JP2014534615A - Ｃｍｐ後クリーニング装置および方法 - Google Patents

Abstract

基板を化学機械研磨した後（ＣＭＰ後）等のための基板のクリーニング用ブラシであって、非対称なこぶ、もしくは間隔、サイズ、特徴、密度の異なるこぶを用いることで、基板のクリーニングを改善する。

Description

優先権
本出願は、２０１１年９月２６日に出願した米国仮出願第６１／５３９，３４２号に基づく優先権を主張する。

発明の分野
本発明は概して基板の化学機械研磨を対象とする。具体的には化学機械研磨後の基板をクリーニングするためのブラシを対象とする。

発明の背景
半導体基板、特にシリコンウエハに集積回路を形成するには、ウエハに導電層、半導体層、絶縁層を順番に蒸着していくことによって行うことができる。回路の各種機能は、各層が蒸着された後にエッチングで形成することができる。一連の層を蒸着し、エッチングした後の基板の最表面は、ますます非平面になってくる。非平面の表面があると、集積回路製造のフォトリソグラフィ工程で問題が起きる可能性がある。このようなことから半導体基板表面は定期的に平坦化する必要がある。

ダマシン工程とは、相互接続金属線が隔離誘電層により形成される工程である。ダマシン工程ではまず、リソグラフィにより誘電体層内に配線パターンを空け、できた溝に金属を蒸着して充填する。余分な金属は化学機械研磨（平坦化）を行うことで除去できる。化学機械研磨（ＣＭＰ）は化学機械平坦化とも呼ばれており、化学機械的に研磨することで固体の層を除去する方法をいうものであって、表面の平坦化と金属配線パターンの画定を目的として行われる。デュアルダマシンはダマシン工程の変形版であり、金属エッチングではなくＣＭＰ工程を用いて金属配線構造を形成するために使用される。従来のダマシン工程では二回のパターニング工程と二回の金属ＣＭＰ工程を要するようなパターンを作製する場合でも、デュアルダマシン工程によれば二回の層間絶縁膜のパターニング工程と一回のＣＭＰ工程で済む。

典型的なＣＭＰ作業では、化学反応性のあるスラリーを乗せた回転する研磨パッドを用い、基板の最表面を研磨する。基板は研磨パッドの上に置かれ、保持リングで所定の位置に保持される。通常、基板と保持リングはキャリアヘッドないし研磨ヘッドに取り付けられている。このキャリアヘッドで調節しながら基板に力を加え、基板を研磨パッドに押し付ける。研磨パッドが基板の表面を横切るように動くことで、基板の表面から材料が化学的かつ機械的に除去される。

研磨後は、従来、ブラシ等のこする器具を用いて残留スラリーを基板表面からこすり落としている。米国特許第４５６６９１１号には多数の平行な溝のある歯車のような形態のクリーニングブラシローラーが記載されており、溝は回転軸に対して０度から９０度の角度で形成されている。また、円形、楕円形、矩形、ダイヤ形等の突起も記載されており、突起の総表面積は全体の表面積の１５％から６５％となっている。ＣＭＰ後クリーニング用ブラシは発泡体で形成してもよい。基板から汚染粒子を取り除くクリーニング工程中でローラーが回転しつつ基板と接触している間に、発泡体であるローラーブラシの中を通して流体を外側に向けて注入することができるようになる。

こういったブラシは通常ポリビニルアルコールからできている。ブラシを回転させスラリーを基板表面に供給しながら粒子を除去するには、ある程度の大きさの機械的な力を加えなければならない。しかし基板は壊れやすいため、機械的な力が大きすぎると基板に引っ掻き傷等の損傷が生じる可能性がある。したがって、基板を損傷するような過剰な力が生じるおそれを低減しつつ、基板のクリーニングに必要な力の量を最適化し、結果的に力が均一化されるようなＣＭＰ後研磨装置を得ることが望ましい。

図１Ａ〜１Ｄには標準ブラシとも呼べる従来技術のＣＭＰ後クリーニング用ブラシ１０を描いている。このブラシ１０には同一形状のクリーニングこぶ１４がブラシの全長にわたって多数設けられており、基板１２の中央と基板１２の縁の両方を同じ形状のこぶでクリーニングするようになっている。図１Ｂ、１Ｃ、１Ｄから分かるように、こういったブラシ１０は、使用中、基板１２の外縁１６にはこぶ１４の一部分だけしか接触させることができない。図１Ｄを見ると、こぶ１４の側面１５と上面ないし外面１７とが成すこぶ１４の角１９に基板１２が接触している。こぶと基板の縁１６とがこのように角で部分的に接触すると、こぶ１４が使用中に変形したり破損したりする可能性があり、基板の縁の領域のクリーニングが不完全または不均一となるだけでなく、基板に損傷を与えるおそれもある。こぶ１４の平坦な上面１７は側面１５と直角を成しており、こぶ１４の上面１７の周囲にわたって鋭い縁１３を形成している。したがって、ブラシ１０が回転しこぶ１４の列が次々と基板１２に接触していく際、こぶ１４が基板１２に最初に接触する部分は鋭い直角の縁１３である。この鋭い縁１３と基板１２とが接触すると基板に過剰な力が掛かるため、基板１２を損傷するおそれがある。さらに、こぶの角と接触していたのがその後こぶと完全に接触する状態に移行していくと、こぶが曲がるなどして不均一に圧縮されるようになり、最適に機能しなくなる。またこのように最初に角が接触すると、角に無駄な摩耗が生じ、ブラシを使える寿命が縮まるおそれがあることもわかる。

基板の縁におけるブラシ接触だけでなく、ブラシ・基板の干渉の特性は基板の位置によっても変化し、ブラシ・基板界面の位置に応じて変化する。また、従来技術である図１Ａと図３が最も良くわかるが、円柱状のブラシが回転する間、基板は回転しており、円柱状のブラシは基板の円形をした下面の直径や半径や弦の位置に置かれている。ブラシ・基板の接触は通常、ブラシの径に対して十分幅の狭い帯状の接触領域とも呼べる領域内にあるこぶで行われる。当然だが、いかなる瞬間でも「帯状領域」がその全面積で基板と接触するわけではなく、帯状領域内に存在するこぶのみである。また、基板が回転しているという点で、帯状領域は常に基板上を移動している。帯状領域が基板の回転中心を横切るところでは、基板との継続的な接触が効果的に維持される。つまり、帯状領域内のこぶは（ブラシの回転に伴って）帯状領域を出入りするものの、帯状領域が基板の中心から離れることはない。基板の縁では、基板が回転するに伴い帯状領域が特定の領域と瞬間的に接触する。これに対応して、基板の単位面積当たりのブラシ・基板の接触時間は基板の中央で最大になり、こぶの形状・配置が図１ａのように均一である程度において、基板の単位面積あたりのブラシ・基板の接触時間は帯状領域に沿って基板の縁に向かって減少する。

従来、こぶの基板との接触については、接触部は最初は前側の角、すなわち「台地」の縁であり、接触部は台地の表面のほとんど全面へと移っていき、再び後側の縁まで移ったところで基板との接触が終了する。ブラシが回転する間、こぶの初期の接触から「通常姿勢」までの段階で、こぶは基板に対して垂直な姿勢であり、また基板はブラシに対して接線方向にあり、ブラシのこぶは圧縮されていく。通常姿勢から解放位置まではこぶは解放段階にあり、径方向外側に膨らんでいく。

さらに、ブラシ・こぶ・基板どうしの接触の特徴は、基板におけるブラシ・基板間の界面の場所によって変化する。たとえば、基板上の点どうしあるいは部分どうしで速度が異なることに起因して、基板の回転中心からの距離に応じて、基板のうち中心付近の部分のブラシとの接触時間やブラシに対する相対速度は、基板中心からもっと遠い部分の相対速度と比べて変わってくる。相対速度が異なると材料を除去する速度や特性が異なってくる可能性がある。また、例えば、上述したように、基板を横切る幅をもつ実質帯状の接触領域がブラシによって形成されるという点で、基板のうち中心部に近い特定の領域は、中心から遠く離れた領域よりも（一回転当たり、または処理間隔当たり）長時間帯状領域と干渉する。このように接触の特性が異なっているということについては、これまで対処されてこなかったか、あるいは十分に対処されていなかった。

当然であるが、ＣＭＰ作業では基板から材料を均一かつ最適に除去できるのが望ましい。基板上の場所でブラシ・基板間の界面の特性が異なるのを吸収あるいは相殺しつつ、形状を最適化して個々のこぶが基板に接触する段階やそれに伴ってこぶが圧縮・解放される段階を有効に活用できるようなブラシが得られれば有利である。

米国特許第４５６６９１１号 米国特許第７９８４５２６号 米国特許第６２９９６９８号 米国特許第６２４０５８８号 米国特許第５８７５５０７号 米国特許第４０８３９０６号 米国特許第５３１１６３４号 米国特許第５５５４６５９号 米国特許第５６７５８５６号 米国特許公開第２００９／００４４８３０Ａ１号 国際公開第２０１１／１０３５３８号

発明の概要
本発明は、半導体ウエハ、ハードディスク、フラットパネル等の種々の基板をクリーニングするために使用することができるＣＭＰ後クリーニング用ブラシである。ＣＭＰ後用ブラシは円柱状の基部から外向きに突出しこぶを複数備えており、こぶはブラシの周囲にわたって配置されている。こぶは非対称な形態として、こぶの基板接触面の前側の縁が後側の縁とは異なる形状で湾曲したり丸みを帯びているような形状とすることができる。こぶは、それらは最適なクリーニング性能を得るために、基板上のそれぞれの接触位置（基板縁から中心までの距離または例えば、距離）のために適合されるような位置や形状や配置とすることができる。こぶの位置や成形や配置は基板の中心部から外側の縁にわたって連続的に変えてもよいし、あるいはこぶを複数のグループ、例えば三つのグループに分けて、各グループのこぶの位置や形状や配置は同じとし、ブラシが基板の中心部に接触する場所（通常は円柱状ブラシの中央）からブラシが基板の外側領域に接触する場所（通常はブラシの外縁）にいくにつれて変化させてもよい。例えば、速度の小さいウエハの中心部に接触するブラシ上のこぶのサイズは、速度の大きいウエハの外周部分に接触するこぶよりも大きくして、接触表面積を大きくとってもよい。これによりウエハのすべての部分が受ける相対的なこすり量、すなわちウエハの各部分についてブラシがウエハに接触する時間を均一化できる。

別の例として、こぶの形状はブラシの上の位置に応じて変えることができる。ウエハの縁ではウエハの中央近くよりもこぶとウエハの接触の相対速度が大きくなるため、中央に近いこぶほどこする作用が増加するような積極的な形状としても良い。この「積極的」な形状は、前側の縁を広くしたり、スポンジの基部からこぶが径方向外向きに突き出る量を多くしたり、こぶの先細りの具合を変化させたりなど、各種の形状で構成することができる。

また、基板上の位置と相関するブラシ上でのこぶの位置に基づいて、こぶが径方向に突き出す長さを変えてもよい。

軸方向から見たとき（円柱状ブラシの軸に関して）、こぶには縁ないし角と、後側の縁ないし角と、その間の表面があり、表面はほぼ平坦であるか凸状の湾曲部があってもよい。実施例によっては、前側の角が後側の角よりも円柱状の基部に近い位置にある。実施例によっては、後側の角が前側の角よりも径方向外側にさらに延びている。実施例によっては、後側の角と円柱状の部分との間をこぶに沿って測定した距離が、前側の角と筒状の基部との間をこぶに沿って測定した距離よりも大きい。本発明の実施例のひとつとして、前後の角の間の表面は、従来の円柱状のこぶの前側の角と比較して、ブラシが回転する際にその表面が最初に基板に接触するように形成してもよい。実施例として、前側の角と後側の角の間の表面をほぼ平坦としたうえで角度を付け、実質的に前側の角と後側の角の間の表面全体が同時に接触するようにしてもよい。こうすることで接触サイクルの圧縮段階においてこぶの接触表面積が増加するが、これによりクリーニングを強化できると考えられる。また、圧縮が解放される際にこぶと基板の接触の分離が素早く行われる。

本発明の実施例のひとつとして、円柱状ブラシのこぶの形態とブラシ・基板間の接触具合は、基板のクリーニングについてこぶの基板に対する接触が最適化され、強化されるようになっている。

本発明の実施例のひとつとして、円柱状ブラシのこぶの形態とブラシ・基板間の接触具合は、こぶの基板に対する接触が圧縮弧中に増強されるようになっている。

本発明の実施例のひとつとして、円柱状ブラシのこぶの形態とブラシ・基板間の接触具合は、こぶの基板に対する接触が従来の円柱状こぶに比べ、圧縮弧中に増加するようになっている。本発明の実施例のひとつとして、円柱状ブラシのこぶの形態とブラシ・基板間の接触具合は、こぶの基板に対する接触が従来の円柱状こぶに比べ、圧縮弧中に減少するようになっている。

本発明の別の実施例は、半導体ウエハ等の基板の表面をＣＭＰ後にクリーニングする方法である。この方法には、回転する基板の表面を、複数のこぶを有する回転する円柱状の発泡体ローラーを接触させる工程が含まれる。こぶは、ブラシの周方向にわたって並ぶ軸方向の列をなすよう配置してもよく、また基板接触面の前側の縁が曲面状あるいは丸みを帯びた非対称の形態とすることができる。いくつかの実施例として、一対のローラーブラシを基板に接触させることもでき、第１のブラシは基板の上面に接触させ、第２のブラシは基板の下側に接触させる。このような実施例では２つのブラシを反対方向に回転させて、回転基板の両側で出合うようにすることができる。したがって、第１のブラシの非対称こぶの基板接触面は、第２のブラシのこぶの基板接触面の反対側にあるようにすることができる。上側のブラシの形態を下側のブラシと異なるものとすることもできる。すなわち、基板の上面に接触するブラシのこぶの形状や位置や配置を、下側に接触するブラシのこぶとは異なるものとしてもよい。

本発明の各種実施例における別の特徴および利点としては、ブラシの中央領域での基板接触領域がブラシの縁の領域よりも小さいこぶを有するブラシがある。こうすることで、基板の中心領域でのこぶと基板との接触量が均一となる。基板の中心近くでは一回転当たりの表面積が中心から遠いところと比較して小さくなることに起因して、基板の中心領域は縁の領域よりもブラシとの接触持続時間が長い部分となる。こうすることで、ブラシとの過度の接触に起因する中央領域への損傷の可能性を抑えながら、基板の縁の領域のクリーニングを最適化する。

実施例として、ＣＭＰ後クリーニング用ブラシは、回転基板の半径上の位置によって速度が異なるのに対応できるように構成される。実施例として、基板の動きの速い部分と接触するブラシの長さの端の領域のこぶの形態を、基板の中央部に対応する基板の動きの遅い部分と接触するブラシの中央部と比べて異なるものとすることができる。ブラシは、縁の領域よりも高い頻度で基板と接触する中央領域ではこぶの基板接触領域を小さくすることができる。また、ブラシの円柱面上の単位面積当たりのこぶの数であるこぶの密度を、こぶが基板のどこに接触するか（基板の中央または縁からの距離）によって変化させてもよい。例えば、ウエハの中心と接触するスポンジの部分に対して密度を大きくとる。さらに、ブラシの円柱面上の単位面積当たりの接触面積の量を、基板上の位置（基板の中心または縁から測った距離）によって変化させてもよい。例えば、ウエハの中心に向かって接触表面積を大きくすると有利である。

本発明の各種実施例の特徴および利点としては、こぶの基板接触面のうち、ブラシが回転する間基板などの基板に最初に接触する部分を丸みを帯びた形状とすることがある。基板接触面が丸みを帯びていると、直角や「鋭利」な接触面よりも基板に加わる力が分散されるため、こぶとの接触による基板への損傷の可能性が減少する。

本発明の各種実施例の別の特徴および利点は、こぶを非対称とすることによって湾曲した接触面のある薄いこぶを設けることができるようになることである。こぶが薄いと基板との接触の際に変形しやすくなるため、基板上に加わる力が小さくなる。このため基板はこぶによって損傷を受けにくい。

本発明の各種実施例の更なる特徴および利点は、裏面に段差のある非対称なこぶである。裏面に段差があると基部を太くしたままこぶの接触部を薄くすることができる。したがってこぶは基板と接触する際に変形しやすくなるものの、基部は強力な基礎となってこぶがあまりにも簡単に変形してしまうのを防止する。

階段状など非対称の形態は、例えば、こぶの最も高い部分が折れるのが抑制され、実施例によっては、こぶが折れた後、こぶの肩部やブラシの円柱面に当たるようにことができるようになることによって、基板との接触力が均一になる。

特定の用途においては、こぶを複数の縁で接触できるようにすることによって、特定のスラリークリーニングによっては効率的に機能することができるようにすることが有利である。そのような場合には、非対称のこぶの形態は、こぶが基板を通過して回転する間に複数の縁で基板に接触するようにしてもよい。このようなこぶとして、二つのピークを持つものとすることができる。

簡単な説明
図１Ａは従来技術によるＣＭＰ後クリーニング用ブラシと基板（破線の円）を示す図である。 図１Ｂは図１Ａのブラシの端部と基板の部分図である。 図１Ｃはブラシの端部と図１Ａの基板の部分図である。 図１Ｄはブラシの端部と図１Ａの基板の部分図である。 図２は従来技術による別のＣＭＰ後クリーニング用ブラシである。 図２ａは従来技術によるＣＭＰ後のクリーニング工程中のブラシの模式的な断面図である。 図３は本発明の実施例のひとつによるブラシの正面図である。 図３ａは図３のブラシの側面図である。 図３ｂは図１〜図３のブラシのこぶの詳細図である。 図４ａと図４ｂは本発明の実施例のひとつによる非対称なこぶの側面図である。これらのこぶは紙面に直交する縦向きの面に関して非対称であり、円柱状のブラシ上ではこの面はブラシの軸とこぶを通る平面に対応する。こぶは頂上の構造の下に円柱状または楕円状の基部を設けてもよい。 図５ａは一方の側の曲率半径が他方の側よりも大きくなっている非対称なこぶの平面図である。こぶを通る破線は円柱状ブラシの軸を通る平面であり、こぶがこの面に関して非対称になっていることを表している。破線から出ている矢印は回転方向の例を示している。 図５ｂは図５ａのこぶの５Ｂ−５Ｂ線で見た側面図である。 図６から図９は本発明の実施例のひとつによる非対称なこぶの側面図である。これらのこぶは少なくとも紙面に直交する縦向きの面に関して非対称であり、円柱状のブラシ上ではこの面はブラシの軸とこぶを通る平面に対応する。矢印は円柱状ブラシの回転方向の例を示しており、各こぶはその一部である。 図１０から１２は本発明の実施例のひとつによる非対称なこぶの斜視図であり、接地部が円形となっていることで円柱状の基部を備えている。 図１３から１５は本発明の実施例のひとつによる接地部が長方形の非対称なこぶの斜視図である。 図１６から１９は本発明の実施例のひとつによる接地部が円形の非対称なこぶの斜視図であるが、接地部は楕円であっても構わない。 図２０は本発明の実施例のひとつによるＣＭＰ後のクリーニング工程である。 図２１は本発明の実施例のひとつによるブラシのこぶが基板に接触する領域を示す図である。 図２２ａと図２２ｂは非対称のこぶがその湾曲側で基板面に接触し始めている様子を示す模式的な断面図である。 図２３ａと図２３ｂは非対称なこぶがその湾曲側で基板面に接触し始め、湾曲側がこぶの肩に折り重なる様子を示す模式的な断面図である。 図２４ａから図２４ｅは非対称なこぶがその湾曲側で基板面に接触し始め、基板接触の圧縮段階で接触が高まる様子を示す模式的な断面図である。 図２５は本発明の実施例のひとつによるブラシが基板に乗っている平面図であり、基板の縁とブラシの端に向かってこぶの大きさが大きくなっている。図示を簡潔にするためこぶは２列しか示していないが、この示されているパターンが円柱状の基材の周方向に繰り返し並んでいるものと理解されたい。 図２６は本発明の実施例のひとつによるブラシが基板に乗っている平面図であり、基板の縁とブラシの端部に向かってこぶの密度が増加している。図示を簡潔にするためこぶは軸方向に２列しか示していないが、この示されているパターンが円柱状の基材の周りに周方向に繰り返し並んでいると理解されたい。

詳細な説明
種々の構成物と方法を説明していくが、本発明はここに記載している特定の構成物、設計、方法論、プロトコルに限定されず、これらは変更してもよいものと理解されたい。なお、本明細書で使用する用語は、特定のバージョンまたは実施例のみを説明する目的のためであって本発明の範囲を限定することを意図するものではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ定まることもまた理解されたい。突起とこぶという用語は、当業者であれば知っていると思われるが、本明細書に記載したＣＭＰ後クリーニング用ブラシの特徴を説明するために互換的に使用することがある。本明細書における基板は、ウエハのほか、フラットパネル、太陽電池パネル等の基板である。

本発明の実施例のひとつとしてのこぶは紙面に直交する垂直面に関して非対称である。円柱状のブラシ上では、この面はブラシの軸を通りこぶの中心を通る平面に対応する。

従来技術のＣＭＰ後クリーニング用ブラシ２０を図２に示す。このブラシ２０は、円形状の標準的なこぶ２２を中央部に備えているほか、クリーニング対象であるウエハ等の基板の縁に対応する輪郭ないし形状をもつこぶ２４を端部に備えている。中央部のこぶ２２と端部のこぶ２４は、平坦な上面２７、１７が側面２５、１５と直角を成すところに鋭い縁２３を備えている。なおこのブラシは端から端まで円柱状ではない。

図２および図２ａは当技術分野で知られているようなＣＭＰ後のクリーニング方法を表しており、この方法には基板３２を一対のクリーニングブラシ３０の間に配置する工程を含む。クリーニングブラシ３０はブラシの周囲に並ぶ複数の軸方向の列をなす円柱状のこぶ３４を複数有する。基板３２は矢印３６で示すように回転し、ブラシ３０は矢印３８で示すように反対方向に回転する。したがって、ブラシ３０が回転する間、こぶ３０の上面３７と側面３５とが交差することで形成されるこぶ３４の鋭い縁３３がまず基板３２と接触する。しかしブラシ３０が回転する間にこれらの鋭い縁が次々と基板３２に接触３３していくのは基板を保護しクリーニングするには最適ではない。

化学機械平坦化後クリーニング用のブラシ（ＣＭＰブラシ）を使って基板をクリーニングする際の機械的な力は、不均一または非対称なパターンのこぶを用いることでさらに効率を良くすることができると考えられる。例えば、基板と接触する部分が湾曲したり丸みを帯びたりしており、基板に接触しない後側の縁が異なる形態となっているような非対称のこぶであるとクリーニングが有利になると考えられる。また、軸方向に沿ってこぶの密度を変化させることで、中心軸周りに回転する円形基板に特有な回転基板における相対速度とこする時間の差を相殺することができる。例えば、図１ａの基板の中央部はほとんど絶え間なく回転ブラシによってこすられるが、ウエハの外縁近くの部分は相対的にではあるがブラシと接触する頻度が少ない。本発明の実施例のひとつとして、ブラシの軸と円柱状の基部の軸とを通る面に対してこぶを非対称とすることができ、またブラシの軸方向長さに沿ってこぶの密度を変化させることもできる。

図３−３ｂを見ると、ブラシ４０は、両端４４、４６、軸４８、外側の円柱面５０のある円柱状の基部４２と、外側の円柱面から突き出た複数のこぶ５２とを備えている。図３ａが最も良くわかるが、各こぶはブラシ軸４８を通ってブラシの軸方向に延びる平面５５に関して非対称である。このブラシは矢印６０で示す方向への回転を意図しており、前側の縁６２と後側の縁６４とがある。前側の縁には、この実施例ではこぶの外周の円柱面６８と上面７０によって前縁角６６が形成されている。後縁角７２も同様に形成されるが、前縁角よりも大きくなっている。各こぶには中心軸７４と円柱状の基部４２あるいは円柱面５０に対する最高地点７６がある。ブラシには軸方向両側にこぶの末端列７８，８０がある。

図４ａ−１９では、本発明の各種実施例としてのさまざまな非対称のこぶの形態の表現を見ることができる。図４ａ、図４ｂ、図１２は本発明の実施例のひとつによるこぶ１００、１１０を示しており、基板接触面１０９、１１９は、上面１０７、１１７に加え、前面１０５、１１５とこの上面１０７、１１７とが出合う箇所に形成された丸みを帯びた前側の縁１０３、１１３を含んでいる。上面１０７は平坦または丸みを帯びた形態とすることができる。本明細書に説明する通りにブラシの周りにこぶ１００を分散配置し、回転させて基板をクリーニングするとき、こぶ１００、１１０の前側の丸みを帯びた曲面状の縁１０３、１１３が最初に基板に接触する部分となるため、鋭い前側の縁で過度の力がかかるおそれが低減する。矢印は各実施例のこぶを備える円柱状の基部の意図する回転方向を示している。しかし別の実施例としてシリンダを反対方向に回転させることもできる。

図４ａのこぶは、前側の縁６２の曲率半径ｒ１が後側の縁６４の曲率半径ｒ２よりも十分に大きくなっている。

こぶ１１０は上記のこぶ１００よりも高さに対する幅ないし周長の比を小さくすることができる。こうすることでこぶ１１０が容易に変形できるようになるため、１個のこぶが基板上に与える機械的な力が減少し、基板を引っ掻く可能性が減る。実施例のひとつとして、このようなこぶ１１０を用いるＣＭＰ後用ブラシであれば、太いこぶ１１０のブラシよりもこぶ１１０を多く設けることができる。

図６と図１１は本発明の別の実施例によるこぶ１２０を示している。基本的には円柱状ないし先細った柱状の基部と、切り欠き１２８のあるドーム部１２１．１を備えている。このこぶ１２０は、前面１２５から前側の縁１２３、上面１２７にわたる曲面状ないし丸みを帯びた基板接触面１２９を備えている。また、こぶ１２０は、段差１２４と段差付き後面１２６を備えている。段差付きのこぶ１２０は上記のこぶ１１０と同様に基板接触部１２２が薄く容易に変形できるようになり、基板への損傷の可能性が減る。しかし段差付きの後面１２６によって幅の広い基部１２１ができており、基部が強くなることでこぶ１２０があまりにも簡単に変形し基板をクリーニングする力が不十分となるのを防いでいる。接触部１２２は幅を変えることもでき、この部分の幅は基板に適当な力を与えることができるように設定することができる。

図７、図８、図１８、図９、図１９は本発明の各種実施例としてのこぶを示している。図７、図８、図９、図１９のこぶ１３０、１４０、１５０は前側の縁として鋭い角１３１、１４１、１５１、１５１．１を備えており、こぶ１３０、１４０、１５０の後側１３６、１４６、１５６には曲面状ないし丸みを帯びた基板接触面１３９、１４９、１５９の後側の縁１３３、１４３、１５３を備えている。なお別の実施例として回転方向が逆であってもよい。

図８と図１８のこぶ１４０は前側に鋭い縁１４１を備え、こぶ１４０の後面１４６からこぶ１４０の前面１４５までにわたる曲面状ないし丸みを帯びた基板接触面１４９を備えている。図９と図１９に示すこぶ１５０は初期接触部１５５に段差があり、こぶ１５０の後側１５６に曲面状で丸みを帯びた表面１５９を備えており、段差のある前面１５５を備えている。こぶは基部ないし接地部が円状であるとして描かれているが、例えば図１０Ａ〜図１０Ｆに示すような正方形や長方形、あるいは長円形や三角形等の形状など、様々な形態のこぶとすることができる。

図２０は本発明の実施例のひとつとしてのＣＭＰ後の基板２０１のクリーニング工程を実施するためのシステム２００を示しており、第１の上部のＣＭＰ後用ブラシ２１０と第２の下部のＣＭＰ後用ブラシ２２０を用いている。各ブラシは、流体流空洞１９０と、多孔質の円柱状基部１９２とを備えており、流体流空洞から多孔質の円柱状基部まで流体通路１９４が延びている。この実施例の流体通路は多孔質フォームでできており、円柱状基部とこぶの多孔質発泡体と一体となっている。第１のブラシ２１０が基板２０１の上側ないし表側２０２と接触し、第２のブラシ２２０が基板２０１の下側ないし裏側２０４に接触し、その間基板２０１が２０６で示す方向に回転する。第１のブラシ２１０は方向２１２に回転するとともに、非対称なこぶ２１４がブラシ２１０周りの複数の軸方向の列をなして並んでいる。第２のブラシ２２０は反対の方向２２２に回転するとともに、非対称なこぶ２２４がブラシ２２０周りの複数の軸方向の列をなして並んでいる。したがって両ブラシは回転する基板に向かって回転している。双方のこぶ２１４、２２４は、こぶ２１４、２２４の曲面状の丸みを帯びた基板接触面２１９、２２９が基板２０１に最初に接触するこぶの前側部分となるように設けられる。実施例によっては、上側のブラシ２１０と下側ブラシ２２０の一方のみが非対称なこぶを備え、他方が標準的な前後対称の（例えば接触面が丸みを帯びた）こぶを利用することもできる。

図１Ａを見ると最も明確に分かるが、回転ブラシを用いて回転する基板をクリーニングする際、基板の中央部は基板が回転する間基板の縁の領域よりも頻繁にブラシと接触する。縁の領域はブラシの反対側の端に到達するまでに長い距離を回転しなければならないためである。このため、ブラシの全長にわたってこぶの接触面積が同じであると、次のいずれか片方の望ましくない結果が生じる。基板の中心領域が十分にクリーニングされる場合、基板の縁の領域はブラシとの接触が減るため適切にクリーニングされないことがある。一方、縁の領域が適切にクリーニングされる場合、中央領域はブラシとの接触が増えることによってブラシとの接触や摩擦が増加し損傷する可能性がある。

図２１と図２４Ａ〜図２４Ｅは、基板３１２上のブラシ３１０の輪郭３９２と、ブラシと基板が実際に接触する領域３９３とを示している。こぶの上面の形状や角度に起因して、こぶの初期接触は大きい方の接触円形領域３９４で表現しているこぶの上面のほぼ全体であることに注意したい。ブラシが回転すると、接触領域は大きいまま接触領域３９３の中心線３９９を越える。接触領域３９６はその後ブラシがさらに回転すると急速に縮小し、接触が解ける直前には非常に小さくなる。ブラシと基板は両方とも回転しているためそれらの接触領域３９３はブラシと基板のいずれにも固定されていないが、ブラシと基板の向きによってはブラシの下あるいは隣接する静的領域となる。

図２５に示すように、基板の中央領域４１４と接触するブラシ４１０の軸方向中央ｃに近い中央領域４１２では接地部および接触面の小さなこぶを設けて、こぶと基板の中央領域の接触を減少させるとともに、回転基板４１６の外側領域と接触するブラシの外側領域に向けてこぶを幅広で大径にしていき、軸方向の中央ｃなど中央領域のものよりも接触面を大きくすることもできる。このように分布させることで基板にわたってブラシを均一に接触させることができるようになり、ブラシから基板への過剰な接触によって基板中央部が損傷する可能性を抑えながら基板の縁の領域を十分クリーニングできるようになる。この分布は面積密度が変化するものであり、勾配がついている。各こぶは円柱状の基部に接続する箇所に接地部があって、ある接地面積をもっている。面積密度は特定の領域にある接地面積の合計をその特定の領域の円柱面の面積で割ることで定めることができる。いくつかの実施例として、ブラシの中央領域と外側軸領域とで比べて面積密度を３０％よりも多く変化させることができる。実施例によっては５０％を超える。これらの面積密度は両端の最外列４１７、４１８の内側で測るのが適切である。

図２６に示すように、基板の外側領域５１６と比べて中央領域５１４でこぶの密度を小さくし接触面を小さくすることで、外側領域に比べて中央領域でのブラシ５１０の接触を低減することもできる。このように分布させることで基板にわたってブラシを均一に接触させることができるようになり、基板中央部が損傷する可能性を抑えながら基板の縁の領域を十分クリーニングできるようになる。この分布は、両端の最外列の内側で円柱状基部の数密度が変化していることでもたらされる勾配がついている。こぶの数密度は円柱状基部の円柱面の単位面積当たりのこぶの数として定めることができる。図に示すとおり、両端の最外列の一方５１７から他方５１８に向かって数密度がブラシの軸方向に変化している。基板があまり頻繁にブラシと接触しない端部では密度が大きく、基板が頻繁にブラシと接触する中央部、軸方向の中心ｃで密度が小さくなっているのが示されている。

別の実施例として、中央領域では段差で大きさを削減したこぶを用い、縁の領域では完全な大きさのこぶを用いることができる。ブラシには非対称のこぶを利用するものとして説明したものの、上面が丸みを帯びたものや平坦なものなど、対称形状のこぶを使用することもできる。別の実施例として、こぶの密度とこぶの大きさの両方をブラシ上の位置に応じて変えることもできる。軸方向の最外列のこぶは基板の縁と接触することによって形状や大きさが変形する場合があるため、こぶの形状やサイズを軸方向に変化させることは、特定の実施例では軸方向の最外列の内側からで考えるのが適切である。

いくつかの実施例として、ブラシはこぶの密度を軸方向に沿って変化させるだけでなく、個々のこぶの表面接触領域を軸方向に沿って変化させることもできる。軸方向の最外列のこぶは基板の縁と接触することによって形状や大きさが変形する場合があるため、こぶの密度を軸方向に変化させることは、特定の実施例では軸方向両端の最外列の内側からで考えるのが適切である。

いくつかの実施例として、こぶの部分などの発泡体の密度や空隙率は変化させることができる。例えば、外方向に露出した面でのこぶの空隙率を、基部から延びる円柱状の面に比べて大きくすることができる。

いくつかの実施例として、ブラシの片側の半分では基板がブラシと同じ方向に回転しており、ブラシの残り半分では基板と反対方向に回転していることにより相対接触速度の範囲が異なっている点を、ブラシの各半分でのこぶのサイズ、特性、密度について考慮に入れる。例えば、ブラシの基板と同じ方向に回転する側でのこぶの範囲を、こぶと反対向きに回転するブラシの半分に比べ大きくすることで、スクラブ作用がわずかに大きくなるようにすることができる。

従来技術の特許には、本明細書で説明する様々な発明の実施例と共に使用するのに適した特定の構成、配合物、構造、システム、工程、解決手段が開示されている。特定の特許公報および公開公報として、米国特許第７９８４５２６号、第６２９９６９８号、第６２４０５８８号、第５８７５５０７号、第４０８３９０６号、第５３１１６３４号、第５５５４６５９号、第５６７５８５６号、米国特許公開第２００９／００４４８３０Ａ１号、国際公開第２０１１／１０３５３８号を参照により本明細書に組み込む。

本発明の各種実施例を実現する例示的な物品、組成物、装置、方法をいくつか示してきたが、本発明がこれらの実施例に限定されないことは当然理解できるであろう。当業者であれば、特に以上の教示内容を踏まえることで、各種変形を行うことができる。例えば、ある実施例の構成要素や特徴を別の実施例の対応する構成要素や特徴の代わりに用いてもよい。さらに、本発明は、これらの実施例の種々の態様を種々の組合せや部分的な組み合わせで用いることができる。

Claims (20)

1. 基板の化学機械研磨後の基板のクリーニング用ブラシであって、
   両側の端と軸とを有し端から端まで延びる円柱状の基部と、
   この円柱状の基部から一体に突き出た複数のこぶとを備えており、
   ブラシに意図した回転方向があることで各こぶに前側と後側があり、
   円柱状の基部とこぶとが多孔質発泡体の一体構造を成しており、
   各こぶが、そのこぶの中心を通りかつ円柱状の基部の軸を通る径方向と軸方向のなす平面に関して非対称な形状を有するブラシ。
2. 請求項１に記載した基板の化学機械研磨後の基板のクリーニング用ブラシであって、
   各こぶが、意図した回転方向を向いた湾曲した前側の縁と、反対側の後側の縁とを備えており、
   後側の縁に最小曲率半径の部位があり、前側の縁に最小曲率半径の部位があって、後側の縁の最小曲率半径が前側の縁の最小曲率半径よりも小さくなっているブラシ。
3. 請求項１または請求項２の基板の化学機械研磨後の基板のクリーニング用ブラシであって、
   各こぶに段差があることで外向きの面が２面形成されているブラシ。
4. 請求項１または請求項２の基板の化学機械研磨後の基板のクリーニング用ブラシであって、
   各こぶが円状の接地部と楕円状の接地部のいずれかをもつ基部を備えているブラシ。
5. 請求項１または請求項２の基板の化学機械研磨後の基板のクリーニング用ブラシであって、
   各こぶに平坦な上面があって、この平坦な上面がこぶの軸に対してある角度だけ傾斜しているブラシ。
6. 請求項１に記載した基板の化学機械研磨後の基板のクリーニング用ブラシであって、
   各こぶが円柱状の基部に対する最高地点のある曲面状の上面を備えており、この最大標高点がこぶの中心軸からずれているブラシ。
7. 請求項６に記載した基板の化学機械研磨後の基板のクリーニング用ブラシであって、
   各こぶに軸があって、各こぶが平坦な上面を備えているブラシ。
8. 請求項１に記載した基板の化学機械研磨後の基板のクリーニング用ブラシであって、
   円柱状の基部上に設けられたこぶは軸方向両側で末端列をなしており、
   円柱状の基部の両側の末端列の内側の円柱面について、基部の円柱面の単位面積当たりのこぶの数としてこぶの数密度が定義され、この数密度がブラシの軸方向中央から両側の末端列までにわたって変化しているブラシ。
9. 請求項１に記載した基板の化学機械研磨後の基板のクリーニング用ブラシであって、
   円柱状の基部上に設けられたこぶは軸方向両側で末端列をなしており、
   各こぶには接地部と接地面積があり、
   円柱状の基部の両側の末端列の内側の円柱面について、基部の円柱面の単位面積当たりのこぶの接地面積の合計としてこぶの面積密度が定義され、この面積密度がブラシの軸方向中央から両側の末端列までにわたって変化しているブラシ。
10. 基板の化学機械研磨後の基板のクリーニング用ブラシであって、
    両側の端と軸とを有し端から端まで延びる円柱状の基部と、
    この円柱状の基部から一体に突き出た複数のこぶとを備えており、こぶは軸方向両側に末端列をなしており、
    ブラシに意図した回転方向があることで各こぶに前側と後側があり、
    円柱状の基部とこぶとが多孔質発泡体の一体構造を成しており、
    円柱状の基部に設けられたこぶの大きさと間隔のうち少なくとも一方について、両側の末端列の内側で円柱状の基部の軸方向にわたって変化が付けられているブラシ。
11. 請求項１０に記載した基板の化学機械研磨後の基板のクリーニング用ブラシであって、
    こぶには少なくとも３種類の形態があって、この形態がサイズと形状のうちの少なくとも一方であるブラシ。
12. 請求項１０または請求項１１に記載した基板の化学機械研磨後の基板のクリーニング用ブラシであって、
    各こぶが、そのこぶの中心を通りかつ円柱状の基部の軸を通る径方向と軸方向のなす平面に関して非対称な形状を有するブラシ。
13. 請求項１０に記載した基板の化学機械研磨後の基板のクリーニング用ブラシであって、
    円柱状の基部上に設けられたこぶは軸方向両側で末端列をなしており、
    円柱状の基部の両側の末端列の内側の円柱面について、基部の円柱面の単位面積当たりのこぶの数としてこぶの数密度が定義され、この数密度がブラシの軸方向中央から両側の末端列までにわたって変化しているブラシ。
14. 請求項８に記載した基板の化学機械研磨後の基板のクリーニング用ブラシであって、
    請求項１に記載した基板の化学機械研磨後の基板のクリーニング用ブラシであって、
    円柱状の基部上に設けられたこぶは軸方向両側で末端列をなしており、
    各こぶには接地部と接地面積があり、
    円柱状の基部の両側の末端列の内側の円柱面について、基部の円柱面の単位面積当たりのこぶの接地面積の合計としてこぶの面積密度が定義され、この面積密度がブラシの軸方向中央から両側の末端列までにわたって変化しているブラシ。
15. 基板の化学機械研磨後の基板のクリーニング用ブラシであって、
    両側の端と軸とを有し端から端まで延びる円柱状の基部と、
    この円柱状の基部から一体に突き出た複数のこぶとを備えており、
    ブラシに意図した回転方向があることで各こぶに前側と後側があり、
    円柱状の基部とこぶとが多孔質発泡体の一体構造を成しており、
    円柱状の基部に設けられたこぶは軸方向両側で末端列をなしており、
    円柱状の基部の両側の末端列の内側の円柱面について、基部の円柱面の単位面積当たりのこぶの数としてこぶの数密度が定義され、この数密度が両側の末端列の一方から他方までブラシの軸方向に少なくとも４回変化しているブラシ。
16. 請求項１５に記載したブラシであって、
    円柱状の基部に設けられた各こぶが、そのこぶの中心を通りかつ円柱状の基部の軸を通る径方向と軸方向のなす平面に関して非対称な形状を有するブラシ。
17. 請求項１に記載した基板の化学機械研磨後の基板のクリーニング用ブラシであって、
    各こぶが、意図した回転方向を向いた湾曲した前側の縁と、反対側の後側の縁とを備えており、
    後側の縁に最小曲率半径の部位があり、前側の縁に最小曲率半径の部位があって、後側の縁の最小曲率半径が前側の縁の最小曲率半径よりも小さくなっているブラシ。
18. 基板の化学機械研磨後の基板のクリーニング用ブラシであって、
    両側の端と軸とを有し端から端まで延びる円柱状の基部と、
    この円柱状の基部から一体に突き出た複数のこぶとを備えており、
    ブラシに意図した回転方向があることで各こぶに前側と後側があり、
    円柱状の基部とこぶとが多孔質発泡体の一体構造を成しており、
    各こぶには接地部と接地面積があり、
    円柱状の基部に設けられたこぶが軸方向両側で末端列をなしており、
    円柱状の基部の両側の末端列の内側の円柱面について、基部の円柱面の単位面積当たりのこぶの接地面積の合計としてこぶの面積密度が定義され、この面積密度が両側の末端列のうち一方の列の軸方向内側から他方の列の軸方向内側までブラシの軸方向に変化しているブラシ。
19. 請求項１８に記載したブラシであって、
    円柱状の基部に設けられた各こぶが、そのこぶの中心を通りかつ円柱状の基部の軸を通る径方向と軸方向のなす平面に関して非対称な形状を有するブラシ。
20. 請求項１８に記載した基板の化学機械研磨後の基板のクリーニング用ブラシであって、
    各こぶが、意図した回転方向を向いた湾曲した前側の縁と、反対側の後側の縁とを備えており、
    後側の縁に最小曲率半径の部位があり、前側の縁に最小曲率半径の部位があって、後側の縁の最小曲率半径が前側の縁の最小曲率半径よりも小さくなっているブラシ。