JP3623383B2 - ウェーハ研磨ヘッド、ウェーハ研磨装置ならびにウェーハの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造プロセスにおいて半導体ウェーハの表面を研磨する研磨装置に用いられるウェーハ研磨ヘッドに関し、特にウェーハ表面における研磨量の均一性を高めるための改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体製造装置の高集積化に伴う転写パターンの微細化が進んでおり、特に多層構造の微細な転写パターンの形成を容易にかつ確実に行うために、製造工程中において半導体ウェーハ(以下、ウェーハ)の表面をより平坦化させることが重要となっている。そこで、平坦化の度合いが高く、凹部への膜の埋め込みが可能であるとの観点から、化学的機械研磨法(以下、CMP法)が脚光を浴びている。
【0003】
CMP法とは、アルカリ性または酸性の溶液、砥粒剤等を用いて化学的・機械的にウェーハの表面を研磨し、平坦化する方法であるが、この方法に用いられるウェーハ研磨ヘッドの一例として、特開平8−229804号に記載されるものがある。
【0004】
上記ウェーハ研磨ヘッドを図5に示す。図において、ウェーハ研磨ヘッドは、天板部21aとその外周に固定された筒状の周壁部21bとからなるヘッド本体21と、ヘッド本体21の内部に張設されたゴム等の弾性材料からなるダイヤフラム22と、ダイヤフラム22の下面に固定された円盤状のキャリア23と、キャリア23の外周および周壁部21bとの間に僅かな隙間を空けて同心状に配置された円環状のリテーナリング24と、ヘッド本体21とダイヤフラム22との間に形成された流体室R内の圧力を調整する圧力調整機構25とを備えている。
【0005】
ダイヤフラム22は、周壁部21bとダイヤフラム固定リング27との間に挟まれ、ダイヤフラム固定リング27側からネジ27aを螺入されることによりヘッド本体21に固定されている。
【0006】
キャリア23は、ダイヤフラム22の下面側配置され、ダイヤフラム22の上面側にダイヤフラム22を挟むようにして配置されたキャリア固定リング28側からネジ28aを螺入されることによりダイヤフラム22に固定されている。
【0007】
リテーナリング24は円環状に形成されて周壁部21bとキャリア23の外周面との間に形成される円形の溝に填め込まれ、周壁部21bの内壁との間ならびにキャリア23の外周面との間に僅かな隙間を空けて周壁部21b、キャリア23と同心状に配置されている。さらに、リテーナリング24は、ダイヤフラム22の上面側にダイヤフラム22を挟むようにして配置されたリテーナリング固定リング29側からネジ29aを螺入されることによりダイヤフラム22に固定されている。リテーナリング24には、ネジ29aが螺着される上部が金属により形成され、研磨パッドPに当接される下部が樹脂により形成された2ピース構造が採用されている。
【0008】
上記ウェーハ研磨ヘッドを備える研磨装置によりウェーハWの研磨を行う場合、まず、ウェーハWはリテーナリング24の内側に填め込まれるようにしてキャリア23の下面に設けられたウェーハ付着シートSに付着される。そして、下方に向けて露出されるウェーハWの表面が、プラテンBの上面に貼付された研磨パッドPに当接され、研磨砥粒剤を含むスラリーの供給を受けながら、ウェーハ研磨ヘッドの回転により研磨される。
【0009】
このとき、キャリア23ならびにリテーナリング24は、ダイヤフラム22の弾性変形によりそれぞれ独立して上下方向に変位するフローティング構造となっており、キャリア23およびリテーナリング24の研磨パッドPへの押圧力は、圧力調整機構25によって調整された流体室R内部の圧力に応じて変化するようになっている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
リテーナリング24の下端はキャリア23よりも下方に突出しており、キャリア23の下面に付着されたウェーハWの外周を保持するようになっている。これは、研磨加工中のウェーハWがキャリア23から外れるといった不具合を防止することに加え、ウェーハWをリテーナリング24で囲み、このリテーナリング24の下端面をウェーハWの下面(研磨面)と同じ高さに位置させることでウェーハWの外周部における研磨量がウェーハWの中央部よりも大きくなる現象を防止するためである。
【0011】
しかしながら、研磨パッドPの材質によっては、図6に示すように、リテーナリング24に当接した箇所の内側部分に沿って研磨パッドPが局部的に盛り上がり(以下、これを「波打ち変形」と称する)、この盛り上がり部分TによってウェーハWの外周縁Gが過剰に研磨され、ウェーハW表面における研磨の均一性が阻害されるといった問題がある。
【0012】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、研磨パッドに発生する波打ち変形を防止してウェーハ表面における研磨の均一性を向上させることを目的としている。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明においては次のような構成を有するウェーハ研磨ヘッドを採用する。すなわち、本発明に係るウェーハ研磨ヘッドは、天板部と該天板部の外周下方に設けられた筒状の周壁部とからなるヘッド本体と、該ヘッド本体内にヘッド軸線に対し垂直に張設されて弾性変形可能なダイヤフラムと、該ダイヤフラムの下面側に固定されるとともに研磨すべきウェーハを下部に保持可能に設けられ、下部に保持した該ウェーハをダイヤフラムの変形に伴ってヘッド軸線方向に変位させるキャリアと、該キャリアの外周と前記周壁部の内壁との間に該周壁部と同心状に配置されて前記ダイヤフラムの下面に固定され、該ダイヤフラムの変形に伴って前記ヘッド軸線方向に変位可能に設けられたリテーナリングと、前記ヘッド本体と前記ダイヤフラムとの間に形成された流体室に満たされる流体の圧力を調整することによりダイヤフラムを前記ヘッド軸線方向に変形させて前記キャリアならびにリテーナリングを下方に押圧する圧力調整機構とを具備するウェーハ研磨ヘッドであって、前記ヘッド本体に、前記ダイヤフラムの上下両面に沿って張出し、ダイヤフラムの上下方向の変形を規制することによりダイヤフラムを介して前記リテーナリングに作用する押圧力を低減させるフランジ部が設けられていることを特徴とするものである。
【0014】
このウェーハ研磨ヘッドにおいては、リテーナリングに作用する押圧力を低減させることで、リテーナリングから研磨パッドに作用する押圧力を低減させることが可能となる。そこで、例えば研磨パッドの材質が柔らかく、波打ち変形を起こし易い場合には、ヘッド本体にフランジ部を設けることで波打ち変形を防止し、ウェーハ表面の外周縁の過剰な研磨を防止することができる。
【0015】
本発明においては、ヘッド本体とダイヤフラムとの間に介装されてフランジ部を着脱可能なスペーサにより構成することが望ましい。これにより、研磨パッドの材質に応じてスペーサを装着し、対象となる研磨パッドに最適な押圧力を作用させることで、ウェーハ研磨量の均一化が図れる。さらに、引き出し幅の異なるスペーサを研磨パッドの材質に対応して用意しておけば、ウェーハ研磨ヘッドの汎用性が高まる。
【0016】
本発明に係るウェーハ研磨装置においては、上記のように構成されたウェーハ研磨ヘッドにより研磨すべきウェーハを保持することで、研磨パッドの波打ち変形が防止されてウェーハの外周縁の過剰な研磨が防止されるので、ウェーハの加工精度ならびに生産性の向上が図れる。
【0017】
本発明に係るウェーハの製造方法においては、前記ウェーハ研磨ヘッドにより研磨すべきウェーハを保持し、研磨パッドに押圧しながら研磨することで、研磨パッドの波打ち変形が防止されてウェーハの外周縁の過剰な研磨が防止されるので、加工精度の高いウェーハを製造可能となる。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明に係るウェーハ研磨ヘッド、ウェーハ研磨装置ならびにウェーハの製造方法の実施形態を図1ないし図4に示して説明する。
図3に示すように、ウェーハ研磨装置には、ヘッド駆動機構であるカルーセルCの下部に複数のウェーハ研磨ヘッドHが設けられており、これらウェーハ研磨ヘッドHが、プラテンBに設けられた研磨パッドPの上で遊星回転されるようになっている。
【0019】
図1において、ウェーハ研磨ヘッドHは、天板部1aと筒状の周壁部1bとからなるヘッド本体1と、ヘッド本体1内にヘッド軸線Lに対し垂直に張設されたダイヤフラム2と、ダイヤフラム2の下面側に固定されて研磨すべきウェーハWを下部に保持可能に設けられたキャリア3と、キャリア3の外周と周壁部1bの内壁との間に周壁部1bと同心状に配置されたリテーナリング4とを備えている。
【0020】
また、ヘッド本体1とダイヤフラム2との間には流体室Rが形成され、流体室Rには空気(流体)を加圧供給しさらにその圧力を調整することによりダイヤフラム2をヘッド軸線L方向に変形させる圧力調整機構5が接続されている。
【0021】
ヘッド本体1は、円盤状の天板部1aと天板部1aの外周下方に固定された筒状の周壁部1bとから構成されており、天板部1aの下面側には円形の開口を有する凹部1cが形成されている。天板部1aは、カルーセルCに連結されたシャフト6に同軸に固定されており、シャフト6には圧力調整機構5に連通する流路6aが形成されている。また、周壁部1bの下端には、全周にわたって半径方向内方に突出する段部1dが形成され、さらにその下方には円環状の張出し部1eが形成されている。
【0022】
ダイヤフラム2は、繊維補強ゴム等の弾性材料を円板状に形成したもので、周壁部1bの内壁に形成された段部1d上に配置されるとともに段部1dとダイヤフラム固定リング7との間に挟まれ、ダイヤフラム固定リング7側からネジ7aを螺入されることによりヘッド本体1に固定され、凹部1cを塞ぐように張設されている。
【0023】
キャリア3は、セラミック等の高剛性材料を一定の厚さとなるように円盤状に形成したもので、ダイヤフラム2の下面に接してヘッド本体1と同心状に配置され、ダイヤフラムの上面側にダイヤフラム2を挟むようにして配置されたキャリア固定リング8側からネジ8aを螺入されることによりダイヤフラム2に固定されている。キャリア3の下部には、研磨すべきウェーハWを付着保持するウェーハ付着シートSが貼設けられている。ウェーハ付着シートSは、不織布等の吸水性を有する材質で形成され、水分を吸収すると表面張力によりウェーハを吸着するようになっている。
【0024】
リテーナリング4は、図2に示すように、円環状に形成された周壁部1bとキャリア3の外周面との間に形成される円形の溝に填め込まれ、周壁部1bの内壁との間ならびにキャリア3の外周面との間に僅かな隙間を空けて周壁部1b、キャリア3と同心状に配置されたうえで、ダイヤフラム2の上面側にダイヤフラム2を挟むようにして配置されたリテーナリング固定リング9側からネジ9aを螺入されることによりダイヤフラム2に固定されている。
【0025】
リテーナリング4には、ネジ9aが螺着される上部が金属により形成され、研磨パッドPに当接される下部が樹脂により形成された2ピース構造が採用されており、リテーナリング固定リング9との間でダイヤフラム2を挟む上端面4a、ならびに研磨パッドPに当接される下端面4bは、ウェーハ研磨ヘッドHに取付られた状態でヘッド軸線Lに垂直となるように平坦に形成されている。
【0026】
周壁部1bに形成された段部1dと段部1d上に載置されるダイヤフラム2との間には、周壁部1bと同心状に配置された円環状のスペーサ10が介装され、ダイヤフラム2の上面にも下面と同様の張り出し幅を有するスペーサ(図示せず)を装着して、ダイヤフラム2とともにネジ止めされている。スペーサ10の内周縁は、ダイヤフラム2の下面に沿って段部1dよりも周壁部1bの半径方向内方に張出してフランジ部10aを形成しており、ダイヤフラム2は、スペーサ10が介装されない場合と比較して変形可能な面積が狭められている。また、ダイヤフラム2の上面にスペーサを装着することによって、上方向に変形可能な面積が狭められている。
【0027】
リテーナリング4とダイヤフラム2との間にも周壁部1bと同心状に配置された円環状のスペーサ11が介装され、リテーナリング2とともにダイヤフラム2にネジ止めされている。さらに、キャリア3とダイヤフラム2との間には、周壁部1bと同心状に配置された円盤状のスペーサ12が介装され、キャリア3とともにダイヤフラム2にネジ止めされている。
【0028】
ウェーハの製造に際し、上記のように構成されたウェーハ研磨ヘッドHを備える研磨装置によってウェーハWの研磨を行う場合、ウェーハWはリテーナリング4の内側に填め込まれるようにしてウェーハ付着シートSに吸着される。そして、下方に向けて露出されるウェーハWの表面が、プラテンBの上面に貼付された研磨パッドPに当接され、研磨砥粒剤を含むスラリーの供給を受けながら、ウェーハ研磨ヘッドHの回転により研磨される。
【0029】
このとき、フローティング構造が採用されたキャリア3ならびにリテーナリング4は、ダイヤフラム2の弾性変形によりそれぞれ独立して上下方向に変位して研磨パッドPに向けて押圧される。ここで、キャリア3、リテーナリング4に作用する押圧力は、流体の圧力により弾性変形されるダイヤフラム2の受圧面積に比例するが、弾性変形可能なダイヤフラム2はヘッド本体1内部に張設された部分であり、キャリア3、リテーナリング4それぞれの受圧面積はダイヤフラム2に対する固定部の面積に準じて振り分けられる。
【0030】
すなわち、図4(a)に示すようにスペーサ10を装着しない状態では、ヘッド軸線Lから段部1dまでの距離をX、ヘッド軸線Lからキャリア3とリテーナリング4の間隙までの距離をY、流体室R内部の圧力をPとすると、圧力Pによりリテーナリング4に作用する下方押圧力に寄与するダイヤフラム2の受圧面は、X−Yの領域幅に含まれる面となる。
【0031】
次に、図4(b)に示すようにスペーサ10を装着した状態では、段部1dからのフランジ部10aの半径方向内方への張出し幅をKとすると、圧力Pによりリテーナリング4に作用する下方押圧力に寄与するダイヤフラム2の受圧面は、(X−K)−Yの領域幅に含まれる面となる。よって、スペーサ10を装着することで、リテーナリング4の下方押圧力に寄与する受圧面が張り出し幅K分だけ減少することがわかる。
【0032】
なお、通常はリテーナリング4と段部1dとの高さをリテーナリング4側が低くなるように調整しており、また、ダイヤフラム2には常に下方押圧力が加わっているため、ダイヤフラム2の下方への変形を規制するのみで受圧面積を減少させる効果が得られるが、ダイヤフラム2の上面にも下面と同様の張り出し幅を有するスペーサを装着し、上下両方向への変形を規制すれば、不測の上方変位が加わった場合でも、リテーナリング4の下方押圧力を低減する効果が安定して得られる。
【0033】
このように、スペーサ10を装着すれば、キャリア3の受圧面積はそのままに、リテーナリング4の受圧面積だけを減少させることが可能となり、リテーナリング4から研磨パッドPに作用する押圧力のみを低減させることができる。これにより、研磨パッドPの波打ち変形を防止してウェーハWの外周縁の過剰な研磨を防止することができる。
さらに、張り出し幅Kの異なるスペーサ10を数種類用意しておき、研磨パッドPの材質その他の条件に応じてこれらを使い分ければ、ウェーハ研磨ヘッドHの汎用性を高めることができる。
【0034】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るウェーハ研磨ヘッドによれば、ヘッド本体に、ダイヤフラムの上下方向の変形を規制するフランジ部を設けることにより、リテーナリングから研磨パッドに作用する押圧力を低減させることが可能となる。これにより、研磨パッドの波打ち変形を防止してウェーハの外周縁の過剰な研磨を防止することができる。
【0035】
また、ヘッド本体とダイヤフラムとの間に介装されてフランジ部を構成する着脱可能なスペーサを採用し、研磨パッドの材質に応じて当該スペーサを装着し、対象となる研磨パッドに最適な押圧力を作用させることで、ウェーハ研磨量の均一化が図れる。さらに、張り出し幅の異なるスペーサを研磨パッドの材質に対応して用意しておけば、ウェーハ研磨ヘッドの汎用性が高まる。
【0036】
本発明に係るウェーハ研磨装置によれば、前記ウェーハ研磨ヘッドにより研磨すべきウェーハを保持することで、研磨パッドの波打ち変形を防止してウェーハの外周縁の過剰な研磨を防止することができ、これによってウェーハの加工精度を高めるとともに生産性の向上を図ることができる。
【0037】
本発明に係るウェーハの製造方法によれば、前記ウェーハ研磨ヘッドにより研磨すべきウェーハを保持し、研磨パッドに押圧しながら研磨することで、研磨パッドの波打ち変形を防止してウェーハの外周縁の過剰な研磨を防止することができ、これによって加工精度の高いウェーハを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るウェーハ研磨ヘッドの実施形態を示す側断面図である。
【図2】図1におけるリテーナリングの拡大図である。
【図3】図1に示すウェーハ研磨ヘッドを備えるウェーハ研磨装置の側面図である。
【図4】リテーナリングの変位を示す状態説明図であって、(a)は従来のウェーハ研磨ヘッドにおけるリテーナリングの変位の状態を示す側断面図、(b)は本実施形態のウェーハ研磨ヘッドにおけるリテーナリングの変位の状態を示す側断面図である。
【図5】従来のウェーハ研磨ヘッドを示す側断面図である。
【図6】従来のウェーハ研磨装置の問題点を示す概略図である。
【符号の説明】
1 ヘッド本体
1a 天板部
1b 周壁部
2 ダイヤフラム
3 キャリア
4 リテーナリング
5 圧力調整機構
7 ダイヤフラム固定リング
8 キャリア固定リング
9 リテーナリング固定リング
10 スペーサ
10a フランジ部
L ヘッド軸線
R 流体室
S ウェーハ付着シート
W ウェーハ
Claims (4)
- 天板部と該天板部の外周下方に設けられた筒状の周壁部とからなるヘッド本体と、
該ヘッド本体内にヘッド軸線に対し垂直に張設されて弾性変形可能なダイヤフラムと、
該ダイヤフラムの下面側に固定されるとともに研磨すべきウェーハを下部に保持可能に設けられ、下部に保持した該ウェーハをダイヤフラムの変形に伴ってヘッド軸線方向に変位させるキャリアと、
該キャリアの外周と前記周壁部の内壁との間に該周壁部と同心状に配置されて前記ダイヤフラムの下面に固定され、該ダイヤフラムの変形に伴って前記ヘッド軸線方向に変位可能に設けられたリテーナリングと、
前記ヘッド本体と前記ダイヤフラムとの間に形成された流体室に満たされる流体の圧力を調整することによりダイヤフラムを前記ヘッド軸線方向に変形させて前記キャリアならびにリテーナリングを下方に押圧する圧力調整機構とを具備するウェーハ研磨ヘッドであって、
前記ヘッド本体に、前記ダイヤフラムの上下両面に沿って張出し、ダイヤフラムの上下方向の変形を規制することによりダイヤフラムを介して前記リテーナリングに作用する押圧力を低減させるフランジ部が設けられていることを特徴とするウェーハ研磨ヘッド。 - 前記フランジ部のいずれもが、前記ヘッド本体に前記ダイヤフラム上下面に着脱可能に介装されるスペーサにより構成されることを特徴とする請求項1記載のウェーハ研磨ヘッド。
- 請求項1または2記載のウェーハ研磨ヘッドを備えることを特徴とするウェーハ研磨装置。
- 請求項3記載のウェーハ研磨装置に具備されるウェーハ研磨ヘッドにより研磨すべきウェーハを保持し、研磨パッドに押圧しながら研磨することで研磨済ウェーハを製造することを特徴とするウェーハの製造方法。
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