特許 6562779 研磨装置及び研磨方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6562779

(24)【登録日】2019年8月2日

(45)【発行日】2019年8月21日

(54)【発明の名称】研磨装置及び研磨方法

(51)【国際特許分類】

   B24B 37/30 20120101AFI20190808BHJP

   H01L 21/304 20060101ALI20190808BHJP

【ＦＩ】

   B24B37/30 E

   H01L21/304 622K

   H01L21/304 622G

【請求項の数】9

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2015-172679(P2015-172679)

(22)【出願日】2015年9月2日

(65)【公開番号】特開2017-47503(P2017-47503A)

(43)【公開日】2017年3月9日

【審査請求日】2018年4月26日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000239

【氏名又は名称】株式会社荏原製作所

(74)【代理人】

【識別番号】230104019

【弁護士】

【氏名又は名称】大野 聖二

(74)【代理人】

【識別番号】230112025

【弁護士】

【氏名又は名称】小林 英了

(74)【代理人】

【識別番号】100106840

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 耕司

(74)【代理人】

【識別番号】100115808

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 真司

(74)【代理人】

【識別番号】100113549

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 守

(74)【代理人】

【識別番号】100131451

【弁理士】

【氏名又は名称】津田 理

(74)【代理人】

【識別番号】100167933

【弁理士】

【氏名又は名称】松野 知紘

(74)【代理人】

【識別番号】100174137

【弁理士】

【氏名又は名称】酒谷 誠一

(74)【代理人】

【識別番号】100184181

【弁理士】

【氏名又は名称】野本 裕史

(72)【発明者】

【氏名】福島 誠

(72)【発明者】

【氏名】安田 穂積

(72)【発明者】

【氏名】富樫 真吾

【審査官】 亀田 貴志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−０２１８８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０８８０４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１１１６７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０６１５８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０８１５０７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２４Ｂ ３７／００ − ３７／３０

Ｈ０１Ｌ ２１／３０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

研磨パッドを支持するための研磨テーブルと、基板を前記研磨パッドに押し付けるための基板保持装置とを備えた研磨装置であって、
前記基板保持装置は、基板を押圧するための複数の圧力室を形成する弾性膜と、前記弾性膜が取り付けられるヘッド本体と、前記基板を囲むように配置されたリテーナリングと、前記複数の圧力室の圧力を制御する圧力制御部とを備え、
前記圧力制御部は、前記複数の圧力室のうち、前記弾性膜が基板に当接する基板保持面の周縁部に対応する第１圧力室に接続される第１流路と、前記第１流路に接続される第１圧力調整機構と、前記第１圧力調整機構と並列的に設けられる第２圧力調整機構を備え、前記第１圧力調整機構及び前記第２圧力調整機構を切り替えて前記第１圧力室の圧力を制御することを特徴とする研磨装置。

【請求項2】

前記第１圧力調整機構及び第２圧力調整機構の各々は、前記第１圧力室内の圧力を調整する圧力コントローラを備えており、前記第１圧力調整機構の圧力コントローラの圧力制御範囲は、前記第２圧力調整機構の圧力コントローラの圧力制御範囲よりも小さいことを特徴とする、請求項１記載の研磨装置。

【請求項3】

前記圧力制御部は、前記第１圧力室内の設定圧力が第１閾値に達したときに前記第１圧力調整機構から前記第２圧力調整機構に切り替えるとともに、前記第１圧力室内の設定圧力が前記第１閾値よりも低い第２閾値に達したときに前記第２圧力調整機構から前記第１圧力調整機構に切り替えることを特徴とする、請求項２記載の研磨装置。

【請求項4】

前記圧力制御部は、前記複数の圧力室のうちの一つである第２圧力室に接続される第２流路と、前記第２流路に接続される第３圧力調整機構と、前記第３圧力調整機構と並列的に設けられる第４圧力調整機構を備え、前記第３圧力調整機構及び前記第４圧力調整機構を切り替えて前記第２圧力室の圧力を制御することを特徴とする、請求項１記載の研磨装置。

【請求項5】

前記第１圧力室と前記第２圧力室は互いに隣接していることを特徴とする、請求項４記載の研磨装置。

【請求項6】

前記弾性膜は、基板に当接する基板保持面の周縁部から立ち上がる側壁と、前記側壁に接続される第１周壁部とを備え、前記第１圧力室は、前記側壁、前記第１周壁部及び前記ヘッド本体から形成されることを特徴とする、請求項１記載の研磨装置。

【請求項7】

前記弾性膜は、基板に当接する基板保持面の周縁部から立ち上がる側壁と、前記側壁に接続される第１周壁部と、基板保持面の前記第１周壁部の内側に接続される第２周壁部とを備え、前記第１圧力室は、前記第１周壁部、前記第２周壁部及び前記ヘッド本体から形成されることを特徴とする、請求項１記載の研磨装置。

【請求項8】

基板保持装置に保持された基板を研磨パッドに押しつけることで前記基板を研磨する方法であって、前記基板保持装置は、基板を押圧するための複数の圧力室を形成する弾性膜と前記複数の圧力室の圧力を制御する圧力制御部とを備えており、
前記圧力制御部は、前記複数の圧力室のうち、前記弾性膜が基板に当接する基板保持面の周縁部に対応する第１圧力室に接続される第１圧力調整機構と、前記第１圧力調整機構と並列的に設けられる第２圧力調整機構を切り替えることで、前記第１圧力室の圧力を制御することを特徴とする研磨方法。

【請求項9】

前記圧力制御部は、前記第１圧力室内の設定圧力が第１閾値に達したときに前記第１圧力調整機構から前記第２圧力調整機構に切り替えるとともに、前記第１圧力室内の設定圧力が前記第１閾値よりも低い第２閾値に達したときに前記第２圧力調整機構から前記第１圧力調整機構に切り替えることを特徴とする、請求項８記載の研磨方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ウェハなどの基板を保持しつつ研磨するための研磨装置及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイスの高集積化・高密度化に伴い、回路の配線がますます微細化し、多層配線の層数も増加している。回路の微細化を図りながら多層配線を実現しようとすると、下側の層の表面凹凸を踏襲しながら段差がより大きくなるので、配線層数が増加するに従って、薄膜形成における段差形状に対する膜被覆性（ステップカバレッジ）が悪くなる。よって、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がますます重要になっている。

【0003】

半導体デバイス表面の平坦化において重要な技術として、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）がある。この化学機械研磨では、シリカ（ＳｉＯ₂）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッドの研磨面上に供給しつつ、トップリング又は研磨ヘッドと称される基板保持装置で保持されたウェハを研磨面に摺接させ、研磨テーブルと基板保持装置とを相対運動させることにより、ウェハの表面が研磨される。

【0004】

ここで、研磨中のウェハと研磨パッドの研磨面との間の相対的な押圧力がウェハの全面に亘って均一でない場合には、ウェハの各部分に与えられる押圧力に応じて研磨不足や過研磨が生じてしまう。そこで、ウェハに対する押圧力を均一化するために、基板保持装置の下部に弾性膜から形成される圧力室を設け、この圧力室に空気などの流体を供給することで弾性膜を介して流体圧によりウェハを押圧することが行われている。

【0005】

半導体デバイス製造においては、ウェハエッジ部の研磨プロファイルは製品の歩留まりに大きく影響することから、ウェハエッジ部の研磨プロファイルを精密に調整することは非常に重要である。しかし、研磨パッドは弾性を有するため、研磨中のウェハのエッジ部（周縁部）に加わる押圧力が不均一になり、ウェハのエッジ部のみが多く研磨される、いわゆる「縁だれ」を起こしてしまう場合がある。

【0006】

そこで、例えば特許文献１に記載の基板保持装置では、弾性膜を、平坦領域と該平坦領域の外周部に位置して上方に立ち上がる立ち上がり領域を有するようにして、この立ち上がり領域に対抗する基板への押圧力を局所的に下げるようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１３−１１１６７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

近年、種々のデバイスの研磨に対応するとともに、研磨速度を高くしてスループットを高めるという観点から、広い圧力帯で使用可能な研磨装置が求められている。これと同時に、先端デバイスの研磨性能向上のため、低圧研磨時における研磨圧力を高精度化する必要性も高まってきており、特にウェハエッジ部での高精度化が強く求められている。

【0009】

広い圧力帯で研磨可能とするためにはフルスケール（ＦＳ）レンジの大きい圧力コントローラを用いる必要があるが、一般的に圧力コントローラの精度はフルスケールに比例することから、フルスケールの大きい圧力コントローラを低圧研磨で使用する場合には、使用する圧力帯（低圧）に対して誤差の占める割合が大きくなってしまい、低圧研磨時において精度良く研磨を行うことが困難となる。

【0010】

そこで、本発明は、広い圧力レンジでの研磨を可能としつつ低圧研磨時において高精度で研磨をすることができる研磨装置及び方法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】

【0011】

本発明の一態様は、研磨パッドを支持するための研磨テーブルと、基板を前記研磨パッドに押し付けるための基板保持装置とを備えた研磨装置であって、前記基板保持装置は、基板を押圧するための複数の圧力室を形成する弾性膜と、前記弾性膜が取り付けられるヘッド本体と、前記基板を囲むように配置されたリテーナリングと、前記複数の圧力室の圧力を制御する圧力制御部とを備え、前記圧力制御部は、前記複数の圧力室のうちの一つである第１圧力室に接続される第１流路と、前記第１流路に並列的に設けられる第１圧力調整機構及び第２圧力調整機構を備え、前記第１圧力調整機構及び第２圧力調整機構を切り替えて前記第１圧力室の圧力を制御することを特徴とする。

【0012】

前記第１圧力調整機構及び第２圧力調整機構の各々は、前記第１圧力室内の圧力を調整する圧力コントローラを備え、前記第１圧力調整機構の圧力コントローラの圧力制御範囲は、前記第２圧力調整機構の圧力コントローラの圧力制御範囲よりも小さくすることが好ましい。

【0013】

ここで、前記圧力制御部は、前記第１圧力室内の設定圧力が第１閾値に達したときに前記第１圧力調整機構から前記第２圧力調整機構に切り替えるとともに、前記第１圧力室内の設定圧力が前記第１閾値よりも低い第２閾値に達したときに前記第２圧力調整機構から前記第１圧力調整機構に切り替えるようにすることが好ましい。

【0014】

また、前記圧力制御部は、前記複数の圧力室のうちの一つである第２圧力室に接続される第２流路と、前記第２流路内に並列的に設けられる第３圧力調整機構及び第４圧力調整機構を備え、前記第３圧力調整機構及び第４圧力調整機構を切り替えて前記第２圧力室の圧力を制御するように構成することが好ましい。さらに、前記第１圧力室と前記第２圧力室とが隣接していることが好ましい。

【0015】

本発明の好ましい態様において、前記弾性膜は、基板に当接する基板保持面の周縁部から立ち上がる側壁と、前記側壁に接続される第１周壁部とを備え、前記第１圧力室は、前記側壁、前記第１周壁部及び前記ヘッド本体から形成される。

【0016】

本発明の他の態様は、基板保持装置に保持された基板を研磨パッドに押しつけることで前記基板を研磨する方法であって、前記基板保持装置は、基板を押圧するための複数の圧力室を形成する弾性膜と前記複数の圧力室の圧力を制御する圧力制御部とを備えており、前記圧力制御部は、前記複数の圧力室のうちの一つである第１圧力室に並列に接続された第１圧力調整機構及び第２圧力調整機構を切り替えることで、前記第１圧力室の圧力を制御することを特徴とする。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、第１圧力調整機構及び第２圧力調整機構を一つの圧力室に対して並列に設け、これらを切り替えて使用することにより、圧力レンジを広く保ったまま、高精度での基板研磨が可能となる。また、これら２種類の圧力調整機構に備えられた圧力コントローラの動作を切り替える圧力の閾値を２種類設けることで、閾値付近で設定圧力が上下に変動するような場合であっても、圧力コントローラが切り替えられることはなく、安定した圧力制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】研磨装置の一実施形態を示す図である。

【図2】図１に示す研磨装置に備えられている研磨ヘッド（基板保持装置）を示す図である。

【図3】図２に示す研磨ヘッドに備えられた弾性膜（メンブレン）を示す断面図である。

【図4】弾性膜の一部を示す拡大断面図である。

【図5】第１コントローラ及び第２コントローラの切り替え制御の一例を示す説明図である。

【図6】第１コントローラ及び第２コントローラの切り替え制御の一例を示すフローチャートである。

【図7】研磨装置の別の実施形態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、研磨装置の一実施形態を示す図であり、研磨パッド１９を支持する研磨テーブル１８と、研磨対象物である基板の一例としてのウェハＷを保持して研磨テーブル１８上の研磨パッド１９に押圧する研磨ヘッド（基板保持装置）１とを備えている。

【0020】

研磨テーブル１８は、テーブル軸１８ａを介してその下方に配置されるテーブルモータ２９に連結されており、そのテーブル軸１８ａ周りに回転可能になっている。研磨パッド１９は研磨テーブル１８の上面に貼付されており、研磨パッド１９の表面１９ａがウェハＷを研磨する研磨面を構成している。研磨テーブル１８の上方には研磨液供給ノズル２５が設置されており、この研磨液供給ノズル２５によって研磨テーブル１８上の研磨パッド１９上に研磨液Ｑが供給されるようになっている。

【0021】

研磨ヘッド１は、ウェハＷを研磨面１９ａに対して押圧するヘッド本体２と、ウェハＷを保持してウェハＷが研磨ヘッド１から飛び出さないようにするリテーナリング３とを備えている。研磨ヘッド１は、ヘッドシャフト２７に接続されており、このヘッドシャフト２７は、上下動機構８１によりヘッドアーム６４に対して上下動するようになっている。このヘッドシャフト２７の上下動により、ヘッドアーム６４に対して研磨ヘッド１の全体を昇降させ位置決めするようになっている。ヘッドシャフト２７の上端にはロータリージョイント８２が取り付けられている。

【0022】

ヘッドシャフト２７および研磨ヘッド１を上下動させる上下動機構８１は、軸受８３を介してヘッドシャフト２７を回転可能に支持するブリッジ８４と、ブリッジ８４に取り付けられたボールねじ８８と、支柱８６により支持された支持台８５と、支持台８５上に設けられたサーボモータ９０とを備えている。サーボモータ９０を支持する支持台８５は、支柱８６を介してヘッドアーム６４に固定されている。

【0023】

ボールねじ８８は、サーボモータ９０に連結されたねじ軸８８ａと、このねじ軸８８ａが螺合するナット８８ｂとを備えている。ヘッドシャフト２７は、ブリッジ８４と一体となって上下動するようになっている。したがって、サーボモータ９０を駆動すると、ボールねじ８８を介してブリッジ８４が上下動し、これによりヘッドシャフト２７および研磨ヘッド１が上下動する。

【0024】

ヘッドシャフト２７はキー（図示せず）を介して回転筒６６に連結されている。この回転筒６６はその外周部にタイミングプーリ６７を備えている。ヘッドアーム６４にはヘッドモータ６８が固定されており、上記タイミングプーリ６７は、タイミングベルト６９を介してヘッドモータ６８に設けられたタイミングプーリ７０に接続されている。したがって、ヘッドモータ６８を回転駆動することによってタイミングプーリ７０、タイミングベルト６９、およびタイミングプーリ６７を介して回転筒６６およびヘッドシャフト２７が一体に回転し、研磨ヘッド１が回転する。ヘッドアーム６４は、フレーム（図示せず）に回転可能に支持されたアームシャフト８０によって支持されている。研磨装置は、ヘッドモータ６８、サーボモータ９０をはじめとする装置内の各機器を制御する制御装置４０を備えている。

【0025】

研磨ヘッド１は、その下面にウェハＷを保持できるように構成されている。ヘッドアーム６４はアームシャフト８０を中心として旋回可能に構成されており、下面にウェハＷを保持した研磨ヘッド１は、ヘッドアーム６４の旋回によりウェハＷの受取位置から研磨テーブル１８の上方位置に移動される。

【0026】

ウェハＷの研磨は次のようにして行われる。研磨ヘッド１および研磨テーブル１８をそれぞれ回転させ、研磨テーブル１８の上方に設けられた研磨液供給ノズル２５から研磨パッド１９上に研磨液Ｑを供給する。この状態で、研磨ヘッド１を所定の位置（所定の高さ）まで下降させ、この所定の位置でウェハＷを研磨パッド１９の研磨面１９ａに押圧する。ウェハＷは研磨パッド１９の研磨面１９ａに摺接され、これによりウェハＷの表面が研磨される。

【0027】

次に、図１に示す研磨装置に備えられている研磨ヘッド（基板保持装置）１について、図２を参照して詳細に説明する。図２に示すように、研磨ヘッド１は、ヘッドシャフト２７の下端に固定されたヘッド本体２と、研磨面１９ａを直接押圧するリテーナリング３と、ウェハＷを研磨面１９ａに対して押圧する柔軟な弾性膜１０を備えている。リテーナリング３はウェハＷを囲むように配置されており、ヘッド本体２に連結されている。弾性膜１０は、ヘッド本体２の下面を覆うようにヘッド本体２に取り付けられている。

【0028】

ヘッド本体２は、例えばエンジニアリングプラスティック（例えば、ＰＥＥＫ）などの樹脂により形成され、弾性膜１０は、例えば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及び耐久性に優れたゴム材によって形成されている。

【0029】

弾性膜１０は、同心状に配置された複数（図示では８つ）の環状の周壁１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ，１０ｇ，１０ｈが設けられている。これら複数の周壁１０ａ〜１０ｈによって、弾性膜１０の上面とヘッド本体２の下面との間に、中央に位置する円形状の中央圧力室１２、最外周に位置する環状のエッジ圧力室１４ａ，１４ｂ、及び中央圧力室１２とエッジ圧力室１４ａ，１４ｂとの間に位置する、環状の５つの中間圧力室（第１〜第５中間圧力室）１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅが形成されている。

【0030】

ヘッド本体２内には、中央圧力室１２に連通する流路２０、エッジ圧力室１４ａに連通する流路２２、エッジ圧力室１４ｂに連通する流路２４ｆ、及び中間圧力室１６ａ〜１６ｅにそれぞれ連通する流路２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ，２４ｅがそれぞれ形成されている。そして、流路２０，２２，２４ａ〜２４ｆは、それぞれ流体ライン２６，２８，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ，３０ｆを介して流体供給源３２に接続されている。流体ライン２６，２８，３０ａ〜３０ｆには、開閉バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ８と圧力コントローラＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８がそれぞれ設置されている。

【0031】

また、エッジ圧力室１４ａに対応する流路２２に接続された流体ライン２８には、開閉バルブＶ２−２及び圧力コントローラＲ２−２が接続されている。これら開閉バルブＶ２−２及び圧力コントローラＲ２−２は、もう一組の開閉バルブＶ２及び圧力コントローラＲ２と並行になるように、流体供給源３２に接続される。また、流体ライン２８には、当該ラインに流れる流体の圧力を測定する圧力センサＰＳ２が接続されている。

【0032】

リテーナリング３の直上にはリテーナ室３４が形成されており、リテーナ室３４は、ヘッド本体２内に形成された流路３６および開閉バルブＶ９と圧力コントローラＲ９が設置された流体ライン３８を介して流体供給源３２に接続されている。圧力コントローラＲ１〜Ｒ９、Ｒ２−２は、それぞれ流体供給源３２から圧力室１２，１４ａ，１４ｂ，１６ａ〜１６ｅおよびリテーナ室３４に供給する圧力流体の圧力を調整する圧力調整機能を有している。圧力コントローラＲ１〜Ｒ９、Ｒ２−２および開閉バルブＶ１〜Ｖ９、Ｖ２−２は、制御装置４０に接続されて、それらの作動が制御装置４０で制御されるようになっている。

【0033】

前述したエッジ圧力室１４ａに対応する流体ライン２８に接続された２つの圧力コントローラＲ２、Ｒ２−２のうち、一方の圧力コントローラＲ２（以下、「第１圧力コントローラ」という。）は、そのフルスケール（制御範囲）が例えば５００ｈＰａであり、ウェハのエッジ部を低圧で研磨する低圧研磨時に用いられる。また、もう一つの圧力コントローラＲ２−２（以下、「第２圧力コントローラ」という。）のフルスケールは、第１圧力コントローラよりも大きく、例えば１０００ｈＰａであり、ウェハのエッジ部を高圧で研磨する高圧研磨時に用いられる。

【0034】

圧力コントローラによる圧力の制御誤差は、リニアリティ、ヒステリシス、繰り返し性、および分解能などの誤差が影響するほか、フルスケールに依存しており、通常はフルスケールの１％または２％程度である。このため、フルスケールが小さい第１圧力コントローラによる方が、第２圧力コントローラによる場合と比べ、より精度良く圧力制御を行うことができる。

【0035】

第１及び第２圧力コントローラのフルスケールの組み合わせは、前述したものに限定されることはなく、研磨装置の用途、精度等に応じて適宜定めることができる。第１及び第２圧力コントローラのフルスケールの組み合わせとして、例えば２５０ｈＰａ，５００ｈＰａの組み合わせとしても良く、あるいは２５０ｈＰａ、１０００ｈＰａの組み合わせとしても良い。

【0036】

図２に示すように構成された研磨ヘッド１によれば、ウェハＷを研磨ヘッド１で保持した状態で、各圧力室１２，１４ａ，１４ｂ，１６ａ〜１６ｅに供給される圧力流体の圧力をそれぞれ制御することで、ウェハＷの半径方向に沿った弾性膜１０上の複数のエリア毎に異なった圧力でウェハＷを押圧することができる。このように、研磨ヘッド１においては、ヘッド本体２と弾性膜１０との間に形成される各圧力室１２，１４ａ，１４ｂ，１６ａ〜１６ｅに供給する流体の圧力を調整することにより、ウェハＷに加えられる押圧力をウェハＷの領域毎に調整できる。同時に、リテーナ室３４に供給する圧力流体の圧力を制御することで、リテーナリング３が研磨パッド１９を押圧する押圧力を調整できる。

【0037】

図３に示すように、弾性膜１０は、ウェハＷに接触する円形の当接部１１と、当接部１１に直接または間接に接続される８つの周壁１０ａ〜１０ｈを有している。当接部１１はウェハＷの裏面、すなわち研磨すべき表面とは反対側の面に接触し、ウェハＷを研磨パッド１９に対して押し付ける。周壁１０ａ〜１０ｈは、同心状に配置された環状の周壁である。

【0038】

周壁１０ａ〜１０ｈの上端は、４つの保持リング５，６，７，８によってヘッド本体２の下面に取り付けられている。これら保持リング５〜８は、例えばねじなどの保持手段（図示せず）によってヘッド本体２に着脱可能に固定されている。

【0039】

当接部１１は、中間圧力室１６ｃに連通する複数の通孔１７を有している。図３では、便宜上、１つの通孔１７のみを示す。当接部１１にウェハＷが接触した状態で中間圧力室１６ｃに真空が形成されると、ウェハＷが当接部１１の下面に、すなわち研磨ヘッド１に真空吸引により保持される。さらに、ウェハＷが研磨パッド１９から離れた状態で中間圧力室１６ｃに加圧流体を供給すると、ウェハＷが研磨ヘッド１からリリースされる。通孔１７は中間圧力室１６ｃの代わりに他の圧力室に形成してもよい。その際にはウェハＷの真空吸引やリリースは通孔１７を形成した圧力室の圧力を制御することにより行う。

【0040】

周壁１０ｈは、最も外側の周壁であり、周壁１０ｇは周壁１０ｈの径方向内側に配置されている。さらに、周壁１０ｆは周壁１０ｇの径方向内側に配置されている。以下、周壁１０ｈを第１エッジ周壁、周壁１０ｇを第２エッジ周壁、周壁１０ｆを第３エッジ周壁と呼ぶ。

【0041】

図４は、弾性膜１０の一部を示す拡大断面図である。第１エッジ周壁１０ｈは、当接部１１の周端部から上方に延び、第２エッジ周壁１０ｇは第１エッジ周壁１０ｈに接続されている。

【0042】

第２エッジ周壁１０ｇは、第１エッジ周壁１０ｈの内周面１０１に接続された外側水平部１１１を有している。第１エッジ周壁１０ｈの内周面１０１は、当接部１１に対して垂直に延びる上側内周面１０１ａおよび下側内周面１０１ｂを有している。上側内周面１０１ａは第２エッジ周壁１０ｇの水平部１１１から上方に延び、下側内周面１０１ｂは第２エッジ周壁１０ｇの水平部１１１から下方に延びている。言い換えれば、当接部１１に対して垂直に延びる内周面１０１を分割する位置に第２エッジ周壁１０ｇの外側水平部１１１が接続されている。下側内周面１０１ｂは当接部１１の周端部に接続されており、外側に位置する外周面１０２が当接部１１に対して垂直に延びている。上側内周面１０１ａおよび下側内周面１０１ｂは、同一面内（当接部１１に垂直な想像面）にある。つまり、上側内周面１０１ａの径方向位置と下側内周面１０１ｂの径方向位置は同じである。

【0043】

第１エッジ周壁１０ｈは、当接部１１の上下動を許容する折り曲げ部１０３を有している。この折り曲げ部１０３は、上側内周面１０１ａに接続されている。折り曲げ部１０３は、当接部１１と垂直な方向（すなわち、鉛直方向）に伸縮自在に構成されたベローズ構造を有している。したがって、ヘッド本体２と研磨パッド１９との距離が変化しても、当接部１１の周端部とウェハＷとの接触を維持することができる。

【0044】

第２エッジ周壁１０ｇは、第１エッジ周壁１０ｈの内周面１０１から水平に延びる外側水平部１１１を有している。さらに、第２エッジ周壁１０ｇは、外側水平部１１１に接続された傾斜部１１２と、傾斜部１１２に接続された内側水平部１１３と、内側水平部１１３に接続された鉛直部１１４と、鉛直部１１４に接続されたリム部１１５とを有している。傾斜部１１２は、外側水平部１１１から径方向内側に延びつつ上方に傾斜している。リム部１１５は、鉛直部１１４から径方向外側に延びており、図３に示す保持リング８によってヘッド本体２の下面に固定される。第１エッジ周壁１０ｈおよび第２エッジ周壁１０ｇが保持リング８によってヘッド本体２の下面に取り付けられると、第１エッジ周壁１０ｈと第２エッジ周壁１０ｇとの間にエッジ圧力室１４ａが形成される。

【0045】

第３エッジ周壁１０ｆは、第２エッジ周壁１０ｇの径方向内側に配置されている。第３エッジ周壁１０ｆは、当接部１１の上面に接続された傾斜部１２１と、傾斜部１２１に接続された水平部１２２と、水平部１２２に接続された鉛直部１２３と、鉛直部１２３に接続されたリム部１２４とを有している。傾斜部１２１は、当接部１１の上面から径方向内側に延びつつ上方に傾斜している。リム部１２４は、鉛直部１２３から径方向内側に延びており、図３に示す保持リング７によってヘッド本体２の下面に固定される。第２エッジ周壁１０ｇおよび第３エッジ周壁１０ｆが保持リング８，７によってそれぞれヘッド本体２の下面に取り付けられると、第２エッジ周壁１０ｇと第３エッジ周壁１０ｆとの間にエッジ圧力室１４ｂが形成される。

【0046】

周壁１０ｅは、第３エッジ周壁１０ｆの径方向内側に配置されている。周壁１０ｅは、当接部１１の上面に接続された傾斜部１３１と、傾斜部１３１に接続された水平部１３２と、水平部１３２に接続された鉛直部１３３と、鉛直部１３３に接続されたリム部１３４とを有している。傾斜部１３１は、当接部１１の上面から径方向内側に延びつつ上方に傾斜している。リム部１３４は、鉛直部１３３から径方向外側に延びており、図３に示す保持リング７によってヘッド本体２の下面に固定される。周壁１０ｅおよび第３エッジ周壁１０ｆが保持リング７によってヘッド本体２の下面に取り付けられると、周壁１０ｅと第３エッジ周壁１０ｆとの間に中間圧力室１６ｅが形成される。

【0047】

図３に示す周壁１０ｂ，１０ｄは、図４に示す第３エッジ周壁１０ｆと実質的に同じ構成を有しており、図３に示す周壁１０ａ，１０ｃは、図４に示す周壁１０ｅと実質的に同じ構成を有しているので、それらの説明を省略する。図３に示すように、周壁１０ａ，１０ｂのリム部は保持リング５によってヘッド本体２の下面に固定され、周壁１０ｃ，１０ｄのリム部は保持リング６によってヘッド本体２の下面に固定される。

【0048】

図４に示すように、エッジ圧力室１４ａは、エッジ圧力室１４ｂの上方に配置されており、概ね水平に延びる第２エッジ周壁１０ｇによって仕切られている。第２エッジ周壁１０ｇは第１エッジ周壁１０ｈに接続されているので、エッジ圧力室１４ａの圧力がエッジ圧力室１４ｂの圧力より大きい場合には、エッジ圧力室１４ａとエッジ圧力室１４ｂとの差圧は第１エッジ周壁１０ｈを鉛直方向に押し下げる下向きの力を発生させる。その結果、当接部１１の周縁部がウェハエッジ部を研磨パッド１９に対して押し付ける。このように、第１エッジ周壁１０ｈ自体に下向きの力が鉛直方向に作用するので、当接部１１の周縁部はウェハエッジ部の狭い領域を研磨パッド１９に対して押し付けることができ、ウェハのエッジ部の研磨プロファイルを精密に制御することが可能となる。逆にエッジ圧力室１４ａの圧力がエッジ圧力室１４ｂの圧力より小さい場合には、エッジ圧力室１４ａとエッジ圧力室１４ｂとの差圧は第１エッジ周壁１０ｈを鉛直方向に押し上げる上向きの力を発生させる。その結果、当接部１１の周縁部がウェハエッジを研磨パッド１９に対して押し付ける押圧力が減少する。このように、第１エッジ周壁１０ｈ自体に上向きの力が鉛直方向に作用するので、当接部１１の周縁部はウェハエッジ部の狭い領域の研磨パッド１９に対する押圧力を減少させることができ、ウェハのエッジ部の研磨プロファイルを精密に制御することが可能となる。

【0049】

上側内周面１０１ａは当接部１１に対して垂直に上方に延び、下側内周面１０１ｂは当接部１１に対して垂直に下方に延びている。このような上側内周面１０１ａおよび下側内周面１０１ｂの形状により、第１エッジ周壁１０ｈと第２エッジ周壁１０ｇとの接続部分には斜め方向の力が作用せず、ウェハエッジ部の狭い領域で研磨レートを制御することが可能となる。

【0050】

前述したとおり、本実施例に係る研磨装置では、エッジ圧力室１４ａに対応する流体ライン２８には、低圧研磨用の第１圧力コントローラＲ２と高圧研磨用の第２圧力コントローラＲ２−２が並列に接続され、対応する開閉バルブＶ２、Ｖ２−２を開閉制御することで、いずれか一方を選択的に利用することができる。

【0051】

例えば、エッジ圧力室１４ａを低圧にした状態で研磨したい場合は、第２圧力コントローラＲ２−２に接続されたバルブＶ２−２を閉止した状態で、第１圧力コントローラＲ２を作動させてバルブＶ２を開く。これにより、フルスケール（ＦＳ）が小さな（すなわち、誤差の小さい）第１圧力コントローラＲ２により、エッジ圧力室１４ａの圧力を精度良く制御することができ、精密な研磨を行うことができる。

【0052】

一方、エッジ圧力室１４ａを高圧にした状態で研磨したい場合は、第１圧力コントローラＲ２に接続されたバルブＶ２を閉止した状態で、第２圧力コントローラＲ２−２を作動させてバルブＶ２−２を開く。これにより、フルスケール（ＦＳ）が大きな第２圧力コントローラＲ２−２により、エッジ圧力室１４ａを高圧に保った状態で研磨を行うことができる。このようにして、予め設定された研磨レシピに基づき、適宜、使用すべき圧力コントローラを選択して使用することができる。

【0053】

また、基板研磨中に、エッジ圧力室１４ａ内の圧力に応じて、使用する圧力コントローラを切り替えて研磨を行うようにしても良い。例えば、低圧研磨時には、第１圧力コントローラＲ２を作動させるとともに、バルブＶ２を開放、バルブＶ２−２を閉止する。この状態でエッジ圧力室１４ａ内の圧力を上げていき、一定値を超えた時点で、第１圧力コントローラＲ２の作動を止めて、第２圧力コントローラを作動させるとともに、バルブＶ２を閉止し、バルブＶ２−２を開放する。これにより広い圧力レンジを保ちつつ、高精度の研磨が可能となる。

【0054】

ここで、圧力コントローラおよびバルブの切り替えを同時に行うと、切り替えにより作動する第２圧力コントローラＲ２−２の圧力立ち上がり速度の影響などにより、切り替え直後のライン内の圧力が低下してしまう場合がある。これを避けるために、開閉するバルブを切り替える前に、あらかじめ第２圧力コントローラＲ２−２を作動させ、バルブＶ２−２の一次側直前まで設定の圧力で加圧しておく。その後、バルブＶ２−２を開放、バルブＶ２を閉止することにより、バルブ切り替え時の圧力の不連続変化を低減することができる。

【0055】

本実施形態における研磨装置では、研磨テーブル内に埋設した図示しないセンサ（渦電流センサや光学式センサ等）により研磨中の基板の膜厚などの情報をモニタリングし、モニタリング結果に基づき研磨圧力を変更するIn-situ CLC（Closed Loop Control［閉ループ制御］）を行うことができる。In-situ CLCにより基板研磨を行う場合、研磨中に必要とされるエッジ圧力室１４ａの圧力が刻々と変化するが、上述した２つの圧力コントローラを切り替える閾値付近で圧力が上下するような場合には、使用する圧力コントローラを頻繁に切り替える必要があり、加圧力が不安定になってしまうおそれがある。

【0056】

このため、図５の例で示すように、圧力コントローラを切り替えるための２種類の閾値（上方閾値（UTV : Upper Threshold Value）、下方閾値（LTV : Lower Threshold Value））を設けて圧力制御を行うことが好ましい。図５において、横軸は時間を表し、縦軸はエッジ圧力室１４ａ内の設定圧力を表す。また、制御範囲上限値は、圧力コントローラのフルスケール（ＦＳ）を表している。

【0057】

図５において、エッジ圧力室１４ａの設定圧力が低い場合は、第１圧力コントローラＲ２を用いて圧力制御を行う。そして、エッジ圧力室１４ａの設定圧力が下方閾値（ＬＴＶ）を超えた後も、第１圧力コントローラＲ２による圧力制御を維持し、設定圧力上方閾値（ＵＴＶ）に達した時点（時間Ｔ１）で、第２圧力コントローラＲ２−２による圧力制御に切り替える。

【0058】

高圧用の第２圧力コントローラＲ２−２による圧力制御に切り替えられた後、エッジ圧力室１４ａ内の設定圧力を増加させ、時間Ｔ２で第２圧力コントローラの制御範囲上限値に達し、時間Ｔ３まで同一の設定圧力で基板研磨が行われる。その後、エッジ圧力室１４ａ内の設定圧力を減少させるが、上方閾値（ＵＴＶ）に達した後も第２圧力コントローラＲ２−２による圧力制御を継続させ、エッジ圧力室１４ａ内の設定圧力が下方閾値（ＬＴＶ）に達した時点（時間Ｔ４）で、低圧用の第１圧力コントローラＲ２による圧力制御に切り替える。

【0059】

ここで、上方閾値（ＵＴＶ）及び下方閾値（ＬＴＶ）は、研磨の目的に応じて適宜定めることができるが、上方閾値（ＵＴＶ）は第１圧力コントローラＲ２の制御範囲上限値の８０％〜９９％の範囲内で定めるのが好ましく、９０〜９９％の範囲内で定めるのがより好ましい。また、下方閾値（ＬＴＶ）は、上方閾値（ＵＴＶ）よりも低い値であることが前提であるが、第１圧力コントローラＲ２の制御範囲上限値の５０％〜９５％の範囲内で定めるのが好ましく、８０〜９５％の範囲内で定めるのがより好ましい。

【0060】

以下、上記構成による研磨装置の動作の一例について、図６のフローチャートを用いて説明する。まず、研磨で使用される研磨レシピ、エッジ圧力室の設定圧力や基板の最終膜厚等の研磨条件が設定され（ステップＳ１０）、基板研磨が開始される。

【0061】

ステップＳ１１において、エッジ圧力室の設定圧力が上方閾値（ＵＴＶ）よりも小さいかどうかの判定が行われ、小さい場合にはステップＳ１２に移り、低圧用の圧力コントローラＲ２を用いて研磨が行われる。ステップＳ１３において研磨が終了したかどうかの判定が行われ、研磨が終了していない場合は、前述したIn-situ CLC制御により、エッジ圧力室内の圧力値が設定される（Ｓ１４）。研磨が終了したかの判定には、研磨時間が設定した時間に達したか、基板の膜厚が最終膜厚に達したか、テーブルモータ２９の駆動電流が設定値に達したか、など種々の判定条件が設定される。

【0062】

次にステップＳ１５において、エッジ圧力室の設定圧力が上方閾値（ＵＴＶ）よりも小さいかどうかの判定が行われ、小さい場合にはステップＳ１２に戻り、引き続き低圧用の圧力コントローラＲ２による圧力制御が行われる。

【0063】

一方、設定圧力が上方閾値（ＵＴＶ）よりも大きい場合には、高圧用の圧力コントローラＲ２−２に切り替えられ、研磨が行われる。ステップＳ１７において研磨が終了したかどうかの判定が行われ、研磨が終了していない場合は、前述したIn-situ CLC制御により、エッジ圧力室内の圧力値が設定される（Ｓ１８）。

【0064】

そして、ステップＳ１９において、エッジ圧力室の設定圧力が下方閾値（ＬＴＶ）よりも小さいかどうかの判定が行われ、大きい場合にはステップＳ１６に戻り、引き続き高圧用の圧力コントローラＲ２−２による圧力制御が行われる。一方、設定圧力が下方閾値（ＬＴＶ）よりも小さい場合には、低圧用の圧力コントローラＲ２に切り替えられ、研磨が行われる。

【0065】

ステップＳ１３及びステップＳ１７において、研磨が終了したと判定された場合には、研磨が終了する。

【0066】

このようにして、高精度の圧力制御が可能な低圧用の圧力コントローラと、フルスケールが大きい高圧用の圧力コントローラを組み合わせて用いることで、圧力レンジを広く保ったまま、高精度での基板研磨が可能となる。また、２種類の圧力コントローラの動作を切り替える圧力の閾値を２種類設けることで、閾値付近で設定圧力が上下に変動するような場合であっても、圧力コントローラが切り替えられることはなく、安定した圧力制御が可能となる。

【0067】

次に、図７を用いて、本発明の別の実態態様に係る研磨装置の構成を説明する。なお、先の実施態様に係る研磨装置と同一の部材に関しては、同じ符番を付して詳細な説明を省略する。

【0068】

図7に示す研磨装置では、エッジ圧力室１４ａの下に設けられたエッジ圧力室１４ｂに対応する流体ライン３０ｆに、開閉バルブＶ８−２及び圧力コントローラＲ８−２が、もう一組の開閉バルブＶ８及び圧力コントローラＲ８と並行になるように設けられている点で、図２の例と相違する。この圧力コントローラＲ８−２は流体供給源３２に接続されている。また、流体ライン３０ｆには、当該ラインに流れる流体の圧力を測定する圧力センサＰＳ８が接続されている。

【0069】

上記の圧力コントローラＲ８−２は、流体供給源３２から圧力室１４ｂに供給する圧力流体の圧力を調整する圧力調整機能を有している。また、圧力コントローラＲ８−２および開閉バルブＶ８−２は、制御装置４０に接続されており、それらの作動が制御されるようになっている。

【0070】

前述の実施例と同様に、流体ライン３０ｆに並列に接続された２つの圧力コントローラＲ８、Ｒ８−２のうち、一方の圧力コントローラＲ８のフルスケール（制御範囲）は、他方の圧力コントローラＲ８−２のフルスケールよりも小さくされている。高精度の圧力制御が可能な低圧用の圧力コントローラと、フルスケールが大きい高圧用の圧力コントローラを組み合わせて用いることで、圧力レンジを広く保ったまま、高精度での基板研磨が可能となる。

【0071】

図４を用いて説明したとおり、上側のエッジ圧力室１４ａと下側のエッジ圧力室１４ｂとの差圧により、第１エッジ周壁１０ｈを鉛直方向に押し下げる下向きの力、または第１エッジ周壁１０ｈを鉛直方向に押し上げる上向きの力が発生する。本実施形態に係る研磨装置では、上側のエッジ圧力室１４ａだけではなく、下側のエッジ圧力室１４ｂの圧力も精密に制御することができるため、より高精度な基板研磨が可能となる。

【0072】

上記実施形態に係る研磨装置では、低圧用の圧力コントローラと高圧用の圧力コントローラとを切り替えて圧力制御を行っているが、精密な圧力制御が必要とされない場合（例えば、スラリー研磨後に行われるウェハの洗浄等を目的とした水研磨工程）では、圧力コントローラの切り替え制御を行う必要がなく、よってフルスケールが大きい高圧用の圧力コントローラのみを用いて基板研磨を行うようにしても良い。

【0073】

上記実施形態では、エッジ圧力室に対応する流体ラインに接続された複数の圧力コントローラを切り替えることで、圧力制御を行っているが、他の圧力室に対しても、同様の圧力制御を行うようにしても良い。また、上記実施形態では、１つまたは２つの圧力室に対して複数の圧力コントローラを用いて圧力制御を行っているが、３つ以上の圧力室に対しても、同様の圧力制御を行うようにしても良い。複数の圧力室に対して複数の圧力コントローラを用いて圧力制御を行う場合は、隣接する複数の圧力室を対象とすることが好ましい。
上記実施形態では、エッジ圧力室に２つの圧力コントローラを接続しているが、３つ以上の圧力コントローラを並列的に接続しても良い。

【0074】

上記実施形態では、エッジ圧力室の設定圧力を基準として圧力コントローラの切り替え制御を行っているが、圧力センサＰＳ２、ＰＳ８による圧力の測定値を基準として圧力コントローラの切り替え制御を行うようにしてもよい。

【0075】

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

【符号の説明】

【0076】

１ 研磨ヘッド
２ ヘッド本体
３ リテーナリング
１０ 弾性膜（メンブレン）
１４ａ，１４ｂ エッジ圧力室
１６ａ〜１６ｅ 中間圧力室
１８ 研磨テーブル
１９ 研磨パッド
Ｖ１〜Ｖ９，Ｖ２−２，Ｖ８−２ 開閉バルブ
Ｒ１〜Ｒ９，Ｒ２−２，Ｒ８−２ 圧力コントローラ
３２ 流体供給源
４０ 制御装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】