JP4471832B2 - 光学センサ付き研磨パッド - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェーハ処理に関するもので、特にそのパッド内にセンサが配置されている使い捨て式研磨パッドに関するものである。

多くの電子チップは、異なった物質を交互に層として形成して構築され、各層は半導体ウェーハ（代表的にはシリコン）上に配置されている。新しい層が追加されるごとに、余剰の層物質の除去、ウェーハの（それを非常に平らなものとする）平坦化、その他の目的のために研磨又は研削工程がしばしば必要となる。研磨工程はしばしば化学的・機械的平坦化（chemical mechanical planarization）と呼ばれる。複数の層が必要な場合、多数のCMP工程が必要となる。更に、チップ構築プロセスでは、材料の非常に薄い層をウェーハから均一に除去することがしばしば要求される。各CMP工程で正しい材料量が除去されることを保証するために、研磨を何時終了させるかを決定する何らかの手段が必要である。

斯かる手段の１つは、どれだけの層が除去されたか、あるいは新しい層に到達したことを検出する光学センサを使用することである。しかし、センサはウェーハの表面に非常に近く配置されるので、光学センサの使用は困難である。更に、CMP工程で使用される苛性アルカリスラリでセンサが破損されることがある。それにも関わらず、光学センサがウェーハの必要な測定を行えるように光学センサを配置する幾つかの方法が存在する。

研磨パッドに設置された窓の何種類かの設計がビラング(Birang)その他によるCMP研磨装置の研磨パッド中の透明窓の形成、米国特許5,893,796（1999年4月13日）に開示されている。研磨されるウェーハは研磨パッドの上部にあり、研磨がウェーハの下面で行われるように研磨パッドは剛性の定盤（platen）に静置されている。その表面は、剛性定盤の下側に配置された干渉計により研磨プロセス時にモニタされる。干渉計はレーザー線を上方に向けるもので、それがウェーハ下面に達するためには、それは定盤中の開口部を通過し、研磨パッドを通って上方に向かい続ける必要がある。定盤中の開口部の上にスラリが蓄積することを防止するために、研磨パッド中に窓が備えられている。その窓が如何に形成されるかを問わず、干渉計センサは常に定盤の下に配置され、研磨パッド中に配置されるものではないことは明らかである。

別の方法が、シュルツ（Schultz）、半導体ウェーハの機械的平坦化及びエンドポイント検出の方法と装置、米国特許5,081,796（1992年1月21日）に開示されている。シュルツは、部分的研磨の後、ウェーハがある位置に移動され、その位置ではウェーハの一部が定盤の端の上に突き出るという方法を説明している。この突き出た部分の磨耗が干渉分光法で測定され、研磨プロセスを継続するべきか否かが決定される。

研磨パッド中に配置された光学センサは要求される層分析を高効率で行う能力がある。パッドが磨耗するにつれパッド内を上下に動くことのできる光学アセンブリを備えることにより、これらのパッドの研磨の均一性を向上せしめることが可能である。

米国特許第５，８９３，７９６号公報 米国特許第５，０８１，７９６号公報

下記に説明する方法及び装置は、光学アセンブリ材料の相対的硬度を問わず、アセンブリとパッドの組み合わせによりウェーハの均一な磨耗が達成されるような、研磨パッド中に配置された光学アセンブリを提供している。パッドの上層にはセンサ・ポート又は孔が設けられ、センサ・ポートの下に配置されているより大きな孔がパッドの下層中に設けられている。光学アセンブリには、大きい方の孔に配置されるような大きさと寸法を有する柔軟フランジが備えられており、同フランジは上部パッドに接着されている。更に、光学アセンブリの底部は光学アセンブリの底とパッドの底との間に隙間があるように十分薄いものとなっている。斯くして、光学アセンブリ全体は研磨パッド上層から吊り下がっており、従ってウェーハ及びウェーハ・キャリアが光学アセンブリの上方を通過し、パッドがその寿命に応じて薄くなるにつれ光学アセンブリがパッドの上面と共に浮くようになっている。

図１は化学的機械的平坦化装置１の上面図で、光学ポート２が研磨パッド３に切り込まれている。ウェーハ４（又は平坦化または研磨を要する他のワークピースは研磨ヘッド５により保持され、並進アーム６から研磨パッド３上に吊り下げられている。他のシステムでは複数のウェーハを保持する複数の研磨ヘッド、及び研磨パッドの対向する側（左右側）で別個の並進アームが使用されても良い。

研磨プロセスで使用されるスラリは、スラリ注入チューブ７を介して研磨パッド３の表面に注入される。懸垂アーム８は、電子アセンブリ・ハブ１０の上に吊り下がる非回転ハブ９に接続している。電子アセンブリ・ハブ１０は、ツイスト・ロック、デテント、スナップ・リング、ネジ、ねじ込みセグメント、その他の着脱可能な結合機構により研磨パッド３に着脱自在に取り付けられている。ハブ１０は、ハブが取り付けられているパッド中にある導電アセンブリに取り付けられている。導電アセンブリは、単一の接点か、薄い導電リボン１１に取り付けられた複数の接点のいずれかでもよい。導電リボンは、フレキシ回路又はリボン・ケーブルとも呼ばれるものである。リボン１１は、光学ポート２中に配置されておりパッド３に埋め込まれている光学センサ機構を電子ハブ１０中の電子部品に電気的に接続するものである。リボン１１は、個々のワイヤまたは細いケーブルで構成されていても良い。

窓は研磨パッド中で回転し、研磨パッド自体は矢印１２の方向にプロセス駆動テーブル、あるいは定盤１８、の上で回転する。各研磨パッドは、矢印１４の方向にそれぞれのスピンドル１３を中心に回転する。各研磨ヘッド自体は、矢印１６で示す並進スピンドル１５により研磨パッドの表面の上方で前後に並進される。斯くして、各研磨ヘッドが回転、並進両運動を行っている間に光学ポート２は各研磨ヘッドの下を通過し、研磨パッド／定盤アセンブリの回転ごとにウェーハ表面全体に複雑な経路を描く。

パッドの回転中、光学窓２及び導電アセンブリは常に同一の半径方向線１７に位置している。しかし、パッド３がハブ９に対して回転するので、半径方向線は円形経路で並進する。導電リボン１１は半径方向線１７に沿って位置しており、それと同様に移動する。

図２に示すように、研磨パッド３は円形の形状と、中心円形開口部２３を有する。研磨パッド中に孔２が形成され、孔は研磨の対象となっている表面に対向するように上側に開いている。光学センサ２５が孔２に配置され、光学センサ２４から中心開口部２３に向かって伸びる導電リボン１１が研磨パッド３中に埋め込まれている。同孔はパッド全体に伸びる窓又はポートであっても良いし、盲孔であっても良い。

研磨パッド３使用時には、電子ハブが上方より中心開口部２３に挿入され、研磨パッド３の下に位置するベース２６をハブ１０のねじ山の部分にねじ込むことによりそこに固定される。そのようにして、研磨パッド３はハブの部分とベース２６の部分との間に締め付けられる。研磨プロセス中、研磨パッド３、ハブ１０、及びベース２６は中心縦軸２８に対して共に回転する。研磨パッドには、ハブをスナップ・リングにスナップ止めすることによりハブを研磨パッドに固定できるように、スナップ・リングを備えてもよい。

研磨マシンの非回転ハブ９は、ハブ１０に隣接し、それの上方に配置されている。操作中、非回転ハブ９は懸垂アーム８に固定されている。

図３に光学センサ２４の詳細を示す。光学センサ２４には光源３５、検出器３６、反射面３７（プリズム、鏡、センサ材料に配置されたボイドの境界、その他の反射性光学部品であってもよい）、及び導電リボン１１が含まれる。導電リボン１１は、光源３５に電力を印加するためと検出器３６の電気出力信号を中心開口部２３に伝導するために共に積層された一般的に平行な複数の導電体を含んでいる。好適には、光源３５及び検出器３６は整合した対である。一般的に、光源３５は発光ダイオードであり、検出器３６は光ダイオードである。光源３５が放射する光線の中心軸は初期においては水平に方向付けられているが、反射面３７に到達すると光は上向きに方向転換され、研磨されている表面に当たり、そこから反射する。反射光も反射面３７により反射され、反射光は検出器３６に入射し、その結果、それに入射する光の強度に応じて電気信号が生成される。図３に示す構成は、センサの高さを最小限にとどめるために選ばれたものである。

光学部品及び導電リボン１１の終端は、図２の孔２にぴったりと嵌るような大きさの薄いディスク又はカプセル３８の形態でカプセル化されている。導電リボン１１中には次の３種類の導電体が含まれている。すなわち、電力導電体３９、信号導電体４０、及び１本又は複数の戻り導電体又は接地導電体４１である。図３及び４の配置では、検出器３６に到達する非反射性の光の量を削減するために、それぞれがバッフル開口部４３を有するバッフル４２を使用しても良い。バッフル４２は光源にも光検出器にも追加できる。

図４は、光学アセンブリが研磨パッド中（軸４４に沿って）上下に移動できるように研磨パッド３中に配置された光学アセンブリ２４を示す。光学アセンブリ２４は、光学センサ４５及びセンサ筐体、カプセル、又はパック４６で構成されている。同センサはセンサ筐体に配置されている。光学センサは、熱センサ、ｐＨセンサ、超音波センサ、電波周波数センサ、抵抗センサ、又は電界又は電流センサなど、研磨の進捗を監視する如何なる手段で構成されていても良い。センサ筐体又はカプセルは、熱可塑性樹脂その他の弾性透明な、上面、底面、及び厚さを有する材料で構成されている。

光学アセンブリは、（環状であってもよい）延長部、又はフランジ４７を備えており、それは研磨パッド３（パッドの下層４９中の孔は上層５０中の孔より大きい）の下層４９に切り込まれている孔中に配置されるような大きさと寸法を有するものである。フランジ４７は、接着剤５１のビード又は他の適切な手段で上部パッド層５０に接続されている。斯くして、光学アセンブリ２４はパッド３の上層５０から吊り下がっている。光学アセンブリの上側は、ウェーハ４（ファントムで図示）の磨耗を防止し、ウェーハ・オーバーライド用のスムーズな表面を提供するための面取り縁を備えていても良い。光学アセンブリ２４及びフランジ４７は、光学アセンブリの底部とパッド３の底層４９の底面５３との間に間隙を与える程度に十分に薄いものである。

フランジ４７は、様々な方法で光学アセンブリ２４上に配置可能である。例えば、フランジを光学アセンブリ２４と一体化するように成形してもよい。更に、薄い、柔軟性のあるシリンダ又は膜を光学アセンブリの底部に配置するか、１個又は複数の延長部を光学アセンブリの横に取り付けても良い。フランジは光学アセンブリの外周のまわりに部分的に伸びても良いし、光学アセンブリの外周全体に渡って伸びていても良い。

一般的に、センサ筐体は上部カプセル部と下部カプセル部を有する１つのカプセルと考えることができる。典型的に、下部カプセル部は上部カプセル部よりも大きく、従って下部カプセル部は研磨パッドの上部孔セクションの突出唇部から吊り下げることができる。しかし他の実施例では、下部カプセル部は上部カプセル部と同じ大きさかより小さくても良い。斯かる実施例では、カプセルを研磨パッドの上面と同面にするために小さなパッド又はばねが使用されるか、カプセルにバイアスを与えるかそれを接続するために他の手段が使用される。

接着剤ビード５１と光学アセンブリの上部（これは上部シリンダであっても良い）との間にシム又はスペーサー５４を配置し、更にフランジと上部パッド層との間に配置しても良い。シムは、光学アセンブリの上部とシムとの間の間隙に接着剤が入り込むことを防止するものである。従って、光学アセンブリは研磨パッド中でより容易に上下に動くことができ、光学アセンブリの上部に最も近いパッドの領域は、光学アセンブリの上部とは独立して変形したり偏向したりできる。

パッドは、化学的機械的平坦化、研削、又は研磨で使用される如何なるパッドでも構成できる。更に、パッドは複数層又は単一層のパッドで構成できる。例えば、パッドは下層４９、上層５０、及び接着層５５を有する１つのRodel IC 1000パッドで構成できる。上層はウレタンで構成し、下層は異なった形態の、異なった硬度を有するウレタンで構成できる。上層及び下層は接着層５５で接続されている。IC 1000では、上層は約50〜55 ショアーDの硬度を有する。本パッドで使用される光学アセンブリ筐体は、約90 ショアーA（約45 ショアーD）の硬度を有する透明で弾性の材料（例えばダウケミカル製のPellethane 2101（登録商標）などの熱可塑性材料）で構成される。従って、光学アセンブリは上部パッドと比べて僅かながら短いものである。

層の数を問わず、孔はパッド中で光学アセンブリを収容できるように上面から底面に伸びている。その孔は、上部孔セクションと下部孔セクションで構成されていても良い。下部孔セクションは、下部孔セクション中でフランジ（又は下部カプセル部）を収容できるように上部孔セクションよりも大きい。光学アセンブリの上部（又は上部カプセル部）は、上部孔セクション中に配置されている。光学アセンブリの下部（又は下部カプセル）は突出唇部から吊り下がっている。上部孔セクションは下部孔セクションの上方の突出唇部の輪郭を限定するものである。

別の実施例では、光学アセンブリ２４は光学ポート２中に配置され、小さな弾性パッド又はばねが光学アセンブリの底部に配置されている。いずれの場合も、弾性パッド又はばねは研磨パッドに取り付けられているか、光学アセンブリにのり又は接着剤で取り付けられているか、あるいは研磨パッドと光学アセンブリの両方に取り付けられている。典型的には、弾性パッド又はばねの底は研磨パッドの底面と同一平面に接続されている。弾性パッドは、光学アセンブリが（軸４４に沿って）上下に移動するのに十分な弾性を有するウレタンや他の材料のパッドで構成されている。ばねは、光学アセンブリが上下に移動できるようなばね定数を有する如何なるばねでも構成できる。いずれの場合も、弾性パッドやばねは、フランジ、のり、シム、又はスペーサーなしでも、それら付きでも使用できる。更に、弾性パッドやばねは、下部パッドに大きな孔を配置するのではなく、研磨パッド中の単一の孔とのみ使用できる。

使用状態では、研磨パッドでウェーハを研磨し、光学アセンブリで平坦化の進捗をモニタする。しかし光学アセンブリは上部パッドと共に上下に動くので、光学アセンブリの上部５６はパッド材が光学アセンブリ材よりも速く摩滅しても、あるいはウェーハ・キャリアがパッドを横断し、動くにつれてパッドを変形し、圧縮してもパッドの上面５７と同一平面（同面）の位置を保つ。斯くして、光学アセンブリと研磨パッドの相対的磨耗率に関係なく、ウェーハはその表面全体にわたって均一に研削されるのである。

図４で更に示すのは光学アセンブリの上方に配置されたウェーハに対して光学的測定を行うことができる光学センサの特徴である。光学センサは、様々な光学光源（ダイオード、レーザー、ランプ、その他の光源）及び検出器（光ダイオード、カメラ、ＣＣＤ、その他の光を検出する手段）で構成される。１つの実施例では、発光ダイオード５８が光を鏡５９に向かって放射する。鏡は個別のミラーで構成できる。しかし、光学アセンブリは光学アセンブリ中にボイドを残すために成形しても良い。そのボイドと光学アセンブリ間の境界は自然的に反射性で、従ってボイド中に個別ミラーを備えることなく、発光ダイオードと共に使用するのに好適な鏡が提供される。いずれの場合でも、光はウェーハの方向に反射される。その光はウェーハの表面から反射され、反射光は発光ダイオードの隣に配置された第２ダイオードにより検出される。反射光の特性が所望の値に達し、研磨工程のエンドポイントが示されると研磨工程が停止する。

装置と方法の好適な実施例をそれらが開発された環境を参照して説明したが、それらは単にこれら発明の原理の例示に過ぎないものである。他の実施例や構成も、これら発明の意図と添付の特許請求範囲から逸脱せずに考案可能である。

光学センサ・ポートを有する研磨パッドを使用する平坦化CMPマシンを示す図である。 研磨パッドに配置されたハブ及び光学アセンブリの構成要素の一般的配置を示す図である。 光学アセンブリの構成要素を示す図である。 光学アセンブリが研磨パッド内で上下に移動できるように研磨パッド中に配置された光学アセンブリを示す図である。

Claims (15)

1. ウェーハその他のワークピースの化学的機械的平坦化で使用される研磨パッドで、
   上面、下面、及び厚さを特徴とする研磨パッドで、該研磨パッドがその中に配置された１つの孔を有し、該孔が完全に上面から下面に伸びている研磨パッドと、
   前記孔中に配置されたカプセルで、該カプセルは研磨中ウェーハその他のワークピースの光学特性を検出する手段を収容し、該カプセルはパッドの上面と実質的に同面である上面を有し、パッドの厚さより小さい厚さを有するカプセルと
   で構成されていることを特徴とする研磨パッド。
2. 前記孔は上部孔セクション及び下部孔セクションがあり、該下部セクションは該上部孔セクションより大きく、かつ
   前記カプセルは上部カプセル・セクション及び下部カプセル・セクションで特徴つけられており、前記上部カプセル・セクションは前記孔の上部セクション内に嵌るような大きさと寸法を有し、前記下部セクションは前記孔の下部セクション内に嵌るような大きさと寸法を有することを特徴とする
   請求項１に記載の研磨パッド。
3. 前記上部孔セクションは前記下部孔セクションの上方にある突出唇部の形状を規定し、前記パッドは前記下部カプセル・セクションを突出唇部に吊り下げることにより前記パッドに固定したことを特徴とする
   請求項１に記載の研磨パッド。
4. 前記上部孔セクションは前記下部孔セクションの上方にある突出唇部の形状を規定し、前記パッドは前記下部カプセル・セクションを突出唇部に吊り下げることにより前記パッドに固定したことを特徴とする
   請求項２に記載の研磨パッド。
5. ウェーハを研磨する装置で、該装置は
   研磨パッド、
   該研磨パッド中に配置された光学アセンブリで構成され、
   前記光学アセンブリは更に前記研磨パッド中に配置され、該光学アセンブリが研磨パッド中に上下に移動できるようにしたことを特徴とする
   ウェーハを研磨する装置。
6. 上部パッド層及び下部パッド層と、
   該上部及び下部パッド層中に配置された光学アセンブリとで構成され、該光学アセンブリはフランジを有し、該フランジは前記下部パッド層中の円形ボイド中に配置され、光学アセンブリが研磨パッド中で上下に移動できるようにのりのビードで該パッド上層より吊り下げられていることを特徴とする研磨パッド。
7. 前記フランジ中に配置されたシムでも構成されていることを特徴とする請求項６に記載の研磨パッド。
8. 前記光学アセンブリの上部が面取り縁を有することを特徴とする請求項６に記載の研磨パッド。
9. 前記光学アセンブリの上部が面取り縁を有することを特徴とする請求項７に記載の研磨パッド。
10. 上部パッド層及び下部パッド層で、１つの孔が該上部及び下部パッド層に配置され、該孔は上部パッド層に配置された上部孔セクションと下部パッド層に配置された下部孔セクションを有し、下部孔セクションが上部孔セクションより大きい、上部パッド層及び下部パッド層と、
    前記孔に配置された光学アセンブリで、該光学アセンブリはセンサ筐体中に配置されたセンサで構成され、該センサ筐体は上部セクションと下部セクションを有し、センサ筐体の底部セクションに延長部が配置されている、光学アセンブリと
    で構成され、
    前記延長部は前記下部孔セクション中に配置され、前記延長部は上部パッド層より吊り下がっている
    ことを特徴とする研磨パッド。
11. 前記延長部は前記光学アセンブリの底部セクションに配置された柔軟性膜で構成されていることを特徴とする、請求項１０に記載のパッド。
12. 前記光学アセンブリの厚さと延長部の厚さは、前記光学アセンブリが前記下部孔セクション内で上下に移動できるように小さいことを特徴とする、請求項１０に記載のパッド。
13. 前記センサは光学センサで構成されていることを特徴とする、請求項１０に記載のパッド。
14. 前記センサは光学センサで構成されていることを特徴とする、請求項１２に記載のパッド。
15. 前記ワークピースの光学特性を検出する手段は、光源からの光が前記ワークピースの表面で反射した反射光の強度を検出するものであることを特徴とする、請求項１に記載の研磨パッド。

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