JP5648954B2

JP5648954B2 - 研磨装置

Info

Publication number: JP5648954B2
Application number: JP2010193124A
Authority: JP
Inventors: 守屋　紀彦; 紀彦守屋
Original assignee: FUJIKOSHI MACHINE INDUSTRY CO.,LTD.
Current assignee: FUJIKOSHI MACHINE INDUSTRY CO.,LTD.
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2030-08-31
Also published as: KR20120021190A; EP2422930A3; CN102380820B; EP2422930B1; TWI505909B; MY161696A; US20120052774A1; EP2422930A2; JP2012051037A; KR101767272B1; TW201210741A; US8888563B2; CN102380820A

Description

本発明は、ワークの片面を精度良く研磨できる研磨装置に関する。

近年、半導体装置の高集積化が進むに伴い、その基板であるシリコンウェーハの平坦度や表面品質の向上が厳しく要求されている。また、そのウェーハ表面にデバイスを形成した際の堆積形成された層間絶縁膜や金属配線の研磨においても、一層高精度に平坦化する要求が高まっている。従って、ウェーハの研磨装置については、ウェーハ表面を一層高精度に鏡面研磨できるもの、または、表面を基準とする高精度な研磨が要求されている。

従来、ウェーハの研磨装置には、ウェーハ表面の全面が、そのウェーハ表面に接触する定盤の研磨面へ、均等な圧力で押圧できるように、ウェーハを保持する研磨ヘッドがエアバッグ機能を備えるものがある（例えば特許文献１）。
この特許文献１には、ウェーハを保持するトップリング本体と、ウェーハに当接する弾性パッドと、弾性パッドを支持する支持部材とを備え、支持部材の下面には弾性パッドに当接する弾性膜を備えた当接部材を設け、弾性パッドと支持部材との間に形成される空間内部には、当接部材の内部に形成される第１の圧力室と該当接部材の外部に形成される第２の圧力室とを有し、上記当接部材の内部に形成される第１の圧力室と、上記当接部材の外部に形成される第２の圧力室とにそれぞれ流体または真空を供給する供給源を備えた研磨ヘッドを有する研磨装置が開示されている（請求項１等）。

特開２００２−１８７０６０

特許文献１に示される研磨ヘッドを備えた研磨装置では、第１の圧力室と第２の圧力室とにより、弾性パッドを介して、ウェーハを同心のリング状に押圧することができるので、第１の圧力室と第２の圧力室の圧力を適宜調節することによって、ウェーハを均一に研磨することが可能となる。
しかしながら、この特許文献１に示されるものでは、第１の圧力室と第２の圧力室とを独立に異なる圧力に押圧するものであるため、第１の圧力室と第２の圧力室の間の境界領域は、どうしても不連続な圧力となり、したがって、階段状の圧力分布となり、階段状の研磨形状となりやすいという課題がある。
特に弾性パッドが軟らかい材質のものの場合、上記傾向が顕著に現れる。

本発明は、上記課題を解決すべきなされたものであり、その目的とするところは、同心状の押圧領域において、その境界領域の圧力分布を連続的に変化させることができ、ワークのより均一な研磨を行うことができる研磨装置を提供するにある。

上記目的を達成するため、本発明は次の構成を備える。
すなわち、本発明に係る研磨装置は、ワークを保持する研磨ヘッドと、表面に研磨布が貼付された定盤と、前記研磨ヘッドと定盤とを相対的に運動させる運動機構とを備える研磨装置であって、前記研磨ヘッドが、リング状の側壁部を有する保持プレートと、該保持プレートに周縁部で固定され、下面でワークに当接して該ワークを前記定盤の研磨面へ押圧可能に設けられた弾性膜部材と、前記保持プレートの下面側および前記弾性膜部材の上面との間に形成され、流体供給手段によって所定圧力の流体が供給され、弾性膜部材を押圧する圧力室と、前記弾性膜部材に傾斜して当接して前記圧力室内を外周側と内周側に仕切るシールリップを有し、該シールリップが、前記圧力室のうち圧力が高い圧力室から圧力が低い圧力室に向けて流体が流れる形状をなすシールリングと、該シールリングによって仕切られた各圧力室に個別に流体を供給する前記流体供給手段と、前記シールリングによって仕切られた圧力室内の流体を所要方向に逃がしつつ各圧力室間の差圧を維持するように調整する流体圧調整手段を具備することを特徴とする。

また、前記シールリングを、外周側の圧力室から内周側の圧力室に向けて流体を逃がすシールリングに構成してもよいし、内周側の圧力室から外周側の圧力室に向けて流体を逃がすシールリングに構成してもよい。
また、前記シールリングを複数、同心状に配設して、圧力室内を同心状の複数の圧力室に仕切ってもよい。
また、前記弾性膜部材に、樹脂シート材および該樹脂シート材の表面に形成された発泡樹脂層からなり、発泡樹脂層を下方に向けて前記保持プレートの下面側を覆うようにして保持プレートに周縁部で固定され、発泡樹脂層の下面でワークに当接して該ワークを前記定盤の研磨面へ押圧可能に設けられたバッキング材を用いることができる。

本発明によれば、同心状の押圧領域において、その境界領域の圧力分布を連続的に変化させることができ、ワークのより均一な研磨を行うことができる研磨装置を提供できる。

研磨装置の説明図である。研磨ヘッドの断面図である。第２の圧力室と第３の圧力室の圧力を変化させて研磨した場合のウェーハの外周のダレ量を示すグラフである。研磨ヘッドの他の実施の形態を示す断面説明図である。

以下、本発明を、ウェーハの研磨装置に適用した場合の好適な実施の形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は研磨装置の概略を示す説明図である。
研磨装置１０は、表面にワークを研磨する研磨布１１が貼設された定盤１２と、ウェーハを下面側に保持すると共に研磨布１１に押圧する研磨ヘッド１４と、該研磨ヘッド１４と定盤１２とを相対的に運動させる運動機構とを備える。

運動機構は、定盤１２を回転軸１５を中心に回転させる回転駆動装置（図示せず）と、研磨ヘッド１４を回転軸１６を中心に回転させる回転駆動装置（図示せず）とを有する。また研磨ヘッド１４は、上下動装置（図示せず）および水平動装置（図示せず）を有し、ウェーハ供給位置に供給されているウェーハを下面に吸着保持すると共に、定盤１２上に搬入し、ウェーハ研磨面を研磨布１１に押圧しつつ運動機構により定盤１２と研磨ヘッド１４とを相対回転させてワークの研磨面を研磨するものである。１８は研磨剤供給ノズルであり、研磨剤を定盤１２の研磨布１１上に供給する。

図２は研磨ヘッド１４の断面説明図である。
２０はヘッド本体であり、下側に筒状の側壁部２０ａを有する。
２２は保持プレートであり、上下に筒状の側壁部２２ａ、２２ｂを有する。
保持プレート２２は、リング状の硬質のゴム板材からなるダイアフラム２３が、その外周縁部が保持プレート２２の上側側壁部２２ｂの上部に固定され、その内周縁部がヘッド本体２０の側壁部２０ａの外周縁部に固定されることによって、ヘッド本体２０に対して所要範囲内で上下動可能に設けられている。なお、保持プレート２２は、図示しないピン部材によってヘッド本体２０と連結させて、下方への移動範囲を規制させてもよい。

ヘッド本体２０の下面、保持プレート２２の上面およびダイアフラム２３とで第１の圧力室２４が画成されている。第１の圧力室２４には、回転軸１６内に設けられた配管２５およびヘッド本体２０に設けられた通孔２６からエアー等の圧力流体が供給される。配管２５は、ロータリー継手（図示せず）、レギュレーター（流体圧調整手段）２７を介して圧力源２９に接続されている。配管２５、通孔２６、レギュレーター２７、圧力源２９等によって第１の流体供給手段が構成される。

保持プレート２２の下面側を覆うようにして、弾性膜部材２８がその周縁部で保持プレートの下側側壁部２２ａの下面に両面テープ（図示せず）によって固定されている。なお、弾性膜部材２８の固定手段は両面テープに限られず、弾性膜部材２８の周縁部を固定リング（図示せず）と下側側壁部２２ａとで挟み込むようにして、固定リングを下側側壁部２２ａにねじ止めすることによって固定するなどすることができる。

弾性膜部材２８は、ゴムのシート材と、バッキング材との２層からなる膜部材で構成できる。あるいはバッキング材のみで弾性膜部材２８を構成してもよい。バッキング材そのものは、支持層となるＰＥＴフイルム等からなる樹脂シート材（図示せず）の表面に発泡ウレタン層が形成された２層構造のものが用いられ、発泡ポリウレタン層側が下側となるように保持プレート２２に取り付けられる。この発泡ポリウレタン層にウェーハ３０が水の表面張力によって保持されるようになっている。

弾性膜部材２８の下面周縁部（保持プレート２２の下側側壁部２２ａ下面に相当する部位）にはリング状をなす樹脂製のテンプレート３１が固定されている。
テンプレート３１はウェーハ３０とほぼ同じ厚さに形成され、ウェーハ３０の周囲を囲み、研磨中にウェーハ３０が外方に飛び出さないようにしている。
また、テンプレート３１は、第１の圧力室２４に流体が供給されることにより、研磨中、ウェーハ３０の周囲の研磨布１１の表面を押圧し、研磨布１１の表面をウェーハ３０の下面とほぼ同じ高さとすることによって、ウェーハ３０の過研磨を防止するようにする。

弾性膜部材２８と、保持プレート２２の下側側壁部２２ａとで囲まれる空間内となる、保持プレート２２の下面には、円盤状の支持プレート３２がねじ３３によって固定されている。支持プレート３２下面と弾性膜部材２８上面との間には若干の隙間が形成されている。

支持プレート３２の外周面上には、シールリングの一例であるゴム製のＶリング３６がその本体部３７で嵌められ、Ｖリングのシールリップ３８が弾性膜部材の上面に傾斜して当接している。これにより、弾性膜部材２８の上面、支持プレート３２の下面およびＶリング３６によって第２の圧力室４０が画成されている。また、弾性膜部材２８の上面、下側側壁部２２ａおよびＶリング３６によって第３の圧力室４２が形成（画成）されている。

第２の圧力室４０内には、回転軸１６内に設けられた配管４３、ヘッド本体２０に設けられた流路４４、ホース４５、保持プレート２２に設けられた流路４６、支持プレート３２の凹部４７および通孔４８からエアー等の圧力流体が供給される。配管４３は、ロータリー継手（図示せず）、レギュレーター２７を介して圧力源２９に接続されている。配管４３、流路４４、ホース４５、流路４６、凹部４７、通孔４８、レギュレーター２７、圧力源２９等によって第２の流体供給手段が構成される。

また、第３の圧力室４２内には、回転軸１６内に設けた配管（図示せず）、ヘッド本体２０に設けられた流路（図示せず）、ホース５０および保持プレート２２内に設けられた流路５１を通じてエアー等の圧力流体が供給される。回転軸１６内に「設けられた配管は、ロータリー継手、レギュレーターを介して圧力源２９に接続されている。これら配管、流路、ホース５０、流路５１、レギュレーター、圧力源２９等によって第３の流体供給手段が構成される。

本実施の形態は上記のように構成されている。
ウェーハ３０は、水の表面張力によって弾性膜部材２８の下面に保持される。
ウェーハ３０の研磨の際には、第１の流体供給手段から第１の圧力室２４に所要圧の流体を供給する。これにより、保持プレート２２は定盤１２の研磨布１１上に押圧される。特に、テンプレート３１が所定の押圧力により研磨布１１上に押圧され、ウェーハ３０外方の研磨布１１面をウェーハ３０の面とほぼ同一になるようにする。第１の圧力室２４内の流体圧はレギュレーター２７によって所要圧に維持される。

また、第２の圧力室４０に第２の流体供給手段から、第３の圧力室４２に第３の流体供給手段から所要圧の流体がそれぞれ供給される。
本実施の形態の場合には、基本的に、第２の圧力室４０の圧力の方が第３の圧力室４２の圧力よりも高くなるように設定される。これにより、Ｖリング３６のシールリップ３８が若干開かれ、第２の圧力室４０内の流体が第３の流体室４２側に逃げる。その際、レギュレーター（流体圧調整手段）２７は、流体が第２の圧力室４０から第３の圧力室４２に逃げるのを許容しながら、両圧力室４０、４２の圧力が所要圧を維持するように（すなわち、両圧力室４０、４２の差圧が維持されるように）圧力調整をする。

第２の圧力室４０から第３の圧力室４２側に流体が逃げる（流体が流れる）ことから、両圧力室４０、４２間の境界領域の圧力は、順次連続的に変化するものと考えられ、従来のような階段状に不連続に変化するのとは異なり、ウェーハ３０表面の均一研磨がそれだけ可能となる。
なお、研磨条件によっては、第２の圧力室４０の圧力の方が第３の圧力室４２の圧力よりも低くなるようにすることもできる。この場合には、Ｖリング３６のシールリップ３８が閉じることから、第３の圧力室４２から第２の圧力室４０に流体が流れ込むことはない。
また、Ｖリングによって差圧を形成した場合は、流体の移動がない状態のときでも、Ｖリング直下に形成される境界領域の圧力分布における階段状の変化を緩やかにしていると考えられるので、そのような効果が得られるようにシールリップを傾斜して配置すれば、ウェーハ３０表面の研磨を均一にすることが可能となる。

ウェーハ３０の大きさが直径２００ｍｍ（したがってテンプレートの内径が約２００ｍｍ）、支持プレート３２の外形が１７０ｍｍのものにおいて、第２の圧力室４０の荷重が２０ｋＰａ、第３の圧力室４２の荷重が第２の圧力室４０の荷重に対して、−１０／−５／０／＋５／＋１０ｋＰａとなるように５段階に設定し、リテーナ荷重（テンプレート荷重）を２００ｇ／ｃｍ^２、ヘッド・定盤回転数を３１ｒｐｍに設定してウェーハ３０の研磨を行った。

上記の研磨におけるウェーハ３０の外周のダレ量（過研磨量）を図３に示す。
まず、基本的に、第２の圧力室４０と第３の圧力室４２との圧力（差）を変化させることによって、ウェーハ３０の研磨量を調節できることがわかる。
上記実施の形態では、ダレ量が０となる、両圧力室４０、４２の差圧が−５ｋＰａのところが最適といえるが、この差圧条件が必ずしも全ての場合に該当するというものではない。
例えば、ウェーハ３０に対するＶリング３６の位置（支持プレート３２の大きさ）、すなわち、第２の圧力室４０と第３の圧力室４２の境界位置等によっても条件が変わってくる。

上記の実施の形態では、第２の圧力室４０の側から第３の圧力室４２の側に流体が逃げるように、Ｖリング３６の方向を設定したが、Ｖの方向を逆にして、第３の圧力室４２の側から第２の圧力室４０の側（外周側から内周側）に流体が逃げるようにＶリング３６のＶの方向を設定するようにすることもできる。ウェーハ３０の種類、研磨装置の大きさ、研磨条件等によって、どのようなＶリング３６を選択するかを決定することになる。

また、上記実施の形態では、Ｖリング３６を１つのみ設けて、第２の圧力室４０と第３の圧力室４２の２室に仕切ったが、Ｖリング３６を複数同心状に設けることによって、ウェーハ３０を押圧する圧力室を同心状の複数室に仕切って、ウェーハ３０への押圧力をさらに細かく調整できるようにしてもよい。
また、上記実施の形態は、ウェーハをバッキング材で保持するタイプの研磨ヘッドであるが、バッキング材による保持を採用せずに他の保持方法、例えば、真空吸着による保持を採用する場合であっても、ウェーハを真空吸着する吸着シート（弾性膜部材）上にＶリングを配設すればよい。

図４は、上記、ウェーハを真空吸着する研磨ヘッド１４の実施の形態を示す断面説明図である。
ヘッド本体２０の下面側に保持プレート２２がダイアフラム２３により上下動自在に吊持されている。ヘッド本体２０下面、保持プレート２２上面、ダイアフラム２３とで第１の圧力室２４が画成されている。保持プレート２２はリング状の側壁部２２ａを有する。

保持プレート２２内には、円盤状の支持プレート３２が固定されている。また、支持プレート３２の下面側を覆うようにして弾性膜部材５８がその周縁部にて支持プレート３２に固定されている。支持プレート３２下面と弾性膜部材５８の上面との間には若干の隙間が存在する。
支持プレート３２の外周面には、シールリングの一例であるゴム製のＶリング３６が配設され、Ｖリング３６のシールリップ３８が弾性膜部材５８の上面に傾斜して当接している。これにより、支持プレート３２下面側に第２の圧力室４０と第３の圧力室４２が画成されている。

ウェーハ（図示せず）は、第２の圧力室４０の減圧によって弾性膜部材５８が吸引され、この弾性膜部材５８の吸盤効果によって弾性膜部材５８の下面側に吸着されて保持され、この状態で搬送可能となる。
ウェーハの研磨時には、ウェーハが定盤１２上に搬送され、第１の圧力室２４、第２の圧力室４０、第３の圧力室４２内に図示しない流体供給手段から所要圧の流体がそれぞれ供給され、ウェーハが定盤１２の研磨布１１上に所要圧力で押圧される。そして、定盤１２、研磨ヘッド１４が所要方向に回転されることによって、ウェーハの研磨が行える。

なお、研磨時、ウェーハは保持プレート２２のリング状の側壁部（リテーナリング）２２ａに囲まれるので研磨ヘッド１４外に飛び出すようなことはない。また、側壁部２２ａ下面によってウェーハの周辺部の研磨布１１が押圧されるので、ウェーハ外周部の過研磨が防止される。
本実施の形態でも、第２の圧力室４０から第３の圧力室４２側に流体が逃げる（流体が流れる）ことから、両圧力室４０、４２間の境界領域の圧力は、順次連続的に変化するものと考えられ、従来のような階段状に不連続に変化するのとは異なり、ウェーハ表面の均一研磨がそれだけ可能となる。

また、上記実施の形態では、支持プレート３２を保持プレート２２内に固定したが、支持プレート３２をダイアフラム（図示せず）によって保持プレート２２内に上下動可能に吊持し、保持プレート２２下面、支持プレート３２上面、およびダイアフラムで囲まれる第４の圧力室（図示せず）を設け、この第４の圧力室内にも流体供給手段から所要圧の流体を供給して、各圧力室からの複数段の加圧によってウェーハを加圧しつつ研磨を行うようにしてもよい。

１０研磨装置、１１研磨布、１２定盤、１４研磨ヘッド、１５・１６回転軸、１８研磨剤供給ノズル、２０ヘッド本体、２２保持プレート、２２ａ・２２ｂ側壁部、２３ダイアフラム、２４第１の圧力室、２５・２６等第１の流体供給手段、２７レギュレーター（流体圧調整手段）、２８弾性膜部材、２９圧力源、３０ウェーハ、３２支持プレート、３６Ｖリング、３８シールリップ、４０第２の圧力室、４２第３の圧力室、４３・４４等第２の流体供給手段、５０・５１等第３の流体供給手段

Claims

ワークを保持する研磨ヘッドと、表面に研磨布が貼付された定盤と、前記研磨ヘッドと定盤とを相対的に運動させる運動機構とを備える研磨装置であって、
前記研磨ヘッドが、
リング状の側壁部を有する保持プレートと、
該保持プレートに周縁部で固定され、下面でワークに当接して該ワークを前記定盤の研磨面へ押圧可能に設けられた弾性膜部材と、
前記保持プレートの下面側および前記弾性膜部材の上面との間に形成され、流体供給手段によって所定圧力の流体が供給され、弾性膜部材を押圧する圧力室と、
前記弾性膜部材に傾斜して当接して前記圧力室内を外周側と内周側に仕切るシールリップを有し、該シールリップが、前記圧力室のうち圧力が高い圧力室から圧力が低い圧力室に向けて流体が流れる形状をなすシールリングと、
該シールリングによって仕切られた各圧力室に個別に流体を供給する前記流体供給手段と、
前記シールリングによって仕切られた圧力室内の流体を所要方向に逃がしつつ各圧力室間の差圧を維持するように調整する流体圧調整手段を具備することを特徴とする研磨装置。
前記シールリングが、外周側の圧力室から内周側の圧力室に向けて流体を逃がすシールリングであることを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
前記シールリングが、内周側の圧力室から外周側の圧力室に向けて流体を逃がすシールリングであることを特徴とする請求項１記載の研磨装置。
前記シールリングが同心状に複数個配設されて圧力室内を同心状に複数の圧力室に仕切っていることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の研磨装置。
前記弾性膜部材が、樹脂シート材および該樹脂シート材の表面に形成された発泡樹脂層からなり、発泡樹脂層を下方に向けて前記保持プレートの下面側を覆うようにして保持プレートに周縁部で固定され、発泡樹脂層の下面でワークに当接して該ワークを前記定盤の研磨面へ押圧可能に設けられたバッキング材であることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の研磨装置。