JP4422325B2 - 化学的機械研磨装置のための局部圧力制御装置を有するキャリヤヘッド - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
関連出願とのクロスレファレンス
本出願は、本発明の譲受人に譲渡された、Zuniga 他による、１９９６年１１月８日に出願された後、放棄された米国特許出願第 08/745,670 号、発明の名称「化学的機械研磨システム用の可撓性膜を有するキャリヤヘッド」、の一部継続出願として、１９９７年５月２１日に出願された、現在係属中の米国特許出願第 08/861,260 号の一部継続出願であり、その全体を引用によって本出願に援用する。
発明の背景
本発明は、一般的に基板の化学的機械研磨に関し、より詳細には化学的機械研磨装置用キャリヤヘッドに関する。
【０００２】
集積回路は普通、導体、半導体、又は絶縁体の層を、基板上へ、特にウェーハ上へ順次堆積させることによって形成される。各層を堆積した後、層をエッチングして回路フィーチャを作り出す。一連の層が順次、堆積されてエッチングされるにつれ、基板の外側面即ち最上面、つまり基板の露出面は、次第に非平坦となる。この非平坦面は、集積回路製造工程のフォトリソグラフィック段階において問題を起こす。従って、基板面を定期的に平坦化する必要がある。
【０００３】
化学的機械研磨（ＣＭＰ）は、広く行なわれている平坦化の一つの方法である。この平坦化方法は普通、基板をキャリヤヘッド即ち研磨ヘッド上に取付ける必要がある。基板の露出面を回転研磨パッドに押し付ける。研磨パッドは、「標準」パッドでも固定砥粒パッドでもよい。標準研磨パッドが耐久性のある粗面を備える一方、固定砥粒パッドは、封入媒体中に砥粒を含んでいる。キャリヤヘッドは、基板を研磨パッドに押し付けるよう、基板上へ調整可能な荷重、即ち圧力を与える。研磨パッドの表面へは研磨スラリーが供給されるが、この中には少なくとも一種類の化学反応性薬品と、標準パッドを用いる場合には、砥粒とを含有する。
【０００４】
ＣＭＰプロセスの有効性は、その研磨レートにより、そしてその結果としての仕上がり（小縮尺の粗さがないこと）と平坦度（大縮尺のトポグラフィがないこと）により測定される。研磨レート、仕上がり、及び平坦度は、パッドとスラリの組合せ、基板とパッドとの間の相対速度、及び基板をパッドに押し付ける力によって定まる。
【０００５】
ＣＭＰにおいて頻発する問題は、いわゆる「エッジ効果」即ち基板の端部が中心部とは異なる研磨レートで研磨されることである。エッジ効果は普通、基板周囲（例えば、２００ｍｍウェーハの最外側、５乃至１０ｍｍ）を過剰研磨（基板から材料を過剰に除去してしまう）する結果になる。この過剰研磨は、基板の全体的平坦度を下げ、基板の端部は集積回路製造に適さなくなり、工程歩留まりが低下する。
【０００６】
上記に鑑み、必要な基板面の所望平坦度と仕上がりを提供する一方、エッジ効果を低下させる、又は最小化するＣＭＰが必要である。
発明の要約
本発明は一局面において、化学的機械研磨装置用キャリヤヘッドに関する。このキャリヤヘッドは、ベースと、ベースへ可動接続された支持構造体と、ベースに接続された保持リングと、支持構造体へ接続されるとともに、その下方に延びた可撓部材とを含む。可撓部材の下面は基板受け面を提供する。また、支持構造体から一つの突起が延びて、基板受け面の外周の内側の位置で、可撓部材の上面に接触するとともに、基板受け面は保持リングの内面の内側にある。
【０００７】
本発明の実施は以下を含むことができる。キャリヤヘッドは、支持構造体へ下向きの力を加えるため、ブラダのような加圧機構を備える。保持リングをベースヘ接続して、基板受け凹部を画成してもよい。接触域は、研磨不足になる可能性のある基板の領域と実質的に隣接している。突起は、基板受け面の中心の近傍において、実質的に環状の接触面積、又は実質的に円形の接触面積をもって、可撓部材の上面に接触する。突起は支持部材から取り外し可能であってもよい。支持構造体の下面は、一つ又は複数の環状凹部を含んでもよく、突起は凹部に嵌合する１個又は複数のＯリングを備えてもよい。支持構造体の外側端部は下方へ突出するリムを含んでもよく、可撓部材は支持構造体の外側端部の周りに延びてもよく、突起はリムの内側に配置されてもよい。
【０００８】
本発明は他の局面において、流体の流れを発生するように、通過する流体が方向付けられるチャンバに流体連通するポートを有する化学的機械研磨装置用のキャリヤヘッドに関する。キャリヤヘッドは、ベースと、ベースへ接続されるとともにその下方に延びてチャンバを画成する可撓部材とを含む。可撓部材の下面は、基板受け面を提供する。流れは、可撓部材の上面に衝突して、増加した圧力の局在領域を形成する。
【０００９】
本発明の実施は以下を含むことができる。増加した圧力の局在領域は、基板の、研磨不足になる可能性のある領域に実質的に隣接してもよく、基板受け面の外端部の内側に配置されてもよい。流体は空気でよい。キャリヤヘッドは、貫通する通路を有する支持構造体を備えてもよく、その通路の一端はポンプに流体接続され、通路の他端はポートに流体接続される。
【００１０】
本発明は他の局面において、チャンバを画成する、ベースと、支持構造体と、可撓部材とを有するキャリヤヘッドに関する。可撓部材の下側面は基板受け面を提供する。チャンバは、可撓部材の上側面へ第一の力を与えるよう加圧可能である。キャリヤヘッドも、可撓部材の上面の、基板受け面の外側端部の内側にある、局部接触域へ第二の追加の力を与える手段を有する。
【００１１】
本発明は他の局面において、基板を研磨する方法に関する。この方法は、基板の第一面を、キャリヤヘッドの可撓部材の基板受け面へ載置すること、可撓部材が、キャリヤヘッドの支持構造体へ接続されるとともにその下方に延びて一つのチャンバを画成すること、基板の第二面を研磨パッドに当接させること、を含む。このチャンバは加圧されて、第一の力を可撓部材の上面へ加え、第二の追加の力を可撓部材の局在接触域内の上面へ加える。
【００１２】
本発明の実施は以下を含むことができる。局在接触域は、基板受け面の外側端部の内側に配置されてもよく、基板の、研磨不足になる可能性のある領域へ実質的に隣接してもよい。追加の力は、可撓部材の上側面を、保持リングの内面の内側の領域で支持構造体から延びる突起に接触させるか、又は可撓部材の上側面を流体流に接触させて加えることができる。
【００１３】
本発明は他の局面において、化学的機械研磨装置用キャリヤヘッドに関する。このキャリヤヘッドは、ベースと、ベースへ可動自在に接続された支持構造体と、支持構造体へ接続されるとともにその下方に延びた可撓部材とを含む。可撓部材の下面は基板受け面を提供する。環状シールがベースに接続されるとともに可撓部材の上面に突接して、内側チャンバと、内側チャンバの周りの外側チャンバとを画成する。内側チャンバと外側チャンバとは、両者間で実質的に流体を漏らさないシールを形成するために、環状シールを可撓部材へ押し付けるよう圧力を加えることができる。
【００１４】
本発明の実施は以下を含むことができる。キャリヤヘッドは、内側チャンバに流体接続された第一ポンプと、外側チャンバに流体接続された第二ポンプとを含んで、両チャンバ内の圧力が独立して調整されるようにしてもよい。環状シールは、可撓部材に接触するベース部と、ベースにクランプされるステム部とを含んでもよい。本発明は下記の利点を含む。エッジ効果が低減され、その結果、基板の平坦度と仕上がりが実質的に均一になる。
【００１５】
本発明のその他の利点と特徴は、以下の説明、図面、及び特許請求の範囲から明らかになる。
【００１６】
各図における類似符号は、類似の要素を表す。符号にダッシュ（’）は、要素が、変更された機能、作用、又は構造を有することを示す。
好ましい実施の形態の説明
図１に関し、化学的機械研磨（ＣＭＰ）装置２０により、１枚又は複数の基板１０が研磨される。類似するＣＭＰ装置２０は、本発明の譲受人に譲渡され、現在係属中の、 Periov 他により１９９５年１０月２７日に出願された、合衆国特許出願番号第 08/549,336 号、発明の名称「化学的機械研磨用連続処理システム」に、見られ、その全開示を引用して本出願に援用する。
【００１７】
ＣＭＰ装置２０は、上に取付けられたテーブルトップ２３を有する下部マシンベース２２と、着脱可能な上側外側カバー（図示せず）とを含む。テーブルトップ２３は、一連の研磨ステーション２５ａ、２５ｂ、２５ｃと移送ステーション２７とを支持する。移送ステーション２７は、３ヶ所の研磨ステーション２５ａ、２５ｂ、２５ｃと共に略正方形に編成される。移送ステーション２７は、ローディング装置（図示せず）から個々の基板１０を受取ること、基板を洗浄すること、基板をキャリヤヘッドへローディングすること（下記で説明）、基板をキャリヤヘッドから受取ること、基板を再び洗浄すること、及び最後に、基板をローディング装置へ戻すこと、の複数の機能を持つ。
【００１８】
各研磨ステーション２５ａ〜２５ｃは、上に研磨パッド３２を載置した回転プラテン３０を含む。基板１０が直径８インチ（２００ｍｍ）のディスクである場合、プラテン３０と研磨パッド３２の直径は約２０インチになろう。プラテン３０は、プラテン駆動軸（図示せず）によってプラテン駆動モータ（同じく図示せず）に接続される。
【００１９】
各研磨ステーション２５ａ〜２５ｃは更に、関連するパッドコンディショナ装置４０を含む。各パッドコンディショナ装置４０は、独立して回転するコンディショナヘッド４４と、連動する洗浄容器４６とを保持する回転可能アーム４２を有する。このコンディショナ装置は、研磨パッドの回転中、研磨パッドに押し付けられる基板を効果的に研磨するよう、研磨パッドの状態を維持する。
【００２０】
反応性薬品（例えば酸化物研磨用消イオン水）と化学反応触媒（例えば酸化物研磨用水酸化ナトリウム）を含むスラリ５０を、組合せスラリ／リンスアーム５２によって、研磨パッド３２の表面へ供給してよい。研磨パッド３２が標準パッドである場合、スラリ５０は更に砥粒（例えば、酸化物研磨用二酸化珪素）を含んでいてもよい。研磨パッド３２全体をカバーし濡らすため、十分なスラリが供給される。スラリ／リンスアーム５２は、研磨とコンディショニングの各サイクルの終りに研磨パッド３２の高圧リンスを提供する数個のスプレノズル（図示せず）を含む。
【００２１】
カルーセル支持プレート６６とカバー６８とを含む回転可能なマルチヘッドカルーセル６０は、下部マシンベース２２の上方に配置されている。カルーセル支持プレート６６は、センタポスト６２によって支持され、その上で、マシンベース２２内に配置されたカルーセルモータアセンブリによってカルーセル軸６４を中心として回動される。マルチヘッドカルーセル６０は、カルーセル軸６４の周りに等角度間隔でカルーセル支持プレート６６に取付けられた４個のキャリヤヘッドシステム７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄを含む。これらキャリヤヘッドシステムのうち３個は、基板を受けて保持し、それらを研磨ステーション２５ａ〜２５ｃの研磨パッドへ押し付けて研磨する。キャリヤヘッドシステムのうちの１個は、移送ステーション２７との間で基板を授受する。カルーセルモータは、キャリヤヘッドシステム７０ａ〜７０ｄと、それらに取り付けられた基板とを、カルーセル軸６４を中心として、研磨ステーションと移送ステーションとの間で周回させてもよい。
【００２２】
各キャリヤヘッドシステム７０ａ〜７０ｄは、研磨ヘッド即ちキャリヤヘッド１００を含む。各キャリヤヘッドシステム１００は独立して自らの軸を中心として回転し、カルーセル支持プレート６６に形成された放射スロット７２内で横方向に独立して揺動する。キャリヤ駆動軸７４が駆動軸ハウジング７８（図３参照）を貫通して延びてキャリヤヘッド回転モータ７６をキャリヤヘッド１００に接続する（カバー６８の４分の１を除去して示す）。各ヘッドには、キャリヤ駆動軸とモータとが各１個ある。
【００２３】
図２において、カルーセル６０のカバー６８は除去されている。カルーセル支持プレート６６の頂部は、スロット付キャリヤヘッド支持スライド８０を４個支持する。各スライド８０は、ラジアルスロット７２の一つに整列し、ラジアル揺動モータ８７によってスロットに沿って駆動されてもよい。４個のモータ８７は、独立して作動可能であって、４個のスライドを、カルーセル支持プレート６６のラジアルスロット７２に沿い独立して動かす。
【００２４】
図３において、駆動モータ７６の頂部にあるロータリカップリング９０は、３個又はそれ以上の流体ライン９２ａ、９２ｂ、９２ｃを３個又はそれ以上の、駆動軸７４内にあるチャネル９４ａ、９４ｂ、９４ｃへそれぞれ接続している。ポンプ、ベンチュリ、又は圧力調整器などの３つの真空源又は圧力源（以下、単にポンプと称する）９３ａ、９３ｂ、９３ｃが流体ライン９２ａ、９２ｂ、９２ｃへそれぞれ接続されている。３個の圧力センサ即ちゲージ９６ａ、９６ｂ、９６ｃを流体ライン９２ａ、９２ｂ、９２ｃへそれぞれ接続してもよい。制御可能な弁９８ａ、９８ｂ、９８ｃが、流体ライン９２ａ、９２ｂ、９２ｃ中にそれぞれ接続されてもよい。ポンプ９３ａ〜９３ｃ、圧力ゲージ９６ａ〜９６ｃ、及び弁９８ａ〜９８ｃが、汎用ディジタルコンピュータ９９へ適宜接続されてもよい。コンピュータ９９は、以下詳述するように、キャリヤヘッド１００へ空圧パワーを与えるために、ポンプ９３ａ〜９３ｃを作動させる。
【００２５】
実際の研磨中、キャリヤヘッドのうちの３個、例えばキャリヤヘッドシステム７０ａ〜７０ｃのキャリヤヘッドは、研磨ステーション２５ａ〜２５ｃのところの上方に位置決めされる。各キャリヤヘッド１００は、基板を降下させて研磨パッド３２に接触させる。前記のように、スラリ５０が、基板の化学的機械研磨のための媒体として作用する。
【００２６】
一般的に、キャリヤヘッド１００は、基板を所定位置に保持して研磨パッドへ押し付け、基板の背面全体にわたって力を分布させる。キャリヤヘッドは、駆動軸から基板へトルクも伝達する。
【００２７】
図４において、キャリヤヘッド１００は、ハウジング１０２、ベース１０４、ジンバル機構１０６、ローディングチャンバ２００、保持リング１１０、及び基板バッキングアセンブリ１１２を含む。同様なキャリヤヘッドの記載は、前記の米国特許出願第 08/745,670 号に見られ、この出願は引用により援用する。
【００２８】
ハウジング１０２は、駆動軸７４に接続され、研磨中、研磨パッド面に実質的に垂直な回転軸１０７を中心として駆動軸７４とともに回転できる。ローディングチャンバ２００は、ベース１０４へ荷重を、即ち下向きの圧力を加えるように、ハウジング１０２とベース１０４との間に配置されている。研磨パッド３２に対するベース１０４の垂直位置は、ローディングチャンバ２００によっても制御可能である。以下述べるように、ベース１０４と基板バッキングアセンブリ１１２との間に配置されたチャンバ２７６の加圧によって、基板が研磨パッドへ押し付けられる。
【００２９】
基板バッキングアセンブリ１１２は、支持構造体１１４、支持構造体１１４とベース１０４との間に接続された撓み(flexure)ダイヤフラム１１６、及び支持構造体１１４に接続された可撓部材即ち可撓性薄膜１１８を含む。可撓性薄膜１１８は、支持構造１１４の下方に延びて基板用取付面２７４を提供する。これら要素の各々について以下により詳しく説明する。
【００３０】
ハウジング１０２の形状は、被研磨基板の円形状に対応して、略円形である。ハウジングは、環状ハウジングプレート１２０と、略円筒形のハウジングハブ１２２とを含む。ハウジングプレート１２０は、ハウジングハブ１２２を取り囲み、ボルト１２８によってハウジングハブ１２２へ固定される。円筒形ブッシュ１２４が、ハウジングハブを貫通する垂直孔１２６に嵌合してもよく、ハウジングハブを貫通して２本の通路１３０、１３２が延びてもよい。
【００３１】
ベース１０４は、ハウジング１０２の下方に配置される略リング状の物体である。ベース１０４は、アルミニウム、ステンレス鋼、又は繊維強化プラスチック等の剛性材料で形成してよい。ベースの上面１５２と下面１５０とを接続するために、通路１５６がベースを貫通して延びてもよい。
【００３２】
ブラダ１６０が、クランプリング１６６によってベース１０４の下面１５０に取付けられてもよい。ブラダ１６０は、シリコンゴムなどの可撓材料製の薄膜１６２を含むことができる。薄膜１６２は、加圧されたら下方へ膨張するように、弾性を持つのがよい。クランプリング１６６は、Ｔ形断面の環状体でもよい。薄膜１６２の端部１６４は、クランプリング１６６のクロスバーとベースの下面との間にクランプされる。クランプリング１６６はねじ又はボルト（図示せず）によってベース１０４に固定されてもよい。
【００３３】
ポンプ９３ｂ（図３参照）は、流体ライン９２ｂ、ロータリカップリング９０、駆動軸７４内のチャネル９４ｂ、ハウジング１０２内の通路１３２、可撓チューブ（図示せず）、ベース１０４内の通路１５６、及びクランプリング１６６内の通路１６８を経由して、ブラダ１６０へ接続される。２個の固定具１４０、１４２が、ハウジング１０２とベース１０４との間の可撓チューブを接続するための取付点を提供する。ポンプ９３ｂが、流体を、例えば空気のような気体を、ブラダ１６０内へ導入すれば、ブラダは下方へ膨張する。他方、ポンプ９３ｂがブラダ１６０を排気すれば、ブラダは収縮する。以下検討するように、ブラダ１６０を用いて、支持構造体１１４と可撓性薄膜１１８とへ、下向きの圧力をかけることができる。
【００３４】
ジンバル機構１０６は、ベース１０４が研磨パッドの表面に実質的に平行なままでいることができるように、ベース１０４がハウジング１０２に対して枢動可能にする。ジンバル機構１０６は、ジンバルロッド１８０と、撓み（flexure）リング１８２とを含む。ジンバルロッド１８０の上端は、円筒ブッシュ１２４を介して通路１８８に嵌合する。ジンバルロッド１８０の下端は、例えばねじ１８６によって、撓みリング１８２の内側部分に固定された環状フランジ１８４を含む。撓みリング１８２の外側部分は、例えばねじ（図示せず）によってベース１０４に固定される。ジンバルロッド１８０が通路１８８に沿って上下にスライド可能であってもよく、それによって、ベース１０４はハウジング１０２に対して垂直に移動できる。しかし、ジンバルロッド１８０は、ハウジング１０２に対するベース１０４の横方向の動きを阻止する。
【００３５】
ローディングチャンバ２００は、ベース１０４とハウジング１０２との間にシールを設けることによって形成される。このシールは、転動ダイヤフラム２０２と、内側クランプリング２０４と、外側クランプリング２０６とによって提供される。転動ダイヤフラム２０２は、厚さ６０ミル（約１．５２ｍｍ）のシリコンシート製であってもよく、略リング状で、中央部が平坦で、端部が突出している。
【００３６】
内側クランプリング２０４は、転動ダイヤフラム２０２をハウジング１０２にクランプする。内側クランプリング２０４は、転動ダイヤフラム２０２の内側端部をハウジング１０２にしっかりと保持するように、例えばボルト２０８によって、ベース１０４に固定される。
【００３７】
外側クランプリング２０６は、転動ダイヤフラム２０２をベース１０４へクランプする。外側クランプリング２０６は、転動ダイヤフラム２０２の外側端部をベース１０４の上面に保持するように、例えばボルト（図示せず）によってベース１０４に固定される。このようにして、ハウジング１０２とベース１０４との間のスペースがシールされてローディングチャンバ２００が形成される。
【００３８】
ポンプ９３ａ（図３参照）は、流体ライン９２ａ、ロータリカップリング９０、駆動軸７４内のチャネル９４ａ、及びハウジング１０２内の通路１３０、を経由してローディングチャンバ２００へ接続されてもよい。流体、例えば空気などの気体を、ローディングチャンバ２００の中へ、そして外へ圧送してベース１０４へ加える荷重を調節する。ポンプ９３ａが流体をローディングチャンバ２００に送り込むと、ベース１０４が下方へ押されるにつれて、チャンバ容積が増加する。他方、ポンプ９３ａがローディングチャンバ２００内の流体をポンプ排気すると、ベース１０４が引き上げられるにつれて、チャンバ容積が減少する。
【００３９】
図５において、保持リング１１０がベース１０４の外側端部１０４に固定されてもよい。保持リング１１０は、実質的に平坦な底面２３０を有する略環状のリングである。流体がローディングチャンバ２００内へ圧送されてベース１０４が押し下げられると、保持リング１１０も押し下げられ、研磨パッド３２へ荷重が加えられる。保持リング１１０の内面２３２は、可撓性薄膜１１８の取付面２７４と連携して基板受入凹部２３４を画成する。保持リング１１０は、基板が基板受入凹部から脱出しないようにし、基板からの横方向荷重をベースへ伝達する。
【００４０】
基板バッキングアセンブリ１１２は、ベース１０４の下方に配置される。基板バッキングアセンブリ１１２は、支持構造体１１４、撓みダイヤフラム１１６、及び可撓性薄膜１１８を含む。可撓性薄膜１１８は、支持構造体１１４へ接続されるとともに、その下に延びている。
【００４１】
支持構造体１１４は、支持プレート２４０と、環状の下側クランプ２７０と、環状の上側クランプ２７２を含む。支持プレート２４０は、略円板形の剛性部材であって、複数の貫通開口を有する。支持プレート２４０は、環状溝２５０が形成されている上面２４４を有してもよい。更に、支持プレート２４０は、下方へ突出するリップ２４８を外側端部に有する略平坦な下側面２４６を有してもよい。
【００４２】
支持プレート２４０は更に、下側面２４６から延びる略環状の突起２６４を含む。環状突起２６４は、支持プレート２４０の外側端部から距離Ｄを隔てて配置され、幅がＷで高さがＨである。キャリヤフィルムなどの圧縮性材料の層２６６が、突起２６４に取付けられてもよい。以下説明するように、突起２６４は、エッジ効果低減のため、基板１０の所定の部分に追加圧力を加える。このようにして、突起２６４は、基板受入面の外側端部の内側に位置する領域で、可撓性薄膜１１８の上面２６２に接触可能である。圧縮性材料の層２６６は、基板への損傷を防ぐソフトコンタクト領域を提供する。
【００４３】
基板バッキングアセンブリ１１２の撓みダイヤフラム１１６は、略平坦な環状リングである。撓みダイヤフラム１１６は可撓性で弾力性であるが、半径方向と接線方向には剛性であろう。撓みダイヤフラム１１６は、ネオプレンなどのゴム、NYLONＴＭ又はNOMEXＴＭなどのエラストマ被覆繊維、又はガラス繊維などの複合材料で形成してもよい。
【００４４】
可撓性薄膜１１８は、クロロプレンゴム又はエチレンプロピレンゴムなどの可撓性で弾力性のある材料で形成された略円形のシートである。薄膜１１８の一部分２５２は、リップ２４８のところで支持プレート２４０の下側コーナ周りに延びて、支持プレートの外側円筒面２５８の周りで上に向かい、支持プレートの上側面２４４に沿って内側へ向かって延びている。薄膜１１８の突出端部２５４は、環状溝２５０に嵌合し、下側クランプ２７０と支持プレートとの間にクランプされる。
【００４５】
研磨中、基板１０は、基板の裏側が取付面２７４に位置決めされる状態で、基板受入凹部２３４に位置決めされる。支持プレート２４０の立ち上がりリップ２４８は、可撓性薄膜１１８を介して基板の端部を押し付けてもよい。更に、環状突起２６４が可撓性薄膜を介して基板１０を押し付けてもよい。
【００４６】
可撓性薄膜１１８、支持構造体１１４、撓みダイヤフラム１１６、ベース１０４、及びジンバル機構１０６の間の空間が、チャンバ２７６を画成する。ポンプ９３ｃ（図３参照）は、流体ライン９２ｃ、ロータリカップリング９０、駆動軸７４内のチャネル９４ｃ、及びジンバルロッド１８０を貫通する通路１９０を経由して、チャンバ２７６に接続されてもよい。ポンプ９３ｃが、流体例えば空気などの気体を、チャンバ２７６内へ供給すると、可撓性薄膜１１８が強制的に下げられるにつれて、チャンバ容積が増加する。他方、ポンプ９３ｃがチャンバ２７６を排気すると、薄膜が引き上げられるにつれて、チャンバ容積が減少する。気体の方が圧縮性が高いので、液体よりも気体を用いる方が有利である。
【００４７】
研磨中のキャリヤヘッド１００の動作を検討する前に、エッジ効果を復習するのが有用と思われる。先に検討したように、エッジ効果は典型的には、基板の周辺部が過剰研磨される原因である。更に、エッジ効果は基板の一部を研磨不足にする。エッジ効果の結果は、図１０を参照して説明できる。図１０には、円形であると仮定した基板の、ＣＭＰ工程を受けた後の厚さ（ｙ軸）を、基板の端部からの距離（ｘ軸）の関数として示す。図示のように、研磨後、基板の中央部３１０は実質的に平坦である。しかし、基板の周辺の実質的に環状である領域３１２は過剰研磨されている。更に、過剰研磨された領域３１２の内側に近く、基板の周辺３１２に近い内側にある実質的に環状の領域３１４では、基板は研磨不足であるかもしれない。集積回路製造にとって、研磨過剰も研磨不足も不適当である。研磨過剰領域と研磨不足領域の幅は、研磨パッド、スラリと基板層の組成、プラテンとキャリヤヘッドの回転速度、及び基板上への総荷重など、ＣＭＰ工程のパラメータに依存する。しかし、２００ｍｍウェーハに関しては、各領域の幅は３ｍｍと３０ｍｍの間が普通である。
【００４８】
過剰研磨に関してあり得る一つの原因は、基板の周辺で発生する高圧領域の存在である。研磨不足の、可能な原因の一つは、基板周辺の近傍で発生する環状の低圧領域の存在である。図１１の曲線３２０は、基板上の圧力（ｙ軸）を基板の端部からの距離（ｘ軸）の関数として示す。基板が研磨パッドに対して動くと、高圧領域３２２が基板の先行端部（leading edge）に形成してもよく、低圧領域３２４が、高圧領域３２２の内側に隣接して形成されてもよい。高圧領域では研磨レートが増大し、その結果、研磨過剰となり（領域３１２）、一方、低圧領域では研磨レートが低下し、その結果、研磨不足となる（領域３１４）。
【００４９】
特定の理論に限定はしないが、低圧領域３２４の存在に関してなし得る一つの説明は、「変位」効果と称されるものである。即ち、基板の下向き圧力が、研磨パッド材が「流動」させられ、基板の端部全面にわたって変位させられ、圧縮が弱い領域を発生する。今一つなし得る説明は、可撓性薄膜１１８が保持リングに付着し、それにより薄膜の外側端部が保持されて、相対的に固定され、より少ない圧力が薄膜によって、基板の端部付近に加えられるということである。更にもう一つの説明は、基板が保持リングの端部に接触すると、基板が変形し、基板の一部が上方へ撓んで、研磨パッドへの圧縮がより少なくなる領域が発生するということである。
【００５０】
図５に戻ると、研磨中、環状突起２６４は、可撓性薄膜１１８を介して基板１０の裏側へ力を及ぼす。この接触により、基板上に増加圧力の領域が生成される。この増圧領域は、低圧領域３２４の位置に対応する（図１０参照）。従って、環状突起２６４は、さもなければ研磨不足になるであろう領域３１４の研磨レートを高めることができ、基板の使用可能域を高める。
【００５１】
より具体的には、ポンプ９３ａは、流体をローディングチャンバ２００内へ送り込み、基板を研磨パッド上へ下降させる。ポンプ９３ｃも、流体をチャンバ２７６内へ送り込み、基板１０へ下向きの力を加える。更に、上記で検討したように、ブラダが支持構造体１１４に下向きの圧力を加えるように、ポンプ９３ｂがブラダ１６０を加圧してもよい。このようにして、突起２６４は、可撓性薄膜１１８を介して追加の下向き荷重を、基板の研磨不足になる可能性のある領域へ加える。研磨不足を低減するためブラダ１６０とチャンバ２７６とに加える具体的な圧力は、実験的に決められる。
【００５２】
距離Ｄと幅Ｗとは、実験的に決められ、突起２６４が全般的に、さもなければ研磨不足となる基板の領域３１４に重なるように選ばれてもよい。例えば、ＩＣ１０００研磨パッド（ＩＣ１０００は、デラウェア州ニューアーク市所在の Rodel, Inc. の製品名）を用いて２００ｍｍのシリコンウェーハ上のタングステン層を研磨するＣＭＰ作業では、Ｄが約１０ｍｍ、Ｗが約１２ｍｍ、Ｈが約２０ミル（約０．５１ｍｍ）であった。ブラダ１６０内の圧力は約５．２ｐｓｉ（約３５．９ｋＰａ）、チャンバ２００内の圧力は約３．５ｐｓｉ（約２４．１ｋＰａ）であった。
【００５３】
突起２６４によって生成される追加圧力は、突起の高さ、層２６６（もしあれば）の圧縮性、撓みダイヤフラム１１６の弾性、支持構造体１１４の重量など、複数の要因に依存する。更に、ブラダが支持構造体へ追加の下向き力を加えるように、ブラダ１６０を加圧することにより、突起２６４が加える下向圧力を増加させてもよい。従って、突起２６４からの補足的な下向荷重は、支持構造体の重量と撓みダイヤフラムの弾性など、機械的要因単独の関数であるか、又は機械的要因とブラダ１６０の圧力内との両方の関数であるか、のいずれかにしてよい。
【００５４】
研磨条件次第では、基板の端部が研磨不足になる、即ち、研磨過剰領域３１２が存在せず、研磨不足領域３１４が基板の端部にまで延びていることに注目するとよい。このような状況では、キャリヤヘッド１００は突起２６４を含む必要がない。その代わり、リム２４０によって追加圧力が基板の端部へ加えられてもよい。リム２４０の幅は、さもなければ研磨不足になる領域３１４の幅に略対応するように調整されてもよい。ブラダ１６０を加圧して支持構造体１１２へ下向きの力を加え、リム２４０によって加えられる圧力を増やしてもよい。このようにして、リム２４０からの追加圧力は、上記検討のように機械的要因単独の関数か、又は機械的要因とブラダ１６０内の圧力との両方の関数か、のいずれかにしてよい。
【００５５】
図６において、キャリヤヘッド１００’は、着脱及び調節可能な突起２８４を含んでもよく、支持プレート２４０’の下面２４６’は複数の環状溝２８０を含んでもよい。溝２８０は、支持プレート２４０’の外側端部近傍に同心状に編成されてよい。各溝２８０は、１個のＯリング２８２を受け入れてよいが、Ｏリングを備えない溝が幾つかあってもよい。各Ｏリング２８２の、下面２４６’の下方に延びた部分は、実質的に突起２８４を提供する。突起２８４は、上記突起２６４と同様な機能を持つ。
【００５６】
更に、溝２８０からＯリング２８２を取り外すことにより突起２８４を取り外し、異なる直径を有する異なるＯリングを、異なる溝に入れて突起の位置を調節してもよい。もしオペレータが複数の溝の複数の直径に適合する複数のＯリングのキットを持っていれば、一つの単体キャリヤヘッド又は一つの単体キャリヤプレートを、突起の最適位置が異なる様々な研磨作業に用いてもよい。着脱可能な突起２８４を、溝に嵌合するＯリングとして図示したが、この突起はマグネットを使って、又は弾発嵌合の編成によって実施することも可能である。
【００５７】
図７において、更に別の実施の形態では、キャリヤヘッド１００''は、研磨不足になる可能性のある領域で局在に圧力を上げるための流体噴口を含む。複数の流体噴口が、キャリヤヘッドの回転軸の周りに等角度間隔であるようにしてもよい（図７の展開断面図では、１個のみが示される）。薄膜１６２''は、支持構造体１１４''を通る通路２９４に整列する開口２９２を含んでもよい。通路２９４は、支持プレート２４０''の下面２４６''における出口２９６で終端を成す。研磨中、ポンプ９３ｂは空気をブラダ１６０''へ送り込む。次に、ブラダ１６０''内の流体は、開口２９２と通路２９４とを通って流れて出口２９６を出て、局在エアジェットを生じる（矢印２９８で示す）。このエアジェットは、可撓性薄膜１１８上に局在な下向き圧力を発生し、これによって、基板１０の裏側にかかる圧力を局在に増大させ、研磨不足になる可能性のある領域の研磨レートを高める。
【００５８】
ＣＭＰで遭遇するもう一つの問題は、基板の中央がしばしば研磨不足になることである。この問題は「センタスロー効果」と称することができ、基板の裏側へ均一に圧力が加えられても発生する可能性がある。特定の理論にこだわる訳ではないが、センタスロー効果に関してなし得る一つの説明は、基板中央に到達するスラリが比較的少なく、その結果、研磨レートが低下するということである。
【００５９】
図８においては、センタスロー効果を低減又は最少にするため、キャリヤヘッド１００'''を用いてもよい。具体的には、基板受け面の中央近傍の略円形の接触領域において可撓性薄膜の上側面に接触する突起２６４'''を、支持プレート２４０'''に設けることにより、基板中央の研磨不足になる可能性のある領域へ追加の圧力を加えてもよい。この追加圧力が基板中央の研磨レートを高め、研磨の均一性を改善し、センタスロー効果を低減する。
【００６０】
図９において、更に別の実施の形態では、センタスロー効果を低減するため、キャリヤヘッド１００''''は、基板の中央部と端部とへ独立して調整可能な圧力を提供するように設計されている。キャリヤヘッド１００''''はブラダを含まない。むしろ、キャリヤヘッド１００''''は、ベース１０４''''と可撓性薄膜１１８との間に配置されたチャンバシール４００を含む。ベース１０４''''はリング状であって中央開口４１０を備え、チャンバシール４００は開口を通って延びる。チャンバシール４００は略環状体であって、断面は略字形である。チャンバシール４００は、可撓性薄膜１１８の上側面４０４に載置される略平坦なベース部分４０２と、ベース１０４''''に固定され、湾曲したステム部４０６とを含む。ステム部４０６は、クランプリング４２０とベース１０４''''との間に嵌まる突出端部部４０８で終端を成す。クランプリング４２０をベース１０４''''に固定するには、ねじ又はボルト４２２を用いる。
【００６１】
チャンバシール４００は、薄膜１１８とベース１０４''''との間のスペース（上記ではチャンバ２７６と称した）を内側チャンバ４３０と、実質的に環状の外側チャンバ４３２とに分割する。内側チャンバ４３０と外側チャンバ４３２の両方の内部の加圧流体がベース部４０２を薄膜１１８へ押し付け、両チャンバ４３０と４３２との間に流体密シールを形成する。ポンプ９３ｂは、流体ライン９２ｂ、ロータリカップリング９０、駆動軸７４内のチャネル９４ｂ、ハウジング１０２内の通路１３２、可撓チューブ（図示せず）、及びベース１０４''''内の通路（図示せず）を経由して、外側チャンバ４３２へ接続されてもよい。同様に、ポンプ９３ｃも、流体ライン９２ｃ、ロータリカップリング９０、駆動軸７４内のチャネル９４ｃ、ジンバルロッド１８０内の通路１９０を経由して内側チャンバ４３０へ接続される。両チャンバ４３０と４３２内の圧力を独立して調整することにより、薄膜１１８の内側部分４３４と外側環状部分４３６にかかる下向き荷重を独立して調整してもよい。このようにして、基板の内側域と外側環状域にかかる圧力を独立して調整してもよい。適切な圧力を選ぶことにより、研磨の均一性が改善でき、センタスロー効果を低減することができる。チャンバシール４００のもう一つの利点は、ベースから保持リングを取り外すことによって、ハウジング１０２からベース１０４''''の接続を外さずにキャリヤヘッドからバッキングアセンブリ１１２が取り外してもよい。
【００６２】
本発明を幾つかの実施の形態に関して説明した。しかし本発明は、図示説明した実施の形態に限定はされず、むしろ、本発明の範囲は付帯する特許請求の範囲によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、化学的機械研磨装置の分解斜視図である。
【図２】 図２は、カルーセルの概略平面図で、上側ハウジングを取り外した図である。
【図３】 図３は、図２のカルーセルの３−３部分的断面図と、ＣＭＰ装置に用いられる圧力レギュレータの概略部分図である。
【図４】 図４は、本発明によるキャリヤヘッドの概略断面図である。
【図５】 図５は、図４のキャリヤヘッドの拡大図で、支持プレートの下面から延びる突起を示した図である。
【図６】 図６は、着脱可能な突起を有するキャリヤヘッドの概略断面図である。
【図７】 図７は、エアー噴口を含むキャリヤヘッドの概略断面図である。
【図８】 図８は、突起が支持プレートの中心にあるキャリヤヘッドの概略断面図である。
【図９】 図９は、チャンバシールを有するキャリヤヘッドの概略断面図である。
【図１０】 図１０は、基板から除去された材料の量を、基板の端部からの距離の関数として示すグラフである。
【図１１】 図１１は、研磨パッドの圧縮を、基板の端部からの距離の関数として示すグラフである。

Claims (20)

1. 化学的機械研磨装置用キャリヤヘッドであって、
   ベースと、
   前記ベースに可動接続された支持構造体と、
   前記ベースに接続された保持リングと、
   前記支持構造体に接続されるとともにその下方に延びる可撓部材であって、前記支持構造体と前記可撓部材の間でチャンバを画成し、下面が基板受け面を提供するとともに上面が前記チャンバとの境界となる可撓部材と、
   前記支持構造体から延びて、前記基板受け面の外周から距離を隔てた内側の位置で前記可撓部材の上面に接触する突起と、を備え、
   前記基板受け面は、前記可撓部材の下面の一部であって、前記保持リングの内面の内側にある、化学的機械研磨装置用キャリヤヘッド。
2. 更に前記支持構造体へ下向きの力を加えるための加圧機構を備える、請求項１に記載のキャリヤヘッド。
3. 前記加圧機構が、加圧可能なブラダを含む、請求項２に記載のキャリヤヘッド。
4. 前記突起が前記可撓部材と接触する接触域が、基板の研磨不足になる可能性のある領域に隣接する、請求項１に記載のキャリヤヘッド。
5. 前記突起が環状の接触域で前記可撓部材の前記上面に接触する、請求項１に記載のキャリヤヘッド。
6. 前記突起が、前記基板受け面の中央近傍の円形の接触域で前記可撓部材の前記上面に接触する、請求項１に記載のキャリヤヘッド。
7. 前記突起が前記支持部材から取り外し可能である、請求項１に記載のキャリヤヘッド。
8. 前記支持構造体がその下側面に環状凹部を含み、前記突起が、前記凹部に嵌合するＯリングを備える、請求項７に記載のキャリヤヘッド。
9. 前記支持構造体の外側端部が、下方に突出するリムを含み、前記可撓部材が前記支持構造体の外側端部の周りに延びて、前記突起が前記リムの内側に配置される、請求項１に記載のキャリヤヘッド。
10. 化学的機械研磨装置用キャリヤヘッドであって、
    ベースと、
    前記ベースに可動で接続された支持構造体と、
    前記ベースに接続された保持リングと、
    前記支持構造体に接続されるとともにその下方に延びる可撓部材であって、前記支持構造体と前記可撓部材の間でチャンバを画成し、下面が基板受け面を提供するとともに上面が前記チャンバとの境界となる可撓部材と、
    前記基板受け面上に配置される基板の一部により大きな荷重を加えるため、前記支持構造体から延びて、前記基板受け面の外周から距離を隔てた内側の位置で前記可撓部材の上面に接触する突起と、を備え、
    前記基板受け面は、前記可撓部材の下面の一部であって、前記保持リングの内面の内側にある、化学的機械研磨装置用キャリヤヘッド。
11. 化学的機械研磨装置用キャリヤヘッドであって、
    ベースと、
    下面に環状の凹部を有し、前記ベースに可動状態で接続された支持構造体と、
    前記支持構造体に接続されるとともにその下方に延びる可撓部材であって、前記支持構造体と前記可撓部材の間でチャンバを画成し、下面が基板受け面を提供するとともに上面が前記チャンバとの境界となる可撓部材と、
    前記凹部に嵌合されるとともに前記支持構造体から延びるＯリングであって、前記基板受け面の外周から距離を隔てた内側の位置で前記可撓部材の上面に接触するＯリングと、
    を備える化学的機械研磨装置用キャリヤヘッド。
12. 化学的機械研磨装置用キャリヤヘッドであって、
    ベースと、
    前記ベースに接続されるとともにその下方に延びる可撓部材であって、支持構造体と前記可撓部材の間でチャンバを画成し、下面が基板受け面を提供するとともに上面が前記チャンバとの境界となる可撓部材と、
    基板の研磨不足になる可能性のある領域に隣接する局部に、より大きな圧力を加えるため、前記可撓部材の上面へポートを通して流体を方向付けて衝突させるように、前記チャンバに流体連通するポートと、
    を備える、化学的機械研磨装置用キャリヤヘッド。
13. 化学的機械研磨装置用キャリヤヘッドであって、
    ベースと、
    前記ベースに接続されるとともにその下方に延びる可撓部材であって、支持構造体と前記可撓部材の間でチャンバを画成し、下面が基板受け面を提供するとともに上面が前記チャンバとの境界となる可撓部材と、
    前記チャンバに流体連通し、増加された圧力の局在域を形成するように、通過する流体を方向付けて前記可撓部材の上面に衝突する流体の流れを発生させるポートと、
    を備える、化学的機械研磨装置用キャリヤヘッド。
14. 前記増加された圧力の局在域が、基板の研磨不足になる可能性のある領域に隣接する、請求項１３に記載のキャリヤヘッド。
15. 前記増加された圧力の局在域が、前記基板受け面の外側端部の内側にある、請求項１３に記載のキャリヤヘッド。
16. 前記流体が空気である、請求項１３に記載のキャリヤヘッド。
17. 前記支持構造体が、一端がポンプに流体結合され、他端が前記ポートに流体結合される、貫通して延びた通路を有する、請求項１３に記載のキャリヤヘッド。
18. 基板を研磨する方法であって、
    チャンバを画成するようにキャリヤヘッドの支持構造体に接続されるとともに前記支持構造体の下方に延びる前記キャリヤヘッドの可撓部材であって、前記支持構造体と前記可撓部材の間で前記チャンバを画成し、下面が基板受け面を提供するとともに上面が前記チャンバとの境界となる可撓部材の前記基板受け面に、前記基板の第一面を当接させること、
    前記基板の第二面を研磨パッドに当接させること、
    前記可撓部材の上面に第一の力を加えるように前記チャンバを加圧すること、
    保持リングの内周から距離を隔てた内側の領域で前記支持構造体から延びる突起を前記可撓部材の上面に接触させることで、前記可撓部材の局部接触域における上面に第二の追加の力を加えること、
    を含む基板を研磨する方法。
19. 前記基板の第二面がタングステン層を含み、前記突起は、圧縮性材料からなる環状のリングであり、かつ前記基板受け面の端部から１０ｍｍの位置にあり、幅が１２ｍｍ、高さが０．５１ｍｍである、請求項１８に記載の方法。
20. 基板を研磨する方法であって、
    チャンバを画成するようにキャリヤヘッドの支持構造体に接続されるとともに前記支持構造体の下方に延びる前記キャリヤヘッドの可撓部材であって、前記支持構造体と前記可撓部材の間で前記チャンバを画成し、下面が基板受け面を提供するとともに上面が前記チャンバとの境界となる可撓部材の前記基板受け面に、基板の第一面を当接させること、
    前記基板の第二面を研磨パッドに当接させること、
    前記可撓部材の上面に第一の力を加えるように前記チャンバを加圧すること、
    前記可撓部材の上面を流体の流れに接触させることで、前記可撓部材の局部接触域における上面に第二の追加の力を加えること、
    を含む基板を研磨する方法。

Images