(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハの表面をポリシングする装置のキャリアヘッドにおいて、
主表面を有する堅牢なプレートと、
半導体ウェハに接触するためのウェハ接触区分を有する柔軟でフレキシブルな材料のウェハキャリア膜であって、上記堅牢なプレートに接続され、そして上記主表面の少なくとも一部分にわたって延びて、それらの間に空洞を画成するウェハキャリア膜と、
上記ウェハキャリア膜のウェハ接触区分のまわりで上記堅牢なプレートに固定された保持リングと、
真空源及び加圧流体源を上記空洞に交互に接続するところの流体コンジットとを備えたことを特徴とするキャリアヘッド。
【請求項２】
上記ウェハキャリア膜は、上記ウェハ接触区分を貫通する複数の孔を有する請求項１に記載のキャリアヘッド。
【請求項３】
上記ウェハ接触区分における上記ウェハキャリア膜の厚みは０．５ｍｍないし３．０ｍｍである請求項１に記載のキャリアヘッド。
【請求項４】
上記ウェハキャリア膜の上記ウェハ接触区分は、上記堅牢なプレートに接続されたベローにより取り巻かれる請求項１に記載のキャリアヘッド。
【請求項５】
上記ウェハキャリア膜は、更に、上記ベローのまわりに延びて上記堅牢なプレートに当接するフランジを備えた請求項４に記載のキャリアヘッド。
【請求項６】
上記ウェハキャリア膜は、更に、上記ウェハ接触区分に取り付けられた第１の端、及び第２の端を有する環状ベローと、上記第２の端から突出しそして上記主表面と保持リングとの間にサンドイッチされたフランジとを含む請求項１に記載のキャリアヘッド。
【請求項７】
上記堅牢なプレートは、上記主表面に複数の溝を有し、そして上記流体コンジットは、これら複数の溝と連通する請求項１に記載のキャリアヘッド。
【請求項８】
上記堅牢なプレートは、上記主表面に複数の同心的な環状の溝を有する請求項１に記載のキャリアヘッド。
【請求項９】
上記堅牢なプレートは、更に、上記複数の同心的な環状の溝を相互接続する交差溝を含む請求項８に記載のキャリアヘッド。
【請求項１０】
上記堅牢なプレートは、更に、上記複数の同心的な環状の溝を相互接続する複数の半径方向に延びる溝を上記主表面に含む請求項８に記載のキャリアヘッド。
【請求項１１】
上記半導体ウェハは、第１の直径を有し、そして上記保持リングは、その第１の直径よりも５ｍｍ未満だけ大きい内径を有する請求項１に記載のキャリアヘッド。
【請求項１２】
上記半導体ウェハは、第１の直径を有し、そして上記保持リングは、その第１の直径よりも２ｍｍ未満だけ大きい内径を有する請求項１に記載のキャリアヘッド。
【請求項１３】
上記保持リングの表面は、半導体ウェハの表面と実質的に同一平面である請求項１に記載のキャリアヘッド。
【請求項１４】
上記空洞内に流体を含み、この流体は、空気、窒素及び水より成るグループから選択される請求項１に記載のキャリアヘッド。
【請求項１５】
上記空洞内に流体を含み、この流体は、１５ｐｓｉ未満の圧力を有する請求項１に記載のキャリアヘッド。
【請求項１６】
半導体ウェハをポリシングする装置のキャリアヘッドにおいて、
主表面を有し、この主表面に複数の溝が設けられた堅牢なプレートと、
半導体ウェハに接触するためのウェハ接触区分及びこれを貫通する複数の孔を有するウェハキャリア膜と、
上記堅牢なプレートに固定された保持リングであって、上記主表面とこの保持リングとの間に上記ウェハキャリア膜の一部分がサンドイッチされて、上記ウェハキャリア膜と堅牢なプレートとの間に空洞を画成するような保持リングと、
上記プレートに接続され、真空源及び加圧流体源を交互に上記複数の溝に接続するところの流体コンジットとを備えたことを特徴とするキャリアヘッド。
【請求項１７】
上記堅牢なプレートの複数の溝は、複数の同心的な環状の溝と、これら複数の同心的な環状の溝を相互接続する複数の交差溝とを含む請求項１６に記載のキャリアヘッド。
【請求項１８】
半導体ウェハをポリシングする装置のキャリアヘッドにおいて、
主表面を有する堅牢なプレートと、
半導体ウェハに接触するためのウェハ接触区分及びこれを貫通する複数の孔を有すると共に、上記ウェハ接触区分から突出して上記堅牢なプレートに当接する環状のベローを有するウェハキャリア膜と、
上記堅牢なプレート及び環状のベローに接続されて、上記ウェハキャリア膜と堅牢なプレートとの間に空洞を画成する保持リングと、
真空源及び加圧流体源を交互に上記空洞に接続するところの流体コンジットとを備えたことを特徴とするキャリアヘッド。
【請求項１９】
上記ウェハキャリア膜の環状ベローは、そこから延びて上記主表面と保持リングとの間にサンドイッチされたフランジを有する請求項１８に記載のキャリアヘッド。
【請求項２０】
上記堅牢なプレートは、主表面に複数の溝を有する請求項１８に記載のキャリアヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体処理装置に係り、より詳細には、ポリシング中に半導体ウェハを保持するためのキャリアに係る。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェハは、ウェハ上に電気回路を形成する処理段階を実行する前に滑らかな平坦な仕上げを行うためにポリシングされる。このポリシングは、ウェハをキャリアに固定し、キャリアを回転し、そして回転するポリシングパッドを回転するウェハに接触配置することにより遂行される。この技術は、このポリシング作業中に使用する種々の形式のウェハキャリアで充分に達成される。一般の形式のキャリアは、モータで回転されるシャフトにしっかりと取り付けられる。通常はポリシング研磨剤が液体中に懸濁されたものより成る湿式のポリシングスラリがポリシングパッドに塗布される。ポリシング作業中に回転するウェハと回転するポリシングパッドとの間に下方のポリシング圧力が与えられる。このシステムは、半導体ウェハの表面を適切にポリシングするためにウェハキャリアとポリシングパッドを完全に並列に整列することを必要とする。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ウェハキャリアは、典型的に、ポリシングされる表面とは反対のウェハの表面に適合しない堅牢な平らなプレートである。従って、キャリアプレートは、ウェハの全面にわたり、特に、ウェハの縁において均一なポリシング圧力を付与することができない。この問題を克服する試みにおいて、堅牢なキャリアプレートはしばしば柔軟なキャリアフィルムでカバーされている。このフィルムの目的は、ウェハの裏面に均一な圧力を伝達して、均一なポリシングを助けることである。キャリアプレートとウェハ裏面との間の表面の凹凸を補償するのに加えて、このフィルムは、ウェハ表面上の僅かな汚染物に対しても平滑化を与えると考えられる。このような汚染物は、このようなキャリアフィルムがない場合に圧力の強い領域を形成する。不都合にも、これらフィルムは、部分的に有効であるだけで、融通性に限度があり、そして繰り返し使用した後に「硬化」する傾向がある。特に、硬化は、半導体ウェハの縁において最悪に現れる。
【０００４】
従来の装置を使用して半導体ウェハをポリシングする際の別の欠点は、半導体ウェハの縁付近の小さな領域において激しく研磨されることである。この縁作用は、ウェハ表面に対する均一なポリシング速度を仮定すれば、次の２つの主たる要因によって生じる。（１）縁領域の近くでの圧力変動（公称ポリシング圧力からの）、及び（２）ポリシングパッドと半導体ウェハの縁との間の相互作用。
【０００５】
この後者の要因は、回転するポリシングパッドにウェハを押し付けるキャリアの圧力によるものである。従って、ポリシングパッドは、ウェハの下で圧縮されそしてどこかでその通常の厚みへと伸ばされる。ウェハの先縁は、ポリシングパッドの新たな区分に乗るときにポリシングパッドを下方に押すことが必要とされる。その結果、各ウェハの外側の環状領域がより激しく磨耗し、電気回路の製造には使用できなくなる。ウェハの全域を電気回路の製造に使用できることが望まれる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一般的な目的は、半導体ウェハをポリシングするための改良されたウェハキャリア機構を提供することである。
本発明の別の目的は、半導体ウェハの全域に均一な圧力を付与するキャリアを提供することである。
【０００７】
本発明の更に別の目的は、半導体ウェハの裏面に接触しそしてその裏面の凹凸に適合するキャリア表面を提供することである。好ましくは、キャリアプレートの表面は、半導体ウェハの裏面の僅かな凹凸にも適合しなければならない。
本発明の更に別の目的は、従来のキャリアにより形成された半導体ウェハの縁付近の大きな浸食を排除するキャリアプレートを提供することである。
【０００８】
これら及び他の目的は、半導体ウェハポリシング装置のためのキャリアヘッドであって、主表面を有する堅牢なプレートを含むキャリアヘッドにより達成される。柔軟なフレキシブルな材料のウェハキャリア膜は、半導体ウェハに接触するためのウェハ接触区分を有する。ウェハキャリア膜は、堅牢なプレートに接続され、そして主表面の少なくとも一部分にわたって延びて、それらの間に空洞を画成する。ウェハキャリア膜のウェハ接触区分の周りで堅牢なプレートに保持リングが固定される。流体コンジットは、真空源及び加圧流体源を空洞に交互に接続できるようにする。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態においては、プレートの主表面が複数の開放溝を有し、これらは、プレートとウェハキャリア膜との間に流体が流れるのを助ける。
例えば、主表面は、複数の半径方向に延びる溝により相互接続された複数の同心的な環状の溝を有する。
ウェハキャリア膜は、好ましい実施形態においては、フランジが外方に延びるところのベローによってウェハ接触区分を取り巻く。フランジは、主表面と保持リングとの間にサンドイッチされて、空洞を形成する。
【００１０】
ポリシング中に、空洞は流体で加圧され、これにより、膜が半導体ウェハに対して力を及ぼし、ウェハを隣接するポリシングパッドに押し付ける。ウェハキャリア膜は、非常に薄く、柔軟で且つ非常にフレキシブルであるので、ポリシングされるべき表面とは反対の半導体ウェハの裏面に適合する。ウェハ表面の僅かな変化にも適合することにより、膜は、半導体ウェハの全裏面にわたり均一に圧力を及ぼし、均一なポリシングを行えるようにする。
【００１１】
保持リングの下縁は、ポリシングパッドに接触し、そしてポリシングされる半導体ウェハ表面と実質的に同一平面となる。この同一平面関係と、保持リングの内径と半導体ウェハの外径との間の非常に小さなギャップとにより、公知のポリシング技術で遭遇した縁研磨作用が大巾に減少される。保持リングは、半導体ウェハの縁に達する前にポリシングパッドを予め圧縮する。保持リングと半導体ウェハの縁との間に非常に小さなギャップしかない状態では、従来遭遇した縁研磨作用を生じるようにポリシングパッドがそのギャップにおいて著しく延びることはない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
最初に図１を参照すれば、半導体ウェハポリシング装置は、スピンドルシャフト１２に取り付けられたキャリアヘッド１０を有し、スピンドルシャフト１２はジンバル組立体（図示せず）により回転駆動機構に接続される。スピンドルシャフト１２の端は、堅牢なキャリアプレート１４にしっかりと取り付けられ、それらの間にはフレキシブルなシールリング１６があって、スピンドルシャフトとキャリアプレートとの間に流体が漏れるのを防止する。キャリアプレート１４は、平らな上面１８と、それに平行な下面２０とを有する。
【００１３】
キャリアプレート１４の下面２０は、図２に示すように、複数の溝を有している。より詳細には、下面２０は、中央のくぼんだ領域２２と、直径が増大する順に３つの離間された同心的な環状の溝２３、２４及び２５とを有する。下面２０の周縁には環状のくぼみ２６が延びている。中央のくぼみ２２から環状の溝２３−２５の各々を通過して周囲のくぼみ２６へと９０°の間隔で４つの軸方向溝３１、３２、３３及び３４が延びている。従って、環状の溝、中央のくぼみ、及び周囲のくぼみの各々は、軸方向の溝３１−３４を通して互いに連通する。
【００１４】
４つの穴３６が中央のくぼみ２２からキャリアプレート１４を経て上面１８のくぼみへと延びており、ここには、図１に示すように、スピンドルシャフト１２が受け入れられる。穴３６は、スピンドルシャフト１２の端を経て穴３８と連通し、これにより、スピンドルシャフト１２の中央ボア３９からキャリアプレート１４の下面へ至る通路が形成される。
【００１５】
キャリアプレート１４の下面２０には、周囲のくぼみ２６において保持リング４０が取り付けられる。この保持リング４０は、複数のキャップネジ４２により固定され、これらのネジは、キャリアプレート１４の周囲のくぼみ２６へと開いた穴４４内に受け入れられる。キャリアプレート１４と保持リング４０との間には円形のウェハキャリア膜４６が保持され、この膜は、キャリアプレートの下面２０にわたって張られて、キャリアプレートの下にフレキシブルなダイヤフラムを形成する。ウェハキャリア膜４６は、成形ポリウレタンで形成されるのが好ましいが、多数の柔軟な弾力性材料のいずれかの薄いシートを用いてもよい。
【００１６】
更に、図３を参照すれば、フレキシブルなウェハキャリア膜４６は、相対的に平らな円形のウェハ接触区分４８を有し、複数の孔５０がこれを貫通して延びている。中央のウェハ接触区分４８は、厚みが０．５ないし３．０ｍｍであり、例えば、１．０ｍｍの厚みである。中央のウェハ接触区分４８は、環状のリム５２によって接合され、このリムは、キャリアプレート１４の下面２０と、膜４６のウェハ接触区分４８との間の間隔の変化を許すためにベロー部分５４を有している。ウェハ接触区分４８とは反対のリム５２の縁は、外方に延びるフランジ５６を有し、このフランジは、キャップネジ４２により与えられる力によりキャリアプレート１４の周囲のくぼんだ面と保持リング４０との間に締め付けられる。
【００１７】
半導体ウェハを処理するために、キャリアヘッド１０は、ウェハ蓄積領域上を移動されそして半導体ウェハ６０へと下げられる。スピンドルシャフト１２は、回転カプリング及びバルブ（図示せず）によって真空源に接続される。キャリアヘッドが半導体ウェハ６０上に配置された状態で、真空バルブが開放され、キャリアプレート１４とウェハキャリア膜４６との間に形成された空洞５８を排気する。この動作によりウェハキャリア膜４６の小さな孔５０を経てこの空洞５８へ空気が引かれ、半導体ウェハ６０をウェハキャリア膜に対して引っ張る吸引力が形成される。チャンバ５８の排気は、キャリアプレート１４の下面２０に対して膜を引っ張るが、下面にある溝２３−３４のパターンにより、膜４６の孔５０を経て空気を引っ張り続ける流路が形成され、これにより、半導体ウェハ６０をキャリアヘッド１０に対して保持する。保持リング４０の内径は、半導体ウェハ６０の外径よりも大きいが、その程度は５ｍｍ以下（好ましくは、１ないし２ｍｍ以下）であることに注意されたい。
【００１８】
キャリアヘッド１０と、把持されたウェハ６０は、図１に示すように、標準的な回転プラテン６４に取り付けられた従来の半導体ウェハポリシングパッド６２上へ移動される。次いで、キャリアヘッド１０が下げられ、ウェハ６０がポリシングパッド６２の表面に接触する。次いで、真空源のバルブが閉じられ、加圧流体がスピンドルシャフト１２のボア３９へ導入される。この流体は、半導体ウェハ６０の表面と反応しないドライエア又は窒素のようなガスであるのが好ましいが、脱イオン水のような液体を使用してもよい。流体は、ボア３９からスピンドルシャフトの穴３８及びキャリアプレート１４の穴３６を経てキャリアプレート１４の底面２０の溝２３−３４のパターンへと流れ、キャリアプレートとフレキシブルなウェハキャリア膜４６との間の空洞５８を満たす。この作用により空洞５８が膨らみ、ウェハキャリア膜４６のベロー５４が伸びると共に、半導体ウェハ６０に圧力が及ぼされる。流体は、半導体ウェハ６０の特性と、ポリシングパッド６２に付与される研磨剤とに基づいて正確な圧力で１５ｐｓｉ未満に（好ましくは０．５ｐｓｉないし１０ｐｓｉ）に加圧される。流体からの圧力は、空洞５４の全体に均一に分布され、均一な下方の力を半導体ウェハ６０に及ぼす。
【００１９】
膜は、非常に薄いので、半導体ウェハ６０の上面に適合する。膜４６は、柔軟で且つ非常にフレキシブルであり、ウェハ表面の僅かな凹凸にも適合する。その結果、膜は、半導体ウェハ６０の裏面の僅かな表面汚染物にも適合するので、ウェハと膜との間にキャリアフィルムは必要とされない。
【００２０】
ポリシング作業中に、キャリアヘッド１０は、機械的に下方に押され、保持リング４０がポリシングパッド６２を押圧する。ポリシングパッドに接触する保持リング４０の下縁６５は、ポリシングされる半導体ウェハの表面と実質的に同一平面となる。この同一平面関係と、保持リング４０の内径と半導体ウェハ６０の外径との間の差が非常に小さい（＜５ｍｍ）ことにより、公知のポリシング技術で遭遇した縁研磨作用が著しく低減される。この研磨作用は、半導体ウェハがパッドに対して回転されるときに半導体ウェハの縁によりポリシングパッドを押圧することによるものである。図１から明らかなように、本発明のキャリア組立体の保持リング４０は、ポリシングパッドを押圧し、そして保持リング４０の内面と半導体ウェハ６０の縁との間には非常に小さなギャップしか存在しないので、ポリシングパッドは、このギャップにおいて著しく伸びず、従って、従来遭遇した甚だしい縁研磨作用が排除される。
【００２１】
更に、本発明の空気まくら式のウェハキャリアヘッド１０は、半導体ウェハの全域にわたり、特に、ウェハの縁において非常に均一なポリシング圧力を付与する。一体的ベロー５４を伴うウェハキャリア膜４６の著しいフレキシビリティと柔軟さにより、キャリア膜４６は、パッドの変動、パッドのコンディショニング及びスラリーの流量のようなポリシングプロセスの幾つかの観点によって生じる半導体ウェハ６０の表面の僅かな擾乱に応答することができる。従って、フレキシブルなウェハキャリア膜は、このような変動を自動的に補償することができ、そして半導体ウェハ６０とポリシングパッド６２との間に均一な圧力を与えることができる。これらの擾乱に関連したエネルギーは、半導体ウェハの局部的なポリシング率を高めるのではなく、ウェハキャリア膜４６の後方の空洞５８の流体により吸収される。
【００２２】
本発明のウェハキャリアヘッド１０のこれらの特徴は、半導体ウェハにわたり均一なポリシングを生じ、全ウェハ表面を回路の製造に使用できるようにする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるウェハキャリアの直径方向の断面図である。
【図２】図１の２−２線に沿った断面図である。
【図３】図１の断面図の拡大図で、フレキシブルなウェハキャリア膜を詳細に示す図である。
【符号の説明】
１０  キャリアヘッド
１２  スピンドルシャフト
１４  キャリアプレート
１６  シールリング
１８  キャリアプレートの上面
２０  キャリアプレートの下面
２２  中央のくぼみ領域
２３、２４、２５  同心的な環状の溝
２６  環状のくぼみ
３１、３２、３３、３４  軸方向の溝
３６、３８  穴
３９  ボア
４０  保持リング
４６  ウェハキャリア膜
４８  円形のウェハ接触区分
５０  孔
５４  ベロー部分
５６  フランジ
５８  空洞
６０  半導体ウェハ
６２  ポリシングパッド
【図１】
0003937368.tif 000002
【図２】
0003937368.tif 000003
【図３】
0003937368.tif 000004