JP5236705B2 - 研磨装置 - Google Patents
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Description
すなわち、半導体ウエハを研磨パッドの研磨面に接地(接触)した後に、圧力室に圧縮空気などの圧力流体を供給することで弾性膜を介して流体圧により半導体ウエハを研磨面に押圧して研磨を開始するが、研磨開始して直ぐに半導体ウエハが割れたり破損したりする現象が生ずることがある。
本発明によれば、隣接する二つの室内の圧力に圧力差がある場合に、隣り合う二つの領域(エリア)間の境界において、研磨圧力、ひいては研磨速度が一方の室側(圧力が高い室側)から他方の室側(圧力が低い室側)に向かってなだらかに下がっていく。すなわち、ダイヤフラムを設けることにより、隣り合う二つの領域(エリア)間の境界において研磨圧力(研磨速度)の勾配をなだらかにすることができる。通常、圧力室を形成するためにメンブレンとして使用している弾性膜は、剛性が低い(縦弾性係数/ヤング率が小さい。厚さが小さい)ため、隣り合う領域に比較的大きな圧力差がある場合、領域境界付近で研磨圧力分布に階段状の段差(急激な変化)が生じてしまう。それに対して、本発明では、弾性膜よりも剛性の高い材料のダイヤフラム(弾性変形しにくい。縦弾性係数が大きい。)を用いているため、圧力差によるダイヤフラムの局所的な変形量が小さくなり、変形する領域が拡大し、隣り合う領域境界付近の圧力勾配がなだらかになる。従って、ダイヤフラムとして挿入する材料に求められるものは、弾性体であるが、弾性膜よりも縦弾性係数が大きく、変形しにくいものである。
本発明の好ましい態様は、前記ダイヤフラムは、PEEK又はPPS又はポリイミドからなる樹脂、ステンレス鋼又はアルミニウムからなる金属、およびアルミナ又はジルコニア又は炭化ケイ素又は窒化ケイ素からなるセラミックのいずれか1つからなることを特徴とする。前記ダイヤフラムの材料は、上記材料以外にも、PET、POM、ポリカーボネートなど、一般的なエンジニアリングプラスチックでもよい。
本発明によれば、隣接する二つの室内の圧力に圧力差がある場合に、隣り合う二つの領域(エリア)間の全ての境界において、研磨圧力、ひいては研磨速度が一方の室側(圧力が高い室側)から他方の室側(圧力が低い室側)に向かってなだらかに下がっていく。すなわち、ダイヤフラムを設けることにより、隣り合う二つの領域(エリア)間の境界の全てにおいて研磨圧力(研磨速度)の勾配をなだらかにすることができる。
本発明によれば、ダイヤフラムは、弾性膜で覆われており、ダイヤフラムが直接に基板に接触しないようになっている。弾性膜は、基板を保持する保持面を構成するため、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリウレタンゴム、シリコンゴム等の強度および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。
研磨テーブル100は、テーブル軸100aを介してその下方に配置されるモータ(図示せず)に連結されており、そのテーブル軸100a周りに回転可能になっている。研磨テーブル100の上面には研磨パッド101が貼付されており、研磨パッド101の表面101aが半導体ウエハWを研磨する研磨面を構成している。研磨テーブル100の上方には研磨液供給ノズル102が設置されており、この研磨液供給ノズル102によって研磨テーブル100上の研磨パッド101上に研磨液Qが供給されるようになっている。
図2に示すように、トップリング1は、半導体ウエハWを研磨面101aに対して押圧するトップリング本体2と、研磨面101aを直接押圧するリテーナリング3とから基本的に構成されている。トップリング本体2は、概略円盤状の部材からなり、リテーナリング3はトップリング本体2の外周部に取り付けられている。トップリング本体2は、エンジニアリングプラスティック(例えば、PEEK)などの樹脂により形成されている。トップリング本体2の下面には、半導体ウエハの裏面に当接する弾性膜4が取り付けられている。弾性膜4は、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリウレタンゴム、シリコンゴム等の強度および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。
すなわち、センター室5の直下にある半導体ウエハの円形領域(円形エリア)、アウター室7の直下にある半導体ウエハの環状領域(リング状エリア)ごとに研磨パッド101に押圧する押圧力を独立に調整でき、リテーナリング3が研磨パッド101を押圧する押圧力を独立に調整できる。
トップリング1は基板受渡し装置から半導体ウエハWを受け取り真空吸着により保持する。なお、図2および図3では図示していないが、弾性膜4には半導体ウエハWを真空吸着するための複数の孔が設けられており、これらの孔は真空ポンプ等の真空源に連通されている。半導体ウエハWを真空吸着により保持したトップリング1は、予め設定したトップリングの研磨時設定位置まで下降する。この研磨時設定位置では、リテーナリング3は研磨パッド101の表面(研磨面)101aに接地しているが、研磨前は、トップリング1で半導体ウエハWを吸着保持しているので、半導体ウエハWの下面(被研磨面)と研磨パッド101の表面(研磨面)101aとの間には、わずかな間隙(例えば、約1mm)がある。このとき、研磨テーブル100およびトップリング1は、ともに回転駆動されている。この状態で、開閉バルブV1および開閉バルブV3を同時に開き、流体供給源30からセンター室5およびアウター室7に圧力流体を供給し、半導体ウエハWの裏面側にある弾性膜4を膨らませ、半導体ウエハWの下面(被研磨面)を研磨パッド101の表面(研磨面)101aに接地させる。このとき、研磨パッド101に溝加工が施されていないか又は溝加工が充分に施されていない場合、図3(a)に示すように、研磨パッド101の表面(研磨面)101aと半導体ウエハWとの間にエアやスラリーが封入され、そのまま研磨圧力を掛けると半導体ウエハWに通常より大きな変形を生じさせ、半導体ウエハWに割れや破損を引き起こす。
図4に示す実施形態においては、弾性膜4の上面とトップリング本体2の下面との間に形成される圧力室は、単一の圧力室5Aからなる。トップリング本体2の中央部に形成された流路(供給孔)11は、流路21を介して流体供給源30に接続されており、トップリング本体2の外周部に形成された流路(供給孔)13は、流路23を介して流体供給源30に接続されている。流路21には開閉バルブV1と圧力レギュレータR1が設置されており、流路23には開閉バルブV3と圧力レギュレータR3が設置されている。リテーナリング3の直上のリテーナ室9は流路25を介して流体供給源30に接続されている。流路25には開閉バルブV5と圧力レギュレータR5が設置されている。圧力レギュレータR1,R3およびR5および開閉バルブV1,V3およびV5は、制御装置33に接続されていて、それらの作動が制御されるようになっている。
半導体ウエハWを真空吸着により保持したトップリング1を予め設定したトップリングの研磨時設定位置まで下降させた後に、開閉バルブV1および開閉バルブV3を同時に開き、流路(供給孔)11および流路(供給孔)13から圧力室5Aの中心部および外周部に同時に圧力流体を供給し、半導体ウエハWの裏面側にある弾性膜4を膨らませ、半導体ウエハWの下面を研磨パッド101の表面(研磨面)101aに接地させる。このとき、研磨パッド101に溝加工が施されていないか又は溝加工が充分に施されていない場合、図5(a)に示すように、研磨パッド101の表面(研磨面)101aと半導体ウエハWとの間にエアやスラリーが封入され、そのまま研磨圧力を掛けると半導体ウエハWに通常より大きな変形を生じさせ、半導体ウエハWに割れや破損を引き起こす。
図6に示す実施形態においては、弾性膜4の上面とトップリング本体2の下面との間に形成される圧力室は、単一の圧力室5Aからなる。本実施形態においては、トップリング本体2の中央部にのみ流路(供給孔)11が形成されている。流路11は、流路21を介して流体供給源30に接続されており、流路21には開閉バルブV1と圧力レギュレータR1が設置されている。
前記ダイヤフラム10は、弾性膜26で覆われており、ダイヤフラム10の下面(ウエハ保持面側)が直接に半導体ウエハWに接触しないようになっている。弾性膜26は、ダイヤフラム10の下面を覆うとともに弾性膜4の下面の全体を覆うようになっている。弾性膜26とダイヤフラム10の接触面および弾性膜26と弾性膜4の接触面は、接着剤等によって固着されている。弾性膜26の下面は半導体ウエハWを保持する保持面を構成するため、弾性膜26は、弾性膜26の下面の全体が同一平面になるように、ダイヤフラム10がある部分は薄く、ダイヤフラム10がない部分は厚く設定されている。また弾性膜26はエチレンプロピレンゴム(EPDM)、ポリウレタンゴム、シリコンゴム等の強度および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。
図8(a)はダイヤフラム10を設けない場合のトップリング1の作用を示す模式図である。図8(a)に示すように、境界20を境として、リプル室6内の圧力とアウター室7内の圧力には圧力差(アウター室7内の圧力>リプル室6内の圧力)があり、その結果、図8(a)の下側部分に示すように、隣り合う二つの領域(エリア)間の境界20で研磨圧力、ひいては研磨速度に階段状の段差が生じる。
図8(b)はダイヤフラム10を設けた場合のトップリング1の作用を示す模式図である。図8(b)に示すように、境界20を境として、リプル室6内の圧力とアウター室7内の圧力には圧力差(アウター室7内の圧力>リプル室6内の圧力)があるが、図8(b)の下側部分に示すように、隣り合う二つの領域(エリア)間の境界20で研磨圧力、ひいては研磨速度は、アウター室7側からリプル室6側に向かってなだらかに下がっていく。すなわち、ダイヤフラム10を設けることにより、隣り合う二つの領域(エリア)間の境界20で研磨圧力(研磨速度)の勾配をなだらかにすることができる。
(1)均一な圧力の場合
図9(a)に示すように、半導体ウエハWに均一な圧力(背面圧)がかかっている場合には、研磨パッド101の変形による反発圧力も均一になる。
(2)圧力分布がある場合
図9(b)に示すように、半導体ウエハWにかかる圧力に分布がある場合には、背面圧が低い場所は研磨パッド101の変形量が小さく、背面圧が高い場所は変形量が大きくなる。半導体ウエハWの剛性が低い場合、変形しやすいので、変形は局所的に起こり、狭い領域で研磨パッド101の変形量も変化する。このため、研磨圧力分布も圧力境界部付近で急峻に変化する。
(3)圧力分布があり、ダイヤフラム10がある場合
背面圧は(2)と同じである。(3)の場合も(2)の場合と同様に、背面圧と研磨パッド101の変形による反発力は釣り合う。(3)の場合、半導体ウエハWの表面の研磨圧力分布は、(2)の場合と異なるが、積分値である反発力は同じになる。圧力境界部付近から充分に離れた場所では研磨圧力は(2)の場合と同じになる。よって、研磨パッド101の変形量も同じになる。半導体ウエハWの上面にダイヤフラム10があることにより、半導体ウエハWの剛性が高くなったような効果があり、半導体ウエハWの局所的な変形量が小さくなり、変形する領域は拡大する。
圧力境界部付近の研磨パッド101の変形量は(2)の場合に比べなだらかな勾配を持つ。そして、研磨圧力の分布もなだらかに変化する。
図10に示す弾性膜4においては、弾性膜4を膨張させる際に均一に膨張させる必要があることや弾性膜4をトップリング本体2に固定するための部分を確保する必要があることから、隣接する領域(二つの圧力室)を画成するための同心状の複数の隔壁4aは、複雑な形状をしているが、これら隔壁4aによって、弾性膜4の上面とトップリング本体(図示せず)の下面との間に円形状のセンター室5、環状のリプル室6、環状のアウター室7、環状のエッジ室8が形成されている。すなわち、トップリング本体の中心部にセンター室5が形成され、中心から外周方向に向かって、順次、同心状に、リプル室6、アウター室7、エッジ室8が形成されている。トップリング本体内には、図7に示す実施形態と同様に、各室に連通する流路がそれぞれ形成されている。図10では図示しないが、センター室5、リプル室6、アウター室7、エッジ室8は、図7に示す実施形態と同様に、開閉バルブV1〜V5および圧力レギュレータR1〜R5を介して流体供給源30に接続されている。
図10においては、半導体ウエハWを真空吸着するための弾性膜26に形成された複数の孔26hが図示されており、また孔26hに連通するダイヤフラム10に形成された複数の孔10hおよび弾性膜4に形成された複数の孔4hが図示されている。
図11から図15に示すように、トップリング1は、半導体ウエハWを研磨面101aに対して押圧するトップリング本体2と、研磨面101aを直接押圧するリテーナリング3とから基本的に構成されている。トップリング本体2は、円盤状の上部材300と、上部材300の下面に取り付けられた中間部材304と、中間部材304の下面に取り付けられた下部材306とを備えている。リテーナリング3は、トップリング本体2の上部材300の外周部に取り付けられている。上部材300は、図12に示すように、ボルト308によりトップリングシャフト111に連結されている。また、中間部材304は、ボルト309を介して上部材300に固定されており、下部材306はボルト310を介して上部材300に固定されている。上部材300、中間部材304、および下部材306から構成されるトップリング本体2は、エンジニアリングプラスティック(例えば、PEEK)などの樹脂により形成されている。
一方、リング部材408の上リング部材408aは、円周方向にリング状に全周つながっている下部リング状部408a1と、下部リング状部408a1から円周方向に所定間隔毎に上方に突出した複数の上部円弧状部408a2とから構成されている。そして、各上部円弧状部408a2が各円弧状開口410hを貫通してピストン406に連結されている(図16参照)。
一方、リテーナリングガイド410における外周側部410aの内周面は前記コーティング層430cに摺接するガイド面410gを構成しており、このガイド面410gは鏡面処理により面粗度が向上するようにしている。ここで、鏡面処理とは、例えば、研磨加工、ラップ加工、バフ加工等の処理を云う。
図18および図19に示すように、リテーナリング3のリング部材408の上リング部材408aの外周面には縦方向に延びる概略長円形状溝418が形成されている。長円形状溝418は上リング部材408aの外周面に所定間隔毎に複数個形成されている。また、リテーナリングガイド410の外周側部410aには、半径方向内方に突出する複数の駆動ピン349が設けられており、この駆動ピン349がリング部材408の長円形状溝418に係合するようになっている。長円形状溝418内でリング部材408と駆動ピン349が相対的に上下方向にスライド可能になっているとともに、この駆動ピン349により上部材300およびリテーナリングガイド410を介してトップリング本体2の回転がリテーナリング3に伝達され、トップリング本体2とリテーナリング3は一体となって回転する。駆動ピン349の外周面には、ゴムクッション350が設けられ、ゴムクッション350の外側にPTFEやPEEK・PPSなどの低摩擦材料からなるカラー351が設けられている。一方、前記長円形状溝418の内面には鏡面処理が施され、低摩擦材料のカラー351が接触する長円形状溝418の内面の面粗度を向上させるようにしている。
2 トップリング本体
3 リテーナリング
4,26 弾性膜
4a 隔壁
5 センター室
5A 圧力室
6 リプル室
7 アウター室
8 エッジ室
9 リテーナ室
10 ダイヤフラム
11,12,13,14,15,21,22,23,24,25 流路
20 境界
30 流体供給源
32,40 真空源
33 制御装置
100 研磨テーブル
100a テーブル軸
101 研磨パッド
101a 表面(研磨面)
102 研磨液供給ノズル
110 トップリングヘッド
111 トップリングシャフト
112 回転筒
113 タイミングプーリ
114 トップリング用モータ
115 タイミングベルト
116 タイミングプーリ
117 トップリングシャフト
124 上下動機構
125 ロータリージョイント
126 軸受
128 ブリッジ
129 支持台
130 支柱
132 ボールねじ
132a ねじ軸
132b ナット
138 サーボモータ
300 上部材
304 中間部材
306 下部材
308 ボルト
314a,314b リプル
314c エッジ
314d エッジ(外周縁)
314f 隙間
316 エッジホルダ
318,319 リプルホルダ
318b,318c 爪部
320,322 ストッパ
324,325,326,328,334,336,338 流路
327 コネクタ
342,344 流路
347 環状溝
349 駆動ピン
350 ゴムクッション
351 カラー
400 シリンダ
402 保持部材
404 弾性膜
406 ピストン
408 リング部材
408a 上リング部材
408b 下リング部材
408a1 下部リング状部
408a2 上部円弧状部
409 ボルト
410 リテーナリングガイド
410a 外周側部
410b 内周側部
410c 中間部
410h 複数の開口
410g ガイド面
411 ボルト
412,414 流路
418 長円形状溝
420 接続シート
421 バンド
422 シール部材
430 金属性リング
430c コーティング層
Q 研磨液
R1,R2,R3,R4,R5 圧力レギュレータ
V1,V2,V3,V4,V5 開閉バルブ
W 半導体ウエハ
Claims (5)
- 研磨面を有した研磨テーブルと、
圧力流体が供給される複数の圧力室を形成する弾性膜を有し、前記複数の圧力室に圧力流体を供給することで流体圧により基板を前記研磨面に押圧する研磨ヘッドとを備え、
前記弾性膜は同心状の複数の隔壁を有し、これら隔壁によって弾性膜の上面と研磨ヘッドの下面との間に前記複数の圧力室を形成し、
前記弾性膜の基板保持面側に、隣接する二つの圧力室に跨るように、前記弾性膜より剛性の高い材料からなるダイヤフラムを設け、
前記ダイヤフラムは、前記二つの圧力室の境界から内周側および外周側に10mm以上の範囲を有することを特徴とする研磨装置。 - 前記ダイヤフラムは、前記弾性膜に固定されていることを特徴とする請求項1記載の研磨装置。
- 前記ダイヤフラムは、PEEK又はPPS又はポリイミドからなる樹脂、ステンレス鋼又はアルミニウムからなる金属、およびアルミナ又はジルコニア又は炭化ケイ素又は窒化ケイ素からなるセラミックのいずれか1つからなることを特徴とする請求項1又は2記載の研磨装置。
- 前記ダイヤフラムは、前記複数の圧力室を形成する前記弾性膜の略全面を覆っていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の研磨装置。
- 前記ダイヤフラムを覆うとともに、基板と接触して基板を保持するための基板保持面を構成する弾性膜を設けたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の研磨装置。
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