JP2022544375A - Ｃｍｐ温度制御のための装置および方法 - Google Patents
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Abstract
化学機械研磨システムは、研磨面を有する研磨パッドを支持するプラテンと、ガス源に結合される入口を有する導管と、導管に結合され、ガス源からのガスを研磨パッドの研磨面上へと方向付けるようにプラテンの上に懸架された先細末広ノズルを有する、ディスペンサと、を含む。【選択図】図１
Description
本開示は、化学機械研磨（ＣＭＰ）に関し、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、一般的に、導電層、半導電層、または絶縁層を半導体ウェハ上に逐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、基板上の層を平坦化する必要がある。例えば、ある製造ステップは、フィラー層を非平坦面の上に堆積させ、フィラー層を平坦化することを伴う。特定の用途の場合、フィラー層は、パターニングされた層の上面が露出するまで平坦化される。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、絶縁層の溝および穴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溝および穴内にある金属の残りの部分は、基板上の薄膜回路間に導電路を提供するビア、プラグ、およびラインを形成する。別の例として、誘電層をパターニングされた導電層の上に堆積させ、次に平坦化して、後続のフォトリソグラフィステップを可能にすることができる。
化学機械研磨（ＣＭＰ）は、１つの許容された平坦化方法である。この平坦化方法は、一般的に、基板をキャリアヘッド上に載置する必要がある。基板の露出面は、一般的に、回転する研磨パッドに接して配置される。キャリアヘッドは、制御可能な負荷を基板に与えて基板を研磨パッドに押し付ける。研磨粒子を含む研磨スラリーが、一般的に、研磨パッドの表面に供給される。
一態様では、化学機械研磨システムは、研磨面を有する研磨パッドを支持するプラテンと、ガス源に結合される入口を有する導管と、導管に結合され、ガス源からのガスを研磨パッドの研磨面上へと方向付けるようにプラテンの上に懸架された先細末広ノズルを有する、ディスペンサと、を含む。
上記態様のいずれかの実現例は、以下の特徴の１つまたは複数を含んでもよい。
ガスは、空気、窒素、二酸化炭素、アルゴン、蒸発エタノール、および／または蒸発イソプロピルアルコールであってもよい。
コントローラが、ガス源に結合され、研磨動作の選択されたステップの間、ガス源に、先細末広ノズルを通してガスを研磨面上に送達させるように構成されてもよい。コントローラは、ガス源に、毎分０～１０００リットルの速度でガスを先細末広ノズル内へと送達させるように、結合するように構成されてもよい。
インジェクタが、液体源に結合された入口と、液体源からの液体を先細末広ノズル内へと送達する出口とを有してもよい。液体は、水、エタノール、および／またはイソプロピルアルコールであってもよい。コントローラは、液体源に結合することができ、研磨動作の選択されたステップの間、液体源に、液体を先細末広ノズル内へと送達させるように構成されてもよい。液体源に結合されたコントローラは、毎分０～３００ミリリットルの速度で液体を先細末広ノズル内へと送達するように構成されてもよい。ガス源に結合されたコントローラは、先細末広ノズルを通るガスの流量を、ガスが液体を凍結させるのに十分に冷却されるような流量にするように構成されてもよい。
ガス源に結合されたコントローラは、先細末広ノズルを通るガスの流量を、クーラントガスが２０℃より高い初期温度から２０℃未満まで冷却されるような流量にするように構成されてもよい。コントローラは、先細末広ノズルを通るガスの流量を、クーラントガスが０℃未満まで冷却されるような流量にするように構成されてもよい。コントローラは、先細末広ノズルを通るガスの流量を、クーラントガスが－７０～－５０℃まで冷却されるような流量にするように構成されてもよい。
別の態様では、化学機械研磨システムの温度制御方法は、ガス源からのガスを先細末広ノズルまで送達することと、ガスを先細末広ノズルに流すことによってガスを冷却することと、冷却されたガスを研磨パッド上へと方向付けることと、を含む。
上記態様のいずれかの実現例は、以下の特徴の１つまたは複数を含んでもよい。
ガスは、空気を冷やすことによって、液体窒素の蒸発によって、液体エタノールの蒸発によって、液体イソプロピルアルコールの蒸発によって、および／またはドライアイスの昇華によって形成されてもよい。
ガスは、毎分０～１０００リットルの流量で先細末広ノズルに入ってもよい。
液体が、先細末広ノズル内へと注入されてもよい。液体は、水、エタノール、および／またはイソプロピルアルコールであってもよい。液体は、毎分０～３００ミリリットルの流量で先細末広ノズル内へと注入されてもよい。液体は、冷却されたガスに暴露することによって、凍結させて固体粒子にされてもよい。
ガスは、２０℃より高い初期温度から２０℃未満まで冷却されてもよい。冷却されたガスは、０℃未満の温度で研磨パッド上に分配されてもよい。冷却されたガスは、－７０～－５０℃の温度で研磨パッド上に分配されてもよい。
以下の可能な利点の１つまたは複数が実現されてもよい。
研磨パッドの温度は迅速かつ効率的に制御することができる。研磨パッドの温度は、研磨パッドを固体と、例えば熱交換プレートと接触させることなく制御することができるので、パッドの汚染および欠陥のリスクが低減される。研磨動作全体にわたる温度のばらつきを低減することができる。これは、研磨プロセスの研磨の予測可能性を改善することができる。研磨動作ごとの温度のばらつきを低減することができる。これは、ウェハごとの均一性を改善し、研磨プロセスの再現性を改善することができる。基板全体の温度のばらつきを低減することができる。これはウェハ内の均一性を改善することができる。
特に、研磨パッドの温度を迅速かつ効率的に低下させることができる。例えば、研磨動作の金属除去ステップ、オーバー研磨ステップ、または調整ステップの１つもしくは複数の間の、研磨パッド表面の温度を低下させることができる。これは、ディッシングおよび腐食を低減し、ならびに／あるいはパッドアスペリティの均一性を改善し、したがって、研磨の均一性を改善するとともにパッドの寿命を延ばすことができる。
１つまたは複数の実現例の詳細を、添付図面および以下の説明に示す。他の態様、特徴、および利点は、説明および図面から、また特許請求の範囲から明白となるであろう。
化学機械研磨は、基板、研磨液、および研磨パッドの間の境界面における、機械研磨と化学エッチングとの組み合わせによって動作する。研磨プロセスの間、基板の表面と研磨パッドとの摩擦によって相当量の熱が発生する。加えて、一部のプロセスはまた、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を、回転する研磨パッドに押し付けて、研磨パッド表面が調整されテクスチャ加工される、その場でのパッド調整ステップを含む。調整プロセスの研磨も熱を発生する場合がある。例えば、公称ダウンフォース圧力２ｐｓｉおよび除去率８０００オングストローム／分の一般的な一分の銅ＣＭＰプロセスでは、ポリウレタン研磨パッドの表面温度は約３０℃上昇する場合がある。
ＣＭＰプロセスにおける化学に関連する変数、例えば関与する反応の開始および速度としての変数、ならびに機械に関連する変数、例えば、研磨パッドの表面摩擦係数および粘弾性は、両方とも温度に大きく依存する。結論として、研磨パッドの表面温度のばらつきは、除去率、研磨の均一性、エロージョン、ディッシング、および残渣の変化をもたらす場合がある。研磨の間、研磨パッドの表面の温度をより緊密に制御することによって、温度のばらつきを低減することができ、例えば、ウェハ内の不均一性またはウェハ間の不均一性によって測定されるような、研磨性能を改善することができる。
これらの課題に対処し得る技法は、先細末広（ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ－ｄｉｖｅｒｇｅｎｔ；ＣＤ）ノズルを通してクーラントガスを研磨パッド上へと方向付けるノズルを有するというものである。懸濁された水滴をＣＤノズルに加えることができる。水を冷却して、氷滴の融解潜熱によって研磨パッドを効率的に冷却する、氷滴を形成することができる。
図１および図２は、化学機械研磨システムの研磨ステーション２０の一例を示している。研磨ステーション２０は、研磨パッド３０が上に載置される、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、軸線２５を中心にして回転するように動作可能である（図２の矢印Ａを参照）。例えば、モータ２２が駆動軸２８を旋回させて、プラテン２４を回転させることができる。研磨パッド３０は、外側の研磨層３４とより柔らかい裏打ち層３２とを有する、二層の研磨パッドであることができる。
研磨ステーション２０は、研磨スラリーなどの研磨液３８を研磨パッド３０上に分配する供給ポートを、例えばスラリー供給アーム３９の端部に含むことができる。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のに、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９１を含むことができる。コンディショニングディスク９２は、研磨パッド３０を横切って径方向に、ディスク９２を掃引するように回動することができるアーム９４の端部に位置付けることができる（図２の矢印Ｂを参照）。
キャリアヘッド７０は、研磨パッド３０に接して基板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、支持構造７２、例えばカルーセルまたはトラックから懸架され、キャリアヘッドが軸線７１を中心にして回転できるように、駆動軸７４によってキャリアヘッド回転モータ７６に接続される（図２の矢印Ｃを参照）。任意に、キャリアヘッド７０は、トラックに沿った移動によって、またはカルーセル自体の回転振動によって、横方向に（図２の矢印Ｄを参照）、例えばカルーセルのスライダ上で振動することができる。
キャリアヘッド７０は、基板を保持する保定リング８４を含むことができる。いくつかの実現例では、保定リング８４は、研磨パッドに接触する下側のプラスチック部分８６と、より硬質の材料の上側部分８８とを含んでもよい。
動作の際、プラテンはその中心軸２５を中心にして回転させられ、キャリアヘッドは、その中心軸７１を中心にして回転させられ、研磨パッド３０の上面を横切って横方向に並進させられる。
キャリアヘッド７０は、基板１０の裏面に接触する基板取付け面を有する可撓性メンブレン８０と、基板１０上の異なる区域に、例えば異なる径方向区域に異なる圧力を印加する複数の加圧可能なチャンバ８２とを含むことができる。キャリアヘッドは、基板を保持する保定リング８４を含むこともできる。
いくつかの実現例では、研磨ステーション２０は、研磨ステーションの、または研磨ステーションの／研磨ステーション内の構成要素の温度、例えば、研磨パッドおよび／または研磨パッド上のスラリーの温度をモニタリングする、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の上方に位置付けられ、研磨パッド３０および／または研磨パッド上のスラリー３８の温度を測定するように構成された、赤外（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、径方向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ポイントで温度を測定するように構成される。例えば、ＩＲカメラは、研磨パッド３０の半径にわたる視野を有することができる。
いくつかの実現例では、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の上もしくは中に位置付けられた、熱電対またはＩＲ温度計であることができる。加えて、温度センサ６４は研磨パッドと直接接触することができる。
いくつかの実現例では、研磨パッド３０の半径に沿った複数のポイントにおける温度を提供するために、複数の温度センサを、研磨パッド３０にわたる異なる径方向位置で離隔させることができる。この技法は、ＩＲカメラの代わりに、またはＩＲカメラに加えて使用することができる。
図１では、研磨パッド３０および／またはパッド３０上のスラリー３８の温度をモニタリングするように位置付けられるが、温度センサ６４は、基板１０の温度を測定するように、キャリアヘッド７０内部に位置付けることができる。温度センサ６４は、基板１０の半導体ウェハと直接接触することができる（即ち、接触センサ）。いくつかの実現例では、例えば、研磨ステーションの／研磨ステーション内の異なる構成要素の温度を測定するため、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および／または研磨パッド上のスラリー３８の温度を制御する、温度制御システム１００を含む。温度制御システム１００は、冷却システム１０２および／または加熱システム１０４を含むことができる。冷却システム１０２および加熱システム１０４の少なくとも１つ、いくつかの実現例では両方は、温度制御された媒体、例えば液体、水蒸気、もしくは霧を、研磨パッド３０の研磨面３６上に（または研磨パッド上に既にある研磨液上に）送達することによって動作する。
加熱システム１０４の場合、加熱媒体はガス、例えば蒸気もしくは加熱された空気、または液体、例えば加熱された水、またはガスと液体の組み合わせであることができる。媒体は、室温よりも高温であり、例えば４０～１２０℃、例えば９０～１１０℃である。媒体は、実質的に純粋な脱イオン水などの水、または添加物もしくは化学物質を含む水であることができる。いくつかの実現例では、加熱システム１０４は蒸気の霧を使用する。蒸気は添加物もしくは化学物質を含むことができる。
加熱媒体は、加熱送達アーム上の、例えば、１つまたは複数のノズルによって提供されるアパーチャに、例えば穴もしくはスロットに流すことによって送達することができる。アパーチャは、加熱媒体源に接続されたマニホルドによって提供することができる。
一例の加熱システム１０４は、プラテン２４および研磨パッド３０の上を、研磨パッドの縁部から研磨パッド３０の中心まで、または少なくとも中心付近（例えば、研磨パッドの総半径の５％以内）まで延在するアーム１４０を含む。アーム１４０は基部１４２によって支持することができ、基部１４２はプラテン２４と同じフレーム４０上で支持することができる。基部１４２は、１つまたは複数のアクチュエータ、例えば、アーム１４０を上下させるリニアアクチュエータ、および／またはアーム１４０をプラテン２４の上で横方向に回動させる回転アクチュエータを含むことができる。アーム１４０は、研磨ヘッド７０、パッドコンディショニングディスク９２、およびスラリー分配アーム３９など、他のハードウェア構成要素との衝突を回避するように位置付けられる。
プラテン２４の回転方向に沿って、加熱システム１０４のアーム１４０を、冷却システム１１０のアーム１１０とキャリアヘッド７０との間に位置付けることができる。プラテン２４の回転方向に沿って、加熱システム１０４のアーム１４０を、冷却システム１１０のアーム１１０とスラリー送達アーム３９との間に位置付けることができる。例えば、冷却システム１１０のアーム１１０、加熱システム１０４のアーム１４０、スラリー送達アーム３９、およびキャリアヘッド７０を、その順序でプラテン２４の回転方向に沿って位置付けることができる。
複数の開口部１４４がアーム１４０の底面に形成される。各開口部１４４は、ガスまたは水蒸気、例えば蒸気を、研磨パッド３０上に方向付けるように構成される。アーム１４０は、開口部１４４がギャップによって研磨パッド３０から分離されるように、基部１４２によって支持することができる。ギャップは０．５～５ｍｍであることができる。特に、ギャップは、加熱流体が研磨パッドに達する前に流体の熱が大幅に散逸しないように選択することができる。例えば、ギャップは、開口部から放射された蒸気が研磨パッドに達する前に凝集しないように選択することができる。
加熱システム１０４は、配管によってアーム１４０に接続することができる、蒸気源１４６を含むことができる。各開口部１４４は、蒸気を研磨パッド３０に向かって方向付けるように構成することができる。
いくつかの実現例では、プロセスパラメータ、例えば流量、圧力、温度、および／または液体対ガスの混合比は、各ノズルに対して独立して制御することができる。例えば、各開口部１４４に対する流体を、独立して制御可能なヒータに流して、加熱流体の温度、例えば蒸気の温度を独立して制御することができる。
様々な開口部１４４が、研磨パッド３０上の異なる径方向区域上に蒸気を方向付けることができる。隣接する径方向区域は重なり合う場合がある。任意に、開口部１４４のいくつかは、その開口部からの霧の中心軸が研磨面３６に対して斜角であるように、配向することができる。蒸気は、プラテン２４の回転によって生じるような衝突の領域における、研磨パッド３０の運動方向に対向する方向の水平成分を有するように、開口部１４４の１つまたは複数から方向付けることができる。
図２は、均等な間隔で離隔された開口部１４４を示しているが、これは要件ではない。ノズル１２０は、径方向で、もしくは角度方向で、または両方で不均一に分配することができる。例えば、開口部１４４は、研磨パッド３０の中心に向かってより緊密に密集させることができる。別の例として、開口部１４４は、研磨液３９がスラリー送達アーム３９によって研磨パッド３０に送達される半径に対応する半径において、より緊密に密集させることができる。加えて、図２は９つの開口部を示しているが、より多数またはより少数の開口部があり得る。
研磨システム２０はまた、高圧すすぎシステム１０６を含むことができる。高圧すすぎシステム１０６は、洗浄流体、例えば水を、高強度で研磨パッド３０上に方向付けて、パッド３０を洗浄し、使用済みスラリー、研磨デブリなどを除去する、複数のノズル１５４、例えば３～２０個のノズルを含む。
図２に示されるように、一例のすすぎシステム１０６は、プラテン２４および研磨パッド３０の上を、研磨パッドの縁部から研磨パッド３０の中心まで、または少なくとも中心付近（例えば、研磨パッドの総半径の５％以内）まで延在するアーム１５０を含む。アーム１５０は基部１５２によって支持することができ、基部１５２はプラテン２４と同じフレーム４０上で支持することができる。基部１５２は、１つまたは複数のアクチュエータ、例えば、アーム１５０を上下させるリニアアクチュエータ、および／またはアーム１５０をプラテン２４の上で横方向に回動させる回転アクチュエータを含むことができる。アーム１５０は、研磨ヘッド７０、パッドコンディショニングディスク９２、およびスラリー分配アーム３９など、他のハードウェア構成要素との衝突を回避するように位置付けられる。
プラテン２４の回転方向に沿って、すすぎシステム１０６のアーム１５０を、冷却システム１１０のアーム１１０と加熱システム１４０のアーム１４０との間に位置付けることができる。例えば、冷却システム１１０のアーム１１０、すすぎシステム１０６のアーム１５０、加熱システム１０４のアーム１４０、スラリー送達アーム３９、およびキャリアヘッド７０を、その順序でプラテン２４の回転方向に沿って位置付けることができる。あるいは、プラテン２４の回転方向に沿って、冷却システム１０４のアーム１１０は、すすぎシステム１０６のアーム１５０と加熱システム１４０のアーム１４０との間にあり得る。例えば、すすぎシステム１０６のアーム１５０、冷却システム１１０のアーム１１０、加熱システム１０４のアーム１４０、スラリー送達アーム３９、およびキャリアヘッド７０を、その順序でプラテン２４の回転方向に沿って位置付けることができる。
複数のノズル１５４がアーム１５０から懸架される。各ノズル１５０は、洗浄液体を高圧で研磨パッド３０上に噴霧するように構成される。アーム１５０は、ノズル１２０がギャップによって研磨パッド３０から分離されるように、基部１５２によって支持することができる。すすぎシステム１０６は、配管によってアーム１５０に接続することができる、洗浄流体源１５６を含むことができる。
様々なノズル１５４が、研磨パッド３０上の異なる径方向区域上に噴霧することができる。隣接する径方向区域は重なり合う場合がある。いくつかの実現例では、ノズル１５４は、研磨パッド上に洗浄液体が衝突する領域が重なり合わないように配向される。例えば、少なくともいくつかのノズル１５４は、衝突領域が角度的に分離されるように位置付けし配向することができる。
少なくともいくつかのノズル１５４は、そのノズルからの霧の中心軸が研磨面３６に対して斜角であるように、配向することができる。特に、洗浄流体は、各ノズル１５４から、径方向外向きの（研磨パッドの縁部に向かう）水平成分を有して噴霧することができる。これにより、洗浄流体をパッド３０からより迅速に離れさせ、研磨パッド３０上に残る流体の領域をより薄くすることができる。これは、加熱および／または冷却媒体と研磨パッド３０との熱結合であり得る。
図２は、均等な間隔で離隔されたノズル１５４を示しているが、これは要件ではない。加えて、図１および図２は９つのノズルを示しているが、より多数またはより少数のノズル、例えば３～２０個のノズルがあり得る。
いくつかの実現例では、研磨システム２０は、研磨液３８を研磨パッド３０にわたって均等に分配する、ワイパーブレードまたは本体１７０を含む。プラテン２４の回転方向に沿って、ワイパーブレード１７０は、スラリー送達アーム３９とキャリアヘッド７０との間にあり得る。
図２は、各サブシステム、例えば加熱システム１０２、冷却システム１０４、およびすすぎシステム１０６のための別個のアームを示しており、様々なサブシステムは、共通のアームによって支持される単一のアセンブリに含めることができる。例えば、アセンブリは、冷却モジュール、すすぎモジュール、加熱モジュール、スラリー送達モジュール、および任意にワイパーモジュールを含むことができる。各モジュールは、共通の取付けプレートに固定することができる本体、例えば円弧状本体を含むことができ、共通の取付けプレートは、アセンブリが研磨パッド３０の上に位置付けられるようにして、アームの端部で固定することができる。様々な流体送達構成要素、例えば配管、通路などが、各本体の内部に延在することができる。いくつかの実現例では、モジュールは取付けプレートから別個に分離可能である。各モジュールは、上述の関連付けられたシステムのアームの機能を実施する、類似の構成要素を有することができる。
冷却システム１０２の場合、冷却媒体は、ガス、例えば空気、および／または液体、例えば水であることができる。冷却媒体のガス状成分が存在する場合、空気、あるいは研磨プロセスに対して不活性である別のガス、例えば窒素、二酸化炭素、アルゴン、もしくは別の希ガス、またはそれらの混合物であることができる。冷却媒体の液体成分が存在する場合、水、あるいはエタノール、もしくはイソプロピルアルコール、またはそれらの混合物など、別の液体であることができる。液体成分は研磨プロセスに対して不活性であることができる。媒体は、室温であるか、または室温未満に、即ち２０℃未満に冷やすことができる。例えば、媒体は５～１５℃であることができる。いくつかの実現例では、媒体は０℃以下である。
いくつかの実現例では、媒体は実質的に純粋なガスである。いくつかの実現例では、冷却媒体はガスおよび液体の霧であり、例えば、空気などのガスキャリア中の、水などの液体のエアロゾル化した霧である。いくつかの実現例では、冷却システムは、室温未満に冷やされた水のエアロゾル化した霧を発生させる、ノズルを有することができる。
いくつかの実現例では、クーラント媒体は、ガスおよび／または液体と混合された固体材料の粒子を含む。固体材料は、冷やされた材料、例えば氷、ドライアイス、または凍結したエタノールもしくはイソプロピルアルコールであることができる。いくつかの実現例では、冷却媒体は、ガス、例えば空気の霧、および固体粒子、例えば氷粒子であるが、実質的に液相を有さない。固体材料はまた、水中に溶解させたとき、化学反応によって熱を吸収する材料であることができる。
冷却媒体は、クーラント送達アームにおいて、ノズルに任意に形成された１つもしくは複数のアパーチャ、例えば穴またはスロットに流すことによって、送達することができる。アパーチャは、クーラント源に接続されたマニホルドによって提供することができる。
図１および図２に示されるように、一例の冷却システム１０２は、プラテン２４および研磨パッド３０の上を、研磨パッドの縁部から研磨パッド３０の中心まで、または少なくとも中心付近（例えば、研磨パッドの総半径の５％以内）まで延在するアーム１１０を含む。アーム１１０は基部１１２によって支持することができ、基部１１２はプラテン２４と同じフレーム４０上で支持することができる。基部１１２は、１つまたは複数のアクチュエータ、例えば、アーム１１０を上下させるリニアアクチュエータ、および／またはアーム１１０をプラテン２４の上で横方向に回動させる回転アクチュエータを含むことができる。アーム１１０は、研磨ヘッド７０、パッドコンディショニングディスク９２、およびスラリーディスペンサ３９など、他のハードウェア構成要素との衝突を回避するように位置付けられる。
例示の冷却システム１０２は、アーム１１０から懸架された複数のノズル１２０を含む。各ノズル１２０は、液体冷却媒体、例えば水を、研磨パッド３０上に噴霧するように構成される。アーム１１０は、ノズル１２０がギャップ１２６によって研磨パッド３０から分離されるように、基部１１２によって支持することができる。
各ノズル１２０は、例えばコントローラ１２を使用して、各ノズル１２０を通る流体流を開始および停止するように構成することができる。各ノズル１２０は、霧１２２中のエアロゾル化した水を、研磨パッド３０に向かって方向付けるように構成することができる。冷却システム１０２は、液体冷却媒体源１３０と、気体冷却媒体源１３２とを含むことができる（図２を参照）。媒体源１３０からの液体および媒体源１３２からのガスは、ノズル１２０を通して方向付けられて霧１２２を形成する前に、例えばアーム１１０の中または上にある、混合チャンバ１３４（図１を参照）内で混合することができる。
いくつかの実現例では、プロセスパラメータ、例えば流量、圧力、温度、および／または液体対ガスの混合比は、（例えば、コントローラ１２によって）各ノズルに対して独立して制御することができる。例えば、各ノズル１２０に対するクーラントを、独立して制御可能なチラーに流して、霧の温度を独立して制御することができる。別の例として、１つはガス用、１つは液体用のポンプの別個の対を各ノズルに接続して、流量、圧力、およびガスと液体の混合比を、各ノズルに対して独立して制御することができる。
様々なノズルが、研磨パッド３０上の異なる径方向区域１２４上に噴霧することができる。隣接する径方向区域１２４は重なり合う場合がある。いくつかの実現例では、ノズル１２０は、細長い領域１２８に沿って研磨パッド３０に衝突する霧を発生させる。例えば、ノズルは、ほぼ平坦な三角形状体積で霧を発生させるように構成することができる。
細長い領域１２８の１つまたは複数、例えば細長い領域１２８の全ては、領域１２８を通って延在する半径に平行な長手方向軸線を有することができる（領域１２８ａを参照）。あるいは、ノズル１２０は円錐状の霧を発生させる。
図１は霧自体が重なり合うことを示しているが、細長い領域が重なり合わないように、ノズル１２０を配向することができる。例えば、少なくともいくつかのノズル１２０、例えば全てのノズル１２０を、細長い領域１２８が細長い領域を通る半径に対して斜角であるように、配向することができる（領域１２８ｂを参照）。
少なくともいくつかのノズル１２０は、そのノズルからの霧の中心軸（矢印Ａを参照）が研磨面３６に対して斜角であるように、配向することができる。特に、霧１２２は、プラテン２４の回転によって生じる衝突の領域における、研磨パッド３０の運動方向（矢印Ａを参照）に対向する方向の水平成分を有するように、ノズル１２０から方向付けることができる。
図１および図２は、均一な間隔で離隔されたノズル１２０を示しているが、これは要件ではない。ノズル１２０は、径方向で、もしくは角度方向で、または両方で不均一に分配することができる。例えば、ノズル１２０は、径方向に沿って、研磨パッド３０の縁部に向かってより緊密に密集させることができる。加えて、図１および図２は９つのノズルを示しているが、より多数またはより少数のノズル、例えば３～２０個のノズルがあり得る。
冷却システム１０２は、研磨面３６の温度を低下させるのに使用することができる。例えば、研磨面３６の温度は、霧１２２を介した液体クーラント１３０からの液体、および／または霧１２２を介したガスクーラント１３２からのガスを使用して低下させることができる。いくつかの実施形態では、研磨面３６の温度は２０℃以下まで低下させることができる。金属除去ステップまたはオーバー研磨ステップの１つもしくは複数の間、温度を低下させることによって、研磨液３８の選択性を低減することにより、ＣＭＰ中の軟金属のディッシングおよびエロージョンを低減することができる。
ＣＭＰ中の温度の低下は、腐食を低減するのに使用することができる。例えば、金属除去ステップ、オーバー研磨ステップ、または調整ステップの１つもしくは複数の間、温度を低下させることによって、ガルバニック反応は温度依存性であり得るため、様々な構成要素のガルバニック腐食を低減することができる。加えて、ＣＭＰ中、研磨プロセスにおいて不活性ガスが使用され得る。特に、酸素を含まない（または大気よりも酸素が少ない）ガスを使用して、局所化された不活性環境を作り出して、局所化された不活性環境内の酸素を低減することができ、それによって腐食の低減をもたらすことができる。かかるガスの例としては、例えば、液体窒素またはドライアイスから蒸発した、窒素および二酸化炭素が挙げられる。
研磨面３６の温度を低下させることで、例えば調整ステップの場合、研磨パッド３０の貯蔵弾性率を増加させ、研磨パッド３０の粘弾性を低減することができる。増加した貯蔵弾性率および低減した粘弾性を、パッドコンディショニングディスク９２に対するダウンフォースの低下および／またはパッドコンディショニングディスク９２による調整の積極性の低下と組み合わせて、より均一なパッドアスペリティをもたらすことができる。均一なパッドアスペリティの利点は、後に続く研磨動作中における基板１０の引っ掻きが低減されること、ならびに研磨パッド３０の寿命が増加することである。
図３を参照すると、各ノズル１２０は先細末広（ＣＤ）ノズルであることができる。先細末広（ＣＤ）ノズルはまた、ラバールノズルまたは超音速ノズルと説明することができる。各ノズル１２０は、ガス（例えば、ガス源１３２からのガス）が亜音速でノズル１２０に入る、先細区画２０２（例えば、入力ポート）を有する。ポンプ２２２は、ガスをガス源１３２からディスペンサ２２０を通してＣＤノズル１２０内へと方向付けることができる。例えば、先細区画２０２に入るガスは、室温、例えば２０～３０℃、または室温未満であることができ、ノズル１つ当たり毎分０～１０００リットル、例えばノズル１つ当たり毎分５００リットルの速度で入ることができる。先細区画２０２から、ガスは、ノズル１２０の断面積が最小であるチョークポイント、即ちスロート２０４に入る。ガスの速度は、先細区画２０２からスロート２０４を通って末広区画２０６（例えば、出力ポート）に流れるにつれて増加する。スロート２０４は、スロート２０４を通って流れるガスの速度を増加させるので、ガスが末広区画２０６に入って出るとき、ガスの速度は超音速まで増加される。例えば、末広区画２０６を出るガスは、室温未満の温度、例えば－１００～２０℃、－９０～０℃、－８０～－２５℃、または－７０～－５０℃であることができる。
冷却システム１０２で使用されるガスとしては、例えば、空気、窒素、二酸化炭素、アルゴン、または蒸気エタノールもしくはイソプロピルアルコールなどの蒸発ガスを挙げることができる。ガスは、ＣＤノズル１２０に送達される前であっても冷却することができる。例えば、冷却されたガスは、（例えば、熱交換器に通すことによって冷やされた）低温空気、（例えば、液体窒素からの蒸発による）低温窒素ガス、または（例えば、ドライアイスの昇華による）低温二酸化炭素ガスであることができる。
ＣＤノズル１２０は、研磨パッド３０を冷却するのに使用することができる。例えば、末広区画２０６は、冷却されたガスを研磨パッド３０上に直接分配することができる。例えば、末広区画２０６からの出口は、研磨面３６から約１～１０ｃｍに配置することができ、ノズル１２０は、ガス流が研磨面に衝突するように配向することができる。
いくつかの実現例では、液体クーラント媒体源１３０は、液体、例えば水を、ディスペンサ２１０を通して送達することができる。ディスペンサ２１０は、ノズル１２０を通って流れるガスに水を注入するように位置付けられたインジェクタであることができる。例えば、インジェクタ２１０は、水滴を先細区画２０２内に、スロート２０４内に（図３に示されるように）、末広区画２０６内に、または末広区画２０６の直後に注入するように位置付けることができる。
ガス流中への、例えばノズル１２０内への液体クーラントの流量は、バルブ２１２によって制御することができる。ディスペンサ２１０は、例えば毎分０～３００ミリリットル、例えば毎分３～５０ミリリットルの速度で、水滴２０８を分配することができる。液体流量は、ガス流量の約０．００１％～１％、例えば０．０１～０．１％であることができる。ガスがＣＤノズル１２０を通って流れるにつれて、ＣＤノズル１２０を通って流れるガスが冷却されるので、ガスによって水滴２０８を冷却することができる。いくつかの実現例では、水滴２０８は冷却されて氷滴を形成する。氷滴は、均一なサイズ、例えば直径約１０μｍであることができる。
いくつかの実現例では、水滴２０８はまた、研磨パッド３０上に直接分配され、冷却されたガスとともに研磨パッド３０を更に冷却することができる。加えて、氷滴または水滴は、研磨パッド３０が冷却されたガスによって冷却される際に乾燥するのを防ぐことができる。いくつかの実現例では、冷却されたガスは水滴２０８を凍結させて氷滴を形成し、それが冷却されたガスとともに研磨パッド３０を冷却することができる。氷滴が熱を吸収し、溶けて水になる際に、融解潜熱によって研磨パッド３０を冷却することができるので、氷滴は研磨パッド３０を効率的に冷却することができる。更に、氷滴を使用して、研磨パッド３０を研磨し洗浄することができる。
上述の研磨装置および方法は、様々な研磨システムにおいて適用することができる。研磨パッドもしくはキャリアヘッドのどちらか、または両方は、研磨面と基板との相対運動をもたらすように移動することができる。例えば、プラテンは回転するのではなく周回してもよい。研磨パッドは、プラテンに固定された円形（または他の何らかの形状）のパッドであることができる。研磨層は、標準的な（例えば、フィルタを有するかもしくは有さないポリウレタン）研磨材料、軟質材料、または固定砥粒材料であることができる。
相対的位置付けの用語は、システムまたは基板内における相対的位置付けを指すのに使用され、研磨面および基板は、研磨動作の間、垂直配向または他の何らかの配向で保持することができるものと理解されるべきである。
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、コントローラ９０を含むことができる。コントローラ９０は、研磨パッドの各径方向区域に対する温度測定値を温度センサ６４から受け入れ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、各ノズルまたは開口部に対する制御メカニズム（例えば、アクチュエータ、電源、ポンプ、バルブなど）へのフィードバック信号を生成することができる。フィードバック信号は、研磨パッドおよび／またはスラリーが所望の温度プロファイルに達する（または少なくとも近付く）ように、制御メカニズムに冷却または加熱の量を調節させるため、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によって計算される。
コントローラ９０の機能的動作は、１つまたは複数のコンピュータプログラム製品、即ち、データ処理装置（例えば、プログラマブルプロセッサ、コンピュータ、または複数のプロセッサもしくはコンピュータ）によって実行される、あるいはデータ処理装置の動作を制御する、非一時的コンピュータ可読記憶媒体で有形的に具体化された、１つまたは複数のコンピュータプログラムを使用して実現することができる。
本発明の多数の実施形態について説明してきた。それでもなお、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な修正が行われてもよいことが理解されるであろう。
例えば、上述の説明は、加熱および／または冷却媒体を研磨パッド上に送達することに焦点を当てているが、加熱および／または冷却媒体は、他の構成要素の温度を制御するためにそれらの構成要素上に送達することができる。例えば、加熱および／または冷却媒体は、基板が移送ステーション内に、例えばロードカップ内に位置付けられた状態で、基板上に噴霧することができる。別の例として、ロードカップ自体に加熱および／または冷却媒体を噴霧することができる。更に別の例として、コンディショニングディスクに加熱および／または冷却媒体を噴霧することができる。
したがって、他の実施形態が以下の特許請求の範囲内にある。
Claims (15)
- 研磨面を有する研磨パッドを支持するプラテンと、
ガス源に結合される入口を有する導管と、
前記導管に結合され、前記ガス源からのガスを前記研磨パッドの前記研磨面上へと方向付けるように前記プラテンの上に懸架された先細末広ノズルを有する、ディスペンサと、を備える、化学機械研磨システム。 - 前記ガス源に結合され、研磨動作の選択されたステップの間、前記ガス源に、前記先細末広ノズルを通して前記ガスを前記研磨面上に送達させるように構成された、コントローラを備える、請求項１に記載のシステム。
- 液体源に結合される入口と、前記液体源からの液体を前記先細末広ノズル内へと送達する出口とを有する、インジェクタを更に備える、請求項１に記載のシステム。
- 前記液体源に結合され、研磨動作の選択されたステップの間、前記液体源に、液体を前記先細末広ノズル内へと送達させるように構成された、コントローラを備える、請求項３に記載のシステム。
- 前記コントローラが、前記ガス源に結合され、前記先細末広ノズルを通るガスの流量を、前記液体を凍結させるのに十分に前記ガスが冷却されるような流量にするように構成されている、請求項４に記載のシステム。
- 前記ガス源に結合され、前記先細末広ノズルを通るガスの流量を、クーラントガスが２０℃より高い初期温度から２０℃未満まで冷却されるような流量にするように構成された、コントローラを備える、請求項１に記載のシステム。
- 前記コントローラが、前記先細末広ノズルを通るガスの流量を、前記クーラントガスが０℃未満まで冷却されるような流量にするように構成されている、請求項６に記載のシステム。
- ガス源からのガスを先細末広ノズルまで送達することと、
前記ガスを前記先細末広ノズルに流すことによって前記ガスを冷却することと、
前記冷却されたガスを研磨パッド上へと方向付けることと、
を含む、化学機械研磨システムの温度制御方法。 - 前記ガスが、空気を冷やすことによって、液体窒素の蒸発によって、液体エタノールの蒸発によって、液体イソプロピルアルコールの蒸発によって、および／またはドライアイスの昇華によって形成される、請求項８に記載の方法。
- 液体を前記先細末広ノズル内へと注入することを含む、請求項８に記載の方法。
- 前記液体が、水、エタノール、および／またはイソプロピルアルコールである、請求項１０に記載の方法。
- 前記液体を、前記冷却されたガスに暴露することによって、凍結させて固体粒子にすることを更に含む、請求項１０に記載の方法。
- 前記ガスを、２０℃より高い初期温度から２０℃未満まで冷却することを含む、請求項８に記載の方法。
- 冷却された前記ガスを０℃未満の温度で前記研磨パッド上に分配することを含む、請求項１３に記載の方法。
- 冷却された前記ガスを－７０から－５０℃の温度で前記研磨パッド上に分配することを含む、請求項１４に記載の方法。
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