JP6891847B2 - 研磨ヘッド及びウェーハの研磨方法 - Google Patents
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Description
本発明は、研磨ヘッド及びウェーハの研磨方法に関する。
半導体ウェーハの研磨方法は、研磨装置の定盤上に研磨布を貼り付け、研磨布上に研磨剤を供給し、ウェーハを保持した研磨ヘッドを研磨布に摺動させて研磨加工を行っている。
図３は従来の研磨ヘッド構造の一例を示す図である。研磨ヘッド１’は環状のセラミクスリング２にバッキングパッド３とガラスエポキシ材等の樹脂からなるガイドリング４が一体と成ったテンプレート５が貼り付けられ、そのテンプレート５が貼り付けられたセラミクスリング２と裏板６との間に空間部７を形成し、その空間部７に非圧縮性流体として水８’が封入された物である（特許文献１、２、３参照）。
研磨ヘッド１’のテンプレートに水張りされたウェーハＷは、空間部７に封入された非圧縮性流体を介して裏板から加圧された圧力がテンプレート５のバッキングパッド３を押して荷重を伝達し、研磨される。
研磨ヘッド１’の空間部７に水８’を入れることで、テンプレート５とウェーハＷとの間に生ずる僅かな隙間部のバッキングパッド３の変形を軽減しているが、ウェーハＷ最外周部における研磨の均一性は十分ではない。
従来の研磨ヘッドでは、空間部（流体封入部）に非圧縮性流体の一つとして水を封入しているが、水の粘度は０．８９０ｍＰａ・ｓ（２５℃）であり、テンプレート５とウェーハＷとの間に生ずる僅かな隙間部のバッキングパッド３の変形がウェーハＷを定盤２３上の研磨布２２に強く押し付けて、研磨を助長している。
図４は図３に示す従来の研磨ヘッド構造の一例の点線囲い部におけるバッキングパッドの動きを示す拡大図である。従来の研磨ヘッド１’では、ウェーハに加わる荷重を均一化するために、非圧縮性流体の一つである水８’が封入されてテンプレート５とウェーハＷ間に生ずる僅かな隙間部のバッキングパッドの変形を軽減しているが、図４に示すようにウェーハＷ最外周部においてバッキングパッド３が局部変形してしまい、ウェーハＷ最外周部における研磨の均一性が悪化することが分かった。
すなわち、従来の研磨ヘッドで研磨加工した場合、図６に示すように、ウェーハ最外周部（ウェーハ位置１４９ｍｍから１４７ｍｍ）において取代変位量が大きくなってしまい、ウェーハを均一に研磨することができずにいた。
上述のように、研磨ヘッドのテンプレートに水張りされたウェーハは、空間部に封入された流体を介して裏板から加圧された圧力がテンプレートのバッキングパッドを押して荷重を伝達し研磨加工を行っている。
従来のウェーハの研磨ヘッドにおいて、ウェーハに加わる荷重を均一化するために、空間部に非圧縮性流体の一つである水を封入して、テンプレートとウェーハとの間に生ずる僅かな隙間部のバッキングパッドの変形を軽減しているが、ウェーハ最外周部における研磨の均一性を向上させるには、流体粘度０．８９０ｍＰａ・ｓ（２５℃）の水では不十分であることが分かり、隙間部のバッキングパッドの変形をより低減する必要がある。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、テンプレートとウェーハとの間に生ずる僅かな隙間部のバッキングパッドの変形を従来の研磨ヘッドに比べて軽減し、ウェーハ最外周部における研磨の均一性を向上させることができる研磨ヘッドおよび研磨方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は、少なくとも、環状のセラミクスリングと、該セラミクスリングに貼り付けられ、バッキングパッド及びガイドリングが一体となったテンプレートと、前記セラミクスリングに結合され、前記バッキングパッドと前記セラミクスリングとともに空間部を形成する裏板とを具備し、前記バッキングパッドの下面部にウェーハの裏面を保持し、該ウェーハの表面を定盤上に貼り付けられた研磨布に摺接させて研磨する研磨ヘッドであって、前記空間部に非圧縮性流体が封入され、該非圧縮性流体の粘度が１０ｍＰａ・ｓ以上１２００ｍＰａ・ｓ以下のものであることを特徴とする研磨ヘッドを提供する。
このような研磨ヘッドであれば、テンプレートが貼り付けられたセラミクスリングと裏板との間に形成された空間部に封入する非圧縮性流体の粘度を１０ｍＰａ・ｓ以上１２００ｍＰａ・ｓ以下と高くすることで、流体によるバッキングパッドの局部的な変形を軽減して、テンプレートとウェーハとの間に生ずる僅かな隙間部分のバッキングパッドの変形を低減させることができるため、ウェーハ外周部の取代の均一化精度の向上が可能となる。
このとき、前記非圧縮性流体は、水に水溶性ポリマーを溶解したものであることが好ましい。
このような研磨ヘッドであれば、水及びＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等の水溶性ポリマーの濃度により非圧縮性流体の粘度を可変させることができるため、適切な粘度に調整することで、より確実にウェーハ外周部の研磨取代の均一化が可能となる。このとき、封入する流体は粘度１０ｍＰａ・ｓ以上１２００ｍＰａ・ｓ以下の物であれば特に限定はしない。
また、本発明は、研磨ヘッドを用いたウェーハの研磨方法であって、前記定盤上に貼り付けられた前記研磨布上に研磨剤を供給し、前記研磨ヘッドで保持された前記ウェーハの表面を、前記研磨布に摺接させて研磨することを特徴とするウェーハの研磨方法を提供する。
このようなウェーハの研磨方法であれば、バッキングパッドの局部的な変形を軽減して、テンプレートとウェーハとの間に生ずる僅かな隙間部分のバッキングパッドの変形を低減させることができるため、ウェーハ外周部の取代の均一化精度の向上が可能となる。
本発明の研磨ヘッド及びウェーハの研磨方法であれば、テンプレートが貼り付けられたセラミクスリングと裏板との間に形成された空間部に、粘度が１０ｍＰａ・ｓ以上１２００ｍＰａ・ｓ以下の非圧縮性流体を封入することで、テンプレートとウェーハとの間に生ずる僅かな隙間部のバッキングパッドの局部的な変形を軽減することができ、ウェーハ研磨での取代の均一化が可能となる。
上述のように、従来のウェーハの研磨ヘッドにおいて、ウェーハに加わる荷重を均一化するために、空間部に非圧縮性流体の一つである水を封入して、テンプレートとウェーハとの間に生ずる僅かな隙間部のバッキングパッドの変形を軽減しているが、ウェーハ最外周部における研磨の均一性を向上させるには、流体粘度０．８９０ｍＰａ・ｓ（２５℃）の水では不十分であることが分かり、隙間部のバッキングパッドの変形をより低減する必要があった。
そして、本発明者らは上記の問題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、空間部に封入する非圧縮性流体の粘度を１０ｍＰａ・ｓ以上１２００ｍＰａ・ｓ以下とすることによって隙間部のバッキングパッドの変形を低減することができ、ウェーハ外周部の取代均一化が可能になることを見出し、本発明に到達した。なお、非圧縮性流体の粘度が１２００ｍＰａ・ｓより大きくなると非圧縮性流体を封入することができなくなってしまう。
図１は本発明の研磨ヘッド構造の一例を示す図である。また、図２は、図１に示す本発明の研磨ヘッド構造の一例の点線囲い部の拡大図である。研磨ヘッド１は環状のセラミクスリング２にバッキングパッド３とガラスエポキシ材等の樹脂からなるガイドリング４が一体と成ったテンプレート５が貼り付けられ、そのテンプレート５が貼り付けられたセラミクスリング２と裏板６との間に空間部７を形成し、その空間部７に非圧縮性流体８が封入された物である。
非圧縮性流体８の粘度は、水に水溶性ポリマーであるＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等を溶解して調整する。水溶性ポリマーの濃度としては１２ｗ％（粘度９０ｍＰａ・ｓ）が最良と考えている。しかし、研磨ヘッド１に封入する非圧縮性流体８は水溶性ポリマーのＰＶＡの水溶液に限定するものでは無い。また、濃度に関しても、粘度が９０ｍＰａ・ｓに限定するものでは無く、粘度が１０ｍＰａ・ｓ以上１２００ｍＰａ・ｓ以下となる濃度であれば良い。
非圧縮性流体８を封入した後、ウェーハ加圧部９等の加圧機構を有する研磨ヘッド上部を裏板６の上面に装着する。
研磨ヘッド１のテンプレート５に水張りされたウェーハＷは、空間部７に封入された非圧縮性流体８を介して裏板６から加圧された圧力がテンプレート５のバッキングパッド３を押して荷重を伝達し、研磨される。
このとき、研磨ヘッド１はウェーハの裏面をバッキングパッド３の下面部に保持し、定盤２３上に貼り付けられた研磨布２２に摺接させてウェーハの表面を研磨する。
図５は本発明の研磨ヘッド構造の一例の点線囲い部におけるバッキングパッド３の動きを示す拡大図である。本発明の研磨ヘッド１では、テンプレート５とウェーハＷ間に生ずる僅かな隙間部のバッキングパッド３の局部的な変化が緩やかになり、ウェーハ外周部での押し込む力が軽減される。
このように、研磨ヘッド１の空間部７に粘度が１０ｍＰａ・ｓ以上１２００ｍＰａ・ｓ以下となる非圧縮性流体８を封入することで、テンプレート５とウェーハＷとの間に生ずる僅かな隙間部のバッキングパッド３の変形を軽減し、ウェーハ最外周部の研磨の均一性を向上させることが可能となる。
ここで、空間部７内に非圧縮性の流体を封入する方法について説明する。非圧縮性の流体は、図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）に示すように、流体封入装置を用いて封入した。
図１２（Ａ）は、ウェーハの厚さよりも薄いガイドリングを用いる場合の流体の封入方法の一例を示す図である。図１２（Ａ）に示すように、研磨ヘッドには、非圧縮性流体８を空間部７内に導入及び空間部７内から排出するために裏板６の上面に２つの貫通孔１８ａ、１８ｂが設けられており、非圧縮性流体８の圧力（以降、封入圧と略すこともある）を保ったまま、空間部７内に非圧縮性流体８を封入するためにそれぞれの貫通孔１８ａ、１８ｂにカプラー１０ａ、１０ｂが装着されている。そして、ウェーハＷ研磨前に空間部７内に非圧縮性流体８を封入する際には、まず、例えば以下に示すようにして流体封入装置１９を研磨ヘッドに接続する。
図１２（Ａ）に示すように、流体封入装置１９は、非圧縮性流体８の導入のために圧力計１５とバルブ１６ａが接続された回路を有し、該回路の末端にニップル１１ａが接続される。このニップル１１ａは、裏板６に設けられたカプラー１０ａに接続される。さらに流体封入装置１９は、非圧縮性流体８の排出のために、末端がドレインに接続され、中間にバルブ１６ｂが接続された回路を有している。回路先端にはニップル１１ｂが接続されており、このニップル１１ｂは、裏板６に設けられたカプラー１０ｂに接続される。
次に、平坦なベース１３上にウェーハＷあるいはウェーハＷと同じ厚さの調整板１７を載置し、ガイドリング４の下面にウェーハＷとガイドリング４の厚さの差に等しい調整用スペーサー１２を置く。さらに、ベース１３上にバッキングパッド３、ガイドリング４、セラミクスリング２及び裏板６からなる研磨ヘッド部材を、ウェーハＷあるいは調整用スペーサー１２がガイドリング４のホール内に収まるように載置する。さらに非圧縮性流体８を封入する際に裏板６の高さが変わらないようにベース１３と裏板６をクランプ治具１４にて固定する。
次に、バルブ１６ａ及び１６ｂを開け、空間部７内に非圧縮性流体８を導入し、空間部７内の気抜きを実施する。この気抜きとして、例えば、バルブ１６ａを閉じてバルブ１６ｂを開け、ドレイン側に減圧回路を接続して行うことができる。
次に、バルブ１６ａ及び１６ｂを閉じて、不図示の非圧縮性流体８の圧力調整機構によって圧力計１５が所定の圧力になるように調整し、バルブ１６ａを開けて空間部７内に非圧縮性流体８を導入する。圧力計１５が所定の圧力になっていることを確認して、バルブ１６ａを閉じ、空間部７内に非圧縮性流体８を封入する。封入後、裏板６の上部に装着されたカプラー１０ａ及び１０ｂからニップル１１ａ及び１１ｂを取り外す。
図１２（Ｂ）はウェーハの厚さよりも厚いガイドリングを用いる場合の非圧縮性流体の封入方法の一例を示す図である。この場合には、図１２（Ｂ）に示すように、ウェーハＷの下面に調整用スペーサー１２を挿入し、上記と同様にして非圧縮性流体８を封入することができる。
また、ウェーハＷの厚さとガイドリング４の厚さが等しい場合には、調整用スペーサーを用いないで、非圧縮性流体８を封入しても良い。
次に、本発明の研磨方法について説明する。図１３は本発明の研磨方法に用いることができる研磨装置の一例を示した概略図である。図１３に示すように、研磨装置２４は、定盤２３上に貼り付けられた研磨布２２と、該研磨布２２上に研磨剤２１を供給するための研磨剤供給機構２０と、ウェーハＷを保持するための研磨ヘッドとして、上記した本発明の研磨ヘッド１を有する。この研磨ヘッド１は、ウェーハ加圧部９等の加圧機構によってウェーハＷを定盤２３に貼られた研磨布２２に押圧できる構造になっている。
そして、研磨剤供給機構２０によって研磨剤２１を研磨布２２上に供給しながら、回転軸に連結された研磨ヘッド１の自転運動と定盤２３の回転運動によって、ウェーハＷの表面を摺接して研磨加工を行う。
このような研磨方法であれば、空間部７に封入する非圧縮性流体８の粘度を１０ｍＰａ・ｓ以上１２００ｍＰａ・ｓ以下にすることによって、ウェーハに加わる荷重を均一化することができ、ウェーハ外周部の取代均一化が可能となる。
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに制限されるものではない。
まず、非圧縮性流体の一つである水にＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を溶解し、Ｂ型粘度計により粘度を２５℃の環境下で測定した。図７は水溶性ポリマーの濃度と粘度の関係を示す図である。ＰＶＡを溶解する割合を変えて、ＰＶＡ濃度（ｗ％）に対する粘度の変化を確認して、ヘッドに注入する流体の濃度を決めた。
（実施例１−３）
ＰＶＡ濃度に対する粘度の変化を確認し、研磨ヘッドに封入する流体のＰＶＡ濃度は６ｗ％（１０ｍＰａ・ｓ）（実施例１）と１２ｗ％（９０ｍＰａ・ｓ）（実施例２）と２０ｗ％（１２００ｍＰａ・ｓ）（実施例３）の３水準とした。
ＰＶＡ濃度に対する粘度の変化を確認し、研磨ヘッドに封入する流体のＰＶＡ濃度は６ｗ％（１０ｍＰａ・ｓ）（実施例１）と１２ｗ％（９０ｍＰａ・ｓ）（実施例２）と２０ｗ％（１２００ｍＰａ・ｓ）（実施例３）の３水準とした。
そして、３水準の非圧縮性流体をそれぞれ研磨ヘッドに同一圧力(１５ｋＰａ程度)で封入し、ウェーハ研磨加工を行い、加工前後の取代プロファイルの違いを比較した。
上述のように、非圧縮性流体は図１２（Ａ）、（Ｂ）に示される流体封入装置を用いて封入した。この際、テンプレートの厚さが７００μｍの場合（ウェーハの厚さよりも薄いガイドリングを用いる場合）は７５μｍの調整用スペーサー１２をテンプレート５の下面に挿入し、７８０μｍの場合（ウェーハの厚さと同じ厚さのガイドリングを用いる場合）は調整用スペーサーを用いないで、８００μｍの場合（ウェーハの厚さよりも厚いガイドリングを用いる場合）はウェーハの下面に２５μｍの調整用スペーサーを挿入してそれぞれ流体を封入した。
研磨の加工条件は下記の通りである。
［研磨加工条件］
装置：不二越機械製片面研磨機
加工ウェーハ： 直径３００ｍｍ Ｐ−品＜１００＞シリコンウェーハ
研磨布： 二次研磨クロス 不織布
研磨剤： 二次研磨スラリー ＫＯＨベースコロイダルシリカ
［研磨加工条件］
装置：不二越機械製片面研磨機
加工ウェーハ： 直径３００ｍｍ Ｐ−品＜１００＞シリコンウェーハ
研磨布： 二次研磨クロス 不織布
研磨剤： 二次研磨スラリー ＫＯＨベースコロイダルシリカ
また、研磨後の取代の測定は、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製フラットネス測定機 ＷａｆｅｒＳｉｇｈｔ２を用いて行った。
（比較例１）
空間部７に水８’が封入された図３に示す従来の研磨ヘッドを用いた以外、実施例１−３と同様の条件でウェーハ研磨加工を行った。
空間部７に水８’が封入された図３に示す従来の研磨ヘッドを用いた以外、実施例１−３と同様の条件でウェーハ研磨加工を行った。
図８に実施例１−３及び比較例１のウェーハ形状プロファイルを示す。図８に示すように、空間部に封入する非圧縮性流体の粘度を１０ｍＰａ・ｓ以上１２００ｍＰａ・ｓ以下にすることによってウェーハ外周部の取代均一化が可能になった。すなわち、実施例１−３は比較例１と比較してウェーハ外周部の取代変位量が小さくなった。
次に、ウェーハ半径１４９ｍｍから１４７ｍｍの厚さ変位を流体粘度で比べた。図９は、実施例１−３及び比較例１のウェーハ外周部（ウェーハ半径１４９ｍｍから１４７ｍｍ）における厚さの変位量を示す図である。従来使用している水（０．８９０ｍＰａ・ｓ）に比べて粘度を上昇させた流体（１０ｍＰａ・ｓ以上１２００ｍＰａ・ｓ以下）にすることで、ウェーハ外周部の厚さの変位量が小さくなり、取代の均一化が良くなった。実施例２（粘度９０ｍＰａ・ｓ）は一番変位量が小さい結果となったが、１０ｍＰａ・ｓ以上１２００ｍＰａ・ｓ以下であれば取代均一性に大幅な改善が見られる。
（実施例４、比較例２）
粘度９０ｍＰａ・ｓの流体を封入した本発明の研磨ヘッド（実施例４）と従来の粘度が０．８９０ｍＰａ・ｓの水封入研磨ヘッド（比較例２）を用いてウェーハ研磨加工を各研磨ヘッド１０枚行い、研磨加工前後でのΔＥＳＦＱＲ（ｍａｘ）とΔＳＦＱＲ（ｍａｘ）を比較した。
粘度９０ｍＰａ・ｓの流体を封入した本発明の研磨ヘッド（実施例４）と従来の粘度が０．８９０ｍＰａ・ｓの水封入研磨ヘッド（比較例２）を用いてウェーハ研磨加工を各研磨ヘッド１０枚行い、研磨加工前後でのΔＥＳＦＱＲ（ｍａｘ）とΔＳＦＱＲ（ｍａｘ）を比較した。
非圧縮性流体の封入、研磨加工は実施例１−３と同様に行った。
また、本研磨後の品質評価（シリコンウェーハのΔＳＦＱＲ（ｍａｘ）、ΔＥＳＦＱＲ（ｍａｘ））は、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製フラットネス測定機 ＷａｆｅｒＳｉｇｈｔ２を用いて行った。
図１０及び図１１に、従来の研磨ヘッドと本発明の研磨ヘッドで研磨加工を行った比較例２及び実施例４における、ウェーハ研磨加工前後での変化としてΔＳＦＱＲ（ｍａｘ），ΔＥＳＦＱＲ（ｍａｘ）の比較の結果を示す。
その結果、本発明の粘度９０ｍＰａ・ｓの流体を封入した研磨ヘッド（実施例４）の方が従来の研磨ヘッド（比較例２）よりも、ΔＥＳＦＱＲ（ｍａｘ）及びΔＳＦＱＲ（ｍａｘ）がともに大幅に小さく、フラットネスの変化量が少ないことを確認できた。
上記のように、研磨ヘッドに封入する非圧縮性流体の粘度を１０ｍＰａ・ｓ以上１２００ｍＰａ・ｓ以下にすることで取代の均一性を向上させることができる。
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。
Ｗ…ウェーハ、
１、１’…研磨ヘッド、 ２…セラミクスリング、 ３…バッキングパッド、
４…ガイドリング、 ５…テンプレート、 ６…裏板、 ７…空間部、
８…非圧縮性流体、 ８’…水、 ９…ウェーハ加圧部、
１０ａ、１０ｂ…カプラー、 １１ａ、１１ｂ…ニップル、
１２…調整用スペーサー、 １３…ベース、 １４…クランプ治具、
１５…圧力計、 １６ａ、１６ｂ…バルブ、 １７…ウェーハＷと同じ厚さの調整板、
１８ａ、１８ｂ…貫通孔、 １９…流体封入装置、 ２０…研磨剤供給機構、
２１…研磨剤、 ２２…研磨布、 ２３…定盤、 ２４…研磨装置。
１、１’…研磨ヘッド、 ２…セラミクスリング、 ３…バッキングパッド、
４…ガイドリング、 ５…テンプレート、 ６…裏板、 ７…空間部、
８…非圧縮性流体、 ８’…水、 ９…ウェーハ加圧部、
１０ａ、１０ｂ…カプラー、 １１ａ、１１ｂ…ニップル、
１２…調整用スペーサー、 １３…ベース、 １４…クランプ治具、
１５…圧力計、 １６ａ、１６ｂ…バルブ、 １７…ウェーハＷと同じ厚さの調整板、
１８ａ、１８ｂ…貫通孔、 １９…流体封入装置、 ２０…研磨剤供給機構、
２１…研磨剤、 ２２…研磨布、 ２３…定盤、 ２４…研磨装置。
Claims (3)
- 少なくとも、環状のセラミクスリングと、
該セラミクスリングに貼り付けられ、バッキングパッド及びガイドリングが一体となったテンプレートと、
前記セラミクスリングに結合され、前記バッキングパッドと前記セラミクスリングとともに空間部を形成する裏板とを具備し、
前記バッキングパッドの下面部にウェーハの裏面を保持し、該ウェーハの表面を定盤上に貼り付けられた研磨布に摺接させて研磨する研磨ヘッドであって、
前記空間部に非圧縮性流体が封入され、該非圧縮性流体の粘度が１０ｍＰａ・ｓ以上１２００ｍＰａ・ｓ以下のものであることを特徴とする研磨ヘッド。 - 前記非圧縮性流体は、水に水溶性ポリマーを溶解した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。
- 請求項１又は請求項２に記載の研磨ヘッドを用いたウェーハの研磨方法であって、
前記定盤上に貼り付けられた前記研磨布上に研磨剤を供給し、
前記研磨ヘッドで保持された前記ウェーハの表面を、前記研磨布に摺接させ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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