JP2013166200A - 研磨ヘッド及び研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ワーク表面にキズ等の表面欠陥を発生させることなく、ワークの最外周部まで均一に研磨でき、ワークの研磨後に研磨布からワークを容易に引き剥がすことができる研磨ヘッド及び研磨装置を提供することを主な目的とする。
【解決手段】環状の剛性リングと、該剛性リングに接着された弾性膜と、前記剛性リングに対して上下方向に移動可能に結合され、前記弾性膜と前記剛性リングとともに第１の密閉空間部を形成する中板とを具備し、前記弾性膜の下面部にワークの裏面を保持し、該ワークの表面を定盤上に貼り付けられた研磨布に摺接させて研磨する研磨ヘッドにおいて、さらに、前記第１の密閉空間部に封入された非圧縮性の流体と、前記中板の上下方向の位置を調整する中板位置調整手段とを具備し、前記中板位置調整手段で前記中板の上下方向の位置を調整することによって前記弾性膜の下面部の形状を調整できるものであることを特徴とする研磨ヘッド。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ワークの表面を研磨する際にワークを保持するための研磨ヘッド、及びそれを備えた研磨装置に関し、特には、弾性膜にワークを保持する研磨ヘッド及びそれを備えた研磨装置に関する。

近年の半導体デバイスの高集積化に伴い、それに用いられている半導体ウェーハの平面度の要求は益々厳しいものとなっている。また、半導体チップの収率を上げるためにウェーハのエッジ近傍の領域までの平坦性が要求されている。
半導体ウェーハの形状は最終の鏡面研磨加工によって決定されている。特に直径３００ｍｍのシリコンウェーハでは厳しい平坦度の仕様を満足するために両面研磨での一次研磨を行い、その後に表面のキズや面粗さの改善のために片面での表面二次及び仕上げ研磨を行っている。

片面の表面二次及び仕上げ研磨では両面一次研磨で作られた平坦度を維持あるいは改善するとともに表面側にキズ等の欠陥の無い完全鏡面に仕上げることが要求されている。
一般的な片面研磨装置は、例えば図１３に示すように、研磨布１０２が貼り付けられた定盤１０３と、研磨剤供給機構１０４と、研磨ヘッド１０１等から構成されている。このような研磨装置１１０では、研磨ヘッド１０１でワークＷを保持し、研磨剤供給機構１０４から研磨布１０２上に研磨剤１０５を供給するとともに、定盤１０３と研磨ヘッド１０１をそれぞれ回転させてワークＷの表面を研磨布１０２に摺接させることにより研磨を行う。

ワークを研磨ヘッドに保持する方法としては、平坦なワーク保持盤にワックス等の接着剤を介してワークを貼り付ける方法等がある。また、図１４に示すように、バッキングフィルム１１３ａと呼ばれる弾性膜の上にワークの飛び出し防止用のテンプレート１１３ｂが接着されて市販されているテンプレートアセンブリ１１３をワーク保持盤１１２に貼ってワークＷを保持するワックスレス方式の研磨ヘッド１２１等がある。

ワックスレス方式の別の研磨ヘッドとして、図１５に示すように、市販のテンプレートの代わりにワーク保持盤１１２の表面にバッキングフィルム１１３ａを貼り、ワーク保持盤側面にワーク飛び出し防止用の円環状のガイドリング１１３ｂを設けた研磨ヘッド１３１等も用いられている。
ワーク保持盤１１２には、一般には高平坦なセラミックプレートを用いているが、バッキングフィルム１１３ａの厚さむら等により、微小な圧力分布が生じ、加工後のワーク表面にうねりが生じ、ワークの平坦度を悪化させる問題がある。

そこで、ワーク保持盤の代わりにワーク保持部をラバー膜とし、該ラバー膜の背面に空気等の加圧流体を流し込み、均一の圧力でラバー膜を膨らませて研磨布にワークを押圧する、いわゆるラバーチャック方式の研磨ヘッドも提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ラバーチャック方式の研磨ヘッドの構成の一例を模式的に図１６に示す。この研磨ヘッド１４１の要部は、環状のＳＵＳ製などの剛性リング１４４と、剛性リング１４４に接着されたラバー膜１４３と、剛性リング１４４に結合された裏板１４５とからなる。剛性リング１４４と、ラバー膜１４３と、裏板１４５とによって、密閉された空間部１４６が形成される。また、ラバー膜１４３の下面部にはバッキングフィルム１４８が貼られ、剛性リング１４４と同心に、環状のテンプレート１４７が具備される。また、裏板１４５の中央から圧力調整機構１５０により加圧流体を供給するなどして空間部１４６の圧力を調節する。また、裏板１４５に連結される研磨ヘッド本体１４９は、裏板１４５を研磨布方向に押圧する図示しない押圧手段を有している。

特開２００８−１１０４０７号公報 特開平９−２２５８１９号公報

このようなラバーチャック方式の研磨ヘッドを用いることで、バッキングフィルムの厚さむらに起因した微小な圧力分布が生じないため、加工後のワーク表面にうねりが生じない。しかし、テンプレートの内径はワークの外径よりも大きいため、テンプレートとワークの間には僅かに隙間が生じ、上記したように空間部の内部に圧力調整機構により加圧流体を供給して圧力調整を行った場合、テンプレートとワークの間の隙間部分のラバー膜の膨らみが大きくなり、ワーク外周部の圧力が高くなり、ワーク外周部が過研磨されることにより外周ダレが発生しやすくなる。

テンプレートの厚さを調整することで、ワーク外周部の圧力をある程度調節することは可能だが、該テンプレートの厚さばらつきによってワーク外周部の研磨代が変化し、安定した平坦度が得られない問題が生じる。
また、ワークの仕上げ研磨においては、仕上げ研磨布にテンプレートを接触させた場合、テンプレートからの異物の脱離等により、ワークの表面に傷等の欠陥を発生させてしまうため、テンプレートを研磨布に接触させないことが望まれる。

しかしながら、テンプレートの厚さを研磨布に接触させないようにワークの厚さよりも薄くした場合、ワーク外周部の圧力が高くなり、ワーク外周部が過研磨されることにより外周ダレが発生し、ワークの平坦度を悪化させてしまうため、ワークの仕上げ研磨には適用できない問題もあった。

また、他のラバーチャック方式の研磨ヘッドとして、特許文献２に前面が弾性膜で形成された保持プレートの流体封入部に水を封入し、流体封入部内に向けて出し入れ可能な容積調整ネジを設け、この調整により弾性膜表面を均一な平面にし、ワーク全面に密着させて押圧する方法が提案されている。この方法の場合、加圧流体を供給して圧力調整を行わないため、テンプレートとワークの隙間のラバー膜の膨らみを抑制できるために外周ダレは抑制されるが、ワーク保持面形状がフラットなため、ワークと研磨布との間の吸着力が高い場合には、ワーク研磨加工終了後に研磨布上からワークを引き剥がすことができない問題が発生していた。

また、二次研磨に軟質な研磨布を用いた場合には、研磨布要因により外周ダレが発生する。そのため、テンプレートをワークと同等の厚さにして、テンプレートをワークと一緒に研磨布に押圧する必要がある。その場合、仕上げ研磨時ではテンプレートが研磨布と接触するので、ワーク表面に欠陥が発生してしまう。従って、ワークよりも薄いテンプレートを具備した研磨ヘッドを別に準備する必要が生じてしまい、二次研磨と仕上げ研磨を同じ研磨ヘッドを用いて実施できず、作業性に大きな問題も生じる。

本発明は前述のような問題に鑑みてなされたもので、ワーク表面にキズ等の表面欠陥を発生させることなく、ワークの最外周部まで均一に研磨でき、ワークの研磨後に研磨布からワークを容易に引き剥がすことができる研磨ヘッド及び研磨装置を提供することを主な目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、環状の剛性リングと、該剛性リングに接着された弾性膜と、前記剛性リングに対して上下方向に移動可能に結合され、前記弾性膜と前記剛性リングとともに第１の密閉空間部を形成する中板とを具備し、前記弾性膜の下面部にワークの裏面を保持し、該ワークの表面を定盤上に貼り付けられた研磨布に摺接させて研磨する研磨ヘッドにおいて、さらに、前記第１の密閉空間部に封入された非圧縮性の流体と、前記中板の上下方向の位置を調整する中板位置調整手段とを具備し、前記中板位置調整手段で前記中板の上下方向の位置を調整することによって前記弾性膜の下面部の形状を調整できるものであることを特徴とする研磨ヘッドが提供される。

このような研磨ヘッドであれば、中板の上下方向の位置を調整することにより、ワークを保持する弾性膜の下面部の形状を適切に調整することが可能となるので、ワークの最外周部まで均一に研磨することができ、かつワーク表面にキズ等の表面欠陥も抑制できるものとなる。また、中板の上下方向の位置を上方に移動させてワークを保持する弾性膜の表面形状を上凸形状とすることにより、ワークを研磨ヘッドに確実に吸着させることができ、研磨終了後に研磨布からワークを容易に引き剥がすことができるものとなる。

このとき、前記中板と、該中板の上方に配置される研磨ヘッド本体と、該研磨ヘッド本体の下端と接する前記剛性リングの上部とで形成される第２の密閉空間部を有し、前記中板位置調整手段は前記第２の密閉空間部内の圧力を制御することによって前記中板の上下方向の位置を調整するものであることが好ましい。
このようなものであれば、中板の上下方向の位置を任意の位置に調節でき、ワークを保持する弾性膜の下面部の形状を簡便に調節できる。

またこのとき、前記中板の上下方向の移動の上限位置及び下限位置をそれぞれ制限するためのストッパーを具備するものとすることができる。
このようなものであれば、弾性膜の所定以上の形状変化を抑え、弾性膜の破損を防止できる。

またこのとき、前記弾性膜は、引張強度が１０ＭＰａ以上の材料から成るものであることが好ましい。
このようなものであれば、研磨時にワークに掛ける研磨荷重や研磨布とワークの間で生じる摩擦抵抗を受けても、弾性膜の下面部の形状を確実に維持できる。

またこのとき、前記弾性膜の下面部の周辺部に前記剛性リングと同心状に設けられ、前記ワークのエッジ部を保持する環状のテンプレート、又は前記剛性リングの外側に同心状に設けられ、前記ワークのエッジ部を保持する樹脂製リングを具備するものであることが好ましい。

このようなものであれば、研磨時にワークの横方向のズレを抑制できる。また、軟質な研磨布を用いた二次研磨においても、テンプレート又は樹脂製リングを研磨布に押圧してワークの最外周部まで均一に研磨できる。さらに、テンプレート又は樹脂製リングの研磨布への押圧の有無を中板の上下方向の位置を調整してワークの表面位置を変更することによって切り替えることができるので、二次研磨及び仕上げ研磨の両方に好適に適用できるものとなる。

またこのとき、前記環状のテンプレートの厚みは前記ワークの仕上がり厚さに対して±１％以内に調整されたものであることが好ましい。
このようなものであれば、より確実にワークの最外周部まで均一に研磨することができる。

またこのとき、前記中板が前記下限位置に移動されたとき、前記弾性膜の下面部の形状が下凸形状に調整されることによって変更した前記ワークの表面位置が前記テンプレート又は樹脂製リングの下面位置よりも、好ましくは、５０μｍ以上、前記ワークの仕上がり厚さの５５％以下低い位置になるものであることが好ましい。
このようなものであれば、仕上げ研磨において、テンプレート又は樹脂製リングを研磨布に押圧せずに研磨でき、確実に表面欠陥を抑制できる。また、中板の上下方向の位置調整も容易に行うことができる。

また、本発明によれば、ワークの表面を研磨する際に使用する研磨装置であって、定盤上に貼り付けられた研磨布と、該研磨布上に研磨剤を供給するための研磨剤供給機構と、前記ワークを保持するための研磨ヘッドとして、前記本発明の研磨ヘッドを具備するものであることを特徴とする研磨装置が提供される。

このような研磨装置であれば、中板の位置を調整することにより、ワークを保持する弾性膜の下面部の形状を適切に調整することが可能となるので、ワークの最外周部まで均一に研磨することができ、かつワーク表面にキズ等の表面欠陥も抑制できるものとなる。また、中板の位置を上方に移動させてワークを保持する弾性膜の表面形状を上凸形状とすることにより、ワークを研磨ヘッドに確実に吸着させることができ、研磨終了後に研磨布からワークを容易に引き剥がすことができるものとなる。

本発明では、研磨ヘッドにおいて、第１の密閉空間部に封入された非圧縮性の流体を有し、中板位置調整手段で中板の上下方向の位置を調整することによって弾性膜の下面部の形状を調整できるものであるので、ワークの最外周部まで均一に研磨することができ、かつワーク表面にキズ等の表面欠陥も抑制でき、さらに研磨終了後に研磨布からワークを容易に引き剥がすことができ、確実なワークの搬送が可能となる。

本発明の研磨ヘッドの第１の実施形態を示す概略図である。 本発明の研磨ヘッドの第２の実施形態を示す概略図である。 本発明の研磨ヘッドの第３の実施形態を示す概略図である。 本発明の研磨ヘッドの第４の実施形態を示す概略図である。 本発明の研磨ヘッドの第５の実施形態を示す概略図である。 非圧縮性の流体を第１の密閉空間部に封入する方法の一例を説明する説明図である。 本発明の研磨装置の一例を示す概略図である。 本発明の研磨ヘッドを用いた研磨工程における二次研磨（Ａ）、仕上げ研磨（Ｂ）、ワーク搬送時の様子を示す概略図である。 実施例１、比較例１、２で研磨したワークの研磨代分布を示すグラフである。 異なる引張強度の弾性膜を用いた実施例１―５における研磨代分布を示すグラフである。 異なる引張強度の弾性膜を用いた実施例１―５における研磨代ばらつきを示すグラフである。 実施例１（Ａ）、比較例１（Ｂ）、比較例２（Ｃ）で研磨したワークの表面欠陥マップを示す図である。 従来の研磨装置の一例を示す概略図である。 バッキングフィルムを用いた従来の研磨ヘッドの一例を示す概略図である。 バッキングフィルムを用いた従来の研磨ヘッドの別の一例を示す概略図である。 ラバーチャック方式の従来の研磨ヘッドの一例を示す概略図である。

以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
従来、ワーク外周部の過研磨を抑制するために、テンプレートなどを用いてワーク外周部の圧力を調節する方法が用いられている。しかし、テンプレートの厚さばらつきによってワーク外周部の研磨代が変化し、安定した平坦度が得られない問題や、仕上げ研磨において研磨布にテンプレートなどを接触させた場合、テンプレートからの異物の脱離等により、ワークの表面に欠陥が発生してしまうという問題がある。また、ワークと研磨布との間の吸着力が高い場合には、研磨終了後に研磨布からワークを引き剥がすことができないことがある。

そこで、本発明者はこのような問題を解決すべく鋭意検討を重ねた。その結果、剛性リングと弾性膜と中板とによって形成された密閉空間部に非圧縮性の流体を封入し、中板を剛性リングに対して上下方向に移動可能に結合するように構成すれば、中板の上下方向の位置を調整して弾性膜の下面部の形状を最適化でき、これによって最外周まで平坦なワークの研磨加工ができることを見出した。また、中板の上下方向の位置を上方に移動させて弾性膜の下面部を上凸形状に調整すれば、研磨終了後に研磨布からワークを容易に引き剥がすことができることを見出し、本発明を完成させた。

まず、本発明の研磨ヘッドの第１の実施形態を図１を参照して説明する。
図１に示すように、研磨ヘッド１ａは、弾性膜３と、環状の剛性リング４と、中板５と、中板位置調整手段８と、研磨ヘッド本体９とを有する。この剛性リング４の下面側に均一の張力で弾性膜３が接着される。中板５は剛性リング４に対して上下方向に移動可能に結合され、中板５の上下方向の位置は中板位置調整手段８により調整される。この弾性膜３と剛性リング４と中板５とによって、第１の密閉空間部６が形成される。ワークＷは裏面側を弾性膜３の下面部に保持され、その表面側が研磨される。

このような、弾性膜３、剛性リング４及び中板５等から構成されるラバーチャック部において、ワークＷを研磨する前に、予め第１の密閉空間部６内に非圧縮性の流体２が封入される。ここで、本発明で言う非圧縮性の流体とは、例えば、気体のように加圧されると圧縮されて体積が大幅に縮小する流体ではない流体のことである。例えば、非圧縮性の流体２として、水又は主成分が水である非圧縮性の流体、或いは油を用いることができる。
水又は主成分が水である非圧縮性の流体を用いれば、低コストで構成でき、例えば研磨中に弾性膜３が裂けるなどした場合のように、非圧縮性の流体２が例え第１の密閉空間部６から漏れたとしても、ワークや研磨装置の内部を汚染する恐れもないのでより好ましい。

さらに、非圧縮性の流体２が例え第１の密閉空間部６から漏れた場合に、ワークＷの研磨特性に影響を及ぼさないように、ワークＷの研磨加工に用いる研磨剤や、ワークＷの研磨加工に用いる研磨剤の成分のうち、少なくともひとつ以上の成分を含む水溶液を用いることが好ましい。また、ワークＷが半導体材料の場合には、金属汚染等の防止目的から、非圧縮性の流体２として金属イオン等が含まない純水が好適である。
剛性リング４の材質は例えばＳＵＳ（ステンレス）等の剛性材料とすることができる。中板５の材質、形状は特に限定されることはなく、剛性リング４と、ラバー膜３と共に第１の密閉空間部６を形成できるものであれば良い。

中板５を剛性リング４に対して上下方向に移動可能に結合する構成としては、例えば、中板５と剛性リング４とをダイヤフラムを介して結合したり、中板位置調整手段８にボールネジ或いはエアシリンダを用いて中板５と連結する構成とすることができるが、本発明は特にこれらに限定されるものではない。
中板５の上下方向の位置を調整することによって弾性膜３の下面部の形状を、例えば上凸形状、下凸形状、フラット形状などといった形状に調整できる。
研磨ヘッド本体９は不図示の加圧手段を備え、ワークＷに研磨荷重（押圧力）を掛けることができる。

弾性膜３の材質は特に限定されることはないが、引張強度（ＪＩＳ Ｋ６２５１）が１０ＭＰａ以上、より好ましくは２０ＭＰａ以上の材料から成るものが好ましい。このようなものであれば、研磨時にワークに掛ける研磨荷重や研磨布とワークの間で生じる摩擦抵抗を受けても、弾性膜の下面部の形状を確実に維持できる。

本発明の研磨ヘッド１ａを用いた場合、中板位置調整手段８で中板５の上下方向の位置を調整することにより、ワークＷを保持する弾性膜３の下面部の形状を研磨条件に合わせて最適化でき、研磨中に第１の密閉空間部６に封入された非圧縮性の流体２の体積が殆ど変化ないため弾性膜の下面部の最適形状が維持され、ワークＷ全体に均一な荷重を掛けてワークＷを研磨することが可能となる。そのため、ワークの最外周部まで均一に研磨することができるし、異物の脱離等により生じるワーク表面の表面欠陥も発生しない。また、中板５の上下方向の位置を上方に移動させて弾性膜３の表面形状を上凸形状とすることにより、ワークを研磨ヘッドに確実に吸着させることができ、研磨終了後に研磨布からワークを容易に引き剥がすことができ、確実なワークの搬送が可能となる。

図２は、中板５と剛性リング４との結合にダイヤフラムを用いた本発明の研磨ヘッドの第２の実施形態を示した概略図である。
図２に示すように、研磨ヘッド１ｂの中板５は剛性リング４に対してダイヤフラム１０を介して上下方向に移動可能に結合される。また、中板５と、該中板５の上方に配置される研磨ヘッド本体９と、該研磨ヘッド本体９の下端と接する剛性リング４の上部とで第２の密閉空間部１１が形成される。中板位置調整手段８は、第２の密閉空間部１１と連結する圧力制御装置１２を用いて構成され、圧力制御装置１２は第２の密閉空間部１１内の圧力を調整するために減圧及び加圧制御可能となっている。

すなわち、中板位置調整手段８は第２の密閉空間部内１１の圧力を制御することによって中板５の上下方向の位置を調整することができる。
このような本発明の研磨ヘッド１ｂであれば、中板５の上下方向の位置を任意の位置に調節でき、ワークを保持する弾性膜の下面部の形状を簡便に最適化できる。

図３は、本発明の研磨ヘッドの第３の実施形態を示した概略図である。
図３に示すように、研磨ヘッド１ｃには中板５の上下方向の移動の上限位置及び下限位置をそれぞれ制限する目的で、上限のストッパー１３ａ及び下限のストッパー１３ｂが設けられている。
このような本発明の研磨ヘッド１ｃであれば、弾性膜３の所定以上の形状変化を抑え、弾性膜３の破損を防止できる。

図４は、本発明の研磨ヘッドの第４の実施形態を示した概略図である。
図４に示すように、研磨ヘッド１ｄは、図３に示す研磨ヘッド１ｃの構成に加え、環状のテンプレート７とバッキングフィルム１４が設けられたものである。環状のテンプレート７は弾性膜３の下面部の周辺部に剛性リング４と同心状に設けられ、ワークＷのエッジ部を保持する。ここで、テンプレート７の材質は、ワークＷを汚染せず、かつ、キズや圧痕をつけないために、ワークＷよりも柔らかく、研磨中に研磨装置の研磨布と摺接されても磨耗しにくい、耐磨耗性の高い材質であることが好ましい。

バッキングフィルム１４は、弾性膜３の下面部の少なくともワークＷを保持する部分に貼設され、水を含ませてワークＷを貼りつけ、弾性膜３のワーク保持面にワークＷを保持するためのものである。バッキングフィルム１４に含まれる水の表面張力によりワークＷを確実に保持できる。ここで、バッキングフィルム１４は、例えばポリウレタン製とすることができる。また、バッキングフィルムの表面にテンプレートを貼ってテンプレートアセンブリとして市販されているものを用いても良い。
このような環状のテンプレート７及びバッキングフィルム１４を有するものであれば、研磨時にワークＷの横ずれを防ぎ、ワークをより安定的に保持できる。

テンプレート７の厚さをワークＷの厚さと同じとし、研磨時にテンプレート７をワークＷと共に研磨布に押圧可能に構成できる。このようなものであれば、特に研磨布要因により外周ダレが発生しやすい軟質な研磨布を用いた二次研磨においても、ワークの最外周部までより均一に研磨でき、ワークＷの外周ダレを効果的に抑制できる。この際、テンプレート７の厚み精度がワークの仕上がり厚さに対して±１％以内に調整されたものであれば、より確実にワークの最外周部まで均一に研磨することができるので好ましい。

上記したように、本発明の研磨ヘッドは中板位置調整手段８で中板５の上下方向の位置を調整することで、弾性膜３の下面部の形状を調整できるので、弾性膜３の下面部の形状変化によってワークＷの表面の上下方向の位置も調整できる。例えば、弾性膜３の下面部の形状を下凸形状に調整すれば、ワークＷの表面の上下方向の位置を弾性膜３の下面部の形状がフラット形状の状態の位置より下方に調整できる。すなわち、中板５の上下方向の位置を調整することで、ワーク表面とテンプレート下端面との上下方向の相対距離を調整でき、テンプレートの研磨布への押圧の有無を切り替えることができる。

そのため、テンプレートとワークとの厚さが同じものを用いても、特に仕上げ研磨において、テンプレートが研磨布と接触しないようにして研磨することもでき、ワーク表面に欠陥が発生するのを抑止しつつ、ワークＷを最外周部まで均一に仕上げ研磨できる。このように、本発明の研磨ヘッドは二次研磨及び仕上げ研磨の両方に好適に適用できる。

図５は、本発明の研磨ヘッドの第５の実施形態を示した概略図である。
図５に示すように、弾性膜３は剛性リング４の側面のみで接着され、剛性リング４の下端と弾性膜３の間には非圧縮性の流体２が入る隙間を有している。また、図４に示す研磨ヘッド１ｄでは、環状のテンプレート７でワークＷのエッジ部を保持するのに対し、図５に示す研磨ヘッド１ｅでは、剛性リング４の外側に同心状に設けられる樹脂製リング１５でワークＷのエッジ部を保持する。
このような樹脂製リング１５及びバッキングフィルム１４を有するものであれば、研磨時にワークＷの横ずれを防ぎ、ワークをより安定的に保持できる。

樹脂製リング１５は、弾性膜３の形状が平坦となる状態でワークＷが保持された際のワーク表面と樹脂製リング１５の下端面との上下方向の位置が同じになるように高さが調整されることができる。このような研磨ヘッド１ｅにおいて、上記研磨ヘッド１ｄでの説明と同様に、研磨時に樹脂製リング１５をワークＷと共に研磨布に押圧することで、ワークの最外周部までより均一に研磨できる。

図６は、図４に示す研磨ヘッド１ｄに非圧縮の流体２を封入する方法の一例を示したものである。
図６に示すように、中板５の上面側には、第１の密閉空間部６内に非圧縮性の流体２を導入及び排出するために２つの貫通孔１８ａ、１８ｂが設けられている。非圧縮性の流体２の圧力を保ったまま、第１の密閉空間部６内に非圧縮性の流体２を封入するためにそれぞれの貫通孔１８ａ、１８ｂにカプラー１９ａ、１９ｂが装着されている。

非圧縮性の流体２の導入のための流体封入装置２０は圧力計２１とバルブ２２aが接続された回路を有し、該回路の末端にニップル２３ａが接続されている。該ニップル２３ａは、中板５に設けられたカプラー１９ａに接続される。さらに流体封入装置２０は、非圧縮性の流体２の排出のために、末端がドレインに接続され、中間にバルブ２２ｂが接続された回路を有している。回路の先端にはニップル２３ｂが接続されており、該ニップル２３ｂは、中板５に設けられたカプラー１９ｂに接続される。

まず、中板５を下限のストッパー１３ｂに押し当てた状態で、クランプ治具１６ａを介して中板５を剛性リング４に固定する。テンプレート７内にワークＷ、或いはワークＷと同じ厚さの調整板を挿入し、更にテンプレート下端面に調整用スペーサー１７を挿入し、平坦で剛性の高いベース２４上に載置する。次に、剛性リング４をクランプ治具１６ｂを介してベース２４に固定する。
次に、バルブ２２ａ、２２ｂを開き、第１の密閉空間部６内に非圧縮性の流体２を導入し、第１の密閉空間部６内の気抜きを行う。ここで、気抜きとして、バルブ２２ａを閉じてバルブ２２ｂを開き、ドレイン側に減圧回路を接続して行うことができる。

次に、バルブ２２ａ、２２ｂを閉じて、不図示の圧力調整機構によって圧力計２１が所定の圧力になるように、すなわち非圧縮性の流体２の圧力を調整して、バルブ２２ａを開けて第１の密閉空間部６内に非圧縮性の流体２を導入する。圧力計２１が所定の圧力になっていることを確認して、バルブ２２ａを閉じ、第１の密閉空間部６内に非圧縮性の流体２を封入する。封入後、中板５の上部に装着されたカプラー１９ａ、１９ｂからニップル２３ａ、２３ｂを取り外す。このようにして流体を封入した後、剛性リング４の上面に、不図示の加圧手段を備えた研磨ヘッド本体９を装着し、第２の密閉空間部に圧力制御装置を連結する。以上のようにして非圧縮の流体２を封入し、本発明の研磨ヘッド１ｄが構成される。

このような方法で非圧縮性の流体２を第１の密閉空間部６内に封入した図４に示す本発明の研磨ヘッド１ｄを用いれば、研磨ヘッド本体９で加圧されるワークＷへの圧力に対して、圧力制御装置１２で第２の密閉空間部１１内の圧力を高く保つことにより、中板５が下限のストッパー１３ｂに押し当てられた状態で研磨することになり、ワークＷと同じ厚みのテンプレート７を用いても、テンプレート７を研磨布に接触させないで仕上げ研磨が可能となり、ワークＷの表面の傷等の欠陥発生を抑えることができる。

次に、本発明の研磨装置について説明する。
図７は本発明の研磨装置の一例を示した概略図である。
図７に示すように、本発明の研磨装置３０は、定盤３３上に貼り付けられた研磨布３２と、該研磨布３２上に研磨剤３５を供給するための研磨剤供給機構３４と、ワークＷを保持するための研磨ヘッドとして、上記した本発明の研磨ヘッド１ｄを有する。この研磨ヘッド１ｄは、不図示の加圧機構によってワークＷを定盤３３に貼られた研磨布３２に押圧できる構造になっている。

そして、研磨剤供給機構３４によって研磨剤３５を研磨布３２上に供給しながら、回転軸に連結された研磨ヘッド１ｄの自転運動と定盤３３の回転運動によって、ワークＷの表面を摺接して研磨を行う。
このような本発明の研磨装置３０は、中板の位置を調整することにより、ワークを保持する弾性膜の下面部の形状を適切に調整することが可能となるので、ワークの最外周部まで均一に研磨することができ、かつワーク表面にキズ等の表面欠陥の発生を抑制できるものである。また、中板の位置を上方に移動させてワークを保持する弾性膜の表面形状を上凸形状とすることにより、ワークを研磨ヘッドに確実に吸着させることができ、研磨終了後に研磨布からワークを容易に引き剥がすことができるものである。

研磨装置３０を用いて二次研磨を行う場合、図８（Ａ）に示すように、弾性膜３のワーク保持面がフラット形状になるように中板５の上方にある第２の密閉空間部１１内の圧力を調整して、適切な位置に中板を固定させて研磨を行う。仕上げ研磨の場合には、図８（Ｂ）に示すように、第２の密閉空間部１１内の圧力を高くして、中板５の上下方向の位置を下限のストッパー１３ｂに押し当てた状態に固定させる。これにより、弾性膜３のワーク保持面は下凸形状となり、テンプレート７と研磨布３２が接触しない状態での研磨が可能となる。

研磨終了後にワークを搬送する場合には、図８（Ｃ）に示すように、第２の密閉空間部１１内を減圧して、中板５の上下方向の位置を上限のストッパー１３ａに押し当てた状態に固定させる。これにより、弾性膜３のワーク保持面は上凸形状となるのでワーク吸着することができ、研磨布３２からワークＷを容易に引き剥がすことができ、確実なワークの搬送が可能となる。

以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
図７に示す本発明の研磨装置３０を用いてワークを研磨した。図６に示すような流体封入装置２０を用いて、図４に示すような研磨ヘッド１ｄを以下のように準備した。剛性リングとして外径３６０ｍｍ、内径３２０ｍｍのＳＵＳ製のものを用い、弾性膜として引張強度が１８ＭＰａのＥＰＤＭゴムを剛性リングの下面に接着した。弾性膜の下面には、バッキングフィルム表面に外径３５５ｍｍ、内径３０２ｍｍ、厚さ７８０μｍのテンプレートを貼った市販のテンプレートアセンブリを接着した。

ワークとして直径３００ｍｍ、厚さ７７５μｍのシリコン単結晶ウェーハを用い、調整用スペーサーの厚さを２５０μｍとした。非圧縮性の流体として純水を使用し、第１の密閉空間部内に圧力７０ＫＰａで封入した。研磨ヘッドを研磨装置に搭載し、ワークの二次及び仕上げ研磨を行った。定盤には直径８００ｍｍであるものを使用し、二次研磨用の研磨布には不織布にウレタンを含浸したベロアタイプ研磨布を、仕上げ研磨用の研磨布には不織布上にウレタンを発泡させたスエードタイプ研磨布を使用した。
なお、ワークとして使用したシリコン単結晶ウェーハは、その両面に予め一次研磨を施し、エッジ部にも研磨を施したものである。

二次研磨の際には、研磨剤としてコロイダルシリカを含有するアルカリ溶液を使用し、研磨ヘッドと定盤はそれぞれ３１ｒｐｍ、２９ｒｐｍで回転させた。ワークの研磨荷重（押圧力）は、不図示の加圧手段により、ワークの面圧換算で１５ＫＰａとなるように設定し、第２の密閉空間部内の圧力を圧力制御装置によって、ワークとテンプレートに掛かる圧力が同じになるように１０ＫＰａに制御した。研磨時間はワークの平均研磨量が１μｍになるように調整した。

更に二次研磨後に同じ研磨ヘッドを用いて連続してワークの仕上げ研磨を行った。仕上げ研磨の際には、研磨剤を濡れ剤として微量の水溶性高分子添加剤が添加されたコロイダルシリカを含有するアルカリ溶液を使用し、研磨ヘッドと定盤はそれぞれ３１ｒｐｍ、２９ｒｐｍで回転させた。ワークの研磨荷重は、不図示の加圧手段により、ワークの面圧換算で１５ＫＰａとなるように設定し、第２の密閉空間部内の圧力を圧力制御装置によって、中板が下限のストッパーに押し当てた状態になるように高い圧力に設定し、その圧力を５０ＫＰａに制御して、１２０秒間研磨した。仕上げ研磨後に、ワーク表面の研磨剤を除去するために、ワークに７０℃の温度で加温されたアンモニア・過酸化水素水洗浄、いわゆるＳＣ１洗浄を施した。

仕上げ研磨後に中板の位置を上方に移動させて、研磨布からワークを容易に引き剥がすことができた。
このようにして研磨を行ったワークの面内の研磨代のばらつきを評価した。研磨代については、平坦度測定器で研磨前後のワークの厚さを平坦度保証エリアとして最外周部１ｍｍ幅を除外した領域を測定し、ワークの直径方向のクロスセクションでの研磨前後の厚さの差分を取り算出した。平坦度測定機としてはＷａｆｅｒ Ｓｉｇｈｔ（ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製）を用いた。

さらに、研磨後のワークの表面欠陥を評価した。表面欠陥評価には、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製のＳＰ−２を用い、ワーク表面上の３７ｎｍ以上の欠陥数を測定した。
実施例１で研磨したワークの研磨代分布を図９に示す。図９（Ａ）は全体の研磨代分布、図９（Ｂ）はワーク上の位置１２０から１５０ｍｍの範囲の拡大図である。図９（Ａ）（Ｂ）に示すように、外周３ｍｍまではほぼ均一に研磨されており、外周３ｍｍから１ｍｍの範囲で僅かに研磨代が増加しているが、研磨代ばらつきは３９．６ｎｍであり、同じ弾性膜で同じテンプレートを用いた後述する比較例２に対して大幅に外周ダレが改善された。

実施例１で研磨したワークの表面欠陥マップを図１２（Ａ）に示す。図１２（Ａ）に示すように、ワーク表面の３７ｎｍ以上の欠陥数は１８個であり、同様にワークと同じ厚みのテンプレートを用いた比較例２に対して大幅に改善された。
このように、本発明の研磨ヘッド及び研磨装置を用いて二次研磨及び仕上げ研磨を行うことで、ワーク表面にキズ等の表面欠陥を発生させることなく、ワークの最外周部まで均一に研磨でき、ワークの研磨後に研磨布からワークを容易に引き剥がすことができることが確認できた。

（実施例２―５）
研磨ヘッドの弾性膜として、引張強度８ＭＰａの厚さ２ｍｍのシリコンゴム（実施例２）、引張強度１２ＭＰａの厚さ２ｍｍのＥＰＤＭゴム（実施例３）、引張強度２１ＭＰａの厚さ２ｍｍのＮＢＲゴム（実施例４）、引張強度３７ＭＰａの厚さ２ｍｍの水素添加ＮＢＲゴム（実施例５）を用い、実施例１と同じ条件にてワークの二次及び仕上げ研磨を行った。

異なる引張強度の弾性膜を用いた実施例２―５で二次及び仕上げ研磨されたワークの研磨代分布を図１０に示す。図１０に示すように、弾性膜の引張強度が高い材料を用いることで最外周部の研磨代増加を抑え、より平坦な研磨が可能であることが分かった。
また、用いた弾性膜の引張強度と研磨代ばらつきの関係を図１１に示す。実施例２―５で研磨したワークの研磨代ばらつきは、それぞれ５３．４ｎｍ、４９．７ｎｍ、２７．３ｎｍ、１３．６ｎｍとなった。弾性膜の引張強度が高い程、ワークの研磨代ばらつきは小さくなった。

この結果から、ワークの研磨代ばらつきを５０ｎｍ以下に抑えるためには、引張強度が１０ＭＰａ以上の材料からなる弾性膜を用いるのが好ましい。さらに、研磨代ばらつきを３０ｎｍ以下に抑えるには、引張強度２０ＭＰａ以上の材料からなる弾性膜を用いるのが好適である。このように引張強度の高い弾性膜を用いることで、ワークの外周部をさらに均一に研磨することが可能となる。

（比較例１、比較例２）
図１６に示すような従来の研磨ヘッドを具備した研磨装置を用いて実施例１と同様のシリコン単結晶ウェーハを研磨した。剛性リングとして外径３６０ｍｍ、内径３２０ｍｍのＳＵＳ製のものを用い、厚さ２ｍｍの引張強度１８ＭＰａのＥＰＤＭゴムを接着した。ＥＰＤＭゴム表面には、バッキングフィルム表面に外径３５５ｍｍ、内径３０２ｍｍ、厚さ７５０μｍのテンプレート（比較例１）を貼った市販のテンプレートアセンブリを接着した。研磨ヘッドを図１３に示すような研磨装置に搭載し、ワークの二次及び仕上げ研磨を行った。

定盤には直径８００ｍｍであるものを使用し、二次研磨用の研磨布には不織布にウレタンを含浸したベロアタイプ研磨布を、仕上げ研磨用の研磨布には不織布上にウレタンを発泡させたスエードタイプ研磨布を使用した。
なお、ワークとして使用したシリコン単結晶ウェーハは、その両面に予め一次研磨を施し、エッジ部にも研磨を施したものである。

二次研磨の際には、研磨剤としてコロイダルシリカを含有するアルカリ溶液を使用し、研磨ヘッドと定盤はそれぞれ３１ｒｐｍ、２９ｒｐｍで回転させた。密閉空間部１４６内に圧縮空気を流入させるようにして、圧力調整機構１５０によって、内部の圧力を１５ＫＰａになるように制御し、ワークに１５ＫＰａの研磨荷重が掛かるようにした。研磨時間はワークの平均研磨量が１μｍになるように調整した。

更に二次研磨後に同じ研磨ヘッドを用いて連続してワークの仕上げ研磨を行った。仕上げ研磨の際には、研磨剤を濡れ剤として微量の水溶性高分子添加剤が添加されたコロイダルシリカを含有するアルカリ溶液を使用し、研磨ヘッドと定盤はそれぞれ３１ｒｐｍ、２９ｒｐｍで回転させた。密閉空間部１４６内に圧縮空気を流入させるようにして、圧力調整機構１５０によって、内部の圧力を１５ＫＰａになるように制御し、ワークに１５ＫＰａの研磨荷重が掛かるようにして、１２０秒間研磨した。仕上げ研磨後に、ワーク表面の研磨剤を除去するために、ワークに７０℃の温度で加温されたアンモニア・過酸化水素水洗浄、いわゆるＳＣ１洗浄を施した。

さらにテンプレートの厚さ７８０μｍ（比較例２）のテンプレートアセンブリを貼った研磨ヘッドも準備し、比較例１と同様な条件でワークを研磨した。
このようにして研磨を行ったワークの面内の研磨代のばらつきを実施例１と同様にして評価した。また、研磨後のワークの表面欠陥を実施例１と同様にして評価した。

比較例１及び比較例２で研磨したワークの研磨代分布を図９に示す。比較例１の場合、外周２５ｍｍくらい研磨代の増加が見られ、外周３ｍｍから１ｍｍで急激な研磨代の増加が見られ、研磨代ばらつきは、１１６．２ｎｍであった。テンプレートをワークの厚みに近い７８０μｍの厚さのものを用いた比較例２の場合、外周２５ｍｍからの研磨代の増加は改善され、外周３ｍｍまでは均一に研磨されているが、外周３ｍｍから１ｍｍでの急激な研磨代増加については改善が見られず、研磨代ばらつきは、８１．２ｎｍであった。

比較例１及び比較例２で研磨したワークの表面欠陥マップをぞれぞれ図１２（Ｂ）（Ｃ）に示す。テンプレート厚さ７５０μｍの比較例１では欠陥数が２１６個、テンプレート厚さ７８０μｍの比較例２では欠陥数６８４個であった。テンプレートの厚みが厚い比較例２は、仕上げ研磨布とテンプレートが常に接触状態のため、比較例１よりも欠陥数が増加した。
このように、比較例１、２では、二次研磨及び仕上げ研磨を同じ研磨ヘッドを用いて行って均一な研磨代での研磨と欠陥抑制の両方を同時に果たすことができない。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。例えば、本発明に係る研磨ヘッドは図１〜図５に示した実施形態に限定されず、例えば、ヘッド本体の形状等は特許請求の範囲に記載された要件以外については適宜設計すればよい。さらに研磨装置の構成も図７に示したものに限定されず、例えば本発明に係る研磨ヘッドを複数備えた研磨装置とすることもできる。

１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ，１ｅ…研磨ヘッド、 ２…非圧縮性の流体、
３…弾性膜、 ４…剛性リング、 ５…中板、 ６…第１の密閉空間部、
７…テンプレート、 ８…中板位置調整手段、 ９…研磨ヘッド本体、
１０…ダイヤフラム、 １１…第２の密閉空間部、 １２…圧力制御装置、
１３ａ…上限のストッパー、１３ｂ…下限のストッパー、 １４…バッキングフィルム、
１５…樹脂製リング、 １６ａ、１６ｂ…クランプ治具、 １７…調整用スペーサー、
１８ａ、１８ｂ…貫通孔、 １９ａ、１９ｂ…カプラー、 ２０…流体封入装置、
２１…圧力計、 ２２ａ、２２ｂ…バルブ、 ２３ａ、２３ｂ…ニップル、
２４…ベース、３０…研磨装置。

Claims (10)

1. 環状の剛性リングと、該剛性リングに接着された弾性膜と、前記剛性リングに対して上下方向に移動可能に結合され、前記弾性膜と前記剛性リングとともに第１の密閉空間部を形成する中板とを具備し、前記弾性膜の下面部にワークの裏面を保持し、該ワークの表面を定盤上に貼り付けられた研磨布に摺接させて研磨する研磨ヘッドにおいて、さらに、前記第１の密閉空間部に封入された非圧縮性の流体と、前記中板の上下方向の位置を調整する中板位置調整手段とを具備し、前記中板位置調整手段で前記中板の上下方向の位置を調整することによって前記弾性膜の下面部の形状を調整できるものであることを特徴とする研磨ヘッド。
2. 前記中板と、該中板の上方に配置される研磨ヘッド本体と、該研磨ヘッド本体の下端と接する前記剛性リングの上部とで形成される第２の密閉空間部を有し、前記中板位置調整手段は前記第２の密閉空間部内の圧力を制御することによって前記中板の上下方向の位置を調整するものであることを特徴とする請求項１に記載の研磨ヘッド。
3. 前記中板の上下方向の移動の上限位置及び下限位置をそれぞれ制限するためのストッパーを具備するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の研磨ヘッド。
4. 前記弾性膜は、引張強度が１０ＭＰａ以上の材料から成るものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の研磨ヘッド。
5. 前記弾性膜の下面部の周辺部に前記剛性リングと同心状に設けられ、前記ワークのエッジ部を保持する環状のテンプレートを具備するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の研磨ヘッド。
6. 前記環状のテンプレートの厚みは前記ワークの仕上がり厚さに対して±１％以内に調整されたものであることを特徴とする請求項５に記載の研磨ヘッド。
7. 前記剛性リングの外側に同心状に設けられ、前記ワークのエッジ部を保持する樹脂製リングを具備するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の研磨ヘッド。
8. 前記中板が前記下限位置に移動されたとき、前記弾性膜の下面部の形状が下凸形状に調整されることによって変更した前記ワークの表面位置が前記テンプレート又は樹脂製リングの下面位置よりも低い位置になるものであることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の研磨ヘッド。
9. 前記中板が前記下限位置に移動されたとき、前記ワークの表面位置が前記テンプレート又は樹脂製リングの下面位置よりも５０μｍ以上、前記ワークの仕上がり厚さの５５％以下低い位置になるものであることを特徴とする請求項８に記載の研磨ヘッド。
10. ワークの表面を研磨する際に使用する研磨装置であって、定盤上に貼り付けられた研磨布と、該研磨布上に研磨剤を供給するための研磨剤供給機構と、前記ワークを保持するための研磨ヘッドとして、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の研磨ヘッドを具備するものであることを特徴とする研磨装置。

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