研磨装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及将晶片等基板按压于研磨垫，对该基板的表面进行研磨的研磨装置，特别是涉及利用内部被供给有加压气体的压力室，将基板按压于研磨垫的研磨装置。
[0002]另外，本发明涉及研磨晶片等基板的研磨装置，特别是涉及具备压力调节器的研磨装置，该压力调节器对用于将基板按压于研磨垫的压力室内的压力进行控制。
【背景技术】
[0003]CMP(Chemical Mechanical Polishing)装置是一边向研磨垫上供给研磨液、一边将晶片等基板按压于研磨垫，对基板的表面进行研磨的装置。CMP装置作为用于制造半导体设备的研磨装置而公知。
[0004]图1是表示用于研磨晶片的研磨装置的示意图。如图1所示，研磨装置具备:支承研磨垫I的研磨工作台2、和将晶片W按压于研磨垫I的顶环(基板保持部)5。研磨工作台2经由工作台轴23而与配置于其下方的工作台马达3连结，利用该工作台马达3使研磨工作台2向箭头表示的方向旋转。研磨垫I贴附于研磨工作台2的上表面，研磨垫I的上表面构成研磨晶片W的研磨面la。顶环5固定于顶环主轴6的下端。顶环5构成为通过真空吸附而能够将晶片W保持在其下表面。
[0005]晶片W的研磨以如下方式进行。使顶环5以及研磨工作台2分别如箭头所示地向相同的方向旋转，从研磨液供给喷嘴7向与研磨工作台2 —起旋转的研磨垫I上供给研磨液(悬浊液)。在该状态下，在下表面保持有晶片W的顶环5下降至规定的位置(规定的高度)，在该规定的位置将晶片W按压于研磨垫I的研磨面la。利用研磨液所含有的磨粒的机械作用和研磨液的化学作用，对晶片W的表面进行研磨。
[0006]图2是表示顶环5的构造的示意图。顶环5具备用于将晶片W按压于研磨垫I的多个压力室10，这些压力室10由弹性膜(薄膜)11形成。经由多个压力调节器15以及旋转接头14向各个压力室10分别供给空气或者氮气等气体。压力室10内的气体的压力由压力调节器15控制。具备这样的多个压力室10的顶环5能够以所希望的压力将晶片W的多个区域按压于研磨垫I。
[0007]根据普列斯通(Preston)法则，晶片W的研磨率(也称作去除率)用下式表示。
[0008]RR P.V
[0009]其中，RR表示研磨率，P表示按压于研磨垫I的晶片W的表面压力，V表示晶片表面与研磨垫表面的相对速度。
[0010]为了均匀地研磨晶片W，优选相对速度V在晶片表面内均匀。用于实现均匀的相对速度V的条件是研磨工作台2的旋转速度(即、研磨垫I的旋转速度)与顶环5的旋转速度(即，晶片W的旋转速度)相等。
[0011]然而，若一边以相同的旋转速度使研磨工作台2和顶环5旋转、一边研磨晶片W，则在晶片W的研磨后的面上显现同心圆状的花纹。这样的同心圆状花纹的出现表示晶片W的研磨后的面不平坦。作为用于防止这样的花纹的出现的解决对策，公知以稍微不同的旋转速度使研磨工作台2和顶环5旋转。
[0012]近年来，随着对晶片的膜厚均匀性的要求越来越高，晶片研磨中的压力室10内的压力的稳定性越来越变得重要。特别是认为压力室10内的压力的变动、以及向压力室10流动的气体的流量变动，是阻碍晶片的膜厚均匀性的原因。
[0013]研磨垫I的表面不完全平坦。除此之外，也有顶环5随着自身的旋转而周期性地振动的情况。因此在晶片的研磨中，随着研磨工作台2以及顶环5的旋转，压力塞10的容积、即压力室10内的压力微小地变动。压力调节器15以将压力室10内的压力维持为规定的目标值的方式动作，以便消除压力室10内的压力变动。因此为了实现良好的研磨结果，压力调节器15的响应性很重要。
[0014]图3是压力调节器15的示意图。压力调节器15具备:调整压力室10内的气体的压力的压力控制阀16 ;对压力控制阀16的下游侧的气体的压力(二次侧压力)进行测量的压力计17 ;以及生成用于使压力的测量值Pact与压力的目标值Pc的差最小的阀控制信号的阀控制部(例如PID控制器)21。二次侧压力相当于压力室10内的压力。压力控制阀16根据阀控制信号来控制二次侧压力。作为这样的压力调节器15广泛使用电-气调节器。
[0015]图4是表示向压力调节器15输入的目标值Pc与时间的关系的曲线图。如图4所示，通常，压力室10内的压力的目标值Pc在某时间to向压力调节器15的阀控制部21输入，之后维持恒定。图5是表示由压力计17测量的实际的压力Pact的曲线图。如图5所示，压力Pact从目标值Pc的输入时间t0延迟Δ t而达到目标值Pc。达到目标值Pc后的压力Pact以某程度的幅度ΔΡ变动。
[0016]从压力调节器15的响应性的观点看，优选时间差At尽量小，从压力室10内的压力的稳定性的观点看，优选变动幅度ΛΡ尽量小。提高压力调节器15的响应性(即，缩短时间差At)能够通过改变阀控制部21的动作设定来进行。然而，若提高响应性，则如图6所示，在输入目标值Pc时引起压力Pact的过冲，压力Pact变得不稳定。另一方面，为了防止过冲而使压力Pact稳定，需要使压力调节器15的响应时间变长。然而，这是指如图7所示的那样增加时间差AU
[0017]阀控制部21要求提高相对于目标值Pc的输入的响应性，并且没有过冲，进而与恒定的目标值Pc对应地使实际的压力Pact稳定。图8是表示阀控制部21的频率响应特性的曲线图。图8的纵轴表示作为实际的压力(实测值)Pact与目标值Pc的比率的响应倍率。该响应倍率使用分贝[dB]表示单位。具体而言，在实际的压力Pact与目标值Pc的比率(Pact/Pc)是I的情况下，即、实际的压力Pact是目标值Pc的I倍的情况下，响应倍率是OdB。通常，理想的响应倍率是OdB。图8表示的曲线图表示用于实现图5表示的响应性的频率响应特性。
[0018]图8的横轴表示向阀控制部21输入的输入控制信号的频率。输入控制信号中不仅包括压力的目标值Pc，还包括压力的目标值Pc与作为反馈值的压力值Pact的差。压力的目标值Pc如图4所示是恒定的，但压力值Pact因研磨工作台2以及顶环5的旋转而稍微周期性地变动。结果，输入控制信号也变动。该输入控制信号的频率与压力值Pact的振动频率对应，压力值Pact的振动频率与根据研磨工作台2以及顶环5的旋转速度计算的频率对应。图8的横轴表示该变动的输入控制信号的频率(即，测量出的压力值Pact的频率)。图8表示的fc是共振频率。
[0019]通常，在研磨晶片时，在eOmirT1?UOmirT1的速度范围内使研磨工作台2以及顶环5分别旋转。如上所述，研磨垫I的表面不完全平坦，顶环5也随着自身的旋转而周期性地振动。因此，在晶片的研磨中，随着研磨工作台2以及顶环5的旋转，压力室10的容积微小地变动。因此，包括压力室10的气体储存空间的容积Q，即压力室10的容积与从压力调节器15至压力室10的气体流路28的容积的合计发生变动。
[0020]这样的气体储存空间的容积Q的变动，影响表示压力调节器15的二次侧压力的压力值Pact，结果，输入控制信号以与研磨工作台2以及顶环5的旋转速度同步的频率变动。例如，当使研磨工作台2以及顶环5以相同的旋转速度eOmirT1旋转时，输入控制信号以IHz (60min_V60sec = 1Hz)振动。当使研磨工作台2以及顶环5以相同的旋转速度UOmirT1旋转时，输入控制信号以2HZ(120min-760sec = 2Hz)振动。
[0021]然而，从图8的曲线图可知，在输入控制信号的频率为I?2Hz的范围内，响应倍率不是0dB(l倍)。这是由于，若在eOmirT1?UOmirT1的速度范围内使研磨工作台2以及顶环5以旋转速度旋转，则压力Pact发散地振动。
[0022]用于防止这样的压力Pact的发散的振动的解决对策中的一个，是使研磨工作台2以及顶环5以不同的旋转速度旋转。若使研磨工作台2以及顶环5以不同的旋转速度旋转，则如图9所示，气体储存空间(压力室10以及气体流路28)的容积Q，随着时间较大地起伏并且变动。图9中，容积Q的起伏的周期Tl相当于根据研磨工作台2的旋转速度与顶环5的旋转速度的差(绝对值)换算出的周期，容积Q的振动的周期T2相当于根据研磨工作台2的旋转速度换算出的周期。
[0023]从图9可知，容积Q的变动幅度Δ Q周期性地接近O。因此无论响应倍率O是否比OdB大，压力Pact都不会发散地振动。结果，压力Pact虽然微小地变动，但维持与目标值Pc接近的值。然而，如上所述，为了均匀地研磨晶片，优选使研磨工作台2和顶环5以相同的旋转速度旋转。
[0024]最近，从压力调节器15的响应性(时间差Δ t的缩短)和交换时的访问性的观点看，压力调节器15大多配置在顶环5的附近。因此，气体储存空间(压力室10以及气体流路28)的容积Q有变小的倾向。若容积Q变小，则其变动幅度AQ相对变大，结果，压力室10的容积变动对压力Pact的影响变大。
[0025]此外，在多组具备研磨工作台和顶环的研磨装置中，气体流路的长度在顶环间会不同。若存在这样的气体流路的长度的差异，则压力Pact的变动的大小在顶环间不同。结果，因顶环不同而晶片的研磨结果不同。
[0026]如图2所示，在顶环5的下部设有由弹性膜(薄膜)11形成的压力室10。向这些压力室10供给加压气体，并利用压力室10内的压力来调整晶片W相对于研磨垫I的研磨压力。压力室10内的压力由压力调节器15调整。
[0027]具备这样的压力室10的顶环5，与利用刚体按压晶片的其它类型的顶环相比，能够对晶片整体施加均匀的压力，从而能够得到均匀且稳定的研磨特性。然而，随着设备的高密度化发展，研磨装置所要求的研磨性能越来越严格。特别是在晶片的研磨中，强烈要求使压力室10内的气体压力稳定。
[0028]如图2所示，在晶片的研磨中，由于研磨工作台2和顶环5旋转，所以研磨工作台2和顶环5在上下方向上的相对位置随着旋转而稍微变化。压力室10的内部容积因该相对位置的变化而变动，从而压力室10的内部压力也变动。
[0029]通常，研磨工作台2和顶环5的旋转速度是每分钟50?100转左右。并且，研磨工作台2以及顶环5以相互不同的旋转速度旋转。这是由于，通过使保持于顶环5的晶片不在研磨垫I的相同的部分通过，从而防止在晶片的被研磨面产生研磨图案。这样，由于在研磨工作台2与顶环5之间存在旋转速度差，所以压力室10的内部容积的变动的大小也周期性地变化。
[0030]压力室10的内部容积的变动以与研磨工作台2以及顶环5的旋转速度对应的周期产生。然而，上述的压力调节器15中，难以追随该瞬间并且其变动的大小总是变化的压力变动。
[0031]专利文献1:日本特开2001-105298号公报
[0032]专利文献2:日本特开2005-81507号公报
[0033]专利文献3:日本特开2010-50436号公报
[0034]专利文献4:日本特开平11-70468号公报
[0035]专利文献5:日本特表2007-507079号公报
【发明内容】
[0036]因此，本发明的目的在于提供能够稳定地控制顶环的压力室内的压力的研磨装置。
[0037]另外，本发明的目的在于提供能够使顶环(基板保持部)的压力室内的压力变动减少而使压力室内的压力稳定的研磨装置。
[0038]本发明的一个方式的研磨装置的特征在于，具备:能够旋转的研磨工作台，其用于支承研磨垫；能够旋转的顶环，其具有用于将基板按压于上述研磨垫的压力室；压力调节器，其对上述压力室内的气体的压力进行控制；以及缓冲