JP3862065B2 - ウェーハ研磨ヘッド - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウェーハを片面研磨する研磨装置用のウェーハ研磨ヘッド、特に、ワックスレスマウント方式を採用したウェーハ研磨ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスの高集積化に伴い、半導体ウェーハに要求される平坦度はますます厳しくなっている。その反面、デバイスに用いられるウェーハは大口径化しているため、ウェーハの平坦度を向上させることが困難になってきており、またそれが重要な課題となっている。
【０００３】
ウェーハのマイクロラフネスを改善する、つまり原子レベルでの平坦度を実現する技術の一つに、化学−機械的研磨法（ＣＭＰ法：Chemical-Mechanical Polishing Method）がある。ＣＭＰ法によるウェーハの研磨は、研磨剤（スラリ）を供給しながら、ウェーハと研磨クロスとの間に一定の荷重と相対速度を与えて行う。片面研磨の場合だと、ウェーハは貼り付けブロックに貼り付けられ、該貼り付けブロックを介して、研磨装置の備える加圧機構（研磨ヘッド）により研磨中の荷重や回転力を与えられる。
【０００４】
貼り付けブロックにウェーハをマウントする方法としては、予めウェーハに液状ワックスをスピンコート等の方法により塗布しておき、その後、貼り付けブロックにマウントする方法が一般的である。研磨工程終了後、ウェーハを貼り付けブロックからデマウント（剥離）する。
【０００５】
ところが近年、米国カリフォルニア州に所在するアプライドマテリアルズ社から発表されたウェーハ研磨システムは、驚くべきことに、長い間夢のマウント方式といわれてきたワックスレスマウント方式を採用したウェーハ研磨ヘッドを備えていた。この偉大な仕事は、貼り付けブロックへのウェーハのマウント／デマウント工程を全く消滅させた。アプライドマテリアルズ社が開発したウェーハ研磨ヘッド１００は次のようなものである。
【０００６】
図１４に示すように、アプライドマテリアルズ社のウェーハ研磨ヘッド１００は、ハウジング５０と、ダイアフラム５１を介してハウジング５０に連結されたフレーム５２とを備えている。フレーム５２の下面側には該フレーム５２とほぼ同径のリテナーリング５３が取り付けられ、さらにそのリテナーリング５３の内側に拡がる空所にインナーチューブ５４が配置されている。インナーチューブ５４の下方にはゴム製のフレクサー５５を介して、厚さ方向に貫通する多数の通孔Ｑを備える保持具（メンブレンサポートともいう）５６が配置されている。メンブレンサポート５６には、可撓膜（メンブレンともいう）５７が取り付けられており、メンブレンサポート５６と接する側とは反対側がウェーハ吸着面となっている。
【０００７】
圧力調整ラインは以下の独立な３系統に分けられている。ａ）ハウジング５０、ダイアフラム５１およびフレーム５２によって形成される空間Ｓ１の加圧／減圧を行なうラインＬ１。ｂ）フレーム５２、インナーチューブ５４およびメンブレンサポート５６によって形成される空間Ｓ２の加圧／減圧を行なうラインＬ２。ｃ）インナーチューブ５４内を加圧するラインＬ３。ウェーハＷを吸着させるには、まずインナーチューブ５４を加圧してメンブレンサポート５６側に膨らませ、インナーチューブ５４をフレクサー５５に密着させる。すると、メンブレンサポート５６が押圧されてメンブレン５７に密着する。
【０００８】
次に、空間Ｓ２を減圧する。すると、メンブレンサポート５６の通孔Ｑにメンブレン５７の一部が撓んで入り込み、その結果、ウェーハＷとメンブレン５７との間に気密ポケットを生じ、ウェーハＷがメンブレン５７に吸着する。丁度、吸盤にウェーハＷを吸着させる感じである。また、空間Ｓ１を加圧ないし減圧すると、リテナーリング５３を含むフレーム５２から下側部分全体が上下動するようになっている。このようにして、ウェーハ研磨ヘッドに適用するのは困難と言われていたウェーハＷを真空チャックする機構が実現されている。
【０００９】
そして、システムのトランスファーステーションに搬送されてきたウェーハＷは、上記ウェーハ研磨ヘッド１００にチャックされプラテン上に搬送される。研磨時には、空間Ｓ１，Ｓ２およびインナーチューブ５４内の圧力が調整され、ウェーハＷとリテナーリング５３に荷重が与えられる。研磨終了後、ウェーハＷは再びチャックされてトランスファーステーションに戻される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、夢のマウント方式にもいくつかの解決すべき問題が残されている。その１つが、ウェーハＷを吸着保持する力が今ひとつ弱いという問題である。上記した構造を有するウェーハ研磨ヘッド１００の場合、ウェーハＷを真空チャックしようとして吸引すると、ウェーハＷが吸着されると同時に、インナーチューブ５４が変形してメンブレンサポート５６も一緒に引き上げられてしまう。すなわち、ウェーハＷを吸着するため吸引力は、純粋にウェーハＷをチャックするだけでなく、メンブレンサポート５６を上方へ引き上げる仕事も担っていることになり、メンブレン５７がウェーハＷを吸着する力が弱まってしまう。ウェーハの吸着圧力は、そのチャック動作中においても変動しており、ウェーハＷを安定して保持し難い。
【００１１】
吸着力が弱いことに基づく搬送ミスをなくすために、研磨終了後、ウェーハＷをチャックしてプラテンを覆う研磨クロスから離間させる際には、該研磨クロスの周縁からはみ出る位置までウェーハＷを一旦移動させてから、上記したチャック動作を行なうようにしている。そうすると、研磨クロスに接触している面積が小さくなるので、ウェーハＷは研磨クロスから離間し易くなる。というのも、研磨クロス上のウェーハＷには以下の作用が働くためである。ａ）多孔質の研磨クロスの有する微細な空孔が吸盤として働き、ウェーハＷを吸着する作用。ｂ）スラリの表面張力がウェーハＷとの間に働き、ウェーハＷを吸着する作用。
【００１２】
問題は、ここにある。すなわち、ウェーハＷがプラテンからはみ出た状態でも、ウェーハＷとプラテンとは遊星運動を続けているため、研磨クロスと接触していない部分と、接触している部分とが生じ、研磨量がばらついてしまう。
【００１３】
プラテンの回転動作を停止させてからウェーハＷを持ち上げるようにすればよいではないか、と言う人もいるだろうから補足すると、スラリが載っている状態でプラテンの回転（ひいては研磨クロスの回転）を停止させることは普通はできない。回転を止めると、繊細な多孔質の研磨クロス中に含まれるスラリの化学作用により、ウェーハの表面状態が悪化してしまう。だから、ウェーハＷを研磨クロスから浮上させる動作は、スラリを洗浄水で洗い流す動作と平行して行なう必要があり、プラテンを停止させるわけにはいかない。
【００１４】
上記問題に鑑み、本発明は、ワックスレスマウント方式を採用しながらも、ウェーハをチャックする能力が高いウェーハ研磨ヘッドを提供することを課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために本発明のウェーハ研磨ヘッドは、ウェーハを片面研磨する研磨装置用のウェーハ研磨ヘッドであって、
一方の主面がウェーハの吸着面をなす可撓膜と、可撓膜の吸着面とは反対側に配置され、可撓膜との接触面側に吸引用凹部を有する円盤状の保持具と、吸引用凹部とは隔離された容積可変な昇降用チャンバを保持具の直上に形成するフレームとを備え、
吸引用凹部を満たす流体と、昇降用チャンバを満たす流体とを各々独立に吸引および圧縮可能とされ、
吸引用凹部を満たす流体を吸引して可撓膜にウェーハを吸着させ、その状態から昇降用チャンバの容積を減じ、保持具と一体にウェーハを浮上させるように構成されていることを特徴とする。
【００１６】
上記本発明は、ワックスをウェーハに塗布してセラミック等でできた固定具に貼り付ける準備が必要ない、いわゆるワックスレスマウント方式を採用したウェーハ研磨ヘッドに関する発明である。その研磨ヘッドの要旨は、上記したように、保持具に形成された吸引用凹部を満たす流体を吸引して、ウェーハを可撓膜に吸着させる。
【００１７】
前述したように、アプライドマテリアルズ社の開発した研磨ヘッドは、ウェーハをメンブレン（可撓膜）に吸着させようとすると、メンブレンサポート（保持具）まで一緒にフレーム側に吸い付けられるような構造になっている。だから、ウェーハを吸着する力が不足する。本発明品はそうではなく、ウェーハを吸着する吸引経路と、ウェーハを可撓膜および保持具と一体に引き上げる吸引経路とを完全に分離してしまった点に特徴がある。
【００１８】
これにより、ウェーハが可撓膜に吸い付く力を格段に強くできる。そして、ウェーハが確実に吸着保持された、その状態を維持しつつウェーハを研磨クロスから離間させることが可能となる。また、ウェーハの吸着圧力を常に一定に保つことができるため、ウェーハを安定して保持できる。従って、ウェーハの研磨面が均等に研磨クロスに接した状態からでも、ウェーハを研磨クロスから一気に離間させることが可能になり、研磨量にバラツキが生じることは全く無い。だから、非常に平坦度の高い、研磨されたウェーハを提供できる。
【００１９】
ウェーハを可撓膜に吸着させるために、具体的に以下の構成を示せる。すなわち、上記したウェーハ研磨ヘッドにおいて、可撓膜とウェーハとが密着した状態を維持しつつ、吸引用凹部を満たす流体を吸引した場合、該吸引用凹部内に可撓膜が引き込まれることにより該可撓膜にウェーハが吸着するように構成することができる。このようにすると、保持具の吸引用凹部以外の部分と可撓膜とが密着するとともに、吸引用凹部内に撓んで入り込んだ可撓膜とウェーハとの間に気密ポケットが生じ、ウェーハが該可撓膜に吸着する。吸引用凹部を有する保持具は、ウェーハが可撓膜に吸着した状態を保つ。
【００２０】
また、前述したウェーハ研磨ヘッドの備える可撓膜に、厚さ方向に貫通する通口が形成された構成も採用可能である。このようにすると、吸引用凹部内を満たす流体を吸引することにより、研磨側とは反対側が減圧され、ウェーハが可撓膜に吸着する。
【００２１】
また本発明は、３００ｍｍウェーハに対応した枚葉式のウェーハ研磨装置に対する適性が格別である。３００ｍｍウェーハは、そのハンドリングの難しさからバッチ処理に向かないし、製造工程の自動化の観点から見たとき、研磨の分野においても枚葉式が主流になる。そうだとすれば、ウェーハをより一層確実に搬送できるワックスレスマウント式のウェーハ研磨ヘッドが望まれるため、本発明が有効となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明のウェーハ研磨ヘッド１の縦断面図である。吸着すべきウェーハＷの厚さ方向に平行な断面を表している。図２は、そのウェーハ研磨ヘッド１が装着される一例のＣＭＰ装置２００を示す模式図である。図３は、図２のＣＭＰ装置２００における研磨ステーション２０１の上面図である。図２および図３に示すように、ＣＭＰ装置２００は、ウェーハＷを１枚毎に加工する枚葉式研磨装置として構成されている。研磨ステーション２０１には、上面に研磨クロス３４が貼着された複数のプラテン３３が配置されている。各プラテン３３，３３は、図示しないサーボモータで各々独立に回転駆動される。スラリ調合ユニット３０から送られてくるポリッシングスラリは、図３に示すように、各研磨クロス３４に対応する形で設けられた供給アーム３６より研磨クロス３４上に供給される。供給アーム３６は、各種薬液やリンスの供給源としても兼用される。研磨クロス調整装置３７は、研磨クロス３４の表面状態を良好に保つ。トランスファーステーション２０２に準備されたウェーハＷは、搬送用ロボット（図示せず）によってウェーハ待機位置３５に移載される。その後、ウェーハ研磨ヘッド１にチャックされ研磨位置まで運ばれる。研磨が終了して回収する際にも、同じくウェーハ待機位置３５から研磨ステーション２０１の外部に運び出される。
【００２３】
ウェーハＷを片面研磨するＣＭＰ装置２００用のウェーハ研磨ヘッド１は、ウェーハＷを直接チャックして搬送／研磨するワックスレスマウント方式を採用した研磨ヘッドとして構成されている。ウェーハ研磨ヘッド１は、ヘッド駆動機構３９に連結された垂直駆動部３１に装着されて、プラテン３３あるいはウェーハ待機位置３５への上下方向の接近／離間が行なわれる。垂直駆動部３１は、ウェーハ研磨ヘッド１を回転駆動させるためシャフト、およびウェーハ研磨ヘッド１の内部に形成される部屋を満たす流体の流通経路１１，１２を内蔵する。ウェーハ研磨ヘッド１の内部を満たす流体は、空気とするのが普通であるが、水やアルコール等の液体も不可ではない。ウェーハ研磨ヘッド１の内部から延びる流通経路１１，１２は、真空ポンプ４０、圧縮機４１および電磁バルブ２５等を含む圧力調整装置４００に接続されている（図１参照）。ヘッド駆動機構３９には、４つの垂直駆動部３１が連結されている。ヘッド駆動機構３９は、ウェーハ研磨ヘッド１が装着された垂直駆動部３１を水平方向に駆動して、各プラテン３３，３３，３３およびウェーハ待機位置３５のそれぞれの真上に移動させる。これにより、ウェーハ待機位置３５から研磨位置までのウェーハＷの搬送が行なわれる。すなわち、ウェーハ研磨ヘッド１はウェーハＷのキャリアとしての機能を有する。
【００２４】
次に、ウェーハ研磨ヘッド１の具体的な構成を説明する。図１に示すように、ウェーハ研磨ヘッド１は、一方の主面がウェーハＷの吸着面をなす可撓膜２と、可撓膜２の吸着面とは反対側に配置され、可撓膜２との接触面側に吸引用凹部３ｓを有する円盤状の保持具３と、吸引用凹部３ｓとは隔離された容積可変な昇降用チャンバ５を保持具３の直上に形成するフレーム４とを備えている。可撓膜２は、軟質のゴム材料によるものである。保持具３はそれよりも硬質のプラスチック材料、たとえばポリプロピレン樹脂やＡＢＳ樹脂、
あるいは金属部材などを例示できる。フレーム４は、ＣＭＰ装置２００の垂直駆動部３１に取り付けられる剛性の高い金属部材とされる。
【００２５】
前述したように、ウェーハ研磨ヘッド１の流通経路１１，１２に接続された圧力調整装置４００の働きにより、吸引用凹部３ｓを満たす流体と、昇降用チャンバ５内を満たす流体とを各々独立に吸引および圧縮可能とされている。最良の形態では、流体が空気とされる。たとえばコンピュータ装置と、それに記憶されたシーケンスプログラムに基づいて、
電磁バルブ２５、真空ポンプ４０および圧縮機４１が制御され、吸引用凹部３ｓおよび昇降用チャンバ５内が、加圧、減圧、大気開放のいずれかの圧力状態に調整される。
【００２６】
ウェーハＷを吸着保持する場合には、保持具３の吸引用凹部３ｓを満たす空気を吸引して該吸引用凹部３ｓ内を減圧し、可撓膜２にウェーハＷを吸着させる。そして、その状態から昇降用チャンバ５内を減圧して該昇降用チャンバ５の容積を減じ、保持具３と一体にウェーハを浮上させる仕組みである。すなわち、ウェーハ研磨ヘッド１は、［１］ウェーハＷを吸着するための吸引経路、［２］ウェーハＷ、ウェーハＷを吸着した可撓膜２および保持具３の３者を一体的に垂直方向にリフトするための吸引経路、の全く別系統の２つの吸引経路（流通経路１１，１２）を有している。この構成により、ウェーハＷの吸着力を高めるとともに、吸着力を常に一定に保つことに成功している。従って、各プラテン３３，３３，３３間、あるいはそれらプラテン３３とウェーハ待機位置３５との間を、ウェーハＷを移す際の搬送ミスが極めて起こり難い。また、吸引経路を２系統としたことによって、ヘッド構造そのものが簡素なものとなっており、部品点数の低減に寄与している。
【００２７】
図１に示す好適な実施形態においては、可撓膜２とウェーハＷとが密着した状態を維持しつつ、吸引用凹部３ｓ内を減圧した場合、該吸引用凹部３ｓ内に可撓膜２が引き込まれることにより該可撓膜２にウェーハＷが吸着するように構成されている。この様子は、図５を用いて説明できる。図５は、可撓膜２が吸引されてウェーハＷがチャックされる様子を示す模式図である。ウェーハＷに余分な圧力がかからないようにウェーハ研磨ヘッド１自体をウェーハＷに近接させ、保持具３の堤部３ｋと可撓膜２とがなるべく密着するように昇降用チャンバ５内の圧力を調整する。そうすると、ウェーハＷを可撓膜２に吸着させ易い。真空ポンプ４０を作動させて、吸引用凹部３ｓ内の空気を排出すると、可撓膜２の堤部３ｋに接しない部分は、撓んで吸引用凹部３ｓ内に引き込まれる。その結果、ウェーハＷと可撓膜２との間に気密ポケット２６が生じ、ウェーハＷが可撓膜２に吸着する。
【００２８】
また、図９に示すように、可撓膜２には、厚さ方向に貫通する通口２ｓが形成された形態も採用可能である。通口２は、ウェーハＷの裏面と吸引用凹部３ｓとに開口している。
通口２ｓは、保持具３に形成された吸引用凹部３ｓの各々に対応する形にて設けられる。
このように、可撓膜２に孔（通口２ｓ）が開けられたとしても、該可撓膜２とウェーハＷとが密着して吸引用凹部３ｓの気密が保たれるならば、ウェーハＷをチャックして研磨クロス３４から離間させ得る。可撓膜２と、ウェーハＷの周縁部Ｗｋとの気密を保てるならば、研磨時においても、吸引用凹部３ｓ内を研磨に必要な圧に保つことができる。
【００２９】
さて、ウェーハ研磨装置１の詳細な構造について説明する。まず、保持具３と可撓膜２との間に、吸引用凹部３ｓが開放した研磨用チャンバ６が形成されるように各部材を配置することができる。吸引用凹部３ｓにつながる研磨用チャンバ６を可撓膜２と保持具３との間に形成すると、保持具３と可撓膜２とが接しないようにすることもできる。つまり、
保持具３の重みが可撓膜２に及ばないようになるため、ウェーハＷを付勢する際の圧力にバラツキが生じることを抑制し、研磨量を均一にできる。このような操作は、吸引用凹部３ｓおよび昇降用チャンバ５の圧力調整に基づく。なお、詳細は後述するが、図１に示す本実施形態では、可撓膜２と保持具３とが直接接続されない構造を工夫している。
【００３０】
ここで、図４（ａ）に保持具３の下面図、同じく（ｂ）に断面図を示す。（ａ）に示すように、吸引用凹部３ｓは、保持具３における可撓膜２と対向する側に分散形態で複数形成されている。そして、それら複数の吸引用凹部３ｓ同士を連通する溝３ｔが設けられている。可撓膜２が吸引用凹部３ｓを覆った後も、可撓膜２を吸引し続けるためには、各々の吸引用凹部３ｓに吸引力が働くようにする必要がある。そこで、上記のように、互いの吸引用凹部３ｓ，３ｓに空気が出入り可能となるように溝３ｔを設ける。そうすると、全部の吸引用凹部３ｓが空間的に繋がるため、加圧／吸引経路を１つにまとめることができ、当該ウェーハ研磨ヘッド１の構造を簡略化できるし、圧力調整も容易になる。
【００３１】
図１に示すように、昇降用チャンバ５内の圧力調整は、流通経路１１を通じて行なわれる。吸引用凹部３ｓ内の圧力調整は、流通経路１２を通じて行なわれる。そして、本実施形態においては、任意の１箇所の吸引用凹部３ｓにおいて、昇降用チャンバ５側に向けて保持具３を貫通する通口２２が形成されており、該通口２２に対してシール部材２８を介して流通管２７の一端が接続されている。流通管２７の他端は流通経路１２につながっている。流通管２７は、保持具３の昇降にともなって伸縮できる部材が使用される。
【００３２】
図４（ａ）に示すように、保持具３に形成された溝３ｔは、分散形態で設けられた吸引用凹部３ｓの各々をつなぐ網目構造を呈している。また、（ｂ）に示すように溝３ｔの深さは、吸引用凹部３ｓの深さと概ね同等とするのがよい。そうすれば、可撓膜２が吸着した際に溝３ｔが塞がってしまい、十分な吸着力が得られなくなるという不具合も防止される。
【００３３】
さて、図１に戻って説明する。保持具３は、昇降用チャンバ５の容積変化を許容する昇降用チャンバ側気密部材７を介してフレーム４に接続されており、該フレーム４を支点として上下動可能に構成されている。つまり、フレーム４と研磨クロス３４との距離を固定して、昇降用チャンバ５の容積を変更することによって、保持具３と研磨クロス３４との距離、ひいてはウェーハＷと研磨クロス３４との距離調整を行なうことができる。チャックしたウェーハＷを研磨クロス３４から離間させる際にも、フレーム４の位置を変更する必要がない。
【００３４】
より具体的には、フレーム４は、保持具３との間に昇降用チャンバ５を形成する凹部２０，２１を有し、その凹部２０，２１の内側部分と保持具３の外周部１４との隙間を昇降用チャンバ側気密部材７が塞いで昇降用チャンバ５の密閉状態を生じさせている。それとともに、昇降用チャンバ側気密部材７の働きによって、フレーム４の内側を保持具３が昇降して昇降用チャンバ５の容積変化を生じさせるように構成されている。このように、昇降用チャンバ側気密部材７は、昇降用チャンバ５の気密状態を保つだけでなく、保持具３の昇降機構としても兼用されており、部品点数の低減に寄与している。なお、本明細書中でいう上下方向とは、当該ウェーハ研磨ヘッド１の回転軸線Ｏと平行な方向を表し、ウェーハＷを保持する側が下方向、それと反対側が上方向とされる。
【００３５】
上記昇降用チャンバ側気密部材７には、可撓性を有する樹脂製シール材を好適に採用できる。さらにいうと、他部材との密着性に優れるゴム材がよい。そうすれば、昇降用チャンバ側気密部材７がダイアフラムとして機能し、上記した昇降機構を容易に具体化できる。また、樹脂製シール材は、気密を保ち易いという点においても優れる。なお、昇降用チャンバ側気密部材７が接続される保持具３の外周部１４は、該保持具３との周方向全域にわたって一体に形成されるリング状部分であって、上方側に延びている。つまり、そのリング状部分（保持具３の外周部１４）に取り付けられる昇降用チャンバ側気密部材７自身もリング状部材とされる。また、昇降用チャンバ側気密部材７に剛性が不足するような場合には、ガラス繊維で強化されたゴム材なども使用可能である。
【００３６】
一方、可撓膜２の固定方法に関していえば、本実施形態では以下のようにしている。すなわち、可撓膜２を周方向に取り囲み、直接または他部材を介して可撓膜２に連結されるリテナーリング９が、研磨用チャンバ６の容積変化を許容する研磨用チャンバ側気密部材８を介してフレーム４に取り付けられる。そして、吸引用凹部３ｓ内の空気圧を調整することにより、リテナーリング９に連結された可撓膜２がウェーハＷを付勢するように構成されている。つまり、研磨用チャンバ６は少なくとも可撓膜２、保持具３、リテナーリング９およびフレーム４によって気密が確保されるとともに、該研磨用チャンバ６の容積変化に基づいて、可撓膜２と保持具３との接近／離間を制御できる。
【００３７】
なお、研磨用チャンバ側気密部材８はウェーハＷの研磨時において、ウェーハ研磨ヘッド１の回転軸線Ｏに近づくほど下となる向きに傾斜するよう、その寸法、リテナーリング９およびフレーム４への取り付け位置、可撓性等が調整される。具体的には、図１１の模式図に示すように、軸線Ｏと平行な断面におけるその傾斜の延長線が、ウェーハＷの研磨面の中心Ａに重なるようにする。このようにすると、リテナーリング９、ひいては可撓膜２に回転モーメントを作用させないようにできる。従って、ウェーハＷの全体に、均一な研磨圧力を付与することができる。より完全な説明は、K.Tanakaらによる日本国特許第２７７０７３０号（発明の名称「ウエーハ研磨装置」、本発明の譲受人に譲渡）に開示され、その全内容を本発明に援用できる。
【００３８】
さて、ウェーハＷを可撓膜２に吸着させる際には、可撓膜２と保持具３とを密着させる（図５参照）。逆に、ウェーハＷを研磨する際には、可撓膜２は保持具３と接しない方が好ましい。本発明によれば、昇降用チャンバ５および吸引用凹部３ｓ（ひいては研磨用チャンバ６）の圧力調整に基づいて、可撓膜２と保持具３との接触／非接触状態を容易に作りだすことができる。なお、研磨用チャンバ側気密部材８としては、昇降用チャンバ側気密部材７同様に可撓性を有する樹脂製シール材により構成することができる。そうすれば、保持具３とフレーム４との接続に昇降用チャンバ側気密部材７を使用したケースと全く同様の効果が得られる。
【００３９】
昇降用チャンバ側気密部材７および研磨用チャンバ側気密部材８に樹脂製シール材を採用した場合、それら気密部材７，８と他部材（保持具３、フレーム４およびリテナーリング９）との接続は、図６に示すように、ボルト締結によって実現できる。図６は、研磨用チャンバ側気密部材８とリテナーリング９との接続方法を示す分解図である。リング状の扁平ゴム部材たる研磨用チャンバ側気密部材８には、その内側部において厚さ方向（ウェーハ研磨ヘッド１の上下方向に相当）に貫通する貫通孔８ａが周方向複数箇所に概ね等角度間隔で設けられている。同様に、外側部において貫通孔８ｂが形成されている。同様に、クランプ１５にも貫通孔１５ａが形成されている。リテナーリング９の上端面９ｐには雌ねじ９ａが形成されている。各部材を締結する場合には、ボルトＶＯを孔１５ａ，孔８ａの順に挿通し、雌ねじ９ａに螺合させる。研磨用チャンバ側気密部材８の貫通孔８ｂは、該研磨用チャンバ側気密部材８の外周部をフレーム４に係止するためのものである（図１参照）。図１から分かるように、上記した締結方法、すなわちクランプ１３，１５，１６，１７とボルトＶＯとを用い、各気密部材７，８と他部材（保持具３、フレーム４、リテナーリング９）との接続が行われ、気密が保たれる。
【００４０】
また、フレーム４の凹部は、下方側が広口の段付き凹部２０，２１とされている。その段付き形状を利用して、昇降用チャンバ側気密部材７と、該昇降用チャンバ側気密部材７よりも径大の研磨用チャンバ側気密部材８とがそれぞれフレーム４に取り付けられる。このようにすれば、上下方向において保持具３とリテナーリング９とが互いに接触し、当該ウェーハ研磨ヘッド１のスムーズな動作、すなわち保持具３の昇降動作が妨げられる恐れもない。ひいては、ウェーハＷの吸着力の低下を招く恐れも少ない。具体的には、図１に示すように、フレーム４における最も広口の凹部２１に隣接する下端面４ｒとリテナーリング９の上端面９ｑとにまたがる位置関係で研磨用チャンバ側気密部材が配置される。同様に、段付き凹部２０，２１によってフレーム４に形成される段付き面４ｑと、保持具３の外周部上端面１４ｒとにまたがる位置関係で昇降用チャンバ側気密部材が配置される。
このようにして、リテナーリング９の内側を保持具３が昇降するようになっている。
【００４１】
また、各気密部材７，８として可撓性を有するシール材を採用する代わりに、部材間の隙間をシール可能なＯリングのような摺動部材を採用した別形態を図１０に示す。図１０に示すウェーハ研磨ヘッド１ａでは、Ｏリング２８１が昇降用チャンバ側気密部材７の代替、Ｏリング２８２が研磨用チャンバ側気密部材８の代替となっている。あるいは、昇降用チャンバ側気密部材７および研磨用チャンバ側気密部材８のいずれか一方のみにＯリングを適用してもよいことはもちろんである。図１０に示すように、凹状の形態を有するフレーム４の内側において、保持具３はＯリング２８１と摺動可能に保持されている。同様に、フレーム４の外周面において、リテナーリング９はＯリング２８２と摺動可能に保持されている。リテナーリング９には、落下防止ピン２７が取り付けられているが、フレーム４に対する該リテナーリング９の上下方向の相対移動は適度に許容されるように調整されている。
【００４２】
図１の好適な実施形態に戻り説明する。可撓膜２とリテナーリング９との連結方法としては、次のようにすることができる。すなわち、ウェーハ研磨ヘッド１においては、リテナーリング９と可撓膜２とを周方向全域にわたってまたがるテーンプレート１０が、そのリテナーリング９の下端面９ｒおよび可撓膜２の吸着面側に設けられている。そして、そのテーンプレート１０と可撓膜２とによって形成される浅い凹所にウェーハＷが配置されて研磨が行われる。このように、リテナーリング９に直接可撓膜２を接続せず、テーンプレート１０を介在させることにより、ウェーハＷは可撓膜２の周縁部を除いた部分、すなわち円板状の可撓膜２のなるべく中央付近から圧力を付与されるようになる。すなわち、
研磨時においてウェーハＷは可撓膜２からより均一に圧力を受けることになり、圧力の不均一に基づいて研磨量がばらつくといった不具合が効果的に抑制される。
【００４３】
図７に示すように、テーンプレート１０の厚さは、たとえば研磨が終了したウェーハＷとほぼ同等の厚さとするのがよい。すなわち、研磨前のウェーハＷとテーンプレート１０との厚さの差ｄが、目標とする研磨量になる。本図においては、理解のために厚さの差は誇張されている。すなわち、ウェーハＷの研磨量ｄが１００ｎｍ程度、あるいはそれ以下の場合もある。それに比べ、ウェーハＷの厚さは、一般には７００〜８００μｍ程度であるから、テーンプレート１０と研磨前のウェーハＷとは、見た目にはほとんど同じ厚さを有する。なお、テーンプレート１０には、たとえばフェノール樹脂、ポリエステル、エポキシ樹脂、メラミン樹脂およびシリコン系樹脂等の中から選ばれる１または複数の樹脂と、ガラス布とからなる樹脂板を積層させた積層板を好適に使用できる。そして、リング状に調整されたそれらの樹脂板を、接着剤等を用いて可撓膜２に貼着するとよい。
【００４４】
また、図１および図８に示すように、可撓膜２の周縁部と保持具３の周縁部とが、該保持具３の上下動方向で重なるように調整されている。従って、吸引用凹部３ｓおよび昇降用チャンバ５を満たす空気の圧および／または量を調整することに基づいて、テーンプレート１０に支持される形にて保持具３の周縁部が可撓膜２と密着可能とされている。保持具３と可撓膜２とが密着できれば、ウェーハＷが可撓膜２に吸着するきっかけを作り易くなる。結果として、ウェーハＷが可撓膜２にスムーズに吸着されるようになる。
【００４５】
さて、以上に説明した本発明のウェーハ研磨ヘッド１を用い、ウェーハＷを研磨する動作を説明する。図１２，１３に示すＳｔｅｐ１〜１４は、ウェーハ研磨ヘッド１の一連の動作を示している。
【００４６】
（ウェーハＷがウェーハ待機位置３５から研磨クロス３４上に搬送される動作）
待機状態：研磨用チャンバ６、吸引用凹部３ｓおよび昇降用チャンバ５は大気開放されている。なお、図１２，１３中に示す下方向の矢印は、圧縮空気を送って、大気圧よりも加圧することを意味する。上方向の矢印は吸引して、大気圧よりも減圧することを意味する。破線＋白抜き矢印は大気開放を意味する。
Ｓｔｅｐ１：吸引用凹部３ｓの圧力が大気圧に維持されつつ、昇降用チャンバ５内が減圧されて該昇降用チャンバ５の容積が減少する。それとともに、フレーム４に対して保持具３が上方向に相対移動する。
Ｓｔｅｐ２：Ｓｔｅｐ１の状態が維持されつつ、ウェーハ待機位置３５に準備されたウェーハＷに対して、ヘッド駆動機構３９によりウェーハ研磨ヘッド１の位置合わせが行なわれる。なお、Ｓｔｅｐ１の前にヘッド駆動機構３９によってウェーハ研磨ヘッド１の位置合わせが行なわれるようにしてもよい。このとき、保持具３が可撓膜２に、可撓膜２がウェーハＷに密着するよう、吸引用凹部３ｓ内の圧力を調節してもよい。
Ｓｔｅｐ３：昇降用チャンバ５内が加圧される。その次に、吸引用凹部３ｓおよび研磨用チャンバ６が減圧され、可撓膜２が吸引用凹部３ｓ内に引き込まれてウェーハＷがチャックされる。このとき、ウェーハＷは依然ウェーハ待機位置３５に接触したままである。
Ｓｔｅｐ４：ウェーハＷがチャックされたＳｔｅｐ３の状態が維持されつつ、昇降用チャンバ５内が減圧される。すると、ウェーハＷと、ウェーハＷをチャックした可撓膜２および保持具３が一体的に上昇して、ウェーハＷがウェーハ待機位置３５から離間する。
Ｓｔｅｐ５：ヘッド駆動機構３９により、ウェーハＷがウェーハ待機位置３５から研磨クロス３４上まで搬送される。
【００４７】
（ウェーハＷが研磨される動作）
Ｓｔｅｐ６：ヘッド駆動機構３９の働きによって、ウェーハ研磨ヘッド１が研磨クロス３４に接近する。
Ｓｔｅｐ７：昇降用チャンバ５内が加圧されて、該昇降用チャンバ５の容積が増加し、
ウェーハＷ、可撓膜２および保持具３が一体的に下降する。このとき、吸引用凹部３ｓは減圧状態に維持される。
Ｓｔｅｐ８：吸引用凹部３ｓ内が加圧される。
Ｓｔｅｐ９：昇降用チャンバ５内が減圧される。すると、保持具３は上昇する。この状態が保たれてウェーハＷが研磨される。なお、吸引用凹部３ｓおよび研磨用チャンバ６内の圧力は所定の研磨圧力に調整される。
【００４８】
（研磨済みウェーハＷがウェーハ待機位置３５へ戻される動作）
Ｓｔｅｐ１０：昇降用チャンバ５内が加圧されるとともに、保持具３が可撓膜２に、可撓膜２がウェーハＷに密着するよう、吸引用凹部３ｓ内の圧力が調節される。
Ｓｔｅｐ１１：吸引用凹部３ｓおよび研磨用チャンバ６が減圧されウェーハＷがチャックされる。このとき、ウェーハＷは依然研磨クロス３４に接触したままである。
Ｓｔｅｐ１２：ウェーハＷがチャックされたＳｔｅｐ１１の状態が維持されつつ、昇降用チャンバ５内が減圧される。すると、ウェーハＷと、ウェーハＷをチャックした可撓膜２および保持具３が一体的に上昇して、ウェーハＷが研磨クロス３４から離間する。
Ｓｔｅｐ１３：ヘッド駆動機構３９により、ウェーハ研磨ヘッド１自体が研磨クロス３４から遠ざかる。
Ｓｔｅｐ１４：ヘッド駆動機構３９により、ウェーハ研磨ヘッドにチャックされたウェーハＷがウェーハ待機位置３５まで搬送される。そののち、吸引用凹部３ｓ内が大気開放されてウェーハＷがデチャックされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のウェーハ研磨ヘッドの縦断面図。
【図２】 図１のウェーハ研磨ヘッドが装着されるＣＭＰ装置の一例を示す概略図。
【図３】 図２に続くＣＭＰ装置の上面図。
【図４】 保持具の下面図および断面図。
【図５】 可撓膜が吸引されてウェーハがチャックされる様子を示す模式図。
【図６】 気密部材とリテナーリングとの接続方法を示す分解図。
【図７】 テーンプレートの厚さ調整の例を示す模式図。
【図８】 可撓膜と保持具との位置関係を説明する模式図。
【図９】 ウェーハの裏面側と吸引用凹部とに開口する通口が形成された可撓膜の断面模式図。
【図１０】 フレーム、保持具およびリテナーリングの接続形態の別例を示す縦断面図。
【図１１】 研磨用チャンバ側気密部材と、フレームおよびリテナーリングとの接続位置関係を説明する模式図。
【図１２】 ウェーハをウェーハ待機位置から研磨クロス上まで移載して研磨する動作を説明する工程説明図。
【図１３】 図１２に続き、ウェーハを研磨クロスから離間させてウェーハ待機位置に移載する動作を説明する工程説明図。
【図１４】 ワックスレスマウント方式を採用した従来のウェーハ研磨ヘッド。
【符号の説明】
１ ウェーハ研磨ヘッド
２ 可撓膜
２ｓ 通口
３ 保持具
３ｓ 吸引用凹部
３ｔ 溝
４ フレーム
５ 昇降用チャンバ
６ 研磨用チャンバ
７ 昇降用チャンバ側気密部材
８ 研磨用チャンバ側気密部材
９ リテナーリング
９ｒ リテナーリングの下端面
１０ テーンプレート
２０，２１ 凹部（段付き凹部）
２００ ＣＭＰ装置（研磨装置）
Ｗ ウェーハ

Claims (10)

1. ウェーハを片面研磨する研磨装置用のウェーハ研磨ヘッドであって、
   一方の主面がウェーハの吸着面をなす可撓膜と、前記可撓膜の吸着面とは反対側に配置され、前記可撓膜との接触面側に吸引用凹部を有する円盤状の保持具と、前記吸引用凹部とは隔離された容積可変な昇降用チャンバを前記保持具の直上に形成するフレームとを備え、
   前記吸引用凹部を満たす流体と、前記昇降用チャンバを満たす流体とを各々独立に吸引および圧縮可能とされ、
   前記吸引用凹部を満たす流体を吸引して前記可撓膜にウェーハを吸着させ、その状態から前記昇降用チャンバの容積を減じ、前記保持具と一体にウェーハを浮上させるように構成され、
   前記保持具と前記可撓膜との間に、前記吸引用凹部が開放した研磨用チャンバが形成されてなり、
   前記可撓膜を周方向に取り囲み、直接または他部材を介して前記可撓膜に連結されるリテナーリングが、前記研磨用チャンバの容積変化を許容する研磨用チャンバ側気密部材を介して前記フレームに取り付けられており、
   前記吸引用凹部内の流体圧を調整することにより、前記リテナーリングに連結された前記可撓膜がウェーハを付勢するように構成されていることを特徴とするウェーハ研磨ヘッ
   ド。
2. 前記可撓膜とウェーハとが密着した状態を維持しつつ、前記吸引用凹部を満たす流体を吸引した場合、該吸引用凹部内に前記可撓膜が引き込まれることにより該可撓膜にウェーハが吸着するように構成されていることを特徴とする請求項１記載のウェーハ研磨ヘッド。
3. 前記可撓膜には、厚さ方向に貫通する通口が形成されていることを特徴とする請求項１記載のウェーハ研磨ヘッド。
4. 前記吸引用凹部は、前記保持具における前記可撓膜と対向する側に分散形態で複数形成されており、それら複数の前記吸引用凹部同士を連通する溝が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のウェーハ研磨ヘッド。
5. 前記保持具は、前記昇降用チャンバの容積変化を許容する昇降用チャンバ側気密部材を介して前記フレームに接続されており、該フレームを支点として上下動可能に構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のウェーハ研磨ヘッド。
6. 前記フレームは、前記保持具との間に前記昇降用チャンバを形成する凹部を有し、その凹部の内側部分と前記保持具の外周部との隙間を前記昇降用チャンバ側気密部材が塞いで前記昇降用チャンバの密閉状態を生じさせるとともに、前記フレームの内側を前記保持具が昇降して前記昇降用チャンバの容積変化を生じさせるように構成されていることを特徴とする請求項５記載のウェーハ研磨ヘッド。
7. 前記フレームは、前記保持具との間に前記昇降用チャンバを形成する凹部を有し、
   該凹部は、下方側が広口の段付き凹部とされ、その段付き形状を利用して、前記昇降用チャンバ側気密部材と、該昇降用チャンバ側気密部材よりも径大の前記研磨用チャンバ側気密部材とがそれぞれ前記フレームに取り付けられていることを特徴とする請求項５または６記載のウェーハ研磨ヘッド。
8. 前記昇降用チャンバ側気密部材および／または前記研磨用チャンバ側気密部材が、可撓性を有する樹脂製シール材により構成されていることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載のウェーハ研磨ヘッド。
9. 前記リテナーリングと前記可撓膜とを周方向全域にわたってまたがるテーンプレートが、そのリテナーリングの下端面および前記可撓膜の吸着面側に設けられており、
   そのテーンプレートと前記可撓膜とによって形成される凹所に、ウェーハが配置されて研磨が行われることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載のウェーハ研磨ヘッド。
10. 前記可撓膜の周縁部と前記保持具の周縁部とが、該保持具の上下動方向において重なるように調整されており、前記吸引用凹部および昇降用チャンバを満たす流体の圧および／または量を調整することに基づいて、前記テーンプレートに支持される形にて前記保持具の周縁部が前記可撓膜と密着可能とされていることを特徴とする請求項９記載のウェーハ研磨ヘッド。

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