TWI589400B - 具有墊片之承載頭 - Google Patents

Description

具有墊片之承載頭

本發明係關於用於化學機械研磨的承載頭。

積體電路典型地由連續沉積導電層、半導體層或絕緣層，而形成於基材上，特別在矽晶圓上。一個製作步驟牽涉沉積填料層在非平面的表面上，且平整化該填料層。對於特定應用，平整化填料層直到暴露圖案化層的頂部表面。舉例而言，導電填料層可沉積於圖案化絕緣層上，以填充絕緣層中的溝或孔。在平整化之後，維持於絕緣層之凸起圖案之間的導電層的部分形成貫孔、插頭及線路，以提供基材上薄膜電路之間的導電路徑。對於其他應用，例如氧化物研磨，平整化填料層直到在非平坦表面剩餘預定的厚度。此外，基材表面的平整化通常需要用於光蝕刻法。

化學機械研磨(CMP)係平整化的一個公認方法。此平整化方法典型地需要將基材架設在承載頭上。基材的暴露表面典型地抵靠旋轉中的研磨墊而放置。承載頭在基材上提供可控制的負載，以推擠基材抵靠研磨墊。諸如具有磨料粒子的漿料之研磨液係典型地供應至研磨墊的表面。

基材典型地藉由定位環固定於承載頭的下方。然而， 因為定位環接觸研磨墊，所以定位環傾向於被磨耗，且不定期地替換。

定位環可為昂貴的，且如上所述，當磨耗時定位環需要定期地替換。延長定位環的壽命之一種技術為在定位環及承載頭的底座之間插入墊片。此舉可移動定位環的底部表面至適當的位置中。事實上，可使用多重墊片以進一步延長定位環的壽命。墊片的材料成分可為重要的，以提供定位環與研磨墊之適當的機械互動。

在一個態樣中，一種承載頭，包括底座、基材架設表面、固定至底座的定位環及位於底座及定位環之間的複數個堆疊的墊片。定位環具有底部表面，該底部表面在研磨期間用於接觸研磨墊。

實施例可包括一或更多以下的特徵。複數個堆疊的墊片可包括第一墊片及第二墊片，且第一墊片可比第二墊片更厚。第一墊片可比第二墊片更靠近定位環。第一墊片之厚度可為大約90密耳，且第二墊片之厚度可為大約30密耳。複數個螺釘可將定位環固定至底座，且複數個螺釘可穿過複數個堆疊的墊片。複數個漿料傳送通道可形成於定位環的底部表面。定位環可包括第一材料的下部部分及第二材料的上部部分，下部部分具有底部表面，且上部部分比下部部分更堅硬。第一材料可為PPS 且第二材料可為不鏽鋼。墊片可為不鏽鋼。彈性薄膜的下部表面可提供基材架設表面，且彈性薄膜的邊緣部分可鉗夾於複數個堆疊的墊片之最上部墊片及底座之間。

在另一態樣中，一種使用定位環之方法包含以下步驟：將定位環固定至承載頭中的底座，而無須介於底座及定位環之間的墊片；以承載頭研磨第一複數個基材，而具有定位環之下部表面接觸研磨表面；在環之下部表面已經被磨耗第一定量之後，從承載頭移除定位環；以介於底座及定位環之間的第一墊片，將定位環重新固定至承載頭，以補償磨耗的第一定量；以承載頭研磨第二複數個基材；在環之下部表面已經被磨耗第二定量之後，從承載頭移除定位環；及以介於底座及定位環之間的第一墊片及第二墊片，將定位環重新固定至承載頭，以補償磨耗的第二定量。

實施例可包括一或更多以下特徵。第一定量可大於第二定量。第一墊片的厚度可大於第二墊片的厚度。第一墊片之厚度可為大約90密耳，且第二墊片之厚度可為大約30密耳。可以複數個螺釘將定位環固定至底座，該複數個螺釘穿過複數個堆疊的墊片。可傳送漿料通過複數個漿料傳送通道，該複數個漿料傳送通道形成於定位環的底部表面上。第一墊片可具有大約等於第一定量的第一厚度，且第二墊片可具有大約等於第二定量的第二厚度。

一或更多實施例的細節在以下的隨附圖式及說明中提 出。其他特徵、宗旨及優點將從說明及圖式，及從申請專利範圍而為顯而易見的。

在研磨操作期間，一或更多基材可藉由化學機械研磨(CMP)裝置研磨，該化學機械研磨裝置包括承載頭100。CMP裝置的說明可見於美國專利第5,738,574號中。

參照第1圖，範例簡化的承載頭100包括外殼102、提供用於基材的架設表面之彈性薄膜104、介於薄膜104及外殼102之間的可加壓腔室106及固定於外殼102邊緣附近的定位環110，該定位環110用以固持基材於薄膜104下方。可提供驅動桿120以旋轉及/或平移承載頭橫跨研磨墊。幫浦(未圖示)可透過外殼中的通路108而流體連接至腔室106，以控制腔室106中的壓力，且因此控制基材上彈性薄膜104的向下壓力。

定位環110可為大致環狀的環，而藉由例如螺釘或螺栓136(在第2A圖至第2B圖中僅圖示一個)固定於底座102的外部邊緣，該等螺釘或螺栓136延伸穿過底座102中對齊的通路而至定位環110的上部表面112中。在某些實施例中，驅動桿120可被升高及下降以控制在研磨墊上定位環110的底部表面114之壓力。或者，定位環110可相對於底座120移動且承載頭100可包括內部腔室，該內部腔室可被加壓以控制在定位環上的向下壓 力，例如，美國專利第6,183,354號或第7,575,504中的說明，此等專利案在此處併入作為參考。

定位環110的內部表面116與彈性薄膜104的下部表面連結，而界定基材容納凹槽。定位環110防止基材脫離基材容納凹槽。

定位環110的底部表面114可為實質上平的，或如第2A圖及第2B圖中所圖示，在某些實施例中定位環110的底部表面可具有複數個通道130，該複數個通道130從定位環的內部表面116延伸至外部表面118，以促進漿料從定位環的外側傳送至基材(在第2A圖及第2B圖的側視圖中僅圖示一個通道)。通道130可具有大約240密耳的起始深度D。

參照第2B圖，在某些實施例中，定位環110包括多重分區，該等分區包括具有底部表面114的環狀下部部分140及連接至底座104的環狀上部部分142，底部表面114可接觸研磨墊，且環狀上部部分142比環狀下部部分140更堅硬。環狀下部部分140可以黏著層144結合至環狀上部部分142。環狀下部部分140可為塑膠，例如，多酚硫化物(PPS)，而定位環110的環狀上部部分142係以堅硬材料形成，例如，不鏽鋼之類的金屬。環狀下部部分140可具有410密耳的厚度T1，且下部部分可具有340密耳的起始厚度T2。

參照第3圖，在定位環的一部分已經被磨耗之後，可放置第一環狀墊片160於定位環110及底座104之間， 以形成承載頭結構的部分，而具有螺釘136延伸穿過第一環狀墊片160中的孔洞。第一環狀墊片160的厚度可與定位環已經被磨耗的定量相同。墊片可為直角的圓柱形部件，且可具有與定位環的上部表面112相同的內徑及外徑。墊片可為相對堅硬的材料，例如，不鏽鋼。若定位環具有如第2B圖中所圖示的環狀下部部分140及環狀上部部分142，則墊片可為與環狀上部部分142相同的材料。

定位環可為高精密性部件，且一旦定位環已經被磨耗特定的定量(例如，40密耳)，則承載頭可能無法正常運作。舉例而言，定位環的下部表面114在研磨期間可能未以適當的壓力接觸研磨墊。然而，第一環狀墊片160增加介於底座104及定位環110的下部表面114之間的距離，以維持承載頭的正常運作。此舉准許使用者重新使用定位環110，而非購買新的定位環。可能需要更深的通道130，以容納增加使用的定位環。

在某些實施例中，第一環狀墊片160之厚度可為大約90密耳，且可在定位環已經被磨耗大約90密耳之後插入，例如，當環狀下部部分140具有大約250密耳的厚度T2且溝槽具有大約150密耳的深度D時插入。

整修程序可重複多次。在此情況下，可放置第二墊片162於定位環110及底座104之間。第二墊片162的厚度可與插入第一環狀墊片160之後定位環已經被磨耗之定量相同。第二墊片162可放置於第一環狀墊片160的 上方或下方。第二墊片162可比第一環狀墊片160更薄。第二墊片162可以與第一環狀墊片160相同的材料形成。

在某些實施例中，第二墊片162之厚度可為大約30密耳，且可在定位環已經被磨耗大約另外的30密耳之後插入，例如，當環狀下部部分140具有220密耳的厚度T2且溝槽具有大約120密耳的深度D時插入。可能以此定位環進行研磨，直到溝槽具有大約30密耳的深度且下部部分具有大約130密耳的厚度T2。

已經說明數個實施例。然而，應瞭解可作成各種修改。因此，其他實施例係在以下申請專利範圍的範疇之中。

100‧‧‧承載頭

102‧‧‧外殼/底座

104‧‧‧彈性薄膜/底座

106‧‧‧可加壓腔室

108‧‧‧通路

110‧‧‧定位環

112‧‧‧上部表面

114‧‧‧下部表面/底部表面

116‧‧‧內部表面

118‧‧‧外部表面

120‧‧‧驅動桿/底座

130‧‧‧通道

136‧‧‧螺釘或螺栓

140‧‧‧環狀下部部分

142‧‧‧環狀上部部分

144‧‧‧黏著層

160‧‧‧第一環狀墊片

162‧‧‧第二墊片

第1圖係化學機械研磨裝置的概要截面視圖。

第2A圖係定位環的側視圖。

第2B圖係定位環的另一實施例之側視圖。

第3圖係定位環及墊片的側視圖。

第4圖係定位環及多重墊片的側視圖。

在各個圖式中類似的元件符號表明類似的元件。

110‧‧‧定位環

114‧‧‧下部表面

130‧‧‧通道

136‧‧‧螺釘或螺栓

160‧‧‧第一環狀墊片

Claims (12)

1. 一種承載頭，包含：一底座；一基材架設表面；固定至該底座的一定位環，該定位環具有在研磨期間用於接觸一研磨墊的一底部表面及用於接觸該底座的一頂部表面，該頂部表面自該定位環的一內徑至該定位環的一外徑為實質平坦的；及複數個堆疊的墊片，該複數個堆疊的墊片位於該底座及該定位環之間，其中該複數個堆疊的墊片包括一第一墊片及一第二墊片，且該第一墊片比該第二墊片更厚，其中該複數個堆疊的墊片之每一墊片具有與該定位環相同的一內徑及外徑。
2. 如請求項第1項之承載頭，其中該第一墊片比該第二墊片更靠近該定位環。
3. 如請求項第1項之承載頭，其中該第一墊片之厚度係為90密耳(mils)，且該第二墊片之厚度係為30密耳。
4. 如請求項第1項之承載頭，進一步包含複數個螺釘，該複數個螺釘將該定位環固定至該底座，該複數個螺釘穿過該複數個堆疊的墊片。
5. 如請求項第1項之承載頭，進一步包含複數個漿料傳送通道(slurry-transport channel)，該複數個漿料傳送通道形成於該定位環的該底部表面上。
6. 如請求項第1項之承載頭，其中該定位環包含一第一材料的一下部部分及一第二材料的一上部部分，該下部部分具有該底部表面，且該上部部分比該下部部分更堅硬。
7. 如請求項第6項之承載頭，其中該第一材料係PPS，且該第二材料係不鏽鋼。
8. 如請求項第7項之承載頭，其中每一墊片係不鏽鋼。
9. 如請求項第6項之承載頭，其中該複數個堆疊的墊片之每一墊片係該第二材料。
10. 如請求項第1項之承載頭，進一步包含一彈性薄膜，該彈性薄膜的一下部表面提供該基材架設表面，且其中該彈性薄膜的一邊緣部分係鉗夾於該複數個堆疊的墊片之一最上部墊片及該底座之間。
11. 如請求項第1項之承載頭，其中該複數個堆疊的墊 片之每一墊片係直角的圓柱形部件。
12. 如請求項第1項之承載頭，其中該複數個堆疊的墊片之每一墊片係由相同材料形成。