JP6149974B1 - 研磨ヘッド、研磨装置およびウェーハの研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェーハ外周部のうねりの発生を抑制可能な研磨ヘッドを提供すること。【解決手段】研磨ヘッド３は、円板状の回転フレーム部３１２と、回転フレーム部３１２の一面側に配置されたウェーハを囲むリテーナリング３３とを備え、ウェーハを研磨パッドに押圧する研磨ヘッド３であって、リテーナリング３３は、固定方向がウェーハの面と平行になるように取り付けられるボルト３４で回転フレーム部３１２に固定可能に構成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、研磨ヘッド、研磨装置およびウェーハの研磨方法に関する。

従来、半導体集積回路の基板として、研磨されたシリコンウェーハが用いられている。シリコンウェーハの研磨装置としては、例えば特許文献１や特許文献２に記載されたものが知られている。

特許文献１の研磨装置の研磨ヘッドは、研磨ヘッド駆動手段により回転する回転軸部材を備えている。回転軸部材の回転フレーム部の下端には、バッキングパッドが設けられている。バッキングパッドの下面には、熱溶着シートを介して、リテーナリングが設けられている。このリテーナリングは、ガラスエポキシ等で構成されている。

特許文献２の研磨装置のウェーハ保持ヘッドは、ヘッド本体に設けられたダイヤフラムを備えている。ダイヤフラムの下面には、キャリアが設けられている。ダイヤフラムの下面には、キャリアを囲むようにしてリテーナリングが設けられている。リテーナリングは、上側から螺合されるボルトによりダイヤフラムに固定されている。

特開２０１２−２２８７４５号公報 特開２０００−２７１８６０号公報

しかしながら、特許文献１の装置のように、熱溶着シートを介してリテーナリングを固定する構成では、熱溶着シートとリテーナリングとの界面に剥がれが生じ、リテーナリングが外れてしまうおそれがある。
そこで、下側からリテーナリングを貫通するボルトにより、リテーナリングを回転フレーム部に固定すること（以下、「下側固定構造」と言う）が考えられる。しかし、このような研磨ヘッドによりウェーハを研磨すると、ウェーハの外周面付近の平坦度がウェーハの周方向に沿って周期的に悪くなる（うねりが発生している）という問題が判明した。
また、他の固定方法として、特許文献２のような方法を用いて、上側から回転フレーム部を貫通するボルトにより、リテーナリングを回転フレーム部に固定する（以下、「上側固定構造」と言う）ことが考えられる。しかし、上側固定構造でも、下側固定構造での研磨時と同様に、ウェーハ外周部に周期的なうねりが発生しているという問題が判明した。
このようなことから、ウェーハ外周部のうねりの発生を抑制できる構成が望まれている。

本発明は、ウェーハ外周部のうねりの発生を抑制可能な研磨ヘッド、研磨装置およびウェーハの研磨方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、ウェーハのうねりを抑制することについて、鋭意検討した結果、以下の知見を得た。

下側固定構造では、図１（Ａ）に示すように、リテーナリング９２の下面９２１には、その周方向に沿って等間隔で複数の取付孔部９２３が設けられている。取付孔部９２３は、上面９２２側に凹む凹部９２４と、上面９２２と凹部９２４の上面部９２４Ａとを貫通する貫通孔９２５とを備えている。回転フレーム部９１の下面には、取付孔部９２３と等間隔で雌ねじ部９１１が設けられている。

そして、ボルト９３を取付孔部９２３に挿入し、雄ねじ部９３１を雌ねじ部９１１に螺合させて締め付けることで垂直方向の固定力を作用させると、図１（Ｂ）に示すように、凹部９２４の上面部９２４Ａがボルト頭部９３２により上方に押圧され、この押圧に伴いリテーナリング９２の下面９２１における取付孔部９２３の開口縁周辺が、上方に丸く凹むように変形することが分かった。これは、リテーナリング９２の材質が、ガラスエポキシ等のある程度軟質で、変形しやすいことによると考えられる。
一方、取付孔部９２３からリテーナリング９２の周方向に離れた位置では、ボルト９３の締め付け力が作用しないので、平坦面のままである。これらのことが原因で、リテーナリング９２の下面９２１には、周方向で周期的に凹みが存在する（うねりが発生している）ことが分かった。

そして、このリテーナリング９２の下面９２１のうねりの周期が、ウェーハのうねりの周期とほぼ一致することを見出した。
この理由は以下のように考えられる。
特許文献１に記載のように、リテーナパッド隙間寸法（リテーナリングと研磨パッドとの隙間の寸法）が大きくなると、流体潤滑の観点から、リテーナリングの下面に作用するリテーナ液圧（リテーナリング内外を移動するスラリーによる液圧）は、小さくなると考えられる。リテーナ液圧は、研磨ヘッドに付与されるヘッド加圧力（研磨パッドに近づく方向への圧力）と反対方向に作用する。このため、実際にウェーハに作用する研磨加圧力（研磨パッドに近づく方向への圧力）は、ヘッド加圧からリテーナ液圧を減じた値とほぼ等しくなる。
上述のように、リテーナリング９２の下面９２１にうねりが発生していると、このうねりに対応して研磨加圧力も周方向で周期的に変化する。その結果、リテーナリング９２の下面９２１のうねりの周期が、ウェーハのうねりの周期とほぼ一致したと考えられる。

一方、上側固定構造では、図２（Ａ）に示すように、回転フレーム部９４の上面９４１には、その周方向に沿って等間隔で複数の取付孔部９４３が設けられている。取付孔部９４３は、凹部９４４と、貫通孔９４５とを備えている。リテーナリング９５の上面９５２には、取付孔部９４３と等間隔で雌ねじ部９５３が設けられている。

そして、ボルト９３を取付孔部９４３に挿入し、雄ねじ部９３１を雌ねじ部９５３に螺合させて締め付けることで垂直方向の固定力を作用させると、この締め付け力により雌ねじ部９５３の周辺が上方に引っ張られ、図２（Ｂ）に示すように、リテーナリング９５の下面９５１における前記引っ張られた部分に対応する位置が、上方に丸く凹むように変形することが分かった。この変形は、下側固定構造と同様に周期的に発生し、この変形の周期がウェーハのうねりの周期とほぼ一致することが分かった。

以上のように、リテーナリングのうねりの周期と、ウェーハのうねりの周期とに相関があることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明の研磨ヘッドは、円板状の回転フレーム部と、前記回転フレーム部の一面側に配置されたウェーハを囲むリテーナリングとを備え、前記ウェーハを研磨パッドに押圧する研磨ヘッドであって、前記リテーナリングは、固定方向が前記ウェーハの面と平行になるように取り付けられる固定部材によって、当該リテーナリングの下面が前記ウェーハの研磨時に前記研磨パッドに接触しないように前記回転フレーム部に固定されていることを特徴とする。

本発明によれば、固定部材を用いて固定方向が水平方向（ウェーハの面と平行な方向）となるように、リテーナリングを回転フレーム部に固定することにより、垂直方向の固定力がリテーナリングに作用することを抑制できる。このため、垂直方向の固定力に伴うリテーナリング下面の変形を抑制でき、リテーナリングのうねりを抑制できる。したがって、研磨ヘッドによりウェーハを研磨パッドに押圧しながら研磨した際に、ウェーハに作用する研磨加圧力をリテーナリングの周方向で均一化することができ、この研磨加圧力の均一化によりウェーハ外周部のうねりを抑制できる。

本発明の研磨ヘッドは、前記固定部材は、ボルトであることが好ましい。
本発明によれば、ボルトを用いることにより、リテーナリングを回転フレーム部に容易に固定できる上、リテーナリングを容易に交換できる。

本発明のウェーハの研磨装置は、上述の研磨ヘッドと、研磨パッドが設けられた定盤と、前記研磨ヘッドと前記定盤とを相対的に回転させる回転駆動手段と備えていることを特徴とする。
本発明のウェーハの研磨方法は、上述の研磨装置を用いて、前記研磨ヘッドにより前記研磨パッドに押圧されたウェーハを前記リテーナリングの下面が前記研磨パッドに接触しないようにして研磨することを特徴とする。

下側固定構造の部分断面図であり、（Ａ）はボルト取り付け前、（Ｂ）はボルト取り付け後を示す。 上側固定構造の部分断面図であり、（Ａ）はボルト取り付け前、（Ｂ）はボルト取り付け後を示す。 本発明の一実施形態に係る研磨装置の断面図 前記研磨装置の研磨ヘッドの断面図。 前記研磨装置の平面図。 前記研磨装置を用いた研磨方法の説明図。 本発明の変形例に係る研磨ヘッドの断面図。 本発明の実施例におけるリテーナリング下面の測定結果を示すグラフ。 図８の測定結果をフーリエ変換して得られたパワースペクトル密度（ＰＳＤ）を示すグラフである。 前記実施例のウェーハ外周部の厚みの測定結果を示すグラフであり、（Ａ）は比較例のウェーハの測定結果、（Ｂ）は実施例のウェーハの測定結果を表す。 （Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ図９（Ａ），（Ｂ）の測定結果をフーリエ変換して得られたＰＳＤを示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
［研磨装置の構成〕
図３に示す研磨装置１は、直径が３００ｍｍのウェーハＷの表面（片面）を仕上げ研磨（鏡面研磨）する枚葉式の装置である。なお、研磨対象は、直径が３００ｍｍ以外のウェーハＷであってもよい。
この研磨装置１は、研磨部２と、４個の研磨ヘッド３（図５も参照）とを備えている。

研磨部２は、回転駆動手段を構成する定盤回転駆動手段２１の駆動により回転する定盤回転軸２２と、この定盤回転軸２２の回転軸に設けられた円板状の定盤２３と、図示しない仕上げ研磨スラリー供給部とを備えている。
定盤２３の上面には、研磨パッド２４が設けられている。仕上げ研磨スラリー供給部は、研磨パッド２４の研磨面に、仕上げ研磨用のスラリーを適宜供給する。

研磨ヘッド３は、回転駆動手段を構成する研磨ヘッド駆動手段４の駆動により回転する回転軸部材３１と、バッキングパッド３２と、リテーナリング３３とを備えている。
回転軸部材３１は、上下に延びる円筒状のシャフト部３１１と、このシャフト部３１１の下端に設けられた円板状の回転フレーム部３１２とを備えている。
回転フレーム部３１２の下面には、図４に示すように、リテーナリング３３が嵌め込まれる嵌合溝３１２Ａが設けられている。
嵌合溝３１２Ａの外壁３１２Ｂには、この外壁３１２Ｂを水平方向に貫通する取付孔部３１２Ｃが設けられている。取付孔部３１２Ｃは、固定部材してのボルト３４が挿通可能に構成され、図５に示すように、回転フレーム部３１２の周方向に沿って３０°間隔で設けられている。

バッキングパッド３２は、平面形状がウェーハＷと略等しい円板状に形成され、回転フレーム部３１２の下面における嵌合溝３１２Ａの内側に固定されている。バッキングパッド３２は、図示しないウレタン発砲層を有し、このウレタン発泡層による水吸着によりウェーハＷを保持する。

リテーナリング３３は、例えばガラスエポキシ製であり、ウェーハＷの研磨中にウェーハＷが遠心力により飛び出すことを防止する。リテーナリング３３は、嵌合溝３１２Ａの上面に密接するように嵌め込まれたときに、その下面３３Ａがバッキングパッド３２で水吸着されたウェーハＷの下面よりも上方に位置し、ウェーハＷの研磨時に研磨パッド２４に接触しないように形成されている。リテーナリング３３の外周面には、水平方向に延びる雌ねじ部３３Ｂが設けられている。雌ねじ部３３Ｂは、リテーナリング３３の周方向に沿って３０°間隔で設けられている。また、雌ねじ部３３Ｂは、リテーナリング３３が嵌合溝３１２Ａの上面に密接するように嵌め込まれたときに、取付孔部３１２Ｃに挿通されたボルト３４が螺合可能に構成されている。

このような構成により、リテーナリング３３を嵌合溝３１２Ａに嵌め込み、各取付孔部３１２Ｃに挿通したボルト３４を雌ねじ部３３Ｂに螺合して締め付けることにより、固定方向が水平方向となるように、リテーナリング３３が回転フレーム部３１２に固定される。このため、垂直方向の固定力がリテーナリング３３に作用することを抑制でき、リテーナリング３３の下面３３Ａが変形し、うねりが発生することを抑制できる。また、ボルト３４を用いることで、リテーナリング３３の回転フレーム部３１２への固定や、リテーナリング３３の交換が容易になる。
なお、ボルト３４による固定位置は、ボルト３４の雄ねじ部の軸からリテーナリング３３の下面３３Ａまでの距離Ｈが５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。５ｍｍ未満の場合、ボルト３４の頭部のクリアランスを確保できなくなるという不具合があり、１０ｍｍを超える場合、ボルト３４の固定剛性が低下し本来の機能である研磨中における研磨ヘッド３からウェーハＷの飛び出し防止機能が低下するという不具合があるからである。

［研磨装置の作用］
次に、上述の研磨装置１を使用したウェーハＷの研磨方法について説明する。
研磨装置１は、まず、研磨ヘッド３のバッキングパッド３２でウェーハＷを水吸着した後、研磨ヘッド３を研磨ヘッド駆動手段４の駆動により回転させながら下降させ、仕上げ研磨用のスラリーＰが供給され、かつ、定盤回転駆動手段２１の駆動により回転している定盤２３上の研磨パッド２４にウェーハＷを接触させる。そして、研磨装置１は、図６に示すように、研磨ヘッド３でウェーハＷを研磨パッド２４に押圧し、ウェーハＷを研磨する。
この際、下面３３Ａのうねりの発生が抑制されたリテーナリング３３を用いているため、ウェーハＷに作用する研磨加圧力をリテーナリング３３の周方向で均一化することができ、ウェーハＷ外周部のうねりを抑制できる。

［変形例］
なお、本発明は前記実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の改良および設計の変更などが可能である。

例えば、図７に示す研磨ヘッド５を研磨装置１に適用してもよい。
研磨ヘッド５の回転フレーム部５１２の下面外周部には、リテーナリング５３が嵌め込まれる切欠き５１２Ａが設けられている。回転フレーム部５１２におけるリテーナリング５３の内周面に当接する面には、水平方向に延びる雌ねじ部５１２Ｂが、回転フレーム部５１２の周方向に沿って所定間隔で設けられている。
リテーナリング５３の外周面には、水平方向に貫通し、固定部材としてのボルト５４が挿通可能な取付孔部５３Ｂが設けられている。取付孔部５３Ｂは、リテーナリング５３が切欠き５１２Ａの上面部に密接するように嵌め込まれたときに、取付孔部５３Ｂに挿通されたボルト５４が雌ねじ部５１２Ｂに螺合可能に構成されている。
このような構成により、各取付孔部５３Ｂに挿通したボルト５４を雌ねじ部５１２Ｂに螺合して締め付けることにより、固定方向が水平方向となるように、リテーナリング５３が回転フレーム部５１２に固定される。その結果、上記実施形態の研磨ヘッド３と同様に、リテーナリング５３の下面５３Ａにうねりが発生することを抑制でき、研磨したウェーハＷ外周部のうねりを抑制できる。また、研磨ヘッド５の外径をリテーナリング５３の外径と同じ大きさにすることができ、研磨ヘッド５の小型化を図れる。

固定部材として、ボルト３４，５４を適用したが、固定方向が前記ウェーハの面と平行になるように取り付けられることで、リテーナリングを回転フレーム部に固定可能な部材であれば、いかなる部材を適用してもよい。
リテーナリング３３を回転フレーム部３１２に固定する固定部材は、３０°以外の間隔で設けられてもよいし、等間隔で設けられなくてもよい。
リテーナリングを常時研磨パッドに接触させてウェーハを研磨する構成に、本発明の研磨パッドを適用してもよい。

次に、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなん
ら限定されるものではない。

〔比較例の研磨ヘッド〕
比較例の研磨ヘッドとして、図１（Ａ）に示すものを準備した。回転フレーム部９１の外径は３４０ｍｍであり、リテーナリング９２を嵌め込む切欠きの深さは６ｍｍであった。リテーナリング９２は、内径が３０１ｍｍ、外径が３４０ｍｍ、高さが７ｍｍであった。
図１（Ａ）に示すように、リテーナリング９２の取付孔部９２３および回転フレーム部９１の雌ねじ部９１１に、サイズがＭ４のボルト９３を取り付け、リテーナリング９２をその下面側から回転フレーム部９１に固定した。また、ボルト９３をリテーナリング９２の周方向に沿って３０°間隔で取り付けた。

〔実施例の研磨ヘッド〕
実施例の研磨ヘッドとして、図４に示すものを準備した。回転フレーム部３１２の外径は３４０ｍｍであり、嵌合溝３１２Ａの内径、外径および深さはそれぞれ３０１ｍｍ、３３１ｍｍ、１３ｍｍであった。リテーナリング３３の内径、外径および高さはそれぞれ３０１ｍｍ、３３１ｍｍ、１４ｍｍであった。
図４に示すように、回転フレーム部３１２の取付孔部３１２Ｃおよびリテーナリング３３の雌ねじ部３３Ｂに、サイズがＭ３のボルト３４を取り付け、リテーナリング３３をその側面側から回転フレーム部３１２に固定した。また、ボルト３４をリテーナリング３３の周方向に沿って３０°間隔で取り付けた。ボルト３４の取り付け位置は、距離Ｈが９．７５ｍｍとなる位置であった。

＜リテーナリング下面のうねり評価＞
比較例、実施例の研磨ヘッドのそれぞれについて、リテーナリングの下面における外縁から径中心に向かって３ｍｍの範囲をレーザー変位計で測定し、うねりの状態を評価した。測定結果を図８に示す。また、図８の測定結果をフーリエ変換して得られたパワースペクトル密度（ＰＳＤ）を図９に示す。なお、図８は、測定結果の絶対値を表しているのではなく、測定結果の最小値と各測定位置の測定結果との差を表している。
図９に示すように、比較例では、角度周期が３０°の位置にＰＳＤのピークが存在し、リテーナリング下面に、その周方向に沿って周期的かつ大きなうねりが発生しているが、実施例では、ＰＳＤのピークが存在せず、リテーナリング下面に周期的なうねりが発生していないことが確認できた。

＜リテーナリング下面のうねりとウェーハ外周部のうねりとの相関評価＞
比較例、実施例の研磨ヘッドを用い、それぞれ１枚ずつのウェーハに対して片面鏡面研磨を行った。ウェーハの直径は、３００ｍｍであった。研磨条件は、比較例と実施例とで同じであり、例えば研磨の取代は１．０μｍであり、通常、リテーナリングと研磨パッドとを接触させなかった。

研磨後のウェーハを、ＫＬＡ−Ｔｅｃｏｒ社製平坦度測定器（Ｗａｆｅｒ Ｓｉｇｈｔ １）で測定し、得られた測定データを同社製解析ソフト（Ｗａｆｅｒ Ｓｉｇｈｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ）を用いて、ウェーハの中心から１４７ｍｍ（外縁から３ｍｍ）の位置での厚みデータを抽出し、ウェーハ外周部のうねりを評価した。比較例の研磨ヘッドを用いたウェーハの測定結果を図１０（Ａ）に、実施例の研磨ヘッドを用いたウェーハの測定結果を図１０（Ｂ）に示す。また、図１０（Ａ），（Ｂ）の測定結果をフーリエ変換して得られたＰＳＤを図１１（Ａ），（Ｂ）に示す。

図１１（Ａ）に示すように、比較例では、角度周期が３０°の位置にＰＳＤのピークが存在し、ウェーハ外周部のうねりがリテーナリング下面のうねりと同じ３０°間隔で発生していることが確認できた。
一方、図１１（Ｂ）に示すように、実施例では、ＰＳＤのピークが存在せず、リテーナリング下面のうねりと同様に、ウェーハ外周部のうねりが周期的に発生していないことが確認できた。なお、図１１（Ｂ）に示す結果から、図１０（Ｂ）には、研磨前から存在していたウェーハのうねりが測定結果として反映されていると考えられる。

以上のことから、実施例の研磨ヘッドのように、固定方向が水平方向となるようにリテーナリングを回転フレーム部に固定することで、リテーナリング下面のうねりが抑制され、この研磨ヘッドを用いた研磨により、ウェーハ外周部のうねりの発生を抑制できることを確認できた。

＜リテーナリング下面のうねりとＳＦＱＲとの相関評価＞
上述のウェーハ外周部のうねり評価に用いたウェーハのＳＦＱＲを測定した。この測定には、ＫＬＡ−Ｔｅｃｏｒ社製平坦度測定器（Ｗａｆｅｒ Ｓｉｇｈｔ １）を用い、ウェーハ外周縁から３ｍｍ内側に入った２６ｍｍ×８ｍｍの３２４個のサイトを測定した。ＳＦＱＲの最大値を表１に示す。

表１に示すように、実施例の研磨ヘッドを用いることにより、ＳＦＱＲの最大値が約２．７ｎｍ小さくなっていることが確認できた。

１…研磨装置、３…研磨ヘッド、４…研磨ヘッド駆動手段（回転駆動手段）、２１…定盤回転駆動手段（回転駆動手段）、２２…定盤、２４…研磨パッド、３３…リテーナリング、３４，５４…ボルト（固定部材）、３１２…回転フレーム部、Ｗ…ウェーハ。

Claims (4)

1. 円板状の回転フレーム部と、前記回転フレーム部の一面側に配置されたウェーハを囲むリテーナリングとを備え、前記ウェーハを研磨パッドに押圧する研磨ヘッドであって、
   前記リテーナリングは、固定方向が前記ウェーハの面と平行になるように取り付けられる固定部材によって、当該リテーナリングの下面が前記ウェーハの研磨時に前記研磨パッドに接触しないように前記回転フレーム部に固定されていることを特徴とする研磨ヘッド。
2. 請求項１に記載の研磨ヘッドにおいて、
   前記固定部材は、ボルトであることを特徴とする研磨ヘッド。
3. 請求項１または請求項２に記載の研磨ヘッドと、
   研磨パッドが設けられた定盤と、
   前記研磨ヘッドと前記定盤とを相対的に回転させる回転駆動手段と備えていることを特徴とするウェーハの研磨装置。
4. 請求項３に記載の研磨装置を用いて、前記研磨ヘッドにより前記研磨パッドに押圧されたウェーハを前記リテーナリングの下面が前記研磨パッドに接触しないようにして研磨することを特徴とするウェーハの研磨方法。

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