JP2000190201A

JP2000190201A - 化学機械式平面化システムのためのパッド・コンディショナ・カプリングおよびエンド・エフェクタならびにその方法

Info

Publication number: JP2000190201A
Application number: JP35685199A
Authority: JP
Inventors: F Banel James; ジェームス・エフ・バネル
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1998-12-21
Filing date: 1999-12-16
Publication date: 2000-07-11
Also published as: US6263605B1; TW478999B; US6514126B1; SG102560A1

Abstract

(57)【要約】【課題】製造環境における信頼性を改善し半導体ウエ
ハ全体の研磨均一性を高める化学機械式平面化ツールを
提供する。【解決手段】パッド・コンディショナ・カプリング
は、肩付きねじ，ポリマ・ベアリング，固定プレート，
波形ばね，および浮動プレートから成り、研磨媒体表面
を研削するエンド・エフェクタを保持する。パッド・コ
ンディショニングは、研磨媒体表面を平面化し、粒子を
除去し、研磨スラリの搬送を促進する。波形ばねは固定
および浮動プレート間に配され、肩付きねじが波形ばね
を予備荷重状態に保持する。ポリマ・ベアリングは、肩
付きねじの固定プレートとの接触を防止する。波形ばね
は、浮動プレートを固定プレートに対して非平行に移動
させ、パッド・コンディショニング・プロセスにおいて
角度補償を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、化学機械
式平面化（ＣＭＰ：chemical mechanical planarizatio
n)システムに関し、更に特定すれば、ＣＭＰツールのた
めのパッド・コンディショナ・カプリング(pad conditi
oner coupling)およびエンド・エフェクタ(end effecto
r)に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】化学機械式平面化（化学機械式研磨とも
言う）は、先進の集積回路製造において有効性が確認さ
れたプロセスである。ＣＭＰは、殆ど全ての半導体素子
製造段階において用いられている。例えば、化学機械式
平面化は、局部的平面化によって微細化構造の作成を可
能とし、更にウエハ全体の平面化により高密度のビアや
相互接続層の生成を可能にする。集積回路製造プロセス
においてＣＭＰを受ける物質には、単結晶および多結晶
シリコン，酸化物，窒化物，ポリイミド，アルミニウ
ム，タングステン，および銅が含まれる。

【０００３】一般に、半導体ウエハの研磨は、プラテン
として知られている回転ディスク上で行われる。回転デ
ィスクは、研磨プロセスのための支持構造である。研磨
媒体をプラテン上に配する。研磨媒体は、順応性(compl
iant)があり、化学／研摩スラリの搬送を可能にする。
研磨媒体の一種にポリウレタン・パッドがある。ポリウ
レタン・パッドは、スラリの搬送を促進するグルーブま
たは凹みがある。

【０００４】研磨プロセスは、研磨スラリを研磨媒体表
面に塗布することから開始する。研磨媒体の表面に半導
体ウエハを接触させ、同一平面にする。所定の力を半導
体ウエハに加え、処理対象ウエハの表面の一部分を化学
的にかつ摩擦によって除去する。典型的に、研磨プロセ
スの間半導体ウエハおよびプラテンを回転させておく。
研磨スラリは、研磨プロセスの間、連続的に研磨媒体に
供給される。半導体ウエハが研磨されるに連れて、半導
体ウエハからの粒子および消費した研磨スラリは捕獲さ
れ、蓄積される。その結果、研磨媒体の表面は不均一と
なる。また、粒子は半導体ウエハの表面に傷を付けた
り、損傷する虞れがある。

【０００５】パッド・コンディショニング(pad conditi
oning)とは、研磨媒体から粒子や消費した研磨スラリを
除去するプロセスのことである。また、パッド・コンデ
ィショニングは、パッドの物質を選択的に除去すること
によってパッドも平面化し、研磨媒体の表面を粗面化(r
oughen)する。従来技術のパッド・コンディショニング
装置は、研磨媒体の表面を横切って研磨材を移動させ
る。一般に用いられているパッド・コンディショニング
装置の１つに、ディスクの上面にコレット(collet)が接
続されたディスクを含むものがある。研磨ディスクは、
研磨面に露出するディスクの底面に、癒着的または機械
的に取り付けられる。コレットにコイル・カット(coil
cut)を施し、パッド・コンディショニング装置に多少の
角度順応性(angular compliance)を与える。モータ・シ
ャフトがパッド・コンディショニング装置のコレットに
接続する。パッド・コンディショニング・プロセスの間
パッド・コンディショニング装置および研磨媒体を回転
させることにより、最良の結果が得られる。典型的に、
一連のウエハを研磨した後、パッド・コンディショニン
グ・プロセスを実施する。即ち、処理に必要な時間のた
めに、１ウエハ・ロットを処理した後に、研磨媒体のコ
ンディショニングを行う。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この様式のパッド・コ
ンディショニング装置から、３つの問題が発生する。第
１に、パッド・コンディショニング装置のコレットにお
けるコイル・カットは、研削面を研磨媒体の表面に平行
に維持するには有効でない（角度順応性）。その結果、
研磨媒体の表面が不均一となり、半導体ウエハ研摩の均
一性に直接的な影響を及ぼす。例えば、パッド・コンデ
ィショニング装置は、パッド・コンディショニング・プ
ロセスの間、ある動作状態の下ではチャタリングを生
じ、研磨媒体全体に高低のスポットが発生する虞れがあ
る。第２に、パッド・コンディショニング装置に加えら
れる下方力がコレット内のコイル・カットを完全に閉鎖
し、事実上順応機能を妨げ、その結果研摩パッドの平面
性が失われる可能性がある。第３に、パッド・コンディ
ショニング装置は周期的に故障し、ＣＭＰツールの保守
頻度が高くなる。ダウンタイムは、コスト上昇および工
場のウエハ・スループット低下に換算される。機構の故
障は、研磨面が、コイル・カット・コレット上に過度な
トルクを与えるエッジに当たるときに発生する。結果的
に、コレットは張力で破壊され、ばらばらになる。パッ
ド・コンディショニング装置はこのような力を分配し(c
ome apart with)、ＣＭＰツールの他の構成部品も損傷
する可能性がある。

【０００７】したがって、製造環境における信頼性を改
善し、半導体ウエハ全体の研磨均一性を高める、化学機
械式平面化ツールのためのパッド・コンディショニング
装置を有することができれば有利であろう。更に、この
パッド・コンディショニング装置が安価であり、しかも
通常の保守の間に研磨面の容易な交換を可能にするので
あれば、更に有利であろう。

【０００８】

【発明の実施の形態】概して言えば、化学機械式平面化
（ＣＭＰ）は、半導体ウエハの処理面から物質または膜
全体を除去するために用いられる。理想的なのは、半導
体ウエハ全体にわたって均一な量の物質を除去し、高度
に平面化した表面を残し、その上にウエハ処理を続行す
ることである。研磨プロセスにおいて少しでも非均一が
生ずると、歩留まりの損失または長期素子信頼性の問題
を招く。均一性は、半導体ウエハ全体における表面高さ
のばらつきの尺度である。半導体業界では、酸化物，ポ
リシリコン，タングステン，および銅を除去するため
に、いくつかの共通した形式の化学機械式平面化プロセ
スを用いている。

【０００９】現在半導体業界において用いられている化
学機械式平面化ツールは、６ないし１２パーセントとい
う範囲のウエハ均一性を達成可能である。この均一性レ
ベルは、０．１８ないし０．３５ミクロンの範囲の臨界
寸法(critical dimension)を有する素子を製造するには
十分である。将来、半導体業界が０．１０ミクロン未満
の臨界寸法を目指して動くに連れて、１ないし３パーセ
ントの範囲の研磨均一性が要求されることになろう。ウ
エハ均一性に重大な影響を有するとして認識されている
領域は、半導体ウエハを研磨する研磨媒体である。研磨
媒体の表面は、平面を維持し、研磨スラリの搬送を支援
し、一貫したウエハの均一性を達成しなければならな
い。平面化の問題の複雑性は、更に、ウエハの大口径化
によって一層高められる。半導体業界は、直径２００ミ
リメートルのウエハから直径３００ミリメートルのウエ
ハに転換する過程にある。

【００１０】図１は、本発明にしたがって、研磨対象半
導体ウエハの均一性を改善するための化学機械式平面化
（ＣＭＰ）ツール１１の平面図である。

【００１１】ＣＭＰツール１１は、プラテン１２，脱イ
オン（ＤＩ：deionized)水バルブ１３，多入力バルブ１
４，ポンプ１５，ディスペンス・バー・マニフォルド１
６，ディスペンス・バー１７，コンディショニング・ア
ーム１８，サーボ・バルブ１９，真空発生器２０，ウエ
ハ・キャリア・アーム２１，脱イオン（ＤＩ）水バルブ
２２，およびスプレー・バー２３から成る。

【００１２】プラテン１２は、半導体ウエハの処理面を
平面化するために用いる種々の研磨媒体および化学薬品
を支持する。プラテン１２は、典型的に、アルミニウム
またはステンレス鋼のような金属で作られている。モー
タ（図示せず）がプラテン１２に結合する。プラテン１
２は、ユーザ選択可能な表面速度で、回転，軌道，およ
び直線運動が可能である。

【００１３】脱イオン水バルブ１３は、入力および出力
を有する。入力は、ＤＩ水源に接続されている。制御回
路（図示せず）が、ＤＩ水バルブ１３をイネーブルまた
はディゼーブルする。ＤＩ水は、ＤＩ水バルブ１３がイ
ネーブルされている場合に、多入力バルブ１４に供給さ
れる。多入力バルブ１４は、異なる物質をディスペンス
・バー１７に排出することを可能にする。多入力バルブ
１４に入力される物質の種類の例として、化学薬品，ス
ラリ，および脱イオン水がある。ＣＭＰツール１１の一
実施例では、多入力バルブ１４は、ＤＩ水バルブ１３の
出力に接続された第１入力，スラリ源に接続された第２
入力，および出力を有する。制御回路（図示せず）が、
多入力バルブ１４の全ての入力をディゼーブルするか、
あるいはバルブのあらゆる組み合わせをイネーブルし、
選択した物質の流れを多入力バルブ１４の出力に生成す
る。

【００１４】ポンプ１５は、多入力バルブ１４から受け
取った物質をディスペンス・バー１７に排出する。ポン
プ１５によって得られる排出速度は、ユーザが選択可能
である。経時的な流速変動および流速変動の条件を最小
に抑えると、流れを最小要求流速付近に調節することが
でき、これによって化学薬品，スラリ，またはＤＩ水の
無駄を削減する。ポンプ１５は、多入力バルブ１４の出
力に接続された入力，および出力を有する。

【００１５】ディスペンス・バー・マニフォルド１６
は、化学薬品，スラリ，またはＤＩ水を、ディスペンス
・バー１７に導出させる。ディスペンス・バー・マニフ
ォルド１６は、ポンプ１５の出力に接続された入力，お
よび出力を有する。ディスペンス・バー１７に供給する
物質毎にポンプを利用する代替手法もある。例えば、化
学薬品，スラリ，およびＤＩ水が各々、ディスペンス・
バー・マニフォルド１６に接続するポンプを有する。多
数のポンプを使用すると、その対応するポンプによって
各物質の流速を制御することにより、異なる物質を異な
る組み合わせで正確に分与することが可能となる。ディ
スペンス・バー１７は、化学薬品，スラリ，またはＤＩ
水を、研磨媒体表面上に分配する。ディスペンス・バー
１７は、物質を研磨媒体表面上に分与するために少なく
とも１つのオリフィスを有する。ディスペンス・バー１
７は、プラテン１２上方に懸垂され、その上に延出する
ことにより、物質が研磨媒体表面の大部分に分配される
ことを保証する。

【００１６】ウエハ・キャリア・アーム２１は、半導体
ウエハを研磨媒体表面上に懸垂する。ウエハ・キャリア
が、ウエハ・キャリア・アーム２１に接続されている。
ウエハ・キャリアは、研磨プロセスの間、半導体ウエハ
の処理面を下にして保持し、半導体ウエハの表面を研磨
媒体の表面に対して平面状に維持するためのアセンブリ
である。ウエハ・キャリア・アーム２１は、ユーザ選択
可能な下方力を研磨媒体表面上に加える。通常、ウエハ
・キャリア・アーム２１は、回転運動および直線運動が
可能である。半導体ウエハは、真空によって、ウエハ・
キャリア上に保持される。ウエハ・キャリア・アーム２
１は、第１入力および第２入力を有する。

【００１７】真空発生器２０は、ウエハ・キャリア・ア
ーム２１のための真空源である。真空源２０は、ウエハ
・キャリアによるウエハ・ピックアップに用いる真空を
発生し制御する。真空源が製造設備から得られる場合、
真空発生器２０は不要である。真空発生器２０は、ウエ
ハ・キャリア・アーム２１の第１入力に接続されたポー
トを有する。サーボ・バルブ１９は、平面化が完了した
後に、ウエハ放出のために、気体をウエハ・キャリア・
アーム２１に供給する。この気体は、平面化の間ウエハ
の背面側に圧力を加え、ウエハ・プロファイルを制御す
るためにも用いられる。ＣＭＰツール１１の一実施例で
は、ウエハ・キャリア・アーム２１に供給される気体
は、窒素である。サーボ・バルブ１９は、窒素源に接続
された入力，およびウエハ・キャリア・アーム２１の第
２入力に接続された出力を有する。

【００１８】コンディショニング・アーム１８は、研磨
媒体の表面上に、研磨エンド・エフェクタを適用するた
めに用いられる。コンディショニング・アーム１８の一
実施例では、研磨エンド・エフェクタは、研磨媒体の表
面を横切るように、直線的に引かれる。エンド・エフェ
クタが研磨媒体表面を横切る速度は可変であり、エンド
・エフェクタが外側領域から内側領域に移動する際に、
回転する研磨媒体の速度変化によって生ずる摩擦率の差
を補償する。研磨エンド・エフェクタは、研磨媒体表面
を平面化し、この表面を清浄化しかつ粗面化し(roughe
n)、化学薬品の搬送を補助する。コンディショニング・
アーム１８は、典型的に、回転運動および並進運動双方
が可能である。エンド・エフェクタが研磨媒体の表面に
加える圧力即ち下方力は、コンディショニング・アーム
１８によって制御される。

【００１９】ＤＩ水バルブ２２は、ＤＩ水源に接続され
た入力，およびスプレー・バー２３の入力に接続された
出力を有する。スプレー・バー２３は、一連のスプレー
・ノズルを含む。これらは、研磨媒体表面から物質を除
去するように、角度が付けられている。ＤＩ水バルブ２
２を活性化することにより、水をスプレー・バー２３に
流し、そしてスプレー・ノズルから放出することができ
る。スプレー・バー２３は、研磨プロセスの間、または
現場パッド・コンディショニング・プロセスの間に消費
した研磨スラリおよび粒子の除去を可能にする。

【００２０】図２は、図１に示す化学機械式研摩（ＣＭ
Ｐ）ツール１１の側面図である。コンディショニング・
アーム１８は、パッド・コンディショニング・カプリン
グ３１およびエンド・エフェクタ３２と共に示されてい
る。ウエハ・キャリア・アーム２１は、キャリア・アセ
ンブリ３４，キャリア・リング３５，キャリア・フィル
ム３６，および半導体ウエハ４１と共に示されている。
ＣＭＰツール１１は、更に、研磨媒体３３，機械据付部
３７，熱交換器３８，およびエンクロージャ３９も含
む。

【００２１】研磨媒体３３は、プラテン１２上に置かれ
ている。典型的に、研磨媒体３３をプラテン１２に取り
付けるには、圧力感応接着剤(pressure sensitive adhe
sive)を用いる。研磨媒体３３は、研磨化学薬品を導入
するのに適した表面を提供する。研磨媒体３３は、化学
薬品の搬送，ならびに全体的および局部的なウエハ表面
の不規則性双方に対する微小コンプライアンス(micro-c
ompliance)を可能にする。典型的に、研磨媒体３３はポ
リウレタン製のパッドであり、これは伸展性があり、露
出面全体に小さな貫通孔または環状グルーブを含み、化
学薬品の搬送を補助する。

【００２２】キャリア・アセンブリ３４は、ウエハ・キ
ャリア・アーム２１に接続する。キャリア・アセンブリ
３４は、プラテン１２に関して半導体ウエハ４１を回転
させる基礎を与える。また、キャリア・アセンブリ３４
は、半導体ウエハ４１上に下方力を与え、これを研磨媒
体３３に押し付けるように保持する。モータ（図示せ
ず）が、ユーザによるキャリア・アセンブリ３４の回転
制御を可能にする。キャリア・アセンブリ３４は、真空
経路および気体経路を含み、平面化の間半導体ウエハ４
１を保持し、半導体ウエハ４１の側面を形成し(profil
e)、平面化の後半導体ウエハ４１を放出する。

【００２３】通常、キャリア・アセンブリ３４は、角度
補償を与えるように設計される。キャリア・アーム２１
は、研磨媒体３３の表面に対して正確に同じ面に半導体
ウエハ４１の表面を合わせることができない。半導体ウ
エハ４１および研磨媒体３３の表面間の平面接触は、研
磨均一性には必須である。研磨面間の角度差を補償する
キャリア・アセンブリ３４の一種に、半導体ウエハ４１
をキャリア・アーム２１に対して自由に傾斜させるもの
がある。半導体ウエハ４１が研磨媒体３３に接触と、２
つの表面が互いに平面状となる位置までキャリア・アセ
ンブリ３４を傾斜させる。

【００２４】キャリア・リング３５およびキャリア・フ
ィルム３６は、それぞれ、研磨プロセスの間、半導体ウ
エハ４１を保持(retain)および維持(hold)する。キャリ
ア・リング３５は、その名称が暗示するように、半導体
ウエハ４１の直径とほぼ等しい内径を有するリングであ
る。このリングは、キャリア・アセンブリ３４に接続さ
れている。キャリア・リング３５は、半導体ウエハ４１
を、キャリア・アセンブリ３４と同心状に位置合わせ
し、物理的に半導体ウエハ４１が横方向に移動するのを
制限する。キャリア・フィルム３６は、キャリア・アセ
ンブリ３４の支持構造の構成部品である。キャリア・フ
ィルム３６は、半導体ウエハ４１に、適した摩擦特性の
表面を与え、平面化の間キャリア・アセンブリ３４に対
する滑りによる回転を防止する。加えて、キャリア・フ
ィルムは多少伸展性があり、平面化プロセスに役立つ。

【００２５】コンディショニング・アーム１８は、並進
機構であり、パッド・コンディショナ・カプリング３１
およびエンド・エフェクタ３２を備えるパッド・コンデ
ィショニング・アセンブリを、（アクティブな研磨プロ
セスから離れた）静止位置から、研磨媒体３３表面との
接触位置まで移動させる。コンディショニング・アーム
１８は、パッド・コンディショニング・アセンブリの横
方向および上下方向双方の移動を与える。パッド・コン
ディショナ・カプリング３１は、コンディショニング・
アーム１８に接続する。エンド・エフェクタ３２は、パ
ッド・コンディショナ・カプリング３１に接続する。モ
ータ（図示せず）が、パッド・コンディショナ・カプリ
ング３１およびエンド・エフェクタ３２を回転させる。

【００２６】コンディショニング・アーム１８は、エン
ド・エフェクタ３２の表面を、研磨媒体３３の表面に対
して一貫して同一平面に合わせておくことができない。
パッド・コンディショナ・カプリング３１は、角度順応
性を与え、パッド・コンディショニング・プロセスの
間、エンド・エフェクタ３２の摩擦表面を、研磨媒体３
３の表面に対して同一面に維持する。エンド・エフェク
タ３２の摩擦表面は、研磨媒体３３の表面を研削し、平
坦な研磨面を得て、埋め込まれた粒子を除去し、化学薬
品の搬送を補助する。パッド・コンディショナ・カプリ
ング３１がエンド・エフェクタ３２および研磨媒体３３
の表面間に同一面関係を維持することができると、半導
体ウエハ４１の研磨面の均一性に直接的に対応する。パ
ッドのコンディショニングによって、１ウエハ・ロット
のウエハ全てを、一貫して均一に研磨することが可能と
なる。

【００２７】化学反応は、温度に敏感である。反応速度
は典型的に温度と共に上昇することはよく知られてい
る。化学機械式平面化では、平面化プロセスの温度をあ
る範囲に維持し、反応速度を制御する。温度は、熱交換
器３８によって制御される。熱交換器３８は、加熱およ
び冷却双方のために、プラテン１２に接続されている。
例えば、あるウエハ・ロットに対して平面化を最初に開
始する場合、温度はほぼ室温である。熱交換器３８は、
ＣＭＰプロセスが所定の最低温度以上となるようにプラ
テン１２を加熱し、最低の化学反応速度が生ずることを
保証する。典型的に、熱交換器３８は、温度移送／制御
機構としてエチレン・グリコールを用い、プラテン１２
の加熱または冷却を行う。連続的にウエハを化学機械式
平面化プロセスで処理すると、熱が発生し、例えば、キ
ャリア・アセンブリ３４が熱を保持する。ＣＭＰプロセ
スを行う温度が上昇すると、化学反応の速度が上昇す
る。熱交換器３８によってプラテン１２を冷却すること
により、ＣＭＰプロセスが所定の最大温度未満であり、
最大反応を越えないことを保証する。

【００２８】機械据付部３７は、化学機械式平面化ツー
ル１１を床の高さよりも上に持ち上げ、床上に受け皿を
取り付け可能にする。これらは研磨ツールに一体化され
ていない。また、機械据付部３７は、ＣＭＰツール１１
を水平に置くための調節可能な構造を有し、更に振動を
吸収または分離するように設計されている。

【００２９】化学機械式平面化ツール１１は、エンクロ
ージャ３９内に収容されている。前述のように、ＣＭＰ
プロセスは、人や環境に危害を与える虞れがある腐食性
物質を用いる。エンクロージャ３９は、粒子や化学薬品
の蒸気の脱出を防止する。ＣＭＰツール１１の可動エレ
メントは全て、エンクロージャ３９内部に収容され、障
害を防止する。

【００３０】次に、化学機械式平面化ツール１１の動作
について説明する。工程は、実施する半導体ウエハ研磨
の形式によって概ね決定されるので、この動作説明は特
定の順序を想定したり示唆する訳ではない。化学機械式
平面化プロセスの開始時に、熱交換器３８は、プラテン
１２を所定温度まで加熱し、スラリ内の化学物質が最低
反応速度を有することを保証する。モータがプラテン１
２を駆動し、研磨媒体３３に、回転，軌道，または直線
運動の１つを行わせる。

【００３１】ウエハ・キャリア・アーム２１は、所定の
位置に配置されている半導体ウエハ４１を拾い上げるよ
うに移動する。真空発生器がイネーブルされ、キャリア
・アセンブリ３４に真空を供給する。キャリア・アセン
ブリ３４は、半導体ウエハ４１と位置合わせされてお
り、キャリア・アセンブリの表面が半導体ウエハ４１の
未処理面に接触するように移動する。真空およびキャリ
ア・リング３６双方が、半導体ウエハ４１をキャリア・
アセンブリ３４の表面に保持する。キャリア・リング３
５は、キャリア・アセンブリ３４の表面中央に半導体ウ
エハ４１を拘束する。

【００３２】多入力バルブ１４がイネーブルされ、スラ
リをポンプ１５に供給する。ポンプ１５はスラリをディ
スペンス・バー・マニフォルド１６に供給する。スラリ
はディスペンス・バー・マニフォルド１６を通過してデ
ィスペンス・バー１７に達し、ここで研磨媒体３３の表
面に送り出される。周期的に脱イオン水バルブ１３が開
放され、ディスペンス・バー１７を通じて水を供給し、
スラリを排除し、ディスペンス・バー１７における乾
燥，定着，または凝集を防止する。プラテン１２の移動
により、研磨化学薬品を研磨媒体３３の表面全体に分配
するのを補助する。典型的に、スラリは、研磨プロセス
全体にわたって一定の速度で送り出される。

【００３３】次に、ウエハ・キャリア・アーム２１は、
研磨媒体３３上の位置に戻る。ウエハ・キャリア・アー
ム２１は、半導体ウエハ４１を研磨媒体３３と接触状態
に置く。キャリア・アセンブリ３４は、角度補償を与え
ることにより、半導体ウエハ４１の表面を、研磨媒体３
３の表面と同一平面に置く。研磨化学薬品は、研磨媒体
３３を覆う。ウエハ・キャリア・アーム２１は半導体ウ
エハ４１上に下方力を加え、スラリおよび半導体ウエハ
４１間の摩擦を促進する。研磨媒体３３は、研磨媒体に
押圧されている場合であっても、スラリの化学薬品が半
導体ウエハ４１の下を流れるような化学薬品の搬送を可
能にするように設計されている。システムに熱が蓄積す
るに連れて、熱交換器３８はプラテン１２の加熱からプ
ラテン１２の冷却に変化し、化学反応速度を制御する。

【００３４】既に述べたが、プラテン１２は、機械式研
摩のために半導体ウエハ４１に対して移動するように配
置されることを注記しておく。逆に、プラテン１２を固
定位置に置き、キャリア・アセンブリ３４に回転，軌
道，または並進運動を行わせることも可能である。通
常、プラテン１２およびキャリア・アセンブリ３４の双
方が移動し、機械的平面化を補助する。

【００３５】化学機械式平面化プロセスの均一性は、周
期的に研磨媒体３３のコンディショニングを行うことに
よって維持される。ＣＭＰツール１１は、半導体業界に
おいて用いられている現在入手可能なＣＭＰツールより
も、ウエハ研摩の均一性を高めることができる。即ち、
ＣＭＰツール１１は、半導体ウエハ研摩プロセスの間に
行う、現場パッド・コンディショニング・プロセスを可
能にする。更に、ＣＭＰツール１１は、パッド・コンデ
ィショニング・カプリングおよびエンド・エフェクタに
よって、より低いコストおよびより短いツール・ダウン
タイムで、均一性を高めた平面研摩媒体表面を生成す
る。これについては、以下で更に詳しく説明する。現場
パッド・コンディショニングは、別個のパッド・コンデ
ィショニング工程を不要にすることにより、ウエハ・ス
ループットの向上をもたらす。更に、各ウエハは同一状
態の下で研磨されるので、ウエハ研摩に一層の均一性お
よび一貫性が得られる。再び図１を参照する。ディスペ
ンス・バー１７，コンディショニング・アーム１８，ウ
エハ・キャリア・アーム２１，およびスプレー・バー２
３の配列は、各アセンブリが他のデバイスの動作に干渉
せずに機能することを可能にする。研磨プロセスの間、
コンディショニング・アーム１８は、エンド・エフェク
タを研磨媒体表面に接触させる。エンド・エフェクタは
研磨媒体表面を研削し、埋込まれた粒子や消費した研磨
スラリを放出し、研磨媒体を平面に保つ。スプレー・バ
ー２３がイネーブルされ、研磨媒体表面に脱イオン水を
噴霧する。ＤＩスプレーは、パッド・コンディショニン
グ・プロセスによって生じた粒子を、研磨媒体表面から
除去する。スラリがディスペンス・バー１７によって追
加され、パッド・コンディショニング・プロセスの間に
スプレー・バー２３によって除去され失われた研磨化学
薬品を補填する。

【００３６】再び図２を参照する。ウエハ・キャリア・
アーム２１は、化学機械式平面化プロセスが完了した
後、研磨媒体３３からキャリア・アセンブリ３４を持ち
上げる。ウエハ・キャリア・アーム２１は、清浄化のた
めに、半導体ウエハ４１を所定の領域に移動させる。次
に、ウエハ・キャリア・アーム２１は、取り出し位置に
半導体ウエハ４１を移動させる。次いで、真空発生器２
０がディゼーブルされ、サーボ・バルブ１９が開放さ
れ、気体をキャリア・アセンブリ３４に供給し、研磨し
た半導体ウエハ４１を放出する。

【００３７】図３は、パッド・コンディショナ・カプリ
ング５８およびエンド・エフェクタ５７を構成する構成
部品の側面図である。パッド・コンディショナ・カプリ
ング５８は、肩付きねじ５０，ポリマ・ベアリング５
１，固定プレート５２，ねじ５３，波形ばね５４，およ
び浮動プレート５５から成る。エンド・エフェクタ５７
は、研磨媒体の表面を研削する研削面を有する。エンド
・エフェクタ５７は周期的に交換が必要である。パッド
・コンディショナ・カプリング５８の設計は、予定され
ているＣＭＰツールの保守の間、エンド・エフェクタ５
７の迅速な取り外しおよび交換を可能とする。

【００３８】理想的には、パッド・コンディショナ・カ
プリング５８は、トルクに対する剛性，および角度順応
性双方がある。パッド・コンディショニング・プロセス
の間、モータがパッド・コンディショナ・カプリング５
８を回転させる。パッド・コンディショナ・カプリング
５８のトルクに対する剛性は、モータのトルクが直接パ
ッド・コンディショニング・プロセスに伝達され、研磨
媒体表面を研削することを保証する。パッド・コンディ
ショニング・プロセスにおいてエンド・エフェクタ５７
にトルクを一貫して加えることにより、表面全体にわた
って均一に表面を研削することができる。

【００３９】パッド・コンディショナ・カプリング５８
の角度順応性により、エンド・エフェクタ５７の研削面
の面と、接触前の研磨媒体の表面の面との間の角度差を
補償する。エンド・エフェクタ５７の研磨面および研磨
媒体の表面は、パッド・コンディショナ・カプリング５
８に下方力が加えられると、同一平面となる。パッド・
コンディショニング・プロセスの間、エンド・エフェク
タ５７の研磨面および研磨媒体の平面の同一平面性によ
り、研削の均一性が向上し、その結果研摩媒体表面の平
面性が向上する。研摩媒体表面をより良く準備したこと
の結果として、半導体ウエハ全体の研磨均一性が向上す
る。

【００４０】典型的に、パッド・コンディショニング・
カプリング５８および研磨媒体双方は、パッド・コンデ
ィショニング・プロセスの間回転している。研磨媒体を
駆動するモータは、大量のトルク，剪断力，および曲げ
モーメントをパッド・コンディショニング・カプリング
５８に加える。実際、エンド・エフェクタの研磨面が研
磨媒体表面を捕らえる即ち当たるときに、パッド・コン
ディショナ・カプリングに１つの共通した破損モード(f
ailure mode)が生ずる。従来技術のパッド・コンディシ
ョナ・カプリングは、チャタリングを発生することが多
く、連続して捕らえたり放したりすると研磨媒体の表面
に傷を付ける。更に、エンド・エフェクタ５７が捕らえ
て放さない場合、研磨媒体を駆動するモータのトルク全
体が、パッド・コンディショナ・カプリング５８に伝達
される。トルクがパッド・コンディショナ・カプリング
５８に伝達されると、その結果パッド・コンディショナ
・カプリングの軸周囲に強力な曲げモーメントが発生す
る。従来技術のパッド・コンディショナ・カプリング
は、この状態では、モータによって加えられるトルクに
耐えることができないので、破滅的な故障を発生するこ
とが多い。パッド・コンディショナ・カプリングが無理
に離れると、ＣＭＰツールを損傷し、修理のためにダウ
ンタイムが長引く可能性がある。パッド・コンディショ
ナ・カプリング５８は、疲れや損傷を受けることなく、
モータの最大トルクに耐えることができる。

【００４１】肩付きねじ５０は、固定プレート５２を浮
動プレート５５に接続する。パッド・コンディショニン
グ・カプリング５８の一実施例では、肩付きねじ５０
は、４００系ステンレス鋼，または化学機械式平面化環
境に耐えるその他の高強度材料で作られる。各肩付きね
じのために、固定プレート５２には開口が形成されてい
る。対応するねじ切り開口が、浮動プレート５５に形成
されている。各肩付きねじは、固定プレート５２の開口
に挿通され、浮動プレート５５の対応するねじ切り開口
に螺合される。肩付きねじ５０のシャフト長は、固定プ
レート５２および浮動プレート５５間の最大距離を決定
する。肩付きねじ５０の頭部は、固定プレート５２内に
形成された開口よりも大きな直径を有し、固定プレート
５２を保持する。固定プレート５２および浮動プレート
５５は互いに堅固に締結されるのではないので、これら
は自由に動き（垂直方向に）互いに対して非同一平面姿
勢を取る。この自由移動がパッド・コンディショナ・カ
プリング５８に角度順応性をもたらし、エンド・エフェ
クタ５７を研磨媒体表面と同一面に維持することが可能
になる。

【００４２】回転という観点からは、固定プレート５２
および浮動プレート５５間の位置関係は、肩付きねじ５
０によって固定され、パッド・コンディショナ・カプリ
ング５８をトルク剛性(torque rigid) とする。通常、
モータは、十分なトルクを有するように選択され、エン
ド・エフェクタ５７が研磨媒体を捕らえた場合、最終的
に自由となる。この設計は、モータが供給可能なトルク
よりも大幅に大きなトルクを扱うことができる。したが
って、パッド・コンディショナ・カプリング５８の破滅
的な破損は全く発生せず、望ましくないＣＭＰツールの
ダウンタイムや損傷を防止する。

【００４３】ポリマ・ベアリング５１は、肩付きねじ５
０のシャフトが固定プレート５２と接触するのを防止す
る。金属間接触が発生すると、固定プレート５２および
肩付きねじ５０間の接触領域において、摩擦が増大し、
摩耗が生ずる。接触によって生ずる金属粒子は、ＣＭＰ
ツールの研磨区域に入り込み、研磨最中の半導体ウエハ
上に損傷を生ずる虞れがある。ポリマ・ベアリング５１
は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ：
polytetrafluoroethylene）のような、化学機械式平面
化環境に耐える低摩擦材料で形成される。ポリマ・ベア
リング５１は潤滑を必要としないので、半導体ウエハ研
摩プロセスに対する潜在的な汚染源が解消する。各ポリ
マ・ベアリングは、固定プレート５２内の開口に配置さ
れる。パッド・コンディショナ・カプリング５８の一実
施例では、ポリマ・ベアリングは、固定プレート５２内
の開口に圧入される。対応する肩付きねじが、各ポリマ
・ベアリングに挿通される。摩擦の低減により、固定プ
レート５２は、浮動プレート５５に対して容易に移動す
ることが可能となる。固定プレート５２の主面および浮
動プレート５５の主面間の角度関係は、パッド・コンデ
ィショナ・カプリング５８の角度順応性に対応する。パ
ッド・コンディショナ・カプリング５８の角度順応性に
より、パッド・コンディショニング・プロセスの間、エ
ンド・エフェクタ５７の研削面を研磨媒体表面と同一面
とすることができる。

【００４４】固定プレート５２は、第１主面および第２
主面を備えている。固定プレート５２は、パシベート・
ステンレス鋼のような物質的に強く、化学機械式平面化
環境において腐食しない材料で形成される。第１主面の
中央にコレットが形成されている。コレットは、パッド
・コンディショナ・カプリング５８を回転させるために
モータ・シャフトに接続するクランプである。ねじ５３
は、コレットをモータ・シャフト周囲に締め付けるよう
に作用する。固定プレート５２の一実施例では、主面は
円形である。固定プレート５２の第２主面は、波形ばね
５４の支持構造である。

【００４５】波形ばね５４は、固定プレート５２および
浮動プレート５５間に配置されている。波形ばね５４の
側面形状は、固定プレート５２および浮動プレート５５
とそれぞれ接触する上側ピークおよび下側ピークを有す
る、いくらか正弦波状の形状を示す。平面図では、波形
ばね５４は円形を示す。波形ばね５４は、固定プレート
５２を浮動プレート５５から分離する力を与える。各肩
付きねじのシャフト長は、波形ばね５４の上側ピークお
よび下側ピーク間の距離未満である。したがって、肩付
きねじ５０が浮動プレート５５に締結されると、波形ば
ね５４は圧縮される。パッド・コンディショナ・カプリ
ング５８の一実施例では、波形ばね５４は、パシベート
・ステンレス鋼のばね材料で作られる。

【００４６】波形ばね５４は、パッド・コンディショニ
ング・プロセスにおいて、２つの役割を果たす。第１
に、波形ばね５４は、パッド・コンディショナ・カプリ
ング５８が下げられたときに、角度的に順応し、固定プ
レート５２の第２主面を研磨媒体の表面に対して非平行
とする。波形ばね５４は不均一に圧縮し、エンド・エフ
ェクタ５７の摩擦表面および研磨媒体の表面間の同一面
性を維持する。第２に、波形ばね５４によって、パッド
・コンディショニング・プロセスのために、十分な下方
力をパッド・コンディショナ・カプリング５８に加える
ことが可能となる。波形ばね５４の設計は、角度順応性
および下方力条件双方を満たすことを保証する。波形ば
ね５４を圧縮するのに必要な力は、距離に対して線形で
ある。即ち、波形ばね５４を圧縮するのに必要な力は、
圧縮されるに連れて増大する。したがって、エンド・エ
フェクタ５７が最初に研磨媒体に対して順応するとき
に、初期距離を圧縮するための最小力が生ずる。パッド
・コンディショナ・カプリング５８は、エンド・エフェ
クタ５７が最初に研磨媒体に接触して同一平面性を得る
際に、最も角度的に順応するので、これは理想的であ
る。半導体ウエハ研摩プロセスによって生じた汚染物の
摩擦的除去を促進し、研磨媒体を平面化するために、追
加の力を加える。波形ばね５４のばね定数は線形である
ので、固定プレート５２および浮動プレート５５間で接
触を起こすことなく、パッド・コンディショナ・カプリ
ング５８にこの追加の力を加えることができる。

【００４７】コイルや圧縮ばねは、パッド・コンディシ
ョナ・カプリング５８には適していない。例えば、圧縮
ばねのコイルの場合、同様の圧縮特性を備えるには、直
径が約０．３２センチメートルでなければならない。圧
縮ばねが大きく重くなるに連れて、角度順応性が低下す
る。更に、追加の部品が必要となり（複雑化）、摩耗点
が増えるため、粒子の発生が増大し、ＣＭＰ環境を汚染
することになる。加えて、アセンブリが複雑になる程、
清浄化が一層困難となる。

【００４８】浮動プレート５５は、第１主面および第２
主面を備えている。浮動プレート５５の第１主面は、波
形ばね５４の支持構造である。浮動プレート５５の第２
主面は、エンド・エフェクタ５７の支持構造である。パ
ッド・コンディショナ・カプリング５８の一実施例で
は、浮動プレート５５の形状は、円形である。浮動プレ
ート５５は、パシベート・ステンレス鋼のような、物質
的に強く、化学機械式平面化環境において腐食しない材
料で形成される。

【００４９】エンド・エフェクタ５７を浮動プレート５
５に取り付けるには、両面フィルム５６を用いる。両面
フィルム５６は、膜の両面に接着剤を有する。両面フィ
ルム５６は伸展性があり、これがパッド・コンディショ
ニング・プロセスにおいて役に立つ。両面フィルム５６
は、浮動プレート５５の第２主面に接着される。尚、両
面フィルムは永続的に浮動プレート５５に接着されるの
ではなく、エンド・エフェクタ５７を交換する際には除
去可能であることを注記しておく。

【００５０】エンド・エフェクタ５７は、平坦面および
研削面を有する。パッド・コンディショナ・カプリング
５８の一実施例では、エンド・エフェクタ５７の形状は
円形である。平坦面は、両面フィルム５６の露出接着面
に取り付けられる。エンド・エフェクタ５７の研削面
は、パッド・コンディショニング・プロセスの間、研磨
媒体を研削するために用いられる。

【００５１】エンド・エフェクタ５７を浮動プレート５
５に接着する代わりとして、圧入がある。エンド・エフ
ェクタ５７を保持する領域が、浮動プレート５５の第２
面に形成されている。この浮動プレート５５内の領域
は、エンド・エフェクタ５７の平坦面と同様の形状であ
るが、エンド・エフェクタ５７が浮動プレート５５に圧
入される際、静合(interference fit)するように設計さ
れている。

【００５２】図４は、図３に示した固定プレート５２の
平面図である。この平面図は、固定プレート５２，コレ
ット６１，肩付きねじの孔６２，および交通孔６３が円
形であることを示す。コレット６１は、固定プレート５
２の中央に位置する。コレット６１内に、モータ・シャ
フトを受容し保持する開口が形成されている。肩付きね
じ孔６２は、固定プレート５２の周辺に沿って同心状に
形成されている。固定プレート５２を回転させる場合の
バランスのため、位置付けは対称となっている。肩付き
ねじ孔６２の各々に、ポリマ・ベアリング（図示せず）
が圧入されている。交通孔６３により、ツールを固定プ
レート５２に挿通し、図３のエンド・エフェクタ５７を
除去することができる。

【００５３】図５は、図４の固定プレート５２の側断面
図である。固定プレート５２の第２主面の外縁上に、保
持リップ６４が形成されている。保持リップ６４は、波
形ばね５４の保持構造である。図３の波形ばね５４は、
保持リップ６４の内径よりも小さな外径を有する。波形
ばね５４（図３）は、保持リップ６４の内側に嵌合す
る。波形ばね５４の上側ピーク（図３）は、固定プレー
ト５２の第２主面と接触する。保持リップ６４は、波形
ばね５４が圧縮されている際に、これが容認できない程
外側に延出する（外径の増大）のを防止する。

【００５４】図６は、図３の浮動プレート５５の平面図
である。この平面図は、浮動プレート５５，上側保持リ
ップ７３，ねじ切り開口７１，およびねじ切り孔７２が
円形であることを示す。上側保持リップ７３は、図３の
波形ばね５４を保持するために、浮動プレート５５の周
縁に沿って形成されている。ねじ切り開口７１は、図４
の肩付きねじ孔６２に対応し、これと一直線上に並ぶ。
ねじ切り開口７１は、浮動プレート５５の周縁付近に同
心状に配置されている。ねじ切り開口７１は、ねじのね
じ切りパターンに合わせてねじ切りされ、図３の肩付き
ねじ５０を受容する。ねじ切り孔７２は、図３のエンド
・エフェクタ５７を除去するために用いられるねじを保
持するように設計されている。例えば、アレン・ヘッド
型ファスナ(Allen headed fastener)をねじ切り孔７２
に螺合させる。アレン・ヘッド型ファスナのシャフト長
は、浮動プレート５５の厚さよりも大きい。図４の交通
孔６３にアレン・レンチを挿通させてアレン・ヘッド型
ファスナに到達させ、更に進ませて浮動プレート５５を
通過させる。アラン・ヘッド型ファスナが浮動プレート
５５を貫通すると、アラン・ヘッド型ファスナは図３の
エンド・エフェクタ５７を解放し、その迅速な取り外し
および交換を可能にする。

【００５５】図７は、図６の浮動プレート５５の側断面
図である。この側断面図は、上側保持リップ７３，ねじ
切り開口７１，および下型保持リップ７４を示す。上側
保持リップ７３は、浮動プレート５５の外縁上に形成さ
れている。上側保持リップ７３は、波形ばね５４の保持
構造である。図３の波形ばね５４は、上側保持リップ７
３の内径よりも小さな外径を有する。波形ばね５４（図
３）は、上側保持リップ７３の内側に嵌合する。波形ば
ね５４の下側ピーク（図３）は、浮動プレート５５の第
１主面と接触する。上側保持リップ７３は、波形ばね５
４（図３）が圧縮されている際に、これが容認できない
程外側に延出する（外径の増大）のを防止する。

【００５６】図３の肩付きねじ５０は、ねじ切り開口７
１に螺合される。肩付きねじ５０（図３）のねじ切り部
分は、浮動プレート５５の厚さ未満の長さを有する。し
たがって、肩付きねじ５０（図３）は、浮動プレート５
５を貫通しない。

【００５７】下側保持リップ７４も、浮動プレート５５
の外縁上に形成されている。図３の両面フィルム５６
は、浮動プレート５５の第２主面に接着される。図３の
エンド・エフェクタ５７は、両面フィルム５６（図３）
の露出面に接着する。下側保持リップ７４は、エンド・
エフェクタ５７（図３）が浮動プレート５５から移動す
るのを抑える。あるいは、エンド・エフェクタ５７（図
３）の直径は、下側保持リップ７４と静合するように設
計することも可能である。その場合、エンド・エフェク
タ５７（図３）は、第２主面に圧入され、両面フィルム
５６（図３）を必要とすることなく、保持される。

【００５８】図８は、図３のパッド・コンディショナ・
カプリング５８およびエンド・エフェクタ５７を組み立
てた状態である。パッド・コンディショナ・カプリング
５８は、固定プレート５２，波形ばね５４，浮動プレー
ト５５，ポリマ・ベアリング５１，肩付きねじ５０，お
よびねじ５３から成る。波形ばね５４は、固定プレート
５２および浮動プレート５５間に配されているが、固定
プレート５２の第２面から突出していない。ポリマ・ベ
アリング５０が、固定プレート５２の開口内に配されて
いる。各肩付きねじは、ポリマ・ベアリングおよび固定
プレート５２を挿通され、浮動プレート５５に固着され
ている。肩付きねじ５０を締め付けると、波形ばね５４
が圧縮され、固定プレート５２および浮動プレート５５
双方に力が加わる。両面フィルム５６は、エンド・エフ
ェクタ５７を浮動プレート５５に接着する。

【００５９】パッド・コンディショナ・カプリング５８
は、パッド・コンディショニング・プロセスにおける最
悪事態の状態に耐えるように設計されている。パッド・
コンディショナ・カプリング５８の高さは、チッピング
・モーメント(tipping moment)に影響を与える。一般的
に、回転する研磨媒体によって装置に加えられ得る力に
よって発生するチッピング・モーメントを最小に抑える
ためには、低い高さが望ましい。従来技術のパッド・コ
ンディショナ・カプリングは、典型的に、５センチメー
トル未満の高さを有する。例えば、２００ミリメートル
の半導体ウエハに適用するパッド・コンディショナ・カ
プリング５８は、約３．０センチメートルの高さを有
し、これは現在入手可能な機器にレトロフィットするこ
とが可能である。

【００６０】典型的なパッド・コンディショニング装置
に加えられる力の計算には、数個のＣＭＰ構成部品から
のパラメータを利用した設計式が必要となる。第１およ
び第２変数は、研磨プラテンを駆動するモータのトルク
・レーティング(torque rating)および１分当たりの回
転数である。プラテンは、研磨媒体の支持構造である。
第３変数は、プラテンにおける１分当たりの回転数を落
とすために用いられるギアボックス減速比である。モー
タおよびギアボックス双方には、パッド・コンディショ
ナ・カプリング５８の著しい過剰設計を防止するために
考慮すべき効率損失がある。第４変数は、プラテンの直
径である。第５変数は、研磨媒体に対抗して移動するエ
ンド・エフェクタ５７に対応する摺動摩擦係数である。
第６変数は、パッド・コンディショニング・プロセスの
間にパッド・コンディショナ・カプリング５８に印加さ
れる最悪事態の下方力である。最後の設計検討項目は、
エンド・エフェクタ５７の直径である。例えば、２００
ミリメートルの半導体ウエハの用途に対して、固定プレ
ート５２および浮動プレート５５は双方共約５センチメ
ートルの直径を有する。５センチメートルの直径は、パ
ッド・コンディショニング・プロセスに十分な研削面の
面積を可能にし、しかも十分に小さいフット・プリント
を有し、ウエハ研磨の間現場パッド・コンディショニン
グを促進する。先に提示したパラメータを用いて、パッ
ド・コンディショナ・カプリング５８上の最大トルク負
荷および最大側面負荷を計算することができる。

【００６１】パッド・コンディショナ・カプリング５８
をトルク剛性にすることに対する限定ファクタは、肩付
きねじ５０である。肩付きねじ５０は、最大トルクおよ
び側面負荷の下で、曲げたり引き抜くことができない。
２００ミリメートルの半導体ウエハのＣＭＰプロセスの
ための肩付きねじ５０のシャフトの直径は、約０．８セ
ンチメートルであり、この用途には著しい過剰設計であ
る。同様に、肩付きねじ５０は、十分なねじ係合および
断面積を有し、予期される負荷条件の下では、引き抜き
は決して問題にならない。

【００６２】固定プレート５２および浮動プレート５５
は、あらゆる条件の下で、動的な屈曲や永続的な曲げに
抵抗できる程に強力でなければならない。プレートの厚
さに影響を与える別の設計ファクタは、チャタリングで
ある。従来技術のパッド・コンディショナ・カプリング
は、パッド・コンディショニング・プロセスの間の滑動
／粘着作用(slip/stick action)によって振動すること
が発見された。振動は、研磨媒体表面の研削にばらつき
を生じ、研摩媒体の均一性および平面性を低下させた。
前述のように、研磨媒体の均一性および平面性は、研磨
媒体表面上で研磨される半導体ウエハの均一性に直接影
響を与える。固定プレート５２および浮動プレート５５
は、２００ミリメートルの半導体ウエハのＣＭＰプロセ
スに対して、約０．６５センチメートルの厚さを有す
る。この厚さは、浮動プレート５５に振動を減衰させる
のに十分な質量を与えるように選択されたものである。
振動の問題を減衰させることによって、屈曲や曲げの問
題も解消する。何故なら、前者の問題を解決するために
選択された厚さは、後者の問題を解決するために必要な
厚さよりも遥かに大きいからである。

【００６３】前述のように、波形ばね５４は２つの役割
に供する。第１に、波形ばね５４は、エンド・エフェク
タ５７が研磨媒体表面と同一平面となるように角度順応
性を与える。第２に、波形ばね５４は、パッド・コンデ
ィショニング・プロセスの間にパッド・コンディショナ
・カプリング５８に加えられる力が大きくなった場合
に、固定プレート５２が浮動プレート５５に接触するの
を防止する。波形ばね５４をどのように作成すべきか規
定する場合、これらの特徴は互いに相反する。順応性お
よび剛度間の妥協は、第１に、パッド・コンディショナ
・カプリング５８がＣＭＰツールにおいて補償しなけれ
ばならない最大角度を選択することによって決定され
る。例えば、２００ミリメートルの半導体ウエハを研磨
するために現在用いられているＣＭＰツールには、５度
以下の角度順応性要件が適している。５度の目標が選択
されたのは、エンド・エフェクタ５８の研削面を視力に
よって(by eyesight)研磨媒体と並列にしようとする人
が、５度の要件を満たすことができるからである。

【００６４】波形ばね５４の屈曲点の数は、角度順応
性、およびパッド・コンディショナ・カプリング５８の
下方力荷重下の全撓みに影響を与える。固定プレート５
２を浮動プレート５５に接触させない最良の順応性（予
期される最大負荷下の場合）は、屈曲点の数が最小のと
きに得られる。例えば、２００ミリメートルの半導体ウ
エハ用ＣＭＰツールのためのパッド・コンディショナ・
カプリング５８は、３つの上側屈曲点および３つの下側
屈曲点から成る６つの屈曲点を有する。これによって、
固定プレート５２に対して、浮動プレート５５の対称的
かつ平面的な荷重が可能となる。波形ばね５４の高さを
計算するには、パッド・コンディショナ・カプリング５
８の規定された高さ（例えば、３．０センチメートル）
を取り、固定プレート５２および浮動プレート５５双方
の高さを減算し、次いでばねの予備荷重に必要な撓みを
加算する。パッド・コンディショナ・カプリング５８の
一実施例では、波形ばね５４の外径は、固定プレート５
２および浮動プレート５５によって制限され、一方内径
は肩付きねじ５０によって同心状に制限される。

【００６５】波形ばね５４のばね定数は、１．５の安全
マージンを有するように選択される。例えば、パッド・
コンディショニング・プロセスにおいてパッド・コンデ
ィショナ・カプリングに加えられる最大下方力をＸとす
る。波形ばね５４の選択は、固定プレート５２および浮
動プレートが、Ｘの１．５倍（１．５Ｘ）の下方力の下
で互いに接触するように行う。例えば、条件Ｃ／ＣＨ９
００において１７−７ＰＨステンレス鋼から成り、３つ
の波（６つの屈曲点）を有し外径が５センチメートル、
自由高が約０．９センチメートルの波形ばね５４は、前
述の安全マージンを満たすためには、太さが約０．０４
７センチメートル、幅が０．０２５センチメートルのワ
イヤを必要とする。

【００６６】波形ばね５４は、静止状態において予備荷
重（圧縮）をかけておく必要がある。予備荷重によっ
て、波形ばね５４の疲労寿命が長くなる。波形ばね５４
上の応力は、最大荷重下で計算する。それから生ずる撓
みを計算することにより、波形ばね５４が最大荷重化で
機能するか否か判定を行う。波形ばね５４の疲労寿命
は、予備荷重から用いる最大荷重までの動作の応力計算
条件から導き出される。パッド・コンディショナ・カプ
リング５８の一実施例では、波形ばね５４の予備荷重
は、１，０００，０００回以上のサイクル寿命が可能で
あり、最大荷重の下における生産要件を満たしている。

【００６７】以上の説明から、生産環境において半導体
ウエハの均一性を改善する、ウエハ研摩プロセスの間に
おける現場パッド・コンディショニングのための化学機
械式平面化ツールが提供されたことが認められよう。ト
ルク剛性であり、最悪事態の半導体ウエハ研摩条件の下
でも、捩れ，撓み，曲げ，あるいはチャタリングを生じ
ないパッド・コンディショナ・カプリングが提供され
た。また、パッド・コンディショナ・カプリングは、角
度順応性があり、エンド・エフェクタはパッド・コンデ
ィショニング・プロセスの間、研磨媒体の表面と同一平
面性を維持する。角度順応性のために、パッド・コンデ
ィショナ・カプリングに波形ばねが用いられている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による化学機械式平面化（ＣＭＰ）ツー
ルの平面図。

【図２】図１のＣＭＰツールの側面図。

【図３】パッド・コンディショナ・カプリングおよびエ
ンド・エフェクタを構成する構成部品の側面図。

【図４】図３に示す固定プレートの平面図。

【図５】図４の固定プレートの側断面図。

【図６】図３に示す浮動プレートの平面図。

【図７】図６の浮動プレートの側断面図。

【図８】図３のパッド・コンディショナ・カプリングお
よびエンド・エフェクタを組み立てた図。

【符号の説明】

１１化学機械式平面化（ＣＭＰ）ツール１２プラテン１３脱イオン水バルブ１４多入力バルブ１５ポンプ１６ディスペンス・バー・マニフォルド１７ディスペンス・バー１８コンディショニング・アーム１９サーボ・バルブ２０真空発生器２１ウエハ・キャリア・アーム２２脱イオン（ＤＩ）水バルブ２３スプレー・バー３１パッド・コンディショニング・カプリング３２エンド・エフェクタ３３研磨媒体３４キャリア・アセンブリ３５キャリア・リング３６キャリア・フィルム３７機械据付部３８熱交換器３９エンクロージャ４１半導体ウエハ５０肩付きねじ５１ポリマ・ベアリング５２固定プレート５３ねじ５４波形ばね５５浮動プレート５７エンド・エフェクタ５８パッド・コンディショナ・カプリング６１コレット６２肩付きねじの孔６３交通孔６４保持リップ７１ねじ切り開口７２ねじ切り孔７３上側保持リップ７４下型保持リップ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パッド・コンディショナ・カプリング（５
８）であって：第１主面および第２主面を有する第１支
持構造；前記第１支持構造の前記第２主面に結合された
波形ばね（５４）；および前記波形ばねに結合された第
１主面，および第２主面を有する第２支持構造；から成
ることを特徴とするパッド・コンディショナ・カプリン
グ（５８）。
【請求項２】半導体ウエハ（４１）の研磨方法であっ
て：前記半導体ウエハ（４１）を研磨している間に、研
磨媒体表面のコンディショニングを行い、研磨サイクル
時間を短縮し、研磨プロセスの均一性および平面性を向
上させる段階；から成ることを特徴とする方法。
【請求項３】半導体ウエハ（４１）の研磨プロセスにお
いて、研磨媒体の表面を研削し、該研摩媒体の表面を平
面化し化学薬品の移送を促進する方法であって：研磨媒
体（３３）を回転する段階；パッド・コンディショナ・
カプリング（５８）を移動させて、前記パッド・コンデ
ィショナ・カプリング（５８）に結合されているエンド
・エフェクタ（５７）を前記研摩媒体の表面に接触させ
る段階；前記パッド・コンディショナ・カプリング（５
８）上に下方力を加える段階；前記パッド・コンディシ
ョナ・カプリング（５８）内において波形ばね（５４）
を用いて角度補償を与え、パッド・コンディショニング
・プロセスの間、前記エンド・エフェクタ（５７）の研
磨面を、前記研摩媒体（３３）と同一平面とする段階；
および前記エンド・エフェクタ（５７）を、前記研摩媒
体表面を横切って移動させる段階；から成ることを特徴
とする方法。
【請求項４】半導体ウエハ（４１）を研磨するための化
学機械式平面化ツール（１１）であって：プラテン（１
２）；前記プラテン（１２）に結合された研磨媒体（３
３）；研磨プロセスに用いられる物質を供給するディス
ペンス・バー（１７）；前記研摩媒体（３３）の表面に
噴霧するスプレー・バー（２３）；ウエハ・キャリア・
アーム（２１）；前記ウエハ・キャリア・アームに結合
され、前記半導体ウエハ（４１）を保持するウエハ・キ
ャリア・アセンブリ；コンディショニング・アーム（１
８）；トルク剛性パッド・コンディショナ・カプリング
（５８）；および前記トルク剛性パッド・コンディショ
ナ・カプリング（５８）に結合されたエンド・エフェク
タ（５７）；から成ることを特徴とする化学機械式平面
化ツール（１１）。
【請求項５】前記ディスペンス・バー（１７），前記ス
プレー・バー（２３），前記ウエハ・キャリア・アーム
（２１），および前記コンディショニング・アーム（１
８）は同時に動作状態となり、半導体ウエハ研摩プロセ
スの間、現場パッド・コンディショニングを行うことを
特徴とする請求項４記載の化学機械式平面化ツール（１
１）。