JP2019214082A - Ｃｍｐ装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多種多様なウェハに対応してＣＭＰ研磨を行うＣＭＰ装置及び方法を提供する。【解決手段】ＣＭＰ装置１の研磨ヘッド１０は、ウェハＷの上面に対向するポーラスチャック３１と、ポーラスチャック３１にウェハＷの裏面を吸着させる負圧を供給する真空源と、ポーラスチャック３１の吸着面から吐出する圧縮空気をポーラスチャック３１に圧縮空気を供給する圧縮空気源と、ポーラスチャックチャック３１とウェハＷとの間に圧縮空気を滞留させてウェハＷを押圧するエア層を形成するエア層形成手段５０と、ポーラスチャック３１及び負圧源の接続とポーラスチャック３１及び圧縮空気源の接続を択一的に切り換える切換弁３３ａと、を備えている。【選択図】図２

Description

本発明はウェハをＣＭＰ研磨するＣＭＰ装置及び該ＣＭＰ装置を用いたＣＭＰ方法に関するものである。

半導体製造分野では、シリコンウェハ等の半導体ウェハ（以下、「ウェハ」という）を平坦化するＣＭＰ装置が知られている。

特許文献１記載の研磨装置は、化学的機械的研磨、いわゆるＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）技術を適用した研磨装置である。図８に示すように、ＣＭＰ装置７０の研磨ヘッド７１が、キャリア７２とリテーナリングホルダ７３に周縁を保持されたメンブレンシート７４との隙間に形成されたエア室７５にエアー供給ライン７６を介して圧縮空気を供給し、圧縮空気の圧力でウェハＷを研磨布７７に押し付けて研磨する。また、研磨時に研磨布７７に押し付けられるリテーナリング７８の上面にメンブレンシート７４が貼着され、メンブレンシート７４とウェハＷとの間には発泡ウレタンのバッキングフィルム７９が介在されている。

このような研磨装置７０は、図９に示すように、研磨ヘッド７１が、エアー供給ライン７６を介してエア室７５内をバキュームすることにより、ウェハＷをキャリア７２に密着させるように変形させて吸着保持して搬送する。

特開２０１６−１５９３８５号公報

しかしながら、上述したようなＣＭＰ装置では、エア室に正圧を供給して、ウェハの表面を基準に研磨を行うことしかできず、多種多様なウェハに対応するのが難しい虞があった。

そこで、多種多様なウェハに対応してＣＭＰ研磨を行う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。

上記目的を達成するために、本発明に係るＣＭＰ装置は、研磨ヘッドでウェハの表面を研磨パッドに押圧して研磨するＣＭＰ装置であって、前記研磨ヘッドは、前記ウェハの上面に対向する吸着面を備えるポーラスチャックと、前記ポーラスチャックに前記ウェハの裏面を吸着させる負圧を供給する負圧源と、前記ポーラスチャックの吸着面から吐出する圧縮空気をポーラスチャックに供給する圧縮空気源と、前記ポーラスチャックチャックとウェハとの間に圧縮空気を滞留させて前記ウェハを押圧するエア層を形成するエア層形成手段と、前記ポーラスチャック及び負圧源の接続と前記ポーラスチャック及び圧縮空気源の接続とを択一的に切り換える切換手段と、を備えている。

この構成によれば、ポーラスチャックに供給された負圧によってウェハがポーラスチャックに吸着保持され、研磨ヘッドがウェハを研磨パッドに押圧することにより、ウェハの裏面を基準にした吸着研磨を行うことができる。また、ポーラスチャックに供給された圧縮空気によってウェハとポーラスチャックとの間に形成されたエア層がウェハの裏面を均一に押圧し、研磨ヘッドがウェハを研磨パッドに押圧することにより、ウェハの表面を基準にしたエアーフロート研磨を行うことができる。そして、切換弁を切り換えることにより、吸着研磨及びエアーフロート研磨を任意に切換可能なため、１台の研磨ヘッドで多種多様なウェハに対応することができる。

また、本発明に係るＣＭＰ装置は、前記研磨ヘッドのウェハに対向する吸着面は略平坦に形成され、前記ポーラスチェックは、前記ウェハに直接接触可能なことが好ましい。

この構成によれば、ウェハがポーラスチャックに略平坦に吸着保持されることにより、ウェハを裏面を基準にして精度よく研磨することができる。

また、本発明に係るＣＭＰ装置は、前記圧縮空気に混入する水分を供給する給水源をさらに備えていることが好ましい。

この構成によれば、ポーラスチャックに付着したスラリーの乾燥を抑制し、スラリー残渣が吸着面に固着することを防止するため、ポーラスチャックの吸着面に沿ってウェハを吸着することができる。

また、本発明に係るＣＭＰ装置は、前記ポーラスチャックのウェハに対向する吸着面を洗浄する洗浄部材をさらに備えていることが好ましい。

この構成によれば、スラリー残渣が吸着面に固着することを防止するため、ポーラスチャックの吸着面に沿ってウェハを吸着することができる。

また、上記目的を達成するために、本発明に係るＣＭＰ方法は、以上のようなＣＭＰ装置を用いて、前記ポーラスチャックがウェハを吸着した状態で研磨した後に、前記ポーラスチャックがウェハを圧縮空気で押圧して研磨することが好ましい。

この構成によれば、ウェハをポーラスチャックに吸着保持した状態で研磨した後に、ウェハの吸着保持を解除し、ウェハを圧縮空気で押圧して研磨することにより、同一の研磨ヘッドでウェハの裏面基準で研磨した後にウェハの表面を基準にして研磨を行うことができる。

また、上記目的を達成するために、本発明に係るＣＭＰ方法は、以上のようなＣＭＰ装置を用いて、前記ポーラスチャックがウェハを圧縮空気で押圧して研磨した後に、前記ポーラスチャックがウェハを吸着した状態で研磨することが好ましい。

この構成によれば、ウェハを圧縮空気で押圧して研磨した後に、ウェハを吸着保持し、ウェハをポーラスチャックに吸着保持した状態で研磨することにより、同一の研磨ヘッドでウェハを表面基準で研磨した後に、ウェハの裏面を基準にして研磨を行うことができる。

本発明は、ポーラスチャックに供給された負圧によってウェハがポーラスチャックに吸着保持され、研磨ヘッドがウェハを研磨パッドに押圧することにより、ウェハの裏面を基準にした吸着研磨を行うことができる。また、ポーラスチャックに供給された圧縮空気によってウェハとポーラスチャックとの間に形成されたエア層がウェハの裏面を均一に押圧し、研磨ヘッドがウェハを研磨パッドに押圧することにより、ウェハの表面を基準にしたエアーフロート研磨を行うことができる。そして、切換弁を切り換えることにより、吸着研磨及びエアーフロート研磨を任意に切換可能なため、１台の研磨ヘッドで多種多様なウェハに対応することができる。

本発明の一実施形態に係るＣＭＰ装置を模式的に示す斜視図。 研磨ヘッドの要部を模式的に示す縦断面図。 ウェハをポーラスチャックに吸着保持して研磨を行う様子を示す模式図。 ウェハをエア圧で押圧しながら研磨を行う様子を示す模式図。 キャリアの外周縁にスラリー残渣が固着した様子を示す拡大図。 給水管を設けたキャリアを示す模式図。 キャリアの表面を洗浄する様子を示す模式図。 従来のＣＭＰ装置でエアーフロート研磨を行う様子を示す模式図。 図８に示すＣＭＰ装置において、ウェハを吸着保持している様子を示す模式図。

本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。なお、以下では、構成要素の数、数値、量、範囲等に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも構わない。

また、構成要素等の形状、位置関係に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似又は類似するもの等を含む。

また、図面は、特徴を分かり易くするために特徴的な部分を拡大する等して誇張する場合があり、構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。また、断面図では、構成要素の断面構造を分かり易くするために、一部の構成要素のハッチングを省略することがある。

図１は、本発明の一実施形態に係るＣＭＰ装置１を模式的に示す斜視図である。ＣＭＰ装置１は、ウェハＷの一面を平坦に研磨するものである。ＣＭＰ装置１は、プラテン２と、研磨ヘッド１０と、を備えている。

プラテン２は、円盤状に形成されており、プラテン２の下方に配置された回転軸３に連結されている。回転軸３がモータ４の駆動によって回転することにより、プラテン２は図１中の矢印Ｄ１の方向に回転する。プラテン２の上面には、研磨パッド５が貼付されており、研磨パッド５上に図示しないノズルから研磨剤と化学薬品との混合物であるＣＭＰスラリーが供給される。

研磨ヘッド１０は、プラテン２より小径の円盤状に形成されており、研磨ヘッド１０の上方に配置された回転軸１０ａに連結されている。回転軸１０ａが図示しないモータの駆動によって回転することにより、研磨ヘッド１０は、図１中の矢印Ｄ２の方向に回転する。研磨ヘッド１０は、図示しない昇降装置によって垂直方向Ｖに昇降自在である。研磨ヘッド１０は、ウェハＷを研磨する際に下降して研磨パッド５にウェハＷを押圧する。研磨ヘッド１０が研磨するウェハＷは、図示しないウェハ搬送機構によって受け渡される。

ＣＭＰ装置１の動作は、図示しない制御手段によって制御される。制御手段は、ＣＭＰ装置１を構成する構成要素をそれぞれ制御するものである。制御手段は、例えばコンピュータであり、ＣＰＵ、メモリ等により構成される。なお、制御手段の機能は、ソフトウェアを用いて制御することにより実現されても良く、ハードウェアを用いて動作するものにより実現されても良い。

次に、研磨ヘッド１０について説明する。図２は、研磨ヘッド１０の要部を模式的に示す縦断面図である。

研磨ヘッド１０は、ヘッド本体２０と、キャリア３０と、リテーナ４０と、を備えている。

ヘッド本体２０は、回転軸１０ａに接続されており、回転軸１０ａと共に回転する。ヘッド本体２０は、回転部２１を介してヘッド本体２０の下方に配置された緻密体のキャリア３０に連結されており、ヘッド本体２０及びキャリア３０は連動して回転する。

キャリア３０の表面には、多孔質材料からなるポーラスチャック３１を収容する収容部３２が形成されている。ポーラスチャック３１の下面（吸着面）３１ａは、略平坦に形成されている。なお、ポーラスチャック３１の吸着面３１ａは、略平坦に形成されたものに限定されるものではなく、例えば、研磨後の所望のウェハ形状に応じて、中心が凸状に膨出したものや中心が凹状に窪んだものであっても構わない。ポーラスチャック３１とウェハＷとの間には、僅かな隙間が確保されており、エア室Ａを形成している。

収容部３２には、収容部３２に開口する管路３３が形成されており、管路３３は、管路３３は研磨ヘッド１０の回転軸１０ａと同軸上に配置され、図示しないロータリージョイントを介して真空源、圧縮空気源に接続されている。

管路３３内には、切換弁３３ａが設けられている。切換弁３３ａは、ポーラスチャック３１及び真空源の接続及びポーラスチャック３１及び圧縮空気源の接続を択一的に切り換えることができる。なお、ポーラスチャック３１及び真空源の接続とポーラスチャック３１及び圧縮空気源の接続の切り替えは、切換弁３３ａを用いた構成に限定されない。例えば、圧縮空気を供給する管路３３と負圧を供給する管路３３とをそれぞれ用意し、各管路３３を必要に応じて開閉制御するものであっても構わない。

ヘッド本体２０とキャリア３０との間には、キャリア押圧手段３４が設けられている。キャリア押圧手段３４は、図示しないエア供給源から供給されるエアによって膨張するエアバッグ等である。エア供給源から供給されるエアの圧力は、図示しないレギュレータによって調整される。キャリア押圧手段３４は、供給されるエアの圧力に応じて、キャリア３０を介してウェハＷを研磨パッド５に押圧する。

リテーナ４０は、キャリア３０の周囲を囲むように配置されている。リテーナ４０は、研磨パッド５に接触可能なリテーナリング４１とリテーナリングホルダ４５とを備えている。リテーナリング４１は、リテーナリング４１とキャリア３０との隙間が、ポーラスチャック３１とウェハＷとの隙間に対して相対的に小さくなるように設けられている。リテーナリング４１は、キャリア３０との間に僅かな隙間を空けて配置されており、エア層形成手段５０を形成している。

リテーナリング４１は、例えば、ガラスエポキシ、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）又はポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の樹脂から成る。リテーナリング４１は、円環状に形成されており、中央にウェハＷを収容する収容ポケット４１ａを備えている。リテーナリング４１とリテーナリングホルダ４５とは、スナップリング４２を介してリテーナ押圧部材４３に取り付けられている。ヘッド本体２０とリテーナ押圧部材４３との間には、リテーナ押圧手段４４が設けられている。なお、符号４５は、スナップリング４２の上方を覆うカバーである。

リテーナ押圧手段４４は、図示しないエア供給源から供給されるエアによって膨張するエアバッグ等である。エア供給源から供給されるエアの圧力は、図示しないレギュレータによって調整される。リテーナ押圧手段４４は、供給されるエアの圧力に応じて、リテーナ押圧手段４４を介してリテーナ４０を研磨パッド５に押圧する。

次に、ＣＭＰ装置１の作用について説明する。まず、ウェハＷをポーラスチャック３１に吸着保持して行う研磨（吸着研磨）について、図３に基づいて説明する。

真空源が起動すると、ポーラスチャック３１を通って、収容ポケット４１ａ内に収容されたウェハＷとポーラスチャック３１との間のエア室Ａ内に負圧が供給され、ウェハＷがポーラスチャック３１の略平坦に吸着される。

ウェハＷがポーラスチャック３１に吸着保持された状態で、キャリア押圧手段３４が起動してキャリア３０を押圧することにより、ウェハＷは、ポーラスチャック３１に対向する裏面Ｗ１を基準にしてウェハＷの表面Ｗ２が研磨パッド５に押圧されて研磨される。

次に、ウェハＷを圧縮空気で押圧しながら行う研磨（エアーフロート研磨）について、図４に基づいて説明する。

圧縮空気源が起動すると、ポーラスチャック３１を通って、収容ポケット４１ａ内に収容されたウェハＷとポーラスチャック３１との間のエア室Ａ内に圧縮空気が供給される。

エア室Ａに供給された圧縮空気がエア層形成手段５０によってエア室Ａ内に滞留することにより形成された圧縮空気のエア層が、ウェハＷの裏面Ｗ１を均一な圧力で押圧する。具体的には、圧縮空気が、キャリア３０とリテーナリング４１との間の僅かな隙間であるエア層形成手段５０を通って外部に徐々に排出されるため、エア室Ａ内に滞留した圧縮空気のエア層が、ウェハＷの裏面Ｗ１を均一な圧力で押圧する。

そして、キャリア押圧手段３４が起動してキャリア３０を押圧することにより、ウェハＷは、研磨パッド５に対向する表面Ｗ２を基準にして研磨パッド５に押圧されて研磨される。

ＣＭＰ装置１は、上述した吸着研磨及びエアーフロート研磨の何れか一方のみを行っても構わないし、両方を順番に行っても構わない。

例えば、吸着研磨のみを行う場合には、研磨ヘッド１０がウェハＷを吸着保持して研磨パッド５までウェハＷを搬送した後に、ウェハＷを吸着保持した状態を維持して速やかにＣＭＰ研磨に移行することができる。

吸着研磨では、ウェハＷが研磨ヘッド１０と一体となって回転して研磨されることから、吸着研磨が好適な研磨対象物としては、例えばリテーナリング４１に接触するとエッジが破損する虞がある割れ易い薄物等である。

また、エアーフロート研磨のみを行う場合には、研磨ヘッド１０がウェハＷを吸着保持して研磨パッド５までウェハＷを搬送した後に、ウェハＷの吸着保持を解除して、ウェハＷを研磨パッド５上に載せる。そして、エアーフロート研磨に移行し、ウェハＷをＣＭＰ研磨する。

エアーフロート研磨では、ウェハＷの表面Ｗ２を基準に研磨を行うため、エアーフロート研磨が好適な研磨対象物としては、例えば比較的厚みがあり強度が確保されたもの等である。このようにして、吸着研磨及びエアーフロート研磨を任意に切換可能なため、１台の研磨ヘッド１０で多種多様なウェハＷに対応することができる。

また、エアーフロート研磨を行った後に、エア室Ａに負圧を供給して、ウェハＷを平坦に保持した状態で吸着研磨を行う場合には、同一の研磨ヘッド１０でウェハの表面基準で研磨した後に、ウェハＷの裏面Ｗ１を基準にして研磨を行うことができる。

また、吸着研磨を行った後に、ウェハＷの吸着保持を解除して、ウェハＷを研磨パッド５上に載せ、エアーフロート研磨に移行する場合には、同一の研磨ヘッド１０でウェハの裏面基準で研磨した後に、ウェハＷの表面を基準にして研磨を行うことができる。

なお、吸着研磨した後にエアーフロート研磨を行う場合には、エアーフロート研磨した後に吸着研磨を行う場合と比較して、ウェハＷを吸着保持する際に、ポーラスチャック３１とウェハＷとの間のスラリーが介在しないため、ウェハＷの裏面Ｗ１を平坦に吸着保持し易いというメリットがある。

ところで、従来のＣＭＰ装置７０では、図８に示すように、メンブレンシート７４を介してウェハＷ側とキャリア７２側とが隔絶されているため、スラリーがキャリア７２側に侵入することがなかった。

しかしながら、本実施形態に係るＣＭＰ装置１は、スラリーが、ウェハＷとリテーナリング４１との間を通って、キャリア３０に付着することが考えられる。そして、キャリア３０にスラリーが付着した状態で、図４に示すようにエアーフロート研磨を行うと、図５に示すように、乾燥したスラリー残渣がキャリア３０の外周縁部に固着し、ウェハＷを吸着保持する際にリークが生じて吸着不良が生じる虞がある。

このようなスラリー残渣が吸着面３１ａに固着することを抑制するために、以下のような方法を採用することが好ましい。

例えば、管路３３に図示しないロータリージョイントを介して給水源を接続する。そして、乾燥した圧縮空気を供給する代わりに、圧縮空気に微量の水分を混入することにより得られるミストエアーを供給する。これにより、乾燥した圧縮空気が供給された場合に比べて、スラリーが乾燥してキャリア３０の外周縁部に固着することを抑制して、ポーラスチャック３１の吸着面３１ａに沿ってウェハＷを吸着することができる。

また、図６に示すように、管路３３とは別に、給水源に接続される給水管３５を設け、管路３３を介して乾燥した圧縮空気を供給するとともに、給水管３５を介して水分を供給するように構成しても構わない。これにより、スラリーが乾燥してキャリア３０の外周縁部に固着することを抑制して、ポーラスチャック３１の吸着面３１ａに沿ってウェハＷを吸着することができる。

また、図７に示すように、キャリア３０及びポーラスチャック３１の吸着面３１ａを洗浄する洗浄部材６０を設けても構わない。洗浄部材６０は、例えばスポンジやブラシ等が考えられる。

洗浄部材６０でポーラスチャック３１を洗浄する際には、スラリー残渣の飛散を抑制するために、研磨ヘッド１０を洗浄カップ６１内に収容した状態で行うのが好ましい。

また、洗浄部材６０による洗浄は、１枚のウェハＷを研磨する毎に行うのが好ましいが、予め決められた研磨時間、ウェハ枚数等を目安に行っても構わない。これにより、スラリー残渣がポーラスチャック３１の吸着面３１ａに固着することを抑制して、ポーラスチャック３１の吸着面３１ａに沿ってウェハを吸着することができる。

このようにして、本実施形態に係るＣＭＰ装置１は、ポーラスチャック３１に供給された負圧によってウェハＷがポーラスチャック３１に吸着保持され、研磨ヘッド１０がウェハＷを研磨パッド５に押圧することにより、ウェハＷの裏面Ｗ１を基準にした吸着研磨を行うことができる。

また、ポーラスチャック３１に供給された圧縮空気によってウェハＷとポーラスチャック３１との間に形成されたエア層がウェハＷの裏面Ｗ１を均一に押圧し、研磨ヘッド１０がウェハＷを研磨パッド５に押圧することにより、ウェハＷの表面を基準にしたエアーフロート研磨を行うことができる。

そして、切換弁３３ａを切り換えることにより、吸着研磨及びエアーフロート研磨を任意に切換可能なため、１台の研磨ヘッド１０で多種多様なウェハＷに対応することができる。

また、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り、上記以外にも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。

１ ・・・ＣＭＰ装置
２ ・・・プラテン
３ ・・・（プラテンの）回転軸
４ ・・・モータ
５ ・・・研磨パッド
１０ ・・・研磨ヘッド
１０ａ ・・・（研磨ヘッドの）回転軸
２０ ・・・ヘッド本体
２１ ・・・回転部
３０ ・・・キャリア
３１ ・・・ポーラスチャック
３１ａ ・・・吸着面
３２ ・・・収容部
３３ ・・・管路
３３ａ ・・・切換弁（切換手段）
３４ ・・・キャリア押圧手段
３５ ・・・給水管
４０ ・・・リテーナ
４１ ・・・リテーナリング
４１ａ ・・・収容ポケット
４２ ・・・スナップリング
４３ ・・・リテーナ押圧部材
４４ ・・・リテーナ押圧手段
４５ ・・・リテーナリングホルダ
５０ ・・・エア層形成手段
６０ ・・・洗浄部材
６１ ・・・洗浄カップ
Ａ ・・・エア室
Ｗ ・・・ウェハ

Claims (6)

1. 研磨ヘッドでウェハの表面を研磨パッドに押圧して研磨するＣＭＰ装置であって、
   前記研磨ヘッドは、
   前記ウェハの上面に対向する吸着面を備えるポーラスチャックと、
   前記ポーラスチャックに前記ウェハの裏面を吸着させる負圧を供給する負圧源と、
   前記ポーラスチャックの吸着面から吐出する圧縮空気をポーラスチャックに供給する圧縮空気源と、
   前記ポーラスチャックチャックとウェハとの間に圧縮空気を滞留させて前記ウェハを押圧するエア層を形成するエア層形成手段と、
   前記ポーラスチャック及び負圧源の接続と前記ポーラスチャック及び圧縮空気源の接続とを択一的に切り換える切換手段と、
   を備えていることを特徴とするＣＭＰ装置。
2. 前記研磨ヘッドのウェハに対向する吸着面は略平坦に形成され、
   前記ポーラスチェックは、前記ウェハに直接接触可能なことを特徴とする請求項１記載のＣＭＰ装置。
3. 前記圧縮空気に混入する水分を供給する給水源をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２記載のＣＭＰ装置。
4. 前記ポーラスチャックのウェハに対向する吸着面を洗浄する洗浄部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載のＣＭＰ装置。
5. 請求項１から４の何れか１項記載のＣＭＰ装置を用いたＣＭＰ方法であって、
   前記ポーラスチャックがウェハを吸着した状態で研磨した後に、前記ポーラスチャックがウェハを圧縮空気で押圧して研磨することを特徴とするＣＭＰ方法。
6. 請求項１から４の何れか１項記載のＣＭＰ装置を用いたＣＭＰ方法であって、
   前記ポーラスチャックがウェハを圧縮空気で押圧して研磨した後に、前記ポーラスチャックがウェハを吸着した状態で研磨することを特徴とするＣＭＰ方法。