(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリッシング対象物である基板を保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧する基板保持装置において、
前記基板を保持するトップリング本体と、
前記トップリング本体に固定されるか又は一体に設けられ基板の外周縁を保持するリテーナリングと、
前記トップリング本体とリテーナリングとの内部に画成された空間内に収容された、弾性膜と該弾性膜の外周部が保持された弾性膜支持部材とを備え、
前記弾性膜支持部材には貫通孔が設けられ、該貫通孔を介して前記弾性膜支持部材の上部空間である流体室から加圧流体が前記弾性膜の裏面に供給され、
前記弾性膜の中央部には開口部が設けられ、該開口部には下端が開口した連通孔を有する吸着部が露出するように設けられ、該吸着部は前記弾性膜支持部材に設けられ、
前記流体室内に加圧流体を供給することにより、前記基板を前記研磨面に押圧し、
前記吸着部の連通孔を真空源に連通させることにより該吸着部により前記基板を吸着するようにしたことを特徴とする基板保持装置。
【請求項２】
前記流体室に供給する加圧流体の圧力を調整することにより基板に加わる研磨圧力を調整することを特徴とする請求項１記載の基板保持装置。
【請求項３】
前記弾性膜支持部材の前記トップリング本体に対する上下方向位置は規制部材により規制されることを特徴とする請求項１又は２に記載の基板保持装置。
【請求項４】
前記トップリング本体に押圧力を加える手段は、トップリング本体を上下動させる機構からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の基板保持装置。
【請求項５】
ポリッシング対象物である基板を保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧する基板保持装置において、
前記基板を保持するトップリング本体と、
前記トップリング本体に固定されるか又は一体に設けられ基板の外周縁を保持するリテーナリングと、
前記トップリング本体とリテーナリングとの内部に画成された空間内に収容された、弾性膜と該弾性膜の外周部が保持された弾性膜支持部材とを備え、
前記弾性膜支持部材には貫通孔が設けられ、該貫通孔を介して前記弾性膜支持部材の上部空間である流体室から加圧流体が前記弾性膜の裏面に供給され、
前記弾性膜の中央部には開口部が設けられ、該開口部には下端が開口した、真空源に接続される連通孔を有する吸着部が露出するように設けられ、該吸着部は前記弾性膜支持部材に設けられ、該吸着部の下端面には弾性シートが貼着され、
前記流体室内に加圧流体を供給することにより、前記基板を前記研磨面に押圧し、その際に、前記弾性シートの下端面は前記基板の研磨中には前記弾性膜の下端面よりも上方に位置し、
前記吸着部の連通孔を真空源に接続させることにより、該吸着部により前記基板を吸着し、その際に、前記吸着部の下端面は前記弾性膜の下端面と略同一面になることを特徴とする基板保持装置。
【請求項６】
研磨面を有する研磨テーブルと、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧するトップリングとを備え、
前記トップリング内に開口部を有した弾性膜により形成された流体室を設け、かつ前記弾性膜の開口部に露出するように連通孔を有した吸着部を設け、前記弾性膜の外周部が弾性膜支持部材に保持され、前記弾性膜支持部材には貫通孔が設けられ、該貫通孔を介して前記流体室から加圧流体が前記弾性膜の裏面に供給され、前記吸着部は前記弾性膜支持部材に設けられ、
前記流体室内に加圧流体を供給することにより前記基板を前記研磨面に押圧し、前記吸着部の連通孔を真空源に連通させることにより該吸着部により前記基板を吸着するようにしたことを特徴とするポリッシング装置。
【請求項７】
前記トップリングはトップリング本体に固定されるか又は一体に設けられ基板の外周縁を保持するリテーナリングを備え、前記トップリング本体に押圧力を加えることにより前記リテーナリングを前記研磨面に押圧するようにしたことを特徴とする請求項６記載のポリッシング装置。
【請求項８】
前記研磨面を、１９．６ＭＰａ（２００ｋｇ／ｃｍ２）以上の圧縮弾性係数を有する硬質の研磨部材で形成することを特徴とする請求項６記載のポリッシング装置。
【請求項９】
前記研磨面は、砥粒をバインダ中に固定し板状に形成した固定砥粒により構成されることを特徴とする請求項６記載のポリッシング装置。
【請求項１０】
研磨面を有する研磨テーブルと、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の基板保持装置とを備えた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、半導体ウエハ等の基板を研磨して平坦化する際に基板を保持する基板保持装置および該基板保持装置を具備した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、半導体デバイス表面はますます凹凸が増え、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、パターニングや開孔を行う微細加工の後、次の薄膜を積むという工程を何回も繰り返すためである。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、また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るため、良品が取れなかったり、歩留りが低下したりする。また初期的に正常動作しても、長時間の使用に対し信頼性の問題が生じる。
【０００３】
表面凹凸のもう一つの大きな問題は、リソグラフィ工程である。露光時、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り微細パターンの形成そのものが難しくなるためである。
これらの理由により、半導体デバイスの製造工程において、表面の平坦化技術は、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においては、ポリッシング装置を用いて、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エハを研磨面に摺接させて研磨を行うものである。
【０００４】
従来、この種のポリッシング装置は、研磨パッドからなる研磨面を有した研磨テーブルと、半導体ウエハを保持するためのトップリング又はキャリアヘッド等と称される基板保持装置とを備えている。基板保持装置は半導体ウエハを保持しつつ半導体ウエハを研磨テーブルに対して所定の圧力で押圧し、かつ基板保持装置と研磨テーブルとを相対運動させることにより半導体ウエハを研磨面に対して摺接させ、半導体ウエハの表面を平坦かつ鏡面に研磨している。
【０００５】
上述したポリッシング装置において、研磨中の半導体ウエハと研磨パッドの研磨面との間の相対的な押圧力が半導体ウエハの全面に亘って均一でないと、各部分の押圧力に応じて研磨不足や過研磨が生じてしまう。そのため、基板保持装置の半導体ウエハ保持面をゴム等の弾性材からなる弾性膜で形成し、弾性膜の裏面に空気圧等の流体圧を加え、半導体ウエハに印加する押圧力を全面に亘って均一化することも行われている。この場合、半導体ウエハの周縁は研磨面との接触／非接触の境界になっている。特に研磨パッドが弾性を有するため、半導体ウエハの周縁部に加わる研磨圧力が不均一になり、半導体ウエハの周縁のみが多く研磨され、いわゆる「縁だれ」を起こしてしまうという欠点があった。
上述した半導体ウエハの縁だれを防止するため、半導体ウエハの外周縁を保持するガイドリング又はリテーナリングにより半導体ウエハの外周側に位置する研磨面を押圧する構造を有した基板保持装置も用いられている。この装置においては、リテーナリングは空気圧等の流体圧によって研磨面に押圧されるようになっている。
【０００６】
図５は、上述した半導体ウエハを空気圧等の流体圧で研磨面に押圧するとともにリテーナリングを流体圧で研磨面に押圧する構造を有した基板保持装置の模式図である。
図５に示すように、基板保持装置を構成するトップリング５０は、内部に収容空間を有したトップリング本体５１と、トップリング本体５１内に収容されるとともに半導体ウエハＷを研磨テーブル６０上の研磨面６１に押圧するウエハ加圧機構５２と、トップリング本体５１に対して上下動可能に設けられるとともに半導体ウエハＷの外周縁を保持するリテーナリング５３と、リテーナリング５３を研磨面６１に押圧するリテーナリング加圧機構５４とから構成されている。
【０００７】
ウエハ加圧機構５２は、詳細構造は図示されていないが、トップリング本体５１に連結されたゴム等の弾性材からなる弾性膜で構成されており、弾性膜内に加圧空気等の加圧流体が供給され、流体圧によって半導体ウエハＷを研磨面６１に押圧するようになっている。またリテーナリング加圧機構５４は、詳細構造は図示されていないが、トップリング本体５１に連結されたゴム等の弾性材からなる弾性膜で構成されており、弾性膜内に加圧空気等の加圧流体が供給され、流体圧によってリテーナリング５３を研磨面６１に押圧するようになっている。トップリング本体５１は駆動軸５５に連結されており、駆動軸５５はエアシリンダ等の昇降機構によって昇降されるようになっている。
【０００８】
上述の構成において、駆動軸５５に連結されたエアシリンダ等の昇降機構を作動させトップリング本体５１の全体を研磨テーブル６０に近接させて半導体ウエハＷを研磨面６１に近接させた状態で、ウエハ加圧機構５２に所定圧力の加圧流体を供給して半導体ウエハＷを研磨テーブル６０の研磨面６１に押圧する。この場合には、半導体ウエハＷに加わる研磨圧力は、ウエハ加圧機構５２に供給される加圧流体の圧力を調整することにより、所望の値に調整する。またリテーナリング加圧機構５４に所定圧力の加圧流体を供給してリテーナリング５３を研磨テーブル６０の研磨面６１に押圧する。
【０００９】
上述のように、流体圧によって半導体ウエハＷが研磨面６１に押圧されるので、半導体ウエハＷの中央部から周縁部に至るまで全面に亘って均一な研磨圧力を加えることができる。そのため、半導体ウエハＷの全面を均一に研磨できる。そして、半導体ウエハＷに加えられる研磨圧力と概略同一の押圧力がリテーナリング加圧機構５４を介してリテーナリング５３に加えられるため、半導体ウエハＷの周囲の研磨パッド等の研磨面が半導体ウエハＷと概略同一の圧力で押され、半導体ウエハＷの中心部から周縁部、さらには半導体ウエハＷの外側にあるリテーナリング５３の外周部までの圧力分布が連続かつ均一になる。そのため、ポリッシング対象物である半導体ウエハＷの周縁部における研磨量の過不足を防止することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような半導体ウエハの押圧およびリテーナリングの押圧にいずれも流体圧を使用した従来の基板保持装置においては、トップリング本体に対してリテーナリングは上下（垂直方向）および左右（半径方向）に自由に動くことができるように構成されている。即ち、リテーナリングはトップリング本体に対して独立した動きができる構造になっており、そのため半導体ウエハの外周部の研磨均一性を左右するリテーナリングの動きが、ウエハに対して、必要な上下動のみならず左右にも動く現象がある。その結果、リテーナリングと半導体ウエハの周縁部（エッジ部）との距離が一定にならず、半導体ウエハの外周部の研磨均一性と安定性に問題が生じていた。
【００１１】
また従来のトップリングにおいては、半導体ウエハを保持する部分が弾性膜で覆われているため、半導体ウエハの搬送時には弾性膜に吸盤状の形状を作るなどの工夫により、半導体ウエハの保持を行う必要があった。その結果、半導体ウエハ自体に対して、反り（変形）を与え、その反り（変形）のため、搬送中に半導体ウエハが破損したり、あるいは半導体ウエハ上に形成されているデバイス構造が損傷したりすることがあった。また半導体ウエハの保持が弾性膜を介しての間接的な保持であるため、搬送時に半導体ウエハの保持ミスなどが起こり易く、装置の稼働率、半導体ウエハの歩留まりに影響を与えていた。
【００１２】
また、このような砥液（スラリ）を用いた化学的機械的研磨（ＣＭＰ）における更なる問題点は、凹凸パターンを有するデバイスウエハを研磨する際、研磨初期は凸部が優先的に研磨されるが、次第に凹部も削られるようになるため、凹凸の段差がなかなか解消されない点である。また、ウエハ上の凹凸パターンの疎密によっても、削れ方に差が出ていた。これは、研磨が比較的柔らかい弾性を有する研磨パッドを用いて、且つ遊離砥粒を多量に含むスラリ状の砥液により研磨を行うため、化学的機械的研磨が半導体ウェハ表面上の凸部のみならず凹部にも作用するためである。
【００１３】
このため、最近、酸化セリウム（ＣｅＯ２）等の砥粒を例えばフェノール樹脂等のバインダを用いて固定した、いわゆる固定砥粒からなる研磨面を用いた半導体ウエハの研磨が研究されている。このような固定砥粒を用いた研磨では、研磨面が従来の化学的機械的研磨の場合の研磨パッドと異なり硬質であるため、凹凸の凸部を優先的に研磨し、凹部は研磨され難いため、絶対的な平坦性が得やすいという利点がある。
しかしながら、このような固定砥粒からなる硬質な研磨面に適するトップリングの開発はなされていなかった。
【００１４】
本発明は上述した事情に鑑みなされたもので、リテーナリングとトップリング本体との相対運動をなくし、研磨中においてリテーナリングの挙動の安定性を得るとともにリテーナリングとポリッシング対象物の周縁部（エッジ部）との距離を一定とし研磨の均一性および安定性を得ることができるとともに、ポリッシング対象物を搬送する際などにポリッシング対象物を変形させることなく確実に保持することができる基板保持装置及び該基板保持装置を備えたポリッシング装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するため、本発明の基板保持装置の１態様は、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧する基板保持装置において、前記基板を保持するトップリング本体と、前記トップリング本体に固定されるか又は一体に設けられ基板の外周縁を保持するリテーナリングと、前記トップリング本体とリテーナリングとの内部に画成された空間内に収容された、弾性膜と該弾性膜の外周部が保持された弾性膜支持部材とを備え、前記弾性膜支持部材には貫通孔が設けられ、該貫通孔を介して前記弾性膜支持部材の上部空間である流体室から加圧流体が前記弾性膜の裏面に供給され、前記弾性膜の中央部には開口部が設けられ、該開口部には下端が開口した連通孔を有する吸着部が露出するように設けられ、該吸着部は前記弾性膜支持部材に設けられ、前記流体室内に加圧流体を供給することにより、前記基板を前記研磨面に押圧し、前記吸着部の連通孔を真空源に連通させることにより該吸着部により前記基板を吸着するようにしたことを特徴とするものである。
本発明の好ましい態様によれば、前記流体室に供給する加圧流体の圧力を調整することにより基板に加わる研磨圧力を調整する。
本発明の好ましい態様によれば、前記弾性膜支持部材の前記トップリング本体に対する上下方向位置は規制部材により規制される。
本発明の好ましい態様によれば、前記弾性膜は複数の開口部を有し、該複数の開口部に前記吸着部が設けられている。
本発明の好ましい態様によれば、前記トップリング本体に押圧力を加える手段は、トップリング本体を上下動させる機構からなる。
本発明の基板保持装置の他の態様は、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧する基板保持装置において、前記基板を保持するトップリング本体と、前記トップリング本体内に画成された空間内に設けられた開口部を有する弾性膜と、前記弾性膜を保持する弾性膜支持部材と、前記弾性膜の開口部に露出するように設けられた吸着部とを有し、前記吸着部は、真空源に接続されている連通孔を有し、さらに該吸着部の下端面には弾性シートが貼着されていることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明によれば、リテーナリングを剛構造のトップリング本体に一体構造として設け、トップリング本体の上下動によりリテーナリングを上下動させる。これにより、トップリング本体への押圧力をリテーナリングへの押圧力として利用し、トップリング本体との一体構造により不必要なリテーナリングの左右（半径方向）の動きをなくすことができる。したがって、リテーナリングとポリッシング対象物である基板の周縁部（エッジ部）との距離を常に最小に抑えることが可能になり、基板の外周部における研磨の均一性と研磨の安定性の向上を図ることができる。
【００１７】
またリテーナリングをトップリング本体と一体構造とすることにより、高剛性のリテーナリング構造を可能にし、研磨中にリテーナリングの挙動の安定性が得られる。そして、安定した高剛性のリテーナリング構造の内側において、フローティング構造の基板保持加圧機構が研磨面のうねり等に追従し、結果として、硬質の研磨面においてリテーナリングの挙動が安定し、基板の研磨の安定性が得られる。
【００１８】
また本発明においては、ポリッシング対象物である基板を保持する部分にある弾性膜に開口部を形成し、その開口部に基板を真空により直接的に保持する機構を持つ吸着部が露出する構造になっている。この吸着部により、ポリッシング対象物を真空吸着して保持するため、基板に反り（変形）を与えることがなく、基板が破損したり、基板上のデバイス構造が損傷したりすることがない。また、弾性膜を介さないで基板を直接に保持するため、基板の保持の安定性が飛躍的に高まる。結果として、装置の稼働率を向上させることができ、また製品の歩留まり向上を達成できる。
【００１９】
また本発明のポリッシング装置の１態様は、研磨面を有する研磨テーブルと、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧するトップリングとを備え、前記トップリング内に開口部を有した弾性膜により形成された流体室を設け、かつ前記弾性膜の開口部に連通孔を有した吸着部を設け、前記流体室内に加圧流体を供給することにより前記基板を前記研磨面に押圧し、前記吸着部の連通孔を真空源に連通させることにより該吸着部により前記基板を吸着するようにしたことを特徴とするものである。
本発明の好ましい態様によれば、前記トップリングはトップリング本体に固定されるか又は一体に設けられ基板の外周縁を保持するリテーナリングを備え、前記トップリング本体に押圧力を加えることにより前記リテーナリングを前記研磨面に押圧する。
【００２０】
本発明のトップリングは、硬質な研磨面を構成する、特に圧縮弾性係数１９．６ＭＰａ（２００ｋｇ／ｃｍ２）以上の研磨部材との適合性に優れている。本発明のトップリングによれば、高剛性のリテーナリングの内側で基板は弾性膜を介して流体圧により保持されているので、基板の裏面に加わる流体圧により、硬質の研磨面の凹凸を吸収できる。したがって、硬質の研磨面を用いる場合にも研磨性能がよく、またバッキングパッドの真空吸着孔が基板に転写されることもない。なお、弾性膜を省略して、基板を直接流体で押圧してもよい。
【００２１】
本発明の好ましい態様によれば、研磨面は、砥粒をバインダ中に固定し板状に形成した固定砥粒により構成される。
本発明の好ましい態様によれば、研磨面を有する研磨テーブルと、ポリッシング対象物である基板を保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧する前記基板保持装置とを備えている。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る基板保持装置及び該基板保持装置を備えたポリッシング装置の実施の形態を図１乃至図４を参照して説明する。
図１は本発明の基板保持装置の実施形態を示す縦断面図であり、図２は図１で示す基板保持装置の底面図であり、図３は図１で示す基板保持装置の動作状態を示す縦断面図である。
基板保持装置は、ポリッシング対象物である半導体ウエハ等の基板を保持して研磨テーブル上の研磨面に押圧する装置である。図１に示すように、基板保持装置を構成するトップリング１は、内部に収容空間を有する円筒容器状のトップリング本体２と、トップリング本体２の下端に固定されたリテーナリング３とを備えている。トップリング本体２は金属やセラミックス等の強度及び剛性が高い材料からなり、トップリング本体２は円盤状の上部板２Ａと、上部板２Ａより下方に延設された周壁部２Ｂとから構成されている。前記リテーナリング３は周壁部２Ｂの下端に固定されている。リテーナリング３は、剛性が高い樹脂材から形成されている。なお、リテーナリング３はトップリング本体２と一体に形成してもよい。
【００２３】
トップリング本体２およびトップリング本体２に一体に固定されたリテーナリング３の内部に画成された空間内には、弾性膜４と、弾性膜４の外周部が保持された概略円盤状の弾性膜支持部材５が収容されている。そして、弾性膜支持部材５とトップリング本体２との間には弾性膜からなる加圧シート６が張設されている。前記トップリング本体２と弾性膜４と加圧シート６とにより流体室８が形成されている。弾性膜４および加圧シート６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。そして、流体室８にはチューブおよびコネクタ等からなる流体路１０を介して加圧空気等の加圧流体が供給されるようになっている。流体室８に供給された加圧流体は弾性膜支持部材５に設けられた貫通孔５ｈを介して弾性膜４の裏面に供給され、弾性膜４の裏面に加圧流体の圧力が加えられる。流体室８に供給される加圧流体の圧力はレギュレータ等により可変になっている。弾性膜４の外周面とトップリング本体２およびリテーナリング３との間には、わずかな間隙があり、弾性膜４および弾性膜支持部材５は、トップリング本体２およびリテーナリング３に対して上下方向に移動可能になっている。
なお、より高い研磨性能を得るためには、本実施例のように弾性膜により流体室８を形成するのが望ましいが、弾性膜４を設けずに、ポリッシング対象物を直接流体で押圧してもよい。この場合は、トップリング本体２の内部空間と、ポリッシング対象物である半導体ウエハの裏面によって流体室が形成されることになる。
【００２４】
前記トップリング本体２の上部板２Ａには、サポート１２を介して環状のストッパプレート１３が固定されている。ストッパプレート１３の上端面１３ａは所定高さ位置に設定されており、ストッパプレート１３は規制部材を構成している。そして、流体室８に加圧空気等の加圧流体が供給された際に、弾性膜４および弾性膜支持部材５は一体にトップリング本体２に対して下方に移動することになるが、弾性膜支持部材５の上端部５ａがストッパプレート１３の上端面１３ａと係合することにより、この下方への移動が所定範囲に規制されるようになっている。また弾性膜４には複数の開口部４ａが設けられ、この開口部４ａに連通孔１４ｈを有した吸着部１４が露出するように設けられている。複数の吸着部１４は弾性膜支持部材５の中央部側に設けられている。この実施形態においては、吸着部１４は弾性膜支持部材５と一体に形成されているが、弾性膜支持部材５を環状に形成し、複数の吸着部１４を有した円盤状のチャッキングプレートを弾性膜支持部材５の内側に固定してもよい。
【００２５】
図２に示すように、弾性膜４の中央部には５個の開口部４ａが設けられ、各開口部４ａに吸着部１４が露出するように設けられている。図１に示すように、各吸着部１４の連通孔１４ｈの下端は開口しており、各連通孔１４ｈは弾性膜支持部材５内で合流し、この合流した連通孔は流体室８内を通るチューブ１１を介して真空源に接続されるようになっている。そして、吸着部１４の連通孔１４ｈが真空源に接続されると、連通孔１４ｈの開口端に負圧が形成され、吸着部１４に半導体ウエハＷが吸着される。吸着部１４は、図１に示すように、半導体ウエハＷの研磨中には弾性膜４の下端面より内方に位置して弾性膜４の下端面より突出することはない。そして、半導体ウエハＷを吸着する際には、図３に示すように、吸着部１４の下端面は弾性膜４の下端面と略同一面になる。吸着部１４の下端面には薄いゴムシート等からなる弾性シート１５が貼着されており、吸着部１４は半導体ウエハＷを柔軟に吸着保持するようになっている。
【００２６】
トップリング本体２の上部板２Ａの上方にはトップリング駆動軸１８が配設されており、トップリング本体２とトップリング駆動軸１８とは自在継手部１９により連結されている。トップリング駆動軸１８からトップリング本体２へ互いの傾動を許容しつつ押圧力及び回転力を伝達する自在継手部１９は、トップリング本体２とトップリング駆動軸１８の互いの傾動を可能とする球面軸受機構と、トップリング駆動軸１８の回転をトップリング本体２に伝達する回転伝達機構とを有している。球面軸受機構は、トップリング駆動軸１８の下面の中央に形成された球面状凹部１８ａと、上部板２Ａの上面の中央に形成された球面状凹部２ａと、両凹部１８ａ，２ａ間に介装された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２１とから構成されている。
【００２７】
回転伝達機構は、トップリング駆動軸１８に固定された駆動ピン（図示せず）と上部板２Ａに固定された被駆動ピン（図示せず）とから構成され、トップリング本体２が傾いても、被駆動ピンと駆動ピン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、トップリング駆動軸１８の回転トルクをトップリング本体２に確実に伝達する。
【００２８】
次に、前述のように構成されたトップリング１の作用を説明する。
トップリング１の全体を半導体ウエハの移送位置に位置させ、吸着部１４の連通孔１４ｈをチューブ１１を介して真空源に接続することにより、図３に示すように、連通孔１４ｈの吸引作用により吸着部１４の下端面に半導体ウエハＷを真空吸着する。このとき、弾性膜支持部材５および吸着部１４が上昇しないように流体室８にはわずかな正圧が加えられ、弾性膜支持部材５の上端部５ａがストッパプレート１３の上端面１３ａに係合し、弾性膜支持部材５および吸着部１４が所定の位置に保持されている。そして、半導体ウエハＷを吸着した状態でトップリング１を移動させ、トップリング１の全体を研磨面（例えば研磨パッドからなる）を有する研磨テーブル（図４の符号３０）の上方に位置させ、半導体ウエハＷおよびリテーナリング３を研磨面に押圧し研磨を開始する。半導体ウエハＷの外周縁はリテーナリング３によって保持され、半導体ウエハＷがトップリング１から飛び出さないようになっている。
【００２９】
半導体ウエハＷを研磨する際には、トップリング駆動軸１８に連結されたエアシリンダ（図４の符号３３）を作動させ、トップリング本体２の下端に固定されたリテーナリング３を所定の押圧力で研磨テーブルの研磨面に押圧する。この状態で、流体室８に所定圧力の加圧流体を供給して半導体ウエハＷを研磨テーブルの研磨面に押圧する。半導体ウエハＷに加わる研磨圧力は、流体室８に加わる加圧流体の圧力を調整することにより、所望の値に調整する。この場合、半導体ウエハＷには弾性膜４を介して流体から押圧力が加えられる部分と、開口部４ａの箇処のように、加圧流体の圧力そのものが半導体ウエハＷに加わる部分とがあるが、これら両方の部分に加えられる押圧力は同一圧力である。即ち、流体室８内の流体から押圧力が半導体ウエハＷの全面に加えられるので、半導体ウエハＷの厚みによらず、半導体ウエハＷの中央部から周縁部に至るまで全面に亘って均一な研磨圧力を加えることができる。そのため、半導体ウエハＷの全面を均一に研磨できる。なお、研磨時に開口部４ａの周囲で、弾性膜４は半導体ウエハＷの裏面に密接するため、流体室８内の加圧流体が外部に漏れることはほとんどない。
【００３０】
半導体ウエハＷに加えられる研磨圧力と概略同一又はそれより若干大きい押圧力がエアシリンダを介してリテーナリング３に加えられるため、半導体ウエハＷの周囲の研磨面が半導体ウエハＷと概略同一の圧力で押圧され、半導体ウエハＷの中心部から周縁部、さらには半導体ウエハＷの外側にあるリテーナリング３の外周部までの圧力分布が連続かつ均一になる。そのため、ポリッシング対象物である半導体ウエハＷの周縁部における研磨量の過不足を防止することができる。
【００３１】
図１乃至図３に示す基板保持装置を構成するトップリングによれば、リテーナリング３を剛構造のトップリング本体２に一体構造として設け、トップリング本体２の上下動によりリテーナリング３を上下動させる。これにより、トップリング本体２への押圧力をリテーナリング３への押圧力として利用し、トップリング本体２との一体構造により不必要なリテーナリング３の左右（半径方向）の動きをなくすことができる。したがって、リテーナリング３と半導体ウエハＷの周縁部（エッジ部）との距離を常に最小に抑えることが可能になり、半導体ウエハＷの外周部における研磨の均一性と研磨の安定性の向上を図ることができる。
【００３２】
またリテーナリング３をトップリング本体２と一体構造とすることにより、高剛性のリテーナリング構造を可能にし、研磨中にリテーナリングの挙動の安定性が得られる。そして、安定した高剛性のリテーナリング構造の内側において、フローティング構造のウエハ保持加圧機構が研磨面のうねり等に追従し、結果として硬質の研磨面においてリテーナリングの挙動が安定し、半導体ウエハの研磨の安定性が得られる。
【００３３】
また、弾性膜４に複数の開口部４ａを形成して、これら開口部４ａに連通孔１４ｈを有した吸着部１４を設け、連通孔１４ｈを真空源に連通させることにより、半導体ウエハＷを真空吸着する。即ち、半導体ウエハＷの吸着時に、真空圧で吸着部１４が直接に半導体ウエハＷを吸着するため、弾性膜４に吸盤作用をさせる必要がなく、弾性膜４の物性変化が少なくなり、研磨均一性の安定性が増す。
【００３４】
図４は、図１乃至図３に示す基板保持装置を備えたポリッシング装置の全体構成を示す断面図である。図中、符号１は基板保持装置を構成するトップリングであり、トップリング１の下方には、上面に研磨パッド３１を備えた研磨テーブル３０が設置されている。
前記トップリング１は自在継手部１９を介してトップリング駆動軸１８に接続されており、このトップリング駆動軸１８はトップリングヘッド３２に固定されたトップリング上下用エアシリンダ３３に連結されており、このトップリング上下用エアシリンダ３３によってトップリング駆動軸１８は上下動し、トップリング１の全体を昇降させるとともにトップリング本体２の下端に固定されたリテーナリング３を研磨テーブル３０に押圧するようになっている。
【００３５】
また、トップリング駆動軸１８はキー（図示せず）を介して回転筒３４に連結されており、この回転筒３４はその外周部にタイミングプーリ３５を有している。そして、タイミングプーリ３５は、タイミングベルト３６を介して、トップリングヘッド３２に固定されたトップリング用モータ３７に設けられたタイミングプーリ３８に接続されている。従って、トップリング用モータ３７を回転駆動することによってタイミングプーリ３８、タイミングベルト３６およびタイミングプーリ３５を介して回転筒３４及びトップリング駆動軸１８が一体に回転し、トップリング１が回転する。トップリングヘッド３２は、フレーム（図示せず）に固定支持されたトップリングヘッドシャフト３９によって支持されている。
【００３６】
トップリング上下用エアシリンダ３３及び流体室８は、それぞれレギュレータＲ１，Ｒ２を介して圧縮空気源２４に接続されている。そして、レギュレータＲ１によってトップリング上下用エアシリンダ３３へ供給する加圧空気の空気圧を調整することにより、リテーナリング３が研磨パッド３１を押圧する押圧力を調整することができ、レギュレータＲ２によって流体室８へ供給する加圧空気の空気圧を調整することにより、半導体ウエハＷを研磨パッド３１に押圧する研磨圧力を調整することができる。また吸着部１４の連通孔１４ｈはバルブＶを介して真空ポンプ等の真空源２５に接続されている。
【００３７】
また、研磨テーブル３０の上方には研磨液供給ノズル４０が設置されており、研磨液供給ノズル４０によって研磨テーブル３０上の研磨パッド３１上に研磨液Ｑが供給されるようになっている。
【００３８】
上記構成のポリッシング装置において、半導体ウエハＷの搬送時には、吸着部１４の連通孔１４ｈを真空源２５に連通させて、吸着部１４により半導体ウエハＷを吸着する。そして、研磨時には、吸着部１４による半導体ウエハＷの吸着を解除し、トップリング１の弾性膜４の下面に半導体ウエハＷを保持させ、トップリング上下用エアシリンダ３３を作動させてトップリング１に一体に固定されたリテーナリング３を研磨テーブル３０に向かって押圧し、かつ流体室８へ加圧空気を供給して回転している研磨テーブル３０の上面の研磨パッド３１に半導体ウエハＷを押圧する。一方、研磨液供給ノズル４０から研磨液Ｑを流すことにより、研磨パッド３１に研磨液Ｑが保持されており、半導体ウエハＷの研磨される面（下面）と研磨パッド３１の間に研磨液Ｑが存在した状態で研磨が行われる。
【００３９】
トップリング上下用エアシリンダ３３によるリテーナリング３の研磨パッド３１への押圧力と、流体室８に供給する加圧空気による半導体ウエハＷの研磨パッド３１への押圧力とを適宜調整して半導体ウエハＷの研磨を行う。研磨中にレギュレータＲ２によって半導体ウエハＷを研磨テーブル３０上の研磨パッド３１に押圧する押圧力を変更でき、レギュレータＲ１によってリテーナリング３が研磨パッド３１を押圧する押圧力を変更できる。従って、研磨中に、リテーナリング３が研磨パッド３１を押圧する押圧力と半導体ウエハＷを研磨パッド３１に押圧する押圧力を適宜調整することにより、半導体ウエハＷの中心部から周縁部、さらには半導体ウエハＷの外側にあるリテーナリング３の外周部までの研磨圧力の分布が連続かつ均一になる。そのため、半導体ウエハＷの周縁部における研磨量の過不足を防止することができる。
【００４０】
本発明においては、研磨テーブル上に形成される研磨面は、前述した研磨パッドにより形成してもよく、又、固定砥粒により形成してもよい。研磨パッドとしては、市場で入手できるものとして、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等である。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又は孔を有している。
【００４１】
固定砥粒は、砥粒をバインダ中に固定し板状に形成されたものである。固定砥粒から自生した砥粒により研磨が進行する。固定砥粒は砥粒とバインダと気孔により構成されており、例えば砥粒には平均粒径０．５μｍ以下の酸化セリウム（ＣｅＯ２）、バインダにはエポキシ樹脂を用いる。固定砥粒は硬質の研磨面を構成する。固定砥粒には、前記板状のものの他に、薄い固定砥粒層の下に弾性を有する研磨パッドを貼り付けて二層構造とした固定砥粒パッドも含まれる。その他の硬質の研磨面としては、前記ＩＣ−１０００がある。
【００４２】
本発明のトップリングは、硬質な研磨面を構成する、特に圧縮弾性係数１９．６ＭＰａ（２００ｋｇ／ｃｍ２）以上の研磨部材との適合性に優れている。
従来のトップリングの一例においては、剛体のトップリング本体にバッキングパッドを介して半導体ウエハを保持し、研磨パッドが弾性を有しているため、半導体ウエハに対する衝撃を主に研磨パッド側で吸収していた。しかし、研磨面が硬質の研磨面になった場合は、研磨面の凹凸がそのまま半導体ウエハに転写され、影響してしまう。また、トップリング側の半導体ウエハの真空吸着用の孔が半導体ウエハ裏面に転写していた。
しかしながら、半導体ウエハを弾性膜を介して流体圧により保持するトップリングによれば、半導体ウエハの裏面に加わる流体圧により、硬質の研磨面の凹凸を吸収できる。したがって、硬質の研磨面を用いる場合にも研磨性能がよく、またバッキングパッドの真空吸着孔が半導体ウエハに転写されることもない。
更に、本発明によれば、リテーナリングがトップリング本体と一体に構成されているため、剛性が高く、リテーナリングの必要以上の不安定な動きが抑制され、研磨性能が安定する。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、リテーナリングを剛構造のトップリング本体に一体構造として設け、トップリング本体の上下動によりリテーナリングを上下動させる。これにより、トップリング本体への押圧力をリテーナリングへの押圧力として利用し、トップリング本体との一体構造により不必要なリテーナリングの左右（半径方向）の動きをなくすことができる。したがって、リテーナリングとポリッシング対象物である基板の周縁部（エッジ部）との距離を常に最小に抑えることが可能になり、基板の外周部における研磨の均一性と研磨の安定性の向上を図ることができる。
【００４４】
またリテーナリングをトップリング本体と一体構造とすることにより、高剛性のリテーナリング構造を可能にし、研磨中にリテーナリングの挙動の安定性が得られる。そして、安定した高剛性のリテーナリング構造の内側において、フローティング構造の基板保持加圧機構が研磨面のうねり等に追従し、結果として硬質の研磨面においてリテーナリングの挙動が安定し、基板の研磨の安定性が得られる。
【００４５】
また本発明においては、ポリッシング対象物である基板を保持する部分にある弾性膜に開口部を形成し、その開口部に基板を真空により直接的に保持する機構を持つ吸着部が露出する構造になっている。この吸着部により、ポリッシング対象物を真空吸着して保持するため、基板に反り（変形）を与えることがなく、基板が破損したり、基板上のデバイス構造が損傷したりすることがない。また、弾性膜を介さないで基板を直接に保持するため、基板の保持の安定性が飛躍的に高まる。結果として、装置の稼働率を向上させることができ、また製品の歩留まり向上を達成できる。
【００４６】
本発明のトップリングは、特に硬質な研磨面、特に圧縮弾性係数１９．６ＭＰａ（２００ｋｇ／ｃｍ２）以上の研磨面との適合性に優れている。本発明のトップリングによれば、高剛性のリテーナリングの内側で基板は弾性膜を介して流体圧により保持されているので、基板の裏面に加わる流体圧により、硬質の研磨面の凹凸を吸収できる。したがって、硬質の研磨面を用いる場合にも研磨性能がよく、またバッキングパッドの真空吸着孔が基板に転写されることもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基板保持装置の実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１で示す基板保持装置の底面図である。
【図３】図１で示す基板保持装置の動作状態を示す縦断面図である。
【図４】図１乃至図３に示す基板保持装置を備えたポリッシング装置の全体構成を示す断面図である。
【図５】半導体ウエハを空気圧等の流体圧で研磨面に押圧するとともにリテーナリングを流体圧で研磨面に押圧する構造を有した基板保持装置の模式図である。
【符号の説明】
１    トップリング
２    トップリング本体
２Ａ    上部板
２Ｂ    周壁部
３，５３    リテーナリング
４    弾性膜
４ａ    開口部
５    弾性膜支持部材
５ａ    上端部
５ｈ    貫通孔
６    加圧シート
８    流体室
１０    流体路
１１    チューブ
１２    サポート
１３    ストッパプレート
１３ａ    上端面
１４    吸着部
１４ｈ    連通孔
１８    トップリング駆動軸
１９    自在継手部
２１    ベアリングボール
２４    圧縮空気源
２５    真空源
３０    研磨テーブル
３１    研磨パッド
３２    トップリングヘッド
３３    トップリング上下用エアシリンダ
３４    回転筒
３５，３８    タイミングプーリ
３６    タイミングベルト
３７    トップリング用モータ
３９    トップリングヘッドシャフト
４０    研磨液供給ノズル
５２    ウエハ加圧機構
５４    リテーナリング加圧機構
５５    駆動軸
Ｗ    半導体ウエハ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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