JP2019201127A - 研磨ヘッド及びこれを用いたウェーハ研磨装置及び研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェーハの外周部における研磨圧力のうねりを抑えて高平坦化を図る。【解決手段】ウェーハ研磨装置の研磨ヘッド１０は、ウェーハＷの中心部を押圧する中心部制御圧力ＰｃとウェーハＷの外周部を押圧する外周部制御圧力Ｐｅとを独立に制御可能なメンブレンヘッド１６と、メンブレンヘッド１６の外周部を構成するように当該メンブレンヘッド１６と一体化された外リング１７と、メンブレンヘッド１６の外側に設けられた接地型リテーナリング１４とを備え、メンブレンヘッド１６は、中心部制御圧力Ｐｃを制御する単室構造の中心部圧力室Ｒ１と、中心部圧力室Ｒ１の上方に設けられ、外周部制御圧力Ｐｅを制御する外周部圧力室Ｒ２とを有し、外リング１７の下端の位置は、少なくとも中心部圧力室Ｒ１の内側底面Ｓ１の位置に達しており、外リング１７の上端の位置は、少なくとも中心部圧力室Ｒ１の内側上面Ｓ２の位置に達している。【選択図】図３

Description

本発明は、研磨ヘッド及びこれを用いたウェーハ研磨装置及び研磨方法に関し、特に、シリコンウェーハの仕上げ研磨に好適な研磨ヘッド及びこれを用いたウェーハ研磨装置及び研磨方法に関する。

半導体デバイスの基板材料としてシリコンウェーハが広く用いられている。シリコンウェーハは、シリコン単結晶インゴットに外周研削、スライス、ラッピング、エッチング、両面研磨、片面研磨、洗浄等の工程を順次行うことにより製造される。このうち、片面研磨工程は、ウェーハ表面の凹凸やうねりを除去して平坦度を高めるために必要な工程であり、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械研磨）法による鏡面加工が行われる。

通常、シリコンウェーハの片面研磨工程では枚葉式のウェーハ研磨装置（ＣＭＰ装置）が用いられる。このウェーハ研磨装置は、研磨布が貼り付けられた回転定盤と、研磨布上のウェーハを押圧しながら保持する研磨ヘッドとを備えており、スラリーを供給しながら回転定盤及び研磨ヘッドをそれぞれ回転させることによりウェーハの片面を研磨する。

ウェーハ研磨装置に関し、例えば特許文献１には、ラバー膜の下面部にシリコンウェーハ等の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た研磨布に摺接させて研磨する研磨ヘッドが記載されている。この研磨ヘッドは、環状の剛性リングと、該剛性リングに均一の張力で接着されたラバー膜（メンブレン）と、ラバー膜の下面部の周辺部に前記剛性リングと同心に設けられ、剛性リングの内径よりも外径が大きい環状のテンプレート（リテーナリング）とを具備しており、テンプレートの内径は剛性リングの内径よりも小さく、剛性リングとテンプレートとの内径差と前記テンプレートの内径と外径との差の比が２６％以上４５％以下であるので、テンプレートの内周部分が自由に変形でき、ラバー膜がワークの全面を均一に押圧することが可能である。

また特許文献２には、ウェーハの平坦度を高めるため、ウェーハの押圧面を複数の圧力ゾーンに分割し、各圧力ゾーンを独立に加圧制御可能なマルチゾーン加圧方式のキャリアヘッドを備えたウェーハ研磨装置が記載されている。このキャリアヘッドのフレキシブル膜（メンブレン）は、主要部分と、環状外側部分と、３つの環状フラップとを含み、同心円状に区画された第１〜第３の圧力室を有している。またキャリアヘッドは、フレキシブル膜の環状外側部分の外壁面に沿って形成された凹部と、凹部内へ挿入された外部リングと、フレキシブル膜の環状内側部分の内壁面に沿って形成された内部リングとを備えており、フレキシブル膜の環状部分が補強された構造を有している

特開２００８−１１０４０７号公報 特表２０１５−５３６５７５号公報

シリコンウェーハの片面研磨では、応力集中やスラリーの流入等によってウェーハ外周部の研磨量が中心部よりも大きくなる傾向がある。そのため、ウェーハの中心部の制御圧力と外周部の制御圧力とを別々に制御することが望ましい。

しかし、特許文献１に記載された従来の研磨ヘッドは、ラバー膜が単一の圧力ゾーンを構成しているため、ウェーハの中心部の制御圧力と外周部の制御圧力を別々に制御することができない。またテンプレートを接地する方式ではテンプレートが徐々に摩耗することによって研磨面圧力分布が変動するため、ウェーハ研磨面圧力分布を一定に制御することが難しく、ウェーハの外周部の研磨量を制御して高平坦なウェーハを得ることができないという問題がある。

特許文献２に記載された従来のウェーハ研磨装置は、ウェーハの中心部の制御圧力と外周部の制御圧力を別々に制御することが可能である。しかしながら、フレキシブル膜の側面に設けられた外部リングが環状外側部分の上部だけに設けられているため、ウェーハの外周部に制御圧力を十分に伝達することができず、外周部制御圧力の制御幅が小さいという問題がある。さらに、外部リングや内部リングはフレキシブル膜に接着されることなく単に挿入されているだけであるため、外部リングや内部リングが動くことでフレキシブル膜の裏面圧力分布にうねりが生じやすく、ウェーハの平坦度を高めることが難しいという問題がある。

したがって、本発明の目的は、ウェーハの外周部における研磨圧力のうねりを抑えて高平坦化を図ることが可能な研磨ヘッド及びこれを用いたウェーハ研磨装置及び研磨方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明によるウェーハ研磨装置の研磨ヘッドは、ウェーハの中心部を押圧する中心部制御圧力と前記ウェーハの外周部を押圧する外周部制御圧力とを独立に制御可能なメンブレンヘッドと、前記メンブレンヘッドの外周部を構成するように当該メンブレンヘッドと一体化された外リングと、前記メンブレンヘッドの外側に設けられた接地型リテーナリングとを備え、前記メンブレンヘッドは、前記中心部制御圧力を制御する単室構造の中心部圧力室と、前記中心部圧力室の上方に設けられ、前記外周部制御圧力を制御する外周部圧力室とを有し、前記外リングの下端の位置は、少なくとも前記中心部圧力室の内側底面の位置に達しており、前記外リングの上端の位置は、少なくとも前記中心部圧力室の内側上面の位置に達していることを特徴とする。

本発明によれば、ウェーハの中心部と外周部の研磨圧力を別々に制御することができ、特に、磨耗によるリテーナリングの厚さの変化に合わせて外周部制御圧力を調整することができる。またリテーナリングが接地されているため、ウェーハの外周部の過研磨や研磨面圧力分布の勾配を抑制することができる。さらに、外リングがメンブレンヘッドの中心部圧力室の内側底面から内側上面までの広い範囲に延在してメンブレンヘッドの外周部を支持しているため、外周部圧力室からの圧力をウェーハの外周部に確実に伝達することができ、外周部制御圧力の制御幅を大きくすることができる。したがって、ウェーハの外周部における研磨圧力のうねりや無圧領域の発生を抑えてウェーハの研磨面圧力分布を一定にすることができ、これによりウェーハの平坦度を高めることができる。

本発明において、前記メンブレンヘッドは、前記ウェーハの押圧面を構成する円形の主面部と、前記主面部の外周端から上方へ延びる環状の側面部とを有し、前記外リングは、前記メンブレンヘッドの成型時に前記メンブレンヘッドと一体成形されて前記側面部の外周面に接着固定されていることが好ましい。これによれば、研磨時に外リングが動いて研磨圧力分布が変化することを防止することができる。したがって、ウェーハの研磨面圧力分布を一定にすることができ、ウェーハの平坦度を高めることができる。また、外リングがメンブレンヘッドの側面部の下端から上端までの広い範囲を支持しているので、加圧時のメンブレンヘッドの側面部の変形を抑制してウェーハの裏面圧力分布のうねりを低減することができる。さらに、メンブレンヘッドは前記外リングと一体的に成形されたものであるため、所定の形状に加工されたメンブレンヘッドに外リングを嵌め込む作業が不要であり、メンブレンヘッドのよじれや組み立て誤差の問題も生じない。そのため、メンブレンヘッドを外リングに嵌め合わせる際の引っ張りにより生じる意図しない歪みを抑制して外周部制御圧力を確実に伝達することができる。

本発明において、前記メンブレンヘッドは、前記側面部の上端部から径方向の内方に延びる上側環状フラップと、前記上端部よりも下方の前記側面部の中間部から前記径方向の内方に延びる下側環状フラップとをさらに含み、前記中心部圧力室は、前記主面部、前記側面部及び前記下側環状フラップに囲まれた閉空間であり、前記外周部圧力室は、前記下側環状フラップ、前記側壁部及び前記上側環状フラップに囲まれた閉空間であり、前記主面部の上面は、前記中心部圧力室の内側底面を構成しており、前記下側環状フラップの底面は、前記中心部圧力室の内側上面を構成していることが好ましい。この構成によれば、ウェーハの中心部と外周部の研磨圧力を別々に制御することができ、これによりウェーハの研磨面圧力分布を一定にすることができる。また、上側環状フラップ及び下側環状フラップがメンブレンヘッドの径方向の内方に延びているので、外周部制御圧力がリテーナ接地圧力に与える影響を防止することができる。

本発明において、前記メンブレンヘッドに接触する前記外リングのコーナー部は面取りされていることが好ましく、前記メンブレンヘッドに接触しない前記外リングの外周面には凹部が形成されていることが好ましい。外リングのコーナー部を面取りすることにより、メンブレンヘッドと外リングとの接着性を高めることができる。また外リングの外周面に凹部を設けることにより、メンブレンヘッド及び外リングを一体成形する際に外リングを金型に取り付けやすくすることができ、外リングのハンドリング性を高めることができる。

本発明による研磨ヘッドは、前記メンブレンヘッドの成型時に前記メンブレンヘッドと一体成形されて前記側面部の内周面に接着固定された内リングをさらに備えていてもよい。この構成によれば、メンブレンヘッドの側面部の強度をさらに高めることができ、外周部圧力室からの圧力をウェーハの外周部に確実に伝達することができる。

本発明において、前記メンブレンヘッドに接触する前記内リングのコーナー部は面取りされていることが好ましく、前記メンブレンヘッドに接触しない前記内リングの内周面には凹部が形成されていることが好ましい。内リングのコーナー部を面取りすることにより、メンブレンヘッドと内リングとの接着性を高めることができる。また内リングの外周面に凹部を設けることにより、メンブレンヘッド及び内リングを一体成形する際に内リングを金型に取り付けやすくすることができ、内リングのハンドリング性を高めることができる。

本発明において、前記中心部制御圧力の付与領域は、前記ウェーハの中心から半径が少なくとも０．８５Ｒ（Ｒはウェーハの半径）までの円形領域であり、前記外周部制御圧力は、前記中心部制御圧力の付与領域は、前記中心部制御圧力の付与領域の外側の環状領域であることが好ましい。

本発明による研磨ヘッドは、前記メンブレンヘッド及び前記リテーナリングが取り付けられる剛体ヘッドをさらに備え、前記剛体ヘッドは、前記メンブレンヘッドの前記側面部及び前記外リングと前記剛体ヘッドとの間の隙間に接続された貫通孔を有し、前記メンブレンヘッドを洗浄するための洗浄液は前記貫通孔から前記隙間内に供給されることが好ましい。この構成によれば、研磨工程後のリテーナリングに付着しているスラリーを除去することができ、隙間内に入り込んだ砥粒が固着、凝集した後に剥がれて形成された粗大粒子によるウェーハ面内のスクラッチ等を抑制することができる。

また、本発明は、上述した本発明の特徴を有する研磨ヘッドを用いたウェーハ研磨装置であって、研磨布が貼り付けられた回転定盤と、前記回転定盤上にスラリーを供給するスラリー供給部と、前記研磨布上のウェーハを押圧しながら保持する研磨ヘッドとを備えることを特徴とする。本発明によれば、ウェーハを均一に研磨することが可能なウェーハ研磨装置を提供することができる。

さらにまた、本発明は、上述した本発明の特徴を有するウェーハ研磨装置を用いてシリコンウェーハの片面を研磨する方法であって、前記ウェーハの研磨面圧力分布が一定となるように前記中心部制御圧力と前記外周部制御圧力を独立に制御すると共に、前記リテーナリングの消耗に合わせて前記外周部制御圧力を小さくすることを特徴とする。本発明によれば、シリコンウェーハを均一に研磨することが可能な研磨方法を提供することができる。

本発明によれば、ウェーハの外周部における研磨圧力のうねりを抑えて高平坦化を図ることが可能な研磨ヘッド及びこれを用いたウェーハ研磨装置及びシリコンウェーハの研磨方法を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態によるウェーハ研磨装置の構成を概略的に示す側面図ある。 図２は、第１の実施の形態による研磨ヘッドの構造を示す略側面断面図である。 図３は、図２のメンブレンヘッドの構造を詳細に示す部分断面図である。 図４は、第２の実施の形態による研磨ヘッドのメンブレンヘッドの構造を詳細に示す部分断面図である。 図５（ａ）及び（ｂ）は、ウェーハの研磨面圧力分布を示すグラフである。 図６（ａ）及び（ｂ）は、リテーナリングの厚さとウェーハの最外周部の研磨面圧力との関係を示すグラフである。 図７は、リテーナリングの厚さとウェーハの研磨面圧力分布との関係を示すグラフである。 図８（ａ）及び（ｂ）は、ウェーハの裏面圧力分布を示すグラフである。 図９（ａ）及び（ｂ）は、外リング一体型ヘッド形状（図４参照）の研磨ヘッドを用いたときのウェーハ裏面圧力分布を示すグラフであって、特に（ａ）は外リングの縦長さが長い場合、（ｂ）は外リングの縦長さが短い場合をそれぞれ示している。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態によるウェーハ研磨装置の構成を概略的に示す側面図である。

図１に示すように、ウェーハ研磨装置１は、研磨布２２が貼り付けられた回転定盤２１と、回転定盤２１上にスラリーを供給するスラリー供給部２３と、研磨布２２上に載置されたウェーハＷを押圧しながら保持する研磨ヘッド１０とを備えている。回転定盤２１の主面は研磨ヘッド１０よりも十分に大きな平面サイズを有し、研磨ヘッド１０の下面（押圧面）は回転定盤２１の主面と対向している。本実施形態では回転定盤２１上に１つの研磨ヘッド１０が設けられているが、複数枚のウェーハＷを同時に研磨するため複数の研磨ヘッド１０が設けられていてもよい。研磨布２２上にスラリーを供給しながら回転定盤２１及び研磨ヘッド１０をそれぞれ回転させることにより、研磨布２２と接するウェーハＷの片面を研磨することができる。

図２は、第１の実施の形態による研磨ヘッド１０の構造を示す略側面断面図である。

図２に示すように、研磨ヘッド１０は、回転軸１１と、回転軸１１の下端に設けられた剛体ヘッド１２と、剛体ヘッド１２の底面に設けられた接地型リテーナリング１４及びメンブレンヘッド１６とを備えており、メンブレンヘッド１６を介してウェーハＷを加圧するウェーハ加圧機構を構成している。

剛体ヘッド１２は、回転軸１１に接続されたヘッド上部１２ａと、ドライブリング１２ｄを介してヘッド上部１２ａに接続されたヘッド下部１２ｂ及びヘッド外周部１２ｃとを備えている。ヘッド上部１２ａはスピンドル機構によって回転駆動されると共に、電動シリンダーによって昇降駆動される。ドライブリング１２ｄは金属の板ばねからなり、ヘッド上部１２ａの回転力をヘッド下部１２ｂ及びヘッド外周部１２ｃに伝えるための部品である。メンブレンヘッド１６はヘッド下部１２ｂに取り付けられ、リテーナリング１４はヘッド外周部１２ｃに取り付けられる。

リテーナリング１４は剛体ヘッド１２の底面の外周部に設けられたガイド部材である。リテーナリング１４は研磨布２２の上面を押圧可能に構成されており、リテーナリング１４の底面は研磨布２２に接触（接地）している。リテーナリング１４の底面を研磨布２２に押し付けて接触させることでウェーハＷの水平方向の動きを規制することができ、研磨ヘッド１０の外側へのウェーハの飛び出しを防止することができる。また、リテーナを研磨布に接地することにより、研磨ヘッド１０の傾きによる研磨量分布の勾配及び研磨布の撓みによるウェーハ外周部の過研磨を抑制することができる。

メンブレンヘッド１６の底面はウェーハの裏面（上面）の全面と接触している。メンブレンヘッド１６は不図示のメンブレン加圧ラインに接続されており、メンブレンヘッド１６の内部には空気圧が送り込まれる。メンブレン加圧ラインからメンブレンヘッド１６内に空気圧が供給されてメンブレンヘッド１６が膨張することによりウェーハＷが下方に押圧される。メンブレンヘッド１６内には、中心部圧力室Ｒ１と外周部圧力室Ｒ２からなる２つの圧力室が形成されており、別々のメンブレン加圧ラインから供給される空気圧によって各圧力室内の圧力が個別に制御される。各圧力室に供給される空気圧を個別に設定することにより、ウェーハＷの中心部及び外周部に適切な押圧力が付与される。

本実施形態による研磨ヘッド１０はリテーナ接地方式を採用しており、リテーナリング１４を研磨布２２に押し付けているため、リテーナ接地方式を採用していない従来の研磨ヘッド１０に比べて研磨ヘッド１０の傾きを防止することができる。そのため、ウェーハの研磨量分布の勾配を抑制することができる。また、リテーナリング１４を接地しない場合、ウェーハＷを研磨布２２上で摺動させたときにウェーハＷの外側の研磨布２２が撓んで上方に盛り上がり、これによりウェーハＷのコーナー部の研磨量が増加する。しかし、リテーナリング１４を接地する場合にはウェーハＷの外周部への応力集中を防止してウェーハＷのコーナー部の過研磨を防止することができる。

図３は、図２のメンブレンヘッド１６の構造を詳細に示す部分断面図である。

図３に示すように、メンブレンヘッド１６は薄いゴム材からなり、ウェーハＷの押圧面を構成する円形の主面部１６ａと、主面部１６ａの外周端から上方へ延びる環状の側面部１６ｂと、側面部１６ｂの上端部から径方向の内方に延びる上側環状フラップ１６ｃと、側面部１６ｂの上端部よりも下方の中間部から径方向の内方に延びる下側環状フラップ１６ｄとを有している。

メンブレンヘッド１６の主面部１６ａの大きさはウェーハＷとほぼ等しい。したがって、例えばウェーハＷの直径が３００ｍｍであるとき、主面部１６ａの直径も３００ｍｍかそれよりも僅かに大きい程度である。側面部１６ｂの高さｈ_１は１０〜１５ｍｍであり、下側環状フラップ１６ｄが接続された中間部の高さｈ_２は０．５ｈ_１〜０．７ｈ_１（ｍｍ）とすることができる。下側環状フラップ１６ｄの長さは上側環状フラップ１６ｃよりも長く、下側環状フラップ１６ｄの先端は上側環状フラップ１６ｃよりも径方向の内方に突出している。

上記のように、メンブレンヘッド１６は、ウェーハＷの中心部の圧力を制御する単室構造の中心部圧力室Ｒ１と、中心部圧力室Ｒ１の上方に設けられ、ウェーハＷの外周部の圧力を制御する外周部圧力室Ｒ２とを有している。中心部圧力室Ｒ１は、メンブレンヘッド１６の主面部１６ａ、側面部１６ｂの下部、下側環状フラップ１６ｄ及び剛体ヘッド１２に囲まれた閉空間である。外周部圧力室Ｒ２は、メンブレンヘッド１６の上側環状フラップ１６ｃ、側面部１６ｂの上部、下側環状フラップ１６ｄ及び剛体ヘッド１２に囲まれた閉空間である。

メンブレンヘッド１６の側面部１６ｂの外周面及び内周面には外リング１７及び内リング１８がそれぞれ取り付けられている。外リング１７は、メンブレンヘッド１６の側面部１６ｂの外側表面（外周面）に接着された剛体リングであり、メンブレンヘッド１６をその外側から支持している。また内リング１８は、メンブレンヘッド１６の側面部１６ｂの内側表面（内周面）に接着された剛体リングであり、メンブレンヘッド１６をその内側から支持している。外リング１７及び内リング１８の材料には例えばＳＵＳを用いることができる。外リング１７及び内リング１８は同じ材料であることが好ましい。

外リング１７が設けられていない場合、メンブレンヘッド１６の側面部１６ｂは外側又は内側に撓むことができるため、側面部１６ｂを介して外周部制御圧力Ｐｅをウェーハ外周部に伝達することが難しい。しかし、外リング１７を設けた場合には、外リング１７が側面部１６ｂの撓みを抑える壁となり、側面部１６ｂの変形が抑制されるので、外周部制御圧力Ｐｅを確実に伝達することができる。さらに内リング１８を設けた場合は、側面部１６ｂの変形を確実に抑制することができる。

本実施形態において、メンブレンヘッド１６は、外リング１７及び内リング１８と一体的に形成されたものである。メンブレンヘッド１６の側面部１６ｂのうち外リング１７と接する部分（側面部１６ｂの下部）の外径寸法は外リング１７の内径寸法と一致しており、メンブレンヘッド１６の側面部１６ｂのうち内リング１８と接する部分（側面部１６ｂの下部）の内径寸法は内リング１８の外径寸法と一致している。そのため、メンブレンヘッド１６には外リング１７や内リング１８との寸法差に起因する引っ張り応力（歪み）は存在しない。また外リング１７及び内リング１８をメンブレンヘッド１６に取り付ける作業は必要としない。

メンブレンヘッド１６に外リング１７及び内リング１８を嵌め込んで一体化する従来の構造では、密着性を高めるためメンブレンヘッド１６の側面部１６ｂの外形寸法は外リング１７の内径よりも少し大きく設計され、またメンブレンヘッド１６の側面部１６ｂの内径寸法は内リング１８の外径よりも少し小さく設計される。そのため、外リング１７及び内リング１８をメンブレンヘッド１６に嵌め込む作業が非常に難しく、メンブレンがよじれることなくきれいに嵌め込むことが困難であり、組み立て誤差も発生しやすかった。さらに、外リング１７及び内リング１８はメンブレンヘッド１６に接着されていないため、使用中にメンブレンヘッド１６と外リング１７及び内リング１８との位置関係がずれることで研磨圧力分布のばらつきが発生しやすいという問題もある。

しかし、本実施形態によるメンブレンヘッド１６は、成型加工によってそれが完成した時点で外リング１７及び内リング１８と一体化しているので、従来のような嵌め込み作業が不要であり、メンブレンヘッド１６のよじれや組み立て誤差の問題も生じない。また、外リング１７及び内リング１８はメンブレンヘッド１６に接着固定されているので、研磨時に外リング１７及び内リング１８が動いて研磨圧力分布が変化するという問題を解決することができる。

さらに、本実施形態によるメンブレンヘッド１６はその形成時に外リング１７と接着された状態で冷却されるため、外部から圧力を加えない限りメンブレンヘッド１６には張力がかかっていない。そのため、研磨時に圧力を加えても、メンブレンヘッド１６の意図しない歪み（すなわち、メンブレンヘッド１６が外リング１７と一体成型されていない場合に、メンブレンヘッド１６を外リング１７に嵌め合わせる際の引っ張りにより生じる歪み）を抑制して外周部制御圧力を確実に伝達することができる。

本実施形態において、外リング１７の下端の高さ方向の位置は、中心部圧力室Ｒ１の内側底面Ｓ１の高さと略等しく、外リング１７の上端の高さ方向の位置は、中心部圧力室Ｒ１の内側上面Ｓ２の高さ以上である。すなわち、外リング１７は側面部１６ｂの高さ方向の全体を覆っている。そのため、加圧時にメンブレンヘッド１６の側面部１６ｂの撓みを抑制して外周部制御圧力ＰｅをウェーハＷの外周部に確実に伝達することができる。したがって、ウェーハ裏面圧力分布のうねりを低減することができる。外リング１７の下端は、中心部圧力室Ｒ１の内側底面Ｓ１の位置に達していればよく、内側底面Ｓ１よりもわずかに下方まで延在していることを妨げるものではない。また、外リング１７の上端は、中心部圧力室Ｒ１の内側上面Ｓ２の位置に達していればよく、外リング１７の上端の高さ位置が外周部圧力室Ｒ２の外側上面よりも下方であれば、内側上面Ｓ２よりも上方まで延在していても外周部制御圧力Ｐｅを伝達することができる。

メンブレンヘッド１６と接触する外リング１７及び内リング１８のコーナー部は面取りされていることが好ましい。また、外リング１７の外周面及び内リング１８の内周面には凹部が形成されていることが好ましい。外リング１７及び内リング１８のコーナー部を面取りすることにより、メンブレンヘッド１６と外リング１７及び内リング１８との接着性を高めることができる。また外リング１７の外周面及び内リング１８の内周面に凹部を設けることにより、外リング１７及び内リング１８を金型に取り付けやすくすることができ、外リング１７及び内リング１８のハンドリング性を高めることができる。

本実施形態において、ウェーハＷの外周部の研磨圧力は、ウェーハＷの中心部の研磨圧力から独立に制御される。ウェーハＷの外周部の厚さのばらつき及びウェーハＷの側面を保持するリテーナリング１４の摩耗による厚さの変化に合わせて外周部制御圧力Ｐｅを変更することにより、ウェーハＷの外周部の研磨圧力を調整することができる。

中心部制御圧力Ｐｃの付与領域Ｄｃは、少なくともウェーハＷの中心から半径が０．８５Ｒ（ＲはウェーハＷの半径）までの円形領域であり、ウェーハＷの中心から半径が０．９３Ｒまでの領域であることが特に好ましい。一方、外周部制御圧力の付与領域Ｄｅは、中心部制御圧力の付与領域Ｄｃの外側の環状領域であり、０．８５Ｒ〜１Ｒまでの領域であることが好ましく、０．９３Ｒ〜１Ｒまでの領域であることが特に好ましい。このように、ウェーハＷの大部分の領域を中心部制御圧力Ｐｃによって制御し、ウェーハＷの外周部を外周部制御圧力Ｐｅによって制御することにより、ウェーハ面内を均一に研磨することが可能となる。

リテーナ接地方式ではリテーナリング１４の消耗と共にリテーナリング１４の下面に対するメンブレンヘッド１６の主面部１６ａの下方への突出量が大きくなるので、ウェーハＷの押圧力が大きくなり、ウェーハＷの研磨量、特にウェーハの外周部の研磨量が期待の研磨量よりも大きくなってしまう。しかし、リテーナリング１４の消耗に合わせて外周部制御圧力Ｐｅを減少させることで研磨量分布を一定に調整することができる。

本実施形態において、下側環状フラップ１６ｄ及び上側環状フラップ１６ｃは径方向の内方に延在していることが好ましい。下側環状フラップ１６ｄ及び上側環状フラップ１６ｃが径方向の外側に延在させることも可能であるが、その場合には、リテーナリング１４を研磨ヘッド１０の上部から加圧する際に外周部制御圧力Ｐｅの影響を受けてリテーナ接地圧力Ｐｒが変動し、またリテーナ接地圧力Ｐｒの影響を受けて外周部制御圧力Ｐｅが変動する。しかし、下側環状フラップ１６ｄ及び上側環状フラップ１６ｃが径方向の内方に延在している場合には、外周部制御圧力Ｐｅ及びリテーナ接地圧力Ｐｒの一方が他方に与える影響を防止することができる。

さらに、下側環状フラップ１６ｄ及び上側環状フラップ１６ｃが径方向の内方に延在している場合には、メンブレンヘッド１６の側面部１６ｂとリテーナリング１４の上方の剛体ヘッド１２の一部との間の隙間Ｄをできるだけ広く確保することができる。この場合において、剛体ヘッド１２は、メンブレンヘッド１６の側面部１６ｂ及び外リング１７と剛体ヘッド１２との間の隙間Ｄに接続された貫通孔１２ｅを有し、メンブレンヘッド１６を洗浄するための洗浄液が貫通孔１２ｅから隙間Ｄ内に供給されることが好ましい。研磨を続けているとリテーナリング１４の表面にスラリーが固着するため、これを除去するための洗浄が必要である。本実施形態においては、メンブレンヘッド１６の側面部１６ｂと剛体ヘッド１２との間の隙間Ｄ内に洗浄水を注入してリテーナリングを洗浄することでスラリーを除去することができる。したがって、隙間Ｄ内に入り込んだ砥粒が固着、凝集した後に剥がれて形成された粗大粒子によるウェーハ面内のスクラッチ等を抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態によるウェーハ研磨装置１は、ウェーハＷの中心部と外周部とを独立に加圧制御可能なリテーナ接地型２ゾーンメンブレンヘッドを備え、メンブレンヘッド１６の側面部１６ｂを保持する外リング１７が側面部１６ｂの下端から上端までの広い範囲を支持しているので、加圧時のメンブレンヘッド１６の側面部１６ｂの変形を抑制して外周部制御圧力の制御幅を大きくすることができる。したがって、ウェーハの外周部における研磨圧力のうねりを低減してウェーハの研磨面の平坦度を高めることができる。さらに、外リング１７及び内リング１８はメンブレンヘッド１６の成型時に一体成形されたものであるため、メンブレンヘッド１６への外リング１７及び内リング１８の嵌め込みが不要であり、組み立て誤差の問題や研磨時に外リング１７及び内リング１８が動くことによる裏面圧力分布の変動の問題を解決することができる。

図４は、第２の実施の形態による研磨ヘッド１０のメンブレンヘッド１６の構造を詳細に示す部分断面図である。

図４に示すように、この研磨ヘッド１０の特徴は、内リング１８（図３参照）が省略されている点にある。その他の構成は第１の実施の形態による研磨ヘッド１０と同様である。メンブレンヘッド１６の側面部１６ｂを保持する部材が外リング１７だけである場合、メンブレンヘッド１６の側面部１６ｂの保持力が低下するが、メンブレンヘッド１６の側面部１６ｂの変形を矯正することによって生じるメンブレンヘッド１６の外周部の歪みを低減することができる。したがって、ウェーハ外周部の裏面圧力分布の変動を抑制することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態においては、メンブレンヘッド１６の側面部１６ｂに外リング及び内リングが貼り付けられた構造であるが、メンブレンヘッドの側面部１６ｂ自体を省略することも可能である。この場合、中心部制御圧力を付与するメンブレンヘッドの主面部と、外周部制御圧力を付与するメンブレンヘッドの上側環状フラップ及び下側環状フラップとが別々のメンブレン部材で構成され、中心部制御圧力を発生させるメンブレン部材と外周部制御圧力を発生させるメンブレン部材とが剛体リングを介して連結された構造となる。

＜外周部制御圧力が研磨面圧力分布に与える影響についての考察＞
本発明による研磨ヘッドの研磨面圧力分布をシミュレーションにより評価した。ここで、研磨対象は直径３００ｍｍのシリコンウェーハとし、リテーナリングの厚さは５ｍｍ、中心部制御圧力Ｐｃは１５ｋＰａとし、外周部制御圧力Ｐｅの変更範囲を０ｋＰａ〜４０ｋＰａとした。その結果を図５（ａ）及び（ｂ）に示す。

図５（ａ）及び（ｂ）は、ウェーハの研磨面圧力分布を示すグラフであり、特に（ａ）は内外リング一体型ヘッド形状（図３参照）の場合、（ｂ）は外リング一体型ヘッド形状の場合（図４参照）をそれぞれ示している。図５（ａ）及び（ｂ）のグラフの横軸はウェーハ中心からの距離（ｍｍ）、縦軸はウェーハ研磨面圧力（ｋＰａ）をそれぞれ示している。

図５（ａ）及び（ｂ）から明らかなように、ウェーハの中心から１２０ｍｍ以下（０〜１２０ｍｍ）の中心部におけるウェーハ研磨面圧力は、中心部制御圧力Ｐｃと同じ約１５ｋＰａを示した。一方、ウェーハの中心から１２０ｍｍ以上（１２０〜１５０ｍｍ）の外周部における研磨圧力は、外周部制御圧力Ｐｅの増加に伴って増加し、１５±１０ｋＰａの広い範囲内で変化した。この結果から、外周部制御圧力Ｐｅを約２５ｋＰａに設定すればウェーハ研磨面圧力分布をほぼ一定にできることが分かった。以上の結果から、本発明のリテーナ接地型２ゾーンメンブレンによれば、ウェーハの中心部の研磨面圧力と外周部の研磨面圧力を別々に制御でき、外周部制御圧力Ｐｅを制御することによりウェーハの研磨面の形状を制御することができることが分かった。

＜リテーナリングの厚さが研磨面圧力に与える影響についての考察＞
次に、本発明による研磨ヘッドを用いてウェーハを研磨した時のウェーハ中心から１４９ｍｍの最外周部における研磨面圧力をシミュレーションにより評価した。その結果を図６（ａ）及び（ｂ）に示す。

図６（ａ）及び（ｂ）は、リテーナリングの厚さとウェーハの最外周部の研磨面圧力との関係を示すグラフであり、特に（ａ）は内外リング一体型ヘッド形状（図３参照）の場合、（ｂ）は外リング一体型ヘッド形状の場合（図４参照）をそれぞれ示している。図６（ａ）及び（ｂ）のグラフの横軸はリテーナリングの厚さ（ｍｍ）、縦軸はウェーハ最外周部の研磨面圧力（ｋＰａ）をそれぞれ示している。

図６（ａ）及び（ｂ）から明らかなように、ウェーハ最外周部の研磨面圧力は、リテーナリングの厚さの減少により増加し、外周部制御圧力Ｐｅが大きいほどウェーハ最外周部の研磨面圧力の増加率も大きくなることが分かった。リテーナリングの厚さは摩耗により徐々に減少し、これによりウェーハ最外周部の研磨面圧力は徐々に増加するが、外周部制御圧力Ｐｅを徐々に小さくすることでウェーハ最外周部の研磨面圧力の増加を抑制することができ、ウェーハ最外周部の研磨面圧力を一定に維持できると考えられる。

そこで、リテーナリングの厚さが５．６ｍｍから５．０ｍｍに変化したときに、ウェーハ研磨面全体の圧力を均一（１５ｋＰａ）に保つように外周部制御圧力Ｐｅを調整した場合と調整しなかった場合のウェーハ研磨面圧力分布を以下に示す。またリテーナリングが擦り減る前のウェーハ研磨面圧力分布も示す。

図７は、リテーナリングの厚さとウェーハの研磨面圧力分布との関係を示すグラフであり、横軸はウェーハ中心からの距離（ｍｍ）、縦軸はウェーハ研磨面圧力（ｋＰａ）をそれぞれ示している。

図７に示すように、リテーナリングの厚さが５．６ｍｍ、外周部制御圧力Ｐｅが３２ｋＰａのとき、ウェーハ研磨面圧力の面内分布はほぼ一定（約１５ｋＰａ）であった。その後、リテーナリングの厚さが摩耗により減少して５．０ｍｍとなり、外周部制御圧力Ｐｅが変更されることなく３２ｋＰａに維持した場合には、ウェーハ外周部の研磨面圧力は約１９ｋＰａまで増加した。しかし、外周部制御圧力Ｐｅを２５．５ｋＰａまで小さくした場合には、ウェーハ外周部の研磨面圧力は増加せず、研磨面圧力面内分布がほぼ一定に維持された。以上の結果から、外周部制御圧力Ｐｅを変更することにより、ウェーハ研磨面圧力を調整できることが確認された。

＜ウェーハ裏面圧力分布の評価＞

次に、中心部制御圧力Ｐｃを１５ｋＰａとし、外周部制御圧力Ｐｅを０〜４０ｋＰａの範囲内で変化させたときの、実施例及び比較例によるメンブレンヘッドのウェーハ裏面圧力分布の変化をシミュレーションにより評価した。実施例のメンブレンヘッドは、図２及び図３に示したリテーナ接地型２ゾーンメンブレンヘッドであって、リテーナリングの厚さは５．０ｍｍとした。一方、比較例によるメンブレンヘッドは、リテーナ非接地型の２ゾーンメンブレンヘッドであって、外リングがメンブレンの側面部の上側半分だけを保持する構造のものを用いた。

図８（ａ）及び（ｂ）は、ウェーハ裏面圧力分布を示すグラフであり、特に（ａ）は内外リング一体型ヘッド形状（図３参照）の場合、（ｂ）は外リング一体型ヘッド形状（図４参照）の場合をそれぞれ示している。図８（ａ）及び（ｂ）のグラフの横軸はウェーハ中心からの距離（ｍｍ）、縦軸はウェーハ裏面圧力（ｋＰａ）をそれぞれ示している。

図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、比較例によるメンブレンヘッドは、中心から１４２ｍｍまでの範囲内は圧力一定であるが、ウェーハ中心から１４８〜１４９ｍｍの最外周部で圧力が極端に大きくなった。一方、実施例によるメンブレンヘッドでは、そのような極端な圧力の増加はなかった。また外周部制御圧力Ｐｅが１０ｋＰａ以下ではウェーハ中心から１４１〜１４９ｍｍの範囲内に無圧領域が発生したが、Ｐｅが２０ｋＰａ以上では無圧領域が発生しなかった。このように、外周部制御圧力Ｐｅの変更により、ウェーハの外周部において無圧領域を無くし、ウェーハの外周部に発生する裏面圧力分布のうねりの大きさを制御することができることが分かった。

さらに図８（ａ）と図８（ｂ）とを比較すると、図８（ｂ）の外リング一体型ヘッド形状（図３参照）よりも図８（ａ）の内外リング一体型ヘッド形状（図３参照）のほうが、裏面圧力のうねりのピークがウェーハ中心寄りに発生する傾向があることが分かった。

図９（ａ）及び（ｂ）は、外リング一体型ヘッド形状（図４参照）の研磨ヘッドを用いたときのウェーハ裏面圧力分布を示すグラフであって、特に（ａ）は図４のように外リングの縦長さが長くメンブレンヘッドの側面部の全面をカバーしている場合、（ｂ）は外リングの縦長さが短くメンブレンヘッドの側面部の上半分のみをカバーしている場合をそれぞれ示している。図９（ａ）及び（ｂ）のグラフの横軸はウェーハ中心からの距離（ｍｍ）、縦軸はウェーハ裏面圧力（ｋＰａ）をそれぞれ示している。

図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、外リングの縦長さが短い場合、ウェーハ裏面圧力の極値・変曲点とうねりのピークの高さが高くなった。一方、外リングの縦長さが長い場合、ウェーハ裏面圧力の極値・変曲点とうねりのピーク高さが低減されることが分かった。この結果から、外リングによるメンブレンヘッドの側面部の保持範囲が広いほうがメンブレンヘッドの胴体及び底面の変形が抑制されることが確認できた。

１ ウェーハ研磨装置
１０ 研磨ヘッド
１１ 回転軸
１２ 剛体ヘッド
１２ａ ヘッド上部
１２ｂ ヘッド下部
１２ｃ ヘッド外周部
１２ｄ ドライブリング
１２ｅ 貫通孔（洗浄穴）
１４ リテーナリング
１６ メンブレンヘッド
１６ａ メンブレンヘッドの主面部
１６ｂ メンブレンヘッドの側面部
１６ｃ メンブレンヘッドの上側環状フラップ
１６ｄ メンブレンヘッドの下側環状フラップ
１７ 外リング
１８ 内リング
２１ 回転定盤
２２ 研磨布
２３ スラリー供給部
Ｄ 隙間
Ｄｃ 中心部制御圧力の付与領域
Ｄｅ 外周部制御圧力の付与領域
Ｐｃ 中心部制御圧力
Ｐｅ 外周部制御圧力
Ｐｒ リテーナ接地圧力
Ｒ１ 中心部圧力室
Ｒ２ 外周部圧力室
Ｓ１ 中心部圧力室の内側底面
Ｓ２ 中心部圧力室の内側上面
Ｗ ウェーハ

Claims (10)

1. ウェーハの片面を研磨するウェーハ研磨装置の研磨ヘッドであって、
   前記ウェーハの中心部を押圧する中心部制御圧力と前記ウェーハの外周部を押圧する外周部制御圧力とを独立に制御可能なメンブレンヘッドと、
   前記メンブレンヘッドの外周部を構成するように当該メンブレンヘッドと一体化された外リングと、
   前記メンブレンヘッドの外側に設けられた接地型リテーナリングとを備え、
   前記メンブレンヘッドは、
   前記中心部制御圧力を制御する単室構造の中心部圧力室と、
   前記中心部圧力室の上方に設けられ、前記外周部制御圧力を制御する外周部圧力室とを有し、
   前記外リングの下端の位置は、少なくとも前記中心部圧力室の内側底面の位置に達しており、
   前記外リングの上端の位置は、少なくとも前記中心部圧力室の内側上面の位置に達していることを特徴とする研磨ヘッド。
2. 前記メンブレンヘッドは、
   前記ウェーハの押圧面を構成する円形の主面部と、
   前記主面部の外周端から上方へ延びる環状の側面部とを有し、
   前記外リングは、前記メンブレンヘッドの成型時に前記メンブレンヘッドと一体成形されて前記側面部の外周面に接着固定されている、請求項１に記載の研磨ヘッド。
3. 前記メンブレンヘッドは、
   前記側面部の上端部から径方向の内方に延びる上側環状フラップと、
   前記上端部よりも下方の前記側面部の中間部から前記径方向の内方に延びる下側環状フラップとをさらに含み、
   前記中心部圧力室は、前記主面部、前記側面部及び前記下側環状フラップに囲まれた閉空間であり、
   前記外周部圧力室は、前記下側環状フラップ、前記側壁部及び前記上側環状フラップに囲まれた閉空間であり、
   前記主面部の上面は、前記中心部圧力室の内側底面を構成しており、
   前記下側環状フラップの底面は、前記中心部圧力室の内側上面を構成している、請求項２に記載の研磨ヘッド。
4. 前記メンブレンヘッドに接触する前記外リングのコーナー部が面取りされており、
   前記メンブレンヘッドに接触しない前記外リングの外周面に凹部が形成されている、請求項２又は３に記載の研磨ヘッド。
5. 前記メンブレンヘッドの成型時に前記メンブレンヘッドと一体成形されて前記側面部の内周面に接着固定された内リングをさらに備える、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の研磨ヘッド。
6. 前記メンブレンヘッドに接触する前記内リングのコーナー部が面取りされており、
   前記メンブレンヘッドに接触しない前記内リングの内周面に凹部が形成されている、請求項５に記載の研磨ヘッド。
7. 前記中心部制御圧力の付与領域は、前記ウェーハの中心から半径が少なくとも０．８５Ｒ（Ｒはウェーハの半径）までの円形領域であり、前記外周部制御圧力の付与領域は、前記中心部制御圧力の付与領域の外側の環状領域である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の研磨ヘッド。
8. 前記メンブレンヘッド及び前記リテーナリングが取り付けられる剛体ヘッドをさらに備え、前記剛体ヘッドは、前記メンブレンヘッドの前記側面部及び前記外リングと前記剛体ヘッドとの間の隙間に接続された貫通孔を有し、前記メンブレンヘッドを洗浄するための洗浄液が前記貫通孔から前記隙間内に供給される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の研磨ヘッド。
9. 研磨布が貼り付けられた回転定盤と、前記回転定盤上にスラリーを供給するスラリー供給部と、前記研磨布上のウェーハを押圧しながら保持する請求項１乃至８のいずれか一項に記載の研磨ヘッドとを備えることを特徴とするウェーハ研磨装置。
10. 請求項９に記載のウェーハ研磨装置を用いてウェーハの片面を研磨する方法であって、
    前記ウェーハの研磨面圧力分布が一定となるように前記中心部制御圧力と前記外周部制御圧力を独立に制御すると共に、前記リテーナリングの消耗に合わせて前記外周部制御圧力を小さくすることを特徴とするウェーハ研磨方法。