CN102725829A - 用以于化学机械研磨期间减少基材边缘应力的基板固持件 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例一般关于化学机械研磨基材的方法。该方法一般包含：将待研磨的第一基材耦接至伪基材；及移除第一基材背侧的部分以减少第一基材的厚度。第一基材及伪基材系置于承载头组件中，该承载头组件包括可膨胀膜及支撑环。第一基材系放置与研磨垫接触，以减少第一基材背侧的表面粗糙度。支撑环限制可膨胀膜的侧向移动，以防止第一基材接触承载头组件的内侧表面。支撑环经调整尺寸以允许可膨胀膜于承载头组件内的垂直移动。

Description

用以于化学机械研磨期间减少基材边缘应力的基板固持件

技术领域

本发明的实施例一般关于用于基材的化学机械研磨的方法，及执行该方法的设备。

背景技术

通孔已使用于半导体制造，以提供于半导体装置内的一或多层导电材料间的电性耦接。近来，出现硅通孔(through-silicon vias,TSV)作为传统打线的替代方案。硅通孔允许藉由于z轴中形成互连而达成更短的互连。互连系藉由形成从基材的前表面延伸至后表面的通道，穿过基材而产生。于z轴中产生互连后，多重基板可彼此堆迭于顶端，且多重基板经由垂直延伸的互连而电性耦接。硅通孔基材可于半导体应用中提供用以减少基材的占地面积的手段。

因此，于此技术中需要一种方法及设备，以处理适用于TSV应用中的基材。

发明内容

本发明的实施例一般关于化学机械研磨一基材的方法。该方法一般包含以下步骤：耦接待研磨的第一基材至伪基材；及移除第一基材背侧的部分以减少第一基材的厚度。第一基材及伪基材系置于承载头组件中，该承载头组件包括可膨胀膜及支撑环。第一基材系放置与研磨垫接触，以减少第一基材背侧的表面粗糙度。支撑环限制可膨胀膜的侧向移动，以防止第一基材接触承载头组件的内侧表面。支撑环经调整尺寸以允许可膨胀膜于承载头组件内的垂直移动。

于一实施例中，一种方法包含以下步骤：耦接第一基材至第二基材。第一基材具有第一表面及第二表面，该第一表面与第二基材接触且该第二表面系相对第一表面。放置第二基材及第一基材于承载头组件中。承载头组件包括可膨胀膜及支撑环，该可膨胀膜与第二基材接触，该支撑环系配置环绕于可膨胀膜。将第一基材的第二表面接触至一研磨垫，以减少第一基材的第二表面的表面粗糙度。

于另一实施例中，一种方法包含以下步骤：耦接第一基材的第一表面至第二基材。放置第二基材及第一基材于承载头组件中。承载头组件包括可膨胀膜及支撑环，该可膨胀膜与第二基材接触，该支撑环系配置环绕于可膨胀膜及第二基材。可膨胀膜包括一纹路表面。支撑环系放置以减少可膨胀膜及第二基材的侧向移动，使得第一基材于研磨期间不与承载头组件的内侧表面接触。将第一基材的第二表面接触至研磨垫，以减少第一基材的第二表面的表面粗糙度。

于另一实施例中，一种方法包含以下步骤：使用环氧树脂而耦接第一基材的第一表面至第二基材。第一基材的第一表面相对第二表面，且第一表面具有装置特征结构形成于第一表面上。放置第二基材及第一基材于承载头组件中。承载头组件包括可膨胀膜及支撑环，该可膨胀膜与第二基材接触，该支撑环系配置环绕于可膨胀膜及第二基材。支撑环经调整尺寸以限制可膨胀膜的所有侧向移动，但允许可膨胀膜以垂直方向行进。将第一基材接触至研磨垫，以减少第一基材的第二表面的表面粗糙度。

附图说明

藉此上述所引用的本发明特征的方法可被详细理解，本发明的更详细说明(简短摘要于发明内容)可参考实施例而获得，一些实施例系显示于随附的图式中。然而，应注意者，随附的图式仅作为说明本发明的典型实施例，且因此不应被视为对本发明的范围的限制，且可允许其他等效的实施例。

图1为包含承载头的研磨平台的一实施例的概要截面图。

图2A及图2B为使用于基材处理的承载头组件的概要截面图。

图3A为使用于承载头膜的膜支撑结构的一实施例的概要立体图。

图3B及图3C为使用于承载头的膜的纹路表面的概要图。

图4A及图4B为承载头组件的概要截面图。

为帮助了解，将尽可能的使用相同的元件符号，以指定常见于图式中的相同元件。需考量者，一实施例的元件可有益地纳入其他实施例中而无须特定的引用。

具体实施方式

本发明的实施例一般关于化学机械研磨一基材的方法。该方法一般包含以下步骤：耦接待研磨的第一基材至伪基材；及移除第一基材背侧的部分以减少第一基材的厚度。第一基材及伪基材系置于承载头组件中，该承载头组件包括可膨胀膜及支撑环。第一基材系放置与研磨垫接触，以减少第一基材背侧的表面粗糙度。支撑环限制可膨胀膜的侧向移动，以防止第一基材接触承载头组件的内侧表面。支撑环经调整尺寸以允许可膨胀膜于承载头组件内的垂直移动。

本发明的实施例系有益于处理适用于硅通孔应用的基材。用以于基材上执行化学机械研磨的合适设备为REFLEXION LK^TM及REFLEXION GT CMP系统，可由应用材料企业(Santa Clara,Califonia)而商业取得。应考量者，其他可商业取得的化学机械研磨系统可有利地使用于此所揭露的实施例。

图1为包含承载头主体104的研磨平台100的一实施例的部分截面图。研磨平台100包含承载头组件102及平台组件120。于研磨期间，第一基材110及第二基材112系配置于承载头组件102中。承载头组件102一般保持第一基材110对着配置于平台组件120上的研磨垫组件130。承载头组件102或平台组件120的至少其中的一转动或者移动以提供第一基材110与研磨垫组件130间的相对位移。于图1所示的实施例中，承载头组件102耦接至致动器或马达150，致动器或马达150至少提供第一基材110绕轴118的转动位移。马达150亦可震动承载头组件102，使得第一基材110越过研磨垫组件130的表面132而侧向来回移动。

研磨垫组件130可包括配置于平台组件120上作为垫的传统材料，如发泡聚合物。于一实施例中，传统研磨材料系发泡聚氨基甲酸酯。于一实施例中，垫系IC1010聚氨基甲酸酯垫，可从Rodel Inc.而获得(Newark,Delaware)。IC1010聚氨基甲酸酯垫一般具有约2.05mm的厚度及约2%的压缩性。可使用其他垫，包含IC1000垫、IC1010垫及其可从其他制造商取得的研磨垫，可于IC1000垫的下具有或不具有额外的压缩底层，可于IC1010垫的下具有或不具有额外的压缩底层。于此所述的成分系置放于垫上以对基材的化学机械研磨产生贡献。

于一实施例中，承载头组件102包含界定有基材接收凹穴的承载头主体104。基材接收凹穴允许第一基材110及第二基材112设置于其中。膜114系设置于基材接收凹穴中且可抽空以夹持第二基材112至承载头组件102，并于压抵研磨垫组件130时，加压以控制第一基材110的向下力。膜114系藉由支撑环106而环绕包围。于一实施例中，承载头可为多重区域承载头。一个合适的承载头组件102为可由应用材料企业(Santa Clara,California)取得的TITAN HEAD^TM承载头。

平台组件120藉由轴承156而支撑于基底154上，轴承156帮助平台组件120绕轴117转动。马达158系耦接至平台组件120并转动平台组件120，使得研磨垫组件130相对承载头组件102而移动。

使用结合的浆/清洗臂组件或流体输送臂组件140以从浆供应器161经由管163而输送浆至研磨垫组件130的表面132。于替代实施例中，可经由分离的输送臂组件而提供清洗流体及处理流体至研磨垫组件130。于图1所示的实施例中，流体输送臂组件140包含从支柱144延伸的臂142。提供马达146以控制臂142绕支柱144的中心线转动。可提供调整机构147以控制臂142的末端148相对研磨垫组件130的工作表面的高度。调整机构147可为耦接至臂142或支柱144的至少的一的致动器，调整机构147用以控制臂142的末端148相对平台组件120的高度。

流体输送臂组件140可包含复数个浆出口埠160，该等浆出口埠160系配置成均匀地输送清洗流体的雾及/或流至研磨垫组件130的表面。埠160藉由经过流体输送臂组件140至清洗流体供应器164的管162而耦接。于一实施例中，流体输送臂组件可具有12个至15个之间的埠。清洗流体供应器164提供清洗流体至研磨垫组件130，以于研磨含有相变化合金的基材之前、之期间及/或之后，且/或于第一基材110被移除之后，能清洗研磨垫组件130。亦可于使用调节元件(如钻石盘或刷，图未示)而调节垫之后，研磨垫组件130使用从埠160所输送的流体而清洗。研磨平台100亦可包含垫调节器设备(图未示)，以维持调节研磨垫组件130，使得研磨垫组件130将有效地研磨第一基材110。垫调节器可耦接至臂142，或可耦接至分离臂(图未示)。

喷嘴组件166系设置于臂142的末端。喷嘴组件166系藉由经过流体输送臂组件140的管168而耦接至浆供应器161。浆供应器161一般可供应任何的处理流体。处理流体供应器可为研磨浆或研磨剂。喷嘴组件166包含可相对臂而选择性地调节的喷嘴170，使得离开喷嘴170的流体可选择性地被引导至研磨垫组件130的特定区域。

于一实施例中，喷嘴170系构成以产生浆喷雾。于另一实施例中，喷嘴170系适于提供浆流。于另一实施例中，喷嘴170系构成以约200至500ml/seond的流率而提供浆流及/或喷雾至研磨表面。

于图1所示的实施例中，第一基材110可为使用于硅通孔应用中的基材。第一基材110一般具有约100微米或更少的厚度。因为基材薄且可挠，第一基材110耦接至第二基材112作为支撑。第二基材可具有约两英吋的厚度。若装置特征结构形成于第一基材110的表面上，接着第一基材110及第二基材112耦接至一起，使得装置特征结构位于两基材之间，如具有装置特征结构形成于其上的第一基材110的表面朝向第二基材112。以此方式来将基材予以定向以于后续制程期间保护形成于第一基材110上的装置特征结构。

当耦接第一基材110及第二基材112时，两基材可藉由环氧树脂，或其他不会于基材上具有不良效应的合适材料而耦接固定。第二基材112一般为玻璃伪基材或牺牲基材。于耦接第一基材110及第二基材112后，但于化学机械研磨第一基材110前，可移除第一基材110的部分。第一基材110的厚度可使用机械研磨或蚀刻而减少。已减少厚度的第一基材110允许于TSV及堆迭晶片的应用中使用。一般来说，第一基材于减少厚度前具有约等于第二基材的初始厚度。使用以减少第一基材110的厚度的制程通常于第一基材的背侧上留下粗糙表面。为减少于第一基材110的背侧上的表面粗糙度，使用化学机械研磨。已减少厚度的第一基材110使得基材可挠且易碎。因此，第一基材110系耦接至第二基材112，作为于研磨第一基材110期间的额外支撑手段。

图2A图2A为使用于基材处理的承载头组件的概要截面图。承载头组件具有界定基材接收凹穴的承载头主体204a。基材接收凹穴于化学机械研磨制程期间适于容纳第一基材210a及第二基材212a。

膜214a设置于基材接收凹穴内。膜214a可为挠性弹性膜。于一实施例中，膜214a可为高强度硅胶。膜214a的表面213a通成具有纹路以增加膜214a及第二基材212a间的摩擦力。当第二基材212a与第一基材210a置放于承载头主体204a的基材接收凹穴中时，由纹路表面213a所提供的摩擦力防止第二基材212a或与第二基材212a耦接的第一基材210a相对膜214a而移动或滑动。若第二基材212a相对膜214a而移动或滑动，第一基材210a会造成与承载头主体204a接触。如前所述，第一基材210a系薄且可挠，且会易于破裂。若第一基材210a造成与承载头主体204a接触，第一基材210a的外侧缘易于增加应力，此会导致基材剥落、破裂、断裂或折断。

支撑环206a系设置环绕于膜214a。支撑环的目的系于承载头组件202a内允许膜214a的垂直移动，同时限制膜214a的水平移动。此外，支撑环206a提供对膜214a的侧向支撑及刚性，允许膜214a保持其形状且不于水平方向过度弯曲。膜214a系由挠性材料所形成，且于研磨期间，若未提供充分的支撑，膜214a可允许第一基材210a与承载头主体204a的内侧壁208a接触。举例来说，可因施加于承载头组件202a的摇摆移动而使第一基材210a与承载头主体204a接触。

支撑环206a可由弹性材料而形成且夹持膜214a。介于支撑环206a与承载头主体204a的内侧壁208a间的距离较佳地恰为足以允许膜214a于垂直方向浮动、但实质上无垂直移动的距离。举例来说，当膜位于承载头组件202a中央时，介于支撑环206a与承载头主体204a间的距离可为约一万分的一英吋。于另一实施例中，减少支撑环内径且不使用膜夹持，以将支撑环206a紧固至膜214a。因此，当施加压力于膜时，膜扩张且进一步减少于膜214a与内侧壁208a间的间隙。此外，此扩张亦增加膜的硬度或刚性，而可允许第一基材210a及第二基材212a实质上停留于承载头主体204a的中央。

藉由令支撑环206a具有实质上与承载头主体的内径相同的外径，膜于水平方向的移动受限。于第一基材偏离中央地粘着至第二基材212a的例子中，于水平方向的限制系有益于保护第一基材210a。举例来说，若第一基材210a耦接至第二基材212a使得第一基材210a的一部分延伸经过或突伸越过第二基材212a的外径时，此将可能发生一些第一基材210a将与承载头主体204a接触的例子。然而，若支撑环206a实质上抑制膜及藉由摩擦力而保持的第一和第二基材的所有水平移动，则第一基材210a将较不可能与承载头主体204a接触。厚度增加的支撑环(如，具有外径实质上与承载头主体204a的内径相等或略少的支撑环)帮助保护第一基材210a的边缘。所增加的支撑环厚度以限制膜214a的侧向移动，与所增加的表面213a的摩擦力，此两者的结合可保持第二基材于合适位置，藉此减少施加于第一基材210a的边缘应力。

此外，承载头主体204a的内侧壁208a系实质平面。举例来说，承载头主体204a的内侧壁208a可实质上由实质平面所组成。较佳地不具有任何帮助流体流动的沟槽或其他任何于内侧壁208a中的变形。当沟槽出现时，可能会使第一基材210a或第二基材212a接触此沟槽。此会导致第一及第二基材偶尔接触沟槽处的不平均的磨损点的形成。此外，若第一基材210a接触沟槽，可能产生第一基材剥落或破裂。既然膜214a允许于垂直方向移动，第一基材210a可能会于内侧壁208a上摩擦，直到第一基材210a接触沟槽而损坏第一基材210a。

图2B图2B为使用于基材处理的承载头组件的概要截面图。于图2B图2B的实施例中，承载头组件202b具有界定基材接收凹穴的承载头主体204b。膜214b设置于基材接收凹穴中。膜具有纹路表面213b，该纹路表面213b具有相对高的摩擦系数。纹路表面213b系设置与第二基材212b接触，该第二基材212b与第一基材210b耦接。一旦第二基材212b放置成与膜214b接触，膜214b的纹路表面213b防止第二基材212b相对膜214b而移动。

支撑环206a系设置环绕、且与膜214a及第二基材212b接触。尽管于图2B图2B中的支撑环系显示为沿着大部分的第二基材212b的侧壁延伸，支撑环实质上不必要与第二基材212b的所有侧壁接触。举例来说，支撑环206b可与至少约25%、至少约50%或至少约75%的第二基材212b的侧壁接触。

支撑环206b可夹持膜214b，且允许第二基材嵌入于支撑环206b中以研磨。如图2B图2B中所示的延伸支撑环系额外地用以相对膜214b而保持第二基材于适当位置。举例来说，支撑环206b可保持第二基材212b于膜214b的中央。可使用纹路表面213b及支撑环206b两者以防止第一基材210b与承载头主体204b的内侧壁208b接触。

图3A为使用于承载头膜的膜支撑结构的一实施例的概要立体图。膜支撑结构包括复数个同心圆315a-d。适于膨胀的膜(如，气囊，图未示)可环绕于同心圆。同心圆315a-d提供额外的硬度以于化学机械研磨期间减少膜的侧向移动。同心圆315a-d通常由与膜相同的材料而形成，且同心圆315a-d可耦接至膜的内侧表面以减少于膜内的移动。此外，同心圆315a-d可具有孔穿越(图未示)，以允许介于同心圆315a-d间的空间被加压而膨胀并维持基材抵顶研磨垫、或被抽真空以夹持基材至承载头。同心圆315a-d帮助防止膜于化学机械研磨期间因所施加的摇摆移动而变形或偏斜。若膜偏斜，任何所研磨的基材可与承载头的侧壁接触，因而损害基材。

第3B及3C图为使用于承载头的膜的纹路表面的概要图。于图3B中，纹路藉由一组沟槽316a-c而提供，该组沟槽316-c系从接近膜314b的表面的中心处径向延伸。沟槽可为径向对称，或可形成交错配置图案，或可为随机配置。于图3B的实施例中，显示有三个沟槽。然而，沟槽的数量、尺寸及位置可依据特定应用而改变。于图3C的实施例中，纹路系藉由从膜314c的表面突出的凸块319c而提供。凸块可形成图案，或随机形成于膜314c的表面。举例来说，凸块319c可形成同心圆状、螺旋状或可形成于区域内。于图3C的实施例中，凸块从膜314c的表面的中心以直线辐射向外辐射。然而，只要凸块提供足够的纹路，亦可为其他变化。此外，凸块319c可具有越过膜314c的表面的均匀集中，或凸块319c可具有不同集中的区域。凸块319c可具有一致的高度，或凸块可具有不同的高度。

图4A为承载头组件400a的概要截面图。配置于承载头主体404a中的膜414a缺乏足够的硬度及用以支撑的内侧同心圆两者。因此，当第一基材410a受到化学机械研磨制程时，膜414a于承载头主体404a中变成偏斜形状。因为膜414a偏斜，第一基材410a容许与承载头主体404a的内侧壁408a接触。此接触增加于第一基材410a边缘的应力，而导致破裂、剥落或折断。应注意者，可使用合适尺寸的支撑环406a以增加硬度并减少膜414a的弯曲。

此外，第一基材410a容许与承载头主体404a的内侧壁408a的接触，这是因第二基材412a容许相对膜414a而移动。当于第二基材412a及膜表面415a间无足够的摩擦力时，第二基材412a可相对膜414a而滑动或移动。且由于相对小尺寸的支撑环406a(这允许于支撑环406a与承载头主体404a的内侧壁408a间的大间隙)，使得膜414a具有大范围的侧壁移动。大范围的水平移动允许第一基材410a接触内侧壁408a。此对于第一基材410a从第二基材412a偏心的例子，及/或第二基材412a从膜414a偏心的例子系特别有问题的。

图4B为承载头组件400b的概要截面图。膜414b具有足够的硬度，使得膜414b于化学机械研磨制程期间不偏斜或水平地弯曲。然而，膜414b仍允容许于垂直方向移动，此可藉由膜414b中的压力量而影响或控制。支撑环406b具有足够的厚度，使得第一基材410b及第二基材412b不与承载头主体404b的内侧壁408b接触。此外，膜表面415b具有足够的纹路及够高的摩擦力系数，使得第二基材412b于研磨期间不相对膜414b而移动。结合膜表面415b的纹路与膜414b的硬度和支撑环406b防止第一基材与承载头主体404b接触。

于此所述的实施例提供用于薄、挠性或易碎基材的化学机械研磨的方法与设备。藉由于承载头内限制可膨胀膜的移动，易碎基材不容许与承载头接触，且因此不易受到增加的可折断基材的边缘应力。同时，合适尺寸的支撑环，于当第一基材偏心粘着至第二基材时，帮助防止第一基材接触承载头。此外，可膨胀膜的纹路表面帮助防止与可膨胀膜接触的第二基材滑离中心且接触承载头。藉由减少第一基材与承载头间的接触，第一基材所受到的损害或应力的程度可减少。藉由最小化对其造成的损害，此可导致较高的整体产出及较高品质的基材。

尽管前述系关于本发明的实施例，可设计出本发明的其他或进一步的实施例，且不背离其基本范围，且其范围系由以下的权利要求而决定。

Claims (15)

1.一种方法，该方法包括以下步骤：

耦接一第一基材至一第二基材，该第一基材具有一第一表面及一第二表面，该第一表面与该第二基材接触且该第二表面系相对该第一表面；

放置该第二基材及该第一基材于一承载头组件中，该承载头组件包括：

一可膨胀膜，该可膨胀膜与该第二基材接触；及

一支撑环，该支撑环系配置环绕于该可膨胀膜；及

将该第一基材的该第二表面接触至一研磨垫，以减少该第一基材的该第二表面的表面粗糙度。

2.如权利要求1所述的方法，其中该支撑环经调整尺寸以限制该可膨胀膜的所有侧向移动，但允许该可膨胀膜以垂直方向行进。

3.如权利要求1所述的方法，其中介于该支撑环及该承载头组件的一内侧表面间的平均距离系低于约一万分的一英吋。

4.如权利要求3所述的方法，其中该承载头组件的该内侧表面系实质上由一平面所组成。

5.如权利要求4所述的方法，其中该第一基材系使用一环氧树脂而耦接至该第二基材。

6.如权利要求5所述的方法，其中该第一基材包括一硅通孔及一装置特征结构，该装置特征结构形成于该第一表面上。

7.如权利要求6所述的方法，该方法更包括以下步骤：

于将该第一基材的该第二表面接触至一研磨垫的步骤前，移除该第一基材的该第二表面的一部分，以减少该第一基材的厚度。

8.一种方法，该方法包括以下步骤：

耦接一第一基材的一第一表面至一第二基材；

放置该第二基材及该第一基材于一承载头组件中，该承载头组件包括：

一可膨胀膜，该可膨胀膜与该第二基材接触，该可膨胀膜包括一纹路表面；及

一支撑环，该支撑环系配置环绕于该可膨胀膜及该第二基材，该支撑环系放置以减少该可膨胀膜及该第二基材的侧向移动，使得该第一基材于研磨期间不与该承载头组件的一内侧表面接触；及

将该第一基材的一第二表面接触至一研磨垫，以减少该第一基材的该第二表面的表面粗糙度。

9.如权利要求8所述的方法，其中于该承载头中的该可膨胀膜实质上无侧向移动。

10.如权利要求9所述的方法，其中介于该支撑环及该承载头组件的一内侧表面间的平均距离系低于约一万分的一英吋,其中该承载头组件的该内侧表面系实质上由一平面所组成。

11.如权利要求10所述的方法，该方法更包括以下步骤：

于将该第一基材的一第二表面接触至一研磨垫的步骤前，移除该第一基材的该第二表面的一部分，以减少该第一基材的厚度,

其中该第一基材系使用一环氧树脂而耦接至该第二基材。

12.如权利要求11所述的方法，其中该支撑环接触至少约25%的该第二基材的侧壁。

13.如权利要求12所述的方法，其中该支撑环接触至少约50%的该第二基材的侧壁。

14.一种方法，该方法包括以下步骤：

使用一环氧树脂而耦接一第一基材的一第一表面至一第二基材，该第一基材的该第一表面相对一第二表面，该第一表面具有一装置特征结构形成于该第一表面上；

放置该第二基材及该第一基材于一承载头组件中，该承载头组件包括：

一可膨胀膜，该可膨胀膜与该第二基材接触；及

一支撑环，该支撑环系配置环绕于该可膨胀膜及该第二基材，该支撑环经调整尺寸以实质限制该可膨胀膜的所有侧向移动，但允许该可膨胀膜以垂直方向行进；及

将该第一基材接触至一研磨垫，以减少该第一基材的该第二表面的表面粗糙度。

15.如权利要求14所述的方法，其中该支撑环接触至少约25%的该第二基材的侧壁。

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