TW201600235A - 具有整合式偵測器的化學機械硏磨保持環 - Google Patents

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    • H01L21/30625—With simultaneous mechanical treatment, e.g. mechanico-chemical polishing

Abstract

本文中提供一種用於化學機械研磨承載頭的保持環，具有用於基板的固定表面。在一些實施例中，該保持環可以包括具有中央開口的環形主體、被形成在該主體中的通道，其中該通道之第一端鄰近該中央開口；以及被配置在該通道內並鄰近該第一端的偵測器，其中該偵測器設以偵測來自在該基板上進行的製程之聲波及/或振動發射。

Description

具有整合式偵測器的化學機械研磨保持環
本揭示之實施例大體而言係關於基板的化學機械研磨(CMP)。
積體電路通常藉由連續沉積導體、半導體或絕緣體層而被形成在基板(特別是矽晶圓)上。在每個層被沉積之後，該層被蝕刻以產生電路特徵。由於一系列的層被依序沉積和蝕刻，基板的外表面或最上面的表面(即基板的曝露表面)變得越來越非平面的。此非平面的表面在積體電路製造製程的光微影步驟中帶來問題。因此，需要定期平坦化基板表面。
化學機械研磨(CMP)是一種公認的平坦化方法。在平坦化期間，基板通常被固定在載體或研磨頭上。基板的曝露表面被對著旋轉的研磨墊放置。研磨墊可以是「標準的」或固定的研磨墊。標準的研磨墊具有耐用的粗糙表面，而固定的研磨墊具有被保持在容載介質中的研磨顆粒。承載頭在基板上提供可控制的負載(即壓力)，以對著研磨墊推壓基板。包括至少一種化學反應劑和研磨顆粒(若使用標準墊的話)的研磨漿料被供應到研磨墊的表面。
CMP製程的有效性可以藉由CMP製程的研磨速率及藉由所得的基板表面修整度(沒有小尺度粗糙度)和平坦度(沒有大尺度形貌)來量測。研磨速率、修整度及平整度是藉由墊和漿料的組合、基板和墊之間的相對速度、及對著墊按壓基板的力來決定。
CMP保持環的功能是在研磨期間保持基板。CMP保持環也允許在基板下方輸送漿料及影響均勻度的邊緣表現。然而，典型的CMP保持環沒有可用於製程期間的閉迴路控制、在化學機械研磨製程的終點和災難性事件(例如基板損壞或滑出)上診斷或提供反饋的整合式偵測器。
因此，發明人認為，完成準確和可靠的化學機械研磨製程終點及災難性事件偵測的結構和方法是理想的。
本文中提供一種用於化學機械研磨承載頭的保持環，具有用於基板的固定表面。在一些實施例中，該保持環可以包括具有中央開口的環形主體、被形成在該主體中的通道，其中該通道之第一端鄰近該中央開口；以及被配置在該通道內並鄰近該第一端的偵測器，其中該偵測器設以偵測來自在該基板上進行的製程之聲波及/或振動發射。
在一些實施例中，一種用於化學機械研磨設備的承載頭可以包括基座；被連接到該基座的保持環，其中該保持環包括具有中央開口的環形主體、被形成在該主體中的通道，其中該通道之第一端鄰近該中央開口、及被配置在該通道內並鄰近該第一端的偵測器，其中該偵測器設以偵測來自化學機械研磨製程的聲波及/或振動發射；藉由彎曲連接到該基座的支撐結構，該彎曲可獨立於該基座和該保持環移動；以及界定可加壓腔室之邊界的撓性膜，該膜被連接到該支撐結構並具有用於基板的固定表面。
在一些實施例中，一種用於判斷化學機械研磨狀況的方法可以包括以下步驟：在化學機械研磨設備中提供保持環，該保持環具有整合式偵測器；在基板上進行化學機械研磨製程，該基板被配置在該化學機械研磨設備中；經由該偵測器擷取來自所進行的化學機械研磨製程的聲波及/或振動發射；發送與擷取的聲波及/或振動發射相關的資訊；以及基於發送資訊分析判斷化學機械研磨狀況。
以下描述本揭示之其他的和進一步的實施例。
10‧‧‧基板
20‧‧‧化學機械研磨(CMP)設備
22‧‧‧下機器基座
23‧‧‧檯面
25a‧‧‧研磨站
25b‧‧‧研磨站
25c‧‧‧研磨站
27‧‧‧傳送站
30‧‧‧平臺
32‧‧‧研磨墊
40‧‧‧墊調整設備
50‧‧‧漿料
52‧‧‧漿料/沖洗臂
60‧‧‧可旋轉多頭旋轉料架
62‧‧‧中心柱
64‧‧‧旋轉料架軸
66‧‧‧旋轉料架支撐板
68‧‧‧蓋
70a‧‧‧承載頭系統
70b‧‧‧承載頭系統
70c‧‧‧承載頭系統
70d‧‧‧承載頭系統
72‧‧‧槽
74‧‧‧承載驅動軸
76‧‧‧承載頭旋轉馬達
100‧‧‧承載頭
102‧‧‧殼體
104‧‧‧基座
106‧‧‧平衡環機構
107‧‧‧旋轉軸
108‧‧‧裝載腔室
110‧‧‧保持環
112‧‧‧基板背襯組件
114‧‧‧支撐結構
116‧‧‧撓性隔膜
118‧‧‧撓性構件或膜
120‧‧‧固定表面
122‧‧‧圓柱形軸襯
124‧‧‧垂直孔
126‧‧‧通道
128‧‧‧通道
130‧‧‧通道
132‧‧‧固定裝置
134‧‧‧固定裝置
140‧‧‧彈性和撓性膜
142‧‧‧夾持環
144‧‧‧囊
150‧‧‧平衡環桿
152‧‧‧撓性環
154‧‧‧通道
160‧‧‧旋轉隔膜
162‧‧‧內夾持環
164‧‧‧外夾持環
170‧‧‧支撐板
172‧‧‧下夾鉗
174‧‧‧上夾鉗
176‧‧‧孔
178‧‧‧唇緣
180‧‧‧下部
182‧‧‧底表面
184‧‧‧上部
186‧‧‧黏著層
188‧‧‧內表面
190‧‧‧腔室
192‧‧‧基板接收凹部
194‧‧‧螺栓
302‧‧‧聲波/振動偵測器
304‧‧‧通道
306‧‧‧密封件
308‧‧‧電導線
310‧‧‧發送器
312‧‧‧傳輸天線
314‧‧‧密封件
340‧‧‧控制器/電腦
342‧‧‧中央處理單元(CPU)
344‧‧‧記憶體
346‧‧‧支援電路
402‧‧‧通道
404‧‧‧密封件
500‧‧‧方法
T1‧‧‧厚度
T2‧‧‧厚度
TS‧‧‧厚度
可以參照附圖中描繪的本揭示之說明性實施例來瞭解以上簡要總結和以下更詳細討論的本揭示之實施例。然而，應當注意的是，附圖只說明本 揭示的典型實施例，因此不應被視為限制本揭示之範圍，因為本揭示亦可承認其他同等有效的實施例。
第1圖為依據本揭示之一些實施例的化學機械研磨設備之分解立體圖。
第2圖為依據本揭示之一些實施例的承載頭之示意性剖視圖。
第3圖為依據本揭示之一些實施例的第2圖承載頭之放大圖，本圖圖示出保持環。
第4圖為依據本揭示之一些實施例的保持環之示意圖。
第5圖為依據本揭示之一些實施例用於判斷化學機械研磨狀況的方法之流程圖。
第6圖繪示依據本揭示之一些實施例顯示在化學機械研磨製程期間偵測到的機械故障之電壓對時間圖。
為了便於理解，已在可能之處使用相同的元件符號來指稱對圖式而言相同的元件。圖式並非依比例繪製，而且為了清楚起見可以被簡化。構思的是，一個實施例的元件和特徵可以被有利地併入其他實施例中而無需進一步詳述。
本揭示的實施例包括允許在CMP製程中偵測終點、異常狀況、以及其他特徵資訊的設備和方法。具體來說，由CMP製程在基板上產生的聲波及 /或振動發射資訊是使用具有整合式聲波/振動偵測器302的CMP保持環進行監測。在一些實施例中，本發明具有整合式聲波/振動偵測器302的保持環將能夠實時分析由CMP製程產生的聲波/振動訊號。那些CMP聲波/振動訊號可被用於製程控制，例如終點偵測、異常狀況(例如基板滑落)偵測、基板裝卸問題、CMP頭及其他為CMP研磨之組成部分的相關機械組件之機械性能預測、及類似者。所記錄的聲波/振動資訊可以被解析為聲波/振動特徵，該聲波/振動特徵被監測變化並與聲波/振動特徵庫相比較。聲波頻譜的特徵變化可以揭示製程終點、異常狀況、及其他特徵資訊。因此，符合本揭示的各個實施例有利提供的故障偵測與分類(FDC)系統和方法能夠針對預設置的限制使用統計分析技術來連續地監測設備參數，以提供有關設備正常狀態的主動和快速反饋。這種FDC系統和方法有利地排除了非計劃的停機時間、提高工具利用率及減少報廢。
在一些實施例中，CMP聲波/振動訊號/記錄將被使用短距離無線方法從CMP頭送出，該短距離無線方法例如BLUETOOTH(藍牙)或其他無線通訊方法。在一些實施例中，偵測器電子元件可以藉由可充電電池供電，該可充電電池可以在研磨週期中的頭轉動期間被持續充電。
參照第1圖，一個或更多個基板10將被化學機械研磨(CMP)設備20研磨。CMP設備20包括具有檯面23的下機器基座22及可拆卸的上外罩(未圖示)，檯面23被安裝在下機器基座22上。檯面23支撐一系列的研磨站25a、25b及25c、以及用於裝載和卸載基板的傳送站27。傳送站27與三個研磨站25a、25b及25c可以形成大致正方形配置。
每個研磨站25a-25c皆包括上面放置研磨墊32的可旋轉平臺30。假使基板10是直徑8吋(200毫米)或12吋(300毫米)的圓盤，則平臺30和研磨墊32的直徑將分別為約20或30吋。平臺30可以被連接到位於機器基座22內的平臺驅動馬達(未圖示)。對於大多數的研磨製程來說，平臺驅動馬達以每分鐘30至200轉轉動平臺30，但也可以使用較低或較高的旋轉速度。每個研磨站25a-25c可以進一步包括相關的墊調整設備40，以保持研磨墊的研磨狀態。
可以藉由組合的漿料/沖洗臂52將含有反應試劑(例如用於氧化物研磨的去離子水)和化學反應催化劑(例如用於氧化物研磨的氫氧化鉀)的漿料50供應到研磨墊32的表面。假使研磨墊32是標準墊，則漿料50還可以包括研磨顆粒(例如用於氧化物研磨的二氧化矽)。通常情況下，提供足夠的漿料來覆蓋和潤濕整個研磨墊32。漿料/沖洗臂52包括數個 噴嘴(未圖示)，該等噴嘴在每次研磨和調整週期結束時提供研磨墊32高壓沖洗。
包括旋轉料架支撐板66和蓋68的可旋轉多頭旋轉料架60位於下機器基座22上方。旋轉料架支撐板66被中心柱62支撐並被位在機械基座22內的旋轉料架馬達組件環繞旋轉料架軸64在中心柱62上旋轉。多頭旋轉料架60包括四個被以環繞旋轉料架軸64等角度的間隔安裝在旋轉料架支撐板66上的承載頭系統70a、70b、70c、及70d。其中三個承載頭系統接收並固持基板，以及藉由對著研磨站25a-25c的研磨墊按壓基板來研磨基板。其中一個承載頭系統從傳送站27接收基板並將基板遞送到傳送站27。旋轉料架馬達可以使承載頭系統70a-70d及附著於承載頭系統70a-70d的基板在研磨站和傳送站之間環繞旋轉料架軸64盤旋。
每個承載頭系統70a-70d皆包括研磨或承載頭100。每個承載頭100獨立地環繞自身的軸旋轉，並獨立地在形成於旋轉料架支撐板66內的徑向槽72中橫向擺動。承載驅動軸74延伸穿過槽72，以將承載頭旋轉馬達76(藉由移去四分之一的蓋68來圖示)連接到承載頭100。每個頭有一個承載驅動軸和馬達。每個馬達和驅動軸可以被支撐在滑件(未圖示)上，滑件可以被徑向驅動馬達沿著槽線性驅動，以橫向擺動承載頭。
在實際的研磨過程中，其中三個承載頭，例如承載頭系統70a-70c的那些承載頭被定位於各研磨站25a-25c處及上方。每個承載頭100將基板降低而與研磨墊32接觸。一般來說，承載頭100將基板固持在對著研磨墊的位置並將力分配於整個基板背面。承載頭也從驅動軸傳送扭矩到基板。
參照第2圖，承載頭100包括殼體102、基座104、平衡環機構106、裝載腔室108、保持環110、及基板背襯組件112。殼體102可以被連接到驅動軸74，以在環繞旋轉軸107研磨的過程中隨驅動軸74旋轉，在研磨過程中旋轉軸107大致垂直於研磨墊的表面。裝載腔室108位於殼體102和基座104之間以施加負載(即向下的壓力)到基座104。基座104相對於研磨墊32的垂直位置也可以由裝載腔室108控制。
基板背襯組件112包括支撐結構114、將支撐結構114連接到基座104的撓性隔膜116、及連接到支撐結構114的撓性構件或膜118。撓性膜118延伸於支撐結構114下方，以提供用於基板的固定表面120。加壓位於基座104與基板背襯組件112之間的腔室190迫使撓性膜118對著研磨墊向下按壓基板。
殼體102通常是圓形的形狀，以對應將被研磨的基板之圓形結構。圓柱形軸襯122可以被適 配地裝入延伸穿過殼體的垂直孔124中，而且兩個通道126和128可以延伸穿過殼體用於氣動控制承載頭。
基座104通常是位於殼體102下方的環狀主體。基座104可以由剛性材料形成，該剛性材料例如鋁、不銹鋼或纖維強化塑膠。通道130可以延伸穿過基座，而且兩個固定裝置132和134可以提供連接點來連接殼體102與基座104之間的撓性管，以將通道128流體耦接到通道130。
可以藉由夾持環142將彈性和撓性膜140附接於基座104的下表面，以界定囊144。夾持環142可以藉由螺釘或螺栓(未圖示)固定於基座104。可以將第一泵(未圖示)連接到囊144，以將流體(例如氣體，諸如空氣)引入囊中或從囊引出，從而控制在支撐結構114和撓性膜118上的向下壓力。
平衡環機構106允許基座104相對於殼體102樞轉，使得該基座可以保持大致上與研磨墊的表面平行。平衡環機構106包括平衡環桿150及撓性環152，平衡環桿150適配裝入穿過圓柱形軸襯122的通道154，撓性環152被固定於基座104。平衡環桿150可以沿著通道154垂直滑動，以提供基座104的垂直移動，但平衡環桿150阻止基座104相對於殼體102的任何側向移動。
旋轉隔膜160的內緣可以被內夾持環162夾持到殼體102，而外夾持環164可以將旋轉隔膜160的外緣夾持到基座104。因此，旋轉隔膜160密封殼體102和基座104之間的空間，以界定裝載腔室108。旋轉隔膜160可以是大致呈環形的60密耳厚聚矽氧片。第二泵(未圖示)可以被流體連接到裝載腔室108，以控制裝載腔室中的壓力及被施加到基座104的負載。
基板背襯組件112的支撐結構114位於基座104下方。支撐結構114包括支撐板170、環形下夾鉗172、及環形上夾鉗174。支撐板170可以是大致為圓盤狀的剛性構件，該剛性構件具有複數個穿過其中的孔176。此外，支撐板170可以在外緣具有向下突出的唇緣178。
基板背襯組件112的撓性隔膜116是大致平面的環形環。撓性隔膜116的內緣被夾在基座104和保持環110之間，而撓性隔膜116的外緣被夾在下夾鉗172和上夾鉗174之間。撓性隔膜116是撓性和彈性的，但撓性隔膜116在徑向和切線方向上也可以是剛性的。撓性隔膜116可以由橡膠(例如新平橡膠)、塗佈彈性體的織物(例如NYLON或NOMEX)、塑膠、或複合材料(例如玻璃纖維)形成。
撓性膜118是由撓性和彈性材料(例如氯丁二烯或乙烯丙烯橡膠)形成的、大致為圓形的薄片。撓性膜118的一部分圍繞支撐板170的邊緣延伸以被夾在支撐板與下夾鉗172之間。
撓性膜118、支撐結構114、撓性隔膜116、基座104、及平衡環機構106之間的密閉容積界定可加壓腔室190。第三泵(未圖示)可以流體連接到腔室190，以控制該腔室中的壓力，並從而控制撓性膜在基板上的向下力。
保持環110可以是例如藉由螺栓194(在第2圖的剖視圖中僅圖示出一個)被固定在基座104外緣、大致為環形的環。當流體被泵入裝載腔室108並且基座104被向下推動時，保持環110也被向下推動以對研磨墊32施加負載。保持環110的內表面188連同撓性膜118的固定表面120界定出基板接收凹部192。保持環110防止基板從該基板接收凹部跑出。
參考第3圖，保持環110包括多個部分，包括具有底表面182(可接觸研磨墊)的環形下部180、及連接到基座104的環形上部184。下部180可以使用黏著層186黏著於上部184。
在一些實施例中，保持環110具有通道304，其中聲波/振動偵測器302被配置在通道304中。在一些實施例中，聲波/振動偵測器302可以是 麥克風。其他類型的聲波偵測器可以與符合本揭示的實施例一起使用。在一些實施例中，聲波/振動偵測器302可以是加速計，例如微機電系統(MEMS)加速計，用於偵測/量測振動。在一些實施例中，聲波/振動偵測器302是可以進行表面聲波(SAW)之原位偵測/量測的被動偵測器，表面聲波是沿著表現出彈性的材料之表面行進的聲波，且該聲波具有通常隨著進入基板的深度呈指數衰減的振幅。在一些實施例中，聲波/振動偵測器302可以偵測、擷取及/或量測從基板上進行的製程產生的聲波發射和振動兩者。由CMP製程在基板上產生的聲波/振動發射資訊係由聲波/振動偵測器302擷取。具有整合式聲波/振動偵測器302的發明保持環將能夠實時分析由CMP製程產生的、由聲波/振動偵測器302擷取的聲波訊號。由聲波/振動偵測器302擷取的CMP聲波/振動訊號可被用於製程控制，例如終點偵測、異常情況(例如晶圓滑落)偵測、基板裝卸問題、CMP頭及其他為CMP研磨之組成部分的相關機械組件之機械性能預測、及類似者。在一些實施例中，擷取的聲波/振動資訊可以被解析為聲波/振動特徵，該聲波/振動特徵被監測變化並與聲波/振動特徵庫相比較。聲波/振動頻譜的特徵變化可以揭示製程終點、異常狀況、及其他特徵資訊。擷取的聲波/振動資訊可以被分析以揭示機械故障，例如由研磨製程、漿料臂和頭碰撞、頭損耗(例 如密封件、平衡環等)、有缺陷的軸承、調整頭致動、過度致動、及類似者造成的基板刮痕偵測。第6圖繪示的電壓對時間圖顯示例如由聲波/振動偵測器302偵測到的漿料臂碰撞。電壓是從被監測的製程發射出的聲波/振動能量之量度並由聲波/振動偵測器302偵測。
在一些實施例中，聲波/振動偵測器302可以包括轉換器，該轉換器設以偵測在研磨墊32物理接觸到並磨擦基板10時發射的振動機械能。由聲波/振動偵測器302接收的聲波/振動發射訊號被轉換成電訊號，然後經由電導線308以電子形式傳送到發送器310。
發送器310可以將接收到的聲波/振動訊號發送到控制器/電腦340進行分析，並用以控制CMP設備20。在一些實施例中，發送器310可以是具有傳輸天線312的無線發送器。因此，在一些實施例中，由聲波/振動偵測器302偵測到的CMP聲波/振動訊號將被使用短距離無線方法從CMP頭發送出，該短距離無線方法例如BLUETOOTH、射頻識別(RFID)傳訊和標準、近場通訊(NFC)傳訊和標準、電機和電子工程師協會(IEEE)的802.11x或802.16x傳訊和標準、或其他經由發送器310的無線通訊方法。接收器將接收到訊號，該等訊號將如以上討論被進行分析。在一些實施例中，偵測器電子 元件可以藉由可充電電池供電，可充電電池可以在研磨週期中的頭轉動期間被持續充電。
控制器/電腦340可以是一個或更多個電腦系統，該等電腦系統以通訊方式耦接在一起，用於分析由發送器310傳送的、且與由聲波/振動偵測器302擷取的擷取聲波/振動發射相關的資訊。控制器/電腦340通常包含中央處理單元(CPU)342、記憶體344、及用於CPU 342的支援電路346，並有利於判斷CMP處理狀況(即製程終點、異常狀況等)及基於判斷的CMP處理狀況來控制CMP設備20的元件。
為了便利上述CMP設備20的控制，控制器/電腦340可以是任何形式的、可在工業環境中使用於控制各種CMP設備和子處理器的通用電腦處理器之一。CPU 342的記憶體344或電腦可讀媒體可以是一個或更多個容易取得的記憶體，例如隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、軟碟、硬碟、或任何其他形式的、本地或遠端的數位儲存器。支援電路346被耦接到CPU 342，用於以傳統方式支援處理器。這些電路包括高速緩存、電源、時鐘電路、輸入/輸出電路和子系統、及類似電路。本文所述的發明方法通常作為軟體常式被儲存在記憶體344中。該軟體常式也可以被第二CPU(未圖示) 儲存及/或執行，該第二CPU位於由CPU 342控制的硬體之遠端。
在一些實施例中，發送器310可以被耦接到保持環110的外表面。可以將密封件314配置在發送器310與保持環110的外徑表面之間，以密封通道304的最外部徑向開口。
密封件306可以被沿著通道304的直徑最內部配置，以將聲波/振動偵測器302與CMP製程環境分離。密封件306防止CMP處理材料和環境狀況進入通道304，同時提供高水平的聲波/振動傳導率。在一些實施例中，密封件306可以被擠壓配入通道304，而且可以像是柱塞被推進通道304的直徑最內部。在一些實施例中，密封件306可以是矽膜。在其他實施例中，密封件306可以是保持環110壁尚未被鑽孔或機械加工的部分。密封件306可以是約1mm至約10mm厚。在一些實施例中，聲波/振動偵測器302可以包括濕度或壓力偵測器，用以偵測密封件306是否已故障/破裂。在其他實施例中，可以使用由聲波/振動偵測器302偵測到的聲波/振動訊號之分析來判斷密封件306是否已故障。
在一些實施例中，通道304可以被槍鑽孔或以其他方式機械加工，以容納聲波/振動偵測器302。如第3圖所圖示，在一些實施例中，通道304可以被整個配置在保持環110內。通道304可以從保 持環110的外表面延伸到保持環110接近中央開口的內表面(例如內表面188)。在一些實施例中，通道304可以被整個配置在環形下部180、環形上部184、或上述兩者之組合內。第4圖繪示至少一個其他的實施例，其中通道402被配置在保持環110與基座104中，且電導線308附接到發送器310，發送器310被配置在基座104的上表面上。在第4圖中，密封件404被配置在基座104與保持環110的交面、在通道402和電導線308的周圍。
在操作中，可以使用本揭示的實施例來判斷化學機械研磨狀況，如參照第5圖的方法500所述。方法500開始於502並前進到504，在504具有整合式聲波/振動偵測器302的保持環110被設置在化學機械研磨設備20中。在506，可以在被配置於化學機械研磨設備20中的基板10上進行化學機械研磨製程。在一些實施例中，化學機械研磨製程可以包括研磨處理、基板裝卸處理、清洗處理、及類似處理。
方法500前進到508，在508，嵌入保持環110中的聲波/振動偵測器302擷取來自進行的化學機械研磨製程之聲波/振動發射。
在510，與聲波/振動偵測器302擷取的聲波/振動發射相關的資訊被發送器310發送。在一些實施例中，與聲波/振動發射相關的資訊被發送器310無線發送到控制器/電腦340。
在512，基於發送資訊的分析來判斷一種或更多種化學機械研磨狀況。例如，在一些實施例中，所判斷的狀況可以包括CMP製程終點偵測、異常狀況(例如基板滑落)偵測、基板裝卸問題、CMP頭及其他為CMP研磨之組成部分的相關機械組件之機械性能狀況、及類似狀況。在一些實施例中，控制器/電腦340可以分析由發送器310發送的資訊，以判斷一種或更多種CMP製程狀況。
在514，控制器/電腦340可以基於所判斷的化學機械研磨狀況來控制化學機械研磨設備。方法500在516結束。
參照第3圖，下部180是由在CMP製程中化學惰性的材料所形成。此外，下部180應當具有足夠的彈性，使得基板邊緣對保持環的接觸不會導致基板碎裂或破裂。另一方面，下部180不應具有太大的彈性，使得在保持環上的向下壓力導致下部180擠入基板接收凹部192中。具體來說，下部180的材料可以具有在肖氏D等級上約80-95的硬度計量測值。一般來說，下部180的材料之彈性模數可以在約0.3-1.0 106磅/平方吋(psi)的範圍中。該下部也應是耐用的，並具有低的磨損率。然而，下部180被逐漸磨損掉是可以接受的，因為這表示可以防止基板邊緣切割出進入內表面188的深溝。例如，下部180可以由塑膠製成，例如可向DSM Engineering Plastics of Evansville,Ind.以商品名稱TechtronTM購得的聚伸苯硫(PPS)。其他的塑膠，例如可向Dupont of Wilmington,Delaware購得的DELRINTM、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚醚醚酮(PEEK)、或聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)、或諸如亦可購自杜邦的ZYMAXXTM等複合材料也可以是適合的。
下部180的厚度T1應大於基板10的厚度TS。具體來說，下部應該足夠厚，使得當基板被承載頭夾緊時基板不會刷到黏著層。另一方面，假使下部太厚，則由於下部的撓性性質，保持環的底表面將會經受形變。下部180的初始厚度可為約200至400密耳(具有深度100至300密耳的溝槽)。當溝槽已被磨掉時，可以更換下部。因此，下部180的厚度T1可以在約400密耳(假設初始厚度為400密耳)和約100密耳(假設300密耳深的溝槽被磨掉)之間變化。假使保持環不包括溝槽，則當保持環下部的厚度等於基板厚度時可以更換下部。
下部180的底表面可以是大致平坦的，或該底表面可以具有複數個通道或溝槽196(在第3圖中以虛線圖示)，以促進漿料從保持環外側輸送到基板。
保持環110的上部184是由剛性材料形成的，該剛性材料例如金屬(諸如不銹鋼、鉬、或鋁)、 或陶瓷(例如氧化鋁)、或其他例示性材料。上部的材料可以具有約10-50 106psi的彈性模數，即下部材料之彈性模數的約10至100倍。例如，下部的彈性模數可為約0.6 106psi，上部的彈性模數可為約30 106psi，所以比例為約50：1。上部184的厚度T2應大於下部180的厚度T1。具體來說，上部可以具有約300-500密耳的厚度T2。
黏著層186可以是兩部分的緩慢固化環氧樹脂。緩慢固化通常表示環氧樹脂花費等級在幾小時至幾天的時間來固定。環氧樹脂可以是購自Magnolia Plastics of Chamblee,Ga.的Magnobond-6375TM。或者，不是被黏附，而是下層可以被使用螺釘或壓配連接到上部。
保持環的底表面之平面度可以承受邊緣效應。具體來說，假使底表面非常平，則邊緣效應會降低。假使保持環是相對撓性的，則保持環會變形，其中保持環例如藉由螺栓194被結合到基部。這種變形產生非平面的底表面，從而增加了邊緣效應。雖然保持環可以在安裝在承載頭上之後被研磨或機械加工，但研磨傾向於在底表面中嵌入雜物，此舉會損壞基板或污染CMP製程，而且機械加工是耗時且不方便的。另一方面，完全剛性的保持環(例如不銹鋼環)會導致基板破裂或污染CMP製程。
與完全由諸如PPS的撓性材料形成的保持環相比，在使用本揭示的保持環之下，保持環110之上部184的剛性將保持環的整體彎曲剛性增加了30-40倍。由剛性上部提供的增加剛性減少或消除了由於將保持環附著於基座所導致的這種變形，從而減輕了邊緣效應。此外，在保持環被固定於承載頭之後，保持環不需要被研磨。此外，PPS下部在CMP製程中是惰性的，並具有足夠的彈性，以防止基板邊緣碎裂或破裂。
本揭示的保持環剛性增加的另一個效益在於，增加的保持環剛性降低了研磨製程對於墊壓縮性的靈敏度。不受限於任何特別的理論，對於邊緣效應(特別是對於撓性保持環)的一個可能的貢獻是可被稱為保持環「偏轉」者。具體來說，在承載頭的後緣，基板邊緣在保持環之內表面上的力可能會導致保持環偏轉，即局部輕微地圍繞平行於研磨墊表面的軸扭轉。這迫使保持環的內徑更深入研磨墊、在研磨墊上產生增加的壓力、並使研磨墊材料「流動」而朝向基板邊緣移位。研磨墊材料的移位取決於研磨墊的彈性。因此，相對撓性的保持環(可以偏轉入墊中)使得研磨製程對於墊材料的彈性極為敏感。然而，由剛性上部提供的增加剛性減少了保持環的偏轉，從而減輕墊的變形、對於墊壓縮性的靈敏度、及邊緣效應。
雖然上述實施例聚焦於具有內嵌用於CMP製程的聲波/振動偵測器302的保持環，但相同的設計也可被用於邊緣環及基板處理腔室中的類似物。此外，一些實施例可以包括一個或更多個被配置在基板處理腔室之各部分中的聲波/振動偵測器302，以偵測來自不同有利點的各種處理狀況，從而創造出「智能腔室」。
雖然前述係針對本揭示之實施例，但亦可在不偏離本揭示之基本範圍下設計出本揭示之其他的和進一步的實施例。
10‧‧‧基板
32‧‧‧研磨墊
104‧‧‧基座
110‧‧‧保持環
114‧‧‧支撐結構
116‧‧‧撓性隔膜
118‧‧‧撓性構件或膜
170‧‧‧支撐板
172‧‧‧下夾鉗
174‧‧‧上夾鉗
180‧‧‧下部
182‧‧‧底表面
184‧‧‧上部
186‧‧‧黏著層
188‧‧‧內表面
302‧‧‧聲波/振動偵測器
304‧‧‧通道
306‧‧‧密封件
308‧‧‧電導線
310‧‧‧發送器
312‧‧‧傳輸天線
314‧‧‧密封件
340‧‧‧控制器/電腦
342‧‧‧中央處理單元(CPU)
344‧‧‧記憶體
346‧‧‧支援電路
T1‧‧‧厚度
T2‧‧‧厚度
TS‧‧‧厚度

Claims (20)

  1. 一種用於一承載頭的保持環，具有一用於一基板的固定表面，包含：一環形主體，該環形主體具有一中央開口；一通道，該通道被形成在該主體中，其中該通道之一第一端鄰近該中央開口；以及一偵測器，被配置在該通道內並鄰近該第一端，其中該偵測器設以偵測來自在該基板上進行的製程之聲波及/或振動發射。
  2. 如請求項1所述之保持環，進一步包含：一密封件，被配置在該通道內介於該偵測器與該中央開口之間。
  3. 如請求項2所述之保持環，其中該密封件為一將該中央開口與該偵測器分離的矽膜。
  4. 如請求項2至3中任一項所述之保持環，其中該通道從該保持環之一外表面延伸到該保持環鄰近該中央開口的一內表面。
  5. 如請求項2至3中任一項所述之保持環，其中該密封件為約1mm至約10mm厚。
  6. 如請求項2至3中任一項所述之保持環，進一步包含：一第二偵測器，用以偵測該密封件是否故障，其中該第二偵測器為濕度偵測器或壓力偵測器中之一 者。
  7. 如請求項1至6中任一項所述之保持環，其中該偵測器為用以偵測來自在該基板上進行的製程的聲波發射之一麥克風或用以偵測從在該基板上進行的製程產生的振動之一微機電系統(MEMS)加速計中之一者。
  8. 如請求項1至3中任一項所述之保持環，其中該偵測器經由一條或更多條電導線耦接到一發送器。
  9. 如請求項8所述之保持環，其中該發送器為一無線發送器，該無線發送器設以無線發送與從該偵測器獲得的聲波及/或振動發射相關的資訊。
  10. 如請求項8所述之保持環，其中該發送器被配置在該保持環之一外表面上。
  11. 一種用於一化學機械研磨設備的承載頭，包含：一基座；一保持環，被連接到該基座，其中該保持環包含：一環形主體，該環形主體具有一中央開口；一通道，該通道被形成在該主體中，其中該通道之一第一端鄰近該中央開口；及 一偵測器，被配置在該通道內並鄰近該第一端，其中該偵測器設以偵測來自化學機械研磨製程的聲波及/或振動發射；一支撐結構，藉由一彎曲連接到該基座，該彎曲可獨立於該基座和該保持環移動；以及一撓性膜，界定一可加壓腔室之邊界，該膜被連接到該支撐結構並具有一用於一基板的固定表面。
  12. 如請求項11所述之承載頭，其中該保持環進一步包括一密封件，該密封件被配置在該通道內介於該偵測器與該中央開口之間。
  13. 如請求項12所述之承載頭，其中該密封件為一將該中央開口與該偵測器分離的矽膜。
  14. 如請求項11至13中任一項所述之承載頭，其中該通道從該保持環之一外表面延伸到該保持環鄰近該中央開口的一內表面。
  15. 如請求項12所述之承載頭，其中該密封件為約1mm至約10mm厚。
  16. 如請求項11至13中任一項所述之承載頭，其中該偵測器經由一條或更多條電導線耦接到一發送器。
  17. 如請求項16所述之保持環，其中該發送器為一無線發送器，該無線發送器設以無線發送 與從該偵測器獲得的聲波及/或振動發射相關的資訊。
  18. 如請求項16所述之保持環，其中該發送器被配置在該基座之一外表面上。
  19. 一種用於判斷化學機械研磨狀況的方法，包含以下步驟：在一化學機械研磨設備中提供一保持環，該保持環具有一整合式偵測器；在一基板上進行一化學機械研磨製程，該基板被配置在該化學機械研磨設備中；經由該偵測器擷取來自所進行的化學機械研磨製程的聲波及/或振動發射；發送與由該偵測器擷取的聲波及/或振動發射相關的資訊；以及基於一發送資訊分析判斷一化學機械研磨狀況。
  20. 如請求項19所述之方法，進一步包含以下步驟：基於所判斷的化學機械研磨狀況控制該化學機械研磨設備。
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