TW201512445A - 經塗覆之化學機械硏磨之固定環 - Google Patents

Abstract

一種在化學機械研磨製程中用於基板拋光之固定環包含：墊環，具有工具安裝側；以及可移除之扇形段，安裝於安裝側上。可移除之扇形段具有正面及背面。可移除之扇形段之背面固定至墊環之安裝側，可移除之扇形段之正面形成一表面，該表面接觸被抵靠拋光墊而固定之基板。可移除之扇形段係自石墨前驅體加工而成，以形成在背面上具有帶螺紋腔之預浸體。預浸體變成可藉由帶螺紋扣件而附著至墊環之一硬化碳化物陶瓷。可移除之扇形段可塗覆有CVD金剛石。扇形段可被移除並藉由剝離該金剛石塗層、然後以CVD金剛石重新塗覆扇形段而得到翻新並且重新安裝。

Description

經塗覆之化學機械研磨之固定環 【優先權聲明】

本申請案主張於2013年7月11日提出申請之美國臨時專利申請案第61/845,008號之權利，該美國臨時專利申請案之揭露內容以引用方式全文併入本文中。

化學機械研磨(chemical mechanical planarization；CMP)廣泛用於半導體晶片及記憶體裝置之製造。在一化學機械研磨製程期間，藉由一拋光墊、一拋光漿料、以及視需要藉由化學試劑之作用而自一晶圓基板上移除材料。隨著時間的推移，拋光墊變得粗糙(matt)並且填充有來自化學機械研磨製程之碎屑。利用一墊調節器(pad conditioner)對拋光墊進行定期重新調節，該墊調節器會研磨該拋光墊表面並且在該拋光墊之表面上開孔並產生凹凸不平(asperity)。墊調節器之功能係保持化學機械研磨製程中之移除速率。

固定環係用於在一化學機械研磨製程期間保持一基板與一拋光墊接觸。化學機械研磨製程利用化學品及研磨漿料自與拋光墊接觸之 基板之一表面移除材料。固定環之問題包含：固定環之磨損及壽命縮短，隨固定環之使用而由自固定環沉澱之碎屑引發晶圓缺陷，以及由於更換固定環而造成拋光工具停工時間。化學機械研磨固定環通常利用一聚合物(例如聚苯硫醚(polyphenylene sulfide；PPS)或聚醚醚酮(polyether-ether-ketone；PEEK))作為在化學機械研磨拋光製程期間與墊接觸之功能材料而製成。已經使用其他材料(例如，聚碳酸酯及各種等級之聚苯硫醚及聚醚醚酮)。該等材料在與拋光墊接觸時具有不同之磨損速率及摩擦係數，因此摩擦力會產生熱並不斷積聚，進而影響製程。此外，理論上，摩擦墊會在環之正下方局部地推動墊材料。該受到推動之材料會影響晶圓邊緣，藉此相較於晶圓之內部，晶圓之周邊被不均勻地拋光。依據製程以及為彌補此問題而建立之製程設計方案而定，此會造成邊緣之快速拋光或邊緣之慢速拋光。

化學機械研磨固定環必須被加工至嚴格之容差(tight tolerance)並且必須與其他系統組件(例如，拋光墊、漿料、及拋光頭)相容。某些系統使用每個頭四個固定環，並且在相對惡劣條件下，可能每兩天需要替換一次固定環。此外，通常一組環可花費約5,000美元以及相關勞動力成本，對該等環進行重新調節及生產停工時間會進一步增加成本。

化學機械研磨係為半導體及記憶體裝置製造中之主要生產成本。該等化學機械研磨成本包含與拋光墊、拋光漿料、墊調節盤、及在平坦化及拋光操作期間變舊之各種化學機械研磨部件相關之成本。用於化學機械研磨製程之額外成本包含為更換拋光墊所需之工具停工時間以及用以重新校準化學機械研磨拋光墊之測試晶圓之成本。

熟習此項技術者可瞭解，化學機械研磨系統之組件形成一整 合式單元，因而替換該等組件其中之任一者時將需要重新校準整個系統，進而進一步延長系統之停工時間。此外，拋光系統之組件會形成一組，因而使系統之各組件彼此很好地配合會產生最佳之晶圓製備結果。

因此，持續需要提供CMP系統之組件，該等組件包含具有較長磨損壽命、較短停工時間並且可翻新以容許更換固定環接觸表面之固定環。另外，需要提供一如下固定環：該固定環會消除在化學機械拋光製程期間半導體晶圓及其他基板被保持抵靠一旋轉之拋光墊並使得晶圓邊緣之拋光不均勻而造成之半導體晶圓及其他基板之缺陷。

一種在一化學機械研磨製程中用於一基板拋光之固定環包含：一墊環(backing ring)，具有一工具安裝側；以及一或多個可移除之扇形段(segment)，安裝於一安裝側上。該等可移除之扇形段具有一正面及一背面。該等可移除之扇形段之該背面固定至該墊環之該安裝側，該等可移除之扇形段之該正面形成一表面，該表面接觸被保持抵靠一拋光墊之一基板。該等可移除之扇形段係自一石墨前驅體加工而成，以形成在該背面上具有帶螺紋腔之一預浸體。該預浸體變成可藉由一帶螺紋扣件而附著至該墊環之一硬化碳化物陶瓷。該等可移除之扇形段可塗覆有CVD金剛石。該等扇形段可被移除並藉由剝離該金剛石塗層並以CVD金剛石重新塗覆扇形段而進行翻新並且重新安裝。

因此，在一個實例性實施例中，本發明提供一種在一化學機械研磨製程中用於一基板拋光之固定環，該固定環包含：一墊環，具有一工具安裝側及一扇形段安裝側。一或多個可移除之扇形段，塗覆有金剛石，該等可移除之扇形段具有一正面及一背面。該可移除之扇形段之該背面固 定至該墊環之該扇形段安裝側，該等可移除之扇形段之該正面形成一表面，該表面接觸被保持於一拋光墊上之一基板。複數個漿料通道，位於接觸該拋光墊之該表面中。在某些實例性實施例中，該可移除之扇形段之該正面塗覆有CVD金剛石。在該等及其他各種實例性實施例中，該等可移除之扇形段係由一碳化物形成材料(carbide forming material)(例如，鎢、鉬、鉭、矽、銅、鋁、碳、氧化鋁、碳化矽、碳化鎢、碳化鈦、氮化矽、及氮化硼)製成。在某些實例性實施例中，該墊環係由一金屬(例如，不銹鋼、鉬、或鋁)或陶瓷(例如，氧化鋁、塊滑石(steatite)或氧化鋯)製成。

在另一實例性實施例中，本發明提供一種在化學機械研磨拋光中所用之一固定環之一可移除之扇形段，其中該可移除之扇形段係由一碳化物形成材料製成。在該等實施例之某些版本中，該可移除之扇形段係塗覆有CVD金剛石於一接觸側上。在各種實例性實施例中，該可移除之扇形段中加工有帶螺紋之腔。

在其他各種實例性實施例中，本發明提供一種翻新在一化學機械研磨製程中所使用之一固定環之方法，包含：自一用舊的經金剛石塗覆之扇形段之多個表面其中之一移除CVD金剛石，以形成一已翻新之扇形段；以及以CVD金剛石塗覆該扇形段，以提供一已翻新之扇形段。

在再一些實例性實施例中，本發明提供一種製作在一化學機械研磨製程中用於一基板拋光之一固定環之方法，包含：提供一墊環；在該墊環中提供複數個貫穿孔；將二或更多個可移除之扇形段安裝至該墊環；以及在該固定環中提供複數個漿料通道。在某些實例性實施例中，將該等扇形段安裝至該墊環包含：使用一帶螺紋扣件、黏合劑、或其組合將該等扇形段固定至該墊環。在各種實例性實施例中，該二或更多個扇形段 具有一層CVD金剛石塗覆於一接觸側上。在某些實例性實施例中，該等可移除之扇形段係由一碳化物形成材料(例如，鎢、鉬、鉭、矽、銅、鋁、碳、氧化鋁、碳化矽、碳化鎢、碳化鈦、氮化矽、及氮化硼)製成。

在又一些實例性實施例中，本發明提供一種在一化學機械研磨製程中用於一基板拋光之固定環，包含：一墊環，該墊環具有複數個貫穿孔以用於安裝複數個可移除之扇形段；以及二或更多個可移除之扇形段。在某些實施例中，該墊環係為金屬或陶瓷。在某些實施例中，該金屬係為不銹鋼、鉬、或鋁。在其他實施例中，該陶瓷係為氧化鋁、塊滑石或氧化鋯。在各種實例性實施例中，該等可移除之扇形段係由一碳化物形成材料(例如，鎢、鉬、鉭、矽、銅、鋁、碳、氧化鋁、碳化矽、碳化鎢、碳化鈦、氮化矽、及氮化硼)製成。

結合以下說明及附圖，將會更佳地領會及理解本發明之該等及其他態樣。以下說明儘管表明本發明之各種實施例及其眾多具體細節，然而其係僅以例示方式而非限制方式給出。可在本發明之範圍內作出諸多替代、潤飾、添加或重新安排，且本發明包含所有此等替代、潤飾、添加或重新安排。

20‧‧‧固定環

22‧‧‧墊環

24‧‧‧扇形段

26‧‧‧漿料通道

28‧‧‧孔

42a‧‧‧緊固孔

42b、44b‧‧‧腔

44a‧‧‧螺紋支撐件

240‧‧‧扇形段預浸體

242‧‧‧螺紋孔

244‧‧‧導孔

A-A‧‧‧線

包含本說明書之附圖及形成部分係為了描繪本發明之某些態樣。藉由參照圖式中所例示之實例性且因此非限制性實施例，對本發明及各組件之更清晰之印象以及本發明所提供之系統之操作將變得更加顯而易見，其中相同之參考編號指示相同之組件。應注意，圖式中所例示之特徵並非按比例繪製。

第1圖係為本領域中已知之一晶圓拋光總成之示意圖。

第2A圖至第2C圖係為描繪本發明之一固定環及該固定環之一可移除之扇形段之一預浸體的一實例性實施例的圖式。

第3A圖係為第2圖所示一可移除之扇形段之示意性左側視圖。第3B圖係為第3A圖所示可移除之扇形段之俯視平面圖，且第3C圖係為第3A圖及第3B圖所示可移除之扇形段之立體仰視平面圖。

第4A圖係為本發明之一固定環之一實例性實施例之俯視平面圖。第4B圖係為根據第4A圖所示本發明實施例之一墊環之俯視平面圖。

第5A圖係為第4B圖所示墊環之側視平面圖。第5B圖係為第5A圖所示墊環之另一正視平面圖。第5C圖係為第5B圖所示墊環經過線A-A截取之剖視圖。

第6圖係為本發明之一可移除之扇形段之一實例性實施例的立體俯視平面圖。

第7A圖係為本發明之一墊環之一實施例之立體俯視平面圖。第7B圖係為本發明之被設計成與第7A圖所示墊環配合之一可移除之扇形段的一實例性實施例之立體仰視平面圖。第7C圖係為第7B圖所示可移除之扇形段之仰視平面圖。第7D圖顯示第7A圖至第7C圖所示之複數個組件被組裝至本發明一實例性實施例之一固定環中。

第8A圖係為本發明之一實例性實施例之一可移除之扇形段之立體俯視平面圖。第8B圖係為第8A圖所示可移除之扇形段之立體仰視平面圖。

第9圖係為本發明之一固定環之一實例性實施例之照片。

儘管本文闡述了各種組成物及方法，然而應理解，本發明並非受限於所述之特定分子、組成物、設計、方法或協定，乃因該等特定分子、組成物、設計、方法或協定可有所變化。亦應理解，本說明中所用之術語僅係用於闡述特定版本或實施例，而並非旨在限制本發明之範圍，本發明之範圍將僅由隨附申請專利範圍限制。

亦須注意，除非上下文中清楚地另外指明，否則本文及隨附申請專利範圍中所用之單數形式「一(a、an)」及「該(the)」包含複數形式。因此，舉例而言，所提及之「扇形段(segment)」係指一固定環上之一或多個扇形段及熟習此項技術者所習知之其等效形式等。除非另外定義，否則本文所用之所有技術及科學用語之意義皆與此項技術中之通常知識者所通常理解之意義相同。與本文所述之方法及材料類似或等效之方法或材料可用於實踐或測試本發明之實施例。本文所提及之所有出版物皆以引用方式全文併入本文中。本文中之全部內容皆不被視為承認本發明無權憑藉先前發明而超前於此等揭露內容。「視需要(optional或optionally)」意指隨後所述之事件或情況可能發生或可能不發生，並意指說明中包含其中事件發生之情形及其中事件不發生之情形。本文中之所有數值皆可由用語「大約(about)」來修飾，無論是否明確指明。用語「大約(about)」一般係指熟習此項技術者認為等價於所列值(即，具有相同之功能或結果)之數字範圍。在某些實施例中，用語「大約(about)」係指所述值之±10%，在其他實施例中，用語「大約(about)」係指所述值之±20%。儘管以「包含(comprising)」各種組分或步驟之用語(被解釋為「包含但不限於」之意義)來闡述各組成物及方法，然而該等組成物及方法亦可實質上由或由該 等組分及步驟「組成(consist)」，此術語應被解釋為定義基本上封閉或封閉之構件群組。

儘管已針對一或多個實施方案顯示並闡述了本發明，然而其他熟習此項技術者在閱讀及理解本說明書及附圖後將會聯想出等效之改動及潤飾。本發明包含所有此等潤飾及改動且僅由以下申請專利範圍之範圍來限制。此外，儘管可針對若干實施方案其中之僅一個來揭露本發明之一特定特徵或態樣，然而若對於任一給定或特定應用而言合意或有利，則此特徵或態樣可與其他實施方案之一或多個其他特徵或態樣相結合。此外，若在本詳細說明或申請專利範圍中使用用語「包含(includes)」、「具有(having)」、「具有(has)」、「帶有(with)」、或其變形，則此等用語旨在以與用語「包含(comprising)」類似之方式具有包含性。此外，用語「實例性(exemplary)」僅意在表示一實例，而非最佳的。亦應理解，為簡明及易於理解起見，本文所描繪之特徵、層、及/或元件以相對於彼此之特定尺寸及/或取向來例示，並且實際尺寸及/或取向可實質上不同於本文所示者。

在製造CMP系統之組件時，過去之技術在很大程度上依靠使用各種聚合物(例如，聚醚醚酮及聚苯硫醚)來製作用於各種組件之基板。關於固定環，使用聚醚醚酮及聚苯硫醚來製造CMP組件會由於因一般磨損導致需要更換部件而造成停工時間。在為克服對拋光墊調節器之一表面之典型磨損所作之一嘗試中，例如利用一黏合劑(例如，環氧樹脂或一可固化之基質(例如，硬焊合金))將研磨微粒(例如金剛石微粒)黏著至該表面。然而，來自該等墊調節器之金剛石可被去除，此可由於在拋光操作期間刮擦晶圓而造成良率損失。

在該等及其他實例性實施例中，固定環包含一墊環及由一碳 化物材料製成之複數個可移除/可替換並可翻新之扇形段。在該等實例性實施例中，該等可移除之扇形段係以嚴格之容差自一塊石墨加工而成，以形成一預浸體，該預浸體中設計有帶螺紋之腔以與一墊環中之孔配合。接著，該預浸體利用已知之程序而被轉變成一碳化物陶瓷，且沈積一層化學氣相沈積(chemical vapor deposition；CVD)金剛石作為固定環之磨損表面。該固定環包含由例如矽、氮化矽或可塗覆有金剛石之任何其他材料等材料製成之單獨之扇形段。亦可單獨使用金剛石。金剛石或經金剛石塗覆之扇形段被附著至環的組裝至化學機械研磨工具中化學機械研磨拋光頭的部分。

有利地，金剛石具有顯著低於當前化學機械研磨製程中所用之材料之摩擦係數，並且為可獲得之最低摩擦係數(coefficient of friction；COF)材料之一。此種低的摩擦係數將大大減小墊上之剪切力及水平摩擦力，進而減小或消除晶圓邊緣下方之墊推動力。金剛石塗層或某些版本中之多晶金剛石塗層可更塗覆有類金剛石碳(diamond like carbon)，以提供一定程度之電荷耗散及經修正之摩擦係數。

扇形段上之金剛石塗層亦具有優異之熱傳遞特性，並且將自製程移除熱量以容許對應用進行更大之設計控制。

金剛石亦係為可獲得之最硬之材料，此會使環上所用之扇形段能夠具有長之製程壽命。

金剛石膜將可由用於晶圓之化學機械研磨工具端點偵測系統(end point detection system)來量測。亦可藉由採集金剛石層來觀察膜之厚度，並且可藉由剩餘之膜厚度來判斷環之壽命終止。

拉希德(Rashed)等人之美國專利8,142,845(以引用方式全 文併入本文中)闡述了如何將石墨塊加工成一接近網形狀之製品並接著使其在一第一預先選擇之溫度下與一氧化矽氣體接觸以形成多孔碳化矽預製件(porous silicon carbide preform)。在本發明之全部實施例中，該第一預先選擇之溫度係處於約1400攝氏度至約2000攝氏度之一範圍內。

接著將多孔碳化矽預製件內之相當數目之孔填充以一碳前軀體，以產生一經填充之碳化矽預製件。當該碳前驅體係為一氣體時，該經填充之碳化物預製件使其孔至少部分地填充有該氣體。在此碳化步驟中，該碳前驅體浸漬或滲透該多孔碳化矽預製件，以在該多孔碳化矽預製件之開孔內形成一碳結構。當該碳前驅體係為液體時，接著以一第二預先選擇之溫度加熱該經填充之碳化矽預製件以聚合該經填充之碳化矽預製件內所包含之碳前驅體，進而形成聚合之經填充碳化矽預製件。在本發明之使用一液體前驅體之實施例中，該第二預先選擇之溫度係處於約70攝氏度至約250攝氏度之一範圍內。另一較佳實施例包含：該第二預先選擇之溫度係處於約90攝氏度至約150攝氏度之一範圍內。

以一第三預先選擇之溫度對聚合之經填充碳化矽之結構進一步加熱，以在多孔碳化矽預製件之孔內形成一碳質多孔結構。該碳質多孔結構實質上被燒焦。在本發明之全部實施例中，該第三預先選擇之溫度係處於約800攝氏度至約1800攝氏度之一範圍內。在一較佳實施例中，該第三預先選擇之溫度係處於約800攝氏度至約1200攝氏度之一範圍內。可重複該製程直至在多孔碳化矽預製件之孔內形成所需量之碳。

接著使碳質多孔結構以一第四預先選擇之溫度及一第一預先選擇之壓力而在一惰性氣氛中與矽接觸。在本發明之使該碳質多孔結構在一惰性氣氛中與矽接觸之實施例中，該第四預先選擇之溫度係約超過矽 之一熔點。在此矽化步驟中，矽浸透或擴散穿過該碳質多孔結構，並與多孔碳化矽預製件之孔內所包含之碳發生反應而在該多孔碳化矽預製件之孔內形成碳化矽。所形成之碳化矽係為一接近網形狀之緻密碳化矽製品。碳向碳化矽之轉變會伴隨著摩爾體積之增大，進而導致緻密化。所形成之緻密碳化矽本質上不具有開孔率或具有實質上減小之開孔率。

由於石墨之易於加工性及碳化矽之硬度，在化學機械研磨系統中使用碳化矽組件係為有益的。然而，史密斯(Smith)等人所揭露之扇形段使用環氧樹脂進行附著會由於意外之分離以及缺乏成本有效性(cost effectiveness)而增加方法之不可靠性，乃因碳化矽扇形段無法更換並因此而仍然具有與非陶瓷先前技術組件相同之報廢量儘管報廢量略有減小。

當前發明者已認識到，碳化矽扇形段在其石墨預浸體階段中提供一唯一機會來將各特徵引入碳化矽組件中，此不僅使該碳化矽組件更為有用、且亦使得該等組件可重複利用，進而提供不會受到傳統化學機械研磨組件之固有報廢量(built-in obsolescence)阻礙之僅有化學機械研磨組件。為此，發明者已確認，石墨預浸體可被加工成在扇形段之背面(非接觸面)中包含螺釘或固定孔。因此，在使用時，碳化矽扇形段無需依靠黏合劑來將其黏著至一墊環。

此外，發明者意識到，如本領域中所知，可在已完工之碳化矽扇形段上生長CVD金剛石。碳化矽由於其硬度、惰性及2,730攝氏度之高熔點而提供用於在上面生長CVD金剛石之理想基板。在CVD製程中，利用微波功率、熱燈絲、雷射或電子束或類似物而使碳氣體在非常高之溫度下電離，並且電離之碳於基板上沈積成金剛石。在該製程期間，基板可達到約800攝氏度之溫度。由於聚醚醚酮及聚苯硫醚之熔點分別遠低於343攝氏 度及218攝氏度，故用於製作CMD組件之傳統材料根本無法適用於CVD金剛石之生長。

此外，由於碳化矽之硬度，扇形段可藉由螺紋孔而牢固地附著至一墊環，並且易於分離，進而使得不僅能夠更換墊環上之扇形段而且能夠藉由移除CVD層並在現有碳化矽扇形段上重新沈積一新層來翻新該等扇形段。

第2A圖例示根據本發明之一固定環20之一實例性實施例。如圖所示，固定環20包含一墊環22、複數個可移除之扇形段24及位於相鄰扇形段24間之一漿料通道26。第2B圖係為自底部或附著至墊環之側顯示可移除之扇形段預浸體240之示意圖。如圖所示，石墨預浸體可被加工至極其嚴格之容差並包含複數個螺紋孔242以及複數個導孔244，螺紋孔242用於插入一螺紋套(screw thread coil)(例如，一Heli-Coil®)，導孔244用於在墊環22上對已完工之可移除之扇形段24進行定向。第2C圖係為可移除之扇形段24之預浸體240之一剖視圖，其例示螺紋孔242及導孔244係為盲孔而不穿透預浸體扇形段240。熟習此項技術者將瞭解，在陶瓷化預浸體時，螺紋套被插入至帶螺紋之螺紋孔中，以為一帶螺紋扣件(例如，螺栓或螺釘)提供一健壯之帶螺紋附著腔，進而將扇形段24固定至墊環22。

第3圖係為可移除之扇形段預浸體240之各種視角之示意圖。第3A圖係為本發明預浸體240之一實例性實施例的左側視圖。如在本實施例中所示，預浸體240之外邊緣被加工成具有複數個斜切之邊緣。當然，熟習此項技術者將瞭解，由於易於加工石墨預浸體，因此預浸體240之側表面及上表面可被加工成具有各種輪廓或已完工之扇形段24可能需要之其他特徵。第3B圖係為預浸體之俯視圖，且第3C圖係為預浸體之仰視圖，其顯 示被加工用於螺紋套插入及定向之複數個孔。第3A圖至第3C圖係為一固定環扇形段之詳圖。儘管針對用於300毫米晶圓之一固定環進行例示，然而亦可為450毫米直徑晶圓固定環或200毫米直徑晶圓固定環製作具有合適尺寸、曲率及大小之扇形段。

第4圖係為本發明一實例性實施例之一已完成之固定環20的俯視平面圖。在此視圖中，由相鄰扇形段24間之間隙形成複數個漿料通道26。該圖顯示漿料通道26相對於法線(normal)之角度係為扇形段24之形狀之一函數。第4B圖係為第4A圖所示固定環20之仰視平面圖。此視圖顯示固定環具有許多個孔28，該等孔28用於安裝可移除之扇形段24並將固定環20安裝至一拋光工具(圖中未示出)之一載體頭。

第5A圖至第5C圖係為本發明之墊環22之一實例性實施例之示意圖。第5A圖係為墊環22之側視平面圖。第5B圖係為第5A圖所示墊環之正視平面圖。第5C圖係為第5B圖所示墊環22穿過線A-A截取之一剖視圖。

第6圖係為本發明之一可移除之扇形段24之一實例性實施例的立體俯視平面圖。

第7A圖至第7D圖例示本發明一實例性實施例之固定環20之總成。第7A圖係為一墊環22之立體俯視平面圖。44a係為用於扣件之螺紋支撐件，用於將固定環20安裝至拋光工具頭(圖中未示出)。42a係為用於將可移除之扇形段24安裝至墊環22之螺紋支撐件。第7B圖係為可移除之扇形段24之底側之立體圖。腔44b係為用於墊環22之螺紋支撐件44a之間隙，螺紋支撐件44a用於將固定環固定至拋光頭。腔42b係為用於扣件(例如穿過墊環22之緊固孔(fastening hole)42a之螺釘或螺栓(圖中未示出))之螺紋孔。第7C圖係為第8B圖所示可移除之扇形段24之立體俯視平面圖。第7D圖 係為本發明一實例性實施例之已組裝固定環20之背面立體圖。

第8A圖及第8B圖係為可移除之扇形段24之立體俯視平面圖及立體仰視平面圖。

第9圖係為本發明之固定環20之一實例性實施例之俯視平面立體照片。在此實施例中，可移除之扇形段24係被安裝至不銹鋼墊環。漿料通道26形成於相鄰扇形段24之間。

熟習此項技術者將瞭解，本文所揭露之固定環相對於所用之傳統固定環具有許多益處。該等益處包含：首先，碳化矽極為堅硬，進而提供具有有用壽命之基板。其次，藉由自一石墨預浸體製作碳化矽基板，可將該預浸體加工至可在各扇形段之間再現之非常嚴格之容差。此外，預浸體可被加工成具有任何所需之表面特徵。第三，由於碳化矽扇形段具有高熔點，因此碳化矽扇形段易於在其表面上進行金剛石CVD沈積。第四，金剛石具有非常高之導熱性，並因此可用作一散熱器(heat sink)以進一步提高化學機械研磨系統及組件之效率及延長其壽命。第五，金剛石具有極低之摩擦係數以大大減小墊上之剪切力及橫向摩擦力，進而減小晶圓邊緣下方之墊推動力。第六，由具有耐受性之基板(例如，不銹鋼、鉬、或鋁)製成之金剛石塗層、可移除之碳化矽扇形段、及墊環相對於化學機械研磨製程之化學作用具有強得多的惰性。此外，所有該等因素皆會降低不僅固定環而且化學機械研磨系統之磨損率。

本發明之方法及組件容許對矽晶圓製造製程中之各種問題定製解決方案。此使使用者能夠使形態及組成與墊、漿料調節器類型相匹配。本文所述之發明容許使用者減少開發時間及成本，乃因可移除之扇形段可自墊環移除且CVD金剛石可在氧化性氣氛中利用高溫自碳化矽扇形段 剝離。可重新塗覆碳化矽基板扇形段以提供CVD膜之許多變形，藉以達成與製程要求之理想匹配。

本發明之一版本係為一種具有CVD金剛石塗層及可翻新之磨損表面之化學機械研磨固定環。

本發明之一版本係為一種製造碳化矽系化學機械研磨固定環之方法，該固定環具有以CVD金剛石膜塗覆之一功能性表面。該金剛石CVD膜可提供改良之導熱性、較長之環壽命並且通常對製程化學作用呈惰性。

CVD金剛石膜之化學特性及/或物理特性及/或形態可進行修改以與化學機械研磨製程需求(例如，固定環壓力或漿料或拋光化學作用)相匹配。此外，可將CVD金剛石膜之形態及組成調整成與製程要求相匹配。舉例而言，金剛石膜之粗糙度可根據CVD製程條件而異。

可對碳化矽形成扇形段基板(carbide forming segment substrate)重新塗覆以提供CVD膜之眾多變形，進而達成與製程要求之理想匹配。已被使用或用舊之金剛石塗層可藉由一電漿蝕刻製程而被移除，直至下伏碳化矽被暴露出，接著重新塗覆CVD金剛石。

碳化物形成扇形段上之CVD金剛石塗層可利用如齊默(Zimmer)等人在WO/1999/002309中所揭露之熱燈絲化學氣相沈積而製成，WO/1999/002309係以引用方式全文併入本文中。加爾平(Galpin)等人在WO/2012/122186中揭露了用於構成本發明各版本之固定環之陶瓷扇形段之材料、製造及成型陶瓷扇形段之方法、以及用於以CVD金剛石塗覆陶瓷扇形段之材料及方法，WO/2012/122186之內容係以引用方式全文併入本 文中。在本發明之某些版本中，沈積於陶瓷扇形段上之CVD金剛石係為多晶金剛石。

在本發明之某些版本中，可在該一或多個扇形段上將類金剛石碳(diamond like carbon；DLC)施加於CVD金剛石上。類金剛石碳塗層可有利地用於改變固定環之摩擦係數、磨損速率、及電荷耗散。

墊環可由一如下剛性材料形成：例如金屬(如不銹鋼、鉬或鋁)或陶瓷(如，氧化鋁、塊滑石或氧化鋯)或其他實例性材料。墊環可包含如螺栓、孔、帶螺紋之結構等結構，以用於將扇形段附著至墊環之一表面並用於將墊環固定至一拋光工具之載體頭(carrier head)。

在本發明之某些版本中，例如如蘇尼加(Zuniga)等人在美國專利第6,251,215號中所揭露，墊環可包含一或多個附加層，該美國專利之內容係以引用方式全文併入本文中。舉例而言，如美國專利第6,251,215號所示，可用可移除之扇形段來代替下部180並結合至上部184。

被固定至墊環之扇形段可由碳化物形成材料製成，以形成更有利於金剛石生長之一表面。在本發明之各版本中，扇形段可係為包含金屬(例如，鎢、鉬、鉭、矽、銅、鋁)或非金屬(例如，碳、氧化鋁、碳化矽、碳化鎢、碳化鈦、氮化矽、及氮化硼)之碳化物形成材料。該等扇形段可係為一陶瓷材料。

在本發明之某些版本中，扇形段包含碳化矽。碳化矽可由石墨前驅體形成，並且可係為多孔的或可係為孔被封閉之多孔碳化矽。碳化矽亦可係為一緻密碳化矽。

扇形段可藉由各種技術或各技術之一組合而被固定或牢固 至墊環。舉例而言，一或多個螺釘或螺栓可插穿過墊環並插入至一扇形段中之一或多個螺紋孔或帶螺紋之插件中。扇形段亦可利用一黏合劑(例如環氧樹脂或合適之雙面膠帶)而被牢固至墊環。

儘管在第1圖至第9圖中顯示為單獨之扇形段，然而本發明之各版本可包含二或更多個較小扇形段之一組合。舉例而言，一碳化物形成材料可具有二、三或更多個單獨之扇形段及於該等扇形段之間被加工至該碳化物形成材料中之漿料通道。該等較大之扇形段可接著被固定至墊環。

按照自1至32之次序列舉之以下段落提供了本發明之各種態樣。在一個實施例中，在一第一段落(1)中，本發明提供：

1.一種在一化學機械研磨製程中用於一基板拋光之固定環，包含：一墊環，具有一工具安裝側及一扇形段安裝側；一或多個可移除之扇形段，該等可移除之扇形段具有一正面及一背面，該背面固定至該墊環之該扇形段安裝側，該等可移除之扇形段之該正面形成接觸一基板之一表面；以及複數個漿料通道，位於接觸該拋光墊之該表面中。

2.如段落2所述之固定環，其中該可移除之扇形段之該正面塗覆有CVD金剛石。

3.如段落1至2所述之固定環，其中該可移除之扇形段係由一碳化物形成材料製成。

4.如段落1至3所述之固定環，其中該碳化物形成材料係為 鎢、鉬、鉭、矽、銅、鋁、碳、氧化鋁、碳化矽、碳化鎢、碳化鈦、氮化矽、及氮化硼。

5.如段落1至4所述之固定環，其中該墊環係由金屬或陶瓷製成。

6.如段落1至5所述之固定環，其中該金屬係為不銹鋼、鉬、或鋁。

7.如段落1至6所述之固定環，其中該陶瓷係為氧化鋁、塊滑石或氧化鋯。

8.如段落1至7所述之固定環，其中該可移除之扇形段係自一石墨前驅體加工而成。

9.如段落1至8所述之固定環，其中該可移除之扇形段在一接觸側上塗覆有CVD金剛石。

10.如段落1至9所述之可移除之扇形段，其中在一石墨前驅體中加工有複數個帶螺紋之緊固腔(threaded fastening pocket)。

11.如段落1至10所述之可移除之扇形段，其中複數個螺紋套被插入於該陶瓷化(ceramisized)扇形段之該等帶螺紋之緊固腔中。

12.一種翻新在一化學機械研磨製程中所使用之一固定環之方法，包含：自一用舊的經金剛石塗覆之扇形段之多個表面其中之一移除CVD金剛石，以形成一已翻新之扇形段；以及以CVD金剛石塗覆該扇形段，以提供一已翻新之扇形段。

13.如段落12所述之方法，其中移除該CVD金剛石係利用一蝕刻製程或在一氧化性氣氛中利用高溫達成。

14.如段落12至13所述之方法，其中該蝕刻製程係為一電漿蝕刻製程。

15.如段落12至14所述之方法，更包含將一已翻新之扇形段固定於一墊環上，以提供一已翻新之固定環。

16.一種製作在一化學機械研磨製程中用於一基板拋光之一固定環之方法，包含：提供一墊環；在該墊環中提供複數個貫穿孔；將二或更多個可移除之扇形段安裝至該墊環；以及在該固定環中提供複數個漿料通道。

17.如段落16所述之方法，其中將該等扇形段安裝至該墊環包含：使用一帶螺紋扣件、黏合劑、或其組合將該等扇形段固定至該墊環。

18.如段落16至17所述之方法，其中各該二或更多個扇形段具有一層CVD金剛石塗覆於一接觸側上。

19.如段落16至18所述之方法，其中提供該等漿料通道包含：在被固定至該墊環之各該二或更多個扇形段之間提供一間隙。

20.如段落16至19所述之方法，其中該等可移除之扇形段係由碳化物形成材料製成。

21.如段落16至20所述之方法，其中該等碳化物形成材料係為鎢、鉬、鉭、矽、銅、鋁、碳、氧化鋁、碳化矽、碳化鎢、碳化鈦、氮化矽、及氮化硼。

22.如段落16至21所述之方法，其中該墊環係由金屬或陶瓷製成。

23.如段落16至22所述之方法，其中該金屬係為不銹鋼、鉬、或鋁。

24.如段落16至23所述之方法，其中該陶瓷係為氧化鋁、塊滑石或氧化鋯。

25.一種在一化學機械研磨製程中用於一基板拋光之固定環，包含：一墊環，該墊環具有複數個貫穿孔以用於安裝複數個可移除之扇形段；以及二或更多個可移除之扇形段。

26.如段落25所述之固定環，其中該墊環係為金屬或陶瓷。

27.如段落25至26所述之固定環，其中該金屬係為不銹鋼、鉬、或鋁。

28.如段落25至27所述之固定環，其中該陶瓷係為氧化鋁、塊滑石或氧化鋯。

29.如段落25至28所述之固定環，其中該等可移除之扇形段具有一層CVD金剛石位於接觸一基板之一表面上。

30.如段落25至29所述之固定環，其中該等可移除之扇形段係由碳化物形成材料製成。

31.如段落25至30所述之固定環，其中該等碳化物形成材料係為鎢、鉬、鉭、矽、銅、鋁、碳、氧化鋁、碳化矽、碳化鎢、碳化鈦、氮化矽、及氮化硼。

32.如段落25至31所述之固定環，更在接觸一基板之一側上包含複數個漿料通道。

一種實質上如本文所述之發明。

儘管已參照本發明之某些實施例相當詳細地闡述了本發明，然而亦可具有其他版本。因此，隨附申請專利範圍之精神及範圍不應受限於本說明書內所包含之說明及版本。

20‧‧‧固定環

22‧‧‧墊環

24‧‧‧扇形段

26‧‧‧漿料通道

240‧‧‧扇形段預浸體

242‧‧‧螺紋孔

244‧‧‧導孔

A‧‧‧圖

B‧‧‧圖

C‧‧‧圖

Claims (33)

1. 一種在一化學機械研磨製程中用於一基板拋光之固定環，包含：一墊環(backing ring)，具有一工具安裝側及一扇形段(segment)安裝側；一或多個可移除之扇形段，該等可移除之扇形段具有一正面及一背面，該背面固定至該墊環之該扇形段安裝側，該等可移除之扇形段之該正面形成接觸一基板之一表面；以及複數個漿料通道，位於接觸該拋光墊之該表面中。
2. 如請求項2所述之固定環，其中該可移除之扇形段之該正面塗覆有CVD金剛石。
3. 如請求項1至2所述之固定環，其中該可移除之扇形段係由一碳化物形成材料(carbide forming material)製成。
4. 如請求項1至3所述之固定環，其中該碳化物形成材料係為鎢、鉬、鉭、矽、銅、鋁、碳、氧化鋁、碳化矽、碳化鎢、碳化鈦、氮化矽、及氮化硼。
5. 如請求項1至4所述之固定環，其中該墊環係由一碳化物形成材料、金屬或陶瓷製成。
6. 如請求項1至5所述之固定環，其中該金屬係為不銹鋼、鉬、或鋁。
7. 如請求項1至6所述之固定環，其中該陶瓷係為氧化鋁、塊滑石(steatite)或氧化鋯。
8. 如請求項1至7所述之固定環，其中該可移除之扇形段係自一石墨前驅體加工而成。
9. 如請求項1至8所述之固定環，其中該可移除之扇形段在一接觸側上塗覆有CVD金剛石。
10. 如請求項1至9所述之可移除之扇形段，其中在一石墨前驅體中加工有複數個帶螺紋之緊固腔(threaded fastening pocket)。
11. 如請求項1至10所述之可移除之扇形段，其中複數個螺紋套(screw thread coil)被插入於該陶瓷化(cermisized)扇形段之該等帶螺紋之緊固腔中。
12. 一種翻新在一化學機械研磨製程中所使用之一固定環之方法，包含：自一用舊的經金剛石塗覆之扇形段之多個表面其中之一移除CVD金剛石，以形成一已翻新之扇形段；以及以CVD金剛石塗覆該扇形段，以提供一已翻新之扇形段。
13. 如請求項12所述之方法，其中移除該CVD金剛石係利用一蝕刻製程或在一氧化性氣氛中利用高溫達成。
14. 如請求項12至13所述之方法，其中該蝕刻製程係為一電漿蝕刻製程。
15. 如請求項12至14所述之方法，更包含將一已翻新之扇形段固定於一墊環上，以提供一已翻新之固定環。
16. 一種製作在一化學機械研磨製程中用於一基板拋光之一固定環之方法，包含：提供一墊環；在該墊環中提供複數個貫穿孔；將二或更多個可移除之扇形段安裝至該墊環；以及在該固定環中提供複數個漿料通道。
17. 如請求項16所述之方法，其中將該等扇形段安裝至該墊環包含：使用一 帶螺紋扣件、黏合劑、或其組合將該等扇形段固定至該墊環。
18. 如請求項16至17所述之方法，其中各該二或更多個扇形段具有一層CVD金剛石塗覆於一接觸側上。
19. 如請求項16至18所述之方法，其中提供該等漿料通道包含：在被固定至該墊環之各該二或更多個扇形段之間提供一間隙。
20. 如請求項16至19所述之方法，其中該等可移除之扇形段係由碳化物形成材料製成。
21. 如請求項16至20所述之方法，其中該等碳化物形成材料係為鎢、鉬、鉭、矽、銅、鋁、碳、氧化鋁、碳化矽、碳化鎢、碳化鈦、氮化矽、及氮化硼。
22. 如請求項16至21所述之方法，其中該墊環係由金屬或陶瓷製成。
23. 如請求項16至22所述之方法，其中該金屬係為不銹鋼、鉬、或鋁。
24. 如請求項16至23所述之方法，其中該陶瓷係為氧化鋁、塊滑石或氧化鋯。
25. 一種在一化學機械研磨製程中用於一基板拋光之固定環，包含：一墊環，該墊環具有複數個貫穿孔以用於安裝複數個可移除之扇形段；以及二或更多個可移除之扇形段。
26. 如請求項25所述之固定環，其中該墊環係為金屬或陶瓷。
27. 如請求項25至26所述之固定環，其中該金屬係為不銹鋼、鉬、或鋁。
28. 如請求項25至27所述之固定環，其中該陶瓷係為氧化鋁、塊滑石或氧化鋯。
29. 如請求項25至28所述之固定環，其中該等可移除之扇形段具有一層CVD金剛石塗覆於接觸一基板之一表面上。
30. 如請求項25至29所述之固定環，其中該等可移除之扇形段係由碳化物形成材料製成。
31. 如請求項25至30所述之固定環，其中該等碳化物形成材料係為鎢、鉬、鉭、矽、銅、鋁、碳、氧化鋁、碳化矽、碳化鎢、碳化鈦、氮化矽、及氮化硼。
32. 如請求項25至31所述之固定環，更在接觸一基板之一側上包含複數個漿料通道。
33. 一種實質上如本文所述之發明。