JP4750250B2 - 変更された可撓膜を有するキャリアヘッド - Google Patents

Description

【０００１】
【関連出願のクロスリファレンス】
本出願は、１９９９年７月９日出願の米国仮出願第６０／１４３，２０７号の優先権を主張する。
【０００２】
【発明の分野】
本発明は、化学的機械研磨に関し、より詳細には、化学的機械研磨用キャリアヘッドに関する。
【０００３】
【発明の背景】
集積回路は、普通には、基板、特にシリコンウェーハ上に導電性、半導体性、又は絶縁性の層の順次堆積により形成される。各層が堆積された後、各層はエッチングされ回路フィーチャを生成する。一連の層が順次堆積されエッチングされるのに従い、基板の外側、つまり最上部の表面、すなわち、基板の露出面は、次第に平面でなくなる。この非平面の表面は、集積回路製造プロセスのフォトリソグラフィーステップにおいて問題を提起する。従って、基板表面を周期的に平面化するニーズがある。加えて、充填層を研磨戻しする場合、例えば、誘電体層中のトレンチを金属で充填する場合に平面化が必要とされる。
【０００４】
化学的機械研磨（ＣＭＰ）は、容認された平面化の方法の１つである。この平面化方法は、普通には、基板がキャリアヘッドすなわち研磨ヘッド上に搭載される必要がある。基板の露出面は、基板に対して移動する円形パッド又は直線ベルトのような研磨パッドに対して載置される。研磨パッドは、「標準」パッド又は固定砥粒パッドのいずれかである。標準研磨パッドは、耐久性のある粗面化された、又は柔軟な表面を持ち、それに対して固定砥粒パッドは、封じ込め媒体中に保持された研磨砥粒を有する。キャリアヘッドは、基板を研磨パッドに押付けるよう制御可能な荷重を、基板へ供給する。幾つかのキャリアヘッドは、基板用の搭載面を提供する可撓膜と、基板を搭載面の下に保持する保持リングとを含む。可撓膜の背後でのチャンバの加圧と排気が、基板への荷重を制御する。少なくとも１つの化学的活性薬剤と、（標準パッドが使用される場合であれば）研磨砥粒とを含む研磨スラリが、研磨パッド面へ供給される。
【０００５】
ＣＭＰプロセスの有効性は、その研磨レートにより、および基板表面の、結果として得られる仕上度（微視的粗さの無いこと）と平坦度（巨視的トポグラフィの無いこと）により測定できる。研磨レート、仕上度、および平坦度は、パッドとスラリの組合せ、基板とパッド間の相対速度、およびパッドへ基板を押付ける力、により決定される。
【０００６】
ＣＭＰで頻繁に起きる問題は、不均等な研磨、すなわち基板表面にわたる研磨レートの変動であり、その結果として不均等な基板厚さを生じる。不均等研磨の原因の１つは、基板の変形、例えば、基板のたわみである。
【０００７】
ＣＭＰでの別の問題は、それが「きたない」プロセスであることである。詳細には、研磨プロセスが遂行されている間に、異物が導入される。しかし、この異物は、基板の汚染を防止するために、基板が更に処理される前に除去される必要がある。従って、ＣＭＰの場合、研磨された基板上で作動デバイスの高い歩留りを得るためには、基板上に導入されたスラリが、研磨の終了時に完全に除去されるのがよい。
【０００８】
【発明の概要】
一局面では、本発明は、保持リングと、基板を研磨面へ押付ける可撓膜とを有するキャリアヘッドに向けられる。この可撓膜は、粗面化された下側面を有する。
【０００９】
本発明の実施形態は、以下の特長の１つ以上を含むことができる。可撓膜は、基板が膜に対して移動又は回転しないよう充分に粗く、又はその摩擦係数が充分に高くてもよい。可撓膜は、高い摩擦係数を持つ材料で形成してもよい。可撓膜は、その摩擦係数を高める溝又はバイア等のフィーチャを含む。
【００１０】
別の局面では、本発明は、保持リングと、基板を研磨面へ押付ける可撓膜とを有するキャリアヘッドに向けられる。可撓膜は、高い摩擦係数を持つ材料で形成される。
【００１１】
本発明の実施形態は、以下の特長の１つ以上を含むことができる。可撓膜は、粗い下側面を有してよい。可撓膜は、その摩擦係数を高めるフィーチャを含むことができる。
【００１２】
別の局面では、本発明は、保持リングと、基板を研磨面へ押付ける可撓膜とを有するキャリアヘッドに向けられる。可撓膜は、その摩擦係数を高めるフィーチャを含む。
【００１３】
本発明の実施形態は、以下の特長の１つ以上を含むことができる。可撓膜は、大きい摩擦係数を持つ材料で形成してよい。可撓膜の底側は、その摩擦係数を高めるよう粗面化してよい。可撓膜の摩擦係数は、基板が膜に対して移動又は回転しないよう充分に高くできる。フィーチャは溝又はバイアであってよい。
【００１４】
別の局面では、本発明は、キャリアヘッドを組立てる方法に向けられる。この方法において、可撓膜は、粗面化された表面を持つ膜を提供するようこすられ、可撓膜は、基板へ圧力をかける位置でキャリアヘッドに装着される。
【００１５】
本発明の可能な利点は、以下の１つ以上を含む。基板のべべル形状部上へのスラリ凝集が低減でき、それによって、（ブラシスクラバー等の）洗浄システムは、基板からスラリをより完全に除去することが可能となり、基板清浄度を向上させる。加えて、反り等の基板変形が低減でき、よって研磨の均等性を改善する。
【００１６】
本発明の１つ以上の実施の形態の詳細を、添付図面と以下の説明に示す。本発明の他の特長、目的、および利点は、説明と図面から、そして特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【００１７】
【詳しい説明】
先に記載のように、化学的機械研磨中に基板の表面にわたり均等な研磨レートを達成し、研磨後に基板からスラリを完全に除去することが望ましい。キャリアヘッド内の粗面化された表面を持つ基板保持膜を提供することにより、これらの目標を達成することが可能となる。粗面化された表面は、膜と基板の背面との間の摩擦力を高め、それにより基板は膜に対して移動又は回転しない。これは、基板と保持リングとの間の接触を防止又は低減し、それによって基板のべべル形状部上へのスラリの凝集を低減し、基板変形を低減することができる。
【００１８】
図１を参照すると、一枚以上の基板１０が化学的機械研磨（ＣＭＰ）装置２０により研磨される。類似のＣＭＰ装置の記載は、米国特許第５，７３８，５７４号に見出すことができ、その開示全体を引用して本明細書に組込む。
【００１９】
ＣＭＰ装置２０は、一連の研磨ステーション２５と、基板をローディング／アンローディングするための転送ステーション２７を含む。各研磨ステーション２５は、その上に研磨パッド３２が載置される回転可能なプラテン３０を含む。各研磨ステーション２５は、更に、研磨パッドの研磨条件を維持する関連パッドコンディショナ装置４０を含むことができる。
【００２０】
液体（例えば、酸化物研磨用脱イオン水）と、ｐＨ調節剤（例えば、酸化物研磨用水酸化カリウム）とを含有するスラリ５０が、スラリ／リンス兼用アーム５２により研磨パッド３２の表面へ供給できる。研磨パッド３２が標準パッドである場合、スラリ５０は、研磨砥粒（例えば、酸化物研磨用の二酸化ケイ素）も含むことができる。これに対し、研磨パッド３２が固定砥粒パッドである場合、スラリ５０は、無砥粒流体でよい。普通は、充分なスラリが、研磨パッド３２全体を覆って湿らせるよう供給される。スラリ／リンスアーム５２は、幾つかの噴霧ノズル（図示せず）を含むことができ、研磨とコンディショニングの各サイクルの終了時に研磨パッド３２の高圧リンスを提供する。
【００２１】
回転可能なマルチヘッドカラセル（carousel）６０が、中央支柱６２に支持され、その上でカラセル軸６４周りを、カラセルモータアセンブリ（図示せず）により回転される。マルチヘッドカラセル６０は、カラセル軸６４周りに等角度間隔でカラセル支持プレート６６上に搭載された、４つのキャリアヘッドシステム７０を含む。キャリアヘッドシステムのうちの３つは、基板を研磨ステーション上に位置決めし、キャリアヘッドシステムの残りの１つは、転送ステーションから基板を受取り、転送ステーションへ基板を引渡す。カラセルモータは、研磨ステーションと転送ステーションとの間でカラセル軸６４周りに、キャリアヘッドシステムとそれへ付着された基板とを旋回させることができる。
【００２２】
各キャリアヘッドシステム７０は、研磨ヘッドすなわちキャリアヘッド１００を含む。各キャリアヘッド１００は独立して自らの軸周りに回転し、カラセル支持プレート６６に形成された半径方向スロット７２内を独立して横方向に振動する。キャリア駆動シャフト７４が、スロット７２を通って延在し、（カラセルカバー６８の４分の１を取外して示す）キャリアヘッド回転モータ７６をキャリアヘッド１００へ結合する。各モータと駆動シャフトとはスライダ（図示せず）上に支持でき、スライダは、キャリアヘッド１００を横方向に振動させるよう、半径方向駆動モータによりスロットに沿い直線的に駆動されることができる。
【００２３】
実際の研磨中に、３つのキャリアヘッドは、３つの研磨ステーションで、その上に位置決めされる。各キャリアヘッド１００は、基板を下降させて研磨パッド３２に接触させる。キャリアヘッド１００は、研磨パッドに対して適所に基板を保持し、基板の背面にわたり力を分配する。キャリアヘッド１００は、トルクも駆動シャフト７４から基板へ伝達する。
【００２４】
図２を参照すると、キャリアヘッド１００は、ハウジング１０２と、保持リング１１０と、可撓膜１２２を含む基板裏打アセンブリ１２０とを含む。可撓膜とハウジングとの間の容積は、加圧可能なチャンバ１３０を画成できる。図示されていないが、基板裏打アセンブリは、（ハウジングでなく）基部アセンブリから吊下げることができ、基部アセンブリは、研磨面上にかかる保持リングの圧力を制御する別のローディングチャンバによりハウジングへ結合されることができる。この場合、可撓膜と基部アセンブリとの間の容積が、加圧可能チャンバ１３０を画成する。加えて、キャリアヘッドは、（基部アセンブリの一部と考えられ得る）ジンバル機構、マルチチャンバや、マルチ可撓膜等の他の特徴も含むことができる。これらの特徴を持つ類似のキャリアヘッドの記載、１９９９年１２月２３日出願の米国特許出願第０９／４７０，８２０号および２０００年３月２７日出願の第０９／５３５，５７５号に見出すことができ、それらの開示全体を引用して本明細書に組込む。
【００２５】
ハウジング１０２は、駆動シャフト７４（図１参照）へ結合でき、それと共に研磨中、研磨パッド表面に対し実質的に垂直な回転軸周りに回転する。ハウジング１０２は、被研磨基板の円形の外形に相応して略円形状でよい。通路１０４が、チャンバ１３０の空気圧制御のためにハウジング１０２を貫通して延在できる。基板裏打アセンブリがローディングチャンバにより基部アセンブリから吊下げられる場合、ハウジングを貫通する通路は、ローディングチャンバ内の圧力を制御することに使用でき、基部アセンブリ内の通路は、ローディングチャンバを貫通して延在する可撓性チューブによりハウジング内の通路へ結合できる。
【００２６】
保持リング１１０は、ハウジング１０２の外側縁部に固着された略環状のリングでよい。保持リング１１０の底側面１１２は、実質的に平坦でよく、さもなければ、保持リングの外側から基板へのスラリの輸送を容易にする、複数のチャネルを有してもよい。必要な場合、保持リング１１０の内側面１１４は、基板と係合して、基板がキャリアヘッドの下から脱出することを防止する。流体が、不図示のローディングチャンバ内へ圧送され、基部アセンブリが下向へ押された場合、保持リング１１０も下向へ押され、研磨パッド３２へ荷重をかける。
【００２７】
可撓膜１２２の縁部は、ハウジング１０２と保持リング１１０との間にクランプでき、保持リング１１０は、チャンバ１３０のまわりに流体密シールを形成する。一個以上の膜スペーサリング１３２を使用して、可撓膜の周辺部分１２８を所望の形状に保持できる。膜スペーサリングは、基板縁部での圧力分配に影響するよう選定される他の形状を有し得る。可撓膜１２２の中央部分１２６の下側面１２４は、基板搭載面を提供する。チャンバ１３０を加圧することにより、下向き圧力を基板へかけることができ、基板から研磨パッド３２へ荷重をかける。
【００２８】
膜１２２の下側面１２４の摩擦係数は、普通には、従来の膜の摩擦係数よりかなり高い。詳細には、可撓膜１２２は、粗面化された下側面１２４を持つことができる。例えば、キャリアヘッドへの膜の装着に先立ち、膜１２２の一面を、例えばサンドペーパーでこすって粗面化できる。代替として、膜１２２を、粗い下側面を持って予成形できる。その上、溝又はバイア等のフィーチャを、（例えば、膜を予成形することにより、又は膜の部分を切削することにより）膜中に成形でき、摩擦係数を高めることができる。更に、膜を、高い摩擦係数を持つ材料、例えばシリコーンで形成できる。
【００２９】
図３を参照すると、化学的機械研磨中、基板に対する研磨パッド３２の動作（例えば、研磨パッドの回転）は、基板上に摩擦力（Ｆ１）を発生させる。追加の摩擦力を、基板の回転と基板の半径方向の移動とにより発生させることができる。この第１の摩擦力（Ｆ１）は、基板を保持リングの内側面１１４へ押しやる傾向にある。
【００３０】
基板と膜の下側面との間の接触は、基板上に第２の摩擦力（Ｆ２）を発生させ、それは、第１の摩擦力Ｆ１を中和する、つまり対抗する傾向である。従来の膜は、平滑面を持つのでで、Ｆ２は、普通にはＦ１より小さい。結果として、基板は、自由に移動し、基板１０のベベル形状端１２は、保持リング１１０の内側面１１４に接触するであろう。研磨中に、スラリが、基板と保持リングとの間の間隙内に捕捉される。基板からの圧力が、この残渣のスラリを基板のベベル形状端に凝集にさせる。凝集されたスラリは、ＣＭＰ後の洗浄中に除去し難いであろう。加えて、保持リングに対する基板縁部の力は、基板を反らす、つまり変形させることができる。
【００３１】
対照的に、キャリアヘッド１００では、膜１２２の粗い表面が、摩擦係数と摩擦力Ｆ２を高める。詳細には、可撓膜の摩擦係数は、基板が膜に対して移動又は回転しないよう充分に大きくできる。摩擦力Ｆ２を高めることにより、および膜を保持リングの内側面から離れた位置に維持することにより、基板と保持リングとの間の圧力、又は接触が、研磨中に低減されることができる。低減された圧力又は接触は、結果としてスラリの凝集を少なくし、ブラシスクラバー等の、ＣＭＰ後の洗浄機が研磨後に基板上へ残留する残渣スラリを除去することを容易にする。加えて、基板縁部と保持リングとの間の低減された圧力、又は接触は、基板の変形を低減することができ、それによって、研磨の均等性を改善する。
【００３２】
膜の底側表面の摩擦係数を高め、それによりＦ２がＦ１に近くなることにより、基板と保持リングとの間の圧力又は接触が低減できる。摩擦係数を高め、それにより、Ｆ２がＦ１と等しいか又はＦ１より大きくすることにより、基板と保持リングとの間の圧力又は接触は完全に防止され、それによって実質的にスラリの凝集が排除される。
【００３３】
本発明の多くの実施形態を説明した。それにも関らず、種々の変更が、本発明の精神と範囲から逸脱することなくなされ得ることは理解されよう。従って、他の実施形態は、先に記載の特許請求の範囲の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【図１】化学的機械研磨装置の分解斜視図である。
【図２】本発明によるキャリアヘッドの断面略図である。
【図３】研磨中の、基板と、膜と、保持リングとの間の相互作用を示す、キャリアヘッドの部分断面略図である。種々の図面で、同じ符号は同じ部材を示す。

Claims (15)

1. キャリアヘッドであって、保持リングと、研磨面へ基板を押付けるための可撓膜と、を備え、前記可撓膜は一体の材料からなり、加圧チャンバーの境界を形成する内面と研磨中基板と直接に接触する外面とを有し、基板のベベル形状部上へのスラリ凝集が低減できるよう前記外面は前記内面より粗面化されている、キャリアヘッド。
2. 前記可撓膜の前記外面は、前記基板が前記膜に対して移動や回転をしないように充分に粗い、請求項１記載のキャリアヘッド。
3. 前記可撓膜は、高い摩擦係数を有する材料で形成される、請求項１記載のキャリアヘッド。
4. 前記可撓膜の前記外面は、その摩擦係数を高める溝又はバイア等のフィーチャを含む、請求項１記載のキャリアヘッド。
5. 前記可撓膜の前記外面の前記摩擦係数は、前記基板が前記膜に対して移動や回転をしないように充分に大きい、請求項１記載のキャリアヘッド。
6. 前記可撓膜は、複数のスペーサーリングによって、前記加圧チャンバーの側部において湾曲されている、請求項２記載のキャリアヘッド。
7. 前記可撓膜の一部は、前記スペーサーリングに挟まれている、請求項６記載のキャリアヘッド。
8. 前記スペーサーリングは、前記基板縁部での圧力分配に影響する形状である、請求項７記載のキャリアヘッド。
9. キャリアヘッドであって、保持リングと、研磨面に基板を押付ける可撓膜と、を備え、前記可撓膜は一体の材料からなり、加圧チャンバーの境界を形成する内面と研磨中基板と直接に接触する外面とを有し、基板のベベル形状部上へのスラリ凝集が低減できるよう前記外面は前記内面にはない面のフィーチャを有する、キャリアヘッド。
10. 前記可撓膜は、高い摩擦係数を有する材料で形成される、請求項９記載のキャリアヘッド。
11. 前記可撓膜の底側は、その摩擦係数を高めるよう粗面化される、請求項９記載のキャリアヘッド。
12. 前記可撓膜の前記外面の摩擦係数は、前記基板が前記膜に対して移動や回転をしないように充分に大きい、請求項９記載のキャリアヘッド。
13. 前記フィーチャが溝である、請求項９記載のキャリアヘッド。
14. 前記フィーチャがバイアである、請求項９記載のキャリアヘッド。
15. キャリアヘッドを組立てる方法であって、内面が加圧チャンバーの境界を形成し、基板のベベル形状部上へのスラリ凝集が低減できるよう前記内面が外面と一体である可撓膜の前記外面を擦過により粗面化して、粗面化された表面を前記可撓膜へ提供し、そして、前記キャリアヘッドに、研磨中前記外面により基板に圧力がかかる位置で、前記可撓膜を装着すること、を含む方法。

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