TW201542319A - 具有具刻面的內表面的固定環 - Google Patents

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Abstract

一固定環包括一般環狀主體。該主體包括頂表面、底表面、外表面及內表面，該外表面在外頂部周邊處與頂表面連接及在外底部周邊處與底表面連接，該內表面在內頂部周邊處該頂表面連接及在內底部周邊處與底表面連接。內表面包含七或七個以上的平坦刻面。鄰近的平坦刻面於角(corner)處連接。內底部周邊包含於角處連接的平坦刻面的直邊。

Description

具有具刻面的內表面的固定環
本發明揭露一般係關於基板的化學機械研磨，且更特定言之係關於用於化學機械研磨中的固定環。
積體電路通常係藉由在矽基板上導電層、半導電層或絕緣層的連續沉積而於基板上形成。一個製造步驟包含將填充層沉積於非平坦表面上，以及將填充層平坦化直到非平坦表面暴露。例如，導電填充層可以沉積在圖案絕緣層上以填充絕緣層上的溝槽或孔。接著研磨填充層直到絕緣層的凸起圖案暴露。在平坦化之後，在絕緣層的凸起圖案間的導電層部分形成通孔、插頭與線路以提供基板上薄膜電路間的導電路徑。此外，可能需要平坦化以將基板表面處的介電層平坦化以用於光刻。
化學機械研磨(CMP)係一種被接受的平坦化方法。平坦化方法通常要求基板安裝於載體或CMP設備的研磨頭上。基板的暴露表面抵靠旋轉研磨盤墊或帶墊置放。研磨墊(polishing pad)可以係「標準」墊或固定研磨墊(fixed-abrasive pad)。標準墊具有耐用的粗糙表面，而固定 研磨墊具有固持於容納媒介中的研磨粒子。承載頭提供基板上的可控制負載以將承載頭推抵研磨墊。包括至少一個化學反應劑的研磨漿與研磨粒子(如果係使用標準墊的話)供應到研磨墊的表面。
基板通常藉由固定環而固持於承載頭下。然而，因為固定環接觸研磨墊，固定環往往磨損，且偶而替換。某些固定環具有由金屬形成的上部分及由耐用塑膠形成的下部分，而某些其他固定環係單一塑膠部分。
在一個態樣中，本揭露的特徵係包括一般環狀主體體固定環。主體包括頂表面、底表面、外表面及內表面，該外表面在外頂部周邊處與頂表面連接及在外底部周邊處與底表面連接，該內表面在內頂部周邊處該頂表面連接及在內底部周邊處與底表面連接。內表面包含七或七個以上的平坦刻面。鄰近的平坦刻面於角處連接。內底部周邊包含於角處連接的平坦刻面的直邊。
在另一個態樣中，本揭露的特徵係包括基板承接表面與環繞基板承接表面的一般環狀固定環之承載頭。固定環包括頂表面、底表面、外表面及內表面，該外表面在外頂部周邊處與頂表面連接及在外底部周邊處與底表面連接，該內表面在內頂部周邊處該頂表面連接及在內底部周邊處與底表面連接。內表面包含七或七個以上的平坦刻面。鄰近的平坦刻面於角處連接。內底部周邊包含於角處連接的平坦刻面的直邊。
在另一個態樣中，本揭露的特徵係一種研磨方法，包括於基板與研磨表面之間產生相對運動以及用固定環限制基板。固定環包括頂表面、底表面、外表面及內表面，該外表面在外頂部周邊處與頂表面連接及在外底部周邊處與底表面連接，該內表面在內頂部周邊處該頂表面連接及在內底部周邊處與底表面連接。內表面包含七或七個以上的平坦刻面。鄰近的平坦刻面於角處連接。內底部周邊包含於角處連接的平坦刻面的直邊。基板與研磨表面間的相對運動導致固持的基板同時接觸固定環的內表面的兩個或兩個以上的刻面。
固定環、承載頭與方法的實施例亦可包括以下特徵中的一或多個。底表面包括從外表面延伸至內表面的溝槽，且各溝槽包含一端部，該端部開向在角處的主體之內表面。內表面包括第一數量的刻面及底表面包括第二數量的溝槽。第一數量係第二數量的正整數倍。第一數量等於第二數量。溝槽以一角度定向，該角度相對於延伸通過固定環的中心之徑向部分。各角自頂表面延伸到底表面。各刻面具有矩形或方形形狀，該矩形或方形具有由頂表面形成的頂直邊、由底表面形成的底直邊，及沿著兩角的兩直側邊。內表面總共包括18個刻面。內底部周邊具有對稱形狀。內頂部周邊與內底部周邊的一或兩者形成多邊形。固定環中心與平坦表面的距離係大約150mm至約155mm。主體包括耐用的材料。研磨液體供應至研磨表面使得研磨液體流動通過底表面中的溝槽及固定環下而至基板。
本發明的一或多個實施例詳述於以下所附圖式與說明書中。本發明的其他特徵、物件及優點將自說明書與圖式及申請專利範圍中得以彰顯。
100‧‧‧固定環
110‧‧‧外表面
112‧‧‧上表面
114‧‧‧下表面
120‧‧‧內表面
130‧‧‧溝槽
132‧‧‧垂直側壁
134‧‧‧頂板
136‧‧‧平坦部分
138‧‧‧曲度
140‧‧‧突出部分
144‧‧‧最底部分
146‧‧‧懸垂部分
150‧‧‧刻面
150a-150f‧‧‧刻面
162a-162e‧‧‧角
170a-170l‧‧‧下邊
194a-194f‧‧‧上邊
200‧‧‧承載頭
202‧‧‧殼體
204‧‧‧彈性膜
206‧‧‧腔室
208‧‧‧通道
220‧‧‧驅動軸
236‧‧‧機械緊固件
238‧‧‧通道
240‧‧‧下表面
242‧‧‧基板
244‧‧‧背表面
246‧‧‧前表面
250‧‧‧研磨墊
252‧‧‧研磨表面
300‧‧‧凹部
第1圖係固定環的概要透視圖。
第2圖係承載頭的概要截面圖。
第3圖係第1圖的固定環之概要平面底視圖。
第4與5圖係固定環的截面圖。
第6圖係帶有在相對於固定環的不同位置處之固定基板的固定環之概要平面頂視圖。
CMP設備中的固定環具有限制CMP設備正在研磨的基板之移動的內表面。在習知的固定環中，內表面具有圓形周邊。
本說明書所述的固定環具有由多個平坦刻面形成的內表面，帶有相鄰刻面於角(corner)處接合。在固定環的頂或底平面圖中，內表面的刻面形成多邊形或具有直邊的其他形狀。固定環亦可以包括在底表面中的溝槽，當固定環安裝於CMP設備中時，溝槽面向研磨墊。溝槽可以利於基板與研磨墊之間的漿傳送。可以選擇刻面與溝槽的位置使得各溝槽具有一端部，該端部於固定環的角處開向固定環的內表面。在使用中，具有此等特徵與以下所述其他特徵的固定環可以同時與基板的外直徑的多個點接觸。固定環抵抗磨耗且具有長使用壽命的期待。經研磨的基板可以具有良好厚度均勻性。
依據第1圖，固定環100一般係可以緊固至CMP設備的承載頭的環狀環。一種適當的CMP設備描述於美國第5,738,574號專利及一種適當的承載頭描述於美國第6,251,215號專利及第6,857,945號專利，該等申請案的全部內容通過引用的方式併入本案中。。固定環100置入於裝載蓋(loadcup)以用於將基板定位、置中及固持在CMP設備的傳送站處。
作為示範例，第2圖圖示簡化的承載頭200，第1圖的固定環100緊固於承載頭200上。承載頭200包括殼體202、彈性膜204、可加壓的腔室206，及固定環100。彈性膜提供用於基板242的安裝表面240。當安裝基板242時，安裝表面240可以直接接觸基板的背表面244。在此示範例中，膜204夾持於固定環100與殼體202之間。在某些實施中，一或多個其他元件，如夾環，可以用於夾持膜204。可加壓腔室206位於膜204與殼體202之間，可加壓腔室206可以如使用流體(氣體或液體)加壓以將基板242的前表面246推抵研磨墊250的研磨表面252以研磨前表面246。在某些實施中，腔室206中的壓力以及因而基板242上的彈性膜204的向下壓力可以使用泵(未圖示)控制，該泵通過殼體中的通道208與腔室206以流體連接。
固定環100緊固於殼體202的邊緣附近以將基板242限制於膜204之下。例如，固定環100可以由機械緊固件236(如螺絲或螺栓)緊固，機械緊固件236延伸通過殼體202中的通道238進入對準的螺紋承接凹部，承接凹部係在固定 環100的上表面112中。此外，頂表面112可以具有一或多個校準孔，一或多個校準孔經定位而匹配至承載頭上相應的銷以當固定環100緊固至承載頭時，允許適度校準。當固定環100緊固至殼體202時，頂表面112的頂部周邊可以與殼體202的周邊實質相同，使得沿著承載頭的外邊緣沒有間隙存在。固定環100可自殼體202移除及剩下的承載頭200作為一單元，而無需將殼體202自承載頭200拆卸或移除。
可以提供驅動軸202以跨研磨墊旋轉及(或)平移承載頭200。在某些實施中，可以上升或下降驅動軸200以控制研磨墊250上的固定環100的底表面114之壓力。或是，固定環100可以相對於驅動軸220係可移動的及承載頭200可以包括內部腔室，內部腔室可以經加壓而控制固定環100上的向下壓力，如通過引用的方式併入之美國第6,183,354或7,575,504號專利所述。
參照第1與3圖，固定環100的上表面112係平坦的及下表面114包含溝槽或凹槽130。除了溝槽130，下表面114可以係平坦的且可以平行於上平坦表面112。雖然可以有不同數量的溝槽，如十八或更多個溝槽，但在此示範例中，下表面114包括十二個溝槽130。當固定環100組裝於承載頭時，如第2圖所示的承載頭，下表面114接觸研磨墊。溝槽130允許研磨液體，如研磨漿，(可以係研磨性或無研磨性的)在固定環下流動至基板。
上表面112與下表面114可以由一距離或約12.5mm至約37.5mm的固定環高度分開。溝槽130一般可以係直的， 及自固定環100的內表面120延伸至外表面110。各溝槽130可以具有約0.75mm至約0.25mm(如3.125mm)的寬度W(見第4圖)。
底表面114上的溝槽130可以以等角度間距繞固定環100分配。溝槽130通常以相對於徑向部分(R)的一角度α(如介於約30°至約60°，或約45°)定向，徑向部分(R)延伸通過固定環100的中心。
參照第4圖，各溝槽130包括兩垂直側壁132及圓形頂板134，使得溝槽130缺少銳利內角。例如，圓形頂板134可以具有帶有等於兩側壁132間距離的直徑之半圓截面。兩垂直側壁132可以具有相同高度，如約0.5mm至約3.75mm。垂直側壁132可以具有與頂板134的圓形或銳利連接。作為圖示於第5圖的另一個示範例，凹槽的頂板可具有一般水平平坦部分136，及曲度138可只位於頂板與側壁相交的角。
參照第1與3圖，鄰近下表面114的固定環100之外表面110的至少部分可以係在頂或底平面圖中的圓形之垂直圓柱表面。在某些實施中，固定環100包括懸垂部分146，懸垂部分146較最底部分144具有較大外直徑，使得外表面110包括突出部分140。
內表面120由多個刻面150形成而不是圓柱表面，多個刻面150包括刻面150a、150b、150c、150d、150e、150f(未全部圖示)，各刻面係平坦垂直表面及在角(如角162，包括162a、162b、162c、162d(未全部圖示或標示))處交 接鄰近刻面。因此，各角162可以係直線的垂直角(straight vertical corner)。
刻面沿著直的上邊170及下邊194分別與上表面及下表面112、114相交。刻面的直邊在角處彼此連接。因此，在頂或底平面圖中，連接的邊可以形成多邊形。
在第1圖的示範例中，內表面120具有十二個刻面150，形成帶有下表面114的十二個上直邊170，包括170a,170b、170c、170d、170e、170f、170g、170h、170i、170j、170k、170l及十二個下直邊194，包括194a、194b、194c、194d、194e、194f(未全部圖示)。然而，固定環100可具有12至148個刻面。
內表面120與外表面110由一距離或約2.5cm至5.0cm的固定環100之平均寬度平均分開。
上表面140中的各溝槽130具有一端部及一相對端部，該端部開向內表面120，而該相對端部開向外表面110。內表面120的開口位於相鄰刻面之間的角處。在某些實施中，內表面120中的溝槽130之全部開口位於該等角處且沿著刻面的邊之兩角間係沒有內表面120的溝槽130的開口。在圖示的示範例中，各角對應於溝槽的一個開口以及因而對應於溝槽130。內表面120中的刻面總數量可以等於下表面114中的溝槽總數量。在某些實施中，內表面中的刻面數量等於溝槽總數量的整數倍，如1、2、3......例如，內表面120上的每兩、三或更多個角可形成溝槽開口及因而形成溝槽130。
與彈性膜204的下表面240連接的固定環100之內 表面120界定基板承接凹部300。固定環100防止基板242離開基板承接凹部300。一般來說，基板係圓形及具有約200mm至約300mm的直徑。頂或底平面圖中凹部300的尺寸一般係大於基板242的表面區域使得基板242可以相對於固定環100移動基板242的位置。用於討論目的，固定環100的內半徑(IR)界定於固定環的平面圖中係固定環100的中心C至刻面邊的中心點之間的距離，該刻面邊係介於兩鄰近角之間。此內半徑大於基板直徑的一半(或基板半徑)，及可以係如約150mm至約155mm。
參照第2與6圖，在研磨過程期間，包括殼體202、膜204與固定環100的承載頭200相對於研磨墊250移動。基板242遵循承載頭200於凹部300內的移動，凹部300由固定環100的內表面120與膜204界定。在移動期間的某個時間點，基板242接觸內表面120的至少兩刻面。例如，如第6圖所示，當基板242在相對於固定環的接觸位置「1」時的時間點，基板的外表面同時使得一個與刻面170k接觸及使另一個與刻面170l接觸(接觸位置由符號「x」表示及以位置「1」標示)。
假設在此兩接觸位置處，基板242沒有相對於固定環100的內表面120滑動，在此兩接觸位置處，基板242與內表面120具有相同的線性速度。然而，因為基板242的半徑小於固定環100的內表面120的半徑，在此兩接觸位置處，基板242與內表面120具有不同角速度。因此，在基板242在接觸位置「1」處的時間點之後，基板242相對於固定環100 的位置改變及基板242與內表面120間的接觸位置改變。換言之，基板242的中心相對於固定環的中心移動，如轉動。例如，在另一時間點，基板242在相對於固定環的接觸位置「2」。在此位置「2」中，基板242的外表面同時使一個與刻面170i接觸及使另一個與刻面170j接觸。在又另一個時間點，基板242在相對於固定環的接觸位置「3」。在此位置「3」中，基板的外表面同時使一個與刻面170h接觸及使另一個與刻面170g接觸。
雖然第6圖圖示基板242同時在各接觸位置(如位置「1」、「2」、「3」)處接觸兩刻面，但基板242同時在各接觸位置處接觸超過兩個刻面(如三或三個以上刻面)係可能的。例如，各接觸位置處的接觸刻面之數量可以藉由控制固定環的內表面120中刻面的總數量及(或)形狀、基板242與內表面120間的半徑差等來控制。在某些示範例中，各刻面可以具有相同的尺寸與形狀，及內表面120的平面圖可以係高度對稱的。在其他示範例中，刻面可以具有不同尺寸或形狀，及內表面的截面可以係不對稱的。例如，雖然圖示顯示刻面係一般矩形或方形，但是刻面亦可以具有其他形狀，如梯形。圖示所示的角自上表面112延伸至底表面114。在其他示範例中，兩鄰近刻面的某些角沒有於兩表面112、114間完全延伸。
藉由允許基板242同時在各接觸位置處接觸多個刻面，固定環的內表面120之磨耗可以相較於在各接觸位置處形成的單一接觸減少。例如，當固定環的內表面在各接觸位 置處係圓柱時，如像固定環100的外表面110，具有圓形外部周邊的基板在單一接觸位置處接觸內表面。多個接觸可以允許基板242與內表面120間的力在多個接觸位置處被吸收並減少在各個別接觸位置處的力產生的磨耗。此外，基板與圓柱表面間的單一接觸中的接觸角度垂直於圓柱表面的內直徑。然而，當基板242在多個刻面處與內表面120有多個接觸時，接觸角度不必垂直於內表面120的內半徑。因此，在各接觸位置處固定環上的磨耗相較於具有90度接觸角度的接觸而減少。減少的磨耗允許固定環具有增加的使用壽命期待。
在固定環100與基板242間的相對移動期間，基板與位於內表面120的角處的任何溝槽130或溝槽開口沒有直接的點對點接觸。反之，基板與內表面120的刻面只有點對面接觸。一般來說，溝槽130在固定環100中形成高張力區域，固定環在該區域比固定環的其他部分更容易被損壞或破壞。藉由去除溝槽130與基板242間的直接點對點接觸，防止高張力區域免受基板242與內表面120間的直接力衝擊。減少來自此力對於固定環的可能損害。因此，減少固定環的磨耗及可以使用固定環很長一段時間。
在某些研磨過程中，基板242與固定環100間的相對運動可以減少研磨基板中的不對稱性及改良晶圓內的均勻性。在帶有不對稱性的已研磨基板中，已研磨的基板具有隨角度座標改變的厚度變化。不受限於任何特定理論，相較於單一接觸狀況，基板242與固定環100間的多個接觸可以允許基板242旋轉至承載頭，因而將自承載頭的任何非對稱壓 力分佈的影響作角度分散，及從而減少非對稱性的發生機會或非對稱性的量。
固定環100可以由對CMP製程化學惰性的材料形成。該材料應該充分彈性，使得基板邊緣接觸抵靠固定環100而不會導致基板碎裂或破裂。然而，當承載頭施向下壓力在固定環100上時，固定環100不應彈性到突出(extrude)進入基板承接凹部300。固定環100亦應該係耐用且具有低磨耗率，雖然磨耗對於固定環100係可接受的。
例如，固定環100可以由在CMP製程中化學惰性的塑膠製成。該塑膠可以具有在蕭式D量測上約80-95的硬度計量測。一般來說，該塑膠的彈性係數可以在約0.3-1.0 x 106psi的範圍內。適合的塑膠可以包括(如包含有(consist of))聚苯硫醚(PPS)、聚芳醚酮(PAEK)、聚二醚酮(PEEK)、聚乙烯對苯二甲酸酯(PET)、聚對苯二甲酸丁酯(PBT)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯並咪唑(PBI)、聚醚酰亞胺(PEI)、聚醚酮酮(PEKK)或複合材料。聚苯硫醚(PPS)的優點係聚苯硫醚(PPS)是可靠且常用於固定環的材料。
固定環100亦可以具有其他特徵或除了以上所討論之外的特徵。在某些實施中，固定環100具有一或多個通孔，該一或多個通孔水平地或以自水平線的一小角度從內表面延伸通過固定環的主體至外表面以用於允許在研磨期間流體(如氣體或液體)從固定環的內部穿過到外部，或從固定環的外部穿過到內部。通孔可以繞固定環均勻間隔。
雖然固定環100的側壁繪示為垂直，但是固定環110 可以包括其他特徵，如外表面上的唇部或凹部以幫助將固定環置中於基板裝載器或提供硬停器(hard stop)以用於把固定環抵靠圍繞環的頂部內緣。在某些實施中，固定環100的內表面與(或)外表面可以成錐形(tapered)。
雖然以上所述固定環包含單一環，但在某些實施中，固定環可以具有堆疊在彼此頂部的兩或兩個以上環部分的組合。在該等實施中，上述固定環100可以係具有其下表面與研磨墊接觸的最低環部分。固定環100的某些部分可經改變而連接至其他環部分。
與固定環及固定環部分相關的其他特徵描述於美國公開號第2005/0126708及2013/0035022號專利申請案中。該兩申請案的全部內容通過引用的方式併入本案中。
其他特徵係在申請專利範圍中。
100‧‧‧固定環
110‧‧‧外表面
112‧‧‧上表面
114‧‧‧下表面
120‧‧‧內表面
130‧‧‧溝槽
162a-162e‧‧‧角
170a-170l‧‧‧下邊
300‧‧‧凹部

Claims (18)

  1. 一種固定環，包括：一一般環狀主體，包含一頂表面；一底表面；一外表面，該外表面在一外頂部周邊處與該頂表面連接及在一外底部周邊處與該底表面連接；及一內表面，該內表面在一內頂部周邊處與該頂表面連接及在一內底部周邊處與該底表面連接，該內表面包含七或七個以上的平坦刻面，鄰近的平坦刻面於角(corner)處連接，及該內底部周邊包含於該等角處連接的該等平坦刻面的直邊。
  2. 如請求項1所述之固定環，其中該底表面包括從該外表面延伸至該內表面的溝槽，及其中各溝槽包含一端部，該端部開向在一角處的該主體的該內表面。
  3. 如請求項2所述之固定環，其中該內表面包括一第一數量的刻面及該底表面包括一第二數量的溝槽，及其中該第一數量係該第二數量的一正整數倍。
  4. 如請求項2所述之固定環，其中該第一數量等於該第二數量。
  5. 如請求項2所述之固定環，其中該溝槽以一角度定向，該角度相對於延伸通過該固定環的一中心之一徑向部分。
  6. 如請求項1所述之固定環，其中各角自該頂表面延伸至該底表面，及其中各刻面具有一矩形或方形，該矩形或方形具有由該頂表面形成的一頂直邊、由該底表面形成的一底直邊，及沿著兩角的兩直側邊。
  7. 如請求項1所述之固定環，其中該內表面包括總共18刻面。
  8. 如請求項1所述之固定環，其中該內底部周邊具有一對稱形狀。
  9. 如請求項1所述之固定環，其中該內頂部周邊與該內底部周邊的一或兩者形成一多邊形。
  10. 如請求項1所述之固定環，其中該固定環的一中心與一平坦刻面間的一距離係約150mm至約155mm。
  11. 如請求項1所述之固定環，其中該主體包括一耐磨材料。
  12. 一承載頭，包括：一基板承接表面； 一一般環狀固定環，該一般環狀固定環環繞該基板承接表面，該固定環包含一頂表面；一底表面；一外表面，該外表面在一外頂部周邊處與該頂表面連接及在一外底部周邊處與該底表面連接；及一內表面，該內表面在一內頂部周邊處與該頂表面連接及在一內底部周邊處與該底表面連接，該內表面包含七或七個以上的平坦刻面，鄰近的平坦刻面於角處連接，及該內底部周邊包含於該等角處連接的該等平坦刻面的直邊。
  13. 如請求項12所述之承載頭，其中該底表面包括從該外表面延伸至該內表面的溝槽，及其中各溝槽包含一端部，該端部開向在一角處的該主體的該內表面。
  14. 如請求項13所述之承載頭，其中該內表面包括一第一數量的刻面及該底表面包括一第二數量的溝槽，及其中該第一數量係該第二數量的一正整數倍。
  15. 如請求項14所述之承載頭，其中該第一數量等於該第二數量。
  16. 一種研磨方法，包括以下步驟： 於一基板與一研磨表面之間產生一相對運動；以一固定環限制該基板，該固定環包含一頂表面；一底表面；一外表面，該外表面在一外頂部周邊處與該頂表面連接及在一外底部周邊處與該底表面連接；及一內表面，該內表面在一內頂部周邊處與該頂表面連接及在一內底部周邊處與該底表面連接，該內表面包含七或七個以上的平坦刻面，鄰近的平坦刻面於角處連接，及該內底部周邊包含於該等角處連接的該等平坦刻面的直邊，其中該基板與該研磨表面間的該相對運動導致該固持的基板同時接觸該固定環的該內表面的兩或兩個以上的刻面。
  17. 如請求項16所述之方法，其中該底表面包括從該外表面延伸至該內表面的溝槽，及各溝槽包含一端部，該端部開向在一角處的該主體的該內表面，及其中該方法進一步包括以下步驟：供應一研磨液體至該研磨表面使得該研磨液體流動通過該等溝槽並流動至該固定環下而到該基板。
  18. 如請求項16所述之方法，其中該內表面包括一第一數量的刻面及該底表面包括一第二數量的溝槽，及其中該第一數量係該第二數量的一正整數倍。
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