(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たダイヤフラムと、
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当接し、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る圧力調整機構により、前記キャリアをフローティングさせるウェーハ研磨ヘッドであって、
前記リテーナリングは、前記ヘッド本体、ダイヤフラム、キャリアのいずれからも独立しかつダイヤフラムに対して離間可能に保持され、前記ダイヤフラムの前記流体室に加圧供給される流体の圧力よる弾性変形により独立して上下方向に変位可能なフローティング構造とされ、かつ該ダイヤフラムの変形により研磨パッドに押圧される構成とさ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】
請求項１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３】
請求項２記載のウェーハ研磨装置に具備される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号公報に記載されるものがある。
【０００４】
上記公報に記載された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１１ａと天板部１１ａの外周に固定された筒状の周壁部１１ｂとからなるヘッド本体１１と、ヘッド本体１１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１２と、ダイヤフラム１２の下面に固定された円盤状のキャリア１３と、キャリア１３の外周および周壁部１１ｂ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１４と、ヘッド本体１１とダイヤフラム１２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１５とを備えている。
【０００５】
ダイヤフラム１２は、周壁部１１ｂとダイヤフラム固定リング１７との間に挟まれ、ダイヤフラム固定リング１７側からネジ１７ａを螺入されることによりヘッド本体１１に固定されている。
【０００６】
キャリア１３は、ダイヤフラム１２の下面側配置され、ダイヤフラム１２の上面側にダイヤフラム１２を挟むようにして配置されたキャリア固定リング１８側からネジ１８ａを螺入されることによりダイヤフラム１２に固定されている。
【０００７】
リテーナリング１４は円環状に形成されて周壁部１１ｂとキャリア１３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１１ｂの内壁との間ならびにキャリア１３の外周面との間に僅かな隙間を空けて周壁部１１ｂ、キャリア１３と同心状に配置されている。さらに、リテーナリング１４は、ダイヤフラム１２の上面側にダイヤフラム１２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１９側からネジ１９ａを螺入されることによりダイヤフラム１２に固定されている。
なお、リテーナリング１４に関しては、図示されてはいないがネジ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場合がある。
【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１４の内側に填め込まれるようにしてキャリア１３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１３ならびにリテーナリング１４は、ダイヤフラム１２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１３およびリテーナリング１４の研磨パッドＰへの押圧力は、圧力調整機構１５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】
ところで、研磨パッドＰに当接されるリテーナリング１４の下端面は、リテーナリング１４そのものの製造段階において研磨されて平坦に形成されるが、ウェーハ研磨ヘッドの組立段階においてリテーナリング固定リング１９とともにダイヤフラム１２にネジ止めされることによってリテーナリング１４内に歪みが生じ、下端面にも僅かながら歪みが生じるため、リテーナリング１４の下面はウェーハ研磨ヘッドへの組み付け後に再度研磨されているのが現状である。つまり、リテーナリング１４に対して同様の研磨作業が２度にわたって施されており、リテーナリング１４の製造段階での１度目の研磨作業が無駄になっているともいえるのである。
【００１１】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、ウェーハ研磨ヘッドの製造に際し、リテーナリングの研磨作業を効率よく行い作業工数を減らして工期の短縮ならびに製造コストの削減を可能に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、該ヘッド本体内にヘッド軸線に対し垂直に張設されたダイヤフラムと、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当接し、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る圧力調整機構により、前記キャリアをフローティングさせるウェーハ研磨ヘッドであって、前記リテーナリングは、前記ヘッド本体、ダイヤフラム、キャリアのいずれからも独立しかつダイヤフラムに対して離間可能に保持され、前記ダイヤフラムの前記流体室に加圧供給される流体の圧力よる弾性変形により独立して上下方向に変位可能なフローティング構造とされ、かつ該ダイヤフラムの変形により研磨パッドに押圧される構成とされていることを特徴とするものである。
【００１３】
このウェーハ研磨ヘッドにおいて、リテーナリングはヘッド本体、ダイヤフラム、キャリアのいずれにも固定されず、リテーナリングの組み付けに際して従来のようにネジ止め等の固定がなされないので、リテーナリングに歪み等が生じなくなる。これにより、リテーナリング組み付け後の研磨作業を省略することが可能となる。
【００１４】
また、リテーナリングを上記のように構成したことで、当該ウェーハ研磨ヘッドによるウェーハの研磨加工に際して次のような効果が期待できる。
まず、リテーナリングはダイヤフラムの変形により研磨パッドに押圧されるが、リテーナリングがダイヤフラムから独立していることで、ヘッド軸線方向以外の力、例えばヘッド本体の半径方向に作用する力がキャンセルされ、ヘッド軸線方向下向きに作用する力のみがリテーナリングに伝達されるようになる。これにより、リテーナリングは研磨パッドに対し鉛直下方に押圧されるので、リテーナリング単独での研磨パッドへの追従性が向上する。これにより、リテーナリングと研磨パッドとの摩擦が軽減されてウェーハ研磨ヘッドの駆動トルクの上昇が防止される。
【００１５】
また、研磨加工が最終段階に近くなると、ウェーハ表面の平坦化が進み研磨パッドに対しより密接に摺接するようになり、ウェーハ研磨ヘッドの駆動トルクが増す。このとき、ダイヤフラムにはヘッド軸線を中心にして面方向に捻れが生じるため、従来のようにリテーナリングがダイヤフラムに固定されていればこの捻れが伝達されてリテーナリングに余計な変形を生じる可能性がある。しかしながら、リテーナリングがダイヤフラムから独立していることで、ダイヤフラムからの捻れの伝達が回避される。これにより、ウェーハ研磨の最終段階においてもリテーナリングに変形を生じることがなく、安定した研磨加工が可能になる。
【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、ウェーハ研磨ヘッドの駆動トルクの上昇が防止されるとともにウェーハ研磨の最終段階におけるリテーナリングの変形が防止されるので、安定した研磨加工が可能となり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、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し、研磨パッドに押圧しながら研磨することで、安定した研磨加工が可能となり、加工精度の高いウェーハが製造可能となる。
【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、ヘッド本体１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で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、硬質プラスチック等の合成樹脂を円環状に形成したもので、図２に示すように、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ている。リテーナリング４の上端面および下端面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に垂直となる平面に形成されている。
【００２５】
ところで、リテーナリング４はヘッド本体１、ダイヤフラム２、キャリア３のいずれにも固定されてはおらず、そのため周壁部１ｂの内壁とキャリア３の外周面との間でヘッド軸線Ｌ方向に上下動可能かつ周方向に回動可能に支持され、動きの自由度が高められている。但し、リテーナリング４の外周面には半径方向外方に張り出したフランジ部４ａが形成されており、リテーナリング４がダイヤフラム２の下面から離間し下方に変位した場合、フランジ部４ａが張出し部１ｅに係止されることで下方への変位が規制される。したがって、リテーナリング４はヘッド軸線Ｌ方向について所定の可動範囲をもって変位可能となっている。
【００２６】
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４の内側に填め込まれるようにしてキャリア３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Ｈの回転により研磨される。
【００２７】
このとき、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するフローティング構造となっており、キャリア３およびリテーナリング４の研磨パッドＰへの押圧力は、圧力調整機構５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。
【００２８】
ところで、リテーナリング４はヘッド本体１、ダイヤフラム２、キャリア３のいずれにも固定されず、リテーナリング４の組み付けに際して従来のようにネジ止め等の固定がなされないので、リテーナリング４に歪み等が生じなくなる。これにより、リテーナリング４の組み付け後の研磨作業を省略することができる。
【００２９】
また、リテーナリング４を上記のように構成したことで、当該ウェーハ研磨ヘッドＨによるウェーハＷの研磨加工に際して次のような効果が期待できる。
まず、リテーナリング４はダイヤフラム２の変形により研磨パッドＰに押圧されるが、図４（ａ）に示すように、従来はリテーナリング１４がダイヤフラム１２に固定されていたため、ダイヤフラム１２の変形の仕方によってはヘッド本体１の半径方向外方に力が作用してリテーナリング１４が傾くように変位する可能性があった。
【００３０】
しかしながら、当該ウェーハ研磨ヘッドＨでは、リテーナリング４がダイヤフラム２から独立していることで、図４（ｂ）に示すようにヘッド軸線Ｌ方向以外の力、例えばヘッド本体１の半径方向に作用する力がキャンセルされ、ヘッド軸線Ｌ方向下向きに作用する力のみがリテーナリング４に伝達されるようになる。これにより、リテーナリング４は研磨パッドＰに対し鉛直下方に押圧されるので、リテーナリング４単独での研磨パッドＰへの追従性が向上する。
【００３１】
また、研磨加工が最終段階に近くなると、ウェーハＷ表面の平坦化が進み研磨パッドに対しより密接に摺接するようになり、ウェーハ研磨ヘッドＨの駆動トルクが増す。このとき、ダイヤフラム２にはヘッド軸線Ｌを中心にして面方向に捻れが生じるため、従来のようにリテーナリング４がダイヤフラム２に固定されていればこの捻れが伝達されてリテーナリング４に余計な変形を生じる可能性がある。しかしながら、リテーナリング４がダイヤフラム２から独立していることで、ダイヤフラム２からの捻れの伝達が回避される。これにより、研磨加工の最終段階においてもリテーナリング４に変形を生じることがなく、最後まで安定した研磨加工が可能になる。
【００３２】
また、従来は図４（ａ）のようにリテーナリング１４のダイヤフラム１２への固定手段としてネジ止めが採用されていることから、ネジが螺着される部分を金属により形成する場合があったが、リテーナリング４をヘッド本体１、ダイヤフラム２、キャリア３のいずれにも固定しないように構成したことで、リテーナリング４を樹脂の一体成形品とすることが可能となる。これにより、リテーナリング４の加工が容易になり、製造コストの削減が図れる。
【００３３】
【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、リテーナリングがヘッド本体、ダイヤフラム、キャリアのいずれにも固定されず、ダイヤフラムに対して離間可能に保持されることにより、リテーナリングの組み付けに際して従来のようにネジ止め等の固定が不要になるので、リテーナリングに歪み等が生じなくなる。これにより、リテーナリング組み付け後の研磨作業を省略することが可能となり、ウェーハ研磨ヘッドの製造に際し工期の短縮ならびに製造コストの削減を図ることができる。
【００３４】
また、リテーナリングがダイヤフラムから独立していることで、ヘッド軸線方向以外の力、例えばヘッド本体の半径方向に作用する力がキャンセルされ、ヘッド軸線方向下向きに作用する力のみがリテーナリングに伝達されるようになる。これにより、リテーナリングは研磨パッドに対し鉛直下方に押圧されるので、リテーナリング単独での研磨パッドへの追従性が向上する。これにより、リテーナリングと研磨パッドとの摩擦を軽減してウェーハ研磨ヘッドの駆動トルクの大幅な上昇を防止することができ、安定した研磨加工を実施することができる。
【００３５】
ウェーハの研磨加工が最終段階に近くなると、ウェーハ表面の平坦化が進み研磨パッドに対しより密接に摺接するようになり、ウェーハ研磨ヘッドの駆動トルクが増す。このとき、リテーナリングがダイヤフラムから独立していることで、ダイヤフラムからの捻れの伝達が回避される。これにより、ウェーハ研磨の最終段階においてもリテーナリングに変形を生じることがなく、安定した研磨加工を実施することができる。
【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、リテーナリングと研磨パッドとの摩擦を軽減してウェーハ研磨ヘッドの駆動トルクの大幅な上昇を防止するとともにウェーハ研磨の最終段階におけるリテーナリングの変形を防止することができるので、安定した研磨加工を実施することができ、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、安定した研磨加工を実施することができ、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、ウェーハ研磨装置ならびにウェーハ研磨方法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一例を示す側断面図、（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一例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。
【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
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】
0003592568.tif 000002
【図２】
0003592568.tif 000003
【図３】
0003592568.tif 000004
【図４】
0003592568.tif 000005
【図５】
0003592568.tif 000006