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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6867430
(24)【登録日】2021年4月12日
(45)【発行日】2021年4月28日
(54)【発明の名称】凹所およびキャップを有する、中心部が可撓性の片面研磨ヘッド
(51)【国際特許分類】
H01L 21/304 20060101AFI20210419BHJP
B24B 37/30 20120101ALI20210419BHJP
【ＦＩ】
H01L21/304 622K
H01L21/304 622L
B24B37/30 C
B24B37/30 E
B24B37/30 Z
【請求項の数】7
【外国語出願】
【全頁数】23
(21)【出願番号】特願2019-81061(P2019-81061)
(22)【出願日】2019年4月22日
(62)【分割の表示】特願2017-518223(P2017-518223)の分割
【原出願日】2015年10月5日
(65)【公開番号】特開2019-153801(P2019-153801A)
(43)【公開日】2019年9月12日
【審査請求日】2019年5月9日
(31)【優先権主張番号】14/512,779
(32)【優先日】2014年10月13日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】518112516
【氏名又は名称】グローバルウェーハズ カンパニー リミテッド
【氏名又は名称原語表記】ＧｌｏｂａｌＷａｆｅｒｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
(74)【代理人】
【識別番号】100101454
【弁理士】
【氏名又は名称】山田 卓二
(74)【代理人】
【識別番号】100131808
【弁理士】
【氏名又は名称】柳橋 泰雄
(72)【発明者】
【氏名】ピーター・アルブレヒト
(72)【発明者】
【氏名】サミート・エス・バガヴァット
(72)【発明者】
【氏名】チュウ・アレックス
(72)【発明者】
【氏名】吉村 一郎
(72)【発明者】
【氏名】ユンビャオ・シン
(72)【発明者】
【氏名】ローランド・バンダム
【審査官】
鈴木 孝章
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００４−３２７５４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０７−１１２３６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００１−１７９６０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１３−００４９２８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｌ ２１／３０４
Ｂ２４Ｂ ３７／３０
Ｂ２４Ｂ ３７／３２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体ウエハを研磨する方法であって、
方法は、
そこに配置される前記ウエハを保持するためのウエハ保持機構と研磨ヘッド組立体を含む研磨装置を提供するステップであって、
前記研磨ヘッド組立体は、
研磨ヘッドの底部に沿って凹部を画定する下方向に延在する環状部材を含み、
前記環状部材は内面を有し、
前記凹部は凹面を有する、研磨ヘッドと、
回転台上の研磨パッドに関して前記ウエハを回転するための前記凹部内に配置されたキャップであって、
前記キャップは環状壁と前記環状壁に渡って延在する床部を有し、
前記床部はそこにチャンバを形成するために前記凹面から間隔を空けられ、
前記環状壁は前記環状壁の外面に沿って前記環状部材の内面に接着剤で取り付けられる、キャップと、を有する研磨装置を提供するステップと、
前記ウエハ保持機構に対して前記研磨ヘッドを動かし、キャップを歪め、ウエハに対して相互作用を及ぼして、研磨圧力をもたらすステップと、
前記ウエハと前記研磨パッドの間で回転動作を引き起こすステップと、
前記研磨圧力を調整して、研磨表面の平坦性を改善するために前記キャップの歪みを調整するステップと、を備える方法。
方法は、
そこに配置される前記ウエハを保持するためのウエハ保持機構と研磨ヘッド組立体を含む研磨装置を提供するステップであって、
前記研磨ヘッド組立体は、
研磨ヘッドの底部に沿って凹部を画定する下方向に延在する環状部材を含み、
前記環状部材は内面を有し、
前記凹部は凹面を有する、研磨ヘッドと、
回転台上の研磨パッドに関して前記ウエハを回転するための前記凹部内に配置されたキャップであって、
前記キャップは環状壁と前記環状壁に渡って延在する床部を有し、
前記床部はそこにチャンバを形成するために前記凹面から間隔を空けられ、
前記環状壁は前記環状壁の外面に沿って前記環状部材の内面に接着剤で取り付けられる、キャップと、を有する研磨装置を提供するステップと、
前記ウエハ保持機構に対して前記研磨ヘッドを動かし、キャップを歪め、ウエハに対して相互作用を及ぼして、研磨圧力をもたらすステップと、
前記ウエハと前記研磨パッドの間で回転動作を引き起こすステップと、
前記研磨圧力を調整して、研磨表面の平坦性を改善するために前記キャップの歪みを調整するステップと、を備える方法。
【請求項2】
さらに複数のウエハを前記ウエハ保持機構に設置することによって、複数のウエハを研磨するステップを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
さらに金属材料の前記キャップを形成するステップを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
さらに研磨化学剤が、前記金属材料と接触し、反応することを防ぐための非金属バリアを備える前記キャップを形成するステップを備える、請求項３に記載の方法。
【請求項5】
さらにセラミック材料の前記キャップを形成するステップを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項6】
さらに表面張力によって前記研磨ヘッド組立体に前記ウエハを保持するために、前記研磨ヘッド組立体の底部に沿って液体を提供するステップを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項7】
さらに前記キャップの前記床部の変形を制御する前記チャンバ内の内部圧力を調節するステップを備える、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、広くは、半導体または太陽電池のウエハの研磨に関し、より具体的には、片面研磨装置およびウエハの平坦度を制御する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体ウエハは、回路がプリントされる集積回路（ＩＣ）チップの生産に広く用いられている。まず、小型化した回路をウエハ表面にプリントする。次いでウエハを複数の回路チップに切り分ける。この小型化回路は、ウエハの表面全体に回路を適切にプリントできるように、各ウエハの表（おもて）面と裏面が極めて平坦かつ平行であることを要する。そのために、インゴットからウエハを切り出した後、ウエハの表裏面の平坦度と平行度を高める研削（ｇｌｉｎｄｉｎｇ）や研磨（ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）の工程が広く用いられている。電子ビームリソグラフィーまたはフォトリソグラフィー法（以後「リソグラフィー」と呼ぶ）によりウエハに小型化回路をプリントする準備としてウエハを研磨する場合は、特に良好な仕上げが要求される。小型化回路がプリントされるウエハ表面は、平坦でなくてはならない。同様に、太陽電池用途でも、平坦度と仕上げは重要である。
【0003】
一般的な研磨機の構成及び動作は、許容範囲外の平坦度パラメーターに寄与している。典型的な研磨機は、回転台または定盤上に設置された円形または環状の研磨パッドであって、その中心部を通る垂直方向軸線を中心に回転させられる研磨パッド、およびウエハを保持して研磨パッドに押し付ける機構を含んでいる。ウエハは、典型的には、たとえば液体表面張力または真空／吸引により、研磨ヘッドに設置される。典型的には化学研磨剤および砥粒を含む研磨スラリーがパッドに加えられて、研磨パッドとウエハ表面の研磨相互作用が高められる。このタイプの研磨工程は一般に、化学機械研磨（ＣＭＰ）と呼ばれている。
【0004】
運転中、パッドは回転し、ウエハは研磨ヘッドによってパッドに接触させられ押し付けられる。たとえば数百枚のウエハの処理後にパッドが摩耗すると、ウエハの平坦度パラメーターは低下するが、それはパッドがもう平坦ではなくなり、代わってパッドの研磨表面に凹みを形成する摩耗環状帯が生じるからである。こうしたパッドの摩耗がウエハの平坦度に影響し、ウエハの「くぼみ（皿型）」または「隆起（ドーム型）」あるいはその組合せによる「ｗ字型」を生じさせることもある。
【0005】
ウエハの平坦度が許容範囲外になると、摩耗した研磨パッドを新品と交換しなくてはならない。頻繁にパッド交換すれば研磨装置の運転にかかる費用も相当嵩むことになるが、それは購入、保管、廃棄しなければならないパッドの枚数のせいだけではなく、研磨パッドの交換に要する相当なダウンタイムのせいでもある。
【0006】
したがって、ドーム型、皿型、及び＋／−のｗ字型に関して研磨工程でウエハの厚み形状を調整することによって、平坦度パラメーターを最適化する能力のある研磨装置が必要とされている。
【0007】
この背景技術のセクションは、以下に説明するおよび／または特許請求の範囲に記載する本開示の様々な態様に関連し得る当分野の様々な側面を読者に紹介することを目的とする。こうして背景的情報を提供することで、本開示の様々な態様がより理解しやすくなろう。したがって、そのような観点でこのセクションの記載を理解すべきであり、先行技術であると認めるものではない。
【発明の概要】
【0008】
一態様では、シリコンウエハの片面を研磨する研磨ヘッド組立体が提供される。研磨ヘッド組立体は、研磨ヘッド及びキャップを含んでいる。研磨ヘッドは、下部に沿って凹所を有しており、凹所は凹面を有している。キャップは凹所内に配置され、環状壁および該環状壁に垂直な床部を有している。床部は凹面から離間して、凹面との間にチャンバを形成している。チャンバは、加圧されて床部を撓ませるように構成されている。環状壁は、接着剤で研磨ヘッドに取り付けられている。
【0009】
上述の態様に関して記載した特徴に様々な改良を加えることができる。上述の態様にはさらなる特徴も組み込むことができる。このような改良や追加の特徴は、個別に、または任意の組合せとして存在できる。たとえば、以下で例示する実施形態のいずれかに関して記載する様々な特徴を、上述の態様のいずれかに単独でまたは任意に組み合わせて組み込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】片面研磨機の一部概略的な側面図である。
【図2】一実施形態による、ドーム型プレート（ドーム型プレートの形状は例示目的で誇張してある）を有する片面研磨ヘッドの断面図である。
【図6】接触圧力とウエハ半径の相関関係をプロットした圧力プロファイルのグラフである。
【図7】別の実施形態による、平坦プレートを有する片面研磨ヘッドの断面図である。
【図12】別の実施形態による、平坦プレート及び２つの調節可能ストッパーを有する片面研磨ヘッドの断面図である。
【図19】接触圧力と半径の相関関係をプロットした隆起矯正グラフである。
【図20】接触圧力と半径の相関関係をプロットしたネガティブｗ字型要因矯正グラフである。
【図21】別の実施形態による、平坦プレートおよび中心ストッパーに取り付けられた膨張式ベローを有する片面研磨ヘッドの断面図である。
【図22】別の実施形態による、保護シートが底面に取り付けられた片面研磨ヘッドの断面図である。
【図23】別の実施形態による、保護シートおよびバンドを有する片面研磨ヘッドの断面図である。
【図24】別の実施形態による、保護シート、バンド、および中心ストッパーを有する片面研磨ヘッドの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
様々な図面で、類似の要素を類似の参照記号で示す。
【0012】
一般には、また本開示の一実施形態では、既に粗研磨されて表裏が粗面であるウエハを、まずは、その裏面ではなく表（おもて）面を研磨する中間研磨工程に供して、表（おもて）面の平坦度パラメーターを改善するかまたは表（おもて）面を平滑化して処理時にできた傷を除去する。この工程を実施するために、ウエハを研磨ヘッドに設置する。この実施形態では、ウエハは、表面張力によって研磨ヘッドの所定位置に保持される。また、ウエハは、その表（おもて）面が研磨パッドの研磨表面と接触した状態で、研磨機の回転台に設置される。
【0013】
研磨機に設置された研磨ヘッドは、ウエハを貫通する軸線に沿って、垂直方向に移動できる。回転台が回転している間、研磨ヘッドはウエハに突き当たってウエハを回転台の方向に付勢し、そうすることでウエハの表（おもて）面が研磨パッドの研磨表面に押し付けられて研磨係合する。
【0014】
砥粒および化学エッチング剤を含む一般的な研磨スラリーが研磨パッドに加えられる。研磨パッドはウエハ表面にスラリーを作用させて、ウエハの表（おもて）面から材料を除去し、より円滑な面にする。一例として、中間研磨工程では、好ましくは、ウエハの表（おもて）面の材料を約１ミクロン未満除去する。
【0015】
次に、ウエハの表（おもて）面に仕上げ研磨を施す仕上げ研磨工程にウエハを供して、中間ステップでの粒径が大きいコロイドシリカ、たとえばＤｕＰｏｎｔ Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ社のＳｙｔｏｎ（登録商標）による細かいまたは「微小な」傷を除去して、高反射性の無傷のウエハ表（おもて）面とする。概して、仕上げ研磨工程よりも中間研磨工程のほうが、ウエハ除去量は多い。ウエハは、上述したウエハの中間研磨に用いたのと同じ片面研磨機で仕上げ研磨できる。しかし、仕上げ研磨工程に別の片面研磨機を用いることもできる。典型的にはアンモニア系の、低濃度のコロイドシリカを含む仕上げ研磨スラリーが、研磨パッドとウエハの間に注入される。研磨パッドは仕上げ研磨スラリーをウエハの表（おもて）面に作用させて、残っている傷や曇りを除去するので、ウエハの表（おもて）面は概ね高反射性の無傷な状態になる。
【0016】
図１を参照すると、片面研磨装置の一部が概略的に示され、全体的に１００と表示されている。片面研磨機１００は、半導体ウエハＷの表（おもて）面の研磨に用いられ得る。なお、他のタイプの片面研磨装置も使用できる。
【0017】
研磨装置１００は、ウエハ保持機構、たとえば裏当てフィルム１１０、保持リング１２０、研磨ヘッド組立体１３０、および研磨パッド１５０を有する回転台１４０を含んでいる。裏当てフィルム１１０は、研磨ヘッド組立体１３０と、ウエハＷを受ける保持リング１２０との間に配置されている。保持リング１２０は、研磨されるウエハＷを受ける円形開口部を少なくとも１つ有している。この実施形態のウエハＷは、表面張力によって研磨ヘッド組立体１３０に保持される。
【0018】
研磨装置１００は、研磨ヘッド組立体１３０に力を及ぼして垂直方向に移動させて、研磨ヘッド組立体１３０をウエハＷと回転台１４０に対して相対的に上昇および下降させる。上向きの力により研磨ヘッド組立体１３０は上昇し、下向きの力により研磨ヘッド組立体は下降する。上述したように、研磨ヘッド組立体１３０がウエハＷに対し垂直方向下向きに移動すると、ウエハに研磨圧力が加わって、ウエハは回転台１４０の研磨パッド１５０に押し付けられる。研磨装置１００が下向きの力を増加させると、研磨ヘッド組立体１３０は垂直方向にさらに下方へと移動して、研磨圧力を増加させる。
【0019】
研磨ヘッド組立体１３０の一部と研磨パッド１５０と回転台１４０は、当分野で知られているような好適な駆動機構（図示せず）によって、選択された回転速度で回転する。研磨パッドと回転台の回転速度は同じかまたは異なり得る。いくつかの実施形態では、装置１００はコントローラー（図示せず）を含んでいるので、オペレーターは研磨ヘッド組立体１３０と回転台１４０の各回転速度、および研磨ヘッド組立体に加えられる下向きの力を選択できる。
【0020】
図２を参照すると、研磨ヘッド組立体１３０は、研磨ヘッド１６０およびキャップ１７０を含んでいる。キャップは、アルミナもしくは炭化ケイ素などのプラスチック、アルミニウム、鋼、セラミック、または被覆シリコンなどの十分な剛性を有する任意の好適な材料で適切に作製されている。
【0021】
キャップ１７０は、プレートまたは床部１７２を含み、該床部１７２はそれから上向きに延びる環状壁１７４に囲まれている。自然なまたは撓んでいない状態では、床部１７２は（チャンバに対して相対的に）中低形状を有しているので、床部の中心部は周囲よりも低くなっている。床部１７２は、恒久的に変形することなく一時的に撓むことができる。床部１７２の厚みは、約０．１１８〜約０．２７５インチ（３〜７ｍｍ）、またはプラスチックの場合は約０．６２５インチ（１６ｍｍ）であり、直径は約５．９０５〜約６．４９６インチ（１５０〜１６５ｍｍ）である。
【0022】
環状壁１７４は、研磨ヘッド１６０の縁部１６２にしっかりと取り付けられて縁部１６２から下向きに延びている。研磨ヘッド１６０とキャップ１７０は一緒に下向きのドーム型構造を形成している。キャップ１７０は、ボルトまたは他の好適な固定具で研磨ヘッド１６０に取り付けられ得る。他の実施形態では、エポキシなどの接着剤で、キャップ１７０を研磨ヘッド１６０の縁部１６２に取り付けている。
【0023】
研磨ヘッド組立体１３０が下向きに移動すると、キャップ１７０がウエハＷと接触し、床部１７２が研磨ヘッド１６０に向けて上向きに撓む。撓みの方向は、ウエハＷの上面に対し垂直である。
【0024】
キャップ１７０のウエハＷに対する研磨圧力が増加すると、撓み幅も増加する。研磨圧力の調節によって、床部１７２の撓みを増加または減少させることができる。床部１７２の撓みが変化すると、床部の形状も変化する。
【0025】
床部１７２の形状が変化すると、ウエハＷの研磨圧力の力分布が変化し、ウエハはそれに応じて屈曲することになる。力分布が変化すると、ウエハＷからの材料除去率も変化する。一般には、除去率は、研磨パッド１５０に比較的大きい力を伝達するウエハＷの部分で増加する。
【0026】
したがって、研磨ヘッド組立体１３０の下向きの力を、キャップ１７０の床部１７２の撓みを増加または減少させるように制御することができ、そうすることでウエハの隆起またはくぼみの量を調節することができる。研磨圧力が増加すると、床部１７２は、自然な撓んでいないまたは下向きに湾曲した形状から、研磨ヘッド１６０の底面とほぼ平行な平坦な形状に変化し、最終的には上向きに湾曲したまたは中高の形状になる。
【0027】
図３に示すように、所与のまたは所定の研磨圧力Ｐの下では、床部１７２は撓んでほぼ平坦になり、同じくほぼ平坦な除去プロファイルを生じる。図４に示すように、研磨圧力を０．９Ｐまで減じると、床部１７２も除去プロファイルも下向きに湾曲する。図５に示すように、研磨圧力を１．１Ｐまで上げると、床部１７２も除去プロファイルもくぼむ。好適には、研磨圧力の変化は約０．７Ｐ〜約１．３Ｐの範囲であり得る。このように、研磨圧力Ｐの変化は、オペレーターに制御変数およびウエハＷの研磨形状を調節する能力を提供する。いくつかの実施形態では、所定の研磨圧力は、１．０ｐｓｉ〜４．０ｐｓｉの範囲であり得る。他の実施形態では、所定の研磨圧力は６．０ｐｓｉ未満であり得る。
【0028】
いくつかの実施形態では、ドーム型プレートを既存の研磨ヘッドに取り付けて、既存の研磨機に大掛かりな補修をしたり買い替えたりすることなく研磨機の研磨特性を変えることができる。
【0029】
図６を参照すると、接触圧力と半径の相関関係を示す有限要素シミュレーションのグラフが示されている。このグラフは、標準研磨圧力Ｐを増加または減少させることによって接触圧力プロファイルを調整して、除去プロファイルを調節するこの実施形態の能力を示している。
【0030】
図７を参照すると、研磨ヘッド組立体２３０の別の実施形態が、研磨ヘッド２６０およびキャップ２７０を有している。キャップ２７０は、環状壁２７４に囲まれた床部２７２を含んでいる。床部２７２は、初期のまたは撓んでいない状態ではほぼ平坦である。環状壁２７４は、研磨ヘッド２６０の縁部２６２にしっかりと取り付けられて縁部２６２から下向きに延びて、床部２７２と研磨ヘッド２６０との間にチャンバ２３２を形成している。チャンバ２３２は、加圧媒体または流体をチャンバ２３２に供給する圧力源（図示せず）と接続し得る。
【0031】
図８に示すように、チャンバ２３２は加圧されて、床部２７２を床部１７２と同様の下向きのドーム型に撓ませ得る。チャンバ２３２内の圧力を頻繁に変える必要はない。したがって、研磨ヘッド組立体２３０を研磨装置１００に設置するときに手動で圧力を調節してもよい。いくつかの実施形態では、キャップ２７０は、既存の研磨ヘッドに後付けするのに使用でき、既存のヘッドやスピンドルに貫通孔を設けてスピンドルおよび回転体に空気または流体の通路を作る必要はない。
【0032】
床部１７２と同様に、キャップ２７０の床部２７２は、研磨圧力が増加すると、研磨表面に対し垂直方向に一時的に撓むようにされている。キャップは、圧力によって恒久的に撓むことも変形することもない。床部２７２は、研磨圧力が増加すると、加圧されて撓んだまたは下向きに湾曲した形状から、研磨ヘッド２６０の底面とほぼ平行な平坦な形状に変化し、最終的には上向きに湾曲したまたは中高の形状に変化する。
【0033】
図９に示すように、所与のまたは所定の研磨圧力Ｐの下では、床部２７２は撓んでほぼ平坦になり、同じくほぼ平坦な除去プロファイルを生じる。図１０に示すように、研磨圧力を０．９Ｐまで下げると、床部２７２も除去プロファイルも下向きに湾曲する。図１１に示すように、研磨圧力を１．１Ｐまで上げると、床部２７２も除去プロファイルもくぼむ。このように、研磨圧力Ｐの変化は、オペレーターにウエハＷの研磨形状を調節する能力を提供する。
【0034】
上述したように、この研磨システムは、圧力分布を調節して、研磨されるウエハの形状を、たとえば研磨後のウエハの隆起やくぼみを最小限に抑えるように、制御することができる。
【0035】
図１２を参照すると、研磨ヘッド組立体３３０の別の実施形態が、研磨工程中にウエハの圧力分布を調節して、ウエハのドーム型、皿型、およびｗ字型断面を制御または最小限化するようにされている。
【0036】
研磨ヘッド組立体３３０は、研磨ヘッド３６０、キャップ３７０、ストッパーリング３８０、および中心ストッパー３８２を有している。キャップ３７０は、環状壁３７４に囲まれた床部３７２を含んでいる。床部３７２は、初期のまたは撓んでいない状態ではほぼ平坦である。環状壁３７４は、研磨ヘッド３６０の縁部３６２にしっかりと取り付けられて縁部３６２から下向きに延びて、床部３７２と研磨ヘッド３６０との間にチャンバ３３２を形成している。チャンバ３３２は、加圧流体をチャンバ３３２に供給する圧力源（図示せず）と接続し得る。
【0037】
図１３に示すように、チャンバ３３２は加圧されて、床部３７２を床部１７２および２７２と同様の下向きのドーム型に撓ませ得る。チャンバ３３２内の圧力を頻繁に変える必要はない。したがって、研磨ヘッド組立体３３０を研磨装置１００に設置するときに手動で圧力を調節してもよい。いくつかの実施形態では、キャップ３７０は、既存の研磨ヘッドに後付けするのに使用でき、既存のヘッドに貫通孔を設けてスピンドルおよび回転体に空気または流体の通路を作る必要はない。
【0038】
床部１７２および２７２と同様に、キャップ３７０の床部３７２は、研磨圧力Ｐが増加すると、研磨表面に対し垂直方向に一時的に撓むようにされている。キャップは、圧力によって恒久的に撓むことも変形することもない。床部３７２は、加圧されて撓んだまたは下向きに湾曲した形状から、研磨ヘッド３６０の底面とほぼ平行な平坦な形状に変化し、最終的には上向きに湾曲したまたは中高の形状に変化する。
【0039】
図１４に示すように、所与のまたは所定の研磨圧力Ｐの下では、床部３７２は撓んでほぼ平坦になり、同じくほぼ平坦な除去プロファイルを生じる。図１５に示すように、研磨圧力を０．９Ｐまで減じると、床部３７２も除去プロファイルも下向きに湾曲する。
【0040】
ストッパーリング３８０と中心ストッパー３８２は、床部３７２の上向きの撓みを制限する。ストッパーリング３８０は、外周から内側に離間しており、環の形状である。中心ストッパー３８２は、研磨ヘッド３６０、キャップ３７０、およびストッパーリング３８０と同軸状に揃っている。さらに図１２を参照すると、ストッパーリング３８０と中心ストッパー３８２は、研磨ヘッド３６０の底面から床部３７２の内面または上面まで延びている。ストッパーリング３８０と中心ストッパー３８２の高さは、研磨ヘッド３６０と床部３７２との間の とほぼ等しい。
【0041】
図１５〜１８を参照すると、ストッパーリング３８０と中心ストッパー３８２それぞれの高さを調節して、床部３７２の撓み形状を変化させることができる。
【0042】
図１６に示すように、中心ストッパー３８２の高さを減じ、研磨圧力を１．３Ｐまで上げると、床部３７２と除去プロファイルの形状は両方ともｗ字型になる。図１７に示すように、ストッパーリング３８０の高さを減じ、研磨圧力を１．３Ｐまで上げると、床部３７２と除去プロファイルの形状は両方ともｍ字型になる。図１８に示すように、ストッパーリング３８０と中心ストッパー３８２の高さを両方とも減じ、研磨圧力を１．１Ｐまで上げると、床部３７２と除去プロファイルの形状は両方ともドーム型になる。このように、研磨圧力の変化は、オペレーターにウエハＷの研磨形状を調節する能力を提供する。
【0043】
接触圧力プロファイルを調整して隆起およびｗ字型ウエハ・プロファイルを調節するこの実施形態の能力を例示する有限要素シミュレーションの結果を、図１９および図２０に示す。図１９は、上記実施形態における接触圧力と半径の相関関係をプロットした隆起矯正グラフを示している。図２０は、上記実施形態における接触圧力と半径の相関関係をプロットしたネガティブｗ字型要因矯正グラフを示している。
【0044】
図２１を参照すると、研磨ヘッド組立体４３０の別の実施形態が、研磨工程中にウエハへの圧力分布を調節して、ウエハのドーム型、皿型、およびｗ字型断面を制御または最小限化するようにされている。
【0045】
研磨ヘッド組立体４３０は、研磨ヘッド４６０、キャップ４７０、および中心ストッパー４８０を有している。キャップ４７０は、研磨ヘッド４６０の縁部４６２にねじ４６４でしっかりと取り付けられた床部４７２を含み、該床部は該縁部間に延在して、該床部と研磨ヘッドとの間にチャンバ４３２を形成している。他の実施形態では、ねじ４６４の代わりに接着剤で床部４７２を研磨ヘッド４６０の縁部４６２に取り付ける。床部４７２は、初期のまたは撓んでいない状態ではほぼ平坦である。チャンバ４３２は、チャンバ流路４６６及びコネクター４８６を通して第１の圧力源ＦＳと接続されて加圧流体がチャンバ４３２に供給され、それによって床部４７２を、床部１７２、２７２、および３７２と同様に、下向きのドーム型に撓ませることができる。
【0046】
床部１７２、２７２、および３７２と同様に、キャップ４７０の床部４７２は、研磨圧力が増加すると、研磨表面に対し垂直方向に一時的に撓むようにされている。キャップ４７０は、圧力によって恒久的に撓むことも変形することもない。床部４７２は、チャンバ４３２に供給される加圧流体の量に基づき、加圧されて撓んだまたは下向きに湾曲した形状から、研磨ヘッド４６０の底面とほぼ平行な平坦な形状に変化し、最終的には上向きに湾曲したまたは中高の形状に変化する能力がある。
【0047】
所与のまたは所定の研磨圧力Ｐの下では、床部４７２は撓んでほぼ平坦になり、同じくほぼ平坦な除去プロファイルを生じる。研磨圧力を０．９Ｐまで減じると、床部４７２も除去プロファイルも下向きに湾曲する。
【0048】
中心ストッパー４８０は、膨張式ベロー４８４と接続された止め具４８２を含んでいる。ベロー４８４は、研磨ヘッド４６０と接続され、研磨ヘッド４６０からチャンバ４３２内に延びている。止め具４８２の高さは、中心流路４６８およびコネクター４８８を通して第２の圧力源ＳＳと接続されているベロー４８４内の圧力を増加または減少させることで調節される。ベロー４８４内の圧力を調節すると、床部４７２の上向きの撓みを制限するか、または床部４７２を外方に撓ませることができる。第１の圧力源ＦＳと第２の圧力源ＳＳは、コントローラー４９０を通してそれぞれコネクター４８６とコネクター４８８に接続され得る。いくつかの実施形態では、第１の圧力源ＦＳと第２の圧力源ＳＳとは同一の圧力源であり、それぞれコネクター４８６とコネクター４８８に、デバイダーおよび制御弁（図示せず）を含み得るコントローラー４９０を通して接続されている。いくつかの実施形態では、研磨ヘッド組立体４３０は、中心ストッパー４８０を含んでいない。これらの実施形態では、第１の圧力源ＦＳは、研磨ヘッド４６０の中心部を通ってチャンバ４３２に供給され得る。
【0049】
中心ストッパー４８０は、研磨ヘッド４６０およびキャップ４７０の両方と同軸状に揃っている。運転中、中心ストッパー４８２は、研磨ヘッド４６０の底面から床部４７２の内面または上面まで延びて、中心ストッパー４８０の高さを研磨ヘッド４６０と床部４７２との間のチャンバとほぼ等しくすることもできる。
【0050】
図２２を参照すると、研磨装置１００に取り付けられる研磨ヘッド組立体５００の別の実施形態が示されている。研磨ヘッド組立体５００は、研磨装置１００のスピンドル１３２に取り付けられている。スピンドル１３２は、中心通路１３４を有する筒である。中心通路１３４の一端は研磨ヘッド組立体５００へと開口し、他端は回転コネクター１３６と接続している。
【0051】
研磨装置１００と研磨ヘッド組立体５００は、研磨工程中にウエハに加えられる圧力の大きさおよび分布を調節して、ウエハのドーム型、皿型、およびｗ字型断面を制御または最小限化するようにされている。ウエハに加えられる圧力の大きさおよび分布を調節することで、ウエハ材を除去する量と位置を調整することができる。上述したように、ウエハに加えられる圧力の大きさも分布も、研磨ヘッド組立体５００が下向きにまたはウエハに対して加える力を増加または減少させることによって調節できる。ウエハに加えられる圧力の大きさおよび分布は、研磨ヘッド組立体５００内にあるチャンバ５０２内の圧力を調節することで変化させることもできる。チャンバ５０２は、１つ以上の加圧領域を含み得る。複数の加圧領域を有する実施形態では、同じかまたは異なる圧力が各加圧領域に供給され得る。ウエハに加えられる圧力の大きさおよび分布を調節するこの能力は、ウエハの一部分から別の部分よりも多くのまたは少ないウエハ材料を除去する制御機構を提供する。したがって、材料を除去する量と位置を調節することによって、得られるウエハの研磨プロファイルを制御することができる。
【0052】
ウエハは、表面張力によって研磨ヘッド組立体５００に取り付けられて保持される。表面張力を生成するために、湿潤させた（ｗｅｔ ｓａｔｕｒａｔｅｄ）図１の裏当てフィルム１１０を研磨ヘッド組立体５００に感圧接着剤で取り付ける。裏当てフィルム１１０と保持リング１２０とで「ウエハ保持テンプレート」を形成する。裏当てフィルム１１０は一般に軟性ポリマーパッドまたは他の好適な材料である。
【0053】
次いでウエハを湿潤させた裏当てフィルム１１０に押し付けて、水または他の好適な液体の大半を除去するかまたは押し出す。水を押し出すと、ウエハは表面張力とウエハの曝露面にかかる気圧とにより裏当てフィルム１１０に保持される。こうして水を押し出すことで、ウエハは研磨ヘッド組立体５００に取り付けられる。
【0054】
以下に詳述するように、研磨ヘッド組立体５００の一部分は、研磨ヘッドまたはチャンバ５０２に加えられる圧力の変化に応じて変形できるだけの可撓性があるが、ウエハが湿潤テンプレートに押し付けられても変形しないだけの堅さもある。表面張力は、ウエハの表面に一定の保持力を提供する。この一定保持力により、ウエハに隣接する研磨ヘッド組立体５００のあらゆる変形は、それと比例するウエハの変形に直接変換され、チャンバ内圧力と研磨プロファイルとの間の直接的な関連が提供される。
【0055】
このような表面張力によるウエハの保持は、可撓性膜または真空によってウエハを研磨ヘッド組立体に保持する他の既知の機構とは機能が異なる。当分野で知られているような可撓性膜は、ウエハが押されると、変形してウエハと該可撓性膜との間にスペースまたは真空ポケットを作る。これらの真空ポケットにより、膜はウエハを吸着できる。他の膜は、真空に接続している真空穴を有して、ウエハを吸着するための低圧領域を生成する。
【0056】
研磨ヘッド組立体５００は、研磨ヘッド５１０、キャップ５４０、および保護シート５７０を含んでいる。研磨ヘッド５１０は、互いに対しほぼ平行な頂部５１２と底部５１４とを有している。研磨ヘッド５１０の頂部５１２は、スピンドル１３２と接続している。研磨ヘッド５１０は、プラットフォーム５２０、および該プラットフォームから下向きに延びる円筒部材５３０を有している。研磨ヘッド５１０の底部５１４には、プラットフォーム５２０から突き出た円筒部材５３０によって、凹面５１６が形成されている。
【0057】
円筒部材５３０は、研磨ヘッド５１０の頂部５１２および底部５１４にほぼ垂直な外面５３２を有する。円筒部材５３０の外面５３２は、研磨ヘッド５１０と研磨ヘッド組立体５００両方の外面を形成している。円筒部材５３０は、円筒部材が下部５３６に沿ってもっとも薄くなるように外面に対して傾斜した内面５３４を有する。円筒部材５３０のこのようなテーパーによって、より堅い上部セクションがプラットフォーム５２０に隣接して提供される。
【0058】
キャップ５４０は、床部５４２、および該床部の周囲に沿って上向きに延びる環状壁５５０を有している。環状壁５５０は、円筒部材５３０の内面５３４と対合する外面５５２を有している。したがって、環状壁５５０の外面５５２はまた、円筒部材５３０の内面５３４に合わせて傾斜している。
【0059】
いくつかの実施形態では、円筒部材５３０の内面５３４と環状壁５５０の外面５３２とは、スピンドル１３２の中心通路１３４により画定される長手方向軸線と平行である。この長手方向軸線は、研磨ヘッド組立体５００の回転中心と同軸状かつそれを通って伸長している。
【0060】
他の実施形態では、環状壁５５０は、円筒部材５３０の外面に取り付けられている。これらの実施形態では、加圧されたチャンバ５０２がキャップ５４０の床部５４２に下向きの圧力を及ぼす。この下向きの力のモーメントは環状壁５５０へと回り伝わって、その結果環状壁５５０は円筒部材５３０に反作用するかまたは円筒部材５３０を締めつける。
【0061】
床部５４２は、研磨ヘッド５１０の底部５１４で円筒部材５３０によって形成されている開口部に渡ってに延在している。床部５４２は、初期のまたは撓んでいない状態ではほぼ平坦であり、チャンバ５０２内の圧力の調節により変形する。加圧流体は、本開示の他の床部と同様に、床部５４２を下向きのドーム型または上向きの皿型に撓ませることができる。いくつかの実施形態では、およそ２ｐｓｉの内圧により、床部は１５０〜２００μｍ撓むことになる。他の実施形態では、およそ２ｐｓｉの内圧により、床部は１００〜４００μｍ撓むことになる。
【0062】
キャップ５４０の床部５４２は半剛性の「可撓性プレート（ｆｌｅｘ ｐｌａｔｅ）」であり、正確に変形して圧力分布および研磨圧力プロファイルを変化させるが、ウエハを裏当てフィルム１１０に設置し取り外せるだけ剛性であるようにされている。床部５４２の剛性は、ウエハを研磨ヘッド組立体５００に設置する際に床部５４２が大きく変形しないような剛性である。
【0063】
チャンバ５０２は、キャップ５４０の床部５４２の上面５４４と研磨ヘッド５１０の凹面５１６の間に形成されている。円筒部材５３０と環状壁５５０は、チャンバ５０２の半径方向境界を定めている。プラットフォーム５２０および重なっている円筒部材５３０と環状壁５５０は、床部５４２よりも厚みがあり、より剛性にされている。したがって、チャンバ５０２内の圧力を調節すると、床部が変形する。
【0064】
本開示の他の床部と同様に、キャップ５４０の床部５４２は、研磨圧力が増加すると、研磨表面に対し垂直方向に一時的に撓むようにされている。キャップ５４０は、圧力によって恒久的に撓むことも変形することもない。床部５４２は、チャンバ５０２に供給される加圧流体の量および研磨圧力に基づき、加圧されて撓んだまたは下向きに湾曲した形状から、研磨ヘッド５１０の底面とほぼ平行な平坦な形状に変化し、最終的には上向きに湾曲したまたは中高の形状に変化する能力がある。
【0065】
ウエハを研磨ヘッド組立体５００に設置するために、裏当てフィルム１１０が床部５４２の底面５４６に取り付けられる。次いでウエハが裏当てフィルム１１０に設置され、上述の「表面張力」により保持される。この均一に分布する表面張力により、チャンバ５０２内の圧力が調節されて床部５４２が変形すると、ウエハは直接変形することになる。チャンバ内の圧力を増加または減少させることで、床部５４２の表面およびウエハを外方に膨らませるか、平坦なままか、または内方へと引き込むことができる。
【0066】
チャンバ５０２内の圧力を調節するために、チャンバ５０２は第１の圧力源ＦＳと接続されている。チャンバ流路５２２がプラットフォーム５２０を貫通して延びて、チャンバ５０２を急速着脱式連結プラグであり得るチャンバ・コネクター５２４と接続している。チャンバ・コネクター５２４は、チャンバ供給ライン５８４を通して回転コネクター１３６に接続している。回転コネクター１３６は、第１の圧力源ＦＳと接続してスピンドル１３２を通して加圧流体をチャンバ５０２にまたはチャンバ５０２から供給する。第１の圧力源ＦＳは、空気を送って研磨ヘッド組立体５００のチャンバ５０２内の圧力を増加または減少させ得る。
【0067】
第１の圧力源ＦＳは、チャンバ５０２内の圧力を監視し調節するコントローラー５９０と接続され得る。コントローラー５９０は、圧力レギュレーター（図示せず）を含み得る。圧力は、入荷ロットの全体的なウエハ形状に基づき手動で調節することもできるし、ロットごとに、あるいはウエハごとに、電子制御してもよい。いくつかの実施形態では、ウエハのロットから特徴的ウエハ・プロファイルが取得され、研磨ヘッド組立体によりウエハに加えられる下向きの圧力およびこの圧力の分布が、特徴的ウエハの平坦度を最大限化するように調節される。
【0068】
所与のまたは所定の研磨圧力Ｐの下では、床部５４２はほぼ平坦であり、同じくほぼ平坦な除去プロファイルを生じる。研磨圧力を０．９Ｐまで減じると、床部５４２も除去プロファイルも上向きに湾曲する。研磨圧力を１．１Ｐまで上げると、床部５４２も除去プロファイルも下向きに湾曲する。
【0069】
環状壁５５０の外面５５２は、研磨ヘッド５１０の円筒部材５３０の内面５３４に、接着剤５５８により接着剤層に沿って取り付けられている。接着剤は連続的であり、外面５５２と内面５３４との間にシールを形成する。接着剤はエポキシグルーであり得る。接着剤層は、凹面５１６および床部５４２の撓み方向に対して傾斜している。
【0070】
上述したように、外面５５２および内面５３４は傾斜している。この角度は、組立中に接着剤が剥がれるのを防止する組立補助の役割を果たす。接着剤の最適な塗布厚さは０．１５〜０．２０ｍｍである。
【0071】
接着剤を用いることで、研磨ヘッド組立体の製造と、表面を平坦化するラッピング工程の両方が簡易化される。別の利点としては、接着剤がキャップ５４０にある程度の可撓性も付加するので、床部５４２が滑らかなドーム型または皿型に屈曲する、ということがある。接着剤が屈曲する能力は、滑らかに湾曲する撓みをもたらし、縁効果を最小限化するのに役立つ。
【0072】
これらの実施形態の接着剤で接合した研磨ヘッド組立体を用いることには、上述した図２１に示すようなねじで接合した研磨ヘッド組立体と比べていくつかの利点がある。たとえば、キャップ５４０の１つの表面だけをラッピングすればよい。キャップをねじで取り付ける実施形態では、３つの表面のラッピングを要する。また、キャップをねじ留めする実施形態と違って、キャップの方向を維持する必要はない。
【0073】
それに加えて、接着剤で接合した研磨組立体の床部の変形は、曲げ応力を均一に分布させる。しかし、ねじで接合した研磨ヘッド組立体の床部の変形は、ねじ留めに用いられるトルクに依存する。ねじを用いると、床部の裏側のねじが配置された位置がプレートのその他の部分よりも堅くなるので、これらの位置で床部の裏側が不均一になる。ねじの位置がより堅くなることで、ラッピング中および研磨工程中に不均一な曲げ応力がプレートに生じる結果、均一に平坦ではないプレートになる。
【0074】
研磨ヘッド５１０およびキャップ５４０は、鋼やアルミニウムなどの金属、または他の好適な金属材料で作製され得る。いくつかの実施形態では、研磨ヘッド５１０およびキャップ５４０は、鋳造アルミニウム製である（たとえば、Ａｌｃｏａ社が販売するＭＩＣ６（登録商標）Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｃａｓｔ Ｐｌａｔｅ）。他の実施形態では、キャップ５４０は、アルミナなどのセラミック、またはプラスチック材料で作製され得る。プラスチック材料を用いる実施形態では、ポリエーテルイミド（たとえば、Ｓａｕｄｉ Ｂａｓｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＳＡＢＩＣ）社が販売するＵＬＴＥＭ（商標）Ｒｅｓｉｎ １０００）を用いることができる。プラスチック製のキャップ５４０は、金属またはセラミック製のものよりもかなり厚みがある。セラミック材料で作製されたキャップは、金属またはプラスチック製のものよりもかなり薄い床部を有している。
【0075】
研磨ヘッド組立体５００に使用される金属は、金属イオン源となって研磨剤やスラリーを通じてウエハを汚染する可能性がある。研磨ヘッド５１０からの金属がスラリーおよびウエハを汚染しないように、研磨ヘッド５１０をエポキシ、フルオロカーボン、または他の好適な非金属材で被覆して、金属イオンを保護するバリアを生成する。キャップ５４０からの金属がスラリーおよびウエハを汚染しないように、保護シート５７０を使ってスラリーとキャップ５４０の間にバリアを生成できる。保護シート５７０は、研磨工程中にスラリーがキャップ５４０と接触してスラリーおよびウエハが汚染されるのを防止する。
【0076】
保護シート５７０は、研磨ヘッド５１０の底部５１４およびキャップ５４０の底面５４６に接着剤で取り付けられ底面５４６に沿って延在している。いくつかの実施形態では、保護シート５７０は、キャップ５４０の底面５４６に積層して形成される。図示のように、保護シート５７０は、キャップ５４０の底面５４６を超えて延在して、研磨ヘッド５１０の底部５１４とシールを形成している。保護シート５７０は、ポリエーテルイミドなどのプラスチック製である（たとえば、Ｓａｕｄｉ Ｂａｓｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＳＡＢＩＣ）社が販売するＵＬＴＥＭ（商標）Ｒｅｓｉｎ １０００）。
【0077】
図２３を参照すると、研磨装置１００に取り付けられる研磨ヘッド組立体６００の別の実施形態が示されている。研磨ヘッド組立体６００は、研磨装置１００のスピンドル１３２に取り付けられている。スピンドル１３２は、中心通路１３４を有する筒である。中心通路１３４の一端は研磨ヘッド組立体６００へと開口し、他端は回転コネクター１３６と接続している。
【0078】
研磨装置１００および研磨ヘッド組立体６００は、研磨工程中にウエハに加えられる圧力の大きさおよび分布を調節して、ウエハのドーム型、皿型、およびｗ／ｍ字型断面を制御または最小限化するようにされている。ウエハに加えられる圧力の大きさおよび分布は、研磨ヘッド組立体６００内にあるチャンバ６０２内の圧力を調節することで変化させることができる。チャンバ６０２は、１つ以上の加圧領域を含み得る。
【0079】
研磨ヘッド組立体６００は、研磨ヘッド６１０、キャップ６４０、保護シート６７０、およびバンド６７４を含んでいる。いくつかの実施形態では、保護シート６７０は省略される場合もある。研磨ヘッド６１０は、互いに対しほぼ平行な頂部６１２と底部６１４とを有している。研磨ヘッド６１０の頂部６１２は、スピンドル１３２と接続している。研磨ヘッド６１０は、プラットフォーム６２０、および該プラットフォームから下向きに延びる円筒部材６３０を有している。研磨ヘッド６１０の底部６１４には、プラットフォーム６２０から突き出た円筒部材６３０によって、凹面６１６が形成されている。
【0080】
円筒部材６３０は、研磨ヘッド６１０の頂部６１２および底部６１４にほぼ垂直な外面６３２を有する。円筒部材６３０の外面６３２は、研磨ヘッド６１０と研磨ヘッド組立体６００両方の外面を形成している。円筒部材６３０は、円筒部材が下部６３６に沿ってもっとも薄くなるように外面に対して傾斜した内面６３４を有する。円筒部材６３０のこのようなテーパーによって、より堅い上部セクションがプラットフォーム６２０に隣接して提供される。
【0081】
キャップ６４０は、床部６４２、および該床部の周囲に沿って上向きに延びる環状壁６５０を有している。環状壁６５０は、円筒部材６３０の内面６３４と対合する外面６５２を有している。したがって、環状壁６５０の外面６５２はまた、円筒部材６３０の内面６３４に合わせて傾斜している。
【0082】
床部６４２は、研磨ヘッド６１０の底部６１４で円筒部材６３０によって形成されている開口部に渡って延在している。床部６４２は、初期のまたは撓んでいない状態ではほぼ平坦であり、チャンバ６０２内の圧力の調節により変形し得る。キャップ６４０の床部６４２は半剛性の「可撓性プレート」であり、精密に変形して圧力分布および研磨圧力プロファイルを変化させるが、表面張力によりウエハを裏当てフィルム１１０に設置し取り外せるだけ剛性であるようにされている。床部６４２の剛性は、ウエハを研磨ヘッド組立体６００に設置する際に床部６４２が変形しないような剛性である。
【0083】
チャンバ６０２は、キャップ６４０の床部６４２の上面６４４と研磨ヘッド６１０の凹面６１６との間に形成されている。円筒部材６３０と環状壁６５０は、チャンバ６０２の半径方向境界を定めている。プラットフォーム６２０および重なっている円筒部材６３０と環状壁６５０は、床部６４２よりも厚みがあり、より剛性にされている。
【0084】
本開示の他の床部と同様に、キャップ６４０の床部６４２は、研磨圧力が増加すると、研磨表面に対し垂直方向に一時的に撓むようにされている。キャップ６４０は、圧力によって恒久的に撓むことも変形することもない。床部６４２も、チャンバ６０２に供給される加圧流体の量および研磨圧力に基づき、加圧されて撓んだまたは下向きに湾曲した形状から、研磨ヘッド６１０の底面とほぼ平行な平坦な形状に変化し、最終的には上向きに湾曲したまたは中高の形状に変化する能力がある。
【0085】
ウエハを研磨ヘッド組立体６００に設置するために、裏当てフィルム１１０が床部６４２の底面６４６に取り付けられる。次いでウエハが裏当てフィルム１１０に設置され、上述の「表面張力」により保持される。この均一に分布する表面張力により、チャンバ６０２内の圧力が調節されて床部６４２が変形すると、ウエハは直接変形することになる。チャンバ内の圧力を増加または減少させることで、床部６４２の表面およびウエハを外方に膨らませるか、平坦なままか、または内方へと引き込むことができる。
【0086】
チャンバ６０２内の圧力を調節するために、チャンバ６０２は第１の圧力源ＦＳと接続されている。チャンバ流路６２２がプラットフォーム６２０を貫通して延びて、チャンバ６０２を急速着脱式連結プラグであり得るチャンバ・コネクター６２４と接続している。チャンバ・コネクター６２４は、チャンバ供給ライン６８４を通して回転コネクター１３６に接続している。回転コネクター１３６は、第１の圧力源ＦＳと接続してスピンドル１３２を通して加圧流体をチャンバ６０２にまたはチャンバ６０２から供給する。第１の圧力源ＦＳは、空気を送って研磨ヘッド組立体６００のチャンバ６０２内の圧力を増加または減少させ得る。
【0087】
第１の圧力源ＦＳは、チャンバ６０２内の圧力を監視し調節するコントローラー６９０と接続され得る。コントローラー６９０は圧力レギュレーター（図示せず）を含み得る。圧力は、入荷ロットの全体的なウエハ形状に基づき手動で調節することもできるし、ロットごとに、あるいはウエハごとに、電子制御してもよい。いくつかの実施形態では、ウエハのロットから特徴的ウエハ・プロファイルが取得され、研磨ヘッド組立体によりウエハに加えられる下向きの圧力およびこの圧力の分布が、特徴的ウエハの平坦度を最大限化するように調節される。
【0088】
環状壁６５０の外面６５２は、研磨ヘッド６１０の円筒部材６３０の内面６３４に、接着剤６５８により接着剤層に沿って取り付けられている。接着剤はエポキシグルーであり得る。接着剤層は、凹面６１６および床部６４２の撓み方向に対して傾斜している。
【0089】
研磨ヘッド６１０およびキャップ６４０は、鋼やアルミニウムなどの金属、または他の好適な金属材料で作製され得る。いくつかの実施形態では、研磨ヘッド６１０およびキャップ６４０は、鋳造アルミニウム製である（たとえば、Ａｌｃｏａ社が販売するＭＩＣ６（登録商標）Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｃａｓｔ Ｐｌａｔｅ）。他の実施形態では、キャップ６４０は、アルミナなどのセラミック、またはプラスチック材料で作製され得る。プラスチック材料を用いる実施形態では、ポリエーテルイミド（たとえば、Ｓａｕｄｉ Ｂａｓｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＳＡＢＩＣ）社が販売するＵＬＴＥＭ（商標）Ｒｅｓｉｎ １０００）を用いることができる。プラスチック製のキャップ６４０は、金属またはセラミック製のものよりもかなり厚みがある。セラミック材料で作製されたキャップは、金属またはプラスチック製のものよりもかなり薄い床部を有している。
【0090】
研磨ヘッド組立体６００に使用される金属は、金属イオン源となって研磨剤やスラリーを通じてウエハを汚染する可能性がある。キャップ６４０からの金属がスラリーおよびウエハを汚染しないように、保護シート６７０を使ってスラリーとキャップ６４０との間にバリアを生成できる。保護シート６７０は、研磨工程中にスラリーがキャップ６４０と接触してスラリーおよびウエハが汚染されるのを防止する。保護シート６７０は、研磨ヘッド６１０の底部６１４およびキャップ６４０の底面６４６に接着剤で取り付けられ底面６４６に沿って延在している。図示のように、保護シート６７０は、キャップ６４０の底面６４６を超えて延在して、研磨ヘッド６１０の底部６１４とシールを形成している。
【0091】
研磨ヘッド６１０からの金属がスラリーおよびウエハを汚染するのを防止するために、研磨ヘッド６００は、スラリーが金属と接触してウエハを汚染するのを防止するバリアを形成するバンド６７４に外接されている。円筒部材６３０は、下部６３６に沿って外面６３２から内方に延びている側部凹所６３８を有している。バンド６７４は保護シート６７０と重なって間にシールを形成して、研磨工程の研磨ヘッド６１０からの金属汚染を防止する。バンド６７４および保護シート６７０は、ポリエーテルイミドなどのプラスチック製である（たとえば、Ｓａｕｄｉ Ｂａｓｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＳＡＢＩＣ）社が販売するＵＬＴＥＭ（商標）Ｒｅｓｉｎ １０００）。
【0092】
図２４を参照すると、研磨装置１００に取り付けられる研磨ヘッド組立体７００の別の実施形態が示されている。研磨ヘッド組立体７００は、研磨装置１００のスピンドル１３２に取り付けられている。スピンドル１３２は、中心通路１３４を有する筒である。中心通路１３４の一端は研磨ヘッド組立体７００へと開口し、他端は回転コネクター１３６と接続している。
【0093】
研磨装置１００および研磨ヘッド組立体７００は、研磨工程中にウエハに加えられる圧力の大きさおよび分布を調節して、ウエハのドーム型、皿型、およびｍ／ｗ字型断面を制御または最小限化するようにされている。ウエハに加えられる圧力の大きさおよび分布は、研磨ヘッド組立体７００内にあるチャンバ７０２内の圧力を調節することで変化させることができる。チャンバ７０２は、１つ以上の加圧領域を含み得る。
【0094】
研磨ヘッド組立体７００は、研磨ヘッド７１０、キャップ７４０、中心止め具７６０、保護シート７７０、およびバンド７７４を含んでいる。いくつかの実施形態では、保護シート７７０は省略される場合もある。研磨ヘッド７１０は、互いに対しほぼ平行な頂部７１２と底部７１４とを有している。研磨ヘッド７１０の頂部７１２は、スピンドル１３２と接続している。研磨ヘッド７１０は、プラットフォーム７２０、および該プラットフォームから下向きに延びる円筒部材７３０を有している。研磨ヘッド７１０の底部７１４には、プラットフォーム７２０から突き出た円筒部材７３０によって、凹面７１６が形成されている。
【0095】
円筒部材７３０は、研磨ヘッド７１０の頂部７１２および底部７１４にほぼ垂直な外面７３２を有する。円筒部材７３０の外面７３２は、研磨ヘッド７１０と研磨ヘッド組立体７００両方の外面を形成している。円筒部材７３０は、円筒部材が下部７３６に沿ってもっとも薄くなるように外面に対して傾斜した内面７３４を有する。円筒部材７３０のこのようなテーパーによって、より堅い上部セクションがプラットフォーム７２０に隣接して提供される。
【0096】
キャップ７４０は、床部７４２、および該床部の周囲に沿って上向きに延びる環状壁７５０を有している。環状壁７５０は、円筒部材７３０の内面７３４と対合する外面７５２を有している。したがって、環状壁７５０の外面７５２はまた、円筒部材７３０の内面７３４に合わせて傾斜している。
【0097】
床部７４２は、研磨ヘッド７１０の底部７１４で円筒部材７３０によって形成されている開口部に渡って延在している。床部７４２は、初期のまたは撓んでいない状態ではほぼ平坦であり、チャンバ７０２内の圧力の調節により変形し得る。キャップ７４０の床部７４２は半剛性の「可撓性プレート」であり、精密に変形して圧力分布および研磨圧力プロファイルを変化させるが、表面張力によりウエハを裏当てフィルム１１０に設置し取り外せるだけ剛性であるようにされている。床部７４２の剛性は、ウエハを研磨ヘッド組立体７００に設置する際に床部７４２が変形しないような剛性である。
【0098】
チャンバ７０２は、キャップ７４０の床部７４２の上面７４４と研磨ヘッド７１０の凹面７１６との間に形成されている。円筒部材７３０と環状壁７５０は、チャンバ７０２の半径方向境界を画定している。プラットフォーム７２０および重なっている円筒部材７３０と環状壁７５０は、床部７４２よりも厚みがあり、より剛性にされている。
【0099】
本開示の他の床部と同様に、キャップ７４０の床部７４２は、研磨圧力が増加すると、研磨表面に対し垂直方向に一時的に撓むようにされている。キャップ７４０は、圧力によって恒久的に撓むことも変形することもない。床部７４２も、チャンバ７０２に供給される加圧流体の量および研磨圧力に基づき、加圧されて撓んだまたは下向きに湾曲した形状から、研磨ヘッド７１０の底面とほぼ平行な平坦な形状に変化し、最終的には上向きに湾曲したまたは中高の形状に変化する能力がある。
【0100】
ウエハを研磨ヘッド組立体７００に設置するために、裏当てフィルム１１０が床部７４２の底面７４６に取り付けられる。次いでウエハが裏当てフィルム１１０に設置され、上述の「表面張力」により保持される。この均一に分布する表面張力により、チャンバ７０２内の圧力が調節されて床部７４２が変形すると、ウエハは直接変形することになる。チャンバ内の圧力を増加または減少させることで、床部７４２の表面およびウエハを外方に膨らませるか、平坦なままか、または内方へと引き込むことができる。
【0101】
チャンバ７０２内の圧力を調節するために、チャンバ７０２は第１の圧力源ＦＳと接続されている。チャンバ流路７２２がプラットフォーム７２０を貫通して延びて、チャンバ７０２を急速着脱式連結プラグであり得るチャンバ・コネクター７２４と接続している。チャンバ・コネクター７２４は、チャンバ供給ライン７８４を通して回転コネクター１３６に接続している。回転コネクター１３６は、第１の圧力源ＦＳと接続してスピンドル１３２を通して加圧流体をチャンバ７０２にまたはチャンバ７０２から供給する。第１の圧力源ＦＳは、空気を送って研磨ヘッド組立体７００のチャンバ７０２内の圧力を増加または減少させ得る。
【0102】
第１の圧力源ＦＳは、チャンバ７０２内の圧力を監視し調節するコントローラー７９０と接続され得る。コントローラー７９０は圧力レギュレーター（図示せず）を含み得る。圧力は、入荷ロットの全体的なウエハ形状に基づき手動で調節することもできるし、ロットごとに、あるいはウエハごとに、電子制御してもよい。いくつかの実施形態では、ウエハのロットから特徴的ウエハ・プロファイルが取得され、研磨ヘッド組立体によりウエハに加えられる下向きの圧力およびこの圧力の分布が、特徴的ウエハの平坦度を最大限化するように調節される。
【0103】
環状壁７５０の外面７５２は、研磨ヘッド７１０の円筒部材７３０の内面７３４に、接着剤７５８により接着剤層に沿って取り付けられている。接着剤は、好適にはエポキシグルーであり得る。材料との好適な接着強度を有し、連続的な負荷の下で機能する能力があり、研磨剤に耐性のある接着剤ならばどれでも使用できる。接着剤層は、凹面７１６および床部７４２の撓み方向に対して傾斜している。
【0104】
研磨ヘッド７１０およびキャップ７４０は、鋼やアルミニウムなどの金属、または他の好適な金属材料で作製され得る。いくつかの実施形態では、研磨ヘッド７１０およびキャップ７４０は、鋳造アルミニウム製である（たとえば、Ａｌｃｏａ社が販売するＭＩＣ６（登録商標）Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｃａｓｔ Ｐｌａｔｅ）。他の実施形態では、キャップ７４０は、アルミナなどのセラミック、またはプラスチック材料で作製され得る。プラスチック材料を用いる実施形態では、ポリエーテルイミド（たとえば、Ｓａｕｄｉ Ｂａｓｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＳＡＢＩＣ）社が販売するＵＬＴＥＭ（商標）Ｒｅｓｉｎ １０００）を用いることができる。プラスチック製のキャップ７４０は、金属またはセラミック製のものよりもかなり厚みがある。セラミック材料で作製されたキャップは、金属またはプラスチック製のものよりもかなり薄い床部を有している。
【0105】
研磨ヘッド組立体７００に使用される金属は、金属イオン源となって研磨剤やスラリーを通じてウエハを汚染する可能性がある。キャップ７４０からの金属がスラリーおよびウエハを汚染しないように、保護シート７７０を使ってスラリーとキャップ７４０との間にバリアを生成できる。保護シート７７０は、研磨工程中にスラリーがキャップ７４０と接触して反応し、スラリーおよびウエハが汚染されるのを防止する。保護シート７７０は、研磨ヘッド７１０の底部７１４およびキャップ７４０の底面７４６に接着剤で取り付けられ底面７４６に沿って延在している。図示のように、保護シート７７０は、キャップ７４０の底面７４６を超えて延在して、研磨ヘッド７１０の底部７１４とシールを形成している。
【0106】
研磨ヘッド７１０からの金属がスラリーおよびウエハを汚染するのを防止するために、研磨ヘッド７００は、スラリーが金属と接触してウエハを汚染するのを防止するためにバンド７７４に外接されている。円筒部材７３０は、下部７３６に沿って外面７３２から内方に延びている側部凹所７３８を有している。バンド７７４は保護シート７７０と重なって取り付けられて間にシールを形成して、研磨工程の研磨ヘッド７１０からの金属汚染を防止する。バンド７７４および保護シート７７０は、ポリエーテルイミドなどのプラスチック製である（たとえば、Ｓａｕｄｉ Ｂａｓｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＳＡＢＩＣ）社が販売するＵＬＴＥＭ（商標）Ｒｅｓｉｎ １０００）。
【0107】
それに加えて、裏当てフィルム１１０が保護シート７７０およびバンド７７４両方の少なくとも一部と重なって取り付けられ、それらの間にシールを形成する。したがって、シールは、裏当てフィルム１１０、保護シート７７０、バンド７７４間で蛇行路を形成して、スラリーがキャップ７４０および研磨ヘッド７１０と直接接触しないようにしている。
【0108】
中心ストッパー７６０は、膨張式ベロー７６４と接続された止め具７６２を含んでいる。ベロー７６４は、研磨ヘッド７１０と接続され、研磨ヘッド７１０からチャンバ７０２内に延びている。止め具７６２の高さは、中心流路７２６、チャンバ・コネクター７２８、中心供給ライン７８６、および回転コネクター１３６を通して第２の圧力源ＳＳと接続されているベロー７６４内の圧力を増加または減少させることで調節される。いくつかの実施形態では、別々の回転コネクター１３６がそれぞれチャンバ供給ライン７８４と中心供給ライン７８６と接続されている。
【0109】
ベロー７６４内の圧力を調節すると、床部７４２の上向きの撓みを制限するか、または床部を外方に撓ませることができる。第１の圧力源ＦＳと第２の圧力源ＳＳは、コントローラー７９０を通してそれぞれコネクター７２４とコネクター７２８に接続され得る。いくつかの実施形態では、第１の圧力源ＦＳと第２の圧力源ＳＳとは同一の圧力源であり、それぞれコネクター７２４とコネクター７２８に、デバイダーおよび制御弁（図示せず）を含み得るコントローラー７９０を通して接続されている。いくつかの実施形態では、研磨ヘッド組立体７００は、中心ストッパー７６０を含んでいない。これらの実施形態では、第１の圧力源ＦＳは、研磨ヘッド組立体７００の中心部を通ってチャンバ７０２に供給され得る。いくつかの実施形態では、研磨ヘッド組立体７００を加圧するのに空気圧システムが用いられる。
【0110】
中心ストッパー７６０は、研磨ヘッド７１０およびキャップ７４０の両方と長手方向軸線に沿って同軸状に揃っている。運転中、中心ストッパー７６２は、研磨ヘッド７１０の底面から床部７４２の内面または上面まで延びて、中心ストッパー７６０の高さを研磨ヘッド７１０と床部７４２との間のチャンバとほぼ等しくすることもできる。
【0111】
それに加えて、裏当てフィルム１１０の縁部は、バンド７７４に張り付く。この重なりによって、化学剤をキャップ７４０または研磨ヘッド７００と直接接触させないバリアが形成される。
【0112】
一実施形態の方法では、ウエハの研磨工程は、研磨装置１００で用いられる研磨圧力を調節して研磨ヘッド組立体の形状を変化させて、ウエハＷが研磨される形状を調整することによって制御される。いくつかの実施形態では、研磨装置は片面研磨機である。別の実施形態では、研磨圧力は、研磨工程の前または最中にコントローラーによって調整される。
【0113】
方法は、研磨パッドをウエハに対し相対的に回転させる回転台と、研磨ヘッドの研磨側にキャップが取り付けられた研磨ヘッド組立体とを有する研磨装置を準備することを含む。キャップはウエハに対し相対的に移動させられて、ウエハからの研磨圧力がキャップに反作用するようになる。キャップは研磨ヘッドに対し相対的に撓まされる。キャップに液体を加えて濡らすことができ、それによってウエハは、キャップに押し付けられると、表面張力によって所定位置でキャップに保持される。キャップ下面の液体をフィルム厚さがほぼゼロになるほど押し出して、表面張力によってウエハを保持できる。
【0114】
キャップに反作用する研磨圧力は、キャップの撓みを調整するよう調節されて、研磨表面の平坦度を向上させる。ウエハの一面は、ウエハと研磨パッドとの間に運動を生じさせてウエハに研磨表面を形成することによって、研磨される。研磨ヘッドとキャップとの間のチャンバ内の内圧を調節して、ウエハに対する相対的なキャップの撓みを調整し、研磨表面の平坦度を向上させることができる。
【0115】
キャップの形状を皿型からドーム型に、またはその逆に変化させることで、ウエハの材料除去プロファイルが変化し、したがって研磨されるウエハの形状も変化する。ドーム型のヘッドは、ウエハの中心部でより多くの材料を除去することになるので、ウエハの厚さプロファイルは研磨前の厚さプロファイルに対し相対的に皿型になる。皿型のヘッドはウエハの縁部でより多くの材料を除去することになるので、ウエハは研磨前の厚さプロファイルに対し相対的にドーム型になる。いくつかの実施形態では、研磨ヘッドの形状は、低剛性キャップを既存のヘッドの底部に追加し、次いで研磨圧力を調整してキャップを撓ませてその形状を変化させることで、変化させてもよい。
【0116】
本明細書で説明する実施形態は、ドーム型、皿型、および＋／−のｗ字型に関して研磨ヘッドを調整する能力を提供して、半導体ウエハを処理する高効率かつ経済的な研磨方法を可能にする。該方法は、ウエハの歩留りおよび処理機能を向上させ、また製品誤差を減じ、研磨パッドおよび片面研磨ヘッドに設置されるテンプレートの交換に関わるメンテナンスに要する時間を短縮する。
【0117】
本明細書で説明する実施形態を用いる別の利点としては、上述の標準的な着脱方法を保持しつつ、剛性セラミック・ヘッドが１つ以上の半径領域で可撓性ヘッドの機能を有するように、後付けできる能力が挙げられる。これらの実施形態の使用はまた、ウエハの操作に関して可撓性膜設計よりもロバストである。それに加えて、後付けヘッドを所有し運転するコストは膜を有する可撓性ヘッドよりも低くなるが、それは膜交換や膜ヘッド改造よりもテンプレート交換のほうがはるかに廉価だからである。
【0118】
本明細書で説明する実施形態を用いる別の利点としては、初めは不均一なウエハ表面を、研磨ヘッドの形状を調整することによって補償する能力が挙げられる。
【0119】
本発明の要素または実施形態を説明する際の「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」といった冠詞および「ｓａｉｄ（前記）」は、その要素が１つ以上あることを意味するものである。「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む）」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」および「ｈａｖｉｎｇ（有する）」という用語は、包括的なものであり、列挙した要素の他にも追加の要素があり得ることを意味している。具体的な方向を示す用語（たとえば「ｔｏｐ（頂部、上）」、「ｂｏｔｔｏｍ（底部、下）」、「ｓｉｄｅ（側部）」、「ｄｏｗｎ（下）」、「ｕｐ（上）」など）を用いたのは、説明の便宜上であり、説明されている物品の特定の方向を要するものではない。
【0120】
上記の構成および方法には、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変化を加えることができるので、上記の説明に含まれ添付図面に示されるものは全て例示であり、限定の意図はないもの、と理解すべきである。