JP2010247301A - 研磨装置に用いる基板保持ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】研磨加工中の積層ウエーハのリテーナリング外方への飛び出しを防止する。

【解決手段】基板保持ヘッド１の円盤状キャリア５に保持されたウエーハｗを研磨プラテンの研磨布に押圧し、回転するウエーハを回転する研磨布に摺擦させてウエーハ面を研磨加工する際、前記ウエーハがリテーナリング６内より外方へ飛び出さない高さ位置であって、ウエーハ下面の高さ位置よりリテーナリング下面高さ位置が常に上方に位置するようコントローラの制御により圧空を第三流体通路溝１１ａ内に供給する。

【選択図】図１

Description

本発明は、基板保持ヘッドに保持されたウエーハを表面に研磨パッド（研磨布）が貼付された円盤状研磨プラテンに押し付けて当接し、摺擦してウエーハ裏面を研磨する研磨装置に使用される基板保持ヘッドに関する。本発明の基板保持ヘッドは、ウエーハを保持する円盤状キャリアの高さ位置と、リテーナリングの高さ位置を独立した高さ位置調整機構で調整することが可能で、研磨されるＳＯＩウエーハや貫通電極ウエーハ等の比較的厚みのある積層ウエーハを研磨加工する際にこれら各積層ウエーハ間の個々の厚みに２０〜１５０μｍの差の分布があっても研磨中に積層ウエーハが遠心力によりリテーナリングから外へ飛び出さない高さ位置にリテーナリングの高さ位置を調整できることを可能としたものである。

研磨されるウエーハ（基板）の厚みは、例えばウエーハの平均厚みが７５０μｍとして半導体素子製造加工メーカに引き渡されたとしても、個々の積層ウエーハの厚み間には、０．１〜５０μｍの差の分布が存在する。また、積層ウエーハ３３０μｍ厚みと引き渡されても、３２５〜４７０μｍの厚み分布のバラツキが有る。それゆえ、半導体素子製造メーカは、厚みが測定された積層ウエーハの基板研磨中にウエーハが遠心力によりリテーナリング内から外方へ飛び出さない高さ位置にリテーナリングの高さ位置を調整する基板保持ヘッドの提供を望んでいる。

ウエーハの飛び出しを防ぐ基板保持ヘッドとして、研磨時にウエーハ下面とリテーナリング下面を同一高さに自動的に調整してウエーハを研磨できるようにベローズまたはスプリング、あるいは、加圧空気または加圧空気と減圧空気でリテーナリングを研磨パッド表面に押し当てる基板保持ヘッドは数多く提案されている。例えば、ケミカルメカニカルポリシング（ＣＭＰ）装置のためのキャリアヘッドであって、駆動シャフトに接続され前記駆動シャフトにより回転されるハウジングと、ポリシングパッドに対して基板を保持するベースと、前記ベースを包囲して前記基板を前記ベースの下に保持するリテーナリングと、前記ベースを前記ハウジングに接続してこれらの間に第１のチャンバを形成し、且つ、前記リテーナリングを前記ハウジングに接続してこれらの間に第２のチャンバを形成する複数のベローズとを備えるキャリアヘッドが提案されている。このキャリアヘッドは、ウエーハ研磨時にウエーハ下面とリテーナリング下面を同一高さに自動的に調整してウエーハを研磨している（例えば、特許文献１参照）。

また、表面に研磨パッドが貼付されたプラテンと、研磨すべきウエーハの一面を保持して前記研磨パッドにウエーハの他面を当接させる１または２以上のウエーハ保持ヘッドと、これらウエーハ保持ヘッドを前記プラテンに対し相対運動（摺擦）させることにより前記研磨パッドでウエーハ他面を研磨するヘッド駆動機構とを具備し、前記ウエーハ保持ヘッドは、ヘッド本体と、前記ヘッド本体内に設けられ、研磨すべきウエーハの前記一面を保持するための円盤状のキャリアと、このキャリアの外周に同心状に配置され、研磨時に研磨パッドに当接すると共にウエーハの外周を保持するためのリテーナリングと、前記キャリアを前記プラテン側へ向けて圧力調整可能に押圧するための加圧空気式キャリア圧調整機構と、このキャリア圧調整機構とは独立して設けられ前記リテーナリングを前記プラテン側へ向けて圧力調整可能に押圧するための加圧空気式リング圧調整機構とを有するウエーハ研磨装置も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、ウエーハを回転する研磨布に押し付けて、ウエーハの表面を研磨するウエーハ研磨装置において、前記ウエーハを保持するキャリアと、前記キャリアを前記研磨布に向けて押圧する第１押圧手段と、前記キャリアと前記ウエーハとのエーハに伝達させる圧力空気層形成手段と、前記ウエーハの周囲を包囲し、該ウエーハを保持するリテーナリングと、前記ウエーハの周囲を包囲し、該ウエーハと共に前記研磨布に接触される研磨面調整保持リングと、前記リテーナリングと前記研磨面調整リングとを前記研磨布に押圧する第２押圧手段と、前記ウエーハの研磨量を検出する研磨量検出手段と、前記研磨量検出手段で検出されたウエーハの研磨量が、予め設定された研磨目標値に達した時に研磨終了信号を出力する制御手段と、から成るウエーハ研磨装置も提案されている（例えば、特許文献３参照）。

また、基板保持ヘッドのウエーハキャリアで保持したウエーハをスラリーを供給しながら研磨パッドに押圧して研磨するウエーハ研磨装置において、前記ウエーハキャリアはキャリア本体と、前記ウエーハに押圧力を伝達するメンブレン（可撓性膜）と、該メンブレンに圧空を供給するバックプレートと、メンブレンを周囲で保持するリテーナリングとから構成され、前記ウエーハキャリアには更に前記リテーナリングとは別に、ウエーハの外周に近接してウエーハの径方向の動きを規制するガイドが設けられたウエーハ研磨装置も提案されており、この研磨装置はウエーハをリテーナリング内の定められた位置に安定して保持し、研磨中であってもウエーハがその位置を変えることがなくウエーハエッジ部近傍の研磨形状の制御性や安定性を向上させることができる（例えば、特許文献４参照）。

さらにまた、減圧でウエーハを吸引する円盤状キャリアの外周側面に、上面に三角形状管状突起と環状凹溝を設けたリテーナリングを配し、このリテーナリングの前記環状凹溝内に圧空流通路を有するＥＰＤＭラバー製環状管を配し、このＥＰＤＭラバー製環状管内の圧空によりスプリング機能を付与させてリテーナリングの高さ位置調整できる基板保持ヘッドも提案されている（例えば、特許文献５参照）。

米国特許第５６８１２１５号明細書 米国特許第５５８４７５１号明細書 米国特許第６０５９６３６号明細書 特開２００３−２５２１８号公報 米国公開特許第２００５／０１６４６１７Ａ１明細書

前記特許文献１および特許文献５に記載の基板保持ヘッドは、自己でリテーナリング高さ位置調整を可能とするものではなく、研磨時にウエーハ下面とリテーナリング下面を同一高さに自動的に調整してウエーハを研磨している。よって、特許文献２に記載されるように、リテーナリングに当接した箇所の内周縁に沿って研磨布が局部的に盛り上がりこの盛り上がり部分によってウエーハの外周部が過剰に研磨され、ウエーハの直径方向の厚み分布の均一性に欠ける欠点がある。

前記特許文献２に記載の独立した高さ位置調整機構を有する基板保持ヘッドは、リテーナリング下面の研磨パッドに懸かる圧力を研磨パッドに盛り上がりが生じない圧力に調整して研磨時にウエーハ下面とリテーナリング下面を同一高さに調整してウエーハを研磨している。ウエーハは、基板保持ヘッドの剛体製キャリア下面に付着したウエーハ付着シートを介して水貼りされるか、ワックスを用いて剛体製キャリア下面に貼付される。よって、均一厚みの水膜またはワックス膜を形成できないときは、これら膜の不均一な厚み分布が研磨加工されたウエーハの厚み分布に転写される欠点がある。

前記特許文献３に記載の独立した高さ位置調整機構を有する基板保持ヘッドは、剛体製キャリアとしてポーラスセラミックチャックを用い、減圧してキャリアに基板を保持するもので、リテーナリングの加圧空気による背圧と前記ポーラスセラミックチャックへの加圧空気による背圧は、エアーポンプから分岐させた管を用いてそれぞれを吊るしているゴムシート背面に供給されている。ウエーハを真空ポンプによる減圧でキャリアに吸着させるので、前記特許文献２記載の膜厚み不均一の影響は減少されるが、キャリアが剛体製であるために研磨パッドの表面凹凸に追従する背圧をキャリアに懸けることはできない。

前記特許文献４に記載の基板保持ヘッドは、前記特許文献３に記載の基板保持ヘッドの研磨パッドの表面凹凸への追従性を向上させるために可撓性膜をウエーハと直接接触するキャリア部材として用いる。この基板保持ヘッドの可撓性膜への背圧、リテーナリングへの背圧は、１台のエアーポンプから３本に分岐した配管を設け、この配管に圧力調整弁を備えさせ、圧力を変えてそれぞれ背圧空気を供給している。

前記特許文献１乃至特許文献５の基板保持ヘッドは、いずれもウエーハ研磨時にリテーナリング下面と基板保持ヘッド下面に保持されたウエーハ下面を研磨布に対し接触させて研磨を行うものであり、厚みの異なったウエーハを研磨する際、個々のウエーハの厚みに応じて研磨布（研磨パッド）表面に対し、リテーナリングへの加圧空気の圧力をリテーナリング下面は離れるように調整し、ウエーハ下面は研磨布に接触する高さ位置に調整してウエーハ背面に圧空を供給する着想は、開示しない。

本発明の請求項１に記載の基板保持ヘッドは、

中央部に流体通路を設けた円盤状剛体製キャリアベースの下面に第一環状流体室を設けるように円盤状セラミック製吸着チャックを設けた円盤状キャリアと、

前記円盤状キャリアの側面外周にリテーナリングを配置し、

中空スピンドルがフランジを介して結合された断面がお椀状のヘッドカバー、

前記お椀状のヘッドカバーの底面に張り巡らしたドライブリング下面に前記リテーナリングの上方に位置するように第三流体通路溝を成型した可撓性弾性素材を接着した可撓性吊り下げ材の下面に前記円盤状キャリアとリテーナリングを固定して吊り下げ、

前記円盤状剛体製キャリアベースの上面を前記お椀状のヘッドカバーの天井底部から高さ位置調整機構を介して吊り下げて、円盤状剛体製キャリアベースの上面とお椀状のヘッドカバーの底部間の空間で第二加圧流体室を形成し、

前記中空スピンドルの中空内部に、１）前記第一環状流体室内を減圧または加圧する空気を供給する第一配管、２）前記第二加圧流体室内に円盤状剛体製キャリアベース上面を背圧する圧空を供給する第二配管、および３）前記第三流体通路溝内に前記リテーナリングの高さ位置を調整する圧空を供給する第三配管を施し、

および、

前記円盤状キャリア下面に保持されたウエーハを研磨加工するときに該ウエーハが前記リテーナリング内より外方へ飛び出さない高さ位置であって、ウエーハ下面の高さ位置よりリテーナリング下面高さ位置が常に上方に位置するよう前記第三流体通路溝内に供給する圧空の圧力を制御するコントローラ、

を備える基板保持ヘッドである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の基板保持ヘッドの円盤状キャリアに保持されたウエーハを研磨プラテンの研磨布に押圧し、ウエーハと研磨布間に研磨液を供給しながら回転するウエーハを回転する研磨布に摺擦させてウエーハ面を研磨加工する方法において、前記ウエーハがリテーナリング内より外方へ飛び出さない高さ位置であって、ウエーハ下面の高さ位置よりリテーナリング下面高さ位置が常に上方に位置するようコントローラの制御により圧空を第三流体通路溝内に供給することを特徴とする、ウエーハの研磨方法を提供するものである。

研磨加工される個々のウエーハ間に１０〜１２０μｍの厚みの差があっても、予め報告されたウエーハの厚みに応じてコントローラがウエーハ下面の高さ位置よりリテーナリング下面高さ位置が常に上方に位置するようリテーナリング背圧を指示して圧空を第三環状流体通路溝内に供給する。

積層ウエーハの厚みが２００〜８００μｍと比較的肉厚で、研磨量が１０μｍ以下ならウエーハのリテーナリング外への飛び出し防止は、ウエーハの厚みの１／１０〜１／４の高さ（厚み数値にして６〜５０μｍ）分、リテーナリングの下面より突出しておれば十分で、従来の基板保持ヘッドのリテーナリングが研磨布に接触した部分により接触した周囲の研磨布部分に盛り上りが生じるという問題は解消される。

図１は基板保持ヘッドの断面図である。 図２は、図１においてＩ−Ｉ線で見た基板保持ヘッドの平面図である。 図３は第三流体通路溝を成型した可撓性弾性素材の平面図である。

本発明の基板保持ヘッド（１）は、図１および図２に示されるように、中央部に流体通路（２ａ）を設けた円盤状剛体製キャリアベース（２）の下面に第一環状流体室（４）を設けるように環状密閉壁（４ａ）を介して０．３〜１ｍｍ直径の流通孔（３ａ）を穿った厚み１．２〜２ｍｍの円盤状ポーラスアルミナセラミック製吸着チャック（３）を設けた円盤状キャリア（５）と、前記円盤状キャリア（５）の側面外周に配置した上段がアルミニウムやステンレス等の金属製の環状リング（６ａ）と下段がポリ(テトラフロロエチレン)、ポリ（エーテル・エステルケトン）、ナイロン６、ナイロン６，１０、ガラス繊維補強エポキシ樹脂等のエンジニアリングプラスチック製の環状リング（６ｂ）の積層構造のリテーナリング（６）を備える。前記吸着チャック（３）は、ノンポーラスセラミック板に孔径０．３〜１ｍｍの吸着孔を多数穿孔したものであってもよい。

中空スピンドル（７）がフランジ（８）を介して結合された断面がお椀状のヘッドカバー（９）の底面に張り巡らしたドライブリング（１０）下面に前記リテーナリング（６）の上方に位置するように幅１５ｍｍ、深さ１．５ｍｍ、幅円弧状長さが約６０度長さの第三円弧状流体通路溝（１１ａ）を３個成型した可撓性弾性素材（１１）を接着した可撓性吊り下げ材（１２）の下面に前記円盤状キャリア（５）とリテーナリング（６）をボルト固定して吊り下げ、円盤状剛体製キャリアベース（２）の上面を前記お椀状のヘッドカバー（９）の天井底部から３個のアジャストボルト（１３ａ）と１個のストッパーフランジ（１３ｂ）から構成される高さ位置調整機構（１３）を介して吊り下げて、円盤状剛体製キャリアベース（２）の上面とお椀状のヘッドカバーの天井底部間の空間で第二加圧流体室（１４）を形成する。円盤状剛体製キャリアベース（２）は、前記ドライブリング（１０）により上下方向に僅かに揺動可能である。

前記中空スピンドル（７）の中空内部に、図示していないロータリージョイントを介して前記第一環状流体室内（４）を減圧または加圧する空気を供給する第一配管（１５）と、前記第二加圧流体室（１４）内に円盤状剛体製キャリアベース（２）上面を背圧する圧空を供給する第二配管（１６）と、前記第三流体通路溝（１１ａ）内に前記リテーナリングの高さ位置を調整する圧空を供給する第三配管（１７）を接続配管する。

前記第一配管（１５）の上方先（１５ａ）は、真空ポンプ（ＳＰ）に接続し、圧力調整弁（ＶＶ）を付した減圧配管と、エアーコンプレッサー（ＡＰ）に接続し、圧力調整弁（ＶＰ）を付した加圧配管とが分岐された配管に接続され、第一配管（１５）の下方先は接続管（１５ｂ）に接続されている。また、第二配管（１６）の上方先（１６ａ）は、エアーコンプレッサー（ＡＰ）に接続し、圧力調整弁（ＶＰ）を付した加圧配管に接続されている。第二配管（１６）の下方先は前記第二加圧流体室（１４）内に臨んで在る。第三配管（１７）の上方先（１７ａ）は、エアーコンプレッサー（ＡＰ）に接続し、圧力調整弁（ＶＰ）を付した加圧配管に接続され、第三配管（１７）の下方先は、分岐管（１７ｂ）に接続されている。これら、真空圧力調整弁（ＶＶ）、加圧空気圧力調整弁（ＶＰ）は、図示されていない圧力制御コントローラに接続されており、研磨加工される個々のウエーハの厚みに応じて供給する加圧空気の圧力、または減圧する空気の圧力を数値制御装置の指令により開閉し、前記円盤状キャリア（５）下面に保持されたウエーハ（ｗ）を研磨加工するときに該ウエーハが前記リテーナリング（６）内より外方へ飛び出さない高さ位置であって、ウエーハ（ｗ）下面の高さ位置よりリテーナリング（６）下面高さ位置が常に上方に位置するよう前記第三流体通路溝（１１ａ）内に供給する圧空の圧力を制御する。第三流体通路溝（１１ａ）形状は、円弧状の他、円環状であってもよい。前記第一環状流体室（４）内および第二加圧流体室（１４）内には、最大２００ｇ／ｃｍ^２Ｇの加圧空気を供給でき、第三環状流体通路溝（１１ａ）には、最大５００ｇ／ｃｍ^２Ｇの加圧空気を供給できる。

前記可撓性吊り下げ材（１２）の外周縁は、お椀状のヘッドカバー（９）の円環状底面にテンションスリーブ（１２ｃ）を介してカバーフランジ（１２ｄ）と共にボルト（１２ｅ，１２ｆ）固定されている。また、ガイドフランジ（１２ｇ）を介してリテーナリング（６）を浮遊状態に設けている。

図１に示す基板保持ヘッド（１）を用い、この円盤状キャリア（５）に吸着保持されたウエーハ（ｗ）を研磨プラテンの研磨布に押圧し、次いで、第一環状流体室（４）内と第二加圧流体室（１４）内に２０〜１２０ｇ／ｃｍ^２Ｇの圧空を供給するとともにウエーハと研磨布間に研磨液を供給しながら２０〜１５０ｒｐｍで回転するウエーハを２０〜１２０ｒｐｍで回転する研磨布に摺擦させてウエーハ面を研磨加工するとき、前記ウエーハがリテーナリング（６）内より外方へ飛び出さない高さ位置であって、ウエーハ下面の高さ位置よりリテーナリング（６）下面高さ位置が常に６〜５０μｍ、好ましくは１０〜２０μｍ上方に位置するようコントローラの数値制御により圧空を第三流体通路溝（１１ａ）内に５０〜２００ｇ／ｃｍ^２Ｇの圧空を供給してウエーハを研磨加工する。第三流体通路溝（１１ａ）内に供給される加圧空気の圧力は、ウエーハ厚みが研磨加工により減少されるため、暫時圧空の圧力を低減させてウエーハ（ｗ）下面に対しリテーナリング（６）下面が常に６μｍ以上あるように管理してもよい。

なお、本明細書中では、ウエーハとして積層ウエーハを例示したが、厚みが２００μｍ以上のベアシリコンウエーハであっても研磨加工に利用できることはもちろんである。ただし、このようなウエーハ厚み分布の振れが１μｍ以内であって肉厚が２００μｍ以上と厚いベアウエーハでは、厚み２０〜１００μｍのウエーハの研磨を目的とする場合とは異なっていてリテーナリング高さ調整機構を設けなくてもウエーハの飛び出しがなく研磨加工できるので、本発明の利点は、異なった厚みを有する個々のウエーハの研磨加工に有意義であると言える。

研磨加工中のリテーナリング（６）の高さ位置調整をウエーハ下面の位置より６〜５０μｍ高い位置にリテーナリング底面の高さを調整することにより研磨布の盛り上りが防止でき、かつ、ウエーハ保持キャリア部材として剛体の厚み１．２〜２．５ｍｍのポーラスセラミックを用い、このウエーハ保持キャリア部材に背圧を懸けて研磨加工を実施するのでウエーハの研磨布表面粗さの追従性も良好であり、表面平坦性にすぐれた研磨加工ウエーハが得られる。

１ 基板保持リング

ｗ ウエーハ(基板)

２ 円盤状剛体製キャリアベース

３ 円盤状セラミック製吸着チャック

５ 円盤状キャリア

６ リテーナリング

７ 中空スピンドル

１１ａ 第三流体通路溝

１３ 円盤状キャリアの高さ位置調整機構

Claims (2)

1. 中央部に流体通路を設けた円盤状剛体製キャリアベースの下面に第一環状流体室を設けるように円盤状セラミック製吸着チャックを設けた円盤状キャリアと、前記円盤状キャリアの側面外周にリテーナリングを配置し、中空スピンドルがフランジを介して結合された断面がお椀状のヘッドカバー、前記お椀状のヘッドカバーの底面に張り巡らしたドライブリング下面に前記リテーナリングの上方に位置するように第三流体通路溝を成型した可撓性弾性素材を接着した可撓性吊り下げ材の下面に前記円盤状キャリアとリテーナリングを固定して吊り下げ、前記円盤状剛体製キャリアベースの上面を前記お椀状のヘッドカバーの天井底部から高さ位置調整機構を介して吊り下げて、円盤状剛体製キャリアベースの上面とお椀状のヘッドカバーの底部間の空間で第二加圧流体室を形成し、前記中空スピンドルの中空内部に、１）前記第一環状流体室内を減圧または加圧する空気を供給する第一配管、２）前記第二加圧流体室内に円盤状剛体製キャリアベース上面を背圧する圧空を供給する第二配管、および３）前記第三流体通路溝内に前記リテーナリングの高さ位置を調整する圧空を供給する第三配管を施し、および、前記円盤状キャリア下面に保持されたウエーハを研磨加工するときに該ウエーハが前記リテーナリング内より外方へ飛び出さない高さ位置であって、ウエーハ下面の高さ位置よりリテーナリング下面高さ位置が常に上方に位置するよう前記第三流体通路溝内に供給する圧空の圧力を制御するコントローラ、を備える基板保持ヘッド。
2. 請求項１に記載の基板保持ヘッドの円盤状キャリアに保持されたウエーハを研磨プラテンの研磨布に押圧し、ウエーハと研磨布間に研磨液を供給しながら回転するウエーハを回転する研磨布に摺擦させてウエーハ面を研磨加工する方法において、前記ウエーハがリテーナリング内より外方へ飛び出さない高さ位置であって、ウエーハ下面の高さ位置よりリテーナリング下面高さ位置が常に上方に位置するようコントローラの制御により圧空を第三流体通路溝内に供給することを特徴とする、ウエーハの研磨加工方法。

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