JP5277163B2 - 複数の部分を有する窓をもつ研磨パッド - Google Patents

Description

関連出願への相互参照

本出願は、２００６年７月３日に出願された米国特許出願第６０／８１８，４２３号の優先権を主張する。

背景

本発明は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）に使用するための研磨パッドに関する。

近代的な半導体集積回路（ＩＣ）を製造するプロセスでは、基板の外面を平坦化することがしばしば必要になる。例えば、導電性フィラー層を、その下に横たわる層の上面が露出するまで研磨除去して、絶縁層の持ち上がったパターン間に導電性材料を残し、基板上の薄膜回路間に導電性経路を与えるビア、プラグ及びラインを形成するために、平坦化が必要になる場合がある。加えて、酸化物層をフラットに且つ薄くして、ホトリソグラフィーに適したフラットな表面を設けるために、平坦化が必要になる場合もある。

半導体基板の平坦化又はトポグラフィー除去を達成するための１つの方法は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）である。従来の化学的機械的研磨（ＣＭＰ）プロセスは、磨き剤スラリーの存在中で回転する研磨パッドに基板を押し付けることを含む。

一般に、研磨を停止すべきかどうか決定するには、希望の表面平坦性又は層厚みに到達したとき又はその下に横たわる層が露出したときに、それを検出することが必要である。ＣＭＰプロセス中に終了点を現場で検出するために、多数の技術が開発されている。例えば、層の研磨中に基板上の層の均一性を現場で測定するための光学的監視システムが使用されている。この光学的監視システムは、研磨中に基板に光ビームを向ける光源と、基板から反射された光を測定する検出器と、検出器からの信号を分析し、終了点が検出されたかどうか計算するコンピュータとを備えることができる。あるＣＭＰシステムでは、研磨パッドの窓を通して光ビームが基板に向けられる。

概要

１つの態様において、本発明は、研磨パッドに向けられる。研磨パッドは、貫通アパーチャー及び研磨面をもつ不透明な研磨層と、アパーチャーにおける固体の光透過窓とを有する。固体の光透過窓は、研磨層に固定された外側部分と、該外側部分に固定された内側部分とを含む。外側部分は、研磨面に対して窪んだ上面を有し、一方、内側部分は、研磨面と実質的に同一平面である上面を有する。

本発明の具現化は、次の特徴の１つ以上を含むことができる。外側部分は、内側部分を取り巻くことができる。外側部分は、長方形で、内側部分は、方形とすることができる。内側部分及び研磨層は、実質的に同じ硬度をもつことができる。外側部分は、内側部分より硬くすることができる。外側部分は、研磨層と実質的に同じ硬度をもつことができる。外側部分の上面より上に突出する内側部分の角は、平滑化することができ、例えば、傾斜付け又は丸み付けすることができる。外側部分の上面より上に突出する研磨層の内縁の角は、平滑化することができる。内側部分を外側部分に成形することができる。研磨層、第１部分及び第２部分の底面は、実質的に同一平面とすることができる。

別の具現化において、本発明は、研磨パッドの製造方法に向けられる。この方法は、不透明な研磨層のアパーチャーに第１の光透過層を形成するステップと、この第１の光透過層のアパーチャーに第２の光透過層を形成するステップと、を備えている。第１の光透過層は、研磨層の研磨面に対して窪んだ上面を有し、第２の光透過層は、研磨面と実質的に同一平面である上面を有している。

本発明の具現化は、次の特徴の１つ以上を含むことができる。第１の光透過層のアパーチャーに第２の光透過層を形成するステップは、第１の光透過層に穴をカットする段階を含むことができる。また、第１の光透過層のアパーチャーに第２の光透過層を形成するステップは、第１の光透過層の穴に液体先駆体を充填する段階と、この先駆体を硬化する段階とを含むことができる。先駆体を硬化する段階は、研磨面の上に突出する透明な本体を生成することができる。この本体は、第２部分の上面が研磨面と実質的に同一平面になるまで磨くことができる。穴に液体先駆体を充填する段階は、研磨面の上に突出するメニスカスを生成することができる。第１部分の上面の上に突出する第２部分の角は、平滑化することができる。

本発明の潜在的な効果は、次のうちの１つ以上を含むことができる。窓は、（例えば、ＩＣ１０００タイプの研磨パッドの従来の窓に比して）比較的柔軟である。従って、窓は、基板にかき傷を付ける危険性の低い柔軟な研磨パッド、例えば、ポリテックス(Politex)研磨パッドと共に使用することができる。

本発明の１つ以上の実施形態を、添付図面を参照して以下に詳細に説明する。本発明の他の特徴、目的及び効果は、以下の説明、添付図面、及び特許請求の範囲から明らかとなろう。

終了点検出のための光学的監視システムを伴う化学的機械的研磨装置の概略断面側面図である。 窓を伴う研磨パッドの簡単な上面図である。 図２の３−３線に沿った研磨パッドの簡単な概略断面図である。 感圧接着剤及びライナーを伴う研磨パッドの簡単な概略断面図である。 研磨パッドの組み立てを示す断面図である。 研磨パッドの組み立てを示す断面図である。 研磨パッドの組み立てを示す断面図である。 研磨パッドの組み立てを示す断面図である。

種々の図面において同じ素子は、同じ参照記号で示す。

詳細な説明

図１に示すように、ＣＰＭ装置１０は、半導体基板１４をプラテン１６上の研磨パッド１８に対して保持するための研磨ヘッド１２を備えている。このＣＭＰ装置は、米国特許第５，７３８，５７４号に述べられたように構成することができ、該特許の全開示を参考としてここに援用する。

基板は、例えば、（例えば、複数のメモリ又はプロセッサダイを含む）製品基板、テスト基板、ベア基板、及びゲート基板である。基板は、集積回路製造の種々のステージにあるもので、例えば、ベアウェハでもよいし、又は１つ以上の堆積及び／又はパターン化された層を含むものでもよい。基板という語は、円形のディスクや、長方形のシートを含むことができる。

研磨パッド１８の有効部分は、プラテン１６に固定された底面２２と、基板に接触するための研磨面２４とを伴う研磨層２０を含むことができる。この研磨層は、バフプロセスに適した比較的柔軟な材料である。このような研磨パッドは、ショアＡ範囲の硬度、例えば、５０から８０ショアＡを有することができる。１つの具現化において、研磨パッドは、大きな垂直配向の孔が微孔性フェールト基板上に配設されたポロメリック被覆を含む。このような研磨パッドは、ロームアンドハス(Rohm & Hass)社からポリテックス(Politex)という商標で入手できる。柔軟な研磨パッドの一例が、米国特許第４，８４１，６８０号に述べられている。ある具現化では、研磨面２４に溝を形成することができる。

典型的に、研磨パッド材料は、磨き剤粒子を伴う化学的研磨液体溶液３０で濡らされる。この液体は、化学反応成分を含む溶液である。例えば、スラリーは、ＫＯＨ（水酸化カリウム）及び霧化されたシリカ粒子を含むことができる。しかしながら、ある研磨プロセスは、「磨き剤なし」である。

研磨ヘッド１２は、プラテンがその中心軸の周りを回転するときに、研磨パッド１８に対して基板１４に圧力を付与する。更に、研磨ヘッド１２は、通常、その中心軸の周りを回転され、駆動シャフト又は並進移動アーム３２を経て、プラテン１６の表面を横切って並進移動される。基板と研磨面との間の圧力及び相対的移動が、研磨溶液とあいまって、基板の研磨を生じさせる。

プラテン１６の頂面には、光学的アパーチャー３４が形成される。レーザのような光源３６及び光検出器のような検出器３８を含む光学的監視システムは、プラテン１６の頂面の下に配置することができる。例えば、この光学的監視システムは、光学的アパーチャー３４と光学的に連通するプラテン１６内のチャンバーに配置して、プラテンと共に回転することができる。光学的アパーチャー３４は、これに石英ブロックのような透明固体部片を埋めることもできるし、又は空の穴とすることもできる。１つの具現化において、光学的監視システム及び光学的アパーチャーは、プラテンの対応くぼみに嵌合するモジュールの一部分として形成される。或いは又、光学的監視システムは、プラテンの下に配置される静止システムでもよく、また、光学的アパーチャーは、プラテンを貫通して延びてもよい。光源は、遠赤外線から紫外線までのどこかの波長、例えば、赤色光線を使用できるが、広帯域スペクトル、例えば、白色光も使用でき、また、検出器は、分光計でよい。

上に横たわる研磨パッド１８には窓４０が形成されて、プラテンの光学的アパーチャー３４と整列される。窓４０及びアパーチャー３４は、ヘッド１２の並進移動位置に関わらず、プラテンの回転の少なくとも一部分中に、研磨ヘッド１２により保持された基板１４が見えるように位置付けることができる。

光源３６は、少なくとも窓４０がその上に横たわる基板１４に隣接する時間中に、アパーチャー３４及び窓４０を通して光ビームを投射して基板１４の表面に当てる。基板から反射された光は、その結果として生じるビームを形成し、検出器３８で検出される。光源及び検出器は、図示されていないコンピュータに結合され、このコンピュータは、検出器から測定された光の強度を受け取り、それを使用して、例えば、新たな層が露出したことを示す基板反射度の急激な変化を検出するか、干渉計の原理を使用して（透明な酸化物層のような）外側層から除去された厚みを計算するか、又は所定の終了点基準に対して信号を監視することにより、研磨終了点を決定する。

図２を参照すれば、一実施形態において、研磨パッド１８は、半径Ｒが１５．０インチ（３８１．００ｍｍ）であり、その対応直径が３０インチである。他の具現化では、研磨パッド１８は、その半径が１５．２５インチ（３８７．３５ｍｍ）又は１５．５インチ（３９３．７０ｍｍ）であり、その対応直径が３０．５インチ又は３１インチである。光学的監視システムは、研磨パッド１８の中心から７．５インチ（１９０．５０ｍｍ）の距離Ｄを中心として、約０．５インチ（１２．７０ｍｍ）巾及び０．７５インチ（１９．０５ｍｍ）長さの面積を使用することができる。従って、窓は、少なくともこの面積をカバーしなければならない。

図２−図３を参照すれば、窓４０は、２つの部分、即ち薄い外側部分５０、及び厚い中央部分６０を含むことができる。窓の両部分は、ポリマー材料、例えば、ポリウレタンから形成することができる。

薄い外側部分５０は、非圧縮の研磨面２４に対して窪んだ頂面５４を有することができる。外側部分５０は、研磨層２０の内縁２６に固定することができる。或いは又、研磨パッド１８がバッキング層、例えば、圧縮性サブパッド又は非圧縮性バッキング膜を含む場合には、外側部分をバッキング層に固定することができる。更に、窓４０の外側部分５０は、研磨層２０より硬い材料、例えば、フィラーを伴わない比較的純粋なポリウレタン、例えば、ＪＲ１１１又はカルタン(Calthan)３２００で形成することができる。研磨層２０それ自体は、窓４０の外側部分５０上に延びず、従って、頂面５４が研磨環境に露出され、光を透過することができる。

窓４０の外側部分５０は、長方形であって、その長手寸法は、窓の中心を通過する研磨パッドの半径に実質的に平行である。しかしながら、外側部分５０は、円又は楕円のような他の形状を有することもでき、窓の中心が、光学的監視システムにより使用される面積の中心に配置される必要はない。外側部分６２は、長さが約２．２５インチ（５７．１５ｍｍ）で、巾が約０．７５インチ（１９．０５ｍｍ）である。

窓４０の厚い中央部分６０は、研磨面２４と実質的に同一平面である頂面６４を有することができる。中央部分６０の底面は、薄い部分５０及び研磨層２０の両底面と同一平面にすることができる。中央部分６０は、例えば、外側部分のアパーチャーの場所で硬化され、ひいては、外側部分に成形されることにより、外側部分５０の内縁５６に固定することができる。外側部分５０は、中央部分６０を完全に取り巻くことができる。

厚い中央部分６０は、薄い外側部分５０と同じ材料、例えば、フィラーを伴わない比較的純粋なポリウレタンで、研磨層２０とほぼ同じ硬度をもつように形成することができる（厚い部分は、異なる硬度を得るために、薄い部分とは異なる比率で先駆体、例えば、ポリオール及びジイソシアネートを使用して形成することができる）。従って、厚い部分６０は、薄い部分５０より柔軟である。中央部分６０は、研磨層２０とほぼ同じ硬度を有するので、基板にかき傷を付けるおそれを減少し、収率を高めることができる。

窓４０の中央部分６０は、方形で、外側部分５０の中央に位置付けることができる。しかしながら、中央部分６０は、円のような他の形状をもつこともできる。円形の中央部分は、基板にかき傷を付けるおそれを少なくすることができる。中央部分は、さしわたしが約０．５インチであり、例えば、０．５ｘ０．５インチ平方である。

研磨パッドの１つの具現化においては、外側部分５０が長方形で、中央部分６０が方形である。別の具現化においては、外側部分５０が長方形で、中央部分６０が円形である。別の具現化では、外側部分５０及び中央部分６０が一般的に合同の形状であり、例えば、両方が長方形であるか、又は両方が円形である。

薄い外側部分５０の上に突出する厚い中央部分６０の角６８は、基板にかき傷を付けるおそれを更に減少するために、平滑化することができ、例えば、丸み付け又は傾斜付けすることができる。また、研磨層２０の内側角２８も平滑化することができ、例えば、丸み付け又は傾斜付けすることができる。

図４を参照すれば、プラテンに設置する前に、研磨パッド１８は、研磨パッドの底面２２に広がる感圧接着剤７０及びライナー７２も含むことができる。使用中に、ライナーが研磨層２０から剥離され、研磨層２０が感圧接着剤７０と共にプラテンに付着される。感圧接着剤７０及びライナー７２は、窓４０に広げることもできるし、或いはそのいずれか又は両方を窓４０の領域内及びそのすぐ近くの周囲において除去することもできる。

研磨パッドを製造するために、最初に、図５に示すように、（薄い部分５０となる）薄い窓層を研磨層２０に設置することができる。次いで、図６に示すように、厚い中央部分が形成される領域を窓層から除去する。１つ以上の液体ポリウレタン先駆体を穴に注ぐ。先駆体液体の表面張力は、図７に示すように、メニスカスが形成されて、研磨面２４の上に液体が突出するようなものである。次いで、図８に示すように、液体ポリウレタンを硬化して固体プラスチックを形成し、この固体プラスチックを、例えば、ダイヤモンドコンディショニングディスクでの磨きによってフラットにし、窓の厚い中央部分を形成する。次いで、厚い中央部分及び研磨層の角を、必要に応じて、平滑化することができる。

別の具現化では、窓の薄い外側部分及び厚い内側部分の両方を柔軟な材料で形成して、実質的に同じ硬度をもつようにする。従って、薄い外側部分及び厚い内側部分の両方が、研磨層２０とほぼ同じ硬度を有する。

一般的に、バフのために使用される研磨パッド、例えば、ポリテックス(Politex)は、研磨のために使用される研磨パッド、例えば、ロームアンドハス(Rohm & Hass)社からのＩＣ−１０００材料のようなフィラーを伴う鋳造ポリウレタンより柔軟である。従って、基板が異なるステーションにおいて異なる研磨パッドにより順次に研磨されるような複数ステーションの研磨システムでは、研磨パッド１８は、シーケンスにおいて最後の研磨パッドであり、シーケンスにおいて最も柔軟な研磨を行うことができる。

本発明の幾つかの実施形態について説明した。しかしながら、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに種々の変更がなされ得ることが理解されよう。例えば、本発明は、他の材料、例えば、ポリエステルファイバーフェルトで作られた研磨パッド、又は多層研磨パッドに適用されてもよい。従って、他の実施形態は、特許請求の範囲内に包含される。

１０…ＣＭＰ装置、１２…研磨ヘッド、１４…半導体基板、１６…プラテン、１８…研磨パッド、２０…研磨層、２２…底面、２４…研磨面、２８…角、３０…化学的研磨液体溶液、３２…駆動シャフト又は並進移動アーム、３４…光学的アパーチャー、３６…光源、３８…検出器、４０…窓、５０…薄い外側部分、５４…頂面、６０…厚い中央部分、６４…頂面、６８…角、７０…感圧接着剤、７２…ライナー

Claims (14)

1. 貫通アパーチャーを有し且つ研磨面を有する不透明な研磨層と、
   上記アパーチャーにおける固体の光透過窓と、を備え、
   上記固体の光透過窓は、
   上記研磨層に固定された外側部分であって、上記研磨面に対してくぼんだ上面を有する外側部分、及び
   上記外側部分に固定された内側部分であって、上記研磨面と実質的に同一平面である上面を有する内側部分、を含むものであり、
   上記外側部分は、上記内側部分よりも硬い、研磨パッド。
2. 上記外側部分が上記内側部分を取り巻く、請求項１に記載の研磨パッド。
3. 上記内側部分及び上記研磨層は、実質的に同じ硬度を有する、請求項１に記載の研磨パッド。
4. 上記外側部分は、上記研磨層と実質的に同じ硬度を有する、請求項１に記載の研磨パッド。
5. 上記外側部分の上面より上に突出する上記内側部分の角が平滑化される、請求項１に記載の研磨パッド。
6. 上記外側部分の上面より上に突出する上記研磨層の内縁の角が平滑化される、請求項１に記載の研磨パッド。
7. 上記内側部分は、上記外側部分に成形される、請求項１に記載の研磨パッド。
8. 上記研磨層、上記第１部分及び上記第２部分の底面は、実質的に同一平面上にある、請求項１に記載の研磨パッド。
9. 上記研磨層は、微孔性フェールト基板上に配設されたポロメリック被覆を含む、請求項１に記載の研磨パッド。
10. 研磨パッドを製造する方法であって、
    不透明な研磨層のアパーチャーに、該研磨層の研磨面に対してくぼんだ上面を有する外側の第１の光透過層を形成するステップと、
    上記第１の光透過層のアパーチャーに、上記研磨面と実質的に同一平面である上面を有する内側の第２の光透過層を形成するステップと、を備え、
    上記外側の第１の光透過層は、上記内側の第２の光透過層よりも硬い、方法。
11. 第１の光透過層のアパーチャーに第２の光透過層を形成する上記ステップは、上記第１の光透過層に穴をカットする段階を含む、請求項１０に記載の方法。
12. 第１の光透過層のアパーチャーに第２の光透過層を形成する上記ステップは、上記第１の光透過層の穴を液体先駆体で埋めて、上記研磨面より上に突出するメニスカスを生成する段階と、上記先駆体を硬化させる段階とを含む、請求項１０に記載の方法。
13. 上記第２部分の上面が上記研磨面と実質的に同一平面となるまで上記本体を磨く段階を更に含む、請求項１２に記載の方法。
14. 上記第１部分の上面より上に突出する上記第２部分の角を平滑化するステップを更に備えた、請求項１０に記載の方法。

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