JP2019504502A - 化学機械研磨用の小さいパッドのためのキャリア - Google Patents

Abstract

化学機械研磨システムは、研磨動作中に基板を保持するように構成された基板支持体と、膜及び研磨パッド部分を含む研磨パッドアセンブリと、研磨パッドキャリアと、基板支持体と研磨パッドキャリアとの間で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含む。研磨パッドキャリアは、空洞及び空洞をケーシングの外側に結合する開孔を有するケーシングを含む。膜が空洞を第１のチャンバ及び第２のチャンバに分割し、開孔が第２のチャンバから延びるように、研磨パッドアセンブリがケーシング内に位置付けられる。少なくとも第１のチャンバへの十分な圧力の印加中に、研磨パッド部分が開孔を通って突出するように、研磨パッドキャリア及び研磨パッドアセンブリが位置付けられ構成される。【選択図】図６

Description

本開示は、化学機械研磨（ＣＭＰ）に関する。

集積回路は通常、シリコンウエハに導電層、半導電層、又は絶縁層を連続的に堆積させることによって、基板に形成される。１つの製造ステップは、非平面の表面を覆う充填層を堆積し、この充填層を平坦化することを含む。特定の応用例では、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ン絶縁層上に堆積され、絶縁層内のトレンチ又は孔を充填することができる。平坦化後、上昇し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を提供するビア、プラグ、及びラインを形成する。酸化物研磨といった他の応用例では、充填層は、非平坦面上に所定の厚さが残るまで、平坦化される。加えて、基板表面の平坦化は、通常、フォトリソグラフィのために必要とされる。

化学機械研磨（ＣＭＰ）は、１つの認知された平坦化方法である。この平坦化方法は、通常、基板がキャリア又は研磨ヘッドに装着されることを要する。基板の露出面は、通常、回転している研磨パッドに当てられるように置かれる。キャリアヘッドが、基板に制御可能な負荷をかけ、基板を研磨パッドに押し付ける。研磨用の研磨スラリが、通常、研磨パッドの表面に供給される。

本開示は、基板に対する研磨パッドの接点エリアが基板の半径より小さい、基板を研磨する装置を提供する。

１つの態様では、化学機械研磨システムは、研磨動作中に基板を保持するように構成された基板支持体と、膜及び研磨パッド部分を含む研磨パッドアセンブリと、研磨パッドキャリアと、基板支持体と研磨パッドキャリアとの間で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含む。研磨パッド部分は、研磨動作中に基板と接触する研磨面を有し、研磨パッド部分は、研磨面の反対側で膜に接合される。研磨パッドキャリアは、空洞及び空洞をケーシングの外側に結合する開孔を有する前記ケーシングを含む。膜が空洞を第１のチャンバ及び第２のチャンバに分割し、開孔が第２のチャンバから延びるように、研磨パッドアセンブリがケーシング内に位置付けられる。少なくとも第１のチャンバへの十分な圧力の印加中に、研磨パッド部分が開孔を通って突出するように、研磨パッドキャリア及び研磨パッドアセンブリが位置付けられ構成される。

実施態様は、以下の特徴の一又は複数を含みうる。

膜及び研磨パッド部分は、単一の本体でありうる。研磨パッド部分は、接着剤によって膜に固定されうる。膜が、可撓性のより低い第２の部分によって囲まれた第１の部分を含み、研磨パッド部分が、第１の部分に接合されうる。開孔を囲む前記研磨パッドキャリアの外面は、研磨面に実質的に平行でありうる。

第１のチャンバが大気圧にあるとき、研磨パッド部分が開孔を少なくとも部分的に通って延びるように、研磨パッドキャリア及び研磨パッドアセンブリが構成されうる。第１のチャンバが大気圧にあるとき、研磨パッド部分が開孔全体を通って延びるように、研磨パッドキャリア及び研磨パッドアセンブリが構成されうる。第１のチャンバが大気圧にあるとき、研磨パッド部分が開孔を部分的にのみ通って延びるように、研磨パッドキャリア及び研磨パッドアセンブリが構成されうる。

制御可能な圧力源は、第１のチャンバに流体可能に連結されうる。研磨流体のためのリザーバは、第２のチャンバに流体可能に連結されうる。システムは、研磨動作中に、研磨流体を第２のチャンバ内に流入させ、かつ開孔から流出させるように構成されうる。洗浄流体源は、第２のチャンバに流体可能に連結されうる。システムは、研磨動作の間に、洗浄流体を第２のチャンバ内に流入させ、かつ開孔から流出させるように構成されうる。

ケーシングは、開孔を除く膜の実質的にすべてにわたって延びる下部を含みうる。ケーシングは、上部を含み、膜のエッジが、ケーシングの上部と下部との間でクランプされうる。膜は、研磨面に実質的に平行でありうる。駆動システムは、研磨パッド部分が基板の露出面と接触している間に、研磨パッドキャリアを軌道運動で移動させ、軌道運動中に、研磨パッドを基板に対して固定された角度配向に維持するように構成されうる。

別の態様では、研磨パッドアセンブリは、周囲がインゲン豆形状である膜と、研磨動作中に基板と接触する研磨面を有する研磨パッド部分とを含みうる。研磨パッド部分は、研磨面の反対側で膜に接合されうる。

実施態様は、下記特徴の一又は複数を含みうる。

研磨パッド部分は、膜の正中線周囲に、かつ膜の反対のエッジから実質的に等距離に位置付けられうる。膜は、膜の正中線に対して左右対称性を有していてもよい。

本発明の利点は、以下の一又は複数を含みうる。研磨パッドの基板に対する圧力は、制御することができ、したがって、研磨パッドによって、研磨速度が調節可能になる。研磨パッドを保持する膜は、研磨屑から保護することができ、よって、パッド部分の寿命を向上させる。スラリは、基板と接触する研磨パッドの部分と近接して提供することができる。これにより、スラリは品質の低い状態で供給可能となり、よってコストが削減される。非同心円状の研磨均一性を補償するために、軌道運動を行う小さなパッドを使用することができる。軌道運動は、パッドが、研磨が望ましくない領域と重複することを避けつつ、許容可能な研磨速度を提供することができ、それゆえに基板の均一性を改善する。基板の非均一な研磨を減らすことができ、結果として生じる基板の平坦さや仕上がりが改善する。

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だろう。

研磨システムの概略断面側面図である。 基板における研磨パッド部分のローディングエリアを示す概略上面図である。 Ａ−Ｅは、研磨パッドアセンブリの概略断面図である。 Ａ−Ｃは、研磨パッドアセンブリの研磨面の概略底面図である。 Ａ−Ｂは、研磨パッドアセンブリの概略底面図である。 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つつ軌道を移動する研磨パッド部分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。 基板に対する研磨パッド部分の軌道運動を例示する概略断面及び上面図である。 基板に対する研磨パッド部分の回転運動を例示する概略断面及び上面図である。

様々な図面における類似の参照符号は、類似した要素を指し示している。

１．イントロダクション
幾つかの化学機械研磨プロセスでは、基板の表面にわたって厚さが不均一になる。例えば、バルク研磨プロセスでは、基板上に研磨不足の領域が生じる可能性がある。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」研磨プロセスを実行することが可能である。

幾つかのバルク研磨プロセスでは、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。基板の中心周囲で回転する研磨パッドは、不均一な同心円状のリングを補償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の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。しかしながら、非同心円状の研磨不均一性を補償するために、軌道運動を行う小さなパッドを使用することができる。

図１を参照すると、基板の局所化された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。

研磨パッドキャリア３００は、研磨動作中に基板１０に対する研磨パッドキャリア３００の運動を提供することになる、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、支持構造体５５０から吊り下げることができる。

幾つかの実施態様では、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に結合される。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との間に結合を提供することができる。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上方の所望の横方向位置に位置決めするように動作可能である。

例えば、支持構造体５５０は、２つの線形アクチュエータ５６２及び５６４を含むことができ、これらは、基板支持体１０５上で２つの垂直方向に運動をもたらし、位置決め駆動システム５６０を設けるように配向されている。代替的には、基板支持体１０５は、２つの線形アクチュエータによって支持することができるだろう。代替的には、基板支持体１０５は、１つの線形アクチュエータによって支持することができ、研磨パッドキャリア３００は、他の線形アクチュエータによって支持することができるだろう。代替的には、基板支持体１０５は、回転可能であり、研磨パッドキャリア３００は、半径方向に沿って運動をもたらす単一の線形アクチュエータから吊り下げることができる。代替的には、研磨パッドキャリア３００は、回転アクチュエータから吊り下げることができ、基板支持体１０５は、回転アクチュエータにより回転可能とすることができる。代替的には、支持構造体５５０は、基板１０５の側面に離れて配置された基部に旋回可能に取り付けられているアームとすることができ、基板支持部１０５は、線形又は回転アクチュエータによって支持することができるだろう。

オプションで、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に結合することができる。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に結合することができる。代替的に又は追加的に、垂直駆動可能ピストンは、研磨パッドキャリア３００全体を昇降させるために、位置決めシステム５００に包含することができるだろう。

研磨装置１００は、オプションで、研磨用スラリなどの研磨液６２を保持するためのリザーバ６０を含む。以下で検討するように、幾つかの実施態様では、スラリは、研磨パッドキャリア３００を通って研磨される基板１０の表面１２に分配される。導管６４、例えばフレキシブルチューブなどは、リザーバ６０から研磨パッドキャリア３００まで研磨流体を搬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は、研磨装置は、研磨液を分配するための分離ポート６６を含むことができるだろう。研磨装置１００はまた、研磨パッド２００を一貫した研磨状態に維持するために、研磨パッド２００を研磨するための研磨パッドコンディショナーを含むことができる。リザーバ６０は、研磨液を制御可能な速度で導管６４を通して供給するためのポンプを含むことができる。

研磨装置１００は、洗浄流体源７０、例えばリザーバ又はスラリラインなどを含むことができる。洗浄流体は、脱イオン水とすることができる。導管７２、例えばフレキシブルチューブなどは、リザーバ７０から研磨パッドキャリア３００まで研磨流体を搬送するために使用することができる。

研磨装置１００は、制御可能な圧力を研磨パッドキャリア３００の内側に印加するための制御可能な圧力源８０、例えばポンプなどを含む。圧力源８０は、フレキシブルチューブなどの導管８２によって、研磨パッドキャリア３００に結合することができる。

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に、又は研磨装置１００の様々な構成要素を保持する分離フレームに装着することができる。

動作中に、基板１０は、例えばロボットによって、基板支持体１０５上にローディングされる。幾つかの実施態様では、基板１０がローディングされるときに、研磨パッドキャリア５００が基板支持体１０５の真上にないように、位置決め駆動システム５６０は、研磨パッドキャリア５００を移動させる。例えば、支持構造体５５０が旋回可能なアームである場合、研磨パッドキャリア３００が基板ローディング中に基板支持体１０５の側面から離れるように、アームはスイングすることができるだろう。

次いで、位置決め駆動システム５６０は、研磨パッド支持体３００及び研磨パッド２００を基板１０上の所望の位置に位置決めする。研磨パッド２００は、基板１０と接触する。例えば、研磨パッドキャリア３００は、研磨パッド２００を基板１０の上に押し下げるために、研磨パッド２００を作動させることができる。代替的に又は追加的には、一又は複数の垂直アクチュエータは、基板１０と接触するように、研磨パッドキャリア３００全体を下げる、及び／又は基板支持体を持ち上げることができるだろう。研磨駆動システム５００は、基板１０を研磨するために、研磨パッド支持体３００と基板支持体１０５との間に相対運動を生成する。

研磨動作中に、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した状態で保持することができる。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、又は研磨される領域にわたってゆっくりと（研磨駆動システム５００により基板１０に提供される運動と比較して）、研磨駆動システム５００を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１０にもたらされる瞬間速度１０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％未満とすることができる。

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、中央処理ユニット９１、メモリ９２、及び支持回路９３を含むことができる。コントローラ９０の中央処理ユニット装置９１は、支持回路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の下方に位置するプレート形状の本体である。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エリアを提供する。例えば、基板は、２００ｍｍから４５０ｍｍの直径の基板とすることができる。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、又はそれより大きい半径を有する。幾つかの実施態様では、基板支持体１０５は、基板よりわずかに、例えば基板直径の１〜２％ほど、狭い。この場合、支持体１０５の上に置かれると、基板１０のエッジは、支持体１０５のエッジからわずかに突出する。これにより、エッジグリップロボットが基板を支持体に置くためのクリアランスを設けることができる。幾つかの実施態様では、基板支持体１０５は、基板より、例えば基板直径の１〜１０％ほど、幅広い。いずれの場合でも、基板支持体１０５は、基板の背面の大部分と接触することができる。

幾つかの実施態様では、基板支持体１０５は、クランプアセンブリ１１１での研磨動作中に、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より幅広い場所とすることができる。幾つかの実施態様では、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とすることができる。代替的には、クランプアセンブリ１１１は、基板１０の対向する側に、上面のリムに接触する２つの円弧状のクランプ１１２を含むことができる。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げることができる。クランプの下向きの力は、基板が、研磨動作中に横方向に移動するのを抑制する。幾つかの実施態様では、一又は複数のクランプは、基板の外側エッジを囲む下向きに突出するフランジ１１４を含む。

代替的に又は追加的には、基板支持体１０５は、真空チャックである。この場合、基板１０と接触する支持体１０５の上面１２８は、支持体１０５内の一又は複数の経路１２６によってポンプなどの真空源１２６に結合された複数のポート１２２を含む。動作中に、真空源１２６によって経路１２６から空気を排気することができ、したがって、ポート１２２を通って吸引力を印加し、基板１０を基板支持体１０５上の所定の位置に保持する。真空チャックは、基板支持体１０５が基板１０より広くても狭くても可能である。

幾つかの実施態様では、基板支持体１０５は、研磨中に基板１０を周方向に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、オプションで、互いに結合することができる。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むことができる。

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、接触エリア（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の半径より小さい直径の最大横寸法Ｄを有することができる。例えば、研磨パッドの最大横直径は、基板の直径の約５〜１０％とすることができる。例えば、直径２００ｍｍ〜３００ｍｍの範囲のウエハでは、研磨パッド面２２０は、２ｍｍ〜３０ｍｍの最大横寸法、例えば、３ｍｍ〜１０ｍｍ、３ｍｍ〜５ｍｍの最大横寸法を有することができる。パッドが小さいほど精度は高くなるが、使用するのが遅くなる。

研磨パッド部分２００（及び研磨面２２０）の横断面形状、即ち研磨面２２０に平行な断面は、例えば、円形、正方形、楕円形、又は円弧といった、ほぼどんな形状でもよい。

図１及び図３Ａから図３Ｄを参照すると、研磨パッド部分２００は、研磨パッドアセンブリ２４０を設けるために膜２５０に接合される。以下で検討するように、研磨パッド部分２００が接合される膜２５０の中心エリア２５２が、膜２５０のエッジ２５４が垂直に静止したまま垂直偏向を受けることができるように、膜２５０は、屈曲するように構成される。

膜２５０は、研磨パッド部分２００の最大横寸法Ｄより大きい横寸法Ｌを有する。膜２５０は、研磨パッド部分２００より薄くてもよい。研磨パッド部分２００の側壁２０２は、膜２５０に実質的に垂直に延びることができる。

幾つかの実施態様では、例えば図３Ａに示すように、研磨パッド部分２００の上部は、接着剤２６０によって膜２５０の底部に固定されている。接着剤は、エポキシ、例えばＵＶ硬化性エポキシとすることができる。この場合、研磨パッド部分２００及び膜２５０は、別々に製造され、その後、接合することができる。

幾つかの実施態様では、例えば図３Ｂに示すように、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、例えば均質組成物などの、単一の本体である。例えば、研磨パッドアセンブリ２５０全体は、補完的形状を有する型内で射出成形によって形成することができる。代替的には、研磨パッドアセンブリ２４０は、研磨パッドアセンブリ２４０は、ブロックで形成され、その後、膜２５０に対応する部分を薄くするように機械加工することができるだろう。

研磨パッド部分２００は、基板化学機械研磨中に基板に接触するのに適した材料とすることができる。例えば、研磨パッド材料は、微多孔性ポリウレタンといったポリウレタン、例えばＩＣ−１０００材料を含むことができる。

膜２５０及び研磨パッド部分２００は別々に形成され、膜２５０は、研磨パッド材料より柔らかいものとすることができる。例えば、膜２５０が、約６０〜７０ショアＤの硬度を有することができるのに対し、研磨パッド部分２００は、約８０〜８５ショアＤの硬度を有することができる。

代替的には、膜２５０は、研磨パッド部分２００よりフレキシブルだが、圧縮性が低いとすることができる。例えば、膜は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などのフレキシブルポリマーとすることができる。

膜２５０は、研磨パッド部分２００と異なる材料から形成することができ、又は本質的に同一の材料であるが、架橋度又は重合度が異なる材料で形成することができる。例えば、膜２５０及び研磨パッド部分２００の両方をポリウレタンとすることができるが、膜２５０は、研磨パッド部分２００より柔らかくなるように、硬化を少なくすることができる。

幾つかの実施態様では、例えば図３Ｃに示すように、研磨パッド部分２００は、例えば、研磨面２２０を有する研磨層２１０と、膜２５０と研磨層２１０との間のより圧縮できるバッキング層２１２といった、異なる組成物の２つ以上の層を含むことができる。オプションで、中間接着剤層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することができる。

異なる組成物の複数の層を有する研磨パッド部分はまた、図３Ｂに示す実施態様にも適用可能である。この場合、膜２５０及びバッキング層２１２は、例えば均質組成物の、単一の本体とすることができる。だから、膜２５０は、バッキング層２１２の一部である。

幾つかの実施態様では、図３Ｄに示すように（しかしまた図３Ｂ及び図３Ｃに示す実施態様にも適用可能である）、研磨パッド部分２００の底面は、研磨動作中にスラリを搬送可能にする溝２２４を含むことができる。溝２２４は、研磨パッド部分２００の深さより浅く（例えば、研磨層２１０より浅く）することができる。

幾つかの実施態様では、例えば図３Ｅに示すように（しかしまた図３Ｂから図３Ｅに示す実施態様にも適用可能である）、膜２５０は、中心部分２５２周囲に薄くなった部分２５６を含む。薄くなった部分２５６は、囲む部分２５８よりも薄い。これにより、膜２００の可撓性を高め、印加された圧力下でより大きな垂直偏向を可能にする。

膜２５０の周囲２５４は、研磨パッドキャリア３００への密閉を高める厚くしたリム又は他の特徴を含むことができる。

研磨面２２０の横断面形状には、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、円形エリアとすることができる。

図４Ｂを参照すると、研磨パッド部分２００の研磨面２２０は、円弧状とすることができる。そのような研磨パッドが溝を含む場合、溝は、円弧状エリアの幅全体に延びうる。幅は、円弧状エリアのより薄い寸法に沿って測定される。溝は、円弧状エリアの長さに沿って均一なピッチで離間させることができる。各溝は、溝及び円弧状エリアの中心を通過する半径に沿って延びてもよく、又は半径に対して、例えば４５°などの角度で位置決めされてもよい。

図４Ｃを参照すると、研磨パッド部分２００の研磨面２２０は、基本的に長方形であるが、溝２２４によって分割されて示されている。図示されるように、研磨面２２０にわたって垂直方向に伸びる溝が存在しうるが、幾つかの実施態様では、例えば研磨面２２０が十分に狭い場合、すべての溝は、ただ一方向に伸びることができる。

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の最小横寸法より小さい。

図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、膜２５０は、研磨パッド部分２００の全側面において研磨パッド部分２００の外側壁２０２を越えて延びる。研磨パッド部分２００は、膜２５０の２つの最も接近した対向エッジから等距離に配置することができる。研磨パッド部分２００は、膜２５０の中心に位置することができる。

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約５倍から１５倍大きくすることができる。膜２５０の最小（横）外周寸法は、約２６０ｍｍから３００ｍｍとすることができる。一般に、膜２５０のサイズは、その可撓性に依存し、膜の中心が所望の圧力での所望の垂直偏向量を受けうるように、サイズを選択することができる。

パッド部分２００は、約０．５ｍｍから７ｍｍの厚さ、例えば約２ｍｍの厚さを有することができる。膜２５０は、約０．１２５ｍｍから１．５ｍｍの厚さ、例えば約０．５ｍｍの厚さを有することができる。

膜２５０の周囲２５９は、一般に、研磨パッド部分の周囲を模倣することができる。例えば、図５Ｂに示すように、研磨パッド部分２００が円形である場合、膜２５０も同様に円形にすることができる。しかしながら、膜２５０の周囲２５９は、鋭角を含まないように滑らかに湾曲させることができる。例えば、研磨パッド部分２００が正方形である場合、膜２５０は、丸みを帯びた角を有する正方形又は角が丸い四角形とすることができる。幾つかの実施態様では、膜２５０の周囲２５９は、研磨パッド部分２００の周囲から均一の距離である。要するに、膜２５０の周囲２５９の各点と、研磨パッド部分２００の周囲の最も近い点との間の距離は、一定である。

図５Ａを参照すると、幾つかの実施態様では、膜２５０は、「インゲン豆」形状を有する。要するに、膜２５０は、形状の長い方には内向きに延びる凹部２９０を有するが、形状の反対側には凹部を有さない、細長い楕円形とすることができる。膜２５０は、形状の短い軸周囲で二軸に対称とすることができる。正中線Ｍにおいて、研磨パッド部分２００は、膜２５０の２つの対向するエッジから等距離に配置することができる。

「インゲン豆」形状は、円弧状の研磨パッド部分２００で使用することができる。これは、基板における研磨面２５０の圧力の均一性を改善することができる。しかしながら、「インゲン豆」形状は、正方形又は長方形といった他の形状の研磨パッド部分２００で使用することができるだろう。

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で制御可能な下向きの圧力を供給するように構成されている、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、一般に、研磨パッドアセンブリ２４０を囲むことができる。例えば、ケーシング３１０は、研磨パッドアセンブリ２５０の少なくとも膜２５０が位置決めされる内側空洞を含むことができる。

ケーシング３１０はまた、研磨パッド部分２００が内部に延びる開口３１２を含む。研磨パッド２００の側壁２０２は、例えば約０．５ｍｍから２ｍｍの幅Ｗを有する間隙によって、開口３１２の側壁３１４から分離することができる。研磨パッド２００の側壁２０２は、開孔３１２の側壁３１４に平行にすることができる。

膜２５０は、空洞３２０にわたって延び、空洞３２０を上位チャンバ３２２と下位チャンバ３２４に分割する。開孔３１２は、下位チャンバ３２４を外部環境に結合する。膜２５４は、上位チャンバ３２０を加圧可能になるように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想定すると、膜２５０のエッジ２５４をケーシング３１０にクランプすることができる。

幾つかの実施態様では、ケーシング３１０は、上部３３０及び下部３４０を含む。上部３３０は、上位チャンバ３２２を囲むことになる下向きに延びるリム３３２を含み、下部３４０は、下位チャンバ３４２を囲むことになる上向きに延びるリム３４２を含むことができる。

上部３３０は、例えば、上部３３０の孔を通って下部３４０のねじ受け孔内に延びるねじによって、下部３４０に移動可能に固定することができる。その部分を移動できるように固定可能にすると、研磨パッド部分２００が摩耗したときに、研磨パッドアセンブリ２４０を除去し交換することができる。

膜２５０のエッジ２５４は、ケーシング３１０の上部３３０と下部３４０との間でクランプすることができる。例えば、膜２５０のエッジ２５４は、上部３３０のリム３３２の底面３３４と、下部３４０のリム３４２の上面３４２との間で、圧縮される。幾つかの実施態様では、上部３３０又は下部３３２のどちらかは、膜２５０のエッジ２５４を受けるために形成された凹領域を含むことができる。

ケーシング３１０の下部３４０は、リム３４２から水平かつ内向きに延びるフランジ部分３５０を含む。下部３４０、例えばフランジ３５０は、開孔３１２の領域を除く膜２５０全体にわたって延びうる。これにより、膜２５０を研磨屑から保護することができ、よって、膜２５０の寿命が延びる。

ケーシング３１０内の第１の経路３６０は、導管８２を上位チャンバ３２２に結合する。これにより、圧力源８０は、チャンバ３２２内の圧力を制御することができ、したがって、膜２５０への下向きの圧力及び膜２５０の偏向、ひいては基板１０への研磨パッド部分２００の圧力も制御される。

幾つかの実施態様では、上位チャンバ３２２が通常の大気圧にあるとき、研磨パッド部分２００は、開孔３１２を完全に通過し、ケーシング３１０の下面３５２を越えて突出する。幾つかの実施態様では、上位チャンバ３２２が通常の大気圧にあるとき、研磨パッド部分２００は、開孔３１２内に部分的にだけ延び、ケーシング３１０の下面３５２を越えて突出することはない。しかしながら、この後者の場合、上位チャンバ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を偏向させることができる。

ケーシング３１０内のオプションの第２の経路３６２は、導管６４を下位チャンバ３２４に結合する。研磨動作中に、スラリ６２は、リザーバ６０から下位チャンバ３２４内に、かつチャンバ３２４から研磨パッド部分２００とケーシング３１０の下部との間の間隙を通って流れることができる。これにより、スラリを、基板に接触する研磨パッドの部分に近接して提供することができる。その結果、スラリは、品質の低い状態で供給することができ、したがって動作のコストが削減される。

ケーシング３１０内のオプションの第３の経路３６４は、導管７２を下位チャンバ３２４に結合する。例えば研磨動作後などの動作中に、洗浄流体は、源７０から下位チャンバ３２４内に流れることができる。これにより、例えば研磨動作の間などに、研磨流体を、下位チャンバ３２４からパージすることができる。このことは、下位チャンバ３２４内のスラリの凝固を防止することができ、したがって、研磨パッドアセンブリ２４０の寿命を延ばし、欠陥を減らす。

ケーシング３１０の下面３５２、例えばフランジ３５０の下面は、研磨中に基板１０の上面１２に実質的に平行に延びることができる。フランジ３４４の上面３５４は、内向きに測定されると、外側上部３３０から傾斜する傾斜エリア３５６を含むことができる。この傾斜エリア３５６は、上位チャンバ３２２が加圧されるときに、膜２５０が内面３５４に確実に接触しないように役立ち、したがって、膜２５０が研磨動作中にスラリ６２の開孔３１２を通る流れを確実に遮断しないように役立つことができる。代替的に又は追加的には、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、次にスラリは、チャネル又は溝を通って流れ続けることができる。

図３は下部３４０のリム３４２の側壁に現れる経路３６２及び３６４を示しているが、他の構成が可能である。例えば、経路３６２及び３６４のどちらか一方又は両方が、フランジ３５４の内面３５４又は開孔３１２の側壁３１４内にさえ現れる可能性がある。

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、研磨作業中に、連結された研磨パッドキャリア３００と研磨パッド部分２００を軌道運動で移動させるように構成することができる。特に、図７に示されているように、研磨駆動システム５００は、研磨動作中に、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することができる。

図７は、研磨パッド部分２００の初期位置Ｐ１を示す。軌道を通る移動の１／４、１／２及び３／４それぞれでの研磨パッド部分２００の追加位置Ｐ２、Ｐ３及びＰ４が、点線で示されている。エッジマーカーＥの位置によって示されるように、研磨パッドは、軌道を通って移動する間に、相対的に固定された角度配向にとどまる。

なおも図７を参照すると、基板と接触する研磨パッド部分２００の軌道の半径Ｒは、研磨パッド部分２００の最大横寸法Ｄより小さくすることができる。幾つかの実施態様では、研磨パッド部分２００の軌道の半径Ｒは、接点エリアの最小横寸法より小さい。円形の研磨エリアの場合、研磨パッド部分２００の最大横寸法Ｄ（Ｉｎ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｏｆ ａ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ａｒｅａ， ｔｈｅ ｌａｒｇｅｓｔ ｌａｔｅｒａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ Ｄ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｐａｄ ｐｏｒｔｉｏｎ ２００）。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％とすることができる。２０〜３０ｍｍにわたる研磨パッド部分については、軌道の半径は、１〜６ｍｍとすることができる。これは、研磨パッド部分２００の基板に対する接点エリアにおいて、より均一の速度プロファイルを実現する。研磨パッドは、好ましくは、毎分１０００〜５０００回転（「ｒｐｍ」）の速度で旋回すべきである。

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、単一のアクチュエータ５４０、例えば回転アクチュエータで、軌道運動を実現することができる。円形凹部３３４は、ケーシング３１０の上面３３６、例えば上部３３０の上面に形成することができる。凹部３３４の直径以下の直径を有する円形ロータ５１０は、凹部３３４内部に嵌合するが、研磨パッドキャリア３００に対して自由に回転する。ロータ５１０は、オフセット駆動シャフト５２０によって、モータ５３０に結合されている。モータ５３０は、支持構造体３５５から吊り下げることができ、位置決め駆動システム５６０の移動部分に取り付けられ、その部分とともに移動することができる。

オフセット駆動シャフト５２０は、軸５２４周囲を回転するモータ５４０に結合されている上位駆動シャフト部分５２２を含むことができる。駆動シャフト５２０はまた、上位駆動シャフト５２２に結合されているが、例えば水平に延びる部分５２８によって、上位駆動シャフト５２２から横方向にオフセットする下位駆動シャフト部分５２６を含む。

動作中に、上位駆動シャフト５２２の回転は、下位駆動シャフト５２６及びロータ５１０を旋回させ、かつ回転させる。ケーシング３１０の凹部３３４の内面に対するロータ５１０の接触により、研磨パッドキャリア３００は、類似の軌道運動を行うことになる。

下位駆動シャフト５２０がロータ５１０の中心に接触すると仮定すると、下位駆動シャフト５２０は、軌道の所望の半径Ｒを提供する距離Ｓだけ、上位駆動シャフト５２２からオフセットすることができる。とりわけ、オフセットにより下位駆動シャフト５２２が半径Ｓを有する円で回転し、凹部３４４の直径がＴ、ロータの直径がＵである場合、以下のようになる。

複数の回転防止リンク５５０、例えば４つのリンクは、位置決め駆動システム５６０から研磨パッドキャリア３００まで延び、研磨パッドキャリア３００の回転を防止する。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内の受け孔に嵌合するロッドとすることができる。ロッドは、曲がるけれども、一般に伸びない、ナイロンなどの材料から形成することができる。よって、ロッドは、わずかに屈曲することができ、研磨パッドキャリア３００の軌道運動を可能にするが、回転を妨げない。したがって、回転防止リンク５５０は、ロータ５１０の運動と関連して、研磨パッドキャリア３００及び研磨パッド部分２００の軌道運動を実現し、研磨動作中には、研磨パッドキャリア３００及び研磨パッド部分２００の角度配向は変わらない。軌道運動の利点は、単純な回転より、均一性の高い速度プロファイル、更には、均一性の高い研磨である。幾つかの実施態様では、回転防止リンク５５０は、研磨パッドキャリア３００の中心周囲で等しい角度間隔で離間して配置することができる。

幾つかの実施態様では、研磨駆動システム及び位置決め駆動システムが、同一の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つの垂直方向に移動させるように構成された２つの線形アクチュエータを含むことができる。位置決めするために、コントローラは、アクチュエータに、パッド支持体を基板上の所望の位置まで移動させるようにすることができる。研磨するために、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、アクチュエータにパッド支持体を軌道運動で移動させるようにすることができる。

幾つかの実施態様では、研磨駆動システムは、２つの回転アクチュエータを含むことができる。例えば、研磨パッド支持体は、第１の回転アクチュエータから吊り下げることができ、次いで、第１の回転アクチュエータは、第２の回転アクチュエータから吊り下げられる。研磨動作中に、第２の回転アクチュエータは、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の回転アクチュエータは、例えば、第２の回転アクチュエータと反対方向にではあるが同じ回転速度で回転し、回転運動を相殺し、基板に対して実質的に固定された角度位置にある間、研磨パッドアセンブリが旋回する。

６．結論
基板上の不均一性のスポットのサイズは、そのスポットの研磨中のローディングエリアの理想的なサイズを規定するだろう。ローディングエリアが大きすぎる場合、基板上の幾つかのエリアの研磨不足を修正すると、他のエリアを過剰に研磨してしまう可能性がある。その一方で、ローディングエリアが小さすぎる場合、研磨不足のエリアをカバーするためにパッドを基板全域に移動させる必要が生じ、よってスループットが下がる。したがって、本実施態様は、ローディングエリアをスポットのサイズに一致させることができる。

図９を参照すると、研磨パッド部分２００の研磨面２５０は、基板１０に対して軌道運動を行うことができる。回転とは対照的に、基板に対する研磨パッドの固定配向を維持する軌道運動は、研磨されている領域全域に、より均一な研磨速度を提供する。

軌道運動について説明してきたが、回転運動が望ましい幾つかの実施態様が存在しうる。例えば、図１０に示すように、駆動システム５００は、基板１０の中心１８周囲で研磨パッド部分２００を回転させることができる。この実施態様は、基板上の不均一性が半径方向に対称である場合に有利でありうる。研磨パッド部分２００は、図４Ｂに示す円弧形状寸法を有することができる。研磨パッド部分２００の円弧は、円弧の半径方向の中心が基板１０の中心に一致するようにすることができる。この構成の利点は、更に研磨を必要とする領域の周囲で伸張することによって、研磨パッド部分２００をより大きくすることができ、半径方向の精度を犠牲にすることなく、より高い研磨速度を達成できることである。

本明細書で使用される基板という用語は、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むことができる。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、又は一又は複数の堆積層及び／又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が説明された。それでもなお、本発明の精神及び範囲から逸脱しない限り、様々な修正を行うことができると理解されよう。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対して所定位置に移動可能な固有のアクチュエータを含むことができるだろう。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内で移動させる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、基板を軌道経路内で移動させることもできるだろう。この場合、研磨駆動システムは、類似しているが、研磨パッド支持体ではなく基板支持体に結合することができるだろう。

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とすることができよう（この場合、「半径」又は「直径」の検討は、概して、主軸に沿った横方向寸法に当てはまる）。

相対的に位置付けるという用語は、システムの構成要素を、必ずしも重力に対してではなく、互いに対して位置付けることを示すために使用され、研磨面及び基板は垂直配向に又は幾つかの他の配向に保持できると理解すべきである。しかしながら、開孔がケーシングの底部にある状態での重力に対する配置は、重力がスラリのケーシングからの流れを支援できる点で、特に有利でありうる。

したがって、その他の実施形態が、下記の特許請求の範囲内にある。

Claims (15)

1. 化学機械研磨システムであって、
   研磨動作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が前記研磨動作中に前記基板と接触するための研磨面を有しており、前記研磨パッド部分が前記研磨面の反対側で前記膜に接合されている、研磨パッドアセンブリと、
   空洞及び前記空洞をケーシングの外側に結合する開孔を有する前記ケーシングを含む研磨パッドキャリアであって、前記膜が前記空洞を第１のチャンバ及び第２のチャンバに分割し、前記開孔が前記第２のチャンバから延びるように、前記研磨パッドアセンブリが前記ケーシング内に位置付けられており、少なくとも前記第１のチャンバへの十分な圧力の印加中に、前記研磨パッド部分が前記開孔を通って突出するように前記研磨パッドキャリア及び前記研磨パッドアセンブリが位置付けられ構成されている、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で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
   を含むシステム。
2. 前記研磨パッド部分が、接着剤によって前記膜に固定される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記膜が、可撓性のより低い第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が、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。
4. 前記開孔を囲む前記研磨パッドキャリアの外面が、前記研磨面に実質的に平行である、請求項１に記載のシステム。
5. 前記第１のチャンバが大気圧にあるとき、前記研磨パッド部分が前記開孔を少なくとも部分的に通って延びるように、前記研磨パッドキャリア及び前記研磨パッドアセンブリが構成される、請求項１に記載のシステム。
6. 前記第１のチャンバに流体可能に連結された制御可能な圧力源を含む、請求項１に記載のシステム。
7. 研磨流体のためのリザーバであって、前記第２のチャンバに流体可能に連結されたリザーバを含む、請求項１に記載のシステム。
8. 研磨動作中に、前記研磨流体を前記第２のチャンバ内に流入させ、かつ前記開孔から流出させるように構成されている、請求項７に記載のシステム。
9. 前記第２のチャンバに流体可能に連結された洗浄流体源を含む、請求項１に記載のシステム。
10. 研磨動作の間に、前記洗浄流体を前記第２のチャンバ内に流入させ、かつ前記開孔から流出させるように構成されている、請求項９に記載のシステム。
11. 前記ケーシングが、前記開孔を除く前記膜の実質的にすべてにわたって延びる下部を含む、請求項１に記載のシステム。
12. 前記ケーシングが上部を含み、前記膜のエッジが、前記ケーシングの前記上部と前記下部との間でクランプされる、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記膜が、前記研磨面に実質的に平行である、請求項１に記載のシステム。
14. 前記駆動システムは、前記研磨パッド部分が前記基板の露出面と接触している間に、前記研磨パッドキャリアを軌道運動で移動させ、前記軌道運動中に、前記研磨パッドを前記基板に対して固定された角度配向に維持するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
15. 研磨パッドアセンブリであって、
    周囲がインゲン豆形状である膜と、
    研磨動作中に基板と接触する研磨面を有している研磨パッド部分であって、前記研磨面の反対側で前記膜に接合された研磨パット部分と
    を含むアセンブリ。

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