JP6371721B2 - ウェハ研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、ウェハ研磨装置に関し、特に、ウェハにＣＭＰ加工を施すウェハ研磨装置に関する。

半導体製造の分野では、シリコンウェハ等の半導体ウェハ（以下、「ウェハ」という）の表面を平坦化するウェハ研磨装置が知られている。

特許文献１記載のウェハ研磨装置は、化学的機械的研磨、いわゆるＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）技術を適用した研磨装置であり、研磨ヘッドは、ウェハを収容するテンプレートとテンプレートの周囲を包囲するリテーナリングとを一体化して形成され、両面テープを介してリテーナリングホルダに接着されたリテーナリング一体化テンプレートを備えている。このようなウェハ研磨装置は、ウェハを研磨パッドに押し付けた状態で研磨ヘッドと研磨パッドを相対回転させることにより、ウェハを平坦に研磨する。

特開２０１３−０９４９１８号公報

しかしながら、ウェハ研磨装置では、研磨加工時にウェハに作用する摩擦力は、研磨パッドの材質、ＣＭＰスラリーの質又は研磨ヘッドの押圧力等の条件によって増減する。ウェハに作用する摩擦力が過度に大きくなる高負荷研磨においては、ウェハと研磨パッドとの間の摩擦力に起因してウェハがスライドして、ウェハがテンプレートを押圧してテンプレートが位置ズレしたり、ウェハに押圧されたテンプレートが座屈変形して研磨ヘッドと研磨パッドとの摩擦状態が変動する等して、テンプレートウェハを均一に加圧することが困難になり、研磨不良が生じる虞があるという問題があった。

また、高負荷研磨では、リテーナリング一体化テンプレートにも過度の摩擦力が作用するため、リテーナリングホルダがリテーナリング一体化テンプレートの動きに追従できずに、リテーナリング一体化テンプレートがリテーナリングホルダから脱落して、ウェハが破損する虞があるという問題があった。

そこで、高負荷研磨時であってもウェハを平坦に研磨するという解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明は、この課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、研磨ヘッドに装着されたウェハをキャリアの下方に発生させた圧力エア層で研磨パッドに押圧して前記ウェハを研磨するウェハ研磨装置であって、前記研磨ヘッドは、前記キャリアに外嵌されて、内周側下端部にザグリが形成された円筒状のホルダと、前記ウェハを収容する凹部を備え、前記ザグリに嵌合された円板状のテンプレートと、前記ホルダと前記テンプレートとの間に介装されて前記ホルダと前記テンプレートとを接着し、前記テンプレートの座屈変形に伴う弾性変形に応じた弾性力で前記テンプレートの形状を復元させる弾性接着剤と、を備えているウェハ研磨装置を提供する。

この構成によれば、ホルダのザグリ内に収容されたテンプレートは、水平方向への移動を規制されることにより、高負荷摩擦時にウェハが水平方向にスライドしてテンプレートを押圧する場合であっても、テンプレートの位置ズレが抑制される。また、高負荷研磨時に水平方向にスライドしたウェハがテンプレートを座屈変形させる場合であっても、テンプレートの上方に配置された弾性体がテンプレートの座屈変形に応じて変形し、その弾性力でテンプレートを平坦な形状に速やかに復帰させる。このようにして、高負荷研磨時のウェハのスライドに起因したテンプレートの位置ズレや座屈変形を抑制することにより、研磨ヘッドと研磨パッドとの摩擦状態が安定するため、安定して研磨を行うことができる。

また、弾性体がテンプレートの移動に追従して弾性変形するため、テンプレートがホルダから脱落することを抑制できる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の構成に加えて、前記ホルダ及び前記テンプレートに同軸上にそれぞれ形成された位置決め用縦孔に挿通された位置決めピンを備えているウェハ研磨装置を提供する。

この構成によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、ホルダとテンプレートとが位置決めピンを介して一体に連結されるため、高負荷摩擦時にテンプレートが水平方向に位置ズレすることを抑制できる。また、位置決め用縦孔に位置決めピンを挿通するだけで、ホルダに対するテンプレートの角度調整を簡便に行うことができる。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明の構成に加えて、前記テンプレート上に被覆された弾性基材を備え、前記ホルダと前記テンプレートと前記弾性基材とは、同一材質から成るウェハ研磨装置を提供する。

この構成によれば、請求項１又は２記載の発明の効果に加えて、ホルダ、テンプレート及び弾性基材の材質特性が統一されることにより、研磨中の外力に起因する変形、摩擦熱に起因する熱変形、水分に起因する膨潤等がホルダ、テンプレート及び弾性基材に同様に生じるため、研磨精度を向上させることができる。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明の構成に加えて、前記ホルダと前記テンプレートと前記弾性基材とは、ポリフェニレンサルファイド樹脂製であるウェハ研磨装置を提供する。

この構成によれば、請求項１乃至３の何れか１項記載の発明の効果に加えて、弾性基材の吸水率を下げて弾性基材の膨潤を抑制すると共に弾性基材の耐変形性を向上させ、また、テンプレートの摩耗性を向上させると共にテンプレートを不純物を含有しない単一材料で形成可能なため、研磨精度を更に向上させることができる。

本発明は、高負荷研磨時のウェハのスライドに起因したテンプレートの位置ズレや座屈変形が抑制されることにより、研磨ヘッドと研磨パッドとの摩擦状態が安定するため、精度良く研磨を行うことができる。また、弾性体がテンプレートの移動に追従して弾性変形することにより、テンプレートがホルダから脱落することを抑制できる。

本発明の一実施例に係るウェハ研磨装置を示す斜視図。 図１に示すウェハ研磨装置の要部拡大断面図。 図２の要部拡大断面図。 図１に示すウェハ研磨装置に圧縮空気を供給した状態を示す模式図。 研磨加工の様子を示す模式図であり、（ａ）は、通常の研磨の様子であり、（ｂ）は、ウェハが水平方向にスライドした状態を示す模式図であり、（ｃ）は、スライドしたウェハがテンプレートを変形させている状態を示す模式図である。

本発明に係るウェハ研磨装置は、高負荷研磨時であってもウェハを平坦に研磨するという目的を達成するために、研磨ヘッドに装着されたウェハをキャリアの下方に発生させた圧力エア層で研磨パッドに押圧してウェハを研磨するウェハ研磨装置であって、研磨ヘッドは、キャリアに外嵌されて、内周側下端部にザグリが形成された円筒状のホルダと、ウェハを収容する凹部を備え、ザグリに嵌合された円板状のテンプレートと、ホルダと前記テンプレートとの間に介装されてホルダとテンプレートとを接着し、テンプレートの座屈変形に伴う弾性変形に応じた弾性力でテンプレートの形状を復元させる弾性接着剤と、を備えていることにより実現する。

以下、本発明の一実施例に係るウェハ研磨装置１について説明する。なお、以下の実施例において、構成要素の数、数値、量、範囲等に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも構わない。

また、構成要素等の形状、位置関係に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似又は類似するもの等を含む。

また、図面は、特徴を分かり易くするために特徴的な部分を拡大する等して誇張する場合があり、構成要素の寸法比率等が実際と同じであるとは限らない。また、断面図では、構成要素の断面構造を分かり易くするために、一部の構成要素のハッチングを省略することがある。

なお、本実施例において、「上」、「下」の語は、垂直方向における上方、下方に対応するものとする。

図１は、ウェハ研磨装置１を示す斜視図である。ウェハ研磨装置１は、ＣＭＰ研磨装置であり、ウェハＷを平坦に研磨する。ウェハ研磨装置１は、プラテン２と研磨ヘッド１０とを備えている。

プラテン２は、円盤状に形成されており、プラテン２の下方に配置された回転軸３に連結されている。回転軸３がモータ４の駆動によって回転することにより、プラテン２は図１中の矢印Ａの方向に回転する。プラテン２の上面には、研磨パッド５が貼付されており、研磨パッド５上に図示しないノズルから研磨剤と化学薬品との混合物であるＣＭＰスラリーが供給される。

研磨ヘッド１０は、プラテン２よりも小径の円盤状に形成されており、研磨ヘッド１０の上方に配置された回転軸１０ａに連結されている。回転軸１０ａが図示しないモータの駆動によって回転することにより、研磨ヘッド１０は、図１中の矢印Ｂの方向に回転する。研磨ヘッド１０は、図示しない昇降装置によって垂直方向Ｖに昇降自在である。研磨ヘッド１０は、ウェハＷを後述するテンプレートに嵌合させる際に上昇され、ウェハＷを研磨する際に下降して研磨パッド５に押圧される。

ウェハ研磨装置１の動作は、図示しない制御手段によって制御される。制御手段は、ウェハ研磨装置を構成する構成要素をそれぞれ制御するものである。制御手段は、例えば、ＣＰＵ、メモリ等により構成される。なお、制御手段の機能は、ソフトウェアを用いて制御することにより実現されても良く、ハードウェアを用いて動作することにより実現されても良い。

図２は、図１に示す研磨ヘッド１０の要部断面拡大図である。図３は、研磨ヘッド１０の下端部の拡大断面図である。研磨ヘッド１０は、キャリア２０と、ホルダ３０と、テンプレート４０と、弾性基材５０と、弾性体としての弾性接着剤６０と、を備えている。

キャリア２０の下端周縁には、エアシール部２１が凸設されている。キャリア２０の下面２０ａと弾性基材５０の上面５０ａとエアシール部２１とで囲まれた空間にエア室Ａが形成されている。エア室Ａには、エアフロートライン２２が連通されている。エアフロートライン２２は、図示しないエア供給源に接続されている。また、エア室Ａには、図示しない真空源に接続されたバキュームラインが連通されている。エアフロートライン２２を介した圧縮空気の供給とバキュームラインを介した真空引きとは、任意に切換可能である。キャリア２０は、ステンレス製である。

ホルダ３０は、円筒状に形成されており、キャリア２０に外嵌されている。ホルダ３０の内周下端部には、ザグリ３１が形成されている。ザグリ３１の深さは、テンプレート４０、弾性基材５０及び弾性接着剤６０の厚みの総和よりも浅く設定されている。ホルダ３０は、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）製である。

テンプレート４０は、ザグリ３１に嵌合されている。テンプレート４０は、円板状に形成されている。テンプレート４０の中央には、ウェハＷの外径と略同径に形成された凹部４１が設けられている。凹部４１の深さは、凹部４１にウェハＷを収容した状態で、ウェハＷの被研磨面とテンプレート４０の下面とが略面一になるように設定される。テンプレート４０は、ガラスエポキシ製、ポリエーテル・エーテル・ケトン樹脂（ＰＥＥＫ）製又はＰＰＳ製の薄板である。ＰＥＥＫは、耐摩耗性に優れており、不純物を含有しない。また、ＰＰＳは、ＰＥＥＫに比べて安価であり、入手し易く、耐摩耗性に優れており、不純物を含有しない。

弾性基材５０は、テンプレート４０の上面を被覆している。弾性基材５０は、両面テープ等でテンプレート４０に貼着されている。弾性基材５０とウェハＷとの間には、発泡ウレタン製のバッキングフィルム７０が介在している。弾性基材５０とバッキングフィルム７０には、図示しない吸着孔が開穿されており、エア室Ａと凹部４１とが吸着孔を介して連通している。ウェハＷを真空吸着する際には、吸着孔を介して真空引きする。弾性基材５０は、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）製、フッ素樹脂（ＰＦＡ）製又はＰＰＳ製のフィルムである。特に、ＰＦＡは、吸水率が低く、適度に柔軟性があって伸びや変形に強い。ＰＰＳは、吸水率が低く、伸びや変形に強い上、ＰＦＡに比べて安価である。

弾性接着剤６０は、ホルダ３０とテンプレート４０との間に介装されており、具体的には、ザグリ３１の底面３１ａと弾性基材５０の上面５０ａとに接触して、これらを接着している。

位置決めピン８０は、ホルダ３０に形成された第１の位置決め縦孔３２、テンプレート４０に形成された第２の位置決め縦孔４２、及び弾性基材５０に形成された第３の位置決め縦孔５１に挿通されている。具体的には、位置決めピン８０の大径部８１は、第１の位置決め３２に螺着されており、位置決めピン８０の小径部８２は、第２の位置決め縦孔４２及び第３の位置決め縦孔５１に挿通されている。第１の位置決め３２、第２の位置決め４２、及び第３の位置決め５１は、同軸上に形成されている。位置決めピン８０は、位置決め精度を向上させるために、複数本設けられるのが好ましい。

ホルダ３０、テンプレート４０及び弾性基材５０は、同一材質から成るのが好ましい。これにより、ホルダ３０、テンプレート４０及び弾性基材５０の材質特性が統一され、研磨中の外力に起因する変形、摩擦熱に起因する熱変形、水分に起因する膨潤等がホルダ３０、テンプレート４０及び弾性基材５０に同様に生じるため、研磨精度を向上させることができる。

また、ホルダ３０、テンプレート４０及び弾性基材５０は、ＰＰＳ製であるのが更に好ましい。これにより、弾性基材５０の吸水率を下げて弾性基材５０の膨潤を抑制すると共に弾性基材５０の耐変形性を向上させ、また、テンプレート４０の摩耗性を向上させると共にテンプレート４０を単一材料で形成可能なため、研磨精度を更に向上させることができる。

次に、ウェハ研磨装置１を用いてウェハＷを平坦化する研磨加工について図面に基づいて説明する。図４は、ウェハ研磨装置１に圧縮空気を供給した状態を示す模式図である。図５（ａ）は、ウェハＷが凹部４１内でスライドすることなく研磨されている様子を示す模式である。図５（ｂ）は、ウェハＷが水平方向Ｈにスライドした状態を示す模式図である。図５（ｃ）は、スライドしたウェハＷがテンプレート４０を変形させている状態を示す模式図である。

まず、ウェハ研磨装置１は、ウェハＷ全面を研磨パッド５に均一に押圧する。具体的には、図４に示すように、圧縮空気が、エア供給源からエアフロート吐出口２３を介してエア室Ａに供給される。エアシール部２１が、圧縮空気の外部漏出を抑制するため、圧縮空気はキャリア２０と弾性基材５０との間のエア室Ａに滞留し、弾性基材５０の全面に亘って圧力エア層が形成される。この圧力エア層が、ウェハＷの全面を均一に押圧する。

次に、プラテン２と研磨ヘッド１０とを回転させることにより、ウェハＷを平坦に研磨する。通常の研磨は、図５（ａ）に示すように、ウェハＷは凹部４１内でスライドすることなく研磨される。しかしながら、ウェハＷの被研磨面Ｗａに作用する摩擦力は、研磨パッド５の材質、ＣＭＰスラリーの質又は研磨ヘッド１０の押圧力等の条件によって増減する。ウェハＷに作用する摩擦力が過度に達する高負荷研磨時には、図５（ｂ）に示すように、ウェハＷが凹部４１内を水平方向Ｈに移動することがある。このような場合、ウェハＷがテンプレート４０を押圧力Ｆ１で押圧するが、テンプレート４０はザグリ３１に水平方向Ｈへの移動を規制されるため、テンプレート４０が水平方向Ｈに位置ズレすることが抑制される。また、位置決めピン８０がホルダ３０とテンプレート４０とを一体に連結しているため、テンプレート４０が水平方向Ｈに位置ズレすることが更に抑制される。なお、位置決めピン８０を複数設けると共に複数の位置決めピン８０を等間隔で配置することにより、テンプレート４０の移動をバランス良く規制することができる。

また、図５（ｃ）に示すように、高負荷研磨時にウェハＷがテンプレート４０を水平方向Ｈに押圧してテンプレート４０を座屈変形させる場合であっても、テンプレート４０の上方に配置された弾性接着剤６０がテンプレート４０の座屈変形に応じて変形し、その弾性力Ｆ２でテンプレート４０を平坦な形状に速やかに復帰させる。

このようにして、上述したウェハ研磨装置１は、高負荷研磨時のウェハＷのスライドに起因したテンプレート４０の位置ズレや座屈変形を抑制することにより、研磨パッド２と研磨ヘッド１０との摩擦状態が安定するため、安定して研磨を行うことができる。また、弾性接着剤６０がテンプレート４０の移動に追従して弾性変形するため、テンプレート４０がホルダ３０から脱落することを抑制できる。

また、ホルダ３０、テンプレート４０及び弾性基材５０がＰＰＳ製であることにより、各部材の材質特性が統一されることにより、ホルダ３０、テンプレート４０及び弾性基材５０が同様に熱変形等するため、研磨精度を向上させることができる。

なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなすことができ、そして、本発明が該改変されたものにも及ぶことは当然である。

１ ・・・ ウェハ研磨装置
２ ・・・ プラテン
３ ・・・ （プラテンの）回転軸
４ ・・・ モータ
５ ・・・ 研磨パッド
１０・・・ 研磨ヘッド
１０ａ・・・（研磨ヘッドの）回転軸
２０・・・ キャリア
２０ａ・・・（キャリアの）下面
２１・・・ エアシール部
２２・・・ エアフロートライン
３０・・・ ホルダ
３１・・・ ザグリ
３１ａ・・・（ザグリの）底面
３２・・・ 第１の位置決め縦孔
４０・・・ テンプレート
４１・・・ 凹部
４２・・・ 第２の位置決め縦孔
５０・・・ 弾性基材
５０ａ・・・（弾性基材の）上面
５１・・・ 第３の位置決め縦孔
６０・・・ 弾性接着剤（弾性体）
７０・・・ バッキングフィルム
８０・・・ 位置決めピン
８１・・・ 大径部
８２・・・ 小径部
Ａ ・・・ エア室
Ｗ ・・・ ウェハ
Ｗａ・・・（ウェハの）被研磨面

Claims (4)

1. 研磨ヘッドに装着されたウェハをキャリアの下方に発生させた圧力エア層で研磨パッドに押圧して前記ウェハを研磨するウェハ研磨装置であって、
   前記研磨ヘッドは、
   前記キャリアに外嵌されて、内周側下端部にザグリが形成された円筒状のホルダと、
   前記ウェハを収容する凹部を備え、前記ザグリに嵌合された円板状のテンプレートと、
   前記ホルダと前記テンプレートとの間に介装されて前記ホルダと前記テンプレートとを接着し、前記テンプレートの座屈変形に伴う弾性変形に応じた弾性力で前記テンプレートの形状を復元させる弾性接着剤と、
   を備えていることを特徴とするウェハ研磨装置。
2. 前記ホルダ及び前記テンプレートに同軸上にそれぞれ形成された位置決め用縦孔に挿通された位置決めピンを備えていることを特徴とする請求項１記載のウェハ研磨装置。
3. 前記テンプレート上に被覆された弾性基材を備え、
   前記ホルダと前記テンプレートと前記弾性基材とは、同一材質から成ることを特徴とする請求項１又は２記載のウェハ研磨装置。
4. 前記ホルダと前記テンプレートと前記弾性基材とは、ポリフェニレンサルファイド樹脂製であることを特徴とする請求項３記載のウェハ研磨装置。