JP3866657B2 - 円盤状物体を研磨するための装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、研磨プラテンおよびバッキングフィルムをもつ研磨ヘッドを備える円盤状（ｄｉｓｋ）物体を研磨するため、特に、半導体ウェハを研磨するための装置に関する。
【０００２】
半導体ウェハ製造において、ウェハは、異なるフィルムおよび材料の蒸着および成長のプロセス中に平坦でない表面となる。特に、小さな特徴サイズをもつ場合、これらウェハ表面の非平坦さは、リソグラフィーの間に装置の配置エラーに至る。均一性を改良する一般的プロセスは、このウェハ表面を研磨することである。ウェハの裏側は、研磨ツールの研磨ヘッドによって保持され、そして研磨されるべき表側は、研磨ツールのプラテン上にあるパッドを横切って移動する。ヘッドは、複数の研磨ヘッドを備え、それ自身の軸の周り、および別の軸の周りを回転する。異なる成分の特定の組成物を含むスラリーが、ウェハと研磨パッドとの間で作用し、適切な研磨効果および冷却を提供する。半導体ウェハを研磨するこのプロセスは、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）と呼ばれる。ＣＭＰはまた、ＣＤまたは平坦なパネル基板などのような円盤状物体のその他の製造プロセスに適用され得る。
【０００３】
ＣＭＰにおける１つの重要なファクターは均一性である。研磨ヘッド内のウェハの裏側がポリウレタンフィルムによって支持されるとき、内在的な欠点がある。ポリウレタンは、異なる硬さおよび異なる密度のゾーンをもち不均一である。これは、ポリウレタンバッキングフィルムが、制御困難な発泡により製造されるからである。このフィルムはバルク材料から切断される。このポリウレタンバッキングフィルムは、圧縮性が均一でなく、ウェハ裏側に付与される力は、ウェハの研磨された表面上に不均一な研磨結果をもたらす。
【０００４】
ポリウレタンバッキングフィルムの別の欠点は、このフィルムが、その泡構造の孔に液体を吸収することである。特に、バッキングフィルムの表面にある切断されて開口している孔は、スラリーから液体を受け入れる。ポリウレタンバッキングフィルム中への液体の吸収は、さらに、研磨プロセスに非均一性を導入する結果となる。
【０００５】
米国特許第６，０１２，９６４号は、均一性を改良するためのＣＭＰ装置を記載する。この特許の研磨ヘッドは、硬いシートによって支持されている、研磨されるウェハの裏側に面している柔軟なバッキングパッドを備える。この硬いシートは、空気圧によってその形状を調節し、そして均一性の課題を補償する。バッキングフィルムは、シリコーンゴムを含む種々の材料から作製され得る。この硬いシートの表面形状は、この硬いシートの後にある加圧チャンバーに付与される空気圧によって制御されている。この硬いシートの表面形状は剛直ではなく、そして加圧チャンバーに付与される圧力に依存しているが、均一性の課題は残っている。
【０００６】
本発明の目的は、研磨の間により良好な均一性を提供する、円盤状物体の研磨装置を提供することである。
【０００７】
この目的は、以下を備える円盤状物体を研磨するための装置によって解決される：
研磨されるべき物体の第１の表面に接触するプラテン；
研磨ヘッドであって、この研磨ヘッドに離脱可能に取り付けられ、研磨されるべき上記表面に対向する、物体の第２の表面に直接接触するバッキングフィルム、および剛直である上記バッキングフィルムを保持する支持部材を備える、研磨ヘッド、ここで、上記バッキングフィルムはシリコーンを含む。
【０００８】
本発明の装置の研磨ヘッドは、表面が一定の形状であるバッキングフィルムに対する、剛直で圧縮不能である支持を提供する。研磨プロセスのより良好な均一性および制御可能性のために、このバッキングフィルムは、シリコーンを含むウェハの裏側を保持する。発泡により製造されるポリウレタンバッキングフィルムと比較して、シリコーンは、液体から製造されるという利点を有している。この液体は、成形型中に導入される。制御困難な発泡のプロセスと比較して、バッキングフィルムを成形する結果は、正確に制御され得る。
【０００９】
シリコーンバッキングフィルムは、液体相から作製されるので、完成したバッキングパッドは、その本体の全体が同じ密度および圧縮性をもつ内在的に均一な材料である。シリコーンバッキングパッドは、いかなる気体をも漏らさないため、それは、減圧によって研磨ヘッドに取り付けられ得る。研磨ヘッド上でその支持体にこのバッキングフィルムを接着する必要はないため、均一性はさらに改善され得る。任意の接着剤を用いないことによって、バッキングフィルムは、その寿命が尽きると新たなシリコーンバッキングと容易に取り替えられ得る。好ましくは、バッキングフィルムの支持体は、セラミックのプレートまたはチャックであり、これは、剛直であり、そしてバッキングフィルムに対して圧縮不能な支持を提供し、バッキングフィルムの表面は常に同じ一定の形状をもつ。セラミックのチャックはアモルファス（無定形）であるため、このセラミックのチャックを通じて均一に分散される真空が提供され、バッキングフィルムをチャック上に保持し得る。この真空は、バッキングフィルムとは反対にある、セラミックのチャックの表面で、真空チャンバーにより提供される。このセラミックのチャックは、バッキングフィルムに直接接触する。
【００１０】
チューブを通じてウェハの裏側に真空を提供する別の真空チャンバーがある。これらチューブは、この後者の真空チャンバーから突き出て、このチャンバーによりセラミックのチャックに真空を提供し、セラミックのチャックを通り、そしてシリコーンバッキングフィルムを通り、そして最後に、ウェハの後面で閉じて終わる。
【００１１】
バッキングフィルムは任意の気体を漏失しないので、ウェハは、バッキングフィルムにきつく付着される。ウェハの除去を容易にするために、ウェハの後面に面するバッキングフィルムの表面には、微細構造が提供される。この微細構造は、ウェハ後面に接触する増強部材をもち、およびウェハ後面に接触しない凹状部材をもち、それによって、接触面積が低減されている。バッキングフィルムでウェハを保持する接着力もまた、それによって低減される。この微細構造の増強部材と凹状部材との間の適切な関係によって、それは、ウェハが、このウェハを保持する真空がスイッチオフされるとき、バッキングフィルムをもはや固着しないことを達成する。この微細構造は、成形型中の相補的形状によってバッキングフィルムの表面に付与される。この形状は、半導体ウェハ製造の間に、半導体ウェハ表面をパターニングするリソグラフィーステップに匹敵するリソグラフィーステップを適用することにより生産され得る。リソグラフィーによりこの微細構造を得るため、成形する表面は、光学的に照射に曝されるフォトレジストを受ける。この構造は、成形表面の保護されていない領域をエッチングすることによって形成される。
【００１２】
シリコーンバッキングフィルムを成形することによって、順次、バッキングフィルムに任意のマクロ的な形状を提供することが可能であり、研磨される、ウェハの任意の既知の不均一性が補償される。例えば、ウェハは、その端部でより、中央でより多く研磨される必要があり、またその逆の場合もある。ウェハのこの不均一を補償するため、バッキングフィルムは、それぞれ、凸状に形成され得る、例えば、バッキングフィルムは、その周縁におけるよりその中央でより厚いか、また凹状に成形され得る、例えば、その周縁におけるよりその中央でより薄い。あるいは、バッキングフィルムは、その中央でマクロ的な凹状部分を、そしてその周縁で突出部分をもつ。
【００１３】
この中央凹状部分はウェハの裏側に接触せず、その一方、上記突出部分はウェハに接触し、それによって、真空部分がバッキングフィルムの中央に取り囲まれる。突出部分にもまた、微細構造が提供され得る。ウェハの裏面に面する、表面の任意のその他の想定される形状もまた、成形する適切な相補的な形状によって製造され得る。
【００１４】
研磨されるべき、ウェハの既知の不均一性を補償する別の解決法は、異なる硬さのゾーンをもつバッキングフィルムを提供することである。好ましくは、これらゾーンは、バッキングフィルムの中心に関し、同心の形状を有し、バッキングフィルムの異なる半径方向セクションはまた、異なる硬さを有し得る。すべては、成形プロセスの可撓性に依存してシリコーンバッキングフィルムを製造する。この硬さは、シリコン粒子または水酸化アルミニウムのような固形粒子の添加により制御可能である。その他の固形材料も使用可能である。添加される材料の電気的挙動に依存して、研磨プロセスの間に導入される任意の静電場が排除され得る。
【００１５】
ここで、本発明を、図面中の図を用いて説明する。異なる図にある個々の部材は同じ番号で参照される。
【００１６】
図１による円盤状物体を研磨するための装置は、特に、集積回路を製造するための半導体を研磨するために適用可能である。この装置は、テーブルまたは研磨プラテン１を備え、その上に研磨パッド２が付着されている。研磨ヘッド３はウェハ４を保持し、その前面４１は、研磨のために、研磨パッド２を横切って移動する。液体スラリー２１、または研磨パッドの内側に固定された研磨材を備えた研磨パッドが挿入されて摩擦を制御し、そして化学的機械的研磨を達成する。例えば、３つまたは４つの研磨ヘッドの配置が提供され、各々は、それ自身の軸の周りで回転し、そしてそれらすべては、このヘッド配置の軸の周りで回転する。ウェハ４は、研磨ヘッド３によって研磨パッド２上に押し付けられる。ウェハ裏側は、バッキングフィルムと直接接触する。特に、バッキングフィルムとウェハ裏側との間に配置される材料はない。バッキングフィルムまたはバッキングパッド５を通じて下向きの力が付与される。バッキングフィルム５は、バッキングフィルム支持体６により、研磨ヘッドに支持される。バッキングフィルム支持体６は、圧縮不能でゆがまない一定形状を有して剛直性である。この支持体６は、任意のゆるみがなく、ウェハに付与される下向きの力に耐える。本発明によれば、バッキングフィルム５は、シリコーンから作製される。保持リング６は、研磨の間に半径方向の力に耐える。支持体６は、真空チャンバー６２および真空孔６１を通じてウェハ４の裏側を真空にする。真空をウェハに適用することにより、ウェハは、バッキングフィルム５に吸着される。真空をスイッチオフにすることにより、ウェハは、バッキングフィルム５から離脱する。さらに、真空が付与されてバッキングフィルム５を支持体６に吸着させる。
【００１７】
図２は、研磨ヘッド３の好適な実施形態を示す。バッキングフィルム５の支持部材は、セラミックのチャック７である。真空チャンバー３１が、セラミックのチャック７の上に提供される。チャネル３２は、この真空チャンバー３１を、真空発生器に接続する。アモルファスであるセラミックのチャック７は、チャンバー３１内の真空をシリコーンバッキングフィルム５に到達させ、それを、セラミックのチャック７に吸着させる。アモルファスのセラミックのチャック７により、チャンバー３１内の真空は、シリコーンバッキングフィルムに接触する表面７１を通じて均一に分配される。シリコーンは、空気を漏失しないので、バッキングフィルム５は、セラミックのチャック７上にきつく保持され、そしてチャンバー３１内の真空をスイッチオフすることによって容易に離脱され得る。ポリウレタンバッキングフィルムと比較して、支持体７にバッキングフィルムを張り付けるるために接着剤は必要でなく、使用したバッキングフィルムの交換が促進され、そして接着剤によって取り囲まれる気泡に起因する不均一性が避けられる。セラミックのチャックの表面７１は剛直であり、そして研磨ヘッド３がプラテン１上に押し付けられているときでさえ、一定の形状をもっている。
【００１８】
別の真空チャネル３４により真空を提供される、さらなる真空チャンバー３３が、真空チャンバー３１の上に配置される。真空チューブ３５は、真空チャンバー３３から、真空チャンバー３１を通り、またセラミックのチャック７およびバッキングフィルム５を通って突出する。チューブ３５は、ウェハ４の裏側の上にある。真空がウェハ４の裏側に真空チューブ３５を通じて付与されるとき、このウェハはバッキングフィルム５にきつく保持される。ウェハを研磨した後、真空をスイッチオフするとき、ウェハは、研磨ヘッド３から離脱される。
【００１９】
バッキングフィルム５は、図３中の断面に示される成形型中で成形プロセスにより製作される。この成形型またはキャスティング型８は、下部分８１および上部分８２をもつ。液体シリコーンが、この上部分と下部分との間のチャネル８３を通って挿入され、そして固形フィルムに変換される。シリコーンフィルムは液体から製造されるという事実に起因して、固形のシリコーンバッキングフィルムは、密度および圧縮性において実質的に変動がなく高度に均一である。さらに、バッキングフィルムの断面形状は、種々の要求に適合され得る。それはまた、シリコーンバッキングフィルムの表面を提供することが可能であり、以下に説明されるような微細構造を備えて、研磨されるべきウェハの裏側に面している。さらに、シリコーン中に付加的な成分を挿入し、シリコーンバッキングフィルムの半径方向および／または同心ゾーンに詳細な硬さ要求を採用することを可能にする。
【００２０】
このシリコーンバッキングフィルム５は、空気を透過させない。研磨後に、バッキングフィルム５からウェハ４の除去を容易にするため、ウェハ４の裏側に面するシリコーンバッキングフィルム５の表面５１には微細構造が提供される。この微細構造の好適な実施形態が、図４Ａ、４Ｂおよび４Ｃに示される。これら微細構造は、突出部分または増大部分５２および凹状部分５３をもつ。増大部分５３は、ウェハ４の裏側４２に接触するように作製され、その一方、凹状部分５３は、この裏側ウェハ表面４２に接触しない。微細構造を形成する増大部分および凹状部分５２、５３によって、バッキングフィルム５とウェハ裏側表面４２との間の接触面積が低減される。突出部分の高さ５４は、５〜５００μｍの範囲に調節され得る。突出部分の配列は規則的である。２つの隣接する突出部分は、１００〜１０００μｍの間隔で繰り返される。突出部材を横切る断面は、図４Ａに示されるような矩形形状であり得るか、または図４Ｂに示されるようなテーパー状形状であり得るか、または図４Ｃに示されるような三角形状であり得る。
【００２１】
この微細構造の相補的形状は、下部分８１および上部分８２を備える図３の成形型またはキャスティング型８によって提供される。上部分８２は、微細構造５１で提供される。この微細構造は、リソグラフィープロセスにより形成される。上部分８２は、好ましくは、金属プレートまたはガラスプレートである。上部分８２は、フォトレジストで被覆され、そして光照射で形成される。フォトレジストを展開し、そして展開された部分（またはフォトレジストのタイプに依存して展開されない部分）を取り除いた後、照射された金属またはガラスセクションを、ウェットエッチング薬品によるか、またはドライエッチング（プラズマエッチ）によりエッチングされる。その結果、図４Ａから図４Ｃに示されるような構造が得られる。液体シリコーンは、供給チャネル８３を通じて成形型８中に供給され、そしてその後成形される。
【００２２】
図３中の成形の適切なマクロ的形状化により、図５Ａから５Ｃに示されるような種々の断面形状が得られる。図５Ａに示される凸状型は、厚さが中心から周縁に減少する断面をもっている。図１または図２の研磨ヘッドにおける図５Ａの裏側フィルムでウェハを研磨すると、ウェハの外側部分でウェハの中央でより早い研磨を提供する。マクロ的形状は、成形型８の上部分８２の適切な形状化により容易に達成される。図５Ｂにあるバッキングフィルムの凸状の断面形状は、その周縁まで半径方向に増加する中心のより小さな厚さをもつ。裏側フィルムの凹状形状は、成形型８の上部分８２の適切な形状により得られ得る。図５Ｂに示されるような凹状バッキングフィルムでは、ウェハの中心がウェハの外側部分と比較したときより遅く研磨される。裏側フィルムの別のより好適な形状が図５Ｃに示される。環状バッキングフィルムのマクロ的断面構造は、Ｕ字形であり、そして中央にマクロ的な凹状部分５５および周縁に突出部分５６をもつ。突出部分５６のウェハ４の裏側に接触する表面は、図４に関して説明されるような微細構造をもつ。凹状部分５５は、ウェハの後ろの空気クッションを取り囲む。
【００２３】
図５Ｄに原則的に示されるように、バッキングフィルム５は、異なる硬さの部分を有し得る。例えば、中央にある部分５８は、この内部の部分５８を取り囲む環状部分５７よりより硬く、かつより少ない圧縮可能性をもっている。中央は、ウェハの外側部分より早く研磨される。異なる硬さは、シリコーンラバーに粒子を添加するとにより達成される。粒子は、成形形８が液体シリコーンで充填される前に液体シリコーン中に混合される。粒子は、シリコン若しくは水酸化アルミニウム、またはその両方を含み得る。シリコンウェハに任意の汚染を導入しないその他の粒子もまた使用可能である。
【００２４】
上記に開示したような本発明は、種々の効果により、半導体ウェハの化学的機械的研磨のより良好な均一性を達成する。シリコーンのバッキングフィルムは、真空の適用によって、セラミックのチャックまたは研磨ヘッド内の支持プレートに容易に吸着し、それによって任意の接着剤を必要としない。これは、シリコーンバッキングフィルムの研磨ヘッドへの均一な接着を提供する。使用されかつ寿命のバッキングフィルムの交換は、容易かつ安全であり、セラミックのチャックを通じて提供される真空を単にスイッチオンおよびスイッチオフすることによって交換時間を短くする。適切に設計された成形型／キャスティング型内の成形によってシリコーンを製造する能力は、バッキングフィルムが特定の研磨特性に採用され得ることを可能にする。成形型によって達成されるシリコーンバッキングフィルムの適切なマクロ的形状により、研磨される材料の異なる除去速度が、ウェハ表面を横切って達成され得る。匹敵する効果は、シリコーン中への粒子の適切な添加により達成され得る。さらに、ウェハの裏側へのバッキングフィルムの接触表面上の微細構造は、研磨の間にバッキングフィルムへの良好な接着、および研磨プロセスが終了するときバッキングフィルムからの容易な除去を提供する。全体として、本発明による研磨装置内のシリコーンバッキングフィルムの使用は、より正確な研磨、短い交換時間を提供し、それによってより良好な性質の集積回路を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 半導体ウェハを研磨する装置の第１の実施形態を示す図。
【図２】 本発明の装置の第２の実施形態を示す図。
【図３】 シリコーンバッキングフィルムの製造のための成形型を示す図。
【図４】 シリコーンバッキングフィルムの表面の微細構造の種々の実施形態を示す図。
【図５】 シリコーンバッキングフィルムの種々の断面を示す図。

Claims (18)

1. 第１の表面と該第１の表面に対向する第２の表面とを有する円盤状物体を研磨する装置であって、
   研磨されるべき物体の第１の表面に接触するように適合されたプラテンと、
   研磨ヘッドと
   を備え、
   該研磨ヘッドは、
   該研磨ヘッドに離脱可能に付着し、該第２表面に直接接触するように適合されたバッキングフィルムであって、シリコーンからなるバッキングフィルムと、
   該バッキングフィルムを支持する支持部材であって、圧縮不能でゆがまない一定形状を有する支持部材と
   を備え、
   該バッキングフィルムは、該物体の第２の表面に直接接触する表面を有し、該バッキングフィルムの表面は、該物体の第２の表面に接触する複数の突出部分と該物体の第２の表面に接触しない複数の凹状部分とを含む微細構造を有する、装置。
2. 前記物体が半導体ウェハである、請求項１に記載の装置。
3. 前記物体がシリコンウェハである、請求項１に記載の装置。
4. 前記支持部材が、アモルファスセラミックである、請求項１に記載の装置。
5. 前記研磨ヘッドが、前記セラミック支持部材に真空を供給することによって該セラミック支持部材上に前記バッキングフィルムを保持する真空発生器を有する、請求項４に記載の装置。
6. 前記研磨ヘッドが、
   前記セラミック支持部材に真空を供給する第１の真空チャンバーと、
   該第１の真空チャンバー上にある第２の真空チャンバーと、
   該第２の真空チャンバーから突出して、該第１のチャンバーと該セラミック支持部材と前記バッキングフィルムとを通り、前記物体の第２の表面上で終わる複数のチューブであって、該物体の第２の表面に真空を供給することによって該バッキングフィルム上に該物体を保持する複数のチューブと
   を有する、請求項５に記載の装置。
7. 前記バッキングフィルムの表面が、凹状または凸状である、請求項１に記載の装置。
8. 前記バッキングフィルムが、異なる硬さの同心ゾーンを有する、請求項１に記載の装置。
9. 前記バッキングフィルムが、固形粒子の添加物を含む、請求項１に記載の装置。
10. 前記粒子が、シリコンまたは酸化アルミニウムからなる、請求項９に記載の装置。
11. 第１の表面と、該第１の表面と対向する第２の表面とを有する半導体ウェハを研磨する装置であって、
    研磨されるべきウェハの第１の表面に接触するように適合されたプラテンと、
    研磨ヘッドと
    を備え、
    該研磨ヘッドは、
    該研磨ヘッドに離脱可能に付着し、該第２表面に直接接触するように適合されたバッキングフィルムであって、シリコーンからなるバッキングフィルムと、
    該バッキングフィルムを支持する支持部材であって、圧縮不能でゆがまない一定形状を有する支持部材と、
    該支持部材上に該バッキングフィルムを保持する真空発生器と
    を備え、
    該バッキングフィルムは、該ウェハの第２の表面に直接接触する表面を有し、該バッキングフィルムの表面は、該ウェハの第２の表面に接触する複数の突出部分と該ウェハの第２の表面に接触しない複数の凹状部分とを含む微細構造を有する、装置。
12. 前記真空発生器が前記支持部材に真空を供給することによって該支持部材上に前記バッキングフィルムを保持する、請求項１１に記載の装置。
13. 前記真空発生器が、
    前記支持部材に真空を供給する第１の真空チャンバーと、
    該第１の真空チャンバー上にある第２の真空チャンバーと、
    該第２の真空チャンバーから突出して、該第１のチャンバーと該支持部材と該バッキングフィルムとを通り、前記ウェハの第２の表面上で終わる複数のチューブであって、該ウェハの第２の表面に真空を供給することによって該バッキングフィルム上に該ウェハを保持する複数のチューブと
    を有する、請求項１１に記載の装置。
14. 前記バッキングフィルムの表面が、凹状または凸状である、請求項１１に記載の装置。
15. 前記支持部材が、アモルファスセラミックである、請求項１１に記載の装置。
16. 前記バッキングフィルムが、異なる硬さの同心ゾーンを有する、請求項１１に記載の装置。
17. 前記バッキングフィルムが、固形粒子の添加物を含む、請求項１１に記載の装置。
18. 前記粒子が、シリコンまたは酸化アルミニウムからなる、請求項１７に記載の装置。

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