TW201429625A - 具有所選剛性與厚度之固定環 - Google Patents

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Abstract

一種在化學機械研磨期間於承載頭下方保持基板的固定環包括環形下部與環形上部，該環形上部緊固至該下部。該環形下部具有主體且為第一材料，該主體具有底部表面，用於在研磨期間接觸研磨墊。該上部的頂部表面裝設成緊固至承載頭。該上部是第二材料，該第二材料比該第一材料更剛硬。該下部的厚度與剛性經選擇以用於特殊的研磨環境，以改善基板邊緣附近的研磨均勻度。

Description

具有所選剛性與厚度之固定環
本案揭露內容關於一種用於承載頭的固定環(retaining ring)，該承載頭用於化學機械研磨。
積體電路一般透過依序沉積導電層、半導體層或絕緣層而形成於基板上(尤其是矽晶圓)。一項製造步驟涉及將填料層沉積遍及非平面表面上，且平坦化該填料層。對於某些應用而言，填料層被平坦化直到圖案化層的頂部表面暴露為止。導電填料層例如可沉積在圖案化絕緣層上，以填充絕緣層中的溝槽或孔洞。平坦化後，殘留在絕緣層的抬升圖案之間的導電層之多個部分形成介層窗、插塞與線，該介層窗、插塞與線提供基板上薄膜電路之間的導電路徑。對於其他應用(諸如氧化物研磨)而言，填料層被平坦化直到非平坦表面上留下預定厚度為止。此外，經常需要平坦化基板表面以進行光微影技術。
化學機械研磨(CMP)是一種已被接受的平坦化方法。此平坦化方法一般需要基板架設在承載頭上。基板的暴露表面一般放置成抵靠旋轉研磨墊。承載頭在基板上提供可 控制的負載，以將該基板推抵研磨墊。研磨液(諸如具磨料顆粒的漿料)一般供應至研磨墊表面。
該基板一般被固定環固定在承載頭下方。一些固定環包括上金屬部分與下塑膠部分。
固定環的底部表面的幾何形狀能夠影響基板邊緣附近基板上的壓力分佈，從而影響研磨均勻度。然而，固定環的下塑膠部分的剛性與高度也可影響基板邊緣附近的壓力分佈。透過選擇固定環的下塑膠部分的剛性與高度之組合，可改善壓力均勻度。
一個態樣中，一種在化學機械研磨期間在承載頭下方保持基板的固定環包括環形下部與環形上部，該環形上部緊固至該下部。該環形下部具有主體且為第一材料，該主體具有底部表面，用於在研磨期間接觸研磨墊。該上部的頂部表面裝設成緊固至該承載頭。該上部是第二材料，該第二材料比該第一材料更剛硬。該下部的厚度與剛性經選擇以用於特殊的研磨環境，以改善基板邊緣附近的研磨均勻度。
實施例可包括下述特徵之一或多者。第一材料可以是塑膠，且第二材料可以是金屬。下部可具有約0.5×106psi至1.5×106psi的彎曲模數(flexural modulus)。下部可具有25mil至50mil的厚度。
另一態樣中，一種在化學機械研磨期間在承載頭下方保持基板的固定環包括環形下部與環形上部，該環形上部緊固至該下部。該環形下部具有主體，該主體具有底部表面， 用於在研磨期間接觸研磨墊。該環形下部具有介於5mil至45mil之間的厚度，且為具有介於1.1×106psi至1.5×106psi之間的彎曲模數的第一材料。該上部的頂部表面裝設成緊固至該承載頭。該上部是第二材料，該第二材料比該第一材料更剛硬。
實施例可包括下述特徵之一或多者。環形下部可具有介於10mil至20mil之間的厚度。環形下部可具有介於25mil至45mil之間的厚度。
另一態樣中，一種選擇固定環的方法包括以下步驟：研磨第一測試基板，該第一測試基板被保持在承載頭中，該承載頭具有第一固定環，該第一固定環具有上部與下部，該下部具有第一剛性與第一厚度；測量該第一測試基板的研磨均勻度；根據該研磨均勻度選擇第二固定環，該第二固定環具有上部與下部，該下部具有第二剛性與第二厚度；研磨第二測試基板，該第二測試基板被保持在該承載頭中，該承載頭具有該第二固定環；以及使用具有複數個固定環的複數個承載頭研磨複數個元件基板，該複數個固定環的每一固定環具有上部與下部，該下部具有第二剛性與第二剛性。
實施例可包括下述特徵之一或多者。測量研磨均勻度可包括以下步驟：確定該第一測試基板的周緣(perimeter)部分相對於該第一測試基板的中心部分過度研磨(overpolish)，並且該第二硬度可大於該第一硬度及/或該第二厚度可小於該第一厚度。測量研磨均勻度可包括以下步驟：確定該第一測試基板的周緣部分相對於該第一測試基板 的中心部分研磨不足(underpolish)，並且該第二硬度可小於該第一硬度及/或該第二厚度可大於該第一厚度。
實施例的優點可包括下述一或多者。可改善壓力均勻度，且可減少晶圓內不均勻度(within-wafer non-uniformity(WIWNU))。
一或多個實施例的細節在附圖與下文的說明書中提出。從說明書與圖式以及從申請專利範圍，可明瞭其他特徵、目的與優點。
10‧‧‧基板
12‧‧‧邊緣
14‧‧‧周緣部分
20‧‧‧研磨墊
100‧‧‧承載頭
102‧‧‧容座/基座
104‧‧‧膜
106‧‧‧腔室
108‧‧‧通道
110‧‧‧固定環
112‧‧‧上表面
114‧‧‧底部表面
116‧‧‧內表面
118‧‧‧外表面
120‧‧‧驅動軸桿
136‧‧‧螺釘或螺栓
138‧‧‧通道
140‧‧‧下部
142‧‧‧上部
144‧‧‧溝道
第1圖是承載頭的示意剖面圖。
第2圖是被固定環保持的基板的示意放大剖面圖。
各個圖示中的類似元件符號指示類似元件。
研磨操作期間，可透過化學機械研磨(CMP)設備研磨一或多個基板，該CMP設備包括承載頭100。CMP設備的敘述可見於美國第5,738,574號專利。
參考第1圖，示範性的簡化承載頭100包括容座102、撓性膜104、可加壓腔室106以及固定環110，該撓性膜104提供基板的架設表面，該可加壓腔室106位在膜104與容座102之間，該固定環110緊固在容座102之邊緣附近，以將基板保持在膜104下方。雖然第1圖將膜104繪示成被夾箝在固定環110與基座102之間，但可使用一或多個其他零件(例如夾環)保持該膜104。可設置驅動軸桿120以旋轉及/或調動承載頭橫越研磨墊。泵可透過容座中的通道108流 體連通式連接腔室106，以控制腔室106中的壓力，從而控制基板上撓性膜104的向下壓力。
固定環110可為大體上環形的環，該固定環110例如透過螺釘或螺栓136緊固在基座102的外邊緣處，該等螺釘或螺栓136延伸通過基座102中的通道138進入對準的螺紋接收凹部139(見第2圖)，該等螺紋接收凹部139位在固定環110的上表面112中。一些實施例中，驅動軸桿120可被抬升或降下，以控制研磨墊上固定環110的底部表面114的壓力。或者，基座102可相對驅動軸桿120移動，例如，容座可連接驅動軸桿，且承載頭100可包括內部腔室，該內部腔室可經加壓，以控制基座上的向下壓力，例如美國第6,183,354號專利中所述，該專利以參考形式併入本文。或者，固定環110可相對基座120移動，且承載頭100可包括內部腔室，該內部腔室可經加壓，以控制固定環上的向下壓力，例如美國專利7,575,504號中所述，該專利以參考形式併入本文。
固定環110可從基座102(與承載頭的的其餘部分)以一單元的形式移除。這意味當固定環110移除的同時，固定環110的上部142維持緊固至固定環的下部140，而不需要拆卸基座102或將基座102從承載頭100移除。
固定環110的內表面116連同撓性膜104的下表面界定基板接收凹部。固定環110防止基板逃離基板接收凹部。
參考第1圖至第2圖，固定環110包括兩個垂直堆疊的區段，這兩個區段包括環形下部140與環形上部142，該 環形下部140具有可接觸研磨墊的底部表面114，該環形上部142連接基座104。可用黏著劑或機械式扣件144將下部140緊固至上部142，黏著劑例如為環氧樹脂，機械式扣件144例如為螺釘或螺栓。固定環110被建構成使得上表面112與底部表面114之間無通道。一些實施例中，通道138可部分延伸(但不會完全延伸)通過上部142。一些實施例中，通道138可延伸通過上部142且進入(但不穿過)下部140。
固定環110的上部142由比下部140更剛硬的材料所構成。下部140可以是塑膠，然而上部可以是金屬或陶瓷材料，金屬例如為不鏽鋼或鋁。使上部142的材料比下部140的材料硬的優點在於，固定環110的總剛硬度可增加，從而在固定環110附接承載頭100時減少下部140的變形，且減少中斷時間。
下部140的材料在CMP製程中呈化學惰性。此外，下部140應充分彈性，而使得基板邊緣對固定環的接觸不會引發基板碎裂或破裂。另一方面，下部140應充分剛硬，而在來自研磨墊(底部表面上)與基板(內表面上)的磨耗下具有足夠壽命。
固定環110的底部表面114可實質上平坦，或在一些實施例中，該固定環110的底部表面114可具有複數個溝道(channel)144，這些溝道144從固定環的內表面116延伸至外表面118，以助於將漿料從固定環外側輸送到基板。溝道144可均等地在固定環周圍間隔開。一些實施例中，每一溝道144可相對於通過溝道的半徑偏離一角度，該角度例如為45 度。下表面114上的溝道部分延伸進入(並非完全延伸通過)下部140。當下部140已充分磨耗時，可置換固定環110。當環磨耗時，總環厚度減少，且膜變得更加壓縮，可影響基板邊緣上的負載。厚度有一定程度的減少(例如0.09英吋的磨耗)後，可置換固定環110。此外，基板的衝擊可能引發固定環的內表面116的損壞或磨耗。再者，固定環110可透過將磨耗下部140移除且將新的下部附接至上部142而翻新。
下部材料的彎曲模數可在0.5×106psi至1.5×106psi的範圍內。一些實施例中，下部材料的彎曲模數可在1.1×106psi至1.5×106psi的範圍內，例如約1.2×106psi。雖然下部可具有低磨耗率，但對下部140而言，逐漸地磨耗掉也是可接受的，因為此舉看似防止基板邊緣將深溝槽切入內表面144。
下部140的塑膠可為「自我強化塑膠」(例如，由自我強化塑膠構成)，該自我強化塑膠是一種由共同經定向的聚合物纖維強化的聚合物基質，該共同經定向的聚合物纖維可衍生自與基質相同的聚合物。該塑膠可以是自我強化的聚伸苯(polyphenylene)或聚丙烯，例如來自Solvay Plastics的PrimoSpire PR120。其他可用於下部140的材料包括：聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酮(PEK)或類似材料。
在相鄰底部表面114處，固定環的下部140的內表面116可具有恰好大於基板直徑的內徑，例如比基板直徑大1mm至2mm，以適應基板裝載系統的定位容忍度。固定環110 可具有約半英吋至一英吋的徑向寬度。下部140的內表面116可實質上垂直。類似地，上部140的內表面116實質上垂直。
下部140的厚度應大於置換前環的容許磨耗量。另一方面，若下部太厚，則固定環110的底部表面將會受到變形，這是由於下部140的撓性本質所致。下部140的初始厚度T可為約25mil至100mil，例如50mil。一些實施例中，下部140的初始厚度T可以是25mil至45mil。
具溝道的實施例中，溝道144所具有的深度可以是下部140的厚度的50%至90%，例如80%，該深度例如為25至45mil。例如，對於50mil厚的下部140，溝道可為約40mil深。或者，該等溝道可完全延伸通過固定環，甚至可延伸進入上部142。
操作上，研磨墊20抵靠基板10的摩擦力迫使基板10朝向承載頭100的「尾隨邊緣」，即在與研磨墊20的旋轉相同的方向。此舉驅使基板10之邊緣12抵靠底部140的內表面116。此外，在固定環110之下表面114上有來自研磨墊20的摩擦力。這些力的組合傾向在下部140上生成局部扭矩，引發內表面116與下表面114變形。如第2圖所示，該變形造成，在沿著向下的方向上，內表面116向外(相對於固定環的中心)傾斜。
研磨期間在側向力的影響下固定環的下部140的變形在研磨墊20中產生壓縮，而影響基板10的下表面的周緣部分14上的壓力，從而影響基板邊緣12附近的研磨速率。大體上，變形愈大，周緣部分14中的研磨速率愈大。
大體上，下部140的材料愈剛硬，則下部140將會變形得愈少。此外，下部140愈薄，則力矩愈少，且下部140將會變形得愈少。
透過適當地選擇固定環的下部140的剛性與厚度之組合，可調整研磨墊20內的壓縮分佈，從而可調整基板10的周緣部分14上的壓力。尤其，透過減少下部140的厚度，在上部142與下部140之間的界面附近的下部140之力矩可減少，造成下部140較少偏移至研磨墊中，以及較慢的邊緣移除速率。
對於使用低磨料漿料的研磨製程，固定環的磨耗將趨於減少。然而，低磨料漿料有較大的傾向會遭受邊緣效應。因此，使用低磨料漿料的研磨製程可特別受惠於此技術，因下部140可更薄且不會顯著地折損固定環壽命，同時也改善基板邊緣的研磨均勻度。
為了選擇下部140的剛性與厚度，可用具第一剛性與第一厚度的第一固定環研磨第一測試基板，該第一固定環安裝在承載頭100上。若不然，可使用期望用於產物基板的相同研磨配方執行第一測試基板的研磨。例如透過使用獨立的度量系統，可在不同的徑向位置測得從第一測試基板移除的材料量。可確定第一測試基板的周緣是否相對於第一測試基板的中心過度研磨或研磨不足。
根據所測得的第一測試基板的過度研磨或研磨不足的程度，選擇具第二剛性與第二厚度的第二固定環。舉例而言，若測試基板周緣過度研磨，則選擇具更剛性及/或更薄(相 對於第一固定環)的下部140的第二固定環。類似地，若測試基板的周緣研磨不足，則選擇具更柔軟及/或更厚(相對於第一固定環)的下部140的第二固定環。
一些實施例中，第二測試基板是以第二固定環研磨。可確定第二測試基板周緣相對於第二測試基板的中心是否過度研磨或研磨不足。倘若第二測試基板具有可接受的研磨均勻度，則可使用具第二硬度與第二厚度的固定環進行元件基板的研磨。另一方面，只要測試基板具有無法接受的不均勻性，則可重複選擇另一固定環及研磨另一測試基板的製程，直到達成可接受的或最大程度的研磨均勻度為止。
可視情況任選地在上部142的頂部表面122上形成環形凹部，該環形凹部延伸成整個環繞固定環110。O形環可裝配(fit)至環形凹部中。當固定環110緊固至承載頭100，O型環在固定環所附接的剛硬主體(例如基座102)與固定環110之間壓縮。此舉可幫助防止漿料抵達承載頭的內部，藉此潛在地減少侵蝕與相關的缺陷。
一些實施方式中，固定環110具有一或多個穿孔，該些穿孔從內表面116水平延伸(或相對水平線呈小角度延伸)通過固定環的主體至外表面118，以容許流體(例如空氣或水)在研磨期間從固定環之內部傳遞到固定環之外部，或從外部傳遞到內部。該些穿孔可延伸通過下部140。穿孔可均等地繞固定環間隔開。
若不利用機械式扣件或黏著劑將下部140附接上部142，則可將下部140透過塑料塗佈方式噴塗至上部142。該 塗層可覆蓋上部142的下表面與側表面。下部140的厚度可為約0.02英吋。這樣的實施例可適合使用低磨料漿料的某些研磨配方，舉例而言，使用低磨料漿料，在環內徑的磨耗或損壞變得過於嚴重且固定環需要被置換之前，該環可歷經約0.01英吋的垂直磨耗。
已按照數個實施例描述本發明。然而，本發明不限於所描繪及描述的實施例。本發明之範疇毋寧是由所附的申請專利範圍界定。
10‧‧‧基板
12‧‧‧邊緣
14‧‧‧周緣部分
20‧‧‧研磨墊
104‧‧‧膜
110‧‧‧固定環
114‧‧‧底部表面
116‧‧‧內表面
140‧‧‧下部
142‧‧‧上部

Claims (17)

  1. 一種在化學機械研磨期間在一承載頭下方保持一基板的固定環，包括：一環形下部，具有一主體，該主體具有一底部表面，用於在研磨期間接觸一研磨墊，該環形下部為一第一材料；以及一環形上部，緊固至該下部，該上部的一頂部表面裝設成緊固至該承載頭，該上部是一第二材料，該第二材料比該第一材料更剛硬，且其中該下部的一厚度與一剛性(stiffness)經選擇以用於一特殊的研磨環境，以改善該基板之一邊緣附近的研磨均勻度。
  2. 如請求項1所述之固定環，其中該第一材料是一塑膠，且該第二材料是一金屬。
  3. 如請求項1所述之固定環，其中該下部具有一彎曲模數(flexural modulus)，該彎曲模數為約0.5×106psi至1.5×106psi。
  4. 如請求項3所述之固定環，其中該下部具有25mil至50mil的厚度。
  5. 如請求項1所述之固定環，其中該下部具有25mil至50mil的厚度。
  6. 一種在化學機械研磨期間在一承載頭下方保持一基板的固定環，包括：一環形下部，具有一主體，該主體具有一底部表面，用於在研磨期間接觸一研磨墊，該環形下部具有介於5mil至45mil之間的厚度，且為具有介於1.1×106psi至1.5×106psi之間的彎曲模數的第一材料；以及一環形上部，緊固至該下部，該上部的一頂部表面裝設成緊固至該承載頭，該上部是一第二材料，該第二材料比該第一材料更剛硬。
  7. 如請求項6所述之固定環，其中該環形下部具有介於10mil至20mil之間的一厚度。
  8. 如請求項6所述之固定環，其中該環形下部具有介於25mil至45mil之間的一厚度。
  9. 一種選擇一固定環的方法，包括以下步驟：研磨一第一測試基板，該第一測試基板被保持在一承載頭中，該承載頭具有一第一固定環，該第一固定環具有一上部與一下部，該下部具有一第一剛性與一第一厚度；測量該第一測試基板的研磨均勻度；根據該研磨均勻度選擇一第二固定環，該第二固定環具有一上部與一下部，該下部具有一第二剛性與一第二厚度； 研磨一第二測試基板，該第二測試基板被保持在該承載頭中，該承載頭具有該第二固定環；以及使用具有複數個固定環的複數個承載頭研磨複數個元件基板，該複數個固定環的每一固定環具有一上部與一下部，該下部具有第二剛性與第二剛性。
  10. 如請求項9所述之方法，其中測量研磨均勻度之步驟包括以下步驟：確定該第一測試基板的一周緣(perimeter)部分相對於該第一測試基板的一中心部分過度研磨(overpolish)。
  11. 如請求項10所述之方法，其中該第二硬度大於該第一硬度及/或該第二厚度小於該第一厚度。
  12. 如請求項11所述之方法，其中該第二硬度大於該第一硬度。
  13. 如請求項11所述之方法，其中該第二厚度小於該第一厚度。
  14. 如請求項9所述之方法，其中測量研磨均勻度之步驟包括以下步驟：確定該第一測試基板的一周緣部分相對於該第一測試基板的一中心部分研磨不足(underpolish)。
  15. 如請求項14所述之方法，其中該第二硬度小於該第一硬度及/或該第二厚度大於該第一厚度。
  16. 如請求項15所述之方法，其中該第二硬度小於該第一硬度。
  17. 如請求項15所述之方法，其中該第二厚度大於該第一厚度。
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