具有浮動阻隔環的化學機械研磨頭的製作方法

2023-09-11 18:47:30 1

專利名稱：具有浮動阻隔環的化學機械研磨頭的製作方法
技術領域：
本發明關於半導體製程中的化學機械研磨(chemical mechanicalpolishing，以下簡稱為CMP)領域，尤指一種具有浮動阻隔環的化學機械研磨頭(polishing head)設計，具有一浮動阻隔環機構，可在研磨過程中獲得一較佳的研磨均勻度(uniformity)。
傳統的CMP技術是將一待研磨晶圓面朝下壓於一研磨墊(polishingpad)上。此待研磨晶圓由一稱為研磨頭的圓盤狀機構所固定。在研磨階段，研磨頭帶動此待研磨晶圓以一固定轉軸旋轉，而研磨墊則以另一轉軸旋轉，然後通過化學或機械方式得以將晶圓表面待去除的介電層或金屬層研磨掉。目前較受業界歡迎的研磨頭是一種稱為浮動(floating)研磨頭的設計。此設計利用一彈性膜(flexible membrane)將一晶圓支撐盤或背板(supportplate)固定於一基座下方。在研磨階段，可利用氣體加壓於晶圓支撐盤上，以平均分散施於晶圓晶背的下壓力(downforce)。
傳統CMP製程常遇見的問題的一是發生在研磨完成時，要將晶圓從研磨墊表面移走的晶圓轉移階段。這種困難是由於研磨墊上的研磨漿料(slurry)與晶圓之間的黏力，造成要將晶圓從研磨墊上移走十分困難。傳統的解決方式利用真空吸引(vacuum-chucking)，將晶圓吸起，以克服研磨漿料與晶圓表面的黏力。而為了避免在真空吸引晶圓時，液體或空氣的跑入，通常在晶圓支撐盤的下表面周邊都會設計有一向下延伸突出的圓形阻隔環結構。此阻隔環的厚度一般約為1釐米左右，固定於晶圓支撐盤的下表面周邊。當研磨完成時，此阻隔環可咬合(engage)晶圓，形成良好的真空狀態，幫助研磨頭將晶圓移走。類似的固定式阻隔環結構可以參考針對應用材料(Applied Materials)公司的Mirra CMP系統所設計的TitanTM研磨頭。
雖然習知的固定式阻隔環結構能夠在移動晶圓時，幫助形成一良好的真空狀態，然而，固定式阻隔環結構卻在研磨過程中產生一不能忽視的問題。這個問題又被泛稱為邊緣效應(edge effect)或快研磨帶效應(fast bandeffect)，主要是由於固定式阻隔環結構在研磨時提供了一較大的下壓力，造成晶圓靠近固定式阻隔環區域的研磨速率較晶圓中心快。如此一來，導致研磨均勻度下降。
本發明的另一目的在於提供一種研磨頭設計，能夠同時解決移動晶圓的問題，並獲得良好的研磨均勻度。
依據本發明的目的，本發明的較佳實施例揭露一種用於CMP的研磨頭，其包含有一基座(base)；一晶圓邊緣壓覆環(retaining ring)，固定於該基座上，其中該晶圓邊緣壓覆環於該基座正下方定義出一口袋區域(pocket area)，用來容納一晶圓(wafer)；以及一下部組件(lowerassembly)，經由一隔膜(diaphragm seal)浮動(floating)於該口袋區域內。該下部組件包含有一圓形背板(plate)，具有複數個開孔(aperture)分布於該背板的一中心區域(center region)內；一箝制環(clamp ring)，用來將該隔膜緊鎖於該背板的一邊緣區域(rim region)；以及一浮動阻隔環機構，嵌於該背板的該中心區域以及該邊緣區域之間。
當進行一CMP研磨時，該背板可提供一接近平整的底部以及一均勻的下壓力(downforce)予該晶圓；而當研磨完成時，該浮動阻隔環機構可提供一向下伸出的壓環結構，以提升真空吸引。
依據本發明的目的，本發明揭露一種研磨頭的下部組件，其包含有一支撐背板，具有複數個開孔分布於該背板的一中心區域內；一箝制環，用來將一隔膜緊鎖於該背板的一邊緣區域；以及一浮動阻隔環機構，嵌於該背板的中心區域以及邊緣區域之間。
當進行一CMP研磨時，該背板可向一晶圓提供一接近平整的底部以及一均勻的下壓力。
本發明的主要優點在於能夠於研磨時，研磨頭可提供一平整的背板底部，因此能夠改善研磨均勻度。
圖示的簡單說明

圖1為本發明研磨頭的剖面示意圖；圖2為本發明下部組件中的背板的上視圖；圖3A為本發明沿著圖2切線AA′所展示的放大剖面示意圖，顯示一研磨狀態下的部份下部組件以及研磨頭；以及圖3B為本發明沿著圖2切線AA′所展示的放大剖面示意圖，顯示一真空吸引狀態下的部份下部組件以及研磨頭。
圖示的符號說明10晶圓 90轉動軸100研磨頭102殼體104基座(base)106平衡機構108加壓艙109加壓艙110晶圓邊緣壓覆環112下部組件114支撐背板 124底部126內表面132管路134管路 136管路138O型環 142夾環143夾環 144外氣囊145內氣囊148固定點149固定點150平衡杆152彎曲環154軸襯156管路 160膜片162內部夾環 164外部夾環172開孔 210隔膜212晶背緩衝墊220彈性膜
230箝制環 240浮動阻隔環機構241上部結構242下部結構310中心區域312邊緣區域314溝槽316連接部位殼體102與一傳動軸(drive shaft)相連接，並在研磨階段以一轉動軸90帶動晶圓10朝一固定方向旋轉。轉動軸90基本上在研磨階段約與一研磨墊(未顯示)呈垂直狀態。穿過殼體102中心為一垂直孔130。此外，有三條管路132、134以及136穿過殼體102，用來氣壓式控制研磨頭100給予晶圓10的下壓力。O型環(O-ring)138則可以在管路之間形成氣密狀態。
基座104基本上是一硬質的環狀或盤狀體，位於殼體102下方。在基座104的底部有兩個由彈性薄膜140以及141所定義出來的氣囊(bladder)144以及145。彈性薄膜140以及141分別由一鎖於基座104的夾環(clamp ring)142以及143固定位。固定點148以及149則用來提供一軟管(flexible tube)的兩端接點。通過管路134、管路136以及軟管(未顯示)，即可分別控制氣囊144以及145的動作。管路134外接一第一泵(未顯示)，以將氣體，例如空氣，灌入氣囊144中，或將氣體由氣囊144中抽出。管路136外接一第二泵(未顯示)，以將氣體，例如空氣，灌入氣囊145中，或將氣體由氣囊145中抽出。
加壓艙108位於殼體102以及基座104之間的空間，用來施一向下作用力或壓力給於基座104。平衡機構106則可視為是基座104的一部份，用來使基座104保持與研磨墊的水平。平衡機構106包含有一平衡杆150以及一彎曲環(flexure ring)152鎖於基座104上。平衡杆150可以於軸襯(bushing)154內作小幅度的垂直滑動，藉以提供基座104垂直運動空間。平衡杆150的中間為一空心管路156。
內部夾環162用來鉗住一約略為環狀造型的膜片160，而外部夾環164則用來鉗住膜片160的另一端。如此一來，膜片160即可封隔介於殼體102以及基座104之間的空間。通過一第三泵(未顯示)以及經由管路132的連接，空氣可以灌入加壓艙108中，以控制施加於基座104上的壓力。
晶圓邊緣壓覆環110一般為環狀造型，鎖於基座104周邊下方位置。當氣體灌入加壓艙108中，基座104因為受到氣體的壓力而被向下推動，此時晶圓邊緣壓覆環110亦同時受到推動，從而產生一施加於研磨墊上的壓力。晶圓邊緣壓覆環110的一內表面126可以咬合晶圓10，以避免晶圓10在研磨期間從研磨頭100底部滑出。
下部組件112基本上包含有一支撐背板(support plate)114、一晶背緩衝墊(insert film)212、一隔膜(diaphragm seal)210、一彈性膜(wafermembrane)220、一箝制環(clamp ring)230以及一浮動阻隔環機構240。由晶背緩衝墊212、支撐背板114、隔膜210、基座104以及平衡機構106所隔離的空間定義出一加壓氣室(pressurizable chamber)109。一第四泵可經由空心管路156與加壓氣室109相連接，通過灌入加壓氣室109的氣體壓力，控制通過彈性膜220控制施加於晶圓10上的下壓力。
支撐背板114包含有複數個開孔(aperture)172平均分布於背板114的一中心區域(center region)內。隔膜210一般為一環狀撓性材質膜，其一端由基座104以及晶圓邊緣壓覆環110所夾住，另一端則由箝制環230鎖住。隔膜210的組成可以為橡膠或人造橡膠(elastomeric-coatedfibric)，例如NYLONTM或NOMEXTM，或者玻璃纖維等等。晶背緩衝墊212為一盤狀造型薄膜，可以為高分子材料所構成，其同樣具有與背板114相對應的開孔。彈性膜220可以是硬度較晶背緩衝墊212稍軟的高分子材料所構成。彈性膜220對於壓力較為敏感，可以緩衝施加於晶圓上的下壓力，並可以補償背板114或晶圓背面的微小不平整表面。在本發明的較佳實施例中，彈性膜220系沿著背板114周圍向上延伸至背板114上端周邊，並由箝制環230鎖住。
浮動阻隔環機構240為一環狀造型，嵌於支撐背板114的中心區域以及邊緣區域之間。浮動阻隔環機構240包括有一不連續的上部結構241以及一連續的下部環狀結構242。在研磨階段，連續的下部環狀結構242朝背板內部縮回，使背板114可向晶圓10提供一接近平整的底部124以及一均勻的下壓力。
請同時參閱圖1以及圖2，圖2為本發明下部組件112中的背板114的上視圖。由圖2可以明顯看出本發明浮動阻隔環機構240的設置位置。為了方便說明，下部組件112的其它元件，例如晶背緩衝墊212、隔膜210以及箝制環230等並未顯示於圖2中。在圖2中，支撐背板114包括一中心區域310以及一邊緣區域312。如前所述，背板114的中心區域310包括有複數個開孔172。螺絲孔330則分散在背板114的邊緣區域312，用來鎖住隔膜210以及彈性膜220。浮動阻隔環機構240包括有一不連續的上部結構241以及一連續的下部環狀結構242。上部結構241呈現帶狀分布，設置於背板114的中心區域310以及邊緣區域312之間。每一上部結構241容納於一溝槽314中，而兩相鄰的溝槽314之間則為一連接部位316，使背板114的中心區域310以及邊緣區域312為互相連結。
接著，請參閱圖3A以及圖3B，其中圖3A為本發明沿著圖2切線AA′所展示的放大剖面示意圖，顯示一研磨狀態下的部份下部組件112以及研磨頭100；圖3B為本發明沿著圖2切線AA′所展示的放大剖面示意圖，顯示一真空吸引狀態下的部份下部組件112以及研磨頭100。
如圖3A所示，在一研磨階段，支撐背板114的邊緣區域310被一充氣氣囊144所頂住，此時浮動阻隔環機構240保持浮動狀態，亦即氣囊145不施加任何壓力予浮動阻隔環機構240。在本發明的其它實施例中，氣囊145則保持一小於氣囊144壓力的較小壓力。如圖3B所示，當研磨完成時，晶圓需從研磨墊表面上移走，此時加壓艙109內的空氣被抽走，以通過彈性膜220真空吸引晶圓10。同時，浮動阻隔環機構240的不連續上部結構241則被充氣氣囊145向下推擠，帶動浮動阻隔環機構240的連續下部結構242，由原先平整的背板底部向下延伸突出約1至2釐米的厚度。
簡言之，本發明的主要技術特徵在於採用一浮動式阻隔環機構240，應用於研磨頭的下部組件112上。浮動式阻隔環機構240嵌於一背板114的中心區域310以及邊緣區域312之間，包含有不連續的上部結構241以及連續的下部環狀結構242。本發明的浮動式阻隔環機構240通過一獨立的氣囊145控制。利用本發明可在研磨時提供平整的背板底部，以大幅改善研磨均勻度。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明專利的涵蓋範圍。
權利要求
1.一種用於化學機械研磨的研磨頭，其特徵是該研磨頭包含有一基座；一晶圓邊緣壓覆環，固定於該基座上，其中該晶圓邊緣壓覆環於該基座正下方定義出一口袋區域，用來容納一晶圓；以及一下部組件，經由一隔膜浮動於該口袋區域內，該下部組件包含有一圓形背板，具有複數個開孔分布於該背板的一中心區域內；一箝制環，用來將該隔膜緊鎖於該背板的一邊緣區域；以及一浮動阻隔環機構，嵌於該背板的該中心區域以及該邊緣區域之間；其中當進行一化學機械研磨時，該背板可向該晶圓提供一接近平整的底部以及一均勻的下壓力；而當研磨完成時，該浮動阻隔環機構可提供一向下伸出的壓環結構，以提升真空吸引。
2.如權利要求1所述的研磨頭，其特徵是該浮動阻隔環機構的作動由一獨立的內圈氣囊以及泵控制。
3.如權利要求1所述的研磨頭，其特徵是當研磨完成時，該壓環結構向下伸出1至2釐米左右。
4.如權利要求1所述的研磨頭，其特徵是該下部組件進一步包含有一彈性膜及一晶背緩衝墊，位於該晶圓以及該背板之間。
5.如權利要求4所述的研磨頭，其特徵是該彈性膜固定於該背板的該邊緣區域。
6.如權利要求1所述的研磨頭，其特徵是當進行一化學機械研磨時，該背板的周圍壓力可通過一外圈氣囊調節。
7.一種研磨頭的下部組件，其特徵是該下部組件包含有一支撐背板，具有複數個開孔分布於該背板的一中心區域內；一箝制環，用來將一隔膜緊鎖於該背板的一邊緣區域；以及一浮動阻隔環機構，嵌於該背板的中心區域以及邊緣區域之間；其中當進行一化學機械研磨時，該背板可向一晶圓提供一接近平整的底部以及一均勻的下壓力。
8.如權利要求7所述的下部組件，其特徵是該浮動阻隔環機構包含有一不連續的上部結構以及一連續的下部環狀結構。
9.如權利要求8所述的下部組件，其特徵是當研磨完成時，該連續的下部環狀結構可咬合該晶圓以提升真空吸引。
10.如權利要求7所述的研磨頭，其特徵是另包含有一基座；以及一晶圓邊緣壓覆環，固定於該基座上；其中該晶圓邊緣壓覆環於該基座正下方定義出一口袋區域，用來容納該晶圓，又其中該下部組件，經由一隔膜浮動於該口袋區域內。
11.如權利要求7所述的下部組件，其特徵是該浮動阻隔環機構的作動由一獨立的內圈氣囊以及泵控制。
全文摘要
一種具有浮動阻隔環的化學機械研磨頭，包括有一基座、一晶圓邊緣壓覆環以及一下部組件；該晶圓邊緣壓覆環固定於該基座上，且於該基座正下方定義出一口袋區域，用來容納一晶圓，該下部組件經由一隔膜浮動於該口袋區域內。該下部組件包括有一圓形背板，具有複數個開孔分布於該背板的一中心區域內、一箝制環，用來將該隔膜緊鎖於該背板的一邊緣區域，以及一浮動阻隔環機構，嵌於該背板的該中心區域以及該邊緣區域之間，通過一獨立的氣囊控制；利用本發明可在研磨時提供平整的背板底部，以大幅改善研磨均勻度。
文檔編號B24B41/06GK1447394SQ0215659
公開日2003年10月8日 申請日期2002年12月13日 優先權日2002年3月25日
發明者陳慈信, 高明星, 林進坤, 林文欽 申請人:聯華電子股份有限公司