CN102806518A - 膜总成及具有所述膜总成的承载头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在化学机械抛光设备中的承载头的膜总成。所述膜总成包括主要膜及圆形环。所述主要膜具有在执行化学机械抛光工艺时与圆片接触的圆片接触表面。所述圆形环安置于所述主要膜的边缘部分处且接收空气压力以在所述边缘部分处将所述空气压力向下施加至所述主要膜。

Description

膜总成及具有所述膜总成的承载头

相关申请案的交叉参考

本美国非临时专利申请案依据35U.S.C§119主张2011年5月31日申请的第10-2011-0051797号韩国专利申请案的优先权，所述案的全部内容特此以引用的方式并入本文中。

技术领域

本文中所揭示的本发明涉及一种化学机械抛光设备的承载头，且更特定来说，涉及一种膜总成及具有所述膜总成的承载器，所述膜总成及所述承载器可通过对圆片的边缘部分加压而扩大圆片的有效区域。

背景技术

化学机械抛光(CMP)设备用于通过消除单元区与外围电路区之间的高度差来广泛地使圆片的表面平坦化，所述高度差是由因重复地执行掩蔽工艺、蚀刻工艺及布线工艺而产生的不均匀圆片表面引起的。而且，CMP设备用于精确地抛光圆片表面，以改善因分离接触/布线层从而形成电路并高度集成装置引起的圆片表面粗糙度。

在CMP设备中，在抛光工艺期间承载头通过直接及间接地真空抽吸圆片来固持或接收圆片，同时圆片的抛光表面面向抛光垫。通常，正广泛地使用膜类型的承载头。又，已提议一种多区划分抛光承载头技术，在所述技术中，可通过在圆片的表面上局部地施加不同压力来以各种方式控制圆片的抛光轮廓。相较于通过简单地在圆片的表面上施加均匀压力来均匀地抛光圆片的表面的技术来说，此技术为更先进技术。

图1a及图1b为说明典型多区划分抛光膜类型的承载头H的结构及在将某些空气压力P1及P2分别加载至所划分腔室C1及C2中时的承载头H的操作状态的示意图。

如图1a中所图示，膜110安装于承载头H的底表面上。环状膜支撑杆120整体地形成于膜110的顶表面上。膜110被环状膜支撑杆120划分成内腔室C1及外腔室C2。膜110通过以下各者而固定：堆叠于膜11的上部部分内部的膜板11及膜夹钳12，以及环绕膜板11及膜夹钳12的外圆周的固持环3。

在上文所描述的承载头H中，当分别经由中心空气通路2及外部空气通路24加载预定空气压力P1及P2时，如图1b中所图示，空气压力P1将预定压力施加至内腔室C1以允许内腔室C1膨胀。此外，空气压力P2将预定压力施加至外腔室C2以允许外腔室C2膨胀。此时，由于膜支撑杆120的上端通过膜板11及膜夹钳12而固定，因此膜支撑杆120并不因内腔室C1及外腔室C2的膨胀而变形。因此，沿膜支撑杆120的下端的外圆周在内腔室C1与外腔室C2之间形成明显圆形拐折点121。

拐折点121对执行多重抛光工艺有不利影响，所述多重抛光工艺是通过局部差压负载来执行以在单一圆片的表面上实现预定区划分轮廓。换句话说，由于圆片的后表面在拐折点121的一部分处的明显形状/压力变化下被不稳定地加压，因此区划分边界处的抛光速度降低，且因此发生异常抛光现象。因此，减小了半导体的生产成品率。

在上文所描述的典型承载头的状况下，圆片吸附于耦合至承载头的底表面的膜的底表面上。在这种状况下，为了固定圆片，使用间接抽吸方法。对于间接抽吸方法来说，由于递送至圆片的腔室真空压力相对小于递送至膜的压力，因此可发生圆片抽吸错误。因此，在递送圆片或装设/卸下圆片期间圆片可能与承载头分离，且因此受到损坏。

具体来说，在典型承载头膜的状况下，由于压力无法均匀地施加至吸附于膜的底表面上的圆片，且因此圆片的边缘区被不充分地抛光。因此，圆片的包括边缘区的整个区无法被用以生产半导体装置，从而导致成品率的恶化。

同时，膜为承载头中的相对昂贵的组件，但膜为在抛光工艺期间部分损坏的消耗品，或膜在长时间使用之后无法再使用。因此，必须周期性地更换膜。然而，由于膜具有复杂的结构，所述复杂结构具有用于耦合至膜夹钳的固定部分及用于多区划分抛光的分割区，因此膜的更换需要组装及拆卸承载头的组件。此情形使承载头的使用期限及抛光工艺的效率恶化。

因此，需要一种膜，所述膜可易于用新膜更换且在更换膜期间不会损坏承载头的组件。

发明内容

本发明提供一种承载头，其被设计成易于抽吸及装设/卸下圆片且具有极佳抛光工艺效率。

本发明也提供一种膜，其可通过在所述圆片的整个区域上施加均匀压力而改善抛光工艺效率。

本发明也提供一种膜，其可易于对准并提供牢固紧密接触。

本发明的实施例提供一种在化学机械抛光设备中的承载头的膜总成，所述膜总成包括：主要膜，其具有在执行化学机械抛光工艺时与圆片接触的圆片接触表面；以及圆形环，其安置于所述主要膜的边缘部分处且接收空气压力从而将所述空气压力向下施加至所述主要膜。

在一些实施例中，所述圆形环可具有中空剖面，所述中空剖面经形成以具有关于所述圆片接触表面倾斜的倾斜表面。

在其他实施例中，所述膜总成可进一步包括划分膜，所述划分膜具有用于界定数个腔室的至少一个分割区且安置于所述主要膜的顶表面上。

在再其他实施例中，所述圆形环可包括：外壁，其与所述主要膜的边缘翼形部的内表面接触；所述倾斜表面，其安置于所述外壁的相反表面处以将所述空气压力的方向自水平方向改变至垂直方向；以及向下突起，其自所述外壁及所述倾斜表面向下延伸。

在甚至其他实施例中，所述主要膜可包括自所述主要膜的所述边缘部分垂直地延伸的翼形部部分，及自所述翼形部部分延伸的边缘腔室，所述边缘腔室与所述倾斜表面接触以便将所述空气压力施加至所述倾斜表面。

在又其他实施例中，所述边缘腔室可包括直接与所述圆形环的所述倾斜表面接触的倾斜部分。

在其他实施例中，所述划分膜可包括形成于所述划分膜的顶表面上的环状加压突起。

在再其他实施例中，所述主要膜可包括定位突起，所述定位突起形成于所述主要膜的所述顶表面上的位置处，对应于所述划分膜的中心通孔。

在甚至其他实施例中，所述主要膜可具有大于所述划分膜的厚度。

在又另一实施例中，所述主要膜的所述边缘部分可包括边缘翼形部，且所述边缘翼形部可包括向下形成于所述边缘翼形部的内表面上且提供接收沟槽的突起部分。

在本发明的其他实施例中，一种在化学机械抛光设备中的承载头的膜总成包括：主要膜，其在其平坦底表面上提供圆片接触表面且包含形成于边缘部分处且接收空气压力的边缘腔室；以及圆形环，其耦合至所述主要膜且在其剖面上具有倾斜表面，所述倾斜表面接收来自所述边缘腔室的空气压力且使所述空气压力转向所述主要膜的所述底表面。

在一些实施例中，所述膜总成可进一步包括划分膜，所述划分膜包含用于提供多个压力腔室的至少一个分割区，且具有将被紧密附着至所述主要膜的顶表面的平坦底表面。

在其他实施例中，所述圆形环可经形成以具有具中空部分的剖面。

在本发明的再其他实施例中，一种承载头包括：根据所述上述实施例中的任一者的膜总成；以及用于将压力供应至所述膜总成的主要膜的空气通路。

附图说明

包括附图以提供对本发明的进一步理解，且附图并入于本说明书中并构成本说明书的一部分。诸图式说明本发明的示范性实施例，且与描述一起用来解释本发明的原理。在诸图式中：

图1a及图1b为典型承载头的截面图；

图2为根据本发明的示范性实施例的承载头的半截面图；

图3为图2的承载头的双层膜的截面图；

图4为描绘于图3中的划分膜的截面图；

图5为描绘于图3中的主要膜；

图6a及图6b分别为圆形环的俯视图和截面图；

图7为根据本发明的示范性实施例的膜总成的截面图；

图8为图7的局部放大图；

图9为提供于图7的划分膜上的多重划分腔室的截面图；以及

图10为说明施加于图9的划分膜的加压突起上的力的示意图。

具体实施方式

下文将参看随附图式更详细地描述本发明的优选实施例。然而，本发明可以不同形式来体现，且不应被解释为限于本文中所阐述的实施例。实情为，提供此等实施例以使得本发明将为详尽的且完整的，且将本发明的范畴完全传达给所属领域的技术人员。

下文中，将结合随附图式来描述本发明的示范性实施例。

本发明揭示包括划分膜、主要膜以及圆形环的膜总成。

图2图示根据本发明的示范性实施例的具有膜总成的承载头。承载头200可包括可旋转地连接至驱动轴(未图示)的驱动单元202。具有形成于固持环206内部的圆片接触表面的膜总成可安置于承载头200的底表面上。

膜总成可包括：划分膜220，其直接接收承载头200中的空气压力；主要膜210，其与划分膜220紧密接触以间接地接收空气压力且具有圆片接触表面；以及圆形环230，其耦合至主要膜以将额外压力施加至圆片的边缘部分。主要膜210及划分膜220可分别固定于承载头的不同组件(例如，膜固持器206)上。

图3为膜总成的划分膜220及主要膜210的截面图。

当从顶部检视时，划分膜220形成于具有中心通孔220h的薄盘型结构中，用于抽吸圆片10的空气压力即是通过中心通孔220h施加。当从顶部检视时，主要膜210也形成于具有中心通孔210h的薄盘型结构中，用于抽吸圆片10的空气压力即是通过中心通孔210h施加。与中心通孔220h相比较，中心通孔210h具有较小直径。

根据示范性实施例的膜总成经由中心通孔施加空气压力以直接抽吸圆片，且可通过将均匀压力递送至圆片的抛光表面来改善抛光质量。

根据本发明的另一示范性实施例，膜总成的划分膜及主要膜可能不具备中心通孔。

划分膜220及主要膜210可由诸如硅橡胶的可挠性或弹性材料形成。划分膜220及主要膜210可由相同材料或不同材料形成。虽然划分膜220及主要膜210形成为较薄的，但其需要高硬度以在严苛的抛光工艺中保持耐久性。因此，膜的硬度可为肖氏(SHORE)A40至50。

膜总成形成于双层膜中，其中划分膜220的底表面与主要膜210的顶表面紧密接触。可提供用于相互耦合且位置固定至划分膜及主要膜的专用耦合单元。为了接收划分膜，主要膜可具有大于划分膜的长度。

根据示范性实施例，由于承载头的膜总成形成于具有划分膜及主要膜的双层结构中，因此与单层膜相比较，有可能大大减小所述膜中的每一者的厚度。在这种状况下，可仅更换易于在抛光工艺期间损坏的主要膜，且因此可减小材料成本。此外，可容易且经济地执行更换工作。

根据示范性实施例的膜总成，经由承载头中的空气通路递送的空气压力被直接施加至划分膜，且间接地施加至主要膜以将压力施加至圆片。

划分膜及主要膜可通过专用单元而夹紧至承载头的其他组件。或者，可仅夹紧主要膜，同时将划分膜稳定地安置于主要膜的顶表面上。

下文中，将通过具体实施例更详细地描述膜总成。由于膜总成为对称的，因此将参看半截面图进行膜总成的描述。

图4说明划分膜。多个垂直分割区222及223形成于划分膜220的顶表面上。划分膜220的底表面为平坦的。设计分割区222及223，以使得通过将不同空气压力施加至相应区，可能实现多区划分抛光。分割区的数目、大小及位置可关于抛光工艺而变化。水平延伸的翼形部224可形成于分割区的末端上，以便通过承载头中的其他组件来夹紧划分膜。分割区的厚度可大于划分膜的厚度以达到可足以承受空气压力的实体支撑力。

加压突起225及226形成于划分膜的顶表面上。当自顶部检视时，加压突起225及226是形成为环形形状的部件。突起225及226与膜总成整体地形成，且局部扩大递送至划分膜的空气压力所施加至的区域。此情形稍后将予以描述。加压突起225及226可形成于划分膜的顶表面上的至少两个位置处。举例来说，加压突起226可形成于接近中心通孔的位置处，且加压突起225可形成于边缘附近，使得划分膜可与主要膜牢固地接触。突起可实质上形成于划分膜的顶表面上的同心圆上。

同时，尽管在图式中未图示，但多个压纹可形成于划分膜的顶表面上。压纹使得有可能操控为薄膜的划分膜，且均匀地分布施加至划分膜的空气压力。

图5说明主要膜。提供划分膜的安置表面的主要膜的顶表面211a为平坦的。边缘翼形部212及213整体地形成于中心通孔部分及边缘部分上以通过承载头中的其他组件来夹紧划分膜。提供用于抽吸圆片的抽吸表面的主要膜的底表面211b为平坦的。

主要膜与圆片直接接触并抽吸圆片。由于主要膜可易于受到化学或物理损坏，因此主要膜的厚度可大于划分膜的厚度。

具备接收沟槽的突起部分215设在由边缘翼形部213界定的内表面上，边缘翼形部213自主要膜的边缘部分垂直延伸。划分膜的末端可插入至接收沟槽216中。此外，突起部分215形成于环形形状中，其向上延伸以提供另一接收沟槽。圆形环耦合于由内表面界定的空间217中，所述内表面由边缘翼形部213及突起部分215界定。

主要膜具备由内表面水平地形成的边缘腔室214，所述内表面由在突起部分215上方的边缘翼形部界定。边缘腔室214包括自边缘翼形部水平地延伸的上部翼形部214a及下部翼形部214b。边缘腔室为空气压力在不通过划分膜的情况下直接施加至的独立腔室。水平施加至边缘腔室的空气压力经由圆形环在垂直方向上改变其方向。稍后将描述此情形。

环状定位突起218可在主要膜的顶表面上形成于中心通孔的边缘翼形部212附近。当划分部件安置于主要膜上时，定位突起实质上对应于划分膜的中心通孔以固定划分膜的位置。

图6a为膜总成的环的俯视图，且图6b为沿线A-A截取的截面图。环可由与膜相同的材料形成或由具有某种刚性的弹性材料形成。圆形环可分离地制成并与主要膜组装。或者，圆形环可与主要膜整体地形成。

如图6b中所图示，环230的剖面通常类似于梯形。环230包括：外壁，其与主要膜的边缘翼形部213的内表面接触；倾斜表面232，其安置于外壁231的相反表面处以将水平递送的水平压力转换成垂直压力；以及突起233，其在外壁及倾斜表面下延伸。如图6b中所图示，尽管环230可能不具备中空部分，但环230可具有具中空部分的剖面，这是因为向下传送所接收压力更有效率。水平突起234在倾斜表面232下水平地延伸。突起及水平突起用来将环固定于主要膜中。

图7说明通过组装膜总成的构成组件而形成的组装成的本体。划分膜220的末端插入至主要膜210的突起部分215的下部部分中。在此时，主要膜210的定位突起218插入至划分膜的中心通孔中。由于环230耦合至主要膜，因此自划分膜施加的空气压力使相对较弱的下部膜边缘部分E的压力增加。

上部膜及主要膜通过配合耦合(fit-coupling)彼此紧密接触。主要膜及环也通过配合耦合彼此紧密接触。因此，不需要专用耦合部件及黏着剂。因此，在完成抛光工艺之后，主要膜、划分膜及环可易于分离，且其可个别地用新的主要膜、划分膜及环更换。

图8为说明图7的边缘部分的放大图。当环与主要膜的边缘部分的边缘翼形部213接触时，突起234耦合至在突起225上方的接收沟槽。倾斜表面232插入至边缘腔室214的后部部分中。边缘腔室包括上部翼形部214a及下部翼形部214b。上部翼形部214a水平地延伸。下部翼形部214b包括倾斜部分214c，倾斜部分214c在倾斜状态下自边缘翼形部213的内表面延伸。边缘腔室的倾斜部分214c的后表面与环的倾斜表面232直接接触。环的水平突起233朝向边缘腔室的下部翼形部的水平部分延伸，以防止环与下部膜分离。

经由承载头内部递送的空气压力被递送至边缘腔室以及由划分膜的分割区界定的相应腔室。初始水平压力被施加至边缘腔室，且接着递送至边缘腔室的倾斜部分214c以施加至环的倾斜表面232。环将递送的压力经由倾斜表面向下D传送。此压力允许较大力作用在附着于主要膜的外表面上的圆片10的边缘区E上。因此，在抛光工艺中施加至圆片的压力相对较小，且因此使抛光效率恶化，藉此允许使用尚未用以生产产品的边缘区。

图9说明由膜总成提供的多个空气压力腔室。多个腔室C1至C5由划分膜的垂直分割区界定于膜中。可将不同压力施加至相应腔室。通过将适当空气压力供应至相应腔室中以将间接压力施加至圆片的后表面，使得能够进行精确多重划分抛光。当从顶部检视时，界定腔室的垂直分割区形成于圆形形状中。换句话说，分割区可安置于划分膜中的同心圆上。

同时，由于提供多个腔室的划分膜与主要膜的顶表面紧密接触，因此划分膜显著衰减了根据在抛光工艺期间施加至相应腔室的空气压力在区划分抛光轮廓的边界部分处明显拐折点的形成。因此，可防止由腔室边界部分处的抛光速度变化引起的异常抛光现象，由此实现了所要抛光轮廓并在所有区处维持稳定的抛光速度。

在抛光工艺过程中，需要划分膜与主要膜之间的紧密接触，以防止诸如空气或抛光残渣的外来物质渗透至划分膜与主要膜之间的接触表面中。根据本发明的示范性实施例，由于形成于划分膜上的环状加压突起在局部将较大力施加至主要膜，因此可充分地防止外来物质的渗透。

图10说明在划分膜220及主要膜210形成双层结构时将空气压力P施加至划分膜的工艺。加压突起从划分膜的顶表面突出以扩大表面积。因此，当将相同压力施加至划分膜时，递送至主要膜的压力在形成加压突起的一个区X处比在另一区N处大。因此，划分膜与主要膜之间的接触力在形成加压突起的区处较大。因此，由于无外来物质渗透至划分膜与主要膜之间的接触表面中。另一方面，由于无黏着层存在于划分膜与主要膜的相对表面之间，因此当移除施加至划分膜的表面的空气压力时，可易于将划分膜与主要膜分成独立膜。

上文所揭示的标的应被视为说明性的而非约束性的，且附加权利要求书意欲涵盖属于本发明的真正精神及范畴内的所有此等修改、增强及其他实施例。因此，在法律所允许的最大程度上，本发明的范畴应由对以下权利要求书及其等效物的最宽广可容许解译来确定，且不应受前述详细描述约束或限制。

Claims (14)

1.一种在化学机械抛光设备中的承载头的膜总成，其包含：

主要膜，其具有在执行化学机械抛光工艺时与圆片接触的圆片接触表面；以及圆形环，其安置于所述主要膜的边缘部分处且接收空气压力以将所述空气压力向下施加至所述主要膜。

2.根据权利要求1所述的膜总成，其中所述圆形环具有中空剖面，所述中空剖面经形成以具有相对于所述圆片接触表面倾斜的倾斜表面。

3.根据权利要求1所述的膜总成，其进一步包含划分膜，所述划分膜具有用于界定数个腔室的至少一个分割区且安置于所述主要膜的顶表面上。

4.根据权利要求2所述的膜总成，其中所述圆形环包含：外壁，其与所述主要膜的边缘翼形部的内表面接触；所述倾斜表面，其安置于所述外壁的相反表面处以将所述空气压力的方向自水平方向改变至垂直方向；以及向下突起，其从所述外壁及所述倾斜表面向下延伸。

5.根据权利要求1所述的膜总成，其中所述主要膜包含从所述主要膜的所述边缘部分垂直地延伸的翼形部部分，及从所述翼形部部分延伸的边缘腔室，所述边缘腔室与所述倾斜表面接触以便将所述空气压力施加至所述倾斜表面。

6.根据权利要求5所述的膜总成，其中所述边缘腔室包含与所述圆形环的所述倾斜表面直接接触的倾斜部分。

7.根据权利要求3所述的膜总成，其中所述划分膜包含形成于所述划分膜的顶表面上的环状加压突起。

8.根据权利要求3所述的膜总成，其中所述主要膜包含定位突起，所述定位突起形成于所述主要膜的所述顶表面上的位置处，对应于所述划分膜的中心通孔。

9.根据权利要求3所述的膜总成，其中所述主要膜具有大于所述划分膜的厚度。

10.根据权利要求3所述的膜总成，其中所述主要膜的所述边缘部分包含边缘翼形部，且所述边缘翼形部包含向下形成于所述边缘翼形部的内表面上且提供接收沟槽的突起部分。

11.一种在化学机械抛光设备中的承载头的膜总成，其包含：

主要膜，其在其平坦底表面上提供圆片接触表面且包含形成于边缘部分处且接收空气压力的边缘腔室；以及

圆形环，其耦合至所述主要膜且在其剖面上具有倾斜表面，所述倾斜表面接收来自所述边缘腔室的空气压力且使所述空气压力转向所述主要膜的所述底表面。

12.根据权利要求11所述的膜总成，其进一步包含划分膜，所述划分膜包含用于提供多个压力腔室的至少一个分割区，且具有将被紧密附着至所述主要膜的顶表面的平坦底表面。

13.根据权利要求11所述的膜总成，其中所述圆形环经形成以具有具中空部分的剖面。

14.一种承载头，其包含：

根据权利要求1至13中任一权利要求所述的膜总成；以及

空气通路，其用于将压力供应至所述膜总成的主要膜。

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