TWI234504B - Structure of polishing head of polishing apparatus - Google Patents

Description

1234504 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7__________ 五、發明說明（1 ) 發明背景 1.發明領域 本發明有關藉著CMP (化學機械研磨）之半導體晶圓研磨 裝置之研磨頭構造，及更特別有關一種當研磨晶圓時浮動 在空氣中之研磨頭構造。 2·相關技藝之敘述 由於近年積體電路（1C)處理之進展，已引導吾人製成多層 之1C圖案。於該情況中，不平表面之出現在某種程度上係 無法避免的。如此其經常在前一層上形成下一層之圖案。 然而當該層數目增加時，線寬及孔徑變得較小。該尺寸越 小’則變得越難以形成一優異之圖案，導致更可能發生瑕 病。因此’吾人已經常研磨欲在其上形成圖案之前一層之 表面，以致使該表面變平坦，及形成下一層之圖案。爲於 該1C圖案之形成製程期間研磨一晶圓，已採用一使用CMp 方法之晶圓研磨裝置（CMP裝置）。 一常見之晶圓研磨裝置包含一具有黏合至其一表面之研 磨墊之盤狀研磨台，用以抓扣欲研磨晶圓之一表面及使得 該晶圓之其他表面與該研磨墊接觸之多數晶圓研磨頭，及 一用以造成該晶圓研磨頭關於該研磨台旋轉之研磨頭驅動 機構。當於該研磨墊及該晶圓之間供給一研磨劑泥漿時才 進行研磨。

一種％料（晶圓黏合片）係在欲推動之載具表面側邊黏合至 一晶圓抓扣載具，及該晶圓之一表面係黏合至該填料及藉 著該填料抓扣之機構（未審查之曰本專利刊物（K〇kai)第L -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） " ------ -----------·裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1234504 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（2 ) 229808號）’及一彈性微孔性聚亞胺酯插件係黏合至一載具 及該晶圓係黏合至該插件及藉著該插件抓扣之機構（未審查 之日本專利刊物（Kokai)第6-79618號）係已知爲該晶圓研磨 頭之晶圓抓扣機構。 然而於上述習知晶圓抓扣機構中，所謂，，填料片"必須黏合 至泫載具之表面。然而，當黏合該填料片時極可能發展出 氣泡，且需要技巧以作該黏合工作。該載具之填料片黏合 表面之平面性及該填料厚度之差異影響一晶圓處理表面。 再者，不論何時黏合該填料片皆需移去該晶圓研磨頭。 爲解決這些問題，本發明之申請人以前於日本專利申請 案第10-92030號中提出一種晶圓研磨裝置。該晶圓研磨裝 置採用一放在載具下表面上之鼓風構件，其以能夠上下移 動之方式2轉地支撑在一晶圓抓扣頭主體内側，用以將空 氣吹入该晶圓之後方表面，以在該載具及該晶圓之間形成 一壓力流體層。該晶圓係經由該壓力流體層推至一研磨台 及固定之。 然而’於藉著吸附作用運送該晶圓期間及於其研磨期間 ’ $亥圓研磨裝置之晶圓抓扣機構尚未免於該晶圓後方表 面可能直接接觸該載具之硬表面及因而受損之問題。 因此，本發明之申請人另於曰本專利申請案第1 1-128558 號中提出一晶圓研磨裝置。於該晶圓研磨裝置中，一保護 片係於一載具之下表面放在一鼓風構件之外表面上，及用 作一由該鼓風構件充氣膨脹之氣囊，以致將該晶圓推至一 研磨墊。 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----------- 裝-----I--訂·---I---- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Α7 Β7

1234504 五、發明說明（3 ) 糸該氣囊系統中，一用於空氣 工乳 < 排氣孔保持常開。因此 ，當？衰保護片内之氣壓變得高於4 、推動邊载具及一扣環之推 力時，假如橫向力之受力點於虚 、 足里-月間存在於該研磨塾表 面上方，將發展出一使該载具傾 ^ 、 u計 < 力量，且該力量影響 處理精確度。此外’該保護片砉 、 巧表面外形 < 厚度變化亦影響 處理精確度。 發明概要 本發明之-目的係提供-種晶圓研磨裝置之研磨頭構造 ，其於研磨期間完全阻止晶圓由研磨頭内側跳出，及亦阻 止一研磨墊之波浪起伏及一填料（橡膠片）之厚度差異影響平 面化精確度。 θ 於根據本發明之晶圓研磨裝置之研磨頭構造中，一橡膠 片係放在一扣環之内表面上，藉著來自一載具鼓風孔之空 氣形成一氣囊，及一由該載具突出之載具上外周邊係放在 該扣環上以形成空氣之一密封部份。因此，即使當一用以 將該扣環推至該研磨墊之扣環壓力係設定至低壓及一用以 推動該晶圓之氣囊壓力係設定至高壓時，該密封部份扮演 一調節閥之角色，且該載具不會由該扣環推出該晶圓。該 晶圓之推力於晶圓處理期間係不會隨著該橫向力改變。再 者，該晶圓不因接觸該載具之硬表面受損。 於根據本發明另一實施例之研磨頭構造中，多數孔係形 成在該橡膠片中。以此方式，可改良該研磨頭於晶圓運送 期間之晶圓吸附抓扣效果，及於研磨期間由該橡勝片孔吹 出之空氣將該晶圓推至該研磨墊。因此，該橡膠片之厚度 -6 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 1234504 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（4 ) 變化及該研磨墊之波浪起伏不影響該晶圓之處理精確度。 既然由該晶圓及該橡膠片間之間隙吹出之空氣量係非常小 ’不會發生泥漿之聚集。 於根據本發明又另—實施例之研磨頭構造中，一構成扣 裒及羞圈主體間之互連部份係藉著一環彼此連接，以致可 輕易完全組合及拆解。 於根據本發明又另—實施例之研磨頭構造中，一構成該 才裒之久換部份係可移去地裝至該護圈主體，且該橡膠片 係夾在琢父換邵份及該護圈主體之間。其結果是可時常交 換承受磨損之交換部份，及亦可輕易地交換該橡膠片。 於根據本發明又另一實施例之研磨頭構造中，該載具之 下表面係分成多數區域，及進一步放置第二橡膠片，以 文可在每個區域中形成一氣囊。其結果是依該區域而定能 改變該晶圓之處理數量。 由下面所提出本發明較佳實施例之敘述，隨同所附各圖 面可更充分了解本發明。 圖面簡述 於各圖面中： 弟1圖係根據本發明一實施例之晶圓研磨裝置之研磨頭縱 向剖視圖； 弟2圖係於本發明之一實施例中，當在一橡膠片未存有任 何孔洞時’一研磨頭之局部放大剖視圖； 第圖係毛本發明之另一實施例中，當在一橡膠片中形成 夕數孔洞時’—研磨頭之局部放大剖視圖； -7- t _ ⑵0 x 297 公髮）-~~ -- I裝---- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

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五、 發明說明（5) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制农 該研磨頭1根本上包含一用以將該晶圓w推至該研磨墊2之 載具20 ; —設計成圓柱形之扣環3〇，放置該扣環3〇以致其 圍繞该載具20及於該晶圓w之外圍推該研磨蟄2 ; 一放置在 該載具20及該扣環30上方之研磨頭主體4;用以旋轉及驅動 该研磨頭主體4之驅動單元5 ;介於該研磨頭主體4及該載具 20間之載具推動機制4〇，用以調節施加至該載具2〇之研磨 壓力；及介於該研磨頭主體4及該扣環3 0間之護圈推動機 制50 ’用以施加推動該研磨墊2之推力至該扣環3〇及調節該 推力。 遠載具20具有一將該推力由該載具推動機制40移轉至該 載具20之載具推動構件21。該扣環3〇同樣具有一將該推力 由該護圈推動機制50移轉至該扣環30之護圈推動構件21。 第4圖係當於本發明之又另一實施 员她列中另外放置第二橡膠 片時，一研磨頭之局部放大剖視圖。 較佳實施例之詳細敘述 在下文中，參考所附圖面説明根據本發明較佳實施例之 圓研磨裝置之研磨頭構造。第1BI係根據本發明—實施例 之晶圓研磨裝置之研磨頭i縱向剖視圖。該晶圓研磨裝置包 含-研磨台3,並具有黏合至其一上表面而用以研磨晶圓， &研厝墊2 ;及一研磨頭1，其抓扣及運送該晶圓W至該研 磨口〕上、在研磨時放開孩晶圓w之抓扣、藉著空氣在預定 研磨壓力下將該晶圓W推至該研磨墊2及旋轉該晶圓w。該 研磨台3另包含一未示出之旋轉驅動單元，其能夠關於該研 磨頭1於水平研磨方向中相對旋轉該晶圓w 8- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1234504 經濟部智慧財產局員工消費合作社印装

A7 發明說明（6) 該推動構件2 1及3 1係顯示交替蚰访 仏 人孑地放置在第1圖中，但他們能 夠以不會彼此相交之方式自炊妯 栗、 万式自Λ地放置，依該推動機制之配 置而定。 該載具推動機制40係放在該研磨頭主體4下表面之外周邊 部份，及將該推力施加至該载具推動構㈣。因此，該推 力係傳送至連接該載具推動構件21之载具2〇，及經由該載 具2〇將該晶推至該研磨，如將於稍後説明者。該載 具推動機制40最好包含一由橡膠片製成之氣囊4〇，當導入 及排出空氣時將膨脹及收縮該氣囊。—用以將空氣:入該 氣囊41之進氣機構42係互連至該載具推動機制4〇。該進氣 機構42包含一調節器(未示出），用以調節來自—幫浦之加壓 供給式空氣壓力。 該護圈推動機制50係放在該研磨頭主體4下表面之中心及 施加該推力至該護圈推動構件31。因此，該推力係傳送至 連接至該護圈推動構件31之扣環30，及該扣環3〇係推至該 研磨墊2。该護圈推動機制5〇以與該載具推動機制4〇相同之 方式最好包含一橡膠片之氣囊，及一用以將空氣送入該氣 囊51之進氣機構52係互連至該載具推動機制4〇。該進氣機

構52亦包含一調節器（未示出），用以調節來自一幫浦之加壓 供給式空氣壓力D 一圓柱形凹部22係定義在該載具20之上表面中心。該研 磨頭主體4之軸部係裝入該載具20之凹部22及藉著一栓銷23 所固定。因此，該載具20可上下移動及能傾斜至某一程度 。該載具20之上外部周邊部份24突出成一凸緣形狀。當讀 9- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

I----------裝--------訂--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 禮· 1234504 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（7 ) 上外邵周邊邵份24係放置在該扣環3 〇之上表面時，他們一 起形成一空氣密封部份25。 一用以吸入及吹出空氣之孔或溝槽26係形成在該載具20 之下表面。形成一空氣通道27，以致與該孔或溝槽26相通 。連接至咸空氣通道27之一未示出吸入幫浦及一進氣幫浦 係可交換地用於吸入/吹出空氣。順便一提，當抓扣及運送 該晶圓W時吸入空氣，及在研磨晶時吹出空氣以釋放所 抓扣之晶圓。 該扣環30包含一互連部份32、. 一護圈主體33及一交換部 份34。該扣環30係藉著螺栓等在其互連部份32互連至該護 圈推動構件31。一部份切開之環35耦合該互連部份32及該 護圈王體33，以致方便組合及拆解。螺栓等連接該護圈主 體33及該交換部份34。再者，該護圈主體33及該交換部份 34以蓋住該載具20之方式夾住該橡膠片6〇之周邊。因此， 一於該載具20之下表面及該橡膠片6〇間之間隙於其間定義 一氣室6 1。該間隙最佳係由約〇 5至約2毫米。 因此，藉著由該研磨頭丨移去該環35、該護圈主體33、該 交換部份34及該橡膠片60及鬆開該螺拴，可輕易地交換、 清洗及修理該交換部份34及該橡膠片6〇。 多數孔62可形成在該橡膠片60中，如 7口罘3圖中所不< 另一 實施例。當該研磨頭1抓扣及運送嗜曰m 处k d曰口 S) w時，該孔具有吸 附孔之功能，及當完成研磨時具有吹氣孔之功能。當空氣 進入該橡膠片60及該晶圓w間之間隙時，其將該晶_至 該研磨蟄2。 本紙張尺度適用中關家標準（CNS)A4規格（21G x 297公爱1 ------- 裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1234504 A7 B7 五、發明說明（8 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 亦可能在該橡膠片60盥該晶 ' 、 /、日θ圓接觸表面上形成溝槽等 :以致空氣可更輕易地推動該晶圓w。其進一步可能在該 w片㈣該晶圓W之接觸表面上形成環狀突瘤，及在該 橡膠片60之推動表面上形成凹面。 5順便一提，即使當該橡膠片6〇無孔62時，在該研磨頭丨推 至該晶圓w時，該晶圓w能抓扣在該橡膠片6〇之表面上。於 該案例中，不需吸入空氣。 第2圖之局邵放大視圖顯示使用具有上述研磨頭1構造之 晶圓w研磨狀況。當該載具20之上外部周邊部份24完全放 在該扣環30上時，將該晶圓W推至該研磨墊2之力量係該氣 室61内之氣壓。當該氣壓升高及舉起該載具20時，該氣室 6 1内之空氣由該密封部份24排出，且該氣壓下降。以此方 式，該密封部份25扮演類似一調節閥之角色，及不允許該 氣室6 1内之氣壓過度增加。因此，可防止如於先前技藝所 觀察由於該扣環30之推力下降至低於該載具20推力之程度 而使該晶圓W跳出該研磨頭1外侧。 如第3圖中所示本發明之另一實施例，當該橡膠片60具有 多數孔60時，該氣室61内之空氣進入該橡膠片60及該晶圓 W間之間隙，藉此形成一薄空氣層及直接推動該晶圓W至該 研磨墊2。爲此緣故，該橡膠片60厚度之任何差異不影響該 晶圓W之表面處理精確度。既然由該空氣層之間隙所滲漏 之空氣量係非常小，不會發生泥漿之聚集。於該案例中， 亦以與上述相同之方式不允許該氣室61内之氣壓過度上昇 ，及可防止該晶圓W之跳出。 -11 -

(請先閱讀背面之涑意： 1# g^\n^ 装--------ir------ 填寫本貢) % 1234504 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（9 ) 即使當該研磨頭1於橫側方向中承接力量時，該扣環％接 艾S檢向力。因此，雖然咸力量具有該扣環3 〇之上舉力量 (傾斜力）之功能，其不會影響該晶圓w。 上述實施例不能改變該晶圓w之表面處理量。然而如第4 圖中所示，本發明之又另一實施例將該載具20之下表面區 域分成多數區域，諸如該中心部份及該外部周邊部份，及 以於每一區域中形成該氣囊之方式放置第二橡膠片63。據 此’本實施例能改變該處理量。於該案例中，十分自然地 ，每一區域之氣囊具有獨立之進氣通道。 於根據上述本發明晶圓研磨裝置之研磨頭構造中，即使 當该晶圓推力係設定至一高水平，而該扣環之推力係設定 至低水平時，該晶圓不會由該研磨頭跳出，且該晶圓推力 不會由於研磨期間之橫向應力而改變。該晶圓不受載具表 面精確度、橡膠片材料之厚度差異及該推動表面上灰塵之 影響，及能以高精確度進行平面化研磨。可輕易完成該橡 膠片材料及該交換部份之交換，及亦能改變該晶圓處理量。 雖然已參考選擇供説明目的之特定實施例敘述本發明， 應爲明顯的是熟練該技藝之人士可做極多之修改，卻未偏 離本發明之基本概念及範圍。 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------訂·-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁}

Claims (1)

1. A8 B8 C8 D8 1234504 _ 第90101898號專利申請案 申請專利範圍修正本(91年3月） 申請專利範圍 1. 一種研磨裝置之研磨頭構造，用以將工件推至一研磨台 上之研磨墊及造成該工件之相對移動，該研磨頭包含： 允許旋轉及放置相對於該研磨台之研磨頭主體； 一以能夠於垂直方向中移動之方式藉著該研磨頭主體 空轉地支撐之載具； 一以能夠於垂直方向中移動之方式藉著該研磨頭主體 空轉地支撐之扣環，其圍繞該工件及於研磨期間與該研 磨墊形成接觸；及 一以蓋住該扣環内側之方式藉著該扣環支撐在其周邊 之彈性片； 其中於直徑方向中突出之載具之一外周邊部份係放置在該扣 環上，以形成空氣之一密封部份，且來自一形成在該載 具下表面上之鼓風孔之空氣使該彈性片充氣膨脹及於研 磨期間將該工件推至該研磨墊，其中該彈性片上形成有 多數孔。 2. 根據申請專利範圍第1項之研磨裝置之研磨頭構造，其中 該扣環包含一互連部份、一護圈主體及一交換部份，且 該互連部份及一護圈部份係藉著一環狀物耦合。 3. 根據申請專利範圍第1項之研磨裝置之研磨頭構造，其中 該扣環包含一互連部份、一護圈主體及一交換部份，且 該互連部份及該護圈主體係藉著一環狀物耦合。 4. 根據申請專利範圍第2項之研磨裝置之研磨頭構造，其中 該交換部份係可移去地裝至該護圈主體，及該渾性片之 周邊係夾住於該護圈主體及該交換部份之間。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 1234504 as B8 C8 D8 六、申請專利範圍 5. 根據申請專利範圍第3項之研磨裝置之研磨頭構造，其中 該交換部份係可移去地裝至該護圈主體，及該彈性片之 周邊係夬住於該護圈主體及該交換部份之間。 6. 根據申請專利範圍第1項之研磨裝置之研磨頭構造，其中 該載具之一下表面係分成多數區域，及以於如此形成之 每一區域中形成一氣囊之方式另外放置第二彈性片。 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)