JP6360491B2 - ３つのゾーンからなるキャリアヘッドおよびフレキシブル膜 - Google Patents

Description

本開示は、化学機械研磨用のキャリアヘッドに関する。

集積回路は、典型的には、導電層、半導電層、または絶縁層を順次堆積させることによって、基板、特にシリコンウエハ上に形成される。１つの製造ステップは、非平面の表面の上に充填層を堆積させて、この充填層を平坦化することを含む。特定の適用分野では、充填層は、パターン層の頂面が露出されるまで平坦化される。たとえば、導電充填層をパターン絶縁層の上に堆積させて、絶縁層内のトレンチまたは孔を充填することができる。平坦化後、導電層のうち、絶縁層の隆起したパターン間に残っている部分が、ビア、プラグ、およびラインを形成して、基板上の薄膜回路間に導電経路を提供する。酸化物研磨などの他の適用分野では、充填層は、非平面の表面の上に所定の厚さが残るように平坦化される。加えて、基板表面の平坦化は、フォトリソグラフィでも一般に必要とされる。
化学機械研磨（ＣＭＰ）は、１つの受け入れられている平坦化方法である。この平坦化方法では、典型的には、基板をキャリアヘッド上に取り付ける必要がある。基板の露出表面は、典型的には、回転式研磨パッドに接して配置される。キャリアヘッドは、基板上に制御可能な負荷を提供して、基板を研磨パッドに押し当てる。典型的には、研磨粒子を含むスラリなどの研磨液が、研磨パッドの表面に供給される。基板上の金属層、たとえば銅層を研磨する場合、スラリは酸性とすることができる。

直径１５０ｍｍ（「６インチ」とも呼ぶ）の基板に対する技術ノードは改善を続けている。これには、ウエハ内およびウエハ間の均一性に関してこれまで以上に厳しい要件に準拠するために、ＣＭＰプロセスの能力を改善する必要が生じる。より大きい基板、たとえば直径２００ｍｍおよび３００ｍｍの基板には、複数のゾーンからなるキャリアヘッドが使用されてきたが、直径１５０ｍｍの基板に対するより小さい寸法のキャリアヘッドでは、フォームファクタ上の難題がもたらされる可能性がある。

一態様では、化学機械研磨器のキャリアヘッド用のフレキシブル膜は、主要部分と、環状外側部分と、フレキシブル膜がキャリアヘッドに固定されたときに主要部分の上の容積を複数のチャンバに分割するちょうど３つの環状フラップとを含む。主要部分の下面は基板取り付け表面を提供し、基板取り付け表面は半径Ｒを有する。環状外側部分は、主要部分の外縁部から上方へ延び、主要部分に接続された下縁部と、上縁部とを有する。３つの環状フラップは、Ｒの７５％〜９５％の径方向位置で主要部分の内面に接合された第１の環状フラップと、下縁部と上縁部との間の位置で環状外側部分に接合され、環状外側部分から内方へ延びる第２の環状フラップと、環状外側部分の上縁部に接合され、環状外側部分から内方へ延びる第３の環状フラップとを含む。
別の態様では、化学機械研磨ヘッドは、基礎アセンブリと、基礎アセンブリに固定された保持リングと、基礎アセンブリに固定された上記のフレキシブル膜とを含む。
これらの態様のいずれかの実装形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことができる。基板取り付け表面は、約７５ｍｍの半径を有することができる。第１の環状フラップは、主要部分の外縁部から約１０ｍｍのところで主要部分に接合することができる。第１の環状フラップは、Ｒの８５％〜９０％の径方向位置で主要部分に接合することができる。第１の環状フラップは、水平方向に延びる区間と、水平方向に延びる区間を主要部分に接続する垂直方向に延びる区間とを含むことができる。水平方向に延びる区間と垂直方向に延びる区間との間の接合部に、切欠きを形成することができる。水平方向に延びる区間は、垂直方向に延びる区間より小さい厚さを有することができる。フラップはそれぞれ、主要部分の厚さより小さい厚さを有することができる。環状外側部分は、主要部分の厚さより大きい厚さを有する本体を含むことができる。環状外側部分の本体の内面内で本体と主要部分と接合部に、切欠きを形成することができる。本体の外面は、本体の下縁部と上縁部との間に凹部を有することができる。凹部と下縁部との間の本体の外面は、単一の垂直表面とすることができる。凹部と上縁部との間の本体の外面は、単一の垂直表面とすることができる。凹部と下縁部との間の本体の外面は、凹部と上縁部との間の本体の外面と横方向に位置合わせすることができる。

実装形態は、以下の利点の１つまたは複数を含むことができる。ウエハ内およびウエハ間の均一性を改善することができ、この改善を直径１５０ｍｍの基板にも適用することができる。
１つまたは複数の実装形態の詳細については、添付の図面および以下の説明で述べる。他の態様、特徴、および利点は、説明および図面、ならびに特許請求の範囲から明らかになるであろう。

化学機械研磨装置用のキャリアヘッドの概略横断面図である。 図１のキャリアヘッドの右側の拡大図である。 図１のキャリアヘッドからの膜の概略横断面図である。

研磨動作中は、キャリアヘッド１００を含む化学機械研磨（ＣＭＰ）装置によって、１つまたは複数の基板を研磨することができる。ＣＭＰ装置の説明は、米国特許第５，７３８，５７４号に見ることができる。
図１および図２を参照すると、例示的なキャリアヘッド１００は、筐体１０２と、筐体１０２に対して垂直方向に可動の基礎アセンブリ１３０と、筐体１０２と基礎アセンブリ１３０との間に位置し、基礎アセンブリ１３０の垂直方向の位置またはそこにかかる下方圧力を制御する加圧可能チャンバ１０４と、基礎アセンブリ１３０に固定され、底面が基板１０に対する取り付け表面を提供するフレキシブル膜１２０と、膜１２０と基礎アセンブリ１３０との間に位置する複数の加圧可能チャンバ１２２と、膜１２０の下で基板１０を保持するように基礎アセンブリ１３０の縁部付近で固定された保持リング１１０とを含む。筐体１０２は、駆動シャフトに固定することができ、駆動シャフトは、研磨パッド全体にわたってキャリアヘッドを回転および／または平行移動させることができる。
保持リング１１０は、たとえば基礎アセンブリ１３０内で位置合わせされた通路を通って保持リング１１０の上面内へ延びるねじまたはボルトによって、基礎アセンブリ１３０の外縁部に固定された略環状のリングとすることができる。保持リング１１０の内面は、フレキシブル膜１２０の下面とともに、基板受け取り凹部を画定する。保持リング１１０は、基板が基板受け取り凹部から逃げるのを防止する。保持リング１１０は、下部部分１１２と、下部部分１１２より硬い上部部分１１４とを含むことができる。下部部分１１２は、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）またはポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などのプラスチックとすることができる。下部部分１１２は、実質上純粋なプラスチック（プラスチックからなる）とすることができ、たとえば、プラスチック以外の充填剤を含まない。上部部分１１４は、金属、たとえばステンレス鋼とすることができる。

筐体１０２および／または基礎アセンブリ１３０内の通路を通ってチャンバ１０４に圧力コントローラを流体的に接続して、チャンバ１０４内の圧力、したがって基礎アセンブリ１３０、したがって保持リング１１０の位置および／またはそこにかかる下方圧力を制御することができる。同様に、筐体１０２および／または基礎アセンブリ１３０内の通路１０８を通ってチャンバ１２２に圧力コントローラを流体的に接続して、チャンバ１２２内の圧力、したがって基板にかかるフレキシブル膜１２０の下方圧力を制御することができる。
別法として、基礎アセンブリ１３０と筐体１０２を組み合わせて単一の部分とすることもできる（どのチャンバ１２２および基礎アセンブリ１３０も筐体１０２に対して垂直方向に可動ではない）。これらの実装形態のいくつかでは、駆動シャフトを上下させて、研磨パッドにかかる保持リング１１０の圧力を制御することができる。別の代替形態では、たとえば参照によって組み込まれている米国特許第７，６９９，６８８号に記載のように、保持リング１１０は、基礎アセンブリ１３０に対して可動とすることができ、キャリアヘッド１００は内部チャンバを含むことができ、この内部チャンバを加圧して、保持リングにかかる下方圧力を制御することができる。

フレキシブル膜１２０は、シリコーン膜とすることができる。フレキシブル膜は、フレキシブル膜１２０と基礎アセンブリ１３０との間の容積を個々に制御可能なチャンバに分割する複数のフラップ１２４を含むことができる。フラップ１２４の端部は、基礎アセンブリ１３０に取り付けることができ、たとえば基礎アセンブリ１３０に締め付けることができる。
環状外部リング１２６は、フレキシブル膜１２０の外周部分の外面内の凹部内へ挿入することができる。環状内部リング１２８は、フレキシブル膜１２０の外周部分の内面に当接することができる。外部リング１２６および内部リング１２８により、フレキシブル膜１２０の周囲部分の剛性を増大させる。これにより、複数のチャンバのうちの上部チャンバ内の圧力を、周囲部分を通って基板へ伝送することを可能にすることができる。
各フラップの端部は、クランプ１３２間に締め付けることができる。様々なクランプは、実質上純粋なプラスチック、たとえばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）もしくはポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、複合プラスチック、たとえばガラス充填ＰＰＳもしくはガラス充填ＰＥＥＫ、または金属、たとえばステンレス鋼もしくはアルミニウムとすることができる。

ジンバル機構１３６（基礎アセンブリ１３０の一部と見なすことができる）により、基礎アセンブリ１３０の横方向の運動を制限しながら、基礎アセンブリ１３０が筐体１０２に対して垂直方向に摺動することを可能にする。たとえばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ−Ｐ）ベースの半結晶性の熱可塑性ポリエステル、たとえばＥｒｔａｌｙｔｅ（商標）から形成されたカバー１３８で基礎アセンブリ１３０の外側を覆って、スラリからの汚染がキャリアヘッド１００の内部に到達するのを防止することができる。
ジンバル機構１３６、様々なクランプ１３２、およびカバー１３８がともに、基礎アセンブリ１３０を提供すると見なすことができる。

図２および図３を参照すると、いくつかの実装形態では、膜は、内側フラップ１２４ａ、中間フラップ１２４ｂ、および外側フラップ１２４ｃを含むちょうど３つのフラップを含み、これらのフラップが、３つのチャンバ１２２ａ、１２２ｂ、および１２２ｃを画定する。第１のチャンバ１２２ａは、最も内側のフラップ１２４ａ内に位置する略円形のチャンバである。第２のチャンバ１２２ｂは、第１のチャンバ１２２ａを取り囲む環状のチャンバであり、最も内側のフラップ１２４ａと中間フラップ１２４ｂとの間の容積によって画定される。第３のチャンバ１２２ｃは、第２のチャンバ１２２ｂの上に位置決めすることができ、中間フラップ１２４ｂと外側フラップ１２４ｃとの間の容積によって画定される。

図３に示すように、フレキシブル膜１２０は、略平坦な主要部分１４０および環状外側部分１５０を有することができる。主要部分１４０の下面は、基板取り付け表面１４２を提供する。外側部分１５０の下縁部は、主要部分１４０の外縁部に接合される。
内側環状フラップ１２４ａは、フレキシブル膜１２０の主要部分１４０の上面に接合される。したがって、基板取り付け表面１４２のうち、内側環状フラップ１２４ａが主要部分１４０に接続された領域内に位置する内側円形部分１４４にかかる下方圧力は、主に第１のチャンバ１２２ａ内の圧力によって制御される（図２参照）。他方では、内側環状フラップ１２４ａが主要部分１４０に接続された位置と環状外側部分１５０との間に位置する基板取り付け表面１４２の外側環状部分１４６にかかる下方圧力は、主に第２のチャンバ１２２ｂ内の圧力によって制御される（図２参照）。
内側フラップ１２４ａは、基板取り付け表面１４２の半径の７５％〜９５％、たとえば８０％〜８５％の径方向位置で、主要部分１４０の内面に接合することができる。直径１５０ｍｍの基板を研磨する場合、基板取り付け表面１４２（および主要部分１４０）は、約７５ｍｍの半径を有することができる。内側フラップ１２４ａは、基板取り付け表面の縁部から約１０ｍｍのところで主要部分１４０に接続することができる。したがって、内側円形部分１４４は約６５ｍｍの半径を有することができ、外側環状部分１４６は約１０ｍｍの幅を有することができる。

内側環状フラップ１２４ａは、主要部分１４０から上方へ延びる垂直部分１６０と、垂直部分１６０の上縁部から水平方向に延びる水平部分１６２とを含むことができる。水平部分１６２は、垂直部分１６０から内方へ（キャリアヘッドの中心の方へ）延びることができる。水平部分１６２の端部は、厚いリム部分１６４を有することができ、リム部分１６４は、基礎アセンブリ１３０に固定されたときにチャンバ１２２ａ、１２２ｂを流体的に分離するように構成することができる。たとえば、水平部分１６２が垂直部分１６０から内方へ延びるとすると、厚いリム部分１６４は、水平部分１６２の内縁部に位置することができる。
いくつかの実装形態では、内側環状フラップ１２４ａの水平部分１６２は、垂直部分１６０より小さい厚さを有することができる。いくつかの実装形態では、水平部分１６２の長さと垂直部分１６０の長さとの比は、約１．６６など、約１．５〜２．０である。いくつかの実装形態では、内側環状フラップ１２４ａの垂直部分１６０は、フレキシブル膜の主要部分１４０より小さい厚さを有することができる。
いくつかの実装形態では、内側環状フラップ１２４ａの垂直部分１６０内に窪みまたは切欠き１６６が形成される。切欠き１６６は、水平部分１６２とその垂直部分１６０との間の接合点の内側コーナに位置決めすることができる。切欠き１６６は、同心円状の環状フラップ１２４ａの水平部分が垂直方向に曲がることを可能にすることができる。しかし、他の位置、たとえば垂直部分１６０の中間または垂直部分１６０と主要部分１４０との接合部も可能である。

フレキシブル膜１２０の外側部分１５０は、主要部分１４０の外縁部から上方へ延びる本体１５２を含む。本体１５２は、フレキシブル膜１２０の主要部分１４０より厚くすることができる。本体１５２の内面内で本体１５２と主要部分１４０との間の接合点に、凹部１５４を形成することができる。この凹部１５４は、本体１５２が主要部分１４０に対してより自由に枢動することを可能にすることができる。
環状外側部分１５０は、その外壁に沿って環状凹部１５６を有することができる。環状外部リング１２６（図２参照）は、凹部１５６内へ挿入することができる。本体の外面のうち、凹部１５６と下縁部との間の部分１７２は、本体の外面のうち、凹部１５６と上縁部との間の部分１７４と横方向に位置合わせすることができる。

中間環状フラップ１２４ｂは、環状外側部分１５０から、たとえば本体１５２の内面から、水平方向に内方へ延びることができる。中間フラップ１２４ｂの厚さは、内側フラップ１２４ａの水平部分１６２と同じとすることができる。中間フラップ１２４ｂは、本体１５２の最も広い点で本体１５２に接続することができる。中間フラップ１２４ｂの内縁部は、厚いリム部分１６４を有することができ、厚いリム部分１６４は、基礎アセンブリ１３０に固定されたときにチャンバ１２２ｂ、１２２ｃを流体的に分離するように構成することができる。
いくつかの実装形態では、本体１５２の内面内で中間フラップ１２４ｂと本体１５２との間の接合点に、凹部１５８が形成される。内部リング１２８（図２参照）は外側部分１５０に当接することができ、フランジが凹部１５４および凹部１５８内へ延びる。

外側フラップ１２４ｃは、環状外側部分１５０の上縁部から内方へ延びることができる。外側フラップ１２４ｃの厚さは、内側フラップ１２４ａの水平部分１６２と同じとすることができる。外側フラップ１２４ｃの内縁部は、厚いリム部分１６４を有することができ、厚いリム部分１６４は、基礎アセンブリ１３０に固定されたときに第３のチャンバ１２２ｃをキャリアヘッドの外側の環境から流体的に分離するように構成することができる。
いくつかの実装形態では、中間フラップ１２４ｂと外側フラップ１２４ｃとの間に延びる外側部分１５０の表面１７０が傾斜している。この傾斜表面１７０は、外側部分１５０の頂部に三角形の横断面を提供することができる。

第３のチャンバ１２２ｃ（図２参照）が加圧されたとき、表面１７０にかかる圧力は本体１５２を通って伝送され、縁部部分１４８の基板取り付け表面１４２に圧力をかける。

本発明について、複数の実施形態に関して記載した。しかし、本発明は、図示および記載の実施形態に限定されるものではない。逆に、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定される。

Claims (15)

1. 化学機械研磨器のキャリアヘッド用のフレキシブル膜であって、
   下面が基板取り付け表面を提供し、前記基板取り付け表面が半径Ｒを有する主要部分と、
   前記主要部分の外縁部から上方へ延び、前記主要部分に接続された下縁部と上縁部とを有する環状外側部分と、
   前記フレキシブル膜がキャリアヘッドに固定されたときに前記主要部分の上の容積を複数のチャンバに分割するちょうど３つの環状フラップとを備え、前記３つの環状フラップが、
   Ｒの７５％〜９５％の径方向位置で前記主要部分の内面に接合された第１の環状フラップと、
   前記下縁部と前記上縁部との間の位置で前記環状外側部分に接合され、前記環状外側部分から内方へ延びる第２の環状フラップと、
   前記環状外側部分の前記上縁部に接合され、前記環状外側部分から内方へ延びる第３の環状フラップとを含む、フレキシブル膜。
2. 前記基板取り付け表面が約１５０ｍｍの直径を有する、請求項１に記載のフレキシブル膜。
3. 前記第１の環状フラップが、前記主要部分の前記外縁部から約１０ｍｍのところで前記主要部分に接合される、請求項２に記載のフレキシブル膜。
4. 前記第１の環状フラップが、Ｒの８５％〜９０％の径方向位置で前記主要部分に接合される、請求項２に記載のフレキシブル膜。
5. 前記第１の環状フラップが、水平方向に延びる区間と、前記水平方向に延びる区間を前記主要部分に接続する垂直方向に延びる区間とを含む、請求項１に記載のフレキシブル膜。
6. 前記水平方向に延びる区間と前記垂直方向に延びる区間との間の接合部に切欠きを備える、請求項５に記載のフレキシブル膜。
7. 前記水平方向に延びる区間が、前記垂直方向に延びる区間より小さい厚さを有する、請求項５に記載のフレキシブル膜。
8. 前記フラップがそれぞれ、前記主要部分の厚さより小さい厚さを有する、請求項１に記載のフレキシブル膜。
9. 前記環状外側部分が、前記主要部分の厚さより大きい厚さを有する本体を備える、請求項８に記載のフレキシブル膜。
10. 前記環状外側部分の前記本体の内面内で前記本体と前記主要部分との接合部に切欠きを備える、請求項９に記載のフレキシブル膜。
11. 前記本体の外面内で前記本体の下縁部と上縁部との間に環状凹部を備える、請求項１０に記載のフレキシブル膜。
12. 前記凹部と前記下縁部との間の前記本体の前記外面が単一の垂直表面である、請求項１１に記載のフレキシブル膜。
13. 前記凹部と前記上縁部との間の前記本体の前記外面が単一の垂直表面である、請求項１２に記載のフレキシブル膜。
14. 前記凹部と前記下縁部との間の前記本体の前記外面が、前記凹部と前記上縁部との間の前記本体の前記外面と横方向に位置合わせされる、請求項１３に記載のフレキシブル膜。
15. 基礎アセンブリと、
    前記基礎アセンブリに固定された保持リングと、
    前記基礎アセンブリに固定されたフレキシブル膜とを備え、前記フレキシブル膜が、
    下面が基板取り付け表面を提供し、前記基板取り付け表面が半径Ｒを有する主要部分と、
    前記主要部分の外縁部から上方へ延び、前記主要部分に接続された下縁部と上縁部とを有する環状外側部分と、
    前記フレキシブル膜がキャリアヘッドに固定されたときに前記主要部分の上の容積を複数のチャンバに分割するちょうど３つの環状フラップとを含み、前記３つの環状フラップが、
    Ｒの７５％〜９５％の径方向位置で前記主要部分の内面に接合された第１の環状フラップと、
    前記下縁部と前記上縁部との間の位置で前記環状外側部分に接合され、前記環状外側部分から内方へ延びる第２の環状フラップと、
    前記環状外側部分の前記上縁部に接合され、前記環状外側部分から内方へ延びる第３の環状フラップとを含む、
    化学機械研磨ヘッド。