JPH10270538A - 柔軟なキャリアプレートを有する半導体ウェハポリシング装置 - Google Patents

柔軟なキャリアプレートを有する半導体ウェハポリシング装置

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JPH10270538A
JPH10270538A JP3008898A JP3008898A JPH10270538A JP H10270538 A JPH10270538 A JP H10270538A JP 3008898 A JP3008898 A JP 3008898A JP 3008898 A JP3008898 A JP 3008898A JP H10270538 A JPH10270538 A JP H10270538A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体ウェハをポリシングする際に半導体ウ
ェハの全域に均一な圧力を付与する改良されたウェハキ
ャリアを提供する。 【解決手段】 半導体ウェハポリシング装置のキャリア
ヘッドは、複数の開放した流体溝をもつ主表面を有する
堅牢なプレートを備えている。フレキシブルなウェハキ
ャリア膜は、半導体ウェハに接触するための孔のあいた
ウェハ接触区分、及びこのウェハ接触区分のまわりに延
びるベローを有する。保持リングが堅牢なプレートに固
定され、プレートの主表面と保持リングとの間にベロー
のフランジがサンドイッチされ、これにより、ウェハキ
ャリア膜と堅牢なプレートとの間に空洞が画成される。
堅牢なプレートには流体コンジットが接続され、真空源
及び加圧流体源を交互に空洞に接続することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体処理装置に
係り、より詳細には、ポリシング中に半導体ウェハを保
持するためのキャリアに係る。
【０００２】
【従来の技術】半導体ウェハは、ウェハ上に電気回路を
形成する処理段階を実行する前に滑らかな平坦な仕上げ
を行うためにポリシングされる。このポリシングは、ウ
ェハをキャリアに固定し、キャリアを回転し、そして回
転するポリシングパッドを回転するウェハに接触配置す
ることにより遂行される。この技術は、このポリシング
作業中に使用する種々の形式のウェハキャリアで充分に
達成される。一般の形式のキャリアは、モータで回転さ
れるシャフトにしっかりと取り付けられる。通常はポリ
シング研磨剤が液体中に懸濁されたものより成る湿式の
ポリシングスラリがポリシングパッドに塗布される。ポ
リシング作業中に回転するウェハと回転するポリシング
パッドとの間に下方のポリシング圧力が与えられる。こ
のシステムは、半導体ウェハの表面を適切にポリシング
するためにウェハキャリアとポリシングパッドを完全に
並列に整列することを必要とする。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ウェハキャリアは、典
型的に、ポリシングされる表面とは反対のウェハの表面
に適合しない堅牢な平らなプレートである。従って、キ
ャリアプレートは、ウェハの全面にわたり、特に、ウェ
ハの縁において均一なポリシング圧力を付与することが
できない。この問題を克服する試みにおいて、堅牢なキ
ャリアプレートはしばしば柔軟なキャリアフィルムでカ
バーされている。このフィルムの目的は、ウェハの裏面
に均一な圧力を伝達して、均一なポリシングを助けるこ
とである。キャリアプレートとウェハ裏面との間の表面
の凹凸を補償するのに加えて、このフィルムは、ウェハ
表面上の僅かな汚染物に対しても平滑化を与えると考え
られる。このような汚染物は、このようなキャリアフィ
ルムがない場合に圧力の強い領域を形成する。不都合に
も、これらフィルムは、部分的に有効であるだけで、融
通性に限度があり、そして繰り返し使用した後に「硬
化」する傾向がある。特に、硬化は、半導体ウェハの縁
において最悪に現れる。
【０００４】従来の装置を使用して半導体ウェハをポリ
シングする際の別の欠点は、半導体ウェハの縁付近の小
さな領域において激しく研磨されることである。この縁
作用は、ウェハ表面に対する均一なポリシング速度を仮
定すれば、次の２つの主たる要因によって生じる。
（１）縁領域の近くでの圧力変動（公称ポリシング圧力
からの）、及び（２）ポリシングパッドと半導体ウェハ
の縁との間の相互作用。
【０００５】この後者の要因は、回転するポリシングパ
ッドにウェハを押し付けるキャリアの圧力によるもので
ある。従って、ポリシングパッドは、ウェハの下で圧縮
されそしてどこかでその通常の厚みへと伸ばされる。ウ
ェハの先縁は、ポリシングパッドの新たな区分に乗ると
きにポリシングパッドを下方に押すことが必要とされ
る。その結果、各ウェハの外側の環状領域がより激しく
磨耗し、電気回路の製造には使用できなくなる。ウェハ
の全域を電気回路の製造に使用できることが望まれる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の一般的な目的
は、半導体ウェハをポリシングするための改良されたウ
ェハキャリア機構を提供することである。本発明の別の
目的は、半導体ウェハの全域に均一な圧力を付与するキ
ャリアを提供することである。
【０００７】本発明の更に別の目的は、半導体ウェハの
裏面に接触しそしてその裏面の凹凸に適合するキャリア
表面を提供することである。好ましくは、キャリアプレ
ートの表面は、半導体ウェハの裏面の僅かな凹凸にも適
合しなければならない。本発明の更に別の目的は、従来
のキャリアにより形成された半導体ウェハの縁付近の大
きな浸食を排除するキャリアプレートを提供することで
ある。
【０００８】これら及び他の目的は、半導体ウェハポリ
シング装置のためのキャリアヘッドであって、主表面を
有する堅牢なプレートを含むキャリアヘッドにより達成
される。柔軟なフレキシブルな材料のウェハキャリア膜
は、半導体ウェハに接触するためのウェハ接触区分を有
する。ウェハキャリア膜は、堅牢なプレートに接続さ
れ、そして主表面の少なくとも一部分にわたって延び
て、それらの間に空洞を画成する。ウェハキャリア膜の
ウェハ接触区分の周りで堅牢なプレートに保持リングが
固定される。流体コンジットは、真空源及び加圧流体源
を空洞に交互に接続できるようにする。
【０００９】本発明の好ましい実施形態においては、プ
レートの主表面が複数の開放溝を有し、これらは、プレ
ートとウェハキャリア膜との間に流体が流れるのを助け
る。例えば、主表面は、複数の半径方向に延びる溝によ
り相互接続された複数の同心的な環状の溝を有する。ウ
ェハキャリア膜は、好ましい実施形態においては、フラ
ンジが外方に延びるところのベローによってウェハ接触
区分を取り巻く。フランジは、主表面と保持リングとの
間にサンドイッチされて、空洞を形成する。
【００１０】ポリシング中に、空洞は流体で加圧され、
これにより、膜が半導体ウェハに対して力を及ぼし、ウ
ェハを隣接するポリシングパッドに押し付ける。ウェハ
キャリア膜は、非常に薄く、柔軟で且つ非常にフレキシ
ブルであるので、ポリシングされるべき表面とは反対の
半導体ウェハの裏面に適合する。ウェハ表面の僅かな変
化にも適合することにより、膜は、半導体ウェハの全裏
面にわたり均一に圧力を及ぼし、均一なポリシングを行
えるようにする。
【００１１】保持リングの下縁は、ポリシングパッドに
接触し、そしてポリシングされる半導体ウェハ表面と実
質的に同一平面となる。この同一平面関係と、保持リン
グの内径と半導体ウェハの外径との間の非常に小さなギ
ャップとにより、公知のポリシング技術で遭遇した縁研
磨作用が大巾に減少される。保持リングは、半導体ウェ
ハの縁に達する前にポリシングパッドを予め圧縮する。
保持リングと半導体ウェハの縁との間に非常に小さなギ
ャップしかない状態では、従来遭遇した縁研磨作用を生
じるようにポリシングパッドがそのギャップにおいて著
しく延びることはない。
【００１２】
【発明の実施の形態】最初に図１を参照すれば、半導体
ウェハポリシング装置は、スピンドルシャフト１２に取
り付けられたキャリアヘッド１０を有し、スピンドルシ
ャフト１２はジンバル組立体（図示せず）により回転駆
動機構に接続される。スピンドルシャフト１２の端は、
堅牢なキャリアプレート１４にしっかりと取り付けら
れ、それらの間にはフレキシブルなシールリング１６が
あって、スピンドルシャフトとキャリアプレートとの間
に流体が漏れるのを防止する。キャリアプレート１４
は、平らな上面１８と、それに平行な下面２０とを有す
る。
【００１３】キャリアプレート１４の下面２０は、図２
に示すように、複数の溝を有している。より詳細には、
下面２０は、中央のくぼんだ領域２２と、直径が増大す
る順に３つの離間された同心的な環状の溝２３、２４及
び２５とを有する。下面２０の周縁には環状のくぼみ２
６が延びている。中央のくぼみ２２から環状の溝２３−
２５の各々を通過して周囲のくぼみ２６へと９０°の間
隔で４つの軸方向溝３１、３２、３３及び３４が延びて
いる。従って、環状の溝、中央のくぼみ、及び周囲のく
ぼみの各々は、軸方向の溝３１−３４を通して互いに連
通する。
【００１４】４つの穴３６が中央のくぼみ２２からキャ
リアプレート１４を経て上面１８のくぼみへと延びてお
り、ここには、図１に示すように、スピンドルシャフト
１２が受け入れられる。穴３６は、スピンドルシャフト
１２の端を経て穴３８と連通し、これにより、スピンド
ルシャフト１２の中央ボア３９からキャリアプレート１
４の下面へ至る通路が形成される。
【００１５】キャリアプレート１４の下面２０には、周
囲のくぼみ２６において保持リング４０が取り付けられ
る。この保持リング４０は、複数のキャップネジ４２に
より固定され、これらのネジは、キャリアプレート１４
の周囲のくぼみ２６へと開いた穴４４内に受け入れられ
る。キャリアプレート１４と保持リング４０との間には
円形のウェハキャリア膜４６が保持され、この膜は、キ
ャリアプレートの下面２０にわたって張られて、キャリ
アプレートの下にフレキシブルなダイヤフラムを形成す
る。ウェハキャリア膜４６は、成形ポリウレタンで形成
されるのが好ましいが、多数の柔軟な弾力性材料のいず
れかの薄いシートを用いてもよい。
【００１６】更に、図３を参照すれば、フレキシブルな
ウェハキャリア膜４６は、相対的に平らな円形のウェハ
接触区分４８を有し、複数の孔５０がこれを貫通して延
びている。中央のウェハ接触区分４８は、厚みが０．５
ないし３．０ｍｍであり、例えば、１．０ｍｍの厚みで
ある。中央のウェハ接触区分４８は、環状のリム５２に
よって接合され、このリムは、キャリアプレート１４の
下面２０と、膜４６のウェハ接触区分４８との間の間隔
の変化を許すためにベロー部分５４を有している。ウェ
ハ接触区分４８とは反対のリム５２の縁は、外方に延び
るフランジ５６を有し、このフランジは、キャップネジ
４２により与えられる力によりキャリアプレート１４の
周囲のくぼんだ面と保持リング４０との間に締め付けら
れる。
【００１７】半導体ウェハを処理するために、キャリア
ヘッド１０は、ウェハ蓄積領域上を移動されそして半導
体ウェハ６０へと下げられる。スピンドルシャフト１２
は、回転カプリング及びバルブ（図示せず）によって真
空源に接続される。キャリアヘッドが半導体ウェハ６０
上に配置された状態で、真空バルブが開放され、キャリ
アプレート１４とウェハキャリア膜４６との間に形成さ
れた空洞５８を排気する。この動作によりウェハキャリ
ア膜４６の小さな孔５０を経てこの空洞５８へ空気が引
かれ、半導体ウェハ６０をウェハキャリア膜に対して引
っ張る吸引力が形成される。チャンバ５８の排気は、キ
ャリアプレート１４の下面２０に対して膜を引っ張る
が、下面にある溝２３−３４のパターンにより、膜４６
の孔５０を経て空気を引っ張り続ける流路が形成され、
これにより、半導体ウェハ６０をキャリアヘッド１０に
対して保持する。保持リング４０の内径は、半導体ウェ
ハ６０の外径よりも大きいが、その程度は５ｍｍ以下
（好ましくは、１ないし２ｍｍ以下）であることに注意
されたい。
【００１８】キャリアヘッド１０と、把持されたウェハ
６０は、図１に示すように、標準的な回転プラテン６４
に取り付けられた従来の半導体ウェハポリシングパッド
６２上へ移動される。次いで、キャリアヘッド１０が下
げられ、ウェハ６０がポリシングパッド６２の表面に接
触する。次いで、真空源のバルブが閉じられ、加圧流体
がスピンドルシャフト１２のボア３９へ導入される。こ
の流体は、半導体ウェハ６０の表面と反応しないドライ
エア又は窒素のようなガスであるのが好ましいが、脱イ
オン水のような液体を使用してもよい。流体は、ボア３
９からスピンドルシャフトの穴３８及びキャリアプレー
ト１４の穴３６を経てキャリアプレート１４の底面２０
の溝２３−３４のパターンへと流れ、キャリアプレート
とフレキシブルなウェハキャリア膜４６との間の空洞５
８を満たす。この作用により空洞５８が膨らみ、ウェハ
キャリア膜４６のベロー５４が伸びると共に、半導体ウ
ェハ６０に圧力が及ぼされる。流体は、半導体ウェハ６
０の特性と、ポリシングパッド６２に付与される研磨剤
とに基づいて正確な圧力で１５ｐｓｉ未満に（好ましく
は０．５ｐｓｉないし１０ｐｓｉ）に加圧される。流体
からの圧力は、空洞５４の全体に均一に分布され、均一
な下方の力を半導体ウェハ６０に及ぼす。
【００１９】膜は、非常に薄いので、半導体ウェハ６０
の上面に適合する。膜４６は、柔軟で且つ非常にフレキ
シブルであり、ウェハ表面の僅かな凹凸にも適合する。
その結果、膜は、半導体ウェハ６０の裏面の僅かな表面
汚染物にも適合するので、ウェハと膜との間にキャリア
フィルムは必要とされない。
【００２０】ポリシング作業中に、キャリアヘッド１０
は、機械的に下方に押され、保持リング４０がポリシン
グパッド６２を押圧する。ポリシングパッドに接触する
保持リング４０の下縁６５は、ポリシングされる半導体
ウェハの表面と実質的に同一平面となる。この同一平面
関係と、保持リング４０の内径と半導体ウェハ６０の外
径との間の差が非常に小さい（＜５ｍｍ）ことにより、
公知のポリシング技術で遭遇した縁研磨作用が著しく低
減される。この研磨作用は、半導体ウェハがパッドに対
して回転されるときに半導体ウェハの縁によりポリシン
グパッドを押圧することによるものである。図１から明
らかなように、本発明のキャリア組立体の保持リング４
０は、ポリシングパッドを押圧し、そして保持リング４
０の内面と半導体ウェハ６０の縁との間には非常に小さ
なギャップしか存在しないので、ポリシングパッドは、
このギャップにおいて著しく伸びず、従って、従来遭遇
した甚だしい縁研磨作用が排除される。
【００２１】更に、本発明の空気まくら式のウェハキャ
リアヘッド１０は、半導体ウェハの全域にわたり、特
に、ウェハの縁において非常に均一なポリシング圧力を
付与する。一体的ベロー５４を伴うウェハキャリア膜４
６の著しいフレキシビリティと柔軟さにより、キャリア
膜４６は、パッドの変動、パッドのコンディショニング
及びスラリーの流量のようなポリシングプロセスの幾つ
かの観点によって生じる半導体ウェハ６０の表面の僅か
な擾乱に応答することができる。従って、フレキシブル
なウェハキャリア膜は、このような変動を自動的に補償
することができ、そして半導体ウェハ６０とポリシング
パッド６２との間に均一な圧力を与えることができる。
これらの擾乱に関連したエネルギーは、半導体ウェハの
局部的なポリシング率を高めるのではなく、ウェハキャ
リア膜４６の後方の空洞５８の流体により吸収される。
【００２２】本発明のウェハキャリアヘッド１０のこれ
らの特徴は、半導体ウェハにわたり均一なポリシングを
生じ、全ウェハ表面を回路の製造に使用できるようにす
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるウェハキャリアの直径方向の断面
図である。
【図２】図１の２−２線に沿った断面図である。
【図３】図１の断面図の拡大図で、フレキシブルなウェ
ハキャリア膜を詳細に示す図である。
【符号の説明】
１０ キャリアヘッド １２ スピンドルシャフト １４ キャリアプレート １６ シールリング １８ キャリアプレートの上面 ２０ キャリアプレートの下面 ２２ 中央のくぼみ領域 ２３、２４、２５ 同心的な環状の溝 ２６ 環状のくぼみ ３１、３２、３３、３４ 軸方向の溝 ３６、３８ 穴 ３９ ボア ４０ 保持リング ４６ ウェハキャリア膜 ４８ 円形のウェハ接触区分 ５０ 孔 ５４ ベロー部分 ５６ フランジ ５８ 空洞 ６０ 半導体ウェハ ６２ ポリシングパッド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マレク カーリフ アメリカ合衆国 アリゾナ州 85287 テ ンプ イースト レッドモン ドライヴ 1414 (72)発明者 ケニス ディー レフトン アメリカ合衆国 オレゴン州 97008 ビ ーヴァートン サウスウェスト ジュニパ ー テラス 7125 (72)発明者 フレッド イー ミッチェル アメリカ合衆国 アリゾナ州 85044 フ ェニックス イースト キャピストラーノ アベニュー 4836

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体ウェハの表面をポリシングする装
    置のキャリアヘッドにおいて、 主表面を有する堅牢なプレートと、 半導体ウェハに接触するためのウェハ接触区分を有する
    柔軟でフレキシブルな材料のウェハキャリア膜であっ
    て、上記堅牢なプレートに接続され、そして上記主表面
    の少なくとも一部分にわたって延びて、それらの間に空
    洞を画成するウェハキャリア膜と、 上記ウェハキャリア膜のウェハ接触区分のまわりで上記
    堅牢なプレートに固定された保持リングと、 真空源及び加圧流体源を上記空洞に交互に接続するとこ
    ろの流体コンジットとを備えたことを特徴とするキャリ
    アヘッド。
  2. 【請求項２】 上記ウェハキャリア膜は、上記ウェハ接
    触区分を貫通する複数の孔を有する請求項１に記載のキ
    ャリアヘッド。
  3. 【請求項３】 上記ウェハ接触区分における上記ウェハ
    キャリア膜の厚みは０．５ｍｍないし３．０ｍｍである
    請求項１に記載のキャリアヘッド。
  4. 【請求項４】 上記ウェハキャリア膜の上記ウェハ接触
    区分は、上記堅牢なプレートに接続されたベローにより
    取り巻かれる請求項１に記載のキャリアヘッド。
  5. 【請求項５】 上記ウェハキャリア膜は、更に、上記ベ
    ローのまわりに延びて上記堅牢なプレートに当接するフ
    ランジを備えた請求項４に記載のキャリアヘッド。
  6. 【請求項６】 上記ウェハキャリア膜は、更に、上記ウ
    ェハ接触区分に取り付けられた第１の端、及び第２の端
    を有する環状ベローと、上記第２の端から突出しそして
    上記主表面と保持リングとの間にサンドイッチされたフ
    ランジとを含む請求項１に記載のキャリアヘッド。
  7. 【請求項７】 上記堅牢なプレートは、上記主表面に複
    数の溝を有し、そして上記流体コンジットは、これら複
    数の溝と連通する請求項１に記載のキャリアヘッド。
  8. 【請求項８】 上記堅牢なプレートは、上記主表面に複
    数の同心的な環状の溝を有する請求項１に記載のキャリ
    アヘッド。
  9. 【請求項９】 上記堅牢なプレートは、更に、上記複数
    の同心的な環状の溝を相互接続する交差溝を含む請求項
    ８に記載のキャリアヘッド。
  10. 【請求項１０】 上記堅牢なプレートは、更に、上記複
    数の同心的な環状の溝を相互接続する複数の半径方向に
    延びる溝を上記主表面に含む請求項８に記載のキャリア
    ヘッド。
  11. 【請求項１１】 上記半導体ウェハは、第１の直径を有
    し、そして上記保持リングは、その第１の直径よりも５
    ｍｍ未満だけ大きい内径を有する請求項１に記載のキャ
    リアヘッド。
  12. 【請求項１２】 上記半導体ウェハは、第１の直径を有
    し、そして上記保持リングは、その第１の直径よりも２
    ｍｍ未満だけ大きい内径を有する請求項１に記載のキャ
    リアヘッド。
  13. 【請求項１３】 上記保持リングの表面は、半導体ウェ
    ハの表面と実質的に同一平面である請求項１に記載のキ
    ャリアヘッド。
  14. 【請求項１４】 上記空洞内に流体を含み、この流体
    は、空気、窒素及び水より成るグループから選択される
    請求項１に記載のキャリアヘッド。
  15. 【請求項１５】 上記空洞内に流体を含み、この流体
    は、１５ｐｓｉ未満の圧力を有する請求項１に記載のキ
    ャリアヘッド。
  16. 【請求項１６】 半導体ウェハをポリシングする装置の
    キャリアヘッドにおいて、 主表面を有し、この主表面に複数の溝が設けられた堅牢
    なプレートと、 半導体ウェハに接触するためのウェハ接触区分及びこれ
    を貫通する複数の孔を有するウェハキャリア膜と、 上記堅牢なプレートに固定された保持リングであって、
    上記主表面とこの保持リングとの間に上記ウェハキャリ
    ア膜の一部分がサンドイッチされて、上記ウェハキャリ
    ア膜と堅牢なプレートとの間に空洞を画成するような保
    持リングと、 上記プレートに接続され、真空源及び加圧流体源を交互
    に上記複数の溝に接続するところの流体コンジットとを
    備えたことを特徴とするキャリアヘッド。
  17. 【請求項１７】 上記堅牢なプレートの複数の溝は、複
    数の同心的な環状の溝と、これら複数の同心的な環状の
    溝を相互接続する複数の交差溝とを含む請求項１６に記
    載のキャリアヘッド。
  18. 【請求項１８】 半導体ウェハをポリシングする装置の
    キャリアヘッドにおいて、 主表面を有する堅牢なプレートと、 半導体ウェハに接触するためのウェハ接触区分及びこれ
    を貫通する複数の孔を有すると共に、上記ウェハ接触区
    分から突出して上記堅牢なプレートに当接する環状のベ
    ローを有するウェハキャリア膜と、 上記堅牢なプレート及び環状のベローに接続されて、上
    記ウェハキャリア膜と堅牢なプレートとの間に空洞を画
    成する保持リングと、 真空源及び加圧流体源を交互に上記空洞に接続するとこ
    ろの流体コンジットとを備えたことを特徴とするキャリ
    アヘッド。
  19. 【請求項１９】 上記ウェハキャリア膜の環状ベロー
    は、そこから延びて上記主表面と保持リングとの間にサ
    ンドイッチされたフランジを有する請求項１８に記載の
    キャリアヘッド。
  20. 【請求項２０】 上記堅牢なプレートは、主表面に複数
    の溝を有する請求項１８に記載のキャリアヘッド。
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