CN108369903B - 晶圆抛光装置及用于该装置的抛光头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够提高晶圆面内的抛光量的均匀性的晶圆抛光装置。晶圆抛光装置（1）具备贴附有抛光垫（22）的旋转平台（21）及按压并保持载置于抛光垫（22）上的晶圆（W）的抛光头（10）。抛光头（10）具备抵接于晶圆（W）的上表面并赋予按压力的膜（16）及支撑膜（16）的支撑板（15）。膜（16）具有与支撑板（15）的底面对置的主面部（16a）及与支撑板（15）的外周端面对置的侧面部（16b），基于膜（16）的侧面部（16b）的纵向的张力大于基于膜（16）的主面部（16a）的横向的张力。

Description

晶圆抛光装置及用于该装置的抛光头

技术领域

本发明涉及一种晶圆抛光装置及用于该装置的抛光头，尤其涉及一种膜加压方式的抛光头及使用该抛光头的晶圆抛光装置。

背景技术

硅晶圆被广泛用作半导体器件的基板材料。通过对于单晶硅锭依序进行如下工序来制造硅晶圆：***研磨、切片、研磨（lapping）、蚀刻、双面抛光、单面抛光、清洗等。其中，单面抛光工序为消除晶圆表面的凹凸或高低起伏以提高平坦度的必要工序，使用CMP（Chemical Mechanical Polishing：化学的机械抛光）法进行镜面加工。

通常，在硅晶圆的单面抛光工序中使用单片式的晶圆抛光装置（CMP装置）。该晶圆抛光装置具备贴附有抛光垫的旋转平台、及按压并保持抛光垫上的晶圆的抛光头，一边供给浆料，一边使旋转平台及抛光头分别旋转，由此抛光晶圆的单面。

为了均匀按压晶圆的整个面以提高晶圆面内的抛光量的均匀性，采用使用了膜加压方式的抛光头的晶圆抛光装置。例如，专利文献1中记载了一种晶圆抛光装置，其具备：将按压力传递到抛光垫上的晶圆的膜；以及调整膜的张力的张力调整机构。另外，专利文献2中记载了一种抛光头，为了使晶圆面内的抛光量均匀化，将表面粗糙度相异的区域以同心圆状配置在膜（弹性体膜）的晶圆保持面上，从外周开始占有半径的10%以上且80%以下的第1区域的算术平均粗糙度Ra为5.0μm以上且50μm以下，第1区域的内侧的第2区域的算术平均粗糙度Ra小于5.0μm。另外在专利文献3中记载了一种抛光头用膜，其具有圆形底部、从底部的外缘立起的壁部、由壁部的上端朝向圆的中心方向延伸的环状部及位于环状部的终端的突出部。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003-25217号公报

专利文献2：日本特开2007-12918号公报

专利文献3：日本特开2005-79465号公报。

在过去的膜加压方式的抛光头中，膜由圆盘状的支撑板所支撑，膜的内侧的直径尺寸设定为与支撑板的直径尺寸相同或者较其略小的尺寸，另外膜橡胶的内侧的高度尺寸设定为与支撑板的高度尺寸相同。并且，将这种膜以气体加压，由此，对和晶圆对置的膜的按压面赋予弹力，由此均匀按压晶圆的整个面。

但是，在膜的内侧的直径尺寸小于支撑板的直径尺寸且膜的内侧的高度尺寸与支撑板的高度尺寸几乎相同的情况下，基于与晶圆接触的膜的主面部的水平方向（横向）的张力大于基于膜的侧面部的垂直方向（纵向）的张力，因此存在以下问题：基于膜的按压力的面内分布产生偏差，而造成使晶圆的抛光量（削除量）的面内偏差变大。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种能够提高晶圆面内的抛光量的均匀性的晶圆抛光装置及用于该装置的抛光头。

用于解决技术问题的方案

为了解决上述问题，基于本发明的晶圆抛光装置的特征在于，其具备：贴附了抛光垫的旋转平台；及按压并保持载置于所述抛光垫上的晶圆的抛光头，所述抛光头具备：抵接于所述晶圆的上表面并赋予按压力的膜；及支撑所述膜的支撑板，所述膜具有：与所述支撑板的底面对置的主面部；及与所述支撑板的外周端面对置的侧面部，基于所述膜的所述侧面部的纵向的张力大于基于所述膜的所述主面部的横向的张力。

另外，基于本发明的抛光头是按压并保持载置于贴附了抛光垫的旋转平台上的晶圆的抛光头，所述抛光头的特征在于，其具备：抵接于所述晶圆的上表面并赋予按压力的膜；及支撑所述膜的支撑板，所述膜具有：与所述支撑板的底面对置的主面部；及与所述支撑板的外周端面对置的侧面部，基于所述膜的所述侧面部的纵向的张力大于基于所述膜的所述主面部的横向的张力。

根据本发明，能够防止基于膜的主面部的横向的张力将角落部向主面部侧牵引而使角落部附近的平坦度恶化的情况发生。因此，能够防止膜的松弛并谋求产生于晶圆按压面的压力的均匀化，而能够提高晶圆的削除量的面内分布的均匀性。

在本发明中，优选所述膜的所述侧面部的内侧的高度（Mh）相对于所述支撑板的厚度（Ph）的尺寸比（Mh/Ph）为0.75以上且小于1。另外，优选所述膜的所述主面部的内侧的直径（Md）相对于所述支撑板的直径（Pd）的尺寸比（Md/Pd）为0.95以上且在1以下。只要膜的内径相对于支撑板的尺寸比在该范围内，则能够抑制因为膜的松弛而造成的晶圆抛光量的偏差，并且能够避免发生膜的尺寸太小而无法安装在支撑板的情况。

在本发明中，优选所述膜构成单个的加压区，而不分割为能够独立加压控制的多个加压区。另外，优选所述抛光头还具备加固套，其与所述晶圆的外周端面抵接并限制所述晶圆的水平方向的移动，所述加固套的底面不与所述抛光垫的表面接触。晶圆抛光装置采用所谓的单区加压方式的晶圆加压机构或非接地型的加固套时，能够提升本发明的上述效果，并能够更进一步提高晶圆面内的抛光量的均匀性。

发明效果

根据本发明，能够提供一种能够提高晶圆面内的抛光量的均匀性的晶圆抛光装置及用于该装置的抛光头。

附图说明

图1是概略表示基于发明的实施方式的晶圆抛光装置的结构的侧面剖视图。

图2是表示膜及支撑板的结构的侧面剖视图，图2（a）表示将膜安装在支撑板的状态、图2（b）表示膜单体、图2（c）表示支撑板单体。

图3是表示膜相对于支撑板的纵尺寸比的变化和晶圆的抛光量的圆周方向的偏差的关系的曲线图。

图4是表示膜相对于支撑板的横尺寸比的变化和晶圆的抛光量的径向的偏差的关系的曲线图。

具体实施方式

以下参考附图，说明本发明的优选的实施方式。

图1为概略表示基于本发明的实施方式的晶圆抛光装置的结构的侧面剖视图。

如图1所示，晶圆抛光装置1具备：贴附有抛光垫22的旋转平台21、按压并保持载置在抛光垫22上的晶圆W的膜加压方式的抛光头10。一边将浆料供给至抛光垫22上，一边使旋转平台21及保持于抛光头10上的晶圆W分别旋转，由此能够抛光与抛光垫22接触的晶圆W的单面。

抛光头10具备以能够升降的方式被支撑着的旋转轴11、与旋转轴11的下端连接的不锈钢制的加压凸缘12、经由高度调整垫片13被安装在加压凸缘12的底面的加固套14、安装在加压凸缘12的支撑板15及安装在支撑板15的膜16。支撑板15经由传动销17与加压凸缘12连结，能够和加压凸缘12一起旋转。另外，抛光头10具备用于将气体送入到膜16的内部的膜加压线18、膜高度调整管19及膜高度调整垫片20，膜16的上端部被膜高度调整垫片20按压而被固定。

加固套14为固定在加压凸缘12的底面的引导件。本实施方式的加固套14的底面在抛光工序中并不与抛光垫22的表面接触，两者之间一直形成有规定宽度的缝隙G。加固套14并不是如膜16那样能够独立于加压凸缘12而动作的部件，所以，即使不将加固套14的底面向抛光垫22按压，也能够使晶圆W的外周端面与加固套14抵接并限制晶圆W的水平方向的移动，从而能够防止晶圆向抛光头10的外侧飞出。

膜16为具有挠性的部件，其材质优选为EPDM（乙丙橡胶）或硅胶。膜16的厚度优选为0.7～1.5mm，橡胶硬度优选为30～60度（JIS K 6253 typeA）。

膜16的主面（底面）的平面形状为符合晶圆W尺寸的圆形，与晶圆W上表面的实质上的整个面接触。膜16的主面构成按压晶圆W的上表面的按压面，经由膜16对晶圆W进行气体加压，由此朝向下方按压晶圆W。膜16和支撑板15之间的缝隙为密闭空间，将气体从膜加压线18供给至密闭空间内，由此能够对膜16赋予张力，并能够提高和晶圆W对置的膜16的按压面的弹力。

膜16和支撑板15之间的密闭空间并没有分隔为多个小室，而是构成单个的室，因此，从膜加压线18供给的气体使膜16的整体膨胀，将均匀的按压力赋予到与膜16接触的晶圆W的上表面。即，使用了膜16的本实施方式的晶圆加压机构，并不采用分割为能够独立加压控制的多个加压区的多区加压方式，而采用构成单个加压区的单区加压方式。在多区加压方式的情况下，膜16的横向的张力对晶圆W的按压力的面内分布的影响小，但在单区加压方式的情况下，膜16的横向的张力对于晶圆W的按压力的面内分布影响大，容易使晶圆的抛光量（削除量）的面内偏差变大，因此本发明的效果也显著。

图2为表示膜16及支撑板15的结构的侧面剖视图，图2（a）表示将膜16安装在支撑板15的状态，图2（b）表示膜16单体，图2（c）表示支撑板15单体。

如图2（a）～（c）所示，膜16具有圆形的主面部16a、从主面部16a的外周端大致直角地折弯而向上方延伸的侧面部16b及从侧面部16b的上端大致直角地折弯而向内径方向延伸的环状的上表面部16c，在上表面部16c的末端部设置有向下的突起部16d。膜16的主面部16a为与支撑板15的底面15b对置的部分，其外侧表面（底面）构成与载置在抛光垫22上的晶圆W的上表面的实质上的整个面接触并按压晶圆W的按压面。膜16的侧面部16b为与支撑板15的外周端面15c对置的部分。

环状上表面部16c的内径侧有开口部16f，开口部16f的直径略小于支撑板15的直径，所以能够通过膜16的开口部16f将支撑板15嵌入到内框内，膜16被安装为覆盖住支撑板15的底面。另外，膜16的环状的上表面部16c与支撑板15的上表面密接，并且环状的突起部16d卡合在形成于支撑板15上表面的卡合槽15d。另外，如图1所示，膜16的环状的上表面部16c被调整管19及调整垫片20压住，由此成为膜16的侧面部16b的上端被固定在支撑板15的状态。

在圆盘状的支撑板15的底面15b，沿着其外周设置有环状的朝下的突起15a。因此，膜16的主面部16a和支撑板15的底面并不密接，在膜16和支撑板15之间形成缝隙S，由此能够使气体良好地进入到膜16内。膜加压线18与贯穿支撑板15的通气口15e连通，并通过从通气口15e送入到密闭空间内的气体对膜进行加压。

膜16的内侧的尺寸小于支撑板15的尺寸，因此，为了将其安装在支撑板15上，必须将膜16稍微拉伸，在已安装在支撑板15的膜16的主面部16a及侧面部16b分别产生横向及纵向的张力。

基于膜16的侧面部16b的纵向的张力必须要大于基于膜16的主面部16a的横向的张力。在纵向的张力等于或小于横向的张力的情况下，膜16的角落部16e被拉扯向中心侧，使主面部16a的外周附近的平坦度变差，容易在晶圆外周部产生抛光量的偏差。但是，在膜16的纵向的张力大于横向的张力的情况下，膜16的角落部16e被拉扯向外周侧而使包含主面部16a的外周附近的整个面的平坦度变好，因此能够谋求晶圆面内的抛光量的均匀化。

在本实施方式中，膜16的内侧（内框）的高度Mh相对于支撑板15的厚度Ph的尺寸比（纵尺寸比）优选为0.75以上且小于1（0.75≤Mh/Ph＜1）。其原因在于，在Mh/Ph为1以上的情况下，会因为膜的松弛而使晶圆的抛光量的圆周方向的偏差增大，在Mh/Ph小于0.75的情况下，因为膜16的内侧的高度尺寸太小，使纵向的张力太强，而变得很难安装到支撑板15上。

膜16的内侧（内框）的直径Md相对于支撑板15的直径Pd的尺寸比（横尺寸比）优选为0.95以上且在1以下（0.95≤Md/Pd≤1）。其原因在于，在Md/Pd大于1的情况下，会因为膜的松弛而使晶圆的抛光量的径向的偏差增大，在Md/Pd小于0.95的情况下，因为膜16的内侧的直径尺寸太小，使横向的张力太强，而变得很难安装到支撑板15上。

根据施加于已安装到支撑板15的膜16的应力分布的模拟结果，例如在Mh/Ph=0.99且Md/Pd=0.99的过去的膜结构体中，拉伸应力集中在膜16的角落部，所以，角落部附近的主面部的表面的扭曲变形变大，晶圆的按压力的均匀性变差。但是，Mh/Ph=0.75且Md/Pd=1.0的本发明的膜结构体中，拉伸应力集中在膜16的侧面部，由此减少角落部附近的主面部的表面的扭曲变形，而改善晶圆的按压力的均匀性。

如以上说明，本实施方式的晶圆抛光装置1，具备膜加压方式的抛光头10，基于膜16的侧面部16b的纵向的张力大于基于主面部16a的横向的张力，因此，能够抑制膜16的主面部16a的松弛，并对晶圆W赋予均匀的按压力。膜16的内侧的高度Mh相对于支撑板15的厚度Ph的尺寸比Mh/Ph小于膜16的内侧的直径Md相对于支撑板15的直径Pd的尺寸比Md/Pd，因此，能够谋求产生于膜的晶圆按压面的压力的均匀化。因此，能够防止膜16的松弛，并提高晶圆面内的抛光量的均匀性。

以上，对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内可以进行各种变更，这些当然也包含于本发明的范围内。

例如，上述实施方式中，抛光头10的加固套14是固定在加压凸缘12的部件，但加固套14和膜16一样地，也可以是能够独立于加压凸缘12而上下移动的独立方式的部件。

实施例

评估了膜相对于支撑板的纵横尺寸的比例对于晶圆的抛光量的面内分布有何影响。在该评估试验中，准备从由丘克拉斯基法育成的晶体方位（100）的单晶硅锭切出、并经过两面抛光加工的直径450mm、厚度925μm的P型硅晶圆，并使用具备膜加压方式的抛光头的晶圆抛光装置而对晶圆进行了镜面抛光。抛光工序中，使用了二氧化硅浓度0.3wt/%、二氧化硅粒子直径35nm的浆料，或使用了起毛皮革型的抛光垫。抛光头及旋转平台的旋转速度为40rpm，膜压力为10kpa，目标抛光量（削除量）为1μm。

抛光工序中，准备纵横尺寸相异的多个膜样本，并使用这些膜样本对晶圆进行了抛光。膜相对于支撑板的纵尺寸比Mh/Ph为“1.01”、“1.0”、“0.90”、“0.8”、“0.75”这5种。另外，膜相对于支撑板的横尺寸比Md/Pd为“1.01”、“1.0”、“0.98”、“0.95”这4种。

之后，使用晶圆平坦度测定装置（黑田精工股份有限公司制造"450TT"），评估了各晶圆的抛光量的面内偏差。其结果如图3及图4所示。

图3为表示膜16相对于支撑板15的纵尺寸比的变化和晶圆W的抛光量的圆周方向的偏差的关系的曲线图，横轴表示纵尺寸比Mh/Ph，纵轴表示晶圆的圆周方向的厚度偏差（nm）。圆周方向的厚度偏差的测定中，以45度间隔将晶圆分为8等份，并在距晶圆中心223mm的位置处算出各等份中的削除量分布的平均轮廓。并且，将平均轮廓的最大值和最小值的差设为晶圆的圆周方向的厚度偏差的值。

如图3所示，无论膜的横尺寸比为何值，膜的纵尺寸比为“1.01”时的晶圆的抛光量的圆周方向的偏差为50nm以上，且抛光量的偏差大。另外，无论膜的纵尺寸比为何值，膜的横尺寸比为“1.01”时的晶圆的抛光量的圆周方向的偏差为50nm以上，抛光量的偏差大。另一方面，膜的纵尺寸比为“1.0”以下时的晶圆的抛光量的圆周方向的偏差除了膜的横尺寸比为“1.01”的情况之外，抛光量的偏差小，而且有膜的纵尺寸比越小则偏差就越小的倾向。

图4为表示膜16相对于支撑板15的横尺寸比的变化和晶圆W的抛光量的径向的偏差的关系的曲线图，横轴表示横尺寸比Md/Pd、纵轴表示晶圆的径向的厚度偏差（nm）。晶圆的径向的厚度偏差的值为，晶圆的径向上的最大值和最小值之差。

如图4所示，无论膜的纵尺寸比为何值，膜的横尺寸比为“1.01”时的晶圆的抛光量的径向的偏差为200nm以上，抛光量的偏差大。另外，无论膜的横尺寸比为何值，膜的纵尺寸比为“1.01”时的晶圆的抛光量的径向的偏差为250nm以上，抛光量的偏差大。另一方面，膜的横尺寸比为“1.0”以下时的晶圆的抛光量的径向的偏差除了膜的纵尺寸比为“1.01”的情况之外，抛光量的偏差小，并且有膜的横尺寸比越大则偏差越小的倾向。

由以上的结果确认到：若膜的纵尺寸比Mh/Ph在0.75～1.0的范围内且横尺寸比Md/Pd在0.95～1.0的范围内，则能够抑制晶圆面内的抛光量的偏差，并能够确保平坦度。另外还确认到：在膜相对于支撑板的纵尺寸比Mh/Ph小于横尺寸比Md/Pd的情况下，能够更进一步提高晶圆面内的抛光量的均匀性，纵尺寸比Mh/Ph和横尺寸比Md/Pd的差越大，则其效果越好。

附图标记说明

1-晶圆抛光装置，10-抛光头，11-旋转轴，12-加压凸缘，13-调整垫片，14-加固套，15-支撑板，15a-支撑板的突起，15b-支撑板的底面，15c-支撑板的外周端面，15d-支撑板的卡合槽，15e-支撑板的通气口，16-膜，16a-膜的主面部，16b-膜的侧面部，16c-膜的上表面部，16d-膜的突起部，16e-膜的角落部，16f-膜的开口部，17-传动销，18-膜加压线，19-膜高度调整管，20-膜高度调整垫片，21-旋转平台，22-抛光垫，W-晶圆。

Claims (8)

1.一种晶圆抛光装置，其特征在于，具备：

贴附有抛光垫的旋转平台；及

按压并保持载置于所述抛光垫上的晶圆的抛光头；

所述抛光头具备：

抵接于所述晶圆的上表面并赋予按压力的膜；及

支撑所述膜的支撑板，

所述膜具有与所述支撑板的底面对置的主面部及与所述支撑板的外周端面对置的侧面部，

基于所述膜的所述侧面部的纵向的张力，大于基于所述膜的所述主面部的横向的张力。

2.如权利要求1所述的晶圆抛光装置，其中，

所述膜的所述侧面部的内侧的高度（Mh）相对于所述支撑板的厚度（Ph）的尺寸比（Mh/Ph）为0.75以上且小于1。

3.如权利要求1或2所述的晶圆抛光装置，其中，

所述膜的所述主面部的内侧的直径（Md）相对于所述支撑板的直径（Pd）的尺寸比（Md/Pd）为0.95以上且在1以下。

4.如权利要求1或2所述的晶圆抛光装置，其中，

所述膜构成单个的加压区，而不分割为能够独立进行加压控制的多个加压区。

5.如权利要求3所述的晶圆抛光装置，其中，

所述膜构成单个的加压区，而不分割为能够独立进行加压控制的多个加压区。

6.如权利要求1或2所述的晶圆抛光装置，其中，

所述抛光头还具备加固套，该加固套与所述晶圆的外周端面抵接并限制所述晶圆的水平方向的移动，

所述加固套的底面不与所述抛光垫的表面接触。

7.如权利要求3所述的晶圆抛光装置，其中，

所述抛光头还具备加固套，该加固套与所述晶圆的外周端面抵接并限制所述晶圆的水平方向的移动，

所述加固套的底面不与所述抛光垫的表面接触。

8.一种抛光头，其为按压并保持晶圆的晶圆抛光装置的抛光头，所述晶圆载置于贴附有抛光垫的旋转平台上，其特征在于，

所述抛光头具备：

抵接于所述晶圆的上表面并赋予按压力的膜；及

支撑所述膜的支撑板；

所述膜具有与所述支撑板的底面对置的主面部及与所述支撑板的外周端面对置的侧面部，

基于所述膜的所述侧面部的纵向的张力，大于基于所述膜的所述主面部的横向的张力。

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