JP6057196B2 - 連動特徴を有する２つの部分からなる保持リング - Google Patents

Description

本開示は、化学機械研磨用のキャリアヘッドに対する保持リングに関する。

集積回路は、典型的には、導電層、半導体層、または絶縁層の連続堆積によって、基板、特にシリコンウエハ上に形成される。１つの製造ステップは、非平面の表面の上に充填層を堆積させることと、その充填層を平坦化することとを伴う。特定の適用分野では、充填層は、パターン層の頂面が露出するまで平坦化される。たとえば、絶縁性のパターン層の上に導電性の充填層を堆積させて、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、導電層のうち絶縁層の凸状パターン間に残っている部分が、基板上の薄膜回路間に導電経路を提供するビア、プラグ、およびラインを形成する。酸化物の研磨など、他の適用分野では、充填層は、非平面の表面の上に所定の厚さが残るまで平坦化される。さらに、フォトリソグラフィでも通常、基板表面の平坦化が必要とされる。
化学機械研磨（ＣＭＰ）は、一般に受け入れられている１つの平坦化方法である。この平坦化方法では、典型的には、キャリアヘッド上に基板を取り付ける必要がある。基板の露出面は、典型的には、回転する研磨パッドに接するように配置される。キャリアヘッドは、制御可能な負荷を基板上に与えて、基板を研磨パッドに押し当てる。典型的には、研磨粒子を含むスラリなどの研磨液が、研磨パッドの表面に供給される。
基板は、典型的には、保持リングによってキャリアヘッドの下で保持される。しかし、保持リングは研磨パッドに接するため、摩耗する傾向があり、定期的に交換される。保持リングの中には、金属から形成された上部部分と、摩耗可能なプラスチック（ｗｅａｒａｂｌｅ ｐｌａｓｔｉｃ）から形成された下部部分とを有するものや、単一のプラスチック部分のものがある。

保持リングは高価なものとなる可能性があり、上記のように、摩耗したとき定期的に交換する必要がある。一部の従来の保持リングでは、プラスチックの下部部分は、接着剤によって金属の上部部分に固定されている。

一技法は、機械式のファスナを使用して下部部分を上部部分に固定するが、ファスナが挿入される下部部分をより厚くすることである。これにより、保持リングを新しくすることがより容易になり、より厚い部分により、下部リングが上部リングに対して滑るのを防止する連動式の特徴を提供することができる。
一態様では、保持リングは、環状の下部部分および環状の上部部分を含む。環状の下部部分は、研磨中に研磨パッドに接触する底面を有する本体と、本体から上方へ突出する内側リムと、本体から上方へ突出し、間隙によって内側リムから分離された外側リムと、内側リムと外側リムとの間に位置決めされ、複数の方位角方向に分離された連動特徴とを有し、各連動特徴は、本体から上方へ突出する。環状の上部部分は、頂面および底面と、底面内に位置し、複数の方位角方向に分離された凹部とを有し、凹部は、上部部分の薄い部分を画定し、複数の連動特徴は、複数の凹部内へ嵌合する。下部部分はプラスチックであり、上部部分は、プラスチックより剛性のある材料である。
実装形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことができる。材料は、金属またはセラミックとすることができる。下部部分は、ショアＤ基準で約８０〜９５のデュロメータ硬度を有することができる。下部部分は、少なくともいくつかの連動特徴の頂面内に形成された複数のねじ付き凹部を有することができ、上部部分は、薄い部分を通って形成されてねじ付き凹部と位置合わせされた複数の開孔を含むことができる。複数の機械式のファスナは、複数の開孔を通って複数のねじ付き凹部内へ延びることができる。複数の機械式のファスナの頂面は、上部部分の頂面に対して凹ませることができる。上部部分の頂面は、内側リムの頂面と同一平面とすることができる。内側リムの頂面は、外側リムの頂面と同一平面である。内側リムの頂面内に位置する環状の凹部と、環状の凹部内へ嵌合されるＯリングとを設けることができる。下部部分の底面は、スラリ輸送用のチャネルを有することができる。下部部分は、接着剤を用いないで上部部分に固定することができる。上部部分の頂面は、ファスナを受け取って保持リングをベースに機械的に取り付けるための孔を含むことができる。複数の連動特徴の方位角方向の側面は、複数の凹部の方位角方向の側面に直接接触することができる。

実装形態の利点には、以下の１つまたは複数を含むことができる。上部部分と下部部分が機械式のファスナによって固定される保持リングを新しくすることは、上部部分と下部部分が接着剤によって固定される保持リングを新しくするより容易に行うことができる。連動式の特徴により、下部リングが上部リングに対して滑るのを防止することができる。
１つまたは複数の実装形態の詳細について、添付の図面および以下の説明で述べる。他の特徴、目的、および利点は、説明および図面、ならびに特許請求の範囲から明らかになるであろう。

キャリアヘッドの概略横断面図である。 保持リングの一部分の分解斜視図である。 図１の保持リングの下部部分の一部分の斜視図である。 図２の保持リングの上部部分の一部分の斜視図である。 保持リングの横断面図である。

様々な図面の同じ参照記号は、同じ要素を指す。
研磨動作中は、キャリアヘッド１００を含む化学機械研磨（ＣＭＰ）装置によって、１つまたは複数の基板を研磨することができる。ＣＭＰ装置の説明は、米国特許第５，７３８，５７４号に見ることができる。
図１を参照すると、例示的な簡略化されたキャリアヘッド１００は、ハウジング１０２と、基板に対する取付け面を提供するフレキシブルフィルム１０４と、フィルム１０４とハウジング１０２との間の加圧式チャンバ１０６と、フィルム１０４の下で基板を保持するようにハウジング１０２のエッジ付近に固定された保持リング１１０とを含む。図１は、保持リング１１０とベース１０２との間に締め付けられているフィルム１０４を示すが、１つまたは複数の他の部分、たとえばクランプリングを使用して、フィルム１０４を保持することもできる。研磨パッド全体にわたってキャリアヘッドを回転および／または平行移動させるために、駆動軸１２０を設けることができる。ハウジング内の通路１０８を通ってチャンバ１０６にポンプを流体的に接続して、チャンバ１０６内の圧力を制御し、したがって基板に対するフレキシブルフィルム１０４の下向きの圧力を制御することができる。

保持リング１１０は、略環状のリングとすることができ、たとえばベース１０２内の通路１３８を通って保持リング１１０の上面１１２内の位置合わせされたねじ付き受取り凹部１３９（図２参照）内へ延びるねじまたはボルト１３６によって、ベース１０２の外側エッジで固定される。いくつかの実装形態では、駆動軸１２０を上下させて、研磨パッドに対する保持リング１１０の底面１１４の圧力を制御することができる。別法として、たとえば、参照により組み込まれている米国特許第６，１８３，３５４号または第７，５７５，５０４号に記載のように、保持リング１１０は、ベース１０２に対して可動式とすることができ、キャリアヘッド１００は、内部チャンバを含むことができ、この内部チャンバを加圧して、保持リングに対する下向きの圧力を制御することができる。保持リング１１０は、ベース１０２（およびキャリアヘッドの残り部分）から、一体として取外し可能である。これは、保持リング１１０が取り外されたときでも、保持リング１１０の上部部分１４２が保持リングの下部部分１４０に固定されたままであり、ベース１０２の解体またはキャリアヘッド１００からのベース１０２の取外しを必要としないことを意味する。

保持リング１１０の内面１１６は、フレキシブルフィルム１０４の下面とともに、基板受取り凹部を画定する。保持リング１１０は、基板が基板受取り凹部から逃げるのを防止する。
保持リング１１０の底面１１４は、略平坦とすることができ、または図２に示すように、いくつかの実装形態では、保持リングの外側から基板へのスラリの輸送を容易にするように保持リングの内面１１６から外面１１８へ延びる複数のチャネル１３０を有することができる。チャネル１３０は、保持リングの周りで等間隔に設けることができる。いくつかの実装形態では、各チャネル１３０は、チャネルを通過する半径に対して角度、たとえば４５°をなすようにずらすことができる。

図２〜５を参照すると、保持リング１１０は、２つの垂直方向に積層された区間を含み、研磨パッドに接触することができる底面１１４を有する環状の下部部分１４０と、ベース１０２に接続された環状の上部部分１４２とを含む。下部部分１４０は、機械式のファスナ１４４、たとえばねじまたはボルトで、上部部分１４２に固定することができる。
保持リング１１０の上部部分１４２は、下部部分１４０より剛性のある材料から構成される。下部部分１４０は、プラスチック、たとえばポリフェノールスルフィド（ＰＰＳ）とすることができ、上部部分は、金属、たとえばステンレス鋼とすることができる。

下部部分１４０のプラスチックは、ＣＭＰプロセスでは化学的に不活性である。さらに、下部部分１４０は、基板エッジが保持リングに接触することで基板に欠損または亀裂が生じないようにするのに十分な弾性を有するべきである。他方では、下部部分１４０は、研磨パッド（底面上）および基板（内面上）から摩耗を受けても十分な寿命を有するのに十分な剛性を有するべきである。下部部分１４０のプラスチックは、ショアＤ基準で約８０〜９５のデュロメータ硬度を有することができる。典型的には、下部部分１４０の材料の弾性係数は、約０．３〜１．０×１０⁶ｐｓｉの範囲内とすることができる。下部部分は、低い摩耗率を有することができるが、これにより基板エッジが内面１１６内へ深い溝を切るのが防止されると考えられるため、下部部分１４０が徐々に摩耗することは許容可能である。
下部部分１４０のプラスチックは、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、または類似の材料とする（たとえば、からなる）ことができる。ポリフェノールスルフィド（ＰＰＳ）の利点は、保持リングとして信頼性が高く一般に使用される材料であることである。

下部部分１４０は、環状の本体１５０と、本体の内側エッジで本体１５０から上方へ突出する環状の内側リム１５２と、本体１５０の外側エッジで本体１５０から上方へ突出する環状の外側リム１５４とを含む。内側リム１５２と外側リム１５４との間に、間隙１５６が位置する。いくつかの実装形態では、内側リム１５２および外側リム１５４は同じ高さを有するが、これは必須ではない。図２に示すように、保持リング１１０の上部部分１４２は、内側リム１５２と外側リム１５４との間の間隙１５６内へ嵌合する。したがって、内側リム１５２および外側リム１５４は、上部部分１４２が下部部分１４０に対して径方向に滑るのを防止する。
内側リム１５２と外側リム１５４との間には、複数の連動特徴１６０が位置する。連動特徴１６０は、下部の保持リングの方位角方向に隔置された区間であり、本体１５０はより厚く、または本体１５０から上方へ突起が延びる。図２に示すように、連動特徴１６０は、上部部分１４２内の対応する凹部１７４内へ嵌合する。したがって、連動特徴１６０は、上部部分１４２が下部部分１４０に対して方位角方向に滑るのを防止する。

図２〜５に示す実装形態では、連動特徴１６０は、内側リム１５２および外側リム１５４から延びるが、これは必須ではない。内側リム１５２および／または外側リム１５４と連動特徴１６０との間に間隙を設けることもできる。各連動特徴１６０の頂面１６２は、内側リム１５２および／または外側リム１５４の頂面に対して凹ませることができる。
少なくともいくつかの連動特徴１６０の頂面１６２内に、ねじ付き凹部１６４が位置することができる。ねじ付き凹部１６４は、下部部分１４０全体ではなく、下部部分１４０を通って部分的に垂直方向に延びる。機械式のファスナ１４４は、上部部分内の開孔１８０を通ってねじ付き凹部１６４内へ嵌合する（図２および図５参照）。これにより、保持リング１１０の底面１１４上にねじ孔を露出させなくても、下部部分１４０を上部部分１４２に固定することが可能になる。ねじ付き凹部１６４のねじ山は、下部部分１４０のプラスチック材料内へ直接機械加工することができ、またはねじシースを孔の中へ挿入することによって設けることもできる。

連動特徴１６０は、下部部分１４０の周りに等しい角度間隔で隔置することができる。各連動特徴１６０は、２つの側面１６６を含むことができる。各側面１６６は、保持リング１１０の中心軸Ａ（図１参照）を通過する平面内に位置することができる。
下部部分１４０の本体１５０（すなわち、連動特徴またはリム以外の領域内）の厚さは、基板１０の厚さより大きくするべきである。他方では、本体１５０が厚すぎる場合、保持リング１１０の底面は、下部部分１４０の可撓性による変形を受ける。本体１５０の最初の厚さは、製造者の必要に応じて約５０〜１０００ミル、たとえば２００〜６００ミルとすることができる。
チャネル１３０は、下部部分１４０の本体１５０全体ではなく、本体１５０を通って部分的に延びる。下部部分１４０は、チャネル１３０が摩耗したときに交換することができる。たとえば、チャネル１３０は、所望の交換頻度に応じて約１００〜４００ミルの深さを有することができる。

底面１１４近傍で、保持リングの下部部分１４０の内面１１６は、基板ローディングシステムの位置決め公差に対応するように、基板の直径よりわずかに大きい内径、たとえば基板の直径より約１〜２ｍｍ大きい内径を有することができる。保持リング１１０は、約２分の１インチの径方向の幅を有することができる。
いくつかの実装形態では、下部部分１４０の内面１１６は、底面１１４近傍の垂直方向の円筒区間１１６ａと、頂面１１２近傍の傾斜区間１１６ｂとを含む。傾斜区間１１６ｂは、上部から底部へ内方に傾くことができる。
保持リング１１０の上部部分１４２は、下部部分１４０のプラスチックより剛性のある材料、たとえば金属またはセラミックから形成される。上部部分１４２の材料を下部部分１４０のプラスチックより硬くする利点は、保持リング１１０の全体的な剛性を増大させることができ、したがって保持リングがキャリアヘッド１００に取り付けられるときに下部部分１４０の変形を低減させ、試運転時間を低減させることができることである。

保持リング１１０の上部部分１４２は、複数の厚い区間１７０と、複数の薄い区間１７２とを含む。上部部分１４２の底面１７６は、複数の方位角方向に隔置された凹部１７４を含み、上部部分１４２のうち凹部１７４の上に位置する部分が、薄い区間１７２を画定する。凹部１７４は、上部部分１４２の周りに等しい角度間隔で隔置することができる。
各凹部１７４は、２つの側面１７８を含むことができる。各側面１７２は、保持リング１１０の中心軸Ａ（図１参照）を通過する平面内に位置することができる。図２に示すように、凹部１７４は、連動特徴１６０が対応する凹部１７４内へ嵌合するように成形される。

特に、厚い区間１７０の内径面は、内側リム１５２の外径面に直接当接することができ、厚い区間１７０の外径面は、外側リム１５４の内径面に直接当接することができる。同様に、凹部１７４の各側面１７８は、連動特徴１６０の対応する側面１６６に直接当接することができる。厚い区間１７０の底部は、本体１５０の頂面に直接当接することができる。薄い区間１７２の底部は、連動特徴１６０の頂面１６２に直接当接することができる。これらの当接面のいずれか、たとえば当接面のすべては、接着剤を用いないで直接当接することができる。したがって、上部部分１４２は、接着剤を使用しないで下部部分１４０に固定することができる。

いくつかの実装形態では、上部部分１４２の厚い区間１７０の厚さは、下部部分１４０の最初の厚さより小さくすることができる。しかし、これは必須ではなく、製造者は、上部部分１４２の厚さが下部部分１４０の最初の厚さ以上である保持リング１１０を有することもできる。上部部分１４２の厚さが下部部分１４０の最初の厚さより小さい利点は、保持リングの寿命が増大することである。
上部部分１４２は、複数の開孔１８０を含むことができる。開孔１８０は、上部部分１４２の薄い区間１７２内に位置することができる。開孔１８０は、薄い区間１７２全体を通って延びる。上部部分１４２が下部部分１４０内の間隙１５６内へ挿入されるとき、開孔１８０は、連動特徴１６０内のねじ付き凹部１６４と位置合わせされる。開孔１８０は、保持リング１１０の周りに等しい角度間隔で隔置することができる。いくつかの実装形態では、１つの薄い区間１７２につきちょうど１つの開孔１８０が位置する。
機械式のファスナ１４４、たとえばねじまたはボルトは、開孔１８０を通ってねじ付き凹部１６４内へ延び、上部部分１４２を下部部分１４０に固定する。図５に示すように、組み立てられた後、ファスナ１４４の頂面１８２は、保持リング１１０の頂面１１２に対してわずかに凹ませることができる。

上部部分１４２の上面１１２はまた、複数のねじ付きの受取り凹部１３９を含むことができる。ねじ付きの受取り凹部１３９は、上部部分１４２の厚い区間１７０内に位置することができる。ねじ付きの受取り凹部１３９は、上部部分１４２の厚い区間１７０全体ではなく、厚い区間１７０を通って部分的に延びる。ねじ付きの受取り凹部１３９は、保持リング１１０の周りに等しい角度間隔で隔置することができる。いくつかの実装形態では、１つの厚い区間１７０につきちょうど１つのねじ付きの受取り凹部１３９が位置する。たとえば、各ねじ付きの受取り凹部１３９は、厚い区間１７０の方位角方向の中心に位置決めすることができる。受取り凹部１３９のねじ山は、上部部分１４２の材料内へ直接機械加工することができ、またはねじシースを孔の中へ挿入することによって設けることもできる。機械式のファスナ１３６、たとえばねじまたはボルトは、ベース１０２内の通路１３８（図１参照）を通って位置合わせされたねじ付きの受取り凹部１３９内へ延び、保持リング１１０をキャリアヘッド１００に固定することができる。

場合によって、下部部分１４０の内側リム１５２の頂面上に、保持リング１１０の周り全体にわたって延びる環状の凹部１９０を形成することができる。環状の凹部１９０内へ、Ｏリング１９２が嵌合することができる。保持リング１１０がキャリアヘッド１００に固定されるとき、Ｏリング１９２は、保持リングが取り付けられた剛性の本体、たとえばベース１０２と保持リング１１０との間で圧縮される。上部部分１４２の内側全体に沿って延びる下部部分１４０の内側リム１５２とともに、Ｏリング１９２は、上部部分１４２の金属にスラリが到達するのを防止し、それによって場合により、腐食および関連する欠陥を低減させるのに役立つ。

保持リング１１０は、下部部分１４０の底面１１４内にスラリ輸送用のチャネル１３０を含むことができ、下部部分１４０の頂面内に凹部を設けて、下部部分１４０を上部部分１４２に固定するのを助けることができるが、下部部分１４０には、下部部分の頂面から底面へ延びる開孔がない。

いくつかの実装形態では、保持リング１１０は、流体、たとえば空気または水が研磨中に保持リングの内部から外部へまたは外部から内部へ流れるのを可能にするために、保持リングの本体を通って内径から外径へ水平方向にまたは水平から小さい角度で延びる１つまたは複数の貫通孔を有する。これらの貫通孔は、下部部分１４０を通って延びることができる。貫通孔は、保持リングの周りで等間隔に設けることができる。

凹状の連動特徴１６０および凹部１７４の側面１６６および１７８を実質上垂直方向に示すが、これらの表面を傾斜させて、連動特徴１６０が凹部１７４内へ挿入されるときにダブテール接続を形成することもできる。

本発明について、複数の実施形態に関して説明した。しかし本発明は、図示および記載の実施形態に限定されるものではない。むしろ本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。

Claims (18)

1. 研磨中に研磨パッドに接触する底面を有する本体と、前記本体から上方へ突出する内側リムと、前記本体から上方へ突出し、間隙によって前記内側リムから分離された外側リムと、前記内側リムと前記外側リムとの間に位置決めされ、複数の方位角方向に分離された連動特徴とを有し、各連動特徴が前記本体から上方へ突出する、環状の下部部分であって、少なくとも幾つかの前記連動特徴の頂面内に形成された複数のねじ付き凹部を備え、プラスチックである下部部分と、
   頂面および底面と、前記底面内に位置し複数の方位角方向に分離された凹部とを有する環状の上部部分であって、前記環状の上部部分の前記底面における前記凹部が上部部分の薄い部分及び前記薄い部分間の方位角方向に分離されたより厚い区間を画定し、前記複数の連動特徴が、前記複数の凹部内へ嵌合し、前記上部部分が、前記薄い部分を通ってのみ形成されて前記複数のねじ付き凹部と位置合わせされた複数の開孔を含み、前記上部部分が、前記より厚い区間の少なくとも幾つかにおいてのみ形成された複数のねじ付き孔を含み、前記複数のねじ付き孔が前記上部部分の前記より厚い区間を通って部分的に延びているが全体には延びてはおらず、上部部分が、前記プラスチックより剛性のある材料である、上部部分と
   を備える保持リング。
2. 前記材料が、金属またはセラミックである、請求項１に記載の保持リング。
3. 前記下部部分が、ショアＤ基準で約８０〜９５のデュロメータ硬度を有する、請求項１に記載の保持リング。
4. 前記複数の開孔を通って前記複数のねじ付き凹部内へ延びる複数の機械式のファスナをさらに備える、請求項１に記載の保持リング。
5. 前記複数の機械式のファスナの頂面が、前記上部部分の前記頂面に対して凹んでいる、請求項４に記載の保持リング。
6. 前記上部部分の前記頂面が、前記内側リムの頂面と同一平面である、請求項１に記載の保持リング。
7. 前記内側リムの頂面が、前記外側リムの頂面と同一平面である、請求項１に記載の保持リング。
8. 前記内側リムの頂面内に位置する環状の凹部と、前記環状の凹部内へ嵌合されるＯリングとをさらに備える、請求項１に記載の保持リング。
9. 前記下部部分の前記底面が、スラリ輸送用のチャネルを有する、請求項１に記載の保持リング。
10. 前記下部部分が、接着剤を用いないで前記上部部分に固定される、請求項１に記載の保持リング。
11. 前記複数の連動特徴の方位角方向の側面が、前記複数の凹部の方位角方向の側面に直接接触する、請求項１に記載の保持リング。
12. 前記方位角方向に分離された連動特徴は、前記内側リムから前記外側リムへの間隙にわたり全体に延びている、請求項１に記載の保持リング。
13. 前記上部部分の前記薄い部分は、前記下部部分の前記内側リムと前記外側リムの間で嵌合している、請求項１に記載の保持リング。
14. 前記方位角方向に分離された連動特徴は、前記下部部分の周りに等しい角度間隔で配置されている、請求項１に記載の保持リング。
15. 前記複数の連動特徴は、前記内側リムと外側リムの側面にそれぞれ直接接触する、請求項１に記載の保持リング。
16. ハウジングと、
    前記ハウジングによって支持される基板取付け面と、
    保持リングと
    を備えた保持リングであって、
    前記保持リングは、
    前記基板取付け面を取り囲む環状の下部部分を有し、前記環状の下部部分は、研磨中に研磨パッドに接触する底面を有する本体と、前記本体から上方へ突出する内側リムと、前記本体から上方へ突出し、間隙によって前記内側リムから分離された外側リムと、前記内側リムと前記外側リムとの間に位置決めされ、複数の方位角方向に分離された連動特徴とを有し、各連動特徴が前記本体から上方へ突出し、前記環状の下部部分は、プラスチックであり、少なくとも幾つかの前記連動特徴の頂面内に形成された複数のねじ付き凹部を備えており、
    前記保持リングは、また、
    前記ハウジングに固定された環状の上部部分を有し、前記環状の上部部分は、頂面および底面と、前記底面内に位置し複数の方位角方向に分離された凹部とを有し、前記環状の上部部分の前記底面における前記凹部が上部部分の薄い部分及び前記薄い部分間の方位角方向に分離されたより厚い区間を画定し、前記複数の連動特徴が、前記複数の凹部内へ嵌合し、前記上部部分が、前記薄い部分を通って形成されて前記複数のねじ付き凹部と位置合わせされた複数の開孔を含み、前記上部部分が、前記より厚い区間の少なくとも幾つかに位置する複数のねじ付き孔を含み、前記複数のねじ付き孔が前記上部部分の前記より厚い区間を通って部分的に延びているが全体には延びてはおらず、上部部分が、前記プラスチックより剛性のある材料である、
    キャリアヘッド。
17. 複数の機械式のファスナは、前記複数の開孔を通って前記複数のねじ付き凹部へ延びている、請求項１６に記載のキャリアヘッド。
18. 第２の複数のファスナが、前記保持リングを前記ハウジングに機械的に固定するために、通路を介して前記ねじ付き孔へ延びている、請求項１７に記載のキャリアヘッド。

Images