JP3683149B2

JP3683149B2 - 研磨装置の研磨ヘッドの構造

Info

Publication number: JP3683149B2
Application number: JP2000024082A
Authority: JP
Inventors: 実沼本
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2000-02-01
Filing date: 2000-02-01
Publication date: 2005-08-17
Anticipated expiration: 2020-02-01
Also published as: US6572438B2; US20010011003A1; KR100440627B1; TWI234504B; KR20010078222A; JP2001212754A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は化学的機械研磨法(CMP : Chemical Mechanical Polishing）による半導体ウェハの研磨装置の研磨ヘッドの構造に関するものであり、特に研磨作業中エアフローティングする研磨ヘッドの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＩＣの微細加工が進んでおり、多層に渡ってＩＣパターンを形成することが行われている。パターンを形成した層の表面にはある程度の凹凸が生じるのが避けられない。従来は、そのまま次の層のパターンを形成していたが層数が増加すると共に線やホールの幅が小さくなるほど良好なパターンを形成するのが難しく、欠陥などが生じ易くなっていた。そこで、パターンを形成した層の表面を研磨して表面を平坦にした後、次の層のパターンを形成することが行われている。このようなＩＣパターンを形成する途中でウェハを研磨するには、ＣＭＰ法によるウェハ研磨装置（ＣＭＰ装置）が使用される。
【０００３】
このようなウェハ研磨装置として、表面に研磨布が貼付された円盤状の研磨定盤と、研磨すべきウェハの一面を保持して研磨布にウェハの他面を当接させる複数のウェハ研磨ヘッドと、これらウェハ研磨ヘッドを研磨定盤に対し相対回転させるヘッド駆動機構とを具備し、研磨布とウェハとの間に研磨材であるスラリを供給することによりウェハの研磨を行うものが、一般に広く知られている。
【０００４】
このウェハ研磨ヘッドのウェハ保持機構として、ウェハを保持するキャリアにパッキング材（ウェハ付着シート）等を、押圧するキャリア面側に貼付し、ウェハの一面をこのパッキング材に付着して保持しているもの（特開平８−２２９８０８号公報）、或いはキャリアに弾力性のある極微孔性のインサートを接着し、これにウェハを接着して保持するもの（特開平６−７９６１８号公報）等が、従来公知である。
しかしながら、上記従来のウェハ保持機構は、いわゆるパッキングシートをキャリアの表面に貼る必要があり、このパッキングシートを貼着する際に気泡が出来て貼着に技術を必要としたり、キャリアのパッキングシート貼付面の平面度及びパッキング材の厚さムラがウェハ加工面に影響したり、パッキングシートを貼る為に、ウェハ研磨ヘッドを取り外す必要がある等の種々の問題があった。
【０００５】
そこで本出願人は、特願平１０−９２０３０号として先に出願したように、ウェハ保持ヘッド本体内に上下方向移動自在に遊嵌支持されたキャリアの下面に、ウェハの裏面に向けてエアを吹き出すことにより、キャリアとウェハとの間に圧力流体層を形成するエア吹出部材を設け、この圧力流体層を介してウェハを研磨定盤に押圧し、保持するようにしたウェハ研磨装置を提案している。
しかしながら、上記ウェハ研磨装置のウェハ保持機構においても、ウェハを吸着により受け渡しするとき及び研磨中において、ウェハの裏面がキャリアの硬い面に直接接触し傷が付く恐れがあった。
【０００６】
このため本出願人は、上記の問題点を解決するものとして、更に特願平１１−１２８５５８号として、キャリア下面のエア吹出部材の外面に保護シートを設け、この保護シートをエアバックとして使用してエア吹出部材からのエアで保護シートを膨らませてウェハを研磨布に押し付けるようにしたウェハ研磨装置を提案している。
しかしながら、このようなエアバック方式においても、エアの排出口が一定であるため、キャリアとリテーナリングを押圧する押圧力よりも保護シート内のエア圧力が高くなると、加工時の横方向力を受ける点が研磨布面より上方にある場合は、キャリアを傾ける力が生じ、加工精度に影響することと、シートの表面形状の厚さムラが加工精度に影響する等の問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、ウェハが研磨中に研磨ヘッド内から決して飛び出すことがなく、研磨布のウネリやパッキング材（ゴムシート）の厚さムラに対しても平坦な加工精度に影響を及ぼすことのないウェハ研磨装置の研磨ヘッドの構造を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載のウェハ研磨装置の研磨ヘッドの構造を提供する。
請求項１に記載の研磨ヘッドの構造は、リテーナリングの内面に弾性シートを張設して、キャリアのエア吹出口からのエアによってエアバックを形成すると共に、キャリアの突出した上方外周縁部をリテーナリング上に載置することでエアのシール部を形成している。これによって、リテーナリングを研磨布に押圧するリテーナ圧を低く設定して、ウェハを加圧するエアバック圧を高くしても、該シール部がレギュレータの弁の役目をしてキャリアがウェハをリテーナリングの外に押し出すようなことはない。またウェハ加工時の横方向の力に対してもウェハの加圧力が変化しない。更には、キャリアの硬い面に接触してウェハを傷付けることもない。
【０００９】
請求項２に記載の研磨ヘッドの構造は、弾性シートに複数の穴を設けたもので、これによってウェハ搬送時の研磨ヘッドのウェハの吸着保持効果を高めると共に、研磨時においては、この弾性シートの穴から出るエアでウェハを研磨布に対して押し付けるので、弾性シートの厚さムラ及び研磨布のウネリ等によるウェハの加工精度に影響を及ぼすことはない。また、ウェハと弾性シート間の隙間から出るエア量は非常に少ないのでスラリーの凝集がない。
請求項３に記載の研磨ヘッドの構造は、リテーナリングを構成している連結部とリテーナ本体とをリングで連結することにより、分解組立を容易にしたものである。
【００１０】
請求項４に記載の研磨ヘッドの構造は、リテーナリングを構成している交換部をリテーナ本体に対し取り外し自在に装着し、かつ弾性シートを交換部とリテーナ本体間で挟持することにより、摩耗の激しい交換部を頻繁に交換することができ、また弾性シートの交換も容易に行えるものである。
請求項５に記載の研磨ヘッドの構造は、キャリア下面を複数の領域に分け、それぞれの領域でエアバックが形成されるように第２の弾性シートを更に設けたもので、これによってウェハの加工量を領域によって変化をつけることを可能としたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態のウェハ研磨装置の研磨ヘッドの構造を図面によって説明する。図１は、本発明のウェハ研磨装置の研磨ヘッド１の縦断面図である。ウェハ研磨装置は、ウェハＷを研磨する研磨布２を上面に張設した研磨定盤３と、ウェハＷを保持して研磨定盤３上に搬送し、研磨時に保持を解放してウェハＷを研磨布２にエアによって所望の研磨圧力で押圧すると共に回転する研磨ヘッド１とを備えている。この研磨定盤３は、研磨ヘッド１に対し相対的に、水平な研磨方向に回転させる図示されていない回転駆動部を備えている。
【００１２】
研磨ヘッド１は、基本的には、ウェハＷを研磨布２に対して押圧するキャリア２０と、筒状に形成されてキャリア２０の周囲を包囲するように設けられ、ウェハＷの周囲において研磨布２を押圧するリテーナリング３０と、キャリア２０とリテーナリング３０の上方に設けられたヘッド本体４と、ヘッド本体４を回転駆動する駆動部５と、ヘッド本体４とキャリア２０との間に設けられ、キャリア２０に与えられる研磨圧力を調整するキャリア押圧手段４０と、ヘッド本体４とリテーナリング３０との間に設けられ、リテーナリング３０に研磨布２を押圧する押圧力を与えると共に押圧力を調整するリテーナ押圧手段５０とを備えている。
【００１３】
キャリア２０には、キャリア押圧手段４０からの押圧力をキャリア２０に伝えるキャリア押圧部材２１が取り付けられている。またリテーナリング３０には、同様にリテーナ押圧手段５０からの押圧力をリテーナリング３０に伝えるリテーナ押圧部材３１が取り付けられている。図１においては、これらの押圧部材２１，３１は互いに交差して設けられているが、押圧手段の配置によって交差させずに設けることも当然に可能である。
【００１４】
キャリア押圧手段４０は、ヘッド本体４の下面の外周部に配置され、キャリア押圧部材２１に押圧力を与えることで、これに結合しているキャリア２０に伝達されて、後述するようにしてキャリア２０を介してウェハＷを研磨布２に押し付ける。このキャリア押圧手段４０は、好ましくは、エアの導入排出により膨張収縮するゴムシート製のエアバック４１よりなり、このエアバックにエアを供給する空気供給機構４２が連結して設けられる。この空気供給機構４２は、ポンプから圧送されるエアの圧力を調整するレギュレータ（図示しない）を備えている。
【００１５】
リテーナ押圧手段５０は、ヘッド本体４の下面の中央部に配置され、リテーナ押圧部材３１に押圧力を与えることで、これに結合しているリテーナリング３０に伝達されて、リテーナリング３０を研磨布２に押し付ける。このリテーナ押圧手段５０も、好ましくキャリア押圧手段４０と同様にゴムシート製のエアバック５１よりなり、このエアバック５１にエアを供給する空気供給機構５２が連結して設けられる。この空気供給機構５２にも、ポンプから圧送されるエアの圧力を調整するレギュレータ（図示しない）を備えている。
【００１６】
キャリア２０の上面中央部には、円筒状の凹部２２が設けられており、ヘッド本体４の軸部がこのキャリアの凹部２２にピン２３で嵌着されている。このためキャリア２０は上下動及び多少の傾動が可能となっている。またキャリア２０の上方外周縁部２４は、半径方向にフランジ状に突出しており、この上方外周縁部２４をリテーナリング３０の上面に載置することでエアのシール部２５を形成している。
更にキャリア２０の下面には、エアの吸引及び吹出用の孔又は溝２６が設けられ、これに連通してエア通路２７が作られている。エアの吸引・吹出は、エア通路２７に接続している図示されない吸引ポンプ及び給気ポンプを切換え使用することによって行われる。なお、エアの吸引は、ウェハＷを保持搬送する際に行われ、ウェハＷの研磨時は、エアの吹出により保持が解放される。
【００１７】
リテーナリング３０は、連結部３２、リテーナ本体３３及び交換部３４とから構成され、リテーナ押圧部材３１には連結部３２でボルト等により連結されている。連結部３２とリテーナ本体３３は、一部が切り欠かれたリング３５によって分解組立が容易なように結合されている。更にリテーナ本体３３と交換部３４とは、ボルト等により結合されている。このリテーナ本体３３と交換部３４とによって、キャリア２０を覆うように弾性シートであるゴムシート６０がその周縁をそれらの間に挟持されて設けられる。これにより、キャリア２０の下面とゴムシート６０との隙間にエア室６１が形成される。この隙間は、最適には０．５〜２mm程度である。
したがって、リング３５を取り外し、リテーナ本体３３、交換部３４及びゴムシート６０を研磨ヘッド１から外して、ボルトを緩めることによって簡単に交換部３４及びゴムシート６０の交換・洗浄及び修復が行える。
【００１８】
図３に別の実施例として示されるように、ゴムシート６０には、複数の穴６２が明けられていてもよい。これによりウェハＷを研磨ヘッド１に保持して搬送する際には、吸着用の穴として作用し、研磨時には、エアの噴き出し用の穴として作用して、ゴムシート６０とウェハＷとの間にエアが入りエアでウェハＷを研磨布２に押すようになる。
またゴムシート６０のウェハＷと接する面には、溝等を入れエアでウェハＷを押し易くしてもよい。更には、ゴムシート６０のウェハＷと接する面にリング状の凸部を形成し、ゴムシート６０の押しつけ面を凹面にすることも可能である。なお、ゴムシート６０に穴６２がないものにおいても、研磨ヘッド１をウェハＷに押し付けることによってウェハＷをゴムシート６０の面に保持できるものであり、この場合においては、エアの吸引は必要ない。
【００１９】
図２に部分拡大図で示されるように、上記した構造の研磨ヘッド１を用いてウェハＷを研磨すると、キャリア２０の上方外周縁部２４がリテーナリング３０上に完全に載置されているとき、ウェハＷを研磨布２に押し付ける力は、エア室６１内のエア圧である。このエア圧が上昇してキャリア２０を持ち上げると、シール部２４からエア室６１内のエアが排出されエア圧が低下するようになる。このように、このシール部２５が一種のレギュレータの弁の役目をしており、エア室６１内のエア圧を過度に上昇させることがないので、従来のようにリテーナリング３０の押圧力がキャリア２０の押圧力より低下することに起因するウェハＷの研磨ヘッド１外への飛び出しを防止できる。
【００２０】
図３に示されるように、本発明の別の実施例であるゴムシート６０に複数の穴６２を設けている場合には、エア室６１のエアがゴムシート６０とウェハＷの間に入り薄いエア層を作りエアで直接ウェハＷを研磨布２に押し付けているので、ゴムシート６０の厚さムラがウェハＷの面加工精度に影響を及ぼすことがない。このエア層の隙間から出るエア量は非常に少ないのでスラリーの凝集が起らない。またこの場合においても上記と同様にエア室６１内のエア圧を過度に上昇させることがないので、ウェハＷの飛び出しを防止できる。
更に研磨ヘッド１が横方向の力を受けても、横方向の力をリテーナリング３０で受けているため、リテーナリング３０を上げる力（傾ける力）になるがウェハＷには影響を及ぼさない。
【００２１】
なお、上記の実施形態では、ウェハＷの面の加工量に変化をつけることができないが、図４に示されるように、本発明の別の実施形態では、キャリア２０の下面の領域を複数の領域、例えば中央部と外周部、に区分し、それぞれの領域でエアバックが形成されるように弾性シートとして第２のゴムシート６３を設けることによって、加工量に変化をつけることも可能である。この場合は、当然、それぞれの領域のエアバックは、それぞれ独立したエア供給路を有しているものである。
【００２２】
以上のように本発明のウェハ研磨装置の研磨ヘッドの構造においては、リテーナリングの押圧力が低い時にウェハ加圧力を高く設定しても、ウェハが研磨ヘッド外に飛び出すことがなく、また研磨加工時の横方向応力に対してもウェハ加圧力は変化しない。またキャリア面精度や、ゴムシート材の厚さムラ及び押し付け面のゴミ等の影響を受けることなく、高精度の平坦化研磨加工が行えると共に、ゴムシート材や交換部の交換が容易であり、更にウェハの加工量の変化を可能にする等の顕著な作用効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のウェハ研磨装置の研磨ヘッドの縦断面図である。
【図２】本発明の一実施例であるゴムシートに穴がない場合の研磨ヘッドの部分拡大断面図である。
【図３】本発明の別の実施例であるゴムシートに複数の穴を設けた場合の研磨ヘッドの部分拡大断面図である。
【図４】本発明の別の実施の形態である第２のゴムシートを更に設けた場合の研磨ヘッドの部分拡大断面図である。
【符号の説明】
１…研磨ヘッド
２…研磨布
４…ヘッド本体
２０…キャリア
２１…キャリア押圧部材
２２…凹部
２３…ピン
２４…上方外周縁部
２５…シール部
２６…孔
３０…リテーナリング
３１…リテーナ押圧部材
３２…連結部
３３…リテーナ本体
３４…交換部
３５…リング
４０…キャリア押圧手段
５０…リテーナ押圧手段
６０…ゴムシート
６１…エア室
６２…穴
６３…第２のゴムシート

Claims

研磨ヘッドで被加工物を研磨定盤上の研磨布に押し付けながら相対運動させる研磨装置の研磨ヘッドにおいて、
前記研磨ヘッドが、
回転すると共に前記研磨定盤に対向配置されるヘッド本体と、
前記ヘッド本体に上下方向移動自在に遊嵌支持されたキャリアと、
前記ヘッド本体に前記キャリアとは独立して上下方向移動自在に遊嵌支持され、研磨時に被加工物の周囲を包囲して前記研磨布に接触するリテーナリングと、
前記リテーナリングの内部を覆うように前記リテーナリングで周縁を保持された弾性シートと、
を備えていて、
前記リテーナリングの内部であって前記キャリアの下面と前記弾性シートの隙間に形成されるエア室内のエアが所望の研磨圧力で研磨している際のエア圧よりも上昇したときに、該エアの一部を排出できるように、前記キャリアの径方向に突出した外周縁部を、前記リテーナリング上に載置することによってエアのシール部を形成すると共に、前記キャリアの下面に設けられたエア吹出口からのエアによって、前記弾性シートが膨れて研磨時に被加工物を前記研磨布に押圧することを特徴とする研磨装置の研磨ヘッドの構造。
前記弾性シートに複数の穴を設けることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置の研磨ヘッドの構造。
前記リテーナリングが、連結部、リテーナ本体及び交換部とから構成され、該連結部とリテーナ本体とがリングによって結合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の研磨装置の研磨ヘッドの構造。
前記交換部が前記リテーナ本体に対し取り外し自在に装着されると共に、前記弾性シートの周縁が、前記リテーナ本体と前記交換部との間で挟持されることを特徴とする請求項３に記載の研磨装置の研磨ヘッドの構造。
前記キャリアの下面を複数の領域に分け、それぞれの領域でエアバックが形成されるように第２の弾性シートを更に設けていることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置の研磨ヘッドの構造。