TW522502B - Wafer carrier and method of material removal from a semiconductor wafer - Google Patents

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522502 A7 B7 五、發明説明（1 立L·前技藝春考 本發明已經在2〇〇0年11月16曰歸檔於美國專利申請案編 號 09/714,523。 發明背景 本發明係關於化學機械式平整化工具，而更特別的是， 關於一種晶圓載體。 化學機械式平整化（也稱之為化學機械式研磨）已經證實 可運用在高階積體電路的製程中。CMp可以運用在半導體 元件製造的所有階段中。舉例來說，化學機械式平整化可 以透過區域平整化製造更精細的結構並且讓通用的晶圓平 整化產生尚密度通道（via)及連接層。在半導體元件製造中 會經過CMP處理的材料包括單晶及多晶矽，氧化物，氮化 物’聚硫亞氨，銘，鎢，及銅。 一般來說，初始晶圓的平整性會因為類似材料移除步驟 及各種沉積步驟的製程中而惡化。通常，在化學機械式平 整化過程中，可以利用研磨漿的傳輸效應使得在該半導體 晶圓邊緣處移除材料的速率與在該中心處的移除速率不同 。此現象，以及其它包括夾鉗環標示（clamp dng mark)，會 造成邊緣排斥（edge exclusion)。邊緣排斥會可以藉由在靠 近未使用之半導體晶圓邊緣提供晶粒而大幅地降低生產量 。邊緣晶粒會因為含有廣大的環狀面積而構埤半導體晶圓 上大部分的晶粒。隨著工業往下一代3〇〇毫米直徑半導體晶 圓發展’生產量受影響的程度更大。 影響材料移除速率的一項因素是加入該晶圓表面之新 -4 本紙張尺度適用中國國豕標準(CNS) A4規格(210X 297公爱) • ! 裝 訂

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研磨漿的移動及研磨漿的消耗速率。研磨漿之傳輸跨過 該半導體晶圓上從邊緣往中心移動。更特別的是，在該 半導體晶圓中心處的研磨黎移除與取代的速率低於邊緣 處的速率。不平整會如何影響半導體元件的效能實例如 銅CMP製程所示。在後銅⑽㈣〇pper)研磨步财不平整 的晶粒表面會造成不均句的銅連接厚度。該銅連接厚度 的不均勻相當於連接電阻的變動其會直接影響晶片效=。在許多情形中’在類似微處理器的晶片效能上連接延 遲比元件延遲來得嚴重。

因此如果有一種化學機械式平整化工具以彌補在半導 體晶圓上不同位置處不同的平整性或移除速率的話將會很 有幫助。更特別的是，彌補不同的平整性或移除速率可以 增加半導體晶圓上的平整性及均勻的材料移除速率。在該 限制中，該CMP工具及製程可用以對因為晶圓製造容限值 或沉積製程變動而超出平整性規格的晶圓透過用以彌補厚 度變動超出規格的晶圓的再平整化（replanarizati〇n)製程而 予以再工程（reengineer)。 圖式簡單說明 圖1所示的係可以在半導體晶圓表面上施加各種壓力的半 導體載體側面圖； 圖2所示的係典型的半導體晶圓表面形狀圖（t〇p〇graphic view)； 圖3所示的係該可伸縮晶圓支撐結構處於向内彎曲狀態下 之圖1中的晶圓載體示意圖； -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公董） 裝 訂

線 ______B7 五、發明説明（3 ) 圖4所示的係利用處於向内彎曲狀態下之圖1中的晶圓載 體研磨的半導體晶圓表面形狀圖； 圖5所示的係該可伸縮晶圓支撐結構處於向外彎曲狀態下 之圖1中的晶圓載體示意圖； 圖6所示的係利用處於向外彎曲狀態下之圖1中的晶圓載 體研磨的半導體晶圓表面形狀圖； 圖7所示的係壓力介於圖4與圖6之間利用圖i中的晶圓載 體研磨的半導體晶圓表面形狀圖； 圖8所示的係由不同材料構成的可伸縮晶圓支撐結構的表 面示意圖；及 圖9所示的係根據本發明之晶圓載體的側面圖。 圖式詳細說明 一般來說，化學機械式平整化（CMP )係用以改善半導體 晶圓上的材料達到平整效果。理想的情況下，會在半導體 晶圓上均勻地移除大量的材料留下一高度平整的表面以繼 續進行晶圓處理。研磨過程中任何的不平整都會降低產能 或疋造成長期的可靠性問題。均勻性係量測半導體晶圓上 表面高度的差異性。在半導體工業中部分常.見的化學機械 式平整化處理係用以移除氧化物，多晶矽及類似鎢及銅之 類的金屬。 目前半導體工業所使用的化學機械式平整化工具可以達 到6 -12個百分比的晶圓均勻性。這樣的均勻性足以建造臨 界尺寸0.35-0.18微米的元件。之後，當半導體工業朝製造 臨界尺寸0· 10微米以下的元件發展時便需要U個百分比的 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 522502 A7 B7 發明説明（4 :磨均勻性。利用目前的技術，t半導體晶圓直徑從2〇〇毫 未增加到300毫来時，平整性的問題將會益形惡化。 半導體晶圓的CMP處理係利用研磨化學物質磨聚以 化學方式及研磨方式從該半導體晶圓移除材料以達成。研 磨漿中的化學物質及研磨物f會隨著積體電路上所要移除 的材料種類而改變。用以平整化氧化物層的研純顯然會 與用以平整化銅連接的研磨漿不同。 ^半導體卫業中所使用的所有⑽處理中常見的一項係數 :邊製程的機械觀點。一般來說，半導體晶圓具有已處理 端（processed side)及未處理端（unpr〇cessed side)。該半導體 晶：的已處理端的表面含有元件及連接。未處理端，或該 半導體晶圓的背面，可以於其上執行或不執行處理步驟。 在CMP處理期間，曝露該+導體晶圓已處理端進行材料移 除的晶圓載體會承托該晶圓載體。該晶圓載體包括一放置 該半導體晶圓未處理端的支撐表面。 扃要有一第二支撐表面以磨損該半導體晶圓的曝露表面 。舉例來說，平台（platen)便是一種熟知的在大部分化學機 械弋平整化工具中所使用的第二支稽表面。該平台上的研 磨媒介的作用在材料移除處理。該研磨媒介係用以傳輸該 研磨漿。通常，該研磨媒介係一種具有圖案溝紋，通道， 或孔穴讓該研磨漿可以流入及流出所要平整化之半導體晶 圓中所有地方的順向聚氨酯襯墊（pad)。一般來說，該晶圓 載體’該平台，或是兩者都會在CMP期間轉動。承托該半 導體晶圓的晶圓載體會被放置在該平台上使得該晶圓的曝

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路表面與該研磨媒介的表面共平面。施加在該半 導體晶圓上的壓力可以促使從該晶圓將材料研磨移除。 雖然CMP處理中的機械觀點在原理上很簡單，但是想要 達成半導體元件製造所需要的平整性卻相當困難。該技藝 目前的狀態，在化學機械式平整化方面，並不適用於小的 臨界尺寸或是較大的晶圓尺寸。事實上，㈣工具中的每 一項機械式元素都是造成半導體工業整體平整性問題的可 能原因。第一個問題是晶圓載體無法將該半導體晶圓的曝 露表面維持在與該研磨表面共平面。第二個問題是必須控 制施加在該半導體晶圓之曝露表面上的壓力均勻地分佈。 第三個問題是在C Μ P期間因為半導體晶圓並非牢固地承托 著所造成的晶圓移動。過度的晶圓移動會引起不均勻的材 料移除及整體移除速率的差異。第四個問題，該研磨媒介 並無法充分地傳輸研磨漿。在該半導體晶圓周邊新注入的 研磨聚速率比該半導體晶圓的中c位置快。已經為人熟知 的係新的研磨漿移除材料的速率會比舊的研磨將來得快。 第五個問題，因為摩擦所造成的溫度差異及因為對流，傳 V ,及小範圍中的輻射所造成的熱損失變異所造成的不同 的化學反應速率。溫度會隨著該半導體晶圓的周圍至中心 而改變從而造成不同的材料移除速率。舉例來說，當處理 更多的半導體晶圓時，該平台或研磨媒介磨耗會造成不均 勻或非平面的支撐表面導致該半導體晶圓上材料移除速率 的變異。如果要在後面的半導體製造環境中運用CMp處理 的話，便必須瞭解並且解決每一項問題。 * 8 - 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐) 裝 訂

線 五、發明説明（6 ) CMP工具廠商有各種不同的方式解決上面所列的問題。 其中一種晶圓載體種類具有一以機械處理至預設西率的支 撐表面。該固定曲率外觀係用以彌補邊緣快速材料移除（凸 狀）°固定曲率外觀無法作薄膜移除均勻度的即時處理控制 。當消耗品及先前處理結果（薄膜沉積均均性）改變時問題便 會更加嚴重。最好放棄該晶圓載體的曲率，而且廠商亦漸 漸地放棄利用該晶圓載體支撐表面上的固定彎曲表面取代 平面表面。 一般來說’晶圓載體的支撐表面具有大量的洞穴以提供 氣流或真空。真空係用以承托該半導體晶圓至該支撐表面 ，而該晶圓會從某一位置傳輸到另一個位置。在該半導體 晶圓被放置到與該研磨媒介表面共平面並且開始研磨處理 之後便會釋放該真空。該晶圓載體上的載體環可以避免該 半導體晶圓從該支撐表面滑動。 半導體晶圓上的壓力可以透過支撐表面上的開孔施力於 類似氮氣之類的氣體上。該氣體會推播該半導體晶圓的背 面從而在材料移除處理期間施壓讓該半導體晶圓的曝露表 面擠壓該研磨媒介。氣體壓力的強度可以改變以控制施加 在该半導體晶圓上的壓力。然而，利用氣體施壓在半導體 晶圓的背面並不可靠，無法控制，而且無法對每片晶圓進 行複製。另外，該晶圓載體可能會受損，有氣體控制的問 題，並且會因為化學物質吸入的顆粒而有感染的危險。 另外一種目前供CMP工具使用的晶圓載體其設計極為複 雜可以在該半導體晶圓的整個表面上提供角度相容及相同 -9- 522502 A7 B7 五、發明説明（7 ) 的壓力。該晶圓載體的第一項元素係一膨脹的風箱機制 (inflatable bellows mechanism)其係設計以維持半導體晶圓 表面與研磨媒介之間的共平面。該晶圓載體的第二項元素 係一彈性氣囊（elastomeric bladder)其可以膨脹或緊縮以控 制施加在該半導體晶圓背面的壓力。該彈性氣囊係放置在 該晶圓載體的支樓結構上而支撐表面上的開孔會提供真空 或氣體。經由開孔所施加的真空會承托該半導體晶圓至該 支撐表面。所施加的氣體會壓迫該晶圓擠壓該平台。支撑 表面上的載體環會在材料移除處理期間維持該半導體晶圓 。透過該支撐結構至該彈性氣囊（非剛體）所施加的負向或正 向壓力會在該晶圓的背面施壓。 彈性氣囊中的壓力會設定在名義數值（nominai vaiue)其係 CMP處理的一項功能。該晶圓載體會移動到使得該半導體 晶圓的曝露表面與該研磨媒介的表面共平面。該彈性氣囊 中的壓力會不斷地提高直到達到材料移除處理所需要的壓 力為止。提高或降低彈性氣囊中的壓力只會改變材料移除 的速率但是卻無法彌補該半導體晶圓半徑上材料移除速率 不同的情況。其它會影響生產環境中使用讓晶圓載體的因 素為彈性氣囊有破裂的危險，可能會從該晶圓載體突出， 以及因為力矩而造成的錯誤。修理這類型晶圓載體的費用 及困難度也是一項因素。另外，類似材料移除的均勻性及 在該晶圓載體上所增加的機械負載等問題都必須解決才可 以運用在300毫米（直徑）的半導體晶圓上。， 圖1所示的係一可以在半導體晶圓的表面上施加可變壓力 -10- 本纸張尺度適用中國fer豕標準(CNS) “格(摩297公爱) 522502

的晶圓載體100的側面圖。可變壓力可以藉由主動地改變晶 圓載體100支撐表面的形狀以達成。晶圓載體100包括一第 區段其主要功能係使得該支撐表面約略與研磨媒介的表 面共平面。維持晶圓載體1 〇〇約略與該研磨媒介表面共平面 便是熱知的角度相容（angular c〇mpHance)。晶圓載體1⑼還 匕括第一區#又用以承托及支稽該半導體晶圓。該第二區 段會承托該半導體晶圓使得該半導體晶圓的表面曝露以進 仃材料移除。上面的敘述並非表示該第一及第二區段必須 疋晶圓載體100的分離元素，不過任一作為化學機械式平整 化的sa圓載體都具有此兩項元素其可能在此結構中結合為 一體或分離。 曰曰圓載體100包括一載體扣101，一驅動軸102，一載體蓋 103，一載體平板104，一可伸縮晶圓支撐結構105，一 〇形 環106，一 〇形環1〇7，一載體環1〇8，一載體薄膜1〇9，一氣 體供應帽區段"ο ^在晶圓載體1〇〇的一個具體實例中，驅 動軸102係中空的，可以傳輸流體及氣體至鬲圓載體1〇〇的 氣箱中或從晶圓載體1〇〇的氣箱中傳輸過來。驅動軸1〇2連 接到一馬達（未顯示）用以旋轉晶圓載體1〇〇。載體扣1〇1上的 軸會配合驅動軸102開孔的大小。載體扣ι〇1的軸會進行溝 紋處理以接納0形環106。0形環丨〇6會提供壓力密封使得氣 體或流體無法流出驅動軸102與載體扣101的軸之間。載體 扣101會提供晶圓載體100中氣體的通道。載體扣1〇1的筒狀 部分會以曲狀圓弧形延伸到驅動軸1〇2的外面，提供角度相 容0

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522502 A7 B7 五、發明説明（9 ) 載體蓋103係晶圓載體1 〇〇的蓋板包括一開孔用以接納載 體扣101及一載體扣101曲狀圓弧的接觸表面。載體蓋1〇3的 開孔約略是載體扣1 〇丨筒狀部分的直徑。載體蓋1 〇3的接觸 表面會插入載體蓋1 〇3的開孔中。載體扣1 〇丨會經由載體蓋 103的開孔放入直到載體扣1 〇丨的圓弧表面碰觸到載體蓋1 的接觸表面為止。載體扣101的側邊會進行溝紋處理以接納 〇形環107。〇形環1〇7會接觸到載體扣ι〇1筒狀部分而載體蓋 103便從而形成一壓力密封防止氣體流出或進入，還可以讓 載體扣101相對於載體蓋1 〇3移動。開孔係穿過載體蓋1 〇3形 成以提供氣體或真空。 、 在晶圓載體100的一具體實例中，載體蓋1 〇3的接觸表面 會約略平行於該半導體晶圓的表面。角度相容可以利用當 施壓於晶圓載體1 〇〇時利用在載體扣1 0 1的圓弧表面上滾動 的載體蓋103的接觸表面重新放置該半導體晶圓的曝露表面 與该研磨媒介共平面以達成。該曲狀表面會改變驅動軸 1〇2(垂直方向）與載體蓋1〇3接觸表面之間的角度關係。 氣體供應帽區段110係一強化載體蓋103接觸表面的結構 。氣體供應帽區段110可以使得載體蓋1〇3的接觸表面變得 較剛硬（不會伸縮）。氣體供應帽區段11〇會放置在載體蓋1〇3 的下方並且有一區域會延伸超過載體蓋103的接觸表面。氣 體供應帽區段110係透過螺絲與載體蓋103形成剛性連接。 要注意的是，使得載體蓋103的接觸表面變得較剛硬便可以 不需要氣體供應帽區段110。後來的設計都已經移除此項特 點。氣體供應帽區段110具有開孔以提供氣體或真空至晶圓 -12· 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 522502 A7 B7 五、發明説明（10 ) 載體100的内部區域或從晶圓載體100的内部區域流出氣體 或真空。 載體平板1 〇 4係形成晶圓載體1 〇 〇的第二容納空間。載體 平板104包括一上方支撐結構，一側邊，一可伸縮晶圓支撐 結構105。在晶圓載體1〇〇的一具體實例中，載體平板1〇4會 機械處理或鑄模成一單一結構。 通常，載體蓋103，氣體供應帽區段11〇，及載體平板1〇4 會利用機械特性強烈，防腐蝕材料，例如硬化處理過的丨7_ 丨 4 PH不鏽鋼，例如H900 ，製造而成。載體平板1〇4還可以 以各種的材料製造而成，使得加壓時，特別是加壓至可伸 縮晶圓支撐結構105，可以產生適當的機械強度及應力 (strain)圖形。這些材料包括316不鏽鋼，C22卡本特鋼 (Carpenter steel)，304不鏽鋼，及nitinol，形狀記憶合金。 載體平板104的上方支撐結構會連接到載體蓋1〇3並且形 成晶圓載體100中的密封口。載體蓋103會與載體平板1〇4的 上方支撐結構拴在一起。在該上方支撐結構中會形成一溝 紋以接納〇形環並且在載體蓋103與載體平板1〇4拴在一起的 < 時候形成密封。 載體平板104的可伸縮晶圓支撐結構ι〇5會在化學機械式 平整化處理期間支撐一半導體晶圓。載體薄膜1〇9係放置在 可伸縮晶圓支撐結構1 〇5上。載體薄膜丨〇9係一在化學機械 式平整化處理期間承托該半導體晶圓的相容薄膜。 載體環108會把持該晶圓載體防止其在化學機械式平整化 處理期間脫離晶圓載體丨00 ^載體環丨〇8係放置在載體平板 • 13 _ 本紙張尺度適用中a @家標準(CNS)鐵格(21GX297公爱）------ 522502 A7 B7 五、發明説明（11 ) 104周圍附近並且稍微延伸超過載體薄膜109的表面以捕捉 想要平整化之半導體晶圓的邊緣。在晶圓載體1〇〇的一具體 實例中，載體環108放置在載體平板1〇4側邊的凹洞（recess) 内。將載體環108放置在凹洞内有助將栓垂直穿過載體平板 104以便可靠地承托載體環丨〇8。 如上所述’該化學機械式平整化處理的一項主要問題是 該半導體晶圓半徑上的材料移除速率不一。晶圓載體1 〇〇係 設計讓可伸縮晶圓支撐結構105的形狀可以改變以彌補該晶 （ 圓半徑上材料移除速率不一的問題。可伸縮晶圓支撐結構 105表面形狀的改變係利用加壓於該晶圓載體ι〇〇之洞口（透 過氣體或流體或真空）以達成。可伸縮晶圓支撐結構1〇5包 括一薄的可伸縮材料其可以由施加於該晶圓載體1〇〇之洞口 的真空或壓力而改變形狀。載體平板丨〇4，及載體蓋丨〇3， 的側邊及上方支撐結構的結構剛硬並不會受到施加於該晶 圓載體100之洞口的真空或壓力而改變形狀。 在晶圓載體100的一具體實例中，可伸縮晶圓支撐結構 105係由不鏽鋼所製成的。該可伸縮晶圓支撐結構1〇5的厚 度約為.01到0.6公分並且與材料種類及應用有密切的關係。 在靜止狀態中（正常的適壓）可伸縮晶圓支撐結構1〇5具有 一第一形狀，舉例來說平面表面。在化學機械式平整化處 理期間（包括開始材料移除處理之前）可伸縮晶圓支撐結構 105會從第开^狀變成第二形狀以彌補該晶圓半徑上材料移 除速率不一的問題。該第二形狀會在該半導體晶圓的半徑 上k成不均勻的壓力其係為了使增加的材料往該晶圓的中 -14 - ^紙張尺度適用巾S S *標準(CNS) A4規格(2ig X 297公爱)"一 一. —— — 522502 A7 B7 五、發明説明（12 ) 心或該晶®的邊緣移動而施加的。 在晶圓載體100的密封口產生真空（或移除流體）會將可伸 細晶圓支撐結構10 5往内拉使得該可伸縮晶圓支撐結構1 〇 5 的表面的外側邊緣低於該可伸縮晶圓支撐結構1 〇5的表面中 心（向内彎曲）。雖然在晶圓支撐結構105上的改變速率及改 變的種類係與材料有關，不過真空下的可伸縮晶圓支撐結 構105最好是呈現凹形。在此狀態下，在半導體晶圓邊緣處 的材料移除速率會比中心位置的移除速率快。 要注意的是’在真空或壓力下，該可伸縮晶圓支撐結構 105的表面係半剛性的。施加在晶圓載體丨〇〇的向下壓力會 使得該半導體晶圓與該可伸縮晶圓支撐結構1 〇5的表面一致 。換言之，在可伸縮晶圓支撐結構105的最後狀態或形狀係 半剛性的（使得該半導體晶圓與該形狀一致）並且當材料移除 處理期間施壓時外型並不會明顯地改變。可伸縮晶圓支撐 結構105向内彎曲（凹形）也會在傳輸期間用以承托該半導體 晶圓至晶圓載體100。 利用氣體（或流體）施壓於晶圓載體100的密封孔將可伸縮 晶圓支標結構105往外推擠，使得可伸縮晶圓支樓結構105 的表面中心會低於可伸縮晶圓支撐結構1 〇5的表面外側邊緣 (向外彎曲）。雖然在晶圓支撐結構105上的改變速率及改變 的種類係與材料有關，不過壓力下的可伸縮晶圓支撐結構 105的表面最好是呈現凸形。在此狀態下，在半導體晶圓中 心的材料移除速率會比邊緣的移除速率快。 晶圓支撐結構105形狀中改變的速率係直接與施加於晶圓

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載體100的真空或壓力的大小有關。舉例來說，增加晶圓載 體100密封孔中的真空可以提高該半導體晶圓邊緣附近的材 料移除速率《相反地，增加晶圓載體1〇〇密封孔中的壓力可 以提南该半導體晶圓中心附近的材料移除速率。利用可伸 縮曰曰圓支撐結構105的邊緣快速及中央快速的形狀可以根據 特殊CMP處理上的模型資訊產生最大的晶圓平整性。另外 ，可以在半導體晶圓表面的特定點上改變磨損速率使能夠 將不符規袼的半導體晶圓（因為平整性的關係）帶回到規格之 内以大幅地減少材料廢棄的比例。另外，也可以明顯地降 低邊緣損失。 圖2所示的係半導體晶圓140的表面形狀圖。線條表示先 前技藝中標準CMP處理之後半導體晶圓140上表面高度的變 化學機械式平整化。要注意的是，顯示的有各種高度，厚 度變異的隨機圖案及材料移除之邊緣快速。 圖3所示的係讓該可伸縮晶圓支撐結構1〇5呈現向内弯曲 狀態之圖1中的晶圓載體示意圖。 圖4所不的係利用處於向内彎曲狀態下之圖1中的晶圓丨5〇 載體100 ’如圖3所示，研磨的半導體晶圓150表面形狀圖。 施加於半導體晶圓150上符合圖1晶圓載體100的表面形狀（ 凹形）的向下力量為每平方英吋4 5，（psi)。在化學機械式平 整化處理期間，圖1晶圓載體100密封孔内的壓力為0.1 psi 。密封孔内沒有壓力可以讓該向下力量將該載體的最低表 面變成凹形，因為該金屬表面受到晶圓上的力量而形變。 因為晶圓載體1〇〇最低表面邊緣的區域受到載體側邊的支撐 -16- 本紙張尺度適财 mrnm^TcNS) Α4^(21〇Χ297^) 裝 訂 522502 五、發明説明（14 此％形區域產生抗應力並且使得該晶圓表面上較高的壓 力立即降下。半導體晶圓15G周圍處緊㈣線條表示在半導 體晶圓15G邊緣處材料移除速率高於中心位置，如圖五之晶 圓載體100凹表面形狀所預期的。 A圖5所示的係該可伸縮晶圓支撐結構1〇5處於向外彎曲狀 態下之圖1中的晶圓載體示意圖。 圖6所示的係利用處於向外f曲狀態 體_ ’如圖5所示，研磨的半導體晶圓⑽表面形狀圖^载 施加於半導體晶圓160上符合圖旧圓載^⑽的表面形狀（ 凸形）的向下力量為4.5psi。在化學機械式平整化處理期間 ，圖1晶圓載邀100密封孔内㈣力為4ps卜該半導體晶圓中 心緊密的線條表示在半導體晶圓⑽中心材料移除速率高於 邊緣，如圖1之晶圓載體100凸表面形狀所預期的。 圖7所示的係壓力介於圖4與圖6之間利用圖i中的晶圓載 體100研磨的半導體晶圓170的表面形狀圖。施加於半導體 晶圓m上符合圖“曰曰圓載體100的表面形狀的向下力量為 4.5pS1。在化學機械式平整化處理期間，圖旧圓載體⑽密 封孔内的壓力為2叫。緊密的線條係沿著該半導體晶圓17〇 半徑均勻地分佈，如關力設定介於圖4與圖6之間所預期 的0 圖8所示的係由不同材料構成的可伸縮晶圓支撑結構2〇〇 的表面圖其係用以取代圖i中的可伸縮晶圓支撑結構1〇5。 可伸縮晶圓支撐結構200包括一第—材料環2〇1，一第二材 料環逝，-第三材料環203’及—中心材料2〇4。在此㈣ 本紙張尺度適财B國家標準(CNS) A4規格(21GX297公爱)- .17- 522502

的-具體實例中，可以在可伸縮晶圓支撐結構1〇5不同的半 徑範圍中使用不同的材料。第一材料環2〇1係連接到第二材 料環202’第二材料環2〇2係連接到第三材料環2〇3,而第三 材料環係連接到中心材料2()^使用不同的材料在可伸縮晶 圓支撑構2GG中具有不同的厚度可以在材料移除處理期間 進步地提咼該半導體晶圓的平整性。材料環係利用e光束 焊接或其匕等效的黏接方法連接在一起。每一材料環對施 加在可伸縮晶圓支撐結構200上的特定壓力或真空具有不同 的應力程度。該材料的選擇必須對抗或提供所用的（：河1>處 理所產生的各種材料移除速率。 圖9所示的係根據本發明較佳具體實例之晶圓載體3⑻的 側面圖。晶圓載體300係使用於CMP處理中選擇性地從半導 體晶圓移除材料。換言之，晶圓載體3〇〇可以在半導體晶圓 表面上以不同的速率移除材料。材料移除的變化速率可以 藉由改變晶圓載體300的晶圓支撐結構形狀以達到。另外， 曰曰圓載體3 00可以在材料移除處理期間於原處（選擇性）改變 該支撐結構的形狀，其範圍可以從邊緣快速至中心快速材 料移除。 晶圓載體300會在傳輸過程中（材料移除之前/之後）承托一 半導體晶圓两不需要真空。雖然可以在該系統中加入真空 承托系統，但是不需要真空卻可以大幅地降低晶圓載體3〇〇 的複雜度。晶圓載體300的晶圓支撐表面形狀可以以機械方 式改變以精確地控制晶圓支撐表面外觀。晶圓載體3 〇 〇的晶 圓支撑表面與半導體晶圓比較起來比較堅硬。當CMP處理

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線 -18- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐） 522502 A7 ____B7 五、發明説明（16 ) 中所使用的向下力量施加在晶圓載體3〇〇上時，半導體晶圓 會與晶圓支#表面的形狀相符。 晶圓載體300包括一載體扣3〇1，一驅動軸3〇2，一載體蓋 303，一載體平板304，一可伸縮晶圓支撐結構3〇5，一〇形 環306 , —〇形環307，一載體環308 , 一載體薄膜3〇9 , 一〇 形環310，一磁性啟動器311 , 一溫度感應器312，一壓力轉 換器313，一 〇形環314 ,及液壓流體供應線315，一容納室 316，一容納室317，一彈性伸縮晶圓支撐結構318，一密封 螺絲320，及形狀記憶合金32 1。與圖1所述的相同，載體扣 301及載體蓋303結合提供晶圓載體300角度相容。本發明並 不僅限於此種結構可以運用其它的方法達到角度相容的目 的0 載體扣301的軸會放入驅動軸3〇2的中空襄。載體扣3〇1 的軸會進行溝紋處理以接納〇形環3〇6。〇形環3〇6會提供 驅動軸302内側與載體扣301之間的壓力密封。經由載體 扣301會形成一通道將線路及液壓流體供應線3 15繞線到 晶圓載體300内的容納室316中。載體蓋3〇3係一蓋板包括 一開孔用以接納載體扣301及一平板接觸表面用以接觸載 體扣301的曲狀圓弧（曲狀表面）。載體蓋303的開孔邊會進 行溝紋處理以接納〇形環307其會在載體扣3〇1與載體蓋 303之間形成壓力岔封並且讓載體扣3〇1相對載體蓋go]移 動以提供角度補償。 壓力傳輸平板304係半個晶圓載體3〇〇密封外殼的底部。 當壓力傳輸平板304與載體蓋303連接在一起的時候，便會 -19- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公爱) 522502 A7 B7 五、發明説明（17 ) 形成容納室3 16。磁性啟動器3 11，溫度感應器3 12，部分的 液壓流體供應線3 15，壓力轉換器3 13，及密封螺絲320都存 在於容納室316中。壓力傳輸平板3 04包括一 1方支撐結構 ，一側邊，及一可伸縮平板。在壓力傳輸平板3〇4的上方支 撐結構中會形成一溝紋以接納〇形環310。載體蓋3〇3會與壓 力傳輸平板304的上方支撐結構拴在一起。〇形環3 10會在載 體蓋303與壓力傳輸平板304之間形成壓力密封。 磁性啟動器311係連接到載體蓋303或壓力傳輸平板304。 載體蓋303係剛性的並且不會受到磁性啟動器3 11的影響， 而壓力傳輸平板304則係可伸縮的。栓會將磁性啟動器3 11 連接到載體蓋303或壓力傳輸平板304。磁性啟動器3 11可以 藉由垂直伸展或收縮而改變壓力傳輸平板3 04的形狀。磁性 啟動器3 11可以藉由伸展或收縮而將壓力傳輸平板3〇4向外 或向内移動。提供至磁性啟動器3 11的電流大小會決定壓力 傳輸平板304伸展或收縮的程度。 磁力係磁性材料，舉例來說，鎳，的物理特性，當曝露 在磁場中時形狀便會改變。大部分具有磁力的材料在超低 溫或有限的應力（小移動）下都會表現此特性。·含有稀土金屬 的材料，例如铽及鏑，在低磁場下具有極高的磁性應力。 在稀土金屬中加入鐵（Fe)可以將磁力的操作範圍移動到接近 室溫（攝氏25度）的可用溫度範圍中。一般來說，線圈（c〇n) 係用以改變磁性元素的磁偏壓。施加在線圈的電流相當於 該磁場的強度。磁性啟動器3 11的特性可以改善晶圓載體 3〇〇的效能。舉例來說，磁性啟動器3丨丨體積小，低溫操作 -20- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 522502 A7 B7 五、發明説明（18 ) ’不會老化，線性響應（linear response)，重複物理變化， 具有大移動章έ圍’具有南負載範圍。 彈性伸縮晶圓支撐結構3 18包括一上方支撐結構，一側邊 ，及一可伸縮平板。當壓力傳輸平板304連接到彈性伸縮晶 圓支撐結構3 18 %便形成容納室3 17。彈性伸縮晶圓支撐結 構3 18的上方支撐結構會溝紋處理以接納〇形環3 14。壓力傳 輸平板3 04與彈性伸縮晶圓支撐結構3 1 §會以检連接在一起 。〇形環314會在壓力傳輸平板3〇4與彈性伸縮晶圓支撐結構 318之間形成壓力密封。 容納室317會透過壓力傳輸平板3〇4的開孔充滿流體。一 般來說，容納室317會充滿具有所要的熱容量的流體，其係 熱導體，非腐蝕及熱穩定。容納室3 17在組裝期間充滿流體 而該開孔則會被密封螺絲32〇密封。磁性啟動器3丨丨會接觸 壓力傳輸平板3 04的中間區域並且施加一向中央區域集中的 力量。容納室317内的流體會將集中在壓力傳輸平板3〇4的 中間區域力量分散到彈性伸縮晶圓支撐結構318的表面（容 納室317的内側）。換言之，容納室317内的流體系當作力量 散佈器或是力量分散器。因為希望彈性伸縮晶圓支撐結構 3 1 8的外部表面具有可程式的形狀，因此該流體會均等地分 散該力量。該流體係用以在彈性伸縮晶圓支撐結構318中產 生一沒有不連續的形狀，該不連續係因為在單一區域内施 加形變力量至該晶圓支撐結構所造成的。 在壓力傳輸平板304中會形成一第二開孔^壓力轉換器 313會在第二開孔中附著於壓力傳輸平板3〇4以提供一監視 -21 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格----— 522502 A7 B7 五、發明説明（19 ) 容納室3 17内流體壓力的主動構件。所量測到的壓力會與彈 性伸縮晶圓支撐結構3 1 8的外表面形狀有直接關係。監視該 流體的壓力可以提供連續的回授用以精確地控制彈性伸縮 曰曰圓支#結構3 1 8的外表面形狀。另外，其係一項附加的控 制係數用以在CMP處理期間提供彈性伸縮晶圓支撐結構3 1 $ 外表面形狀的現場改變。 流體供應線3 1 5會提供加熱或冷卻的流體用以控制要平整 化的晶圓載體300及半導體晶圓的溫度。一部份的流體供應 線315會接觸容納室316内的壓力傳輸平板304的表面。壓力 傳輸平板3 04，谷納至3 17内的流體，及彈性伸縮晶圓支撐 結構3 1 8係熱導體。流體供應線3 15内加熱或冷卻流體的溫 度會傳輸到壓力傳輸平板304，容納室3 17内的流體，及彈 性伸縮晶圓支撐結構318，而其一起當作熱質量作為CMp處 理的溫度控制。 載體薄膜309係放置在彈性伸縮晶圓支撐結構3丨8的外表 面上。載體薄膜309係一相容膜用以承托在CMp處理期間適 當的半導體晶圓。載體環308係與載體薄膜3〇9相連接以承 托要研磨的半導體晶圓。載體環308係放置在彈性伸縮晶圓 支撐結構318及載體薄膜309附近。會利用栓承托載體環3〇8 至壓力傳輸平板304。載體環308的一唇狀部會超出載體薄 膜309的曝露表面。載體環308包括形狀記憶合金321及覆蓋 材料。施加在形狀記憶合金321上的電流會改變載體環3〇8 的直徑。載體環308的覆蓋材料會保護形狀記憶合金32ι避 免受到腐#研磨環境的破壞並且提供一適合與該半導體晶 •22- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐） 522502 A7 _ B7 ΐ、發明説明（2(3~~) ~ 圓邊緣接觸的表面。舉例來說，形狀記憶合金321會包在類 似聚苯基硫化物的聚合物中。用以提供電流給該形狀記憶 合金的電線係穿過壓力傳輸平板304，容納室316 ,載體蓋 303，載體扣301，及驅動軸3〇2連接。 形狀記憶合金321係由一群合金組合而成，舉例來說， 包括鎳與鈦的合金，當加熱時其相態會從馬丁散鐵 (martensite)變成奥氏鐵（austenite)。另外，收縮率係最大 熱展延材料的幾百倍或幾千倍。收縮係因為加熱期間該材 料的晶體結構改變所造成的。鎳鈦合金的晶體結構變化學 機械式平整化係一種馬丁散轉換。該材料在馬丁散晶體形 狀中非常容易產生形變。將該形狀記憶合金改變成奥氏晶 體可以產生高強度的材料。發生晶體轉換的溫度可以利用 該形狀記憶合金的化合物精確地控制。形狀記憶合金321 可以施加的最大力量係由使用的合金的剖面面積及奥氏晶 體中該材料的強度來控制❹形狀記憶合金321經由組抗加 熱予以加熱而收縮的程度則係由供應至形狀記憶合金32ι 的電流強度決定。發生改變時的速度係加熱與冷卻時間的 函數。 先前技藝載體環也是有一唇狀部超出該載體薄膜的曝露 表面》在研磨處理_，離心力會使得該半導體晶圓脫離 該晶圓載體，先前技藝載體環的唇狀部會捉住該半導體晶 圓的邊緣防止其脫離該晶圓冑體。（前技藝載體環的設計 缺點是其内直捏大於半導體晶圓的直徑。該設備的機械容 限值必須有較大的直徑以便可以在傳輸處理之前將該晶圓 -23- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇χ297公釐) 522502 A7 B7 五、發明説明（21 放置在該晶圓載體I如果該載體環的邊緣被帶至該半導 體晶圓上的話’便會發生晶圓毀損。該先前技藝載體環的 直徑越大便可以在研磨處理期間讓該晶圓於該晶圓載體中 移動。 在靜止狀態中載體環3 〇 8的内徑大於該半導體晶圓的直 徑（為了方便排列）。不過，施加在形狀記憶合金321的電 流會縮小載體環3 0 8的内徑直到所有的週邊都與該半導體 晶圓的邊緣接觸為止。施加在形狀記憶合金32丨的電流會 產生電阻熱能造成載體環3 〇 8縮小（内徑變小）。載體環3 〇 8 在該半導體晶圓所產生的壓力會直接與該電流成正比。 載體環308所產生的壓力在傳輸期間足以承托該半導體晶 圓至晶圓載體300並且可以在CMP處理期間保持該半導體 晶圓（不會移動）。 如何在CMP工具中利用晶圓載體300說明如下。一般在一 批25片晶圓中半導體晶圓都係平整的。CMP工具的傳送機 制會將晶圓載體300移動到定位從該批晶圓中拾取一第一半 導體晶圓。晶圓載體300會進行排列對齊及移動將該半導體 晶圓放置在載體薄膜309上。會提供電流至載體環308的形 狀記憶合金321收縮載體環308並且在傳輸處理期間足以承 托該半導體晶圓。 另外一種不需要真空承托該半導體晶圓的方法係收縮磁 性啟動器3 11而半導體晶圓則平整地放置在載體薄膜3〇9。 彈性伸縮晶圓支撐結構3 18會被向内拉，將該表面從水平變 成些許的凹型或向内彎曲的形狀。形狀的改變會產生部分

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、、空其會承托該半導體晶圓至載體薄膜309。通常，丰導 體晶圓的背面係濕的，其會形成密封有 載體薄膜309。 *此4日日0至 理期間的溫度係另一項影響從半導體晶圓移除材 枓速率的係數。在該批晶圓巾，在材料移除處理期間半導 體晶圓量測到的溫度第一片晶圓至最後一片晶圓都不相同 。化學反應速率與該化學物質的溫度有直接的關係。會產 個門題疋。玄批晶圓前面幾片晶圓的材料移除速率與該 批晶圓中其它的晶圓不同。理想丨，在每片半導體晶圓的 材料移除處理期間必須要保持恆溫或是可重複的溫度循環 以確保整批晶圓的結果會相同。 在此具體實例中，流體供應線315會加熱晶圓載體3〇〇及 該半導體晶圓至第一溫度。同樣地，CMp工具平台也會加 熱至第一溫度並且在CMP處理期間控制材料移除的速率。 泫第一溫度可以高於該批晶圓中其它晶圓的溫度。該第一 溫度可以提高材料移除的速率以補償該批晶圓前面幾片較 低的材料移除速率。實際的溫度，及該批晶圓中每片晶圓 載體圓的溫度如何改變係由該特別的是，定乎整化處理的 模型及輪廓來決定。 繼續該傳輸處理，該半導體晶圓的曝露表面會向下放直 到與研磨媒介的表面共平面。當向下放置時，晶圓載體3〇〇 會轉動。同樣地，該平台（支撐表面）也會轉動❶不同的電流 會供應至磁性啟動器311以改變彈性伸縮晶圓支撐結構318 的形狀。舉例來說，彈性伸縮晶圓支撐結構3 18的形狀會改 -25· 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 522502

變成凸形或向料曲形狀以便在平整化處理期間產生中間 快遠材料移除的情況。當接觸到該研磨媒介時，施加在晶 ，載體300的向下力量會使得該半導體晶圓與彈性伸縮晶圓 支撐結構3 1 8的形狀相同。 當開始平整化處理時必須要降低載體環3〇8施加在該半導 體晶圓邊緣上的壓力。讓該半導體晶圓的形狀與彈性伸縮 晶圓支撐結構318的形狀相同，可能會在該半導體晶圓的邊 緣上增加不必要的壓力。者 力田向下力1施加在該半導體晶圓 上時會增加載體環3G8的直徑。直徑增加可以防止材料移除 期間的移動還會降低施加在該晶圓邊緣上的壓力。 田u日日圓的曝路表面接觸到該研磨媒介及研磨漿時便開 始進仃該半導體晶圓的平整化。材料係以研磨及化學的方式移除。-般來說，平整化或是覆蓋層材料移除處理係與 寺間有關的事件。材料移除的量係由該半導體晶圓接觸該 研磨媒介表面的時間長度來控制。其它的係數類似溫度， 晶圓載體則上的向下力量，或晶圓載體則及該平台的旋 轉速度都在材料移除速率中扮演重要的因素。晶圓載體则 可以在材料移除處理期間現場改變該表面形狀。當材料移 除時，該半導體表面形狀會從向外㈣（中央快速材料移除） 改變成向内鼕曲(邊緣快速材料移除)。此種能力可以細部調 玉A CMP處理以提南該晶圓整體的平整性。當該處理 變成-種模型並且更了解主控該處理的機制時，便可以利 用曰曰圓載體300對某批晶圓中的所有晶圓之平整性作更好的 控制。

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當該平整化處料將完成時，彈性伸縮晶圓支撐結構3i8 會回復成靜止狀態’舉例來說，水平或平面形狀。在載體 環308上會施加一電流以便在傳輸期間施加壓力在該半導體 晶圓的邊緣上以承托至晶圓載雜_。該傳送機制會將晶圓 載體30峨該研磨媒介提高並且將該半導體晶圓傳輸到該 CMP工具的某一區域進行晶圓清潔。增加載體環3〇8的直徑 並且將彈性伸縮晶圓支撐結構318放置成凸形或向外彎曲形 狀可以將該半導體晶圓從晶圓載體3〇〇中釋放。 現在已經揭露CMP工具中的晶圓載體。該晶圓載體可以 不需要真空以承托-半導體晶圓。該晶圓載體可以加熱及 冷卻以控制該晶圓的溫度及該研磨漿的化學反應速率。該 晶圓載體可以改變該半導體晶圓的形狀。另外，在平整= 處理期間該形狀可以改變成無數種外觀。有—感應器提供 回授以精確地控制該形狀的I態。㈣晶圓載體的形狀可 以在平整化處理期間從半導體晶圓選擇性地移除材料其可 以在晶圓上形成更好的平整性及每片晶圓之間相同平整性 。可以透1§載體表面的形狀對在半導體晶圓製程較早的步 驟中具有厚度控制問題的晶圓進行調適。

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Claims (1)

1. 522502 A8 B8 C8 r\o

   2. 4. 6. —種晶圓載體，其包括含有晶圓支撐表面之晶圓支撐結 構，其中該晶圓支撐表面可以從靜止表面形狀改變成至 少一種其它表面形狀。 如申請專利範圍第1項之晶圓載體，其中該至少一種其它 表面形狀係由向内彎曲及向外彎曲所組成的群組中選擇 出來的。 如申凊專利範圍第1項之晶圓載體，其中該晶圓支撐結構 係由一種以上的金屬構成。 一種晶圓載體，其包括含有晶圓支撐表面之晶圓支撐結 構，其中該晶圓支撐表面可以透過在該剛性晶圓支撐結 構上施加氣壓或真空從靜止表面形狀改變成至少一種其 它表面形狀。 一種晶圓載體，其包括含有晶圓支撐表面之晶圓支撐結 構，其中該晶圓支撐表面可以從靜態表面形狀改變成至 少一種其它表面形狀，其中該晶圓載體包括一種以機械 式改變該晶圓支撐結構形狀的方法。 如申請專利範圍第5項之晶圓載體，尚包括一與該晶圓支 撐結構耦合的流體填塞容納室作為力量散佈器。 一種積體電路製造方法，包括的步驟有： 提供一半導體晶圓； 將該半導體晶圓耦合至晶圓支撐結構的表面； 改變該晶圓支撐結構表面的形狀； 提供研磨漿給研磨媒介；及 將該半導體晶圓的曝露表面往該研磨媒介擠壓，其中 Φ 裝 訂 線 .28- 本紙張尺度適财S B家標準(CNS) A4規格(21〇x297公爱〉_ A8 B8

   在材料移除處理期間該半導 8. 表面的形狀一致…《體明圓會與該晶圓支撐結構 如申請專利範圍第7項之方法，a 4』 間改變該晶圓支揮結構的形狀—；材料移除處理期 9·==範圍第7項之方法，其中改變該·晶圓支撐結構 的步驟係由向外弯曲該晶圓支撑結構表面，以 體晶圓中心快速移除材料及向内f曲該晶圓支 I。構表面’以從該半導體晶圓邊緣快速㈣材料所組 成的群組中選擇出來的。 10.如申請專利範圍第7項之方法，其中改變該晶圓支撑結構 表面形狀的步驟尚包括提供壓力的步驟，該壓力會隨著 該半導體晶圓的半徑而改變以便在該半導體晶圓的半徑 上產生不同的材料移除速率。 -29- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)