CN1169654C - 化学机械抛光用的多层扣环 - Google Patents

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Abstract

一种化学机械抛光装置用的夹头，包括一扣环，它具有挠性的下部和刚性的上部。在扣环和夹头座之间安插填隙片，可提高扣环使用寿命，在扣环和柔性隔膜之间安插密封件，可使柔性隔膜和夹头座之间的空腔密封。

Description

化学机械抛光用的多层扣环
技术领域
本发明一般涉及基片的化学机械抛光，更具体地说，涉及化学机械抛光装置的夹头。
背景技术
集成电路往往通过在基片上，特别是硅晶片上有序地沉积导电层、半导电层或绝缘层而做成。在每层沉积后要进行浸蚀，以便产生电路特征。当有序地沉积几层并且浸蚀后，基片外表面或顶面，即基片的外露表面便逐渐变成非平面。此非平面的表面在集成电路制造工艺的光刻步骤中会发生问题，因此有必要周期性地使基片表面平面化。
化学机械抛光(CMP)是平面化的一种通用方法。这种平面化的方法通常要求将基片装配到夹头或抛光头上。基片外露表面紧靠转动的抛光垫放置。该抛光垫可以是“标准”垫，也可以是固定磨料的垫。标准抛光垫有耐磨的粗糙面；而固定磨料垫的磨料颗粒粘固在保持介质中。夹头提供可控载荷，即压力，作用在基片上，将其推向抛光垫。向抛光垫表面供给抛光浆液，这种浆液包括至少一种化学反应介质，如果使用标准垫则还包括磨料颗粒。
CMP的工艺效果可由其抛光速率、并由基片表面所得到的光洁度(无小尺寸的粗糙部分)和不平度(无大尺寸的表面坡度)来度量。抛光速率、光洁度和不平度由垫与浆液的组合、基片与垫之间的相对速度及基片压向垫的作用力所决定。
CMP中重复出现的问题是所谓的边缘效应，即基片的边缘与基片中央抛光速率不同的倾向。边缘效应通常造成基片周边，如200mm的晶片最外面5-10mm处的过抛光(从基片上去除太多材料)。过抛光降低了基片的总体平面度，致使基片的边缘不适合制造集成电路并降低产量。
发明内容
一方面，本发明提供一种化学机械抛光装置的夹头(carrier head)。该夹头有一个夹头座、一个扣环、一个柔性隔膜、和填隙片。该扣环包括一下部和一上部，该下部具有在抛光过程中与抛光垫接触的底表面并由第一材料制造；该上部用比第一材料硬的第二材料制造。柔性隔膜的中心部分形成基片安装面，而外缘部分位于该夹头座和扣环的上部之间。填隙片位于夹头座和扣环的上部之间。
本发明的实施有以下一个或几个特点。扣环中的第二通道与夹头中的第一通道对齐。螺栓或螺钉穿过第一及第二通道，将扣环固定于夹头上。螺栓或螺钉可延伸穿过填隙片中的小孔伸进扣环的第二通道。第二通道可以不伸到扣环的下部。填隙片可用不锈钢制造。第一材料可以是PPS管而第二材料可以是不锈钢。密封件可以夹在柔性隔膜外缘部分和扣环上部之间，从而使夹头座和柔性隔膜之间的空腔密封。
另一方面，本发明提供具有基片安装面的夹头扣环。扣环有一个大体上呈环形的下部，其底面在抛光时与抛光垫接触并且它是用在化学机械抛光工艺中呈惰性的第一材料制造；扣环有一个大体上呈环形的上部且与下部连结，并由比第一材料硬的第二材料制造。第一材料是PPS管，第二材料是金属。
另一方面，本发明提供具有基片安装面的夹头扣环。扣环具有一个大体上呈环形的下部和一个大体上呈环形的上部，并且环形的上部与下部连结。该下部具有一个底面，其在抛光时与抛光垫接触，且扣环下表面中有多条槽可将浆液往里传送。槽深至少0.14英寸。下部用在化学机械抛光过程中呈惰性的第一材料制造。上部用比第一材料硬的第二材料制造。
另一方面，本发明提供一种使用扣环的方法。在该方法中，扣环固定于夹头的夹头座上，而柔性隔膜的外缘被夹在扣环和夹头座之间。第一批基片用夹头抛光，抛光时扣环下表面接触抛光面。当扣环的下表面被磨损第一量后扣环从夹头上拆下。扣环重新固定到夹头上时在夹头座和扣环之间放置第一填隙片，再用夹头抛光第二批基片。
本发明的实施包括以下一个或几个特点。第二批基片抛光前，在柔性隔膜和扣环之间固定有第一密封件。当扣环下表面被磨损第二量后，将扣环及第一填隙片拆离夹头，而在夹头座与扣环之间放置第二填隙片后重新固定扣环，再用夹头抛光第三批基片。在第三批基片抛光之前可在柔性隔膜和扣环之间固定第二密封件。
另一方面，本发明提供一套配套元件(kit)，包括具有上部的扣环；插放在夹头的夹头座和扣环上部之间的填隙片；和插放在柔性隔膜和扣环之间的环形密封件。该扣环包括一个下部和一个上部，该下部具有一个底面，它由第一材料制造且在抛光时与抛光垫接触，该上部用比第一材料硬的第二材料制造。在扣环底面具有多条槽，可使浆液往里传送。
一方面，本发明提供化学机械抛光装置的夹头。该夹头具有一基片安装面和一扣环，可使基片在抛光时保持在安装面下面。扣环包括一个下部和一个上部，该下部用第一材料制造且其底面在抛光时与抛光垫接触，该上部用比第一材料硬的第二材料制造。
本发明的实施可以有以下几条优点，也可以没有。这些优点是：降低边缘效应，提高基片最终平整度和光洁度，提高扣环使用寿命。
本发明别的优点和特点可以从下述说明，包括附图及权利要求书中显示出来。
附图说明
图1是化学机械抛光装置的分解透视图。
图2是根据本发明所述夹头的横断面示意图。
图3是图2中夹头的放大的示图，示出了扣环。
图4是具有填隙片和扣环的夹头放大的示图。
具体实施方式
参照图1，一片或多片基片10被化学机械抛光(CMP)装置20抛光。类似的CMP装置的说明可见美国专利5,738,574，它的全部公开内容作为参考而被包含在此。
CMP装置20包括一个下部机座22，其上安装有一个工作台面23，还包括一可拆除的上部外罩(未示)。工作台面23上设有数个抛光台25a、25b和25c，和一个装卸基片的传送台27。传送台27可与三个抛光台25a、25b、25c形成一个大体正方形布置。
每个抛光台25a-25c包括一个可转动的台板30，其上放置抛光垫32。如果基片10是8英寸(200mm)或12英寸(300mm)直径的圆盘，则台板30和抛光垫32的直径分别是20或30英寸左右。台板30可与位于机座22内的台板驱动马达(未示)相连。对于大多数抛光工艺，台板驱动马达以30-200转/分的速度转动台板30，但转速也可更低些或更高些。每个抛光台25a-25c还可包括辅助的抛光垫调节机构40，以使抛光垫保持研磨状态。
含有活性剂(如氧化物抛光用的去离子水)和化学反应催化剂(如氧化物抛光用的氢氧化钾)的浆液50可用加浆/冲洗两用臂52供应到抛光垫32的表面。如果抛光垫32是标准垫，则浆液50还可包含磨料颗粒(如，氧化物抛光用的二氧化硅)。通常要提供足够的浆液以覆盖并润湿整个抛光垫32。加浆/冲洗臂包括若干个喷嘴(未示)，在每一抛光和调节周期结束时向抛光垫32提供高压冲洗。
一个可旋转多头转盘60包括转盘支撑板66和外罩68，该可旋转多头转盘位于下部机座22的上方。转盘支撑板66由中心支柱62支承并且通过设置在机座22内的转盘马达组件可在支柱上绕转盘轴线64转动。多头转盘60包括4个夹头系统70a、70b、70c和70d，它们以绕转盘轴线64的等角间隔安装在转盘支撑板66上。其中3个夹头系统容纳和夹持基片并将其压向抛光台25a-25c的抛光垫进行抛光。其中一个夹头系统接受传送台27上的基片并可将基片投放在传送台27上。转盘马达可使夹头系统70a-70d及附接于其上的基片绕抛光台和传送台之间的转盘轴线64作圆周运动。
每个夹头系统70a-70d包括一个抛光头或夹头100。每个夹头100单独绕其自己的轴线旋转，并沿形成在转盘支撑板66中的径向槽72单独作横向摆动。夹头传动轴74延伸穿过槽72使夹头旋转马达76(去除外罩68的四分之一便可见)与夹头100相连。每个夹头有一根传动轴和一台马达。每个马达和传动轴可支承在一个滑板(未示)上，该滑板由一径向驱动马达沿槽直线驱动以便使夹头作横向摆动。
实际抛光时，三个夹头，如夹头系统70a-70c的夹头定位在各自抛光台25a-25c的上方。各夹头100将基片放低与抛光台32接触。一般情况下，夹头100将基片保持在触及抛光垫的位置并将力分配到基片整个背面。夹头也将力矩从传动轴传递给基片。
参照图2，夹头100包括夹头套102、夹头座104、万向架机构106、加载腔108、扣环110和基片支架组件112。同类夹头的描述可见美国专利申请系列号68/745,670的说明书，该项专利申请人是苏尼加等人，于1996年11月8日提出，名称为化学机械抛光系统的具有柔性隔膜的夹头。该项申请转让给本发明的受让人，其整个公开内容作为参考结合于此。
夹头套102可与传动轴74连接，在抛光时一起绕旋转轴线107旋转，抛光时旋转轴线107基本上垂直于抛光垫表面。加载腔108位于夹头套102和夹头座104之间，可将载荷，即向下压力作用于夹头座104上。夹头座104相对于抛光垫32的垂直位置也由加载腔108控制。
基片支架组件112包括支撑结构114、将支撑结构114连接于夹头座104的挠性膜片(flexure diaphragm)116和与支撑结构114相连接的柔性件或柔性隔膜(flexible membrane)118。柔性隔膜118延伸到支撑结构114下面，为基片提供安装面120。位于夹头座104和基片支架组件112之间的内腔190增压时迫使柔性隔膜118向下运动，将基片压向抛光垫。
夹头套102是一般的圆形，与待抛光基片的圆轮廓相当。圆柱形衬套122安装在穿过夹头体的垂直孔124中，穿过夹头套的二条通道126和128用于夹头的气动控制。
夹头座104是位于夹头套102下方的一般的环形物体。夹头座104可用刚性材料制造，如铝、不锈钢或纤维增强塑料。通道130可以延伸通过夹头座，固定装置132和134提供固着点，以连接夹头套102和夹头座104之间的软管，以便使通道128和通道130可流体地连接。
弹性和柔性隔膜140可以通过压环142连接在夹头座104的下表面，构成气囊144。压环142可用螺钉或螺栓(未示)固定到夹头座104。第一泵(未示)可以连接气囊144，以将流体(例如，如空气之类的气体)导入或导出该气囊，从而控制支撑结构114及柔性隔膜118的向下的压力。
万向架机构106使夹头座104相对夹头套102可绕枢轴转动，因而夹头座与抛光垫表面可保持基本平行。万向架机构106包括一个万向杆150和一个挠性环152，该万向杆150安装在穿过圆柱形衬套122的通孔154中，该挠性环152固定在夹头座104上。万向杆150可沿通孔154垂直滑动，以便提供夹头座的垂直运动，但它使夹头座104不能相对于夹头套102横向运动。
滚动膜片(rolling diaphragm)160的内缘由内压紧环162压紧在夹头套102上，而外压紧环164则将滚动膜片160的外缘压紧在夹头座104上。于是，滚动膜片160将夹头套102和夹头座104之间的空间密封，从而形成加载腔108。滚动膜片160可以是厚度为60密耳的一般的环形硅钢片。第二泵(未示)与加载腔108流体地连接，以控制加载腔的压力和施加于夹头座104上的载荷。
基片支架组件112的支撑结构114设置在夹头座104下方。支撑结构114包括支撑板170、环形下压板172和环形上压板174。支撑板170可以是一般圆盘形的刚性件，其上有许多通孔176。此外，支撑板170在其外缘处有向下凸出部178。
基片支架组件112挠性膜片116是一个一般的平面环形圈。挠性膜片116的内缘被夹在夹头座104和扣环110之间。挠性膜片116的外缘被夹在下压板172和上压板174之间。挠性膜片116具有挠性和弹性，虽然沿其径向和切向可以是刚性的。挠性膜片116用橡胶(如氯丁橡胶)、涂弹性体的织物(如尼伦或诺梅克斯—聚芳酰胺)、塑料或复合材料(如玻璃纤维)制成。
柔性隔膜118是一般的圆形薄板，由易弯曲有弹性的材料制成，如氯丁二烯橡胶或乙烯丙烯橡胶，一部分柔性隔膜118环绕支撑板170的边缘伸展夹在支撑板和下压板172之间。
介于柔性隔膜118、支撑结构114、挠性膜片116、夹头座104和万向架机构106之间的密闭容积构成增压腔190。第三泵(未示)可与空腔190流体地连接，以便控制腔内压力并因此控制柔性隔膜加在基片上的力。
扣环110可以是一般的环形圈，用例如螺栓194(图2截面图上只示出一根)固定在夹头座104的外缘。螺栓穿过夹头座104中对齐的通孔进入扣环110的上部。当流体被泵送到加载腔108且夹头座104被向下推时，扣环110也被向下推，从而对抛光垫32施加一载荷。扣环110的内侧表面188与柔性隔膜118的安装面120一起构成基片的接收凹槽192。扣环110可防止基片脱离基片接收凹槽192。
参照图3，扣环110由几部分组成，包括环形下部180和环形上部184。下部180的底面182可以与抛光垫接触，上部184与夹头座104连接。下部180与上部184可以用粘合层186粘结。
下部用一种在CMP过程中呈化学惰性的材料制造。此外，下部180应有足够的弹性，使基片边缘触及扣环时不会引起基片碎裂或断裂。另一方面，下部180的弹性又不应使作用在扣环上的向下压力导致下部向基片接收槽192内凸出。具体说，下部180的材料用硬度计测量时肖氏D刻度盘上的值为80-95左右为宜。通常，下部180材料的弹性模量在0.3-1.0×106psi之间。下部还应当耐用，磨损率低。但下部180容许有逐渐的磨耗，因为它显得可防止基片边缘在内侧表面188切出一条深槽。例如，下部180可用诸如聚亚苯基硫化物(PPS)那样的塑料制造，该材料可从印第安纳州埃文斯维尔的DSM工程塑料公司买到，商标名为TechtronTM。其它适用的塑料有DELRINTM，可从特拉华州威尔明顿的杜邦公司买到；聚对苯二甲酸亚乙醇酯(PET)，聚醚酮醚(PEEK)，或对聚苯二甲酸亚丁酯(PBT)，或像ZYMAXXTM那样的复合材料，这些均可从杜邦公司买到。虽然下部也可用PPS板做成，但下部180最好用PPS管材制作。
下部180的厚度T1应大于基片10的厚度TS。具体讲，下部厚度应足以在夹头夹住基片时基片不会擦到粘合层。另一方面，如果下部太厚，则扣环底面因下部的挠曲特性而变形。下部180的初始厚度约为200-400密耳(沟槽深度100-300密耳)。当沟槽磨损掉时可更换下部。因此，下部厚度T1在100-400密耳之间。如果扣环无沟槽，则下部剩余厚度等于基片厚度前应更换下部。
下部180的底面基本上是平的，或可以有多条沟槽189，这有利于使浆液从扣环外侧输向基片。沟槽189深度为140密耳或更深些。
扣环110的上部184用刚性材料制造，如不锈钢、钼或铝、或氧化铝的陶瓷材料，或其他典型材料。上部材料的弹性模量约为10-50×106psi，即为下部材料弹性模量的10-100倍。例如，下部的弹性横量约为0.6×106psi，上部材料弹性模量可以是约30×106psi，比值为50∶1，上面部分184的厚度T2应大于下部182的厚度T1。具体说，上面部分厚度T2可以是300-500密耳。
粘合层186可以是双组分缓固化环氧树脂。缓固化一般指环氧树脂凝固要化几个小时到几天时间。环氧树脂可以是Manmbond-6375TM，可从佐治亚州钱布利的Magnolia塑料公司买到。作为一种选择，可用螺钉或压配合的办法将下部连接于上部而代替粘合法。
看来似乎扣环底面的平整度与边缘效应有关。具体说，如果底面很平，则边缘效应减小。如果扣环较易弯曲，则在用螺栓194将其连接到夹头座上时便会变形。这种变形导致非平面的底面，从而增大边缘效应。虽然扣环在安装于夹头之后可做研磨或机加工，但研磨易使碎屑嵌入底表面内，会损坏基片或沾污CMP工艺，机加工则费时又不方便。另一方面，刚性好的扣环，如不锈钢环会引起基片开裂或污染CMP工艺。
由于本发明的扣环，扣环110上部184的刚度增加了扣环的整个弯曲刚度，与完全用PPS等软材料做的扣环相比，其总弯曲刚度大30-40倍。由刚性好的上部提供的增加的刚度可减少或消除因将扣环连接于夹头座而引起的变形，由此减小边缘效应。而且，扣环固定到夹头后不需要研磨。此外，PPS的下部在CMP工艺中是惰性的，又有足够弹性可防止基片边缘发生碎裂或开裂。
本发明大刚度的扣环的另一优点是降低了抛光过程对抛光垫可压缩性的敏感性。不限制在任何一种具体理论，对边缘效应，尤其对易弯曲的扣环的一个可能的影响因素称作扣环“挠曲”。具体讲，在夹头后端处基片边缘作用在扣环内侧表面的力会使扣环挠曲，即绕与抛光垫表面平行的轴线发生局部轻微的扭曲。这样迫使扣环内径更深地进入抛光垫并在抛光垫上产生增大的压力，致使抛光垫材料发生“流动”并向基片的边缘移动。抛光垫材料位移大小取决于抛光垫的弹性。因此，能弯向垫子的较软的扣环使抛光过程对垫子材料的弹性特别敏感。然而由刚性的上部提供的增加的刚度可减轻扣环的变形，从而减轻抛光垫的变形、对抛光垫压缩性的敏感性和边缘效应。
参照图4，扣环的一部分磨损后，将填隙片202放置在扣环190和夹头座104之间，以构成夹头结构的一部分。螺钉194延伸穿过填隙片202的孔。扣环是高精度零件，一旦被磨掉一定量，如40密耳，夹头便不能正常起作用。例如，扣环下表面在抛光时不应当接触抛光面。然而为了维持夹头正常作用，填隙片202加大夹头座和扣环下表面的间距。此外，挠曲膜片116(若挠曲和柔性隔膜合成一个零件则为柔性隔膜118)与扣环110之间可放置环形密封件200。环形密封件200可防止流体通过扣环110和夹头座104之间的间隙泄露到空腔190或从该腔漏出。填隙片可用相对较硬的材料制造，如不锈钢，而环形密封件可以用可压缩材料制造，如橡胶。修整过程可重复多次，如每当扣环又磨掉40密耳时可再修理。每次在夹头中插入稍厚的填隙片和环形密封件。这样，只要扣环的下表面有深槽，填隙片及密封件的修复组件亦可提高扣环的使用寿命。
本发明己通过一些实施例作了描述。但本发明不局限于这些描述和说明的实施例。本发明地范围由附属权利要求书限定。

Claims (15)

1.一种用于化学机械抛光装置的夹头，包括：
一个夹头座；
一个扣环，它包括一个下部和一个上部，该下部用第一材料制造且具有一个底面，该底面在抛光时与抛光垫接触；该上部用比第一材料硬的第二材料制造；
一个柔性隔膜，它具有一个中心部分和一个外缘部分，该中心部分为基片提供安装面，该外缘部分位于所述夹头座和所述扣环的上部之间；
一个填隙片，位于所述夹头座和所述扣环上部之间；以及
一个密封件，它与所述柔性隔膜配合，用于密封形成在所述夹头座下方和所述柔性隔膜之间的内腔。
2.如权利要求1的夹头，还包括夹头座中的第一通道、与第一通道对齐的扣环中的第二通道和螺栓或螺钉，该螺栓或螺钉延伸穿过第一及第二通道，将扣环固定于夹头座。
3.如权利要求2的夹头，其特征在于，所述螺栓或螺钉穿过填隙片中的孔并伸进所述扣环的第二通道。
4.如权利要求3的夹头，其特征在于，所述第二通道不伸进扣环下部。
5.如权利要求1的夹头，其特征在于，填隙片用不锈钢制造。
6.如权利要求1的夹头，其特征在于，第一材料是PPS管，第二材料是不锈钢。
7.如权利要求1的夹头，其中所述密封件和柔性隔膜的外缘部分夹在扣环的上部和所述夹头座之间。
8.一种使用扣环的方法，包括：
将扣环固定于一个夹头的座上而先不在该夹头座与该扣环之间放置填隙片，以一个柔性隔膜的外缘夹在扣环和夹头座之间；
用所述夹头抛光第一批基片，抛光时扣环下表面与抛光面接触；
扣环的下表面被磨损第一量后从夹头上拆下扣环；
在夹头座和扣环中间放置第一填隙片再将扣环固定到夹头上，以便补偿所述扣环下表面的磨损；及
用所述夹头抛光第二批基片。
9.配套组件，包括：
扣环，包括一下部，其底面在抛光时与抛光垫接触且用第一材料制造；及一上面部分，它用比第一材料硬的第二材料制造，此外，在扣环底面上有多个槽，可向里传送浆液；
填隙片，插放在一个夹头的座和所述扣环上部之间；及
环形密封件，插放在一柔性隔膜和所述扣环之间。
10.一种使用扣环的方法，包括：
将扣环固定于一个夹头的座上而在该夹头座与该扣环之间放置第一填隙片，一个柔性隔膜的外缘夹在扣环和夹头座之间；
用所述夹头抛光第一批基片，抛光时扣环下表面与抛光面接触；
扣环的下表面被磨损第一量后从夹头上拆下扣环；
在夹头座和扣环中间放置第二填隙片再将扣环固定到夹头上，以便补偿所述扣环下表面的磨损；及
用所述夹头抛光第二批基片。
11.如权利要求10的方法，其中所述第二填隙片的厚度大于所述第一填隙片的厚度，其厚度之差与所述磨损第一量相同。
12.一种使用扣环的方法，包括：
将扣环固定于一个夹头的座上而先不在该夹头座与该扣环之间放置填隙片，一个柔性隔膜的外缘夹在扣环和夹头座之间；
对于所述扣环的下表面选择用于磨损的第一预定量；
用所述夹头抛光第一批基片，抛光时扣环下表面与抛光面接触；
在所述扣环的下表面被磨损第一预定量后从夹头上拆下扣环；
在夹头座和扣环中间放置第一填隙片再将扣环固定到夹头上；及
用所述夹头抛光第二批基片。
13.一种用于化学机械抛光装置的夹头，包括：
一个夹头座；
一个扣环，它包括一个下部和一个上部，该下部用第一材料制造且具有一个底面，该底面在抛光时与抛光垫接触；该上部用比第一材料硬的第二材料制造；
一个柔性隔膜，它具有一个中心部分和一个外缘部分，该中心部分为基片提供安装面，该外缘部分位于所述夹头座和所述扣环的上部之间；
一个填隙片，位于所述夹头座和所述扣环上部之间；以及
一个可拆卸的固定元件，其穿过所述夹头座、填隙片和所述扣环上部的一部分，用以固定所述夹头座、填隙片和所述扣环上部；
一个密封件，它与所述柔性隔膜配合，用于密封形成在所述夹头座下方和所述柔性隔膜之间的内腔。
14.一种用于化学机械抛光装置的夹头，包括：
一个夹头座和一个夹头套；
一个膜元件，密封所述夹头座和夹头套以形成加载腔，为所述夹头座提供向下压力；
一个扣环，它包括一个下部和一个上部，该下部用第一材料制造且具有一个底面，该底面在抛光时与抛光垫接触；该上部用比第一材料硬的第二材料制造；
一个柔性隔膜，它具有一个中心部分和一个外缘部分，该中心部分为基片提供安装面，该外缘部分位于所述夹头座和所述扣环的上部之间；
一个可拆卸的固定元件，其穿过所述夹头座和所述扣环上部的一部分，用以固定所述夹头座和所述扣环上部；
一个密封件，它与所述柔性隔膜配合，用于密封形成在所述夹头座下方和所述柔性隔膜之间的内腔。
15.如权利要求1的夹头，还包括一个可充气元件和一个与所述柔性隔膜连接的支撑件，所述可充气元件位于所述支撑件上方，用于控制所述支撑件和所述柔性隔膜的向下的压力。
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