TWI685399B - 研磨頭及使用此研磨頭之晶圓研磨裝置及研磨方法 - Google Patents

Abstract

本發明之課題在於抑制施加於晶圓外周部的研磨應力所引起的漩渦，以使晶圓高度平坦化。 本發明之解決手段為一種晶圓研磨裝置的研磨頭10，其具備可分別獨立控制用來推壓晶圓W之中心部的中心部控制壓力Pc與用來推壓晶圓W之外周部的外周部控制壓力Pe的膜頭16、與該膜頭16一體化以構成膜頭16之外周部的外環17及設置於膜頭16之外側的接地型扣環14，膜頭16具有用來控制中心部控制壓力Pc的單室構造之中心部壓力室R1及設於中心部壓力室R1之上方且用來控制外周部控制壓力Pe的外周部壓力室R2，外環17的下端的位置至少到達中心部壓力室R1的內側底面S1的位置，外環17的上端的位置至少到達中心部壓力室R1的內側上面S2的位置。

Description

研磨頭及使用此研磨頭之晶圓研磨裝置及研磨方法

本發明是關於一種研磨頭及使用此研磨頭之晶圓研磨裝置及研磨方法，特別是關於適用於完成晶圓的研磨頭及使用此研磨頭之晶圓研磨裝置及研磨方法。

作為半導體元件的基板材料，矽晶圓得到廣泛的採用。矽晶圓的製造方法為，在矽單晶晶錠上依序進行外周研削、切片、精研、蝕刻、雙面研磨、單面研磨、洗淨等製程。其中，單面研磨製程是為了去除晶圓表面之凹凸或漩渦以提高平坦度所需要的製程，其藉由CMP（Chemical Mechanical Polishing：化學機械研磨）技術來進行鏡面加工。

通常，在矽晶圓的單面研磨製程中，採用枚葉式晶圓研磨裝置（CMP裝置）。此晶圓研磨裝置具備貼附有研磨布的旋轉定盤及一邊推壓研磨布上之晶圓、一邊保持晶圓的研磨頭，其藉由一邊供給泥漿、一邊分別旋轉旋轉定盤及研磨頭來研磨晶圓的單面。

關於晶圓研磨裝置，在專利文獻1中記載一種研磨頭，其使矽晶圓等地工件的背面保持在橡皮膜的下面部，再使該工件的表面滑接至貼附於定盤上的研磨布並加以研磨之。此研磨頭具備環狀的剛性環、以均勻的張力連結至該剛性環的橡皮膜（薄膜）、以與上述剛性環同心的狀態設置於橡皮膜之下面部之周邊部且外徑大於剛性環之內徑的環狀模板（扣環），模板的內徑比剛性環的內徑小，關於剛性環與模板的內徑差、上述模板的內徑與外徑的差，此兩者之間的比為26％以上、45％以下，所以，模板的內周部分可自由變形，橡皮膜可均勻地推壓整個工件。

又，在專利文獻2中，記載一種晶圓研磨裝置，其具備搬運頭，該搬運頭為了提高晶圓的平坦度，進行一種多區加壓方式，亦即，將晶圓的推壓面分割為複數個壓力區，獨立加壓控制各個壓力區。此搬運頭的彈性膜（薄膜）包含主要部分、環狀外側部分及3個環狀口蓋，具有被區分為同心圓狀的第一至第三壓力室。又，搬運頭具備沿著彈性膜之環狀外側部分之外壁面而形成的凹部、插入凹部的外部環及沿著彈性膜之環狀內側部分之內壁面而形成的內部環，又具有增強彈性膜之環狀部分的構造。 ［先前技術文獻］ ［專利文獻］

［專利文獻1］特開2008-110407號公報 ［專利文獻2］特表2015-536575號公報

［發明所欲解決之問題］

在矽晶圓的單面研磨製程中，會有應力集中或泥漿流入等導致晶圓外周部之研磨量比中心部還大的傾向。因此，宜個別控制晶圓的中心部的控制壓力與外周部的控制壓力。

不過，就專利文獻1所記載的習知之研磨頭而言，橡皮膜構成單一的壓力區，所以，無法個別控制晶圓的中心部的控制壓力與外周部的控制壓力。又，在將模板接地的方式中，模板緩慢進行磨耗，導致研磨面壓力分布產生變動，所以，難以控制晶圓研磨壓力分布為固定分布，於是有無法控制晶圓之外周部之研磨量以得到高度平坦之晶圓的問題。

專利文獻2所記載的習知之晶圓研磨裝置可個別控制晶圓的中心部的控制壓力與外周部的控制壓力。不過，設置於彈性膜之側面的外部環僅設置於環狀外側部分的上部，所以，無法將控制壓力充分地傳達至晶圓的外周部，於是有外周部控制壓力的控制幅度太小的問題。再者，外部環及內部環不與彈性膜接著，僅是被插入而已，所以，外部環及內部環的運動會導致彈性膜的背面壓力分布中容易有漩渦產生，於是有難以提高晶圓之平坦度的問題。

於是，本發明的目的在提供一種研磨頭及使用此研磨頭之晶圓研磨裝置及研磨方法，其可抑制晶圓的外周部上的研磨壓力的漩渦已得到高度平坦化。 ［用以解決課題之手段］

為了解決上述課題，本發明之晶圓研磨裝置之研磨頭具備：膜頭，可分別獨立控制用來推壓上述晶圓之中心部的中心部控制壓力與用來推壓上述晶圓之外周部的外周部控制壓力；外環，與該膜頭一體化以構成上述膜頭之外周部；及接地型扣環，設置於上述膜頭之外側；其中，上述膜頭具有：單室構造之中心部壓力室，用來控制上述中心部控制壓力；及外周部壓力室，設於上述中心部壓力室之上方且用來控制上述外周部控制壓力；上述外環的下端的位置至少到達上述中心部壓力室的內側底面的位置，上述外環的上端的位置至少到達上述中心部壓力室的內側上面的位置。

藉由本發明，可個別控制晶圓的中心部與外周部的研磨壓力，特別是，可配合磨耗所導致的扣環的厚度變化來調整外周部控制壓力。又，扣環接地，所以，可抑制晶圓的外周部的過度研磨及研磨面壓力分布的梯度。再者，外環在從膜頭之中心部壓力室之內側底面到內側上面的廣大範圍內延伸，以支持膜頭的外周部，所以，可確實將來自外周部壓力室的壓力傳達至晶圓的外周部，如此可大大增加外周部控制壓力的控制幅度。於是，可抑制晶圓的外周部上的研磨壓力的漩渦及無壓區域的產生，以使晶圓的研磨面壓力分布為固定分布，藉此，可提高晶圓的平坦度。

在本發明中，上述膜頭宜具有：圓形之主面部，構成上述晶圓之推壓面；及環狀之側面部，從上述主面部之外周端延伸至上方；上述外環在上述膜頭成形時宜與上述膜頭一體成形，接著固定於上述側面部之外周面。藉此，可防止外環在研磨時的運動導致研磨壓力分布產生變化。於是，可使晶圓的研磨面壓力分布為固定分布，於是可提高晶圓的平坦度。又，外環支持從膜頭之側面部之下端到上端的廣大範圍，所以，可抑制加壓時的膜頭的側面部的變形以減少晶圓的背面壓力分布的漩渦。再者，膜頭與前述外環一體成形，所以，加工成既定形狀的膜頭不需要嵌入外環的作業，於是也不會產生膜頭起皺或組裝誤差的問題。因此，可抑制膜頭嵌合至外環時的拉伸導致不想要的歪斜，於是可確實傳達外周部控制壓力。

在本發明中，上述膜頭宜進一步包含：上側環狀口蓋，從上述側面部之上端部延伸至徑方向之內方；及下側環狀口蓋，從上述上端部之下方之上述側面部之中間部延伸至上述徑方向之內方；上述中心部壓力室宜為上述主面部、上述側面部及上述下側環狀口蓋所圍住的封閉空間，上述外周部壓力室宜為下側環狀口蓋、上述側壁及上述上側環狀口蓋所圍住的封閉空間，上述主面部的上面宜構成上述中心部壓力室的內側底面，上述下側環狀口蓋的底面宜構成上述中心部壓力室的內側上面。藉由此構造，可個別控制晶圓的中心部與外周部的研磨壓力，藉此，可使晶圓的研磨面壓力分布為固定分布。又，上側環狀口蓋及下側環狀口蓋延伸至膜頭的徑方向的內方，所以，可防止外周部控制壓力對扣環接地壓力產生影響。

在本發明中，與上述膜頭接觸的上述外環之角落部宜加工成倒角，在不與上述膜頭接觸的上述外環之外周面上宜形成凹部。藉由將外環之角落部加工成倒角，可提高膜頭與外環的接著性。又，藉由在外環的外周面上設置凹部，可在膜頭及外環一體成形時輕易將外環安裝至模具上，於是可提高外環的操作性。

本發明之研磨頭可進一步具備內環，其在上述膜頭成形時，與上述膜頭一體成形，並接著固定於上述側面部之內周面。藉由此構造，可進一步提高膜頭的側面部的強度，進而可確實將來自外周部壓力室的壓力傳達至晶圓的外周部。

在本發明中，與上述膜頭接觸的上述內環之角落部宜加工成倒角，在不與上述膜頭接觸的上述內環之內周面上宜形成凹部。藉由將內環之角落部加工成倒角，可提高膜頭與內環的接著性。又，藉由在內環的外周面上設置凹部，可在膜頭及內環一體成形時輕易將內環安裝至模具上，於是可提高內環的操作性。

在本發明中，上述中心部控制壓力的施加區域為從上述晶圓之中心到半徑宜至少為0.85R（R為晶圓的半徑）的圓形區域，上述外周部控制壓力的施加區域宜為上述中心部控制壓力的施加區域的外側的環狀區域。

本發明之研磨頭宜進一步具備安裝有上述膜頭及上述扣環的剛體頭，上述剛體頭宜具有連接至上述膜頭之上述側面部及上述外環與上述剛體頭之間之間隙的貫通孔，用來洗淨上述膜頭的洗淨液宜從上述貫通孔供給至上述間隙內。藉由此構造，可去除經過研磨製程後之扣環上所附著的泥漿，於是可抑制侵入間隙內的砂粒固著、凝集後又剝落所形成的粗大粒子刮傷晶圓表面。

又，本發明為使用具有上述本發明特徵之研磨頭的晶圓研磨裝置，其特徵為，具備：旋轉定盤，貼附有研磨布；泥漿供給部，對上述旋轉定盤供給泥漿；及研磨頭，一邊推壓上述研磨布上的晶圓，一邊保持晶圓。藉由本發明，可提供一種可均勻研磨晶圓的晶圓研磨裝置。

再者，本發明為使用具有上述本發明特徵之晶圓研磨裝置研磨晶圓之單面的方法，其特徵為，分別獨立控制上述中心部控制壓力與上述外周部控制壓力以使上述晶圓的研磨面壓力分佈保持固定，並且，配合上述扣環的磨耗來使上述外周部控制壓力變小。藉由本發明，可提供一種可均勻研磨晶圓的研磨方法。 ［發明效果］

藉由本發明，可提供一種研磨頭及使用此研磨頭之晶圓研磨裝置及研磨方法，其可抑制晶圓的外周部上的研磨壓力的漩渦以得到高度平坦化。

以下將參照附加圖面詳細說明本發明的最佳實施型態。

圖1係概略表示本發明實施型態之晶圓研磨裝置之構造的側視圖。

如圖1所示，晶圓研磨裝置1具備貼附有研磨布22的旋轉定盤21、對旋轉定盤21供給泥漿的泥漿供給部23及一邊推壓載置於研磨布22上之晶圓W、一邊保持晶圓W的研磨頭10。旋轉定盤21的主面具有充分大於研磨頭10的大塊平面，研磨頭10的下面（推壓面）與旋轉定盤21的主面相向。在本實施型態中，於旋轉定盤21上設置1個研磨頭10，但為了研磨複數片晶圓W，宜設置複數個研磨頭10。一邊對研磨布22上供給泥漿，一邊分別旋轉旋轉定盤21及研磨頭10，藉此，可研磨與研磨布22相接的晶圓W的單面。

圖2係表示第一實施型態之研磨頭10之構造的約略側面剖面圖。

如圖2所示，研磨頭10具備旋轉軸11、設置於旋轉軸11下端的剛體頭12、設置於剛體頭12底面的接地型扣環14及膜頭16，其構成透過膜頭16對晶圓W加壓的晶圓加壓機構。

剛體頭12具備連接至旋轉頭11的頭上部12a、透過驅動環12d連接至頭上部12a的頭下部12b及頭外周部12c。頭上部12a藉由紡錘機構被旋轉驅動，並且，藉由電動汽缸被升降驅動。驅動環12d為金屬製的板彈簧，其為用來將頭上部12a之旋轉力傳送至頭下部12b及頭外周部12c的零件。膜頭16安裝於頭下部12b，扣環14安裝於頭外周部12c。

扣環14為設置於剛體頭12底面之外周部的導引元件。扣環14為可推壓研磨布22之上面的構造，扣環14的底面與研磨布22接觸（接地）。藉由將扣環14的底面推壓並接觸到研磨布22，可規範晶圓W在水平方向的運動，於是可防止晶圓飛出至研磨頭10的外側。又，藉由將定位器接地至研磨布，可抑制研磨頭10的傾斜所導致的研磨量分布的梯度及研磨布的撓曲所導致的對晶圓外周部的過度研磨。

膜頭16的底面與晶圓的整個背面（上面）接觸。膜頭16連接至未圖示出的膜加壓線，膜頭16的內部有空氣壓被送入。空氣壓從膜加壓線被供給至膜頭16內，以使膜頭16膨脹，藉此，晶圓W被推壓至下方。在膜頭16內，形成由中心部壓力室R1和外周部壓力室R2所組成的2個壓力室，藉由從各個獨立的膜加壓線供給過來的空氣壓，各壓力室內的壓力受到個別控制。藉由個別設定供給至各壓力室的空氣壓，晶圓W的中心部及外周部被賦予適切的推壓力。

本實施型態之研磨頭10採用定位器接地方式，將扣環14推壓至研磨布22，所以，相較於不採用定位器接地方式的習知之研磨頭10，可防止研磨頭10的傾斜。因此，可抑制晶圓的研磨量分布的梯度。又，在不使扣環14接地的情況下，當使晶圓W在研磨布22滑動時，晶圓W的外側的研磨布22撓曲並滿出至上方，因此，晶圓W的角落部的研磨量增壓。不過，在使扣環14接地的情況下，可防止應力集中於晶圓W的外周部，進而防止晶圓W的角落部被過度研磨。

圖3係詳細表示圖2之膜頭16之構造的部分剖面圖。

如圖3所示，膜頭16由薄橡皮材料構成，具有構成晶圓W之推壓面的圓形主面部16a、從主面部16a之外周端延伸至上方的環狀側面部16b、從側面部16b之上端部延伸至徑方向之內方的上側環狀口蓋16c、從比側面部16b之上端部更下方之中間部延伸至徑方向之內方的下側環狀口蓋16d。

膜頭16的主面部16a的大小與晶圓W幾乎相等。於是，當晶圓W的直徑為300mm時，主面部16a的直徑也為300mm或比其稍微大一點。側面部16b的高度h ₁可為10～15mm，連接下側環狀口蓋16d的中間部的高度h ₂可為0.5h ₁～0.7h ₁（mm）。下側環狀口蓋16d的長度比上側環狀口蓋16c長，下側環狀口蓋16d的先端突出至比上側環狀口蓋16c在徑方向的更內方。

如上所述，膜頭16具有用來控制晶圓W之中心部之壓力的單室構造之中心部壓力室R1及設置於中心部壓力室R1之上方且用來控制晶圓W之外周部之壓力的外周部壓力室R2。中心部壓力室R1為膜頭16的主面部16a、側面部16b的下部、下側環狀口蓋16d及剛體頭12所圍起來的密閉空間。外周部壓力室R2為膜頭16的上側環狀口蓋16c、側面部16b的上部、下側環狀口蓋16d及剛體頭12所圍起來的密閉空間。

在膜頭16的側面部16b的外周面及內周面上分別安裝有外環17及內環18。外環17為連結至膜頭16之側面部16b之外側表面（外周面）的剛體環，從其外側支持膜頭16。又，內環18為連結至膜頭16之側面部16b之內側表面（內周面）的剛體環，從其內側支持膜頭16。外環17及內環18的材料可採用SUS。外環17及內環18宜為相同材料。

在不設置外環17的情況下，膜頭16的側面部16b可撓曲至外側或內側，所以，難以透過側面部16b將外周部控制壓力Pe傳達至晶圓外周部。不過，在設置外環17的情況下，外環17變成了會抑制側面部16b撓曲的壁面，於是側面部16b的變形得以抑制，所以，可確實傳達外周部控制壓力Pe。再者，在設置內環18的情況下，可確實抑制側面部16b的變形。

在本實施型態中，膜頭16與外環17及內環18一體成形。膜頭16的側面部16b中與外環17相接的部分（側面部16b的下部）的外徑尺寸與外環17的內徑尺寸一致，膜頭16的側面部16b中與內環18相接的部分（側面部16b的下部）的內徑尺寸與內徑18的外徑尺寸一致。因此，膜頭16上不存在外環17或內環18的尺寸差所引起的拉伸應力（歪斜）。又，不需要將外環17及內環18安裝在膜頭16上的作業。

在膜頭16被嵌入外環17及內環18而成為一體化的習知之構造中，為了提高密合度，膜頭16的側面部16b的外形尺寸設計得比外環17的內徑大一些，又，膜頭16的側面部16b的內徑尺寸設計得比內環18的外徑大一些。因此，要將外環17及內環18嵌入膜頭16的作業顯得非常困難，要在薄膜不被猛扯的情況下漂亮的進行嵌入作業顯得困難，組裝誤差也容易發生。再者，外環17及內環18並不與膜頭16相接，所以，會因為使用中的膜頭16與外環17及內環18的位置關係錯位而有容易產生研磨壓力分布之離散度的問題。

不過，本實施型態之膜頭16由於成形加工的關係，於該加工完成的時點，外環17及內環18成為一體，所以，不需要像過去那樣的嵌入作業，也不會產生膜頭16被猛扯或組裝誤差的問題。又，外環17及內環18接著固定至膜頭16，所以，當進行研磨時，可解決因為外環17及內環18的運動而導致研磨壓力分布產生變化的問題。

再者，本實施型態之膜頭16在其形成時係在與外環17接著的狀態下被冷卻，所以，只要不從外部施加壓力，膜頭16上就不會有張力。因此，即使在進行研磨時施加壓力，可抑制膜頭16產生不想要的歪斜（亦即，在膜頭16不與外環17一體成形的情況下，將膜頭16嵌合至外環17時的拉伸所產生的歪斜），確實傳達外周部控制壓力。

在本實施型態中，外環17的下端在高度方向的位置與中心部壓力室R1的內側底面S1的高度約略相等，外環17的上端在高度方向的位置在中心部壓力室R1的內側上面S2的高度以上。換言之，外環17覆蓋側面部16b的整個高度方向。因此，可在加壓時抑制膜頭16的側面部16b的撓曲，進而可確實將外周部控制壓力Pe傳達至晶圓W的外周部。於是，可減少晶圓背面壓力分布的漩渦。外環17的下端宜到達中心部壓力室R1的內側底面S1的位置，不妨礙其延伸至比內側底面S1稍微下方。又，外環17的上端宜到達中心部壓力室R1的內側上面S2的位置，外環17的上端的高度位置若為比外周部壓力室R2的外側上面更下方，即使其延伸至內側上面S2的上方，也可傳達外周部控制壓力Pe。

與膜頭16接觸的外環17及內環18的角落部宜形成倒角。又，外環17的外周面及內環18的內周面上宜形成凹部。藉由使外環17及內環18的角落部形成倒角，可提高膜頭16與外環17及內環18的接著性。又，藉由在外環17的外周面及內環18的內周面上設置凹部，可輕易將外環17及內環18安裝在模具上，進而可提高外環17及內環18的操作性。

在本實施型態中，晶圓W的外周部的研磨壓力從晶圓W的中心部的研磨壓力被獨立控制。藉由配合晶圓W的外周部的厚度的離散度及保持晶圓W側面的扣環14的磨耗所產生的厚度變化來變更外周部控制壓力Pe，調整晶圓W的外周部的研磨壓力。

中心部控制壓力Pc的賦予區域Dc為至少從晶圓W的中心到半徑0.85R（R為晶圓W的半徑）的圓形區域，從晶圓W的中心到半徑0.93R的區域會特別好。另一方面，外周部控制壓力的賦予區域De為中心部控制壓力的賦予區域Dc的外側的環狀區域，其宜為從0.85R到1R的區域，從0.93R到1R則會特別好。如此，晶圓W的大部分區域藉由中心部控制壓力Pc來控制，晶圓W的外周部藉由外周部控制壓力Pe來控制，藉此，可均勻地研磨晶圓面內。

在定位器接地方式中，伴隨扣環14的磨耗，與扣環14之下面相向的膜頭16之主面部16a朝下方的突出量變大，所以，晶圓W的推壓力變大，晶圓W的研磨量，尤其是晶圓的外周部的研磨量，最後變得比所期待的研磨量還大。不過，藉由配合扣環14的磨耗來減少外周部控制壓力Pe，可將研磨量分布調整成固定分布。

在本實施型態中，下側環狀口蓋16d及上側環狀口蓋16c宜朝向徑方向的內方延伸。下側環狀口蓋16d及上側環狀口蓋16c也可朝向徑方向的外側延伸，但在此情況下，當從研磨頭10的上部對扣環14加壓時，定位器接地壓力Pr受到外周部控制壓力Pe的影響而產生變動，又，外周部控制壓力Pe受到定位器接地壓力Pr的影響而產生變動。不過，在下側環狀口蓋16d及上側環狀口蓋16c朝向徑方向的內方延伸的情況下，可防止外周部控制壓力Pe及定位器接地壓力Pr中其中一者對另一者產生影響。

再者，在下側環狀口蓋16d及上側環狀口蓋16c朝向徑方向的內方延伸的情況下，可確保膜頭16的側面部16b與扣環14上方的剛性頭12的一部分之間的間隙D盡可能地寬。在此情況下，剛體頭12具有用來連接膜頭16之側面部16b及外環17與剛體頭12之間之間隙D的貫通孔12e，用來洗淨膜頭16的洗淨液宜從貫通孔12e供給至間隙D內。。若繼續研磨，扣環14的表面會有泥漿固著，所以，需要用來去除泥漿的洗淨步驟。在本實施型態中，將洗淨水注入膜頭16的側面部16b與剛體頭12之間的間隙D內來洗淨扣環，藉此，可去除泥漿。於是，可抑制進入間隙D內的砂粒固著、凝集後再剝落而形成的粗大粒子導致晶圓面內被刮傷等情況。

如以上所說明，本實施型態之晶圓研磨裝置1具備可分別獨立加壓控制晶圓W之中心部與外周部的定位器接地型雙區域膜頭，保持膜頭16之側面部16b的外環17支持從側面部16b的下端到上端的廣大區域，所以，可抑制加壓時的膜頭16的側面部16b的變形，增大外周部控制壓力的控制幅度。於是，可減少晶圓的外周部上的研磨壓力的漩渦，提高晶圓的研磨面的平坦度。再者，外環17及內環18在膜頭16成形時一體成形，所以，不需要將外環17及內環18嵌入膜頭16，並可解決組裝誤差的問題及外環17及內環18在研磨時的運動導致背面壓力分布變動的問題。

圖4係詳細表示第二實施型態之研磨頭10之膜頭16之構造的部分剖面圖。

如圖4所示，此研磨頭10的特徵為省略內環18（參照圖3）這點。其他部分的構造與第一實施型態之研磨頭10相同。在用來保持膜頭16之側面部16b的元件僅為外環17的情況下，膜頭16的側面部16b的保持力下降，但可減少因為矯正膜頭16的側面部16b的變形所產生的膜頭16的外周部的歪斜。於是，可抑制晶圓外周部的背面壓力分布的變動。

以上說明了本發明的最佳實施型態，但本發明不受上述實施型態所限定，在不脫離本發明之主旨的範圍內，可進行各種變更，這些變更亦理所當然地包含在本發明的範圍內。

例如，在上述實施型態中，為膜頭16的側面部16b上有外環及內環貼附的構造，但亦可省略膜頭的側面部16b本身。在此情況下，賦予中心部控制壓力的膜頭之主面部、賦予外周部控制壓力的膜頭之上側環狀口蓋及下側環狀口蓋由各自不同薄膜材料構造，其為使中心部控制壓力產生的薄膜材料與使外周部控制壓力產生的薄膜材料透過剛體環來連結的構造。 ［實施例］

＜外周部控制壓力對研磨面壓力分布所造成之影響的觀察＞ 藉由模擬，評估了本發明之研磨頭的研磨面壓力分布。在此，研磨對象設定為直徑300mm的矽晶圓，扣環的厚度為5mm，中心部控制壓力Pc設定為15kPa，外周部控制壓力Pe的變更範圍設定為0kPa～40kPa。其結果表示於圖5（a）及（b）。

圖5（a）及（b）係表示晶圓之研磨面壓力分布的圖表，其中，（a）表示內外環一體型之頭形狀（參照圖3）的情況，（b）表示外環一體型之頭形狀的情況（參照圖4）。圖5（a）及（b）的圖表的橫軸表示距離晶圓中心的距離（mm），縱軸表示晶圓研磨面壓力（kPa）。

如圖5（a）及（b）所顯示的，從晶圓的中心到120mm以下（0～120mm）的中心部上的晶圓研磨壓力顯示出與中心部控制壓力Pc相同，約為15kPa。另一方面，從晶圓的中心到120mm以上（120～150mm）的外周部上的晶圓研磨壓力伴隨外周部控制壓力Pe的增加而增加，在15±10kPa的寬廣範圍內產生變化。從此結果可知，若將外周部控制壓力Pe設定為約25kPa，可使研磨面壓力分布幾乎為固定分布。從以上的結果可知，藉由本發明之定位器接地型雙區域薄膜，可個別控制晶圓的中心部的研磨面壓力與外周部的研磨面壓力，藉由控制外周部控制壓力Pe，可控制晶圓的研磨面的形狀。

＜扣環的厚度對研磨面壓力所造成之影響的觀察＞ 接著，藉由模擬，評估了從使用本發明之研磨頭研磨晶圓時的晶圓中心到149mm的最外周部上的研磨面壓力。其結果表示於圖6（a）及（b）。

圖6（a）及（b）係表示扣環之厚度與晶圓之最外周部之研磨面壓力之關係的圖表。其中，（a）表示內外環一體型之頭形狀（參照圖3）的情況，（b）表示外環一體型之頭形狀的情況（參照圖4）。圖6（a）及（b）的圖表的橫軸表示扣環的厚度（mm），縱軸表示晶圓最外周部的研磨面壓力（kPa）。

如圖6（a）及（b）所顯示的，可知晶圓最外周部的研磨面壓力因為扣環厚度的減少而增加，外周部控制壓力Pe越大，晶圓最外周部的研磨面壓力的增加率也越大。扣環的厚度因為磨耗而慢慢減少，因此，晶圓最外周部的研磨面壓力慢慢增加，但藉由使外周部控制壓力Pe慢慢變小，可抑制晶圓最外周部的研磨面壓力增壓，於是可理解可使晶圓最外周部的研磨面壓力維持固定。

因此，當扣環的厚度從5.6mm變化到5.0mm時且為了使整個晶圓研磨面的壓力保持均勻（15kPa）而調整外周部控制壓力Pe時的晶圓研磨面壓力分布表示如下。又，以下也表示出扣環磨損前的晶圓研磨面壓力分布。

圖7係表示扣環之厚度與晶圓之研磨面壓力分布之關係的圖表，橫軸表示距離晶圓中心的距離（mm），縱軸表示晶圓研磨面壓力（kPa）。

如圖7所示，當扣環的厚度為5.6mm、外周部控制壓力Pe為32kPa時，晶圓研磨面壓力的面內分布幾乎為固定（約15kPa）。其後，扣環的厚度因摩耗而減少，變成5.0mm，在不變更外周部控制壓力Pe而將其維持在32kPa的情況下，晶圓外周部的研磨面壓力約增加至19kPa。不過，在將外周部控制壓力Pe減少到25.5kPa的情況下，晶圓外周部的研磨面壓力不增加，研磨面壓力面內分布幾乎維持在固定。從以上的結果可確認，藉由變更外周部控制壓力Pe，可調整晶圓研磨面壓力。

＜晶圓背面壓力分布的評估＞

接著，藉由模擬，評估將中心部控制壓力Pc設定為15kPa並將外周部控制壓力Pe設定在0～40kPa的範圍內變化時的實施例及比較例中的膜頭的晶圓背面壓力分布的變化。實施例的膜頭為圖2及圖3所示的定位器接地型雙區域膜頭，扣環的厚度設定為5.0mm。另一方面，比較例的膜頭圍定位器非接地型雙區域膜頭，採用外環保持薄膜之側面部之上側一半的構造。

圖8（a）及（b）係表示晶圓之背面壓力分布的圖表。其中，（a）表示內外環一體型之頭形狀（參照圖3）的情況，（b）表示外環一體型之頭形狀的情況（參照圖4）。圖8（a）及（b）的圖表的橫軸表示距離晶圓中心的距離（mm），縱軸表示晶圓背面壓力（kPa）。

如圖8（a）及（b）所示，比較例的習知之膜頭在從中心到142mm的範圍內，其壓力為固定，但從晶圓中心到148～149mm的最外周部，壓力變得極端地大。另一方面，關於實施例的膜頭，並沒有此種極端壓力的增加。又，當外周部控制壓力Pe在10kPa以下時，從晶圓中心到141～149mm的範圍內產生無壓區域，但當Pe在20kPa以上時，不產生無壓區域。如此可知，藉由外周部控制壓力Pe的變更，在晶圓的外周部消除無壓區域，於是可控制晶圓的外周部上所產生的背面壓力分布的漩渦的大小。

再者，若比較圖8（a）及圖8（b），可知相較於圖8（b）得外環一體型頭形狀（參照圖3），圖8（a）的內外環一體型頭形狀（參照圖3）的背面壓力的漩渦的峰值有在晶圓中心產生的傾向。

圖9（a）及（b）係表示使用外環一體型頭形狀（參照圖4）之研磨頭時之晶圓背面壓力分布的圖表，其中，（a）如圖4所示，表示外環的垂直長度較長、覆蓋膜頭之整個側面部的情況，（b）表示外環的垂直長度較短、僅覆蓋膜頭之上半個側面部的情況。圖9（a）及（b）的圖表的橫軸表示距離晶圓中心的距離（mm），縱軸表示晶圓背面壓力（kPa）。

如圖9（b）所示，在外環的垂直長度較短的情況下，晶圓背面壓力的極值•反曲點與漩渦的峰值的高度變高。另一方面，如圖9（a）所示，在外環的垂直長度較長的情況下，晶圓背面壓力的極值•反曲點與漩渦的峰值高度下降。從此結果可確認，當外環的膜頭的側面部的保持範圍寬廣時，較能抑制膜頭的本體及底面的變形。

1                     晶圓研磨裝置 10                   研磨頭 11                   旋轉軸 12                   剛體頭 12a                 頭上部 12b                 頭下部 12c                 頭外周部 12d                 驅動環 12e                 貫通孔（洗淨孔） 14                   扣環 16                   膜頭 16a                 膜頭之主面部 16b                 膜頭之側面部 16c                 膜頭之上側環狀口蓋 16d                 膜頭之下側環狀口蓋 17                   外環 18                   內環 21                   旋轉定盤 22                   研磨布 23                   泥漿供給部 D                    間隙 Dc                  中心部控制壓力的施加區域 De                  外周部控制壓力的施加區域 Pc                   中心部控制壓力 Pe                   外周部控制壓力 Pr                   定位器接地壓力 R1                  中心部壓力室 R2                  外周部壓力室 S1                  中心部壓力室之內側底面 S2                  中心部壓力室之內側上面 W                   晶圓

［圖1］係概略表示本發明實施型態之晶圓研磨裝置之構造的側視圖。 ［圖2］係表示第一實施型態之研磨頭之構造的約略側面剖面圖。 ［圖3］係詳細表示圖2之膜頭之構造的部分剖面圖。 ［圖4］係詳細表示第二實施型態之研磨頭之膜頭之構造的部分剖面圖。 ［圖5（a）及（b）］係表示晶圓之研磨面壓力分布的圖表。 ［圖6（a）及（b）］係表示扣環之厚度與晶圓之最外周部之研磨面壓力之關係的圖表。 ［圖7］係表示扣環之厚度與晶圓之研磨面壓力分布之關係的圖表。 ［圖8（a）及（b）］係表示晶圓之背面壓力分布的圖表。 ［圖9（a）及（b）］係表示使用外環一體型頭形狀（參照圖4）之研磨頭時之晶圓背面壓力分布的圖表，其中，（a）表示外環的垂直長度較長的情況，（b）表示外環的垂直長度較短的情況。

12                     剛體頭 12e                   貫通孔（洗淨孔） 14                     扣環 16                     膜頭 16a                   膜頭之主面部 16b                   膜頭之側面部 16c                   膜頭之上側環狀口蓋 16d                   膜頭之下側環狀口蓋 17                     外環 18                     內環 22                     研磨布 D                      間隙 Dc                    中心部控制壓力的施加區域 De                    外周部控制壓力的施加區域 h ₁、h ₂高度 Pc                     中心部控制壓力 Pe                     外周部控制壓力 Pr                     定位器接地壓力 R1                    中心部壓力室 R2                    外周部壓力室 S1                    中心部壓力室之內側底面 S2                    中心部壓力室之內側上面 W                     晶圓

Claims (9)

1. 一種研磨頭，其為用來研磨晶圓之單面的晶圓研磨裝置之研磨頭，其特徵為，具備：膜頭，可分別獨立控制用來推壓上述晶圓之中心部的中心部控制壓力與用來推壓上述晶圓之外周部的外周部控制壓力；外環，與該膜頭一體化以構成上述膜頭之外周部；及接地型扣環，設置於上述膜頭之外側；其中，上述膜頭具有：單室構造之中心部壓力室，用來控制上述中心部控制壓力；外周部壓力室，設於上述中心部壓力室之上方且用來控制上述外周部控制壓力；圓形之主面部，構成上述晶圓之推壓面；及環狀之側面部，從上述主面部之外周端延伸至上方；上述外環的下端的位置至少到達上述中心部壓力室的內側底面的位置，上述外環的上端的位置至少到達上述中心部壓力室的內側上面的位置；上述外環在上述膜頭成形時與上述膜頭一體成形，接著固定於上述側面部之外周面；與上述膜頭接觸的上述外環之角落部加工成倒角，在不與上述膜頭接觸的上述外環之外周面上形成凹部。
2. 如申請專利範圍第1項之研磨頭，其中，上述膜頭進一步包含：上側環狀口蓋，從上述側面部之上端部延伸至徑方向之內方；及下側環狀口蓋，從比上述上端部更下方之上述側面部之中間部延伸至上述 徑方向之內方；上述中心部壓力室為上述主面部、上述側面部及上述下側環狀口蓋所圍住的封閉空間，上述外周部壓力室為上述下側環狀口蓋、上述側面部及上述上側環狀口蓋所圍住的封閉空間，上述主面部的上面構成上述中心部壓力室的內側底面，上述下側環狀口蓋的底面構成上述中心部壓力室的內側上面。
3. 如申請專利範圍第2項之研磨頭，其中，進一步具備內環，其在上述膜頭成形時，與上述膜頭一體成形，並接著固定於上述側面部之內周面。
4. 如申請專利範圍第3項之研磨頭，其中，與上述膜頭接觸的上述內環之角落部加工成倒角，在不與上述膜頭接觸的上述內環之內周面上形成凹部。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之研磨頭，其中，上述中心部控制壓力的施加區域為從上述晶圓之中心到半徑至少為0.85R(R為晶圓的半徑)的圓形區域，上述外周部控制壓力的施加區域為上述中心部控制壓力的施加區域的外側的環狀區域。
6. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之研磨頭，其中，進一步具備安裝有上述膜頭及上述扣環的剛體頭，上述剛體頭具有連接至上述膜頭之上述側面部及上述外環與上述剛體頭之間之間隙的貫通孔，用來洗淨上述膜頭的洗淨液從上述貫通孔供給至上述間隙內。
7. 如申請專利範圍第5項之研磨頭，其中，進一步具備安裝有上述膜頭及上述扣環的剛體頭，上述剛體頭具有連接至上述膜頭之上述側面部及上述外環與上述剛體頭之間之間隙的貫通孔，用來洗淨上述膜頭的洗淨液從上述貫通孔供給至上述間隙內。
8. 一種晶圓研磨裝置，其特徵為，具備：旋轉定盤，貼附有研磨布；泥漿供給部，對上述旋轉定盤供給泥漿；及如申請專利範圍第1至7項中任一項之研磨頭，一邊推壓上述研磨布上的晶圓，一邊保持晶圓。
9. 一種晶圓研磨方法，其為使用申請專利範圍第8項之晶圓研磨裝置來研磨晶圓之單面的方法，其特徵為，分別獨立控制上述中心部控制壓力與上述外周部控制壓力以使上述晶圓的研磨面壓力分佈保持固定，並且，配合上述扣環的磨耗來使上述外周部控制壓力變小。

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