(57)【特許請求の範囲】
【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、研磨すべきウェーハの一面を保持するためのキャリアと、
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、
前記リテーナリングと前記周壁部とを離間した位置で、前記リテーナリングと、前記周壁部とに接続され、かつこれら両接続部分が回り対偶をなすリンク手段が少なくとも３箇所設けられ、前記キャリア、前記リテーナリングの軸傾斜及び前記リテーナリングの上下方向の移動、ねじり運動を吸収し、前記リテーナリングと前記周壁部との干渉を防止することを特徴とするウェーハ研磨ヘッド。
【請求項２】
前記リンク手段は、リテーナリングもしくは周壁部のいずれか一方と対偶をなす部分が球面対偶をなし、他方が前記回り対偶に加え接線方向に沿うすべり対偶をもなしていることを特徴とする請求項１に記載のウェーハ研磨ヘッド。
【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、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８に示されるものが記載されている。
【０００４】
図８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５３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、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】
このようなウェーハ研磨ヘッドは、キャリア５５及びリテーナリング５７がダイヤフラム５４に支持されたフローティング構造のため、キャリア５５及びリテーナリング５７の可動範囲によって、研磨パッド６３の傾斜や各要素の軸傾斜などが吸収される構造となっているが、研磨パッド６３の傾斜が大きい場合や各要素の軸傾斜が蓄積されて全体として大きな傾斜となった場合、リテーナリング５７の可動範囲は小さくなり、つまり、周壁部５２とリテーナリング５７とのクリアランスは小さくなり、周壁部５２と干渉する場合がある。このとき、リテーナリング５７の円滑な変位は妨げられ、各要素の傾斜が十分に吸収されず、その結果、ウェーハＷの研磨状態にムラが生じてしまう場合がある。
【０００９】
また、ウェーハ研磨ヘッド５０の各部分の加工仕上がり精度が不十分だったり、組み立て時にズレが生じた場合なども、周壁部５２とリテーナリング５７とのクリアランスが安定して保持されないため同様の干渉による問題が生じる。
【００１０】
一方、周壁部５２とリテーナリング５７とのクリアランスを大きく空けすぎると、リテーナリング５７の可動範囲が大きくなりすぎてしまい、ウェーハＷはリテーナリング５７に安定して係止されなくなる。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、リテーナリングと周壁部との干渉を防ぎ、リテーナリングの円滑な変位が阻害されることなく、安定した研磨を行うことができるウェーハ研磨ヘッドを提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明においては次のような構成を有するウェーハ研磨ヘッドを採用する。すなわち、本発明に係る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、研磨すべきウェーハの一面を保持するためのキャリアと、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、前記リテーナリングと前記周壁部とを離間した位置で、前記リテーナリングと前記周壁部とを離間した位置で、前記リテーナリングと、前記周壁部とに接続され、かつこれら両接続部分が回り対偶をなすリンク手段が少なくとも３箇所設けられ、前記キャリア、前記リテーナリングの軸傾斜及び前記リテーナリングの上下方向の移動、ねじり運動を吸収し、前記リテーナリングと前記周壁部との干渉を防止することを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、リテーナリングとヘッド本体の周壁部とは、リンク手段によって離間した位置で接続されたことにより、各要素の軸傾斜に起因するリテーナリングの可動範囲の縮小があった場合にも、リテーナリングと周壁部との干渉を防ぐことができる。このとき、リテーナリングの円滑な変位は妨げられないので、ウェーハは安定して係止される。
【００１４】
また、前記リンク手段は、その両接続部分であるリテーナリング及び周壁部の少なくとも接線を中心とする回り対偶をなしたリンク機構を形成していることにより、リテーナリング及び周壁部は相互可動自在に支持されている。そのため、リテーナリングは周壁部と干渉することなくフローティング構造の効果を得ることができ、各要素の軸傾斜を吸収してウェーハの研磨を安定して行うことができる。
【００１５】
前記リンク手段は、リテーナリングもしくは周壁部のいずれか一方と対偶をなす部分が球面対偶をなしていることにより、該対偶部分を中心としてあらゆる方向に回転自在となる。そのため、リンク手段はリテーナリングの上下方向の移動だけでなく、ねじり運動も吸収することが可能となり、ウェーハ研磨を安定して行うことができる。
【００１６】
また、前記リンク手段のうち、他方の対偶部分が、接線を中心とする回り対偶に加え、接線方向に沿うすべり対偶をもなしていることにより、リテーナリングの上下方向の移動が吸収されるとともに、対偶をなす部分どうしは接線方向に対してスライド可能になっているため、周壁部とリテーナリングとのクリアランスは安定して保持されるととともに、すべり対偶による自由度の高い相対運動が実現される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態によるウェーハ研磨ヘッドを図面を参照して説明する。図１は本発明のウェーハ研磨ヘッドの一実施形態を示す断面図であり、図２は図１のリンク手段近傍の拡大断面図である。
【００１８】
なお、図１に示すウェーハ研磨ヘッド１は、図７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３０下部に複数設けられており、プラテン２４上に設けられた研磨パッド２３上で遊星回転されるようになっている。
【００１９】
図１において、ウェーハ研磨ヘッド１は、天板部３及び筒状に形成された周壁部４からなるヘッド本体２と、ヘッド本体２の内部に張られたダイヤフラム５と、ダイヤフラム５の下面に固定された円盤状のキャリア６と、周壁部４の内壁とキャリア６の外周面に同心状に設けられた円環状のリテーナリング７と、周壁部４とリテーナリング７とを連結するリンク手段８とを備えている。
【００２０】
ヘッド本体２は、円板状の天板部３と天板部３の外周下方に固定された筒状の周壁部４とから構成され、ヘッド本体２の下端部は開口されて中空になっている。天板部３は、カルーセル３０に連結されたシャフト９に同軸に固定されており、シャフト９には、圧力調整機構２０に連通された流路１５が鉛直方向に形成されている。また、周壁部４の下端部には、全周にわたって段部４ａ及び半径方向内方に突出された円環状の係止部１０が形成されており、さらにその下方にはリンク手段８が係合される部分であるリンク手段第１係合部１６が形成されている。
【００２１】
繊維補強ゴムなどの弾性材料からなるダイヤフラム５は円板状に形成されており、ダイヤフラム固定リング１１によって周壁部４の内壁に形成された段部４ａ上に固定されている。
【００２２】
ダイヤフラム５上方には流体室１４が形成されており、シャフト９に形成された流路１５によって連通されている。そして、流体室１４内部に、圧力調整機構２０から流路１５を通して、空気をはじめとする流体が供給されることによって、流体室１４内部の圧力は調整される。
【００２３】
セラミック等の高剛性材料からなるキャリア６は、円盤状に一定の厚さで形成されており、ダイヤフラム５の上面に設けられたキャリア固定リング１２によって固定されている。
【００２４】
リテーナリング７は、周壁部４の内壁とキャリア６の外周面との間に円環状に形成されており、周壁部４の内壁との間及びキャリア６の外周面との間に僅かな隙間を空けて、周壁部４及びキャリア６と同心状に配置されている。また、リテーナリング７は、ダイヤフラム５の上面に設けられたリテーナリング固定リング１３によって固定されている。リテーナリング７の上端面及び下端面は水平かつ平坦に形成されており、周壁部４と対面する部分には、リンク手段８が係合される部分であるリンク手段第２係合部１７が形成されている。
【００２５】
周壁部４下端に形成された第１係合部１６と、リテーナリング７に形成された第２係合部１７との間にはリンク手段８が設けられている。このリンク手段８は、リテーナリング７を安定して支持するために、少なくともリテーナリング７の周囲３箇所以上の複数箇所設けられるようになっている。
【００２６】
このリンク手段８は、図２、図３に示すように、ほぼ一定の厚さで、平面ほぼ三角形状に形成されており、リンク手段８先端の、第１係合部１６と係合される部分である第１端部８ａは球面状に形成されている。一方、第２係合部１７と対偶をなす第２端部８ｂは、長手方向に沿ってコロ状に形成されている。
【００２７】
周壁部４側の第１係合部１６には、リンク手段８の形状に沿うように、同一厚さで平面ほぼ三角形状に、図２、３中周壁部４の右方から中空になるように形成された支持部１６ａが設けられており、リンク手段８は、支持部１６ａに僅かな隙間を空けて係合される。また、支持部１６ａの、第１端部８ａが係合される部分である接面部１６ｂは内壁が球面状になるように形成され、該球面状の接面部１６ｂとリンク手段８の第１端部８ａとは球面接触されて、回り対偶をなすように形成されている。そしてリンク手段８は、第１端部８ａを中心に全ての方向に回転自在に支持されている。
【００２８】
第２係合部１７は、第２端部８ｂのコロ形状に沿うように、断面半円筒状に形成されており、第２端部８ｂと第２係合部１７とは線接触されるようになっている。また、第２係合部１７の半円筒状に形成される部分は、第２端部８ｂのコロ状部分の長手方向の長さより長く形成されている。そして、リテーナリング７は、第２係合部１７を中心に回転可能であると同時に、第２端部８ｂは第２係合部１７内部を長手方向にスライド可能となっており、第２端部８ｂと第２係合部１７とは回り対偶をなしていると同時に、第２端部８ｂのコロ状部分の長手方向に沿ってすべり対偶をなしている。
【００２９】
そして、本実施形態の場合、リンク手段８は、図４に示すように、円環状に形成されたリテーナリング７の周囲６箇所に設けられている。
【００３０】
このような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、まず、ウェーハ２２は、キャリア６の下面に設けられたウェーハ付着シート２１に付着される。そして、ウェーハ２２はリテーナリング７によって係止されつつ、その表面をプラテン２４上面に設けられた研磨パッド２３に当接される。このとき、リテーナリング７の下端面も研磨パッド２３に当接される。
【００３１】
次に、流路１５から流体室１４に空気などの流体を流入させることによって、流体室１４内の圧力を調節し、キャリア６及びリテーナリング７の研磨パッド２３への押圧圧力を調節する。キャリア６及びリテーナリング７はダイヤフラム５に支持された、それぞれ独立して上下方向に変位可能なフローティング構造となっており、流体室１４内部の圧力によって研磨パッド２３への押圧圧力が調節可能となっている。
【００３２】
そして、キャリア６及びリテーナリング７の押圧圧力を調節しつつ、プラテン２４を回転させるとともに、ウェーハ研磨ヘッド１を遊星回転させるようになっている。
【００３３】
このとき、研磨パッド２３をはじめとする各要素の軸傾斜が大きすぎると、リテーナリング７の可動範囲は小さくなり、つまり、リテーナリング７と周壁部４とのクリアランスは小さくなり、リテーナリング７は周壁部４と干渉する場合がある。この場合、リテーナリング７の円滑な変位は妨げられてしまい、キャリア６及びリテーナリング７の、フローティングによる軸傾斜を吸収する効果を十分に得ることができなくなり、その結果、ウェーハを均一に研磨することができなくなる。
【００３４】
しかし、リテーナリング７とヘッド本体２の周壁部４とを、リンク手段８によって離間した位置で接続させたことにより、各要素の軸傾斜に起因するリテーナリング７の可動範囲の縮小があった場合にも、リテーナリング７と周壁部４との干渉を防ぐことができる。また、リンク手段８とリテーナリング７と周壁部４とはリンク機構を形成して、相互可動自在になっているため、フローティング構造の効果を得ることができ、各要素の軸傾斜を吸収してウェーハの研磨を安定して行うことができる。
【００３５】
リンク手段８の第１端部８ａが球面状に形成され、周壁部４の第１係合部１６と球面対偶をなしていることにより、リンク手段８は第１端部８ａを中心としてあらゆる方向に回転自在となる。そのため、リンク手段８はリテーナリング７の上下方向の移動だけでなく、ねじり運動も吸収することが可能となり、ウェーハ２２の研磨を安定して行うことができる。
【００３６】
また、リンク手段８の第２端部８ｂがコロ状に形成され、リテーナリング７の第２係合部１７と対偶をなす部分が、第２端部８ｂのコロ状部分の接線を中心とする回り対偶をなすとともに接線方向に沿うすべり対偶をなしていることにより、リテーナリング７の上下方向の移動を吸収するとともに、対偶をなす部分どうしは接線方向に対してスライド可能になっているため、周壁部４とリテーナリング７とのクリアランスは安定して保持されるととともに、すべり対偶による自由度の高い相対運動が実現される。
【００３７】
なお、リンク手段は、図５に示すように、リンク手段４０の周壁部４と対偶をなす部分である第１端部４０ａがコロ状に形成され、リテーナリング７と対偶をなす部分である第２端部４０ｂが球形状に形成されても所望の効果を得ることができる。さらに、図６に示すように、リンク手段４１の第１、第２端部４１ａ、４１ｂを球面状に形成することも可能である。
【００３８】
【発明の効果】
本発明のウェーハ研磨ヘッドは、以下のような効果を有するものである。
（１）リテーナリングとヘッド本体の周壁部とは、リンク手段によって離間した位置で接続されたことにより、各要素の軸傾斜に起因するリテーナリングの可動範囲の縮小があった場合にも、リテーナリングと周壁部との干渉を防ぐことができる。このとき、リテーナリングの円滑な変位は妨げられないので、ウェーハは安定して係止される。
（２）前記リンク手段は、その両接続部分であるリテーナリング及び周壁部の少なくとも接線を中心とする回り対偶をなしたリンク機構を形成していることにより、リテーナリング及び周壁部は相互可動自在に支持されている。そのため、リテーナリングは周壁部と干渉することなくフローティング構造の効果を得ることができ、各要素の軸傾斜を吸収してウェーハの研磨を安定して行うことができる。
（３）前記リンク手段は、リテーナリングもしくは周壁部のいずれか一方と対偶をなす部分が球面対偶をなしていることにより、該対偶部分を中心としてあらゆる方向に回転自在となる。そのため、リンク手段はリテーナリングの上下方向の移動だけでなく、ねじり運動も吸収することが可能となり、ウェーハ研磨を安定して行うことができる。
（４）前記リンク手段のうち、他方の対偶部分が、接線を中心とする回り対偶に加え、接線方向に沿うすべり対偶をもなしていることにより、リテーナリングの上下方向の移動が吸収されるとともに、対偶をなす部分どうしは接線方向に対してスライド可能になっているため、周壁部とリテーナリングとのクリアランスは安定して保持されるととともに、すべり対偶による自由度の高い相対運動が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のウェーハ研磨ヘッドの実施形態の一例を示す縦断面図である。
【図２】図１のリンク手段近傍の拡大断面図である。
【図３】図２の上方から見た平面図である。
【図４】本発明のウェーハ研磨ヘッドの実施形態の一例を示す上方から見た平面図である。
【図５】本発明のウェーハ研磨ヘッドの実施形態の一例を示すリンク手段近傍の上方から見た平面図である。
【図６】本発明のウェーハ研磨ヘッドの実施形態の一例を示すリンク手段近傍の上方から見た平面図である。
【図７】本発明のウェーハ研磨ヘッドを用いたウェーハ研磨装置の全体図である。
【図８】従来のウェーハ研磨ヘッドを示す縦断面図である。
【符号の説明】
１    ウェーハ研磨ヘッド
２    ヘッド本体
３    天板部
４    周壁部
４ａ  周壁部段部
５    ダイヤフラム
６    キャリア
７    リテーナリング
８    リンク手段
８ａ  リンク手段第１端部
８ｂ  リンク手段第２端部
９    シャフト
１０  係止部
１１  ダイヤフラム固定リング
１２  キャリア固定リング
１３  リテーナリング固定リング
１４  流体室
１５  流路
１６  リンク手段第１係合部
１７  リンク手段第２係合部
２０  圧力調整機構
２１  ウェーハ付着シート
２２  ウェーハ
２３  研磨パッド
２４  プラテン
３０  カルーセル
【図１】
0003614666.tif 000002
【図２】
0003614666.tif 000003
【図３】
0003614666.tif 000004
【図４】
0003614666.tif 000005
【図５】
0003614666.tif 000006
【図６】
0003614666.tif 000007
【図７】
0003614666.tif 000008
【図８】
0003614666.tif 000009