JP5042778B2 - ワーク研磨用ヘッド及びこの研磨ヘッドを備えた研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、ワークの表面を研磨する際にワークを保持するための研磨ヘッド、及びそれを備えた研磨装置に関し、特には、ラバー膜にワークを保持する研磨ヘッド及びそれを備えた研磨装置に関する。

近年の半導体デバイスの高集積化に伴い、それに用いられている半導体シリコンウェーハの平面度の要求は益々厳しいものとなっている。また、半導体チップの収率を上げる為にウェーハのエッジ近傍の領域までの平坦性が要求されている。

シリコンウェーハの最終形状は最終工程である鏡面研磨加工によって決定されている。特に直径３００ｍｍシリコンウェーハでは厳しい平坦度の仕様を満足するために両面研磨での一次研磨を行い、その後に表面のキズや面粗さの改善の為に片面での表面二次研磨及び仕上げ研磨を行っている。片面の表面二次研磨及び仕上げ研磨では両面一次研磨で作られた平坦度を維持する事と表面側にキズ等の欠陥の無い完全鏡面に仕上げる事を要求されている。

一般的な片面研磨装置は例えば図８に示したように、研磨布８２が貼り付けられた定盤８３と、研磨剤供給機構８４と、研磨ヘッド８５等から構成されている。このような研磨装置８１では、研磨ヘッド８５でワークＷを保持し、研磨剤供給機構８４から研磨布８２上に研磨剤８６を供給するとともに、定盤８３と研磨ヘッド８５をそれぞれ回転させてワークＷの表面を研磨布８２に摺接させることにより研磨を行う。

ワークを研磨ヘッドに保持する方法としては、平坦な円盤状プレートにワックス等の接着剤を介してワークを貼り付ける方法等がある。その他、図９に示すように研磨ヘッド本体９１およびワーク保持盤９２の凹凸形状の転写を抑える目的でワーク保持盤９２にバッキングフィルム９３と呼ばれる弾性膜を貼って保持する方法や、ワーク保持部をラバー膜とし、該ラバー膜の背面に空気等の加圧流体を流し込み、均一の圧力でラバー膜を膨らませて研磨布にワークを押圧する、いわゆるラバーチャック方式がある（例えば特許文献１参照）。また、外周部分ダレを抑制して平坦性を向上させる目的で、ワークの外側に研磨布を押圧するための手段としてのリテーナーリングを配置した研磨ヘッドも提案されている。

従来のラバーチャック方式の研磨ヘッドの構成の一例を模式的に図１０（ａ）に示す。下面に凹部を設けた円盤状の中板１０２ａの凹部を密封するようにラバー膜（ラバー材料）１０４ａを貼り、第１の圧力調整機構１０５ａを介して第１の密閉空間部１０３ａに流体を供給してウェーハＷを押圧できる構造、いわゆるラバーチャック構造となっている。更に中板１０２ａは、弾性膜１０６ａを介して研磨ヘッド本体１０１ａに連結されており、第２の圧力調整機構１０８ａを介して弾性膜１０６ａで密閉された第２の密閉空間部１０７ａに流体を供給して中板１０２ａを加圧できる構造となっている。研磨加工中にウェーハを保持する目的で円環状のガイドリング１０９ａが研磨ヘッド本体１０１ａに連結されて、ウェーハＷの外側に配置された構造となっている。また、図１０（ｂ）のような中板１０２ｂの加圧機構を持たないでラバー膜１０４ｂのみで加圧する方式のものもある。更に外周部のダレ抑制の目的で、ガイドリングの代りに研磨布を押圧するリテーナーリングを配置した図１０（ｃ）のような研磨ヘッドも提案されている。リテーナーリング１０９ｃは、弾性膜１１０ｃで密閉された第３の密閉空間部１１１ｃに第３の圧力調整機構１１２ｃを介して流体を供給して研磨布を押圧する構造となっている。

図１０（ａ）、（ｂ）の構造のような中板の凹部開口端部にラバー膜を張設する構造の場合、開口端部近傍では、張力の影響で実効的にはラバー膜の剛性が高くなり、ワークの外周部分に掛かる圧力が高くなり、外周ダレを発生させてしまう問題があった。また、図１０（ｄ）のようにラバー膜の支持部Ｐ（開口端部）の位置をワークに対して上昇させて、外周部分の圧力を低減して外周ダレを抑制する手段も提案されている（例えば特許文献１参照）。しかしながら、ウェーハの外周ダレを改善しようとすると逆にウェーハ外周が跳ね上がる形状となり、均一性が悪化したり、ラバー膜を張設した際の張力のばらつきの影響で形状が安定しない等の問題が発生していた。図１０（ｃ）のようにワークの外側にリテーナーリングを配置して研磨布を直接押圧して外周ダレを抑制する手段も提案されているが、リテーナー材料も研磨されるため、そこからの発塵等の影響によりワーク表面にキズが発生したり、押圧していることによりワーク表面に研磨剤が十分に供給されず、研磨速度の低下を引き起こす等の問題も発生していた。

特開２００２−２６４００５号公報

そこで、本発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、ラバーチャック方式による研磨ヘッドにおいて、ワーク表面にキズ等の表面欠陥が発生することが極力抑制され、ワーク外周まで安定して均一に研磨可能な研磨ヘッド及び該研磨ヘッドを備えた研磨装置を提供する事を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では、少なくとも、研磨ヘッド本体の下部に、略円盤状の中板と、該中板に保持され少なくとも中板の下面部と側面部とを覆うラバー膜と、前記ラバー膜の周囲に設けられた円環状のガイドリングとを具備し、前記中板と前記ラバー膜で囲まれた第１の密閉空間部を有し、第１の圧力調整機構で前記第１の密閉空間部の圧力を変化させることができるように構成され、前記ラバー膜の下面部にワークの裏面を保持し、該ワークの表面を定盤上に貼り付けた研磨布に摺接させて研磨する研磨ヘッドにおいて、前記ラバー膜は、前記中板に保持される末端部分がＯリング状に形成され、前記中板は、上下に２枚に分割可能に形成されたものであって、前記中板と前記ラバー膜は、前記中板の少なくとも下面部の全面と側面部との間に隙間を有するものであり、前記ラバー膜は前記中板に、前記ラバー膜のＯリング状の末端部分を前記分割された中板に挟み込むことで保持されるものであることを特徴とする研磨ヘッドを提供する（請求項１）。

このようにラバー膜の中板への固定位置がワーク保持部側から離れた位置となるように、ラバー膜を上部が円形上に開口した中空円盤状であるブーツ状の構造とし、このブーツ状ラバー膜の末端部をＯリング状にして、中板とラバー膜の接触面積を極限まで少なくして中板に支持する構造とすることにより、ラバー膜に発生する余分な張力を抑え、ワーク外周部分のラバー膜の剛性を上げることなく、ワーク全体に均一な研磨荷重を掛けて研磨する事ができる。
その結果、ワーク全面に亘って、特に外周部において平坦性を従来に比べ高く維持して研磨する事ができる。つまり、ワーク外周まで均一に研磨することができる研磨ヘッドとすることができる。
また、リテーナーリング等を使用しないため、発塵等の影響を抑制することができる。従って、ワーク表面にキズや欠陥が発生することを防止することができる研磨ヘッドとすることができる。
そして、研磨布に押圧するリテーナーリング等が無くても、外周ダレを抑制する事が可能な研磨ヘッドとすることができる。

また、前記中板は、前記研磨ヘッド本体から分離されており、該中板の高さ方向の位置を前記研磨ヘッド本体から独立して調整する第１の高さ調整機構を具備するものであることが好ましい（請求項２）。
このように、中板を研磨ヘッド本体から分離独立して高さを調整できるようにすることで、中板に固定されたラバー膜の高さを調節することができる。これによって、ラバー膜側面の剛性を利用して、ワーク外周部分に対する圧力を変化させる事が可能で、更に、中板の高さ位置を精密に制御する第１の高さ調整機構を付加する事で、ワークの加工前形状（ハネやダレ形状）に合わせて、加工条件を変化させて加工後のワークを平坦に加工する事がより容易となる。

また、前記研磨ヘッド本体は、前記中板から分離されており、該研磨ヘッド本体の高さ方向の位置を前記中板から独立して調整する第２の高さ調整機構を具備するものであって、該第２の高さ調整機構は前記研磨布と前記ガイドリングとの隙間の距離を前記ワークの厚みの２５〜４５％の幅に保つものであることが好ましい（請求項３）。
このように、研磨ヘッド本体、つまりはガイドリングについても高さ調節機構（第２の高さ調整機能）を具備する事で、ガイドリングと研磨布の隙間を一定に保つ事が可能となり、よって、より安定してワークを保持し、研磨速度の低下やワークの表面品質を劣化させないでワークの研磨加工ができる。
また、研磨布とガイドリングの隙間をワークの厚みの２５〜４５％に保つことで、ガイドリングと研磨布との隙間が小さすぎる時に起こる研磨剤の供給不足によって発生する研磨速度の低下を防止することができ、また、隙間が大きすぎる場合に加工中にワークを保持できなくなることを防止することができる。

また、前記第１の高さ調整機構および前記第２の高さ調整機構は、ボールネジを用いたものであることが好ましい（請求項４）。
このように、前記第１、第２の高さ調整機構にボールネジを用いる事で、より精密な高さ方向の位置の調節が容易となり、より高精度で安定した研磨が可能となる。

また、前記中板と前記研磨ヘッド本体とを連結する弾性膜と、前記研磨ヘッド本体に取り付けられたストッパーとを具備し、前記中板と前記研磨ヘッド本体と前記弾性膜で囲まれた第２の密閉空間部を有し、第２の圧力調整機構で前記第２の密閉空間部の圧力を変化させることができるように構成され、前記第１の高さ調整機構が、前記ストッパーであることが好ましい（請求項５）。
このように、中板部分と研磨ヘッド本体部を弾性膜で連結し、中板と研磨ヘッド本体と弾性膜で密閉された第２の密閉空間部の圧力を調整することで、中板を上昇、下降させることができ、また、研磨ヘッド本体に取り付けられたストッパーの高さを調節する事で、中板の高さ位置を調整することができ、簡便な機構でラバー膜の高さ制御が可能となる。

また、前記ストッパーは、圧電素子であることが好ましい（請求項６）。
このように、更にストッパーを圧電素子で形成して、印加電圧を制御することによってストッパー厚さを可変とすれば、ラバー膜を自動で任意の高さに調節でき、ワークの研磨前の形状に合わせて、外周部分の形状をダレからハネに任意に自動調節でき、ワークを更に平坦に加工することができる。

また、本発明では、ワークの表面を研磨する際に使用する研磨装置であって、少なくとも、定盤上に貼り付けられた研磨布と、該研磨布上に研磨剤を供給するための研磨剤供給機構と、前記ワークを保持するための研磨ヘッドとして、前記本発明に係る研磨ヘッドを具備することを特徴とする研磨装置が提供される（請求項７）。
このように、本発明に係る研磨ヘッドを備えた研磨装置を用いてワークの研磨を行えば、ワーク全体に均一な研磨荷重を掛けてワークを研磨する事ができ、ワーク全面に亘って、特に外周部において平坦性を高く維持して研磨する事ができる。

また、前記研磨ヘッド本体から前記研磨布までの距離を非接触で検出するセンサーと、前記第１の高さ調整機構と、前記第２の高さ調整機構とを具備し、前記第１の高さ調整機構は、前記センサーにて検出された前記研磨ヘッド本体から前記研磨布までの距離に応じて前記中板および前記ラバー膜の高さ方向の位置を調整し、前記第２の高さ調整機構は、前記センサーにて検出された前記研磨ヘッド本体から前記研磨布までの距離に応じて前記研磨布と前記ガイドリングとの隙間の高さ方向の位置を調整するものであることが好ましい（請求項８）。
このように、センサーで測定した研磨ヘッド本体から研磨布までの距離に応じて中板およびラバー膜の高さを調節する第１の高さ調整機構を備える事でワークの加工前の形状に合わせて形状を修正する研磨ができ、その結果、研磨されたワークの表面平坦性を良好にすることができる。更に、センサーで測定した研磨ヘッド本体から研磨布までの距離に応じて研磨ヘッド本体の高さを調節する第２の高さ調整機構を備えることで、研磨ヘッド本体に繋がるガイドリングと研磨布間の隙間を一定に保ち、安定にワークを保持し、研磨速度の低下やワークの表面品質を劣化させないでワークの研磨加工ができる。

以上説明したように、本発明に係る研磨ヘッドを用いてワークの研磨を行えば、ワーク全体に均一な研磨荷重を掛けてワークを研磨する事ができ、ワーク全面に亘って、特に外周部において平坦性を高く維持して研磨する事ができる研磨ヘッドとすることができる。

以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、特に半導体シリコンウェーハのワークの場合には、表面の平坦性とキズや欠陥等のない表面の完全性についてより高い水準が求められている。ラバーチャック方式の研磨ヘッドの場合、従来のセラミックプレート等に接着して研磨する方式の研磨ヘッドに比べてより高平坦な加工が可能ではあるが、ワークの特に外周部分において外周ダレ等が発生する問題があった。また、このような外周ダレを改善する目的で、ワークの保持面の外側にリテーナーリングを配置し、ワーク研磨加工中にワークの外側部分の研磨布を押圧して外周ダレを抑制する方式の研磨ヘッドも提案されているが、リテーナーリングからの異物等の影響でワーク表面にキズが発生したり、リテーナーリングで研磨布を押圧するためにワーク表面に研磨剤が十分に供給されず研磨速度の低下を引き起こす等の問題も発生していた。このような問題を解決し、ワークを高平坦に加工できる研磨ヘッド及び研磨装置を提供するために、本発明者らは、実験及び検討を行った。

その中で、本発明者らは従来技術の問題点が以下の事であることを見出した。
従来のラバーチャック方式の研磨ヘッドは、図１０（ａ）のように中板１０２ａに凹部を設けて、該凹部開口端部にラバー膜１０４ａを張設しているが、その為に、ラバー膜支持端がワーク保持部に近い構造となっており、ラバー膜支持端近傍は張力の影響で実効的なラバー膜の剛性が高くなり、ワークＷの外周部分に掛かる圧力が高くなり、その結果、外周ダレが発生していた。また、図１０（ｄ）のようにラバー膜の支持部Ｐ（開口端部）の位置をワークＷに対して上昇させて、外周部分の圧力を低減して外周ダレを抑制する方法も提案されているが、ラバー膜の支持端での張力のばらつきの影響でワークの周方向において形状が安定しない事がわかった。

そこで、本発明者らは、鋭意実験及び検討を行い、ラバー膜の中板への固定位置がワーク保持部側から離れた位置となるように、ラバー膜を上部が円形上に開口した中空円盤状であるブーツ状の構造とし、ブーツ状ラバー膜（以下ラバー膜という）の末端部をＯリング状にして、中板とラバー膜の接触面積を極限まで少なくして中板に支持することにより、ラバー膜に対して余分な張力の発生を抑えることで、ワーク外周部分のラバー膜の剛性を上げることなく、ワーク全体に均一な研磨荷重が掛けられる事を見出し、本発明を完成させた。

以下添付の図面を参照しつつ、本発明に係る研磨ヘッド及び研磨装置について具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は、本発明に係る研磨ヘッドの第一の態様を示している。この研磨ヘッド１０は、末端部がＯリング状となったブーツ状のラバー膜１３（ラバー膜）を具備する。該ラバー膜１３は、末端部のＯリング部を、該Ｏリング部を保持するために設けられた円環状の溝を具備した略円盤状の中板１２ａと１２ｂで挟持されている。ラバー膜１３は、末端部のＯリング等の挟み込み部のみで中板と接触し、該ラバー膜１３の底面、側面は中板１２ｂと接触しない状態で略円盤状の中板１２ａ及び１２ｂに挟持されている。また、ラバー膜１３を挟持した略円盤状の中板１２ａ及び１２ｂは、フランジ構造の研磨ヘッド本体１１に固定されている。研磨加工中にワークＷのエッジを保持するための円環状のガイドリング１９がワークＷの外周に沿って配置され、該ガイドリング１９は研磨ヘッド本体に連結されている。ラバー膜１３で密閉された第１の密閉空間部１４に第１の圧力調整機構１５より流体が供給されることにより、該ラバー膜１３が膨らみ、ワークＷ背面に荷重が掛かる構造となっている。

また、ラバー膜１３のワーク保持部にワークＷの背面保護の目的でバッキングフィルムを貼って使用するのが望ましい。

このようにラバー膜１３の固定端部がワークＷの保持部から離れた位置に配した構造とし、且つ中板１２ａ及び１２ｂとラバー膜１３の接触面積を極限まで少なくすることにより、該ラバー膜１３を中板１２ａ及び１２ｂに支持することに基づく余分な張力が発生することを抑える事ができ、よってワークＷ全体に均一な荷重を掛けてワークＷを研磨する事ができる。
これによって、ワーク全面に亘って平坦性を従来に比べ高く維持することができ、外周部であってもハネやダレの発生が抑制されたワークを得ることができる研磨ヘッドとすることができる。
更に、リテーナーリング等を使用しないので、リテーナー材料などからの発塵が防止されているので、ワーク表面に傷が発生することを抑制することができる。そして、ワーク表面に研磨剤が十分に供給されるため、研磨速度の低下が引き起こされることが無い研磨ヘッドとすることができる。

図２は、本発明に係る研磨ヘッドの第二の態様を示している。この研磨ヘッド２０は、図１に示した研磨ヘッド１０とは異なり、中板２２ａ及び２２ｂが研磨ヘッド本体２１とは連結されておらず、第１の高さ調整機構２６に連結されており、ラバー膜２３の位置を上下に変化させる事ができる構造となっている。
そして、研磨ヘッド本体２１は研磨加工中にワークＷのエッジを保持するための円環状のガイドリング２９が連結されており、研磨ヘッド本体２１は第２の高さ調整機構２７に連結されており、ガイドリング２９の高さ方向の位置を上下に変化させる事ができる構造となっている。ガイドリング２９の位置は、研磨布とガイドリングの隙間がワークＷの厚みの２５〜４５％になるように調節する事ができる。

このように中板を研磨ヘッド本体と分離独立して高さを調整できる機構（第１の高さ調整機構）を備えることによって、中板に固定されたラバー膜の高さを変化させることができ、これによって、ラバー膜側面の剛性の影響を利用して、ワーク外周部分に対する圧力を変化させる事が可能で、更に、ワークの加工前形状（ハネやダレ形状）に合わせて、加工条件を変化させて加工後のワークをより平坦に加工する事が容易となる。

また、研磨ヘッド本体、つまりはガイドリングの高さを調節する機構（第２の高さ調整機能）を付加する事で、ガイドリングと研磨布の隙間を一定に保つ事が可能となり、安定にワークを保持し、研磨速度の低下やワークの表面品質を劣化させないでワークの研磨加工をすることが更に容易にできる。
また、研磨布とガイドリングの隙間をワークの厚みの２５〜４５％に保つことで、ガイドリングと研磨布との隙間が小さすぎる時に起こる研磨剤の供給不足によって発生する研磨速度の低下を防止することができ、また、隙間が大きすぎる場合に研磨加工中にワークを保持できなくなることを防止することができる。

そして、前記のように第１の高さ調整機構および第２の高さ調整機構として、ボールネジを用いたものとすることができる。
ボールネジを高さ調整機構に用いることによって、より精密な調節が容易となり、より高精度で安定した研磨が可能となる。

図３は、ラバー膜３３の位置を変化させた場合のワークＷとラバー膜３３の状態を示している。（ａ）はラバー膜３３の底面位置とワークＷの背面位置が同じ状態（基準位置）、（ｂ）はラバー膜３３の位置を（ａ）より下降させた状態、（ｃ）はラバー膜３３の位置を（ａ）よりも上昇させた状態を示している。図３（ｂ）のようにラバー膜３３の位置を下げた場合、ラバー膜３３の底面がワークＷの背面に強く押し付けられた状態となり、ラバー膜３３の側面側が横に膨らんだ状態となる。この場合、ラバー膜側面の剛性の影響により、ワークＷの外周部に掛かる圧力が高くなり、ワークの外周部分をダレ形状にする事ができる。また、図３（ｃ）のようにラバー膜３３の位置を上げた場合、該ラバー膜３３の中心部分の膨らみが大きくなり、ラバー膜３３の外周部分の膨らみは小さくなるため、ワークＷの外周部に掛かる圧力が小さくなり、ワークの外周部分を跳ねた形状にする事ができる。

このようにラバー膜３３の位置を変化させることにより、ワークＷの外周部分の形状をフラット、ダレ、ハネのいずれの形状にもコントロールする事が可能となる。従って、加工前のワークＷの形状（フラット、ダレ、ハネ）に合わせてラバー膜３３の位置を調節することにより、ワークＷの形状を平坦に修正することが容易となる。

図４は、本発明に係る研磨ヘッドの第三の態様を示している。この研磨ヘッド４０は、ラバー膜４３の高さを調節する手段として、図２で示したような機械的な上下動機構を用いない方法の一例である。中板４２ａを研磨ヘッド本体４１と弾性膜４７で連結し、中板４２ａ、弾性膜４７と研磨ヘッド本体４１で密閉された第２の密閉空間部４６の圧力を調整する第２の圧力調整機構４８によって減圧し、中板４２ａ、４２ｂ及びラバー膜４３を上昇させ、研磨ヘッド本体に取り付けられたストッパー５０によって中板の高さを調節する事で、ラバー膜４３の位置を調節する。この方法であれば、より簡便な構造でラバー膜の高さ調整が可能となる。

このように、前記ラバー膜を有した中板部分と研磨ヘッド本体部を弾性膜で連結し、中板部分と研磨ヘッド本体と弾性膜で密閉された第２の密閉空間部の圧力を調整することで、中板を上昇、下降させることができ、また、研磨ヘッド本体に取り付けられたストッパーの高さを調節する事で、中板の高さ位置を調整することができ、よって簡便な機構でラバー膜の高さ制御が可能となる。

更に、ストッパー部に圧電素子を用いて、電圧を印加することでストッパーの厚みを変化させる機構を組み込む事で、任意の位置に中板およびラバー膜の高さを自動調節する事が可能となる。
また、更にストッパーを圧電素子で形成して、ストッパー厚さを可変とすれば、ラバー膜を自動で任意の高さに調節でき、ワークの研磨前の形状に合わせて、外周部分の形状をダレからハネに任意に自動調節でき、ワークを更に平坦に加工することが容易となる。

図５は、本発明に係る研磨装置の一例を示している。この研磨装置５１は、研磨布５２が貼り付けられた定盤５３と、研磨剤５６を供給する研磨剤供給機構５４と、図２で示したような本発明の研磨ヘッド５５等から構成されている。
このように、本発明に係る研磨ヘッドを備えた研磨装置を用いて、ワークの研磨を行えば、ワーク全体に均一な研磨荷重を掛けてワークを研磨する事ができ、ワーク全面に渡って、特に外周部において平坦性を高く維持して研磨する事ができる研磨装置とすることができる。

更に、研磨布５２の上方に、レーザー等を用いて非接触で研磨ヘッド本体と研磨布の間の距離を測定する測長センサー５７を具備することができる。
この測長用のセンサー５７で、研磨布５２までの距離（研磨布の厚さ）および研磨ヘッド本体５５までの距離が測定され、その結果が第１の高さ調整機構５８および第２の高さ調整機構５９に送られる。
ワークＷの厚さと研磨布５２の厚さに応じて、ラバー膜の位置は、第１の高さ調整機構５８により最適な位置に調整できるようになっている。また、ガイドリングの位置も同時に第２の高さ調整機構５９を介して上下動機構により最適な位置に調整できるようになっている。
このように、センサーで測定した研磨ヘッド本体から研磨布までの距離に応じて中板、つまりラバー膜の高さを調節することができる第１の高さ調整機構を備える事でワークの加工前形状に合わせて形状を修正する研磨ができ、その結果、研磨されたワークの表面平坦性をより良好にすることができる。更に、センサーで測定した研磨ヘッド本体から研磨布までの距離に応じて研磨ヘッド本体の高さを調節する第２の高さ調整機構を備えることで、研磨ヘッド本体に連結されたガイドリングと研磨布との間の隙間を一定に保ち、安定にワークを保持し、研磨速度の低下やワークの表面品質を劣化させないでワークの研磨加工ができる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
図２に示したような、厚さ３ｍｍ、外径２９３ｍｍの中板２枚をボルトで連結して、末端部が直径２８９ｍｍでＯリング状形状（直径２ｍｍ）を有した、厚さ１ｍｍ、下面部の外径３０１ｍｍ、高さ６．５ｍｍのブーツ形状のラバー膜を挟持した。また、ラバー膜の周囲に内径３０２ｍｍのガイドリングを配設した。ラバー膜の上下機構やガイドリングの上下機構としてボールネジを使用した機構を用いた。

上記のような研磨ヘッドを備えた研磨装置を用いて、以下のように、ワークとして直径３００ｍｍ、厚さ７７５μｍのシリコン単結晶ウェーハの研磨を行った。なお、使用したシリコン単結晶ウェーハは、その両面に予め一次研磨を施し、エッジ部にも研磨を施したものである。定盤には直径８００ｍｍであるものを使用し、研磨布には通常用いられる一般的なものを使用した。
研磨の際には、研磨剤にはコロイダルシリカを含有するアルカリ溶液を使用し、研磨ヘッドと定盤はそれぞれ３１ｒｐｍ、２９ｒｐｍで回転させた。ワークの研磨荷重（押圧力）は、ラバー膜で密閉された第１の密閉空間部の圧力が２０ｋＰａとなるようにした。研磨時間は８０秒とした。ガイドリングと研磨布との隙間は２５０μｍとなるように調整し、ラバー膜の高さは、ワークの背面の高さを基準の０ｍｍとして、ラバー膜がワークから離れる方向をマイナスとして、−０．２５ｍｍ、−０．１５ｍｍ、０ｍｍ、＋０．０５ｍｍ、＋０．１０ｍｍの５条件に設定して夫々ワークの表面研磨加工を実施した。

このようにして研磨を行ったワークの面内の研磨代のばらつきを評価した。研磨代については、平坦度測定器で研磨前後のワークの厚さを面内について、平坦度保証エリアとして最外周部２ｍｍ幅を除外した領域について測定し、ワークの研磨前後の厚さの差分をとる事で算出した。

この結果得られた中心からの距離が１００ｍｍ〜１４８ｍｍまでのワークの研磨代分布を図６に示す。図６は実施例で研磨したワークの研磨代分布を示すグラフである。
基準高さ０ｍｍの条件では、ワーク外周部まで平坦に研磨されており、良好な結果であった。
また、ラバー膜の位置を変更することで、ワークの中心から約１４０ｍｍよりも外側部分の研磨代が変化することも確認された。例えば、ワークを押し付けた＋０．２０ｍｍの場合、ワークの外周部をダレ形状にすることができる。また、ラバー膜の外周部の膨らみを小さくした−０．２５ｍｍの場合、ワークの外周部を跳ね形状にすることができる。

(比較例１)
図９に示したような、周囲にガイドリングを配設したワーク保持盤にバッキングフィルムを介してワークを保持するような研磨ヘッドを備えた研磨装置で、実施例と同じようにワークＷの表面研磨加工を実施した。但し、ワークＷに対して単位荷重として２０ｋＰａが掛かるように保持プレートに直接に荷重を加えた。

（比較例２−１）
図１０（ｂ）で示したような、ラバー膜支持端がワーク保持部に近接した研磨ヘッドを備えた研磨装置で、実施例と同じようにワークの表面研磨加工を実施した。
（比較例２−２）
図１０（ｄ）で示したような研磨ヘッドを備えた研磨装置で、実施例と同じようにワークの表面研磨加工を実施した。また、ラバー膜の支持点Ｐは、比較例２−１に対しての上昇量は０．２ｍｍとした。

比較例１、比較例２−１、２−２のワークの中心１００ｍｍ〜１４８ｍｍまでの研磨代分布を図７に示す。また、比較のため、実施例のラバー膜基準高さ０ｍｍで研磨加工した際の研磨代分布も図７に併記した。
前述したように、実施例の研磨ヘッドを用いて研磨したワークは、ワーク外周部まで平坦に研磨されており、良好な結果であった。
これに対し、比較例１の場合、保持プレートの凹凸の影響で、ワークの面内で微小に研磨代がばらついており、更に外周部分の研磨代が多くなっていた。
また、比較例２−１の場合、中板の凹部開口端部でラバー膜が支持されており、その付近の弾性膜の実効的な剛性が高くなり、ワークの外周部分に掛かる圧力が高くなり、ワークの外周部分の研磨代が極端に大きくなっている。
そして比較例２−２では、ラバー膜の支持点位置を比較例２−１に対して０．２ｍｍ上昇させたことで、若干、最外周部分のダレは改善されているが、逆に１２０ｍｍ付近から跳ね上がり形状となっており、研磨代均一性は悪化する結果となった。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

例えば、本発明に係る研磨ヘッドは図１、２、３に示した態様に限定されず、例えば、研磨ヘッド本体の形状等は特許請求の範囲に記載された要件以外については適宜設計すればよい。
また、研磨装置の構成も図５に示したものに限定されず、例えば本発明に係る研磨ヘッドを複数備えた研磨装置とすることもできる。

本発明に係る研磨ヘッドの第一の態様を示す概略断面図である。 本発明に係る研磨ヘッドの第二の態様を示す概略断面図である。 本発明に係る研磨ヘッドにおけるワークとラバー膜の位置関係を示す概略図である。 本発明に係る研磨ヘッドの第三の態様を示す概略断面図である。 本発明に係る研磨ヘッドを備えた研磨装置の一例を示す概略構成図である。 実施例で研磨したワークの研磨代分布を示すグラフである。 実施例、比較例１、比較例２−１、比較例２−２で研磨したワークの研磨代分布を示すグラフである。 片面研磨装置の一例を示す概略構成図である。 従来の研磨ヘッドの一例を示す概略断面図である。 従来の研磨ヘッドの一例を示す概略断面図である。 従来の研磨ヘッドの他の一例を示す概略断面図である。 従来の研磨ヘッドの他の一例を示す概略断面図である。 従来の研磨ヘッドの他の一例を示す概略断面図である。

符号の説明

１０…研磨ヘッド、 １１…研磨ヘッド本体、 １２ａ、１２ｂ…中板、 １３…ラバー膜、 １４…第１の密閉空間部、 １５…第１の圧力調整機構、 １９…ガイドリング、
２０…研磨ヘッド、 ２１…研磨ヘッド本体、 ２２ａ、２２ｂ…中板、 ２３…ラバー膜、 ２６…第１の高さ調整機構、 ２７…第２の高さ調整機構、 ２９…ガイドリング、
３３…ラバー膜、
４０…研磨ヘッド、 ４１…研磨ヘッド本体、 ４２ａ、４２ｂ…中板、 ４３…ラバー膜、 ４６…第２の密閉空間部、 ４７…弾性膜、 ４８…第２の圧力調整機構、 ５０…ストッパー、
５１…研磨装置、 ５２…研磨布、 ５３…定盤、 ５４…研磨剤供給機構、 ５５…研磨ヘッド、 ５６…研磨剤、 ５７…センサー、 ５８…第１の高さ調整機構、 ５９…第２の高さ調整機構、
８１…研磨装置、 ８２…研磨布、 ８３…定盤、 ８４…研磨剤供給機構、 ８５…研磨ヘッド、 ８６…研磨剤、
９１…研磨ヘッド本体、 ９２…ワーク保持盤、 ９３…バッキングフィルム、
１０１ａ…研磨ヘッド本体、 １０２ａ、１０２ｂ…中板、 １０３ａ…第１の密閉空間部、 １０４ａ、１０４ｂ…ラバー膜、 １０５ａ…第１の圧力調整機構、 １０６ａ…弾性膜、 １０７ａ…第２の密閉空間部、 １０８ａ…第２の圧力調整機構、 １０９ａ…ガイドリング、 １０９ｃ…リテーナーリング、 １１０ｃ…弾性膜、 １１１ｃ…第３の密閉空間部、 １１２ｃ…第３の圧力調整機構、
Ｗ…ワーク。

Claims (8)

1. 少なくとも、研磨ヘッド本体の下部に、略円盤状の中板と、該中板に保持され少なくとも中板の下面部と側面部とを覆うラバー膜と、前記ラバー膜の周囲に設けられた円環状のガイドリングとを具備し、
   前記中板と前記ラバー膜で囲まれた第１の密閉空間部を有し、第１の圧力調整機構で前記第１の密閉空間部の圧力を変化させることができるように構成され、
   前記ラバー膜の下面部にワークの裏面を保持し、該ワークの表面を定盤上に貼り付けた研磨布に摺接させて研磨する研磨ヘッドにおいて、
   前記ラバー膜は、前記中板に保持される末端部分がＯリング状に形成され、前記中板は、上下に２枚に分割可能に形成されたものであって、
   前記中板と前記ラバー膜は、前記中板の少なくとも下面部の全面と側面部との間に隙間を有するものであり、前記ラバー膜は前記中板に、前記ラバー膜のＯリング状の末端部分を前記分割された中板に挟み込むことで保持されるものであることを特徴とする研磨ヘッド。
2. 前記中板は、前記研磨ヘッド本体から分離されており、該中板の高さ方向の位置を前記研磨ヘッド本体から独立して調整する第１の高さ調整機構を具備するものであることを特徴とする請求項１に記載の研磨ヘッド。
3. 前記研磨ヘッド本体は、前記中板から分離されており、該研磨ヘッド本体の高さ方向の位置を前記中板から独立して調整する第２の高さ調整機構を具備するものであって、該第２の高さ調整機構は前記研磨布と前記ガイドリングとの隙間の距離を前記ワークの厚みの２５〜４５％の幅に保つものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の研磨ヘッド。
4. 前記第１の高さ調整機構および前記第２の高さ調整機構は、ボールネジを用いたものであることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の研磨ヘッド。
5. 前記中板と前記研磨ヘッド本体とを連結する弾性膜と、前記研磨ヘッド本体に取り付けられたストッパーとを具備し、
   前記中板と前記研磨ヘッド本体と前記弾性膜で囲まれた第２の密閉空間部を有し、第２の圧力調整機構で前記第２の密閉空間部の圧力を変化させることができるように構成され、
   前記第１の高さ調整機構が、前記ストッパーであることを特徴とする請求項２に記載の研磨ヘッド。
6. 前記ストッパーは、圧電素子であることを特徴とする請求項５に記載の研磨ヘッド。
7. ワークの表面を研磨する際に使用する研磨装置であって、少なくとも、定盤上に貼り付けられた研磨布と、該研磨布上に研磨剤を供給するための研磨剤供給機構と、前記ワークを保持するための研磨ヘッドとして、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の研磨ヘッドを具備することを特徴とする研磨装置。
8. 前記研磨ヘッド本体から前記研磨布までの距離を非接触で検出するセンサーと、前記第１の高さ調整機構と、前記第２の高さ調整機構とを具備し、
   前記第１の高さ調整機構は、前記センサーにて検出された前記研磨ヘッド本体から前記研磨布までの距離に応じて前記中板および前記ラバー膜の高さ方向の位置を調整し、前記第２の高さ調整機構は、前記センサーにて検出された前記研磨ヘッド本体から前記研磨布までの距離に応じて前記研磨布と前記ガイドリングとの隙間の高さ方向の位置を調整するものであることを特徴とする請求項７に記載の研磨装置。

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