TWI500481B - 用於承載頭的物品及用於固持基材之承載頭及研磨基材之方法 - Google Patents

Description

用於承載頭的物品及用於固持基材之承載頭及研磨基材之方法

本發明係大致上關於基材之化學機械研磨，並且特別是關於一種用於化學機械研磨之具有撓性膜的承載頭。

典型地，積體電路是藉由相繼沉積導體、半導體或絕緣層而形成在基材(尤其是矽晶圓)上。在各層沉積後，其係被蝕刻以建立電路特徵結構。隨著一系列的層相繼地沉積且蝕刻，基材之最外部或最上方表面(即基材之暴露表面)漸漸變得不平坦。在積體電路製造過程的光微影步驟中，此非平坦表面會造成一些問題。因此，需要週期性地將基材表面予以平坦化。

一種可接受的平坦化方法是化學機械研磨(CMP)。此平坦化方法通常需要使基材被裝設在承載頭或研磨頭上。基材之暴露表面係抵靠一移動的研磨表面(諸如旋轉的研磨墊)。研磨墊可以是一具有耐久粗糙表面之“標準”研磨墊或一使磨粒固持在一容質媒介中之“固定磨粒”研磨墊。承載頭提供了可控制的負載予基材，以驅使基材抵靠研磨墊。一包括至少一化學反應性試劑的研磨漿及磨粒(若使用標準墊)係被供應到研磨墊的表面。

一些承載頭包括一撓性膜，其具有一接受基材的裝設表面。撓性膜後面的一腔室係被加壓，以使該膜向外擴張且施加負載予基材。在研磨後，基材被夾持到裝設表面、升離研磨墊、且移動到另一位置(例如一轉移站或另一研磨墊)。

在一態樣中，本說明書描述一種膜。該膜為一撓性膜，其包括一水平中心部分、一耦接到該中心部分之垂直部分、一耦接到該垂直部分之厚緣部分、及一耦接到該厚緣部分之延伸件。該水平中心部分之一外表面係提供一用於接受基材之裝設表面。該厚緣部分之厚度大於直接鄰近該厚緣部分之一部分。該厚緣部分介於該延伸件與該垂直部分之間，並且該延伸件之最大尺寸小於該厚緣部分之厚度。

本發明之實施方式可以包括一或多個下述特徵。該膜可以具有一介於該厚緣部分與該垂直部分之間的連接部分，其中該連接部分是水平的且平行於該中心部分。該連接部分、該垂直部分與該中心部分之截面可以形成一u形，而該厚緣部分位在該u形的一末端。該厚緣可以具有一圓形截面。該延伸件之厚度可以小於該厚緣部分之厚度的50%。該延伸件之厚度可以小於該厚緣部分之厚度的25%。該延伸件之厚度可以小於該厚緣部分之厚度的15%。該延伸件之厚度可以小於該厚緣部分之厚度的10%。該撓性膜可以由聚氯丁二烯(polychloroprene)、乙烯丙烯(ethylene propylene diene)橡膠或矽橡膠形成。該水平中心部分可以為圓形的。該水平中心部分之直徑可以為約200mm。該水平中心部分之直徑可以為約300mm。該厚緣部分可以為環狀的，並且該延伸件可以為環狀的。該厚緣部分具有一含平坦部分的截面。

一種用於固持基材之承載頭可以包含一在此所述之膜，一扣持環環繞該膜，一基部組件連接到該扣持環，其中一腔體介於該基部組件與該膜之間，並且該厚緣部分與該延伸件被密封到該基部組件之一元件，從而使得流體無法通過該膜與該元件之間。

本發明之實施方式可以包括一或多個下述特徵。膜可以被形成為具有一密封部分，該密封部分可輕易嵌入一承載頭元件之一凹部內，並且密封到該凹部之壁，從而使得流體無法通過該膜與該元件之間。由於該膜可輕易嵌入該凹部內，該膜可迅速地且輕易地被更換，並且可以將承載頭的非運作時間減到最小。再者，由於更有可能形成一不會洩漏的膜，將有越少的膜因不可使用(即洩漏或無法嵌入)而被認定成不合格，並且將花費更少時間來更換不合格的膜。減少的承載頭停機時間可容許更大的製造效率。

本發明之一或多個實施例的細節係公開於附圖和下文敘述中。本發明之其他特徵、目的與優點將可由敘述和圖式且由申請專利範圍變得明顯。

如前所述，一些承載頭包括一撓性膜，該撓性膜提供了在數個研磨操作期間和之間供基材用之裝設表面。撓性膜或隔膜具有一水平裝設表面用於接觸基材的背側以及多個位在翼部之末端上的夾持部分，其中翼部係從撓性膜的背面延伸。在一些實施例中，夾持部分為環狀的。夾持部分係用以將該膜連接到承載頭。一些類型的夾持部分在夾持部分的末端處具有一厚緣部或珠件。厚緣係嵌入承載頭之一支撐元件中的一溝槽或凹部內。由於厚緣係比翼部的其他部件更厚，當膜後面的腔室被加壓且膜向外彎離承載頭時，翼部不容易從凹部拉出。

承載頭是由多個嵌合在一起的剛硬物件所形成。撓性膜嵌入一比膜更剛硬的元件內。膜係可彎曲到足以當一環狀夾持部分嵌入到類似尺寸的環狀凹部內時，沒有流體可通過該膜與該元件之間。可以密封該承載頭與該膜之間的空間(即腔室)。密封該膜與該承載頭之間的腔體可容許腔體依需要被施加正壓或負壓。

製造中會遭遇的一潛在問題是嵌合一起在最終產品中之不同部件的製造容限度。這對於由撓性材料製成的膜尤其是如此。撓性膜是消耗性產品，其以比承載頭更大量來形成。當材料磨損時(例如變脆或受損時)，這些膜會被更換。當形成撓性膜時，位在夾持部分之末端的厚緣是難以精確地形成。若厚緣不位於期望的容限度內，則厚緣可能無法嵌入凹部內(其中承載頭係將厚緣固持在凹部中)或無法接觸凹部的邊緣。無論何種情況，厚緣無法適當地密封腔體於承載頭與膜之間。缺乏適當的密封會造成洩漏，並且通常是無用的膜。

藉由增加延伸件到厚緣，可以選擇厚緣的尺寸使其為稍微小一點的目標尺寸。就密封承載頭之支撐元件且同時維持小厚緣的嵌入輕易性的觀點而言，厚緣上的延伸件使得厚緣作用成似乎其為較大尺寸的厚緣。由於延伸件具有比厚緣本身更小的尺寸，延伸件可被稱為凸件(flash)。不同於大部分類型之藉由製造過程來形成且移除的凸件，此凸件係經設計以被維持在膜上且沿著膜圓周具有均勻尺寸。由於凸件在最終產品中具有意圖之目的且經設計以具有特定尺寸，凸件被稱為加工的凸件。

參照第1圖，基材10將被一具有承載頭100的化學機械研磨(CMP)設備所研磨。CMP設備的敘述可參閱美國專利案號US5,738,574，並且承載頭100的敘述可參閱美國公開案號US2008/0119119，其在此係整體以引置方式併入本文作為參考。

承載頭100包括一殼體102、一基部組件104、一平衡機構106(其可被視為基部組件104的一部分)、一負載腔室108、一扣持環組件(其包括一扣持環200與一形狀可提供環狀腔室350的第一撓性膜300)、一承載環400、及一基材托撐組件110(其包括一界定複數個可加壓腔室的第二撓性膜500)。經描述用於類似承載頭之承載頭其他特徵結構可參閱美國專利公開案號2006/0154580，其在此係整體以引置方式併入本文作為參考。

殼體102大致上為圓形，並且可以連接到一驅動軸以在研磨期間可與該驅動軸一起旋轉。可以有多個通道(未示出)延伸通過殼體102，用於氣動控制該承載頭100。基部組件104是一可垂直移動的組件，其位在殼體102下方。平衡機構106容許基部組件104相對於殼體102轉向同時可避免基部組件104相對於殼體102的側向運動。負載腔室108位於殼體102與基部組件104之間，用於施加一負載(即一向下壓力或重量)到基部組件104。基部組件104相對於研磨墊的垂直位置也可由負載腔室108來控制。基材托撐組件110包括撓性膜500，撓性膜500具有一下表面512，下表面512可提供供基材10用之裝設表面。

基材10可藉由一扣持環組件來固持，其中扣持環組件係被夾持到基部組件104。扣持環組件可由扣持環200與撓性膜300構成。扣持環200可設置在撓性膜300下方且配置以固定到撓性膜300。

扣持環200具有一內表面與一下表面。內表面係配置以在研磨期間圓周地繞著基材10的邊緣以扣持住基材10。扣持環200的下表面可接觸研磨墊(未示出)。扣持環200具有一環狀上表面，其可具有兩個環狀同心凹部。

儘管扣持環200係配置以圓周地繞著基材10的邊緣以扣持住基材，撓性膜500提供了裝設基材10的表面512。撓性膜500具有一提供基材裝設表面512的主要部分510。從主要部分510延伸的是一垂直延伸部分或外環狀部分520，其可被夾持在扣持環200與基部組件104之間。在一些實施例中，垂直延伸部分為圓柱形。

厚緣部分550或珠件係位在膜500的周邊處。在一些實施例中，一水平中間部分或唇件係向內凹向膜500的中心，並且將厚緣550連接到環狀部分520。厚緣550係配置以固定到基部組件104。

參照第2和3圖，厚緣部分550的截面圖顯示厚緣部分550的直徑或厚度大於一位於該厚緣部分550與該膜500之主要部分510之間的中間部分553。一延伸部分555，或加工的凸件(flash)，係延伸遠離厚緣部分550。也就是，厚緣部分550位在延伸部分555與主要部分510之間。延伸部分555係使厚緣部分550的有效厚度增加延伸厚度555的厚度。

在一些實施例中，厚緣部分550具有一圓形截面(第2圖)。直徑A等於厚緣部分550的直徑C，直徑A係以垂直於直徑C來測量。延伸部分555的厚度B(垂直於厚緣部分550之表面的厚度)係使厚緣部分550以厚緣部分的直徑大於A的方式(例如A+B的直徑)來密封，但將不會比直徑為A+B的膜更難安裝。舉例而言，厚緣部分550可以提供如同圖上虛線559所顯示尺寸之厚緣部分的密封品質。具有直徑B之延伸部分555的撓性係容許具有直徑A之厚緣部分550以及延伸部分555被迫使進入一溝槽或凹部，這是具有直徑A+B之厚緣部分所無法達到或無法輕易嵌入的。

在其他實施例中，厚緣部分550具有一含有彎曲部分和平坦部分的截面(第3圖)。一方向上的最寬直徑D可以大於或小於一垂直於尺寸D所測量方向之方向上的最寬尺寸E。然而，延伸部分555之行為係作用成與前述實施例實質上相同。對於具有圓形截面的厚緣部分550或含有平坦表面和彎曲表面的厚緣部分550，延伸部分555的厚度(垂直於厚緣部分之表面)小於厚緣部分550的直徑、厚度或最寬尺寸，例如小於厚緣部分550的半徑，例如小於厚緣部分550的厚度或最寬尺寸的50%、25%、25%、15%、10%、或5%，諸如介於厚緣部分550的直徑的5%與10%之間。在一些實施例中，延伸部分555具有一或數個直角。在一些實施例中，延伸部分555沿著厚緣部分550的半徑延伸，並且具有數個平行於該半徑的側壁。在其他實施例中，延伸部分555隨著其從厚緣部分550延伸會漸漸變細。在一些實施例中，厚緣部分550與延伸部分555之間的過渡區包括一角度。

撓性膜500是一大致上圓形的薄片，其由撓性和彈性材料製成，例如尼奧普林(Neoprene)、聚氯丁二烯(polychloroprene)、乙烯丙烯(ethylene propylene diene)橡膠或矽橡膠。膜500對於研磨製程而言應是疏水的、耐久的、且化學惰性的。主要部分510的尺寸可以容納200mm直徑的基材(例如主要部分510的直徑可以為約200mm或稍微更大)，或可以容納300mm直徑的基材(例如主要部分510的直徑可以為約300mm或稍微更大)。

第4和5圖顯示厚緣部分550與延伸部分555位在承載頭組件104之一支撐元件565中的部分截面圖。厚緣部分550係於接觸點578、579接觸凹部的壁。延伸部分555是在接觸點578的區域中位於厚緣部分550上。由此兩圖可知，延伸部分555可以位於一較靠近環狀部分520的內接觸點578或一較靠近膜500之中心的外接觸點579。在一些實施例中，延伸部分555平行於中間部分553所沿著定向的平面。在一些實施例中，延伸部分555係以平行於中間部分553延伸方向的方向來延伸。在一些實施例中，延伸部分555係相對於中間部分553所延伸的平面以10°、15°、30°、或45°來延伸。

除了決定將延伸部分555定位在何處，可以決定延伸部分555的尺寸。在一些情況中，具有容許厚緣部分550嵌入凹部且同時不容許流體滲入膜與支撐元件565之間的直徑範圍。該範圍可介於x至y之間而具有中間目標直徑z。範圍的端點，x與y，係距離目標直徑z約三標準差。若具有厚緣部分550的膜被製成具有目標直徑x，由於製造缺失，許多膜會洩漏。若具有厚緣部分550的膜被製成具有目標直徑y，由於製造缺失，許多膜會無法嵌入凹部內。一選擇是使厚緣部分550具有直徑z，並且使延伸部分555具有目標厚度之兩標準差內的厚度。該厚度可以約由程式(2*(y-z)/3)來表示。

第6圖顯示撓性膜500之一實施例的部分截面圖，其僅顯示大致對稱之撓性膜之截面的半部。如第6圖所示，撓性膜500可以在主要部分510與外環狀部分520之間具有一接合件，該接合件具有一周邊邊緣樞紐530與一環狀凹部532，其中該環狀凹部532係沿著外環狀部分520之外壁設置在樞紐530上方。周邊邊緣樞紐530可以沿著其內表面和外表面具有圓滑部分。周邊邊緣樞紐530與環狀凹部532可以建構成得以彎曲，而改善基材10之周邊上之負載的對稱性。

外環狀部分520可以沿著其外壁具有一環狀凹部522，其係配置以容許外環狀部分520彎曲。外環狀部分520也可以具有一環狀步階524，環狀步階524沿著外環狀部分520之內壁向內突出。環狀步階524可以具有非水平(即傾斜)的上表面和下表面。

在一些實施態樣中，撓性膜500可以具有一些環狀翼部。主要部分510可以具有四個同心的環狀翼部516。外環狀部分520可以具有一對環狀翼部526。連接到外環狀部分520的環狀翼部526可以具有一水平部分540，水平部分540向內延伸而具有一厚緣550。水平部分540將厚緣550連接到環狀部分520。上環狀翼部可以具有比下環狀翼部更窄(即不會如下環狀翼部向內延伸一樣遠)的一水平部分。在一些實施例中，外環狀部分520可以具有一環狀三角部分，並且該對環狀翼部526的水平部分540可以經由該環狀三角部分的頂點連接到外環狀翼部520。

連接到主要部分510之最內部同心環狀翼部516可以包括一水平部分以及一環狀斜置部分560，該水平部分係向外延伸而具有一厚緣，該厚緣係配置以固定到基部組件104。環狀斜置部分560可以接合在主要部分510與環狀翼部516的水平部分之間。環狀斜置部分560可以在與主要部分510接合處比在與水平部分接合具有更大的半徑。

連接到主要部分510之三個最外部的同心環狀翼部516可以包括一垂直部分570以及一水平部分，該垂直部分570係從主要部分510延伸，該水平部分係從垂直部分570延伸而沿著水平部分的外緣具有一厚緣，該厚緣係配置以固定到一基部組件104。在一些實施例中，同心環狀翼部516的水平部分可以具有比同心環狀翼部516的垂直部分570更小的厚度。在一些實施態樣中，第二和第三最外部同心環狀翼部516可以具有介於約1.5與2.0之間(例如約1.66)的水平部分之長度對垂直部分570之長度的比例。

在一些實施態樣中，一環狀翼部516、526可以具有一或多個凹口或刻槽(即環狀凹部)。一同心環狀翼部516可以在其水平部分與其垂直部分570接合處具有一凹口580。凹口580可以容許同心環狀翼部516的水平部分垂直地彎曲。一同心環狀翼部516可以在其與主要部分510接合處具有一凹口590。凹口590係配置以降低主要部分510中的壓縮性。

參照第7圖，在另一實施例中，撓性膜500’不包括非周邊背側翼部。膜的背側或平面圖係顯示主要部分510之一內表面，即環狀中間部分553，其將外環狀部分520連接到環狀厚緣550。厚緣550位在環狀中間部分553與環狀延伸部分555之間。如第8圖所示，外環狀部分520(其為圓柱形且缺乏凹部)位在圓形主要部分510與環狀中間部分553之間。第9圖顯示由承載頭100’所固持之膜500’的截面圖。

已經描述許多本發明實施例。即使如此，應瞭解的是可以在不悖離本發明的精神和範圍下進行各種變更。例如，延伸部分555可以相對於主要部分呈非平行角度。在此描述之一膜的特徵結構可以用於在此描述之其他膜。又，延伸部分可以設置在除了膜以外的其他元件上，例如O形環及類似者。故，其他實施態樣是落入隨附申請專利範圍所界定的範圍內。

10．．．基材

100．．．承載頭

100’．．．承載頭

102．．．殼體

104．．．基部組件

106．．．平衡機構

108．．．負載腔室

110．．．基材托撐組件

200．．．扣持環

300．．．第一撓性膜

350．．．環狀腔室

400．．．承載環

500．．．第二撓性膜

500’．．．撓性膜

510．．．主要部分

512．．．下表面

516．．．環狀翼部

520．．．垂直延伸部分(外環狀部分)

522．．．環狀凹部

524．．．環狀步階

526．．．環狀翼部

530．．．周邊邊緣樞紐

532．．．環狀凹部

540．．．水平部分

550．．．厚緣部分

553．．．中間部分

555．．．延伸部分

559．．．虛線

560．．．環狀斜置部分

565．．．支撐元件

570．．．垂直部分

578．．．接觸點

579．．．接觸點

580．．．凹口

590．．．凹口

第1圖顯示根據本發明之一承載頭的截面圖。

第2圖顯示一膜之一緣之一實施例的截面圖。

第3圖顯示一膜之一緣之一實施例的截面圖。

第4-5圖顯示位在一承載頭支撐元件中之一膜之一緣的截面圖。

第6圖顯示一膜之一實施例之一部分的截面圖。

第7圖為一膜之背側圖。

第8圖為一膜之一實施例的截面圖。

第9圖為由一承載頭固持住之一膜的截面圖。

各圖中類似的元件符號係指稱類似的構件。

550．．．厚緣部分

555．．．延伸部分

565．．．支撐元件

578．．．接觸點

579．．．接觸點

Claims (16)

1. 一種用於一承載頭的物品，至少包含：一撓性膜，其包括一水平中心部分、一耦接到該中心部分之垂直部分、一耦接到該垂直部分之厚緣部分、及一耦接到該厚緣部分之延伸件，其中該厚緣部分與該延伸件配置以嵌入該承載頭的一支撐元件中的一凹部內，其中該凹部中的該厚緣部分與該延伸件配置以被夾持到且接觸該承載頭的一基部組件以與該基部組件形成一密封，而在該撓性膜與該基部組件之間界定一可加壓腔室，其中該水平中心部分之一外表面係提供一用於接受基材之裝設表面，其中該厚緣部分之厚度大於直接鄰近該厚緣部分之一部分，及其中該厚緣部分介於該延伸件與該垂直部分之間，並且該延伸件之最大尺寸小於該厚緣部分之厚度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之物品，更包含一介於該厚緣部分與該垂直部分之間的連接部分，其中該連接部分是水平的且平行於該中心部分。
3. 如申請專利範圍第2項所述之物品，其中該連接部分、該垂直部分與該中心部分之截面形成一u形，而該厚緣部分位在該u形的一末端。
4. 如申請專利範圍第1項所述之物品，其中該厚緣具有一圓形截面。
5. 一種用於一承載頭的物品，至少包含：一撓性膜，其包括一水平中心部分、一耦接到該中心部分之垂直部分、一耦接到該垂直部分之厚緣部分、及一耦接到該厚緣部分之延伸件，其中該厚緣部分與該延伸件配置以嵌入該承載頭的一支撐元件中的一凹部內，其中該凹部中的該厚緣部分與該延伸件配置以被夾持到且接觸該承載頭的一基部組件以與該基部組件形成一密封，而在該撓性膜與該基部組件之間界定一可加壓腔室，其中該水平中心部分之一外表面係提供一用於接受基材之裝設表面，其中該厚緣部分之厚度大於直接鄰近該厚緣部分之一部分，及其中該厚緣部分介於該延伸件與該垂直部分之間，並且該延伸件之最大尺寸小於該厚緣部分之厚度，其中該延伸件之厚度小於該厚緣部分之厚度的50%。
6. 如申請專利範圍第5項所述之物品，其中該延伸件之厚度小於該厚緣部分之厚度的25%。
7. 如申請專利範圍第6項所述之物品，其中該延伸件之厚度小於該厚緣部分之厚度的15%。
8. 如申請專利範圍第5項所述之物品，其中該延伸件之厚度小於該厚緣部分之厚度的10%。
9. 如申請專利範圍第5項所述之物品，其中該撓性膜是由聚氯丁二烯(polychloroprene)、乙烯丙烯(ethylene propylene diene)橡膠或矽橡膠形成。
10. 如申請專利範圍第5項所述之物品，其中該水平中心部分為圓形的。
11. 如申請專利範圍第10項所述之物品，其中該水平中心部分之直徑為約200mm。
12. 如申請專利範圍第10項所述之物品，其中該水平中心部分之直徑為約300mm。
13. 如申請專利範圍第1或5項所述之物品，其中該厚緣部分為環狀的，並且該延伸件為環狀的。
14. 如申請專利範圍第1項所述之物品，其中該厚緣部分具有一含平坦部分的截面。
15. 一種用於固持基材之承載頭，至少包含：如申請專利範圍第1項所述之該物品； 一扣持環，其環繞該膜；以及一基部組件，其連接到該扣持環，其中一腔體介於該基部組件與該膜之間以提供該可加壓腔室，並且其中該厚緣部分與該延伸件嵌入該承載頭的該支撐元件中的一凹部內且與該基部組件形成該密封。
16. 一種研磨基材之方法，至少包含：利用一承載頭施加一負載到一基材，該承載頭包含：一扣持環；一基部組件，其連接到該扣持環；以及一撓性膜，其用於將該基材壓抵一研磨墊，該膜包括一內表面與一外表面，該內表面形成一可加壓腔室之邊界，該外表面提供一基材接受表面；其中該扣持環環繞該撓性膜，其中該膜包括一水平中心部分、一耦接到該中心部分之垂直部分、一耦接到該垂直部分之厚緣部分、及一耦接到該厚緣部分之延伸件，其中該厚緣部分與該延伸件嵌入該基部組件中的一凹部內，其中該凹部中的該厚緣部分與該延伸件被夾持到且接觸該基部組件以與該基部組件形成一密封，而在該撓性膜與該基部組件之間界定該可加壓腔室，其中該厚緣部分之厚度大於直接鄰近該厚緣部分之一部分，及其中該厚緣部分介於該延伸件與該垂直部分之間，並且該 延伸件之最大尺寸小於該厚緣部分之厚度；以及。 在施加該負載時，同時建立一相對運動於該基材與該研磨墊之間。