JP5645348B2

JP5645348B2 - 可動式台座部を用いた研磨ヘッド試験

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Publication number: JP5645348B2
Application number: JP2008065885A
Authority: JP
Inventors: ポールシュミトジェフリー; エスローデジェイ; ジョンメイヤーステイシー
Original assignee: Applied Materials Inc
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Priority date: 2007-03-15
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2014-12-24
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Description

発明の背景

集積回路は、典型的には基板、特にはシリコンウェハ上に導電層、半導体層又は絶縁層を順次堆積することで形成する。各層を堆積後、堆積層をエッチングし、回路特徴部を形成することが多い。一連の層を順次堆積してエッチングするにつれ、基板の外側の外側又は最上部表面、つまり基板の露出面が徐々に非平面となる可能性がある。この非平面の表面は集積回路製造工程におけるフォトリソグラフィ段階において問題となる場合がある。従って、定期的な基板表面の平坦化を必要とすることが多い。

化学機械研磨（ＣＭＰ）は一般的に認められた平坦化法である。この平坦化法は、典型的にはロードカップアセンブリを用いて基板をキャリア又は研磨ヘッド上に載せることを含む。基板の露出面を回転する研磨パッドに当てる。研磨パッドは「標準」又は固定研磨パッドのいずれであってもよい。標準的な研磨パッドは耐久性のある粗面を有しており、固定研磨パッドは一般的には封入媒体内に保持された研磨粒子を有する。研磨ヘッドにより制御可能な負荷、つまり圧力が基板上に加わり、基板が研磨パッドに押し当てられる。標準的なパッドを使用する場合は、少なくとも１つの化学反応性の薬剤及び研磨粒子を含む研磨スラリーを研磨パッド表面に供給する。

研磨ヘッドは定期的にメンテナンスし、ヘッドを分解して、磨耗した部品を交換し再度組み立てる。ヘッドを戻して更にウェハの研磨を行う前に、調整したヘッドが適切に稼動するか否かを高価なウェハ又はその他の半導体基板上で使用する前に試験ステーションで試験することが可能である。

概要

本明細書に記載一態様においては、試験ウェハを支持するための台座部と、台座部中央ウェハ支持表面と試験ウェハを研磨ヘッドに向かって移動させるための制御式台座部アクチュエータとを有する試験ステーションで研磨ヘッドを試験する。台座部を研磨ヘッドから垂直方向にずらした第１垂直位置と、研磨ヘッドにより近い垂直方向の第２垂直位置との間で動かすことで、研磨ヘッド試験を促進することができる。

一実施形態において、試験にはヘッドのウェハ喪失センサの試験を含む。ウェハ喪失センサ試験又はその他の研磨ヘッド試験には、ヘッドの膜チャンバに真空圧を加えて台座部中央ウェハ支持表面上に配置された第１試験ウェハを拾い上げることが含まれる。試験は膜チャンバに真空圧を印加するに先立ってヘッドの内管チャンバを加圧し、真空圧を膜チャンバに印加しながら内管チャンバ内の圧力を監視することも含む。

本明細書の別の態様においては、台座部中央ウェハ支持表面の周囲に沿って位置された、第１の複数の試験ウェハ係合部材を有するポジショナを用いて試験ウェハを位置決めする。試験ウェハ係合部材は試験ウェハに係合して、試験ウェハを台座部中央ウェハ支持表面に対して位置させる。一実施形態において、ウェハポジショナはリング部材を備えており、リング部材はその第１円周に沿って分散されている第１の複数の試験ウェハ係合部材を担持するように用いられる。

更に別の態様において、研磨ヘッド試験は第１直径よりも広い第２直径を有する試験ウェハをポジショナを用いて位置決定することを含み、ポジショナは第２の複数の試験ウェハ係合部材を有し、部材は台座部中央ウェハ支持表面の周囲に配置された外側ウェハ支持表面周囲に位置され、試験ウェハを支持するように用いられる。第２の複数の試験ウェハ係合部材はリング部材の第２の円周に沿って分散されており、第２の円周の直径は第１の円周よりも広い。

更に別の態様においては、試験ステーションは独自のウェハ支持表面を有する着脱式のカバープレートを有する。カバープレートを取外して台座部と試験ウェハポジショナを露出させることができる。

本発明には更に別の態様がある。従って、上記は本発明の実施形態と態様の一部の簡単な概要に過ぎないことを理解すべきである。追加の実施形態及び態様についても記載され、権利請求される。従って、前述の概要は本明細書の範囲を限定することを意図しない。

詳細な説明

本発明の一実施形態による試験ステーションは、概して図１の１０で示される。試験ステーション１０はフレーム又はプラットフォーム１２を含み、プラットフォーム１２はその上に化学機械研磨ヘッド１６を位置決めするヘッド位置決定制御システム１４を支持している。米国特許第７０８９７８２号により詳しく記載されているように、ヘッド位置制御システム１４は、プラットフォーム１２上の電気的に制御された多くの位置の１つにヘッド１６を正確に位置決めし、ヘッド１６の様々な試験手順を円滑にすることが可能である。当然のことながら、特定の用途に応じて、研磨ヘッド１６を固定の高さに取り付ける又は異なる高さ間を手動で移動させても、或いはその他の機構を用いて作動させてもよい。

本明細書の一態様により、試験ステーション１０は更に試験ウェハ保持・搬送システム１７を含み、システム１７は可動式台座部１９を含む。以下でより詳細に説明するように、試験ウェハ保持・搬送システム１７は試験ウェハを研磨ヘッド１６に相対的に位置させることで、研磨ヘッド１６の試験を円滑にしている。例えば、試験ウェハ保持・搬送システム１７は、ＣＭＰツールのロードカップアセンブリによるウェハのローディングを模することが可能である。

図２は、試験ウェハ保持・搬送システム１７の可動式台座部１９上に位置された典型的な化学機械研磨ヘッド１６の概略断面図である。当然のことながら、本明細書の態様による試験ステーションを１５０ｍｍ、２００ｍｍ又は３００ｍｍのウェハの研磨用ヘッドを含む多種多様なタイプのウェハ又は基板研磨ヘッドの試験に用いてもよい。

米国特許第７０８９７８２号により詳しく記載されているように、図２のヘッド１６等の研磨ヘッドはセンサを幾つか有していてもよく、これらは好ましくは試験ステーション１０によって試験される。このようなセンサの例は、概して１８で示され、ウェハが喪失したか否かを感知する。センサの数及びタイプは研磨ヘッドのタイプごとに異なる。その他の一般的なタイプのヘッドセンサにはウェハ存在検出センサ及びウェハ圧力センサが含まれる。

研磨ヘッド１６は３つの圧力シールされたチャンバ、つまり止め輪チャンバ２０、内管チャンバ２２、及び膜チャンバ２４をも有する。試験ステーション１０はチャンバに各種の試験を行って、確実に適切なシールと操作がなされるようにすることが可能である。当然ながら、チャンバの数とタイプはヘッドのタイプごとに異なる。例えば、ヘッドは３〜８個のチャンバを有していてもよい。

図示の実施形態のヘッド１６において、止め輪チャンバ２０はヘッド１６の筐体２６とベース部２８との間に設置されている。ウェハ研磨操作中、止め輪チャンバ２０を加圧して負荷、つまり下向きの圧力をベース部２８に印加する。転動ダイヤフラム２９が筐体とベース部２８とを柔軟に連結しているため、止め輪チャンバ２０の拡張と収縮が可能となる。このようにして、研磨パッドに相対してのベース２８の垂直方向位置は、止め輪チャンバ２０内の圧力によって制御される。

可撓性膜３０が支持構造体３２の下に延びており、研磨対象であるウェハ又はその他の半導体基板３６の取り付け面３４を構成している。ベース部２８と支持構造体３２との間に位置された膜チャンバ２４加圧により可撓性膜３０は下方向に押し下げられ、研磨パッドに基板が押し付けられる。湾曲部３８が支持構造体３２をベース部２８に柔軟に連結していることで、膜チャンバ２４の拡張と収縮が可能となる。

別の弾性かつ可撓性である膜４０を締め付けリング又はその他の適切な固締具を用いてベース部２８の下面に取り付けることで、内管チャンバ２２を規定してもよい。空気等の加圧された流体を内管チャンバ２２の内外に指向させることで、支持構造体３２及び可撓性膜３０への下方向の圧力を調節することができる。

筐体２６は研磨システムの支軸４４に接続されて、研磨中、この支軸を用いてヘッド１６を回転軸４６を中心に回転させる。回転軸は、研磨中、研磨パッドの表面に対して実質的に垂直である。３本の圧力線５０、５２、５４が空気又は窒素等の流体を周囲圧力より高い圧力（加圧）又はそれより低い圧力で（減圧）各チャンバ２０、２２及び２４に指向する。

図１に図示されるように、ヘッド試験ステーションのヘッド位置制御システム１４は電気的に制御されたリニアアクチュエータ６０を含み、アクチュエータはパーソナルコンピュータ等のプログラムされた汎用コンピュータであってもよい制御装置６２（図９）によって制御される。或いは、制御装置６２はプログラムドロジックアレイ、分散論理回路又はその他のデジタル及びアナログ回路を備えていてもよい。リニアアクチュエータ６０は取付アーム部６６の一端にある取付台６４に取り付けられたヘッド１６を制御装置６２で選択した精密位置に位置決めすることが可能である。図示した実施形態において、制御された精密位置とは、試験ステーション１０の台座部１９の試験表面又は試験ウェハ支持表面６８（図２）に相対してのヘッド１６の縦方向の移動である。この縦方向の移動はＺ軸に沿って測定され、Ｚ軸は研磨ヘッドで試験するための試験ウェハを支持する試験表面６８に直交している。この実施形態において、Ｚ軸はヘッドの回転軸４６に平行である。当然ながら、制御してその他の移動方向を選択することもできる。

ヘッド取付アクチュエータ６０はサーボモータアセンブリ７０を含み、これは適切な駆動回路を介して制御装置６２によって制御される。当然のことながら、特定の用途に応じて、その他のタイプのモータを用いて研磨ヘッドを様々な垂直方向位置へと作動させてもよい。

サーボモータアセンブリ７０の出力は、取付アーム６６を誘導し、取付アームとそれに伴うヘッド１６の動きをＺ軸に沿った線形の非回転運動へと制限する垂直キャリッジアセンブリ７８へと結合される。キャリッジアセンブリ７８はキャリッジ８０を含み、このキャリッジ８０に取付アーム６６が一対の補強材８１によって取り付けられている。キャリッジ８０は一対のガイドバー８２を有しており、垂直支持板９０に取り付けられたガイドレール８６に沿って摺動し、キャリッジ８０とそれに伴ってヘッド１６をＺ軸に沿って非枢動かつ直線的な運動を垂直方向に上下するように誘導する。支持板９０は補強材９２によりプラットフォーム１２の水平支持板９４に取り付けられている。当然ながら、その他の機械的配置を選択して研磨ヘッドを１つ以上の選択した運動軸に沿って誘導してもよい。

図３は試験ウェハ保持・搬送システム１７の一実施形態の上面概略図である。図３の線４ａ−４ａに沿って見た場合の試験ウェハ保持・搬送システム１７の概略部分断面図は図４ａに示す。試験ウェハ保持・搬送システム１７は支持板１００を含み、支持板１００はフレーム又はプラットフォーム１２の支持板９４によって規定された空洞部１０２（図４ｂに最もわかりやすく図示）内に収容されている。支持板１００はフランジ１０４を有し、フランジは支持板収容用の空洞部１０２の段部１０６に嵌め込まれている。このようにして、試験ウェハ保持・搬送システム１７の支持板１００はフレーム１２の支持板９４に支持されている。

本明細書の別の態様において、フレーム１２の支持板９４の空洞部１０２は、支持板１００の上面１１０が支持板９４の上面１１２に対して同一平面状又は凹状となるような寸法と形状に構成されている。このような配置により、任意のカバープレート１２０を支持板９４上に配置して試験ウェハ保持・搬送システム１７を滞りなく覆うことが可能となる。従来のシステムには、研磨ヘッドの試験を目的として、カバープレート１２０と類似したカバープレートを用いて表面１２２に似た試験ウェハ支持表面とすることがよくあった。

従って、図４ａに図示されるように、研磨ヘッド１６等の研磨ヘッドをカバープレート１２０の試験ウェハ支持表面１２２を用いて試験してもよい。或いは、カバープレート１２０を取り外して試験ウェハ保持・搬送システム１７を露出させ、カバープレート１２０の代わりに試験ウェハ保持・搬送システム１７を用いて研磨ヘッドの更なる試験を促進してもよい。カバープレート１２０はフレーム１２の支持板９４上にカバープレート１２０の位置決めピン１３０を用いて正確に位置することができ、位置決めピンは支持板９４の対応する位置決め穴部又は開口部１３２（図４ｂ）に嵌め込まれる。当然のことながら、特定の用途に応じて、その他の機構及び装置を用いて着脱式のカバープレート１２０を位置決めしてもよい。

試験ウェハ保持・搬送システム１７は更に試験ウェハポジショナ１４０を含み、ポジショナ１４０はリング部材１４３（図５）によって担持され、リング部材１４３の円周に沿って分散して配置された複数の試験ウェハ係合部材１４２を有する。図３で最もわかりやすく図示されるように、ウェハポジショナ１４０の試験ウェハ係合部材１４２は台座部１９の中央ウェハ支持表面１４４（図３）の周囲に沿って位置されている。試験ウェハ係合部材１４２は、台座部１９が試験ウェハ３６を受け取って研磨ヘッド１６へと搬送する前に、台座部中央ウェハ支持表面１４４に対して試験ウェハ３６に係合して（図６ａ）位置決定を行うように用いられる。

上述したように、試験ステーション１０を用いて研磨ヘッドの各種センサ、チャンバ及びその他の構造体を試験してもよい。図７ａ及び７ｂは、ヘッドがウェハを保持していないことを知らせる典型的な「ウェハ喪失」センサ１８の操作を概略的に描いている。図７ａに図示されるように、ウェハ喪失センサ１８は軸１９６によって弁１９８の弁部材１９７に接続されたセンサディスク１９５を含む。軸１９６は導管１９９内を移動し、導管は膜チャンバ２４を内管チャンバ２２の圧力線５２へと接続している。ウェハ３６をヘッド１６で保持した場合、ウェハ３６は膜３０を周囲圧力から遮断する。加えて、支持構造体３２はウェハ喪失センサディスク１９５から離れる。内管チャンバ２２を例えば周辺圧力より１ｐｓｉ（１平方インチあたりのポンド）より高い圧力で加圧した場合、又、例えば膜チャンバが周囲圧力より５ｐｓｉ低い減圧下にある場合、センサ軸１９６に取り付けられた弁部材１９７は導管５２の弁座２００に気密に着座する。この結果、弁１９８は密封され、膜チャンバ２４と内管チャンバ２２の圧力は一定に保たれ、これはウェハが「喪失」していないことを表す。

しかしながら、ウェハがヘッド１６から落下した場合、図７ｂに示されるように、膜３０に作用している周囲圧力は膜３０と支持構造体を膜チャンバ内へと上方向に押し出す。支持構造体３２は内管チャンバ２２と係合し、かつ圧迫しているため、内管チャンバ２２内の圧力が図８に図示されるように上昇し始める。膜３０と支持構造体が膜チャンバ２４に向かって上方向に押し付けられるにつれ、図７ｂに図示されるように、支持構造体はウェハ喪失センサ１８のディスク１９５にも係合する。この係合によりセンサ１８の軸１９６に接続された弁部材１９７は弁座２００から外れる。この結果、2０３で示されるように弁が開放され、内管チャンバ２２内の圧力が図８の２０４で示されるように下降し始め、最終的には膜チャンバ２０と同じとなり、ウェハの喪失を示す。

図９は研磨ヘッドの各チャンバに関連した空気圧回路の概略図である。図示した実施形態において、各チャンバは圧力回路２３０を有し、回路は弁２３４と調整装置２３６によってチャンバに連結された加圧流体源２３２を含む。各チャンバは更に真空回路２４０を有し、真空回路２４０は弁２４４と調整装置２４６によってチャンバに連結された真空圧源２４２（真空エジェクタ弁と呼ばれることが多い）を含む。通気回路２５０は弁２５４を含み、関連するチャンバを周囲空気へと開放する。

弁２３４、２４４及び２５４は制御装置６２によって制御される。特定のチャンバ内の圧力を保つためには、通気弁２５４、圧力弁２３４及び真空弁２５４を閉鎖する。これらの弁を閉じることで、チャンバは更なる加圧、減圧又は通気から隔離される。チャンバ内の圧力は、関連するチャンバに流体的に連結されたトランスデューサ等の圧力センサ２６０を通して制御装置６２により監視してもよい。制御弁２３４、２４４及び２５４を閉じた後にチャンバ圧が降下する場合は漏れが生じていることを意味する。前述したように、内管チャンバ２２内の圧力が図８に示されるような曲線を描くならば、研磨ヘッドによって保持されていた試験ウェハが喪失したことを意味する。

試験ステーション１０は、各種チャンバに亘っての漏れを含む（クロストーク）圧力及び真空の漏れについて、研磨ヘッドのチャンバを試験することが可能である。試験には弁及びセンサ試験同様に上昇の高さ及び時間が含まれる。

図１０は本明細書の一実施形態による試験ステーションを利用しての研磨ヘッド試験を表している。このような試験の一例がウェハ喪失センサ試験である。当然ながら、特定の用途に応じて、本明細書による試験ステーションを用いて多様な試験を行ってもよい。

第１の操作において、試験ウェハをウェハポジショナ１４０等のウェハポジショナ上に配置する（ブロック２６６）。図示の実施形態において、ウェハポジショナ１４０の試験ウェハ係合部材１４２は一般的にはフィンガータイプであり、それぞれは角度を成した傾斜面２７０（図６ａ）を含み、試験ウェハ３６の縁部に係合し、試験ウェハを傾斜面２７０間の各試験ウェハ係合部材１４２の概して水平な支持表面２７２によって支持された整列位置に方向付け、重力の影響下でもって定置する。この整列位置において、台座部１９の中央ウェハ支持表面１４４の中心２７４は実質的に試験ウェハ３６の中心と同軸で揃っている。又、図示の実施形態において、研磨ヘッド１６の中心軸４６（図２）は試験ウェハの中心と実質的に揃っている。このような整列により研磨ヘッド１６の試験が円滑となる。当然ながら、ウェハポジショナは別の配列の試験ウェハと台座部１９又は研磨ヘッド１６を達成するように設計してもよい。更に、当然ながら、特定の用途に応じて、試験ウェハ係合部材１４２は多様な形状及び係合面を有したものであってもよい。

図示の実施形態において、台座部１９及び試験ウェハポジショナ１４０は試験ウェハ保持・搬送システム１７の支持板１００に取り付けられた台座部筐体２８０によって支持されている。台座部１９及び試験ウェハポジショナ１４０は試験ステーション１０内に支持され、台座部１９及び試験ウェハポジショナ１４０の中心は研磨ヘッド１６の中心軸４６（図２）と同軸的に整列している。当然のことながら、特定の用途に応じて、その他の配列を選択してもよい。

一旦、ウェハポジショナ１４０により試験ウェハが位置決めされたら、台座部１９を上昇させ（ブロック２９０）その台座部支持表面１４４を試験ウェハの底面と係合させる。台座部１９を続けて上方向に運動させることで試験ウェハがウェハポジショナ１４０から持ち上げられ、例えば図６ｂに図示されるように試験ウェハを垂直方向上に研磨ヘッド１６に向かって動かす。この位置で、試験ウェハの中心は依然として研磨ヘッド１６の中心と同軸的に整列している。

図示の実施形態において、台座部１９は中央連接棒２９２を有し、台座部筐体２８０内での摺動垂直運動用に軸支されている。台座部連接棒２９２に連結された台座部アクチュエータ２９４は台座部１９を図６ａに図示の第１の下降位置と図６ｂに図示の第２の上昇位置との間を垂直方向に作動させる。当然のことながら、台座部１９の形状及び部材をその他のものにして垂直運動を促進してもよい。

図示の実施形態において、台座部アクチュエータ２９４は試験ステーション制御装置６２によって制御される空気圧回路３０２によって駆動される空気圧シリンダ３００を含む。空気圧シリンダ３００は駆動部材３０４によって台座部１９の連接棒に接続されている。適切な空気圧を空気圧シリンダ３００に印加すると、駆動部材３０４及びそれに伴って台座部１９が上方又は下方運動へと選択的に駆動される。垂直運動の範囲は、特定の用途に応じて、適切な止め子又は制御装置６２により制限することができる。当然のことながら、その他のタイプのアクチュエータを用いて台座部１９の昇降を行ってもよい。このようなその他のアクチュエータには、電気モータ及びサーボが含まれる。

研磨ヘッド１６の試験の開始に先立って、図６ｃに図示されるように、制御装置６２はリニアアクチュエータ６０（図１）を制御してヘッド１６を台座部１６と試験ウェハ３６の上方の選択した高さに位置決めすることが可能である（ブロック３１０）。選択した高さは、実施する特定の試験に応じて異なる。当然のことながら、一部の研磨ヘッド試験においては、研磨ヘッド１６の位置決めを省略してもよい。研磨ヘッド１６が一旦、台座部１６上方の適当な高さに位置されたら、研磨ヘッドの試験を開始してもよい（ブロック３１２）。

例えば、ウェハ喪失センサ試験においては、試験ウェハのローディングに先立って、研磨ヘッドを試験ウェハの上面から例えば１．５ｍｍ等の距離で離す。この高さで制御装置６２はヘッド１６による試験ウェハの研磨ヘッドへのローディング工程を開始することが可能である。実際にウェハをローディングする前に、膜チャンバ２４（図２）に加圧して、ヘッド膜３０を膨張させてもよい。ヘッド膜３０が膨張するにつれ、試験ウェハの上面に係合し、そのままでは膜３０とウェハ上面との間に捕捉されてしまうエアポケットを追い出される。

試験ウェハをローディングするためには、内管チャンバ２４にも加圧して、膜３０の周縁部を試験ウェハの周縁部に押し付けるよう圧力を加える。内管チャンバ内の圧力を次にその圧力で保ち、前述したように内管チャンバ内での漏れを試験する。内管チャンバ内の圧力が既定の加圧レベルで安定しているならば、内管チャンバが適切にシールされていることを意味する。図示の実施形態においては、ウェハ喪失センサ試験用に内管チャンバを周囲圧力より１ｐｓｉ高いレベルにまで加圧することが好ましい。０〜３ｐｓｉの範囲のその他の圧力も用いることができる。具体的な値は特定の用途に応じて変動する。

一旦、内管チャンバ２２内の圧力の既定値での維持が確認され、膜３０とウェハ上面との間のエアポケットが追い出されたなら、膜チャンバ２４を減圧して試験ウェハのローディングを終了する。図６ｄに図示されるように、試験ウェハをローディングした研磨ヘッドを次に台座部１９より上の別の高さにまで台座部１９から引き上げる。図示の実施形態においては、ウェハ喪失センサ試験に向けて、膜チャンバを周囲圧力より５ｐｓｉ低いレベルまで減圧することが好ましい。周囲圧力から２〜７ｐｓｉ低い範囲のその他の圧力を用いることもできる。具体的な値は特定の用途に応じて変動する。

ウェハが図７ａに図示のものと同様のやり方で適切にローディングされ、ウェハ喪失センサが適切に設置、稼動している場合、ウェハ喪失センサは作動せず、内管チャンバ２２内の圧力は制御装置６２によって監視されるように実質的に一定に維持される。一方、ウェハが適切に持ち上げられない又は落下した場合、膜３０は膜チャンバ２４内に引き込まれ、図７ｂに図示されるように支持構造体３２は内管チャンバ及びウェハ喪失センサ１８と係合する。この結果、図８に図示されるように、内管チャンバ２２内の圧力は支持構造体が内管チャンバ２２と係合するにつれて最初は上昇し、次にウェハ喪失センサが内管チャンバ２２と膜チャンバ２４との間の弁８６を開放するにつれ内管チャンバ内の圧力は低下し、ウェハを喪失したことを制御装置６２に示す。

図示の実施形態においては、米国特許第７０８９７８２号に記載のように、ヘッド試験ステーション１０が研磨ヘッドを精密で電気的に制御された位置に正確に位置決めし、研磨ヘッドの試験を円滑に行えることが好ましい。例えば、上述したような試験ウェハを用いたウェハ喪失センサ試験において、もしウェハのローディングに先立って研磨ヘッドが試験ウェハに近すぎた状態で位置されてしまうと、膜３０と支持構造体３２が膜チャンバ２４へと引きつけられ、ウェハ喪失センサ１８が正しく作動しないと考えられる。反対に、ウェハのローディングに先立って試験ウェハから遠すぎた状態で研磨ヘッドが位置されると、試験ウェハが適切に持ち上げられない。このため、ウェハを持ち上げるために膜チャンバ２４に加えた真空圧が代わりに膜３０と支持構造体３２を膜チャンバ２４内へと引き込み、同じくウェハ喪失センサ１８が正しく作動しない。試験表面から上に１〜２ｍｍの範囲で間隔を空けた垂直位置の研磨ヘッドが、このような多くの用途で適当であると思われる。その他の距離も用いることができる。具体的な値は、特定の用途に応じて異なる。

ヘッドには多くの移動位置をプログラムすることができることから、事実上、ヘッド試験ステーションは上昇させた台座部１９に対してのヘッドの動きを連続的に制御することができる。ヘッドの試験位置及びローディング位置は、多様なタイプのヘッドごとに、上昇させた台座部１９に相対して規定することができる。厚さにおける差を含むヘッドの寸法における違いは、特定のヘッドタイプについて最適な位置へとヘッドを移動させるようにアクチュエータ制御をプログラムすることで容易に対応することができる。

試験ウェハを用いての研磨ヘッド１６の試験又は試験の一部の終了時に、研磨ヘッド１６は試験ウェハを台座部１９に戻すことができる。従って、制御装置６２はリニアアクチュエータ６０を制御して研磨ヘッド１６を図６ｅに図示されるように台座部１９に隣接した垂直位置へと位置決めする。研磨ヘッド１６の空気圧回路を更に制御装置６２で制御して、図６ｆに図示されるように、研磨ヘッド１６による試験ウェハの解放と台座部１９上への試験ウェハの載置を行ってもよい。加えて、制御装置６２は、図６ｆに図示されるように別の高さへと研磨ヘッドを引き上げることが可能である。

一旦、試験ウェハが研磨ヘッド６０によって台座部１９へと戻されたなら、台座部１９をウェハポジショナ１４０へと降下させてもよい（ブロック３１４）。台座部１９を続いて下方向に運動させることで試験ウェハはウェハポジショナ１４０上に載置され、必要に応じて試験ウェハの中心が研磨ヘッド１６の中心と再度整列させられる。次に試験を終了しても、或いは研磨ヘッドの追加試験を必要ならば続いて行ってもよい。このような追加試験には、特定の用途に応じて、試験ウェハ３６の使用又は台座部１９の運動が含まれる又は含まれない。

図示の実施形態において、台座部１９の下方向の垂直運動は図６ｇに図示されるようにウェハポジショナ１４０の下部位置で停止する。台座部連接棒２９２に連結された台座部アクチュエータ２９４が台座部１９を図６ｆに図示の上昇位置から図６ｇに図示の下降位置へと垂直方向に作動させる。当然のことながら、特定の用途に応じて、その他の停止位置を選択することができる。

試験ウェハをローディングするための研磨ヘッド１６の準備にむけて試験ウェハをウェハポジショナ１４０で整列し、研磨ヘッド１６まで持ち上げる研磨ヘッド試験の一例を挙げた。当然のことながら、本明細書による試験ステーションを用いた研磨ヘッド試験によっては試験ウェハローディング操作、又は試験ウェハ整列操作、又は試験ウェハ持ち上げ操作を特定の用途に応じて省略してもよい。

図１１は本明細書の別の態様による試験ウェハ保持・搬送システム４００の別の実施形態を示す。図１２で最もよく見て取れるように、試験ウェハ保持・搬送システム４００は試験ウェハポジショナ４４０を含み、ポジショナはリング部材４４３によって担持され、かつリング部材４４３の内周に沿って分散された第１の複数の試験ウェハ係合部材４４２ａを有する。試験ウェハポジショナ４４０は更にリング部材４４３に担持され、かつリング部材４４３の外周に沿って分散された第２の複数の試験ウェハ係合部材４４２ｂを有する。

図１３で最もよく見て取れるように、ウェハポジショナ４４０の試験ウェハ係合部材４４２ａは台座部４５０の中央ウェハ支持表面４４４の周囲に位置決めされる。試験ウェハ係合部材４４２ａは、台座部４５０が試験ウェハ３６を受け取り研磨ヘッド１６に搬送するに先立って、台座部中央ウェハ支持表面４４４に対して試験ウェハ３６を係合、位置決めするように用いられる（図１３）。

図示の実施形態において、部材１４２等の試験ウェハ係合部材４４２ａは通常フィンガータイプであり、各自は角度を成した傾斜面２７０ａを含む（図１３）。傾斜面は試験ウェハ３６の縁部と係合し、試験ウェハを傾斜面２７０ａ間の各試験ウェハ係合部材１４２の概して水平な支持表面２７２aによって支持された整列位置に方向付け、重力の影響下でもって定置する。この整列位置において、台座部４５０の中央ウェハ支持表面４４４の中心２７４ａは、試験ウェハ３６の中心とヘッド１６の中心軸と同軸的に整列している。

ウェハポジショナ４４０の試験ウェハ係合部材４４２ｂも同様に台座部４５０の中央ウェハ支持表面４４４に沿って位置されるが、ウェハ係合部材４４２ａの円周よりも広きに亘る。試験ウェハ係合部材４４２ｂは、台座部４５０が試験ウェハ４６０を受け取り研磨ヘッドに搬送するに先立って、台座部中央ウェハ支持表面４４４に対して試験ウェハ４６０を係合、位置決めするように用いられる。図１３で明らかなように、試験ウェハ４６０は試験ウェハ３６より広い直径を有していてもよい。従って、試験ウェハ保持・搬送システム４００は例えば１５０ｍｍ、２００ｍｍ及び３００ｍｍ等の異なる寸法の研磨ヘッド及び試験ウェハに容易に対応することが可能である。

部材４４２a等の試験ウェハ係合部材４４２ｂは通常フィンガータイプであり、各自は角度を成した傾斜面２７０ｂを含む（図１３）。傾斜面は試験ウェハ４６０の縁部に係合し、試験ウェハを傾斜面２７０ｂ間の各試験ウェハ係合部材４４２ｂの概して水平な支持表面２７２ｂによって支持された整列位置に方向付け、重力の影響下でもって定置する。この整列位置において、台座部４５０の中央ウェハ支持表面４４４の中心２７４ａは、試験ウェハ４６０と研磨ヘッドの中心と同軸的に整列している。

図示の実施形態において、台座部４５０は複数のフランジ４７０を含み（図１１）、フランジはウェハポジショナ４４０のリング部材４４３の内側リング壁部４７４の凹部４７２に納まる（図１２）。各フランジ４７０の外側段部４７６はリング部材４４３の外側リング壁部４８０と係合している。中央ウェハ支持表面４４４は試験ウェハへの損傷を防止するためのクッション４８２を有していてもよい。

一実施形態において、台座部４５０等の台座部は試験ウェハ３６又は試験ウェハ４６０等の特定の寸法の試験ウェハ専用であってもよい。或いは、台座部４５０は異なる寸法の試験ウェハに対応可能であってもよい。例えば、台座部フランジ４７０の上面４８４を用いて台座部外側ウェハ支持表面として試験ウェハ４６０等のより大きな試験ウェハと係合、支持させてもよい。別の例において、試験ウェハ保持・搬送システム４００は台座部中央ウェハ支持表面４９２と台座部外側ウェハ支持表面４９４の双方を有する台座部アダプタプレート４９０（図１４）を含んでいてもよい。台座部アダプタプレート４９０は台座部フランジ４７０に担持され、試験ウェハ４６０等のより大きい試験ウェハ専用であっても、或いは異なる寸法の試験ウェハに対応できるものであってもよい。図示の実施形態において、台座部アダプタプレート４９０は試験ウェハクッションを台座部中央ウェハ支持表面４９２と台座部外側ウェハ支持表面４９４の双方上に担持している。

図１１に図示されるように、台座部４５０の中央ウェハ支持表面４４４は複数の凹部４９６を規定し、各開口部は台座部中央ウェハ支持表面４４４が下降垂直位置にある場合に試験ウェハ係合部材４４２ａを収容するように用いられる。同様に、台座部アダプタプレート４９０の中央ウェハ支持表面４９２は、凹部４９６と整列され、かつ台座部アダプタプレートが下降垂直位置にある場合に試験ウェハ係合部材４４２ａを収容するように用いられる複数の凹部４９８（図１４）を規定している。試験ウェハ係合部材４４２ｂのウェハ係合表面４７０ｂ、４７２ｂは試験ウェハ係合部材４４２ａの対応するウェハ係合表面４７０ａ、４７２ａよりも研磨ヘッド１６に近い垂直位置にあることから、試験ウェハ４６０等のより大きな直径の試験ウェハを試験ウェハ係合部材４４２ｂにより図１３に図示されるように試験ウェハ係合部材４４２ａの最上部より高く整列・支持してもよい。従って、試験ウェハ係合部材４４２ｂを、より小さい試験ウェハ用の試験ウェハ係合部材４４２ａでより大きい試験ウェハを阻害することなく、より大きい試験ウェハ４６０と共に用いることが可能である。

再度図１を参照するが、プラットフォーム１２は試験ステーションを研磨ヘッド試験用の製造設備内のある場所から別の場所へと迅速に転がすことを可能とする車輪又はローラ一式を有している。これは、設備が異なる寸法のヘッドを利用した複数の研磨システムを有する場合に特に有用である。

米国特許第７０８９７８２号により詳しく記載されるように、試験ステーション１０は試験に向けた研磨ヘッド１６の試験ステーションへのローディング及び搭載を円滑に行うための側部キャリッジアセンブリを含んでいてもよい。当然のことながら、特定の用途に応じて、このような側部キャリッジアセンブリの細部及び詳細は異なる。更に、試験ステーション１０は試験ウェハを研磨ヘッド試験用に正しい位置にチャックするためのウェハチャックを含んでいてもよい。ここでもまた、このようなウェハチャックについての細かい点は特定の用途ごとに異なる。

当然のことながら、図示の実施形態、その多様な態様においての改変は当業者に明白であり、一部は調査後初めて明らかとなるものであるが、その他は決まりきった機械的、電子工学的設計上の問題である。その他の実施形態も可能であり、その具体的な設計は特定の用途に依存する。このように、本明細書の範囲は記載された特定の実施形態によって限定されるものではなく、特許請求の範囲及びその均等物によって定められるべきである。

本明細書の一実施形態による試験ウェハ保持・搬送システムを有する研磨ヘッド試験ステーションの、カバープレートを外した状態での斜視図である。試験ウェハ保持・搬送システムの一実施形態の台座部上に配置された一般的な研磨ヘッドの概略断面図である。図１の試験ステーションの試験ウェハ保持・搬送システムの、カバープレートを外した状態での上面図である。カバープレートを取り付けた状態での、試験ウェハ保持・搬送システムの概略部分側部断面図である。試験ウェハ保持・搬送システムの、カバープレートを外した状態での概略部分側部分解断面図である。図１の試験ウェハ保持・搬送システムのウェハポジショナの斜視図である。〜研磨ヘッドを試験するための試験ウェハ保持・搬送システムの操作の一例を示す図である。〜図２の研磨ヘッドのウェハ喪失センサの操作を図示した概略図である。図７ａ及び７ｂに示したウェハ喪失センサ操作中における研磨ヘッドの内管チャンバにおける圧力変化を表したグラフである。図２の研磨ヘッドの各圧力チャンバに関連した試験ステーション空気圧回路の一例の概略図である。研磨ヘッドを試験するための、試験ウェハ保持・搬送システムの操作の一例を表したフロー図である。別の実施形態による試験ウェハ保持・搬送システムの概略部分断面斜視図である。図１１の試験ウェハ保持・搬送システム用のウェハポジショナの一例の斜視図である。図１２のウェハポジショナの概略部分断面斜視図であり、異なる寸法の試験ウェハの位置決定を図示している。更に別の実施形態による台座部を有する試験ウェハ保持・搬送システムの上部斜視図である。

Claims

試験ウェハを用いて半導体ウェハの平坦化用の研磨ヘッドを試験するための試験ステーションであり、
フレームと、
試験ウェハを支持するように用いられる中央ウェハ支持表面を有する台座部と、
中央ウェハ支持表面の周囲に位置する第１の複数の試験ウェハ係合部材を有する試験ウェハポジショナと、
前記研磨ヘッドを前記中央ウェハ支持表面上に取り付けるように用いられる研磨ヘッド取付台と、
前記研磨ヘッドに連結され、前記ヘッドに加圧試験を行うように用いられる空気圧回路と、
前記フレームと前記取付台に連結され、前記研磨ヘッドを前記台座部中央ウェハ支持表面に相対して垂直方向に移動するように用いられるヘッド取付アクチュエータと、
前記フレームと前記台座部に連結され、前記台座部中央ウェハ支持表面を前記フレームに相対して垂直方向に、前記取付台の前記ヘッドから垂直方向にずらした第１垂直位置と前記取付台の前記ヘッドに垂直方向により近い第２垂直位置との間で移動するように用いられる台座部アクチュエータを備え、
前記第１の複数の試験ウェハ係合部材の各々は、中央ウェハ支持表面が第１垂直位置にある場合に、前記中央ウェハ支持表面に対して前記試験ウェハを係合し位置決めするように用いられるそれぞれのウェハ係合表面を含み、
中央ウェハ支持表面は、中央ウェハ支持表面が第１垂直位置にある場合に、第１の複数の試験ウェハ係合部材のそれぞれのウェハ係合表面の下方にあり、中央ウェハ支持表面が第１垂直位置から第２垂直位置に移動したとき、第１の複数の試験ウェハ係合部材のそれぞれのウェハ係合表面から前記試験ウェハを持ち上げて解放するように用いられる試験ステーション。
前記ウェハポジショナがリング部材を備え、リング部材がその第１の円周に沿って分散された前記第１の複数の試験ウェハ係合部材を担持するように用いられる請求項１記載の試験ステーション。
前記台座部中央ウェハ支持表面により複数の開口部が規定され、前記台座部中央ウェハ支持表面が前記第１垂直位置にある場合に、各開口部が前記第１の複数の試験ウェハ係合部材の各試験ウェハ係合部材を収容するように用いられる請求項２記載の試験ステーション。
前記台座部が前記台座部中央ウェハ支持表面に沿って配置され、かつ試験ウェハを支持するように用いられる外側ウェハ支持表面を有し、前記ポジショナが前記リングによって担持され、前記台座部外側ウェハ支持表面に沿って位置され、前記リング部材の第２の円周に沿って分散された第２の複数の試験ウェハ係合部材を備え、前記第２の円周が前記第１の円周より広い直径を有している請求項２記載の試験ステーション。
前記第１及び第２の複数の試験ウェハ係合部材の各試験ウェハ係合部材が試験ウェハ係合表面を有し、前記第２の複数の試験ウェハ係合部材の各試験ウェハ係合表面が前記第１の複数の試験ウェハ係合部材の試験ウェハ係合表面よりも前記研磨ヘッドに近い垂直位置に配置される請求項４記載の試験ステーション。
前記フレームが上面を有する支持板を含み、支持板が前記台座部及び前記試験ウェハポジショナを前記上面より下に収容するように用いられる空洞部を規定しており、前記フレームが前記上面上に配置され、かつ前記台座部と試験ウェハポジショナを覆うように用いられる着脱式カバープレートを更に備えており、前記カバープレートが試験ウェハ支持表面を有している請求項１記載の試験ステーション。
半導体ウェハの平坦化用に研磨ヘッドを試験するための方法であり、
研磨ヘッドを試験ステーションの研磨ヘッド取付台に取り付け、
制御式ヘッド取付アクチュエータを制御して前記研磨ヘッドを台座部の中央ウェハ支持表面に相対して垂直方向に移動させ、
中央ウェハ支持表面の周囲に位置する第１の複数の試験ウェハ係合部材を有するウェハポジショナを用いて試験ウェハを位置決めし、前記位置決めは、前記第１の複数の試験ウェハ係合部材の各々のそれぞれの係合面と前記試験ウェハを係合させ、台座部の前記中央ウェハ支持表面に対して前記試験ウェハを位置決めすることを含み、
制御式台座部アクチュエータを制御して、前記台座部中央ウェハ支持表面と、前記台座部中央ウェハ支持表面上に配置された第１直径を有する試験ウェハとを、前記研磨ヘッドから垂直方向にずらした第１垂直位置と、前記研磨ヘッドに垂直方向により近い第２垂直位置との間で垂直方向に移動させ、中央ウェハ支持表面は、中央ウェハ支持表面が第１垂直位置にある場合に、前記第１の複数の試験ウェハ係合部材のそれぞれのウェハ係合表面の下方にあり、台座部の中央ウェハ支持表面が第１垂直位置から第２垂直位置に移動する間、台座部の中央ウェハ支持表面は、前記第１の複数の試験ウェハ係合部材のそれぞれのウェハ係合表面から前記試験ウェハを持ち上げて解放し、
前記研磨ヘッドを試験することを含む研磨ヘッドの試験方法。
前記試験がヘッドのウェハ喪失センサの試験を含む請求項７記載の方法。
前記試験が前記ヘッドの膜チャンバを減圧して前記台座部中央ウェハ支持表面上に配置された第１試験ウェハを拾い上げることを含む請求項８記載の方法。
前記試験が前記膜チャンバに対する前記減圧に先立って前記ヘッドの内管チャンバに加圧すること、及び、前記膜チャンバへの前記減圧を行いながら前記内管チャンバ内の圧力の監視を行うことを含む請求項９記載の方法。
前記ウェハポジショナがリング部材を備え、リング部材がその第１の円周に沿って分散された前記第１の複数の試験ウェハ係合部材を担持するように用いられる請求項１０記載の方法。
制御式台座部アクチュエータの前記制御が、前記台座部を移動させることで、前記台座部中央ウェハ支持表面が前記第１垂直位置にある場合に、各試験ウェハ係合部材が前記台座部中央ウェハ支持表面によって規定された複数の開口部のそれぞれに収容されることを含む請求項１１記載の方法。
前記第１直径よりも広い第２直径を有する試験ウェハを、前記台座部中央ウェハ支持表面に沿って配置された外側ウェハ支持表面に沿って位置され、かつ試験ウェハを支持するように用いられる第２の複数の試験ウェハ係合部材を有するポジショナを用いて位置決めすることを更に含み、前記第２の複数の試験ウェハ係合部材が前記リング部材の第２の円周に沿って分散されており、前記第２の円周が前記第１の円周よりも広い直径を有する請求項１１記載の方法。