JP2008511983A - 化学機械研磨のためのリテーニングリング - Google Patents

Abstract

本発明は、化学機械研磨装置においてウェーハの研磨工程中にウェーハの離脱を抑制するリテーニングリングに係り、本発明に係るリテーニングリングは、ウェーハの側面を支持して、研磨工程中にウェーハの離脱を防止する複数のリテーニング断片と、複数のリテーニング断片が付着された略環状を有するベースリングと、により構成される。
【選択図】図７

Description

本発明は、ウェーハの化学機械研磨装置に係り、特に、化学機械研磨装置で使用されるリテーニングリングに関する。

半導体集積回路の微細化及び多層相互結合が要求されるにつれて、ある製造段階でウェーハの表面を平坦化したり、ウェーハの表面に形成された導電層を選択的に除去する必要がある。このような必要性により、最近、化学機械研磨（Chemical Mechanic Polishing；以下、“ＣＭＰ”）が半導体集積回路の製造工程に広く用いられている。一般的に、ＣＭＰ工程は、研磨パッドにスラリーを塗布し、ウェーハを研磨パッドと接触させ、ウェーハに圧力を加えた状態で、ウェーハ及び研磨パッドを相対的に移動させることによって、ウェーハの表面を平坦化したり、導電層を選択的に除去する。
図１は、ＣＭＰ装置によるウェーハの研磨工程を示す概略断面図である。さらに詳細に説明すれば、プラテン(platen)１０の上面に研磨パッド１２を付着した後、スラリー１４を研磨パッド１２の上部に塗布し、ウェーハ１６をスラリー１４で覆われた研磨パッド１２と接触させ、プラテン１０に回転またはオービタル運動をさせ、次にウェーハ１６と研磨パッド１２と接触することによって、ウェーハ表面の平坦化が行われる。ここで、ＣＭＰ工程中にウェーハに研磨圧力を印加し、回転運動をさせ、場合によってはウェーハを移送する組立て部分１８を研磨ヘッド(polishing head)またはキャリア(carrier)１８と言う。以降組立て部１８は「キャリア」と称する。一般的に、キャリア１８は、回転軸２０から動力を伝達され、他のキャリア部品を固定できる空間を提供するキャリアベース２２と、ウェーハ１６の上面と接触してウェーハを回転させる間に、ウェーハに研磨圧力を印加するプレートまたはブラダー（bladder）のような圧力伝達手段２４と、研磨時に摩擦力によるウェーハ１６の離脱を防止するリテーニングリング(retaining ring)２６とから構成されている。CMP工程中のリテーニングリング２６の役割は、ＣＭＰ工程中にウェーハ１６の離脱を防止するだけでなく、研磨パッド１２を所定の圧力で押して、ウェーハ１６のエッジの付近で研磨パッド１２の均一な変形を誘導することによって研磨均一度(uniformity)を向上させる。したがって、リテーニングリング２６とも、スラリー１４を覆われた研磨パッド１２との間に摩擦を生じさせる。リテーニングリング２６の下面に摩耗が起こる。 図２は、従来の技術によるリテーニングリングの一例を示す図面であって、リテーニングリング３０全体が一体型になっている。リテーニングリング３０をキャリアベース（表示なし）に固定するために、通常はねじを利用するが、このためにリテーニングリング３０の上面にねじ孔３２を形成する。リテーニングリング３０のサイズは、内径、幅ｗ及び厚さｈで決まる。リテーニングリング３０の内径は研磨されるウェーハの径によって決定される。幅ｗは、約１０ｍｍないし４０ｍｍであり、厚さｈは、約１０ｍｍないし３０ｍｍである。リテーニングリング３０は、一般的に、低い磨耗率及び高い耐久性を表すポリフェニレンスルフィド（polyphenylene sulfide；以下、“ＰＰＳ”）やポリエーテルエーテルケトン（polyetheretherketone；以下、“ＰＥＥＫ”）のようなプラスチックから製造される。
リテーニングリングの交換は、ほとんどリテーニングリングの下面の摩耗による研磨均一度の劣化またはウェーハリテーニング能力の低下によって行われる。一般的に、下面の摩耗が約５００μｍになれば、研磨均一度が劣化し始めるので、この時点を前後にリテーニングリングを交換する。したがって、リテーニングリングの厚さを考慮すると、リテーニングリングの極めて一部のみを利用し、その残りは捨てるので、不必要な資源の浪費や環境汚染の問題が生じる恐れがある。

図３は、従来の技術によるリテーニングリングの他の例を示す図面であって、リテーニングリング４０が二つの部分から構成されているが、一つは、キャリアベース（表示なし）に連結される上部リング５０であり、他の一つは、ウェーハの側面を支持することによって実際的にウェーハリテーニングの役割を果たす下部リング６０である。上部リング５０には、キャリアベースにリテーニングリング４０を固定する際に必要なねじ孔５２が形成されており、下部リング６０の底面には、ＣＭＰの間にスラリーの流れを促す溝６２が形成されている。上部リング５０は、一般的に、ステンレススチールのような耐食性及び加工性に優れた金属から形成され、下部リングは、ＰＰＳやＰＥＥＫのようなプラスチックから形成される。図４は、図３のＡ−Ａ’線による断面図であって、上部リング５０と下部リング６０との付着は、エポキシのような接着剤７０により行われる。下部リング６０の厚さｔは、一般的に約５ｍｍである。この場合にも、研磨パッドと接触する下部リングの下面の摩耗が約５００μｍになれば、リテーニングリング４０を交換せねばならないので、下部リング６０の厚さを考慮すると、一部のみを使用し、その残りは捨てるようになる。
二つの部分（上部リング５０と下部リング６０）からなるリテーニングリング４０が、図２に示す一体型のリテーニングリング３０と異なる点は、図５に示すように、下部リング６０が摩耗されれば、上部リング５０と下部リング６０とを分離した後、下部リング６０のみを捨て、上部リング５０は再使用できるということである。このとき、上部リングと下部リングとを分離する方法の一つは、所定の温度（例えば、２００℃ないし３００℃）に加熱して、前記二つのリングを接着している接着剤を溶かすか、または熱的分解(thermal decomposition)を行うことである。このとき、上部リング５０と下部リング６０とが異なる熱膨張係数の物質である場合には、熱膨張係数(thermal expansion)が異なるため、図６に示すように、常温では上部リング５０と下部リング６０とのサイズが同じであるが、加熱された温度では、図面に点線で表示したように、上部リング５０’と下部リング６０’とのサイズが異なるようになる。このような熱膨張の差によって上部リングと下部リングとを加熱して分離するとき、前記二つのリングに変形が生じる恐れがある。特に、再使用可能な上部リング５０の変形は、再使用時に製品の精度を低下させて、研磨均一度を低下させる原因になりうる。

本発明は、前記問題点を解決するためになされたものであって、ウェーハの側面及び研磨パッドと接触するリテーニングリングの下部を複数の断片から構成して、リテーニングリングの再使用時に捨てられる部分を最小化して浪費を防止し、下部の交換時に生じうる熱膨張の差による変形を除去することにより、リテーニングリングの再使用時に研磨均一度を向上させることをその目的とする。

前記目的を達成するための本発明は、ＣＭＰ装置のウェーハリテーニングリングにおいて、ＣＭＰ工程中に、ウェーハの側面を支持することによって前記ウェーハの離脱を防止する複数のリテーニング断片と、前記複数のリテーニング断片が付着された略環状を有するベースリングと、を備えるウェーハリテーニングリングを提供する。

以下、添付された図面を参照して、本発明に係るリテーニングリングについて詳細に説明する。しかし、本発明の実施形態は、当業者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面における要素の形状などは、さらに明確な説明を強調するために誇張されており、図面上で同じ符号で表示された要素は、同じ要素を示す。
図７及び図８は、本発明に係るウェーハリテーニングリング９０を示す図面であって、複数のリテーニング断片１００が、略環状を有するベースリング２００に付着されている。リテーニング断片１００は、ＣＭＰ工程中にウェーハの側面を支持することによってウェーハの離脱を防止する役割を行い、ベースリング２００は、リテーニング断片が付着されている場所であって、図７をひっくり返した図面である図８に示すように、上面にねじ孔２１０が形成されることによって、ねじを利用してキャリアベース（図示せず）に固定させる。リテーニング断片１００の他の役割は、ＣＭＰ工程中に研磨パッドを所定の圧力で押して、ウェーハエッジの付近で研磨パッドの変形を均一化することである。
図９ないし図１１は、本発明に係るリテーニングリングを構成するリテーニング断片の一例を示す斜視図である。まず、図９に示すように、リテーニング断片１００は、内側の半径がＲ_ｉである弧と、外側の半径がＲ_ｏである弧とによって定義される面を備える。ここで、内側の半径がＲ_ｉである弧によって定義されるリテーニング断片１００の内面は、ＣＭＰ工程中にウェーハの側面と接触する。したがって、内側半径Ｒ_ｉは、研磨されるウェーハの半径より約０.５ｍｍないし２ｍｍ大きいことが望ましい。外側半径Ｒ_ｏは、内側半径Ｒ_ｉより約１０ｍｍないし４０ｍｍ大きくてもよい。リテーニング断片１００の厚さｔは、約０.５ｍｍないし５ｍｍでありうる。図１０は、リテーニング断片１０２の他の例を示す図面であって、リテーニング断片１０２の内面は、前述のように、半径Ｒ_ｉである弧によって定義される面からなるが、リテーニング断片１０２の外面は、弧によって定義されず、図１０に示すように、平面（例えば、Ｐ_１及びＰ_２）から構成されることができる。図１１は、リテーニング断片１０３のさらに他の例を示す図面であって、リテーニング断片１０３の内面及び外面が弧によって定義されず、それぞれ平面Ｐ_３及びＰ_４により構成された場合を示している。このように、リテーニング断片１０３の内面が一つ以上の平面（例えば、Ｐ_３）から構成されるためには、リテーニングリング（図示せず）の中心Ｃからリテーニング断片１０３の両端までの二つの直線（点線で表示される）がなす角度θが、２０゜より小さいことが望ましい。言い換えれば、約１８個以上のリテーニング断片からリテーニングリングを構成するとき、図１１に示すように、リテーニング断片１０３の内面が一つ以上の平面（例えば、Ｐ_３）からなることができる。
断片の形状は、従来の技術によるリングの形態に比べて、そのサイズが小さいため加工しやすい。特に、厚さが薄い場合、リング状には製作することが難しく、また、製作後にも破損しやすいが、断片の形態に製作すれば、このような問題点が減少する。リテーニングリングの交換時期が、約５００μｍの摩耗が起こったときであるので、リテーニングリングを、薄いリテーニング断片及びベースリングから構成して使用した後、摩耗されたリテーニング断片のみを交換すれば、捨てられる部分を減らすことができるようになる。リテーニング断片を薄型にしたときに得られる他の長所は、研磨時にリテーニングリングに加えられる圧力によるサイズの変化が少ないため、耐摩耗性には優れているが、圧縮性が高いので、変形しやすい物質もリテーニング断片として使用することができる。図面を参照して説明すれば、図１２に示すように、圧縮性(compressibility)の高い物質からなるリテーニング断片１２０が、圧力Ｐ下では圧力方向及び圧力に垂直の方向に変形されたリテーニング断片１２０’になるが、リテーニング断片が厚い場合には、圧縮される厚さ及び側面の膨張程度が大きいため、ＣＭＰ工程時にウェーハのリテーニングに問題を起こす。一方、図１３に示すように、リテーニング断片１３０が薄い場合には、圧力Ｐにより変形されたリテーニング断片１３０’の圧縮された厚さ及び側面の膨張程度が小さいため、ウェーハのリテーニングに問題を起こさない。

リテーニング断片は、耐摩耗性に優れており、化学的に不活性物質であるＰＰＳ、ＰＥＥＫ、ポリエステル(polyester)、ポリアミド−イミド(polyamide-imide)またはポリウレタン(polyurethane)などのプラスチックから形成されうる。
リテーニング断片が付着されるベースリングは、耐食性に優れたステンレススチールのような金属、ＰＰＳのようなプラスチック、またはアルミナのようなセラミックから形成されることができる。ベースリングは、図７に示すように、一体型であってもよく、図１４に示すように、下部ベースリング２０２と上部ベースリング２０４とが付着されてベースリング２０６をなすように、２つ以上のリングが付着されて形成されてもよい。このとき、リテーニング断片１００が付着され、かつスラリーと接触する上部ベースリング２０４は、ＰＰＳのようなプラスチックからなり、キャリアベースと連結される下部ベースリング２０２は、ステンレススチールのような金属からなることが望ましい。以下の図面では、図面の簡略化のために、一体型のベースリングのみを示す。
リテーニング断片をベースリングに付着する方法としては、エポキシ、シリコンまたはパラフィンのような接着剤を使用するが、ベースリングを再使用するためには、摩耗されたリテーニング断片を分離しなければならず、そのためには、高温で溶解または分解可能な接着物質または特定の溶剤に溶解される接着物質を使用することが望ましい。リテーニング断片をベースリングに付着するとき、迅速に断片をベースリングにアラインするために、図１５に示すリテーニング断片１０４の付着面に一つ以上の凸部１４０や、図１６に示すような凹部１５０を形成する。これに対応するベースリングの構造は、図１７及び図１８に示すように、リテーニング断片が付着されるベースリング２００の付着面に凹部２２０や凸部２３０を形成して、リテーニング断片１０４の凸部１４０とベースリング２００の凹部２２０とが一致するか、またはリテーニング断片１０４の凹部１５０とベースリング２００の凸部２３０とが一致すればアラインさせる。リテーニング断片１０４及びベースリング２００に形成される凹部及び凸部の形状は、円筒形、四角柱形であるか、または図１９及び図２０に示すように、隆線形の凸部１４２や溝状の凹部１５２を有することができる。
図２１ないし図２３は、ベースリング２００に付着されるリテーニング断片１０６、１０８、１０９の数による形状の一例を示す下面図であって、リテーニング断片の数は、リテーニングリング９０のサイズ、リテーニング断片１０６、１０８、１０９の厚さ及び材質などによって４個ないし７２個にする。リテーニングリング９０のサイズが大きくなるほど、すなわち、研磨しようとするウェーハのサイズが大きくなるほど、また、リテーニング断片の厚さが薄くなるほど、リテーニング断片のサイズを縮小させ、その数を増加させることが望ましい。特に、複数（例えば、１８個以上）のリテーニング断片からリテーニングリングを構成するとき、図２３に示すように、ウェーハと接触するリテーニング断片１０９の内面を平面にすることができる。全てのリテーニング断片をベースリング２００に付着したとき、リテーニング断片１０６、１０８、１０９の間に隙間１５０を有するようにリテーニング断片のサイズを定めることが望ましいが、これは、リテーニング断片１０６、１０８、１０９をベースリング２００から分離するとき、作業を容易にする空間と、リテーニング断片１０６、１０８、１０９が熱膨張により膨張できるスペースを提供するためのものであり、また、ＣＭＰ工程時にスラリーの流入を促すためのものである。隙間１５０の幅は、１ｍｍないしは５ｍｍであることが望ましい。リテーニング断片１０６、１０８、１０９の間の隙間１５０は、図２１ないし図２３に示すように、リテーニングリング９０の中心に向ってもよく、図２４に示すように、非対称型のリテーニング断片１１０を付着すれば、隙間１６０は、リテーニングリング９０の中心から離れた所に向うことができる。
図２５は、ベースリング２５０の付着面に形成された溝２６０を示す図面である。リテーニング断片が薄い場合、リテーニング断片が、平坦なベースリングの付着面に付着されれば、リテーニング断片の間に形成される隙間の深さも浅くなり、これにより、ＣＭＰ工程時にスラリーが内部に十分に供給されないこともある。これを改善するために、図２５に示すように、まず、ベースリング２５０の付着面に溝２６０を形成し、図２６に示すように、リテーニング断片１００を付着すれば、リテーニング断片１００の間の隙間２７０の深さは、リテーニング断片１００の厚さより深くなる。
一方、本発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の思想を逸脱しない範囲内で多様な変化及び変形が可能である。

以上で説明したように、本発明を実施することにより、リテーニングリングの再使用時に交換、廃棄される部分を断片から形成して、加工性を向上させ、また、交換される部分の厚さを縮小させることにより、製造コストを低減させ、環境汚染を防止することができる。また、リテーニングリングにおいて、研磨パッドと接触する部分を断片から構成することにより、多様な素材をリテーニングリングの製作に利用することができる。

化学機械研磨工程を示す断面図である。 従来の技術によるリテーニングリングの一例を示す図面である。 従来の技術によるリテーニングリングの他の例を示す図面である。 従来の技術によるリテーニングリングの他の例を示す図面である。 従来の技術によるリテーニングリングの他の例を示す図面である。 従来の技術によるリテーニングリングの他の例を示す図面である。 本発明に係るリテーニングリングの一例を示す図面である。 本発明に係るリテーニングリングの一例を示す図面である。 本発明に係るリテーニングリングを構成するリテーニング断片の一例を示す斜視図である。 本発明に係るリテーニングリングを構成するリテーニング断片の一例を示す斜視図である。 本発明に係るリテーニングリングを構成するリテーニング断片の一例を示す斜視図である。 圧縮性の高い物質からなるリテーニング断片の厚さによる変形を概略的に比較する断面図である。 圧縮性の高い物質からなるリテーニング断片の厚さによる変形を概略的に比較する断面図である。 本発明に係るリテーニングリングの他の例を示す図面である。 本発明に係るリテーニングリングにおいて、リテーニング断片及びベースリングに凹部及び凸部を形成する例を示す図面である。 本発明に係るリテーニングリングにおいて、リテーニング断片及びベースリングに凹部及び凸部を形成する例を示す図面である。 本発明に係るリテーニングリングにおいて、リテーニング断片及びベースリングに凹部及び凸部を形成する例を示す図面である。 本発明に係るリテーニングリングにおいて、リテーニング断片及びベースリングに凹部及び凸部を形成する例を示す図面である。 本発明に係るリテーニングリングにおいて、リテーニング断片及びベースリングに凹部及び凸部を形成する例を示す図面である。 本発明に係るリテーニングリングにおいて、リテーニング断片及びベースリングに凹部及び凸部を形成する例を示す図面である。 本発明に係るリテーニングリングにおいて、リテーニング断片のサイズによるリテーニング断片の形状と、リテーニング断片の形状によるリテーニング断片間の隙間の方向とを示す下面図である。 本発明に係るリテーニングリングにおいて、リテーニング断片のサイズによるリテーニング断片の形状と、リテーニング断片の形状によるリテーニング断片間の隙間の方向とを示す下面図である。 本発明に係るリテーニングリングにおいて、リテーニング断片のサイズによるリテーニング断片の形状と、リテーニング断片の形状によるリテーニング断片間の隙間の方向とを示す下面図である。 本発明に係るリテーニングリングにおいて、リテーニング断片のサイズによるリテーニング断片の形状と、リテーニング断片の形状によるリテーニング断片間の隙間の方向とを示す下面図である。 本発明に係るリテーニングリングにおいて、ベースリングに溝を形成する例を示す図面である。 本発明に係るリテーニングリングにおいて、ベースリングに溝を形成する例を示す図面である。

Claims (14)

1. 化学機械研磨装置のためのリテーニングリングであって、
   ウェーハの側面を支持して、化学機械研磨工程中に前記ウェーハの離脱を防止する複数のリテーニング断片と、
   前記複数のリテーニング断片が付着し略環状を有するベースリングと、を備えるウェーハリテーニングリング。
2. 前記リテーニング断片の数は、全部で４個ないし７２個であることを特徴とする請求項１に記載のウェーハリテーニングリング。
3. 前記リテーニング断片の内面は、弧によって定義される曲面からなることを特徴とする請求項１に記載のウェーハリテーニングリング。
4. 前記リテーニング断片の内面は、一つ以上の平面からなることを特徴とする請求項１に記載のウェーハリテーニングリング。
5. 前記リテーニング断片の厚さは、０.５ｍｍないし５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のウェーハリテーニングリング。
6. 前記リテーニング断片は、接着物質によって前記ベースリングに付着されることを特徴とする請求項１に記載のウェーハリテーニングリング。
7. 前記接着物質は、エポキシ、シリコンまたはパラフィンからなることを特徴とする請求項６に記載のウェーハリテーニングリング。
8. 前記ベースリングは、一体型であることを特徴とする請求項１に記載のウェーハリテーニングリング。
9. 前記ベースリングは、複数のリングが相互付着されて形成されることを特徴とする請求項１に記載のウェーハリテーニングリング。
10. 前記複数のリングは、金属及びプラスチックから形成されたリングであることを特徴とする請求項９に記載のウェーハリテーニングリング。
11. 前記リテーニング断片の各付着面に一つ以上の凹部を形成し、前記ベースリングの付着面に、前記リテーニング断片の前記凹部に対応するように複数の凸部を形成することを特徴とする請求項１に記載のウェーハリテーニングリング。
12. 前記リテーニング断片の各付着面に一つ以上の凸部を形成し、前記ベースリングの付着面に、前記リテーリング断片の前記凸部に対応するように複数の凹部を形成することを特徴とする請求項１に記載のウェーハリテーニングリング。
13. 前記リテーニング断片の隣接する２つの間は隙間により分離されることを特徴とする請求項１に記載のウェーハリテーニングリング。
14. 前記隙間の幅は、１ｍｍないし５ｍｍであることを特徴とする請求項１３に記載のウェーハリテーニングリング。

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