TWI500482B - 利用離心資源之真空裝置 - Google Patents

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Description

利用離心資源之真空裝置
本發明大致上係關於一種研磨頭(polishing head)上圓盤(block)之裝置，特別係關於圓盤的晶圓吸附裝置。
隨著科技的演變，許多電子產品均朝小尺寸的趨勢發展，因此半導體元件的設計日趨複雜，其疊層結構亦日益增多，化學機械研磨法(Chemical Mechanical Polishing,CMP)已經成為半導體領域中一項不可或缺的單元製程。當進行化學機械研磨製程時，研磨裝置會於研磨墊的表面噴灑清水。之後利用研磨頭對晶圓施壓使其緊貼於研磨頭上，再透過其中的馬達旋轉晶圓相對於研磨墊摩擦而達成表面的平坦化。舉例而言，可參閱第一圖，本圖顯示一種習知的化學機械研磨系統，其包含有一研磨平台50、一圓盤56、及一連結至圓盤56的轉動驅動單元(rotary driving unit)52。其中，研磨平台50係用來承放並固定晶片36，並且由於晶片36的正面係面對研磨平台50，所以研磨平台50的表面另設有一研磨墊50a，用以保護晶片36表面的積體電路。此外，轉動驅動單元52係用來驅動圓盤56進行轉動。一般而言，可在研磨過程中加入研磨劑，其成份主要是由一些膠狀的微粒以及適當的化學助劑(Reagent)所組成，當受研磨頭拘束的晶圓相對於研磨墊旋轉時，該晶圓的表面將同時以兼具化學反應與機械研磨的方式而達成平坦化的效果，此外，亦可去除前製程所遺留下的缺陷，如刮痕、污漬及凹坑等等。
請參閱第二圖，本圖描繪傳統研磨頭的結構剖面示意圖。如圖中所示，結構本體104代表研磨頭上層主要的結構，而結構本體104透過一圈內部迴管(Inner Tube)106與多孔盤(Perforated Plate)108相連，並於其中形成一個可容納氣體的腔室103。多孔盤108的下表面隔著緩衝圈110包覆一層彈性膜113，再透過固定環112以固定多孔盤108、緩衝圈110，與彈性膜113的相對位置。
請參閱第三圖，本圖顯示習知技術中多孔盤108的正視圖與俯視圖。如圖中所示，多孔盤為一圓形盤狀物，其表面具有多個孔洞115。於此請返回參閱第一圖，當研磨頭欲吸取晶圓時，首先會將研磨頭之彈性膜113的下表面貼於晶圓114之上。由於內部迴管106係為一種可充氣的氣囊狀結構物，當充氣時，即會透過多孔盤108、緩衝圈110向下施壓，而使得彈性膜113可與晶圓114的週邊緊密結合。接著透過氣體導管102對氣體腔室103抽氣，使得彈性膜113向多孔盤108之孔洞115處凹陷，進而於晶圓114的背面形成多個真空氣室而達成吸附晶圓的效果。當研磨晶圓時，則透過氣體導管102對氣體腔室103充氣，使得彈性膜113可以向下對晶圓114施壓，因而讓晶圓114緊貼於研磨墊的表面，以利於研磨的進行。
然而，傳統的真空吸附裝置必須仰賴真空源，而且，由於整個研磨頭工作時是在轉動狀態中，此真空吸附管道有兩大問題：1.真空管道必須由轉動機構中央引入，引入前需穿過研磨頭上方諸多複雜的元件，使得製造更為複雜，大幅提昇成本。另外，真空管道從固定件轉入轉動件之間難免存在微細的間隙，造成真空漏氣，浪費不少真空能源。2.需要由外界不斷提供真空能源以維持運作。若真空能源間斷，一旦有微量的研磨液或空氣進入晶圓背面與圓盤之間，則會造成吸附力不足，使得晶圓鬆動拋出，而造成破片。
綜上所述，極需要提出一種新的設計以降低化學機械研磨製程中所發生的破片狀況。
有鑑於此，本發明則提供一種無須使用真空能源卻能持續維持真空的裝置，其可利用現有的轉動資源以產生並維持真空，從而可大幅節省能源及簡化設備製造的複雜度。
經由分析，可得知破片的發生原因主要是來自於真空吸附力的不足，因此，本發明提供一種用於化學機械研磨之研磨頭，具體而言，係關於研磨頭的晶圓吸附裝置，以提供良好的真空吸附力。
本發明之一目的在於利用研磨旋轉時所自然產生的離心力，以持續維持真空，進而避免晶圓於研磨時脫離機台所造成的破片問題。
本發明之另一目的在於提出一種結構更簡易、功效卻更突出之晶圓吸附裝置，從而達到降低成本、節省資源的目的。
為了達到上述目的，本發明提供一種晶圓吸附裝置，包含：一圓盤(block)又包含至少一中空管道。上述至少一中空管道之一端係暴露於上述圓盤之下緣，藉以利用旋轉之離心力抽取上述圓盤與一晶圓間之氣體，而上述至少一中空管道之另一端係暴露於上述圓盤之側緣，藉以排放上述氣體或液體。藉由以上技術手段，本發明可在研磨頭旋轉時，利用其自然產生的離心力，將殘存於晶圓與圓盤之間的氣體或液體透過中空管道抽取並排出至外界環境，從而在無須使用真空源的情況下，達到真空的效果。此外，由於研磨頭在研磨期間一直維持旋轉的狀態，故離心力持續存在，因此可不斷地維持真空，而避免破片的狀況。而本發明之至少一中空管道可由圓盤之中空洞隙或由獨立管道元件所形成。
本發明亦提供一種晶圓吸附裝置，其另一實施例包含：一圓盤又包含：至少一主中空管道、至少一第一副中空管道及/或至少一第二副中空管道；至少一主中空管道，設置於上述圓盤中，且上述至少一主中空管道之一端係暴露於上述圓盤之側緣；至少一第一副中空管道，一端係暴露於上述圓盤之下緣，另一端連接至上述至少一主中空管道之另一端；及至少一第二副中空管道，一端係暴露於上述圓盤之下緣，另一端係與上述至少一主中空管道之管身相連接；其中，上述至少一主中空管道與上述至少一第二副中空管道連接處之管身係呈文氏管(Ventura tube)之形狀。由上述可知，本發明可將主中空管道與副中空管道的連接處呈現文氏管之形狀，以提升流體(包含氣體及液體) 的流動速率，俾利真空的產生及維持。
此外，本發明更可設置一止回閥於中空管道之末端，以確保研磨頭停止轉動時，流體不會從外部回流，從而保持真空，以避免晶圓脫落所引發的破片問題。
另外，為了避免排除的流體橫向四射，本發明亦可在圓盤側緣、中空管道的出口處設置簡易的導流板，使排出的流體向下流，以加入回收的研磨液排出。
另一方面，本發明更進一步提供一種晶圓研磨系統，其包含：一研磨頭座體；一晶圓吸附裝置，設置於上述研磨頭座體之底部，用以吸附一晶圓；及一研磨墊，上述晶圓係放置於上述研磨墊上方以進行研磨。其中，此處所指的晶圓吸附裝置可為以上所述兩種態樣之晶圓吸附裝置，其可利用旋轉之離心力抽取上述圓盤與上述晶圓間之流體並排放至外界環境中，藉此，可利用現有的資源達到維持真空的目的，進而可大幅節省能源並簡化設備的複雜度。
本發明將以較佳實施例及觀點加以敘述，此類敘述係解釋本發明之結構，僅用以說明而非用以限制本發明之申請專利範圍。因此，除說明書中之較佳實施例以外，本發明亦可廣泛實行於其他實施例中。
本發明係關於研磨頭之晶圓吸附裝置，大體而言，係在晶圓吸附裝置之圓盤內增加至少一中空管道，其一端係暴露於圓盤下緣，另一端係暴露於圓盤之側緣，藉由上述設計，此中空管道可於研磨頭旋轉時，利用自然產生的離 心力，由圓盤下緣抽取晶圓與圓盤間的氣體及/或液體，並由圓盤之側緣排放至外界環境中，當晶圓與圓盤間的氣體及/或液體被抽取至僅剩下極微量甚至不存在時，即可產生真空，進而產生真空吸附力，俾利研磨頭吸附晶圓，從而降低破片的發生。
請參閱第四圖，第四圖為本發明所揭露之晶圓研磨系統，其中，馬達201係設置於汽缸203上方，用以驅動轉軸202旋轉，萬向軸承204係連接於轉軸202之另一端，兩個軸承205係分別設置於萬向軸承204之上下兩側，研磨頭座體(PP頭)206係設置於汽缸203之下方，側邊設置有一環207，環繞著部分的研磨頭座體206與其下方之圓盤208，底膠層209係塗佈於圓盤208底部，絨毛層210係附著於底膠層209之下方，以利於晶圓212之吸附，固定環211係設置於絨毛層210之底部，用以夾置晶圓212，其較佳為玻璃纖維所構成。上述之圓盤208為晶圓吸附裝置之主要構件，而關於其內部之詳細改良構造將於本說明書中後續部分加以說明。另外，研磨平台215上方設置有一平板(plate)214及研磨墊(PAD)213，用以放置晶圓212以利於研磨。
本發明晶圓吸附裝置之較佳實施例可參閱第五圖，本圖係描繪本發明所揭露用於化學機械研磨之晶圓吸附裝置之剖面圖，其包含：一圓盤301、至少一止回閥305及一固定環306。而一圓盤301又包含：至少一主中空管道302、至少一第一副中空管道303、至少一第二副中空管道304。 其中，主中空管道302係設置於圓盤301中，一端暴露於圓盤301的側邊外部，藉以排放由離心力所抽取之流體，而第一副中空管道303係連接於主中空管道302之另一端，較佳係以非垂直的角度、由圓心向外擴展的方式相連接，以助於利用離心力抽取流體，第二副中空管道304係連接於主中空管道302之管身，較佳亦為以非垂直的角度、由圓心向外擴展的方式相連接，以利於旋轉時流體的流動，藉由上述主中空管道302、第一副中空管道303及第二副中空管道304的組合，可提供流體(包含氣體及液體)流動的通道，俾利此晶圓吸附裝置於旋轉時抽取晶圓與晶圓吸附裝置間的流體。止回閥305係設置於主中空管道302的末端，具體而言，係位於圓盤301側緣與主中空管道302之交接處，其僅允許流體單向流動，亦即，僅允許流體由主中空管道302流至外界環境，故可防止旋轉停止時，流體由外界環境回流至主中空管道302中，進而保持真空。固定環306係設置於圓盤301之底部，係用以固定晶圓，其材質較佳為玻璃纖維。於本實施例中，第一副中空管道303與第二副中空管道304之末端均係暴露於圓盤301之底部，具體而言，係暴露於圓盤301與晶圓(未示於本圖中)之接觸面。當研磨頭旋轉時，會帶動晶圓吸附裝置旋轉而產生離心力，此時，暴露於圓盤301外之第一副中空管道303與第二副中空管道304即可藉由自然產生的離心力，抽取殘存於圓盤與晶圓之間的流體，並透過相連接之主中空管道302將抽取的流體排出至圓盤外，以降低圓盤與晶 圓之間的氣體及液體含量，進而產生真空。且由於在化學機械研磨製程中，研磨頭會持續轉動，因此離心力會一直存在，進而可持續不斷地維持真空。在過去的相關研究中，亦有部分人士發現破片的原因是來自於真空力的不足，並針對這個問題進行改良設計，如美國專利公開案第20070197141號“Polishing apparatus with grooved subpad”，其係利用一真空源施加力量以維持真空的效果。然而，本發明之特色在於不必增加任何的真空源，利用現有研磨頭旋轉時所自然產生的離心力，即可維持真空，相較於上開美國專利案及相似的先前技術，本發明不但可以維持真空，更可有效地節省資源及成本。
請參閱第六圖，本圖係描繪本發明晶圓吸附裝置之仰視圖，其中，有四條主中空管道302分別散佈在圓盤301中，且末端暴露於圓盤301之側邊，而每一主中空管道302均連接著一第一副中空管道303及一第二副中空管道304，其均係暴露於圓盤301之下方，須注意者，上述主中空管道302、第一副中空管道303及第二副中空管道304之數量僅為例示，而非用以限制本發明，使用者可依各自需求選擇合適之數量。由圖中可明顯看出，主中空管道302之長度小於主體301之半徑，以利於離心力之作用，而有效抽取、排放流體。第一副中空管道303與第二副中空管道304之末端位置係介於圓心與固定環306之間，藉以抽取晶圓與本晶圓吸附裝置之間殘存的氣體、液體。
請參閱第七圖所示，本圖係描繪主中空管道302與第 二副中空管道304之較佳連接態樣，於此可聚焦於局部放大的連接點405，可看出主中空管道302越接近第二副中空管道304，其管道徑越小，呈文氏管之作用，具體而言，主中空管道302在連接點405處之管身係呈現漸縮的弧形狀，由於其管身的截面積逐漸縮小，故流體的流動速率將逐漸增加，藉此可提升流體抽取的速度，以利於真空的形成。利用文氏管的設計，將有助於提升本發明真空形成的速度與品質。
再者本案對於現有的圓盤的相關運作，完全不需增加任何附屬元件。就現已存在之圓盤，本案發明只需在圓盤上鑽出小孔，以做為流體留出之管道，無需多附帶元件，而可以達成效能。尤甚者，對於新製造之圓盤，可採用翻砂或澆鑄等方法，其所需導流管道可直接與圓盤製造同時以一個模子成型之，連鑽孔作業都不需要，既不需任何額外作業，又比原來圓盤節省孔洞之材料。當然，如果引入管道元件埋於圓盤之內，亦同本案運作原理，屬於本案專利的範圍。
以上所述係用以闡明本發明之目的、達成此目的之技術手段、其產生的優點、以及較佳實施例等等。此領域之技藝者應得以領會其係用以說明本發明而非用以限定本發明所主張之專利權利範圍。其專利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等同領域而定。凡熟悉此領域之技藝者，在不脫離本專利精神或範圍內，所作之更動或潤飾，均屬 於本發明所揭示精神下所完成之等效改變或設計，且應包含在下述之申請專利範圍內。
36‧‧‧晶圓
50‧‧‧研磨平台
50a‧‧‧研磨墊
52‧‧‧轉動驅動單元
56‧‧‧圓盤
102‧‧‧氣體導管
103‧‧‧腔室
104‧‧‧圓盤
106‧‧‧內部迴管
108‧‧‧多孔盤
110‧‧‧緩衝圈
112‧‧‧固定環
113‧‧‧彈性膜
114‧‧‧晶圓
115‧‧‧孔洞
201‧‧‧馬達
202‧‧‧轉軸
203‧‧‧汽缸
204‧‧‧萬向軸承
205‧‧‧軸承
206‧‧‧研磨頭座體
207‧‧‧環
208‧‧‧圓盤
209‧‧‧底膠層
210‧‧‧絨毛層
211‧‧‧固定環
212‧‧‧晶圓
213‧‧‧研磨墊
214‧‧‧平板
215‧‧‧研磨平台
301‧‧‧圓盤
302‧‧‧主中空管道
303‧‧‧第一副中空管道
304‧‧‧第二副中空管道
305‧‧‧止回閥
306‧‧‧固定環
405‧‧‧連接點
第一圖為習知一種化學機械研磨系統之示意圖；第二圖為習知研磨頭之結構示意圖；第三圖為習知研磨頭中多孔盤的正視圖與俯視圖；第四圖為本發明晶圓研磨系統之示意圖；第五圖為本發明晶圓吸附裝置之剖面圖；第六圖為本發明晶圓吸附裝置之仰視圖；第七圖為本發明連接點405之局部放大圖。
301‧‧‧圓盤
302‧‧‧主中空管道
303‧‧‧第一副中空管道
304‧‧‧第二副中空管道
305‧‧‧止回閥
306‧‧‧固定環

Claims (12)

  1. 一種晶圓吸附裝置，包含：一圓盤；其中該圓盤包含至少一中空管道；該至少一中空管道之一端係暴露於該圓盤與一晶圓之接觸面，藉以利用旋轉之離心力抽取該圓盤與該晶圓間之流體，而該至少一中空管道之另一端係暴露於該圓盤之側緣，藉以排放該流體，使該圓盤與該晶圓之間產生真空；而上述之離心力及真空係藉由研磨頭之現有旋轉力而產生，且毋需引入外加資源。
  2. 如請求項1所述之晶圓吸附裝置，更包含至少一止回閥，設置於該至少一中空管道之該另一端。
  3. 如請求項1所述之晶圓吸附裝置，其中在該圓盤之側緣該中空管道之出口設置一導流裝置，使該流體向有利的方向排出。
  4. 如請求項1所述之晶圓吸附裝置，其中該至少一中空管道具有相互連接之一主中空管道及至少一副中空管道，且該主中空管道之一端係暴露於該圓盤之該側緣，該至少一副中空管道之一端係暴露於該圓盤與該晶圓之接觸面，另一端係連接於該主中空管道，以排除該流體。
  5. 如請求項4所述之晶圓吸附裝置，其中該主中空管道與該至少一副中空管道連接處係呈文氏管(Venturi tube)之形狀。
  6. 如請求項4或5所述之晶圓吸附裝置，其中該至少一副中空管道係以非垂直之角度與該主中空管道相連接。
  7. 如請求項4或5所述之晶圓吸附裝置，更包含至少一止回閥，設置於該主中空管道暴露於該圓盤側緣之一端。
  8. 如請求項4或5所述之晶圓吸附裝置，其中在該圓盤之側緣該主中空管道之出口設置一導流裝置，使該流體向有利的方向排出。
  9. 4或5所述之晶圓吸附裝置，更包含一固定環，設置於該圓盤之下緣，用以固定一晶圓。
  10. 一種晶圓研磨系統，包含：一研磨頭座體；及一晶圓吸附裝置，設置於該研磨頭座體之底部，用以吸附一晶圓；其中，該晶圓吸附裝置包含：一圓盤； 其中該圓盤包含至少一中空管道；該至少一中空管道之一端係暴露於該圓盤與該晶圓之接觸面，藉以利用旋轉之離心力抽取該晶圓吸附裝置與該晶圓間之流體，而該至少一中空管道之另一端係暴露於該圓盤之側緣，藉以排放該流體，使該圓盤與該晶圓之間產生真空；而上述之離心力及真空係藉由研磨頭之現有旋轉力而產生，且毋需引入外加資源。
  11. 如請求項10所述之晶圓研磨系統，更包含至少一止回閥，設置於該至少一中空管道之該另一端。
  12. 一種晶圓研磨系統，包含：一研磨頭座體；及一晶圓吸附裝置，設置於該研磨頭座體之底部，用以吸附一晶圓；其中，該晶圓吸附裝置包含：一圓盤，其又包含：至少一主中空管道，設置於該圓盤中，且該至少一主中空管道之一端係暴露於該圓盤之側緣；至少一副中空管道，一端係暴露於該圓盤與該晶圓之接觸面，另一端係連接於該至少一主中空管道之另一端；其中，該至少一主中空管道與該至少一副中空管道連接處係呈文氏管(Venturi tube)之形狀。
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