(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨用パッドの研磨面を調整する為のコンディショナ・ヘッドであって、
上記研磨用パッドの上記研磨面に係合可能な研磨材エレメントと；
上記研磨材エレメントに結合され、長軸周りの回転を上記研磨材エレメントに伝達する駆動用アセンブリであって、上記駆動用アセンブリは、駆動用エレメントと駆動用スリーブとを含み、上記駆動用スリーブは、上記駆動用エレメントに対し上記長軸に沿って移動可能であるが相対的な回転が防止される、上記駆動用アセンブリと；
上記駆動用アセンブリを囲み、シールドが底部に取り付けられたハウジングであって、上記シールドは、上記駆動用エレメントの下方で内側に延びて上記駆動用スリーブに隣接する自由端を有し、上記駆動用スリーブと上記シールドの上記自由端との間に間隙を持つ、上記ハウジングと；
上記ハウジングに上記駆動用アセンブリを結合させ、上記ハウジング内で上記長軸周りに上記駆動用アセンブリの回転を可能にするベアリングと；
流体を上記シールドと上記ベアリングとの間の空間内に流し、上記ベアリングを通り越して上記駆動用スリーブと上記シールドの上記自由端との間の上記間隙から外に流れるように上記流体を上記ハウジング内に向け、粒子が上記ベアリングに到達しないようにする、上記流体パージ・システムと；
を備える、コンディショナ・ヘッド。
【請求項２】
上記研磨材エレメントを運ぶバッキング用エレメントを更に備える、請求項１記載のコンディショナ・ヘッド。
【請求項３】
研磨材エレメントが研磨材用ディスクである、請求項１記載のコンディショナ・ヘッド。
【請求項４】
駆動用エレメントは、駆動用シャフトとコラーとを含み、上記コラーは、上記駆動用シャフトに固定され、上記ベアリングは、上記ハウジング内で上記コラーを回転させる為に上記ハウジングに上記コラーを結合させる、請求項１記載のコンディショナ・ヘッド。
【請求項５】
上記シールドと上記コラーとの間にラビリンス開口部が形成されている、請求項４記載のコンディショナ・ヘッド。
【請求項６】
上記流体パージ・システムは、
流体を供給するソースと；
上記ソースからの流体を、上記ベアリングを過ぎ、上記ラビリンス開口部の中へ、上記ハウジングまで運ぶ、流体ラインと；
を含む、請求項５記載のコンディショナ・ヘッド。
【請求項７】
上記流体は、窒素、アルゴン、ヘリウム、空気から成る群から選択されたガスである、請求項１記載のコンディショナ・ヘッド。
【請求項８】
上記流体は、水である、請求項１記載のコンディショナ・ヘッド。
【請求項９】
前記ハウジングは、上記ヘッドを少なくとも長軸に対し横に移動させる為にコンディショナ・アームに結合されている、請求項１記載のコンディショナ・ヘッド。
【請求項１０】
流体は、上記ハウジング及び上記コンディショナ・アームにおける流体ラインを通じて、上記ハウジング内のラビリンス開口部と上記ベアリングに向けられている、請求項９記載のコンディショナ・ヘッド。
【請求項１１】
研磨用パッドの研磨面を調整する為のコンディショナ・ヘッドであって：
長軸の周りを回転する為に支えられた駆動用エレメントであって、上記駆動用エレメントは、駆動用シャフトおよびコラーを含む、上記駆動用エレメントと；
研磨材ディスクを上記研磨用パッドに係合させて保持する為のディスク・バッキング用エレメントと；
ディスク・バッキング用エレメントを上記駆動用エレメントに結合させる駆動用スリーブであって、上記駆動用スリーブは、上記駆動用エレメントに対し上記長軸に沿って移動可能であるが相対的な回転が防止され、少なくとも駆動用シャフトを囲む、上記駆動用スリーブと；
上記駆動用エレメントを囲み、底部開口部にシールドを含むハウジングであって、上記シールドは、上記コラーの下方で内側に延びて上記駆動用スリーブに隣接する自由端を有し、上記駆動用スリーブと上記シールドの上記自由端との間に間隙を持つ、上記ハウジングと；
上記コラーを上記ハウジングに結合させ、上記コラーが上記長軸周りに上記ハウジングに対し回転するようにする、ベアリングと；
流体源と；
上記流体源に接続される流体ラインであって、流体を上記シールドと上記ベアリングとの間の空間内に流し、上記ベアリングを通り越して上記駆動用スリーブと上記シールドの上記自由端との間の上記間隙から外に流すように上記流体を上記ハウジング内に向け、粒子が上記ベアリングに到達しないようにする、上記流体ラインと；
を備える、コンディショナ・ヘッド。
【請求項１２】
上記シールドと上記コラーとの間にラビリンス開口部が形成される、請求項１１記載のコンディショナ・ヘッド。
【請求項１３】
流体が、上記ラビリンス開口部に供給される、請求項１２記載のコンディショナ・ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【背景】
本発明は、全般的に半導体基板の平坦化に関し、より具体的には、化学的機械研磨用コンディショナに関する。
【０００２】
集積回路は、導電性、半導体性、又は絶縁性の層を連続して堆積することにより、通常、基板、特にシリコン・ウエハ上に形成される。特定の構造及びデバイスは、フォトリソグラフィにより助成された層の選択的なエッチングにより形成される。フォトリソグラフィ装置の高解像度および高精度フォーカスは、良好に規定されたマイクロ構造やナノ構造の形成を許容する。フォトリソグラフィ装置の高精度フォーカスは、非平坦面に対しては困難である。そのため、平坦面を提供する為に、基板面を平坦化する必要がある。平坦化技術は、実際ににおいて、平坦でない外面を、導電層、半導体層、絶縁層に拘わらず、磨き落とし、比較的に平坦な、滑らかな面を形成する。
【０００３】
化学的機械研磨は、一つの許容された平坦化法である。この平坦化法が、典型的に必要とすることは、基板が、露出されて研磨される基板の表面を持ち、キャリア又は研磨用ヘッド上に搭載されることである。その後、基板は、回転研磨用ヘッドに押し付けられる。キャリアヘッドは、制御可能な負荷、例えば圧力を基板上に提供し、それを研磨用パッドに押す。さらに、キャリアヘッドは、基板と研磨用基板との間に追加の運動を提供してもよい。さらに、研磨材と少なくとも一つの化学反応剤を含む研磨用スラリが、研磨用パッドに広げられ、パッドと基板との間の接合面に研磨材化学溶剤を提供してもよい。
【０００４】
ＣＭＰプロセスの効率性は、その研磨速度、結果として生じる基板表面の仕上げ（小規模粗さの不存在）及び平坦性（大規模トポグラフィの不存在）により計測可能である。不十分な平坦性と仕上げは、基板の欠陥を産み出す可能性がある。研磨速度、仕上げ、平坦性は、パッドとスラリとの組み合わせ、基板及びパッドの相対速度、基板をパッドに押し付ける力により決定される。研磨速度は、層を研磨するのに必要な時間を設定する。そのため、それは、研磨装置の最大処理能力を設定する。
【０００５】
基板を（例えば、パッドにおいて蓄積された破片から生じるスクラッチにより）損傷するか、或いは、（多大な使用後のパッド面のグレージング（目つぶれ）からの影響で）研磨速度や効率を減少させる可能性がある劣化要因を打ち消す為に適切なステップをとることが重要である。基板面をスクラッチすることに伴う問題は、自明である。より一般的なパッド劣化問題は、費用を増加させるという研磨効率の減少と、パッドが消失するにつれて基板から基板への一貫した操作を維持する上で障害を作り出す。
【０００６】
グレージング現象は、パッド材に対する、汚染と、熱的、化学的、機械的損傷との複雑な組み合わせである。研磨機が動作中のとき、パッドは、熱と摩耗を生み出す摩擦、圧縮、せん断に晒される。ウエハとパッドからのスラリと研磨材は、パッド材の孔の中に押し込まれ、材料自体は、つや消しになり、部分的に溶けさえする。これらの影響は、効率よく基板を研磨するというパッドの性能やパッドの粗さを低下させる。
【０００７】
そのため、捕捉されたスラリを除去し、パッド材をつや消しにせず、再膨張させることにより、パッドを連続して調節することが望まれる。
【０００８】
多くの調節手順および装置が、開発された。従来のコンディショナは、研磨用パッドに対し研磨材ディスクと共にコンディショナヘッドを保持するアームを有する。ベアリングシステムは、アームの端部で研磨材ディスクを回転自在に支持する。研磨材ディスクは、研磨用パッドに対し回転し、研磨用パッドを物理的にすり減らし、研磨用パッドからグレージング層を除去する。
【０００９】
調節操作中、研磨用パッドのグレージング層の断片やスラリは、コンディショナヘッド内の開口に入り、その回転運動を妨害するかもしれない。特に、スラリがベアリングシステムに蓄積されたとき、それはベアリング信頼性の問題を引き起こし、コンディショニングヘッドの寿命を減らすかもしれない。
【００１０】
【概要】
全般的に、本発明の一態様は、研磨用パッドの表面を研磨するコンディショニング用コンディショナヘッドを特徴とする。コンディショナヘッドは、研磨用パッドに係合可能な研磨材エレメントと、その研磨材エレメントに結合され回転を研磨材ヘッドに伝達する駆動用アセンブリとを有する。ハウジングは駆動用アセンブリを囲み、ベアリングは、駆動用アセンブリをハウジングに結合する。ベアリングは、ハウジング内で駆動用アセンブリの回転を可能にする。流体パージシステムは、ベアリングを通り越してハウジング内に流体を向け、粒子がベアリングに達しないように防止するために提供されている。
【００１１】
本発明の実施例は、以下の特徴を含んでもよい。コンディショナヘッドは、研磨材エレメントを運ぶバッキング用エレメントを含んでもよく、研磨材エレメントは研磨材ディスクでもよい。駆動用アセンブリは、長軸周りの回転の為に支持された駆動用エレメントと、研磨材エレメントを駆動用エレメントに結合させる回転可能なエレメントとを有してもよい。駆動用エレメントは、駆動用シャフトとコラーを含み、コラーは、実質的に駆動用シャフトに固定されている。回転可能なエレメントは、少なくとも駆動用シャフトの長さを囲む、駆動用スリーブを含んでもよい。ベアリングは、コラーをハウジング内で回転させる為に、コラーをハウジングに結合させてもよい。
【００１２】
ハウジングは、粒子がコンディショナヘッドに入ることを防止する為に、底部開口部を持ち、その底部開口部に取り付けられたシールドを含んでもよく、ラビリンス開口部は、シールドとコラーとの間に形成されてもよい。流体は、ラビリンス開口部に供給されてもよい。
【００１３】
流体パージシステムは、流体を提供する源、ベアリングを通り過ぎて、ラビリンス開口部内に、源からの流体をハウジングに運ぶ流体ラインを含んでもよい。流体は、窒素、アルゴン、ヘリウム、空気から成る群より選択されるガスであってもよい。流体も、水、反応溶剤から成る群より選択される液体でもよい。
【００１４】
ハウジングは、ヘッドを少なくとも長軸に対し横方向に移動させる為にコンディショナアームに結合されてもよく、流体は、コンディショナアームおよびハウジング内の流体ラインを通ってベアリング及びラビリンス開口部に向けられてもよい。
【００１５】
一般的に、他の態様において、本発明は、研磨用パッドの研磨表面を調整する為のコンディショナヘッドを特徴とする。コンディショナヘッドは、研磨用パッドの研磨面に係合可能な研磨材エレメントと、その研磨材エレメントに結合され回転を研磨材エレメントに伝達する駆動用アセンブリとを有する。流体パージシステムは、流体をハウジング内に向け、粒子が駆動用アセンブリを汚染することを防止する。
【００１６】
一般的に、他の態様において、本発明は、研磨面を有する研磨用パッドを調整する為の方法を特徴とする。この方法は、キャリアヘッドにより支持され、研磨用パッドの研磨面に係合可能な下面を有する研磨材コンディショニングエレメントを提供するステップと、そのコンディショニングエレメントを回転させ、コンディショニングエレメントの下面を研磨用パッドの研磨面と係合させるステップと、ベアリングシステムを通り越して流体をキャリアヘッド内に向けるステップとを含み、前記ベアリングシステムは、コンディショナエレメントの回転運動を可能にし、前記流体は、ベアリングシステムに粒子が達しないように防止する。
【００１７】
本発明の利点は、少なくとも以下の一つである。ベアリングを通り越したラビリンス内の流体の流れは、ラビリンス内の破片の蓄積を防止する。これは、同様に、ベアリング、コンディショナヘッド内の他の可動部品の劣化を防止する。これにより、コンディショナヘッドの信頼性が改善される。
【００１８】
本発明の他の特徴、利点は、請求の範囲および好適な実施例の以下の説明から明らかであろう。
【００１９】
【詳細な説明】
図１を参照すると、化学的機械研磨装置１０は、３つの独立作動式研磨用ステーション１４が含まれるハウジング１２と、基板搬送用ステーション１６と、４つの独立して回転可能なキャリアヘッド２０の作動に振付けをする、回転可能なカルーセル１８を含む。研磨装置１０のより詳細な完全な説明は、米国特許第５７３８５７４号に見出すことができ、その全開示内容は、参照形式で本願に導入される。
【００２０】
カルーセル１８は、スロット４４を備えた支持プレート４２を有し、そのスロット４４を通って、ドライブ・シャフト４６が伸び、キャリア・ヘッド２０を支持している。キャリア・ヘッド２０は、独立して、スロット４４内で回転でき、前後に振動し、均一に研磨された基板面を達成する。キャリア・ヘッド２０は、それぞれのモータ４８により回転され、モータ４８は、通常、取り外し可能なカルーセル１８のカバー５０の後ろに隠されている（図１ではその４分の１が取り外されている）。操作において、基板は搬送用ステーション１６に装着され、そこから、基板はキャリア・ヘッド２０に搬送される。カルーセル１８は、その後、基板を一連の一以上の研磨用ステーションを介して搬送し、研磨された基板を搬送用ステーション１６に最終的に戻す。
【００２１】
各研磨用ステーション１４は、回転可能なプラテン５２を含み、プラテン５２は、研磨用パッド５４を支持している。各研磨用ステーション１４は、また、パッド・コンディショナ５６を含む。パッド・コンディショナのより完全な説明は、Gurusamy等により、化学的機械研磨用コンディショナという発明の名称で、１９９８年３月３１日に提出された、米国特許出願第０９／０５２７９８に見出すことができ、その全開示内容は本願に参照形式で導入されている。
【００２２】
プラテン５２及びコンディショナ５６は、両方とも、研磨装置１０の内側にあるテーブル頂部５７に取り付けられている。各パッド・コンディショナ５６は、コンディショナ・ヘッド６０、アーム６２、ベース６４を含む。アーム６２は、コンディショナ・ヘッド６０に結合された先端部と、ベース６４に結合された基端部を有し、ベース６４は、表面を研磨して汚染物質を除去し表面を再組織化することにより、研磨用パッド面７６を横切ってコンディショナ・ヘッド６０を掃き、表面７６を調整する。各研磨用ステーション１４は、また、カップ６６を含み、カップ６６には、コンディショナ・ヘッド６０をすすいだり洗浄する為に清浄用液体が含まれる。
【００２３】
図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、あるモードの操作において、研磨用パッド５４は、パッド・コンディショナ５６により調整される一方、研磨用パッドは、キャリア・ヘッド２０に搭載された基板を研磨する。コンディショナ・ヘッド６０は、研磨用パッド５４にわたり往復運動で研磨用パッド５４を掃くが、その往復運動は、研磨用パッド５４にわたるキャリア・ヘッド２０の運動と同期している。例えば、研磨される基板を備えたキャリア・ヘッド２０は、研磨用パッド５４の中央に置かれてもよく、コンディショナ・ヘッド６０は、カップ６６内に含まれる洗浄液体に浸してもよい。研磨中、カップ６６は、矢印６９で示されたような進路外で旋回してもよく、コンディショナヘッド６０と、基板を運ぶキャリアヘッド２０は、矢印７０、７２で示されるように、研磨用パッド５４にわたって、それぞれ前後に掃かれてもよい。選択的に３つの噴射水７４が水流を研磨用パッド５４に向け、研磨用パッド面７６からのスラリをすすいでもよい。
【００２４】
図３、図４を参照すると、コンディショナ・ヘッド６０は、起動及び駆動機構７８を含み、これが、中心が垂直に向けられた、ヘッドの長軸３００を中心として、ディスク・バッキング用エレメント８０を回転させる。ディスク・バッキング用エレメント８０は、ダイヤモンド含浸コンディショナ・ディスク８２を運ぶ。起動及び駆動機構７８は、高い後退した位置（図示せず）と低い伸張した位置（図３参照）との間で、ディスク・バッキング用エレメント８０とディスクの運動を準備する。伸張した位置で、ディスク８２の下面が、パッド５４の研磨面７６と係合されてもよい。さらに、ディスク・バッキング用エレメントは、ディスクを洗浄する為にカップ６６（図２Ｂ）に導入されてもよい。
【００２５】
図３、図４を再び参照すると、コンディショナ・ヘッド６０は、アーム６２に取り付けられたハウジング１０８と、長軸３００の周りを回転する駆動用シャフト８６と、ディスク・バッキング用エレメント８０を駆動用シャフト８６に結合させ、トルクと回転を伝達する環状駆動用スリーブと、を含んでいる。それぞれが上部ピース９８と下部ピース１００を有するコラーは、同軸でシャフト８６を囲み、概略的に環状空間１０２を画成する。環状空間１０２は、駆動用スリーブ１２０を収容している。
【００２６】
駆動用スリーブ１２０は、外側に突出したキー・タブ１２４を有するキー部材１２２によって駆動用シャフト８６に合わせられている。これにより、駆動用スリーブ１２０と駆動用シャフト８６との間には相対的に細長い並進運動が許容される一方、相対的に回転することが防止される。キー部材１２２は、シャフト８６の周辺で垂直スロット１２６内に固定され、タブ１２４は、スリーブ１２０の内側にある垂直スロット１２８内に掛かり、シャフトとスリーブの相対的回転を防止する為にスロット１２８の側部に相互作用する。駆動用シャフト８６と駆動用スリーブ１２０との間で円滑に摺動する垂直係合を与えるため、保持器１３０及び複数のボール１３２を有するベアリングが、スリーブ１２０の内円筒面とシャフト８６の外円筒面との間に介在されている。
【００２７】
密閉チャンバ１０２Ａは、概略的に環状の弾性ダイアフラム１３４で環状空間１０２の底部を密閉することにより、環状空間１０２の上部に形成されている。駆動用スリーブ１２０と、取り付けられたディスク・バッキング用エレメント８０とを伸張位置から後退位置まで移動させる為に、チャンバ１０２Ａは減圧される。駆動用スリーブ１２０と、取り付けられたディスク・バッキング用エレメント８０とを後退位置から伸張位置まで移動させる為に、チャンバ１０２Ａは圧縮空気により膨張される。圧縮空気は、ライン９５を通じてチャンバ１０２Ａに供給される。チャンバ１０２Ａは、ライン９５を通じて同様に減圧される。ライン９５は、圧縮空気源（図示されず）に接続され、圧縮空気源は容器または圧縮空気を生み出す装置でもよい。チャンバ１０２Ａの減圧及び膨張、さらに、ディスク・バッキング用エレメント８０に適用されるダウンフォース量は、空気圧に比例する。空気圧は、ライン９５（図示されず）に接続された圧力調節装置、ベンチュリやポンプにより調整してもよい。
【００２８】
ベアリング・システム１０４は、下部コラー・ピース１００をハウジング１０８内で支えると同時に、ハウジング１０８内で長軸３００の周りにシャフト／コラー・ユニットを回転させる。ハウジング１０８は、底部にシールド１０７を有し、駆動用アセンブリ７８を同軸で囲む。シールドは、破片が研磨中に研磨用ヘッドからベアリング・システムに流れることを防止する。シールド１０７と下部コラー１００との間にはラビリンス開口部１１５が形成されている。この開口部は、シールド１０７に接触することなく、ハウジング１０８内で長軸３００の周りをシャフト／コラー・ユニットが回転することを許容する。一例において、ラビリンス開口部は、約０．１インチの高さＨ、約０．６インチの長さＬを有する。シールド１０７は、一端１０７ａがスクリューによりハウジング１０８に取り付けられており、自由端１０７ｂは駆動用スリーブ１２０に向かって伸びている。自由端１０７ｂと駆動用スリーブ１２０との間には、間隙１１１がある。
【００２９】
コンディショニング処理は、凝固したスラリ粒子や研磨用パッドの断片のような破片を生み出す。破片は、駆動用スリーブの垂直運動及び研磨材ディスクの回転運動により、コンディショナ・ヘッドの中に進ませてもよい。これが生じると、破片はシャフト／コラー・ユニットの回転運動を妨害する可能性がある。シールド１０７は、破片の多くがコンディショナ・ヘッドに入ることを防止するが、ある破片はラビリンス開口部１１５内に入り、滞在するようになる。破片は、その後、ベアリング・システム１０４と弾性ダイアフラム１３４の劣化を引き起こすかもしれない。
【００３０】
ベアリング・システム１０４上のスラリの蓄積を防止し、ラビリンス開口部から破片を取り除く為に、圧縮流体５００が流体ライン５０２を介してラビリンス開口部１１５の中に導入される。流体ライン５０２は、入口５０２ａ、出口５０２ｂを有し、ハウジング１０８、コンディショナ・アーム６２、ベース６４（図４）に広まっている。入口５００ａは、圧縮流体源（図示せず）に接続され、出口５０２ｂは、ラビリンス開口部１１５内で終了している。圧縮流体源は、流体で満たされた容器や流体を生成する装置であってもよい。一例において、流体は窒素であってもよい。源での窒素圧力は、１０から２５psi にしてもよい。源での圧力は、コンディショナ・ヘッド内部の間隙１１１における圧力が、僅かに大気圧より高くなるように選択されてもよい。間隙１１１における圧力を大気圧より高く維持するため、間隙は非常に狭くする必要がある。一例において、間隙はほぼ０．０２インチ幅である。
【００３１】
本発明の一実施例を説明してきた。それにも拘わらず、様々な変形例が本発明の精神、範囲を逸脱することなく、可能であることが理解されよう。例えば、流体ライン５０２は、管で置き換えてもよい。管は、コンディショニング・アーム６２とハウジング１０８の外側で、ラビリンス開口部１１５とベアリング・システム１０４に導いてもよい。他の流体は、付着物を除去する為に、圧縮空気、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガス、水や反応性溶剤等の液体であってもよい。様々な特徴は、特に示された以外に、様々な既存あるいは将来のコンディショナ及び研磨機形状と共に使用する為に適合可能である。
【００３２】
よって、他の実施例は、前述した請求の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  化学的機械研磨装置の斜視図である。
【図２Ａ】  図１の研磨装置により調整される研磨用パッドと、研磨される基板の概略の平面図である。
【図２Ｂ】  図１の研磨装置により調整される研磨用パッドと、研磨される基板の概略平面図である。
【図３】  空気パージ・システムを備えたコンディショナ・ヘッドの概略断面図である。
【図４】  空気パージ・システムを備えたコンディショナ・ヘッド及びアームの概略断面図である。
【符号の説明】
１０…化学的機械研磨装置、１２…ハウジング、１４…独立作動式研磨用ステーション、１６…基板搬送用ステーション、１８…カルーセル、２０…キャリア・ヘッド、４２…支持プレート、４４…スロット、４６…ドライブ・シャフト、４８…モータ、５０…カバー、５２…プラテン、５４…研磨用パッド、５６…パッド・コンディショナ、５７…テーブル頂部、６０…コンディショナ・ヘッド、６２…コンディショナ・アーム、６４…ベース、６６…カップ、７４…噴射水、７６…研磨用パッド面、７８…起動及び駆動機構、８０…ディスク・バッキング用エレメント、８２…コンディショナ・ディスク、８６…駆動用シャフト、９５…ライン、９８、１００…下部コラー・ピース、１０２…環状空間、１０２Ａ…チャンバ、１０４…ベアリング・システム、１０７…シールド、１０８…ハウジング、１１１…間隙、１１５…ラビリンス開口部、１２０…駆動用スリーブ、１２４…キー・タブ、１２６、１２８…垂直スロット。
【図１】
0004567195.tif 000002
【図２ａ】
0004567195.tif 000003
【図２ｂ】
0004567195.tif 000004
【図３】
0004567195.tif 000005
【図４】
0004567195.tif 000006