(57)【要約】【課題】被研磨物を研磨パッドに押圧して研磨する際に、メンブレンの膨張を最小限に抑え、研磨の面内均一性を向上させること。【解決手段】上面６０ｂがトップリング５０の底側に向けて配置され、トップリング５０の開口端をダイヤフラムを介して気密に蓋することで加圧チャンバを形成する共に、トップリング５０の軸方向に沿って往復動可能に設けられ、その外周面が上面６０ａ側から下面６０ｂ側にかけて中心軸側に傾くテーパ面６１に形成されたベース基盤６０と、ベース基盤６０の上面６０ａ側を覆い、かつ、その外周縁側が上記テーパ面に沿って配置されると共に、ベース基盤６０の下面６０ｂ側に配置されたメンブレン７０と、メンブレン７０の外周部７１側をテーパ面６１側に押圧して固定する固定部材６３とを備えている。【選択図】図１
2007050465.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被研磨物を研磨パッドに押圧して研磨する研磨ヘッドにおいて、
上記研磨面側が開口した有底筒状のトップリングと、
その第１面が上記トップリングの底側に向けて配置され、上記トップリングの開口端をダイヤフラムを介して気密に蓋することで加圧チャンバを形成する共に、上記トップリングの軸方向に沿って往復動可能に設けられ、その外周面が第２面側から第１面側にかけて中心軸側に傾くテーパ面に形成されたベース基盤と、
上記ベース基盤の第２面側を覆い、かつ、その外周縁側が上記テーパ面に沿って配置されると共に、上記ベース基盤の第１面側に配置された弾性膜と、
上記弾性膜の外周縁側を上記テーパ面側に押圧して固定する固定部材とを備えていることを特徴とする研磨ヘッド。
【請求項２】
上記固定部材は、上記弾性膜の外周部を上記ベース基盤の上記第１面側に固定した後、上記弾性膜を上記テーパ面に押圧するものであることを特徴とする請求項１に記載の研磨ヘッド。
【請求項３】
上記固定部材は、上記弾性膜の外周部を上記ベース基盤の上記第１面における中心部側に引張りつつ、上記弾性膜を上記テーパ面に押圧するものであることを特徴とする請求項１に記載の研磨ヘッド。
【請求項４】
上記ベース基盤の第２面と上記テーパ面との間には、曲面部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の研磨ヘッド。
【請求項５】
上記ベース基盤の第２面と上記テーパ面との間には、外周側に凸の段差が設けられ、
上記固定部材は、上記段差との間で上記弾性膜を押圧するものであることを特徴とする請求項１に記載の研磨ヘッド。
【請求項６】
被研磨物を研磨パッドに押圧して研磨する研磨装置において、
上記被研磨物の被研磨面を上記研磨パッドに対向して保持する研磨ヘッドと、
上記研磨ヘッドと上記研磨パッドとを上記被研磨面に沿って相対運動させる駆動機構とを備え、
上記研磨ヘッドは、上記研磨面側が開口した有底筒状のトップリングと、
その第１面が上記トップリングの底側に向けて配置され、上記トップリングの開口端をダイヤフラムを介して気密に蓋することで加圧チャンバを形成する共に、上記トップリングの軸方向に沿って往復動可能に設けられ、その外周面が第２面側から第１面側にかけて中心軸側に傾くテーパ面に形成されたベース基盤と、
上記ベース基盤の第２面側を覆い、かつ、その外周縁側が上記テーパ面に沿って配置されると共に、上記ベース基盤の第１面側に配置された弾性膜と、
上記弾性膜の外周縁側を上記テーパ面側に押圧して固定する固定部材とを備えていることを特徴とする研磨装置。
【請求項７】
その外周面が第２面側から第１面側にかけて中心軸側に傾くテーパ面に形成されたベース基盤と、
上記ベース基盤の第２面側を覆い、かつ、その外周縁側が上記テーパ面に沿って配置されると共に、上記ベース基盤の第１面側で固定された弾性膜と、
上記弾性膜の外周縁側を上記テーパ面側に押圧して固定する固定部材とを備えていることを特徴とする研磨工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被研磨物を研磨パッドに押圧して研磨を行うための研磨ヘッド、研磨装置、及び研磨工具に関し、特に押圧力を均一にすることで、被研磨物の面内均一性を向上させるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウエハの製造工程においては、半導体ウエハ表面を研磨装置を用いて化学的機械的研磨（ＣＭＰ［Chemical Mechanical Polishing］）が行われる。この化学的機械的研磨は、シリカ（ＳｉＯ２）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッド等の研磨面上に供給しつつ、半導体ウエハ表面を研磨面に摺接させて研磨を行うものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
化学的機械的研磨を行う研磨装置は、研磨パッドからなる研磨面を有する研磨テーブルと、半導体ウエハを保持するための研磨ヘッド等を備えている。このような研磨装置を用いて半導体ウエハの研磨を行う場合には、研磨ヘッドにより半導体ウエハを保持しつつ、この半導体ウエハを研磨テーブルに対して所定の圧力で押圧する。このとき、研磨テーブルと研磨ヘッドとを相対運動させることにより半導体ウエハが研磨面に摺接し、半導体ウエハの表面が平坦かつ鏡面に研磨されることとなる。
【０００４】
このような研磨装置において、研磨中の半導体ウエハと研磨パッドの研磨面との間の相対的な押圧力が半導体ウエハの全面に亘って均一でない場合には、半導体ウエハの各部分に印加される押圧力に応じて研磨不足や過研磨が生じてしまう。そのため、研磨ヘッドの半導体ウエハの保持面をゴム等の弾性材からなる弾性膜（以下、「メンブレン」と称する）で形成し、弾性膜の裏面に空気圧等の流体圧を加え、半導体ウエハに印加する押圧力を全面に亘って均一化することが行われている。また、メンブレンは、その形状を保つため、剛性の高い基板を囲むように固定されている。
【０００５】
図８はこのような研磨装置に組み込まれた研磨ヘッド１００の一例を示す図である。すなわち、研磨ヘッド１００は、研磨面側が開口した有底筒状のトップリング１１０を備えている。トップリング１１０の開口端にはベース基盤１２０がダイヤフラム１１１を介して気密に取り付けられており、その内部に加圧チャンバが１１２が形成されている。
【０００６】
ベース基盤１２０の周囲には、トップリング１１０と同径の円筒状のリテーナリング１３０が配置されている。なお、図８中Ｗは被研磨物である半導体ウエハ、Ｐは研磨パッドを示している。
【０００７】
トップリング１１０には加圧チャンバ１１２及びエアバッグ１２０ｃ内の気圧を調整するためのガス流出入口１１３，１１４が設けられている。なお、図８中１１５はチューブを示している。
【０００８】
ベース基盤１２０の下面１２０ａには、メンブレン１２１が配置され、その外周部１２１ａがベース基盤１２０の上面１２０ｂに固定リング１４０により固定されている。なお、ベース基盤１２０の外周面は、ベース基盤１２０の中心軸と平行に形成されている。メンブレン１２１の下面にはエアバッグ１２０ｃを介して半導体ウエハＷが保持されており、研磨液導入孔１１４から供給された研磨液及び研磨パッドＰとの研磨作用により半導体ウエハＷが研磨される。
【特許文献１】特開２００３−３１１６０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した研磨装置では、次のような問題があった。すなわち、研磨作業を行っている際に、研磨パッドＰと半導体ウエハＷとの摩擦力によりメンブレン１２１が膨張する。このとき、メンブレン１２１がベース基盤１２０の半径方向に膨らみすぎると、図９に示すように側面にあるリテーナリング１３０と干渉する虞があった（図９中Ｓ参照）。このため、メンブレン１２１とリテーナリング１３０との摩擦により、メンブレン１２１の膨張が規制され、半導体ウエハＷへの加圧力バランスの制御性が低下する。
【００１０】
また、図１０に示すように、ベース基盤１２０の軸方向に膨らみすぎると、ベース基盤１２０が上昇し、メンブレン１２１が半導体ウエハＷを押圧する圧力が低下し、面内均一性を悪化させる虞があった。
【００１１】
そこで本発明は、被研磨物を研磨パッドに押圧して研磨する際に、メンブレンの膨張を最小限に抑え、研磨の面内均一性を向上させることができる研磨ヘッド、研磨装置及び研磨工具を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の研磨ヘッド、研磨装置及び研磨工具は次のように構成されている。
【００１３】
（１）被研磨物を研磨パッドに押圧して研磨する研磨ヘッドにおいて、上記研磨面側が開口した有底筒状のトップリングと、その第１面が上記トップリングの底側に向けて配置され、上記トップリングの開口端をダイヤフラムを介して気密に蓋することで加圧チャンバを形成する共に、上記トップリングの軸方向に沿って往復動可能に設けられ、その外周面が第２面側から第１面側にかけて中心軸側に傾くテーパ面に形成されたベース基盤と、上記ベース基盤の第２面側を覆い、かつ、その外周縁側が上記テーパ面に沿って配置されると共に、上記ベース基盤の第１面側に配置された弾性膜と、上記弾性膜の外周縁側を上記テーパ面側に押圧して固定する固定部材とを備えている。
【００１４】
（２）前記（１）に記載された研磨ヘッドであって、上記固定部材は、上記弾性膜の外周部を上記ベース基盤の上記第１面側に固定した後、上記弾性膜を上記テーパ面に押圧するものであることを特徴とする。
【００１５】
（３）前記（１）に記載された研磨ヘッドであって、上記固定部材は、上記弾性膜の外周部を上記ベース基盤の上記第１面における中心部側に引張りつつ、上記弾性膜を上記テーパ面に押圧するものであることを特徴とする。
【００１６】
（４）前記（１）に記載された研磨ヘッドであって、上記ベース基盤の第２面と上記テーパ面との間には、曲面部が形成されていることを特徴とする。
【００１７】
（５）前記（１）に記載された研磨ヘッドであって、上記ベース基盤の第２面と上記テーパ面との間には、外周側に凸の段差が設けられ、上記固定部材は、上記段差との間で上記弾性膜を押圧するものであることを特徴とする。
【００１８】
（６）被研磨物を研磨パッドに押圧して研磨する研磨装置において、上記被研磨物の被研磨面を上記研磨パッドに対向して保持する研磨ヘッドと、上記研磨ヘッドと上記研磨パッドとを上記被研磨面に沿って相対運動させる駆動機構とを備え、上記研磨ヘッドは、上記研磨面側が開口した有底筒状のトップリングと、その第１面が上記トップリングの底側に向けて配置され、上記トップリングの開口端をダイヤフラムを介して気密に蓋することで加圧チャンバを形成する共に、上記トップリングの軸方向に沿って往復動可能に設けられ、その外周面が第２面側から第１面側にかけて中心軸側に傾くテーパ面に形成されたベース基盤と、上記ベース基盤の第２面側を覆い、かつ、その外周縁側が上記テーパ面に沿って配置されると共に、上記ベース基盤の第１面側に配置された弾性膜と、上記弾性膜の外周縁側を上記テーパ面側に押圧して固定する固定部材とを備えていることを特徴とする。
【００１９】
（７）その外周面が第２面側から第１面側にかけて中心軸側に傾くテーパ面に形成されたベース基盤と、上記ベース基盤の第２面側を覆い、かつ、その外周縁側が上記テーパ面に沿って配置されると共に、上記ベース基盤の第１面側で固定された弾性膜と、上記弾性膜の外周縁側を上記テーパ面側に押圧して固定する固定部材とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、被研磨物を研磨パッドに押圧して研磨する際に、メンブレンの膨張を最小限に抑え、研磨の面内均一性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施形態における研磨装置１０を示す図、図２は同研磨装置１０に組み込まれた研磨ヘッド２０の要部を示す縦断面図である。なお、図中Ｗは被研磨物である半導体ウエハ、Ｐは研磨パッドを示している。
【００２２】
研磨装置１０は、半導体ウエハＷを保持する研磨ヘッド２０と、この研磨ヘッド２０に対向配置された研磨パッドＰが貼られた定盤３０と、研磨ヘッド２０と定盤３０とを相対移動させる駆動機構４０とを備えている。
【００２３】
研磨ヘッド２０は、研磨面側が開口した有底筒状のトップリング５０を備えている。トップリング５０の開口端にはベース基盤６０がダイヤフラム５１を介して気密に取り付けられており、その内部に加圧チャンバ５２が形成されている。
【００２４】
トップリング５０には加圧チャンバ５２内部の気圧を調整するためのガス流出入口５３と、後述するエアバッグ６２内部の気圧を調整するためのガス流出入口５４とが設けられている。なお、図１中５５はチューブを示している。
【００２５】
ベース基盤６０は、下面６０ａが上面６０ｂよりも径が大きい円錐台状に形成されており、錐面部分はテーパ面６１として形成されている。また、下面６０ａには、凹部６０ｃが形成されている。凹部６０ｃと後述するメンブレン７０との隙間によりエアバッグ６２が形成されている。
【００２６】
ベース基盤６０の下面６０ａ側には、凹部６０ｃを覆うようにしてメンブレン（弾性膜）７０が取り付けられ、その外周部がベース基盤６０のテーパ面６１に固定部材６３により固定されている。固定部材６３は、周方向に沿って配置されている。これらベース基盤６０、メンブレン７０及び固定部材６３により、研磨工具が形成される。
【００２７】
固定部材６３は、テーパ面６１とほぼ同一の傾斜面を持つリング形状のテーパリング６３ａと、ベース基盤６０の上面６０ｂに平行に配置されるとともに、押え板６３ａを支持する支持板６３ｂと、この支持板６３ｂをベース基盤６０の上面６０ｂに固定するための固定ネジ６３ｃとを備えている。
【００２８】
ベース基盤６０の周囲には、トップリング５０と同径の円筒状のリテーナリング８０が配置されている。
【００２９】
このように構成された研磨装置１０では、次のようにして半導体ウエハＷの化学的機械的研磨が行われる。最初に、ベース基盤６０にメンブレン７０を取り付ける。このとき、メンブレン７０の外周部７１をテーパ面６１に沿って配置し、固定部材６３の押え板６３ａによりメンブレン７０の外周部７１をテーパ面６１との間に挟み込む。そして、支持板６３ｂを介して固定ネジ６３ｃでベース基盤６０に固定する。
【００３０】
次に、研磨対象となる半導体ウエハＷをリテーナリング８０内に入れる。そして、ガス流出入口５３，５４よりガスを導入し、加圧チャンバ５２及びエアバッグ６２内の圧力を適正に保つことで、ベース基盤６０に図中下向きに一定の圧力を加えるとともに、メンブレン７０に一定の張力を与える。図示しない研磨液供給機構により研磨液を供給するとともに、駆動機構４０を作動させることにより、半導体ウエハＷと研磨パッドＰとを相対移動させ、研磨作用により半導体ウエハＷの研磨を開始する。
【００３１】
メンブレン７０は半導体ウエハＷが受ける力により、膨張変形しようとするが、その外周部７１が固定部材６３によりテーパ面６１に押し付けられているため、ベース基盤６０の下面６０ａの最外周位置から位置ズレを起こし難くなる。これは、メンブレン７０の固定が半導体ウエハＷにより近い位置でなされるためである（図２中Ｑ参照）。したがって、メンブレン７０の膨張変形を抑えることができ、メンブレン７０がリテーナリング８０に干渉したり、ベース基盤６０が浮き上がったりすることがなく、一定の力で半導体ウエハＷを保持することができる。このため、半導体ウエハＷの面均一性を向上させることができる。
【００３２】
上述したように、本実施の形態に係る研磨装置１０によれば、メンブレン７０をベース基盤６０に堅固に取り付けることができるため、研磨工程中における膨張変形を防止することができ、研磨の面内均一性を向上させることができる。
【００３３】
また、固定力が強くなるため、メンブレン７０を固定するために必要な固定ネジ６３の数を例えば、直径３０ｃｍ程度のベース基盤６０の場合には、２４本程度から６本程度に減らすことができ、メンブレン７０交換時の作業性が向上する。
【００３４】
図３は上述した実施の形態の第１変形例を示す縦断面図である。図３において、上述しだ図１，２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３５】
本変形例においては、固定部材６３の代わりに固定部材６４を用いている。固定部材６４は、テーパ面６１とほぼ同一の傾斜面を持つリング状のテーパリング６４ａと、ベース基盤６０の上面６０ｂに平行に配置されるとともに、テーパリング６４ａを支持する第１支持板６４ｂと、この支持板６４ｂを後述する第２支持板６４ｄに固定するための固定ネジ６４ｃと、ベース基盤６０の上面６０ｂに平行に配置される第２支持板６４ｄと、この第２支持板６４ｄをベース基盤６０の上面６０ｂに固定するための固定ネジ６４ｅとを備えている。
【００３６】
固定部材６４においては、先に固定ネジ６４ｅを締め込むことで、メンブレン７０の外周部７１を先に固定し、次に、押え板６４ａを押し込んでテーパ面６１に強く押圧した状態で固定ネジ６４ｃを締め込むので、メンブレン７０の緩みを防止することができる。
【００３７】
図４は上述した実施の形態の第２変形例を示す縦断面図である。図４において、上述しだ図１，２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３８】
本変形例においては、ベース基盤６０の下面６０ａの最外周部が曲面６１ａで形成されている。このため、前述した実施の形態と同様の効果が得られるとともに、メンブレン７０にかかる応力集中を防止でき、メンブレン７０が裂けることを防止することができる。
【００３９】
図５は上述した実施の形態の第３変形例を示す縦断面図である。図５において、上述しだ図１，２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４０】
本変形例においては、固定部材６３の代わりに固定部材６５を用いている。固定部材６５は、テーパ面６１とほぼ同一の傾斜面を持つリング状のテーパリング６５ａと、ベース基盤６０の上面６０ｂに平行に配置されるとともに、テーパリング６５ａを支持する支持板６５ｂと、この支持板６５ｂをベース基盤６０の上面６０ｂに固定するための固定ネジ６５ｃと、押え板６５ａと支持板６５ｂとの間に基端部が挟持された板バネ６５ｄとを備えている。板バネ６５ｄの先端は、メンブレン７０の外周部７１をベース基盤６０の上面６０ｂの中央部側に押圧するように形成されている。
【００４１】
固定部材６５においては、押え板６５ａを押し込んでテーパ面６１に強く押圧するとともに、板バネ６５ｄの先端でメンブレン７０の外周部７１を押圧し、この状態で固定ネジ６５ｃを締め込むので、メンブレン７０の緩みを防止することができる。
【００４２】
図６は上述した実施の形態の第４変形例を示す縦断面図である。図６において、上述しだ図１，２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４３】
本変形例においては、ベース基盤６０の下面６０ａとテーパ面６１との間に、外周側に凸の断面半円状の段差６６が形成されている。このように形成されていると、押え板６３ａによりメンブレン７０がテーパ面６１に押圧されるとともに、段差６６の上面にも押圧されることとなる。これにより、さらに堅固にメンブレン７０を保持することができる。また、段差６６の曲面によりメンブレン７０にかかる応力集中を防止でき、メンブレン７０が裂けることを防止することができる。
【００４４】
この他、テーパ面６１とテーパリング６３ａの角度を一致させる必要はなく、図７に示すように、下面６０ａ側における角度差よりも上面６０ｂ側における角度差を大きくするようにすれば、テーパリング６３ａによる押圧力を下面６０ａ側でより堅固にすることができる。
【００４５】
また、メンブレン７０の交換時においては、テーパリング６３ａを取外しやすくするための機構を設けてもよい。例えば、支持板６３ｂにネジ孔を設け、このネジ孔に取り外し用のネジを押し込むことで、支持板６３ｂとベース基盤６０の上面６０ｂとの間に強制的に隙間を作るようにしてもよい。
【００４６】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施の形態に研磨装置及びこの研磨装置に組み込まれた研磨ヘッドを示す縦断面図。
【図２】同研磨ヘッドの要部を示す縦断面図。
【図３】同研磨ヘッドの第１変形例を示す縦断面図。
【図４】同研磨ヘッドの第２変形例を示す縦断面図。
【図５】同研磨ヘッドの第３変形例を示す縦断面図。
【図６】同研磨ヘッドの第４変形例を示す縦断面図。
【図７】同研磨ヘッドの第５変形例を示す縦断面図。
【図８】従来の研磨装置に組み込まれた研磨ヘッドを示す縦断面図。
【図９】同研磨ヘッドの問題点を示す縦断面図。
【図１０】同研磨ヘッドの問題点を示す縦断面図。
【符号の説明】
【００４８】
１０…研磨装置，２０…研磨ヘッド，３０…定盤，４０…駆動機構，５０…トップリング，６０…ベース基盤，６１…テーパ面，６３〜６５…テーパリング，６６…段差，７０…メンブレン。
【図１】
2007050465.tif 000003
【図２】
2007050465.tif 000004
【図３】
2007050465.tif 000005
【図４】
2007050465.tif 000006
【図５】
2007050465.tif 000007
【図６】
2007050465.tif 000008
【図７】
2007050465.tif 000009
【図８】
2007050465.tif 000010
【図９】
2007050465.tif 000011
【図１０】
2007050465.tif 000012