CN2841245Y - 两件式固定环 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于化学机械抛光的两件式固定环。该固定环由基本上为环形的两个部分构成。一个部分具有凹陷，而另一部分具有突起，当将两个部分装配到一起时，该突起伸入凹陷中。该突起可以具有有着两个向外倾斜的侧壁的横截面。抛光过程中所产生的侧向载荷可由互锁结构承载，因此可以减小粘接剂剥离的风险。另一个潜在的优点是突起和凹陷能够增大两个环在彼此连接的表面处的表面面积，从而可以增强两个环之间的粘接力。特征结构的角度使得在特征结构内可以容易地放入材料，同时该角度仍能够构成互锁特征结构。另外，突起能够足够厚，足以减小破损的风险。如果特征彼此直接接触，则两个环可被加工成使得环之间的粘接层厚度一致。

Description

两件式固定环

技术领域

本实用新型一般地涉及衬底的化学机械抛光，更具体地涉及用于化学机械抛光的固定环(retaining ring)。

背景技术

集成电路一般通过在硅衬底上有序地沉积导电、半导电或者绝缘的层来形成于衬底之上。其中一个工艺步骤涉及在非平面的表面上沉积填充层，并平面化该填充层直至暴露出所述非平面表面。例如，可以在被图案化的绝缘层上沉积导电填充层，以填充绝缘层中的沟槽或孔。然后抛光填充层，直至暴露出绝缘层的隆起图案。平面化之后，留在绝缘层的隆起图案之间的导电层部分形成通道、插头(plug)和线(line)，为衬底上的薄膜电路之间提供导电通路。另外，需要平面化来为光刻平面化衬底表面。

化学机械抛光(CMP)是一种被普遍使用的平面化方法。该平面化方法一般要求衬底被安装在CMP装置的托架头或抛光头上。衬底的暴露面被抵靠着旋转的抛光盘垫(polishing disk pad)或抛光带垫(polishing beltpad)放置。抛光垫可以是标准垫或者固定磨料垫中的任一种。标准垫具有耐用粗糙的表面，而固定磨料垫具有固定在保持介质中的磨料微粒。托架头提供了衬底上的可控载荷，以将其压在抛光垫上。托架头具有在抛光过程中将衬底固定在适当位置的固定环。包括至少一种化学反应性试剂，并且如果用的是标准垫则还包括磨料微粒的抛光剂(polishing slurry)被供应到抛光垫的表面。

实用新型内容

一方面，本实用新型提供一种由两个大致为环状的部分构成的固定环。一个部分具有凹陷，而另一个部分具有突起，当两个部分结合在一起时，突起伸入凹陷中。突起可具有有着两个向外倾斜的侧壁的横截面。

另一方面，本实用新型提供一种固定环，该固定环具有大致为环状、表面有着一个或多个凹陷的第一部分和大致为环状、有着一个或多个突起的第二部分，当第一和第二部分结合在一起时，该一个或多个突起伸入第一部分的一个或多个凹陷中。突起具有有着两个向外倾斜的侧壁。

本实用新型的实现可包括一个或多个下列特征结构。突起的侧壁可以具有10°和70°之间的角度。凹陷的基部可以比凹陷的颈部更宽。突起的几何结构可与凹陷的几何结构相似。突起的宽度可小于其对应的凹陷的宽度。所述一个或多个凹陷可以是环状凹槽、轴向凹槽或者围绕第二部分以相等的间隔角分布的离散特征结构。两个环可以是彼此粘接连结的，例如，利用环氧树脂，或者可以是通过紧固件连接在一起的。第一部分可以在没有突起的区域或在突起处与第二部分接触。两部分可以各自都具有凹陷和突起。突起具有燕尾形横截面。

另一方面，本实用新型提供一种固定环，该固定环具有大致为环状、具有要与抛光垫接触的底面的第一部分和安装到第一部分上的、大致为环状的第二部分，第二部分具有要被紧固到托架头上的顶面。第一和第二部分中的一个包括凹穴，而第一和第二部分中的另一个包括伸入该凹穴中的突起。

本实用新型的实现可以具有一个或多个以下优点。互锁结构可以连接固定环的两个部件。抛光过程中所产生的侧向载荷可由互锁结构承载，而不是两个部件之间的粘接连结。通过消除粘接连结处的侧向载荷应力，可以减小粘接剂剥离的风险。

另一个潜在的优点是突起和凹陷能够增大两个环在彼此连接的表面处的表面面积。增大了的表面面积可以等量地增大布有粘接剂的连结面积，从而可以增强两个环之间的粘接力。

本实用新型的另一个潜在的优点是特征结构的角度使得在特征结构内可以容易地放入材料，同时该角度仍旧能够构成互锁特征结构。另外，突起能够足够厚，足以减小破损的风险。如果特征结构彼此直接接触，则两个环可被加工成使得环之间的粘接层厚度一致。

以下参照附图和说明书具体说明了本实用新型的一个或多个实施例。本实用新型的其它特征、目的和优点在说明书和附图以及权利要求中将会清晰体现。

附图说明

图1示出了根据本实用新型的固定环的局部剖面的立体图；

图2示出了根据本实用新型的固定环的一种实现的横截面；

图3A示出了固定环表面上的特征结构布置的一个例子，其中特征结构的形状为同心圆；

图3B示出了固定环表面上的特征结构布置的一个例子，其中特征结构为轴向对准的凹槽；

图3C示出了固定环表面上的特征结构布置的一个例子，其中特征结构以等距的间隔围绕环分布；

图4是互锁特征结构的突起和凹陷的横截面示意图。

相同的标号在不同图中表示相同的元件。

具体实施方式

如图1和2所示，固定环100是可被紧固到CMP设备的托架头上的大致为环状的环。在美国专利No.5,738,574中描述了合适的CMP设备，在美国专利No.6,251,215中描述了合适的托架头，这里全文引用它们的说明书，作为参考。固定环在抛光过程中将衬底固定在环的凹口中。

固定环可以由两个环构成，包括一个下环105和一个上环110。下环105具有能使之与抛光垫接触的下表面107和上表面108。下环105可由在CMP处理中呈化学惰性的材料形成，例如聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、碳填充的聚醚醚酮(carbon filled PEEK)、特氟隆填充的聚醚醚酮(Teflonfilled PEEK)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯并咪唑(PBI)、聚醚酰亚胺(PEI)或复合材料。下环还应该耐用并具有较低的磨损率。另外，下环应该充分可压缩，使得衬底边缘抵靠着固定环的接触不会导致衬底碎裂或破裂。而另一方面，下环不应太有弹性而使得固定环上向下的压力引起下环挤入衬底接收凹口中。

固定环的上环110可由刚性材料形成，例如，如不锈钢、钼或铝的金属，或者陶瓷，如氧化铝陶瓷，或者其它典型材料。上环也可由塑料构成，该塑料可以是与下环相同或者不同的材料。

下环和上环一起形成固定环。当两个环结合时，下环105的上表面108邻近上环110的下表面112安置。两个环在内径和外径上一般具有基本上相同的尺寸，使得当它们结合时两个环在两者相接处形成齐平的表面。

如图1所示，上环110的顶面113一般包括具有螺纹鞘(screwsheath)的孔125，以接收例如螺栓、螺纹件的紧固件或者其它金属构件，用于将固定环110紧固到托架头上。孔125可围绕托架头被均匀地隔开。另外，可以在上环110的顶面113上设置一个或多个对准特征结构，例如孔或突起(未示出)。如果固定环具有对准孔，那么托架头可具有当托架头和固定环正确对准时与对准小孔配合的对应销钉。

连接上环和下环可以通过各种方法实现。连接两个环的一种方法是利用两个环之间的交界面215中的粘接层。粘接层可以是双组分慢固化环氧树脂(two-part slow-curing epoxy)。慢固化一般指环氧树脂需要几小时到几天量级的时间来固化。但是，环氧树脂的固化周期可以通过升高温度来缩短。环氧树脂可以是Magnobond-6375TM，可以从乔治亚洲查伯利市的Magnolia Plastics公司购买到。或者，环氧树脂也可以是快速固化环氧树脂。

替代被粘接连接，下环可以通过例如螺纹件的紧固件或者压配合被连接到上环上。但是，粘接层能够潜在地为环提供至少一种好处。内径和外径处的、两个环之间的粘接层防止了将浆液截留在固定环中。在抛光过程中，抛光垫和固定环之间的摩擦产生一个侧向载荷，该侧向载荷可使底环歪斜。这种作用能有将下环从上环拖开的趋势，在两个环之间产生一个间隙。但是，在上环和下环之间有粘接层，该粘接层能够防止浆液进入两个环之间的间隙。这可以防止固定环处的浆液积聚，从而潜在地减少了缺陷。

如图2所示，两个环之间的交界面具有一个或多个互锁特征结构。该特征结构可包括两个环的表面上的凹陷220和突起225。在一种实现中，上环110的下表面112只具有突起225，而下环105的上表面108只具有凹陷220。在另一种实现中，突起225在下环105上，而凹陷220在上环110中。而在另一种实现中，在两个环上都有凹陷220和突起225。

特征结构可设置在表面108和112上，使得一个环上的突起装配进另一个环的凹陷中。特征结构可具有各种几何构造。例如，特征结构可以是一个或多个环状突起或凹槽305a，如图3A所示。或者，特征结构可以是轴向对准的突起或凹槽305b，如图3B所示。另外，特征结构可以是一个或多个离散的突起或凹穴305c。离散的特征结构可以按相等间隔围绕环而分布，如图3C所示，或者随机或伪随机地分布于环上(但是，两个环结合时，顶面和底面上的特征结构相互配合)。另外，离散的特征结构305c可以是各种几何形状，例如直线、圆、正方形、三角形或者其它多边形。

不管特征结构的形状如何，各个特征结构的横截面都形成燕尾形的互锁结构，如图4所示。即，突起225的颈部的外角a1小于90°，并且突起的顶部410基本上平行于外侧表面415。这样，突起225的顶部410比该突起的基部420宽。突起225的顶部410和凹陷220的基部455或者可以彼此直接接触，或者在两者之间可以有间隙。

凹陷220可具有基本上反映出突起225形状的几何结构。所以，凹陷220的基部455和突起的顶部410可彼此大致平行，并且相邻的突起侧壁460和凹陷侧壁465也可彼此大致平行。凹陷的颈部角度a2也可以与突起的颈部角度a1大致相同。这样突起225可以具有小于凹陷的开口435的顶部宽度430。

当两个环结合在一起时，突起225装配在凹陷220中。宽度差440可以是当考虑加工环的公差时，确保突起225装配在凹陷220中的尽量小的量。或者凹陷的开口435可以充分宽于突起的顶部宽度430。凹陷深度480可小于突起高度445。

突起的高度445与顶部宽度430的比值一般可小于1。在一种实现中，突起的顶部宽度430是突起的高度445的五倍左右。在一种实现中，突起的高度445约为25密耳(mil)，宽度430约为100密耳，角度a1约为45°

粘接区470可位于两个环交界的所有区域中、仅仅在具有特征结构的表面的区域中、仅仅在表面不具有特征结构的区域中、在环的无特征结构部分和部分特征结构处或者仅仅在部分特征结构处。在一种实现中，两个环之间的粘接区470的厚度450为5密耳左右。该厚度可以根据用于将两个环连结在一起的粘接材料的类型和该固定环材料的弹性模数来选择。

在一种实现中，突起225的顶部410和凹陷220的基部455彼此直接接触(基本上没有任何介入的粘接剂)。这样，粘接层的厚度450就由突起高度445和凹陷深度480之间的差来确定。由于上环和下环能够以可靠的公差通过加工形成，所以粘接层的厚度450能够在各固定环之间确定成一致的。

突起的颈部角度a1可在10°与70°之间。如果角度a1太小，则可能难以正确地涂敷粘接层。如果角度a1太大，则突起225和凹陷220可能缺乏互锁的能力，就像两个表面不具有特征结构。

在一种实现中，两个环都被加工成在它们各自的顶面108和底面112上具有特征结构。粘接层被涂敷到一个表面上，两个环被放置成使得凹陷和突起对准，并且使环接触，其中突起的顶部与凹陷的底部咬合。

两个环被结合在一起形成整体的固定环之后，固定环被连接到托架头上。要被抛光的衬底被传送到环的凹穴内，并且在衬底经受相对于抛光垫的运动的时候托架头向衬底施加载荷。如上面所讨论的，固定环和抛光垫之间的摩擦会在固定环的两个部分之间的连结上产生应力。但是，通过包括互锁结构，可以减小连结剥离和固定环失效的风险。

环的表面上的特征结构可以提供至少三种减小剥离的发生率的机制。第一，有特征结构的环具有比外表面平坦的环更大的表面面积。增大了的表面面积增大粘接剂被涂敷到环上的面积，从而可以产生更强的粘接连结。第二，特征结构是承担载荷的。也就是说，当固定环被压在抛光垫上时由固定环的水平运动产生的侧向载荷能够通过特征结构传送，而不是通过粘接剂。第三，互锁的几何结构有防止突起滑出凹陷并阻止环的两个部件分开的趋势。

以上说明了本实用新型的若干实施例。但是应该理解，在不背离本实用新型的精神和范围的情况下可以做出各种修改。例如，突起和/或凹陷的颈部在张成燕尾形之前可以以90°与外侧表面相接。相应地，凹陷和/或突起的侧壁可以具有不止一个角度。该角度还可以是90°之外的角度。另外，只要两者能够互锁，突起的几何结构也可以不反映凹陷的几何结构。相应地，其他实施例在本权利要求的范围内。

Claims (16)

1.一种固定环，具有大致为环状的第一部分和大致为环状的第二部分，其特征在于：

所述大致为环状的第一部分具有有着一个或多个凹陷的表面；并且

所述大致为环状的第二部分具有当第一和第二部分结合在一起时伸入所述第一部分的一个或多个凹陷中的一个或多个突起，所述突起具有有着两个向外倾斜的侧壁的横截面。

2.如权利要求1所述的固定环，其中：

所述两个侧壁中的至少一个与所述第二部分的表面形成10°和70°之间的颈部角度。

3.如权利要求2所述的固定环，其中：

所述一个或多个凹陷的基部比所述一个或多个凹陷的颈部更宽。

4.如权利要求3所述的固定环，其中：

所述一个或多个凹陷的颈部具有与所述一个或多个隆起的突起的颈部角度基本上相等的颈部角度。

5.如权利要求1所述的固定环，其中：

所述一个或多个隆起的突起的每一个的宽度小于所述一个或多个凹陷的颈部的宽度。

6.如权利要求1所述的固定环，其中：

所述一个或多个凹陷是环状凹槽。

7.如权利要求1所述的固定环，其中：

所述一个或多个凹陷是轴向对准的凹槽。

8.如权利要求1所述的固定环，其中：

所述一个或多个隆起的突起以相等的间隔角围绕所述大致为环状的第二部分的表面而分布。

9.如权利要求1所述的固定环，还包括：

所述第一和第二部分之间的连结区，和

连结区内的粘接剂。

10.如权利要求9所述的固定环，其中：

所述粘接剂为环氧树脂。

11.如权利要求1所述的固定环，其中：

所述第一和第二部分通过一个或多个紧固件连接在一起。

12.如权利要求1所述的固定环，其中：

所述第一部分的表面在所述第一部分没有隆起的突起的区域与所述第二部分接触。

13.如权利要求1所述的固定环，其中：

所述第二部分具有凹陷。

14.如权利要求1所述的固定环，还包括：

所述两个部分的至少局部之间的连结区，其中所述连结区厚约5密耳。

15.如权利要求14所述的固定环，其中：

所述一个或多个突起中的至少一个的顶面与所述一个或多个凹陷中的至少一个接触。

16.一种固定环，具有大致为环状的第一部分和大致为环状的第二部分，所述大致为环状的第一部分具有要与抛光垫接触的底面，所述大致为环状的第二部分被安装到所述第一部分上，并且具有要被紧固到托架头上的顶面，其特征在于：

所述第一和第二部分中的一个包括凹穴，而第一和第二部分中的另一个包括伸入所述凹穴的突起。

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