JPH10286768A - ポリッシング装置 - Google Patents

ポリッシング装置

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JPH10286768A
JPH10286768A JP10525297A JP10525297A JPH10286768A JP H10286768 A JPH10286768 A JP H10286768A JP 10525297 A JP10525297 A JP 10525297A JP 10525297 A JP10525297 A JP 10525297A JP H10286768 A JPH10286768 A JP H10286768A
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polishing
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pressing
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  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体ウエハ等のポリッシング対象物の周縁
部における研磨量を全周に亘って均一にすることができ
るポリッシング装置を提供する。 【解決手段】 上面に研磨布6を貼ったターンテーブル
5とトップリング1とを有し、ターンテーブル5とトッ
プリング1との間に半導体ウエハ4を介在させて所定の
力で押圧することによって半導体ウエハ4を研磨し、平
坦且つ鏡面化するポリッシング装置において、半導体ウ
エハ4を収容する凹部を有したトップリング1の周囲に
押圧リング3を上下動自在に配置し、押圧リング3を研
磨布6に対して可変の押圧力で押圧する押圧手段を設
け、トップリング1と押圧リング3とを相対回転可能に
構成した。

Description

【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ポ
リッシング対象物を平坦且つ鏡面状に研磨するポリッシ
ング装置に係り、特にポリッシング対象物の周縁部の研
磨量を制御する機構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0.5μm以下の光リソグラ
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、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ポリッシング対象物を介在させて、
砥液を供給しつつ該ポリッシング対象物の表面を平坦且
つ鏡面に研磨している。
【0004】上述したポリッシング装置において、研磨
中のポリッシング対象物と研磨布との間の相対的な押圧
力がポリッシング対象物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。よって、従来のポリッシング装置においては、上記
の押圧力の不均一を避けるための手段として、 トップリングの半導体ウエハ保持面に、弾性を有す
る例えばポリウレタン等の弾性マットを貼ること、 ポリッシング対象物の保持部、即ちトップリング
を、研磨布の表面に対して傾動可能にすること、 研磨布の研磨部の周囲の部分を、トップリング及び
ポリッシング対象物とは独立して押圧することにより、
研磨布の研磨領域とその周囲の段差を防ぐこと、等が行
われている。
【0005】図4は従来のポリッシング装置の一例の主
要部を示す図である。ポリッシング装置は、上面に研磨
布42を貼った回転するターンテーブル41と、回転お
よび押圧可能にポリッシング対象物である半導体ウエハ
43を保持するトップリング45と、研磨布42に砥液
Qを供給する砥液供給ノズル48を備えている。トップ
リング45はトップリングシャフト49に連結されてお
り、またトップリング45はその下面にポリウレタン等
の弾性マット47を備えており、弾性マット47に接触
させて半導体ウエハ43を保持する。さらにトップリン
グ45は、研磨中に半導体ウエハ43がトップリング4
5の下面から外れないようにするため、円筒状のガイド
リング46Aを外周縁部に備えている。ここで、ガイド
リング46Aはトップリング45に対して固定されてお
り、その下端面はトップリング45の保持面から突出す
るように形成され、ポリッシング対象物である半導体ウ
エハ43が保持面内に保持され、研磨中に研磨布42と
の摩擦力によってトップリング外へ飛び出さないように
なっている。
【0006】半導体ウエハ43をトップリング45の下
面の弾性マット47の下部に保持し、ターンテーブル4
1上の研磨布42に半導体ウエハ43をトップリング4
5によって押圧するとともに、ターンテーブル41およ
びトップリング45を回転させて研磨布42と半導体ウ
エハ43を相対運動させて研磨する。このとき、砥液供
給ノズル48から研磨布42上に砥液Qを供給する。砥
液は、例えばアルカリ溶液に微粒子からなる砥粒を懸濁
したものを用い、アリカリによる化学的研磨作用と、砥
粒による機械的研磨作用との複合作用によって半導体ウ
エハを研磨する。
【0007】図5は、図4に示すポリッシング装置によ
る研磨時の半導体ウエハと研磨布と弾性マットの状態を
示す拡大断面図である。図5に示すように、ポリッシン
グ対象物のみが研磨布を押圧する構造になっている場合
には、ポリッシング対象物である半導体ウエハ43の周
縁は、研磨布42との接触/非接触の境界であると同時
に、弾性マット47との接触/非接触との境界になって
いる。このため、これらの境界であるポリッシング対象
物の周縁において、ポリッシング対象物に加わる研磨圧
力が不均一になり、ポリッシング対象物の周縁のみが多
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。
【0008】上述した半導体ウエハの縁だれを防止する
ため、本件出願人は、先に特願平7−287976号に
て半導体ウエハの外周側に位置する研磨布を押圧する構
造を有したポリッシング装置を提案している。
【0009】図6は、特願平7−287976号にて提
案したポリッシング装置の例の主要部を示す図である。
トップリング45はボール65を介してトップリングシ
ャフト66に連結されている。ガイドリング46はキー
58を介してトップリング45に連結されており、ガイ
ドリング46はトップリング45に対して上下動自在で
あるとともにトップリング45と一体に回転可能になっ
ている。そして、ガイドリング46はベアリング59を
保持したベアリング押さえ60及びシャフト61を介し
てガイドリング用エアシリンダ62に連結されている。
ガイドリング用エアシリンダ62はトップリングヘッド
59に固定されている。ガイドリング用エアシリンダ6
2は円周上に複数個(例えば3個)配設されている。ト
ップリング用エアシリンダ60及びガイドリング用エア
シリンダ62は、それぞれレギュレータR1,R2を介
して圧縮空気源64に接続されている。
【0010】前記レギュレータR1によってトップリン
グ用エアシリンダ60へ供給する空気圧を調整すること
によりトップリング45が半導体ウエハ43をターンテ
ーブル41上の研磨布42に押圧する押圧力を調整する
ことができ、レギュレータR2によってガイドリング用
エアシリンダ62へ供給する空気圧を調整することによ
りガイドリング46が研磨布42を押圧する押圧力を調
整することができる。このトップリングの押圧力に対す
るガイドリングの押圧力を適宜調整することにより、半
導体ウエハの中心部から周縁部、さらには半導体ウエハ
の外側にあるガイドリング46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
43の外周部における研磨量の過不足を防止することが
できる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】本件出願人が先に特願
平7−287976号において提案したポリッシング装
置では、トップリング45とガイドリング46とは一体
に回転するようになっている。そのため、トップリング
45の下端面に保持された半導体ウエハ43とガイドリ
ング46との間での相対回転はなく、半導体ウエハ43
の周縁部とガイドリング46の内周部とは常に同一部位
同士が対面した状態で研磨が行われていた。
【0012】しかしながら、ガイドリングの押圧面は、
微視的には平坦とは言い難く、わずかながらうねりが存
在する。この押圧面のうねりのために、研磨布の変形量
に微小な差異が生じ、半導体ウエハの周縁部近傍の研磨
布が均一に変形されず、これが半導体ウエハの周縁部の
研磨量に影響し、半導体ウエハの周縁部全周が均一に研
磨されないという問題点があった。またガイドリングの
上下方向の板厚が全周に亘って均一でないことも、半導
体ウエハの周縁部全周が均一に研磨されない要因となっ
ていた。
【0013】本発明は上述の事情に鑑みなされたもの
で、半導体ウエハ等のポリッシング対象物の周縁部にお
ける研磨量を全周に亘って均一にすることができるポリ
ッシング装置を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ため本発明のポリッシング装置は、上面に研磨布を貼っ
たターンテーブルとトップリングとを有し、前記ターン
テーブルとトップリング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、平坦且つ鏡面化するポリッシング
装置において、前記ポリッシング対象物を収容する凹部
を有したトップリングの周囲に押圧リングを上下動自在
に配置し、前記押圧リングを研磨布に対して可変の押圧
力で押圧する押圧手段を設け、前記トップリングと前記
押圧リングとを相対回転可能に構成したことを特徴とす
るものである。
【0015】本発明によれば、トップリングと押圧リン
グとが相対回転可能に構成されているため、研磨中にト
ップリングの下端面に保持されたポリッシング対象物と
押圧リングとの間で相対移動を生ずる。そのため、ポリ
ッシング対象物の周縁部と押圧リングの内周部とは常に
異なった部位同士が対面した状態で研磨が行われてい
る。したがって、押圧リングの押圧面にうねりがあった
り、また押圧リングの上下方向の板厚が全周に亘って均
一でないことに起因してポリッシング対象物の周縁部近
傍の研磨布が均一に変形されなかったとしても、ポリッ
シング対象物の押圧リングに対する回転によってポリッ
シング対象物の周縁部の研磨量が平準化され、ポリッシ
ング対象物の周縁部全周が均一に研磨される。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係るポリッシング
装置の一実施例を図1乃至図3を参照して説明する。図
1はポリッシング装置の全体構成を示す断面図であり、
図2はトップリング及び押圧リングの部分を示す拡大断
面図であり、図3は図2の要部拡大断面図である。
【0017】図1および図2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1
Aと、トップリング本体1Aの外周部にボルト31によ
って着脱可能に固定されたリテーナリング1Bとからな
り、半導体ウエハ4を収容する凹部1aはトップリング
本体1Aの下面とリテーナリング1Bによって形成され
ている。そして、トップリング本体1Aの下面によって
半導体ウエハ4の上面を保持し、リテーナリング1Bに
よって半導体ウエハ4の外周部を保持するようになって
いる。前記トップリング本体1Aおよびリテーナリング
1Bの周囲には押圧リング3が上下動可能に設けられて
いる。また押圧リング3とトップリング1との間には、
トップリング1の過度な傾動を抑制するための略U字状
の断面を有する板バネ17が介装されている。
【0018】前記トップリング1の下面には弾性マット
2が貼着されている。またトップリング1の下方には、
上面に研磨布6を貼ったターンテーブル5が設置されて
いる。またトップリング本体1Aには凹球面32aを有
した取付フランジ32が固定されている。トップリング
1の上方にはトップリングシャフト8が配置されてい
る。トップリングシャフト8の下端には、凹球面34a
を有した駆動軸フランジ34が固定されている。そし
て、前記両凹球面32a,34a間には、球ベアリング
7が介装されている。また、トップリング本体1Aと取
付フランジ32との間には空間33が形成され、この空
間33に真空、加圧空気、水等の液体が供給できるよう
になっている。トップリング本体1Aは空間33と連通
して下面に開口する多数の連通孔35を有している。弾
性マット2も同様に前記連通孔35に対向した位置に開
口を有している。これによって、半導体ウエハ4(図1
参照)の上面を真空によって吸着可能であり、又、半導
体ウエハ4の上面に液体又は加圧空気を供給できるよう
になっている。
【0019】前記トップリングシャフト8はトップリン
グヘッド9に固定されたトップリング用エアシリンダ1
0に連結されており、このトップリング用エアシリンダ
10によってトップリングシャフト8は上下動し、トッ
プリング1の下端面に保持された半導体ウエハ4をター
ンテーブル5に押圧するようになっている。
【0020】また、トップリングシャフト8はキー(図
示せず)を介して回転筒11に連結されており、この回
転筒11はその外周部にタイミングプーリ12を有して
いる。そして、タイミングプーリ12は、タイミングベ
ルト13を介して、トップリングヘッド9に固定された
トップリング用モータ14に設けられたタイミングプー
リ15に接続されている。したがって、トップリング用
モータ14を回転駆動することによってタイミングプー
リ15、タイミングベルト13およびタイミングプーリ
12を介して回転筒11及びトップリングシャフト8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9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16によって支持されてい
る。
【0021】トップリング1の周囲に設けられた押圧リ
ング3は、図2および図3に示すように、最下位置にあ
ってアルミナセラミックからなる第1押圧リング部材3
aと、第1押圧リング部材3aの上方にあるステンレス
鋼からなる第2,第3押圧リング部材3b,3cと、最
上方位置にあるステンレス鋼からなる第4押圧リング部
材3dとから構成されている。第2〜第4押圧リング部
材3b〜3dは、ボルト36によって相互に接続されて
おり、第1押圧リング部材3aは第2押圧リング部材3
bに接着等によって固定されている。第1押圧リング部
材3aの下端面は、内周側のみが下方に突出して段差を
形成しており、内周側のみが研磨布6を押圧する押圧面
になっている。押圧リング3の上端部は押圧リング用エ
アシリンダ22に連結されている。押圧リング用エアシ
リンダ22はトップリングヘッド9に固定されている。
押圧リング用エアシリンダ22は円周上に複数個(例え
ば3個)配設されている。またリテーナリング1Bはス
テンレス鋼等の金属からなり、図3の太線に示すよう
に、その下部内外周面および下端面に樹脂コーティング
18が施されている。樹脂コーティング18はPEEK
(ポリエーテルケトン)、ポリテトラフルオロエチレ
ン、塩化ポリビニール等が好ましく、その膜厚は100
ミクロン以内が適当である。
【0022】トップリング用エアシリンダ10及び押圧
リング用エアシリンダ22は、それぞれレギュレータR
1,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用エアシ
リンダ10へ供給する空気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6に押圧する押圧
力を調整することができ、レギュレータR2によって押
圧リング用エアシリンダ22へ供給する空気圧を調整す
ることにより押圧リング3が研磨布6を押圧する押圧力
を調整することができる。
【0023】本実施例においては、トップリング1と押
圧リング3との間に、トップリング1の回転を押圧リン
グ3に伝達するためのキー等の手段が設けられていな
い。従って、研磨中にトップリング1はトップリングシ
ャフト8の軸心まわりに回転するが、押圧リング3は自
身の軸線に対して非回転に構成されている。そのため、
トップリング1の回転力が押圧リング3へ伝達しないの
で、トップリングシャフト8の回転負荷が少なくなる。
また、押圧リング3をトップリングヘッド9に固定され
た押圧リング用エアシリンダ22によって直接作動させ
ることができるため、装置構造が簡易になる。
【0024】また、ターンテーブル5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5上の研磨布6上に研磨砥液Qが
供給されるようになっている。
【0025】上記構成のポリッシング装置において、ト
ップリング1の下面に半導体ウエハ4を保持させ、トッ
プリング用エアシリンダ10を作動させてトップリング
1をターンテーブル5に向かって押圧し、回転している
ターンテーブル5の上面の研磨布6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6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6
の間に研磨砥液Qが存在した状態でポリッシングが行わ
れる。
【0026】トップリング用エアシリンダ10によるト
ップリング1の押圧力に応じて押圧リング用エアシリン
ダ22による押圧リング3の研磨布6への押圧力を適宜
調整して半導体ウエハ4の研磨を行う。研磨中にレギュ
レータR1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5上の研磨布6に押圧する押圧力F1
変更でき、レギュレータR2によって押圧リング3が研
磨布6を押圧する押圧力F2 を変更できる(図1参
照)。したがって、研磨中に、押圧リング3が研磨布6
を押圧する押圧力F2 を、トップリング1が半導体ウエ
ハ4を研磨布6に押圧する押圧力F1に応じて変更する
ことができる。この押圧力F1に対する押圧力F2 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の外側にある押圧リング
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。
【0027】また半導体ウエハ4の周縁部で内部側より
意図的に研磨量を多くし又は逆に少なくしたい場合に
は、押圧リングの押圧力F2をトップリングの押圧力F1
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。
【0028】本実施例においては、半導体ウエハ4の研
磨中に、トップリング1は、トップリングシャフト8の
回転によって自身の軸線に対して回転する。しかしなが
ら、押圧リング3は、固定のトップリングヘッド9にエ
アシリンダ22を介して連結されているため、自身の軸
線に対して非回転に構成されている。そのため、トップ
リング1の下端面に保持された半導体ウエハ4と押圧リ
ング3との間で相対回転が生ずる。よって、半導体ウエ
ハ4の周縁部と押圧リング3の内周部とは常に異なった
部位同士が対面した状態で研磨が行われる。
【0029】したがって、押圧リング3の押圧面に、う
ねりがあったり、また押圧リング3の上下方向の板厚が
全周に亘って均一でないことに起因して、半導体ウエハ
4の周縁部近傍の研磨布6が全周に亘って均一に変形さ
れなかったとしても、半導体ウエハ4の押圧リング3に
対する回転によって半導体ウエハ4の周縁部の研磨量が
平準化され、半導体ウエハ4の周縁部全周が均一に研磨
される。
【0030】また本実施例によれば、リテーナリング1
Bと押圧リング3とを最適な材質のものを選択すること
ができる。リテーナリング1Bは、内周面が半導体ウエ
ハ4に接触し、下端が研磨布6に接触しないため、金属
に樹脂コーティング18を施す等の手段により比較的柔
らかな表面を有する材料から選ぶことができる。硬い材
料を用いると、研磨中に半導体ウエハ4が破損すること
があるからである。またリテーナリング1Bと押圧リン
グ3とが接触したとしても、両者は樹脂コーティング1
8を介して接触するため、金属同士の接触がなく、押圧
リング3とリテーナリング1Bの相対運動(上下運動お
よび回転運動)が円滑に行われる。また、この樹脂コー
ティングを施すことにより、金属材料が磨耗することに
よって生じる金属汚染を防止することができる。
【0031】また第1押圧リング3aは、半導体ウエハ
4に接触せず、かつ研磨布6と接触するために、アルミ
ナセラミック等の硬度が高く耐摩耗性に富み、かつ摩擦
係数の低い材料から選択することができる。押圧リング
は、摩耗が少なく、かつ研磨布との摩擦抵抗が小さく、
又、押圧リングの摩耗粉が半導体ウエハ4上の半導体デ
バイスに悪影響を与えないものが望ましい。第1押圧リ
ング3aは、上述したように半導体ウエハ4と直接接触
することがないために、この面からの制約がないので、
上記要請を満たすような最適な材質であるアルミナセラ
ミックを選択することができる。なお、押圧リングの材
質としてアルミナセラミック以外に炭化ケイ素(Si
C)やジルコニア等のセラミックであってもよい。
【0032】
【発明の効果】以上説明したように本発明のポリッシン
グ装置によれば、押圧リングの押圧面にうねりがあった
り、また押圧リングの上下方向の板厚が全周に亘って均
一でないことに起因して、ポリッシング対象物の周縁部
近傍の研磨布が均一に変形されなかったとしても、ポリ
ッシング対象物の押圧リングに対する回転によってポリ
ッシング対象物の周縁部の研磨量が平準化され、ポリッ
シング対象物の周縁部全周が均一に研磨される。
【0033】また本発明によれば、押圧リングは、研磨
布と接触する押圧面を有する部位がセラミック等の耐摩
耗性に富みかつ低摩擦係数の材料で構成されている。し
たがって、押圧リングが研磨布を押圧して摺動する際の
摩耗を抑制することができるとともに摺動時の発熱を抑
制することができる。
【0034】さらに本発明によれば、リテーナリングの
少なくとも下部は樹脂コーティングが施されているた
め、ポリッシング対象物の外周部を柔らかな材料(樹脂
コーティング)で支持することができる。また押圧リン
グがリテーナリングに接触したとしても、両者が樹脂コ
ーティングを介して接触するため、金属同士の接触がな
く、押圧リングとリテーナリングの相対運動が円滑に行
われる。更に、樹脂コーティングにより、ポリッシング
対象物の金属汚染を防止することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るポリッシング装置の一実施例の全
体構成を示す断面図である。
【図2】本発明に係るポリッシング装置の一実施例の要
部構成を示す断面図である。
【図3】図2の要部拡大断面図である。
【図4】従来のポリッシング装置の概略構造を示す断面
図である。
【図5】従来のポリッシング装置における半導体ウエハ
と研磨布と弾性マットとの状態を示す拡大断面図であ
る。
【図6】本件出願人が先に提案したポリッシング装置の
例の主要部を示す図である。
【符号の説明】
1 トップリング 1A トップリング本体 1B リテーナリング 2 弾性マット 3 押圧リング 4 半導体ウエハ 5 ターンテーブル 6 研磨布 7 球ベアリング 8 トップリングシャフト 9 トップリングヘッド 10 トップリング用エアシリンダ 18 樹脂コーティング 22 押圧リング用エアシリンダ 24 圧縮空気源 25 砥液供給ノズル 32 取付フランジ 34 駆動軸フランジ

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 上面に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、前記ターンテーブルとトップリ
    ング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、平坦且つ鏡面化するポリッシング装置において、 前記ポリッシング対象物を収容する凹部を有したトップ
    リングの周囲に押圧リングを上下動自在に配置し、前記
    押圧リングを研磨布に対して可変の押圧力で押圧する押
    圧手段を設け、前記トップリングと前記押圧リングとを
    相対回転可能に構成したことを特徴とするポリッシング
    装置。
  2. 【請求項2】 前記トップリングは、自身の軸線に対し
    て回転可能に構成され、前記押圧リングは、自身の軸線
    に対して非回転に構成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。
  3. 【請求項3】 前記押圧リングの押圧手段は、流体圧シ
    リンダからなることを特徴とする請求項1又は2に記載
    のポリッシング装置。
  4. 【請求項4】 前記流体圧シリンダはトップリングを支
    持するトップリングヘッドに固定さ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。
  5. 【請求項5】 前記押圧リングは、前記研磨布と接触す
    る押圧面を有する部位がセラミック等の耐摩耗性材料か
    らなることを特徴とする請求項1記載のポリッシング装
    置。
  6. 【請求項6】 前記トップリングは、ポリッシング対象
    物の上面を保持するトップリング本体と、このトップリ
    ング本体の外周部に着脱可能に配置されポリッシング対
    象物の外周部を保持するリテーナリングとからなり、前
    記ポリッシング対象物を収容する凹部は前記トップリン
    グ本体の下面と前記リテーナリングの内周面とにより形
    成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。
  7. 【請求項7】 前記リテーナリングの少なくとも下部
    は、樹脂コーティングが施されていることを特徴とする
    請求項6記載のポリッシング装置。
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