JP5257729B2 - 研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェハ等の被研磨物の表面を平坦化する研磨装置に関する。

このような研磨装置として、被研磨物である半導体ウェハをウェハチャックにより保持し、これを研磨部材（研磨パッド）に接触させながら相対回転移動させてウェハの表面研磨を行う研磨装置がある。このようにウェハの表面研磨を行う研磨装置では、非常に精密且つ均一な研磨が要求されるため、ウェハ表面の凹凸に追従して研磨部材がその姿勢を変えるようにしたり、もしくはウェハがその姿勢を変えるようにしたりして、常に最適な加工状態を維持するような工夫がなされている。

例えば、米国特許第６２５１２１５号に開示の研磨装置では、ウェハを保持するヘッド部に柔軟性に富んだゴムシートを用い、ゴムシートの裏面側に空気圧を作用させてこのゴムシートを介してウェハを研磨部材となる研磨パッドに押し付けるように構成されている。また、特開平１０−２３５５５５号公報に開示の装置では、ウェハを保持するヘッド部がボールジョイント構造を介して回転駆動軸に連結されて、ヘッド部がボールジョイント部を介して揺動自在な状態で回転駆動されるように構成されている。このようにゴムシートや、ボールジョイント構造を用いることにより、研磨パッドが貼り付けられる定盤の回転精度や研磨パッドの厚みのバラツキに応じてその姿勢が柔軟に変化し、ウェハが研磨パッドに常に均一に接触し、均一な表面研磨を行うことができるようになっている。

上記構成とは逆に、研磨部材側すなわち研磨パッドの姿勢を柔軟に変化させることができるようにする構成の装置も知られている。この装置では、例えば、ウェハチャックにウェハがその被研磨面を上方に向けて（フェイスアップ状態で）真空吸着され、ウェハチャックとともに回転駆動される（例えば、特許文献１を参照）。このウェハの上方にこれと対向して研磨ヘッドが配設されており、研磨ヘッドは、ウェハの被研磨面と接触する研磨パッドを貼り付けた研磨部材と、これを柔軟に支えるドライブプレートおよびゴムシート（ダイアフラム）と、これらに空気圧を加えるための圧力室を構成するための内部空間が形成されたヘッドハウジングとを有して構成される。

ヘッドハウジングの下端外周においてドライブプレートおよびゴムシートの外周が接合され、ドライブプレートおよびゴムシートが内周部において研磨部材と結合されており、ヘッドハウジングの内部空間がこれらドライブプレートおよびゴムシートにより覆われて圧力室が形成されている。この結果、研磨部材はドライブプレートを介してヘッドハウジングに支持され、且つゴムシートを介して圧力室内の空気圧を均一に受ける。そして、ヘッドハウジングが回転駆動されるとドライブプレートを介して研磨部材に回転駆動力が伝達されて全体が回転されるようになっている。

このような構成の研磨装置を用いたウェハの研磨加工は、研磨パッドを回転させながらウェハチャックに回転保持されたウェハの被研磨面に当接させて行われ、このとき、研磨パッドは回転しながらウェハに対して水平方向へ往復運動をすることで、ウェハの全表面が均一に研磨加工される。
特開平１１−１５６７１１号公報

ところで、研磨パッドがウェハに対してオーバーハングした（はみ出た）状態で研磨を行うと、ウェハの外周側に偏荷重が掛かるだけでなく、研磨パッドが貼り付けられた研磨部材も傾斜してしまう。このとき、研磨部材の傾斜に追従するようにドライブリングも傾斜するため、研磨時に発生する横方向の力に対して踏ん張りが利かず、研磨部材の振動が発生してしまう。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、研磨部材の姿勢をより安定させた研磨装置を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る研磨装置は、被研磨物を保持する保持装置と、前記保持装置に保持された前記被研磨物を研磨可能な研磨部材を有する研磨ヘッドとを備え、前記研磨部材を前記被研磨物に当接させながら相対移動させて前記被研磨物の研磨を行うように構成された研磨装置において、前記研磨ヘッドは、前記保持装置に保持された前記被研磨物と対向するように開口が形成されたヘッドハウジングと、前記ヘッドハウジングの内側に設けられて前記開口を塞ぐように前記研磨部材を保持する研磨部材保持部とを有し、前記研磨部材保持部は、略平板状に形成されて厚さ方向に弾性を有し前記ヘッドハウジングの内側部と前記研磨部材とに連結される複数の支持板を有し、前記複数の支持板はそれぞれ、前記研磨部材が前記被研磨物に当接するときに作用する外力に応じて弾性変形可能な厚さを有しており、前記複数の支持板は、前記被研磨物に向かう方向に互いに間隙をおいて平行に配置されており、前記ヘッドハウジングの内側部と前記研磨部材とに跨って連結されている。

なお、上述の発明において、前記研磨部材は、前記ヘッドハウジング内に給排される空気を利用して前記被研磨物に向かう方向へ往復移動可能に前記研磨部材保持部に保持されることが好ましい。

本発明によれば、研磨部材の姿勢をより安定させることができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明に係る研磨装置の代表例であるＣＭＰ装置（化学的機械的研磨装置）を図１に示している。このＣＭＰ装置１は、被研磨物たるウェハ９０をその上面側に着脱自在に吸着保持可能なウェハ保持装置９５と、このウェハ保持装置９５の上方位置に設けられ、ウェハ保持装置９５上に保持されたウェハ９０の被研磨面９１と対向する研磨パッド６５が取り付けられた研磨部材５０を保持してなる研磨ヘッド３０とを備えて構成されている。このＣＭＰ装置１では、研磨パッド６５の寸法（直径）はウェハ９０の寸法（直径）よりも小さく（すなわち研磨パッド６５はウェハ９０よりも小径であり）、研磨パッド６５をウェハ９０に接触させた状態で双方を相対移動させることにより、ウェハ９０の被研磨面９１（上面）全体を研磨できるようになっている。

これらウェハ保持装置９５と研磨ヘッド３０とを支持する支持フレーム２０は、水平な基台２１と、この基台２１上にＹ方向（紙面に垂直な方向でこれを前後方向とする）に延びて設けられたレール（図示せず）上をＹ方向に移動自在に設けられた第１ステージ２２と、この第１ステージ２２から垂直（Ｚ方向）に延びるように設けられた垂直フレーム２３と、この垂直フレーム２３の上部に設けられた第２ステージ２４と、この第２ステージ２４上から水平（Ｘ方向）に延びるように設けられた水平フレーム２５と、この水平フレーム２５上をＸ方向（左右方向）に移動自在に設けられた第３ステージ２６とを有して構成されている。

第１ステージ２２内には第１電動モータＭ１が設けられており、これを回転駆動することにより第１ステージ２２を上記レールに沿ってＹ方向に移動させることができる。また、第３ステージ２６内には第２電動モータＭ２が設けられており、これを回転駆動することにより第３ステージ２６を水平フレーム２５に沿ってＸ方向に移動させることができる。このため、上記電動モータＭ１，Ｍ２の回転動作を組み合わせることにより、第３ステージ２６をウェハ保持装置９５上方の任意の位置に移動させることが可能である。

ウェハ保持装置９５は基台２１上に設けられたテーブル支持部２７から上方に垂直に延びて設けられた回転軸２８の上端部に水平に取り付けられている。この回転軸２８はテーブル支持部２７内に設けられた第３電動モータＭ３を回転駆動することにより回転されるようになっており、これによりウェハ保持装置９５をＸＹ面（水平面）内で回転させることができる。

研磨ヘッド３０は第３ステージ２６から下方に垂直に延びて設けられたスピンドル２９の下端部に取り付けられている。このスピンドル２９は第３ステージ２６内に設けられた第４電動モータＭ４を回転駆動することにより回転されるようになっており、これにより研磨ヘッド３０全体を回転させて研磨パッド６５をＸＹ面（水平面）内で回転させることができる。

また研磨ヘッド３０は、図２に示すように、スピンドル２９の下端部に連結されたヘッドハウジング１０と、ヘッドハウジング１０の内側に設けられた研磨部材保持部４０と、ヘッドハウジング１０の開口部を塞ぐように研磨部材保持部４０に保持された研磨部材５０とを主体に構成される。ヘッドハウジング１０は、下面側に（ウェハ保持装置９５に保持されたウェハ９０と対向するように）開口を有する有底円筒状に形成され、ボルトＢ１により連結部材１１を介してスピンドル２９の下端部に連結される。

連結部材１１の中央部には、吸気口１２が形成されており、スピンドル２９の内部中央に貫通形成されたエア供給路８０の空気がこの吸気口１２を通過してヘッドハウジング１０内（圧力室Ｈ）に供給されるようになっている。なお、エア供給路８０は図示しないエア供給源に繋がっており、エア供給源から供給される空気によりヘッドハウジング１０内の空気圧を所望の圧力に加圧調整できるようになっている。

研磨部材保持部４０は、ヘッドハウジング１０内の上側部に固定された上下の保持リング３１，３２と、研磨部材５０における基準プレート５１の上面側に固定された中央リング４１および上下の固定リング４２，４３と、上部保持リング３１とヘッドハウジング１０との間に外周部が挟持されるとともに上部固定リング４２と中央リング４１との間に内周部が挟持された２枚のドライブプレート３３，３３と、上部保持リング３１と下部保持リング３２との間に外周側が挟持されるとともに上部固定リング４２と下部固定リング４３との間に内周側が挟持されたゴムシート３６とを主体に構成される。

ドライブプレート３３は、オーステナイト系ステンレス板等の金属板を用いて中央に円形孔を有する円盤状に形成され、その外周部が上部保持リング３１とヘッドハウジング１０との間で挟持されるとともに、内周部が上部固定リング４２と中央リング４１との間で挟持されて固定されるようになっている。ドライブプレート３３には、同心円状に並んだ多数の開孔（図示せず）が形成されており、各開孔をヘッドハウジング１０内の空気が通過できるようになっている。さらに、２枚のドライブプレート３３はそれぞれ、各ドライブプレート３３の外周側および内周側における間隙部にそれぞれ設けられたスペーサ（間座）３４ａ，３４ｂを介して、互いに平行に並ぶように連結される。

上部保持リング３１は、ドライブプレート３３と同じ外径を有するリング状に形成され、上面側が外周側の方で高い段差を有する平面状に形成されるとともに、下面側がゴムシート３６を挟持可能な平面状に形成される。下部保持リング３２も、ドライブプレート３３と同じ外径を有するリング状に形成され、上面側がゴムシート３６を挟持可能な平面状に形成されるとともに、下面側が研磨部材５０における基準プレート５１の形状に合わせた段差を有する平面状に形成される。また、ゴムシート３６は、ドライブプレート３３と同様の円盤状に形成される。

そして、２枚のドライブプレート３３，３３（並びにスペーサ３４ａ）、上部保持リング３１、ゴムシート３６、および下部保持リング３２を上側からこの順に並べて、ボルトＢ２により下部保持リング３２をヘッドハウジング１０内の上側部に固定することにより、各ドライブプレート３３，３３の外周部が上部保持リング３１とヘッドハウジング１０との間に挟持されるとともに、ゴムシート３６の外周側が上部保持リング３１と下部保持リング３２との間に挟持され、各ドライブプレート３３，３３の外周部がヘッドハウジング１０の内側部に連結される。

なお、ボルトＢ２に対しドライブプレート３３の周方向へずれるようにして、複数のガイドピン３５ａが各ドライブプレート３３，３３の外周部およびスペーサ３４ａ（並びに、上部保持リング３１）を貫通するように配設され、上下のドライブプレート３３，３３において、（曲げ）弾性変形に拘わらずドライブプレート３３の回転中心からの距離が一定になるようになっている。また、ガイドピン３５ａが貫通する各ドライブプレート３３，３３およびスペーサ３４ａ（並びに、上部保持リング３１）の孔部（角部分）にはＲが形成され、各孔部近傍における応力集中を緩和するようになっている。

ところで、研磨部材５０は、ドライブプレート３３の下面内周側に連結される円盤状の基準プレート５１と、この基準プレート５１の下面に真空吸着により着脱自在に取り付けられる研磨工具６０とを備えて構成される。基準プレート５１は、下部外径がヘッドハウジング１０の下端におけるフランジ１０ａの内径（すなわち、開口の径）より若干小さい径を有する段付円盤状に形成される。そして、基準プレート５１がゴムシート３６とともにヘッドハウジング１０の開口を塞いでヘッドハウジング１０内を密封状態にし、ヘッドハウジング１０内に圧力室Ｈが形成される。これにより、基準プレート５１の中央上面で圧力室Ｈ内の空気圧を受けて、ドライブプレート３３の下面側に取付保持された基準プレート５１、すなわち研磨部材５０が上下方向（ウェハ９０の被研磨面９１へ向かう方向）へ往復移動できるようになっている。

中央リング４１は、ドライブプレート３３と同じ内径を有するリング状に形成され、下面側がドライブプレート３３を挟持可能な平面状に形成される。上部固定リング４２は、ドライブプレート３３と同じ内径を有するリング状に形成され、上面側が内周側の方で高い段差を有する平面状に形成されるとともに、下面側がゴムシート３６を挟持可能な平面状に形成される。下部固定リング４３も、ドライブプレート３３と同じ内径を有するリング状に形成され、上面側がゴムシート３６を挟持可能な平面状に形成されるとともに、下面側が基準プレート５１の上面に当接可能な平面状に形成される。

そして、中央リング４１、２枚のドライブプレート３３，３３（並びにスペーサ３４ｂ）、上部固定リング４２、ゴムシート３６、および下部固定リング４３を上側からこの順に並べて、ボルトＢ３により中央リング４１を基準プレート５１に固定することにより、各ドライブプレート３３，３３の内周部が上部固定リング４２と中央リング４１との間に挟持されるとともに、ゴムシート３６の外周側が上部固定リング４２と下部固定リング４３との間に挟持され、各ドライブプレート３３，３３の内周部が研磨部材５０の基準プレート５１に連結される。このように基準プレート５１はドライブプレート３３を介してヘッドハウジング１０に連結されており、スピンドル２９の回転駆動力がドライブプレート３３を介して基準プレート５１に伝達される。

なお、ボルトＢ３に対しドライブプレート３３の周方向へずれるようにして、複数のガイドピン３５ｂが各ドライブプレート３３，３３の内周部およびスペーサ３４ｂ（並びに、上部固定リング４２）を貫通するように配設され、上下のドライブプレート３３，３３において、（曲げ）弾性変形に拘わらずドライブプレート３３の回転中心からの距離が一定になるようになっている。また、ガイドピン３５ｂが貫通する各ドライブプレート３３，３３およびスペーサ３４ｂ（並びに、上部固定リング４２）の孔部（角部分）にはＲが形成され、各孔部近傍における応力集中を緩和するようになっている。

なお、基準プレート５１の外周部から外方に張り出したフランジ５１ａの外径は、ヘッドハウジング１０の下端内周部から内方に張り出したフランジ１０ａの内径よりも大きく形成されており、基準プレート５１がヘッドハウジング１０から抜け出ることがないようになっている。

研磨工具６０は、基準プレート５１とほぼ同じ外径を有する円盤状のキャリア部材６１と、キャリア部材６１の下側に取り付けられた円形のパッドプレート６３とから構成される。キャリア部材６１の下側には、パッドプレート６３の形状に合わせた嵌合穴部（図示せず）が形成され、この嵌合穴部にＯリング等を用いてパッドプレート６３を嵌合させることにより、パッドプレート６３がキャリア部材６１に着脱可能に取り付けられる。

パッドプレート６３は、樹脂製のプレート部材６４と、プレート部材６４の表面側（下面側）に貼り付けられた研磨パッド６５とを有して構成され、前述したように、キャリア部材６１の嵌合穴部に着脱可能に取り付けられる。また、パッドプレート６３は、樹脂製のプレート部材６４を用いた使い捨ての部材であり、このような使い捨ての部材を用いることで、キャリア部材６１に対するパッドプレート６３の着脱交換作業を容易にしている。

プレート部材６４は、ＰＥＴ（ポリエチレン−テレフタラート）等の樹脂材料を用いて円盤形に形成され、ウェハ９０の表面（被研磨面９１）を平坦に研磨可能な研磨パッド６５が両面接着テープ等を用いてプレート部材６４の表面側（下面側）に貼り付けられている。なお、プレート部材６４の材質は、研磨液に浸食されないものであれば問題ないが、手軽に入手でき加工がし易く、かつ廃棄するときに公害上の問題を起こしにくいものとしてＰＥＴが好ましい。研磨パッド６５は、発泡ポリウレタン等の樹脂材料を用いてプレート部材６４とほぼ同じ外径を有する円盤形に形成され、研磨パッド６５の表面（下面）にウェハ９０の表面（被研磨面９１）に当接して研磨を行う研磨面６６が形成される。

基準プレート５１の内部には下面側に複数の吸着開口を有する空気吸入路７１が形成されており、この空気吸入路７１は、基準プレート５１の中央上面にボルトＢ４を用いて取り付けられた中心部材４５まで延びて、ヘッドハウジング１０の圧力室Ｈ側に開口している。この開口部にはスピンドル２９のエア供給路８０内を延びた吸入管７２が接続されており、基準プレート５１の下面側にキャリア部材６１を位置させた状態でこの吸入管７２から空気を吸入（排出）することにより、キャリア部材６１を基準プレート５１に吸着取り付けできるようになっている。ここで、キャリア部材６１は基準プレート５１との間に設けられたセンターピンＰ１と位置決めピンＰ２とにより芯出しと回転方向の位置決めとがなされる。

また、エア供給路８０内には図示しない研磨剤供給装置と繋がる研磨剤供給管８１が延びており、スピンドル２９と中心部材４５との間に位置する接続具８２を介して、中心部材４５を貫通して設けられた流路８３や、センターピンＰ１内を貫通する流路８４と繋がっている。

このような構成のＣＭＰ装置１を用いてウェハ９０の研磨を行うには、先ずウェハ保持テーブル９５の上面に研磨対象となるウェハ９０を吸着取り付けし（このときウェハ９０の中心はウェハ保持テーブル９５の回転中心に一致させる）、電動モータＭ３を駆動してウェハ保持テーブル９５を回転させる。次に電動モータＭ１〜Ｍ２を駆動して第３移動ステージ２６をウェハ９０の上方に位置させ、電動モータＭ４によりスピンドル２９を駆動して研磨ヘッド３０を回転させる。続いて研磨ヘッド３０を降下させ、研磨パッド６５の下面（研磨面６６）をウェハ９０の上面（被研磨面９１）に押し当てるようにする。

次に、エア供給源からヘッドハウジング１０内に空気を供給したり、真空源を利用してヘッドハウジング１０内から空気を排出したりして、圧力室Ｈ内の空気圧を調整しウェハ９０と研磨パッド６５との接触圧を所定の値に設定する。そして、電動モータＭ１，Ｍ２を駆動して研磨ヘッド３０をＸＹ方向（ウェハ９０と研磨パッド６５との接触面の面内方向）に揺動させる。このとき同時に、研磨剤供給装置より研磨剤（シリカ粒を含んだ液状のスラリー）を圧送し、研磨パッド６５の下面側に研磨剤を供給させる。これにより、ウェハ９０の被研磨面９１は、研磨剤の供給を受けつつウェハ９０自身の回転運動と研磨ヘッド３０の（すなわち研磨パッド６５の）回転及び揺動運動とにより研磨される。

このようにしてウェハ９０の被研磨面９１の研磨を行っているときに、研磨パッド６５を有する研磨部材５０は、ドライブプレート３３，３３を介してヘッドハウジング１０に支持されているため、ドライブプレート３３，３３の弾性変形により被研磨面９１の傾きや凹凸に応じて研磨部材５０の姿勢が変動し、被研磨面９１の均一な研磨を行う。

ところで、従来の研磨装置においては、前述したように、研磨パッドがウェハに対してオーバーハングした（はみ出た）状態で研磨を行うと、ウェハの外周側に偏荷重が掛かるだけでなく、研磨パッドが貼り付けられた研磨部材も傾斜してしまう。このとき、研磨部材の傾斜に追従するようにドライブリングも傾斜するため、研磨時に発生する横方向の力に対して踏ん張りが利かず、研磨部材の振動が発生してしまう。そこで、研磨部材の振動を抑えるため、複数のドライブリングを重ね合わせることも考えられるが、バネ定数が大きくなり、低圧研磨においてドライブリングのバネ定数の大きさが無視できない状態となる。

これに対し、以上のような構成のＣＭＰ装置１によれば、２枚のドライブプレート３３，３３がそれぞれ、スペーサ３４ａ，３４ｂを介して互いに平行に並ぶように連結されるため、研磨時に発生する横方向の力に対して剛性が増すことから、研磨部材５０の姿勢をより安定させることが可能になる。特に、ヘッドハウジング１０内に給排される空気を利用してウェハ９０に向かう方向へ往復移動可能な研磨部材５０に本発明を適用することで、高い効果を得ることができる。

なお、２枚のドライブプレート３３，３３を用いることで、研磨部材５０の弾性変位量は（同じ板厚で）１枚のドライブプレートを用いた場合に比べて小さくなるが、２枚のドライブプレート３３，３３を平行に離して配置することで、バネ定数は（同じ板厚で）１枚のドライブプレートを用いた場合と同様に考えることができることから、２枚のドライブプレートを重ねる場合と比べてバネ定数を小さくすることが可能になる。また、互いに平行な２枚のドライブプレート３３，３３を用いることにより、研磨時に発生する横方向の力に対し剛性が増して、研磨部材５０がウェハ９０に対して真っ直ぐに移動するようになるため、ウェハ９０の表面が全体的に湾曲していても、ウェハ９０表面の凸部分を選択的に研磨することが可能になることから、ウェハ９０表面の段差解消性を向上させることができる。

なお、上述の実施形態において、被研磨物として円盤状の半導体ウェハ９０を用いているが、これに限られるものではなく、ガラス基板のように方形板状に形成されていてもよい。

また、上述の実施形態において、２枚のドライブプレート３３，３３を用いているが、これに限られるものではなく、３枚以上の複数のドライブプレートを用いるようにしてもよい。

本発明に係る研磨装置の一例であるＣＭＰ装置の正面図である。 ＣＭＰ装置に構成される研磨ヘッドの正面図（断面図）である。

符号の説明

１ ＣＭＰ装置（研磨装置）
３０ 研磨ヘッド
３３ ドライブプレート（支持板）
４０ 研磨部材保持部
５０ 研磨部材
６３ パッドプレート ６４ プレート部材
６５ 研磨パッド ６６ 研磨面
９０ ウェハ（被研磨物）
９５ ウェハ保持装置

Claims (2)

1. 被研磨物を保持する保持装置と、前記保持装置に保持された前記被研磨物を研磨可能な研磨部材を有する研磨ヘッドとを備え、前記研磨部材を前記被研磨物に当接させながら相対移動させて前記被研磨物の研磨を行うように構成された研磨装置において、
   前記研磨ヘッドは、前記保持装置に保持された前記被研磨物と対向するように開口が形成されたヘッドハウジングと、前記ヘッドハウジングの内側に設けられて前記開口を塞ぐように前記研磨部材を保持する研磨部材保持部とを有し、
   前記研磨部材保持部は、略平板状に形成されて厚さ方向に弾性を有し前記ヘッドハウジングの内側部と前記研磨部材とに連結される複数の支持板を有し、
   前記複数の支持板はそれぞれ、前記研磨部材が前記被研磨物に当接するときに作用する外力に応じて弾性変形可能な厚さを有しており、
   前記複数の支持板は、前記被研磨物に向かう方向に互いに間隙をおいて平行に配置されており、前記ヘッドハウジングの内側部と前記研磨部材とに跨って連結されることを特徴とする研磨装置。
2. 前記研磨部材は、前記ヘッドハウジング内に給排される空気を利用して前記被研磨物に向かう方向へ往復移動可能に前記研磨部材保持部に保持されることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。

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