JP3823086B2

JP3823086B2 - 研磨パッド及び研磨方法

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Publication number: JP3823086B2
Application number: JP2002506895A
Authority: JP
Inventors: チェン、シン−ツォン; ディビス、ケネス、エム; ロッドベル、ケネス、ピー
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2000-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: CN1449322A; US6656019B1; JP2004501789A; ATE289895T1; WO2002002279A2; US20030199234A1; WO2002002279A3; DE60109170D1; DE60109170T2; EP1303381A2; US6685548B2; EP1303381B1; TW567121B; AU2001271709A1; CN1233508C

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、研磨パッドの製造の分野に関し、さらに詳細には、半導体基板の化学機械平坦化（ＣＭＰ）に使用される研磨パッドにマクロテクスチャ付き表面を与えることに関する。
【０００２】
【従来の技術】
関連出願
本願は、２０００年６月２９日に出願された「Grooved PolishingPads And Methods Of Use」と題する仮出願第６０／２１４７７４号の、米国特許法第１１９（ｅ）条に基づく特典を主張するものである。
【０００３】
長年にわたり、化学機械研磨は、光学レンズおよび半導体ウェハを研磨する技法として使用されてきた。近年になり、化学機械研磨は、二酸化ケイ素からなる金属間誘電層を平坦化し、集積回路デバイスを様々な基板上に作成する際にそのデバイス内の導電層の各部を除去するための手段として開発されるようになった。例えば、二酸化ケイ素層の上側表面にその下の金属相互接続に対応した高さおよび幅を有する一連の非平面段差が現れるように馴染ませて二酸化ケイ素層で金属相互接続を被覆することがある。
【０００４】
金属間誘電層の上側表面における段差の高さの変化は、いくつかの望ましくない特徴を有する。このような非平面誘電体表面は、その後のフォトリソグラフィ処理ステップの光学的解像度を害し、高解像度で線をプリントすることが極めて困難になることがある。別の問題は、第２の金属層で金属間誘電層を被覆する際に生じる段差に関するものである。この段差が比較的高い段差である場合には、金属被覆が不完全になり、第２の金属層に開路が形成されることがある。
【０００５】
これらの問題を解消するために、金属間誘電層の上側表面を平坦化するための様々な技法が開発されている。こうした手法の１つは、研磨材研磨を利用して、誘電層の上側表面に沿って突出する段差を除去するものである。この方法によれば、シリコン基板ウェハは、下向きにしてキャリアの下に実装され、このキャリアと、スラリー状研磨材材料で切れ目なく被覆された研磨パッドで覆われたテーブルまたはプラテンとの間で加圧される。
【０００６】
研磨材スラリーをパッドの上側表面に堆積させる手段、および基板ウェハを強制的に研磨パッドに対して押圧する手段も設け、スラリーが存在するときにプラテンおよび基板ウェハが互いに対して相対的に移動するとウェハの接触面が平坦化されるようにする。ウェハおよびテーブルの双方を互いに対して相対的に回転させ、突出している段差を摩擦によって除去することができる。この研磨材研磨プロセスは、誘電層の上側表面がほぼ平坦になるまで続けられる。
【０００７】
研磨パッドは、ポリウレタンや合成樹脂バインダを含浸させた不織ファイバなどの均一材料製にすることも、またはパッドの全幅にわたって不均一な物理特性を有する多層積層体で構成することもできる。ポリウレタン製研磨パッドは、通常は、反応性組成物を鋳型に入れ、この組成物を硬化させてパッド材料を形成し、次いでこのパッド材料を所望のサイズおよび形状にダイ・カットする。ポリウレタンまたは樹脂バインダを構成する試薬は、円筒形容器内で反応させることもできる。形成後、パッド材料の円筒形片を切断して、その後に研磨パッドとして使用される薄片にする。通常の積層パッドは、海綿状で弾性的な微孔性ポリウレタン層を、ポリウレタン・バインダを含ませた多孔性ポリエステルを含む堅いが弾性的な支持層の上に重ねたものなど、複数の層を有することができる。研磨パッドの厚さは、通常は５０〜８０ミル（１．２７ｍｍ〜２．０３ｍｍ）の範囲、好ましくは約５５ミル（１．４０ｍｍ）にすることができ、直径は１０〜３６インチ（２５．４ｃｍ〜９１．４ｃｍ）の範囲、例えば約２２．５インチ（５７．２ｃｍ）などにすることができる。
【０００８】
研磨パッドは、様々な技法を用いた表面機械加工によって作成したマクロテクスチャ付き作用表面を有することもできるが、これらの技法の多くは、費用がかかり、多様な深さをもつ望ましくない表面の特徴を生じる。表面の特徴としては、起伏、穴、しわ、***、溝、窪み、突起、隙間、凹部などがある。研磨パッドの巨視的な表面テクスチャに影響を及ぼすその他の要因としては、表面の特徴のサイズ、形状、およびその分布の頻度または間隔がある。研磨パッドは、通常は、製造プロセスに固有の要因によって生じるパッドの微視的バルク・テクスチャによるミクロテクスチャ付き表面を有することもある。通常はパッド表面全体で研磨を行うことはないので、パッドの任意のミクロテクスチャおよび表面機械加工によって作成されるマクロテクスチャは、研磨を行うパッド部分にのみ形成されることもある。
【０００９】
研磨プロセス中、ウェハ表面から除去された材料およびスラリー中のシリカなどの研磨材は、凝集し、研磨パッドの表面とその近傍において研磨パッドの微視的および巨視的なバルク・テクスチャ内の凹部、孔、およびその他の空いているスペースに入り込む傾向がある。安定した高い研磨速度を達成し、維持するための１つの要因は、パッド表面を清浄な状態にし、この状態を維持することである。もう１つの要因は、接触したパッドとウェハの表面の間に水の層が形成されることによるハイドロプレーニング効果を軽減または防止することである。パッドの制御方法のフレキシビリティを高めると、研磨の均一性、すなわち研磨したウェハ表面の均一性が高くなることも分かっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、従来のパッドを用いたウェハ表面の均一かつ高品質な研磨を確実に実現するためには、３つの問題がある。第１の問題は、研磨材粒子およびデブリがパッドとウェハの間に蓄積することにより、研磨が不均一になり、パッドおよびウェハの双方が損傷を受けることである。第２に、従来のプロセス中に起こるウェハとパッドの間のハイドロプレーニングによって研磨が不均一になることで、ウェハの損傷が生じるので、製造歩留りの損失が比較的高くなる。第３に、従来技術の製造技法で製造した過度に剛性の高いパッドによっても、不均一な研磨およびウェハの損傷がもたらされる。したがって、均一に研磨された表面を有する高品質なウェハを確実に製造することができる研磨パッドを提供する方法および装置が必要とされている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
したがって、本発明は、高品質のウェハに均一に研磨された表面を確実に形成することができる溝付き研磨パッドを提供するものである。パッドを作製する装置は、パッドの作用表面に溝を加工するためのルータが係合するように適所に研磨パッドを保持するための位置決めポストを備えたプラテンを含む。パッド中で溝を経路指定する際に溝の深さを精密に制御するために、離間機構によって、パッドの作用表面とルータを保持して回転させるチャックとを一定かつ精密に分離する。このタイプの装置は、２０００年６月２９日に出願された「Polishing Pad Grooving Method and Apparatus」と題する米国特許出願第０９／６０５８６９号に記載されている。この出願の全ての内容は、参照により本明細書に組み込む。
【００１２】
パッドは、その作用表面がルータ・ビットから離れてこれと向き合うようにして、プラテンの支持表面上に配置される。ルータ・チャックおよび駆動モータは、パッドと向き合うようにしてフレームによって支持される。離間機構は、ルータ・ビットを通すための開口に隣接してフレームに取り付けられた、少なくとも１つ、好ましくは２つ以上の停止部材を含む。ビットの外側端部は、１つまたは複数の停止部材の先まで突出する。停止部材は、軸方向に調節可能となるようにフレームにねじ留めされたピンであることが好ましい。真空システムを設けて、パッドの作用表面に真空を印加し、最初にルータ・ビットの外側端部と接触し、次いで１つまたは複数の停止部材と接触するようにパッドを引く。
【００１３】
パッドに真空を印加している間にモータによってルータ・ビットを回転させると、ビットの外側端部が、パッドの作用表面より低い深さまで最初の凹部（穴）をパッドに彫り込む。凹部の深さは、回転するビットがパッド中に切り込んで最初の凹部を形成するにつれてパッドの作用表面と接触する１つまたは複数の停止部材によって精密に制限される。最初の凹部が形成された後で、真空によってパッドを１つまたは複数の停止部材と接触した状態に維持しながら、横方向運動機構によって回転しているルータ・ビットとパッドとを横方向に相対的に移動させる。
【００１４】
この横方向移動によって、回転しているビットは、最初の凹部から離れるように延びる最初の凹部の深さとほぼ同じ深さを有する溝をパッドに彫り込む。横方向運動機構は、オーバヘッド梁から懸架され、ｘ−ｙ平面内を相対移動するようになされた上側プレートおよび下側プレートを含むことができる。例えば、上側プレートは、オーバヘッド梁に取り付け、１つまたは複数の電動ねじによってＸ方向（Ｘ軸に沿って）に駆動することができる。ルータ・フレームは下側プレートから懸架され、下側プレートは上側プレートに取り付けられ、１つまたは複数の電動ねじによってＹ方向に駆動される。別法として、ルータ・フレームの代わりに、同様にしてプラテンをこのようなｘ−ｙ移動を行うことができるように取り付けることも、またはプラテンおよびルータ・フレームの両方をこのような移動を行うことができるように取り付けることもできる。さらに、駆動モータによってプラテンを回転させて、ルータ・ビットおよびパッドを横方向に移動させる追加の手段を提供することもできる。
【００１５】
前述より、１つまたは複数の停止部材とパッドの間のＺ方向の（Ｚ軸に沿った）相対移動は、真空によってパッドをルータ・ビットおよび１つまたは複数の停止部材に向かって引っ張ることにより実現することができる。直径が大きくかつ厚さが薄いことにより研磨パッドが可撓性である場合には、このパッドの移動を案内する必要がないこともある。さらに、代わりにルータ・ビットをＺ軸に沿って移動させ、その後ビットおよびパッドを横方向に移動させる間に真空を用いてビットの深さを維持するとにより、Ｚ軸に沿ってパッドをそれほど移動させる必要がないこともある。
【００１６】
しかし、Ｚ軸に沿ったパッドの運動は、ルータ・ビットの回転軸と平行な軸に沿ってプラテンから外向きに突出する複数の、好ましくは２つ以上のポストによって案内することができる。これらの案内ポストは、プラテンがプラテン駆動モータによって回転すると回転するようにパッドを固定することもでき、特に、より大きな厚さおよびより小さな直径を有する剛性ディスクなど、研磨パッド以外のディスクに溝を付けるのに有用である。既に述べたように、上側および下側の横方向運動プレートは、Ｘ軸およびＹ軸に沿ってルータ・ビットをパッドに対して相対的に横方向移動させる。したがって、ルータ・ビットは、デカルト座標ｘ、ｙおよびｚまたは円柱座標Ｒ、ｅおよびＺに従って、パッドに対して相対的に移動させることができる。
【００１７】
前述の横方向相対移動により、パッドの研磨表面または反対側の後面に彫り込まれた溝は、左巻きまたは右巻きの螺旋パターン、それぞれがパッドを囲むように一定の半径に沿って延びる様々な半径のジグザグ・パターン、同心円状の溝、十字形の線形溝、螺旋またはジグザグの溝をその間の領域に有する内側および外側の円形溝、異なる螺旋またはジグザグのパターンを有する異なる半径にある内側および外側の区域、あるいはこれらおよびその他のパターンの任意の組合せを有し、研磨表面にわたる均一な溝密度、または異なる溝密度を有する複数の研磨表面区域を提供する。さらに、パッドの研磨表面のパターン形成部分は、ウェハの研磨を行う領域のみに制限することができる。
【００１８】
パッドの裏面すなわち後面に溝パターンを彫り込む１つの目的は、その可撓性を高めることである。もう１つの目的は、穿孔またはフライス削りした通路によって前面すなわち研磨表面の溝と連結された後面の溝を提供し、それにより研磨材スラリーを研磨表面の溝から排出するための出口流路を形成することである。
【００１９】
好ましくは対称なであるピン停止部材の突出長さを軸方向に調節することによって、またはルータ・ビットの突出長さを軸方向に固定された停止部材に対して相対的に軸方向に調節することによって、前面および／または後面の溝の深さも、様々なパターンに合わせて変化させることができる。可撓性を高めたパッドを提供するために、溝は、パッドの厚さの８０％までの深さまでパッド中に彫り込むことができる。パッドの可撓性も、例えば８本、３２本、または６４本の螺旋からなるパターンにするなど、形成する溝の総数によって調節することができる。
【００２０】
ＣＭＰパッドの作用表面すなわち研磨表面の溝は、単独でまたは後面の溝と協働して、ウェハ研磨中のハイドロプレーニング効果を大幅に軽減し、その結果として、はるかに高い研磨速度を達成することができる。より多くの螺旋溝を有するパターンの方が、少ない螺旋溝を有するパターンよりも効率的にハイドロプレーニング効果を軽減することができる。これは、同じ時間内により多くの溝が研磨中のウェハ表面を通過することになるからである。選択した溝パターンによってパッドの可撓性を高めることは、ウェハ表面の研磨の均一性を改善する助けとなることもある。ジグザグ溝パターンの溝密度を変化させて、研磨パッド表面の様々なセグメント内の研磨速度分布を制御することもでき、これにより、ウェハ表面内の研磨の均一性を改善することもできる。
【００２１】
研磨プロセスをさらに最適化するために、パッドの本体を、ポリウレタンなど、強く架橋されているために非常に耐久性が高い中実または多孔性の有機材料、またはレーヨン・ファイバおよびポリエステル・ファイバの少なくとも１つなどの繊維状有機材料で構成することができ、この材料は、バインダならびに中実または多孔性ポリウレタンを含むこともできる。パッド本体は、単層として構成することも、あるいは２０００年６月２３日に出願された「Multilayered Polishing Pad、Method for Fabricating、and Uses Thereof」と題する米国特許出願第０９／５９９５１４号に記載のように複数の層を含むこともできる。この出願の全ての内容は、参照により本明細書に組み込む。
【００２２】
本発明が提供する研磨パッドは、二酸化ケイ素やダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）、スピン・オン・ガラス（ＳＯＧ）、ポリシリコン、窒化ケイ素などの誘電体材料のウェハを研磨するのに理想的である。この研磨パッドはまた、銅、アルミニウム、タングステン、ならびにこれらおよびその他の金属の合金からなるものなど、その他のウェハまたはディスクを研磨するために使用することもできる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴、動作および利点は、以下の好ましい実施形態の詳細な説明を添付の図面と併せて読めば、よりよく理解することができるであろう。
【００２４】
本発明による研磨パッドに溝を付ける方法および装置は、図１〜図３を見れば最もよく分かる。研磨装置はプラテン１０を有し、研磨パッド１２は、このプラテン１０上で、複数の保持ポスト１４によって支持され、固定径方向位置に保持される。各保持ポスト１４は、パッド本体中またはパッド周辺部に形成された、パッドの中心軸Ｃと平行に延びるチャネルまたは凹部１６内に嵌合し、図３に矢印Ｚおよび空気ギャップ１７で示すように、パッドを案内してプラテンの表面から離れるように軸方向に移動させることができるようになっている。ただし、軸方向に調節可能なルータ、ならびに／または溝付けを行っている部分を動かすことができる十分に大きな直径および薄い厚さを有する可撓性パッドの場合には、保持ポスト１４を非案内クランプで置き換えることもできる。
【００２５】
パッド１２の作用表面２２と向き合うように、脱着可能にチャック２６に保持され、ルータ・モータ２８によって回転駆動されるルータ・ビット２４が位置決めされる。ルータ・モータ２８は、ケーシング３２で囲まれたフレーム３０によって担持され、好ましくはともに円筒形であるフレームおよびケーシングの同心円状の壁面の間に環状空間３４が形成されるようになっている。可撓性ホース３８でケーシング３２に取り付けられた送風機３６によって、環状空間３４中で矢印Ｖで表すように真空Ｖがもたらされる。プラテン１０は、プラテン・モータ２０によって駆動される駆動シャフト１８によっていずれかの方向に回転する。モータ２０および２８はどちらも可逆タイプにすることができ、ルータ・ビット２４を矢印Ｒ１で示すようにいずれかの方向に回転させ、プラテン１０も矢印Ｒ２で示すようにいずれかの方向に回転させることができるようになっている。
【００２６】
フレーム３０の底部壁面３１には、ルータ・ビットの突出距離より短い距離だけルータ・ビットと平行に突出する複数のストップ・ピン３３が、ルータ・ビット２４の通路３５と隣接して取り付けられる。ピン３３の突出距離とルータ・ビットの突出距離の差によって、端部部分が彫る溝の所望の深さに等しいビットの端部部分３７の長さが決まる。これについては、本発明の動作に関連して以下でさらに完全に述べる。ビット端部部分３７の突出長さは、図１に示すようにルータ・モータ２８に取り付けられた対応する一対のラック２９、２９と係合する一対のピニオン２７、２７を回転させることによって変化させることができる。ピン３３は、ビット端部部分３７の突出長さを変化させる代替手段として、軸方向に調節できるように底部壁面３１中にねじ留めされることが好ましい。ピン３３は、対応するツールを係合させて回転させることができるように、六角形の頭部３９を有することができる。
【００２７】
ルータは、４２で概略的に示す、ルータ・ビットの回転軸および対応する研磨パッドの中心軸と直交するｘ−ｙ平面内でルータ・ビットを横方向に移動させるための横方向運動機構により、オーバヘッド支持または担持部材４０に取り付けられる。横方向運動機構４２は、ｘ−ｙ平面内でルータ２４を精密に横方向に移動させる任意の構造にすることができ、ルータ支持部材４０自体がｘ−ｙ平面内で移動可能である場合、例えば部材４０が精密に制御可能なロボット・アームに取り付けられる、またはその一部である場合などには不要であることもある。
【００２８】
例えば、図１および図２に示す運動デバイスは、２対のねじ切りアイレット４８、４８および５０、５０によって上側プレート４６から懸架された下側プレート４４を含む。さらに、上側プレート４６は、別の２対のねじ切りアイレット５４、５４および５６、５６によって２対のブラケット５２、５２および５３、５３から懸架されている。アイレット対４８、４８および５０、５０はそれぞれ、可逆ｙ軸モータ５９によって回転駆動される対応する駆動ねじ５８とねじ様に係合し、両頭矢印Ｙで示すようにｙ軸に沿って下側プレート４４を往復運動させる。同様に、アイレット対５４、５４および５６、５６はそれぞれ、可逆ｘ軸電気モータ６２によって回転する対応する駆動ねじ６０とねじ様に係合し、図２に両頭矢印Ｘで示すようにｘ軸に沿って上側プレート４６を往復運動させる。
【００２９】
次に、パッドに溝を付ける装置の動作について、図１〜３を参照して述べる。送風機３６をオンにし、環状通路３４中に真空Ｖを発生させる。この真空は、矢印Ｚ、Ｚの方向に上向きに力を発生させ、軸方向に調節可能なストップ・ピン３３に当たるまでパッド１２を上昇させ、かつ／または保持する。これにより、これらのストップ・ピンは溝の深さを制御するために使用される。ルータ・ビット２４は、ビット端部部分３７の長さだけストップ・ピン３３の端部の先まで延び、ルータ・モータ２８をオンにしてビットを回転させているときには、パッド１２中に切り込んでいくことになる。ルータは、真空が印加された後でオンにし、垂直方向に調節することが好ましい。真空Ｖに応答するいかなるパッドの上向きの移動も、保持ポスト１４と、パッド１２の本体または周辺部の対応する凹部またはチャネル１６とが係合することによって案内される。ビット２４の端部部分３７は、パッドの厚さの８０％までの長さだけピン３３の先端を超えて突出することができ、ビットの端部部分がパッドの厚さの８０％までの深さまで入り込むことができるようになっている。ピニオン２７、２７を回す、またはピン３３、３３を回す、あるいはこれらの調節を組み合わせて行うことによって、ビット端部部分３７の突出長さを変化させ、それにより溝の深さを変化させることができる。
【００３０】
ストップ・ピン３３の先端とパッド１２の作用表面２２との接触によって決定されたとおりにルータ・ビット２４が完全にパッド中に入り込むと、次いで、ビットを図２に両頭矢印ＸおよびＹで示すように、ｘ−ｙ平面内でパッドに対して相対的に径方向に移動させる。このｘ−ｙ移動は、単にモータ５９および６２の動作によって下側プレート４４および上側プレート４６を互いに対して相対的に移動させることによって達成することができる。あるいは、これらの横方向の移動を中心軸Ｃの周りのプラテン１０の回転と組み合わせ、その一方でルータ・ビット２４が径方向に移動させて、螺旋溝を形成することもできる。
【００３１】
ｙ軸に沿った下側プレート４４の横方向移動は、それぞれのアイレット４８、４８および５０、５０とねじ様に係合したねじ５８、５８の回転によってもたらされる。ｘ軸に沿った上側プレート４６の横方向移動は、アイレット５４、５４および５６、５６とねじ様に係合したねじ６０、６０の回転によってもたらされる。プラテン１０の回転は、プラテン・モータ２０によってシャフト１８を回転させることによってもたらされる。したがって、ルータ・ビット２４は、研磨パッド１２に対して、デカルト座標ｘ、ｙまたは円柱座標Ｒ、ｅにおいてｘｙ平面内を横方向に移動することができる。さらに、ルータ・ビットは、手動で、または図示しない従来の機構によってピニオン２７を電動式に回転させることによって、デカルト座標および円柱座標のいずれでもＺ軸に沿って上下に移動させることができる。
【００３２】
デカルト座標および円柱座標の両方におけるｚ軸に沿った上向きの移動は、環状通路３４内に真空が発生したのに応答して、パッド１２が、プラテン１０の表面から遠ざけ、ピン３３の先端に当たるように移動することによってももたらされる。送風機３６が停止して真空状態でなくなると、パッドはｚ軸に沿って下向きに移動する。したがって、このようなｚ軸に沿ったパッド１２の移動は、真空Ｖによって生じる、パッドを挟んだ両側の圧力差によってもたらされる。別法として、このようなパッドの移動を引き起こす圧力差は、一連の空気穴またはノズル（図示せず）を介してパッドの下で加圧空気を排出することによって発生させることもできる。
【００３３】
したがって、本発明で形成される螺旋溝は、パッドの中心から始まってパッドの外縁部付近で終端することが好ましい（ただし、そのようになる必要があるわけではない）。螺旋パターンの方向は、図４に８本の螺旋溝で、また図５に３２本の螺旋溝で示すように左巻きにすることも、図６に６４本の螺旋溝で示すように右巻きにすることもできる。図４〜７では、分かりやすくするために、太い黒色の実線で溝を表している。これは、実際の溝では対向する縁部が非常に接近しており、２重線で示すことができないからである。注意深く見れば分かるように、図４のパターン７０、図５のパターン７２、および図６のパターン７４は、単一の連続的な溝で形成されており、一度挿入された後は、パターンが完成するまでルータ・ビットを引き抜く必要がないようになっている。
【００３４】
パッド表面の螺旋溝は、研磨中のハイドロプレーニング効果を軽減し、その結果として、はるかに高い研磨速度を達成することができる。同じ表面領域内の螺旋溝の数を増やせば、少ない数の螺旋溝より効率的にハイドロプレーニング効果を軽減することができる。これは、同じ時間内に、より多くの溝が、ウェハの研磨中にパッド表面に押し付けられるウェハ表面を通過するからである。このことから、パッド作用表面の単位面積あたりの螺旋溝数が多いほど、ウェハ研磨のためにパッドと組み合わせて用いられるスラリー状研磨材の除去速度も高くなることになる。多数の溝があればパッドの可撓性も高くすることができ、これはウェハ研磨の均一性を改善する助けとなることができる。
【００３５】
図７は、外側溝７６と、内側溝７８と、３つの中間溝８０、８１および８２とからなるジグザグ溝パターンを示す。これらの溝は、送風機を停止してビットをパッドから引き抜き、パッドに対して相対的にビットを横方向に位置決めし直し、その後送風機を再始動させてビットをパッドに挿入することによって、別々に作成される。ただし、溝７６、７８、８０、８１および８２は相互に接続することもでき、その場合には、パターンを単一の連続的な溝で作成して、途中でビットをパッドから引き抜かなくても良いようにすることもできる。図７の溝パターンは、パッド表面の様々な位置で溝密度を変化させることができることを示している。このような溝密度の変化を使用して、ウェハが研磨パッド表面に押し付けられる位置によって研磨速度の分布を制御することができ、これもまた、ウェハ研磨の均一性を改善する助けとなることができる。図４〜７に示すパターンおよびその他の複雑な溝パターンを生成するために、位置決めモータ２０、５９および６２は、マイクロプロセッサ（図示せず）によって制御されることが好ましい。
【００３６】
研磨の均一性は、通常は、ウェハの回転速度や研磨パッドの回転速度、研磨ベルトの速度などのパラメータを変化させる、ウェハの裏側またはパッドもしくはベルトの下側からかかる圧力を変化させることによって発生する研磨圧縮力を変化させる、あるいはその他のツールのパラメータを変化させることによって制御される。研磨の均一性に影響を与えるその他の変数としては、消耗品（すなわちパッド、サブパッド、およびスラリー）の特性が挙げられる。
【００３７】
パッドまたはベルトともにスラリーを使用する場合には、研磨材粒子の大きさおよびタイプ（すなわち様々な相および形態のアルミナ粒子、セリア粒子、またはシリカ粒子）を変えて、様々な研磨速度および平坦化速度を得ることができる。化学添加剤をスラリーに添加して、研磨材粒子を懸濁状態に保ち、研磨速度を高め、様々な材料の相対研磨速度を変化させ、研磨した加工物を傷および腐食から保護することができる。研磨スラリー中の化学薬品および研磨剤の混合物は、ウェハの縁部で研磨を速め、中心で研磨を遅らせる、またはその逆のかたちで、研磨の均一性に影響を及ぼすことができる。様々な材料の研磨速度の選択性などの重要なパラメータは、しばしばスラリーの設計において最も重要な役割を果たし、研磨の均一性の程度を一定にすることができる。さらに、現在産業界で使用されている様々な研磨ツール・セットごとに最適化された微妙に異なるスラリー組成物を開発し、製造することはほとんど不可能である。
【００３８】
パッドおよびサブパッドについては、パッドの硬度および多孔度は、研磨の均一性に関する最も一般的に制御される特性である。ウェハ上のあらゆる箇所で均一な研磨除去速度が得られるよう、研磨中に確実にスラリーをウェハ表面に均一に分布させる助けとなるように、パッド表面全体に分布する貫通孔、溝または凹みがしばしば設けられる。パッドに溝を付ける場合、従来使用されてきた全てのパターンは、等間隔の直線、同心円、または格子パターンからなる一様なパターンである。
【００３９】
本発明では、パッド全体にわたって溝の密度を変化させ、研磨の均一性を改善する。溝パターンの密度を変化させることが研磨の均一性に及ぼす影響について、以下で述べる。研磨パッドの研磨表面の１つの領域の溝密度を別の領域より高くすると、溝密度の高い領域では、溝密度の低い領域より多くのスラリーが分配される。こうして、溝密度の高い領域では、溝密度の低い領域よりも高い研磨除去速度を実現することができる。このようにパッド上の溝密度を不均一にすることで、研磨ツールおよびスラリーの欠陥による研磨の均一性の不足を補償することができ、さらに、研磨前のフィルムの不均一な厚さまたは従来の不均一な研磨速度も補償することもできる。例えば、縁部が厚く中心部が薄いという膜厚を最初に有するウェハは、パッドの縁部および中心部（すなわち研磨中のウェハ・トラックの内側縁部および外側縁部）で溝密度が最高となる図７に示すものと同様のパッドを使用して、ウェハ全体にわたって均一な厚さに研磨することができる。
【００４０】
あるいは、中心部の溝密度が縁部に比べて高いパッドでは、研磨速度は中心部で速くなり、したがって中心部の断面が厚いフィルムが補償される。さらに、パッド全体にわたって溝密度を変化させるというこの概念は、直線的な研磨ベルトまたはパッド、ならびに様々な溝のパターンおよび形状に適用することができる。その他に考えられる溝パターンとしては、図４〜６に示すものと同様の単一の連続的な螺旋溝があるが、これに限定されるわけではない。この場合には、隣接する螺旋の間隔をパッドの様々な領域で変化させて、様々な溝密度を達成する。すなわち、同心円（またはベルト型研磨パッドの場合には直線）を、パッドのいくつかの領域では精細な間隔にし、その他の領域では粗い間隔にする。
【００４１】
溝パターン密度を変化させることは、研磨パッドの特性にも影響を及ぼすことがある。図８および９にそれぞれ示すように、溝８４は、単独で、または前面の溝８６と組み合わせて、パッドの裏面に設けることができる。例えば前面の溝が望ましくない場合には、図１０に示すように裏面のみに溝８４および８５を設けて、パッドの可撓性を高めることもできる。パッド裏面の溝は、ウェハ吸引を解除するために、すなわち空気、気体または流体あるいはそれらの組合せをパッド裏面から前面に通す方法として、パッドを貫通する１つまたは複数の穴８８を用いて、パッドの前面と連通することもできる（図８）。さらに、裏面から前面の溝につながる穴または開口は、研磨プロセスの終点または完了、あるいはパッドが過度に摩耗したことを示す最小溝深さを検出することができるプローブのための受容部として使用することができる。このような穴またはその他の開口はまた、裏面の溝がなくても使用することもでき、その場合には代わりにパッドを支持するプラテンの排水穴または通路と位置合わせされる。上面側の溝の末端が閉じている場合などには、パッド裏面の溝は、図９に示すように１つまたは複数の開口８９を介して研磨側の溝と連通し、ウェハ吸引を解除することができる。ウェハ吸引は、ＣＭＰステップ完了時の研磨パッドからのウェハの除去を妨げることがあるので、これは重要な考慮事項である。裏面から連通通路を通して空気または流体を流すと、ウェハを適時に研磨パッドから除去することができる。
【００４２】
さらに、図１１および図１３に示すように、前面の溝および裏面の溝の底部を矩形Ｓ１ではなく半円形Ｓ２または丸コーナ形状Ｓ３にし、研磨デブリが溝内部に蓄積しにくくし、かつ／またはデブリを溝から除去しやすくすることができる。複合本体９０を有するパッドの可撓性を最適にするために、図１２にそれぞれ溝Ｇ１、Ｇ２、およびＧ３で示すように、溝の深さは、サブパッド９４の上側表面に接着その他の方法で固定された上部パッド９２の厚さより浅くすることも、これと等しくすることも、それより深くすることもできる。図１３では、サブパッド９４またはパッド９２とサブパッド９４の間の中間層の色をパッド９２とは違う色にして、パッドを研磨に使用できる状態に保つためのパッド摩耗の許容最低程度を現場で決定する手段を提供することも企図している。あるいは、この目的のために、溝のいずれかの底部を着色する、あるいは溝底部またはその付近に様々なタイプの底部色指標を設けることもできる。研磨の均一性を最適化し、ハイドロプレーニング効果を最小限に抑えるために、溝は、連続的（開放式）にすることも、１つまたは複数の末端の閉じた連続的なセグメントに分割することもできる。
【００４３】
上記の記述は、ＣＭＰ研磨パッドの性能を最適化する方法に関する。これら最適化されたパッドを、適当な研磨材粒子のサイズやｐＨなどを有する選択したスラリーと組み合わせると、金属フィルムおよび誘電体フィルムのためのＣＭＰ研磨プロセスをさらに改善することができる。研磨プロセスをさらに最適化するために、パッドの本体を、ポリウレタンなど、強く架橋されているために非常に耐久性が高い中実または多孔性の有機材料、あるいはレーヨン・ファイバおよびポリエステル・ファイバの少なくとも１つなどの繊維状有機材料で構成することができ、この材料は、バインダならびに中実または多孔性ポリウレタンを含むこともできる。
【００４４】
図１４は、スラリーＳと、プラテン１００に取り付けられた２本の螺旋溝９７および９８を有する研磨パッド９６とを用いてウェハ９５を研磨する様子を示す図である。研磨パッド９６の上には、ウェハ９５を担持し、それを研磨パッド９６の研磨表面９９に押し付けるための保持器１０２がある。研磨中には、駆動シャフト１０４によって保持器１０２を回転させ、駆動シャフト１０６によってプラテン１００を回転させることができる。保持器１０２およびプラテン１００は、矢印Ｒ１およびＲ２で示すように、時計回りまたは反時計回りに回転することができ、保持器１０２はプラテン１００と同じ方向に回転させることも、反対方向に回転させることもできる。保持器１０２およびプラテン１００を両方とも内側端部から外側端部に向かう螺旋溝の向きと同じ方向に、例えば図１４に示す溝に従って反時計回りに、回転させることが好ましい。また、図１４に示すように、溝９７および９８は出口（開口端）１１４および１１６を有し、パッド９６はその内側の溝端部に穴１１８および１２０を有し、プラテン１００は、溝からスラリーを排出するための流路となる流体通路１２２および１２４を有する。
【００４５】
保持器およびプラテンが回転している間、矢印Ｏ１で示すように研磨パッドを横切るように保持器１０２を前後に振動させることができる。研磨材粒子のスラリーは、ホース１１０から供給を受けるノズル１０８によって吐出される噴霧Ｓとして、研磨表面９９に付着させる。ノズル１０８は振動部材１１２に取り付けられ、噴霧Ｓも矢印Ｏ２で示すように研磨パッドを横切るように前後に振動させることができるようになっている。
【００４６】
従来は、ＣＭＰは、Ｗ、ＳｉＯ２、Ａｌ、Ｃｕなどの異なる研磨材をそれぞれ有する別個の研磨スラリーと、ウェハその他の加工物の各材料のタイプに対する別個の研磨パッドとを開発する必要があった。この手法の主な欠点の１つは、ＣＭＰが、スラリーと加工物の化学反応、ならびにパッド、スラリーおよび加工物の間の機械的相互作用の両方に依存することである。このことから、パッドの研磨表面に出入りするスラリーを改良するために、またパッドと研磨中の加工物とがほとんど摩擦のない状態で滑り、実効研磨速度が得られなくなるハイドロプレーニングなどの望ましくない機械的効果を防止するために、本発明の溝付き研磨パッドが開発されることになった。
【００４７】
本発明ではまた、特定の組合せのスラリーおよび溝付き研磨パッドを使用して、様々な材料の研磨速度を向上させ、研磨の均一性を改善する。特定のスラリー／パッドの組合せを選択することにより、研磨中の材料に出入りするスラリーの流れが改善され、かつハイドロプレーニングの領域が回避されることによって機械的摩擦が増大するので、研磨プロセスを効果的に改善することができる。ポリウレタンをベースとする溝付きパッドおよびシリカをベースとするスラリーを酸化物ウェハの研磨に使用することは、このような例の１つである。別の例として、バインダおよび／またはポリウレタンを含ませたファイバで構成した溝付きパッドを、アルミナをベースとするスラリーとともに、ＣｕおよびＷの金属研磨に使用する。天然または合成の軟性ファイバ製の複合パッドが剥離しないようにするために、ポリウレタンで被覆したファイバを使用するとパッドのコンディショニングおよび溝付けの両方が可能となることが分かった。したがって、特定の加工物材料についての最適な研磨の化学的性質と本発明の溝付きパッドとを組み合わせることにより、研磨速度および研磨の均一性の実質的な利点が得られる。
【００４８】
本開示を読めば、本発明の要素およびステップの様々な変更および修正を、それらの機能に有意に影響を及ぼすことなく行うことができることを当業者なら理解するであろう。例えば、パッドの支持構造およびルータの支持構造、溝の深さを制御するための停止部材の性質および形状、パッドを停止部材に接した状態で保持するための圧力差を加える仕組み、ならびにルータ・ビットとパッドの間の横方向相対移動をもたらす構造は、全て例示を目的として上述したものであり、これらのシステムおよび構成要素の機能を実現するための現在および将来の技術によって幅広く変更することができる。例えば、プラテンは、パッドの下に加圧空気のクッションを形成し、パッドを停止部材に接した状態で保持するための圧力差の全てまたは一部を提供するための空気通路および出口のアレイを含むことができる。また、上述のルータ・モータを取り付ける機構４２と同様の横方向移動機構にプラテン駆動モータを取り付けることにより、プラテンおよびパッドを両方とも、回転させるだけでなく、ｘ−ｙ平面内で移動させることができる。前面の溝および／または裏面の溝の上述した以外のパターン、深さおよび／または形状と、パッドおよび／またはそれを支持するプラテンのその他のタイプの流体通路とを、さらに組み合わせることも望ましい。したがって、上記では例示を目的として好ましい実施形態について詳細に図示および説明したが、頭記の特許請求の範囲に定義するように、本発明の範囲を逸脱することなく、さらに別の修正形態および実施形態が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の主な構成要素を概略的に示す部分断面正面図である。
【図２】図１の線２−２に沿って見た平面断面図である。
【図３】図１の一部分を示す拡大部分断面図である。
【図４】溝パターンがパッドの中心付近から始まってパッドの作用表面の外縁部付近で終端する８本の左巻き螺旋溝を含む、本発明によって作成された研磨パッドを示す図である。
【図５】溝パターンがパッドの中心付近から始まってパッドの作用表面の外縁部付近で終端する３２本の左巻き螺旋溝を含む、本発明によって作成された研磨パッドを示す図である。
【図６】溝パターンがパッドの中心付近から始まってパッドの作用表面の外縁部付近で終端する６４本の右巻き螺旋溝を含む、本発明によって作成された研磨パッドを示す図である。
【図７】溝パターンが、ほぼ一定の半径に沿ってパッド表面を囲むようにそれぞれ形成された径方向に離間した複数のジグザグ溝を含み、最も内側の溝の密度および最も外側の溝の密度が互いに異なり、かつその間にある溝とも異なる、本発明によって作成された研磨パッドを示す図である。
【図８】通路によってパッドの研磨表面の溝なし部分と相互接続された裏面の溝を示す概略図である。
【図９】通路によってパッドの研磨表面の前面の溝と相互接続された裏面の溝を示す概略図である。
【図１０】研磨パッドの裏面の交差した溝を示す概略図である。
【図１１】均一材料の単層で構成されたパッドの研磨表面の溝の様々な断面形状を示す概略図である。
【図１２】１つの材料からなる上部パッドおよび別の材料からなるサブパッドで構成された複合パッドの研磨表面の様々な深さの溝を示す概略図である。
【図１３】１つの材料からなる上部パッドおよび別の材料からなるサブパッドで構成された複合パッドの研磨表面の溝の様々な断面形状を示す概略図である。
【図１４】本発明によって作成した溝付きパッドを用いて加工物を研磨する方法を示す図である。

Claims

加工物を研磨する研磨パッドであって、
前記加工物に対して回転され研磨表面である平坦な前面及び該前面に平行な裏面を有する本体を備え、
該本体は、前記前面に設けられ前記本体の内側部分から外側部分へ延びる複数の溝と、前記裏面に設けられた裏面溝と、前記複数の溝と前記裏面溝を連通する通路とを有し、
前記複数の溝と前記通路と前記裏面溝とが、前記加工物の研磨中に供給されるスラリー状研磨材を排出する出口流路を形成してハイドロプレーニング効果を軽減することを特徴とする研磨パッド。
前記溝の底部表面が半円形または丸コーナ形状を有する、請求項１に記載の研磨パッド。
加工物を研磨する研磨パッドであって、
前記加工物に対して回転され研磨表面である平坦な前面及び該前面に平行な裏面を有する本体を備え、
該本体は、前記前面に設けられ前記本体の内側部分から外側部分へ延びる螺旋溝と、前記裏面に設けられた裏面溝と、前記螺旋溝と前記裏面溝を連通する通路とを有し、
前記螺旋溝と前記通路と前記裏面溝とが、前記加工物の研磨中に供給されるスラリー状研磨材を排出する出口流路を形成してハイドロプレーニング効果を軽減することを特徴とする研磨パッド。
前記研磨パッドの前記前面に複数本の螺旋溝が設けられている、請求項３に記載の研磨パッド。
前記螺旋溝のうちの第１の部分の深さが、該第１の部分から離れた第２の部分の深さと異なり、前記第１の部分及び前記第２の部分のそれぞれの底部に底部色指標が設けられている、請求項３に記載の研磨パッド。
前記螺旋溝の底部表面が半円形または丸コーナ形状を有する、請求項３に記載の研磨パッド。
加工物を研磨する研磨パッドであって、
前記加工物に対して回転され研磨表面である平坦な前面及び該前面に平行な裏面を有する本体を備え、
該本体は、前記前面に設けられ第１の半径の円をジグザグの中心とする第１のジグザグ溝及び第２の半径の円をジグザグの中心とする第２のジグザグ溝と、前記裏面に設けられた裏面溝と、前記第１及び第２のジグザグ溝と前記裏面溝を連通する通路とを有し、
前記第１及び第２のジグザグ溝と前記通路と前記裏面溝とが、前記加工物の研磨中に供給されるスラリー状研磨材を排出する出口流路を形成してハイドロプレーニング効果を軽減することを特徴とする研磨パッド。
前記第１のジグザグ溝の密度が前記第２のジグザグ溝の密度と異なっている、請求項７に記載の研磨パッド。
前記本体は、前記前面に設けられ第３の半径の円をジグザグの中心とする第３のジグザグ溝を備え、前記第１のジグザグ溝は前記研磨パッドの内側部分に設けられ、前記第３のジグザグ溝は前記研磨パッドの外側部分に設けられ、前記第２のジグザグ溝は前記第１のジグザグ溝及び前記第３のジグザグ溝の間に設けられ、前記第１のジグザグ溝の密度、前記第２のジグザグ溝の密度及び前記第３のジグザグ溝の密度は互いに異なり、前記第３のジグザグ溝は通路を介して前記裏面溝に連通する、請求項７に記載の研磨パッド。
前記第１、第２及び第３のジグザグ溝の底部表面が半円形または丸コーナ形状を有する、請求項９に記載の研磨パッド。
加工物に対して回転され研磨表面である平坦な前面及び該前面に平行な裏面を有する本体を備え、該本体は、前記前面に設けられ前記本体の内側部分から外側部分へ延びる複数の溝と、前記裏面に設けられた裏面溝と、前記複数の溝と前記裏面溝を連通する通路とを有し、前記複数の溝と前記通路と前記裏面溝とが、前記加工物の研磨中に供給されるスラリー状研磨材を排出する出口流路を形成してハイドロプレーニング効果を軽減する研磨パッドを回転させて該研磨パッドに前記スラリー状研磨材を供給して前記加工物を研磨するステップと、
前記裏面から前記出口通路を介して空気又は流体を流すことにより、前記加工物を前記研磨パッドから除去するステップとを含む研磨方法。
加工物に対して回転され研磨表面である平坦な前面及び該前面に平行な裏面を有する本体を備え、該本体は、前記前面に設けられ前記本体の内側部分から外側部分へ延びる螺旋溝と、前記裏面に設けられた裏面溝と、前記螺旋溝と前記裏面溝を連通する通路とを有し、前記螺旋溝と前記通路と前記裏面溝とが、前記加工物の研磨中に供給されるスラリー状研磨材を排出する出口流路を形成してハイドロプレーニング効果を軽減する研磨パッドを回転させて該研磨パッドに前記スラリー状研磨材を供給して前記加工物を研磨するステップと、
前記裏面から前記出口通路を介して空気又は流体を流すことにより、前記加工物を前記研磨パッドから除去するステップとを含む研磨方法。
前記研磨パッドの前記前面に複数本の螺旋溝が設けられている、請求項１２に記載の研磨方法。
前記螺旋溝のうちの第１の部分の深さが、該第１の部分から離れた第２の部分の深さと異なり、前記第１の部分及び前記第２の部分のそれぞれの底部に底部色指標が設けられている、請求項１２に記載の研磨方法。
加工物に対して回転され研磨表面である平坦な前面及び該前面に平行な裏面を有する本体を備え、該本体は、前記前面に設けられ第１の半径の円をジグザグの中心とする第１のジグザグ溝及び第２の半径の円をジグザグの中心とする第２のジグザグ溝と、前記裏面に設けられた裏面溝と、前記第１及び第２のジグザグ溝と前記裏面溝を連通する通路とを有し、前記第１及び第２のジグザグ溝と前記通路と前記裏面溝とが、前記加工物の研磨中に供給されるスラリー状研磨材を排出する出口流路を形成してハイドロプレーニング効果を軽減する研磨パッドを回転させて該研磨パッドに前記スラリー状研磨材を供給して前記加工物を研磨するステップと、
前記裏面から前記出口通路を介して空気又は流体を流すことにより、前記加工物を前記研磨パッドから除去するステップとを含む研磨方法。
前記第１のジグザグ溝の密度が前記第２のジグザグ溝の密度と異なっている、請求項１５に記載の研磨方法。
前記本体は、前記前面に設けられ第３の半径の円をジグザグの中心とする第３のジグザグ溝を備え、前記第１のジグザグ溝は前記研磨パッドの内側部分に設けられ、前記第３のジグザグ溝は前記研磨パッドの外側部分に設けられ、前記第２のジグザグ溝は前記第１のジグザグ溝及び前記第３のジグザグ溝の間に設けられ、前記第１のジグザグ溝の密度、前記第２のジグザグ溝の密度及び前記第３のジグザグ溝の密度は互いに異なり、前記第３のジグザグ溝は通路を介して前記裏面溝に連通する、請求項１５に記載の研磨方法。