JPH1148136A - ウェーハ研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ウェーハを均一な押し付け力で且つウェーハ全
面を均一に研磨する。 【解決手段】本発明は、ゴムシート３０によるエア圧に
よってキャリア２４を押圧すると共に、キャリア２４と
ウェーハ５０との間にエアを供給して圧力エア層を形成
し、ゴムシート３０からの押圧力を圧力エア層を介して
ウェーハ５０に伝達させてウェーハ５０を研磨する。本
発明の圧力エア層は、ウェーハ５０を研磨布に押し付け
るための押付手段ではなく、ゴムシート３０からの押圧
力をウェーハ５０に伝達させるための伝達手段である。
したがって、本発明は、ウェーハを均一な押し付け力で
研磨することができる。また、本発明は、圧力エア層を
介在させることにより、ウェーハ５０をキャリア２４に
対して完全に非接触状態で保持して研磨するので、ウェ
ーハ全面を均一に研磨することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はウェーハ研磨装置に
係り、特に化学的機械研磨法（ＣＭＰ：ChemicalMechan
ical Polishing ）によるウェーハ研磨装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平8-339979号公報に開示されたウェ
ーハ研磨装置は、保持ヘッド（キャリア）、研磨パッド
（研磨布）、及びシール部材を備えている。前記保持ヘ
ッドには流体供給路が形成され、この流体供給路から、
保持ヘッドと基板（ウェーハ）と環状のシール部材とで
囲まれた空間部に加圧流体を供給し、この加圧流体の圧
力によって基板を研磨パッドに押し付けて研磨してい
る。

【０００３】また、前記特開平8-339979号公報には、保
持ヘッドを研磨パッドに対して所定の押圧力で押圧し、
この押圧力を保持ヘッドからシール部材を介して基板に
伝達することにより基板を研磨することが開示されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
8-339979号公報のウェーハ研磨装置は、加圧流体の圧力
で基板を研磨パッドに押し付けているので、研磨中に基
板が研磨パッドのうねりにより上下動すると、前記空間
部に隙間が生じて前記加圧流体が洩れてしまう場合があ
る。このような場合、前記ウェーハ研磨装置は、押し付
け力が変動するので、基板を均一な押し付け力で研磨す
ることができないという欠点がある。

【０００５】また、前記ウェーハ研磨装置は、基本的に
基板をシール部材に接触させた状態で、即ち、前記空間
部に隙間を生じさせない状態で基板を研磨するものであ
る。このため、基板とシール部材との間に研磨屑等の異
物があると、異物がある部分の基板の研磨面の一部が異
物の転写によって突出し、この突出した部分が多めに研
磨されるので基板全面を均一に研磨することができない
という欠点がある。

【０００６】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、ウェーハを均一な押し付け力で、且つウェー
ハ全面を均一に研磨することができるウェーハ研磨装置
を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決する為の手段】本発明は、前記目的を達成
するために、ウェーハを回転する研磨布に押し付けて、
ウェーハの表面を研磨するウェーハ研磨装置において、
前記ウェーハを保持するキャリアと、前記キャリアを前
記研磨布に向けて押圧する押圧手段と、前記キャリアと
前記ウェーハとの間にエアを供給して圧力エア層を形成
し、前記押圧手段からの押圧力を圧力エア層を介してウ
ェーハに伝達させる圧力エア層形成手段と、前記圧力エ
ア層の圧力をＰとし、前記押圧手段でウェーハを研磨布
に押し付ける押圧力をＷとし、ウェーハ面積をＡとした
場合に、Ｐ＞Ｗ／Ａとなるようにキャリアとウェーハと
の間に供給するエア量を制御する制御手段と、から成る
ことを特徴としている。

【０００８】本発明は、押圧手段によってキャリアを押
圧すると共に、圧力エア層形成手段によってキャリアと
ウェーハとの間にエアを供給して圧力エア層を形成し、
押圧手段からの押圧力を圧力エア層を介してウェーハに
伝達させることにより、ウェーハを研磨布に押し付けて
研磨する。即ち、本発明の圧力エア層は、ウェーハを研
磨布に押し付けるための押付手段ではなく、押圧手段か
らの押圧力をウェーハに伝達するための伝達手段であ
る。したがって、本発明は、キャリアを押圧する押圧手
段の押圧力を一定にすれば、ウェーハを均一な押し付け
力で研磨することができる。よって、本発明は、エアが
洩れると押し付け力が変動する従来のウェーハ研磨装置
と比較して、ウェーハの押し付け力の制御が容易にな
る。

【０００９】また、本発明は、キャリアとウェーハとの
間に供給するエア量を制御手段によって制御して、圧力
エア層の圧力Ｐが、押圧手段でウェーハを研磨布に押し
付ける押圧力Ｗをウェーハ面積Ａで除算した圧力より大
きな圧力となるように設定している。これにより、本発
明は、圧力エア層を安定して形成することができる。更
に、本発明は、圧力エア層を介在させることにより、ウ
ェーハをキャリアに対して完全に非接触状態で保持して
研磨するものなので、シール部材にウェーハを接触させ
て研磨する従来のウェーハ研磨装置よりも、ウェーハ全
面を均一に研磨することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下添付図面に従って本発明に係
るウェーハ研磨装置の好ましい実施の形態について詳説
する。図１は、本発明の実施の形態のウェーハ研磨装置
の全体構成図である。同図に示すように、前記ウェーハ
研磨装置１０は、主として研磨定盤１２とウェーハ保持
ヘッド１４とから構成される。研磨定盤１２は円盤状に
形成されており、その上面には研磨布１６が設けられて
いる。また、研磨定盤１２の下部には、スピンドル１８
が連結され、このスピンドル１８はモータ２０の図示し
ない出力軸に連結されている。前記研磨定盤１２は、モ
ータ２０を駆動することにより矢印Ａ方向に回転し、そ
の回転する研磨定盤１２の研磨布１６上に図示しないノ
ズルからスラリが供給される。前記ウェーハ保持ヘッド
１４は、図示しない昇降装置により上下移動自在に設け
られ、研磨対象のウェーハをウェーハ保持ヘッド１４に
セットする際に上昇移動される。また、ウェーハ保持ヘ
ッド１４は、ウェーハを研磨する際には下降移動されて
前記研磨布１６に押圧当接される。

【００１１】図２は前記ウェーハ保持ヘッド１４の縦断
面図である。同図に示すウェーハ保持ヘッド１４は、ヘ
ッド本体２２、キャリア２４、ガイドリング２６、研磨
面調整リング２８、及びゴムシート３０等から構成され
る。前記ヘッド本体２２は円盤状に形成され、回転軸３
２に連結された図示しないモータによって矢印Ｂ方向に
回転される。また、ヘッド本体２２にはエア供給路３
４、３６が形成されている。前記エア供給路３４は、図
中二点鎖線で示すようにウェーハ保持ヘッド１４の外部
に延設され、レギュレータ（Ｒ：regulator ）３８Ａを
介してエアポンプ（ＡＰ：air pump）４０に接続され
る。また、エア供給路３６は、レギュレータ３８Ｂを介
してポンプ４０に接続される。

【００１２】前記キャリア２４は、略円柱状に形成され
てヘッド本体２２の下部にヘッド本体２２と同軸上に配
置されている。また、キャリア２４の下面には凹部２５
が形成され、この凹部２５に通気性を有する多孔質板４
２が収納されている。多孔質板４２の上方には空気室２
７が形成され、この空気室２７には、キャリア２４に形
成されたエア吸引路４４が連通されている。エア吸引路
４４は、図中二点鎖線で示すようにウェーハ保持ヘッド
１４の外部に延設されて、サクションポンプ（ＳＰ：su
ction pump) ４６に接続されている。したがって、サク
ションポンプ４６を駆動すると、ウェーハ５０が多孔質
板４２に吸引されて、多孔質板４２の下面に吸着保持さ
れる。前記多孔質板４２は、内部に多数の通気路を有す
るものであり、例えば、セラミック材料の焼結体よりな
るものが用いられている。

【００１３】前記キャリア２４には、キャリア２４の下
面に噴出口が形成された多数のエア供給路４８、４８…
（図２では２ヵ所のみ図示）が形成されている。このエ
ア供給路４８、４８…は、図中二点鎖線で示すようにウ
ェーハ保持ヘッド１４の外部に延設され、レギュレータ
３８Ｃを介してポンプ４０に接続されている。したがっ
て、ポンプ４０からの圧縮エアは、エア供給路４８、４
８…を介して多孔質板４２とウェーハ５０との間の空気
室５１に噴き出される。これにより、空気室５１には圧
力エア層が形成され、キャリア２４の押圧力がこの圧力
エア層を介してウェーハ５０に伝達される。ウェーハ５
０は、前記圧力エア層を介して伝達される前記押圧力に
よって研磨布１６に押し付けられる。なお、エア供給路
４８、４８…から噴き出されたエアは、研磨面調整リン
グ２８に形成された図示しない排気孔から外部に排気さ
れる。

【００１４】前記キャリア２４には、キャリア２４の下
面に噴出口が形成された多数のエア／ウォータ供給路５
２、５２…（図２では２ヵ所のみ図示）が形成される。
このエア／ウォータ供給路５２、５２…は、図中二点鎖
線で示すようにウェーハ保持ヘッド１４の外部に延設さ
れ、バルブ５４を介して二方向に分岐されている。一方
の分岐路には、レギュレータ３８Ｄを介してエアポンプ
４０が接続され、他方の分岐路にはウォータポンプ（Ｗ
Ｐ：water pump）５６が接続されている。したがって、
前記バルブ５４でエアポンプ４０側の経路を開に、ウォ
ータポンプ５６側の経路を閉にすると、エアポンプ４０
からの圧縮エアがエア／ウォータ供給路５２、５２…を
介して前記空気室５１に供給される。また、バルブ５４
を切り替えてエアポンプ４０側の経路を閉に、ウォータ
ポンプ５６側の経路を開にすると、ウォータポンプ５６
からのウォータがエア／ウォータ供給路５２、５２…を
介して前記空気室５１に供給される。

【００１５】一方、キャリア２４とヘッド本体２２との
間には１枚のゴムシート３０が配置されている。このゴ
ムシート３０は、均一な厚さで円盤状に形成される。ま
た、ゴムシート３０は、環状の止め金５８によってヘッ
ド本体２２の下面に固定され、ゴムシート３０は止め金
５８を境として中央部３０Ａと外周部３０Ｂとに２分さ
れている。ゴムシート３０の中央部３０Ａはキャリア２
４を押圧し、外周部３０Ｂは研磨面調整リング２８を押
圧する。

【００１６】ヘッド本体２２の下方には、ゴムシート３
０の中央部３０Ａと止め金５８とによって密閉される空
間６０が形成される。この空間６０に、前記エア供給路
３６が連通されている。したがって、エア供給路３６か
ら空間６０に圧縮エアを供給すると、ゴムシート３０の
中央部３０Ａがエア圧で弾性変形されてキャリア２４の
上面を押圧する。これにより、研磨布１６に対するウェ
ーハ５０の押し付け力を得ることができる。また、エア
圧をレギュレータ３８Ｂで調整すれば、ウェーハ５０の
押し付け力（研磨圧力）を制御することができる。

【００１７】前記ガイドリング２６は、円筒状に形成さ
れてヘッド本体２２の下部にヘッド本体２２と同軸上に
配置される。また、ガイドリング２６は、ゴムシート３
０を介してヘッド本体２２に固定されている。ガイドリ
ング２６とキャリア２４との間には、研磨面調整リング
２８が配置されている。この研磨面調整リング２８の下
部内周部には、ウェーハ５０の飛び出しを防止するリテ
ーナリング６２が取り付けられている。

【００１８】前記ヘッド本体２２の下方外周部には、ヘ
ッド本体２２とゴムシート３０の外周部３０Ｂ等によっ
て密閉される環状の空間６４が形成される。この空間６
４に、前記エア供給路３４が連通されている。したがっ
て、エア供給路３４から空間６４に圧縮エアを供給する
と、ゴムシート３０の外周部３０Ｂがエア圧で弾性変形
されて研磨面調整リング２８の環状上面を押圧する。こ
れにより、研磨面調整リング２８の環状下面が研磨布１
６に押し付けられる。なお、研磨面調整リング２８の押
し付け力は、レギュレータ３８Ａでエア圧を調整するこ
とにより制御することができる。

【００１９】図２において、前記ウェーハ保持ヘッド１
４には、ウェーハ５０の研磨量を検出する検出装置が設
けられている。この検出装置は、コア６６とボビン６８
とから成るセンサ７０と非接触式センサ７２、７２、７
２とから構成され、また、これらのセンサ７０、７２、
７２、７２で検出された検出値を演算処理するＣＰＵ
（図３に示す）７４がウェーハ保持ヘッド１４の外部に
備えられている。

【００２０】前記センサ７０のボビン６８は、研磨面調
整リング２８の内側面からウェーハ保持ヘッド１４の回
転軸方向に延設されたアーム７６の先端部に取り付けら
れる。また、センサ７０のコア６６は、キャリア２４の
上面で且つコア６６の中心軸がウェーハ保持ヘッド１４
の回転軸と同軸になる位置に設けられている。このセン
サ７０は、研磨面調整リング２８の下面に対する、即ち
ウェーハ５０の研磨面に対するキャリア２４の上下方向
の変動量を検出することができる。なお、前記キャリア
２４には、前記アーム７６を挿入するための溝７８が形
成されている。

【００２１】前記センサ７０によって、ウェーハ５０の
研磨量は概ね検出できるが、本実施の形態では、前記セ
ンサ７０で検出された検出値を、前記センサ７２、７
２、７２で検出された検出値で補正することによりウェ
ーハ５０の研磨量を正確に得るようにしている。前記セ
ンサ７２は、容量センサ等の非接触センサであり、その
検出面７２Ａが多孔質板４２の下面と面一に配置され、
ウェーハ５０の上面との距離を検出することにより、圧
力エア層（空気室５１）の層厚の変動量を検出してい
る。

【００２２】そして、図３のウェーハ研磨装置を統括制
御するＣＰＵ７４は、センサ７０で検出されたキャリア
２４の変動量から、センサ７２、７２、７２で検出され
た圧力エア層の層厚の変動量を加算することによりウェ
ーハ５０の研磨量を算出する。即ち、ＣＰＵ７４は、予
めＲＡＭ７６に記憶されている基準値に対する変動量か
らウェーハ５０の研磨量を算出する。例えば、センサ７
０で検出された変動量がＴ１で、センサ７２、７２、７
２で検出された変動量の平均値がＴ２であると、その時
のウェーハ５０の研磨量をＴ１＋Ｔ２で算出する。ま
た、センサ７０からの変動量がＴ１で、センサ７２、７
２、７２からの変動量の平均値が０であると、その時の
ウェーハ５０の研磨量をＴ１−０で算出する。更に、セ
ンサ７０からの変動量がＴ１で、センサ７２、７２、７
２からの変動量の平均値が−Ｔ２であると、その時のウ
ェーハ５０の研磨量をＴ１−Ｔ２で算出する。このよう
に、本実施の形態では、センサ７０、７２を設けて２つ
の変動量から研磨量を演算するようにしたので、ウェー
ハ５０の研磨量を正確に測定することができる。また、
加工ウェーハの厚さは予め分かっている厚さなので、ウ
ェーハ研磨面と研磨布１６に対する研磨面調整リング２
８の接触位置との関係も検出できる。よって、研磨面調
整リング２８の押圧調整も正確にできる。

【００２３】次に、前記の如く構成されたウェーハ研磨
装置１０の作用について説明する。まず、ウェーハ保持
ヘッド１４を上昇させた後、サクションポンプ４６を駆
動して研磨対象のウェーハ５０を多孔質板４２に吸着保
持させる。次に、ウェーハ保持ヘッド１４を下降させ
て、ウェーハ保持ヘッド１４の研磨面調整リング２８の
接触面が研磨布１６に当接した位置で下降移動を停止す
る。そして、サクションポンプ４６を停止して前記ウェ
ーハ５０の吸着を解除し、ウェーハ５０を研磨布１６上
に載置する。

【００２４】次いで、ポンプ４０を駆動して圧縮エアを
エア供給路４８を介して空気室５１に供給し、圧力エア
層を空気室５１に形成する。この時、ＣＰＵ７４でレギ
ュレータ３８Ｄを制御することにより圧縮エアの供給量
を調整し、圧力エア層の圧力Ｐを、ゴムシート３０でウ
ェーハ５０を研磨布１６に押し付ける押圧力Ｗをウェー
ハ面積Ａで除算した圧力より大きな圧力に設定する。こ
れにより、圧力エア層はキャリア２４に押し潰されるこ
となく、安定して形成される。

【００２５】次に、ポンプ４０からの圧縮エアを、エア
供給路３６を介して空間６０に供給し、ゴムシート３０
の中央部３０Ａを内部エア圧により弾性変形させてキャ
リア２４を押圧し、前記圧力エア層を介してウェーハ５
０を研磨布１６に押し付ける。そして、レギュレータ３
８Ｂでエア圧を調整して内部エア圧力を所望の圧力に制
御し、研磨布１６に対するウェーハ５０の押し付け力を
一定に保持する。この押し付け力は、図３に示した外部
入力装置８０で設定する。

【００２６】次に、ポンプ４０からの圧縮エアをエア供
給路３４を介して空間６４に供給し、ゴムシート３０の
外周部３０Ｂを内部エア圧により弾性変形させて研磨面
調整リング２８を押圧し、研磨面調整リング２８とリテ
ーナリング６２との下面を研磨布１６に押し付ける。こ
の後、研磨定盤１２及びウェーハ保持ヘッド１４を回転
させてウェーハ５０の研磨を開始する。

【００２７】そして、センサ７０、７２、７２、７２、
及びＣＰＵ７４によって研磨中におけるウェーハ５０の
研磨量を算出し、この算出されたウェーハ５０の研磨量
が、予め設定された研磨目標値に達した時に研磨終了信
号を出力して、ウェーハ研磨装置１０を停止する。これ
により、１枚のウェーハ５０の研磨が終了する。そし
て、２枚目以降のウェーハ５０を研磨する場合には、前
述した工程を繰り返せば良い。

【００２８】このように、本実施の形態の圧力エア層
は、ウェーハを研磨布に押し付けるための押付手段では
なく、ゴムシート３０からの押圧力をウェーハに伝達す
るための伝達手段として利用されている。したがって、
本実施の形態は、ゴムシート３０によるキャリア２４の
押圧力を一定にすれば、ウェーハ５０を均一な押し付け
力で研磨することができる。よって、本実施の形態は、
エアが洩れると押し付け力が変動する従来のウェーハ研
磨装置と比較して、ウェーハの押し付け力の制御が容易
になる。

【００２９】また、本実施の形態は、圧力エア層を介在
させることにより、ウェーハ５０をキャリア２４に対し
て完全に非接触状態で保持して研磨するので、ウェーハ
をシール部材に接触させて研磨する従来のウェーハ研磨
装置よりも、ウェーハ全面を均一に研磨することができ
る。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係るウェー
ハ研磨装置によれば、押圧手段からの押圧力を圧力エア
層を介してウェーハに伝達させてウェーハを研磨するよ
うにしたので、ウェーハを均一な押し付け力で研磨する
ことができる。また、本発明は、ウェーハをキャリアに
対して完全に非接触状態で保持して研磨するようにした
ので、ウェーハ全面を均一に研磨することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るウェーハ研磨装置の
全体構造図

【図２】図１のウェーハ研磨装置に適用されたウェーハ
保持ヘッドの縦断面図

【図３】図１のウェーハ研磨装置の制御系を示すブロッ
ク図

【符号の説明】

１０…ウェーハ研磨装置 １２…研磨定盤 １４…ウェーハ保持ヘッド １６…研磨布 ２８…研磨面調整リング ５０…ウェーハ ５１…空気室 ６２…リテーナリング ７０、７２…センサ ７４…ＣＰＵ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 稲葉 高男 東京都三鷹市下連雀９丁目７番１号 株式 会社東京精密内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ウェーハを回転する研磨布に押し付けて、
   ウェーハの表面を研磨するウェーハ研磨装置において、 前記ウェーハを保持するキャリアと、 前記キャリアを前記研磨布に向けて押圧する押圧手段
   と、 前記キャリアと前記ウェーハとの間にエアを供給して圧
   力エア層を形成し、前記押圧手段からの押圧力を圧力エ
   ア層を介してウェーハに伝達させる圧力エア層形成手段
   と、 前記圧力エア層の圧力をＰとし、前記押圧手段でウェー
   ハを研磨布に押し付ける押圧力をＷとし、ウェーハ面積
   をＡとした場合に、Ｐ＞Ｗ／Ａとなるようにキャリアと
   ウェーハとの間に供給するエア量を制御する制御手段
   と、 から成ることを特徴とするウェーハ研磨装置。