JP6956710B2 - 化学機械研磨キャリアヘッド用の外部クランプリング - Google Patents
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Description
本明細書に記載の実施形態は、概して、化学機械研磨キャリアヘッドに使用するためのクランプリングに関し、このクランプリングは、スラリ粒子がクランプリングに付着および凝集することを防止するように構成された円筒形外壁を含む。
集積回路は通常、シリコンウエハなどの基板上に、導電層、半導電層、または絶縁層を順次堆積することによって形成される。各層が堆積された後、層がエッチングされて回路特徴が作り出される。一連の層が順次堆積されエッチングされるにつれて、基板の外面または最上面、すなわち基板の露出面が次第に非平面になる。この非平面の外面は、集積回路製造者にとって問題になる。したがって、基板表面を周期的に平坦化して平面にする必要がある。
化学機械研磨（ＣＭＰ）は、一般に認められた平坦化の一方法である。ＣＭＰでは通常、基板のデバイス側表面が露出したままで基板がキャリアヘッドによって保持される必要がある。キャリアヘッドは、基板を回転研磨パッドに対して位置付ける。キャリアヘッドは、制御可能な負荷、すなわち圧力を基板に与えて回転研磨パッドに基板を押し当てる。加えて、キャリアヘッドは回転して、基板と研磨面の間に付加的な動きをもたらすことができる。
研磨剤および少なくとも１つの化学的反応性作用物を含む研磨スラリを研磨パッドに供給して、パッドと基板の間の境界面に研磨用化学溶液を提供することができる。研磨スラリは、キャリアヘッドの表面にも接触し付着し得る。時が経つにつれて、研磨スラリ中の研磨剤がキャリアヘッドの表面に凝集し始める。凝集したスラリ粒子は、キャリアヘッドの表面からはがれ、基板を研磨している間にパッドの上に落ちることがあり、その結果基板に傷を付けることになり得る。傷は、完成デバイスの研磨中の性能劣化につながる基板欠陥になり得る。凝集スラリ粒子は特に、基板の研磨の間に効果的に洗浄できないキャリアヘッドの場合に、表面における問題となる。
したがって、研磨スラリがキャリアヘッドに付着する可能性を低減するように、キャリアヘッドの構成要素を改善する必要がある。
疎水性コーティングを有する化学機械研磨（ＣＭＰ）キャリアヘッド用の外部クランプリングと、それを有するキャリアヘッドとが本明細書に記載される。一実施形態では、円筒形外壁および円筒形内壁を有する円筒形本体を含む、外部クランプリングが提供される。疎水性層が円筒形外壁上に配置される。
別の実施形態では、円筒形外壁および円筒形内壁を有する細い円筒形帯を含む、化学機械研磨キャリアヘッド用の外部クランプリングが提供される。疎水性層が円筒形外壁上に配置される。この疎水性層は、シリコンベースのコーティング材料、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥもしくはテフロン（登録商標））ベースのコーティング材料、または炭素含有材料から製作される。
さらに別の実施形態では、本体、保持リング、可撓性膜および外部クランプリングを含む、キャリアヘッドが提供される。本体は、上面および下面を有する。本体はまた、本体の下面から延びる取り付けリングを有する。保持リングは本体に結合され、また可撓性膜に外接する。可撓性膜は、キャリアヘッド内に保持された基板と接触するように構成された外側を有する。外部クランプリングは、可撓性膜を取り付けリングに固定する。外部クランプリングは、間隔を隔てた関係で保持リングに対向する円筒形外壁を有する。円筒形外壁は、疎水性コーティングでコーティングされている。
本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付の図面は、本発明を概略的に示し、また上記の大まかな記述および下記の詳細な記述と共に、本発明の原理を説明する役割を果たす。
分かりやすくするために、図の間で共通である同じ要素を示すために、適用可能な場合には同じ参照数字が使用されている。一実施形態で開示された要素は、明示されていなくても他の実施形態で有利に利用できることが企図されている。
本明細書には化学機械研磨キャリアヘッドに使用するためのクランプリングが記載されており、このクランプリングは、スラリ粒子がクランプリングに付着および凝集することを実質的に低減または防止するように構成されている。クランプリングに付着するスラリ粒子が低減すると、凝集粒子が研磨パッドの上に落ちて基板傷の原因となることがあるクランプリング上でのスラリ粒子の凝集の可能性が著しく低減する。すなわち、本明細書に記載のクランプリングは、従来のクランプリングと比較して基板欠陥低減に大きく寄与する。
図１は、キャリアヘッド１５０を含む例示的な化学機械研磨（ＣＭＰ）システム１００の部分断面図であり、このキャリアヘッド１５０は、可撓性膜１４０をキャリアヘッド１５０に固定するために外部クランプリング１２０の一実施形態を利用する。可撓性膜１４０は、ＣＭＰシステム１００での基板１３５の処理中に、研磨パッド１７５の研磨面１８０と接触しているキャリアヘッド１５０内に保持された基板１３５（想像線で示す）を保持するために利用される。外部クランプリング１２０は、以下で図３を参照してさらに説明する疎水性コーティングを含み、これにより、キャリアヘッド１５０内のスラリ粒子の付着および凝集が著しく低減し、それによって、ＣＭＰシステム１００による研磨中に基板欠陥が発生する可能性が著しく低減する。
図１を引き続き参照すると、ＣＭＰシステム１００は概して、キャリアヘッド１５０を研磨パッド１７５の上に支持するアーム１７０を含む。キャリアヘッド１５０および研磨パッド１７５のうちの少なくとも一方または両方は、キャリアヘッド１５０内に保持された基板１３５と研磨パッド１７５の間の相対運動を与えるように動いて基板１３５が、研磨スラリ供給アーム１２２によって研磨パッド１７５の研磨面１８０に供給される研磨スラリの存在下で処理される。いくつかの実施形態では、キャリアヘッド１５０および研磨パッド１７５のうちの少なくとも一方または両方は、処理中にキャリアヘッド１５０が基板１３５を研磨面１８０に押し当てることによって回転させる。
図１に示された実施形態では、キャリアヘッド１５０は軸１０８によってアーム１７０に結合される。モータ、空気圧シリンダなどのアクチュエータ１０２は軸１０８に結合され、キャリアヘッド１５０をアーム１７０に対して研磨面１８０に平行な方向に振動させるように動作可能である。キャリアヘッド１５０はまた、キャリアヘッド１５０を研磨ヘッド１７５と相対的な方向に動かすための、モータ、空気圧シリンダなどのアクチュエータ１０４を含む。たとえば、アクチュエータ１０４を利用して、処理中に、キャリアヘッド１５０内に保持された基板１３５を研磨パッド１７５の研磨面１８０に押し当てることができる。キャリアヘッド１５０はまた、キャリアヘッド１５０を回転させるように動作可能である、モータなどの回転アクチュエータ１０６に結合することもできる。すなわち、アクチュエータ１０２、１０６を利用して、処理中に、研磨パッド１７５の研磨面１８０に対して基板１３５が相対的に動くようにキャリアヘッド１５０を動かすことができる。
キャリアヘッド１５０は、保持リング１６０が外接する本体１２５を含む。保持リング１６０は、キャリアヘッド１５０内に保持された基板１３５に外接し、それにより基板１３５は、研磨中にキャリアヘッド１５０の下から滑り出ることがない。保持リング１６０は、アクチュエータ１０２によって本体１２５に結合することができる。アクチュエータ１０２は、基板１３５によって研磨面１８０に作用する力とは別個に研磨パッド１７５の研磨面１８０に作用する力の量を制御するように動作させることができる。
本体１２５は概して、上面１２６および下面１２４を含む。上面１２６は、本体１２５を軸１０８に結合する。下面１２４は、外部クランプリング１２０によって可撓性膜１４０が固定される取り付けリング１２８を含む。取り付けリング１２８と可撓性膜１４０の間の接続部については、以下で図２を参照してさらに詳述する。
図１を引き続き参照すると、１つまたは複数のブラダー１１０、１１２が可撓性膜１４０と本体１２５の下面１２４との間に配置されている。２つ以上のブラダー１１０、１１２が利用される場合、ブラダー１１０などの１つまたは複数のブラダーは、他のブラダー（ブラダー１１２など）に外接すること、または可撓性膜１４０の裏側全体にわたって概して同心のゾーンを生成することができる。ブラダー１１０、１１２は、流体をブラダー１１０、１１２に選択的に供給して可撓性膜１４０に力を加える圧力源１４５に結合され、可撓性膜１４０はその力を基板１３５に伝達する。圧力源１４５は、同じまたは異なる圧力をブラダー１１０、１１２のそれぞれに加えることができる。一実施形態では、ブラダー１１０は１つの力を可撓性膜１４０の外側ゾーンに加えることができ、ブラダー１１２は力を可撓性膜１４０の中心ゾーンに加える。ブラダー１１０、１１２から可撓性膜１４０に加えられる力は基板１３５の各部分に伝えられ、この力を使用して、基板１３５が研磨パッド１７５の研磨面１８０に対して作用させるエッジから中心までの圧力プロファイルを制御することができる。さらに、真空をブラダー１１０、１１２または可撓性膜１４０の後ろに加えて基板１３５の裏側に吸引力をかけることができ、それによりキャリアヘッド１５０内に基板１３５を保持しやすくなる。本発明から利益が得られるように適合させることができるキャリヘッド１５０の例には、ＴＩＴＡＮ ＨＥＡＤ（登録商標）、ＴＩＴＡＮ ＣＯＮＴＯＵＲ（登録商標）、およびＴＩＴＡＮ ＰＲＯＦＩＬＥＲ（登録商標）キャリアヘッドが含まれ、これらは、他の製造者から入手可能なものも含めて、特にＳａｎｔａ Ｃｌａｒａ、ＣａｌｉｆｏｒｎｉａのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から入手可能である。
次に、取り付けリング１２８と可撓性膜１４０の間の接続部を描写する、図２に示されたキャリアヘッド１５０の一部分の拡大断面図を参照すると、可撓性膜１４０は全体として、円筒形壁２０４に接続された中心領域２０２を含む。可撓性膜１４０は、プロセス互換性のエラストマから製作することができる。
中心領域２０２は平坦な形の円板とすることができ、外側２０６および内側２０８を含む。外側２０６は、キャリアヘッド１５０内に保持されたときに基板１３５と全体的に接触し、内側２０８は、本体１２５の下面１２４に全体的に面し、１つまたは複数のブラダー１１０、１１２と接触する。
円筒形壁２０４は全体として、可撓性膜１４０の内側２０８から、外側２０６から遠ざかる方向に延びる。円筒形壁２０４は、キャリアヘッド１５０の取り付けリング１２８に被さるように寸法設定される。
円筒形壁２０４はまた、下リップ２１０および上リップ２１２を含むことができる。下リップ２１０および上リップ２１２は、円筒形壁２０４から径方向外側向きに延びる。下リップ２１０は、円筒形壁２０４と中心領域２０２の間の接続部に近い、円筒形壁２０４の近位端２１４に配置することができる。いくつかの実施形態では、下リップ２１０は中心領域２０２と同一平面にあり得る。上リップ２１２は、円筒形壁２０４の遠位端２１６に配置される。下リップ２１０と上リップ２１２の間の間隔は、クランプリング受けポケット２１８を形成する。
外部クランプリング１２０は概して、剛性処理互換性材料から製作される。一実施形態では、外部クランプリング１２０は、ステンレス鋼、チタン、アルミニウムなどの金属から製作される。外部クランプリング１２０は、円筒形内壁１３０および円筒形外壁１３２を有する。円筒形内壁１３０は概して、取り付けリング１２８の直径よりもわずかに大きく寸法設定される。外部クランプリング１２０の円筒形外壁１３２は、保持リング１６０の直径よりも小さい直径を有する。
外部クランプリング１２０は、可撓性膜１４０の円筒形壁２０４の上に外部クランプリング１２０を固定する力によって、可撓性膜１４０をキャリアヘッド１５０の本体１２５に固定し、可撓性膜１４０は取り付けリング１２８の上に配置される。外部クランプリング１２０は、外部クランプリング１２０に対して可撓性膜１４０の円筒形壁２０４を圧迫し、それによって可撓性膜１４０をキャリアヘッド１５０に固定する。外部クランプリング１２０は、全体として下リップ２１０の上を滑って、外部クランプリング１２０を可撓性膜１４０に対して位置付ける助けとなるクランプリング受けポケット２１８に入る。クランプリング受けポケット２１８に入ると、円筒形外壁１３２は、図１の拡大部分に示されるように、キャリアヘッド１５０内に配置されている、可撓性膜１４０と保持リング１６０の間に横方向に画定された空間１９０に露出する。空間１９０はキャリアヘッド１５０の外部に対し開いており、また研摩面１８０に露出しているので、研磨スラリは処理中に空間１９０に入ることができる。有利には、円筒形外壁１３２は、以下でさらに論じるように、空間１９０内の研磨スラリが外部クランプリング１２０の円筒形外壁１３２にこびりつくことを阻止するように構成され、それによって、処理中の基板１３５の潜在的な欠陥を除去するのに寄与する。
図３は、外部クランプリング１２０の断面図である。上述のように、外部クランプリング１２０は、外部クランプリング１２０の内径および外径を画定する円筒形内壁１３０および円筒形外壁１３２を含む。外部クランプリング１２０はまた、上部壁３０２および下部壁３０４を含む。上部壁３０２および下部壁３０４は互いに平行に、また外部クランプリング１２０の中心線３２０に垂直にすることができる。壁１３０、１３２、３０２、３０４は、長方形輪郭を画定するように配置することができる。一実施形態では、上部壁３０２と下部壁３０４の幅は、外部クランプリング１２０の輪郭が細い円筒形帯になるように、円筒形内壁１３０および円筒形外壁１３２の高さよりも短い。たとえば、壁３０２、３０４の幅は、円筒形内壁１３０および円筒形外壁１３２の高さの４分の１未満とすることができる。
一つまたは複数の実施形態では、少なくとも外部クランプリング１２０の円筒形外壁１３２は疎水性コーティング３１０で覆われる。任意選択で、他の壁１３０、３０２、３０４のうちの一つまたは複数もまた疎水性コーティング３１０で覆うことができる。円筒形外壁１３２上に配置された疎水性コーティング３１０は、外部クランプリング１２０に研磨スラリが付着することを阻止し、それによって、外部クランプリング１２０上のスラリ粒子凝集を防止することに、また最終的に基板欠陥を低減することに大きく寄与する。
上で論じたように、疎水性コーティング３１０は、任意選択で円筒形内壁１３０上に配置することができ、これは、外部クランプリング１２０を可撓性膜１４０の適所に被せる助けになる。疎水性コーティング３１０が円筒形内壁１３０上に存在すると、取り付けリング１２８との緊密な嵌合によって外部クランプリング１２０を設置することが可能になり、その結果、キャリアヘッド１５０の本体１２５に可撓性膜１４０を保持することの改善を最終的にもたらしながら、可撓性膜１４０がより強く圧迫されることになる。任意選択で、疎水性コーティング３１０を円筒形内壁１３０、上部壁３０２および下部壁３０４のうちの１つまたは複数から省いて、外部クランプリング１２０のコストを低減することができる。任意選択で疎水性コーティング３１０を上部壁３０２および下部壁３０４のうちの１つまたは複数から省くことは、外部クランプリング１２０をクランプリング受けポケット２１８の中に保持する助けになり得る。
疎水性コーティング３１０は、シリコンベースのコーティング、ＰＴＦＥベースのコーティング、または他の疎水性コーティング材料でよい。疎水性コーティング３１０として使用するのに適しているＰＴＦＥベースのコーティング材料には、特に、ペルフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）が含まれる。疎水性コーティング３１０は、ＰＴＦＥベースのコーティングでは、約５μｍから約２５μｍまでなど、約３０μｍ未満の厚さとすることができる。疎水性コーティング３１０として使用するのに適しているシリコンベースのコーティング材料には、特に、カルボキシランが含まれる。疎水性コーティング３１０は、シリコンベースのコーティング材料では、約０．４μｍから約１．６μｍまでなど、約２μｍ未満の厚さとすることができる。疎水性コーティング３１０として使用するのに適している炭素ベースのコーティング材料には、特に、フルオロカーボンが含まれる。疎水性コーティング３１０は、フルオロカーボンでは約１００ｎｍ未満の厚さとすることができる。
疎水性コーティング３１０として使用するのに適している他のコーティング材料には、パリレン（ポリパラキシレン）などの炭素含有材料、たとえば、パリレンＣ（塩素化直鎖ポリパラキシレン）、パリレンＮ（直鎖ポリパラキシレン）、およびパリレンＸ（架橋ポリパラキシレン）が含まれる。使用できる他の炭素含有材料には、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）およびダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）が含まれる。
疎水性コーティング３１０は、疎水性コーティング３１０を形成するために使用される印刷プロセス中などの、付加的な製造作業時に塗布することができる。あるいは、疎水性コーティング３１０は、吹き付け、浸漬、または他の適切な方法によって塗布することもできる。いくつかの実施形態では、円筒形外壁１３２上の疎水性コーティング３１０は、約３２マイクロインチ未満という算術平均の絶対値表面粗さ（Ｒａ）を有し得る。
いくつかの実施形態では、外部クランプリング１２０の円筒形外壁１３２は、約１６マイクロインチＲａ未満の表面粗さを有し得る。外部クランプリング１２０の円筒形外壁１３２の平滑な表面仕上げにより、疎水性コーティング３１０も非常に平滑になり、すなわち壁１３２の最終仕上がりよりも平滑になり、これは、外部クランプリング１２０に研磨スラリが付着することを阻止するのに寄与する。研磨スラリがキャリアヘッドの表面にこびりつく傾向が特にないいくつかの適用例では、円筒形外壁１３２の表面粗さが約１６マイクロインチＲａ以下である場合、疎水性コーティング３１０を任意選択で外部クランプリング１２０の円筒形外壁１３２から省くことができる。
外部クランプリング１２０の他の壁１３０、３０２、３０４は概して、約３２マイクロインチＲａ以上の表面仕上げを有する。特に、円筒形内壁１３０上の３２マイクロインチＲａ以上の表面仕上げは、可撓性膜１４０の円筒形壁２０４上の適所に外部クランプリング１２０を保持する助けになる。必要がない場合に３２マイクロインチＲａ以上の表面仕上げを使用すると、概して、外部クランプリング１２０にスラリ粒子が付着することを依然として防止しながら、外部クランプリング１２０のコストを低減することが可能になる。
以上で、スラリ粒子が外部クランプリングの円筒形外壁に付着および凝集することを実質的に低減または防止する外部クランプリングが説明された。クランプリングに付着するスラリ粒子が低減すると、凝集粒子が研磨パッドの上に落ちて基板傷の原因となることがあるクランプリング上でのスラリ粒子の凝集の可能性が著しく低減する。すなわち、本明細書に記載のクランプリングは、従来のクランプリングと比較して基板欠陥低減に大きく寄与する。
Claims (19)
- 化学機械研磨キャリアヘッド用の外部クランプリングであって、
上面、下面、円筒形外壁および円筒形内壁を有する円筒形本体と、
前記本体の前記円筒形外壁および前記円筒形内壁上に配置された疎水性層と
を備え、
前記上面および前記下面には前記疎水性層は配置されていない、外部クランプリング。 - 前記疎水性層が、約４００ｎｍから約１００ｎｍの間の厚さを有する、請求項１に記載の外部クランプリング。
- 前記上面および前記下面は、前記円筒形内壁および前記円筒形外壁の高さよりも短い幅を有する、請求項１に記載の外部クランプリング。
- 前記上面および前記下面の前記幅が前記円筒形内壁および前記円筒形外壁の前記高さの４分の１未満であってよい、請求項３に記載の外部クランプリング。
- 前記外部クランプリングの輪郭が細い円筒形帯である、請求項１に記載の外部クランプリング。
- 前記円筒形外壁上の前記疎水性層が、
約１６マイクロインチＲａ以下の表面粗さを備える、請求項１に記載の外部クランプリング。 - 前記円筒形外壁が、
約１６マイクロインチＲａ以下の表面粗さを備える、請求項１に記載の外部クランプリング。 - 前記円筒形内壁が、
約１６マイクロインチＲａ以下の表面粗さを備える、請求項７に記載の外部クランプリング。 - 前記疎水性層が、
シリコンベースのコーティング材料、または炭素含有材料を含む、請求項１に記載の外部クランプリング。 - 前記疎水性層が、
カルボキシランから成るシリコンベースのコーティング材料を含む、請求項１に記載の外部クランプリング。 - 前記疎水性層が、
ペルフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）から成る群から選択されたＰＴＦＥベースのコーティング材料を含む、請求項１に記載の外部クランプリング。 - 前記疎水性層が、
パリレン（ポリパラキシレン）、パリレンＣ（塩素化直鎖ポリパラキシレン）、パリレンＮ（直鎖ポリパラキシレン）、パリレンＸ（架橋ポリパラキシレン）、ポリエーテルエーテルケトン、およびダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）から成る群から選択された炭素含有材料を含む、請求項１に記載の外部クランプリング。 - 化学機械研磨キャリアヘッド用の外部クランプリングであって、
上壁、下壁、円筒形外壁および円筒形内壁を有する細い円筒形帯と、
前記上壁でも前記下壁でもない前記円筒形外壁および前記円筒形内壁上に配置された疎水性層とを備え、前記疎水性層が、シリコンベースのコーティング材料を含み、
前記上壁および前記下壁には前記疎水性層は配置されていない、外部クランプリング。 - 前記疎水性層が約４００ｎｍから約１００ｎｍまでの厚さを有する、請求項１または請求項１３に記載の外部クランプリング。
- 前記円筒形外壁上の前記疎水性層が、
約１６マイクロインチＲａ未満の表面粗さを備える、請求項１３に記載の外部クランプリング。 - 前記円筒形外壁が、
約１６マイクロインチＲａ以下の表面粗さを備える、請求項１３に記載の外部クランプリング。 - 前記円筒形内壁上の前記疎水性層が、
約３２マイクロインチＲａ以下の表面粗さを備える、請求項１６に記載の外部クランプリング。 - 前記疎水性層が、
カルボキシラン、パリレン（ポリパラキシレン）、パリレンＣ（塩素化直鎖ポリパラキシレン）、パリレンＮ（直鎖ポリパラキシレン）、パリレンＸ（架橋ポリパラキシレン）、ポリエーテルエーテルケトン、およびダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）から成る群から選択されたコーティング材料を含む、請求項１３に記載の外部クランプリング。 - キャリアヘッドであって、
上面および下面を有する本体であって、前記本体の前記下面が、そこから延びる取り付けリングを有する、本体と、
前記本体に結合された保持リングと、
前記保持リングの内側に配置され、前記保持リングが外接する可撓性膜であって、前記キャリアヘッド内に保持された基板と接触するように構成された外側を有する可撓性膜と、
前記可撓性膜を前記取り付けリングに固定する外部クランプリングであって、上壁、下壁、円筒形内壁、および、間隔を隔てた関係で前記保持リングに対向する円筒形外壁を有し、前記円筒形内壁および前記円筒形外壁が、疎水性コーティングでコーティングされ、前記上壁および前記下壁が疎水性コーティングでコーティングされていない、外部クランプリングと
を備える、キャリアヘッド。
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