JP2000343422A - ウェーハ研磨装置及びウェーハ製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ウェーハを安定して研磨することができるウ
ェーハ研磨装置及びその製造方法を提供することを目的
としている。 【解決手段】 ウェーハ保持ヘッド１は、ヘッド本体２
と、ヘッド本体２内に張られたダイヤフラム５と、ダイ
ヤフラム５に固定されこのダイヤフラム５とともにヘッ
ド軸線方向に変位可能に設けられ、ウェーハＷの一面を
保持するキャリア６と、キャリア６の外周に同心状に配
置されるとともにダイヤフラム５に固定されダイヤフラ
ム５とともにヘッド軸線方向に変位可能に設けられたリ
テーナリング７と、ダイヤフラム５上面に固定された円
環状の薄板２０とを備えている。ウェーハＷの研磨時に
おけるダイヤフラム５に作用するねじれは薄板２０によ
って抑えられるのでウェーハＷは安定して研磨される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造プロセ
スにおける、半導体ウェーハ表面を研磨する装置に用い
られるウェーハ研磨装置及びウェーハ製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体製造装置の高集積化に伴う
パターンの微細化が進んでおり、特に多層構造の微細な
パターンの形成が容易かつ確実に行われるために、製造
工程中における半導体ウェーハの表面を極力平坦化させ
ることが重要となってきている。その場合、表面の膜を
研磨するために平坦化の度合いが高い化学機械的研磨法
（ＣＭＰ法）が脚光を浴びている。

【０００３】ＣＭＰ法とは、砥粒剤としてＳｉＯ2 を用
いたアルカリ溶液やＳｅＯ2 を用いた中性溶液、あるい
はＡｌ2Ｏ3を用いた酸性溶液等を用いて化学的・機械的
にウェーハ表面を研磨し、平坦化する方法であるが、こ
の方法に用いられるウェーハ研磨装置として、例えば図
８に示されるものがある。

【０００４】図８において、ウェーハ研磨装置１００
は、研磨すべきウェーハＷを保持したウェーハ保持ヘッ
ド１０１と、円盤状に形成されたプラテン１０３上面に
全面にわたって貼付された研磨パッド１０２とを備えて
いる。このうちウェーハ保持ヘッド１０１は、ヘッド駆
動機構であるカルーセル１０４下部に複数取り付けられ
たものであり、スピンドル１１１によって回転可能に支
持され、研磨パッド１０２上で遊星回転されるようにな
っている。なおこの場合、プラテン１０３の中心位置と
ウェーハ保持ヘッド１０１の公転中心とを偏芯させて設
置することも可能である。

【０００５】プラテン１０３は、基台１０５の中央に水
平に配置されており、この基台１０５内に設けられたプ
ラテン駆動機構により軸線まわりに回転されるようにな
っている。基台１０５の側方には支柱１０７が設けられ
ているとともに、支柱１０７の間には、カルーセル駆動
機構１１０を支持する上側取付板１０９が配置されてい
る。カルーセル駆動機構１１０は、下方に設けられたカ
ルーセル１０４を軸線まわりに回転させる機能を有して
いる。

【０００６】基台１０５からは、突き合わせ部１１２が
上方に突出するように配置されており、突き合わせ部１
１２の上端には間隔調整機構１１３が設けられている。
一方、突き合わせ部１１２の上方には係止部１１４が対
向配置されている。この係止部１１４は上側取付板１０
９に固定されているとともに上側取付板１０９から下方
に突出する構成となっている。そして、この間隔調整機
構１１３を調節し、突き合わせ部１１２と係止部１１４
とを当接させることにより、ウェーハ保持ヘッド１０１
と研磨パッド１０２との距離寸法を適切なものとしてい
る。そして、ウェーハ保持ヘッド１０１に保持されたウ
ェーハＷと研磨パッド１０２表面とを当接させるととも
に、カルーセル１０４とプラテン１０３とを回転させる
ことによってウェーハＷは研磨される。またウェーハ保
持ヘッド１０１は、ヘッド本体内に張られたダイヤフラ
ムと、ダイヤフラムに固定されこのダイヤフラムととも
にヘッド軸線方向に変位可能に設けられ、研磨すべきウ
ェーハＷの一面を保持するためのキャリアとを備えたも
のである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このような、ウェーハ
保持ヘッド１０１とプラテン１０３とをそれぞれ回転さ
せることにより研磨パッド１０２でウェーハＷを研磨す
る構成を持つウェーハ研磨装置１００において、ウェー
ハＷを均一に研磨するためには、ウェーハＷの研磨面内
を研磨パッド１０２が当接して回転する相対速度が面内
で均一になる条件（以降、面内速度均一条件と言う）で
研磨する必要がある。面内速度均一条件とは、ウェーハ
保持ヘッド１０１の角速度Ｒｈ、プラテン１０３の角速
度Ｒｐ、カルーセル１０４の角速度Ｒｃとした場合、 Ｒｐ＝Ｒｈ＋Ｒｃ （１） の関係が成り立つ条件である。この条件で研磨を行った
時、理想的な装置構成においては、ウェーハＷは均一に
研磨される。またこの時、ウェーハＷはもとよりウェー
ハ保持ヘッド１０１に回転力は生じない。従って、ヘッ
ド構成要素であるダイヤフラムに回転方向のねじれは生
じない。ところが、装置を構成する部品や組付けの精
度、あるいは副資材等の影響により、面内速度均一条件
で研磨しても、ウェーハＷが均一に研磨されない場合が
ある。その場合、敢えて面内速度が不均一になる条件で
研磨することがある。面内速度が不均一になる条件と
は、（１）式の関係が成り立たない速度条件である。通
常、面内速度が不均一になると、ウェーハＷの外周側が
優先的に研磨される傾向がある。よって、面内速度均一
条件でのウェーハＷの研磨状態が、ウェーハＷ外周側の
研磨レートが中心部に対して遅い場合、つまり、ウェー
ハＷ中心部が優先的に研磨される傾向がある場合に、面
内速度を不均一にすることが有効となる。この知見に基
づき、面内速度が不均一になる条件で研磨をした場合、
従来ヘッドでは、ウェーハＷの外周側が優先的に研磨さ
れる傾向にならなかった。これは、面内速度が不均一な
ために生じた回転力により、ダイヤフラムがねじれてし
まい、研磨が不安定になることに起因している。また、
研磨初期に各回転が定常速度に達しない過渡期にも結果
的に面内速度が不均一になる状態が発生し、その間研磨
は不安定になる。

【０００８】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、ダイヤフラムのねじれによる研磨の不安定さ
を抑制し、ウェーハを安定して研磨することができるウ
ェーハ研磨装置及びその製造方法を提供することを目的
としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、請求項１に記載の発明は、表面に研磨パッドが貼付
されたプラテンと、研磨すべきウェーハを保持して前記
研磨パッドにウェーハの一面を当接させるウェーハ保持
ヘッドとを具備し、このウェーハ保持ヘッドと前記プラ
テンとをそれぞれ回転させることにより前記ウェーハを
研磨するウェーハ研磨装置であって、前記ウェーハ保持
ヘッドは、天板部と該天板部の外周下方に設けられた筒
状の周壁部とからなるヘッド本体と、前記ヘッド本体内
にヘッド軸線に対し垂直に張られたダイヤフラムと、前
記ダイヤフラムと前記ヘッド本体との間に形成される流
体室に満たされた流体圧力を調整する圧力調整機構と、
前記ダイヤフラムに固定されこのダイヤフラムとともに
ヘッド軸線方向に変位可能に設けられ、研磨すべきウェ
ーハの一面を保持するためのキャリアと、前記ダイヤフ
ラム上面に設けられた円環状の薄板と、この薄板を、前
記ダイヤフラムを介して前記キャリアと前記ヘッド本体
とに固定する固定手段を備えたことを特徴とする。

【００１０】本発明によれば、ダイヤフラムは薄板によ
って回転方向のねじれが抑えられるので、ウェーハは安
定して研磨される。

【００１１】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
のウェーハ研磨装置であって、前記薄板には、平面中心
側から回転方向に向かって延びる複数の穴部が円環状に
配されていることを特徴とする。

【００１２】本発明によれば、薄板に平面中心側から回
転方向に向かって延びる複数の穴部を設け、穴部どうし
の連結部がたわむことによりこの薄板は弾性変形可能と
なる。したがってダイヤフラムの弾性伸縮は維持される
ので、キャリアの軸線方向への変位は妨げられない。ま
た、ウェーハ保持ヘッドに保持されたウェーハが研磨パ
ッドに当接しつつ回転されている状態においては、ダイ
ヤフラムに作用する回転方向のねじれが低減され、安定
したウェーハ研磨が行われる。

【００１３】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
のウェーハ研磨装置であって、前記穴部は、前記キャリ
アと前記ヘッド本体周壁部との間隙の上方に位置してい
ることを特徴とする。

【００１４】本発明によれば、穴部をキャリアと周壁部
との間隙の上方に位置させたことにより、穴部近傍にお
ける薄板の弾性変形は安定して行われる。

【００１５】請求項４に記載の発明は、表面に研磨パッ
ドが貼付されたプラテンと、研磨すべきウェーハを保持
して前記研磨パッドにウェーハの一面を当接させるウェ
ーハ保持ヘッドとを具備し、このウェーハ保持ヘッドと
前記プラテンとをそれぞれ回転させることにより前記ウ
ェーハを研磨するウェーハ研磨装置であって、前記ウェ
ーハ保持ヘッドは、天板部と該天板部の外周下方に設け
られた筒状の周壁部とからなるヘッド本体と、前記ヘッ
ド本体内にヘッド軸線に対し垂直に張られたダイヤフラ
ムと、前記ダイヤフラムと前記ヘッド本体との間に形成
される流体室に満たされた流体圧力を調整する圧力調整
機構と、前記ダイヤフラムに固定されこのダイヤフラム
とともにヘッド軸線方向に変位可能に設けられ、研磨す
べきウェーハの一面を保持するためのキャリアと、前記
周壁部の内壁と前記キャリアの外周との間に同心状に配
置されるとともに、前記ダイヤフラムに固定され前記ダ
イヤフラムとともにヘッド軸線方向に変位可能に設けら
れ、研磨時には研磨パッドに当接するリテーナリング
と、前記ダイヤフラム上面に設けられた円環状の薄板
と、この薄板を、前記ダイヤフラムを介して前記キャリ
アと前記リテーナリングと前記ヘッド本体とに固定する
固定手段を備えたことを特徴とする。

【００１６】本発明によれば、ダイヤフラムは薄板によ
って回転方向のねじれが抑えられるので、ウェーハは安
定して研磨される。

【００１７】請求項５に記載の発明は、請求項４に記載
のウェーハ研磨装置であって、前記薄板には、平面中心
側から回転方向に向かって延びる複数の穴部が、前記薄
板とリテーナリングとを固定する固定手段の半径方向の
内方と外方とにそれぞれ円環状に配されていることを特
徴とする。

【００１８】本発明によれば、薄板に平面中心側から回
転方向に向かって延びる複数の穴部を設け、穴部どうし
の連結部がたわむことによりこの薄板は弾性変形可能と
なる。したがってダイヤフラムの弾性伸縮は維持される
ので、キャリア及びリテーナリングの軸線方向への変位
は妨げられない。また、ウェーハ保持ヘッドに保持され
たウェーハが研磨パッドに当接しつつ回転されている状
態においては、ダイヤフラムに作用する回転方向のねじ
れが低減され、安定したウェーハ研磨が行われる。

【００１９】請求項６に記載の発明は、請求項５に記載
のウェーハ研磨装置であって、前記内方に配された穴部
は前記キャリアと前記リテーナリングとの間隙の上方に
位置しているとともに、前記外方に配された穴部は前記
リテーナリングと前記ヘッド本体周壁部との間隙の上方
に位置していることを特徴とする。

【００２０】本発明によれば、穴部をキャリアとリテー
ナリングとの間隙の上方及びリテーナリングと周壁部と
の間隙の上方に位置させたことにより、穴部近傍におけ
る薄板の弾性変形は安定して行われる。

【００２１】請求項７に記載の発明は、請求項１、２、
３、４、５、６のいずれかに記載のウェーハ研磨装置で
あって、前記ダイヤフラムと薄板とはスペーサーを介し
て固定されていることを特徴とする。

【００２２】本発明によれば、スペーサーを設けたこと
により薄板とダイヤフラムとは安定して連結されるとと
もに、ダイヤフラムに固定される際の薄板の変形は防止
される。

【００２３】請求項８に記載の発明は、請求項２、３、
５、６、７のいずれかに記載のウェーハ研磨装置であっ
て、前記複数の穴部の回転方向の幅は、隣接する穴部ど
うしの連結部の幅より大きく形成されていることを特徴
とする。

【００２４】本発明によれば、穴部の回転方向の幅を隣
接する穴部どうしの連結部の幅より大きく形成すること
によって連結部のたわみが容易になるので、ダイヤフラ
ムの弾性伸縮の維持も容易になる。

【００２５】請求項９に記載の発明は、表面に研磨パッ
ドが貼付されたプラテンと、研磨すべきウェーハを保持
して前記研磨パッドにウェーハの一面を当接させるウェ
ーハ保持ヘッドとを具備し、このウェーハ保持ヘッドと
前記プラテンとをそれぞれ回転させることにより前記ウ
ェーハを研磨するウェーハ研磨工程を含んだウェーハ製
造方法であって、前記ウェーハ保持ヘッドは、天板部と
該天板部の外周下方に設けられた筒状の周壁部とからな
るヘッド本体と、前記ヘッド本体内にヘッド軸線に対し
垂直に張られたダイヤフラムと、前記ダイヤフラムと前
記ヘッド本体との間に形成される流体室に満たされた流
体圧力を調整する圧力調整機構と、前記ダイヤフラムに
固定されこのダイヤフラムとともにヘッド軸線方向に変
位可能に設けられ、研磨すべきウェーハの一面を保持す
るためのキャリアと、前記ダイヤフラム上面に設けられ
た円環状の薄板と、この薄板を、前記ダイヤフラムを介
して前記キャリアと前記ヘッド本体とに固定する固定手
段を備えており、このウェーハ保持ヘッドに保持させた
ウェーハを前記研磨パッドに当接させつつ回転させると
ともに、前記ダイヤフラムに作用する回転方向のねじれ
を前記薄板によって低減させつつ研磨を行うことを特徴
とする。

【００２６】本発明によれば、ウェーハ研磨はダイヤフ
ラムに作用する回転方向のねじれを薄板によって低減さ
せつつ行われるので、ウェーハを安定して研磨すること
ができ、精度のよいウェーハ研磨を行うことができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態による
ウェーハ研磨装置及びウェーハ製造方法を図面を参照し
て説明する。図１は本発明のウェーハ研磨装置の一実施
形態のうちウェーハ保持ヘッド１を示す断面図である。
また、図２は薄板２０近傍の要部拡大図であり、図３は
薄板２０を説明するための平面図である。なおこのウェ
ーハ保持ヘッド１は、例えば図８に示したカルーセル１
０４に設置されるものである。

【００２８】図１、図２において、ウェーハ保持ヘッド
１は、天板部３及び筒状に形成された周壁部４からなる
ヘッド本体２と、ヘッド本体２の内部に張られた弾性体
からなるダイヤフラム５と、ダイヤフラム５の下面に固
定された円盤状のキャリア６と、周壁部４の内壁とキャ
リア６の外周面に同心状に設けられた円環状のリテーナ
リング７と、ダイヤフラム５の上面に設けられた円環状
の薄板２０とを備えている。

【００２９】ヘッド本体２は、円板状の天板部３と天板
部３の外周下方に固定された筒状の周壁部４とから構成
され、ヘッド本体２の下端部は開口されて中空になって
いる。天板部３は、カルーセルに連結されるための連結
部であるシャフト部９に同軸に固定されており、シャフ
ト部９には、流路１５が鉛直方向に形成されている。こ
のシャフト部９の外周面には、おねじ部８が形成されて
いる。また、周壁部４の半径方向内方下部には、全周に
わたって段部４ａ及び半径方向内方に突出された円環状
の係止部１０が形成されている。

【００３０】繊維補強ゴムなどの弾性材料からなるダイ
ヤフラム５は円環状または円板状に形成されたものであ
る。また、ダイヤフラム５上方には流体室１４が形成さ
れており、シャフト部９に形成された流路１５と連通さ
れている。そして、流体室１４内部に、圧力調整機構３
０から流路１５を通して、空気をはじめとする流体が供
給されることによって、流体室１４内部の圧力は調整さ
れる。

【００３１】セラミック等の高剛性材料からなるキャリ
ア６は円盤状に一定の厚さで形成されており、下面には
ウェーハＷを付着させるためのウェーハ付着シート６ａ
を備えている。また、リテーナリング７は、周壁部４の
内壁とキャリア６の外周面との間に円環状に形成されて
おり、周壁部４の内壁との間及びキャリア６の外周面と
の間に僅かな隙間を空けて、周壁部４及びキャリア６と
同心状に配置されている。またリテーナリング７は、上
端面及び下端面が水平に形成されている。

【００３２】ダイヤフラム５の上面に設けられた薄板２
０は例えばステンレス鋼などの剛性を有する材質からな
っており、円環状に形成されたものである。この薄板２
０の内側は、固定手段であるキャリア固定リング１２及
びキャリア固定ボルト１２ａによってダイヤフラム５を
介してキャリア６に固定されている。このとき、ダイヤ
フラム５と薄板２０との間にはキャリア用スペーサー２
１ａが介在されており、薄板２０がダイヤフラム５上面
に設置される際の薄板２０の変形を防止するようになっ
ている。

【００３３】同様に、薄板２０の半径方向中間部分とリ
テーナリング７とは、ダイヤフラム５を介して固定手段
であるリテーナリング固定リング１３及びリテーナリン
グ固定ボルト１３ａによって連結されており、薄板２０
の外側と周壁部４の内壁に形成された段部４ａとは、ダ
イヤフラム５を介して固定手段であるダイヤフラム固定
リング１１及びダイヤフラム固定ボルト１１ａによって
固定されている。そして、リテーナリング固定ボルト１
３ａ及びダイヤフラム固定ボルト１１ａによる連結部分
の薄板２０とダイヤフラム５との間にはリテーナリング
用スペーサー２１ｂ及びヘッド本体用スペーサー２１ｃ
が介在されており、薄板２０がダイヤフラム５上面に設
置される際の変形を防止するようになっている。

【００３４】キャリア固定リング１２の上部には円環状
に段部３１が形成されており、天板部３から鉛直方向に
挿通されたナット１９、スぺーサー１９ａによって固定
されているストッパーボルト１８の下端に形成された段
部１８ａと係合されるようになっている。そして、ウェ
ーハ保持ヘッド１が、例えば昇降機構によって上昇し、
キャリア６などの自重及び流体室１４内部の圧力によっ
てダイヤフラム５が下方にたわんでも、段部３１と段部
１８ａとが係合することにより、ダイヤフラム５に過剰
な力を作用させないようになっている。

【００３５】リテーナリング７の外周面には段部７ａが
形成されており、ウェーハ保持ヘッド１が昇降機構によ
って上昇した際、リテーナリング７の自重及び流体室１
４内部の圧力によってダイヤフラム５が局所的にたわん
でも、段部７ａと係止部１０とが係合することによっ
て、ダイヤフラム５に局所的に過剰な力を作用させない
ようになっている。そして、これらキャリア６及びリテ
ーナリング７は、ダイヤフラム５の弾性変形によって軸
線方向に移動可能となったフローティング構造となって
いる。

【００３６】図３に示すように、薄板２０は円環状に形
成されており、平面中心側から回転方向に向かって延び
る複数の穴部２２が円環状に設けられている。この穴部
２２は、薄板２０とリテーナリング７とを固定するリテ
ーナリング固定ボルト用穴１３ｂの半径方向の内方、す
なわちリテーナリング固定ボルト用穴１３ｂとキャリア
固定ボルト用穴１２ｂとの間に円環状に配された内側穴
部２２ａと、リテーナリング固定ボルト用穴１３ｂの半
径方向の外方、すなわちリテーナリング固定ボルト用穴
１３ｂとダイヤフラム固定ボルト用穴１１ｂとの間に円
環状に配された外側穴部２２ｂとからなっている。

【００３７】そして、内側穴部２２ａは図２に示すキャ
リア６とリテーナリング７との間隙３２ａのほぼ上方に
配されており、一方、外側穴部２２ｂはリテーナリング
７と周壁部４との間隙３２ｂのほぼ上方に配されてい
る。

【００３８】内側穴部２２ａはほぼ長方形状に形成され
たものであり、その長手方向が矢印ｙ１で示すウェーハ
保持ヘッド１の回転方向に向けられて設けられている。
また、それぞれの穴部２２ａは等間隔に配置されている
とともに、隣接する穴部２２ａどうしの連結部２３ａの
幅は、穴部２２ａの回転方向の幅ｈ１より小さくなるよ
うに形成されている。

【００３９】一方、外側穴部２２ｂはほぼ三角形状に形
成されたものであり、その長手方向が矢印ｙ１で示すウ
ェーハ保持ヘッド１の回転方向に向けられ、頂点に相当
する部分が半径方向内側に向けられているとともに底辺
に相当する部分が半径方向外側に向けられている。ま
た、それぞれの穴部２２ｂは等間隔に配置されていると
ともに、隣接する穴部２２ｂどうしの連結部２３ｂの幅
は、穴部２２ｂの回転方向の幅ｈ２より小さくなるよう
に形成されている。

【００４０】このように構成されたウェーハ保持ヘッド
１は、おねじ部８をスピンドルに螺着することによって
カルーセルに連結される。このウェーハ保持ヘッド１を
用いてウェーハＷの研磨を行う場合、まずウェーハＷ
は、キャリア６の下面に設けられたウェーハ付着シート
６ａに付着される。そして、ウェーハＷはリテーナリン
グ７によって周囲を係止されつつ、その表面をプラテン
１０３上面に貼付された研磨パッド１０２に当接させら
れる。なお、研磨パッド１０２の材質には、従来よりウ
ェーハの研磨に使用されていたものであればいずれでも
良く、例えばポリエステル等からなる不織布にポリウレ
タン樹脂等の軟質樹脂を含浸させたベロアタイプパッ
ド、ポリエステル等の不織布を基材としてその上に発泡
ポリウレタン等からなる発泡樹脂層を形成したスエード
タイプパッド、あるいは独立発泡させたポリウレタン等
からなる発泡樹脂シートが使用される。

【００４１】次に、圧力調整機構３０から空気などの流
体を流路１５に供給させる。供給された流体は流体室１
４に流入され、流体室１４内の圧力を調節する。キャリ
ア６及びリテーナリング７はダイヤフラム５に支持され
た、それぞれ独立して上下方向に変位可能なフローティ
ング構造となっており、流体室１４内部の圧力によって
キャリア６及びリテーナリング７の研磨パッド１０２へ
の押圧圧力が調節可能となっている。

【００４２】このとき薄板２０には、キャリア６とリテ
ーナリング７との間隙３２ａの上方及びリテーナリング
７とヘッド本体２の周壁部４との間隙３２ｂの上方に位
置するように円環状に配された内側穴部２３ａ及び外側
穴部２３ｂが形成されているため、薄板２０は軸線方向
に弾性変形可能となっており、そのためダイヤフラム５
に固定されたキャリア６及びリテーナリング７の軸線方
向への変動すなわちフローティング効果は妨げられない
ようになっている。

【００４３】さらに、内側穴部２３ａ及び外側穴部２３
ｂのそれぞれの回転方向の幅ｈ１、ｈ２が、連結部２３
ａ、２３ｂの幅より大きくなるように形成されているの
で、薄板２０の軸線方向への弾性変形はさらに容易に実
現されるようになっている。そのため、キャリア６及び
リテーナリング７は安定したフローティング効果を得る
ことができる。

【００４４】そして、キャリア６及びリテーナリング７
の研磨パッド１０２への押圧圧力を調節しつつプラテン
１０３を回転させるとともにウェーハ保持ヘッド１を遊
星回転させ、これと同時に、図示しない研磨剤供給手段
から研磨剤を研磨パッド１０２表面やウェーハＷの研磨
面に供給させることによりウェーハＷは研磨される。

【００４５】このとき、面内速度を不均一にする条件を
用いると、研磨されるウェーハＷと研磨パッド１０２と
の速度差がウェーハＷ面内で一定にならないことによっ
て、ウェーハＷを保持したキャリア６には回転力が生じ
るとともに、リテーナリング７にも回転力が生じる。こ
れにともなってダイヤフラム５はヘッド本体２に対して
ねじられるが、キャリア６とリテーナリング７とヘッド
本体２の周壁部４とに固定された薄板２０によって、ダ
イヤフラム５に作用するねじれは低減されている。

【００４６】また、内側穴部２２ａ及び外側穴部２２ｂ
は、それぞれの穴の長手方向が中心側からウェーハ保持
ヘッド１の回転方向に向かって延びるように形成されて
いるため、ウェーハ保持ヘッド１が回転された場合にお
いてもダイヤフラム５に作用するねじれは確実に抑えら
れる。

【００４７】このように、ダイヤフラム５の上面に円環
状の薄板２０を設け、この薄板２０をダイヤフラム５と
ともにキャリア６とリテーナリング７とヘッド本体２の
周壁部４とに固定させたため、ダイヤフラム５に作用す
る回転方向のねじれは薄板２０によって抑えられ、ウェ
ーハＷは安定して研磨される。

【００４８】薄板２０に円環状に配置させた穴部２２を
設けて架橋構造としたことにより、薄板２０のヘッド軸
線方向への弾性変形が可能となるので、これにともなっ
てダイヤフラム５に固定されたキャリア６及びリテーナ
リング７のヘッド軸線方向への変位は維持される。

【００４９】一方、ウェーハ保持ヘッド１が回転してい
る状態においては、ダイヤフラム５に作用する回転方向
のねじれが低減され、安定したウェーハＷの研磨を行う
ことができる。

【００５０】また、内側、外側穴部２２ａ、２２ｂの回
転方向の幅ｈ１、ｈ２を、それぞれ隣接する穴部の連結
部２３ａ、２３ｂより大きく設けることにより、薄板２
０のヘッド軸線方向への弾性変形はさらに容易に行われ
る。すなわち、ダイヤフラム５のねじれ抑え効果を損な
わない程度に薄板２０全体に対する穴部２２の占有面積
を大きくとることにより、ダイヤフラム５に固定された
キャリア６及びリテーナリング７のフローティング効果
は安定して実現され、精度のよいウェーハＷの研磨を行
うことができる。

【００５１】薄板２０の穴部２２を図４に示すように設
けることも可能である。すなわち図４に示す薄板２０’
において、内側穴部２２ｃ及び外側穴部２２ｄのそれぞ
れの回転方向の幅ｈ３及びｈ４は、図３に示した薄板２
０の穴部２２ａ、２２ｂの幅ｈ１、ｈ２より大きく形成
されている。そしてこれら内側、外側穴部２２ｃ、２２
ｄは、薄板２０’の中心側から半径方向外側に向かって
ウェーハ保持ヘッド１の回転方向（矢印ｙ２方向）に延
びるように形成されている。すなわち、それぞれほぼ平
行四辺形状に形成された穴部２２ｃ、２２ｄは、その短
辺部をウェーハ保持ヘッド１の回転方向に向けるように
形成されている。また、内側、外側穴部２２ｃ、２２ｄ
の回転方向の幅ｈ３、ｈ４は、隣接するそれぞれの穴部
の連結部２３ｃ、２３ｄの回転方向の幅より大きくなる
ように設けられている。このように、薄板に設けられる
穴部の数や大きさをかえても同様の効果を得ることがで
きる。

【００５２】なお、薄板２０（２０’）に歪みゲージな
どのセンサを取り付け、ウェーハＷの研磨抵抗を測定し
つつ研磨を行うことも可能である。

【００５３】次に、本発明のウェーハ研磨装置を用いる
ことによって従来では実現できなかった面内速度不均一
条件でのウェーハＷ外周側の優先的研磨が可能であるこ
とを図５、図６、図７を用いて説明する。なおこれらの
図に示すグラフにおいて、縦軸はウェーハＷの研磨レー
トを、横軸はウェーハＷの中心からの距離を示してい
る。

【００５４】また、従来のウェーハ保持ヘッドとは、本
発明に係わるウェーハ保持ヘッド１において薄板２０を
除いた状態のウェーハ保持ヘッドである。

【００５５】図５に、従来のウェーハ保持ヘッドを用い
てウェーハＷの研磨を行った場合の実験結果を示す。面
内速度均一条件においては、図５（ａ）に示すようにウ
ェーハＷは均一に研磨される。一方、面内速度不均一条
件でウェーハＷの研磨を行った場合、知見に基づけばウ
ェーハＷの外周側のみが優先的に研磨されることが予想
されるが、実際には図５（ｂ）に示すようにウェーハＷ
の外周側と中心近傍とが過研磨状態となって、所望の研
磨面を得ることができない。

【００５６】次に、薄板２０を取り付けた状態のウェー
ハ保持ヘッド（トルクシムヘッド）を用いてウェーハＷ
の研磨を行った場合の実験結果を図６に示す。図６
（ａ）に示すように、面内速度不均一条件においては理
論通りウェーハＷが均一に研磨されることは、ウェーハ
保持ヘッドに薄板２０が取り付けられていない状態と同
様である。一方、図６（ｂ）に示すように、薄板２０を
取り付け、面内速度不均一条件で研磨を行った場合に
も、知見通りウェーハＷは外周側のみが優先的に研磨さ
れることが分かる。すなわち、薄板２０を設けることに
よってダイヤフラムのねじれが抑えられるため、研磨が
安定したことを示している。

【００５７】そこで実際の適用例として、面内速度均一
条件においても、装置を構成する部材の影響によりウェ
ーハＷ外周側の研磨レートが中心部に対して遅い場合
に、本発明のウェーハ研磨装置に係わるウェーハ保持ヘ
ッド１を用いた場合の実験結果を図７に示す。図７
（ａ）は、薄板２０が取り付けられたウェーハ保持ヘッ
ド１において面内速度均一条件下でウェーハＷの研磨を
行った時の研磨結果であって、ウェーハＷ外周側の研磨
レートが中心部より遅いことが分かる。一方、面内速度
不均一条件で研磨を行った場合、図７（ｂ）に示すよう
に、ウェーハＷの外周側が優先的に研磨され、ウェーハ
Ｗはほぼ均一に研磨された所望の研磨面を得ることがで
きる。

【００５８】以上より、面内速度不均一条件で研磨を行
った場合、従来では実現できなかったウェーハＷの外周
側が優先的に研磨される傾向が、ウェーハ保持ヘッドの
ダイヤフラム上面に薄板２０を設け、ダイヤフラム５の
ねじれを低減させることによって実現することができ
る。したがって、面内速度均一条件で研磨してもウェー
ハＷ中心部が優先的に研磨される傾向を持つ装置で、面
内速度が不均一になる条件を用いることによって、均一
に研磨された所望の研磨面に改善することができる。

【００５９】

【発明の効果】本発明のウェーハ研磨装置及びウェーハ
製造方法は、以下のような効果を有するものである。請
求項１に記載の発明によれば、ダイヤフラムは薄板によ
って回転方向のねじれが抑えられるので、ウェーハは安
定して研磨される。

【００６０】請求項２に記載の発明によれば、薄板に平
面中心側から回転方向に向かって延びる複数の穴部を設
け、穴部どうしの連結部がたわむことによりこの薄板は
弾性変形可能となる。したがってダイヤフラムの弾性伸
縮は維持されるので、キャリアの軸線方向への変位は妨
げられない。また、ウェーハ保持ヘッドに保持されたウ
ェーハが研磨パッドに当接しつつ回転されている状態に
おいては、ダイヤフラムに作用する回転方向のねじれが
低減され、安定したウェーハ研磨が行われる。

【００６１】請求項３に記載の発明によれば、穴部をキ
ャリアと周壁部との間隙の上方に位置させたことによ
り、穴部近傍における薄板の弾性変形は安定して行われ
る。

【００６２】請求項４に記載の発明によれば、ダイヤフ
ラムは薄板によって回転方向のねじれが抑えられるの
で、ウェーハは安定して研磨される。

【００６３】請求項５に記載の発明によれば、薄板に平
面中心側から回転方向に向かって延びる複数の穴部を設
け、穴部どうしの連結部がたわむことによりこの薄板は
弾性変形可能となる。したがってダイヤフラムの弾性伸
縮は維持されるので、キャリア及びリテーナリングの軸
線方向への変位は妨げられない。また、ウェーハ保持ヘ
ッドに保持されたウェーハが研磨パッドに当接しつつ回
転されている状態においては、ダイヤフラムに作用する
回転方向のねじれが低減され、安定したウェーハ研磨が
行われる。

【００６４】請求項６に記載の発明によれば、穴部をキ
ャリアとリテーナリングとの間隙の上方及びリテーナリ
ングと周壁部との間隙の上方に位置させたことにより、
穴部近傍における薄板の弾性変形は安定して行われる。

【００６５】請求項７に記載の発明によれば、スペーサ
ーを設けたことにより薄板とダイヤフラムとは安定して
連結されるとともに、ダイヤフラムに固定される際の薄
板の変形は防止される。

【００６６】請求項８に記載の発明によれば、穴部の回
転方向の幅を隣接する穴部どうしの連結部の幅より大き
く形成することによって連結部のたわみが容易になるの
で、ダイヤフラムの弾性伸縮の維持も容易になる。

【００６７】請求項９に記載の発明によれば、ウェーハ
研磨はダイヤフラムに作用する回転方向のねじれを薄板
によって低減させつつ行われるので、ウェーハを安定し
て研磨することができ、精度のよいウェーハ研磨を行う
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のウェーハ研磨装置の実施形態の一例を
示す図のうちウェーハ保持ヘッドの断面図である。

【図２】図１の要部拡大図である。

【図３】薄板の実施形態の一例を説明するための平面図
である。

【図４】薄板の他の実施形態を説明するための平面図で
ある。

【図５】従来のウェーハ研磨装置に係わるウェーハ保持
ヘッドを用いてウェーハ研磨を行った場合の研磨結果を
説明する図である。

【図６】本発明のウェーハ研磨装置に係わるウェーハ保
持ヘッドを用いてウェーハ研磨を行った場合の研磨結果
を説明する図である。

【図７】適用が有効と思われる実例に対して本発明のウ
ェーハ研磨装置に係わるウェーハ保持ヘッドを用いてウ
ェーハ研磨を行った場合の研磨結果を説明する図であ
る。

【図８】ウェーハ研磨装置全体を説明する図である。

【符号の説明】

１ ウェーハ保持ヘッド ２ ヘッド本体 ３ 天板部 ４ 周壁部 ５ ダイヤフラム ６ キャリア ７ リテーナリング ９ シャフト部 １１ ダイヤフラム固定リング（固定手段） １１ａ ダイヤフラム固定ボルト（固定手段） １２ キャリア固定リング（固定手段） １２ａ キャリア固定ボルト（固定手段） １３ リテーナリング固定リング（固定手段） １３ａ リテーナリング固定ボルト（固定手段） １４ 流体室 １５ 流路 ２０ 薄板 ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ スペーサー ２２ 穴部 ２２ａ、２２ｃ 内側穴部 ２２ｂ、２２ｄ 外側穴部 ２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ 連結部 １０２ 研磨パッド １０３ プラテン Ｗ ウェーハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飯塚 和男 埼玉県大宮市北袋町１丁目297番地 三菱 マテリアル株式会社知能機器・システム開 発センター内 (72)発明者 駒崎 雅人 埼玉県大宮市北袋町１丁目297番地 三菱 マテリアル株式会社知能機器・システム開 発センター内 Ｆターム(参考） 3C058 AA09 AA12 AB04 BA05 BB04 BC02 CB03 DA17

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面に研磨パッドが貼付されたプラテン
   と、研磨すべきウェーハを保持して前記研磨パッドにウ
   ェーハの一面を当接させるウェーハ保持ヘッドとを具備
   し、 このウェーハ保持ヘッドと前記プラテンとをそれぞれ回
   転させることにより前記ウェーハを研磨するウェーハ研
   磨装置であって、 前記ウェーハ保持ヘッドは、天板部と該天板部の外周下
   方に設けられた筒状の周壁部とからなるヘッド本体と、 前記ヘッド本体内にヘッド軸線に対し垂直に張られたダ
   イヤフラムと、 前記ダイヤフラムと前記ヘッド本体との間に形成される
   流体室に満たされた流体圧力を調整する圧力調整機構
   と、 前記ダイヤフラムに固定されこのダイヤフラムとともに
   ヘッド軸線方向に変位可能に設けられ、研磨すべきウェ
   ーハの一面を保持するためのキャリアと、 前記ダイヤフラム上面に設けられた円環状の薄板と、 この薄板を、前記ダイヤフラムを介して前記キャリアと
   前記ヘッド本体とに固定する固定手段を備えたことを特
   徴とするウェーハ研磨装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のウェーハ研磨装置であ
   って、 前記薄板には、平面中心側から回転方向に向かって延び
   る複数の穴部が円環状に配されていることを特徴とする
   ウェーハ研磨装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載のウェーハ研磨装置であ
   って、 前記穴部は、前記キャリアと前記ヘッド本体周壁部との
   間隙の上方に位置していることを特徴とするウェーハ研
   磨装置。
4. 【請求項４】 表面に研磨パッドが貼付されたプラテン
   と、研磨すべきウェーハを保持して前記研磨パッドにウ
   ェーハの一面を当接させるウェーハ保持ヘッドとを具備
   し、 このウェーハ保持ヘッドと前記プラテンとをそれぞれ回
   転させることにより前記ウェーハを研磨するウェーハ研
   磨装置であって、 前記ウェーハ保持ヘッドは、天板部と該天板部の外周下
   方に設けられた筒状の周壁部とからなるヘッド本体と、 前記ヘッド本体内にヘッド軸線に対し垂直に張られたダ
   イヤフラムと、 前記ダイヤフラムと前記ヘッド本体との間に形成される
   流体室に満たされた流体圧力を調整する圧力調整機構
   と、 前記ダイヤフラムに固定されこのダイヤフラムとともに
   ヘッド軸線方向に変位可能に設けられ、研磨すべきウェ
   ーハの一面を保持するためのキャリアと、 前記周壁部の内壁と前記キャリアの外周との間に同心状
   に配置されるとともに、前記ダイヤフラムに固定され前
   記ダイヤフラムとともにヘッド軸線方向に変位可能に設
   けられ、研磨時には研磨パッドに当接するリテーナリン
   グと、 前記ダイヤフラム上面に設けられた円環状の薄板と、 この薄板を、前記ダイヤフラムを介して前記キャリアと
   前記リテーナリングと前記ヘッド本体とに固定する固定
   手段を備えたことを特徴とするウェーハ研磨装置。
5. 【請求項５】 請求項４に記載のウェーハ研磨装置であ
   って、 前記薄板には、平面中心側から回転方向に向かって延び
   る複数の穴部が、前記薄板とリテーナリングとを固定す
   る固定手段の半径方向の内方と外方とにそれぞれ円環状
   に配されていることを特徴とするウェーハ研磨装置。
6. 【請求項６】 請求項５に記載のウェーハ研磨装置であ
   って、 前記内方に配された穴部は前記キャリアと前記リテーナ
   リングとの間隙の上方に位置しているとともに、 前記外方に配された穴部は前記リテーナリングと前記ヘ
   ッド本体周壁部との間隙の上方に位置していることを特
   徴とするウェーハ研磨装置。
7. 【請求項７】 請求項１、２、３、４、５、６のいずれ
   かに記載のウェーハ研磨装置であって、 前記ダイヤフラムと薄板とはスペーサーを介して固定さ
   れていることを特徴とするウェーハ研磨装置。
8. 【請求項８】 請求項２、３、５、６、７のいずれかに
   記載のウェーハ研磨装置であって、 前記複数の穴部の回転方向の幅は、隣接する穴部どうし
   の連結部の幅より大きく形成されていることを特徴とす
   るウェーハ研磨装置。
9. 【請求項９】 表面に研磨パッドが貼付されたプラテン
   と、研磨すべきウェーハを保持して前記研磨パッドにウ
   ェーハの一面を当接させるウェーハ保持ヘッドとを具備
   し、 このウェーハ保持ヘッドと前記プラテンとをそれぞれ回
   転させることにより前記ウェーハを研磨するウェーハ研
   磨工程を含んだウェーハ製造方法であって、 前記ウェーハ保持ヘッドは、天板部と該天板部の外周下
   方に設けられた筒状の周壁部とからなるヘッド本体と、 前記ヘッド本体内にヘッド軸線に対し垂直に張られたダ
   イヤフラムと、 前記ダイヤフラムと前記ヘッド本体との間に形成される
   流体室に満たされた流体圧力を調整する圧力調整機構
   と、 前記ダイヤフラムに固定されこのダイヤフラムとともに
   ヘッド軸線方向に変位可能に設けられ、研磨すべきウェ
   ーハの一面を保持するためのキャリアと、 前記ダイヤフラム上面に設けられた円環状の薄板と、 この薄板を、前記ダイヤフラムを介して前記キャリアと
   前記ヘッド本体とに固定する固定手段を備えており、 このウェーハ保持ヘッドに保持させたウェーハを前記研
   磨パッドに当接させつつ回転させるとともに、 前記ダイヤフラムに作用する回転方向のねじれを前記薄
   板によって低減させつつ研磨を行うことを特徴とするウ
   ェーハ製造方法。