CN106233431A - 内表面具有刻面的固定环 - Google Patents

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Abstract

固定环包括大体环状主体。该主体包括顶表面、底表面、外表面及内表面，该外表面在外顶部周边处与顶表面连接及在外底部周边处与底表面连接，该内表面在内顶部周边处与该顶表面连接及在内底部周边处与底表面连接。内表面包含七或七个以上的平坦刻面。邻近的平坦刻面于角(corner)处连接。内底部周边包含于角处连接的平坦刻面的直边。

Description

内表面具有刻面的固定环
技术领域
本公开内容大体涉及基板的化学机械抛光，并且更特定而言，涉及用于化学机械抛光中的固定环。
背景技术
集成电路通常是借由在硅基板上导电层、半导电层或绝缘层的按次序的沉积而于基板上形成。一个制造步骤包含将填充层沉积于非平坦表面上，以及将填充层平坦化直到非平坦表面暴露。例如，导电填充层可以沉积在经图案化的绝缘层上以填充绝缘层上的沟槽或孔。接着抛光填充层直到绝缘层的凸起图案暴露。在平坦化之后，在绝缘层的凸起图案间保留的导电层部分形成通孔、插头与线路，通孔、插头与线路提供基板上薄膜电路间的导电路径。此外，为了光刻，可能需要平坦化以将基板表面处的介电层平坦化。
化学机械抛光(CMP)是一种被接受的平坦化方法。这种平坦化方法通常要求基板安装于载体或CMP设备的抛光头上。基板的暴露表面抵靠旋转的抛光盘垫或带垫放置。抛光垫(polishing pad)可以是“标准”垫或固定的研磨垫(fixed-abrasive pad)。标准垫具有耐用的粗糙化的表面，而固定抛光垫具有固持于容纳介质中的研磨粒子。承载头提供基板上的可控制的负载以将承载头推抵抛光垫。如果使用标准垫的话，包括至少一种化学反应剂的抛光浆料(slurry)与研磨粒子被供应到抛光垫的表面。
基板通常由固定环固持于承载头下。然而，因为固定环接触抛光垫，固定环易于磨损，且偶尔地替换。一些固定环具有由金属形成的上部分及由耐磨塑料形成的下部分，而另一些固定环是单一的塑料件。
发明内容
在一个方面中，本公开内容的特征是包括大体环状的主体的固定环。主体包括顶表面、底表面、外表面及内表面，该外表面在外顶部周边处与顶表面连接及在外底部周边处与底表面连接，该内表面在内顶部周边处与该顶表面连接及在内底部周边处与底表面连接。内表面包含七或七个以上的平坦刻面。邻近的平坦刻面于角处连接。内底部周边包含于角处连接的平坦刻面的直边。
在另一个方面中，本公开内容的特征是包括基板承接表面与围绕基板承接表面的大体环状固定环的承载头。固定环包括顶表面、底表面、外表面及内表面，该外表面在外顶部周边处与顶表面连接及在外底部周边处与底表面连接，该内表面在内顶部周边处与该顶表面连接及在内底部周边处与底表面连接。内表面包含七或七个以上的平坦刻面。邻近的平坦刻面于角处连接。内底部周边包含于角处连接的平坦刻面的直边。
在另一个方面中，本公开内容的特征是一种抛光方法，该抛光方法包括于基板与抛光表面之间产生相对运动以及用固定环限制基板。固定环包括顶表面、底表面、外表面及内表面，该外表面在外顶部周边处与顶表面连接及在外底部周边处与底表面连接，该内表面在内顶部周边处与该顶表面连接及在内底部周边处与底表面连接。内表面包含七或七个以上的平坦刻面。邻近的平坦刻面于角处连接。内底部周边包含于角处连接的平坦刻面的直边。基板与抛光表面间的相对运动导致固持的基板同时接触固定环的内表面的两个或两个以上的刻面。
固定环、承载头与方法的实施方式也可以包括以下特征中的一或多个。底表面包括从外表面延伸至内表面的沟道，且各沟道包含一端部，该端部开向在角处的主体的内表面。内表面包括第一数量的刻面及底表面包括第二数量的沟道。第一数量是第二数量的正整数倍。第一数量等于第二数量。沟道以一角度定向，该角度相对于延伸通过固定环中心的径向部分定向。各角自顶表面延伸到底表面。各刻面具有矩形或方形形状，该矩形或方形具有与顶表面一起形成的顶直边、与底表面一起形成的底直边，及沿着两角的两直侧边。内表面总共包括18个刻面。内底部周边具有对称形状。内顶部周边与内底部周边的一或两者形成多边形。固定环中心与平坦表面的距离为大约150mm至约155mm。主体包括耐磨的材料。抛光液供应至抛光表面，使得抛光液流动通过底表面中的沟道及固定环下而至基板。
本发明的一或多个实施方式详述于以下随附的附图与说明书中。本发明的其它特征、客体及优点将自说明书与附图，以及自权利要求书得以显现。
附图描述
图1是固定环的示意性透视图。
图2是承载头的示意性截面图。
图3是图1的固定环的示意性平面底视图。
图4和图5是固定环的截面图。
图6是带有在相对于固定环的不同位置处的固定基板的固定环的示意性平面俯视图。
具体实施方式
CMP设备中的固定环具有内表面，该内表面限制CMP设备正在经受抛光的基板的移动。在常规的固定环中，内表面具有圆形周边。
本文所述的固定环具有由多个平坦刻面形成的内表面，且相邻刻面于角(corner)处接合。在固定环的顶或底平面图中，内表面的刻面形成多边形或具有直边的其它形状。固定环也可以包括在底表面中的沟道，当固定环安装于CMP设备中时，沟道面向抛光垫。沟道可以利于基板与抛光垫之间的浆料传送。可以选择刻面与沟道的位置使得各沟道具有一端部，该端部于固定环的角处开向固定环的内表面。在使用中，具有这些特征与下述其它特征的固定环可以同时与基板的外直径的多个点接触。固定环抵抗磨耗且具有长的预期寿命。经抛光的基板可以具有良好的厚度均匀性。
依据图1，固定环100为可以紧固至CMP设备的承载头的大体环状环。一种适当的CMP设备描述于美国第5,738,574号专利及一种适当的承载头描述于美国第6,251,215号专利及第6,857,945号专利，这些专利申请案的全部公开内容通过引用的方式并入本文中。固定环100置入于装载盖(loadcup)以用于将基板定位、置中及固持在CMP设备的传送站处。
作为实施例，图2图示简化的承载头200，图1的固定环100紧固于承载头200上。承载头200包括壳体202、弹性膜204、可加压的腔室206，及固定环100。弹性膜提供用于基板242的安装表面240。当安装基板242时，安装表面240可以直接接触基板的背表面244。在此实施例中，膜204夹持于固定环100与壳体202之间。在一些实现方式中，一或多个其它元件，如夹环，可以用于夹持膜204。可加压腔室206位于膜204与壳体202之间，可对腔室206加压，例如使用流体(气体或液体)加压，使得基板242的前表面246推抵抛光垫250的抛光表面252以抛光前表面246。在一些实现方式中，腔室206中的压力以及这样基板242上的弹性膜204的向下压力可以使用泵(未图示)控制，该泵通过壳体中的通道208与腔室206流体连接。
固定环100紧固于壳体202的边缘附近以将基板242限制于膜204的下方。举例来说，固定环100可以由机械紧固件236紧固，例如螺丝或螺栓，机械紧固件236延伸通过壳体202中的通道238进入对准的螺纹承接凹部，承接凹部在固定环100的上表面112中。此外，顶表面112可以具有一或多个校准孔，一或多个校准孔经定位而匹配至承载头上相应的销，从而在固定环100紧固至承载头时允许适度校准。当固定环100紧固至壳体202时，顶表面112的顶部周边可以与壳体202的周边实质相同，使得沿着承载头的外边缘没有间隙存在。固定环100可自壳体202移除，及剩下的承载头200作为一单元，而无需将壳体202自承载头200拆卸或移除。
可以提供驱动轴220以跨抛光垫旋转和/或平移承载头200。在一些实现方式中，可以上升或下降驱动轴200以控制抛光垫250上的固定环100的底表面114的压力。或是，固定环100可以相对于驱动轴220是可移动的及承载头200可以包括内部腔室，内部腔室可以经加压而控制固定环100上的向下压力，如通过引用的方式并入本文的美国第6,183,354或7,575,504号专利所述。
参照图1和图3，固定环100的上表面112是平坦的及下表面114包含沟道或沟槽130。除了沟道130，下表面114可以是平坦的且可以平行于上平坦表面112。虽然可以有不同数量的沟道，例如十八或更多个沟道，但在此实施例中，下表面114包括十二个沟道130。当固定环100组装于承载头时，如图2所示的承载头，下表面114接触抛光垫。沟道130允许抛光液体在固定环下流动至基板，抛光液体可以含研磨剂、或者不含研磨剂，例如抛光浆料。
上表面112与下表面114可以由一距离或约12.5mm至约37.5mm的固定环高度分开。沟道130大体可以是直的，及自固定环100的内表面120延伸至外表面110。各沟道130可以具有约0.75mm至约0.25mm的宽度W(见图4)，例如约3.125mm。
底表面114上的沟道130可以以等角度间距绕固定环100分配。沟道130通常以相对于径向部分(R)的一角度α定向，例如介于约30°至约60°，或约45°定向，径向部分(R)延伸通过固定环100的中心。
参照图4，各沟道130包括两垂直侧壁132及圆形顶板134，使得沟道130缺少锐利内角。例如，圆形顶板134可以具有带等于两侧壁132间距离的直径的半圆截面。两垂直侧壁132可以具有相同高度，如约0.5mm至约3.75mm。垂直侧壁132可以具有与顶板134的圆形或锐利连接。作为图示于图5的另一个实施例，沟槽的顶板可具有大体水平的平坦部分136，并且弯曲部分138可只位于顶板与侧壁相交的角。
参照图1和图3，邻近下表面114的固定环100的外表面110的至少一部分可以是在顶或底平面图中的圆形的垂直圆柱表面。在一些实现方式中，固定环100包括悬垂部分146，悬垂部分146较最底部分144具有较大外直径，使得外表面110包括突出部分140。
内表面120由多个刻面150形成而不是圆柱表面，多个刻面150包括刻面150a、150b、150c、150d、150e、150f(未全部图示)，各刻面是平坦垂直表面且在角处交接邻近刻面，例如包括162a、162b、162c、162d(未全部图示或标示)的角162处。因此，各角162可以是连续的垂直角(straight vertical corner)。
刻面沿直的上边170及下边194分别与上表面及下表面112、114相交。刻面的直边在角处彼此连接。因此，在顶或底平面图中，连接的边可以形成多边形。
在图1的实施例中，内表面120具有十二个刻面150，形成带有下表面114的十二个下直边170，包括170a,170b、170c、170d、170e、170f、170g、170h、170i、170j、170k、170l及十二个上直边194，包括194a、194b、194c、194d、194e、194f(未全部图示)。然而，固定环100可具有12至148个刻面。
内表面120与外表面110由一距离或约2.5cm至5.0cm的固定环100的平均宽度平均分开。
上表面114中的各沟道130具有一端部及一相对端部，该端部开向内表面120，而该相对端部开向外表面110。内表面120的开口位于相邻刻面之间的角处。在一些实现方式中，内表面120中的沟道130的全部的开口位于这些角处且沿刻面的边的两角间是没有内表面120的沟道130的开口。在图示的实施例中，各角对应于沟道的一个开口，因而对应于沟道130。内表面120中的刻面总数量可以等于下表面114中的沟道总数量。在一些实现方式中，内表面中的刻面数量等于沟道总数量的整数倍，如1、2、3……举例而言，内表面120上的每两、三或更多个角可形成沟道开口，及因而形成沟道130。
与弹性膜204的下表面240连接的固定环100的内表面120界定基板承接凹部300。固定环100防止基板242离开基板承接凹部300。一般来说，基板是圆形并具有约200mm至约300mm的直径。顶或底平面图中凹部300的尺寸大体上大于基板242的表面区域，使得基板242可以相对于固定环100移动基板242的位置。用于讨论目的，将固定环100的内半径(IR)限定为于固定环的平面图中的固定环100的中心C至刻面边的中心点之间的距离，该刻面边介于两邻近角之间。此内半径大于基板直径的一半，或者基板半径，及可以是例如约150mm至约155mm的。
参照图2和图6，在抛光处理期间，包括壳体202、膜204与固定环100的承载头200相对于抛光垫250移动。基板242跟着承载头200于凹部300内的移动，凹部300由固定环100的内表面120与膜204界定。在移动期间的某个时间点，基板242接触内表面120的至少两刻面。例如，如图6所示，当基板242在相对于固定环的接触位置“1”时的时间点，基板的外表面同时使得一处与刻面170k接触且另一处与刻面170l接触(接触位置由符号“x”标示及以“l”标识方位)。
假设在这两个接触位置处，基板242没有相对于固定环100的内表面120滑动，在这两个接触位置处，基板242与内表面120具有相同的线速度。然而，因为基板242的半径小于固定环100的内表面120的半径，在这两个接触位置处，基板242与内表面120具有不同角速度。因此，在基板242在接触位置“l”处的时间点之后，基板242相对于固定环100的位置改变及基板242与内表面120间的接触位置改变。换而言之，基板242的中心相对于固定环的中心移动，例如转动。例如，在另一个时刻，基板242在相对于固定环处于接触位置“2”。在此位置“2”中，基板242的外表面同时使得一处与刻面170i接触且另一处与刻面170j接触。又在另一个时刻，基板242在相对于固定环的接触位置“3”。在此位置“3”中，基板的外表面同时使得一处与刻面170h接触且另一处与刻面170g接触。
尽管图6图示基板242在各接触位置处同时接触两刻面，例如位置“1”、“2”、“3”处，但基板242在各接触位置处同时接触超过两个刻面是可能的，例如三个或三个以上刻面。举例而言，各接触位置处的接触刻面的数量可以通过控制固定环的内表面120中刻面的总数量和/或形状、基板242与内表面120间的半径差等来控制。在一些实施例中，各刻面可以具有相同的尺寸与形状，及内表面120的平面图可以是高度对称的。在另一些实施例中，刻面可以具有不同尺寸或形状，及内表面的截面可以是不对称的。例如，虽然附图显示刻面为大体矩形或方形，但是刻面也可以具有其它形状，如梯形。附图所示的角自上表面112延伸至底表面114。在另一些实施例中，两邻近刻面的一些角并没有于两表面112、114间完全延伸。
通过允许基板242在各接触位置处同时接触多个刻面，固定环的内表面120的磨损可以相较于在各接触位置处形成的单一接触而言降低。举例而言，当固定环的内表面在各接触位置处是圆柱形时，例如像固定环100的外表面110，具有圆形的外周边的基板在单一接触位置处接触固定环的内表面。多个接触可以允许基板242与内表面120间的力在多个接触位置处被吸收并减少由各个接触位置处的力所产生的磨损。此外，基板与圆柱表面间的单一接触中的接触角是关于圆柱表面的内直径正交的。然而，当基板242在多个刻面处与内表面120产生多处接触时，接触角不必关于内表面120的内半径正交的。因此，在各接触位置处固定环上的磨损相较于具有90度接触角的接触而减少。降低的磨耗使得固定环具有增加的预期寿命。
在固定环100与基板242间的相对移动期间，基板与位于内表面120的角处的任何沟道130或沟道开口没有直接的点对点接触。反之，基板与内表面120的刻面只产生点对面接触。一般来说，沟道130在固定环100中形成高应力区域，固定环在该区域比固定环的其它部分更容易被损坏或破坏。通过消除沟道130与基板242间的直接点对点接触来保护高应力区域免受基板242与内表面120间的直接力冲击。减少来自此力对于固定环的可能损伤。因此，固定环的磨损得以降低，及可以使用固定环很长一段时间。在某些抛光过程中，基板242与固定环100间的相对运动可以减少抛光基板中的不对称性及改善晶片内的均匀性。在具有不对称性的经抛光的基板中，已抛光的基板具有随角度坐标改变的厚度变化。在不受限于任何特定理论的前提下，相较于单一接触状况而言，基板242与固定环100间的多个接触可以允许基板242随承载头旋转，因而将自承载头的任何非对称的压力分布的影响成角度地分散，从而减少非对称性的发生机会或非对称的量。
固定环100可以由对CMP工艺化学惰性的材料形成。该材料应该有足够的弹性，使得基板边缘抵靠固定环100的接触不会导致基板碎裂或破裂。然而，当承载头施加向下的压力在固定环100上时，固定环100不应有弹性到突出(extrude)进入基板承接凹部300。固定环100还应该是耐用的且具有低的磨损率，虽然磨损对于固定环100是可接受的。
例如，固定环100可以由在CMP工艺中化学惰性的塑料制成。该塑料可以具有在肖式(Shore)D等级上约80-95的硬度计量值。一般来说，该塑料的弹性系数可以在约0.3-1.0x106psi的范围内。合适的塑胶可以包括(如包含有(consist of))聚苯硫醚(PPS)、聚芳醚酮(PAEK)、聚二醚酮(PEEK)、聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)、聚对苯二甲酸丁酯(PBT)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯并咪唑(PBI)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚酮酮(PEKK)或复合材料。聚苯硫醚(PPS)的优点是聚苯硫醚(PPS)是可靠的且常用作固定环的材料。
固定环100还可以具有其它的特征或以上所讨论的替代性特征。在一些实现方式中，固定环100具有一或多个通孔，该一或多个通孔水平地或以自水平线的一小角度从内表面延伸通过固定环的主体至外表面以允许在抛光期间例如气体或液体的流体从固定环的内部穿过到外部，或从固定环的外部穿过到内部。通孔可以绕固定环均匀间隔。
虽然固定环100的侧壁绘示为垂直的，但是固定环110可以包括其它特征，诸如外表面上的唇部或凹部之类以帮助将固定环置中于基板装载器或为抵靠围绕环的顶部内缘的固定环提供硬停器(hard stop)。在一些实现方式中，固定环100的内表面和/或外表面可以成锥形(tapered)。
虽然以上所述固定环包含单个环，但在一些实现方式中，固定环可以具有在彼此顶部堆叠(stack)的两或两个以上环部分的组合。在这些实现方式中，上述固定环100可以是下表面与抛光垫接触的最低环部分。固定环100的一些部分可经改变以连接至其它环部分。
与固定环及固定环部分相关的其它特征描述于美国公开号第2005/0126708及2013/0035022号专利申请案中。这两个申请案的全部内容通过引用的方式并入本文中。
其它的特征在权利要求书中。

Claims (15)

1.一种固定环，所述固定环包括：
大体环状主体，包含
顶表面；
底表面；
外表面，所述外表面在外顶部周边处与所述顶表面连接且在外底部周边处与所述底表面连接；及
内表面，所述内表面在内顶部周边处与所述顶表面连接且在内底部周边处与所述底表面连接，所述内表面包含七或七个以上的平坦刻面，邻近的平坦刻面于角处连接，并且所述内底部周边包含于所述角处连接的所述平坦刻面的直边。
2.如权利要求1所述的固定环，其中所述底表面包括从所述外表面延伸至所述内表面的沟道，且其中各沟道包含端部，所述端部开向在角处的所述主体的所述内表面。
3.如权利要求2所述的固定环，其中所述内表面包括第一数量的刻面及所述底表面包括第二数量的沟道，且其中所述第一数量是所述第二数量的正整数倍。
4.如权利要求2所述的固定环，其中所述第一数量等于所述第二数量。
5.如权利要求2所述的固定环，其中所述沟道以一角度定向，所述一角度相对于延伸通过所述固定环的中心的径向部分定向。
6.如权利要求1所述的固定环，其中各角自所述顶表面延伸至所述底表面，且其中各刻面具有矩形或方形，所述矩形或所述方形具有与所述顶表面一起形成的顶直边、与所述底表面一起形成的底直边，及沿着两角的两直侧边。
7.如权利要求1所述的固定环，其中所述内表面包括总数18个刻面。
8.如权利要求1所述的固定环，其中所述内底部周边具有对称的形状。
9.如权利要求1所述的固定环，其中所述内顶部周边与所述内底部周边的一或两者形成多边形。
10.如权利要求1所述的固定环，其中所述固定环的中心与平坦刻面间的距离是约150mm至约155mm。
11.承载头，所述承载头包括：
基板承接表面；
大体环状固定环，所述大体环状固定环围绕所述基板承接表面，所述固定环包含
顶表面；
底表面；
外表面，所述外表面在外顶部周边处与所述顶表面连接且在外底部周边处与所述底表面连接；及
内表面，所述内表面在内顶部周边处与所述顶表面连接且在内底部周边处与所述底表面连接，所述内表面包含七或七个以上的平坦刻面，邻近的平坦刻面于角处连接，并且所述内底部周边包含于所述角处连接的所述平坦刻面的直边。
12.如权利要求11所述的承载头，其中所述底表面包括从所述外表面延伸至所述内表面的沟道，且其中各沟道包含端部，所述端部开向在角处的所述主体的所述内表面。
13.如权利要求12所述的承载头，其中所述内表面包括第一数量的刻面及所述底表面包括第二数量的沟道，且其中所述第一数量是所述第二数量的正整数倍。
14.如权利要求13所述的承载头，其中所述第一数量等于所述第二数量。
15.一种抛光方法，所述抛光方法包括以下步骤：
于基板与抛光表面之间产生相对运动；
以固定环限制所述基板，所述固定环包含
顶表面；
底表面；
外表面，所述外表面在外顶部周边处与所述顶表面连接且在外底部周边处与所述底表面连接；以及
内表面，所述内表面在内顶部周边处与所述顶表面连接及在内底部周边处与所述底表面连接，所述内表面包含七或七个以上的平坦刻面，邻近的平坦刻面于角处连接，并且所述内底部周边包含于所述角处连接的所述平坦刻面的直边，
其中所述基板与所述抛光表面间的所述相对运动导致所述固持的基板同时接触所述固定环的所述内表面的两或两个以上的刻面。
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