TWI568536B - 具有互鎖特徵的兩件式扣環 - Google Patents

Description

具有互鎖特徵的兩件式扣環

本發明揭示內容與化學機械研磨之承載頭的扣環有關。

積體電路一般而言是利用傳導層、半導體層或絕緣層的依序沉積方式，形成於基材上，特別是形成於矽晶圓上。一種製造步驟係與在非平面表面上沉積填料層，並將該填料層平坦化有關。為了某些應用，將該填料層平坦化直到暴露圖案化層的頂表面為止。例如，可以在圖案化絕緣層上沉積傳導填料層，以填滿該絕緣層中的溝渠與孔洞。在平坦化後，在該絕緣層凸起圖案之間剩餘的傳導層部份便形成貫通孔、接頭與接線，提供該基材上薄膜電路之間的多數傳導路徑。對於其他應用而言，像是氧化物研磨應用，則將該填料層平面化直到於該非平面表面上剩餘預定厚度。另外，對於光微影技術而言通常需要該基材表面的平坦化。

化學機械研磨(CMP)是一種被接受的平坦化方法。該平坦化方法一般而言需要將該基材安裝至承載頭上。該基材的暴露表面一般而言則放置抵住旋轉研磨墊。該承載 頭於該基材上提供可控制負載力，以將該基材推抵住該研磨墊。一般而言供應研磨液體至該研磨墊之表面，像是供應具有研磨顆粒的研磨漿料。

該基材一般而言利用扣環保持於該承載頭下方。然而，因為該扣環與該研磨墊接觸，因此該扣環有磨損傾向，並需要定期置換。某些扣環具有由金屬形成之上方部份與由可磨損塑膠形成之下方部份，而某些其他扣環則為單一塑膠部份。

扣環可能是昂貴的，且如以上指出在磨損時需要定期置換。在某些習知扣環中，該塑膠下方部份係利用黏著劑固定至該金屬方扣環。

有一種利用力學扣件將該下方部份固定至該上方部份的技術，但在該等扣件插入的地方，該下方部份較厚。這使該扣環較容易更新，而該較厚的部份可以提供多數互鎖特徵，以避免該下方環相對於該上方環滑移。

在態樣中，扣環包含環形下方部份與環形上方部份。該環形下方部份具有主體、內部邊緣、外部邊緣與複數個方位分離互鎖特徵，該主體具備底表面，以在研磨期間與研磨墊接觸，該內部邊緣從該主體朝上突出，該外部邊緣從該主體朝上突出並與該內部邊緣相離一間隙，而該等互鎖特徵則定位於該內部邊緣與該外部邊緣之間，每一互鎖特徵都從該主體朝上突出。該環形上方部份具有頂表面與底表面及在該底表面中複數個方位分離凹槽，該等凹槽定義該上方部 份的薄部份，該複數個互鎖特徵則安裝至該複數個凹槽之中。該下方部份係為塑膠，而該上方部份則為比塑膠更具剛性的材料。

實作可以包含以下一或多項特徵。該材料為金屬或陶瓷。該下方部份可以具有以Shore D標度為基礎介於大約80與95之間的硬度測量。該下方部份可以包括複數個螺紋凹槽，該等螺紋凹槽形成於該等互鎖特徵之至少某些互鎖特徵的頂表面中，且其中該上方部份可以包含複數個縫隙，該等縫隙穿過該等薄部份形成，並對準於該等螺紋縫隙。複數個力學扣件可以延伸穿過該複數個縫隙至該複數個螺紋凹槽之中。該複數個力學扣件之頂表面可以相對於該上方部份之頂表面凹陷。該上方部份之頂表面可以與該內部邊緣之頂表面齊平。該內部邊緣之頂表面可以與該外部邊緣之頂表面齊平。於該內部邊緣頂表面中可以存在環形凹槽，而O形環則安裝至該環形凹槽之中。該下方部份之該底表面可以具有多數通道以進行研磨漿料傳輸。該下方部份可在無黏著劑情況下固定至該上方部份。該上方部份之頂表面可以包含孔洞，用以接收扣件，以力學方式附於該基部之扣環。該複數個互鎖特徵之方位側表面可以直接與該複數個凹槽之方位側表面接觸。

該等實作可能具有下述一或多項優點。藉由多數力學扣件固定該上方與下方部份，而更新扣環的方式，可能比更新利用黏著劑固定該上方與下方部份之扣環更加容易。多數互鎖特徵則可以避免該下方環相對於該上方環滑移。

在該等伴隨圖式與以下【實施方式】中設定該一或多種實作的細節。從該敘述與該等圖式及該等申請專利範圍，其他的特徵、物件與優點將變的明顯。

100‧‧‧承載頭

102‧‧‧外殼/基部

104‧‧‧膜狀物

106‧‧‧腔室

108‧‧‧通道

110‧‧‧扣環

112‧‧‧上方表面

114‧‧‧底表面

116‧‧‧內部表面

118‧‧‧外部表面

120‧‧‧驅動軸

130‧‧‧通道

136‧‧‧力學扣件

138‧‧‧通道

139‧‧‧螺紋接收凹槽

140‧‧‧下方部份

142‧‧‧上方部份

144‧‧‧力學扣件

150‧‧‧環形主體

152‧‧‧內部邊緣

154‧‧‧外部邊緣

156‧‧‧間隙

160‧‧‧互鎖特徵

162‧‧‧頂表面

164‧‧‧螺紋凹槽

166‧‧‧側面

170‧‧‧厚部份

172‧‧‧薄部份

174‧‧‧凹槽

176‧‧‧底表面

178‧‧‧側面

180‧‧‧縫隙

182‧‧‧頂表面

188‧‧‧內部表面

190‧‧‧環形凹槽

192‧‧‧O形環

第1圖為承載頭的橫斷面示意圖。

第2圖為扣環之部份的分解立體圖。

第3圖為第1圖中該扣環下方部份之部份的立體圖。

第4圖為第2圖中該扣環上方部份之部份的立體圖。

第5圖為該扣環之橫斷面圖示。

在各圖式中相同的參考數字代表相同的元件。

在研磨操作期間，可利用化學機械研磨(CMP)設備研磨一或多個基材，該設備包含承載頭100。CPM設備的描述可參考美國專利第5,738,574號。

參考第1圖，示例簡化承載頭100包含外殼102、彈性膜狀物104、可加壓腔室106與扣環110，該膜狀物104提供該基材之安裝表面，該可加壓腔室106介於該膜狀物104與該外殼102之間，該扣環110靠近該外殼102邊緣固定，以支撐該膜狀物104下方之該基材。雖然第1圖描述該膜狀物104係夾緊於該扣環110與該基部102之間，但也可以使用一或多個其他部件，例如使用夾環，以支撐該膜狀物104。可以提供驅動軸120以橫過研磨墊轉動及/或轉移該承載頭。 幫浦可以與透過該外殼中通道108與該腔室106流體連接，以控制該腔室106內之壓力，並因此控制該基材上該彈性膜狀物104之朝下壓力。

該扣環110一般可為環形環，固定於該基部102外部邊緣，例如，利用穿過該基部102中多數通道138延伸至該扣環110上方表面112中多數對準螺紋接收凹槽139(見第2圖)中的多數螺釘或螺栓136。在某些實作中，該驅動軸120可被抬升及下降，以控制在研磨墊上該扣環110底表面114的壓力。替代的，該扣環110可以相對該基部102移動，而該承載頭100可以控制內部腔室，該內部腔室可被加壓以控制該扣環上向下壓力，例如像在美國專利第6,183,354號或第7,575,504號中所述，該等專利本文藉由參照方式整合入本文。該扣環110可從該基部102整體移除(並剩餘該承載頭)。此意味著該扣環110之上方部份142保持固定至該扣環110之下方部份140，同時該扣環110係被移除，而不需要從該承載頭100拆卸該基部102或移除該基部102。

該扣環110之內部表面116與該彈性膜狀物104之下方表面一起定義基材接收凹槽。該扣環110避免該基材從該基材接收凹槽脫離。

該扣環110底表面114實質上可為平坦，或如第2圖所示在某些實作中，該扣環110可以具有從該內部表面116延伸至該扣環外部表面118的複數個通道130，以促成從該扣環外側傳輸研磨漿料至該基材。該等通道130可以繞著該扣環均勻間隔分布。在某些實作中，每一通道130可以以相對 於通過該通道之半徑呈現角度偏移，例如45°。

參考第2圖至第5圖，該扣環110包含兩個垂直堆疊的部份，包含具有可以與該研磨墊接觸之底表面114的該環形下方部份140，以及與該基部104連接之該環形上方部份142。該下方部份140可利用複數力學扣件144固定至該上方部份142，例如利用螺釘或螺栓。

該扣環110之上方部份142係利用比該下方部份140更具有剛性的材料所構成。該下方部份140可為塑膠，例如多酚硫化物(PPS)，而該上方部份可為金屬，例如不鏽鋼。

該下方部份140的塑膠於CMP處理中具有化學惰性。此外，該下方部份140應具有足夠的彈性，抵住該扣環接觸該基材邊緣時不使該基材削除或破裂。另一方面，該下方部份140應具有足夠的剛性，以在(該底表面上之)該研磨墊與(該內部表面上之)該基材的磨損下仍具有足夠的生命期。該下方部份140的塑膠可以具有以Shore D標度為基礎介於大約80與95之間的硬度測量。一般而言，該下方部份140材料的彈性係數可介於大約0.3-1.0×10⁶psi的範圍。雖然該下方部份可以具有低磨損率，但該下方部份140被逐漸磨損的情況也是可接受的，此情況的出現可以避免該基材邊緣被切割深溝至該內部表面188之中。

該下方部份140的塑膠可為多酚硫化物(PPS)、聚二醚酮(PEEK)、聚醚二酮(PEKK)、聚醚酮(PEK)或類似材料(或由其構成)。對於扣環而言，多酚硫化物(PPS)的優點為一種可靠且一般使用的材料。

該下方部份140包含環形主體150、環形內部邊緣152與環形外部邊緣154，該環形內部邊緣152於該主體150內部邊緣處，從該主體150朝上突出，而該環形外部邊緣154於該主體150外部邊緣處，從該主體150朝上突出。間隙156位於該內部邊緣152與該外部邊緣154之間。在某些實作中，該內部邊緣152與該外部邊緣154具有相同高度，但此條件並不一定需要。如第2圖所示，該扣環110上方部份142安裝至該內部邊緣152與該外部邊緣154之間的間隙156之中。因此，該內部邊緣152與該外部邊緣154避免該上方部份142相對於該下方部份140徑向滑移。

在該內部邊緣152與該外部邊緣154之間具有複數個互鎖特徵160。該等互鎖特徵160於方位上將該主體150較厚或其中具備從該主體150朝上之突出物的該下方扣環多數部份間隔。如第2圖所示，該等互鎖特徵160安裝至該上方部份142多數對應凹槽174之中。因此，該等互鎖特徵160避免該上方部份142相對該下方部份140於方位上的滑移。

在第2圖至第5圖描述之實作中，該等互鎖特徵160從該內部邊緣152與該外部邊緣154延伸，但此條件不一定需要；在該內部邊緣152及/或該外部邊緣154與該等互鎖特徵160之間可以具有間隙。該每一個互鎖特徵160之頂表面162可以相對於該內部邊緣152及/或該外部邊緣154之頂表面凹陷。

螺紋凹槽164可位於該等互鎖特徵160之至少某些互鎖特徵160的頂表面162中。該螺紋凹槽164部份垂直 延伸，非完全穿過該下方部份140。該力學扣件144安裝穿過該上方部份中之縫隙180，並至該螺紋凹槽164(見第2圖與第5圖)之中。這使得該下方部份140被固定於該上方部份142，而不需要再該扣環110底表面114上具有多數暴露螺釘孔洞。該螺紋凹槽164之螺紋可直接以力學方式形成於該下方部份140塑膠材料之中，或可以利用插入之螺釘鞘提供於多數孔洞之中。

該等互鎖特徵160可於相等角度間隔位環繞該下方部份140。每一互鎖特徵160都可以包含兩個側面166。每一側面166都可以位於通過該扣環110之中心軸A(見第1圖)的平面中。

該下方部份140的主體150厚度(也就是，在不同於該等邊緣互鎖特徵的區域中)應該大於該基材10厚度。另一方面，如果該主體150太厚，該扣環110底表面將因為該下方部份140的彈性特質遭受變形。該主體150最初厚度可以根據製造的需求，介於大約50至1000mil(千分之一吋)之間，例如介於200至600mil之間。

該等通道130部份延伸，但非完全延伸至該下方部份140主體150之中。當該等通道已經磨損時，可以置換該下方部份140。例如，根據所需要的置換頻率，該等通道可以具有大約100至400mil之間的深度。

相鄰該底表面114，該扣環110下方部份140之該內部表面116可以具有內部直徑，該內部直徑剛好大於該基材直徑，例如，比該基材直徑大1-2毫米，以容納該裝載系統 的定位公差。該扣環110可以具有大約半英吋的徑向寬度。

在某些實作中，該下方部份140內部表面116包含垂直圓柱部份116a與斜面部份116b，該垂直圓柱部份116a相鄰該底表面114，而該斜面部份116b相鄰該頂表面112。該斜面部份116b可以從頂到底向內傾斜。

該扣環110上方部份142係由像是金屬或是陶瓷的材料所形成，該材料相較於該下方部份140的塑膠更具有剛性。使該上方部份142的材料比該下方部份140的塑膠較硬的優點為可以提高該扣環110的整體剛性，因此降低當將該扣環附貼至該承載頭100時該下方部份140的變形，以及減少磨合時間。

該扣環110上方部份142包含複數個厚部份170及複數個薄部份172。該上方部份142底表面176包含複數個方位上間隔放置的凹槽174；該上方部份142於該等凹槽174以上之部份則定義該等薄部份172。該等凹槽174可於相等角度間隔位環繞該上方部份142。

每一凹槽174都可以包含兩個側面178。每一側面178都可以位於通過該扣環110之中心軸A(見第1圖)的平面中。如第2圖所示，該等凹槽174的形狀係使該等互鎖特徵160可安裝至該等對應凹槽174之中。

實際上，該厚部份170之內部直徑面可以直接鄰接該內部邊緣152之外部直徑面，而該厚部份170之外部直徑面可以直接鄰接該外部邊緣152之內部外部直徑面。同樣的，該凹槽174之每一側面178都可以直接鄰接該互鎖特徵 160之該對應側面166。該厚部份170之底部可以直接鄰接該主體150之頂表面。該薄部份172之底部可以直接鄰接該互鎖特徵160之頂表面162。

任何這些鄰接表面，例如該等所以鄰接表面都可以不使用黏著劑直接鄰接。因此，該上方部份142可以在不使用黏著劑下直接固定至該下方部份140。

在某些實作中，該上方部份140該厚部份170的厚度可以小於該下方部份142的最初厚度。然而，此條件不一定需要；製造者可以具有該上方部份140厚度或大於該下方部份142最初厚度的扣環110。該上方部份140厚度小於該下方部份142最初厚度的優點為提高該扣環的生命期。

該上方部份142可以包含複數個縫隙180。該等縫隙180可以位於該上方部份142該等薄部份172中。該等縫隙180完全延伸穿過該等薄部份172。當該上方部份142插入至該下方部份140該間隙156之中時，該等縫隙180對準於該等互鎖特徵160中該等螺紋凹槽164。該等縫隙180可對於該扣環110於相等角度相間隔。在某些實作中，每一薄部份172剛好有縫隙180。

多數力學扣件144，例如螺釘或螺栓則延伸穿過該等縫隙180並至該等螺紋凹槽164之中，以將該上方部份142固定至該下方部份140。如第5圖所示，一旦組裝之後，該扣件144之頂表面182可以相對於該扣環110之頂表面112稍微凹陷。

該上方部份142之上方表面112也可以包含複數 個螺紋接收凹槽139，該等螺紋接收凹槽139可位於該上方部份142之該等厚部份170中。該等螺紋接收凹槽139部份延伸，但非完全穿過該上方部份142之該等厚部份170中。該等螺紋接收凹槽139可對於該扣環110於相等角度相間隔。在某些實作中，每一厚部份170剛好有螺紋接收凹槽139。例如，每一螺紋接收凹槽139都可以位於厚部份170之方位中心處。該等螺紋接收凹槽139之螺紋可直接以力學方式形成於該上方部份142的材料之中，或可以利用插入之螺釘鞘提供於多數孔洞之中。多數力學扣件136，例如螺釘或螺栓則延伸穿過該基部102中多數通道138(參見第1圖)並至該等對準螺紋接收凹槽139之中，以將該扣環110固定至該承載頭100。

選擇上完全繞著該扣環110延伸之環形凹槽190係形成於該下方部份140內部邊緣152之頂表面上。O形環192可以安裝至該環形凹槽190之中。當該扣環110固定至該承載頭100時，該O形環192可壓入於該扣環110所附加至該剛性主體，例如，該基部102與該扣環110之間。該O形環192與沿著該上方部份142完整內部側延伸之該下方部份140內部邊緣152一起，協助避免研磨漿料到達該上方部份142的金屬處，藉此方法可能減少腐蝕與相關的缺陷。

雖然該扣環110可以包含多數通道130以於該下方部份140底表面114中傳輸研磨漿料，且在該下方部份140頂表面中可具有多數凹槽已協助將該下方部份140固定至該上方部份142，但該下方部份140並不具備任何從該下方部份 頂表面延伸至該底表面的縫隙。

在某些實作中，該扣環110具有一或多個穿過孔洞，該等穿過孔洞水平或與水平呈現小角度，從該內部直徑延伸穿過該扣環主體至該外部直徑，以在研磨期間允許像是空氣或水流體從該扣環內部通過至外部，或從該扣環外部通過至內部。該等穿過孔洞可以延伸穿過該下方部份140。該等穿過孔洞可以繞著該扣環均勻配置。

雖然該等凹槽互鎖特徵160與凹槽174之該等側表面166及178描繪上大致為垂直，但該等表面也可以係為斜面，以在該互鎖特徵160插入至該凹槽174之中時形成一種燕尾形連接。

本發明已經利用許多具體實施例方式敘述。然而本發明並不限制於所描繪及描述之該等具體實施例。倒不如說，本發明係由該等附加申請專利範圍所定義。

110‧‧‧扣環

130‧‧‧通道

139‧‧‧螺紋接收凹槽

140‧‧‧下方部份

142‧‧‧上方部份

144‧‧‧力學扣件

150‧‧‧環形主體

152‧‧‧內部邊緣

154‧‧‧外部邊緣

156‧‧‧間隙

160‧‧‧互鎖特徵

162‧‧‧頂表面

164‧‧‧螺紋凹槽

166‧‧‧側面

170‧‧‧厚部份

172‧‧‧薄部份

174‧‧‧凹槽

178‧‧‧側面

180‧‧‧縫隙

190‧‧‧環形凹槽

Claims (18)

1. 一種扣環，該扣環包括：一環形下方部份，該環形下方部份具有一主體、一內部邊緣、一外部邊緣與複數個方位分離互鎖特徵，該主體具備一底表面，以在研磨期間與一研磨墊接觸，該內部邊緣從該主體朝上突出，該外部邊緣從該主體朝上突出並與該內部邊緣相離一間隙，而該等互鎖特徵則定位於該內部邊緣與該外部邊緣之間，每一互鎖特徵都從該主體朝上突出，其中該下方部份包括複數個螺紋凹槽，該等螺紋凹槽形成於該等互鎖特徵之至少一些互鎖特徵的頂表面中，且其中該下方部份係為塑膠；以及一環形上方部份，該環形上方部份具有一頂表面與一底表面及在該底表面中的複數個方位分離凹槽，在該環形上方部份的該底表面中的該等凹槽定義該上方部份的薄部份與在該等薄部份之間的方位分離的較厚部份，其中該複數個互鎖特徵安裝至該複數個凹槽之中，其中該上方部份包含複數個縫隙，該等縫隙僅穿過該等薄部份而形成，並對準於該複數個螺紋凹槽，且其中該上方部份包含複數個螺紋孔洞，該等螺紋孔洞僅形成在該等較厚部份之至少一些較厚部份中，該複數個螺紋孔洞部份延伸於但非完全穿過該上方部份的該等較厚部份，且其中該上方部份係為比塑膠更具剛性的一材料。
2. 如請求項1所述之扣環，其中該材料為一金屬或陶瓷。
3. 如請求項1所述之扣環，其中該下方部份具有以Shore D標度為基礎介於大約80與95之間的一硬度測量。
4. 如請求項1所述之扣環，進一步包括複數個力學扣件，該等力學扣件延伸穿過該複數個縫隙至該複數個螺紋凹槽之中。
5. 如請求項4所述之扣環，其中該複數個力學扣件之頂表面係相對於該上方部份之該等頂表面凹陷。
6. 如請求項1所述之扣環，其中該上方部份之該等頂表面與該內部邊緣之一頂表面齊平。
7. 如請求項1所述之扣環，其中該內部邊緣之一頂表面與該外部邊緣之一頂表面齊平。
8. 如請求項1所述之扣環，進一步包括於該內部邊緣一頂表面中的一環形凹槽，以及安裝至該環形凹槽之中之一O形環。
9. 如請求項1所述之扣環，其中該下方部份之該底表面具有複數通道以進行研磨漿料傳輸。
10. 如請求項1所述之扣環，其中該下方部份在無黏著劑情況下固定至該上方部份。
11. 如請求項1所述之扣環，其中該複數個互鎖特徵之方位側表面直接與該複數個凹槽之方位側表面接觸。
12. 如請求項1所述之扣環，其中該等方位分離互鎖特徵從該內部邊緣延伸至該外部邊緣而完全橫過該間隙。
13. 如請求項1所述之扣環，其中該上方部份的該等薄部份安裝至該下方部份的該內部邊緣與該外部邊緣之間。
14. 如請求項1所述之扣環，其中該等方位分離互鎖特徵係於相等角度間隔位環繞該下方部份。
15. 如請求項1所述之扣環，其中該複數個互鎖特徵的內部與外部表面分別直接接觸該內部邊緣與該外部邊緣的側表面。
16. 一種承載頭，該承載頭包括：一外殼；一基材安裝表面，該基材安裝表面由該外殼支撐；以及一扣環，該扣還具有一環形下方部份，該環形下方部份圍繞該基材安裝表面，該環形下方部份包括一主體、一內部邊緣、一外部邊緣與複數個方位分離互鎖特徵，該主體具備一底表面，以在研磨期間與一研磨墊接觸，該內部邊緣從該主體朝上突出，該外部邊緣從該主體朝上突出並與該內部邊緣相離一間隙，而該等互鎖特徵則定位於該內部邊緣與該外部邊緣之間，每一互鎖特徵都從該主體朝上突出，其中該下方部份係為塑膠，且其中該下方部份包括複數個螺紋凹槽，該等螺紋凹槽形成於該等互鎖特徵之至少一些互鎖特徵的頂表面中，以及一環形上方部份，該環形上方部份固定至該外殼，該環形上方部份具有一頂表面與一底表面及在該底表面中的複數個方位分離凹槽，在該環形上方部份的該底表面中的該等凹槽定義該上方部份的薄部份與在該等薄部份之間的方位分離的較厚部份，其中該複數個互鎖特徵安裝至該複數個凹槽之中，其中該上方部份包含複數個縫隙，該等縫隙僅穿過該等薄部份而形成，並對準 於該複數個螺紋凹槽，且其中該上方部份包含複數個螺紋孔洞，該等螺紋孔洞僅形成在該等較厚部份之至少一些較厚部份中，該複數個螺紋孔洞部份延伸於但非完全穿過該上方部份的該等較厚部份，且其中該上方部份係為比塑膠更具剛性的一材料。
17. 如請求項16所述之承載頭，其中複數個力學扣件延伸穿過該複數個縫隙至該複數個螺紋凹槽之中。
18. 如請求項17所述之承載頭，其中一第二複數個扣件延伸穿過通道至該等螺紋孔洞之中，以力學方式將該扣環附於該外殼。