JP2001138223A

JP2001138223A - 研磨ヘッド及び研磨装置

Info

Publication number: JP2001138223A
Application number: JP31900599A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Komuro; 善昭小室
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1999-11-10
Filing date: 1999-11-10
Publication date: 2001-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】被研磨材や保持フィルムの厚みバラツキを吸
収して面内均一な研磨を行うことが可能な研磨ヘッド及
び研磨装置を提供する。【解決手段】研磨ヘッド７は、研磨定盤に対して平行
に配置されるプレート７１と、空間部７２を介してプレ
ート７１に対して平行に取り付けられた硬質薄板７３
と、軟質薄膜７４ａからなり硬質薄板７１を空間部７２
側から押し圧する容積を有して空間部７２内に設けられ
た加圧室７４と、硬質薄板７３の外側面に貼設された被
研磨材（基板Ｗ）保持用の保持フィルム７５とを備えて
いる。加圧室７４には、内部の圧力を調整すための圧力
調整管７６が連通している。また、空間部７２は、密閉
された空間であり、減圧加圧管７７と、保持フィルム７
５の表面側から空間部７２に穿設された着脱口７８が連
通している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、研磨ヘッド及び研
磨装置に関し、特には研磨処理を行なう際に被研磨材を
保持するための研磨ヘッドの構造及びこれを備えた研磨
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４に示す研磨装置は、ウエハ状の被研
磨材Ｗを研磨するための研磨装置であり、回転可能な研
磨定盤１と、スピンドル２の先端にユニバーサルジョイ
ント２ａを介して取り付けられた状態で研磨定盤１に対
向して設けられた研磨ヘッド３と、研磨定盤１の上方に
設けられた研磨材Ｓ供給用のノズル４とを備えている。
また、研磨定盤１には、接着剤等によって研磨布５が貼
設されている。

【０００３】図５に示すように、研磨ヘッド３は、研磨
定盤１と平行に配置される平板状のプレート３１と、プ
レート３１に貼設された保持フィルム３２とで構成され
ており、プレート３１の裏面側から保持フィルム３２の
表面側に貫通する着脱口３３が設けられている。保持フ
ィルム３２は、ある程度の弾力性（通常、弾性率５〜５
０ＭＰａ／ｃｍ）を有すると共に、その表面に無数の微
小な気孔３２ａが形成されている。

【０００４】このような構成の研磨ヘッド３を有する研
磨装置を用いる場合には、先ず、プレート３１側から研
磨ヘッド３の着脱口３３（図４にのみ図示）内を陰圧に
することで、保持フィルム３２の表面側に被研磨材Ｗを
吸着保持させる。次に、ここでの図示を省略した加圧シ
リンダー等によってスピンドル２を介して研磨ヘッド３
を押し圧することで、被研磨材Ｗを研磨定盤１表面の研
磨布５に押し付ける。そして、ノズル４から研磨布５上
に研磨剤Ｓを供給しながら、スピンドル２によって研磨
ヘッド３を回転させると共に、研磨ヘッド３と同じ方向
に研磨定盤１を回転させることで、被研磨材Ｗの表面を
研磨する。研磨の際には、着脱口３３内を大気圧に戻
し、保持フィルム３２の気孔３２ａを吸盤とした吸着力
によって被研磨材Ｗを保持する。これによって、研磨中
に、研磨定盤１と研磨ヘッド３との回転で被研磨材Ｗと
研磨布５との間に生じる水平方向の力によって、被研磨
材Ｗが研磨ヘッド３から外れることを防止している。

【０００５】このような研磨においては、保持フィルム
３２に弾力性を持たせたことによって、被研磨材Ｗの厚
みバラツキがある程度吸収され、被研磨材Ｗの研磨面が
ほぼ一定の圧力で研磨布５に押し付けられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
構成の研磨ヘッド及び研磨装置には、次のような課題が
あった。すなわち、例えば半導体装置の製造工程におい
て、被研磨材Ｗとして半導体ウエハの表面を平坦化研磨
する場合には、例えば圧力バラツキ±５％以内の均等な
押し付け圧力で被研磨材Ｗの研磨面を押し付けて研磨を
行うことが要求されている。

【０００７】しかし、弾性率が１０ＭＰａの保持フィル
ム３２を用いてシリコンウエハからなる被研磨材Ｗを研
磨する場合、被研磨材Ｗの厚みバラツキだけではなく、
保持フィルム３２の厚みバラツキ等も含めて、１０μｍ
程度の厚みバラツキが生じる。

【０００８】厚みバラツキが生じると、図５中に矢印の
長さで示すように研磨圧力のバラツキが生じるが、上述
のように１０μｍ程度の厚みバラツキを有する場合に
は、この厚みバラツキが保持フィルム３２の弾力性によ
って吸収されたとしても、約１００ｇ／ｃｍ²の圧力差
が生じる。このため、５００ｇ／ｃｍ²の押し付け圧力
で研磨を行う場合には、約±１０％の押し付け圧力のバ
ラツキが生じることになり、圧力バラツキ±５％以内の
許容値を満たすことができなくなる。

【０００９】本来、この研磨の目的は、被研磨材の研磨
面の凹凸の凸部分だけを削って研磨面を平坦化すること
である。このため、研磨の際には、研磨面の凸部分にの
み研磨布を当てるべく押し付け圧力を下げれば良いこと
になる。しかしながら、押し付け圧力を下げるほど、被
研磨材の各凸部分に掛かる押し付け圧力の差は、厚みバ
ラツキに起因して大きくなり、さらに許容値から大きく
外れる事となる。このように押し付け圧力のバラツキが
生じると、被研磨材の研磨面における研磨量のバラツキ
が発生する原因となり、均一に研磨が出来なかったり、
平坦性の悪い条件でしか研磨を行えないことになる。

【００１０】厚みバラツキの吸収能力を上げるために、
弾性率の低い（柔らかい）保持フィルムを用いて保持フ
ィルムによる厚みバラツキの吸収納力を上げることも考
えられるが、被研磨材の保持力が弱くなり研磨ヘッドか
ら外れてしまうことになる。さらに、保持フィルムの素
材自体の強度が弱くなり、保持フィルムの寿命が短くな
ると言う問題もある。

【００１１】そこで本発明は、被研磨材やこれを保持す
るための保持フィルムの厚みバラツキを吸収して被研磨
材の研磨面に対して面内均一に押し付け圧力を加えなが
ら研磨を行うことが可能な研磨ヘッド及び研磨装置を提
供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るための本発明の研磨ヘッドは、研磨定盤に対して平行
に配置されるプレートを備えており、この研磨プレート
には空間部を介して平行に硬質薄板が取り付けられてい
る。空間部内には、軟質薄膜からなる加圧室が設けられ
ており、この加圧室は、硬質薄板を空間部側から押し圧
する容積を有しいる。また、硬質薄板の外側面には、被
研磨材保持用の保持フィルムが貼設されている。そし
て、本発明の研磨装置は、研磨定盤に対して保持フィル
ムを対向させる状態で、この研磨ヘッドを設けたことを
特徴としている。

【００１３】このような研磨ヘッド及びこれを備えた研
磨装置によれば、プレートと硬質薄板との間に空間部を
設けたことで、硬質薄板がダイヤフラムとなり、この硬
質薄膜に貼設された保持フィルムの厚み方向における変
動の自由度が確保される。しかも、硬質薄板を空間部側
から押し圧する加圧室を設けたことによって、加圧室の
内部圧力が、硬質薄板を介して保持フィルムに均等に加
えられるようになる。したがって、この保持フィルムに
基板を保持させた場合、保持フィルムと基板との厚みバ
ラツキを、保持フィルムの厚み方向における変動の自由
度によって吸収しつつ、加圧室の内部圧力が保持フィル
ムを介して均等に基板に加えられる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の研磨ヘッド及び研
磨装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

【００１５】図１（１）、図１（２）は、実施形態の研
磨ヘッドの断面図である。これらの図に示す研磨ヘッド
７は、研磨装置の研磨定盤（図示省略）と平行に配置さ
れる平板状のプレート７１を備えている。研磨プレート
７１の表面（図面における下方側の面）側には、空間部
７２を介してプレート７１と略平行に硬質薄板７３が取
り付けられている。そして、プレート７１と硬質薄板７
３との間の空間部７２内には、軟質薄膜７４ａからなる
加圧室７４〔図１（２）参照〕が設けられ、硬質薄板７
３の表面側には保持フィルム７５が貼設されている。

【００１６】プレート７１は、研磨の際の圧力によって
変形しない程度の十分な厚さを有する円板形状のもの
で、その裏面（図面における上方の面）側にはここでは
図示を省略したスピンドルの先端が取り付けられてお
り、このスピンドルの回転に伴って一平面内で回転する
ように構成されている。

【００１７】硬質薄板７３は、弾性係数が１ＧＰａ以上
の材料で、厚み方向の変動の自由度が例えば１００μｍ
程度得られるように、０．２ｍｍ程度の厚さの金属板で
構成される。ここでは、プレート７１と同一形状の底面
を有する円筒型の箱体７３ａを、金属板の成形によって
形成し、この箱体７３ａの一方の底面をプレート７１に
固定している。これによって、金属板からなる箱体７３
ａの他方の底面を硬質薄板７３としてプレート７１の表
面に対して平行に配置している。そして、この箱体７３
ａの内部が、プレート７１と硬質薄板７３との間の空間
部７２となり、密閉された空間として形成されているこ
ととする。

【００１８】また、加圧室７４は、弾性係数が１００Ｍ
Ｐａ以下の軟質薄膜（例えばゴム膜）７４ａからなり、
箱体７３ａの底面を介して空間部７２内においてプレー
ト７１に固定されている。そして、この加圧室７４に
は、プレート７１側から圧力調整管７６が連通してお
り、空間部７２の外側に設け設けられた加圧減圧手段
（図示省略）に接続されている。この加圧室７４は、加
圧減圧手段からの気体または液体の供給による加圧によ
って、硬質薄板７３のほぼ全面を空間部７３の内部から
外側に向かって押し圧可能な容積を有していることとす
る。

【００１９】そして、保持フィルム７５は、５〜５０Ｍ
Ｐａ／ｃｍ程度の弾性率を有する材料からなり、硬質薄
板７３の表面（図面においては下方側の面）に接着によ
り取り付けられている。この保持フィルム７５の表面に
は、吸盤として作用する多数の微細な気孔７５ａが形成
されている。

【００２０】また、空間部７２には、プレート７１側か
ら減圧加圧管７７が連通しており、空間部７２の外側に
設けられた減圧加圧手段（図示省略）と接続されてい
る。さらに、空間部７２には、保持フィルム７５と硬質
薄板７３とに穿設した着脱口７８が達しており、加圧室
７４が収縮した状態〔図１（１）参照〕においては、保
持フィルム７５の表面側と空間部７３とが連通された状
態になっている。

【００２１】図２には、このような構成の研磨ヘッド７
が設けられる研磨装置の構成図を示す。尚、図２は、説
明のために研磨ヘッド７の厚さ方向を拡大した図になっ
ている。またここでは、従来の技術で図４を用いて説明
した研磨装置の構成部材と同一の構成部材には、同一の
符号を付して説明を行なう。

【００２２】この図に示す研磨装置は、回転可能な研磨
定盤１を有し、この研磨定盤１に対して、図１を用いて
説明した研磨ヘッド７の保持フィルム７５を対向させた
状態で配置してなるものである。この研磨ヘッド７は、
回転可能なスピンドル２の先端にユニバーサルジョイン
ト２ａを介してプレート７１を固定させた状態で取り付
けられている。尚、圧力調整管７６及び減圧加圧管７７
が、ユニバーサルジョイント２ａの固定部において塞が
れることのないように、それぞれが配置されていること
とする。また、研磨定盤１の上方には、研磨材Ｓ供給用
のノズル４が備えられ、研磨定盤１には接着剤等によっ
て研磨布５が貼設されている。

【００２３】このような構成の研磨装置を用いた被研磨
材Ｗの研磨を説明する。先ず、図１（１）に示すよう
に、軟質薄膜７４ａで構成された加圧室７４内部の気体
または液体を、圧力調整管７６から吸引することによっ
て加圧室７４内を減圧して収縮させる。これによって、
着脱口７８と空間部７２とを連通させる。また、空間部
７２内の気体を、減圧加圧管７７から排気して空間部７
２内を減圧状態にし、着脱口７８から空間部７２内への
吸引を行う。この着脱口７８からの吸引によって、保持
フィルム７５の表面側に被研磨材Ｗを吸引固定させる。

【００２４】次に、図１（２）に示すように、加圧室７
４内部に、圧力調整管７６から気体または液体を供給し
て加圧室７４内を加圧してその容積を膨張させる。ま
た、図２に示すように加圧シリンダー（図示省略）等に
よって、スピンドル２を介して研磨ヘッド７を定盤１上
の研磨布５に押し圧することで、保持フィルム７５に保
持させた被研磨材Ｗを研磨定盤１上の研磨布５に接触さ
せる。そして、加圧室７４の内部圧力によって、硬質薄
板７３及び保持フィルム７５を介して被研磨材Ｗを研磨
定盤１上の研磨布５に押し圧する。

【００２５】またこの際、減圧加圧口７７からの排気を
停止させて空間部７２内を大気圧に戻し、保持フィルム
７５の気孔７５ａを吸盤にした吸着力のみによって、保
持フィルム７５に被研磨材Ｗを保持させる。

【００２６】以上のような状態で、ノズル４から研磨布
５上に研磨剤Ｓを供給しながら、スピンドル２の回転に
よって研磨ヘッド３を回転させると共に、研磨ヘッド３
の回転と同じ方向に研磨定盤１を回転させ、これによっ
て被研磨材Ｗの表面を研磨する。この際、圧力調整管７
６からの圧力調整によって、加圧室７４内の圧力を一定
に維持することとする。

【００２７】以上のようにして被研磨材Ｗの研磨が終了
した後、ノズル４からの研磨剤Ｓの供給、スピンドル２
の回転及び研磨定盤１の回転を停止させる。次いで、圧
力調整管７６から加圧室７４内部の気体または液体を吸
引することによって、加圧室７４を収縮させ、着脱口７
８と空間部７２とを連通させる。そして、減圧加圧管７
７からの加圧によって空間部７２内及び着脱口７８内を
加圧し、これによって保持フィルム７５の表面から被研
磨材Ｗを脱離させ、研磨工程を終了させる。

【００２８】以上説明した研磨ヘッド７及びこれを有す
る研磨装置では、プレート７１と保硬質薄板７３との間
に空間部７２を設けたことで、硬質薄板７３がダイヤフ
ラムとして作用し、この硬質薄板７３に貼設した保持フ
ィルム７５の厚み方向における変動の自由度が確保され
る。しかも、空間部７２内に、硬質薄板７３を空間部７
２側から押し圧する加圧室７４を設けたことによって、
加圧室７４の内部圧力が、硬質薄板７３を介して保持フ
ィルム７５に均等に加えられることになる。

【００２９】このため、この保持フィルム７５に基板Ｗ
を保持させた場合、保持フィルム７５や基板Ｗの厚みバ
ラツキを、保持フィルム７５の厚み方向における変動の
自由度によって吸収しつつ、保持フィルム７５を介して
加圧室７４の内部圧力を均等に基板Ｗに加えることが可
能になる。したがって、基板Ｗを研磨布５に対して面内
均一な圧力で押し圧することが可能になり、面内均一性
の高い研磨を行なうことが可能になる。またこの結果、
研磨の際の押し付け圧力が低荷重でも、厚みバラツキに
よる研磨バラツキの割合を下げることができるため、平
坦性の良い条件で研磨を行なうことが可能になる。

【００３０】また、硬質薄板７３がダイヤフラムとして
作用することで、保持フィルム７５や基板Ｗの厚みバラ
ツキが吸収されるため、保持フィルム７５自体の厚みバ
ラツキの吸収能力を上げる必要がなくなり、弾性係数の
高い、つまり硬めの保持フィルムを用いることが可能に
なる。この結果、保持フィルム７５による基板Ｗの保持
力を確保することができると共に、保持フィルム７５の
素材強度が確保され、保持フィルム７５の寿命を維持す
ることができる。

【００３１】図７は、研磨ヘッドの他の一例を示す断面
図である。この図に示す研磨ヘッド７’と図１を用いて
説明した研磨ヘッドとの異なるところは、軟質薄膜７４
ａで構成された加圧室７４が、複数の小室７４ｂ，７４
ｂ…に分割されており、硬質薄板７３に対して複数の小
室７４ｂ，７４ｂ…が押し圧される点にある。また、各
小室７４ｂ，７４ｂ…には、それぞれ圧力調整管７６が
連通されており、それぞれの小室７４ｂ，７４ｂ…内の
圧力が個別に制御されるようになっている。

【００３２】このような構成の研磨ヘッド７’及びこれ
を備えた研磨装置においては、図１及び図２を用いて説
明した研磨ヘッド及びこれを備えた研磨装置と同様の効
果の他に、さらに次のような効果を得ることができる。
すなわ、加圧室７４を複数の小室７４ｂ，７４ｂ…に分
割し、それぞれの小室７４ｂ，７４ｂ…に圧力調整管７
６を連通させたことで、保持フィルム７５に保持させた
基板Ｗの任意の位置を、任意の圧力で押し圧することが
可能になる。このため、基板Ｗ表面における研磨速度を
部分的（例えば同心円状）に変えることができるため、
所望の研磨形状を得ることが可能になる。また、軟質薄
膜７４ａによって加圧室７４を各小室７４ｂ、７４ｂ…
に分割しているため、各小室７４ｂ、７４ｂ…の境目で
急激に圧力が変化することはなく、緩やかな圧力変化に
よって研磨形状を緩やかに変化させることができる。

【００３３】尚、上述の実施の形態で説明した硬質薄板
７３は、水平方向の荷重に対する変形量を抑えるため、
弾性係数が高い程望ましく、例えば弾性係数が１ＧＰａ
以上であることとする。また、硬質薄板７３は、ダイヤ
フラムとして作用するため、膜厚方向への変動に自由度
が得られるように、その膜厚が薄い方が望ましい。この
自由度（自由可動領域）が大きいほど、研磨の均一性を
向上させることができるため、硬質薄板７３の膜厚は、
例えば１ｍｍ以下とすることが望ましい。

【００３４】また、加圧室７４を構成する軟質薄膜７４
ａは、加圧室７４内の内部圧力をロスすることなく硬質
薄板７３に伝えるため、弾性係数が１００ＭＰａ以下の
ある程柔らかい材料を用いることが望ましい。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、プ
レートと保持フィルムを貼設した硬質薄板との間に空間
部を設け、その内部に硬質薄板を空間部側から押し圧す
る加圧室を設けたことによって、硬質薄板をダイヤフラ
ムとして作用させて保持フィルムの厚み方向における変
動の自由度を確保しつつ、加圧室の内部圧力を保持フィ
ルムを介して均等に基板に加えることが可能になる。し
たがって、被研磨材の保持力を十分に得られる硬めの保
持フィルムを用いながらも、被研磨材や保持フィルムの
厚みバラツキを吸収して被研磨材の研磨面に対して面内
均一に押し付け圧力を加えながら、面内均一な研磨を行
うことが可能になる。この結果、低荷重の押し付け圧力
で面内均一な研磨を行い、研磨面の平坦性を向上させる
ことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の研磨ヘッドの一構成例を説明するため
の図である。

【図２】本発明の研磨装置の構成を説明するための図で
ある。

【図３】本発明の研磨ヘッドの他の構成例を説明するた
めの図である。

【図４】従来の研磨装置の構成を説明するための図であ
る。

【図５】従来の研磨ヘッドの構成を説明するための図で
ある。

【符号の説明】

１…研磨定盤、７、７’…研磨ヘッド、７１…プレー
ト、７２…空間部、７３…硬質薄板、７４…加圧室、７
４ａ…軟質薄膜、７４ｂ…小室、７５…保持フィルム、
７６…圧力調整管、７７…減圧加圧管、７８…着脱口、
Ｗ…基板（被研磨材）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】研磨定盤に対して平行に配置されるプレ
ートと、空間部を介して前記プレートに対して平行に取り付けら
れた硬質薄板と、軟質薄膜からなり、前記硬質薄板を前記空間部側から押
し圧する容積を有して当該空間部内に設けられた加圧室
と、前記硬質薄板の外側面に貼設された被研磨材保持用の保
持フィルムとを備えたことを特徴とする研磨ヘッド。
【請求項２】請求項１記載の研磨ヘッドにおいて、前記加圧室に連通する圧力調整管を備えたことを特徴と
する研磨ヘッド。
【請求項３】請求項１記載の研磨ヘッドにおいて、前記空間部は、密閉された空間であると共に、前記空間部に連通する減圧加圧管と、前記保持フィルムの表面側から前記空間部に達する着脱
口とを備えたことを特徴とする研磨ヘッド。
【請求項４】請求項１記載の研磨ヘッドにおいて、前記加圧室内は、前記軟質薄膜によって複数の小室に分
割されていることを特徴とする研磨ヘッド。
【請求項５】請求項４記載の研磨ヘッドにおいて、前記各小室に連通する圧力調整管が設けられたことを特
徴とする研磨ヘッド。
【請求項６】研磨定盤と、当該研磨定盤と対向して設
けられた研磨ヘッドとを有する研磨装置において、前記研磨ヘッドは、研磨定盤と対向して設けられたプレートと、前記プレートの前記研磨定盤側に、空間部を介して前記
プレートに対して平行に取り付けられた硬質薄板と、軟質薄膜からなり、前記硬質薄板を前記空間部側から押
し圧する容積を有して当該空間部内に設けられた加圧室
と、前記硬質薄板の前記研磨定盤側の面に貼設された被研磨
材保持用の保持フィルムとを備えたことを特徴とする研
磨装置。
【請求項７】請求項６記載の研磨装置において、前記加圧室に連通する圧力調整管を備えたことを特徴と
する研磨装置。
【請求項８】請求項６記載の研磨装置において、前記空間部は、密閉された空間であると共に、前記空間部に連通する減圧加圧管と、前記保持フィルムの表面側から前記空間部に達する着脱
口とを備えたことを特徴とする研磨装置。
【請求項９】請求項６記載の研磨装置において、前記加圧室内は、前記軟質薄膜によっ複数の小室に分割
されていることを特徴とする研磨装置。
【請求項１０】請求項９記載の研磨装置において、前記各小室に連通する圧力調整管が設けられたことを特
徴とする研磨装置。