JP7353444B2 - 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、特許文献２には、研磨時に研磨布に押し付けられるテンプレートの上面に弾性基材が貼着され、弾性基材とウェハとの間にはバッキングフィルムが介在する構成が開示されている。

特許第３６８３１４９号公報 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、ウェハの研磨に伴ってテンプレート自体も研磨されることにより、研磨を繰り返すとテンプレート厚が次第に薄くなるため、テンプレート厚が経時的に変化する影響を受けて、ウェハの周縁における研磨レートが、ウェハの他の領域における研磨レートと比べて著しく変動する虞があった。

また、テンプレートの材質を耐摩耗性が高いものに置き換えることも考えられるが、テンプレートの硬度を過度に高く設定してしまうと、ウェハがテンプレート内に衝突した際に、ウェハが破損する虞があった。

そこで、テンプレート厚の経時的変化に伴うウェハの研磨形状の変化を抑制す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、ウェハを研磨パッドに押し当てて前記ウェハを研磨するＣＭＰ装置であって、円環状に形成され、中央に前記ウェハを収容可能な収容ポケットを備えたテンプレートと、前記テンプレートの上面に貼着されたメンブレンフィルムと、前記ウェハより小径に形成され、前記収容ポケット内で前記メンブレンフィルムに貼着されたバッキングフィルムと、を備え、前記メンブレンフィルムに前記ウェハを押圧する空気圧が作用した際に、前記バッキングフィルムが前記ウェハの周縁を押圧する押圧力が確保されるように、前記メンブレンフィルムのうち前記バッキングフィルムと前記テンプレートとを跨ぐ部分が前記バッキングフィルム側に弾性変形する。

本発明は、テンプレート厚が経時的に変化した場合であっても、ウェハの周縁における研磨レートが、ウェハの他の領域における研磨レートと比べて著しく変動することを抑制するため、ウェハを所望の研磨形状に加工することができる。

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。 研磨ヘッドの底面図。 従来のＣＭＰ装置におけるウェハの周縁付近を示す拡大断面図。 図１に示すＣＭＰ装置のウェハの周縁付近を示す拡大断面図。 ウェハがテンプレートの内周に当接した状態を示す研磨ヘッドの底面図。 本発明の変形例に係るＣＭＰ装置におけるウェハの周縁付近を示す拡大断面図。 硬質パッドを用いた比較例に係るＣＭＰ装置のポケット深さ毎の研磨レートを示すグラフ。 硬質パッドを用いた第１実施例に係るＣＭＰ装置のポケット深さ毎の研磨レートを示すグラフ。 硬質パッドを用いた第２実施例に係るＣＭＰ装置のポケット深さ毎の研磨レートを示すグラフ。 軟質パッドを用いた比較例に係るＣＭＰ装置のポケット深さ毎の研磨レートを示すグラフ。 軟質パッドを用いた第１実施例に係るＣＭＰ装置のポケット深さ毎の研磨レートを示すグラフ。 軟質パッドを用いた第２実施例に係るＣＭＰ装置のポケット深さ毎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。図３は、研磨ヘッド１０の底面図である。

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。

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。

キャリア３０の下面３０ａには、同軸上に配置された図示しない複数の弾性押圧部材が設けられている。また、複数の押圧部材は、それぞれ径の異なる円環状に形成されている。弾性押圧部材は、キャリア３０の下面３０ａに固着されており、２液性エポキシ樹脂接着剤等でキャリア３０に着脱自在に貼着されている。弾性押圧部材は、研磨ヘッド１０の回転軸と同軸上に配置されており、エア室Ａを区画する。

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が貼着されたテンプレートとしての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、例えば、四フッ化エチレンペルフルオロアルコキシビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の樹脂から成る。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。

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。図３に示すように、バッキングフィルム６０は、ウェハＷの外径よりも小径に形成されている。なお、以下では、リテーナリングホルダ４１の下端からバッキングフィルム６０の下端までの高さを「ポケット高さ」と称す。

次に、ＣＭＰ装置１の作用について説明する。従来のＣＭＰ装置７０では、図４（ａ）に示すように、バッキングフィルムＢＦがウェハＷの外径よりも大径に形成されていた。そして、リテーナリングホルダ７１が厚く、ポケット深さＨ’が十分に確保されている場合には、図４（ｂ）に示すように、エア室Ａに圧縮空気が導入されて、メンブレンフィルムＭＦが下向きに弾性変形すると、バッキングフィルムＢＦは、ウェハの周縁（破線部分）をウェハＷの他の領域に比べて小さい押圧力が作用する。

その後、研磨を繰り返し行うと、研磨パッド５に押圧されるリテーナリングホルダ７１の下面が徐々に研磨されるため、リテーナリングホルダ７１の厚みは加工時間に比例して薄くなり、ポケット深さＨ’が小さくなる。このようにリテーナリングホルダ７１の厚みが薄い状態で、メンブレンフィルムＭＦが下向きに弾性変形すると、図４（ｃ）の破線部分に示すように、バッキングフィルムＢＦが、ウェハＷの周縁から外周に回り込むように弾性変形し、ウェハＷの周縁には、ウェハＷの他の領域と比べて大きい押圧力が作用する。このようにして、リテーナリングホルダ７１の厚みが経時的に変化することにより、ウェハＷの周縁の研磨レートが、ウェハＷの他の領域と比べて著しく変動する。

一方、図５（ａ）に示すように、ＣＭＰ装置１では、バッキングフィルム６０がウェハＷの外径よりも小径に形成されている。そして、リテーナリングホルダ４１が厚くポケット深さＨが十分に確保されている場合には、図５（ｂ）に示すように、エア室Ａに圧縮空気が導入されて、メンブレンフィルム５０が下向きに弾性変形すると、バッキングフィルム６０がウェハＷを研磨パッド５に押圧する。このとき、バッキングフィルム６０は周縁を除くウェハＷの全面に接触して、ウェハＷの周縁には過剰な押圧力が作用しない。また、バッキングフィルム６０とリテーナリングホルダ４１との間を跨ぐように設けられて圧縮空気の圧力を受けるメンブレンフィルム５０の部分５０ａが、従来のようなＣＭＰ装置７０と比べて拡大することにより、バッキングフィルム６０の外周縁に作用する反力が圧縮空気の圧力上昇に伴って増大する。したがって、ウェハＷの周縁を研磨するのに必要な押圧力を確保することができる。

また、リテーナリングホルダ４１の厚みが経時的に変化して、ポケット深さＨが小さくなった場合、図５（ｃ）に示すように、バッキングフィルム６０が、ウェハＷの周縁を回り込むように弾性変形することがなく、ウェハＷの周縁にはウェハＷの他の領域に比べて過剰な押圧力が作用することを抑制できる。

なお、本実施形態では、ウェハＷがバッキングフィルム６０に押圧される際に、ウェハＷがバッキングフィルム６０に対して回転可能である否かは何れもであっても構わない。

ウェハＷがバッキングフィルム６０に対して回転不能な状態で押圧されるとは、例えば、バッキングフィルム６０の下面に適量の脱イオン水等を塗付し、バッキングフィルム６０とウェハとを密着させることにより、ウェハＷがバッキングフィルム６０に吸着されてバッキングフィルム６０と一体で回転する場合等が考えられる。ウェハＷとバッキングフィルム６０とを略同心状に配置されることから、バッキングフィルム６０が、ウェハＷの外径より小径に形成されれば、バッキングフィルム６０がウェハＷの周縁よりも外周側に回り込んでウェハＷが過剰に押圧することは抑制される。

一方、ウェハＷがバッキングフィルム６０に対して回転可能に押圧されるとは、ウェハＷが、バッキングフィルム６０に吸着されずに収容ポケット４１ａ内を水平方向にスライド可能である場合等が考えられる。このような場合には、図６に示すように、バッキングフィルム６０は、ウェハＷがリテーナリングホルダ４１の内周に接した状態でウェハＷの周縁からはみ出さないように設定されている。すなわち、バッキングフィルム６０の半径Ｒ１、ウェハＷの半径Ｒ２及び収容ポケット４１ａの半径Ｒ３は、Ｒ１＜２Ｒ２－Ｒ３の関係式を満たすように設定される。

次に、本実施形態の変形例について説明する。図７（ａ）～（ｃ）は、本変形例に係るＣＭＰ装置１の要部拡大図である。なお、本変形例は、上述した実施形態と比べて、収容ポケット４１ａが拡径して、リテーナリングホルダ４１とバッキングフィルム６０との距離が離間している点が異なる。以下に説明する構成以外の構成は、上述した実施形態の構成と同様である。

図７（ａ）に示すように、本変形例に係るＣＭＰ装置１では、収容ポケット４１ａが拡径して形成されている。これにより、バッキングフィルム６０とリテーナリングホルダ４１との距離が遠く設定されている。

これにより、図７（ｂ）に示すように、バッキングフィルム６０とリテーナリングホルダ４１との間を跨ぐように設けられて圧縮空気の圧力を受けるメンブレンフィルム５０の部分５０ａが拡大することにより、リテーナリングホルダ４１の内周縁に作用する反力Ｆ１及びバッキングフィルム６０の外周縁に作用する反力Ｆ２が圧縮空気の圧力上昇に伴ってそれぞれ増大する。したがって、リテーナリングホルダ４１が摩耗してポケット深さＨが十分に確保されている場合であっても、ウェハＷを押圧する押圧力を周縁のみ局所的に増大させることができる。

また、図７（ｃ）に示すように、ポケット深さＨが小さくなった場合には、メンブレンフィルム５０が受ける圧縮空気の圧力が増大することにより、これを支持するリテーナリングホルダ４１及びバッキングフィルム６０の反力Ｆ１、Ｆ２も増大する。したがって、ウェハＷに作用する押圧力を周縁のみ局所的に増大させることができる。

次に、上述した実施形態及びその変形例に係るＣＭＰ装置１並びに従来のＣＭＰ装置７０を比較した評価データについて説明する。なお、以下では、図４に対応する従来のＣＭＰ装置７０を比較例とし、図５に対応するＣＭＰ装置１を実施例１、図７に対応するＣＭＰ装置１を実施例２と表記する。

図８～１０は、主に半導体デバイスの研磨に用いられる硬質パッドを用いて熱酸化膜を研磨した場合の研磨レートを示すものである。図８～１０は、縦軸に研磨レート、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。なお、本評価で設定された主な研磨条件は、表１の通りである。

図８は、比較例における研磨レートの評価データである。具体的には、リテーナリングホルダ７１の内径が１０２ｍｍ、バッキングフィルムの外径が１０１ｍｍにそれぞれ設定されている。リテーナリングホルダ７１の使用開始直後に対応するポケット深さ７００μｍでは、ウェハＷの周縁の研磨レートがその他の領域よりも低いことが分かる。しかしながら、リテーナリングホルダ７１が摩耗するにしたがって、ポケット深さ５００μｍでは、ウェハＷの周縁の研磨レートがその他の領域よりも高くなり、ポケット深さ３００μｍでは、ウェハＷの周縁の研磨レートがその他の領域よりも更に高くなることが分かる。すなわち、リテーナリングホルダ７１の厚みが経時的に変化することに伴い、ウェハＷの周縁における研磨レートがウェハＷの他の領域と比べて大きく変動することが分かる。

図９は、実施例１における研磨レートの評価データである。具体的には、リテーナリングホルダ４１の内径が１０２ｍｍ、バッキングフィルムの外径が９６ｍｍにそれぞれ設定されている。図９によれば、リテーナリングホルダ４１の摩耗につれて、すなわちポケット深さＨの減少に伴って、ウェハＷの周縁における研磨レートが、ウェハＷの他の領域における研磨レートと同様に増大していることが分かる。すなわち、リテーナリングホルダ４１の厚みに経時的な変化が生じても、ウェハＷの周縁における研磨レートがウェハＷの他の領域と同様に変動していることが分かる。

図１０は、実施例２における研磨レートの評価データである。具体的には、リテーナリングホルダ４１の内径が１０４ｍｍ、バッキングフィルムの外径が９６ｍｍにそれぞれ設定されている。図１０によれば、リテーナリングホルダ４１の厚みに経時的な変化が生じても、ウェハＷの周縁における研磨レートが、ウェハＷの他の領域における研磨レートと同様に変動していることが分かる。

図１１～１３は、主に、基板の研磨に用いられる軟質パッドを用いて熱酸化膜を研磨した場合の評価データを示すものである。図１１～１３は、縦軸に研磨レート、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。なお、本評価の研磨条件は、研磨パッドにスエードパッドを用いて、ドレスにナイロンブラシを用いた以外は、表１で示した硬質パッドの研磨条件と同様に設定されている。

図１１は、比較例における研磨レートの評価データである。具体的には、リテーナリングホルダ７１の内径が１０２ｍｍ、バッキングフィルムの外径が１０１ｍｍにそれぞれ設定されている。リテーナリングホルダ７１の使用開始直後では、ウェハＷ全面で同様の研磨レートであることが分かる。しかしながら、リテーナリングホルダ７１が摩耗するにしたがって、ポケット深さ５００μｍでは、ウェハＷの周縁の研磨レートがその他の領域よりも高くなり、ポケット深さ３００μｍでは、ウェハＷの周縁の研磨レートがその他の領域よりも更に高くなることが分かる。すなわち、リテーナリングホルダ７１の厚みに経時的な変化に伴い、ウェハＷの周縁における研磨レートがウェハＷの他の領域と比べて大きく変動することが分かる。

図１２は、実施例１における研磨レートの評価データである。具体的には、リテーナリングホルダ４１の内径が１０２ｍｍ、バッキングフィルムの外径が９６ｍｍにそれぞれ設定されている。図１２によれば、リテーナリングホルダ４１の摩耗につれて、ウェハＷ全面の研磨レートが低下しているものの、ウェハＷの周縁における研磨レートは、ウェハＷの他の領域における研磨レートと同様に低下していることが分かる。すなわち、リテーナリングホルダ４１の厚みに経時的な変化が生じた場合であっても、ウェハＷの周縁における研磨レートがウェハＷの他の領域と同様に変動していることが分かる。

図１３は、実施例２における研磨レートの評価データである。具体的には、リテーナリングホルダ４１の内径が１０４ｍｍ、バッキングフィルムの外径が９６ｍｍにそれぞれ設定されている。図１３によれば、リテーナリングホルダ４１の厚みに経時的な変化が生じても、ウェハＷの周縁における研磨レートが、ウェハＷの他の領域における研磨レートと同様に変動していることが分かる。

このようにして、本実施形態及び変形例に係るＣＭＰ装置１は、リテーナリングホルダ４１の厚みに経時的な変化が生じた場合であっても、ウェハＷの周縁における研磨レートが、ウェハＷの他の領域における研磨レートと同様に変動することから、ウェハＷを所望の研磨形状に加工することができる。

以下に、いくつかのＣＭＰ装置の例を付記する。
［１］ウェハを研磨パッドに押し当てて前記ウェハを研磨するＣＭＰ装置であって、円環状に形成され、中央に前記ウェハを収容可能な収容ポケットを備えたテンプレートと、前記テンプレートの上面に貼着されたメンブレンフィルムと、前記ウェハより小径に形成され、前記収容ポケット内で前記メンブレンフィルムに貼着されたバッキングフィルムと、を備えている。
この構成によれば、テンプレートが摩耗してテンプレート厚が徐々に薄くなる場合であっても、バッキングフィルムがウェハの周縁を押圧する押圧力が過度に高くなることが抑制されるため、テンプレート厚が経時的に変化しても、ウェハの周縁における研磨レートが、ウェハの他の領域における研磨レートと比べて著しく変動することを抑制できる。

［２］前記バッキングフィルムは、前記ウェハが前記テンプレートの内周に接した状態で前記バッキングフィルムが前記ウェハの周縁からはみ出さないように形成されている［１］に記載のＣＭＰ装置。
この構成によれば、ウェハがバッキングフィルムに対して相対的に移動する場合であっても、バッキングフィルムが常にウェハの内側を押圧することにより、バッキングフィルムがウェハの周縁を押圧する押圧力が過度に高くなることが抑制されるため、テンプレート厚が経時的に変化しても、ウェハの周縁における研磨レートが、ウェハの他の領域における研磨レートと比べて著しく変動することをさらに抑制できる。

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 ・・・回転軸
４ ・・・モータ
５ ・・・研磨パッド
１０ ・・・研磨ヘッド
１０ａ・・・回転軸
２０ ・・・ヘッド本体
２１ ・・・回転部
３０ ・・・キャリア
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（テンプレート）
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
Ａ ・・・エア室
Ｗ ・・・ウェハ

Claims (1)

1. ウェハを研磨パッドに押し当てて前記ウェハを研磨するＣＭＰ装置であって、
   円環状に形成され、中央に前記ウェハを収容可能な収容ポケットを備えたテンプレートと、
   前記テンプレートの上面に貼着されたメンブレンフィルムと、
   前記ウェハより小径に形成され、前記収容ポケット内で前記メンブレンフィルムに貼着されたバッキングフィルムと、
   を備え、
   前記メンブレンフィルムに前記ウェハを押圧する空気圧が作用した際に、前記バッキングフィルムが前記ウェハの周縁を押圧する押圧力が確保されるように、前記メンブレンフィルムのうち前記バッキングフィルムと前記テンプレートとを跨ぐ部分が前記バッキングフィルム側に弾性変形することを特徴とするＣＭＰ装置。