JP2003165051A - ウェーハ研磨ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ワックスレスマウント方式を採用しながら
も、ウェーハをチャックする能力が高いウェーハ研磨ヘ
ッドを提供する。 【解決手段】 本発明のウェーハ研磨ヘッド１は、ウェ
ーハＷを片面研磨する研磨装置用のウェーハ研磨ヘッド
である。一方の主面がウェーハＷの吸着面をなす可撓膜
２と、可撓膜２との接触面側に吸引用凹部３ｓを有する
円盤状の保持具３と、吸引用凹部３ｓとは隔離され容積
可変な昇降用チャンバ５を保持具３の直上に形成するフ
レーム４を備える。昇降用チャンバ５は第一気密部材７
によって気密が保持される。吸引用凹部３ｓ内の圧力
と、昇降用チャンバ５内の圧力は各々独立に調整可能と
されており、吸引用凹部３ｓ内を減圧して可撓膜２を吸
引用凹部３ｓ内に吸引することによりウェーハＷを可撓
膜２に吸着させる。そして、その状態から昇降用チャン
バ５内を減圧して該昇降用チャンバ５の容積を減じ、保
持具３と一体にウェーハＷを研磨クロス３４から浮上さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ウェーハを片面研
磨する研磨装置用のウェーハ研磨ヘッド、特に、ワック
スレスマウント方式を採用したウェーハ研磨ヘッドに関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体デバイスの高集積化に伴
い、半導体ウェーハに要求される平坦度はますます厳し
くなっている。その反面、デバイスに用いられるウェー
ハは大口径化しているため、ウェーハの平坦度を向上さ
せることが困難になってきており、またそれが重要な課
題となっている。

【０００３】ウェーハのマイクロラフネスを改善する、
つまり原子レベルでの平坦度を実現する技術の一つに、
化学−機械的研磨法（ＣＭＰ法：Chemical-Mechanical
Polishing Method）がある。ＣＭＰ法によるウェーハの
研磨は、研磨剤（スラリ）を供給しながら、ウェーハと
研磨クロスとの間に一定の荷重と相対速度を与えて行
う。片面研磨の場合だと、ウェーハは貼り付けブロック
に貼り付けられ、該貼り付けブロックを介して、研磨装
置の備える加圧機構（研磨ヘッド）により研磨中の荷重
や回転力を与えられる。

【０００４】貼り付けブロックにウェーハをマウントす
る方法としては、予めウェーハに液状ワックスをスピン
コート等の方法により塗布しておき、その後、貼り付け
ブロックにマウントする方法が一般的である。研磨工程
終了後、ウェーハを貼り付けブロックからデマウント
（剥離）する。

【０００５】ところが近年、米国カリフォルニア州に所
在するアプライドマテリアルズ社から発表されたウェー
ハ研磨システムは、驚くべきことに、長い間夢のマウン
ト方式といわれてきたワックスレスマウント方式を採用
したウェーハ研磨ヘッドを備えていた。この偉大な仕事
は、貼り付けブロックへのウェーハのマウント／デマウ
ント工程を全く消滅させた。アプライドマテリアルズ社
が開発したウェーハ研磨ヘッド１００は次のようなもの
である。

【０００６】図１４に示すように、アプライドマテリア
ルズ社のウェーハ研磨ヘッド１００は、ハウジング５０
と、ダイアフラム５１を介してハウジング５０に連結さ
れたフレーム５２とを備えている。フレーム５２の下面
側には該フレーム５２とほぼ同径のリテナーリング５３
が取り付けられ、さらにそのリテナーリング５３の内側
に拡がる空所にインナーチューブ５４が配置されてい
る。インナーチューブ５４の下方にはゴム製のフレクサ
ー５５を介して、厚さ方向に貫通する多数の通孔Ｑを備
える保持具（メンブレンサポートともいう）５６が配置
されている。メンブレンサポート５６には、可撓膜（メ
ンブレンともいう）５７が取り付けられており、メンブ
レンサポート５６と接する側とは反対側がウェーハ吸着
面となっている。

【０００７】圧力調整ラインは以下の独立な３系統に分
けられている。ａ）ハウジング５０、ダイアフラム５１
およびフレーム５２によって形成される空間Ｓ１の加圧
／減圧を行なうラインＬ１。ｂ）フレーム５２、インナ
ーチューブ５４およびメンブレンサポート５６によって
形成される空間Ｓ２の加圧／減圧を行なうラインＬ２。
ｃ）インナーチューブ５４内を加圧するラインＬ３。ウ
ェーハＷを吸着させるには、まずインナーチューブ５４
を加圧してメンブレンサポート５６側に膨らませ、イン
ナーチューブ５４をフレクサー５５に密着させる。する
と、メンブレンサポート５６が押圧されてメンブレン５
７に密着する。

【０００８】次に、空間Ｓ２を減圧する。すると、メン
ブレンサポート５６の通孔Ｑにメンブレン５７の一部が
撓んで入り込み、その結果、ウェーハＷとメンブレン５
７との間に気密ポケットを生じ、ウェーハＷがメンブレ
ン５７に吸着する。丁度、吸盤にウェーハＷを吸着させ
る感じである。また、空間Ｓ１を加圧ないし減圧する
と、リテナーリング５３を含むフレーム５２から下側部
分全体が上下動するようになっている。このようにし
て、ウェーハ研磨ヘッドに適用するのは困難と言われて
いたウェーハＷを真空チャックする機構が実現されてい
る。

【０００９】そして、システムのトランスファーステー
ションに搬送されてきたウェーハＷは、上記ウェーハ研
磨ヘッド１００にチャックされプラテン上に搬送され
る。研磨時には、空間Ｓ１，Ｓ２およびインナーチュー
ブ５４内の圧力が調整され、ウェーハＷとリテナーリン
グ５３に荷重が与えられる。研磨終了後、ウェーハＷは
再びチャックされてトランスファーステーションに戻さ
れる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、夢のマ
ウント方式にもいくつかの解決すべき問題が残されてい
る。その１つが、ウェーハＷを吸着保持する力が今ひと
つ弱いという問題である。上記した構造を有するウェー
ハ研磨ヘッド１００の場合、ウェーハＷを真空チャック
しようとして吸引すると、ウェーハＷが吸着されると同
時に、インナーチューブ５４が変形してメンブレンサポ
ート５６も一緒に引き上げられてしまう。すなわち、ウ
ェーハＷを吸着するため吸引力は、純粋にウェーハＷを
チャックするだけでなく、メンブレンサポート５６を上
方へ引き上げる仕事も担っていることになり、メンブレ
ン５７がウェーハＷを吸着する力が弱まってしまう。ウ
ェーハの吸着圧力は、そのチャック動作中においても変
動しており、ウェーハＷを安定して保持し難い。

【００１１】吸着力が弱いことに基づく搬送ミスをなく
すために、研磨終了後、ウェーハＷをチャックしてプラ
テンを覆う研磨クロスから離間させる際には、該研磨ク
ロスの周縁からはみ出る位置までウェーハＷを一旦移動
させてから、上記したチャック動作を行なうようにして
いる。そうすると、研磨クロスに接触している面積が小
さくなるので、ウェーハＷは研磨クロスから離間し易く
なる。というのも、研磨クロス上のウェーハＷには以下
の作用が働くためである。ａ）多孔質の研磨クロスの有
する微細な空孔が吸盤として働き、ウェーハＷを吸着す
る作用。ｂ）スラリの表面張力がウェーハＷとの間に働
き、ウェーハＷを吸着する作用。

【００１２】問題は、ここにある。すなわち、ウェーハ
Ｗがプラテンからはみ出た状態でも、ウェーハＷとプラ
テンとは遊星運動を続けているため、研磨クロスと接触
していない部分と、接触している部分とが生じ、研磨量
がばらついてしまう。

【００１３】プラテンの回転動作を停止させてからウェ
ーハＷを持ち上げるようにすればよいではないか、と言
う人もいるだろうから補足すると、スラリが載っている
状態でプラテンの回転（ひいては研磨クロスの回転）を
停止させることは普通はできない。回転を止めると、繊
細な多孔質の研磨クロス中に含まれるスラリの化学作用
により、ウェーハの表面状態が悪化してしまう。だか
ら、ウェーハＷを研磨クロスから浮上させる動作は、ス
ラリを洗浄水で洗い流す動作と平行して行なう必要があ
り、プラテンを停止させるわけにはいかない。

【００１４】上記問題に鑑み、本発明は、ワックスレス
マウント方式を採用しながらも、ウェーハをチャックす
る能力が高いウェーハ研磨ヘッドを提供することを課題
とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上記課題
を解決するために本発明のウェーハ研磨ヘッドは、ウェ
ーハを片面研磨する研磨装置用のウェーハ研磨ヘッドで
あって、一方の主面がウェーハの吸着面をなす可撓膜
と、可撓膜の吸着面とは反対側に配置され、可撓膜との
接触面側に吸引用凹部を有する円盤状の保持具と、吸引
用凹部とは隔離された容積可変な昇降用チャンバを保持
具の直上に形成するフレームとを備え、吸引用凹部を満
たす流体と、昇降用チャンバを満たす流体とを各々独立
に吸引および圧縮可能とされ、吸引用凹部を満たす流体
を吸引して可撓膜にウェーハを吸着させ、その状態から
昇降用チャンバの容積を減じ、保持具と一体にウェーハ
を浮上させるように構成されていることを特徴とする。

【００１６】上記本発明は、ワックスをウェーハに塗布
してセラミック等でできた固定具に貼り付ける準備が必
要ない、いわゆるワックスレスマウント方式を採用した
ウェーハ研磨ヘッドに関する発明である。その研磨ヘッ
ドの要旨は、上記したように、保持具に形成された吸引
用凹部を満たす流体を吸引して、ウェーハを可撓膜に吸
着させる。

【００１７】前述したように、アプライドマテリアルズ
社の開発した研磨ヘッドは、ウェーハをメンブレン（可
撓膜）に吸着させようとすると、メンブレンサポート
（保持具）まで一緒にフレーム側に吸い付けられるよう
な構造になっている。だから、ウェーハを吸着する力が
不足する。本発明品はそうではなく、ウェーハを吸着す
る吸引経路と、ウェーハを可撓膜および保持具と一体に
引き上げる吸引経路とを完全に分離してしまった点に特
徴がある。

【００１８】これにより、ウェーハが可撓膜に吸い付く
力を格段に強くできる。そして、ウェーハが確実に吸着
保持された、その状態を維持しつつウェーハを研磨クロ
スから離間させることが可能となる。また、ウェーハの
吸着圧力を常に一定に保つことができるため、ウェーハ
を安定して保持できる。従って、ウェーハの研磨面が均
等に研磨クロスに接した状態からでも、ウェーハを研磨
クロスから一気に離間させることが可能になり、研磨量
にバラツキが生じることは全く無い。だから、非常に平
坦度の高い、研磨されたウェーハを提供できる。

【００１９】ウェーハを可撓膜に吸着させるために、具
体的に以下の構成を示せる。すなわち、上記したウェー
ハ研磨ヘッドにおいて、可撓膜とウェーハとが密着した
状態を維持しつつ、吸引用凹部を満たす流体を吸引した
場合、該吸引用凹部内に可撓膜が引き込まれることによ
り該可撓膜にウェーハが吸着するように構成することが
できる。このようにすると、保持具の吸引用凹部以外の
部分と可撓膜とが密着するとともに、吸引用凹部内に撓
んで入り込んだ可撓膜とウェーハとの間に気密ポケット
が生じ、ウェーハが該可撓膜に吸着する。吸引用凹部を
有する保持具は、ウェーハが可撓膜に吸着した状態を保
つ。

【００２０】また、前述したウェーハ研磨ヘッドの備え
る可撓膜に、厚さ方向に貫通する通口が形成された構成
も採用可能である。このようにすると、吸引用凹部内を
満たす流体を吸引することにより、研磨側とは反対側が
減圧され、ウェーハが可撓膜に吸着する。

【００２１】また本発明は、３００ｍｍウェーハに対応
した枚葉式のウェーハ研磨装置に対する適性が格別であ
る。３００ｍｍウェーハは、そのハンドリングの難しさ
からバッチ処理に向かないし、製造工程の自動化の観点
から見たとき、研磨の分野においても枚葉式が主流にな
る。そうだとすれば、ウェーハをより一層確実に搬送で
きるワックスレスマウント式のウェーハ研磨ヘッドが望
まれるため、本発明が有効となる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照しつつ本
発明の実施形態を説明する。図１は、本発明のウェーハ
研磨ヘッド１の縦断面図である。吸着すべきウェーハＷ
の厚さ方向に平行な断面を表している。図２は、そのウ
ェーハ研磨ヘッド１が装着される一例のＣＭＰ装置２０
０を示す模式図である。図３は、図２のＣＭＰ装置２０
０における研磨ステーション２０１の上面図である。図
２および図３に示すように、ＣＭＰ装置２００は、ウェ
ーハＷを１枚毎に加工する枚葉式研磨装置として構成さ
れている。研磨ステーション２０１には、上面に研磨ク
ロス３４が貼着された複数のプラテン３３が配置されて
いる。各プラテン３３，３３は、図示しないサーボモー
タで各々独立に回転駆動される。スラリ調合ユニット３
０から送られてくるポリッシングスラリは、図３に示す
ように、各研磨クロス３４に対応する形で設けられた供
給アーム３６より研磨クロス３４上に供給される。供給
アーム３６は、各種薬液やリンスの供給源としても兼用
される。研磨クロス調整装置３７は、研磨クロス３４の
表面状態を良好に保つ。トランスファーステーション２
０２に準備されたウェーハＷは、搬送用ロボット（図示
せず）によってウェーハ待機位置３５に移載される。そ
の後、ウェーハ研磨ヘッド１にチャックされ研磨位置ま
で運ばれる。研磨が終了して回収する際にも、同じくウ
ェーハ待機位置３５から研磨ステーション２０１の外部
に運び出される。

【００２３】ウェーハＷを片面研磨するＣＭＰ装置２０
０用のウェーハ研磨ヘッド１は、ウェーハＷを直接チャ
ックして搬送／研磨するワックスレスマウント方式を採
用した研磨ヘッドとして構成されている。ウェーハ研磨
ヘッド１は、ヘッド駆動機構３９に連結された垂直駆動
部３１に装着されて、プラテン３３あるいはウェーハ待
機位置３５への上下方向の接近／離間が行なわれる。垂
直駆動部３１は、ウェーハ研磨ヘッド１を回転駆動させ
るためシャフト、およびウェーハ研磨ヘッド１の内部に
形成される部屋を満たす流体の流通経路１１，１２を内
蔵する。ウェーハ研磨ヘッド１の内部を満たす流体は、
空気とするのが普通であるが、水やアルコール等の液体
も不可ではない。ウェーハ研磨ヘッド１の内部から延び
る流通経路１１，１２は、真空ポンプ４０、圧縮機４１
および電磁バルブ２５等を含む圧力調整装置４００に接
続されている（図１参照）。ヘッド駆動機構３９には、
４つの垂直駆動部３１が連結されている。ヘッド駆動機
構３９は、ウェーハ研磨ヘッド１が装着された垂直駆動
部３１を水平方向に駆動して、各プラテン３３，３３，
３３およびウェーハ待機位置３５のそれぞれの真上に移
動させる。これにより、ウェーハ待機位置３５から研磨
位置までのウェーハＷの搬送が行なわれる。すなわち、
ウェーハ研磨ヘッド１はウェーハＷのキャリアとしての
機能を有する。

【００２４】次に、ウェーハ研磨ヘッド１の具体的な構
成を説明する。図１に示すように、ウェーハ研磨ヘッド
１は、一方の主面がウェーハＷの吸着面をなす可撓膜２
と、可撓膜２の吸着面とは反対側に配置され、可撓膜２
との接触面側に吸引用凹部３ｓを有する円盤状の保持具
３と、吸引用凹部３ｓとは隔離された容積可変な昇降用
チャンバ５を保持具３の直上に形成するフレーム４とを
備えている。可撓膜２は、軟質のゴム材料によるもので
ある。保持具３はそれよりも硬質のプラスチック材料、
たとえばポリプロピレン樹脂やＡＢＳ樹脂、あるいは金
属部材などを例示できる。フレーム４は、ＣＭＰ装置２
００の垂直駆動部３１に取り付けられる剛性の高い金属
部材とされる。

【００２５】前述したように、ウェーハ研磨ヘッド１の
流通経路１１，１２に接続された圧力調整装置４００の
働きにより、吸引用凹部３ｓを満たす流体と、昇降用チ
ャンバ５内を満たす流体とを各々独立に吸引および圧縮
可能とされている。最良の形態では、流体が空気とされ
る。たとえばコンピュータ装置と、それに記憶されたシ
ーケンスプログラムに基づいて、電磁バルブ２５、真空
ポンプ４０および圧縮機４１が制御され、吸引用凹部３
ｓおよび昇降用チャンバ５内が、加圧、減圧、大気開放
のいずれかの圧力状態に調整される。

【００２６】ウェーハＷを吸着保持する場合には、保持
具３の吸引用凹部３ｓを満たす空気を吸引して該吸引用
凹部３ｓ内を減圧し、可撓膜２にウェーハＷを吸着させ
る。そして、その状態から昇降用チャンバ５内を減圧し
て該昇降用チャンバ５の容積を減じ、保持具３と一体に
ウェーハを浮上させる仕組みである。すなわち、ウェー
ハ研磨ヘッド１は、ウェーハＷを吸着するための吸引
経路、ウェーハＷ、ウェーハＷを吸着した可撓膜２お
よび保持具３の３者を一体的に垂直方向にリフトするた
めの吸引経路、の全く別系統の２つの吸引経路（流通経
路１１，１２）を有している。この構成により、ウェー
ハＷの吸着力を高めるとともに、吸着力を常に一定に保
つことに成功している。従って、各プラテン３３，３
３，３３間、あるいはそれらプラテン３３とウェーハ待
機位置３５との間を、ウェーハＷを移す際の搬送ミスが
極めて起こり難い。また、吸引経路を２系統としたこと
によって、ヘッド構造そのものが簡素なものとなってお
り、部品点数の低減に寄与している。

【００２７】図１に示す好適な実施形態においては、可
撓膜２とウェーハＷとが密着した状態を維持しつつ、吸
引用凹部３ｓ内を減圧した場合、該吸引用凹部３ｓ内に
可撓膜２が引き込まれることにより該可撓膜２にウェー
ハＷが吸着するように構成されている。この様子は、図
５を用いて説明できる。図５は、可撓膜２が吸引されて
ウェーハＷがチャックされる様子を示す模式図である。
ウェーハＷに余分な圧力がかからないようにウェーハ研
磨ヘッド１自体をウェーハＷに近接させ、保持具３の堤
部３ｋと可撓膜２とがなるべく密着するように昇降用チ
ャンバ５内の圧力を調整する。そうすると、ウェーハＷ
を可撓膜２に吸着させ易い。真空ポンプ４０を作動させ
て、吸引用凹部３ｓ内の空気を排出すると、可撓膜２の
堤部３ｋに接しない部分は、撓んで吸引用凹部３ｓ内に
引き込まれる。その結果、ウェーハＷと可撓膜２との間
に気密ポケット２６が生じ、ウェーハＷが可撓膜２に吸
着する。

【００２８】また、図９に示すように、可撓膜２には、
厚さ方向に貫通する通口２ｓが形成された形態も採用可
能である。通口２は、ウェーハＷの裏面と吸引用凹部３
ｓとに開口している。通口２ｓは、保持具３に形成され
た吸引用凹部３ｓの各々に対応する形にて設けられる。
このように、可撓膜２に孔（通口２ｓ）が開けられたと
しても、該可撓膜２とウェーハＷとが密着して吸引用凹
部３ｓの気密が保たれるならば、ウェーハＷをチャック
して研磨クロス３４から離間させ得る。可撓膜２と、ウ
ェーハＷの周縁部Ｗｋとの気密を保てるならば、研磨時
においても、吸引用凹部３ｓ内を研磨に必要な圧に保つ
ことができる。

【００２９】さて、ウェーハ研磨装置１の詳細な構造に
ついて説明する。まず、保持具３と可撓膜２との間に、
吸引用凹部３ｓが開放した研磨用チャンバ６が形成され
るように各部材を配置することができる。吸引用凹部３
ｓにつながる研磨用チャンバ６を可撓膜２と保持具３と
の間に形成すると、保持具３と可撓膜２とが接しないよ
うにすることもできる。つまり、保持具３の重みが可撓
膜２に及ばないようになるため、ウェーハＷを付勢する
際の圧力にバラツキが生じることを抑制し、研磨量を均
一にできる。このような操作は、吸引用凹部３ｓおよび
昇降用チャンバ５の圧力調整に基づく。なお、詳細は後
述するが、図１に示す本実施形態では、可撓膜２と保持
具３とが直接接続されない構造を工夫している。

【００３０】ここで、図４（ａ）に保持具３の下面図、
同じく（ｂ）に断面図を示す。（ａ）に示すように、吸
引用凹部３ｓは、保持具３における可撓膜２と対向する
側に分散形態で複数形成されている。そして、それら複
数の吸引用凹部３ｓ同士を連通する溝３ｔが設けられて
いる。可撓膜２が吸引用凹部３ｓを覆った後も、可撓膜
２を吸引し続けるためには、各々の吸引用凹部３ｓに吸
引力が働くようにする必要がある。そこで、上記のよう
に、互いの吸引用凹部３ｓ，３ｓに空気が出入り可能と
なるように溝３ｔを設ける。そうすると、全部の吸引用
凹部３ｓが空間的に繋がるため、加圧／吸引経路を１つ
にまとめることができ、当該ウェーハ研磨ヘッド１の構
造を簡略化できるし、圧力調整も容易になる。

【００３１】図１に示すように、昇降用チャンバ５内の
圧力調整は、流通経路１１を通じて行なわれる。吸引用
凹部３ｓ内の圧力調整は、流通経路１２を通じて行なわ
れる。そして、本実施形態においては、任意の１箇所の
吸引用凹部３ｓにおいて、昇降用チャンバ５側に向けて
保持具３を貫通する通口２２が形成されており、該通口
２２に対してシール部材２８を介して流通管２７の一端
が接続されている。流通管２７の他端は流通経路１２に
つながっている。流通管２７は、保持具３の昇降にとも
なって伸縮できる部材が使用される。

【００３２】図４（ａ）に示すように、保持具３に形成
された溝３ｔは、分散形態で設けられた吸引用凹部３ｓ
の各々をつなぐ網目構造を呈している。また、（ｂ）に
示すように溝３ｔの深さは、吸引用凹部３ｓの深さと概
ね同等とするのがよい。そうすれば、可撓膜２が吸着し
た際に溝３ｔが塞がってしまい、十分な吸着力が得られ
なくなるという不具合も防止される。

【００３３】さて、図１に戻って説明する。保持具３
は、昇降用チャンバ５の容積変化を許容する第一気密部
材７を介してフレーム４に接続されており、該フレーム
４を支点として上下動可能に構成されている。つまり、
フレーム４と研磨クロス３４との距離を固定して、昇降
用チャンバ５の容積を変更することによって、保持具３
と研磨クロス３４との距離、ひいてはウェーハＷと研磨
クロス３４との距離調整を行なうことができる。チャッ
クしたウェーハＷを研磨クロス３４から離間させる際に
も、フレーム４の位置を変更する必要がない。

【００３４】より具体的には、フレーム４は、保持具３
との間に昇降用チャンバ５を形成する凹部２０，２１を
有し、その凹部２０，２１の内側部分と保持具３の外周
部１４との隙間を第一気密部材７が塞いで昇降用チャン
バ５の密閉状態を生じさせている。それとともに、第一
気密部材７の働きによって、フレーム４の内側を保持具
３が昇降して昇降用チャンバ５の容積変化を生じさせる
ように構成されている。このように、第一気密部材７
は、昇降用チャンバ５の気密状態を保つだけでなく、保
持具３の昇降機構としても兼用されており、部品点数の
低減に寄与している。なお、本明細書中でいう上下方向
とは、当該ウェーハ研磨ヘッド１の回転軸線Ｏと平行な
方向を表し、ウェーハＷを保持する側が下方向、それと
反対側が上方向とされる。

【００３５】上記第一気密部材７には、可撓性を有する
樹脂製シール材を好適に採用できる。さらにいうと、他
部材との密着性に優れるゴム材がよい。そうすれば、第
一気密部材７がダイアフラムとして機能し、上記した昇
降機構を容易に具体化できる。また、樹脂製シール材
は、気密を保ち易いという点においても優れる。なお、
第一気密部材７が接続される保持具３の外周部１４は、
該保持具３との周方向全域にわたって一体に形成される
リング状部分であって、上方側に延びている。つまり、
そのリング状部分（保持具３の外周部１４）に取り付け
られる第一気密部材７自身もリング状部材とされる。ま
た、第一気密部材７に剛性が不足するような場合には、
ガラス繊維で強化されたゴム材なども使用可能である。

【００３６】一方、可撓膜２の固定方法に関していえ
ば、本実施形態では以下のようにしている。すなわち、
可撓膜２を周方向に取り囲み、直接または他部材を介し
て可撓膜２に連結されるリテナーリング９が、研磨用チ
ャンバ６の容積変化を許容する第二気密部材８を介して
フレーム４に取り付けられる。そして、吸引用凹部３ｓ
内の空気圧を調整することにより、リテナーリング９に
連結された可撓膜２がウェーハＷを付勢するように構成
されている。つまり、研磨用チャンバ６は少なくとも可
撓膜２、保持具３、リテナーリング９およびフレーム４
によって気密が確保されるとともに、該研磨用チャンバ
６の容積変化に基づいて、可撓膜２と保持具３との接近
／離間を制御できる。

【００３７】なお、第二気密部材８はウェーハＷの研磨
時において、ウェーハ研磨ヘッド１の回転軸線Ｏに近づ
くほど下となる向きに傾斜するよう、その寸法、リテナ
ーリング９およびフレーム４への取り付け位置、可撓性
等が調整される。具体的には、図１１の模式図に示すよ
うに、軸線Ｏと平行な断面におけるその傾斜の延長線
が、ウェーハＷの研磨面の中心Ａに重なるようにする。
このようにすると、リテナーリング９、ひいては可撓膜
２に回転モーメントを作用させないようにできる。従っ
て、ウェーハＷの全体に、均一な研磨圧力を付与するこ
とができる。より完全な説明は、K.Tanakaらによる日本
国特許第２７７０７３０号（発明の名称「ウエーハ研磨
装置」、本発明の譲受人に譲渡）に開示され、その全内
容を本発明に援用できる。

【００３８】さて、ウェーハＷを可撓膜２に吸着させる
際には、可撓膜２と保持具３とを密着させる（図５参
照）。逆に、ウェーハＷを研磨する際には、可撓膜２は
保持具３と接しない方が好ましい。本発明によれば、昇
降用チャンバ５および吸引用凹部３ｓ（ひいては研磨用
チャンバ６）の圧力調整に基づいて、可撓膜２と保持具
３との接触／非接触状態を容易に作りだすことができ
る。なお、第二気密部材８としては、第一気密部材７同
様に可撓性を有する樹脂製シール材により構成すること
ができる。そうすれば、保持具３とフレーム４との接続
に第一気密部材７を使用したケースと全く同様の効果が
得られる。

【００３９】第一気密部材７および第二気密部材８に樹
脂製シール材を採用した場合、それら気密部材７，８と
他部材（保持具３、フレーム４およびリテナーリング
９）との接続は、図６に示すように、ボルト締結によっ
て実現できる。図６は、第二気密部材８とリテナーリン
グ９との接続方法を示す分解図である。リング状の扁平
ゴム部材たる第二気密部材８には、その内側部において
厚さ方向（ウェーハ研磨ヘッド１の上下方向に相当）に
貫通する貫通孔８ａが周方向複数箇所に概ね等角度間隔
で設けられている。同様に、外側部において貫通孔８ｂ
が形成されている。同様に、クランプ１５にも貫通孔１
５ａが形成されている。リテナーリング９の上端面９ｐ
には雌ねじ９ａが形成されている。各部材を締結する場
合には、ボルトＶＯを孔１５ａ，孔８ａの順に挿通し、
雌ねじ９ａに螺合させる。第二気密部材８の貫通孔８ｂ
は、該第二気密部材８の外周部をフレーム４に係止する
ためのものである（図１参照）。図１から分かるよう
に、上記した締結方法、すなわちクランプ１３，１５，
１６，１７とボルトＶＯとを用い、各気密部材７，８と
他部材（保持具３、フレーム４、リテナーリング９）と
の接続が行われ、気密が保たれる。

【００４０】また、フレーム４の凹部は、下方側が広口
の段付き凹部２０，２１とされている。その段付き形状
を利用して、第一気密部材７と、該第一気密部材７より
も径大の第二気密部材８とがそれぞれフレーム４に取り
付けられる。このようにすれば、上下方向において保持
具３とリテナーリング９とが互いに接触し、当該ウェー
ハ研磨ヘッド１のスムーズな動作、すなわち保持具３の
昇降動作が妨げられる恐れもない。ひいては、ウェーハ
Ｗの吸着力の低下を招く恐れも少ない。具体的には、図
１に示すように、フレーム４における最も広口の凹部２
１に隣接する下端面４ｒとリテナーリング９の上端面９
ｑとにまたがる位置関係で第二気密部材が配置される。
同様に、段付き凹部２０，２１によってフレーム４に形
成される段付き面４ｑと、保持具３の外周部上端面１４
ｒとにまたがる位置関係で第一気密部材が配置される。
このようにして、リテナーリング９の内側を保持具３が
昇降するようになっている。

【００４１】また、各気密部材７，８として可撓性を有
するシール材を採用する代わりに、部材間の隙間をシー
ル可能なＯリングのような摺動部材を採用した別形態を
図１０に示す。図１０に示すウェーハ研磨ヘッド１ａで
は、Ｏリング２８１が第一気密部材７の代替、Ｏリング
２８２が第二気密部材８の代替となっている。あるい
は、第一気密部材７および第二気密部材８のいずれか一
方のみにＯリングを適用してもよいことはもちろんであ
る。図１０に示すように、凹状の形態を有するフレーム
４の内側において、保持具３はＯリング２８１と摺動可
能に保持されている。同様に、フレーム４の外周面にお
いて、リテナーリング９はＯリング２８２と摺動可能に
保持されている。リテナーリング９には、落下防止ピン
２７が取り付けられているが、フレーム４に対する該リ
テナーリング９の上下方向の相対移動は適度に許容され
るように調整されている。

【００４２】図１の好適な実施形態に戻り説明する。可
撓膜２とリテナーリング９との連結方法としては、次の
ようにすることができる。すなわち、ウェーハ研磨ヘッ
ド１においては、リテナーリング９と可撓膜２とを周方
向全域にわたってまたがるテーンプレート１０が、その
リテナーリング９の下端面９ｒおよび可撓膜２の吸着面
側に設けられている。そして、そのテーンプレート１０
と可撓膜２とによって形成される浅い凹所にウェーハＷ
が配置されて研磨が行われる。このように、リテナーリ
ング９に直接可撓膜２を接続せず、テーンプレート１０
を介在させることにより、ウェーハＷは可撓膜２の周縁
部を除いた部分、すなわち円板状の可撓膜２のなるべく
中央付近から圧力を付与されるようになる。すなわち、
研磨時においてウェーハＷは可撓膜２からより均一に圧
力を受けることになり、圧力の不均一に基づいて研磨量
がばらつくといった不具合が効果的に抑制される。

【００４３】図７に示すように、テーンプレート１０の
厚さは、たとえば研磨が終了したウェーハＷとほぼ同等
の厚さとするのがよい。すなわち、研磨前のウェーハＷ
とテーンプレート１０との厚さの差ｄが、目標とする研
磨量になる。本図においては、理解のために厚さの差は
誇張されている。すなわち、ウェーハＷの研磨量ｄが１
００ｎｍ程度、あるいはそれ以下の場合もある。それに
比べ、ウェーハＷの厚さは、一般には７００〜８００μ
ｍ程度であるから、テーンプレート１０と研磨前のウェ
ーハＷとは、見た目にはほとんど同じ厚さを有する。な
お、テーンプレート１０には、たとえばフェノール樹
脂、ポリエステル、エポキシ樹脂、メラミン樹脂および
シリコン系樹脂等の中から選ばれる１または複数の樹脂
と、ガラス布とからなる樹脂板を積層させた積層板を好
適に使用できる。そして、リング状に調整されたそれら
の樹脂板を、接着剤等を用いて可撓膜２に貼着するとよ
い。

【００４４】また、図１および図８に示すように、可撓
膜２の周縁部と保持具３の周縁部とが、該保持具３の上
下動方向で重なるように調整されている。従って、吸引
用凹部３ｓおよび昇降用チャンバ５を満たす空気の圧お
よび／または量を調整することに基づいて、テーンプレ
ート１０に支持される形にて保持具３の周縁部が可撓膜
２と密着可能とされている。保持具３と可撓膜２とが密
着できれば、ウェーハＷが可撓膜２に吸着するきっかけ
を作り易くなる。結果として、ウェーハＷが可撓膜２に
スムーズに吸着されるようになる。

【００４５】さて、以上に説明した本発明のウェーハ研
磨ヘッド１を用い、ウェーハＷを研磨する動作を説明す
る。図１２，１３に示すＳｔｅｐ１〜１４は、ウェーハ
研磨ヘッド１の一連の動作を示している。

【００４６】（ウェーハＷがウェーハ待機位置３５から
研磨クロス３４上に搬送される動作） 待機状態：研磨用チャンバ６、吸引用凹部３ｓおよび昇
降用チャンバ５は大気開放されている。なお、図１２，
１３中に示す下方向の矢印は、圧縮空気を送って、大気
圧よりも加圧することを意味する。上方向の矢印は吸引
して、大気圧よりも減圧することを意味する。破線＋白
抜き矢印は大気開放を意味する。 Ｓｔｅｐ１：吸引用凹部３ｓの圧力が大気圧に維持され
つつ、昇降用チャンバ５内が減圧されて該昇降用チャン
バ５の容積が減少する。それとともに、フレーム４に対
して保持具３が上方向に相対移動する。 Ｓｔｅｐ２：Ｓｔｅｐ１の状態が維持されつつ、ウェー
ハ待機位置３５に準備されたウェーハＷに対して、ヘッ
ド駆動機構３９によりウェーハ研磨ヘッド１の位置合わ
せが行なわれる。なお、Ｓｔｅｐ１の前にヘッド駆動機
構３９によってウェーハ研磨ヘッド１の位置合わせが行
なわれるようにしてもよい。このとき、保持具３が可撓
膜２に、可撓膜２がウェーハＷに密着するよう、吸引用
凹部３ｓ内の圧力を調節してもよい。 Ｓｔｅｐ３：昇降用チャンバ５内が加圧される。その次
に、吸引用凹部３ｓおよび研磨用チャンバ６が減圧さ
れ、可撓膜２が吸引用凹部３ｓ内に引き込まれてウェー
ハＷがチャックされる。このとき、ウェーハＷは依然ウ
ェーハ待機位置３５に接触したままである。 Ｓｔｅｐ４：ウェーハＷがチャックされたＳｔｅｐ３の
状態が維持されつつ、昇降用チャンバ５内が減圧され
る。すると、ウェーハＷと、ウェーハＷをチャックした
可撓膜２および保持具３が一体的に上昇して、ウェーハ
Ｗがウェーハ待機位置３５から離間する。 Ｓｔｅｐ５：ヘッド駆動機構３９により、ウェーハＷが
ウェーハ待機位置３５から研磨クロス３４上まで搬送さ
れる。

【００４７】（ウェーハＷが研磨される動作） Ｓｔｅｐ６：ヘッド駆動機構３９の働きによって、ウェ
ーハ研磨ヘッド１が研磨クロス３４に接近する。 Ｓｔｅｐ７：昇降用チャンバ５内が加圧されて、該昇降
用チャンバ５の容積が増加し、ウェーハＷ、可撓膜２お
よび保持具３が一体的に下降する。このとき、吸引用凹
部３ｓは減圧状態に維持される。 Ｓｔｅｐ８：吸引用凹部３ｓ内が加圧される。 Ｓｔｅｐ９：昇降用チャンバ５内が減圧される。する
と、保持具３は上昇する。この状態が保たれてウェーハ
Ｗが研磨される。なお、吸引用凹部３ｓおよび研磨用チ
ャンバ６内の圧力は所定の研磨圧力に調整される。

【００４８】（研磨済みウェーハＷがウェーハ待機位置
３５へ戻される動作） Ｓｔｅｐ１０：昇降用チャンバ５内が加圧されるととも
に、保持具３が可撓膜２に、可撓膜２がウェーハＷに密
着するよう、吸引用凹部３ｓ内の圧力が調節される。 Ｓｔｅｐ１１：吸引用凹部３ｓおよび研磨用チャンバ６
が減圧されウェーハＷがチャックされる。このとき、ウ
ェーハＷは依然研磨クロス３４に接触したままである。 Ｓｔｅｐ１２：ウェーハＷがチャックされたＳｔｅｐ１
１の状態が維持されつつ、昇降用チャンバ５内が減圧さ
れる。すると、ウェーハＷと、ウェーハＷをチャックし
た可撓膜２および保持具３が一体的に上昇して、ウェー
ハＷが研磨クロス３４から離間する。 Ｓｔｅｐ１３：ヘッド駆動機構３９により、ウェーハ研
磨ヘッド１自体が研磨クロス３４から遠ざかる。 Ｓｔｅｐ１４：ヘッド駆動機構３９により、ウェーハ研
磨ヘッドにチャックされたウェーハＷがウェーハ待機位
置３５まで搬送される。そののち、吸引用凹部３ｓ内が
大気開放されてウェーハＷがデチャックされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のウェーハ研磨ヘッドの縦断面図。

【図２】図１のウェーハ研磨ヘッドが装着されるＣＭＰ
装置の一例を示す概略図。

【図３】図２に続くＣＭＰ装置の上面図。

【図４】保持具の下面図および断面図。

【図５】可撓膜が吸引されてウェーハがチャックされる
様子を示す模式図。

【図６】気密部材とリテナーリングとの接続方法を示す
分解図。

【図７】テーンプレートの厚さ調整の例を示す模式図。

【図８】可撓膜と保持具との位置関係を説明する模式
図。

【図９】ウェーハの裏面側と吸引用凹部とに開口する通
口が形成された可撓膜の断面模式図。

【図１０】フレーム、保持具およびリテナーリングの接
続形態の別例を示す縦断面図。

【図１１】第二気密部材と、フレームおよびリテナーリ
ングとの接続位置関係を説明する模式図。

【図１２】ウェーハをウェーハ待機位置から研磨クロス
上まで移載して研磨する動作を説明する工程説明図。

【図１３】図１２に続き、ウェーハを研磨クロスから離
間させてウェーハ待機位置に移載する動作を説明する工
程説明図。

【図１４】ワックスレスマウント方式を採用した従来の
ウェーハ研磨ヘッド。

【符号の説明】

１ ウェーハ研磨ヘッド ２ 可撓膜 ２ｓ 通口 ３ 保持具 ３ｓ 吸引用凹部 ３ｔ 溝 ４ フレーム ５ 昇降用チャンバ ６ 研磨用チャンバ ７ 第一気密部材 ８ 第二気密部材 ９ リテナーリング ９ｒ リテナーリングの下端面 １０ テーンプレート ２０，２１ 凹部（段付き凹部） ２００ ＣＭＰ装置（研磨装置） Ｗ ウェーハ

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ウェーハを片面研磨する研磨装置用のウ
   ェーハ研磨ヘッドであって、 一方の主面がウェーハの吸着面をなす可撓膜と、前記可
   撓膜の吸着面とは反対側に配置され、前記可撓膜との接
   触面側に吸引用凹部を有する円盤状の保持具と、前記吸
   引用凹部とは隔離された容積可変な昇降用チャンバを前
   記保持具の直上に形成するフレームとを備え、 前記吸引用凹部を満たす流体と、前記昇降用チャンバを
   満たす流体とを各々独立に吸引および圧縮可能とされ、 前記吸引用凹部を満たす流体を吸引して前記可撓膜にウ
   ェーハを吸着させ、その状態から前記昇降用チャンバの
   容積を減じ、前記保持具と一体にウェーハを浮上させる
   ように構成されていることを特徴とするウェーハ研磨ヘ
   ッド。
2. 【請求項２】 前記可撓膜とウェーハとが密着した状態
   を維持しつつ、前記吸引用凹部を満たす流体を吸引した
   場合、該吸引用凹部内に前記可撓膜が引き込まれること
   により該可撓膜にウェーハが吸着するように構成されて
   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】 前記可撓膜には、厚さ方向に貫通する通
   口が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。
4. 【請求項４】 前記保持具と前記可撓膜との間に、前記
   吸引用凹部が開放した研磨用チャンバが形成されてなる
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記
   載のウェーハ研磨ヘッド。
5. 【請求項５】 前記吸引用凹部は、前記保持具における
   前記可撓膜と対向する側に分散形態で複数形成されてお
   り、それら複数の前記吸引用凹部同士を連通する溝が設
   けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいず
   れか１項に記載のウェーハ研磨ヘッド。
6. 【請求項６】 前記保持具は、前記昇降用チャンバの容
   積変化を許容する第一気密部材を介して前記フレームに
   接続されており、該フレームを支点として上下動可能に
   構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のい
   ずれか１項に記載のウェーハ研磨ヘッド。
7. 【請求項７】 前記フレームは、前記保持具との間に前
   記昇降用チャンバを形成する凹部を有し、その凹部の内
   側部分と前記保持具の外周部との隙間を前記第一気密部
   材が塞いで前記昇降用チャンバの密閉状態を生じさせる
   とともに、前記フレームの内側を前記保持具が昇降して
   前記昇降用チャンバの容積変化を生じさせるように構成
   されていることを特徴とする請求項６記載のウェーハ研
   磨ヘッド。
8. 【請求項８】 前記可撓膜を周方向に取り囲み、直接ま
   たは他部材を介して前記可撓膜に連結されるリテナーリ
   ングが、前記研磨用チャンバの容積変化を許容する第二
   気密部材を介して前記フレームに取り付けられており、 前記吸引用凹部内の流体圧を調整することにより、前記
   リテナーリングに連結された前記可撓膜がウェーハを付
   勢するように構成されていることを特徴とする請求項４
   ないし７のいずれか１項に記載のウェーハ研磨ヘッド。
9. 【請求項９】 前記フレームは、前記保持具との間に前
   記昇降用チャンバを形成する凹部を有し、 該凹部は、下方側が広口の段付き凹部とされ、その段付
   き形状を利用して、前記第一気密部材と、該第一気密部
   材よりも径大の前記第二気密部材とがそれぞれ前記フレ
   ームに取り付けられていることを特徴とする請求項８記
   載のウェーハ研磨ヘッド。
10. 【請求項１０】 前記第一気密部材および／または前記
    第二気密部材が、可撓性を有する樹脂製シール材により
    構成されていることを特徴とする請求項６ないし９のい
    ずれか１項に記載のウェーハ研磨ヘッド。
11. 【請求項１１】 前記リテナーリングと前記可撓膜とを
    周方向全域にわたってまたがるテーンプレートが、その
    リテナーリングの下端面および前記可撓膜の吸着面側に
    設けられており、 そのテーンプレートと前記可撓膜とによって形成される
    凹所に、ウェーハが配置されて研磨が行われることを特
    徴とする請求項８ないし１０のいずれか１項に記載のウ
    ェーハ研磨ヘッド。
12. 【請求項１２】 前記可撓膜の周縁部と前記保持具の周
    縁部とが、該保持具の上下動方向において重なるように
    調整されており、前記吸引用凹部および昇降用チャンバ
    を満たす流体の圧および／または量を調整することに基
    づいて、前記テーンプレートに支持される形にて前記保
    持具の周縁部が前記可撓膜と密着可能とされていること
    を特徴とする請求項１１記載のウェーハ研磨ヘッド。