JP2000015559A - ウェーハ研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ウェーハ外周部の研磨過多を防止してウェーハ
全面を均一に研磨することができるウェーハ研磨装置を
提供する。 【解決手段】本発明は、ウェーハ５４を研磨布１６に押
し付けるキャリア２４の下面外周にゴムリング８０を設
けている。このゴムリング８０は、研磨布１６からウェ
ーハ５４の外周部に加わった集中加重が圧力エア層を介
して伝達されると、その集中加重によって弾性変形する
材料で作られている。したがって、このゴムリング８０
を設けると、前記集中加重を弾性変形して吸収するの
で、ウェーハ外周部の過度の研磨が防止されて、ウェー
ハ全面が均一に研磨される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はウェーハ研磨装置に
係り、特に化学的機械研磨法（ＣＭＰ：ChemicalMechan
ical Polishing ）による半導体ウェーハの研磨装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の半導体ウェーハ研磨装置とし
て、キャリアとウェーハとの間に圧力エア層を形成する
研磨装置が提案されている。この研磨装置によれば、キ
ャリアを押圧する押圧手段からの押圧力を前記圧力エア
層を介してウェーハに伝達することにより、ウェーハを
研磨定盤に押し付けて研磨する。

【０００３】斯かる研磨装置は、ウェーハをキャリアで
吸着保持した状態でウェーハを研磨定盤に押し付けて研
磨する研磨装置と比較して、研磨定盤の面に対するウェ
ーハの追従性が向上するので、ウェーハを平坦に研磨す
ることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ウェー
ハを圧力エア層を介して研磨定盤に押し付ける前記研磨
装置は、ウェーハを研磨定盤に押し付けた時に、研磨布
が変形することによってウェーハの外周部（エッジ部）
に集中加重が加わるので、ウェーハ外周部が他の部分よ
りも多く研磨されるという欠点がある。また、研磨定盤
は完全には平坦ではなく、研磨定盤のうねった部分にウ
ェーハの外周部が突っ込むと、この時もまたウェーハ外
周部に集中加重が加わってウェーハの外周部が多く研磨
される。したがって、従来の研磨装置は、ウェーハ全面
を均一に研磨できないという欠点がある。

【０００５】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、ウェーハ外周部の研磨過多を防止することに
よりウェーハ全面を均一に研磨することができるウェー
ハ研磨装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決する為の手段】本発明は、前記目的を達成
するために、ウェーハを保持ヘッドに保持し回転する研
磨定盤に押し付けて、ウェーハを研磨する研磨装置にお
いて、前記保持ヘッドは、回転すると共に前記研磨定盤
に対向配置されるヘッド本体と、前記ヘッド本体に上下
方向移動自在に支持されたキャリアと、前記キャリアの
下面に設けられると共に前記ウェーハの裏面に向けてエ
アを吹き出すことにより、キャリアとウェーハとの間に
圧力流体層を形成するエア吹出部材と、前記キャリアを
前記研磨定盤に向けて押圧することにより、前記ウェー
ハを前記圧力流体層を介して前記研磨定盤に押し付ける
押圧手段と、前記キャリアの外側に設けられ、該キャリ
アからのウェーハの飛び出しを防止するリテーナリング
と、前記キャリアの下面の前記ウェーハの外周部に対向
する位置に設けられ、ウェーハの研磨時に研磨定盤から
ウェーハの外周部に加わる集中加重が前記圧力流体層を
介して伝達されると、弾性変形することにより前記集中
加重を吸収する弾性部材と、から成ることを特徴として
いる。

【０００７】本発明によれば、エア吹出部材からウェー
ハの裏面にエアを吹き出してキャリアとウェーハとの間
に圧力流体層を形成した後、押圧手段でウェーハを圧力
流体層を介して研磨定盤に押し付けて研磨する。この研
磨中に、研磨布が変形することによってウェーハの外周
部に集中加重が加わると、その集中加重は圧力流体層を
介して弾性部材に伝達し、そして、弾性部材が弾性変形
して集中加重を吸収する。これにより、本発明は、ウェ
ーハ外周部の研磨過多を防止することができるので、ウ
ェーハ全面を均一に研磨することができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下添付図面に従って本発明に係
るウェーハ研磨装置の好ましい実施の形態について詳説
する。図１は、本発明の実施の形態に係るウェーハ研磨
装置の斜視図である。同図に示すウェーハ研磨装置１０
は、主として研磨定盤１２と保持ヘッド１４とから構成
される。研磨定盤１２は円盤状に形成されており、その
上面には研磨布１６が設けられている。また、研磨定盤
１２の下部には、スピンドル１８が連結され、このスピ
ンドル１８はモータ２０の図示しない出力軸に連結され
ている。このモータ２０を駆動すると、前記研磨定盤１
２は矢印Ａ方向に回転され、その回転する研磨定盤１２
の研磨布１６上に図示しないノズルからスラリが供給さ
れる。前記保持ヘッド１４は、図示しない昇降装置によ
り上下移動され、研磨対象のウェーハを保持ヘッド１４
にセットする際に上昇移動される。また、保持ヘッド１
４は、ウェーハを研磨する際に下降移動されてウェーハ
を前記研磨布１６に押し付けて研磨する。

【０００９】図２は前記保持ヘッド１４の平面図であ
り、図３は図２の３−３線に沿う縦断面図である。図３
に示す保持ヘッド１４は、ヘッド本体２２、キャリア２
４、ガイドリング２６、研磨面調整リング２８、リテー
ナリング３０、ゴムシート３２、差動トランス３４、押
付部材３６、及びゴムリング（弾性部材）８０等から構
成されている。

【００１０】前記ヘッド本体２２は、円盤状に形成され
ると共に、その上面には回転軸３８が連結され、この回
転軸３８に連結された図示しないモータによって矢印Ｂ
方向に回転される。また、ヘッド本体２２にはエア供給
路４０、４２、４４が形成されている。前記エア供給路
４０は、図３上二点鎖線で示すように保持ヘッド１４の
外部に延設され、レギュレータ（Ｒ：regulator ）４６
Ａを介してエアポンプ（ＡＰ：air pump）４８に接続さ
れる。また、エア供給路４２、４４も同様に保持ヘッド
１４の外部に延設され、エア供給路４２はレギュレータ
４６Ｂを介してポンプ４０に、そして、エア供給路４４
はレギュレータ４６Ｃを介してポンプ４０にそれぞれ接
続されている。

【００１１】前記キャリア２４は、略円柱状に形成され
てヘッド本体２２の下部にヘッド本体２２と同軸上に配
置されている。また、キャリア２４の下面には凹部２５
が形成され、この凹部２５に通気性を有する多孔質板５
０が収納されている。多孔質板５０には、キャリア２４
に形成されたエア路５２、５２が連通されており、これ
らのエア路５２、５２は、図３上二点鎖線で示すように
保持ヘッド１４の外部に延設されて、サクションポンプ
（ＳＰ：suction pump）７６に接続されている。したが
って、前記サクションポンプ７６を駆動すると、ウェー
ハ５４が多孔質板５０に吸引されて多孔質板５０に吸着
保持される。なお、前記多孔質板５０は、内部に多数の
通気路を有するものであり、例えば、セラミック材料の
焼結体よりなるものが用いられている。

【００１２】前記キャリア２４には、キャリア２４の下
面外周部に噴出口が形成された多数のエア供給路７８、
７８…（図２では２ヵ所のみ図示）が形成されている。
このエア供給路７８、７８…は、キャリア２４の下面外
周部に取り付けられたゴムリング８０に噴出口が形成さ
れると共に、図中二点鎖線で示すように保持ヘッド１４
の外部に延設され、レギュレータ４６Ｄを介してエアポ
ンプ４８に接続されている。したがって、エアポンプ４
８からの圧縮エアは、エア供給路７８、７８…を介して
多孔質板５０とウェーハ５４との間の空気室５６に噴き
出される。これにより、空気室５６には圧力エア層が形
成され、キャリア２４の押圧力がこの圧力エア層を介し
てウェーハ５４に伝達される。ウェーハ５４は、前記圧
力エア層を介して伝達される前記押圧力によって研磨布
１６に均一に押し付けられる。

【００１３】また、研磨布１６に対するウェーハ５４の
押し付け力は、レギュレータ４２Ｄでエア圧を調整する
ことにより、制御することができる。キャリア２４でウ
ェーハ５４を研磨布１６に直接押圧すると、キャリア２
４とウェーハ５４との間にゴミがあった場合に、キャリ
ア２４の押圧力をウェーハ５４全面に均一に伝達するこ
とができないが、このように、圧力エア層を介してウェ
ーハ５４を押圧すれば、キャリア２４とウェーハ５４と
の間にゴミがあってもキャリア２４の押圧力をウェーハ
５４全面に均一に伝達することができる。

【００１４】また、前記保持ヘッド１４は、キャリア２
４にかける押圧力を制御してキャリア２４を上下動さ
せ、ウェーハ５４の研磨圧力（ウェーハ５４を研磨布１
６に押し付ける力）を制御するものなので、圧力エア層
の圧力を直接制御してウェーハ５４の研磨圧力を制御す
るよりも、研磨圧力の制御が容易になる。即ち、前記保
持ヘッド１４では、キャリア２４の上下位置を制御する
ことでウェーハ５４の研磨圧力を制御できるからであ
る。なお、エア供給路７８、７８…から噴き出されたエ
アは、研磨面調整リング２８に形成された図示しない排
気孔から外部に排気される。また、前記ゴムリング８０
については後述する。

【００１５】一方、ヘッド本体２２とキャリア２４との
間には、１枚のゴムシート３２が配置されている。この
ゴムシート３２は、均一な厚さで円盤状に形成される。
また、ゴムシート３２は、大小２つの環状の止め金５
８、６０によってヘッド本体２２の下面に固定されてい
る。これにより、ゴムシート３２は、止め金６０を境と
して中央部３２Ａと中間部３２Ｂとに２分され、また、
止め金５８を境として中間部３２Ｂと外周部３２Ｃとに
２分されている。即ち、ゴムシート３２は、止め金５
８、６０によって３分され、その中央部３２Ａはキャリ
ア２４を押圧し、中間部３２Ｂは押付部材３６を押圧
し、外周部３２Ｃは研磨面調整リング２８を押圧するた
めのエアーバックとして機能する。

【００１６】前記エアーバックのうち、ゴムシート３２
の中央部３２Ａで画成されるエアーバック６２には、前
記エア供給路４０が連通されている。したがって、エア
供給路４０からエアーバック６２に圧縮エアを供給する
と、ゴムシート３２の中央部３２Ａがエア圧で弾性変形
されてキャリア２４の上面を押圧する。これにより、研
磨布１６に対するウェーハ５４の押し付け力を得ること
ができる。また、エア圧をレギュレータ４６Ａで調整す
れば、ウェーハ５４の押し付け力を制御することができ
る。

【００１７】前記ガイドリング２６は、円筒状に形成さ
れてヘッド本体２２の下部にヘッド本体２２と同軸上に
配置される。また、ガイドリング２６は、ゴムシート３
２を介してヘッド本体２２に固定されている。ガイドリ
ング２６とキャリア２４との間には、研磨面調整リング
２８が配置されている。前記研磨面調整リング２８の上
方には、ゴムシート３２の外周部３２Ｃと止め金５８と
によって画成される環状のエアーバック６４が形成され
る。このエアーバック６４に、前記エア供給路４４が連
通されている。したがって、エア供給路４４からエアー
バック６４に圧縮エアを供給すると、ゴムシート３２の
外周部３２Ｃがエア圧で弾性変形されて研磨面調整リン
グ２８の環状上面２８Ａを押圧し、研磨面調整リング２
８の環状下面２８Ｂが研磨布１６に押し付けられる。な
お、研磨面調整リング２８の押し付け力は、レギュレー
タ４６Ｃでエア圧を調整することにより制御することが
できる。

【００１８】前記キャリア２４と研磨面調整リング２８
との間には押付部材３６が配置されている。この押付部
材３６は本体３６Ａ、ヘッド３６Ｂ、支持アーム３６
Ｃ、３６Ｃ、及び脚部３６Ｄ、３６Ｄから構成されてい
る。なお、押付部材３６のヘッド３６Ｂ、支持アーム３
６Ｃ、及び脚部３６Ｄは図２上で破線で示すように、そ
れぞれ３本ずつ等間隔で形成されている。

【００１９】図３に示す前記押付部材３６の本体３６Ａ
は、研磨面調整リング２８に形成された開口部２９内に
配置されている。また、押付部材３６の前記ヘッド３６
Ｂは、本体３６Ａと一体に形成されると共に、キャリア
２４と研磨面調整リング２８との間の隙間に配置されて
いる。前記ヘッド３６Ｂの上方には、ゴムシート３２の
中間部３２Ｂと止め金５８、６０とによって画成される
環状のエアーバック６６が形成される。このエアーバッ
ク６６に、前記エア供給路４２が連通されている。した
がって、エア供給路４２からエアーバック６６に圧縮エ
アを供給すると、ゴムシート３２の中間部３２Ｂがエア
圧で弾性変形されて押付部材３６のヘッド３６Ｂを押圧
する。これにより、押付部材３６の脚部３６Ｄの下面３
７が研磨布１６に押し付けられる。なお、押付部材３６
の押し付け力は、レギュレータ４６Ｂでエア圧を調整す
ることにより制御することができる。また、前記脚部３
６Ｄは、研磨面調整リング２８に形成された貫通孔２８
Ｃに配置されている。更に、押付部材３８は、研磨加工
熱による熱膨張を防止するために、熱膨張率が極小さい
アンバーを母材として形成され、そして、研磨布１６に
押圧される前記下面３７は、研磨布１６に研磨されない
ようにダイヤモンドコーティングされている。

【００２０】一方、前記押付部材３６の支持アーム３６
Ｃの先端部には、ウェーハ５４の研磨量を検出する差動
トランス３４が設けられている。この差動トランス３４
は、コア７０、ボビン７２、及び接触子７４から構成さ
れると共に、前記ボビン７２は、押付部材３６の支持ア
ーム３６Ｃの先端部に固定され、このボビン７２内に前
記コア７０が上下移動自在に配置されている。また、前
記コア７０の下部に前記接触子７４が設けられ、この接
触子７４はキャリア２４に接触されている。また、前記
ボビン７２には、図示しない演算装置が接続されてお
り、この演算装置は、ボビン７２に対するコア７０の上
下移動量に基づいてウェーハ５４の研磨量を演算する。

【００２１】キャリア２４の下部外周部には、リテーナ
リング３０が上下移動可能に嵌入されている。前記リテ
ーナリング３０は、ウェーハ５４の研磨中において研磨
布１６に接触される。そして、前記ウェーハ５４は、研
磨布１６の回転力で横方向に移動してリテーナリング３
０の内周面に当接され、これによって、キャリア２４か
らのウェーハ５４の飛び出しがリテーナリング３０によ
って阻止されている。前記リテーナリング３０は樹脂製
なので、ウェーハ５４の周縁５４Ａの横方向からの当接
によるウェーハ５４からの押圧力によって元の形状から
変形し、ウェーハ５４の周縁５４Ａの形状に沿った形状
に弾性変形する。したがって、前記ウェーハ５４の外周
縁は、リテーナリング３０と面接触した状態でリテーナ
リング３０に押し付けられる。これにより、リテーナリ
ング３０からウェーハにかかる圧力が分散するので、ウ
ェーハに割れ欠け等の欠陥は生じない。

【００２２】前記ゴムリング８０は、キャリア２４の下
面のウェーハ５４の外周部に対向する位置に設けられて
いる。このゴムリング８０は、ウェーハ５４の研磨時
に、研磨布１６からウェーハ５４の外周部に加わる集中
加重が圧力エア層を介して伝達されると、その集中加重
によって十分に弾性変形する材料で作られている。これ
によって、前記ゴムリング８０は、ウェーハ５４を研磨
布１６に押し付けた時に研磨布１６からウェーハ外周部
に加わった集中加重を、弾性変形することにより吸収す
ることができ、また、図４に示すように研磨布１６のう
ねった部分１７にウェーハ５４の外周部５５が突っ込ん
だ時に、ウェーハ外周部５５に加わった集中加重を、ゴ
ムリング８０の下面８１が上方に弾性変形することによ
り吸収することができる。したがって、ウェーハ外周部
５５は、前記ゴムリング８０の弾性変形作用によって、
過度の研磨が防止されている。

【００２３】次に、前記の如く構成されたウェーハ研磨
装置１０の作用について説明する。まず、保持ヘッド１
４を上昇させた後、サクションポンプ７６を駆動して研
磨対象のウェーハ５４を多孔質板５０に吸着保持させ
る。次に、保持ヘッド１４を下降させて、保持ヘッド１
４の研磨面調整リング２８の接触面が研磨布１６に当接
した位置で下降移動を停止する。そして、サクションポ
ンプ７６を停止して前記ウェーハ５４の吸着を解除し、
ウェーハ５４を研磨布１６上に載置する。

【００２４】次いで、エアポンプ４８を駆動して圧縮エ
アをエア路７８を介して空気室５６に供給し、空気室５
６に圧力エア層を形成する。この時、レギュレータ４６
Ｄを制御することにより圧縮エアの供給量を調整し、圧
力エア層の圧力を所定の圧力に設定する。次に、ポンプ
４８からの圧縮エアを、エア供給路４０を介してエアー
バック６２に供給し、ゴムシート３２の中央部３２Ａを
内部エア圧により弾性変形させてキャリア２４を押圧
し、前記圧力エア層を介してウェーハ５４を研磨布１６
に押し付ける。そして、レギュレータ４６Ａでエア圧を
調整して内部エア圧力を所望の圧力に制御し、研磨布１
６に対するウェーハ５４の押し付け力を一定に保持す
る。

【００２５】そして、これと同時に、ポンプ４０からの
圧縮エアをエア供給路４４を介してエアーバック６４に
供給し、ゴムシート３２の外周部３２Ｃを内部エア圧に
より弾性変形させて研磨面調整リング２８を押圧し、研
磨面調整リング２８とリテーナリング３０の下面を研磨
布１６に押し付ける。そして、ポンプ４０からの圧縮エ
アをエア供給路４２を介してエアーバック６６に供給
し、ゴムシート３２の中間部３２Ｂを内部エア圧により
弾性変形させて押付部材３６を押圧し、押付部材３６の
下面３７を研磨布１６に押し付ける。この後、研磨定盤
１２及び保持ヘッド１４を回転させてウェーハ５４の研
磨を開始する。

【００２６】ウェーハ５４の研磨中において、ウェーハ
５４は研磨布１６の回転によって横方向に移動して、そ
の周縁がリテーナリング３０に押し付けられた状態で研
磨されるが、この時、リテーナリング３０はウェーハ５
４の外周縁の形状に沿った形状に弾性変形する。これに
より、ウェーハ５４は、リテーナリング３０と面接触し
た状態でリテーナリング３０に押し付けられることにな
り、リテーナリング３０からウェーハにかかる圧力が分
散するので、ウェーハに割れ欠け等の欠陥は生じない。

【００２７】また、ウェーハ５４の研磨中において、研
磨布１６からウェーハの外周部に加わる集中加重は、こ
の集中加重が圧力エア層を介してゴムリング８０に伝達
し、このゴムリング８０が弾性変形することにより吸収
されているので、ウェーハ外周部の過度の研磨が防止さ
れている。また、図４に示すように研磨布１６のうねっ
た部分１７にウェーハ５４の外周部５５が突っ込むと、
ウェーハ外周部５５に研磨布１６から集中加重が加わる
が、この集中加重も前記ゴムリング８０が弾性変形する
ことで吸収されるので、この場合もまたウェーハ外周部
５５の過度の研磨が防止されている。

【００２８】よって、本実施の形態では、ゴムリング８
０によってウェーハ外周部５５の研磨過多を防止するこ
とができるので、ウェーハ５４全面を均一に研磨するこ
とができる。研磨中におけるウェーハ５４の研磨量は、
差動トランス３４の接触子７４がキャリア２４に接触し
ていることにより、接触子７４の下降量、即ち、コア７
０の下降量に基づいて演算装置により算出されている。
そして、前記演算装置で算出された研磨量が、予め設定
した研磨加工終点になると、ウェーハ研磨装置１０を停
止して、ウェーハ５４の研磨を終了する。これにより、
１枚のウェーハ５４の研磨が終了し、２枚目以降のウェ
ーハ５４を研磨する場合には、前述した工程を繰り返せ
ば良い。

【００２９】なお、本実施の形態では、弾性部材として
ゴムリング８０を例示したが、これに限られるものでは
なく、研磨布１６からウェーハ外周部５５に加わる集中
加重を弾性変形して吸収することができるものであれ
ば、プラスチック製でもよく、また金属製でも良い。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係るウェー
ハ研磨装置によれば、保持ヘッドのキャリアの下面に弾
性部材を設け、この弾性部材によってウェーハ外周部に
加わる集中加重を吸収することにより、ウェーハ外周部
の研磨過多を防止したので、ウェーハ全面を均一に研磨
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るウェーハ研磨装置の
全体構造図

【図２】図１のウェーハ研磨装置に適用された保持ヘッ
ドの平面図

【図３】図２上で３−３線に沿う保持ヘッドの縦断面図

【図４】ウェーハ外周部に集中加重が加わった時のゴム
リングの弾性変形状態を示す拡大断面図

【符号の説明】

１０…ウェーハ研磨装置 １２…研磨定盤 １４…保持ヘッド １６…研磨布 ２４…キャリア ３０…リテーナリング ３２…ゴムシート ５４…ウェーハ ８０…ゴムリング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 学 東京都三鷹市下連雀９丁目７番１号 株式 会社東京精密内 Ｆターム(参考） 3C058 AA07 AB04 BA05 BB04 DA17

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ウェーハを保持ヘッドに保持し回転する研
   磨定盤に押し付けて、ウェーハを研磨する研磨装置にお
   いて、 前記保持ヘッドは、 回転すると共に前記研磨定盤に対向配置されるヘッド本
   体と、 前記ヘッド本体に上下方向移動自在に支持されたキャリ
   アと、 前記キャリアの下面に設けられると共に前記ウェーハの
   裏面に向けてエアを吹き出すことにより、キャリアとウ
   ェーハとの間に圧力流体層を形成するエア吹出部材と、 前記キャリアを前記研磨定盤に向けて押圧することによ
   り、前記ウェーハを前記圧力流体層を介して前記研磨定
   盤に押し付ける押圧手段と、 前記キャリアの外側に設けられ、該キャリアからのウェ
   ーハの飛び出しを防止するリテーナリングと、 前記キャリアの下面の前記ウェーハの外周部に対向する
   位置に設けられ、ウェーハの研磨時に研磨定盤からウェ
   ーハの外周部に加わる集中加重が前記圧力流体層を介し
   て伝達されると、弾性変形することにより前記集中加重
   を吸収する弾性部材と、 から成るこを特徴とするウェーハ研磨装置。