TW202116484A - 具有分段的基板卡盤的承載頭 - Google Patents

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Abstract

一種用於化學機械拋光裝置之承載頭，包括承載主體、外部膜組件、環狀分段的卡盤及內部膜組件。外部膜組件從承載主體支撐且界定第一複數個獨立可加壓外部腔室。環狀分段的卡盤支撐於外部膜組件下方，且包括藉由外部膜組件的分別可加壓腔室而可獨立垂直移動的複數個同心環。至少兩個環具有通過其之通路，以將基板吸卡至卡盤。內部膜組件從承載主體支撐，且藉由卡盤的複數個同心環之最內部環圍繞。內部膜組件界定第二複數個獨立可加壓內部腔室，且具有下部表面以接觸基板。

Description

具有分段的基板卡盤的承載頭
本發明關於在化學機械拋光（CMP）中使用的承載頭。
積體電路通常藉由在半導體晶圓上依序沉積導電、半導或絕緣層而形成於基板上。各種製作處理需要在基板上平坦化層。舉例而言，一個製作步驟牽涉在非平坦表面上沉積填充層，且平坦化填充層。對於某些應用，平坦化填充層直到暴露圖案化層的頂部表面。舉例而言，金屬層可沉積於圖案化絕緣層上，以填充絕緣層中的溝道及孔洞。在平坦化之後，在圖案化層的溝道及孔洞中的金屬之剩餘部分形成貫孔、插頭及線，以在基板上提供薄膜電路之間的導電路徑。如另一範例，介電層可沉積於圖案化導電層上，且接著平坦化以進行接續光刻步驟。
化學機械拋光（CMP）為平坦化的一個可接受方法。此平坦化方法通常需要基板固定在承載頭上。基板暴露的表面通常放置抵靠旋轉拋光墊。承載頭在基板上提供可控制負載，以推擠其抵靠拋光墊。具有研磨粒子的拋光漿料通常供應至拋光墊的表面。
在一個態樣中，一種用於化學機械拋光裝置之承載頭，包括承載主體、外部膜組件、環狀分段的卡盤及內部膜組件。外部膜組件從承載主體支撐且界定第一複數個獨立可加壓外部腔室。環狀分段的卡盤支撐於外部膜組件下方，且包括藉由外部膜組件的分別可加壓腔室而可獨立垂直移動的複數個同心環。至少兩個環具有通過其之通路，以將基板吸卡至卡盤。內部膜組件從承載主體支撐，且藉由卡盤的複數個同心環之最內部環圍繞。內部膜組件界定第二複數個獨立可加壓內部腔室，且具有下部表面以接觸基板。
在另一態樣中，一種化學機械拋光系統包括用以支撐拋光墊的平台、承載頭、耦合至承載頭中的內部及外部腔室的複數個壓力源及耦合至壓力源的控制器。
在另一態樣中，一種用於化學機械拋光之方法包括將基板放置於承載頭中；使用來自傳送通過承載頭的基板卡盤的外部膜組件的壓力及來自藉由卡盤圍繞的承載頭的內部膜組件的壓力，拋光基板；及在拋光期間，藉由使用卡盤將基板卡至承載頭，而避免基板橫向移動。
可能的優點可包括但非限於以下一或更多者。分段的基板卡盤可同時放置基板抵靠拋光墊且將基板緊固至承載頭。卡盤可避免基板的橫向運動，藉此避免或減少基板與保持環碰撞的可能性。歸因於基板及保持環之間減少的接觸，由於環的內部表面招致較少損傷，保持環的壽命可延長。此外，基板的邊緣可招致較少橫向力，所以基板較不易於翹曲，導致更均勻的拋光及所欲的基板輪廓。
在拋光期間，來自拋光墊於基板上的摩擦力可驅使基板接觸保持環。此舉可損傷保持環，例如，歸因於基板及保持環之間的接觸在保持環的壁的內部表面上建立刻痕標記。基板亦可由於與保持環碰撞而掉屑或碎裂。因此，由於刻痕的結果，在拋光期間基板的邊緣可驅使向上離開或向下擠壓在拋光墊上，改變在基板上的壓力分配且導致非均勻性。再者，在數個拋光週期之後保持環可需要替換，例如，在藉由刻痕超過可允許限制所誘發的非均勻性之前。
解決一或更多此等問題的技術為將基板卡至承載頭。將基板卡住可避免基板接觸保持環，而可減少在基板邊緣處的非均勻性，且延長保持環的壽命。然而，承載頭仍可包括接觸基板的背側的某些部分的彈性膜。
參照第1A及1B圖，基板10可藉由具有承載頭100的化學機械拋光（CMP）裝置拋光。
承載頭100包括外殼102、承載主體104、平衡機制106（可考量為承載主體104之部分）及保持環130。
外殼102可大致為圓形的形狀，且可連接至驅動桿124，以在拋光期間於中心軸125四周與其一起旋轉。可具有通路延伸通過外殼102，用於氣動控制承載頭100。
承載主體104為定位於外殼102下方的垂直可移動組件。負載腔室108定位於外殼102及承載主體104之間，以施加負載，即向下壓力或重量，至承載主體104。腔室108可藉由環狀撓件、滾動隔片或風箱109密封。相對於拋光墊的承載主體104的垂直部分亦藉由負載腔室108控制，而可加壓以造成承載主體104垂直移動。在某些實例中，相對於拋光墊的承載頭100的垂直部分藉由可造成驅動桿124垂直移動的致動器（未圖示）控制。
平衡機制106准許承載主體104平衡且相對於外殼102垂直移動，同時避免底座組件104相對於外殼102橫向運動。然而，平衡機制為可選的；底座組件可相對於外殼102在固定的傾角中。
膜組件110包括內部膜組件部分150及外部膜組件部分140。內部膜組件部分150包括連接至承載主體104的內部膜152。內部膜152可以薄的彈性材料組成，例如矽橡膠。內部膜150具有提供基板固定表面的下部表面155；當裝載至承載頭100中時基板10直接接觸下部表面155。
內部膜152可將承載主體104及下部表面155之間的空間劃分成多重獨立可加壓內部腔室154。可加壓內部腔室154可同心地安排，例如，在軸125的四周。中心內部腔室154a可為圓形的，且其餘內部腔室154b可為環狀的。可具有一個至十個個別可加壓內部腔室154。各個個別可加壓內部腔室154可加壓及降壓，以與其他個別可加壓內部腔室154獨立地充氣及放氣。
在某些實例中，內部膜152可包括襟翼152a（見第1A圖），而將空間劃分成個別可加壓內部腔室154。或者，在某些實例中，各個個別可加壓內部腔室154可藉由內部膜152的底板151及兩個側壁部分153界定。對於各個腔室，凸緣部分156可從側壁部分153的頂部邊緣向內延伸，且藉由夾具157（見第1B圖）緊固至承載主體104。夾具157可藉由螺釘、螺栓或其他類似的緊固件緊固至承載主體104。
鄰接內部腔室的側壁部分153可藉由橋接部分159於其頂部邊緣處連接，例如，與凸緣部分156共平面。相對地，在橋接部分159下方，鄰接側壁部分153藉由間隙158分開。分開的側壁部分153允許各個個別可加壓內部腔室154相對於鄰接個別可加壓內部腔室154膨脹（且具體而言，各個個別可加壓內部腔室154的底板151垂直移動）。因此，對鄰接內部腔室使用分開的側壁153減少在基板上鄰接區之間的壓力串擾。
內部膜組件部分150藉由外部膜組件部分140圍繞。外部膜組件部分140包括連接至承載主體104的外部膜142。外部膜142可以薄的彈性材料組成，例如矽橡膠。外部膜142將介於承載主體104及下部表面145之間的空間劃分成複數個獨立可加壓外部腔室144。各個外部腔室144控制基板卡盤160的部分上的壓力，例如，如以下所討論卡盤160的環狀環162之一者上。
個別可加壓外部腔室144可為環狀同心腔室。可具有兩個至十個個別可加壓外部腔室144。各個個別可加壓外部腔室144可加壓及降壓，以與其他外部腔室144獨立充氣及放氣。
在某些實例中，外部膜142包括將承載底座104下方的空間劃分成多個獨立可加壓外部腔室144的襟翼142a。或者，在某些實例中，各個個別可加壓外部腔室144可藉由外部膜142的兩個側壁部分143及底板部分141包覆。對於各個腔室，凸緣部分146可從側壁部分143的頂部邊緣向內延伸，且藉由夾具147（見第1B圖）緊固至承載主體104。夾具157可藉由螺釘、螺栓或其他類似的緊固件緊固至承載主體104。
鄰接外部腔室的側壁部分143可藉由橋接部分149於其頂部邊緣處連接，例如，與凸緣部分146共平面。相對地，在橋接部分149下方，鄰接側壁部分143藉由間隙148分開。分開的側壁部分143允許各個個別可加壓外部腔室144相對於鄰接外部腔室144膨脹（且具體而言，各個個別可加壓外部腔室144的底板部分151垂直移動）。因此，對鄰接內部腔室使用分開的側壁143減少基板上鄰接區之間的壓力串擾。在某些實例中，內部膜152及外部膜154為單一單體膜之部分。
在拋光操作期間，個別可加壓腔室144及154可加壓以充氣且增加在個別可加壓腔室144或154的下方的基板10的部分上的拋光率。類似地，個別可加壓腔室144或154可降壓以放氣且減少在個別可加壓腔室144或154的下方的基板10的部分上的拋光率。
在外部膜組件部分140下方且圍繞內部膜組件部分150的為分段的基板卡盤160。卡盤160可以鋁、不銹鋼、陶瓷或塑膠組成。卡盤160可包括複數個同心環狀環162。環狀環162可為同心的，具有承載頭100的旋轉軸125。可具有相等數量的環狀環162及外部腔室144。卡盤160的各個環狀環162可定位於分別的外部腔室144下方。因此，隨著各個外部腔室144充氣或放氣，該腔室144造成下方環狀環162垂直移動，且在基板10上施加增加的或減少的壓力。
鄰接於環狀環162之間為通道164，例如，環狀間隙。通道164可連接至壓力源180（以下進一步討論）。壓力源180可從環狀環162之間吹出拋光副產物（例如，拋光漿料、微粒）。
因為卡盤160在外部膜組件部分140下方，膜142不會接觸基板10，且不會招致在拋光操作期間與基板10接觸而增加的磨耗及撕裂。
在卡盤160下方且可選地亦在內部膜部分150下方可為靠墊170。靠墊170可以可壓縮材料組成，例如橡膠，例如矽樹脂、乙丙二烯三元共聚物（EPDM）或含氟彈性體，或多孔聚合物片。靠墊170可包括在卡盤的環狀環162下方的部分172及在內部膜152下方的部分175。
一或更多真空通道174通過靠墊170形成。特定而言，通道174可在環狀環172下方的區域中通過靠墊形成。真空通道174可透過通路182連接至真空源180，以調製真空通道174中的壓力。各個通路182之部分可藉由運行通過卡盤160的環狀環162的導管184提供（通路182的其餘部分為了簡化而概要圖示，但可包括導管通過其他實心部件及孔洞通過腔室）。舉例而言，壓力源180可在可將基板10保持至靠墊170的真空通道174中建立真空。
靠墊170可在卡盤160及內部膜組件部分150下方，以解決藉由卡盤160及內部膜組件部分150造成的非均勻性。介於環狀環162之間的間隙及介於個別可加壓腔室154之間的間隙158不會施加壓力，且結果可導致在施加的壓力下的局部非均勻性。然而，靠墊170可橫跨環狀環162之間的間隙及間隙158。如此，靠墊170可分配施加於基板10之部分上的壓力，以平緩將發生於基板10在環狀環162之間的間隙及個別可加壓腔室154之間的間隙158下方的部分上的非均勻性。
或者，靠墊170可以個別環狀環組成，具有靠墊170的各個環與鄰接環以間隙分開，且緊固至卡盤160的分別的環狀環162的底部。靠墊170亦可包括橫跨內部膜部分150的中心區域175。
保持環130可圍繞膜組件100及基板10，且可供以作為壓力控制環。保持環130可連接至致動器134，例如，可加壓腔室或風箱。致動器134可造成保持環130垂直移動。舉例而言，致動器134可造成保持環130在拋光操作期間保持抵靠拋光墊30。保持環130配置成在拋光墊30上包覆基板10而不接觸基板10，因為基板10藉由卡盤160在保持環130之中保持於適當位置中。此舉可增加保持環130的壽命–歸因於在保持環130之中且並非抵靠保持環130而保持於適當位置中基板10減少的接觸，基板10及保持環130可招致較少損傷。
將基板10保持至靠墊170的真空壓力避免基板10在承載頭100之中的橫向動作。結果，基板10的邊緣較不易於歸因於基板10及保持環130之間碰撞接觸的效應而損傷。類似地，保持環130的內部表面歸因於基板10及保持環130之間減少的接觸而招致較少損傷。此外，隨著保持環130招致來自基板10較少的損傷，保持環130在需要替換之前可具有增加的壽命。再者，基板10的邊緣較不易於歸因於與保持環130接觸而迫使向上或向下，所以拋光可為更均勻的，特別在接近基板的邊緣。再者，因為靠墊170在基板10及內部膜組件部分150之間，所以膜152不會招致在拋光操作期間與基板10接觸而增加的損傷及撕裂。
控制器190可連接至壓力源180。壓力源180可例如為幫浦、具有閥門的設施空氣或真空供應線等等。壓力源180可連接至負載腔室108、通道164及真空通道174，以增加或減少其壓力。舉例而言，控制器190可控制壓力源180以加壓負載腔室108，以移動承載主體104向下朝向拋光墊30，或降壓以在真空通道174中建立真空，以將基板10固定至靠墊170。
參照第2圖，承載頭200包括外殼102、上部承載主體204a、下部承載主體204b、保持環130及外部環230。承載頭200類似於承載頭100，除了以下所述者。
上部承載主體204a為定位於外殼102下方的垂直可移動組件。上部負載腔室208a定位於外殼102及上部承載主體204a之間，以施加負載，即，向下壓力或重量，至上部承載主體204a。上部承載主體204a相對於拋光墊30的垂直部分藉由上部負載腔室208a控制，而可加壓以造成上部承載主體204a垂直移動。上部負載腔室208a可藉由在外殼102及上部承載主體204a之間延伸的環狀撓件、滾動隔片或風箱224密封。
類似地，下部承載主體204b為定位於上部承載主體204a下方的垂直可移動組件。下部承載主體208b定位於上部承載主體204a及下部承載主體204b之間，以施加負載，即，向下壓力或重量，至下部承載主體204b。下部承載主體204b相對於拋光墊的垂直部分亦藉由下部負載腔室208b控制，而可加壓以造成下部承載主體204b垂直移動。控制器190可藉由調節壓力源180增加及減少上部負載區208a及下部負載區208b中的壓力。
上部承載主體204a及下部承載主體204b可彼此獨立移動，例如，藉由上部負載腔室208a及下部負載腔室208b指示。下部負載腔室208a可藉由在上部承載主體204a及下部承載主體204b之間延伸的環狀撓件、滾動隔片或風箱250密封。
舉例而言，隔片250藉由將上部承載主體204a彈性地連接至下部承載主體204b，而可准許上部承載主體204a及下部承載主體204b的垂直動作。隔片250可為彈性及非滲透材料，例如橡膠。隔片250可使用錨釘252a及252b緊固至上部承載主體204a及下部承載主體204b。隔片250的內部邊緣可夾持於錨釘252a及上部承載主體204a之間。例如螺栓、螺釘或其他類似的緊固件的緊固件可用以將錨釘252a緊固至上部承載主體204a。類似地，隔片250的外部邊緣可夾持於錨釘252b及下部承載主體204b之間。例如螺栓、螺釘或其他類似的緊固件的緊固件可用以將錨釘252b緊固至下部承載主體204b。
在某些實例中，相對於拋光墊的上部承載主體204a及下部承載主體204b的垂直位置藉由可造成桿122垂直移動的致動器（未圖示）來控制。
環狀保持環130可連接至致動器及/或風箱234。致動器及/或風箱234可造成保持環130垂直移動。舉例而言，致動器及/或風箱234可造成保持環130在拋光操作期間保持抵靠拋光墊30。保持環130配置成在拋光墊30上包覆基板10而不接觸基板10，因基板10藉由卡盤160保持在保持環130之中的適當位置中。
外部環230可包覆保持環130。外部環230可藉由緊固件連接至上部承載主體204a，例如螺釘、螺栓或其他類似的緊固件。外部環230提供承載頭200定位或參考至拋光墊30的表面。
圍繞卡盤160的為邊緣控制環240。邊緣控制環240從下部負載腔室208b解耦，且可連接至下部承載主體204b。舉例而言，滾動隔片或風箱244可定位於邊緣控制環240及從下部承載主體204b延伸的唇部242之間。邊緣控制環240定位在基板10的邊緣上，以獨立拋光基板10的邊緣，而能夠聚焦邊緣負載以控制圍繞藉由卡盤160控制的基板10上的區域的基板10邊緣的拋光。
此處所述的控制器及系統的其他計算設備部件可在數位電子電路中實施，或在電腦軟體、韌體或硬體中實施。舉例而言，控制器可包括處理器以執行儲存於電腦程式產品中的電腦程式，例如在非暫態機器可讀取儲存媒體中。此電腦程式（亦已知為程式、軟體、軟體應用或編碼）可以任何形式的程式語言撰寫，包括編譯或解釋語言，且其可以任何形式部署，包括獨自程式或模組、部件、子常式或適合在計算環境中使用的其他單元。
儘管此文件含有許多特定實例細節，此等不應考量為任何發明或可主張者之範疇，反而應視為對特定發明之特定實施例具體特徵的說明。在此文件中分開的實施例的上下文中所述的某些特徵亦可在單一實施例中結合實施。相反地，在單一實施例的上下文中所述的各種特徵亦可在分開的多個實施例中或以任何適合的子結合來實施。再者，儘管以上特徵可說明在某些結合中作用且甚至初始如此主張，但來自主張的結合的一或更多特徵可在某些情況中從結合切除，且主張的結合可導向子結合或各種子結合。
已說明本發明的數個實施例。然而，應理解可作成各種修改而不會悖離本發明的精神及範疇。因此，其他實例在以下請求項的範疇之中。
10:基板 30:拋光墊 100:承載頭 102:外殼 104:承載主體 106:平衡機制 108:負載腔室 109:風箱 110:膜組件 124:驅動桿 125:中心軸 130:保持環 134:致動器 140:外部膜組件部分 141:底板部分 142:外部膜 142a:襟翼 143:側壁部分 144:外部腔室 145:下部表面 146:凸緣部分 147:夾具 148:間隙 149:橋接部分 150:內部膜組件部分 151:底板 152:內部膜 152a:襟翼 153:側壁部分 154:內部腔室 154a:內部腔室 154b:內部腔室 155:下部表面 156:凸緣部分 157:夾具 158:間隙 159:橋接部分 160:卡盤 162:環狀環 164:通道 170:靠墊 172:部分 174:通道 175:部分 180:真空源 182:通路 184:導管 190:控制器 200:承載頭 204a:上部承載主體 204b:下部承載主體 208a:上部負載腔室 208b:下部負載腔室 224:風箱 230:外部環 234:風箱 240:邊緣控制環 242:唇部 244:風箱 250:隔片 252a:錨釘 252b:錨釘
第1A圖為具有分段的卡盤之承載頭的概要剖面視圖。
第1B圖為第1A圖的膜組件之概要剖面視圖。
第2圖為具有分段的卡盤及浮動膜組件之承載頭的概要剖面視圖。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
10:基板
30:拋光墊
100:承載頭
102:外殼
104:承載主體
106:平衡機制
108:負載腔室
109:風箱
110:膜組件
124:驅動桿
125:中心軸
130:保持環
134:致動器
140:外部膜組件部分
142:外部膜
144:外部腔室
150:內部膜組件部分
152:內部膜
154:內部腔室
155:下部表面
160:卡盤
162:環狀環
164:通道
170:靠墊
172:部分
174:通道
175:部分
180:真空源
182:通路
184:導管
190:控制器

Claims (19)

  1. 一種用於一化學機械拋光裝置之承載頭，該承載頭包含： 一承載主體； 一外部膜組件，從該承載主體支撐且界定一第一複數個獨立可加壓外部腔室； 一環狀分段的卡盤，從該外部膜組件支撐，該基板卡盤包括藉由該外部膜組件的分別可加壓腔室而可獨立垂直移動的複數個同心環，該等環之至少兩者具有通過其之通路，以將一基板吸卡至該卡盤；及 一內部膜組件，從該承載主體支撐，該內部膜組件藉由該卡盤的該複數個同心環之一最內部環圍繞，該內部膜組件界定第二複數個獨立可加壓內部腔室，且具有一下部表面以接觸該基板。
  2. 如請求項1所述之承載頭，進一步包含一靠墊，在該基板卡盤下方延伸且緊固至該基板卡盤，且配置成接觸該基板。
  3. 如請求項2所述之承載頭，其中該靠墊以同心環組成。
  4. 如請求項2所述之承載頭，其中該靠墊包括與通過該等環的該等通路對齊的真空通道。
  5. 如請求項2所述之承載頭，其中該靠墊在該基板卡盤的鄰接同心環之間橫跨一間隙。
  6. 如請求項2所述之承載頭，其中該靠墊在該內部膜組件下方延伸。
  7. 如請求項6所述之承載頭，其中該靠墊橫跨該內部膜組件的多重個別可加壓腔室。
  8. 如請求項1所述之承載頭，其中該內部膜組件包括具有複數個襟翼的一內部膜，以將該承載主體下方的一空間劃分成複數個內部腔室。
  9. 如請求項8所述之承載頭，其中該外部膜組件包括具有複數個襟翼的一外部膜，以將該承載主體下方的一空間劃分成複數個外部腔室。
  10. 如請求項9所述之承載頭，其中該內部膜及該外部膜為一單體膜之部分。
  11. 如請求項1所述之承載頭，進一步包含一上部承載主體及一下部承載主體。
  12. 如請求項1所述之承載頭，進一步包含一邊緣控制環，圍繞且相對於該卡盤的該複數個同心環之一最外部環可垂直移動。
  13. 如請求項12所述之承載頭，包含一可加壓腔室，以相對於該承載主體控制該邊緣控制環的位置。
  14. 一種化學機械拋光系統，包含： 一平台，以支撐一拋光墊； 一承載頭，包括： 一承載主體； 一外部膜組件，從該承載主體支撐且界定一第一複數個獨立可加壓外部腔室； 一環狀分段的基板卡盤，從該外部膜組件支撐，該卡盤包括藉由該外部膜組件的分別可加壓腔室而可獨立垂直移動的複數個同心環，該等環之至少兩者具有通過其之通路，以將一基板吸卡至該卡盤；及 一內部膜組件，從該承載主體支撐，該內部膜組件藉由該卡盤的該複數個同心環之一最內部環圍繞，該內部膜組件界定第二複數個獨立可加壓內部腔室，且具有一下部表面以接觸該基板； 複數個壓力源，耦合至該等內部腔室及該等外部腔室；及 一控制器，連接至該壓力源。
  15. 如請求項14所述之系統，其中該承載頭包括一保持環，連接至該承載主體且圍繞該卡盤。
  16. 如請求項14所述之系統，進一步包含一靠墊，在該基板卡盤下方延伸且緊固至該基板卡盤，且配置成接觸該基板。
  17. 如請求項16所述之系統，其中該靠墊包括與通過該等環的該等通路對齊且連接至該壓力源的真空通道。
  18. 如請求項14所述之系統，其中該承載頭包括一邊緣控制環，圍繞且相對於該卡盤的該複數個同心環之一最外部環可垂直移動。
  19. 一種用於化學機械拋光之方法，包含以下步驟： 將一基板放置於一承載頭中； 使用來自傳送通過該承載頭的一基板卡盤的一外部膜組件的壓力及來自藉由該卡盤圍繞的該承載頭的一內部膜組件的壓力，拋光該基板； 在該拋光期間，藉由使用該卡盤將該基板卡至該承載頭，而避免該基板橫向移動。
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