CN112405329A - 用于化学机械抛光的双膜承载头 - Google Patents
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Abstract
一种用于化学机械抛光的承载头，包含：基座组件连接至所述基座组件的膜组件。所述膜组件包含：膜支撑件、固定至所述膜支撑件的内膜、和固定至所述膜支撑件并且在所述内膜下方延伸的外膜，其中所述内膜在膜的上表面与所述膜支撑件之间形成多个可单独加压的内部腔室，所述外膜具有内表面和外表面，其中所述外膜在所述外膜的所述内表面与所述内膜的下表面之间界定下部可加压腔室，其中所述内表面被定位成在所述多个腔室中的一个或多个腔室被加压时与所述内膜的下表面接触，并且其中所述外表面被配置为接触基板。
Description
技术领域
本发明涉及用于化学机械抛光(CMP)的承载头。
背景技术
通常通过在半导体晶片上顺序沉积导电、半导电或绝缘层而在基板上形成集成电路。各种制造工艺需要平坦化基板上的层。例如，一个制造步骤涉及在非平面表面上沉积填料层并平坦化填料层。对于某些应用，平坦化填料层，直到暴露出图案化层的顶表面为止。例如，可在图案化的绝缘层上沉积金属层以填充绝缘层中的沟槽和孔。在平坦化之后，在图案化层的沟槽和孔中的金属的剩余部分形成通孔、插塞和布线，以在基板上的薄膜电路之间提供导电路径。作为另一个示例，可在图案化的导电层上方沉积介电层，然后被平坦化以实现后续的光刻步骤。
化学机械抛光(CMP)是一种可以接受的平坦化方法。该平坦化方法通常需要将基板安装在承载头上。基板的暴露表面通常被放置为抵靠旋转抛光垫。承载头在基板上提供可控制的载荷，以将基板推抵至抛光垫。通常将具有磨料颗粒的抛光浆料提供至抛光垫的表面。
发明内容
一方面，一种用于化学机械抛光的承载头，包含：基座组件；和连接至所述基座组件的膜组件。膜组件包含：膜支撑、固定至所述膜支撑件的内膜和固定至所述膜支撑件并且在所述内膜下方延伸的外膜，所述外膜具有内表面和外表面。所述内膜在所述膜的上表面与所述膜支撑件之间形成多个可单独加压的内部腔室。所述外膜在所述外膜的所述内表面与所述内膜的下表面之间界定下部可加压腔室。所述内表面被定位成在所述多个腔室中的一个或多个腔室被加压时与所述内膜的下表面接触，并且所述外表面被配置为接触基板。
在另一方面，一种用于化学机械抛光的系统，包含：多个压力源、承载头、和连接至所述压力源的控制器。所述承载头包含：基座组件和膜组件。所述膜组件具有：膜支撑件、固定至所述膜支撑件的内膜、和固定至所述膜支撑件并且在所述内膜下方延伸的外膜。所述内膜在所述内膜的上表面与所述膜支撑件之间形成多个可单独加压的内部腔室。所述外膜具有内表面和外表面。所述外膜在所述外膜的所述内表面与所述内膜的下表面之间界定下部可加压腔室。所述内表面被定位成在所述多个腔室中的一个或多个腔室被加压时与所述内膜的下表面接触，并且所述外表面被配置为接触基板。所述控制器被配置为使压力源对内部腔室和下部腔室加压，使得所述内膜的所述一个或多个可单独加压的内部腔室被加压至等于或大于所述下部腔室的压力的压力，以在对应于一个或多个可单独加压的内部腔室的所述外膜的一部分处对由所述外膜施加至所述基板的压力进行补充。
在另一方面，一种用于利用承载头化学机械抛光的方法，包含以下步骤：将基板保持在承载头中，所述承载头包含具有外膜和内膜的膜组件，所述内膜界定多个可单独加压的内部腔室；将所述内膜与所述外膜之间的下部腔室加压至第一压力；将所述多个可单独加压的内部腔室中的至少一些内部腔室加压到等于或大于所述第一压力的第二压力；和在基板与抛光垫之间产生相对运动，使得来自所述下部腔室的压力引起以第一速率的所述基板的抛光，并且一个或多个内部腔室的压力补充地增加在对应于所述可单独加压的内部腔室的区域中的所述基板的抛光。
在另一方面，一种用于承载头的膜，包含：多个腔室界定部分，每个腔室界定部分包含：两个侧壁、在所述两个侧壁的底边缘处并连接所述两个侧壁的底板和从所述两个侧壁向内延伸的两个凸缘部分。所述膜的相邻的腔室界定部分由相邻的腔室界定部分的相邻侧壁之间的顶部边缘的桥接部分连接，并且相邻的腔室界定部分的相邻的侧壁由所述桥接部分下方的间隙隔开。
实施方式可包含一个或多个的以下特征。
外壳可连接至基座组件。基座组件可相对于外壳垂直移动。基座组件可通过万向节机构连接至外壳。基座组件可被配置为围绕万向节机构旋转，该万向节机构具有位于内膜上方的旋转中心。柔性件可连接基座组件和膜组件。柔性件可足够坚硬以抵抗横向运动，从而将膜组件保持在基座组件下方居中。
可能的优点可包含但不限于以下一项或多项。可以使用双膜承载头向基板的不同部分施加不同的压力，由此在抛光操作器件期间获得所需的基板轮廓。例如，可减小基板轮廓的变化。这可以改善晶片内均匀性。内膜在抛光操作期间不需要受到磨损，并且如果有的话，可能根本不需要频繁更换。因此，内膜可更复杂并且具有降低的失效风险。内膜材料不需要具有与外膜一样的化学和耐磨性。因此，内膜可降低成本。
一个或多个实施方式的细节在附图和以下描述中阐述。其他特征、方面和优点将从说明书、附图和权利要求书中变得显而易见。
附图说明
图1A是承载头的示意性截面图。
图1B是图1A中的承载头的一部分的示意性截面图。
图1C是图1A中的承载头的一部分的示意性截面图。
图2A是承载头的另一实施方式的示意性截面图。
图2B是图1A中的承载头的一部分的示意性截面图。
图2C是图1A中的承载头的一部分的示意性截面图。
图3是具有边缘控制区的内膜的示意性截面图。
相同的附图标记和在各个附图中的标志表示相同的元件。
具体实施方式
在一些抛光系统中，承载头中的膜被用于在抛光期间在基板上施加基本均匀的压力。但是，这种基本均匀的压力不能有效地解决例如由于浆料分布的变化或抛光前基板的不均匀性而导致的抛光工艺中的不均匀性。
解决不均匀性的一种方案是具有多个可单独加压的腔室，其中每个腔室向基板的局部区域施加不同的压力。提供多个腔室的膜的制造成本可能很高，并且如果这种膜与基板接触，则存在膜受到磨损和撕裂的危险，因此需要更换昂贵的零件。然而，可以在提供多个腔室的内膜上方提供外膜。内膜的多个腔室可以被间隙隔开，以减少“壁效应”，或者经由分隔相邻腔室的壁的串扰。由于外膜与基板接触，而内膜不与基板接触，所以如果外膜磨损，则可以更换。在抛光操作期间内膜不需要受到磨损，并且如果有的话可能根本不需要频繁更换，这可以降低成本。尽管外膜可以涂覆有化学和耐磨材料，但是内膜不需要涂覆，因此可以以较低的成本制造。另外，外膜更简单，因此如果外膜确实被撕裂的话，则可以以较低的成本更换。另一方面，内膜材料不需要具有与外膜一样的化学和耐磨性。内膜可以更永久的方式(例如通过诸如环氧树脂之类的粘合剂)固定至承载头(例如膜支撑件)上。这可以减少从腔室泄漏。而且，内膜可以在具有更复杂的有助于附接到载体基座特征的模具中制造；例如，因为内膜不再是消耗品，所以这对成本的影响较小，同时允许出色的附接，例如减少泄漏。
参考图1A-图1C，可以由具有承载头100的化学机械抛光(CMP)设备来抛光基板10。承载头100包含：具有上承载体104和下承载体106的外壳102、万向节机构108(可被认为是下承载体106的一部分)、负载腔室110、连接至外壳102(例如，连接上承载体104和/或下承载体106)保持环组件(下文讨论)、连接至外壳102(例如，连接上承载体104和/或下承载体106)的外环400和膜组件500。在一些实施方式中，上承载体104和下承载体106由单个整体代替。在一些实施方式中，仅存在单个环，缺少保持环205或外环400。
上承载体104可被固定至可旋转的驱动轴，以使整个承载头100旋转。上承载体104通常可以是圆形的形状。可以存在延伸穿过上承载体104的通道，用于承载头100的气动控制。
下承载体106位于上承载体104的下方，并且相对于上承载体104可竖直移动。负载腔室110位于上承载体104与下承载体106之间以向下承载体106施加载荷，即，向下的压力或重量。下承载体106相对于抛光垫的垂直位置也由负载腔室110控制。在一些实施方式中，下承载体106相对于抛光垫的垂直位置由致动器控制。
万向节机构108允许下承载体106相对于上承载体104进行万向转动和竖直运动，同时防止下承载体106相对于上承载体104的横向运动。
在一些实施方式中，万向节机构108具有设置在轴122的下端处的球形轴承120，该球形轴承120延伸到外部102中的凹部中(参见图1C)。球形轴承120允许基座组件104围绕旋转中心(例如球形轴承120的中心)旋转。万向节机构108的球形轴承可以被润滑以减少摩擦，或者涂覆有特氟隆。可以使用锁定机构128将球形轴承120保持在基座组件104的万向节外壳126中。例如，锁定机构128可以是弹簧加载锁，该弹簧加载锁可以将球形轴承120和轴122锁定在万向节外壳126的适当位置中。可以使用缓冲器124(例如，振动垫片)将万向节外壳126连接至基座组件104的其余部分，以减小由球形轴承120引起的振动和摩擦的影响传递至基座组件104。但是，在一些实施方式中，没有万向节。
基板10可由保持环205保持在膜组件500下方。保持环组件200可包含保持环205和柔性膜300，柔性膜300的被塑性成提供环形腔室350以控制保持环205上的压力。保持环205位于柔性膜300的下方，并且可例如通过夹具250固定至柔性膜300。保持环205上的载荷将载荷提供至抛光垫30。保持环205上的独立载荷可在环磨损时允许在垫上保持恒定载荷。
虽然保持环205可被配置为保持基板10并提供主动边缘处理控制，但是外环400可提供承载头相对于抛光垫的表面的定位或参照。
承载头中的每个腔室可通过穿过上承载体104和下承载体106的通道而流体地耦接至相关的压力源(例如，压力源922)，例如泵或压力或真空管线。可以存在一个或多个通道以用于柔性膜300的环形腔室350、负载腔室110、下部可加压腔室722、侧腔室724和每个可单独加压的内部腔室650。来自下承载体106的一个或多个通道可通过在负载腔室110内或承载头100外延伸的柔性管而与上承载体104中的通道链接。每个腔室的压力可被独立控制。特别地，每个腔室650的增压可被独立地控制。这允许在抛光期间将不同的压力施加到基板10的不同径向区域，由此补偿不均匀的抛光速率。
膜组件500可包含膜支撑件716、外膜700和内膜600。膜支撑件716可以是大体上盘形的主体并且可由例如不锈钢、铝或硬塑料的刚性材料形成。
外膜700具有可定位成接触内膜600的内表面702和可为基板10提供安装表面的外表面704。外膜700可具有从提供安装表面的圆形主要部分向上延伸的周边部分726。外膜700还可包含从周边部分向内延伸的两个翼片734、738。外膜700的第一翼片734可具有固定至膜支撑件716的唇缘714，并且可被夹紧在膜支撑件716与夹具736之间。第二翼片734可类似地具有固定至膜支撑件的唇缘714，例如，被夹紧在两个夹具736之间。夹具736可通过紧固件、螺钉、螺栓或其他类似的紧固件固定至下承载体106。第一翼片734可将下部可加压腔室722与位于两个翼片734、738之间的侧腔室724分隔。下部可加压腔室722被配置为跨越内膜600的底部和内膜600的侧面延伸。内膜600位于下部可加压腔室722与膜支撑件716之间。
外膜700可以在大部分或整个基板10上施加向下的压力。下部可加压腔室722中的压力可以被控制以允许外膜700的外表面704向基板10施加压力。
内膜600可界定可相对于彼此竖直膨胀的多个可单独加压的内部腔室650。例如，每个腔室650可由膜600的底部部分654和两个侧壁部分656界定。对于每个腔室，凸缘部分652可从两个侧壁部分656向内延伸。可以有2至20个可单独加压内部腔室650。对于每个腔室650，凸缘部分652可被捕获在夹具660与膜支撑件716之间，因此将膜600固定至膜支撑件716。夹具660可由紧固件、螺钉、螺栓或其他类似的紧固件固定至膜支撑件716。可替代地，凸缘部分652可通过粘合剂固定至膜支撑件716。
相邻腔室的侧壁部分656可以在它们的顶部边缘处由桥接部分658连接，例如桥接部分658与凸缘部分652共面。相反，在桥接部分658的下方，相邻的侧壁部分656被间隙655隔开。下方的分隔的侧壁部分656由膜600的夹具660分开。侧壁部分656允许每个可单独加压的内部腔室650相对于相邻的可加压腔室650在竖直方向上膨胀，从而减小了串扰。
每个内部腔室650可分别向内膜600的相应部分施加向下的压力，然后可以向外膜700的相应部分施加向下的压力，然后可以向基板10的相应部分施加向下的压力。另外，向基板10施加向下的力的内膜600和外膜700的组合可减小内部腔室650之间的间隙655的影响。在没有外膜的情况下，基板10的与内部腔室650之间的间隙(例如，间隙655)对应的部分可能会经历减少的抛光。然而，外膜700可以减小这种影响，这是因为外部腔室722可在间隙中施加最小的压力，这将由此平滑并减少由内部腔室650之间的间隙引起的缺陷。
内膜600的底表面和/或外膜700的顶表面可以具有纹理，例如相对于膜的其他部分具有增加的表面粗糙度或被开槽，以防止内膜600与外膜700之间的密封。
参考图2A至图2C，具有浮动双膜组件的承载头类似于参考图1A-图1C所讨论的承载头，但是基座组件102例如使用柔性件900可移动地连接至膜组件500。
膜组件500可包含：膜支撑件716、外膜700和内膜600。外膜700具有可定位成与内膜600接触的内表面702和可为基板10提供安装表面的外表面704。外膜700也可包含从周边部分向内延伸的两个翼片734、738。外膜700的第一翼片734可具有固定至膜支撑件716的唇缘714，并且可被夹紧在膜支撑件716与夹具736之间。第二翼片734可类似地具有固定至膜支撑件716的唇缘714，例如被夹紧在两个夹具736之间。夹具736可通过紧固件、螺钉、螺栓或其他类似的紧固件固定至下承载体106。第一翼片734可将下部可加压腔室722与位于两个翼片734、738之间的侧腔室724分隔。下部可加压腔室722被配置为跨越内膜600的底部和内膜600的侧面延伸。内膜600位于下部可加压腔室722与膜支撑件716之间。上部可加压腔室726由膜组件500(包含膜支撑件716)和下承载体106形成。上部可加压腔室722通过柔性件900而与柔性件900上方的腔室728(可排放到承载头100的外部)密封。
下承载体106可由柔性件900连接至膜组件500。柔性件900可以是环形片。柔性件900可使用紧固件902(例如举例为粘合剂、螺钉、螺栓、夹具，或通过互锁)连接至外壳102(例如，下承载体106)和膜组件500。柔性件900可由诸如硅橡胶或其他类似的弹性体的柔性材料、或者塑料、金属、或诸如纤维增强的硅的复合材料组成。柔性件900可以足够坚硬以抵抗横向运动，从而将膜组件500保持在外壳102下方居中。然而，柔性件900可以在竖直方向上足够柔软以允许膜组件500相对于载体主体106垂直移动。
柔性件900可通过允许柔性件900弯曲(例如可弯曲地偏转)而允许膜组件500相对于下承载体106垂直地移动。当柔性件900弯曲时，可增加或减小柔性件900施加到膜支撑件716上的压力，并且因此可增加或减小施加到基板10上的压力。
参考图1A和图2A，控制器910可以用于调节承载头100的各个腔室的压力。控制器910可耦接至压力源922、压力源924和压力源926。压力源922、924、926可例如是压力室、液压室，气室等。压力源922可连接至可单独加压的内部腔室650，并且压力源924可连接至外膜700，并且压力源926可连接至上部可加压腔室726(参见图2A-图2C)。传感器930可测量压力源922、924、926、可单独加压的内部腔室650、外膜700和上部可加压腔室726(参见图2A-图2C)中的(多个)压力，并且可将测量的(多个)压力传送至控制器910。控制器910可使压力源922、924、926增加和/或减少可单独加压的内部腔室650、外部腔室722、唇缘腔室724和/或上部可加压腔室726中的压力。
参考图3，在另一实施方式中，承载头具有对边缘控制区域680的单独控制。边缘控制区域680由被膜部分600a包围的可单独加压的内部腔室650a界定。膜部分600a由柔性件682柔性地连接至内膜600的其余部分。致动器(例如可以增加或减小压力的波纹管684)可铰接地弯曲内部腔室650a以提供集中的边缘载荷。也就是说，内部腔室650a可以与内膜600和内部腔室650半独立地移动。优点在于，内部腔室650a可以对基板10(未示出)执行边缘控制抛光以提高边缘均匀性，例如，减少复选标记轮廓。
控制器(或“控制系统”)可以用数字电子电路、有形体现的计算机软件或固件、计算机硬件或它们的一种或多种的组合来实现。本说明书中描述的主题的实施方式可以被实现为一个或多个计算机程序，即，在有形的非暂时性存储介质上编码的计算机程序指令的一个或多个模块，以由数据处理设备执行或控制数据处理设备的操作。
本说明书关于控制系统使用了术语“被配置”。对于要被配置为执行特定操作或动作的一个或多个计算机的系统，意味着该系统已在其上安装了在操作中使系统执行这些操作或动作的软件、固件、硬件或它们的组合。对于要被配置为执行特定操作或动作的一个或多个计算机程序，意味着一个或多个程序包含当由数据处理设备执行时使设备执行操作或动作的指令。
已经描述了本发明的多个实施方式。然而，将理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种修改。例如，尽管图1B将内膜的相邻腔室图示为具有被间隙隔开的侧壁，但是相邻腔室可以共享公共侧壁。因此，其他实施方式在所附权利要求书的范围内。
Claims (15)
1.一种用于化学机械抛光的承载头，包含：
基座组件；和
膜组件，连接至所述基座组件，所述膜组件包含：
膜支撑件，
内膜，固定至所述膜支撑件，其中所述内膜在所述膜的上表面与所述膜支撑件之间形成多个可单独加压的内部腔室，和
外膜，固定至所述膜支撑件并且在所述内膜下方延伸，所述外膜具有内表面和外表面，其中所述外膜在所述外膜的所述内表面与所述内膜的下表面之间界定下部可加压腔室，其中所述内表面被定位成在所述多个腔室中的一个或多个腔室被加压时与所述内膜的下表面接触，并且其中所述外表面被配置为接触基板。
2.根据权利要求1所述的承载头，其中所述多个可单独加压的内部腔室中的每个腔室由所述内膜的底部和两个侧壁部分设置，并且其中用于相邻腔室的侧壁部分被间隙隔开。
3.根据权利要求2所述的承载头，其中用于相邻腔室的侧壁部分由从所述侧壁部分的顶部边缘延伸的桥接部分连接。
4.根据权利要求3所述的承载头，其中对于所述内膜的每个可单独加压的内部腔室，包含从所述两个侧壁部分向内延伸的凸缘部分。
5.根据权利要求4所述的承载头，其中所述内膜由多个夹具固定至所述膜支撑件，其中每个腔室具有将所述凸缘部分夹紧到所述膜支撑件的夹具。
6.根据权利要求1所述的承载头，其中所述外膜包含具有基板接收表面的中心部分、从所述中心部分的外边缘向上延伸的周边部分和在所述膜支撑件的一部分上方向内延伸的第一翼片。
7.根据权利要求6所述的承载头，其中所述外膜包含在所述膜支撑件的所述一部分上方向内延伸的第二翼片，所述第一翼片和所述第二翼片之间的空间界定唇缘腔室。
8.根据权利要求1所述的承载头，包含2至20个可单独加压的内部腔室。
9.根据权利要求1所述的承载头，其中所述可单独加压的内部腔室是同心的。
10.一种用于化学机械抛光的系统，包含：
多个压力源；
承载头，所述承载头包含：
基座组件；
膜组件，所述膜组件具有：
膜支撑件，
内膜，固定至所述膜支撑件，其中所述内膜在所述内膜的上表面与所述膜支撑件之间形成多个可单独加压的内部腔室，
外膜，固定至所述膜支撑件并且在所述内膜下方延伸，所述外膜具有内表面和外表面，其中所述外膜在所述外膜的所述内表面与所述内膜的下表面之间界定下部可加压腔室，其中所述内表面被定位成在所述多个腔室中的一个或多个腔室被加压时与所述内膜的下表面接触，并且其中所述外表面被配置为接触基板；和
控制器，连接至一个或多个压力源，所述控制器被配置为使所述压力源对所述内部腔室和所述下部腔室加压，使得所述可单独加压的内部腔室的一个或多个被加压至等于或大于所述下部腔室的压力的压力，以在对应于所述一个或多个可单独加压的内部腔室的所述外膜的一部分处对由所述外膜施加至所述基板的压力进行补充。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述多个可单独加压的内部腔室中的每个腔室由所述内膜的底部和两个侧壁部分设置，并且其中用于相邻腔室的侧壁部分被间隙隔开。
12.根据权利要求10所述的系统，进一步包含连接所述基座组件和基板背衬组件的柔性件。
13.一种利用承载头进行化学机械抛光的方法，包含以下步骤：
将基板保持在承载头中，所述承载头包含具有外膜和内膜的膜组件，所述内膜界定多个可单独加压的内部腔室；
将所述内膜与所述外膜之间的下部腔室加压至第一压力；
将所述多个可单独加压的内部腔室中的至少一些内部腔室加压到等于或大于所述第一压力的第二压力；和
在基板与抛光垫之间产生相对运动，使得来自所述下部腔室的压力引起以第一速率的所述基板的抛光，并且所述一个或多个内部腔室的压力补充地增加在对应于所述可单独加压的内部腔室的区域中的所述基板的抛光。
14.根据权利要求13所述的方法，包含补充地增加在对应于2至20个可单独加压的内部腔室的区域中的所述基板的抛光。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述内部腔室是同心的。
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