CN104364885B - 具有互锁特征结构的两件式扣环 - Google Patents
具有互锁特征结构的两件式扣环 Download PDFInfo
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Abstract
一种扣环，包括环形下部和环形上部。环形下部具有主体、内缘、外缘和多个方位上分离的互锁特征结构，所述主体具有用于在抛光期间接触抛光垫的底表面，所述内缘从主体向上伸出，所述外缘从主体向上伸出并与内缘通过间隙分隔开，所述互锁特征结构定位于内缘与外缘之间，每一互锁特征结构都从主体向上伸出。环形上部具有顶表面和底表面及在底表面中的多个方位上分离的凹槽，这些凹槽界定上部的薄部，多个互锁特征结构装配至多个凹槽中。下部为塑料，且上部为比塑料更具刚性的材料。
Description
技术领域
本公开内容涉及用于化学机械抛光的承载头(carrier head)的扣环(retainingring)。
背景技术
集成电路通常通过依次沉积导电层、半导体层或绝缘层而形成于基板上，特别是形成于硅晶片上。一个制造步骤涉及在非平面的表面之上沉积填料层，并将所述填料层平坦化。对于某些应用，将填料层平坦化直到暴露图案化层的顶表面为止。例如，可以在图案化绝缘层上沉积导电填料层，以填充绝缘层中的沟槽(trench)或孔洞(hole)。在平坦化后，在绝缘层的凸起图案之间剩余的导电层部分形成在基板上的薄膜电路之间提供导电路径的过孔(via)、插头(plug)和接线。对于诸如氧化物抛光之类的其他应用而言，则将填料层平坦化直到在非平面的表面之上剩余预定厚度。另外，对于光刻(photolithography)而言通常需要平坦化基板表面。
化学机械抛光(CMP)是一种可接受的平坦化方法。所述平坦化方法通常需要将基板安装在承载头上。基板的暴露表面一般而言被放置成抵靠旋转的抛光垫。承载头于基板上提供可控的负载，以将基板推向抛光垫。一般而言供应抛光液至抛光垫的表面，诸如供应具有研磨颗粒的浆料(slurry)。
基板一般而言通过扣环保持于承载头下方。然而，因为扣环与抛光垫接触，因此扣环易于磨损并需要定期更换。一些扣环具有由金属形成的上部和由耐磨塑料形成的下部，而其他一些扣环则为单个塑料件。
发明内容
扣环可能是昂贵的，且如以上指出在磨损时需要定期更换。在一些传统的扣环中，塑料下部通过粘合剂被固定至金属上部。
一种技术是利用机械紧固件将下部固定至上部，但下部在紧固件插入的地方较厚。这使扣环较容易更新(refurbishing)，且较厚的部分可以提供互锁特征结构，以避免下环相对于上环滑移。
一方面，扣环包括环形下部和环形上部。环形下部具有主体、内缘、外缘和多个方位上分离的互锁特征结构，所述主体具有用于在抛光期间接触抛光垫的底表面，所述内缘从主体向上伸出，所述外缘从主体向上伸出并通过间隙与内缘分隔开，所述互锁特征结构定位于内缘与外缘之间，每一互锁特征结构都从主体向上伸出。环形上部具有顶表面和底表面和在底表面中的多个方位上分离的凹槽，这些凹槽界定上部的薄部，多个互锁特征结构装配至多个凹槽中。下部为塑料，而上部则为比塑料更具刚性的材料。
实施方式可以包括一个或更多个以下特征。材料可以是金属或陶瓷。下部可以具有介于大约80与95之间的肖氏D级(Shore D scale)的硬度计测量值。下部可具有多个螺纹凹槽，这些螺纹凹槽形成于至少一些互锁特征结构的顶表面中，且上部可以包括多个孔(aperture)，这些孔形成为穿过薄部并与螺纹凹槽对准。多个机械紧固件可以延伸穿过多个孔至多个螺纹凹槽中。多个机械紧固件的顶表面可以相对于上部的顶表面凹陷。上部的顶表面可以与内缘的顶表面齐平。内缘的顶表面可以与外缘的顶表面齐平。于内缘的顶表面中可以存在环形凹槽并将O形环装配至环形凹槽中。下部的底表面可以具有用于浆料传输的各个沟道。下部可无需粘合剂而被固定至上部。上部的顶表面可以包括用以接收紧固件的孔洞，以将扣环机械地附装至底座(base)。多个互锁特征结构的方位侧表面可以与多个凹槽的方位侧表面直接接触。
这些实施方式可包括下述一项或多项优点。更新其中上部和下部通过机械紧固件被固定的扣环可比更新其中上部和下部通过粘合剂被固定的扣环更加容易。互锁特征结构可以避免下环相对于上环滑移。
在附图和以下说明书中阐述一个或更多个实施方式的细节。根据说明书和附图及权利要求，其他的特征、目的和优点将是显而易见的。
附图说明
图1为承载头的示意性截面图。
图2为扣环的一部分的分解透视图。
图3为图1中扣环下部的一部分的透视图。
图4为图2中扣环上部的一部分的透视图。
图5为扣环的截面图。
在各附图中相同的参考数字表示相同的元件。
具体实施方式
在抛光操作期间，可利用化学机械抛光(CMP)设备抛光一个或更多个基板，所述设备包括承载头100。CPM设备的描述可参考美国专利第5,738,574号。
参照图1，示例性的简化承载头100包括壳体102、柔性膜104、可加压(pressurizable)腔室106和扣环110，膜104为基板提供安装表面，可加压腔室106介于膜104与壳体102之间，扣环110靠近壳体102的边缘固定以将基板保持在膜104下方。虽然图1示出膜104夹于扣环110与底座102之间，但也可以使用一个或更多个其他部件来保持膜104，例如使用夹环。驱动轴120可被设置成使承载头转动和/或平移(translate)经过抛光垫。泵可以通过壳体中的通道108流体连接至腔室106，以控制腔室106中的压力，从而控制柔性膜104在基板上的向下压力。
扣环110可以是例如通过各个螺钉或螺栓136而固定于底座102的外缘处的大致为环形的环，螺钉或螺栓136穿过底座102中的各通道138延伸至扣环110的上表面112中各对准的螺纹接收凹槽139(参见图2)中。在一些实施方式中，驱动轴120可被抬升和下降，以控制扣环110的底表面114在抛光垫上的压力。或者，扣环110可以相对于底座102是可移动的，且承载头100可包括内部腔室，所述内部腔室可被加压以控制扣环上的向下压力，例如如在美国专利第6,183,354号或第7,575,504号中所述，通过引用将这些专利结合在本文中。扣环110可作为整体从底座102(和承载头的其余部分)移除。这意味着扣环110的上部142保持固定至扣环110的下部140，同时扣环110被移除，而不需要从承载头100拆卸底座102或移除底座102。
扣环110的内表面116与柔性膜104的下表面一起界定基板接收凹槽。扣环110避免基板从基板接收凹槽脱离。
扣环110的底表面114实质上可为平坦的，或如图2所示在一些实施方式中，扣环110可以具有从内表面116延伸至扣环的外表面118的多个沟道130，以便于将浆料从扣环外部传输至基板。这些沟道130可以围绕扣环均匀地间隔分布。在一些实施方式中，每一沟道130可以相对于穿过沟道的半径偏移一角度，例如45°。
参照图2至图5，扣环110包括两个垂直堆叠部分，所述垂直堆叠部分包括具有可以接触抛光垫的底表面114的环形下部140和连接至底座102的环形上部142。下部140可通过各机械紧固件144(例如螺钉或螺栓)而被固定至上部142。
扣环110的上部142是利用比下部140更具有刚性的材料所构成的。下部140可为塑料，例如聚苯硫醚(PPS)，而上部可为金属，例如不锈钢。
下部140的塑料于CMP处理中具有化学惰性。此外，下部140应具有足够的弹性，以使基板边缘抵靠着扣环的接触不会导致基板碎裂(chip)或破裂。另一方面，下部140应具有足够的刚性，以在来自抛光垫(在底表面上)和基板(在内表面上)的磨损下仍具有足够的寿命。下部140的塑料可以具有介于大约80-95的肖氏D级的硬度计测量值。一般而言，下部140的材料的弹性模量可介于大约0.3-1.0×106psi的范围内。虽然下部可以具有低磨损率，但下部140被逐渐磨损的情况也是可接受的，此情况的出现可以避免基板边缘在内表面116中切割深沟(deep grove)。
下部140的塑料可为聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酮(PEK)或类似材料(或由以上材料构成)。对于扣环而言，聚苯硫醚(PPS)的优点为一种可靠且常用的材料。
下部140包括环形主体150、环形内缘152和环形外缘154，环形内缘152于主体150的内缘处从主体150向上伸出，环形外缘154于主体150的外缘处从主体150向上伸出。间隙156位于内缘152与外缘154之间。在一些实施方式中，内缘152与外缘154具有相同高度，但这不是必须的。如图2所示，扣环110的上部142装配至内缘152与外缘154之间的间隙156中。因此，内缘152和外缘154避免上部142相对于下部140的径向滑移。
在内缘152与外缘154之间具有多个互锁特征结构160。这些互锁特征结构160是下方扣环的方位上间隔开的部分，在互锁特征结构160处主体150较厚或有从主体150向上的突出物。如图2所示，这些互锁特征结构160装配至上部142中的各个对应的凹槽174中。因此，这些互锁特征结构160避免上部142相对于下部140于方位上的滑移。
在图2至图5所示的实施方式中，这些互锁特征结构160从内缘152和外缘154延伸，但这不是必须的；在内缘152和/或外缘154与这些互锁特征结构160之间可以存在间隙。每一个互锁特征结构160的顶表面162可以相对于内缘152和/或外缘154的顶表面凹陷。
螺纹凹槽164可位于至少一些互锁特征结构160的顶表面162中。螺纹凹槽164垂直延伸部分地但不完全地穿过下部140。机械紧固件144装配穿过上部中的孔180并装配至螺纹凹槽164(参见图2和图5)中。这使得下部140被固定至上部142，而不需要在扣环110的底表面114上有暴露的螺钉孔洞。螺纹凹槽164的螺纹可被直接加工到下部140的塑料材料中，或可以由插入到孔洞中的螺钉护套(sheath)提供。
这些互锁特征结构160可围绕下部140以相等的间隔角分隔开。每一互锁特征结构160都可以包括两个侧面166。每一侧面166都可以位于穿过扣环110的中心轴A(参见图1)的平面中。
下部140的主体150(也就是，在除这些互锁特征结构或缘的区域中)的厚度应该大于基板10的厚度。另一方面，如果主体150太厚，扣环110的底表面将因为下部140的柔性性质而经受变形。根据制造需求，主体150的初始厚度可以介于大约50密耳(mil)至1000密耳之间，例如介于200密耳至600密耳之间。
沟道130部分地延伸至下部140的主体150中，但不完全地延伸穿过下部140的主体150。当这些沟道130已经磨损时，可以更换下部140。例如，根据期望的更换频率，这些沟道130可以具有大约100密耳至400密耳之间的深度。
与底表面114相邻的、扣环下部140的内表面116可以具有稍大于基板直径的内径，例如，比基板直径大大约1-2毫米，以容纳基板装载系统的位置公差(positioningtolerance)。扣环110可以具有大约半英寸的径向宽度。
在一些实施方式中，下部140的内表面116包括垂直圆柱部分116a和倾斜部分116b，垂直圆柱部分116a邻近于底表面114，倾斜部分116b邻近于顶表面112。倾斜部分116b可以从顶到底向内倾斜。
扣环110的上部142由比下部140的塑料更具有刚性的材料形成，例如金属或是陶瓷。使上部142的材料比下部140的塑料更硬的优点为可以提高扣环110的整体刚性，从而在将扣环附接至承载头100时减小下部140的变形，并减少磨合(break-in)时间。
扣环110的上部142包括多个厚部170和多个薄部172。上部142的底表面176包括多个方位上间隔开的凹槽174；上部142于这些凹槽174上方的部分界定薄部172。这些凹槽174可围绕上部142以相等的间隔角分隔开。
每一凹槽174都可以包括两个侧面178。每一侧面178都可以位于穿过扣环110的中心轴A(参见图1)的平面中。如图2所示，这些凹槽174可成形为使得互锁特征结构160装配至对应的凹槽174中。
特别地，厚部170的内径面可以直接邻接(abut)内缘152的外径面，且厚部170的外径面可以直接邻接外缘154的内径面。同样的，凹槽174的每一侧面178都可以直接邻接互锁特征结构160的对应侧面166。厚部170的底部可以直接邻接主体150的顶表面。薄部172的底部可以直接邻接互锁特征结构160的顶表面162。任何这些邻接表面(例如所有邻接表面)都可以不使用粘合剂直接邻接。因此，上部142可被直接固定至下部140而无需使用粘合剂。
在一些实施方式中，上部140的厚部170的厚度可以小于下部142的初始厚度。然而，这不是必须的；制造者可以使扣环110上部140的厚度等于或大于下部142的初始厚度。上部140的厚度小于下部142的初始厚度的优点在于增加扣环的寿命。
上部142可以包括多个孔180。这些孔180可以位于上部142的薄部172中。这些孔180完全延伸穿过薄部172。当上部142插入至下部140中的间隙156中时，孔180与互锁特征结构160中的螺纹凹槽164对准。孔180可围绕扣环110以相等的间隔角分隔开。在一些实施方式中，每一薄部172刚好有一个孔180。
各机械紧固件144(例如螺钉或螺栓)延伸穿过孔180并延伸至螺纹凹槽164中，以将上部142固定至下部140。如图5所示，一旦组装之后，紧固件144的顶表面182可以相对于扣环110的顶表面112稍微凹陷。
上部142的上表面112还可以包括多个螺纹接收凹槽139。这些螺纹接收凹槽139可位于上部142的厚部170中。这些螺纹接收凹槽139部分地但不完全地延伸穿过上部142的厚部170。这些螺纹接收凹槽139可围绕扣环110以相等的间隔分隔开。在一些实施方式中，每一厚部170刚好有一个螺纹接收凹槽139。例如，每一螺纹接收凹槽139都可以位于厚部170的方位中心处。这些螺纹接收凹槽139的螺纹可被直接加工到上部142的材料中，或由插入到孔洞中的螺钉护套提供。机械紧固件136(例如螺钉或螺栓)可延伸穿过底座102中的各通道138(参见图1)并延伸至对准的螺纹接收凹槽139中，以将扣环110固定至承载头100。
可选择地，完全围绕扣环110延伸的环形凹槽190可形成于下部140的内缘152的顶表面上。O形环192可以装配至环形凹槽190中。当扣环110被固定至承载头100时，O形环192在附接有扣环110的刚性主体(例如，底座102)与扣环110之间被压缩。O形环192与沿着上部142的整个内侧延伸的下部140的内缘152一起，协助避免浆料到达上部142的金属，从而潜在地减少了腐蚀和相关的缺陷。
虽然扣环110在下部140的底表面114中可以包括用于传输浆料的沟道130，且在下部140的顶表面中可具有用以协助将下部140固定至上部142的各凹槽，但下部140并没有任何从下部的顶表面延伸至底表面的孔。
在一些实施方式中，扣环110具有一个或更多个通孔(through hole)，这些通孔水平地或与水平成小角度地从内径至外径延伸穿过扣环主体，以在抛光期间允许流体(例如空气或水)从扣环的内部传递至外部，或从扣环的外部传递至内部。这些通孔可以延伸穿过下部140。这些通孔可以围绕扣环均匀地间隔开。
虽然凹槽互锁特征结构160和凹槽174的侧表面166和178被图示为实质上垂直的，但这些表面也可以是倾斜的，以在互锁特征结构160插入至凹槽174中时形成燕尾(dovetail)连接。
本发明已经对多个实施方式进行了描述。然而本发明并不限于所描绘和描述的各实施方式。相反，本发明的范围由所附的权利要求界定。
Claims (11)
1.一种扣环，所述扣环包括：
环形下部，所述环形下部具有主体、内缘、外缘和多个方位上分离的互锁特征结构，所述主体具有用于在抛光期间接触抛光垫的底表面，所述内缘从所述主体向上伸出，所述外缘从所述主体向上伸出并与所述内缘通过间隙分隔开，所述互锁特征结构定位于所述内缘与所述外缘之间，每一互锁特征结构都从所述主体向上伸出，其中所述下部包括多个螺纹凹槽，所述螺纹凹槽形成于至少一些所述互锁特征结构的顶表面中，且其中所述下部为塑料；和
环形上部，所述环形上部具有顶表面和底表面及在所述底表面中的多个方位上分离的凹槽，在所述环形上部的所述底表面中的所述凹槽界定所述上部的薄部和在所述薄部之间的方位上分离的较厚部，其中所述多个互锁特征结构装配至所述多个凹槽中，其中所述上部包括多个孔，所述孔形成为只穿过所述薄部并与所述螺纹凹槽对准，并且其中所述上部包括多个螺纹孔洞，所述多个螺纹孔洞只形成在至少一些所述较厚部中，所述多个螺纹孔洞部分地而非完全地延伸穿过所述上部的所述较厚部，且其中所述上部为比塑料更具刚性的材料。
2.如权利要求1所述的扣环，其中所述材料为金属或陶瓷。
3.如权利要求1所述的扣环，其中所述下部具有介于大约80与95之间的肖氏D级的硬度计测量值。
4.如权利要求1所述的扣环，进一步包括多个机械紧固件，所述机械紧固件延伸穿过所述多个孔至所述多个螺纹凹槽中。
5.如权利要求4所述的扣环，其中所述多个机械紧固件的顶表面相对于所述上部的顶表面凹陷。
6.如权利要求1所述的扣环，其中所述上部的顶表面与所述内缘的顶表面齐平。
7.如权利要求1所述的扣环，其中所述内缘的顶表面与所述外缘的顶表面齐平。
8.如权利要求1所述的扣环，进一步包括在所述内缘的顶表面中的环形凹槽和装配至所述环形凹槽中的O形环。
9.如权利要求1所述的扣环，其中所述下部的底表面具有用于浆料传输的沟道。
10.如权利要求1所述的扣环，其中所述下部无需粘合剂而被固定至所述上部。
11.如权利要求1所述的扣环，其中所述多个互锁特征结构的方位侧表面与所述多个凹槽的方位侧表面直接接触。
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