CN106863110A - 耐腐蚀保持环 - Google Patents
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Abstract
本文所述的实施方式保护抛光系统的保持环不受腐蚀性抛光化学物质的影响。在一个实施方式中，保持环具有环形主体，所述环形主体具有顶表面、内径侧壁、外径侧壁和底表面。内径侧壁被配置成用于限定基板。环形主体具有：刚性环形部分；聚合物环形部分，所述聚合物环形部分堆叠在刚性环形部分上且覆盖刚性环形部分的至少三侧；多个槽，所述多个槽形成在底表面中；和多个排水口，所述多个排水口穿过聚合物环形部分形成，其中排水口与刚性环形部分隔离。
Description
技术领域
本发明的实施方式涉及用于抛光基板，比如半导体基板的抛光系统。更特定而言，实施方式涉及保持环、化学机械平坦化(chemical mechanical planarization；CMP)系统和用于提高保持环寿命的方法。
背景技术
化学机械抛光(Chemical mechanical polishing；CMP)是在高密度集成电路制造中用以平坦化或抛光沉积在基板上的材料层的常用工艺。承载头可将保持在其中的基板提供至CMP系统的抛光站，且在存在抛光液的情况下相抵于移动的抛光垫可控地推动基板。通过化学和机械活动的组合，材料从与抛光表面接触的基板的特征侧去除。抛光时从基板去除的材料悬浮在抛光液中。悬浮的材料通过抛光液从抛光站去除。
承载头通常包括保持环，所述保持环限定(circumscribe)基板且可促进将基板保持在承载头中。保持环的底表面通常在抛光期间与抛光垫接触。保持环可具有槽以促进抛光液运动至及离开基板。当抛光基板时，浆料和已去除的悬浮材料可粘附和累积在基板和保持环之间的区域中。粘附的物质侵蚀保持环的金属表面。另外，粘附的物质可能结块且回退到抛光垫上且从而成为基板缺陷的来源。
因此，需要一种改进的保持环、具有改进的保持环的抛光系统。
发明内容
本文所述的实施方式保护抛光系统的保持环不受腐蚀性抛光化学物质的影响。在一个实施方式中，保持环具有环形主体，所述环形主体具有顶表面、内径侧壁、外径侧壁和底表面。内径侧壁被配置成用于限定基板。环形主体具有：刚性环形部分；聚合物环形部分，所述聚合物环形部分堆叠在刚性环形部分上且覆盖刚性环形部分的至少三侧；多个槽，所述多个槽形成在底表面中；和多个排水口(wash port)，所述多个排水口穿过聚合物环形部分形成，其中排水口与刚性环形部分隔离。
附图说明
为了可详细地理解本发明的上述特征的方式，可参考实施方式获得本发明的更特定的描述，在附图中示出实施方式的一些实施方式。然而，应注意的是，附图仅示出本发明的典型实施方式，并且因此不被视为限制本发明的范围，因为本发明可允许其他同等有效的实施方式。
图1是抛光系统的部分截面图。
图2是具有保持环的承载头的部分截面图。
图3是保持环的俯视图。
图4A和图4B是示出耐腐蚀保持环的一个实施方式的截面图。
图5A和图5B是示出耐腐蚀保持环的另一实施方式的截面图。
图6A和图6B是示出耐腐蚀保持环的又一实施方式的截面图。
为了促进理解，在可能的情况下，已使用相同的标记数字表示诸图共用的相同元件。可以预期，在一个实施方式中公开的元件可有利地用于其他实施方式，而无需特定叙述。
具体实施方式
本文描述了保持环、化学机械平坦化系统(CMP)和用于抛光基板的方法。保持环包括金属部分的封装以延长保持环的使用寿命。
图1是化学机械抛光系统(CMP)100的部分截面图。CMP系统100包括承载头150，承载头150将基板135(以虚线示出)保持在保持环130内部，且在处理期间将基板135放置成与抛光垫175的抛光表面180接触。抛光垫175置放在工作台176上。工作台176通过工作台轴182耦接至电机184。当CMP系统100抛光基板135时，电机184使工作台176且因此使抛光垫175的抛光表面180围绕工作台轴182的轴线186旋转。
CMP系统100可包括化学品输送系统190和垫清洗系统160。化学品输送系统190包括保持抛光液191的化学品槽罐196，所述抛光液比如为浆料或去离子水。抛光液191可通过喷嘴198喷到抛光表面180上。抛光表面180旋转抛光液191而使抛光液191与基板135接触，由承载头150相抵于抛光表面180按压所述基板以平坦化基板135。集水槽192可收集旋转离开抛光垫175的抛光液191。所收集的抛光液191可被过滤以去除杂质且运输回化学品槽罐196以便重新使用。
垫清洗系统160可包括输水管162，所述输水管喷洒去离子水164至抛光垫175的抛光表面180上。管将输水管162连接至去离子水槽罐(未示出)。在抛光之后，来自输水管162的去离子水164可清洗来自基板135、承载头150和抛光表面180的碎屑和过量抛光液191。虽然垫清洗系统160和化学品输送系统190被示出为分离的元件，但是应理解，单个系统可同时进行输送去离子水164和输送抛光液191的功能。
承载头150被耦接至轴108。轴108被耦接至电机102。电机102被耦接至臂170。电机102相对于臂170以线性运动(X轴和/或Y轴方向)横向地移动承载头150。承载头150还包括致动器104，所述致动器被配置成用于相对于臂170和/或抛光垫175在Z轴方向上移动承载头150。承载头150还被耦接至旋转致动器或电机106，所述旋转致动器或电机使承载头150围绕旋转轴相对于臂170旋转，所述旋转轴与承载头150的中心线111对准。电机/致动器104、102和106相对于抛光垫175的抛光表面180定位和/或移动承载头150。在一个实施方式中，电机/致动器104、102和106在处理期间相对于抛光表面180旋转承载头150，并提供向下的力以相抵于抛光垫175的抛光表面180推动基板135。
承载头150包括容纳柔性膜140的主体125。柔性膜140在承载头150的下侧上提供与基板135接触的表面。承载头150也可包含设置在主体125和柔性膜140之间的一或更多个囊状物110/112。当基板135保持在承载头150中时，柔性膜140接触基板135的背侧。囊状物110/112被耦接至第一可变压力源145A，所述第一可变压力源有选择地输送流体至囊状物110/112以施加力至柔性膜140。在一个实施方式中，囊状物110施加力至柔性膜140的外区域，而囊状物112施加力至柔性膜140的中央区域。从囊状物110/112施加至柔性膜140的力可被传输至基板135的各部分，且可用于控制基板135相抵于抛光垫175的抛光表面180施加的边缘至中心压力分布。第一可变压力源145A被配置成用于独立地输送流体至每一囊状物110/112，以控制通过柔性膜140到达基板135的各个区域的力。另外，可在承载头150中提供真空口(未示出)以施加吸力至基板135的背侧，从而促进在承载头150中保持基板135。
主体125和柔性膜140由保持环130限定。保持环130通过致动器132耦接至主体125。致动器132由第二可变压力源145B控制。第二可变压力源145B提供流体或从致动器132去除流体，这引起保持环130在Z轴方向上相对于承载头150的主体125移动。第二可变压力源145B适于独立于由电机104提供的运动提供保持环130的Z方向运动。第二可变压力源145B可通过施加负压或正压至致动器132和/或保持环130来提供保持环130的运动。在一个方面中，为了提供用于相抵于抛光垫175按压基板135的力，压力被施加于保持环130以在抛光工艺期间，朝向抛光垫175的抛光表面180推动保持环130。
保持环130可由一或更多种材料形成，比如金属、陶瓷或塑料。所述材料可被选择以向保持环130提供刚性和寿命。保持环130可具有多个浆料释放槽244(图2中所示)。保持环130可另外具有一或更多个排水口120。排水口120和浆料释放槽244允许在承载头150和保持环130中截留的浆料被冲洗掉。通过排水口120喷洒去离子水以清除附着于保持环130和柔性膜140的颗粒，有利地防止颗粒被再引入到抛光表面180上，颗粒的此再引入可能在抛光期间导致刮伤或以其他方式损坏基板。
承载头150的保持环130在基板135的抛光期间接触抛光表面180和抛光液191。化学品输送系统190在抛光期间将抛光液191输送至抛光表面180和基板135。保持环130中的浆料释放槽244和排水口120促进输送抛光液191和所夹带的抛光碎屑穿过保持环130且远离基板135。保持环130可以以保护某些材料(比如金属)，包括保持环130免受抛光液191的影响的方式形成，从而延长保持环130的寿命且减少潜在的工艺污染源。
图2是承载头150和保持环130的一部分的截面图。间隙222可形成在保持环130和承载头150的主体125的支撑结构214之间。间隙222允许支撑结构214在垂直方向上独立于保持环130移动。空隙220也可存在于支撑结构和保持环130之间。当抛光基板135时，抛光液(即浆料)和悬浮在抛光液中的颗粒可能进入空隙220和间隙222。悬浮固体(颗粒)可能附着于空隙220和间隙222中的承载头150。如果没有去除颗粒，那么夹带在承载头150中的颗粒可能在抛光期间移出且损坏基板135。
保持环130可以是环形，具有与图1中所示的中心线111重合的中心线。保持环130也可包括底表面210、内径侧壁254和外径侧壁252。内径侧壁254具有被设定尺寸以接收基板135的内半径。保持环130的内径侧壁254通过间隙222和空隙220与支撑结构214分离。
保持环130可由主体202组成，主体202由两个或更多个部分形成。主体202的部分可包括一或更多个部件，所述部件装配在一起以形成主体202的环形。在一个实施方式中，保持环130的主体202由两个环形部分形成。例如，保持环130可具有附接至刚性部分284的聚合物部分280。在另一实施方式中，保持环130可由多于2个部分形成。例如，刚性部分284可由固持在一起或被聚合物部分280封装的多个分离部分形成。
保持环130的刚性部分284可被结合至保持环130的聚合物部分280。在一个实施方式中，刚性部分284由聚合物部分280完全封装以便保护刚性部分284。此布置可通过模塑或通过附加的制造完成。在另一实施方式中，刚性部分284由聚合物部分280部分地封装，以便暴露刚性部分284的一部分以供检查。
刚性部分284可以由不锈钢、铝、钼、或其他金属或合金、或陶器或陶瓷填充的聚合物塑料、或这些或其他适合材料的组合形成。在一个实例中，主体202的刚性部分284可由诸如不锈钢(SST)之类的金属形成。聚合物部分280可由塑料材料制成，所述塑料材料比如聚苯硫醚(polyphenylene sulfide；PPS)、聚萘二甲酸丁二醇酯(polybutylenenaphthalate；PBN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸丁二醇酯、TX、PEEK、、、PET、、、或这些和/或其他适合材料的组合。在一个实例中，主体202的聚合物部分280由塑料材料制成以形成接触垫175和基板135的磨损表面，而刚性部分284由SST形成以向聚合物部分280提供刚性。
聚合物部分280可另外地或替代地形成有疏水材料或涂层，所述疏水材料或涂层耐受与工艺流体的化学相互作用，所述疏水材料或涂层比如为基于用于处理CMP系统100中的基板135的抛光液的化学性质而选择的聚合物材料。所述聚合物材料可以是含碳材料，比如聚对二甲苯(parylene(polyparaxylylene))；或其他含碳材料，比如PEEK(聚醚醚酮)和类金刚石碳(diamond-like carbon；DLC)。关于图5A和图5B更加详细地论述涂层。
继续参看图2且如上文简要地论述，主体202可包括形成在底表面210中的浆料释放槽244。浆料释放槽244从内径侧壁254延伸到外径侧壁252。在旋转保持环130时，由于垫175和承载头150的旋转，抛光液191和任何夹带的抛光碎屑(比如通过抛光从基板135去除的材料)倾向于移动穿过浆料释放槽244。
排水口120可形成在主体202的任何部分中。排水口120具有第一中心线290，所述第一中心线可大体上垂直于承载头150的中心线111(且因此，实质上垂直于保持环130的中心线)。排水口120为指向保持环130的外径侧壁252的清洗液(即去离子水164)提供路径，以使清洗液穿过保持环130的主体202而进入界定在承载头150之内的空隙220和间隙222。排水口120被定尺寸以提供足以去除所夹带的抛光碎屑的清洗液的流动，所述夹带的抛光碎屑可能已被截留在承载头150的空隙220和间隙222中。排水口120可被定向以使得第一中心线290平行于抛光垫175的顶部抛光表面180。或者，排水口120可以纵向角292倾斜以使得第一中心线290被旋转至第二中心线293的位置，且排水口120从外径侧壁252向上成角度。排水口120相对于第一中心线290(或水平线)的纵向角292可以是约大于-80度且小于约80度，比如+/-30度。
排水口120的数目和配置可被配置和/或取决于工艺条件。例如，保持环130可具有多达18个或更多个间隔开的排水口120，以允许附着于承载头150的固体被冲洗掉且离开承载头150。排水口120可围绕保持环130相等地或以其他方式间隔开，以确保可用清洗液冲洗承载头150的空隙220和间隙222的所有表面。排水口120也可以小的组形成，比如四个或五个排水口120的组；且这些组可被间隔开以提供用于紧固件或其他部件的空间，比如如下文进一步论述的图4A至图6A中所示的刚性部分284的部分。
图3是保持环130的俯视图。保持环130可具有中心302。保持环130具有顶表面312。顶表面312可具有一或更多个安装特征310。安装特征310可延伸至主体202的聚合物部分280中。或者，安装特征310可延伸至主体202的刚性部分284中。安装特征310可以是适合于将保持环130附接于致动器132的孔、耳片或其他特征。保持环130具有与中心302径向对准的截面X-X。
图4A至图6B示出通过截面X-X获得的耐腐蚀保持环130的不同实施方式。在图4A至图6B中所示的一或更多个实施方式中，聚合物部分280由塑料材料形成且刚性部分284由金属形成，比如不锈钢。有利地，聚合物部分280的材料保护刚性部分284不受流经保持环130的排水口120的腐蚀性流体的影响，以便提升保持环130的寿命。同时，刚性部分284的材料为保持环130提供结构刚性。
图4A和图4B是示出耐腐蚀保持环130的一个实施方式的截面图。保持环130被暴露于工作流体且具有将流体引导穿过保持环130的排水口120和浆料释放槽244。图4A和图4B示出保持环130的一个实施方式，所述保持环130具有由聚合物部分280封装的刚性部分284和穿过聚合物部分280设置的排水口120。即，刚性部分284完全被聚合物部分280包围和围绕。
刚性部分284具有顶表面414和底表面416。底表面416可具有轮廓480。轮廓480可以是不规则的或规则的，比如波形。轮廓480可具有将聚合物部分280延伸至刚性部分284的底表面416中的凸起部分481。轮廓480可具有形成正方形、正弦曲线或其他形状图案的凸起部分481。在一个实施方式中，刚性部分284的底表面416具有在轮廓480中的大体上矩形的凸起部分481。有利地，延伸至刚性部分284的底表面416中的聚合物部分280的凸起部分481提供容纳穿过聚合物部分280形成的排水口120的空间。因此，排水口120与刚性部分284隔离，且因此流经排水口120的化学品及其他物质无法接触保持环130的刚性部分284。
轮廓480可具有周期486。周期486是相邻凸起部分481的起点之间的距离的量度。周期486可以是短的，其中相邻凸起部分481靠得很近。或者，周期486可以是长的，其中相邻凸起部分481被进一步分开。周期486可以是规则的且因此沿着刚性部分284的整个底表面416以大体上类似的间隔出现。规则周期486可以指示具有规则波形的轮廓480。或者，周期486可变化以调节排水口120或排水口120组的放置。
凸起部分481可由宽度484分离。宽度484可被配置成允许在凸起部分481之间形成一或更多个排水口120。在一个实施方式中，宽度484被配置成用于形成一个排水口120。在另一实施方式中，所述宽度被配置成用于形成两个或更多个排水口120，比如四个排水口120。在一些实施方式中，聚合物部分280的凸起部分481的宽度484在尺寸上大体相似。在其他实施方式中，聚合物部分280的凸起部分481的宽度484可具有不同的尺寸。例如，凸起部分481可各自容纳不同数目的排水口120，比如在保持环130的一个位置中容纳一个排水口120，而在保持环130的另一位置中容纳两个排水口120。
刚性部分284可选择性地具有用于安装特征310的接收器410。接收器410被示出为孔，但可替代地为螺钉、销钉或其他外部凸出的特征。接收器410可被螺纹化或具有允许紧固件将保持环130附接于承载头150的另一特征。有利地，相较于接收器形成在聚合物部分280的较软材料中，形成在刚性部分284的材料中的接收器410提供了用于将保持环130附接于承载头150的更强的固定点。
有利地，刚性部分284可由诸如SST之类的刚性材料形成，且可由聚合物部分280的塑料保护材料完全封装。刚性部分284的底表面416中的凸起部分481允许在保持环130中形成排水口120，而不将刚性部分284暴露于腐蚀性工作流体。因此，保持环130的寿命被延长超过其中刚性部分284被暴露于腐蚀性工作流体的传统保持环。
图5A和图5B是示出耐腐蚀保持环130的另一实施方式的截面图。保持环130被暴露于工作流体且具有将流体引导穿过保持环130的排水口120和浆料释放槽244。图5A和图5B示出保持环130的一个实施方式，所述保持环具有由聚合物部分280封装的刚性部分284和穿过聚合物部分280和刚性部分284设置的排水口120。
刚性部分284具有顶表面414和底表面516。顶表面414和底表面516可大体上平行于保持环130的顶表面312。刚性部分284可具有穿过所述刚性部分设置的孔520。聚合物部分280可具有大体上与刚性部分284中的孔520对准的孔522。排水口120从内径侧壁254贯穿孔520、522至外径侧壁252。
排水口120可穿过聚合物部分280和刚性部分284形成。涂层526可被设置在孔520、522上，且特别地，孔520将刚性部分284暴露于排水口120。涂层526将排水口120的通道加衬以防止流经所述通道的流体与保持环130的刚性部分284接触。涂层526可由诸如含碳材料之类的聚合物材料形成。含碳材料可包括聚对二甲苯(parylene(polyparaxylylene))，例如氯化线性聚对二甲苯(Parylene C(chlorinated linear polyparaxylylene))、线性聚对二甲苯(Parylene N)、和交联聚对二甲苯(Parylene X)。可被使用的其他含碳材料包括PEEK(聚醚醚酮)和类金刚石碳(DLC)。涂层526保护刚性部分284避免由于化学物质流经排水口120而腐蚀。
可比如在用于形成保持环130的印刷工艺期间在附加的制造操作中施加涂层526。或者，涂层526可通过喷涂、浸渍或其它适当方法施加。在另一替代方式中，涂层526可以是聚合物部分280的整体和连续部分。例如，涂层526可以二次成型工艺形成，其中刚性部分284使用聚合物部分280二次成型。有利地，涂层526保护刚性部分284免受流经排水口120的化学物质的影响，且防止流体侵蚀和劣化刚性部分284。因此，涂层526延长保持环130的使用寿命。
图6A和图6B是示出耐腐蚀保持环130的又一实施方式的截面图。保持环130被暴露于工作流体且具有排水口120和浆料释放槽244，所述排水口和浆料释放槽引导流体从内径侧壁254穿过保持环130到外径侧壁252。图6A和图6B示出保持环130的一个实施方式，其中刚性部分284由聚合物部分280部分地封装且排水口120穿过聚合物部分280而设置。
刚性部分284具有顶表面612和底表面616。底表面616可具有类似于关于图4所述的轮廓的轮廓680。轮廓680可具有凸起部分681，所述凸起部分从聚合物部分280延伸且延伸到刚性部分284的底表面616中。凸起部分681可以是矩形、半圆形、或其他适合形状。在一个实施方式中，刚性部分284的底表面616具有形成轮廓680的大体上半圆形凸起部分681。有利地，延伸至刚性部分284的底表面616中的聚合物部分280的凸起部分681提供用于形成排水口120的空间，所述排水口穿过无排水口120的聚合物部分280形成，从而防止刚性部分284被暴露于流经排水口120的化学品。
轮廓680的凸起部分681可具有周期686。周期686可如上文所论述是规则或不规则的以调节排水口120的放置。凸起部分681可被配置成允许在每个凸起部分681中形成一或更多个排水口120。在一个实施方式中，凸起部分681被配置成用于形成一个排水口120。在另一实施方式中，凸起部分681被配置成用于形成两个或更多个排水口120，比如三个排水口120。在一些实施方式中，刚性部分284的凸起部分681在尺寸上大体类似于相邻凸起部分681。在其他实施方式中，刚性部分284的凸起部分481可具有不同的尺寸。
刚性部分284的顶表面612可与保持环130的顶表面312重合。顶表面612中的安装特征310将保持环130固定至承载头150。聚合物部分280可将刚性部分284的除了顶表面612之外的所有部分封装。聚合物部分280的侧部690形成开口610，刚性部分284设置在开口610中。刚性部分284可被配置成扣入聚合物部分280的开口610或从开口610中解扣。侧部690保护刚性部分284的除了顶表面612之外的所有部分免于暴露于处理化学物质。顶表面612被安装到承载头150且承载头150实质上保护刚性部分284的顶表面612免于暴露于处理化学物质。有利地，使刚性部分284的顶表面612暴露于保持环130中允许容易组装和独立替换保持环130的聚合物部分280和/或刚性部分284。
虽然上述内容是针对本发明的实施方式，但是可在不背离本发明的基本范围的情况下设计本发明的其他和进一步的实施方式。
Claims (14)
1.一种用于抛光系统的保持环，所述保持环包含：
环形主体，所述环形主体具有顶表面、内径侧壁、外径侧壁和底表面，所述内径侧壁被配置成用于限定基板；其中所述环形主体包含：
刚性环形部分；
聚合物环形部分，所述聚合物环形部分堆叠在所述刚性环形部分上且覆盖所述刚性环形部分的至少三侧；
多个槽，所述多个槽形成在所述底表面中；和
多个排水口，所述多个排水口穿过所述聚合物环形部分形成，其中所述排水口与所述刚性环形部分隔离。
2.如权利要求1所述的保持环，其中所述排水口相对于所述环形主体的中心线非垂直。
3.如权利要求1所述的保持环，其中所述聚合物环形部分包含：
凸起部分，所述凸起部分延伸至所述刚性环形部分中，所述排水口穿过所述凸起部分形成。
4.如权利要求3所述的保持环，其中所述排水口的内径由所述聚合物环形部分覆盖。
5.如权利要求1所述的保持环，其中所述刚性环形部分由所述聚合物环形部分完全封装。
6.如权利要求1所述的保持环，进一步包含：
形成在所述排水口的内径中的涂层，所述涂层将所述刚性环形部分与所述排水口隔离。
7.一种用于抛光系统的保持环，所述保持环包含：
环形主体，所述环形主体具有顶表面、内径侧壁、外径侧壁和底表面，所述内径侧壁被配置成用于限定基板；其中所述环形主体包含：
金属环形部分；
聚合物环形部分，所述聚合物环形部分覆盖所述金属环形部分的外部；
多个槽，所述多个槽形成在所述环形主体的所述底表面中；和
多个排水口，所述多个排水口穿过所述聚合物环形部分形成，其中所述排水口与所述金属环形部分隔离。
8.如权利要求7所述的保持环，其中所述排水口相对于所述环形主体的中心线非垂直。
9.如权利要求7所述的保持环，其中所述聚合物环形部分包含：
凸起部分，所述凸起部分延伸至所述金属环形部分中，所述排水口穿过所述凸起部分形成。
10.如权利要求9所述的保持环，其中所述排水口的内径由所述聚合物环形部分覆盖。
11.如权利要求7所述的保持环，其中所述金属环形部分由所述聚合物环形部分完全封装。
12.如权利要求7所述的保持环，进一步包含：
形成在所述排水口的内径中的涂层，所述涂层将所述金属环形部分与所述排水口隔离。
13.如权利要求7所述的保持环，其中所述金属环形部分由不锈钢制成。
14.如权利要求13所述的保持环，其中所述聚合物环形部分由以下至少之一制成：聚苯硫醚(PPS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚醚酮、和聚对苯二甲酸丁二醇酯。
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