JP2009248231A - 研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】研磨装置のリテーナリングの磨耗を低減する。
【解決手段】リテーナリング１１にはリテーナリング外装部２２、リテーナリング内装部２４、連結部品２３、及びボール２１が設けられる。リテーナリング１１は研磨パッド３とボール２１で点接触される。リテーナリング内装部２４には嵌合穴３１が設けられ、空隙部３２が設けられ、上板１３により固定され、左端がウェハ５及びメンブレン１２に接する。リテーナリング内装部２４は研磨パッド３と離間し、ウェハ５を保持する。リテーナリング外装部２２には嵌合穴３１が設けられ、空隙部２５が設けられ、上部が上板１３に接し、左端がリテーナリング内装部２２と接する。リテーナリング外装部２２は、研磨パッド３と離間し、嵌合穴３１に連結部品２３を嵌合させることによりリテーナリング内装部２４と一体化される。ボール２１は研磨パッド３よりも硬度が高く、空隙部２５及び空隙部３２に組み込まれる。
【選択図】図４

Description

本発明は、研磨装置に係り、特に研磨装置に使用されるリテーナリングに関する。

近年、微細加工の進展に伴い、半導体集積回路（ＬＳＩ）の高集積度化、低消費電力化、高機能化などが進行している。高集積度化された半導体集積回路（ＬＳＩ）の微細加工では、半導体集積回路（ＬＳＩ）が形成されるウェハ表面の層或いは膜を平坦化することが大変重要となる。ウェハ表面に設けられる配線材料（銅（Ｃｕ）、アルミニウム（ＡＬ）など）、層間絶縁膜（ＴＥＯＳ膜、Ｌｏｗ−Ｋ膜など）、或いはレジスト膜等を平坦化する手法としてウェハ研磨装置を用いたＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing 化学機械研磨）法が多用される。ウェハ研磨装置には、研磨パッドが設けられる研磨テーブルと、研磨するウェハの裏面を保持してウェハの研磨すべき表面を研磨パッドに当接させるウェハ保持ヘッドと、ウェハ保持ヘッドを研磨テーブルに対して相対回転させるウェハ保持ヘッド駆動機構などが設けられる。ウェハ保持ヘッドには、ウェハの裏面に接し、ウェハを保持するメンブレンと、研磨中にウェハがウェハ保持ヘッドから飛び出さないようにウェハの側面に接し、ウェハを保持し、研磨パッドに接触するリテーナリングが設けられる（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１などに記載される研磨装置に設けられるリテーナリングには、例えば研磨パッドよりも若干硬度の低いポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）やエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの樹脂（有機高分子材料）が使用される。このため、ＣＭＰ処理するウェハ枚数が増加するにつれて研磨パッドに直接接しているリテーナリング面が磨耗するという問題点がある。また、磨耗速度が速いと消耗部品としてのリテーナリングの交換頻度が増大し、コストアップになるという問題点がある。
特開２０００−３１７８１９号公報

本発明は、ＣＭＰ処理工程での磨耗を低減できるリテーナリングを有する研磨装置を提供する。

本発明の一態様の研磨装置は、研磨テーブル上に設けられる研磨パッドと、前記研磨パッド上に配置されるウェハの研磨される第１主面と相対向する第２主面に接し、前記ウェハを保持するメンブレンと、ボールが組み込まれ、前記ウェハの側面に接し、前記ウェハを保持し、前記ボールで前記研磨パッドと点接触するリテーナリングとを有するウェハ保持ヘッドとを具備することを特徴とする。

本発明によれば、ＣＭＰ処理工程での磨耗を低減できるリテーナリングを有する研磨装置を提供することができる。

以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

まず、本発明の実施例１に係る研磨装置について、図面を参照して説明する。図１は研磨装置を示す概略構成図、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図、図２は研磨装置のヘッドを示す平面図、図３は研磨装置を示す側面図、図４は図２のＢ−Ｂ線に沿う拡大断面図である。本実施例では、リテーナリングの磨耗を低減するためにリテーナリングに研磨パッドと接する硬度の高いボールを設けている。

図１（ａ）に示すように、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing 化学機械研磨）法に用いられる研磨装置には、研磨パッド３が表面に設けられる研磨テーブル１と、研磨するウェハの裏面（第２主面）を保持してウェハの研磨すべき表面（第１主面）を研磨パッドに当接させるウェハ保持のヘッド４と、研磨工程中に研磨液を供給する供給ノズル６、純水或いは界面活性剤などを含む純水などを供給する供給ノズル７、及びウェハ保持のヘッド４を研磨テーブル１に対して相対回転させ、左右方向にウェハ保持のヘッド４を移動させる図示しないウェハ保持ヘッド駆動機構が設けられる。

研磨装置は、半導体集積回路（ＬＳＩ）が形成されるウェハ（例えば、１２インチウェハ）表面の配線材料（銅（Ｃｕ）、アルミニウム（ＡＬ）など）、層間絶縁膜（ＴＥＯＳ膜、Ｌｏｗ−Ｋ膜など）、絶縁膜、或いはレジスト膜等の平坦化処理用に使用され、ベアウェハの平坦化処理用としても使用される。

図１（ｂ）に示すように、研磨テーブル１の下部には、研磨テーブル１を支持し、研磨テーブル１を回転させるスピンドル２が設けられる。ウェハ保持のヘッド４は、研磨パッド３上の研磨されるウェハ５を保持し、リテーナリング１１、メンブレン１２、上板１３、及びスピンドル１４が設けられる。ここでは、図示していないが、研磨パッド３の表面を処理して表面状態を調整するドレッサが研磨パッド３上に設けられる。

リテーナリング１１は、リング状の形状を有し、ウェハ保持のヘッド４の端部に設けられ、ウェハ５の側面に接し、研磨中にウェハ５がウェハ保持のヘッド４から飛び出さないようにウェハ５を保持する。メンブレン１２は、ウェハ５と上板１３の間に設けられ、ウェハ５の研磨されるべき表面（第１主面）と相対向する裏面（第２主面）に接し、ウェハ５を保持する。上板１３は、リテーナリング１１及びメンブレン１２を保持する。スピンドル１４は、上板１３上に設けられ、ウェハ保持のヘッド４を回転させ、図示しないウェハ保持ヘッド駆動機構により回転制御される。

図２に示すように、ウェハ保持のヘッド４には、互いに離間配置されたボール２１がリテーナリング１１に複数設けられる。ボール２１は、ウェハ保持のヘッド４の中心位置に対して同心円状に配置される。ここでは、リテーナリング１１にボール２１が２４個設けられているが、ボール２１の数を、例えば１２〜１４４個の範囲に変更させたリテーリングを研磨される材料やパターンなどにあわせて適宜採用するのが好ましい。

図３に示すように、ウェハ保持のヘッド４のリテーナリング１１の外側面部には、リテーナリング外装部２２が複数設けられる（ここでは、２４個）。リテーナリング外装部２２は、研磨パッド３とは離間して設けられる。リテーナリング１１では、ボール２１のみが研磨パッド３と点接触している。

図４に示すように、リテーナリング１１には、リテーナリング外装部２２、リテーナリング内装部２４、連結部品２３、及びボール２１が設けられる。リテーナリング内装部２４には、嵌合穴３１が設けられ、右下部にボール２１を組み込むための空隙部３２が設けられ、上板１３により固定され、左端がウェハ５及びメンブレン１２に接する。リテーナリング内装部２４はウェハ５を保持する（ウェハ５側面部分）。リテーナリング内装部２４と研磨パッド３の間隔は、研磨パッドとリテーナリング間隔Ｇ_Ａに設定される。ここで、研磨パッドとリテーナリング間隔Ｇ_Ａ、ウェハ５のウェハ厚Ｔ_Ａの関係は、
T_A＞G_A・・・・・・・・・・・・・・・式（１）
に設定される。

半導体集積回路（ＬＳＩ）に使用されるウェハの厚さは、ＳＥＭＩスタンダードで決められており、例えば１２インチウェハで７７５μｍ、８インチウェハで７２５μｍ、６インチウェハで６２５μｍである。半導体集積回路（ＬＳＩ）の前工程で主に使用されるＣＭＰ法では、ＣＭＰ研磨されるウェハ厚が前工程に投入されるウェハ厚と略等しいので、前工程に投入されるウェハ厚Ｔ_Ｂ、研磨パッドとリテーナリング間隔Ｇ_Ａの関係は、例えば
0.1＜G_A＜T_Ｂ+0.15(mm)・・・・・・・・式（２）
に設定するのが好ましい。前工程に投入されるウェハの口径が１２インチであれば、例えば
0.1＜G_A＜0.6(mm)・・・・・・・・・・式（３）
に設定するのが好ましい。

ここで、研磨パッドとリテーナリング間隔Ｇ_Ａが０．１ｍｍ以下になるとリテーナリング内装部２４が研磨パッド３と接触する可能性が高くなり（接触するとリテーナリング内装部２４が磨耗する）、研磨パッドとリテーナリング間隔Ｇ_Ａが０．６ｍｍ以上になるとウェハ５を保持する能力が低下する（ウェハ５が飛び出す）可能性が高くなる。

リテーナリング外装部２２には、嵌合穴３１が設けられ、左下部にボール２１を組み込むための空隙部２５が設けられ、上部が上板１３に接し、左端がリテーナリング内装部２２と接する。リテーナリング外装部２２は、嵌合穴３１に連結部品２３を嵌合させることによりリテーナリング内装部２４と一体化させることができる。つまり、リテーナリング外装部２２は装着及び脱着が可能な構造となっている。リテーナリング外装部２２と研磨パッド３の間隔は、研磨パッドとリテーナリング間隔Ｇ_Ａに設定される。

ボール２１は、リテーナリング外装部２２の空隙部２５及びリテーナリング内装部２４の空隙部３２で構成される空隙部内に組み込まれる。ボール２１は、ＣＭＰ処理工程中、研磨パッド３と点接触する。ボール２１のボール径Ｒ_Ｂは、リテーナリング外装部２２及びリテーナリング内装部２４の高さ、リテーナリング外装部２２とリテーナリング内装部２４の合算した厚さを考慮し、例えば
6.0＜R_B＜18.0(mm)・・・・・・・・・・・・式（４）
に設定するのが好ましい。

ＣＭＰ処理工程での多数枚のウェハ処理により、ボール２１が磨耗した場合、連結部品２３を嵌合穴３１から脱着させ、リテーナリング外装部２２を脱着させることにより磨耗したボール２１のみ選択的に交換することができる。

研磨パッド３とリテーナリング１１を離間（研磨パッドとリテーナリング間隔Ｇ_Ａだけ）させ、ボール２１とだけ研磨パッド３と接触させているので、研磨パッド３とウェハ５界面への研磨液、純水、界面活性剤を含む純水などの供給量を増大させることが可能となる。

ここで、ボール２１には、ＣＭＰ処理工程で使用される各種薬液（酸、アルカリ、界面活性剤など）に犯されにくい材料、研磨パッド３よりも比較的硬度が高く研磨パッド３により磨耗されにくい材料、比重が比較的小さく研磨パッド３表面を傷つけにくい材料を使用するのが好ましい。例えば、窒化珪素、炭化珪素、アルミナ、或いは窒化アルミニウムなどから構成されるセラミックボールなどを用いるのが好ましい。

リテーナリング１１を構成するリテーナリング外装部２２及びリテーナリング内装部２４は、研磨パッド３とは接しないので、研磨パッドよりも若干硬度の低いポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）やエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの樹脂（有機高分子材料）、或いは無機系の材料など従来使用されていたものを使用することができる。このため、コスト上昇を抑制することができる。

上述したように、本実施例の研磨装置では、ウェハ研磨装置のリテーナリング１１には、リテーナリング外装部２２、リテーナリング内装部２４、連結部品２３、及びボール２１が設けられる。リテーナリング１１は、研磨パッド３とボール２１で点接触される。ボール２１は研磨パッド３よりも硬度が高い。リテーナリング１１には、互いに離間配置されたボール２１が複数設けられる。ボール２１は、ウェハ保持のヘッド４の中心位置に対して同心円状に配置される。リテーナリング内装部２４には嵌合穴３１が設けられ、右下部に空隙部３２が設けられ、上板１３により固定され、左端がウェハ５及びメンブレン１２に接する。リテーナリング内装部２４は研磨パッド３と離間し、ウェハ５を保持する。リテーナリング外装部２２には嵌合穴３１が設けられ、左下部に空隙部２５が設けられ、上部が上板１３に接し、左端がリテーナリング内装部２２と接する。リテーナリング外装部２２は、研磨パッド３と離間し、嵌合穴３１に連結部品２３を嵌合させることによりリテーナリング内装部２４と一体化される。ボール２１は、一体化された空隙部２５及び空隙部３２から構成される空隙部に組み込まれる。

このため、ＣＭＰ処理するウェハ枚数が増加してもリテーナリング１１の磨耗を大幅に低減することができる。磨耗速度が遅いので消耗部品としてのリテーナリングの交換頻度を大幅に低減することができ、研磨装置の維持コストを低減することができる。また、リテーナリング１１のリテーナリング外装部２２を装着及び脱着が可能な構造にしているので、磨耗したボール３１の交換を容易に行うことができる。

なお、本実施例では、リテーナリングに設けられるボール２１に研磨パッドよりも硬質のセラミックボールを用いているが、研磨パッドよりも硬質の高いスチロール樹脂やアクリル樹脂などの硬質プラスチックボールを代わりに用いてもよい。また、表面がセラミックでコーティングされたボールや硬質プラスチックでコーティングされたボールを代わりに用いてもよい。

次に、本発明の実施例２に係る研磨装置について、図面を参照して説明する。図５は研磨装置のヘッドを示す平面図、図６は研磨装置を示す側面図である。本実施例では、リテーナリングの消耗を抑制するためにリテーナリングに研磨パッドと接するボールを設け、実施例１に対してボール数及びその間隔を変更している。

図５に示すように、研磨装置のウェハ保持のヘッド４ａには、互いに離間配置されたボール２１がリテーナリング１１ａに複数設けられる。ボール２１は、ウェハ保持のヘッド４ａの中心位置に対して同心円状に配置される。ここでは、ボール２１の数が実施例１よりも１／２の１２個に減り、実施例１よりもボール間隔を広くしている。

図６に示すように、ウェハ保持のヘッド４ａのリテーナリング１１には、リテーナリング外装部２２、リテーナリング内装部２４、連結部品２３、リテーナリング外装部２６、及びボール２１が設けられる。リテーナリング外装部２２及びリテーナリング内装部２４が連結部品２３で連結され、リテーナリング外装部２２の空隙部２５及びリテーナリング内装部２４の空隙部３２から構成される空隙部にボール２１が組み込まれる部分は、実施例１と同様な構造（図４参照）である。

リテーナリング１１ａのリテーナリング内装部２４の間には、リテーナリング内装部２４に接続されるリテーナリング外装部２６が設けられる。リテーナリング外装部２６には、空隙部が設けられず、ボール２１が組み込まれない。リテーナリング外装部２６は、下端がリテーナリング外装部２２の下端よりも研磨パッド３と離間され、リテーナリング内装部２４と同様に脱着されない構造となっている。リテーナリング内装部２４及びリテーナリング外装部２６は、例えば、一体成形される。

ここで、リテーナリング外装部２６の幅Ｗ_Ａは、研磨される材料やパターンなどを考慮し、
0.5＜W_A＜40(mm)・・・・・・・・・・・・・式（５）
に設定される。

また、リテーナリング外装部２６の下端とリテーナリング外装部２２の下端の間隔Ｇ_Ｂは、研磨パッド３とウェハ５界面への研磨液、純水、界面活性剤を含む純水などの供給量を考慮し、
1.0＜G_B＜10(mm)・・・・・・・・・・・・・・式（６）
に設定される。この設定により、リテーナリング外装部２６では、研磨されるウェハ５がリテーナリング外装部２６で保持されず、研磨されるウェハ５の側面が露出されるので、研磨パッド３とウェハ５界面への研磨液、純水、界面活性剤を含む純水などの供給量を増大させることができる。

リテーナリング１１ａを構成するリテーナリング外装部２２、リテーナリング内装部２４、及びリテーナリング外装部２６は、研磨パッド３とは接しないので、研磨パッドよりも若干硬度の低いポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などの樹脂（有機高分子材料）、或いは無機系の材料など従来使用されていたものを使用することができる。このため、コスト上昇を抑制することができる。

上述したように、本実施例の研磨装置では、ウェハ研磨装置のリテーナリング１１ａには、リテーナリング外装部２２、リテーナリング内装部２４、連結部品２３、リテーナリング外装部２６、及びボール２１が設けられる。リテーナリング１１ａは、研磨パッド３とボール２１で点接触される。ボール２１は研磨パッド３よりも硬度が高い。リテーナリング１１ａには、互いに離間配置されたボール２１が複数設けられる。ボール２１は、ウェハ保持のヘッド４ａの中心位置に対して同心円状に配置される。隣接するリテーナリング内装部２４の間にリテーナリング外装部２６が設けられる。リテーナリング外装部２６の下端は、リテーナリング外装部２２及びリテーナリング内装部２４の下端よりも研磨パッド３に対して高い。

このため、実施例１の効果の他に、研磨パッド３とウェハ５界面への研磨液、純水、界面活性剤を含む純水などの供給量を増大させることができる。

次に、本発明の実施例３に係る研磨装置について、図面を参照して説明する。図７は研磨装置のヘッドを示す平面図である。本実施例では、リテーナリングの消耗を抑制するためにリテーナリングに研磨パッドと接する硬度の高いボールを設け、ボールを千鳥足状に配置している。

図７に示すように、研磨装置のウェハ保持のヘッド４ｂのリテーナリング１１ｂには、互いに離間配置されたボール２１ａ及び２１ｂが複数設けられる（ボールの数２４個）。ボール２１ａとボール２１ｂは、同一径を有し、リテーナリング１１ｂに千鳥足状に配置される。ボール２１ａ及び２１ｂは、実施例１と同様に、例えばセラミックボールを用いている。リテーナリング１１ｂは、研磨パッド３とボール２１ａ及び２１ｂで点接触される。

ボール２１ａは、リテーナリング１１ｂのウェハ保持のヘッド４ｂの中心位置側に設けられ、ウェハ保持のヘッド４ｂの中心位置に対して同心円状に配置される。ボール２１ｂは、リテーナリング１１ｂの端部側に設けられ、ウェハ保持のヘッド４ｂの中心位置に対して同心円状に配置される。

ボール２１ａとボール２１ｂを千鳥足状に配置することにより、ボール２１ａとボール２１ｂの間隔を実施例１の同心円状にボールを配置した場合と比較し、ボール間隔を広くすることが可能となる。この配置設定により、研磨パッド３とウェハ５界面への研磨液、純水、界面活性剤を含む純水などの供給量を実施例１よりも増大させることができる。

上述したように、本実施例の研磨装置では、ウェハ研磨装置のリテーナリング１１ｂには、ボール２１ａ及び２１ｂが複数設けられる。リテーナリング１１ｂは、研磨パッド３とボール２１ａ及び２１ｂで点接触される。ボール２１ａ及び２１ｂは研磨パッド３よりも硬度が高く、ウェハ保持のヘッド４ｂの中心位置に対して千鳥足状に配置される。

このため、実施例１の効果の他に、研磨パッド３とウェハ５界面への研磨液、純水、界面活性剤を含む純水などの供給量を増大させることができる。

本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々、変更してもよい。

例えば、実施例の研磨装置では、研磨液を用いてＣＭＰ研磨を行っているが、電解液を使用し、研磨テーブルとウェハの間に電圧を印加して電解研磨を行うＥＣＭＰ研磨装置にも適用することができる。

本発明は、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。
（付記１） 研磨テーブル上に設けられる研磨パッドと、前記研磨パッド上に配置されるウェハの研磨される第１主面と相対向する第２主面に接し、前記ウェハを保持するメンブレンと、前記ウェハの側面に接し、前記研磨パッドと離間し、前記ウェハを保持し、第１の空隙部を有する第１のリテーナリング内装部と、前記第１のリテーナリング内装部の前記ウェハに接する一側面と相対向する他側面に接し、前記研磨パッドと離間し、第２の空隙部を有する装着及び脱着が可能な第１のリテーナリング外装部と、ボールとを備え、前記第１及び第２の空隙部から構成される空隙部に前記ボールが組み込まれ、前記研磨パッドと前記ボールで点接触するリテーナリングとを有するウェハ保持ヘッドとを具備し、前記第１及び第２のリテーナリング外装部の下端と前記研磨パッドの間隔は、下限が０．１ｍｍで、上限が前記ウェハ厚に０．１５ｍｍを加算した値である研磨装置。

（付記２） 前記ボールは、セラミックボール、硬質プラスチックボール、表面がセラミックでコーティングされたボール、或いは硬質プラスチックでコーティングされたボールである付記１に記載の研磨装置。

本発明の実施例１に係る研磨装置を示す概略構成図、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図。 本発明の実施例１に係る研磨装置のヘッドを示す平面図。 本発明の実施例１に係る研磨装置を示す側面図。 図２のＢ−Ｂ線に沿う拡大断面図。 本発明の実施例２に係る研磨装置のヘッドを示す平面図。 本発明の実施例２に係る研磨装置を示す側面図。 本発明の実施例３に係る研磨装置のヘッドを示す平面図。

符号の説明

１ 研磨テーブル
２、１４ スピンドル
３ 研磨パッド
４、４ａ、４ｂ ヘッド
５ ウェハ
６、７ 供給ノズル
１１、１１ａ、１１ｂ リテーナリング
１２ メンブレン
１３ 上板
２１、２１ａ、２１ｂ ボール
２２、２２ａ、２２ｂ、２６ リテーナリング外装部
２４、２４ａ、２４ｂ リテーナリング内装部
２３ 連結部品
２５ 空隙部
３１ 嵌合穴
Ｇ_Ａ 研磨パッドとリテーナリング間隔
Ｇ_Ｂ 間隔
Ｒ_Ｂ ボール径
Ｔ_Ａ ウェハ厚
Ｗ_Ａ 幅

Claims (5)

1. 研磨テーブル上に設けられる研磨パッドと、
   前記研磨パッド上に配置されるウェハの研磨される第１主面と相対向する第２主面に接し、前記ウェハを保持するメンブレンと、ボールが組み込まれ、前記ウェハの側面に接し、前記ウェハを保持し、前記ボールで前記研磨パッドと点接触するリテーナリングとを有するウェハ保持ヘッドと、
   を具備することを特徴とする研磨装置。
2. 前記リテーナリングは、前記ウェハの側面に接し、前記研磨パッドと離間し、前記ウェハを保持し、第１の空隙部を有する第１のリテーナリング内装部と、前記第１のリテーナリング内装部の前記ウェハに接する一側面と相対向する他側面に接し、前記研磨パッドと離間し、第２の空隙部を有する装着及び脱着が可能な第１のリテーナリング外装部とを備え、前記第１及び第２の空隙部から構成される空隙部に前記ボールが組み込まれることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
3. 前記リテーナリングは、隣接配置される第１のリテーナリング内装部の間に設けられ、前記研磨パッドと離間する第２のリテーナリング外装部を有することを特徴とする請求項２に記載の研磨装置。
4. 前記ボールは、前記ウェハ保持ヘッドの中心位置に対して同心円状或いは千鳥足状に配置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の研磨装置。
5. 前記ボールは、前記研磨パッドよりも硬度が高いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の研磨装置。

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