TW201803691A - 化學機械研磨之固定環 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種用於化學機械研磨之固定環，其取代修整器，該固定環包含一環形件，其具有一底表面，以與一研磨墊接觸，該底表面包含至少一通道以及至少一凸紋區域，該至少一凸紋區域位於相鄰該至少一通道之間。該環形件更包含複數個磨料微粒，配置於該至少一凸紋區域上。

Description

化學機械研磨之固定環

本發明係關於一種化學機械研磨之固定環，特別係關於具有凸紋區域之固定環。

現今追求電子產品最小化，關鍵在於積體電路，積體電路製程複雜且耗時，每一步驟甚為重要。大致而言，於矽基板上依序沉積導體層、半導體層或絕緣層以形成積體電路，其中一步驟包括於非平坦表面上沉積填充層(filler layer)，以及將填充層平坦化至非平面表面外露。舉例而言，導電填料層可以沉積於具有圖樣化之絕緣層上，以填滿絕緣層中之溝渠或孔洞。接續，填料層被研磨至暴露出絕緣層之凸起圖樣為止。完成平坦化後，導電層殘餘在絕緣層之凸起圖樣之間的部分形成介層洞、插塞與線，而於晶圓上之薄膜電路間形成導電通路。除此之外，平坦化將晶圓表面予以平坦化，利於後續微影。

化學機械平坦化(chemical Mechanical Planarization,CMP)是半導體晶圓表面平坦化之製程方法之一，於化學機械平坦化製程中，典型地須將晶圓固定於CMP設備之承載頭或研磨頭(polishing head)上，晶圓之裸露面與研磨墊(polishing pad)微微接觸，研磨液均勻地分散至晶圓與研磨墊之間，藉由化學蝕刻與機械研磨相互作用下，移除晶圓凸出之沉積層。承載頭或研磨頭具有一固定環，以將晶圓固定住，不致掉落或飛出。一般而言，研磨液包含奈米級之陶瓷磨粒，如SiO₂、Al₂O₃、CeO₂等，其適當刺入並刮除微量薄膜，同時進行化學蝕刻與機械磨削作用，移除晶片上突出的沉積層，以達晶圓表面平坦化之目的。

為達到晶圓加工量產之需求，以及維持品質之穩定性，研磨墊因長期研磨使用，其研磨顆粒填塞入研磨墊空隙中，造成研磨墊之研磨效率下降，縮減使用壽命。是以，須藉由修整器(dresser)於研磨期間適時地對研磨墊進行修整，移除研磨期間所產生之副產物，恢復研磨墊之粗糙面，維持研磨墊 表面之最佳狀態，如此一來，減少研磨墊之更換次數，縮減成本，並穩定晶圓量產之品質。習知修整器，係將複數個磨料顆粒固定於修整器之金屬圓盤表面上，藉由磨料顆粒所具有高硬度與高耐磨之特定，以研磨加工工作物，移除研磨墊表面累積的廢棄物，藉此保持研磨墊表面之粗糙度。常見的高硬度及高耐磨之磨料顆粒為鑽石，因而業界常利用鑽石以作為研磨工具或修整器之磨料顆粒，此類修整器可稱為「鑽石碟修整器」。除此之外，修整器亦可使研磨墊表面產生微量的隆起及凹陷，其即所謂絨毛(Asperities)的高低差，如此一來，觸壓研磨墊之面積可大幅縮小，一旦接觸面積愈小，接觸壓力愈大，接觸點處的研磨液才能擠壓晶圓的突出部位，研磨液之化學藥劑(如H₂O₂)則會氧化而軟化或侵蝕晶圓。

習知化學研磨機械設備中，固定環與修整器係獨立分開，相對於晶圓上，相互對稱。固定環之通道有助於研磨液於研磨期間，均勻地輸送至晶圓，以及，將研磨液廢液和研磨期間所生之副產物排出晶圓外，卻無法對研磨墊表面進行修整，得必須借助額外修整器以修復研磨墊表面，以增加研磨墊之使用壽命，如此一來，設備維護成本提高，且維護不易。

台灣發明專利公開號200920661揭示「具有經塑形輪廓之定位環」，台灣新型專利公告號M356214揭示「一種用於化學機械研磨之固定環」；台灣發明專利公開號200743551揭示「利用紫外線硬化製作修整器之方法」，台灣發明專利公開號200806429揭示「鑽石碟製程」，台灣發明專利公開號201113120揭示「拋光墊修整器」以及台灣新型專利公告號M446063「化學機械研磨修整器」。上述習知技術雖各自改良定位環(或固定環)及修整器，惟，仍然無法降低維護設備之成本。

有鑑於此，為改善習知技術之缺失，降低設備成本，同時提升晶圓平坦化之效率和品質，本發明提出一種具有凸紋區域之固定環，將固定環和修整器整合為一體。

有鑑於上述習知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種用於化學機械研磨之固定環，其取代修整器，該固定環包含一環形件，其具有一底表面，以與一研磨墊接觸，該底表面包含至少一通道以及至少一凸紋區域，該凸紋區域位於相鄰通道間。

為達上述之目的，該至少一凸紋區域包含複數個角錐體，該環形件更包含複數個磨料微粒，固定於該至少一凸紋區域上。該複數個角錐體高度介於100~200微米。

該至少一通道包含一第一通道及一第二通道，該至少一第一通道係以相對於徑向之一第一夾角延伸，該第一夾角介於20°至60°之間；該至少一第二通道係以相對於徑向之一第二夾角延伸，該第二夾角介於120°至160°之間；其中該至少一第一通道與該至少一第二通道互不相交。該環形件包含一內徑及一外徑，該外徑大於該內徑2-3公分。

本發明之另一目的係提供一種具修整功能之固定環，用於化學機械研磨，該固定環包含一環形件，其具有一底表面，以與一研磨墊接觸，該底表面包含至少一第一通道及至少一第二通道，該至少一第一通道係以相對於徑向之一第一夾角延伸，該至少一第二通道係以相對於徑向之一第二夾角延伸，該至少一第一通道與該至少一第二通道互不相交，該底表面更包含至少一凸紋區域，其位於該至少一第一通道與該至少一第二通道之間，鑽石微粒配置於該至少一凸紋區域上。

為達上述之另一目的，該至少一凸紋區域包含複數個角錐體，鑽石微粒配置於凸紋區域平坦處，鑽石微粒之尺寸介於50-250微米，每一鑽石微粒之間距為200-600微米，高度介於100~200微米。

100‧‧‧環形件

101‧‧‧內徑

102‧‧‧底表面

50‧‧‧徑向

103‧‧‧外徑

20‧‧‧通道

22‧‧‧第一通道

B‧‧‧區域

24‧‧‧第二通道

30‧‧‧凸紋區域

32‧‧‧角錐體

A‧‧‧區域

40‧‧‧磨料微粒

42‧‧‧結合層

第一圖係顯示本發明環形件之示意圖。

第二圖係顯示本發明環形件之另一示意圖。

第三A圖係顯示本發明通道之剖面圖。

第三B圖係顯示本發明通道之剖面圖。

第三C圖係顯示本發明通道之剖面圖。

第三D圖係顯示本發明通道之剖面圖。

第四A圖係顯示本發明多角錐體之態樣。

第四B圖係顯示本發明多角錐體之態樣。

第四C圖係顯示本發明多角錐體之態樣。

第四D圖係顯示本發明多角錐體之態樣。

第四E圖係顯示本發明多角錐體之態樣。

第五A圖係顯示本發明多角錐體之排列示意圖。

第五B圖係顯示本發明多角錐體之排列示意圖。

第六A圖係顯示本發明磨料微粒之示意圖。

第六B圖係顯示本發明磨料微粒之示意圖。

第六C圖係顯示本發明磨料微粒之示意圖。

藉由參考下列詳細敘述，將可以更快地瞭解上述觀點以及本發明之優點，並且藉由下面的描述以及附加圖式，更容易了解本發明之精神。

本發明將以較佳之實施例及觀點加以詳細敘述。下列描述提供本發明特定的施行細節，俾使閱者徹底瞭解這些實施例之實行方式。然該領域之熟習技藝者須瞭解本發明亦可在不具備這些細節之條件下實行。此外，文中不會對一些已熟知之結構或功能或是作細節描述，以避免各種實施例間不必要相關描述之混淆，以下描述中使用之術語將以最廣義的合理方式解釋，即使其與本發明某特定實施例之細節描述一起使用。

參閱第一圖及第二圖，該圖係顯示本發明固定環之環形件100示意圖。本發明環形件100之材質須具備足夠彈性，當環形件與晶圓(或基材)接觸固定時，不致發生晶圓或基材碎裂；然而，彈性必須恰到好處，以免彈性過大，致生晶圓不當地擠壓至環形件100深處。除此之外，環形件100材質亦具備高耐受性與低磨損率，舉例而言，環形件100得由塑料製成，例如：SUS、聚醚醚酮(polyetheretherketone,PEEK)、聚苯硫(polyphenylene sulfide,PPS)、PBN(Polybutylene naphthalate resin)、陶瓷或其他複合材料，但並不以此為限。

環形件100具有一接觸底表面102，以與研磨墊(Polishing Pad)接觸，研磨墊(未顯示於圖中)可亦是一標準研磨墊或固定磨料微粒墊，研磨墊之孔洞大小約略為0.1-0.6微米，晶圓經研磨墊研磨拋光後，中心線平均粗糙度(arithmetical mean deviation,Ra)約為3.5-5.5微米。環形件100亦具有一內徑101與一外徑103，晶圓或基材係被夾設於內徑101中，內徑101尺寸略小於晶圓直徑尺寸，於一實施例中，外徑103大於內徑101約略2-3公分，舉例而言，內徑101(直徑)約略為31公分，外徑103(直徑)約略為33.5公分，應當理解，內徑101與外徑103尺寸得視實際條件而有所變更，如晶圓大小等。

參閱第一圖，環形件100之接觸底表面102具有至少一通道(或溝槽)20，其作用在於：當環形件100與研磨墊接觸時，環形件100之通道有助於研磨液(slurry)均勻擴散至晶圓，抑或是將研磨液排出晶圓外，通道兩末端口得於內徑101和外徑103處呈現喇叭狀，一般而言，研磨液包含奈米級之陶瓷磨粒，如SiO₂、Al₂O₃、CeO₂等。於此實施例中，每一通道20實質自環形件100圓心延徑向50輻射，自內徑101延伸至外徑103，通道20為自內徑101徑向50延伸至外徑103。於另一實施例中，每一通道20大體上以相對於徑向50之一夾角延伸，夾角介於20°至60°之間，較佳地為30°，最佳地為45°，如第二圖所示。於另一實施例中，環形件100之接觸底面102具有複數個第一通道22及複數個第二通道24，第一通道22和第二通道24以相同角度等距離分配環繞環形件100之底表面102上，如第二圖所示，第一通道22大體上以相對於徑向50之第一夾角延伸，第一夾角介於20°至60°之間，較佳地為30°，最佳地為45°；第二通道24大體上以相對於徑向50之第二夾角延伸，第二夾角介於120°至160°之間，較佳地為150°，最佳地為135°。於上述實施例中，相鄰通道互不相交或重疊。

通道20(包含第一通道22及第二通道24)之寬度介於0.1-0.2吋，深度介於0.1-0.2吋，通道20、22、24大致為U形，如第三A圖-第三D圖所示，通道20、22、24底部和兩側壁得為直線(如第三C圖所示)或圓弧曲線(如第三A圖所示)。於一實施例中，通道20內之側壁相互平行，抑或是自內徑101向外徑103分歧，抑或是自外徑103向內徑101分歧。通道20之深度得沿著通道長度而有所變化，於一實施例中，內徑101通道深度至外徑103通道深度愈來愈深，於另一實施例中，內徑101通道深度至外徑103通道深度愈來愈淺。

復參閱第一圖，於一實施例中，環形件100之接觸底表面102之平坦處包含三維凸紋區域30，其可包含角錐體或鋸齒狀等，但不以此為限，換言之，凸紋區域30位於每一通道20之間，但並不局限於每一相鄰通道20間設有凸紋區域30，其得任意配置。三維凸紋區域30得與環形件100一體成形，亦即凸紋區域30材質與環形件100材質相同，抑或是，三維凸紋區域30材質不同於環形件100之材質。應當理解，由於角錐體32之尺寸為微米等級，故以黑點來表示角錐體32於底表面102凸紋區域30之分布情形。凸紋區 域30包括複數個角錐體32，如第四A-四E圖所示，其分別顯示角錐體32之態樣，第四A-四D圖係顯示四角錐體，其差別在於側邊之弧度不同，第四E圖係顯示圓錐體。複數個角錐體32週期性地佈滿於平坦處，角錐體32高度介於100~200微米(um)、角錐體32之底部長度介於50~1000微米(um)，每一角錐體32間的間距介於100-200微米(um)，應當理解，由於角錐體32之尺寸為微米等級，故以黑點來表示角錐體32於底表面102之分布情形。於另一實施例中，凸紋區域30得包含不同大小之角錐體32，如第五A圖及第五B圖所示，第五A圖和第五B圖可為第一圖之某一局部放大圖，第五A圖為截面圖，第五B圖為俯視圖，須額外說明的是，此兩圖僅表示本發明實施例之一者，不一定與第一圖之角錐體32相符；除此之外，第五A圖為環形件100之截面圖，第五B圖之圓圈大小僅用以表示角錐體32之相對尺寸及位置，並非侷限於圓錐體，凸紋區域30包含三種不同尺寸之三角錐，並對稱排列，進一步地，毗鄰行或毗鄰列之三角錐可以相同，也可以不同；復參閱第一圖所示，A區域係顯示角錐體32為整齊排列，B區域係顯示角錐體32為交錯排列，但並不以此為限。

第六A圖、第六B圖及第六C圖可為第一圖之某一局部截面放大圖，亦可為第二圖之某一局部截面放大圖，應當理解，角錐體32為奈米尺寸等級，故未顯示於第二圖之底表面102上。須說明的是，第六A圖、第六B圖及第六C圖僅表示本發明實施例之一者，不一定與第一、二圖之角錐體32相符。

凸紋區域30表面包含磨料微粒(abrasive particles)40。於一實施例中，磨料微粒40得沉積於凸紋區域30之凸部，參閱第六B圖及第六C圖所示；磨料微粒40亦得沉積於底表面102之平坦處，如第六A圖所示；應當理解，磨粒微料40之形狀、尺寸及分布情形不侷限於第六A-六C圖之態樣，視配置技術及其他因素以決定之。磨料微粒40係為高硬度且高耐磨之磨料顆粒，於一實施例中，磨料微粒40包含多晶鑽石(PCD)、人造鑽石、天然鑽石、立方氮化硼(cubic boron nitride,CBN)或多晶立方氮化硼(PCBN)、CVD氣相沉積薄膜鑽石。磨料微粒40直徑尺寸介於10-250微米(um)。

於另一最佳實施例中，磨料微粒40可為CVD鑽石，藉由化學蒸氣沉澱法(chemical vapor deposition CVD)以將磨料微粒40沉積佈滿於底表面 102上，亦即，CVD鑽石將覆蓋底表面102、凸紋區域30及角錐體32上，如第六B圖及第六C圖所示。

於一實施例中，角錐體32得以一規則圖案(如環狀)或一不規則圖案排列於底表面102之凸紋區域30。同樣地，磨料微粒40亦得以一規則圖案(如環狀)或一不規則圖案排列於底表面102或凸紋區域30上，如第六A圖所示。於一實施例中，磨料微粒40可透過結合層42，以固定於凸紋區域30上，如第六A圖所示。結合層42可為焊料層、電鍍層、燒結層或樹脂層，樹脂層包含高分子黏著劑(如聚氨酯poly urethane,PU)或樹脂材料(環氧樹脂，epoxy resin)，焊料層可為鎳、鈷、鉻、錳、矽、鋁、鈦、硼、磷或其組合之金屬合金(如鎳鉻合金等)，但不以此為限。又於另一實施例中，亦得藉由燒結或電鍍等方法，以使磨料微粒40與結合層42產生化學鍵結，將磨料微粒40沉積於凸紋區域30上，增強磨料微粒40之固著強度。熟知該項技術領域之通常知識者應當理解，沉積方法和結合層42取決於磨料微粒40之材質。舉例而言，於最佳實施例中，磨料微粒40為鑽石，其透過結合層42，以黏著於凸紋區域30上。於另一實施例中，結合層42更包含紫外線膠，當磨料微粒40與結合層42相接觸後，利用旋轉塗佈(Spin Coating)將紫外線膠黏著於其上，再利用紫外線燈光照射紫外線膠，使紫外線膠硬化，俾使磨料微粒40及結合層42黏著更加緊密，如此一來，於修整研磨墊期間，可避免高溫對磨料微粒40造成不良影響。

於一實施例中，磨料微粒40得沉積於接觸底表面102之平坦處或凸紋區域30，亦即通道間之平坦處。於最佳實施例中，磨料微粒40之排列及取向呈一致性。

須說明的是，圖式所繪之通道20(含第一通道22及第二通道24)、凸紋區域30、角錐體32及磨料微粒40僅用以輔助說明本文之敘述，不排除其他實施例之可能性，圖式不應侷限本發明元件之尺寸、數量、形狀、排列及其他組合之可能性。

綜上所述，有別於習知化學機械研磨之固定環僅有固定晶圓之單一功能，本發明改良固定環形件之底表面，除了具有複數個通道外，亦具有凸紋區域，其位於毗鄰通道間，進一步地，鑽石配置於凸紋區域上，據此，通道有助於研磨液均勻分散至晶圓，以及將自將研磨墊所釋放之磨蝕粒排出晶圓 外，而鑲有鑽石之凸紋區域扮演著如同修整器角色，適時地對研磨墊進行修整，亦移除表面之研磨副產物，恢復研磨墊之粗糙度，延長研磨墊之使用壽命，如此一來，本發明固定環形件同時具備修整器之功效。

上述之目的在於解釋，各種特定細節係為了提供對於本發明之徹底理解。熟知本發明領域之通常知識者應可實施本發明，而無需其中某些特定細節。

用基本形式來描述方法，在未脫離本發明範疇下，任一方法或訊息得自程序中增加或刪除，熟知該項技術領域之通常知識者應可進一步改良或修正本發明，特定實施方式僅用以說明，非限制本發明。

在說明書中所提到的“可能”一詞，其元件、特徵、程序或特性不受限於說明書中；說明書中所提到的數量不受限於“一”或“一個”等詞。

本發明並未侷限在此處所描述之特定細節特徵。在本發明之精神與範疇下，與先前描述與圖式相關之許多不同的發明變更是可被允許的。因此，本發明將由下述之專利申請範圍來包含其所可能之修改變更，而非由上方描述來界定本發明之範疇。

100‧‧‧環形件

101‧‧‧內徑

102‧‧‧底表面

103‧‧‧外徑

30‧‧‧凸紋區域

20‧‧‧通道

A‧‧‧區域

32‧‧‧角錐體

B‧‧‧區域

Claims (10)

1. 一種化學機械研磨之固定環，該固定環包含：一環形件，其具有一底表面，以與一研磨墊接觸，該底表面包含至少一通道以及至少一凸紋區域，該至少一凸紋區域位於相鄰該至少一通道之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨之固定環，其中該至少一凸紋區域包含複數個角錐體，該環形件更包含複數個磨料微粒，配置於該至少一凸紋區域上。
3. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨之固定環，該複數個角錐體高度介於100~200微米，底部長度介於200~1600微米，該複數個角錐體之間距介於50~1000微米。
4. 如申請專利範圍第2項所述之化學機械研磨之固定環，其中該複數個磨料微粒之直徑介於50-250微米，該複數個磨料微粒包含鑽石。
5. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨之固定環，該至少一通道以相對於徑向之一夾角配置，該夾角介於20°至60°之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨之固定環，其中該至少一通道包含：一第一通道，以相對於徑向之一第一夾角配置，該第一夾角介於20°至60°之間；一第二通道，以相對於徑向之一第二夾角配置，該第二夾角介於120°至160°之間；其中該第一通道與該第二通道互不相交。
7. 如申請專利範圍第1項所述之化學機械研磨之固定環，該環形件包含一內徑及一外徑，該外徑大於該內徑2-3公分。
8. 一種化學機械研磨之固定環，包含： 一環形件，其具有一底表面，以與一研磨墊接觸，該底表面包含至少一第一通道及至少一第二通道，該至少一第一通道以相對於徑向之一第一夾角配置，該至少一第二通道以相對於徑向之一第二夾角配置，該至少一第一通道與該至少一第二通道互不相交，以及至少一凸紋區域，其位於該至少一第一通道與該至少一第二通道之間；以及鑽石微粒，配置於該至少一凸紋區域上。
9. 如申請專利範圍第8項所述之化學機械研磨之固定環，其中該至少一凸紋區域包含複數個角錐體，該複數個角錐體高度介於100~200微米，底部長度介於200~1600微米，該複數個角錐體之間距介於50~1000微米，該鑽石微粒配置於每一該複數個角錐體之間以及置配於每一該複數個角錐體之平坦處，該鑽石微粒之尺寸介於50-250微米。
10. 如申請專利範圍第8項所述之化學機械研磨之固定環，其中該第一夾角介於20°至60°之間，該第二夾角介於120°至160°，該環形件包含一內徑及一外徑，該外徑大於該內徑2-3公分。