JP3889744B2 - 研磨ヘッドおよび研磨装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ウエーハなどの加工物の表面を研磨するための研磨ヘッドおよび研磨装置に関する。
例えばウエーハ製造工程には、ウエーハの表面を鏡面に仕上げるポリッシング工程がある。この工程では、回転する研磨パッドの表面にウエーハを押し付けて、前記ウエーハの表面を研磨するウエーハ研磨装置が用いられる。
このウエーハ研磨装置は、駆動軸により回転される研磨テーブルを有している。研磨テーブルの上面には研磨パッドが設けられ、さらに研磨パッドの研磨面と対向する位置にはウエーハを保持して回転する研磨ヘッドが設けられている。
図１０は従来の研磨ヘッドの構成図である。なお、図１０中の符号１０５は前記研磨パッドを示している。
図１０に示すように、この研磨ヘッドはヘッド本体１００を有している。このヘッド本体１００には加圧室１０１が形成されており、その下面開口部１０２はゴム膜１０３により閉塞されている。ゴム膜１０３の下面にはウエーハＵが保持されており、その周囲はヘッド本体１００の下端面に固定されたリング状のリテーナ１０４により包囲されている。このリテーナ１０４は、ヘッド本体１００の径方向内側に張り出しており、その上面には前記ゴム膜１０３の外周部が支持されている。
前記構成のウエーハ研磨装置を使用する場合、回転する研磨ヘッドを下降させて、ヘッド本体１００の下端面に保持されたリテーナ１０４を研磨パッド１０５の表面に押し付ける。このとき加圧室１０１に気体を供給してゴム膜１０３を膨張させると、ゴム膜１０３の下面に接着固定されたウエーハＵは、回転する研磨パッド１０５に押し付けられ、その表面が研磨される。
ところで、前記構成のウエーハ研磨装置では、ゴム膜１０３の外周部はリテーナ１０４の上面に保持されている。そのため、リテーナ１０４の上下方向の厚さによっては、ウエーハＵの表面全体を均一な研磨レートで研磨することができない。
すなわち、図１１（ａ）に示すように、リテーナ１０４の上下方向の厚さが大きい場合、ゴム膜１０３の支持される高さがウエーハＵの上面より高くなり、ウエーハＵの周縁部に所望の力を負荷することができない。そのため、ウエーハＵの周縁部と研磨パッド１０５の間に所要の接触圧力を与えることができず、ウエーハＵの周縁部が中央部に比べてあまり研磨されない。
また、図１１（ｃ）に示すように、リテーナ１０４の上下方向の厚さが小さい場合、ゴム膜１０３の支持される高さがウエーハＵの上面より低くなり、ウエーハＵの周縁部に過大な力が負荷されてしまう。そのため、ウエーハＵの周縁部と研磨パッド１０５の間の接触圧力が過剰に上昇し、ウエーハＵの周縁部が中央部に比べて多く研磨される、いわゆる外周ダレが生じてしまう。
したがって、ウエーハＵの表面全体を均一な研磨レートで研磨するためには、図１１（ｂ）に示すように、常にリテーナ１０４の上下方向の厚さを適正に設定しておく必要がある。
しかしながら、前記リテーナ１０４は、ウエーハＵを研磨するとき、常に研磨パッド１０５と摺接しているため、その上下方向の厚さは磨耗によって徐々に減少してしまう。そのため、初期状態でリテーナ１０４の上下方向の厚さをウエーハＵの厚さに合わせて適正に設定したとしても、いずれゴム膜１０３の支持される位置が低下して外周ダレが生じてしまう。
このように、ウエーハＵの表面全体を均一な研磨レートで研磨するためには、ウエーハＵの厚さに合わせてリテーナ１０４の選定をする必要があり、またリテーナ１０４の磨耗量を常に監視しておく必要がある。そのため、前記構成のウエーハ研磨装置には、作業者の負担が大きいという問題があった。
そこで近年、リテーナが磨耗してもウエーハＵの表面全体を均一な研磨レートで研磨できる装置として、ウエーハＵをリテーナに対して上下移動可能に保持する分離型の研磨ヘッドが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
図１２は従来の分離型の研磨ヘッドの構成図である。
図１２に示すように、この研磨ヘッドは、回転駆動されるヘッド本体２０１を有している。このヘッド本体２０１は、下面に凹部２０１ａを有しており、その研磨パッドと接する部分の外周部にはリング状のリテーナ２０２が固定されている。
ヘッド本体２０１の凹部の内側には、板状の支持プレート２０３が略水平に設けられている。この支持プレート２０３は、ヘッド本体２０１の内側において上下移動可能に支持されており、その上面外周部にはリング状の隔離膜２０４が径方向外側に重なるように接触している状態で設けられている。この隔離膜２０４は可撓性を有しており、その周縁部はヘッド本体２０１に保持されている。
これにより支持プレート２０３の上面側には、ヘッド本体２０１、支持プレート２０３、及び隔離膜２０４に囲われた第１の空間２０５が形成される。この第１の空間２０５には、第１の気体供給管２０６が接続されており、この第１の気体供給管２０６から第１の空間２０５に気体を供給することで、前記支持プレート２０３の上面を加圧できるようになっている。
また、支持プレート２０３の下面には凹部２０７が形成されている。この凹部２０７はゴム膜２０８により閉塞されており、支持プレート２０３とゴム膜２０８の間には第２の空間２０９が形成される。なお、ゴム膜２０８の下面にはウエーハＵが保持される。第２の空間２０９には第２の気体供給管２１０が接続されており、この第２の気体供給管２１０から第２の空間２０９に気体を供給することで、前記支持プレート２０３の下面を加圧できるようになっている。
前記構成の研磨ヘッドを用いてウエーハＵを研磨する場合、回転中のヘッド本体２０１を下降させて、ヘッド本体２０１の下端面に固定されたリテーナ２０２を回転中の研磨パッドの表面に押し付ける。そして、第１の空間２０５と第２の空間２０９に気体を供給し、第１、第２の空間２０５、２０９の圧力を制御することで、ゴム膜２０８の下面に接着固定されたウエーハＵを研磨パッドに押し付ける。
このように、分離型の研磨ヘッドでは、ヘッド本体２０１と支持プレート２０３が独立に駆動される構成となっている。そのため、リテーナ２０２が磨耗して、その上下方向の厚さが小さくなったとしても、それによってゴム膜２０８が支持される高さに影響が出ない。その結果、ウエーハＵの周縁部が過剰に研磨されたり、逆にあまり研磨されなかったりすることがない。
特表２００２−５２７８９３号公報
しかしながら、この研磨ヘッドを使用してウエーハＵを研磨する場合、第１の空間２０５あるいは第２の空間２０９の圧力が変動すると、支持プレート２０３の高さが変動してウエーハＵの研磨が良好に行われないことがあった。
例えば、第１の空間２０５の圧力が第２の空間２０９より低くなった場合、支持プレート２０３はその上下面に作用する圧力のバランスにより上昇する。このとき、ウエーハＵを保持するゴム膜２０８は、第２の空間２０９の圧力によって下方に弧を描くように膨らむため、ウエーハＵの周縁部と研磨パッドの間に作用する接触圧力がウエーハＵの中央部に比べて低くなり、その結果ウエーハＵの周縁部が研磨され難くなる。
また、第１の空間２０５の圧力が第２の空間２０９より高くなった場合、支持プレート２０３はその上下面に作用する圧力のバランスにより下降する。このとき、ウエーハＵを保持するゴム膜２０８は、第２の空間２０９の圧力によって上方に弧を描くように多少縮むため、ウエーハＵの中央部と研磨パッドの間に作用する接触圧力がウエーハＵの周縁部に比べて低くなり、その結果ウエーハＵの中央部が研磨され難くなる。
図１３は第１の空間内の圧力を変動させた場合における、ウエーハＵの径方向に対する接触圧力の変化を示すシミュレーショングラフである。なお、ここでは第２の空間に与える圧力を２００［ｈＰａ］で固定し、第１の空間に与える圧力を〔１〕２０５［ｈＰａ］、〔２〕２００［ｈＰａ］、〔３〕１９５［ｈＰａ］と変動させている。
図１３に示すように、第１の空間の圧力が〔１〕２０５［ｈＰａ］である場合、ウエーハＵの中央部でウエーハＵと研磨パッドの間の接触圧力が略２００［ｈＰａ］であるのに対し、ウエーハＵの周縁部では前記接触圧力が急激に上昇しているのがわかる。
また、第１の空間の圧力が〔３〕１９５［ｈＰａ］である場合、ウエーハＵの中央部でウエーハＵと研磨パッドの間の接触圧力が略２００［ｈＰａ］であるのに対し、ウエーハＵの周縁部では前記接触圧力が急激に低下しているのがわかる。
このように、従来の研磨ヘッドを用いてウエーハＵの研磨をした場合、第１、第２の空間内の圧力変動に対して、ウエーハＵの中央部と周縁部の研磨レートに大きな差が生じてしまう。
本発明は、前記事情を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、加工物やリテーナの厚さに影響を受けることなく加工物の表面を高精度に研磨でき、さらに第１の空間あるいは第２の空間内の圧力変動による研磨レートへの影響を低減できる研磨装置を提供することにある。
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の研磨ヘッドおよび研磨装置は次のように構成されている。
（１）加工物を保持して、回転する研磨パッドに押し付けることで、前記加工物の表面を研磨する研磨ヘッドにおいて、前記研磨パッドの研磨面に対向配置されるヘッド本体と、前記ヘッド本体の前記研磨パッドと対向する面に設けられる第１の凹部と、前記第１の凹部内に略水平に設けられ、前記ヘッド本体に対して相対的に接離する方向に移動可能な支持プレートと、前記支持プレートの前記ヘッド本体と対向する面から前記ヘッドの内面外周部と円柱状の側面に亘って設けられ、前記支持プレートの前記ヘッド本体と対向する面側に第１の空間を形成する第１の膜状部材と、前記支持プレートの前記研磨パッドと対向する面に設けられる第２の凹部と、前記支持プレートの前記研磨パッドと対向する面に前記第２の凹部を閉塞するように設けられ、前記支持プレートとの間に第２の空間を形成するとともに、前記加工物を前記研磨パッドと対向する面で保持する第２の膜状部材と、前記支持プレートに設けられ、前記第１の空間と前記第２の空間とを連通する連通穴と、前記第１の空間と前記第２の空間内を流体により同一圧力で加圧することで、前記加工物を前記第２の膜状部材を介して前記研磨パッドに押し付ける加圧手段と、前記ヘッド本体の研磨パッドに接する部分に設けられ、前記加工物を包囲するとともに、前記研磨パッドに当接されるリテーナと、前記支持プレートに着脱可能に設けられ、前記第１の膜状部材の前記研磨パッドに対向する面の内周部を支持するリング状の部材である調整部材とを具備し、前記調整部材は、内周面に複数の突出部を有し、互いに重ね合わせた状態で設けることで、前記複数の突出部の位置により前記第１の膜状部材の支持面積を変更可能に形成されており、前記支持面積を変えることで、前記第１の空間内の圧力により前記支持プレートに作用する押し下げ力を調整して、前記支持プレートの前記ヘッド本体に対する高さを制御することを特徴とする。
（２）加工物を保持して、回転する研磨パッドに押し付けることで、前記加工物の表面を研磨する研磨ヘッドにおいて、前記研磨パッドの研磨面に対向配置されるヘッド本体と、前記ヘッド本体の前記研磨パッドと対向する面に設けられる第１の凹部と、前記第１の凹部内に略水平に設けられ、前記ヘッド本体に対して相対的に接離する方向に移動可能な支持プレートと、前記支持プレートの前記ヘッド本体と対向する面から前記ヘッドの内面外周部と円柱状の側面に亘って設けられ、前記支持プレートの前記ヘッド本体と対向する面側に第１の空間を形成する第１の膜状部材と、前記支持プレートの前記研磨パッドと対向する面に設けられる第２の凹部と、前記支持プレートの前記研磨パッドと対向する面に前記第２の凹部を閉塞するように設けられ、前記支持プレートとの間に第２の空間を形成するとともに、前記加工物を前記研磨パッドと対向する面で保持する第２の膜状部材と、前記支持プレートに設けられ、前記第１の空間と前記第２の空間とを連通する連通穴と、前記第１の空間と前記第２の空間内を流体により同一圧力で加圧することで、前記加工物を前記第２の膜状部材を介して前記研磨パッドに押し付ける加圧手段と、前記ヘッド本体の研磨パッドに接する部分に設けられ、前記加工物を包囲するとともに、前記研磨パッドに当接されるリテーナと、前記ヘッド本体に着脱可能に設けられ、前記第１の膜状部材の前記研磨パッドに対向する面の外周部を支持するリング状の部材である調整部材とを具備し、前記調整部材は、複数の前記調整部材を互いに重ね合わされており、且つ、前記調整部材により前記第１の膜状部材の支持面積を変えることで、前記第１の空間内の圧力により前記支持プレートに作用する押し下げ力を調整して、前記支持プレートの前記ヘッド本体に対する高さを制御することを特徴とする。
（３）（２）に記載された研磨ヘッドであって、前記第１の膜状部材の支持面積を変えることは、前記調整部材に接続された駆動装置により行われることを特徴とする。
（４）加工物を保持して、回転する研磨パッドに押し付けることで、前記加工物の表面を研磨する研磨ヘッドにおいて、前記研磨パッドの研磨面に対向配置されるヘッド本体と、前記ヘッド本体の前記研磨パッドと対向する面に設けられる第１の凹部と、前記第１の凹部内に略水平に設けられ、前記ヘッド本体に対して相対的に接離する方向に移動可能な支持プレートと、前記支持プレートの前記ヘッド本体と対向する面から前記ヘッドの内面外周部と円柱状の側面に亘って設けられ、前記支持プレートの前記ヘッド本体と対向する面側に第１の空間を形成する第１の膜状部材と、前記支持プレートの前記研磨パッドと対向する面に設けられる第２の凹部と、前記支持プレートの前記研磨パッドと対向する面に前記第２の凹部を閉塞するように設けられ、前記支持プレートとの間に第２の空間を形成するとともに、前記加工物を前記研磨パッドと対向する面で保持する第２の膜状部材と、前記支持プレートに設けられ、前記第１の空間と前記第２の空間とを連通する連通穴と、前記第１の空間と前記第２の空間内を流体により同一圧力で加圧することで、前記加工物を前記第２の膜状部材を介して前記研磨パッドに押し付ける加圧手段と、前記ヘッド本体の研磨パッドに接する部分に設けられ、前記加工物を包囲するとともに、前記研磨パッドに当接されるリテーナと、前記ヘッド本体に設けられ、前記第１の膜状部材の前記研磨パッドと対向する面を支持する調整部材とを具備し、前記調整部材は、前記ヘッド本体の内周部に互いに重ね合わされた状態で設けられ、内周面に複数の突出部を備えた複数のリング状の部材からなり、前記調整部材により前記第１の膜状部材の支持面積を変えることで、前記第１の空間内の圧力により前記支持プレートに作用する押し下げ力を調整して、前記支持プレートの前記ヘッド本体に対する高さを制御することを特徴とする。
（５）加工物を保持して、回転する研磨パッドに押し付けることで、前記加工物の表面を研磨する研磨ヘッドにおいて、前記研磨パッドの研磨面に対向配置されるヘッド本体と、前記ヘッド本体の前記研磨パッドと対向する面に設けられる第１の凹部と、前記第１の凹部内に略水平に設けられ、前記ヘッド本体に対して相対的に接離する方向に移動可能な支持プレートと、前記支持プレートの前記ヘッド本体と対向する面から前記ヘッドの内面外周部と円柱状の側面に亘って設けられ、前記支持プレートの前記ヘッド本体と対向する面側に第１の空間を形成する第１の膜状部材と、前記支持プレートの前記研磨パッドと対向する面に設けられる第２の凹部と、前記支持プレートの前記研磨パッドと対向する面に前記第２の凹部を閉塞するように設けられ、前記支持プレートとの間に第２の空間を形成するとともに、前記加工物を前記研磨パッドと対向する面で保持する第２の膜状部材と、前記支持プレートに設けられ、前記第１の空間と前記第２の空間とを連通する連通穴と、前記第１の空間と前記第２の空間内を流体により同一圧力で加圧することで、前記加工物を前記第２の膜状部材を介して前記研磨パッドに押し付ける加圧手段と、前記ヘッド本体の研磨パッドに接する部分に設けられ、前記加工物を包囲するとともに、前記研磨パッドに当接されるリテーナと、前記ヘッド本体に設けられ、周方向に対して所定間隔で複数の挿入穴を備えたリング状の支持体、前記挿入穴に移動可能に挿入され、前記支持体の径方向内側に突出して前記第１の膜状部材の前記研磨パッドと対向する面の外周部を支持する挿入板により構成される調整部材とを具備することを特徴とする。
（６）（５）に記載の研磨ヘッドであって、前記挿入穴の内面と前記挿入板とにはそれぞれ屈曲部が形成されており、前記挿入穴の内面に形成された屈曲部と前記挿入板に形成された屈曲部とを係合することで、前記挿入板の挿入深さを所望の位置に保持できることを特徴とする。
（７）研磨ヘッドで加工物を保持し、回転する研磨パッドに押し付けることで、前記加工物の表面を研磨する研磨装置において、前記研磨ヘッドは、前記研磨パッドの研磨面に対向配置されるヘッド本体と、前記ヘッド本体の前記研磨パッドと対向する面に設けられる第１の凹部と、前記第１の凹部内に略水平に設けられ、前記ヘッド本体に対して相対的に接離する方向に移動可能な支持プレートと、前記支持プレートの前記ヘッド本体と対向する面から前記ヘッドの内面外周部と円柱状の側面に亘って設けられ、前記支持プレートの前記ヘッド本体と対向する面側に第１の空間を形成する第１の膜状部材と、前記支持プレートの前記研磨パッドと対向する面に設けられる第２の凹部と、前記支持プレートの前記研磨パッドと対向する面に前記第２の凹部を閉塞するように設けられ、前記支持プレートとの間に第２の空間を形成するとともに、前記加工物を前記研磨パッドと対向する面で保持する第２の膜状部材と、前記支持プレートに設けられ、前記第１の空間と前記第２の空間とを連通する連通穴と、前記第１の空間と前記第２の空間内を流体により同一圧力で加圧することで、前記加工物を前記第２の膜状部材を介して前記研磨パッドに押し付ける加圧手段と、前記ヘッド本体の研磨パッドに接する部分に設けられ、前記加工物を包囲するとともに、前記研磨パッドに当接されるリテーナと、前記支持プレートに着脱可能に設けられ、前記第１の膜状部材の前記研磨パッドに対向する面の内周部を支持するリング状の部材である調整部材とを具備し、前記調整部材は、内周面に複数の突出部を有し、互いに重ね合わせた状態で設けることで、前記複数の突出部の位置により前記第１の膜状部材の支持面積を変更可能に形成されており、前記支持面積を変えることで、前記第１の空間内の圧力により前記支持プレートに作用する押し下げ力を調整して、前記支持プレートの前記ヘッド本体に対する高さを制御することを特徴とする。
（８）研磨ヘッドで加工物を保持し、回転する研磨パッドに押し付けることで、前記加工物の表面を研磨する研磨装置において、研磨ヘッドは、前記研磨パッドの研磨面に対向配置されるヘッド本体と、前記ヘッド本体の前記研磨パッドと対向する面に設けられる第１の凹部と、前記第１の凹部内に略水平に設けられ、前記ヘッド本体に対して相対的に接離する方向に移動可能な支持プレートと、前記支持プレートの前記ヘッド本体と対向する面から前記ヘッドの内面外周部と円柱状の側面に亘って設けられ、前記支持プレートの前記ヘッド本体と対向する面側に第１の空間を形成する第１の膜状部材と、前記支持プレートの前記研磨パッドと対向する面に設けられる第２の凹部と、前記支持プレートの前記研磨パッドと対向する面に前記第２の凹部を閉塞するように設けられ、前記支持プレートとの間に第２の空間を形成するとともに、前記加工物を前記研磨パッドと対向する面で保持する第２の膜状部材と、前記支持プレートに設けられ、前記第１の空間と前記第２の空間とを連通する連通穴と、前記第１の空間と前記第２の空間内を流体により同一圧力で加圧することで、前記加工物を前記第２の膜状部材を介して前記研磨パッドに押し付ける加圧手段と、前記ヘッド本体の研磨パッドに接する部分に設けられ、前記加工物を包囲するとともに、前記研磨パッドに当接されるリテーナと、前記ヘッド本体に着脱可能に設けられ、前記第１の膜状部材の前記研磨パッドに対向する面の外周部を支持するリング状の部材である調整部材とを具備し、前記調整部材は、複数の前記調整部材を互いに重ね合わされており、且つ、前記調整部材により前記第１の膜状部材の支持面積を変えることで、前記第１の空間内の圧力により前記支持プレートに作用する押し下げ力を調整して、前記支持プレートの前記ヘッド本体に対する高さを制御することを特徴とする。
本発明によれば、加工物の厚さやリテーナの厚さに影響を受けることなく、加工物の表面を高精度に研磨することができる。
また、加工物を研磨パッドに押し付けるために与えられる圧力が変動しても、加工物の径方向に対して均一な研磨レートで、その表面を研磨することができる。
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。
まず、図１〜図３を用いて本発明の第１の実施の形態を説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係るウエーハ研磨装置の斜視図である。
図１に示すように、このウエーハ研磨装置（研磨装置）は定盤１を有している。この定盤１は円盤状に形成されており、上面には研磨パッド２が貼付されている。研磨パッド２の材料は、ウエーハＵの研磨層の材質によって適宜選択される。また、定盤１の下部には、駆動装置３の駆動軸（図示しない）が連結されており、前記駆動軸を回転させることにより、定盤１を矢印Ａ方向に回転できるようになっている。
定盤１に貼付された研磨パッド２の上方には、研磨液供給管４が対向配置されている。この研磨液供給管４は、研磨パッド２上で矢印Ｂのように揺動する第１の揺動アーム５に支持されており、その供給口からは研磨パッド２の上面に研磨液Ｌが供給される。研磨液Ｌとしては、例えばコロイダルシリカを含むアルカリ溶液が使用される。
また、定盤１に貼付された研磨パッド２の上方には複数、本実施の形態では２つの研磨ヘッド６が対向配置されている。各研磨ヘッド６は、研磨パッド２上で矢印Ｃのように揺動する第２の揺動アーム７に支持されており、この第２の揺動アーム７を下降させることで、前記研磨ヘッド６を研磨パッド２の上面に押圧できるようになっている。なお、各第２の揺動アーム７は管状に形成されており、その内部には後述する気体供給管やモータ等が設けられている。
図２は同実施の形態に係る研磨ヘッド６の構成の構成図である。
図２に示すように、この研磨ヘッド６はヘッド本体１０を有している。ヘッド本体１０の上面には、駆動軸１２が略垂直に設けられている。この駆動軸１２は、第２の揺動アーム７内に設けられた前記モータ（図示せず）に連結されており、このモータを駆動することにより、ヘッド本体１０をその軸心線周りに回転できるようになっている。
また、ヘッド本体１０の下面には、第１の凹部１１が設けられている。この第１の凹部１１は円柱状の凹部に形成されており、その内側には円板状に形成された支持プレート１３が略水平に配置されている。この支持プレート１３は、前記ヘッド本体１０に対して上下方向に移動可能に支持されており、径方向略中心部には上下に連通する連通穴１４、下面には円柱状の凹部である第２の凹部１５を備えている。
支持プレート１３とヘッド本体１０の間には、帯状の第１の膜状部材１６が前記支持プレート１３の全周に亘って設けられている。この第１の膜状部材１６は、支持プレート１３の周縁部からヘッド本体１０の内周面に亘って連架されており、それによって、支持プレート１３の上面側に第１の空間１７を形成している。なお、第１の膜状部材１６としては、樹脂等の可撓性を有する素材が使用される。
支持プレート１３の下面には、ウエーハＵ（加工物）を保持するための第２の膜状部材１８が設けられている。この第２の膜状部材１８は第２の凹部１５を閉塞しており、それによって、前記支持プレート１３との間に第２の空間１９を形成している。なお、第２の膜状部材１８としては、例えばメンブレン等の可撓性を有する素材が使用される。
ヘッド本体１０の径方向略中心部には、上下に連通する連通穴２０が形成されている。この連通穴２０は、第２の揺動アーム７内に設けられた前記気体供給管（図示しない）を介して、加圧手段としての気体供給装置９（図１参照）に接続されており、この気体供給装置９を作動することで、前記第１、第２の空間１７、１９内を所望の圧力に設定できるようになっている。
また、ヘッド本体１０の研磨パッドに接する部分には、リテーナリング２２（リテーナ）が設けられている。このリテーナリング２２は、前記第２の膜状部材１８の下面に保持されたウエーハＵを包囲し、ウエーハＵが研磨ヘッド６から脱落するのを防止している。
ヘッド本体１０の凹部の側面には、リング状の調整部材２３が着脱可能に設けられている。この調整部材２３は、内周部がヘッド本体１０の径方向内側に突出しており、その突出部分で第１の膜状部材１６の下面外周部を支持することで、第１の膜状部材１６の外周部が下方に撓むのを防止している。
前記構成のウエーハ研磨装置を使用する場合、最初にヘッド本体１０に設けられた第２の膜状部材１８の下面に調整部材選定用のウエーハＵを接着固定する。そして、研磨パッド２と研磨ヘッド６を回転させ、第２の揺動アーム７を下降させる。
第２の揺動アーム７の下降によりリテーナリング２２が研磨パッド２に当接したら、気体供給装置９を作動して第１、第２の空間１７、１９内を所定の圧力に加圧する。これにより、第２の膜状部材１８の下面に保持されたウエーハＵは、研磨パッド２の表面に押し付けられる。
このとき、支持プレート１３の上面と下面には、第１の空間１７内の圧力と第２の空間１９内の圧力によってそれぞれ加圧力が作用している。これらの加圧力のバランスが悪いと、支持プレート１３が所望の高さからずれ、第２の膜状部材１８が下方に膨らんだり、上方に膨らんだりすることがある。その場合、研磨パッド２とウエーハＵの接触圧力を前記ウエーハＵの全面に亘って均一にすることができない。
そこで、本発明では、内径寸法が異なる複数の調整部材を用意しておき、これら調整部材の中から、最適な内径寸法を有する調整部材２３を選定してヘッド本体１０に取付けることで、支持プレート１３を最適な高さ、すなわち研磨パッド２とウエーハＵの接触圧力が前記ウエーハＵの全面に亘って均一となる高さに調整している。
支持プレート１３の高さを調整する原理を簡単に説明する。
ヘッド本体１０に調整部材２３を取付けると、調整部材２３の内周部が第１の膜状部材１６の下面外周部を支持し、第１の膜状部材１６の外周部が下方に撓むのを防止する。これにより、第１の空間１７の圧力の一部が、調整部材２３を介してヘッド本体１０に作用するため、支持プレート１３を押下する力が、ヘッド本体１０の径方向内側への調整部材２３の突出量に応じた量だけ減少する。
したがって、最適な内径寸法を有する調整部材を選定してヘッド本体１０に取付ければ、支持プレート１３の上面と下面に作用する加圧力のバランスにより、支持プレート１３を最適な高さ、すなわち研磨パッド２とウエーハＵの接触圧力がウエーハＵの全面に亘って均一となる高さに設定することができる。
支持プレート１３が最適な高さに設定されたら、前記調整部材選定用のウエーハＵを取り外し、第２の膜状部材１８の下面に加工用のウエーハＵを保持する。そして、研磨パッド２と研磨ヘッド６を回転させ、第２の揺動アーム７を下降させる。
第２の揺動アーム７の下降によりリテーナリング２２が研磨パッド２に当接したら、気体供給装置９により第１の空間１７内に気体を供給して、第１、第２の空間１７、１９内を所定の圧力に加圧する。これにより、第２の膜状部材１８の下面に保持されたウエーハＵは、研磨パッド２の表面に押し付けられ、研磨パッド２と研磨ヘッド６の回転により、その表面が均一な研磨レートで研磨される。
前記構成のウエーハ研磨装置によれば、支持プレート１３の上面側と下面側に形成される第１の空間１７と第２の空間１９を連通穴１４を介して連通させることで、これら第１、第２の空間１７、１９が同じ圧力となるようにしている。
そのため、気体供給装置９が供給する気体の圧力が変動したとしても、第１の空間１７の圧力と第２の空間１９の圧力が同時かつ同等に変動するから、支持プレート１３の高さが殆んど変動しない。
したがって、ウエーハＵの研磨中に気体供給装置９の加圧力が不安定となっても、研磨パッド２とウエーハＵの接触圧力が変化することがないから、ウエーハＵを均一な研磨レートで高精度に研磨することができる。
図３は同実施の形態に係る第１の空間１７と第２の空間１９内の圧力を変動させた場合における、ウエーハＵの径方向に対する接触圧力の変化を示すシミュレーショングラフである。なお、ここでは第１、第２の空間１７、１９に与える圧力を〔１〕１９５［ｈＰａ］、〔２〕２００［ｈＰａ］、〔３〕２０５［ｈＰａ］と変動させている。
図３に示すように、第１、第２の空間１７、１８内の圧力を〔１〕１９５［ｈＰａ］、〔２〕２００［ｈＰａ］、〔３〕２０５［ｈＰａ］と変化させても、ウエーハＵと研磨パッド２の間の接触圧力がウエーハＵの径方向に対して殆んど変化していないのがわかる。
このように、本発明の実施の形態に係るウエーハ研磨装置を用いてウエーハＵの研磨をした場合、第１、第２の空間１７、１９内の圧力を変動させても、その影響がウエーハＵの研磨に対して及ばないのが確認できる。
なお、本実施の形態では、第１、第２の空間１７、１９内に気体を供給していたが、気体に限定されることはなく、例えば液体であっても構わない。また、加工物としてウエーハＵを用いているが、これに限定されるのもではない。
次に、図４を用いて本発明の第２の実施の形態を説明する。
図４は本発明の第２の実施の形態に係る研磨ヘッドの断面図である。
図４に示すように、本実施の形態に係る調整部材２３Ａは、支持プレート１３の上面外周部に設けられている。この調整部材２３Ａは、第１の膜状部材１６の下面内周部と接触し、支持プレート１３の径方向外側に突出した部分で、前記第１の膜状部材１６の内周部が下方に撓むのを防止している。
このように、調整部材２３Ａを支持プレート１３に設けても、異なる外径を有する複数の調整部材２３Ａを用意しておき、その中から最適な外径を有する調整部材２３Ａを選定することで、支持プレート１３を押し下げる力を調整することができるので、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
次に、図５を用いて本発明の第３の実施の形態を説明する。
図５は本発明の第３の実施の形態に係る調整部材の平面図である。
図５（ａ）と（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る調整部材２３Ｂは、同じ形状をした２枚のリング状の部材２３ｂによって構成されている。これらの部材２３ｂは、互いに重ね合わされた状態でヘッド本体１０に着脱可能に設けられるもので、各々の内周部には第１の膜状部材１６の外周部が下方に撓むのを防止する複数の突出部３１が周方向に対して所定間隔で設けられている。
図５（ｃ）に示すように、２枚の部材２３ｂを同軸となるよう重ね合わせ、互いに周方向にずらずと、調整部材２３Ｂにより支持される第１の膜状部材１６の支持面積を変えることができる。これにより、支持プレート１３を押下する力を調整することができるから、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
しかも、部材２３ｂ同士を互いにずらすだけで、第１の膜状部材１６の支持面積を無段階に変えることができるから、２枚の部材２３ｂを予め用意しておけば種々のウエーハＵの厚さやリテーナリング２２の厚さに対応することができる。
次に、図６〜図８を用いて本発明の第４の実施の形態を説明する。
図６は本発明の第４の実施の形態に係る調整部材の平面図、図７は同実施の形態に係る調整部材の断面図、図８は図７中にＳで示す部分を拡大して示す拡大図である。
図６〜図８に示すように、本実施の形態に係る調整部材２３Ｃは、第１の膜状部材１６の外周部が下方に撓むのを防止する複数の挿入板４１と、ヘッド本体１０に設けられて前記挿入板４１を支持する支持体４２とによって構成されている。
前記支持体４２には、複数の挿入穴４３が周方向に対して所定間隔で放射状に形成されており、各挿入穴４３には前記挿入板４１が移動自在に挿入されている。挿入板４１の表面と挿入穴４３の内面には、それぞれ波型の屈曲面４４ａ、４４ｂ（屈曲部）が形成されており、各互いの屈曲面４４ａ、４４ｂを係合させることで、挿入板４１の挿入深さを所望の位置に保持できるようになっている。
この調整部材２３Ｃを用いれば、前記実施の形態のように、研磨ヘッド６を分解することなく挿入板４１の突出量を調整できるから、支持プレート１３の高さを調整する作業を容易に行うことができる。
次に、図９を用いて本発明の第５の実施の形態を説明する。
図９は本発明の第５の実施の形態に係る研磨ヘッドの断面図。
図９に示すように、本実施の形態に係るヘッド本体１０は、第４の実施の形態に係る挿入板４１を進退駆動させる駆動装置５１を備えている。この駆動装置５１は、ヘッド本体１０の上面に設けられたモータ５２と、このモータ５２に連結された駆動軸５３と、この駆動軸５３の先端部に設けられた第１の傘歯車５４と、この第１の傘歯車５４と噛み合う第２の傘歯車５５と、この第２の傘歯車５５に連結され、第２の傘歯車５５の動きに連動して前記挿入板４１を進退させる進退機構５６とから構成される。
このように、挿入板４１を進退駆動させる駆動装置５１を備えることで、支持プレート１３の高さを調整する工程を含む全ての工程を自動化することが可能となり、生産性の向上やコストの低下を実現することができる。
なお、本発明は、前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
本発明の第１の実施の形態に係るウエーハ研磨装置の斜視図。 同実施の形態に係る研磨ヘッドの構成の構成図。 同実施の形態に係る第１の空間と第２の空間内の圧力を変動させた場合における、ウエーハＵの径方向に対する接触圧力の変化を示すシミュレーショングラフ。 本発明の第２の実施の形態に係る研磨ヘッドの断面図。 本発明の第３の実施の形態に係る調整部材の平面図。 本発明の第４の実施の形態に係る調整部材の構成図。 同実施の形態に係る調整部材の断面図。 図７中にＳで示す部分を拡大して示す拡大図。 本発明の第５の実施の形態に係る研磨ヘッドの断面図。 従来の研磨ヘッドの構成図である。 従来のリテーナリングとゴム膜の関係を示す概略図。 従来の分離型の研磨ヘッドの構成図。 第１の空間の圧力を変動させた場合における、ウエーハＵの径方向に対する接触圧力の変化を示すシミュレーショングラフ。
符号の説明
２…研磨パッド、６…研磨ヘッド、９…加圧手段、１０…ヘッド本体、１１…第１の凹部、１３…支持プレート、１４…連通穴、１５…第２の凹部、１６…第１の膜状部材、１７…第１の空間、１８…第２の膜状部材、１９…第２の空間、２２…リテーナリング（リテーナ）、２３…調整部材、２３Ａ…調整部材、２３Ｂ…調整部材、２３Ｃ…調整部材、３１…突出部、４２…支持体、４３挿入穴、４１…挿入板、４４ａ、４４ｂ…屈曲面（屈曲部）、Ｕ…ウエーハ（加工物）。

Claims (8)

  1. 加工物を保持して、回転する研磨パッドに押し付けることで、前記加工物の表面を研磨する研磨ヘッドにおいて、
    前記研磨パッドの研磨面に対向配置されるヘッド本体と、
    前記ヘッド本体の前記研磨パッドと対向する面に設けられる第１の凹部と、
    前記第１の凹部内に略水平に設けられ、前記ヘッド本体に対して相対的に接離する方向に移動可能な支持プレートと、
    前記支持プレートの前記ヘッド本体と対向する面から前記ヘッドの内面外周部と円柱状の側面に亘って設けられ、前記支持プレートの前記ヘッド本体と対向する面側に第１の空間を形成する第１の膜状部材と、
    前記支持プレートの前記研磨パッドと対向する面に設けられる第２の凹部と、
    前記支持プレートの前記研磨パッドと対向する面に前記第２の凹部を閉塞するように設けられ、前記支持プレートとの間に第２の空間を形成するとともに、前記加工物を前記研磨パッドと対向する面で保持する第２の膜状部材と、
    前記支持プレートに設けられ、前記第１の空間と前記第２の空間とを連通する連通穴と、
    前記第１の空間と前記第２の空間内を流体により同一圧力で加圧することで、前記加工物を前記第２の膜状部材を介して前記研磨パッドに押し付ける加圧手段と、
    前記ヘッド本体の研磨パッドに接する部分に設けられ、前記加工物を包囲するとともに、前記研磨パッドに当接されるリテーナと、
    前記支持プレートに着脱可能に設けられ、前記第１の膜状部材の前記研磨パッドに対向する面の内周部を支持するリング状の部材である調整部材とを具備し、
    前記調整部材は、内周面に複数の突出部を有し、互いに重ね合わせた状態で設けることで、前記複数の突出部の位置により前記第１の膜状部材の支持面積を変更可能に形成されており、前記支持面積を変えることで、前記第１の空間内の圧力により前記支持プレートに作用する押し下げ力を調整して、前記支持プレートの前記ヘッド本体に対する高さを制御することを特徴とする研磨ヘッド。
  2. 加工物を保持して、回転する研磨パッドに押し付けることで、前記加工物の表面を研磨する研磨ヘッドにおいて、
    前記研磨パッドの研磨面に対向配置されるヘッド本体と、
    前記ヘッド本体の前記研磨パッドと対向する面に設けられる第１の凹部と、
    前記第１の凹部内に略水平に設けられ、前記ヘッド本体に対して相対的に接離する方向に移動可能な支持プレートと、
    前記支持プレートの前記ヘッド本体と対向する面から前記ヘッドの内面外周部と円柱状の側面に亘って設けられ、前記支持プレートの前記ヘッド本体と対向する面側に第１の空間を形成する第１の膜状部材と、
    前記支持プレートの前記研磨パッドと対向する面に設けられる第２の凹部と、
    前記支持プレートの前記研磨パッドと対向する面に前記第２の凹部を閉塞するように設けられ、前記支持プレートとの間に第２の空間を形成するとともに、前記加工物を前記研磨パッドと対向する面で保持する第２の膜状部材と、
    前記支持プレートに設けられ、前記第１の空間と前記第２の空間とを連通する連通穴と、
    前記第１の空間と前記第２の空間内を流体により同一圧力で加圧することで、前記加工物を前記第２の膜状部材を介して前記研磨パッドに押し付ける加圧手段と、
    前記ヘッド本体の研磨パッドに接する部分に設けられ、前記加工物を包囲するとともに、前記研磨パッドに当接されるリテーナと、
    前記ヘッド本体に着脱可能に設けられ、前記第１の膜状部材の前記研磨パッドに対向する面の外周部を支持するリング状の部材である調整部材とを具備し、
    前記調整部材は、複数の前記調整部材を互いに重ね合わされており、且つ、前記調整部材により前記第１の膜状部材の支持面積を変えることで、前記第１の空間内の圧力により前記支持プレートに作用する押し下げ力を調整して、前記支持プレートの前記ヘッド本体に対する高さを制御することを特徴とする研磨ヘッド。
  3. 前記第１の膜状部材の支持面積を変えることは、前記調整部材に接続された駆動装置により行われることを特徴とする請求項２に記載の研磨ヘッド。
  4. 加工物を保持して、回転する研磨パッドに押し付けることで、前記加工物の表面を研磨する研磨ヘッドにおいて、
    前記研磨パッドの研磨面に対向配置されるヘッド本体と、
    前記ヘッド本体の前記研磨パッドと対向する面に設けられる第１の凹部と、
    前記第１の凹部内に略水平に設けられ、前記ヘッド本体に対して相対的に接離する方向に移動可能な支持プレートと、
    前記支持プレートの前記ヘッド本体と対向する面から前記ヘッドの内面外周部と円柱状の側面に亘って設けられ、前記支持プレートの前記ヘッド本体と対向する面側に第１の空間を形成する第１の膜状部材と、
    前記支持プレートの前記研磨パッドと対向する面に設けられる第２の凹部と、
    前記支持プレートの前記研磨パッドと対向する面に前記第２の凹部を閉塞するように設けられ、前記支持プレートとの間に第２の空間を形成するとともに、前記加工物を前記研磨パッドと対向する面で保持する第２の膜状部材と、
    前記支持プレートに設けられ、前記第１の空間と前記第２の空間とを連通する連通穴と、
    前記第１の空間と前記第２の空間内を流体により同一圧力で加圧することで、前記加工物を前記第２の膜状部材を介して前記研磨パッドに押し付ける加圧手段と、
    前記ヘッド本体の研磨パッドに接する部分に設けられ、前記加工物を包囲するとともに、前記研磨パッドに当接されるリテーナと、
    前記ヘッド本体に設けられ、前記第１の膜状部材の前記研磨パッドと対向する面を支持する調整部材とを具備し、
    前記調整部材は、前記ヘッド本体の内周部に互いに重ね合わされた状態で設けられ、内周面に複数の突出部を備えた複数のリング状の部材からなり、前記調整部材により前記第１の膜状部材の支持面積を変えることで、前記第１の空間内の圧力により前記支持プレートに作用する押し下げ力を調整して、前記支持プレートの前記ヘッド本体に対する高さを制御することを特徴とする研磨ヘッド。
  5. 加工物を保持して、回転する研磨パッドに押し付けることで、前記加工物の表面を研磨する研磨ヘッドにおいて、
    前記研磨パッドの研磨面に対向配置されるヘッド本体と、
    前記ヘッド本体の前記研磨パッドと対向する面に設けられる第１の凹部と、
    前記第１の凹部内に略水平に設けられ、前記ヘッド本体に対して相対的に接離する方向に移動可能な支持プレートと、
    前記支持プレートの前記ヘッド本体と対向する面から前記ヘッドの内面外周部と円柱状の側面に亘って設けられ、前記支持プレートの前記ヘッド本体と対向する面側に第１の空間を形成する第１の膜状部材と、
    前記支持プレートの前記研磨パッドと対向する面に設けられる第２の凹部と、
    前記支持プレートの前記研磨パッドと対向する面に前記第２の凹部を閉塞するように設けられ、前記支持プレートとの間に第２の空間を形成するとともに、前記加工物を前記研磨パッドと対向する面で保持する第２の膜状部材と、
    前記支持プレートに設けられ、前記第１の空間と前記第２の空間とを連通する連通穴と、
    前記第１の空間と前記第２の空間内を流体により同一圧力で加圧することで、前記加工物を前記第２の膜状部材を介して前記研磨パッドに押し付ける加圧手段と、
    前記ヘッド本体の研磨パッドに接する部分に設けられ、前記加工物を包囲するとともに、前記研磨パッドに当接されるリテーナと、
    前記ヘッド本体に設けられ、周方向に対して所定間隔で複数の挿入穴を備えたリング状の支持体、前記挿入穴に移動可能に挿入され、前記支持体の径方向内側に突出して前記第１の膜状部材の前記研磨パッドと対向する面の外周部を支持する挿入板により構成される調整部材とを具備することを特徴とする研磨ヘッド。
  6. 前記挿入穴の内面と前記挿入板とにはそれぞれ屈曲部が形成されており、前記挿入穴の内面に形成された屈曲部と前記挿入板に形成された屈曲部とを係合することで、前記挿入板の挿入深さを所望の位置に保持できることを特徴とする請求項５記載の研磨ヘッド。
  7. 研磨ヘッドで加工物を保持し、回転する研磨パッドに押し付けることで、前記加工物の表面を研磨する研磨装置において、
    前記研磨ヘッドは、
    前記研磨パッドの研磨面に対向配置されるヘッド本体と、
    前記ヘッド本体の前記研磨パッドと対向する面に設けられる第１の凹部と、
    前記第１の凹部内に略水平に設けられ、前記ヘッド本体に対して相対的に接離する方向に移動可能な支持プレートと、
    前記支持プレートの前記ヘッド本体と対向する面から前記ヘッドの内面外周部と円柱状の側面に亘って設けられ、前記支持プレートの前記ヘッド本体と対向する面側に第１の空間を形成する第１の膜状部材と、
    前記支持プレートの前記研磨パッドと対向する面に設けられる第２の凹部と、
    前記支持プレートの前記研磨パッドと対向する面に前記第２の凹部を閉塞するように設けられ、前記支持プレートとの間に第２の空間を形成するとともに、前記加工物を前記研磨パッドと対向する面で保持する第２の膜状部材と、
    前記支持プレートに設けられ、前記第１の空間と前記第２の空間とを連通する連通穴と、
    前記第１の空間と前記第２の空間内を流体により同一圧力で加圧することで、前記加工物を前記第２の膜状部材を介して前記研磨パッドに押し付ける加圧手段と、
    前記ヘッド本体の研磨パッドに接する部分に設けられ、前記加工物を包囲するとともに、前記研磨パッドに当接されるリテーナと、
    前記支持プレートに着脱可能に設けられ、前記第１の膜状部材の前記研磨パッドに対向する面の内周部を支持するリング状の部材である調整部材とを具備し、
    前記調整部材は、内周面に複数の突出部を有し、互いに重ね合わせた状態で設けることで、前記複数の突出部の位置により前記第１の膜状部材の支持面積を変更可能に形成されており、前記支持面積を変えることで、前記第１の空間内の圧力により前記支持プレートに作用する押し下げ力を調整して、前記支持プレートの前記ヘッド本体に対する高さを制御することを特徴とする研磨装置。
  8. 研磨ヘッドで加工物を保持し、回転する研磨パッドに押し付けることで、前記加工物の表面を研磨する研磨装置において、
    研磨ヘッドは、
    前記研磨パッドの研磨面に対向配置されるヘッド本体と、
    前記ヘッド本体の前記研磨パッドと対向する面に設けられる第１の凹部と、
    前記第１の凹部内に略水平に設けられ、前記ヘッド本体に対して相対的に接離する方向に移動可能な支持プレートと、
    前記支持プレートの前記ヘッド本体と対向する面から前記ヘッドの内面外周部と円柱状の側面に亘って設けられ、前記支持プレートの前記ヘッド本体と対向する面側に第１の空間を形成する第１の膜状部材と、
    前記支持プレートの前記研磨パッドと対向する面に設けられる第２の凹部と、
    前記支持プレートの前記研磨パッドと対向する面に前記第２の凹部を閉塞するように設けられ、前記支持プレートとの間に第２の空間を形成するとともに、前記加工物を前記研磨パッドと対向する面で保持する第２の膜状部材と、
    前記支持プレートに設けられ、前記第１の空間と前記第２の空間とを連通する連通穴と、
    前記第１の空間と前記第２の空間内を流体により同一圧力で加圧することで、前記加工物を前記第２の膜状部材を介して前記研磨パッドに押し付ける加圧手段と、
    前記ヘッド本体の研磨パッドに接する部分に設けられ、前記加工物を包囲するとともに、前記研磨パッドに当接されるリテーナと、
    前記ヘッド本体に着脱可能に設けられ、前記第１の膜状部材の前記研磨パッドに対向する面の外周部を支持するリング状の部材である調整部材とを具備し、
    前記調整部材は、複数の前記調整部材を互いに重ね合わされており、且つ、前記調整部材により前記第１の膜状部材の支持面積を変えることで、前記第１の空間内の圧力により前記支持プレートに作用する押し下げ力を調整して、前記支持プレートの前記ヘッド本体に対する高さを制御することを特徴とする研磨装置。
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