JP2001260004A - ウェーハ研磨ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来に比較して小さい押圧圧力によりウェー
ハを均一に研磨パッドに押圧できるウェーハ研磨ヘッド
を提供する。 【解決手段】 ヘッド本体６と、ヘッド本体６内に張ら
れたダイヤフラム７と、流体室１７に満たされた流体圧
力を調整する第一の圧力調整機構９と、ダイヤフラム７
に固定されて、その下面８ａにおいて研磨すべきウェー
ハＷの一面を保持するキャリア８と、ダイヤフラム７に
固定されて、研磨時には研磨パッドに当接するリテーナ
リング２０とを具備したウェーハ研磨ヘッド１におい
て、キャリア下面８ａにおけるリテーナリング２０に囲
まれた位置に、弾性膜２２を張設し、キャリア８に、キ
ャリア下面８ａと弾性膜２２との間に流体を供給するた
めの流体供給路２５を設け、流体供給路２５に、キャリ
ア下面８ａと弾性膜２２との間に供給される流体の圧力
を調整するための第二の圧力調整機構１０を接続した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造プロセ
スにおける、半導体ウェーハ表面を研磨する装置に用い
られるウェーハ研磨ヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体製造装置の高集積化に伴う
パターンの微細化が進んでおり、特に多層構造の微細な
パターンの形成が容易かつ確実に行われるために、製造
工程中における半導体ウェーハの表面を極力平坦化させ
ることが重要となってきている。その場合、表面の膜を
研磨するために平坦化の度合いが高く、凹部への膜の埋
め込みも可能となる、という観点から、化学機械的研磨
法（ＣＭＰ法）が脚光を浴びている。

【０００３】ＣＭＰ法とは、アルカリ溶液や中性溶液あ
るいは酸性溶液に加えて、砥粒剤等を用いて化学的・機
械的にウェーハ表面を研磨し、平坦化する方法である
が、この方法に用いられるウェーハ研磨ヘッドの一例と
して、特開平８−２２９８０４号に、図４に示されるも
のが記載されている。

【０００４】図４において、ウェーハ研磨ヘッド５０
は、天板部５１と天板部５１の外周に固定された筒状の
周壁部５２とからなるヘッド本体５３と、ヘッド本体５
３の内部に張られた、ゴムなどの弾性材料からなるダイ
ヤフラム５４と、ヘッド本体５３とダイヤフラム５４と
の間に形成された流体室５８内の圧力を調整する圧力調
整機構５６と、ダイヤフラム５４の下面に固定された円
盤状のキャリア５５と、このキャリア５５の外周に同心
に配置された円環状のリテーナリング５７とを備えてい
る。

【０００５】キャリア５５及びリテーナリング５７は、
ダイヤフラム５４の上面に設けられたキャリア固定リン
グ５９及びリテーナリング固定リング６２にそれぞれ固
定されており、リテーナリング５７は、キャリア５５の
外周面及び周壁部５２との間に僅かな隙間を空けて同心
状に配置されている。ここで、僅かな隙間を空けて配置
されているのは、ダイヤフラム５４の弾性変形により、
リテーナリング５７の可動範囲が大きくなりすぎる事を
抑えるためである。

【０００６】ウェーハ研磨時には、ウェーハＷは、リテ
ーナリング５７によって外周を係止されながら、キャリ
ア５５の下面に設けられたウェーハ付着シートＳに付着
される。そして、ウェーハＷの表面は、プラテン６１上
面に貼付された研磨パッド６３に当接され、研磨砥粒剤
を含むスラリーが供給されながら、ウェーハ研磨ヘッド
５０が回転されることにより研磨される。

【０００７】このとき、キャリア５５とリテーナリング
５７とは、ダイヤフラム５４の弾性変形によって、それ
ぞれ独立して上下方向に変位されるフローティング構造
となっており、キャリア５５及びリテーナリング５７の
研磨パッド６３への押圧圧力は、圧力調整機構５６によ
って調整された流体室５８内部の圧力に応じて変化され
るようになっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、ＬＳ
Ｉの高速化、高集積化に伴い、ＬＳＩの配線幅を従来に
比較して狭くする必要が生じている。この場合、研磨時
に生じるディッシング、シンニング、エロージョンなど
の影響が無視できないものとなり、ウェーハの研磨パッ
ドに対する押圧圧力を高圧に維持したまま研磨を行うこ
とは難しく、押圧圧力を従来に比較して低圧力とする必
要がある。また、この場合、配線幅の狭小化に伴って配
線抵抗が大きくなることから、配線材として従来のアル
ミニウムに代えて、銅を使う必要が生じる。しかも、配
線間隔が狭くなることから、隣接する配線間にコンデン
サ効果が発生することを避けるために、配線間にLow-k
材と呼ばれる硬度の小さい材料を配置することが必要と
なる。このように銅とLow-k材を組み合わせて用いよう
とすると、さらに加えて、バリアメタルとしてＴａＣ、
ＴａＮ、ＴｉＮなどのセラミックが必要とされるが、こ
れらの材料を組み合わせて用いた場合、材料毎の硬度変
化が大きく、研磨の低圧力化の要求がより一層顕著なも
のとなる。

【０００９】しかしながら、図４に示したようなフロー
ティング構造を有するウェーハ研磨ヘッド５０は、ウェ
ーハＷを剛性の高いキャリア５５を介して押圧する構成
となっているために、ウェーハＷにうねりがあるような
場合に、ウェーハＷを均一な荷重で押圧するためには、
高い圧力を作用させてウェーハＷのうねりを補正するよ
うにしなければならず、低圧力による研磨が困難となっ
てしまう。

【００１０】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであり、従来に比較して小さい押圧圧力によりウ
ェーハを均一に研磨パッドに押圧できるウェーハ研磨ヘ
ッドを提供することを課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明においては以下の手段を採用した。請求項１記
載のウェーハ研磨ヘッドは、天板部と該天板部の外周下
方に設けられた筒状の周壁部とからなるヘッド本体と、
前記ヘッド本体内にヘッド軸線に対し垂直に張られたダ
イヤフラムと、前記ダイヤフラムと前記ヘッド本体との
間に形成される流体室に満たされた流体圧力を調整する
第一の圧力調整機構と、前記ダイヤフラムに固定されて
ダイヤフラムとともにヘッド軸線方向に変位可能に設け
られ、その下面において研磨すべきウェーハの一面を保
持するキャリアと、前記周壁部の内壁と前記キャリアの
外周との間に同心状に配置されるとともに、前記ダイヤ
フラムに固定されて前記ダイヤフラムとともにヘッド軸
線方向に変位可能に設けられ、研磨時には研磨パッドに
当接するリテーナリングとを具備したウェーハ研磨ヘッ
ドにおいて、前記キャリア下面における前記リテーナリ
ングに囲まれた位置に、弾性膜が張設され、前記キャリ
アには、該キャリア下面と前記弾性膜との間に流体を供
給するための流体供給路が設けられるとともに、該流体
供給路には、前記キャリア下面と前記弾性膜との間に供
給される流体の圧力を調整するための第二の圧力調整機
構が接続されていることを特徴としている。

【００１２】このような構成とされるために、このウェ
ーハ研磨ヘッドにおいては、キャリアの下面が弾性膜を
介してウェーハを保持することとなる。したがって、キ
ャリアと弾性膜との間に空気を供給して、キャリアと弾
性膜との間に空気層を形成するようにすれば、キャリア
の下面に空気層および弾性膜を介してウェーハが保持さ
れることとなる。このように保持されたウェーハを研磨
パッドに押圧した場合、弾性膜および空気層がウェーハ
の平面形状に追従して変形するので、ウェーハの平面形
状の不均一を吸収することができる。これにより、ウェ
ーハを均一に押圧することができる。

【００１３】また、この場合、リテーナリングを研磨パ
ッドに押圧する力は、流体室内の流体圧力によって決定
されるのに対し、弾性膜がウェーハを研磨パッドに押圧
する力は、キャリア下面と弾性膜との空気層に供給され
る流体の圧力によって決定される。したがって、リテー
ナリングを研磨パッドに押圧する力を、第一の圧力調整
機構により、弾性膜がウェーハを研磨パッドに押圧する
力を、第二の圧力調整機構により、それぞれ独立に調整
することが可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施の形態
であるウェーハ研磨ヘッド１の立断面図である。 この
ウェーハ研磨ヘッド１は、図２に示すウェーハ研磨装置
全体図のうち、ヘッド駆動機構であるカルーセル２下部
に複数設けられており、プラテン３上に設けられた研磨
パッド４上で遊星回転されるようになっている。

【００１５】図１に示すように、ウェーハ研磨ヘッド１
は、ヘッド本体６、ダイヤフラム７、キャリア８、第一
および第二の圧力調整機構９，１０により概略構成され
ている。ヘッド本体６は、天板部１１と、天板部１１の
外周下方に設けられた筒状の周壁部１２とからなるもの
である。ヘッド本体６の下端部は開口されて中空になっ
ており、天板部１１は、カルーセル２（図２参照）に連
結された図示略のシャフトに同軸に固定されている。

【００１６】周壁部１２の内壁１３には、全周にわたっ
て段部１４が設けられ、この段部１４上において、ダイ
ヤフラム固定リング１５により、ダイヤフラム７が固定
されている。ダイヤフラム７は、繊維補強ゴムなどの弾
性材料により円盤状に形成されており、ヘッド本体６内
においてヘッド軸線に対し垂直に張られている。

【００１７】また、セラミック等の高剛性材料からなる
キャリア８は、円盤状に一定の厚さで形成されており、
ダイヤフラム７の上面に設けられたキャリア固定リング
１６により、ダイヤフラム７に対して固定されている。

【００１８】ダイヤフラム７とヘッド本体６との間に
は、流体室１７が形成されている。この流体室１７は、
第一の圧力調整機構９に対して流路１８を介して連通さ
れており、第一の圧力調整機構９から、空気をはじめと
する流体が供給されることによって、その内部圧力が調
整される構成となっている。

【００１９】キャリア８の外周と周壁部１２の内壁１３
との間には、環状に形成されたリテーナリング２０が、
キャリア８と同心状に配置されている。このリテーナリ
ング２０は、ダイヤフラム７に対して、リテーナ固定リ
ング２１により固定される。

【００２０】また、キャリア８の下面８ａにおけるリテ
ーナリング２０に囲まれた部分には、は、弾性膜２２が
配設されている。この弾性膜２２は、その周縁部２２ａ
が、キャリア８の側面に対して、ネジ２３により密着固
定された状態とされ、なおかつ、キャリア８の下面８ａ
において一定の張力をもって張設されている。

【００２１】また、キャリア８の下面８ａには、加圧ポ
ケット２４が形成されている。この加圧ポケット２４
は、その下端が弾性膜２２により覆われた構成とされる
とともに、キャリア８の内部に形成された流体供給路２
５に対して連通されている。流体供給路２５は、第二の
圧力調整機構１０に対して接続されており、この第二の
圧力調整機構１０において、圧力可変の空気等の流体
が、流体供給路２５を介して弾性膜２２とキャリア８と
の間に供給されることにより、弾性膜２２が鉛直方向に
膨張・収縮可能となっている。

【００２２】なお、ウェーハ研磨ヘッド１においては、
図示しない真空吸着手段により、図１に示すように、弾
性膜２２の下面にウェーハＷを吸着することができるよ
うになっている。この場合、ウェーハＷは、その外周Ｗ
１がリテーナリング２０によって係止された状態で吸着
される。また、リテーナリング２０は、その下面２０ａ
が、吸着されたウェーハＷの下面Ｗ２よりも、若干下方
（0.05〜1.00mm）に位置するように設けられている。

【００２３】このウェーハ研磨ヘッド１を用いてウェー
ハＷの研磨を行うには、まず、図示しない真空吸着手段
を用いて、弾性膜２２の下面にウェーハＷを吸着させ、
この状態で、ウェーハ研磨ヘッド１の下面を研磨パッド
４に当接させる。この段階においては、リテーナリング
２０の下面２０ａのみが、研磨パッド４に当接すること
となり、ウェーハＷの下面Ｗ２と研磨パッド４との間
は、離間した状態となる。

【００２４】次に、第一の圧力調整機構９を駆動させ
て、流体室１７内に圧縮空気を供給する。これにより、
ダイヤフラム７に対して、その上方から、圧縮空気によ
る圧力が作用し、ダイヤフラム７に固定されたリテーナ
リング２０は、研磨パッド４に対して所定の押圧力をも
って押圧される。また、これと同時に、第二の圧力調整
機構１０を駆動させることにより、弾性膜２２とキャリ
ア８との間にも圧縮空気を送り込む。これにより、図３
に示すように、弾性膜２２とキャリア８との間には、空
気層Ｓが形成される。そして、空気層Ｓ内の圧縮空気の
圧力により、ウェーハＷの下面Ｗ２が、研磨パッド４に
対して押圧されるようになる。

【００２５】さらに、第一および第二の圧力調整機構
９，１０によって、流体室１７および空気層Ｓの内圧を
調整することにより、リテーナリング２０およびウェー
ハＷの研磨パッド４への押圧力を、それぞれ独立に適切
な値に調整しつつ、プラテン３を回転させ、また、ウェ
ーハ研磨ヘッド１を遊星回転させることにより、ウェー
ハＷの研磨を行う。

【００２６】上述のウェーハ研磨ヘッド１においては、
キャリア８の下面８ａにおけるリテーナリング２０に囲
まれた位置に、弾性膜２２が張設されており、キャリア
８には、キャリア８の下面８ａと弾性膜２２との間に流
体を供給するための流体供給路２５が設けられるととも
に、流体供給路２５に、キャリア８の下面８ａと弾性膜
２２との間に供給される流体の圧力を調整するための第
二の圧力調整機構１０が接続されているから、キャリア
８と弾性膜２２との間に空気（流体）を供給して、空気
層Ｓを形成し、空気層Ｓの内圧を、第二の圧力調整機構
１０により調整することによって、弾性膜２２の下面に
保持したウェーハＷを研磨パッド４に押圧することがで
きる。この場合、弾性膜２２および空気層Ｓがウェーハ
Ｗの平面形状に追従して変形するので、空気層Ｓにおい
てウェーハＷの平面形状の不均一を吸収した状態で押圧
を行うことができ、ウェーハＷを精度よく均一に押圧す
ることができる。これにより、ウェーハＷの平面形状の
不均一により研磨精度が低下することを防ぐことができ
る。

【００２７】また、この場合、ウェーハＷを研磨パッド
４に押圧する力は、空気層Ｓ内の流体圧力によって決定
されるのに対し、リテーナリング２０を研磨パッド４に
押圧する力は、流体室内１７の流体圧力によって決定さ
れる。このため、リテーナリング２０の研磨パッド４へ
の押圧圧力を、第一の圧力調整機構９により、また、ウ
ェーハＷの研磨パッド４への押圧圧力を、第二の圧力調
整機構１０により、それぞれ独立に制御することができ
る。

【００２８】したがって、第一の圧力調整機構９により
ウェーハＷの研磨パッド４に対する押圧圧力を低圧力と
したまま、これよりも高圧でリテーナリング２０を研磨
パッド４に押圧することができる。このため、研磨時
に、リテーナリング２０を積極的に利用して、研磨パッ
ド４上においてウェーハＷが当接した部分の周辺部分に
形状のゆがみ等が発生することを防止することができ、
研磨精度のさらなる向上を図ることができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のウェーハ
研磨ヘッドにおいては、キャリアの下面におけるリテー
ナリングに囲まれた位置に、弾性膜が張設されており、
キャリアには、キャリアの下面と弾性膜との間に流体を
供給するための流体供給路が設けられるとともに、流体
供給路に、キャリアの下面と弾性膜との間に供給される
流体の圧力を調整するための第二の圧力調整機構が接続
されているから、キャリアと弾性膜との間に空気（流
体）を供給して、空気層を形成し、空気層の内圧を、第
二の圧力調整機構により調整することによって、弾性膜
の下面に保持したウェーハを研磨パッドに押圧すること
ができる。この場合、弾性膜および空気層がウェーハの
平面形状に追従して変形するので、空気層においてウェ
ーハの平面形状の不均一を吸収した状態で押圧を行うこ
とができ、ウェーハを精度よく均一に押圧することがで
きる。これにより、ウェーハの平面形状の不均一により
研磨精度が低下することを防ぐことができる。また、こ
の場合、ウェーハを研磨パッドに押圧する力は、空気層
内の流体圧力によって決定されるのに対し、リテーナリ
ングを研磨パッドに押圧する力は、流体室内の流体圧力
によって決定される。したがって、リテーナリングの研
磨パッドへの押圧圧力を、第一の圧力調整機構により、
ウェーハの研磨パッドへの押圧圧力を、第二の圧力調整
機構により、それぞれ独立に制御することができる。し
たがって、第一の圧力調整機構によりウェーハの研磨パ
ッドに対する押圧圧力を低圧力としたまま、これよりも
高圧でリテーナリングを研磨パッドに押圧することがで
きる。このため、研磨時に、リテーナリングを積極的に
利用して、研磨パッド上においてウェーハが当接した部
分の周辺部分に形状のゆがみ等が発生することを防止す
ることができ、研磨精度のさらなる向上を図ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施の形態であるウェーハ研磨ヘ
ッドを模式的に示す立断面図である。

【図２】 図１に示したウェーハ研磨ヘッドを用いたウ
ェーハ研磨装置の全体を示す立面図である。

【図３】 図１に示したウェーハ研磨ヘッドを用いてウ
ェーハの研磨を行う場合のウェーハ下面付近の拡大立断
面図である。

【図４】 本発明の従来の技術を示す図であって、フロ
ーティング構造を有するウェーハ研磨ヘッドの一例を示
す立断面図である。

【符号の説明】

１ ウェーハ研磨ヘッド ６ ヘッド本体 ７ ダイヤフラム ８ キャリア ８ａ 下面 ９ 第一の圧力調整機構 １０ 第二の圧力調整機構 １１ 天板部 １２ 周壁部 １３ 内壁 １４ 段部 １７ 流体室 ２０ リテーナリング ２２ 弾性膜 ２５ 流体供給路 Ｗ ウェーハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 力田 直樹 埼玉県大宮市北袋町１丁目297番地 三菱 マテリアル株式会社総合研究所内 Ｆターム(参考） 3C058 AA07 AB04 BA05 BB04 BC01 CA01 CB01 CB03 DA12

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 天板部と該天板部の外周下方に設けられ
   た筒状の周壁部とからなるヘッド本体と、 前記ヘッド本体内にヘッド軸線に対し垂直に張られたダ
   イヤフラムと、 前記ダイヤフラムと前記ヘッド本体との間に形成される
   流体室に満たされた流体圧力を調整する第一の圧力調整
   機構と、 前記ダイヤフラムに固定されてダイヤフラムとともにヘ
   ッド軸線方向に変位可能に設けられ、その下面において
   研磨すべきウェーハの一面を保持するキャリアと、 前記周壁部の内壁と前記キャリアの外周との間に同心状
   に配置されるとともに、前記ダイヤフラムに固定され前
   記ダイヤフラムとともにヘッド軸線方向に変位可能に設
   けられ、研磨時には研磨パッドに当接するリテーナリン
   グとを具備したウェーハ研磨ヘッドにおいて、 前記キャリア下面における前記リテーナリングに囲まれ
   た位置には、弾性膜が張設され、 前記キャリアには、該キャリア下面と前記弾性膜との間
   に流体を供給するための流体供給路が設けられるととも
   に、 該流体供給路には、前記キャリア下面と前記弾性膜との
   間に供給される流体の圧力を調整するための第二の圧力
   調整機構が接続されていることを特徴とするウェーハ研
   磨ヘッド。