JP2024507525A - 非接触型プラテンエッジ制御付き研磨システム - Google Patents

Abstract

研磨システムは、主研磨パッドを支持する上面を有するプラテンを含む。プラテンは、プラテンのほぼ中心を通る回転軸を中心に回転可能である。環状フランジは、プラテンから半径方向外向きに突出して外側研磨パッドを支持する。環状フランジは、プラテンに固定されてプラテンと共に回転可能であり且つプラテンの上面に対して垂直に固定された内側エッジを有する。環状フランジは、環状フランジの外側エッジが内側エッジに対して垂直に移動可能であるように垂直に偏向可能である。アクチュエータは、角度的に限定された領域において環状フランジの下側に圧力を加え、キャリアヘッドは、基板を研磨パッドに接触させて保持し、基板の一部を外側研磨パッド上に選択的に位置決めするように移動可能である。【選択図】図１

Description

本開示は、プラテンによって加えられる圧力を制御する基板の化学機械研磨に関する。

集積回路は通常、シリコンウエハ上に導電層、半導電層、絶縁層を順次堆積させることにより基板上に形成される。ある製造ステップでは、平坦でない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、充填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、導電性充填層をパターニングされた絶縁層上に堆積させ、絶縁層のトレンチ又は穴を充填することができる。平坦化後、絶縁層の***したパターンの間に残った導電層の部分は、基板上の薄膜回路間の導電経路となるビア、プラグ、及びラインを形成する。酸化物研磨等の他の用途では、平坦でない面上に所定の厚さが残るまで充填層を平坦化する。また、フォトリソグラフィでは通常、基板表面の平坦化が必要となる。

化学機械研磨（ＣＭＰ）は、平坦化の方法の一つとして認められている。この平坦化方法では通常、基板をキャリア又は研磨ヘッドに取り付ける必要がある。基板の露出面が通常、回転する研磨パッドに当てられる。キャリアヘッドは基板に制御可能な負荷を与え、基板を研磨パッドに押し付ける。研磨スラリが通常、研磨パッドの表面に供給される。

一態様では、研磨システムは、主研磨パッドを支持する上面を有するプラテンを含む。プラテンは、プラテンのほぼ中心を通る回転軸を中心に回転可能である。環状フランジは、プラテンから半径方向外向きに突出して外側研磨パッドを支持する。環状フランジは、プラテンに固定されてプラテンと共に回転可能であり且つプラテンの上面に対して垂直に固定された内側エッジを有する。環状フランジは、環状フランジの外側エッジが内側エッジに対して垂直に移動可能であるように垂直に偏向可能である。アクチュエータは、角度的に限定された領域において環状フランジの下側に圧力を加え、キャリアヘッドは、基板を研磨パッドに接触させて保持し、基板の一部を外側研磨パッド上に選択的に位置決めするように移動可能である。

実装態様は、以下の利点の１又は複数をオプションで含み得るが、これらに限定されない。

記載の技法は非接触制御を可能にする、すなわち、アクチュエータは、アクチュエータと環状フランジとの間のいかなる物理的接触もなしに、プラテンの環状フランジの垂直位置を制御することができる、あるいは研磨パッド及び基板に対する環状フランジの上向きの圧力を制御することができる。圧力を加えるためにアクチュエータを環状フランジに接触させる必要がある技法と比較すると、粒子の発生が少なくなるため、欠陥が発生する可能性が低くなり得る。

記載の技法は、研磨時に基板のエッジにそれぞれの圧力を加えて、エッジにおける研磨速度を増加又は減少させ、研磨プロセスの終了時に基板が均一に研磨された厚さを有するようにすることができるため、特に基板のエッジにおける研磨の不均一性を低減することができる。

１又は複数の実装態様の詳細は、添付の図面及び以下の説明に記載されている。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。

化学機械研磨システムの一例を示す概略断面図である。 図１の化学機械研磨システムの一例を示す概略上面図である。 化学機械研磨システムの一例を示す斜視図である。 永久磁石を有する非接触アクチュエータを備えた化学機械研磨システムの一例を示す概略断面図である。 電磁石を有する非接触アクチュエータを備えた化学機械研磨システムの一例を示す概略断面図である。 流体噴射ノズルを有する非接触アクチュエータを備えた化学機械研磨システムの一例を示す概略断面図である。

様々な図面における同様の参照番号及び表記は、同様の要素を示している。

一部の化学機械研磨工程では、基板の一部が研磨不足又は研磨過剰になることがある。特に、基板エッジ又はその近傍、例えば基板エッジから０～１０ｍｍに位置する帯状部分において、基板が研磨過剰又は研磨不足になる傾向がある。このような研磨の不均一性に対処する１つの技法は、基板を別の「タッチアップ」ツールに移送して、例えばエッジ補正を行うことである。しかし、追加ツールはクリーンルーム内の貴重な設置面積を消費し、スループットに悪影響を及ぼす可能性がある。

この問題に対する解決策として提案されているのは、アクチュエータが環状フランジに接触し、フランジを上向きに偏向させて基板エッジへの圧力を増加させる一体型研磨ステーションを提供することである。しかし、アクチュエータが環状フランジに接触すると、例えば固体部品間の摩擦によって粒子が発生する可能性がある。この粒子は基板及び／又はクリーンルームを汚染し、欠陥の原因となり得る。しかし、これらの問題は、固体部品間の物理的接触なしに環状フランジ上に圧力を加える非接触アクチュエータを採用することによって対処することができる。

図１及び図２に、基板１０を研磨するために動作可能な例示的な研磨システム２０を示す。研磨システム２０は、回転可能なプラテン２４を含み、その上に主研磨パッド３０が位置する。

プラテンは、軸２５を中心に回転するように動作可能である。例えば、モータ２１が駆動シャフト２２を回転させてプラテン２４を回転させることができる。幾つかの実装態様では、プラテン２４は、主研磨パッド３０を支持する環状の上面２８を提供するように構成される。幾つかの実装態様では、開孔２６が、プラテン２４の中心の上面２８に形成される。開孔２６の中心は、回転軸２５にアライメントされていてよい。例えば、開孔２６は円形であってよく、開孔２６の中心は回転軸２５と同軸であってよい。プラテン２４が環状の上面を有する場合、主研磨パッド３０を貫通する穴３１を形成して、研磨パッドを環状の形状にすることができる。

幾つかの実装態様では、開孔２６は、部分的には延在するが全体がプラテン２４を貫通していない凹部である。幾つかの実装態様では、開孔２６は、プラテン２４を完全に貫通する、例えば、開孔２６は、プラテン２４を貫通する通路を提供する。図１に示すように、開孔２６はまた、研磨残留物（例えば、研磨液３８又は研磨プロセスからの屑）のための排出口を提供し得る。導管２９は、プラテン２４を貫通して延在しない凹部から研磨残留物を排出し得る。

開孔２６（例えば、凹部として、又はプラテン２４を貫通する通路の上部として表面２８に隣接する部分）の直径は、プラテン２４の直径の約５％から４０％、例えば、約５％から１５％、又は２０％から３０％であってよい。例えば、直径３０から４２インチのプラテンでは、直径は３から１２インチであってよい。

ただし、プラテン２４の開孔２６と研磨パッド３０の穴３１はオプションであり、研磨パッド３０とプラテン２４はいずれも上面が円形の中実の円形体であってよい。

主研磨パッド３０は、例えば接着剤層によってプラテン２４の上面２８に固定することができる。摩耗した場合、主研磨パッド３０は取り外して交換することができる。主研磨パッド３０は、研磨面３６を有する外側研磨層３２と、より柔らかいバッキング層３４とを有する２層研磨パッドであってよい。主研磨パッド３０が環状である場合、主研磨パッド３０は、パッド３０を貫通する開孔２６の周辺部を画定する内側エッジを有する。パッド３０の内側エッジは円形であってよい。

研磨システム２０は、研磨液供給アーム３９及び／又はリンス液供給アーム等のパッド洗浄システムを含み得る。研磨中、アーム３９は、研磨液３８、例えば研磨粒子を含むスラリを分配するように動作可能である。幾つかの実装態様では、研磨システム２０は、複合スラリ／リンスアームを含む。あるいは、研磨システムは、主研磨パッド３０上に研磨液を分配するように動作可能なプラテンのポートを含み得る。

研磨システム２０は、主研磨パッド３０に当接して基板１０を保持するように動作可能なキャリアヘッド７０を含む。キャリアヘッド７０は、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ており、キャリアヘッドが軸７１を中心に回転できるように、キャリア駆動シャフト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。更に、キャリアヘッド７０は、例えば、アクチュエータによって駆動され、カルーセルの半径方向スロットを移動することによって、モータによって駆動されたカルーセルが回転することによって、又はアクチュエータによって駆動され、トラックに沿って前後に移動することによって、研磨パッド全体にわたって横方向に揺動し得る。工程中、プラテン２４はその中心軸２５を中心に回転し、キャリアヘッドはその中心軸７１を中心に回転し、研磨パッドの上面全体にわたって横方向に平行移動する。

研磨システム２０はまた、回転可能なコンディショナヘッド４２を有するコンディショナシステム４０を含んでいてよく、このコンディショナヘッド４２は、主研磨パッド３０の研磨面３６を調整するために、例えば取り外し可能なコンディショニングディスク上の研磨下面を含み得る。コンディショナシステム４０はまた、コンディショナヘッド４２を駆動するモータ４４と、モータをコンディショナヘッド４２に接続する駆動シャフト４６とを含み得る。コンディショナシステム４０はまた、コンディショナヘッド４２を主研磨パッド３０、外側研磨パッド５６、及びオプションの内側研磨パッド６６全体にわたって横方向に掃引するように構成されたアクチュエータを含み得る。

研磨システム２０はまた、プラテンに固定され、プラテンと共に回転する少なくとも１つの環状フランジを含む。内側研磨パッド又は外側研磨パッドの一部がフランジ上に載置され、フランジは、内側研磨パッド又は外側研磨パッドの角度的に限定されたセクションが基板の底面に当接してバイアスされるように、アクチュエータによって変形可能である。環状フランジは、プラテンの外側エッジから外向きに突出していてよく、環状プラテンの内側エッジから内向きに突出していてよく、あるいは各位置に１つずつ、２つのフランジが存在していてよい。

図１及び図２の実施例に示すように、研磨システム２０は、プラテン２４から半径方向外向きに突出する環状フランジ５０を含む。偏向又は変形していない場合、環状フランジ５０の上面は、プラテン２４の上面３８と実質的に同一平面である。環状フランジ５０の内側エッジは、プラテン２４に固定され、プラテン２４と共に回転可能である。従って、環状フランジ５０は、駆動シャフト２２がプラテン２４を回転させるときに、プラテン２４と共に回転することができる（従って、環状フランジ５０は、回転のために別のモータを必要としない）。環状フランジ５０は、偏向可能な弾性材料であり得る。例えば、環状フランジはＰＴＦＥ製であってよい。

環状フランジ５０の内側エッジは、プラテン２４の上面に対して垂直に固定されている。しかしながら、環状フランジ５０は、環状フランジ５０の外側エッジが環状フランジ５０の内側エッジに対して垂直に移動可能であるように垂直に偏向可能である。特に、研磨システム２０は、角度的に限定された領域４４において環状フランジ５０の下側に圧力を加えて外側研磨パッド５６のセグメントを変形させる非接触アクチュエータ５１を含む、すなわち、アクチュエータ５１は、環状フランジ５０と物理的に接触することなく、環状フランジ５０に圧力を加えることができる。

研磨システム２０は、環状フランジ５０によって支持され、環状フランジ５０に固定された外側研磨パッド５６を含み得る。外側研磨パッド５６は、基板、例えば、基板１０のエッジ又はエッジ近傍の基板１０の一部に対して修正研磨を行うために使用することができる。外側研磨パッド５６は、主研磨パッド３０と同様の層構造、例えば、バッキング層上に支持された研磨層を有していてよい。

外側研磨パッド５６は角度的にセグメント化することができる。図２を参照すると、そうでなければ環状である外側研磨パッド５６は、チャネル５７によって角形のパッドセグメント５８に分割することができる。チャネル５７は、プラテンの回転軸の周囲に等しい角度間隔で配置されていてよく、セグメント５８は等しい円弧長さを有していてよい。図２には、外側研磨パッドを８つのセグメント５８に分割する８つのチャネル５７を図示したが、チャネル５７及びセグメント５８の数はこれより多くてよい又は少なくてよい。チャネル５７はまた、研磨副生成物、例えば、研磨プロセスからのスラリ３８又は屑を排出するために使用することができる。基板１０の下方にないパッドセグメント５８は、プラテン２４の回転軸２５を中心に回転しながら、コンディショニングシステム４０によって調整され得る。

外側研磨パッド５６の研磨面は、間隙５５によって主研磨パッド３０から分離され得る。チャネル５７は、研磨残留物（例えば、研磨プロセスからの研磨スラリ３８又は屑）がチャネル５７から間隙５５に排出され得るように、間隙５５まで延在していてよい。間隙５５内に開口部を有する１又は複数の導管５９は、研磨残留物が間隙５５から排出されることを可能にすることができる（図４～図７参照）。

外側研磨パッド５６の外側研磨面５４は環状であってよく、プラテンの回転軸２５と同心であってよい。幾つかの実装態様では、外側研磨パッド５６は、下層から上向きに延在する環状突起部を含む（図５Ａ参照）。チャネル５７は、環状突起部を複数の円弧５３に分割し得る。環状突起部の上面は、外側研磨面５４を提供する。各円弧５３は（プラテンの半径に沿って測定された）幅ｗを有していてよい。幅ｗは円弧５３に沿って角度的に均一であってよい。各円弧は同じ寸法を有していてよい、又は幅ｗは円弧５３ごとに異なっていてよい。幅ｗは、外側研磨パッド５６が基板１０の狭い部分、例えば、幅１から３０ｍｍの領域、例えば、幅１から１０ｍｍの領域、例えば、幅５から３０ｍｍの領域（例えば、直径３００ｍｍの円形基板上）で修正研磨を行うことを可能にするように、十分に小さくなっている。

環状突起部は、（フランジの上面又は研磨面３６に対して垂直な）四角形の断面を有していてよい。環状突起部の側壁は垂直であってよく、これにより、環状突起部が磨耗しても、環状突起部によって基板１０上にもたらされる影響を受ける面積は変わらない。突起部の半径方向の位置及び突起部の幅は、特定の研磨プロセスについて経験的に測定された不均一性の測定値に基づいて選択することができる。

しかしながら、外側研磨面５４には他の多くの構成が可能である。例えば、外側研磨面５４は、回転軸の周囲に角度的に間隔を置いて、例えば等間隔に配置された円筒形突起部によって提供され得る。

非接触アクチュエータ５１は、機械的及び／又は電気的装置であってよい。非接触アクチュエータ５１は、例えば図３に示すように、環状フランジ５０とアクチュエータヘッド４６との間の距離を調整するために上向き及び下向きに揺動可能な旋回アーム４９に取り付けられたエアシリンダ４８を有していてよい。あるいは、非接触アクチュエータ５１は、アクチュエータヘッド４６が環状フランジ５０とアクチュエータヘッド４６との間に予め設定された距離を有する状態で、研磨ステーション２０の近くに静止して固定されていてよい。

非接触アクチュエータ５１は、固体部品間の物理的接触なしに、環状フランジ５０の環状限定領域４４に上向きの力を加えることができる。環状限定領域４４は、基板１０にわたる突起部の半径方向円弧５３の全域よりも小さい。具体的には、環状限定領域４４は、幅が約０．５から４ｍｍ、長さが約２０から５０ｍｍである。非接触アクチュエータ５１によって加えられる上向きの圧力は、環状フランジ５０を局所的に偏向させることができ、これにより、環状限定領域４４に対応する環状フランジ５０の突起部の一部が移動して基板１０に接触する。非接触アクチュエータ５１による上向き圧力の振幅は、環状フランジ５０とアクチュエータヘッド４６との間の距離に依存し得る。あるいは、環状フランジ５０とアクチュエータヘッド４６との間の距離が固定されている場合、上向き圧力の振幅は、コントローラによって制御されるアクチュエータヘッド４６によって引き起こされる力に依存する。

フランジ５０に対する非接触アクチュエータ５１からの上向き圧力は、磁力によって、もしくは空圧又は油圧によって発生させることができ、例えば、アクチュエータヘッドがフランジ５０の下側に対して流体又は空気を噴射することによって発生させることができる。磁力は２つの永久磁石の間、又は１つの永久磁石と１つの電磁石との間で発生させることができる。磁力は反発して、環状フランジ５０に上向き圧力を与え得る。非接触アクチュエータ５１の詳細な説明は後述する。

キャリアヘッド７０は、基板１０の一部を外側研磨パッド５６上に選択的に位置決めするように移動可能である。具体的には、キャリアヘッド７０は、基板１０の第１の部分を主研磨パッド３０上に配置し、基板の第２の部分を外側研磨パッド５６上に位置決めすることができる。外側研磨面５４の形状及び位置を考慮してキャリアヘッド７０（したがって基板１０）の位置を選択することによって、また、非接触アクチュエータ５１によるフランジ５０の変形の度合いを制御することによって、研磨システム１０は、基板上の異なる環状ゾーンにおける研磨速度の差を確立することができる。この効果を利用して、基板１０の研磨修正、例えばエッジ修正を行うことができる。

キャリアヘッド７０は、角度対称のエッジ修正（すなわち、キャリアヘッドの回転軸に関して対称であり、したがって基板の中心に関して対称である）を提供するように回転し得る。しかしながら、幾つかの実装態様では、キャリアヘッド７０は、外側研磨パッド５６によって提供される研磨修正中には回転しない。これにより、角度的に非対称な方法で修正研磨を行うことができる。

研磨システム２０は、プラテン２４から開孔２６内に半径方向内向きに突出する第２の環状フランジ６０を有していてよい。偏向又は変形していない場合、第２の環状フランジ６０の上面は、プラテン２４の上面３８と同一平面である。第２の環状フランジ６０は、プラテン２４に固定され、プラテン２４と共に回転可能な外側エッジを有し、第２の環状フランジ６０の内側エッジは、プラテン２４の上面に対して固定されている。第２の環状フランジ６０は、第２の非接触アクチュエータ６１が角度的に限定された領域４４において環状フランジ６０の下側に圧力を加えたときに、環状フランジ６０の内側エッジが外側エッジに対して垂直に移動可能であるように垂直に偏向可能であり得る。第２の非接触アクチュエータ６１は、例えば、第２の環状フランジ６０とアクチュエータヘッド４６との間の距離を調整するために上向き及び下向きに揺動可能な旋回アーム４９に取り付けられたエアシリンダ４８を有していてよい。あるいは、第２の非接触アクチュエータ６１は、アクチュエータヘッド４６が第２の環状フランジ６０とアクチュエータヘッド４６との間に予め設定された距離を有する状態で、研磨ステーション２０の近くに静止して固定されていてよい。

キャリアヘッド７０は、主研磨パッド３０及び内側研磨パッド６６の上に基板１０の一部を選択的に配置するように移動可能であり得る。プラテン２４が開孔２６を含む場合、キャリアヘッド７０は、研磨中に基板１０が主研磨パッド３０の穴３１から部分的にはみ出すように横方向に位置決めされ得る。

研磨システム２０は、主研磨パッド３０の中心領域を穴３１に置き換えることによって、スループットを損なうことなく面内不均一性を低減することができる。これを理解するために、パッドの速度は回転軸２５からの半径方向距離ｒの関数として比例して増加するため、主パッド３０の中心付近の研磨速度は、主パッド３０のより外側の部分と比較して減少した研磨速度を有し得る（図２参照）。したがって、ｒの値が小さい主パッド３０の部分は、速度が低くなり、研磨速度が遅くなる。このことから、研磨エッジ制御用に構成された内側研磨パッド６６によって主パッド３０の効率の低い中央部分を置き換えることにより、少なくとも元のスループットを維持しながら、最適な研磨品質を得ることができる。

研磨システム２０は、第２の環状フランジ６０によって支持され、第２の環状フランジ６０に固定される内側研磨パッド６６を含み得る。内側研磨パッド６６は角度的にセグメント化され得る。内側研磨パッド６６の角度的なセグメント化は、チャネル６７によって行うことができる。チャネル６７はまた、研磨副生成物、例えば、研磨からのスラリ又は屑を排出するためにも使用され得る。

内側研磨パッド６６の研磨面６４は環状であってよい。幾つかの実装態様では、内側研磨パッド６６は、下層から上方に延在する環状突起部を含む。チャネル６７は、環状突起部を複数の円弧に分割することができる。環状突起部の上面は内側研磨面６４を提供する。環状突起部は幅ｗを有する。幅ｗはプラテンの周囲で角度的に均一であってよい。環状突起部は、（第２の環状フランジ６０の上面又は研磨面３６に垂直な）長方形断面を有していてよい。

一度に１つのセグメント化パッドのみしか基板１０の下方に位置決めすることができないため、キャリアヘッド７０の下方にない内側パッド及び／又は外側パッドは、プラテン２４の回転軸２５を中心に回転しながら、コンディショニングシステム４０によって調整され得る。

内側研磨パッド６６の研磨面は、第２の環状フランジ６０の上部によって支持され、これに固定されるように環状であってよい。キャリアヘッド７０は、基板１０を主研磨パッド３０に接触させて保持することができ、基板１０の一部を主研磨パッド３０及び内側研磨パッド６６の上に選択的に位置決めして、基板１０の修正、例えばエッジ修正を行うように移動可能である。

研磨システム２０は、主研磨パッド３０より硬い、又は主研磨パッド３０より柔らかい外側研磨パッド５６を有し得る。外側研磨パッド５６は、主研磨パッド３０と同じ材料で構成されていてよい、又は主研磨パッド３０とは異なる材料で構成されていてよい。

研磨システム２０は、主研磨パッド３０より硬い、又は主研磨パッド３０より柔らかい内側研磨パッド６６を有し得る。内側研磨パッド６６は、主研磨パッド３０と同じ材料で構成されていてよい、又は主研磨パッド３０とは異なる材料で構成されていてよい。

研磨システム２０は、内側研磨パッド６６より硬い、又は内側研磨パッド６６より柔らかい外側研磨パッド５６を有し得る。外側研磨パッド５６は、内側研磨パッド６６と同じ材料で構成されていてよい、又は内側研磨パッド６６とは異なる材料で構成されていてよい。

図３に戻ると、非接触アクチュエータ５１は、磁気アクチュエータヘッド４６（図４及び図５参照）、流体ジェットアクチュエータ（図６参照）又はエアジェットアクチュエータ（図７参照）を含み得る。

図４及び図５を参照すると、磁気作動を伴う実装態様の場合、環状フランジ５０は永久磁石を含む。永久磁石は、環状フランジ５０の外側部分及び／又は環状フランジ６０の内側部分に固定され得る。磁気アクチュエータヘッドは、別の永久磁石又は電磁石を含み得る。環状フランジ５０又は６０に上向きの圧力を加えるには、環状フランジに固定された永久磁石と、アクチュエータヘッドに固定された永久磁石又は電磁石とを互いに対向するように位置決めして、環状フランジとアクチュエータヘッドとの間に反発力を発生させる必要がある。反発力の振幅、又は環状フランジへの上向きの圧力は、環状フランジとアクチュエータヘッドとの間の距離が小さくなるにつれて非線形的に増加する。

図４は、永久磁石を有する非接触アクチュエータを備えた化学機械研磨システムの一例を示す概略断面図である。図４に示すように、永久磁石４２０はフランジ５０に固定され、例えばフランジ５０の内部に埋め込まれる。あるいは、永久磁石４２０は環状フランジ５０の外面、例えば環状フランジ５０の底面に固定され得る。永久磁石４２０は２つの極、下方の北極４０７及び南極４０９を有する。

磁気アクチュエータ５１は磁気アクチュエータヘッド４６を含む。別の永久磁石４１０が磁気アクチュエータヘッド４６に固定され、例えばアクチュエータヘッド４６に埋め込まれる。あるいは、永久磁石４１０はアクチュエータヘッド４６の外面、例えばアクチュエータヘッド４６の上面に固定され得る。永久磁石４１０は、北極４０３と南極の２つの極を有する。

２つの永久磁石４１０及び４２０は、２つの永久磁石４１０及び４２０の同極同士が向かい合うように位置決めされている。例えば、図４に示すように、磁石４２０の北極４０７は、磁石４１０の北極４０３の方を向いている。

永久磁石４２０の形状は、外側研磨パッド５６のようなリング状、又は半径方向円弧５３のような複数の半径方向円弧であってよい。各磁石円弧は、半径方向円弧５３の幅ｗ（プラテンの半径に沿って測定）と同じ、又はそれより短い幅を共有し得る。幅ｗは、各磁石円弧に対して均一であり得る。各円弧は同じ寸法を有していてよい、又は幅ｗは磁石円弧ごとに異なっていてよい。環状フランジに固定される永久磁石４２０の総数は、１又は複数であってよい。同様に、磁気アクチュエータヘッドに固定される永久磁石４１０の総数は、１又は複数であってよい。例えば、永久磁石４２０の数は８であってよく、一方で永久磁石４１０の数は２であってよい。

永久磁石４１０及び４２０によって発生する反発力は、概して、環状フランジ５０とアクチュエータヘッド４６との間の間隙４０５の距離、又はより厳密には、磁石４２０、４１０間の距離及び磁石４２０、４１０の相対的な配向に依存する。アクチュエータヘッド４６とフランジ５０との間に磁力が必要ない場合、アクチュエータヘッド４６をフランジ５０から離して位置決めすることができる。特定の最大距離というのはないが、ヘッドは少なくともフランジ５０から３ｍｍのところにあってよい。一方、研磨装置のコントローラが、プラテンエッジに加えられる圧力の増加が必要であると決定した場合には、アクチュエータヘッド４６をフランジの近くに移動させて、上向きの磁力によってフランジを実質的に変形させる。この場合、間隙４０５は狭くなるが、少なくとも幅１ｍｍであってよい。反発力の振幅、あるいは等価的に環状フランジ５０に加えられる上向きの圧力は、間隙４０５の距離が変化するにつれて非線形的に変化し得る。

フランジにかかる力を調整するために、アクチュエータ５１はエアシリンダ４８に取り付けられたアーム４９を有し得る。アーム４９は、エアシリンダの動きに基づいてアクチュエータ４６を上向き及び下向きに移動させることができる。間隙４０５の距離は、環状フランジ上に適切な上向きの圧力を加えるために、コントローラによって決定され、調整され得る。環状フランジ５０を上向きに偏向させて研磨パッド５６を基板１０上に押し付け、基板のエッジの研磨速度を制御することができる。環状フランジの偏向は、余分な外圧で研磨パッド５６と基板１０との接触を確実にするために、１ｍｍから３ｍｍであってよい。

図４に示すように、複数のボルト８１、８２を用いてフランジ５０をプラテン２４に固定することができる。更に、第１の複数のボルト８１は、プラテンのベースに垂直又は斜めにねじ込まれ、第２の複数のボルト８２は、プラテンのベースに水平にねじ込まれる。ボルト８１、８２は、主研磨パッド３０の表面高さを調整すると同時に、間隙５５のサイズを調整するために使用され得る。例えば、フランジ５０のベースにスロット４２１、４２２を形成することができ、ボルト８１、８２をスロットを通して挿入することができる。ボルト８１、８２を締め付ける前に、フランジ５０のベースをプラテン２４の底部に沿ってスライドさせることにより、フランジ５０の垂直及び水平位置を設定することができる。ボルト８１及び８２の組み合わせを利用して、主研磨パッド３０の表面高さを外側研磨パッド５６の表面と実質的に同一平面となるように調整することができ、それに応じて間隙５５のサイズを調整することができる。

図４と同様に、図５は、電磁石を有する非接触アクチュエータを備えた化学機械研磨システムの一例を示す概略断面図である。環状フランジ５０は永久磁石５２０を有する。電磁石５１０は、磁気アクチュエータヘッドに固定されており、例えば、磁気アクチュエータヘッド４６の内部に埋め込まれている。あるいは、電磁石５１０は、磁気アクチュエータヘッド４６の外面、例えば上面に位置していてよい。電磁石５１０は、オプションで低透磁率コア５０１を取り囲むコイル５０３を含む。コイル５０３はコントローラ５１０に接続されている。コントローラ５１０は、電磁石５１０の電磁場強度と極性を制御するために、コイル５０３に流れる電流変化を決定することができる。図５に示すように、コントローラ５１０は、永久磁石５２０及び電磁石５１０の同極が互いの方を向いた状態で電磁石が非ゼロ磁場を発生させるように、電圧源を決定して電磁石５１０に電流を印加させることができる。例えば、図５に示すように、永久磁石５２０の南極５０７は電磁石５１０の南極の方を向いている。

図４と同様に、永久磁石４２０の形状は、外側研磨パッド５６のようなリング状、又は半径方向円弧５３のような複数の半径方向円弧であってよい。環状フランジに固定される永久磁石５２０の総数は、１又は複数であってよい。同様に、磁気アクチュエータヘッド４６に固定される電磁石５１０の総数は、１又は複数であってよい。例えば、永久磁石５２０の数は１２であってよく、一方で電磁石５１０の数は３であってよい。

同様に、永久磁石５２０と電磁石５１０との間に発生する反発力は、概して、環状フランジ５０とアクチュエータヘッド４６との間の間隙５０５のサイズ、又はより厳密には、永久磁石５２０と電磁石５１０との間の距離及び相対的な配向に依存する。反発力の振幅、又は等価的に環状フランジ５０に加えられる上向きの圧力は、コントローラ５１０によって制御される電磁石５１０の電磁場強度が変化するにつれて線形的に変化し得る。幾つかの実装態様では、アクチュエータ５１は、間隙５０５の予め設定された初期サイズを有する位置に固定され得る。研磨パッド５６を基板１０上に押し付けるために、環状フランジ５０を上向きに偏向させることができる。環状フランジの偏向の総量は、アクチュエータがその位置に固定されているときの電磁石５１０の電磁場強度に依存する。電磁場強度は、基板の研磨プロセスをリアルタイムで測定するインシトゥ研磨制御システムに従って制御することができる。コントローラ５１０は、研磨プロセスを入力とし、それに応じて電磁石５１０の電磁場強度を増加又は減少させるように電流変化率及び振幅を調整することができる。環状フランジの偏向は、研磨パッド５６と基板１０との間の正の接触圧力を確保するために、１ｍｍから３ｍｍであってよい。

あるいは、非接触アクチュエータ５１は流体ジェットアクチュエータヘッドを含み得る。流体ジェットアクチュエータヘッドは、パイプを通して流体源に接続された流体ノズルを含む。流体源は、水等の流体を有していてよい。流体源と流体ノズルとの間には、流体源から流体ノズルへの流体をオン及びオフするためのバルブを組み込むことができる。流体ジェットアクチュエータヘッドは、バルブがオンになると、ノズルから環状フランジに流体を噴射するように構成されている。

図６は、流体ジェットノズルを有する非接触アクチュエータを備えた化学機械研磨システムの一例を示す概略断面図である。非接触アクチュエータ５１は、流体ジェットアクチュエータヘッド４６を含む。流体ジェットアクチュエータヘッド４６は、アクチュエータヘッド４６の外面、例えば上面に位置決めされた流体ノズル６０１を含む。流体ノズル６０１は、導管６０３、例えば配管又は可撓性チューブを介して流体バルブ６０５の一方の端部に接続されている。流体バルブ６０５の他方の端部は流体源６１０に接続されている。流体バルブ６０５はまた、信号ライン６０７によってコントローラ６２０に接続され、コントローラ６２０は信号ライン６０７を通して信号を送り、バルブ６０５をオン又はオフにすることができる。バルブ６０５がオフの場合、流体源６１０からの流体圧力がパイプ６０３の流体に到達し得ないため、ノズル６０１からの流体は噴出しない。しかし、バルブ６０５がオンにされると、流体源６１０からの流体は、例えば、ポンプ又は背圧により、ノズル６０１を通って流れ、環状フランジ５０の底面上に噴霧される。バルブ６０５は、流体の流量を制御するために、コントローラ６２０によって部分的にオンにされ得る。流体は、ガス、例えば空気又は窒素、又は液体、例えば水であってよい。いずれの場合も、流体は、ノズルを通って流れる前にフィルタリングされ得る。

環状フランジに加えられる上向きの圧力は、流体ノズル６０１を通って噴射する流体によって運ばれる線形運動量によって決定される。流量が大きいほど、環状フランジ５０上にかかる上向きの圧力は強くなる。幾つかの実装態様では、ノズル６１０は流量を制御して、環状フランジに加えられる圧力を増加及び減少させることもできる。上向きの圧力は、研磨エッジ制御中に、環状フランジを上向きに偏向させ、基板１０と接触させ、最終的には、基板により大きい圧力を加えることができる。

コントローラ６２０は、研磨中の基板上の研磨進捗をリアルタイムで測定し、信号ライン６０７を通してバルブに送信すべき信号を決定してバルブ６０５をどのくらいオンにするかを調整することができるインシトゥモニタシステムに接続され得る。幾つかの実装態様では、バルブ６０５は、スイッチオンの状態とオフの状態との間の中間状態を有さない。しかしながら、流体源は、圧力ラインを通してコントローラによって制御される流体源の液圧を変化させることができる流体ポンプに接続され得る。

幾つかの実装態様では、間隙が大きいほど、環状フランジ５０の底面上への流体の噴射の焦点が絞られなくなり、上向きの圧力が低下し得るため、間隙６０５のサイズは、環状フランジ５０に加えられる上向きの圧力に影響し得る。一般に、間隙６０５は例えば１～３ｍｍと小さく事前設定されているため、特に流体源６１０の液圧が通常の大気圧よりもはるかに高い場合、間隙６０５のサイズの影響は実質的に無視することができる。

あるいは、非接触アクチュエータ５１はエアジェットアクチュエータヘッドを含み得る。エアジェットアクチュエータヘッドは、パイプを通して圧縮空気源に接続されたエアノズルを含む。圧縮空気源は、窒素等の不活性ガスを含み得る。圧縮空気源とエアノズルとの間には、圧縮空気源とエアノズルとの間の接続をオン及びオフするためのバルブを組み込むことができる。エアジェットアクチュエータヘッドは、バルブがオンになると、ノズルから環状フランジに空気を噴射するように構成されている。

流体源６１０の総数は、１又は複数であり得る。例えば、流体源６１０の総数は５であり得る。各流体源６１０は、それぞれの圧力、又はそれぞれのコントローラによって独立して制御される圧力を有し得る。バルブ６０５は、バルブの他方の端部が複数の流体源に接続されたマルチスレッドバルブであり得る。あるいは、非接触アクチュエータ５１は、各々がそれぞれの流体源６１０に接続し、独立してコントローラ１９０によって制御される複数のバルブを有し得る。

本明細書で使用す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、及びゲート基板を含み得る。基板は、集積回路製造の様々な段階にあってよく、例えば、基板はベアウエハであってよい、又は１又は複数の堆積層及び／もしくはパターニングされた層を含み得る。基板という用語は、円形ディスク及び長方形シートを含み得る。

上述した研磨システム及び方法は、様々な研磨システムに適用することができる。研磨パッド、キャリアヘッドのいずれか、又は両方が移動して、研磨面と基板との間に相対運動を与えることができる。研磨パッドは、プラテンに固定された円形（又は他の形状）のパッドであってよい。研磨層は、標準的な（例えば、充填剤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ってよい。相対的な位置決めという用語を使用したが、研磨面及び基板は、垂直な配向又は他のいずれかの配向で保持できることを理解されたい。

本発明の特定の実施形態について説明した。他の実施形態は、以下の特許請求の範囲の範囲内である。例えば、特許請求の範囲に記載された工程は、異なる順序で実行しても望ましい結果を達成することができる。

Claims (20)

1. 研磨システムであって、
   主研磨パッドを支持する上面を有するプラテンであって、プラテンのほぼ中心を通る回転軸を中心に回転可能なプラテンと、
   前記プラテンから半径方向外向きに突出して外側研磨パッドを支持する環状フランジであって、前記プラテンに固定されて前記プラテンと共に回転可能であり且つ前記プラテンの上面に対して垂直に固定された内側エッジを有し、環状フランジの外側エッジが前記内側エッジに対して垂直に移動可能であるように垂直に偏向可能である、環状フランジと、
   前記環状フランジに接触することなく、角度的に限定された領域において前記環状フランジの下側に圧力を加えるように構成された非接触アクチュエータと、
   基板を研磨パッドに接触させて保持し、前記基板の一部を前記外側研磨パッド上に選択的に位置決めするように移動可能なキャリアヘッドと
   を備える研磨システム。
2. 前記非接触アクチュエータは、磁気アクチュエータヘッドを含む、請求項１に記載の研磨システム。
3. 環状フランジは、前記環状フランジの外側部分に固定された第１の永久磁石を含み、前記磁気アクチュエータヘッドは、前記第１の永久磁石の一方の極が第２の永久磁石の同じ極の方を向くように前記第１の永久磁石と非接触で対向して位置決めされた第２の永久磁石を含む、請求項２に記載の研磨システム。
4. 環状フランジは、前記環状フランジの外側部分に固定された第１の永久磁石を含み、前記磁気アクチュエータヘッドは、電磁石によって生成された一方の極が前記第１の永久磁石の同じ極の方を向くように前記第１の永久磁石と非接触で対向して位置決めされた電磁石を含む、請求項２に記載の研磨システム。
5. 前記非接触アクチュエータは、流体ジェットアクチュエータヘッドを含む、請求項１に記載の研磨システム。
6. 前記流体ジェットアクチュエータヘッドは、流体源に接続されたノズルを含み、前記流体ジェットアクチュエータヘッドは、流体を噴射して環状フランジ上に圧力を加えるように構成される、請求項５に記載の研磨システム。
7. 前記非接触アクチュエータは、エアジェットアクチュエータヘッドを含む、請求項１に記載の研磨システム。
8. 前記エアジェットアクチュエータヘッドは、圧縮空気源に接続されたノズルを含み、前記エアジェットアクチュエータヘッドは、空気を噴射して環状フランジ上に圧力を加えるように構成される、請求項７に記載の研磨システム。
9. 前記研磨システムは更に、
   前記プラテンのほぼ中央にある前記プラテンの上面の開孔と、
   前記プラテンから前記開孔内に半径方向内向きに突出して内側研磨パッドを支持する第２の環状フランジであって、前記プラテンに固定されて前記プラテンと共に回転可能であり且つ前記プラテンの上面に対して垂直に固定された外側エッジを有し、第２の環状フランジの内側エッジが前記外側エッジに対して垂直に移動可能であるように垂直に偏向可能である、第２の環状フランジと、
   前記環状フランジに接触することなく、角度的に限定された領域で前記第２の環状フランジの下側に圧力を加えるように構成された第２の非接触アクチュエータと
   を備える、請求項１に記載の研磨システム。
10. 前記第２の非接触アクチュエータは、磁気アクチュエータヘッドを含む、請求項９に記載の研磨システム。
11. 環状フランジは、前記環状フランジの内側部分に固定された第１の永久磁石を含み、前記磁気アクチュエータヘッドは、前記第１の永久磁石の一方の極が第２の永久磁石の同じ極の方を向くように前記第１の永久磁石と非接触で対向して位置決めされた第２の永久磁石を含む、請求項１０に記載の研磨システム。
12. 環状フランジは、前記環状フランジの内側部分に固定された第１の永久磁石を含み、前記磁気アクチュエータヘッドは、電磁石によって生成された一方の極が前記第１の永久磁石の同じ極の方を向くように前記第１の永久磁石と非接触で対向して位置決めされた電磁石を含む、請求項１０に記載の研磨システム。
13. 前記非接触アクチュエータは、流体ジェットアクチュエータヘッドを含む、請求項９に記載の研磨システム。
14. 前記流体ジェットアクチュエータヘッドは、流体源に接続されたノズルを含み、前記流体ジェットアクチュエータヘッドは、流体を噴射して環状フランジ上に圧力を加えるように構成される、請求項１３に記載の研磨システム。
15. 前記非接触アクチュエータは、エアジェットアクチュエータヘッドを含む、請求項９に記載の研磨システム。
16. 前記エアジェットアクチュエータヘッドは、圧縮空気源に接続されたノズルを含み、前記エアジェットアクチュエータヘッドは、空気を噴射して環状フランジ上に圧力を加えるように構成される、請求項１５に記載の研磨システム。
17. 前記環状フランジの上面は、前記プラテンの上面と同一平面である、請求項１に記載の研磨システム。
18. 研磨システムであって、
    主研磨パッドを支持する上面を有する環状プラテンであって、プラテンのほぼ中央にプラテンの上面の開孔を有し、プラテンのほぼ中心を通る回転軸を中心に回転可能である、環状プラテンと、
    前記プラテンから前記開孔内に半径方向内向きに突出して内側研磨パッドを支持する環状フランジであって、前記プラテンに固定されて前記プラテンと共に回転可能であり且つ前記プラテンの上面に対して垂直に固定された外側エッジを有し、環状フランジの内側エッジが前記外側エッジに対して垂直に移動可能であるように垂直に偏向可能である、環状フランジと、
    前記環状フランジに接触することなく、角度的に限定された領域において前記環状フランジの下側に圧力を加えるように構成された非接触アクチュエータと、
    基板を研磨パッドに接触させて保持し、前記基板の一部を外側研磨パッド上に選択的に位置決めするように移動可能なキャリアヘッドと
    を備える研磨システム。
19. 前記非接触アクチュエータは、磁気アクチュエータヘッドを含み、第１の永久磁石は、前記環状フランジの内側部分に固定され、前記磁気アクチュエータヘッドは、前記第１の永久磁石の一方の極が第２の永久磁石の同じ極の方を向くように前記第１の永久磁石と非接触で対向して位置決めされた第２の永久磁石を含む、請求項１８に記載の研磨システム。
20. 前記非接触アクチュエータは、磁気アクチュエータヘッドを含み、第１の永久磁石は、前記環状フランジの内側部分に固定され、前記磁気アクチュエータヘッドは、前記第１の永久磁石の一方の極が第２の永久磁石の同じ極の方を向くように前記第１の永久磁石と非接触で対向して位置決めされた第２の永久磁石を含む、請求項１８に記載の研磨システム。

Images