JP4056205B2

JP4056205B2 - ポリッシング装置および方法

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Publication number: JP4056205B2
Application number: JP2000259152A
Authority: JP
Inventors: 誠司勝岡; 穂積安田; 忠一曽根; 俊市朗兒嶋; 学辻村
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1999-10-15
Filing date: 2000-08-29
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2020-08-29
Also published as: JP2001179605A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はポリッシング装置および方法に係り、特に半導体ウエハなどのポリッシング対象物の表面を平坦かつ鏡面に研磨するポリッシング装置および方法に関する。
【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。特に線幅が微細になると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１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】
従来、この種のポリッシング装置は、研磨布を貼ったターンテーブルとトップリングとを有し、トップリングが一定の圧力をターンテーブルに与え、ターンテーブルとトップリングとの間に半導体ウエハを介在させて、研磨布に砥液を供給しつつ半導体ウエハの回路を形成した側の表面を化学・機械的に研磨する方法（ＣＭＰ）が用いられている。
【０００４】
上述したポリッシング装置の性能として、ポリッシング後のポリッシング対象物の高精度な平坦度が要求される。そのために、ポリッシング時に半導体ウエハを保持する保持面、すなわちトップリングの下端面、および半導体ウエハに接する研磨布の接触面、ひいてはターンテーブルの研磨布の貼り付け面は高精度な平坦度を有し、両者が平行平面をなすものが望ましいと考えられ、用いられてきた。
【０００５】
一方、ポリッシング装置の研磨作用におよぼす要因として、トップリングの保持面および研磨布の接触面の形状だけでなく、研磨布と半導体ウエハの相対速度、半導体ウエハの研磨面上の押圧力の分布、研磨布上の砥液の量、研磨布の使用時間等が影響することが知られている。よって、これらの要素を半導体ウエハの被研磨面全面で等しくすれば、高精度な平坦度が得られると考えられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の研磨作用に影響する要素のうちで、被研磨面全面で等しくすることが可能な要素と、極めて困難な要素がある。たとえば、研磨布と半導体ウエハの相対速度は、ターンテーブルとトップリングの回転を同一回転数かつ同一方向にすることで均一にできるが、砥液の量は遠心力が働くため均一にすることは困難である。
【０００７】
よって、トップリングの下端面（保持面）とターンテーブル上の研磨布上面とを平坦にすることを含めて研磨作用に影響する要素を研磨面全面で等しくするという考え方では、研磨後の被研磨面の平坦度に限界があり、必要とする平坦度が得られない場合がある。すなわち、本件発明者の研究によれば、トップリングの下端面（保持面）とターンテーブル上の研磨面とは、必ずしも平行平面ではないことが好ましいことが判明した。
【０００８】
本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、研磨の不均一性を容易に補正することができるポリッシング装置および方法、更に被研磨面の狙った一部の領域の研磨量を増減するように研磨することができるポリッシング装置および方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【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、本発明の一態様のポリッシング装置は、トップリングと研磨面を有するターンテーブルとを備え、前記トップリングとターンテーブルとの間にポリッシング対象物を介在させて所定の力で押圧することによって該ポリッシング対象物を研磨し、平坦かつ鏡面化するポリッシング装置において、前記トップリングは、トップリング本体と、金属性の加圧プレートと、該加圧プレートの外側に配置された弾性膜と、前記加圧プレートとトップリング本体とで構成されたチャンバと、前記加圧プレートと弾性膜との間に形成された流体圧バッグとを備え、前記流体圧バッグは可変の流体圧を供給できる流体源に接続され、前記ポリッシング対象物に対して流体圧荷重制御が可能であり、前記チャンバは可変の流体圧を供給できる流体源に接続され、前記金属性の加圧プレートは前記チャンバに供給された流体圧によりその中心部を凸または凹に変形可能であり、前記チャンバに正圧をかけ、前記加圧プレートの中心部を凸に変形すると、前記加圧プレートの中心付近は前記弾性膜に接触して該弾性膜を介して前記ポリッシング対象物を直接押し付け、前記流体圧バッグに供給された流体圧は、前記加圧プレートが接触していない部分の前記弾性膜を介して前記ポリッシング対象物を加圧し、前記チャンバに負圧をかけ、前記加圧プレートの中心部を凹に変形すると、前記加圧プレートの外周部は前記弾性膜に接触して該弾性膜を介して前記ポリッシング対象物を直接押し付け、前記流体圧バッグに供給された流体圧は、前記加圧プレートが接触していない部分の前記弾性膜を介して前記ポリッシング対象物を加圧することを特徴とするものである。
【００１０】
また本発明の一態様のポリッシング方法は、トップリングと研磨面を有するターンテーブルとを備え、前記トップリングとターンテーブルとの間にポリッシング対象物を介在させて所定の力で押圧することによって該ポリッシング対象物を研磨し、平坦かつ鏡面化するポリッシング方法において、前記トップリングは、トップリング本体と、金属性の加圧プレートと、該加圧プレートの外側に配置された弾性膜と、前記加圧プレートとトップリング本体とで構成されたチャンバと、前記加圧プレートと弾性膜との間に形成された流体圧バッグとを備え、前記流体圧バッグは可変圧の流体源に接続され、前記ポリッシング対象物に対して流体圧荷重制御が可能であり、前記チャンバは可変圧の流体源に接続され、前記金属性の加圧プレートは前記チャンバに供給された流体圧により中心部を凸または凹に変形させ、前記チャンバに正圧をかけ、前記加圧プレートの中心部を凸に変形すると、前記加圧プレートの中心付近は前記弾性膜に接触して該弾性膜を介して前記ポリッシング対象物を直接押し付け、前記流体圧バッグに供給された流体圧は、前記加圧プレートが接触していない部分の前記弾性膜を介して前記ポリッシング対象物を加圧し、前記チャンバに負圧をかけ、前記加圧プレートの中心部を凹に変形すると、前記加圧プレートの外周部は前記弾性膜に接触して該弾性膜を介して前記ポリッシング対象物を直接押し付け、前記流体圧バッグに供給された流体圧は、前記加圧プレートが接触していない部分の前記弾性膜を介して前記ポリッシング対象物を加圧し、前記チャンバに正または負の流体圧を加えないときは、前記流体圧バッグによる流体圧荷重制御により、前記弾性膜から流体圧を前記ポリッシング対象物に加えることを特徴とするものである。
【００１１】
図１は本発明の基本概念を示す図である。図１において、符号１はトップリングであり、トップリング１はトップリング本体２と半導体ウエハ４等のポリッシング対象物を保持する保持プレート３とを備えている。トップリング本体２と保持プレート３との間にはチャンバＣが形成されており、チャンバＣはレギュレータＲ_１を介して流体源５に接続されている。また保持プレート３の下面には弾性マット６が貼着されている。
【００１２】
またトップリング１の外周部には、半導体ウエハ４を保持プレート３の下端面、すなわちウエハ保持面３ａに保持するためのリテーナリング（ガイドリング）７が配置されている。リテーナリング７とトップリング１との間には、円環状のチューブからなる流体圧バッグ８が配置されている。そして、流体圧バッグ８はレギュレータＲ_２を介して流体源５に接続されている。トップリング１の下方には、上面に研磨布２１を貼ったターンテーブル２２が設置されている。研磨布２１は半導体ウエハに摺接して研磨を行う研磨面を構成している。
【００１３】
前記トップリング１はボール１１を介してトップリングシャフト１２に連結されており、このトップリングシャフト１２はトップリングヘッド１３に固定されたトップリング用流体圧シリンダ１４に連結されている。トップリング用流体圧シリンダ１４はレギュレータＲ_３を介して流体源５に接続されている。
【００１４】
上述の構成において、流体源５からトップリング用流体圧シリンダ１４に圧縮空気等の加圧流体を供給することにより、トップリング１がポリッシング対象物である半導体ウエハ４をターンテーブル２２上の研磨布２１に所定の押圧力Ｆ_１で押圧し、半導体ウエハ４を研磨する。この押圧力Ｆ_１はレギュレータＲ_３を調節することにより可変になっている。
【００１５】
図２は保持プレート３のウエハ保持面３ａの形状を模式的に表す図であり、横軸は保持プレート３の中心（Ｏ）からの距離（mm）、縦軸はウエハ保持面の高さを示す。図２において、一点鎖線ｄはウエハ保持面３ａが平坦な場合を示し、加圧流体が供給されず、非研磨時で研磨圧力がウエハ保持面３ａに加わっていない場合である。研磨中、流体源５から圧縮空気等の加圧流体をチャンバＣに供給すると、加圧流体の加圧力により保持プレート３のウエハ保持面３ａが図２の曲線ａに示すように下側に凸状に湾曲する。即ち、ウエハ保持面３ａが凸球面になる。半導体ウエハ４は、下側に凸状に湾曲した保持プレート３によって、中央部側が外周部側より高い圧力で研磨布２１に押し付けられる。そのため、半導体ウエハ４の外周部側が中央部側より研磨される傾向にあるときは、上記のように加圧流体による保持プレート３の変形を利用して、中央部側の研磨不足を補正することができる。
【００１６】
一方、半導体ウエハ４の中央部側が外周部側より研磨される傾向にあるときは、レギュレータＲ_１を調節して、流体源５からチャンバＣに供給される加圧流体の圧力を弱めるか、又は加圧流体の供給を停止して、保持プレート３のウエハ保持面３ａの形状を図２の曲線ｂ又はｃのようにし、これによって、半導体ウエハ４の中央部側の研磨圧力を弱め、曲線ａの場合と比較して相対的に外周部側の研磨圧力を高め、外周部側の研磨不足を補正し、半導体ウエハ４の全面を均一に研磨することができる。
【００１７】
チャンバＣへの加圧流体の供給を停止した場合に、研磨圧力によってウエハ保持面３ａは曲線ｃに示すようにわずかに上側に凸状に湾曲する。即ち、ウエハ保持面３ａは凹球面になる。保持プレート３のウエハ保持面３ａの形状を曲線ｃよりも更に上側に凸形状に湾曲させたい場合には、チャンバＣ内を真空ポンプからなる流体源５により排気すればよい。すなわち、チャンバＣ内を正圧（大気圧以上の圧力）又は負圧（大気圧以下の圧力）にすることにより、ウエハ保持面３ａの形状を下側に凸状の湾曲（凸球面）又は上側に凸状の湾曲（凹球面）又は平坦にすることができる。ウエハ保持面３ａの変形の度合は、保持プレート３の材料と厚さを適宜選定することにより、所望の状態とすることができる。保持プレートの材料としては、ポリッシング装置（ＣＭＰ）の使用環境を考慮して、耐食性のある、比較的弾性を有する材質、たとえば、オーステナイト系ステンレス（ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６など）、アルミニウムチタン、また、樹脂系であれば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等が好ましい。また保持プレートの厚さは、チャンバ内の圧力を安全な範囲（望ましくは、０．１ＭＰａ以下）で使用することを考え、オーステナイト系ステンレスで言えば、３ｍｍ〜８ｍｍ、好ましくは５ｍｍ程度である。その他の材質では、安全性を考慮して、その弾性係数により厚さを選択するべきである。
【００１８】
上述のトップリング１のウエハ保持面３ａの形状補正と併行して、流体圧バッグ８に流体源５から圧縮空気等の加圧流体を供給することにより、リテーナリング７が研磨布２１を押圧力Ｆ_２で押圧する。
【００１９】
すなわち、本発明においては、トップリング１がポリッシング対象物である半導体ウエハ４をターンテーブル２２上の研磨布２１に押圧する押圧力Ｆ_１を可変とし、またリテーナリング７が研磨布２１を押圧する押圧力Ｆ_２を可変としている。そして、押圧力Ｆ_１と押圧力Ｆ_２とは、それぞれ独立して押圧力を変更できるようになっている。したがって、リテーナリング７が研磨布２１を押圧する押圧力Ｆ_２をトップリング１が半導体ウエハ４を研磨布２１に押圧する押圧力Ｆ_１に応じて変更することができる。
【００２０】
この場合、理論的には、トップリング１が半導体ウエハ４を研磨布２１に押圧する押圧力Ｆ_１とリテーナリング７が研磨布２１を押圧する押圧力Ｆ_２とを等しくすれば、ポリッシング対象物である半導体ウエハ４の内部から周縁部、さらには半導体ウエハ４の外側にあるリテーナリング７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、ポリッシング対象物である半導体ウエハ４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。
【００２１】
図３はトップリング１が半導体ウエハ４を研磨布２１に押圧する押圧力Ｆ_１とリテーナリング７が研磨布２１を押圧する押圧力Ｆ_２との関係を変えた場合の模式図であり、図３（ａ）はＦ_１＞Ｆ_２の場合を示し、図３（ｂ）はＦ_１≒Ｆ_２の場合を示し、図３（ｃ）はＦ_１＜Ｆ_２の場合を示す。
図３（ａ），（ｂ），（ｃ）に示されるように、リテーナリング７に押圧力Ｆ_２を加えた場合、研磨布２１が圧縮され、半導体ウエハ４の周縁部に対する研磨布２１の接触状態が変化していく。このため、Ｆ_１とＦ_２との関係を変更することにより半導体ウエハ４の研磨圧力の分布を内部側と周縁部とで種々に変えることができる。
【００２２】
図３から明らかなように、Ｆ_１＞Ｆ_２の場合には半導体ウエハ４の周縁部の研磨圧力が内部より高くなり、半導体ウエハ４の周縁部の研磨量を内部の研磨量より多くすることができる。
Ｆ_１≒Ｆ_２の場合には半導体ウエハ４の内部から周縁部、さらには押圧リングの外周部までの研磨圧力の分布が連続かつ均一になり、半導体ウエハ４において内部から周縁部まで均一な研磨量が得られる。
Ｆ_１＜Ｆ_２の場合には半導体ウエハ４の周縁部の研磨圧力が内部より低くなり、半導体ウエハ４の周縁部の研磨量を内部の研磨量より少なくすることができる。
【００２３】
以上のように本発明によれば、トップリング１の保持プレート３のウエハ保持面３ａの上面に流体を供給し、この際に、流体の圧力を正圧から負圧の範囲で適宜選択して、保持プレート３のウエハ保持面３ａの形状を下側に凸形状又は上側に凸形状とし、半導体ウエハ４の研磨布２１への押圧力を、半導体ウエハ４の中央部側と外周部側とで変えて研磨する。また、場合によっては、保持プレート３のウエハ保持面３ａの形状を平坦にして半導体ウエハ４を研磨する。
【００２４】
上記工程と並行して、トップリング１の外周部にあるリテーナリング７の押圧力Ｆ_２をトップリング１の押圧力Ｆ_１に基づいて決定し、決定された押圧力Ｆ_２で研磨布２１を押圧しながら研磨する。すなわち、正圧又は負圧を有した流体によるウエハ保持面３ａの形状補正作用とリテーナリング７による研磨布２１の形状補正作用の協働作用を活用しながら半導体ウエハ４を研磨する。これによって、半導体ウエハの局部（例えば、中央部、外周部等）的な研磨不足を補正することができる。
【００２５】
また本発明の一態様のポリッシング装置は、トップリングと研磨面を有するターンテーブルとを備え、前記トップリングとターンテーブルとの間にポリッシング対象物を介在させて所定の力で押圧することによって該ポリッシング対象物を研磨し、平坦かつ鏡面化するポリッシング装置において、前記トップリングがポリッシング対象物を加圧する加圧面を可変の流体圧によって変形可能にするとともに該加圧面とポリッシング対象物との間に流体圧バッグを設け、かつトップリングの周囲に配置され可変の押圧力で前記研磨面を押圧するとともにポリッシング対象物をトップリングの保持面内に保持するリテーナリングを設けたことを特徴とするものである。
前記トップリングは、前記加圧面を有した加圧プレートを備え、該加圧プレートの裏面のチャンバに可変の流体圧を供給することにより前記加圧面を変形させるようにしてもよい。
また、前記リテーナリングは、可変の流体圧により、その押圧力が可変になるようにしてもよい。
本発明の好ましい態様によれば、前記流体圧バッグの内部は、加圧プレートに形成された開口及び流体流路を介して流体源に接続されている。
本発明の好ましい態様によれば、前記加圧プレートには、前記流体圧バッグの表面に流体が行き渡るための多孔質プレートが設けられている。
【００２６】
また本発明の一態様のポリッシング方法は、トップリングと研磨面を有するターンテーブルとを備え、前記トップリングとターンテーブルとの間にポリッシング対象物を介在させて所定の力で押圧することによって該ポリッシング対象物を研磨し、平坦かつ鏡面化するポリッシング方法において、前記トップリングがポリッシング対象物を加圧する加圧面を可変の流体圧によって所望の形状に変形させた状態でかつ該加圧面とポリッシング対象物との間に設けられた流体圧バッグを介してポリッシング対象物を研磨面に押圧するとともに、前記トップリングの周囲に配置されポリッシング対象物をトップリングの保持面内に保持するためのリテーナリングにより前記研磨面を可変の押圧力で押圧しながら研磨することを特徴とするものである。
【００２７】
本発明の一態様は、ダイヤフラム型トップリング、即ち、前述の態様に示した、ウエハを保持または押圧するプレート（ダイヤグラム）が流体圧によって変形可能である構造のトップリングの面内加圧分布制御性とメンブレン型トップリング、即ち、従来からあって例えば特開平５−６９３１０号に示されている、ウエハ保持部に膜（メンブレン）を有するトップリングのポリッシング対象物の裏面への均一荷重制御の特性をあわせもち、ポリッシング対象物の外周部もしくは中心部に部分的に加圧制御可能にし、その他の部分は全面均等荷重制御可能なトップリングである。さらに、このトップリングはポリッシング対象物の外周部もしくは中心部の部分的加圧領域（幅）を制御可能である。
【００２８】
本発明のその他の態様のポリッシング装置は、トップリングと研磨面を有するターンテーブルとを備え、前記トップリングとターンテーブルとの間にポリッシング対象物を介在させて所定の力で押圧することによって該ポリッシング対象物を研磨し、平坦かつ鏡面化するポリッシング装置において、前記トップリングの周囲に配置され、前記研磨面を押圧するとともにポリッシング対象物をトップリングの保持面内に保持するリテーナリングと、該リテーナリングを可変の押圧力で前記研磨面に押圧する押圧機構とを備え、該押圧機構は上下動可能なリング状部材と、該リング状部材をリテーナリングに押圧する可変の流体圧が供給される空間とを備えていることを特徴とするものである。
本発明によれば、リテーナリングが摩耗しても、リテーナリングの押圧機構はリテーナリングを所望の押圧力で押圧することができる。
本発明の好ましい態様によれば、前記保持面は、可変の流体圧によって変形可能である。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るポリッシング装置および方法の一実施形態を図４及び図５を参照して説明する。図４はポリッシング装置の全体構成を示す断面図であり、図５はポリッシング装置の要部構成を示す断面図である。
【００３０】
図４および図５において、符号１はトップリングであり、トップリング１はトップリング本体２と、半導体ウエハ４等のポリッシング対象物の上面を保持する保持プレート３とを備えている。トップリング本体２と保持プレート３との間にはチャンバＣが形成されており、チャンバＣはレギュレータＲ_１を介して流体源５に接続されている。保持プレート３は、外周部の中間部に薄肉部３ｔを有しており、この薄肉部３ｔによって加圧流体による加圧時又は負圧時にウエハ保持面３ａの全面が均一に変形するように工夫されている。なお、符号９はチャンバＣとレギュレータＲ_１とを接続するためのチューブである。また保持プレート３の下面には弾性マット６が貼着されている。
【００３１】
またトップリング１の外周部には、半導体ウエハ４を保持プレート３の下面に保持するために半導体ウエハ４の外周部を保持するリテーナリング（ガイドリング）７が配置されている。リテーナリング７は、図５に示すように、最下位置にあって樹脂材からなり研磨布２１と接触する第１リテーナリング部材７ａと、第１リテーナリング部材７ａの上方にあり第１リテーナリング部材７ａを保持するＬ形状の断面を有する第２リテーナリング部材７ｂとから構成されている。第２リテーナリング部材７ｂは上端においてピン２９により回転方向においてトップリング本体２と連結されており、リテーナリング７はトップリング１と一体に回転するようになっている。またリテーナリング７とトップリング１との間には、円環状のゴム製のチューブからなる流体圧バッグ８が配置されている。流体圧バッグ８は保持プレート３に固定されている。そして、流体圧バッグ８はレギュレータＲ_２を介して流体源５に接続されている。なお、符号２３は流体圧バッグ８とレギュレータＲ_２とを接続するためのチューブである。トップリング１の下方には、上面に研磨布２１を貼ったターンテーブル２２が設置されている。
【００３２】
前記トップリング１はボール１１を介して駆動フランジ１２ａを有したトップリングシャフト１２に接続されており、このトップリングシャフト１２はトップリングヘッド１３に固定されたトップリング用流体圧シリンダ１４に連結されている。トップリング用流体圧シリンダ１４はレギュレータＲ_３を介して流体源５に接続されている。前記ボール１１は、トップリング１をターンテーブル２２の傾動に追従して傾動させるための傾動機構を構成している。
【００３３】
また、トップリングシャフト１２はキー（図示せず）を介して回転筒１５に連結されており、この回転筒１５はその外周部にタイミングプーリ１６を有している。そして、タイミングプーリ１６は、タイミングベルト１７を介して、トップリングヘッド１３に固定されたトップリング用モータ１８に設けられたタイミングプーリ１９に接続されている。したがって、トップリング用モータ１８を回転駆動することによってタイミングプーリ１９、タイミングベルト１７およびタイミングプーリ１６を介して回転筒１５及びトップリングシャフト１２が一体に回転し、トップリング１が回転する。なおトップリングシャフト１２の回転は、複数のピンからなる回転伝達機構２８によりトップリング１に伝達される。トップリングヘッド１３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２０によって支持されている。
【００３４】
一方、リテーナリング７はピン２９および流体圧バッグ８を介してトップリング１に連結されており、トップリング１の回転はピン２９によってリテーナリング７に伝達され、またリテーナリング７は流体圧バッグ８により上下動される。すなわち、リテーナリング７はトップリング１に対して上下動自在であるとともにトップリング１と一体に回転可能になっている。
【００３５】
前述したように、チャンバＣはレギュレータＲ_１を介して流体源５に接続されている。レギュレータＲ_１によってチャンバＣへ供給する流体の流体圧を調整することにより保持プレート３のウエハ保持面３ａの湾曲形状（下側に凸、上側に凸等）を調整することができるとともに、この湾曲の度合いを調整することができる。またトップリング用流体圧シリンダ１４および流体圧バッグ８は、それぞれレギュレータＲ_３，Ｒ_２を介して流体源５に接続されている。なおチャンバＣおよび流体圧バッグ８は、それぞれトップリングシャフト１２内を延びるチューブ９，２３およびトップリングシャフト１２の上端部のロータリージョイント３０を介してレギュレータＲ_１，Ｒ_２に接続されている。そして、レギュレータＲ_３によってトップリング用エアシリンダ１４へ供給する加圧流体の流体圧を調整することによりトップリング１が半導体ウエハ４を研磨布２１に押圧する押圧力を調整することができ、レギュレータＲ_２によって流体圧バッグ８へ供給する加圧流体の流体圧を調整することによりリテーナリング７が研磨布２１を押圧する押圧力を調整することができる。
【００３６】
前記レギュレータＲ_１，Ｒ_２，Ｒ_３は、コントローラ２４に接続されており、コントローラ２４の入力値にしたがって制御される。この場合、レギュレータＲ_１はコントローラ２４によって独立して制御されるが、レギュレータＲ_２，Ｒ_３は互いに関連させて制御される。すなわち、リテーナリング７を研磨布２１に押圧すると、リテーナリング７は反力を受けて、トップリング１の押圧力に影響を与えることになる。そのため、トップリング１の押圧力とリテーナリング７の押圧力の設定値をコントローラ２４に入力し、コントローラ２４によってトップリング用流体圧シリンダ１４および流体圧バッグ８に与える流体圧を演算し、レギュレータＲ_３，Ｒ_２を調整して、所定の圧力の流体をトップリング用流体圧シリンダ１４および流体圧バッグ８にそれぞれ供給する。これによって、トップリング１の押圧力およびリテーナリング７の押圧力としてそれぞれ所望の値が得られるようになっている。すなわち、トップリング１の押圧力とリテーナリング７の押圧力は、研磨中にそれぞれ影響を受けることなく独立に変更可能になっている。
【００３７】
また、図５に示すように、保持プレート３は下面に開口する複数の連通孔３ｈを有しており、この連通孔３ｈは、ジョイント２６、トップリング本体２に形成された連通孔２ｈおよびチューブ２７を介して真空ポンプ等の真空源（図示せず）に連通されている。これによって、保持プレート３のウエハ保持面３ａは半導体ウエハ４の上面を真空吸着することができるようになっている。ジョイント２６は上下外周部にＯリング３８を備えており、チャンバＣが連通孔２ｈ，３ｈに連通しないように構成している。またジョイント２６と保持プレート３とはすきま嵌めにより嵌合されており、保持プレート３の変形が阻害されないようになっている。なお、連通孔３ｈは、トップリングシャフト１２内を延びるチューブ２７、ロータリージョイント３０を介して切替弁（図示せず）に接続されており、切替弁を適宜切替ることにより連通孔３ｈを真空源又は加圧空気源又は液体源と連通させることが可能になっている。したがって、保持プレート３のウエハ保持面３ａは、真空源によって連通孔３ｈを負圧にすることにより半導体ウエハ４を真空吸着し、加圧空気源によって連通孔３ｈから加圧空気を噴出することにより研磨中に半導体ウエハ４にバックサイドプレッシャを加えることができる。研磨中に半導体ウエハ４に若干のバックサイドプレッシャをかけることにより、真空吸着による半導体ウエハの搬送中についた吸着跡をとり除くことができる。また液体源によって連通孔３ｈから液体を噴出することによりウエハ保持面３ａから半導体ウエハ４を離脱させることができる。
【００３８】
また、ターンテーブル２２の上方には砥液供給ノズル２５が設置されており、砥液供給ノズル２５によってターンテーブル２２上の研磨布２１上に研磨砥液Ｑが供給されるようになっている。
【００３９】
上記構成のポリッシング装置において、トップリング１のウエハ保持面３ａに半導体ウエハ４を保持させ、トップリング用流体圧シリンダ１４を作動させてトップリング１をターンテーブル２２に向かって押圧し、回転しているターンテーブル２２の上面の研磨布２１に半導体ウエハ４を押圧する。一方、砥液供給ノズル２５から研磨砥液Ｑを流すことにより、研磨布２１に研磨砥液Ｑが保持されており、半導体ウエハ４の研磨される面（下面）と研磨布２１の間に研磨砥液Ｑが存在した状態で研磨が行われる。
【００４０】
そして、研磨中に流体源５から圧縮空気等の加圧流体をチャンバＣに供給すると、加圧流体の加圧力によって保持プレート３のウエハ保持面３ａが下側に凸状に湾曲する。これにより、半導体ウエハ４は中央部側が外周部側より高い圧力で研磨布２１に押し付けられる。そのため、半導体ウエハ４の外周部側が中央部側より研磨される傾向にあるときは、上記のように保持プレート３のウエハ保持面３ａの変形作用により、中央部側の研磨不足を補正することができる。
【００４１】
一方、半導体ウエハ４の中央部側が外周部側より研磨される傾向にあるときは、レギュレータＲ_１を調節して流体源５からチャンバＣに供給される加圧流体の圧力を弱めるか、又は０にして保持プレート３のウエハ保持面３ａの湾曲形状を変える。これによって、半導体ウエハ４の外周部側の研磨圧力を中央部側の研磨圧力より高め、外周部側の研磨不足を補正し、半導体ウエハ４の全面を均一に研磨することができる。
【００４２】
また本発明において、トップリング１がポリッシング対象物である半導体ウエハ４をターンテーブル２２上の研磨布２１に押圧する押圧力Ｆ_１を可変とし、またリテーナリング７が研磨布２１を押圧する押圧力Ｆ_２を可変としている。そして、押圧力Ｆ_１と押圧力Ｆ_２とは、それぞれ独立して押圧力を変更できるようになっている。したがって、リテーナリング７が研磨布２１を押圧する押圧力Ｆ_２をトップリング１が半導体ウエハ４を研磨布２１に押圧する押圧力Ｆ_１に応じて変更することができる。
【００４３】
すなわち、レギュレータＲ_３によってトップリング１が半導体ウエハ４をターンテーブル２２上の研磨布２１に押圧する押圧力Ｆ_１を変更でき、レギュレータＲ_２によってリテーナリング７が研磨布２１を押圧する押圧力Ｆ_２を変更できる（図１参照）。押圧力Ｆ_１に対する押圧力Ｆ_２を適宜調整するとともに、保持プレート３のウエハ保持面３ａの形状を適宜調整することにより、半導体ウエハ４の中心部から周縁部、さらには半導体ウエハ４の外側にあるリテーナリング７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４の中心部および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。
【００４４】
また半導体ウエハ４の周縁部の研磨量を内部側より意図的に多くし又は逆に少なくしたい場合には、リテーナリング７の押圧力Ｆ_２をトップリング１の押圧力Ｆ_１に基づいて最適な値に選択することにより、半導体ウエハ４の周縁部の研磨量を意図的に増減できる。
【００４５】
すなわち、前記チャンバＣに供給する流体の圧力を制御することによるウエハ保持面３ａの形状補正作用とリテーナリング７による研磨布２１の形状補正作用の協働作用により半導体ウエハ４を研磨する。これによって、半導体ウエハの局部（例えば、中央部、外周部等）的な研磨不足を補正することができる。また、半導体ウエハ４の局部（例えば、中央部、外周部等）を意図的に研磨量を多くし、または逆に少なくすることができる。
【００４６】
またターンテーブル２２に半導体ウエハ４の研磨量を計測する膜厚計等の計測計を設け、研磨中に被研磨面のプロファイル（形状）を検知し、この検知結果をコントローラ２４に入力して、保持プレート３のウエハ保持面３ａの形状変更を行うこともできる。
【００４７】
図６はリテーナリングの変形例を示す断面図である。本例におけるリテーナリング７は第１リテーナリング部材７ａと第２リテーナリング部材７ｂとから構成されているが、第１リテーナリング部材７ａはセラミックスからなるリング状本体部７ａ_１とリング状本体部７ａ_１の内周面に接着等によって固定された樹脂製のリング状接触部７ａ_２とから構成されている。リテーナリング７をセラミックスと樹脂の組合せとすることにより、セラミックスによりリテーナリングを長寿命化することができ、また半導体ウエハとの接触部を樹脂とすることにより、半導体ウエハのチッピングの発生を防止できる。
【００４８】
図７は、本発明のポリッシング装置の他の実施形態を示す図であり、ポリッシング装置の要部構成を示す断面図である。図７に示すトップリングは、図５に示すトップリングとリテーナリングの取付構造において相違している。即ち、トップリング１は、図５に示すトップリングと同様に、トップリング本体２と、半導体ウエハ４（図４参照）の上面を保持する保持プレート３とを備えている。
【００４９】
そして、トップリング１の外周部には、半導体ウエハ４を保持プレート３の下面に保持するために半導体ウエハ４の外周部を保持するリテーナリング（ガイドリング）７が配置されている。リテーナリング７は、図５に示す例と同様に、最下位置にあって樹脂材からなり研磨布２１（図４参照）と接触する第１リテーナリング部材７ａと、第１リテーナリング部材７ａを保持するリング状の第２リテーナリング部材７ｂとから構成されている。第２リテーナリング部材７ｂは上部においてトップリング本体２の取付フランジ部２ａと連結されており、リテーナリング７はトップリング１と一体に回転するが、トップリング１に対して上下動可能になっている。またトップリング本体２の外周部にある取付フランジ部２ａと保持プレート３の外周部３ｂとの間の溝内には、円環状のゴム製のチューブからなる流体圧バッグ８が配置されている。流体圧バッグ８はトップリング本体２に固定されている。本実施形態におけるその他の構成は、図５に示す実施形態と同様であり、また作用効果も同様である。
【００５０】
図８乃至図１０は、本発明のポリッシング装置の更に他の実施形態を示す図である。図８（ａ）、図９（ａ）および図１０（ａ）はポリッシング装置の要部構成を示す断面図、図８（ｂ）、図９（ｂ）および図１０（ｂ）はそれぞれ図８（ａ）、図９（ａ）および図１０（ａ）の要部拡大断面図である。
【００５１】
図４乃至図７に示す実施形態においては、リテーナリング７を押圧するために、円環状でかつタイヤのチューブ状の流体圧バッグ８を用いている。しかしながら、リテーナリング７が長時間の使用により摩耗したときには流体圧バッグ８が摩耗した長さだけ伸びてリテーナリング７を押圧するが、図５および図７に示す流体圧バッグ８の場合、流体圧バッグ８自体が伸びることにのみ流体圧を消費し、同等の流体圧を付与しても、摩耗前と同一のリテーナリングの押圧力を得ることができないという現象が起こる。これにより、半導体ウエハの連続処理時にウエハ周縁部の研磨特性が経時的に変化し、安定した研磨性能を得ることが困難であるという問題点がある。
【００５２】
この問題点を解消するために、図８乃至図１０に示す実施形態においては、リテーナリング７を押圧する機構としてゴム等の弾性体の伸びに依存せず、リテーナリングに所望の押圧力を付与することができる構造を使用したものである。
【００５３】
図８に示す実施形態においては、図８（ａ）に示すように、トップリング本体２の取付フランジ部２ａと保持プレート３の外周部３ｂとの間の溝内には、上下一対のシールリング４０Ａ，４０Ｂが設けられている。下側のシールリング４０Ａは、リテーナリング７を押圧するためのリング４１ａと、リング４１ａと保持プレート３およびリング４１ａとトップリング本体２との間をシールするためのリップシール４２ａとからなっている。また上側のシールリング４０Ｂは、トップリング本体２の取付フランジ部２ａに固定されたリング４１ｂと、リング４１ｂと保持プレート３およびリング４１ｂとトップリング本体２との間をシールするためのリップシール４２ｂとからなっている。そして、上下のシールリング４０Ａ，４０Ｂ間には空間４３が形成されている。そして、空間４３はコネクタ４４、チューブ２３及びレギュレータＲ_２を介して流体源５（図４参照）に接続されており、空間４３内に加圧空気等の加圧流体が供給されるようになっている。したがって、レギュレータＲ_２によって空間４３内に供給する加圧流体の流体圧を調整することにより、リング４１ａがリテーナリング７を押圧する押圧力を調整することができ、即ち、リテーナリング７が研磨布２１を押圧する押圧力を調整することができる。
【００５４】
図８に示す実施形態においては、図８（ｂ）に示すように、トップリング２の取付フランジ部２ａの箇所には、リテーナリング７およびリテーナリング７の周囲の部材に洗浄用純水を供給するための連通孔２ｋが形成されている。そして、連通孔２ｋにはチューブ４６およびコネクタ４７を介して、洗浄用純水が供給され、リテーナリング７およびリテーナリング７の周囲にある部材、例えば上下のシールリング４０Ａ，４０Ｂ等が洗浄されるようになっている。
【００５５】
図８に示す実施形態によれば、シールリング４０Ａの上下動の範囲は、図５および図７に示す実施形態のように制限されることがなく、たとえリテーナリング７が摩耗してもシールリング４０Ａはリテーナリング７を所望の押圧力で押圧することができる。
【００５６】
図９に示す実施形態においては、図９（ａ）に示すように、トップリング本体２の取付フランジ部２ａと保持プレート３の外周部３ｂとの間の溝内には、リング型エアシリンダ５０が設けられている。リング型エアシリンダ５０はリング型シリンダ５１と、リング型シリンダ５１内に上下動自在に収容されたリング型ピストン５２とからなっている。リング型ピストン５２の上面にはシール用のゴムリング５３が嵌装されている。リング型ピストン５２とゴムリング５３との間には空間５４が形成されている。
【００５７】
そして、空間５４はコネクタ４４、チューブ２３およびレギュレータＲ_２を介して流体源５（図４参照）に接続されており、空間５４内に加圧空気等の加圧流体が供給されるようになっている。したがって、レギュレータＲ_２によって空間５４内に供給する加圧流体の流体圧を調整することにより、リング型ピストン５２がリテーナリング７を押圧する押圧力を調整することができ、即ち、リテーナリング７が研磨布２１を押圧する押圧力を調整することができる。図９（ｂ）には、図８（ｂ）と同様にリテーナリング７およびリング型エアシリンダ５０の洗浄機構が示されている。
【００５８】
図９に示す実施形態によれば、リング型ピストン５２の上下動の範囲は、図５および図７に示す実施形態のように制限されることがなく、たとえリテーナリング７が摩耗してもリング型ピストン５２はリテーナリング７を所望の押圧力で押圧することができる。本実施形態におけるその他の構成は、図８に示す実施形態と同様であり、また作用効果も同様である。
【００５９】
図１０に示す実施形態においては、図１０（ａ）に示すように、トップリング本体２の取付フランジ部２ａの箇所にリング状の流体圧バッグ６０が設けられている。流体圧バッグ６０には、リング型ピストン６１が嵌装されている。図１０に示す構造は、リング型エアシリンダの一種であり、シリンダ内部に備えた流体圧バッグ６０に流体圧を付与し、リング型ピストン６１に押圧力を与える構造になっている。この流体圧バッグ６０はたわんだ状態で収められており、空気圧が加圧されてもそれ自体が伸びるのではない。流体圧により変形してリング型ピストン６１を押圧するので、バッグの伸びによる押圧力の変化は無い。リテーナリング７の上下動の動きの範囲が限られているため、バッグ自身が伸びるまで拡大することがない。この構造により、リング型ピストン６１にはリップシール等のシールが不要となるため、シールに起因する押圧力のヒステリシスを軽減することができる。なお、符号６５はリング型ピストン６１の上下動は許容するが、リング型ピストン６１の回転を防止するためのピンである。また、本実施形態においては、リテーナリング７および流体圧バッグ６０，リング型ピストン６１の洗浄用の連通孔２ｋは流体圧バッグ６０およびリング型ピストン６１の半径方向の内方に形成されている。
【００６０】
図１１乃至図１３は、ウエハ保持面を構成する保持プレートがセラミックス等の剛性の高い材料で形成されていてウエハ保持面が変形しない従来型のトップリングに図８乃至図１０に示すリテーナリングの押圧機構を設けた例を示す図である。
図１１乃至図１３に示す例においては、トップリング１はトップリング本体２と、半導体ウエハ４等のポリッシング対象物の上面を保持する保持プレート３Ａとを備えている。保持プレート３Ａはセラミックス等の剛性の高い材料で形成されており、ウエハ保持面３ａ’は変形しないようになっている。保持プレート３Ａの下面には弾性マット６が貼着されている。
【００６１】
またトップリング１の外周部には、半導体ウエハ４を保持プレート３の下面に保持するために半導体ウエハ４の外周部を保持するリテーナリング（ガイドリング）７が配置されている。保持プレート３Ａとトップリング本体２の間には、チャンバＣ’が形成されているが、このチャンバＣ’は、保持プレート３Ａに形成された連通孔３ｍを介して保持プレート３Ａの下面に流体を供給するためのものであって、保持プレート３Ａを変形させるものではない。即ち、チャンバＣ’に圧縮空気等の加圧流体を供給することにより、加圧流体は保持プレート３Ａの３ａ’から噴出し、半導体ウエハ４にバックサイドプレッシャをかけることができる。また、チャンバＣ’内を真空ポンプで排気することにより、保持プレート３Ａの３ａ’に半導体ウエハ４を真空吸着できる。なお、半導体ウエハ４を保持プレート３Ａの３ａ’から離脱させる際には、チャンバＣ’に純水等の液体を供給する。
【００６２】
図１１乃至図１３に示すトップリングは、トップリング本体２の取付フランジ部２ａの箇所に、図８乃至図１０に示すようなリテーナリングの押圧機構が設置されている。即ち、図１１に示す例においては、図８に示すシールリング４０Ａ、４０Ｂが設けられている。図１２に示す例においては、図９に示すリング型エアシリンダ５０が設けられている。図１３に示す例においては、図１０に示す流体圧バッグ６０が設けられている。したがって、図１１乃至図１３に示す実施形態においては、リテーナリング７が摩耗しても、リテーナリングの押圧機構はリテーナリング７を所望の押圧力で押圧することができる。
【００６３】
次に、本発明のポリッシング装置の第２の態様を図１４乃至図１９を参照して説明する。トップリングに求められる性能は、半導体ウエハ上に堆積された各種の膜をウエハ全面にわたり均一に研磨することである。その場合、ポリッシング装置やトップリングの性能によっては全面均等にポリッシングできないことがあり、その対策として部分的にウエハの加圧力を制御する必要がある。
【００６４】
さらに、近年、ユーザの要求はポリッシング量（研磨量）を全面にわたり均一にするのではなく、研磨後の半導体ウエハが平坦であることに変わりつつある。これは、研磨前の膜付けされたウエハが、全面にわたり平坦でないことが原因である。膜の種類や膜付け条件などにより部分的に膜厚が他の部分より厚くなることがある。例えば、ウエハの中心部に比べ、外周部の膜付けが厚い、などの場合がある。そういった場合、厚くなった部分に他よりも高い研磨圧力を加えることで、この部分を他の部分よりも多く研磨し、研磨後のウエハ全面を平坦化する必要がある。
【００６５】
図１乃至図１０に示すウエハ保持面が流体圧によって変形可能なダイヤフラム型トップリングでは、金属性の保持プレートであるダイヤフラムに弾性マット（バッキングフィルム）を貼設し、弾性マットを介してウエハ裏面を加圧して研磨している。そして、金属性のダイヤフラムを加圧流体によって加圧することでウエハ加圧面（ウエハ保持面）を凹凸に制御し、ウエハ全面が均一に研磨できるようにする、もしくは、部分的に加圧することで研磨後のウエハプロファイルを制御することが可能になっている。しかしながら、バッキングフィルムを使用する限り、品質のバラツキ、継続使用による弾性率の変化、吸水状態の違いによる弾性率の面内バラツキなど、不安定要素が存在する。
【００６６】
また、加圧流体によってゴム製の弾性膜（メンブレン）を介して半導体ウエハを押圧するメンブレン型トップリングでは、弾性膜を介したウエハ裏面への流体圧均等荷重制御が可能になっている。しかし、この場合は、あくまでウエハに対して均等加圧ができるだけで、部分的な加圧制御ができるわけではない。そのため、研磨後のウエハプロファイルを部分的に制御することが難しい。
【００６７】
本発明の第２の態様は、図１乃至図１０に示すダイヤフラム型トップリングの面内加圧分布制御性とメンブレン型トップリングのウエハ裏面への均一荷重制御の特性をあわせもち、ウエハ外周部もしくは中心部に部分的に加圧制御可能にし、その他の部分は全面均等荷重制御可能なトップリングである。さらに、このトップリングはウエハ外周部もしくは中心部の部分的加圧領域（幅）を制御可能である。
【００６８】
図１４は本発明の第２の態様の基本概念を示す図である。本発明の第２の態様におけるトップリングは、図１に示すダイヤフラム型トップリングに弾性膜（メンブレン）を被せた構造になっている。即ち、トップリング１は、トップリング本体２と、半導体ウエハ４を加圧する加圧プレート３’に加えて、加圧プレート３’の外側に弾性膜（メンブレン）１０を備えている。弾性膜１０は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素ゴム、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、加圧プレート３’と弾性膜１０との間がチューブおよびコネクタ等からなる流体路およびレギュレータＲ_４を介して流体源５に接続されている。
【００６９】
前記トップリング本体２と加圧プレート３’との間にはチャンバＣが形成されており、チャンバＣはレギュレータＲ_１を介して流体源５に接続されている。またトップリング１の外周部には、半導体ウエハ４を弾性膜１０の下端面、すなわちウエハ保持面１０ａに保持するためのリテーナリング（ガイドリング）７が配置されている。リテーナリング７とトップリング１との間には、円環状のチューブからなる流体圧バッグ８が配置されている。そして、流体圧バッグ８はレギュレータＲ_２を介して流体源５に接続されている。トップリング１の下方には、上面に研磨布２１を貼ったターンテーブル２２が設置されている。研磨布２１は半導体ウエハに摺接して研磨を行う研磨面を構成している。
【００７０】
前記トップリング１はボール１１を介してトップリングシャフト１２に連結されており、このトップリングシャフト１２はトップリングヘッド１３に固定されたトップリング用流体圧シリンダ１４に連結されている。トップリング用流体圧シリンダ１４はレギュレータＲ_３を介して流体源５に接続されている。
【００７１】
上述の構成において、流体源５からトップリング用流体圧シリンダ１４に圧縮空気等の加圧流体を供給することにより、トップリング１がポリッシング対象物である半導体ウエハ４をターンテーブル２２上の研磨布２１に所定の押圧力Ｆ_１で押圧し、半導体ウエハ４を研磨する。この押圧力Ｆ_１はレギュレータＲ_３を調節することにより可変になっている。
【００７２】
本実施形態において、流体源５から圧縮空気等の加圧流体をチャンバＣに供給しない状態又はチャンバＣに真空圧を供給しない状態のときには、即ち、加圧プレート３’からなるダイヤフラムに正圧又は負圧をかけない状態では、このトップリングはメンブレン型トップリングと同じ性能を有することになる。即ち、ダイヤフラムに正圧又は負圧をかけない状態では、加圧プレート３’と弾性膜１０との間に圧縮空気等の加圧流体を供給することにより、トップリング１は、弾性膜１０により形成された流体圧バッグを介して半導体ウエハ４を研磨布２１に対して押圧することになる。これにより、弾性膜１０による流体圧バッグを介したウエハ裏面への流体圧均等荷重制御が可能になっている。
【００７３】
一方、流体源５から圧縮空気等の加圧流体をチャンバＣに供給することにより、加圧プレート３’からなるダイヤフラムに正圧をかけると、図１５に示すように、加圧プレート（ダイヤフラム）３’が凸（〜０．１ｍｍ程度）に変形して、加圧プレート（ダイヤフラム）３’と弾性膜（メンブレン）１０が一部接触した状態になる。さらにトップリング全体の荷重を高めていくと、ダイヤフラム中心付近（加圧プレート３’の中心付近）の一部は、弾性膜（メンブレン）１０を介して半導体ウエハ４を直接押し付けることになる。加圧プレート３’が弾性膜１０に接していないその他の部分では、弾性膜１０が流体圧により均等加圧されている。
【００７４】
また、チャンバＣ内を真空ポンプからなる流体源５により排気すると、加圧プレート３’からなるダイヤフラムに負圧がかかり、図１６に示すように、ダイヤフラム面（加圧プレート３’の下面）は凹（〜０．１ｍｍ程度）に変形する。この状態で、トップリング全体の荷重を高めていくとダイヤフラム外周部の一部は、弾性膜（メンブレン）１０を介して半導体ウエハ４を直接押圧することになる。加圧プレート３’が弾性膜１０に接していないその他の部分では、弾性膜１０が流体圧により均等加圧されている。
【００７５】
図１７は、ダイヤフラム加圧制御によるウエハの面圧分布を模式的に表すグラフであり、図１７（ａ）は加圧プレート（ダイヤフラム）３’が図１５に示す状態のときのウエハの面圧分布を示し、図１７（ｂ）は加圧プレート（ダイヤフラム）３’が図１６に示す状態の時のウエハの面圧分布を示す。図１７において、横軸はウエハ中心から外周までの距離を示し、縦軸はウエハの面圧を示している。図１７（ａ）および図１７（ｂ）に示すように、加圧プレート（ダイヤフラム）３’の圧力制御により、ウエハの中心部および外周部の面圧分布の制御が可能である。そして、図１７（ａ）および図１７（ｂ）に示すように、加圧プレート（ダイヤフラム）３’へ加える正圧又は負圧の大きさを変更することにより、ウエハ中心部又は外周部の部分的加圧領域（幅）を制御可能であることがわかる。図１５および図１６においては、部分的加圧領域（幅）はＰＡ１およびＰＡ２で表され、図１７（ａ）および図１７（ｂ）に示すように、この領域ＰＡ１，ＰＡ２は加圧プレート（ダイヤフラム）３’へ加える正圧又は負圧の大きさを変えることにより広く又は狭くすることができる。
【００７６】
図１８は、ダイヤフラムを構成する加圧プレートの下面に多孔質プレートを設けた例を示す概略断面図である。図１８に示すように、加圧プレート３’の下面に、多孔質プレート８０を配置することにより、加圧プレート（ダイヤフラム）面と弾性膜１０の隙間が極めて小さい場合でも、この隙間に圧力流体を供給して弾性膜１０の全面に圧力を行き渡らせ、均等加圧することが可能となる。
【００７７】
図１９は、図１４乃至図１８に示すトップリングが半導体ウエハを吸着する動作を示す概略断面図である。図１９（ａ）はトップリングが半導体ウエハを吸着する前の状態を示し、図１９（ｂ）はトップリングが半導体ウエハを吸着した状態を示している。
図１９に示すように、ウエハ吸着動作は、トップリングにウエハがない時に加圧プレート（ダイヤフラム）３’を負圧により凹状に変形させ、半導体ウエハ４を弾性膜（メンブレン）１０に接触させた後、加圧プレート（ダイヤフラム）３’と弾性膜（メンブレン）１０の間の空間を負圧にすることにより行う。ダイヤフラムの凹変形量を０．１ｍｍ以下に制御すれば、図１９（ｂ）に示すようにダイヤフラム面（加圧プレート３’の下面）にウエハが倣って変形したとしてもウエハが割れることはない。また、ダイヤフラム変形量を変化させることにより、ウエハ吸着力を制御することも可能である。
【００７８】
図２０は、本発明の第２の態様における具体的構成を示す断面図である。図２０に示すように、本発明の第２の態様におけるトップリングは、図５に示すダイヤフラム型トップリングに弾性膜（メンブレン）を被せた構造になっている。即ち、トップリング１は、トップリング本体２と、半導体ウエハ４を保持する加圧プレート３’に加えて、加圧プレート３’の外側に弾性膜（メンブレン）１０を備えている。加圧プレート３’には開口３ｇが形成されており、この開口３ｇにコネクタ７１を介してチューブ７２が接続されている。さらに、チューブ７２はトップリング本体２の下面に固定されたコネクタ７４、トップリング本体２の開口２ｇ、トップリング本体２の上面に固定されたコネクタ７５、およびチューブ７６を介して流体源５に接続されている。
【００７９】
上述の構成において、開口３ｇ、コネクタ７５，７４，７１、チューブ７６，７２を介して加圧プレート３’と弾性膜１０との間に加圧流体を供給することにより、加圧プレート３’の下面側に弾性膜１０からなる流体圧バッグを形成することができる。すなわち、コネクタ７５，７４，７１、チューブ７６，７２は加圧流体を流体源５から弾性膜１０からなる流体圧バッグの内部に供給するための流路を構成している。そして、チャンバＣへ正圧又は負圧を適宜かけることにより、ダイヤフラム型トップリングの面内加圧分布制御性とメンブレン型トップリングのウエハ裏面均等荷重制御の特性をあわせもち、ウエハ外周部もしくは中心部に部分的加圧制御可能にして、その他の部分は全面均等荷重制御可能なトップリングとすることができる。
【００８０】
本発明においては、ターンテーブル上に形成される研磨面は、前述した研磨布（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。研磨布としては、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Ｓｕｒｆｉｎｘｘｘ−５，Ｓｕｒｆｉｎ０００等である。ＳＵＢＡ８００，Ｓｕｒｆｉｎｘｘｘ−５，Ｓｕｒｆｉｎ０００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。
【００８１】
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（ＣｅＯ_２）、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。
【００８２】
また本発明に用いるターンテーブルは、中心軸の回りに回転するタイプのターンテーブルに限らず、テーブル上の任意の点が循環並進運動を行うスクロール型テーブルをも包含するものである。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のポリッシング装置および方法によれば、ポリッシングに際してポリッシング対象物の中央部又は周縁部における押圧力分布が不均一になることを防止して研磨圧力をポリッシング対象物の全面に亘って均一にし、ポリッシング対象物の中央部又は周縁部の研磨量が過不足となることを防止することができる。したがって、ポリッシング対象物の全面を平坦かつ鏡面に研磨することができる。そして、半導体製造工程等に用いてより質の高いポリッシングを行うことができ、また半導体ウエハの周縁部まで製品に供することができるため、半導体ウエハの歩留りの向上に寄与する。
【００８４】
また本発明によれば、半導体ウエハ等のポリッシング対象物によってはポリッシング対象物の周縁部を内部側より意図的に研磨量を多く又は逆に少なくしたいという要請があるため、この要請にも答えることができるようにポリッシング対象物の周縁部の研磨量を意図的に増減することができる。さらに、ポリッシング対象物の周縁部のみならず、研磨面の狙った一部の領域（例えば、中央部、外周部等）の研磨量を増減するように研磨することができる。
【００８５】
さらに本発明によれば、ダイヤフラム型トップリングの面内加圧分布制御性とメンブレン型トップリングのポリッシング対象物の裏面への均一荷重制御の特性をあわせもち、ポリッシング対象物の外周部もしくは中心部に部分的に加圧制御可能にし、その他の部分は全面均等荷重制御可能なトップリングである。さらに、このトップリングはポリッシング対象物の外周部もしくは中心部の部分的加圧領域（幅）を制御可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本概念を示す図である。
【図２】トップリングの保持プレートのウエハ保持面の形状を表す図である。
【図３】トップリングが半導体ウエハを研磨布に押圧する押圧力とリテーナリングが研磨布を押圧する押圧力との関係を変えた場合の模式図である。
【図４】本発明に係るポリッシング装置の全体構成を示す図である。
【図５】本発明に係るポリッシング装置の要部構成を示す図である。
【図６】リテーナリングの変形例を示す断面図である。
【図７】本発明のポリッシング装置の他の実施形態を示す図であり、ポリッシング装置の要部構成を示す断面図である。
【図８】本発明のポリッシング装置の更に他の実施形態を示す図であり、図８（ａ）はポリッシング装置の要部構成を示す断面図、図８（ｂ）は図８（ａ）の要部拡大断面図である。
【図９】本発明のポリッシング装置の更に他の実施形態を示す図であり、図９（ａ）はポリッシング装置の要部構成を示す断面図、図９（ｂ）は図９（ａ）の要部拡大断面図である。
【図１０】本発明のポリッシング装置の更に他の実施形態を示す図であり、図１０（ａ）はポリッシング装置の要部構成を示す断面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の要部拡大断面図である。
【図１１】ウエハ保持面を構成する保持プレートがセラミックス等の剛性の高い材料で形成されていてウエハ保持面が変形しない従来型のトップリングに図８に示すリテーナリングの押圧機構を設けた例を示す図である。
【図１２】ウエハ保持面を構成する保持プレートがセラミックス等の剛性の高い材料で形成されていてウエハ保持面が変形しない従来型のトップリングに図９に示すリテーナリングの押圧機構を設けた例を示す図である。
【図１３】ウエハ保持面を構成する保持プレートがセラミックス等の剛性の高い材料で形成されていてウエハ保持面が変形しない従来型のトップリングに図１０に示すリテーナリングの押圧機構を設けた例を示す図である。
【図１４】本発明の第２の態様の基本概念を示す図である。
【図１５】加圧プレートからなるダイヤフラムに正圧をかけた状態を示す図である。
【図１６】加圧プレートからなるダイヤフラムに負圧をかけた状態を示す図である。
【図１７】ダイヤフラム加圧制御によるウエハの面圧分布を模式的に表すグラフであり、図１７（ａ）はダイヤフラムが図１５に示す状態のときのウエハの面圧分布を示し、図１７（ｂ）はダイヤフラムが図１６に示す状態のときのウエハの面圧分布を示す図である。
【図１８】ダイヤフラムを構成する加圧プレートの下面に多孔質プレートを設けた例を示す概略断面図である。
【図１９】図１４乃至図１８に示すトップリングが半導体ウエハを吸着する動作を示す概略断面図であり、図１９（ａ）はトップリングが半導体ウエハを吸着する前の状態を示し、図１９（ｂ）はトップリングが半導体ウエハを吸着した状態を示す図である。
【図２０】本発明の第２の態様における具体的構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１トップリング
２トップリング本体
２ａ取付フランジ部
２ｈ，３ｈ，２ｋ連通孔
３保持プレート
３’ 加圧プレート
３ａウエハ保持面
３ｂ外周部
３ｇ開口
３ｔ薄肉部
４半導体ウエハ
５流体源
６弾性マット
７リテーナリング
７ａ第１リテーナリング部材
７ｂ第２リテーナリング部材
８，６０流体圧バッグ
１０弾性膜（メンブレン）
１１ボール
１２トップリングシャフト
１３トップリングヘッド
１４トップリング用流体圧シリンダ
１５回転筒
１６タイミングプーリ
１７タイミングベルト
１８トップリング用モータ
１９タイミングプーリ
２０トップリングヘッドシャフト
２１研磨布
２２ターンテーブル
２３，２７，４６，７２，７６チューブ
２４コントローラ
２５砥液供給ノズル
２６ジョイント
２８回転伝達機構
２９ピン
３０ロータリージョイント
３８Ｏリング
４０Ａ，４０Ｂシールリング
４１ａ，４１ｂリング
４２ａ，４２ｂリップシール
４３，５４空間
４４，４７，７１，７４，７５コネクタ
５０リング型エアシリンダ
５１リング型シリンダ
５２，６１リング型ピストン
５３ゴムリング

Claims

トップリングと研磨面を有するターンテーブルとを備え、前記トップリングとターンテーブルとの間にポリッシング対象物を介在させて所定の力で押圧することによって該ポリッシング対象物を研磨し、平坦かつ鏡面化するポリッシング装置において、
前記トップリングは、トップリング本体と、金属性の加圧プレートと、該加圧プレートの外側に配置された弾性膜と、前記加圧プレートとトップリング本体とで構成されたチャンバと、前記加圧プレートと弾性膜との間に形成された流体圧バッグとを備え、
前記流体圧バッグは可変の流体圧を供給できる流体源に接続され、前記ポリッシング対象物に対して流体圧荷重制御が可能であり、
前記チャンバは可変の流体圧を供給できる流体源に接続され、前記金属性の加圧プレートは前記チャンバに供給された流体圧によりその中心部を凸または凹に変形可能であり、
前記チャンバに正圧をかけ、前記加圧プレートの中心部を凸に変形すると、前記加圧プレートの中心付近は前記弾性膜に接触して該弾性膜を介して前記ポリッシング対象物を直接押し付け、前記流体圧バッグに供給された流体圧は、前記加圧プレートが接触していない部分の前記弾性膜を介して前記ポリッシング対象物を加圧し、
前記チャンバに負圧をかけ、前記加圧プレートの中心部を凹に変形すると、前記加圧プレートの外周部は前記弾性膜に接触して該弾性膜を介して前記ポリッシング対象物を直接押し付け、前記流体圧バッグに供給された流体圧は、前記加圧プレートが接触していない部分の前記弾性膜を介して前記ポリッシング対象物を加圧することを特徴とするポリッシング装置。
前記トップリングの周囲に配置され可変の押圧力で前記研磨面を押圧するとともにポリッシング対象物をトップリングの保持面内に保持するリテーナリングを設けたことを特徴とする請求項１記載のポリッシング装置。
前記流体圧バッグの内部は、加圧プレートに形成された開口及び流体流路を介して流体源に接続されていることを特徴とする請求項１記載のポリッシング装置。
前記加圧プレートには、前記流体圧バッグの表面に流体が行き渡るための多孔質プレートが設けられていることを特徴とする請求項３記載のポリッシング装置。
前記リテーナリングを可変の押圧力で前記研磨面に押圧する押圧機構を備え、該押圧機構は上下動可能なリング状部材と、該リング状部材をリテーナリングに押圧する可変の流体圧が供給される空間とを備えていることを特徴とする請求項２記載のポリッシング装置。
トップリングと研磨面を有するターンテーブルとを備え、前記トップリングとターンテーブルとの間にポリッシング対象物を介在させて所定の力で押圧することによって該ポリッシング対象物を研磨し、平坦かつ鏡面化するポリッシング方法において、
前記トップリングは、トップリング本体と、金属性の加圧プレートと、該加圧プレートの外側に配置された弾性膜と、前記加圧プレートとトップリング本体とで構成されたチャンバと、前記加圧プレートと弾性膜との間に形成された流体圧バッグとを備え、
前記流体圧バッグは可変圧の流体源に接続され、前記ポリッシング対象物に対して流体圧荷重制御が可能であり、
前記チャンバは可変圧の流体源に接続され、前記金属性の加圧プレートは前記チャンバに供給された流体圧により中心部を凸または凹に変形させ、
前記チャンバに正圧をかけ、前記加圧プレートの中心部を凸に変形すると、前記加圧プレートの中心付近は前記弾性膜に接触して該弾性膜を介して前記ポリッシング対象物を直接押し付け、前記流体圧バッグに供給された流体圧は、前記加圧プレートが接触していない部分の前記弾性膜を介して前記ポリッシング対象物を加圧し、
前記チャンバに負圧をかけ、前記加圧プレートの中心部を凹に変形すると、前記加圧プレートの外周部は前記弾性膜に接触して該弾性膜を介して前記ポリッシング対象物を直接押し付け、前記流体圧バッグに供給された流体圧は、前記加圧プレートが接触していない部分の前記弾性膜を介して前記ポリッシング対象物を加圧し、
前記チャンバに正または負の流体圧を加えないときは、前記流体圧バッグによる流体圧荷重制御により、前記弾性膜から流体圧を前記ポリッシング対象物に加えることを特徴とするポリッシング方法。