JP5474093B2 - 窓支持部を具備する研磨パッドおよび研磨システム - Google Patents

Description

本開示は、化学機械研磨（ＣＭＰ）において使用するための窓を有する研磨パッドに関係する。

最近の半導体集積回路（ＩＣ）を製造するプロセスでは、基板の外側表面を平坦化することが、多くの場合に必要である。例えば、下にある層の上表面を露出させるまで導電性フィラー層を研磨して除去し、基板上の薄膜回路間に導電性経路を与えるビアや、プラグや、配線を形成するために絶縁性層の高くなったパターン間に導電性材料を残すために、平坦化を必要とする場合がある。それに加えて、酸化膜層を平らに薄くして、フォトリソグラフィのために適した平らな表面を与えるために、平坦化を必要とする場合がある。

半導体基板平坦化またはトポグラフィ除去を実現するための一方法は、化学機械研磨（ＣＭＰ）である。従来からの化学機械研磨（ＣＭＰ）プロセスは、研磨剤スラリが存在する中で、回転する研磨パッドに抗して基板を押し付けることを包含する。

一般的に、研磨を停止するかどうかを判断するために、所望の表面平坦性もしくは層厚さがいつ実現されたか、または下にある層がいつ露出したかを検出する必要性がある。ＣＭＰプロセス中に終点のその場検出のために、いくつかの方法が開発されてきている。例えば、層の研磨中に基板上の層の均一性のその場測定のために光学的監視システムが、採用されてきている。光学的監視システムは、研磨中に基板に向けて光ビームを導く光源や、基板から反射した光を測定する検出器や、検出器からの信号を解析し終点を検出したかどうかを計算するコンピュータを含むことができる。あるＣＭＰシステムでは、光ビームを、研磨パッド内の窓を通して基板に向けて導く。

一態様では、研磨システムは、硬質の光透過性窓を有する研磨パッドと、一の端部を有する光ファイバと、貫通する垂直なアパーチャを有するスペーサとを含む。スペーサの底部表面が光ファイバの端部と接触し、スペーサの上表面が窓の下側面と接触し、垂直なアパーチャが光ファイバと位置合わせされている。

実装形態は、下記のフィーチャのうちの１つまたは複数を含むことができる。アパーチャが、光ファイバの中心軸と位置合わせされている場合がある。プラテンが、研磨パッドを支持する場合がある。光ファイバの端部が、プラテンの上表面と同一平面内にある場合がある。スペーサの外側周辺部が、プラテンによって支持されている場合がある。スペーサが、プラテンから間隔を空けて設置され、プラテンと接触しない場合がある。スペーサが、光ファイバに固定される、例えば、接着によって固定される場合がある。スペーサが、窓に固定される、例えば、接着によって固定される場合がある。光ファイバの端部が、プラテンの上表面の上方に突き出している場合がある。スペーサが、Ｏ−リングを備える場合がある。スペーサの外径が、光ファイバの外径よりも小さい場合がある。研磨パッドが、研磨層およびバッキング層を含む場合がある。スペーサが、バッキング層から間隔を空けて設置され、バッキング層と接触しない場合がある。スペーサおよびバッキング層が、同じ材料から形成される場合がある。スペーサおよびバッキング層が、同じ厚さを有する場合がある。窓の下側面が、研磨層の底部表面と同一平面内にある場合がある。光学的監視システムが、光源と、検出器とを含む場合があり、光ファイバが、端部が光源に接続している第１の支線と、端部が検出器に接続している第２の支線とを含む場合がある。

別の一態様では、研磨システムは、研磨層を有する研磨パッドと、光ファイバとを含む。研磨パッドは、バッキング層と、研磨層内の硬質の光透過性窓と、窓に位置合わせされたバッキング層内のアパーチャとを含む。光ファイバは、端部を有し、バッキング層内のアパーチャの幅が光ファイバの直径よりも小さく、垂直アパーチャが光ファイバと位置合わせされ、バッキング層の底部表面が光ファイバの端部と接触する。

潜在的な利点が、下記のうちの１つまたは複数を含む場合がある。研磨パッド窓内にくぼみが形成される傾向を低下させることができ、光学的監視システムの光学経路中にスラリの集積の可能性を低下させる。光学的監視システムの信頼性および精度を向上させることができ、ウェーハ間の研磨均一性を向上させることができる。他のフィーチャや、目的や、利点は、説明および図面から、ならびに特許請求の範囲から明らかであろう。

終点検出用の光学的監視システムを具備する化学機械研磨装置の概略的断面の側面図である。 図１の研磨パッドの簡略化した上面図である。 研磨パッドの概略的断面の側面図である。 研磨窓支持部を含む研磨システムの実装形態の簡略化した概略的断面図である。 研磨窓支持部を含む研磨システムの別の一実装形態の簡略化した概略的断面図である。 研磨窓支持部を含む研磨システムの別の一実装形態の簡略化した概略的断面図である。 研磨窓支持部を含む研磨システムの別の一実装形態の簡略化した概略的断面図である。

研磨パッド内の窓を通して光学的に監視する際の１つの潜在的な問題点は、窓の低いガラス遷移温度のために、窓材料が高い処理温度で変形する場合があることである。窓の中央領域が支持されていないために、変形は、窓の中央にくぼみを生じさせる場合がある。スラリが、くぼみ内に集まる場合がある。スラリが光を吸収し散乱させる傾向があるので、光学的監視システム、特に分光技術を使用する光学的監視システムの特性を著しく劣化させる場合があり、不正確な終点検出または研磨終点を検出できないことに結びつく。

しかしながら、例えば、入射光および反射光を伝えるための光ファイバケーブルの先端上に置かれたスペーサを用いて、窓の中央を支持することによって、窓の「たわみ」を軽減することができ、従って、スラリの集積を減少させ、光学的監視システムの信号強度および信頼性を向上させる。

図１に示したように、ＣＭＰ装置１０は、プラテン１６上の研磨パッド１８に抗して半導体基板１４を保持するための研磨ヘッド１２を含む。

基板を、例えば、（例えば、複数のメモリダイまたはプロセッサダイを含む）製品基板か、試験基板か、ベア基板か、またはゲーティング基板とすることができる。基板を、集積回路製造の様々なステージにおけるものとすることができ、例えば、基板をベアウェーハとすることができる、または基板が１つもしくは複数の堆積した層および／もしくはパターン形成した層を含むことができる。基板という用語は、円形のディスクおよび長方形のシートを含むことができる。

研磨ヘッド１２は、プラテンがそれ自体の中心軸の周りを回転するときに研磨パッド１８に抗して基板１４に圧力を加える。それに加えて、研磨ヘッド１２は、通常それ自体の中心軸の周りを回転し、駆動シャフトまたは移動アーム３２を介してプラテン１６の表面の全域にわたって移動する。研磨液３０、例えば、研磨剤スラリを、研磨パッド上へと供給することができる。圧力および基板と研磨表面との間の相対的な動きは、研磨液と協働して基板の研磨をもたらす。

光学的監視システムは、白色光源などの光源３６および、研磨パッド１８内の窓４０と光学的に通じる分光計などの検出器３８を含む。監視用光ビームがプラテン回転あたり１回基板の全域にわたってスイープするように、光源および検出器を、プラテン１６内に設置することができ、プラテン１６とともに回転させることができる。例えば、分岐した光ファイバ３４は、先端が窓４０に近接して置かれた状態で、プラテンを貫通する垂直通路２８を通って延びる部分を具備する幹線５０や、光源３６に接続された第１の支線５２や、検出器３８に接続された第２の支線５４を含むことができる。光源３６からの光は、基板１４上へと窓４０を通って導かれるように第１の支線５２および幹線５０を通過し、基板１４から反射した光は、検出器３８へと光ファイバ３４の幹線５０および第２の支線５４を通過して戻ることができる。分岐したファイバケーブル５４の端部とプラテン１６の上表面との間の垂直な距離を調節するための機構を含む光学ヘッドによって、光ファイバ３４の幹線端部５０を保持することができる。光源は、赤色光などの遠赤外線から紫外線までのいずれかの波長を採用することができるが、広帯域スペクトル、例えば、白色光を、やはり使用することができ、検出器を、分光計とすることができる。

研磨パッド１８は、基板と接触する研磨面２４を具備する研磨層２０およびプラテン１６に接着剤で固定されたバッキング層２２を含むことができる。研磨層２０を、基板上に露出した層のバルク平坦化のために適した材料とすることができる。かかる研磨層を、例えば、中空マイクロスフィアなどのフィラーを具備するポリウレタン材料から作ることができ、例えば、研磨層を、Ｒｏｈｍ ＆ Ｈａｓｓから入手可能なＩＣ−１０００材料とすることができる。バッキング層２２は、研磨層２０よりもさらに圧縮性がある場合がある。ある実装形態では、研磨パッドが研磨層だけを含み、および／または研磨層が、大きな垂直の方向性のある細孔を具備したポロメリックコーティングなどのバフィングプロセス用に適した比較的柔らかい材料である。ある実装形態では、溝を研磨面２４内に形成することができる。

窓４０を、硬質の光透過性材料、例えば、フィラーのない比較的純粋なポリウレタンなどの透明材料とすることができる。窓４０を、接着剤なしで研磨層２０に接合することができる、例えば、窓４０および研磨層２０の隣り合う端部を一緒にモールドする。窓４０の上表面を、研磨面２４と同一平面内にすることができ、窓４０の底部表面を、研磨層２０の底部と同一平面内にすることができる。研磨層２０が、窓４０を完全に囲む場合がある。バッキング層２２内のアパーチャ２６を、研磨層２０内の窓４０と位置合わせする。

図２を参照すると、一実装形態では、研磨パッド１８は、３０インチの対応する直径である、１５．０インチ（３８１．００ｍｍ）の半径Ｒを有する。別の実装形態では、研磨パッド１８は、３０．５インチか、３１インチか、４２インチか、または４２．５インチの対応する直径である、１５．２５インチ（３８７．３５ｍｍ）か、１５．５インチ（３９３．７０ｍｍ）か、２１．０インチ（５３３．４ｍｍ）か、または２１．２５インチ（５３９．７５ｍｍ）の半径を有することがある。光学的監視システムは、研磨パッド１８の中心から約７．５インチ（１９０．５０ｍｍ）（約３０インチ直径のパッドに対して）または約１２．１５インチ（３０８．５０ｍｍ）（約４２インチ直径のパッドに対して）の距離Ｄに中心がある約０．５インチ（１２．７０ｍｍ）幅および０．７５インチ（１９．０５ｍｍ）長さの領域を使用することができる。従って、窓は、少なくともこの領域をカバーするはずである。例えば、窓は、約２．２５インチ（５７．１５ｍｍ）の長さおよび約０．７５インチ（１９．０５ｍｍ）の幅を有することがある。研磨パッドおよび窓の両方は、約０．０２から０．２０インチ、例えば、０．０５から０．０８インチ（１．２７から２．０３ｍｍ）の厚さを有することがある。窓４０は、それ自体の長い方の寸法が窓の中心を通過する研磨パッドの半径に実質的に平行な状態の長方形の形状を有することができる。しかしながら、窓４０は、円形または長円形などの他の形状を有することがあり、窓の中心が、必ずしも、光学的監視システムによって使用される領域の中心のところに設置される必要がない。

図３を参照すると、プラテン上に取り付ける前に、研磨パッド１８は、やはり、感圧接着剤７０および研磨パッドの底部表面２３に広がるライナ７２を含むことがある。使用の際には、ライナ７２を研磨層２０から剥がし、感圧接着剤７０を用いてプラテンに研磨パッド１８をつける。感圧接着剤７０およびライナ７２は、窓４０（およびアパーチャ２６）に広がる場合がある、またはどちらか一方もしくは両方を、窓４０の区域内およびすぐ周りから除去することができる。

研磨パッド１８を形成するために、初めに、硬質の光透過性ポリマー材料のブロックを形成することができる。例えば、透過を妨げるフィラーのない硬質のポリウレタンのブロックを成形し、所望の寸法に切り出す。光透過性ブロックを母型中に置き、研磨層の液体前駆体を、次に母型中へと注ぐ。光透過性ブロックにモールドされる硬質のプラスチックボディを形成するために、液体前駆体を、次に硬化させ、例えば、ベークし、母型から取り出す。薄い研磨層を、次に、例えば、刃を用いた削り出しによって、ボディから切り出す。削り出しがブロック全体を切断するために、光透過性ブロックの削り出した部分が、研磨層にモールドされる窓を形成する。モールドした窓を具備する研磨層を、次に、例えば、感圧接着剤を用いて底部層に固定することができる。

ここで図４に移って、研磨パッドをプラテン１６に固定する前に、貫通するアパーチャ１０２を具備する支持スペーサ１００、例えば、環状スペーサを、光ファイバ３４の幹線５０の端部に取り付けることができる。スペーサ１００を、両面接着テープを用いて光ファイバ３４の端部に固定することができる。スペーサ１００の外径は、光ファイバ３４の直径よりも大きい場合がある。スペーサ１００が光ファイバ３４を通過する光の重要な部分を遮断しないように、スペーサ１００を貫通する穴１０２を、幹線５０の中心軸と位置合わせすることができる。スペーサ１００用の支持部だけが光ファイバ３４であるように、スペーサ１００を、やはり、プラテン１６から離して設置することができる、すなわち、接触しない。従って、（アパーチャに隣接する）スペーサの内側端部が、光ファイバ３４上に載せられるのに対して、スペーサの外側端部は、支持されていない。

研磨パッド１８をプラテン１６上へと降下させるときには、スペーサ１００の上表面が窓４０の底部表面と接触した状態で、スペーサ１００は、バッキング層２２内のアパーチャ２６中へとぴったりとはまる。従って、光ファイバ３４が窓４０と直接接触せず、ファイバ３４と窓４０との間に、スペーサ１００内のアパーチャ１０２によって画定されるエアーギャップがある。

スペーサ１００の側面を、アパーチャを形成するバッキング層２２の側面からギャップ１０６だけ離すことができる。光ファイバ３４の端部を、プラテン１６の上表面と同一面にすることができ、スペーサ１００がバッキング層２２と同じ厚さを有する場合がある。スペーサ１００を、バッキング層２２と同じ材料から形成することができ、例えば、環状スペーサ１００を形成するように切断したバッキング層の一片とすることができる。スペーサを、やはり、窓４０に接着によって取り付けるように、接着剤、例えば、両面接着テープを、スペーサ１００の上表面上に設置することができる。

ここで図５に移って、別の一実装形態では、研磨パッドをプラテン１６に固定する前に、貫通するアパーチャ１１２を具備する支持スペーサ１１０、例えば、環状スペーサを、光ファイバ３４の幹線５０の端部に取り付けることができる。この支持スペーサ１１０を、図４に関連して上に説明したスペーサと同様に構成することができるが、スペーサ１１０の外側端部がプラテン１６の上表面上に載る。存在する場合には、光ファイバにスペーサ１１０を固定する同じ両面接着テープが、プラテン１６の上表面にスペーサ１１０の底部を固定することができる。

図６に示す別の一実装形態では、分離したスペーサがないが、バッキング層２２の一部が、光ファイバ３４の幹線５０の上方に延び、これによって支持される。この実装形態では、バッキング層２２内のアパーチャ２６は、光ファイバ３４の直径よりもわずかに小さく、バッキング層２２が光ファイバ３４を通過する光の重要な部分を遮断しないように、アパーチャ２６を、幹線５０の中心軸と位置合わせする。

ここで図７に移って、別の一実装形態では、研磨パッドをプラテン１６に固定する前に、貫通するアパーチャ１２２を具備する支持スペーサ１２０、例えば、環状スペーサを、光ファイバ３４の幹線５０の端部に取り付けたＯ−リングとすることができる。Ｏ−リング１２０を、光ファイバ３４の上面に接着によって取り付けることができる、または光ファイバ３４の上面内の環状のくぼみ内に載せることができる。スペーサＯ−リング１２０が光ファイバ３４を通過する光の重要な部分を遮断しないように、Ｏ−リング１２０を貫通するアパーチャ１２２を、幹線５０の中心軸と位置合わせすることができる。Ｏ−リング１２０の外径を、光ファイバ３４の直径よりも小さくすることができる。Ｏ−リング１２０がバッキング層２２よりも薄いことがあるため、研磨パッド１８がプラテン１６に固定されたときに、Ｏ−リング１２０の上面が窓４０の底部表面と接触するように、光ファイバ３４がプラテン１６の上表面の上方に突き出す場合がある（しかし、バッキング層２２の上表面の下方にくぼんでいる）。

上に説明した実施形態の各々において、光ファイバ３４が光学ヘッドによって垂直に保持されるので、スペーサは、窓４０の中心を支持する傾向があり、従って、中央部で窓がたわむことを防止し、その結果、光ファイバ３４から基板までの光学経路中にスラリが集積することを軽減する。

多数の実施形態を説明してきている。それにも拘らず、様々な変形を、本開示の精神および範囲から乖離せずに行うことができる。それゆえに、他の実施形態は、別記の特許請求の範囲の範囲内である。

Claims (15)

1. 硬質の光透過性窓を有する研磨パッドと、
   一の端部を有する光ファイバと、
   貫通する垂直なアパーチャを有するスペーサであって、底部表面が前記光ファイバの前記端部と接触し、上表面が前記窓の下側と接触し、前記垂直なアパーチャが前記光ファイバと位置合わせされているスペーサと
   を備えた研磨システム。
2. 前記アパーチャが、前記光ファイバの中心軸と位置合わせされている、請求項１に記載の研磨システム。
3. 前記研磨パッドを支持するプラテンをさらに備えた、請求項１に記載の研磨システム。
4. 前記光ファイバの前記端部が前記プラテンの上表面と同一平面内にある、請求項３に記載の研磨システム。
5. 前記スペーサが前記プラテンによって支持されない、請求項３に記載の研磨システム。
6. 前記スペーサの外側周辺部が前記プラテンによって支持されている、請求項３に記載の研磨システム。
7. 前記スペーサが接着によって前記光ファイバに固定されている、請求項１に記載の研磨システム。
8. 前記スペーサが接着によって前記窓に固定されている、請求項１に記載の研磨システム。
9. 前記スペーサの外径が前記光ファイバの外径よりも小さい、請求項１に記載の研磨システム。
10. 前記研磨パッドが研磨層およびバッキング層を含む、請求項１に記載の研磨システム。
11. 前記スペーサが、前記バッキング層から間隔を空けて配置されており、前記バッキング層と接触しない、請求項１０に記載の研磨システム。
12. 前記スペーサおよび前記バッキング層が同じ材料から形成されている、請求項１０に記載の研磨システム。
13. 前記スペーサおよび前記バッキング層が同じ厚さを有する、請求項１０に記載の研磨システム。
14. 前記窓の前記下側が前記研磨層の底部表面と同一平面内にある、請求項１０に記載の研磨システム。
15. 研磨層と、バッキング層と、前記研磨層内の硬質の光透過性窓と、前記窓に位置合わせされた前記バッキング層内のアパーチャとを有する研磨パッド、および
    一の端部を有する光ファイバであって、前記バッキング層内の前記アパーチャの幅が前記光ファイバの直径よりも小さく、前記垂直アパーチャが前記光ファイバと位置合わせされており、前記バッキング層の底部表面が前記光ファイバの前記端部と接触する、光ファイバ
    を備えた研磨システム。

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