JP4489903B2 - パターン面を備える改良型cmpプラテン - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板を研磨する装置に関し、特に、基板の研磨均一性を改善するために可撓面を有するプラテン/研磨パッドアセンブリに関する。
【0002】
【従来の技術】
集積回路及び他の電子デバイスの製造では、製造プロセス中に導電性材料、半導体材料及び誘電性材料からなる複数の層が基板に堆積され、また基板から除去される。大きなトポグラフィ、表面欠陥、スクラッチまたは埋込みパーティクルを除去するため、しばしば基板の表面を研磨する必要がある。一つの一般的な研磨プロセスは、化学機械研磨(CMP)として知られており、基板上に形成される電子デバイスの品質と信頼性を改善するために用いられる。
【0003】
通常、研磨プロセスには、高い除去速度と基板面上の膜間の高い選択比を促進するために研磨プロセス中に化学スラリの導入が行われる。一般に、研磨プロセスには、スラリまたは他の流動性媒体が存在するもとで研磨パッドの圧力、温度および回転速度の制御下で基板をそのパッドに当てて保持するステップが含まれる。CMPの実行に採用される一つの研磨システムには、Applied Materials社から市販され、米国特許第5,738,574号「化学機械研磨のための連続処理システム」に図示および記載されるMirra(商標)CMPシステムがある。なお、この特許の全文は、参照によって本明細書に組み込まれる。
【0004】
CMPの重要な目標は、基板面の均一な平坦性を達成することである。均一な平坦性は、基板上に堆積させた非均一な層の除去はもとより、基板の表面に堆積した材料を均一に除去することも含んでいる。有効なCMPは、一つの基板から次の基板へのプロセス繰り返し性も必要とする。従って、単一の基板だけでなくバッチ処理される一連の基板に対しても均一性が達成されなければならない。
【0005】
基板の平坦性は、CMP装置の構造およびスラリやパッドなどの消耗資材によって影響を大きく受ける。特に、好適な構造は、ポリシング装置の剛性(または剛さ)と可撓性(または柔軟性)との間、特に研磨パッドの剛性と可撓性との間に適正なバランスを与えることができる。一般に、ダイ内均一性を確保するには剛性が求められるが、十分な可撓性は基板内均一性を与える。基板内均一性とは、基板形状および/または基板面全体のトポグラフィに関わらず、基板の直径にわたって凹凸を除去するCMP装置の能力を指す。ダイ内均一性とは、サイズおよび凹凸密度に関係なくダイ内の凹凸を除去するCMP装置の能力を指す。
【0006】
従来の研磨システムには、通常、研磨パッドを上面に配置したプラテンが含まれる。現在の技術水準からは、基板内とダイ内の双方で結果が改善されるようにパッドに可撓性を与えるべく、二つ以上の研磨パッドを使用することが提案されている。例えば、通常、二つのパッドが「複合研磨パッド」と呼ぶことができる積層体になるように一体に組み付けられる。複合研磨パッド14を装着した金属プラテン12から成る典型的な研磨装置10を図1に示す。複合研磨パッド14とプラテン12の双方は、ほぼ円盤形状であり、等しい直径を有している。トップ(上部)パッド16は研磨プロセスを実行するために基板に接触させられるが、ボトム(下部)パッドは回転プラテン12の滑らかな上部マウント面に固定され、上部パッド16に対する座面を形成する。圧力感応接着剤(PSA)などの接着剤20がパッド16、18の裏面に塗布され、パッドを相互に接着するとともに、これらのパッドをプラテン12に接着する。トップパッド16は、通常、キャストポリウレタンから製作され、ボトムパッド18は、通常、ポリウレタン樹脂で剛化したポリエステルフェルトから製作される。材料組成の異なる他のパッドも利用することができ、これは業界で知られている。
【0007】
一般に、十分な剛性をもつ研磨面を形成するため、トップパッド16は、より可撓性の底部パッド18よりも高い剛性を持っていることが望ましい。通常、剛性は、より良いダイ内均一性を与えるが、基板内均一性を確保するには、ある程度の可撓性が必要とされる。適正な比率の剛性と可撓性を備えたパッドの複合体は、基板の表面全体にわたって良好な平坦性と均一性を達成することができる。更に、基板上の研磨プロファイルは、上部パッドと下部パッドのいずれか一方または双方の厚さを変えることにより変化または修正することができる。組成を変えずに厚さを変化させると、剛性と可撓性に関する複合パッドの特性を変えることができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の複合型または重ね型パッド構造は、多くの問題を伴っている。特に、積層体における各付加層、すなわちパッドおよび接着剤層は、積層体の全体的な剛性および/または可撓性に影響を与えるばらつきの発生源として作用する。層の数が多いほど、あるいはパッドの厚さの変化でさえ、それが大きいと、ばらつきの可能性も大きくなる。その結果、複合研磨パッドを用いるポリシング装置は、多数の基板にわたって所望の研磨結果を達成することができないことが多い。特に、複数のプロセス変数に起因して、圧縮性のばらつき、基板内均一性の損失、下部パッドの非制御ウェッティング、およびパッド間のばらつきが生じる。更に、パッドのコンディショニングとして知られるプロセスによってトップパッドが摩耗すると平坦度が変化し、パッド上で研磨される基板の数の増加とともに平坦度が低下することがある。
【0009】
一つの解決策は、複合研磨パッドにおける層の数を最小限に抑えることであった。従って、CMPの目標は、ボトムパッドを除去し、トップパッドをプラテンの上面に直接固定することになっている。ボトムパッドを取り除けば、接着剤の塗布の必要も無くなる。しかし、ボトムパッドを除去し、研磨パッドをプラテンに直接装着すると、パッド/プラテンアセンブリはパッドの剛性が過度に大きくなり、アセンブリの可撓性が損なわれる。この剛性は、非可撓性のプラテン面(通常は、アルミニウムまたは他の金属から形成される)にトップパッドを直接接合する結果である。
【0010】
従って、ポリシング中に十分な可撓性を与えながらサブパッドの必要性をなくすプラテン/パッドアセンブリが要望されている。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、研磨パッドの可撓性を高め、基板均一性およびダイ均一性を維持または改善する基板研磨装置を提供する。この装置は、化学機械研磨システムに組み込むことができるようになっていることが望ましい。
【0012】
本発明の一様態では、隆起領域と窪み領域を定めるパターン付き上面を有するようにプラテンが設けられる。隆起領域は、研磨パッド用の硬質マウント面を設け、窪み領域は、パッドに所望の程度の可撓性を与えられるようにする。
【0013】
本発明の別の様態では、プラテンが、自身の上に載置されたパッドを有するように設けられる。プラテンの上面は、隆起したパッド着座領域および窪み領域を定めるようにパターン加工されている。隆起領域は、パッド用の硬質マウント面を設け、窪み領域は、パッドが基板に接触させられるときにパッドの所望の程度の柔軟性および可撓性を与える。窪み領域の一部がプラテンの外周まで延び、これによりプラテンとパッド間にプラテンの周囲と連通する通路を形成することが好ましい。
【0014】
本発明の別の様態では、パターン面が設けられ、プラテンの上面に配置されて研磨パッドを支持できるようになっている。このパターン面は、上部研磨パッド支持面を形成する硬質ゴム系材料であることが好ましい。この上部研磨パッド支持面には、パッド可撓性を与えるためにチャネルまたは他の窪みが内部に形成されている。
【0015】
本発明の別の態様では、パターン付き上面を有するプラテンが設けられ、ゴム系または可撓性の上面で被覆されている。このパターン面は、上部パッド支持面と、可撓性をパッドに与える下部溝付き部分の双方を含んでいる。
【0016】
本発明のこれまでに述べた特徴、長所及び目的が達成され、かつ詳細に理解できるように、これまでに簡単に概要を述べた本発明の更に詳しい説明は、添付図面に示した本発明の実施形態を参照することによって得ることができる。
【0017】
しかしながら、添付図面は本発明の典型的な実施形態に限定して図示したものであり、本発明は、他の等しく有効な実施形態を含むことができるので、これらの図面は、本発明の範囲に限定を加えるものと考えるべきではない。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明は、全体として、パッド(例えば、研磨パッド)を設置するためのパターン面を有するプラテンに関する。パターン面は、隆起したパッド支持部と、窪んだパッド変位部を含んでいる。隆起部は、研磨パッド用のマウント面を形成する。窪み部は、たわみ領域を形成し、プラテンの周囲と連通できるように通気孔が設けられていることが好ましい。
【0019】
説明を簡易にするため、以下の説明は主としてCMPシステムに言及して行う。しかしながら、本発明は、基板の研磨または洗浄にパッドプラテンアセンブリを利用する他の種類のプロセスにも等しく適用することができる。
【0020】
図2は、カリフォルニア州サンタクララに所在するApplied Materials社から入手出来るMirra(商標)CMPシステムなどのCMPシステム30の概略図である。図示のシステムには、三つの研磨ステーション32と一つのローディングステーション34が含まれる。研磨ステーション32およびローディングステーション34の上方に配置された研磨ヘッド変位機構37には、四つの研磨ヘッド36が回転可能に取り付けられている。前端基板搬送領域38がCMPシステムに隣接するように配置されており、これはCMPシステムの一部と考えられる。ただし、この搬送領域38は、別個の構成要素であってもよい。システム30に導入された基板のプロセス前検査および/またはプロセス後検査を実行できるように、基板搬送領域38またはその付近に基板検査ステーション40が配置される。
【0021】
通常、基板は、ローディングステーション34の研磨ヘッド36に装着された後、回転させられて三つの研磨ステーション32を通過する。図3を参照して以下で詳細に述べるように、各研磨ステーション32は、研磨パッドまたは洗浄パッドが装着された回転プラテン41を備えている。研磨プロセスの最後における基板洗浄を容易にするため、一つのプロセスシーケンスには、最初の二つのステーションにおける研磨パッドと第三のステーションにおける洗浄パッドとが含まれている。このサイクルの最後では、基板が前端基板搬送領域38に戻され、別の基板が処理のためにローディングステーション34から取り出される。
【0022】
図3は、本発明で好適に使用される研磨ステーション32および研磨ヘッド36の概略図である。研磨ステーション32は、回転プラテン41の上面に固定されたパッド44を備えている。パッド44は、Rodel社などの製造業者が供給する任意の市販パッドとすることができ、ポリウレタンなどのフォームやプラスチックから構成されることが望ましい。プラテン41は、モータ46または回転運動をプラテン41に伝達する他の適切な駆動機構に連結されている。運転中、プラテン41は、中心軸Xの周りに速度Vpで回転する。プラテン12は、時計回りまたは反時計回りのいずれかに回転させることができる。図3には、研磨ステーション32の上方に取り付けられた研磨ヘッド36も示されている。研磨ヘッド36は、研磨のために基板42を支持している。研磨ヘッド36は、基板42を研磨ヘッド36に当ててチャックする真空型機構を備えていてもよい。運転中、この真空チャックは、基板42の表面の背後に負の真空力を形成し、基板42を引き寄せて保持する。研磨ヘッド36は、通常、少なくとも初期段階において基板を真空下で内部に支持するポケット(図示せず)を含んでいる。基板42がポケット内に固定され、パッド44上で位置決めされたら、真空を除去することができる。次いで、研磨ヘッド36は、基板42の背後の制御された圧力(矢印48で示す)を基板42の背面に付加し、基板42を付勢してパッド44に押し付け、基板面の研磨を促進する。研磨ヘッド変位機構37は、研磨ヘッド36と基板42を速度Vsで時計回りまたは反時計回りに回転させる。この回転は、プラテン41と同一方向であることが望ましい。研磨ヘッド変位機構37はまた、研磨ヘッド36を矢印50および52で示す方向にプラテン41を横切って径方向に移動させることが望ましい。
【0023】
図3を参照すると、CMPシステムには、所望の組成の化学スラリを研磨パッドに導入する化学薬品供給システム54も含まれる。スラリは、基板面の研磨を促進する研磨材を提供し、固体アルミナまたはシリカから成る組成であることが望ましい。運転中、化学薬品供給システム54は、矢印56で示すように、スラリを選択された速度でパッド44上に導入する。
【0024】
図4は、本発明のプラテン41の好適な実施形態を示している。プラテン41は、研磨パッドを載置することのできるパターン面を備えている。一般に、パターン面は、内部に形成された形状的特徴を有しており、これは、隆起領域および窪み領域を形成している。図4に示される実施形態では、隆起領域が複数の突起60からなり、窪み領域は、突起60によって画成される複数の交差溝62である。より具体的に述べると、窪み領域は、格子縞模様を成すように平行で等間隔に配置された二組の直交する溝62から成る。溝62のそれぞれは、プラテン41の上面を一方の外周から他方の外周へと横切っている。したがって、溝62は、どちらの端部でも封鎖されたり、閉塞されることはない。しかし、本発明は、閉塞溝をもつ実施形態も考慮に入れている。
【0025】
プラテン41の隆起領域、すなわち突起60は、パッドマウント面を定める。図5に示されるように、これらの突起60は、研磨パッドを支持するために共通面Aに沿って略平坦なマウント面64を共同で形成することが望ましい。パッド44は、市販の感圧接着剤(PSA)を用いて取り付けられる。このため、本発明は、図1を参照して説明した従来技術のボトムパッドを排除する。更に、必要なパッド可撓性(従来は、ボトムパッドを用いて達成)は、窪み領域と隆起領域、すなわち溝62と突起60のそれぞれの協調によって得られる。突起60は、十分な剛性(剛さ)を確保し、溝62は、適切な比率のパッド可撓性が基板の変化するトポグラフィに適応できるようにする。
【0026】
上述のように、溝62は、ある箇所においてその長さに沿って開口し、パッドが面に真空付着することを防ぐようになっていることが望ましい。従って、溝62は、図5に示されるように、プラテン41の周囲への通気を行う通路をプラテン41とパッド44との間に形成する。このような構造は、Rodel社から市販されているような穿孔パッドの使用を見込んでいる。パッドに穿孔が設けられていることにより、流体がパッドを通って流れることができるようになる。溝62が周囲から隔離されている場合、例えば、溝62が、穿孔パッドによって上部が閉鎖された同心円から成る場合、基板が付勢されて研磨パッドに押しつけられると、溝の内部に部分的真空状態が形成されることがある。このような場合、研磨サイクルによって基板の取り外しが困難になると、基板はパッドにチャックされたままになる。溝62を図4および図5に示すように形成することによって、溝62は周囲環境と等しい圧力に維持され、基板の容易なチャック解除が可能になる。同心パターンが必要な場合、基板およびプラテン41間の付着をなくすために、プラテン41の外周まで延びる一つ以上の通気チャネルを形成することができる。このような実施形態は図6に示されており、以下で詳細に説明する。
【0027】
図4および図5に示される突起60および溝62は、アルミニウムなどの金属からなるプラテン41の上面の一部を機械加工によって除去することにより形成することが好ましい。しかしながら、本発明は、他の実施形態も考慮に入れている。例えば、複数の突起60をプラテン41と別個に形成してもよい。この後、突起60を、ろう付けや溶接などの従来方法によってプラテン41面に固定してもよい。他の変形例では、モータ46(図3に図示)に固定された下部プレートとパッド44を取り付けるパターン面を有する上部プレートとを有する二枚の分離可能なプレートをプラテン41が備えていてもよい。これらのプレートは、溶接などの方法によって永久的に接合してもよいし、仮ファスナまたは仮クランプによって着脱自在に接合してもよい。後者の実施形態は、交換可能なマウント面を有する多目的プラテンアセンブリを提供する。
【0028】
可撓性と剛性の望ましい比率を達成するため、パターン面の寸法を変えることができる。一般に、マウント面64は、上部表面積全体の約20〜95%の範囲までを占めるが、これは、印加研磨圧ならびにパッド厚さおよび弾性率に従って変化させてもよい。約20インチの直径を有する図4の実施形態では、溝の深さが約0.250インチであり、溝の幅が約0.062インチである。このように、マウント領域64の全表面積は、プラテンの全面積の約20〜95%であることが好ましい。プラテン41の直径は、100mm、200mm、300mm基板などの任意の基板寸法に適応するように変えることができる。この結果、溝および突起の相対的な寸法も、これに応じて変わることになる。
【0029】
本発明は、ほぼ制限のない設計変更を可能にしている。図4および図5は、本発明に係る一つの実現可能な実施形態を示すに過ぎない。別の実施形態は、図6に示されている。一般に、図6の実施形態は、プラテン41の隆起領域および窪み領域を提供する。特に、プラテン41は、ラジアル溝66によって交差する複数の「破損した」同心溝65を備えている。ラジアル溝66は、中央ハブ67から開始するので、窪み領域のすべての図形を連通させる。上述の実施形態は、単なる例示に過ぎず、当業者であれば、本発明の範囲内で他の実施形態を見いだすことができる。
【0030】
プラテンの上面をパターン加工することに加えて、図7および図8に示されるように、パターン付きマット、ライナまたは他のコーティングを通常のプラテンに付着させたり、被覆することができる。硬質ゴム系のコーティングを成形または他の方法により形成して、上述したパターン面の一つを設けることができる。このため、図7は、プラテン102上に配置されたパターン付きマット100を示している。このパターン付きマット100は、上部パターン付きマウント面104上に配置された研磨パッド103を有している。図示の実施形態では、パターン付きマット100が、図4に図示して上述したプラテン41と同様の表面プロファイルを有するが、任意のパターンを好適に使用することができる。このような実施形態では、プラテン102は、パターン付きマット100を固定するためのテクスチャの付いていないマウント面(図7に示されるようなもの)を備えていることが好ましいが、パターン付きマット100と協働して更なる柔軟性および可撓性を与えるパターン面を備えていてもよい。研磨パッド103、パターン付きマット100、およびプラテン102は、任意の従来方法(例えば、接着剤による方法)によって相互に接合することができる。
【0031】
図11は、パターン付きプラテン112上に配置されたコーティング110を備える変形例の部分横断面図である。図11に示されるプラテン112の特定の表面プロファイルは、図4に示されるプラテン41の表面プロファイルと同様であるが、好適な任意のパターン(例えば、図7〜9に示されるもの)を使用することができる。コーティング110は、従来の方法(例えば、接着剤による方法)によってプラテン112に固定することができる。この後、研磨パッド(図示せず)は、コーティング110およびプラテン112によって画成される上部マウント面114に固定することができる。
【0032】
パターン付きマット110およびコーティング110に使用される材料は、プラテンの材料に応じて決めることが好ましい。一般に、パターン付きマット100およびコーティング110は、プラテンよりも可撓性の高い材料から構成される。例えば、プラテンがアルミニウムやステンレス鋼などの金属からなる場合、パターン付きマット100およびコーティング110は、ゴムなどのエラストマーから構成することができる。他の材料も、公知であるか否かにかかわらず、好適に使用することができる。
【0033】
トップ、ボトム、下部、上部、裏面等の用語は相対的な用語であり、限定的な意図のないことを理解されたい。基板を様々な方位で取り扱うことができる他の構成も考慮に入れている。
【0034】
これまでの説明は、本発明の望ましい実施形態に関するものであるが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく本発明の他の実施形態を考案することが可能であり、そうした実施形態の範囲は本明細書の特許請求の範囲に従って決められる。
【図面の簡単な説明】
【図1】プラテン複合研磨パッドアセンブリの概略側面図である。
【図2】CMPシステムの概略図である。
【図3】研磨ステーションの概略図である。
【図4】プラテンの平面図である。
【図5】パッドが載置された図4のプラテンの概略側面図である。
【図6】他の実施形態を示すプラテンの平面図である。
【図7】研磨パッドとプラテンの間に配置されたパターン付きマットを含むプラテンアセンブリの分解斜視図である。
【図8】コーティングが被覆されたプラテンの部分横断面図である。
【符号の説明】
32…研磨ステーション、36…研磨ヘッド、41…回転プラテン、42…基板、44…研磨パッド、60…突起、62…交差溝、64…マウント面。
Claims (27)
- 回転プラテンアセンブリであって、
パッドを固定するためのパターン面であり、
(a)前記パターン面上に配置され、マウント面を画成する一つ以上の隆起部と、
(b)前記一つ以上の隆起部によって画成される窪み領域と、
を有している、パターン面と、
前記パターン面上に形成され、エラストマーを含有するコーティングと、
を備える回転プラテンアセンブリ。 - 前記窪み領域が複数の溝を備えている請求項1記載の回転プラテンアセンブリ。
- 前記窪み領域の少なくとも一部が回転プラテンの外周まで延びている請求項1記載の回転プラテンアセンブリ。
- 回転プラテンが化学機械研磨システムの一部である請求項1記載の回転プラテンアセンブリ。
- プラテンがアルミニウムから構成されている請求項1記載の回転プラテンアセンブリ。
- 前記パッドがポリウレタンから構成されている請求項1記載の回転プラテンアセンブリ。
- 前記パッドがプラスチックフォームから構成されている請求項1記載の回転プラテンアセンブリ。
- 基板を研磨する装置であって、
(a)パッドを固定するためのパターン面であり、
(i)マウント面を画成する一つ以上の隆起部と、
(ii)前記一つ以上の隆起部によって画成される窪み領域と、
を有している、パターン面と、
前記パターン面上に形成され、エラストマーを含有するコーティングと、
を備える回転プラテンと、
(b)前記マウント面上に配置されたパッドと、
を具備する基板研磨装置。 - 前記コーティングは、接着剤によって前記パターン面上に接合される請求項8記載の装置。
- 前記パッドがポリウレタンから構成されている請求項8記載の装置。
- 前記パッドがプラスチックフォームから構成されている請求項8記載の装置。
- 前記窪み領域が複数の溝を備えている請求項8記載の装置。
- 前記窪み領域の少なくとも一部が前記回転プラテンの外周まで延びている請求項8記載の装置。
- 前記窪み領域および前記パッドが複数の通路を画成している請求項8記載の装置。
- 前記複数の通路の少なくとも一部が前記回転プラテンの外周まで延び、前記パッドの裏面と前記回転プラテンの周囲とを連通させて流体が流れうるようになっている請求項14記載の装置。
- (a)各々が回転プラテンを含む一つ以上の研磨ステーションであって、前記回転プラテンの少なくとも一つが、
パッドを固定するためのパターン面であり、
(i)マウント面を画成する一つ以上の隆起部と、
(ii)前記一つ以上の隆起部によって画成される窪み領域と、
を有している、パターン面と、
前記パターン面上に形成され、エラストマーを含有するコーティングと、
を備える、研磨ステーションと、
(b)前記回転プラテンの上方に回転自在に取り付けられた一つ以上の研磨ヘッドと、
を具備する基板研磨装置。 - 前記マウント面上に配置されたパッドを更に備える請求項16記載の装置。
- 前記コーティングは、接着剤によって前記パターン面上に接合される請求項16記載の装置。
- 前記回転プラテンに連結されて回転を選択的に伝達するモータを更に備える請求項16記載の装置。
- 前記窪み領域が複数の溝を備えている請求項16記載の装置。
- 前記窪み領域および前記パッドが複数の通路を画成している請求項16記載の装置。
- 前記複数の通路の少なくとも一部が前記回転プラテンの外周まで延び、前記パッドの裏面と前記回転プラテンの周囲とを連通させて流体が流れうるようになっている請求項21記載の装置。
- 研磨装置用の回転プラテンアセンブリであって、
(a)テクスチャの付いてないマウント面を有するプラテンと、
(b)前記プラテンの前記テクスチャの付いてないマウント面上に配置されたパターン面を備え、エラストマーを含有するマットであって、前記パターン面は、
(i)マウント面を画成する一つ以上の隆起部と、
(ii)前記一つ以上の隆起部によって画成される窪み領域と、
を有している、マットと、
(c)前記マウント面上に配置されたパッドと、
を具備する回転プラテンアセンブリ。 - 前記窪み領域が複数の溝を備えている請求項23記載の回転プラテンアセンブリ。
- 前記窪み領域の少なくとも一部が回転プラテンの外周まで延びている請求項23記載の回転プラテンアセンブリ。
- プラテンがアルミニウムから構成されている請求項23記載の回転プラテンアセンブリ。
- 前記パッドがプラスチックフォームから構成されている請求項23記載の回転プラテンアセンブリ。
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