TWI617393B - 用於ｃｍｐ硏磨頭的基板進動機制 - Google Patents

用於ｃｍｐ硏磨頭的基板進動機制 Download PDF

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陳志宏
丹達維特果譚沙杉克
古魯薩米傑
徐主強
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應用材料股份有限公司
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    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
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Abstract

提供一種用於承載頭之基板進動設備。該設備賦能基板進動，該基板進動係在基板之研磨期間基板相對於承載頭之旋轉運動。承載頭與固定環組件可解耦且獨立於彼此移動以在CMP製程期間促進基板進動。

Description

用於CMP研磨頭的基板進動機制
本文所述之實施例大體係關於一種化學機械研磨承載頭。更特定言之，本文所述之實施例係關於一種用於承載研磨頭之基板進動機制。
通常藉由在矽基板上順序沉積導電層、半導電層或絕緣層將積體電路形成在基板上。一個製造步驟涉及以下步驟：將填料層沉積在不平坦表面上，且平坦化填料層直到曝露不平坦表面為止。舉例而言，可將導電填料層沉積在經圖案化絕緣層上以填充絕緣層中之溝槽或孔洞。隨後研磨填料層直到曝露絕緣層之凸起圖案為止。在平坦化之後，餘留在絕緣層之凸起圖案之間的導電層之部分形成在基板上之薄膜電路之間提供導電通路之通孔、插塞及線。另外，需要平坦化以平坦化基板表面用於光微影。
化學機械研磨(CMP)係一種被接受的平坦化方法。此平坦化方法通常要求將基板安裝在CMP設備之承載頭或研磨頭上。置放基板之曝露表面為抵靠旋轉研磨盤墊或帶墊。 拋光墊可為標準墊或固定磨料墊。標準墊可具有耐用粗糙化表面，而固定磨料墊可具有保持在包容介質中之磨料粒子。承載頭在基板上提供可控制負載以推動基板抵靠拋光墊。承載頭可具有在研磨期間將基板固持在適當位置之固定環。可在研磨期間將包括至少一種化學反應劑及磨料粒子之研磨液體(諸如，漿液)供應至拋光墊之表面。
維持基板之均勻移除輪廓係CMP製程之重要態樣。可能希望在極性方向及徑向方向上維持橫跨基板之表面之相對均勻輪廓。因而，採用降低平坦化輪廓之局部不均勻性之方法可為重要的。
本文所述之實施例大體係關於一種用於CMP承載頭之基板進動機制。提供一種用於CMP承載頭之基板進動設備。該設備賦能基板進動，該基板進動係在基板之研磨期間基板相對於承載頭之旋轉運動。承載頭與固定環組件可解耦，允許承載頭與固定環組件獨立於彼此移動以在CMP製程期間促進基板進動。
在一個實施例中，提供一種用於研磨基板之設備。該設備包含頭組件，以及固定環組件。固定環組件包含內齒輪及設置在頭組件與固定環組件之間的軸承。軸承適於使固定環組件與頭組件解耦。亦提供適於使固定環組件相對於頭組件旋轉之驅動組件。
在另一實施例中，提供一種用於研磨頭之固定環組件。該固定環組件包含具有環形上部及環形下部之固定環及 耦接至環形上部之承載環。該固定環組件進一步包含耦接至承載環之軸承夾持器以及耦接至軸承夾持器之內齒輪，該軸承夾持器適於收納軸承。
在又一實施例中，提供一種操作研磨設備之方法。該方法包含以下步驟：提供研磨頭組件及固定環組件。固定環組件與研磨頭組件解耦。該方法亦提供以下步驟：以第一速度旋轉研磨頭及以大於第一速度之第二速度旋轉固定環組件。
100‧‧‧習知承載頭/承載頭
102‧‧‧頭組件
104‧‧‧固定環組件
106‧‧‧外殼
110‧‧‧軸承夾持器
112‧‧‧內齒輪
120‧‧‧固定環
130‧‧‧軸承
140‧‧‧承載環
201‧‧‧基板
208‧‧‧承載主體
213‧‧‧緊固件
214‧‧‧齒
216‧‧‧上部
218‧‧‧軸承收納區域
222‧‧‧上環
224‧‧‧下環
226‧‧‧基板保持表面
228‧‧‧內表面
232‧‧‧第一環形表面
234‧‧‧第二環形表面
236‧‧‧球軸承
242‧‧‧環形下部
244‧‧‧環形上部
250‧‧‧可撓膜
256‧‧‧托架
258‧‧‧蓋環
259‧‧‧頂表面
260‧‧‧致動器
261‧‧‧轉軸
262‧‧‧蝸桿驅動件
264‧‧‧蝸輪
265‧‧‧第一端
266‧‧‧驅動軸
267‧‧‧第二端
268‧‧‧正齒輪
269‧‧‧區域
270‧‧‧軸編碼器
272‧‧‧輸送線
274‧‧‧壓力源
280‧‧‧外殼組件
282‧‧‧側壁
284‧‧‧軸承
286‧‧‧底部
290‧‧‧驅動組件
292‧‧‧傳動件
306‧‧‧旋轉方向
308‧‧‧旋轉
為了可以詳細理解本發明之上述特徵結構，可參照實施例對簡要概述於上之本發明進行更加詳細的描述，該等實施例中之一些實施例圖示於隨附圖式中。然而應注意的是，隨附圖式僅圖示本發明之典型實施例且因此不被視為限制本發明之範疇，因為本發明可允許其他等效實施例。
第1圖係具有經解耦固定環組件之承載頭的部分剖視圖。
第2圖係第1圖之承載頭之局部透視圖。
第3圖係固定環組件及基板之示意性仰視圖。
為了促進理解，在可能的地方使用相同的元件符號指示諸圖所共有之相同元件。可以預期，一個實施例之元件及特徵結構可有利地併入其他實施例而無需進一步詳述。
本文所述之實施例大體係關於一種用於CMP承載頭之基板進動機制。提供一種用於承載頭之基板進動設備。 該設備賦能基板進動，該基板進動係在基板之研磨期間基板相對於承載頭之旋轉運動。承載頭與固定環組件可解耦且獨立於彼此移動以在CMP製程期間促進基板進動。
一般而言，可將變化壓力施加至膜構件之各個徑向區以產生可將基板夾持至CMP頭之背面壓力。可使壓力橫跨區域變化以在每一徑向區中提供預定移除輪廓。然而，調整徑向區中之壓力不完全調整極性方向上之不均勻性。膜構件之不均勻性可致使基板中之不均勻移除輪廓。因而，在研磨製程中提供「極性不對稱」可移除或降低移除輪廓中之局部不均勻性之影響。
本文所述之實施例大體係關於研磨300mm基板而提供。然而，本文所述之實施例可適於研磨其他大小之基板(諸如，100mm或450mm基板)。可適於受益於本文所述之實施例之CMP頭係可為購自加州聖克拉拉市之應用材料公司(Applied Materials,Inc.)之TITAN HEADTM或TITAN CONTOUR。然而，可以預期，可購自其他製造商之承載頭可適於採用本文所述之實施例。
第1圖係習知承載頭100之部分剖視圖。承載頭100包括外殼106、頭組件102及固定環組件104。外殼106大體可為圓形之形狀且可連接至驅動軸(未圖示)以在研磨期間經由該驅動軸旋轉。可存在延伸穿過外殼106用於承載頭100之氣動控制之通道(未圖示)。承載頭100亦包括固定環組件104，該固定環組件104包括固定環120、承載環140、軸承夾持器110及內齒輪112。軸承130可使頭組件102與固定 環組件104解耦。
第2圖係第1圖之具有頭組件102及經解耦固定環組件104之承載頭100之局部透視圖。頭組件102可包含外殼106，該外殼106大體可為圓形之形狀且可連接至驅動軸(未圖示)以在研磨期間經由該驅動軸旋轉。可存在延伸穿過外殼106用於承載頭100之氣動控制之通道(未圖示)。承載主體208可撓性耦接至外殼106且與外殼106共旋轉。承載主體208亦可耦接至可撓膜250，該可撓膜250可適於在CMP製程期間夾持基板201。可撓膜250可界定用於夾持基板201之複數個可加壓腔室。
如先前所述，固定環組件104可包含固定環組件120、承載環140、軸承夾持器110及內齒輪112。承載環140可為大體環狀結構。承載環140可具有環形上部244及環形下部242。環形上部244可設置成毗鄰於軸承夾持器110且在軸承夾持器110下方。環形下部242可設置成毗鄰固定環120且在固定環120上方。承載環140可具有穿過該承載環140設置之凹穴或孔洞以容納緊固設備(諸如，螺釘或螺栓(未圖示))以耦接軸承夾持器110、承載環140及固定環120。
固定環120可由兩個環(下環224及上環222)形成。下環224與上環222可耦接在一起。當下環224與上環222結合時，兩個環在其毗鄰表面上之內徑及外徑處具有大體相同尺寸，使得下環224與上環222在其結合處形成齊平表面。
在經配置用於300mm基板之實施例中，基板201 可具有約11.811吋之外徑。在一個實施例中，下環224之內徑可在約11.830吋與約11.870吋之間，諸如11.852吋。在此實施例中，基板201外徑與下環224內徑之間的齒輪比可為約0.99654。在另一實施例中，下環224之內徑可在約11.890吋與約11.950吋之間，諸如約11.912吋。在此實施例中，基板201外徑與下環224內徑之間的齒輪比可為約0.99152。
在某些實施例中，下環224與上環222可藉由接合材料(未圖示)在其毗鄰表面附接。下環224與上環222之間的界面可防止將漿液材料截獲在固定環120中。接合材料可為黏接材料，諸如緩慢固化或快速固化環氧樹脂。高溫環氧樹脂可阻止在CMP製程期間接合材料由於高溫而退化。在某些實施例中，環氧樹脂包括聚醯胺及脂肪胺。
上環222可具有可適於與可撓膜250耦接且提供支撐給可撓膜250之內表面228。上環222可由與下環224相比剛性更高之材料(諸如，例如不銹鋼、鉬、鋁之金屬，陶瓷材料，或其他示例性材料)形成。
下環224可設置成毗鄰上環222且在該上環222下方。下環224可具有可適於在CMP製程期間保持基板201之基板保持表面226。下環224可由在CMP製程中具有化學惰性之材料(諸如，塑膠，例如，聚苯硫(PPS))形成。下環224亦可適於提供耐久性及低磨損率。下環224可為可足夠壓縮的，使得基板201邊緣抵靠下環224之接觸不致使基板201碎裂或破裂。然而，下環224不應如此有彈性以致固定環120上之向下壓力致使在CMP製程期間擠出下環224。
軸承夾持器110可為大體環狀的。軸承夾持器110可設置成毗鄰承載環140之環形上部244且在該環形上部244上方。軸承夾持器110可藉由緊固件213(諸如，螺釘或螺栓)耦接至承載環140。軸承夾持器110可由諸如金屬(例如，不銹鋼、鉬、鋁)、陶瓷材料或其他示例性材料之材料形成。軸承夾持器110之上部216可為內齒輪112提供支撐。軸承夾持器110可包含可與內齒輪112之複數個孔洞(未圖示)對準之複數個孔洞(未圖示)。軸承收納區域218可適於收納軸承130。
軸承130可耦接在軸承夾持器110與承載主體208之間。軸承130可包含可耦接至軸承夾持器110之軸承收納區域218且設置成毗鄰該軸承收納區域218之第一環形表面232。第二環形表面234可耦接至承載主體208且設置成毗鄰該承載主體208。複數個球軸承236可設置在第一環形表面232與第二環形表面234之間且可適於使頭組件102與固定環組件104解耦。軸承130可提供額外旋轉自由度給承載頭100。額外旋轉自由度允許固定環組件104獨立於頭組件102旋轉。
內齒輪112可為大體環狀的。內齒輪112可由諸如金屬(例如，不銹鋼、鉬、鋁)、陶瓷材料或其他示例性材料之材料形成。內齒輪112可設置成毗鄰軸承夾持器110之上部216且與該上部216耦接。複數個孔洞(未圖示)可設置成穿過內齒輪112且適於收納緊固件(未圖示)，該緊固件可適於將內齒輪112固定至軸承夾持器110。複數個齒214 可包含內齒輪112之內表面。
在某些實施例中，驅動組件290可經配置以提供獨立於頭組件102之旋轉之旋轉運動給固定環組件104。驅動組件290包括蓋環258、托架256、致動器260、轉軸261及蝸桿驅動件262。驅動組件290致動可致使固定環組件104相對於頭組件102旋轉之傳動件292。
蓋環258可設置成毗鄰承載主體208之一部分且在該部分上方。蓋環258可耦接至承載主體208，使得蓋環258以及耦接至該蓋環258之元件以與頭組件102相同的旋轉方式移動。托架256可設置在蓋環258之頂表面259上方且耦接至該頂表面259。托架256可適於將致動器260支撐在固定位置中。致動器260(諸如，氣動馬達)可經由輸送線272耦接至壓力源274。壓力源274可適於經由輸送線272提供壓縮氣體或流體給致動器260。轉軸261自致動器260延伸且蝸桿驅動件262可耦接至轉軸261。致動器260大體施加旋轉運動給轉軸261且致使蝸桿驅動件262旋轉。
可由蝸桿驅動件262致動傳動件292。傳動件292包含蝸輪264、正齒輪268、驅動軸266及軸編碼器270。蝸輪264可設置成圍繞驅動軸266之第一端265。蝸輪264可耦接至蝸桿驅動件262且適於將蝸桿驅動件262之旋轉運動轉移至驅動軸266。正齒輪268可設置成圍繞在與內齒輪112之齒214大體上平行之區域269處之蝸輪264下方的驅動軸266。正齒輪268可將驅動軸266之旋轉運動轉移至內齒輪112。因此，固定環組件104可獨立於頭組件102之旋轉而旋 轉。
軸編碼器270可設置在驅動軸266上之正齒輪268下方。軸編碼器270(諸如，機電裝置)可將驅動軸266之旋轉運動轉換成類比或數位碼。軸編碼器270可耦接至控制器(未圖示)，該控制器可耦接至致動器260。控制器可適於控制固定環104相對於頭組件102旋轉之旋轉速度。
外殼組件280可設置在承載主體208之一部分中且可適於收納驅動軸266。外殼組件280可具有底部286及複數個側壁282。驅動軸266之第二端267可設置在外殼組件280內。複數個軸承284亦可設置在外殼組件280內。複數個軸承284可設置在外殼組件280之側壁282與驅動軸266之間。複數個軸承284可使驅動軸266耦接至外殼組件280且允許驅動軸266相對於外殼組件280之旋轉運動。
在某些實施例中，可以大於可旋轉頭組件102之旋轉速度之一速度驅動固定環組件104。舉例而言，在60秒CMP研磨製程期間，可以達到約60rpm至約120rpm之一速度旋轉頭組件102。在此實例中，固定環組件104之旋轉速度可大於可促使基板進動之研磨頭之旋轉速度。可設想固定環組件104可在相對於頭組件102之旋轉方向之相同的相反方向上旋轉。此外，基板進動可受研磨基板201所抵靠之拋光墊之旋轉方向影響。
第3圖係固定環組件104及基板201之示意性仰視圖。固定環組件104之內徑可大於基板201之外徑。固定環組件104之旋轉方向306促使基板201在一方向上相對於頭 組件(未圖示)(諸如，頭組件102(參見第2圖))旋轉308。基板201相對於頭組件之旋轉308可定義為先前論述之基板進動。
如先前所述，基板進動係由基板201經歷之相對於頭組件102上之膜250之旋轉或滑動程度。吾人相信促使基板進動可在給定研磨時間內「平均而消除(average out)」基板移除輪廓中之任何可能的局部不均勻性。吾人相信由基板進動產生之極性不對稱導致關於膜250或拋光墊中之局部不均勻性的平均化效果。局部不均勻性可導致不平坦移除輪廓且因此降低局部不均勻性之影響可非常有利。
吾人亦相信可由基板201外徑與固定環組件104內徑之間的關係規定基板進動。可按照齒輪比描述基板201外徑與固定環組件104內徑之間的關係。固定環組件104內徑與基板201外徑之間的較小齒輪比將導致基板進動增加。
吾人進一步相信以大於頭組件102之速度的速度驅動固定環組件104可進一步促使基板進動。在一個實施例中，約60rpm之頭組件102旋轉速度結合約11.852吋之固定環組件104內徑可提供約90°之基板進動。在另一實施例中，約90rpm之頭組件102旋轉速度結合約11.852吋之固定環組件104內徑可提供約135°之基板進動。在另一實施例中，約120rpm之頭組件102旋轉速度結合約11.852吋之固定環組件104內徑可提供約100°°之基板進動。上述實施例之齒輪比可為約0.99654。在上述實施例中，固定環組件104可以大於頭組件102之旋轉速度之旋轉速度共旋轉或反旋轉。
在一個實施例中，約60rpm之頭組件102旋轉速度結合約11.912吋之固定環組件104內徑可提供約180°之基板進動。在另一實施例中，約90rpm頭組件102旋轉速度結合約11.912吋之固定環組件104內徑可提供約270°之基板進動。在另一實施例中，約120rpm之頭組件102旋轉速度結合約11.912吋之固定環組件104內徑可提供約360°之基板進動。上述實施例之齒輪比可為約0.99152。在上述實施例中，固定環組件104可以大於頭組件102之旋轉速度之旋轉速度共旋轉或反旋轉。
儘管上文針對本發明之實施例，但可在不脫離本發明之基本範疇的情況下設計本發明之其他實施例與進一步實施例，且本發明之範疇由以下申請專利範圍決定。
100‧‧‧習知承載頭/承載頭
102‧‧‧頭組件
104‧‧‧固定環組件
106‧‧‧外殼
110‧‧‧軸承夾持器
112‧‧‧內齒輪
120‧‧‧固定環
130‧‧‧軸承
140‧‧‧承載環
201‧‧‧基板
208‧‧‧承載主體
213‧‧‧緊固件
214‧‧‧齒
216‧‧‧上部
218‧‧‧軸承收納區域
222‧‧‧上環
224‧‧‧下環
226‧‧‧基板保持表面
228‧‧‧內表面
232‧‧‧第一環形表面
234‧‧‧第二環形表面
236‧‧‧球軸承
242‧‧‧環形下部
244‧‧‧環形上部
250‧‧‧可撓膜
256‧‧‧托架
258‧‧‧蓋環
259‧‧‧頂表面
260‧‧‧致動器
261‧‧‧轉軸
262‧‧‧蝸桿驅動件
264‧‧‧蝸輪
265‧‧‧第一端
266‧‧‧驅動軸
267‧‧‧第二端
268‧‧‧正齒輪
269‧‧‧區域
270‧‧‧軸編碼器
272‧‧‧輸送線
274‧‧‧壓力源
280‧‧‧外殼組件
282‧‧‧側壁
284‧‧‧軸承
286‧‧‧底部
290‧‧‧驅動組件
292‧‧‧傳動件

Claims (17)

  1. 一種用於研磨一基板之設備，該設備包含：一頭組件；一固定環組件，該固定環組件包含：一內齒輪；及一軸承，該軸承設置在該頭組件與該固定環組件之間，其中該軸承適於使該固定環組件與該頭組件解耦；一傳動件，該傳動件耦接至該內齒輪且包含一第一齒輪、一第二齒輪、一軸編碼器、及一驅動軸；及一驅動組件，該驅動組件耦接至該傳動件且適於使該固定環組件相對於該頭組件旋轉。
  2. 如請求項1所述之設備，其中該頭組件進一步包含：一外殼；一承載主體；及一可撓膜。
  3. 如請求項1所述之設備，其中該頭組件進一步包含耦接至該驅動組件之一蓋板。
  4. 如請求項1所述之設備，其中該第一齒輪可旋轉地耦接至該驅動組件。
  5. 如請求項1所述之設備，其中該第二齒輪可旋轉地耦接至該內齒輪。
  6. 如請求項1所述之設備，其中該第一齒輪及該第二齒輪耦接至該驅動軸。
  7. 如請求項1所述之設備，其中該內齒輪包含複數個齒。
  8. 如請求項1所述之設備，其中該固定環組件之一內徑係在約11.830吋與約11.870吋之間。
  9. 如請求項1所述之設備，其中該固定環組件之一內徑係在約11.890吋與約11.950吋之間。
  10. 一種用於研磨一基板之設備，該設備包含：一頭組件；一固定環組件，該固定環組件包含：一內齒輪；及一軸承，該軸承設置在該頭組件與該固定環組件之間，其中該軸承適於使該固定環組件與該頭組件解耦；及一驅動組件，該驅動組件適於使該固定環組件相對於該頭組件旋轉且包含：一致動器；一轉軸，該轉軸耦接至該致動器；及 一蝸桿驅動件，該蝸桿驅動件耦接至該轉軸。
  11. 如請求項10所述之設備，其中該致動器係一氣動馬達。
  12. 一種操作一研磨設備之方法，該方法包含以下步驟：提供一研磨頭組件、具有一內齒輪的一固定環組件、及耦接至該內齒輪的一傳動件，其中該固定環組件與該研磨頭組件解耦，及其中該傳動件包含一第一齒輪、一第二齒輪、一軸編碼器、及一驅動軸；以一第一速度旋轉該研磨頭組件；及利用該傳動件，以大於該第一速度之一第二速度旋轉該固定環組件。
  13. 如請求項12所述之方法，其中該第一速度係在約60rpm與約120rpm之間。
  14. 如請求項12所述之方法，其中該研磨頭組件與該固定環組件在相同的方向上旋轉。
  15. 如請求項12所述之方法，其中該研磨頭組件與該固定環組件在相反的方向上旋轉。
  16. 如請求項12所述之方法，其中該研磨頭組件之一旋轉方向與一拋光墊之一旋轉方向係相同的。
  17. 如請求項12所述之方法，其中該研磨頭組件之旋轉方向與一拋光墊之一旋轉方向係相反的。
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