JP3784477B2 - ウェーハ研磨装置及びそれに用いるウェーハ保持ヘッド - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集積回路を形成する半導体ウェーハ等の表面を研磨するためのウェーハ研磨装置及びそれに用いるウェーハ保持ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のウェーハ研磨装置として、表面に研磨パッドが貼付された円盤状のプラテンと、研磨すべきウェーハの一面を保持して研磨パッドにウェーハの他面を当接させる複数のウェーハ保持ヘッドと、これらウェーハ保持ヘッドをプラテンに対し相対回転させるヘッド駆動機構とを具備し、研磨パッドとウェーハの間に研磨砥粒を含むスラリーを供給することにより研磨を行うものが広く知られている。
【０００３】
この種のウェーハ研磨装置としては、例えば、米国特許５，２０５，０８２号に、図５に示すようなウェーハ保持ヘッドを採用したものが開示されている。このウェーハ保持ヘッドは、中空のヘッド本体１と、ヘッド本体１内に水平に張られたダイアフラム２と、ダイアフラム２の下面に固定されたキャリア４とを有し、ダイアフラム２によって画成された空気室６へ、シャフト８を通じて加圧空気源１０から加圧空気を供給することにより、キャリア４を下方へ押圧できるフローティングヘッド構造になっている。このようなフローティングヘッド構造は、研磨パッドに対するウェーハの当接圧力が均一化できる利点を有する。
【０００４】
キャリア４の外周には同心上にリテーナリング１２が配置され、このリテーナリング１２もダイアフラム２に固定されている。リテーナリング１２の下端はキャリア４よりも下方に突出し、これにより、キャリア４の下面に付着されたウェーハの外周を保持する。
このようにウェーハ外周を保持することにより、研磨中のウェーハがキャリア４から外れる不具合が防止できる。また、ウェーハをリテーナリング１２で囲み、このリテーナリング１２の下端をウェーハ下面と同じ高さで研磨することにより、ウェーハ外周部での過研磨が防止できるとされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のウェーハ研磨装置には、以下のような課題が残されている。すなわち、研磨するウェーハの大径化に伴い、面積が拡大したウェーハの全面に亙って、より高い研磨精度が要求されるようになり、研磨パッドに対するウェーハの当接圧力をさらに均一化する必要があった。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、より高い研磨精度を得ることができるウェーハ研磨装置及びそれに用いるウェーハ保持ヘッドを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、請求項１記載のウェーハ研磨装置では、表面に研磨パッドが貼付されたプラテンと、研磨すべきウェーハの一面を保持して前記研磨パッドにウェーハの他面を当接させる１または２以上のウェーハ保持ヘッドと、これらウェーハ保持ヘッドを前記プラテンに対し相対運動させることにより前記研磨パッドでウェーハ他面を研磨するヘッド駆動機構とを具備し、前記ウェーハ保持ヘッドは、研磨すべきウェーハの前記一面を保持するための円盤状のキャリアと、該キャリアの外周に同心上に配置されヘッド軸線方向に変位可能なリテーナリングと、円筒状に形成され前記リテーナリングを同心上かつ内部に配し内周面で該リテーナリングを支持するヘッド本体と、前記キャリアと前記リテーナリングとの間に張られこれらを連結する第１のダイアフラムと、前記リテーナリングと前記ヘッド本体との間に張られこれらを連結する円環状の第２のダイアフラムとを備えている技術が採用される。
【０００８】
このウェーハ研磨装置では、キャリアとリテーナリングとの間に張られこれらを連結する第１のダイアフラムと、リテーナリングとヘッド本体との間に張られこれらを連結する円環状の第２のダイアフラムとを備えているので、ダイアフラムが一つの場合に比べて、ダイアフラムが２つに分割されていることによりキャリアの動きに対して追従性が向上し、ウェーハの当接圧力がより均一化される。
また、第１のダイアフラムと第２のダイアフラムとを互いに異なるもの、例えば、剛性や材質等が異なるものに設定できるとともに、可撓部分の幅も互いに異なるものに設定できるので、キャリアおよびリテーナリングの動きに対して多様なセッティングが可能となる。
【０００９】
請求項２記載のウェーハ研磨装置では、請求項１記載のウェーハ研磨装置において、前記リテーナリングには、その上面に張られた前記第１のダイアフラムの外縁部上に軸線をほぼ同じくして固定された連結用リングが設けられ、該連結用リングには、その上面に前記第２のダイアフラムの内縁部が前記第１のダイアフラムの外縁部上方に配されて張られている技術が採用される。
【００１０】
このウェーハ研磨装置では、第２のダイアフラムの内縁部が第１のダイアフラムの外縁部上方に配されて張られているので、第１のダイアフラムの内縁部と第２のダイアフラムの外縁部とが軸線方向に重なって配されることから、第２のダイアフラムを第１のダイアフラムの径方向外側における同一平面上に配する場合に比べて、ウェーハ保持ヘッド全体の外径寸法が小さく抑えられる。
【００１１】
請求項３記載のウェーハ研磨装置では、請求項１または２記載のウェーハ研磨装置において、前記第１のダイアフラムは、前記第２のダイアフラムより高い剛性を有する技術が採用される。
【００１２】
このウェーハ研磨装置では、第１のダイアフラムが第２のダイアフラムより高い剛性を有するので、キャリアの動きを直接受ける第１のダイアフラムを、キャリアの全周に亙って高い均一性をもって高精度に取り付けることができる。
【００１３】
請求項４記載のウェーハ研磨装置では、請求項３記載のウェーハ研磨装置において、前記第１のダイアフラムは、前記第２のダイアフラムと同一の材料で形成されるとともに第２のダイアフラムより厚く設定されている技術が採用される。
【００１４】
このウェーハ研磨装置では、第１のダイアフラムが第２のダイアフラムと同一の材料で形成されるとともに第２のダイアフラムより厚く設定されているので、同一材料で第１のダイアフラムの剛性を容易に高くすることができる。
【００１５】
請求項５記載のウェーハ研磨装置では、請求項１から４のいずれかに記載のウェーハ研磨装置において、前記第１のダイアフラムは、四フッ化エチレン樹脂系材料で形成されている技術が採用される。
また、請求項７記載のウェーハ保持ヘッドは、研磨すべきウェーハの一面を保持して前記研磨パッドにウェーハの他面を当接させるウェーハ保持ヘッドであって、研磨すべきウェーハの前記一面を保持するための円盤状のキャリアと、該キャリアの外周に同心上に配置されヘッド軸線方向に変位可能なリテーナリングと、前記リテーナリングを支持するヘッド本体と、前記キャリアと前記リテーナリングとの間に張られる第１のダイアフラムと、前記リテーナリングと前記ヘッド本体との間に張られる円環状の第２のダイアフラムとを備え、前記第１のダイアフラムは四フッ化エチレン樹脂系材料で形成されていることを特徴とする。
【００１６】
このウェーハ研磨装置又はウェーハ保持ヘッドでは、第１のダイアフラムが四フッ化エチレン樹脂系材料で形成されているので、第１のダイアフラムの全周に亙って高い寸法精度および取付精度が得られるとともに均一な剛性が得られる。
【００１７】
請求項６記載のウェーハ研磨装置では、請求項１から４のいずれかに記載のウェーハ研磨装置において、前記第２のダイアフラムは、ポリエステル薄膜にゴムを被膜してなる技術が採用される。
また、請求項８記載のウェーハ保持ヘッドは、研磨すべきウェーハの一面を保持して前記研磨パッドにウェーハの他面を当接させるウェーハ保持ヘッドであって、研磨すべきウェーハの前記一面を保持するための円盤状のキャリアと、該キャリアの外周に同心上に配置されヘッド軸線方向に変位可能なリテーナリングと、前記リテーナリングを支持するヘッド本体と、前記キャリアと前記リテーナリングとの間に張られる第１のダイアフラムと、前記リテーナリングと前記ヘッド本体との間に張られる円環状の第２のダイアフラムとを備え、前記第２のダイアフラムはポリエステル薄膜にゴムを被覆したもので形成されていることを特徴とする。
【００１８】
このウェーハ研磨装置又はウェーハ保持ヘッドでは、第２のダイアフラムがポリエステル薄膜にゴムを被膜した構成とされるので、軸線方向の柔軟性と面方向における高い強度とを有するとともに高い気密性が得られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るウェーハ研磨装置の第１実施形態を図１から図３を参照しながら説明する。
【００２０】
始めに図２を参照して全体の構成を簡単に説明すると、図中符号２１は基台であり、この基台２１の中央には円盤状のプラテン２２が水平に設置されている。このプラテン２２は基台２１内に設けられたプラテン駆動機構により軸線回りに回転されるようになっており、その上面には全面に亙って研磨パッド２３が貼付されている。
【００２１】
プラテン２２の上方には、複数の支柱２４を介して上側取付板２５が水平に固定されている。この上側取付板２５の下面には円盤状のカルーセル（ヘッド駆動機構）２６が固定され、このカルーセル２６にはプラテン２２と対向する計６基のウェーハ保持ヘッド２７が設けられている。
これらウェーハ保持ヘッド２７は、図３に示すようにカルーセル２６の中心から同一距離において、カルーセル２６の中心軸回りに６０゜毎に配置され、カルーセル２６によりそれぞれ遊星回転される。ただし、ウェーハ保持ヘッド２７の個数は６基に限定されず、１〜５基または７基以上でもよい。
【００２２】
次に、図１を参照してウェーハ保持ヘッド２７を説明する。
ウェーハ保持ヘッド２７は、軸線垂直に配置され下端が開口する中空のヘッド本体２８と、このヘッド本体２８の内部に張られた第１のダイアフラム２９Ａおよび第２のダイアフラム２９Ｂと、この第１のダイアフラム２９Ａの下面に固定された円盤状のキャリア３０と、該キャリア３０の外周に同心に配置されたリテーナリング３１とを具備するものである。
【００２３】
ヘッド本体２８は円板状の天板部２８ａと、この天板部２８ａの外周に固定された円筒状の周壁部２８ｂとから構成され、天板部２８ａはカルーセル２６のシャフト３３に同軸に固定されている。
前記周壁部２８ｂの内周面には、全周に亙って半径方向内方へ突出する円環状段部の取付部３４が形成されている。
【００２４】
前記キャリア３０は、セラミック等の高い剛性を有する材料で成形された一定厚さのものであり、弾性変形はしない。
前記リテーナリング３１は、下端面が平坦な円環状をなし、キャリア３０の外周面との間に僅かな透き間を空けて同心状に配置され、キャリア３０とは独立して上下変位可能とされている。
【００２５】
また、リテーナリング３１の上端外周縁には、半径方向外方に突出する保持部３１Ａが形成されており、ウェーハ保持ヘッド２７をカルーセル２６と共にプラテン２２から引き上げた場合には、この保持部３１Ａが周壁部２８ｂの下端の円環状のストッパ部３５により保持されるようになっている。
該ストッパ部３５は、周壁部２８ｂの下端周縁から半径方向内方に突出し、リテーナリング３１の外周に当接状態若しくは僅かなクリアランスをもってリテーナリング３１を取り囲んで形成されている。
【００２６】
前記キャリア３０の上面には、第１のダイアフラム２９Ａの内縁部が軸線を同じくして配されるとともに、リテーナリング３１の上面には、第１のダイアフラム２９Ａの外縁部が配されている。
第１のダイアフラム２９Ａの内縁部の上面には、軸線を同じくして第１の固定リング４１が配され、該第１の固定リング４１は、第１の固定リング４１および第１のダイアフラム２９Ａを貫通する複数のボルト４２によって第１のダイアフラム２９Ａを挟持した状態でキャリア３０に固定されている。
【００２７】
また、第１のダイアフラム２９Ａの外縁部の上面には、軸線を同じくして連結用リング４３が配され、該連結用リング４３の上面には第２のダイアフラム２９Ｂの内縁部が配されている。そして、第２のダイアフラム２９Ｂの内縁部上面には、軸線を同じくして第２の固定リング４４が配され、該第２の固定リング４４は、第１のダイアフラム２９Ａ、連結用リング４３、第２のダイアフラム２９Ｂおよび第２の固定リング４４を貫通する複数のボルト４５によって第１のダイアフラム２９Ａおよび第２のダイアフラム２９Ｂをそれぞれ挟持した状態でリテーナリング３１に固定されている。
【００２８】
さらに、第２のダイアフラム２９Ｂの外縁部は取付部３４に載せられ、前記外縁部上面には、軸線を同じくして第３の固定リング４６が配されている。該第３の固定リング４６は、第２のダイアフラム２９Ｂおよび第３の固定リング４６を貫通する複数のボルト４７によって、第２のダイアフラム２９Ｂをそれぞれ挟持した状態で取付部３４に固定されている。
第１のダイアフラム２９Ａと第２のダイアフラム２９Ｂは、各種ゴム等の弾性材料で形成され、第１のダイアフラム２９Ａは、その膜厚が第２のダイアフラム２９Ｂより厚く設定されている。
【００２９】
また、第２のダイアフラム２９Ｂの可撓部分、すなわち取付部３４による挟持部分と連結用リング４３による挟持部分との間の部分が、第１のダイアフラム２９Ａの可撓部分、すなわちリテーナリング３１による挟持部分とキャリア３０による挟持部分との間の部分より幅広に設定されている。
したがって、第２のダイアフラム２９Ｂは、第１のダイアフラム２９Ａより上下方向（軸線方向）に大きく撓むことができ、該方向への柔軟性が高い。
【００３０】
一方、シャフト３３には流路が形成され、ヘッド本体２８、キャリア３０、第１のダイアフラム２９Ａおよび第２のダイアフラム２９Ｂにより形成された流体室５０は、流路を通じて圧力調整機構である加圧空気源５１に接続されている。そして、加圧空気源５１で流体室５０内の流体圧力を調整することにより、第１のダイアフラム２９Ａおよび第２のダイアフラム２９Ｂが上下に変位して研磨パッド２３へのキャリア３０の押圧圧力が変化する。
なお、流体としては、一般に空気を使用すれば十分であるが、必要に応じては他種のガスや液体を使用してもよい。
【００３１】
なお、研磨を行う場合には、真空ポンプ等の吸引手段（図示せず）に接続されキャリア３０の下面に形成された吸着孔（図示せず）によりウェーハを吸着固定する。
【００３２】
上記構成からなるウェーハ研磨装置では、キャリア３０がヘッド本体２８に連結用リング４３を介して張られた第１のダイアフラム２９Ａおよび第２のダイアフラム２９Ｂに取り付けられ流体室５０に加わる流体圧力を調整することにより、キャリア３０を下方へ押圧した状態となり、研磨パッド２３に対するウェーハの当接圧力を均一化して研磨工程が行われる。
【００３３】
すなわち、第１実施形態のウェーハ研磨装置では、キャリア３０とリテーナリング３１との間に張られこれらを連結する第１のダイアフラム２９Ａと、リテーナリング３１とヘッド本体２８との間に張られこれらを連結する第２のダイアフラム２９Ｂとを備えているので、ダイアフラムが一つの場合に比べて、ダイアフラムが２つに分割されていることによりキャリア３０の動きに対して追従性が向上し、ウェーハの当接圧力がより均一化される。
【００３４】
また、第２のダイアフラム２９Ｂの内縁部が第１のダイアフラム２９Ａの外縁部上方に配されて張られているので、第１のダイアフラム２９Ａの外縁部と第２のダイアフラム２９Ｂの内縁部とが軸線方向に重なって配されることから、第２のダイアフラム２９Ｂを第１のダイアフラム２９Ａの径方向外側における同一平面上に配する場合に比べて、ウェーハ保持ヘッド２７全体の外径寸法が小さく抑えられる。
【００３５】
さらに、第１のダイアフラム２９Ａが第２のダイアフラム２９Ｂより膜厚が厚く設定されて高い剛性を有するので、キャリア３０の動きを直接受ける第１のダイアフラム２９Ａを、キャリア３０の全周に亙って高い均一性をもって高精度に取り付けることができ、研磨精度がさらに向上する。
また、第１のダイアフラム２９Ａの剛性が高いので、キャリア３０の細かな動きに対する追従性が向上するとともに、第２のダイアフラム２９Ｂの柔軟性が高いので、キャリア３０およびリテーナリング３１の大きな動きにも十分対応可能である。
【００３６】
次に、本発明に係るウェーハ研磨装置の第２実施形態を図４を参照しながら説明する。
【００３７】
第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態におけるウェーハ保持ヘッド２７の第１のダイアフラム２９Ａおよび第２のダイアフラム２９Ｂが厚さの異なるゴム膜で形成されているのに対し、第２実施形態におけるウェーハ保持ヘッド６０の第１のダイアフラム６１Ａは、図４に示すように、四フッ化エチレン樹脂系材料（例えば、テフロン（デュポン社の登録商標））で形成されているとともに、第２のダイアフラム６１Ｂは、ポリエステル薄膜にゴムを被膜してなるもので構成されている点である。
【００３８】
すなわち、第１のダイアフラム６１Ａが加工精度の高い四フッ化エチレン樹脂系材料で形成されているので、第１のダイアフラム６１Ａの全周に亙って高い寸法精度および取付精度が得られるとともに均一な剛性が得られる。
また、第２のダイアフラム６１Ｂがポリエステル薄膜にゴムを被膜した構成とされるので、軸線方向の柔軟性と面方向における高い強度とを有するとともに高い気密性が得られる。
【００３９】
したがって、この第２のダイアフラム６１Ｂを採用することにより、キャリア３０の軸線方向の動きに対して優れた追従性を有するとともに、第２のダイアフラム６１Ｂに作用する作動流体の漏洩を確実に防止し、またヘッド本体２８からの回転力が第２のダイアフラム６１Ｂを介してリテーナリング３１及びキャリア３０に良好に伝達される。
【００４０】
なお、本発明は、次のような実施形態をも含むものである。
（１）キャリア３０の下面にウェーハを保持させる手段として、吸着孔による吸着を用いたが、他の保持手段を採用しても構わない。例えば、キャリアの下面にウェーハ付着シートを介してウェーハを付着させても良い。このウェーハ付着シートは、例えば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、表面張力でウェーハを吸着するものである。
また、キャリアの下面にワックスを介してウェーハを付着させる構成としてもよい。
【００４１】
（２）第１実施形態における第１のダイアフラム２９Ａおよび第２のダイアフラム２９Ｂはゴム製のものを採用したが、他の材料で形成されたものでも構わない。例えば、四フッ化エチレン樹脂系材料で形成されたもので、厚膜のものを第１のダイアフラムに薄膜のものを第２のダイアフラムに適用してもよい。
（３）第１のダイアフラム２９Ａ、６１Ａを円環状に形成したが、円形状に形成しても構わない。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
（１）請求項１記載のウェーハ研磨装置によれば、キャリアとリテーナリングとの間に張られる第１のダイアフラムと、リテーナリングとヘッド本体との間に張られる第２のダイアフラムとを備えているので、ダイアフラムが一つの場合に比べて、キャリアの動きに対して追従性を向上させることができ、ウェーハの当接圧力をより均一化することができる。したがって、高い研磨精度を得ることができ、大径なウェーハでも平坦性の高い良好な研磨面を得ることができる。
また、第１のダイアフラムと第２のダイアフラムとを互いに異なる設定にすることができるので、キャリアおよびリテーナリングの動きに対して多様なセッティングが可能となり、ウェーハの種類や大きさ等に対応した研磨条件を細かく調整することができる。
【００４３】
（２）請求項２記載のウェーハ研磨装置によれば、第２のダイアフラムの内縁部が第１のダイアフラムの外縁部上方に配されて張られているので、ウェーハ保持ヘッド全体の外径寸法を小さく抑えることができ、装置の小型化を図ることができる。
【００４４】
（３）請求項３記載のウェーハ研磨装置によれば、第１のダイアフラムが第２のダイアフラムより高い剛性を有するので、キャリアの動きを直接受ける第１のダイアフラムを、キャリアの全周に亙って高い均一性をもって高精度に取り付けることができ、研磨精度をさらに向上させることができる。
【００４５】
（４）請求項４記載のウェーハ研磨装置によれば、第１のダイアフラムが第２のダイアフラムと同一の材料で形成されるとともに第２のダイアフラムより厚く設定されているので、同一材料で第１のダイアフラムの剛性を容易に高くすることができる。
【００４６】
（５）請求項５記載のウェーハ研磨装置又は請求項７記載のウェーハ保持ヘッドによれば、第１のダイアフラムが四フッ化エチレン樹脂系材料で形成されているので、第１のダイアフラムの全周に亙って高い寸法精度および取付精度を得ることができるとともに均一な剛性を得ることができる。したがって、キャリアの動きに対して高い追従性を得ることができる。
【００４７】
（６）請求項６記載のウェーハ研磨装置又は請求項８記載のウェーハ保持ヘッドによれば、第２のダイアフラムがポリエステル薄膜にゴムを被膜した構成とされるので、軸線方向の柔軟性と面方向における高い強度とを有するとともに高い気密性を得ることができる。したがって、このウェーハ装置では、キャリアの軸線方向の動きに対して優れた追従性を有するとともに、第２のダイアフラムに作用する作動流体の漏洩を確実に防止し、またヘッド本体からの回転力を、第２のダイアフラムを介してリテーナリング及びキャリアに良好に伝達させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るウェーハ研磨装置の第１実施形態におけるウェーハ保持ヘッドを示す断面図である。
【図２】 本発明に係るウェーハ研磨装置の全体の構成を示す正面図である。
【図３】 同装置のウェーハ保持ヘッドとプラテンの配置状態を示す平面図である。
【図４】 本発明に係るウェーハ研磨装置の第２実施形態におけるウェーハ保持ヘッドを示す断面図である。
【図５】 本発明に係るウェーハ研磨装置の従来例におけるウェーハ保持ヘッドを示す断面図である。
【符号の説明】
２２ プラテン
２３ 研磨パッド
２６ カルーセル（ヘッド駆動機構）
２７ ウェーハ保持ヘッド
２８ ヘッド本体
２８ａ 天板部
２８ｂ 周壁部
２９Ａ、６１Ａ 第１のダイアフラム
２９Ｂ、６１Ｂ 第２のダイアフラム
３０ キャリア
３１ リテーナリング
４３ 連結用リング
５０ 流体室
５１ 加圧空気源
【発明の属する技術分野】
本発明は、集積回路を形成する半導体ウェーハ等の表面を研磨するためのウェーハ研磨装置及びそれに用いるウェーハ保持ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のウェーハ研磨装置として、表面に研磨パッドが貼付された円盤状のプラテンと、研磨すべきウェーハの一面を保持して研磨パッドにウェーハの他面を当接させる複数のウェーハ保持ヘッドと、これらウェーハ保持ヘッドをプラテンに対し相対回転させるヘッド駆動機構とを具備し、研磨パッドとウェーハの間に研磨砥粒を含むスラリーを供給することにより研磨を行うものが広く知られている。
【０００３】
この種のウェーハ研磨装置としては、例えば、米国特許５，２０５，０８２号に、図５に示すようなウェーハ保持ヘッドを採用したものが開示されている。このウェーハ保持ヘッドは、中空のヘッド本体１と、ヘッド本体１内に水平に張られたダイアフラム２と、ダイアフラム２の下面に固定されたキャリア４とを有し、ダイアフラム２によって画成された空気室６へ、シャフト８を通じて加圧空気源１０から加圧空気を供給することにより、キャリア４を下方へ押圧できるフローティングヘッド構造になっている。このようなフローティングヘッド構造は、研磨パッドに対するウェーハの当接圧力が均一化できる利点を有する。
【０００４】
キャリア４の外周には同心上にリテーナリング１２が配置され、このリテーナリング１２もダイアフラム２に固定されている。リテーナリング１２の下端はキャリア４よりも下方に突出し、これにより、キャリア４の下面に付着されたウェーハの外周を保持する。
このようにウェーハ外周を保持することにより、研磨中のウェーハがキャリア４から外れる不具合が防止できる。また、ウェーハをリテーナリング１２で囲み、このリテーナリング１２の下端をウェーハ下面と同じ高さで研磨することにより、ウェーハ外周部での過研磨が防止できるとされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のウェーハ研磨装置には、以下のような課題が残されている。すなわち、研磨するウェーハの大径化に伴い、面積が拡大したウェーハの全面に亙って、より高い研磨精度が要求されるようになり、研磨パッドに対するウェーハの当接圧力をさらに均一化する必要があった。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、より高い研磨精度を得ることができるウェーハ研磨装置及びそれに用いるウェーハ保持ヘッドを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、請求項１記載のウェーハ研磨装置では、表面に研磨パッドが貼付されたプラテンと、研磨すべきウェーハの一面を保持して前記研磨パッドにウェーハの他面を当接させる１または２以上のウェーハ保持ヘッドと、これらウェーハ保持ヘッドを前記プラテンに対し相対運動させることにより前記研磨パッドでウェーハ他面を研磨するヘッド駆動機構とを具備し、前記ウェーハ保持ヘッドは、研磨すべきウェーハの前記一面を保持するための円盤状のキャリアと、該キャリアの外周に同心上に配置されヘッド軸線方向に変位可能なリテーナリングと、円筒状に形成され前記リテーナリングを同心上かつ内部に配し内周面で該リテーナリングを支持するヘッド本体と、前記キャリアと前記リテーナリングとの間に張られこれらを連結する第１のダイアフラムと、前記リテーナリングと前記ヘッド本体との間に張られこれらを連結する円環状の第２のダイアフラムとを備えている技術が採用される。
【０００８】
このウェーハ研磨装置では、キャリアとリテーナリングとの間に張られこれらを連結する第１のダイアフラムと、リテーナリングとヘッド本体との間に張られこれらを連結する円環状の第２のダイアフラムとを備えているので、ダイアフラムが一つの場合に比べて、ダイアフラムが２つに分割されていることによりキャリアの動きに対して追従性が向上し、ウェーハの当接圧力がより均一化される。
また、第１のダイアフラムと第２のダイアフラムとを互いに異なるもの、例えば、剛性や材質等が異なるものに設定できるとともに、可撓部分の幅も互いに異なるものに設定できるので、キャリアおよびリテーナリングの動きに対して多様なセッティングが可能となる。
【０００９】
請求項２記載のウェーハ研磨装置では、請求項１記載のウェーハ研磨装置において、前記リテーナリングには、その上面に張られた前記第１のダイアフラムの外縁部上に軸線をほぼ同じくして固定された連結用リングが設けられ、該連結用リングには、その上面に前記第２のダイアフラムの内縁部が前記第１のダイアフラムの外縁部上方に配されて張られている技術が採用される。
【００１０】
このウェーハ研磨装置では、第２のダイアフラムの内縁部が第１のダイアフラムの外縁部上方に配されて張られているので、第１のダイアフラムの内縁部と第２のダイアフラムの外縁部とが軸線方向に重なって配されることから、第２のダイアフラムを第１のダイアフラムの径方向外側における同一平面上に配する場合に比べて、ウェーハ保持ヘッド全体の外径寸法が小さく抑えられる。
【００１１】
請求項３記載のウェーハ研磨装置では、請求項１または２記載のウェーハ研磨装置において、前記第１のダイアフラムは、前記第２のダイアフラムより高い剛性を有する技術が採用される。
【００１２】
このウェーハ研磨装置では、第１のダイアフラムが第２のダイアフラムより高い剛性を有するので、キャリアの動きを直接受ける第１のダイアフラムを、キャリアの全周に亙って高い均一性をもって高精度に取り付けることができる。
【００１３】
請求項４記載のウェーハ研磨装置では、請求項３記載のウェーハ研磨装置において、前記第１のダイアフラムは、前記第２のダイアフラムと同一の材料で形成されるとともに第２のダイアフラムより厚く設定されている技術が採用される。
【００１４】
このウェーハ研磨装置では、第１のダイアフラムが第２のダイアフラムと同一の材料で形成されるとともに第２のダイアフラムより厚く設定されているので、同一材料で第１のダイアフラムの剛性を容易に高くすることができる。
【００１５】
請求項５記載のウェーハ研磨装置では、請求項１から４のいずれかに記載のウェーハ研磨装置において、前記第１のダイアフラムは、四フッ化エチレン樹脂系材料で形成されている技術が採用される。
また、請求項７記載のウェーハ保持ヘッドは、研磨すべきウェーハの一面を保持して前記研磨パッドにウェーハの他面を当接させるウェーハ保持ヘッドであって、研磨すべきウェーハの前記一面を保持するための円盤状のキャリアと、該キャリアの外周に同心上に配置されヘッド軸線方向に変位可能なリテーナリングと、前記リテーナリングを支持するヘッド本体と、前記キャリアと前記リテーナリングとの間に張られる第１のダイアフラムと、前記リテーナリングと前記ヘッド本体との間に張られる円環状の第２のダイアフラムとを備え、前記第１のダイアフラムは四フッ化エチレン樹脂系材料で形成されていることを特徴とする。
【００１６】
このウェーハ研磨装置又はウェーハ保持ヘッドでは、第１のダイアフラムが四フッ化エチレン樹脂系材料で形成されているので、第１のダイアフラムの全周に亙って高い寸法精度および取付精度が得られるとともに均一な剛性が得られる。
【００１７】
請求項６記載のウェーハ研磨装置では、請求項１から４のいずれかに記載のウェーハ研磨装置において、前記第２のダイアフラムは、ポリエステル薄膜にゴムを被膜してなる技術が採用される。
また、請求項８記載のウェーハ保持ヘッドは、研磨すべきウェーハの一面を保持して前記研磨パッドにウェーハの他面を当接させるウェーハ保持ヘッドであって、研磨すべきウェーハの前記一面を保持するための円盤状のキャリアと、該キャリアの外周に同心上に配置されヘッド軸線方向に変位可能なリテーナリングと、前記リテーナリングを支持するヘッド本体と、前記キャリアと前記リテーナリングとの間に張られる第１のダイアフラムと、前記リテーナリングと前記ヘッド本体との間に張られる円環状の第２のダイアフラムとを備え、前記第２のダイアフラムはポリエステル薄膜にゴムを被覆したもので形成されていることを特徴とする。
【００１８】
このウェーハ研磨装置又はウェーハ保持ヘッドでは、第２のダイアフラムがポリエステル薄膜にゴムを被膜した構成とされるので、軸線方向の柔軟性と面方向における高い強度とを有するとともに高い気密性が得られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るウェーハ研磨装置の第１実施形態を図１から図３を参照しながら説明する。
【００２０】
始めに図２を参照して全体の構成を簡単に説明すると、図中符号２１は基台であり、この基台２１の中央には円盤状のプラテン２２が水平に設置されている。このプラテン２２は基台２１内に設けられたプラテン駆動機構により軸線回りに回転されるようになっており、その上面には全面に亙って研磨パッド２３が貼付されている。
【００２１】
プラテン２２の上方には、複数の支柱２４を介して上側取付板２５が水平に固定されている。この上側取付板２５の下面には円盤状のカルーセル（ヘッド駆動機構）２６が固定され、このカルーセル２６にはプラテン２２と対向する計６基のウェーハ保持ヘッド２７が設けられている。
これらウェーハ保持ヘッド２７は、図３に示すようにカルーセル２６の中心から同一距離において、カルーセル２６の中心軸回りに６０゜毎に配置され、カルーセル２６によりそれぞれ遊星回転される。ただし、ウェーハ保持ヘッド２７の個数は６基に限定されず、１〜５基または７基以上でもよい。
【００２２】
次に、図１を参照してウェーハ保持ヘッド２７を説明する。
ウェーハ保持ヘッド２７は、軸線垂直に配置され下端が開口する中空のヘッド本体２８と、このヘッド本体２８の内部に張られた第１のダイアフラム２９Ａおよび第２のダイアフラム２９Ｂと、この第１のダイアフラム２９Ａの下面に固定された円盤状のキャリア３０と、該キャリア３０の外周に同心に配置されたリテーナリング３１とを具備するものである。
【００２３】
ヘッド本体２８は円板状の天板部２８ａと、この天板部２８ａの外周に固定された円筒状の周壁部２８ｂとから構成され、天板部２８ａはカルーセル２６のシャフト３３に同軸に固定されている。
前記周壁部２８ｂの内周面には、全周に亙って半径方向内方へ突出する円環状段部の取付部３４が形成されている。
【００２４】
前記キャリア３０は、セラミック等の高い剛性を有する材料で成形された一定厚さのものであり、弾性変形はしない。
前記リテーナリング３１は、下端面が平坦な円環状をなし、キャリア３０の外周面との間に僅かな透き間を空けて同心状に配置され、キャリア３０とは独立して上下変位可能とされている。
【００２５】
また、リテーナリング３１の上端外周縁には、半径方向外方に突出する保持部３１Ａが形成されており、ウェーハ保持ヘッド２７をカルーセル２６と共にプラテン２２から引き上げた場合には、この保持部３１Ａが周壁部２８ｂの下端の円環状のストッパ部３５により保持されるようになっている。
該ストッパ部３５は、周壁部２８ｂの下端周縁から半径方向内方に突出し、リテーナリング３１の外周に当接状態若しくは僅かなクリアランスをもってリテーナリング３１を取り囲んで形成されている。
【００２６】
前記キャリア３０の上面には、第１のダイアフラム２９Ａの内縁部が軸線を同じくして配されるとともに、リテーナリング３１の上面には、第１のダイアフラム２９Ａの外縁部が配されている。
第１のダイアフラム２９Ａの内縁部の上面には、軸線を同じくして第１の固定リング４１が配され、該第１の固定リング４１は、第１の固定リング４１および第１のダイアフラム２９Ａを貫通する複数のボルト４２によって第１のダイアフラム２９Ａを挟持した状態でキャリア３０に固定されている。
【００２７】
また、第１のダイアフラム２９Ａの外縁部の上面には、軸線を同じくして連結用リング４３が配され、該連結用リング４３の上面には第２のダイアフラム２９Ｂの内縁部が配されている。そして、第２のダイアフラム２９Ｂの内縁部上面には、軸線を同じくして第２の固定リング４４が配され、該第２の固定リング４４は、第１のダイアフラム２９Ａ、連結用リング４３、第２のダイアフラム２９Ｂおよび第２の固定リング４４を貫通する複数のボルト４５によって第１のダイアフラム２９Ａおよび第２のダイアフラム２９Ｂをそれぞれ挟持した状態でリテーナリング３１に固定されている。
【００２８】
さらに、第２のダイアフラム２９Ｂの外縁部は取付部３４に載せられ、前記外縁部上面には、軸線を同じくして第３の固定リング４６が配されている。該第３の固定リング４６は、第２のダイアフラム２９Ｂおよび第３の固定リング４６を貫通する複数のボルト４７によって、第２のダイアフラム２９Ｂをそれぞれ挟持した状態で取付部３４に固定されている。
第１のダイアフラム２９Ａと第２のダイアフラム２９Ｂは、各種ゴム等の弾性材料で形成され、第１のダイアフラム２９Ａは、その膜厚が第２のダイアフラム２９Ｂより厚く設定されている。
【００２９】
また、第２のダイアフラム２９Ｂの可撓部分、すなわち取付部３４による挟持部分と連結用リング４３による挟持部分との間の部分が、第１のダイアフラム２９Ａの可撓部分、すなわちリテーナリング３１による挟持部分とキャリア３０による挟持部分との間の部分より幅広に設定されている。
したがって、第２のダイアフラム２９Ｂは、第１のダイアフラム２９Ａより上下方向（軸線方向）に大きく撓むことができ、該方向への柔軟性が高い。
【００３０】
一方、シャフト３３には流路が形成され、ヘッド本体２８、キャリア３０、第１のダイアフラム２９Ａおよび第２のダイアフラム２９Ｂにより形成された流体室５０は、流路を通じて圧力調整機構である加圧空気源５１に接続されている。そして、加圧空気源５１で流体室５０内の流体圧力を調整することにより、第１のダイアフラム２９Ａおよび第２のダイアフラム２９Ｂが上下に変位して研磨パッド２３へのキャリア３０の押圧圧力が変化する。
なお、流体としては、一般に空気を使用すれば十分であるが、必要に応じては他種のガスや液体を使用してもよい。
【００３１】
なお、研磨を行う場合には、真空ポンプ等の吸引手段（図示せず）に接続されキャリア３０の下面に形成された吸着孔（図示せず）によりウェーハを吸着固定する。
【００３２】
上記構成からなるウェーハ研磨装置では、キャリア３０がヘッド本体２８に連結用リング４３を介して張られた第１のダイアフラム２９Ａおよび第２のダイアフラム２９Ｂに取り付けられ流体室５０に加わる流体圧力を調整することにより、キャリア３０を下方へ押圧した状態となり、研磨パッド２３に対するウェーハの当接圧力を均一化して研磨工程が行われる。
【００３３】
すなわち、第１実施形態のウェーハ研磨装置では、キャリア３０とリテーナリング３１との間に張られこれらを連結する第１のダイアフラム２９Ａと、リテーナリング３１とヘッド本体２８との間に張られこれらを連結する第２のダイアフラム２９Ｂとを備えているので、ダイアフラムが一つの場合に比べて、ダイアフラムが２つに分割されていることによりキャリア３０の動きに対して追従性が向上し、ウェーハの当接圧力がより均一化される。
【００３４】
また、第２のダイアフラム２９Ｂの内縁部が第１のダイアフラム２９Ａの外縁部上方に配されて張られているので、第１のダイアフラム２９Ａの外縁部と第２のダイアフラム２９Ｂの内縁部とが軸線方向に重なって配されることから、第２のダイアフラム２９Ｂを第１のダイアフラム２９Ａの径方向外側における同一平面上に配する場合に比べて、ウェーハ保持ヘッド２７全体の外径寸法が小さく抑えられる。
【００３５】
さらに、第１のダイアフラム２９Ａが第２のダイアフラム２９Ｂより膜厚が厚く設定されて高い剛性を有するので、キャリア３０の動きを直接受ける第１のダイアフラム２９Ａを、キャリア３０の全周に亙って高い均一性をもって高精度に取り付けることができ、研磨精度がさらに向上する。
また、第１のダイアフラム２９Ａの剛性が高いので、キャリア３０の細かな動きに対する追従性が向上するとともに、第２のダイアフラム２９Ｂの柔軟性が高いので、キャリア３０およびリテーナリング３１の大きな動きにも十分対応可能である。
【００３６】
次に、本発明に係るウェーハ研磨装置の第２実施形態を図４を参照しながら説明する。
【００３７】
第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態におけるウェーハ保持ヘッド２７の第１のダイアフラム２９Ａおよび第２のダイアフラム２９Ｂが厚さの異なるゴム膜で形成されているのに対し、第２実施形態におけるウェーハ保持ヘッド６０の第１のダイアフラム６１Ａは、図４に示すように、四フッ化エチレン樹脂系材料（例えば、テフロン（デュポン社の登録商標））で形成されているとともに、第２のダイアフラム６１Ｂは、ポリエステル薄膜にゴムを被膜してなるもので構成されている点である。
【００３８】
すなわち、第１のダイアフラム６１Ａが加工精度の高い四フッ化エチレン樹脂系材料で形成されているので、第１のダイアフラム６１Ａの全周に亙って高い寸法精度および取付精度が得られるとともに均一な剛性が得られる。
また、第２のダイアフラム６１Ｂがポリエステル薄膜にゴムを被膜した構成とされるので、軸線方向の柔軟性と面方向における高い強度とを有するとともに高い気密性が得られる。
【００３９】
したがって、この第２のダイアフラム６１Ｂを採用することにより、キャリア３０の軸線方向の動きに対して優れた追従性を有するとともに、第２のダイアフラム６１Ｂに作用する作動流体の漏洩を確実に防止し、またヘッド本体２８からの回転力が第２のダイアフラム６１Ｂを介してリテーナリング３１及びキャリア３０に良好に伝達される。
【００４０】
なお、本発明は、次のような実施形態をも含むものである。
（１）キャリア３０の下面にウェーハを保持させる手段として、吸着孔による吸着を用いたが、他の保持手段を採用しても構わない。例えば、キャリアの下面にウェーハ付着シートを介してウェーハを付着させても良い。このウェーハ付着シートは、例えば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、表面張力でウェーハを吸着するものである。
また、キャリアの下面にワックスを介してウェーハを付着させる構成としてもよい。
【００４１】
（２）第１実施形態における第１のダイアフラム２９Ａおよび第２のダイアフラム２９Ｂはゴム製のものを採用したが、他の材料で形成されたものでも構わない。例えば、四フッ化エチレン樹脂系材料で形成されたもので、厚膜のものを第１のダイアフラムに薄膜のものを第２のダイアフラムに適用してもよい。
（３）第１のダイアフラム２９Ａ、６１Ａを円環状に形成したが、円形状に形成しても構わない。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
（１）請求項１記載のウェーハ研磨装置によれば、キャリアとリテーナリングとの間に張られる第１のダイアフラムと、リテーナリングとヘッド本体との間に張られる第２のダイアフラムとを備えているので、ダイアフラムが一つの場合に比べて、キャリアの動きに対して追従性を向上させることができ、ウェーハの当接圧力をより均一化することができる。したがって、高い研磨精度を得ることができ、大径なウェーハでも平坦性の高い良好な研磨面を得ることができる。
また、第１のダイアフラムと第２のダイアフラムとを互いに異なる設定にすることができるので、キャリアおよびリテーナリングの動きに対して多様なセッティングが可能となり、ウェーハの種類や大きさ等に対応した研磨条件を細かく調整することができる。
【００４３】
（２）請求項２記載のウェーハ研磨装置によれば、第２のダイアフラムの内縁部が第１のダイアフラムの外縁部上方に配されて張られているので、ウェーハ保持ヘッド全体の外径寸法を小さく抑えることができ、装置の小型化を図ることができる。
【００４４】
（３）請求項３記載のウェーハ研磨装置によれば、第１のダイアフラムが第２のダイアフラムより高い剛性を有するので、キャリアの動きを直接受ける第１のダイアフラムを、キャリアの全周に亙って高い均一性をもって高精度に取り付けることができ、研磨精度をさらに向上させることができる。
【００４５】
（４）請求項４記載のウェーハ研磨装置によれば、第１のダイアフラムが第２のダイアフラムと同一の材料で形成されるとともに第２のダイアフラムより厚く設定されているので、同一材料で第１のダイアフラムの剛性を容易に高くすることができる。
【００４６】
（５）請求項５記載のウェーハ研磨装置又は請求項７記載のウェーハ保持ヘッドによれば、第１のダイアフラムが四フッ化エチレン樹脂系材料で形成されているので、第１のダイアフラムの全周に亙って高い寸法精度および取付精度を得ることができるとともに均一な剛性を得ることができる。したがって、キャリアの動きに対して高い追従性を得ることができる。
【００４７】
（６）請求項６記載のウェーハ研磨装置又は請求項８記載のウェーハ保持ヘッドによれば、第２のダイアフラムがポリエステル薄膜にゴムを被膜した構成とされるので、軸線方向の柔軟性と面方向における高い強度とを有するとともに高い気密性を得ることができる。したがって、このウェーハ装置では、キャリアの軸線方向の動きに対して優れた追従性を有するとともに、第２のダイアフラムに作用する作動流体の漏洩を確実に防止し、またヘッド本体からの回転力を、第２のダイアフラムを介してリテーナリング及びキャリアに良好に伝達させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るウェーハ研磨装置の第１実施形態におけるウェーハ保持ヘッドを示す断面図である。
【図２】 本発明に係るウェーハ研磨装置の全体の構成を示す正面図である。
【図３】 同装置のウェーハ保持ヘッドとプラテンの配置状態を示す平面図である。
【図４】 本発明に係るウェーハ研磨装置の第２実施形態におけるウェーハ保持ヘッドを示す断面図である。
【図５】 本発明に係るウェーハ研磨装置の従来例におけるウェーハ保持ヘッドを示す断面図である。
【符号の説明】
２２ プラテン
２３ 研磨パッド
２６ カルーセル（ヘッド駆動機構）
２７ ウェーハ保持ヘッド
２８ ヘッド本体
２８ａ 天板部
２８ｂ 周壁部
２９Ａ、６１Ａ 第１のダイアフラム
２９Ｂ、６１Ｂ 第２のダイアフラム
３０ キャリア
３１ リテーナリング
４３ 連結用リング
５０ 流体室
５１ 加圧空気源
Claims (8)
- 表面に研磨パッドが貼付されたプラテンと、研磨すべきウェーハの一面を保持して前記研磨パッドにウェーハの他面を当接させる１または２以上のウェーハ保持ヘッドと、これらウェーハ保持ヘッドを前記プラテンに対し相対運動させることにより前記研磨パッドでウェーハ他面を研磨するヘッド駆動機構とを具備し、前記ウェーハ保持ヘッドは、研磨すべきウェーハの前記一面を保持するための円盤状のキャリアと、該キャリアの外周に同心上に配置されヘッド軸線方向に変位可能なリテーナリングと、円筒状に形成され前記リテーナリングを同心上かつ内部に配し内周面で該リテーナリングを支持するヘッド本体と、前記キャリアと前記リテーナリングとの間に張られこれらを連結する第１のダイアフラムと、前記リテーナリングと前記ヘッド本体との間に張られこれらを連結する円環状の第２のダイアフラムとを備えていることを特徴とするウェーハ研磨装置。
- 請求項１記載のウェーハ研磨装置において、前記リテーナリングには、その上面に張られた前記第１のダイアフラムの外縁部上に軸線をほぼ同じくして固定された連結用リングが設けられ、該連結用リングには、その上面に前記第２のダイアフラムの内縁部が前記第１のダイアフラムの外縁部上方に配されて張られていることを特徴とするウェーハ研磨装置。
- 請求項１または２記載のウェーハ研磨装置において、前記第１のダイアフラムは、前記第２のダイアフラムより高い剛性を有す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おいて、前記第１のダイアフラムは、前記第２のダイアフラムと同一の材料で形成されるとともに第２のダイアフラムより厚く設定されていることを特徴とするウェーハ研磨装置。
- 請求項１から４のいずれかに記載のウェーハ研磨装置において、前記第１のダイアフラムは、四フッ化エチレン樹脂系材料で形成されていることを特徴とするウェーハ研磨装置。
- 請求項１から４のいずれかに記載のウェーハ研磨装置において、前記第２のダイアフラムは、ポリエステル薄膜にゴムを被膜してなることを特徴とするウェーハ研磨装置。
- 研磨すべきウェーハの一面を保持して前記研磨パッドにウェーハの他面を当接させるウェーハ保持ヘッドであって、
研磨すべきウェーハの前記一面を保持するための円盤状のキャリアと、
該キャリアの外周に同心上に配置されヘッド軸線方向に変位可能なリテーナリングと、
前記リテーナリングを支持するヘッド本体と、
前記キャリアと前記リテーナリングとの間に張られる第１のダイアフラムと、
前記リテーナリングと前記ヘッド本体との間に張られる円環状の第２のダイアフラムとを備え、
前記第１のダイアフラムは四フッ化エチレン樹脂系材料で形成されていることを特徴とするウェーハ保持ヘッド。 - 研磨すべきウェーハの一面を保持して前記研磨パッドにウェーハの他面を当接させるウェーハ保持ヘッドであって、
研磨すべきウェーハの前記一面を保持するための円盤状のキャリアと、
該キャリアの外周に同心上に配置されヘッド軸線方向に変位可能なリテーナリングと、
前記リテーナリングを支持するヘッド本体と、
前記キャリアと前記リテーナリングとの間に張られる第１のダイアフラムと、
前記リテーナリングと前記ヘッド本体との間に張られる円環状の第２のダイアフラムとを備え、
前記第２のダイアフラムはポリエステル薄膜にゴムを被覆したもので形成されていることを特徴とするウェーハ保持ヘッド。
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