JP7266369B2 - Cmp装置及び方法 - Google Patents

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Description

本発明はウェハをCMP研磨するCMP装置及び該CMP装置を用いたCMP方法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。図8に示すように、CMP装置70の研磨ヘッド71が、キャリア72とリテーナリングホルダ73に周縁を保持されたメンブレンシート74との隙間に形成されたエア室75にエアー供給ライン76を介して圧縮空気を供給し、圧縮空気の圧力でウェハWを研磨布77に押し付けて研磨する。また、研磨時に研磨布77に押し付けられるリテーナリング78の上面にメンブレンシート74が貼着され、メンブレンシート74とウェハWとの間には発泡ウレタンのバッキングフィルム79が介在されている。
このような研磨装置70は、図9に示すように、研磨ヘッド71が、エアー供給ライン76を介してエア室75内をバキュームすることにより、ウェハWをキャリア72に密着させるように変形させて吸着保持して搬送する。
特開2016-159385号公報
しかしながら、上述したようなCMP装置では、エア室に正圧を供給して、ウェハの表面を基準に研磨を行うことしかできず、多種多様なウェハに対応するのが難しい虞があった。
そこで、多種多様なウェハに対応してCMP研磨を行う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、研磨パッド上のウェハを非吸着状態で収容した研磨ヘッドで前記ウェハを前記研磨パッドに押圧して行うエアーフロート研磨、又は前記ウェハを前記研磨ヘッドに吸着させて前記研磨パッドに押圧して行う吸着研磨の少なくとも一方を実行するCMP装置であって、前記研磨ヘッドは、前記ウェハの上面に対向する吸着面を備えるポーラスチャックと、前記ポーラスチャックを収容する収容部を有するキャリアと、前記キャリアの周囲を包囲するリテーナと、前記ポーラスチャックに前記ウェハの裏面を吸着させる負圧を供給する負圧源と、前記ポーラスチャックの吸着面から吐出する圧縮空気をポーラスチャックに供給する圧縮空気源と、前記ウェハ、前記ポーラスチャック、前記キャリア及び前記リテーナで包囲されるエア室における前記ウェハ及び前記ポーラスチャックの間の第1隙間よりも相対的に小さい前記キャリア及び前記リテーナの間の第2隙間に相当し、前記エア室の空気を徐々に外部に排出するエア層形成手段と、前記ポーラスチャック及び負圧源の接続と前記ポーラスチャック及び圧縮空気源の接続とを択一的に切り換える切換手段と、を備え、前記エア室に滞留される圧縮空気のエア層により前記ウェハを押圧し、前記エア室に負圧を供給して前記ポーラスチャックに前記ウェハを吸着する。
この構成によれば、ポーラスチャックに供給された負圧によってウェハがポーラスチャックに吸着保持され、研磨ヘッドがウェハを研磨パッドに押圧することにより、ウェハの裏面を基準にした吸着研磨を行うことができる。また、ポーラスチャックに供給された圧縮空気によってウェハとポーラスチャックとの間に形成されたエア層がウェハの裏面を均一に押圧し、研磨ヘッドがウェハを研磨パッドに押圧することにより、ウェハの表面を基準にしたエアーフロート研磨を行うことができる。そして、切換弁を切り換えることにより、吸着研磨及びエアーフロート研磨を任意に切換可能なため、1台の研磨ヘッドで多種多様なウェハに対応することができる。
また、本発明に係るCMP装置は、前記研磨ヘッドの前記吸着面は略平坦に形成され、前記ポーラスチックは、前記ウェハに直接接触可能なことが好ましい。
この構成によれば、ウェハがポーラスチャックに略平坦に吸着保持されることにより、ウェハを裏面を基準にして精度よく研磨することができる。
また、本発明に係るCMP装置は、前記圧縮空気に混入する水分を供給する給水源をさらに備えていることが好ましい。
この構成によれば、ポーラスチャックに付着したスラリーの乾燥を抑制し、スラリー残渣が吸着面に固着することを防止するため、ポーラスチャックの吸着面に沿ってウェハを吸着することができる。
また、本発明に係るCMP装置は、前記キャリア及び前記ポーラスチャックの前記吸着面を洗浄する洗浄部材をさらに備えていることが好ましい。
この構成によれば、スラリー残渣が吸着面に固着することを防止するため、ポーラスチャックの吸着面に沿ってウェハを吸着することができる。
また、上記目的を達成するために、本発明に係るCMP方法は、以上のようなCMP装置を用いて、前記ポーラスチャックが前記ウェハを吸着した状態で研磨した後に、前記ポーラスチャックが研磨後の前記ウェハを前記圧縮空気で押圧してさらに研磨することが好ましい。
この構成によれば、ウェハをポーラスチャックに吸着保持した状態で研磨した後に、ウェハの吸着保持を解除し、ウェハを圧縮空気で押圧して研磨することにより、同一の研磨ヘッドでウェハの裏面基準で研磨した後にウェハの表面を基準にして研磨を行うことができる。
また、上記目的を達成するために、本発明に係るCMP方法は、以上のようなCMP装置を用いて、前記ポーラスチャックが前記ウェハを前記圧縮空気で押圧して研磨した後に、前記ポーラスチャックが研磨後の前記ウェハを吸着した状態でさらに研磨することが好ましい。
この構成によれば、ウェハを圧縮空気で押圧して研磨した後に、ウェハを吸着保持し、ウェハをポーラスチャックに吸着保持した状態で研磨することにより、同一の研磨ヘッドでウェハを表面基準で研磨した後に、ウェハの裏面を基準にして研磨を行うことができる。
本発明は、ポーラスチャックに供給された負圧によってウェハがポーラスチャックに吸着保持され、研磨ヘッドがウェハを研磨パッドに押圧することにより、ウェハの裏面を基準にした吸着研磨を行うことができる。また、ポーラスチャックに供給された圧縮空気によってウェハとポーラスチャックとの間に形成されたエア層がウェハの裏面を均一に押圧し、研磨ヘッドがウェハを研磨パッドに押圧することにより、ウェハの表面を基準にしたエアーフロート研磨を行うことができる。そして、切換弁を切り換えることにより、吸着研磨及びエアーフロート研磨を任意に切換可能なため、1台の研磨ヘッドで多種多様なウェハに対応することができる。
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。 ウェハをポーラスチャックに吸着保持して研磨を行う様子を示す模式図。 ウェハをエア圧で押圧しながら研磨を行う様子を示す模式図。 キャリアの外周縁にスラリー残渣が固着した様子を示す拡大図。 給水管を設けたキャリアを示す模式図。 キャリアの表面を洗浄する様子を示す模式図。 従来のCMP装置でエアーフロート研磨を行う様子を示す模式図。 図8に示すCMP装置において、ウェハを吸着保持している様子を示す模式図。
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。
研磨ヘッド10は、ヘッド本体20と、キャリア30と、リテーナ40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緻密体のキャリア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の表面には、多孔質材料からなるポーラスチャック31を収容する収容部32が形成されている。ポーラスチャック31の下面(吸着面)31aは、略平坦に形成されている。なお、ポーラスチャック31の吸着面31aは、略平坦に形成されたものに限定されるものではなく、例えば、研磨後の所望のウェハ形状に応じて、中心が凸状に膨出したものや中心が凹状に窪んだものであっても構わない。ポーラスチャック31とウェハWとの間には、僅かな隙間が確保されており、エア室Aを形成している。
収容部32には、収容部32に開口する管路33が形成されており、管路33は、管路33は研磨ヘッド10の回転軸10aと同軸上に配置され、図示しないロータリージョイントを介して真空源、圧縮空気源に接続されている。
管路33内には、切換弁33aが設けられている。切換弁33aは、ポーラスチャック31及び真空源の接続及びポーラスチャック31及び圧縮空気源の接続を択一的に切り換えることができる。なお、ポーラスチャック31及び真空源の接続とポーラスチャック31及び圧縮空気源の接続の切り替えは、切換弁33aを用いた構成に限定されない。例えば、圧縮空気を供給する管路33と負圧を供給する管路33とをそれぞれ用意し、各管路33を必要に応じて開閉制御するものであっても構わない。
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34が設けられている。キャリア押圧手段34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34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40は、研磨パッド5に接触可能なリテーナリング41とリテーナリングホルダ45とを備えている。リテーナリング41は、リテーナリング41とキャリア30との隙間が、ポーラスチャック31とウェハWとの隙間に対して相対的に小さくなるように設けられている。リテーナリング41は、キャリア30との間に僅かな隙間を空けて配置されており、エア層形成手段50を形成している。
リテーナリング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41とリテーナリングホルダ45とは、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40を研磨パッド5に押圧する。
次に、CMP装置1の作用について説明する。まず、ウェハWをポーラスチャック31に吸着保持して行う研磨(吸着研磨)について、図3に基づいて説明する。
真空源が起動すると、ポーラスチャック31を通って、収容ポケット41a内に収容されたウェハWとポーラスチャック31との間のエア室A内に負圧が供給され、ウェハWがポーラスチャック31の略平坦に吸着される。
ウェハWがポーラスチャック31に吸着保持された状態で、キャリア押圧手段34が起動してキャリア30を押圧することにより、ウェハWは、ポーラスチャック31に対向する裏面W1を基準にしてウェハWの表面W2が研磨パッド5に押圧されて研磨される。
次に、ウェハWを圧縮空気で押圧しながら行う研磨(エアーフロート研磨)について、図4に基づいて説明する。
圧縮空気源が起動すると、ポーラスチャック31を通って、収容ポケット41a内に収容されたウェハWとポーラスチャック31との間のエア室A内に圧縮空気が供給される。
エア室Aに供給された圧縮空気がエア層形成手段50によってエア室A内に滞留することにより形成された圧縮空気のエア層が、ウェハWの裏面W1を均一な圧力で押圧する。具体的には、圧縮空気が、キャリア30とリテーナリング41との間の僅かな隙間であるエア層形成手段50を通って外部に徐々に排出されるため、エア室A内に滞留した圧縮空気のエア層が、ウェハWの裏面W1を均一な圧力で押圧する。
そして、キャリア押圧手段34が起動してキャリア30を押圧することにより、ウェハWは、研磨パッド5に対向する表面W2を基準にして研磨パッド5に押圧されて研磨される。
CMP装置1は、上述した吸着研磨及びエアーフロート研磨の何れか一方のみを行っても構わないし、両方を順番に行っても構わない。
例えば、吸着研磨のみを行う場合には、研磨ヘッド10がウェハWを吸着保持して研磨パッド5までウェハWを搬送した後に、ウェハWを吸着保持した状態を維持して速やかにCMP研磨に移行することができる。
吸着研磨では、ウェハWが研磨ヘッド10と一体となって回転して研磨されることから、吸着研磨が好適な研磨対象物としては、例えばリテーナリング41に接触するとエッジが破損する虞がある割れ易い薄物等である。
また、エアーフロート研磨のみを行う場合には、研磨ヘッド10がウェハWを吸着保持して研磨パッド5までウェハWを搬送した後に、ウェハWの吸着保持を解除して、ウェハWを研磨パッド5上に載せる。そして、エアーフロート研磨に移行し、ウェハWをCMP研磨する。
エアーフロート研磨では、ウェハWの表面W2を基準に研磨を行うため、エアーフロート研磨が好適な研磨対象物としては、例えば比較的厚みがあり強度が確保されたもの等である。このようにして、吸着研磨及びエアーフロート研磨を任意に切換可能なため、1台の研磨ヘッド10で多種多様なウェハWに対応することができる。
また、エアーフロート研磨を行った後に、エア室Aに負圧を供給して、ウェハWを平坦に保持した状態で吸着研磨を行う場合には、同一の研磨ヘッド10でウェハの表面基準で研磨した後に、ウェハWの裏面W1を基準にして研磨を行うことができる。
また、吸着研磨を行った後に、ウェハWの吸着保持を解除して、ウェハWを研磨パッド5上に載せ、エアーフロート研磨に移行する場合には、同一の研磨ヘッド10でウェハの裏面基準で研磨した後に、ウェハWの表面を基準にして研磨を行うことができる。
なお、吸着研磨した後にエアーフロート研磨を行う場合には、エアーフロート研磨した後に吸着研磨を行う場合と比較して、ウェハWを吸着保持する際に、ポーラスチャック31とウェハWとの間のスラリーが介在しないため、ウェハWの裏面W1を平坦に吸着保持し易いというメリットがある。
ところで、従来のCMP装置70では、図8に示すように、メンブレンシート74を介してウェハW側とキャリア72側とが隔絶されているため、スラリーがキャリア72側に侵入することがなかった。
しかしながら、本実施形態に係るCMP装置1は、スラリーが、ウェハWとリテーナリング41との間を通って、キャリア30に付着することが考えられる。そして、キャリア30にスラリーが付着した状態で、図4に示すようにエアーフロート研磨を行うと、図5に示すように、乾燥したスラリー残渣がキャリア30の外周縁部に固着し、ウェハWを吸着保持する際にリークが生じて吸着不良が生じる虞がある。
このようなスラリー残渣が吸着面31aに固着することを抑制するために、以下のような方法を採用することが好ましい。
例えば、管路33に図示しないロータリージョイントを介して給水源を接続する。そして、乾燥した圧縮空気を供給する代わりに、圧縮空気に微量の水分を混入することにより得られるミストエアーを供給する。これにより、乾燥した圧縮空気が供給された場合に比べて、スラリーが乾燥してキャリア30の外周縁部に固着することを抑制して、ポーラスチャック31の吸着面31aに沿ってウェハWを吸着することができる。
また、図6に示すように、管路33とは別に、給水源に接続される給水管35を設け、管路33を介して乾燥した圧縮空気を供給するとともに、給水管35を介して水分を供給するように構成しても構わない。これにより、スラリーが乾燥してキャリア30の外周縁部に固着することを抑制して、ポーラスチャック31の吸着面31aに沿ってウェハWを吸着することができる。
また、図7に示すように、キャリア30及びポーラスチャック31の吸着面31aを洗浄する洗浄部材60を設けても構わない。洗浄部材60は、例えばスポンジやブラシ等が考えられる。
洗浄部材60でポーラスチャック31を洗浄する際には、スラリー残渣の飛散を抑制するために、研磨ヘッド10を洗浄カップ61内に収容した状態で行うのが好ましい。
また、洗浄部材60による洗浄は、1枚のウェハWを研磨する毎に行うのが好ましいが、予め決められた研磨時間、ウェハ枚数等を目安に行っても構わない。これにより、スラリー残渣がポーラスチャック31の吸着面31aに固着することを抑制して、ポーラスチャック31の吸着面31aに沿ってウェハを吸着することができる。
このようにして、本実施形態に係るCMP装置1は、ポーラスチャック31に供給された負圧によってウェハWがポーラスチャック31に吸着保持され、研磨ヘッド10がウェハWを研磨パッド5に押圧することにより、ウェハWの裏面W1を基準にした吸着研磨を行うことができる。
また、ポーラスチャック31に供給された圧縮空気によってウェハWとポーラスチャック31との間に形成されたエア層がウェハWの裏面W1を均一に押圧し、研磨ヘッド10がウェハWを研磨パッド5に押圧することにより、ウェハWの表面を基準にしたエアーフロート研磨を行うことができる。
そして、切換弁33aを切り換えることにより、吸着研磨及びエアーフロート研磨を任意に切換可能なため、1台の研磨ヘッド10で多種多様なウェハWに対応することができる。
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 ・・・(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 ・・・ヘッド本体
21 ・・・回転部
30 ・・・キャリア
31 ・・・ポーラスチャック
31a ・・・吸着面
32 ・・・収容部
33 ・・・管路
33a ・・・切換弁(切換手段)
34 ・・・キャリア押圧手段
35 ・・・給水管
40 ・・・リテーナ
41 ・・・リテーナリング
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
45 ・・・リテーナリングホルダ
50 ・・・エア層形成手段
60 ・・・洗浄部材
61 ・・・洗浄カップ
A ・・・エア室
W ・・・ウェハ

Claims (6)

  1. 研磨パッド上のウェハを非吸着状態で収容した研磨ヘッドで前記ウェハを前記研磨パッドに押圧して行うエアーフロート研磨、又は前記ウェハを前記研磨ヘッドに吸着させて前記研磨パッドに押圧して行う吸着研磨の少なくとも一方を実行するCMP装置であって、
    前記研磨ヘッドは、
    前記ウェハの上面に対向する吸着面を備えるポーラスチャックと、
    前記ポーラスチャックを収容する収容部を有するキャリアと、
    前記キャリアの周囲を包囲するリテーナと、
    前記ポーラスチャックに前記ウェハの裏面を吸着させる負圧を供給する負圧源と、
    前記ポーラスチャックの吸着面から吐出する圧縮空気をポーラスチャックに供給する圧縮空気源と、
    前記ウェハ、前記ポーラスチャック、前記キャリア及び前記リテーナで包囲されるエア室における前記ウェハ及び前記ポーラスチャックの間の第1隙間よりも相対的に小さい前記キャリア及び前記リテーナの間の第2隙間に相当し、前記エア室の空気を徐々に外部に排出するエア層形成手段と、
    前記ポーラスチャック及び負圧源の接続と前記ポーラスチャック及び圧縮空気源の接続とを択一的に切り換える切換手段と、
    を備え、
    前記エア室に滞留される圧縮空気のエア層により前記ウェハを押圧し、
    前記エア室に負圧を供給して前記ポーラスチャックに前記ウェハを吸着することを特徴とするCMP装置。
  2. 前記研磨ヘッドの前記吸着面は略平坦に形成され、
    前記ポーラスチックは、前記ウェハに直接接触可能なことを特徴とする請求項1記載のCMP装置。
  3. 前記圧縮空気に混入する水分を供給する給水源をさらに備えていることを特徴とする請求項1又は2記載のCMP装置。
  4. 前記キャリア及び前記ポーラスチャックの前記吸着面を洗浄する洗浄部材をさらに備えていることを特徴とする請求項1から3の何れか1項記載のCMP装置。
  5. 請求項1から4の何れか1項記載のCMP装置を用いたCMP方法であって、
    前記ポーラスチャックが前記ウェハを吸着した状態で研磨した後に、前記ポーラスチャックが研磨後の前記ウェハを前記圧縮空気で押圧してさらに研磨することを特徴とするCMP方法。
  6. 請求項1から4の何れか1項記載のCMP装置を用いたCMP方法であって、
    前記ポーラスチャックが前記ウェハを前記圧縮空気で押圧して研磨した後に、前記ポーラスチャックが研磨後の前記ウェハを吸着した状態でさらに研磨することを特徴とするCMP方法。
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