CN220372975U - 用于化学机械抛光的载体头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于化学机械抛光的载体头和抛光系统。一种用于化学机械抛光的载体头包括壳体、基板安装表面和保持环组件。该保持环组件包括包围该基板安装表面并具有用以将该基板保持在该基板安装表面下方的内表面的内环、用以调整在该内环上的竖直载荷的第一致动器、包围该内环的外环和定位在该内环与该外环之间的第二致动器。该内环具有多个狭槽，该多个狭槽形成在下表面中并从该内表面延伸到该内环的外表面以将该内环分成从上部分悬挂的多个弧形段。该第二致动器施加径向向内的压力，使得所述多个弧形段相对于该上部分向内挠曲。

Description

用于化学机械抛光的载体头

技术领域

本实用新型公开了一种用于化学机械抛光的载体头和抛光系统。

背景技术

集成电路通常通过在硅晶片上按顺序地沉积导电层、半导电层或绝缘层来形成在基板上。一个制造步骤涉及在非平坦表面之上沉积填料层并将所述填料层平坦化。对于一些应用，将填料层平坦化，直到暴露图案化层的顶表面为止。导电填料层例如可沉积在图案化绝缘层上以填充该绝缘层中的沟槽或孔。在平坦化之后，导电层的保留在该绝缘层的升高的图案之间的那些部分形成过孔(via)、插塞(plug)和线，所述过孔、插塞和线在基板上的薄膜电路之间提供导电路径。对于其他应用，诸如氧化物抛光，将填料层平坦化，直到在非平坦表面之上留下预定厚度。另外，对于光刻，通常需要基板表面的平坦化。

化学机械抛光(CMP)是一种公认的平坦化方法。该平坦化方法通常要求基板安装在载体头或抛光头上。基板的暴露表面通常抵靠旋转的抛光垫放置。载体头在基板上提供可控制的载荷以将所述基板推靠在抛光垫上。研磨抛光浆通常被供应到抛光垫的表面。

载体头在基板上提供可控制的载荷以将所述基板推靠在抛光垫上。保持环用于在抛光期间将基板保持在载体头下方的适当位置。一些载体头施加压力以促使保持环与抛光表面接触。

实用新型内容

在一个方面，一种用于化学机械抛光的载体头包括壳体、基板安装表面和保持环组件。所述保持环组件包括内环，所述内环包围所述基板安装表面并具有将所述基板保持在所述基板安装表面下方的内表面，所述内环具有下表面和多个狭槽(slot)，所述多个狭槽形成在所述下表面中并从所述内表面延伸到所述内环的外表面以将所述内环分成从上部分悬挂的多个弧形段(arcuate segment)；外环，所述外环包围所述内环，以及第一致动器，所述第一致动器定位在所述内环与所述外环之间以施加径向向内的压力，使得所述多个弧形段相对于所述上部分向内挠曲(flex)。

在载体头中，所述内环可相对于所述外环是能独立地竖直移动的。

在载体头中，所述外环可竖直地固定到所述壳体。

在载体头中，所述内环可通过第二致动器悬挂于所述壳体。

在载体头中，所述内环可相对于所述外环竖直地固定。

载体头可包括第二致动器，所述第二致动器定位在所述壳体与所述内环和所述外环之间以调整所述内环和所述外环的竖直位置。

在载体头中，所述内环可包括凸缘，所述凸缘在所述外环的顶表面与所述第二致动器之间延伸。

在载体头中，所述外环可包括凸缘，所述凸缘在所述内环的顶表面与所述第二致动器之间延伸。

在载体头中，所述第一致动器可包括囊。

在另一方面，一种抛光系统包括：支撑件，所述支撑件用以保持抛光垫；载体头，所述载体头用以保持所述基板抵靠所述抛光垫，所述载体头包括保持器，所述保持器具有内表面以啮合(engage)所述基板的边缘，并且其中所述内表面具有可调整的直径；控制器，所述控制器被构造成用以致使致动器在所述基板的抛光期间在减小所述保持器的所述内表面的直径以夹紧所述基板与增大所述保持器的所述内表面的所述直径以将所述基板从夹紧状态松开而同时继续保持所述基板之间交替。

在另一方面，一种抛光系统包括：支撑件，所述支撑件用以保持抛光垫；载体头，所述载体头用以保持所述基板抵靠所述抛光垫，所述载体头包括用以将第一向下压力施加到所述载体头所保持的所述基板的中心部分的第一腔室、用以将第二向下压力施加到包围所述中心部分的所述基板的外部部分的第二腔室以及具有内表面以啮合所述基板的边缘的保持环，并且其中所述内表面具有可调整的直径；控制器，所述控制器被构造成用以响应于识别出抛光不均匀性，充分减小所述保持器的所述内表面的所述直径以使所述基板弓弯(bow)，确定所述基板是否应当从所述载体头向内或向外弓弯以减少抛光不均匀性，并且选择所述第一向下压力是大于还是低于所述第二向下压力，使得所述基板在确定的方向上弓弯。

在抛光系统中，所述控制器可被构造成用以响应于检测到所述基板的中心部分相对于所述基板的边缘部分过度抛光(overpolish)，使得所述第一向下压力小于所述第二向下压力。

在抛光系统中，所述控制器可被构造成用以充分减小所述保持器的所述内表面的所述直径以使所述基板弓弯以形成凸形形状。

在抛光系统中，所述控制器可被构造成用以响应于检测到所述基板的中心部分相对于所述基板的边缘部分欠抛光(underpolish)，使得所述第一向下压力大于所述第二向下压力。

在抛光系统中，所述控制器可被构造成用以充分减小所述保持器的所述内表面的所述直径以使所述基板弓弯以形成凹形形状。

具体实施可以可选地包括但不限于以下优点之一或多个。在抛光期间力在基板与保持环之间的分布可进行修改，使得力沿基板的边缘重新分布。该分布后的接触力可减少局部晶片变形，并且可提高操作员控制基板边缘去除轮廓(removal profile)的能力。例如由在基板边缘处的抛光头轮廓问题引起的抛光不均匀性可得以减少。保持环能够以更高的夹紧力与来自载体头的膜的压力协同地操作以改变基板的形状，这可修改整个基板上的抛光速率。

以下的描述和附图中阐述了一个或多个具体实施的细节。其他方面、特征和优点将从该描述和附图中以及从权利要求书中显而易见。

附图说明

图1示出了化学机械抛光系统中的载体头的截面图。

图2A示出了图1的保持器组件的截面侧视图。

图2B示出了图2A的保持器组件的仰视图。

图2C示出了处于被致动构造中的图2A的保持器组件的截面侧视图。

图3示出了保持器组件的另一个具体实施的截面侧视图。

图4示出了保持器组件的又一个具体实施的截面侧视图。

图5示出了保持器组件的再一个具体实施的截面侧视图。

图6A和图6B是分别示出被施加以将基板弓弯成凸形或凹形构造的压力的示意图。

在各图中，同类的参考数字和名称指示同类的元件。

具体实施方式

一些载体头包括具有圆形内表面的用以保持基板的保持环。通常地，保持环的内径略大于基板的直径，例如大出1至3mm。在这种构造中，基板可相对于载体头和保持环旋转；这种相对运动被称为“进动(precession)”。进动对于减少不对称的不均匀性是有用的。

在抛光期间，摩擦力可驱使基板边缘抵靠保持环的内表面。圆形内表面的一个潜在问题是，来自基板的力可集中在基板和保持环之间的单个接触点处，这可导致对内表面的刮擦或其他损坏，或基板在接触点附近的意外翘曲，这会引起抛光不均匀性。

已经提出了具有柔性内表面或具有可调整内径的保持环。假设这样的构造将允许保持环直径减小，使得基板沿扩展的区域而不是在单个点接触。然而，这样的构造显然仍没有被商业化。因此，在具有可调整内径的保持环的设计上仍有改进的余地。

图1示出了化学机械抛光系统20的抛光站的示例。抛光系统20包括可旋转盘形工作台(platen)24，抛光垫30安置在该可旋转盘形工作台24上。工作台24可操作成围绕轴线25旋转。例如，马达26可转动驱动轴28以旋转工作台24。抛光垫30可以是具有外抛光层32和更软的背衬层34的两层式抛光垫。

抛光系统20可包括供应端口或组合式供应-清洗臂36以将抛光液38(诸如研磨浆)分配到抛光垫30上。抛光系统20可包括具有调节盘42的垫调整器设备40以维持抛光垫30的表面粗糙度。调节盘42可定位在可摆动臂44的端部处，以便使盘42径向扫过抛光垫30。

载体头70可操作成将基板10保持抵靠抛光垫30。载体头70悬挂于支撑结构50(例如，转盘(carousel)或轨道)，并且由驱动轴54连接到载体头旋转马达56，使得载体头可围绕轴线58旋转。可选地，载体头70可例如在转盘上的滑块上通过沿轨道的移动或通过转盘本身的旋转振荡而横向地振荡。

载体头70包括壳体72、包括基座76和限定多个可加压腔室80的柔性膜78的基板背衬组件74、万向机构82(可被视为组件74的一部分)、装载腔室84、保持环组件100和致动器120。

壳体72通常可以是圆形的，并且可连接到驱动轴54以在抛光期间随驱动轴54旋转。可存在延伸穿过壳体72的通路(未示出)，用于对载体头70的气动控制。基板背衬组件74可以是位于壳体72下方的可竖直地移动的组件。万向机构82允许基座76相对于壳体72四处转向，同时防止基座76相对于壳体72的横向运动。装载腔室84位于壳体72和基座76之间，以向基座76并因此向基板背衬组件施加载荷，即向下的压力或重量。基板背衬组件74相对于抛光垫的竖直位置也由装载腔室84控制。柔性膜78的下表面提供用于基板10的安装表面。

在一些具体实施中，基板背衬组件74不是相对于壳体72可移动的单独部件。在这种情况下，腔室84和万向机构82是不必要的。

现在参考图1和图2A，保持环组件100包括内环110、用以调整内环110的竖直高度或内环110上的向下压力的第一致动器120、外环130、以及在内环110和外环130之间用以调整内环110上的径向向内的压力的第二致动器140。内环110的下表面112可接触抛光垫30。类似地，外环130的下表面132可接触抛光垫30。

内环110是相对于壳体72可竖直地移动的环形主体。内环110具有内表面，所述内表面被构造成用以在抛光期间周向地包围基板10的边缘，以将基板10保持在载体头中。内环110的内表面可以是从下表面112延伸到上环形表面的竖直圆柱形表面。

内环110的外表面能够可选地包括在下表面112处的唇部114，该唇部从圆柱形部分朝向外环130向外突出。唇部114可抵靠外环130以约束内环110的移动而不会从抛光表面的平面引发出显著扭矩。在一些具体实施中，内环包括由耐磨材料(例如，塑料)形成的下部分110b和由更硬的材料(例如金属)形成的上部分110a。

参考图2B，内环110包括从底表面112向上延伸越过致动器140的多个径向狭槽116。因此，内环110被分成从圆形上部分118b向下延伸的多个弧形段118a。如下面所讨论，这些弧形段118a相对于连接圆形上环118b独立地是柔性的。每个弧形段118a(相对于内环110的中心)可延展5°至20°的弧。狭槽116可围绕内环110以相等的角间隔均匀地间隔开。

返回图2A，第一致动器120可以是可加压腔室。例如，环形膜122可以具有夹到壳体72的外唇和夹到内环110的顶表面的内唇，以形成腔室126。或者，第一致动器可由可膨胀(inflatable)囊提供，或者可由线性马达或压电致动器提供。

外环130相对于壳体72竖直地固定，并且是提供载体头70到抛光垫30的表面的定位或参考的环形主体。此外，外环130提供内环110抵靠抛光垫30的横向参考。外环130周向环绕内环110，例如与内环110同轴。

外环130具有外表面，该外表面可以是竖直圆柱形表面。竖直圆柱形外表面可从下表面132的一个外边缘向上延伸。外环130还具有由间隙134与内环110的外表面隔开的内表面。在一些具体实施中，外环包括由耐磨材料(例如，塑料)形成的下部分130b和由更硬的材料(例如金属)形成的上部分130a。在一些具体实施中，内环110的整体由比外环的上部分130a更柔性的材料形成。例如，内环110可以由与外环130的下部分130b相同的材料形成。

外环130可例如通过粘合剂、紧固件或通过互锁部件固定到壳体72。例如，外环130的上表面136可包括带有螺纹套(未示出)的圆柱形凹部或孔，以接收紧固件(诸如螺栓、螺钉)或其他硬件。例如，紧固件(诸如螺钉或螺栓)可延伸穿过壳体72以将保持环组件100的外环130固定到壳体72。

内环110与外环130相比可相对窄。例如，内环110可具有1-10mm的宽度W，例如1mm-3mm，例如2mm。该宽度W可在内环110的窄截面处(例如在唇部114上方)测量。

第二致动器140定位在外环130的内表面和内环110的外表面之间。第二致动器140可以是可膨胀环形囊；囊的加压使囊膨胀并对内环110的弧形段118a施加径向向内的压力。或者，第二致动器可由可膨胀囊提供，或者由线性马达或压电致动器提供。无论如何，如图2C所示，由第二致动器140进行的致动导致弧形段118a相对于上环部分118b向内挠曲。因此，接触基板的内环110的内表面的有效直径减小。该直径的充分减小(例如减小1mm-3mm)可引起内环118”夹紧”基板，即沿基板的整个圆周建立接触。

对于第二致动器140的气动控制，气动控制线92可从囊延伸到可控制压力源94。控制线92可通过穿过固体部分、管道、管件等的通路的组合来提供。控制线92可延伸穿过壳体72和驱动轴54并通过旋转接头连接到压力源94。

图2A示出了第二致动器140至少部分地配合到外环130的内表面中的凹部138中。然而，在内环的外表面中可存在凹部，或者两个环都可具有对准凹部，以容纳第二致动器140。

内环110的弧形段118a可挠曲，使得与下表面112相邻的部分在被第二致动器140作用时相对于外环130可水平地移动。尤其是，当第二致动器140向内按压时，弧形段118a向内挠曲，因此弧形段之间的间隙变窄并且内环110的内表面的有效直径减小。

回到图1，由第二致动器140作用在内环110的弧形段118a上的向内压力由控制器90控制。例如，控制器90可例如通过控制阀或类似物控制由压力源94施加的压力。控制器90还可通过第一致动器120控制内环110上的向下压力，以及其他抛光系统参数，例如载体头旋转速率、工作台旋转速率、载体头内部腔室的压力、浆料分配速率等。控制器90可由执行存储在非暂态计算机可读介质中的指令的专用电路、通用或可编程计算机或专用集成电路提供。

图3示出了与图2A的保持环组件类似的保持环组件100的具体实施，但内环110和外环130是固定住的，以便相对于彼此竖直地固定。内环110和外环130一起可被视为形成组合的保持器150。组合的保持器150可通过第一致动器120相对于壳体72竖直地可移动，例如，如上文针对图2A中的内环所述，或可例如通过粘合剂、机械紧固件等竖直地固定到壳体72，如上针对图2A的外环所述(在这种情况下，没有“第一致动器”)。

在一些具体实施中，内环110包括向外延伸的凸缘152，该凸缘152在外环130的顶表面之上延伸。凸缘152的底部可例如通过粘合剂、机械紧固件等固定到外环130的顶表面。

在无偏压(unbiased)状态下，位于第二致动器140上方的内环110的外表面和外环130的内表面的部分由竖直圆柱形间隙134隔开。间隙134可相对较窄，例如10μm至100μm。

图4示出了与图3的保持环组件类似的保持环组件100的具体实施，但是代替具有向外延伸的凸缘的内环110，外环130具有向内延伸的凸缘160，该凸缘160在内环110的顶表面之上延伸。凸缘160的底部可例如通过粘合剂、机械紧固件等固定到内环110的顶表面。

图5示出了与图3至图4的保持环组件类似的保持环组件100的具体实施，但是第二致动器140被定位成既在内环110的外表面上施加向内的力，又在唇部114的上表面上施加向下的力。这种向下的力也将趋于导致弧形段118a向内挠曲。

通过减小内环的有效直径，并且尤其是通过减小该有效直径直到基板被夹紧，基板在保持器上的横向力跨显著的弧而不是在单个点上分布。在这之间的这种分布的接触力可减少局部晶片变形，并且可减少刮擦和损坏保持器的内表面的可能性。更一般地，向内压力提供了另一个“旋钮(knob)”来调整抛光轮廓，允许更大的灵活性和控制基板边缘去除轮廓的能力。

夹紧基板的潜在危险是,夹紧会阻止基板相对于载体头进动。然而，进动可减少不对称(即，有角度地变化)抛光不均匀性。因此，控制器90可被构造成用以操作第二致动器以使基板暂时从夹紧状态松开(但仍被保持)以允许进动并且随后再次夹紧。换句话说，控制器可在基板被抛光的同时，使保持环组件在基板被夹紧的第一压力与基板被松开并自由进动的第二压力之间交替。

参考图6A和图6B，保持环组件100可与载体头70的可加压腔室80配合操作，以有意地改变基板的形状，例如，以使基板呈现凸形(中心向外朝抛光垫弓弯)或凹形(中心向内离开抛光垫弓弯)构造。

参考图6A，在基板边缘上的向内夹紧力(A)将倾向于引起基板弓弯。如果施加到基板中心的向下压力(B)大于施加到基板边缘的向下压力(C)(例如，如果中心腔室中的压力高于周围外腔室中的压力)，那么基板将趋于呈凸形构造。这将导致抛光垫对基板中心的压力增加，因此中心抛光速率将相对于边缘抛光速率增加。

相反，参考图6B，如果施加到基板中心的向下压力(B)小于施加到基板边缘的向下压力(C)(例如，如果中心腔室中的压力低于周围外腔室中的压力)，那么基板将趋于呈凹形构造。这将导致抛光垫对基板中心的压力降低，因此中心抛光速率将相对于边缘抛光速率降低。

控制器90可被构造成用以使载体头向基板施加适当的压力，以便选择性地使基板呈现凹形或凸形构造。例如，如果控制器90从原位监测系统接收数据并检测到基板边缘比基板中心更快地抛光，则控制器90可使施加到基板中心的向下压力(B)大于施加到基板边缘的向下压力(C)。

如本说明书所使用的那样，术语基板可包括例如产品基板(例如，包括多个存储器或处理器小片(die))、测试基板、裸基板和选通基板(gating substrate)。基板可处于集成电路制造的各个阶段，例如，基板可以是裸晶片，或者基板可包括一个或多个沉积层和/或图案化层。术语基板可包括圆形盘和矩形片。

上文描述的抛光系统和方法可被应用在各种抛光系统中。抛光垫或载体头或这两者可移动以提供在抛光表面与基板之间的相对运动。抛光垫可以是固定到工作台的圆形(或某种其他形状)垫。抛光层可以是标准(例如，有或无填料的聚氨酯)抛光材料、软材料或固定磨料材料。使用相对定位的术语；应当理解，抛光表面和基板可保持在竖直取向或某种其他取向上。

已经描述了本实用新型的特定实施方式。其他实施方式在所附权利要求书的范围内。例如，权利要求书中陈述的动作可以不同次序执行并仍实现令人满意的结果。

Claims (9)

1.一种用于化学机械抛光的载体头，其特征在于包括：

壳体；

基板安装表面；以及

保持环组件，所述保持环组件包括

内环，所述内环包围所述基板安装表面并具有将所述基板保持在所述基板安装表面下方的内表面，所述内环具有下表面和多个狭槽，所述多个狭槽形成在所述下表面中并从所述内表面延伸到所述内环的外表面以将所述内环分成从上部分悬挂的多个弧形段，

外环，所述外环包围所述内环，以及

第一致动器，所述第一致动器定位在所述内环与所述外环之间以施加径向向内的压力，使得所述多个弧形段相对于所述上部分向内挠曲。

2.如权利要求1所述的载体头，其中所述内环相对于所述外环是能独立地竖直移动的。

3.如权利要求2所述的载体头，其中所述外环竖直地固定到所述壳体。

4.如权利要求3所述的载体头，其中所述内环通过第二致动器悬挂于所述壳体。

5.如权利要求1所述的载体头，其中所述内环相对于所述外环竖直地固定。

6.如权利要求5所述的载体头，其中包括第二致动器，所述第二致动器定位在所述壳体与所述内环和所述外环之间以调整所述内环和所述外环的竖直位置。

7.如权利要求6所述的载体头，其中所述内环包括凸缘，所述凸缘在所述外环的顶表面与所述第二致动器之间延伸。

8.如权利要求6所述的载体头，其中所述外环包括凸缘，所述凸缘在所述内环的顶表面与所述第二致动器之间延伸。

9.如权利要求1所述的载体头，其中所述第一致动器包括囊。