JP2008166447A - Ｃｍｐ装置のウェハ温度制御方法及びウェハ温度制御機構 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造でウェハの温度均一性を高めてウェハ面内の平坦性及び研磨レートを制御する。
【解決手段】ウェハ保持ヘッド３内に設けたバックプレート１１とウェハＷとの間に、予め設定した温度、湿度、流量又は流速に調整されたエアを連続して流動させるエアフロート層１４を形成する。又、エアフロート層１４の温度、湿度、エア流量又は流速を検出する温度センサ、湿度センサ、エア流量又は流速センサ１９・・を複数設け、該温度センサ、湿度センサ、エア流量又は流速センサ１９・・による検出値に基づいてエアの設定温度、設定湿度を適正に制御する。エアフロート層１４に流入するエアの流量又は流速は、温度センサ、湿度センサ、エア流量又は流速センサ１９・・による検出値に基づいて制御する。更に、複数の温度センサ、湿度センサ、エア流量又は流速センサ１９・・はウェハＷの径方向に所定間隔を有して配置する。
【選択図】図２

Description

本発明はＣＭＰ装置のウェハ温度制御方法及びウェハ温度制御機構に関するものであり、特に、ウェハ保持ヘッドに保持されたウェハを回転中の研磨パッドに押し付けて化学的機械的に研磨するＣＭＰ装置のウェハ温度制御方法及びウェハ温度制御機構に関するものである。

従来、此種ＣＭＰ装置は、研磨パッドが貼り付けられたプラテン（研磨定盤）の上方にウェハ保持ヘッドが配設され、該ウェハ保持ヘッドの下部側にはウェハが着脱可能に保持される。

前記ウェハを研磨する際は、前記プラテン及びウェハ保持ヘッドをモータで夫々回転駆動すると共に、該研磨パッド上面にスラリーを供給しながら該研磨パッド上面にウェハを押し付けることにより、該ウェハを化学的機械的に研磨している。

ここで、ウェハ研磨面の平坦性を確保するには、研磨パッドに対するウェハの押し付け力の調整と共に、研磨中におけるウェハ温度が大きな要因になる。そこで、ウェハの温度を制御するためには、ウェハ保持ヘッド内におけるウェハ裏面（背面）側に加熱板又は放熱板を設けた温度制御機構、或いは、エアバック又は空洞を温度調整可能に設けた温度制御機構などが提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。
特開平０９−２９５９１号公報 特開２００１−３４１０６４号公報 特開２００５−２６８５６６号公報 特開２００６−２８９５０６号公報

上記特許文献１及び２記載の従来技術のように、ウェハ保持ヘッド内に加熱板又は放熱板を設けた場合は、ウェハ保持ヘッドの構造が複雑になりコスト高になる。又、上記特許文献３及び４記載の従来技術のように、ウェハ保持ヘッド内に大きなエアバック又は複数の空洞を設けて温度制御した場合は、加熱若しくは冷却されるエアバック又は空洞に熱が蓄積されるため、ウェハ表面への熱の伝導が遅くなり、所望の温度プロファイルを得ることが困難になる。

その結果、ウェハ面内の温度が不均一になり、ウェハ研磨面の平坦性低下を招く。特に、ウェハの中心部が外周部よりも温度が高くなり、この温度差に伴い化学的な研磨速度が変化して、ウェハ面内の研磨レートにバラツキが生じるという問題があった。

そこで、ウェハ保持ヘッドの構造を複雑化することなく、ウェハ温度の均一性を高めてウェハ面内の平坦性及び研磨レートを向上させるために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、回転する研磨パッドにスラリーを供給しながら、ウェハ保持ヘッドに保持されたウェハを前記研磨パッドに押し付けて研磨するＣＭＰ装置において、前記ウェハ保持ヘッド内に設けたバックプレートとウェハとの間に形成されたエアフロート層に、所定温度に調整されたエアを連続して流動させると共に、エアフロート層の温度を温度センサにて検出し、該検出値に基づいて前記エアの温度を適正に制御するＣＭＰ装置のウェハ温度制御方法を提供する。

この方法によれば、ウェハ研磨中、バックプレートとウェハ間のエアフロート層にはエアが連続して流動する。このとき、エアフロート層の温度は温度センサにて検出される。そして、この温度センサによる検出値に基づいて前記エアの温度が最適値に随時調整される。斯くして、ウェハの寸法や研磨条件に応じて、ウェハ面内の温度が適切に制御される。

請求項２記載の発明は、回転する研磨パッドにスラリーを供給しながら、ウェハ保持ヘッドに保持されたウェハを前記研磨パッドに押し付けて研磨するＣＭＰ装置において、前記ウェハ保持ヘッド内に設けたバックプレートとウェハとの間に形成されているエアフロート層に、所定温度に調整されたエアを連続して流動できるように設けると共に、該エアフロート層の温度を検出する温度センサを設け、該温度センサによる検出値に基づいて前記エアの温度を制御するように構成して成るＣＭＰ装置のウェハ温度制御機構を提供する。

この構成によれば、ウェハ研磨中、バックプレートとウェハ間のエアフロート層にはエアが連続して流動する。このとき、エアフロート層の温度は温度センサにて検出される。そして、この検出値に基づいて前記エアの設定温度は最適値に随時調整される。斯くして、ウェハの寸法や研磨条件に応じて、ウェハ面内の温度が適切に制御される。

請求項３記載の発明は、上記エアフロート層に流入するエアの温度、湿度、流量又は流速は、上記温度センサ、湿度センサ、流量又は流速センサにより検出され、該温度センサ、湿度センサ、流量又は流速センサによる検出値に基づいて前記エアの温度、湿度、流量又は流速を制御する請求項２記載のＣＭＰ装置のウェハ温度制御機構を提供する。

この構成によれば、ウェハ研磨中、バックプレートとウェハ間のエアフロート層に流入する温度及び湿度はそれぞれ、温度センサおよび湿度センサにて検出される。そして、エアフロート層に流入するエアの流量又は流速は、エア流量又は流速センサによる検出値に基づいて制御される。これにより、ウェハ面内の温度は研磨環境等に応じて適切に制御管理される。

請求項４記載の発明は、上記温度センサ、湿度センサ、流量又は流速センサは複数設けられ、かつ、該複数の温度センサ、湿度センサ、流量又は流速センサは上記ウェハの径方向に所定間隔を有して配置されている請求項３記載のＣＭＰ装置のウェハ温度制御機構を提供する。

この構成によれば、上記複数の温度センサ、湿度センサ、流量又は流速センサはウェハの径方向に所定間隔有して配置されているので、エアフロート層におけるウェハ径方向の複数地点の温度、湿度、流量又は流速、即ち、ウェハの中心部と外周部の双方のエアの温度の差、湿度の差、流量の差又は流速の差が検出される。従って、エアフロート層におけるウェハ径方向の複数地点の検出値に基づいて、エアフロート層に流入するエアの温度、湿度、流量又は流速を調整することにより、ウェハ面内の温度が常に最適状態に制御管理される。

請求項１記載の発明は、ウェハの寸法や研磨条件に応じて、ウェハ面内の温度を均一になるように瞬時に制御できるので、ウェハ研磨面の平坦性が向上すると共に、ウェハ研磨面の研磨レートを従来に比べて著しく改善させることができる。

請求項２記載の発明は、ウェハの寸法や研磨条件に応じて、ウェハ面内の温度を均一に制御できるので、ウェハ研磨面の平坦性が向上すると共に、ウェハ研磨面の研磨レートを従来に比べて著しく改善でき、ウェハの歩留り改善に大いに寄与することができる。

又、ウェハ保持ヘッド内にエアバック又は空洞を設ける必要がないため、従来に比べて構造が簡素化するメリットを有する。更に、エアフロート層を流れるエアにより、ウェハ裏面を直接加熱又は冷却できるので、熱効率が従来に比べて大幅に向上し、熱エネルギー費（ランニングコスト）を大幅に低減させることができる。

請求項３記載の発明は、エアフロート層に流入するエアの温度、湿度、流量又は流速を、温度センサ、湿度センサ、流量又は流速センサによる検出値に基づいて随時調整することにより、研磨中にウェハ面内の温度を研磨環境等に応じて正確に管理できるので、請求項２記載の発明の効果に加えて、ウェハ研磨面の平坦性及び研磨レートを一層向上させることができる。

請求項４記載の発明は、エアフロート層におけるウェハ径方向の複数地点の検出値に基づいて、エアフロート層に流入するエアの温度、湿度、流量又は流速を随時調整することにより、ウェハ面内の温度を常に適切に制御管理できるので、請求項３記載の発明の効果に加えて、ウェハの仕様や研磨条件などに応じて、ウェハの半径方向における温度プロファイルを最適状態に容易に変更・設定することができる。

本発明は、構造が簡単でありウェハの温度均一性を高めて、ウェハ面内の平坦性及び研磨レートを向上させるという目的を、回転する研磨パッドにスラリーを供給しながら、ウェハ保持ヘッドに保持されたウェハを前記研磨パッドに押し付けて研磨するＣＭＰ装置において、前記ウェハ保持ヘッド内に設けたバックプレートとウェハとの間に形成されているエアフロート層に、所定温度に調整されたエアを連続して流動できるように設けると共に、該エアフロート層の温度、湿度、流量又は流速を検出する温度センサ、湿度センサ、流量又は流速センサを設け、該温度センサ、湿度センサ、流量又は流速センサによる検出値に基づいて前記エアの温度を適正に制御することによって達成した。

以下、本発明の好適な実施例を図１乃至図４に従って説明する。本実施例は、回転駆動されるプラテンに貼り付けられた研磨パッドにスラリーを供給しながら、該研磨パッドにウェハを押し付けて研磨するＣＭＰ装置のウェハ温度制御機構に適用したものであって、ウェハ温度制御機構はウェハを保持するウェハ保持ヘッド内のウェハ裏面側に設けられている。

図１はＣＭＰ装置の全体構成を示す斜視図、図２はウェハ保持ヘッドの内部構造を示す縦断面図、図３はウェハ温度制御機構の制御系を示す全体構成図、図４はウェハ温度制御機構の温度センサの配置例を示す平面図である。

図１に示すように、ＣＭＰ装置１は、プラテン（研磨定盤）２及びウェハ保持ヘッド３等によって構成されている。前記プラテン２は円盤状に形成され、該プラテン２の上部には研磨パッド４が貼り付けられている。

又、プラテン２の下部にはスピンドル５が連結され、該スピンドル５の下端部にはモータ６が連結されている。従って、モータ６によってスピンドル５を回転駆動することにより、前記プラテン２は図１の矢印Ａ方向に回転する。更に、前記研磨パッド４の上方には、該研磨パッド４上面にスラリー（研磨剤）Ｓを供給するための供給ノズル７が設けられている。

前記ウェハ保持ヘッド３は、図示しない昇降装置によって昇降可能に設けられている。又、該ウェハ保持ヘッド３の下面側にはウェハＷが着脱可能に保持されるように構成されている。更に、ウェハ保持ヘッド３の上部には回転軸８が連結され、該回転軸８の上端部には図示しないモータが連結されている。従って、該モータによって回転軸８を回転駆動することにより、ウェハ保持ヘッド３は図１の矢印Ｂ方向に回転する。

上記ＣＭＰ装置１によりウェハを研磨する際は、前記プラテン２及びウェハ保持ヘッド３をモータで夫々回転駆動すると共に、該研磨パッド４上面にスラリーＳを供給しながら該研磨パッド４上面にウェハＷを押し付けることにより、該ウェハＷ下面に対して化学的機械的な研磨が実施される。

本実施例に係る温度制御機構は、ウェハ保持ヘッド３内におけるウェハＷ裏面の上方に設けられている。ウェハ保持ヘッド３の具体的構成は、図２に示すように、ヘッド本体１０、バックプレート１１、リテーナ１２及びメンブレン（保護シート）１３などから構成され、メンブレン１３とバックプレート１１との間にはエアフロート層１４が形成されている。尚、図２中のエアフロート層１４及びメンブレン１３等については、説明の都合上誇張して図示されている。

ヘッド本体１０の内側には円板形のバックプレート１１が配置されている。このバックプレート１１の外周部には複数のエア噴出孔１５が形成され、該エア噴出孔１５はエアライン１６を介して一次エア２０に接続されている。バックプレート１１の中心部、外周部と中心部の間にも複数のエア噴出孔１５が形成されている場合がある。

エアライン１６の途中には、図３に示すように、エア温度、エア湿度調整器２１及びエア流量又は流速調整器２２が設けられ、これらエア温度、エア温度調整器２１及びエア流量又は流速調整器２２により、エアライン１６を通るエアＡの温度、湿度、流量又は流速を適正に調整できるように構成されている。又、エアライン１６の途中には、図示しないバキュームポンプ及び給気ポンプが切り替え運転可能に設置されている。

更に、該バックプレート１１の下側には円形のメンブレン１３が配置され、該メンブレン１３の外周部はリング状のリテーナ１２に固定されている。このリテーナ１２の下面開口部はウェハＷよりも若干大径に形成され、ウェハＷの径方向への動きを規制している。該メンブレン１３は所要の可撓性を有するゴム材又は樹脂材によりシート状に形成されている。又、メンブレン１３はエアフロート層１４で形成されたエア圧をウェハＷに伝達し、且つ、エアフロート層１４とウェハＷ裏面の間において熱を伝える役目をなす。

更に又、メンブレン１３には必要に応じて複数の真空吸着用のエア孔１７が形成される。バキュームポンプによりエアフロート層１４内のエアを吸引して負圧を発生させることで、待機位置に載置されている未研磨のウェハＷをメンブレン１３に吸着保持し、該未研磨のウェハＷをプラテン２に装着されている研磨パッド４上に移載する。

然る後、該ウェハＷを研磨する際は、給気ポンプにより、エアフロート層１４に所定圧のエアＡを供給することで、研磨パッド４にウェハＷが所定圧で押し付けられる。尚、エアフロート層１４内に供給された加圧エアは、リテーナ１２に形成されている間隙１８から自然に排出されてエアフロート層１４内のエア圧が自然に調整される。

本実施例に係るウェハ温度制御機構は、バックプレート１１とウェハＷとの間に形成されたエアフロート層１４に、所定温度、所定湿度、所定流速又は流速に調整されたエアＡを連続して流動できるように構成されている。更に、バックプレート１１の下面側には、エアフロート層１４の温度、湿度、エア流量又は流速を検出する複数の温度センサ、湿度センサ、エア流量又は流速センサ１９，１９・・が設けられている。図４に示すように、複数の温度センサ１９，１９・・はウェハＷの径方向に所定間隔有して配置されている。例えば、バックプレート１１下面の中央部、中間部、外周部（エア噴出孔１５近傍部）に分散して配置されている。尚、温度センサ、湿度センサ、エア流量又は流速センサ１９，１９・・としては無接触型の温度センサを使用することもできる。

図４に示すように、温度センサ、湿度センサ、エア流量又は流速センサ１９，１９・・による検出信号は制御装置２３に送信される。この制御装置２３は前記検出信号に基づいてエア温度、エア湿度調整器２１、及び／又は、エア流量又は流速調整器２２に温度設定信号、湿度設定信号、及び／又は、流量（流速）設定信号を送信し、エアフロート層１４に供給されるエアＡの温度、湿度、及び／又は、流量（流速）を調整する。

エアＡの温度は１０℃〜４５℃の範囲に設定するのが好ましい。エアＡの湿度は４０％〜８０％の範囲に設定するのが好ましい。又、エアＡの流量は０．１リッタ／分〜１００リッタ／分の範囲に設定するのが好ましい。更に、温度センサ、湿度センサ、エア流量又は流速センサ１９，１９・・による検出値、並びにウェハＷの研磨状況や研磨環境は、制御装置２３を介してモニター２４によりリアルタイムで監視できるように構成されている。

本発明は、ウェハＷ裏面側に形成されたエアフロート層１４の温度を直接制御することにより、ウェハＷ裏面側の温度分布のバラツキを最小限に抑制する。これにより、ウェハＷの仕上がり研磨面の温度均一性を高めて、該ウェハＷの仕上がり研磨面の平坦性向上に貢献する。

エア温度、エア湿度調整器２１には加熱手段又は冷却手段が設置されている。この加熱手段又は冷却手段により、エアフロート層１４に供給されるエアＡを設定温度になるように直接加熱又は冷却することで、エアフロート層１４の温度が制御される。尚、前記加熱手段又は冷却手段としては、ヒータ、チラー、ペルチェ素子、ドライヤー、気化熱を利用した熱交換器等を使用できる。湿度の制御には、加湿器、除湿機等を使用できる。

ウェハＷ裏面側にはエアが連続的に流れるエアフロート層１４が存在し、該エアは所望の温度に設定されているため、ウェハＷ裏面全域に対して常に均等な熱交換機能を有する。即ち、ウェハＷ裏面側を所定温度のエアＡが常に流れることで、このエアＡはメンブレン１３を介してウェハＷとの間で温度差による速やかな熱移動現象、即ち、ウェハＷの熱を奪う冷却作用、或いは、ウェハＷに熱を付与して該ウェハＷを暖める作用を奏する。

このように、エアフロート層１４を流れるエアＡとウェハＷとの間で生じる熱移動により、ウェハＷに対して積極的な温度制御が可能となり、ウェハＷ面内の温度均一性を効果的に向上させることができる。さらに、ウェハＷの研磨状態をリアルタイムで把握することにより、ウェハＷの仕様や研磨環境に応じて、温度条件を常に適正に維持管理できる。

以上説明したように、ウェハＷの研磨中、バックプレート１１とウェハＷ間のエアフロート層１４にはエアＡが連続して流動する。このとき、エアフロート層１４の温度は温度センサ、湿度センサ、エア流量又は流速センサ１９，１９・・にて検出され、この検出値に基づいてエアＡの設定温度、設定温度、設定流量又は流速を最も適正な値に随時制御する。

斯くして、ウェハＷの寸法や研磨条件に応じて、ウェハＷ面内の温度が均一になるように速やかに制御される。その結果、ウェハ研磨面の平坦性が向上すると共に研磨レートが著しく改善される。

又、ウェハ保持ヘッド３内に大きなエアバック又は複数の空洞を設ける必要がないため、従来に比べて構造が簡素化する。更に、エアフロート層１４を流れるエアＡによりウェハＷ表面に対する加熱又は冷却が直接行われるので、熱効率が従来に比べて大幅に向上し、熱エネルギー費を大幅に低減させることができる。

更に、エアフロート層１４の温度は温度センサ、湿度センサ、エア流量又は流速センサ１９，１９・・にて検出され、エアフロート層１４に供給されるエアＡの流量又は流速は、温度センサ、湿度センサ、エア流量又は流速センサ１９，１９・・の検出値に基づいて随時制御される。これにより、ウェハＷ面内の温度は、研磨環境等に応じて適切に制御管理される。従って、ウェハＷの仕上がり研磨面の平坦性及び研磨レートを一層向上させることができる。

更に又、複数の温度センサ、湿度センサ、エア流量又は流速センサ１９，１９・・はウェハＷの径方向に所定間隔有して配置されているので、エアフロート層１４におけるウェハ径方向の複数箇所の温度、即ち、ウェハＷの中心部と外周部のエアの温度差、湿度差、エア流量差又は流速差が正確に検出される。

従って、これら検出温度に基づいて、エアフロート層１４に供給されるエアＡの温度、湿度、流量（流速）を随時調整することで、ウェハＷ面内の温度が最適状態に制御管理され、ウェハＷの仕様や研磨条件などに応じてリアルタイムで最適温度にコントロールすることができる。

本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

本発明の一実施例を示し、ＣＭＰ装置の全体構成を示す斜視図。 一実施例に係るウェハ保持ヘッドの内部構造を示す縦断面図。 一実施例に係るウェハ温度制御機構の制御系を示す全体構成図。 一実施例に係るウェハ温度制御機構の温度センサ等の配置例を示す平面図。

符号の説明

１ ＣＭＰ装置
３ ウェハ保持ヘッド
４ 研磨パッド
１１ バックプレート
１２ リテーナ
１３ メンブレン（保護シート）
１４ エアフロート層
１９ 温度センサ、湿度センサ、エア流量又は流速センサ
２１ エア温度、エア湿度調整器
２２ エア流量又は流速調整器
２３ 制御装置
２４ モニター

Claims (4)

1. 回転するプラテン上に装着されている研磨パッド上にスラリーを供給しながら、ウェハ保持ヘッドに保持されたウェハを前記研磨パッドに押し付けて研磨するＣＭＰ装置において、
   前記ウェハ保持ヘッド内に設けたバックプレートとウェハとの間に形成されたエアフロート層に、所定温度に調整されたエアを連続して流動させると共に、該エアフロート層の温度を温度センサにて検出し、該検出値に基づいて前記エアの温度を適正に制御することを特徴とするＣＭＰ装置のウェハ温度制御方法。
2. 回転するプラテン上に装着されている研磨パッド上にスラリーを供給しながら、ウェハ保持ヘッドに保持されたウェハを前記研磨パッドに押し付けて研磨するＣＭＰ装置において、
   前記ウェハ保持ヘッド内に設けたバックプレートとウェハとの間に形成されているエアフロート層に、所定温度に調整されたエアを連続して流動できるように設けると共に、該エアフロート層の温度を検出する温度センサを設け、該温度センサによる検出値に基づいて前記エアの温度を制御するように構成したことを特徴とするＣＭＰ装置のウェハ温度制御機構。
3. 上記エアフロート層に流入するエアの温度、湿度、流量又は流速は、上記温度センサ、湿度センサ、流量又は流速センサにより検出され、該温度センサ、湿度センサ、流量又は流速センサによる検出値に基づいて前記エアの温度、湿度、流量又は流速を制御することを特徴とする請求項２記載のＣＭＰ装置のウェハ温度制御機構。
4. 上記温度センサ、湿度センサ、流量又は流速センサは複数設けられ、かつ、該複数の温度センサ、湿度センサ、流量又は流速センサは上記ウェハの径方向に所定間隔を有して配置されていることを特徴とする請求項３記載のＣＭＰ装置のウェハ温度制御機構。
   

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