JP3810647B2 - 化学的機械的研磨装置の研磨ヘッド - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は化学的機械的研磨装置に関するものであり、より詳細には研磨パッドにウェーハを均一に密着させてウェーハの中心部と縁部を均一に研磨することができる化学的機械的研磨装置の研磨ヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェーハ上に集積回路を製造する過程で、ウェーハ前面又は背面を平坦化するために通常化学的機械的研磨工程を経ることになる。このような化学的機械的研磨工程を利用した平坦化技術は、半導体集積回路の集積度が高まって、ウェーハの大直径化趨勢に従い、より大事な架空技術として扱われている。
【０００３】
ウェーハ表面を平坦化することに使用される化学的機械的研磨システムは、大きく区分してウェーハカセットの装脱着装置、ウェーハ移動装置、研磨装置、ウェーハ洗浄装置とこれらの制御装置で構成される。このうち、研磨装置はウェーハを支持しながら回転加圧する研磨ヘッド、研磨パッドが付着された研磨定盤及びその駆動機構、研磨パッドのドレッシング機構、ウェーハ側面の洗浄機構、スラリー供給機構で構成される。
【０００４】
機械的研磨において、ウェーハ表面の除去速度は研磨圧力と研磨速度に比例する。化学的機械的研磨装置のように化学的な作用が付加された研磨では、ここにウェーハ表面とスラリーの化学反応が付加される。ウェーハ表面のいずれの位置においても研磨荷重、研磨速度、スラリー量、ウェーハ面と研磨パッドの摩擦、研磨温度などを均一にすることができれば、広域平坦化及び残留膜厚みの均一化を達成することができる。しかし、実際には上述した因子や研磨パッドの表面状態がウェーハ面内で時間に従って変化し、残留膜厚みが不均一になる。そして、ディッシング（ｄｉｓｈｉｎｇ）やシニング（ｔｈｉｎｎｉｎｇ）が発生し、デバイスの収率に影響を及ぼす。このような因子を経験的にまたは科学的に制御する必要がある。化学的機械的研磨では研磨除去量が１μｍ以下であり、研磨後の表面平坦度は０．０１μｍ以下が要求される。従って、ウェーハをどのようにすれば、高密度で支持できるのかが相当に大事なものである。
【０００５】
ウェーハを支持、加圧する研磨ヘッドの構造に対していろいろな研究が成されてきた。例えば、日本特開平第１０−２５６２０２号にはシリコンゴム材の二重流体圧力室を備え均一な研磨が進行されるようにした研磨方法及び研磨装置が開示されており、日本特開平第９−２４６２１８号にはポリエチレン材の圧縮膨張用フィルムを利用してバックパッドを膨張させてウェーハを均一に研磨することができる研磨方法及び研磨装置が開示されている。米国特許第５，６０５，４８８号には多数のセルを備え各々セルの圧力を調節することができる研磨装置が開示されており、米国特許第５，８５１，１３６号には可撓性プレートを利用して圧力に従ってウェーハを均一に研磨することができる研磨装置が開示されている。米国特許第５，８０３，７９９号（１９９８年９月８日付でボロダスキー（ｖｏｌｏｄａｒｓｋｙ）などに許与される）には半導体ウェーハを研磨することに使用するための研磨ヘッドが開示されている。
【０００６】
図１はボロダスキーの特許に従う研磨ヘッド１０の断面図である。図１で示したように、上述した研磨ヘッド１０は、ハウジング１４、前記ハウジング１４に装着されウェーハ支持面５０を備えるウェーハキャリア２０、ならびに前記ハウジング１４に装着され前記ウェーハ支持面５０の適所にウェーハ（Ｗ）を維持するように形成されたウェーハ維持部材２２を備える。前記ウェーハキャリア２０と前記ウェーハ維持部材２２のうちで少なくとも一つは、前記ハウジング１４に稼働可能であるように装着され、研磨作業をする時に前記ウェーハキャリア２０と前記ウェーハ維持部材２２間に適切なバイアス力を生成するダイアフラム（ｄｉａｐｈｒａｇｍ）が提供される。
【０００７】
上述したように構成されたボロダスキーの特許に従う研磨ヘッド１０は、ウェーハキャリア２０に加わったバイアス力によってウェーハ（Ｗ）が研磨パッドと密着され、維持部材２２かつウェーハキャリア２０に加わったバイアス力によって研磨パッドと密着された状態で、前記ウェーハを研磨する。従って、研磨パッドウェーハを均一に密着させることができるので、ウェーハの全面（ｗｈｏｌｅｓｕｒｆａｃｅ）を等しく研磨することができる長所がある。
【０００８】
しかし、ボロダスキーの特許に従う研磨ヘッドは、ウェーハキャリアと維持部材間のバイアス力を適切に調節する場合のみ、研磨ヘッドにウェーハを均一に密着させることができるが、前記ウェーハキャリアと維持部材間のバイアス力を適切に調節することが難しいという問題点がある。
それに従って、ウェーハの架空面が前記研磨ヘッドに均一に密着しなくなり、その結果ウェーハ中心部の研磨程度と縁部の研磨程度が不均一になる問題点がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記の問題点を解決するために提供されたものであり、本発明の目的は、研磨パッドにウェーハを均一かつ正確に密着させてウェーハの中心部と縁部を均一に研磨することができる化学的機械的研磨装置の研磨ヘッドを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した本発明の目的を達成するために、本発明は、ウェーハチャッキング装置のウェーハチャッキング部材にウェーハを密着させてウェーハチャッキング部材に下方向に均一な圧力を印加し、ポリシングパッドに対して均一にウェーハを加圧することができる化学的機械的研磨装置の研磨ヘッドを提供する。
【００１１】
即ち本発明によると、ハウジングに連結され、前記ハウジングに対して上下移動することができるキャリアと、前記キャリア下に位置し、前記キャリアに装着されて前記ハウジングに対する前記キャリアの上下運動とは独立して上下運動可能であるウェーハチャッキング部材、ウェーハのポリシングの際、前記ウェーハチャッキング部材の下方において前記ウェーハを支持するウェーハチャッキング面、ならびに前記ウェーハチャッキング部材に均一に下向バイアス力を加えて前記キャリアから前記ウェーハチャッキング部材を下方に押し出すためのバイアシング手段を含むウェーハチャッキング装置と、前記キャリアに装着されて前記キャリアと上下運動を共にし、前記キャリアから下方に前記ウェーハチャッキング部材の周囲で延長され、前記ウェーハチャッキング面に支持されるウェーハから離間するように前記ウェーハチャッキング部材とスライディング結合され、前記キャリアに対して前記ウェーハチャッキング部材を上下に案内するために設けられている維持部材とを備え、前記ハウジングは本体部とその本体部の中心から下方に延長されるように設けられている延長部とを含み、前記キャリアは前記ハウジングの延長部が延長される開口部を含み、前記延長部は前記ハウジングに対して上下移動をガイドし、前記ハウジングと前記キャリアとの間には第１膨張空気チャンバが形成され、前記キャリアと前記ウェーハチャッキング部材との間には第２膨張空気チャンバが形成され、前記キャリアの開口部は前記キャリアを経て前記第２膨張空気チャンバと連通する貫通孔をなし、前記ハウジングには少なくとも第１空気スルーホール及び第２空気スルーホールが形成され、前記第１空気スルーホールは前記本体部と前記ハウジングの延長部とを貫通して前記第２膨張空気チャンバに連通するように形成され、前記第２空気スルーホールは前記第１膨張空気チャンバに連通し、前記ウェーハチャッキング部材は前記ウェーハチャッキング面と連通する空気チャンバを限定し、前記ハウジングは前記ウェーハチャッキング部材の空気チャンバと連通する第３空気スルーホールを有し、前記空気チャンバを真空状態とするために前記第３空気スルーホールを通じて前記空気チャンバから空気が排出され、前記維持部材は、前記キャリアから軸方向かつ下向きに延長されて形成された環形部材であり、前記維持部材の内周面に所定の角度で配列された複数の長い溝が形成され、前記ウェーハチャッキング部材は前記維持部材とスライディング結合して前記溝に各々延長される複数の突出部を有する。
【００１２】
本発明では、ウェーハチャッキング部材とキャリアが空気圧によって独立的に上方または下方に移動することができる。かつ、ウェーハチャッキング部材は維持部材とキャリアと共に回転可能であって、キャリアとウェーハチャック間に捻じれが発生しない。従って、前記ウェーハチャッキング部材に把持されたウェーハを研磨パッドと均一に密着させて、ウェーハの一面を一定に研磨することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の望ましい実施例による化学的機械的研磨装置の研磨ヘッドを詳細に説明する。
図２乃至図５で示したように、本発明の望ましい一実施例に従う化学的機械的研磨装置の研磨ヘッド１００は、空気スルーホールを有し、空気の流動を案内するためのハウジング１１０、前記ハウジング１１０に連結され前記ハウジング１１０に対して相対的に上下移動することができるキャリア１２０、前記キャリア１２０に装着されるウェーハチャッキング装置１３０、そして前記キャリア１２０の縁部に沿って装着される維持部材１４０（ｒｅｔａｉｎｅｒ）を備える。
【００１４】
前記ハウジング１１０は、円形断面を有する本体部１１２と前記本体部１１２の一端で半径方向外側に延長されるフランジ部１１４とを含み、前記本体部１１２にはその中心で下方に延長される延長部１１６が形成される。前記ハウジング１１０は、通常ステンレススティールのような強材で製作する。
【００１５】
前記ハウジング１１０には少なくとも３個の流通路、即ち第１スルーホール１１２ａ、第２スルーホール１１２ｂ、及び第３スルーホール１１２ｃが形成される。第１スルーホール１１２ａは前記本体部１１２とその中心部に形成された前記延長部１１６とを貫通するように形成され、第２スルーホール１１２ｂ及び第３スルーホール１１２ｃは前記本体部１１２の縦軸線を中心に対称に配列される。
【００１６】
前記ハウジング１１０の延長部１１６はキャリア１２０に形成された中央開口部１２２ａに収容され、その全体長さに掛かって外周縁の所定位置で半径方向外側に延長されるキー（ｋｅｙ、図示せず）を追加して設置することもできる。前記キーは以下で説明するキャリア１２０の内周面に形成されたキー溝（ｋｅｙ ｗａｙ、図示せず）内に収容される。キー溝はハウジング１１０の延長部１１６のキーと同一である幅と高さを有する。従って、研磨パッド１００が作動する間に前記キャリア１２０が前記ハウジング１１０と共に一体的に回転することができる。キャリア１２０に連結されているチャッキング装置１３０及び維持部材１４０とハウジング１１０とは同時に回転することができる。
【００１７】
前記第１スルーホール１１２ａは前記キャリア１２０と前記チャッキング装置１３０によって限定される空気チャンバ１６０と連通される。前記第１スルーホール１１２ａを通じて供給及び排出される空気の圧力によって前記空気チャンバ１６０が膨張収縮され、それに従って前記チャッキング装置１３０が下方に下降したり、元位置に復帰することになる。
【００１８】
前記ハウジング１１０の前記第２スルーホール１１２ｂは、前記第１スルーホール１１２ａから半径方向外側に所定長さほど離れて形成され、前記ハウジング１１０と前記キャリア１２０によって限定された空気チャンバ１５０と連通する。前記第２スルーホール１１２ｂを通じて空気が流動し、前記空気が前記空気チャンバ１５０内で供給されれば、前記キャリア１２０が下方に下降することになり、その結果前記キャリア１２０と結合された維持部材１４０は下方に下降する。反面、反対圧力（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）により、前記空気チャンバ１５０から前記空気を排出すれば、前記空気チャンバが真空状態になって前記キャリア１２０が元位置へ移動することになる。従って、前記維持部材１４０かつ前記キャリア１２０と共に上方へ移動することになる。
【００１９】
前記キャリア１２０は、本体部１２２と前記本体部１２２の下端部で半径方向外側に延長されるフランジ部１２４とを含む。前記キャリア１２０の本体部１２２中心部には開口部１２２ａを形成する第１貫通孔が形成され、前記第１貫通孔から半径方向外側に所定距離ほど離れた位置に第２貫通孔が形成される。前記フランジ部１２４の縁部には、本体部１２２の縦軸線を中心に放射状に多数の貫通孔が形成される。
【００２０】
第３スルーホールを構成する貫通孔内のハウジング１１０には空気導管１１２ｃ形成され、空気導管１１２ｃは前記ハウジング１１０の下面から下方に所定長さほど延長される。第２空気導管１２２ｂはキャリア１２０に形成されている第２貫通孔内でキャリア１２０に固定されており、空気導管１１２ｃの延長端を収容する。前記キャリア１２０の前記空気導管１２２ｂは、前記ハウジング１１０と前記キャリア１２０間に形成された空気チャンバが膨張して前記キャリア１２０が下降する場合、前記ハウジング１１０の空気導管１１２ｃに沿って下方に滑走する。かつ、前記空気チャンバが収縮して前記キャリア１２０が乗降する場合にも、前記ハウジング１１０の空気導管１１２ｃに沿って上方に滑走する。
【００２１】
前記キャリア１２０には、前記キャリア１２０を前記ハウジング１１０に連結するための連結部材を追加で設置する。前記連結部材は、環形内側クランプ１２６、内径が前記内側クランプ１２６より大きい環形の外側クランプ１２８、ならびに所定の幅を有する環形の弾性材シート１２９を含む。前記弾性材シート１２９の一端部は前記内側クランプ１２６によって前記キャリア１２０の上面に機密を維持するように固定され、他端部は前記外側クランプ１２８によって前記ハウジング１１０の下面に機密を維持するように固定され、前記キャリア１２０を前記ハウジング１１０に連結する。
【００２２】
より具体的には、前記内側クランプ１２６は、その一面の外縁部が屈曲されて階段部を形成する。キャリアの本体部１２２の上部外周縁部には環形凹溝（ｒｅｃｅｓｓ）が形成されている。内側クランプ１２６はキャリア１２０の中央開口部１２２ａの一部を形成する第１中央貫通孔と第１貫通孔から放射状に離れている多数の貫通孔を有する。前記内側クランプ１２６が配列される前記キャリア１２０の上面には前記内側クランプ１２６が形成された多数の貫通孔に相応する数のねじ孔が前記キャリア１２０の中心部を中心に放射状に形成されている。相応する貫通孔にはスクリューが収納されてキャリア１２０の本体部１２２に内側クランプ１２６が固定される。前記内側クランプ１２６を前記キャリア１２０の上面に配置する場合、前記内側クランプ１２６の縁部と前記キャリア１２０の上縁部に形成された階段部から形成される環形溝の幅は、前記弾性材シート１２９の厚みと同一であるかまたは小さく、弾性材シート１２９がキャリア１２０に堅固に固定することができるようにする。
【００２３】
前記外側クランプ１２８は本体部と上端部で半径方向外側に所定距離ほど延長されるフランジ部１２８ａとを含む。前記外側クランプ１２８のフランジ部１２８ａには前記ハウジング１１０のフランジ部１１４に形成された多数の貫通孔に相応する数の貫通孔が形成されている。かつ、前記外側クランプ１２８の内周縁の上端部は屈曲して階段部を形成する。前記階段部の高さは前記弾性材シート１２９の厚みより小さい。前記ハウジング１１０に前記外側クランプ１２８を組立てるときに、ボルトを前記ハウジング１１０と前記外側クランプ１２８のフランジ部１２８ａに各々形成された多数の貫通孔に貫通延長させた後、前記ボルトをナットで締結して前記外側クランプ１２８を前記ハウジング１１０に固定して、弾性材シート１２９の外側端部をハウジング１１０にクランプする。
【００２４】
前記環形弾性材シート１２９は、ゴムまたは合成樹脂材のような弾性体の空気ボケット（ｂｌａｄｄｅｒ）形態で製作する。
前記内側及び外側クランプ１２６、１２８と前記弾性材シート１２９を利用して前記キャリア１２０を前記ハウジング１１０に連結するとき、まず前記弾性材シート１２９の一縁部側を前記ハウジング１１０の下面と前記外側クランプ１２８の内周縁上端部に形成された階段部間に位置させた後、前記ハウジング１１０のフランジ１１４に形成された貫通孔と前記外側クランプ１２８のフランジ１２８ａに形成された貫通孔が連通されるように前記ハウジング１１０と前記外側クランプ１２８を配列し、前記ボルトを前記各々のフランジ１１４、１２８ａに形成された貫通孔内に貫通延長させてナットで締結する。
【００２５】
その後、前記キャリア１２０と前記内側クランプ１２６の階段部によって形成された環形溝に弾性材シート１２９の他端部が位置するように前記内側クランプ１２６と前記キャリア１２０を配列する。続いて、前記内側クランプ１２６に放射状に配列された多数の貫通孔内にねじを貫通延長させて、前記貫通孔に対応して前記キャリア１２０の上面に形成されたねじ孔１２６ｂにねじ結合させる。
【００２６】
前記維持部材１４０（ｒｅｔａｉｎｅｒ）は内径が前記キャリア１２０のフランジ１２４の直径より小さく、外径は前記キャリア１２０のフランジ１２４の直径より大きく、所定の幅と高さを有する環形形状である。前記維持部材１４０は、その上端部に階段部が形成され、前記階段部の直径は前記キャリア１２０のフランジ１２４の直径より大きくまたは同一であり、その高さは前記フランジ１２４の厚みと同一である。前記維持部材１４０の階段部には前記キャリア１２０のフランジ部１２４に形成された貫通孔に相応するように前記階段部の上面に多数のねじ孔（ｔａｐｐｅｄ ｈｏｌｅｓ）を形成する。前記キャリア１２０のフランジ部１２４に形成された貫通孔と前記維持部材１４０の階段部に形成されたねじ孔とが連通するように前記維持部材１４０の階段部に前記キャリア１２０のフランジ部１２４を位置させた後、前記キャリア１２０のフランジ部１２４に形成された貫通孔にねじを貫通させて前記維持部材１４０の階段部上面に形成されたねじ孔にねじ結合して、前記キャリア１２０と前記維持部材１４０を連結する。
【００２７】
さらに、前記維持部材１４０の内周面には所定の角度で配列された多数の長い溝１４２が形成される。前記維持部材１４０の内周面には、この長い溝１４２が９０°で配列されるように形成することが望ましい。
前記ウェーハチャッキング装置１３０は、膨張可能である膨張部材１３２、前記膨張部材１３２の下面に付着されるウェーハチャッキング部材１３４、前記ウェーハチャッキング部材１３４の下面に付着されてウェーハの背面の損傷を防止するためのシート１３６、ならびに前記膨張部材１３２を前記キャリア１２０に固定するための固定部材１３８を含む。
【００２８】
前記膨張部材１３２は、前記ハウジング１１０に前記キャリア１２０を連結することに使用した環形の弾性材シート１２９のようにゴムまたは合成樹脂材弾性体で製作し、その形状は円板形状である。前記膨張部材１３２の縁部には前記膨張部材１３２の中心軸線を中心に多数の貫通孔が放射状に配列される。
【００２９】
前記ウェーハチャッキング部材１３４は、円板形状の第１部材１３４ａと前記第１部材１３４ａの下面に付着されて前記第１部材１３４ａとの間に空気チャンバ１７０を形成する第２部材１３４ｂとを含み、前記第１部材１３４ａの中心部には貫通孔が形成されており、その貫通孔には空気流動管１３５が装着される。前記第２部材１３４ｂは、前記第１部材１３４ａより直径が小さい円形の本体部と前記本体部の縁部で上方に所定高さほど延長される環形壁部とを含む。前記第２部材１３４ｂは、鎔接などの方法により前記第１部材１３４ａと一体になるように前記第１部材１３４ａに付着する。前記第２部材１３４ｂの円形本体部にも多数の貫通孔が形成されている。
【００３０】
前記ウェーハチャッキング部材１３４の第１部材１３４ａは、前記縁部で外側方向に互いに所定の間隔をおいて、突出される突出部１３４ａ′を含み、前記ウェーハチャッキング部材１３４の第１部材１３４ａに形成された突出部１３４ａ′は、４個形成され、９０°で配列される。前記突出部１３４ａ′は前記維持部材１４０の内周面に形成された長い溝１４２に沿って上下へ移動可能であるように前記長い溝１４２内に挿入される。
【００３１】
前記シート１３６は円板形の合成樹脂材フィルムとして作られ、前記シート１３６には前記第２部材１３４ｂの下面に形成された多数の貫通孔に対応する多数の貫通孔が形成されている。前記シート１３６はそれに形成された多数の貫通孔が前記第２部材１３４ｂの下面に形成された多数の貫通孔と連通されるように配置し、前記第２部材１３４ｂに付着する。
【００３２】
前記固定部材１３８は、環形形状の第１部材１３８ａと第２部材１３８ｂを含む。前記固定部材１３８の第１部材１３８ａは、所定の直径を有する本体部と前記本体部の上縁部と下縁部で各々半径方向外側に所定長さほど延長される上部フランジおよび下部フランジとを含む。前記第１部材１３８ａの上部フランジには前記第１部材１３８ａの縦軸線を中心に多数の貫通孔が形成される。前記第１部材１３８ａの上部フランジに形成された貫通孔が前記キャリア１２０の下面に形成されたねじ孔と連通するように前記第１部材１３８ａを配列した状態で、ねじを前記貫通孔内に貫通延長させて前記キャリア１２０に形成されたねじ孔にねじ結合させる。この時、前記キャリア１２０と前記固定部材１３８の第１部材１３８ａ間に機密を維持するために、前記キャリア１２０の下面と前記第１部材１３８ａの上部フランジ上面との間にゴム材などのシール（ｓｅａｌ）を配置することもできる。前記第１部材１３８ａの下部フランジにも前記第１部材１３８ａの縦軸線を中心に多数の貫通孔が形成される。
【００３３】
前記固定部材１３８の第２部材１３８ｂは、環形形状であり、前記第１部材１３８ａの前記下部フランジに形成された多数の貫通孔に対応するように多数の貫通孔が形成される。このように構成された前記固定部材１３８は、前記チャッキング部材１３４の第１部材１３４ａの中心部に形成された貫通孔に前記空気導管１３５を強制的に差込んで機密を維持するように装着した後、前記膨張部材１３２の中心部に形成された貫通孔内へ前記空気導管１３５が貫通延長するように前記膨張部材１３２を前記チャッキング部材１３４の第１部材１３８ａの上面に接着し、続いて、前記膨張部材１３２の縁部から中心部側に所定距離ほど離れた位置で前記膨張部材１３２の縁部を折曲げて上方に延長させる。その後、前記膨張部材１３２の縁部をその中心部側に再び折曲げて、前記膨張部材１３２の縁部に形成された多数の貫通孔が前記固定部材１３８の第１部材１３８ａの下部フランジに形成された貫通孔と連通されるように前記固定部材１３８の第１部材１３８ａの一面に前記膨張部材１３２の縁部を位置させる。その後、前記固定部材１３８の第２部材１３８ｂに形成された貫通孔が前記固定部材１３８の第１部材１３８ａの下部フランジに形成された貫通孔及び前記膨張部材１３２の縁部に形成された貫通孔と連通されるように前記固定部材１３８の第２部材１３８ｂを前記膨張部材１３２の縁部上で配置して、前記膨張部材１３２の縁部が前記固定部材１３８の第１部材１３８ａの下部フランジと前記第２部材１３８ｂ間に位置するようにする。
【００３４】
前記固定部材１３８に前記チャッキング部材１３４を連結する前に、前記ウェーハチャッキング部材１３４の第１部材１３４ａに装着された前記空気流動管１３５と前記キャリア１２０を貫通延長する前記空気導管とを給排気管１６２に連結して、空気が前記空気導管を通じて前記第１部材１３４ａと前記第２２部材１３４ｂによって限定された空気チャンバ１７０へ供給または排出されるように連通させる。
【００３５】
最後に、前記膨張部材１３２、前記固定部材１３８の第１部材１３８ａ、及び前記キャリア１２０によって限定される空気チャンバ１６０の機密を維持することができるように、前記固定部材１３８の前記第２部材１３８ｂに形成された貫通孔と前記膨張部材１３２の縁部に形成された貫通孔内へねじを貫通延長させ、前記第１部材１３８ａのフランジに形成された貫通孔にねじ結合する。
【００３６】
上述したように、本実施例による研磨ヘッド１００の構成要素を組立して研磨ヘッド１００を完成する。
以下、図面を参照して本発明の望ましい実施例に従う研磨ヘッド１００の各構成要素の作用関係を詳細に説明する。
【００３７】
上述したように構成された本発明の望ましい実施例に従う研磨ヘッド１００は、図２で示したように、前記ハウジング１１０と前記キャリア１２０、及び前記連結部材１２６、１２８、１２９によって限定された空気チャンバ１５０から前記ハウジング１１０の前記第２スルーホール１１２ｂを通じて空気を排出し、前記空気チャンバ１５０が真空状態になるようにする。前記空気チャンバ１５０が真空状態になると、真空圧によって前記キャリア１２０が前記ハウジング１１０の下面に密着される。
【００３８】
前記キャリア１２０が前記ハウジング１１０の下面に密着されれば、前記キャリア１２０に連結された維持部材１４０及びウェーハチャッキング装置１３０が上方に共に移動する。このような状態で、前記ハウジング１１０の第１スルーホール１１２ａを通じて前記キャリア１２０、前記チャッキング装置１３０の前記固定部材１３８、ならびに前記チャッキング装置１３０のチャッキング部材１３４に付着された前記膨張部材１３２によって限定される前記空気チャンバ１６０に空気を供給して前記膨張部材１３２に圧力を加える。従って、前記膨張部材１３２は前記空気チャンバ１６０に供給される前記空気の圧力によって段々膨張され、それによって前記チャッキング部材１３４が下方に下降するようになる。この時、前記チャッキング部材１３４は、それに付着されたシート１３６が前記維持部材１４０の基底面と同一な平面上に置かれるときまで膨張させる。
【００３９】
前記チャッキング部材１３４がこの位置へ移動すると、空気チャンバ１７０で空気が排出される。従って、ウェーハ移送装置（図示せず）によって移送されるウェーハ（Ｗ）の一面に前記チャッキング部材１３４に付着されたシート１３６が密着される。
【００４０】
前記ウェーハ（Ｗ）が前記チャッキング部材１３４の第２部材１３４ｂに付着されたシート１３６に密着されれば、前記チャッキング装置１３０に形成された空気チャンバ１７０が真空状態になり、それによって、前記ウェーハ（Ｗ）が前記シート１３６にさらに密着するようになる。
【００４１】
図３は前記研磨ヘッド１００の前記チャッキング部材１３４がウェーハ（Ｗ）を把持した状態で研磨パッド上に位置した状態を示した図面である。図３を参照すれば、前記ハウジング１１０と前記キャリア１２０間、前記キャリア１２０と前記チャッキング部材１３４間、そして前記チャッキング部材１３４の前記第１部材１３４ａと第２部材１３４ｂ間に形成された各々の空気チャンバ１５０、１６０、１７０から空気を排出して、前記空気チャンバ１５０、１６０、１７０を真空状態で維持する。従って、前記チャッキング装置１３０の前記膨張部材１３２が収縮されて、前記チャッキング装置１３０は前記維持部材１４０の下面より上へ移動するようになる。
【００４２】
上述したような状態で、図４で示したように、前記キャリア１２０と前記チャッキング装置１３０間、ならびに前記チャッキング部材１３４の第１部材１３４ａと第２部材１３４ｂ間に各々形成された前記空気チャンバ１６０、１７０を真空状態で維持しながら、前記ハウジング１１０と前記キャリア１２０間に形成された前記空気チャンバ１６０、１７０に空気を供給する。その結果、前記ハウジング１１０と前記キャリア１２０間に形成された前記空気チャンバ１６０、１７０へ供給される空気の圧力によって、前記キャリア１２０が下方に移動するようになる。従って、前記キャリア１２０が下方に移動されれば、前記キャリア１２０に連結された前記維持部材１４０と前記チャッキング装置１３０と前記キャリア１２０とは共に下方に移動することになる。この時、前記維持部材１４０は、図４で示したように前記研磨パッドの上面と接するようになる。しかし、前記チャッキング装置１３０は前記維持部材１４０の下面より高い位置にあるために、前記チャッキング装置１３０は前記研磨パッドの上面と離隔された状態であることになる。
【００４３】
続いて、図５で示したように、前記ハウジング１１０と前記キャリア１２０間に形成された前記空気チャンバ１５０に空気を続けて供給して、前記維持部材１４０が前記研磨パッドの上面と依然として接しているようにし、かつ前記チャッキング部材１３４の第１及び第２部材１３４ａ、１３４ｂ間に形成された前記空気チャンバ１７０から空気を排出して、前記空気チャンバ１７０を真空状態で維持しながら、前記キャリア１２０と前記チャッキング装置１３０の膨張部材１３２間に形成された前記空気チャンバ１６０に空気を供給して前記空気チャンバ１６０内の圧力を高める。従って、前記空気チャンバ１６０内の圧力が高まることにつれて、前記膨張部材１３２が膨張することになり、前記膨張部材１３２と連結された前記チャッキング装置１３０が下降する。その結果、前記チャッキング部材１３４によって把持された前記ウェーハ（Ｗ）の一面が前記研磨パッドの上面と接することになる。続けて、前記キャリア１２０と前記チャッキング装置１３０間の空気チャンバ１６０の圧力を高めて、前記研磨パッドに前記ウェーハ（Ｗ）を密着させる。
【００４４】
図５で示したように、前記ウェーハ（Ｗ）を前記研磨パッドに密着させた状態で、前記ウェーハ（Ｗ）と前記研磨パッド間にスラリーを供給しながら前記研磨ヘッド１００と前記研磨パッドを互いに反対方向に回転させて前記ウェーハ（Ｗ）の一面を研磨する。
【００４５】
上述したように構成された研磨ヘッドにおいて、前記ウェーハは前記チャッキング部材に形成された前記空気チャンバ内の真空圧によってその全体面が前記チャッキング部材に均一に密着されるため、前記研磨パッドとも均一に接することになる。従って、前記ウェーハの中心部と縁部を含んだ全体面が均一に研磨される。
以上、本発明の実施例によって詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有するものであれば本発明の思想と精神を離れることなく、本発明を修正または変更できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による化学的機械的研磨装置の研磨ヘッドを示す断面図である。
【図２】本発明の望ましい実施例による化学的機械的研磨装置の研磨ヘッドを示す断面図であって、ウェーハチャッキング装置がウェーハを把持することができるようにキャリアが上昇された状態を示す断面図である。
【図３】本発明の望ましい実施例による化学的機械的研磨装置の研磨ヘッドを示す断面図であって、ウェーハチャッキング装置とキャリアによってウェーハが研磨パッド上へ移送される状態を示す断面図である。
【図４】本発明の望ましい実施例による化学的機械的研磨装置の研磨ヘッドを示す断面図であって、キャリアを下降させて研磨パッド面に維持部材を接触させた状態を示す断面図である。
【図５】本発明の望ましい実施例による化学的機械的研磨装置の研磨ヘッドを示す断面図であって、キャリアとウェーハチャッキング装置を下降させて研磨パッド面にウェーハを接触させた状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１００ 研磨ヘッド
１１０ ハウジング
１１２ 本体部
１１２ａ 第１スルーホール
１１２ｂ 第２スルーホール
１１４ フランジ部
１１６ 延長部
１２０ キャリア
１２２ａ 開口部
１２６ 環状形内側クランプ
１２８ 環状形外側クランプ
１２９ 弾性材シート
１３０ ウェーハチャッキング装置
１３２ 膨張部材
１３４ ウェーハチャッキング部材
１３８ 固定部材
１４０ 維持部材
１４２ 溝
１５０、１６０、１７０ 空気チャンバ
【発明の属する技術分野】
本発明は化学的機械的研磨装置に関するものであり、より詳細には研磨パッドにウェーハを均一に密着させてウェーハの中心部と縁部を均一に研磨することができる化学的機械的研磨装置の研磨ヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェーハ上に集積回路を製造する過程で、ウェーハ前面又は背面を平坦化するために通常化学的機械的研磨工程を経ることになる。このような化学的機械的研磨工程を利用した平坦化技術は、半導体集積回路の集積度が高まって、ウェーハの大直径化趨勢に従い、より大事な架空技術として扱われている。
【０００３】
ウェーハ表面を平坦化することに使用される化学的機械的研磨システムは、大きく区分してウェーハカセットの装脱着装置、ウェーハ移動装置、研磨装置、ウェーハ洗浄装置とこれらの制御装置で構成される。このうち、研磨装置はウェーハを支持しながら回転加圧する研磨ヘッド、研磨パッドが付着された研磨定盤及びその駆動機構、研磨パッドのドレッシング機構、ウェーハ側面の洗浄機構、スラリー供給機構で構成される。
【０００４】
機械的研磨において、ウェーハ表面の除去速度は研磨圧力と研磨速度に比例する。化学的機械的研磨装置のように化学的な作用が付加された研磨では、ここにウェーハ表面とスラリーの化学反応が付加される。ウェーハ表面のいずれの位置においても研磨荷重、研磨速度、スラリー量、ウェーハ面と研磨パッドの摩擦、研磨温度などを均一にすることができれば、広域平坦化及び残留膜厚みの均一化を達成することができる。しかし、実際には上述した因子や研磨パッドの表面状態がウェーハ面内で時間に従って変化し、残留膜厚みが不均一になる。そして、ディッシング（ｄｉｓｈｉｎｇ）やシニング（ｔｈｉｎｎｉｎｇ）が発生し、デバイスの収率に影響を及ぼす。このような因子を経験的にまたは科学的に制御する必要がある。化学的機械的研磨では研磨除去量が１μｍ以下であり、研磨後の表面平坦度は０．０１μｍ以下が要求される。従って、ウェーハをどのようにすれば、高密度で支持できるのかが相当に大事なものである。
【０００５】
ウェーハを支持、加圧する研磨ヘッドの構造に対していろいろな研究が成されてきた。例えば、日本特開平第１０−２５６２０２号にはシリコンゴム材の二重流体圧力室を備え均一な研磨が進行されるようにした研磨方法及び研磨装置が開示されており、日本特開平第９−２４６２１８号にはポリエチレン材の圧縮膨張用フィルムを利用してバックパッドを膨張させてウェーハを均一に研磨することができる研磨方法及び研磨装置が開示されている。米国特許第５，６０５，４８８号には多数のセルを備え各々セルの圧力を調節することができる研磨装置が開示されており、米国特許第５，８５１，１３６号には可撓性プレートを利用して圧力に従ってウェーハを均一に研磨することができる研磨装置が開示されている。米国特許第５，８０３，７９９号（１９９８年９月８日付でボロダスキー（ｖｏｌｏｄａｒｓｋｙ）などに許与される）には半導体ウェーハを研磨することに使用するための研磨ヘッドが開示されている。
【０００６】
図１はボロダスキーの特許に従う研磨ヘッド１０の断面図である。図１で示したように、上述した研磨ヘッド１０は、ハウジング１４、前記ハウジング１４に装着されウェーハ支持面５０を備えるウェーハキャリア２０、ならびに前記ハウジング１４に装着され前記ウェーハ支持面５０の適所にウェーハ（Ｗ）を維持するように形成されたウェーハ維持部材２２を備える。前記ウェーハキャリア２０と前記ウェーハ維持部材２２のうちで少なくとも一つは、前記ハウジング１４に稼働可能であるように装着され、研磨作業をする時に前記ウェーハキャリア２０と前記ウェーハ維持部材２２間に適切なバイアス力を生成するダイアフラム（ｄｉａｐｈｒａｇｍ）が提供される。
【０００７】
上述したように構成されたボロダスキーの特許に従う研磨ヘッド１０は、ウェーハキャリア２０に加わったバイアス力によってウェーハ（Ｗ）が研磨パッドと密着され、維持部材２２かつウェーハキャリア２０に加わったバイアス力によって研磨パッドと密着された状態で、前記ウェーハを研磨する。従って、研磨パッドウェーハを均一に密着させることができるので、ウェーハの全面（ｗｈｏｌｅｓｕｒｆａｃｅ）を等しく研磨することができる長所がある。
【０００８】
しかし、ボロダスキーの特許に従う研磨ヘッドは、ウェーハキャリアと維持部材間のバイアス力を適切に調節する場合のみ、研磨ヘッドにウェーハを均一に密着させることができるが、前記ウェーハキャリアと維持部材間のバイアス力を適切に調節することが難しいという問題点がある。
それに従って、ウェーハの架空面が前記研磨ヘッドに均一に密着しなくなり、その結果ウェーハ中心部の研磨程度と縁部の研磨程度が不均一になる問題点がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記の問題点を解決するために提供されたものであり、本発明の目的は、研磨パッドにウェーハを均一かつ正確に密着させてウェーハの中心部と縁部を均一に研磨することができる化学的機械的研磨装置の研磨ヘッドを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した本発明の目的を達成するために、本発明は、ウェーハチャッキング装置のウェーハチャッキング部材にウェーハを密着させてウェーハチャッキング部材に下方向に均一な圧力を印加し、ポリシングパッドに対して均一にウェーハを加圧することができる化学的機械的研磨装置の研磨ヘッドを提供する。
【００１１】
即ち本発明によると、ハウジングに連結され、前記ハウジングに対して上下移動することができるキャリアと、前記キャリア下に位置し、前記キャリアに装着されて前記ハウジングに対する前記キャリアの上下運動とは独立して上下運動可能であるウェーハチャッキング部材、ウェーハのポリシングの際、前記ウェーハチャッキング部材の下方において前記ウェーハを支持するウェーハチャッキング面、ならびに前記ウェーハチャッキング部材に均一に下向バイアス力を加えて前記キャリアから前記ウェーハチャッキング部材を下方に押し出すためのバイアシング手段を含むウェーハチャッキング装置と、前記キャリアに装着されて前記キャリアと上下運動を共にし、前記キャリアから下方に前記ウェーハチャッキング部材の周囲で延長され、前記ウェーハチャッキング面に支持されるウェーハから離間するように前記ウェーハチャッキング部材とスライディング結合され、前記キャリアに対して前記ウェーハチャッキング部材を上下に案内するために設けられている維持部材とを備え、前記ハウジングは本体部とその本体部の中心から下方に延長されるように設けられている延長部とを含み、前記キャリアは前記ハウジングの延長部が延長される開口部を含み、前記延長部は前記ハウジングに対して上下移動をガイドし、前記ハウジングと前記キャリアとの間には第１膨張空気チャンバが形成され、前記キャリアと前記ウェーハチャッキング部材との間には第２膨張空気チャンバが形成され、前記キャリアの開口部は前記キャリアを経て前記第２膨張空気チャンバと連通する貫通孔をなし、前記ハウジングには少なくとも第１空気スルーホール及び第２空気スルーホールが形成され、前記第１空気スルーホールは前記本体部と前記ハウジングの延長部とを貫通して前記第２膨張空気チャンバに連通するように形成され、前記第２空気スルーホールは前記第１膨張空気チャンバに連通し、前記ウェーハチャッキング部材は前記ウェーハチャッキング面と連通する空気チャンバを限定し、前記ハウジングは前記ウェーハチャッキング部材の空気チャンバと連通する第３空気スルーホールを有し、前記空気チャンバを真空状態とするために前記第３空気スルーホールを通じて前記空気チャンバから空気が排出され、前記維持部材は、前記キャリアから軸方向かつ下向きに延長されて形成された環形部材であり、前記維持部材の内周面に所定の角度で配列された複数の長い溝が形成され、前記ウェーハチャッキング部材は前記維持部材とスライディング結合して前記溝に各々延長される複数の突出部を有する。
【００１２】
本発明では、ウェーハチャッキング部材とキャリアが空気圧によって独立的に上方または下方に移動することができる。かつ、ウェーハチャッキング部材は維持部材とキャリアと共に回転可能であって、キャリアとウェーハチャック間に捻じれが発生しない。従って、前記ウェーハチャッキング部材に把持されたウェーハを研磨パッドと均一に密着させて、ウェーハの一面を一定に研磨することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の望ましい実施例による化学的機械的研磨装置の研磨ヘッドを詳細に説明する。
図２乃至図５で示したように、本発明の望ましい一実施例に従う化学的機械的研磨装置の研磨ヘッド１００は、空気スルーホールを有し、空気の流動を案内するためのハウジング１１０、前記ハウジング１１０に連結され前記ハウジング１１０に対して相対的に上下移動することができるキャリア１２０、前記キャリア１２０に装着されるウェーハチャッキング装置１３０、そして前記キャリア１２０の縁部に沿って装着される維持部材１４０（ｒｅｔａｉｎｅｒ）を備える。
【００１４】
前記ハウジング１１０は、円形断面を有する本体部１１２と前記本体部１１２の一端で半径方向外側に延長されるフランジ部１１４とを含み、前記本体部１１２にはその中心で下方に延長される延長部１１６が形成される。前記ハウジング１１０は、通常ステンレススティールのような強材で製作する。
【００１５】
前記ハウジング１１０には少なくとも３個の流通路、即ち第１スルーホール１１２ａ、第２スルーホール１１２ｂ、及び第３スルーホール１１２ｃが形成される。第１スルーホール１１２ａは前記本体部１１２とその中心部に形成された前記延長部１１６とを貫通するように形成され、第２スルーホール１１２ｂ及び第３スルーホール１１２ｃは前記本体部１１２の縦軸線を中心に対称に配列される。
【００１６】
前記ハウジング１１０の延長部１１６はキャリア１２０に形成された中央開口部１２２ａに収容され、その全体長さに掛かって外周縁の所定位置で半径方向外側に延長されるキー（ｋｅｙ、図示せず）を追加して設置することもできる。前記キーは以下で説明するキャリア１２０の内周面に形成されたキー溝（ｋｅｙ ｗａｙ、図示せず）内に収容される。キー溝はハウジング１１０の延長部１１６のキーと同一である幅と高さを有する。従って、研磨パッド１００が作動する間に前記キャリア１２０が前記ハウジング１１０と共に一体的に回転することができる。キャリア１２０に連結されているチャッキング装置１３０及び維持部材１４０とハウジング１１０とは同時に回転することができる。
【００１７】
前記第１スルーホール１１２ａは前記キャリア１２０と前記チャッキング装置１３０によって限定される空気チャンバ１６０と連通される。前記第１スルーホール１１２ａを通じて供給及び排出される空気の圧力によって前記空気チャンバ１６０が膨張収縮され、それに従って前記チャッキング装置１３０が下方に下降したり、元位置に復帰することになる。
【００１８】
前記ハウジング１１０の前記第２スルーホール１１２ｂは、前記第１スルーホール１１２ａから半径方向外側に所定長さほど離れて形成され、前記ハウジング１１０と前記キャリア１２０によって限定された空気チャンバ１５０と連通する。前記第２スルーホール１１２ｂを通じて空気が流動し、前記空気が前記空気チャンバ１５０内で供給されれば、前記キャリア１２０が下方に下降することになり、その結果前記キャリア１２０と結合された維持部材１４０は下方に下降する。反面、反対圧力（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）により、前記空気チャンバ１５０から前記空気を排出すれば、前記空気チャンバが真空状態になって前記キャリア１２０が元位置へ移動することになる。従って、前記維持部材１４０かつ前記キャリア１２０と共に上方へ移動することになる。
【００１９】
前記キャリア１２０は、本体部１２２と前記本体部１２２の下端部で半径方向外側に延長されるフランジ部１２４とを含む。前記キャリア１２０の本体部１２２中心部には開口部１２２ａを形成する第１貫通孔が形成され、前記第１貫通孔から半径方向外側に所定距離ほど離れた位置に第２貫通孔が形成される。前記フランジ部１２４の縁部には、本体部１２２の縦軸線を中心に放射状に多数の貫通孔が形成される。
【００２０】
第３スルーホールを構成する貫通孔内のハウジング１１０には空気導管１１２ｃ形成され、空気導管１１２ｃは前記ハウジング１１０の下面から下方に所定長さほど延長される。第２空気導管１２２ｂはキャリア１２０に形成されている第２貫通孔内でキャリア１２０に固定されており、空気導管１１２ｃの延長端を収容する。前記キャリア１２０の前記空気導管１２２ｂは、前記ハウジング１１０と前記キャリア１２０間に形成された空気チャンバが膨張して前記キャリア１２０が下降する場合、前記ハウジング１１０の空気導管１１２ｃに沿って下方に滑走する。かつ、前記空気チャンバが収縮して前記キャリア１２０が乗降する場合にも、前記ハウジング１１０の空気導管１１２ｃに沿って上方に滑走する。
【００２１】
前記キャリア１２０には、前記キャリア１２０を前記ハウジング１１０に連結するための連結部材を追加で設置する。前記連結部材は、環形内側クランプ１２６、内径が前記内側クランプ１２６より大きい環形の外側クランプ１２８、ならびに所定の幅を有する環形の弾性材シート１２９を含む。前記弾性材シート１２９の一端部は前記内側クランプ１２６によって前記キャリア１２０の上面に機密を維持するように固定され、他端部は前記外側クランプ１２８によって前記ハウジング１１０の下面に機密を維持するように固定され、前記キャリア１２０を前記ハウジング１１０に連結する。
【００２２】
より具体的には、前記内側クランプ１２６は、その一面の外縁部が屈曲されて階段部を形成する。キャリアの本体部１２２の上部外周縁部には環形凹溝（ｒｅｃｅｓｓ）が形成されている。内側クランプ１２６はキャリア１２０の中央開口部１２２ａの一部を形成する第１中央貫通孔と第１貫通孔から放射状に離れている多数の貫通孔を有する。前記内側クランプ１２６が配列される前記キャリア１２０の上面には前記内側クランプ１２６が形成された多数の貫通孔に相応する数のねじ孔が前記キャリア１２０の中心部を中心に放射状に形成されている。相応する貫通孔にはスクリューが収納されてキャリア１２０の本体部１２２に内側クランプ１２６が固定される。前記内側クランプ１２６を前記キャリア１２０の上面に配置する場合、前記内側クランプ１２６の縁部と前記キャリア１２０の上縁部に形成された階段部から形成される環形溝の幅は、前記弾性材シート１２９の厚みと同一であるかまたは小さく、弾性材シート１２９がキャリア１２０に堅固に固定することができるようにする。
【００２３】
前記外側クランプ１２８は本体部と上端部で半径方向外側に所定距離ほど延長されるフランジ部１２８ａとを含む。前記外側クランプ１２８のフランジ部１２８ａには前記ハウジング１１０のフランジ部１１４に形成された多数の貫通孔に相応する数の貫通孔が形成されている。かつ、前記外側クランプ１２８の内周縁の上端部は屈曲して階段部を形成する。前記階段部の高さは前記弾性材シート１２９の厚みより小さい。前記ハウジング１１０に前記外側クランプ１２８を組立てるときに、ボルトを前記ハウジング１１０と前記外側クランプ１２８のフランジ部１２８ａに各々形成された多数の貫通孔に貫通延長させた後、前記ボルトをナットで締結して前記外側クランプ１２８を前記ハウジング１１０に固定して、弾性材シート１２９の外側端部をハウジング１１０にクランプする。
【００２４】
前記環形弾性材シート１２９は、ゴムまたは合成樹脂材のような弾性体の空気ボケット（ｂｌａｄｄｅｒ）形態で製作する。
前記内側及び外側クランプ１２６、１２８と前記弾性材シート１２９を利用して前記キャリア１２０を前記ハウジング１１０に連結するとき、まず前記弾性材シート１２９の一縁部側を前記ハウジング１１０の下面と前記外側クランプ１２８の内周縁上端部に形成された階段部間に位置させた後、前記ハウジング１１０のフランジ１１４に形成された貫通孔と前記外側クランプ１２８のフランジ１２８ａに形成された貫通孔が連通されるように前記ハウジング１１０と前記外側クランプ１２８を配列し、前記ボルトを前記各々のフランジ１１４、１２８ａに形成された貫通孔内に貫通延長させてナットで締結する。
【００２５】
その後、前記キャリア１２０と前記内側クランプ１２６の階段部によって形成された環形溝に弾性材シート１２９の他端部が位置するように前記内側クランプ１２６と前記キャリア１２０を配列する。続いて、前記内側クランプ１２６に放射状に配列された多数の貫通孔内にねじを貫通延長させて、前記貫通孔に対応して前記キャリア１２０の上面に形成されたねじ孔１２６ｂにねじ結合させる。
【００２６】
前記維持部材１４０（ｒｅｔａｉｎｅｒ）は内径が前記キャリア１２０のフランジ１２４の直径より小さく、外径は前記キャリア１２０のフランジ１２４の直径より大きく、所定の幅と高さを有する環形形状である。前記維持部材１４０は、その上端部に階段部が形成され、前記階段部の直径は前記キャリア１２０のフランジ１２４の直径より大きくまたは同一であり、その高さは前記フランジ１２４の厚みと同一である。前記維持部材１４０の階段部には前記キャリア１２０のフランジ部１２４に形成された貫通孔に相応するように前記階段部の上面に多数のねじ孔（ｔａｐｐｅｄ ｈｏｌｅｓ）を形成する。前記キャリア１２０のフランジ部１２４に形成された貫通孔と前記維持部材１４０の階段部に形成されたねじ孔とが連通するように前記維持部材１４０の階段部に前記キャリア１２０のフランジ部１２４を位置させた後、前記キャリア１２０のフランジ部１２４に形成された貫通孔にねじを貫通させて前記維持部材１４０の階段部上面に形成されたねじ孔にねじ結合して、前記キャリア１２０と前記維持部材１４０を連結する。
【００２７】
さらに、前記維持部材１４０の内周面には所定の角度で配列された多数の長い溝１４２が形成される。前記維持部材１４０の内周面には、この長い溝１４２が９０°で配列されるように形成することが望ましい。
前記ウェーハチャッキング装置１３０は、膨張可能である膨張部材１３２、前記膨張部材１３２の下面に付着されるウェーハチャッキング部材１３４、前記ウェーハチャッキング部材１３４の下面に付着されてウェーハの背面の損傷を防止するためのシート１３６、ならびに前記膨張部材１３２を前記キャリア１２０に固定するための固定部材１３８を含む。
【００２８】
前記膨張部材１３２は、前記ハウジング１１０に前記キャリア１２０を連結することに使用した環形の弾性材シート１２９のようにゴムまたは合成樹脂材弾性体で製作し、その形状は円板形状である。前記膨張部材１３２の縁部には前記膨張部材１３２の中心軸線を中心に多数の貫通孔が放射状に配列される。
【００２９】
前記ウェーハチャッキング部材１３４は、円板形状の第１部材１３４ａと前記第１部材１３４ａの下面に付着されて前記第１部材１３４ａとの間に空気チャンバ１７０を形成する第２部材１３４ｂとを含み、前記第１部材１３４ａの中心部には貫通孔が形成されており、その貫通孔には空気流動管１３５が装着される。前記第２部材１３４ｂは、前記第１部材１３４ａより直径が小さい円形の本体部と前記本体部の縁部で上方に所定高さほど延長される環形壁部とを含む。前記第２部材１３４ｂは、鎔接などの方法により前記第１部材１３４ａと一体になるように前記第１部材１３４ａに付着する。前記第２部材１３４ｂの円形本体部にも多数の貫通孔が形成されている。
【００３０】
前記ウェーハチャッキング部材１３４の第１部材１３４ａは、前記縁部で外側方向に互いに所定の間隔をおいて、突出される突出部１３４ａ′を含み、前記ウェーハチャッキング部材１３４の第１部材１３４ａに形成された突出部１３４ａ′は、４個形成され、９０°で配列される。前記突出部１３４ａ′は前記維持部材１４０の内周面に形成された長い溝１４２に沿って上下へ移動可能であるように前記長い溝１４２内に挿入される。
【００３１】
前記シート１３６は円板形の合成樹脂材フィルムとして作られ、前記シート１３６には前記第２部材１３４ｂの下面に形成された多数の貫通孔に対応する多数の貫通孔が形成されている。前記シート１３６はそれに形成された多数の貫通孔が前記第２部材１３４ｂの下面に形成された多数の貫通孔と連通されるように配置し、前記第２部材１３４ｂに付着する。
【００３２】
前記固定部材１３８は、環形形状の第１部材１３８ａと第２部材１３８ｂを含む。前記固定部材１３８の第１部材１３８ａは、所定の直径を有する本体部と前記本体部の上縁部と下縁部で各々半径方向外側に所定長さほど延長される上部フランジおよび下部フランジとを含む。前記第１部材１３８ａの上部フランジには前記第１部材１３８ａの縦軸線を中心に多数の貫通孔が形成される。前記第１部材１３８ａの上部フランジに形成された貫通孔が前記キャリア１２０の下面に形成されたねじ孔と連通するように前記第１部材１３８ａを配列した状態で、ねじを前記貫通孔内に貫通延長させて前記キャリア１２０に形成されたねじ孔にねじ結合させる。この時、前記キャリア１２０と前記固定部材１３８の第１部材１３８ａ間に機密を維持するために、前記キャリア１２０の下面と前記第１部材１３８ａの上部フランジ上面との間にゴム材などのシール（ｓｅａｌ）を配置することもできる。前記第１部材１３８ａの下部フランジにも前記第１部材１３８ａの縦軸線を中心に多数の貫通孔が形成される。
【００３３】
前記固定部材１３８の第２部材１３８ｂは、環形形状であり、前記第１部材１３８ａの前記下部フランジに形成された多数の貫通孔に対応するように多数の貫通孔が形成される。このように構成された前記固定部材１３８は、前記チャッキング部材１３４の第１部材１３４ａの中心部に形成された貫通孔に前記空気導管１３５を強制的に差込んで機密を維持するように装着した後、前記膨張部材１３２の中心部に形成された貫通孔内へ前記空気導管１３５が貫通延長するように前記膨張部材１３２を前記チャッキング部材１３４の第１部材１３８ａの上面に接着し、続いて、前記膨張部材１３２の縁部から中心部側に所定距離ほど離れた位置で前記膨張部材１３２の縁部を折曲げて上方に延長させる。その後、前記膨張部材１３２の縁部をその中心部側に再び折曲げて、前記膨張部材１３２の縁部に形成された多数の貫通孔が前記固定部材１３８の第１部材１３８ａの下部フランジに形成された貫通孔と連通されるように前記固定部材１３８の第１部材１３８ａの一面に前記膨張部材１３２の縁部を位置させる。その後、前記固定部材１３８の第２部材１３８ｂに形成された貫通孔が前記固定部材１３８の第１部材１３８ａの下部フランジに形成された貫通孔及び前記膨張部材１３２の縁部に形成された貫通孔と連通されるように前記固定部材１３８の第２部材１３８ｂを前記膨張部材１３２の縁部上で配置して、前記膨張部材１３２の縁部が前記固定部材１３８の第１部材１３８ａの下部フランジと前記第２部材１３８ｂ間に位置するようにする。
【００３４】
前記固定部材１３８に前記チャッキング部材１３４を連結する前に、前記ウェーハチャッキング部材１３４の第１部材１３４ａに装着された前記空気流動管１３５と前記キャリア１２０を貫通延長する前記空気導管とを給排気管１６２に連結して、空気が前記空気導管を通じて前記第１部材１３４ａと前記第２２部材１３４ｂによって限定された空気チャンバ１７０へ供給または排出されるように連通させる。
【００３５】
最後に、前記膨張部材１３２、前記固定部材１３８の第１部材１３８ａ、及び前記キャリア１２０によって限定される空気チャンバ１６０の機密を維持することができるように、前記固定部材１３８の前記第２部材１３８ｂに形成された貫通孔と前記膨張部材１３２の縁部に形成された貫通孔内へねじを貫通延長させ、前記第１部材１３８ａのフランジに形成された貫通孔にねじ結合する。
【００３６】
上述したように、本実施例による研磨ヘッド１００の構成要素を組立して研磨ヘッド１００を完成する。
以下、図面を参照して本発明の望ましい実施例に従う研磨ヘッド１００の各構成要素の作用関係を詳細に説明する。
【００３７】
上述したように構成された本発明の望ましい実施例に従う研磨ヘッド１００は、図２で示したように、前記ハウジング１１０と前記キャリア１２０、及び前記連結部材１２６、１２８、１２９によって限定された空気チャンバ１５０から前記ハウジング１１０の前記第２スルーホール１１２ｂを通じて空気を排出し、前記空気チャンバ１５０が真空状態になるようにする。前記空気チャンバ１５０が真空状態になると、真空圧によって前記キャリア１２０が前記ハウジング１１０の下面に密着される。
【００３８】
前記キャリア１２０が前記ハウジング１１０の下面に密着されれば、前記キャリア１２０に連結された維持部材１４０及びウェーハチャッキング装置１３０が上方に共に移動する。このような状態で、前記ハウジング１１０の第１スルーホール１１２ａを通じて前記キャリア１２０、前記チャッキング装置１３０の前記固定部材１３８、ならびに前記チャッキング装置１３０のチャッキング部材１３４に付着された前記膨張部材１３２によって限定される前記空気チャンバ１６０に空気を供給して前記膨張部材１３２に圧力を加える。従って、前記膨張部材１３２は前記空気チャンバ１６０に供給される前記空気の圧力によって段々膨張され、それによって前記チャッキング部材１３４が下方に下降するようになる。この時、前記チャッキング部材１３４は、それに付着されたシート１３６が前記維持部材１４０の基底面と同一な平面上に置かれるときまで膨張させる。
【００３９】
前記チャッキング部材１３４がこの位置へ移動すると、空気チャンバ１７０で空気が排出される。従って、ウェーハ移送装置（図示せず）によって移送されるウェーハ（Ｗ）の一面に前記チャッキング部材１３４に付着されたシート１３６が密着される。
【００４０】
前記ウェーハ（Ｗ）が前記チャッキング部材１３４の第２部材１３４ｂに付着されたシート１３６に密着されれば、前記チャッキング装置１３０に形成された空気チャンバ１７０が真空状態になり、それによって、前記ウェーハ（Ｗ）が前記シート１３６にさらに密着するようになる。
【００４１】
図３は前記研磨ヘッド１００の前記チャッキング部材１３４がウェーハ（Ｗ）を把持した状態で研磨パッド上に位置した状態を示した図面である。図３を参照すれば、前記ハウジング１１０と前記キャリア１２０間、前記キャリア１２０と前記チャッキング部材１３４間、そして前記チャッキング部材１３４の前記第１部材１３４ａと第２部材１３４ｂ間に形成された各々の空気チャンバ１５０、１６０、１７０から空気を排出して、前記空気チャンバ１５０、１６０、１７０を真空状態で維持する。従って、前記チャッキング装置１３０の前記膨張部材１３２が収縮されて、前記チャッキング装置１３０は前記維持部材１４０の下面より上へ移動するようになる。
【００４２】
上述したような状態で、図４で示したように、前記キャリア１２０と前記チャッキング装置１３０間、ならびに前記チャッキング部材１３４の第１部材１３４ａと第２部材１３４ｂ間に各々形成された前記空気チャンバ１６０、１７０を真空状態で維持しながら、前記ハウジング１１０と前記キャリア１２０間に形成された前記空気チャンバ１６０、１７０に空気を供給する。その結果、前記ハウジング１１０と前記キャリア１２０間に形成された前記空気チャンバ１６０、１７０へ供給される空気の圧力によって、前記キャリア１２０が下方に移動するようになる。従って、前記キャリア１２０が下方に移動されれば、前記キャリア１２０に連結された前記維持部材１４０と前記チャッキング装置１３０と前記キャリア１２０とは共に下方に移動することになる。この時、前記維持部材１４０は、図４で示したように前記研磨パッドの上面と接するようになる。しかし、前記チャッキング装置１３０は前記維持部材１４０の下面より高い位置にあるために、前記チャッキング装置１３０は前記研磨パッドの上面と離隔された状態であることになる。
【００４３】
続いて、図５で示したように、前記ハウジング１１０と前記キャリア１２０間に形成された前記空気チャンバ１５０に空気を続けて供給して、前記維持部材１４０が前記研磨パッドの上面と依然として接しているようにし、かつ前記チャッキング部材１３４の第１及び第２部材１３４ａ、１３４ｂ間に形成された前記空気チャンバ１７０から空気を排出して、前記空気チャンバ１７０を真空状態で維持しながら、前記キャリア１２０と前記チャッキング装置１３０の膨張部材１３２間に形成された前記空気チャンバ１６０に空気を供給して前記空気チャンバ１６０内の圧力を高める。従って、前記空気チャンバ１６０内の圧力が高まることにつれて、前記膨張部材１３２が膨張することになり、前記膨張部材１３２と連結された前記チャッキング装置１３０が下降する。その結果、前記チャッキング部材１３４によって把持された前記ウェーハ（Ｗ）の一面が前記研磨パッドの上面と接することになる。続けて、前記キャリア１２０と前記チャッキング装置１３０間の空気チャンバ１６０の圧力を高めて、前記研磨パッドに前記ウェーハ（Ｗ）を密着させる。
【００４４】
図５で示したように、前記ウェーハ（Ｗ）を前記研磨パッドに密着させた状態で、前記ウェーハ（Ｗ）と前記研磨パッド間にスラリーを供給しながら前記研磨ヘッド１００と前記研磨パッドを互いに反対方向に回転させて前記ウェーハ（Ｗ）の一面を研磨する。
【００４５】
上述したように構成された研磨ヘッドにおいて、前記ウェーハは前記チャッキング部材に形成された前記空気チャンバ内の真空圧によってその全体面が前記チャッキング部材に均一に密着されるため、前記研磨パッドとも均一に接することになる。従って、前記ウェーハの中心部と縁部を含んだ全体面が均一に研磨される。
以上、本発明の実施例によって詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有するものであれば本発明の思想と精神を離れることなく、本発明を修正または変更できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による化学的機械的研磨装置の研磨ヘッドを示す断面図である。
【図２】本発明の望ましい実施例による化学的機械的研磨装置の研磨ヘッドを示す断面図であって、ウェーハチャッキング装置がウェーハを把持することができるようにキャリアが上昇された状態を示す断面図である。
【図３】本発明の望ましい実施例による化学的機械的研磨装置の研磨ヘッドを示す断面図であって、ウェーハチャッキング装置とキャリアによってウェーハが研磨パッド上へ移送される状態を示す断面図である。
【図４】本発明の望ましい実施例による化学的機械的研磨装置の研磨ヘッドを示す断面図であって、キャリアを下降させて研磨パッド面に維持部材を接触させた状態を示す断面図である。
【図５】本発明の望ましい実施例による化学的機械的研磨装置の研磨ヘッドを示す断面図であって、キャリアとウェーハチャッキング装置を下降させて研磨パッド面にウェーハを接触させた状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１００ 研磨ヘッド
１１０ ハウジング
１１２ 本体部
１１２ａ 第１スルーホール
１１２ｂ 第２スルーホール
１１４ フランジ部
１１６ 延長部
１２０ キャリア
１２２ａ 開口部
１２６ 環状形内側クランプ
１２８ 環状形外側クランプ
１２９ 弾性材シート
１３０ ウェーハチャッキング装置
１３２ 膨張部材
１３４ ウェーハチャッキング部材
１３８ 固定部材
１４０ 維持部材
１４２ 溝
１５０、１６０、１７０ 空気チャンバ
Claims (13)
- ハウジングに連結され、前記ハウジングに対して上下移動することができるキャリアと、
前記キャリア下に位置し、前記キャリアに装着されて前記ハウジングに対する前記キャリアの上下運動とは独立して上下運動可能であるウェーハチャッキング部材、ウェーハのポリシングの際、前記ウェーハチャッキング部材の下方において前記ウェーハを支持するウェーハチャッキング面、ならびに前記ウェーハチャッキング部材に均一に下向バイアス力を加えて前記キャリアから前記ウェーハチャッキング部材を下方に押し出すためのバイアシング手段を含むウェーハチャッキング装置と、
前記キャリアに装着されて前記キャリアと上下運動を共にし、前記キャリアから下方に前記ウェーハチャッキング部材の周囲で延長され、前記ウェーハチャッキング面に支持されるウェーハから離間するように前記ウェーハチャッキング部材とスライディング結合され、前記キャリアに対して前記ウェーハチャッキング部材を上下に案内するために設けられている維持部材とを備え、
前記ハウジングは本体部とその本体部の中心から下方に延長されるように設けられている延長部とを含み、前記キャリアは前記ハウジングの延長部が延長される開口部を含み、前記延長部は前記ハウジングに対して上下移動をガイドし、
前記ハウジングと前記キャリアとの間には第１膨張空気チャンバが形成され、前記キャリアと前記ウェーハチャッキング部材との間には第２膨張空気チャンバが形成され、前記キャリアの開口部は前記キャリアを経て前記第２膨張空気チャンバと連通する貫通孔をなし、前記ハウジングには少なくとも第１空気スルーホール及び第２空気スルーホールが形成され、前記第１空気スルーホールは前記本体部と前記ハウジングの延長部とを貫通して前記第２膨張空気チャンバに連通するように形成され、前記第２空気スルーホールは前記第１膨張空気チャンバに連通し、
前記ウェーハチャッキング部材は前記ウェーハチャッキング面と連通する空気チャンバを限定し、前記ハウジングは前記ウェーハチャッキング部材の空気チャンバと連通する第３空気スルーホールを有し、前記空気チャンバを真空状態とするために前記第３空気スルーホールを通じて前記空気チャンバから空気が排出され、
前記維持部材は、前記キャリアから軸方向かつ下向きに延長されて形成された環形部材であり、前記維持部材の内周面に所定の角度で配列された複数の長い溝が形成され、前記ウェーハチャッキング部材は前記維持部材とスライディング結合して前記溝に各々延長される複数の突出部を有することを特徴とする化学的機械的研磨装置の研磨ヘッド。 - 前記キャリアは内部を貫通する空気スルーホールを有し、前記キャリアを貫通する空気スルーホールは前記第３空気スルーホールを前記ハウジングを通じて前記ウェーハチャッキング部材の空気チャンバと連通するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の化学的機械的研磨装置の研磨ヘッド。
- 前記ハウジングを貫通する第３空気スルーホールは第１空気導管であり、前記キャリアを貫通する空気スルーホールは第２空気導管であり、前記第１空気導管及び前記第２空気導管の各々の端部は互いに滑走可能であるように挿入されることを特徴とする請求項２に記載の化学的機械的研磨装置の研磨ヘッド。
- 前記ハウジングは前記ハウジングの内部を貫通するように延長されて前記第１膨張空気チャンバと連通する前記第２空気スルーホールを含み、前記キャリアは前記第２空気スルーホールを通じて前記第１膨張空気チャンバへ供給される空気圧によって下降し、前記第２空気スルーホールを通じて前記第１膨張空気チャンバの空気が排出されるときには反対圧力によって上昇することを特徴とする請求項１に記載の化学的機械的研磨装置の研磨ヘッド。
- 前記キャリアを前記ハウジングに連結し、前記ハウジングと共に前記第１膨張空気チャンバを限定するために設けられる弾性体部材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の化学的機械的研磨装置の研磨ヘッド。
- 前記弾性体部材は、環形であり、前記弾性体部材の一端を前記キャリアにクランピングするための内側クランプと前記弾性体部材の他端を前記ハウジングにクランピングするための外側クランプとを含むことを特徴とする請求項５に記載の化学的機械的研磨装置の研磨ヘッド。
- 前記キャリアは底部に放射状に外部へ延長されるフランジを有し、前記維持部材は上端部に凹溝を有し、その凹溝は前記維持部材の上端部に階段部が形成されるように前記維持部材の内周面に開設され、前記凹溝は前記フランジの厚みと等しい長さを有し、前記フランジは前記凹溝に安置されることを特徴とする請求項１に記載の化学的機械的研磨装置の研磨ヘッド。
- 前記ウェーハチャッキング装置のバイアシング手段は、前記ウェーハチャッキング部材の上部で前記ウェーハチャッキング部材に連結され、前記キャリアに連結された膨張部材を含むことを特徴とする請求項１に記載の化学的機械的研磨装置の研磨ヘッド。
- 前記膨張部材は、ゴムまたは合成樹脂からなり、第２膨張空気チャンバを形成していることを特徴とする請求項８に記載の化学的機械的研磨装置の研磨ヘッド。
- 前記ウェーハチャッキング部材は、上部の第１部材と、前記第１部材の下面に付着されて前記第１部材との間に前記空気チャンバを形成する下部の第２部材とを含み、前記第１部材は中心部を貫通して前記空気チャンバと連通する空気スルーホールを有し、前記第２部材には内部を貫通して前記空気チャンバと連通する複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項８に記載の化学的機械的研磨装置の研磨ヘッド。
- 前記ウェーハチャッキング装置は、前記第２部材の下面に付着された合成樹脂材フィルムをさらに含み、前記合成樹脂材フィルムには前記第２部材の複数の貫通孔に対応する複数の貫通孔が形成され、前記合成樹脂材フィルムの基底部は前記ウェーハチャッキング面を構成していることを特徴とする請求項１０に記載の化学的機械的研磨装置の研磨ヘッド。
- 前記維持部材は内周面に沿って垂直に延長されている複数の長い溝を有し、前記ウェーハチャッキング部材の第１部材は前記溝に沿って延長される複数の突出部を有し、前記維持部材にスライディング結合されることを特徴とする請求項１０に記載の化学的機械的研磨装置の研磨ヘッド。
- 前記ウェーハチャッキング部材の第１及び第２部材によって限定された前記空気チャンバに空気を供給及び排出するための空気スルーホールに連結された空気供給及び排出管をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の化学的機械的研磨装置の研磨ヘッド。
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