JP4054306B2 - 化学的機械研磨装置用のスラリー分配装置および該スラリー分配装置を用いる方法 - Google Patents

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本出願は２００１年９月１０日出願の米国仮出願番号６０／３２３，１１７の優先を主張している。そして、この出願は、ここに参照によって全体として明細書中に組み入れられる。

本発明は、基板を研磨しかつ平坦化するためのシステム、装置および方法に係り、特に、化学的機械研磨（ＣＭＰ）装置の研磨面にスラリーを分配する装置および方法に関するものである。

個々の構造（feature）のサイズが減少し、密度（デンシティ）が増加し、かつ半導体ウエハまたは半導体基板のサイズが大きくなるにつれて、化学的機械的平坦化（ＣＭＰ）プロセスの必要条件がより厳しくなっている。基板間プロセスの均一性および基板内平坦化の均一性は、半導体製品を低いコストで製造する観点から重要な問題である。ダイのサイズが大きくなるにつれて、たった一つの小さな領域の一つの欠陥が比較的大きな回路の廃棄という結果になるので、小さな欠陥でさえ半導体産業において比較的大きな経済的な結果を及ぼす。

従来から均一性の問題の一因となる多くの要因（ファクター）が知られている。これらの要因は、研磨工程中、基板が保持される研磨ヘッドと研磨面との間に相対運動があるとき、研磨工程中に基板の表面と研磨面との間にスラリーを分配（供給）することを含んでいる。スラリーは、通常、材料が基板面から除去される速度を高めるために用いる懸濁した研磨材を含有する化学的に活性な液体である。

従来のＣＭＰ装置におけるスラリーの分配の一つの問題点は、研磨面上のスラリーの不均一な分配という問題である。図１は従来のＣＭＰ装置のプラテンとスラリー供給装置の平面図であり、研磨面上のスラリーの不均一な分配を図示している。図１には、研磨面１２へのスラリー１０の分配が、研磨面にスラリーを分配するチューブ１６の開口又はノズル１４の位置および方向に依存しており、かつ研磨面１０が支持されるプラテン（図示せず）の動き又は回転に依存しているということが示されている。プラテンの移動速度は、一般的に、所望の研磨速度、すなわち材料が研磨されている基板（図示せず）から除去される速度に基づいて決定される。これ故、基板と基板が保持されている研磨ヘッド１８との間にスラリーを十分にかつ均一に分配を行う伝統的なアプローチは、研磨ヘッドに対するノズル１４の位置および方向に焦点を合わせることであった。

図１に示すように、ノズル１４が研磨面１０又はプラテンの縁部２０から半径方向にあまりにも離れたところにスラリーを供給する場合には、研磨面の中心２２に最も近い研磨ヘッド１８の下方の研磨面の一部が最大量のスラリーを保持していることになる。結果として、研磨ヘッド１８の外周縁に近い基板の表面は中心近くの表面よりも除去速度（研磨レート）が高い。この傾向は、研磨ヘッド１８による研磨面１０の変形によってさらに悪化し、研磨ヘッドの縁部近くのスラリーが図１に示すように研磨ヘッドから離れる方向に偏向されるか、方向を変えられることになる。

スラリーのより均一な分配を行う一つの従来の試みは、グスリー等（ＧＵＴＨＲＩＥ）による米国特許第５，７０９，５７３号で開示されている。グスリーには、研磨面に接触し研磨面上のスラリーを除去する働きをする半径方向に位置する可撓性の部材が開示されている。従来のスラリー供給装置についての改良ではあるが、このアプローチは多くの理由から十分に満足のいくものではない。

グスリーで教示されているアプローチの一つの問題点は、研磨工程中、可撓性部材と研磨面とが絶え間なく接触するため、可撓性部材が急速に摩耗することである。この結果、可撓性部材を頻繁に取り替える必要がある。このため、部品交換のコストに加えて、可撓性部材を取り替えるために必要な時間および研磨プロセス又は研磨装置の再特色づけのために必要な時間により、処理装置の過剰な中断時間（ダウンタイム）又は処理装置の利用可能性の損失となる。さらに、交換の前に、可撓性部材が摩耗するにつれて、研磨面上のスラリーの量および分布が変化し、その結果、不均一性の新たな原因となる。このことは、特に、スラリーの分配を促進するための多孔性の研磨面のへこみ又は同心状の溝等の特徴的なパターンを有した研磨面について問題となる。これらの形態上の特徴のために、可撓性部材が研磨面と接触する表面が不均一に摩耗し、研磨面上でのスラリーの不均一な分配になる。

従来のＣＭＰ装置および方法による別の問題は、上述した不均一なスラリーの分配の問題に関連して、スラリーの非効率的な使用およびスラリーの消耗（むだ使い）の問題である。スラリーが研磨ヘッドの前方の研磨面に供給されるので、典型的には、スラリーが研磨面に流れるときに、スラリーが基板と研磨面との間の全面を覆うことを確実にするために、余剰なスラリーを供給しなければならない。スラリーの純度、および、特にスラリーに懸濁する砥粒のサイズに関する厳格な要件のために、スラリーは高価である。さらに、半導体を製造する際に用いられる物質は人および環境に有害なものが多く、基板から除去された相当量の材料を含む使用済みのスラリーを有害な廃棄物として処分しなければならない。これゆえ、従来のＣＭＰ装置の運転コストにおける重要な要素（ファクター）はスラリーの供給および処分のコストである。

また、従来のＣＭＰ装置および方法の別の問題は、研磨中の基板に損傷を与えるか又は破壊するおそれのある研磨面上の固体の研磨副生成物の蓄積の問題である。これらの副生成物は基板の表面から除去された材料と、古い又は乾燥したスラリーから生ずる研磨剤の凝集物とを含んでいる。このことは、特に、スラリーの分配のための多数の小さくかつ浅い溝を有した研磨面、又は多孔性の研磨パッド又は被覆物を備えたＣＭＰ装置にとって問題である。

従って、平坦化均一性を向上させるために、研磨面に制御されたスラリーの分配、すなわち均一な分配を行う装置および方法が必要とされている。また、研磨面上に供給されるスラリーを、研磨工程中に研磨ヘッドが通過する研磨面の一部に制限することができ、それによってスラリーの消耗又はむだ使いを減らすことができる装置および方法が必要とされている。さらに、研磨面から使用済みのスラリーおよび研磨副生成物を除去し、基板に損傷を与えるおそれのある固体の研磨副生成物の蓄積を防ぐことができる装置および方法が必要とされている。

本発明は、基板の全面にわたって高度の平坦化の均一性を達成するＣＭＰ装置の研磨面にスラリーを分配する装置および方法に関するものである。

本発明の一態様によれば、基板の表面から材料を除去するための研磨装置が提供される。研磨装置は、（ｉ）研磨面を有したプラテンと、（ii）研磨工程中、基板を研磨面に対して保持するようになっている研磨ヘッドと、（iii）研磨工程（研磨操作）中、研磨ヘッドと研磨面との間に相対運動を与えるプラテンの駆動機構と、（iv）薬液を研磨面に供給するようになっているノズルを有した供給装置と、（ｖ）供給装置のノズルと研磨ヘッドとの間に位置する分配装置とを備え、前記分配装置は面取りされた前縁を備え、研磨工程中、研磨ヘッドと研磨面との間に相対運動があるとき、分配装置は薬液を混合し、薬液を基板の表面と研磨面との間に均一に供給する。分配装置は、研磨工程中、研磨ヘッドと研磨面との間に相対運動があるとき、薬液を混合し、基板の表面と研磨面との間に均一に供給する。薬液は、スラリーであることができ、このスラリーは、例えば、流体中に懸濁された固体の研磨材を含み、また研磨面が固定砥粒を含む場合には、薬液は水でありうる。

一つの実施形態では、分配装置は剛性のある、セラミック、ガラス、又は重合体（ポリマー）材料からなる。例えば重合体（ポリマー）は、ポリエステル；ポリエチレンテレフタレート；ポリイミド；ポリフェニレンスルフィド；ポリエーテルケトン；ポリテトラフルオロエチレン；およびポリベンズイミダゾールのうち１又は２以上から形成されている。また、分配装置は、研磨面の一部とは離間するとともに対向する関係にある実質的に平坦な下面を提供するようになっている。分配装置の下面は、所望の除去速度または研磨速度に基づいて、および使用される薬液又はスラリーの粘性をさらに考慮して、所定量だけ研磨面から離れている。

分配装置は、分配装置の下面の下の薬液の動き又は流れを容易とする面取りされた又は角が取られた縁部を備えている。好ましくは、分配装置は研磨面の平面に対して所定の角度を形成するように所定の方向を向いており、この所定の角度は、分配装置の下面の下の薬液の動き又は流れをさらに容易とするように選択されている。半導体基板を処理する際に用いられるほとんどの研磨又は平坦化工程のために適当な所定の角度は約１０°から約８０°であることが判明した。より好ましくは、所定の角度は約２０°から約４０°であり、最も好ましくは、約３０°である。

別の実施形態においては、分配装置は、さらに、１又は２以上のガイド又はスペーサを備えており、研磨工程中、スペーサは研磨面に接触し、研磨面に対して分配装置を案内又は位置決めするようになっている。好ましくは、スペーサは分配装置の下面と研磨面との間でギャップ（間隙）を調整する調整機構を備えており、これによって基板から除去される材料の除去速度を変化させることができる。

研磨装置は、さらに、分配装置を研磨面に対して又は研磨面に隣接して位置決めするためのアクチュエータを備えてもよい。一般に、アクチュエータは、スプリングアクチュエータ、重力アクチュエータ、液圧アクチュエータ、空気圧アクチュエータ、又はソレノイドなどの電磁アクチュエータからなりうる。

ノズルは分配装置の末端に位置するか又は基部（中央）に位置しうる。一つの実施形態では、ノズルは研磨面の上方に分配装置を支持するサポート（支持部）に接触するか又は取り付けられている。１又は２以上のノズルは、残りのノズルとは異なった流量で薬液を供給するようにもなっている。例えば、供給装置の内端又は外端近くのノズルは、より中心に位置しているノズルより低い流量で薬液を供給することができ、研磨ヘッドが通過する研磨面の一部に薬液をより密に集中させるか閉じこめるようになっている。また、供給装置の内端近くのノズルは、他のノズルより高い流量で薬液を供給することができ、回転するプラテンの中心近くの研磨面の部分のより低い研磨速度を補償し、これによって研磨ヘッド上で基板が回転している間ずっと、より均一な除去速度（研磨速度）を提供する。典型的には、各ノズルは毎秒約２０ミリリットル（ｍｌ）から２００ミリリットル（ｍｌ）の薬液を供給するようになっている。

また、分配装置は研磨面の半径、すなわち半径方向に対して所定の角度を形成するように所定の方向を向いている。所定の角度は、研磨面の内部又は外部に、より多くの薬液又はより少ない薬液を導くように調整又は選択することができ、それによって研磨面の一部の除去速度（研磨速度）を変え、又はより密に研磨ヘッドに集中させる。好ましくは、所定の角度は、研磨ヘッドの軌道上に薬液を均一に分配するように選択される。半導体基板を処理する際に用いられるほとんどの研磨又は平坦化工程に適当な所定の角度は、約１°から約３０°であるということが判明した。より好ましくは、所定の角度は、約２°から約２０°であり、最も好ましくは、約１０°である。

別の態様では、本発明は、薬液又はスラリーを混合し、均一に研磨面に分配する分配装置に加えて、研磨面が研磨ヘッドの下を通過した後に、使用済みの薬液および研磨副生成物を研磨面から取り除くためのワイパーを備えた研磨装置に関するものである。一般的に、ワイパーは研磨ヘッドと分配装置の間に位置し、使用済みの薬液および研磨副生成物を研磨面又はプラテンの外縁から外側に導くために、ワイパーは研磨面の半径、すなわち半径方向に対して所定の角度を形成するようになっている。好ましくは、ワイパーは研磨面の半径、すなわち半径方向に対して約５°から約３０°の角度を形成している。

一つの実施形態では、ワイパーは、さらに、使用済みの薬液と研磨副生成物を研磨面から真空吸引するための真空ポートを備える。この真空ポートは、溝又は多孔性のポリマーの研磨パッド等の特徴的な表面を有した研磨面とともに使用するために特に有利である。

別の実施形態では、研磨装置は、さらに、洗浄工程中、ワイパーの前方および／又は後方の研磨面に水等の洗浄流体を供給するための洗浄流体供給装置を備えることができる。この実施形態の一例では、洗浄流体供給装置は、研磨工程中、ワイパーの前方又は上流の研磨面に洗浄流体を供給するようになっており、基板に損傷を与えるおそれがある固体の研磨副生成物の蓄積を減ずるか又は実質的に取り除くようになっている。

好ましくは、ワイパーは、直線状のエッジ（縁）を有した下面を備え、この直線状のエッジは、直線状のエッジの長さに沿ってほぼ完全に研磨面の一部と接触している。より好ましくは、ワイパー又はワイパーの直線状のエッジは、研磨面の半径に対して所定の角度を形成しており、所定の角度は、使用済みの薬液および研磨副生成物を研磨面又はプラテンの外縁から外側に導くように選択されている。
別の態様では、本発明は、研磨される基板を保持する研磨ヘッドの直径と略同一の長さかまたは研磨ヘッドの直径より長い長さを有する分配装置と、研磨工程中、前記分配装置と研磨面との間に位置し研磨面に接触するとともに研磨面に対して分配装置を位置決めするようになっている少なくとも一つのスペーサを備え、前記分配装置は面取りされた前縁を備え、研磨工程中、研磨ヘッドと研磨面との間に相対運動があるとき、前記分配装置は薬液またはスラリーを混合し、薬液またはスラリーを分配装置と研磨面との間に均一に分配する薬液またはスラリー分配装置に関するものである。

本発明の装置および方法の利点は、次のいずれか又は全てを含んでいる。
（ｉ）研磨面へのスラリーの均一な分配によって平坦化の均一性を向上させる。
（ii）研磨面へのスラリーの整えられた又は集中した分配によって、最初に平坦でない堆積層を有した基板の平坦化の均一性を向上させる。
（iii）研磨面へのスラリーの整えられた又は集中した分配によってスラリーの消耗（むだ使い）を少なくする。
（iv）基板に損傷を与えるおそれのある固体の研磨副生成物の蓄積又は堆積の減少又は除去によって歩留まりを向上させる。

本発明の構造および方法について、図面に示された特定の具体的な実施形態に基づいて説明する。当業者であれば、本発明の範囲以内において種々の変更および改変がなしうる。例えば、明確化のために、本発明は単一の研磨ヘッドを有した化学的機械研磨（ＣＭＰ）システムに関連して説明されている。しかしながら、当業者によれば、本発明の装置および方法は複数の研磨ヘッドを有したＣＭＰシステムとともに利用することも可能である。

図１には、基板１０２を研磨する化学的機械研磨又は平坦化（ＣＭＰ）装置１００の実施形態が示されている。ここにおいて、用語「研磨」は基板１０２の研磨又は平坦化を意味し、基板１０２は、フラットパネルディスプレー、太陽電池で用いられる基板、および特に電子回路素子が形成された半導体基板又はウエハを含んでいる。半導体ウエハは、一般的に、１００ｍｍから３００ｍｍの直径を有した薄くかつ脆い円板である。現在１００ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍの半導体ウエハが産業上広く用いられている。本発明の方法および装置１００は、３００ｍｍまでの直径又はそれ以上の直径の半導体ウエハおよび他の基板１０２に適用可能である。

明確化のために、広く知られており、かつ本発明に関係しないＣＭＰ装置１００の詳細構造の多くは省略されている。ＣＭＰ装置１００は、例えば、２０００年５月１２日出願の米国特許出願番号０９／５７０，３７０、「独立のリテーナリングと多領域圧力制御とを備えた空気圧ダイアフラムヘッドのためのシステムおよび方法」、２０００年５月１２日出願の出願番号０９／５７０，３６９、「改良されたエッジおよび環状領域材料除去制御用の多圧力領域負荷を備えたＣＭＰのためのシステムおよび方法」、および２００１年５月１１日出願の出願番号０９／８５４，１８９、「多圧力環状領域サブキャリア材料除去制御を備えたＣＭＰのためのシステムおよび方法」に詳細に説明されている。そして、これらの出願は、ここに参照によって全体として明細書中に組み入れられる。

ＣＭＰ装置１００は、研磨パッド１０８を有した大きな回転可能なプラテン１０６を回転可能に支持するベース１０４と、基板１０２が研磨される研磨面１１０を有した研磨パッドとを備えている。研磨パッド１０８は、典型的には、デラウェア州ニューアークのロデール（RODEL of Newark Delaware）から得られるもののように、ポリウレタン材料からなる。加えて、研磨面と研磨面上に配置される基板１０２の表面との間に化学物質（薬液）またはスラリー（図１では図示せず）を分配するために、溝またはキャビティ等の多数の凹部（図１では図示せず）を研磨面１１０に設けることが可能である。スラリーは、材料が基板面から除去される速度を高めるために用いる懸濁した研磨材を含有する化学的に活性な液体である。典型的には、スラリーは基板１０２の少なくとも１つの物質と化学的に活性であり、かつ約４〜１１のｐＨを有している。例えば、１つの適当なスラリーは、水を基準（ウォーターベース、water base）として約１２％の砥粒と１％の酸化剤を含んだものであり、約１００ナノメーター（ｎｍ）の粒子サイズのコロイドシリカまたはアルミナを含んでいる。また、代替としてまたはスラリーに加えて、研磨パッド１０８の研磨面１１０は、ミネソタ鉱山および製造会社（Minnesota Mining and Manufacturing
Company）から得られるようなパッド内に埋め込まれた固定砥粒であってもよい。固定砥粒を有した研磨面１１０を備えたＣＭＰ装置１００の実施形態においては、研磨工程の間、研磨面に供給される化学物質（砥液）は水でよい。

またベース１０４は、研磨操作の間、基板１０２が保持される１又は２以上の研磨ヘッド１１６（１つのみが図示されている）を備えたカルーセル１１４を支持するブリッジ１１２を支持している。ブリッジ１１２は、研磨工程の間、研磨ヘッド１１６に保持された基板１０２の表面を研磨面１１０に接触させるために、カルーセル１１４を昇降させるようになっている。この特定のＣＭＰデザインにおいては、研磨ヘッド１１６はチェーン１２０を駆動するモータ１１８によって駆動され、このモータ１１８はチェーンおよびスプロケット機構１２２を介して研磨ヘッドを駆動する。研磨パッド１０８および研磨ヘッド１１６の回転に加えて、カルーセル１１４は、研磨ヘッドに軌道運動を与えるために研磨プラテン１０６の固定の中心軸の周りを軌道を描いて回ることができる。さらに、本発明の分配装置およびワイパー（図示せず）は従来から周知であるような直線、すなわち往復運動を用いた機械を含む全ての態様のＣＭＰ装置１００において用いることが可能である。

本発明によれば、ＣＭＰ装置は、さらに、化学物質（薬液）又はスラリー供給装置１２４および分配装置１２５を備えており、これら薬液又はスラリー供給装置１２４および分配装置１２５は図３乃至図１４を参照して説明する。

図３は、本発明に係る研磨面１１０とスラリー供給装置１２３の平面図であり、スラリー供給装置１２３は研磨面１１０に薬液又はスラリー１２９を均一に分配するようになっている複数のノズル１２６，１２８を有したスラリー供給器１２４を備えている。図３において、供給チューブ１３０の端部の第１ノズル１２６は、研磨面の中心１３２の近くに位置しており、研磨面の中心１３２近くの研磨ヘッド１１６の下を通過する研磨面の部分にスラリー１２９の流れを供給するようになっている。第２ノズル１２８は研磨面１１０の外周縁１３４付近の供給チューブ１３０上に位置しており、研磨面の縁部１３４付近の研磨ヘッド１１６の下を通過する研磨面１１０の部分にスラリー１２９の流れを供給するようになっている。スラリー１２９が各ノズル１２６，１２８から供給される角度および流量は、より調整されたスラリーの分配ができるように変更可能になっている。例えば、図３に示す実施形態においては、第２ノズル１２８から供給されるスラリー１２９の流量は減少させることができ、また供給チューブ１３０に対するスラリー１２９が供給される角度φは研磨ヘッド１１６にスラリーをより密に集中させるために減らすことができ、それによってスラリー又は薬液の消耗（むだ使い）を減らすようになっている。

また、図３に示すスラリー供給器１２４のノズル１２６，１２８は所望の研磨プロファイルを達成するため研磨面１１０にスラリーの異質な分配をするようにサイズ、位置および方向が定められている。例えば、高速の集積回路においては、ますます一般的になっている銅層は基板１０２の縁部よりも中心部で厚い凸状の層を形成しがちである。これゆえ、基板の縁部よりも基板１０２の中心部近くでより高い研磨速度を得るため、二つのノズルからのスラリーの流れを研磨ヘッドに保持された基板１０２の中心に向かって導くことが望ましい。

本発明による分配装置１２５の実施例について図４を参照して説明する。図４は、本発明の実施形態に係るスラリー供給器１２４を有したスラリー供給装置１２３と、スラリーを混合し研磨面１１０に均一に供給する分配装置１２５の平面図である。図４において、分配装置は供給チューブ１３０と研磨ヘッド１１６との間に配置されており、研磨工程中、基板１０２の表面と研磨面１１０との間に、薬液又はスラリー１２９を混合かつ散布又は分配するようになっている。図示される実施形態においては、分配装置１２５は研磨面１１０の少なくとも一部を横切って延びる直線上の形状を有した剛性のあるバー又は部材である。この実施形態においては、直線状の分配装置１２５は研磨ヘッド１１６の直径より大きいか又はほぼ等しい長さを有しており、基板１０２と研磨面との間に十分な量のスラリー１２９を供給するようになっている。

また、分配装置１２５は円弧状又は曲線状の部材、又は所定の角度で交差している２又はそれ以上の部材を含むことができ、研磨面１１０にスラリー１２９が所望の不均一な分布になるようにスラリーを導くことができる。例えば、上述したように銅層の平坦化のためにである。

分配装置１２５は、研磨面１１０の一部から離間するとともに対向した関係にあるほぼ平面的な下面（図示せず）を有した形状を提供するようになっている。好ましくは、研磨工程中、基板１０２の汚染の可能性を減ずるか防止するために、分配装置１２５はガラス、セラミック、又は剛性のある高純度の重合体（ポリマー）材料から形成されている。より好ましくは、分配装置１２５は、従来のＣＭＰ装置において研磨ヘッド１１６に保持された基板１０２の周囲に配置されたリテーナリング（図示せず）に通常用いられている材料から形成されている。より好ましくは、分配装置は、厚いポリマーのフィルム（ＰＴＦ）から形成されている。この厚いポリマーのフィルムは、ポリエステル；ポリエチレンテレフタレート；ポリイミド；ポリフェニレンスルフィド；ポリエーテルケトン；ポリテトラフルオロエチレン；およびポリベンゾイミダゾールのうち１又は２以上のポリマーを含んでいる。

分配装置１２５の下面は、所望の除去速度または研磨速度を得るために必要なスラリーの層又は膜の厚さに基づいて所定の量又は間隔だけ研磨面１１０から離間している。所望の研磨速度に加えて、分配装置１２５が研磨面１１０から離間している所定の間隙は、用いられる薬液又はスラリー１２９の粘性に依存している。

スラリー供給装置１２３の実施形態について図５を参照して説明する。図５は、分配装置１２５と、不均一なサイズの複数のノズル１２６，１２８を有したスラリー供給器１２４とを備えたスラリー供給装置１２３の平面図である。図５において、供給チューブ１３０の端部でより低いスラリーの供給流量を有するより小さい第１ノズル１２６を位置決めすることによって、研磨面１１０の中心１３２近くの研磨ヘッド１１６の縁部を通過する過剰なスラリーの流れを減らすことができ、これによりスラリーの消耗又は浪費を減ずることができる。スラリー供給器１２４は所望のスラリーの分配を達成するようサイズ、位置および方向が定められているノズルをいくつでも含んでいることが望ましい。

図６は、スラリー供給器１２４と一体化又は組み合わされた分配装置１２５を備えたスラリー供給装置１２３の別の実施形態の平面図である。図６において、スラリー供給器１２４は分配装置１２５の上流側に近接した位置に複数のノズル１３６を有した供給チューブ１３０を備え、スラリー１２９を混合し均一に研磨面１１０に供給するようになっている。供給チューブ１３０と分配装置１２５はサポート１３８によって研磨面の上方に支持されている。供給チューブ１３０および分配装置１２５は、研磨面１１０および／又はプラテン１０６に対して何ら妨害されるものがなくアクセスすることができるようにサポート１３８の周りに回転するように取り付けることもできる。スラリー１２９又は薬液は、回転可能な流体ユニオン（図示せず）又は可撓性チューブ（図示せず）を介して供給チューブ１３０に連結されうる。

図７は、図３乃至図６に示す分配装置１２５の実施形態の部分側断面図であり、プラテン１０６、研磨面１１０を有したポリマーの研磨パッド１０８、および下面１４２に面取りされた又は角が取られた縁部１４０を有した分配装置を示している。図７において、面取りされた縁部１４０は、分配装置１２５の下でスラリー１２９の流れを容易にするようになっている研磨面に対して角度αを形成しており、これにより研磨面上のスラリーの均一な分配を向上させる。角度があまりにも小さいと、スラリー１２９の膜又は層１４４は厚すぎ、またスラリーの量があまりにも少ないと、スラリーの分配を行うことができない。角度があまりにも大きいと、スラリー１２９は分配装置１２５の背後に堆積し、結局、端部に沿って半径方向内方および外方に流れ、やはり好ましくない厚さの不均一な分布又は層１４４になるということも判明した。半導体基板を処理する際に用いられるほとんどの研磨または平坦化工程のための適当な所定の角度は、約１０°から約８０°である。より好ましくは、所定の角度は約２０°から約４０°であり、最も好ましくは約３０°である。

図７は、分配装置を研磨面１１０の上方又は研磨面１１０に対して位置決めするためのアクチュエータ１４６を含む分配装置１２５の実施形態を図示している。本発明によれば、アクチュエータ１４６は分配装置１２５の面取りされた縁部１４０を研磨面１１０に対して付勢又は押圧する力を与え、かつ移動する研磨面上のスラリー１２９又は薬液の流体力又は圧力によって、面取りされた縁部を上昇させ、面取りされた縁部が研磨面上を滑るか又は浮揚するようになっている。また、アクチュエータ１４６は、分配装置１２５の面取りされた縁部１４０を所定の決まった距離だけ移動させることができるようになっており、面取りされた縁部１４０が研磨面１１０から離間する予め定めた所望の間隙を提供するようになっている。この実施形態の一つの例においては、アクチュエータ１４６による面取りされた縁部１４０の動きはストッパー（図示せず）によって制限され、この縁部１４０の動きは異なった研磨レシピのために異なった厚さを有した層１４４を提供するために調整可能になっている。

アクチュエータ１４６は重力アクチュエータ、流体圧アクチュエータ、空気圧アクチュエータ、および電磁力アクチュエータ又はソレノイドからなる群から選択される。図示される本実施形態においては、アクチュエータ１４６はチャンバー１５０内に摺動可能に収容されたピストン１４８を備えており、チャンバー１５０には液圧又は空気圧流体が導入され、チャンバー１５０から流体が排出されることにより分配装置１２５の面取りされた縁部１４０の再位置決めをするようになっている。ピストン１４８とチャンバー１５０は、１又は２以上の円柱状のピストンと分配装置１２５の長さに沿って間隔をおいて設けられた複数のチャンバーとを含むことができ、また分配装置のほぼ全長にわたって延びている矩形のピストンとチャンバーとを含むことができる。好ましい実施形態においては、アクチュエータ１４６は、単一の液圧又は空気圧ピストンおよびシリンダーとを備えるか、又は分配装置１２５をサポート１３８に連結する単一のソレノイドを備えている（図示せず）。

別の実施形態においては、分配装置１２５は、さらに下面１４２に、１又は２以上のガイド又はスペーサ１５２を備え、スペーサは、研磨工程中、研磨面１１０に接触するようになっているとともに研磨面に対して分配装置を案内又は位置決めするようになっている。図８はプラテン１０６、研磨面１１０を有したポリマーの研磨パッド１０８、および研磨面に対して分配装置を位置決めするようになっているスペーサ１５２を有した分配装置１２５の部分側断面図である。図８において、一実施形態では、スペーサ１５２が研磨面に接触するまで、分配装置１２５はサポート１３８に連結されたアクチュエータ１４６によって下方に下げられるようになっている。スペーサ１５２は、分配装置１２５の残りの部分と一体に形成することができ、または下面１４２に取り付けられる別の部品とすることができる。スペーサ１５２は、分配装置１２５の残りの部分とは別に形成することができるので、スペーサは同一の材料からなる必要はない。これゆえ、スペーサ１５２は高い摩耗性を有した性質を得るように選択された材料から形成することができる。さらに、スペーサ１５２が研磨ヘッド１１６と接触している研磨面の部分の外側の領域のみで研磨面１１０に接触するように配置されているので、スペーサの材料に起因する基板１０２の汚染の可能性が減り、これゆえ、スペーサの材料の選択についての制限をなくすことができる。一つの好ましい実施形態においては、スペーサ１５２の高さは、ねじ付きのロッド又はねじ、又はシム等の調整機構（図示せず）により調節又は変更可能であり、これによって、研磨面１１０上の分配装置１２５の高さを、異なった研磨レシピのために調節することが可能であり、またはスペーサ又は他のＣＭＰ装置１００の部品の摩耗を補償するために調整可能である。

本発明に係る分配装置の好ましい実施形態について図９乃至図１２を参照して説明する。図９は、面取りされた前縁１５４、一体の供給器１５６およびスラリーの微小な層１６２又は計量された量を研磨面１１０に提供するようになっている下面１６０を有した後縁１５８を備えた分配装置１２５を示している。図９において、一体の供給装置１５６から散布又は供給された薬液又はスラリー１２９によって、面取りされた前縁１５４の先端、角度を持った面の背後にスラリーが堆積する。面取りされた前縁１５４の後ろに堆積したスラリー１２９は面取りされた前縁によって研磨面１１０に押され、研磨パッド１０８の多くの同心円状の溝１６４をほぼ完全に満たす（図１０に示される）。面取りされた前縁１５４の後側に堆積したスラリー１２９が十分なレベルまで成長又は蓄積したのち、スラリーは、面取りされた前縁を貫通して計測チャンバー１６８に延びている１又は２以上のポート１６６を通過する。研磨面が分配装置１２５の下を移動し続ける間、計測チャンバー１６８内のスラリー１２９又は薬液は後縁１５８とともに研磨面１１０上に微小な層１６２を形成する。

使用済みのスラリー１２９が研磨ヘッド１１６の下を通過した後、使用済みのスラリー１２９が研磨面１１０から取り除かれない場合には、面取りされた前縁１５４は、さらにこの使用済みのスラリーを回収する役割も果たす。

研磨面１１０の溝１６４をほぼ完全に満たし、かつ均一な微小な層１６２を提供する図９の分配装置１２５の能力は図１０に図示されている。ほぼ完全に満たされた溝１６４は、研磨ヘッド１１６の中心部下方の研磨面１１０のスラリー１２９の供給源を提供し、それによって優れた研磨均一性を提供する。

図１１は、後縁１５８の下面１６０が上にふくらみをもった中心部１７０を有し、スラリー１２９のより厚い層を有した研磨面１１０の領域を提供する別の実施形態を示す図９の分配装置の正面図である。上述したように、所定の基板１０２又はプロセスのために、例えば、銅層を平坦化するために、基板の縁部より基板１０２の中心部近くでより高い研磨速度を得ることが望ましい。後縁１５８の下面１６０は、研磨工程中、研磨面に対して分配装置１２５を位置決めするか、又は位置決めを補助するためのスペーサ１５２を含むこともできる。

また図１２に示す別の実施形態においては、分配装置は、さらに研磨面に残っている残留スラリーを分配装置に戻すための翼１７２，１７４を備えている。図１２は、図９の分配装置に、さらに翼を含んでいる分配装置１２５の部分平面図である。図１２において、翼１７２，１７４は分配装置１２５に取り付けられる個別に組み立てられた要素又は部品からなることができ、又は面取りされた前縁１５４および後縁１５８を含む分配装置の１又は２以上の部品と一体に形成することができる。翼１７２，１７４は分配装置１２５の側部１７６，１７８又は面取りされた前縁１５４に取り付けることができる。面取りされた前縁１５４とともに研磨面１１０と接触する翼１７２，１７４は面取りされた前縁と同じ材料からなっている。

図１３は本発明の実施形態に係るプラテン１０６の半径方向に対する分配装置の角度を示す分配装置１２５の部分的な平面図である。図１３において、プラテン１０６又は研磨面１１０の半径方向に対して分配装置をある角度に設定することによって、研磨面上のスラリー１２９を調整された研磨速度を得るように向け直すことができ、スラリー１２９の流れを研磨ヘッド１１６の下を通過する研磨面１１０の部分のみに集中または制限することができ、それによってスラリーの消耗（むだ使い）を減らすことができることが判明した。本実施例においては、研磨面の半径方向に対して分配装置１２５をある角度に向けるようにする配置は、研磨ヘッド１１６の下を通過する研磨面１１０の部分にスラリーを実質的に集中させる又は制限するための複数の異なったサイズのノズルを有したスラリー供給器１２４と組み合わせて用いられる。内端が外端より先行するように分配装置１２５をある角度に向けることにより、スラリーを研磨面１１０の縁部１３４に向け直すことになる。外縁が内縁より先行するように分配装置１２５をある角度に向けることにより、スラリーを研磨面の中心１３２に向け直すことになる。増加する又はより大きな角度θは、スラリーを向け直すだけの角度又は量を増加させる。

別の態様においては、本発明は、分配装置１２５に加えて、研磨面１１０が研磨ヘッド１１６の下を通過した後に、研磨面１１０から使用済みの薬液又はスラリー１２９および研磨副生成物を除去するようになっているワイパー１８０を備えたＣＭＰ装置１００に関するものである。図１４は研磨面１１０上のワイパー１８０の平面図である。図１４において、ワイパー１８０は、研磨ヘッド１１６と分配装置１２５との間に配置されており、研磨面１１０の半径方向に対して角度γを形成する方向に向いており、使用済みのスラリー１２９および研磨副生成物を研磨面又はプラテン１０６の縁部１３４に向けるようになっている。内端が外端に先行しスラリーを研磨面１１０の縁部１３４に向け直すように、ワイパー１８０は所定の角度に向けられている。好ましくは、ワイパーは、研磨面の半径方向に対し約５°から約３０°の角度を形成している。研磨面１１０と接触しているワイパー１８０は、分配装置１２５の材料と同一又は類似の材料から形成されている。

図１５に示す一つの実施形態においては、ワイパー１８０は、さらに、真空ライン１８２を介して真空ポンプ１８４に連結された真空ポート（図示せず）を有し、研磨面から使用済みの薬液および研磨副生成物を真空吸引するようになっている。この実施形態は、特に溝１６４又は多孔性のポリマーの研磨パッド１０８などのように特徴的な表面を有した研磨面１１０とともに使用するために特に有利である。

図１６に示す別の実施形態においては、ＣＭＰ装置１００は、さらに、ワイパー１８０の前および／又は後に、洗浄工程中、水などの洗浄流体を研磨面１１０に供給し研磨面を洗浄する洗浄流体供給装置１８６を含むことができる。この実施形態の一例においては、洗浄流体供給装置１８６は、研磨工程中、ワイパー１８０の前方又は上流の研磨面１１０に洗浄流体を供給し、基板１０２に損傷を与えるおそれのある固体の研磨副生成物の蓄積を減ずるか又は実質的になくすようになっている。

分配装置１２５と同様に、ワイパー１８０は、ワイパーを研磨面１１０に接触させる位置に昇降させることができるアクチュエータ１８８を介してサポート（図示せず）に連結することができる。アクチュエータ１８８は、スプリングアクチュエータ、重力アクチュエータ、液圧アクチュエータ、空気圧アクチュエータ、又はソレノイド等の電磁アクチュエータからなりうる。

図１７は、ワイパー１８０と一体に形成されるか又はワイパー１８０と接触している洗浄流体供給装置１８６を備えた本発明のＣＭＰ装置１００の別の実施形態である。本発明に係るＣＭＰ装置１００を運転する方法について図１８を参照して説明する。図１８は、本発明の実施形態に係る基板１０２を研磨又は平坦化するプロセスの実施形態を示すフローチャートである。方法は次の工程を含んでいる：（ｉ）研磨ヘッド１１６に基板１０２を位置決めする（ステップ２００）；（ii）基板１０２の表面を研磨面１１０に押圧するように研磨ヘッド１１６を保持する（ステップ２０２）；（iii）多数のノズル１２６，１２８を有し、薬液又はスラリーがノズルを通して供給される供給器１２４を用いて薬液又はスラリー１２９を研磨面１１０に供給する（ステップ２０４）；および（iv）ノズル１２６，１２８と研磨ヘッド１１６との間に位置する分配装置１２５を用いて薬液を混合し研磨面１１０に均一に供給する（ステップ２０６）。

方法は、薬液が研磨ヘッド１１６の下を通過した後、研磨ヘッド１１６と分配装置１２５との間に位置するワイパー１８０を用いて使用済みの薬液又はスラリーおよび研磨副生成物を研磨面１１０から取り除く工程（ステップ２０８）をさらに含むこともできる。好ましくは、方法は、ワイパー１８０の上流の研磨面１１０上に洗浄流体を供給し、研磨副生成物の蓄積を実質的に取り除く工程（ステップ２１０）をさらに含んでいる。

本発明の特定の実施形態に関する前述した説明は、例証および説明の目的のために提示された。これらの詳細な説明は、網羅的であることを意図してはおらず、または本発明を開示されたその形に限定することを意図してはおらず、明らかに多くの改変および変更が上述の教示に照らしてなしうる。実施形態は、本発明の原理およびその実用的な適用を最良に説明するために選択され説明されており、それによって、当業者が特定の用途に適合するように、本発明および種々の実施形態に種々の改変をして最良に用いることを可能とする。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物によって規定される。

本発明の種々の特徴および利点は、ここに添付された図面とともに次の詳細な説明によって明らかになる。

（従来技術）従来のＣＭＰ装置のプラテンおよびスラリー供給装置の平面図であり、研磨面へのスラリーの不均一な分配の状態を図示している。 （従来技術）本発明のスラリー供給システムおよび方法が特に有用な具体例としてのＣＭＰ装置を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る研磨面にスラリーを均一に分配するようになっている複数のノズルを備えたスラリー供給装置およびプラテンの平面図である。 本発明の実施形態に係るスラリー供給装置と、スラリーを混合し均一に研磨面に分配する分配装置の平面図である。 本発明の実施形態に係る複数の不均一なサイズのノズルを有したスラリー供給装置と、スラリーを混合し研磨面に均一に分配する分配装置の平面図である。 本発明の実施形態に係るスラリーを混合し研磨面に均一に分配するようになっている分配装置に近接して位置する複数のノズルを備えたスラリー供給装置の平面図である。 本発明の実施形態に係る分配装置の下面の面取りされた縁部を示す分配装置およびプラテンと、研磨面に対して分配装置を位置決めするためのアクチュエータの部分側断面図である。 本発明の実施形態に係るプラテンの部分断面図および研磨面に対して分配装置を位置決めするようになっているスペーサを備えた分配装置の側面図である。 本発明の実施形態に係る分配装置およびプラテンの部分側断面図であり、面取りされた前縁と、一体の供給装置と、研磨面に微小な層又は計量された量のスラリーを提供するようになっている下面を有した後縁とを示している。 図９の分配装置によりスラリーで満たされた溝を備えた研磨面の部分側断面図である。 本発明の実施形態に係る上方にへこんだ中心部を有した下面を備えた後縁を示す図９の分配装置の正面図である。 本発明の実施形態に係る分配装置およびプラテンの部分平面図であり、回収されたスラリーを分配装置に戻す翼をさらに含む図９の分配装置を示している。 本発明の実施形態に係る分配装置およびプラテンの部分平面図であり、プラテンの半径方向に対して分配装置の角度を示している。 本発明の実施形態に係る研磨面上の分配装置とワイパーとの間に位置するスラリー分配装置の平面図であり、ワイパーは研磨面から使用済みのスラリーおよび研磨副生成物を取り除くようになっている。 本発明の実施形態に係る使用済みのスラリーおよび研磨副生成物を研磨面から取り除くための真空をさらに含む図１４のワイパーの実施形態の平面図である。 本発明の実施形態に係る使用済みのスラリーおよび研磨副生成物を研磨面から取り除くようになっているワイパーおよび洗浄流体供給装置を備えた装置の研磨面の平面図である。 本発明の実施形態に係るワイパーに接している洗浄流体供給装置およびワイパーを備えた装置の研磨面の平面図である。 本発明の実施形態に係る基板を研磨又は平坦化するためのプロセスの実施形態を示すフローチャートである。

Claims (15)

1. 基板の表面から材料を除去する研磨装置であって、
   研磨面を有したプラテンと、
   研磨工程中、基板を研磨面に対して保持するようになっている研磨ヘッドと、
   研磨工程中、研磨ヘッドと研磨面との間に相対運動を与えるプラテンの駆動機構と、
   薬液を研磨面に供給するようになっているノズルを有した供給装置と、
   供給装置のノズルと研磨ヘッドとの間に位置する分配装置とを備え、
   前記分配装置は面取りされた前縁を備え、
   研磨工程中、研磨ヘッドと研磨面との間に相対運動があるとき、分配装置は薬液を混合し、薬液を基板の表面と研磨面との間に均一に供給することを特徴とする研磨装置。
2. 前記薬液を供給するノズルを複数有することを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
3. 前記分配装置は研磨面の平面に対して所定の角度を形成するように所定の方向を向いており、所定の角度は研磨面上で薬液を向け直すように選択されることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
4. 研磨面の上方に前記分配装置を位置決めするアクチュエータをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
5. 前記アクチュエータは、重力アクチュエータ、液圧アクチュエータ、空気圧アクチュエータおよび電磁アクチュエータからなる群から選択されるアクチュエータからなることを特徴とする請求項４に記載の研磨装置。
6. 前記分配装置は研磨面の半径方向に対して所定の角度を形成するように所定の方向を向いており、前記所定の角度は研磨ヘッドの軌道上に薬液を均一に分配するように選択されていることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
7. 前記分配装置は研磨面の半径方向に対して約２°から約２０°の角度を形成していることを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
8. 前記分配装置は少なくとも一つのスペーサをさらに備え、この少なくとも一つのスペーサは、前記分配装置と研磨面との間に位置し、研磨工程中、研磨面に接触するとともに研磨面に対して分配装置を位置決めするようになっていることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
9. 前記少なくとも一つのスペーサは前記分配装置の下面と研磨面との間の間隙を調整する調整機構からなり、基板から材料を除去する除去速度が可変になっていることを特徴とする請求項８に記載の研磨装置。
10. 基板の表面から材料を除去する研磨装置であって、
    研磨面を有したプラテンと、
    研磨工程中、基板を研磨面に対して保持するようになっている研磨ヘッドと、
    研磨工程中、研磨ヘッドと研磨面との間に相対運動を与えるプラテンの駆動機構と、
    薬液を研磨面に供給するようになっているノズルを有した供給装置と、
    供給装置のノズルと研磨ヘッドとの間に位置し、研磨工程中、薬液を混合し、薬液を均一に研磨面に分配する分配装置と、
    研磨ヘッドと分配装置の間に位置し、薬液が研磨ヘッドの下を通過した後に、使用済みの薬液および研磨副生成物を研磨面から取り除くためのワイパーとを備え、
    前記分配装置は面取りされた前縁を備えていることを特徴とする研磨装置。
11. 前記ワイパーは研磨面の半径方向に対して所定の角度を形成するように所定の方向を向いており、前記所定の角度は使用済みの薬液および研磨副生成物をプラテンの外縁から外側に導くように選択されており、使用済みの薬液および研磨副生成物は研磨面から取り除かれることを特徴とする請求項１０に記載の研磨装置。
12. 前記ワイパーは研磨面の半径方向に対して約５°から約３０°の角度を形成していることを特徴とする請求項１１に記載の研磨装置。
13. 前記ワイパーは、使用済みの薬液と研磨副生成物を研磨面から取り除くための真空ポートをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の研磨装置。
14. 洗浄流体を研磨面に供給するためにワイパーの前又は後に位置する洗浄流体供給装置を含み、それによって研磨副生成物の蓄積が実質的に防止されることを特徴とする請求項１０に記載の研磨装置。
15. 研磨される基板を保持する研磨ヘッドの直径と略同一の長さかまたは研磨ヘッドの直径より長い長さを有する分配装置と、
    研磨工程中、前記分配装置と研磨面との間に位置し研磨面に接触するとともに研磨面に対して分配装置を位置決めするようになっている少なくとも一つのスペーサを備え、
    前記分配装置は面取りされた前縁を備え、
    研磨工程中、研磨ヘッドと研磨面との間に相対運動があるとき、前記分配装置は薬液またはスラリーを混合し、薬液またはスラリーを分配装置と研磨面との間に均一に分配することを特徴とする薬液またはスラリー分配装置。

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