CN1447394A - 具有浮动阻隔环的化学机械研磨头 - Google Patents

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陈慈信
高明星
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)
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Abstract

一种具有浮动阻隔环的化学机械研磨头，包括有一基座、一晶圆边缘压覆环以及一下部组件；该晶圆边缘压覆环固定于该基座上，且于该基座正下方定义出一口袋区域，用来容纳一晶圆，该下部组件经由一隔膜浮动于该口袋区域内。该下部组件包括有一圆形背板，具有复数个开孔分布于该背板的一中心区域内、一箝制环，用来将该隔膜紧锁于该背板的一边缘区域，以及一浮动阻隔环机构，嵌于该背板的该中心区域以及该边缘区域之间，通过一独立的气囊控制；利用本发明可在研磨时提供平整的背板底部，以大幅改善研磨均匀度。

Description

具有浮动阻隔环的化学机械研磨头
技术领域
本发明关于半导体制程中的化学机械研磨(chemical mechanicalpolishing，以下简称为CMP)领域，尤指一种具有浮动阻隔环的化学机械研磨头(polishing head)设计，具有一浮动阻隔环机构，可在研磨过程中获得一较佳的研磨均匀度(uniformity)。
背景技术
在制作集成电路的过程中，不可避免地需要在一晶圆上沉积数层不同材质的堆叠结构，如此一来，造成晶圆表面的不规则平面。不规则的晶圆表面将导致一些黄光制程问题，例如聚焦深度(depth of focus，DOF)不足以及图像转移偏差。因此，在制作集成电路过程中，便经常需要以平坦化技术，例如CMP技术，加以平坦化晶圆的不规则表面。
传统的CMP技术是将一待研磨晶圆面朝下压于一研磨垫(polishingpad)上。此待研磨晶圆由一称为研磨头的圆盘状机构所固定。在研磨阶段，研磨头带动此待研磨晶圆以一固定转轴旋转，而研磨垫则以另一转轴旋转，然后通过化学或机械方式得以将晶圆表面待去除的介电层或金属层研磨掉。目前较受业界欢迎的研磨头是一种称为浮动(floating)研磨头的设计。此设计利用一弹性膜(flexible membrane)将一晶圆支撑盘或背板(supportplate)固定于一基座下方。在研磨阶段，可利用气体加压于晶圆支撑盘上，以平均分散施于晶圆晶背的下压力(downforce)。
传统CMP制程常遇见的问题的一是发生在研磨完成时，要将晶圆从研磨垫表面移走的晶圆转移阶段。这种困难是由于研磨垫上的研磨浆料(slurry)与晶圆之间的黏力，造成要将晶圆从研磨垫上移走十分困难。传统的解决方式利用真空吸引(vacuum-chucking)，将晶圆吸起，以克服研磨浆料与晶圆表面的黏力。而为了避免在真空吸引晶圆时，液体或空气的跑入，通常在晶圆支撑盘的下表面周边都会设计有一向下延伸突出的圆形阻隔环结构。此阻隔环的厚度一般约为1厘米左右，固定于晶圆支撑盘的下表面周边。当研磨完成时，此阻隔环可咬合(engage)晶圆，形成良好的真空状态，帮助研磨头将晶圆移走。类似的固定式阻隔环结构可以参考针对应用材料(Applied Materials)公司的Mirra CMP系统所设计的TitanTM研磨头。
虽然习知的固定式阻隔环结构能够在移动晶圆时，帮助形成一良好的真空状态，然而，固定式阻隔环结构却在研磨过程中产生一不能忽视的问题。这个问题又被泛称为边缘效应(edge effect)或快研磨带效应(fast bandeffect)，主要是由于固定式阻隔环结构在研磨时提供了一较大的下压力，造成晶圆靠近固定式阻隔环区域的研磨速率较晶圆中心快。如此一来，导致研磨均匀度下降。
发明内容
因此，本发明的主要目的在于提供一种能够提高研磨均匀度的CMP设备。
本发明的另一目的在于提供一种研磨头设计，能够同时解决移动晶圆的问题，并获得良好的研磨均匀度。
依据本发明的目的，本发明的较佳实施例揭露一种用于CMP的研磨头，其包含有：一基座(base)；一晶圆边缘压覆环(retaining ring)，固定于该基座上，其中该晶圆边缘压覆环于该基座正下方定义出一口袋区域(pocket area)，用来容纳一晶圆(wafer)；以及一下部组件(lowerassembly)，经由一隔膜(diaphragm seal)浮动(floating)于该口袋区域内。该下部组件包含有：一圆形背板(plate)，具有复数个开孔(aperture)分布于该背板的一中心区域(center region)内；一箝制环(clamp ring)，用来将该隔膜紧锁于该背板的一边缘区域(rim region)；以及一浮动阻隔环机构，嵌于该背板的该中心区域以及该边缘区域之间。
当进行一CMP研磨时，该背板可提供一接近平整的底部以及一均匀的下压力(downforce)予该晶圆；而当研磨完成时，该浮动阻隔环机构可提供一向下伸出的压环结构，以提升真空吸引。
依据本发明的目的，本发明揭露一种研磨头的下部组件，其包含有：一支撑背板，具有复数个开孔分布于该背板的一中心区域内；一箝制环，用来将一隔膜紧锁于该背板的一边缘区域；以及一浮动阻隔环机构，嵌于该背板的中心区域以及边缘区域之间。
当进行一CMP研磨时，该背板可向一晶圆提供一接近平整的底部以及一均匀的下压力。
本发明的主要优点在于能够于研磨时，研磨头可提供一平整的背板底部，因此能够改善研磨均匀度。
附图说明
为了让本发明的上述以及其它目的、特徵与优点能更明确易懂，下文特举一较佳实施例，配合所附图示，作详细说明。
图示的简单说明
图1为本发明研磨头的剖面示意图；
图2为本发明下部组件中的背板的上视图；
图3A为本发明沿着图2切线AA′所展示的放大剖面示意图，显示一研磨状态下的部份下部组件以及研磨头；以及
图3B为本发明沿着图2切线AA′所展示的放大剖面示意图，显示一真空吸引状态下的部份下部组件以及研磨头。
图示的符号说明：
10晶圆               90转动轴
100研磨头            102壳体
104基座(base)        106平衡机构
108加压舱            109加压舱
110晶圆边缘压覆环    112下部组件
114支撑背板          124底部
126内表面            132管路
134管路              136管路
138O型环             142夹环
143夹环              144外气囊
145内气囊            148固定点
149固定点            150平衡杆
152弯曲环            154轴衬
156管路              160膜片
162内部夹环          164外部夹环
172开孔              210隔膜
212晶背缓冲垫        220弹性膜
230箝制环              240浮动阻隔环机构
241上部结构            242下部结构
310中心区域            312边缘区域
314沟槽                316连接部位
具体实施方式
请参阅图1，图1为本发明研磨头100的剖面示意图。如图1所示，研磨头100基本上包含有一壳体(housing)102、一基座104、一平衡机构(gimbal mechanism)106，一加压舱(loading chamber)108、一晶圆边缘压覆环(retaining ring)110以及一下部组件(lower assembly)112。晶圆边缘压覆环110于基座104正下方定义出一口袋区域(pocket area)，用来容纳一晶圆10。上述的部份组件为组成一研磨头的基本要件，例如壳体102、基座104以及晶圆边缘压覆环110，而且为习知该所述技艺者所熟知。类似的研磨头描述可以参考美国专利第6,244,942号。
壳体102与一传动轴(drive shaft)相连接，并在研磨阶段以一转动轴90带动晶圆10朝一固定方向旋转。转动轴90基本上在研磨阶段约与一研磨垫(未显示)呈垂直状态。穿过壳体102中心为一垂直孔130。此外，有三条管路132、134以及136穿过壳体102，用来气压式控制研磨头100给予晶圆10的下压力。O型环(O-ring)138则可以在管路之间形成气密状态。
基座104基本上是一硬质的环状或盘状体，位于壳体102下方。在基座104的底部有两个由弹性薄膜140以及141所定义出来的气囊(bladder)144以及145。弹性薄膜140以及141分别由一锁于基座104的夹环(clamp ring)142以及143固定位。固定点148以及149则用来提供一软管(flexible tube)的两端接点。通过管路134、管路136以及软管(未显示)，即可分别控制气囊144以及145的动作。管路134外接一第一泵(未显示)，以将气体，例如空气，灌入气囊144中，或将气体由气囊144中抽出。管路136外接一第二泵(未显示)，以将气体，例如空气，灌入气囊145中，或将气体由气囊145中抽出。
加压舱108位于壳体102以及基座104之间的空间，用来施一向下作用力或压力给于基座104。平衡机构106则可视为是基座104的一部份，用来使基座104保持与研磨垫的水平。平衡机构106包含有一平衡杆150以及一弯曲环(flexure ring)152锁于基座104上。平衡杆150可以于轴衬(bushing)154内作小幅度的垂直滑动，藉以提供基座104垂直运动空间。平衡杆150的中间为一空心管路156。
内部夹环162用来钳住一约略为环状造型的膜片160，而外部夹环164则用来钳住膜片160的另一端。如此一来，膜片160即可封隔介于壳体102以及基座104之间的空间。通过一第三泵(未显示)以及经由管路132的连接，空气可以灌入加压舱108中，以控制施加于基座104上的压力。
晶圆边缘压覆环110一般为环状造型，锁于基座104周边下方位置。当气体灌入加压舱108中，基座104因为受到气体的压力而被向下推动，此时晶圆边缘压覆环110亦同时受到推动，从而产生一施加于研磨垫上的压力。晶圆边缘压覆环110的一内表面126可以咬合晶圆10，以避免晶圆10在研磨期间从研磨头100底部滑出。
下部组件112基本上包含有一支撑背板(support plate)114、一晶背缓冲垫(insert film)212、一隔膜(diaphragm seal)210、一弹性膜(wafermembrane)220、一箝制环(clamp ring)230以及一浮动阻隔环机构240。由晶背缓冲垫212、支撑背板114、隔膜210、基座104以及平衡机构106所隔离的空间定义出一加压气室(pressurizable chamber)109。一第四泵可经由空心管路156与加压气室109相连接，通过灌入加压气室109的气体压力，控制通过弹性膜220控制施加于晶圆10上的下压力。
支撑背板114包含有复数个开孔(aperture)172平均分布于背板114的一中心区域(center region)内。隔膜210一般为一环状挠性材质膜，其一端由基座104以及晶圆边缘压覆环110所夹住，另一端则由箝制环230锁住。隔膜210的组成可以为橡胶或人造橡胶(elastomeric-coatedfibric)，例如NYLONTM或NOMEXTM，或者玻璃纤维等等。晶背缓冲垫212为一盘状造型薄膜，可以为高分子材料所构成，其同样具有与背板114相对应的开孔。弹性膜220可以是硬度较晶背缓冲垫212稍软的高分子材料所构成。弹性膜220对于压力较为敏感，可以缓冲施加于晶圆上的下压力，并可以补偿背板114或晶圆背面的微小不平整表面。在本发明的较佳实施例中，弹性膜220系沿着背板114周围向上延伸至背板114上端周边，并由箝制环230锁住。
浮动阻隔环机构240为一环状造型，嵌于支撑背板114的中心区域以及边缘区域之间。浮动阻隔环机构240包括有一不连续的上部结构241以及一连续的下部环状结构242。在研磨阶段，连续的下部环状结构242朝背板内部缩回，使背板114可向晶圆10提供一接近平整的底部124以及一均匀的下压力。
请同时参阅图1以及图2，图2为本发明下部组件112中的背板114的上视图。由图2可以明显看出本发明浮动阻隔环机构240的设置位置。为了方便说明，下部组件112的其它元件，例如晶背缓冲垫212、隔膜210以及箝制环230等并未显示于图2中。在图2中，支撑背板114包括一中心区域310以及一边缘区域312。如前所述，背板114的中心区域310包括有复数个开孔172。螺丝孔330则分散在背板114的边缘区域312，用来锁住隔膜210以及弹性膜220。浮动阻隔环机构240包括有一不连续的上部结构241以及一连续的下部环状结构242。上部结构241呈现带状分布，设置于背板114的中心区域310以及边缘区域312之间。每一上部结构241容纳于一沟槽314中，而两相邻的沟槽314之间则为一连接部位316，使背板114的中心区域310以及边缘区域312为互相连结。
接着，请参阅图3A以及图3B，其中图3A为本发明沿着图2切线AA′所展示的放大剖面示意图，显示一研磨状态下的部份下部组件112以及研磨头100；图3B为本发明沿着图2切线AA′所展示的放大剖面示意图，显示一真空吸引状态下的部份下部组件112以及研磨头100。
如图3A所示，在一研磨阶段，支撑背板114的边缘区域310被一充气气囊144所顶住，此时浮动阻隔环机构240保持浮动状态，亦即气囊145不施加任何压力予浮动阻隔环机构240。在本发明的其它实施例中，气囊145则保持一小于气囊144压力的较小压力。如图3B所示，当研磨完成时，晶圆需从研磨垫表面上移走，此时加压舱109内的空气被抽走，以通过弹性膜220真空吸引晶圆10。同时，浮动阻隔环机构240的不连续上部结构241则被充气气囊145向下推挤，带动浮动阻隔环机构240的连续下部结构242，由原先平整的背板底部向下延伸突出约1至2厘米的厚度。
简言之，本发明的主要技术特征在于采用一浮动式阻隔环机构240，应用于研磨头的下部组件112上。浮动式阻隔环机构240嵌于一背板114的中心区域310以及边缘区域312之间，包含有不连续的上部结构241以及连续的下部环状结构242。本发明的浮动式阻隔环机构240通过一独立的气囊145控制。利用本发明可在研磨时提供平整的背板底部，以大幅改善研磨均匀度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (11)

1.一种用于化学机械研磨的研磨头，其特征是：该研磨头包含有：
一基座；
一晶圆边缘压覆环，固定于该基座上，其中该晶圆边缘压覆环于该基座正下方定义出一口袋区域，用来容纳一晶圆；以及
一下部组件，经由一隔膜浮动于该口袋区域内，该下部组件包含有：
一圆形背板，具有复数个开孔分布于该背板的一中心区域内；
一箝制环，用来将该隔膜紧锁于该背板的一边缘区域；以及
一浮动阻隔环机构，嵌于该背板的该中心区域以及该边缘区域之间；
其中当进行一化学机械研磨时，该背板可向该晶圆提供一接近平整的底部以及一均匀的下压力；而当研磨完成时，该浮动阻隔环机构可提供一向下伸出的压环结构，以提升真空吸引。
2.如权利要求1所述的研磨头，其特征是：该浮动阻隔环机构的作动由一独立的内圈气囊以及泵控制。
3.如权利要求1所述的研磨头，其特征是：当研磨完成时，该压环结构向下伸出1至2厘米左右。
4.如权利要求1所述的研磨头，其特征是：该下部组件进一步包含有一弹性膜及一晶背缓冲垫，位于该晶圆以及该背板之间。
5.如权利要求4所述的研磨头，其特征是：该弹性膜固定于该背板的该边缘区域。
6.如权利要求1所述的研磨头，其特征是：当进行一化学机械研磨时，该背板的周围压力可通过一外圈气囊调节。
7.一种研磨头的下部组件，其特征是：该下部组件包含有：
一支撑背板，具有复数个开孔分布于该背板的一中心区域内；
一箝制环，用来将一隔膜紧锁于该背板的一边缘区域；以及
一浮动阻隔环机构，嵌于该背板的中心区域以及边缘区域之间；
其中当进行一化学机械研磨时，该背板可向一晶圆提供一接近平整的底部以及一均匀的下压力。
8.如权利要求7所述的下部组件，其特征是：该浮动阻隔环机构包含有一不连续的上部结构以及一连续的下部环状结构。
9.如权利要求8所述的下部组件，其特征是：当研磨完成时，该连续的下部环状结构可咬合该晶圆以提升真空吸引。
10.如权利要求7所述的研磨头，其特征是：另包含有：
一基座；以及
一晶圆边缘压覆环，固定于该基座上；
其中该晶圆边缘压覆环于该基座正下方定义出一口袋区域，用来容纳该晶圆，又其中该下部组件，经由一隔膜浮动于该口袋区域内。
11.如权利要求7所述的下部组件，其特征是：该浮动阻隔环机构的作动由一独立的内圈气囊以及泵控制。
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