TWI840511B - 用於化學機械研磨承載頭的固定器 - Google Patents

Abstract

用於化學機械研磨的承載頭包括基部、致動器、基板安裝表面和固定器。固定器包括藉由撓曲件所連接的內段和外段。固定器的內段的底部提供下表面的內部分，該下表面的該內部分經配置接觸研磨墊。內段的內表面從下表面的內邊緣向上延伸，以周向地圍繞基板安裝表面。固定器的內段經定位以接收來自致動器的可控制的負載，且可相對於基部垂直地移動。固定器的外段的底部提供下表面的外部分。固定器的外段垂直地固定於基部。固定器的內段可相對於固定器的外段垂直地移動。

Description

用於化學機械研磨承載頭的固定器

本揭示案涉及一種用於基板的化學機械研磨的固定器。

通常藉由在矽晶圓上依序沉積導電層、半導電層或絕緣層而在基板上形成積體電路。一個製造步驟包括在非平坦表面上沉積填料層並使該填料層平坦化。對於某些應用，將填充層平坦化，直到暴露出圖案化層的頂表面。例如，可以將導電填料層沉積在圖案化的絕緣層上以填充絕緣層中的溝槽或孔。在平坦化之後，留在絕緣層的凸起圖案之間的導電層的部分形成通孔、插塞和線，該等通孔、插塞和線在基板上的薄膜電路之間提供導電路徑。對於其他應用(如氧化物研磨)，將填料層平坦化，直到在非平坦表面上留下預定厚度為止。另外，對於光微影，通常需要平坦化基板表面。

化學機械研磨(CMP)是一種可以接受的平坦化方法。此平坦化方法通常需要將基板安裝在載體或研磨頭上。基板的暴露表面通常抵靠旋轉研磨墊放置。承載頭在基板上提供可控制的負載，以將其推向研磨墊。通常將研磨研磨漿供應到研磨墊的表面。

承載頭在基板上提供可控制的負載，以將其推向研磨墊。固定環用於在研磨期間將基板固定在承載頭下方的位置。一些承載頭既包括用於固持基板的內環又包括圍繞內環的外環。

在一個態樣中，用於化學機械研磨的承載頭包括基部、致動器、基板安裝表面和固定器。固定器具有藉由一撓曲件連接的一內段和一外段，使得該固定器的該內部可相對於該固定器的該外部垂直地移動，固定器的內段的底部提供下表面的內部分，該下表面的該內部分經配置接觸研磨墊，且該內段的內表面從下表面的內邊緣向上延伸以周向地圍繞基板安裝表面。固定器的內段經定位以接收來自致動器的可控制的負載，且可相對於基部垂直地移動。固定器的外段的底部提供下表面的外部分，且固定器的外段垂直地固定於基部。

在另一態樣中，固定環包括內段和外段，及撓曲件將內段和外段耦接，使得內段可相對於外段垂直地移動。該內段具有一底部，該底部提供該固定器的一下表面的一內部分，該固定器的該下表面的該內部分經配置接觸一研磨墊，且該內段具有一內表面，該內表面從該下表面的一內邊緣向上延伸且經配置周向地圍繞一基板安裝表面。該外段具有一底部，該底部提供該下表面的一外部分，且該外段具有一外表面，該外表面從該下表面的一外邊緣向上延伸。

實施可包括以下特徵中的一個或多個。

致動器可包括可加壓腔室。例如，致動器可包括膜(membrane)，且內段可固定於膜。

撓曲件可比內段和外段薄。撓曲件可經定位與內段和外段的底部相鄰。撓曲件的底部可提供下表面的中間部分。當撓曲件沒有撓曲時，下表面的內部分和下表面的外部分可以是共面的。當撓曲件沒有撓曲時，下表面的中間部分可與下表面的內部分和外部分共面。

撓曲件可由與內段和外段相同的材料構成。固定器可以是均質成份的單一主體(single unitary body)。內段可比外段更窄且/或更高。

實施可以可選地包括但不限於以下優點中的一個或多個。可以減少(如由在基板邊緣處的研磨頭剖面問題引起的)研磨不均勻性。可以減少缺陷，例如在不犧牲調整基板邊緣處的研磨速率的能力的情況下。

在所附圖示和以下說明中描述一個或多個實施的細節。根據說明書和圖式以及專利申請範圍，其他態樣、特徵和優點將得以彰顯。

10:基板

20:化學機械研磨系統

24:壓板

25:軸

26:馬達

28:驅動軸

30:研磨墊

32:外研磨層

34:背托層

36:組合式供應-沖洗臂

38:研磨液體

40:墊調節器設備

42:調節盤

44:臂

50:支撐結構

54:驅動軸

56:承載頭旋轉馬達

58:軸

70:承載頭

72:殼體

74:基板背襯組件

76:基部

78:彈性膜

80:可加壓腔室

82:平衡環機構

84:裝載腔室

100:固定器

122:致動器

124:緊固件

126:可加壓腔室

128:膜

130:下表面

132:內部分

133:中間部分

134:外部分

142:內段

143:撓曲件

144:外段

152:內表面

154:外表面

156:內表面

158:外表面

176:通道

182:頂表面

184:上表面

192:凹槽或孔

193:頂表面

194:凹槽或孔

圖1表示化學機械研磨系統中的承載頭的截面圖。

圖2表示固定器的一部分的截面圖。

在各個圖式中，相同的數字標號和標記代表相同的元件。

如上所述，一些承載頭既包括用於固持基板的內環又包括圍繞內環的外環。漿料(slurry)或其他顆粒有可能陷在內環和外環之間的空間中，從而導致正在研磨的基板的缺陷(如刮傷)。然而，由撓曲元件將內環和外環結合在一起的組件可以減少這些問題。

圖1表示化學機械研磨系統20的研磨站的實例。研磨系統20包括可旋轉的盤形壓板(platen)24，研磨墊30位於該盤形壓板24上。壓板24可操作以繞軸25旋轉。例如，馬達26可轉動驅動軸28以旋轉壓板24。研磨墊30可以是雙層研磨墊，其具有外研磨層32和較軟的背托層34。

研磨系統20可以包括供應端口或組合式供應-沖洗臂36，以將研磨液體38(如研磨漿料)分配到研磨墊30上。研磨系統20可包括墊調節器設備40，其具有調節盤42以保持研磨墊30的表面粗糙度。調節盤42可以定位在臂44的端部，臂44可以擺動，以使盤42徑向地掃過研磨墊30。

承載頭70可操作以將基板10保持抵靠研磨墊30。承載頭70自支撐結構50(如旋轉料架(carousel)或軌道)懸掛，且承載頭70藉由驅動軸54連接到承載頭旋轉馬達56，使得承載頭可繞軸58旋轉。可選地，承載頭70可以側向擺動(oscillate)，如，在旋轉料架上的滑塊上，藉由沿著軌道的運動，或藉由旋轉料架本身的旋轉擺動。

承載頭70包括殼體72、基板背襯組件74、平衡環(gimbal)機構82(其可以被視為組件74的部分)、裝載腔室84、固定器100與致動器122，基板背襯組件74包含基部76和彈性膜78，彈性膜78界定複數個可加壓腔室80。

殼體72通常可以是圓形的，且可以連接到驅動軸54以在研磨期間與其一起旋轉。可以存在穿過殼體72延伸的通道(未圖示)，其用於氣動地控制承載頭70。基板背襯組件74是位於殼體72下方的可垂直移動的組件。平衡環機構82允許基部76相對於殼體72以平衡環懸置(gimbal)，同時防止基部76相對於殼體72的橫向運動。裝載腔室84位於殼體72和基部76之間，以向基部76以及進而向基板背襯組件施加載荷，即向下的壓力或重量。基板背襯組件74相對於研磨墊的垂直位置也由裝載腔室84控制。彈性膜78的下表面提供用於基板10的安裝表面。

在一些實施中，基板背襯組件74不是可相對於殼體72移動的個別(separate)部件。在這種情況下，不需要(unnecessary)腔室84和平衡環82。

現在參考照圖1和圖2，固定器100具有外段144、內段142和將外段144連接到內段142的撓曲件143。固定器100的下表面130可以接觸研磨墊30。

外段144相對於殼體72垂直固定，且外段144是環形主體，其提供承載頭70相對於研磨墊30的表面的定位或參考(referencing)。另外，外段144提供固定器100 (如固定器的內段142)相對於研磨墊30的橫向參考。外段144周向地(circumferentially)圍繞內段142。

外段144的底部提供下表面130的外部134。外段144具有外表面154，該外表面154可以是垂直圓柱形的表面。外表面154可以從下表面130的外邊緣向上延伸。外段144還具有內表面156，該內表面156可以是垂直圓柱形的表面。內表面156從外段144的環形上表面184延伸到撓曲件143的頂表面。

外段144可以例如藉由黏合劑、緊固件或藉由互鎖元件固定於殼體72。例如，外段144的上表面184可以包括帶有螺絲護套(未圖示)的圓柱形凹槽或孔194，以容納緊固件(如螺栓、螺絲或其他硬體)。例如，緊固件124(如螺絲或螺栓)可以延伸穿過殼體72，以將固定器100的外段144固定於殼體72。

內段142是可相對於殼體72垂直地移動的環形體。內段142具有內表面152，該內表面152經配置周向地圍繞基板10的邊緣，以在研磨期間將基板10固持在承載頭中。內表面152可以從下表面130的內邊緣向上延伸到內段142的環形頂表面182。內段142的底部提供下表面130的內部分132。內段142還具有外表面158，該外表面158可以是垂直圓柱形的表面。外表面158從內段142的上表面182延伸到撓曲件143的頂表面。

構成內段142的材料與構成外段144的材料相同。在一些實施中，內段142和外段144可以由不同的材料 構成，但是具有相似的可壓縮性和拉伸模數。構成內段142的材料不應太具有可壓縮性，使得內段142上的向下壓力會導致內段142擠入(extrude into)基板接收凹槽中。

或者，在一些實施中，內段142和外段144可以由實質相同的材料但是具有不同的密度構成(例如，內段142比外段144較不緻密、更可壓縮且更具撓性)。在一些實施中，內段142和外段144可以由不同的材料構成(例如，其中內段142由比外段144更可壓縮和撓性的材料構成)。外段144可以由比內段142更剛性的材料形成。

內段142可相對於外段144垂直移動，且在由致動器122作用時可移動。致動器122可以藉由互鎖元件、藉由黏合劑或藉由緊固件固定於內段142的頂表面182。固定器100的內段142的頂表面182可以包括帶有螺絲護套(未圖示)的圓柱形凹槽或孔192，以容納緊固件(如螺栓、螺絲或其他硬體)，以將內段142固定於致動器122。

內段142比外段144窄。或者，內段142可以與外段144具有相同的寬度，或者內段142可以比外段144寬。然而，隨著外段144對研磨墊的壓縮也可以用作控制參數，使內段142更窄可以提供對基板邊緣附近的研磨速率的優異控制。

在一些實施中，致動器122固定於殼體72。致動器122可以是例如可加壓腔室、活塞或能夠垂直地移動內段142的類似的機械或機電設備。例如，致動器122可以由包圍可加壓腔室126的可充氣(inflatable)膜128提供。 例如，當可加壓腔室126膨脹以與內段142的頂表面182的凹槽或孔192互鎖時，包圍可加壓腔室126的膜128可以固定於內段142。在另一個實例中，緊固件(如螺絲或螺栓)延伸穿過膜128以夾到凹槽或孔192。致動器122可以將可控制的向下力施加到固定器100的內段142。

如果致動器122減小了其施加在內段142上的力，則施加到基板10的邊緣附近的研磨墊30的壓力也減小。另一方面，如果致動器122增加其施加在內段142上的力，則施加至基板10的邊緣附近的研磨墊30的壓力也增加。控制基板邊緣附近的研磨墊的壓縮程度可以允許控制基板10邊緣附近的研磨速率。

內段142和外段144藉由撓曲件143連接。撓曲件143的底部提供下表面130的中間部分133。撓曲件的頂表面193凹進(recess)內段142的頂部表面182和外段144的頂部表面184下方。撓曲件143可以由與內段142和外段144相同的材料構成。或者，在一些實施中，撓曲件143由與構成內段142和外段144的材料相似、不同或混合的材料構成。在一些實施中，固定器100是均質成份的單一主體(即，沒有由黏合劑引起的不連續、接合的部分之間的間隙等)。

撓曲件143實質上足夠強(例如，由足夠強的材料和/或足夠厚的材料構成)以將內段142與外段144結合，同時仍然足夠撓性以允許當致動器122將力施加到內段142時，內段142可相對於外段144垂直移動。例如，如 果致動器122在內段142上向下施加力，則撓曲件143可以鉸接地(hingedly)「彎曲」，使得內段142相對於外段144垂直地移動，同時仍藉由撓曲件143固定於外段144。

撓曲件143可以足夠薄以鉸接地撓曲，同時仍固定內段142和外段144。例如，撓曲件143可以相對於內段142和外段144較薄。

固定器100的下表面130包括內部分132、中間部分133和外部分134。可以使下表面130與研磨墊30接觸。撓曲件143可經定位使得下表面130的中間部分133與下表面130的內部分132和外部分134大致對準。例如，內部分132、中間部分133和外部分134可以全部是共面的(當致動器沒有向內部分132施加向下的力時)。

下表面130可以由在CMP製程中化學惰性的材料形成，如塑膠，例如聚苯硫醚(PPS)。下表面130也應該是耐用的且具有低磨損率。下表面130可以是光滑且耐磨的表面，因為下表面130未經配置研磨(abrade)研磨墊30。

使撓曲件143連接內段142和外段144的優點在於，內段142和外段144之間沿著下表面130沒有間隙。因此，減少了漿料被捕集(trapped)的可能性且可以減少缺陷。另外，因為下表面130的中間部分133可以直接接觸研磨墊30，所以可以避免墊壓縮的不規則性，這可以幫助改善研磨一致性。

在一些實施中，固定器100具有在下表面130中形成的一個或多個通道176。通道176從固定器100的內直徑延伸至外直徑，以允許研磨期間漿料從內環的外部通過到內環的內部，並允許排出多餘的漿料和研磨副產物。通道176可以在固定器100周圍均勻地間隔開。每個通道176可以相對於穿過通道176的半徑以如45°的角度偏置。通道176可以具有約0.125英吋的寬度。

如在本說明書中使用的，術語基板可以包括例如產品基板(例如，其包括多個記憶體或處理器晶粒)、測試基板、裸基板和閘基板。基板可以處於積體電路製造的各個階段，例如，基板可以是裸晶圓，或者它可以包括一個或多個沉積和/或圖案化的層。術語基板可以包括圓盤和矩形片。

上述研磨系統和方法可以應用於各種研磨系統。研磨墊或承載頭或其兩者都可以移動以在研磨表面和基板之間提供相對運動。研磨墊可以是固定於壓板的圓形(或其他形狀)的墊。研磨層可以是標準(例如，具有或不具有填料的聚氨酯)研磨材料、軟材料或固定研磨材料。使用相對定位的術語；應該理解的是，研磨表面和基板可以保持在垂直定向或其他定向上。

已經描述了本發明的特定實施例。其他實施例在以下申請專利範圍的範圍內。例如，請求項中記載的動作可以以不同的順序施行並且仍然實現期望的結果。

10:基板

20:化學機械研磨系統

24:壓板

25:軸

26:馬達

28:驅動軸

30:研磨墊

32:外研磨層

34:背托層

36:組合式供應-沖洗臂

38:研磨液體

40:墊調節器設備

42:調節盤

44:臂

50:支撐結構

54:驅動軸

56:承載頭旋轉馬達

58:軸

70:承載頭

72:殼體

74:基板背襯組件

76:基部

78:彈性膜

80:可加壓腔室

82:平衡環機構

84:裝載腔室

100:固定器

122:致動器

124:緊固件

126:可加壓腔室

128:膜

130:下表面

132:內部分

133:中間部分

134:外部分

142:內段

143:撓曲件

144:外段

152:內表面

154:外表面

Claims (15)

1. 一種用於化學機械研磨的承載頭，包括：一基部；一致動器；一基板安裝表面；及一固定器，該固定器具有藉由水平的一撓曲件連接的一內段和一外段，該撓曲件在該內段和該外段之間跨距一整個間隙，使得該固定器的該內段可相對於該固定器的該外段垂直地移動，其中該固定器的該內段的一底部提供一下表面的一內部分，該下表面的該內部分經配置接觸一研磨墊，且其中該內段的一內表面從該下表面的一內邊緣向上延伸，以周向地(circumferentially)圍繞該基板安裝表面，其中該固定器的該內段經定位接收來自該致動器的一可控制的負載，且該固定器的該內段可相對於該基部垂直地移動，其中該固定器的該外段的一底部提供該下表面的一外部分，其中該固定器的該外段垂直地固定於該基部，其中該撓曲件的一底部提供該下表面的一中間部分，該中間部分位於該下表面的該內部分和該外部分之間，且當該撓曲件沒有撓曲時，該中間部分與該下表面的該內部分和該外部分共面。
2. 如請求項1所述之承載頭，其中該致動器包 括一可加壓腔室。
3. 如請求項2所述之承載頭，其中該致動器包括一膜(membrane)，該膜包圍該可加壓腔室，且該內段固定於該膜。
4. 如請求項1所述之承載頭，其中該撓曲件比該內段和該外段薄。
5. 如請求項1所述之承載頭，其中該內段比該外段高。
6. 如請求項1所述之承載頭，其中該內段比該外段窄。
7. 如請求項1所述之承載頭，其中當該撓曲件沒有撓曲時，該下表面的該內部分和該下表面的該外部分共面。
8. 一種固定環，包括：一內段，該內段具有一底部，該底部提供該固定環的一下表面的一內部分，該固定環的該下表面的該內部分經配置接觸一研磨墊，該內段進一步具有一內表面，該內表面從該下表面的一內邊緣向上延伸且經配置周向地圍繞一基板安裝表面；一外段，該外段具有一底部，該底部提供該下表面的一外部分，該外段進一步具有一外表面，該外表面從該下表面的一外邊緣向上延伸；及水平的一撓曲件，該撓曲件在該內段和該外段之間跨距一整個間隙並將該內段與該外段耦接，使得該內段可 相對於該外段垂直地移動，其中該撓曲件的一底部提供該下表面的一中間部分，該中間部分位於該下表面的該內部分和該外部分之間，且當該撓曲件沒有撓曲時，該中間部分與該下表面的該內部分和該外部分共面。
9. 如請求項8所述之固定環，其中該撓曲件比該內段和該外段薄。
10. 如請求項8所述之固定環，其中該撓曲件由與該內段和該外段相同的材料構成。
11. 如請求項10所述之固定環，其中該固定環是一均質成份的單一主體(single unitary body)。
12. 如請求項8所述之固定環，其中該內段比該外段高。
13. 如請求項8所述之固定環，其中該內段比該外段窄。
14. 如請求項8所述之固定環，其中該下表面的該內部分與該下表面的該外部分共面。
15. 一種固定環，包括：一內段，該內段具有一底部，該底部提供該固定環的一下表面的一內部分，該固定環的該下表面的該內部分經配置接觸一研磨墊，該內段進一步具有一內表面，該內表面從該下表面的一內邊緣向上延伸且經配置周向地圍繞一基板安裝表面；一外段，該外段比該內段窄，且該外段具有一底部，該底部提供該下表面的一外部分，該外段進一步具有一 外表面，該外表面從該下表面的一外邊緣向上延伸；及水平的一撓曲件，該撓曲件在該內段和該外段之間跨距一整個間隙並將該內段與該外段耦接，使得該內段可相對於該外段垂直地移動，其中該撓曲件的一底部提供該下表面的一中間部分，且當該撓曲件沒有撓曲時，該下表面的該內部分、該中間部分及該外部分共面。