JP7222844B2

JP7222844B2 - 研磨装置およびリテーナリング

Info

Publication number: JP7222844B2
Application number: JP2019146541A
Authority: JP
Inventors: 貴彦川崎
Original assignee: Kioxia Corp
Current assignee: Kioxia Corp
Priority date: 2019-08-08
Filing date: 2019-08-08
Publication date: 2023-02-15
Anticipated expiration: 2039-08-08
Also published as: JP2021024064A; US20210039224A1

Description

本発明の実施形態は、研磨装置およびリテーナリングに関する。

化学機械研磨(ＣＭＰ)に用いられる研磨装置では、一般的に、基板（ウェハ）が研磨ヘッドに保持された状態で研磨パッドに押し付けられる。続いて、研磨ヘッドおよび研磨パッドが回転すると、基板表面に形成された膜が平坦化される。

研磨ヘッドには、一般的に、基板を周方向に囲むリテーナリングが設けられている。このリテーナリングによって、基板が研磨中に研磨ヘッドから飛び出すことを防止できる。

特開２００１－１２１４１１号公報特開２００２－７９４６１号公報特開２００２－３５５７５３号公報

リテーナリングは、基板と同様に研磨パッドに押し付けられる。そのため、ウェハ基板の研磨に伴い、リテーナリングも摩耗する。リテーナリングは、一般的に樹脂製であるため、摩耗の進行が速い。その結果、リテーナリングの交換頻度が多くなる。

本発明の実施形態は、リテーナリングの摩耗を抑制する研磨装置を提供することである。

一実施形態に係る研磨装置は、研磨対象の基板を囲むリテーナリングを有する研磨ヘッドと、研磨ヘッドに対向する研磨パッドと、を備える。リテーナリングは第１材料と第２材料を含む。第１材料は、芳香族ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、およびポリベンゾイミダゾールの少なくともいずれか一つを含む。第２材料は、フッ素樹脂を含む。第１材料に対する第２材料の重量パーセントは、１～１０％である。

一実施形態に係る研磨装置の概略的な構成を示す模式図である。研磨ヘッドの断面図である。リテーナリングを底面側から見た図である。リテーナリングの材料と摩耗量との関係を示すグラフである。リテーナリングの材料毎に基板の研磨レートおよび均一性を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

図１は、一実施形態に係る研磨装置の概略的な構成を示す模式図である。図１に示す研磨装置１は、研磨ヘッド１０と、研磨パッド２０と、ノズル３０と、を備える。この研磨装置１は、ウェハ状態の基板１００を化学機械研磨する工程で用いられる。

図２は、研磨ヘッド１０の断面図である。図２に示すように、研磨ヘッド１０は、支持体１１と、チャッキングプレート１２と、弾性部材１３と、リテーナリング１４と、を有する。

支持体１１は、例えば樹脂製であり、その内部には配管１１１が形成されている。配管１１１は分岐しており、分岐路の一部は、チャッキングプレート１２まで延びている。チャッキングプレート１２は、例えばセラミック製の円板であり、支持体１１の下部に設けられている。弾性部材１３は、例えばゴムであり、チャッキングプレート１２の下部に設けられている。弾性部材１３は、配管１１１の分岐路に対応して設けられた板状部材１３１によって、複数の領域に区切られている。

研磨ヘッド１０では、配管１１１に流入した空気２００による圧力が、弾性部材１３を介して基板１００に加えられるため、基板１００は研磨パッド２０に押し付けられる。本実施形態では、配管１１１が分岐し、弾性部材１３が板状部材１３１で仕切られているので、例えば基板１００の中央部および端部に加える力をそれぞれ調整することができる。

リテーナリング１４は、図２に示すように、基板１００、チャッキングプレート１２、および弾性部材１３を囲むように、支持体１１の下部に設けられている。リテーナリング１４は、配管１１１に導入された空気２００によって、研磨パッド２０に押し付けられる。

図３は、リテーナリング１４を底面側から見た図である。図３に示すように、リテーナリング１４の底面、換言すると研磨パッド２０との接触面には、溝１４１が放射状に形成されている。溝１４１によって、リテーナリング１４が研磨パッド２０に押し付けられたときに、両者の間に隙間が形成される。この隙間を通じて、スラリー３００がリテーナリング１４内に流出入する。

図１に示すように、研磨パッド２０は、研磨ヘッド１０に対向する位置に設置されている。また、研磨パッド２０の平面積は、基板１００の平面積よりも広い。研磨パッド２０の表面には、砥粒を含有したスラリー３００が供給される。

ノズル３０は、研磨パッド２０の上方からスラリー３００を放出する。スラリー３００は、例えばセリアスラリーである。

以下、上述した研磨装置１を用いて基板１００上に形成された膜を化学研磨する工程について説明する。まず、ノズル３０がスラリー３００を研磨パッド２０の表面に向けて放出するとともに、研磨ヘッド１０が基板１００に形成された膜を研磨パッド２０に押し付ける。

続いて、研磨ヘッド１０および研磨パッド２０が同じ方向に同時に回転する。その結果、基板１００の表面にパターニングされている溝に埋め込まれていた膜、例えば絶縁膜、金属膜、または結晶珪素膜などが平坦化される。

なお、研磨ヘッド１０および研磨パッド２０の回転方向および回転速度は、研磨対象の膜に応じて適宜設定される。すなわち、回転方向は互いに同じであってもよいし反対であってもよい。また、回転速度も互いに同じであってもよいし、異なっていてもよい。

本実施形態では、リテーナリング１４が、研磨ヘッド１０に保持された基板１００の外周に沿って設けられている。そのため、研磨ヘッド１０の回転に伴って、基板１００を研磨ヘッド１０の外側へ動かす力が生じても、基板１００の動きは、リテーナリング１４によって阻止される。これにより、基板１００が研磨ヘッド１０から飛び出すことを防止できる。

その一方で、リテーナリング１４は、基板１００と同様に研磨パッド２０に押し付けられているので、基板１００の研磨に伴って摩耗する。

本実施形態では、基板１００の研磨に伴うリテーナリング１４の摩耗を抑制するため、リテーナリング１４には、フッ素樹脂を含んだ第１材料を用いる。
第１材料は、例えば芳香族ポリアミド（ＰＰＡ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、およびポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）の少なくともいずれか一つを含む。すなわち、本実施形態のリテーナリング１４は、上記に例示した複数種の材料を含んでいてもよい。

フッ素樹脂は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、パーフルオロエチレンプロペンコポリマー（ＦＥＰ）、エチレンテトラフルオロエチレンコポリマー（ＥＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレンクロロトリフルオロエチレンコポリマー（ＥＣＴＦＥ）、テトラフルオロエチレンーパーフルオロジオキソールコポリマー（ＴＦＥ／ＰＤＤ）、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）の少なくともいずれか一つを含む。すなわち、本実施形態のリテーナリング１４は、上記に例示した複数種のフッ素樹脂を含んでいてもよい。

フッ素樹脂は、その表面の摩擦係数が低いことが知られており、リテーナリング１４の材料として用いることで、リテーナリングと研磨パッドとの間の摩擦係数を減らし、リテーナリングの摩耗を抑制できると考えられる。以下、図４および図５を参照して、リテーナリング１４に添加されるフッ素樹脂の適量範囲について説明する。

図４は、リテーナリングの材料と摩耗量との関係を示すグラフである。図４では、横軸は、フッ素樹脂の一例であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の添加量がそれぞれ異なるリテーナリング１４の材料を示す。縦軸は、各材料の、１時間当たりの摩耗量（μｍ）を示す。

図４に示すように、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂またはポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂に代表される熱可塑性エンジニアリングプラスチック材料にＰＴＦＥが添加されていないと、リテーナリング１４の摩耗量が多い。この場合、リテーナリング１４の寿命が短くなる。

一方、ＰＥＥＫ樹脂の重量に対するＰＴＦＥの重量を示す重量パーセントが１～２０％である場合、図４に示すように、リテーナリング１４の摩耗量が低減する。これは、ＰＴＦＥを添加することによって、リテーナリング１４と研磨パッド２０との間で生じる摩擦力が緩和されるからである。

図５は、リテーナリングの材料毎に基板の研磨レートおよび均一性を示すグラフである。図５では、横軸は、リテーナリング１４の材料を示す。左側の縦軸は、基板１００の中心部における１分当たりの研磨量（ｎｍ）である研磨レートを示す。右側の縦軸は、基板１００の面内における研磨のばらつきである均一性（％）を示す。研磨レートおよび均一性は、基板１００の処理枚数が初期(１枚)、５０枚、および１００枚ごとに示されている。

図５に示すように、ＰＥＥＫ樹脂に対するＰＴＦＥの重量パーセントが１～１０％の範囲内である場合、基板１００の研磨レートおよび均一性は、ＰＴＦＥを添加していないＰＰＳと同等に高い。一方、ＰＴＦＥの重量パーセントが２０％を超えると、基板１００の処理枚数の増加に伴って研磨レートが下がり、均一性が悪化する。これは、リテーナリング１４に添加されたＰＴＦＥを含む屑が、研磨パッド２０や砥粒に付着して基板１００の研磨を妨げるからである。

したがって、基板１００の研磨レートおよび均一性を考慮すると、リテーナリング１４に添加するフッ素樹脂の重量パーセントは、１～１０％の範囲内であることが望ましい。

以上説明した本実施形態によれば、リテーナリング１４の材料にフッ素樹脂を添加することによって、リテーナリング１４と研磨パッド２０との間で生じる摩擦力が緩和される。これにより、リテーナリング１４の寿命が長くなるので、リテーナリング１４の交換頻度を低減することができる。また、第１材料である芳香族ポリアミド（ＰＰＡ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、およびポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）の合計重量に対するフッ素樹脂の合計重量を示す重量パーセントが１～１０％の範囲内にすることによって、基板１００の研磨レートおよび均一性も確保することができる。

なお、本実施形態において、リテーナリング１４は、第１材料およびフッ素樹脂を含むように説明したが、第1材料およびフッ素樹脂以外の材料が含まれていてもよい。その場合であっても、第１材料の合計重量に対するフッ素樹脂の合計重量は１～１０重量パーセントとなるように設定される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１：研磨装置、１０：研磨ヘッド、１４：リテーナリング、２０：研磨パッド

Claims

研磨対象の基板を囲むリテーナリングを有する研磨ヘッドと、
前記研磨ヘッドに対向する研磨パッドと、を備え、
前記リテーナリングは第１材料と第２材料を含み、
前記第１材料は、芳香族ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、およびポリベンゾイミダゾールの少なくともいずれか一つを含み、
前記第２材料は、フッ素樹脂を含み、
前記第１材料に対する前記第２材料の重量パーセントは、１～１０％である、研磨装置。
前記フッ素樹脂は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、パーフルオロエチレンプロペンコポリマー（ＦＥＰ）、エチレンテトラフルオロエチレンコポリマー（ＥＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレンクロロトリフルオロエチレンコポリマー（ＥＣＴＦＥ）、テトラフルオロエチレンーパーフルオロジオキソールコポリマー（ＴＦＥ／ＰＤＤ）、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）の少なくともいずれか一つを含む、請求項１に記載の研磨装置。
研磨対象の基板を保持する研磨ヘッドに設けられたリテーナリングであって、
前記リテーナリングは第１材料と第２材料を含み、
前記第１材料は、芳香族ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、およびポリベンゾイミダゾールの少なくともいずれか一つを含み、
前記第２材料は、フッ素樹脂を含み、
前記第１材料に対する前記第２材料の重量パーセントは、１～１０％である、リテーナリング。
前記フッ素樹脂は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、パーフルオロエチレンプロペンコポリマー（ＦＥＰ）、エチレンテトラフルオロエチレンコポリマー（ＥＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレンクロロトリフルオロエチレンコポリマー（ＥＣＴＦＥ）、テトラフルオロエチレンーパーフルオロジオキソールコポリマー（ＴＦＥ／ＰＤＤ）、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）の少なくともいずれか一つを含む、請求項３に記載のリテーナリング。