JP7287987B2 - 化学機械研磨の温度制御 - Google Patents

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Description

本開示は、化学機械研磨（ＣＭＰ）、より具体的には、化学機械研磨中の温度制御に関する。
集積回路は、通常、半導体ウエハ上に導電層、半導体層、又は絶縁層を順次堆積させることによって基板上に形成される。様々な製造プロセスでは、基板上の層の平坦化が必要である。例えば、１つの製造ステップでは、非平面上に充填層を堆積させ、充填層を平坦化する。特定の用途では、パターニングされた層の上面が露出するまで、充填層が平坦化される。例えば、金属層をパターニングされた絶縁層上に堆積させて、絶縁層のトレンチ及び孔を埋めることができる。平坦化後、パターニングされた層のトレンチ及び孔の金属の残り部分は、ビア、プラグ、及びラインを形成して、基板上の薄膜回路間に導電性経路を提供する。別の例として、後続のフォトリソグラフィステップが可能になるように、誘電体層をパターニングされた導電層の上に堆積させ、次に平坦化する。
化学機械研磨（ＣＭＰ）は、平坦化の１つの受け入れられている方法である。この平坦化方法では、通常、基板をキャリアヘッドに取り付ける必要がある。基板の露出面は、通常、回転する研磨パッドに対して配置される。キャリアヘッドは、基板に制御可能な負荷を与えて、基板を研磨パッドに押し付ける。研磨粒子を有する研磨スラリは、通常、研磨パッドの表面に供給される。
一態様では、化学機械研磨装置は、研磨パッドを保持するためのプラテンと、研磨プロセス中に研磨パッドの研磨面に対して基板を保持するためのキャリアと、温度制御システムとを含む。温度制御システムは、研磨パッドの上の複数の異なる半径方向位置に配置された複数の熱制御モジュールを含む。複数の熱制御モジュールの各熱制御モジュールは、研磨パッドの半径方向領域を個別に加熱又は冷却するように構成される。
別の態様では、化学機械研磨装置は、研磨パッドを保持するためのプラテンと、研磨プロセス中に研磨パッドの研磨面に対して基板を保持するためのキャリアと、研磨パッドの上に配置された熱制御モジュールを含む本体を含む温度制御システムと、研磨パッドに対する本体の垂直位置を調整するための第１のアクチュエータとを含む。
別の態様では、化学機械研磨装置は、研磨パッドを保持するためのプラテンと、研磨プロセス中に研磨パッドの研磨面に対して基板を保持するためのキャリアと、研磨液を研磨面に供給するためのディスペンサと、研磨面又は研磨面上の研磨液に接触するように構成された本体を含む温度制御システムとを含む。本体は、研磨パッドの上に配置された熱制御モジュールを支持する。
上記の態様のいずれかの実装態様は、以下の特徴のうちの１又は複数を含み得る。
各熱制御モジュールは、赤外線光源、熱電ヒートポンプ、熱交換器、抵抗ヒータ、及び流体ディスペンサのうちの１又は複数を含み得る。１又は複数の温度センサは、複数の異なる半径方向位置での研磨面の複数の温度測定値を測定し得る。コントローラは、複数の温度測定値を受信し、複数の熱制御モジュールを制御して、研磨パッドの温度プロファイルを所望の温度プロファイルに近づけるように構成され得る。
ベースはプラテンの側面に配置され得、本体はベースから研磨パッドを越えて横方向に延在し得る。第２のアクチュエータは、本体に研磨パッドを横切って横方向に掃引させ得る。
本体の層は、熱制御モジュールと本体との間に配置され得る。熱制御モジュールは、研磨パッド又は研磨液に直接接触し得る。研磨パッド又は研磨液に接触する本体の少なくとも一部は、セラミックであり得る。研磨パッド又は研磨液に接触する本体の少なくとも一部は、炭化ケイ素、窒化ケイ素又は窒化アルミニウムを含み得る。
アクチュエータは、研磨パッドに対する本体の垂直位置を調整し得る。本体の底面が研磨面に接触し得る。本体の底面が研磨面の研磨液に接触する。熱制御モジュールは、熱電ヒートポンプ及び熱交換器を有するスタックを含み得る。熱交換器は、熱電ヒートポンプの上にあり得る。
コントローラは、熱電ヒートポンプへの電流を制御して、ヒートポンプに、研磨パッドに熱を送らせ又は研磨パッドから熱を追い出させ、熱交換器を通過する流体の温度又は流量を制御して、熱交換器に熱電ヒートポンプの上面の温度を上げたり下げたりさせるように構成され得る。
実装態様には、以下の利点の１又は複数が含まれ得る。研磨工程における温度変化が低減する。これにより、研磨プロセスの研磨の予測可能性が向上し得る。１つの研磨工程から別の研磨工程への温度変化が低減し得る。これにより、ウエハ間の均一性が向上し、研磨プロセスの再現性が向上し得る。基板全体の温度変化が低減し得る。これにより、ウエハ内の均一性が向上し得る。
１又は複数の実装態様の詳細を、添付の図面及び以下の説明に記載する。他の態様、特徴、及び利点は、説明及び図面、ならびに特許請求の範囲から明らかになるであろう。
研磨装置の一例を示す概略断面図である。 例示的な化学機械研磨装置を示す概略上面図である。 複数の温度制御モジュールを有する温度制御システムの一部を示す概略断面図である。 温度制御システム用の熱交換器を示す概略図である。 別の例示的な化学機械研磨装置を示す概略上面図である。
化学機械研磨は、基板、研磨液、研磨パッドの間の界面での機械的摩耗と化学エッチングの組み合わせによって行われる。研磨プロセス中、基板表面と研磨パッドとの間の摩擦により、かなりの量の熱が発生する。更に、幾つかのプロセスはまた、コンディショニングディスク、例えば、研磨ダイヤモンド粒子でコーティングされたディスクが回転する研磨パッドに押し付けられ、研磨パッド表面をコンディショニング及びテクスチャ付与する、インシトゥパッドコンディショニングステップを含む。コンディショニングプロセスの摩耗でも熱が発生し得る。例えば、公称ダウンフォース圧力が２ｐｓｉ、除去速度が８０００Å／分の典型的な１分間の銅ＣＭＰプロセスでは、ポリウレタン研磨パッドの表面温度が約３０℃上昇し得る。
ＣＭＰプロセスの化学関連変数（例えば、関与する反応の開始と速度）と、機械関連変数（例えば、研磨パッドの表面摩擦係数と粘弾性）はいずれも、温度に強く依存する。結果的に、研磨パッドの表面温度の変動により、除去速度、研磨均一性、侵食、ディッシング、及び残留物が変化する。研磨中の研磨パッドの表面の温度をより厳密に制御することにより、温度の変動を低減することができ、例えば、ウエハ内の不均一性又はウエハ間の不均一性によって測定される研磨性能が向上し得る。
温度制御のために幾つかの技法が提案されている。一例として、冷却剤がプラテンに流され得る。別の例として、研磨パッドに送達される研磨液の温度が制御され得る。ただし、これらの技法では不十分な場合がある。例えば、プラテンは、研磨面の温度を制御するために、研磨パッド自体の本体を通して熱を供給又は吸引する必要がある。研磨パッドは通常、プラスチック材料で熱伝導性が低いため、プラテンからの熱制御が困難であり得る。他方、研磨液は、有意な熱質量を有さない場合がある。
これらの問題に対処できる技法は、温度制御された本体を研磨パッドの研磨面に直接接触させる、あるいは研磨パッド上の研磨液に直接接触させることである。この本体の温度をその長さにわたって変化させることができるため、研磨パッドの温度の半径方向の制御が可能になり得る。
更なる問題は、ＣＭＰプロセス中の回転する研磨パッドの半径に沿った温度上昇が均一でないことが多いことである。いかなる特定の理論にも限定されることなく、研磨ヘッドとパッドコンディショナの異なる掃引プロファイルはしばしば、研磨パッドの各半径方向ゾーンで異なる滞留時間を有し得る。更に、研磨パッドと研磨ヘッド及び／又はパッドコンディショナとの間の相対線速度もまた、研磨パッドの半径に沿って変化する。これらの影響は、研磨パッド表面での不均一な熱発生の一因となり得、その結果、ウエハ内の除去速度が変化し得る。
これらの問題に対処し得る技法は、研磨パッドの半径に沿って間隔を置いて配置された複数の温度制御モジュールを有することである。各温度制御モジュールは、研磨パッドの上に配置された熱伝達素子を含み、熱伝達素子は、冷却素子又は加熱素子、あるいはその両方を含み得る。各温度制御モジュールは、各モジュールの下を移動する回転している研磨パッド上の対応する半径方向ゾーンに、選択的な量の冷却又は加熱を個別に提供し得る。このように、研磨パッドの表面上の各半径方向ゾーンの温度を制御して、温度の不均一性が低減され得る。
図１及び図２に、化学機械研磨システムの研磨ステーション２０の一例を示す。研磨ステーション２０は、研磨パッド３０が位置する回転可能なディスク形状のプラテン２４を含む。プラテン２４は、軸２５の周りを回転するように動作可能である。例えば、モータ２２は、駆動シャフト２８を回してプラテン２４を回転させ得る。研磨パッド３０は、外側研磨層３４及びより柔らかいバッキング層３２を有する２層研磨パッドであり得る。
研磨ステーション２０は、研磨スラリ等の研磨液３８を研磨パッド３０上に分配するための供給ポート又は組み合わされた供給リンスアーム３９を含み得る。研磨ステーション２０は、研磨パッド３０の表面粗さを維持するために、コンディショニングディスク９２（図２を参照）を有するパッドコンディショナ装置９０を含み得る。コンディショニングディスク９０は、研磨パッド３０を横切ってディスク９０を半径方向に掃引するように行き来し得るアーム９４の端部に配置され得る。
キャリアヘッド７０は、研磨パッド３０に対して基板１０を保持するように動作可能である。キャリアヘッド７０は、キャリアヘッドが軸７１の周りを回転することができるように、支持構造７２、例えばカルーセル又はトラックから吊り下げられ、駆動シャフト７４によってキャリアヘッド回転モータ７６に接続されている。オプションとして、キャリアヘッド７０は、例えば、カルーセル上のスライダ上で、トラックに沿った移動によって、又はカルーセル自体の回転振動によって、横方向に振動し得る。
キャリアヘッド７０は、基板を保持するための保持リング８４を含み得る。幾つかの実装態様では、保持リング８４は、高導電性部分を含み得、例えば、キャリアリングは、研磨パッドと接触する薄い下部プラスチック部分８６、及び厚い上部導電性部分８８を含み得る。幾つかの実装態様では、高導電性部分は、金属、例えば、研磨される層と同じ金属、例えば、銅である。
工程において、プラテンはその中心軸２５の周りを回転し、キャリアヘッドはその中心軸７１の周りを回転し、研磨パッド３０の上面を横切って横方向に並進する。複数のキャリアヘッドが存在する場合、各キャリアヘッド７０は、その研磨パラメータを個別に制御し得、例えば、各キャリアヘッドは、それぞれの基板に加えられる圧力を個別に制御し得る。
キャリアヘッド７０は、基板１０の裏側に接触する基板取り付け面と、基板１０上の異なるゾーン、例えば、異なる半径方向ゾーンに異なる圧力を加えるための複数の加圧可能チャンバ８２とを有する可撓性膜８０を含み得る。キャリアヘッドはまた、基板を保持するための保持リング８４を含み得る。
幾つかの実装態様では、研磨ステーション２０は、研磨ステーション又は研磨ステーションの／中の構成要素の温度、例えば、研磨パッド及び／又は研磨パッド上のスラリの温度を監視するための温度センサ６４を含む。例えば、温度センサ６４は、研磨パッド３０の上に配置され、研磨パッド３０及び／又は研磨パッド上のスラリ３８の温度を測定するように構成された赤外線（ＩＲ）センサ、例えば、ＩＲカメラであり得る。特に、温度センサ６４は、半径方向の温度プロファイルを生成するために、研磨パッド３０の半径に沿った複数の点で温度を測定するように構成され得る。例えば、ＩＲカメラは、研磨パッド３０の半径にまたがる視野を有し得る。
幾つかの実装態様では、温度センサは、非接触センサではなく接触センサである。例えば、温度センサ６４は、プラテン２４上又はプラテン２４内に配置された熱電対又はＩＲ温度計であり得る。更に、温度センサ６４は、研磨パッドと直接接触し得る。
幾つかの実装態様では、研磨パッド３０の半径に沿った複数の点における温度を得るために、研磨パッド３０を横切る異なる半径方向位置に複数の温度センサが間隔を置いて配置され得る。この技法は、ＩＲカメラの代替又は追加で使用され得る。
研磨パッド３０及び／又はパッド３０上のスラリ３８の温度を監視するように配置されたものとして図１に示したが、温度センサ６４は、基板１０の温度を測定するためにキャリアヘッド７０の内側に配置され得る。温度センサ６４は、基板１０の半導体ウエハと直接接触し得る（すなわち、接触センサ）。幾つかの実装態様では、例えば、研磨ステーションの／中の異なる構成要素の温度を測定するために、複数の温度センサが研磨ステーション２２に含まれる。
研磨システム２０はまた、研磨パッド３０及び／又は研磨パッド上のスラリ３８の温度を制御するための温度制御システム１００を含む。温度制御システム１００は、研磨パッド３０の上で研磨パッドのエッジから研磨パッド３０の中心又はその近く（例えば、研磨パッドの全半径の５％以内）まで延在する少なくとも１つの細長い本体１１０を含む。例えば、本体１１０は、研磨パッド３０の上に延在するようにベース１１２によって支持されるアームであり得る。ベース１１２は、プラテン２４と同じフレーム４０上に支持され得る。本体１１０は、研磨ヘッド７０、パッドコンディショニングディスク９０、及びスラリ分配アーム３９等の他のハードウェア構成要素との衝突を回避するように配置される。
本体１１０は、概して線形であり得、その長さに沿って実質的に均一な幅を有し得るが、本体１１０と研磨パッド表面との間の所望の熱伝達領域を達成するために、扇形（別名「パイスライス」）、円弧又は三角形のくさび（すべてシステムの上面図として）等の他の形状も使用可能である。特に、複数の熱制御モジュールは、軸から離れた端部がより広くなっているくさび形のアームによって支持され得る。例えば、図５に、くさびとしての温度制御システム１００の本体１１０を示す（研磨装置の他の素子は、簡単にするために図１には図示していない）。
図１及び図２に戻ると、本体１１０は、研磨パッド３０と直接接触していてよい。あるいは、本体は、研磨パッド３０からわずかに分離しつつも、研磨パッド３０の表面上の研磨液、例えば、スラリの層と接触していてよい。幾つかの実装態様、例えば、ＩＲランプ等の非接触ヒータでは、本体は、研磨パッド又は研磨に接触することなく、研磨パッド３０の上に吊り下げられる。ベース１１２は、本体１１０を上昇又は下降させるためのアクチュエータ、例えば、線形アクチュエータを含み得る。
本体１１０の横方向位置は、固定され得、又は別のアクチュエータによって制御され得る。例えば、本体１１０は、ベース１１２のモータによって駆動され、研磨パッドを横切って横方向に掃引し得る。例えば、本体１１０は、他のハードウェア構成要素との衝突を回避するために、及び／又は研磨パッド表面上の有効な熱伝達領域を増加させるために掃引運動を実施するように駆動され得る。
本体１１０は、一列に配置された複数の温度制御モジュール１２０を含み得る。例えば、熱制御モジュール１２０は、プラテンの半径に沿って、例えば、研磨パッドの半径方向に沿って間隔を置いて配置され得る。各温度制御モジュール１２０は、冷却素子又は加熱素子あるいはその両方を含み得る熱伝達素子を含む。各温度制御モジュール１２０は、研磨パッドがモジュールの下で回転するときに、研磨パッド上の対応する半径方向ゾーンに選択的な量の冷却又は加熱を個別に付与し得る。
研磨パッド３０の半径方向に沿って間隔を置いて配置されているため、温度制御モジュールは、研磨パッド３０の半径方向に沿って間隔を置いて配置されているゾーンに加熱又は冷却を適用する。
ゾーンのサイズ及び形状は、熱制御モジュール１２０の加熱又は冷却素子、例えば、抵抗ヒータ、冷却剤用の通路等の配置に依存する。
図２に示すように、ゾーンは、長方形、又は台形（図５を参照）、楕円形、弧状、多角形、又はより複雑な形状等の他の形状であり得る。
更に、ゾーンは、例えば、図２に示すように、同じサイズ及び／又は形状であり得るが、これは必須ではない。一部のゾーンが他のゾーンとは異なるサイズを有していてよい。例えば、外側ゾーンは内側ゾーンよりも大きくてよい（内側と外側はプラテンの回転軸に対するものである）。つまり、軸から遠い領域は、軸に近い領域よりも大きくなり得る。したがって、軸から遠い領域は、軸に近い領域よりも広い角度広がりを有し得る。特に、プラテンの回転軸から外側に移動すると、連続する各ゾーンが（図５に示すように）前のゾーンよりも大きくなり得る。
温度制御モジュール１２０の構成要素は、本体１１０自体が研磨パッド及び／又はスラリと温度制御モジュール１２０との間で熱伝導機能を果たすように、本体１１０内に収容され得る。本体１１０の底面の材料は、研磨パッドからの摩耗にも耐性がある高熱伝導性材料で形成され得る。本体１１０の材料は、研磨プロセスと化学的に適合性があり、研磨液に対して高い耐薬品性を有するべきである。例えば、本体１１０の少なくとも底部は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、又は窒化アルミニウム等のセラミック材料であり得る。本体１１０全体は、材料から形成され得る、又はセラミック材料は、別の材料、例えば、アルミニウムの本体にコーティングされ得る。オプションとして、熱伝導性材料を薄いＣＶＤダイヤモンドコーティング（ダイヤモンド又はアモルファスダイヤモンドライクカーボンＤＬＣコーティングに類似）でコーティングして、耐摩耗性を向上させることができる。コーティングは、パッドの摩耗を低減し、研磨液に対する耐薬品性を向上させ、熱伝導性を高め得る。
あるいは、温度制御モジュール１２０の構成要素は、構成要素が研磨パッド及び／又はスラリと直接接触するように、本体１１０に固定され、その下に吊り下げられ得る。この場合、本体１１０は、研磨パッド及び／又はスラリと温度制御モジュール１２０との間で熱伝導機能を果たす必要はない。
冷却素子の場合、温度制御モジュール１２０は、熱電（ＴＥ）冷却素子を有するコールドプレートスタイルの冷却装置を含み得る。冷却素子はまた、低温の（すなわち、研磨パッド及び／又は研磨液の温度よりも低い）流体又はガスを再循環させることによって動作する低温熱交換器であり得る。冷却素子はまた、低温ガス又は液体又は固体を研磨パッド３０の表面上に送達するように構成されたディスペンサも含み得る。例えば、冷却素子は、低温ガス又は液体のジェットを生成するように構成されたノズルであり得る。低温ガス、液体、又は固体は、研磨パッドの表面で吸熱相変化も起こし得る。更に、冷却素子は、上記技法の組み合わせを使用し得る。例えば、冷却能力を更に高めるために、熱電冷却素子の上に低温熱交換器を積み重ねることによって、冷却素子を形成することができる。
加熱素子の場合、温度制御モジュール１２０は、内部に熱電（ＴＥ）加熱素子又は抵抗加熱素子を有するホットプレートスタイルのヒータを含み得る。加熱素子はまた、高温の（すなわち、研磨パッド及び／又は研磨液の温度よりも高い）流体又はガスを再循環させることによって動作する高温熱交換器であり得る。加熱素子はまた、高温ガス又は液体又は固体を研磨パッド３０の表面上に送達するように構成されたディスペンサを含み得る。例えば、加熱素子は、高温ガス又は液体のジェットを生成するように構成されたノズルであり得る。高温ガス又は液体又は固体は、研磨パッドの表面で発熱相変化も起こし得る。加熱素子はまた、熱放射源、例えば、赤外線（ＩＲ）ランプ又は低強度レーザの形態であり得る。更に、加熱素子は、上記技法の組み合わせを使用し得る。例えば、加熱能力を更に高めるために、熱電加熱素子の上に高温交換器を積み重ねることによって、加熱素子を形成することができる。
研磨システム２０はまた、様々な構成要素、例えば、温度制御システム１００の動作を制御するためのコントローラ９０を含み得る。コントローラ９０は、研磨パッドの各半径方向ゾーンについて、温度センサ６４から温度測定値を受信するように構成される。コントローラ９０は、測定された温度プロファイルを所望の温度プロファイルと比較し、各温度制御モジュールの制御機構（例えば、アクチュエータ、電源、ポンプ、バルブ等）へのフィードバック信号を生成し得る。フィードバック信号は、例えば内部フィードバックアルゴリズムに基づいて、コントローラ９０によって計算され、制御機構に、研磨パッド及び／又はスラリが所望の温度プロファイルに到達する（又は少なくとも近づく）ように、温度制御モジュールの冷却又は加熱素子による冷却又は加熱の量を調整させる。
制御技法の例には、電源に赤外線光源の強度を調整させること、電源に熱電ヒータ又は冷却装置を流れる電流の量を調整させること、アクチュエータに熱制御モジュールを研磨パッドに近づけたり遠ざけたりさせること、ポンプに熱交換器の流量を増減させること、及びバルブに熱交換器を流れる高温又は低温の流体の比率を調整させることが含まれる。
冷却素子としてのＴＥ冷却素子と低温熱交換器のスタック、又は加熱素子としてのＴＥ加熱素子と高温熱交換器のスタックの制御機構の例には、（Ｉ）ＴＥ素子に供給される電流（又は電圧）量の制御、（ＩＩ）パルス幅変調下のオン及びオフモードでのＴＥ素子の相対的割合の制御、（ＩＩＩ）バイポーラ変調下の冷却及び加熱モードでのＴＥ素子の相対的割合の制御、（ＩＶ）低温又は高温熱交換器内を再循環する液体の温度又は流量の制御が含まれ得る。
抵抗ヒータ素子の制御機構の例には、（Ｉ）抵抗ヒータに供給される電流（又は電圧）量の制御、及び（ＩＩ）パルス幅変調下のオン及びオフモードでの抵抗ヒータの相対的割合の制御が含まれ得る。
幾つかの実装態様では、温度制御モジュール１２０は、双方向の温度制御を提供し得る。したがって、各モジュール１２０は、異なる処理要件に応じて、選択的加熱及び選択的冷却を提供し得る。
幾つかの実装態様では、双方向温度制御は、各温度制御モジュール１２０に冷却素子と加熱素子の両方を含めることによって得られる。一例として、図３を参照すると、各熱制御モジュール１２０は、熱電又は抵抗加熱素子１３０及び熱交換器１４０のスタックを含む熱伝達素子を有し得る。各熱交換器を通る流量は、バルブ１４２によって制御され得る。熱交換器１４０は、例えば、熱交換器を通して低温流体を流すことによって、冷却素子として使用され得る。熱電又は抵抗加熱素子１３０は、例えば、素子１３０に電流を流すことによって、加熱素子として使用され得る。加熱素子と冷却素子は、研磨中の各段階で冷却又は加熱が必要か否かに応じて、異なる時間に係合し得る。
しかしながら、幾つかの実装態様では、各温度制御モジュール１２０に必要な熱伝達素子は１つだけである。例えば、熱電素子１３０又は熱交換器１４０は、例えば、電流の流れの方向又は熱交換器を流れる流体の温度に応じて、加熱又は冷却素子として使用され得る。
幾つかの実装態様では、各熱制御モジュール１２０は、熱電又は抵抗加熱素子１３０及び熱交換器１４０のスタックを含み、熱電加熱素子１３０及び熱交換器１４０の両方が双方向温度制御用に構成される。温度制御モジュール１２０は、（ｉ）熱電素子１３０の電流の流れ方向を選択して熱を研磨パッドからポンプ排出させ、（ｉｉ）熱交換器１４０の内部に低温流体を循環させることによって、冷却素子として使用することができる。同じ温度制御モジュール１２０は、（ｉ）熱電素子１３０内部の電流の流れ方向を切り替えて（極性を逆にして）熱をパッドにポンプ供給し、（ｉｉ）熱交換器１４０内部の循環を低温流体から高温流体へ切り替えることによって、加熱素子として使用することができる。
例えば、図４を参照すると、２つの流体循環器Ｃ１及びＣ２は、２つの異なる温度で流体を供給し得る。例えば、Ｃ１は冷水をポンピングし得るが、Ｃ２は温水をポンピングし得る。バルブＶ１及びＶ２を使用して、高温又は低温の流体を温度制御モジュール１２０ａ及び１２０ｂに流すことができる。流体の例には、水及び／又はエチレングリコールが含まれる。流体は、同時に、又は異なる時点で流され得る。この流体は、熱電モジュール１３０の非接触側を冷却又は加熱するために使用される。
図２に戻ると、幾つかの実装態様では、研磨システム２０は、複数の温度制御システム１００ａ、１００ｂを含み、それぞれが、熱制御モジュール１２０のアレイ１２２を有する独自の本体１１０を有する。スラリ分配アーム３９は、熱制御モジュールの２つのアレイ１２２の間に配置され得る。
温度制御システムのうちの１つの本体、例えば、キャリアヘッド７０に対して回転方向に沿った先行位置にある本体１１０（例えば、図２のシステム１１０ｂの本体１１０）は、スラリ除去のバリアとして機能し得る。例えば、システム１００ｂの本体１１０は、システム１００ａの本体１１０よりも研磨パッド３０の近くに配置され得る。工程において、研磨液は、スラリ送達アーム３９によって分配され、下のパッドによって運ばれ、温度制御システム１１０ａの熱制御モジュール１２０のアレイ１２２によって加熱され、次いで、キャリアヘッド７０の下に運ばれて基板と接し得る。次に、使用されたスラリは、キャリアヘッド７０から運ばれ、温度制御システム１１０ｂの本体１１０によって偏向されて、パッド領域の外に迂回され得る。温度制御システム１１０ａの本体１１０はまた、研磨パッド３０を横切って半径方向に研磨液を塗抹するように配置され得る。
幾つかの実装態様では、温度制御システム１００は、２段階の加熱／冷却を使用し得る。ヒートポンプは第１の段階として機能し、熱交換器は第２の段階として機能し得る。第１の段階は、研磨パッドにより近くなっている。
熱電素子の性能の設計仕様は、低温側と高温側の差である。この差には制限がある。例えば、熱電素子を使用してターゲット表面を加熱するとする。熱電素子の底面は高温側になり（ターゲットよりも高温になるべき）、上面は低温側になる。ターゲットは、底部の高温側の近くに配置される。熱伝達は、底部の高温側からターゲットに向けて発生する。
ほとんどの熱電素子は、上側と下側との間で設定された温度差を維持する。ただし、熱電素子の上側を加熱すると、底側が更に熱くなり、底部からターゲットへの熱伝達の効率が高くなり得る。例えば、熱電素子の上側は、その上に高温の液体を流すことで実現され得る。熱電素子を熱交換器、例えば水循環器と直列に使用することによるこの２段階の冷却現象は、ＣＭＰにおいて有利であり得る。これは、逆冷却現象にも当てはまり得る。
水は摂氏０度を超える冷却剤としては機能できない。水とエチレングリコールの混合物は、摂氏０度を下回ることが好ましいが、エチレングリコールが原因で熱伝達が低下し得る。
累積的又は個別の流体入口及び出口を有するパッドの半径方向に沿って熱電素子を複数積み重ねることで、ＣＭＰパッドに沿った温度のゾーン制御が得られる。
幾つかの実装態様では、本体１１０は、スラリワイパ又はスプレッダとしても機能する。例えば、図２を参照すると、研磨液はアーム３９から分配され得る。プラテン２４の回転により、スラリは、研磨パッド３０上で温度制御システム１００ａに向かって運ばれる。特に、本体１１０が研磨パッド３０に接触するように配置されていると仮定すると、後面の底部エッジ（回転方向と反対の面）がアーム３９からのスラリの流れを抑制するバリアとして機能する。その結果、本体１１０の下、例えば研磨パッド３０の溝、又は本体１１０と研磨パッド３０との間の間隙を通過するスラリがより均一に分配されるようになる。
考えられる利点には、以下が含まれる。
（Ｉ）装置は本質的に、ＣＭＰプロセス中に研磨パッドの表面温度を制御するための専用の自己完結型ハードウェアである。
（ＩＩ）装置は、研磨ヘッド又はパッドコンディショナディスクのダウンフォース等のＣＭＰ処理パラメータを調整することにより、パッド表面温度の制御に依存しない。その結果、既存のＣＭＰプロセスへのこの温度制御装置の影響が軽減する。
（ＩＩＩ）熱制御モジュールの素子の特定の選択により、例えば、上記のように熱電素子と熱交換器のスタックを使用する場合、例えば冷却目的での空気の渦又は脱イオン水のジェットと比較して、温度制御装置による研磨パッド表面への妨害が少なくなる。
（ＩＶ）熱制御モジュールの素子の特定の選択により、例えば、上記のように熱電素子と熱交換器のスタックを使用する場合、温度制御装置は、同じ熱制御モジュールで冷却と加熱の両方を含む双方向の温度制御を実現できる。したがって、実装中の新たな装置の設置面積は小さくてよい。更に、双方向の温度制御により、ＣＭＰプロセス全体の様々な段階で調整可能な新たな処理ノブが可能になり、スループット、トポグラフィ、残留物、腐食等によって測定されるＣＭＰの結果が改善される。
（Ｖ）モジュラーアレイの複数の温度制御モジュールを使用することで、ＣＭＰプロセス中のパッド内温度の不均一性が低減する。更に、熱制御モジュールの素子の特定の選択により、例えば、上記のように熱電素子と熱交換器のスタックを使用する場合、各半径方向ゾーンで所望の温度又は温度変化率に到達し、研磨パッド表面の温度の不均一性を低減するために、個々のモジュールでより信頼性の高い温度制御が得られる複数レベルの制御機構がある。
上記の研磨装置及び方法は、様々な研磨システムに適用することが可能である。研磨面と基板との間に相対運動が得られるように、研磨パッド、キャリアヘッド、又はその両方を移動させることができる。例えば、プラテンが回転せずに軌道を回り得る。研磨パッドは、プラテンに固定された円形（又は他の形状）のパッドであり得る。終点検出システムの幾つかの態様は、例えば、研磨パッドが直線的に移動する連続ベルト又はリールトーリールベルトである場合の線形研磨システムに適用可能であり得る。研磨層は、標準的な（例えば、充填材を含む又は含まないポリウレタン）研磨材料、軟質材料、又は固定研磨材料であり得る。相対配置の用語は、システム又は基板内の相対配置を指すために用いられる。研磨工程の間、研磨面及び基板は、垂直方向又は他の何らかの方向に保持され得ることが理解されるべきである。
コントローラ９０の機能的動作は、１又は複数のコンピュータプログラム製品、すなわち、データ処理装置、例えば、プログラム可能なプロセッサ、コンピュータ、又は複数のプロセッサ又はコンピュータによる実行のために、又はその動作を制御するために、非一過性コンピュータ可読記憶媒体に明白に具体化される１又は複数のコンピュータプログラムを使用して実行され得る。
本発明の幾つかの実施形態が説明されてきた。それにもかかわらず、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な修正を行うことができることが理解されよう。したがって、その他の実施形態は、以下の特許請求の範囲内にある。

Claims (16)

  1. 化学機械研磨装置であって、
    研磨パッドを保持するためのプラテンと、
    研磨プロセス中に前記研磨パッドの研磨面に当接するように基板を保持するためのキャリアと、
    前記研磨パッドの複数の領域を加熱又は冷却するために、前記研磨パッドの上の複数の異なる半径方向位置に配置された複数の熱制御モジュールを含む、温度制御システムと、
    を備え、前記複数の熱制御モジュールの各熱制御モジュールが、前記研磨パッドの半径方向領域を個別に加熱又は冷却するように構成されており、熱電ヒートポンプ及び熱交換器を含むスタックを含む、
    装置。
  2. 前記プラテンが軸の周りで回転可能であり、前記複数の熱制御モジュールが前記プラテンの半径に沿って配置されている、請求項１に記載の装置。
  3. 前記複数の領域が異なる形状を有する、請求項１に記載の装置。
  4. 前記プラテンが軸の周りで回転可能であり、前記軸から遠い領域が前記軸に近い領域よりも大きい、請求項３に記載の装置。
  5. 前記軸から遠い領域が、前記軸に近い領域よりも広い角度広がりを有する、請求項４に記載の装置。
  6. 化学機械研磨装置であって、
    研磨パッドを保持するためのプラテンと、
    研磨プロセス中に前記研磨パッドの研磨面に当接するように基板を保持するためのキャリアと、
    前記研磨パッドの上に配置された熱制御モジュールを含む本体を含む温度制御システムであって、前記熱制御モジュールが熱電ヒートポンプ及び熱交換器を含むスタックを含む、温度制御システムと、
    前記研磨パッドに対する前記本体の垂直位置を調整するための第１のアクチュエータと
    を備える装置。
  7. 化学機械研磨の方法であって、
    基板を研磨パッドと接触させることと、
    前記研磨パッドと前記基板との間に相対運動を引き起こすことと、
    前記研磨パッドの上に配置された複数の熱制御モジュールであって、前記複数の熱制御モジュールの各熱制御モジュールが熱電ヒートポンプ及び熱交換器を含むスタックを含む、複数の熱制御モジュールを用いて、前記研磨パッド上の複数の異なる半径方向位置で複数の領域を個別に加熱又は冷却することと
    を含む方法。
  8. 化学機械研磨の方法であって、
    基板を研磨パッドと接触させることと、
    前記研磨パッドと前記基板との間に相対運動を引き起こすことと、
    熱制御システムの本体の熱制御モジュールであって、熱電ヒートポンプ及び熱交換器を含むスタックを含む熱制御モジュールを、前記研磨パッドを離れるように又は前記研磨パッドに向かって上昇させ、下降させることと
    を含む方法。
  9. 化学機械研磨装置であって、
    研磨パッドを保持するためのプラテンと、
    研磨プロセス中に前記研磨パッドの研磨面に当接するように基板を保持するためのキャリアと、
    前記研磨面に研磨液を供給するディスペンサと、
    前記研磨面又は前記研磨面上の前記研磨液に接触するように構成され、前記研磨パッドの上に配置された熱制御モジュールを支持する本体を含む温度制御システムと、
    を備え、前記熱制御モジュールが熱電ヒートポンプ及び熱交換器を含むスタックを含む、
    装置。
  10. 前記研磨パッド又は前記研磨液に接触する前記本体の少なくとも一部がセラミックを含む、請求項９に記載の装置。
  11. 前記本体がセラミックである、請求項１０に記載の装置。
  12. 前記本体の前記一部が、別の材料上のセラミックのコーティングを含む、請求項１０に記載の装置。
  13. 化学機械研磨装置であって、
    研磨パッドを保持するためのプラテンと、
    研磨プロセス中に前記研磨パッドの研磨面に当接するように基板を保持するためのキャリアと、
    前記研磨パッドの上に配置された複数の熱制御モジュールを含む温度制御システムであって、各熱制御モジュールは、流体を受け入れ、前記研磨パッドと前記流体との間で熱を交換するための通路を有する熱交換器を含み、前記温度制御システムは更に、２つの異なる温度で流体を供給するための複数の流体循環器、及び前記複数の流体循環器のそれぞれを各熱交換器に選択的に流体結合させるための複数のバルブを含む、温度制御システムと
    を備える装置。
  14. 前記熱制御モジュールが、熱電ヒートポンプ及び前記熱交換器を含むスタックを含む、請求項１３に記載の装置。
  15. 前記熱交換器が前記熱電ヒートポンプの上にある、請求項１４に記載の装置。
  16. 前記熱電ヒートポンプへの電流を制御して、前記熱電ヒートポンプに、前記研磨パッドに熱を送らせ又は前記研磨パッドから熱を排出させ、前記熱交換器を通過する流体の温度又は流量を制御して、前記熱交換器に、前記熱電ヒートポンプの上面の温度を上げたり下げたりさせるように構成されたコントローラを備える、請求項１５に記載の装置。
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