JP2003124170A - ウェーハ研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半径方向に緩やかに変化する膜厚・膜質分布や
研磨形状分布を補正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】保護シート３４に対向するキャリア２４の
表面には、外周部近傍に形成されたエア供給経路３６
と、エア供給経路に対してそれよりも内周側に形成され
た複数のエア排出経路３８とが設けられ、かつ、エア供
給経路及びエア排出経路は供給されるエア量及び排出さ
れるエア量を制御するエア制御手段に連結される。エア
供給経路とエア排出経路とは、キャリア２４の表面に設
けられた円周方向の溝と連通しており、エア制御手段に
より、保護シートをウェーハに向けて押し付ける押圧力
がウェーハの外周部から中央部に向けて変化するように
構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、化学的機械研磨法
（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing ）によるウ
ェーハ研磨装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のＣＭＰでは、ウェーハ全面を研磨
パッドに均一な圧力で押圧すれば、ウェーハ全面を均一
に研磨できると考えられていた。

【０００３】しかしながら、近年、Ｃｕダマシンプロセ
スに用いられるＣＭＰでは、ＣＭＰ前工程であるメッキ
工程などで生じる膜厚ばらつき及びメッキ工程後のアニ
ール処理により生じる膜厚ばらつきなどにより、研磨初
期状態が必ずしも均一でないウェーハがＣＭＰに供給さ
れ、ＣＭＰでこのばらつきを修正するような研磨が要求
されている。

【０００４】このような膜厚ばらつきは、図６に示すよ
うに大抵の場合、円対称に分布を持つ。すなわち、ウェ
ーハＷの周方向には一様であるが、半径方向にＣｕ膜の
膜厚分布があるということである。図６は、ウェーハＷ
の中央部から外周部に向けて膜厚が厚くなっている例が
示されている。このような半径方向の膜厚・膜質分布
は、緩やかな放物線形状であることが多い。

【０００５】膜厚ばらつきの補正用研磨装置として、米
国特許第５７６２５３９号公報、及び米国特許第５９６
４６５３号公報には、ウェーハをエアバッグで押さえ付
けて研磨する研磨装置が開示されている。この研磨装置
は、エアバッグをウェーハの中心部から外周部にかけて
三つの領域に分割し、これらのエアバッグでウェーハを
押すとともに三つの領域の押圧分布を変化させることに
より、ウェーハを平坦に研磨しようとしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、米国特
許第５７６２５３９号公報、及び米国特許第５９６４６
５３号公報に記載された研磨装置は、三つの領域にウェ
ーハを押す領域を分けているために押圧する領域が限ら
れるという欠点があった。特に、領域の境目部分は節の
部分になり、押圧調整ができない。また、緩やかな研磨
形状補正に対し、三つの領域の圧力分布で調整するた
め、ウェーハに与える圧力分布形態が段階的になり、圧
力分布を放物形状に連続的に緩やかに変化させて研磨形
状を補正することができない。そのため、三つの領域で
押圧割合を変化させたとしても、連続的な緩やかな研磨
形状を完全に補正することはできない。

【０００７】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、半径方向に緩やかに変化する膜厚・膜質分布や
研磨形状分布を補正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。

【０００８】

【課題を解決するための手段】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で保持し、該保持
ヘッドを介してウェーハを研磨パッドに押し付けて研磨
するウェーハ研磨装置において、前記保持ヘッドは、ウ
ェーハを前記研磨パッドに押し付ける保護シートと、該
保護シートの周囲を保持するリテーナと、ウェーハ領域
に該当する部分の保護シートをウェーハに向けて押し付
けるキャリアとから構成され、保護シートに対向するキ
ャリアの表面には、外周部近傍に形成されたエア供給経
路と、前記エア供給経路に対してそれよりも内周側に形
成された複数のエア排出経路とが設けられ、かつ、 前記
エア供給経路及びエア排出経路は供給されるエア量及び
排出されるエア量を制御するエア制御手段に連結されて
おり、前記エア供給経路とエア排出経路とは、それぞ
れ、保護シートに対向するキャリアの表面に設けられた
円周方向の溝と連通しており、前記エア制御手段で供給
されるエア量及び排出されるエア量が制御されることに
より、保護シートをウェーハに向けて押し付ける押圧力
がウェーハの外周部から中央部に向けて変化するように
構成されていることを特徴とするウェーハ研磨装置を提
供する。

【０００９】請求項１に記載の発明は、従来のキャリア
では困難であった緩やかな研磨形状補正を可能とする。
すなわち、ウェーハに与える圧力分布に関して、キャリ
アと保護シートとの間にエア動圧分布を形成することに
より、ウェーハ外周部に与える圧力分布とウェーハ中央
部に与える圧力分布とを連続的に緩やかに変化させるこ
とができる。よって、緩やかに半径方向に変化するウェ
ーハの凹凸形状を精度よく平坦に補正することができ
る。

【００１０】請求項２に記載の発明のように、ウェーハ
の中央部が外周部よりも研磨レートが低い場合、すなわ
ちウェーハの研磨形状が凹形状の場合には、ウェーハの
外周部から中央部に向けて圧力が低くなるエア動圧分布
に設定する。これによって、緩やかに半径方向に変化す
るウェーハの凹凸形状を精度よく平坦に補正できる。

【００１１】先に示した従来技術においては、ウェーハ
押圧調整機構に関し、静圧状態でウェーハを押すため、
区切られた押圧領域内は均等な圧力分布になる。この均
等な圧力分布状態が三領域に分けられるため、ウェーハ
に与える圧力分布は不連続になる。

【００１２】これに対し、本発明では研磨中に常時エア
供給経路からエアを供給している。この供給されたエア
が抜ける経路は、キャリアとリテーナとの間の隙間から
とエア排出経路からと二つある。エア排出経路は、エア
の抜け道にもなるが、場合によっては強制的にエアを供
給することも可能である。

【００１３】研磨中常時エアが流れているためにエアフ
ロート状態を形成しており、キャリアと保護シートとの
間の隙間は静圧状態ではなく、動圧状態に保たれてい
る。これにより、エア動圧分布が形成される。

【００１４】一方で静圧状態下では、この保護シートと
キャリアとの間の空間は同じ圧力に保たれていることに
なるが、動圧状態下にすることにより、エア供給経路の
供給圧力とエア排出経路の圧力（負圧すなわち吸引圧力
又は正圧）とを調整することにより、ウェーハの外周部
と内周部との間で緩やかな圧力分布勾配をつけることが
できる。なお、エア排出経路の圧力を負圧にする代わり
に、大気開放する場合も同様である。

【００１５】先に示した従来技術のように、エア供給領
域を隔離した場合では、圧力が段階的に変化するが、本
願発明のようにエア供給領域を同一領域にした場合に
は、自然に圧力勾配が緩やかになるため、先の従来技術
のような不連続な圧力分布状態にはならない。

【００１６】

【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。

【００１７】図１は、ウェーハ研磨装置１０の全体構成
を示す斜視図である。同図に示すウェーハ研磨装置１０
は、主として研磨定盤１２とウェーハ保持ヘッド１４と
で構成される。

【００１８】研磨定盤１２は円盤状に形成され、その下
面中央には回転軸１６が連結される。研磨定盤１２は、
回転軸１６に連結されたモータ１８を駆動することによ
り回転する。また、研磨定盤１２の上面には、研磨パッ
ド２０が貼付され、研磨パッド２０上に図示しないノズ
ルからスラリが供給される。

【００１９】ウェーハ保持ヘッド１４は、 図２に示すよ
うに、主としてヘッド本体２２、キャリア２４、キャリ
ア駆動機構２６、キャリア押圧機構２８、リテーナーリ
ング（リテーナに相当）３０、 リテーナーリング押圧機
構３２、 及び保護シート３４等から構成される。

【００２０】ヘッド本体２２は円盤状に形成され、その
上面中央に回転軸２２Ａが連結される。ヘッド本体２２
は、この回転軸２２Ａに連結された図示しないモータの
駆動で回転する。

【００２１】キャリア２４は円盤状に形成され、ヘッド
本体２２の下部中央に配置される。図３、図４に示され
るように、このキャリア２４の保護シート３４と対向す
る下面には、その外周部近傍に複数のエア供給経路すな
わちエア供給孔（図３では２本のエア供給孔のみ図示）
３６、３６…が同心円上に所定の間隔で形成される。ま
た、エア供給孔３６の内側には、キャリア２４の中心軸
を中心として同心円上かつ複数の半径位置にエア排出経
路すなわちエア排出孔３８、３８…が所定の間隔で形成
されている。

【００２２】エア供給孔３６は、ヘッド本体２２に取り
付けられた不図示のロータリージョイントを介して、図
３に示すレギュレータ４０及びエア供給手段４２に連結
されている。エア供給手段４２は、レギュレータ４０に
圧縮エアを供給するエアポンプを含む。エアポンプから
レギュレータ４０に供給された圧縮エアがレギュレータ
４０で流量が制御された後、エア供給孔３６、３６…を
介して保護シート３４の外周部（ウェーハＷの外周部の
領域）に噴射される。噴射されたエアは、キャリア２４
とリテーナーリング３０との間に形成された隙間２５及
びエア排出孔３８からヘッド本体２２の外部に排気され
る。

【００２３】エア排出孔３８も同様に、不図示のロータ
リージョイントを介してレギュレータ４４及びエア排出
手段４６に連結されている。このエア排出手段４６の先
端部は大気に開放されている。

【００２４】上記のエア供給手段４２、レギュレータ４
０及び、 エア供給孔３６に到るまでの経路（以上、エア
供給側）、及び、 エア排出手段４６、レギュレータ４４
及びエア排出孔３８に到るまでの経路（以上、エア排出
側）の全てでエア制御手段が構成される。

【００２５】なお、図３のエア排出手段４６は、単に先
端部が大気に開放されている配管であるが、エア排出手
段４６により微妙なコントロールが要求される場合に
は、以下の構成も採り得る。すなわち、エア排出手段４
６には、図示しない三方弁の一方弁を介して正圧ライン
が接続され、また、三方弁の他方弁及びレギュレータを
介して負圧ラインと大気開放ラインとが分岐されて接続
される。正圧ラインはエア排出手段に圧縮エアを供給す
るエアポンプを含む。正圧ラインを使用した場合には、
エアポンプからレギュレータ４４に供給された圧縮エア
がレギュレータ４４で流量が制御された後、エア排出孔
３８、３８…を介して保護シート３４の中央部（ウェー
ハＷの中央部の領域）に噴射される。

【００２６】図４に示されるように、キャリア２４の表
面に設けられた円周方向の溝８０、８０…は、エア供給
経路（エア供給孔）３６、３６…及びエア排出経路（エ
ア排出孔）３８、３８…と連通している。

【００２７】このように、キャリア２４の表面に円周方
向の溝８０、８０…が設けられていれば、キャリア２４
と保護シート３４との間において、エア供給孔３６、３
６…から供給されるエア、および、エア排出孔３８、３
８…へ排出されるエアの流れが、溝８０、８０…が設け
られていない場合と比較してより円滑となる。

【００２８】図４に示される構成では、エア供給孔３
６、３６…と連通する溝８０、８０…は、外周部近傍に
形成された第一の溝８０Ａと、第一の溝の内周側に形成
された第二の溝８０Ｂと、第一の溝と第二の溝とを連通
させる径方向の連通溝８０Ｃとより構成されている。こ
の溝の構成は円周方向に９分割されて設けられている。

【００２９】この溝の構成を使用する目的は、 ウェーハ
Ｗの外周から所定領域までは同じ押圧力を与え、それよ
り内周側は中央部に向けて圧力が低くなるように押圧力
を与えるためである。この溝の構成を使用するか、また
は、単なる１条の溝（第一の溝のみ）とするかは、ウェ
ーハの凹凸形状により選択すればよい。

【００３０】この溝の構成の内側には、エア排出孔３
８、３８…と連通する溝８０、８０…が同心円状に設け
られている。図４に示される構成では、溝８０、８０…
は同一間隔で設けられているが、 たとえば、ウェーハの
凹凸形状によりそれぞれの間隔を変えて設けてもよい。
また、溝８０、８０…は円周上に切れ目なく設けられて
いるが、所定の個数に分割してもよい。

【００３１】保護シート３４の変形形状に対応する、キ
ャリアと保護シートとの間に生じるエア動圧分布は、エ
ア供給孔３６、３６…から噴射されるエア圧力（流量）
を適宜制御することにより変更することができる。よっ
て、図５に示されるのように保護シート３４の中央部を
上に凸の形状に変形させるようなエア動圧分布を形成す
ることにより、図６に示される中央部が凹形状の膜厚ば
らつきを有するウェーハＷを精度よく平坦に研磨するこ
とができる。

【００３２】すなわち、エア供給孔３６、３６…から噴
射されるエアは、外周側のエア排出孔３８、３８…から
排出されていき、内周側に行くに従ってエア排出孔３
８、３８…から排出されるエア量は減少していく。これ
により、押圧力はウェーハの外周部から中央部に向けて
圧力が低くなるように構成される。

【００３３】なお、保護シート３４としては、ＰＥＴシ
ートのほか、ポリエチレンシート、ポリプロピレンシー
ト、ポリイミドシート、ウレタンシート、ＰＦＡ、ＰＴ
ＦＥ等のフッ化エチレン系シート、クロロプレンゴムや
ニトリルゴム等のゴムシート、極薄（１００μｍ以下）
のＳＵＳシートを適用できる。

【００３４】すなわち、エア供給孔３６、エア排出孔３
８によるエア層で形成されたエア動圧分布をウェーハＷ
に伝達するのに十分な可撓性があり、かつ、ウェーハＷ
を汚染しない材料であれば適用できる。一例として、樹
脂系材料、ゴム材料又は樹脂をコーティングした金属材
料を挙げることができる。

【００３５】レギュレータ４０、４４の開閉は、ＣＰＵ
（制御手段に相当）５８によって制御されている。ＣＰ
Ｕ５８は、予め基準条件で研磨して得られた研磨形状に
基づき、この研磨形状を補正するようにレギュレータ４
０、４４を制御する。

【００３６】キャリア駆動機構２６は、図２に示すよう
に、ドライブシャフト６０、ドライブプレート６２、ド
ライブピン６４で構成される。ドライブシャフト６０は
円柱状に形成され、その上端部がヘッド本体２２の下面
中央に連結される。ドライブプレート６２は、このドラ
イブシャフト６０の下端部に連結される。ドライブプレ
ート６２は円盤状に形成され、キャリア２４の上面中央
部に形成された円形状の凹部６６に嵌合される。この凹
部６６内に、ドライブピン６４が嵌合され、ドライブピ
ン６４はドライブプレート６２に形成された図示しない
ピン孔に嵌合される。

【００３７】以上のように構成されたキャリア駆動機構
２６は、ヘッド本体２２を回転させると、その回転がド
ライブシャフト６０を介してドライブプレート６２へと
伝達され、そのドライブプレート６２の回転がドライブ
ピン６４を介してキャリア２４に伝達される。

【００３８】キャリア押圧機構２８は、 キャリア用エア
バッグ６８とキャリア用押圧部材７０とで構成される。
キャリア用エアバッグ６８はドーナツ状に形成され、ヘ
ッド本体２２の下面外周部に配置される。このキャリア
用エアバッグ６８はゴムシートで形成され、図示しない
エア供給手段から供給されるエアの吸排気で膨張、収縮
する。キャリア用押圧部材７０は、ほぼ円筒状に形成さ
れ、その下端部がキャリア２４の上面外周部に固定され
る。

【００３９】以上のように構成されたキャリア押圧機構
２８は、キャリア用エアバッグ６８を膨張させると、キ
ャリア用押圧部材７０がキャリア用エアバッグ６８によ
って下方に押圧される。これにより、キャリア２４が下
方に押圧される。

【００４０】リテーナーリング３０は、キャリア２４の
外周に配置される。このリテーナーリング３０は、リテ
ーナーリング本体３０Ａとリテーナーリングホルダ３０
Ｂとで構成され、リテーナーリング本体３０Ａとリテー
ナーリングホルダ３０Ｂとによって保護シート３４の外
周部が挟持されるとともに張設されている。リテーナー
リングホルダ３０Ｂは円筒状に形成され、その下部にリ
テーナーリング本体３０Ａが取り付けられる。リテーナ
ーリング本体３０Ａは、接着により又はボルトで複数箇
所をねじ止めされることにより、リテーナーリングホル
ダ３０Ｂに固定される。

【００４１】リテーナーリング押圧機構３２は、リテー
ナーリング用エアバッグ７２とリテーナーリング用押圧
部材７４とで構成される。リテーナーリング用エアバッ
グ７２は、ほぼドーナツ状に形成され、ヘッド本体２２
の下面中央部周縁に配置される。このリテーナーリング
用エアバッグ７２はゴムシートで形成され、図示しない
エア供給手段から供給されるエアの吸排気で膨張、収縮
する。リテーナーリング用押圧部材７４は筒状に形成さ
れ、その下端部が部材８４を介してリテーナーリング３
０に連結されている。

【００４２】以上のように構成されたリテーナーリング
押圧機構３２は、リテーナーリング用エアバック７２を
膨張させると、リテーナーリング用押圧部材７４がリテ
ーナーリング用エアバッグ７２によって下方に押圧され
る。これにより、リテーナーリング３０が下方に押圧さ
れて、研磨パッド２０に押し付けられる。

【００４３】なお、実施の形態では、エア経路をエア供
給手段４２とエア排出手段４６とに二分割したが、これ
に限定されるものではなく、エア供給孔の本数に対応し
た本数だけエア経路を形成し、一本のエア経路毎にエア
圧力、流量を制御すれば、更に緩やかなエア動圧分布を
形成することができる。

【００４４】また、様々なスラリーや研磨パッドの組み
合わせに対しても、研磨圧力分布状態を調整することに
より、均一な研磨形状を得ることができる。

【００４５】

【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、キャリアと保護シートとの間に
連続して変化したエア動圧分布を形成し、エア動圧分布
を保護シートを介してウェーハに与えてウェーハを研磨
するので、初期形態が均一でなく、緩やかに半径方向に
変化する凹凸形状を有するウェーハについても、平坦に
精度よく研磨することができ、研磨後の膜厚分布を均一
にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態のウェーハ研磨装置の全体斜視図

【図２】図１に示したウェーハ研磨装置の保持ヘッドの
断面図

【図３】保持ヘッドの構造を示す模式図

【図４】キャリア表面に設けられた溝の配置を示す説明
図

【図５】中央部が凹形状のウェーハを研磨する場合のエ
ア動圧分布を示す説明図

【図６】ウェーハの膜厚ばらつきを説明したウェーハの
模式図

【符号の説明】

１０…ウェーハ研磨装置、１２…研磨定盤、１４…ウェ
ーハ保持ヘッド（保持ヘッド）、２０…研磨パッド、２
２…ヘッド本体、２４…キャリア、３０…リテーナーリ
ング、３４…保護シート、３６…エア供給孔、３８…エ
ア排出孔、４２…エア供給手段、４６…エア排出手段、
８０…溝、８０Ａ…第一の溝、８０Ｂ…第二の溝、８０
Ｃ…連通溝

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ウェーハを保持ヘッドで保持し、該保持
   ヘッドを介してウェーハを研磨パッドに押し付けて研磨
   するウェーハ研磨装置において、 前記保持ヘッドは、ウェーハを前記研磨パッドに押し付
   ける保護シートと、該保護シートの周囲を保持するリテ
   ーナと、ウェーハ領域に該当する部分の保護シートをウ
   ェーハに向けて押し付けるキャリアとから構成され、 保護シートに対向するキャリアの表面には、外周部近傍
   に形成されたエア供給経路と、前記エア供給経路に対し
   てそれよりも内周側に形成された複数のエア排出経路と
   が設けられ、かつ、 前記エア供給経路及びエア排出経路
   は供給されるエア量及び排出されるエア量を制御するエ
   ア制御手段に連結されており、 前記エア供給経路とエア排出経路とは、それぞれ、保護
   シートに対向するキャリアの表面に設けられた円周方向
   の溝と連通しており、 前記エア制御手段で供給されるエア量及び排出されるエ
   ア量が制御されることにより、保護シートをウェーハに
   向けて押し付ける押圧力がウェーハの外周部から中央部
   に向けて変化するように構成されていることを特徴とす
   るウェーハ研磨装置。
2. 【請求項２】 前記押圧力がウェーハの外周部から中央
   部に向けて圧力が低くなるように構成されている請求項
   １に記載のウェーハ研磨装置。
3. 【請求項３】 前記エア供給経路と連通する溝は、外周
   部近傍に形成された第一の溝と、第一の溝の内周側に形
   成された第二の溝と、第一の溝と第二の溝とを連通させ
   る径方向の連通溝とよりなり、ウェーハの外周から所定
   領域までは同じ押圧力でウェーハを研磨できる請求項１
   又は２に記載のウェーハ研磨装置。