JP2002329689A - ウェーハ研磨ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ウェーハの径方向の各部でそれぞれ研磨パッ
ドへの当接圧力を良好に調整可能としたウェーハ研磨ヘ
ッドを提供することを目的とする。 【解決手段】 大略円盤形状のキャリア７の下面の周囲
に、この下面に対して上下方向に変位可能にして略円環
形状の支持体８を設ける。さらに、内周部９ａでキャリ
ア７の下面及び支持体８の下面を覆った状態で外周部９
ｂを支持体８に支持されて、内周部９ａの下面でウェー
ハＷの一面を受け得る第一の可撓膜９と、第一の可撓膜
９の外周を囲むように設けられる略円環形状のリテーナ
リング１０とを設ける。キャリア７の下面及び支持体８
の下面と、第一の可撓膜９の上面との間に形成される第
一の流体室１１に、その内圧を調整する第一の圧力調整
機構１２を接続する。支持体８に、支持体８に下方に向
く背圧を付与するとともにその背圧を圧力を負圧も含め
た範囲で調整可能な支持体押圧機構１３を接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウェーハな
どのウェーハ表面を研磨する装置に用いられるウェーハ
研磨ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体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、パターンが形
成される半導体ウェーハ自体及びパターンを形成する過
程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。例えば、パターンの形成は
光リソグラフィを用いて行っているが、パターンが微細
化するにつれて光リソグラフィの焦点深度は浅くなる。
そして、パターンの精度を確保するため、また露光時の
焦点調節を容易にするためには、ウェーハ表面での凹凸
の差を焦点深度以下に納められるようにすること（平坦
化すること）が要求される。また、ベアウェーハの研磨
においても、ウェーハの大径化に伴い、平坦化への要求
が厳しくなってきている。その場合、半導体ウェーハ
（以下、単にウェーハという）の表面を研磨するために
平坦化の度合いが高い化学的機械的研磨法（ＣＭＰ法）
が脚光を浴びている。

【０００３】ＣＭＰ法とは、ＳｉＯ₂を用いたアルカリ
性スラリーやＣｅＯ₂を用いた中性スラリー、あるいは
Ａｌ₂Ｏ₃を用いた酸性スラリー、その他の砥粒剤等を用
いたスラリー等を用いて化学的・機械的にウェーハ表面
を研磨し、平坦化する方法である。そして、ＣＭＰ法を
用いてウェーハの表面を研磨する装置としては、例えば
図７に示されるものがある。

【０００４】この研磨装置１００は、図７の要部拡大斜
視図に概略的に示すように、中心軸１０２に取り付けら
れた円板状のプラテン１０３上に例えば硬質ウレタンか
らなる研磨パッド１０４が設けられ、この研磨パッド１
０４に対向してかつ研磨パッド１０４に対して、プラテ
ン１０３の中心軸１０２から偏心した位置に、ウェーハ
Ｗを保持するウェーハ研磨ヘッド１０５（以下、単に研
磨ヘッドとする）を自転可能にして配設したものであ
る。研磨装置１００は、研磨ヘッド１０５によってウェ
ーハＷを研磨パッド１０４の表面に当接させた状態で保
持し、かつウェーハＷと研磨パッド１０４との間に上記
のスラリーＳを介在させた状態で研磨パッド１０４とウ
ェーハＷとを相対的に移動させることで、ウェーハＷの
片面を研磨するものである。ウェーハＷの研磨を行う硬
質ウレタン製などの研磨パッド１０４上にはスラリーＳ
を保持する微細な発泡層が多数設けられており、これら
の発泡層内に保持されたスラリーＳでウェーハＷの研磨
が行われる。ところが、ウェーハＷの研磨を繰り返すこ
とで研磨パッド１０４の研磨面の平坦度が低下したり目
詰まりするために、ウェーハＷの研磨精度と研磨効率が
低下するという問題が生じる。そのため従来の研磨装置
１００には、例えば図７に示すような研磨パッド１０４
のコンディショナ１０７が設けられ、通常は一回研磨を
行う毎に研磨パッド１０４の表面状態の調整を行って、
ウェーハＷを研磨する能力が適正範囲内になるように調
整している（この作業をドレッシングという）。ここ
で、図７で示す研磨装置１００は一例であって、研磨ヘ
ッド１０５を複数設けたものもある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ここで、ウェーハの研
磨には複数の要素が複雑に関係しており、単にウェーハ
の全面を均等圧で研磨パッドに当接させるだけではウェ
ーハ全面を高精度な平面に研磨することはできない。例
えば、ウェーハの研磨に作用するスラリーは、研磨ヘッ
ドとプラテンとの相対的な移動に伴ってウェーハの外周
側から供給されるものであるため、ウェーハの内周側に
はスラリーが届きにくく、内周側は外周側に比べて研磨
量が少なくなってしまう。また、ウェーハを研磨パッド
に押し付けた際に、ウェーハの外周側ではウェーハに押
さえつけられた研磨パッドが復元力によってウェーハの
外周縁に沿って盛り上がり、ウェーハの外周縁の研磨に
作用するため、ウェーハの外周縁が過研磨されてふちだ
れが生じてしまう。従来は、ウェーハの外周を囲むよう
にしてリテーナリングを配置し、このリテーナリングに
よって外周縁近傍の研磨パッドを上面から押さえ込むこ
とでウェーハの外周縁近傍での研磨パッドの盛り上がり
を抑えていた。しかし、このようにしてもウェーハの外
周縁とリテーナリングの内周との間に形成される隙間内
で研磨パッドの盛り上がりが生じるので、ウェーハ外周
縁の過研磨を完全に防止することはできなかった。ま
た、リテーナリングは研磨パッドの復元力に打ち勝つだ
けの力で研磨パッドを押さえ込む必要があるが、この力
が強すぎると、研磨パッドにおいてリテーナリングに対
向する部分とその近傍のウェーハの外周縁に対向する部
分が下方に沈み込んでしまい、ウェーハの外周縁で研磨
パッドとの当接圧力が低くなったり、ウェーハの外周縁
が研磨パッドと接触しなくなって、外周縁の研磨量が不
足してしまう。そして、上記した以外にも様々な要素が
ウェーハの研磨に影響して、ウェーハの径方向の各部で
研磨量に差が生じる。

【０００６】このため、例えば略円盤形状をなすキャリ
アの下面に可撓膜を張り、さらにこの可撓膜の上面にキ
ャリアと同心状にして複数の仕切りを設けてキャリアと
可撓膜との間に形成される空間を区分して、キャリアの
径方向に複数の流体室を形成するとともに、それぞれの
流体室の内圧を独立して調整可能とした研磨ヘッドがあ
る。この研磨ヘッドは、可撓膜を介してこれら流体室の
内圧をウェーハに加えることでウェーハに研磨圧力を加
えるものであって、各流体室の内圧をそれぞれ調整する
ことで、ウェーハの径方向の各部で研磨圧力を変えられ
るようになっている。しかし、このような研磨ヘッド
は、可撓膜において仕切りが形成される部分に、仕切り
の厚みの分だけウェーハへの押圧力の調整ができない部
分が生じるので、ウェーハ表面に、ウェーハと同心とな
る帯状の研磨不良領域が形成されてしまう。さらに、仕
切り間の間隔をあまり小さくすることはできないため、
ウェーハの狭い範囲に限定して圧力調整を行うことはで
きない。このため、例えばウェーハの外周縁のみに限定
して圧力調整を行うことはできないので、ウェーハの外
周縁の研磨不良を解消することは困難であった。

【０００７】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、ウェーハの径方向の各部でそれぞれ研磨パッ
ドへの当接圧力を良好に調整可能にした研磨ヘッドを提
供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明の研磨ヘッドは、プラテン上に貼付された研
磨パッドの表面に、該研磨パッドに対して相対的に移動
しつつウェーハを押し付けて該ウェーハの研磨を行う研
磨ヘッドであって、大略円盤形状をなすキャリアと、該
キャリアの下面の周囲を囲み、かつ該下面に対して上下
方向に変位可能にして設けられる略円環形状の支持体
と、内周部で前記キャリアの下面及び前記支持体の下面
を覆った状態で外周部を前記支持体に支持されて、前記
内周部の下面で前記ウェーハの一面を受け得る第一の可
撓膜と、前記支持体に保持される前記第一の可撓膜の外
周を囲むように設けられて、前記ウェーハの研磨時には
前記研磨パッドに当接し、前記ウェーハの周囲をおさえ
て係止するリテーナリングとを有し、さらに、前記キャ
リアの下面及び前記支持体の下面と、前記第一の可撓膜
の上面との間に形成される第一の流体室の内圧を調整す
る第一の圧力調整機構と、前記支持体に下方に向く背圧
を付与するとともにその背圧を負圧も含めた範囲で調整
可能な支持体押圧機構とを有していることを特徴として
いる。

【０００９】このように構成される研磨ヘッドにおいて
は、第一の可撓膜の下面でウェーハの一面（上面）を受
けて、リテーナリングによってウェーハの外周を係止し
つつウェーハを研磨パッドの表面に当接させ、さらにウ
ェーハと研磨パッドとの間にスラリーを介在させた状態
で研磨パッドとウェーハとを相対的に移動させること
で、ウェーハの他面（下面）が研磨される。この研磨ヘ
ッドは、第一の可撓膜を介して第一の流体室の内圧をウ
ェーハに加えることでウェーハに主たる研磨圧力を付与
しており、この主たる研磨圧力の調整は、第一の圧力調
整機構によって第一の流体室の内圧を調整することによ
って行われる。このようにしてウェーハに主たる研磨圧
力を付与しつつ、支持体押圧機構によって支持体に下方
に向けて正の背圧を加えて、支持体をキャリアの下面よ
りも下方に変位させることで、支持体の下面によって第
一の可撓膜ごしにウェーハの外周側を押圧して、ウェー
ハの外周側に、内周側とは異なる研磨圧力を付与するこ
とができる。支持体によってウェーハの外周側に加えら
れる研磨圧力の調整は、支持体押圧機構による支持体の
押圧力を調整することによって行われる。そして、支持
体の下面の径方向の幅を適宜選択することで、ウェーハ
において支持体に押圧される範囲を適切な範囲に設定す
ることができる。また、この研磨ヘッドでは、支持体押
圧機構によって支持体に負の背圧を付与することで、支
持体をキャリアの下面よりも上方に変位させて、支持体
に支持される第一の可撓膜を、外周側から上方に引き上
げることができる。そして、このようにして第一の可撓
膜の内周部のうち、外周側に位置する部分をウェーハの
外周側から離間させることで、ウェーハにおいて第一の
可撓膜が接する内周部に主たる研磨圧力を付与しなが
ら、第一の可撓膜が接していない外周側に研磨圧力が加
わらないようにすることができる。ここで、支持体を上
方に変位させるにつれて第一の可撓膜は外周側から次第
に上方に引き上げられるので、支持体押圧機構によって
支持体に付与される負の背圧の大きさを調整して支持体
の位置を調整することで、ウェーハにおいて研磨圧力が
加わらない範囲を調節することができる。また、研磨ヘ
ッドにウェーハを装着する際に、支持体押圧機構によっ
て支持体の位置を調整して支持体の下端をキャリアの下
面と同一高さに位置させることで、第一の可撓膜がキャ
リアの下面で支持されて安定するので、ウェーハを安定
して装着することができる。

【００１０】この研磨ヘッドは、例えば第一の可撓膜の
外周部を内周部に対して上方に折り返された状態で外周
縁を支持体に支持させ、支持体の外周下部に、下方に突
出して第一の可撓膜の折返し部を受ける突条を全周にわ
たって形成した構成とすることができる。この場合に
は、支持体押圧機構によって支持体に正の背圧を付与し
て、支持体によって第一の可撓膜ごしにウェーハの外周
側に押圧力を加える際に、支持体において突条だけが第
一の可撓膜ごしにウェーハの外周縁に当接することとな
る。そして、支持体押圧機構によって支持体に付与する
背圧を調整することで、ウェーハの外周縁に限定して研
磨圧力を調整することができる。さらに、このように構
成される支持体をキャリアの外周に一体に形成し、支持
体において接続部の肉厚を他の部分に比べて薄く形成し
てもよい。この構成では、支持体押圧機構によって支持
体に背圧が加えられると、接続部が弾性変形し、支持体
は、キャリアとの接続部を支点として外周端を上下方向
に変位させて、支持体の外周下部に形成された突条を、
キャリアの下面に対して上下方向に変位させることとな
る。研磨ヘッドをこのような構成とすることで、支持体
を上下方向に変位させる際に、キャリアと支持体とが干
渉しなくなって、支持体をスムーズに変位させることが
できる。

【００１１】また、キャリアを、その外周に、支持体よ
りも上方から外周側に張り出す張り出し部を有する構成
とし、張り出し部の下面にキャリアと同心にして設けら
れる溝と、溝内の空間と外部とを仕切って溝内に第二の
流体室を形成するとともに、下面に支持体が取り付けら
れる第二の可撓膜と、溝内に形成される第二の流体室内
の内圧を調整する第二の圧力調整機構とを設けて、これ
ら溝、第二の可撓膜、第二の圧力調整機構と用いて支持
体押圧機構を構成することができる。この場合には、支
持体押圧機構は、第二の可撓膜を介して第二の流体室の
内圧を支持体に加えることで、支持体に下方に向く背圧
を付与する。そして、第二の流体室の内圧を、負圧も含
めた範囲で調整することで、支持体に加える背圧の大き
さを調整する。そして、第二の流体室の内圧を負圧にす
ることで、支持体に負の背圧を加えて支持体を上方に変
位させることができる。ここで、支持体を、第二の可撓
膜に受圧面積を一定にして取り付けることで、第二の流
体室の内圧を変化させても、支持体に加わる背圧は第二
の流体室の内圧にのみ依存することとなり、支持体に加
える背圧の調整が容易となる。

【００１２】また、キャリアの外周面と支持体の内周面
との間に、これらの部材の上下方向の相対的な移動を許
容しつつ、これらの部材を互いに離間する向きに付勢す
る弾性体を介装することで、キャリアの外周面と支持体
の内周面との干渉を防止して、キャリアに対して支持体
を上下方向にスムーズに変位させることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】〔第一の実施の形態〕以下、本発
明の第一の実施の形態における研磨ヘッドについて図面
を参照して説明する。図１は本発明の第一の実施の形態
の研磨ヘッドを示す正断面図、図２は図１に示す研磨ヘ
ッドの要部拡大図、図３、図４は本実施形態の研磨ヘッ
ドによるウェーハの研磨の様子を示す正断面図である。
本実施形態にかかる研磨ヘッドは、例えば図７に示す従
来の研磨装置１００において研磨ヘッド１０５と交換し
て用いられるものである。図１において、研磨ヘッド１
は、天板部３及び筒状に形成された周壁部４とからなる
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とを有しており、ダイヤフラム５の下面には、ヘッ
ド本体２と略同心にして固定される中間部材６と、ダイ
ヤフラム５に対して、中間部材６を介して、ヘッド本体
２と略同心にして固定される大略円盤形状のキャリア７
とが設けられている。キャリア７には、キャリア７の下
面の周囲を囲み、かつこの下面に対して上下方向に変位
可能にして設けられる略円環形状の支持体８と、内周部
９ａでキャリア７の下面及び支持体８の下面を覆った状
態で外周部９ｂを支持体８に支持されて、内周部９ａの
下面でウェーハＷの一面を受け得る第一の可撓膜９と、
支持体８に保持される第一の可撓膜９の外周を囲むよう
に設けられて、ウェーハＷの研磨時には研磨パッド１０
４（図１では図示せず）に当接し、ウェーハＷの周囲を
おさえて係止する略円環形状のリテーナリング１０とが
設けられている。ここで、中間部材６、キャリア７、及
びキャリア７に取り付けられる各部材は、ダイヤフラム
５の弾性変形によってヘッド軸線方向に移動可能とされ
ている。そして、キャリア７の下面及び支持体８の下面
と、第一の可撓膜９の上面との間には、第一の流体室１
１が形成されており、第一の流体室１１には、その内圧
を調整する第一の圧力調整機構１２が接続されている。
また、支持体８には、支持体８に下方に向く背圧を付与
するとともにその背圧を圧力を負圧も含めた範囲で調整
可能な支持体押圧機構１３が接続されている。

【００１４】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とによっ
て構成されており、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、研磨装置１に連結され
るためのシャフト部１４に同軸に固定されている。シャ
フト部１４には、第一、第二、第三の流路１５ａ、１５
ｂ、１５ｃが鉛直方向に形成されている。天板部３の下
面には、ヘッド軸線方向に延在するストッパーボルト１
６が設けられている。ストッパーボルト１６の下端に
は、側方に突出させて、中間部材６に設けられる内フラ
ンジ６ｂ（後述）と係合され得る段部１６ａが設けられ
ている。また、周壁部４の内壁下部には全周にわたって
段部４ａが形成されている。

【００１５】ダイヤフラム５は、例えば繊維補強ゴムな
どの可撓性を有する部材によって構成されており、内周
側が開口される円環形状をなしている。ダイヤフラム５
は、その外周部を略円環形状をなすダイヤフラム固定リ
ング１７と周壁部４の段部４ａの上面との間に挟み込ん
だ状態で、ダイヤフラム固定リング１７をダイヤフラム
固定ボルト１７ａによって段部４ａに螺着することで、
ヘッド本体２に取り付けられている。また、ヘッド本体
２と中間部材６との間の、ダイヤフラム５によって外部
と仕切られてなる空間は、第三の流体室１８とされてお
り、第三の流体室１８は、シャフト部１４に形成された
第三の流路１５ｃを通じて第三の圧力調整機構１９に接
続されている。第三の圧力調整機構１９は、第三の流体
室１８内に流体（例えば空気）を供給または排出するこ
とによって第三の流体室１８の内圧を調整するものであ
って、これによってダイヤフラム５の変形とともに変位
する中間部材６、キャリア７、及びキャリア７に取り付
けられる各部材をヘッド軸線方向に変位させる力を調節
している。ここで、第三の圧力調整機構１９は、後述す
るように、リテーナリング１０を研磨パッド１０４に押
し付ける力を調節することを主目的としている。

【００１６】第三の流体室１８内には、シャフト部１４
に形成された第一の流路１５ａと中間部材６に形成され
た第一の流通孔２５（後述）とを接続する第一の配管２
０と、シャフト部１４に形成された第二の流路１５ｂと
中間部材６に形成された第二の流通孔２６（後述）とを
接続する第二の配管２１とが設けられている。第一、第
二の配管２０、２１はそれぞれ少なくとも一部が可撓性
を有する素材からなるものであって、この可撓性を有す
る素材からなる部分は、ダイヤフラム５の変形に伴う中
間部材６のヘッド軸線方向の変位を許容するよう、適度
に弛みをもって設けられている。また、第一の流路１５
ａには第一の圧力調整機構１２が接続されており、第二
の流路１５ｂには第二の圧力調整機構２２が接続されて
いる。

【００１７】中間部材６は、例えばステンレス鋼、セラ
ミック、アルミ材等からなるものである。ここで、中間
部材６は、外径がヘッド本体２の外径よりも大きい大略
円盤形状をなしており、キャリア７は、ヘッド本体２の
下方で、中間部材６を介してダイヤフラム５に支持され
ている。これによって、キャリア７及びキャリア７に取
り付けられる各部材を、ヘッド本体２に対して、ダイヤ
フラム５を介してヘッド軸線方向にフローティング支持
する構成としながら、この支持構造の外径をキャリア７
の外径よりも小さくすることができ、研磨ヘッド１のウ
ェーハＷの外側への張り出しを少なくして、研磨ヘッド
１の設置スペースを小さくすることができる。中間部材
６の上面のうち、ヘッド本体２の開口部分内に位置する
部分には、中間部材６と略同心にして、ヘッド本体２内
に収容される略リング状の突部６ａが形成されている。
また、突部６ａの内周側には上側凹部Ｃが形成されて外
周側に比べて一段低く形成されている。そして、上側凹
部Ｃによって中間部材６の上部に形成される空間も第三
の流体室１８とされている。

【００１８】突部６ａは、ダイヤフラム５の上面に配置
される略円環形状をなす中間部材固定リング２４に対し
て間にダイヤフラム５を挟み込んだ状態で中間部材固定
ボルト２４ａによって螺着されており、これによって中
間部材６はダイヤフラム５の下面に取り付けられる。こ
こで、突部６ａが中間部材６の上面（外周側の上面）か
ら突出する高さは、ヘッド本体２の段部４ａの、ヘッド
軸線方向の厚みよりも大きくとられており、これによっ
て中間部材６の上面と周壁部４の下端との間には、中間
部材６のヘッド軸線方向への変位を許容する隙間Ｋが形
成されている。本実施の形態では、中間部材６の外周部
２３の上面には、ヘッド本体２と中間部材６との間に形
成される隙間Ｋを側方から覆う大略円環形状のカバー２
７が設けられている。そして、上側凹部Ｃの底面中央に
は、中間部材６の下面側まで通じる第一の流通孔２５が
形成されており、この第一の流通孔２５の上端には第一
の配管２０が接続されている。さらに、突部６ａの内周
側には、外周部２３の下面に形成される逃げ３１（後
述）まで通じる第二の流通孔２６が形成されており、こ
の第二の流通孔２６の突部６ａ側の端部には第二の配管
２１が接続されている。

【００１９】また、この突部６ａの上端には、内周側に
向けて張り出して、内フランジ６ｂが全周にわたって形
成されている。内フランジ６ｂは、ヘッド本体２内に設
けたストッパーボルト１６の段部１６ａと係合され得る
ものであって、ダイヤフラム５が下方にたわんでも、内
フランジ６ｂとストッパーボルト１６の段部１６ａとが
係合することで、中間部材６のヘッド軸線方向の変位を
適正範囲内に規制し、ダイヤフラム５に過剰な負荷が加
わらないようにしている。

【００２０】中間部材６の下面には、中間部材６と略同
心にして、キャリア７に設けられた係合凹部３２（後
述）と係合する略円形の係合突部２８が形成されてい
る。この係合突部２８の外周面は中間部材６の軸線に略
平行な円筒面とされており、また中間部材６の下面のう
ち係合突部２８より外周側に位置する面は、中間部材６
の軸線に略直交する平面とされており、これらの面は中
間部材６にキャリア７を取り付ける際の取付基準面とな
る。そして、中間部材６において、係合突部２８の付け
根に位置する部分には逃げ３１が形成されており、ま
た、係合突部２８の下面はキャリア７の後述する係合凹
部３３の底面とは非接触状態とされており、これによっ
て中間部材６に対するキャリア７の取付精度が確保され
ている。ここで、中間部材６とキャリア７とは、例えば
ボルト止め等によって接続される。

【００２１】キャリア７は、例えばセラミック、または
より軽量なアルミ材等からなるものであって、大略円盤
形状をなし、その上部が下部に対して縮径されて外周上
部に段部７ｂが形成されるキャリア本体７ａと、略平板
の円環形状をなし、内周面３２ａ及び下面の内周縁３２
ｂをキャリア本体７ａの段部７ｂに嵌合させた状態でキ
ャリア本体７ａに固定される張り出し部３２とを有して
いる。これらキャリア本体７ａと張り出し部３２とは、
例えばボルト止め等によって固定されている（キャリア
７は、これらキャリア本体７ａと張り出し部３２とを一
体とした構成としてもよい）。

【００２２】キャリア本体７ａの下面には、キャリア７
と略同心にして下側凹部３７が形成されており、またキ
ャリア本体７ａには、下側凹部３７から上面（後述する
係合凹部３３の底面）の略中央まで通じる第三の流通孔
３８が形成されている。張り出し部３２は、その上部を
キャリア本体７ａの上面よりも上方に突出させて設けら
れており、これによって張り出し部３２の内周側の開口
部のうち、キャリア本体７ａの上面から突出する部分
が、中間部材６の係合突部２８に嵌合する係合凹部３３
を形成している。係合凹部３３の内周面はキャリア７の
軸線に略平行な円筒面とされており、また、張り出し部
３２の上面は、キャリア７の軸線に略直交する平面とさ
れており、これら内周面及び上面は、それぞれ中間部材
６の取付基準面と当接される取付基準面とされている。
そして、キャリア７は、その取付基準面を中間部材６の
取付基準面に面接触させることで、中間部材６と略同心
となるように位置決めされる。

【００２３】ここで、これら中間部材６の取付基準面ま
たはキャリア７の取付基準面、もしくはこれら両方に
は、これらの間を気密、液密に封止する封止材３６が配
されている。本実施の形態では、封止材３６としてＯリ
ングが用いられ、中間部材６の取付基準面に、その全周
にわたって封止材３６がはめ込まれる溝３６ａを形成し
ている（溝３６ａはキャリア７の取付基準面側に設けて
もよい）。同様に、キャリア７において、キャリア本体
７ａと張り出し部３２との係合部にも、これらの間を気
密、液密に封止する封止材３６が配されている。本実施
の形態では、キャリア本体７ａの段部７ｂの外周面に、
その全周にわたって封止材３６がはめ込まれる溝３６ａ
を形成している（溝３６ａは張り出し部３２側に設けて
もよい）。

【００２４】また、張り出し部３２の下面には、キャリ
ア７と同心の溝４１が形成されており、さらに張り出し
部３２には、溝４１の底面から張り出し部３２の上面ま
で通じる第四の流通孔４２が形成されている。この第四
の流通孔４２は、張り出し部３２の上面のうち、中間部
材６の逃げ３１と対向する位置に開口されている。そし
て、張り出し部３２の下面において、溝４１よりも外周
側には、キャリア７と略同心にしてリテーナリング１０
が着脱を可能にして取り付けられている。リテーナリン
グ１０は、張り出し部３２に対して例えばボルト止め等
によって接続されている。

【００２５】さらに、張り出し部３２には、図１及び図
２に示すように、溝４１内の空間と外部とを仕切って第
二の流体室４４を形成する第二の可撓膜４３が取り付け
られている。第二の可撓膜４３は、例えばダイヤフラム
５と同じく繊維補強ゴムなどの可撓性を有する素材から
なる略平板円環形状のものであって、内周縁をキャリア
本体７ａの段部７ｂの上面と張り出し部３２の下面との
間に挟まれて保持され、外周縁を張り出し部３２の下面
とリテーナリング１０の上面との間に挟まれて保持され
ることによって、キャリア７の軸線に略直交する面に沿
って張り渡されている。第二の流体室４４は、図１に示
すように、第四の流通孔４２、第二の流通孔２６、第二
の配管２１、第二の流路１５ｂを通じて、第二の圧力調
整機構２２に接続されている。第二の圧力調整機構２２
は、第二の流体室４４において流体（例えば空気）の供
給または吸引を行って第二の流体室４４の内圧を調整す
るものである。

【００２６】図１及び図２に示すように、第二の可撓膜
４３の径方向の略中央部には、それぞれ円環平板形状を
なす上側支持リング４６及び下側支持リング４７とが、
互いの間に第二の可撓膜４３を挟み込んだ状態でボルト
止めされている。下側支持リング４７は、上下面が略平
行とされており、その下面には、支持体８がボルト止め
等によって固定されている。上側支持リング４６の下面
と下側支持リング４７の上面とはほぼ同形状とされてお
り、第二の可撓膜４３が上下に変位しても、下側支持リ
ング４７と第二の可撓膜４３との接触面積が変わらない
ようになっている。また、上側支持リング４６及び下側
支持リング４７は、それぞれ周方向の各部における径方
向の幅が一定とされており、周方向の各部で第二の可撓
膜４３との接触面積が変わらないようになっている。こ
のように、支持体８は、上側支持リング４６及び下側支
持リング４７によって、第二の可撓膜４３に対して、受
圧面積を一定にして取り付けられている。本実施の形態
では、上記の溝４１、第二、第四の流通孔２６、４２、
第二の可撓膜４３、第二の配管２１、第二の圧力調整機
構２２、上側、下側支持リング４６、４７とによって、
支持体押圧機構１３を構成している。

【００２７】支持体８は、上面が自身の軸線に略直交す
る平面とされ、内周面が自身の軸線に略平行な円筒面と
されている。そして、下面の外周側には、下方に向けて
突出する突条８ａがその全周にわたって形成されてい
る。この突部８ａは、先端で第一の可撓膜９の折返し部
９ｃ（後述）を受けるものであって、本実施形態では、
その下面を外周側に行くにつれて下方への突出量が増加
する傾斜面としている。ここで、本実施の形態では、支
持体８は、キャリア本体７ａとは別体の部材であって、
支持体８は、第二の可撓膜４３に取り付けられて、キャ
リア本体７ａの外周面に対して摺動することで、キャリ
ア本体７ａの下面に対して上下方向に変位可能とされて
いる。

【００２８】支持体８には、内周部９ａでキャリア本体
７ａの下面及び支持体８の下面を覆うとともに、内周部
９ａの下面でウェーハＷの一面を受け得る第一の可撓膜
９が取り付けられている。第一の可撓膜９は、例えばダ
イヤフラム５と同じく繊維補強ゴムなどの可撓性を有す
る素材からなり、外周部９ｂを内周部９ａに対して上方
に折り返されて、外周部９ｂを支持体８の上面と下側支
持リング４７の下面との間に挟み込まれることで支持体
８に支持されている。本実施の形態では、その折返し部
９ｃは、支持体８の突条８ａの先端によって受けられて
おり、内周部９ａは支持体８の下面のう突条８ａを除く
他の部分と非接触とされている。

【００２９】この第一の可撓膜９によってキャリア本体
７ａの下面が覆われることで、第一の可撓膜９とキャリ
ア本体７ａの下面との間には、第一の流体室１１が形成
される。第一の流体室１１は、第一、第三の流通孔２
５、３８、第一の配管２０、第一の流路１５ａを通じ
て、第一の圧力調整機構１２に接続されている。第一の
圧力調整機構１２は、第一の流体室１１において流体
（例えば空気）の供給または吸引を行って第一の流体室
１１の内圧を調整するものである。第一の圧力調整機構
１２は、ウェーハＷの研磨時において第一の流体室１１
の内圧を上げることで第一の可撓膜９を介してウェーハ
Ｗの全面を研磨パッド１０４に向けて均等圧力で押圧
し、また第一の流体室１１の内圧を外気圧よりも低下さ
せて第一の可撓膜１１をキャリア本体７ａの下側凹部３
７内に向けて窪ませることで、第一の可撓膜１１をウェ
ーハＷを吸着する吸盤として作用させるものである。

【００３０】また、第一の圧力調整機構１２は、第一の
流体室１１の内圧を調整することで、ウェーハＷを研磨
パッド１０４に向けて押圧する力を調節して、ウェーハ
Ｗをリテーナリング１０とは独立してフローティング支
持している。ここで、ウェーハＷを研磨パッド１０４に
押し付ける力は、第一の流体室１１の内圧を、キャリア
７に対する反力として取ることで生じており、リテーナ
リング１０が研磨パッド１０４に当接される圧力は、第
一の流体室１１の内圧に応じて変化する。第一、第三の
圧力調整機構１２、１９による第一、第三の流体室１
１、１８の内圧の調整は、このような関係を考慮して行
われる。

【００３１】このように構成された研磨ヘッド１は、シ
ャフト部１４を介して研磨装置に取り付けられる。この
研磨ヘッド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、図示せぬローディング装置等によって
キャリア７の下面に設けられた第一の可撓膜９の下面に
当接される。この状態で、第一の圧力調整機構１２によ
って第一の流体室１１内の内圧を下げて第一の可撓膜９
を下側凹部３７内に向けて窪ませ、ウェーハＷを吸着す
る吸盤として作用させることで、ウェーハＷの保持を行
う。このとき、支持体押圧機構１３によって支持体８の
位置を調整して、図２に示すように支持体８の下端をキ
ャリア本体７ａの下面と同一高さに位置させることで、
第一の可撓膜９がキャリア本体７ａの下面で支持されて
安定するので、第一の可撓膜９にウェーハＷを安定して
装着することができる。

【００３２】次に、研磨ヘッド１によってウェーハＷを
回転駆動されるプラテン１０３に張られた研磨パッド１
０４の表面に当接させる。ウェーハＷはリテーナリング
１０によって周囲を係止されつつ、その表面をプラテン
１０３の上面に貼付された研磨パッド１０４に当接させ
られる。ここで、研磨パッド１０４としては、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の
材質のものを用いても良く、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
たベロアタイプ研磨パッド、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研磨パッド、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。

【００３３】そして、プラテン１０３を回転させるとと
もに研磨ヘッド１を自転させ、これと同時に、図示しな
いスラリー供給手段からスラリーを研磨パッド１０４の
表面やウェーハＷの被研磨面に供給させることにより、
ウェーハＷが研磨される。ウェーハＷの研磨圧力の調整
は、第三の圧力調整機構１９によって第三の流体室１８
の内圧を調整してキャリア７及びリテーナリング１０の
研磨パッド１０４への押圧圧力を調整し、さらに第一の
圧力調整機構１２により第一の流体室１１の内圧を調整
して第一の可撓膜９を介してウェーハＷに加えられる背
圧を調節することで行われる（この研磨圧力を主たる研
磨圧力とする）。

【００３４】そして、ウェーハＷの外周縁に限定して主
たる研磨圧力とは異なる研磨圧力を付与する場合には、
ウェーハＷの内周側に第一の流体室１１の内圧で主たる
研磨圧力を付与しつつ、支持体押圧機構１３によって支
持体８に下方に向けて正の背圧を加えて、支持体８をキ
ャリア本体７ａの下面よりも下方に変位させる。これに
よって、図３に示すように、支持体８において突条８ａ
だけが第一の可撓膜９ごしにウェーハＷの外周縁に当接
することとなり、突条８ａによって第一の可撓膜９ごし
にウェーハＷの外周縁が押圧されて、ウェーハＷの外周
縁に、内周側とは異なる研磨圧力が付与される。ここ
で、支持体押圧機構１３によって支持体８に付与する背
圧を調整することで、ウェーハＷの外周縁に付与する研
磨圧力を調整して、ウェーハＷの外周縁の研磨量を、ウ
ェーハの内周側の研磨量とは独立して制御することがで
きる。例えば、リテーナリング１０が研磨パッド１０４
を押さえ込む力が強すぎて、研磨パッド１０４において
リテーナリング１０に対向する部分とその近傍のウェー
ハＷの外周縁に対向する部分が下方に沈み込んでしま
い、ウェーハＷの外周縁の研磨量が不足している場合に
は、支持体８の突条８ａによってウェーハＷの外周縁を
内周側よりも強い力で押圧することで、ウェーハの外周
縁を研磨パッド１０４に押し付けてその当接圧力を適正
に維持することができ、ウェーハの外周縁の研磨を良好
に行うことができる。また、突条８ａの下面の形状を様
々に変えることで、ウェーハＷの外周縁に加えられる圧
力の分布を適正にすることができる。本実施の形態で
は、突条８ａの下面を、外周側にいくにつれて下方への
突出量が増加する傾斜面としているので、ウェーハＷの
外周縁では、外周側にいくにつれて突条８ａから受ける
圧力が強くなる。

【００３５】また、この研磨ヘッド１では、支持体押圧
機構１３によって支持体８に負の背圧を付与すること
で、図４に示すように、支持体８をキャリア本体７ａの
下面よりも上方に変位させて、支持体８に支持される第
一の可撓膜９を上方に引き上げることができる。そし
て、このようにして第一の可撓膜９の内周部９ａのう
ち、外周側に位置する部分をウェーハＷの外周側から離
間させることで、ウェーハＷにおいて第一の可撓膜９が
接する部分に主たる研磨圧力を付与しながら、第一の可
撓膜９が接していない外周側に研磨圧力が加わらないよ
うにすることができる。これによって、ウェーハＷにお
いて内周側に比べて外周側の研磨量が多い場合にも、外
周側に加える研磨圧力を下げて、ウェーハＷの内周側と
外周側とで研磨量を均一にすることができる。ここで、
支持体８を上方に変位させるにつれて第一の可撓膜９は
外周側から次第に上方に引き上げられるので、支持体押
圧機構１３によって支持体８に付与される負の背圧の大
きさを調整して支持体８の位置を調整することで、ウェ
ーハＷにおいて研磨圧力が加わらない範囲を調節するこ
とができる。そして、研磨圧力が加わらない範囲をウェ
ーハＷの外周縁のみに限定することで、ウェーハＷの外
周縁に沿った研磨パッド１０４の盛り上がりを低減する
とともに、ウェーハＷの外周縁に研磨圧力が加わらない
ので、外周縁に過研磨が生じにくくなって、外周縁にふ
ちだれを生じにくくすることができる。

【００３６】このように構成される研磨ヘッド１によれ
ば、第一の流体室１１の内圧によってウェーハＷの内周
側に主たる研磨圧力を付与しつつ、支持体押圧機構１３
が支持体８に付与する背圧によって、ウェーハＷの外周
縁に限定して、内周側とは異なる研磨圧力を付与するこ
とができ、また、ウェーハＷの外周側に研磨圧力が加わ
らないようにすることもできるので、ウェーハＷの内周
側と外周縁のそれぞれで研磨パッド１０４への当接圧力
を良好に調整することができる。

【００３７】〔第二の実施の形態〕以下、本発明の第二
の実施の形態における研磨ヘッドについて図面を参照し
て説明する。図５は本発明の第二の実施の形態の研磨ヘ
ッドの要部を示す正断面図である。本発明の第二の実施
の形態にかかる研磨ヘッド５１は、第一の実施の形態に
示す研磨ヘッド１において、キャリア本体７ａの外周面
７ｃと支持体８の内周面８ｂとの間に、これらの部材の
上下方向の相対的な移動を許容しつつ、これらの部材を
互いに離間する向きに付勢する弾性体５２を介装したこ
とを特徴としている。弾性体５２としては、例えばキャ
リア本体７ａの外周面７ｃ全周にわたって形成される溝
５２ａに嵌合されるゴムリングを採用することができる
（弾性体５２は支持体８側に設けてもよい）。このよう
に構成することによって、支持体８の内周面８ｂがキャ
リア本体７ａの外周面７ｃから離間するように付勢され
ることとなり、支持体８とキャリア本体７ａとの干渉
（例えばかじりなど）を防止して、キャリア本体７ａに
対して支持体８を上下方向にスムーズに変位させること
ができ、ウェーハＷの外周縁の研磨パッド１０４への当
接圧力を良好に調整することができる。

【００３８】〔第三の実施の形態〕以下、本発明の第三
の実施の形態における研磨ヘッドについて図面を参照し
て説明する。図６は本発明の第三の実施の形態の研磨ヘ
ッドの要部を示す正断面図である。本発明の第三の実施
の形態にかかる研磨ヘッド６１は、第一の実施の形態に
示す研磨ヘッド１において、キャリア本体７ａの外周に
支持体８を一体に形成し、支持体８においてキャリア本
体７ａに連なる接続部６２の肉厚を、他の部分に比べて
薄く形成したものである。そして、支持体押圧機構１３
によって支持体８に背圧を加えることで接続部６２が弾
性変形し、支持体８が接続部６２を支点として外周端を
上下方向に変位させて、外周下部に設けられた突条８ａ
が上下方向に変位する。このように構成することで、支
持体８とキャリア本体７ａとの干渉を生じさせずに、突
条８ａをキャリア本体７ａの上下方向にスムーズに変位
させることができ、ウェーハＷの外周縁の研磨パッド１
０４への当接圧力を良好に調整することができる。

【００３９】ここで、上記各実施の形態では、キャリア
７を、ヘッド本体２内に張られたダイヤフラム５に対し
て中間部材６を介して取り付けた例を示したが、これに
限られることなく、中間部材６を省いて、ダイヤフラム
５に直接キャリア７を取り付けた構成としてもよい。こ
の場合、ダイヤフラム５とキャリア７との接続構造、第
一の流体室１２と第一の圧力調整機構１６との接続構
造、及び第二の流体室４８と第二の圧力調整機構４９と
の接続構造は、ヘッド本体２に対するキャリア７の変位
を可能とする構造であれば任意の構造を採用することが
できる。また、上記第一、第二の実施の形態では、支持
体８の下面に突条８ａを設けた例を示したが、支持体８
の下面を平面としてもよい。この場合には、支持体８の
下面が第一の可撓膜９の内周部９ａを介してウェーハＷ
の外周側に面接触することとなり、支持体押圧機構１３
によって支持体８に加える背圧を調整することで、ウェ
ーハＷの外周側に内周側とは異なる研磨圧力を付与する
ことができる。そして、支持体８の底面の径方向の幅を
適宜選択することで、ウェーハＷにおいて支持体８に押
圧される範囲を適切な範囲に設定することができる。

【００４０】

【発明の効果】本発明にかかる研磨ヘッドによれば、第
一の流体室の内圧によってウェーハの内周側に主たる研
磨圧力を付与しつつ、支持体押圧機構によって支持体に
背圧を加えることで、この背圧によってウェーハの外周
側に、内周側とは異なる研磨圧力を付与することができ
る。さらに、支持体押圧機構によって支持体に負の背圧
を付与して、支持体をキャリアの下面よりも上方に変位
させることで、第一の可撓膜の外周部を上方に引き上げ
て、ウェーハにおいて第一の可撓膜が接する部分に主た
る研磨圧力を付与しながら、第一の可撓膜が接していな
い外周側に研磨圧力が加わらないようにすることができ
る。また、支持体押圧機構によって支持体に付与される
負の背圧の大きさを調整して支持体の上方への変位量を
調整することで、支持体に支持される第一の可撓膜の外
周部のうち、ウェーハから離間する範囲を調節して、ウ
ェーハにおいて研磨圧力が加わらない範囲を調節するこ
とができる。このように、本発明にかかる研磨ヘッドに
よれば、ウェーハの内周側と外周側のそれぞれで研磨パ
ッドへの当接圧力を良好に調整することができる。

【００４１】ここで、第一の可撓膜の外周部を内周部に
対して上方に折り返された状態で外周縁を支持体に支持
させ、支持体の外周下部に、下方に突出して第一の可撓
膜の折返し部を受ける突条を全周にわたって形成するこ
とで、支持体によって第一の可撓膜ごしにウェーハの外
周側に押圧力を加える際に、支持体において突条だけが
第一の可撓膜ごしにウェーハの外周縁に当接することが
でき、ウェーハの外周縁のみに限定して研磨圧力の調整
を行うことができる。さらに、このように構成される支
持体をキャリアの外周に一体に形成し、支持体において
接続部の肉厚を他の部分に比べて薄く形成することで、
支持体押圧機構によって支持体に背圧が加えられると、
接続部が弾性変形して、支持体の外周下部に形成された
突条を、キャリアの下面に対して上下方向に変位させる
ことができる。これによって、支持体を上下方向に変位
させる際に、キャリアと支持体とが干渉しなくなって、
支持体をスムーズに変位させることができるので、支持
体によるウェーハ外周縁の研磨圧力の調整を良好に行う
ことができる。また、キャリアの外周面と支持体の内周
面との間に、これらの部材の上下方向の相対的な移動を
許容しつつ、これらの部材を互いに離間する向きに付勢
する弾性体を介装することで、キャリアの外周面と支持
体の内周面との干渉を防止して、キャリアに対して支持
体を上下方向にスムーズに変位させることができるの
で、支持体によるウェーハ外周縁の研磨圧力の調整を良
好に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第一の実施の形態における研磨ヘッ
ドを示す正断面図である。

【図２】 図１に示す研磨ヘッドの要部拡大図である。

【図３】 本実施形態の研磨ヘッドによるウェーハの研
磨の様子を示す正断面図である。

【図４】 本実施形態の研磨ヘッドによるウェーハの研
磨の様子を示す正断面図である。

【図５】 本発明の第二の実施の形態における研磨ヘッ
ドを示す正断面図である。

【図６】 本発明の第三の実施の形態における研磨ヘッ
ドを示す正断面図である。

【図７】 従来の研磨装置の構成を概略的に示す要部拡
大斜視図である。

【符号の説明】

１、５１、６１ 研磨ヘッド ７ キャリア ８ 支持体 ８ａ 突条 ９ 第一の可撓膜 ９ｃ 折返し部 １０ リテーナリング １１ 第一の流体室 １２ 第一の圧力調整機構 １３ 支持体押圧機
構 ２２ 第二の圧力調整機構 ３２ 張り出し部 ４１ 溝 ４４ 第二の流体室 ４３ 第二の可撓膜 ５２ 弾性体 ６２ 接続部 １０３ プラテン １０４ 研磨パッド Ｗ ウェーハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坂本 敦 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総合研究所内 (72)発明者 金剛寺 豊久 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総合研究所内 Ｆターム(参考） 3C058 AA07 AA12 AB04 BB04 CB01 DA17

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラテン上に貼付された研磨パッドの表
   面に、該研磨パッドに対して相対的に移動しつつウェー
   ハを押し付けて該ウェーハの研磨を行うウェーハ研磨ヘ
   ッドであって、 大略円盤形状をなすキャリアと、 該キャリアの下面の周囲を囲み、かつ該下面に対して上
   下方向に変位可能にして設けられる略円環形状の支持体
   と、 内周部で前記キャリアの下面及び前記支持体の下面を覆
   った状態で外周部を前記支持体に支持されて、前記内周
   部の下面で前記ウェーハの一面を受け得る第一の可撓膜
   と、 前記支持体に保持される前記第一の可撓膜の外周を囲む
   ように設けられて、前記ウェーハの研磨時には前記研磨
   パッドに当接し、前記ウェーハの周囲をおさえて係止す
   るリテーナリングとを有し、 さらに、前記キャリアの下面及び前記支持体の下面と、
   前記第一の可撓膜の上面との間に形成される第一の流体
   室の内圧を調整する第一の圧力調整機構と、 前記支持体に下方に向く背圧を付与するとともにその背
   圧を負圧も含めた範囲で調整可能な支持体押圧機構とを
   有していることを特徴とするウェーハ研磨ヘッド。
2. 【請求項２】 前記第一の可撓膜は、前記外周部を前記
   内周部に対して上方に折り返された状態で前記外周部を
   前記支持体に支持されており、 前記支持体の外周下部には、下方に突出して前記第一の
   可撓膜の折返し部を受ける突条が全周にわたって形成さ
   れていることを特徴とする請求項１記載のウェーハ研磨
   ヘッド。
3. 【請求項３】 前記キャリアは、その外周に、前記支持
   体よりも上方から外周側に張り出す張り出し部を有して
   おり、 前記支持体押圧機構が、前記張り出し部の下面に前記キ
   ャリアと同心にして設けられる溝と、 該溝内の空間と外部とを仕切って前記溝内に第二の流体
   室を形成するとともに、下面に前記支持体が取り付けら
   れる第二の可撓膜と、 前記第二の流体室内の内圧を調整する第二の圧力調整機
   構とを有していることを特徴とする請求項１または２に
   記載のウェーハ研磨ヘッド。
4. 【請求項４】 前記キャリアと前記支持体とを別部材と
   し、前記キャリアの外周面と前記支持体の内周面との間
   に、これらの部材の上下方向の相対的な移動を許容しつ
   つ、これらの部材を互いに離間する向きに付勢する弾性
   体を介装したことを特徴とする請求項１から３のいずれ
   かに記載のウェーハ研磨ヘッド。
5. 【請求項５】 前記キャリアの外周に前記支持体を一体
   に形成し、 該支持体が前記キャリアとの接続部を支点として外周を
   上下方向に変位可能となるよう、前記支持体において前
   記接続部の肉厚を他の部分に比べて薄く形成したことを
   特徴とする請求項３に記載のウェーハ研磨ヘッド。