(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に研磨すべきウェーハの一面を当接させてこの状態で前記プラテンと前記ウェーハとを相対移動させることで該ウェーハの研磨を行う研磨装置に用いられて、前記ウェーハを保持して前記研磨パッドに当接させるウェーハ研磨用ヘッドであって、
天板部と該天板部の外周下方に設けられた筒状の周壁部とからなるヘッド本体と、
前記ヘッド本体内にヘッド軸線に対し略垂直に張られたダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムと前記ヘッド本体との間に形成される流体室内に流体を供給し、かつ前記流体室内の圧力を調整する流体供給機構と、
前記ダイヤフラムに固定されこのダイヤフラムとともに前記ヘッド軸線方向に変位可能に設けられ、前記ウェーハの一面を保持するためのサブキャリアとを備え、
前記流体供給機構が、前記流体として、気体と洗浄液とを併せて供給し、
前記ヘッド本体が、前記流体室から前記ヘッド先端部まで前記洗浄液を導く洗浄液管路を有し、
該洗浄液管路に、制御装置によって開閉を操作されるバルブが設けられていることを特徴とするウェーハ研磨用ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェーハなどのウェーハ表面を研磨する装置に用いられるウェーハ研磨用ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体製造装置の高集積化に伴うパターンの微細化が進んでおり、特に多層構造の微細なパターンの形成が容易かつ確実に行われるために、パターンが形成される半導体ウェーハ自体及びパターンを形成する過程における半導体ウェーハの表面を極力平坦化させることが重要となってきている。その場合、半導体ウェーハ（以下、単にウェーハという）の表面を研磨するために平坦化の度合いが高い化学的機械的研磨法（ＣＭＰ法）が脚光を浴びている。
【０００３】
ＣＭＰ法とは、砥粒剤としてＳｉＯ2を用いたアルカリ溶液やＳｅＯ2を用いた中性溶液、あるいはＡｌ2Ｏ3を用いた酸性溶液等を用いて化学的・機械的にウェーハ表面を研磨し、平坦化する方法である。
そして、ＣＭＰ法を用いてウェーハの表面を研磨する装置としては、次のような研磨装置が知られている。
【０００４】
この研磨装置１は、図２の要部拡大斜視図に概略的に示すように、中心軸２に取り付けられた円板状の回転テーブル３（プラテン）上に例えば硬質ウレタンからなる研磨パッド４が設けられ、この研磨パッド４に対向してかつ研磨パッド４の中心軸２から偏心した位置に、自転可能なウェーハ研磨用ヘッド５が配設されているものである。
このウェーハ研磨用ヘッド５は、研磨パッド４よりも小径の略円盤形状とされて、図示せぬアームによって上端を保持された状態で、その下部すなわちヘッド先端部でウェーハ６を保持して研磨パッド４に当接させるものである。
そして、ウェーハ６の研磨に際して、例えば上述した砥粒剤が液状のスラリーＳとして研磨パッド４上に供給されているため、このスラリーＳがウェーハ研磨用ヘッド５に保持されたウェーハ６と研磨パッド４との間に流動して、ウェーハ研磨用ヘッド５に保持されたウェーハ６が自転し、同時に研磨パッド４が中心軸２を中心として回転するために、研磨パッド４でウェーハ６の一面が研磨される。
【０００５】
ところで、このようなＣＭＰ法を用いる研磨装置においては、研磨を続けることで、ウェーハ研磨用ヘッド５の内部に侵入したスラリーＳが、乾燥したり、研磨時に生じる摩擦熱等によって変質するなどして凝集またはゲル化し、固形物またはそれに準じる半固形物を生じさせてしまう。このようにして生じた固形物または半固形物がウェーハ研磨用ヘッド５から研磨パッド４上に流出すると、ウェーハ６の表面を損傷させる原因となるので、従来は、ウェーハ研磨用ヘッドの洗浄を行えるよう、シャワー等の洗浄装置を用いたり、内部からの洗浄が可能なウェーハ研磨用ヘッド５ａ（図３の正断面図参照）を用いている。
【０００６】
ウェーハ研磨用ヘッド５ａは、天板部１３と天板部１３の外周下方に設けられた筒状の周壁部１４とからなるヘッド本体１２と、ヘッド本体１２内にヘッド軸線に対し略垂直に張られたダイヤフラム１５と、ダイヤフラム１５とヘッド本体１２との間に形成される流体室２４内の圧力（例えば空気圧等）を調整する圧力調整機構３１と、ダイヤフラム１５に固定されこのダイヤフラム１５とともにヘッド軸線方向に変位可能に設けられ、ウェーハ６の一面を保持するためのサブキャリア１６と、ダイヤフラム１５に、サブキャリア１６の外周面とヘッド本体１２の内壁面との間に位置するように設けられるとともにヘッド軸線方向に変位可能に設けられ、研磨時には研磨パッド４に当接するリテーナリング１７とを備えている。また、ヘッド本体１２には、ウェーハ研磨ヘッド５ａの洗浄を行う機構として、純水供給装置３２と給水ホース３２ａを介して接続されて、純水供給装置３２から供給される純水をヘッド本体１２の下部まで導いて、ヘッド本体１２、サブキャリア１６及びリテーナリング１７の間に噴出させる純水管路２２が設けられている。ここで、圧力調整機構３１は、流体室２４内の圧力すなわちダイヤフラム１５とともに変位するサブキャリア１６をヘッド軸線方向に変位させる力を調節して、サブキャリア１６に保持されるウェーハ６を研磨パッド４に当接させる圧力を研磨に適した範囲内に調節するためのものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ウェーハ研磨用ヘッド５ａは、ウェーハ６の研磨時にはその自転を許容するために、純水管路２２のホース接続口２２ａから給水ホース３２ａを取り外しておく必要があるので、その洗浄の度に研磨装置１を待機状態にして、給水ホース３２ａの着脱を手作業で行っているのが実状である。
そして、このようにウェーハ研磨用ヘッド５ａの洗浄に手間がかかり、またこの間研磨装置１を待機状態にする必要があるので、研磨装置１の作業効率を低下させないよう、ウェーハ研磨用ヘッド５ａの洗浄は、例えば研磨作業が終了した際などに行っていた。しかし、この場合には、スラリーＳの凝集またはゲル化によって固形物または半固形物が生じた後に洗浄を行うことになる。そして、このように固形物または半固形物が生じてしまうと洗浄によって取り除くのは困難で、これら残留した固形物または半固形物が、次回の研磨作業時に研磨パッド４上に流出してしまうことは避けられないのが現状である。
また、シャワー等の洗浄装置によってウェーハ研磨用ヘッドの洗浄を行う場合でも、洗浄が外部から行われるために、どうしてもウェーハ研磨用ヘッド内にスラリーＳが残留してしまうのが現状である。
加えて、ウェーハ研磨ヘッド５ａは、ウェーハ６の研磨による摩擦熱等によって熱を持ってしまう。そしてこの熱がスラリーＳとウェーハ６との化学反応に悪影響を及ぼすので、ウェーハ６の研磨条件を理想的な状態に維持することが困難となる。また、この熱によってサブキャリア１６、ウェーハ６その他の部材に熱変形が生じてしまう。そのため、ウェーハ６の加工精度を維持することが困難となってしまうのが現状である。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、洗浄を容易に行うことができるウェーハ研磨用ヘッドを提供することを目的とする。また、ウェーハの加工精度を向上させることができるウェーハ研磨用ヘッドを提供することも目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明のウェーハ研磨用ヘッドにおいては、表面に研磨パッドが貼付されたプラテンに研磨すべきウェーハの一面を当接させてこの状態で前記プラテンと前記ウェーハとを相対移動させることで該ウェーハの研磨を行う研磨装置に用いられて、前記ウェーハを保持して前記研磨パッドに当接させるウェーハ研磨用ヘッドであって、天板部と該天板部の外周下方に設けられた筒状の周壁部とからなるヘッド本体と、前記ヘッド本体内にヘッド軸線に対し略垂直に張られたダイヤフラムと、前記ダイヤフラムと前記ヘッド本体との間に形成される流体室内に流体を供給し、かつ前記流体室内の圧力を調整する流体供給機構と、前記ダイヤフラムに固定されこのダイヤフラムとともに前記ヘッド軸線方向に変位可能に設けられ、前記ウェーハの一面を保持するためのサブキャリアとを備え、前記流体供給機構が、前記流体として、気体と洗浄液とを併せて供給し、前記ヘッド本体が、前記流体室から前記ヘッド先端部まで前記洗浄液を導く洗浄液管路を有し、該洗浄液管路に、制御装置によって開閉を操作されるバルブが設けられていることを特徴とする。
【００１０】
このように構成されるウェーハ研磨用ヘッドにおいては、流体供給機構によって流体室に供給される洗浄液が、洗浄液管路を通じてヘッド先端部まで導かれて、ウェーハ研磨用ヘッドの洗浄に用いられるので、ヘッド本体への給水ホースの着脱等の手間が不要となり、ウェーハ研磨ヘッドの洗浄作業を素早く行うことができる。
また、流体室に供給される流体として気体と洗浄液とを併用しているので、気体の利点、すなわち外圧に応じて容易に体積が変化し、ダイヤフラムを柔軟に変位させられることから得られる、ウェーハの研磨パッドへの当接圧力の変動に対する良好な追随性能を確保しながら、気体に比べて熱容量が格段に大きい洗浄液によってウェーハ研磨用ヘッドに生じる熱を吸収して、ウェーハ研磨用ヘッドの熱容量を大きくすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のウェーハ研磨用ヘッドについて図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態であるウェーハ研磨用ヘッド２１を示す正断面図である。ここで、以下の説明において、従来のウェーハ研磨用ヘッド５ａと同一部分については同一符号を付して説明する。
ウェーハ研磨用ヘッド２１は、天板部１３及び筒状に形成された周壁部１４からなるヘッド本体１２と、ヘッド本体１２の内部に張られた弾性体からなるダイヤフラム１５と、ダイヤフラム１５の下面に固定された円盤状のサブキャリア１６と、周壁部１４の内壁とサブキャリア１６の外周面に同心状に設けられた円環状のリテーナリング１７とを備えている。
【００１２】
ヘッド本体１２は、円板状の天板部１３と天板部１３の外周下方に固定された筒状の周壁部１４とから構成され、ヘッド本体１２の下部すなわち先端部は開口されて中空になっている。そして、ヘッド本体１２とダイヤフラム１５との間には、流体供給機構３３から、流体として空気と純水Ｗ（洗浄液）とを併せて供給される流体室２４が形成されている。ここで、流体室２４は、シャフト部１９に形成された流路２５と連通されており、流体供給機構３３から管路３３ａ及び流路２５を通して空気及び純水Ｗが供給されることで内部の圧力を調整される。
天板部１３は、ウェーハ研磨用ヘッド２１を前記アームに連結するための連結部であるシャフト部１９に同軸に固定されており、シャフト部１９には、流路２５及び配線挿通路２６が鉛直方向に形成され、またその外周面にはおねじ部１８が形成されている。
また、周壁部１４の半径方向内方下部には、全周にわたって段部１４ａが形成され、段部１４ａの下端内周側には、半径方向内方に突出された円環状の係止部２０が形成されている。
【００１３】
そして、天板部１３には、その底面内周側から、外周下方の周壁部１４と対向する面に通じる天板部側洗浄液管路２３ａが形成され、周壁部１４には、一端が天板部側洗浄液管路２３ａの天板部１３外周側の開口端に連通し、他端が段部１４ａの半径方向内面まで通じる周壁部側洗浄液管路２３ｂが形成されている。
また、天板部側洗浄液管路２３ａの、天板部１３の底面内周側の端部には、流体室２４内の流体のうち、流体室２４の底部にたまる純水Ｗのみを取り入れることができるように、流体室２４の底部近傍まで達する取入管２３ｃが接続されている。そして、取入管２３ｃには、制御装置３４によってその開閉を制御されて洗浄液の流通を制御するバルブＶが設けられている。
これら天板部側洗浄液管路２３ａ、周壁部側洗浄液管路２３ｂ、取入管２３ｃ及び後述するリテーナリング側洗浄液管路２３ｄは、流体室２４からヘッド本体１２の下部すなわち先端部まで洗浄液を導く洗浄液管路２３を構成している。
ここで、洗浄液管路２３は、ウェーハ研磨用ヘッド２３の下端を全周にわたって均等に洗浄できるよう、ウェーハ研磨用ヘッド２１の全周にわたって、等間隔に複数本設けられている（図１では一本のみ図示）。
【００１４】
繊維補強ゴムなどの弾性材料からなるダイヤフラム１５は円環状または円板状に形成されたものであり、ダイヤフラム固定リング２７によって周壁部１４の内壁に形成された段部１４ａ上に固定されている。
【００１５】
セラミック等の高剛性材料からなるサブキャリア１６はほぼ円盤状に一定の厚さで形成されており、ダイヤフラム５の上面に設けられたサブキャリア固定リング２８によって固定されている。サブキャリア固定リング２８の上部には円環状に段部２８ａが形成されており、天板部１３から鉛直方向に挿通されたナット２９、スペーサ２９ａによって固定されているストッパーボルト３０の下端に形成された段部３０ａと係合されるようになっている。そして、ウェーハ研磨用ヘッド２１が、例えば昇降機構（図示せず）によって上昇し、サブキャリア１６等の自重によってダイヤフラム１５が下方にたわんでも、段部２８ａと段部３０ａとが係合することにより、ダイヤフラム５に過剰な力を作用させないようになっている。また、サブキャリア１６は、その下面に、ウェーハ６を付着させるためのウェーハ付着シートを備えている。
【００１６】
リテーナリング１７は、周壁部１４の内壁とサブキャリア１６の外周面との間に円環状に形成されており、周壁部１４の内壁との間及びサブキャリア１６の外周面との間に僅かな隙間を空けて、周壁部１４及びサブキャリア１６と同心状に配置されている。またリテーナリング１７は、上端面及び下端面が水平に形成されており、ダイヤフラム１５の上面に設けられたリテーナリング固定リング３５によって固定されている。また、リテーナリング１７の外周面には段部１７ａが形成されており、ウェーハ研磨用ヘッド２１が昇降機構によって上昇した際、リテーナリング１７の自重及び流体室２４内部の圧力によってダイヤフラム１５が局所的にたわんでも、段部１７ａと係止部２０とが係合することによって、ダイヤフラム１５に局所的に過剰な力を作用させないようになっている。そして、この段部１７ａよりも上方には、前記洗浄液管路２３を通じて周壁部１４とリテーナリング１７の間に噴出される純水Ｗを、リテーナリング１７とサブキャリア１６との間に導くリテーナリング側洗浄液管路２３ｄが形成されている。
そして、これらサブキャリア１６及びリテーナリング１７は、ダイヤフラム１５の弾性変形によってヘッド軸線方向に移動可能となったフローティング構造となっている。
【００１７】
このように構成されたウェーハ研磨用ヘッド２１は、おねじ部１８を前記アームに設けられるスピンドルに螺着することによって研磨装置本体に連結される。このウェーハ研磨用ヘッド２１を用いてウェーハ６の研磨を行う場合、まずウェーハ６は、サブキャリア１６の下面に設けられたウェーハ付着シートに付着される。そして、ウェーハ６はリテーナリング１７によって周囲を係止されつつ、その表面を回転テーブル３の上面に貼付された研磨パッド４に当接させられる。ここで、研磨パッド４としては、従来よりウェーハの研磨に使用されていたものであればいずれの材質のものを用いても良く、例えばポリエステル等からなる不織布にポリウレタン樹脂等の軟質樹脂を含浸させたベロアタイプパッド、ポリエステル等の不織布を基材としてその上に発泡ポリウレタン等からなる発泡樹脂層を形成したスエードタイプパッド、あるいは独立発泡させたポリウレタン等からなる発泡樹脂シートが使用される。
【００１８】
次に、流体供給機構３３から空気及び純水Ｗを流路２５に供給させる。これら供給された流体は流体室２４に流入され、流体室２４内の圧力、すなわちサブキャリア１６及びリテーナリング１７の研磨パッド４への押圧圧力を調節する。
【００１９】
このように、サブキャリア１６及びリテーナリング１７の研磨パッド４への押圧圧力を調節しつつ回転テーブル３を回転させるとともにウェーハ研磨用ヘッド２１を自転させ、これと同時に、図示しない研磨剤供給手段からスラリーＳを研磨パッド４の表面やウェーハ６の被研磨面に供給させることによりウェーハ６は研磨される。
【００２０】
このウェーハ研磨用ヘッド２１の洗浄は、ウェーハ６の研磨終了後、もしくはウェーハ６の研磨中、洗浄の必要性を感じた時点で行う。
ウェーハ研磨用ヘッド２１の洗浄は、次のようにして行われる。まず、前記アームによってウェーハ研磨用ヘッド２１を回転テーブル３の側方に移動させる。
そして、制御装置３４によってバルブＶを開くことで、流体供給機構３３によって流体室２４内に加えられる背圧によって、流体室２４内の流体のうちの純水Ｗを、取入管２３ｃから洗浄液管路２３内に導入する。これによって、天板部側洗浄液管路２３ａ、側壁部側洗浄液管路２３ｂを通じて側壁部１４とリテーナリング１７との間、さらにリテーナリング側洗浄液管路２３ｄを通じて、リテーナリング１７とサブキャリア６との間に純水Ｗが噴出させられ、これらの洗浄が行われる。ここで、流体室２４内には、流体供給装置３３によってさらに流体が供給されるので、流体室２４内の圧力は適正範囲内に保たれる。
【００２１】
このように構成されるウェーハ研磨用ヘッド２１においては、流体供給機構３３によって流体室２４に供給される純水Ｗが、洗浄液管路２３を通じてヘッド先端部まで導かれてウェーハ研磨用ヘッド２１の洗浄に用いられるので、ヘッド本体１２への給水ホースの着脱等の手間が不要となり、ウェーハ研磨用ヘッド２１の洗浄作業を素早く行うことができる。
また、流体室２４に、空気と純水Ｗとが併せて供給されるので、空気の利点、すなわち外圧に応じて容易に体積が変化し、ダイヤフラム１５を柔軟に変位させられることから得られる、ウェーハ６の研磨パッド４への当接圧力の変動に対する良好な追随性能を確保しながら、空気に比べて熱容量が格段に大きい純水Ｗによってウェーハ研磨用ヘッド２１に生じる熱を吸収して、ウェーハ研磨用ヘッド２１の熱容量を大きくすることができる。
【００２２】
このように構成されるウェーハ研磨用ヘッド２１によれば、ウェーハ研磨用ヘッド２１の洗浄を素早く行うことができ、洗浄作業による洗浄装置１の作業効率の低下を低減することができるので、ウェーハ６の研磨終了時に限らず、適宜時期にウェーハ研磨用ヘッド２１の洗浄を行うことができる。
また、研磨によって生じた摩擦熱等によるウェーハ研磨用ヘッドの温度上昇が低減され、スラリーＳとウェーハとの化学反応が適正化されるので、ウェーハ６の研磨条件を理想的な状態に近付けて、ウェーハの加工精度を向上させることができる。そして、サブキャリア、ウェーハその他の部材の熱変形が低減されて、ウェーハ６の加工精度がよくなる。
【００２３】
なお、上記実施の形態では、洗浄液として純水Ｗを用いた例を示したが、これに限られることなく、例えばスラリーＳとして用いられる溶液の、砥粒によって懸濁される溶媒を用いても構わない。
【００２４】
【発明の効果】
本発明のウェーハ研磨用ヘッドによれば、ウェーハ研磨用ヘッドの洗浄を素早く行うことができ、洗浄作業による洗浄装置の作業効率の低下を低減することができるので、ウェーハの研磨終了時に限らず、適宜時期にウェーハ研磨用ヘッドの洗浄を行うことができる。
また、研磨によって生じた摩擦熱等によるウェーハ研磨用ヘッドの温度上昇が低減され、スラリーとウェーハとの化学反応が適正化されるので、ウェーハの研磨条件を理想的な状態に近付けて、ウェーハの加工精度を向上させることができる。そして、サブキャリア、ウェーハその他の部材の熱変形が低減されて、ウェーハの加工精度がよくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるウェーハ研磨用ヘッドを示す正断面図である。
【図２】  従来の研磨装置を概略的に示す要部拡大斜視図である。
【図３】  従来のウェーハ研磨用ヘッドを示す正断面図である。
【符号の説明】
１  研磨装置                      ３  回転テーブル（プラテン）
４  研磨パッド                    ６  ウェーハ
１２  ヘッド本体                  １３  天板部
１４  周壁部                      １５  ダイヤフラム
１６  サブキャリア                ２１  ウェーハ研磨用ヘッド
２３  洗浄液管路                  ２４  流体室
３３  流体供給機構                ３４  制御装置
Ｖ  バルブ                        Ｗ  純水（洗浄液）
【図１】
0003855555.tif 000002
【図２】
0003855555.tif 000003
【図３】
0003855555.tif 000004