CN102227803A - 研磨头区域边界平滑化 - Google Patents
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Abstract
本发明提供用于基材的化学机械研磨的方法与设备，并且尤其是涉及用于化学机械研磨的承载头的方法与设备。在一实施例中，提供的承载头组件包含：基部组件，设以提供用于基材的支撑；挠性膜，被装设在所述基部组件上且具有大致圆形的中心部分，所述中心部分具有提供基材装设表面的下表面；及多个能独立加压的腔室，其形成在所述基部组件与所述挠性膜之间，所述多个能独立加压的腔室包含环状外腔室及非圆形内腔室。
Description
技术领域
本发明的实施例大致上关于基材的化学机械研磨，并且尤其关于用于化学机械研磨的承载头。
背景技术
在半导体制造工业中，平坦化是从基材移除材料以平滑化基材表面、薄化暴露层、或暴露基材表面下方的层的一种工艺。典型地，在一或多个沉积工艺在基材上建立了材料层后，基材进行平坦化。在一个这样的工艺中，多个开口被形成在基材的场区域中，并且被藉由诸如电镀的镀覆工艺被以金属填充。金属填充这些开口以在表面中建立诸如线或接点的特征结构。尽管期望该些开口是被填充金属仅到周围基材的高度，但沉积会发生在场区域和该些开口上。此额外不想要的沉积必须被去除，并且平坦化是用以移除过多金属的选择方法。
化学机械平坦化(CMP)是比较普遍的平坦化工艺类型之一。基材被装设在承载头或研磨头上，并且以磨蚀垫或腹板(web)来刷磨。当腹板在基材下方线性地被横移时，可以使基材旋转抵靠该腹板，或者当垫也以相同或相反方向旋转、线性地被横移、以圆形运动的方式被横移、或任何上述组合时，可以使基材旋转抵靠该垫。通常添加磨蚀组成物到刷磨垫，以加速材料的移除。典型地，该组成物含有：磨蚀材料，以摩擦该基材；和化学物，以自基材表面溶解材料。在电化学机械平坦化的情况中，也施加电压到基材，以藉由电化学手段来加速材料的移除。
一些承载头包括挠性膜，该挠性膜具有接收基材的装设表面。位于挠性膜后面的腔室被加压，以使该膜向外扩张且施加负载到该基材。许多承载头也包括围绕该基材的保持环，以例如将基材固持在承载头中而位于挠性膜下方。一些承载头包括多个腔室，以提供不同的压力到基材的不同区域。
当执行研磨工艺时，CMP的一个目的在于移除可预测的材料量，同时达到各晶片内以及晶片至晶片的均匀的表面拓朴。
因此，需要一种可用于研磨基材的改良方法与设备。
发明内容
本发明的实施例大致上关于基材的化学机械研磨，并且尤其关于用于化学机械研磨的承载头。在一实施例中，提供一种可以绕着中心线旋转以用于基材的化学机械研磨的承载头组件。该承载头组件包含：基部组件，以提供用于基材的支撑；挠性膜，被装设在该基部组件上且具有圆形中心部分，该中心部分具有提供基材装设表面的下表面；及多个能独立加压的腔室，其由该基部组件与该挠性膜间的容积所形成，该些能独立加压的腔室包含环状外腔室及非圆形内腔室。
在另一实施例中，提供一种可以绕着中心线旋转以用于基材的化学机械研磨的承载头组件。该承载头组件包含：基部组件，以提供用于该基材的支撑；挠性膜，被装设在该基部组件上且具有大致圆形中心部分，该中心部分具有提供基材装设表面的下表面；及多个能独立加压的腔室，其由该基部组件与该挠性膜间的容积所形成，该些能独立加压的腔室包含环状外腔室及非圆形内腔室。
在又另一实施例中，提供一种用以和化学机械研磨载头组件的基部组件耦接的挠性膜。该挠性膜包含：中心部分，具有内表面与外表面，该外表面提供用于基材的装设表面；环状周边部分，其延伸远离该装设表面以和该基部组件耦接；及一或多个非圆形内翼片，其延伸远离该中心部分的内表面，其中该一或多个非圆形内翼片设置以和该基部组件耦接以将该膜与该基部组件间的容积分隔成多个能独立加压的腔室。
附图说明
可藉由参考本发明的实施例来详细了解本发明的说明，其简短地在前面概述过，其中该些实施例在附图中示出。但是应注意的是，附图仅示出本发明的典型实施例，因此不应视为对其范围的限制，因为本发明允许其它等效实施例。
图1A为基材在现有技术化学机械研磨处理后的研磨轮廓的示意图。
图1B为使用现有技术已知的承载头和研磨技术的基材的在化学机械研磨处理后的研磨轮廓的示意图。
图2为承载头组件的一实施例的剖面图。
图3为沿着图2线3-3的图2承载头组件的挠性膜的一实施例的顶视剖面图。
图4为基材在使用在此所描述实施例的承载头组件和研磨技术来执行化学机械研磨处理后的研磨轮廓的示意图。
图5为承载头组件的另一实施例的剖面图。
图6为沿着图5线6-6的图5承载头组件的一实施例的顶视剖面图。
图7为基材在使用在此所描述实施例的承载头组件和研磨技术来执行化学机械研磨处理后的研磨轮廓的示意图。
图8为承载头组件的另一实施例的顶视剖面图。
图9为承载头组件的另一实施例的顶视剖面图。
图10为承载头组件的一实施例的剖面图。
为促进了解，在可能时使用相同的附图标记来表示这些附图共有的相同组件。应了解，一实施例的组件与特征结构可有利地并入其它实施例而不需特别详述。
具体实施方式
本发明的实施例大致上关于基材的化学机械研磨，并且尤其关于用于化学机械研磨的承载头。
图1A为基材在典型化学机械研磨处理后的研磨轮廓100的示意图。图1B为使用承载头和研磨技术的基材的在另一典型化学机械研磨处理后的研磨轮廓108的示意图。图1A显示了两压力同心圆区域承载头的典型基材研磨轮廓100，其中基材的中心区域102是以比基材的边缘区域104更高的速率被研磨。为了补偿中心快速的研磨轮廓100(如图1A所示)，典型的应对是施加较高的压力到边缘区域104，这会将边缘区域104的轮廓向下平移(如图1B所示)，使边缘区域104与中心区域102之间的平均厚度匹配。然而，施加较高的压力使在中心区域102与边缘区域104之间造成尖锐的边界过渡106。如图1B所示，该尖锐的边界过渡106或“压力尖峰”在研磨轮廓中产生了非预期的非均匀性。因此，期望减少或去除这些尖锐的边界过渡，以提供更均匀的研磨轮廓。
可以藉由利用基材相对于承载头膜的旋转而建立更平滑的边界过渡来减少或去除尖锐的边界过渡106。改变承载头组件中压力区域位置及/或压力区域的几何形态有助于达到更平滑的边界过渡。如在此所讨论的，基材相对于承载头组件的膜的非均匀旋转运动将平滑化该尖锐的边界过渡。在一实施例中，承载头组件中的至少一压力区域是非圆形的。非圆形是被定义成不具有圆形的形状或形式。随着基材绕着非圆形压力区域滑动且旋转，可平滑化该等压力区域间的尖锐的边界过渡，因此产生更平滑区域边界过渡。包括椭圆形、三角形、方形、及星形的非圆形区域对于区域边界过渡具有相似效果。在另一实施例中，至少一压力区域被定位成相对于承载头的旋转轴或膜的中心线是离开中心的或非同心的。藉由依靠基材相对于膜的旋转，可以平滑化这些尖锐的边界。
尽管用于实施在此描述的实施例的特定设备是不受限的，但在Applied Materials，Inc.(Santa Clara，California)卖的REFLEXION
CMP系统、REFLEXION
LK CMP系统、或MIRRA MESA
系统中实施这些实施例是尤其有利的。此外，可从其它制造者获得的CMP系统也可以受益于在此描述的实施例。一适当的CMP设备的叙述可以在美国专利号5,738,574中得到。在此描述的实施例也可以被实施于顶部圆形轨道研磨系统(overhead circular track polishing system)。
图2为承载头组件200的一实施例的剖面图。承载头组件200大致上设以在研磨或其它处理期间固持住基材10。在研磨处理中，承载头组件200可以固持基材10抵靠被旋转平台组件202支撑的研磨垫201上，并且遍及基材10的背表面12散布压力。
承载头组件200包括：基部组件204(其可以直接地或间接地和旋转驱动轴205耦接)、保持环210、及挠性膜208。挠性膜208延伸在基部组件204下方且和基部组件204耦接，以提供多个可加压腔室(包括非圆形内腔室212a与邻近的外腔室212b)。通道214a和214b形成为穿过基部组件204，以将腔室212a和212b分别流体地耦接到研磨设备中的压力调控器。尽管图2表示了两个可加压腔室，但承载头组件200可以具有任何数量的腔室，例如三、四、五、或更多个腔室。
尽管未示出，但承载头组件200可以包括其它构件，例如壳体(其可固定到驱动轴205，并且基部204自壳体可移动地悬挂)、常平机构(其可被视为基部组件的部分，并且其容许基部组件204枢转)、介于基部204与壳体间的负载腔室、一或多个位在腔室212a和212b内的支撑结构、或一或多个内膜(其接触挠性膜208的内表面以施加额外的压力到基材)。举例而言，承载头组件200可以被建构成如2001年2月6日授予的美国专利号6,183,354中或2002年7月23日授予的美国专利号6,422,927中或2005年2月22日授予的美国专利号6,857,945中所描述的。
关于研磨处理，挠性膜208可以是疏水的、耐久的、且化学惰性的。挠性膜208可以包括：中心部分220、环状周边部分224、及一或多个非圆形内翼片228；中心部分220具有可提供用于基材的装设表面222的外表面，环状周边部分224延伸远离装设表面222而连接到基部组件204，非圆形内翼片228从中心部分220的内表面226延伸且连接到基部204而将挠性膜208和基部204间的容积分隔成可独立加压的非圆形内腔室212a与外环状腔室212b。在一实施例中，非圆形内翼片228与环状周边部分224相对于承载头组件208的中心线234为同心的。在一实施例中，非圆形内翼片228与环状周边部分224相对于挠性膜208的中心为同心的。可以藉由环状夹持环215(其可被视为基部204的部分)将翼片228的外缘230固定到基部204。可以藉由环状夹持环216(其也可被视为基部204的部分)将环状周边部分224的外缘232固定到基部204，或者周边部分的末端可以被夹持在保持环与基部之间。尽管图2表示了一个翼片228，承载头组件200可以具有相应到期望的可加压腔室的数量的多个翼片。
图3为沿着图2线3-3的图2承载头组件200的挠性膜208的一实施例的顶视剖面图。非圆形内腔室212a是藉由非圆形内翼片228来形成。同心的外腔室212b是由挠性膜208的非圆形内翼片228与环状周边部分224来界定。各腔室212a、212b可各自地加压到相同或不同的压力。尽管非圆形内腔室212a被描述成一椭圆形内腔室，但应了解可以使用其它的非圆形腔室以减少中心区域与边缘区域间的尖锐的过渡边界。
图4为基材在使用在此所描述实施例的承载头组件和研磨技术来执行化学机械研磨处理后的研磨轮廓410的示意图。研磨轮廓410显示中心区域402、边缘区域404、及介于中心区域402与边缘区域404间的过渡区域412。图1B的研磨轮廓与图4的研磨轮廓410的比较显示图1B的尖锐的边界过渡106已被介于中心区域402与边缘区域404间的更平滑的过渡区域412所取代，因此减少或去除了现有技术研磨处理中所存在的尖锐的边界过渡。
关于图2、图3及图4，非圆形内腔室212a具有次轴304与主轴308。当承载头200旋转时，基材维持成相对于挠性膜208为静止的，但是基材有时候会相对于挠性膜208滑动(如箭头310所示)。在基材滑动越过次轴304与主轴间的区域时，则建立了过渡区域412，实质上建立了由内过渡边界420与外过渡边界422所界定的不是固定的过渡区域412。随着基材10相对于承载头组件200滑动，椭圆形区域滑动越过基材。不管基材与挠性膜间的滑动如何，基材的中心区域402暴露给恒定的压力，并且基材的过渡区域412有时候暴露给椭圆形的次轴304与主轴308间的区域。
图5为承载头组件500的另一实施例的剖面图。承载头组件500含有“偏移的”或“非同心的”内腔室512a。在一实施例中，非同心的内腔室512a相对于承载头组件500的中心线534为非同心的。在一实施例中，非同心的内腔室512a相对于挠性膜508的中心为非同心的。承载头组件500包括：基部组件504(其可以直接地或间接地和旋转驱动轴205耦接)、保持环510、及挠性膜508。挠性膜508延伸在基部组件504下方且和基部组件504耦接，以提供多个可加压腔室(包括具有环状形状的非圆形内腔室512a与环状外腔室512b)。通道514a和514b形成穿过基部组件504，以将腔室512a和512b分别流体地耦接到研磨设备中的压力调控器。尽管图5表示了两个可加压腔室，承载头组件500可以具有任何数量的腔室，例如三、四、五、或更多个腔室。
关于研磨处理，挠性膜508可以是疏水的、耐久的、且化学惰性的。挠性膜508可以包括：中心部分520、环状周边部分524、及一或多个环状内翼片528，中心部分520具有可提供用于基材的装设表面522的外表面，环状周边部分524延伸远离研磨表面而连接到基部组件504，环状内翼片528从挠性膜508的中心部分520的内表面526延伸且连接到基部504而将挠性膜508和基部组件504间的容积分隔成可独立加压的非圆形内腔室512a与环状外腔室512b。可以藉由环状夹持环515(其可被视为基部组件504的部分)将翼片528的外缘530固定到基部组件504。可以藉由环状夹持环516(其也可被视为基部504的部分)将环状周边部分524的外缘532固定到基部504，或者环状周边部分524的外缘532可以被夹持在保持环510与基部组件504间。尽管图5表示了一个翼片528，承载头组件500可以具有两个或更多个翼片。
图6为沿着图5线6-6的图5承载头组件500的一实施例的顶视剖面图。在一实施例中，非圆形内腔室512a相对于挠性膜508的中心为偏移的。非圆形内腔室512a是藉由环状内翼片528来形成。外腔室512b是由挠性膜508的环状内翼片528与环状周边部分524来界定。各腔室512a、512b可各自地加压到相同或不同的压力。
图7为使用在此所描述实施例的承载头组件500和研磨技术的基材在化学机械研磨处理后的研磨轮廓700的示意图。研磨轮廓700显示中心区域702、边缘区域704、及介于中心区域702与边缘区域704间的过渡区域706。图7的研磨轮廓700与图1B的研磨轮廓108的比较显示图1B的尖锐的边界过渡106已被更平滑的过渡区域706所取代，因此减少或去除了现有技术研磨处理中所存在的尖锐的边界过渡。内过渡边界708与外过渡边界710界定该过渡区域706。中心区域702在整个研磨处理期间暴露给内腔室512a的一部分，并且由过渡区域706界定的区域在研磨处理期间周期性地暴露给内腔室512a。
图8为承载头组件800的另一实施例的顶视剖面图。承载头组件800包含：星形内腔室812a与外圆形腔室812b。星形内腔室812a是由星形翼片828来形成。外圆形腔室812b是由挠性膜808的星形翼片828与环状周边部分824来界定。各腔室812a、812b可各自地加压到相同或不同的压力。在操作时，由星形翼片828所形成的星形区域的中心部分830在整个研磨处理期间维持成和基材的背侧的区域接触，而由星形翼片828所形成的星形区域的点832在整个研磨处理期间周期性地接触基材的不同区域。
图9为承载头组件900的另一实施例的顶视剖面图。承载头组件900包含：三角形腔室912a与外圆形腔室912b。三角形腔室912a是由三角形翼片928来形成。外圆形腔室912b是由挠性膜908的三角形翼片928与环状周边部分924来界定。各腔室912a、912b可各自地加压到相同或不同的压力。在操作时，由三角形翼片928的中心部分930在整个研磨处理期间维持成和基材的背侧的区域接触，而三角形翼片928的点932在整个研磨处理期间周期性地接触基材的背侧的不同区域。
在此描述的具有非圆形的、非同心的和/或复杂的内部缓冲体(inner relief)的特定实施例也可以包括负载传递材料，例如发泡材料，作为传输非对称压力轮廓到基材的手段。当负载传递材料被压缩时，负载传递材料将负载传递到基材。在特定实施例中，负载传递材料可以和在此描述的挠性膜并用。在特定实施例中，负载传递材料可以用来替代在此描述的挠性膜，因此其以类似于在此描述的非对称挠性膜的方式来执行。
在特定实施例中，负载传递材料可以是几乎不会记忆或不会记忆的黏弹性体(visco-elastomer)，以致提供良好的负载传递特性。在特定实施例中，负载传递材料可以是对温度敏感的具有较高密度的记忆泡棉。在特定实施例中，负载传递材料可以是对压力敏感的具有较低密度的记忆泡棉。在特定实施例中，负载传递材料可以是软的聚合材料，例如聚氯乙烯(PVC)。或者，负载传递材料可以是硬的聚合物，例如具有譬如55％/35％/10％重量百分比的聚苯硫醚(PPS)、碳纤维与聚四氟乙烯(PTFE，诸如Teflon
其可由E.I.Dupont获得)的混合物。其它可行的负载传递材料包括但不限于苯乙烯-马来酸酐共聚合物(SMA)、苯乙烯、聚丙烯、聚胺基甲酸酯(热固型)、聚乙烯、聚氯乙烯、及丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)。
图10为承载头组件1000的一实施例的剖面图。承载头组件1000类似于图2的承载头200，除了在承载头组件1000中添加了负载传递材料1010且改动了环状夹持环1015之外。尽管图上显示负载传递材料1010位在环状夹持环1015与挠性膜208之间，但应了解负载传递材料1010可以被定位在承载头组件1000中的使负载传递材料1010将负载传递到基材的任何位置处。
在特定实施例中，可以改变负载传递材料的厚度，以在具有不同负载、承载头旋转速度、研磨垫旋转速度、负载传递材料等的操作条件下提供最佳的结果。
尽管前述说明涉及本发明的实施例，但可以在不脱离本发明的基本范畴下设想出本发明的其它与进一步实施例，并且本发明的范畴由随附的权利要求书来决定。
Claims (15)
1.一种能绕着中心线旋转以用于基材的化学机械研磨的承载头组件，该承载头组件包含：
基部组件，设以提供用于所述基材的支撑；
挠性膜，被装设在所述基部组件上且具有大致圆形的中心部分，所述中心部分具有提供用于基材的装设表面的下表面；及
多个能独立加压的腔室，其形成在所述基部组件与所述挠性膜之间，所述多个能独立加压的腔室包含：
环状外腔室；及
非圆形内腔室。
2.如权利要求1所述的承载头组件，其中所述挠性膜还包含：至少一挠性翼片，被固定到所述基部组件以形成所述多个能独立加压的腔室。
3.如权利要求1所述的承载头组件，其中所述挠性膜还包含：椭圆形翼片，被固定到所述基部组件以形成所述多个能独立加压的腔室。
4.如权利要求1所述的承载头组件，其中所述挠性膜还包含：三角形翼片，所述三角形翼片被固定到所述基部组件以形成所述多个能独立加压的腔室。
5.如权利要求1所述的承载头组件，其中所述挠性膜还包含：星形翼片，所述星形翼片被固定到所述基部组件以形成所述多个能独立加压的腔室；以及，其中所述非圆形内腔室被定位成相对于所述环状外腔室为同心的。
6.如权利要求1所述的承载头组件，其中所述非圆形内腔室被定位成相对于所述中心线为离开中心的。
7.如权利要求7所述的承载头组件，其中所述非圆形内腔室由翼片来界定，所述翼片选自包含星形翼片、三角形翼片及椭圆形翼片的群组，所述翼片被固定到所述基部组件以在所述基部组件与所述挠性膜之间形成所述能独立加压的腔室。
8.如权利要求3所述的承载头组件，其中所述非圆形内腔室被定位成相对于所述环状外腔室为同心的。
9.如权利要求4所述的承载头组件，其中所述非圆形内腔室被定位成相对于所述环状外腔室为同心的。
10.如权利要求1所述的承载头组件，其中所述至少一或多个挠性翼片藉由环状夹持环被固定到所述基部组件。
11.如权利要求10所述的承载头组件，其中所述挠性膜的环状周边部分藉由所述环状夹持环被固定到所述基部组件，及其中所述环状周边部分被夹持在保持环与所述基部组件之间。
12.一种用以和化学机械研磨承载头组件的基部组件耦接的挠性膜，所述挠性膜包含：
中心部分，具有内表面与外表面，所述外表面提供用于基材的装设表面；
环状周边部分，其延伸远离所述装设表面以和所述基部组件耦接；及
一或多个非圆形内翼片，其延伸远离所述中心部分的内表面，其中所述一或多个非圆形内翼片设以和所述基部组件耦接以形成多个能独立加压的腔室。
13.如权利要求12所述的挠性膜，其中所述一或多个内翼片选自包含星形翼片、三角形翼片及椭圆形翼片的群组。
14.如权利要求12所述的挠性膜，其中所述一或多个非圆形内翼片相对于所述环状周边部分为非同心的。
15.如权利要求14所述的挠性膜，其中所述一或多个内翼片选自包含星形翼片、三角形翼片及椭圆形翼片的群组。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140917 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |