(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの研磨パッド組立体と、該研磨パッド組立体に対して半導体ウェーハを保持すべく位置決めされた少なくとも１つのウェーハホルダと、を有する半導体ウェーハ研磨機において、該研磨機は、
前記研磨パッド組立体に隣接して位置決めされた支持体、を備え、前記支持体と前記研磨パッド組立体の少なくとも一方が、高圧の流体源に接続可能な複数の流体入口と、低圧の流体排出管に接続可能な複数の流体出口と、前記流体源から前記排出管までその上を流体が流れる複数の支え面と、を有し、前記研磨パッド組立体が、前記支え面上の流体により支持されて前記支持体に対して低摩擦移動を行い、前記流体入口および流体出口は共に前記支え面中に散在されていることを特徴とする研磨機。
【請求項２】
前記研磨パッド組立体が、少なくとも一枚の研磨パッドと、前記少なくとも一枚の研磨パッドを支持して直線的に平行移動させるベルトと、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の研磨機。
【請求項３】
少なくとも１つの研磨パッド組立体と、該研磨パッド組立体に対して半導体ウェーハを保持すべく位置決めされた少なくとも１つのウェーハホルダと、を有する半導体ウェーハ研磨機において、該研磨機は、
前記研磨パッド組立体に隣接して位置決めされた支持体、を備え、前記支持体と前記研磨パッド組立体の少なくとも一方が、高圧の流体源に接続可能な少なくとも１つの流体入口と、低圧の流体排出管に接続可能な少なくとも１つの流体出口と、前記流体源から前記排出管までその上を流体が流れる少なくとも１つの支え面と、を有し、前記研磨パッド組立体が、前記支え面上の流体により支持されて前記支持体に対して低摩擦移動を行い、
各支え面が環状であり、各流体入口が、それぞれの流体支え面内に位置決めされていることを特徴とする研磨機。
【請求項４】
各流体出口が、それぞれの支え面の周りに位置決めされていることを特徴とする請求項３に記載の研磨機。
【請求項５】
前記少なくとも１つの支え面が、複数の支え面から成り、前記流体出口が、前記複数の支え面の周りに位置決めされていることを特徴とする請求項３に記載の研磨機。
【請求項６】
少なくとも１つの研磨パッド組立体と、該研磨パッド組立体に対して半導体ウェーハを保持すべく位置決めされた少なくとも１つのウェーハホルダと、を有する半導体ウェーハ研磨機において、該研磨機は、
前記研磨パッド組立体に隣接して位置決めされた支持体、を備え、前記支持体と前記研磨パッド組立体の少なくとも一方が、高圧の流体源に接続可能な少なくとも１つの流体入口と、低圧の流体排出管に接続可能な少なくとも１つの流体出口と、前記流体源から前記排出管までその上を流体が流れる少なくとも１つの支え面と、を有し、前記研磨パッド組立体が、前記支え面上の流体により支持されて前記支持体に対して低摩擦移動を行い、
前記支持体が、それぞれ露出した環状端面を有する複数の管を保持し、各流体入口が、それぞれの管に位置決めされ、各支え面が、それぞれの管の前記環状端面から成ることを特徴とする研磨機。
【請求項７】
更に、複数の封止部を備え、各封止部が、前記支持体と前記それぞれの管との間に配設され、前記封止部が、前記支持体に対する前記管の相対移動を許容することを特徴とする請求項６に記載の研磨機。
【請求項８】
前記管が、隣接した管との間に隙間の通路を形成し、前記少なくとも１つの流体出口が、前記隙間の通路の少なくとも一部と連通することを特徴とする請求項６に記載の研磨機。
【請求項９】
少なくとも１つの研磨パッド組立体と、該研磨パッド組立体に対して半導体ウェーハを保持すべく位置決めされた少なくとも１つのウェーハホルダと、を有する半導体ウェーハ研磨機において、該研磨機は、
前記研磨パッド組立体に隣接して位置決めされた支持体、を備え、前記支持体と前記研磨パッド組立体の少なくとも一方が、高圧の流体源に接続可能な少なくとも１つの流体入口と、低圧の流体排出管に接続可能な少なくとも１つの流体出口と、前記流体源から前記排出管までその上を流体が流れる少なくとも１つの支え面と、を有し、前記研磨パッド組立体が、前記支え面上の流体により支持されて前記支持体に対して低摩擦移動を行い、
前記研磨パッド組立体が、少なくとも一枚の研磨パッドと、前記研磨パッドを支持するプラテンと、を備え、前記プラテンが、半球面を有し、
前記少なくとも１つの支え面が、前記支持体内の半球状凹部の周りに配設された複数の支え面から成り、前記凹部が、前記半球面を受容して、ボールジョイントを形成することを特徴とする研磨機。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの研磨パッドが、ベルト上に支持され、前記ベルトが、プラテンにより支持されていることを特徴とする請求項９に記載の研磨機。
【請求項１１】
前記プラテンが、前記ベルトの移動方向に整列した平行な溝の配列を有するベルト支持面を備え、前記ベルトと前記ベルト支持面との間に液体を介在させて、前記ベルト支持面に対する前記ベルトの動作を潤滑することを特徴とする請求項１０に記載の研磨機。
【請求項１２】
前記溝が、平均して約０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）以下の幅を有することを特徴とする請求項１１に記載の研磨機。
【請求項１３】
前記プラテンが、回転中心の周りで回転し、回転中心が被研磨ウェーハの表面に位置するように前記半球面が形成されることを特徴とする請求項９に記載の研磨機。
【請求項１４】
各支え面が、環状であり、各支え面が、それぞれの流体入口を取り囲み、それぞれの流体出口により取り囲まれている、ことを特徴とする請求項９に記載の研磨機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体ウェーハを平坦化するためのメカノケミカル研磨機に関し、特に、改良した軸受を有するかかる研磨機に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
半導体ウェーハ用のメカノケミカル研磨機は、例えば、米国特許第５３３５４５３号公報、同第５３２９７３２号公報、同第５２８７６６３号公報、同第５２９７３６１号公報、同第４８１１５２２号公報に記載されているように、従来技術で良く知られている。一般には、かかる研磨機は、研磨パッド及びウェーハホルダ用に機械的軸受を利用する。このような機械的軸受は、作動時に欠点を呈する。機械的軸受は、研磨工程で使用される研磨スラリーにより汚染される。機械的軸受により研磨パッドプラテンを点支持又は線支持する場合、プラテンが片持ち梁状に湾曲する恐れがある。軸受の振動は、不要な騒音となり、軸受の調整は、一般には、組立体の機械的調整を要する。この調整は、典型的には、高精度で時間のかかる調整である。
本発明の目的は、上述した問題を相当に克服した流体軸受を有するメカノケミカル研削機を提供することである。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも１つの研磨パッド組立体と、該研磨パッド組立体に対して半導体ウェーハを保持すべく位置決めされた少なくとも１つのウェーハホルダと、を有する半導体ウェーハ研磨機に関する。
本発明の第１の観点によれば、かかる研磨機は、研磨パッド組立体に隣接して位置決めされた支持体を備えている。支持体と研磨パッド組立体の少なくとも一方は、高圧の流体源に接続可能な少なくとも１つの流体入口と、低圧の流体排出管に接続可能な少なくとも１つの流体出口と、前記流体源から前記排出管までその上を流体が流れる少なくとも１つの支え面と、を有する。研磨パッド組立体は、支え面上の流体により支持されて、支持体に対して低摩擦移動を行う。
本発明の第２の観点によれば、研磨パッド組立体と上述したウェーハホルダとを有する半導体ウェーハ研磨機は、ウェーハホルダ内に流体軸受を含む。ウェーハホルダは、半球状凹部を有する支持体と、該半球状凹部内に受容されてボールジョイントを形成する半球面を有するウェーハチャックと、を備える。半球面と前半球状凹部のうちの少なくとも一方は、高圧の流体源に接続可能な少なくとも１つの流体入口と、低圧の流体排出管に接続可能な少なくとも１つの流体出口と、流体源から排出管までその表面上を流体が流れる少なくとも１つの支え面と、を備える。半球面は、前記支え面上の流体により支持され、前記支持体に対して回転中心の周りに低摩擦回転する。
【０００４】
本発明の第３の観点によれば、ベルト支持体と、該支持体を横切って移動するするように取り付けられるベルトと、該ベルトに取り付けられる少なくとも一枚の研磨パッドと、該研磨パッドに対して半導体ウェーハを保持すべく位置決めされた少なくとも１つのウェーハホルダとを有する半導体ウェーハ研磨機は、ベルトとベルト支持体との間に形成される液体膜を含む。ベルト支持体内に略平行に形成された溝は、ベルトの移動方向に整列している。これらの溝は、ベルトのハイドロプレーニングを減少させるように構成される。
本発明の第４の観点によれば、ウェーハホルダ内のウェーハチャックにトルクを付与する、タービン駆動装置が提供される。
以下の詳細な説明は、研磨パッドを直線及び回転動作させる研磨機の場合、本発明のメカノケミカル研磨機が研磨パッド及びウェーハを支持するために流体軸受を採用し得る、多数の実施の形態を示す。
【０００５】
【実施の形態】
ここで図面を参照すると、図１乃至図３は、本発明の第１の好適な実施の形態を採り入れたメカノケミカル・ウェーハ研磨機１０に関する。このウェーハ研磨機１０は、研磨パッド組立体１４に対してウェーハＷを保持するウェーハホルダ１２を含む。研磨パッド組立体１４は、１枚以上の研磨パッド１８をその外表面に担持したベルト１６を含む。ベルト１６は、ローラ２０上を移動し、該ローラ２０は、ベルトをウェーハホルダ１２を通過して直線的に移動させる。ベルト１６は、ウェーハＷから離間しようとする動きに対して、図２に一層明瞭に示したベルト支持組立体２２により、支持されている。ベルト支持組立体２２は、ローラ２０に対して所定の位置に固定して取り付けられた、支持体２４を含む。この支持体２４には、ベルトプラテン２８を支持する半球状の凹部２６が形成されている。ベルトプラテン２８は、凹部２６内に受容されてボールジョイントを形成する、下側半球面３０を有する。ベルトプラテン２８の一番上側の部分は、ベルト支持面３２を構成する。ベルト１６は、湿式でもよいし、また、ベルト１６がハイドロプレーニングを起こさないように、図８及び図９を参照して後述するようにベルト支持面３２に溝を形成してもよい。また、ベルト支持面３２は、低摩擦支承材料から形成してもよい。
【０００６】
ウェーハ研磨機１０についての更なる詳細は、１９９４年８月９日に出願されて本発明の譲受人に譲渡された、米国特許出願番号第０８／２８７６５８号に記載されており、この出願の開示内容全体を出典を明示することによって本願明細書の一部とする。
本発明によれば、プラテン２８と支持体２４は、支持体２４に対するプラテン２８の低摩擦移動を可能とする、少なくとも１つの流体軸受を形成する。図３は、プラテン２８を除去した凹部２６内の平面図である。図３に示したように、本実施の形態において、凹部２６は、全部で５個の流体軸受３４を有する。これらの流体軸受３４の１つは、他の４個より大きく、中央に位置決めされている。残りの４個の流体軸受３４は、中央の流体軸受の周りに対称に位置決めされている。各流体軸受は、加圧流体源に接続可能な中央の流体入口３６と、該流体入口３６の周りに延びる環状の流体出口３８と、を有する。各流体出口３８は、流体源の圧力より低圧の流体排出管に接続可能である。流体入口３６と流体出口３８との間の凹部２６の領域は、支え面４０を形成している。使用時に、流体は、流体入口３６から汲み上げられ、支え面４０を通って流体出口３８に排出される。こうして、支え面４０上に流体膜が形成され、この流体膜により、プラテン２８の半球面３０を支持する。
【０００７】
中央の大きい流体軸受３４は、ベルト１６から離間しようとする動きに抗してプラテン２８を支持する。４個の小さい流体軸受３４は、凹部２６の中央にプラテン２８を位置決めして維持するために、自動心出し特性を供する。
図１及び図２に戻ると、凹部２６と半球面３０は、支持体２４とプラテン２８とにより形成されるボールジョイントの回転中心が研磨中のウェーハＷの実質的に表面上に位置する、ように形成される。かくして、プラテン２８にかかる傾斜モーメントは、最小化され、プラテン２８と支持体２４により形成されたボールジョイントがベルト１６をウェーハＷの前縁部の方へより大きい力で押す傾向は、最小化されるか或いは除去される。
図４乃至図７は、ベルト１６をベルト支持組立体６０により支持した、本発明の第２の好適な実施の形態に関する。このベルト支持組立体６０は、加圧流体用のマニホールドとして機能する支持体６２と、突出した周縁部６６とを含む（図５）。周縁部６６の内側には、複数の円筒状の管６８が含まれ、これらの管６８は、それぞれ、露出した環状の端面７０を有する。マニホールドは、流体入口７２を介して管６８の内部に接続され、図７に示すように、複数の流体出口７４が設けられている。個々の管６８は、管６８の移動量を規制する封止部７８を介して、支持体６２に封止される。例えば、封止部７８は、管６８の下側蓋に対して支承される弾性Ｏリングから形成することができ、流体入口７２は、管６８を支持体６２に固定すると共に封止部７８を圧縮する中空ファスナとすることができる。図６と図７に最もよく示されるように、隣接した管６８の隙間にある空間７６により、流体は、管６８から出て流体出口７４まで流動することができる。
単に一例として、管６８は、約２０．３２ｃｍ（８インチ）の直径を有する配列を構成し、１８７本の管を使用することができる。各管は、１２．７ｍｍ（０．５インチ）の外径と９．５２ｍｍ（３／８インチ）の内径とを有し、流体入口７２の直径は、約０．７６２ｍｍ（０．０３０インチ）とすることができる。
【０００８】
使用時には、マニホールドは、高圧の水等の流体源に接続され、流体出口７２は、大気圧等の低圧の流体排出管に接続される。流体は、流体入口７２を介して管６８内に流入し、支え面として機能する端面７０を横切り、隙間にある空間７６と流体出口７４を通って流体排出管に流出する。端面７０を横切る流体の流れは、ベルト１６を広範な領域に亘り支持する。
図８及び図９は、上述したウェーハ研磨機１０に使用可能な、第３の好ましいベルト支持組立体１００に関する。ベルト支持組立体１００は、ベルト１６の移動方向に沿って延びる平行な溝１０４の配列を形成した、プラテン１０２を含む。好ましくは、溝は、深さを浅く幅を狭くとり、例えば各寸法を、約０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）以下とする。
単に一例として、プラテン１０２は、デルリン（Delrin）ＡＦ（登録商標）、ヴェスベル（Vesbel、登録商標）、又はトーロン(Torlon 、登録商標）等の支承等級材料から形成してもよい。かかる支承等級材料は、低摩擦を現出し、熱と磨耗を減少させる。マニホールド１０８は、ベルト１６とプラテン１０２との間に水等のスラリー相溶性液体を注入し、ベルト１６の下側に液体膜１０６を形成する。溝１０４により、プラテン１０２上のベルト１６のハイドロプレーニングは、減少され或いは除去される。
【０００９】
適当な溝１０４は、粒度２０の紙やすりを用いて、平坦な支承等級材料の上側表面に刻み目を一方向だけに付けることにより、形成することができる。次に、粒度４００の紙やすりを用いてばり及び隆起縁部を削り取り、プラテン１０２の上側表面を平らに研磨する。最終的に、プラテン１０２のベルト支持面は、流体力学的流体膜を遮断する細い直線状の溝を形成する。流体力学的流体膜が遮断されると、流体は、境界流即ち減摩流として、ベルト１６とプラテン１０２との間を流れる。この流れは、摩擦を低減し、更に、摩擦に起因して蓄積された局部熱を搬送する。必要に応じて、プラテン１０２の表面の凹凸がベルト１６に僅かに触れるようにすることができ、これによりある程度の流体力学的流体膜を形成し得るようにしている。
代替実施の形態において、プラテン１０２は、テフロン（Teflon、登録商標）等の低摩擦材料層で被覆した、ステンレス鋼等の材料の硬質板として構成することができる。層が十分に薄い場合は、該層の被覆前に板に溝を形成することができ、これにより層は溝に適合する。また、層を板に被覆した後に、該層内に溝を形成してもよい。
【００１０】
図１０乃至図１３は、回転研磨パッド組立体１４０を有するウェーハ研磨機を利用した、本発明の第４の好適な実施の形態に関する。この組立体１４０は、研磨盤即ちプラテン１４４上に支持される、研磨パッド１４２を含む。一方、研磨盤１４４は、研磨パッド１４２に垂直な動作に抗して研磨盤支持体１４６上に支持されている。研磨盤１４４は、軸受１５０内に支持された軸１４８により、回転案内される。真空カプリング１５２は、研磨パッド１４２を所定の位置に保持するために真空保持溝１６０に真空を付与する、真空源への接続を可能とする。軸１４８は、軸継手１５４と歯車箱１５６を介して、直接駆動モータ１５８に連結されている。このモータ１５８は、研磨動作中、研磨盤１４４と研磨パッド１４２とを回転させる。
本実施の形態では、研磨盤１４４を広範囲に亘り低摩擦支持するために、研磨盤支持体１４６の上側表面上に、一連の流体軸受１６１を構成する。図１２に最もよく示すように、流体軸受１６１は、それぞれ、高圧の水等の適当な流体源に接続可能な中央流体入口１６２を含む。流体出口１６４は、一連の流体軸受１６１全体を囲むように形成されており、流体源より低圧の流体排出管に接続可能である。支え面１６６は、研磨盤支持体１４６により形成され、流体は、流体入口１６２から流体出口１６４に移動するとき、支え面１６６上を流れる。研磨盤１４４は、支え面１６６上のこの流体膜により支持される。
【００１１】
図１３に示されるように、研磨盤支持体１８０の代替構造は、４個の流体軸受１８１を含み、各軸受１８１は、流体入口１８２と、流体出口１８４と、支え面１８６とを有する。この実施の形態では、各流体出口１８４は、それぞれ１個の流体入口１８２だけを取り囲んでいる。
図１４及び図１５に最もよく示すように、本発明の更に別の実施の形態は、ウェーハホルダ２００内に、図１乃至図３と同様のボールジョイントを構成している。  ウェーハホルダ２００は、一方の側にウェーハＷを支持するウェーハチャック２０２を含み、他方の側に半球状要素２０４を含む。要素２０４は、半球支え面２０６と、本実施の形態では三日月形の切欠き２０８の形を採った流体そらせ板の環状配列と、を有する。図１５は、切欠き２０８のうちの幾つかを示すが、これらは、例えばフライス盤のエンドミルの刃先で形成することができる。例えば、２５乃至２５０個の切欠き２０８を、チャック２０２の近傍で要素２０４の周りに対称的に配列する。半球支え面２０６は、好ましくは、ウェーハＷの表面に中心決めされた回転中心２１０を中心として、位置決めされる。
図１４に示したように、要素２０４は、要素２０４を受容するための半球状の凹部を有する、支持体２１２内に支持される。該支持体内には、流体軸受２１４が形成され、各軸受は、流体入口２１４と、流体出口２１６と、支え面２１８とを含む。流体軸受２１４は、図３を参照して説明した流体軸受と全く同様に機能し、同様のパターンで配設することができる。
【００１２】
支持体２１２は、また、研磨作業時に、切欠き２０８に対して加圧流体を導き支持体２１２内で要素２０４を回転させる、流体入口２２０の配列を含む。好ましくは、各流体入口２２０は、半球面２０６に対して略接線方向に配設される。例えば、５乃至５０個の流体入口２２０を設け、要素２０４を０．５乃至５０ＲＰＭ（回転／分）の速度で回転させるように寸法決めする。流体入口２２０は、切欠き２０８に対して作用した後の流体を排出する環状の流体出口２２２により、両側を取り囲まれている。
ホルダ２００が使用時に要素２０４の上側に支持体２１２を置くように構成されている場合、支持体２１２から要素２０４が落下するのを防ぐ手段を設けることができる。例えば、要素２０４の結合を妨げない、機械的保持器又は真空保持装置（図示せず）を使用できる。
切欠き２０８、流体入口２２０及び流体出口２２２は、共働して、タービン駆動装置を形成する。必要に応じて、ウェーハＷを回転させるための適当な駆動装置により支持体２１２を回転させることもでき、またタービン駆動装置を、ウェーハＷの回転に資することなく、支持体２１２に対して要素２０４を回転させるトルクに抵抗するために、使用することもできる。
【００１３】
上述した流体軸受は、多数の重要な利点を供する。軸受から流出する流体の定流は、スラリー汚染を防止し得る。また、上述した静圧軸受は、優れた剛性と広範囲に亘る支持とを提供し、以て、プラテンの片持ち梁状の湾曲を減少させるか或いは阻止する。更に、これらの軸受は、殆ど摩擦も振動もなく、従って、騒音が減少するという利点も有する。これらの軸受は、極めて安定して堅固であり、流体圧を制御するだけで容易に調節することができる。これは、単純な閉ループフィードバック制御装置の実現に貢献する。好適な軸受流体は、スラリー相溶性の液体の水である。これらの軸受は、メインテナンスを殆ど要せず、また磨耗も殆どなく、極めて信頼性が高い。
当然、上述した好適な実施の形態に対して、広範な変更又は変形を為し得ることは理解されよう。例えば、水の代わりに、気体を含む他の流体を使用してもよい。また、必要に応じて、流体軸受を支持体ではなくプラテン上に形成してもよく、流体入口と出口を別の構成要素上に形成してもよい。更に、例えば、自動心出し力を付与するために、上述した半球面は、真の半球とは異なるものでもよい。従って、上述した詳細な説明は、限定的なものではなく例示的なものとして見做されるべきであるし、本発明の範囲を限定するものは、前記特許請求の範囲の各請求項並びにその均等物であると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を採り入れたメカノケミカル研磨機の第１の実施の形態の斜視図。
【図２】図１の実施の形態に含まれるベルト支持組立体の斜視図。
【図３】図２のベルト支持組立体に含まれる静圧軸受の平面図。
【図４】本発明の第２の好適な実施の形態を採り入れた、メカノケミカル研磨機の部分斜視図。
【図５】図４の実施の形態のベルト支持組立体の斜視図。
【図６】図５のベルト支持組立体の部分拡大斜視図。
【図７】図５のベルト支持組立体の平面図。
【図８】本発明を含む第３のメカノケミカル研磨機の部分斜視図。
【図９】図８のベルト支持組立体の部分拡大斜視図。
【図１０】本発明の別の実施の形態を採り入れたメカノケミカル研磨機の部分縦断面図。
【図１１】図１０の線１１−１１に沿った平面図。
【図１２】図１０の線１２−１２に沿った断面図。
【図１３】図１０の実施の形態に使用する、別の研磨盤支持体の斜視図。
【図１４】流体軸受を採り入れたウェーハホルダの断面図。
【図１５】図１４のウェーハホルダの構成要素の側面図。
【符号の説明】
１０……ウェーハ研磨機
１２……ウェーハホルダ
１４……研磨パッド組立体
１６……ベルト
１８……研磨パッド
２２……ベルト支持組立体
２４……支持台
２８……ベルトプラテン
４０……支え面
１０４……溝
Ｗ……ウェーハ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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