CN114269516A - 温度控制基板载具和抛光部件 - Google Patents

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Abstract

公开了温度控制的抛光垫。一方面，CMP系统包括使用任何类型的雾化系统来冷却或去除来自CMP系统的抛光垫的能量和/或热量。雾化系统可以使用任何液体介质结合任何压缩气体通过孔口来冷却或去除来自垫的能量和/或热量，从而在CMP期间允许更高的去除速率。

Description

温度控制基板载具和抛光部件
通过引用并入任何优先申请
本申请是要求2019年7月1日提交的较早申请日的临时申请号62/869,427和2019年10月8日提交的较早申请日的临时申请号62/912,523的权益的专利申请，其每一篇均通过引用以其整体并入本文。
背景技术
技术领域
本公开内容大体上涉及基板处理仪器，更具体地，涉及用于改善用于薄膜平面化的化学机械平面化(CMP)性能的系统和设备。
相关技术说明
在化学机械平面化或抛光(CMP)期间，经由计量泵或质量流量控制调节器系统将磨料和酸性或碱性浆料施加到旋转的抛光垫/台板上。晶片由晶片载具保持，该晶片载具旋转并压靠抛光台板，持续指定的时间段。在CMP工艺期间，晶片通过磨耗和腐蚀被抛光或平面化。处理期间晶片和载具之间的相互作用可能导致晶片破损、不均匀或其他问题。因此，需要改善晶片载具的性能以解决处理期间晶片与载具之间的相互作用所造成的影响。
发明内容
为了总结本公开内容以及相对于现有技术实现的优点，本文描述了本公开内容的某些目的和优点。并非所有这些目的或优点都可以在任何具体实施方式中实现。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本发明可以以实现或优化本文所教导的一个优点或一组优点的方式体现或实施，而不必实现本文可能教导或建议的其他目的或优点。
本公开的技术的一个方面是一种基板载具头，其包括：载具主体；附接到载具主体的基板定位器(retainer)，该基板定位器包括被配置为接收基板的孔；弹性膜，其具有被配置为接触基板表面的第一表面和与第一表面相对的第二表面；沿第二表面形成的膜腔；入口，其被配置为允许液体流入膜腔；和出口，其被配置为允许液体从膜腔流出。
根据实施方式，出口位于比入口距载具主体中心更远的径向位置处。
根据一个方面，入口位于载具主体的大约中心处。
根据另一个方面，基板载具头进一步包括：第二弹性膜，其宽度小于弹性膜的宽度。
根据另一个方面，基板载具进一步包括在弹性膜和载具主体之间的液密密封件。
本公开的技术的另一方面是基板载具系统，其包括：基板载具头，包括：载具主体；附接到载具主体的基板定位器，该基板定位器被配置为在载具主体上保留基板；弹性膜，其具有被配置为接触基板表面的第一表面和与第一表面相对的第二表面；沿第二表面形成的膜腔，该膜腔被配置为允许液体沿第二表面流动；和控制系统，其被配置为调节通过膜腔的液体的压力和流速中的至少一个。
根据实施方式，基板载具头进一步包括：入口，其被配置为允许液体流入膜腔；和出口，其被配置为允许液体从膜腔流出。
根据一个方面，控制系统被进一步配置为将液体从出口再循环回到入口。
根据另一个方面，出口位于比入口距载具主体中心更远的径向位置处。
根据又一方面，入口位于载具主体的大约中心处。
根据仍又一方面，控制系统被进一步配置为将液体冷却到环境温度以下。
根据一个方面，基板载具系统进一步包括：流体连接到膜腔的液体源。
根据另一个方面，基板载具头进一步包括：第二弹性膜，其宽度小于弹性膜的宽度。
根据又一方面，弹性膜基本上完全无孔。
根据仍又一方面，控制系统包括被配置为控制液体压力的流体背压调节器。
根据一个方面，控制系统进一步包括气动调节器，该气动调节器被配置为向流体背压调节器提供信号以控制液体压力。
根据另一个方面，基板载具系统进一步包括流体连接到气动调节器的空气源。
根据仍又一方面，基板载具系统进一步包括：液体抽吸器，其被配置为向膜腔内的液体提供负压。
根据仍又一方面，基板载具系统进一步包括基板，其中基板是碳化硅晶片。
根据一个方面，基板载具系统进一步包括液体，其中液体包括水。
根据另一个方面，控制系统被进一步配置为使基板载具头以大于100rpm的速度旋转。
根据仍又一方面，控制系统被进一步配置为控制液体压力至高于6si的压力。
根据仍又一方面，控制系统被进一步配置为在化学机械抛光(CMP)期间控制基板的温度至低于100℉。
根据一个方面，基板载具系统进一步包括基板，其中基板具有小于600μm的厚度。
根据另一个方面，基板载具系统进一步包括浆料递送系统，其被配置为以小于100ml/min的速率将处理浆料递送至基板。
本公开的技术的仍又一方面是用于在基板的化学机械抛光(CMP)期间冷却基板的方法，该方法包括：将基板保留在基板定位器的孔内，该基板定位器附接到载具头的载具主体；向载具头内的膜腔供应液体；和使液体在膜腔内沿弹性膜的第一表面流动。
根据一个方面，该方法进一步包括调节通过膜腔的液体的压力和流速中的至少一个。
根据另一个方面，该方法进一步包括：使液体通过入口流入膜腔；和使液体通过出口从膜腔流出。
根据仍又一方面，该方法进一步包括：将液体从出口再循环回到入口。
根据仍又一方面，该方法进一步包括：将液体冷却到环境温度以下。
根据一个方面，该方法进一步包括：控制膜腔内的液体的流速和压力中的至少一个至选定值。
根据另一个方面，控制包括经由定位在膜腔下游的流体背压调节器来控制液体的压力。
根据仍又一方面，该方法进一步包括：向液体提供负压以抽吸基板抵靠膜。
本公开的技术的仍又一方面是基板载具头，其包括：载具主体；附接到载具主体的基板定位器，该基板定位器包括被配置为接收基板的孔；邻近基板孔形成的液体腔；入口，其被配置为允许液体流入液体腔；和出口，其被配置为允许液体从液体腔流出。
本公开的技术的另一个方面是化学机械平面化(CMP)系统，其包括：抛光垫；基板载具头，其被配置为保留晶片抵靠抛光垫；雾化器，其被配置为雾化液体并将一层雾化液体散布在抛光垫的表面积之上，以允许液体蒸发并直接从抛光垫的表面带走热量。
根据一个方面，雾化器被进一步配置为迫使与液体结合的压缩气体通过孔口以雾化液体。
根据另一个方面，抛光垫由聚氨酯形成。
根据仍又一方面，提供给抛光垫的液体量足够低，以防止由于施加到抛光垫的浆料的化学性质变化而导致的去除速率实质下降。
根据仍又一方面，CMP系统进一步包括具有阶梯形状的扣环(retaining ring)。
根据一个方面，扣环由聚苯硫醚(PPS)或聚醚醚酮(PEEK)形成。
根据另一个方面，扣环具有两件式构造。
根据仍又一方面，扣环具有小于15平方英寸的表面积。
所有这些实施方式旨在落入本文所公开的发明的范围内。这些和其他实施方式通过以下参考附图对优选实施方式的详细描述对于本领域技术人员将变得显而易见，本发明不限于所公开的任何一个或多个具体优选实施方式。
附图说明
参照附图，通过以下对本发明实施方式的说明性和非限制性详细描述，将更好地理解本发明构思的上述以及额外的目的、特征和优点。在附图中，除非另有说明，相似的附图标记将用于相似的元件。
图1是基板处理系统的示意性说明，其示出了将基板保持在处理位置的基板载具。
图2是图1的基板处理系统的视图，其示出了将基板保持在装载位置的基板载具。
图3是基板载具头的部分横截面图，该载具头可以被包括作为图1和图2所示的晶片载具的一部分。
图4A是说明根据本公开内容的方面的可用于控制晶片温度的基板载具系统的框图。
图4B是说明根据本公开内容的方面的可用于控制晶片温度的另一种基板载具系统的框图。
图5是基板载具头的另一个部分横截面图，该基板载具头可以被包括作为根据另一个实施方式的图1和图2所示的晶片载具的一部分。
图6是根据本公开内容的方面的基板载具头的实施方式的分解顶部等距视图。
图7是根据本公开内容的方面的图6中载具头的分解底部等距视图。
图8是根据本公开内容的方面的图6中的载具头的横截面图。
图9是根据本公开内容的方面的可用作基板载具系统的一部分以控制基板温度的基板载具的另一个实施方式的透视图。
图10是沿图9的线A-A截取的图9的基板载具的横截面图。
图11是沿图9的线B-B截取的图9的基板载具的另一个横截面图。
图12是底板的横截面透视图，其中横截面沿图10的线C-C截取。
图13是说明聚氨酯的导热性作为温度函数的曲线图。
图14A是IC1000微孔聚氨酯(MPU)垫的SEM图像。
图14B是根据本公开内容的方面在CMP期间抛光垫和晶片的横截面图。
图15是根据本公开内容的方面的包括集成雾化器系统的基板处理系统的示意性说明。
图16是说明实验1和实验2之间的垫温度差异的曲线图。
图17是说明使用扣环的CMP系统的环压力(psi)和台板温度(℃)之间的关系的曲线图。
图18说明了具有阶梯形状的扣环。
具体实施方式
尽管以下文本阐述了本发明的许多不同实施方式的详细描述，但应该理解的是，本发明的法律范围由在专利结尾处阐述的权利要求的文字限定。详细描述仅被解释为示例性的并且不描述本发明的每个可能的实施方式，因为描述每个可能的实施方式是不切实际的——即使可能的话。可以使用当前技术或在本专利申请日之后开发的技术来实施多种可选实施方式，其仍将落入限定本发明的权利要求的范围内。
化学机械平面化(CMP)
在制造半导体IC、MEMS装置和LED以及许多其他类似应用中，采用和使用化学机械平面化(CMP)以使薄膜平面化，在制造用于这些类型装置的“芯片”的公司中是很常见的。这种采用包括为移动电话、平板电脑和其他便携式设备以及台式机和笔记本电脑制造芯片。纳米技术和微加工技术的发展为数字设备在医疗领域、汽车领域和物联网(“IoT”)中的广泛使用和采用带来了巨大希望。用于薄膜平面化的化学机械平面化是由IBM公司的科学家和工程师在二十世纪八十年代早期发明和发展的。今天，这一工艺在全球范围内普遍存在，并且是制造许多数字设备的真正支持技术(enabling technology)之一。
集成电路被制造成具有导电材料(例如，铜、钨、铝等)、绝缘层(例如，二氧化硅、氮化硅等)和半导体材料(例如，多晶硅)的多个层和交替层。这些层的连续组合被顺序施加到晶片表面，但是由于表面上的植入装置，在装置结构上建立了地形起伏，如二氧化硅绝缘层的情况。在可以沉积下一层之前，这些不期望的地形起伏通常使用CMP变平或“平面化”，以允许尺寸不断减少的装置特征之间的适当互连。在铜层的情况下，铜沉积在表面上以填充接触过孔，并为电子从装置到装置以及从层到层的传输形成有效的垂直路径。此程序继续应用的每一层(通常通过沉积工艺应用)。在多层导电材料(多层金属)的情况下，这可能会导致许多抛光程序(对于导体、绝缘体和半导体材料的每一层，一个抛光程序)，以实现装置特征之间的成功电路和互连。
在CMP工艺期间，基板或晶片由晶片载具保持，该晶片载具通常经由晶片载具内的弹性膜旋转和压靠抛光台板，持续指定的时间段。CMP晶片载具通常并入用于精密抛光大体平坦和圆形的工件的部件，所述大体平坦和圆形的工件例如硅晶片和/或沉积在工艺头的硅晶片上的薄膜。这些部件包括：1)弹性膜，其中压缩气体施加到膜的顶表面或背面；然后，所述压力经由膜传递到工件的顶表面或背面，以在CMP期间实现材料去除；2)一个或多个刚性支撑部件，其提供以下方式：将膜固定到其配合部件，将膜保持在其所期望的形状和尺寸，和/或夹紧膜以提供用于密封和容纳控制气压的密封体积。
在工艺期间，经由通过流体控制装置，例如计量泵或质量流量控制调节器系统，将浆料施加到旋转抛光垫上。浆料可以在单程分配系统中被带到抛光台板上。为了更好的性能，其介质中的浆料颗粒应均匀分布在旋转的晶片和旋转的抛光垫/台板之间。
通过晶片载具膜将力施加到晶片的背面以将其压入垫中并且两者都可以具有运动以产生相对速度。运动和力导致垫的部分通过在其于晶片表面移动时抵靠基板推动磨料而产生磨耗。浆料中的腐蚀性化学物质改变晶片表面上正被抛光的材料。这种与化学改变相结合的磨耗的机械作用称为化学机械平面化或抛光(CMP)。与单独使用任何一种方法相比，同时利用化学和机械作用，材料的去除速率很容易提高一个数量级。类似地，通过一起使用化学和机械作用来改善抛光后表面的光滑度。
在抛光工艺期间，例如铜、电介质或多晶硅的材料从晶片表面去除。这些微观颗粒要么在浆料中保持悬浮，要么嵌入到抛光垫中，或两者都有。这些颗粒会在正被抛光的薄膜表面上造成划痕，因此电路中的灾难性故障使芯片无法使用，从而对良率(yield)产生重大负面作用。
良率是决定包括集成电路、MEMS和LED的许多产品在制造水平上确定成功的驱动力。用于半导体制造设施(“fabs”)和代工厂内CMP工艺的表面质量公差以纳米甚至埃为单位进行测量。在CMP期间从晶片或薄膜表面尽可能均匀地去除材料的能力是很重要的。因此，载具设计技术朝着改善这种能力的方向不断发展。已在CMP系统中处理的晶片平坦度的微小不均匀性可导致良率下降和废品增加。晶片载具和工艺垫的直径上的不均匀性或压差可导致晶片破损。制造固态装置的累计成本统称为“拥有成本”(CoO)并且该术语也适用于每个所需的制造步骤。CMP工艺的CoO是制作半导体“芯片”及其相关数字设备所需的500到800个单独制造步骤中最高的CoO数字之一。
由碳化硅形成的晶片对于许多集成电路应用可能变得更加流行。例如，由于这种碳化硅晶片相对于传统硅晶片的某些优势，预期汽车工业将使用碳化硅晶片制造集成电路。例如，与基于硅晶片的集成电路相比，基于碳化硅晶片的集成电路可以具有更低的功耗和更高的耐热性。因此，随着汽车越来越多地使用集成电路来控制车辆的各个方面，由于这些理想的特性，正越来越多地使用碳化硅晶片制造这些控制系统。
然而，碳化硅是比硅更硬的材料。因此，相对于其他类似的基于硅晶片的CMP工艺，碳化硅晶片可能需要更高的压力和/或速度(例如，晶片表面与抛光垫/台板之间的相对速度)以在CMP期间实现足够的去除速率。相对于类似的基于硅晶片的CMP，这些增加的压力和/或速度可导致在碳化硅晶片CMP期间生成的热量增加。这种增加的热量又可对晶片表面、抛光垫和/或接触晶片并向晶片施加压力的弹性膜产生不利影响。例如，过多的热量可能导致晶片上的表面缺陷。过多的热量可能导致弹性膜和/或抛光垫熔化和/或将晶片粘到膜上或将其从载具上丢失，这可损坏晶片和载具和/或阻止晶片从载具上卸下。因此，需要提供晶片和/或弹性膜的冷却以降低抛光期间的温度。应当理解，本公开的方面可以对由除碳化硅以外的材料形成的基板实施，并且可以在具有基板载具的基板工艺(例如CMP)的任何阶段期间实施，用于冷却、加热或以其他方式控制晶片、膜或晶片载具的其他部分的期望温度。
将关于具体实施方式并参考某些附图来描述所公开的技术。本公开内容不限于此，而仅由权利要求书限制。所述的附图仅是示意性的并且是非限制性的。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可能被夸大并且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸不一定对应于本公开内容实践的实际减少。
具有液体冷却的CMP系统
图1是用于处理抛光垫110的化学机械平面化系统100的示意图。系统100可以包括被配置为保持和处理晶片的晶片载具150。应当理解，本文使用的术语“晶片”可以指半导体晶片(例如，圆形的)，但可以更广泛地涵盖通过抛光或平面化仪器(例如CMP仪器)处理的具有不同形状的其他类型的基板。因此，在以下描述中，术语“晶片”和“基板”可以互换使用，除非上下文清楚地具体地涉及“基板”中的仅一个“晶片”。在图示的实施方式中，基板载具150处于处理(例如，较低的)位置，保持基板(未示出)抵靠具有膜(未示出)的抛光垫110上。抛光垫110可以定位在支撑表面上，例如台板120的表面上。
图2是图1的化学机械平面化系统的视图，其示出了由基板载具150保持在装载(例如，上部)位置的基板155。例如，可以通过真空力来保持基板155。参考这图1和2二者，系统100可以包括浆料递送系统140，其被配置为将处理浆料递送到基板155，并允许其抵靠抛光垫110被化学/机械平面化。系统100可以包括垫调整臂160，其包括在其末端处的垫调整器，其可以被配置为在处理周期期间或处理周期之间处理或“更新”垫的表面粗糙度或其他处理特性。
在图1和2的系统100中，抛光垫110位于台板120的顶表面上，台板120绕垂直轴逆时针旋转。可以实施其他定向和方向的移动。
浆料递送系统140可以将含有磨料和腐蚀性颗粒的浆料递送到处理过的抛光垫130的表面。抛光浆料通常是水基介质中磨料颗粒的胶体悬浮液，即胶体二氧化硅、胶体氧化铝或胶体氧化铈。在多种盖实施方式中，浆料递送系统140包括计量泵、质量流量控制调节器系统或其他合适的流体递送部件。
基板载具150可以例如利用真空保持基板155，使得待抛光的基板155的表面面向抛光垫110。抛光垫110上的由浆料递送系统140沉积的浆料中的磨料颗粒和腐蚀性化学物质分别通过磨耗和腐蚀，机械地和化学地抛光基板。基板载具155和抛光垫110可以以多种不同方式中的任一种相对于彼此移动，以提供抛光。例如，基板载具150可以抵靠台板120施加向下的力，使得基板155压靠抛光垫110。基板155可以用加压膜(未示出)压靠抛光垫110，如将在本文中进一步描述的。当抛光垫110和基板载具155相对于彼此移动时，基板155和抛光垫110之间的浆料的磨料颗粒和腐蚀性化学物质可以提供化学和机械抛光。可以以多种方式配置抛光垫和基板载具之间的相对运动，并且其中之一或两者可以被配置为相对于彼此振动(oscillate)、线性移动和/或旋转——逆时针和/或顺时针。
垫调整臂160可以通过用力压靠抛光垫110，利用它们之间的相对移动(例如上述关于抛光垫和基板载具150的相对运动)，来调整抛光垫110的表面。图示实施方式中的垫调整臂160可以利用其端部处的旋转垫调整器振动，所述旋转垫调整器接触抛光垫110。
图3是基板载具头300的部分横截面图，其可以被包括作为图1和图2所示的基板载具150的一部分。基板载具头300包括用于化学机械平面化(CMP)系统的膜组件305。在一些实施方式中，基板载具头300(在本文中也称为载具头)可包括膜组件305安装至的支撑底座380。支撑底座380可以是任何合适的配置以向膜组件提供支撑。支撑底座380可以将基板载具头300的其余部分与CMP系统(未显示)附接和接合。支撑底座380可以包括载具主体、基板定位器、支撑板和/或本文其他地方描述的其他部件，以支撑晶片(例如，膜组件305)，和/或将载具头300的其余部分与CMP系统接合。
膜组件305可包括支撑板310、弹性膜320、膜定位器(例如膜夹330)和任选的外压力环340，如图所示。支撑板310可以是在处理期间支撑晶片的任何合适的配置，例如，将膜组件305附接到支撑底座380。例如，支撑板310可以使用一个或多个螺栓或其他合适的附接元件安装到支撑底座380。支撑板310可以在不同位置安装到支撑底座380，例如沿着支撑底座380的外周长。
支撑板310可以是支撑晶片的任何合适的配置，例如，通过弹性膜320。弹性膜320可以多种不同方式固定到支撑板310。弹性膜320可以在支撑板310被固定到支撑底座380之前或之后被固定到支撑板310。弹性膜320可以通过使用保持元件的许多合适的不同膜定位器的任何一种(例如膜夹330)固定到支撑板310。在一些实施方式中，膜夹330可以是装载弹簧的。在其他实施方式中，膜夹330可以通过使用紧固机构(例如，螺母和螺栓等)牢固地拧紧。膜夹330可以将膜320的外部(例如，外边缘)固定到支撑板310和/或支撑底座380的相应部分。膜定位器可以是将膜320的至少一部分固定到支撑板310和/或支撑底座380的任何合适的配置
弹性膜320可以固定到支撑板310，使得膜320可以将基板370保持抵靠抛光垫并处理基板，例如，如以上参照图1-2所描述的。膜可以包括第一表面(例如，面朝下)，其被配置为接触基底的表面(例如，面朝上)。膜320可以具有足够的弹性和挠性，使得结合抛光垫材料和工艺参数，膜320可以在整个基板370上施加更一致的压力。在一些实施方式中，膜320的弹性和挠性也可能有助于减少基板破损。膜320和支撑板310可以被配置为允许液体在膜320和支撑板310之间流动，并且在平面化期间将膜320压靠基板370。例如，膜320可以被配置为允许液体沿与上述第一膜表面相对的第二表面(例如面朝上表面)流动。支撑板310可与膜320间隔开，以在其间形成间隙或膜腔360。当膜320处于静止(例如，未加压)状态时，可以形成膜腔360。膜腔360可以被密封。在一些实施方式中，可在膜腔360内形成液密密封件以防止当加压液体时液体泄漏出膜腔360。因此，膜腔360可以形成液体可以循环通过的液体腔。密封件可以在膜320的一部分和载具主体的一部分(例如，板310和/或底座380)之间形成，例如在膜夹330处。如本文所用，密封的膜腔包括与可以被选择性密封(例如，诸如用阀门打开和关闭)的一个或多个入口和/或一个或多个出口流体连通的膜腔。
在一些实施方式中，当膜320处于静止状态时，膜320的一部分(例如其面向上表面)搁置或接近板310的相应部分(例如其面向下表面)，和当膜320膨胀(例如，经由液体加压)时形成膜腔360。膜腔360可以在平面化期间重新分布和解决抵靠膜320，并因此抵靠基板370的液体压力的变化。如图所示，液体可以通过入口350提供到膜320的背面进入膜腔360。入口350可以设置在支撑板310内，或者可以通过其他配置来供应液体。液体也可以经由出口355从膜腔360中去除。入口350和出口355中的每一个可以根据应用(例如，圆管、方管等)不同地进行修改。在一些实施方式中，可以通过入口和/或出口向腔360提供真空，用于将晶片370保留在膜组件的下侧，如本文进一步所描述的。
在一些实施方式中，可以通过将膜320与支撑板31间隔开来形成膜腔360。例如，支撑板310可以包括凹陷的内部以形成腔。在所示的实施方式中，膜组件305可以包括任选的外压力环340以形成膜腔360。在其他实施方式中，膜组件305可以在没有压力环的情况下被组装。例如，弹性膜320可以直接抵靠支撑板310搁置而没有将膜320与支撑板310隔开的膜腔360，例如当膜腔360中不存在液体时。在一些实施方式中，膜组件305可以包括布置成同心圆的一个或多个压力环340。一个或多个压力环340可以包括允许液体从一个或多个压力环340的一侧流到压力环340的另一侧的通道(未示出)。
在另一个实施方式中，晶片载具可以包括多区域载具。例如，膜320可以是多区域膜。多区域膜中的每个区域可以包括相应的膜腔，其被配置为接收液体和/或被类似地(例如，单独地)控制，如本文针对具有单区域腔的单区域载具所描述的。例如，膜320可以具有凹槽(例如，压痕)和/或有效地分隔膜320的多个区域的膜320的凸起部分。在非限制性实例中，凹槽可以布置成一系列源于膜的中心的同心圆。在另一个实例中，凹槽和凸起部分可以不规则地成形(例如，互连的圆形、非圆形压痕、散布在膜表面上的圆形图案)，以便在附接到膜组件305时改善施加在基板370上的压力分布。在一些实施方式中，系统可以对多区域膜中的一个或多个区域施加不同的压力，以调整每个区域的去除速率。例如，对于其中施加更高压力的区域，去除速率可能更高。该系统还能够调节提供给一个或多个区域的液体的温度以调节去除速率。例如，较高的温度(例如，较少的冷却)可应用于具体区域以与另一区域相比增加去除速率。温度变化对去除速率的影响可能比压力变化对其的影响相对更低。因此，在调节单区域或多区域系统的去除速率时，温度可用作微调变量。例如，可以将第一区的压力控制为等同于、大于或小于第二区的压力。可以将第一区的温度控制为等同于、大于或小于第二区的温度。
膜320可以是挠性的，使得它符合它所包围的结构。在一些情况下，膜320可以是凸的。例如，膜320可以在中心下垂。膜320甚至可以成形为像锥形，使得膜320的小面积将与基板表面接触以进行更精细的抛光。
膜材料可以是适用于平面化的任何弹性材料，如本文所述，并且适用于例如用于CMP工艺的载具头内。在一些实施方式中，膜材料可以是橡胶或合成橡胶材料中的一种。膜材料也可以是三元乙丙单体(M级)(EPDM)橡胶或硅树脂中的一种。可选地，它可以是乙烯基、橡胶、硅橡胶、合成橡胶、丁腈橡胶、热塑性弹性体、氟橡胶弹性体、水合丙烯腈丁二烯橡胶或氨基甲酸乙酯(urethane)和聚氨酯形式的一种或多种组合。为了有效地冷却(或加热，或以其他方式控制温度)基板，在某些实施方式中，可基于材料的传热性质来选择用于弹性膜320的材料。因此，当冷却例如碳化硅基板的基板时，可能期望具有较高导热性的材料。例如，在一些实施方式中，膜材料可以是弹性体，例如硅树脂，包括罗杰斯公司(RogersCorporation)拥有的在商标
Figure BDA0003503194530000091
下可得的那些，它们具有可以帮助冷却基板的导热性。在一些实施方式中，弹性膜320可以包括增加弹性膜320的导热性以改善温度控制液体和基板之间的传热的无机添加剂。增加导热性的无机添加剂的实例可以包括由MartinswerkGMBH拥有的以
Figure BDA0003503194530000092
商标制造的一系列添加剂。
一个或多个膜组件可以在单个CMP系统内实施。CMP系统可以具有利用来自系统的反馈的控制，同时操作以更准确地控制CMP工艺(例如，变速电机控制等)。
在示例性实施方式中，膜320可以被平面化。例如，膜320可以被制成在期望的公差内平坦的，和/或被制成符合在期望的公差内的表面粗糙度。例如，膜320可以经历平面化程序，其中膜经受抛光垫。此外，可将膜320引入使膜320变得平面化的化学浆料中。此外，膜320的表面粗糙度可以在整个平面化工艺中得到改善。表面粗糙度对于在CMP工艺环境中使用的膜可能是很重要的，这至少由于两个原因：密封和静摩擦。通过平面化工艺，可以降低表面粗糙度，以便在基板370和膜320之间提供改善的密封以用于处理目的。同时，可以增加表面粗糙度以防止静摩擦(即基板因表面张力而粘附在膜上)，并改善处理后基板从膜释放。在平面化工艺(如下所述)期间可以使用控制机构，以便在低表面粗糙度和高表面粗糙度之间实现期望的平衡。控制机构可以在用于平面化膜的装置的外部。
如上所述，当在可能与例如碳化硅基板的某些基板相关的较高压力和/或速度下抛光基板时，基板和旋转抛光垫/台板之间的摩擦可能导致温度高到足以对基板370和/或弹性膜360产生负面影响。因此，本公开内容的一个方面涉及使液体沿着弹性膜360的表面流动以冷却弹性膜360和基板370。图4A是说明根据本公开内容的方面的可用于控制基板温度的基板载具系统400的框图。
参考图4A，基板载具系统400可以包括气体源，例如压缩的干燥空气(CDA)源405和液体源410。气体源和液体源可以经由设施、现场容器提供和/或可以是本文所述的再循环系统的一部分。系统400可以包括一个或多个阀门以提供选择性的真空、气体或液体流动，例如阀门420、425和427。系统400可以包括真空源，例如空气驱动的抽吸器430。系统400可以包括具有膜腔360、入口350和出口355的载具头500，类似于本文关于载具头300(图3和5)、载具头600(图6-8)或如本文所述的提供温度控制的其他载具头所描述的那些。系统400可以包括配置为提供载具头和抛光头之间的相对移动的可移动元件，例如旋转接头435。旋转接头435可以是载具头的一部分或安装在其上的单独部件。系统400可以包括控制系统440。控制系统440可以包括被配置为在膜腔360的入口和/或出口处控制膜腔360内的压力和/或流量的压力和/或流量调节器。例如，控制系统440可以包括流体背压调节器445，和在一些实施方式中，包括气动调节器415。在一些实施方式中，控制系统440可以进一步包括控制处理器(未示出)，其被配置为控制气动调节器415、流体背压调节器445和/或基板载具系统400的其他部件的一个或多个。应当理解，控制系统440可以包括一个或多个传感器，其被配置为感测多种工艺参数，例如流速、压力、温度等，以利用控制处理器提供开环或闭环控制。例如，可以实施温度、流量和/或压力传感器以感测与膜腔流体连通的液体的温度、流量和/或压力传感器。
用于冷却的液体可以至少部分地基于液体的传热性质来选择。在一个实施方式中，液体可以是水。在另一个实施方式中，液体可以被设计为具有比水更高的传热性质，例如，液体可以是Galden HT传热流体。取决于实施方式，也可以使用其他液体。
液体源410选择性地向膜腔360提供液体(例如，经由阀门425通过旋转接头435)。旋转接头可具有一组流体通道，其允许液体源410向载具头500的入口350提供液体并接收经由出口355流出基板载具头300的液体，同时使载具头500旋转。允许从液体源接收的液体经由入口350流入膜腔360并允许其经由出口35流出膜腔360，例如5流到流体背压调节器445。
CDA源405向气动调节器415提供CDA，使得气动调节器415可以控制流体背压调节器445。在一些实施方式中，流体背压调节器445可以直接由控制处理器控制，而无需包括气动调节器415。流体背压调节器445通过维持流体背压调节器445上游的液体的期望压力来控制膜腔360内的液体的压力。因此，当液体压力高于所期望压力时，流体背压调节器445可以通过允许一部分液体流出进入液体流出端口450来释放过多的压力。液体流出端口450可以包括三通连接，或阀门以提供在调节器445、抽吸器430和/或任选的热交换器460之间的选择性流动。流体背压调节器445可以被配置为控制膜腔360中的液体的压力，因此，控制在CMP期间施加到基板的压力。液体源提供的液体的压力可以高于在CMP期间预期施加到基板370的压力的范围。因此，流体背压调节器445可以被配置为通过将流体的压力释放低至所期望水平来调节膜腔360中的液体的压力。膜360内的压力可以经由定位在膜腔360上游的另外的或可选的压力调节器进行控制。
CDA源405还经由阀420向空气驱动的液体抽吸器430提供CDA。阀427可用于控制在以下之间将液体提供至膜腔360的方式：使液体流动、提供负压(例如，通过空气驱动的抽吸器430)以及对膜腔360进行排气。当提供负压时，空气驱动的液体抽吸器430被配置为向膜腔360中的液体提供负压(例如，真空)。在某些实施方式中，空气驱动的抽吸器430还可以包括用于CDA的排气装置，其中CDA通过空气驱动的抽吸器430的流动控制提供给液体的负压。负压可用于在弹性膜和基板370之间提供吸力，从而允许基板载具头300拾取用于处理功能的基板。也就是说，由空气驱动的液体抽吸器430提供的负压可以将基板370保留在弹性膜320的下侧。在弹性膜320的后侧提供支撑的支撑板可以包括孔以提供上述真空(以在晶片上提供吸盘效应(suction cup effect))和/或允许膜腔360中的液体的正压以使基板370与弹性膜320脱离接合。
在一些实施方式中，流出液体流出端口450的过多液体可以简单地被丢弃以形成非再循环系统。然而，在其他实施方式中，流出液体流出端口450的过多液体可以再循环回到液体源410。在某些实施中，系统400可以进一步包括任选的热交换器460，其被配置为调节(例如，冷却)液体，然后将液体提供回液体源410并进入载具头。
图4B是图示根据本公开内容的方面的可用于控制晶片温度的另一个基板载具系统的框图。参考图4B所示，基板载具系统700可包括冷却器705、压力设定点710、背压调节器(BPR)715、输入压力计720、流量计725、水“开”阀730、载具735(例如载具头300或600)、台板740、输出压力计745、再循环/真空阀750和真空分离器755。
在图4B的实施方式中，背压调节器(BPR)715位于载具735的上游。与BPR 715位于载具735下游的配置相比，这种配置可以提供更高的流速。更高的流速可以改善基板经由弹性膜的冷却。流体背压调节器445在载具头500的上游侧的类似定位可以在图4A的实施方式中实施。
参考图3、4A和4B，当液体沿着弹性膜320的背面流过膜腔360时，由于抛光工艺的摩擦产生的热量经由弹性膜320从基板370传递到液体中。基板载具系统400可控制液体以具有沿着弹性膜320足以去除在抛光工艺期间产生的过多热量的流速。例如，可以在膜腔360的上游或下游实施液体流量控制器(例如，控制系统440)。
入口和出口可以以许多不同的方式配置，以影响膜腔内的液体流动(并因此影响温度控制)。在图3的实施方式中，入口350可位于基板载具头300的主体的大约中心处，出口355可位于比入口350距载具主体的中心更远的径向位置处，例如靠近弹性膜320的外圆周边缘。抛光期间基板载具头300的旋转可帮助液体由于向心力而从入口350流动至出口355。尽管在图3中示出了单个入口350和单个出口355，但在一些实施方式中可以包括多个入口350和/或出口。例如，多个出口355可以定位在弹性膜320的外圆周边缘附近和/或沿着从载具主体的中心延伸的径向(或圆周)路径间隔开。
图5是基板载具头300的另一个部分横截面图，其可以被包括作为根据另一个实施方式的图1和图2所示的基板载具150的一部分。类似于图3的实施方式，图5实施方式的基板载具头300包括膜组件305、入口350和出口355、膜腔360和支撑底座380。膜组件305可包括支撑板310、弹性膜320、膜夹330和任选的外压力环340。膜组件305可以被配置为在平面化期间将基板370保持抵靠抛光垫，并提供真空以将基板370保留在膜组件305的下侧。这些部件可以具有结合图3所述的那些类似的功能。
如图5所示，入口350和出口355可以位于相对的位置处，例如，在弹性膜320的外圆周边缘附近。因此，从入口350流动的液体可以从弹性膜320的一侧(例如，边缘)流动到位于弹性膜320的相对侧(例如，边缘)的出口355。
应当理解，本文所述的一个或多个入口350和与一个或多个出口355可以以任何合适的配置(例如，形状、尺寸、位置、数量等)来提供，以改善温度控制和液体分布。例如，虽然在图3和图5的横截面中显示单个入口350和出口355，但可以提供两个或更多个入口350和两个或更多个出口355。一个或多个入口或一个或多个出口可设置在弹性膜320的相对侧上的多个位置(例如，在外圆周边缘附近)，使得液体沿弹性膜320更均匀地流动。在一些实施方式中，相对于弹性膜320的中心，一个或多个入口350可相对于一个或多个出口355径向向内定位，反之亦然。在一些实施方式中，一个或多个入口350可相对于一个或多个出口355定位在大致相同的径向位置，但在不同的圆周位置。一个或多个入口350或一个或多个出口355可定位在弹性膜320的大约中心处。
具有液体冷却的多膜CMP系统
图6是基板载具头600的实施方式的分解顶部等距视图。图7是图6中的载具头600的分解底部等距视图。图8是图6中的载具头600的横截面图。载具头600的实施方式可以在多种类型的基板处理设备中实施。例如，载具头600可以在CMP系统中实施，例如参考图1和2所描述的那些，或其他类型的CMP系统。载具头600可在图4A的基板载具系统内实施，并且可以包括图3和5中的载具头的一些特征(反之亦然)。
参考图6-8中的一个或多个，基板载具头600可以包括载具主体21以支撑载具头600的多种部件。载具头可以包括附接到载具主体21的基板定位器20。定位器20可以被配置为保留和支撑在载具头600上的基板。例如，基板定位器可包括被配置为接收基板的孔40。孔40可以形成部分或完全延伸穿过基板定位器的厚度的侧壁，以支撑保持在孔40内的基板，并从而防止基板的横向移动。定位器20可以是单独的或一体成型的零件并且相对于载具主体21可以是相同的或者不同的材料。基板定位器可以包括基本完整的外表面42，或者该表面可以具有凹槽或其他凹陷以改善浆料流动。
载具头600可以包括第一弹性膜25和第二弹性膜30。膜或其部分可以彼此相邻地堆叠或定位，例如没有介入结构。膜25、30可以在基板处理期间一起将基板压靠在基板处理台板上，如上文关于图1和2中的CMP处理所描述的。膜25、30的部分可以彼此压靠。
膜25、30可以是挠性的，使得每个都符合相邻的结构。膜材料可以是任何弹性材料，例如，适合于接收背压并传输该背压抵靠载具头内保持的基板的材料。在一些实施方式中，膜材料可以是橡胶或合成橡胶材料中的一种。如上所述，膜材料也可以是三元乙丙单体(M级)(EPDM)橡胶或硅树脂中的一种。可选地，它可以是乙烯基、橡胶、硅橡胶、合成橡胶、丁腈橡胶、热塑性弹性体、氟橡胶弹性体、水合丙烯腈丁二烯橡胶或氨基甲酸乙酯和聚氨酯形式的一种或多种组合。为了有效地冷却基板，在某些实施方式中，用于弹性膜25、30的材料可以基于材料的传热性质来选择。因此，当冷却例如碳化硅基板的基板时，可能期望具有较高导热性的材料。在一些实施方式中，弹性膜25、30可以包括增加弹性膜25、30的导热性以改善温度控制液体和基板之间的传热的无机添加剂。
膜25、30(和本文中的其他膜)可以包括向保持在载具600(和本文中的其他载具)内的基板提供支撑的部分。这种基板支撑部分可以与不支撑基板但有助于将膜25、30附接到载具的其他部分的膜25、30的其他部分区分开。
例如，第一弹性膜25可以包括具有如图所示的宽度Wl的第一基板支撑部分。如图所示，第一基板支撑部分是第一膜25的水平部分，其在其宽度W1上延伸并向保持在基板定位器20的孔40内的基板提供支撑。第一弹性膜25的其余部分(即，不是第一基板支撑部分的部分)可以被配置为提供第一膜25附接到载具头600的剩余部分，第一弹性膜25的其余部分可以包括例如以蛇形缠绕在外支撑板36(下文进一步描述)的外部部分、膜背衬支撑17、基板定位器20和载具主体21周围和/或之间的较短的垂直和水平部分。
第二弹性膜30可以包括具有宽度W2的第二基板支撑部分。如图所示第二基板支撑部分是第二膜30的水平部分，其在其宽度W2上延伸并向保持在基板定位器20的孔40内的基板的内部中心部分提供支撑。第二基板支撑部分可以定位在第一基板支撑部分和载具主体21之间。第一基板支撑部分和第二基板支撑部分可以相对于彼此堆叠，并且可以直接彼此堆叠(即，彼此接触)。第二基板部分可以在所示定向上堆叠在第一基板部分上方。如图所示，第二基板支撑部分可以被配置为选择性地提供抵靠第一无孔基板支撑部分的内部区段的力。第二基板支撑部分的外表面可以直接接触第一基板支撑部分的至少内部区段的内表面。这种配置可以允许第二膜30在基板上提供改善的工艺和均匀性，例如，在CMP工艺中提供改善的中心去除速率控制。
第二弹性膜30的其余部分(相对于第二基板支撑部分)可以配置为提供第二膜30附接到载具头600的剩余部分，第二弹性膜30的其余部分可以包括例如在其外边缘处的短垂直部分，以及从垂直部分的远端延伸的水平唇缘。
膜25、30(或本文中的其他膜)可各自包括一个或多个无孔部分，或者膜25、30可各自基本上完全地无孔。例如，当没有洞延伸穿过与对应的密封膜腔流体连通的任何表面时，膜“基本上完全无孔”。因此，例如在其外围边缘具有洞以用于安装目的但与膜腔流体隔离(例如，密封)的膜可以“基本上完全无孔”。膜25、30或其区段可以是无孔的，以提供密封的腔，同时允许在处理期间使用液体压力或真空使膜膨胀和收缩，而没有液体泄漏。第一和第二基板支撑部分可以各自是无孔的，以分别形成第一无孔基板支撑部分和第二无孔基板支撑部分。
载具头可以包括内部支撑板33。内部支撑板可以被固定，以防止一旦组装后相对于载具主体21的相对运动。内部支撑板33可以包括大体平面的刚性支撑表面，该支撑表面被配置为在处理期间支撑保持在第二膜30的第二基板支撑部分上的基板。
载具可以包括外支撑板36。外支撑板36可以包括大体平面的刚性支撑表面，该支撑表面被配置为支撑保持在第一膜25的第一基板支撑部分上的基板。在一些实施方式中，外支撑板36可支撑第一膜25的第一基板支撑部分的区段。例如，外支撑板36可包括由外板部分围绕的中心开口41，该外板部分在处理期间可支撑第二膜30的第一基板支撑部分的相应外区段。中心开口41可以被配置为围绕第二基板支撑部分。在一些实施方式中，第一基板支撑部的宽度W1可以大于第二基板支撑部的宽度W2。在一些实施方式中，外支撑板36、第一膜25和第二膜30可以被配置为使得第二基板支撑部分可以穿过外支撑板36的中心开口41。因此，在一些实施方式中，在处理期间，内支撑板33可以支撑保持在载具600上的基板的内部部分，并且外支撑板36可以支撑保持在载具600上的基板的外部部分。
本文中的膜可以是单区域或多区域膜。例如，膜可以具有凹槽(例如，压痕)和/或有效地分隔每个膜内的多个区域的凸起部分。在非限制性实例中，凹槽可以布置在源自膜的中心的一系列同心圆。在另一个实例中，凹槽和凸起部分可以不规则地成形(例如，互连的圆形、非圆形压痕、散布在膜表面上的圆形图案)，以改善在处理期间施加在基板上的压力分布。在一些实施方式中，这些区域可用于通过将温度控制的液体施加到一个或多个弹性膜中的一个或多个相关区域来控制或调节基板的不同区域中的材料去除速率。
在一些实施方式中，任一或两个膜可以是单区域膜，其中每个区域被配置为从每个膜背面上的仅单个腔接收压力或真空。“单个腔”被定义为共同流体连通的单个体积，并且不限于具体形状。腔可以包括共同流体连通的小体积，其形成在部件之间相对小的公差之间，在图8中不容易看到。例如，载具600可以包括在第一膜25的第一基板支撑部分与载具主体21和/或外支撑板36的部分之间的相对较小的开放空间内形成的单个第一膜腔。第一膜腔可以提供从液体源410到第一膜25的第一基板支撑部分的背面的流体连通。因此，通过沿着第一膜25的背面流动温度控制液体，基板和第一膜25可以在CMP工艺期间冷却。
在一些实施方式中，载具600可以包括例如形成在第二膜30的第二基板支撑部分和内支撑板33之间的单个第二膜腔。第二膜腔可以与第一膜腔流体隔离，使得液体不会从第一膜腔泄漏到第二膜腔中。经由例如流体背压调节器445对第一膜25中的液体加压时，第一腔的体积可以增加。在用CDA对相应的第二膜30加压时，第二膜腔的体积可以增加。
在一些实施方式中，第二膜30的底表面和/或第一膜25的顶表面可以包括纹理和/或液体流动通道。纹理和/或液体流动通道可以允许液体在第一和第二膜25、30之间流动，这允许液体冷却重叠第二膜30的基板的面积。
硅基板和碳化硅基板的比较例
由于硅基板和碳化硅基板之间的差异，在每种类型的工艺上执行的与CMP工艺相关的许多参数可以是不同的。参数的这些变化可能导致为碳化硅CMP产生过多热量，针对此，本公开内容的一些方面被设计为冷却。下面的表1总结了用于典型的硅基板和碳化硅基板CMP工艺的实例值。
参数 典型材料(硅) 碳化硅
载具头转速(rpm) 50-100 50-200
基板压力(psi) 2-6 5-15
基板/垫温度(华氏度，无冷却) 环境 >＝100+
材料去除速率(um/小时) 50-100 5-10
基板厚度(um) 600-800 350
浆料流速(ml/min) 100-200 50
材料硬度(莫氏硬度表) 7 9-9.5
表1
用于碳化硅基板的CMP的参数可以根据具体实施而变化。在一些实施中，在碳化硅基板的处理期间，基板载具头可以以大于用于硅的典型旋转速度范围的速度旋转。例如，为了抛光碳化硅基板，基板载具头可以以以下速度旋转：大于大约100rpm、大于大约110rpm、大于大约125rpm、大于大约150rpm或大于大约175rpm、上至大约200rpm的速度、或其之间的任何范围。
与硅基板抛光相比，对于碳化硅基板抛光，施加到基板的压力也可以超过典型范围。本文中，例如，为了抛光碳化硅基板，控制系统440可以将液体压力控制到高于大约6psi的压力、或高于大约7psi的压力、或高于大约8psi的压力、或高于大约9psi的压力、或高于大约10psi的压力、或高于约11psi的压力、或高于约12psi的压力、或高于约13psi的压力、或高于约14psi的压力、上至大约15psi的压力、或其之间的任何范围。
在硅基板的典型抛光期间，温度可能不会实质上升高至高于或低于环境的环境温度(例如，室温)。然而，在不使用碳化硅基板的任何主动温度控制(例如，冷却)的情况下，碳化硅基板和抛光垫的温度可能升高大于大约100℉。通过根据本公开内容的方面冷却基板(例如，碳化硅基板)，相对于在没有主动温度控制的情况下以其他方式将发生的工艺的温度，基板和抛光垫的温度可以降低多于大约10℉、20℉、30℉、40℉、50℉、60℉、70℉、80℉、90℉、上至100℉或其之间的任何范围。如在别处提到的，预计在一些工艺期间增加温度以及降低温度或将温度保持在期望的目标下的温度控制可能是有利的。因此，在一些实施方式中，CMP工艺的温度可以被控制在(即，加或减)所期望的目标温度的0℉、10℉、20℉、30℉、40℉、50℉、60℉、70℉、80℉、90℉或100℉，或其之间的任何范围内。
本文的实施方式可以允许处理减少厚度的基板。例如，碳化硅基板也可以具有小于大约600-800μm的典型硅基板厚度的厚度。例如，碳化硅基板可以具有小于大约600μm、小于大约500μm、小于大约450μm、小于大约400μm、低至大约350μm或其之间的任何范围的厚度，或者在一些实施方式中，具有大约350μm的厚度。
使用本文的实施方式的碳化硅基板的抛光还可以允许使用比用于硅基板的典型速率更低的材料去除速率。例如，可以在碳化硅基板上实施的材料去除速率可以小于大约50μm/小时、40μm/小时、30μm/小时、20μm/小时、10μm/小时，并且低至5μm/小时及其之间的任何范围。
使用本文的实施方式的碳化硅基板的抛光还可以允许使用比用于硅基板抛光的典型速率100-200ml/min更低的浆料流速。例如，浆料递送系统140可以以小于大约100ml/分钟、小于大约90ml/分钟、小于大约75ml/分钟、小于大约60ml/min、低至大约50ml/min或其之间的任何范围的速率将处理浆料递送到碳化硅基板。
如本文所用，关于“硅晶片”或“硅基板”的“硅”是指用于形成硅晶片的传统材料，其通常是高纯度的单晶材料。本文的实施方式可以允许处理比常规硅基板(例如碳化硅基板)更高硬度的基板。例如，可以包括和处理基板，其具有减少的破损，其硬度(莫氏硬度表)大于大约7、7.5、8、8.5、9、9.5、10、10.5、11以及其之间的任何范围。在一些实施方式中，可以处理具有大于大约11的硬度(莫氏硬度表)的基板。在一些实施方式中，可以处理具有在大约8.5-10或9-9.5之间的硬度(莫氏硬度表)的基板。可以处理硬度大于硅基板中硅的硬度的基板。可以处理不是硅基板中的硅的基板。在一些实施方式中，可以包括硅基板，以提供工艺的温度控制。另外，可以实施除硅或碳化硅基板之外的基板。
具有刚性晶片支撑板的液体冷却的CMP系统
本公开内容的方面也可以应用于其他CMP系统，而不使用弹性膜。例如，图9-12示出了根据本公开内容的方面的“刚性背衬”基板载具的实施方式，该基板载具可以用作基板载具系统(例如，图4A或4B的系统)的一部分以控制基板的温度。具体地，图9是根据本公开内容的方面的基板载具的另一实施方式的透视图，该基板载具可用作基板载具系统的一部分以控制基板温度。图10是沿图9的线A-A截取的图9的基板载具的横截面图。图11是沿图9的线B-B截取的图9的基板载具的另一个横截面图。图12是沿图10的C-C线截取的底板的另一个横截面图。
参考图9-10，入口管线和出口管线805为液体循环通过晶片支撑板310提供路径。支撑板包括可以连接在一起的上板和下板，在其之间形成液体腔(例如，液体冷却通路)815。上板和下板可以通过例如炉内钎焊连接在一起以形成连接缝810。液体冷却通道815可以机加工到下板中，然后下板和上板可以炉内钎焊在一起以形成密封的液体冷却通路815。类似于图3和8中所示的实施方式，基板载具头可包括载具主体21以支撑载具头的多种部件。载具头可以包括附接到载具主体21的基板定位器20。支撑板310可以被附接到载具主体21和基板定位器20中的每一个。在一些实施方式中，板310的整个周长(包括板310的上部)可以被定位器20和/或主体21包围。
在图9-12的实施方式中，支撑板310和基板定位器20可以在不使用弹性膜的情况下保留和支撑基板。由于在一些实施方式中基板载具不包括弹性膜，所以基板载具可以是刚性的。尽管未示出，但在支撑板310和基板之间可以包括载具膜以在基板和支撑板310之间提供缓冲。如图12所示，液体冷却通路可以被布设(route)成基本上覆盖支撑板310的整个面积，使得没有支撑板310的任何部分大于远离液体冷却通路的阈值距离。液体冷却通路可机加工成支撑板310的底板和上板中的一个或多个。因此，基板载具可用于提供温度控制(例如冷却)如上文结合弹性膜实施方式所描述的基板(例如由碳化硅或其他材料形成的基板)。例如，类似于图4A或4B所示系统的系统(其中膜腔360被液体冷却通道代替)可用于在CMP期间循环或再循环用于冷却基板的液体。
具有温度控制抛光垫的CMP系统
如上所述，化学机械抛光机可以使用下压力(压力)、台板速度(摩擦)和磨料化学的组合来从许多不同的基板上去除材料。这些包括但不限于硅、AlTiC、GaSi、SiC、玻璃、石英和其他材料。施加到晶片上的压力和摩擦的量可能会受到晶片接触的垫的温度的限制。高温可导致垫失效，从而导致变形、熔化、上釉(glazing)和化学(例如，浆料化学)分解。因此，在某些实施中，去除的量和/或速度不受机械系统的限制，而是受限于不能去除工艺所生成的热量。如果可以有效地去除热量，那么机器的机械系统可以被推至其极限并增加去除速率。这可以提供更高的吞吐量和运行当前不可用的工艺的能力。
图13是图示聚氨酯的导热性作为温度函数的曲线图。具体地，图13显示了为什么聚氨酯垫中热量的热管理可能很困难。由于块状聚氨酯的导热性(λ)相对较差，因此在使用聚氨酯垫时，热管理可能具有挑战性。在某些实施方式中，这些垫的正常操作温度在293K(20℃)到323K(50℃)0.0225-0.0275W/mK之间。
即使在使用台板冷却时，对通过热传导到台板可以去除的垫热量的量可能存在限制。此外，在垫的典型操作温度下，通过对流和辐射去除热量可以忽略不计。
图14A是IC1000微孔聚氨酯(MPU)抛光垫的SEM图像830。图14B是根据本公开内容的方面在CMP期间抛光垫832和晶片834的横截面图。实例IC1000微孔聚氨酯(MPU)垫832中微孔的存在可显著减少导热性(λ)。可用于从垫832去除热量的一种技术是冷却垫832表面。在一些实施方式中，可以使用液体来冷却垫832。例如，水是非常好的冷却介质。然而，使用体积大于10ml/m的水可导致稀释用于抛光晶片834的浆料836，并通过降低去除速率而抵消增加的压力838和速度840的好处。
为了防止添加的液体稀释表面，可以以利用液体的汽化潜热的方式递送液体(例如，水)。由于水的汽化潜热为约2260J/g，因此水非常适合垫表面冷却。因此，可以使用少量的水来冷却垫，从而冷却垫而基本上不影响浆料836化学性质。在一些实施方式中，当考虑由于浆料836化学性质的变化而引起的去除速率的任何下降时，用于冷却垫的水的量可以足够低以导致去除速率的净改善。
图15是根据本公开内容的方面的包括雾化器系统的基板处理系统的示意性说明。如图15所示，该系统可以包括雾化器905，该雾化器905被配置为雾化液体并将非常薄的液体层散布在垫910(其可以固定到台板915)的大表面积之上，以允许水蒸发并直接从垫910的表面带走热量。对于一个实施方式，计算了以瓦特为单位的去除热量的量，0.1ml/s的流速×2260J/g＝226W。使用带有电流计的热板的实验表明，对于0.1ml/s的实例流速，实际瓦数值为204W。在下面提供的多种实例中，包括雾化器905的系统能够将垫的温度降低14℃(25.2℉)。
对于使用液体雾化器的垫冷却的比较例
下面，提供了用于多个实验运行的实验数据，以测试使用本文所述的液体冷却对抛光垫的冷却。对于下面列出的实验1、2、4和5中的每一个，使用由AlTiC形成的晶片。
实验1-如表1所示(高压、高速、无冷却器冷却至台板、无载具冷却、无雾化器)
参数 测量值
主膜(MM)压力 3.5psi(气体)
Neslab冷却器 n/a
雾化器 n/a
台板速度 93rpm
主轴速度 87rpm
台板温度 50℃——2分钟运行时间，温度仍上升
台板Delta T n/a
载具Delta R n/a
台板流量 n/a
载具流量 n/a
表1实验2-如表2所示(高压、高速、无冷却器冷却至台板、无载具冷却、激活雾化器)
Figure BDA0003503194530000171
Figure BDA0003503194530000181
表2
图16是实验3的曲线图，说明了用于Si晶片的前置和后置雾化器喷嘴应用的归一化的去除速率和温度。
实验4-如表3所示(高压、高速、无冷却器冷却至台板、激活载具冷却、无雾化器)
Figure BDA0003503194530000182
表3
实验5-如表4所示(高压、高速、无冷却器冷却至台板、激活载具冷却、激活雾化器)
Figure BDA0003503194530000183
Figure BDA0003503194530000191
表4
具有扣环的CMP系统
图17是说明使用扣环的CMP系统的环压力(psi)和台板温度(℃)之间的关系的曲线图。如图17所示，环压力和台板温度之间存在基本上线性关系。
在实例实施方式中，扣环可以具有18.9平方英寸的表面积。将大约240磅的指令下压力应用于本实施方式的扣环可以在垫表面上产生约12.7psi的压力。在一些实施方式中，系统可以向环提供指令压力(例如，以psi为单位)。在一种实施中，环的每个psi将产生24磅的力。通过使用具有大约5平方英寸表面积的另一个扣环来减少扣环的接触面积可以对垫产生大约48psi的施加压力。扣环和抛光垫之间的接触面积减少还可以减少抛光期间生成的热量，这对于某些晶片例如碳化硅晶片特别有利。因此，由于下压力将分散在扣环的可用表面积之上，垫压力可能与扣环的表面积有关。降低扣环的接触面积的一种效果可能是扣环磨耗的增加。例如，较小的扣环表面积和较高的施加压力会导致更快的扣环磨耗。
可以通过将扣环与垫接触的部分的材料改变为更耐磨的更硬的材料来至少部分地减轻扣环中的磨耗增加。然而，将这种硬的材料用于扣环可能会由于晶片的易碎性而导致晶片破裂。某些晶片类型可能更易碎，因此在将较硬的材料用于扣环时更容易破裂。图18说明了具有阶梯形状的扣环1000。尽管未示出，但在某些实施方式中，扣环1000可以由两种不同的材料形成。具体地，可以在晶片接触环的地方使用不同的材料，例如聚苯硫醚(PPS)或聚醚醚酮(PEEK)，以防止扣环破坏晶片，同时仍减少扣环上的磨耗。
为了降低扣环磨耗，本文公开的CMP工艺可以使用具有低表面积和两件式构造的扣环1000。例如，在一些实施方式中，对于150mm的载具，扣环可以具有小于15平方英寸、小于12平方英寸、小于10平方英寸、小于8平方英寸或小于5平方英寸的表面积。例如，扣环1000可以包括坚硬且具有低磨耗率的外部材料，例如氧化铝、氧化锆、氮化硼、碳化硼、碳化硅和不锈钢。扣环1000可进一步包括具有与基板接触相容的工程化聚合物的内部材料，例如PPS、PEEK、托朗(Torlon)、卢伦(Rulon)、聚砜(PSU)、Ultem聚醚酰亚胺(PEI)或聚偏二氟乙烯(PVDE)。
使用具有足够硬度的外部材料可以使CMP期间的环磨耗最小化，从而增加扣环的寿命。如图5所示，扣环还可以具有阶梯状接触表面，用于减少接触面积，以减少由扣环的面和抛光垫之间的接触生成的热量。
概要
本文所述的雾化系统可包括使用任何类型的雾化系统来冷却或去除来自CMP系统的抛光垫的能量和/或热量。雾化系统可以使用任何液体介质与任何压缩气体的组合通过孔口来冷却或去除来自垫的能量和/或热量，从而在CMP期间允许更高的去除速率。本公开内容的方面还涉及使用任何绝热冷却系统来从垫冷却或去除能量和/或热量。在使用雾化器时，系统可以进一步被配置为控制雾化流体的温度，作为用于在CMP期间控制垫表面温度的另外的手段。本公开内容的又进一步方面涉及施加流过涡流冷却喷嘴的冷却和/或温度控制的气体(例如压缩的空气)作为用于冷却垫表面而不会不利地影响CMP工艺和消耗品的另外的手段。
在本文中使用词语“示例性”表示“用作实例、例子或说明”。本文中所描述为“示例性”的任何方面或实施方式不一定被解释为优于或有利于其他方面或实施方式。下文将参照附图更全面地描述新颖系统、设备和方法的多个方面。然而，本公开内容可以以许多不同的形式体现，并且不应被解释为限于贯穿本公开内容呈现的任何具体结构或功能。相反，提供这些方面是为了使本公开内容彻底和完整，并将向本领域技术人员充分传达本公开内容的范围。基于本文的教导，本领域技术人员应当理解，本公开内容的范围旨在覆盖本文公开的新颖系统、设备和方法的任何方面，无论是独立于所描述的任何其他方面实施还是与所描述的任何其他方面组合实施。例如，可以使用本文阐述的任意数量的方面来实施设备或实践方法。此外，本公开内容的范围旨在覆盖这样的设备或方法，该设备或方法使用除了本文阐述的本公开内容的多个方面或其之外的其他结构、功能或结构和功能来实践。应当理解，本文公开的任何方面都可以通过权利要求的一个或多个元件来体现。
还应该理解的是，除非在本专利中使用句子“如本文所用，术语‘______’在本文中被定义为表示……，或类似的句子明确限定术语，否则没有意图限制该术语的含义超出其简单或普通的含义，无论是明示或暗示，并且该术语不应被解释为受限于本专利的任何部分中所做的任何陈述的范围(权利要求的语言除外)。在某种程度上，在本专利的权利要求中陈述的任何术语在本专利中以与单一含义一致的方式提及，这样做只是为了清楚起见，以免混淆读者，并且其并是不打算通过暗示或其他方式将此类权利要求术语限制为该单一含义。
例如“可以”、“可”、“可能”或“可能的”之类的条件性语言，除非另有明确说明，或在所使用的上下文中以其他方式理解，其通常旨在传达某些实施方式包括，而其他实施方式不包括某些特征、元件和/或步骤。因此，这种条件性语言通常不旨在暗示一个或多个实施方式以任何方式需要特征、元件和/或步骤，或者一个或多个实施方式必须包括用于在有或没有用户输入或提示的情况下进行决定的逻辑，无论这些特征、元件和/或步骤是否被包括在任何具体实施方式中或将在任何具体实施方式中执行。
例如短语“X、Y和Z中的至少一个”之类的连接性语言，除非另有明确说明，否则应根据上下文理解为一般用于传达项目、术语等可以是X、Y或Z。因此，这种连接性语言通常不旨在暗示某些实施方式需要存在X中的至少一个、Y中的至少一个和Z中的至少一个。
本文使用的程度性语言，例如本文使用的术语“大约”、“约”、“大致”和“基本上”表示接近所述值、量或特征的值、量或特征，其仍然执行期望的功能或达到期望的结果。例如，术语“大约”、“约”、“大致”和“基本上”可以指规定量的小于10％内、小于5％内、小于1％内、小于0.1％内和小于0.01％内的量，这取决于所期望的功能或所期望的结果。
虽然已经描述了某些实施方式，但这些实施方式仅以实例的方式呈现，而不是旨在限制本公开内容的范围。实际上，本文所述的新颖方法和系统可以多种其他形式体现。此外，可以在不脱离本公开内容的精神的情况下对本文描述的系统和方法进行多种省略、替换和改变。所附权利要求及其等价物旨在覆盖落入本公开内容的范围和精神内的此类形式或修改。
结合具体方面、实施方式或实例描述的特征、材料、特性或组应理解为适用于本部分或本说明书其他地方描述的任何其他方面、实施方式或实例，除非与之不相容。本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征，和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤，可以以任何组合进行组合，除了其中至少一些这样的特征的组合和/或步骤是互斥的组合。保护不限于任何前述实施方式的细节。保护延伸至本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任何新颖特征的或任何新颖的特征组合，或如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖的步骤或任何新颖的步骤组合。
此外，在本公开内容中在单独实施的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施的组合中实施。相反，在单个实施的上下文中描述的多种特征也可以在多个单独或以任何合适的子组合实施中实施。此外，尽管可以在上面将特征描述为在某些组合中起作用，但在某些情况下，可以从组合中去除所要求保护的组合中的一个或多个特征，并且该组合可以作为子组合或子组合的变体来被要求保护。
此外，虽然操作可以在附图中描绘或在说明书中以具体顺序描述，但是这样的操作不需要以所示的具体顺序或按连续顺序执行，或者执行所有操作以获得期望的结果。未描绘或描述的其他操作可以并入实例方法和过程中。例如，一个或多个另外的操作可以在任何所描述的操作之前、之后、同时或之间执行。此外，在其他实施中，操作可以重新排列或重新排序。本领域技术人员将理解，在一些实施方式中，在所示和/或公开的过程中采取的实际步骤可能与图中所示的不同。根据实施方式，可以去除上述某些步骤，也可以添加其他步骤。此外，以上公开的具体实施方式的特征和属性可以以不同方式组合以形成另外的实施方式，所有这些都落入本公开内容的范围内。此外，上述实施中多种系统部件的分离不应理解为在所有实施中都需要这种分离，应当理解，所描述的部件和系统通常可以在单个产品中集成在一起或封装在多个产品中。例如，本文描述的能量存储系统的任何部件可以单独提供，或集成在一起(例如，封装在一起，或附接在一起)以形成能量存储系统。
出于本公开内容的目的，本文描述了某些方面、优点和新颖特征。不一定所有这些优点都可以根据任何具体实施方式来实现。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本公开内容可以以实现如本文所教导的一个优点或一组优点的方式来体现或执行，而不必实现如本文所教导或建议的其他优点。
本文提供的标题(如果有的话)仅为方便起见，不一定影响本文公开的装置和方法的范围或含义。
本公开内容的范围不旨在受限于本部分或本说明书其他地方的优选实施方式的具体公开内容，并且可以由在本部分或本说明书其他地方呈现的或如将来呈现的权利要求限定。权利要求的语言将基于权利要求中使用的语言进行广义解释，并且不限于本说明书中或在申请的进行期间所描述的实例，这些实例将被解释为非排他性的。

Claims (42)

1.一种基板载具头，其包括：
载具主体；
附接到所述载具主体的基板定位器，所述基板定位器包括被配置为接收基板的孔；
弹性膜，其具有被配置为接触所述基板表面的第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
沿所述第二表面形成的膜腔；
入口，其被配置为允许液体流入所述膜腔；和
出口，其被配置为允许液体从所述膜腔流出。
2.根据权利要求1所述的基板载具头，其中所述出口位于比所述入口距所述载具主体中心更远的径向位置处。
3.根据权利要求2所述的基板载具头，其中所述入口位于所述载具主体的大约中心处。
4.根据权利要求1所述的基板载具头，进一步包括：
第二弹性膜，其宽度小于所述弹性膜的宽度。
5.根据权利要求1所述的基板载具头，进一步包括在所述弹性膜和所述载具主体之间的液密密封件。
6.一种基板载具系统，其包括：
基板载具头，其包括：
载具主体；
附接到所述载具主体的基板定位器，所述基板定位器被配置为在所述载具主体上保留基板；
弹性膜，其具有被配置为接触所述基板表面的第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；和
沿所述第二表面形成的膜腔，所述膜腔被配置为允许液体沿所述第二表面流动；和控制系统，其被配置为调节通过所述膜腔的所述液体的压力和流速中的至少一个。
7.根据权利要求6所述的基板载具系统，其中所述基板载具头进一步包括：
入口，其被配置为允许液体流入所述膜腔；和
出口，其被配置为允许液体从所述膜腔流出。
8.根据权利要求7所述的基板载具系统，其中所述控制系统被进一步配置为将所述液体从所述出口再循环回到所述入口。
9.根据权利要求7所述的基板载具系统，其中所述出口位于比所述入口距所述载具主体的中心更远的径向位置处。
10.根据权利要求9所述的基板载具系统，其中所述入口位于所述载具主体的大约中心处。
11.根据权利要求6所述的基板载具系统，其中所述控制系统被进一步配置为将所述液体冷却至环境温度以下。
12.根据权利要求6所述的基板载具系统，进一步包括：
流体连接到所述膜腔的液体源。
13.根据权利要求6所述的基板载具系统，其中所述基板载具头进一步包括：
第二弹性膜，其宽度小于所述弹性膜的宽度。
14.根据权利要求13所述的基板载具系统，其中所述弹性膜基本上完全无孔。
15.根据权利要求6所述的基板载具系统，其中所述控制系统包括被配置为控制所述液体压力的流体背压调节器。
16.根据权利要求15所述的基板载具系统，其中所述控制系统进一步包括气动调节器，所述气动调节器被配置为向所述流体背压调节器提供信号以控制所述液体压力。
17.根据权利要求16所述的基板载具系统，进一步包括
流体连接到所述气动调节器的空气源。
18.根据权利要求6所述的基板载具系统，进一步包括：
液体抽吸器，其被配置为向所述膜腔内的液体提供负压。
19.根据权利要求6所述的基板载具系统，进一步包括所述基板，其中所述基板是碳化硅晶片。
20.根据权利要求6所述的基板载具系统，进一步包括所述液体，其中所述液体包括水。
21.根据权利要求6所述的基板载具系统，其中所述控制系统被进一步配置为使所述基板载具头以大于100rpm的速度旋转。
22.根据权利要求6所述的基板载具系统，其中所述控制系统被进一步配置为控制所述液体压力至高于6psi的压力。
23.根据权利要求6所述的基板载具系统，其中所述控制系统被进一步配置为在化学机械抛光(CMP)期间控制所述基板的温度至低于100℉。
24.根据权利要求6所述的基板载具系统，进一步包括所述基板，其中所述基板具有小于600μm的厚度。
25.根据权利要求6所述的基板载具系统，进一步包括浆料递送系统，所述浆料递送系统被配置为以小于100ml/min的速率将处理浆料递送至所述基板。
26.一种在基板的化学机械抛光(CMP)期间冷却所述基板的方法，所述方法包括：
将基板保留在基板定位器的孔内，所述基板定位器附接到载具头的载具主体；
向所述载具头内的膜腔供应液体；和
使所述液体在所述膜腔内沿所述弹性膜的第一表面流动。
27.根据权利要求26所述的方法，进一步包括调节通过所述膜腔的所述液体的压力和流速中的至少一个。
28.根据权利要求26所述的方法，进一步包括：
使所述液体通过入口流入所述膜腔；和
使所述液体通过出口从所述膜腔流出。
29.根据权利要求28所述的方法，进一步包括：
将所述液体从所述出口再循环回到所述入口。
30.根据权利要求26所述的方法，进一步包括：
将所述液体冷却到环境温度以下。
31.根据权利要求26所述的方法，进一步包括：
控制所述膜腔内的所述液体的流速和压力中的至少一个至选定值。
32.根据权利要求31所述的方法，其中控制包括经由定位在所述膜腔下游的流体背压调节器来控制所述液体的压力。
33.根据权利要求26所述的方法，进一步包括：
向所述液体提供负压以抽吸所述基板抵靠所述膜。
34.一种基板载具头，其包括：
载具主体；
附接到所述载具主体的基板定位器，所述基板定位器包括被配置为接收基板的孔；
邻近所述基板孔形成的液体腔；
入口，其被配置为允许液体流入所述液体腔；和
出口，其被配置为允许液体从所述液体腔流出。
35.一种化学机械平面化(CMP)系统，其包括：
抛光垫；
基板载具头，其被配置为保留晶片抵靠所述抛光垫；和
雾化器，其被配置为雾化液体并将一层所述雾化液体散布在所述抛光垫的表面积之上，以允许所述液体蒸发并直接从所述抛光垫的表面带走热量。
36.根据权利要求35所述的CMP系统，其中，所述雾化器被进一步配置为迫使与所述液体结合的压缩气体通过孔口以雾化所述液体。
37.根据权利要求35所述的CMP系统，其中所述抛光垫由聚氨酯形成。
38.根据权利要求35所述的CMP系统，其中提供给所述抛光垫的液体的量足够低，以防止由于施加到所述抛光垫上的浆料的化学性质变化而导致的去除速率实质下降。
39.根据权利要求35所述的CMP系统，进一步包括具有阶梯形状的扣环。
40.根据权利要求39所述的CMP系统，其中所述扣环由聚苯硫醚(PPS)或聚醚醚酮(PEEK)形成。
41.根据权利要求35所述的CMP系统，其中所述扣环具有两件式构造。
42.根据权利要求35所述的CMP系统，其中所述扣环具有小于15平方英寸的表面积。
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