】
チャッキングプレート１７の下面には、複数の弾性膜１８、１９によりプロファイルコントロールが可能な基板保持面が形成されている。つまり、基板Ｗの外周部に当接し基板Ｗと共に内部の空間をシールするシールリング２０、その内部の空間に設けられた環状のリングチューブ２１と円状のセンターバック２２により、基板保持面は複数の区画された圧力室２３、２４に分割されている。また、センターバック２２の内部に圧力室３１、リングチューブ２１の内部に圧力室３２が形成されている。
【００２４】
各圧力室２３、２４、３１、３２には流体路２９、３０、３３、３４がそれぞれ連通しており、各圧力室２３、２４、３１、３２に供給する圧力流体の圧力を調節することができるようになっている。このようにすることにより、基板Ｗのそれぞれの圧力室２３、２４、３１、３２に対する部分の研磨圧力を独立に制御することができ、それぞれの圧力室２３、２４、３１、３２に対する部分の研磨速度を制御することができる。
【００２５】
また、チャッキングプレート１７は弾性膜からなる加圧シート２５を介してトップリング本体１３に、上下動が可能なように結合されており、該チャッキングプレート１７の上方に気密空間２６を形成している。ここでチャッキングプレート１７がトップリング本体１３に対して上下動可能に構成されているのは、リテーナリング１４が摩耗により研磨の際のトップリング本体１３とチャッキングプレート１７との相対的な位置関係を変えられるようにしておく必要があるためである。
【００２６】
また、基板保持面に圧力流体を供給するとチャッキングプレート１７に上方への力が働くため、チャッキングプレート１７が上方に移動するのを防がなくてはならない。このため、チャッキングプレート１７の上方の気密空間２６に空気等の圧力流体を供給して、この気密空間２６の圧力を調節することによりチャッキングプレート１７の上方への動きを規制してもよいが、空気等の気体は圧縮性流体のため、基板Ｗの研磨中にチャッキングプレート１７の上下動を完全に抑制することは難しい。そこで、チャッキングプレート１７の上方の気密空間２６を水等の非圧縮性流体で満たすことで、チャッキングプレート１７の上下動を抑制することができるようにする。
【００２７】
更に、リテーナリング１４の摩耗による寸法減少があっても、非圧縮性流体部に一定圧力が存在するので、所定の圧力がリテーナリング１４から研磨面１ａに与えられる。非圧縮性流体であれば、体積が変化せず、圧力をあらゆる方向に伝達できるメリットがある。他にもチャッキングプレート１７の位置を変えることでシールリング２０のふくらむ形状を変化させることができるため、基板Ｗ上の膜の削れ形状を変化させること、つまりチャッキングプレート１７とトップリング本体１３との上下位置関係を変更するとシールリング２０と基板Ｗの接触面積を小さくすることで基板Ｗの外周部の研磨量を抑制できる。
【００２８】
なお、気密空間２６内に圧縮性流体である空気等の気体が残留していると、該気体の圧縮により、研磨中にチャッキングプレート１７が上下動をおこしてしまうため、気密空間内の気体は残らず排出しなければならない。そのため、気体排出用流体路２７を設けてもよい。
【００２９】
トップリング１１を組み立てたときに、気密空間２６内は空気で満たされている。この状態から気密空間２６を非圧縮性流体で満たすために、気体排出用流体路２７のバルブ５８（図４参照）を開放し、純水供給流路２８から、非圧縮性流体である純水Ｑを気密空間２６に供給する。該気密空間２６が純水Ｑで満たされると、気体排出用流体路２７にも純水Ｑが流出するため、これを流量計５９（図４参照）で検知して気体排出用流体路２７のバルブ５８を閉じると共に、純水供給流路２８からの純水Ｑの供給を停止する。
【００３０】
気密空間２６内の空気を完全に排出するために、気密空間２６の上壁を図３に示すように曲面３７に構成して、気体排出用流体路２７をその最も高い位置に設けてもよい。
【００３１】
気密空間２６に純水Ｑを供給する純水供給機構は図４に示すように、純水タンク５０、ポンプ５１、三方弁５２、バルブ５３、流量計５４を具備する。気密空間２６に供給される純水Ｑに圧力が加わると研磨される基板Ｗに余分な力が加わるため、供給する純水Ｑは常圧に近いことが望ましい。気密空間２６への純水Ｑの供給は、トップリング１１よりも高所に設けられた純水タンク５０からの純水Ｑの流下のみで行われ、ポンプ５１の駆動は気密空間２６内の純水Ｑを汲み上げるときのみ用いられる。このように、純水Ｑの流下とポンプ５１による汲み上げにより、気密空間２６内の容積が適宜調節される。
【００３２】
気密空間２６に純水Ｑを供給する純水供給機構は図５に示すような構成でもよい。図示するように、純水タンク５５はタンク内を摺動可能な摺動壁５６を有し、該摺動壁５６はエアシリンダ５７等により駆動できる構成となっている。純水Ｑの圧力を余分に高めないため、エアシリンダ５７の室５７ａに供給する空気は常圧より若干高い程度にしておく。室５７ｂは特に制限はなく、気密空間２６内の純水Ｑが汲み出せるだけの圧力があればよい。また、図５の純水供給機構において、純水タンク５５は図６に示すように蛇腹形状の純水タンク６０でもよい。
【００３３】
上記構成の研磨装置の動作を下記に説明する。先ず、トップリング１１はトップリングユニット１０により、図示しない基板受渡し機構上に揺動軸１５を中心に揺動され、基板受渡機構から基板Ｗを受取り、トップリング１１の基板保持面に吸着する。この基板Ｗを吸着する際には、センターバック２２の圧力室３１、リングチューブ２１の圧力室３２に所定の圧力の加圧流体を供給して、センターバック２２及びリングチューブ２１の下端面を基板Ｗに密着させる。その後、圧力室２３及び２４をそれぞれ流体路２９及び３０を介して真空源（図示せず）に接続することにより、圧力室２３及び２４の内部を負圧にし、圧力室２３及び２４の吸引力作用により基板Ｗを真空吸着する。
【００３４】
上記のように、トップリング１１の基板保持面に基板Ｗを吸着した後、トップリングユニット１０により、トップリング１１をターンテーブル２上の研磨位置に揺動させ、図示しないエアシリンダにより、駆動軸１２と共にトップリング１１を下降させる。この時、気密空間２６の容積は、基板保持面に吸着した基板Ｗの下面がリテーナリング１４下面よりも上方に位置するように、調整されている。
【００３５】
そのため、トップリング１１の下降により、研磨部材１の研磨面１ａには先ずリテーナリング１４が接触する。この接触により、駆動軸１２の下降が止まるので、これを検知し、純水供給流路２８のバルブ５３を開放して、気密空間２６に純水Ｑを供給する。基板Ｗが研磨面１ａに当接すると、純水Ｑの流下が止るため、これを純水供給流路２８の流量計５４にて検知し、バルブ５３を閉じる。そして、プロファイルコントロール用の加圧流体を供給、即ち圧力室２３、２４、３１、３２に加圧流体を供給して研磨を行う。この一連の動作により、チャッキングプレート１７とトップリング本体１３との相対的な上下位置が固定されているため、安定した研磨が行われる。
【００３６】
研磨終了後は、圧力室２３及び２４を再び真空源に接続し、基板Ｗを真空吸着し、トップリング１１を上昇させる。その後、基板受渡機構の上方に揺動させ、基板Ｗを該基板受渡機構に渡す。また、気密空間２６の容積は、次の研磨する基板Ｗを吸着して研磨部材１の研磨面１ａ上に下降するまでに、ポンプ５１により又はエアシリンダ５７により摺動壁５６の移動により汲み上げて、基板Ｗの下面がリテーナリング１４下面より上方に位置するように調節される。
【００３７】
なお、図１に示す基板研磨装置はターンテーブル２の上面に設けられた研磨部材１の研磨面１ａにトップリング１１に保持した基板Ｗを押圧し、トップリング１１の回転とターンテーブル２により、基板Ｗを研磨する基板の構成例を示したが、本発明に係る基板保持装置を使用する基板研磨装置はこれに限定されるものではない。例えば、図７に示すように、一対の平行に配置されたローラ７１、７２に懸架されたベルト７３を有し、該ベルト７３上面の研磨面７３ａにトップリング１１に保持された基板Ｗを押圧する構成のベルト式の基板研磨装置としてもよい。
【００３８】
トップリング１１に保持された基板Ｗが押圧されるベルト７３はベルト支持体７４で支持されている。ここでは、ローラ７１、７２の回転によるベルト７３の移動とトップリング１１の回転による基板Ｗの回転により、基板Ｗは研磨される。なお、研磨に際しては、図示しない研磨液ノズルから研磨面７３ａ上に研磨液が供給される。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように各請求項に記載の発明によれば下記のような優れた効果が得られる。
【００４０】
請求項１に記載の発明によれば、チャッキングプレートの上方の気密空間に非圧縮性流体を供給して満たし、基板の研磨中チャッキングプレートを基板保持装置本体に対して上下方向の所定位置に維持すると共に、圧力室に加圧流体を供給することにより圧力室が基板を押圧する押圧力を制御するので下記の効果が得られる。
（ａ）基板の研磨中チャッキングプレートを基板保持装置本体に対して上下方向の所定の位置に維持することが可能となり、安定した基板の研磨が実施できる。
（ｂ）また、チャッキングプレートの基板保持装置本体に対する上下方向の位置を変えることで、基板外周部の研磨状態を変化させることができる。
（ｃ）また、チャッキングプレートの位置を変えることでシールリングのふくらむ形状を変化させ、シールリングと基板の接触面積を小さくさせ基板の外周部の研磨量を抑制することができる。
（ｄ）また、圧力室に加圧流体を供給することにより該圧力室が基板を押圧する押圧力を制御することにより、基板の表面に形成された薄膜の半径方向の膜厚分布に応じた研磨量の研磨を安定した研磨速度で実施することが可能となる。
【００４１】
請求項２に記載の発明によれば、気密空間に圧力が常圧に近い非圧縮性流体を供給することにより、研磨される基板に余分な押圧力が加わることなく、安定した研磨速度で研磨することが可能となる。
【００４３】
また、請求項７に記載の発明によれば、基板研磨装置に請求項１乃至６に記載のいずれかの基板保持装置を用いることにより、該基板保持装置が有する上記作用効果を発揮した基板研磨が実行できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る基板研磨装置の構成を示す図である。
【図２】  本発明に係る基板保持装置のトップリングの構成例を示す図である。
【図３】  本発明に係る基板保持装置のトップリングの構成例を示す図である。
【図４】  本発明に係る基板保持装置の純水供給機構の構成例を示す図である。
【図５】  本発明に係る基板保持装置の純水供給機構の構成例を示す図である。
【図６】  本発明に係る基板保持装置の純水供給機構の構成例を示す図である。
【図７】  本発明に係る基板研磨装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１                研磨部材
２                ターンテーブル
１０              トップリングユニット
１１              トップリング
１２              駆動軸
１３              トップリング本体
１４              リテーナリング
１５              揺動軸
１６              揺動モータ
１７              チャッキングプレート
１８              弾性膜
１９              弾性膜
２０              シールリング
２１              リングチューブ
２２              センターバック
２３              圧力室
２４              圧力室
２５              加圧シート
２６              気密空間
２７              気体排出用流体路
２８              純水供給流路
２９              流体路
３０              流体路
３１              圧力室
３２              圧力室
３３              流体路
３４              流体路
３７              曲面
３８              自在継手部
３９              研磨液供給ノズル
４０              ドレッサユニット
４１              ドレッサヘッド
４２              揺動軸
４３              ドレッシング部材
４４              揺動モータ
５０              純水タンク
５１              ポンプ
５２              三方弁
５３              バルブ
５４              流量計
５５              純水タンク
５６              摺動壁
５７              エアシリンダ
５８              バルブ
５９              流量計
６０              純水タンク
７１              ローラ
７２              ローラ
７３              ベルト
７４              ベルト支持体
Ｑ                純水
Ｗ                基板
【図１】
0003970561.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003970561.tif 000007
【図７】
0003970561.tif 000008