TW201404535A - 在化學機械式硏磨期間用於主動基板進動之方法及設備 - Google Patents

Abstract

在某些態樣中，提供一種化學機械式研磨(CMP)設備，該設備包含一研磨頭，該研磨頭擁有一可旋轉心軸，一膜，與該可旋轉心軸連結且適於在一基板研磨期間壓迫該基板緊靠一研磨墊，以及一固定環，可旋轉地與該心軸連結且適於環繞在研磨期間受到壓迫緊靠一研磨墊的基板並限制該基板相對於該研磨頭的橫向移動。該化學機械式研磨設備也包含一驅動機構，其與該固定環連結且適於在研磨期間以與該心軸不同的轉速驅動該固定環。尚提供眾多其他態樣。

Description

在化學機械式研磨期間用於主動基板進動之方法及設備 【相關申請案】

本申請案主張於2012年4月27日提出申請的美國專利申請案第13/459,075號，標題為「METHODS AND APPARATUS FOR ACTIVE SUBSTRATE PRECESSION DURING CHEMICAL MECHANICAL POLISHING」(專利代理人案卷編號17268)的優先權，為達到全部目的該申請案以引用之方式將其全部內容併入本文。

本發明係有關於半導體元件處理，並且更明確地說，係有關於化學機械式研磨期間的主動基板進動。

在半導體元件製造期間，眾多材料層被沈積、圖案化並蝕刻以在基板上形成電子電路及/或電氣連接。在許多情況中，可在處理步驟間平坦化基板的頂表面。此類平坦化通常是利用一回蝕步驟或化學機械式研磨(CMP)來執行。

在化學機械式研磨期間，基板係面朝下設置在一研 磨墊上並透過一研磨頭在一漿料的存在下被壓迫緊靠該研磨墊且相對於其旋轉。該漿料可含有輔助從基板除去材料的研磨粒及/或化學品。研磨持續到除去足夠材料以在基板上形成一平坦表面為止。

在化學機械式研磨期間維持基板上各處的均勻是很重要的，以確保形成在基板上的元件有均勻的層厚度。但是，維持整個基板表面上的厚度均勻很困難。對直徑較大的基板而言更是如此。因此，存有對於改善化學機械式研磨期間均勻性之方法及設備的需要，特別是針對大尺寸基板。

在某些態樣中，提供一種化學機械式研磨(CMP)設備，該設備包含一研磨頭，該研磨頭擁有(a)一可旋轉心軸；(b)一膜，與該可旋轉心軸連結且適於在一基板研磨期間壓迫該基板緊靠一研磨墊；以及(c)一固定環，可旋轉地與該心軸連結且適於環繞在研磨期間受到壓迫緊靠一研磨墊的基板並限制該基板相對於該研磨頭的橫向移動。該化學機械式研磨設備也包含一驅動機構，該驅動機構與該固定環連結且適於在研磨期間以與該心軸不同的轉速驅動該固定環。

在某些態樣中，提供一種化學機械式研磨設備，該設備包含一研磨頭，該研磨頭擁有(a)一可旋轉心軸；(b)一膜，與該可旋轉心軸連結且適於在一基板研磨期間壓迫該基板緊靠一研磨墊；(c)一固定環，與該心軸連結且適於環繞在研磨期間受到壓迫緊靠一研磨墊的基板並限制該基板相對於該研磨頭的橫向移動；以及(d)至少一旋轉機構，與該固定環 連結，適於在研磨期間接觸一基板且適於容許該基板在研磨期間以與該心軸不同的速率旋轉。

在某些態樣中，提供一種研磨一基板的方法，該方法包含利用一研磨頭壓迫該基板緊靠一研磨墊，該研磨頭擁有(a)一可旋轉心軸；(b)一膜，與該可旋轉心軸連結且適於在該基板研磨期間壓迫該基板緊靠該研磨墊；以及(c)一固定環，可旋轉地與該心軸連結且適於環繞在研磨期間受到壓迫緊靠該研磨墊的基板並限制該基板相對於該研磨頭的橫向移動。該方法包含在研磨期間以一第一轉速旋轉該研磨頭的心軸與膜；以及在研磨期間以一第二轉速旋轉該研磨頭的固定環，以使該基板相對於該研磨頭的膜旋轉。

在某些態樣中，提供一種研磨一基板的方法，該方法包含利用一研磨頭壓迫該基板緊靠一研磨墊，該研磨頭擁有(a)一可旋轉心軸；(b)一膜，與該可旋轉心軸連結且適於在該基板研磨期間壓迫該基板緊靠該研磨墊；(c)一固定環，與該心軸連結且適於環繞在研磨期間受到壓迫緊靠該研磨墊的基板並限制該基板相對於該研磨頭的橫向移動；以及(d)至少一旋轉機構，與該固定環連結，適於在研磨期間接觸該基板且適於容許該基板在研磨期間以與該心軸不同的速率旋轉。該方法包含在研磨期間以一第一轉速旋轉該研磨頭的心軸與膜；以及在研磨期間以一第二轉速旋轉與該研磨頭的固定環連結的至少一旋轉機構，以使該基板相對於該研磨頭的膜旋轉。

尚提供眾多其他態樣。本發明之其他特徵與態樣會 因如下詳細描述、附屬申請專利範圍與附圖而變得更充分呈現。

100‧‧‧化學機械式平坦化系統

102‧‧‧載入組件

104‧‧‧研磨頭

106‧‧‧手臂

108‧‧‧研磨墊

110‧‧‧平臺

111‧‧‧膜

202‧‧‧基板

204‧‧‧固定環

204a‧‧‧環區

204b‧‧‧環區

206‧‧‧縫隙

300‧‧‧研磨系統

302‧‧‧控制器

304‧‧‧中央軸

306‧‧‧軸承組件

308‧‧‧膜

310‧‧‧第一驅動機構

312‧‧‧第二驅動機構

314‧‧‧箭頭

316‧‧‧箭頭

318‧‧‧箭頭

400‧‧‧研磨系統

402‧‧‧連結器

404‧‧‧滾子

404a‧‧‧滾子

404b‧‧‧滾子

416‧‧‧箭頭

418‧‧‧箭頭

420a‧‧‧漿料溝槽

420b‧‧‧漿料溝槽

第1圖係圖示根據實施例用於研磨基板的範例化學機械式平坦化系統的示意圖。

第2A-2B圖係根據本發明實施例研磨期間一基板與固定環的上視圖。

第3圖係根據本發明提供的範例研磨系統之第一實施例的側視圖。

第4A圖係根據本發明提供的範例研磨系統之第二實施例的側視圖。

第4B-4C圖係根據本發明的第4A圖之研磨系統的範例實施例之上視圖。

本發明提供改善大型基板化學機械式研磨期間的均勻性之方法及設備(例如，半導體晶圓、用於液晶顯示器(LCD)或太陽能電池的玻璃基板、或任何其他類似的奠基及/或支撐層/結構)。

如所述，在化學機械式研磨期間，基板係面朝下設置在一研磨墊上並透過一研磨頭被壓迫緊靠該研磨墊且相對於其旋轉。可供應含有研磨粒及/或化學品的漿料至該研磨墊以在該基板被壓迫緊靠該研磨墊且相對於其旋轉時輔助從基板除去材料。以此方式，該基板頂表面可被平坦化。

第1圖圖示根據本發明用於研磨基板的範例化學機 械式平坦化(化學機械式研磨)系統100的側視圖。該系統100包含一載入組件102，用以容納欲研磨的基板(第1圖未圖示)並將基板保持在適當位置以利研磨頭104抓取。該研磨頭104係由一手臂106支撐，其可操作以在該載入組件102與一旋轉平臺110上的研磨墊108之間移動該研磨頭104。操作時，該研磨頭104從該載入組件102抓取基板並將其運送至該研磨墊108。當該研磨墊108在該平臺110上旋轉時，該研磨頭104旋轉並將該基材往下推壓緊靠該研磨墊108。例如，該研磨頭104內之一可擴張膜111可接觸並壓迫該基板緊靠該研磨墊108。注意到在所示實施例中，該研磨墊108的直徑係大於該基板者的兩倍。也可使用其他平臺、研磨墊及/或基板尺寸。

參考第2A-2B圖，為將一基板202保持在一研磨頭104下方的適當位置，該研磨頭104包含一固定環204，該固定環204環繞該基板202並在研磨期間限制其橫向移動。該基板202的直徑D₁稍小於該固定環204的直徑D₂(在該基板202與固定環204間形成一縫隙206，該縫隙206在第2A-2B圖中被誇大)。在某些實施例中，該縫隙206可以是約0.01英吋，雖然也可使用其他縫隙尺寸。

該研磨墊108在研磨期間的旋轉產生壓迫該基板202緊靠該固定環204的力道，如第2B圖所示(致使該基板202的旋轉中心不再與該研磨頭104及固定環204的旋轉中心對準)。如所提及者，該研磨頭104在研磨期間旋轉，使該固定環204依樣旋轉。由於該基板202與固定環204的旋轉中 心未對準，此固定環204旋轉造成該基板202以類似齒輪的方式旋轉(進動)。(注意到用來壓迫該基板202緊靠該研磨墊108的研磨頭104的膜111通常擁有低的摩擦係數，容許該基板202在研磨期間相對於該研磨頭104的膜旋轉)。

由於該研磨頭104內的對準及/或公差，該研磨頭104可在其壓迫該基板202緊靠該研磨墊108時產生一非同心壓力分佈。此種非同心壓力分佈可在該基板202上產生一非同心及/或不對稱研磨輪廓，因此是不樂見的。但是，研磨期間該基板202相對於該研磨頭104的旋轉(進動)，如上所述般，可減輕該研磨頭104所產生的非同心壓力分佈效應。例如，就一300毫米基板而言，該基板202與該固定環204直徑間的不匹配通常大到能夠讓該基板202在研磨期間相對於該研磨頭104進動約180度或更多。這通常足以減少及/或掩蔽任何不對稱研磨輪廓，否則其可能因研磨頭的非同心壓力分佈而產生。但是，任何不對稱研磨輪廓皆是不樂見的。此外，就較大基板尺寸而言，例如450毫米基板，不對稱研磨輪廓可能更顯著。例如，一基板相對於該固定環204的進動量係與該基板與固定環間的縫隙除以該基板的直徑成正比：進動量~(D₂-D₁)/D₁=(縫隙206)/D₁據此，若該縫隙206在基板尺寸增加時維持相對固定，研磨期間該基板202的進動量會減少。此減少的進動可能不足以掩蔽由一非同心研磨頭壓力分佈造成的不對稱研磨輪廓。

根據本發明實施例，使用一研磨頭/固定環配置， 該研磨頭/固定環配置容許主動控制研磨期間的基板進動量。此種”主動進動”容許一基板充分進動以減少及/或最小化由一非同心研磨頭壓力分佈造成的不對稱研磨輪廓。這對任何尺寸的基板皆是有助益的(例如，200毫米、300毫米、450毫米或其他尺寸半導體晶圓，或是任何其他基板類型或尺寸)。

第3圖係根據本發明提供的範例研磨系統300之第一實施例的側視圖。參見第3圖，該研磨系統300包含與一控制器302連結的研磨頭104。該控制器302可以是電腦、微處理器、可程式化邏輯控制器或任何其他適合的控制器。

研磨頭104包含一中央軸304，該中央軸304透過一或更多個軸承組件306可旋轉地與一固定環204連結。一膜308係與該中央軸304連結且可接觸基板202，壓迫基板202緊靠研磨墊108。該膜308係適於擴張以壓迫該基板202緊靠該研磨墊108。例如，該膜308可以是填充液體或氣體的囊袋。在某些實施例中，該膜308接觸該基板202的部分可以是一低摩擦材料，例如聚四氟乙烯(PTFE)或類似材料。

心軸304係連結至一第一驅動機構310，而固定環204則連結至一第二驅動機構312，以容許以不同轉速驅動該心軸304與固定環204。在某些實施例中，可透過適當的傳動裝置及/或皮帶來使用單一驅動機構，以使心軸304與固定環204以不同速率旋轉。可使用任何適當的驅動機構，例如一或更多個馬達。控制器302可包含電腦程式碼，用以在研磨期間指揮心軸304及/或固定環204旋轉，如更後方描述般。

軸承組件306保持固定環204與膜308同心，並可包含任何適當的軸承組件，例如球軸承、滾子軸承、滑動軸承、托架軸承(track bearings)、非接觸軸承、或諸如此類。該軸承組件306的零組件，例如該等球及座圈，可由與化學機械式研磨期間在該研磨系統300內使用的化學相容的材料形成，才不會快速裂化或產生能污染受研磨基板的微粒。例如，該軸承組件306可由一適當的聚合物材料形成。或者或此外，該軸承組件306可以被遮蔽、密封或以其他方式與該研磨化學隔離。

操作時，基板202係設置在該研磨墊108上並且受研磨頭104的壓迫緊靠該研磨墊108(透過膜308的擴張)。固定環204環繞該研磨頭104內的基板202，並且也接觸研磨墊108。注意到可在該基板202研磨前及/或期間施加一適當的研磨漿料(未圖示)至該研磨墊108。

控制器302使驅動310如箭頭314所示般旋轉心軸304與膜308，並使驅動312如箭頭316所示般旋轉固定環204。研磨墊108也在控制器302或另一控制器(未圖示)的控制下利用相同或不同的驅動機構旋轉。如所述，研磨墊108的旋轉致使基板202滑動而與固定環204接觸，如箭頭318所示般。

在某些實施例中，固定環204係以比心軸304快的速率旋轉。在其他實施例中，固定環204係以比心軸304慢的速率旋轉。在兩種情況中，固定環204與心軸304以不同速率旋轉，因此基板302係相對於膜308主動進動(例如，因 此研磨期間基板202完全在膜308下方旋轉)。

在一或更多個實施例中，心軸304可以每分鐘約10至約150轉(RPM)的速率旋轉，而固定環204可以約5至約300 RPM的速率旋轉。例如，在某些實施例中，固定環204可以心軸304轉速的約一半旋轉，而在其他實施例中，固定環204可以心軸304轉速的約兩倍旋轉。可為該心軸304及/或固定環204使用其他轉速。固定環204可在心軸304旋轉的一部分或整段時間期間旋轉，及/或可在研磨期間保持不動一或更多次。此外，在某些實施例中，固定環204可在研磨期間切換旋轉方向。

基板202的研磨持續到從該基板202除去預期材料量為止。因為固定環204以與心軸304不同的速率旋轉，基板202係相對於膜308主動進動，並且研磨期間非同心或除此之外的不對稱研磨頭壓力分佈得到平衡(例如，產出更均勻的研磨)。這對任何尺寸的基板都是有助益的(例如200毫米、300毫米、450毫米或其他尺寸半導體晶圓，或是任何其他基板類型或尺寸)。

第4A圖係根據本發明提供的範例研磨系統400之第二實施例的側視圖。第4A圖的研磨系統400與第3圖的研磨系統300類似。但是，在第4A圖的研磨系統400中，該固定環204在研磨期間保持固定不動，如連結器402所示般，並且在研磨期間使用一或更多個滾子404相對於膜308旋轉基板202。第4B圖係研磨系統400的上視圖，圖示兩個滾子404a與404b。會了解可使用其他數量的滾子(例如，3、4、5 個等等)。

滾子404a與404b可由任何適當材料形成，例如聚苯硫(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)或諸如此類。該等滾子404a-b的範例直徑範圍可從約0.5至約2英吋。在某些實施例中，該等滾子404a-b可間隔約1到5英吋。可使用其他材料、尺寸及/或間隙的滾子。

控制器302使驅動310如箭頭314所示般旋轉心軸304與膜308，並使驅動312如箭頭416所示般旋轉滾子404a與404b。在某些實施例中，可透過運用適當的皮帶、齒輪或諸如此類者使用單一驅動機構旋轉心軸304、滾子404a及/或404b；或者可如第4A圖所示般使用不同的驅動機構。研磨墊108也在控制器302或另一控制器(未圖示)的控制下利用相同或不同的驅動機構旋轉。研磨墊108的旋轉致使基板202滑動而與滾子404a與404b接觸，如箭頭418所示般。可將此區域稱為該固定環204的後緣，而相反側則可稱為該固定環204的前緣。

在某些實施例中，滾子404a與404b係以比心軸304快的速率旋轉。在其他實施例中，滾子404a與404b係以比心軸304慢的速率旋轉。在兩種情況中，滾子404a-b與心軸304以不同速率旋轉，因此基板302係相對於膜308主動進動(例如，因此研磨期間基板202完全在膜308下方旋轉)。

在一或更多個實施例中，心軸304可以每分鐘約10至約150轉(RPM)的速率旋轉，而滾子404a-b可以約30至約3600 RPM的速率旋轉(取決於該等滾子的直徑)。例如，在某 些實施例中，滾子404a-b可以旋轉而使基板202以心軸304轉速的約一半旋轉，而在其他實施例中，滾子404a-b可以旋轉而使基板202以心軸304轉速的約兩倍旋轉。可為該心軸304及/或滾子404a-b使用其他轉速。滾子404a-b可在心軸304旋轉的一部分或整段時間期間旋轉，及/或可在研磨期間保持不動一或更多次。此外，在某些實施例中，滾子404a-b可在研磨期間切換旋轉方向。

基板202的研磨持續到從該基板202除去預期材料量為止。因為滾子404a-b以與心軸304不同的速率旋轉，基板202係相對於膜308主動進動，並且研磨期間任何非同心或除此之外的不對稱研磨頭壓力分佈得到平衡(例如，產出更均勻的研磨)。這對任何尺寸的基板都是有助益的(例如200毫米、300毫米、450毫米或其他尺寸半導體晶圓，或是任何其他基板類型或尺寸)。

一般而言，固定環204可由任何適當材料形成，例如聚苯硫(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚對苯二甲酸乙二酯或諸如此類。在使用滾子404的實施例中，例如在第4A-4C圖中，該固定環204可經調整以改善基板邊緣的研磨行為。例如，可取決於應用來調整用來容許漿料進入該研磨頭104的特徵。在某些實施例中，會樂見使漿料在研磨期間累積，因此可相對於該固定環204後緣(靠近滾子404a-b)沿著該固定環204前緣提供額外的漿料溝槽。同樣地，在某些實施例中，會樂見在研磨期間有少量漿料累積，因此可沿著該固定環204後緣(靠近滾子404a-b)提供比沿著該固定環204前緣者更多 的漿料溝槽。同樣地，可相對於該固定環204前緣沿著該固定環204後緣施加不同力道，以對研磨期間的研磨墊回彈有更佳的控制。同樣地，該固定環204可沿著該固定環204的後及前緣有不同構形(例如寬度)。

雖然固定環204係經示為一單一環區，但可理解固定環204能夠包含多個環區，如第4C圖的環區204a與204b所示般。可使用多於兩個環區，正如可使用內部或外部環區般。第4D圖圖示一固定環204，該固定環204擁有比沿著該固定環204後緣的漿料溝槽420b大及/或多的沿著該固定環204前緣的漿料溝槽420a。希望的話可顛倒此配置。第4E圖圖示一固定環204，該固定環204沿著該固定環204前緣比沿著該固定環204後緣寬。希望的話可顛倒此配置。

據此，雖然本發明已經關於其範例實施例做揭示，但應理解其他實施例可落在本發明範圍內，如後方申請專利範圍所界定者。

104‧‧‧研磨頭

108‧‧‧研磨墊

202‧‧‧基板

204‧‧‧固定環

300‧‧‧研磨系統

302‧‧‧控制器

304‧‧‧中央軸

306‧‧‧軸承組件

308‧‧‧膜

310‧‧‧第一驅動機構

312‧‧‧第二驅動機構

314‧‧‧箭頭

316‧‧‧箭頭

318‧‧‧箭頭

Claims (20)

1. 一種化學機械式研磨設備，包括：一研磨頭，包括：一可旋轉心軸，一膜，與該可旋轉心軸連結且適於在一基板研磨期間壓迫該基板緊靠一研磨墊，及一固定環，可旋轉地與該心軸連結且適於環繞在研磨期間受到壓迫緊靠一研磨墊的基板並限制該基板相對於該研磨頭的橫向移動；及一驅動機構，與該固定環連結且適於在研磨期間以與該心軸不同的轉速驅動該固定環。
2. 如請求項1所述之化學機械式研磨設備，進一步包括一控制器，適於在研磨期間使該驅動機構以與該心軸不同的轉速旋轉該固定環。
3. 如請求項2所述之化學機械式研磨設備，其中該控制器係適於在研磨期間使該驅動機構以該心軸轉速之約兩倍旋轉該固定環。
4. 如請求項2所述之化學機械式研磨設備，其中該控制器係適於在研磨期間使該驅動機構以該心軸轉速之約一半旋轉該固定環。
5. 一種研磨一基板的方法，包括：利用一研磨頭壓迫該基板緊靠一研磨墊，該研磨頭包括：一可旋轉心軸；一膜，與該可旋轉心軸連結且適於在該基板研磨期間壓迫該基板緊靠該研磨墊；及一固定環，與該心軸連結且適於環繞在研磨期間受到壓迫緊靠該研磨墊的基板並限制該基板相對於該研磨頭的橫向移動；在研磨期間以一第一轉速旋轉該研磨頭的心軸與膜；及在研磨期間以一第二轉速旋轉該研磨頭的固定環，以使該基板相對於該研磨頭的膜旋轉。
6. 如請求項5所述之方法，其中該第一轉速係低於該第二轉速。
7. 如請求項5所述之方法，其中該第一轉速係高於該第二轉速。
8. 一種化學機械式研磨設備，包括：一研磨頭，包括：一可旋轉心軸；一膜，與該可旋轉心軸連結且適於在一基板研磨期間壓迫該基板緊靠一研磨墊；一固定環，可旋轉地與該心軸連結且適於環繞在研磨期 間受到壓迫緊靠一研磨墊的基板並限制該基板相對於該研磨頭的橫向移動；及至少一旋轉機構，與該固定環連結，適於在研磨期間接觸一基板且適於容許該基板在研磨期間以與該心軸不同的速率旋轉。
9. 如請求項8所述之化學機械式研磨設備，其中該至少一旋轉機構包含至少一滾子，該滾子係可旋轉地與該固定環一後緣連結。
10. 如請求項8所述之化學機械式研磨設備，其中該固定環在研磨期間固定不動。
11. 如請求項8所述之化學機械式研磨設備，其中該固定環包含多個固定環區。
12. 如請求項8所述之化學機械式研磨設備，其中該固定環沿著該固定環一前緣擁有與沿著該固定環一後緣的數量不同之漿料溝槽。
13. 如請求項8所述之化學機械式研磨設備，其中該固定環沿著該固定環一前緣擁有與沿著該固定環一後緣不同的寬度。
14. 一種研磨一基板的方法，包括：利用一研磨頭壓迫該基板緊靠一研磨墊，該研磨頭包括：一可旋轉心軸；一膜，與該可旋轉心軸連結且適於在該基板研磨期間壓迫該基板緊靠該研磨墊；一固定環，與該心軸連結且適於環繞在研磨期間受到壓迫緊靠該研磨墊的基板並限制該基板相對於該研磨頭的橫向移動；及至少一旋轉機構，與該固定環連結，適於在研磨期間接觸該基板且適於容許該基板在研磨期間以與該心軸不同的速率旋轉；在研磨期間以一第一轉速旋轉該研磨頭的該心軸與膜；及在研磨期間以一第二轉速旋轉與該研磨頭的該固定環連結的該至少一旋轉機構，以使該基板相對於該研磨頭的該膜旋轉。
15. 如請求項14所述之方法，其中該至少一旋轉機構包含至少一滾子，該滾子係可旋轉地與該固定環一後緣連結。
16. 如請求項14所述之方法，其中該固定環在研磨期間固定不動。
17. 如請求項14所述之方法，其中該固定環包含多個固定環 區。
18. 如請求項14所述之方法，其中該固定環沿著該固定環一前緣擁有與沿著該固定環一後緣的數量不同之漿料溝槽。
19. 如請求項14所述之方法，其中該固定環沿著該固定環一前緣擁有與沿著該固定環一後緣不同的一寬度。
20. 如請求項14所述之方法，進一步包括在研磨期間沿著該固定環一前緣施加與沿著該固定環一後緣不同的壓力。