JP7170426B2 - Ｃｍｐ装置 - Google Patents

Description

本発明はウェハをＣＭＰ研磨するＣＭＰ装置に関するものである。

半導体製造分野では、シリコンウェハ等の半導体ウェハ（以下、「ウェハ」という）を平坦化するＣＭＰ装置が知られている。

特許文献１記載の研磨装置は、化学的機械的研磨、いわゆるＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）技術を適用した研磨装置である。この研磨装置では、研磨ヘッドが、キャリアとリテーナリングに周縁を保持された弾性シートとの隙間に形成されたエア室のエア圧でウェハを研磨布に押し付けて研磨する。また、この研磨装置では、キャリアの下面に複数のエアバッグを設けることにより、ウェハの研磨量を局所的に変化させている。

この研磨装置では、ウェハに作用する研磨圧力は、エア室内のエア圧に応じて弾性シートがウェハを押圧する圧力及びエアバッグ内のエア圧に応じてエアバッグが弾性シートを押圧する圧力を合算したものである。また、隣り合うエアバッグの境界では、エアバッグが弾性シートを押圧しない分だけ圧力降下が発生するが、ウェハ自体の剛性によって、圧力変化が吸収されて、ウェハに作用する圧力はウェハ全面において連続し、緩やかに変化する研磨形状を得るものである。

特許第３６８３１４９号公報

しかしながら、上述したようなＣＭＰ装置では、ウェハが薄くなる等してウェハの剛性が低下すると、隣り合うエアバッグの境界での圧力低下が緩和されず、ウェハに作用する研磨圧力における圧力変化が顕著になり、緩やかに変化する研磨形状を得ることが難しいという問題があった。

そこで、ウェハの剛性にかかわらず、緩やかに変化する研磨形状を得るために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。

上記目的を達成するために、本発明に係るＣＭＰ装置は、キャリアと該キャリアの下方に離間して設けられたメンブレンフィルムとの間に供給された圧縮空気で前記メンブレンフィルムが膨張して前記ウェハ全面を押圧するとともに、前記キャリアの下面に圧縮空気で膨張自在に設けられた複数のゾーンが前記メンブレンフィルムを局所的に押圧して、前記ウェハを研磨パッドに押し付けて研磨するＣＭＰ装置であって、前記メンブレンフィルムは、ＰＥＥＫ樹脂製であり、以下の数式で算出される前記メンブレンフィルムの曲げ剛性が０．６６に設定されている。

但し、Ｄ：メンブレンフィルムの曲げ剛性[kgf・mm]、Ｅ：メンブレンフィルムのヤング率[kgf/mm^2]、ｔ：メンブレンフィルムの厚み[mm]、ν：メンブレンフィルムのポアソン比とする。

この構成によれば、高剛性のメンブレンフィルムが、隣り合うゾーンの境界において生じがちな圧力降下を吸収することにより、ウェハに作用する圧力がウェハ全面において連続し、緩やかに変化する研磨形状を得ることができる。

また、メンブレンフィルムがＰＥＥＫ樹脂製であることにより、入手し易く、良好な曲げ剛性を有するメンブレンフィルムを得ることができる。

本発明は、高剛性のメンブレンフィルムが、隣り合うゾーンの境界において生じがちな圧力降下を吸収することにより、ウェハに作用する圧力がウェハ全面において連続し、緩やかに変化する研磨形状を得ることができる。

本発明の一実施形態に係るＣＭＰ装置を模式的に示す斜視図。 研磨ヘッドの要部を模式的に示す縦断面図。 研磨ヘッドの縦断面図及び底面図。 従来のＣＭＰ装置及び本実施形態に係るＣＭＰ装置の各圧力分布を示す模式図。 本発明の実施例及び比較例に係るＣＭＰ装置において、中心付近を高圧で研磨した場合の研磨レートを示すグラフ。 本発明の実施例及び比較例に係るＣＭＰ装置において、外周付近を高圧で研磨した場合の研磨レートを示すグラフ。

本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。なお、以下では、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。

図１は、本発明の一実施形態に係るＣＭＰ装置１を模式的に示す斜視図である。ＣＭＰ装置１は、ウェハＷの一面を平坦に研磨するものである。ＣＭＰ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Ｄ１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Ｄ２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を研磨する際に下降して研磨パッド５にウェハＷを押圧する。研磨ヘッド１０が研磨するウェハＷは、図示しないウェハ搬送機構によって受け渡される。

ＣＭＰ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、ＣＭＰ装置１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、例えばコンピュータであり、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ものにより実現されても良い。

次に、研磨ヘッド１０について説明する。図２は、研磨ヘッド１０の要部を模式的に示す縦断面図である。なお、図２では、弾性押圧部材７０を省略している。図３は、研磨ヘッド１０の下部を模式的に示す縦断面図及び底面図である。

研磨ヘッド１０は、ヘッド本体２０と、キャリア３０と、リテーナリング４０と、メンブレンフィルム５０と、バッキングフィルム６０と、を備えている。

ヘッド本体２０は、回転軸１０ａに接続されており、回転軸１０ａと共に回転する。ヘッド本体２０は、回転部２１を介してヘッド本体２０の下方に配置されたキャリア３０に連結されており、ヘッド本体２０及びキャリア３０は連動して回転する。

キャリア３０には、キャリア３０の周縁に等間隔に離間して配置されたエアライン３１が設けられている。エアライン３１の下端は、キャリア３０の下面３０ａとメンブレンフィルム５０との間に形成されたエア室Ａに開口している。エアライン３１は、図示しないエア供給手段としてのエア供給源に接続されており、エア室Ａには、エアライン３１を介してエアが導入される。エアライン３１に供給されるエアの圧力は、図示しないレギュレータによって調整される。エア室Ａ内に供給されたエアは、キャリア３０の外周縁に形成されたリムによってメンブレンフィルム５０の上方にエア層を形成し、メンブレンフィルム５０全面を下方に押圧する。

ヘッド本体２０とキャリア３０との間には、キャリア押圧手段３２が設けられている。キャリア押圧手段３２は、図示しないエア供給源から供給されるエアによって膨張するエアバッグ等である。エア供給源から供給されるエアの圧力は、図示しないレギュレータによって調整される。キャリア押圧手段３２は、供給されるエアの圧力に応じて、キャリア３０を介してウェハＷを研磨パッド５に押圧する。

リテーナリング４０は、キャリア３０の周囲を囲むように配置されている。リテーナリング４０は、上面にメンブレンフィルム５０が貼着されたリテーナリングホルダ４１を備えている。

リテーナリングホルダ４１は、例えば、ガラスエポキシ、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）又はポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の樹脂から成る。リテーナリングホルダ４１は、円環状に形成されており、中央にウェハＷを収容する収容ポケット４１ａを備えている。リテーナリングホルダ４１は、スナップリング４２を介してリテーナ押圧部材４３に取り付けられている。ヘッド本体２０とリテーナ押圧部材４３との間には、リテーナ押圧手段４４が設けられている。なお、符号４５は、スナップリング４２の上方を覆うカバーである。

リテーナ押圧手段４４は、図示しないエア供給源から供給されるエアによって膨張するエアバッグ等である。エア供給源から供給されるエアの圧力は、図示しないレギュレータによって調整される。リテーナ押圧手段４４は、供給されるエアの圧力に応じて、リテーナ押圧手段４４を介してリテーナリング４０を研磨パッド５に押圧する。

メンブレンフィルム５０は、収容ポケット４１ａを覆うようにリテーナリングホルダ４１に貼着されており、エア室Ａに圧縮空気が導入されると、空気圧で収容ポケット４１ａ内に向かって弾性変形する。

メンブレンフィルム５０は、従来のメンブレンフィルムよりも高剛性で形成されており、Ｄをメンブレンフィルム５０の曲げ剛性[kgf/mm]、Ｅをメンブレンフィルム５０のヤング率[kgf/mm^2]、ｔをメンブレンフィルム５０の厚み[mm]、νをメンブレンフィルム５０のポアソン比とした場合に、以下の数式で算出されるメンブレンフィルム５０の曲げ剛性Ｄが５００以上になるように設定されている。

また、メンブレンフィルム５０の剛性は、２以下に設定されるのが好ましい。ウェハＷを搬送する際には、メンブレンフィルム５０には弾性変形できる程度の適度な柔軟性が必要なためである。

メンブレンフィルム５０は、適度な強度と柔軟性を兼ね備えた材料が好ましく、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の樹脂が好ましい。メンブレンフィルム５０には、物性及び入手性の観点からＰＥＥＫが特に好ましいが、ＰＰＳやＰＥＴであってもヤング率ＥがＰＥＥＫに近く、また比較的に容易に入手できるため好ましい。一方、鋼のような金属では、所望の板厚に形成するのが難しい上、厚みに応じて剛性が大きく増減し、さらに金属は降伏するため搬送時に要求される適度な柔軟性を確保し難い。ＰＥＥＫ、従来のメンブレンフィルムに用いられるフッ素樹脂（ＰＦＡ）及び鋼の曲げ剛性を表１に示す。

なお、表１中のヤング率、ポアソン比の引用元は、以下通りである。
［ＰＥＥＫ］
ＰＥＥＫには、代表例として東レプラスチック精工株式会社製「ＴＰＳ ＰＥＥＫ」を挙げた。なお、ＰＥＥＫのヤング率（引張弾性率）は、曲げ弾性率を代用している。
［ＰＦＡ］
ＰＦＡのヤング率は、ウェブサイト（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ.ｐａｃｋｉｎｇ.ｃｏ.ｊｐ／ＰＴＦＥ／ｐｔｆｅ_ｉｐｐａｎｔｏｋｕｓｅｉ１.ｈｔｍ）に記載されている数値を挙げている。なお、ＰＦＡのポアソン比は、物性が近いポリテトラフルエチレン（ＰＴＦＥ）のポアソン比を代用している。
［ＰＴＦＡ］
ＰＦＡのポアソン比は、ウェブサイト（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ.ｓｅａｌ.ｖａｌｑｕａ.ｃｏ.ｊｐ／ｓｅａｌ／ｇａｓｋｅｔ_ｄｅｔａｉｌ_ｔｅｃｈ／１５３／）に記載されている数値を挙げている。
［鋼］
鋼の代表例として、ウェブサイト（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ.ｌａｂｎｏｔｅｓ.ｊｐ／ｐｄｆ２／ｐｈｙｓｉｃａｌ%２０ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ.ｐｄｆ）に記載されているＳＵＳ３０４の数値を挙げている。

バッキングフィルム６０は、例えば、スウェードフィルムである。バッキングフィルム６０は、その中心が研磨ヘッド１０の回転軸１０ａ上に位置決めされた状態でメンブレンフィルム５０に貼着されている。バッキングフィルム６０は、エア室Ａに圧縮空気が導入されると、メンブレンフィルム５０の弾性変形に伴って弾性変形してウェハＷを加圧する。

キャリア３０の下面３０ａには、研磨ヘッド１０の回転軸１０ａと同軸上に配置された弾性押圧部材７０が設けられている。弾性押圧部材７０は、例えば、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）製、フッ素樹脂（ＰＦＡ）製又はポニフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）製である。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。

弾性押圧部材７０の上面には４本のリム７１が立設されており、各リム７１は、キャリア３０と弾性押圧部材７０との間に介装されたレイアウトベース８０の環状溝８１に挿入されている。リム７１は、２液性エポキシ樹脂接着剤等でレイアウトベース８０に着脱自在に貼着されている。レイアウトベース８０は、図示しないボルトでキャリア３０に締結されている。

弾性押圧部材７０は、リム７１を境にして４つのゾーンに区分されている。各ゾーンは、ゾーンエアライン８２を介してエア供給源に接続されており、エア供給源から供給されるエアによって独立して膨張可能である。これにより、弾性押圧部材７０は、４つに区分されたゾーンが独立して膨張可能に構成される。以下、弾性押圧部材７０が区分された各領域を、研磨ヘッド１０の外周側から内周側に向かって順に「ゾーンＺ１～Ｚ４」とそれぞれ称す。

次に、ＣＭＰ装置１の作用について図４に基づいて説明する。図４（ａ）に示すように、ＣＭＰ装置１は、エア室Ａ内に供給される圧縮空気がキャリア３０に加えられる押圧力をメンブレンフィルム５０を介してウェハＷに伝えることで、均一な圧力分布でウェハＷを研磨パッド５に押圧してウェハＷを研磨することができる。

また、弾性押圧部材７０の各ゾーンＺ１～Ｚ４を圧縮空気の圧力に応じてそれぞれ独立して膨張させることにより、ゾーンＺ１～Ｚ４を選択的に加圧して、ウェハＷを局所的に研磨することができる。

すなわち、図４（ｂ）に示すように、ＣＭＰ装置１では、ウェハＷに作用する研磨圧力Ｐは、ゾーンＺ１～Ｚ４内のエア圧に応じて弾性押圧部材７０がメンブレンフィルム５０を押圧する圧力Ｐ１と、エア室Ａ内のエア圧に応じてメンブレンフィルム５０がウェハＷを押圧する圧力Ｐ２とを合算したものである。

そして、ＣＭＰ装置１では、ゾーンＺ１～Ｚ４の境界付近では、硬質の弾性押圧部材７０がメンブレンフィルム５０を押圧しない分だけ圧力降下が発生する。しかしながら、メンブレンフィルム５０が有する剛性によって、上述した弾性押圧部材７０の境界付近における圧力降下が吸収されて、ウェハＷに作用する圧力ＰがウェハＷ全面において連続し、緩やかに変化する研磨形状を得ることができる。

一方、軟質のメンブレンフィルムを用いる従来のＣＭＰ装置では、図４（ｃ）に示すように、エア室Ａ内のエア圧に応じてメンブレンフィルム５０がウェハＷを押圧する圧力Ｐ２’が一定であっても、ゾーンＺ１～Ｚ４の境界付近での柔らかいメンブレンフィルムに作用する圧力Ｐ１’がゾーンＺ１～Ｚ４の境界付近で大きく降下し、ウェハＷに作用する研磨圧力Ｐ’の変化が大きくなるため、緩やかに変化する研磨形状を得ることができない。

次に、表１に示すＰＥＥＫを用いた硬質のメンブレンフィルム５０、及びＰＦＡを用いた軟質のメンブレンフィルムでＣＭＰ研磨をした場合の研磨量を比較した評価データについて説明する。

図５、６は、熱酸化膜を研磨した場合の研磨量を示すものである。図５、６は、縦軸に研磨量、横軸に研磨ヘッドの回転中心を原点として径方向座標を表している。本評価で設定された主な研磨条件は、表２の通りである。なお、以下では、各ゾーンの領域を研磨ヘッドの回転中心から径方向に向かって、０～１０ｍｍをゾーンＺ４、１０～３０ｍｍをゾーンＺ３、３０～４５ｍｍをゾーンＺ２、４５～６５ｍｍをゾーンＺ４に設定した。

図５は、研磨ヘッドの回転中心付近に研磨圧力を集中させた場合の研磨量を比較した評価データである。具体的には、ゾーンＺ１～Ｚ４の各圧力が、この順で０[ｋｇｆ]、５．５[ｋｇｆ]、５．５[ｋｇｆ]、６．５[ｋｇｆ]にそれぞれ設定されている。図５によれば、本実施例に係るＣＭＰ装置１は、比較例と比べて、ゾーンＺ１～Ｚ４の境界付近（１０、３０、４５ｍｍ）での圧力降下が緩和され、全体として緩やかな圧力分布が形成されていることが分かる。

図６は、研磨ヘッドの外周付近に研磨圧力を集中させた場合の研磨量を比較した評価データである。具体的には、ゾーンＺ１～Ｚ４の各圧力が、この順で５．５[ｋｇｆ]、４．５[ｋｇｆ]、３．５[ｋｇｆ]、０[ｋｇｆ]にそれぞれ設定されている。図６によれば、本実施例に係るＣＭＰ装置１は、比較例と比べて、特にゾーンＺ２、Ｚ３の境界付近（３０ｍｍ）での圧力降下が緩和され、全体として緩やかな圧力分布が形成されていることが分かる。

また、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り、上記以外にも種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

１ ・・・ＣＭＰ装置
２ ・・・プラテン
３ ・・・回転軸
４ ・・・モータ
５ ・・・研磨パッド
１０ ・・・研磨ヘッド
１０ａ ・・・回転軸
２１ ・・・回転部
３０ ・・・キャリア
３０ａ ・・・下面
３１ ・・・エアライン
３２ ・・・キャリア押圧手段
４０ ・・・リテーナリング
４１ ・・・リテーナリングホルダ
４１ａ ・・・収容ポケット
４２ ・・・スナップリング
４３ ・・・リテーナ押圧部材
４４ ・・・リテーナ押圧手段
５０ ・・・メンブレンフィルム
６０ ・・・バッキングフィルム
７０ ・・・弾性押圧部材
７１ ・・・リム
８０ ・・・レイアウトベース
８１ ・・・環状溝
８２ ・・・ゾーンエアライン
Ａ ・・・エア室
Ｖ ・・・垂直方向
Ｗ ・・・ウェハ

Claims (1)

1. キャリアと該キャリアの下方に離間して設けられたメンブレンフィルムとの間に供給された圧縮空気で前記メンブレンフィルムが膨張してウェハ全面を押圧するとともに、前記キャリアの下面に圧縮空気で膨張自在に設けられた複数のゾーンが前記メンブレンフィルムを局所的に押圧して、前記ウェハを研磨パッドに押し付けて研磨するＣＭＰ装置であって、
   前記メンブレンフィルムは、ＰＥＥＫ樹脂製であり、
   以下の数式で算出される前記メンブレンフィルムの曲げ剛性が０．６６に設定されていることを特徴とするＣＭＰ装置。
   

   

   但し、Ｄ：メンブレンフィルムの曲げ剛性[kgf・mm]、Ｅ：メンブレンフィルムのヤング率[kgf/mm^2]、ｔ：メンブレンフィルムの厚み[mm]、ν：メンブレンフィルムのポアソン比とする。

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