(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、
該ヘッド本体内にヘッド軸線に対し垂直に張設されて弾性変形可能なダイヤフラムと、
該ダイヤフラムの下面側に固定されるとともに研磨すべきウェーハを下部に保持可能に設けられ、下部に保持した該ウェーハをダイヤフラムの変形に伴ってヘッド軸線方向に変位させるキャリアと、
該キャリアの外周と前記周壁部の内壁との間に該周壁部と同心状に配置されて前記ダイヤフラムの下面に固定され、該ダイヤフラムの変形に伴って前記ヘッド軸線方向に変位可能に設けられたリテーナリングと、
前記ヘッド本体と前記ダイヤフラムとの間に形成された流体室に満たされる流体の圧力を調整することによりダイヤフラムを前記ヘッド軸線方向に変形させて前記キャリアならびにリテーナリングを下方に押圧する圧力調整機構とを具備するウェーハ研磨ヘッドであって、
前記ヘッド本体に、前記ダイヤフラムの上下両面に沿って張出し、ダイヤフラムの上下方向の変形を規制することによりダイヤフラムを介して前記リテーナリングに作用する押圧力を低減させるフランジ部が設けられていることを特徴とするウェーハ研磨ヘッド。
【請求項２】
前記フランジ部のいずれもが、前記ヘッド本体に前記ダイヤフラム上下面に着脱可能に介装されるスペーサにより構成されることを特徴とする請求項１記載のウェーハ研磨ヘッド。
【請求項３】
請求項１または２記載のウェーハ研磨ヘッドを備えることを特徴とするウェーハ研磨装置。
【請求項４】
請求項３記載のウェーハ研磨装置に具備されるウェーハ研磨ヘッドにより研磨すべきウェーハを保持し、研磨パッドに押圧しながら研磨することで研磨済ウェーハを製造することを特徴とするウェーハの製造方法。
【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いて半導体ウェーハの表面を研磨する研磨装置に用いられるウェーハ研磨ヘッドに関し、特にウェーハ表面における研磨量の均一性を高めるための改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体製造装置の高集積化に伴う転写パターンの微細化が進んでおり、特に多層構造の微細な転写パターンの形成を容易にかつ確実に行うために、製造工程中において半導体ウェーハ（以下、ウェーハ）の表面をより平坦化させることが重要となっている。そこで、平坦化の度合いが高く、凹部への膜の埋め込みが可能であるとの観点から、化学的機械研磨法（以下、ＣＭＰ法）が脚光を浴びている。
【０００３】
ＣＭＰ法とは、アルカリ性または酸性の溶液、砥粒剤等を用いて化学的・機械的にウェーハの表面を研磨し、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号に記載されるものがある。
【０００４】
上記ウェーハ研磨ヘッドを図５に示す。図において、ウェーハ研磨ヘッドは、天板部２１ａとその外周に固定された筒状の周壁部２１ｂとからなるヘッド本体２１と、ヘッド本体２１の内部に張設されたゴム等の弾性材料からなるダイヤフラム２２と、ダイヤフラム２２の下面に固定された円盤状のキャリア２３と、キャリア２３の外周および周壁部２１ｂとの間に僅かな隙間を空けて同心状に配置された円環状のリテーナリング２４と、ヘッド本体２１とダイヤフラム２２との間に形成された流体室Ｒ内の圧力を調整する圧力調整機構２５とを備えている。
【０００５】
ダイヤフラム２２は、周壁部２１ｂとダイヤフラム固定リング２７との間に挟まれ、ダイヤフラム固定リング２７側からネジ２７ａを螺入されることによりヘッド本体２１に固定されている。
【０００６】
キャリア２３は、ダイヤフラム２２の下面側配置され、ダイヤフラム２２の上面側にダイヤフラム２２を挟むようにして配置されたキャリア固定リング２８側からネジ２８ａを螺入されることによりダイヤフラム２２に固定されている。
【０００７】
リテーナリング２４は円環状に形成されて周壁部２１ｂとキャリア２３の外周面との間に形成される円形の溝に填め込まれ、周壁部２１ｂの内壁との間ならびにキャリア２３の外周面との間に僅かな隙間を空けて周壁部２１ｂ、キャリア２３と同心状に配置されている。さらに、リテーナリング２４は、ダイヤフラム２２の上面側にダイヤフラム２２を挟むようにして配置されたリテーナリング固定リング２９側からネジ２９ａを螺入されることによりダイヤフラム２２に固定されている。リテーナリング２４には、ネジ２９ａが螺着される上部が金属により形成され、研磨パッドＰに当接される下部が樹脂により形成された２ピース構造が採用されている。
【０００８】
上記ウェーハ研磨ヘッドを備える研磨装置によりウェーハＷの研磨を行う場合、まず、ウェーハＷはリテーナリング２４の内側に填め込まれるようにしてキャリア２３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、下方に向けて露出されるウェーハＷの表面が、プラテンＢの上面に貼付された研磨パッドＰに当接され、研磨砥粒剤を含むスラリーの供給を受けながら、ウェーハ研磨ヘッドの回転により研磨される。
【０００９】
このとき、キャリア２３ならびにリテーナリング２４は、ダイヤフラム２２の弾性変形によりそれぞれ独立して上下方向に変位するフローティング構造となっており、キャリア２３およびリテーナリング２４の研磨パッドＰへの押圧力は、圧力調整機構２５によって調整された流体室Ｒ内部の圧力に応じて変化するようになっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
リテーナリング２４の下端はキャリア２３よりも下方に突出しており、キャリア２３の下面に付着されたウェーハＷの外周を保持するようになっている。これは、研磨加工中のウェーハＷがキャリア２３から外れるといった不具合を防止することに加え、ウェーハＷをリテーナリング２４で囲み、このリテーナリング２４の下端面をウェーハＷの下面（研磨面）と同じ高さに位置させることでウェーハＷの外周部における研磨量がウェーハＷの中央部よりも大きくなる現象を防止するためである。
【００１１】
しかしながら、研磨パッドＰの材質によっては、図６に示すように、リテーナリング２４に当接した箇所の内側部分に沿って研磨パッドＰが局部的に盛り上がり（以下、これを「波打ち変形」と称する）、この盛り上がり部分ＴによってウェーハＷの外周縁Ｇが過剰に研磨され、ウェーハＷ表面における研磨の均一性が阻害されるといった問題がある。
【００１２】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、研磨パッドに発生する波打ち変形を防止してウェーハ表面における研磨の均一性を向上させることを目的としている。
【００１３】
【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、該ヘッド本体内にヘッド軸線に対し垂直に張設されて弾性変形可能なダイヤフラムと、該ダイヤフラムの下面側に固定されるとともに研磨すべきウェーハを下部に保持可能に設けられ、下部に保持した該ウェーハをダイヤフラムの変形に伴ってヘッド軸線方向に変位させるキャリアと、該キャリアの外周と前記周壁部の内壁との間に該周壁部と同心状に配置されて前記ダイヤフラムの下面に固定され、該ダイヤフラムの変形に伴って前記ヘッド軸線方向に変位可能に設けられたリテーナリングと、前記ヘッド本体と前記ダイヤフラムとの間に形成された流体室に満たされる流体の圧力を調整することによりダイヤフラムを前記ヘッド軸線方向に変形させて前記キャリアならびにリテーナリングを下方に押圧する圧力調整機構とを具備するウェーハ研磨ヘッドであって、前記ヘッド本体に、前記ダイヤフラムの上下両面に沿って張出し、ダイヤフラムの上下方向の変形を規制することによりダイヤフラムを介して前記リテーナリングに作用する押圧力を低減させるフランジ部が設けられていることを特徴とするものである。
【００１４】
このウェーハ研磨ヘッドにおいては、リテーナリングに作用する押圧力を低減させることで、リテーナリングから研磨パッドに作用する押圧力を低減させることが可能となる。そこで、例えば研磨パッドの材質が柔らかく、波打ち変形を起こし易い場合には、ヘッド本体にフランジ部を設けることで波打ち変形を防止し、ウェーハ表面の外周縁の過剰な研磨を防止することができる。
【００１５】
本発明においては、ヘッド本体とダイヤフラムとの間に介装されてフランジ部を着脱可能なスペーサにより構成することが望ましい。これにより、研磨パッドの材質に応じてスペーサを装着し、対象となる研磨パッドに最適な押圧力を作用させることで、ウェーハ研磨量の均一化が図れる。さらに、引き出し幅の異なるスペーサを研磨パッドの材質に対応して用意しておけば、ウェーハ研磨ヘッドの汎用性が高まる。
【００１６】
本発明に係るウェーハ研磨装置においては、上記のように構成されたウェーハ研磨ヘッドにより研磨すべきウェーハを保持することで、研磨パッドの波打ち変形が防止されてウェーハの外周縁の過剰な研磨が防止されるので、ウェーハの加工精度ならびに生産性の向上が図れる。
【００１７】
本発明に係るウェーハの製造方法においては、前記ウェーハ研磨ヘッドにより研磨すべきウェーハを保持し、研磨パッドに押圧しながら研磨することで、研磨パッドの波打ち変形が防止されてウェーハの外周縁の過剰な研磨が防止されるので、加工精度の高いウェーハを製造可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明に係るウェーハ研磨ヘッド、ウェーハ研磨装置ならびにウェーハの製造方法の実施形態を図１ないし図４に示して説明する。
図３に示すように、ウェーハ研磨装置には、ヘッド駆動機構であるカルーセルＣの下部に複数のウェーハ研磨ヘッドＨが設けられており、これらウェーハ研磨ヘッドＨが、プラテンＢに設けられた研磨パッドＰの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Ｈは、天板部１ａと筒状の周壁部１ｂとからなるヘッド本体１と、ヘッド本体１内にヘッド軸線Ｌに対し垂直に張設されたダイヤフラム２と、ダイヤフラム２の下面側に固定されて研磨すべきウェーハＷを下部に保持可能に設けられたキャリア３と、キャリア３の外周と周壁部１ｂの内壁との間に周壁部１ｂと同心状に配置されたリテーナリング４とを備えている。
【００２０】
また、ヘッド本体１とダイヤフラム２との間には流体室Ｒが形成され、流体室Ｒには空気（流体）を加圧供給しさらにその圧力を調整することによりダイヤフラム２をヘッド軸線Ｌ方向に変形させる圧力調整機構５が接続されている。
【００２１】
ヘッド本体１は、円盤状の天板部１ａと天板部１ａの外周下方に固定された筒状の周壁部１ｂとから構成されており、天板部１ａの下面側には円形の開口を有する凹部１ｃが形成されている。天板部１ａは、カルーセルＣに連結されたシャフト６に同軸に固定されており、シャフト６には圧力調整機構５に連通する流路６ａが形成されている。また、周壁部１ｂの下端には、全周にわたって半径方向内方に突出する段部１ｄが形成され、さらにその下方には円環状の張出し部１ｅが形成されている。
【００２２】
ダイヤフラム２は、繊維補強ゴム等の弾性材料を円板状に形成したもので、周壁部１ｂの内壁に形成された段部１ｄ上に配置されるとともに段部１ｄとダイヤフラム固定リング７との間に挟まれ、ダイヤフラム固定リング７側からネジ７ａを螺入されることによりヘッド本体１に固定され、凹部１ｃを塞ぐように張設されている。
【００２３】
キャリア３は、セラミック等の高剛性材料を一定の厚さとなるように円盤状に形成したもので、ダイヤフラム２の下面に接してヘッド本体１と同心状に配置され、ダイヤフラムの上面側にダイヤフラム２を挟むようにして配置されたキャリア固定リング８側からネジ８ａを螺入されることによりダイヤフラム２に固定されている。キャリア３の下部には、研磨すべきウェーハＷを付着保持するウェーハ付着シートＳが貼設けられている。ウェーハ付着シートＳは、不織布等の吸水性を有する材質で形成され、水分を吸収すると表面張力によりウェーハを吸着するようになっている。
【００２４】
リテーナリング４は、図２に示すように、円環状に形成された周壁部１ｂとキャリア３の外周面との間に形成される円形の溝に填め込まれ、周壁部１ｂの内壁との間ならびにキャリア３の外周面との間に僅かな隙間を空けて周壁部１ｂ、キャリア３と同心状に配置されたうえで、ダイヤフラム２の上面側にダイヤフラム２を挟むようにして配置されたリテーナリング固定リング９側からネジ９ａを螺入されることによりダイヤフラム２に固定されている。
【００２５】
リテーナリング４には、ネジ９ａが螺着される上部が金属により形成され、研磨パッドＰに当接される下部が樹脂により形成された２ピース構造が採用されており、リテーナリング固定リング９との間でダイヤフラム２を挟む上端面４ａ、ならびに研磨パッドＰに当接される下端面４ｂは、ウェーハ研磨ヘッドＨに取付られた状態でヘッド軸線Ｌに垂直となるように平坦に形成されている。
【００２６】
周壁部１ｂに形成された段部１ｄと段部１ｄ上に載置されるダイヤフラム２との間には、周壁部１ｂと同心状に配置された円環状のスペーサ１０が介装され、ダイヤフラム２の上面にも下面と同様の張り出し幅を有するスペーサ（図示せず）を装着して、ダイヤフラム２とともにネジ止めされている。スペーサ１０の内周縁は、ダイヤフラム２の下面に沿って段部１ｄよりも周壁部１ｂの半径方向内方に張出してフランジ部１０ａを形成しており、ダイヤフラム２は、スペーサ１０が介装されない場合と比較して変形可能な面積が狭められている。また、ダイヤフラム２の上面にスペーサを装着することによって、上方向に変形可能な面積が狭められている。
【００２７】
リテーナリング４とダイヤフラム２との間にも周壁部１ｂと同心状に配置された円環状のスペーサ１１が介装され、リテーナリング２とともにダイヤフラム２にネジ止めされている。さらに、キャリア３とダイヤフラム２との間には、周壁部１ｂと同心状に配置された円盤状のスペーサ１２が介装され、キャリア３とともにダイヤフラム２にネジ止めされている。
【００２８】
ウェーハの製造に際し、上記のように構成されたウェーハ研磨ヘッドＨを備える研磨装置によってウェーハＷの研磨を行う場合、ウェーハＷはリテーナリング４の内側に填め込まれるようにしてウェーハ付着シートＳに吸着される。そして、下方に向けて露出されるウェーハＷの表面が、プラテンＢの上面に貼付された研磨パッドＰに当接され、研磨砥粒剤を含むスラリーの供給を受けながら、ウェーハ研磨ヘッドＨの回転により研磨される。
【００２９】
このとき、フローティング構造が採用されたキャリア３ならびにリテーナリング４は、ダイヤフラム２の弾性変形によりそれぞれ独立して上下方向に変位して研磨パッドＰに向けて押圧される。ここで、キャリア３、リテーナリング４に作用する押圧力は、流体の圧力により弾性変形されるダイヤフラム２の受圧面積に比例するが、弾性変形可能なダイヤフラム２はヘッド本体１内部に張設された部分であり、キャリア３、リテーナリング４それぞれの受圧面積はダイヤフラム２に対する固定部の面積に準じて振り分けられる。
【００３０】
すなわち、図４（ａ）に示すようにスペーサ１０を装着しない状態では、ヘッド軸線Ｌから段部１ｄまでの距離をＸ、ヘッド軸線Ｌからキャリア３とリテーナリング４の間隙までの距離をＹ、流体室Ｒ内部の圧力をＰとすると、圧力Ｐによりリテーナリング４に作用する下方押圧力に寄与するダイヤフラム２の受圧面は、Ｘ−Ｙの領域幅に含まれる面となる。
【００３１】
次に、図４（ｂ）に示すようにスペーサ１０を装着した状態では、段部１ｄからのフランジ部１０ａの半径方向内方への張出し幅をＫとすると、圧力Ｐによりリテーナリング４に作用する下方押圧力に寄与するダイヤフラム２の受圧面は、（Ｘ−Ｋ）−Ｙの領域幅に含まれる面となる。よって、スペーサ１０を装着することで、リテーナリング４の下方押圧力に寄与する受圧面が張り出し幅Ｋ分だけ減少することがわかる。
【００３２】
なお、通常はリテーナリング４と段部１ｄとの高さをリテーナリング４側が低くなるように調整しており、また、ダイヤフラム２には常に下方押圧力が加わっているため、ダイヤフラム２の下方への変形を規制するのみで受圧面積を減少させる効果が得られるが、ダイヤフラム２の上面にも下面と同様の張り出し幅を有するスペーサを装着し、上下両方向への変形を規制すれば、不測の上方変位が加わった場合でも、リテーナリング４の下方押圧力を低減する効果が安定して得られる。
【００３３】
このように、スペーサ１０を装着すれば、キャリア３の受圧面積はそのままに、リテーナリング４の受圧面積だけを減少させることが可能となり、リテーナリング４から研磨パッドＰに作用する押圧力のみを低減させることができる。これにより、研磨パッドＰの波打ち変形を防止してウェーハＷの外周縁の過剰な研磨を防止することができる。
さらに、張り出し幅Ｋの異なるスペーサ１０を数種類用意しておき、研磨パッドＰの材質その他の条件に応じてこれらを使い分ければ、ウェーハ研磨ヘッドＨの汎用性を高めることができる。
【００３４】
【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ヘッドによれば、ヘッド本体に、ダイヤフラムの上下方向の変形を規制するフランジ部を設けることにより、リテーナリングから研磨パッドに作用する押圧力を低減させることが可能となる。これにより、研磨パッドの波打ち変形を防止してウェーハの外周縁の過剰な研磨を防止することができる。
【００３５】
また、ヘッド本体とダイヤフラムとの間に介装されてフランジ部を構成する着脱可能なスペーサを採用し、研磨パッドの材質に応じて当該スペーサを装着し、対象となる研磨パッドに最適な押圧力を作用させることで、ウェーハ研磨量の均一化が図れる。さらに、張り出し幅の異なるスペーサを研磨パッドの材質に対応して用意しておけば、ウェーハ研磨ヘッドの汎用性が高まる。
【００３６】
本発明に係るウェーハ研磨装置によれば、前記ウェーハ研磨ヘッドにより研磨すべきウェーハを保持することで、研磨パッドの波打ち変形を防止してウェーハの外周縁の過剰な研磨を防止することができ、これによってウェーハの加工精度を高めるとともに生産性の向上を図ることができる。
【００３７】
本発明に係るウェーハの製造方法によれば、前記ウェーハ研磨ヘッドにより研磨すべきウェーハを保持し、研磨パッドに押圧しながら研磨することで、研磨パッドの波打ち変形を防止してウェーハの外周縁の過剰な研磨を防止することができ、これによって加工精度の高いウェーハを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るウェーハ研磨ヘッドの実施形態を示す側断面図である。
【図２】図１におけるリテーナリングの拡大図である。
【図３】図１に示すウェーハ研磨ヘッドを備えるウェーハ研磨装置の側面図である。
【図４】リテーナリングの変位を示す状態説明図であって、（ａ）は従来のウェーハ研磨ヘッドにおけるリテーナリングの変位の状態を示す側断面図、（ｂ）は本実施形態のウェーハ研磨ヘッドにおけるリテーナリングの変位の状態を示す側断面図である。
【図５】従来のウェーハ研磨ヘッドを示す側断面図である。
【図６】従来のウェーハ研磨装置の問題点を示す概略図である。
【符号の説明】
１  ヘッド本体
１ａ  天板部
１ｂ  周壁部
２  ダイヤフラム
３  キャリア
４  リテーナリング
５  圧力調整機構
７  ダイヤフラム固定リング
８  キャリア固定リング
９  リテーナリング固定リング
１０  スペーサ
１０ａ  フランジ部
Ｌ  ヘッド軸線
Ｒ  流体室
Ｓ  ウェーハ付着シート
Ｗ  ウェーハ
【図１】
0003623383.tif 000002
【図２】
0003623383.tif 000003
【図３】
0003623383.tif 000004
【図４】
0003623383.tif 000005
【図５】
0003623383.tif 000006
【図６】
0003623383.tif 000007