JP2018526822A - 摩擦が低減された支持表面を特徴とするウエハチャック - Google Patents

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Abstract

研削、ラッピング、及び研磨は、研削、ラッピング、又は研磨される物体内においてスクラッチを生成することにより、機能している。スクラッチは、通常、線形である。スクラッチは、摩擦の方向性成分をもたらし、摩擦係数は、スクラッチに直交する又はこれに跨る方向におけるよりも、スクラッチに沿った方向において小さい。ウエハを取扱う／チャッキングする状況においては、ウエハがチャック上において安着することが望ましく、これには、ウエハの外側領域がチャックとの関係において半径方向において運動する必要がある。ラッピングスクラッチに対して好ましい向きを、即ち、半径方向を、付与することにより、半径方向における摩擦を低減することができる。これは、ラッピングツールの最後のパスが主には半径方向において運動するようにすることにより、実現することができる。
【選択図】図８Ａ

Description

関連出願の相互参照
本出願は、発明者であるＥｄｗａｒｄ Ｇｒａｔｒｉｘ他の名義において２０１５年８月１４日付けで出願された「Ｗａｆｅｒ ｃｈｕｃｋ ｆｅａｔｕｒｉｎｇ ｒｅｄｕｃｅｄ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｕｐｐｏｒｔ ｓｕｒｆａｃｅ ｆｏｒ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｗａｆｅｒ ｓｅｔｔｌｉｎｇ ｔｈｅｒｅｏｎ」という名称の米国仮特許出願第６２／２０５，４２５号明細書の利益を主張する。この仮特許出願の内容は、適宜、引用により、そのすべてが本明細書に包含される。
連邦政府資金による研究の記載
なし。
本発明は、半導体ウエハを取り扱うチャックを加工する方法と、この方法から、調製された、或いは、結果的に得られた、チャックと、に関する。加工されたチャックは、それ自体とウエハの間における低減された摩擦を特徴し、これにより、ウエハが「フラットな状態」において安着することを許容している。
ムーアの法則に従って半導体形状のサイズが益々小型化するのに伴って、非常に正確なウエハ取扱いコンポーネントに対するニーズが拡大している。必要とされる精度の実現における難しさも増大している。例えば、マイクロプロセッサチップがその上部において製造されるシリコンウエハは、加工機械内において、正確に配置されなければならない。ウエハは、通常、真空取扱い装置によって取り扱われている。ウエハは、その自重により、ごくわずかに垂下する。ウエハチャックまで降下した際に、垂下したウエハは、フラットな状態になることを「所望」するが、ウエハとチャックの間の摩擦により、そのような状態になることが妨げられる場合がある。これは、しばしば、「粘着性」問題と呼称されている。この観点においては、金属酸化物が顕著であり、且つ、二酸化ケイ素も例外ではない。この問題を解決するための、或いは、少なくとも軽減するための努力の１つが、ウエハとチャックの間の接触面積を極小化するというものであった。この特定の工学的設計による解決策は、通常は規則的に離隔した、均一な高さの複数の「プラトー」をウエハ内に設計するという形態を有しうる。これらのプラトーは、多数の形状において存在し、且つ、ピン、バール、メサ、バンプ、プラウドランド、プラウドリングなどを含む多数の名称によって呼称されている。ピンは、ウエハがピン上において安着した際にフラットな状態となるのに伴ってウエハがピンに跨って横方向に運動しうるように、摩擦の低減を支援している。ピンは、ウエハの粘着の低減を支援するが、この観点における更なる改善が必要とされている。
ウエハがチャックの１つ又は複数の支持表面に対してフラットな状態において安着することが重要である。さもなければ、ウエハ上に投射される回路パターン画像が焦点外れ状態となる場合がある。更には、ウエハリソグラフィは、露光の間のウエハの再配置を伴う、複数回の露光を必要とする場合がある。従って、後続の露光がウエハ上の正しい位置において発生するように、その最初の位置決めとの関係においてチャック上においてウエハを正確に再アライメントするための方法が存在していることが重要である。
ウエハの汚染及びウエハの安着
まずは最初に、ウエハは、なぜフラットな状態ではないのか。ウエハが加工される際には、且つ、製造の固有の制約により、ウエハは、フラットな状態にはない。しばしば、フロントエンド半導体ライン内において実行されるプロセスにより、薄膜がウエハに追加されており、その結果、ウエハは、多少湾曲することになる。この曲りは、上向き又は下向きのうちの、任意の方向でありうる。フラットな状態からの逸脱の過半は、曲がりの形態を有しており、且つ、変形は、球形又は円筒形としてのものである。
これに加えて、ウエハチャックも、決して完全にフラットな状態にはなく、しばしば、その形状が上向き（ボール）又は下向き（ドーム）である向きなどの、ランダムな方式によるわずかな曲がりを有する。図１は、フラットな状態、上に湾曲した状態、又は下に湾曲した状態である向きにおける、ウエハとチャックの間の様々な可能性を示している。
ウエハが、通常のプロセスに起因した曲りを有するウエハチャック上において配置された際には、ウエハは、フラットな状態に安着することにより、オリジナルのクランピング場所に戻る必要がある。上述のように、ウエハは、主には半径方向である方式において緩和された状態となる必要がある。
半導体リソグラフィにおいては、しばしば、ウエハが露光の間において運動する状態において、複数回の露光に対するニーズが存在している。形状の不整合がウエハとチャックの間において発生した際には、ウエハは、予め生成されたパターンと再アライメントするべく、非常にわずかな量だけ、摺動及び緩和される必要がある。ウエハチャックの粗度が、ウエハが（摺動によって）自然な状態に緩和されえないような状態にある場合には、第２の又は後続のパターンが、ミスアライメントされ、その結果、オーバーレイが毀損状態となる。
対向して接触する２つの表面の間の摩擦は、表面の粗度のみならず、粗度の輪郭線又は「形状」又はトポロジーにも依存している。例えば、粗度が方向性を有する場合には、摩擦も、同様に、方向性を有することになる。
これは、２００８年にＳｐｒｉｎｇｅｒ Ｂｅｒｌｉｎ Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇによって発行された参考書である「Ｎａｎｏｔｒｉｂｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｎａｎｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ」の１１３７〜１１９７頁に掲載されている「Ｍｉｃｒｏ／Ｎａｎｏｔｒｉｂｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏ−Ｎａｎｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ」という名称の論文において、Ｂｈａｒａｔ Ｂｈｕｓｈａｎが提示した、図２の、３つのグラフによって実証されている。最上部の又は（ａ）のプロットは、アライメントされた溝（「罫線」）における表面粗度の粗面計トレースである。第２の（ｂ）のプロットは、第１プロットの表面粗度の勾配を示している。第３の（ｃ）のプロットは、摩擦力のマップである。第２及び第３プロットは、摩擦力が粗度の勾配に比例することを示している。最上部のグラフは、摩擦が、下部表面内における粗度の方向性及び非対称性に起因して、接触表面が（軸２１に沿って）前から後ろに運動している場合に、最小となり、接触表面が（軸２３に沿って）右から左へ運動している際に、相対的に大きくなり、且つ、接触表面が（軸２５に沿って）左から右に運動している際に、最大となることを示している。
現時点の設計は、表面積が、益々多くのスクラッチを生成することによって低減されるのに伴って、この条件下においては、ウエハチャックが、相対的に大きな局所化圧力及び低減された支承面積に起因して、損耗の影響を相対的に受けやすくなるという点において、制限されている。表面が粗くなるほど、損耗が増大する尤度が大きくなる。
本発明は、これらの課題に対処し、且つ、解決策を提供する。
研削、ラッピング、及び研磨は、基本的に、研削、ラッピング、又は研磨されている物体内においてスクラッチを生成することにより、機能している。スクラッチは、通常、線形である。スクラッチは、摩擦の方向性成分をもたらし、摩擦係数は、スクラッチに直交する又はこれに跨る方向におけるよりも、スクラッチに沿った方向において小さい。
ウエハを取り扱う／チャッキングする状況においては、ウエハがチャック上において安着することが望ましく、これには、ウエハの外側領域がチャックとの関係において半径方向に運動する必要がある。ラッピングスクラッチに対して好ましい向きを、即ち、半径方向を付与することにより、半径方向における摩擦を低減することできる。これは、ラッピングツールの最後のパスが主には半径方向において運動するようにすることにより、実現することができる。
図１Ａは、フラットな状態の、上向きに湾曲した状態の、又は下向きに湾曲した状態の向きにおけるウエハとチャックの間の様々な可能性のうちの１つを示す。 図１Ｂは、フラットな状態の、上向きに湾曲した状態の、又は下向きに湾曲した状態の向きにおけるウエハとチャックの間の様々な可能性のうちの１つを示す。 図１Ｃは、フラットな状態の、上向きに湾曲した状態の、又は下向きに湾曲した状態の向きにおけるウエハとチャックの間の様々な可能性のうちの１つを示す。 図１Ｄは、フラットな状態の、上向きに湾曲した状態の、又は下向きに湾曲した状態の向きにおけるウエハとチャックの間の様々な可能性のうちの１つを示す。 図１Ｅは、フラットな状態の、上向きに湾曲した状態の、又は下向きに湾曲した状態の向きにおけるウエハとチャックの間の様々な可能性のうちの１つを示す。 図１Ｆは、フラットな状態の、上向きに湾曲した状態の、又は下向きに湾曲した状態の向きにおけるウエハとチャックの間の様々な可能性のうちの１つを示す。 図１Ｇは、フラットな状態の、上向きに湾曲した状態の、又は下向きに湾曲した状態の向きにおけるウエハとチャックの間の様々な可能性のうちの１つを示す。 図１Ｈは、フラットな状態の、上向きに湾曲した状態の、又は下向きに湾曲した状態の向きにおけるウエハとチャックの間の様々な可能性のうちの１つを示す。 図２は、（ａ）表面粗度マップ、（ｂ）サンプルの摺動方向（水平方向）において取得された粗度プロファイルの勾配、及び（ｃ）１５５ｎＮという通常の負荷を有する金被覆罫線における摩擦力マップである。 図３は、製造プロセスからの残留スクラッチを示す通常のピン表面である。 図４は、ウエハとの接触状態となる表面を示す。 図５は、表面が、ウエハと接触する領域内において、多少ランダムにスクラッチされたことを示す勾配プロットを示す。具体的には、図５Ａ及び図５Ｂは、Ｘ方向における勾配に対応する画像及びヒストグラムであり、且つ、図５Ｃ及び図５Ｄは、Ｙ方向における勾配に対応する画像及びヒストグラムである。 図６は、Ｙ軸に沿って最終ラッピングされたピン表面を示す。 図７は、図６のピンに対応する勾配プロットを示す。具体的には、図７Ａ及び図７Ｂは、Ｘ方向における勾配に対応する画像及びヒストグラムであり、且つ、図７Ｃ及び図７Ｄは、Ｙ方向における勾配に対応する画像及びヒストグラムである。 図８は、ウエハの安着方向に沿って粗度を極小化するための半径方向のスクラッチの生成を示す。具体的には、図８Ａは、斜視図であり、且つ、図８Ｂは、ウエハチャック内の半径方向のスクラッチの平面図である。
研削、ラッピング、及び研磨は、基本的には、研削、ラッピング、又は研磨されている物体内においてスクラッチを生成することにより、機能している。スクラッチは、通常、線形である。スクラッチは、摩擦の方向性成分をもたらし、摩擦係数は、スクラッチに直交する又はこれに跨る方向におけるよりも、スクラッチに沿った方向において小さい。
ウエハチャックをラッピングするための現時点の技法は、「支承」形状（プラトー）におけるランダムに生成された粗度を使用しており、これによれば、上部接触領域が、極小化され、且つ、通常は「Ｓｐｑ」として識別される、上部表面粗度が、極大化されている。この技法は、摩擦を克服するべく必要とされる力が粗度の勾配に比例していることを認識している。勾配が鋭いほど、摺動に対する相対的に大きな抵抗力が生成される。
通常のピンの支承表面は、研削、ラッピング、又は研磨などの方法によって製造されており、これらの方法は、ウエハが接触する表面内においてランダムなスクラッチを意図的に生成している。表面内のこれらのスクラッチは、多少ランダムな方式によってアライメントされており、従って、相対的に小さな摩擦を有する優先方向は、存在していない。以下の図３には、通常のラッピングされたピンが示されている。図４に示されているように、ウエハがウエハチャックと接触する支承表面のみを示すべく、データがクリップされた際には、スクラッチングのランダム性が相対的に明瞭である。図は、デカルト空間を示し、且つ、Ｘ及びＹの直交方向における勾配がプロットされている。
この場合にラッピングを実現するべく使用されるツールは、「処理」ツールと呼称される。一実施形態においては、処理ツールは、チャックと、或いは、少なくともウエハを支持するチャック表面と、ほぼ同一の硬度を有することができる。これを実現するための１つの方法は、チャック又はチャック支持表面を製造するべく使用されているものと、同一の、或いは、これに類似した、材料から処理ツールを製造するというものである。このような材料における人気のある選択肢の１つが、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などのセラミックであり、これは、反応接合ＳｉＣ（「ＲＢ−ＳｉＣ」）などのＳｉＣを含む複合材料の形態を有することができる。
処理ツールは、通常、例えば、ウエハチャックなどの被加工物の表面に機械的に又は物理的に接触するべく意図されたフラットな表面（又は、視覚的にフラットに見えるもの）を特徴としている。別の実施形態においては、処理ツールは、リング又は環帯として成形することもできる。ツールは、チャック表面との物理的な接触状態において、チャック表面上において運動させられ、これにより、磨滅によって材料を除去する。
一実施形態においては、処理ツールは、直径が２７ｍｍである。視覚的には、接触表面は、フラットな円板であるように見えるが、実際には、接触表面は、フラットな表面との接触状態となった際に、接触のエリアが、円板のものではなく、円又は環帯のものとなるように、わずかにドーナツ形の形状を有する。処理ツールの接触表面が環帯又はリングとして成形される場合には、これも、わずかにドーナツ形の形状を特徴とすることができる。
ウエハ表面には、マイクロプロセッサがリソグラフィによって形成されることになるダイ又は領域が存在することになる。ダイのサイズは、約３ミリメートル〜約２８ミリメートルの範囲を有することができる。処理ツールのサイズ、直径、又は「有効直径」は、リソグラフィを経験することになるウエハ上のダイサイズに対応するように、スケーリングすることができる。従って、ダイサイズの長さが２８ｍｍである場合には、直径が２８ｍｍであるラッピングツールが適当となろう。
本発明に従って実施されたラッピングにおいては、約１８０グラムの自重負荷下における、且つ、約３メートル／分の平均速度において動作する、２８ミリメートルのドーナツ形形状のＳｉＣ包含処理ツールを利用した。視覚的には、処理ツールは、円板形状であるように見えたが、円板のエッジ及び中心領域は、わずかにドーナツ形の形状を処理ツールに対して付与するべく、フラットな状態から離れるように高くなっていた。
図５は、Ｘ（図５Ｂ）及びＹ（図５Ｄ）方向における表面粗度の勾配を示すヒストグラムを特徴としている。それぞれヒストグラム（図５Ｂ及び図５Ｄ）の上方の画像（図５Ａ及び図５Ｃ）は、表面粗度が計測された表面の顕微鏡写真である。Ｘ方向における表面粗度のＲＭＳ勾配は、７．２２ミクロン／ミリメートルであった。Ｘ方向に直交する、Ｙ方向における表面粗度のＲＭＳ勾配は、７．２４ミクロン／ミリメートルであった。従って、勾配は、ほぼ同一であり、これは、表面粗度における方向性の欠如を示している。
次に、ツールが方向性を表面粗度に付与しうるかどうかを確認するべく、処理ツールの運動を変更した。具体的には、処理ツールの最後のストローク又はパスを特定の軸に沿って、即ち、Ｙ軸に沿って、実施した。図６である顕微鏡写真において観察されるように、確かに、ツールによって付与されたスクラッチは、方向性を有している。
図７Ａ〜図７Ｄは、この方向性を更に実証及び定量化している。この場合にも、図７Ａ及び図７Ｃは、図７Ｂ及び図７Ｄのヒストグラムに対応する光学顕微鏡写真である。ヒストグラムは、表面高さの勾配の分布を報告している。７．２６ミクロン／ミリメートルのＲＳＭにおいて、ラッピングの方向に沿った、Ｙ方向における勾配は、ランダム化されたラッピングの状況においては、以前とほぼ同一であった。対照的に、Ｙ方向に直交する、Ｘ方向におけるＲＭＳ勾配は、格段に大きくなっており、９．２６ミクロン／ミリメートルであった。摩擦力は、高さの勾配に比例していることから、Ｘ軸方向における摩擦は、Ｙ方向における摩擦を上回るものと予想される。
特徴を生成するための方法は、図８に示されているように、中心を通じてウエハチャックに跨って移動することによるものである。これは、除去される材料の半径方向における変動を極小化するべく、速度及び／又は圧力を変更することにより、補償することができる。
処理ツールが、ウエハチャックの中心を通過できないように制約されている場合には、ほぼ半径方向であるスクラッチを生成するための代替手段の１つは、星形の次のポイントがその隣接する星形ポイントの直接後において形成される状態において、処理ツールの最後のパスが複数のポイントを有する星形パターンを表現するようにするというものである。換言すれば、処理ツールは、その最後のパスにおいて、ジグザグが中心に向かっており且つそれから離れている状態において、ウエハチャックの周囲に沿ってジグザグの経路を辿っている。この結果、その最後のパスにおいて処理ツールによって形成されるスクラッチは、半径方向に近接することになる。
概要及び結論
図５Ａ〜図７Ｄに対応するラッピング試験の結果は、方向性をラッピングプロセスに対して付与することが可能であり、表面高さ又は表面粗度の勾配を工学的に設計することが可能であり、且つ、具体的には、これに対して方向性を付与することが可能であることを示している。又、結果は、２つの表面の間の摩擦を克服するべく必要とされる力に対して方向性を付与することができることをも示唆しており、且つ、具体的には、ラッピング方向に直交する摩擦力が、ラッピング方向に平行な摩擦力を上回ることになることを示唆している。ウエハチャック上において安着するウエハは、半径方向において（即ち、半径の方向において）「緩和」される必要があることから、これは、ラッピングが、或いは、少なくともラッピング動作の最後のストロークが、ウエハチャック支持表面に沿って半径方向において実行される必要があることを示唆している。
この設計は、表面の制限が相対的に少ないと共に表面がウエハの緩和を許容するように、１つの方向において支承表面上において小さなマーク（例えば、スクラッチ）を生成することにより、粘着性問題を解決している。
これらのスクラッチを生成するための好適な方法は、小さなツールラップを伴うものであり、このラップは、表面上において準拠した状態において「浮遊」し、これにより、総曲率に対する影響を極小化するように、形状が多少環状であってもよい。この振る舞いを実現するための１つの技法は、処理ツールが、例えば、玉継ぎ手により、ラッピング機械内におけるそのホルダに対するその装着において、最小限に制約されるように構成するというものである。
表面が、最後のラップにおいて、特定の軸に沿ってツールによって処理される際に、粗度は、対向する軸の勾配において相対的に大きくなる。
提案されている内容は、摺動の方向（ウエハチャックの場合には、これは、半径方向である）に沿った、ウエハチャックとウエハの間の界面表面の勾配が最小限でありつつも、面積が一定に留まり、その結果、損耗に対する公称抵抗力が維持されている設計である。
本発明は、いまだ実用に供されてはいない新しいウエハチャックにおいて使用することができる。本発明は、既に実用に供されているウエハチャックを修理するべく、使用することができる。更には、ウエハチャックの修理は、原位置において、即ち、リソグラフィ機械からウエハチャックを除去する必要性を伴うことなしに、実施することができる。
上述の説明の大部分は、半導体ウエハをチャッキングするための物品及び装置に合焦しているが、当業者は、例えば、低摩擦表面を工学的に設計する、或いは、その摩擦が異方性を有する、即ち、方向に依存している、表面を工学的に設計する、ことが望ましいその他の分野及び産業におけるものなどの、本特許出願において開示されている技法及び物品が有用であるその他の関係した用途について認識するであろう。
当業者は、添付の請求項において定義されている本発明の範囲又は精神を逸脱することなしに、様々な変更が、本明細書において記述されている本発明に対して実施されうることを理解するであろう。

Claims (13)

  1. 主には半径方向において方向付けられたスクラッチを有する支持表面を有することを特徴とするウエハチャック。
  2. ウエハを支持するように構成された表面を有するウエハチャックにおいて、前記表面は、周囲方向におけるよりも半径方向において小さな摩擦係数を有することを特徴とするウエハチャック。
  3. ウエハを支持するように構成された表面を有するウエハチャックにおいて、前記表面は、前記表面上における前記ウエハの予期される摺動の方向において計測された、前記表面の粗度の勾配を極小化するように、摩擦学的な方式によって加工されていることを特徴とするウエハチャック。
  4. 請求項３に記載のウエハチャックにおいて、前記予期される摺動の方向は、半径方向であることを特徴とするウエハチャック。
  5. 星形形状のパターンにおけるスクラッチを有するウエハチャックにおいて、前記星形は、少なくとも８つのポイントを有することを特徴とするウエハチャック。
  6. そのウエハ支持表面が、好ましい向きを有するラッピングスクラッチを有するウエハチャックにおいて、前記好ましい向きは、半径方向であることを特徴とするウエハチャック。
  7. 請求項１に記載のウエハチャックにおいて、前記ウエハチャックとほぼ同一の硬度を有するラッピングツールによって製造されることを特徴とするウエハチャック。
  8. 請求項１に記載のウエハチャックにおいて、ＳｉＣを有するラッピングツールによって製造されることを特徴とするウエハチャック。
  9. 請求項１に記載のウエハチャックにおいて、ドーナツ形の形状を有するラッピングツールによって製造されることを特徴とするウエハチャック。
  10. 請求項９に記載のウエハチャックにおいて、前記ラッピングツールは、約２８ミリメートルの直径を有し、且つ、約１８０グラムの負荷を前記ウエハチャックに印加することを特徴とするウエハチャック。
  11. 請求項１０に記載のウエハチャックにおいて、前記ラッピングツールは、約３メートル／分の速度において前記ウエハチャック上において運動することを特徴とするウエハチャック。
  12. 請求項１に記載のウエハチャックにおいて、環状形状を有するラッピングツールによって製造されることを特徴とするウエハチャック。
  13. 請求項１に記載のウエハチャックにおいて、前記支持表面は、複数のピンを有することを特徴とするウエハチャック。
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