TW202207354A - 可變形的基板夾具 - Google Patents

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Abstract

一種承載頭包括殼體；支撐組件，該支撐組件具有支撐板，該支撐板可撓地連接至該殼體以便可豎直移動；複數個流體不可滲透的阻障層，其從該支撐板的底部突出以限定在其底側處開口的複數個凹槽；以及氣動控制線。該支撐板與該殼體之間的體積包括一或多個可獨立加壓的第一腔室，以在一或多個第一區域中在該支撐板的頂表面上施加壓力。該等阻障層被定位和配置成使得當平坦基板被裝載到承載頭中時，該等阻障層接觸該基板並將該支撐板與該基板之間的體積分成複數個第二腔室。該等氣動控制線聯接至該複數個凹槽以提供複數個可獨立加壓的第二區域。

Description

可變形的基板夾具
本發明係關於一種用於化學機械拋光(chemical mechanical polishing, CMP)的承載頭。
積體電路通常藉由在半導體晶圓上順序沉積導電層、半導電層或絕緣層而形成在基板上。多種製造製程需要平坦化基板上的層。例如，一個製造步驟涉及在非平坦表面上沉積填料層並平面化該填料層。對於某些應用，將填料層平坦化，直到圖案化層的頂表面被暴露。例如，可以在圖案化的絕緣層上沉積金屬層，以填充絕緣層中的溝槽和孔。在平坦化之後，圖案化的層的溝槽和孔中的金屬的剩餘部分形成通孔、插塞和線，以在基板上的薄膜電路之間提供導電路徑。作為另一個實例，介電層可以沉積在圖案化的導電層上方，隨後經平坦化以實現後續的光刻步驟。
化學機械拋光(CMP)是一種公認的平坦化方法。此種平坦化方法通常需要將基板安裝在承載頭上。基板的暴露表面通常抵靠旋轉拋光墊放置。承載頭在基板上提供可控負載，以將基板推抵拋光墊。通常將具有磨粒的拋光漿料供應至拋光墊的表面。
在一個態樣中，一種承載頭包括殼體；支撐組件，該支撐組件具有支撐板，該支撐板可撓地連接至該殼體以可相對於該殼體豎直移動；複數個流體不可滲透的阻障層，其從該支撐板的底部突出以限定在其底側處開口的複數個凹槽；以及氣動控制線。該支撐板與該殼體之間的體積包括一或多個可獨立加壓的第一腔室，以在一或多個第一區域中在該支撐板的頂表面上施加壓力。該等阻障層被定位和配置成使得當平坦基板被裝載到承載頭中時，該等阻障層接觸該基板並將該支撐板與該基板之間的體積分成複數個第二腔室。該等氣動控制線連接到該複數個凹槽以提供複數個可獨立加壓的第二區域。
可能的優點包括但不限於以下中的一或多者。由於複數個微區域可以使用壓力和真空來控制基板形狀（例如，控制基板中的撓曲或彎曲程度），並且一或多個宏區域可以向基板施加拋光壓力，因此可變形的基板夾具可以提供額外的製程調諧參數並提高壓力分辨率。
可變形的基板夾具可以藉由根據基板的形狀和拋光墊剛度在基板上分佈壓力來改良晶圓內的均勻性，例如藉由增加在需要額外壓力的基板部分處施加的壓力及藉由減少在需要較小壓力的基板部分施加的壓力。此外，因為壓力是根據基板的形狀和拋光墊剛度分佈的，所以可以藉由定製施加到每個基板的拋光分佈來改良晶圓與晶圓之間的均勻性。原位計量可用於量測基板的形狀，並且該資料可用作控制器的反饋以調節壓力來實現目標形狀。
一些拋光製程導致基板表面上的厚度不均勻。不均勻性的一個原因是基板形狀的變化。即使假設正被拋光的基板具有均勻的厚度，基板作為整體亦可能是非平坦的，例如具有凹入或凸出的弓形或者像薯片一般彎曲。此種曲率可以小到例如幾十微米，但是以比正在製造的結構大得多的尺度發生，例如跨1-10 cm的橫向距離。當此種非平坦基板被壓抵拋光墊時，由弓形或波動提供的基板的「峰」更難壓抵拋光墊，並且因此在拋光期間經受更高的壓力。因此，即使承載頭向晶圓的背面施加均勻的壓力，基板的一些區域亦可被以更高的速率拋光，從而導致該等區域被過度拋光。
為了解決該問題，可以使用「基於形狀的」方法來根據基板形狀和拋光支撐墊剛度分配壓力。一或多個宏區域可用於向拋光支撐墊施加壓力，並且複數個具有壓力和真空輸入的微區域可用於控制基板的形狀。
第1圖圖示了包括一或多個承載頭140（僅示出一個）的拋光系統100的實例。每個承載頭140可操作以將基板10（諸如晶圓）保持抵靠拋光墊110以進行拋光。每個承載頭140可以獨立控制與每個相應基板相關聯的拋光參數，例如壓力。
每個承載頭140懸掛於支撐結構150，例如旋轉料架或軌道上，並且藉由驅動軸152連接至承載頭旋轉馬達154，使得承載頭可以圍繞軸線155旋轉。視情況，每個承載頭140可以橫向擺動，例如，在旋轉料架150上的滑塊上；藉由旋轉料架本身的旋轉擺動，或者藉由將支撐承載頭140的托架沿著軌道運動。
拋光系統100中包括的壓板120是可旋轉的盤形壓板，拋光墊110位於該可旋轉的盤形壓板上。壓板可操作以圍繞軸線125旋轉。例如，馬達121可以轉動驅動軸124以旋轉壓板120。拋光墊110可以是兩層拋光墊，該兩層拋光墊具有帶有拋光表面113的外拋光層112和較軟的背襯層114。
拋光系統100可包括埠130以將拋光液132（諸如漿料）分配到拋光墊110上。拋光裝置亦可包括拋光墊調理器以研磨拋光墊110，從而將拋光墊110保持在一致的研磨狀態。調理亦可以一致的速率磨損拋光墊。
在操作中，壓板圍繞其中心軸線125旋轉，並且每個承載頭圍繞其中心軸線155旋轉，並且橫向平移跨過拋光墊的頂表面。
儘管僅圖示了一個承載頭140，但是可以提供更多的承載頭來保持額外的基板，以便可以有效地使用拋光墊110的表面積。因此，適於保持基板以進行同時拋光製程的承載頭組件的數量可以至少部分地基於拋光墊110的表面積。
在一些實施方式中，拋光裝置包括原位監測系統160。原位監測系統可以是光學監測系統，例如光譜監測系統，該光學監測系統可用於量測來自正在進行拋光的基板的反射光的光譜。藉由包括孔隙（亦即，延伸貫穿拋光墊的孔）或實心窗口118來提供穿過該墊的光學通路。替代地或另外地，原位監測系統可包括渦流監測系統。
在一些實施方式中，監測系統160是按序光學監測系統，該按序光學監測系統具有位於兩個拋光裝置之間或拋光裝置與轉移站之間的探頭（未圖示）。監測系統160可以在拋光期間連續或週期性地監測基板區域的一或多個特徵。例如，一個特徵是基板的每個區域的厚度。
在原位或按序實施例中，監測系統160可包括光源162、光偵測器164以及用於在遠程控制器190（例如，電腦）與光源162及光偵測器164之間發送和接收信號的電路系統166。一根或多根光纖170可用於將來自光源162的光傳輸到拋光墊中的光學入口，並將從基板10反射的光傳輸到偵測器164。
參考第1圖至第2圖，承載頭140包括殼體102、保持環142以及殼體102內的支撐組件200。
保持環142被配置成將基板10保持在支撐組件200下方。保持環142可以是浮動保持環，該浮動保持環豎直可移動地連接至殼體102。密封件206，例如環形撓曲件、滾動隔膜或伸縮軟管，可用於將保持環142連接至殼體102並形成可加壓腔室215，該可加壓腔室215允許控制保持環142的豎直位置和該保持環上的向下壓力。可加壓腔室215可以連接至獨立可控的壓力源220。例如，每個通道222上的閥224可以調節流入可加壓腔室215的氣流。
支撐組件200包括支撐板202。支撐板202可以足夠寬以橫跨整個基板10。若支撐板可撓性過大，則該支撐板不能強制使基板改變形狀。但是若支撐板剛性過大，則對背面壓力分佈的回應會太弱。支撐板202的最佳剛度是形狀可控性與施加的壓力分辨率之間的折衷。
殼體102與支撐板202之間的體積被一或多個可撓的流體不可滲透的第一阻障層208（例如，環形撓曲件、滾動隔膜或伸縮軟管）分成複數個上部腔室210。第一阻障層208可以允許支撐板202相對於殼體102豎直移動。第一阻障層208亦可用於將支撐板202固定到殼體102，但是從殼體向內突出的凸緣或其他機構可用於限制支撐板202的向下運動及/或防止可撓阻障層208的過度延伸。可以有1至10個上部腔室210。上部腔室的數量可以基於支撐板202的剛度來選擇。通常，板越硬，則需要的上部腔室就越少。對於剛性支撐板，1或2個上部腔室可能就足夠了。上部腔室210可以使用一或多個壓力源220經由通道222加壓。每個上部腔室210可以連接至獨立可控的壓力源220。例如，每個通道222上的壓力調節器224可以調節每個上部腔室210中的壓力。
複數個流體不可滲透的第二阻障層204可以緊固至支撐板202的底面。第二阻障層204可以從支撐板202的底面大致豎直向下延伸，例如與支撐板202成直角。支撐板202下方的第二阻障層之間的間隙限定了在其底端處開口的凹槽。
在一些實施方式中，第二阻障層204從背襯膜向下延伸，該背襯膜由與第二阻障層204相同的材料形成。膜的後表面可以鄰接並附著到支撐板，例如藉由黏合劑或藉由機械固定裝置諸如夾鉗。第二阻障層204可由單個模製部分提供，例如作為從背襯膜向下延伸的脊或作為互連網格，該互連網格不需要背襯膜。或者，第二阻障層204可以提供為獨立緊固至支撐板202的單獨零件。
流體不可滲透的第二阻障層204可以是柔軟的及可壓縮的。例如，流體不可滲透的第二阻障層204可以由硬度為30-60肖氏硬度A及/或彈性模數小於50 MPa的材料形成。第二阻障層204可以是彈性體，例如熱塑性彈性體。第二阻障層可以是橡膠材料，例如矽橡膠。在一些實施方式中，第二阻障層比支撐板202更有彈性及/或更可壓縮。
儘管第二阻障層204是柔軟且可壓縮的，但是取決於支撐板202的抗撓剛度，承載頭140的三種配置都是可能的，每一種配置具有相關聯的操作模式。
首先，承載頭140可以用於真空夾住基板，而不會使基板變形，但是具有施加的壓力分佈。在此種情況下，可以使用順應密封層和順應支撐板202。此可以被稱為順應/順應組合。在此種情況下，支撐板202的抗撓剛度可以在基板的抗撓剛度的0.1倍至1倍的範圍內。
其次，承載頭140可用於真空夾住基板，具有基板變形並且具有施加的壓力分佈。在這種情況下，可以使用順應密封層和半剛性支撐板202。此可以稱為半剛性/順應組合。在此種情況下，支撐板202的抗撓剛度可以在基板的抗撓剛度的1倍至25倍的範圍內。若支撐板202太硬，則支撐板202不能以將壓力分佈轉移到基板前側的方式將壓力分佈施加至基板的後側。
例如，支撐板202可以由金屬（例如，不銹鋼）或塑膠（例如，聚醚醚酮(polyetheretherketone, PEEK)）製成。為了實現上述抗撓剛度，由PEEK形成的支撐板可以具有介於約2.5 mm與7.0 mm之間的厚度，而由不銹鋼形成的支撐板可以具有介於約0.6 mm與1.8 mm之間的厚度。若支撐板僅用於夾住基板而不是使基板變形，則支撐板可以更可撓，例如是基板剛度的0.01倍至1.0倍。為了實現上述抗撓剛度，由PEEK形成的支撐板的厚度可以介於約0.5 mm與2.5 mm之間。
最後，承載頭140可用於真空夾住基板，具有基板變形但沒有施加的壓力分佈的。在此種情況下，可以使用順應密封層和剛性支撐板202。在最後此種情況下，將均勻壓力施加至支撐板202。此可以稱為剛性/順應組合。在此種情況下，支撐板202的抗撓剛度可以是基板的抗撓剛度的至少25倍。
抗撓剛度(或剛度)，可計算為D=Et3 /12*(1-nu^2)，其中E是抗撓模數，t是厚度，並且nu是泊松比。在第一種近似情況下，基板的抗撓剛度主要由下層矽晶圓的抗撓剛度決定。直徑為300 mm的晶圓的楊氏模數為112 GPa。因此，在順應/順從組合中，支撐板202的抗撓剛度可為約0.02 Pam3 至0.40 Pam3 。在半剛性/順應組合中，支撐板202的抗撓剛度可為約0.4 Pam3 至10 Pam3 。在剛性/順應組合中，支撐板202的抗撓剛度可大於10 Pam3 。
當第二阻障層204接觸基板時，阻障層可以形成不透流體的密封，該不透流體的密封將支撐板202與基板10之間的體積分成複數個下部腔室212，每個下部腔室212對應於凹槽中的一個凹槽。下部腔室212可以被減壓以將基板10夾到承載頭140。
第二阻障層204將支撐板202與基板10之間的體積分成複數個下部腔室212。可以有2至100個第二阻障層204緊固至支撐板202。特別地，每個上部腔室210下方的區域可以被分成多個下部腔室212，例如2至10個下部腔室212。因此，至少一些第二阻障層204橫向位於限定上部腔室的相鄰第一阻障層202之間(但是豎直位於該等相鄰第一阻障層下方)。第二阻障層204可以是環形的。第二阻障層204可以間隔開2 mm至100 mm。支撐板202下方的中央下部腔室的直徑可為20 mm至200 mm。例如，若有單個大中心區和單個窄外部區，則中心區的直徑可以是200 mm，並且外部區的寬度可以是50 mm（對於直徑為300 mm的基板）。另一方面，對於10個下部腔室212，中心區域的直徑可為60 mm，並且其餘腔室的寬度可各自為30 mm。當然，其他配置亦是可能的，例如，下部腔室可以朝著承載頭的外邊緣逐漸變窄。
亦參考第3A圖至第3C圖，一或多個下部腔室212可以使用一或多個壓力源220經由通道222加壓或減壓。每個下部腔室212可以連接到獨立可控的壓力源220。例如，每個通道222上的閥或壓力調節器224可以調節進入每個下部腔室212的氣體流量。儘管圖示僅一個微區域212連接至壓力源220，但是每個下部腔室212可以連接至相應獨立可控的壓力源220。然而，在一些實施方式中，多個下部腔室，例如一組相鄰的下部腔室212，可以連接到共同壓力源220。在此種情況下，當基板被夾抵第二阻障層204時，第二阻障層204可以為基板提供支撐。
一或多個下部腔室212可以使用一或多個真空源230經由真空通道232減壓。每個下部腔室212可以連接至獨立可控的真空源230。例如，每個真空通道232上的閥234可以調節從每個下部腔室212抽吸或抽真空的氣體流量。儘管圖示僅一個下部腔室212連接至真空源230，但是應當理解的是，每個下部腔室212可以連接至真空源230。
對下部腔室212中的一或多個下部腔室減壓可以在對應的下部腔室212中創建真空，並將基板10夾至承載頭140中的支撐板202。
在承載頭的半剛性/順應和剛性/順應配置中，可以控制下部腔室212以使基板10變形。例如，支撐板具有足夠的剛度，使得對下部腔室212中的一些下部腔室減壓並同時將其他下部腔室212加壓可使基板彎曲（其中支撐板202的彎曲小於基板，取決於相對抗撓剛度）。
在承載頭的順應/順應和半剛性/順應配置中，宏區域210可以由壓力源220加壓到不同的壓力，以向基板10的不同區域施加不同的拋光壓力。特別地，支撐板202可以基於在宏區域中施加的壓力而稍微彎曲，並且該壓力差經由第二阻障層204傳遞到基板。若支撐板202太硬，則來自宏區域210的任何壓差將被支撐板202消除。
在一些實施方式中，將下部腔室212加壓，使得在基板上存在淨零向下力。
原位計量可用於量測基板的形狀，並且該資料可用作控制器的反饋以調節壓力來實現目標形狀。參考第1圖，監測系統160可用於量測基板10的形狀。例如，可以量測基板相對於參考形狀的變形。量測值可以被發送至控制器190，該控制器可隨後控制一或多個壓力源220及/或一或多個真空源230來對下部腔室212加壓及/或減壓，以使基板10變形以供進行拋光。應注意，可以使用壓力或真空來使基板10變形。在一些實施方式中，標稱真空可以施加至所有的下部腔室212（以緊固基板），並且「更高」的真空，即甚至更低的壓力，可以施加至特定的下部腔室以使基板10變形。
本文所述的系統的控制器和其他計算設備部分可以在數位電子電路系統中實施，或者在電腦軟體、韌體或硬體中實施。例如，控制器可包括處理器以執行儲存在電腦程式產品中（例如，非暫時性機器可讀儲存媒體中）的電腦程式。此種電腦程式（亦稱為程式、軟體、軟體應用程序或代碼）可以用任何形式的程式化語言編寫，包括編譯或解釋語言，並且其可以以任何形式部署，包括作為獨立程式或作為模組、部件、子常式、或適合在計算環境中使用的其他單元。
儘管本文件包含許多特定的實施細節，但該等實施細節不應被解釋為對任何發明或可能主張保護的範疇的限制，而是作為對特定發明的特定實施例的特定特徵的描述。本文件中在單獨實施例的上下文中描述的某些特徵亦可以在單個實施例中組合實施。相反，在單個實施例的上下文中描述的各種特徵亦可以在多個實施例中單獨實施或者以任何合適的子組合實施。此外，儘管特徵可以在上面被描述為以某些組合起作用並且甚至最初被如此主張，但是來自所主張的組合的一或多個特徵在一些情況下可以從該組合中刪除，並且所主張的組合可涉及子組合或子組合的變體。
已經描述了本發明的多個實施例。然而，應當理解的是可以進行各種修改。例如： •  下部腔室可以大於或小於上部腔室。 •  密封件不必同心。例如，密封件可以形成餅形區域。 •  密封件和支撐板可以由單個模製主體，例如熱塑性彈性體(thermoplastic elastomer, TPE)形成。
因此，其他實施方式在以下申請專利範圍的範疇內。
10:基板 100:拋光系統 102:殼體 110:拋光墊 112:外拋光層 113:拋光表面 114:背襯層 118:實心窗口 120:壓板 121:馬達 124:驅動軸 125:中心軸線 130:埠 132:拋光液 140:承載頭 142:保持環 150:支撐結構 152:驅動軸 154:承載頭旋轉馬達 155:軸線 160:監測系統 162:光源 164:光偵測器 166:電路系統 170:光纖 190:控制器 200:支撐組件 204:第二阻障層 206:密封件 208:第一阻障層 210:上部腔室 212:下部腔室 215:可加壓腔室 220:獨立可控的壓力源 222:通道 224:閥 230:真空源 232:真空通道 234:閥
第1圖是拋光系統的示意性剖視圖。
第2圖是承載頭的示意性剖視圖。
第3A圖是支撐組件和基板的示意性剖視圖。
第3B圖是由支撐組件施加到第3A圖的基板的力的示意性剖視圖。
第3C圖是在拋光墊上的第3B圖的變形基板的示意性剖視圖。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
200:支撐組件
204:第二阻障層
206:密封件
208:第一阻障層
210:上部腔室
212:下部腔室
215:可加壓腔室
220:獨立可控的壓力源
222:通道
224:閥
230:真空源
232:真空通道
234:閥

Claims (20)

  1. 一種承載頭，其包括： 一殼體， 一支撐組件，其具有一支撐板，該支撐板可撓地連接至該殼體以便可相對於該殼體豎直移動，其中該支撐板與該殼體之間的一體積包括一或多個可獨立加壓的第一腔室以在一或多個第一區域中在該支撐板的一頂表面上施加壓力， 複數個流體不可滲透的阻障層，其從該支撐板的一底部突出以限定在其底側處開口的複數個凹槽，該等阻障層被定位和配置成使得當一平坦基板被裝載到該承載頭中時，該等阻障層接觸該基板並將該支撐板與該基板之間的一體積分成複數個第二腔室；以及 氣動控制線，其聯接至該複數個凹槽以提供複數個可獨立加壓的第二區域。
  2. 如請求項1所述之承載頭，其中至少一個第二區域包括複數個凹槽，其中由該複數個凹槽限定的第二腔室中的壓力通常由一氣動控制線控制。
  3. 如請求項2所述之承載頭，其中複數個第二區域各自包括複數個凹槽，其中由一相應區域的該複數個凹槽限定的第二腔室中的壓力通常由用於該相應區域的氣動控制線控制。
  4. 如請求項2所述之承載頭，其中該第二區域包括4至100個凹槽。
  5. 如請求項1所述之承載頭，其中該等第二區域比該等第一區域更窄。
  6. 如請求項1所述之承載頭，其中該支撐板與該殼體之間的該體積被分成1至10個第一區域。
  7. 如請求項6所述之承載頭，其包括至少一個上部阻障層，該至少一個上部阻障層將該支撐板與該殼體之間的該體積分成複數個第一區域。
  8. 如請求項6所述之承載頭，其進一步包括2至10個第二區域。
  9. 如請求項6所述之承載頭，其中存在比第一區域更大數目的第二區域。
  10. 如請求項1所述之承載頭，其中每個第一區域下方的一區域被分成複數個第二區域。
  11. 如請求項1所述之承載頭，其中該等阻障層是可壓縮的。
  12. 如請求項11所述之承載頭，其中該等阻障層由一彈性體組成。
  13. 如請求項12所述之承載頭，其中該彈性體包含一橡膠或矽樹脂。
  14. 如請求項11所述之承載頭，其中該等阻障層是一閉孔聚合物墊的多個部分。
  15. 如請求項1所述之承載頭，其中該支撐板的一抗撓剛度是由矽形成的一平坦基板的該抗撓剛度的0.1倍至1倍，並且經成形以適配在該承載頭上。
  16. 如請求項1所述之承載頭，其中該支撐板的一抗撓剛度是由矽形成的一平坦基板的該抗撓剛度的1倍至25倍，並且經成形以適配在該承載頭上。
  17. 如請求項1所述之承載頭，其中該支撐板的一抗撓剛度是由矽形成的一平坦基板的該抗撓剛度的大於25倍，並且經成形以適配在該承載頭上。
  18. 如請求項1所述之承載頭，其中該支撐板是塑膠的。
  19. 一種化學機械拋光系統，其包括： 一壓板，其具有一拋光表面； 一承載頭，其包括 一殼體， 一支撐組件，其具有一支撐板，該支撐板連接至該殼體，其中該支撐板與該殼體之間的一體積被分成複數個可獨立加壓的第一區域，以及 複數個流體不可滲透的阻障層，其從該支撐板的一底部突出，該等阻障層經定位和配置成使得當基板被裝載到該承載頭中時，該等阻障層接觸該基板並將該支撐板與該基板之間的一體積分成比該等第一區域更窄的複數個可加壓及可減壓的第二區域； 一或多個壓力源，其連接至該等第一區域及該等第二區域； 一光學監測系統，其被配置為量測該基板的一形狀；以及 一控制器，該控制器連接至該光學監測系統和該一或多個壓力源，其中該控制器被配置為基於該基板的該形狀控制該等第二區域中的壓力。
  20. 一種拋光一基板的方法，其包括以下步驟： 使由一承載頭保持的一基板與一拋光墊接觸，使得從該承載頭中的一支撐板的一底部突出的複數個流體不可滲透的阻障層接觸該基板並將該支撐板與該基板之間的一體積分成複數個可獨立加壓的第二區域； 控制該支撐板與該承載頭的一殼體之間的複數個可獨立加壓的第一區域中的壓力，以便控制該支撐板的撓曲；以及 控制該支撐板下方的該複數個可獨立加壓的第二區域中的壓力。
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