JP2010527807A - 半導体ウェハ研磨方法および装置 - Google Patents

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Abstract

基板が取り外し可能に接続されるベースと、基板の上面から材料を除去するように、その接触面が作動可能にベースに対して配置された移動ベルトと、複数のアクチュエータであって、少なくとも2つが独立して制御可能であり、移動ベルトと基板の上面との間に圧力を供給するために、対応する複数の圧力ゾーンが画成されるように、ベースおよび移動ベルトに対して配置された複数のアクチュエータとから方法および装置を構成する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2007年5月30日に出願された、米国特許出願第11/807783号の優先権の利益を主張する。
本発明は、化学機械研磨(CMP)を用いて基板を研磨する方法および装置に関する。
CMPは、例えば半導体の製造に使用される基板を平坦化する(制御された研磨)ための1つの是認された方法である。現在のCMP法は、通常、基板をキャリアまたは研磨ヘッドに取り付ける必要がある。基板の露出した表面は、標準のパッドまたは固定研磨パッドであってもよい、回転する研磨パッドに対して配置される。標準のパッドが耐久性のある粗面を有するのに対し、固定研磨パッドは収納媒体に保持された研磨粒子を有する。キャリアヘッドは、基板を研磨パッドに押しつけるために、基板に制御可能な負荷、すなわち圧力を加える。化学反応剤を有する研磨スラリー(および標準のパッドが使用される場合には研磨粒子)が、研磨パッドの表面に加えられる。
CMP処理により、高い研磨速度およびこれにより得られる、小規模の粗さがないこと、および平坦さ(大規模なトポグラフィー(topography)がないこと)が得られる。研磨速度、仕上げおよび平面度は、パッドおよびスラリーの組合せ特性、基板に対するパッドの相対速度、並びにパッドに対する基板の押しつけ力により決定される。
現在の回転ベルトタイプのCMP処理装置20が、その全体の開示が参照によって本明細書に組み込まれる特許文献1に示されている。矩形のプラテン100は、プラテン100の上面140上をローラにより進む研磨シート110を有する。キャリアヘッド80は、研磨のために基板10を受け取り、研磨シート110に対して基板10の下方への圧力を加える。プラテン100の上面140と研磨シート110との間には、これらの間に流体ベアリングを生成するために、流体が注入されてもよい。特許文献1に開示されている情報に加えて、キャリアヘッド80の構造に関するさらなる詳細が、その全体の開示が参照によって本明細書に組み込まれる特許文献2に開示されている。
アパーチャまたはホール154が、プラテン100の上面140に形成され、研磨シート110における透明ストライプ118と整列されることが可能である。アパーチャ154および透明ストライプ118は、プラテンの回転の一部の間において、基板10を「見ること」ができるように配置されている。光学監視システム90は、レーザおよび検出器96等の光源94を有する。光源は、基材10の露出した表面に入射するように、アパーチャ154および透明ストライプ118を通って伝搬する光ビーム92を発生する。装置20は、基板10の厚さを決定するため、基板10から除去される材料の量を決定するため、または表面が平坦となったときを決定するために、光学監視システム90を使用する。基板10がアパーチャ154を覆ったときに光源94を作動するため、検出器96の測定値を格納するため、出力デバイス98に測定値を表示するため、および研磨の終了点を検出するために、コンピュータ280がプログラムされてもよい。特許文献1に開示されている情報に加えて、光学監視システム90およびコンピュータ280の構造に関するさらなる詳細が、その全体が参照により本明細書に組み込まれる特許文献3に開示されている。
米国特許出願公開第2004/0209559号明細書 米国特許第6183354号明細書 米国特許第5893796号明細書
上述した回転ベルトタイプのCMP処理装置の問題点の1つは、研磨されている基板と回転する研磨シートとの間において、圧力の量および質に対する適切な制御がないことである。したがって、改良された基板の仕上げが得られることとなる、CMPによって研磨を行う新たな方法および装置の技術が必要である。
本発明の1またはそれ以上の実施形態による方法および装置は、基板が取り外し可能に取り付けられるベースと;前記基板の上面から材料を除去するように、その接触面が作動可能に前記ベースに対して配置された移動研磨部材と;複数のアクチュエータであって、少なくとも2つが独立して制御可能であり、前記移動研磨部材と前記基板の前記上面との間に圧力を供給するために、対応する複数の圧力ゾーンが画成されるように、前記ベースおよび前記移動研磨部材に対して配置された複数のアクチュエータとを備えたことを特徴とするものである。
アクチュエータの独立した制御は、形状が適合した仕上げを可能にする。実際に、LCD基板仕上げ等のあるアプリケーションにおいて、比較的大きい表面領域を有する基板は、例えば約20μmの歪み公差を有する可能性がある。(厚さがおおよそ数〜数十nm程度の)非常に薄い1または複数の材料層は、層が基板表面の20μmのうねりの形状に適合する仕上げが必要である可能性がある。(厳密な平坦化において発生するであろう)層全体を除去することなく、薄い層の精密な仕上げを行うために、仕上げ装置は、薄い層から材料を除去している間に、基板のうねり面を埋め合わせなければならない。
本発明の1またはそれ以上の実施形態による方法および装置は、基板が取り外し可能に取り付けられるベースと;前記基板の上面から材料を除去するように、その接触面が作動可能に前記ベースに対して配置された移動ベルトと;複数のアクチュエータであって、少なくとも2つが独立して制御可能であり、前記移動ベルトと前記基板の前記上面との間に圧力を供給するために、対応する複数の圧力ゾーンが画成されるように、前記ベースおよび前記移動ベルトに対して配置された複数のアクチュエータとを備えたことを特徴とするものである。
前記アクチュエータは、供給される流体の圧力に応じて、関連する圧力ゾーンにおいて、前記移動ベルトと前記基板の上面との間の圧力を変更するように作動可能な、少なくとも1つの流体制御アクチュエータを有するものであってもよい。
前記流体制御アクチュエータは、少なくとも1つのチャンバ、並びに該チャンバ、および前記移動ベルトと前記基板の下面とのいずれか一方と流体連通状態となる少なくとも1つのパッドを有し、前記チャンバに供給される流体に応じて、関連する圧力ゾーンにおいて前記パッドが前記移動ベルトと前記基板の上面との間の圧力を変更するように作動可能なようになっていてもよい。
前記流体制御アクチュエータは、プレート、および供給される流体とその第1端部において連通し、その第2端部において前記移動ベルトと前記基板の下面とのいずれか一方と連通する該プレートを通る複数のボアを代わりに有し、前記ボア内に供給される流体に応じて、前記供給される流体が、関連する圧力ゾーンにおいて前記移動ベルトと前記基板の上面との間の圧力を変更するように作動可能なようになっていてもよい。
前記アクチュエータは、供給される電圧に応じて、関連する圧力ゾーンにおいて前記移動ベルトと前記基板の上面との間の圧力を変更するように作動可能な、少なくとも1つの圧電アクチュエータを代わりに有するものであってもよい。
本発明の方法および装置は、少なくとも1つの前記圧力ゾーンにおいて前記基板の厚さを監視するように作動可能な、少なくとも1つの光学検出器回路をさらに有するものであってもよい。上面の反対側にある前記基板の下面は、前記ベースの上面に取り付けられてもよく;前記ベースは、該ベースの上面に延在し、少なくとも1つの前記圧力ゾーンに配置された少なくとも1つのアパーチャを有し、前記光学検出器回路が前記基板の下面により該基板の厚さを監視するように作動可能なようになっていてもよい。
前記ベースは、該ベースの上面に延在し、前記各圧力ゾーンに少なくとも1つが配置される複数のそのようなアパーチャを有していてもよい。前記光学検出回路は複数の検出器を有し、該複数の検出器のうちの少なくとも1つが、それぞれの前記圧力ゾーンにおいてそれぞれのアパーチャを介して、前記基板の下面により該基板の厚さを監視するように作動可能ものであってもよい。前記光学検出回路は、それぞれの前記圧力ゾーンにおいて、前記基板の下面により該基板の厚さを監視するために、それぞれのアパーチャと位置合わせされて移動するように作動可能なものであってもよい。
本発明の方法および装置は、プログラムの制御下にて作動し、前記光学検出器回路により提供される基板厚さ情報に応じて、少なくとも第1および第2の信号を生成し、該第1および第2の信号が、前記複数のアクチュエータのそれぞれにより提供されるそれぞれの圧力を制御するように作動する処理装置を備えるものであってもよい。処理装置は、前記移動ベルトにより前記基板から除去される材料の速度;前記移動ベルトにより前記基板から除去された材料の量、および前記基板の厚さの変化の少なくとも1つの厚さ情報から演算を行うように作動可能なものであってもよい。
本発明の他の態様、特徴および利点は、添付図面とともに明細書の詳細な説明から当業者に明らかであろう。
説明のために、現時点で好ましい形態を図面に示すが、図示される構成および手段に限定されないことが理解されよう。
本発明の1またはそれ以上の実施形態による基板研磨装置の側面断面図 図1に示す装置の使用に適した閉ループ制御回路のブロック図 基板に圧力を加えるために、図1に示す装置において使用されるアクチュエータの他の実施形態を示す図 基板に圧力を加えるために、図1に示す装置において使用されるアクチュエータの他の実施形態を示す図 基板に圧力を加えるために、図1に示す装置において使用されるアクチュエータの他の実施形態を示す図 基板に圧力を加えるために、図1に示す装置において使用されるアクチュエータの他の実施形態を示す図 図1に示す装置の使用に適した研磨部材の側面図
同様の参照番号が同様の部材を示す図面を参照すると、図1は本発明の1またはそれ以上の実施形態によるCMP装置100の側面断面図である。CMP装置100は、例えば研磨により、きわめて均一な研磨面を実現するように制御された方式により、基板10から材料を除去するように作動可能である。
基板は、ガラス、ガラスセラミックス、半導体、および絶縁体上半導体(SOI)構造等のこれらの組合せ等、任意の材料であってもよい。半導体材料の場合、そのような材料は、シリコン(Si)、ゲルマニウムドープシリコン(SiGe)、炭化ケイ素(SiC)、ゲルマニウム(Ge)、ヒ化ガリウム(GaAs)、GaPおよびInPからなる群から選択されたものであってもよい。
CMP装置100は、ベース102およびベースに接続された上部構造104を備える。上部構造104は、基板10の上面から材料を除去するように作動可能な研磨接触面を有する移動部材を備える。図示の実施形態において、移動研磨部材は、制御された速度および圧力により、基板10の上面上を案内される移動ベルト106である。第1のローラ108A,108Bおよび第2のローラ110A,110B等の複数のローラが、基板10の上面を横断して移動ベルトを駆動および案内するために使用される。上部構造104は、基板10に対する移動ベルト106の適切な間隔および接触を実現するように、ローラ109,110、したがって移動ベルト106を位置決めするフレームまたはシャーシも備える。移動ベルト106は、後述するように、並進移動のみならず、回転移動(例えばローラ108,110により)をも行うものであってもよい。
上部構造104は、移動ベルト106と基板10の上面との間に適切な量の圧力を生じさせるために、基板10の上面に対して移動ベルト106を押しつけるように作動する複数のアクチュエータ120を備える。少なくとも2つ、好ましくはすべてのアクチュエータ120が、圧力ゾーン122A,122B,122C・・・のそれぞれが基板10の上面において画成されるように、独立して制御可能である。したがって、各アクチュエータ120の独立した制御によって、それぞれの圧力ゾーン122において同一のまたは異なる圧力を生じさせることができ、これにより、そのような圧力の位置が変更可能となるのみならず、移動ベルト106と基板10との間に加えられる圧力が変更可能となる。
ベース102は、ベース102の上面に延在する複数のアパーチャ130A,130B,130C・・・を備えるものであってもよい。少なくとも1つのアパーチャ130が、基板10の底表面をそのようなアパーチャ130を通して見ることができるように、各圧力ゾーン122に位置している。CMP装置100は、少なくとも1つの圧力ゾーン122において、関連するアパーチャ130を通じて基板10の厚さを監視するように作動可能な、少なくとも1つの光学検出回路132(図2)も有する。光学検出回路132は、複数の光学検出器134A,134B,134・・・Cを備えるものであってもよく、少なくとも1つ(好ましくはそれぞれの)光学検出器134は、それぞれのアパーチャ130を通じて、基板10の底面により基板10の厚さを監視するように作動可能である。すなわち、光学検出器134は、基板10の下面の下方から基板10通して光を導光することにより、基板10の厚さを検出するように作動可能である。光学検出器134は、既知の干渉計技術を用いて実装されてもよい。光学検出器134は、レーザ等の光源および検出器を備えるものであってもよい。光源は、アパーチャ130を通って基板10の露出された底面に入射するように伝搬する光ビームを発生する。
他の実施形態において、光学検出器回路は、各圧力ゾーン122において基板10の厚さを監視するために、アパーチャ130A,130B,130C・・・のそれぞれと位置合わせされた状態で移動するように作動可能な、単一の光学検出器134を備えるものであってもよい。光学検出回路132の特定の実装とは関係なく、複数のアクチュエータおよび光学検出器の組合せにより、基板10からの材料の除去の対応する監視のみならず、圧力ゾーン122のそれぞれにおいて、高精度に調整された圧力の制御がなされることとなる。
図2は、CMP装置との組合せの使用に適した閉ループ制御システム200のブロック図である。制御システム200は、複数のアクチュエータ120、光学検出回路132、エネルギー源回路140およびプロセッサ回路150を備える。上述したように、アクチュエータ120は、圧力ゾーン122のそれぞれにおいて、基板10の上面に対して移動ベルト106を押しつけるように作動可能である。アクチュエータ120は、各アクチュエータ120A,120B,120C・・・が独立した動作およびその結果による圧力を得ることができるように、エネルギー源回路140から入力を受信する。光学検出回路132は、圧力ゾーン122のそれぞれにおいて基板10の厚さを監視し、そのような厚さ情報をプロセッサ回路150に入力する。プロセッサ回路150は、基板厚さ情報を受信し、エネルギー源回路140に制御された信号を提供するために基板厚さ情報を利用する。プロセッサ回路150は、ソフトウェアプログラムの制御下において作動する公知の任意のマイクロプロセッサチップセットの使用を実装するものであってもよい。
例えば、プロセッサ回路150は、基板10から材料が除去される速度、基板10から除去された材料の総量、およびゾーン間おける基板10の厚さの変化量等を演算するために、基板厚さ情報を利用してもよい。プロセッサ回路150は、圧力ゾーン122のそれぞれにおいて所望とする圧力を実現するために、アクチュエータ120にエネルギーの変化量が入力されるように、エネルギー源回路140への1またはそれ以上の制御信号を生成するように、基板厚さ情報および/または基板厚さ情報の演算結果を利用する。このようにして、基板10の上面からの材料の除去の高精度に調整された制御が実現されてもよい。
図1に示すように、上部構造104は、移動ベルト106の方向に対して垂直に移動(または摺動)するように作動可能である。図示の実施形態において、上部構造104は、スライド114により、図面に対して垂直移動に対応する移動方向に移動するように作動可能である。スライド114による上部構造104の摺動動作は、そうでなければ移動ベルト106から発生するであろう方向マーク(directional marking)を防止する。例えば、ローラ108,110およびスライドの速度および移動特性は、基板に対するベルト106の所望とする移動が実現されるように制御されてもよい。移動パターンは、円パターン、正弦パターン等の単純または複雑なパターンであってもよい。
図3〜5は、アクチュエータ120の実装に適した各種実施形態の概略側面図である。図3Aは流体制御されてもよいアクチュエータ120を示す図であり、供給される流体圧が増大することにより、関連する圧力ゾーン122において、基板10に対する移動ベルト106の圧力が増大することとなる。各アクチュエータ120は、少なくとも1つの移動可能なパッド172を備え、アクチュエータ120内の流体圧の増加により、移動ベルト106の内面(接触面の反対側)に向かってパッド172がバイアスされるようになる。パッド172および移動ベルト106内面の摩擦を減少させるために、これらの間に潤滑流体が供給されてもよい。
図3Bは、アクチュエータ120が、自己補償流体静力学パッド(簡素化するために1つのアクチュエータのみ示す)を用いて実装された他の実施形態を示す図である。アクチュエータ120は、圧力ゾーンP1およびP2の間に位置する可動部材170を有する。圧力ゾーンP1,P2の圧力を等しくするように作用するオリフィスが、圧力ゾーンP1,P2の間に延在する。圧力ゾーンP2における加圧された流体は、基板10に対してベルト106にバイアスをかけるための、流体静力学のパッド172として機能する。プログラムされた圧力を流体静力学のパッド172において確実に実現するために、流体はギャップGを通って漏れるが、自己調整される。とくに、ギャップGが大きすぎる場合(過度の漏れを生じることとなる)、圧力はP2からP1より低くなる。この圧力不均衡によって、可動部材170がベルト106に向かって進み、これによりギャップGを閉じ、圧力P1,P2を等しくする。
図4は、それを通る複数のボア182を有するプレート180により実装されるアクチュエータ120の他の実施形態を示す図であり、ボアの各群は圧力ゾーン122のそれぞれに位置している。ボア182の第1端部は流体供給源と連通し、ボア182の第2端部は移動ベルト106の内面と連通する。したがって、ボア182を通って供給された流体の圧力の増加または減少により、圧力ゾーン122において移動ベルト106の圧力が対応して増加または減少することとなる。
図5は、圧電アクチュエータを用いて実装されたアクチュエータ120の他の実施形態を示す図である。圧電アクチュエータ190のそれぞれに供給される電圧の変化により、基板10に対する移動ベルト106の圧力が対応して変化することとなる。本明細書における実施形態に関して使用に適した圧電アクチュエータ190は、マイアミ州オーバーン(Auburn)にあるサイキックインスツルメントL.P.(Physik Instrumente L.P.)から得ればよい。
図示の実施形態において、移動ベルト106に圧力を供給するために、アクチュエータ120は移動ベルト106の内面と接触するように配置されることに注目されたい。他の実施形態において、アクチュエータ120は基板を移動ベルト106に押しつけるように配置されてもよい。しかしながら、そのような実施形態においては、光学検出器回路132をアクチュエータ120の反対側に移動させる必要があり、移動ベルト106を通じて基板10の厚さを光学的に検出できるように提供される手段が必要となるであろう。
図6に示すように、移動ベルト106の少なくとも一部は、移動ベルトの接触面上のマイクロメートルサイズのポスト160の微小繰り返しパターンである固定研磨構造を備える。ポスト160は、樹脂のようなマトリクスにおける研磨材料を含む。固定された研磨材料は、ミネソタ州セントポール(St. Paul)の3M社から得ればよい。このような実施形態は、ガラス上シリコン(SiOG)基板を研磨する際に有利であると考えられている。従来の研磨技術を使用することにより、研磨粒子は処理中に基板の露出する表面に到達し、研磨材料の高い側および下方の双方の領域において材料の除去が発生する。マイクロメートルサイズのポスト160の微小繰り返しパターンを使用する固定された研磨の場合、研磨粒子はパッドの高い側のポスト160と結合される。したがって、材料の除去は、主として露出されたポスト160の高い側の領域において発生する。よって、基板10の地形的に低い領域に対する高い領域の間の除去速度として表される材料除去速度は、スラリーベースのCMP等の従来の技術の場合よりも、かなり大きくなる。
本発明の1またはそれ以上の実施形態の利点は、サブ・アパーチャ仕上げおよびフル・アパーチャ仕上げのアプリケーションを有する。サブ・アパーチャ仕上げは、研磨部材の利用可能な仕上げ面が対象物(例えば基板)よりも小さい場合として定義できる。したがって、サブ・アパーチャ仕上げにおいては、基板の所望とする表面領域を仕上げるように、基板上において、利用可能な仕上げ面の多少の動き(例えばラスタパターン)がなければならない。フル・アパーチャ仕上げは、研磨部材の利用可能な仕上げ面が、仕上げられる基板よりも大きい場合として定義できる。独立して制御可能なアクチュエータおよびその結果生じる独立した制御ゾーンにより、(平坦化も実現されてもよいが)厳密な平坦化とは反対に、形状が適合した仕上げが可能となる。さらに、非常に正確な仕上げとなるように、温度および構造上の変形による仕上げ装置の許容誤差における補償が実現されてもよい。
特定の実施形態を参照して本明細書において発明を説明したが、これらの実施形態は本発明の原理およびアプリケーションの単なる例示に過ぎないことが理解されよう。したがって、添付の特許請求の範囲により画成される本発明の精神および範囲を逸脱しない範囲において、図示の実施形態を種々変更してもよく、他の変更を行ってもよい。
100 CMP装置
102 ベース
104 上部構造
106 移動ベルト
108,110 ローラ
114 スライド
120 アクチュエータ
122 圧力ゾーン

Claims (10)

  1. 基板が取り外し可能に接続されるベースと;
    前記基板の上面から材料を除去するように、その接触面が作動可能に前記ベースに対して配置された移動ベルトと;
    複数のアクチュエータであって、少なくとも2つが独立して制御可能であり、前記移動ベルトと前記基板の前記上面との間に圧力を供給するために、対応する複数の圧力ゾーンが画成されるように、前記ベースおよび前記移動ベルトに対して配置された複数のアクチュエータとを備えたことを特徴とする装置。
  2. 前記アクチュエータが、供給される流体の圧力に応じて、関連する前記圧力ゾーンにおいて、前記移動ベルトと前記基板の上面との間の圧力を変更するように作動可能な、少なくとも1つの流体制御アクチュエータを有することを特徴とする請求項1記載の装置。
  3. 前記少なくとも1つの流体制御アクチュエータが、プレート、および供給される流体とその第1端部において連通し、その第2端部において前記移動ベルトと前記基板の下面とのいずれか一方と連通する該プレートを通る複数のボアを有し、前記ボア内に供給される流体に応じて、前記供給される流体が、関連する前記圧力ゾーンにおいて前記移動ベルトと前記基板の上面との間の圧力を変更するように作動可能であることを特徴とする請求項2記載の装置。
  4. 前記アクチュエータが、供給される電圧に応じて、関連する前記圧力ゾーンにおいて前記移動ベルトと前記基板の上面との間の圧力を変更するように作動可能な、少なくとも1つの圧電アクチュエータを有することを特徴とする請求項1記載の装置。
  5. 少なくとも1つの前記圧力ゾーンにおいて前記基板の厚さを監視するよう作動可能な、少なくとも1つの光学検出器回路をさらに有することを特徴とする請求項1記載の装置。
  6. 上面の反対側にある前記基板の下面が、前記ベースの上面に取り付けられてなり;
    前記ベースは、該ベースの上面に延在し、少なくとも1つの前記圧力ゾーンに配置された少なくとも1つのアパーチャを有し、前記光学検出器回路が前記基板の下面により該基板の厚さを監視するように作動可能であることを特徴とする請求項5記載の装置。
  7. 前記移動ベルトが、該移動ベルトの接触面上にマイクロメートルサイズのポストの微細繰り返しパターンを有することを特徴とする請求項1記載の装置。
  8. 移動可能な研磨部材を用いて基板の上面から材料を除去し;
    対応する圧力ゾーンにおいて、前記基板の前記上面に対する前記移動可能な研磨部材の圧力のそれぞれを調整することを特徴とする方法。
  9. 前記基板の1またはそれ以上の厚さをさらに光学的に検出し、これに応じて前記それぞれの圧力を調整することを特徴とする請求項8記載の方法。
  10. 前記基板から前記材料が除去される速度;前記基板から除去された材料の量;および前記基板の厚さの変化のうちの少なくとも1つから、前記1またはそれ以上の厚さをさらに演算することを特徴とする請求項9記載の方法。
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