JP2002527894A - 可変研磨圧キャリヤヘッドを備えた半導体ウエハ研磨装置 - Google Patents

可変研磨圧キャリヤヘッドを備えた半導体ウエハ研磨装置

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JP2002527894A JP2000575662A JP2000575662A JP2002527894A JP 2002527894 A JP2002527894 A JP 2002527894A JP 2000575662 A JP2000575662 A JP 2000575662A JP 2000575662 A JP2000575662 A JP 2000575662A JP 2002527894 A JP2002527894 A JP 2002527894A
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フレッド イー． ミッチェル，
ジョン エイ． アダムス，
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Abstract

(57)【要約】 本発明は化学・機械的な平坦化処理中に半導体ウエハを保持するキャリアに関する。半導体ウエハ研磨装置用のキャリアヘッドは複数の開口流体通路を持つ主表面を有する剛性板を含んでいる。柔軟ウエハキャリア膜は半導体ウエハを接触させる穿孔されたウエハ接触部と、ウエハ接触部周辺に延びるべローを有する。保持部材が剛性板の主表面と保持リング間に挟まれたべローのフランジで剛性板に取り付けられ、ウエハキャリア膜と剛性板間に空洞部を形成する。流体導管が剛性板に接続され、真空源と加圧流体源を空洞部内に交互に接続することができる。追加のウエハキャリア膜はウエハキャリア膜により形成された空洞部に対して内部に配置され、剛性板に対して別の空洞部を形成する。他の流体導管が内部ウエハキャリア膜の空洞部に接続され、この空洞部はウエハ接触部と内部ウエハキャリア膜を接触させるために選択的に加圧される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の背景） 本発明は半導体処理装置、特に、化学・機械的平坦化処理中に半導体ウエハを
保持するキャリア（搬送装置）に関する。
【０００２】 半導体ウエハは、ウエハ上に電気回路層を形成する処理工程を順に実施する前
に、平滑かつ平坦な仕上げをするために研磨される。従来技術による多くの装置
ではウエハをキャリアに固定し、キャリアを回転させ、回転しているウエハに接
触した状態で回転中の研磨パッドを載せることにより研磨が実施される。この従
来技術において、研磨動作中に使用される種々の型のウエハキャリアがある。通
常の型のキャリアはモータにより回転されるシャフトに強固に結合される。通常
流体中に浮遊した研磨材からなるウェット研磨スラリーが研磨パッドに塗られる
。下方向の研磨圧が研磨作業中に回転しているウエハと研磨パッド間に加えられ
る。この装置において、半導体ウエハ表面を正確に研磨するために、ウエハキャ
リアと研磨パッドを完全に平行に位置合わせしなければならない。
【０００３】 ウエハキャリアは典型的には研磨される表面に対して反対側の表面に順応しな
い硬質の平坦板であった。従って、キャリア板はウエハの全領域に、特に、ウエ
ハ端部で、均一な研磨圧を加えることができなかった。この問題を解決するため
に、硬質のキャリア板はより軟質のキャリア膜でカバーされることがあった。こ
の膜の目的は均一な研磨を行うため均一な圧力をウエハの裏面に伝えることにあ
った。キャリア板とウエハの裏面間の表面の不均一を補償すると共に、この膜は
ウエハ表面の裏側の微小な汚染物質を取り込むものと推測された。このような汚
染物質はキャリア膜が無い場合高圧力領域を発生することになる。不都合なこと
に、膜は制限された柔軟性の範囲で部分的にのみ有効であり、繰り返しの使用さ
れた後“凝固”する傾向にあった。特に、この凝固は半導体ウエハの端部でより
悪化した。
【０００４】 従来の半導体ウエハ研磨装置の使用における他の問題点は、半導体ウエハの端
部近傍の環状領域で摩耗がより大きくなることにあった。この端部効果は、ウエ
ハ表面上で研磨速度が均一であると仮定すると、２つの要因、即ち、（１）端部
領域近傍での（最小研磨圧からの）圧力変動と（２）研磨パッドと半導体ウエハ
の端部間の相互作用から生じた。
【０００５】 後者の要因はウエハを研磨パッドに押しつけるキャリア圧力に起因する。その
ため、研磨パッドはウエハ下に圧縮され、正規の厚みに対して拡張される。ウエ
ハの先頭端部はパッドの新しい領域上に載ると研磨パッドを下方に押しつけるこ
とが求められる。従って、各ウエハの外部環状領域はより過剰に研磨され、電子
回路の製造に使用できないものとなった。ウエハの全領域を電子回路の製造のた
めに利用できることが望まれる。
【０００６】 従来の半導体ウエハ研磨装置の使用におけるさらに他の問題は、ウエハの中心
付近の材料の除去速度の遅いことであった（ある従来技術により、“中心遅速”
として言及されている効果）。より具体的には、ウエハから酸化膜層のような薄
膜層を除去する場合、得られる酸化膜厚はウエハのより周辺の領域とは対照的に
ウエハの中心近傍でより厚くなる。ウエハ表面上の二次化学・機械的研磨（ＣＭ
Ｐ）酸化パターンは典型的にはウエハの中心近傍に形成された酸化物の最大厚み
の領域を持つドーム状の形状になった。従って、中心遅速問題と上記の追加の問
題点とを解決するためのウエハキャリアヘッド設計を取り込んだ改良された半導
体ウエハ研磨装置を提供するための要望があった。
【０００７】 （発明の概要） 本発明の全般的な目的は、半導体ウエハを研磨するための改良されたウエハキ
ャリアヘッドを提供することである。
【０００８】 本発明の他の目的は半導体ウエハの全領域に均一な圧力を与えるキャリアヘッ
ドを提供することである。
【０００９】 本発明のさらに他の目的は半導体ウエハの裏面に接触し、この裏面の凹凸に順
応するキャリアの表面を提供することである。好ましくは、キャリア板の表面は
半導体ウエハの裏面の均一な微小な凹凸に順応している。
【００１０】 本発明のさらに他の目的は従来のキャリアにより生じるような半導体ウエハ端
部付近のより大きな腐食を除去するキャリア板を提供することにある。
【００１１】 本発明のさらに他の目的は中央部での遅いまたは他の難しい除去パターンを修
正するため、半導体ウエハの領域全体に不均一で、制御された圧力を与えるキャ
リアヘッドを提供することにある。
【００１２】 これらのおよび他の目的は主表面を有する剛性板を含む、半導体ウエハ研磨装
置用のキャリアヘッドにより達成される。軟質な柔軟材料からなるウエハキャリ
ア膜は半導体ウエハを接触させるためのウエハ接触部を有する。ウエハキャリア
膜は剛性板に接続され、その間に第１空洞部を形成する主表面の少なくとも一部
を横断して延びる。保持部材はウエハキャリア膜のウエハ接触部の周辺の剛性板
に固定される。第１流体導管により加圧流体源は第１空洞部に接続される。以後
使用される用語“加圧”は流体を所望の正圧に圧力をかけること、または真空を
与えることを意味する。内部ウエハキャリア膜も設けられ、好ましくは、軟質な
柔軟材料により製造される。内部ウエハキャリア膜はウエハキャリア部材のウエ
ハ接触部の裏面または内面と接触する部分を持ち、内部ウエハキャリア膜は剛性
板に接続され、主表面の少なくとも一部を横断して延び、その間に第２空洞部を
形成する。加圧流体源が第２空洞部に接続される第２流体導管が設けられる。
【００１３】 本発明の好ましい実施例において、剛性板の主表面は剛性板と膜間を流体が流
れるように複数の開口通路を有する。例えば、主表面は複数の放射状に延びる通
路により相互に接続される同心環状通路を有する。
【００１４】 ウエハキャリア膜の好ましい実施例は、フランジが外方向に延びるべローによ
り端部で接続されるウエハ接触部を有する。フランジは、主表面と保持部材に挟
まれ空洞部を形成する。内部ウエハキャリア膜の好ましい実施例は、ウエハキャ
リア膜のウエハ接触部の裏面または内部表面に接触させるための中央部分と、端
部で中央部分に接続されたべローと、フランジが主表面とロック部材の間に挟ま
れその間に第２空洞部を形成するために、べローに接続されかつそこから外方向
に延びるフランジを備えている。内部ウエハキャリア膜の変形実施例は、１）ウ
エハキャリア部分のウエハ接触部の裏面を接触させるための中央部分と、中央部
分に接続されかつそこから上方に延びる傾斜部分と、傾斜部分に接続され、空洞
部を形成するために剛性板に外周に封止め可能に接続された外部部分とを有する
単一膜と、２）ウエハキャリア膜のウエハ接触部の裏面を接触させる中央部分を
有するバルーン状膜を備えている。
【００１５】 研磨中、空洞部はウエハキャリア膜のウエハ接触部に近傍の研磨パッドにウエ
ハを押しつける半導体ウエハに対する力を作用させる流体で加圧される。ウエハ
キャリア膜は非常に薄く、軟質で、非常に柔軟なので、研磨すべき表面に対向す
る半導体ウエハの裏面に順応する。ウエハ表面の均等な微小凹凸に順応させるこ
とにより、ウエハ表面の欠陥により生じる点圧力を減少させ、均一の研磨を生じ
させる。適切な圧力をかけ、内部ウエハキャリア膜の実施例のいずれか一つをウ
エハキャリア膜のウエハ接触部の裏面に使用して、ウエハ中央近傍の局所圧力を
増加し、中心遅速問題を緩和する。
【００１６】 保持部材の底部端部は研磨パッドと接触し、研磨されている半導体ウエハ表面
とほぼ同一表面にある。この共面関係と、保持部材の内径と半導体ウエハの外径
との間の微小間隙は従来の研磨技術で発生する端部研磨効果を実質的に最小にす
る。保持部材は半導体ウエハの端部に到達する前に研磨パッドを予め圧縮する。
保持部材と半導体ウエハの端部との間の微小間隙のみで、研磨パッドは従来受け
た端部研磨効果を生じるように間隙に感知されるほどに拡張されない。
【００１７】 本発明のこれらおよび他の目的、利点、態様は以下の説明から明らかになるで
あろう。この記載において、発明の一部を形成する添付図面が参照され、本発明
の好ましい実施例が示されている。
【００１８】 （発明の実施の形態） 図面の参照において、同一参照番号はいくつかの図面にかかる対応構成要素を
表している。より具体的には、図１を参照すると、半導体ウエハ研磨装置はジン
バル構成（図示せず）により回転駆動機構に接続されたスピンドルシャフト１２
に取り付けられたキャリアヘッド１０を有する。スピンドルシャフト１２の端部
は流体がスピンドルシャフト１２とキャリア板１４との間から漏れるのを防止す
る軟質シールリング１６で剛性キャリア板１４に固着される。キャリア板１４は
平坦上面１８と平行下面２０を有する。
【００１９】 キャリア板１４の下面２０は図２に示されるように複数の溝部を有する。具体
的には、下面２０は直径の増加する順に３つに離間した同心環状溝部２３、２４
、２５を有する中央凹部領域２２を有する。周辺凹部２６は下面２０の周辺端部
の周囲に延びる。４つの軸溝部３１、３２、３３、３４は同心環状溝部２３、２
４および２５を通して、中央凹部２２から環状凹部２６に９０度毎に延びている
。従って、環状溝部２３−２５、中央凹部２２、周辺凹部２６の各々は軸溝部３
１−３４を介して相互に通じている。
【００２０】 ４つの開口部３６は、図１に示されるように、キャリア板１４を通して中央凹
部２２からスピンドルシャフト１２を受ける上面１８上の凹部に延在する。開口
部３６はスピンドルシャフト１２の端部を通して開口部３８と通じ、スピンドル
シャフト１２の中央孔３９からキャリア板１４の下面側に通じる通路を提供する
。
【００２１】 保持リング４０が周辺凹部２６でキャリア板１４の下面２０に取り付けられる
。この保持リング４０はキャリア板１４の周辺凹部２６に開口する開口部４４内
で受けられる複数の押さえねじ４２により固着される。円形ウエハキャリア膜４
６はキャリア板１４とキャリア板１４の下面２０を横断する保持リング４０間に
保持され、キャリア板１４下に柔軟ダイアフラムを形成する。円形ウエハキャリ
ア膜４６は数枚の軟質な弾性材料の薄膜シートが利用されるが、好ましくはモー
ルドポリウレタンで形成される。さらに、円形ウエハキャリア膜４６は単一のシ
ートに結合された数枚の軟質な弾性シートで形成しても良い。
【００２２】 図３をさらに参照すると、柔軟な円形ウエハキャリア膜４６は貫通して延びる
複数の開口部５０を有する比較的平坦な円形ウエハ接触部４８を有する。円形ウ
エハ接触部４８は０．５から３．０ミリの間の厚みであり、例えば、１．０ミリ
の厚みを有する。円形ウエハ接触部４８はべロー部５４を有する環状リム５２に
より囲まれ、キャリア板１４の下面２０と膜４６のウエハ接触部４８の裏面との
間で間隙が変動するのを可能にしている。ウエハ接触部４８から環状リム５２の
反対側の端部は押さえねじ４２により加えられる力に起因してキャリア板１４の
周辺凹状表面と保持リング４０間で圧縮される外方向に延びるフランジ５６を有
する。
【００２３】 半導体ウエハを処理するために、キャリアヘッド１０はウエハ蓄積領域上に移
動され、半導体ウエハ６０上に降下される。スピンドルシャフト１２は回転結合
器とバルブ（図示せず）により真空源に接続される。半導体ウエハ６０上に位置
決めされたキャリアヘッドで、真空バルブが開放され、キャリア板１４とウエハ
キャリア膜４６間に形成された空洞部５８を減圧する。この動作により、ウエハ
キャリア膜４６の小孔５０を介して空洞部５８内の空気を除去し、半導体ウエハ
６０をウエハキャリア膜４６に対して引く吸引力を発生させる。空洞部５８の吸
引により膜４６がキャリア板１４の下面２０に対して引かれ、表面内の溝部２３
−３４のパターンは空気が膜４６内の穴５０を介して吸引を継続するための通路
を与え、キャリアヘッド１０に対して半導体ウエハ６０を保持する。保持リング
４０の内径は半導体ウエハ６０の外径より５ミリ未満（好ましくは、１−２ミリ
未満）だけ大きい。
【００２４】 キャリアヘッド１０と装荷された半導体ウエハ６０は、図１に示されるように
、標準回転プラテン６４に搭載された従来の半導体ウエハ研磨パッド６２上を移
動する。キャリアヘッド１０は降下され、ウエハ６０は研磨パッド６２の表面と
接触する。次に、真空源のバルブは閉じられ、加圧流体がスピンドルシャフト１
２の孔３９に導入される。この流体は、好ましくは、半導体ウエハ６０の表面と
反応しない乾燥空気または窒素のようなガスであるが、消イオン化水のような液
体も使用可能である。流体は孔３９から開口部３８と３６を介してキャリア板１
４の下面２０の溝部２３−３４のパターンに流れ、キャリア板１４と柔軟ウエハ
キャリア膜４６間の空洞部に満たされる。この作用により、ウエハキャリア膜４
６のべロー５４を拡張させる空洞部５８を膨張させ、半導体ウエハ６０に抗して
圧力を加える。流体は半導体ウエハ６０と研磨パッド６２に塗布された研磨剤の
特性に依存する正確な圧力である１５ｐｓｉ未満（好ましくは、０．５ｐｓｉと
１０ｐｓｉの間）で加圧される。流体による圧力は半導体ウエハ６０に均等な下
方圧力を加える空洞部５８全体に均等に分配される。
【００２５】 膜４６は非常に薄いので、半導体ウエハ６０の上面または裏面に順応する。膜
４６は軟質で、非常に柔軟なのでウエハ表面の微小なばらつきに順応する。従っ
て、膜４６は半導体ウエハ６０の裏面で微小な汚染物質にさえ順応するので、キ
ャリア膜はウエハ６０と膜４６間に必要としない。
【００２６】 研磨作業中、キャリアヘッド１０は機械的に下方に押しつけられるので、保持
リング４０は研磨パッド６２を押し下げる。研磨パッド６２と接触する保持リン
グ４０の下部端部６５は研磨されている半導体ウエハ表面とほぼ同一表面にある
。この共通表面関係および保持リング４０の内径と半導体ウエハ６０の外径との
間の小差（＜５ミリ）により従来の研磨技術で遭遇する端部研磨効果をほぼ最小
化する。この研磨効果は、パッド６２に抗して回転するので、半導体ウエハ６０
の端部により研磨パッド６２の押し下げに起因する。図１に示されるように、本
キャリア・アセンブリの保持リング４０は研磨パッド６２を押し下げる。保持リ
ング４０の内部表面と半導体ウエハ６０の端部間には非常に小さい間隙しかない
ので、研磨パッド６２は間隙内でほとんど拡張せず、従来生じた極端な端部研磨
効果を解消することができる。
【００２７】 さらに、本ウエハキャリアヘッド１０は半導体ウエハの全領域で非常に均一な
研磨圧力を与えることができる。一体化したべロー５４を有するウエハキャリア
膜４６の非常な柔軟性と軟質度により、キャリア膜４６はパッドの変動、パッド
の状態、スラリー流量のような研磨処理のある態様で生じる可能性のある半導体
ウエハ６０の表面の小さい外乱に対応できる。柔軟なウエハキャリア膜４６はそ
のような変動を自動的に補償し、半導体ウエハ６０と研磨パッド６２間に均一な
圧力をかける。このような外乱に関係するどのようなエネルギーも半導体ウエハ
６０の局部研磨速度を増加させる代わりにウエハキャリア膜４６の後ろの空洞部
５８内の流体により吸収される。
【００２８】 図４−図６を参照すると、半導体ウエハ研磨装置はジンバル構成（図示せず）
により回転駆動機構に接続されるスピンドルシャフト１０２に搭載されたキャリ
アヘッド１００を有する。スピンドルシャフト１０２の端部は軟質シールリング
１１４を有する剛性キャリア板１１０に固定され、流体がスピンドルシャフト１
０２とキャリア板１１０間で漏洩するのを防止する。キャリア板１１０は好まし
くはステンレススチールで形成されるが、剛性で丈夫な特性を持つ代替え材料が
使用可能である。スピンドルシャフト１０２は簡単な摩擦嵌合具または当業者に
良く知られている他の取付手段を使用してキャリア板１１０に取り付けられる。
さらに、スピンドルシャフト１０２は、好ましくはステンレススチールから製造
されるが、どのような適当な材料でも作られる。ボタン部材１０６はスピンドル
シャフト１０２とキャリア板１１０間に設けられる。ボタン部材１０６は好まし
くはプラスチック材料から製造されるが、どのような適切な材料でもボタン部材
１０６として使用できる。追加の軟質シールリング１１６がボタン部材１０６と
スピンドルシャフト１０２間に設けられる。キャリア板１１０は平坦上面１１９
と平行下面１１８を有する。
【００２９】 配管１０７ａと１０７ｂは第１加圧源（図示せず）からキャリア板１１０に接
続されたファスナー１３２へ延びる第１導管を備えている。第１加圧源は配管１
０７ａと１０７ｂ内の流体に制御された圧力または真空を提供する従来のシステ
ムからなる。別の導管は配管１０４、通路１０８および開口部１１２からなる。
配管１０４の一端部は配管１０４内の流体に制御された圧力を提供する従来のシ
ステムからなる第２加圧源（図示せず）に接続される。配管１０４の反対側の端
部はボタン部材１０６内の通路１０８に接続される。好ましい実施例において、
ボタン部材１０６に４つに個別の通路１０８があるが、２つの通路１０８のみが
想像線で図示されている。通路１０８の使用数を変更することも可能である。通
路１０８は第２導管路を形成するためにキャリア板１１０で開口部１１２と交差
する。配管１０７ａ、１０７ｂ、１０４は空気圧および／または油圧システムに
使用するための従来の、好ましくは柔軟配管から構成される。カバー１４６はフ
ァスナー１４８を使用してキャリア板１１０に接続される。カバー１４６はキャ
リア１００の内部部品を外部の破片から保護する。
【００３０】 ウエハキャリア膜１３４は保持部材１４０とキャリア板１１０間に膜１３４の
フランジ１３８を挟むことによりキャリア板１１０に接続される。保持部材１４
０はファスナー１４２を使用してキャリア板１１０に接続される。ウエハキャリ
ア膜１３４はウエハキャリア膜１３４の位置１３３と１３５間の中央に配置され
たウエハ接触部を有する。従って、このウエハ接触部は好ましくは膜１３４内の
中央に配置された円形部から構成される。ウエハ接触部は貫通する複数の開口部
１４４を有する。ここでは２つの開口部１４４が示されているが、増減しても良
い。膜１３４は膜のフランジ１３８とウエハ接触部間に接続されたべロー１３６
を有する。空洞部１５４はウエハキャリア部材１３４とキャリア板１１０により
囲まれている。ウエハキャリア膜１３４は、好ましくはモールドポリウレタンで
形成されるが、数枚の軟質な弾性材料の薄いシートを使用してもよい。図４−図
８のウエハキャリア膜１３４は好ましくは図１−図３のウエハキャリア膜４６に
実質的に類似している。従って、ウエハキャリア部材１３４は単一の軟質な弾性
シートに接続された複数枚の材料シートから製造可能である。
【００３１】 内部ウエハキャリア膜１２２はロック部材１２８とキャリア板１１０間に膜１
２２のフランジ１２６を挟むことによりキャリア板１１０に結合される。ロック
部材１２８はコネクタ１３０でキャリア板１１０に接続される。位置１２３と１
２５間の膜１２２の区画はウエハキャリア部材１３４のウエハ接触部の裏面また
は内部表面を接触させるものである。この区画の膜１２２は好ましくは円形で、
膜１２２に対して中央に位置する。膜１２２はさらに膜の中央区画とフランジ１
２６間に配置されたべロー１２４を有する。追加の空洞部１２０が内部ウエハキ
ャリア膜１２２とキャリア板１１０間に形成される。空洞部１２０はウエハキャ
リア膜１３４により形成された空洞部１５４内に収納される。内部ウエハキャリ
ア膜１２２は好ましくはモールドポリウレタンで形成されるが、数枚の軟質な弾
性材料の薄いシートを使用してもよい。さらに、複数の材料シートを内部ウエハ
キャリア膜１２２用の単一の軟質な弾性シートに接続することも可能である。半
導体ウエハ１５０はウエハキャリア膜１３４、研磨パッド１５２、保持部材１４
０により包囲される。
【００３２】 図７と図８を参照すると、図４−図６に示されるキャリアヘッド１００の実施
例に類似するキャリアヘッド１００の２つの異なる実施例が示されている。図４
と図７を参照すると、図４の内部ウエハキャリア膜１２２は図７のエラストマー
２５４に置換されている。エラストマー２５４は図４の内部ウエハキャリア膜１
２２のべローとフランジ構成を持っていない。一般に、エラストマー２５４は独
特の形状を有する。具体的には、エラストマー２５４はウエハ１５０とほぼ平行
の周辺部２５４ａを有する。周辺部２５４ａはロック部材１２８とキャリア板１
１０間に挟まれている。エラストマー２５４の周辺から内方向に移動すると、エ
ラストマー部２５４ｂは周辺部２５４ａに対して下方に傾斜するように先細りし
ている。エラストマー部２５４ｂがウエハキャリア膜１３４に接近するにつれて
、エラストマー部２５４ｃは周辺部２５４ａとほぼ平行になる。さらに、エラス
トマー部２５４ｃはウエハキャリア膜１３４の内表面に突き当たっている。エラ
ストマー２５４は好ましくはモールドポリウレタンから形成されるが、数枚の軟
質な弾性材料の薄いシートでも実施できる。同様に、複数の材料シートはエラス
トマー２５４用の単一の軟質な弾性シートに接続される。
【００３３】 図４と図８を参照すると、図４の内部ウエハキャリア膜１２２は図８のバルー
ン状膜１５６に置換されている。バルーン状膜１５６は従来の方法を使用してキ
ャリア板１１０および／または配管１０４から送られる中央配管に接続される。
バルーン状膜１５６は好ましくはモールドポリウレタンで形成されるが、数枚の
軟質な弾性材料の薄いシートを使用できる。バルーン状膜１５６は単一のシート
に接着された数枚の軟質な弾性シートから製造することも可能である。
【００３４】 図１０を参照すると、キャリア板１１０の下面１１８の底面図が示されている
。図９の直径方向断面図は図１０に描かれた配置を理解するために示されている
。キャリア板１１０の下面１１８は複数の溝部を有する。この下面１１８は複数
の上昇部分１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃ、１１８ｄを有する。直径の増加する
順序に、３つの離間した同心環状溝部１６４、１６６、１６８が示されている。
環状凹部１７０は、下面１１８の上昇部分１１８ｄを取り囲んでいる。環状凹部
１７０はロック部材１２８を接続するための複数の開口部１７６を有する（図４
−図８を参照）。上昇表面１８６は環状凹部１７０を包囲している。上昇表面１
８６は圧力源または真空源を空洞部１５４に供給する複数の開口部１８８を有す
る。環状凹部１９０はキャリア板１１０の最外部を形成する。環状凹部１９０は
保持部材１４０を接続するファスナー１４２を受ける複数の開口部１９２を有す
る。下面１１８の中央上昇部分１１８ａは配管１０４と流体を連通させる複数の
開口部１１２を有する（図４−図８を参照）。軸溝部１７０−１７６は上昇表面
１１８ａの中心から表面１１８ｄに延びている。軸溝部１７０−１７６の深さは
好ましくは環状溝部１６４−１６８の深さを越えている。配管１０４と通路１０
８を介して供給される加圧流体は軸溝部１７０−１７６で流体と通じている開口
部１１２と環状溝部１６４−１６８と流体で通じており、空洞部１２０の加圧を
可能にする。追加の軸溝部１７８−１８４は上昇表面１８６に形成される。軸溝
部１７８−１８４は軸溝部１７０−１７６と流体で通じていない。従って、配管
１０７および開口部１８８を介して供給される加圧流体または真空は空洞部１５
４と通じている。
【００３５】 半導体ウエハ１５０を処理するために、キャリアヘッド１００はウエハ蓄積領
域上を移動し、半導体ウエハ１５０上に降下する。ウエハ１５０は分離したロボ
ットウエハ移送アームにより装荷される。スピンドルシャフト１０２は回転カッ
プリングおよびバルブ（図示せず）により真空源に接続される。半導体ウエハ１
５０上に位置決めされたキャリアヘッド１００で、真空バルブはキャリア板１１
０とウエハーキャリア膜１３４間に形成された空洞部１５４を減圧するために開
放される。この動作により、空気がウエハキャリア膜１３４内の微小開口部１４
４を介して空洞部１５４に引き込まれ、ウエハキャリア膜１３４に抗して半導体
ウエハ１５０を引き込む吸引力を発生する。このプロセスは当業者に“チャッキ
ング”と呼ばれ、図４に描写されている。空洞部１５４の吸引によりウエハキャ
リア膜１３４が上昇表面１８６に抗して引っ張られるが、表面１８６の軸溝部１
７８−１８４のパターンは空気が膜１３４内の開口部１４４を通じて供給され続
ける通路を提供し、それによりキャリアヘッド１００に抗して半導体ウエハ１５
０を保持する。軸溝部１７８−１８４を使用しないと有効なチャッキング効果が
得られない。保持部材１４０の内径は半導体ウエハ１５０の外径より５ミリ未満
（好ましくは１−２ミリ）だけ大きい。
【００３６】 キャリアヘッド１００とチャックされたウエハ１５０は、標準回転プラテン（
図示せず）に搭載された従来の半導体ウエハ研磨パッド１５２上を移動する。キ
ャリアヘッド１００は降下するので、ウエハ１５０は研磨パッド１５２の表面と
接触する。続いて、真空源のバルブが閉じられ、加圧流体がスピンドルシャフト
１０２内の配管１０７ａと１０７ｂに導入される。この流体は、好ましくは、半
導体ウエハ１５０の表面と反応しない乾燥空気または窒素のようなガスであるが
、消イオン化水のような液体も使用可能である。加圧流体は配管１０７ａと１０
７ｂを介して、さらに導管ファスナー１３２を介して空洞部１５４内に流れる。
さらに、加圧流体はべロー１３６を拡張させるウエハキャリア膜１３４の内部表
面に抗する力を生じさせ、研磨パッド１５２およびプラテンにより支持されてい
る半導体ウエハ１５０に抗する下方向の力を加える。ウエハキャリア膜１３４に
抗する半導体ウエハ１５０の対向力は開口部１４４および空洞部１５４を封じる
。流体の圧力は半導体ウエハ１５０に均等な下方向の力を加えながら、空洞部１
５４全体に等分に分配される。配管１０７ａと１０７ｂを介して供給される圧力
を調整して、膜１３４により半導体ウエハ１５０に対して加えられるほぼ均一な
下方向の力が制御される。流体は半導体ウエハ１５０と研磨パッド１５２に加え
られる研磨剤の特性に依存する正確な圧力で、１５ｐｓｉ未満（好ましくは、０
．５ｐｓｉと１０ｐｓｉの間）で加圧される。
【００３７】 ウエハキャリア膜１３４は非常に薄いので、半導体ウエハ１５０の表面または
裏面に順応する。膜１３４はウエハ表面内の微小な凹凸に等分に順応するほど軟
質で、非常に柔軟である。従って、膜１３４が半導体ウエハ１５０の裏面の微小
表面汚染物質にも等分に順応するので、キャリア膜をウエハ１５０と膜１３４間
に設ける必要がない。
【００３８】 図５を参照すると、外部膜（例えば、ウエハキャリア膜１３４）のみが半導体
ウエハ１５０を研磨するために使用される。内部ウエハキャリア膜１２２は図５
に使用されていない。さらに、キャリアヘッド１００の各実施例は、図４−図８
に示されるように、ある状態で動作可能であり、外部膜（例えば、ウエハキャリ
ア膜１３４）のみが半導体ウエハ１５０を研磨するために使用される。半導体ウ
エハ１５０を研磨するために外部膜１３４のみ使用すると、キャリアヘッド１０
０は実質的に図１−図３のキャリアヘッド１０のように動作する。しかしながら
、キャリアヘッド１００の各実施例は、図４−図８に示されるように、中央部で
除去作用が遅い問題を解決するために選択的に使用できる内部ウエハキャリア膜
を持っている。
【００３９】 具体的に、図６を参照すると、加圧流体は通路１０８，開口部１１２，空洞部
１２０と連通している配管１０４に導入される。加圧流体が空洞部１２０に導入
されると、べロー１２４は下方向に拡張し、内部ウエハキャリア膜１２２の位置
１２３と１２５間の中央部の少なくとも一部をウエハキャリア膜１３４の内部表
面に押しつける。配管１０４を介して空洞部１２０に加えられる圧力を制御して
、ウエハキャリア膜１３４に対する内部ウエハキャリア膜１２２により加えられ
る力の大きさを制御できる。このように、局所の、より高い圧力の一部は半導体
ウエハ１５０の中央領域近傍に加えられる。具体的には、内部ウエハキャリア膜
１２２の位置１２３と１２５間の距離に等しいまたはそれ以下の適正な直径を有
する円形領域下にある半導体ウエハ１５０の一部は増大した圧力を受ける。
【００４０】 図６はそれぞれ配管１０４および１０７を介して加圧流体に曝されている空洞
部１２０と１５４を示している。内部ウエハキャリア膜１２２の少なくとも一部
はウエハキャリア膜１３４に対して力を受け、膜１２２と１３４が接する半導体
ウエハ１５０により大きな力を作用させる。膜１２２と１３４が接するように加
えられるより大きな力は半導体ウエハ１５０上のこの領域直下での除去速度がよ
り大きくなるのを容易にする。空洞部１２０に導入される流体の圧力を制御する
ことにより、膜１２２と１３４間の接触の程度と、半導体ウエハ１５０に加えら
れる局部のより高い圧力の大きさを制御し、半導体ウエハ１５０の中央付近の増
加した除去速度を制御する事ができる。
【００４１】 図７を参照すると、ウエハキャリア膜１３４は空洞部１５４の加圧による半導
体ウエハ１５０と強制的に下方向の接触状態にある。同様に、エラストマー２５
４はウエハキャリア膜１３４と強制的に下方向の接触状態にある。具体的に、エ
ラストマー２５４の突合せ区画２５４ｃは空洞部１２０の加圧によりウエハキャ
リア膜１３４と強制的に下方向の接触状態にある。空洞部１２０の圧力を制御す
ることにより、半導体１５０上の突合せ区画２５４ｃ直下の材料の除去速度が制
御された方法で増加し、中央部の除去が遅い問題を解決できる。
【００４２】 図８を参照すると、ウエハキャリア膜１３４は空洞部１５４の加圧により半導
体ウエハ１５０と強制的に下方向の接触状態にある。同様に、バルーン状膜１５
６は配管１０４を通じて加圧され、バルーン状膜１５６の一部をウエハキャリア
膜１３４に対して強制的に下方向に接触させる。バルーン状膜１５６に加えられ
る適正な圧力を選択する工程と組み合わせて、適切なサイズのバルーン状膜１５
６を選択することにより、ウエハキャリア膜１３４とバルーン状膜１５６が接触
する領域直下の半導体ウエハ１５０の除去速度を制御できる。
【００４３】 本ウエハキャリアヘッド１００のこれらの特徴により、回路製造のためのウエ
ハ表面全体の使用を可能にするために要望に応じて半導体ウエハを均一または不
均一に研磨することができる。
【００４４】 上述の装置は単に例示であり、本発明の範囲を制限するものでなく、種々の変
形が本発明の範囲に含まれる技術における当業者により実施できることを理解す
べきである。例えば、１つ以上の内部ウエハキャリア膜が使用でき、１つまたは
複数の内部ウエハキャリア膜の使用不使用にかかわらず、必ずしも半導体ウエハ
表面に対して中心に配置する必要はない。プラテン上方のキャリアで説明された
が、当業者は異なる方向の部品配置で同様な結果を達成できるであろう。
【００４５】 さらに、用語“ウエハ”または“半導体ウエハ”はここでは広範囲に使用され
た。しかしながら、用語“被加工物”としてさらに一般的に呼称することができ
る。用語“被加工物”は半導体ウエハおよび、露出したシリコン、または能動素
子若しくは回路を搭載若しくは非搭載した基板のような他の半導体基板、および
部分的に処理されたウエハ、さらにはシリコンオン絶縁物、ハイブリッド・アセ
ンブリ、平坦パネル表示装置、マイクロ電気機械センサー（ＭＥＭＳ）、ＭＥＭ
Ｓウエハ、ハードコンピュータディスク、または平坦化から利益を得る他の材料
を含むことを意図している。さらに、用語“研磨速度”は１００オングストロー
ム／分と１ミクロン／分との間の任意の材料除去速度を意味することを意図して
いる。
【００４６】 以上の説明から、本発明のキャリアヘッドによれば、半導体ウエハの全領域に
均一な圧力を掛けることができる。さらに、本発明のキャリアヘッドによれば、
半導体ウエハの裏面に接触し、この裏面の凹凸に順応するキャリアの表面を提供
することができる。従来のキャリアにより生じるような半導体ウエハ端部付近の
より大きな腐食を除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１はウエハキャリアを貫いて直径に沿って示される断面図である。
【図２】 図２は剛性板の底面図である。
【図３】 図３は軟質ウエハキャリア膜を示す図１の一部の拡大断面図である。
【図４】 図４は半導体ウエハをチャックするキャリアを示す本発明のウエハキャリアの
他の実施例の直径に沿って示される断面図である。
【図５】 図５はウエハキャリア膜に関係した空洞部の加圧を示す図４のウエハキャリア
の直径に沿って示される断面図である。
【図６】 図６は２つの膜に関係した空洞部の加圧を示す図４のウエハキャリアの直径に
沿って示される断面図である。
【図７】 図７は本発明のウエハキャリアの他の実施例の直径に沿って示される断面図で
ある。
【図８】 図８は本発明のウエハキャリアの他の実施例の直径に沿って示される断面図で
ある。
【図９】 図９は図４からウエハキャリアの一部の直径に沿って示される断面図である。
【図１０】 図１０はキャリアの剛性板の底面図である。
【符号の説明】
１０、１００ キャリアヘッド １２ スピンドルシャフト １４、１１０ キャリア板 １６ 軟質シールリング ２３、２４、２５ 同心環状溝部 ３６ 開口部 ４０ 保持リング ４６、１３４ ウエハキャリア膜 ４８ ウエハ接触部 ５２ 環状リム ５４ べロー部 ５８、１５４ 空洞部 ６０、１５０ 半導体ウエハ ６２、１５２ ウエハ研磨パッド １０２ スピンドルシャフト １０４、１０７ 配管 １０６ ボタン部材 １３８ フランジ １４０ 保持部材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 4717 Ｅ． Ｈｉｌｔｏｎ Ａｖｅｎｕ ｅ， Ｐｈｏｅｎｉｘ， ＡＺ 85034， ＵＳＡ (72)発明者 アダムス， ジョン エイ． アメリカ合衆国 92026 カリフォルニア 州 エスコンディード， ラニング クリ ーク レイン 9785 (72)発明者 ビビー， トーマス フレデリック エ イ． アメリカ合衆国 85392 アリゾナ州 ギ ルバート， イー． コンスティトゥーシ ョン ドライブ 320 Ｆターム(参考） 3C058 AA07 AA12 AB04 BB04 DA12 DA17

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 被加工物の表面を化学・機械的に平坦化処理する装置のため
    のキャリアであり、前記キャリアが、 主表面を有する剛性板と、 外部表面と内部表面を有し、前記外部表面が前記被加工物の反対表面と接触す
    るウエハ接触部を有する、軟質な柔軟材料からなるウエハキャリア膜であり、さ
    らに前記剛性板と接続されかつ前記主表面の少なくとも一部を横断して延び、そ
    の間に第１空洞部を形成するウエハキャリア膜と、 前記ウエハ接触部の内部表面と接触する外部表面を持つ区画を有し、さらに前
    記剛性板に接続されかつ前記主表面の少なくとも一部を横断して延び、その間に
    第２空洞部を形成する内部ウエハキャリア膜と、 加圧流体源を前記第１空洞部に接続する第１流体導管と、 加圧流体源を前記第２空洞部に接続する第２流体導管と、 を備えたことを特徴とするキャリア。
  2. 【請求項２】 前記ウエハキャリア膜のウエハ接触部の周囲の前記剛性板に
    固定された保持部材をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のキャリア。
  3. 【請求項３】 前記ウエハキャリア膜がウエハ接触部を貫通する複数の開口
    部を備えたことを特徴とする請求項１記載のキャリア。
  4. 【請求項４】 前記ウエハ接触部の前記ウエハキャリア膜がほぼ均一の厚み
    を備えたことを特徴とする請求項１記載のキャリア。
  5. 【請求項５】 前記ウエハキャリア膜のウエハ接触部の周囲が前記剛性板に
    接続されたべローに接続されていることを特徴とする請求項１記載のキャリア。
  6. 【請求項６】 前記ウエハキャリア膜が前記べローの周囲に延び、前記剛性
    板に突き当たるフランジをさらに備えたことを特徴とする請求項５記載のキャリ
    ア。
  7. 【請求項７】 前記ウエハキャリア膜がウエハ接触部に取り付けられた第１
    端部と、第２端部と、前記第２端部から突出し、前記剛性板の主表面と前記保持
    部材の間に挟まれたフランジをさらに備えたことを特徴とする請求項２記載のキ
    ャリア。
  8. 【請求項８】 前記剛性板が前記主表面に複数の通路を有し、前記流体導管
    が前記複数の通路と連通することを特徴とする請求項１記載のキャリア。
  9. 【請求項９】 前記剛性板が前記主表面に複数の同心環状通路を備えたこと
    を特徴とする請求項１記載のキャリア。
  10. 【請求項１０】 前記剛性板が複数の前記同心環状通路を相互に接続する複
    数の同軸溝部をさらに有することを特徴とする請求項１記載のキャリア。
  11. 【請求項１１】 前記内部ウエハキャリア膜が軟質な柔軟材料であることを
    特徴とする請求項１記載のキャリア。
  12. 【請求項１２】 前記被加工物は外周を有し、前記保持部材は前記被加工物
    の外周より５ミリ未満大きい外周を有することを特徴とする請求項２記載のキャ
    リア。
  13. 【請求項１３】 前記保持部材は化学・機械的平坦化処理を受ける被加工物
    の表面とほぼ同一表面にある表面を有することを特徴とする請求項２記載のキャ
    リア。
  14. 【請求項１４】 前記空洞部内に流体をさらに有し、前記流体が空気、窒素
    、および水からなるグループから選択されることを特徴とする請求項１記載のキ
    ャリア。
  15. 【請求項１５】 前記内部ウエハキャリア膜の前記ウエハ接触部分の周囲が
    前記剛性板に接続されたべローに結合されることを特徴とする請求項１記載のキ
    ャリア。
  16. 【請求項１６】 前記内部ウエハキャリア膜は前記べローの周囲に延び、前
    記剛性板に突き当たるフランジをさらに備えたことを特徴とする請求項１５記載
    のキャリア。
  17. 【請求項１７】 前記内部ウエハキャリア膜が前記内部ウエハキャリア膜の
    前記ウエハ接触部に取り付けられた第１端部と第２端部を有するべローと、前記
    第２端部から突出し、前記主表面とロック部材間に挟まれたフランジをさらに有
    することを特徴とする請求項１記載のキャリア。
  18. 【請求項１８】 前記ウエハキャリア膜と前記内部ウエハキャリア膜は互い
    に接続されることを特徴とする請求項１記載のキャリア。
  19. 【請求項１９】 前記ウエハ接触部と接触する前記ウエハ接触部の面積が前
    記ウエハに対応する面積以下であることを特徴とする請求項１記載のキャリア。
  20. 【請求項２０】 前記第２空洞部が前記第１空洞部内にあることを特徴とす
    る請求項１記載のキャリア。
  21. 【請求項２１】 被加工物の表面を化学・機械的に平坦化処理する装置のた
    めのキャリアであり、前記キャリアが、 主表面を有する剛性板と、 外部表面と内部表面を有し、前記外部表面が前記被加工物の反対表面と接触す
    るウエハ接触部を有する、軟質な柔軟材料からなるウエハキャリア膜であり、さ
    らに前記剛性板と接続されかつ前記主表面の少なくとも一部を横断して延び、そ
    の間に第１空洞部を形成するウエハキャリア膜と、 前記ウエハ接触部の内部表面と接触する区画を有するバルーン状部からなる内
    部ウエハキャリア膜と、 加圧流体源を前記第１空洞部に接続する第１流体導管と、 加圧流体源を前記バルーン状部分により形成された第２空洞部に接続する第２
    流体導管と、 を備えたことを特徴とするキャリア。
  22. 【請求項２２】 被加工物の表面を化学・機械的に平坦化処理する装置のた
    めのキャリアを動作させる方法において、前記方法が、 主表面を有する剛性板を設ける工程と、 ウエハキャリア膜のウエハ接触部の外部表面が前記被加工物の反対表面と接触
    するように、軟質な柔軟材料からなるウエハキャリア膜と前記主表面の間に形成
    された第１空洞部を加圧する工程と、 前記内部ウエハキャリア膜の一区画の外部表面が前記ウエハキャリア膜の内部
    表面と接触するように、軟質な柔軟材料からなる内部ウエハキャリア膜と前記主
    表面の間に形成された第２空洞部を加圧する工程と、 を備えたことを特徴とする方法。
  23. 【請求項２３】 被加工物の表面を化学・機械的に平坦化処理する装置のた
    めのキャリアを動作させる方法において、前記方法が、 前記被加工物の表面全体に貫通する少なくとも１つの開口部を有する膜を含む
    前記キャリアを位置決めする工程と、 前記膜に対して前記被加工物をチャックするために各開口部を介して真空にす
    る工程と、 前記キャリアと前記チャックされた被加工物を研磨表面に対して移動させる工
    程と、 各開口部を介して真空を開放する工程と、 前記キャリアの表面と前記膜との間に配置された空洞部に加圧流体を加える工
    程と、 を備えたことを特徴とする方法。
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