JP6979030B2 - 化学機械研磨のためのテクスチャード加工された小型パッド - Google Patents

化学機械研磨のためのテクスチャード加工された小型パッド Download PDF

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Description

本開示は、化学機械研磨（ＣＭＰ）に関する。
集積回路は通常、シリコンウェハに導電層、半導電層、または絶縁層を連続的に堆積させることによって基板上に形成される。１つの製造ステップは、非平坦面上に充填層を堆積し、充填層を平坦化することを含む。ある応用例では、充填層は、パターン層の上面が露出するまで平坦化される。例えば、導電性充填層がパターニング済み絶縁層上に堆積され、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、高くなった絶縁層のパターン間に残っている金属層の部分が、基板上の薄膜回路間の導電経路になるビア、プラグ、およびラインを形成する。酸化物研磨などの他の用途では、非平面の表面上に既定の厚さが残るまで、充填層が平坦化される。加えて、フォトリソグラフィのためには、基板表面の平坦化が通常必要とされる。
化学機械研磨（ＣＭＰ）は、認められた平坦化方法の１つである。この平坦化方法では通常、基板がキャリアまたは研磨ヘッドに取り付けられる必要がある。基板は通常、露出面が回転研磨パッドに当たるようにして置かれる。キャリアヘッドが、基板に制御可能な荷重をかけ、基板を研磨パッドに押し付ける。通常、研磨用の研磨スラリが、研磨パッドの表面に供給される。
本開示は、研磨される基板よりも小さいテクスチャード加工された研磨パッドを提供する。
一態様では、化学機械研磨システムは研磨処理中に基板を保持するように構成された基板支持体を含み、研磨パッドアセンブリは膜及び研磨面を有する研磨パッド部分、研磨パッドアセンブリを保持し、研磨面を基板に対して研磨面を押圧する研磨パッドキャリア、並びに、基板支持体と研磨パッドキャリアとの間の相対運動を引き起こすように構成された駆動システムを含む。研磨パッド部分は、膜の、研磨面に向かい合う側に接合されている。研磨面は、基板の直径の少なくとも４分の１より小さい研磨面に平行な幅を有する。研磨パッド部分の外面は、少なくとも１つの凹部と、研磨面を提供する上面を有する少なくとも１つの平坦凸部を含む。研磨面は、少なくとも１つの凹部の側壁と少なくとも１つの平坦凸部の上面との交差によって画定される複数のエッジを有する。
実装は一又は複数の下記の特徴を含みうる。
少なくとも１つの凹部は、第１の複数の平行な溝を含みうる。少なくとも１つの凹部は、第１の複数の溝に垂直な第２の複数の平行な溝を含みうる。第１の複数の平行な溝は厳密には２〜６本の溝であり、第２の複数の溝も同じ数の溝になりうる。
膜と研磨パッド部分は一体であってよく、或いは、研磨パッド部分は接着剤によって膜に固定されてもよい。膜は可撓性の小さい第２の部分によって囲まれた第１の部分を含んでもよく、研磨パッド部分は第１の部分に接合されてもよい。
別の態様では、研磨パッドアセンブリは、研磨処理中に基板に接触する研磨面を有する、円形の膜及び円形の研磨パッド部分を含む。研磨パッド部分は、膜の直径の少なくとも５分の１より小さい直径を有する。研磨パッド部分は、円形の膜の中心の周囲に配置されうる。研磨パッド部分の上面は、一又は複数の凹部と、研磨面を提供する上面を有する一又は複数の平坦凸部とを含みうる。研磨面は、一又は複数の凹部の側壁と一又は複数の平坦凸部の上面との交差によって画定される複数のエッジを有しうる。
実装は、一又は複数の下記の特徴を含みうる。
一又は複数の凹部は、第１の複数の平行な溝を含みうる。一又は複数の凹部は、第１の複数の溝に垂直な第２の複数の平行な溝を含みうる。第１の複数の平行な溝は厳密には２〜６本の溝であり、第２の複数の溝も同じ数の溝になりうる。
一又は複数の凹部は、研磨パッド部分の円周から径方向内向きに延在する複数の凹部を含みうる。一又は複数の凹部は、複数の同心円状の環状溝を含みうる。一又は複数の平坦凸部は、複数の分離された突起を含みうる。突起は円形であってよい。突起は間隙によって分離されてよく、平坦凸部の研磨パッド面に平行な方向の幅は、隣接する平坦凸部間の間隙の幅の約１〜５倍になっている。一又は複数の平坦凸部は、相互接続された矩形のグリッドを含みうる。
膜と研磨パッド部分は一体であってよく、或いは、研磨パッド部分は接着剤によって膜に固定されてもよい。
別の態様では、研磨パッドアセンブリは、研磨処理中に基板に接触する研磨面を有する、膜及び凸状多角形研磨パッド部分を含む。研磨パッド部分は、膜の幅の少なくとも５分の１より小さい幅を有する。研磨パッド部分は、円形の膜の中心の周囲に配置される。研磨パッド部分の上面は、一又は複数の凹部と、研磨面を提供する上面を有する一又は複数の平坦凸部とを含む。研磨面は、一又は複数の凹部の側壁と一又は複数の平坦凸部の上面との交差によって画定される複数のエッジを有する。
利点には、オプションにより、以下の一又は複数（限定するものではないが）が含まれうる。
非同心円状の研磨均一性を補正するために、例えば軌道運動をする小型パッドを使用してもよい。軌道運動は、研磨が望ましくない領域にパッドが重なることを避けながら、許容可能な研磨速度をもたらすことができ、これにより基板の均一性を改善する。これに加えて、回転とは異なり、軌道運動は、基板に対する研磨パッドの固定配向を維持し、研磨領域にわたってより均一な研磨速度をもたらすことができる。
パッドのテクスチャリングは、研磨速度の上昇をもたらしうる。
本発明のその他の態様、特徴、及び利点は、説明及び図面から、並びに特許請求の範囲から明らかになるであろう。
研磨システムの概略断面側面図である。 基板上の研磨パッドのローディング領域の概略上面図である。 研磨パッドアセンブリの概略断面図である。 研磨パッドアセンブリの概略断面図である。 研磨パッドアセンブリの概略断面図である。 研磨パッドアセンブリの概略断面図である。 研磨パッドアセンブリの概略断面図である。 研磨パッドアセンブリの研磨面の概略底面図である。 研磨パッドアセンブリの概略底面図である。 研磨パッドアセンブリの研磨パッド部分の概略底面図である。 研磨パッドアセンブリの研磨パッド部分の概略斜視図である。 研磨パッドアセンブリの研磨パッド部分の概略斜視図である。 研磨パッドアセンブリの研磨パッド部分の概略斜視図である。 研磨パッドアセンブリの研磨パッド部分の概略斜視図である。 研磨パッドアセンブリの研磨パッド部分の概略斜視図である。 研磨パッドアセンブリの研磨パッド部分の概略斜視図である。 研磨パッドキャリアの概略断面図である。 固定された角度配向を維持しながら軌道を描いて動く研磨パッドを例示する概略断面上面図である。 研磨システムの研磨パッドキャリア及び駆動トレインシステムの概略断面側面図である。
様々な図面における類似の参照符号は、類似の要素を表している。
１．序論
一部の化学機械研磨処理では、基板の表面にわたって不均一な厚さが生じる。例えば、バルク研磨処理では、基板上で研磨不足の領域が生じる場合がある。この問題に対処するため、バルク研磨の後に研磨不足の基板の部分に焦点を当てる「タッチアップ」研磨処理を実行することが可能である。
一部のバルク研磨処理では、局所化された非同心円状の、不均一な研磨不足のスポットが生じる。基板の中心の周りを回転する研磨パッドは、不均一な同心円状のリングを補正することができるかもしれないが、局所化された非同心円状且つ不均一なスポットに対処することはできないかもしれない。非同心円状の研磨均一性を補正するためには、軌道運動をする小型パッドを使用してもよい。
図１を参照すると、基板の局所領域を研磨するための研磨装置１００は、基板１０を保持するための基板支持体１０５、及び研磨パッド部分２００を保持するための可動研磨パッドキャリア３００を含む。研磨パッド部分２００は、研磨されている基板１０の半径より小さい直径を有する研磨面２２０を含む。例えば、研磨パッド部分２００の直径は、基板１０の直径の少なくとも２分の１、例えば、少なくとも４分の１、例えば、少なくとも１０分の１、例えば、少なくとも２０分の１より小さくなりうる。
研磨パッドキャリア３００は、研磨駆動システム５００から吊り下げられる。研磨駆動システム５００は、研磨処理中に基板１０に対する研磨パッドキャリア３００の運動をもたらす。研磨駆動システム５００は、支持構造体５５０から吊り下げられてもよい。
幾つかの実装形態では、位置決め駆動システム５６０が、基板支持体１０５及び／又は研磨パッドキャリア３００に接続される。例えば、研磨駆動システム５００は、位置決め駆動システム５６０と研磨パッドキャリア３００との間の接続をもたらすことができる。位置決め駆動システム５６０は、パッドキャリア３００を、基板支持体１０５の上の所望の横方向位置に配置するように動作可能である。
例えば、支持構造体５５０は、２つのリニアアクチュエータ５６２及び５６４を含みうる。この２つのリニアアクチュエータ５６２及び５６４は、位置決め駆動システム５６０を設けるため、基板支持体１０５の上で垂直方向に配向されている。代替的に、基板支持体１０５は、２つのリニアアクチュエータによって支持されうる。代替的に、基板支持体１０５は１つのリニアアクチュエータによって支持され、研磨パッドキャリア３００は他のリニアアクチュエータによって支持されうる。代替的に、基板支持体１０５は回転可能であって、研磨パッドキャリア３００は径方向に沿って運動をもたらす単一のリニアアクチュエータから吊り下げられうる。代替的に、研磨パッドキャリア３００を回転式アクチュエータから吊り下げてもよく、基板支持体１０５は、回転式アクチュエータにより回転可能でありうる。代替的に、支持構造体５５０は、基板１０５の側面から離れて配置されたベースに枢動可能に取り付けられたアームであってよく、基板支持体１０５はリニアアクチュエータ又は回転式アクチュエータによって支持されうる。
オプションにより、垂直アクチュエータは、基板支持体１０５及び／又は研磨パッドキャリア３００に接続されうる。例えば、基板支持体１０５は、基板支持体１０５を昇降させることができる垂直駆動可能ピストン５０６に接続可能である。代替的に、または追加的に、研磨パッドキャリア３００全体を上げ下げするため、垂直駆動可能ピストンは位置決めシステム５００内に含まれうる。
研磨装置１００はオプションにより、研磨スラリなどの研磨液６２を保持するリザーバ６０を含む。以下で説明するように、幾つかの実装では、スラリは研磨パッドキャリア３００を介して、研磨される基板１０の表面１２の上に供給される。導管６４、例えば可撓性チューブは、研磨流体をリザーバ６０から研磨パッドキャリア３００まで移送するために使用することができる。代替的に、又は追加的に、研磨装置は、研磨液を供給するための分離されたポート６０を含みうる。研磨装置１００は、研磨パッド２００を一定した研磨状態に維持するために、研磨パッド２００を磨く研磨パッドコンディショナーをさらに含みうる。リザーバ６０は、導管６４を経由して、研磨液を制御可能な速度で供給するポンプを含みうる。
研磨装置１００は、洗浄流体の供給源７０、例えば、リザーバ又は供給ラインを含むことができる。洗浄流体は脱イオン水になりうる。導管７２、例えば可撓性チューブは、研磨流体をリザーバ７０から研磨パッドキャリア３００まで移送するために使用することができる。
研磨装置１００は、研磨パッドキャリア３００の内部に制御可能な圧力を印可する、制御可能な圧力源８０、例えばポンプを含む。圧力源８０は、可撓性チューブなどの導管８２によって研磨パッドキャリア３００に接続可能である。
リザーバ６０、洗浄流体源７０及び制御可能な圧力源８０の各々は、支持構造体５５５、又は研磨装置１００の様々な構成要素を保持する個別のフレームの上に装着可能である。
処理中、基板１０は、例えばロボットによって、基板支持体１０５の上に装填される。幾つかの実装では、位置決め駆動システム５６０は、基板１０が装填されるとき、研磨パッドキャリア５００が基板支持体１０５の直上にならないように、研磨パッドキャリア５００を移動する。例えば、支持構造体５５０が枢動可能なアームである場合、そのアームは、基板ローディング中に、研磨パッドキャリア３００が基板支持体１０５の側面から離れるように回転可能である。
次に、位置決め駆動システム５６０は、基板１０の上の所望の位置に研磨パッドキャリア３００と研磨パッド２００を配置する。研磨パッド２００は基板１０に接触させられる。例えば、研磨パッドキャリア３００は、研磨パッド２００を動かして基板１０の上に研磨パッド２００を押圧することができる。代替的に、又は追加的に、一又は複数の垂直アクチュエータは、研磨パッドキャリア３００全体を下げて、及び／又は基板支持体を持ち上げて、基板１０に接触させることが可能になりうる。研磨駆動システム５００は、研磨パッドキャリア３００と基板支持体１０５との間の相対運動を生み出し、基板１０の研磨を引き起す。
研磨処理中、位置決め駆動システム５６０は、研磨駆動システム５００及び基板１０を、互いに対して実質的に固定されるように保持しうる。例えば、位置決めシステムは、研磨駆動システム５００を基板１０に対して静止するように保持することができ、又は、研磨駆動システム５００を研磨される領域にわたって（研磨駆動システム５００が基板１０にもたらす運動に比べて）ゆっくりとスイープさせることができる。例えば、位置決め駆動システム５６０によって基板にもたらされる瞬間速度は、研磨駆動システム５００によって基板１０にもたらされる瞬間速度の５％未満、例えば、２％未満であってよい。
研磨システムはまた、コントローラ９０、例えば、プログラム可能なコンピュータを含む。コントローラは、中央処理装置９１、メモリ９２、及び支援回路９３を含みうる。コントローラ９０の中央処理装置９１は、支援回路９３を介してメモリ９２から読み込まれた命令を実行し、コントローラが、環境及び所望の研磨パラメータに基づく入力値を受信し、様々なアクチュエータ及び駆動システムを制御することを可能にする。
２．基板支持体
図１を参照すると、基板支持体１０５は、研磨パッドキャリア３００の下方に配置されたプレート形状本体である。本体の上面１２８は、処理される基板を収容するのに十分に大きいローディング領域を提供する。例えば、基板は、直径２００〜４５０ｍｍの基板であってよい。基板支持体１０５の上面１２８は、基板１０の背面（すなわち、研磨されていない表面）に接触し、その位置を保つ。
基板支持体１０５は、基板１０とほぼ同じ半径を有するか、又はそれより大きな半径を有する。幾つかの実装では、基板支持体１０５は、例えば、基板直径の１〜２％ほど、基板よりもわずかに小さい。この場合、支持体１０５の上に置かれたとき、基板１０のエッジは、支持体１０５のエッジよりわずかに突出する。これにより、エッジグリップロボットが支持体の上に基板を置くためのクリアランスを設けることができる。幾つかの実装では、基板支持体１０５は、例えば、基板直径の１〜２％ほど、基板よりもわずかに大きい。いずれの場合においても、基板支持体１０５は、基板の背面の主要面に接触することができる。
幾つかの実装では、基板支持体１０５は、クランプアセンブリ１１１を用いて、研磨処理中の基板１０の位置を維持する。例えば、クランプアセンブリ１１１は、基板支持体１０５が基板１０よりも幅広いときに存在しうる。幾つかの実装では、クランプアセンブリ１１１は、基板１０の上面のリムに接触する単一の環状クランプリング１１２であってもよい。代替的に、クランプアセンブリ１１１は、基板１０の両側で上面のリムに接触する２つの円弧状のクランプ１１２を含みうる。クランプアセンブリ１１１のクランプ１１２は、一又は複数のアクチュエータ１１３によって、基板のリムと接触するように下降されうる。クランプの下向きの力によって、基板は、研磨処理中に横方向に動かないように拘束される。幾つかの実装では、一又は複数のクランプは、基板の外側エッジを囲むような下方に突出するフランジ１１４を含む。
代替的に、又は追加的に、基板支持体１０５は真空チャックである。この場合、基板１０に接触する支持体１０５の上面１２８は、支持体１０５の一又は複数の通路によって、ポンプなどの真空源１２６に接続された複数のポート１２２を含む。操作中には、真空源１２６によって、通路１２６から空気を排気することができ、したがって、基板１０を基板支持体１０５上で所定位置に保持するためにポート１２２を通して吸引力が作用する。基板支持体１０５が基板１０より幅が広くても狭くても、真空チャックは存在しうる。
幾つかの実装では、基板支持体１０５は、研磨中に基板１０の周囲を取り囲むリテーナを含む。上述の様々な基板支持体の特徴は、オプションにより互いと組み合わせることができる。例えば、基板支持体は、真空チャック及びリテーナの両方を含んでもよい。
３．研磨パッド
図１及び図２を参照すると、研磨パッド部分２００は、研磨中に接触領域（ローディング領域とも呼ばれる）で基板１０と接触する研磨面２２０を有する。研磨面２２０は、基板１０の半径より小さな、最大側面寸法Ｄを有してもよい。例えば、研磨パッドの最大側面寸法は、基板の直径の約５〜１０％であってもよい。例えば、直径が２００ｍｍ〜３００ｍｍの範囲にあるウエハに関しては、研磨パッド表面２２０は、２〜３０ｍｍ、例えば３〜１０ｍｍ、例えば３〜５ｍｍの最大横寸法を有しうる。より小型のパッドは、より高い精度をもたらすが、使用する速度がより遅くなる。
横断面形状、すなわち、研磨パッド部分２００（及び研磨面２２０）の研磨面２２０に平行な断面は、円、正方形、楕円、又は円弧など、ほぼ任意の形状になりうる。
図１及び図３Ａ〜図３Ｄを参照すると、研磨パッドアセンブリ２４０を提供するため、研磨パッド部分２００は膜（メンブレン）２５０に結合される。以下で説明するように、膜２５０のエッジ２５４が垂直に固定されている間に、研磨パッド部分２００が接合される膜２５０の中心領域２５２が垂直に撓むことができるように、膜２５０は可撓性を有するように構成されている。
膜２５０は、研磨パッド部分２００の最大横寸法よりも大きい横寸法を有する。膜２５０は研磨パッド部分２００よりも薄くなりうる。研磨パッド部分２００の側壁２０２は、膜２５０に対して実質的に垂直に延在しうる。
幾つかの実装では、例えば図３Ａに示したように、研磨パッド部分２００の上部は、接着剤２６０によって膜２５０の底部に固定される。接着剤はエポキシ樹脂、例えばＵＶ硬化性エポキシ樹脂であってよい。この場合、研磨パッド部分２００及び膜２５０は別々に製造され、次に接合されてもよい。
幾つかの実装では、例えば図３Ｂに示したように、膜２５０及び研磨パッド部分２００を含む研磨パッドアセンブリは、均質な組成からなる１つの一体物である。例えば、研磨パッドアセンブリ２５０全体は、補完形状を有するモールドの中への射出成形によって形成されうる。代替的に、研磨パッドアセンブリ２４０はブロックで形成され、次に膜２５０に対応するセクションになるように薄く機械加工されうる。
研磨パッド部分２００は、化学機械研磨中に基板に接触するのに適した材料になりうる。例えば、研磨パッド材料は、ＩＣ−１０００材料などの微細孔ポリウレタンを含みうる。
膜２５０と研磨パッド部分２００が別々に形成される場合、膜２５０は研磨パッド材料よりも柔らかくなりうる。例えば、膜２５０は約６０〜７０ショアＤの硬度を有しうるのに対して、研磨パッド部分２００は約８０〜８５ショアＤの硬度を有しうる。
代替的に、膜２５０は研磨パッド部分２００より可撓性が高いが、圧縮性はより低い。例えば、膜はポリエチレンテレフタレ-ト（ＰＥＴ）などの可撓性ポリマーになりうる。
膜２５０は研磨パッド部分２００とは異なる材料で形成されてよく、或いは、基本的に同一材料から形成されてもよいが、架橋結合又は重合の程度は異なる。例えば、膜２５０と研磨パッド部分２００は共にポリウレタンであってもよいが、膜２５０は研磨パッド部分２００より柔らかくなるように硬化の程度は低くなりうる。
幾つかの実装では、図３Ｃに示したように、研磨パッド部分２００は、組成の異なる２つ以上の層、例えば、研磨面２２０を有する研磨層２１０、及び膜２５０と研磨層２１０との間のより圧縮性の高いバッキング層２１２を含みうる。オプションにより、中間の接着剤層２６、例えば感圧接着剤層は、研磨層２１０をバッキング層２１２に固定するために使用されうる。
組成の異なる複数の層を有する研磨パッド部分もまた、図３Ｂに示した実装に適用可能である。この場合、膜２５０とバッキング層２１２は、均質な組成からなる１つの一体物になりうる。したがって、膜２５０はバッキング層２１２の一部である。
幾つかの実装では、図３Ｄに示したように（図３Ｂ及び図３Ｃに示した実装にも適用可能であるが）、研磨パッド部分２００の底面は、研磨処理中にスラリの移送を可能にする凹部２２４を含みうる。凹部２２４は、研磨パッド部分２００の深さより浅く（例えば、研磨層２１０よりも浅く）なりうる。
幾つかの実装では、図３Ｅに示したように（図３Ｂ〜図３Ｅに示した実装にも適用可能であるが）、膜２５０は中央セクション２５２の周囲に薄くなったセクション２５６を含む。薄くなったセクション２５６は、周囲の部分２５８よりも薄い。これは膜２００の可撓性を増し、加圧下でより大きな垂直の撓みを可能にする。
膜２５０の外周２５４は、研磨パッドキャリア３００に対する密閉を改善するため、厚くなったリム又はその他の特徴を含みうる。
研磨面２２０の横方向断面形状に関しては、様々な形状寸法が可能である。図４Ａを参照すると、研磨パッド部分２００の研磨面２２０は、円形領域になりうる。
図１を参照すると、膜２５０の最大横寸法は基板支持体１０５の最小横寸法よりも小さい。同様に、膜２５０の最大横寸法は基板１０の最小横寸法よりも小さい。
図４Ｂを参照すると、膜２５０は、研磨パッド部分２００のすべての側面で、研磨パッド部分２００の外側壁２０２を越えて延在する。研磨パッド部分２００は、膜２５０の２つの最も近いエッジから等距離になりうる。研磨パッド部分２００は、膜２５０の中心に配置されうる。
膜２５０の最小横寸法は、研磨パッド部分の対応する横寸法よりも約５倍から５０倍大きくなりうる。膜２５０の最小（横方向）円周寸法は、約２６０ｍｍ〜３００ｍｍになりうる。一般的に、膜２５０のサイズは可撓性に依存しており、そのサイズは、膜の中心が所望の圧力で所望の量の垂直撓みを受けるように選択することができる。研磨パッド部分２００は約５〜２０ｍｍの直径を有しうる。膜２５０は、研磨パッド部分２００の直径の約４倍から２０倍の直径を有しうる。
パッド部分２００は、約０．５〜７ｍｍの厚み、例えば、約２ｍｍの厚みを有しうる。膜２５０は、約０．１２５〜１．５ｍｍの厚み、例えば、約０．５ｍｍの厚みを有しうる。
膜２５０の外周２５９は、研磨パッド部分の外周をほぼ再現しうる。例えば、図４Ｂに示したように、研磨パッド部分２００が円形の場合、膜２５０も同様に円形になりうる。しかしながら、膜２５０の外周２５９は、尖った角を含まないように滑らかに湾曲されうる。例えば、研磨パッド部分２００が正方形の場合、膜２５０は丸くなった四隅を有する正方形、すなわち角丸正方形（ｓｑｕｉｒｃｌｅ）になる。
図５Ａ〜図５Ｆを参照すると、研磨パッド部分２００の研磨面２２０はテクスチャード加工されてもよく、例えば、凹部２２４を含む。幾つかの実装では、凹部２２４は研磨速度を上げることができる。任意の特定の理論に限定されるものではないが、小型の研磨パッドで研磨する場合、研磨速度は「エッジ」、すなわち、凹部の垂直側面と結果的に生ずる平坦凸部の水平面との交差部分の数によって影響されうる。溝は大きめのパッド（すなわち、基板よりも大きいパッド）で使用されうるが、小型パッドの距離のスケールでは、スラリ分散はさほど問題にならないとみなされうる。例えば、研磨パッドの粗面は、小型パッドの距離のスケールではスラリを十分に分散させうるため、スラリ分散に溝が必要になることはない。
図５Ａを参照すると、幾つかの実装では、凹部２２４は、研磨面を別々の平坦凸部２３０に分割する複数の溝によってもたらされる。例えば、溝は、第１の複数の平行な溝２４０と、第１の複数の溝に垂直な第２の複数の平行な溝２４２を含みうる。したがって、溝は相互接続された矩形のグリッド、例えば、個々に分離された矩形の平坦凸部２２４（研磨パッド部分のエッジ２０２によって切り落とされた平坦凸部を除く）を有する正方形のグリッドを形成する。わずか数本の溝であってもよく、例えば、第１の複数の溝に関しては２〜６本の溝で、同様に第２の複数の溝に関しても２〜６本の溝であってもよい。溝のピッチに対する溝の幅の比率は（研磨パッド表面２２０に平行な方向で）約１：２．５から１：４になりうる。溝２４０、２４２は約０．４〜２ｍｍ幅、例えば、約０．８ｍｍの幅で、約２〜６ｍｍ、例えば約２．５ｍｍのピッチを有しうる。
図５Ｂを参照すると、幾つかの実装では、凹部２２４は、研磨パッド部分２００の円周Ｐから径方向内向きに延在する。凹部２２４は、円周Ｐから中心Ｃまで部分的にのみ、例えば、パッド半径の２０〜８０％だけ延在しうる。その結果得られる研磨パッド面２２０は、凹部のない中心領域２３４と、中心領域２３４から外向きに延在する複数のパーティション２３６とを含む単一の平坦凸部２３２を含む。中心領域２３４は円形であってもよい。研磨パッド部分２００は、径方向に延在するパーティション２３６を６個〜３０個含みうる。凹部２２４は、パーティション２３６が径方向の長さに沿ってほぼ一様な幅を有しうるように、構成されうる。パーティション２３６の端部は円周Ｐで丸められうる。
図５Ｃを参照すると、幾つかの実装では、凹部２２４は同心円状の溝である。結果として得られる研磨パッド面２２０は、複数の同心円状の溝２３２によって形成される。平坦凸部２３２は、研磨パッド部分２００の半径に沿って、一様に離間されうる。３個から２０個の平坦凸部２３２が存在しうる。円形平坦凸部２３２の幅は約１〜５ｍｍで、凹部２２４の幅は約０．５〜３ｍｍになりうる。
図５Ｄを参照すると、幾つかの実装では、研磨面２２０は研磨パッド部分２００の下方部分からの複数の分離された突起２３２によってもたらされ、凹部２２４は突起２３２の間に間隙をもたらす。各突起は、他の任意の平坦凸部によって囲まれていない、それ自体の平坦凸部をもたらす。個々の突起は円形であってよい。突起２３２は、研磨パッド部分２００全体に一様に広がりうる。突起２３２の（研磨パッド面２２０に平行な方向の）幅は、隣接する突起２３２間の間隙の幅の約１〜２倍の大きさになりうる。突起２３２は約０．５〜５ｍｍの幅になりうる。隣接する突起２３２間の間隙の幅は約０．５〜３ｍｍになりうる。
オプションにより、中心領域２３０は、一又は複数の付加的な凹部、例えば、環状平坦凸部２３６を画定する円形凹部を含みうる。代替的に、中心領域２３０は凹部なしで形成されうる。代替的に、中心領域２３４は、研磨パッド部分の残りの部分と同じ突起パターンを有しうる。
図５Ｅを参照すると、幾つかの実装では、凹部２２４は研磨パッド部分２００の円周Ｐから径方向内向きに延在する。凹部２２４は、円周Ｐから中心Ｃまで部分的にのみ、例えば、パッド半径の２０〜８０％だけ延在しうる。凹部２２４は、その径方向の長さに沿って一様な幅を有しうる。結果として得られる研磨パッド面２２０は、凹部のない中心領域２３４を含む一又は複数の平坦凸部２３２と、中心領域２３４から外に向かって延在する複数のパーティション２３６（隣接する凹部間の領域）を含む。特に、結果として得られるパーティション２３６は一般的に三角形である。
凹部２２４は、正確に径方向に延在する必要はない。例えば、凹部２２４は、中心Ｃと円周Ｐの凹部の端部とを通る径方向のセグメントから、約１０°〜３０°の角度Ａだけオフセットされうる。研磨パッド部分２００は、径方向に延在するパーティション２３６を６個〜３０個含みうる。中心領域２３４は、一又は複数の付加的な凹部、例えば、環状溝２３８を含みうる。代替的に、中心領域２３４は凹部なしで形成さえうる。
図５Ｆを参照すると、幾つかの実装では、研磨面を別々の平坦凸部に分割する溝の代わりに、平坦凸部２３２は研磨面を別々の凹部に分離する。例えば、平坦凸部は第１の複数の平行な壁２４６と、第２の複数の平行な壁２４８を含みうる。第２の複数の壁は第１の複数の壁に対して垂直になりうる。例えば、平坦凸部２３２の壁２４６、２４８は、相互接続された矩形のグリッド、例えば、個々に分離された矩形の凹部２２４を含む正方形のグリッドを形成することができる。この構成は「ワッフル」パターンと称されることがある。平坦凸部２３２の壁２４６、２４８は、研磨パッド部分２００を横切って一様に離間することができる。壁２４６、２４８は（研磨パッド面２２０に平行な方向に）約０．５〜５ｍｍの幅であってよく、壁の間の凹部の幅は約０．３〜４ｍｍになりうる。
付加的なパーティション２４９は、研磨パッド部分２００の円周Ｐに形成されうる。このパーティション２４９は、いずれの凹部２２４も研磨パッド部分２００の側壁まで延在しないことを保証するため、壁２４６、２４８の残りの部分を取り囲む。研磨パッド部分２００が円形であると仮定すると、パーティション２４９も同様に円形となる。
図５Ｇを参照すると、幾つかの実装では、研磨面２２０は、研磨パッド部分２００の下方部分からの複数の分離された突起２３２によって提供される。突起２３２は平坦凸部を提供する。凹部２２４は、突起２３２の間に間隙をもたらす。個々の突起は円形であってよい。突起２３２は、研磨パッド部分２００全体に一様に広がりうる。突起２３２の（研磨パッド面２２０に平行な方向の）幅Ｗは、隣接する突起２３２間の間隙の幅Ｇの約２〜１０倍の大きさになりうる。突起２３２は約１〜５ｍｍの幅になりうる。
上述の実装の各々で、複数のエッジは、研磨面とより多くのパーティションの側壁との間に画定される。加えて、上述の実装の各々で、平坦凸部の側壁は研磨面に対して垂直である。
円形の外周を有する研磨パッド部分は上述のとおりであるが、他の形状、例えば、正方形、六角形、長方形などの多角形の外周も可能である。一般的に、外周は凸形状を形成しうる。すなわち、その形状を通って引かれる（エッジ又はコーナーに接していない）任意の直線は、境界線のちょうど２倍に対応する。
説明されている構成の幾つかは、作られた研磨パッドへのフライス加工や溝の切削など、従来の技術では都合よく作ることはできない。しかし、これらのパターンは、研磨パッド部分３Ｄ印刷によって製造されうる。
４．研磨パッドキャリア
図６を参照すると、研磨パッドアセンブリ２４０は、研磨パッド部分２００に制御可能な下向きの圧力を加えるように構成される研磨パッドキャリア３００によって保持される。
研磨パッドキャリアは、ケーシング３１０を含む。ケーシング３１０は一般的に、研磨パッドアセンブリ２５０を取り囲むことができる。例えば、ケーシング３１０は、少なくとも研磨パッドアセンブリ２５０の膜２５０が配置される内部空洞を含みうる。
ケーシング３１０はまた、研磨パッド部分２００が中へ延在する開口部３１２を含む。研磨パッド２００の側壁２０２は、例えば、約０．５〜２ｍｍの幅Ｗを有する間隙によって、開口部３１２の側壁３１４から分離可能である。研磨パッド２００の側壁２０２は、開口部３１２の側壁３１４に平行になりうる。
膜２５０は空洞３２０を横断して延在し、空洞３２０を上方チャンバ３２２と下方チャンバ３２４に分割する。開口部３１２は下方チャンバ３２４を外部環境に接続する。膜２５４は、上方チャンバ３２０は加圧可能になるように、上方チャンバ３２０を密閉することができる。例えば、膜２５０が流体不透過性であると仮定すると、膜２５０のエッジ２５４はケーシング３１０に固定可能である。
幾つかの実装では、ケーシング３１０は上方部分３３０と下方部分３４０を含む。上方部分３３０は、上方チャンバ３２２を取り囲む下向きに延在するリム３３２を含むことができ、下方部分３４０は、下方チャンバ３４２を取り囲む上向きに延在するリム３４２を含むことができる。
上方部分３３０は、例えば、上方部分３３０の孔を通って、下方部分３４０のねじ切りされた受容孔の中へ延在するねじによって、下方部分３４０に着脱式で固定することができる。当該部分を着脱式で固定できるようにすることによって、研磨パッド部分２００が摩耗したときには、研磨パッドアセンブリ２４０は取り外して交換することができる。
膜２５０のエッジ２５４は、ケーシング３１０の上方部分３３０と下方部分３４０との間に固定可能である。例えば、膜２５０のエッジ２５４は、上方部分３３０のリム３３２の底面３３４と下方部分３４０のリム３４２の上面３４２との間で圧縮される。幾つかの実装では、上方部分３３０又は下方部分３３２のいずれかは、膜２５０のエッジ２５４を受容するように形成された凹部領域を含むことができる。
ケーシング３１０の下方部分３４０は、リム３４２から水平方向内向きに延在するフランジ部分３５０を含む。下方部分３４０、例えば、フランジ３５０は、開口部３１２の領域を除き、膜２５０全体を横切って延在しうる。これにより、膜２５０を研磨デブリから保護し、膜２５０の寿命を延ばすことができる。
ケーシング３１０の第１の通路３６０は、導管８２を上方チャンバ３２２に接続する。これにより圧力源８０はチャンバ３２２内の圧力を制御し、その結果下向きの圧力と膜２５０の撓みを制御し、更に基板１０上の研磨パッド部分２００への圧力を制御することができる。
幾つかの実装では、上方チャンバ３２２が標準大気圧のとき、研磨パッド部分２００は開口部３１２全体を通って延在し、ケーシング３１０の下面３５２を越えて突出する。幾つかの実装では、上方チャンバ３２２が標準大気圧のとき、研磨パッド部分２００は開口部３１２の中へ部分的に延在し、ケーシング３１０の下面３５２を越えて突出しない。しかしながら、後者の場合、上方チャンバ３２２に適切な圧力を印加することによって、研磨パッド部分２００がケーシング３１０の下面３５２を越えて突出するように、膜２５０を撓ませることができる。
ケーシング３１０内のオプションの第２の通路３６２は、導管６４を下方チャンバ３２４に接続する。研磨処理中に、スラリ６２はリザーバ６０から下方チャンバ３２４に流れ込み、研磨パッド部分２００とケーシング３１０の下方部分との間の間隙を通ってチャンバ３２４の外へ流れ出ることができる。これにより、基板に接触する研磨パッドの部分に近接してスラリを供給することができる。その結果、スラリを少量で供給し、処理コストを低減することができる。
ケーシング３１０内のオプションの第３の通路３６４は、導管７２を下方チャンバ３２４に接続する。処理中、例えば、研磨処理後、洗浄流体は供給源７０から下方チャンバ３２４へ流れることができる。これにより、研磨処理中に、研磨流体は下方チャンバ３２４から取り除かれる。これは、下方チャンバ３２４内でのスラリの凝集を防ぎ、結果として研磨パッドアセンブリ２４０の寿命を延ばし、故障を低減する。
ケーシング３１０の下面３５２、例えば、フランジ３５０の下面は研磨中、基板１０の上面１２にほぼ平行に延在することができる。フランジ３４４の上面３５４は、内向きに測定した場合、外側上方部分３３０から傾斜している傾斜領域３５６を含むことができる。この傾斜領域３５６は、上方チャンバ３２２に圧力が加わったとき、膜２５０が内面３５４に接触しないように支援し、また、研磨処理中に膜２５０が開口部３１２を通るスラリ６２の流れをブロックしないように支援することができる。代替的に、又は追加的に、フランジ３５４の上面３５４は、チャネル又は溝を含むことができる。膜２５０が上面３５４に接触する場合でも、スラリはチャネル又は溝を通って流れ続けることができる。
図３は、下方部分３４０のリム３４２の側壁に現れる通路３６２及び３６４を示しているが、他の構成も可能である。例えば、通路３６２及び３６４の一方又は両方は、フランジ３５４の内面３５４に、或いは開口部３１２の側壁３１４内にも現れる。
５．パッドの駆動システム及び軌道運動
図１、図７及び図８を参照すると、研磨駆動システム５００は、研磨処理中に、連結された研磨パッドキャリア３００と研磨パッド部分２００を軌道運動で動かすように構成されうる。特に、図７で示されているように、研磨駆動システム５００は、研磨処理中に、基板に対して固定された角度配向で研磨パッドを維持するように構成されうる。
図７は研磨パッド部分２００の初期位置Ｐ１を示す。軌道を通る移動距離の４分の１、２分の１、及び４分の３での研磨パッド部分２００の追加位置Ｐ２、Ｐ３、及びＰ４を透視図で示している。エッジマーカーＥの位置で示されるように、研磨パッドは、軌道を通る移動中に、固定された角度配向に留まる。
更に図７を参照すると、基板に接触している研磨パッド部分２００の軌道の半径Ｒは、研磨パッド部分２００の最大横寸法Ｄよりも小さくなりうる。幾つかの実装では、研磨パッド部分２００の軌道の半径Ｒは接触領域の最小横寸法よりも小さい。円形研磨領域の場合には、研磨パッド部分２００の最大横寸法Ｄである。例えば、軌道の半径は、研磨パッド部分２００の最大横寸法の約５〜５０％、例えば、５〜２０％になりうる。直径２０〜３０ｍｍの研磨パッド部分の場合には、軌道の半径は１〜６ｍｍになりうる。これは、基板に対して、研磨パッド部分２００の接触領域内で、より一様な速度プロファイルを実現する。研磨パッドは、毎分１０００〜５０００回転（ｒｐｍ）の速度で好ましい軌道を周回しうる。
図１、図６、及び図８を参照すると、研磨駆動システム５００の駆動トレインは、例えば回転式アクチュエータなどの単一のアクチュエータ５４０で軌道運動を実現することができる。円形の凹部３３４は、ケーシング３１０の上面３３６、例えば、上方部分３３０の上面に形成されうる。凹部３３４の半径以下の半径を有する円形ローター５１０は、凹部３３４の内側に適合するが、研磨パッドキャリア３００に対しては自由に回転することができる。ローター５１０は、オフセット駆動シャフト５２０によって、モーター５３０に接続されている。モーター５３０は支持構造体３５５から吊るすことができ、位置決め駆動システム５６０の可動部分に取り付けて動かすことができる。
オフセット駆動シャフト５２０は、軸５２４の周りに回転するモーター５４０に接続される上方駆動シャフト部分５２２を含むことができる。駆動シャフト５２０はまた、上方駆動シャフト５２２に接続されるが、例えば、水平方向に延在する部分５２８によって、上方駆動シャフト５２２から横方向にオフセットされる、下方駆動シャフト部分５２６を含む。
処理中、上方駆動シャフト５２２の回転により、下方駆動シャフト５２６とローター５１０は共に軌道を描いて回転する。ケーシング３１０の凹部３３４の内面に対するローター５１０の接触により、研磨パッドキャリア３００は同様な軌道運動を行うように強いられる。
下方駆動シャフト５２６がローター５１０の中心に接触すると仮定すると、下方駆動シャフト５２６は、上方駆動シャフト５２２から、軌道の望ましい半径をもたらす距離Ｓだけオフセットされうる。具体的には、オフセットによって、下方駆動シャフト５２２が半径Ｓの円で回転する場合には、凹部３４４の直径をＴ、ローターの直径をＵとすると、Ｒ＝Ｓ−（（Ｔ−Ｕ）／２）となる。
複数の回転防止リンク５５０、例えば４個のリンクは、研磨パッドキャリア３００の回転を防止するため、位置決め駆動システム５６０から研磨パッドキャリア３００まで延在する。回転防止リンク５５０は、研磨パッドキャリア３００及び支持構造体５００の受容孔に適合するロッドであってよい。ロッドは、ナイロンなど、可撓性はあるが一般的に伸長しない材料から形成されうる。このように、ロッドはわずかに撓むことができるため、研磨パッドキャリア３００の軌道運動は可能にするが、回転は防止する。したがって、回転防止リンク５５０は、ローター５１０の運動と連動して、研磨パッドキャリア３００と研磨パッド部分２００の角度配向が研磨処理中に変化しない、研磨パッドキャリア３００と研磨パッド部分２００の軌道運動を実現する。軌道運動の利点は、より一様な速度プロファイルであり、結果的に単純な回転よりも一様な研磨となる。幾つかの実装では、回転防止リンク５５０は、研磨パッドキャリア３００の中心の周りで、等しい角度間隔で離間されうる。
幾つかの実装では、研磨駆動システム及び位置決め駆動システムは、同じ構成要素によって提供される。例えば、単一の駆動システムは、パッド支持ヘッドを２つの垂直方向に動かすように構成された２つのリニアアクチュエータを含みうる。位置決めのために、コントローラは、アクチュエータがパッド支持体を基板上の所望の位置に動かすことができる。研磨のために、コントローラは、例えば、位相オフセット正弦波信号（ｐｈａｓｅ ｏｆｆｓｅｔ ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｓｉｇｎａｌ）を２つのアクチュエータに適用することによって、アクチュエータがパッド支持体を軌道運動で動かすようにすることができる。
幾つかの実装では、研磨駆動システムは、２つの回転式アクチュエータを含みうる。例えば、研磨パッド支持体は、第１の回転式アクチュエータから吊り下げられ、次いで、第２の回転式アクチュエータから吊り下げられてもよい。研磨処理中、第２の回転式アクチュエータは、研磨パッドキャリアを軌道運動でスイープさせるアームを回転させる。第１の回転式アクチュエータは、例えば、第２の回転式アクチュエータと反対方向であるが同じ回転速度で回転して、回転運動を相殺する。それにより、研磨パッドアセンブリは、基板に対して実質的に固定された角位置に留まりながら軌道運動する。
６．結論
基板上の不均一なスポットの大きさは、そのスポットを研磨するときのローディング領域の理想的な大きさを決定付ける。ローディング領域が大きすぎると、基板上の一部の領域での研磨不足の修正が、他の領域の過剰研磨引き起こすことがある。その一方で、ローディング領域が小さすぎると、研磨不足の領域をカバーするために基板を横切ってパッドを動かさなければならず、結果としてスループットが低下する。したがって、この実装によって、ローディング領域をスポットの大きさに適合させることができる。
回転とは対照的に、軌道運動は、基板に対する研磨パッドの固定配向を維持し、研磨領域全体にわたってより均一な研磨速度をもたらすことができる。
本明細書で使用されているように、基板という用語は、例えば、製品基板（例えば、複数のメモリ又はプロセッサダイを含む）、テスト基板、ベア基板、及びゲーティング基板を含みうる。基板は、集積回路の製造の様々な段階のものであってよく、例えば、基板はベアウエハであってよく、又は基板は一又は複数の堆積層及び／またはパターン層を含むことができる。
本発明の数多くの実施形態について説明した。しかしながら、本発明の本質及び範囲から逸脱しない限り、様々な修正が行われうることを理解されたい。例えば、基板支持体は、幾つかの実施形態では、基板を研磨パッドに相対する位置に動かすことが可能な固有のアクチュエータを含みうる。別の例として、上述のシステムは、基板が実質的に固定された位置で保持されている間に研磨パッドを軌道経路で動かす駆動システムを含むが、その代わりに、研磨パッドが実質的に固定された位置に保持され、基板が軌道経路で動かされてもよい。この場合、研磨駆動システムは、似たようなシステムであってもよいが、研磨パッド支持体ではなく基板支持体に連結される。
一般的に円形の基板が想定されるが、これは必要条件ではなく、支持体及び／又は研磨パッドは、長方形などの他の形状であってもよい（この場合、「半径」又は「直径」に関する説明は、概して、主軸に沿う横方向寸法に当てはまる）。
相対位置決めという用語は、システムの構成要素を互いに対して位置決めすることを意味するときに使用され、必ずしも重力に対してではない。研磨面及び基板は垂直配向又は他の配向に保持されうることを理解されたい。しかしながら、開口部がケーシングの底部にあって、重力に対して配置することは、重力がケーシングから外に出るスラリの流れを支援しうるため、特に有利になりうる。
したがって、その他の実施形態は下記の特許請求の範囲内にある。

Claims (15)

  1. 研磨処理中に基板を保持するように構成された基板支持体と、
    膜及び前記研磨処理中に前記基板に接触する研磨面を有する研磨パッド部分を含む研磨パッドアセンブリであって、前記研磨パッド部分は前記膜に前記研磨面の反対にある側で接合され、前記研磨面は前記基板の直径の少なくとも４分の１より小さい前記研磨面に平行な方向の幅を有し、前記研磨パッド部分の外面は少なくとも１つの凹部と前記研磨面を提供する上面を有する少なくとも１つの平坦凸部とを含み、前記研磨面は前記少なくとも１つの凹部の側壁と前記少なくとも１つの平坦凸部の上面との交差によって画定される複数のエッジを有し、前記膜の中央の部分は前記膜の周囲の部分よりも薄い、研磨パッドアセンブリと、
    前記研磨パッドアセンブリを保持し、前記研磨面を前記基板に押圧する研磨パッドキャリアと、
    前記基板支持体と前記研磨パッドキャリアとの間に相対運動を引き起こすように構成された駆動システムと
    を備える、化学機械研磨システム。
  2. 前記少なくとも１つの凹部は第１の複数の平行な溝を含む、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記少なくとも１つの凹部は、前記第１の複数の溝に垂直な第２の複数の平行な溝を含む、請求項２に記載のシステム。
  4. 前記第１の複数の平行な溝は厳密には２〜６本の溝であり、前記第２の複数の溝も同じ数の溝である、請求項３に記載のシステム。
  5. 前記膜は、可撓性の小さい第２の部分によって囲まれた第１の部分を含み、前記研磨パッド部分は前記第１の部分に接合されている、請求項１に記載のシステム。
  6. 円形の膜と、
    研磨処理中に基板に接触する研磨面を有する円形の研磨パッド部分と、
    を含む研磨パッドアセンブリであって、
    前記研磨パッド部分は前記膜の直径の少なくとも５分の１より小さい直径を有し、前記研磨パッド部分は前記円形の膜の中心に配置され、前記研磨パッド部分の上面は一又は複数の凹部と、前記研磨面を提供する上面を有する一又は複数の平坦凸部とを含み、前記研磨面は、前記一又は複数の凹部の側壁と前記一又は複数の平坦凸部の上面との交差によって画定される複数のエッジを有し、前記膜の中央の部分は前記膜の周囲の部分よりも薄い、研磨パッドアセンブリ。
  7. 前記一又は複数の凹部は第１の複数の平行な溝を含む、請求項６に記載のアセンブリ。
  8. 前記一又は複数の凹部は、前記第１の複数の溝に垂直な第２の複数の平行な溝を含む、請求項７に記載のアセンブリ。
  9. 前記第１の複数の平行な溝は厳密には２〜６本の溝であり、前記第２の複数の溝も同じ数の溝である、請求項８に記載のアセンブリ。
  10. 前記一又は複数の凹部は、前記研磨パッド部分の円周から径方向内向きに延在する複数の凹部を含む、請求項６に記載のアセンブリ。
  11. 前記一又は複数の凹部は複数の同心円状の環状溝を含む、請求項６に記載のアセンブリ。
  12. 前記一又は複数の平坦凸部は複数の分離された突起を含む、請求項６に記載のアセンブリ。
  13. 前記突起は間隙によって分離されており、前記平坦凸部の研磨パッド面に平行な方向の幅は、隣接する平坦凸部間の前記間隙の幅の約１〜５倍である、請求項１２に記載のアセンブリ。
  14. 前記一又は複数の平坦凸部は相互接続された矩形のグリッドを含む、請求項６に記載のアセンブリ。
  15. 膜と、
    研磨処理中に基板に接触する研磨面を有する凸状多角形研磨パッド部分と、
    を含む研磨パッドアセンブリであって、
    前記研磨パッド部分は前記膜の幅の少なくとも５分の１より小さい幅を有し、前記研磨パッド部分は円形の膜の中心に配置され、前記研磨パッド部分の上面は一又は複数の凹部と、前記研磨面を提供する上面を有する一又は複数の平坦凸部とを含み、前記研磨面は、前記一又は複数の凹部の側壁と前記一又は複数の平坦凸部の上面との交差によって画定される複数のエッジを有し、前記膜の中央の部分は前記膜の周囲の部分よりも薄い、研磨パッドアセンブリ。
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