TWI279898B - Multiple zone carrier head with flexible membrane - Google Patents

Description

1279898 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種具有一彈性膜的化學機械研磨承 載體，及其相關方法。 【先前技術】

積體電路通常係藉著一連串導電層、半導體層或絕緣 層的沉積步驟而形成於基材上，特別是矽晶圓上。在沉積 了每一膜層之後，會蝕刻該些膜層以創造出電路特徵。當 連續沉積且蝕刻一系列的膜層時，基材的暴露表面會漸漸 變得不平坦。而此不平坦表面會在積體電路製程之光微影 步驟中造成問題。因此，需要週期性地平坦化該基材表面。 化學機械研磨（chemical mechanical polishing，CMP) 是一種已被接受的平坦化方法。此種平坦化方法通常要求 將基材安置在一承載體或研磨頭上，並使該基材之暴露表 面緊靠一移動的研磨表面，例如一旋轉研磨墊。該研磨墊 可以是一個具有一耐用粗糙表面的「標準」研磨墊，或是 一個在包含介質中固定有研磨劑顆粒的「固定式研磨劑 (fixed-abrasive)」研磨墊《承载體提供基材一個可控制的 負荷，以推擠基材使其緊靠研磨墊。而用來提供研磨顆粒 的研磨漿料則被供應至研磨墊的表面上。 某些承載體包含一個具有一放置表面（mounting surface)的彈性膜，用以接受基材。該彈性膜後方的腔室被 加壓，造成該彈性膜向外擴張而對該基材施加負荷。多種 3

1279898 承载體亦可包含一個環繞基材的定位環（retainin§ ring) 例如用來將基材固定在位於該彈性膜下方之承載體中。 些承載體包含複數個腔室，以對基材之不同區域提供不 的壓力。 【發明内容】 本發明之一方向係關於一種用於機材之化學機械研 的承載體，該承載體包含一基底與一個延伸在基底下方 彈性膜。該彈性膜包括一個具有一外表面之中心部位， 提供一基材接收表面；一邊緣部位’以連接該中心部位 該基底；以及至少一個由該中心部位之内表面延伸出的 板。該褶板將彈性膜與基底之間的容積分割成數個腔室 且該褶板包括一個橫向延伸之第一部位與一個彎曲的第 部位（an angled second section)。該彎曲的第二部位延伸 該第一部位之下方，且將該橫向延伸之第一部位連接至 中心部位。 本發明之實施例可包含一或多個下述特徵。該第一 位可以實質水平的方式伸展。該第二部位可具有一水平 載區（horizontal loading area)，並設計該水平加載區之 小，使其足以作用掉該第一部位上之一部份的向下力， 向下力係由位在該彈性膜與該基底之間的腔室壓力所創 出來，而非由該基底之作用產生。該第二部位可具有一 約為二分之一該第一部位之大小的水平加载區。該褶板 某 同 磨 的 以 與 褶 在 該 部 加 大 該 造 個 之 4

1279898 第一部位對該中心部位的一接觸點，可實質垂直對齊 於該第一部位與該基底之接觸點及該第一部位與該第 位之接觸點之間的該第一部位之中點。該邊緣部位可 ^ $至該基底。一定位環可能環繞著位在該基材接收 上的一基材。該第一部位可作垂直移動，如此一來， 至 基材上的壓力行程（pressure profile)才不受定位 損影響。彈性膜可包括多個褶板，每個褶板包含一個 延伸的第一部位，以及一個彎曲且延伸在該第一部位 的第二部位。可以環狀且同心的方式來安置該些褶板 可設計該些褶板以提供三個獨立壓力腔室。該第一部 該第二部位約具有相同的剛性（rigidity)，或該第二部 剛性可能較該第一部位更高。該第一部位與該第二部 能具有實質相同的厚度，或是該第二部位可能較該第 位之厚度更厚。該褶板可能包含一個垂直的第三區域 位於該橫向延伸之第一部位與該彎曲之第二部位之間 或包含一個垂直的第四區域，該第四區域位於該彎曲 二部位與該中心部位之間。一角度α介於該橫向延伸 一部位與該彎曲之第二部位之間，其角度可能約介於 與8 0 °之間，例如約為4 5 ° 。該些多個腔室可能提供 立調整之壓力至相關之該基材接收表面的多個區域上 可架構該彈性膜，以在相鄰區域内的不同壓力之間提 質一致的變化（uniform transition)。 本發明之另一方向係有關於一種用於基材之化學 於介 二部 直接 表面 施加 環磨 橫向 下方 ，且 位及 位之 位可 一部 ，其 ，及/ 之第 之第 20° 可獨 ，且 供實 機械 5 1279898 研磨的承載體。該承載體包括一基底與一個延伸在該基底 下方的彈性膜’以提供一基材接收表面且定義出多個腔 室’該些腔室係用來將可獨立調整之壓力提供至該基材接 收表面之相關的多個區域。該彈性膜係設計成用以在相鄰 區域内的不同壓力之間提供一實質相同的變化。 本發明之實行可包含一或多種下述特徵。

可設計該彈性膜之形狀以在相鄰區域内的不同壓力之 間提供一個實質呈單調性的變化。該彈性膜包括一個具有 一外表面之中心部位，以提供一基材接收表面；一個連接 該中心部位至該基底的邊緣部位；以及至少一個由中心部 位之内表面延伸出之褶板。該褶板將彈性膜與基底之間的 容積分割成數個腔室’且該褶板包括一個橫向延伸之第一 部位與一個彎曲的第二部位。該彎曲的第二部位延伸在該 第一部位之下方，且連接該橫向延伸之第一部位至該中心 部位。該第二部位可能具有一水平加載區，並設計該水平 加載區之大小’使其足以作用掉該第一部位上之一部份的 向下力，，該向下力係由其中一個該些腔室内的壓力所創 造出來，而非由該基底作用而產生。該第二部位可具有一 個約為二分之一該第一部位之大小的水平加載區。該褶板 之第二部位對該中心部位的一接觸點，可實質垂直對齊於 介於該第一部位與該基底之接觸點及該第一部位與該第二 部位之接觸點之間的該第/部位之中點。 本發明又一方向係有關於一種與基材化學機械研磨設 1279898 備之承載體搭配使用的彈性膜。該彈性膜包括一個中心 位，其具有一個用來提供一基材接受表面的外表面；一 緣部位，用來連接該中心部位至該承載體之基底；以及 少一個由該中心部位之内表面延伸出的褶板。該摺板包 一橫向延伸之第一部位，及一個延伸在該第一部位下方 彎曲的第二部位。 在另一方向上’本發明係有關於一種研磨基枯的 •法。該方法包括將一基材安置在一化學機械研磨設備的 承載體上，使得該基材之第一面鄰接該承载體，並利用 研磨墊與相對於該基材之第一面的第二面接觸，以研磨 基材；以及對多個腔室施加不同壓力，以在基材上創造 具有不同壓力的區域。該承栽體包含一基底部分、一定 裱及一彈性膜，該彈性膜提供一個基材放置表面並定義 多個腔室❶該彈性膜可被設計成可在相鄰區域内之不同 力之間提供一實質一致的變化。 • 本發明之另一方向係有關於一種彈性膜之褶板的運 方法。該褶板連接於一承載體與用來提供一基材接收表 之該彈性膜的中心部位之間。該方法包括在腔室之間提 一壓力差，以作用在該褶板之不同面上；允許該褶板之 水平部位作垂直方向的偏移；以及藉由壓力差而產生一 直作用力作用在該褶板上。 實施本發明可實現一、多種或不包含下述之優點。 體而言，可設計該彈性膜之形狀，以在相鄰的可加壓腔 部 邊 至 含 之 方 該 出 位 出 壓 作 面 供 垂 總 室 7 1279898 (pressurizable chamber)或區域之邊界上的不同壓力之 間’提供較一致的變化（例如單調性的升高或降低）。特別 是’該彈性膜可被設計成能降低或消除該些發生在用來分 隔腔至之彈性權板與用來提供一基材接收表面之該彈性膜 中心部位之結合處的壓力尖突現象（pressure spikes)。結果 是’藉著適當選擇該些腔室中的壓力來補償研磨速率之變 異及所得基材膜層厚度之變異，使得在完成研磨程序後， 經本發明之具有彈性膜之承載體研磨後的基材具有較佳的 平坦度。此外’亦可設計該彈性膜，使得藉由一化學機械 研磨設備之承載體所施加的壓力能對定位環磨損較不敏 於附圖及下述内容中記載有本發明之一或多個實施例 之細節。可根據該些敘述内容、圖式及申請專利範圍來暸 解本發明之其他特徵與優點。 【實施方式】 如上所述’部分承載體包含一個用以提供基材一放置 表面的彈性膜°此外’部分承載體包含複數個腔室位在該 彈性膜後方。每一個腔室可獨立加壓，以使該彈性膜向外 延伸，而對該基材之不同區域上施加不同的負荷。 不幸的疋’在某些彈性膜的設計中，在不同區域間之 過渡區上的壓力分佈並不均勻一致。特別是，該些膜的外 髮設計可能造成區域間之邊界上的壓力尖突。壓力尖突可 8

1279898 能在研磨行程（polishing profile)中產生不想要的非均 (non-uniformity，或不一致性）。因此，一種在鄰接且 立加壓之區域之間具有較均勻壓力變化的承載體是 的。 參考第1圖’係利用一個具有一承載體1〇〇的化 械研磨設備來研磨一個或多個基材10。並可在美國專 5，738,574號中找有關適合的CMP設備之敘述，且將. 文納入此處以供參考。 承載體100包含一個基底組合物1〇4(其可直接或 地連接至一旋轉驅動軸74)、一定位環11〇以及一彈 108。彈性膜108延伸在該基底1〇4下方，且與該基底 連接，以提供多個可加壓腔室。該些腔室包括一環狀 室106a、一同心環狀中間腔室l〇6b以及一同心環狀 室106c。通道112a、112b與112c係形成於該基底組 中且貫穿該基底組合物，以分別與該些腔室l〇6a、 與 1 0 6 c作流體性耦合，以對該研磨設備中的調控 (regulator)施壓》雖然第1圖顯示三個腔室，但該承 所具有之腔室數目亦可為兩個或四個。 雖然該承載體之結構以如圖所示，但該承载體可 其他元件，例如一個固定至該驅動轴的收納室，且該 1 04可活動性地自該收納室中脫離；或是具有一個平 機構（gimbal mechanism，其可能被認為是該基底組合 一部份）也允許基底104作旋轉運動；又或是具有一負 室位在該基底與該收納室之間、一或多個支撐結構位 勻性 可獨 有用 學機 利案 其全 間接 性膜 104 内腔 外腔 合物 106b 裝置 載體 包括 基底 衡頭 物的 荷腔 在該 9 1279898 些腔室106a-c中，或一或多個與彈性膜i〇8之内表面接觸 的内膜（internal membrane)以對該基材施加一支撐麇力 等。例如，可如美國專利案6，1 8 3，3 5 4號、美國專利申請 案09/712,3 8 9號（於1999年12月23曰申請）或如美國專利 申請案09/4 70,820號（於200年11月13曰申請）中所序述 般地設計該承載體100，且上述文獻之整體内容均納入本 文以供參考。

彈性膜1 0 8係由一種具彈性與伸縮性的流體不滲透性 材料（fluid-impermeable material)所形成，例如氯丁 (neoprene)、氯 丁二烯（chloroprene)、乙烯·丙烯（ethylene propylene)橡膠或矽膠等。例如，該彈性膜1〇8可由模麈 成型矽膠或液態射出成型矽膠所形成。 對於研磨程序來說，彈性膜1 08需為疏水性、耐用且 化學惰性的。彈性膜可包含一個中心部位1 2 0、一環狀邊 緣部位 124與一個或多個環狀同心内褶板（concentric annular inner flaps) 1 28a 與 128b，其中該中心部位 120 具 有一外表面以提供基材一放置表面122，該環狀邊緣部位 由該研磨表面向外延伸以連接至基底1 04，同心環狀内褶 板128a與128b係從該中心部位120的内表面126向外延 伸，並連接至基底104，以將介於該彈性膜108與該基底 104之間的容積分割成多個可獨立加壓的腔室i〇6a-c。可 利用環狀夾環114(annular clamp ring)將褶板128a與128b 的末端固定於基底104，並可將環狀失環114視為基底1〇4 的一部份。亦可利用環狀夾環11 6將邊緣部位1 24的末端 10

1 1279898 固定於基底104上，而夾環116同樣5 的一部份，或是將邊緣部位的末端夾 間。雖然以如第1圖所示地顯示出兩個 然承載體100可僅包含一個褶板，或包 板。 彈性膜1 0 8的中心部位1 2 0可如美 所討論之内容般地包含一彈性邊綠 Portion) ° 參考第2圖，每個内褶板（如褶板 水平的上方部位 140(upper portion)以 位 142(angled extension portion) » 該彎 接該水平部位1 4 0至該中心部位1 2 0。 水平部位 140具有一個固定在| 1 44，例如利用夾環11 4將其固定在基；^ 142往回彎折而鄰近該水平部位140,使 140與該彎曲部位142之間的门形角度 角。該门形角度可約介於20。至80。之f 特別是，可設計該彈性膜1 0 8，以使彎 部位1 2 0之内表面1 2 6結合之點實質垂 位14 0的中點（如圖中虛線所示），例如 基底1 04上之位置到水平部位與該彎曲 一半距離。 通常，彎曲部位142可具有一加載 平部位140上之一部份的向下力，該向 Γ被視為是基底1〇4 在定位環與基底之 褶板128a與128b， ，含三個或更多的褶 國專利案6,210,255 :部位（flexible lip 128a)包含一個實質 及一個彎曲延伸部 ‘曲伸展部位142連 ‘底 140上的末端 S 1 0 4上。弯曲部位 .得介於該水平部位 ，呈現銳角，而非鈍 同，例如約為45。。 曲部位142與中心 直對齊於該水平部 從水平部位固定在 部位142連接處的 區，以作用掉該水 下力係由腔室l〇6a 11 1279898 中的壓力所產生，而非由基底1 04所作用出來，且關於此 點’於下方内容中有更詳細的描述。因此，彎曲部位1 42 之大小可能為水平部位丨4〇之加載區之大小的一半（可藉 著將贊曲部位1 42投射至一水平平面上來決定該彎曲部位 142之負载區的大小）。 該褶板可能包括短的垂直部位丨5 〇與1 5 2，其分別位

於該彎曲部位142與該水平部位14〇及/或該中心部位120 之間。 f曲部位1 42與水平部位丨4〇兩者之厚度約可相等， 並可由相同材料來製造兩者，使其具有相同的剛性。 或可製造該彎曲部位1 42，使其剛性大於該水平部位 1 40。彎曲部位丨42可較該水平部位i 4〇之厚度更厚，例如 其厚度較該水平部位再多增加5 〇 %至丨〇 〇 %的厚度。例 如，水平部位140之厚度可約為2〇密耳（mils)，而該彎曲 部位142可具有約為30至40密耳之厚度。此外（亦或者）， 形成彎曲部位之材料可與形成水平部位之材料不同。或是 彎曲部位可含有一包埋元件（embedded element)或與一襯 墊層（backing layer)結合，以增加該彎曲部位的剛性。通常 在此種實施例中，可藉著彎曲該水平部位14〇來造成一主 要的垂直偏移，而彎曲部位142則可扮演一隔片（spaa。 的角色，以隔離該中心部位12〇與該基底1〇4。 參考第3圖，一腔室(如内腔室⑼“)内的壓力會施加 一向下力fd作用在該水平部位14〇上，以及施加一向外力 F〇作用在該彎曲部们42上。該向外力F〇可分解成一向 12 1279898 上力Fu以及一水平力Fh ^假設該彎曲部位1 42的加載區 之大小約為該水平部位之加載區大小的二分之一，那麼向 上力Fu之大小則約為該向下力FD的一半。此外，約二分 之一的向下力FD係由基底本身所提供，因此作用在該褶板 128a的淨垂直作用力為零。所得結果是，褶板i28a將不 會向下或向上推擠該中心部位12〇，且因此該摺板i28a不 會引導一壓力尖突作用在摺板與中心部位接合的位置上。 結論疋’鄰接區域之間（例如由腔室l〇6a與腔室i〇6b所形 成的區域之間）的變化將會較為均勻一致，例如在區域之間 的整個邊界上的壓力呈現單調性地升高或降低。 當定位環110磨損時，摺板128a_128c至該基底ι〇4 的接觸點會朝研磨墊靠近。然而，水平部位14〇能有效地 順應定位環的磨損而作調整，而使施加在基材上的壓力實 質不變。 不似彈性膜之其他部位，邊緣部位丨24較不需順應上 述變化而作變形。例如，邊緣部位丨24可相對較厚於中心 部位120或褶板部位128a與12扑。或者，可使用剛性較 該彈性膜其他部位材質之剛性更高的材料來形成邊緣部位 124 ’該些剛性較高的材料可包括如強化材料 materials)，又或是使該些材料繞在一支撐或墊片結構上而 延展，以避免變形。或如2〇〇3年4月7號申請之美國專利 申凊案10/409,637號中所敘述的，邊緣部位可能包含一撓 性部分（fleXUre)，並將此參考文獻之全體揭露内容納入此 處以作參考。 13 1279898 本發明之數個較佳實施例以揭露如 偏離本發明精神與範圍下，可作各種修 該彈性膜可固定在承載體上之不同位置 疋位環與基底之間，或被固定在定位環 位可向外延伸，而非向内延伸。彈性膜 懸置或安放在腔室内的支撐結構上。彈 之方式來製造，或由多個薄膜接合而成 劑來接合多片薄膜以形成一彈性膜。此 部位可直接連接至基底，例如邊緣部位 的支撐結構上，隨後可藉著如一個撓性 撐結構連接至基底。再者，需明白到， 定造型對於定位環磨損的敏感性確實降 形狀結構可能仍然有用。例如，承載體 法接觸到研磨墊，甚至根本不具有定位 結構仍能發揮如上述之作用。又再者，| 與「垂直（vertical)」之用詞係指該彈性 基材接收表面的位置，因此當承載體之 之研磨表面或隨著一垂直研磨表面而變 套用於該些情況中。故其他較隹實施例 涵蓋。 【圖式簡單說明】 第1圖為一個包含一彈性膜之承載丨 第2圖為第1圖之承載體的局部放； 上。然需明白在不 改或變化。例如， ，例如可被固定在 上。褶板之水平部 可附著在一或多個 性膜可以一體成形 ，例如利用一黏著 外，彈性膜之邊緣 可被連接在一剛硬 部分將該剛硬的支 即使是彈性膜之特 低，但該彈性膜之 所具有之定位環無 環時，該彈性膜的 水平（horizontal)」 膜之組件相對應於 位向隨著基材上方 動時，本發明仍可 仍為本發明範圍所 的剖面圖。 圖〇 14 1279898 第3圖為一示意圖，顯示數個施力作用至彈 各圖案中的參考件符號係對應至相關元件。 膜上。

【主要元件符號說明】 10 基材 1 14 夾環 74 驅動軸 120 中心部 位 100 承載體 122 放置表 面 104 基底 126 内表面 106a 腔室 128a 褶板 106b 腔室 128b 褶板 106c 腔室 140 水平部 位 108 彈性膜 142 彎曲部 位 110 定位環 144 末端 112a 通道 150 垂直部 位 112b 通道 152 垂直部 位 112c 通道

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Claims (1)

1279898 拾、申請專利範圍: 1. 一種用於一基材之化學機械研磨的承載體’該承載 體包括： 一基底；以及

一彈性膜延伸在該基底下方，該彈性膜包括一中心部 位、一邊緣部位及至少一褶板，該中心部位具有一外表面 以提供一基材接受表面，該邊緣部位連接該中心部位至該 基底，該褶板由該中心部位之一内表面延伸出，該褶板將 位在該彈性膜與該基底之間的一容積劃分成複數個腔室’ 該褶板包括一橫向延伸第一部位與一彎曲第二部位（an angled second section)，該第二部位延伸在該第一部位下 方且連接該橫向延伸第一部位至該中心部位。 2·如申請專利範圍第1項所述之承載體，其中該第一 部位係實質水平地延伸。 3·如申請專利範圍第1項所述之承載體，其中該第二 部位具有一水平加載區，該水平加載區之大小足以作用掉 該第一部位上之一部份的向下力，該向下力係由位在該彈 性臈與該基底之間一腔室中的壓力所創造，而非由該基底 所創造。 4·如申請專利範圍第1項所述之承載體，其中該第二 16 1279898 部位具有一水平加載區，其大小約為該第一部位大小的一 分之-"*。 5·如申請專利範圍第1項所述之承載體，其中該摺板 之第二部位對該中心部位的一接觸點係實質垂直對齊於介 於該第一部位與該基底之接觸點及該第一部位與該第二部 位之接觸點之間的該第一部位之中點。 6·如申請專利範圍第1項所述之承载體，其中該邊緣 部位係與該基底直接連接。 7 ·如申請專利範圍第1項所述之承载體，其中該彈性 膜包括複數個環狀同心褶板，每一個該些褶板包括一橫向 延伸第一部位；以及延伸在該第一部位下方的一彎曲第二 部位。 8·如申請專利範圍第丨項所述之承载體，其中該第二 部位具有一厚度，該厚度約相等或大於該第一部位之厚度。 9·如申請專利範圍第1項所述之承載體，其中該第二 • 部位之剛性相等或大於該第一部位之剛性。 10·如申請專利範圍第1項所述之承载體，其中該褶 17 1279898 板包括一垂直部位，位在該橫向延伸第一部位與該彎曲第 二部位之間。 11 ·如申請專利範圍第1項所述之承載體，其中該褶 板包括一垂直部位，位在該彎曲第二部位與該中心部位之 間。

1 2.如申請專利範圍第1項所述之承載體，其中一角 度α ，介於該橫向延伸第一部位與該彎曲第二部位之間， 且該角度α之範圍約介於2 0。至8 0。之間。 1 3 ·如申請專利範圍第1 2項所述之承載體，其中該角 度α約為45。。 14. 一種用於基材化學機械研磨的承載體，其包括： 一基底；以及 一彈性膜，該彈性膜延伸在該基底下方，以提供一基 材接受表面且定義出複數個腔室，該些腔室係提供可獨立 調整之壓力至與該基材接收表面相關的複數個區域，該彈 性膜係被設計成用來在鄰接區域内之不同壓力之間提供一 實質一致變化。 15.如申請專利範圍第14項所述之承載體，其中該彈 18 1279898 性膜係被設計成用來在相鄰區域内中的不同壓力之間提供 一實質單調性變化。 1 6.如申請專利範圍第1 4項所述之承載體，其中該彈 性膜包括一中心部位、一邊緣部位及至少一褶板’該中心 部位具有一外表面以提供一基材接受表面，該邊緣部位連 接該中心部位與該基底，該褶板由該中心部位之一内表面 延伸出，該褶板將位在該彈性膜與該基底之間的一容積劃 分成複數個腔室，該褶板包括一橫向延伸第一部位與一彎 曲第二部位，該第二部位延伸在該第一部位下方立連接該 橫向延伸第一部位至該中心部位。 17. —種可與一基材化學機械研磨設備之一承載體併 用的彈性膜，該彈性膜包括： 一中心部位，其具有一外表面，以提供一基材接收表

面； 一邊緣部位，用來連接該中心部位至該承载體之基 底；以及 至少一稽板，由該中心部位之一内表面延伸出來，該 褶板包括一橫向延伸第一部位以及延伸在該第一部位下方 的一彎曲第二部位。 18. —種研磨基材的方法，包括： 19

1279898 放置一基材在一化學機械研磨設備的一承載體上 該基材之第一面鄰接該承載體，該承載體包括一基 位、一定位環及一彈性膜，該彈性膜提供該基材一放 面且定義出複數個腔室； 施加不同壓力至該些腔室，以在該基材上創造出 同壓力之複數個區域；以及 利用一研磨墊接觸該基材之一第二面來研磨該基 該第*一面係位在該基材之第一面的對侧上； 其中該彈性膜係被設計成用來在鄰接區域内之不 力之間提供一實質一致變化。 19. 一種操作一彈性膜之褶板的方法，該褶板被 在一承載體與該彈性膜之一中心部位之間並可提供一 接收表面’該方法包括·· 在複數個腔室之間創造一壓力差，以作用於該褶 不同面上； 允許該褶板之一水平部位作盡直偏移；以及 將由該壓力差在該褶板上所造成之一垂直作用力 作用掉。 ，使 底部 置表 具不 材， 同壓 連接 基材 板之 加以 20