JP2004502311A - 投射型ジンバルポイント駆動 - Google Patents
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Abstract
【課題】投射型ジンバルポインド駆動
【解決手段】投射型ジンバルポイント駆動システムを開示する。投射型ジンバルポイント駆動システムは、回転力を加えることができるスピンドルを含んでおり、さらに、スピンドルの下方部分に凹球面を形成している。また、ウェーハキャリヤが、その一部を、スピンドルの下方部分のなかに設けらた形態で備えられている。ウェーハキャリアは、スピンドルの凹球面とは反対側の表面に、凸球面を形成している。また、スピンドルとウェーハキャリアとの間には、駆動カップが設けられている。駆動カップは、凹内面と凸外面とを有し、既定のジンバルポイントを基準にしてウェーハキャリアが傾くことを可能にする。このようにして、ジンバル作用に影響を及ぼすことなしに、回転力を加えることが可能になる。
【選択図】図２
【解決手段】投射型ジンバルポイント駆動システムを開示する。投射型ジンバルポイント駆動システムは、回転力を加えることができるスピンドルを含んでおり、さらに、スピンドルの下方部分に凹球面を形成している。また、ウェーハキャリヤが、その一部を、スピンドルの下方部分のなかに設けらた形態で備えられている。ウェーハキャリアは、スピンドルの凹球面とは反対側の表面に、凸球面を形成している。また、スピンドルとウェーハキャリアとの間には、駆動カップが設けられている。駆動カップは、凹内面と凸外面とを有し、既定のジンバルポイントを基準にしてウェーハキャリアが傾くことを可能にする。このようにして、ジンバル作用に影響を及ぼすことなしに、回転力を加えることが可能になる。
【選択図】図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、半導体ウェーハの研磨に関し、特に、ウェーハ研磨環境におけるジンバル式投射システムのための駆動機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造では、研磨およびバフ磨きを含む化学機械研磨（ＣＭＰ）動作と、ウェーハ洗浄とを実施する必要がある。集積回路デバイスは、多層構造をとるのが通常である。基板層には、拡散領域を有したトランジスタデバイスが形成される。続く層には、接続配線がパターン形成される。これらの配線は、トランジスタデバイスに電気接続されることによって、所望の機能デバイスを規定する。パターン形成された導体層は、二酸化ケイ素などの誘電材料によって、他の導体層から絶縁される。形成される配線層およびそれに関連する誘電体層の数が増えるにつれ、誘電材料を平坦化させる必要性も増す。
【０００３】
平坦化を行わないと、表面形状の差異が増大するので、配線層を続けて製造することが、実質的に困難になる。他の適用例では、誘電材料の中に配線パターンが形成され、次いで、余分な配線の除去を目的とした金属ＣＭＰ動作が実施される。さらに他の適用例としては、配線形成プロセスに先立って堆積された、浅い溝による分離またはポリメタルによる絶縁のためなどに使用される誘電体膜を、平坦化させることが含まれる。
【０００４】
ＣＭＰプロセスでは、ＣＭＰ基板キャリアのジンバルポイントが重要である。均一で平面的な研磨結果を保証するためには、基板キャリアと研磨表面とが正確に一致していなければならない。現在市販されているＣＭＰ基板キャリアは、平面性に異常をきたしたウェーハを産出するものが多い。研磨表面上方の旋回ポイントの鉛直高さも、やはり重要である。なぜなら、高さが増すにつれ、研磨の最中に旋回ポイントに加わるモーメントも、大きくなるからである。ほとんどのＣＭＰウェーハ研磨装置では、ウェーハの中心部の研磨が途中で止まることと、プロセス変量の変化にともなってウェーハエッジの排除制御を調整することが不可能になることの、２つの問題が良く見られる。
【０００５】
例えば、市販のＣＭＰ機器の多くが使用している基板キャリアは、当該分野において「ノーズダイブ（急降下）」として知られている現象に直面する。研磨中のヘッドは、研磨力に反応してかなりの大きさのモーメントを生じ、生じたモーメントは、上述されたジンバルポイントの高さによって直接影響される。このモーメントは、ヘッドの運動方向に沿って圧力差を生じさせる。圧力差が生じた結果、ウェーハおよび研磨表面と境界を接する薬剤であるスラリも圧力分布が生じる。この結果、基板キャリアの前縁に位置するウェーハのエッジが、ウェーハの中心部よりも速く且つ多く研磨される原因となる。
【０００６】
ウェーハ上の材料の除去は、スラリの化学作用に関連している。ウェーハと研磨パッドとのあいだにスラリが入り込み、反応が進むにつれ、ウェーハ材料の除去に寄与する化学剤は、徐々に使い果たされる。したがって、スラリに含まれる化学剤の活量は、ウェーハの中心部に近づくにつれて減少する。このため、基板キャリアの前縁から離れた位置（すなわちウェーハの中心部）でのウェーハ材料の除去は、基板キャリアの前縁（すなわちウェーハのエッジ）での化学作用と比べると劣ってしまう。
【０００７】
「ノーズタイプ」に関する上記問題を改善するためには、基板キャリアの冠部を改良する試み以外にも、種々の試みがなされてきた。基板キャリアの上部に位置するシングル軸受けをとおして回転する従来技術による基板キャリアでは、基板キャリアの有効なジンバルポイントが研磨パッドの表面から有効な非ゼロ距離の位置にあるので、かなりの大きさのモーメントが生成される。したがって、研磨パッドの表面に作用する摩擦力がこの距離を経て作用し、不要なモーメントを形成するのである。
【０００８】
さらに、ジンバルを駆動スピンドルに接続する捻り駆動部が必要であることから、「ノーズダイブ」効果の軽減は失敗であることがわかった。特に、シングル駆動手段または他の直接駆動手段を使用すると、ウェーハの上方に力モーメントが生じ、「ノーズダイブ」が再び生じる。さらに、回り止めは、穴の中で遊離していることによって旋回を可能にする必要があり、これは、バックラッシュを生じる原因になる。
【０００９】
以上からわかるように、接近してくる研磨パッドにウェーハのエッジが埋め込まれる事態を生じることなしに、ウェーハを駆動することができる、ジンバル式の捻り駆動部が、必要とされている。このような駆動部は、ウェーハを旋回方式で回転駆動させることによって、駆動されているウェーハの接触面と回転軸とのずれを可能にすることが望ましい。
【００１０】
【発明の概要】
本発明は、概して、研磨されているウェーハの平面が駆動スピンドルの回転軸と厳密に垂直でない場合であっても回転力および軸方向力をウェーハに伝達することを可能にする駆動機構を提供することによって、これらのニーズを満たす。したがって、このような駆動機構は、ウェーハの表面上に位置するジンバルポイントを基準にしてウェーハが傾くことを可能にする。１実施形態では、投射型ジンバルポイント駆動システムが開示される。投射型ジンバルポイント駆動システムは、回転力を加えることができるスピンドルを含んでおり、さらに、そのスピンドルの下方部分に凹球面を形成されている。また、スピンドルの下方部分内に一部分を設けられたウェーハキャリアも、含まれている。ウェーハキャリアは、スピンドルの凹球面とは反対側の表面に、凸球面を形成されている。また、スピンドルとウェーハキャリアとのあいだには、駆動カップが設けられている。駆動カップは、凹内面と凸外面とを有しており、既定のジンバルポイントを基準にしてウェーハキャリアが傾くことを可能にする。ジンバルポイントは、研磨パッドと、ウェーハキャリアによって保持されたウェーハの表面と、のあいだの境界面上に位置することができる。ジンバルポイントは、さらに、研磨パッドと、ウェーハキャリアによって保持されたウェーハの表面と、のあいだの境界面の上方（「ノーズダイブ」）または下方（「スキー（ｓｋｉｉｎｇ）」）に意図的に位置することも、必要に応じて可能である。
【００１１】
別の１実施形態では、投射型ジンバルポイント駆動カップが開示される。投射型ジンバルポイント駆動カップは、駆動カップの凸外面内に位置する第１の細長いスロットセットと、駆動カップの凹内面内に位置する第２の細長いスロットセットと、を含んでいる。駆動カップは、既定のジンバルポイントを基準にしてウェーハキャリアが傾くことを可能にする。スピンドルの凹球面から突き出した第１の駆動キーセットは、駆動カップの第１のスロットセット内に達するために使用することができる。同様に、ウェーハキャリアの凸球面から突き出している第２の駆動キーセットは、駆動カップの第２のスロットセット内に達することができる。場合によっては、第１のスロットセットは、駆動カップの円周に沿って約１８０度だけ隔てられた２つの細長いスロットからなることができる。同様に、第２のスロットセットは、駆動カップの円周に沿ってやはり約１８０度だけ隔てられた２つの細長いスロットからなることができる。さらに、第１のスロットセットは、駆動カップの対称軸を中心にして第２の細長いスロットセットから約９０度だけ隔てられた位置にあることもできる。
【００１２】
投射型ジンバルポイントシステムを駆動するための方法が、本発明のさらなる実施形態において開示される。回転力を加えることができるスピンドルが、提供される。スピンドルは、その下方部分に凹球面を形成されている。また、スピンドルの下方部分内に一部分が含まれる状態で、ウェーハキャリアが設けられている。ウェーハキャリアは、スピンドルの凹球面とは反対側の表面に、凸球面を形成されている。スピンドルは、次いで、スピンドルとウェーハキャリアとのあいだに設けられた駆動カップを使用して、ウェーハキャリアに結合される。上記のように、駆動カップは、凹内面と凸外面とを有しており、既定のジンバルポイントを基準にしてウェーハキャリア傾くことを可能にする。ジンバルポイントは、研磨パッドと、ウェーハキャリアによって保持されたウェーハの表面と、のあいだの境界面上に位置することができる。ジンバルポイントは、場合によっては、研磨パッドと、ウェーハキャリアによって保持されたウェーハの表面と、のあいだの境界面の上方または下方に、意図的に位置することもできる。
【００１３】
本発明の実施形態は、駆動スピンドルの下方部分の表面およびウェーハキャリアの表面の球状と同心度とによって、ウェーハがウェーハパッド境界面内に位置する軸を基準にしてのみ傾くことが保証されるように、構成されると好都合である。ウェーハが傾く基準になる軸がウェーハパッド境界面の上方または下方に位置する場合は、ウェーハのセクタの１つをその正反対にあるセクタよりも強く研磨パッドに押し当てる力が生成され、望ましくない効果が生じる。本発明の実施形態は、所望の結果が得られるように、これらの力を低減させる、排除する、または意図的に制御して利用することを可能にする。本発明の原理を例示した添付図面との関連のもとで行う以下の詳細な説明によって、本発明のその他の態様および利点が明らかになる。
【００１４】
添付の図面に関連して行う以下の説明から、本発明および本発明によってもたらされる利点を最も良く理解することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
投射型ジンバルポイント駆動部に関する発明が、開示される。この目的を達成するために、本発明は、研磨されているウェーハの平面が駆動スピンドルの回転軸と厳密に垂直でない場合であってもウェーハに回転力および軸方向力を伝達することを可能にする駆動分離カップを提供する。以下の説明では、本発明が完全に理解されるように、多くの項目を特定している。しかしながら、当業者には明らかなように、本発明は、これらの項目の一部または全部を特定しなくても、実施することが可能である。そのほか、本発明が不必要に不明瞭となるのを避けるため、周知のプロセス工程の説明は省略した。
【００１６】
図１は、代表的な化学機械プラナリゼーション（ＣＭＰ）システムを、本発明の１実施形態にしたがって示した概略図である。図１に示したように、ＣＭＰシステム２００は、処理面が固定エンドレス研磨剤ベルト４５０であるため、固定研磨ＣＭＰシステムであるとされている。固定研磨剤ベルト４５０は、矢印２１４で示された方向にベルトを回転駆動させる２つのドラム２１２上に架設されている。
【００１７】
ウェーハ４１４は、方向２０６に回転するウェーハキャリア機構４００上に搭載されている。平坦化プロセスを進めるため、回転しているウェーハ４１４は、回転している固定研磨剤ベルト４５０に力Ｆで押し当てられる。当業者には周知のように、この力Ｆは、平坦化プロセスの要求を満たすように可変であって良い。固定研磨剤ベルト４５０の下方に設けられたプラテン２１０は、ベルトを安定させ、ウェーハ４１４が押し当てられる固定面を提供する。固定研磨剤ベルト４５０を使用すると、ウェーハ４１４表面の微細な凸凹は、固定研磨剤ベルト４５０の微細な繰り返し構造を有する表面の研磨性を活性化する。後ほど詳述されるように、ウェーハキャリア機構４００は、固定研磨剤ベルト４５０の微細な繰り返し構造を有する表面が、ウェーハ４１４の前縁４１４ａによって大きく活性化されるのを、阻止するように構成されている。したがって、ウェーハ４１４の結晶表面が平坦化された暁には、もう、繰り返し構造を有する固定研磨剤ベルト４５０の表面を活性化する凹凸は残っていない。その結果、材料の除去率が１桁またはそれ以上減速されるので、ＣＭＰプロセスは、「自己停止」と称される自動停止特性を付与される。
【００１８】
図２は、投射型ジンバルポイント駆動部を有したウェーハキャリア機構４００を、本発明の１実施形態にしたがって示した図である。１実施形態では、投射型ジンバルポイント駆動部は、スピンドルの下方部分４２６内に設けられた駆動分離カップであり、研磨されているウェーハに回転力および軸方向力を伝達することを可能にする。本発明による駆動分離カップは、ウェーハの平面が駆動スピンドルひいてはウェーハキャリアの回転軸と厳密に垂直でない場合であっても、回転力および軸方向力をウェーハ伝達することができる。
【００１９】
続いて詳述されるように、駆動分離カップの幾何学的形状は、研磨パッドと、研磨されているウェーハの表面との境界面上に位置するジンバルポイントを基準にして、ウェーハが任意の方向に傾くことを可能にするような形状寸法である。このように、本発明の実施形態によれば、ジンバルポイントを他の位置に設けたときに、ウェーハに対して垂直に加わる望ましくない力を回避することができる。
【００２０】
図３は、スピンドルの回転軸を含む平面でウェーハキャリア機構４００を切り取った場合の側方Ａ−Ａ断面図である。なお、図３に示した駆動スピンドルの回転軸は、回転軸がウェーハに垂直な線と一致してウェーハの中心を通る理想的な状態にある。
【００２１】
ウェーハキャリア機構４００は、駆動カップ４２８を介してウェーハキャリア４２２に結合されたスピンドル４１２の下方部分４２６を含んでいる。駆動キー４４６，４４８は、回転力を伝達するために使用され、これは、図４に関連して後述される駆動キー４３８，４４０も同様である。研磨ベルト４５０は、ウェーハキャリア４２２の下方に設けられており、ＣＭＰプロセスの最中にウェーハ４１４の表面を研磨するために使用される。動作時において、駆動スピンドル４１２は、ウェーハ４１４の底面を研磨パッドに押し当てる回転力および下向きの力を加える。
【００２２】
完全に一致させようとする試みにかかわらず、ウェーハに垂直な線４５４は、スピンドル４１２の回転軸４５２と厳密に平行する状態からずれる可能性がある。本発明の実施形態は、このずれを都合良く調整することができる。本発明の実施形態は、最終的には、スピンドル軸４５２に垂直な位置からのウェーハ４１４の任意の傾きが、ウェーハパッド境界面４１６上に横たわる線を基準にして生じるような高さに、ウェーハ４１４を位置付ける。また、実施形態によっては、スピンドル軸４５２に垂直な位置からのウェーハ４１４の任意の傾きが、ウェーハパッド境界面４１６に平行な線を基準にして生じるような高さに、且つ、選択済みの距離だけ境界面の上方または下方に隔てられた位置に、ウェーハ４１４を配置する場合もある。
【００２３】
図３に示すように、凸球面４２０は、ウェーハキャリア４２２上に形成されている。凸球面４２０は、ウェーハパッド境界面４１６上のウェーハ４１４の中心に位置するポイント４１８から半径Ｒ１の距離にある。同じポイント４１８から半径Ｒ２の距離には、駆動スピンドル４１２の下方部分４２６の凹球面４２４が設けられている。なお、半径Ｒ１および半径Ｒ２としては、ウェーハ４１４の中心に位置するポイントであって且つウェーハパッド境界面４１６の上方または下方に位置するポイントからの距離のいずれかを、設計要件に応じてとって良い。
【００２４】
ウェーハキャリア４２２の凸球面４２０と、駆動スピンドル４１２の下方部分４２６の凹球面４２４とのあいだには、駆動カップ４２８が設けられている。駆動カップ４２８は、一般にリング状であり、その内側凹球面４３０は半径Ｒ１、外側凸球面４３２は半径Ｒ２である。駆動カップ４２８の外側凸球面４３２には、縦方向に細長い２つのスロット４４２，４４４が形成されており、これらは、駆動カップ４２８の円周に沿って約１８０度だけ隔てられている。２つの駆動キー４４６，４４８は、駆動スピンドル４１２の下方部分４２６の凹球面４２４から突き出しており、駆動カップ４２８のスロット４４２，４４４内にそれぞれ嵌まっている。従って、駆動キー４４６，４４８により、凹球面４２４に回転力を伝達することができる。スロット４４２，４４４の縦方向の長さは、駆動スピンドル４１２の下方部分４２６と駆動カップ４２８とのあいだで生じる傾斜運動に対応できるように、駆動キー４４６，４４８よりも長くされている。
【００２５】
図４は、スピンドルの回転軸沿いで交わる断面で切り取った場合のウェーハキャリア機構４００の側方断面図Ｂ−Ｂである。なお、図４に示された駆動スピンドルの回転軸は、図３と同様に、回転軸がウェーハに垂直な線と一致してウェーハの中心を通る理想的な状態にある。
【００２６】
図４に示されたように、縦方向に細長い２つのスロット４３４，４３６は、駆動カップ４２８の内側凹球面４３０に形成されている。スロット４４２，４４４と同様に、スロット４３４，４３６は、駆動カップ４２８の円周に沿って約１８０度だけ隔てられている。２つの駆動キー４３８，４４０は、ウェーハキャリア４２２の凸球面４２０から突き出しており、駆動カップ４２８のスロット４３４，４３６内に嵌まっている。従って、駆動キー４３８，４４０により、ウェーハキャリヤ４２２に回転力を伝達することができる。さらに、駆動キー４３８，４４０は、駆動カップ４２８の対称軸を中心として約９０度だけ駆動キー４４６，４４８から隔てられている。上記のように、スロット４３４，４３６の縦方向長さは、ウェーハキャリア４２２と駆動カップ４２８とのあいだで生じる傾斜運動に対応できるように、駆動キー４３８，４４０よりも長くとってある。
【００２７】
本発明の実施形態では、駆動スピンドル４１２の下方部分４２６の表面４２０およびウェーハキャリアの表面４２４の球形状と両者の同心の程度とによって、ウェーハ４１４がウェーハパッド境界面４１６内に横たわる軸を基準にしてのみ傾くことが保証されるように、構成できると好都合である。ウェーハが傾く基準になる軸がウェーハパッド境界面４１６の上方または下方に位置する場合は、ウェーハ４１４のセクタの１つをその正反対にあるセクタよりも強く研磨パッド４５０に押し当てる力が生成され、望ましくない効果が生じる。本発明の実施形態は、所望の結果が得られるように、これらの力を低減し、排除し、あるいは意図的に制御して利用することを可能にしている。
【００２８】
以上では、理解を明確にする目的で本発明を詳細に説明したが、添付した請求項の範囲内で、一定の変更および修正を加えられることは明らかである。したがって、上述した実施形態は、例示を目的としたものであって限定的ではなく、本発明は、本明細書で取り上げた項目に限定されず、添付した請求項の範囲および均等物の範囲内で変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】代表的な化学機械平坦化（ＣＭＰ）システムを、本発明の１実施形態にしたがって示した概略図である。
【図２】投射型ジンバルポイント駆動部を有したウェーハキャリア機構を、本発明の１実施形態にしたがって示した斜視図である。
【図３】スピンドルの回転軸に沿った平面で切り取った場合のウェーハキャリア機構の側方断面図Ａ−Ａである。
【図４】スピンドルの回転軸に沿った平面で切り取った場合のウェーハキャリア機構の側方断面図Ｂ−Ｂである。
【符号の説明】
２００…ＣＭＰシステム
２１０…プラテン
２１２…ドラム
４００…ウェーハキャリア機構
４１２…駆動スピンドル
４１４…ウェーハ
４１４ａ…ウェーハの前縁
４１６…ウェーハパッド境界面
４１８…ウェーハの中心点
４２０…ウェーハキャリアの凸球面
４２２…ウェーハキャリア
４２４…駆動スピンドル下方部分の凹球面
４２６…駆動スピンドルの下方部分
４２８…駆動カップ
４３０…駆動カップの内側凹球面
４３２…駆動カップの外側凸球面
４３４，４３６，４４２，４４６…駆動カップのスロット
４３８，４４０，４４６，４４８…駆動キー
４５０…固定研磨剤ベルト
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、半導体ウェーハの研磨に関し、特に、ウェーハ研磨環境におけるジンバル式投射システムのための駆動機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造では、研磨およびバフ磨きを含む化学機械研磨（ＣＭＰ）動作と、ウェーハ洗浄とを実施する必要がある。集積回路デバイスは、多層構造をとるのが通常である。基板層には、拡散領域を有したトランジスタデバイスが形成される。続く層には、接続配線がパターン形成される。これらの配線は、トランジスタデバイスに電気接続されることによって、所望の機能デバイスを規定する。パターン形成された導体層は、二酸化ケイ素などの誘電材料によって、他の導体層から絶縁される。形成される配線層およびそれに関連する誘電体層の数が増えるにつれ、誘電材料を平坦化させる必要性も増す。
【０００３】
平坦化を行わないと、表面形状の差異が増大するので、配線層を続けて製造することが、実質的に困難になる。他の適用例では、誘電材料の中に配線パターンが形成され、次いで、余分な配線の除去を目的とした金属ＣＭＰ動作が実施される。さらに他の適用例としては、配線形成プロセスに先立って堆積された、浅い溝による分離またはポリメタルによる絶縁のためなどに使用される誘電体膜を、平坦化させることが含まれる。
【０００４】
ＣＭＰプロセスでは、ＣＭＰ基板キャリアのジンバルポイントが重要である。均一で平面的な研磨結果を保証するためには、基板キャリアと研磨表面とが正確に一致していなければならない。現在市販されているＣＭＰ基板キャリアは、平面性に異常をきたしたウェーハを産出するものが多い。研磨表面上方の旋回ポイントの鉛直高さも、やはり重要である。なぜなら、高さが増すにつれ、研磨の最中に旋回ポイントに加わるモーメントも、大きくなるからである。ほとんどのＣＭＰウェーハ研磨装置では、ウェーハの中心部の研磨が途中で止まることと、プロセス変量の変化にともなってウェーハエッジの排除制御を調整することが不可能になることの、２つの問題が良く見られる。
【０００５】
例えば、市販のＣＭＰ機器の多くが使用している基板キャリアは、当該分野において「ノーズダイブ（急降下）」として知られている現象に直面する。研磨中のヘッドは、研磨力に反応してかなりの大きさのモーメントを生じ、生じたモーメントは、上述されたジンバルポイントの高さによって直接影響される。このモーメントは、ヘッドの運動方向に沿って圧力差を生じさせる。圧力差が生じた結果、ウェーハおよび研磨表面と境界を接する薬剤であるスラリも圧力分布が生じる。この結果、基板キャリアの前縁に位置するウェーハのエッジが、ウェーハの中心部よりも速く且つ多く研磨される原因となる。
【０００６】
ウェーハ上の材料の除去は、スラリの化学作用に関連している。ウェーハと研磨パッドとのあいだにスラリが入り込み、反応が進むにつれ、ウェーハ材料の除去に寄与する化学剤は、徐々に使い果たされる。したがって、スラリに含まれる化学剤の活量は、ウェーハの中心部に近づくにつれて減少する。このため、基板キャリアの前縁から離れた位置（すなわちウェーハの中心部）でのウェーハ材料の除去は、基板キャリアの前縁（すなわちウェーハのエッジ）での化学作用と比べると劣ってしまう。
【０００７】
「ノーズタイプ」に関する上記問題を改善するためには、基板キャリアの冠部を改良する試み以外にも、種々の試みがなされてきた。基板キャリアの上部に位置するシングル軸受けをとおして回転する従来技術による基板キャリアでは、基板キャリアの有効なジンバルポイントが研磨パッドの表面から有効な非ゼロ距離の位置にあるので、かなりの大きさのモーメントが生成される。したがって、研磨パッドの表面に作用する摩擦力がこの距離を経て作用し、不要なモーメントを形成するのである。
【０００８】
さらに、ジンバルを駆動スピンドルに接続する捻り駆動部が必要であることから、「ノーズダイブ」効果の軽減は失敗であることがわかった。特に、シングル駆動手段または他の直接駆動手段を使用すると、ウェーハの上方に力モーメントが生じ、「ノーズダイブ」が再び生じる。さらに、回り止めは、穴の中で遊離していることによって旋回を可能にする必要があり、これは、バックラッシュを生じる原因になる。
【０００９】
以上からわかるように、接近してくる研磨パッドにウェーハのエッジが埋め込まれる事態を生じることなしに、ウェーハを駆動することができる、ジンバル式の捻り駆動部が、必要とされている。このような駆動部は、ウェーハを旋回方式で回転駆動させることによって、駆動されているウェーハの接触面と回転軸とのずれを可能にすることが望ましい。
【００１０】
【発明の概要】
本発明は、概して、研磨されているウェーハの平面が駆動スピンドルの回転軸と厳密に垂直でない場合であっても回転力および軸方向力をウェーハに伝達することを可能にする駆動機構を提供することによって、これらのニーズを満たす。したがって、このような駆動機構は、ウェーハの表面上に位置するジンバルポイントを基準にしてウェーハが傾くことを可能にする。１実施形態では、投射型ジンバルポイント駆動システムが開示される。投射型ジンバルポイント駆動システムは、回転力を加えることができるスピンドルを含んでおり、さらに、そのスピンドルの下方部分に凹球面を形成されている。また、スピンドルの下方部分内に一部分を設けられたウェーハキャリアも、含まれている。ウェーハキャリアは、スピンドルの凹球面とは反対側の表面に、凸球面を形成されている。また、スピンドルとウェーハキャリアとのあいだには、駆動カップが設けられている。駆動カップは、凹内面と凸外面とを有しており、既定のジンバルポイントを基準にしてウェーハキャリアが傾くことを可能にする。ジンバルポイントは、研磨パッドと、ウェーハキャリアによって保持されたウェーハの表面と、のあいだの境界面上に位置することができる。ジンバルポイントは、さらに、研磨パッドと、ウェーハキャリアによって保持されたウェーハの表面と、のあいだの境界面の上方（「ノーズダイブ」）または下方（「スキー（ｓｋｉｉｎｇ）」）に意図的に位置することも、必要に応じて可能である。
【００１１】
別の１実施形態では、投射型ジンバルポイント駆動カップが開示される。投射型ジンバルポイント駆動カップは、駆動カップの凸外面内に位置する第１の細長いスロットセットと、駆動カップの凹内面内に位置する第２の細長いスロットセットと、を含んでいる。駆動カップは、既定のジンバルポイントを基準にしてウェーハキャリアが傾くことを可能にする。スピンドルの凹球面から突き出した第１の駆動キーセットは、駆動カップの第１のスロットセット内に達するために使用することができる。同様に、ウェーハキャリアの凸球面から突き出している第２の駆動キーセットは、駆動カップの第２のスロットセット内に達することができる。場合によっては、第１のスロットセットは、駆動カップの円周に沿って約１８０度だけ隔てられた２つの細長いスロットからなることができる。同様に、第２のスロットセットは、駆動カップの円周に沿ってやはり約１８０度だけ隔てられた２つの細長いスロットからなることができる。さらに、第１のスロットセットは、駆動カップの対称軸を中心にして第２の細長いスロットセットから約９０度だけ隔てられた位置にあることもできる。
【００１２】
投射型ジンバルポイントシステムを駆動するための方法が、本発明のさらなる実施形態において開示される。回転力を加えることができるスピンドルが、提供される。スピンドルは、その下方部分に凹球面を形成されている。また、スピンドルの下方部分内に一部分が含まれる状態で、ウェーハキャリアが設けられている。ウェーハキャリアは、スピンドルの凹球面とは反対側の表面に、凸球面を形成されている。スピンドルは、次いで、スピンドルとウェーハキャリアとのあいだに設けられた駆動カップを使用して、ウェーハキャリアに結合される。上記のように、駆動カップは、凹内面と凸外面とを有しており、既定のジンバルポイントを基準にしてウェーハキャリア傾くことを可能にする。ジンバルポイントは、研磨パッドと、ウェーハキャリアによって保持されたウェーハの表面と、のあいだの境界面上に位置することができる。ジンバルポイントは、場合によっては、研磨パッドと、ウェーハキャリアによって保持されたウェーハの表面と、のあいだの境界面の上方または下方に、意図的に位置することもできる。
【００１３】
本発明の実施形態は、駆動スピンドルの下方部分の表面およびウェーハキャリアの表面の球状と同心度とによって、ウェーハがウェーハパッド境界面内に位置する軸を基準にしてのみ傾くことが保証されるように、構成されると好都合である。ウェーハが傾く基準になる軸がウェーハパッド境界面の上方または下方に位置する場合は、ウェーハのセクタの１つをその正反対にあるセクタよりも強く研磨パッドに押し当てる力が生成され、望ましくない効果が生じる。本発明の実施形態は、所望の結果が得られるように、これらの力を低減させる、排除する、または意図的に制御して利用することを可能にする。本発明の原理を例示した添付図面との関連のもとで行う以下の詳細な説明によって、本発明のその他の態様および利点が明らかになる。
【００１４】
添付の図面に関連して行う以下の説明から、本発明および本発明によってもたらされる利点を最も良く理解することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
投射型ジンバルポイント駆動部に関する発明が、開示される。この目的を達成するために、本発明は、研磨されているウェーハの平面が駆動スピンドルの回転軸と厳密に垂直でない場合であってもウェーハに回転力および軸方向力を伝達することを可能にする駆動分離カップを提供する。以下の説明では、本発明が完全に理解されるように、多くの項目を特定している。しかしながら、当業者には明らかなように、本発明は、これらの項目の一部または全部を特定しなくても、実施することが可能である。そのほか、本発明が不必要に不明瞭となるのを避けるため、周知のプロセス工程の説明は省略した。
【００１６】
図１は、代表的な化学機械プラナリゼーション（ＣＭＰ）システムを、本発明の１実施形態にしたがって示した概略図である。図１に示したように、ＣＭＰシステム２００は、処理面が固定エンドレス研磨剤ベルト４５０であるため、固定研磨ＣＭＰシステムであるとされている。固定研磨剤ベルト４５０は、矢印２１４で示された方向にベルトを回転駆動させる２つのドラム２１２上に架設されている。
【００１７】
ウェーハ４１４は、方向２０６に回転するウェーハキャリア機構４００上に搭載されている。平坦化プロセスを進めるため、回転しているウェーハ４１４は、回転している固定研磨剤ベルト４５０に力Ｆで押し当てられる。当業者には周知のように、この力Ｆは、平坦化プロセスの要求を満たすように可変であって良い。固定研磨剤ベルト４５０の下方に設けられたプラテン２１０は、ベルトを安定させ、ウェーハ４１４が押し当てられる固定面を提供する。固定研磨剤ベルト４５０を使用すると、ウェーハ４１４表面の微細な凸凹は、固定研磨剤ベルト４５０の微細な繰り返し構造を有する表面の研磨性を活性化する。後ほど詳述されるように、ウェーハキャリア機構４００は、固定研磨剤ベルト４５０の微細な繰り返し構造を有する表面が、ウェーハ４１４の前縁４１４ａによって大きく活性化されるのを、阻止するように構成されている。したがって、ウェーハ４１４の結晶表面が平坦化された暁には、もう、繰り返し構造を有する固定研磨剤ベルト４５０の表面を活性化する凹凸は残っていない。その結果、材料の除去率が１桁またはそれ以上減速されるので、ＣＭＰプロセスは、「自己停止」と称される自動停止特性を付与される。
【００１８】
図２は、投射型ジンバルポイント駆動部を有したウェーハキャリア機構４００を、本発明の１実施形態にしたがって示した図である。１実施形態では、投射型ジンバルポイント駆動部は、スピンドルの下方部分４２６内に設けられた駆動分離カップであり、研磨されているウェーハに回転力および軸方向力を伝達することを可能にする。本発明による駆動分離カップは、ウェーハの平面が駆動スピンドルひいてはウェーハキャリアの回転軸と厳密に垂直でない場合であっても、回転力および軸方向力をウェーハ伝達することができる。
【００１９】
続いて詳述されるように、駆動分離カップの幾何学的形状は、研磨パッドと、研磨されているウェーハの表面との境界面上に位置するジンバルポイントを基準にして、ウェーハが任意の方向に傾くことを可能にするような形状寸法である。このように、本発明の実施形態によれば、ジンバルポイントを他の位置に設けたときに、ウェーハに対して垂直に加わる望ましくない力を回避することができる。
【００２０】
図３は、スピンドルの回転軸を含む平面でウェーハキャリア機構４００を切り取った場合の側方Ａ−Ａ断面図である。なお、図３に示した駆動スピンドルの回転軸は、回転軸がウェーハに垂直な線と一致してウェーハの中心を通る理想的な状態にある。
【００２１】
ウェーハキャリア機構４００は、駆動カップ４２８を介してウェーハキャリア４２２に結合されたスピンドル４１２の下方部分４２６を含んでいる。駆動キー４４６，４４８は、回転力を伝達するために使用され、これは、図４に関連して後述される駆動キー４３８，４４０も同様である。研磨ベルト４５０は、ウェーハキャリア４２２の下方に設けられており、ＣＭＰプロセスの最中にウェーハ４１４の表面を研磨するために使用される。動作時において、駆動スピンドル４１２は、ウェーハ４１４の底面を研磨パッドに押し当てる回転力および下向きの力を加える。
【００２２】
完全に一致させようとする試みにかかわらず、ウェーハに垂直な線４５４は、スピンドル４１２の回転軸４５２と厳密に平行する状態からずれる可能性がある。本発明の実施形態は、このずれを都合良く調整することができる。本発明の実施形態は、最終的には、スピンドル軸４５２に垂直な位置からのウェーハ４１４の任意の傾きが、ウェーハパッド境界面４１６上に横たわる線を基準にして生じるような高さに、ウェーハ４１４を位置付ける。また、実施形態によっては、スピンドル軸４５２に垂直な位置からのウェーハ４１４の任意の傾きが、ウェーハパッド境界面４１６に平行な線を基準にして生じるような高さに、且つ、選択済みの距離だけ境界面の上方または下方に隔てられた位置に、ウェーハ４１４を配置する場合もある。
【００２３】
図３に示すように、凸球面４２０は、ウェーハキャリア４２２上に形成されている。凸球面４２０は、ウェーハパッド境界面４１６上のウェーハ４１４の中心に位置するポイント４１８から半径Ｒ１の距離にある。同じポイント４１８から半径Ｒ２の距離には、駆動スピンドル４１２の下方部分４２６の凹球面４２４が設けられている。なお、半径Ｒ１および半径Ｒ２としては、ウェーハ４１４の中心に位置するポイントであって且つウェーハパッド境界面４１６の上方または下方に位置するポイントからの距離のいずれかを、設計要件に応じてとって良い。
【００２４】
ウェーハキャリア４２２の凸球面４２０と、駆動スピンドル４１２の下方部分４２６の凹球面４２４とのあいだには、駆動カップ４２８が設けられている。駆動カップ４２８は、一般にリング状であり、その内側凹球面４３０は半径Ｒ１、外側凸球面４３２は半径Ｒ２である。駆動カップ４２８の外側凸球面４３２には、縦方向に細長い２つのスロット４４２，４４４が形成されており、これらは、駆動カップ４２８の円周に沿って約１８０度だけ隔てられている。２つの駆動キー４４６，４４８は、駆動スピンドル４１２の下方部分４２６の凹球面４２４から突き出しており、駆動カップ４２８のスロット４４２，４４４内にそれぞれ嵌まっている。従って、駆動キー４４６，４４８により、凹球面４２４に回転力を伝達することができる。スロット４４２，４４４の縦方向の長さは、駆動スピンドル４１２の下方部分４２６と駆動カップ４２８とのあいだで生じる傾斜運動に対応できるように、駆動キー４４６，４４８よりも長くされている。
【００２５】
図４は、スピンドルの回転軸沿いで交わる断面で切り取った場合のウェーハキャリア機構４００の側方断面図Ｂ−Ｂである。なお、図４に示された駆動スピンドルの回転軸は、図３と同様に、回転軸がウェーハに垂直な線と一致してウェーハの中心を通る理想的な状態にある。
【００２６】
図４に示されたように、縦方向に細長い２つのスロット４３４，４３６は、駆動カップ４２８の内側凹球面４３０に形成されている。スロット４４２，４４４と同様に、スロット４３４，４３６は、駆動カップ４２８の円周に沿って約１８０度だけ隔てられている。２つの駆動キー４３８，４４０は、ウェーハキャリア４２２の凸球面４２０から突き出しており、駆動カップ４２８のスロット４３４，４３６内に嵌まっている。従って、駆動キー４３８，４４０により、ウェーハキャリヤ４２２に回転力を伝達することができる。さらに、駆動キー４３８，４４０は、駆動カップ４２８の対称軸を中心として約９０度だけ駆動キー４４６，４４８から隔てられている。上記のように、スロット４３４，４３６の縦方向長さは、ウェーハキャリア４２２と駆動カップ４２８とのあいだで生じる傾斜運動に対応できるように、駆動キー４３８，４４０よりも長くとってある。
【００２７】
本発明の実施形態では、駆動スピンドル４１２の下方部分４２６の表面４２０およびウェーハキャリアの表面４２４の球形状と両者の同心の程度とによって、ウェーハ４１４がウェーハパッド境界面４１６内に横たわる軸を基準にしてのみ傾くことが保証されるように、構成できると好都合である。ウェーハが傾く基準になる軸がウェーハパッド境界面４１６の上方または下方に位置する場合は、ウェーハ４１４のセクタの１つをその正反対にあるセクタよりも強く研磨パッド４５０に押し当てる力が生成され、望ましくない効果が生じる。本発明の実施形態は、所望の結果が得られるように、これらの力を低減し、排除し、あるいは意図的に制御して利用することを可能にしている。
【００２８】
以上では、理解を明確にする目的で本発明を詳細に説明したが、添付した請求項の範囲内で、一定の変更および修正を加えられることは明らかである。したがって、上述した実施形態は、例示を目的としたものであって限定的ではなく、本発明は、本明細書で取り上げた項目に限定されず、添付した請求項の範囲および均等物の範囲内で変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】代表的な化学機械平坦化（ＣＭＰ）システムを、本発明の１実施形態にしたがって示した概略図である。
【図２】投射型ジンバルポイント駆動部を有したウェーハキャリア機構を、本発明の１実施形態にしたがって示した斜視図である。
【図３】スピンドルの回転軸に沿った平面で切り取った場合のウェーハキャリア機構の側方断面図Ａ−Ａである。
【図４】スピンドルの回転軸に沿った平面で切り取った場合のウェーハキャリア機構の側方断面図Ｂ−Ｂである。
【符号の説明】
２００…ＣＭＰシステム
２１０…プラテン
２１２…ドラム
４００…ウェーハキャリア機構
４１２…駆動スピンドル
４１４…ウェーハ
４１４ａ…ウェーハの前縁
４１６…ウェーハパッド境界面
４１８…ウェーハの中心点
４２０…ウェーハキャリアの凸球面
４２２…ウェーハキャリア
４２４…駆動スピンドル下方部分の凹球面
４２６…駆動スピンドルの下方部分
４２８…駆動カップ
４３０…駆動カップの内側凹球面
４３２…駆動カップの外側凸球面
４３４，４３６，４４２，４４６…駆動カップのスロット
４３８，４４０，４４６，４４８…駆動キー
４５０…固定研磨剤ベルト
Claims (22)
- 投射型ジンバルポイント駆動システムであって、
回転力を加えることができ、下方部分に凹球面が形成されたスピンドルと、
前記スピンドルの前記下方部分に一部が設けられ、前記スピンドルの前記凹球面の反対側に凸球面が形成されたウェーハキャリアと、
前記スピンドルと前記ウェーハキャリアとのあいだに設けられ、凹内面と凸外面とを有し、所定ののジンバルポイントを基準にして前記ウェーハキャリアを傾斜可能とする駆動カップと
を備える投射型ジンバルポイント駆動システム。 - 請求項１に記載の投射型ジンバルポイント駆動システムであって、
前記ジンバルポイントは、研磨パッドと、前記ウェーハキャリアによって保持されたウェーハの表面との間の境界面上に位置する投射型シンバルポイント駆動システム。 - 請求項１に記載の投射型ジンバルポイント駆動システムであって、
前記ジンバルポイントは、研磨パッドと、前記ウェーハキャリアによって保持されたウェーハの表面との間の境界面の下方に位置する投射型シンバルポイント駆動システム。 - 請求項１に記載の投射型ジンバルポイント駆動システムであって、
前記ジンバルポイントは、研磨パッドと、前記ウェーハキャリアによって保持されたウェーハの表面との間の境界面の上方に位置する投射型シンバルポイント駆動システム。 - 請求項１に記載の投射型ジンバルポイント駆動システムであって、
前記駆動カップは、前記駆動カップの前記凸外面内に位置する第１の細長いスロットセットを有する投射型ジンバルポイント駆動システム。 - 請求項５に記載の投射型ジンバルポイント駆動システムであって、さらに、
前記スピンドルの前記凹球面から突き出した第１の駆動キーセットを備える投射型ジンバルポイント駆動システム。 - 請求項６に記載の投射型ジンバルポイント駆動システムであって、
前記第１の駆動キーセットは、前記駆動カップの前記第１のスロットセット内に達している投射型ジンバルポイント駆動システム。 - 請求項１に記載の投射型ジンバルポイント駆動システムであって、
前記駆動カップは、前記駆動カップの前記凹内面内に位置する第２の細長いスロットセットを有する投射型ジンバルポイント駆動システム。 - 請求項８に記載の投射型ジンバルポイント駆動システムであって、さらに、
前記ウェーハキャリアの前記凸球面から突き出した第２の駆動キーセットを備える投射型ジンバルポイント駆動システム。 - 請求項９に記載の投射型ジンバルポイント駆動システムであって、
前記第２の駆動キーセットは、前記駆動カップの前記第２の駆動スロットセット内に達している投射型ジンバルポイント駆動システム。 - 投射型ジンバルポイント駆動カップであって、
前記駆動カップの凸外面内に位置する第１の細長いスロットセットと、
前記駆動カップの凹内面内に位置する第２の細長いスロットセットと
を備え、
前記駆動カップは、所定のジンバルポイントを基準にしてウェーハキャリアが傾くことを可能にする投射型ジンバルポイント駆動カップ。 - 請求項１１に記載の投射型ジンバルポイント駆動カップであって、
スピンドルの凹球面から突き出した第１の駆動キーセットは、前記駆動カップの前記第１のスロットセット内に達している投射型ジンバルポイント駆動カップ。 - 請求項１２に記載の投射型ジンバルポイント駆動カップであって、
前記ウェーハキャリアの凸球面から突き出した第２の駆動キーセットは、前記駆動カップの前記第２のスロットセット内に達している投射型ジンバルポイント駆動カップ。 - 請求項１３に記載の投射型ジンバルポイント駆動カップであって、
前記第１のスロットセットは、２つの細長いスロットからなる投射型ジンバルポイント駆動カップ。 - 請求項１４に記載の投射型ジンバルポイント駆動カップであって、
前記第１のスロットセットの前記２つの細長いスロットは、前記駆動カップの円周に沿って約１８０度だけ隔てられている投射型ジンバルポイント駆動カップ。 - 請求項１５に記載の投射型ジンバルポイント駆動カップであって、
前記第２のスロットセットは、２つの細長いスロットからなる投射型ジンバルポイント駆動カップ。 - 請求項１６に記載の投射型ジンバルポイント駆動カップであって、
前記第２のスロットセットの前記２つの細長いスロットは、前記駆動カップの円周に沿って約１８０度だけ隔てられている投射型ジンバルポイント駆動カップ。 - 請求項１７に記載の投射型ジンバルポイント駆動カップであって、
前記第１のスロットセットは、前記駆動カップの対称軸を中心にして前記第２の細長いスロットセットから約９０度だけ隔てられた位置にある投射型ジンバルポイント駆動カップ。 - 投射型ジンバルポイントシステムを駆動するための方法であって、
回転用のトルクを加えることができ、下方部分に凹球面が形成されたスピンドルを用意し、
前記スピンドルの前記凹球面の反対側に凸球面を形成し、かつ前記スピンドルの前記下方部分にウェーハキャリアの一部を設け、
前記スピンドルと前記ウェーハキャリアとのあいだに、凹内面と凸外面とを有した駆動カップを設け、該駆動カップを使用して、前記スピンドルを前記ウェーハキャリアに結合させ、
前記駆動カップは、所定のジンバルポイントを基準にして前記ウェーハキャリアを傾斜可能とした方法。 - 請求項１９に記載の方法であって、
前記ジンバルポイントを、研磨パッドと、前記ウェーハキャリアによって保持されたウェーハの表面との間に境界面上に位置させた方法。 - 請求項１９に記載の方法であって、
前記ジンバルポイントを、研磨パッドと、前記ウェーハキャリアによって保持されたウェーハの表面との間の境界面の下方に位置させた方法。 - 請求項１９に記載の方法であって、
前記ジンバルポイントを、研磨パッドと、前記ウェーハキャリアによって保持されたウェーハの表面との間の境界面の上方に位置させた方法。
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