JP2005079465A - 化学的機械研磨システムの支持ヘッド用メンブレン - Google Patents

Abstract

【課題】 支持プレートに装着されるメンブレンに発生する引張応力により生じる問題点を解消する。
【解決手段】 本発明は、メンブレン118の端部の突出部270をより嵌合性の良いものとすることである。具体的には、本発明に係るメンブレンは、円形の底部201と、前記円形底部の外縁から起立した壁部202と、前記壁部の上端より円の中心方向に延びる環状部203と、前記環状部の終端に位置する突出部270とを有し、前記突出部の断面は先端に直線部分272を有するＵ字型である。上記構成によって、支持プレート170に形成される溝262との嵌合性が向上するので、引張応力を受けても溝から外れにくくなり、装着不良により保持リング110に接触して生じる動作不良を回避できる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、一般に半導体ウェーハの化学的機械研磨装置に関し、より詳細には化学的機械研磨装置の支持ヘッドに用いられるメンブレンに関する。

集積回路は通常、導体層、半導体層又は絶縁層を連続して堆積することによって、基板、特にシリコンウェーハ上に形成される。各層を堆積した後に、その層がエッチングされて回路構造が作成される。一連の層を連続的に堆積し、エッチングするので、ウェーハの最上面すなわち基板の露出面は次第に非平坦になる。露出面が非平坦であると、集積回路作成プロセスのフォトリソグラフ工程において問題となる。従って、ウェーハ表面を定期的に平坦化する必要がある。

平坦化方法の１つに化学的機械研磨（ＣＭＰ）がある。この平坦化方法では通常、例えば以下の特許文献１に記載されているように、ウェーハを支持ヘッド（研磨ヘッド）に取り付ける必要がある。支持ヘッドのウェーハ取付け部には貫通穴が複数空いた支持プレートがあり、また一般に可撓性のある薄いメンブレンが支持プレートのウェーハを取り付ける側に装着されている。支持プレートの貫通穴から流体を吸引すると、ウェーハの裏面とメンブレンの間に低圧のポケットすなわちサクションカップが生じ、支持ヘッドはこのサクションカップによる吸着でウェーハを保持している。続いて、支持ヘッドは圧力をウェーハに与えてウェーハの露出面を回転する研磨パッドに押し付ける。
特開平１０−１８０６２７号公報

図３は、従来技術の支持プレートとメンブレンとの組み付け方法を示す図である。メンブレン４の端部には突出部６があり、この突出部６を支持プレート２の上面の溝５に嵌め込んで支持プレートに組み付けられる。前述のように、支持ヘッドは流体の吸入によってウェーハの吸着を行うため、一般にメンブレンは支持プレートの下面に引張応力のある状態で組み付けられる。

この場合、メンブレンの張力により突出部６が溝５から外れやすい。メンブレンが外れたまま支持ヘッドを組み立てると、図３に示すように、メンブレン４の角部が保持リング８と接触してしまい、動作不良を起こすことがある。

また、メンブレンの下面は引張応力により平坦でないことがある。この場合、ウェーハに付加される圧力が均一にならないため、研磨量が不均一となることがある。

従って本発明は、支持プレートに装着されるメンブレンに発生する引張応力により生じる問題点を解消することを目的とする。

本発明は、メンブレンの端部の突出部をより嵌合性の良いものとしている。具体的には、本発明のメンブレンは円形の底部と、前記円形底部の外縁から起立した壁部と、前記壁部の上端より円の中心方向に延びる環状部と、前記環状部の終端に突出部を有し、前記突出部の断面は先端に直線部分を有するＵ字型である。

上記構成によって、支持プレート上面に形成される溝との嵌合性が向上するので、引張応力を受けても溝から外れにくくなり、装着不良による保持リングヘの接触ひいては動作不良を回避できる。さらに、メンブレンの取付け調整を容易にし、作業能率が改善されるという効果もある。メンブレンは、エラストマー、シリコーン、ＥＰＤＭゴム等のゴム質材料の成形により製造されるが、好適にはクロロプレンゴムを材料とする。

さらに、前記メンブレンは、前記壁部の内側から前記突出部までの長さが支持プレートの外周から溝までの長さより小さいので、突出部と組み合わせて装着不良によるメンブレンと保持リングとの接触により生じる動作不良を回避できる。

他の態様において、本発明のメンブレンは、円形の底部と、前記円形底部の外縁から起立した壁部と、前記壁部の上端より円の中心方向に延びる環状部と、前記環状部の終端に突出部を有し、メンブレンの円形底部と壁部との接合部分は、円形底部が円の中心方向への引張応力を受けるときに下方へのふくらみを防止する形状を有している。この構成によって引張応力を受けたときでもメンブレンの下面は平坦になり、ウェーハに均一に圧力が与えられるので、均一な研磨を行うことができる。

前記ふくらみ防止形状は好適にはＲであるが、面取りや他の形状であっても良い。

前記Ｒは、メンブレンの肉厚が前記接合部分以外の場所と同じ厚さとなるＲであるとより好適である。また前記Ｒは、内側頂点を中心とするＲであるとより好適である。

本発明によれば、メンブレンの突出部と支持プレート上面に形成される溝との嵌合性が向上するので、引張応力を受けても溝から外れにくくなり、装着不良による保持リングヘの接触ひいては動作不良を回避できる。

以下本発明の一実施形態について説明する。

図１は、１つ又は複数のウェーハ10を研磨する化学的機械研磨（ＣＭＰ）装置20を示す。ＣＭＰ装置20は、テーブルトップ23が設けられた下部マシンベース22と、取り外し可能な上部外側カバー（図示せず）とを含む。テーブルトップ23は研磨ステーション25a，25b，25cと、装填装置（図示せず）からのウェーハの受け取りや支持ヘッドヘのウェーハの装填等を行うトランスファーステーション27とを支持している。研磨ステーション25a，25b，25cとトランスファーステーション27とは、ほぼ正方形の頂点に位置するように配置されている。

各研磨ステーション25a，25b，25cは、上に研磨パッド32を置く回転可能なプラテン30を含む。研磨パッド32は、目の粗い研磨面を持つ複合材料で構成される。ウェーハ10が直径８インチ（200mm）又は12インチ（300mm）の円盤の場合、プラテン30と研磨パッド32の直径はそれぞれ約20インチ、30インチである。プラテン30は、マシンベース22内のプラテン駆動モータ（図示せず）に接続される。各研磨ステーション25a〜25cは、さらにパッドコンディショナ40を含んでも良い。

研磨パッド32の表面には、反応材（例えば、酸化物研磨用の脱イオン化水）と、研磨粒子（例えば、酸化物研磨用の二酸化珪素）と、化学反応触媒（例えば、酸化物研磨用の水酸化カリウム）とを含むスラリ50がスラリ/リンス供給アーム52により供給される。典型的に、研磨パッド32全体を覆って十分湿らせるだけのスラリが供給される。スラリ/リンスアーム52は、各研磨/コンディショニングサイクルの終わりに研磨パッドに高圧のリンスを行う複数のスプレーノズル（図示せず）を含む。

下部マシンベース22の上方には、カラセル支持プレート66及びカバー68を含む回転可能なマルチヘッドカラセル60が配置されている。カラセル支持プレート66はセンターポスト62によって支持され、マシンベース22内に配置されたカラセルモータアセンブリによってカラセル軸64の廻りを回転する。マルチヘッドカラセル60は、４つの支持ヘッドシステム70a〜70dを含む。支持ヘッドシステム70a〜70dは、カラセル軸64の周りに等角度間隔でカラセル支持プレート66に取り付けられている。カラセルモータはカラセル支持プレート66を回転させて、支持ヘッドシステム70a〜70dとそれに取り付けられたウェーハとを研磨ステーションとトランスファーステーションの間でカラセル軸64の周りに旋回させる。支持ヘッドシステム70a〜70dのうち３つはウェーハを保持し、研磨ステーション25a〜25cの研磨パッド32に押し付けて研磨する。支持ヘッドシステム70a〜70dのうち１つは、トランスファーステーション27からウェーハを受け取り、またトランスファーステーションにウェーハを渡す。

各支持ヘッドシステム70a〜70dは支持ヘッド100を含む。各支持ヘッド100は独立にそれぞれの中心軸の周りを回転する。支持体駆動シャフト74は、カラセル支持プレート66に形成されたラジアルスロット72を通って延び、支持ヘッド100と支持ヘッド回転モータ76（カバー68を一部切り取って示す）とを連結する。各支持ヘッドにはそれぞれ１つの支持体駆動シャフトと支持ヘッド回転モータとがある。各駆動シャフト及びモータはスライダ（図示せず）で支持されている。スライダがラジアル駆動モータ（図示せず）によってスロット72に沿って駆動されることによって、支持ヘッド100は横方向に移動する。

研磨時には、支持ヘッド100のうち３つ、例えば支持ヘッドシステム70a〜70cの支持ヘッドがそれぞれ研磨ステーション25a〜25cの上方に配置される。各支持ヘッド100は、保持しているウェーハを下げて研磨パッド32と接触させる。一般に支持ヘッド100は、ウェーハを研磨パッドに接触させた状態を保ち、ウェーハの裏面全体に均一に下向きの圧力をかける。支持ヘッド100は、駆動シャフト74からのトルクもウェーハに伝達して、研磨中にウェーハが支持ヘッド100の下から飛び出さないようにする。

続いて図２及び図４を参照して、支持ヘッドの構造について説明する。

図２は、支持ヘッド100の断面図である。支持ヘッド100は、ハウジング102、ベース104、ジンバル機構106、負荷チャンバ108、保持リング110、及びウェーハパッキングアセンブリ112を含む。

ハウジング102は、ほぼ円形の形状をしている。ハウジング102は駆動シャフト74に連結されており、ウェーハの研磨中は研磨パッドの表面とほぼ直角な回転軸107の回りを回転する。支持ヘッドを制御する流体を通すための２つの通路126と128がハウジング102を通っている。ハウジングにはさらに垂直ボア124が貫通しており、円筒ブッシュ122が嵌合されている。

ベース104はハウジング102の下に配置されるリング状の物体である。ベース104はアルミニウム、ステンレス鋼、又はＦＲＰ等の剛性材料から形成されるのが好ましい。

ハウジング102とべ一ス104の間には、一般にリング形状の60mi1（約1.52mm）厚のシリコン膜である回転ダイヤフラム160がある。回転ダイヤフラム160の内径側の一端は、内部クランプリング162によってハウジング102にクランプされ、外径側の一端は、外部クランプリング164によってベース104にクランプされる。回転ダイヤフラム160によってハウジング102とベース104の間の空間は密閉されて、荷重チャンバ108を画成する。図示しない第１のポンプが経路126を介して荷重チャンバ108に接続される。流体、好ましくは空気等の気体がポンプで荷重チャンバ108に供給され、あるいは荷重チャンバ108から排出されて、ベース104への下向きの荷重が制御される。つまり、ベース104の研磨パッド32に対する垂直位置は、負荷チャンバ108により制御される。

保持リング110は一般にベース104の外端部で固定される環状体である。流体が前述の荷重チャンバ108内にポンプ供給されてベース104が下方に押し下げられると、保持リング110も下方に押されて研磨パッド32に荷重を与える。

ジンバル機構106は、円筒ブッシュ122により経路154に嵌合するジンバルロッド150とベース104に固定されるフレクシャリング152とを含む。ジンバルロッド150は経路154に沿って垂直に摺動可能なので、ベース104は垂直に移動することができるが、半径方向の移動はできない。従ってジンバル機構106は、ベース104をハウジング102に関してピボット接続し、ベース104が研磨パッドの表面とほぼ平行な状態を保てるようにする。

ベース104の下面には、弾性の膜140がクランプリング142によって接着され、袋状のブラダー144を形成している。またベース104には経路130が貫通しており、経路130の一端とハウジング102の経路128の端にはぞれぞれ取付け具134と132が付設されている。取付け具132と134の間には可撓チューブが接続される。図示しない第２のポンプが経路128、チューブ、経路130を介してブラダー144に接続される。ポンプが流体、好ましくは空気等の気体を強制供給するとブラダー144は下方に膨張する。他方、ポンプが流体を減圧排出すると、ブラダー144は収縮する。ブラダー144を使用して、後述する支持構造体114とメンブレン118とに下向きの圧力を与えることができる。

ウェーハバッキングアセンブリ112は、支持構造体114、フレクシャダイヤフラム116、及びメンブレン118を含む。メンブレン118は支持構造体114に装着される。

支持構造体114は、ベース104の下方に配置されており、支持プレート170、環状下部クランプ172、環状上部クランプ174を含む。

図４の（ｂ）は支持プレート170とメンブレン118を簡略化して示した図である。以下、図２と図４の（ｂ）を共に参照して、支持構造体114について説明する。

支持プレート170は、その外端部に下方に突出したリップ258を持ち、ほぼ平らな下面256を有する円盤体である。支持プレート170には複数の貫通穴176が空いている。また支持プレートの上面には環状の溝262が形成されている。支持プレート170は、アルミニウムかステンレス鋼で形成されるのが好ましい。前述したブラダー144が膨張して上部クランプ174を押すことにより、支持構造体114は押し下げられる。

フレクシャダイヤフラム116は、一般に平坦な環状体である。フレクシャダイヤフラム116の内径側の端は、下部クランプ172と上部クランプ174の間にクランプされ、外径側の一端はベース104と保持リング110の間にクランプされている。フレクシャダイヤフラム116によって、支持構造体114とメンブレン118はベース104から吊り下げられており、支持構造体114とメンブレン118はベース104と保持リング110とによって形成された空間内に嵌合する。フレクシャダイヤフラム116は適度に撓みやすい材料から形成されており、垂直方向にはわずかに曲げられるが、半径方向には剛性がある。

メンブレン118は、一般にクロロプレンやエチレンプロピレンゴム等の撓みやすい弾性材料で形成されており、円形シート状の底部201を有している。この円形の底部120の外縁から起立しているメンブレン118の部分（壁部）202は、リップ258の位置で支持プレート170の底面を回って上方に延びて支持プレート170の上面に達し、さらに支持プレートの上面264に沿って内方に延びている。この上面264に沿って延びているメンブレン118の環状部203の先端には、下方に（底部201の方向に）突出した外端部（突出部）270があり、支持プレート170の上面の溝262に嵌合している。メンブレン118の環状部203の端部は、支持プレート170と下部クランプ172との間にクランプされる。

メンブレン118、支持構造体114、フレクシャダイヤフラム116、ベース104及びジンバル機構106により囲まれる密閉された空間は、圧縮チャンバ190を画成する。図示しない第３のポンプは通路196を介してチャンバ190に接続される。第３のポンプが流体、好ましくは空気等の気体をチャンバ190内に強制供給すると、チャンバの容積が増加してメンブレン118が下方に押し下げられる。他方、ポンプが流体チャンバから空気を排気すると、チャンバの容積は減少して膜が上方に押し上げられる。気体の方が圧縮性が大きいので、液体よりも気体を使用するほうが望ましい。

メンブレン118の下面120にはウェーハが取り付けられる。保持リング110の内面188は、下面120と共に、ウェーハを受けるための凹部192を画成する。研磨中、ウェーハ10はウェーハの裏側が下面120に接した状態で、凹部192内に配置される。ウェーハの端部はメンブレン118を介して支持プレート170のリップ258に接触する。

保持リング110は、ウェーハが凹部から外れるのを防ぐ働きを有しており、また横方向の荷重をウェーハからベース104へと伝達する。チャンバ190から流体をポンプで排出することによって、メンブレン118の中央部は内側に曲げられて、メンブレン118の中央部は上に引っ張られる。ウェーハが下面120に接しているとき、メンブレン118が上向きに擁むと、メンブレン118の円形底部201とウェーハとの間に低圧のポケットが発生する。この低圧ポケットにより、ウェーハは支持ヘッドに保持され、また大気圧に戻すことでウェーハを支持ヘッドから離脱させることができる。この動作を用いて支持ヘッドはウェーハを研磨ステーションとトランスファーステーションの間で搬送する。

メンブレン118は大気圧時に撓みのない状態にするため、半径方向の引張応力を受ける状態で支持プレート170に装着される。具体的には、支持プレート170の直径は装着前のメンブレン118の内径（壁部202の内径）より大きく設定される。従って、装着後のメンブレン118には内径側に収縮する力が発生するため、これに引きずられてメンブレン118の上面部ないしは環状部203は支持プレートから浮き上がりやすいという問題がある。

図４の（ａ）に示す従来のメンブレンでは、突出部の断面は半円状だったため、下部クランプでメンブレンの上面を押さえる前に突出部が溝から外れやすいという問題があった。突出部が溝から外れた状態のまま支持ヘッド100への組み付けが行われてしまうと、メンブレンの側面部すなわち壁部と保持リングの内面とが接触して、動作不良を起こすことがある。

図４の（ｂ）に示す本実施形態では、突出部270の断面は直線部分272を有するＵ字型である。直線部分272の存在により摩擦力が大きくなり、また引張応力に対抗できる程度の大きさをもつため、突出部270は溝262から外れにくくなり作業能率も改善する。

さらに従来技術では、図４の（ａ）に示すようにメンブレンの上面部（環状部）の長さは支持プレートの対応する上面部の長さより長かったため、たとえ突出部が溝から外れなくても、組み付けの仕方によってはメンブレンの側面部と保持リングの内面とが接触する場合があった。

本実施形態では、無負荷状態におけるメンブレン118の上面部（環状部）203の長さ（より詳細には、壁部202の内面から突出部270の外面までの長さ）を、支持プレート170の対応する上面部の長さ（より詳細には、支持プレート170の外周から溝262の外壁面までの長さ）以下にしたため、メンブレン118の装着不良が防止され、斯くして突出部270が溝262から外れなければ、メンブレン118と保持リング110の内面が接触することはない。

図５の（ａ）は従来技術のメンブレンにおける別の問題点を説明する図である。

図５の（ａ）に示す従来のメンブレン40では、装着時に内径側に収縮する力により下面側の角部41が内径側にずれてしまう。その結果、メンブレンの下面側の肉厚が一部増え、ウェーハ42を押さえたときにウェーハにかかる応力43が不均一になり、従ってウェーハの研磨量も不均一になるという問題があった。その結果ウェーハは集積回路の作成に適さなくなり、歩留まりが低下する。

図５の（ｂ）に示す本実施形態では、メンブレン50の下面側の角部にＲ51を設けている。図示のＲ51は、内側頂点54を中心とした、半径がメンブレン50の他の部分の肉厚と等しい大きさのものである。このようにＲ51を設けているので、内径側に収縮する力がかかってもメンブレン50の肉厚の変化量は微小となる。その結果、ウェーハ52に加わる応力53の分布は均一となり、研磨量も均一となる。このＲは肉厚の変化が微小となるように実験的に決定される。形状は、メンブレン50の円形底部が円の中心方向への引張応力を受けるときに下方へのふくらみを防止する形状、言い換えるならば肉厚を変化させない形状であれば、Ｒに限られず、例えば切り欠き等でも良い。

以上、本発明をいくつかの実施形態について説明してきたが、本発明はこれらに限定されるものではない。

化学的機械研磨装置の分解斜視図である。 支持ヘッドの概略断面図である。 従来技術のメンブレン取り付け方法を示す図である。 （ａ）は従来のメンブレンを表し、（ｂ）は本発明の一実施形態のメンブレンを表す図である。 （ａ）は従来のメンブレンとウェーハとの接触状態を表し、（ｂ）は本発明の一実施形態のメンブレンとウェーハとの接触状態を表す図である。

符号の説明

20…ＣＭＰ装置、32…研磨パッド、50…メンブレン、51…Ｒ、100…支持ヘッド、114…支持構造体、118…メンブレン、170…支持プレート、201…円形底部、202…壁部、203…環状部、270…突出部、272…直線部分。

Claims (6)

1. 円形の底部と、
   前記円形底部の外縁から起立した壁部と、
   前記壁部の上端より円の中心方向に延びる環状部と、
   前記環状部の終端に位置する突出部と、を有する可撓性のメンブレンであって、
   前記突出部の断面は先端に直線部分を有するＵ字型である、化学的機械研磨システムの支持ヘッド用メンブレン。
2. 前記突出部と嵌合する環状の溝を有する円盤状の支持プレートに装着される請求項１に記載のメンブレンであって、
   前記壁部の内側から前記突出部までの長さが前記支持プレートの外周から溝までの長さより小さい、支持ヘッド用メンブレン。
3. 円形の底部と、
   前記円形底部の外縁から起立した壁部と、
   前記壁部の上端より円の中心方向に延びる環状部と、
   前記環状部の終端に位置する突出部と、を有する可撓性のメンブレンであって、
   前記円形底部と前記壁部との接合部分は、円形底部が円の中心方向への引張応力を受けるときに下方へのふくらみを防止する形状を有する、化学的機械研磨システムの支持ヘッド用メンブレン。
4. 前記ふくらみ防止形状はＲである、請求項３に記載の支持ヘッド用メンブレン。
5. 前記Ｒは、メンブレンの肉厚が前記接合部分以外の場所と同じ厚さとなるＲである、請求項４に記載の支持ヘッド用メンブレン。
6. 前記Ｒは、内側頂点を中心とするＲである、請求項４に記載の支持ヘッド用メンブレン。

Images