TWI579104B - 改良的研磨頭定位環的方法及設備 - Google Patents

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Description

改良的研磨頭定位環的方法及設備
本申請案依據專利法規定主張於2012年1月27日提出申請的美國專利申請案第13/360,221號，標題為「改良的研磨頭定位環的方法及設備(METHODS AND APPARATUS FOR AN IMPROVED POLISHING HEAD RETAINING RING)」(律師案號16708/CMP/CMP/BOHN C)的權益和優先權，且該申請案之內容以全文引用之方式併入本文。
本發明係普遍關於使用化學機械平坦化之電子裝置製造，特別是指向於針對一改良的研磨頭定位環之方法和設備。
化學機械平坦化(CMP)系統於製程進行時使用一研磨頭將一基板抵靠一研磨墊上按壓及旋轉。在研磨過程中，一研磨頭中之一基板係使用一定位環而被保持在研磨頭內，該定位環係圍繞該基板且防止該基板因該研磨墊之相對運動而跑出該研磨頭之外。本發明之發明者已注意到在某些 情形下，該定位環可能被永久磨損。因此，所需的是在製程中將一基板定位在一研磨頭內之改良方法和設備。
發明之方法和設備係提供以在製程中將基板定位在一研磨頭中。於一些實施例中，該設備包含一適以順著該基板之一邊緣輪廓之彈性內定位環，以及一耦合於該研磨頭且適以接觸該彈性內定位環以回應由該正被研磨之基板所施加於該彈性內定位環之一側向力負載之內環支座。
於一些另外之實施例中，係提供一研磨頭系統。該研磨頭系統包含一適以順著該基板之一邊緣輪廓之彈性內定位環；一耦合於該研磨頭且適以接觸該彈性內定位環以回應由該正被研磨之基板所施加於該彈性內定位環之一側向力負載之內環支座；以及一包圍該彈性內定位環和該內環支座之外罩。
於其他另外實施例中，係提供一種在製程中將一基板定位在一研磨頭中之方法。該方法包含利用一旋轉研磨墊對一將被研磨之基板施加一側向力；將一彈性內定位環與該基板之一邊緣接觸；以及利用一內環支座接觸該彈性內定位環，將該彈性內定位環順著基板之邊緣輪廓，該內環支座係耦合於該研磨頭以回應由該正被研磨之基板所施加於該彈性內定位環之該側向力。
於再另外其他之實施例中，係提供在製程中將一基板定位在一研磨頭中之替代設備。該設備包含一適以順著一基板之一邊緣輪廓之彈性內定位環；以及一耦合於該研磨頭 且具有一槽口之外定位環，該槽口係適以允許該彈性內定位環彎曲以回應由一正被研磨之基板所施加於該彈性內定位環之一側向力負載。
亦提供許多另外的態樣。本發明之其他特徵及態樣經由以下之詳細敍述、附加之權利請求項和伴隨之圖式，將變得更加清楚。
100‧‧‧化學機械研磨系統
102‧‧‧裝載罩組件
104‧‧‧研磨頭
106‧‧‧手臂
108‧‧‧研磨墊
110‧‧‧旋轉平台
202、202'‧‧‧彈性內定位環
204‧‧‧基板
206‧‧‧外定位環
208‧‧‧內環支座
210‧‧‧外罩
402‧‧‧側向力
404、406‧‧‧點
602‧‧‧外部環
604‧‧‧槽口
700‧‧‧方法
702、704、706‧‧‧步驟
800‧‧‧研磨頭
802‧‧‧基板
804‧‧‧外部環
806‧‧‧內部環
808‧‧‧側向力
810‧‧‧點接觸
第1圖係描繪根據本發明之實施例之用以研磨基板之一範例化學機械平坦化(CMP)系統之一側視示意圖；第2圖係描繪根據本發明之實施例之一CMP系統之一研磨頭之一側視截面示意圖；第3圖係描繪根據本發明之實施例之一CMP系統之一研磨頭之一局部側視截面放大示意圖；第4圖係描繪根據本發明之實施例之一CMP系統之一研磨頭之一彈性內定位環和一內環支座之一立體示意圖；第5圖係描繪根據本發明之實施例之一CMP系統之一研磨頭之一彈性內定位環和一內環支座之一立體截面示意圖；第6圖係描繪根據本發明之替代實施例之一CMP系統之一研磨頭之一彈性內定位環和一槽口外定位環之一局部立體截面示意圖；第7圖係描繪根據本發明之實施例之將一基板定位在一CMP系統之一研磨頭中之範例方法之流程圖；及第8圖係一描繪根據習知技藝之傳統研磨頭定位環 設計之示意圖。
本發明提供使用於化學機械平坦化(CMP)系統中一研磨頭之一改良定位環之方法和設備。參考第8圖，在傳統CMP系統中之研磨過程中，研磨頭800內之基板802係與一定位環相互接觸。於某些系統中，該定位環係一單件(one-piece)設計；於其他系統中，該定位環則包含兩件：一外部環804和一內部環806，如第8圖所示。於這些任一設計中，基板802具有比定位環806小之直徑。在操作時，研磨頭之旋轉壓迫基板802抵靠定位環806。由研磨墊所施加於基板802及基板802抵靠定位環806之横向力被稱作「側向力」808。研磨頭施加一向下力在基板上，將基板推壓緊靠著研磨墊，稱為「膜壓力」。同時研磨頭也施加一旋轉力在基板上。
因為傳統研磨頭800中之側向力808之緣故，結果在基板802和定位環806之內側表面發生了點接觸810。此集中之負載施加大量的應力在定位環806上。再者，對於較大的基板，在任何給定的膜壓力之下，基板抵靠定位環的側向力將增加。本發明之發明人已算出對於承受較大膜壓力之較大基板，此集中力將在定位環內造成無法接受之局部應力位準，並造成構件失效。
本發明之實施例使用一彈性內定位環來支撐和分散基板的側向力負載。藉由允許該彈性內定位環順著基板之邊緣，以增加基板在定位環上之接觸面積。接觸面積增加的結果是該側向力負載被分散在一較大面面積上且達到在該定位 環上具有較小的應力位準。對於較大直徑之基板和較大之研磨壓力，本發明因此可降低因無法接受之高材料應力所造成之構件失效的可能性。
參考第1圖，其顯示用以研磨基板之一範例化學機械平坦化(CMP)系統100之側視圖。該系統100包含一用以接收一將被研磨之基板及將該基板保持定位供一研磨頭104提取之裝載罩組件102。研磨頭104係由一手臂106所支撐，該手臂106可將研磨頭104在裝載罩組件102和在一旋轉平台110上之研磨墊108之間移動。於操作時，研磨頭104將基板自裝載罩組件102提取且帶至研磨墊108。當研磨墊108在旋轉平台110上旋轉時，研磨頭104將基板旋轉且向下壓迫抵靠研磨墊108。注意研磨墊108之直徑係大於基板直徑。
參考第2及第3圖，其分別以截面視圖和局部截面放大視圖方式描繪研磨頭104之一些細節。彈性內定位環202係自研磨頭104向下延伸且在研磨時環繞及定位基板204。外定位環206係環繞內定位環202且內環支座208係設置在內定位環202內部且位於基板204之水平高度上方。研磨頭104係包含一包圍其他構件之外罩210、一用以轉動研磨頭104之軸心、以及用以握持一基板諸如囊袋、吸取系統或其他夾持裝置之設施。
現在參考第4及第5圖，彈性內定位環202之下部分和一研磨頭104(第3圖)之一內環支座208係相對於一基板204而被顯示。內環支座208係設置於基板204上方且係剛性地附著於研磨頭104(第3圖)。
如第4圖之立體圖所示且如第5圖之立體截面圖所示，當側向力402被施加在基板204時(藉由研磨墊108之轉動(第1圖))，基板204之邊緣於點404壓迫抵靠彈性內定位環202之內部。如此使得彈性內定位環202於點406拉伸抵靠內環支座208。注意點404係位於彈性內定位環202上與點406相對之側。
這些力量將彈性內定位環202扭曲成惰圓形且彈性內定位環202之一部分係順著基板204之邊緣輪廓接觸。彈性內定位環202之如此順著輪廓係增加基板204與彈性內定位環202之間的接觸程度。如此造成側向力402應力分散至一較大面積且避免了可能導致定位環失效之應力集中。
於某些實施例中，彈性內定位環202可以使用由位於美國賓州雷廷市(Reading)之象限公司(Quadrant Corporation)所生產的Techtron PPS、Ertalyte PET-P或Ketron PEEK材料來製成。也可使用其他可行的彈性材料。用於定位300mm大小的基板，彈性內定位環202之約略厚度可介於大約1mm至大約5mm之範圍。對於較大的基板，可使用較厚的彈性內定位環202。
於某些實施例中，彈性內定位環202可具有大約301mm至大約310mm之直徑以定位300mm大小的基板。對於較大的基板，可使用具有較大直徑的彈性內定位環202。於某些實施例中，內環支座208可具有大約300mm至大約309mm之直徑以定位300mm大小的基板。對於較大的基板，可使用具有較大直徑的內環支座208。
現在參考第6圖，其係顯示本發明之替代實施例。不使用如第4及第5圖實施例中之內環支座208，此替代實施例包含一外部環602，該外部環602在其下方內表面靠近基板接觸彈性內定位環202’之處具有一槽口604，如第6圖所示。如此的排列允許彈性內定位環202’藉由來自基板204之側向力402而彎曲且被推入槽口。
於某些實施例中，此實施例中之彈性內定位環202’可以使用由位於美國賓州雷廷市(Reading)之象限公司(Quadrant Corporation)所生產的Techtron PPS、Ertalyte PET-P或Ketron PEEK材料來製成。也可使用其他可行的彈性材料。用於定位300mm大小的基板，彈性內定位環202’之約略厚度可介於大約1mm至大約10mm之範圍。對於較大的基板，可使用較厚的彈性內定位環202’。
於某些實施例中，此實施例中之外部環602可以使用由位於美國賓州雷廷市(Reading)之象限公司(Quadrant Corporation)所生產的Techtron PPS、Ertalyte PET-P或Ketron PEEK材料來製成。也可使用其他可行的材料。用於定位300mm大小的基板，槽口的約略深度和高度可介於大約1mm至大約10mm之範圍。對於較大的基板，可以使用不同尺寸大小的槽口。於某些實施例中，可使用不同形狀的槽口。
現在參考第7圖，於製程中將一基板定位在一研磨頭中之範例方法700係描繪在一流程圖中。於步驟702，透過一旋轉研磨墊將一側向力402施加在一將被研磨之基板204上。於步驟704，一彈性內定位環202被該基板204之一邊緣 接觸。於步驟706，該彈性內定位環202係順著該基板204之該邊緣輪廓。這是由以下方式達成：以一內環支座208接觸該彈性內定位環202，而該內環支座208係耦合於該研磨頭104，以回應由該正被研磨之基板204所施加於該彈性內定位環202之該側向力402。該側向力402係由該研磨墊108抵靠基板204旋轉之摩擦所產生。
於某些實施例中，內環支座208係至少在該彈性內定位環202上的一點406與該彈性內定位環202相接觸，該點406係相對於該基板204接觸該彈性內定位環202之一點404。內環支座208係設置在該彈性內定位環202之圓周內之基板204上方。因此，內環支座208具有比彈性內定位環202更小之一直徑。於某些實施例中，研磨頭104也可包含耦合於該研磨頭104且環繞該彈性內定位環202而設置之一外定位環206。
因此，當本發明已關連於其較佳之實施例而被揭示時，應當了解的是如以下權利請求項所定義的其他實施例，也落入本發明之精神和範圍之內。
202‧‧‧彈性內定位環
204‧‧‧基板
208‧‧‧內環支座
402‧‧‧側向力
404、406‧‧‧點

Claims (20)

  1. 一種將一基板定位在一研磨頭中之設備，該設備包括：一彈性內定位環，該彈性內定位環適以順著一基板之一邊緣輪廓；以及一內環支座，該內環支座耦合於該研磨頭，該內環支座設置在該彈性內定位環內，並具有夠小的一直徑以適配在該彈性內定位環內而不接觸該彈性內定位環，其中回應於被研磨的一基板所施加至該彈性內定位環的一側向力負載，該內環支座接觸該彈性內定位環。
  2. 如請求項1所述之設備，其中該內環支座係在位於該基板與該彈性內定位環之一接觸點之相對側之位於該彈性內定位環上之至少一點與該彈性內定位環相接觸。
  3. 如請求項1所述之設備，其中該內環支座係設置於該彈性內定位環之一圓周內之該基板上方。
  4. 如請求項1所述之設備，其中該內環支座具有一比該彈性內定位環小之直徑。
  5. 如請求項1所述之設備，進一步包含一耦合於該研磨頭且環繞該彈性內定位環而設置之外定位環。
  6. 如請求項1所述之設備，其中該側向力係由一研磨墊緊靠該基板旋轉所產生。
  7. 如請求項1所述之設備，其中該內環支座係一圓盤狀。
  8. 一種用於一化學機械平坦化(CMP)工具之研磨頭系統，該研磨頭系統包含：一彈性內定位環，該彈性內定位環適以順著該基板之一 邊緣輪廓；一內環支座，該內環支座耦合於該研磨頭，該內環支座設置在該彈性內定位環內，並具有夠小的一直徑以適配在該彈性內定位環內而不接觸該彈性內定位環，其中回應於被研磨的一基板所施加至該彈性內定位環的一側向力負載，該內環支座接觸該彈性內定位環；以及一包圍該彈性內定位環和該內環支座之外罩。
  9. 如請求項8所述之系統，其中該內環支座係在位於該基板與該彈性內定位環之一接觸點之相對側之位於該彈性內定位環上之至少一點與該彈性內定位環相接觸。
  10. 如請求項8所述之系統，其中該內環支座係設置於該彈性內定位環之一圓周內之該基板上方。
  11. 如請求項8所述之系統，其中該內環支座具有一比該彈性內定位環小之直徑。
  12. 如請求項8所述之系統，進一步包含一耦合於該研磨頭且環繞該彈性內定位環而設置之外定位環。
  13. 如請求項8所述之系統，其中該側向力係由一研磨墊緊靠該基板旋轉所產生。
  14. 一種將一基板定位在一研磨頭中之方法，該方法包含：利用一旋轉研磨墊對一將被研磨之基板施加一側向力；將一彈性內定位環與該基板之一邊緣接觸；以及以一內環支座接觸該彈性內定位環，將該彈性內定位環順著該基板之該邊緣輪廓，該內環支座係耦合於該研磨頭以回應由該正被研磨之基板所施加於該彈性內定位環之 該側向力；其中該內環支座具有夠小的一直徑以適配在該彈性內定位環內而不接觸該彈性內定位環。
  15. 如請求項14所述之方法，其中該內環支座係在位於該基板與該彈性內定位環之一接觸點之相對側之位於該彈性內定位環上之至少一點與該彈性內定位環相接觸。
  16. 如請求項14所述之方法，其中該內環支座係設置於該彈性內定位環之一圓周內之該基板上方。
  17. 如請求項14所述之方法，其中該內環支座具有一比該彈性內定位環小之直徑。
  18. 如請求項14所述之方法，進一步包含設置一耦合於該研磨頭且環繞該彈性內定位環之外定位環。
  19. 如請求項14所述之方法，其中該側向力係由來自該研磨墊緊靠該基板旋轉之磨擦所產生。
  20. 一種將一基板定位在一研磨頭中之設備，該設備包含：一彈性內定位環，該彈性內定位環適以順著一基板之一邊緣輪廓；以及一外定位環，該外定位環圍繞該彈性內定位環並包括一槽口，該槽口經設置以相鄰於該彈性內定位環，以允許該彈性內定位環彎曲到該槽口中，以回應由一正被研磨之基板所施加於該彈性內定位環之一側向力負載。
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