JP5043275B2 - 可撓性膜を有するマルチチャンバキャリヤヘッド - Google Patents

可撓性膜を有するマルチチャンバキャリヤヘッド Download PDF

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Description

【0001】
【背景】
本発明は、一般的には、基板のケミカルメカニカルポリシングに関し、更に詳細には、ケミカルメカニカルポリシングに用いられるキャリヤヘッドに関する。
【0002】
集積回路は、典型的には、シリコンウエハ上に導電層、半導電層又は絶縁層を順次堆積することにより基板上に形成される。製造ステップには、非平坦面上に充填剤層を堆積するステップと、該非平坦面が露出するまで該充填剤層を平坦化するステップが必要である。例えば、導電性充填剤層をパターン形成絶縁層上に堆積して絶縁層のトレンチ又はホールを充填することができる。次に、絶縁層の隆起したパターンが露出するまで充填剤層を研磨する。平坦化後、絶縁層の隆起したパターンの間に残っている導電層の部分は、基板上の薄膜回路間に導電路を与えるバイア、プラグ、ラインを形成する。更に、平坦化はフォトリソグラフィのために基板表面を平坦化することも求められている。
【0003】
ケミカルメカニカルポリシング(CMP)は、平坦化の一般に認められた方法である。この平坦化法には、典型的には、基板がキャリヤヘッド又は研磨ヘッド上に取り付けられることが必要である。回転する研磨ディスクパッド又はベルトパッドに対して基板の露出面が配置される。研磨パッドは、“標準”パッドか或いは固定研摩パッドのいずれでもよい。標準パッドは耐久性の粗面を有するが、固定研摩パッドは研摩粒子が包含媒体中に保持されている。キャリヤヘッドによって基板上に制御可能な負荷が加えられ、研磨パッドに対して押される。少なくとも1種の化学反応性剤と、研摩粒子とを含む研磨スラリーは、標準パッドが用いられる場合、研磨パッドの表面に供給される。
【0004】
【概要】
1つの態様において、本発明は、ドライブシャフトに固定されるハウジングと、ベースアセンブリと、ハウジングに相対してベースアセンブリの位置を制御するローディングチャンバと、可撓性膜とを有するキャリヤヘッドに関する。可撓性膜は、基板取り付け面を備えている下部表面をもったほぼ円形の主要部分とベースアセンブリに固定されている複数の同心環状フラップとを有する。ベースアセンブリと可撓性膜間の体積は複数の加圧可能なチャンバを形成している。
【0005】
本発明の実施例には、1以上の次の特徴を含めることができる。保持リングをベースアセンブリに結合することができる。キャリヤヘッドは、5つの加圧可能チャンバを含むことができる。各チャンバは、基板上の可撓性膜の主要部分の付随したセグメントによって下向きの圧力を制御することができる。環状フラップの少なくとも1つはノッチを含むことができる。ノッチは、少なくとも1つの環状フラップと主要部分との間の接合点で形成することができる。環状フラップの少なくとも1つは、少なくとも1つの環状フラップと主要部分との間の接合点に隣接した拡張部分を含むことができる。少なくとも1つの環状フラップは、ベースアセンブリから拡張部分まで伸びている水平部分を含むことができる。
【0006】
他の態様においては、本発明は、ベースアセンブリと可撓性膜を有するキャリヤヘッドに関する。可撓性膜は、基板取り付け面を備えている下部表面をもったほぼ円形の主要部分と、主要部分から伸びかつベースアセンブリに固定されている複数の同心環状部分とを有する。ベースアセンブリと可撓性膜間の体積は複数の加圧可能なチャンバを形成している。
【0007】
他の態様においては、本発明は、基板の存在を検知する方法に関する。キャリヤヘッドにおける複数のチャンバの第1のチャンバは真空にする。キャリヤヘッドは、ベースアセンブリと、基板取り付け面を備えている下部表面をもった可撓性膜主要部分と、主要部分から伸びかつキャリヤヘッドのベースアセンブリに固定されている複数の同心環状部分とを含んでいる。ベースアセンブリと可撓性膜間の体積は複数の加圧可能なチャンバを形成している。複数のチャンバのうちの第2のチャンバの圧力を測定し、測定した圧力から基板が基板取り付け面に装着されているかどうかを判断する。
【0008】
本発明の実施例には、1以上の次の特徴を含めることができる。基板が基板取り付け面に装着されているかどうかを判断するステップは、測定した圧力を閾値と比較するステップを含むことができる。測定した圧力が閾値より大きい場合には基板の存在を決定することができる。
【0009】
本発明の実施例には、1以上の次の特徴を含めることができる。基板が基板取り付け面に装着されているかどうかを判断するステップは、測定した圧力を閾値と比較するステップを含むことができる。測定した圧力が閾値より大きい場合には基板の存在を決定することができる。
【0010】
他の態様においては、本発明はベースアセンブリと可撓性膜とをもったキャリヤヘッドに関する。可撓性膜は、少なくとも1つがノッチを含んでいる、主要部分から伸びかつベースアセンブリに固定されている複数の同心環状部分を有する。可撓性膜は、基板取り付け面を備えている下部表面をもったほぼ円形の主要部分を有する。ベースアセンブリと可撓性膜間の体積は複数の加圧可能なチャンバを形成している。
【0011】
本発明の実施例には、1以上の次の特徴を含めることができる。ノッチは、少なくとも1つの環状部分と主要部分との間の接合点で形成することができる。少なくとも1つの環状部分は、複数のノッチを含むことができる。複数のノッチのうちの第1のノッチは、少なくとも1つの環状部分と主要部分との間の接合点で形成することができ、複数のノッチの第2のノッチは環状部分の中点で形成することができる。
【0012】
他の態様においては、本発明はベースアセンブリと可撓性膜とをもったキャリヤヘッドに関する。可撓性膜は、ほぼ円形の主要部分と、外部環状部分と、ノッチを含んでいる内部環状部分とを有する。主要部分は、基板取り付け面を備えている下部表面を有する。外部環状部分は、主要部分のエッジ部から伸び、ベースアセンブリに固定されている。内部環状部分は、主要部分から伸び、ベースアセンブリに固定され、ベースアセンブリと可撓性膜間の体積は複数の加圧可能チャンバを形成している。
【0013】
他の態様においては、本発明はベースアセンブリと可撓性膜とをもったキャリヤヘッドに関する。可撓性膜は、ほぼ円形の主要部分と、外部環状部分と、内部環状部分と主要部分との間の接合点に隣接した拡張部分を含んでいる内部環状部分とを有する。主要部分は、基板取り付け面を備えている下部表面を有する。外部環状部分は、主要部分のエッジ部から伸び、ベースアセンブリに固定されている。内部環状部分は、主要部分から伸び、ベースアセンブリに固定され、ベースアセンブリと可撓性膜間の体積は複数の加圧可能チャンバを形成している。
【0014】
【詳細な説明】
図1を参照すると、キャリヤヘッド100は、ハウジング102と、ベースアセンブリ104と、ジンバルメカニズム106(ベースアセンブリの一部と考えてもよい)と、ローディングチャンバ108と、保持リング110と、5つの加圧可能チャンバを含んでいる基板バッキングアセンブリ112とを含んでいる。同様のキャリヤヘッドの説明は、1997年5月21日出願の米国特許出願第08/861,260号に見ることができ、この開示内容は本明細書に援用されている。
【0015】
ハウジング102は、形がほぼ円形であり、研磨中回転させるためにドライブシャフト74に接続することができる。ハウジング102を通って垂直ボア120を形成させることができ、更に5つの通路(2つの通路だけが図示されている)がキャリヤヘッドの空気制御のためにハウジング102を通って伸びることができる。Oリング124を用いてハウジングを通る通路とドライブシャフトを通る通路との間に流体の漏れないシールをつくることができる。
【0016】
ベースアセンブリ104は、ハウジング102の下にある縦に移動するアセンブリである。ベースアセンブリ104は、ほぼ環状の剛体130と、外部クランプリング134と、ジンバルメカニズム106とを含んでいる。ジンバルメカニズム106は、ボア120に沿って縦に滑ってベースアセンブリ104の垂直動作を与えるジンバルロッド136と、保持リング110が研磨パッドの表面とほとんど平行になることができるようにハウジング102に関してベースアセンブリを旋回させるように曲がっている曲げリング138とを含んでいる。
【0017】
ローディングチャンバ108は、ハウジング102とベースアセンブリ104との間にあり、ベースアセンブリ104に負荷、即ち、下向きの圧力又は重量を加える。研磨パッド32に相対するベースアセンブリ104の垂直位置がローディングチャンバ108によって制御される。ほぼリング状の回転ダイアフラム126の内側エッジ部は、内部クランプリング128によってハウジング102に留めることができる。回転ダイアフラム126の外側エッジ部は外部クランプリング134によってベースアセンブリ104に留めることができる。
【0018】
保持リング110は、ベースアセンブリ104の外側エッジ部に固定されたほぼ環状のリングであってもよい。流体がローディングチャンバ108にポンプで送られるとともにベースアセンブリ104が下向きに押されたときに、保持リング110も下向きに押されてポリシングパッド32に負荷をかける。保持リング110の底面116はほとんど平らであってもよく、保持リングの外部から基板へスラリーの運搬を容易にする複数のチャネルを有してもよい。保持リング110の内部表面118は、それがキャリヤヘッドの下から逃げることを防止するように基板と契合している。
【0019】
基板バッキングアセンブリ112は、可撓性膜と、ほぼ平らな主要部分142とその主要部分142から伸びている5つの同心環状フラップ150、152、154、156、158とを含んでいる。最外部フラップ158のエッジ部は、ベースアセンブリ104と第1のクランプリング146との間に留められている。他の2つのフラップ150、152は第2のクランプリング147でベースアセンブリ104に留められ、残りの2つのフラップ154と156は第3のクランプリング148でベースアセンブリ104に留められている。主要部分142の下部表面144は、基板10の取り付け面を備えている。
【0020】
第1のフラップ150によって密封されているベースアセンブリと内部膜150との間の体積は、第1の円形加圧可能チャンバ160を提供する。第1のフラップ150と第2のフラップ152との間で密封されているベースアセンブリ104と内部膜150との間の体積は、第1のチャンバ160を取り囲んでいる第2の環状加圧可能チャンバ162を提供する。同様に、第2のフラップ152と第3のフラップ154との間の体積は第3の加圧可能チャンバ164を提供し、第3のフラップ154と第4のフラップ156との間の体積は第4の加圧可能チャンバ166を提供し、第4のフラップ156と第5のフラップ158との間の体積は第5の加圧可能チャンバ168を提供する。図示されているように、最外部チャンバ168は最も狭いチャンバである。実際に、チャンバ152、154、156、158は次第に狭くなるように形成され得る。
【0021】
各チャンバは、ベースアセンブリ104とハウジング102を通って付随した圧力源、例えば、ポンプ又は圧力又は真空ラインまでの通路によって流体で結合し得る。ベースアセンブリ104からの1以上の通路は、ローディングチャンバ108の内部に又はキャリヤヘッドの外部に伸びている可撓性チュービングによってハウジング内の通路に結合し得る。従って、各チャンバの加圧と、基板上の可撓性膜140の主要部分142の付随したセグメントによって加えられる力は独立して制御し得る。これにより研磨中基板の異なる半径方向の領域に異なる圧力を加えることが可能であり、よって他の要因に起因する一様でない研磨速度又は入ってくる基板の一様でない厚さが補償される。
【0022】
基板を真空チャックするために、チャンバ、例えば、最外部チャンバ168を加圧して基板10に対して可撓性膜140の付随したセグメントを押しつけて密封をつくる。次に、加圧したチャンバの内側に半径方向にあるその他のチャンバの1つ以上を真空にし、可撓性膜140の付随したセグメントを内向きに弓状にする。可撓性膜140と基板10との間の得られた低圧ポケットはキャリヤヘッドに対して基板10を真空チャックし、外部チャンバ168の加圧によってつくられた密封は、周囲の空気が低圧ポケットから入ることを防止する。
【0023】
真空チャック操作が失敗することは起こりうるので、基板がキャリヤヘッドに実際に装着されているかどうかを判断することが望ましい。基板が可撓性膜に装着されているかどうかを判断するために、チャンバの1つ、例えば、第3のチャンバ164への流体制御ラインが閉じられるのでチャンバは圧力源又は真空源から分離される。チャンバ内の圧力は、圧力ゲージによる真空チャック操作を流体制御ラインに接続した後に測定される。基板が存在する場合には、チャンバ162が真空になったときに上向きに引っ張られ、よって第3のチャンバ164を圧縮し、第3のチャンバ内の圧力を上げる。一方、基板が存在しない場合には、第3のチャンバ164内の圧力は比較的安定したままであるべきである(上がってもよいが、基板が存在する場合ほど高くない)。圧力ゲージに接続された汎用コンピュータは、基板がキャリヤヘッドに装着されているかどうかを判断するために圧力測定を用いるようプログラムできる。密封、真空チャック又は圧力検知に用いられないチャンバは、周囲圧力まで通気させることができる。
【0024】
図2について参照すると、実施例においては、可撓性膜の最外部フラップ158を除く環状フラップ150a、152a、154a、156aのそれぞれにノッチ又はくぼみ200がつくられている(図2にはフラップ150aが示されていない)。特に、各ノッチ200は可撓性膜140aの主要部分142にすぐ隣接した位置にある環状のみぞとして形成され得る。従って、フラップ150a、152a、154a、156aは、可撓性膜140aの主要部分142への接続部202で狭くなる(例えば、約1/2に)。例えば、フラップ154aの縦に伸びている部分204の厚さT1は約1mmであり、接続部202でのフラップ154aの厚さT2は約0.5mmである。各ノッチ200は付随したクランプリングとベースの間に固定されているリム206と同じ側に形成され得る。
【0025】
ノッチの潜在的利点は、隣接チャンバの圧力が同じでないときに研磨の均一性を改善することである。特に、隣接チャンバの圧力が同じでないときに、高圧チャンバの圧力によって分離しているフラップが低圧チャンバの中に弓状になる傾向がある。例えば、フラップ150aが接続部202で曲がることにより中央フラップ150aに隣接した主要部分142が圧縮領域になり、意図していない圧力分布と一様でない研磨の結果となってしまう。しかしながら、ノッチ200はフラップ150aを接続部202で可撓性にする。これによりチャンバ160と162の圧力が同じでないためにフラップが曲がるときに主要部分142の圧縮が減少し、よって研磨均一性が改善される。
【0026】
図3を参照すると、他の実施例においては、環状フラップ150b、152b、154b、156bの各々が3つのノッチ又はくぼみ210、212、214を含んでいる。第1のノッチ210は可撓性膜140bの主要部分142にすぐ隣接してつくられ、第2のノッチ212はフラップのほぼ中点につくられ、第3のノッチ214はフラップのリム206近傍につくられる。第2のノッチと第3のノッチ212と214は更にフラップの可撓性を高め、よって可撓性膜を通って伝達される基板上の下向きの負荷を更に減少させる。2つのノッチ、又は4つ以上のノッチにおいて実施が可能であることは当然のことである。
【0027】
図4Aについて参照すると、他の実施例においては、可撓性膜140cは主要部分142cと、三角形の断面が主要部分142cの外側エッジ部に接続している外側部分220を含んでいる。主要部分142cの下部表面144によって、基板10の取り付け面が設けられている。3つの最内部環状フラップ150c、152c、154cは可撓性膜140cの主要部分142cに接続している。2つの最外部環状フラップ156cと158cは三角形の外側部分220の2つの頂点に接続している。各膜フラップ150c、152c、154c、156c、158cはクランプリングとベースとの間に留められている厚いリム222と、リム222から半径方向に伸びているほとんど水平な部分224とを含んでいる。2つの最外部環状フラップ156cと158cの場合には、水平部分224は三角形の外側部分220に直接接続している。3つの最内部環状フラップ150c、152c、154cの場合には、水平部分224は断面が三角形の厚いくさび形部分230によって主要部分142cに接続している。くさび形部分230は、リム206と同じ側のフラップに傾斜面232を、反対側にほぼ垂直な部分234を有することができる。動作中、チャンバの1つを加圧又は真空にする場合、ほとんど水平な部分224は主要部分142cを上又は下に移動させるように曲がっている。
【0028】
この膜構造の潜在的利点は、可撓性膜140cの142cの主要部分の異なる部分によって縦の動作に対する抵抗を減少させることである。この膜構造の他の潜在的利点は、低圧が加えられたときに又は隣接チャンバの圧力が一様でないときに圧力を一様に配分することである。くさび形部分230は、膜フラップが低圧チャンバの中に弓形になることを大体防止し、よってフラップが曲がることから生じる主要部分142cの圧縮を減少又は排除する。更に、厚いくさび形部分230によって基板上の広い領域にフラップの重量からの下向きの負荷が配分され、よって低圧での均一性が改善される。
【0029】
2つの外部チャンバ166cと168cは基板の周辺の圧力分布を制御するために使用し得る。最外部チャンバ168cの圧力P1が第2のチャンバ166cの圧力P2より大きい場合、可撓性膜140cの外側部分224は下向きに動き、外側部分224の下の頂点226が基板の外側エッジ部に負荷を加える。一方、図4Bに示されるように、最外部チャンバ168cの圧力P1が第2のチャンバ166cの圧力P2より小さい場合、下の頂点226が上向きに引き伸ばされるように外側部分224がピボットする。これにより、主要部分142cの外側エッジ部が上向きに基板の周辺から離れて引き伸ばされ、よってこの周辺部分に加えられる圧力が減少又は排除される。チャンバ166cと168cの相対圧力を変えることにより、基板から引っ張られる膜の部分の半径幅が変えられ得る。従って、膜と基板との接触領域の外径と、その接触領域に加えられる圧力の双方がキャリヤヘッドのこの実施例において制御され得る。
【0030】
キャリヤヘッドにおける種々の要素の設定、例えば、保持リング、ベースアセンブリ、又は可撓性膜のフラップの相対サイズや間隔は例示であり、限定するものではない。キャリヤへッドは、ローディングチャンバを含まずにつくられてもよく、ベースアセンブリとハウジングは単一構造或いは組立構造であり得る。ノッチは他の場所につくられてもよく、異なるフラップが異なる数のノッチを有してもよく、フラップの一部はノッチを含まずに形成されてもよく、最外部フラップに1以上のノッチがあってもよい。
【0031】
本発明を多くの実施例によって記載してきた。しかしながら、本発明は記述された実施例に限定されない。本発明の範囲は前述の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】 本発明のキャリヤヘッドの断面図である。
【図2】 各フラップにノッチのついた可撓性膜を示すキャリヤヘッドの拡大図である。
【図3】 各フラップに複数のノッチのついた可撓性膜を示すキャリヤヘッドの拡大図である。
【図4A】 各フラップと膜のベース部分との間の接続部が広い可撓性膜を示すキャリヤヘッドの拡大図である。
【図4B】 可撓性膜の外側の部分の動作を示す図4Aのキャリヤヘッドの図である。
【符号の説明】
32…研磨パッド、74…ドライブシャフト、100…キャリヤヘッド、102…ハウジング、104…ベースアセンブリ、106…ジンバルメカニズム、108…ローディングチャンバ、110…保持リング、112…基板バッキングアセンブリ、116…底面、118…内部表面、120…ボア、122…通路、124…Oリング、126…回転ダイフラム、128…クランプリング、134…クランプリング、140、140c…可撓性膜、142、142c…主要部分、144…下部表面、148…クランプリング、150、150a、150b、150c、152、152a、152b、154、154a、154b、154c、156、156a、156b、156c、158、158c…同心環状フラップ、160…加圧可能チャンバ、162、164、166、166c…チャンバ、168、168c…最外部チャンバ、200…ノッチ、202…接続部、206…リム、212、214…ノッチ、220…外側部分、222…リム、224…水平部分、226…下部頂点、230…くさび形部分、232…傾斜面、234…ほぼ垂直の面。

Claims (12)

  1. ベースアセンブリと、
    基板取り付け面を備えている外面を有する円形の主要部分と、該主要部分のエッジ部から伸びる外部環状部分であって、該主要部分の外部エッジ部が前記外部環状部分の一番下の頂点に接続されている前記外部環状部分と、該外部環状部分の一番上の頂点に接続され、前記ベースアセンブリに固定されている第1のフラップと、前記一番上の頂点と前記一番下の頂点との間の該外部環状部分の第2の頂点に接続され、前記ベースアセンブリに固定されている第2のフラップとを有する可撓性膜と、
    を備え、
    前記ベースアセンブリと前記可撓性膜との間の体積が、複数の加圧可能なチャンバを形成している、ケミカルメカニカルポリシング用キャリヤヘッド。
  2. ケミカルメカニカルポリシング用キャリヤヘッドのための可撓性膜であって、
    基板取り付け面を備えている下部表面を有する円形の主要部分と、
    前記主要部分のエッジ部から伸びる外部環状部分と、
    前記可撓性膜がキャリヤヘッドのベースアセンブリに固定される場合に、前記外部環状部分に対して内側の場所において前記主要部分から伸びて複数の加圧可能チャンバを形成する可撓性の複数の同心環状フラップと、
    を備え、
    前記複数の環状フラップの少なくとも1つが、前記複数のチャンバのうち隣接するチャンバの圧力が同じでないことにより前記フラップが曲がることによって、前記主要部分の圧縮を減少させるように構成されているノッチを含んでいる、可撓性膜。
  3. 前記外部環状部分がノッチを含まない、請求項2記載の可撓性膜。
  4. 前記ノッチが、前記少なくとも1つの環状フラップと前記主要部分との間の接続部に形成されている、請求項2記載の可撓性膜。
  5. 前記環状フラップが複数のノッチを含んでいる、請求項2記載の可撓性膜。
  6. 前記複数のノッチのうちの第1のノッチが、前記少なくとも1つの環状フラップと前記主要部分との間の接続部に形成され、前記複数のノッチのうちの第2のノッチが、該環状フラップの中点に形成されている、請求項5記載の可撓性膜。
  7. 前記環状フラップの少なくとも1つが、キャリヤヘッドのベースアセンブリに固定されるリムを含んでおり、前記ノッチが該リムの近くにある、請求項2記載の可撓性膜。
  8. キャリヤヘッドのための可撓性膜であって、
    基板取り付け面を備えている下部表面を有する円形の主要部分と、
    前記可撓性膜がキャリヤヘッドのベースアセンブリに固定される場合に、複数の加圧可能チャンバを形成する可撓性の複数の同心環状フラップと、
    を備え、
    前記複数の環状フラップの少なくとも1つが、前記複数のチャンバのうち隣接するチャンバの圧力が同じでないことにより前記フラップが曲がることによって、前記主要部分の圧縮を減少させるように構成されており、
    前記複数の環状フラップの少なくとも1つが、前記少なくとも1つの環状フラップと前記主要部分との間の接続部に隣接した拡張部分を含んでいる、可撓性膜。
  9. 前記複数の環状フラップの少なくとも1つが、前記基板取り付け面に平行に伸びる部分を含んでいる、請求項8記載の可撓性膜。
  10. 前記拡張部分が、前記基板取り付け面に平行に伸びる前記部分に近い側の傾斜面と、前記基板取り付け面に平行に伸びる前記部分の反対側の垂直な面とを含んでいる、請求項9記載の可撓性膜。
  11. 前記基板取り付け面に平行に伸びる前記部分が前記拡張部分の一番上の頂点に接続している、請求項10記載の可撓性膜。
  12. ベースと、
    請求項2〜11のいずれか一項記載の可撓性膜と、
    を備える、キャリヤヘッド。
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