(57)【要約】【課題】リテーナリングとウェハの間の隙間をウェハ研磨段階で無くして面内均一性を向上させる。【解決手段】本発明の研磨装置は、ウェハの研磨に使用される研磨パッドと、該ウェハを吸着保持可能であってウェハを該研磨パッドに押し付けて研磨する研磨ヘッドと、研磨ヘッドの外周に配置されたリテーナリングと、を備える。このリテーナリングは、第１のリング状部材６ａと、この内周に接合された第２のリング状部材６ｂと、第２のリング状部材６ｂの内周に接合された第３のリング状部材６ｃと、を備える。第１のリング状部材６ａは、研磨ヘッドの、ウェハを吸着する面の外周に固定される。第２のリング状部材６ｂは空洞１２を有する膨張及び収縮可能な弾性部材により形成されている。第３のリング状部材６ｃは、第２のリング状部材６ｂの動きに応じて径縮及び拡径する方向に可動する部材であり、該部材の内側に、ウェハを吸着する領域を有している。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の研磨に使用される研磨パッドと、該基板を吸着保持可能であって前記基板を該研磨パッドに押し付けて研磨する研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドの、前記基板を吸着する面の外周に配置されたリテーナリングと、を備えた研磨装置において、
前記リテーナリングは、前記基板を吸着するための領域を内側に持ち、内周部が径縮及び拡径する方向に可動するリング状部材を含むことを特徴とする研磨装置。
【請求項２】
基板の研磨に使用される研磨パッドと、該基板を吸着保持可能であって前記基板を該研磨パッドに押し付けて研磨する研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドの、前記基板を吸着する面の外周に配置されたリテーナリングと、を備えた研磨装置において、
前記リテーナリングは、
前記面に固定された第１のリング状部材と、
前記第１のリング状部材の内周に接合された膨張及び収縮可能な第２のリング状部材と、
前記第２のリング状部材の内周に接合され、前記第２のリング状部材の動きに応じて径縮及び拡径する方向に可動する第３のリング状部材であって、該弟３のリング状部材の内側に前記基板を吸着する領域を持つ第３のリング状部材と、
を備えることを特徴とする研磨装置。
【請求項３】
前記第２のリング状部材は、空洞を持つ弾性部材により形成されていて、該空洞へのエアーの供給により膨張し該空洞内エアーの吸引により収縮する、請求項２に記載の研磨装置。
【請求項４】
前記研磨ヘッドは、前記領域に保持した基板を前記研磨パッドに押し付けるときに前記第２のリング状部材の前記空洞へエアーを供給するエアー供給口を有する、請求項３に記載の研磨装置。
【請求項５】
前記弟３のリング状部材は周方向において複数の部材に分割されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の研磨装置。
【請求項６】
前記弟３のリング状部材の内周部には複数の凸部が配設されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の研磨装置。
【請求項７】
前記第１のリング状部材の内部に磁性体を有し、前記第３のリング状部材の内部に、該磁性体と極性が異なる磁性体を有する、請求項１から６のいずれか１項に記載の研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置の製造に用いられるCMP装置などの研磨装置に関するものである。特に、CMP装置の研磨ヘッドに配設されているリテーナリングに関する。なお、CMPはChemical Mechanical Polishing (化学的機械的研磨)の略称であり、ウェハ表面を研磨し平坦にする技術である。
【背景技術】
【０００２】
CMP装置では、ウェハなどの基板の裏面を上にして研磨ヘッドに吸着させ、研磨すべき基板のおもて面を、下方に位置する研磨パッドに押し付けて研磨する。こうしたCMP装置には、基板がずれないように研磨ヘッドの周縁に、基板を囲むリテーナリングが設けられている。
【０００３】
図１０の（ａ）〜（ｃ）は、従来のリテーナリングを備えた研磨ヘッドの断面模式図であり、該研磨ヘッドによるウェハチャックからウェハ離脱までの動作を示している。図１１は従来のリテーナリングの断面構造を表したものである。
【０００４】
図１０（ａ）に示すように、研磨ヘッド１０１の、ウェハ１０２を吸着する面１０１ａの周縁に、リテーナリング１０４が固定されている。従来のCMP装置の動作については、先ず、研磨ヘッド１０１の面１０１ａにおけるリテーナリング１０４の内側領域に、ウェハ１０２を吸着する（図１０（ｂ））。その後、研磨ヘッド１０１が研磨パッド１０３の上に移動して、ウェハ１０２を研磨パッド１０３の上面に押し付ける（図１０（ｃ））。このとき、研磨ヘッド１０１の面１０１ａとウェハ１０２との間に形成される空間に高圧エアーを供給して、ウェハ１０２を研磨パッド上面に押し付けている。そして、研磨パッド１０３が回転するとともに、研磨パッド１０３の上面にウェハ１０２を押し当てている研磨ヘッド１０１も回転して、ウェハ１０２が研磨される。
【０００５】
このような従来の研磨ヘッドでは、リテーナリング１０４は、硬質材料からなる単層の構造である（図１１参照）。したがって、リテーナリング１０４の内周端部とウェハ１０２の外周端部との距離の変更は不可能であり、ウェハ研磨時にリテーナリング１０４とウェハ１０２の間に隙間ができる。また一般的に、研磨パッド１０３はポリウレタンを用いて構成されている為に弾性を有している。これらの要因により、図１２に示すように、リテーナリング１０４が研磨パッド１０３の表面に押し付けられているときにリテーナリング１０４の内周縁近傍の研磨パッド部分１０３ａが上記の隙間の中へ盛り上がり、ウェハ１０２の外周縁１０２ａに研磨パッド１０３が過度に接触する。その結果、ウェハ外周が過剰に研磨され、ウェハ面内における研磨量の均一性（以下、面内均一性と呼ぶ）が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2007-307623号公報
【特許文献２】特開2008-173741号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、半導体素子の微細化により、上記の隙間に起因する研磨ばらつきが製造歩留まりを低下させる問題が顕在化してきた。例えば、OxCMPではウェハエッジ部における研磨の均一性の低下、メタルCMPではウェハエッジ部における研磨の均一性の低下とともにウェハエッジ部のエロージョンやリセスが大きくなるという問題がある。
【０００８】
特許文献１及び２には、リテーナリングの内側に、リテーナリングとウェハとの隙間を埋めるような部材を配置し、このような部材によってウェハの周縁近傍を研磨パッド上面へ効果的に押圧する技術が開示されている。また、特許文献３及び４には、リテーナリング内周部とウェハ外周部との間に、異なる内径を有する複数のリング体を配置し、各リング体の研磨パッド表面に対する押圧力を個別に調整することで、ウェハ外周縁の過剰研磨を防止しようとする技術が開示されている。
【０００９】
しかし、これらの文献に開示された発明では、研磨ヘッドにウェハを吸着させる必要があることからリテーナリングとウェハの間の隙間を完全に無くすことはできない。もしリテーナリングとウェハの間の隙間を無い状態にすると、研磨ヘッドにウェハを吸着させるときに、リテーナリングの内側範囲にウェハが入るように多くの時間と高度な位置制御が必要になり、ウェハ吸着は容易ではない。また、研磨後のウェハを研磨ヘッドから離脱させにくい装置になってしまう。
【００１０】
したがって、リテーナリングとウェハの間の隙間を変更しない引用文献１〜４の発明では、上記の隙間に起因する研磨ばらつきの問題は完全には解決されない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上述したようなリテーナリングとウェハの間の隙間をウェハ研磨段階で無くして面内均一性を向上させようとするものである。
【００１２】
本発明の一の態様によれば、ウェハの研磨に使用される研磨パッドと、該ウェハを吸着保持可能であってウェハを該研磨パッドに押し付けて研磨する研磨ヘッドと、研磨ヘッドの、ウェハを吸着する面の外周に配置されたリテーナリングと、を備えた研磨装置に係わるものである。そして、上記の課題を解決すべく、本発明によるリテーナリングは、前記基板を吸着するための領域を内側に持ち、内周部が径縮及び拡径する方向に可動するリング状部材を含むことを特徴とする。
【００１３】
上記のように構成された研磨装置では、リング状部材の内側領域にウェハを吸着し該ウェハを研磨パッドに押し付けるとき、リング状部材を拡径する方向に可動させると、リング状部材がウェハ側へ移動してウェハ外周端に接触するので、ウェハの外周とリテーナリングの内周との間の隙間を減少させることができる。このことにより、ウェハの最外周への研磨パッド部分の盛り上がりが小さくなり、ウェハ全面を均等に研磨パッドに押し付けることができる。結果、ウェハエッジ部の過剰研磨が減少し、面内均一性が向上する。ウェハエッジ部のエロージョンやリセスも小さくすることができる。
【００１４】
さらに、研磨ヘッドにウェハを吸着保持するときや研磨ヘッドからウェハを離脱するときは、リング状部材を径縮する方向に可動するとウェハの外周とリテーナリングの内周との間の隙間が広がるため、ウェハの吸着および離脱は容易である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、面内均一性の向上、並びにウェハエッジ部のエロージョンやリセスの低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施例によるＣＭＰ装置の構成部位を模式的に表した上面図。
【図２】図１中の研磨部の様子を模式的に示した上面図。
【図３】図２中のトップリング（研磨ヘッド）によってウェハ研磨を実施した状態の模式的断面図。
【図４】図１中の洗浄部の様子を模式的に示した側面図。
【図５】図１中の乾燥部の様子を模式的に示した側面図。
【図６】本発明のＣＭＰ装置に適用されたリテーナリングの模式的断面図。
【図７】図６のリテーナリングを上から見た図。
【図８】本発明の一実施例によるＣＭＰ装置でウェハ研磨を行う段階において、ウェハと共にトップリングのリテーナリングが研磨パッドに押し当っている状態を表した模式的断面図。
【図９】本発明の一実施例によるリテーナリングを備えたトップリングの断面模式図であり、該トップリングによるウェハチャックからウェハ離脱までの動作を示す図。
【図１０】従来のリテーナリングを備えた研磨ヘッドの断面模式図であり、該研磨ヘッドによるウェハチャックからウェハ離脱までの動作を示す図。
【図１１】従来のリテーナリングの断面構造を表した図。
【図１２】従来の研磨ヘッドのリテーナリングが研磨パッドの表面に押し付けられたときの様子を示す断面模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
本実施例のＣＭＰ装置は、図１に示すように、研磨砥粒によりウェハ研磨を行う研磨部Ａと、研磨砥粒、削りカスおよび金属汚染の除去を行う洗浄部Ｂと、ウェハを乾燥する乾燥部Ｃと、これらの各部に亘ってウェハを搬送するための搬送部Ｄと、を含んで構成されている。また、研磨部Ａに供給する未研磨のウェハを収容し、かつ、乾燥部Ｃを経て装置から排出されるウェハを収容するＦＯＵＰ(Front-Opening Unified Pod)１５を接続する機構も備えている。
【００１９】
研磨部Ａでは図２に示すように、ウェハのおもて面が接触させられ、矢印の方向に回転しながらウェハの研磨を行う研磨パッド１と、ウェハ研磨の際にウェハの裏面側を吸着して保持し研磨パッド１へウェハのおもて面を押し付けながら矢印の方向に回転するトップリング２（すなわち研磨ヘッド）と、研磨パッド１の目立てを行うドレッサー３と、研磨砥粒を流下するノズル４と、が用意されている。研磨パッド１は研磨面にポリウレタンを用いられている。
【００２０】
トップリング２の構成を詳述すると、図３に示すように、トップリング２の、ウェハ５を吸着する面２ａの周縁に、リテーナリング６が固定されている。リテーナリング６は、研磨時のウェハがトップリング２の外周から外へ飛び出すことを防止する。さらに面２ａには、ウェハ５を研磨パッド１へ押し付ける圧力を調整する、メンブレンシートを含んで成る研磨圧力調整部７や、ウェハを吸着するための吸着部８が設けられている。
【００２１】
また洗浄部Ｂでは、図４に示すように、ウェハ５を傷つけることなく支持して矢印の方向に回転する支持体９と、支持体９に支持されたウェハ５に洗浄薬液および純水をかけるためのノズル１０と、物理洗浄を行うロールブラシ等の洗浄ブラシ１１と、が用意されている。
【００２２】
さらに乾燥部Ｃでは、図５に示すように、ウェハ５を傷つけることなく支持して矢印の方向に回転する支持体１８が用意され、これによってスピンドライ乾燥が可能となっている。
【００２３】
以上に述べた本実施例のＣＭＰ装置で研磨を実施するには、まず、トップリング２によってウェハ５を吸着する。その後、トップリング２は研磨パッド１上に移動し、吸着していたウェハ５を研磨パッド１に接触するように下降する。そして、トップリング２は回転しながら、研磨パッド１の表面にウェハ５のおもて面を押し付けて研磨する。研磨後、トップリング２はウェハ５を再度吸着し、搬送部Ｄにウェハ５を移動し、ウェハ５は洗浄部Ｂに搬送される。その後、ロールブラシを使ったスクラブ洗浄と併せてノズル１０での薬液洗浄をウェハ５に実施して、ウェハ５の表面と裏面を洗浄する。最後にウェハ５が乾燥部Ｃに移動し、スピンドライ乾燥が行われてＣＭＰ処理終了となる。
【００２４】
本願発明は、図１〜図５に例示したＣＭＰ装置のトップリング２のリテーナリング６が、内径の異なる３つのリング状部材を同心円状に配置して組み合わせられた構造であることを特徴とする。この構造のリテーナリング６をＣＭＰ装置に用いることで、ウェハ全面を均一に研磨パッドに押し付けることができ、ウェハエッジ部の過剰研磨が低減し、面内均一性が向上する。
【００２５】
以下、本発明によるリテーナリング６については詳しく説明する。
【００２６】
図６は本発明のＣＭＰ装置に適用されたリテーナリング６の模式的断面図である。図７はリテーナリング６を上から見た図である。
【００２７】
図６（ａ）に示すように、リテーナリング６は、硬質材料(例えばポリフェニレンスルファイド)からなる第１のリング状部材６ａと、第１のリング状部材６ａの内周に接合された弾性材料(例えばシリコンゴム)からなる第２のリング状部材６ｂと、第２のリング状部材６ｂの内周に接合された硬質材料(例えばポリフェニレンスルファイド)からなる第３のリング状部材６ｃと、から構成される。また、第２のリング状部材６ｂには空洞１２が空いており、図６（ｂ）に示すように、空洞１２の中にエアーを供給することにより、第２のリング状部材６ｂが膨らむ構造となっている。このエアー供給時機は、トップリング２に吸着保持されたウェハ５を研磨パッド１に押し付けたときである。ウェハ５をトップリング２に吸着させたりトップリング２から離脱させたりするときには空洞１２からエアーを抜いておく。
【００２８】
なお、弾性材料の第２のリング状部材６ｂの下面は、研磨パッド１の摩擦にて削れることがないように硬質材料のリング状部材６ａ，６ｂの下面と同じ高さに配置されていないことが好ましい。すなわち、研磨パッド１にリテーナリング６を押し付けたときにリバウンドした研磨パッド部分が接触しないような高さに第２のリング状部材６ｂの下面が位置していることが好ましい。
【００２９】
また、図７に示すように、第３のリング状部材６ｃの周方向の等間隔な８箇所において溝１３が切られて、第３のリング状部材６ｃが８分割されている。さらに、８箇所の溝１３のうちの１つについては、第３のリング状部材６ｃだけではなく、第２のリング状部材６ｂも分断している（図中の符号Ｌ参照）。したがって、分割された第３のリング状部材６ｃは、第２のリング状部材６ｂの動きに応じて径縮及び拡径する方向に可動する。
【００３０】
このような構造のリテーナリング６では、第２のリング状部材６ｂを膨らませることにより、第２のリング状部材６ｂの内側にある第３のリング状部材６ｃが径縮方向に移動できるので、ウェハ５の外周とリテーナリング６の内周との間の隙間を埋めることができる。このことにより、ウェハ５の最外周への研磨パッド部分の盛り上がりが小さくなり、ウェハ全面を均等に研磨パッドに押し付けることができる。結果、ウェハエッジ部の過剰研磨が減少し、面内均一性が向上する。ウェハエッジ部のエロージョンやリセスも小さくすることができる。
【００３１】
なお、上記の隙間を埋めるときのウェハのずれに起因してウェハ割れが発生するのを防止するため、図７に示すように第３のリング状部材６ｃの内側面に少なくとも一つの凸部１４が配設されていることが好ましい。図７の例では第３のリング状部材６ｃを構成する８つの部分のうち一つ置きの部分に、それぞれ凸部１４が設けられている。
【００３２】
図８は、ウェハ５と共にトップリング２のリテーナリング６が研磨パッド１に押し当っている状態を表した模式的断面図である。この図に示すように、第１のリング状部材６ａおよび第３のリング状部材６ｃの内部には磁性体１６ａ，１６ｂがそれぞれ入っている。磁性体１６ａ，１６ｂはそれぞれ磁極が異なる例えば永久磁石である。したがって、トップリング２に設けられたエアー供給口１７より第２のリング状部材６ｂの空洞１２にエアーを供給すると、第２のリング状部材６ｂが矢印方向に膨らんで第３のリング状部材６ｃをウェハ５側へ移動させ、第１のリング状部材６ａの磁性体１６ａと第３のリング状部材６ｃの磁性体１６ｂとが磁気吸引力に抗して離れる。一方、エアー供給口１７から空洞１２内のエアーを吸引すると、第２のリング状部材６ｂが縮んで第１のリング状部材６ａの磁性体１６ａと第３のリング状部材６ｃの磁性体１６ｂとが磁気吸引力により最接近する。このような磁性体１６ａ，１６ｂの作用により、ウェハ５とリテーナリング６との距離をウェハチャック時と同じ距離に確実に戻すことができる。
【００３３】
また、凸部１４（図７に示した４箇所の凸部１４）の外側面には、ウェハを傷つけないように保護膜(例えばシリコンゴム)１７が付着している。このため、ウェハ５を傷つけることなく第３のリング状部材６ｃをウェハ５の外周端に当接することができる。また、図８の状態においては、ウェハ５とリテーナリング６の間の隙間が減少する。この結果、図８中に符号Ｅで示す箇所のように、研磨パッド１のリバウンド（すなわちリテーナリング６の押し付けに起因した研磨パッド部分の盛り上がり）が小さくなることが分かる。
【００３４】
次に、本発明によるリテーナリング６を備えたトップリング２によるウェハチャックからウェハ離脱までの動作を説明する。このような動作の様子を図９に示す。
【００３５】
図９を参照すると、トップリング２の面２ａにおけるリテーナリング６の内側領域（研磨圧力調整部７）に、ウェハ５を吸着する（図９（ａ）、図９（ｂ）参照）。その後、トップリング２が研磨パッド１の上に移動して、ウェハ５を研磨パッド１の上面に押し付ける（図９（ｃ）参照）。このとき、トップリング２の面２とウェハ５との間に設けられた研磨圧力調整部７に高圧エアーを供給して、ウェハ５のおもて面を研磨パッド１の上面に押し付けている。
【００３６】
さらに、不図示の制御装置の指令でリテーナリング６の第２のリング状部材６ｂの空洞１２にエアー供給口１７からエアーが供給されて、第２のリング状部材６ｂが膨らむ。これにより、第３のリング状部材６ｃがウェハ５側に移動し、第３のリング状部材６ｃの内周部の凸部１４とウェハ５の外周端とが接触してウェハ５が固定される（図９（ｄ）参照）。そのため、リテーナリング６とウェハ５との間の隙間が少なくなり、ウェハ５のおもて面全体に均等に圧力を掛けることができる。このような状態において、研磨パッド１が回転するとともに、研磨パッド１の上面にウェハ５を押し当てているトップリング２も回転して、ウェハ５が研磨される。この結果、従来技術ではウェハエッジの研磨圧力を調整しても改善困難であったエッジ部の過剰研磨が解消され、面内均一性が向上する。
【００３７】
研磨後は上記制御装置の指令でエアー供給口１７から空洞１２内のエアーを吸引することで、第２のリング状部材６ｂが縮んで第１のリング状部材６ａと第３のリング状部材６ｃの磁性体１６ａ，１６ｂが磁気吸引力により最接近し、ウェハ５とリテーナリング６との間がウェハ吸着時と同等の距離に開く（図９（ｅ）参照）。その後、ウェハ５が脱離される。
【００３８】
以上本発明の実施例について図面をもとに説明したが、本発明の技術思想を逸脱しない範囲において、図示した構造、形に限定することなく、上記実施例を適宜変更して実施することは可能である。
【符号の説明】
【００３９】
Ａ    研磨部
Ｂ    洗浄部
Ｃ    乾燥部
Ｄ    搬送部
１    研磨パッド
２    トップリング（研磨ヘッド）
２ａ    面
３    ドレッサー
４    ノズル
５    ウェハ
６    リテーナリング
６ａ    第１のリング状部材
６ｂ    第２のリング状部材
６ｃ    第３のリング状部材
７    研磨圧力調整部
８    吸着部
９、１８    支持体
１０    ノズル
１１    洗浄ブラシ
１２    空洞
１３    溝
１４    凸部
１５    ＦＯＵＰ
１６ａ、１６ｂ    磁性体
１７    エアー供給口
【図１】
2011083836.tif 000003
【図２】
2011083836.tif 000004
【図３】
2011083836.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2011083836.tif 000008
【図７】
2011083836.tif 000009
【図８】
2011083836.tif 000010
【図９】
2011083836.tif 000011
【図１０】
2011083836.tif 000012
【図１１】
2011083836.tif 000013
【図１２】
2011083836.tif 000014