JP4346816B2 - 基板研磨 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ケミカルメカニカルポリシング（ＣＭＰ）を含めた基板の研磨技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ケミカルメカニカルポリシングは、研磨パッドと研磨スラリとによって基板表面を均一なレベルに平滑化（平面化）するプロセスである。研磨される基板は普通、回転式キャリヤヘッドに取り付けられて回転式研磨パッドに押し付けられる。研磨パッドは通常、表面を粗くしたディスクから構成される。所望の基板表面仕上げを達成するために、研磨性化学溶液（スラリ）を研磨パッドに付着させる。時間が経過すると、研磨プロセスは研磨パッドを目詰まりさせて、研磨パッド面に、基板の表面仕上げに悪影響を与える可能性のある凹凸を作り出す。研磨パッド面は通常、「コンディショニング」され、それによって、エンドエフェクタとして知られる研削装置で研磨パッドを研削することにより、研磨パッド面の目詰まりを解消して、表面凹凸を除去する。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
一局面では、本発明は、エンドエフェクタを受容するためのコンディショナヘッドを設け；コンディショニングされる研磨パッド面の上方にコンディショナヘッドを支持し；そしてコンディショナヘッドに取り付けられたエンドエフェクタが研磨パッドの表面をコンディショニングできるように、コンディショニングされる研磨パッド面に実質的に垂直な線に沿った位置からの作動力によってコンディショナヘッドを駆動する；ようにした、基板研磨で使用される装置および方法を特徴とする。
【０００４】
別の局面では、本発明は、コンディショナヘッドに取り付けられたエンドエフェクタが研磨パッドの表面をコンディショニングできるように作動力をコンディショナヘッドに加えるために、コンディショナヘッド支持アームを介して空気圧を供給するようにした、基板研磨で使用される装置および方法を特徴とする。
【０００５】
更に別の局面では、本発明は、コンディショナヘッド支持アームがその中に延びる流体チャネルと、流体ポートとを有し、流体チャネルはリンス用流体を受け入れるように構成されるとともに、流体ポートはリンス用流体を流体チャネルから、コンディショニングされる研磨パッド面に向けるように構成されるようにした、基板研磨で使用される装置および方法を特徴とする。
【０００６】
実施の形態は下記特徴の一つ以上を含んでもよい。コンディショナは支持アームによって研磨パッド面の上方に支持され、作動力はドライバによってコンディショナヘッドに加えられる。ドライバはコンディショナヘッドに、コンディショニングされる研磨パッド面に実質的に垂直な線に沿った作動力を加える。ドライバは、コンディショナヘッドと支持アーム間に連結された駆動軸を備え、駆動軸は、研磨パッド面に実質的に垂直な駆動軸に沿って、コンディショニングされる研磨パッドに向かう方向とそれから離れる方向に直線的に作動できる。ドライバは、駆動軸と内部キャビティ間に連結された流体膜を備え、流体膜は、駆動軸が直線的に作動されるに従って、支持アームの内部キャビティ内で流体をシールするようになっている。駆動軸は、コンディショナヘッドを回転させるように構成される。ジンバル機構が駆動軸とコンディショナヘッド間に連結されてコンディショナヘッドを回転させ、駆動軸の軸線に対して或る角度で傾斜させる。支持アームは、コンディショニングされる研磨パッドの上でコンディショナヘッドを動かすように構成されたベースに連結される別の端部を持つ。
【０００７】
研磨パッド面に垂直な線に沿っていない位置から駆動力がコンディショナヘッドに加えられると、駆動力と垂直反力(responsive normal force) が、研磨パッド面からコンディショナヘッドを持ち上げようとするトルクの発生をもたらし、このトルクが不安定性を招くので、研磨パッド面に対して力を均一に加える能力を削減する。研磨パッド面に実質的に垂直な線に沿った位置からの作動力でコンディショナヘッドを駆動することによって、本発明の一局面によれば、垂直力と駆動力は共に同一線に沿って存在し、トルクは殆ど発生しない。従って、本発明によって、力を制御可能に、かつ安定的に研磨パッド面へ加えることができるので均一性を向上させ、この向上した均一性でもって、研磨パッド面を研磨できる。それにより研磨プロセス全般を改善する。支持アームを介してリンス用流体を研磨パッド面へ供給することは、本発明の別の局面によれば、研磨装置の全体サイズを減らすことを可能にするとともに、リンス用流体の供給を制御する能力を向上させる。
【０００８】
他の特徴と利点は、図面と請求の範囲を含めて、下記の説明から明らかになるであろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１Ａと１Ｂによれば、研磨装置１０は、３個の独立作動式研磨ステーション１４、基板移動ステーション１６、および４個の独立回転式キャリヤヘッド２０の動作を振付ける回転式カラセル１８を収容するハウジング１２を含む。ハウジング１２の片側に取り付けられているのは、タブ２４を含む基板装填装置２２で、タブの中には、研磨の前に基板３０のカセット２８を浸漬するための液体槽２６が入っている。アーム３２は線形トラック３４に沿って懸架されてリストアセンブリ３６を支持するが、リストアセンブリは、カセット２８を保持ステーション３９からタブ２４の中に移すためのカセット爪３８と、基板をタブ２４から移動ステーション１６に移動するための基板ブレード４０とを含む。
【００１０】
カラセル１８は、スロット４４を持つ支持プレート４２を有し、そのスロットを通ってキャリヤヘッド２０のシャフト４６が延びている。キャリヤヘッド２０は、均一に研磨された基板を獲得するために、独立に回転するとともにスロット４４内で前後に振動できる。キャリヤヘッド２０はそれぞれのモータ４８で回動されるが、モータは通常、カラセル１８の取り外し可能な側壁５０の後に隠されている。作動時には、基板はタブ２４から移動ステーション１６に装填され、そこから基板はキャリヤヘッド２０に移され；カラセル１８は次に、一連の一つ以上の研磨ステーション１４を通って基板を移動させて、最後に、研磨済基板を移動ステーション１６へ戻す。
【００１１】
各研磨ステーション１４は、研磨パッド５４を支持する回転式プラテン５２とパッドコンディショナ５６とを含み；プラテン５２とコンディショナ５６は共に研磨装置１０の内部のテーブルトップ５７に取り付けられる。各パッドコンディショナ５６は、コンディショナヘッド６０、アーム６２、およびコンディショニングされる研磨パッド５４の表面の上へコンディショナヘッドを位置決めするためのベース６４を含む。各研磨ステーション１４はまた、カップ６６を含み、カップにはコンディショナヘッド６０をリンスするための流体が入っている。
【００１２】
図２Ａと２Ｂによれば、或るモードの動作では、キャリヤヘッド２０に取り付けられた基板を研磨パッドが研磨する間に、研磨パッド５４がパッドコンディショナ５６によってコンディショニングされる。コンディショナヘッド６０は、研磨パッド５４を横切るキャリヤヘッド２０の動きに同期させられた動きによって研磨パッド５４を横切って揺動 (sweep)する。例えば、研磨される基板を持ったキャリヤヘッドを研磨パッド５４の中心に位置決めして、コンディショナヘッド６０をカップ６６内に入ったリンス用流体の中に浸漬してもよい。研磨中、カップ６６は、矢印６９で示すように離れた位置にピボット回転し、基板を装填したコンディショナヘッド６０を、矢印７０、７２でそれぞれ示すように、研磨パッド５４を横切って前後に揺動させてもよい。３つの水噴口７１、７３、７５が水の流れを研磨パッド５４の方に向けてパッド表面からスラリをリンスしてもよい。
【００１３】
研磨装置１０の一般的な特徴と動作についての更なる詳細は、Perlov 他による１９９５年１０月２７日出願の同時係属中の特許出願第 08/549,336 号、発明の名称「ケミカルメカニカルポリシングのための連続加工システム」（本発明の譲受人に譲渡済）を参照されたい。同出願は引用によって本明細書に組み込まれている。
【００１４】
図３Ａによれば、すでに承知の通り、研磨パッド面７６に垂直な線に沿っていない位置から駆動力（Ｆdriver）がコンディショナヘッド７５に加えられると、駆動力と垂直反力（Ｆnormal）は、コンディショナヘッド７５を研磨パッド面７６から持ち上げようとする反時計方向のトルク（Ｔ’）をもたらす。このトルクの発生は不安定性を招き、それによって研磨パッド面７６に対して力を制御可能に加える能力を減少させる。図３Ｂに示すように、本発明の一局面によれば、作動力が、研磨パッド７６に実質的に垂直な線８２に沿った位置からコンディショナヘッド６０に加えられると、垂直力と駆動力は共に同一線８２に沿って存在して、トルクは殆ど発生しない。従って、本発明によって、力を研磨パッド面７６に対して制御可能に、かつ安定的に加えることができるので、研磨パッド面をコンディショニングする均一性を向上させるともに、それによって研磨プロセス全般を改善する。
【００１５】
図４Ａと４Ｂによれば、パッドコンディショナ５６の支持アーム６２は、一端をコンディショナヘッド６０に連結されるとともに多端をベース６４に連結されて、研磨パッド面を横切ってコンディショナヘッド６０を揺動させる。ドライバ８４はコンディショナヘッド６０をアーム６２に連結するとともに、伸長位置（図４Ａ）と後退位置（図４Ｂ）間でコンディショナヘッド６０を駆動する。上記のように、ドライバ８４は、コンディショニングされる研磨パッド面に実質的に垂直な線に沿った位置から作動力をコンディショナヘッド６０に加えるので、研磨パッドコンディショナ５６に生じるトルクの量を明らかに減少させる。
【００１６】
図４Ｃによれば、ドライバ８４は、流体キャビティ８８の内部を画成するハウジング８６を含む。流体キャビティ８８は更に、面板９０と流体膜９２によって画成され、流体膜は、例えば、約４０デュロメータの硬度と約０．０３インチの厚さを持つネオプレンゴム製である。流体膜９２は、環状クランプ９４によってハウジング８６に取り付けられた一端９３を持つとともに、ボルト１００、１０２によって面板９０に連結された環状クランプ９８によって面板９０に取り付けられた他端９８を持つ。フランジ１０４は面板９０をスプラインシャフト１０４に連結し、スプラインシャフトは次に、ボルト１１０によってコンディショナヘッド６０のフランジ１０８に連結される。作動時に、流体キャビティ８８は、ドライバハウジング８６内に画成された流体チャネル１１２、１１４を介し、またアーム６２を通るとともにベース６４を通って入口ポート１１７（図４Ａ）に延びる流体チャネル１１６を介して、加圧空気を受け取る。流体キャビティ８８内の空気圧の増加が、面板９０、スプラインシャフト１０６、およびコンディショナヘッド６０を矢印１１８で示す方向に駆動する。空気が流体キャビティ８８から真空排気されるに従って、流体キャビティ８８内の空気圧の減少が面板９０、スプラインシャフト１０６、およびコンディショナヘッド６０を矢印１２０で示す方向に後退させる。
【００１７】
流体チャネル１１６は、空気と、水などのリンス溶液をそれぞれ受け入れるための個別チューブを含む。リンス溶液チューブは、アーム６２に沿って配置される水噴口７１、７３、７５に連結される（図２Ａ、２Ｂ、４Ａを参照）。スラリ堆積の増加を防ぐために、リンス溶液を使って、研磨前、研磨中、または研磨後に研磨パッド面をリンスしてもよい。
【００１８】
ドライバ８４はまた、スプラインナット１２４に連結された歯付シーブ１２２を含む。歯付シーブとスプラインナット１２４とは、ベース６４内のモータによって駆動される歯付駆動ベルト（図示せず）によって回される（以下に詳しく説明）。スプラインナット１２４はスプラインシャフト１０６と係合することによって、駆動ベルトで駆動されたとき、スプラインシャフト１０６とコンディショナヘッド６０とを回転させる。一対の環状ベアリング１２６、１２８はアーム６２とスプラインナット１２４間に上部カラー１３０、１３１と下部カラー１３２とによって適切に保持され；環状ベアリング１２６、１２８は環状スペーサ１３４によって間隔をあけて配置される。環状ベアリング１２６、１２８によってスプラインナット１２４はアーム６２に対して自由に回転できる。一対のベアリング１３６、１３８によってスプラインナット１２４とスプラインシャフト１０６は面板９０に対して自由に回転できる。
【００１９】
コンディショナヘッド６０は、研磨パッド面のコンディショニングに使用されるエンドエフェクタ（図示せず）を適切に保持するための環状磁石１４２を有する面板１４０を含み；ピン１４４を使って、面板１４０に保持されたエンドエフェクタに係合することによってトルクを伝達する。面板１４０とフランジ１０８とは、環状ケージ１５０の孔の中に着座するとともに上部環状レース１５２と下部環状レース１５４間に配置された複数のベアリング１４６、１４８を含むジンバル機構によって一体に連結される。ボールベアリング１４６、１４８とベアリング１４７、１４９とによって面板１４０はスプラインシャフト１０６に対して首振り運動ができる。首振り運動の程度は、フランジ１０８に取り付けられた３本のトルク伝達ピン１５６（図４Ｂには一本のトルク伝達ピンのみを図示）によって制限される。トルク伝達ピン１５６は、面板１４０の凹部１６０内に延びて回転力をフランジ１０８から面板１４０に伝達する突出部１５８を持つ。各突出部１５８は、面板１４０とフランジ１０８間の首振り運動の程度を制限する、約４０デュロメータの硬度を持ったＯリング１６２を含む。制限されてはいるが、この首振り運動よって面板１４０は研磨パッドの表面の小さな凹凸(feature) に適応できるので、面板１４０の或るサイドが別のサイドよりも大きな力で研磨することはない。
【００２０】
図４Ｄによれば、ジンバル機構は、研磨パッド５４の表面の不均一なコンディショニングを実質的に削減するように構成される。ボールベアリング１４６、１４８と上部および下部レース１５２、１５４とによって作られたボールジョイントは、対称の球中心１６８が、コンディショナヘッド６０に取り付けられたエンドエフェクタ１７０と研磨パッド間に生じた摩擦トルク（Ｆ’）の中心に一致するように構成される。実効回転中心１６８とは、研磨パッドとエンドエフェクタの圧縮と変動する横方向コンシステンシーを考慮したときに、研磨パッドとエンドエフェクタ間の回転摩擦力が、中心点１６８に対して垂直方向に実質的な有効トルクを発生させないような点である。つまり、ジンバル機構は、コンディショナヘッド６０を研磨パッドを横切って牽引するために必要な合力（Ｒ’）がコンディショナヘッド６０と研磨パッド間の境界面の平面内に現われるように構成され；これは、コンディショナヘッドと研磨パッド間の合摩擦力（Ｆ’）を含む同一の平面である。従って、コンディショナヘッド６０と研磨パッド間に生じる合有効トルクは実質的に削減される。というのは、合牽引力（Ｒ’）と合摩擦力（Ｆ’）は実質的に同一平面内にあって、これらの合力を分離するモーメントが殆ど存在しないからである。この構成は、さもなければコンディショナヘッド６０が研磨パッド５４を横切って不均一に研磨圧力を加える原因となるであろうコンディショナヘッドの回転性向を減らす。
【００２１】
図４Ｅによれば、ベース６４はアーム６２に取り付けられたピボット支持プレート１８０と、テーブルトップ表面５７に取り付けられたモータブラケット１８２とを含む。モータブラケット１８２はハーモニックドライブ１８４（例えば、マサチューセッツ州 Peabody の Harmonic Drive Technologies, Teijin Seiki Boston, Inc. から入手可能なハーモニックドライブ）に取り付けられる。ハーモニックドライブ１８４の高速低トルク側はモータブラケット１８２に固定され、低速高トルク側はフランジ１８６、１８８によってピボット支持プレート１８０とアーム６２に固定される。ドライブ揺動モータ１９０は、テーブルトップ５７の下のモータブラケット１８２に取り付けられる。ドライブ揺動モータ１９０は、ハーモニックドライブ１８４のリムドライブギヤ１９８と噛み合うギヤ１９６にクランプ１９４によって連結された駆動軸１９２を持つ。作動時には、ドライブ揺動モータ１９０がハーモニックドライブ１８４を駆動し、ハーモニックドライブが次に、ピボット支持プレート１８０を回転させ、それによってアーム６２を研磨パッドの表面を横切って前後に揺動させる。ベアリング１９９によって、ピボット支持プレート１８０はモータブラケット１８２に対して自由に回転できる。
【００２２】
図４Ｃに関して上述したように、コンディショナヘッド６０は、アーム６２の一端で歯付駆動ベルトと係合する歯付シーブ１２２でスプラインシャフト１０６とスプラインナット１２４とを駆動することによって回される。図４Ｅに示すアーム６２の他端では、歯付駆動ベルト（図示せず）は、駆動軸２０２の一端に連結された対応する歯付シーブ２００と係合する。駆動軸２０２の他端はギヤを有し、そのギヤは、クランプ２０８によってコンディショナモータ２１２のモータ駆動軸２１０に連結されたギヤ２０６と噛み合う。ギヤ２０４、２０６は、テーブルトップ５７に固定されたギヤハウジング２１４内に収容される。モータ駆動軸２１０の回転はシャフト２０２を駆動し、それが次に歯付シーブ１２２を回転させることによって、コンディショナヘッド６０を回転させる。ベアリング２１６、２１８によって駆動軸２０２はピボット支持プレート１８０とモータブラケット１８２に対して自由に回転できる。
【００２３】
空気は、駆動軸２０２を通って延びて流体チャネル１１６と結合する内側チューブ２２２に連結された空気圧入力１１７を介して、パッドコンディショナ５６に導入されるとともにそこから真空排気される。コンディショナヘッド６０に取り付けられたエンドエフェクタのリンスのために使用される水などの流体は、内側チューブ２２２の外面と外側チューブ２２６の内面の間で画成される環状チャネルに連結された流体入力２２４を介して、パッドコンディショナ５６に導入される。
【００２４】
研磨パッドコンディショナ５６はいくつもの異なる方法で使用できる。例えば、パッドコンディショナ５６は、コンピュータで実行されるソフトウェアプログラムによって制御してもよい。研磨パッドは、基板が研磨される前、研磨中、または研磨後にコンディショニングできる。各種のエンドエフェクタを使用してもよい。一般に、エンドエフェクタは、研磨パッドに押し付けられてパッドの目詰まりを解消して表面凹凸を除去するダイヤモンド含浸面などの研磨性表面を含む。研磨性表面は、希望する基板表面仕上げによって、複数の歯または凹部を持ってもよい。エンドエフェクタは、それをコンディショナヘッドに取り付ける接着面を持ってもよい。
【００２５】
他の実施の形態は請求の範囲の中に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１Ａは研磨装置の斜視図である。図１Ｂは図１の研磨装置の分解図である。
【図２】 図２Ａと２Ｂは、図１の研磨装置による、研磨中の基板およびコンディショニング中の研磨パッドの上面線図である。
【図３】 図３Ａは、研磨パッド面に垂直な線に沿っていない位置からのコンディショナヘッドに対するドライバ付加力の線図である。図３Ｂは、研磨パッド面に垂直な線に沿った位置からのコンディショナヘッドに対するドライバ付加力の線図である。
【図４】 図４Ａは、伸長位置のキャリヤヘッドを含む研磨パッドコンディショナの側面線図である。図４Ｂは、図４Ａの研磨パッドコンディショナの要部の側面線図で、キャリヤヘッドが後退位置にある状態を示す。図４Ｃは、図４Ａの研磨パッドコンディショナのキャリヤヘッドの側面線図である。図４Ｄは、図４Ａの研磨パッドコンディショナにおいて、キャリヤヘッドをコンディショナ駆動軸に連結するジンバル機構の側面線図である。図４Ｅは、図４Ａの研磨パッドコンディショナのベースの側面線図である。
【符号の説明】
１０…研磨装置、１４…研磨ステーション、１６…基板移動ステーション。

Claims (13)

1. 基板研磨で使用される装置であって：
   エンドエフェクタを受けるように構成された、研磨パッドの表面をコンディショニングするためのコンディショナヘッドと；
   コンディショニングされる前記研磨パッド面の上方に前記コンディショナヘッドを支持するための支持アームと；
   前記支持アームにより支持され、ベルト駆動により回される第１駆動軸と；
   前記第１駆動軸と同軸にあり、前記第１駆動軸により回されるように駆動され、スライド連結で前記第１駆動軸に連結された第２駆動軸と；
   前記第２駆動軸に結合され、内部キャビティを備えるドライバであって、前記内部キャビティに加えられた圧縮流体が前記研磨パッド面に垂直な線に沿って前記第２駆動軸に力を作用するように前記内部キャビティが配置されている、前記ドライバと；
   を備え、
   前記コンディショナヘッドに前記第２駆動軸が連結されている、前記装置。
2. 前記ドライバが、コンディショニングされる前記研磨パッド面に実質的に垂直な線に沿って存在する作動力を前記コンディショナヘッドに加える請求項１の装置。
3. 前記ドライバが空気圧駆動式である請求項１の装置。
4. 前記第２駆動軸が、コンディショニングされる前記研磨パッド面に垂直な駆動軸に沿って、コンディショニングされる前記研磨パッドに向かう方向とそれから離れる方向に直線的に作動可能である請求項１の装置。
5. 前記ドライバが、前記第２駆動軸と内部キャビティ間に連結された流体膜を備え、前記流体膜が、前記第２駆動軸が直線的に作動されるに従って、前記支持アームの前記内部キャビティ内の流体をシールする、請求項１の装置。
6. 更に、前記第２駆動軸と前記コンディショナヘッド間に連結されたジンバル機構を備え、前記ジンバル機構は、前記コンディショナヘッドが回転して前記駆動軸に対して或る角度で傾斜できる、請求項１の装置。
7. 前記支持アームが、コンディショニングされる前記研磨パッドの上で前記コンディショナヘッドを動かすように構成されたベースに連結された別の端部を有する請求項１の装置。
8. 更に、前記支持アームを通って延びた、リンス用流体を前記研磨パッド面に供給するための流体管路を備える請求項１の装置。
9. 基板研磨で使用される方法であって：
   エンドエフェクタを受容するように構成された、研磨パッドの表面をコンディショニングするためのコンディショナヘッドを提供するステップと；
   コンディショニングされる前記研磨パッドの上方に前記コンディショナヘッドを支持するステップと；
   前記支持アームにより支持されベルト駆動により回される第１駆動軸を準備するステップと；
   前記第１駆動軸と同軸にあり前記第１駆動軸により回されるように駆動され、スライド連結で前記第１駆動軸に連結された第２駆動軸を準備するステップと；
   前記第２駆動軸と前記コンディショナヘッドを連結するステップと；
   内部キャビティを準備するステップであって、前記内部キャビティに加えられた圧縮流体が前記研磨パッド面に垂直な線に沿って前記第２駆動軸に力を作用するように前記内部キャビティが配置されている、前記ステップと；
   前記コンディショナヘッドに取り付けられたエンドエフェクタが前記研磨パッドの表面をコンディショニングできるように、コンディショニングされる前記研磨パッド面に垂直な線に沿った作動力によって前記コンディショナヘッドを駆動するステップと；
   を含む方法。
10. 前記コンディショナヘッドが空気圧作動式である請求項９の方法。
11. 前記コンディショナヘッドが支持アームによって前記研磨パッド面の上方に支持され；
    更に、前記支持アームを介してリンス用流体を前記研磨パッド面に供給することを含む請求項９項の方法。
12. 基板研磨で使用される装置であって：
    基板を受容するように構成された研磨用の回転式基板キャリヤと；
    前記基板の表面を研磨するための研磨パッドを支持するための回転式プラテンと；
    エンドエフェクタを受容するように構成された、前記研磨パッドの表面をコンディショニングするためのコンディショナヘッドと；
    前記コンディショナヘッドに連結された一端を有し、コンディショニングされる前記研磨パッド面の上方に前記コンディショナヘッドを支持するための支持アームと；
    前記支持アームに連結された第１駆動軸と；
    前記第１駆動軸と同軸にあり、前記第１駆動軸により回されるように駆動され、スライド連結で前記第１駆動軸に連結された第２駆動軸と；
    内部キャビティを備えるドライバであって、前記内部キャビティに加えられた圧縮流体が、コンディショニングされる前記研磨パッド面に垂直な線に沿って作動力を前記第２駆動軸に作用するように前記内部キャビティが配置されている、前記ドライバと；
    を備え、
    前記第２駆動軸は、前記コンディショナヘッドに連結され、
    前記コンディショナヘッドに取り付けられたエンドエフェクタが前記研磨パッドの表面をコンディショニングできるようにした前記装置；
    を備える装置。
13. 前記ドライバが空気圧駆動式である請求項１２の装置。

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