JP4693203B2 - ポリシングスラリーを供給するキャリヤヘッド - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、基板のケミカルメカニカルポリシングに関し、特に、ケミカルメカニカルポリシングに使用するためのキャリヤヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路は、通常、導電層、半導体層、または絶縁層の連続的な堆積によって、基板上、特にシリコンウェーハ上に形成される。各層が堆積した後、各層は、回路図形をつくるためにエッチングされる。一連の層が連続的に堆積およびエッチングされると、基板の外面または最上面、即ち、基板の露出した表面は徐々に平坦性を失う。この非平坦な表面は、集積回路製造プロセスのホトリソグラフィステップに問題をもたらす。従って、基板表面を定期的に平坦化させる必要がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ケミカルメカニカルポリシング（ＣＭＰ）は、一般に受け入れられている平坦化方法の一つである。この平坦化法では、通常、基板をキャリヤまたは研磨ヘッド上に載せて、回転するポリシングパッドに押し付ける必要がある。ポリシングパッドは、研磨面を含んでいてもよい。ポリシングプロセスを補助するために、研磨化学溶液またはスラリーをポリシングパッド上に導入してもよい。スラリーは、ポリシングパッド全体にわたって実質的に均一な層で分布させるべきである。これによって、平坦化の均一性が向上する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
一つの態様では、本発明は、ケミカルメカニカルポリシング装置用のキャリヤヘッドに関する。このキャリヤヘッドは、基板受取面と、基板受取面を取り囲む保持リングと、キャリヤヘッド上に形成されたスラリーリザーバと、を有している。リザーバは、保持リングの底面と連通して流体が流れるようになっており、ポリシングスラリをリザーバからポリシングパッドへ送る。
【０００５】
本発明の実施形態は、次のような特徴を含んでいてもよい。リザーバは、キャリヤヘッドのハウジングの上面、保持リングを取り囲むスラリー供給部材の上面または保持リングの上面に形成することができる。ハウジング、保持リング、および／またはスラリー供給部材を貫通するように通路を形成してもよい。スラリーは、リザーバから保持リングの底面またはスラリー供給部材の底面へ送ってもよい。スラリーを内向きに送るように、スラリー供給部材または保持リングの底面にチャネルを形成してもよい。
【０００６】
別の態様では、本発明は、キャリヤヘッド用保持リングに関する。保持リングは、基板を保持する内面を有する環状体と、保持リングの上面に位置するトラフと、保持リングを通ってトラフから保持リングの下面へと延びる複数のチャネルと、を有している。
【０００７】
本発明の実施形態は、次の特徴を含んでいてもよい。各チャネルは、保持リングの下面の溝で終端してもよい。トラフ中のリップは、保持リングが回転する間、スラリーをトラフ内に保持することができる。
【０００８】
別の態様では、本発明は、ケミカルメカニカルポリシング用のキャリヤヘッドに関する。このキャリヤヘッドは、基板受取面と、基板受取面を取り囲む保持リングと、保持リングを貫通し、キャリヤヘッドのトラフを保持リングの底面に連通させて、ポリシングパッド上にポリシングスラリーを供給する少なくとも一つのチャネルと、を有する。
【０００９】
本発明の実施形態は、次の特徴を含んでいてもよい。複数のチャネルがあってもよい。トラフは、キャリヤヘッドが回転する間、ポリシングスラリーを含有するためにリップを含んでいてもよい。ポリシングスラリーは、約２５〜１００ｍｌ／分の範囲の速度でトラフへ計量しながら供給され、あるいは約２５〜１００ｍｌ／分の範囲の速度でトラフへ重力供給される。チューブが、キャリヤヘッド駆動シャフト内の通路をトラフに接続してもよい。内側に向かって延びる溝が保持リングキャリヤの底面に形成され、少なくとも一つの通路に連通していてもよい。円形溝が、保持リングキャリヤの底面に形成され、この少なくとも一つの通路に連通していてもよい。
【００１０】
別の態様では、本発明は、ケミカルメカニカルポリシング装置に関する。この装置は、ポリシングパッドとキャリヤヘッドを有している。キャリヤヘッドは、基板受取面、基板受取面を取り囲む保持リング、保持リング上面にあるトラフ、またはポリシングパッド上にポリシングスラリーを供給するためにトラフを保持リングの底面に連通する少なくとも一つのチャネルを含んでいる。トラフにポリシングスラリーを供給するためにアームがポリシングパッド上に延在している。
【００１１】
本発明の実施形態は、次の特徴が含んでいてもよい。アームは、マシンベースにピボット式に連結されている。
【００１２】
他の態様では、本発明は、ケミカルメカニカルポリシングの方法に関する。この方法では、ポリシングスラリーは、保持リング内の通路を通ってポリシングパッドに送られる。
【００１３】
本発明の実施形態は、次の特徴を含んでいてもよい。ポリシングスラリーは、通路と連通する保持リング上のトラフ内に供給してもよい。ポリシングスラリーは、例えば、約２５〜１００ｍｌ／分の範囲の速度で連続的に供給してもよいし、例えば、予め選択された数の基板を研磨するのに十分なスラリーを用いて断続的に供給してもよい。
【００１４】
本発明は、基板とポリシングパッドとの境界付近の領域にスラリーを好適に供給する。スラリー含有トラフは、一様かつ均一にスラリーをポリシングパッド上に分布させる。このようなスラリーの分布により、ＣＭＰ装置は、基板をより均一に平坦化し、優れた平坦化に伴う利点を与える。本発明は、また、使用されるポリシングスラリーの量を適切に節約する。ポリシングスラリーは、高価な消耗品であり、パッド表面の全体にわたって供給するのではなく、基板／ポリシングパッド境界に供給することで使用量を控えている。パッドに供給されるスラリー量を減らすことによって、ＣＭＰ装置は比較的清浄で乾燥スラリーのない状態を保ちやすくなり、それによって基板にダメージを与える可能性が低くなる。
【００１５】
本発明の更なる利点は、下記の説明で示されており、その一部は下記の説明から自明であり、また、本発明の実施から知ることのできるものもある。本発明のこれらの利点は、特許請求の範囲において特に指摘される手段または組合せによって理解することができる。
【００１６】
本発明は、本明細書に示される詳細な説明または添付の図面から完全に理解されるであろう。しかしながら、図面は、本明細書に図示または説明された個々の実施形態に本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
種々の図面において、同様の要素を示すために同様の参照符号が示されている。プライムの付いた参照番号は、要素が修正された機能、動作または構造をもつことを意味する。
【００１８】
図１に示されるように、基板１０をケミカルメカニカルポリシング（ＣＭＰ）装置２０によって研磨する。類似したＣＭＰ装置の説明は、米国特許第５，７３８，５７４号に見られ、この全開示内容は本明細書に援用されている。ＣＭＰ装置２０は、三つのポリシングステーション２５および搬送ステーション２７を支持するマシンベース２２が含まれる。各ポリシングステーションは、ポリシングパッド３２が載置される回転プラテン３０を含んでいる。各ポリシングステーション２５は、このポリシングパッド３２の研摩条件を維持する対応パッドコンディショナ部材４３を更に含んでいてもよい。
【００１９】
ＣＭＰ装置は、四つのキャリヤヘッドシステム７０を支持する回転マルチヘッドカルーセル６０も含んでいる。カルーセル６０は、キャリヤヘッドシステム７０とそれに取り付けられた基板１０をポリシングステーション２５と搬送ステーション２７との間で周回させるように回転することができる。各キャリヤヘッドシステムは、研磨ヘッドまたはキャリヤヘッド１００を含んでいる。各キャリヤヘッド１００は、自身の軸の周りを独立に回転する。各キャリヤヘッド１００は、カルーセル支持プレート６６に形成されたラジアルスロット７２内で独立して横方向に振動する。キャリヤ駆動シャフト７８は、スロット７２を通って延在し、キャリヤヘッド回転モータ７６（カバー６８の１／４を取り除いて図示）をキャリヤヘッド１００に連結している。モータ７６と駆動シャフト７８は、キャリヤヘッド１００を横方向に振動させるようにラジアルドライブモータ（図示せず）によってスロット７２に沿って直線的に駆動されるスライダ（図示せず）上で支持してもよい。
【００２０】
図２に示されるように、キャリヤヘッド１００は、ハウジングまたはベース１０２と、ローディングチャンバ１０６を形成するためにハウジング１０２にクランプされた可撓膜１０４を含むことができる。ハウジング１０２は、駆動シャフト７８に連結され、基板１０の円形の外形に対応するように略円形とすることができる。流体は、ローディングチャンバ１０６を加圧し、基板に荷重（即ち、下向きの圧力）をかけるためにハウジング１０２内の通路１０８を通ってローディングチャンバ１０６内に注入することができる。同様のキャリヤヘッドの説明は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第０８／８６１，２６０号「A Carrier Head With A Flexible Membrane for a Chemical Mechanical Polishing System（ケミカルメカニカルポリシングシステム用の可撓膜付きキャリヤヘッド）」に見られ、この全開示内容は本明細書に援用されている。
【００２１】
図２〜６について説明する。キャリヤヘッド１００は、ハウジング１０２の外縁に、例えば、ボルト（図示せず）によって固定することができる保持リング１１０も含んでいる。保持リング１１０は、基板１０を係合させ基板がポリシング中にキャリヤヘッド１００の下からスリップまたはスライドすることを防止する内面１２０と、ポリシングパッドと接触して圧縮することができる底面１２２と、を有している。チャネル１３２が存在する領域を除いて、保持リング１１０の底面１２２は実質的に平坦である（図４を参照）。保持リング１１０の上面１２４は、基板１０に圧力を伝達するために用いられる可撓膜と係合する周囲リブ１２６を含んでいる。
【００２２】
ハウジング１０２から外向きに突出する保持リングの上面１２４の一部は、スラリーを保持するためにトラフ１１２を有している。スラリートラフ１１２は、キャリヤヘッドの周囲全体に延びる環状のくぼみとすることができる。スラリートラフ１１２は、キャリヤヘッドが回転する間、スラリーを含有するために、内側に傾斜したリップ１１４を含んでいる。リップ１１４は、遠心力がスラリーをトラフ上にこぼすことを防止するために、キャリヤヘッドの回転軸に向かって内角に傾斜している。トラフ１１２を保持リング１１０の底面１２２に連通するために、複数の通路１３０（例えば、３〜１２個の通路）が保持リング１１０を貫通して形成される。特に、重力の作用によって、トラフ１１２内のポリシングスラリーは、通路１３０を通って流れ出て、ポリシングパッド面上に蓄積する。ある実施形態では、各通路１３０は、ほぼ対角線の部分１４０とほぼ垂直の部分１４２を含むことができる。保持リングは、ポリフェニルスルフィド（polyphenyl sulfide）、ステンレス鋼またはその組合せから構成することができ、通路１３０は精密機械加工により形成することができる。
【００２３】
対角線通路１４０の角度φと直径Ｄは、スラリーリザーバの有効容積を決定し、また、リザーバが排出を行う速度を決定する。角度φは約５°〜６０°とするのがよく、直径Ｄは典型的な溝幅より短く、例えば約０．０１５〜０．０４０インチとするのがよい。通路が上から下に大きい角度φで内側に傾斜しているとすると、遠心力はスラリーが通路を通って流れることを阻止する傾向にあり、したがってスラリー供給速度が下がる。通路の直径も、スラリーがトラフ１１２からあまり速く流出しないように注意深く制御することが必要である。通路の直径が大きくなるとスラリー流量が大きくなり、通路の直径が小さくなるとスラリー流量が小さくなる。
【００２４】
任意で設けることのできるチャネル１３２は、各通路１３０の底面１２２に形成することができる。各チャネル１３２は、対応する通路１３０の下端から保持リング１１０の内面１２０まで延びている。チャネル１３２は、遠心力がキャリヤヘッド１００の下方からスラリーを排出することを防止するための後壁１３４も含んでいる。チャネル１３２は、パッド−基板間の境界にスラリーが流れるのを補助する。
【００２５】
トラフ１１２は大気に開放されており、外部供給管１６０によってポリシングスラリー５０を供給することができる。ある実施形態では、供給管１６０は、ハウジング１０２に固定されている。例えば、供給管１６０は、駆動シャフト７８を貫通する通路１６４に連結されるように、ハウジングフランジ１６２を貫通して延びている。スラリー５０は、カルーセル６０内に位置する計量型ポンプ（図示せず）によって供給管１６０を通じて計量しながら供給される。スラリーは、ポリシング中に消費されるスラリーを補うために、約２５〜１００ｍｌ／分（例えば、７５〜１００ｍｌ／分）の流量で計量しながら供給される。スラリー５０はトラフ１１２内に供給され、水平チャネル１３２で画成された領域まで通路１３０を通って進む。その領域では、スラリー５０がポリシングパッドに供給され、ポリシングパッドと基板との境界１２８に分配される。
【００２６】
スラリー５０は、反応剤（例えば、酸化物ポリシング用の純水）および化学反応性触媒（例えば、酸化物ポリシング用の水酸化カリウム）を含むことができる。ポリシングパッド３２が標準的なパッドである場合、スラリー５０は、研摩粒子、例えば、コロイドシリカまたはヒュームドシリカの形の酸化物ポリシング用二酸化シリコンを含んでいてもよい。
【００２７】
他の実施形態では、図７に示されるように、通路１３０′の経路は保持リングの上下面間でジグザグ形状を有している。通路１３０′は、保持リングの内径壁１２０からトラフ１１２まで上部水平孔１７０を機械加工することにより形成することができる。水平孔１７０は、内壁１２０からトラフ１１２の下方において保持リングの外径壁１３６に達しない点１７４まで機械加工される。水平孔１７０をチャネル１３２に連結するために、垂直孔１８０がチャネル１３２の後壁１３４から水平孔１７０まで機械加工される。通路１３０′は、水平孔１７０の内径部分１８２を適切な物質（例えば、金属）で塞ぐことにより完成する。通路に関して他の多くの実装や構造が可能であることは当然である。例えば、通路は、直線的な対角線部分または直線的な垂直部分であってもよい。通路の対角線部分は、内側または外側に傾斜していてもよい。
【００２８】
図８（ａ）および（ｂ）を参照すると、他の実施形態では、保持リングはチャネル１３２を含まない。代わりに、保持リングの底面１２２に形成された円形溝１９０が通路１３０に連通している。小さなスラリー溜りが溝１９０内に蓄積する。ポリシングパッドがキャリヤヘッドの下方で矢印１９２によって示される向きに進むと、ポリシングパッド３２内の穿孔または溝１９４がスラリーで満たされる。スラリーは、ポリシングパッドが回転する間、保持リングおよび基板の下方でそれらの穿孔または溝に保持される。穿孔または溝のサイズや形状は、通路１３０を通るスラリーの流量に影響を与えうる。特に、溝は、スラリーが保持リングとポリシングパッドとの間の接触領域から急速に流れ出ることを可能にする。対照的に、穿孔は、穿孔を満たしているスラリーのみを送り出す傾向がある。広いまたは深い溝または穿孔が、狭いまたは浅い溝または穿孔より多くのスラリーを送ることは当然のことである。
【００２９】
図９（ａ）および（ｂ）に示されるように、他の実施形態では、スラリーはポリシングパッド３２の表面上に延びているスラリー供給アーム４０によってトラフ１１２に送ることができる。供給アーム４０は、マシンベース２２にピボット式に取り付けられ、チューブ出口４２（図９（ａ）に示されている）がスラリーをトラフ１１２へ直接供給するように配置することができる。キャリヤヘッドが静止状態の間にスラリーを供給することができ、あるいは中央処理コントローラ（図示せず）によってキャリヤヘッドの振動と協調するようにアーム４０の旋回運動を制御して、キャリヤヘッド１００が振動しているときにスラリーをトラフ１１２内に供給してもよい。供給アーム４０は、スラリー供給動作が完了すると、旋回してポリシングパッドから回転して離れることができる。
【００３０】
スラリー５０は、マシンベース２２内に位置する計量型ポンプ（図示せず）によって供給アーム４０を通じで計量されながら供給される。スラリー５０は、連続的にまたは断続的にトラフに供給される。スラリーが連続的に供給されるとすると、供給スラリーの流量はスラリー消費速度から計算することができる。流量は、ポリシングパッド３２がスラリーに覆われた状態を保つように消費速度よりわずかに速いものとすることができる。例えば、スラリーは約２５〜１００ｍｌ／分、例えば７５〜１００ｍｌ／分の流量で計量供給することができる。また、スラリーが断続的に供給される場合には、あるセット数の基板（例えば、１枚の基板）を研磨するのに十分なスラリーがトラフ１１２に供給される。セット数の基板が研磨されると、供給アーム４０が位置に移動し、スラリーリザーバが再び満たされる。このスラリー供給システムは、従来の保持リング構造のいずれとも組み合わせることができる。
【００３１】
供給アーム４０は、クリーニング液、例えば、純粋をトラフ１１２へ供給するために使用することもできる。これにより、通路１３０からのスラリーをリンスして、乾燥スラリーの蓄積を防止することができる。キャリヤヘッド（または少なくとも保持リング）は、トラフ１１２がリンスされる前に持ち上げられてポリシングパッドから離れる。ポリシング面によって形成された保持リングの下面のバリヤを除去することにより、トラフ内のスラリーが速やかに通路１３０から流れ出て、スラリーがトラフからなくなる。
【００３２】
図１０を参照すると。他の実施形態では、環状スラリー供給部材３００がキャリヤヘッド１００′に取り付けられ、保持リング１１０′を取り囲んでいる。スラリー供給部材は、その上面３０４に形成されたリザーバ３０２、またはリザーバ３０２からスラリー供給部材３００の底面３１０内のチャネル３０８までほぼ垂直に延びている通路３０６を含んでいる。リザーバ３０２は、１回の供給量分のスラリー３１２を保持する。このスラリーは、重力の作用のもとでチャネル３０８を通ってポリシングパッド上に流れる。リザーバ３０２に貯蔵されるスラリーの量は数分間のポリシングに十分なものとすべきである。溝３１４（想像線で図示）を底面３１０内に形成することができ、この溝は、スラリーを基板１０に送るように保持リング１１０′の底面の溝３１６（想像線で図示）と連通させることができる。
【００３３】
図１１を参照すると、他の実施形態では、リザーバ３５０がキャリヤヘッド１００″のハウジング２０２″の上面３５２に形成されている。通路３５４は、保持リング１１０″内の通路３５６に連通するようにハウジング２０２″を貫通して延びている。通路３５４および３５６は、リザーバ３５０を保持リング１１０″の底面３６０のチャネル３５８に連結する。リザーバ３５０は、１回の供給量分のスラリー３６２を保持する。このスラリーは、重力の作用のもとで通路３５４を通ってポリシングパッド上に流れる。スラリーを基板１０へ送るために、溝３６６（想像線で図示）を保持リング１１０″の底面に形成してもよい。本実施形態の利点は、キャリヤヘッド１００″がキャリヤヘッド１００′より直径が小さいことである。
【００３４】
このように、本発明は、スラリーを基板と回転ポリシングパッドとの境界に近接する領域にスラリーを供給することにより、パッドに供給されるスラリー量を好適に減少させる。本発明は、また、基板の平坦化を改善および向上させ、優れた平坦化に伴う利点を与える。
【００３５】
本発明を多くの実施形態を用いて説明したが、本発明は図示および記載された実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲によって限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】ケミカルメカニカルポリシング装置の分解斜視図である。
【図２】スラリー含有トラフを伴う保持リングと外部供給ラインを有する例示のキャリヤヘッドの断面図である。
【図３】図２のキャリヤヘッドの保持リングを貫通する通路を示す拡大図である。
【図４】図３の保持リングの底面斜視図である。
【図５】図３の保持リングの一部が切り取られた斜視底面図である。
【図６】図５の切り取られた部分の拡大図である。
【図７】スラリー含有トラフを有する保持リングの他の実施形態の断面図である。
【図８】（ａ）は、底面上に環状溝を有する保持リングの他の実施形態の底面図であり、（ｂ）は、この保持リングの側断面図である。
【図９】（ａ）は、スラリーをキャリヤヘッド上のスラリートラフへ供給することができるスラリー供給アームの概略側面図であり、（ｂ）は、このスラリー供給アームの平面図である。
【図１０】保持リングを取り囲んむ環状スラリー供給部材を有するキャリヤヘッドの一部の断面図である。
【図１１】キャリヤハウジングの上面に形成されたスラリー供給リザーバを有するキャリヤヘッドの一部の断面図である。
【符号の説明】
１０…基板、２０…ケミカルメカニカルポリシング（ＣＭＰ）装置、２２…マシンベース、３２…ポリシングパッド、４０…スラリー供給アーム、４２…チューブ出口、５０…ポリシングスラリー、１００…キャリヤヘッド、１０２…ハウジング、１０４…可撓膜、１０６…ローディングチャンバ、１０８…通路、１１０…保持リング、１１２…トラフ、１１４…内側傾斜リップ、１２８…境界、１３０…通路、１３２…チャネル。

Claims (6)

1. ケミカルメカニカルポリシング装置用のキャリヤヘッドであって、
   保持リングと、
   当該キャリヤヘッド上に形成される環状スラリーリザーバであって、当該環状リザーバは、大気に開放されており、基板を研磨するのに十分な量のポリシングスラリーを保持するよう構成され、前記ポリシングスラリーを当該環状リザーバからポリシングパッドへ送るように前記保持リングの底面と連通している環状スラリーリザーバと、
   を備え、
   前記環状リザーバが、当該キャリヤヘッドに取り付けられると共に前記保持リングを取り囲む環状スラリー供給部材の上面に形成されており、前記環状リザーバが、前記保持リングの径方向において前記保持リングを越えて広がる領域を囲んでいる、キャリヤヘッド。
2. スラリーを前記環状リザーバから前記環状スラリー供給部材の底面へ送るように通路が前記環状スラリー供給部材を貫通して形成されている、請求項１記載のキャリヤヘッド。
3. スラリーを内向きに前記保持リングへ送るようにチャネルが前記環状スラリー供給部材の底面に形成されている、請求項１記載のキャリヤヘッド。
4. 前記環状リザーバは、前記キャリヤヘッドが回転する間、前記ポリシングスラリーを保持するためのリップを含んでいる、請求項１記載のキャリヤヘッド。
5. ポリシングスラリーを、キャリヤヘッドに位置する環状トラフから、保持リング内の通路を通してポリシングパッド上に送るステップを備え、
   前記環状トラフが、大気に開放されており、基板を研磨するのに十分な量のポリシングスラリーを保持し、
   前記環状トラフが、前記キャリヤヘッドに取り付けられると共に前記保持リングを取り囲む環状スラリー供給部材の上面に形成されており、前記環状トラフが、前記保持リングの径方向において前記保持リングを越えて広がる領域を囲んでいる、ケミカルメカニカルポリシング方法。
6. 前記ポリシングスラリーが前記環状トラフ内に断続的に供給される、請求項５記載の方法。

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