JP5161294B2 - 化学機械研磨装置および化学機械研磨方法 - Google Patents

Description

先の出願との優先権関係

本件出願は、発明者クニヒコ サクライ、ジェラルド モロニー、ヒューイ−ミン ワン、ジュン リュー、およびピーター ラオにより２００２年１１月７日に出願された米国特許出願番号６０／４２５，１２５、発明の名称「ピボット機構を有する研磨ヘッド」の利益を主張するとともに、参照することによりこれを組み入れる。

本発明は、概して化学機械研磨（ＣＭＰ）に関し、特に、といってもこれに限れられるわけではないが、ピボット機構を有する化学機械研磨装置およびその使用の方法を提供するものである。

ＣＭＰは、化学反応と機械的バフ研磨とを組み合わせたものである。従来のＣＭＰシステムは、反対方向又は同方向に回転するパッド表面に接触させた状態で基板（ウェハとも言われる）を保持し回転させる把持リングを有する研磨ヘッドを含んでいる。パッドは、充填材またはウレタン被覆フェルトを有する薄く切った成型ポリウレタン（または他の重合体）から形成することができる。

パッドに接触させた状態での基板の回転中に、カリウムや水酸化アンモニウムのような強くないエッチング液に懸濁されたシリカ（および／または他の研磨材）のスラリがパッド上に分散される。スラリによる化学反応とパッドによる機械的バフ研磨との組み合わせにより、基板の表面上の垂直方向の不整合が除去され、これにより極めて平坦な表面が形成される。

しかしながら、従来のＣＭＰシステムは、基板の研磨プロファイルの不整合を招く可能性があるプロセス不安定性；異なるＣＭＰシステムで処理された基板の研磨プロファイルの不整合を招く可能性があるテーブルごとおよび工具ごとの変動；エア加圧チャンバ内の圧力を複数の圧力コントローラによって均衡させることを難しくさせるプロセス最適化の困難性をはじめとするいくつかの短所を有している。

図１Ａは、上述した欠点を表す、従来技術研磨ヘッド１００の断面を示すブロック図である。把持リング１４０は円筒形状であり、ＣＭＰ中に基板１２０（ウェハとも言われる）を適切な位置に保持する。図１Ａの矢印に示されるように、ＣＭＰ中にシャフトおよび基板１２０に対する下向きの押圧力を維持するために、エア圧力／力均衡方法が用いられる。さらに、プレート１４０が研磨ヘッド１００から外に膨らむことを防止するために、供給された圧力が上向きの力を与える。

しかしながら、これらの上述した力は、基板の研磨プロファイルの不整合を招く可能性があるプロセス不安定性に影響を受ける。すなわち、上述した力は、それぞれエア圧力コントローラにより管理されるエア圧力により与えられる。各コントローラは、与えられたエア圧力の量における誤差を招く可能性のあるそれぞれの許容範囲を有している。例えば、領域１０５の圧力が領域１１５の圧力よりも大きい場合には、プレート１４０は予定された位置よりも低い位置に配置される。図１Ｂに示されるように、ゴム挿入物１３０が形成される（プレート１４０が予定された位置に置かれたときは図１Ｃと異なる）。図１Ｂに示される状態においては、プレート１４０は、領域１０５と１１５との間の圧力差によりゴム挿入物１３０の端部を押し付ける。この押し付け力は、領域１１５内のエア圧力により他方の領域に与えられる圧力とは異なる圧力を基板１２０の端部に与える。その結果、余分な圧力が基板１２０の端部にかかり、これが基板１２０の研磨速度を上げる。

また、基板のプロファイルの不整合を招く従来のＣＭＰシステムの間に付加的な変動がある場合も考えられる。さらに、要求される力が適切にかつ調和して均衡するように、従来のＣＭＰシステムにおけるプロセスを最適化することは難しいことも考えられる。

従来のＣＭＰシステムの他の短所は、パッドが時間とともに摩耗したとしても、ＣＭＰヘッドが常に同じ位置に下げられることである。これは、基板の不十分な研磨を招く。
したがって、上述した欠点を克服するシステムおよび方法が必要とされる。

本発明は、化学機械研磨装置およびその利用の方法を提供する。

一実施形態においては、上記化学機械研磨ヘッドは、基板保持ヘッドとモータとを備える。モータは、ヘッドに連結され、パッド摩耗を補償するためにヘッドを垂直方向に位置決めすることができる。

本発明の一実施形態においては、上記方法は、研磨用の化学機械研磨ヘッドに基板を配置し；パッド摩耗を補償するためにヘッドを位置決めする。

限定的でなく、包括的でない本発明の実施形態を以下の図面を参照して説明する。特に示されない限り、種々の図面を通して同様の参照番号は同様の部材を言及する。
図１Ａは、従来技術研磨ヘッドの断面を示すブロック図であり；図１Ｂおよび図１Ｃは、それぞれ押し付けられていない状態および押し付けられた状態の従来技術研磨ヘッドの一部を示す図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る研磨ヘッドの断面を示すブロック図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る研磨ヘッドを示す上面図である。 図４は、図３の研磨ヘッド３００を示す断面である。 図５は、図３の研磨ヘッド３００を示す第２の断面である。 図６は、図３の研磨ヘッドを示す第３の断面である。 図７は、図３の研磨ヘッドを示す第４の断面である。 図８は、化学機械研磨の方法を示すフローチャートである。 図９Ａ−９Ｄは、高さ調整可能ヘッドを組み込んだ研磨システムを示すブロック図である。 図１０は、押し付けられていない状態の図９Ａの研磨システムを示すブロック図である。 図１１は、図９Ａの研磨システムを制御可能な例示コンピュータを示すブロック図である。 図１２は、位置決めシステムを示すブロック図である。 図１３は、ＣＭＰヘッドを位置決めする方法を示すフローチャートである。 図１４は、ＣＭＰヘッドを位置決めする第２の方法を示すフローチャートである。

以下の説明は、当業者が本発明を生産し使用することを可能とするために提供され、特定の用途およびそれに必要なものという関連において提供される。実施形態に対する種々の改変は当業者には明らかなことであり、ここに定義された原理は本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、他の実施形態および用途に適用することができる。このように、本発明は、示された実施形態に限定されることを意図しておらず、ここに開示された原理、特徴および教示と矛盾のない最も広い範囲に一致する。

図２は、本発明の実施形態に係る研磨ヘッド２００の断面図を示すブロック図である。研磨ヘッド２００は、上部ハウジング２１５、把持リング２２０；把持リングアダプタ２２５；ドライブフランジ２４０；シャフト２４５；ボール軸受２５０；ドーム２５５；サブキャリア２６０；ゴム挿入物２１０；および基準点２３０を含んでいる。

把持リング２２０は、円筒形状であり、ＣＭＰ中に基板を把持する。把持リング２２０は、２００ｍｍ基板用としては少なくとも約２００ｍｍから約２０３ｍｍ、あるいは３００ｍｍ基板用としては少なくとも３００ｍｍから約３０３ｍｍの内径を有している。把持リング２２０は、２００ｍｍ基板用としては約２３０ｍｍから約２７５ｍｍ、あるいは３００ｍｍ基板用としては約３３０ｍｍから３７５ｍｍの外径を有している。把持リング２２０は、ダイアフラム（図示せず）および把持リング２２０の内外径と実質的に同じ内外径を有する把持リングアダプタ２２５を介して上部ハウジング２１５に連結されている。

ドライブフランジ２４０は、ボール軸受２５０を介してドーム２５５に旋回可能に連結された底面を有している。ドーム２５５は、ベースフランジ２６５に連結されている。また、ベースフランジ２６５は、サブキャリア２６０およびゴム挿入物２１０に連結されている。基準点２３０は、サブキャリア２６０に取り付けられており、その底部には軟質パッドを有することができる。

シャフト２４５は、ドライブフランジ２４０から上方に延び、円筒形状をしている。ボール軸受２５０は、それぞれ直径約５／１６インチの複数のセラミックボールを備えている。本発明の実施形態においては、ボール軸受２５０は、１５個のセラミックボールを含んでいる。ドーム２５５は、平坦な上面を有するドーム形状をしている。

サブキャリア２６０は、円筒形状をしており、基板の直径にほぼ等しい直径（例えば、約２００ｍｍまたは約３００ｍｍ）を有している。基準点２３０も、円筒形状をしており、わずか数ミリメートルの直径を有することができる。ゴム挿入物２１０は、ゴム挿入物２１０とサブキャリア２６０との間に空間を作ることによって、ゾーン２８０、２９０、および２９５のようないくつかのエア圧力ゾーンまたはエア圧力チャンバを形成している。

ＣＭＰ中には、把持リング２２０が基板を把持して処理を行う。そのとき、圧力がドライブフランジ２４０にかけられ、ブラケット９５０がストッパアセンブリ９４５（図９）に接するまで、研磨ヘッド２００を下方に押し付ける。そして、制御可能な把持リングエア圧力がゾーン２１７に供給され、把持リング２２０を下方に押し付ける。また、制御可能な主エア圧力がゾーン２９５に供給される。さらに、付加的な制御可能なゾーンエア圧力をゾーン２８０および２９０に供給することができる。主圧力およびゾーンエア圧力は、ゴム挿入物２１０を基板に押圧するように作用し、これによりＣＭＰ中に基板を研磨パッド２７０に相互作用せしめる。さらに、主圧力およびゾーン圧力は、サブキャリア２６０に上向きの圧力を与える。

（ボール軸受２５０を備えた）ピボット機構は、主圧力およびゾーン圧力に基づいて研磨ヘッド２００の旋回を可能にする。シャフト２４５が研磨パッド２７０に対して垂直に組み立てられていない場合には、研磨ヘッド２００はピボット機構により研磨パッド２７０に平行に揃うことができる。研磨ヘッド２００は、３つのばねと３つのピンを介してドライブフランジ２４０からわずかな距離だけ垂れ下がることができる。研磨ヘッド２００が研磨パッド２７０上に配置され、把持リング２２０とウェハの背面に圧力がかけられると、上部ハウジング２１５はベースフランジ（図示せず）を介して上向きの力を受け、この力は、研磨ヘッド２００が研磨パッド２７０と平行に旋回し位置合わせ可能なように、研磨ヘッド２００の上部のドーム２５５がドライブフランジ２４０に連結されたボール軸受２５０に接するまで、研磨ヘッドアセンブリ２００全体を持ち上げるのに足りるものである。したがって、サブキャリア２６０と挿入物２１０は、研磨のたびに同じ垂直方向位置を維持することができる。

図３は、本発明の一実施形態に係る研磨ヘッド３００の上面図である。研磨ヘッド３００は、２００ｍｍ基板用としては約２５０ｍｍの外径、あるいは３００ｍｍ基板用としては約３５０ｍｍの外径を有する円筒形状をしている。研磨ヘッド３００の異なる断面について、図４、図５、図６、および図７に関連してさらに詳しく述べる。

研磨ヘッド３００は、中央ゾーン入力３１０；エッジゾーン入力３０５；および把持リング入力３１５を含む複数のエア圧力入力を備えている。また、研磨ヘッド３００は、エア流路３２５および水流路３２０を備えている。エア圧力入力３０５，３１０および３１５は、制御可能なエア圧力を研磨ヘッド３００内の異なるゾーンにそれぞれ独立して供給する。把持リング入力３１５は、ＣＭＰ中に把持リング２０（図６）に下向きの力をかけるようにエア圧力を把持リングゾーンに供給する。中央ゾーン入力３１０は、内側ゴム挿入物２７（図６）およびサブキャリア３８（図６）によって形成される研磨ヘッド３００内の中央ゾーンにエア圧力を供給する。エッジゾーン入力３０５は、外側ゴム挿入物２８（図６）およびサブキャリア３８によって形成されるエッジゾーンと連通するエア流路３２５にエア圧力を供給する。

図４は、図３の研磨ヘッド３００を示す断面である。この断面は、フランジドライブ２３；ドーム２４；ボール軸受２６；内側ゴム挿入物２７；外側ゴム挿入物２８；ベースフランジ３６；およびサブキャリア３８を示している。ドーム２４は、ボール軸受２６を介してフランジドライブ２３に旋回可能に連結されている。また、フランジドライブ２３は円筒形状であり、フランジドライブ２３の頂部にかけられた圧力は、研磨ヘッド３００を下方向に押し付ける。ベースフランジ３６は、円筒形状であり、ドーム２４の底部に連結されている。

内側ゴム挿入物２７と外側ゴム挿入物２８は、ベースフランジ３６に連結されているサブキャリア３８に連結されており、これにより、研磨ヘッド３００が作用している基板に挿入物２７および２８が旋回可能に接することが可能となっている。サブキャリア３８は、円板形状であり、挿入物２７および２８と関連して上述した中央ゾーンとエッジゾーンとを形成する。中央ゾーン入力３１０とエッジゾーン入力３０５を介して圧力がそれぞれ中央ゾーンとエッジゾーンに供給される。

図５は、図３の研磨ヘッド３００を示す第２の断面である。図５の断面は、２つのアセンブリ５００および５１０を介したベースフランジ３６のフランジドライブ２３へのカップリングを示している。第１のアセンブリ５００は、つば１６；キャップ１７；ねじ２；ゴムクッション２２；ワッシャ７およびピン１１を備えている。ピン１１は、つば１６に取り囲まれており、キャップ１７で覆われている。さらに、ゴムクッション２２は、ピン１１とつば１６との間の界面を緩衝するように、ピン１１とつば１６の間に位置している。ワッシャ７は、ベースフランジ３６とフランジドライブ２３との間の界面に位置しており、ピン１１を取り囲んでいる。第１のアセンブリ５００により、シャフトがフランジドライブ２３を回転するときに研磨ヘッド３００がトルクを伝達できる。

第２のアセンブリ５１０は、ワッシャ８；ばね１２；ワッシャ９；およびねじ３３を備えている。ねじ３３は、ベースフランジ３６をフランジドライブ２３に連結している。ばね１２は、ねじ３３を取り囲んでおり、ベースフランジ３６の旋回による反発を可能にしている。第２のアセンブリ５１０も、ねじ３３の頂部およびダイアフラムサポートリングアルファジンバル３６とフランジドライブ２３との間の界面に位置するワッシャ８および９を含んでいる。第２のアセンブリ５１０は、ヘッド３００がフランジドライブ２３から垂下することを可能にしている。研磨ヘッド３００が、第１のアセンブリ５００および／または第２のアセンブリ５１０と実質的に同様な付加的なアセンブリを含むことができることは、当業者であれば理解できるであろう。例えば、本発明の一実施形態においては、研磨ヘッド３００は、第１のアセンブリ５００と実質的に同様の３つのアセンブリと、第２のアセンブリ５１０と実質的に同様の３つのアセンブリとを含む。

図６は、図３の研磨ヘッド３００を示す第３の断面である。この断面において示されている研磨ヘッド３００の構成要素は、上部ハウジング３７；シールリング１；チューブ３０；ねじ３２；セラミックボール２５；交差した平坦な皿穴２９；フランジドライブ２３；ドームアダプタ２４；ボールホルダドライブフランジ２５；把持リング２０；サブキャリア３８；内側ゴム挿入物２７；内側ダイアフラムサポート３４；ダイアフラムサポートリングアルファジンバル３６；Ｏリング１３；外側ゴム挿入物２８；アダプタ１５；ストップリング２１；下部ハウジング１９；ストッパ１８；および主ダイアフラム３５を含んでいる。

把持リング２０は、リング状であり、ＣＭＰ中に基板を把持する。また、把持リング２０は、円板状のサブキャリア３８を取り囲んでいる。下向きの圧力が把持２０にかけられ、把持リング入力３１５（例えば、チューブ３０）を介して把持リング２０を研磨パッドに接触させる。

把持リング２０は、ダイアフラム３５を結びつけるように、シールリング１によりダイアフラム３５に連結されている。ダイアフラム３５の外側端は上部ハウジング３７、下部ハウジング１９によって拘束され、ダイアフラム３５の内側端は上部ハウジング３７およびベースフランジ３６により拘束されており、これにより、把持リング２０が下向きの圧力を研磨パッドにかけるように加圧エアを受入可能な円筒チャンバを形成している。

ＣＭＰ中には、把持リングゾーン内の把持リング２０に抗して中央ゾーンおよびエッジゾーンに圧力が供給される。中央ゾーンおよびエッジゾーンの圧力が、内側ゴム挿入物２７および外側ゴム挿入物２８を基板に向かって下方に押し、基板を研磨パッドに相互作用せしめる。チャンバ内の圧力により、上向きの力が関連部品を介してドーム２４に与えられる。したがって、ドーム２４は、研磨中にドライブフランジ２３に接する。また、ヘッドは、ドームおよびドライブフランジ２３により研磨中に旋回可能とされる。

図８は、化学機械研磨の方法８００を示すフローチャートである。まず、研磨用の研磨ヘッド２００または３００のような研磨ヘッドに研磨用基板がロードされる（８１０）。基板がロードされた（８１０）後、研磨パッド上にスラリが分散される（８２０）。スラリは、カリウムや水酸化アンモニウムのような強くないエッチング液に懸濁されたシリカ（および／または他の研磨材）を含むことができる。そして、研磨パッド上に研磨ヘッドが配置される（８３０）。

研磨ヘッドの種々のゾーンにエア圧力が供給される（８４０）。例えば、研磨ヘッド２００のゾーン２１７および２９５にエアを供給することができる。エア圧力を供給した（８４０）後、研磨パッドに接触した状態で基板が回転される（８５０）。スラリによる化学反応とパッドによる機械的バフ研磨との組み合わせにより、基板の表面上の垂直方向の不整合が除去され、これにより極めて平坦な表面が形成される。

上記供給（８４０）、分散（８２０）、および回転（８５０）および配置（８３０）は、上述した順番とは異なる順番で行ってもよいことは理解できるであろう。さらに、上記分散（８２０）、供給（８４０）および回転（８５０）はすべて実質的に同時に行ってもよいことが理解できるであろう。

図９Ａ−９Ｄは、高さ調整可能ヘッドを組み込んだ研磨システム９００を示すブロック図である。このシステム９００は、サポートアーム９４０を通る円筒シャフト９３０に連結されたヘッド２００を含んでいる。取付アセンブリ９１０が、シャフト９３０とアセンブリ９２０とに固定されている。サポートアーム９４０は、シャフト９３０に隣接し、これに平行なサポートアーム９４０の頂部に位置するストッパアセンブリ９４５を有している。ストッパアセンブリ９４５は、センサアセンブリ９２０が何にも邪魔されず直接ストッパアセンブリ９４５に臨むように、センサアセンブリ９２０の真下のサポートアーム９４０上の位置に配置されている。

図９Ｂにより詳細に示されているように、センサアセンブリ９２０は、ブラケット９５０に囲まれたセンサ９６０を含んでいる。センサ９６０は、センサ９６０とストッパアセンブリ９４５の頂部との間の距離を判断することができるＩＲ距離計または他のセンサ（例えば、超音波）を含むことができる。センサ９６０は、図１０に関連して以下でより詳細に説明するように、センサアセンブリがストッパアセンブリ９４５と接触したときにセンサ９６０をダメージから保護するために、ブラケット９５０内で距離Ｚだけ凹んでいる。本発明の一実施形態においては、Ｚは約１０ｍｍである。

ストッパアセンブリ９４５は、サポートアーム９４０内に位置するサーボモータ（図示せず）に連結されたストッパを含んでいる。サーボモータは、ストッパを図９Ａに示される下位置から垂直方向に下位置の上方Ｙ−Ｚ＋Ｘの高さまで移動する。サーボモータは、ヘッド２００を垂直方向に移動させることもできる。Ｙは、図９Ｃに示されるように、ヘッド２００が挿入物２１０をサブキャリア２６０に押し付ける位置にあるときのセンサ９６０とストッパとの間の距離である。Ｙの値は、パッド摩耗により各基板１２０の研磨の後は少し小さくなる。例えば、Ｙは、基板１２０の研磨あたりに、約０．３μｍから約１０．０μｍだけ減少する。サーボモータの感度によっては、各ＣＭＰプロセスの後、あるいは、所定の間隔の後でＹを測定することができる。例えば、サーボモータが５０μｍの精度でストッパを持ち上げることができる場合には、１０回から５０回のＣＭＰプロセスごとの後にＹを計算することができる。

Ｘは、図９Ｄに示されるように研磨中のサブキャリア２６０と挿入物２１０との間の距離、すなわち、ゾーン２９５の高さである。本発明の一実施形態においては、Ｘは約０．５ｍｍである。

システム９００がヘッド１００または３００のような異なる研磨ヘッドを使用できることは、当業者であれば理解できるであろう。

図１０は、押し付けられていない状態、すなわち、ＣＭＰの位置にある研磨システム９００を示すブロック図である。センサ９６０がＹを測定した後、センサアセンブリ９２０の底部がストッパアセンブリ９４５の上方でＹ−Ｚ＋Ｘに等しい高さに位置するように、ヘッド２００が持ち上げられる。そして、ストッパの頂部が下降した元のストッパ位置の上方Ｙ−Ｚ＋Ｘに位置するように、サーボモータがストッパを持ち上げる。その後、ヘッド２００が、必要に応じてセンサアセンブリ９２０がストッパに接するまでＣＭＰ位置に下げられる。ストッパを用いずにサーボモータにより垂直方向位置を調整することは理解できるであろう。また、垂直方向距離は、センサを使用するのではなく、サーボモータからのパルス信号により測定される。

本発明の一実施形態においては、ＣＭＰの異なるステップ中にヘッド２００を異なる高さに下げることができる。例えば、全研磨時間が１００秒に設定され、異なる高さの３つの異なる研磨工程を含む。１番目は研磨条件Ａで３０秒間、２番目は研磨条件Ｂに移行して６０秒間、最後は研磨条件Ｃで１０秒間とすることができる。Ｃｕ回路プロセスにおいては、回路上のＣｕ金属が最初に除去され、その後Ｃｕの下のバリアメタルが除去される。Ｃｕおよびバリア層上の材料は異なり、したがって、それぞれの材料を除去するために異なるスラリおよび条件が使用される。したがって、Ｃｕプロセスにおいては、２以上の異なる条件（研磨ステップ）が設定される。研磨ヘッドの垂直方向位置は、研磨性能を決定し、Ｃｕとバリア層の研磨ステップ間で変える必要があるパラメータの１つである。その結果、垂直方向位置は、すべての研磨において１つの位置に固定されないが、各研磨ステップ中には固定される。

図１１は、研磨システム９００を制御可能な例示コンピュータ１１００を示すブロック図である。例示コンピュータ１１００は、サポートアーム９４０内、あるいは他の位置に置くことができ、有線または無線技術を介してサーボモータとセンサ９６０とに通信可能に連結されている。サーボモータおよびセンサ９６０を制御するためにコンピュータ１１００を使用することについて、図１２に関連して以下に述べる。例示コンピュータ１１００は、中央処理ユニット（ＣＰＵ）１１０５；作動メモリ１１１０；持続性メモリ１１２０；入力／出力（Ｉ／Ｏ）インタフェイス１１３０；ディスプレイ１１４０および入力装置１１５０を含んでおり、これらすべてはバス１１６０を介して互いに通信可能に連結されている。ＣＰＵ１１０５は、インテルＰＥＮＴＩＵＭマイクロプロセッサ、モトローラＰＯＷＥＲＰＣマイクロプロセッサ、または持続性メモリ１１２０に保存されたソフトウェアを実行することができる他のプロセッサを含むことができる。作動メモリ１１１０は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）または他の種類のリード／ライトメモリ装置またはメモリ装置の組み合わせを含むことができる。持続性メモリ１１２０は、ハードドライブ、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）または例示コンピュータ１１００が停止された後にデータを保持することができる他の種類のメモリ装置またはメモリ装置の組み合わせを含むことができる。Ｉ／Ｏインタフェイス１１３０は、有線または無線技術を介してセンサ９６０およびサーボモータに通信可能に連結されている。ディスプレイ１１４０は、コンピュータ１１００の他の構成要素と同様に、任意的なものであり、陰極線管ディスプレイまたは他のディスプレイ装置を含むことができる。同様に任意的なものである入力装置１１５０は、キーボード、マウス、またはデータを入力するための他の装置またはデータを入力するための装置の組み合わせを含むことができる。

当業者であれば、例示コンピュータ１１００がネットワーク接続のような付加的な装置、付加的なメモリ、付加的なプロセッサ、ＬＡＮ、ハードウェアチャンネル間で情報を伝達する入力／出力ライン、インターネットあるいはイントラネット等をも含むことができることを理解できるであろう。また、当業者であれば、プログラムおよびデータが他の方法によりシステムに受信され、保存され得ることも理解できるであろう。また、本発明の一実施形態においては、サーボモータおよびセンサ９６０を制御するためにコンピュータ１１００の代わりにＡＳＩＣが使用されている。

図１２は、例示コンピュータ１１００に内蔵することができる位置決めシステム１２００を示すブロック図である。位置決めシステム１２００は、センサ９６０およびサーボモータと通信し、サーボモータの制御を介してセンサ９６０およびヘッド２００の移動を制御する。位置決めシステム１２００は、センサエンジン１２１０、サーボモータエンジン１２２０、ヘッドエンジン１２３０、およびパラメータファイル１２４０を含んでいる。センサエンジン１２１０は、距離読取を行うためにセンサ９６０のオンおよびオフを含んで、センサ９６０を制御する。サーボモータエンジン１２２０は、ヘッドエンジン１２３０によりなされた計算に応じて、ストッパおよびヘッド２００の垂直方向の移動を制御する。ヘッドエンジン１２３０は、センサ９６０からの読取値およびパラメータファイル１２４０に保存された値に基づいて、ヘッド２００がＣＭＰのためにいるべき位置を計算する。パラメータファイル１２４０は、値ＸおよびＺを保存している。本発明の一実施形態においては、ＸおよびＺはそれぞれ約０．５ｍｍおよび１０ｍｍである。

本発明の一実施形態においては、パラメータファイル１２４０は、最大パッド摩耗に対応する最大Ｙ値を含むこともできる。ヘッドエンジン１２３０は、測定されたＹの値を最大Ｙ値と比較して、Ｙが最大Ｙ値を超えているかどうかを判断することができる。測定されたＹが最大Ｙを超えた場合には、ヘッドエンジン１２３０は、パッド２７０が最大パッド摩耗を超えたという警告をシステム９００のオペレータに発することができ、オペレータはＣＭＰを始める前にパッド２７０を新しいパッドに交換することができる。

本発明の他の実施形態においては、パラメータファイル１２４０は、連続した研磨間におけるパッド高さの違いを測定することによって計算されたパッド摩耗率データを含んでいる。あるいは、最初の研磨とその後の研磨（例えば、５０回目）との間におけるパッド高さの違いを測定し、その違いを測定までの間の研磨の回数で割ることによってパッド摩耗データ率を計算することができる。この実施形態においては、パラメータファイル１２４０は、新しい研磨パッドを使用したときに、研磨用のヘッド高さを保持することもできる。したがって、サーボモータの感度によっては、ヘッドエンジン１２３０は、パッド摩耗率データを用いて、あらかじめ決められた回数の研磨の後の各研磨に対してヘッド２００の位置の案を再計算することができる。例えば、研磨回数にパッド摩耗率をかけたものだけ少ない（新しい研磨パッドを用いたときの）元のヘッド高さとしてヘッド位置を計算することができる。

本発明の他の実施形態においては、パラメータファイル１２４０は、研磨プロセス中の異なるステップに対する垂直方向の位置決め情報も保存している。例えば、上述したように、ヘッドを、Ｃｕを研磨するための第１の高さに位置決めし、その後、バリア層を研磨するための第２の高さに位置決めすることができる。

図１３は、ＣＭＰヘッド２００を位置決めする方法１３００を示すフローチャートである。まず、基板１２０がヘッド２００に配置される（１３１０）。次に、サブキャリア２６０を挿入物２１０に押し付けるように、ヘッド２００が下げられる（１３２０）。そして、センサ９６０とストッパアセンブリ９４５の頂部との間の距離が測定され（１３３０）、値Ｙを求める。そして、値Ｙが最大Ｙ値を超えているかどうかが判断される（１３４０）。超えていた場合、オペレータに聴覚、視覚、触覚および／または他の技術を介して、パッド摩耗が推奨される値を超えたという警告がなされ（１３５０）、方法１３００が終了する。超えていなければ、ヘッド２００が持ち上げられ（１３６０）、Ｙ−Ｚ＋Ｘに等しい下方位置の上方の高さにストッパが持ち上げられる（１３７０）。そして、センサアセンブリ９２０がストッパアセンブリ９４５に接するまでヘッド２００が下げられる（１３８０）。その後、ＣＭＰを開始することができる（１３９０）。本発明の一実施形態においては、ＣＭＰ（１３９０）は、ヘッド２００の垂直方向位置を調整して基板１２０の異なる層を研磨する異なるステップを有することができる。その後、方法１３００が終了する。

図１４は、ＣＭＰヘッド２００を位置決めする第２の方法１４００を示すフローチャートである。まず、パッド摩耗率の計算およびヘッドの圧縮率（すなわち距離Ｘ）の決定を含み得るシステムの初期化が行われる（１４１０）。パッド摩耗率は、連続した研磨間におけるパッド高さの違いを測定することによって計算することができる。あるいは、最初の研磨とその後の研磨（例えば、５０回目）との間におけるパッド高さの違いを測定し、その違いを測定までの間の研磨の回数で割ることによってパッド摩耗データ率を計算することができる。パッドの圧縮率は、ヘッドを研磨パッドに押し付ける前と後のヘッドの高さを測定することによって測定することができる。

初期化（１４１０）の後、基板がヘッド２００に配置される（１４２０）。そして、ストッパが位置決めされ（１４３０）、例えば、ヘッドが下げられた（１４４０）ときに、パッド摩耗を補償するよう位置するようにストッパが持ち上げられる。位置決めは、元のヘッド高さから、研磨回数にパッド摩耗率をかけたものを引くことにより計算される。ストッパを位置決めした（１４３０）後、センサアセンブリがストッパに接するまでヘッドが下げられる（１４４０）。その後、ＣＭＰが開始され（１４５０）、方法１４００が終了する。

図示された本発明の実施形態に関する上記説明は単なる例示にすぎず、上記教示に基づいて上述した実施形態および方法の他の変更および改変が可能である。例えば、ここで述べた実施形態は包括的あるいは限定的であることを意図しているものではない。本発明は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

Claims (17)

1. 研磨パッド上に置かれた基板を研磨する化学機械研磨装置であって、
   サブキャリアと、
   各研磨動作の準備時に前記サブキャリアを研磨パッドから所定の距離だけ離れた初期位置に位置させる位置決めシステムと、
   前記サブキャリアに連結され、チャンバを形成するゴム挿入物とを備え、
   前記位置決めシステムは、研磨パッドの摩耗を決定するパッド摩耗決定装置を有し、前記位置決めシステムは、前記サブキャリアを前記初期位置から第２位置にまで、前記研磨パッドの摩耗に応じた距離だけ移動させるように構成され、
   前記サブキャリアが前記初期位置または前記第２位置にあるとき、前記チャンバに流体を供給して該チャンバ内に圧力を形成することで、前記基板を前記研磨パッドに対して押し付けることを特徴とする化学機械研磨装置。
2. 研磨中に前記基板を把持することができる把持リングをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の化学機械研磨装置。
3. 前記化学機械研磨装置は、ダイアフラムに連結されるハウジングをさらに備え、前記把持リングは前記ダイアフラムに連結され、前記把持リングに下向きの力を付与する流体を受入可能なチャンバを形成することを特徴とする請求項２に記載の化学機械研磨装置。
4. 前記把持リングに下向きの力を付与する流体の圧力は可変であることを特徴とする請求項３に記載の化学機械研磨装置。
5. 前記ゴム挿入物および前記サブキャリアは、研磨中に流体を受けることが可能な複数のチャンバを形成することを特徴とする請求項１に記載の化学機械研磨装置。
6. 前記複数のチャンバ内の流体の圧力は可変であることを特徴とする請求項５に記載の化学機械研磨装置。
7. 前記流体の圧力は可変であることを特徴とする請求項１に記載の化学機械研磨装置。
8. 研磨中の前記サブキャリアと前記ゴム挿入物との間の距離は、前記研磨パッドの摩耗に伴って変化することを特徴とする請求項１に記載の化学機械研磨装置。
9. 前記化学機械研磨装置は、前記サブキャリアの底面に設けられた基準点をさらに備え、前記基準点は前記研磨パッド上の基板に接触可能であり、前記サブキャリアの下方への移動を制限して前記研磨パッドの上面の位置を決定することを特徴とする請求項１に記載の化学機械研磨装置。
10. 前記位置決めシステムは、
    前記サブキャリアとともに移動する、該サブキャリアに連結されたブラケットと、
    下位置から移動可能なストッパ、および該ストッパを前記ブラケットの移動経路に沿って移動させるサーボモータを有するストッパアッセンブリと、
    前記ブラケットと前記下位置にある前記ストッパとの間の距離を測定するセンサとを備え、
    前記ストッパアッセンブリのサーボモータは、前記ブラケットと前記下位置にある前記ストッパとの間の距離よりも大きいか、または等しい距離だけ前記ストッパを前記下位置から移動させることを特徴とする請求項１に記載の化学機械研磨装置。
11. 研磨パッドに基板を押し付けて該基板を研磨する化学機械研磨方法であって、
    研磨パッドを用いた基板の研磨動作の準備時にサブキャリアを位置決めする工程を含み、
    前記サブキャリアは、前記基板を保持するゴム挿入物に連結され、さらに位置決めシステムに連結されており、
    前記位置決めシステムは、研磨パッドの摩耗を決定するパッド摩耗決定装置を有し、
    前記サブキャリアを位置決めする工程は、前記パッド摩耗決定装置が研磨パッドの摩耗を決定する工程と、前記位置決めシステムが前記サブキャリアを前記研磨パッドの摩耗に応じた所定の距離だけ前記研磨パッドから移動させる工程を含むことを特徴とする方法。
12. 研磨動作の準備時における前記サブキャリアの位置決め工程は、前記ゴム挿入物が前記サブキャリアに対して押し付けられた位置から前記サブキャリアを移動させる工程を含み、前記研磨パッドを用いた先の研磨動作からの研磨パッド高さの変化に少なくとも基づいた正味の距離だけ前記サブキャリアが移動されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 研磨動作の準備時における前記サブキャリアの位置決め工程は、前記研磨パッドの摩耗率に研磨回数を掛けた値に少なくとも基づいた正味の距離だけ前記サブキャリアを移動させる工程を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
14. 前記摩耗率は、被除数と除数との比率であり、前記被除数は、前記研磨パッドを用いた第１の研磨動作と前記研磨パッドを用いた第２の研磨動作の間での前記研磨パッドの高さの違いであり、前記除数は、前記第１の研磨動作から前記第２の研磨動作までの、前記研磨パッドを用いた研磨動作の回数であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記方法は、前記研磨パッドの磨耗パラメータと前記ゴム挿入物の圧縮率パラメータとに少なくとも基づいて決定される位置までストッパを前記サブキャリアに対して相対的に移動させる工程をさらに含み、
    研磨動作の準備時に前記サブキャリアを位置決めする工程は、前記サブキャリアに連結された部材が前記ストッパに接触するまで前記サブキャリアを移動させる工程を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
16. 前記磨耗パラメータは、前記研磨パッドを用いた先の研磨動作からの前記研磨パッドの高さの変化に関連付けられていることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記圧縮率パラメータは、前記ゴム挿入物が前記サブキャリアに対して押し付けられたときから、前記ゴム挿入物が前記サブキャリアに対して押し付けられなくなったときまでの、前記サブキャリアの位置の違いに相当することを特徴とする請求項１５に記載の方法。

Images