(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に研磨パッドが貼付されたプラテンと、研磨すべきウェーハの一面を保持して前記研磨パッドにウェーハの他面を当接させる１または２以上のウェーハ保持ヘッドとを具備し、これらウェーハ保持ヘッドと前記プラテンとの相対運動により前記研磨パッドでウェーハ他面を研磨するウェーハ研磨装置であって、
前記ウェーハ保持ヘッドは、研磨すべきウェーハの前記一面を保持するための円盤状のキャリアと、
該キャリアの外周に同心状に配置されかつヘッド軸線方向に変位可能なリテーナリングと、
円筒状に形成され前記リテーナリングを同心状かつ内部に配し内周面で該リテーナリングを支持するヘッド本体とを備えるとともに、
該ヘッド本体に、研磨中のウェーハが前記キャリアから滑り出したことを検知する検知手段が設けられ、
前記検知手段は、前記リテーナリングに作用する半径外方向の圧力を検出する圧力センサと、
該圧力センサからの出力信号によりウェーハが前記キャリアから滑り出したか否かを判断する滑り判断手段とを備えた構成であることを特徴とするウェーハ研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集積回路を形成する半導体ウェーハ等の表面を研磨するためのウェーハ研磨装置に係わり、特に、ウェーハ保持ヘッドがフローティングヘッド構造とされたウェーハ研磨装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のウェーハ研磨装置としては、表面に研磨パッドが貼付された円盤状のプラテンと、研磨すべきウェーハの一面を保持して研磨パッドにウェーハの他面を当接させる複数のウェーハ保持ヘッドとを具備し、これらウェーハ保持ヘッドと前記プラテンとを相対運動させつつ研磨パッドとウェーハの間に研磨砥粒を含むスラリーを供給することにより研磨を行うものが広く知られている。
【０００３】
その一例として、研磨パッドに対するウェーハの当接圧力を均一化することができるといった利点を有するフローティングヘッド構造を採用したウェーハ保持ヘッドが開示されている（米国特許５，２０５，０８２号）。
【０００４】
このウェーハ保持ヘッドは、図８に示すように、中空のヘッド本体１と、ヘッド本体１内に水平に張られたダイアフラム２と、ダイアフラム２の下面に固定されたキャリア３とを備え、ダイアフラム２によって画成された空気室４に、シャフト５を通じて加圧空気源６から加圧空気を供給することにより、キャリア３を下方へ押圧する構成とされている。
【０００５】
また、キャリア３の外周には、下端がキャリア３よりも下方に突出するようにリテーナリング７が配置され、キャリア３の下面に付着したウェーハの外周を保持するとともに研磨中のウェーハがキャリア３から外れるといった不具合を防止するようなっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年のウェーハ大径化に伴う研磨面積の増大により、ウェーハ研磨時におけるウェーハと研磨パッドとの間の摩擦抵抗が増大しており、このため、ウェーハをキャリア３の下面に設けた吸水性のウェーハ付着シートによって表面張力で保持するようにした水貼り法では、研磨中のウェーハがリテーナリング７と研磨パッドとの間に入り込むようにウェーハ保持ヘッドから外れ、滑り出たウェーハが他のウェーハ保持ヘッドに衝突して割れや欠けが生じたり、その破片により研磨パッド，キャリア３およびリテーナリング７が損傷することがあるといった不都合が生じている。
【０００７】
また、キャリア３の下面に吸着孔を形成し、該吸着孔に接続される吸引手段等によりウェーハを真空吸着して保持性を高める真空吸着法もあるが、この場合には、吸着孔付近で局所的な圧力差が生じて研磨量が不均一になり、平滑な仕上げ面を得ることができないという問題が生じ得る。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、ウェーハがキャリアから滑り出したことを検知可能とすることにより、ウェーハやウェーハ研磨装置の損傷を未然に防止し得るウェーハ研磨装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【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に以下の構成を採用した。
請求項１記載のウェーハ研磨装置は、表面に研磨パッドが貼付されたプラテンと、研磨すべきウェーハの一面を保持して前記研磨パッドにウェーハの他面を当接させる１または２以上のウェーハ保持ヘッドとを具備し、これらウェーハ保持ヘッドと前記プラテンとの相対運動により前記研磨パッドでウェーハ他面を研磨するウェーハ研磨装置であって、
前記ウェーハ保持ヘッドは、研磨すべきウェーハの前記一面を保持するための円盤状のキャリアと、該キャリアの外周に同心状に配置されかつヘッド軸線方向に変位可能なリテーナリングと、円筒状に形成され前記リテーナリングを同心状かつ内部に配し内周面で該リテーナリングを支持するヘッド本体とを備えるとともに、該ヘッド本体に、研磨中のウェーハが前記キャリアから滑り出したことを検知する検知手段が設けられ、前記検知手段は、前記リテーナリングに作用する半径外方向の圧力を検出する圧力センサと、該圧力センサからの出力信号によりウェーハが前記キャリアから滑り出したか否かを判断する滑り判断手段とを備えた構成であることを特徴とするものである。
【００１０】
このウェーハ研磨装置 では、研磨中のウェーハがキャリアから滑り出すと、ウェーハがリテーナリングと研磨パッドとの間に入り込んでウェーハがリテーナリングの内面を押圧しなくなるので、リテーナリングに作用する半径外方向の圧力の減少を圧力センサによって検出することができる。
【００１１】
したがって、圧力センサからの出力信号を受けた滑り判断手段は、検出された圧力の減少量と、あらかじめ設定した基準値とを比較する等してウェーハが滑り出したか否かの状態を判断することができる。
【００１２】
また、このウェーハ研磨装置では、検知手段により研磨中のウェーハがキャリアから滑り出したことを検知することができるので、例えば、検知手段からの出力信号により警報を発することができる警報装置を設け、該装置から警報が発せられた場合に手動でウェーハ研磨装置 を停止するようにしたり、ウェーハ研摩装置を前記出力信号に応じて制御することができるように構成して自動的に緊急停止させる等の対策を講じることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るウェーハ研磨装置の第一の実施形態を図１から図４を参照しながら説明する。
【００１８】
始めに、図３および図４を参照して全体の構成を簡単に説明する。
これらの図中、符号１１は基台であり、この基台１１の中央には円盤状のプラテン１２が水平に設置されている。
このプラテン１２は基台１１内に設けられたプラテン駆動機構（図示略）により軸線回りに回転されるようになっており、その上面には全面に亙って研磨パッド１３が貼付されている。
【００１９】
プラテン１２の上方には、複数の支柱１４を介して上側取付板１５が水平に設置されている。
この上側取付板１５の下面には円盤状のカルーセル１６が設置されている。
このカルーセル１６は、上側取付板１５上に設けられたカルーセル駆動機構（図示略）により軸線回りに回転されるようになっており、その下面にはプラテン１２と対向する計６基のウェーハ保持ヘッド１７が設けられている。
【００２０】
これらウェーハ保持ヘッド１７は、図４に示すように、カルーセル１６の中心から同一距離においてカルーセル１６の中心軸回りに６０゜毎に配置されており、それぞれ、ヘッド駆動機構（図示略）により周方向に回転させられるとともに、カルーセル駆動機構により遊星回転させられるようになっている。
なお、ウェーハ保持ヘッド１７の個数は６基に限定されず、１〜５基または７基以上でもよい。
【００２１】
次に、図１を参照して、本実施形態に係るウェーハ保持ヘッド１７について説明する。
ウェーハ保持ヘッド１７は、軸線が垂直に配置されるとともに下端が開口する中空のヘッド本体１８と、このヘッド本体１８の内部に張られた第１のダイアフラム１９Ａおよび第２のダイアフラム１９Ｂと、この第１のダイアフラム１９Ａの下面に固定された円盤状のキャリア２０と、該キャリア２０の外周に同心に配置されたリテーナリング２１とを具備するものである。
【００２２】
前記ヘッド本体１８は、円板状の天板部１８ａと、この天板部１８ａの外周に固定される円筒状の周壁部１８ｂとから構成され、天板部１８ａはカルーセル１６のシャフト２２に同軸に固定されている。
この周壁部１８ｂの内周面には、全周に亙って半径内方向に突出する円環状段部の取付部２３が形成されている。
【００２３】
前記キャリア２０は、セラミック等の高い剛性を有する材料で成形された一定厚さのものであり、弾性変形はしない。
前記リテーナリング２１は、下端面が平坦な円環状をなし、キャリア２０の外周面との間に僅かなクリアランスをもって同心状に配置され、キャリア２０とは独立して上下変位可能とされている。
【００２４】
また、リテーナリング２１の上端外周縁には、半径外方向に突出する保持部２１Ａが形成されており、ウェーハ保持ヘッド１７をカルーセル１６と共にプラテン２２から引き上げた場合に、この保持部２１Ａが周壁部１８ｂの下端の円環状のストッパ部２４により保持されるようになっている。
【００２５】
該ストッパ部２４は、周壁部１８ｂの下端周縁から半径内方向に突出し、リテーナリング２１の外周に当接状態若しくは僅かなクリアランスをもってリテーナリング２１を取り囲んで形成されている。
【００２６】
前記キャリア２０の上面には、第１のダイアフラム１９Ａの内縁部が軸線を同じくして配されるとともに、リテーナリング２１の上面には、第１のダイアフラム１９Ａの外縁部が配されている。
【００２７】
第１のダイアフラム１９Ａの内縁部の上面には、軸線を同じくして第１の固定リング２５が配され、該第１の固定リング２５は、第１の固定リング２５および第１のダイアフラム１９Ａを貫通する複数のボルト２６によって第１のダイアフラム１９Ａを挟持した状態でキャリア２０に固定されている。
【００２８】
また、第１のダイアフラム１９Ａの外縁部の上面には、軸線を同じくして連結用リング２７が配され、該連結用リング２７の上面には第２のダイアフラム１９Ｂの内縁部が配されている。
【００２９】
そして、第２のダイアフラム１９Ｂの内縁部上面には、軸線を同じくして第２の固定リング２８が配され、該第２の固定リング２８は、第１のダイアフラム１９Ａ、連結用リング２７、第２のダイアフラム１９Ｂおよび第２の固定リング２８を貫通する複数のボルト２９によって第１のダイアフラム１９Ａおよび第２のダイアフラム１９Ｂをそれぞれ挟持した状態でリテーナリング２１に固定されている。
【００３０】
さらに、第２のダイアフラム１９Ｂの外縁部は取付部２３に載せられ、前記外縁部上面には、軸線を同じくして第３の固定リング３０が配されている。
該第３の固定リング３０は、第２のダイアフラム１９Ｂおよび第３の固定リング３０を貫通する複数のボルト３１によって、第２のダイアフラム１９Ｂを挟持した状態で取付部２３に固定されている。
【００３１】
そして、第１のダイアフラム１９Ａと第２のダイアフラム１９Ｂは、各種ゴム等の弾性材料で形成され、これによりリテーナリング２１はヘッド本体１８の周壁部１８ｂとは独立に上下変位可能になっている。
【００３２】
前記ヘッド本体１８の天板部１８ａには、当該天板部１８ａをヘッド本体１８の軸線と平行に貫通するとともに先端が所定の間隔をおいて前記固定リング２８に対向するように配される位置センサ３２が３箇所以上設けられている。
【００３３】
位置センサ３２には、例えば、静電容量式のセンサが用いられ、この場合には、当該位置センサ３２の先端に設けられた電極と、前記固定リング２８の頭部基準面２８ａに設けられた電極との間における電気容量の変化を、これら電極間の離間距離の変化、すなわちリテーナリング２１の変位として検出することができる。
【００３４】
ウェーハ保持ヘッド１７の外部に設けられた研磨機制御系３３には、位置センサ３２からの出力信号を受けるとともにその出力信号から研磨パッド１３に対するリテーナリング２１の上下方向の相対変位と、あらかじめ設定した基準値とを比較してウェーハＷが滑り出したか否かの判断を行う滑り判断手段が設けられ、該滑り判断手段からの出力信号に応じて、前記ヘッド駆動機構，カルーセル駆動機構及びプラテン駆動機構を緊急停止できるように構成されている。
【００３５】
一方、シャフト２２には流路が形成され、ヘッド本体１８、キャリア２０、第１のダイアフラム１９Ａおよび第２のダイアフラム１９Ｂにより画成された流体室３４は、流路を通じて圧力調整機構である加圧手段３５に接続されている。
【００３６】
そして、加圧手段３５で流体室３４内の流体圧力を調整することにより、第１のダイアフラム１９Ａおよび第２のダイアフラム１９Ｂが上下に変位して研磨パッド１３へのキャリア２０の押圧力が変化するようになっている。
なお、流体としては、一般に空気を使用すれば十分であるが、必要に応じて他種のガスや液体を使用してもよい。
【００３７】
上記構成からなるウェーハ研磨装置では、研磨工程中、ウェーハＷは研磨パッド１３との摩擦力によってリテーナリング２１の内周に押圧されており、ウェーハＷに過度の摩擦力が作用した場合、図２に示すように、研磨中のウェーハＷがリテーナリング２１と研磨パッド１３との間に入り込むように滑り始める場合がある。
【００３８】
この場合、位置センサ３２の先端に設けられた電極と、リテーナリング２１に一体に固定された固定リング２８の頭部基準面２８Ａに設けられた電極との間の電気容量の変化が、これら電極間の離間距離の変化、すなわち研磨パッド１３に対するリテーナリング２１の上方向への相対変位として検出される。
【００３９】
そして、滑り判断手段は、位置センサ３２により検出された上方向の相対変位が、あらかじめ設定した基準値を越えるものであると、ウェーハＷがキャリア２０から滑り出した状態であるものと判断し、その出力信号を受けた研磨機制御系３３によって、前記ヘッド駆動機構，カルーセル駆動機構及びプラテン駆動機構は緊急停止させられる。
【００４０】
このように、本実施形態に係るウェーハ研磨装置によれば、研磨中のウェーハＷがキャリア２０から滑り出すと、研磨パッド１３に対するリテーナリング２１の相対変位が位置センサ３２により検出されるとともに、滑り判断手段により位置センサ３２の出力信号からウェーハＷが滑り出したか否かが判断されて、前記ヘッド駆動機構，カルーセル駆動機構及びプラテン駆動機構を緊急停止させることができるので、ウェーハＷがウェーハ保持ヘッド１７から外れ、この滑り出したウェーハＷが他のウェーハ保持ヘッド１７に衝突して割れや欠けが生じたり、その破片により研磨パッド１３，キャリア２０およびリテーナリング２１が損傷するといったことを未然に防ぐことができる。
【００４１】
次に、図５および図６を参照して、本発明の第二の実施形態に係るウェーハ保持ヘッド４１について説明する。
各図において、前記第一の実施形態に係るウェーハ保持ヘッド１７と同一構成の部分については、同一の符号を付すとともに、その説明を省略する。
【００４２】
本実施形態のウェーハ保持ヘッド４１は、図５に示すように、ヘッド本体４２の平板部４２ａに前記位置センサ３２は設けられておらず、代わりに周壁部４２ｂの下端に設けられた円環状のストッパ部４３に圧力センサ４４が設けられている点で前記第一の実施形態に係るウェーハ保持ヘッド１７と異なる構成になっている。
【００４３】
圧力センサ４４は、その先端の受感面を前記ストッパ部４３の内周面に僅かに突出するように半径内方向に向けて設けられており、前記受感面にはピエゾ抵抗効果を測定するシリコンチップ等の半導体素子が配されて、外部に設けられた研磨機制御系４５に無線により、または、スリップリング（図示略）を介して接続されている。
【００４４】
研磨機制御系４５は、前記半導体素子で検出された圧力信号から圧力の減少量とあらかじめ設定した基準値とを比較してウェーハＷがキャリア２０から滑り出したか否かを判断する滑り判断手段とを備え、該滑り判断手段からの出力信号に応じて前記ヘッド駆動機構，カルーセル駆動機構及びプラテン駆動機構を緊急停止できるように構成されている。
【００４５】
上記構成のウェーハ研磨装置では、研磨工程中、キャリア２０に保持されたウェーハＷは研磨パッド１３から受ける摩擦力によってリテーナリング２１の内周面に押圧されており、その押圧力は、リテーナリング２１を介してその外周面に受感面が当接させられた圧力センサ４４によって半径外方向に加わる圧力として検出される。
【００４６】
そして、ウェーハＷに過度の摩擦力が作用すると、図６に示すように、研磨中のウェーハＷがリテーナリング２１と研磨パッド１３との間に入り込むように滑り出す場合がある。
この場合、ウェーハＷはリテーナリング２１の内周面を押圧しなくなるので、リテーナリング２１に作用する半径外方向の圧力の減少を圧力センサ４４によって検出することができる。
【００４７】
そして、滑り判断手段は、圧力センサ４４により検出された圧力の減少量が、あらかじめ設定した基準値よりも大きいと、ウェーハＷがキャリア２０から滑り出した状態であると判断し、その出力信号を受けた研磨機制御系４５によって、前記ヘッド駆動機構，カルーセル駆動機構及びプラテン駆動機構は緊急停止させられる。
【００４８】
このように、本実施形態に係るウェーハ研磨装置によれば、研磨中のウェーハＷがキャリア２０から滑り出すと、リテーナリング２１に作用する半径外方向の圧力の減少が圧力センサ４４によって検出されるとともに、滑り判断手段により圧力センサ４４の出力信号からウェーハＷが滑り出したか否かが判断されて、ヘッド駆動機構，カルーセル駆動機構及びプラテン駆動機構を緊急停止させることができるので、ウェーハＷがウェーハ保持ヘッド１７から外れ、この滑り出したウェーハＷが他のウェーハ保持ヘッド１７に衝突して割れや欠けが生じたり、その破片により研磨パッド１３，キャリア２０およびリテーナリング２１が損傷するといったことを未然に防ぐことができる。
【００４９】
なお、本実施形態では、圧力センサ４４を１箇所にのみ設けた構成を図示したが、複数箇所に設けることによって、より正確かつ迅速なウェーハＷの滑り出しの検出を可能にすることができる。
すなわち、研磨加工中、リテーナリング２１はウェーハ保持ヘッド４１内で偏芯運動をしているためストッパ部４３に対して接触・離間を周期的に繰り返しており、圧力センサ４４が１箇所にのみ設けられた構成であると、検知が遅れたり誤検知する場合がある。
【００５０】
したがって、かかる場合にも正確かつ迅速にウェーハＷの滑り出しを検出することができるように、圧力センサ４４は、図７（ａ）および同図（ｂ）に示すように、３箇所以上設けておくことが望ましい。
【００５１】
また、本実施形態に係るウェーハ研磨装置では、ウェーハ研磨の終点も検知することが可能である。
すなわち、ウェーハＷの被研磨面は、研磨が進むに従い平滑になるため、該被研磨面と研磨パッド１３との接触面積が増加してウェーハＷに作用する摩擦抵抗が次第に大きくなり、これに伴いキャリア２０からリテーナリング２１に作用する半径外方向の圧力も次第に大きくなるため、ウェーハＷの研磨量に応じて変化する圧力から研磨の終点を検出することができる。
【００５２】
さらに、上記各実施形態では、研磨パッドに対するウェーハＷの当接圧力を均一化することを目的として、第１のダイアフラム１９Ａおよび第２のダイアフラム１９Ｂをそれぞれ別体としたものを図示したが、これらダイアフラム１９Ａ，１９Ｂは、図８に示すような円形状に一体成形されたものであっても構わない。
【００５３】
また、上記各実施形態では、ウェーハ保持ヘッド１７を遊星回転させるカルーセル１６が設けられたものについて説明したが、該カルーセル１６が設けられておらず、前記ヘッド駆動機構によりウェーハ保持ヘッド１７を周方向に回転させつつ前記プラテン駆動機構によりプラテン１２を回転させてウェーハＷの研摩を行うように構成されたものであっても構わない。
この場合には、前記滑り判断手段からの出力信号に応じてヘッド駆動機構及びプラテン駆動機構が緊急停止させられる。
【００５４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係るウェーハ研磨装置によれば、次のような効果を奏することができる。
（１）請求項１記載のウェーハ研磨装置 によれば、研磨中のウェーハがキャリアから滑り出すと、リテーナリングに作用する半径外方向の圧力の減少が圧力センサによって検出されるとともに、滑り判断手段によりウェーハが滑り出したか否かが判断されるので、滑り出したウェーハが他のウェーハ保持ヘッドに衝突して割れや欠けが生じたり、その破片により研磨パッド，キャリアおよびリテーナリングが損傷するといったことを未然に防ぐことができる。
【００５５】
また、検知手段からの出力信号により警報を発することができる警報装置を設け、該装置から警報が発せられた場合に手動でウェーハ研磨装置 を停止するようにしたり、ウェーハ研摩装置を前記出力信号に応じて制御することができるように構成して自動的に緊急停止させるようにする等の対策を講じることができ、ウェーハの割れや欠け、研磨パッド，キャリアおよびリテーナリングの損傷を未然に防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るウェーハ研磨装置の第一の実施形態におけるウェーハ保持ヘッドを示す断面図である。
【図２】同装置によるウェーハの研磨工程中、ウェーハがキャリアから滑り出した状態を示す断面図である。
【図３】同装置の全体の構成を示す正面図である。
【図４】同装置のウェーハ保持ヘッドとプラテンの配置状態を示す平面図である。
【図５】本発明に係るウェーハ研磨装置の第二の実施形態におけるウェーハ保持ヘッドを示す断面図である。
【図６】同装置によるウェーハの研磨工程中、ウェーハがキャリアから滑り出した状態を示す断面図である。
【図７】（ａ）は本発明に係るウェーハ研磨装置の他の実施形態におけるウェーハ保持ヘッドを示す平面図、
（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図８】従来のウェーハ研磨装置におけるウェーハ保持ヘッドの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１２  プラテン
１３  研磨パッド
１６  カルーセル
１７、４１  ウェーハ保持ヘッド
１８、４２  ヘッド本体
２０  キャリア
２１  リテーナリング
３２  位置センサ
４４  圧力センサ
Ｗ  ウェーハ
【図１】
0003568739.tif 000002
【図２】
0003568739.tif 000003
【図３】
0003568739.tif 000004
【図４】
0003568739.tif 000005
【図５】
0003568739.tif 000006
【図６】
0003568739.tif 000007
【図７】
0003568739.tif 000008
【図８】
0003568739.tif 000009