(57)【要約】      （修正有）【課題】ウェーハエッジ近傍に幅の狭いゾーン加圧機構を配置して微小な加圧制御を可能にするとともに、ウェーハエッジ近傍の研磨速度の変動に対して的確に制御できる加圧機構を提供する。【解決手段】研磨ヘッド１１は、研磨パッド２２に対向配置されて回転駆動されるヘッド本体１１と、ヘッド本体１１に上下方向移動自在に遊嵌支持されたキャリアと、ヘッド本体１１に上下方向移動自在に遊嵌支持され、かつ研磨時にウェーハ２０の周囲を包囲して研磨パッド２２に接触するリテーナリング１３と、からなる研磨装置において、リテーナリング１３の内周部を内側へ延設してウェーハの外周部の上面を被蔽する内周延設部１３ｄを形成し、内周延設部１３ｄの下面には、研磨時にウェーハの外周部上面を局所的に加圧するエアバッグ３１を設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨ヘッドに保持されたウェーハを、回転するプラテン上の研磨パッドに押圧するとともに、研磨パッドにスラリを供給して前記ウェーハを研磨する研磨装置であって、前記研磨ヘッドは、前記研磨パッドに対向配置されて回転駆動されるヘッド本体と、前記ヘッド本体に上下方向移動自在に遊嵌支持されたキャリアと、前記ヘッド本体に上下方向移動自在に遊嵌支持され、かつ研磨時に前記ウェーハの周囲を包囲して前記研磨パッドに接触するリテーナリングと、からなる研磨装置において、
前記リテーナリングの内周部を内側へ延設して前記ウェーハの外周部の上面を被蔽する内周延設部を形成し、
該内周延設部の下面には、研磨時に前記ウェーハの外周部上面を局所的に加圧する局所加圧手段を設けたことを特徴とする研磨装置の加圧機構。
【請求項２】
上記局所加圧手段は研磨ヘッドの回転中心に対してほぼ同心円となるリング状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の研磨装置の加圧機構。
【請求項３】
上記局所加圧手段はゴムシート製のエアバッグよりなり、該エアバッグにエアを供給する空気供給機構を連結するとともに、該エアバックのエア圧を任意に調整する制御手段が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の研磨装置の加圧機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は研磨装置の加圧機構に関するものであり、特に、化学的機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）において、研磨ヘッドに局所加圧手段を備えて研磨中のウェーハを局所的に加圧できるように形成された研磨装置の加圧機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体の微細加工が進んでおり、多層に亘ってパターンを形成することが行われている。パターンを形成した層の表面には、ある程度の凹凸が生じるのが避けられない。従来は、そのまま次の層のパターンを形成していたが、層数が増加するとともに線やホールの幅が小さくなるほど良好なパターンを形成するのが困難となり、欠陥などが生じ易くなっていた。
【０００３】
このため、パターンを形成した層の表面を研磨して平坦にした後に、次の層のパターンを形成することが行われている。このように、半導体などのウェーハ表面を研磨するには、ＣＭＰ工程による研磨装置が使用されている。此種研磨装置は、研磨ヘッドに保持されたウェーハを、回転するプラテン上の研磨パッドに押圧するとともに、研磨パッドにスラリを供給して該ウェーハを研磨する構成が一般的である。
【０００４】
前記研磨ヘッドは、研磨パッドに対向配置されて回転駆動されるヘッド本体と、該ヘッド本体に上下方向移動自在に遊嵌支持されたキャリアと、前記ヘッド本体に上下方向移動自在に遊嵌支持され、かつ研磨時に前記ウェーハの周囲を包囲して前記研磨パッドに接触するリテーナリングとから構成されている。ウェーハを均一に研磨するためには、ウェーハを均一な押圧力で研磨パッドに押し付ける必要があり、例えば、ゴムシートによるエア圧で前記研磨ヘッドのキャリアを押圧するとともに、キャリアとウェーハとの間にエアを供給して圧力エア層を形成し、前記ゴムシートからの押圧力を圧力エア層を介して伝達させてウェーハを研磨する構成が知られている（特許文献１参照）。
【０００５】
ここで、１枚のウェーハから数多くのチップを生産するためには、できる限りウェーハのエッジ（外周縁部）に近い部分まで均一に研磨する必要がある。しかし、ＣＭＰではウェーハエッジ近傍の研磨速度の変動が大きく、速度を制御するのが困難である。このため、従来の研磨装置では研磨ヘッドにゾーン（Zone）加圧と称される局所加圧機構を装備している（以下、ゾーン加圧あるいはゾーン加圧機構という）。
【０００６】
例えば、研磨ヘッドのキャリアの下面に複数のエア吹出口を設け、キャリアとウェーハとの間に配設されたゴムシートとキャリアの下面との間にエア室を形成し、研磨時は、前記エア吹出口からのエアによりゴムシートを膨らませて、エア室の圧力でウェーハのエッジ近傍を研磨パッドに押圧する研磨ヘッドの構造が知られている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平１１−０４８１３６号公報
【特許文献２】特開２００１−２１２７５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１は、ゴムシートからの押圧力を圧力エア層を介して伝達させてウェーハを研磨するように構成したので、ウェーハを比較的に均一な押圧力で研磨することができる。しかし、ウェーハを局所的に加圧する機構については、特に記載されていない。
【０００８】
特許文献２では、研磨ヘッドのキャリアの下面に複数のエア吹出口を設け、キャリア下面の中央部と外周部に区分して加圧量に変化をつける構成が記載されている。図７は特許文献２に記載されている従来の研磨ヘッド外周部近傍の構成を簡略化した説明図であり、研磨ヘッド５０のキャリア５１の下面には所々にエア吹出口５２が設けられており、キャリア５１とウェーハ５３との間に配設されたゴムシート５４の外周縁部５４ａをリテーナリング５５のホルダ５６で挟持して、キャリア５１の下面とゴムシート５４との間にエア室５７が形成されている。研磨時は、前記エア吹出口５２からのエアによりゴムシート５４が膨らみ、エア室５７の圧力でウェーハ５３のエッジ近傍を研磨パッド５８に押し付けて、ゾーン加圧している。
【０００９】
しかし、キャリア５１の外周部近傍はリテーナリング５５とホルダ５６との関係により、エア吹出口５２が形成するエア室５７のスペースが限られてしまうため、ウェーハ５３のエッジ近傍でのゾーン加圧の制御が困難であり、また、ウェーハ５３のエッジ近傍の研磨速度の変動は狭い範囲で変化する場合もあって、キャリア５１の外周部近傍に、幅の狭いゾーン加圧機構を配置するのは限界があった。
【００１０】
そこで、ウェーハエッジ近傍に幅の狭いゾーン加圧機構を配置して微小な加圧制御を可能にするとともに、ウェーハエッジ近傍の研磨速度の変動に対して的確に制御できる加圧機構を提供するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、研磨ヘッドに保持されたウェーハを、回転するプラテン上の研磨パッドに押圧するとともに、研磨パッドにスラリを供給して前記ウェーハを研磨する研磨装置であって、前記研磨ヘッドは、前記研磨パッドに対向配置されて回転駆動されるヘッド本体と、前記ヘッド本体に上下方向移動自在に遊嵌支持されたキャリアと、前記ヘッド本体に上下方向移動自在に遊嵌支持され、かつ研磨時に前記ウェーハの周囲を包囲して前記研磨パッドに接触するリテーナリングと、からなる研磨装置において、前記リテーナリングの内周部を内側へ延設して前記ウェーハの外周部の上面を被蔽する内周延設部を形成し、該内周延設部の下面には、研磨時に前記ウェーハの外周部上面を局所的に加圧する局所加圧手段を設けたことを特徴とする研磨装置の加圧機構を提供する。
【００１２】
この構成によれば、リテーナリングの内周延設部がウェーハの外周部を上面から被蔽するように形成し、この内周延設部に設けられた局所加圧手段によってウェーハの外周部を局所的に加圧するため、ウェーハエッジ最外周までゾーン加圧することができる。また、リテーナリング側にはスペースに余裕があるため、微小な加圧機構を複数設けることも可能であり、ウェーハエッジ近傍の微細なゾーン加圧制御を行うことができる。
【００１３】
請求項２記載の発明は、上記局所加圧手段は研磨ヘッドの回転中心に対してほぼ同心円となるリング状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の研磨装置の加圧機構を提供する。
【００１４】
この構成によれば、局所加圧手段はリング状に形成されており、ウェーハの外周部を偏ることなく均等に加圧する。
【００１５】
請求項３記載の発明は、上記局所加圧手段はゴムシート製のエアバッグよりなり、該エアバッグにエアを供給する空気供給機構を連結するとともに、該エアバックのエア圧を任意に調整する制御手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載の研磨装置の加圧機構を提供する。
【００１６】
この構成によれば、局所加圧手段がゴムシート製のエアバッグよりなり、制御手段によりエアバッグのエア圧を任意に制御するため、ウェーハエッジ近傍の研磨速度の変動に応じて、微細なゾーン加圧制御を行うことができる。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１記載の発明は、リテーナリングの内周延設部に局所加圧手段を設けたので、ウェーハエッジ最外周までゾーン加圧することができる。また、リテーナリング側にはスペースに余裕があるため、微小な加圧機構を複数設けることも可能であり、ウェーハエッジ近傍の微細なゾーン加圧制御を行うこともでき、より一層微細な制御が可能となる。
【００１８】
請求項２記載の発明は、局所加圧手段がリング状に形成されているので、請求項１記載の発明の効果に加えて、ウェーハの外周部を偏ることなく均等に加圧することができ、正確なエッジコントロールができる。
【００１９】
請求項３記載の発明は、局所加圧手段がゴムシート製のエアバッグよりなり、制御手段によりエアバッグのエア圧を任意に制御するので、請求項１または２記載の発明の効果に加えて、研磨レートを上げることが可能となり、幅広いエッジコントロールができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係る研磨装置の加圧機構について、好適な実施例をあげて説明する。ウェーハエッジ近傍に幅の狭いゾーン加圧機構を配置して微小な加圧制御を可能にするという目的を達成するために、本発明は、研磨ヘッドに保持されたウェーハを、回転するプラテン上の研磨パッドに押圧するとともに、研磨パッドにスラリを供給して前記ウェーハを研磨する研磨装置であって、前記研磨ヘッドは、前記研磨パッドに対向配置されて回転駆動されるヘッド本体と、前記ヘッド本体に上下方向移動自在に遊嵌支持されたキャリアと、前記ヘッド本体に上下方向移動自在に遊嵌支持され、かつ研磨時に前記ウェーハの周囲を包囲して前記研磨パッドに接触するリテーナリングと、からなる研磨装置において、前記リテーナリングの内周部を内側へ延設して前記ウェーハの外周部の上面を被蔽する内周延設部を形成し、該内周延設部の下面には、研磨時に前記ウェーハの外周部上面を局所的に加圧するリング状の局所加圧手段を設けたことにより実現した。
【実施例１】
【００２１】
図１は本発明に係る研磨ヘッドの加圧機構を示した研磨ヘッド外周部近傍の断面図である。本実施例では、加工対象物の基板としてウェーハ２０を研磨するものとし、研磨ヘッド１０に保持されたウェーハ２０を、回転するプラテン２１上の研磨パッド２２に押圧するとともに、研磨パッド２１にスラリ（図示せず）を供給して前記ウェーハ２０を研磨する研磨装置について説明する。
【００２２】
研磨ヘッド１０は、ヘッド本体１１と、キャリア１２と、リテーナリング１３とから構成されている。前記ヘッド本体１１は、研磨パッド２２に対向配置され、図示しないモータにより回転駆動される。
【００２３】
一方、前記キャリア１２は、前記ヘッド本体１１に上下方向移動自在に遊嵌支持されており、ヘッド本体１１とキャリア１２との間にエアバッグ１４が設けられている。前記キャリア１２は、ウェーハ２０を吸着保持するキャリア本体１２ａと、該キャリア本体１２ａの上部に設けられて前記エアバッグ１４からの押圧力をキャリア本体１２ａに伝達するキャリア押圧部材１２ｂとからなる。
【００２４】
また、前記リテーナリング１３は、前記ヘッド本体１１に上下方向移動自在に遊嵌支持されており、ヘッド本体１１とリテーナリング１３との間にエアバッグ１５が設けられている。前記リテーナリング１３は、研磨時に前記ウェーハ２０の周囲を包囲して前記研磨パッド２２に接触するリテーナリング本体１３ａと、該リテーナリング本体１３ａの上部に設けられて前記エアバッグ１５からの押圧力をリテーナリング本体１３ａに伝達するリテーナリング押圧部材１３ｂ，１３ｃとからなる。
【００２５】
前記ヘッド本体１１に設けられているエアバッグ１４，１５は、エアポンプ１６とレギュレータ１７，１８などからなる空気供給手段に連結され、制御手段であるコントローラ３０の制御によってエアバッグ１４，１５のエア圧を任意に調整し、ウェーハ圧力Ｐ１とリテーナリング圧力Ｐ２をそれぞれ制御するように構成されている。
【００２６】
前記キャリア本体１２ａの下面には複数のエア吹出口（図示せず）を設けてあり、キャリア本体１２ａとウェーハ２０との間に配設されたゴムシート２３の外周縁部２３ａをリテーナリング１３で挟持して、キャリア１２の下面とゴムシート２３との間にエア室２４が形成されている。
【００２７】
一方、前記リテーナリング押圧部材１３ｂは、その内周部が内側に延設されて内周延設部１３ｄが形成され、該内周延設部１３ｄが前記ウェーハ２０の外周部上面を被蔽するように形成されている。また、該リテーナリングの内周延設部１３ｄの下面には、局所加圧手段としてゴムシート製のエアバッグ３１が設けられている。
【００２８】
前記リテーナリングの内周延設部１３ｄに設けられているエアバッグ３１は、研磨ヘッド１０の回転中心に対してほぼ同心円となるリング状に形成されており、該エアバッグ３１はエアポンプ１６とレギュレータ１９などからなる空気供給手段に連結され、前記コントローラ３０の制御により、エアバッグ３１に供給されるエア圧を任意に調整できるように形成されている。
【００２９】
図２は図１のＡ部の拡大図であり、前記リテーナリングの内周延設部１３ｄに設けられているエアバッグ３１にエアを供給して膨らますことにより、ウェーハ２０の外周部が局所的に加圧される。従来のように、キャリアの外周部近傍に加圧機構を設けた構成と比較して、本発明のように、リテーナリングの内周延設部１３ｄに加圧機構を設けたことにより、ウェーハ２０のエッジ最外周までゾーン加圧（Ｐ３）することができ、より一層微細な制御が可能となる。また、連続したリング状のエアバッグ３１で加圧機構を形成したので、ウェーハ２０の外周部を偏ることなく均等に加圧することができ、正確なエッジコントロールができる。
【００３０】
図示例では、幅５〜１０mmのリング状のエアバッグ３１を使用しているが、エアバックの大きさおよび設置位置はこれに限定されることはなく、前記リテーナリング押圧部材１３ｂを交換することにより、エアバックを他のリング形状のものに簡単に変更することができる。
【００３１】
図３はゾーン加圧機構の他の実施形態を示す説明図であり、例えば図３（ａ）は、前記リテーナリングの内周延設部１３ｄに２つのエアバッグ３１，３１を連続的に配置してあり、それぞれを独立して加圧することにより、エッジレートのばらつきを抑止することができ、より一層微細なゾーン加圧制御を行うことができる。
【００３２】
図３（ｂ）はウェーハ２０のエッジ最外周をゾーン加圧する場合の構成、図３（ｃ）は図３（ｂ）よりもやや内側でリテーナリングの内周延設部１３ｄのほぼ中央位置をゾーン加圧する場合の構成、図３（ｄ）は図３（ｂ）よりもさらに内側でリテーナリングの内周延設部１３ｄの内周位置をゾーン加圧する場合の構成をそれぞれ示している。また、図３（ｅ）はリテーナリングの内周延設部１３ｄの内周から外周に亘り幅広位置をゾーン加圧する構成を示している。
【００３３】
このように、制御内容に応じて、リテーナリング押圧部材１３ｂを交換することにより、種々のリング形状のエアバッグ３１により異なる位置のゾーン加圧機構が簡単に得られる。そして、ウェーハ２０のエッジ最外周まで精度よく研磨できるようになったことから、ウェーハ２０の研磨面積が大きくなり、１つのウェーハ２０から取れるチップの個数が増加して生産性の向上に寄与できる。
【実施例２】
【００３４】
実施例１では、リテーナリングの内周延設部１３ｄに、ゾーン加圧機構であるエアバッグ３１を設けた構成について説明したが、実施例２では、キャリアにエアバッグが設けられている従来型の研磨ヘッドで、エアシール位置を内側へ移動させて実験した結果について説明する。
【００３５】
図４（ａ）は従来型の研磨ヘッド４０を示し、キャリア４１の外周部近傍にエアバッグ４２が設けられ、その外側位置でキャリア４１の最外周部下面にエアシール４３が装着されている。符号４４はエアフィルム、４５はメンブレンシートである。
【００３６】
図４（ｂ）はエアバッグ４２Ａの内側にエアシール４３Ａを移動して装着したテスト用の研磨ヘッド４０Ａを示している。このように、ゾーン加圧機構はリテーナリングに設けるのではなく、キャリア４１Ａに設けられている構成であるが、研磨原理は本発明に非常に近い状態となっている。
【００３７】
図５（ａ）は研磨ヘッドの各位置における研磨速度の変動を表したグラフであり、同図における研磨ヘッドの外周部近傍（Ｂ部）の拡大図を図５（ｂ）に示している。前記テスト用の研磨ヘッド４０Ａでゾーン加圧をしないで研磨したときは、Ｌ１のように、エアシール４３Ａを装着した位置より外周部分は研磨レートが低下した状態となっている。この状態からゾーン加圧をしていくと、ゾーン加圧の増加に伴って、Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５と順次研磨レートを上昇させることができ、幅広いエッジコントロールを行うことが可能である。
【００３８】
この実験における条件は下記の通りである。
○ゴムの厚さ：0.4〜1.0mm
○ゴムの硬度：JIS Aスケール20〜60
○ゴムの素材：EPD、シリコンゴム、ウレタンゴム、NBR
○供給圧の範囲：1kPa〜100kPa
○リング素材：PEEK、PPS
○リングホルダー（押圧部材）素材：PEEK、PPS、SUS、AL
□PAD ：ROHM&HAAS IC1000A21
□Slurry：Cabot Microelectronics Semi-Sperse 25(2 Times dilution)/300ml/min
□Wafer：PETEOS
□Platen Speed/Head Speed：100rpm/100rpm
□Wafer Pressure/Retainer Pressure：3.5psi/1.0psi
【００３９】
図６は、実験結果に基づくウェーハエッジの圧力分布モデル図を示す。エアフィルム層がないエリアでは、圧力が外周へ行くほど低下する。しかし、そのエリアをゾーン加圧することにより、「加圧１」「加圧２」「加圧３」のように、圧力コントロールを行うことが可能である。また、本実験ではウェーハのエッジ先端まで圧力コントロールが可能であった。
【００４０】
なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る実施例１における研磨ヘッド外周部近傍の断面図。
【図２】図１のＡ部の拡大図。
【図３】実施例１におけるゾーン加圧機構の他の実施形態を示す説明図。
【図４】実施例２における研磨ヘッド外周部近傍の断面図。
【図５】実施例２における研磨ヘッドの研磨速度の変動を表したグラフ。
【図６】実施例２におけるウェーハエッジの圧力分布モデル図。
【図７】従来の研磨ヘッド外周部近傍の説明図。
【符号の説明】
【００４２】
１０      研磨ヘッド
１１      ヘッド本体
１２      キャリア
１２ａ    キャリア本体
１２ｂ    キャリア押圧部材
１３      リテーナリング
１３ａ    リテーナリング本体
１３ｂ，１３ｃ    リテーナリング押圧部材
１３ｄ            内周延設部
１４，１５        エアバッグ
１６              エアポンプ
１７，１８，１９  レギュレータ
２０      ウェーハ
２１      プラテン
２２      研磨パッド
２３      ゴムシート
２３ａ    外周縁部
２４      エア室
３０      コントローラ
３１      エアバッグ
４０，４０Ａ    研磨ヘッド
４１，４１Ａ    キャリア
４２，４２Ａ    エアバッグ
４３，４３Ａ    エアシール
４４            エアフィルム
４５            メンブレンシート
【図１】
2009045685.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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