JP3745421B2 - 半導体ウェーハを研磨するための研磨パッドクラスタ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は集積回路の作製に使用される種類の半導体ウェーハの化学機械的研磨装置に分野に関する。
【０００２】
【従来技術および発明が解決しようとする課題】
集積回路は在来、各々が列状の個々の集積回路ダイスを含む半導体ウェーハから作製されている。種々の処理段階で、ウェーハを平面状形状に研磨することが重要である。本発明はかかる研磨問題の新規な解決法を示す。
ブレイボゲルの米国特許第 5,212,910号は或る程度まで湾曲されたウェーハにおいて集積回路ダイス規模で局部的平面性を達成する問題を論じている。このブレイボゲル特許は、比較的柔軟な弾性材料よりなる基層と、中間剛性層と、頂部の研磨パッド層とを有する複合研磨パッドを開示している。中間剛性層は、各々が集積回路ダイスの大きさに匹敵する大きさを有する個々のタイルを構成するように区分されている。使用の際、個々のタイルは必要に応じて第１弾性基層に押し入り夫々のパッドを非平面状ウェーハに一致させる。
この解決法では、弾性基層がタイル間に延びているので、個々のタイルは互いに完全には分離されていない。更に、弾性基層は個々のタイルを研磨されているウェーハから離れるＺ方向に移動させるようになっている。この解決法は研磨パッド材料に普通でない要件を呈する。
【０００３】
本発明は上記問題を大いに解消する新規な解決法に向けられている。
【０００４】
【課題を解決する手段】
本発明の第１の観点によれば、複数の集積回路ダイスを備えた半導体ウェーハを研磨するための研磨パッドクラスタが提供される。このクラスタはパッド支持体と、複数の研磨パッドとを有している。各パッドはウェーハより実質的に小さく、且つ集積回路ダイスの各々より実質的に小さくない研磨領域を有している。多数の研磨パッドマウントが設けられており、各マウントは研磨パッドの各々に連結され、支持体により支持されている。各マウントは、関連研磨パッドをウェーハに一致するように支持体に対して関節運動させる少なくとも２度の自由度を有するジョイントよりなる。本発明の幾つかの実施の形態では、各マウントは支持体に向かう各パッドと直角な方向の移動に対して実質的に剛性である。本発明の他の実施の形態では、各マウントは少なくとも１つの隣接マウントから分離されており、それにより隣接研磨パッドを結合解除する。
本発明の第２の観点によれば、半導体ウェーハを研磨するための研磨パッド組立体は半導体ウェーハと、強磁性要素に支持された少なくとも１つの研摩パッドと、少なくとも１つの磁石とを備えている。ウェーハは、磁石により強磁性要素上に作られた磁力がパッドをウェーハに押しつけるようにパッドと磁石との間に位置決めされている。好ましくは、磁石はウェーハを横切って非一様な磁場を作り、この磁場はウェーハの平面化を高めるように選択される。
【０００５】
【実施の形態】
図面を参照して説明すると、図１、図２および図３は本発明の研磨パッド組立体の第１の好適な実施の形態１０に関する。この研磨パッド組立体１０は集積回路ダイスを含むウェーハＷの化学機械的研磨に使用するようになっている。代表的には、ウェーハＷは非ジンバル付与ウェーハホルダ（図示せず）に設けられており、このウェーハホルダは下方すなわちＺ方向の研磨力を与えてウェーハＷを回転中心のまわりに回転させる。更に、ウェーハホルダはウェーハＷをＺ方向に対して横方向の経路に沿って移動させる。この種類のウェーハホルダは当業者には周知であり、本発明の一部を構成しない。従って、ウェーハホルダはここでは詳細には説明しない。
図１および図２に示すように、研磨パッド組立体１０は４つのパッド支持体１２を有しており、これらの支持体１２は移動がＸ方向に沿って案内され、Ｚ方向またはＹ方向に移動するのを実質的に防がれている。
各パッド支持体１２は列状の半球状凹部１４を構成している。これらの凹部１４のうちの２つは図１の右側に露出されている。パッド支持体１２の各々は夫々の潤滑剤通路１８により凹部１４の各々と連通する潤滑剤マニホールド１６を構成している。後述のボールジョイントの自由な関節運動を確保するために、加圧潤滑剤をマニホールド１６と、通路１８とを経て凹部１４に供給する。望むならば、マニホールド１６を省いてもよいし、通路を別々に加圧してもよい。好ましくは、凹部１４用のベアリングは後述のように静力学的流体軸受である。
【０００６】
駆動装置２０がパッド支持体１２をＸ方向に往復移動させる。当業者は、駆動装置２０用として、空気圧式、液圧および電気駆動装置を含む様々な機構を使用することができることをわかるであろう。パッド支持体１２は夫々のアクチュエータに直接連結することができ、或いは変更例としてカム駆動体、親ねじまたはクランクシャフトのようなリンケージを使用することができる。本発明の譲受人に譲渡された1994年8 月9 日出願の共出願中の米国特許出願第 08/287,658 号（「直線研磨装置および半導体ウェーハ平坦化方法」）は駆動装置２０のための適当な構造のなお一層の詳細を示しており、出典を明示することによってその開示内容全体を本願明細書の一部とする。
また、研磨パッド組立体１０は各々が夫々のボールジョイント２４を備えている列状の研磨パッドマウント２２を有している。各ボールジョイント２４は夫々の凹部１４と嵌合するように成形された半球状支持面２６を構成している。ボールジョイント２４の各々はその上面に設けられた夫々の研磨パッド２８を有している。研磨パッド２８は所定の厚さを有しており、支持面２６は好ましくは、ボールジョイント２４の回転中心３０がウェーハＷと接触している研磨パッド２８の表面の中央に位置決めされるように成形されている。
【０００７】
好ましくは、ボールジョイント２４は心出し位置に対して±１°だけ傾動される。ボールジョイント２４用として、様々な材料および設計を使用することができる。例えば、支持面２６および凹部１４を適当なセラミックで形成することができる。使用される潤滑剤は好ましくは研磨スラリーと適合性であるべきであり、発明者の一人であるデビット・ウェルドン名義の関連特許出願（代理人整理番号第７１０３／４号）に述べられているように、流体軸受を使用することができる。この出願は本出願と同じ日に出願されており、出典を明示することによってその開示内容全体を本願明細書の一部とする。このような流体軸受は（任意の所定の流体圧に対して）Ｚ方向に剛性であり、それでも（流体圧を調整することによって）Ｚ方向に 0.000254 cm〜0.00508 cm (0.0001〜0.002 インチ) の範囲で容易に調整可能であると言う利点がある。
望むなら、凹部１４およびボールジョイント２４を図４に示すようなカルダンジョイント１１０と置き換えることができる。各カルダンジョイント１１０は研磨パッド１１２を内側リング１１４に支持する。内側リング１１４は外側リング１１６に固着された第１ベアリング１１８によりＸ軸線を中心に回転可能に設けられている。外側リング１１６はこれを支持体に支持する第２ベアリング１２０によりＹ軸線を中心に回転可能に設けられている。
【０００８】
好ましくは、カルダンジョイントはＸ方向およびＹ方向の両方に±１．５°の最大傾動角度を定め、ベアリング１１８、１２０を青銅ブッシュのようなブッシュとして形成することができる。ベアリング１１８、１２０は好ましくはこれらを研磨スラリーから分離するために弾性スカートおよびプラグによりシールされる。
発明者であるフーマン・ボランディおよびデビット・ウェルドン名義の関連特許出願（代理人整理番号第７１０３／５号）に適当なカルダンジョイントが記載されており、出典を明示することによってその開示内容全体を本願明細書の一部とする。このカルダンジョイントは研磨されているウェーハ表面の回転中心を定めない。
研磨パッド２８および研磨パッド１１２の両方はウェーハＷの領域より実質的小さいが、単一の集積回路ダイスＤの領域より実質的に小さくないパッド領域を定めている。好ましくは、研磨パッドの領域および形状はダイスＤのものに匹敵するが、もちろん、他の関係も可能である。個々の研磨パッドの形状は円に近似する任意の多角形の形態を採ることができるが、研磨パッドの理想的な形状は面積および輪郭が個々のダイスのものと同じである。個々のパッドは互いに分離されているが、好ましくは最大研磨表面をもたらすように互いに非常に隣接しており、その結果最大の材料除去率が得られる。
【０００９】
ジョイント２４、１１０がＺ方向に堅固且つ剛性に支持されているので、夫々の研磨パッド２８、１１２は過剰に浮遊することなしにＺ方向に支持される。これにより、望むなら、在来の研磨パッド材料を使用することができると言う利点が得られる。研磨パッド材料 IC1000 または SUBA IVとしてローデル・オブ・スコッツデール（アリゾナ州）により販売されている材料を含む５２〜６２ショアーＤおよび５０〜８０ショアーＡの範囲の硬度を有する在来のポリウレタン研磨パッド材料が適当である。研磨パッド２８、１１２の厚さは用途に応じて非常にお広く変化することができる。例えば、パッドの厚さは 0.0127 cm〜1.27 cm (0.005インチ〜0.5 インチ) に範囲であるのがよい。1 つの適当な構成は IC1000 よりなる 0.305 cm (0.12 インチ) の全パッド厚さを利用している。連続パッド調整が望ましいので、より厚いパッド材料が適しており、従って、0.635 cmと 1.27 cmとの間のパッド厚さを使用するのが適している。
上記駆動装置２０はパッド支持体１２を往復移動させる。本発明がこのような駆動装置との併用に限定されないことは理解されよう。例えば、本発明の研磨パッドクラスタは、望むなら、中心軸線を中心に回転される在来のプラテンと併用することができる。
【００１０】
なお、個々のジョイント２４、１１０は互いに完全に分離されている。これらのジョイントの各々はＸ軸線およびＹ軸線を中心に関節運動し、それにより各研磨パッド２８、１１２をウェーハＷの非平面状輪郭を追従するのに適切であるように位置決めする。ジョイント２４、１１０が互いに完全に分離されているので、ジョイント２４、１１０のうちの１つのジョイントの関節運動は隣接ジョイントの位置に悪影響を及ぼさない。個々の研磨パッド２８、１１２は大きさがダイスＤのうちの１つに匹敵するので、ダイスＤの優れた平面性が得られる。
図５は研磨パッド組立体２１０を有する本発明の他の好適な実施の形態に関する。組立体２１０は空間に剛性に位置決めされた研磨パッド支持体２１２を有している。ベルト２１４が支持矢印の方向に沿ってパッド支持体２１２を横切って移動される。このベルト２１４は列状の研磨パッド２１６をモザイク模様に支持している。上記のように、個々の研磨パッド２１６は好ましくはウェーハＷに含まれる個々のダイスと同じ大きさおよび形状のものであるが、他の大きさおよび形状も可能である。ベルト２１４は多くのローラ２１８のまわりに閉ループを構成しており、これらのローラ２１８のうちの１つまたはそれ異常が駆動装置２２０により回転駆動される。
【００１１】
上記米国特許出願第 08/287,658 号はベルト案内／駆動装置の好適な構成に関するなお一層の詳細を示しており、出典を明示することによってその開示内容全体を本願明細書の一部とする。
ベルト２１４は好ましくは鉄形ステンレス孔のような強磁性材料で形成されている。 0.0254 cm (0.01インチ) と 0.0762 cm (0.03インチ) との間のような任意の適当な厚さを使用することができる。ベルトはベルトのたわみにより個々のパッド２１６をＸ方向およびＹ方向の両方に互いに対して関節運動させるのに十分な可撓性を有している。
ウェーハＷは磁場を発生させる１つまたはそれ以上の磁石を有する磁気ディスク２２２により裏張りされている。この磁場はベルト２１４および研磨パッド２１６をウェーハＷに向けて押圧するようにベルト２１４と相互作用する。ベルト２１４の可撓性により、研磨パッド２１６の個々を関節運動させ、それによりウェーハＷの表面にぴったり一致させる。支持体２１２はパッド２１６をウェーハＷから離れる方向に移動しないようにし、それによりＺ方向における研磨パッド２１６の剛性制限位置を与える。望むなら、磁気ディスク２２２はウェーハＷを横切るように変化する研磨力を与えるように非一様な磁場を形成するように設計することができる。例えば、研磨率がウェーハＷの周囲近くで中心近くより大きくなる傾向がある状況では、磁気ディスク２２２は、研磨率をウェーハを横切って略より一様にするためにウェーハＷの中心近くで周囲近くより強い磁力を発生することができる。ウェーハの周囲近くでウェーハの中心より強い磁場も可能である。
【００１２】
上記のような磁力の使用が図５のベルトの具体例に制限されないことは勿論理解されよう。実際、研磨パッドにおいて、或いは研磨パッドの背後で任意の強磁性要素と相互作用するように適当な磁石を設計することができる。例えば、適当な磁石が上記ボールジョイント２４またはカルダンジョイント１１０と相互作用することができる。もちろん、上記の磁場を生じるのに永久磁石および電子─磁気要素を使用することができる。
ベルト２１４の直線運動速度は、例えば、15.24 〜60.96 m/分 (50〜200 フィート／分）の範囲で広く変化することができる。水系スラリーを含む在来のスラリーを使用することができる。
以上の説明から、上記の好適な実施の形態は多くの重要な利点をもたらすことは明らかであろう。まず、ジョイントが互いに分離されており、且つＺ方向に剛性に支持されているので、在来の研磨パッド材料を含む様々な研磨パッド材料を容易に使用することができる。ポリウレタンからガラスまでの広い範囲の材料を使用することができるが、もちろん、図５の実施の形態では、パッド材料はローラのまわりに曲がるのに十分に可撓性であるべきである。
【００１３】
本発明は上記の好適な実施の形態に限定されず、磁気的に支持されたジョイント、静力学的に支持されたジョイントおよび流体ブラダー支持されたジョイントを含む様々な関節運動ジョイントを使用することができる。本発明は直線運動研磨装置および回転運動研磨装置の両方に使用することができ、上記磁気組立体は上記のような研磨パッドのクラスタ、ならびにウェーハより大きい在来の研磨パッドと共に使用することができる。
従って、以上の詳細な説明は限定するのではなく、例示であるとみなされるものであり、また、本発明の範囲を定めるのはあらゆる同等のもを含む特許請求の範囲であることがわかるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の研摩パッド組立体の第１の好適な実施の形態の斜視図である。
【図２】図１の線２─２に沿った横断面図である。
【図３】図１の線３─３に沿った横断面図である。
【図４】本発明に使用するのに適したカルダンジョイントの頂面図である。
【図５】本発明の他の好適な実施の形態の斜視図である。
【符号の説明】
１０ 研摩パッド組立体
１２ パッド支持体
１４ 凹部
１６ マニホールド
１８ 通路
２０ 駆動装置
２２ 研摩パッドマウント
２４ ボールジョイント
２６ 支持面
２８ 研摩パッド
１１０ カルダンジョイント
１１２ 研摩パッド
１１４ 内側リング
１１６ 外側リング
１１８ ベアリング
１２０ ベアリング
Ｗ ウェーハ
Ｄ 集積回路ダイス

Claims (11)

1. 複数の集積回路ダイスを備えた半導体ウェーハを研磨するための研磨パッドクラスタにおいて、
   パッド支持体と、
   各々がウェーハより実質的に小さく、且つ個々の集積回路ダイスより実質的に小さくない研磨領域を有する複数の研磨パッドと、
   各々が研磨パッドの各々に連結され且つ支持体により支持された複数の研磨パッドマウントとを備え、各マウントは、関連研磨パッドを支持体に対して関節運動させてウェーハに一致させる少なくとも２度の自由度を有するジョイントよりなり、各マウントはパッド支持体に向けて各パッドと直角な方向に実質的に剛性であることを特徴とする研磨パッドクラスタ。
2. 複数の集積回路ダイスを備えた半導体ウェーハを研磨するための研磨パッドクラスタにおいて、
   パッド支持体と、
   各々がウェーハより実質的に小さく、且つ個々の集積回路ダイスより実質的に小さくない研磨領域を有する複数の研磨パッドと、
   複数の研磨パッドマウントとを備え、各マウントは少なくとも１つの隣接マウントから分離され、研磨パッドの各々に連結され、且つ支持体により支持されており、各マウントは関連研磨パッドを支持体に対して関節運動させてウェーハに一致させる少なくとも２度の自由度を有するジョイントよりなることを特徴とする研磨パッドクラスタ。
3. ジョイントの各々がボールジョイントよりなることを特徴とする請求項１または２に記載の研磨パッドクラスタ。
4. ジョイントの各々がカルダンジョイントよりなることを特徴とする請求項１または２に記載の研磨パッドクラスタ。
5. 複数の集積回路ダイスを備えた半導体ウェーハを研磨するための研磨パッドクラスタにおいて、
   パッド支持体と、
   各々がウェーハより実質的に小さく、且つ個々の集積回路ダイスより実質的に小さくない研磨領域を有する複数の研磨パッドと、
   各々が研磨パッドの各々に連結され且つ支持体により支持された複数の研磨パッドマウントとを備え、各マウントは、関連研磨パッドを支持体に対して関節運動させてウェーハに一致させる少なくとも２度の自由度を有するジョイントよりなり、各マウントはパッド支持体に向けて各パッドと直角な方向に実質的に剛性であり、
   少なくとも１つの磁石を更に備え、半導体ウェーハは磁石と研磨パッドとの間に位置決めされており、上記ジョイントおよび上記研磨パッドのうちの少なくとも幾つかは、磁石が研磨パッドをウェーハに押しつけるように強磁性材料よりなることを特徴とする研磨パッドクラスタ。
6. 少なくとも１つの磁石はウェーハを横切って非一様な磁場を生じ、上記磁場はウェーハの平面化を高めるように選択されることを特徴とする請求項５に記載の研磨パッドクラスタ。
7. 複数の集積回路ダイスを備えた半導体ウェーハを研磨するための研磨パッドクラスタにおいて、
   パッド支持体と、
   各々がウェーハより実質的に小さく、且つ個々の集積回路ダイスより実質的に小さくない研磨領域を有する複数の研磨パッドと、
   複数の研磨パッドマウントとを備え、各マウントは少なくとも１つの隣接マウントから分離され、研磨パッドの各々に連結され、且つ支持体により支持されており、各マウントは関連研磨パッドを支持体に対して関節運動させてウェーハに一致させる少なくとも２度の自由度を有するジョイントよりなり、
   少なくとも１つの磁石を更に備え、半導体ウェーハは磁石と研磨パッドとの間に位置決めされており、上記ジョイントおよび上記研磨パッドのうちの少なくとも幾つかは、磁石が研磨パッドをウェーハに押しつけるように強磁性材料よりなることを特徴とする研磨パッドクラスタ。
8. 研磨領域および個々の集積回路ダイスは、実質的に同じ形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載の研磨パッドクラスタ。
9. 研磨領域および個々の集積回路ダイスは、実質的に同じ面積および形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載の研磨パッドクラスタ。
10. 研磨パッドを直線的に移動させる手段を更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の研磨パッドクラスタ。
11. 少なくとも１つの磁石はウェーハを横切って非一様な磁場を生じ、上記磁場はウェーハの平面化を高めるように選択されることを特徴とする請求項７に記載の研磨パッドクラスタ。

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