TW491745B - Carrier head with reduced moment wear ring - Google Patents

Description

A、發明說明（1) 曼明領域 種載ίΐ明二Ϊ係關於拋光裝置用之工# 矩。 周緣耐磨環，具有近伞i碩尤指一 '有近千零之轉動過度力 鳘明背景 各種工件的製作 二需要平坦表面的此J :件t少一表面加以 起見，本發明5 5 &為了不失—般性，又ί Γ 學胚 導體工件。C將集中在只有一種工兒:;和瞭解 。凡明於技術者均*，本發明可=:士用在半導體晶圓 餐fr^pf表面平整之—種普通所ΐ技桁一般碟形工件。 $(CMP)法。在CMP法中，利用J 5 =，是化學機械式平 在拋光漿液存在下，壓緊於運動中把持之工件，是 械式磨光’加上漿液與 拋光墊片。表面的機 製成平坦表面。. 面材料之化學互動，可理想 載體頭的構造，以及拋光墊片 ，已經密集工程規劃過，試圖在工 f；體頭間之相對運動 因而達成所需平坦表面。例如， 二^均勻除去材料， 膜，與工件背面或未抛光表面接I 2二，包含可撓性隔 。在隔膜背後可設一個或以上之加 ^ _應該表面之變異 種位置施以不同壓力，造成工件^f ’可對工件背面各 頭一般亦包含耐磨環（有時稱為「别面严全面均勻拋光。載體 下所述不限於「耐磨環」），圍^邊環」，以 &〒工件，將拋光墊 491745 五、發明說明（2) ^ 片施以預應力或預麈細^以保濩工件的前緣。耐磨環的高 度一般但非始終可β調節。抛光塾片可以直線運動、旋轉 運動’或執道運動之方式運動’視CMP裝置類型而定。此 外，載體頭（因此和少件）亦可旋轉運動。工件和拋光墊片 間之相對運動是設計成試圖對抛光表面之所有面積，提供 同等拋光。 然而，儘管一切努力在於達成工件表面的全面均勻拋 光，仍未得均勻去除率。反而在工件邊緣周圍存在「慢帶 」。例如，檢查進行過CMP法的半導體晶圓，顯示其周緣 四周的帶’在晶圓邊緣向内隔開，經歷到比晶圓其餘部份 為慢的材料去除率。不論晶圓直裎是否為2〇〇毫米或3〇〇毫 米，也不論隔膜壓力、漿液組成份 '拋光速度、相對運動 ，或其他CMP條件如何，總有慢帶存在。慢帶存在會降低 ί ίΪΐΐ/為慢帶造成* ^旦表面，而隨後處理步驟 坦表面。當然，產率低是不良現象。因此， ^需有CMP或其他拋光過程所用載體頭，可以克服先前技 藝的載體頭問題，製成均勻平扭的 ..^ 其他異常表面的跡象。 -的工件表面，而無t交帶或 Μ式簡單|明 兹參照附圖說明本發明，附圖中： 圖 第1圖為CMP裝置用習知技藝载體頭基本組件之斷面

$ 6頁 491745 五、發明說明（3) 圖； 第5-10、〗2和〗3圖為本發明各種具體例内載體頭部份 之斷面圖； 、" 第11圖為使用第12圖載體頭的平衡環之俯視圖 較佳具體例之細說明 & 第1圖以斷面圖簡略表； 體頭20之基本元件。載體頭 半導體晶圓3 0，使與拋光墊 面。載頭20包含硬殼22，下 撐張跨越凹腔24，用來預調 側向運動，因而維持晶圓在 位置使其下表面與晶圓的下 上’耐磨環的下表面可與晶 向上賴微移離晶圓平面（約〇 此等任一條件均界定稱為「 耐磨環的直立高度，例如為 許校正硬殼、耐磨環本身， 之任何機械性公差。若無彈 削，以達成耐磨環和晶圓之 傳動軸34，藉此可對載體頭 向下壓力9傳動軸34亦可用 改進拋光作用之均勻性。 在使用載體頭2 0之習知 液存在内，被壓成與拋光墊 f先前技藝結構的CMP裝置用載 以控制方式加堡於工件，諸如 片4 0接觸’以平整晶圓的下表 表面有凹腔24。可撓性隔膜26 理拋光墊片，並包含晶圓3 〇的 載體頭2 0下側的位置。财磨環 表面實質上同一平面。在變通 圓30下表面平行，但在直立方 • 2 5毫米或以内），不論正負。 共平面」。彈性附件得以調節 了順應不同厚度的晶圓，亦容 或系統内任何其他機械性組件 性附件，組件可能必須準確車 初期共平面性。硬殼2 2附設於 ’和因此對晶圓3 0，施加正確 來對載體頭賦予旋轉運動，以 c Μ Ρ法中，晶圓3 〇是在抛光漿 片4 0接觸。晶圓上的壓力是利 五、發明說明（4) 用載體頭經1 ，因而有希： 愿氣體或流| 圓3 0上表面男 單一凹腔2 4， ’把晶圓壓輩 平均。 抛光墊片 所利用CMP裝. 34上轉動。不 看到運動，呈 直線運動。此 拋光墊片4 0相 相對於耐磨環 3 6亦表示拋光 此可視為摩擦 力引發反應力 反應力方向， 附著點。箭頭 耐磨環為 係作用於耐磨 作用於耐磨環 環2 8與運動拋 應力向量3 8表 軸34屢力實施。欲得晶圓全面均勾 艺句勻材料去除率，是利用輸送至凹月 豐，對可撓性隔膜2 6施壓。可# w:的加 >狀，而把晶圓緊Μ於抱光墊片。 j 一口 = 但有alb應用方面，徒用满赵 圖不僅 π 一懕巾々囬 便用谡數凹腔和兹|段上 卜於拋光墊片，試圖使去除率 壓力 于 < 非均勻性加以 可相對於晶圓30旋轉、執道或直線 的特殊形式而定。載體頭2〇亦可在傳動輛^ 論拋光墊片運動類型如何，在任何瞬時均可 相對於晶圓表面和相對於耐磨環2 8下表面之 等運動如第1圖内箭頭36所示。箭頭3 表示 對於晶圓和耐磨環的運動方向。當拋光塾ρ 運動時，墊片即對耐磨環施以摩擦力。箭頭 墊片施加於耐磨環的摩擦力方向。箭頭&因 力向量，代表作用於耐磨環的摩擦力。摩擦 、，，而箭頭38以類似方式表示與摩擦力抗衡二 並作用於耐磨環，於其對硬質載體板之彈性 3 8即可看作耐磨環反應力向量。 位於載體頭周緣四周的圓形環。雖然上述力 環的一邊（第1圖所示為左邊），同樣力量則 的其他部，產生不同效果。第2圖表示耐磨 光塾片40接觸之斷面圖。摩擦力向量36和反 示在耐磨環的左、右側極端。 491745 五、發明說明（5) 摩擦力向量和财磨環反應力向量並非共直線’而是以 力矩臂4 2加以分開。透過非零力矩臂作用於耐磨環之二力 ，在耐磨環系形成瞬間轉動過度力矩。轉動過度力矩在耐 磨環周圍各種位置具有不同效應。例如在第2圖左邊，轉 動過度力矩造成耐磨環内邊27下傾。在圖右邊，轉動過度 力矩造成耐磨環外邊2 9下傾。耐磨環上介於此二極端的中 途位置，耐磨環經歷到的下傾，從内邊下傾到不下傾到外 邊下傾不等。此外，作用於耐磨環上特殊位置之轉動過度 力矩，隨載體頭轉動而恒變，而拋光墊即轉動，旋動·或以 其他方式改變方向。缺乏共平面性會造成耐磨環對拋光墊 片的壓力不均勻分佈。大部份（即使不是全部）載體頭起初 有耐磨環與要拋光的工件表面共平面，可以理想建立耐磨 環對拋光墊片的均勻壓力。然而，先前技藝的載體頭並未 構成維持耐磨環與工件表面共平面。轉動過度力矩造成而才 磨環樞動，變成與工件表面非共平面，此項缺乏共平面， 在耐磨環周緣四周不均勻，時時在變。 本發明人等已發現，作用於耐磨環上的此項轉動過度 之力矩，是慢帶的肇因。本發明人等發現降低轉動過度的 力矩，造成慢帶減少，而消除轉動過度的力矩，即可消除 慢帶。按照本發明，提供一種載體頭以克服已知技藝的載 體頭之缺陷。 以下非限制性實施例，用以說明實施本發明之各項結 果。 實施例1

/4^ 五、發明說明（6) 雕Μ直米的半導體晶圓，使用三種不同的晶圓載 二頭，利用CMP法平整。三種載體頭的設計有力矩臂分別 大約20、7· 6和〇毫米。載體頭在其他各方面均相似。同樣 CMP法使用各載體頭。第3圖以曲線圖表示使三種不同載體 頭，將半導體晶圓拋光達成的去除率均勻性。縱座俨44表 示材料去除量。橫座標46表示邊緣至邊緣的晶圓擠型。從 晶圓表面去除的材料量公稱丨· 〇// m。曲線48表示以 約毫ϊϋϊ體頭達成的拋光結果。▼見慢帶存在於晶圓 周邊。見約24 —30毫米，最慢去除率點位在離晶圓邊 緣約12笔米處。此慢帶是原先在所有CMp各類設備上所觀 ί ί -成因通常解釋為晶圓上壓力分佈不均。原 先f斗、、艾i問題，集中在緊壓晶圓背面之可撓性隔膜 的"又^ ^ 試圖修飾壓力分佈之載體頭的設計。此等嘗 試大:二ί ΐ f ’如曲線48所示。相對地，曲線50表示以 ί Ξ在’，“帶6的毫載體頭達成的拋光結果。雖然慢 二實質上零之载Ϊ =重性已見降低。曲線52表示力矩臂降 [?请矣。曰_頌達成的拋光結果。結果表示慢帶已基 30 0毫米的半導面全面達成均勾去除率。使用直徑約 實施例上 曰曰«’可達成類似結果。 立他半導p 日门 片對晶圓表明所用CMP法改變抛光屢力’即抛光塾 i例1内所用三種耐磨力，加以平整。第4圖以曲線表示實 能。縱座標54為声/環設計在三種抛光塵力時之抛光效 …k f最慢點的去除率，正常化到總體直徑

第10頁 491745 五、發明說明（7) 掃描去除率之平均值。比例尺上1表示慢帶之去除率與晶 圓全面平均去除率相同。意即數值1表示測量不出慢帶。 橫座標56是力矩臂高度。曲線58表示拋光壓力1 psi的結 果，曲線60表示拋光壓力2.5 psi的結果，而曲線62表示 拋光壓力6 ps i的結果。對於所研究之各拋光壓力，慢帶 隨力矩臂減少而遞減，而力矩臂零時，慢帶實質上消失。 第5圖簡略表示按照本發明一具體例，工件載體頭1 2 0 邊緣部份之斷面圖。載體頭1 2 0可用於任何拋光裝置，但 特別適用於CMP裝置。一般為圓形之載體頭包含硬質載體 板1 2 2，可聯結於傳動軸（圖上未示），對載體板賦與直立 和旋轉運動。載體板可由不銹鋼、其他金屬或硬質材料形 成，以對漿液組成物實質上惰性之材料為佳。在硬質載體 板下側形成圓筒形凹腔1 2 4，可撓性隔膜1 2 6跨越凹腔開口 側伸展。凹腔和可撓性隔膜即形成密閉空間，裡面壓力可 以控制。延伸貫穿硬質載體板至凹腔124之通口 127，容許 密閉空間内的壓力隨需要調節。圓筒·形凹腔的直徑構成順 應所要拋光工件的尺寸。在拋光操作中，可撓性隔膜接觸 工件130的上表面，而把工件下表面緊壓於拋光墊片140。 雖然圖内只表示一凹腔，載體頭卻可構成一凹腔以上，各 凹腔有相關的獨立壓力通口。複數獨立凹腔容許利用可撓 性隔膜對工件表面的各種位置施加不同壓力。 工件載體頭1 2 0亦含有耐磨環1 2 8，彈性聯結於硬質載 體板，於拋光操作中，位在工件周圍。耐磨環下表面高度 初期是利用彈性聯結器（詳後），調節成與工件下表面實質

491745 _^發明說明（8) 上共平面。按照本發明一具體例，耐磨環工2 8是聯結 磨環加壓板1 3 2。耐磨環加壓板丨3 2限於對硬質载體° ' 的向外延伸部134更為直立。可用止動件（圖上未示& Z 制直立運動至達成必要共平面性所必要之小範圍。 ^ 隔膜1 3 6位於凹腔1 3 8内，在向外延伸部。凹腔内亦 環隔膜上的壓力，利用延伸貫穿硬質載體板的向外延伸部 之通口 142，輸送至凹腔142的氣體或其他流體加以控制: 是以構成緊壓在耐磨環加壓板表面144的隔膜136上之壓力 控制’來控.制耐磨環1 28的直立高度。耐磨環的高度利用 隔膜壓力與拋光墊片的彈性或阻力所建立平衡加以控制。 财磨環加壓板132構成使表面144與耐磨環128底部表\共 平面。硬質载體板和耐磨環間之彈性連接點，即可有效定 位在耐磨環下表面之高度。圖示控制耐磨環直立定位之方 法和機構，提供定位調節，與利用可撓性隔膜1 2 6控制的 工件定位獨立。 拋光墊片相對於工件和耐磨環運動時，例如圖上從右 到左’拋光墊片即對耐磨環施以摩擦力。箭頭1 46代表與 該力相關的摩擦力向量。箭頭1 48代表财磨環反應力向量 。因為财磨環彈性聯結於硬質載體板的方式，使彈性連接 點位在耐磨環下表面的高度，故二力實質上共直線。易言 之’财磨環自由平衡點或耐磨環可以轉動或樞動點，位於 實質上和摩擦向量同樣平面。因此對耐磨環不施以轉動過 度力矩’而在拋光操作中，耐磨環保留與工件的拋光表面 共平面。因為未對耐磨環施加轉動過度力矩，故由耐磨環

第12頁 491745 發明說明（9) S Γ2〇光進塾Λμ施ρΐ f ί丄ί在耐磨環沿周均勻。當使用載體 頭120進仃CMP法等拋光過程時，即可避免慢帶。雖缺圖示 ，^ %聯結器使用可撓性隔獏來控制耐磨 可用。例：，彈菁等可以取代“不：高 度调即機制如何，按照本發明此具體例，自由平位在 減少，消除施加於耐磨環之轉動過度力矩。 .、 ^ί \略表示本發明另一具體例的載體頭22〇 一部份 = = = =載體頭220有許多組件與上述載體頭120的組件 力此相同或相·似。此等組件即不再詳述。例如， 頭 22\含虛有硬質載體板222、凹腔224，和可撓性工件隔膜226 。耐磨環228在附設點232利用彈性黏著層234彈性附設於 硬質載體板。層234可例如為可撓性黏著材料之薄層。層 2 34亦可變通為彈性材料層，結合於硬質載體板和耐磨環 二者。層234以發泡膠帶層為佳，兩面有黏膠，諸如㈣產 銷之，泡膠帶，指定商品號4 9 2 〇。此種發泡膠帶厚度約 0 · 3 8毫米（〇 · 〇 1 5吋）。為拋光厚度約〇 · 7 1毫米（〇 · 〇 2 8吋·）的 半導體晶圓2 3 0，發現厚度約〇 · 5丨毫米（0 · 〇 2吋）的耐磨環 ，適於上述發泡膠帶的作業。若可撓性隔膜構成隔膜2 2 6 的下表面與附設點232同其高度，而耐磨環228的下表面起 初比半導體晶圓的下表面低約〇 · 1 8毫米。耐磨環的下表面 因此即與半導體晶圓的下表面呈平行平面且實質上共平面 。利用拋光墊片的側向運動所施摩擦力2 3 6，和在附著點 2 3 2施加於耐磨環的反應力2 4 8，對耐磨環2 2 8施以小小的 轉動過度力矩。此種轉動過度力矩的力矩臂，等於耐磨環

第13頁 491745 五、發明說明（ίο) 之0 · 5 1毫米厚度’實質上比習知結構所見力矩臂為小。因 此，回頭參見第3圖之資料’使用載體頭2 2 〇所致慢帶，即 比習知結構大減。把耐磨環彈性聯結於硬質載體板之圖示 方法和機構’也是提供定位調節，與利用可撓性工件隔膜 2 2 6控制的工件定位獨立。 ' 第7圖表示本發明又一具體例中工件載體頭32〇一部位 之斷面圖。載體頭也是包含硬質載體板322，構成對要抛 光的工件330施加適當向下壓力，把工件壓緊於抛光塾片 338。載體頭320.有些組件與上述載體頭的組件功能類似。 此等組件即不再贅述或圖示。在硬質載體板外周設有耐磨 環總成3 4 0，圍繞工件位置。耐磨環總成包含内室3 4 2，和 位在總成下方極端之薄耐磨環328。可撓性氣囊344位在室 342内，充氣時，可壓緊耐磨環32 8的上表面。耐磨環總成 3ji0限於在硬質載體板的凹溝35〇内直立運動。分別在耐磨 環總成和硬質載體板上之止動件35 2和354，限制耐磨環總 成直立行進的程度。可撓性氣囊是經由延伸貫穿硬質板 322並聯/吉於泵（圖上未示）的通口 356充氣。拋光操作初期 ’财磨環高度可以調節至把耐磨環的下表面定位在與要拋 光的工件下表面實質上共平面。耐磨環總成的自由平衡點 ’，=在耐磨環上表面與可撓性氣囊3 4 4接觸點。把耐磨環 製薄，最好在約〇· 75毫米以下，自由平衡點即位於利用拋 光墊片運動而施加於耐磨環之任何摩擦力向量的平面附近 。利用摩擦力3 3 6和反應力3 4 8施加於耐磨環的轉動過度力 矩’比習知載體頭結構有關之轉動過度力矩減少，而使用

第14頁 491745 五、發明說明（11) 此種載體頭拋光工件所遭遇的慢帶即告減少。 第8圖簡略表示本發明有一具體例工件載體頭6 2 〇 —部 份之斷面圖，提供對耐磨環6 2 8零轉動過度力矩，在要抛^ 光的工件平面下方不需任何硬體。載體頭還是含有硬質 體板6 2 2，其構成是透過可撓性工件隔膜6 2 6，對工件6 3 〇 施加適當向下壓力，把工件壓緊於拋光墊片638。在硬質 載體板外周設有耐磨環總成640，圍繞工件位置。耐磨環 總成提供耐磨環6 2 8與硬質載體板間之彈性聯結。耐磨^ 總成含有耐磨環62·8，牢固附設於耐磨環加壓板632。硬1 載體板622的朝外延伸部634構成具備耐磨環加壓凹腔63^ 。耐磨環加壓板632限於相對於朝外延伸部直立運動。 ^ ^隔膜6 36位於跨越凹腔635的下端。耐磨環隔膜636含 有實質上平面部638，位於與耐磨環628的下表面共平面。 耐磨環隔膜一側夾在硬質載體板6 2 2朝外 和夾

之間。耐磨環隔膜實質上芈而卹的兄 τ 口丨不人塊b4Z 板和周圍夾塊644之間。耐^環卩隔的膜另又一勺側〜夾在耐磨環加壓 ，夾於硬質載胃*耐磨 包含壓力鬆弛部646 犬於更貝戰體板，在凹腔6 35内提供壓 f從形狀。耐磨環隔媒的壓力鬆弛部限於iH: 岔封，對作用於耐磨環的力量不作力又凡成凹脸6 35的 體板的通口 650得以批生丨 刀配。貫穿硬質載 J "r U侍以控制凹腔6 3 5内之壓力。 + &耐ΐ = 628高度藉控制凹腔635内的壓力 ^ 彈性間之平衡決定。耐u j環施壓的拋光墊片 磨衣下表面阿度單獨由所拋光工件

第15頁 491745 五、發明說明（12) Ξ ί ： ； ρ^Λν；?Λ6 2； r ： ： ΐ 力，與耐磨環隔膜636的實質丄平面部638 :平：磨 ί:ΓΠ;:Γ;間的彈性聯結‘點，並形成耐= 而無轉動過度向量力矩；κ即共平面’ 极&保技ίτ & 作用於耐磨辰。耐磨環在整個拋光 ’、、^ 下表面共平面，耐磨環和抛光墊間之 壓力就正個耐^磨環保持均勻，避免慢帶的存在。 第9圖表示本發明又一具體例中工件載體頭42〇 一部份 之斷面圖。載體頭又含有硬質載體板422，構成對要拋光 的工件430施以適當向下壓力，把工件壓緊於拋光墊438。 可以採用例如可撓性隔膜（圖上未示），對工件上表面供應 適當壓力。在硬質載體板外周設有耐磨板總成44〇，圍/繞w 工件位置。耐磨環總成4 4 0提供對耐磨環4 2 8和硬質載體板 間之彈性聯結。按照本發明此具體例，耐磨環總成利用抛 光墊片4 3 8和耐磨環間之相對運動，不將耐磨環懸浮系統 運動至或接近工件平面，所造成摩擦力，達成施加於耐磨 環之降低轉動過度力矩或零轉動過度力矩。耐磨環聯結反 而利用耐磨環的虛擬樞動。耐磨環用之懸浮系統繞工件的 中心點樞動。耐磨環總成包含耐磨環背托板442，耐磨環 428附設於此。耐磨環背托板具有凸曲球形上表面444，其 半徑4 4 6定中在工件的中心4 4 8。耐磨環驅動板4 4 3構成相

491745 五、發明說明（13) 配=凹曲球形表面450，其曲率半徑與表面444相同。對耐 磨環驅動板的向下壓力，把耐磨環428壓到與拋光墊片接 觸。由拋光墊片相對於耐磨環的運動所造成、，以力向量 452表示的對耐磨環428摩擦力，利用沿半徑446指向且具 $以力向量454表示的水平分力之反應力進行反應。力向 =4 5 2和^力向1 4 5 4二者突出穿過工件中心。就工件中心的 矩合计等於零，即無施加於耐磨環的轉動過度力矩。 工件使用工件載體頭4 2 0抛光時，不造成慢帶。 第9圖亦表示本發明.一具體例之工件載體‘42〇進— =::=磨環背托板具有複數球珠座圈46〇，沿背托板的 表面周緣隔開。耐磨環驅動板443 ”珠座圈462’繞驅動板的凹曲下表面隔開。 Γ64 Λ表面的直立導向凹溝，構成拘限複數滾珠軸承 滾珠軸承可使耐磨環背托板相對於财磨 在座圈平；^ 士人—s 土土乂 ^ w石衣^動板， 隹2 =十仃方向容易轉動。同時，座圈内有滾珠 σ 4硬質载體板422和耐磨環驅動板443的旋轉谨 子 後），傳送至耐磨環背托板442和耐磨環428。對耐運^動^(詳 的向了壓力，利用施加於耐磨環驅動板443的壓力妖，428 耐磨ί衣驅動板上的壓力，可例如藉與驅動板聯結^ J ° 4 6 4内之壓力控制而施加。在該空室下端之可撓、工至 ’可構成壓緊耐磨環驅動板上表面。空室内壓 t ^臈4 6 6 空^經通口 468逼入空室内加以控制。變通方式乃可糟壓縮 性彈菁等，對耐磨環驅動板443施加適當壓力。機械 動板443可聯結於硬質載體板422，其方式類似耐磨驅 . 』僭％驅動 491745 五、發明說明（14) jm:，板442間之聯結。硬質載體板422可構成且 ::η ξ設有複數球珠座圈472。繞其圓筒形a Ϊ 】二 驅動板443可構成具有圓筒形内面474，ί J J球J座圈476 ’繞其圓筒形表 ii; i句限於球珠座圈内的滾珠轴承478,容許；ίΓ驅 動板相對於硬質載體板直立運動 寸衣^ 心軸線480的旋轉運動傳送到龢虛班仁合命更貝載體板繞中 M m ^ ^ ^ m ^ ' 于磨裱驅動板。彈簧4 8 2把耐 耐磨動板。彈簧構成無助於施加在 。fίϊ，在整個载體頭升舉時，容許耐磨環升舉 板之可撓性密封4 8 4，可防止抛整光磨環驅動 到滾珠軸承464。 $止抛先漿液或其他污染物接觸 擬樞斷具體例财磨環7則用虛 工m 可撓性隔膜或其他機㈣，以便把 體例所^明緊W光，片738等，—如上述就本發明其他具 耐Ϊ 8和耐磨環總成740沿周圍繞工件。 有助二物塾t ^在載體頭相對於拋光塾片運動時， 構逆；π (工，。按照一具體例，耐磨環728可為單件式 之ί磨：如裏亦可變通為附設於财磨環背托板 性聯钍2^二體例所不。耐磨環和硬質載體板之彈 耐^、、Γ下。耐磨裱一部份上表面744包含凸曲圓形，與 的 2 =動板746的凹曲圓》形表面745相配。耐磨環驅動板 疋位，可以就上述第9圖所示耐磨環驅動板443所述

第18頁 491745 五、發明說明（15) = =8。上表面744構成對複數滾珠軸承75 0設 面745亦構成為圈袞珠轴= ::珠^:時於口：，座圈752構成具有長：直立 t所、+、 ^ ^ 夺許耐磨裱相對於耐磨環驅動板轉動。如 i軍勤Ϊ珠軸承容許與耐磨環聯結的耐磨環驅動板旋轉 7fiη，^女照本發明具體例，表面744的曲率中心大約在點 接與^1件730下表面實質上共平面的平面上，位在或 =、磨環的下表面。點76 0即構成耐磨環728轉動的樞點 ^樞點7胃60宜位於與耐磨環的内緣729和外緣？31等距。摩 向置762表示由運動抛光塾738對耐磨環下表面的摩擦 时觸’施加於耐磨環之摩擦力，反應力向量7 6 4表示來自 彈性聯結作用於耐磨環的反應力。因為聯結提供耐磨環繞 點7 6 0胃或在接近耐磨環下表面轉動，故摩擦力向量和反應 ^向塁實質上共直線，且對耐磨環不施加轉動過度力矩。 右點7 6 G與耐磨環下表面隔開，則間隔構成二面之力矩臂 1然而，間隔可作小，故施加於耐磨環的轉動過度力矩， 較習知载體頭為小。因此，使用載體頭7 2 0拋光工件，與 用習知載體頭的抛光相較，減少慢帶甚至到零。 具有利用虛擬樞動的零力矩耐磨環之工件載體頭，可 以第9和1 〇圖所示以外之其他方式達成。例如，耐磨環5 2 8 可利用第1 1和1 2圖所示中心焦點之自由平衡配置5 6 0，彈 性聯結於硬質載體板5 2 2。第1 1圖簡略表示自由平衡配置 俯視圖。第12圖簡略表示本發明又一具體例含有自由平衡

五、發明說明（16) _ 配置5 6 0的工件巷辨 載體板522，構J對H20之斷面圖。載體頭520包含硬質 把工件緊壓於拋光墊只力^的工件530施加適當向下壓力， 周，圍繞工件位置f 538。耐磨環528設在硬質載體板外 質載體板間之彈性聯|由平衡配置56 0提供耐磨環528和硬 „如簡略圖示，自由平衡配置5 6 0包含三個同心组件： 頂環5 6 2、中環5 6 4、底環5 6 6。τι ί班知+ π 4丨m ,7n VL ^ ^ & %bbb頂J衣和中J哀利用樞銷5 6 9和 5 7 0〜X軸線5 68樞動結合。各樞銷可利用軸承聯結於各環 ’使中環相對於頂環沿X軸線容易轉動。同理，中環和底 環是利用枢銷5 7 3和5 7 4沿y軸線5 7 2樞動結合。各樞銷5 7 3 和5 7 4可利用軸承聯結於各環，使底環相對於中環沿丫軸線 容易轉動。如第12圖所示，中環564以及中環和各頂環及 底環間之聯結，構成使中環5 6 4以及X和y軸線沿在沿從點 到工件5 3 0中心的錐形半徑（中環和底環間之聯結在圖上平 面，於此斷面圖上未見）。此在工件中心578產生虛擬樞點 。頂環562牢固聯結於硬質載體板5 22。底環5 6 6牢固聯結 於财磨環528。财磨環528壓緊於抛光墊片538，而抛光塾 片相對於耐磨環運動時，即對耐磨環施加摩擦力，以摩擦 力向量580表示。因為工件中心虛擬樞點578，對摩擦力反 應之力，即導向工件中心。反應力以反應向量582表示。 摩擦力向量和反應力向® —者延長時’即通過中心樞點 5 7 8。因此，就工件中心的力矩合計等於零，即對耐磨環 不施加轉動過度力矩，在工件抛光時，可避免慢帶。 第13圖簡略表示本發明另一具體例又一工件載體頭

五、發明說明（17) '〜 ---------- 82 0之斷面圖。雖然圖 、可撓性隔膜或其他撫未不、，載體頭可包含硬質載體板 片838等。已如前述以1 ’以供把工件830壓緊於拋光墊 8 2 8沿周圍繞工件。射綺發明其他具體例所示。耐磨環 體板之-部份二隔膜850彈性聯結於硬質載 含錐形部852，突出時合 ^ _ 其方式詳後。隔膜850包 一 大寻會通過工件83〇下表 、 。隔膜錐形部的外端854夹於部份848。隔= = 8 5 6，夾於耐磨環。隖瞪β ς Λ介人y &膜錐形部的内端 人 ^深衣“膜8 5 0亦含鬆弛部858，從而十痳援益 伸至部份848，並夾於部份。髟孤如 從耐磨丨衣延 絲祖浓占十鍵、s 、 P伤848鬆弛4可由低剛性模數的 方式如圖所示’可由鬆弛屈從形式形成 。如此，鬆弛部即構成不會把力矩分佈於對耐磨環作用j 力:=更質載體板之部份848或其延長體以及隔臈85〇即圍成 凹腔8 6 0，可以控制内部壓力。控制凹腔内的壓力， 制耐磨環828高度。利用拋光墊片838相對於耐磨環運動I， 而施於耐磨環828之摩擦力，以摩擦力向量86 2表示。因為 耐磨環是利用中心在工件下表面的錐形隔臈彈性聯結，二 摩擦環反應力向ι864表示之耐磨環反應力，即與摩擦力 向量8 62共直線。因為二力共直線，摩擦力的結果，並無 轉動過度力矩作用於而ί磨環，則耐磨環對抛光塾片的懕 分佈，在耐磨環周緣保留…在拋光力 帶。 因此’可見本發明提供一種工件載體頭，完全符合上 述設定需要。載體頭和相關零轉動過度力矩耐磨環，已參 照各種圖不具體例揭不和討論過。然而，本發明無意限於

491745 五、發明說明（18) 此等圖示具體例。本發明及若干具體例之參見半導體晶圓 的化學機械式平整（CMP)加以說明，但本發明不限於此等 用途之載體頭。說明書中提到「上」和「下」表面，只為 了有助於說明本發明，而無意構成限制。在各圖示具體例 中，耐磨環可由任何化學惰性的耐磨環材料形成，諸如聚 醚酮（PEEK)、聚對苯二曱酸乙二酯（PET)、陶瓷或其他類 似材料。凡精於此道之士均知，可有許多變化和修飾，而 不違本發明之範圍。因此，本發明内旨在包含此等變化和 修飾，屬於申請專利範圍内。

第22頁 491745 圖式簡單說明 第1圖為CMP裝置用習知技藝載體頭基本組件之斷面 圖； 第2圖為習知技藝頭之耐磨環及所作用力之斷面圖； 第3和4圖為使用不同工件載體頭達成拋光結果之曲線 圖； 第5 - 1 0、1 2和1 3圖為本發明各種具體例内載體頭部份 之斷面圖； 第11圖為使用第12圖載體頭的平衡環之俯視圖。

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Claims (1)

1. 491745 六、申請專利範圍 ' · ---- 1· 一種工件表面拋光裝置用之載體頭，係藉將工 面壓緊於撤光墊片為之，载體頭包括·· 1干表 硬質載體板； 可撓性工件載體隔膜，連接至硬質載體板，工 位於靠此以供拋光；以及 卞J 環形耐磨環，彈性聯結於硬質載體板，環形耐 具有耐磨ί哀表面，在工件表面拋光時，限於維持盥二 表面實質上平行之平面者。 〃件 2—·如申請專利範圍第！項之載體頭，其中環形耐磨 1括溥片耐磨材料，利用彈性黏膠層附設於硬質载體板 3 ·如申請專利範圍第2 包括一層们包膠帶，姓人於其中舞性黏膠層 4.如申請專二蘇:二〇於％形对磨環和硬質载體板者。 獨立於可撓性 項之載體頭，其中耐磨環聯社 包括耐Ϊ I ;專=第1項之載體頭，其中環形耐磨環 者。6如& 與耐磨，表面共平面之硬質載體板 膜’構成壓緊於圍弟5項之載體頭，又包枯 7·如ΐ ί Ϊ Ϊ連接點者。 又匕括耐磨環隔 係獨立於可持枓範圍第6項之載體頭，1中 」镜性工件 ^具中耐磨環隔膜 8 ·如申請專刹〜 隔膜者。 軛圍第1項之載體頭，1中 具T J长形耐磨環

   第24頁 491745 六、申請專利範圍 包括耐磨環總成，具有包括耐磨環表面之底表面，和結合 於内室一側之上表面者。 9.如申請專利範圍第8項之載體頭，又包括可充氣之 可撓性氣囊，位於内室，構成壓緊上表面，以控制耐磨環 總成之直立位置者。 10.如申請專利範圍第9項之載體頭，又包括溝道，形 成於硬質載體板内，耐磨環總成可在其内按直立方向運動 者。 1 1 .如申請專利範圍第1項之載體頭，其中.耐磨環是利 用懸浮系統，具有定中在工件中心的虛擬樞動，聯結於硬 質載體板者。 1 2.如申請專利範圍第1 1項之載體頭，其中懸浮系統包 括工件中心自由平衡環者。 1 3.如申請專利範圍第1 1項之載體頭，其中懸浮系統包 括耐磨環背托板，聯結於耐磨環，並具有球形表面，球形 表面具有定中於工件中心之半徑者。 1 4.如申請專利範圍第1 1項之載體頭，其中懸浮系統包 括錐形隔膜者。 15.如申請專利範圍第14項之載體頭，其中錐形隔膜又 包括壓力鬆弛部者。 1 6.如申請專利範圍第1項之載體頭，其中耐磨環利用 包括實質上定中於耐磨環表面的虛擬樞動之懸浮系統，聯 結於硬質載體板者。 1 7. —種工件表面拋光裝置用之載體頭，係藉將工件表

   第25頁 491745 六、申請專利範圍 面壓緊於拋光墊片為之，載體頭包括： 硬質載體板； 可撓性工件載體隔膜，連接至硬質載體板，工件可 位於靠此以供抛光； 環形耐磨環，位於圍繞工件，並在工件拋光中，與 拋光墊片接觸；以及 4 彈性聯結器，把環形耐磨環結合至硬質載體板，並 構成維持耐磨環之表面於一平面，與工件表面之平面實質 上平行者。 1 8.如申請專利範圍第1 7項之載體頭，其中彈性聯結器 包括彈性懸浮系統，有彈性點位於一平面與工件表面實質 上共平面者。 1 9.如申請專利範圍第1 8項之載體頭，其中彈性聯結器 包括可撓性隔膜，有平面部位於實質上工件表面之平面 者。 20.如申請專利範圍第19項之載體頭，又包括板，聯結 於耐磨環，並有表面與平面部接觸者。 2 1 .如申請專利範圍第1 8項之載體頭，其中環形耐磨環 包括薄板耐磨材料，而彈性懸浮系統包括一層彈性黏膠 者。 2 2.如申請專利範圍第2 1項之載體頭，其中彈性懸浮系 統包括一層發泡膠帶，黏著於環形耐磨環和硬質載體板 者。 2 3.如申請專利範圍第1 7項之載體頭，其中彈性聯結器

   第26頁 491745 六、申請專利範圍 包括彈性懸浮系統，具有定中於工件中心之虛擬樞動者。 2 4.如申請專利範圍第2 3項之載體頭，其中懸浮系統包 括工件中心自由平衡環者。 2 5.如申請專利範圍第2 3項之載體頭，其中懸浮系統包 括錐形隔膜，定中於工件中心者。 2 6.如申請專利範圍第1 7項之載體頭，其中彈性聯結器 包括： 第一球形表面，聯結於耐磨環，具有半徑定中於工 件表面之中心；以及 第二球形表面，聯結於硬質載體板，並與第一球形 表面相配者。 2 7.如申請專利範圍第2 6項之載體頭，其中彈性聯結器 又包括： 複數球珠座圈，在各第一和第二球形表面内；以及 滾珠軸承，在各球珠座圈内者。 2 8.如申請專利範圍第1 7項之載體頭，其中彈性聯結器 包括： 第一球形表面，聯結於耐磨環，具有半徑定中於耐 磨環表面之中心；以及 第二球形表面，聯結於硬質載體板，並與第一球形 .表面相配者。 29. —種工件表面拋光裝置用之載體頭，係藉將工件表 面壓緊於運動拋光墊片為之，載體頭包括： 硬質載體板；

   第27頁 491745 六、申請專利範圍 可撓性工件載體隔膜，連接至硬質載體板，工件位 於靠此以供拋光；以及 環形耐磨環，位於圍繞工件，並接觸拋光墊片，並 於拋光時，利用拋光墊片所賦予摩擦力加以作用，環形耐 磨環彈性聯結於硬質載體板’其構成方式造成摩擦力，對 環形耐磨環施以實質上零轉動過度力矩者。 30·如申請專利範圍第29項之載體頭，其中摩擦力造成 反應力，而摩擦力和反應力係共直線者。 31·如申請專利範圍第29項之载體頭·，其中摩擦力造成 反應力，而摩擦力和反應力在工件中心突出穿過原點者。 32· —種工件表面拋光裝置用之載體頭，係藉將工件表 面壓緊於運動拋光墊片為之，載體頭包括： 硬質載體板； ' 可撓性工件載體隔膜，連接至硬質載體板’並界定 構成圍繞工件位置，並在拋光中接觸 環形耐磨環 拋光螯片； π @ = : = f ϋ，構成在拋光中對接觸撤光塾片之環形 耐磨％所鈀任何力，提供實質上零 33. 一種工件表面拗本酤里田—儿 成有 面壓緊”動拋光塾片為；置載；= 係藉將工件表 :戮體板，構成界定工件位詈· 彈性聯結器，扣;^位置，以及 衣形耐磨％結合於硬質載體板，並

   第28頁 491745 六、申請專利範圍 構成為耐磨壤提供虛擬輕點’該虛擬輕點係位於工件位置 之中心者。 3 4. —種工件表面拋光裝置用之載體頭，係藉將工件表 面壓緊於拋光墊片為之，載體頭包括： 硬質載體板； 可撓性工件載體隔膜，連接至硬質載體板，而工件 可位於靠此以供拋光； 環形耐磨環，在拋光時位於圍繞工件，並壓緊拋光 墊片；以及 彈性聯結器，把環形耐磨環結合於硬質載體板，彈 性聯結器位於一平面，實質上與要拋光的工件表面共平面 者0

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