CN104854680A - 三区域承载头和柔性膜 - Google Patents

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Abstract

一种用于化学机械抛光机的承载头的柔性膜，所述柔性膜包括主要部分、环形外围部分及三个环形挡板。所述主要部分具有基板安装表面，所述基板安装表面具有半径R。所述环形外围部分从所述主要部分的外围边缘向上延伸，且所述环形外围部分具有连接至所述主要部分的下边缘及上边缘。所述三个环形挡板包括第一环形挡板、向内延伸的第二环形挡板及向内延伸的第三环形挡板，所述第一环形挡板在介于R的75％与R的95％之间的径向位置处连结至所述主要部分的内围表面，所述第二环形挡板在介于所述下边缘与所述上边缘之间的位置处连结至所述环形外围部分，所述第三环形挡板连结至所述环形外围部分的上边缘。

Description

三区域承载头和柔性膜
技术领域
本公开内容涉及用于化学机械抛光(chemical mechanical polishing；CMP)的承载头(carrier head)。
背景技术
集成电路通常借助导电层、半导体层或绝缘层的依序沉积而形成于基板，特别是硅晶片上。一种制造步骤包括将填料层沉积于非平面表面上并将所述填料层平坦化。对于某些应用，所述填料层被平坦化直到图案化层(patternedlayer)的顶表面暴露为止。举例而言，可将导电填料层沉积于图案化的绝缘层上以填充所述绝缘层中的沟槽(trenches)或孔洞(holes)。平坦化后，在所述绝缘层的凸起图案之间保留的导电层部分形成过孔、接点(plugs)及接线(lines)，所述过孔、接点及接线在基板上的薄膜电路之间提供导电路径。对于诸如氧化物抛光之类的其他应用而言，所述填料层被平坦化直到预定厚度留存于所述非平面表面上为止。另外，基板表面的平坦化通常是光刻法(photolithography)所要求的。
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要求将基板安装于承载头上。通常将基板的暴露表面靠在转动式抛光垫(rotatingpolishing pad)上放置。承载头提供可控负载于基板上以将基板推靠至抛光垫上。抛光液(polishing liquid)，诸如具有研磨剂颗粒(abrasive particles)的浆料，通常供应至抛光垫的表面。对于基板上金属层的抛光，例如铜层，所述浆料可为酸性的。
发明内容
150mm(亦称为“6英寸”)直径基板的技术节点继续发展。这产生了提升化学机械抛光工艺能力的需求，以符合对晶片内(within wafer)及晶片间(wafer-to-wafer)均匀度的日益严格的要求。虽然多区域承载头已用于较大的基板上，例如200mm及300mm直径基板，但是用于150mm直径基板的较小尺寸的承载头可能构成形状因素的困难。
一方面，用于化学机械抛光机(chemical mechanical polisher)的承载头的柔性膜(flexible membrane)包括主要部分、环形外围部分及刚好三个环形挡板(flaps)，在将所述柔性膜固定至承载头时，所述三个环形挡板用以将所述主要部分上方的容积(volume)分割为多个腔室。所述主要部分具有用以提供基板安装表面的下表面，且所述基板安装表面具有半径R。所述环形外围部分从所述主要部分的外围边缘向上延伸，且所述环形外围部分具有下边缘及上边缘，所述下边缘连接至所述主要部分。所述三个环形挡板包括第一环形挡板、第二环形挡板及第三环形挡板，所述第一环形挡板在R的75％与R的95％之间的径向位置处连结至所述主要部分的内围表面，所述第二环形挡板在所述下边缘与所述上边缘之间的位置连结至所述环形外围部分，所述第二环形挡板从所述外围环形部分向内延伸，所述第三环形挡板连结至所述环形外围部分的上边缘，所述第三环形挡板从所述外围环形部分向内延伸。
另一方面，化学机械抛光头包括底座组件、固定至所述底座组件的保持环(retaining ring)及如上所述固定至所述底座组件的柔性膜。
任一方面的实施可包括一个或更多个下述特征。基板安装表面可具有约75mm的半径。第一环形挡板可在距离主要部分的外围边缘约10mm处连结至主要部分。第一环形挡板可在R的85％与R的90％之间的径向位置处连结至主要部分。第一环形挡板可包括水平延伸区段(horizontally extending section)及垂直延伸区段(vertically extending section)，所述垂直延伸区段将所述横向延伸区段连接至所述主要部分。凹口(notch)可形成于所述水平延伸区段与所述垂直延伸区段之间的接合部(junction)。所述水平延伸区段可具有小于所述垂直延伸区段的厚度。各个所述挡板可具有小于所述主要部分的厚度的厚度。所述环形外围部分可包括主体，所述主体具有大于所述主要部分的厚度的厚度。凹口可形成于所述环形外围部分的所述主体的内部表面内且形成于所述主要部分与所述主体的接合部。所述主体的外围表面可具有介于所述主体的上边缘与下边缘之间的凹槽(recess)。介于凹槽与下边缘之间的主体的外围表面可为单一垂直表面(single vertical surface)。介于凹槽与上边缘之间的主体的外围表面可为单一垂直表面。介于凹槽与下边缘之间的主体的外围表面可横向对准(laterally aligned with)介于凹槽与上边缘之间的主体的外围表面。
实施可包括一个或更多个下述优点。可提升晶片内及晶片间的均匀度，且所述提升可延伸至150mm直径的基板。
一个或更多个实施的细节在附图及以下描述中阐述。其他方面、特征及优点将显见于说明书和附图、并显见于权利要求书。
附图说明
图1为用于化学机械抛光装置的承载头的剖面示意图。
图2为图1的承载头的右手边的放大图。
图3为来自图1的承载头的膜的剖面示意图。
具体实施方式
在抛光操作时，一个或更多个基板可被化学机械抛光(CMP)装置抛光，所述化学机械抛光装置包括承载头100。化学机械抛光装置的描述可在美国专利号5,738,574中找到。
参考图1及图2，典型的承载头100包括壳体102、底座组件130、壳体102与底座组件130之间的可加压腔室104、柔性膜120、膜120与底座组件130之间的多个可加压腔室122及保持环110，所述底座组件130可相对于壳体102垂直移动，所述可加压腔室104控制垂直位置或控制底座组件130上的向下压力，所述柔性膜固定至具有底表面的底座组件130，所述底表面为基板提供安装表面，所述保持环110固定在底座组件130的边缘附近以将基板保持于膜120底下。壳体102可固定至驱动轴，且所述驱动轴可转动和/或转移(translate)承载头经过抛光垫。
保持环110可为大致环形的圈环，所述保持环固定在底座组件130的外围边缘处，例如由螺钉或螺栓固定，所述螺钉或螺栓延伸穿过底座组件120中的对准通道(aligned passages)进入保持环110的上表面。保持环110的内围表面连同柔性膜120的下表面限定基板接收凹槽。保持环110防止基板脱离基板接收凹槽。保持环110可包括下部分112及上部分114，上部分114比下部分112更坚硬。下部分112可为诸如聚苯硫醚(PPS)或聚醚醚酮(PEEK)之类的塑料。下部分112实质上可为纯塑料(由塑料构成)，例如无非塑料填料。上部分114可为金属，例如不锈钢。
压力控制器可通过底座组件130和/或壳体102中的通道流体地连接至腔室104以控制腔室104中的压力，也因此控制底座组件130的位置和/或施加于底座组件130的向下压力，也因此控制保持环110。相似地，压力控制器可通过底座组件130和/或壳体102中的通道108流体地连接至腔室122以控制腔室122中的压力，也因此控制柔性膜120施加于基板的向下压力。
在一个替代方案中，底座组件120及壳体102可结合成单一部件(不具有腔室122且底座组件120相对于壳体102无法垂直移动)。在一些所述实施中，可升高和降低驱动轴120以控制保持环110施加于抛光垫上的压力。在另一个替代方案中，保持环110可相对于底座组件120移动，且承载头100可包括内部腔室，可对所述内部腔室加压以控制施加于保持环的向下压力，例如美国专利号7,699,688中所述，通过引用将美国专利号7,699,688中所述内容并入。
柔性膜120可为硅膜(silicone membrane)。所述柔性膜可包括多个挡板124，所述多个挡板将柔性膜120与底座组件104之间的容积分割为可独立控制的腔室。可将挡板124的尾端附接至底座组件130，例如夹在底座组件130上。
可将环形外部环126插入凹槽中，所述凹槽位于柔性膜120的外部周围部分的外围表面内。环形内部环128可邻接柔性膜120的外部周围部分的内围表面。外部环126及内部环128增加柔性膜120的周围部分的坚硬度。此举可允许将所述多个腔室的上腔室中的压力通过所述周围部分传输至所述基板。
可将各个挡板的尾端夹在夹板132之间。各种夹板实质上可为纯塑料、复合塑料或金属，所述纯塑料例如聚醚醚酮(PEEK)或聚苯硫醚(PPS)，所述复合塑料例如玻璃填充的(glass-filled)PPS或玻璃填充的PEEK，所述金属例如不锈钢或铝。
环架机构136(所述环架机构136可被认为是底座组件130的一部分)允许底座组件130相对于壳体102垂直滑动，同时限制底座组件130的横向移动。外罩138，例如由基于聚乙烯对苯二甲酯(PET-P；polyethyleneterephthalate)的半晶态热塑性聚酯(semi-crystalline thermoplastic polyester)制成，例如聚酯TM(ErtalyteTM)可被覆盖于底座组件130的外侧以防止来自浆料的污染到达承载头100的内部。
环架机构136、各种夹板132及外罩152可被认为一起提供底座组件130。
参考图2及图3，在一些实施中膜包括刚好三个挡板，所述三个挡板包括内围挡板124a、中间挡板124b及外围挡板124c，所述挡板限定三个腔室122a、122b及122c。第一腔室122a是大致圆形的腔室，所述第一腔室位于最内围挡板124b中。第二腔室122b是环形腔室，所述第二腔室围绕第一腔室122a，且所述第二腔室是由最内围挡板124a与中间挡板124b之间的容积所限定。第三腔室122c可设置于第二腔室122b上方，且所述第三腔室是由中间挡板124b与外围挡板124c之间的容积所限定。
如图3所示，柔性膜120可具有大致平坦的主要部分140及外围环形部分150。主要部分510的下表面提供基板安装表面142。外围部分150的下边缘连结至主要部分140的外围边缘。
内围环形挡板124a连结至柔性膜120的主要部分140的上表面。因此，施加于基板安装表面142的内围圆形部分144上的向下压力主要由第一腔室124a(见图2)中的压力所控制，所述内围圆形部分位于内围环形挡板124a连接至主要部分140的区域内。另一方面，施加于基板安装表面142的外围环形部分146上的向下压力主要由第二腔室124b(见图2)中的压力所控制，所述外围环形部分146位于内围环形挡板124a连接至主要部分140处与外围环形部分150之间。
内围挡板124a可在基板安装表面142的半径的75％与95％之间，例如基板安装表面142的半径的80％与85％之间的径向位置处连结至主要部分140的内围表面。为了抛光150mm直径基板，基板安装表面142(及主要部分140)可具有大约75mm的半径。内围挡板124a可在距离所述基板安装表面的边缘约10mm处连接至主要部分140。因此，内围圆形部分144可具有约65mm的半径，且外围环形部分146可具有约10mm的宽度。
内围环形挡板124a可包括垂直部分160及水平部分162，所述垂直部分从主要部分140向上延伸，且所述水平部分从垂直部分160的上边缘水平延伸。水平部分120可从垂直部分160向内延伸(朝向所述承载头的中心)。水平部分162的尾端可具有厚的外缘部分164，所述外缘部分固定至底座组件104时可被配置成流体地分离腔室122a、122b。举例而言，假设水平部分162从垂直部分160向内延伸，厚的外缘部分164可位于水平部分162的内围边缘处。
在一些实施中，内围环形挡板124a的水平部分162可具有小于垂直部分160的厚度。在一些实施中，水平部分162的长度与垂直部分160的长度的比例介于约1.5与2.0之间，例如约1.66。在一些实施中，内围环形挡板124a的垂直部分160可具有小于所述柔性膜的主要部分140的厚度。
在一些实施中，凹陷(indentation)或凹口166形成于内围环形挡板124a的垂直部分160中。凹口166可设置于水平部分162与凹口166所在的垂直部分160之间的接合部分(juncture)的拐角处。凹口166可允许同心环形挡板516的水平部分垂直弯曲。然而，其他位置是可能的，例如在垂直部分160中间或在垂直部分160至主要部分140的接合部。
柔性膜120的外围部分150包括主体152，所述主体从主要部分140的外围边缘向上延伸。主体152可比柔性膜120的主要部分140更厚。凹槽154可形成于主体152的内围表面中且形成于主体152与主要部分140之间的接合部分处。所述凹槽154可容许主体152相对于主要主体140更自由地在枢轴上转动。
外围环形部分150可具有沿着所述环形外围部分的外壁的环形凹槽156。环形外部环126(见图2)可插入凹槽156中。介于凹槽156与下边缘之间的所述主体外围表面的部分172可横向对准介于凹槽156与上边缘之间的所述主体外围表面的部分174。
中间环形挡板124b可从环形外围部分150水平向内延伸，例如从主体152的内围表面。中间挡板124b的厚度可与内围挡板124a的水平部分162相同。中间挡板124b可在主体152的最宽处连接至主体152。中间挡板124b的内围边缘可具有厚的外缘部分164，所述厚的外缘部分固定至底座组件104时可被配置成流体地分离腔室122b、122c。
在一些实施中，凹槽158形成于主体152的内围表面中且形成于中间挡板124b与主体152之间的接合部分处。内部环128(见图2)可利用凸缘邻接外围部分150，所述凸缘延伸至凹槽154及凹槽158之中。
外围挡板124c可从外围环形部分150的上边缘向内延伸。外围挡板124c的厚度可与内围挡板124a的水平部分162相同。外围挡板124c的内围边缘可具有厚的外缘部分164，所述厚的外缘部分固定至底座组件104时可被配置成流体地将第三腔室122c与所述承载头外面的环境分离。
在一些实施中，外围部分150的表面170是斜向的，所述表面在中间挡板124b与外围挡板124c之间延伸。所述斜向表面170可在外围部分150的顶部提供三角剖面。
当第三腔室122c(见图2)被加压时，表面170上的压力通过主体152传输以施加压力于基板安装表面142的边缘部分148。
本发明以若干实施例的方式描述。然而，本发明不受限于所描绘和描述的实施例。相对地，本发明的范围是由附加的权利要求书所限定。

Claims (15)

1.一种柔性膜，所述柔性膜用于化学机械抛光机的承载头，所述柔性膜包括：
主要部分，所述主要部分具有用以提供基板安装表面的下表面，所述基板安装表面具有半径R；
环形外围部分，所述环形外围部分从所述主要部分的外围边缘向上延伸，所述环形外围部分具有下边缘，所述下边缘连接至所述主要部分及上边缘；及
刚好三个环形挡板，在将所述柔性膜固定至承载头时，所述三个环形挡板用以将所述主要部分上方的容积分割为多个腔室，所述三个环形挡板包括：
第一环形挡板，所述第一环形挡板在介于R的75％与R的95％之间的径向位置处连结至所述主要部分的内围表面；
第二环形挡板，所述第二环形挡板在介于所述下边缘与所述上边缘之间的位置处连结至所述环形外围部分，所述第二环形挡板从所述外围环形部分向内延伸；及
第三环形挡板，所述第三环形挡板连结至所述环形外围部分的所述上边缘，所述第三环形挡板从所述外围环形部分向内延伸。
2.如权利要求1所述的柔性膜，其中所述基板安装表面具有约150mm的直径。
3.如权利要求2所述的柔性膜，其中所述第一环形挡板在距离所述主要部分的所述外围边缘约10mm处连结至所述主要部分。
4.如权利要求2所述的柔性膜，其中所述第一环形挡板在介于R的85％与R的90％之间的径向位置处连结至所述主要部分。
5.如权利要求1所述的柔性膜，其中所述第一环形挡板包括水平延伸区段及垂直延伸区段，所述垂直延伸区段将所述横向延伸区段连接至所述主要部分。
6.如权利要求5所述的柔性膜，所述柔性膜包括凹口，所述凹口位于所述水平延伸区段与所述垂直延伸区段之间的接合部。
7.如权利要求5所述的柔性膜，其中所述水平延伸区段具有小于所述垂直延伸区段的厚度。
8.如权利要求1所述的柔性膜，其中各个所述挡板具有小于所述主要部分的厚度的厚度。
9.如权利要求8所述的柔性膜，其中所述环形外围部分包括主体，所述主体具有大于所述主要部分的厚度的厚度。
10.如权利要求1所述的柔性膜，所述柔性膜包括凹口，所述凹口位于所述环形外围部分的所述主体的内部表面内且位于所述主要部分与所述主体的接合部。
11.如权利要求10所述的柔性膜，所述柔性膜包括环形凹槽，所述环形凹槽位于所述主体的外围表面内且位于所述主体的上边缘与下边缘之间。
12.如权利要求11所述的柔性膜，其中所述凹槽与所述下边缘之间的所述主体的所述外围表面是单一垂直表面。
13.如权利要求12所述的柔性膜，其中所述凹槽与所述上边缘之间的所述主体的所述外围表面是单一垂直表面。
14.如权利要求13所述的柔性膜，其中所述凹槽与所述下边缘之间的所述主体的所述外围表面横向对准所述凹槽与所述上边缘之间的所述主体的所述外围表面。
15.一种化学机械抛光头，所述化学机械抛光头包括：
底座组件；
保持环，所述保持环固定至所述底座组件；及
柔性膜，所述柔性膜固定至所述底座组件，所述柔性膜包括：
主要部分，所述主要部分具有用以提供基板安装表面的下表面，所述基板安装表面具有半径R；
环形外围部分，所述环形外围部分从所述主要部分的外围边缘向上延伸，所述环形外围部分具有下边缘，所述下边缘连接至所述主要部分及上边缘；及
刚好三个环形挡板，在将所述柔性膜固定至承载头时，所述三个环形挡板用以将所述主要部分上方的容积分割为多个腔室，所述三个环形挡板包括：
第一环形挡板，所述第一环形挡板在介于R的75％与R的95％之间的径向位置处连结至所述主要部分的内围表面；
第二环形挡板，所述第二环形挡板在介于所述下边缘与所述上边缘之间的位置处连结至所述环形外围部分，所述第二环形挡板从所述外围环形部分向内延伸；及
第三环形挡板，所述第三环形挡板连结至所述环形外围部分的所述上边缘，所述第三环形挡板从所述外围环形部分向内延伸。
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