JP2009539626A - メンブレン膨張ステップなしの研磨ヘッドへの高速基板ローディング - Google Patents

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Abstract

本発明は、基板ローディングプロセスを改善し、スピードアップするための装置及び方法に係る。一実施形態は、基板を真空チャックするための方法を提供する。この方法は、基板をマウントするように構成された柔軟なメンブレンの中央チャンバーを通気し、基板の裏側が柔軟なメンブレンと完全に接触するように基板を移動し、中央チャンバーを真空にして、基板の裏側を柔軟なメンブレンに真空チャックすることを含む。
【選択図】 図4

Description

発明の背景
発明の分野
[0001]本発明の実施形態は、一般的に、キャリアヘッドに基板をローディングするための装置及び方法に関する。
関連技術の説明
[0002]サブミクロンの多レベル金属化は、次世代の超大規模集積(ULSI)のための重要な技術の1つである。この技術の中心となる多レベル相互接続部は、接触部、ビア、トレンチ及び他の特徴部を含めて、高アスペクト比のアパーチャーに形成された相互接続特徴部の平坦化を必要とする。これら相互接続特徴部を確実に形成することが、ULSIの成功にとって、また、個々の基板及びダイにおける回路密度及びクオリティを高める努力を継続することにとって、極めて重要である。
[0003]平坦化は、一般的に、化学的機械的研磨(CMP)及び/又は電気化学的機械的堆積(ECMP)を使用して遂行される。平坦化方法は、典型的に、研磨すべき基板の面を露出させて基板をキャリアヘッドにマウントすることを必要とする。キャリアヘッドに支持された基板は、次いで、回転する研磨パッドに対して配置される。基板を保持しているヘッドも回転して、基板と研磨パッド面との間に付加的な運動を与えることもできる。
[0004]平坦化中に、基板は、典型的に、真空チャックによってキャリアヘッドにマウントされる。キャリアヘッドは、典型的に、裏側から基板を受け入れるように構成されたマウント面を与える柔軟なメンブレンを有する。この柔軟なメンブレンは、流体源に接続される1つ以上のチャンバーを有してもよい。空気のような流体がチャンバーへポンプ注入されると、チャンバーの容積が増加し、柔軟なメンブレンは、押し下げられる。他方、流体がチャンバーからポンプ排出されると、チャンバーの容積が減少し、柔軟なメンブレンは、押し上げられる。基板をローディングするために、キャリアヘッドは、一般に、柔軟なメンブレンを基板の裏側付近に位置させるところの位置まで移動する。柔軟なメンブレンは、チャンバーに流体をポンプ注入することにより下げられ、そのマウント面が基板の裏側に対して位置される。次いで、流体をチャンバーからポンプ排出し、柔軟なメンブレンが内方に曲がって、マウント面と基板の裏側との間に低圧力ポケットを形成することができる。この低圧力ポケットが基板をキャリアヘッドに真空チャックさせる。
[0005]図1A−図1Bは、現状のシステムに使用されている典型的な基板ローディングプロセスを概略的に示す。ベース部材102は、一般的に、キャリアヘッド(図示せず)に適応される。基板マウント面106を与える柔軟なメンブレン105がベース部材102にマウントされる。柔軟なメンブレン105は、中央チャンバー103及び縁チャンバー104を有する。中央チャンバー103は、マウント面106を押し出したり引き込んだりするように構成される。縁チャンバー104は、一般的に、ローディングプロセス中に、基板101の縁付近にシールを形成するように構成される。
[0006]図1Aに示すように、中央チャンバー103及び縁チャンバー104の両方は、流体を流すことで膨張され、マウント面106が基板101の裏側107に押し付けられるようにする。縁チャンバー104の容積が増加するにつれて、縁付近でマウント面106と裏側107との間にシールを形成することができる。図1Bに示すように、中央チャンバー103は、シールが形成された後に流体をポンプ排出することで収縮させることができる。中央チャンバー103が収縮すると、マウント面106を上方に移動させる。マウント面106の縁にはシールがあるので、マウント面106が上方に移動して基板101をマウント面106に対して押しやるときには、マウント面106と裏側107との間にある量の低圧力又は真空が生成する。それ故、基板101は、柔軟なメンブレン105にシール式にローディングされる。基板101は、縁の周りでは押し下げられてシールを形成すると共に、中央付近では真空力により引き上げられるので、基板101は、屈曲変形を受け、これは、基板に応力を導入し、基板を破壊することも時々ある。チャンバーを膨張させ、また、膨張したチャンバーから真空を引くためには、比較的多量の流体、例えば、制御ガスを通流させなければならない。
[0007]従って、上述した典型的な基板ローディングプロセスは、少なくとも2つの欠点がある。1つの態様では、ローディングされた基板が、通常、大きな屈曲変形を受けて、時々基板の破壊を生じさせる。別の態様では、柔軟なメンブレンを膨張させ収縮させるのに、比較的多量の流体を通流させる必要があり、付加的な時間を要する。
[0008]それ故、基板ローディングプロセスを改善する装置及び方法が要望される。
発明の概要
[0009]本発明は、柔軟なメンブレンを有するキャリアヘッドへの基板のローディングを改善する方法及び装置を提供する。
[0010]一実施形態は、基板を支持する装置を提供する。この装置は、基板に支持を与えるように構成された底面及びこの底面に形成された複数のくぼみを有するベース部材と、このベース部材にマウントされた柔軟なメンブレンとを備え、ベース部材と柔軟なメンブレンとの間には中央チャンバーが形成され、この中央チャンバーは、真空源により収縮させることができる。
[0011]別の実施形態は、基板を真空チャックする方法を提供する。この方法は、基板をマウントするように構成された柔軟なメンブレンの中央チャンバーを通気させるステップと、基板の裏側が柔軟なメンブレンに完全に接触するように基板を移動するステップと、中央チャンバーを真空にして、基板の裏側を柔軟なメンブレンに真空チャックさせるステップと、を備えている。
[0012]更に別の実施形態は、基板をローディングする方法を提供する。この方法は、基板に支持を与えるように構成されたベース部材を準備するステップと、ベース部材にマウントされる柔軟なメンブレンを準備し、柔軟なメンブレンがベース部材とで中央チャンバーを含むようにするステップと、中央チャンバーの通気を助けるために基板を柔軟なメンブレンに対し押し付けるステップと、中央チャンバーからポンプ排出することにより基板を柔軟なメンブレンに真空チャックするステップと、を備えている。
[0013]上述した本発明の特徴を詳細に理解できるように、上記で概要を述べた本発明を、添付図面に示された実施形態を参照してより詳細に説明する。しかしながら、添付図面は、本発明の典型的な実施形態を示すに過ぎず、それ故、本発明の範囲を限定するものとは考えられず、本発明は、他の等しく効果的な実施形態も受け容れられることに注意されたい。
[0020]理解を容易にするため、図面に共通した同じ要素を呼称するのに、できるだけ、同じ参照番号を使用してある。1つの実施形態に開示された要素は、特に指示がなくても、他の実施形態にも有利に使用できることが意図される。
詳細な説明
[0021]本発明は、基板ローディングプロセスを改善し、スピードアップするための装置及び方法を提供する。本発明の装置は、一般的に、支持面、及びこの支持面に形成された複数のくぼみを有するベース部材を備えている。このベース部材には柔軟なメンブレンが一般的にマウントされて、1つ以上のチャンバーを形成する。この1つ以上のチャンバーは、通常、基板をロードする前に、通気される。次いで、基板が柔軟なメンブレンに接触するように位置され、柔軟なメンブレンに対して押し付けられて、1つ以上のチャンバーを更に通気させる。基板は、柔軟なメンブレンがベース部材の支持面に接触し且つ基板がベース部材により支持されるまで押し付けることができる。次いで、チャンバーを真空化して、柔軟なメンブレンと基板との間に複数の低圧ポケットを形成し、従って、基板を柔軟なメンブレンにローディングする。この構成では、基板は、支持面によって支持され、従って、応力及び破壊を回避する。既に通気されたチャンバーに真空が引かれ、従って、ローディングプロセス中に通流される流体は僅かである。
[0022]図2は、本発明の一実施形態によるキャリアヘッド200及び基板支持体201の概略断面図である。キャリアヘッド200は、一般的に、研磨中又は他の処理中に基板204を保持するように構成される。研磨プロセス中に、キャリアヘッド200は、基板204を研磨パッドに対して保持し、基板204の背面202にわたって下方圧力を均一に分布させることができる。
[0023]キャリアヘッド200は、一般的に、ハウジング214、ベースアッセンブリ220、ローディングチャンバー221、及び保持リング211を備えている。同様のキャリアヘッドの詳細な説明は、“Carrier Head with Flexible Membrane for Chemical Polishing”と題する米国特許第6,183,354号、及び2005年2月8日に出願された“Multiple-Chamber Carrier Head with a Flexible Membrane”と題する米国特許出願第11/054,128号に見ることができ、これらは、参考としてここに援用される。
[0024]ハウジング214は、一般的に、形状が円形で、研磨中に駆動シャフト(図示せず)に結合してそれと共に回転及び/又はスイープさせることができる。ハウジング214を通して垂直ボア219が形成され、ベースアッセンブリ220に対して垂直移動できるようにしている。
[0025]ベースアッセンブリ220は、ハウジング214の下に置かれた垂直に移動可能なアッセンブリである。ベースアッセンブリ220は、一般的に堅牢な環状本体222、外側クランプリング215、及びジンバルロッド218を備え、このジンバルロッドは、ボア219に沿って垂直にスライドしてベースアッセンブリ220の垂直移動を与える。
[0026]ローディングチャンバー221は、ハウジング214とベースアッセンブリ220との間に置かれ、荷重、即ち下方圧力又は重量を、ベースアッセンブリ220に印加する。また、ベースアッセンブリ220の垂直位置も、ローディングチャンバー221により制御される。一般的にリング形状のローリングダイアフラム216の内縁は、内側クランプリング217によりハウジング214にクランプすることができる。ローリングダイアフラム216の外縁は、外側クランプリング215によりベースアッセンブリ220にクランプすることができる。保持リング211は、ベースアッセンブリ220の外縁に固定された一般的に環状のリングでよい。流体がローディングチャンバー221へポンプ注入されると、ベースアッセンブリ220が下方に押される。
[0027]ベースアッセンブリ220は、更に、ロードされた基板を支持するように構成されたベース部材208も備えている。このベース部材208は、ベースロッド213に接続することができ、このベースロッドは、ジンバルロッド218の内部に形成されたボア212に沿って垂直に移動できる。ベース部材208は、一般的に円形のプレートで、その底面209は、ロードされるべき基板204に実質的に平行に位置される。底面209には複数のくぼみ210を形成することができる。
[0028]ベース部材208の底面209には柔軟なメンブレン205が一般的にクランプされる。柔軟なメンブレン205は、基板をマウントするために基板とほぼ同じサイズのマウント面223を備えている。柔軟なメンブレン205及びベース部材208は、複数のチャンバー、例えば、中央チャンバー206及び縁チャンバー207を形成することができる。一実施形態では、ベース部材208が円板であり、中央チャンバー206がベース部材208と実質的に同様の形状を有し、また、縁チャンバー207がベース部材208を取り巻く環状チューブである。ベース部材208に形成された通路225及び224を通して中央チャンバー206及び縁チャンバー207へ流体をポンプ注入したり、そこから流体をポンプ排出したりすることができる。柔軟なメンブレン205及びマウント面223は、流体を中央チャンバー206へポンプ注入することで下げることができる。柔軟なメンブレン205及びマウント面223は、中央チャンバー206から流体をポンプ排出することで内方へ屈曲することができる。縁チャンバー207は、流体をポンプ注入/排出することでマウント面223の縁領域を押し付け/引っ張るように構成される。
[0029]基板支持体201は、一般的に、キャリアヘッド200に対向する背面202に基板204を支持するように構成される。一実施形態では、基板支持体201は、基板204を受け入れるように構成された粒子汚染の少ない支持面203を有するペデスタル233を備えることができる。一実施形態では、基板支持体201は、ペデスタル233に形成されて支持面203へと開いている複数のピンホール231に配設された複数の引っ込め可能なピン230を備えている。複数の引っ込め可能なピン230の各々は、スプリング232に結合することができる。一実施形態では、複数の引っ込め可能なピン230が支持面203の上に延び、基板204を横方向移動から防ぐバリアを形成する。複数の引っ込め可能なピン230は、ローディング及びアンローディング中に基板204がキャリアヘッド200と整列状態に留まるような場所内に基板204を保持する。別の実施形態では、複数の引っ込め可能なピン230を、空気制御器のような他の適当なメカニズムにより支持面203の上に延ばしたり、その下に引っ込めたりしてもよい。
[0030]図6は、基板支持体201の概略上面図である。複数のピン230は、図6に示すように、円に配列されて、基板204を保持するための拘束部を形成する。一実施形態では、直径が基板204の外径に等しいか又はそれより僅かに大きい円の周りに6本の引っ込め可能なピン230が均一に分布される。別の実施形態では、3本の引っ込め可能なピン230が、基板204を拘束するための円を形成する。
[0031]図2に戻ると、複数の引っ込め可能なピン230は、スプリング232が自然の位置にあるときに支持面203の上に延び、基板204をそこに保持することができる。ローディング又はアンローディング中に、キャリアヘッド200の保持リング211が、複数の引っ込め可能なピン230に接触して、スプリング232を押し、引っ込め可能なピン230を引っ込めることができる。一実施形態では、複数の引っ込め可能なピン230は、図3に示すように、各引っ込め可能なピン230の頂部がペデスタル233の支持面203と平らになるように引っ込めることができる。
[0032]別の実施形態では、基板支持体201は、基板204を縁付近で支持するように構成された環状リップ、及び基板204を中心付近で支持するための加圧流体を有するロードカップでもよい。ロードカップの詳細な説明は、2004年11月15日に出願された“Load Cup for Chemical Mechanical Polishing”と題する米国特許出願第10/988,647号、及び2003年7月16日に出願された“Load Cup for Chemical Mechanical Polishing”と題する米国特許出願第10/621,303号に見ることができ、これらは、参考としてここに援用する。
[0033]図2に示すように、基板204をマウント面223にロードする前に、縁チャンバー207及び中央チャンバー206の両方が通気される。基板204をロードするために、キャリアヘッド200及び基板支持体201は、図3に示すローディング位置へ互いに向かって移動される。基板204は、複数の引っ込め可能なピン230により位置保持され、基板204は、キャリアヘッド200と整列した状態に留まる。ローディング位置では、キャリアヘッド200が基板支持体201に接近し、基板204がキャリアヘッド200の保持リング211内に入れられる。また、ローディング位置では、基板204がキャリアヘッド200に対して押し付けられて、柔軟なメンブレン205が、制御された力で、ベース部材208の底面209に対して押し付けられる。中央チャンバー206は、基板204がローディング位置へ移動して、より多くの流体を中央チャンバー206から押し出すときに、更に通気することができる。ローディング位置では、基板204の背面202が柔軟なメンブレン205のマウント面223に完全に接触し、柔軟なメンブレン205がベース部材208の底面209に接触して、基板204がベース部材208により支持されるようになる。一実施形態では、基板204をローディング位置へ移動することは、基板支持体201を上昇し、キャリアヘッド200を下降し、ベースアッセンブリ220を下降し、又はその組合せによって行うことができる。一実施形態では、基板204は、約30lbの力でキャリアヘッド200に対して押し付けられる。
[0034]基板204がローディング位置へ移動された後に、縁チャンバー207及び中央チャンバー206を使用して基板204をロードすることができる。図4は、基板がロードされた位置でキャリアヘッド200を概略的に示す断面図である。一実施形態では、ローディングプロセスは、2つのステップで行うことができる。第1に、流体を縁チャンバー207へポンプ注入して、縁チャンバー207を膨張させることができる。膨張された縁チャンバー207内の流体圧力で、柔軟なメンブレンを基板204の背面202に対してその縁付近で押し付け、それ故、基板204と柔軟なメンブレン205との間にシールを形成する。シールが形成された後に、中央チャンバー206から流体をポンプ排出し、柔軟なメンブレン205の一部分が複数のくぼみ210へと引っ込み、背面202とマウント面223との間に複数の真空ポケット226を形成することができる。これらの真空ポケット226は、吸引力を与え、基板204を基板支持体201から持ち上げて、キャリアヘッド200へロードすることができる。
[0035]中央チャンバー206は、基板204がローディング位置に位置される前に通気されると共に、基板204がベース部材208に対して押し付けられるときに、更に通気されるので、真空ポケット226を形成するために中央チャンバー206からポンプ排出する必要のある流体の量が減少され、それ故、ローディングの時間が短縮される。
[0036]基板204は、膨張した縁チャンバー207により縁付近で支持されるだけでなく、ベース部材208によって中央でも支持されるので、基板204は、ローディングプロセスにおいてフラットで且つ非屈曲状態に留まる。
[0037]図5は、本発明の一実施形態による基板ローディングプロセス300のフローチャートである。このローディングプロセス300は、柔軟なメンブレンがベース部材にマウントされ、柔軟なメンブレンにより少なくとも中央チャンバー及び縁チャンバーが形成されたキャリアヘッドに基板をロードするのに使用することができる。
[0038]ステップ310において、柔軟なメンブレンを通気することができる。メンブレンの通気は、中央チャンバー及び縁チャンバーを通気することを含むことができる。ガスにより膨張されるチャンバーの場合には、チャンバーを大気環境へ接続することで、通気を簡単に行うことができる。
[0039]ステップ320では、ロードされるべき基板がキャリアヘッドに向かって移動される。基板の移動は、基板が位置された基板支持体を上昇し、キャリアヘッドを下降し、キャリアヘッドのベース部材を下降し、又はその組合せにより、行うことができる。
[0040]ステップ330では、基板が連続的に移動されて、制御された力で柔軟なメンブレンに対して押し付けられ、柔軟なメンブレンの中央チャンバーを更に通気する。
[0041]ステップ340では、柔軟なメンブレンがベース部材に完全に接触したときに、基板の移動が停止される。一実施形態において、基板の移動を停止する終了点を決定するために、圧力センサをベース部材に位置させることができる。別の実施形態では、所定のスレッシュホールドプッシュ力に到達したときに基板の移動を停止することができる。
[0042]ステップ350では、縁チャンバーが膨張されて、基板と柔軟なメンブレンとの間に縁シールを形成する。縁チャンバーの所定圧力は、必要なシールを得るようにセットすることができる。
[0043]ステップ360では、中央チャンバーに真空を付与して、基板とメンブレンとの間に複数の吸引カップを形成し、従って、基板を真空チャックする。ポンプのような真空源を使用して、既に通気された中央チャンバーから流体をポンプ排出することができる。
[0044]本発明の基板ローディングプロセスは、研磨システムのためのキャリアヘッドに基づいて説明したが、当業者であれば、他の処理システムの基板ローディングステップにも本発明を適用できることに注意されたい。
[0045]以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の基本的な範囲から逸脱せずに他の実施形態及び更に別の実施形態を案出することができ、従って、その範囲は、特許請求の範囲によって決定されるものとする。
現状のシステムに使用される基板ローディングプロセスを概略的に示す図である。 現状のシステムに使用される基板ローディングプロセスを概略的に示す図である。 本発明の一実施形態によるキャリアヘッド及び基板支持体の概略断面図である。 図2のキャリアヘッドを基板ローディング位置で示す概略断面図である。 図2のキャリアヘッドを、基板がロードされた位置で示す概略断面図である。 本発明の一実施形態による基板ローディングプロセスのフローチャートである。 本発明の一実施形態による基板支持体の概略上面図である。
符号の説明
200…キャリアヘッド、201…基板支持体、202…背面、203…支持面、204…基板、205…柔軟なメンブレン、206…中央チャンバー、207…縁チャンバー、208…ベース部材、209…底面、210…くぼみ、211…保持リング、212…ボア、213…ベースロッド、214…ハウジング、215…外側クランプリング、216…ローリングダイアフラム、217…内側クランプリング、218…ジンバルロッド、219…垂直ボア、220…ベースアッセンブリ、221…ローディングチャンバー、222…環状本体、223…マウント面、224、225…通路、230…引っ込め可能なピン、231…ピンホール、232…スプリング、233…ペデスタル

Claims (20)

  1. 基板を支持する装置において、
    基板に支持を与えるように構成された底面、及び該底面へと開くようにそこに形成された複数のくぼみを有するベース部材と、
    上記ベース部材にマウントされて上記底面を覆う柔軟なメンブレンと、
    を備え、上記ベース部材の底面の少なくとも一部分と上記柔軟なメンブレンとの間に中央チャンバーが形成され、該中央チャンバーは、真空源により収縮させることができ、上記柔軟なメンブレンの外面は、そこに基板を受け入れるように構成された、装置。
  2. 上記柔軟なメンブレンと上記ベース部材の縁との間に縁チャンバーが形成された、請求項1に記載の装置。
  3. 上記縁チャンバーは、上記中央チャンバーとは独立して膨張及び収縮させることができる、請求項2に記載の装置。
  4. 上記中央チャンバーは、上記ベース部材に形成された通路に制御ガスをポンプ注入又は排出することにより膨張又は収縮させることができる、請求項1に記載の装置。
  5. 上記ベース部材は、垂直に移動可能である、請求項1に記載の装置。
  6. 基板をローディングする方法において、
    基板に支持を与えるように構成されたベース部材を準備するステップと、
    上記ベース部材にマウントされる柔軟なメンブレンを準備し、この柔軟なメンブレンが上記ベース部材とで中央チャンバーを形成するようにするステップと、
    上記中央チャンバーの通気を助けるために基板を上記柔軟なメンブレンに対し押し付けるステップと、
    上記中央チャンバーからポンプ排出することにより基板を上記柔軟なメンブレンに真空チャックするステップと、
    を備えた方法。
  7. 上記柔軟なメンブレンは、上記ベース部材の周りに縁チャンバーを形成する、請求項6に記載の方法。
  8. 基板を真空チャックする前に、上記縁チャンバーを膨張させて、基板と上記柔軟なメンブレンとの間にシールを形成するステップを更に備えた、請求項7に記載の方法。
  9. 基板を押し付ける前に、上記中央チャンバー及び上記縁チャンバーを通気するステップを更に備えた、請求項7に記載の方法。
  10. 基板を押し付ける前に、上記中央チャンバーを通気するステップを更に備えた、請求項6に記載の方法。
  11. 基板を押し付ける上記ステップは、制御された力を使用して実行される、請求項6に記載の方法。
  12. 基板を柔軟なメンブレンに対し押し付ける上記ステップは、上記柔軟なメンブレンが上記ベース部材の底面に接触するまで基板を押し付けることを含む、請求項6に記載の方法。
  13. 基板を上記柔軟なメンブレンに対して押し付けるように構成された基板支持体を準備するステップを更に備えた、請求項6に記載の方法。
  14. 基板を真空チャックする方法において、
    基板をマウントするように構成された柔軟なメンブレンの中央チャンバーを通気させるステップと、
    上記基板の裏側が上記柔軟なメンブレンに完全に接触するように基板を移動するステップと、
    上記中央チャンバーを真空にして、上記基板の裏側を上記柔軟なメンブレンに真空チャックさせるステップと、
    を備えた方法。
  15. 面を下に向けた位置において基板を基板支持体上に位置させるステップを更に備えた、請求項14に記載の方法。
  16. 基板を移動する上記ステップは、
    基板を上記柔軟なメンブレンに向けて上昇させる段階と、
    基板を上記柔軟なメンブレンに対して押し付けて、上記中央チャンバーを強制通気させる段階と、
    を含む請求項15に記載の方法。
  17. 基板を上昇させる上記段階及び押し付ける上記段階は、上記基板支持体により遂行される、請求項16に記載の方法。
  18. 上記中央チャンバーを通気しながら、上記柔軟なメンブレンの縁チャンバーを通気するステップを更に備えた、請求項14に記載の方法。
  19. 上記中央チャンバーを真空にする前に、上記縁チャンバーを膨張させて上記基板と上記柔軟なメンブレンとの間にシールを形成するステップを更に備えた、請求項18に記載の方法。
  20. 上記柔軟なメンブレンにより基板に所定の力が付与されたときに基板を停止するステップを更に備えた、請求項14に記載の方法。
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