TWI609454B - Cartridge ring for chemical polishing apparatus and carrier head containing same - Google Patents

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Description

化學研磨裝置用運載頭扣環及包含其之運載頭
本發明涉及化學研磨裝置用運載頭的扣環及包含該扣環的運載頭。
一般在襯底或矽晶片上連續蒸鍍導體、半導體或絕緣層來形成積體電路。在蒸鍍各層之後，各層通過蝕刻產生電路特性。隨著連續蒸鍍和蝕刻一系列層，襯底的外部或最上層表面即襯底的露出面逐漸被非平面化。如上非平面的外部面對於積體電路製造人員造成問題。若襯底的外部面不是平面，則位於其上的抗蝕劑層也不是平面。
一般來說，利用在抗蝕劑上聚焦光像的光刻裝置(photolithographic devices)對抗蝕劑層進行圖案化。若襯底的外部面過於凹凸不平，則外部面的最高點和最低點之間的最大高度差超過圖像裝置的焦距深度，從而不能在襯底外部面上適當聚焦光像。設計一種改善焦距深度的光刻裝置是相當昂貴的作業。另外，隨著用於積體電路的最小佈線寬度變小，需要使用更短的光波長，由此可利用的焦距深度進一步縮小。因此，為了提供實質性的平面層表面，需要週期性地對襯底表面進行平坦化。
化學機械式研磨(Chemical Mechanical Polishing，下面簡稱為CMP)是一種平坦化方法，上述化學機械式研磨中，欲平坦化的物件晶片(襯底)安裝在研磨頭上，上述襯底的研磨頭的安裝是通過在上述研磨頭的底面安裝的柔性薄膜和上述襯底的接觸來執行的。之後，通過與柔性薄膜接觸，安裝在研磨頭上的上述襯底與上述柔性薄膜接觸的一面的反面接觸到研磨墊上。此時，上述研磨頭朝向研磨墊按壓上述襯底，並且，上述研磨頭在襯底和研磨墊之間旋轉以產生追加移動。研磨劑及包含至少一個化學反應劑的研磨液分佈在研磨墊上，向研磨墊和襯底之間的介面提供研磨化 學溶液。這樣的CMP製程相當複雜，不同於單純的濕打磨法(wet sanding)。在CMP製程中，研磨液內的反應劑為了形成反應邊界而與襯底的外部面進行反應，通過具有反應場所的研磨墊和研磨粒子的相互作用形成研磨。
尤其是，CMP製程中，研磨速度、光整精度及扁平度由研磨墊及研磨液組合、襯底和研磨墊之間的相對速度以及向研磨墊按壓襯底的力量來決定。當扁平度及光整精度不充分時，襯底上產生缺陷，因此研磨墊和研磨液的組合根據必要的光整精度及扁平度來選擇。在這種條件下，根據研磨速度決定研磨裝置的最大作業處理量。研磨速度根據襯底向研磨墊壓接的力而不同。尤其是，這種力越大，研磨速度也變得越快。若運載頭受到不均衡的荷重，即，運載頭只在襯底的一個區域受到更大的力，則高壓區域比低壓區域更快地被研磨。因此，當荷重不均勻時，襯底也會被不均勻地研磨。此外，CMP製程的一個問題是，往往襯底的邊緣以不同於襯底中心的速度(一般來說更快，偶而更慢)被研磨。
稱作「邊緣效應(edge effect)」的問題在荷重對襯底均勻作用的情況下也發生。一般在襯底的周邊部，例如襯底的最外角5~10mm的位置產生邊緣效應，這樣的邊緣效應使得襯底整體的扁平度減小而減少生產量，不適合在積體電路內使用襯底的周邊部。
為瞭解決這些問題，韓國專利公開第10-2012-0012099號中揭露了以規定角度削掉與隔膜接觸的扣環的技術。但是，該技術存在如下問題：需要加工扣環自身，以及為了防止晶片脫離而縮小實質上受到最強力的扣環的接觸面積，從而發生負荷過大的問題。
因此，本發明所要解決的技術問題是提供一種新結構的扣環，該扣環將施加到扣環上的壓力不同地分散到與晶片外側面接觸的部分和不與外側面接觸的部分，以使得晶片邊緣效應減小。
為解決上述課題，本發明提供一種化學研磨裝置用運載頭的扣環，該化學研磨裝置用運載頭的扣環包括：與晶片的外側面接觸的第一扣環部件；與上述第一扣環部件的外側及上部接觸的第二扣環部件；以及壓力減 小機構，用於減小從上述第二扣環部件的上部傳遞到上述第一扣環部件的壓力。
本發明可通過將施加到扣環上的壓力不同地分散到與晶片外側面接觸的部分和不與外側面接觸的部分，以減小晶片邊緣效應。尤其是在不變更用於向扣環施加壓力的腔體的情況下，僅變更扣環結構即可減小晶片邊緣效應。
110‧‧‧扣環
110‧‧‧第一扣環部件
111‧‧‧第二扣環部件
112‧‧‧第一扣環部件
113‧‧‧彈性部件
114‧‧‧彈性層
10‧‧‧晶片
120‧‧‧晶片
120‧‧‧第二扣環部件
130‧‧‧研磨墊
130‧‧‧彈性部件
131‧‧‧局部區域
131‧‧‧第一彈性部
133‧‧‧第二彈性部
140‧‧‧密封部件
150‧‧‧緩衝區域
20‧‧‧研磨墊
22、24‧‧‧局部區域
P1‧‧‧最初壓力
P2‧‧‧第二扣環部件的壓力
P3‧‧‧第一扣環部件的壓力
P4‧‧‧第二扣環部件的研磨墊施加壓力
P5‧‧‧第二扣環部件的研磨墊施加壓力
P6‧‧‧第一扣環部件的研磨墊施加壓力
w‧‧‧寬度
第1圖是本發明一實施例的化學研磨裝置用運載頭的扣環的剖視圖；第2圖是用於說明本發明一實施例的化學研磨裝置用運載頭的扣環的壓力分佈的剖視圖；第3圖是包括本發明一實施例的扣環的運載頭的邊緣現象的圖；第4圖是本發明另一實施例的化學研磨裝置用運載頭的扣環的剖視圖；第5圖是用於說明本發明另一實施例的化學研磨裝置用運載頭的扣環的壓力分佈的剖視圖；第6圖是用於說明包括本發明另一實施例的扣環的運載頭的邊緣現象的圖；第7圖及第8圖是用於說明不採取將橡膠或彈簧作為彈性部件的方式，而代之以將其他的彈性層(例如，薄膜(film)或隔膜(membrane)，墊圈等)用於第一扣環部件的上部或內部的例子的圖；第9圖是從上方觀察本發明一實施例的化學研磨裝置用運載頭的扣環的立體圖；第10圖是從下方觀察第9圖的扣環的立體圖；第11圖是第9圖的扣環的立體分解圖；第12圖是沿第9圖的扣環的Ⅳ-Ⅳ線的剖視圖；第13圖是第12圖的V部分的放大圖；第14圖是本發明一實施例的化學研磨裝置用運載頭的扣環在研磨墊上位於晶片的邊緣區域上的狀態的圖； 第15圖是用於說明本發明一實施例的化學研磨裝置用運載頭的扣環的壓力分佈的剖視圖；以及第16圖是用於說明包含本發明一實施例的扣環的運載頭的邊緣現象的圖。
下面，參照附圖，對本發明進行說明。
在下面的說明中，為了明確對本發明的理解，省略對本發明的特徵的公知技術的說明。下面的實施例是用於幫助對本發明的理解的詳細說明，當然並不以此限制本發明的權利範圍。因此，具有與本發明相同功能的均等發明也應包括在本發明的權利範圍內。
為解決上述的問題，本發明將由運載頭受到壓力的扣環的壓力分佈分為與晶片的外側面接觸的內側和不接觸的外側，使內側的壓力比外側低來解決晶片邊緣問題。
在本發明的一實施例中，在同一扣環上，由不同構造構成的彈性導致內外側的壓力分佈(這表示實際對研磨墊施壓的壓力)變得不同；下面，利用附圖對本發明一實施例的化學研磨裝置用運載頭的扣環進行說明。
第1圖是本發明一實施例的化學研磨裝置用運載頭的扣環的剖視圖。
參照第1圖，本發明一實施例的扣環110包括：直接接觸晶片120的外側面的部分(以下，稱作第一扣環部件112)、同時接觸第一扣環部件112的外側和上部的第二扣環部件111。為了防止晶片脫離，從運載頭向下方施加的壓力從第二扣環部件111傳遞到第一扣環。此時，與第二扣環部件111相比，在第一扣環部件112壓力減小更多。在本發明的一實施例中，採用第一扣環部件112和第二扣環部件111之間的彈性差作為壓力減小機構。
即，在本發明的一實施例中，由彈性比第二扣環部件111大的第一扣環部件112提供從第二扣環部件112的上部向第一扣環部件傳遞的壓力減小的技術結構。
第2圖是用於說明本發明一實施例的化學研磨裝置用運載頭 的扣環的壓力分佈的剖視圖。
參照第2圖，從運載頭(未圖示)的上部通過空氣等，向下方施加壓力P1。上述扣環的施壓可通過多種結構和方法來實現，本發明的範圍不限定於特定運載頭的加壓結構。上述壓力通過第二扣環部件111向下方的第一扣環部件112傳遞，由此第二扣環部件111和第一扣環部件112被壓向下方。此時，與第二扣環部件111相比，第一扣環部件112的彈性變得更大，因此，由於彈性部件的反彈力等，第一扣環部件112的下側壓力P3變得小於最初壓力P1。進一步地，第一扣環部件112的壓力P3變得比具有低彈性的第二扣環部件的壓力P2更低。
因此，可如下整理第2圖中的壓力分佈。
P2>P3
如上所述，這種壓力減小在受到同一壓力的同一扣環，其內側區域(與晶片外側面之間的接觸區域)的壓力形成得更低，從而能夠防止旋轉研磨時晶片的滑動，且能夠防止晶片的過度邊緣研磨。
第3圖是用於說明包含本發明一實施例的扣環的運載頭的邊緣現象的圖。
參照第3圖，由於被施加更高壓力的第二扣環部件111，研磨墊20的局部區域21反彈，但上述反彈的局部區域21不是形成在晶片10的邊緣區域，而是形成在更高彈性的第一扣環部件112上。結果，能夠有效防止晶片邊緣部分之研磨墊反彈所導致的過度研磨問題。並且，由於反彈的研磨墊還具有使第一扣環部件112的晶片固定效果進一步提高的優點。
本發明的另一實施例採取不同於調節扣環本身彈性的方式，其係採用在第一扣環部件上具備如橡膠那樣的彈性部件來調節壓力的方式。此時，第一扣環部件可以具備與第二扣環部件相同的彈性。
第4圖是本發明另一實施例的化學研磨裝置用運載頭的扣環的剖視圖。
參照第4圖，本發明另一實施例的扣環包括：直接接觸晶片10的外側面的第一扣環部件112、以及不直接接觸晶片的第二扣環部件111。但是，不同於提高第一扣環部件本身彈性的上述結構，在本實施例中，將其他彈性部件113設置於第一扣環部件112和第二扣環部件111之間， 即，第一扣環部件112上部或內側。
在本發明中，彈性部件113包括具有比第一扣環部件112或第二扣環部件111更高的彈性的任意物質，這些都屬於本發明的範圍。此外，彈性部件113的至少一種以上設在第一扣環部件112上部及/或側面，較佳使用多個以便形成均勻的壓力分佈。
第5圖是用於說明本發明另一實施例的化學研磨裝置用運載頭的扣環的壓力分佈的剖視圖。
參照第5圖，因為如橡膠那樣的彈性部件113，第一扣環部件112的研磨墊施加壓力P6減小，結果，第一扣環部件112的研磨墊施加壓力P6變得小於第二扣環部件112的研磨墊施加壓力P5。
第6圖是用於說明包含本發明另一實施例的扣環的運載頭的邊緣現象的圖。
參照第6圖，通過將彈性部件113作為減小由第二扣環部件111的上部傳遞到第一扣環部件112的壓力的壓力減小機構，能夠有效防止如第3圖中所示在晶片邊緣部分的研磨墊反彈所造成的過度研磨問題。並且，由於反彈的研磨墊，還使其具有第一扣環部件112的晶片固定效果進一步得到提高的優點。
第7圖及第8圖是用於說明不採取將橡膠或彈簧作為彈性部件的方式，而代之以將其他的彈性層(例如，薄膜(film)或隔膜(membrane)，墊圈等)用於第一扣環部件112的上部或內部的例子的圖。
參照第7圖及第8圖，其揭露了如下的技術結構：將由具有比第一扣環部件112更高的彈性的任意物質構成的彈性層114用於第一扣環部件112的上部或內側，從而僅在第一扣環部件112減小向下施加的壓力。
下面說明本發明上述扣環的具體實施例。
第9圖是從上方觀察本發明一實施例的化學研磨裝置用運載頭的扣環的立體圖；第10圖是從下方觀察第9圖的扣環的立體圖；第11圖是第9圖的扣環的立體分解圖；第12圖是沿第9圖的扣環的Ⅳ-Ⅳ線的剖視圖；第13圖是對第12圖的V部分的放大圖。
參照第9圖至第11圖，本發明一實施例的扣環100包括：直接接觸晶片10的外側面的部分(以下，稱作第二扣環部件120)、同時接觸第二扣環部件120的外側和上部側的第一扣環部件110、配置在第一扣環部件 110和第二扣環部件120之間，即第二扣環部件120上部或內側的彈性部件130、配置到第一扣環部件110和第二扣環部件120的之間的密封部件140、以及形成在鄰接第二扣環部件120的第一扣環部件110的下端的緩衝區域150。
彈性部件130包括彈性高於第一扣環部件110或第二扣環部件120的任意物質，這些仍屬於本發明。此外，彈性部件130的至少一個以上設在第二扣環部件120的上部及/或側面，較佳使用多個以便形成均勻的壓力分佈。
彈性部件130的具體結構如下。彈性部件130包括：第一彈性部131，配置成直接接觸第二扣環部件120的上面；以及第二彈性部133，配置在第一彈性部131的上面，具有小於第一彈性部131的寬度。即，彈性部件130的整體介面形狀可以是「」。在此，第二彈性部133可以是嵌入形成於第一扣環部件110上的凹槽中的結構。但是，與此不同，也可以是直線形態或塊狀等，只要是配置在第二扣環部件120上部或內側且彈性高於第二扣環部件120，則其均屬於本發明的範圍內。
此外，雖然沒有圖示，但是第一扣環部件110可通過第二扣環部件120的結合機械機構(例如銷或突出部)結合而機械聯動旋轉。
密封部件140配置在第一扣環部件110的內側和第二扣環部件120的外側之間，具體來說，可以是嵌入固定到形成於第一扣環部件110的內側面的密封凹槽上的結構。通過上述結合構造，能夠預防在晶片的研磨過程中發生的研磨液等在第一扣環部件110的內側和第二扣環部件120之間的微細空間流動的情形。在該圖中，設定成密封部件140從緩衝區域150與彈性部件130分開的形態，但是可以與緩衝區域150或彈性部件130相鄰，此外，其表現為密封部件140位於緩衝區域150和彈性部件130之間。
緩衝區域150是形成在第一扣環部件110的內側下端的環形空心空間，與第二扣環部件120的外側面下端相鄰。通過上述結構，藉由第一扣環部件110的上部施加的壓力經緩衝區域150緩衝之後，傳遞到第二扣環部件120。
為了防止本發明晶片10脫離，使得從運載頭向下方施加的壓力從第一扣環部件110傳遞到第二扣環120。此時，被傳遞的壓力在第一扣環部件110減小的量大於在第二扣環部件120減小的量，其利用了第一扣環 部件110和第二扣環部件120之間的彈性差以作為壓力減小機構。
即，在本發明中，將彈性高於第一扣環部件110的彈性部件設在第二扣環部件120，以提供減小傳遞到第二扣環部件120的壓力的技術結構。
第15圖是用於說明本發明一實施例的化學研磨裝置用運載頭的扣環的壓力分佈的剖視圖。
參照第15圖，從運載頭(未圖示)的上部通過空氣等向下方施加壓力P1。上述扣環的施壓可通過多種結構和方法來實現，本發明的範圍不限定於特定運載頭的施壓結構。
來自上述上部的壓力經過第一扣環部件110直接傳遞到下方的研磨墊20上，或者經過第一扣環部件110、彈性部件130及第二扣環部件120傳遞到研磨墊20上，由此第二扣環部件120與第一扣環部件110向下方施加壓力。
在此，通過如橡膠等彈性部件130，第二扣環部件120的研磨墊施加壓力P4減小，結果，第二扣環部件120的研磨墊施加壓力P4變得小於第一扣環部件110的研磨墊施加壓力P2。
此外，根據上述緩衝區域的寬度w，可有效控制施壓造成的研磨墊反彈分佈。例如，當寬度w大時，最大研磨墊反彈地點可設定在上述緩衝區域的寬度w以內。
第16圖是用於說明包含本發明一實施例的扣環的運載頭的邊緣現象的圖。
參照第16圖，通過被施壓到更高壓力的第一扣環部件110，研磨墊20的局部區域(22，24)反彈，但是上述反彈的局部區域(22，24)不是形成在晶片10的邊緣區域，而是形成在緩衝區域150及/或第二扣環部件120的下部側。在此，配置在反彈區域22的外側的緩衝區域150具有用於減小因傳遞到第一扣環部件的下部側的壓力P2傳遞到反彈區域22的影響的功能，由此，防止在第二扣環部件120的下部形成過度反彈。
結果，能夠有效防止晶片邊緣部分的研磨墊反彈所造成的過度研磨問題。並且，通過反彈的研磨墊，具有使第二扣環部件120的晶片固定效果進一步提高的優點。
即，通過把彈性部件130作為用於減小從第一扣環部件110的 上部傳遞到第二扣環部件120的壓力的壓力減小機構，能夠有效防止晶片的邊緣部分的研磨墊反彈造成的過度研磨問題。並且，通過反彈的研磨墊具有使第二扣環部件120的晶片固定效果進一步提高的優點。
如上所述，限於上述一實施例說明本發明，但是並不以此限定本發明，其可在不脫離本發明的範疇和思想的範圍內通過多種方式實施。
本發明涉及化學研磨裝置用運載頭的扣環及包含該扣環的運載頭，也可在產業上利用。
111‧‧‧第二扣環部件
112‧‧‧第一扣環部件
P1‧‧‧最初壓力
P2‧‧‧第二扣環部件的壓力
P3‧‧‧第一扣環部件的壓力

Claims (12)

  1. 一種化學研磨裝置用運載頭扣環，包括：第一扣環部件，與一晶片的外側面接觸；第二扣環部件與所述第一扣環部件的外側及上部接觸；以及壓力減小機構，用於減小從所述第二扣環部件的上部傳遞到所述第一扣環部件的壓力，其中，所述壓力減小機構是設置在所述第一扣環部件和所述第二扣環部件之間的彈性部件，所述第一扣環部件的彈力等於或大於所述第二扣環部件的彈力，所述壓力減小機構的彈力大於所述第一扣環部件及所述第二扣環部件的彈力，由此，所述運載頭扣環將從其上部受到的一個壓力分離傳遞到配置在下部的研磨墊上。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的化學研磨裝置用運載頭扣環，其中，所述壓力減小機構的彈力大於所述第一扣環部件及所述第二扣環部件的彈力。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述的化學研磨裝置用運載頭扣環，其中，所述壓力減小機構是以嵌入狀態設在所述第一扣環部件和所述第二扣環部件之間的彈性部件。
  4. 根據申請專利範圍第3項所述的化學研磨裝置用運載頭扣環，其中，所述彈性部件包括橡膠或彈簧。
  5. 根據申請專利範圍第3項所述的化學研磨裝置用運載頭扣環，其中，在所述第一扣環部件的上部至少設置一個以上的所述彈性部件。
  6. 根據申請專利範圍第3項所述的化學研磨裝置用運載頭扣環，其中，所述彈性部件是設在所述第一扣環部件的上部或內部的彈性層。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述的化學研磨裝置用運載頭扣環，其中，所述化學研磨裝置用運載頭扣環還包括配置在所述第二扣環部件和所述第一扣環部件的之間的密封部件。
  8. 根據申請專利範圍第7項所述的化學研磨裝置用運載頭扣環，其中，所述密封部件配置在所述彈性部件和緩衝區域之間。
  9. 根據申請專利範圍第1項所述的化學研磨裝置用運載頭扣環，其中，所述彈性部件包括：第一彈性部，直接接觸所述第一扣環部件的上面；以及第二彈性部，配置在所述第一彈性部的上面且寬度小於所述第一彈性部。
  10. 根據申請專利範圍第1項所述的化學研磨裝置用運載頭扣環，其中，在所述第一扣環部件的上部至少具備一個以上的所述彈性部件。
  11. 根據申請專利範圍第1項所述的化學研磨裝置用運載頭扣環，其中，所述彈性部件是設在所述第一扣環部件的上部或內部的彈性層。
  12. 一種化學研磨裝置用研磨頭，其包含申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述的化學研磨裝置用運載頭扣環。
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