經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ^ Ο 4 ； i ^ A7 〜____---- 31、發明說明（） 發明顇域： 本發明大致關係於基材之化學機械研磨，更明確地 說，關係於用於化學機械研磨之承載頭。 發明眢景‘· 積體電路典型為形成於基材上，特別是矽晶圓上，藉 由依序地沉積導體，半導體或絕緣層加以形成。於每一層 被沉積後，隨後係被蚀刻以創造電路特性。當一連_之屠 被依序沉積並蝕刻後，基材之最外或最上表面，即基材之 外露面變成相當不平坦<此不平坦面對積體電路製程中之 微影步驟產生了問題。因此，有必要以定期地平坦化基材 * 表面。 化學機械研磨（CMP)法為平坦化可以接受之一種方 式。此平坦化方法典型需要一基材被安裝於一承載台或研 磨頭上。基材之外露面係被靠於一旋轉研磨墊上。研磨整 可以是"標準"或一固定研磨墊。一標準研磨墊具有耐磨粗 表面’而固定研磨墊具有被保持於抑制媒體中之所磨粒 子。承載頭提供一可控制負載，即壓力於基材上，以將其 推向研磨墊。一些承載頭包含一彈性薄，其提供用於基材 之安裝面，以及，一扣環以夾持基材於安裝面下。於彈性 膜下之室之壓力化或柚真空控制了基材上之負載。包含至 少一化學反應劑，及若標準墊被使用的話，有研磨粒子之 研漿係被供給至研磨塾之表面。 ⑽製程之效用可以藉由其研磨率，及基材表面所得 本紙張尺度適用中國國家標準<CNS)A4 I-----11----- ----— — 11 訂-------* 線 I (請先閱讀背面之>i意事項再填寫本頁) A7 4 34 1 1 1 i __ B7___ __ 五、發明說明（） 光製（無小規格粗糙度）及平坦度（無大規格拓樸）加以量 測。研磨率’光製，及平坦度係由墊及研漿組合，及於基 材及塾間之相對速度’及將基材壓_向塾之力量加以決定。 於CMP中一再發生之問題是所謂之,，邊緣效應，，，即 基材邊緣傾向於與基材中心不同速率研磨。邊緣效應典型 造成於基材周邊，例如200毫米（mm)晶圓之最外三至十五 毫米處之不均勻研磨。一相關問題係所謂"中心慢速作用 "，即基材之中心傾向於欠研磨。 發明目的及概述： 於一方面中’本發明係有關於用於化學機械研磨設備 之承載頭。該承載頭具有第一可加壓室，該室係至少部份 .被一第一彈性膜所包圍’及一第二加壓室係定位以施加一 向下力量給第一室。第一彈性膜之下表面提供一第一面， 以施加一壓力至具有可控制大小之載入區中之基材，及第 一及第二室係被架構使得於第一室中之第一壓力控制施 加至載入區中基材上之壓力，及於第二室中之第二壓力控 制載入區之大小。 本發明之實施可以包含一或多數個以下特性。一垂直 可動基座可以形成第二可加壓室之上邊界之至少一部 份。一外殼可以連接至一驅動袖及一第三室可以安置於外 殼及基座之間。一扣環可以連接至基座，以維持基材於承 載頭之下=於第一及第二室間之邊界可以藉由一硬構件或 彈性構件加以形成，及第二室可以形成大致環形容積或大 第3頁 本纸張尺度適用中國g家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) — — —— — — I— ·11111111 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 3 4 A7 B7 五、發明說明（) 致立體容積°第—彈性膜之下表面提供基材之安裝面，或 第二彈性膜可以延伸於第一彈性膜之下，以提供用於基材 之安裝面°於第—彈性膜及第二彈性膜間之體積可以定義 一第三可加塵室。第一彈性膜可以移動以接觸載入區中之 第二彈性膜之上表面，以施加壓力至基材上。第一彈性模 之下表面可以被組織，以於第一及第二彈性膜接觸時，提 供流體流動於其間。 第一支撐結構可以定位於第一室内，及第一彈性膜可 以延伸於第一支撐結構之外表面旁。一第一間隔環可以定 位於第一室外’第—彈性膜可以延伸於第一結構及第一間 隔環間之蛇形路徑中，並於第一間隔環之内表面旁，並向 外繞於第一間隔環之上表面。第二支撐結構可以定位於第 一及第二彈性膜間之第三室中，並定位以包圍第一支撐結 構。第二間隔環可以定位於第三室外於第二支撐環上，及 第二彈性膜可以延伸於第二支撐結構及第二間隔環間之 蛇形路徑中，於第二間隔環之内表面旁，並向外繞於第二 間隔環之上表面。 於另一方面，本發明係有關於一用於化學機械研磨之 承載頭，包含一基座，一第一彈性膜部，及第二彈性膜部。 第—彈性膜部延伸於基座下，並定義一第一加壓室，及第 —彈性膜之下表面提供一安裝面，以施加壓力給於具有可 控制大小之載入區中之基材。該第二彈性膜部連接第一彈 性膜部至基座並定義一第二加壓室，使得於第一加壓室中 之第一壓力控制施加至載入區中之基材的壓力’及於第二 第4頁 本紙張尺度適用中國國家標單（CNS)A4規格（210 χ 297公餐） I--1 K---l· I--- 裝-------訂.--------線 t (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員Η消費合作钍印製 434 7 1 1 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 五、發明說明（ 室中之第—壓力控制載入區之大小。 於另一方面中，本發明係有關於用於化學機械研磨之 承載頭，其具有一基座，一第一彈性膜部，一第二彈性膜 部，及第二彈性膜部。第一彈性膜部延伸於基座下，並定 義一第一加壓室’及第一彈性膜之下表面提供一用於一基 材之去裝面。該弟一彈性膜部延伸於基座下並定義一第二 加壓至，及第二彈性膜之下表面接觸於具有可控制大小之 載入區中之第一彈性膜之上表面。第三彈性膜部連接該第 —彈性膜部至基座並定義一第三加壓室，使得於第二加壓 至中之第一壓力控制施加至載入區中之基材的壓力，及於 第三室中之第二壓力控制載入區之大小。 於另一方面中’本發明關係於化學機械研磨法之承載 頭，其包含一第一偏壓構件及一第二偏壓構件。該第一偏 壓構件包含一第一壓力室’及第一壓力室之下面係被一彈 性膜所包圍，該彈性膜提供第一面，以施加一負載至具有 可控制大小之載入區中之基材。諒第二偏壓構件係連接至 第一偏壓構件’及第二偏壓構件控制第一偏壓構件之垂直 位置’使得第二偏壓構件控制載入區之大小，及第一偏壓 構件控制施加至載入區中之基材之壓力。 於另一方面’本發明係關係於化學機械斫磨法之承載 頭’具有一彈性膜，其提供用於一基材之安装面，控制機 構’用以控制載入區域之大小’於該載入區中負載係被施 加至基材上’及控制機構，用以控制施加至載入區中之基 材之壓力。 第5頁 本紙張尺度適財國國家標翠（CNS)A4規格⑵G χ 297公爱） ---I l·---Γ I ! - 1 I I I I--^----I I.--t (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁)
經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 五、發明說明（ 於另~方面中，本發明關係於〆種化學機械研磨基 材之方法。於該方法中，基材係被’承載頭所靠於研磨 替，-負載係以承載頭中之第4被施加至載^中之基 /七少第二宫加以控制’及 材上，載入區之大小係以承載頭中 於基材及研磨墊間被創造有相對運動° .s . ^ B日找贫關於化學機械研磨系統 於另一万面中，本發明係爷1 中，檢測於承載頭中之基材的方法。於該方法+ $載頭 中之室係連接至壓力源。該室中之歷力係被量则為時間之 函數，及室中之壓力之導數係被计算。是否基材係鄰近於 承載頭中之基材接收面係由該導數決定° 本發明之實施可以包含以下特性。若導數超出一臨界 值，則表示基材出現，若導數未超出一臨界值，則表不基 材未出現。 本發明之優點可以包含如下。靠於基材之彈性膜之載 入區及壓力均可以加以變化’以補償不均勻研磨。基材之 不均勻研磨可以降低，及所得基材之平坦度及光製可以改 良。 本發明之其他優點及特性將由以下包含附圖及申請 專利範園之說明而變得更明顯。 圖式簡單說明： 第1圖為一化學機械研磨設備之分解立體圖° 第2圖為依據本發明之承載頭之剖面圖。 第3圖為由第2圖之承載頭來之基材襯墊组件之放大圖》 第6頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) - ------ 訂----I I --- ”4lit蠼 4 3 4 Π 1 ___Β7 五、發明說明（） 第4A及4B圖為剖面圖’例示於假想彈性膜上之恩力及力 量分配。 第5A及5B圖為剖面圖’例示由第2圖之承載頭靠於基材 之内部彈性膜之可變載入區。 第6圖為一圖表，例示接觸區之直徑與上浮動室之壓力間 之關係。 第7A及7B圖為一圖表，例示於下浮動室中之壓力之導數 (d P / d t)及壓力作為於基材檢測程序時之時間的函 數。 第8圖為具有内支撐板之承載頭之剖面圖。 第9圖為具有一脣部之彈性膜之承載頭之剖面圖。 第1 0圖為具有一彈性膜之承載頚之刦面圖，該彈性膜係 直接接觸於可變載入區中之基材。 第11圏為具有感應基材出現用之閥之承載頭之剖面圖。 於各圖中，相同參數號瑪係指定相同元件。具有字母 字尾之參考號碼表示一元件具有修改功能，操作或結構。 圖號對照說明： I I I I --l· I--· I I *1 I — I 1 訂.---I I I I I 線 -"·請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制Λ 10 基材 20 CMP設備 25 研磨站 27 傳送站 30 旋轉平台 32 研磨墊 40 墊調整設備 50 研漿 52 研漿/清洗臂 60 可旋轉多頭轉盤 62 中心柱 64 多頭轉盤轴 第7頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公爱） 4 3 4 111 A7 B7 五、發明說明（） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 66 轉盤支撐板 68 蓋部 70 承載頭 72 徑向槽 74 承載頭驅動軸 76 旋轉馬達 100 承載頭 1 02 外殼 104 基座組件 106 自由接頭機 108 負載室 110 扣環 1 12 基材襯墊组件 1 16 彈性内膜 1 18 彈性外膜 120 内支撐結構 122 内間隔環 124 底面 126 内表面 128 螺栓 130 垂直孔 132 通道 134 通道 140 環形體 144 下夹環 146 通道 148 固定件 152 彈性環 150 自由接頭桿 152 彈性環 154 路徑 160 環形滾動膜 162 内爽 164 外夹環 170 環形部 172 環形突出物 1 74 外表面 176 上表面 180 外表面 184 圓柱部 186 凸緣部 190 圓柱部 192 環形上緣 1 94 環形下緣 200 中心部 202 L形部 204 内轉板 206 外轉板 第8頁 -----I--^ ---* I I I I--I 訂 -- ---11 — -線 (諳先閱讀背面之泫意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)Α4規格（210 X 297公1 ) 4 3 4ι 1 ]卞 A7 B7 五、發明說明（） 208 圓 周 部 210 中 心 部 212 圓 周 部 214 邊緣 部 218 厚 部 230 外 支 撐 結 構 232 外 間 隔 環 234 浮 動 下 室 235 上 室 236 浮 動 上 室 238 可 加 壓 外室 250 環 形 鲁 部 260 中 心 部 262 圓 周 部 264 圓 柱 緣 266 内 轉 板 268 夾 環 270 上 表 面 272 外 轉 板 274 底 面 276 突 出 物 278 凹 槽 280 通 道 282 通 道 284 固 定 件 300 研 磨 器 302 彈 性 膜 304 硬 板 306 可 加 壓 室 308 圓 形 接 觸 區域 3 10 凹 部 3 12 頂 面 3 14 通 道 ---1 l· I--r--— 裝-- -----—訂---I -----線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明詳細說明： 參考第I圖，一或多數基材10係被一化學機械研磨 (CMP)設備20加以研磨。一類似CMP設備之說明可以於 美國專利第5,738,574號案中找到，該案之揭示係併入作 為參考β CMP設備20包含一連串之研磨站25及一傳送站27， 第9頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） 434 A7 B7 五、發明說明（） 用以加載及卸載諸基材。每一研磨站25包含一可旋轉平 台30,其上放置有一研磨墊32。若基材1〇為六吋（15〇毫 米）’或八吋（200毫米）直徑碟片，則平台3〇及研磨墊32 可以直fe為約20吋。若基材I 〇為十二吋（3〇〇毫米）直徑 碟片，則平台30及研磨墊32直徑可以是約3〇吋。對於 多數研磨處理，一平台驅動馬達（未示出）旋轉平台3〇，以 每分三十至二百轉之速度，但較低或較高轉速也可以使 用°每一研磨站25可以更包含一相關墊調整設備40，以 維持研磨墊之磨擦狀況》 一含反應劑（例如用於氧化物研磨之去離子水）及化學 反應催化劑（例如用於氧化物研磨之氫氧化卸）之研漿5 0 可以藉由一組合研漿/清洗臂52被施加至研磨墊32之表 面。若研磨墊3 2係為一標準墊，則研漿5 0可以同時包含 研磨粒子（例如用於氧化物研磨之二氧化矽）》典型地，足 夠研漿係被提供以覆蓋及濕潤整個研磨墊3 2 »研漿/清洗 臂52包含幾個噴嘴（未示出），其於每一研磨及調整週期之 結束時，提供研磨墊3 2之高壓清洗。 一可旋轉多頭轉盤6 0係由一中心柱6 2所支撐並被一 轉盤馬達組件（未示出）所旋轉於其上沿一轉盤軸64。多頭 轉盤60包含四個承載頭系統70,以對棧盤軸64呈等角距 方式安裝於一轉盤支撐板66上。承載頭系統之三個定位 基材於研磨站上，承載頭系統之一自傳送站接收一基材， 並將該基材傳送至該傳送站=轉盤馬達可以軌道繞行該承 載頭系統’將附著於其上之基材沿著於研磨站及傳送站間 第10頁 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --- ----—訂 *--- ----•線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（） 之轉盤軸繞行。 每一承載頭系統7 0包含一研磨或承載頭1 〇 〇。每一承 載頭1 0 0個別地沿著其軸旋轉，及個別地橫向振動於形成 於轉盤支撐平台66中之徑向槽72中。一承載驅動軸74 延伸穿過槽72，以連接承載頭馬達76(由轉盤蓋68之四 分之一去除所示出）至承載頭100<>對於每一頭有一堪動軸 及馬達。每一馬達及驅動軸可以被支撐於—滑動件（未示 出上）’其可以被一徑向驅動馬達沿著槽作線性驅動，以 橫向振動承載頭。 於實際研磨時，三個承載頭係定位於三個研磨站上。 每一承載頭100將一基材降低與研磨墊；32接觸a承載頭 支撐基材與靠向研磨墊並將一力量分配於基材之背面。承 載頭係同時由驅動軸轉送力矩给基材。 參考第2圖，承載頭100包含一外殼102，一基座組 件1 0 4，一自由接頭機制1 0 6 (其可以認為是基座組件之一 部份），一負載室108, 一扣環110,及一基材襯墊組件112’ 其包含三個可加壓室，例如浮動上室236，一浮動上室234 及一外室238。一類似承載頭之說明可見於1 997年五月 21曰由路尼加等人所申請之名為"用於化學機械研磨系統 之具彈性膜之承載頭"之美國專利申請第08/861，260號 中’該案之揭示係併入作為參考。 外殼1 02可以連接至驅動軸74，以於沿著垂直於研磨 墊表面之旋轉軸107研磨時，隨著旋轉。外殼可以大 致呈圓形，以相對於予以研磨之基材之圓形架構。一垂直
第11X 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公蔆） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ·!1 — ！1 訂·--- 11 — 丨'線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4341111 A7 —_________B7__ 五、發明說明（） 孔130可以穿過形成於外殼令，另三個通道（只有通道 132，134係示於第2圖中）可以延伸穿過外殼，用以作為 承載頭之氣動控制。〇形環138可以用以於貫穿外殼之通 道及穿過驅動軸之通道間形成流體密封。 基座组件104為一位於外殼1〇2下之垂直可動組件。 基座組件1 04包含一大致硬環形體丨4()，一外夾環164 , 自由接頭106，及一下夾環144。一路徑146彳以延伸穿 過自由接頭機制之主體*環形體及夾環，及兩個固定件148 可以提供附著點，以連接一彈性管於外殼〖〇2及基座組件 1 04之間，以流體連接路徑1 34至基材襯墊組件π 3中之 室中，例如室238中。一第二路徑（未示出）可以延伸穿過 環形體1 4 0，及兩個固定件（未示出）可以提供附著點，以 .連接彈性管於外殼丨〇 2及基座組件1 〇 4之間，以流體連接 於外威中之未例示路徑至基材襯塾組件112中之第二室， 例如室2 3 6。 自由接頭機制1 06允許基座組件，以相對於外殼i 〇2 作樞動’使得扣環可以大致與研磨墊表面保持平行。自由 接頭機制106包含自由接頭桿150’其***垂直孔ι3〇中， 及一固定環152’其固定至環形體140中。自由接頭样15〇 可以沿著孔1 3 0垂直滑動’以提供基座組件丨〇 4之垂直動 作’但其防止基座組件1 〇 4相對於外殼1 〇 2之橫向移動， 並降低由基材靠向扣環之橫向面所產生之動量。自由接頭 1 50可以包含_路徑丨54，其延伸自由接頭之長度’以流 體連接孔130至基材襯整組件Π2中之第三室，例4室 第12頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） * » Μ----------------- (講先S3讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 4 3 4 】11 434 Μ 1» 1 Α7 Β7 五、發明說明（） 23 4 ° 負載室108係位於外殼102及基座組件104之間，施 加一負載，即向下壓力或重量至基座组件104。相對於研 磨墊32之基座組件1 之垂直位置同時也被負載室1 〇8 所控制一大致環形滾動膜160之内緣可以被夾至外殼 1 02，藉由内夾環1 62。滾動膜I 60之外緣可以被外夾環 1 64所夾至基座組件104。因此*滾動膜160密封了於外 殼I 02及基座組件1 04間之空間，以定義負載室ί 08。一 第一泵（未示出）可以藉由路徑1 3 2以流體連接至負載室 108，而控制於負載室中之壓力及基座組件104之垂直位 置。 扣環1 10可以是大致呈環形例如藉由鉚釘1 2 8被固定 .於基座組件1 04之外緣。當流體被抽入負載室1 08及基座 組件1 0 4被向下推時，扣環1 1 0同時被向下推，以施加一 負載室研磨墊32»扣環110之底面124可以大致呈平坦， 或其可以具有多數通道，以便利研漿由扣環外傳送至基 材。扣環110之内表面126嚙合基材，以防止其由承載頭 下脫離。 參考第2及3圖，基材襯墊組件112包含一彈性内膜 116’ 一彈性外暎ι18, 一内支撐結構120，一外支撐結構 230，一内間隔環122及一外間隔環232。支撐結構120 及230及間隔環112及232可以自由浮動”，即未被固定 至承載頭之其他部份，並可以被内及外彈性膜所保持於定 位0 第13頁 本紙張尺度適財開家標準（CN_^規格（21Q x 297 ^ ----“---J---- . ----— i t 訂，--------建 (請先閱續背面之注意事項再填寫本頁) Α7 Β7 «34 1 11« 五、發明說明（） 彈性内膜116包含一中心部200 ’其施加基材至一可 控制區，一具有"L形”剖面之相當厚環形部202，一環形 内轉板204,其由L形部角落延伸’一環形外轉板206, 其由L形部202之外緣延伸’及一圓周部208，其延伸於 内支擇結構120旁’以連接L形部202及中心部200。内 轉板204之邊緣係被夾於固定環152及環形體140之間’ 而外轉板206之邊緣係夾於外夹環1 64及下夾環1 44之 間。由轉板204所密封之於基座組件1〇4及内膜116間之 體積提供了一可加壓浮動下室234。由内轉板2〇4及外轉 板206所密封之於基座组件1 及内膜1 1 6間之環形體積 定義了一可加壓浮動上室236。—第二泵（未示出）可以連 接至未示出之路徑，以導引流體，例如空氣之氣體進出浮 動上室236。一第三泵（未示出）可以連接至孔130，以導引 例如空氣之氣體的流體進出浮動下室2 3 4 »第二泵控制於 上室中之壓力，及下室之垂直位置，及第三泵控制於下室 之壓力。如於以下所詳述，於浮動上室236中之整力將棱 制内膜116之接觸區域向外膜118之頂面。因此，第二策 控制施加壓力之基材的面積，即載入區之面積，而第 控制於載入區中之基材上之向下力。 外膜1 1 1 8包含延伸於外支撐結構230下之中心部份 210’以提供一安裝面以嚙合基材’及一呈蛇形路徑延伸 於外支撐結構230及予以固定至基座組件之外間隔環 問之圓周部2 12。例如，外膜之邊緣可以被夹持於下+ · 144及扣環110之間。於内膜丨16及外膜丨1〇間之密封體 第14頁 本紙張尺度適用令國國家標準(CNS)A4^T^1〇'兩公釐) -----l· I I I- I --- ------ I I 訂- It — !- I <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 434111 A7 B7 五、發明說明（） 積定義了可壓縮外室238 ^因此，外室238可以實際延伸 於下室234之下。—第四泵（未示出）可以被連接至通道 134 ,以導引，例如氣體，如空氣之流體進出外室238。第 四泵控制於外室238中之墼力。 内支撐結樣12〇可以是大致一硬墊圈形體，位於浮動 下室234之内’以維持内膜116之想要形狀。或者，内支 撐結構可以是一碟形體’具有多數孔徑貫穿於其間。碟形 支撐結構將提供一襯墊面，以防止基材由於彎曲而被破 壞。 内間隔環1 2 2係大致為一硬環形體，其具有一 c型剖 面。内間隔環可以包含一圓柱部190, ~環形上凸緣192, 及一環形下凸緣1 94。内間隔環丨22可以位於内支撑結構 .120上之外室238中。環形下凸緣194可以被支撐結構所 支撐’而環形下凸緣1 9 2可以延伸於外支撐結構2 3 〇及外 間隔環2 3 2上。 内膜Η 6係由可彎及彈性材料，例如彈性體，彈性體 塗層纖維或熱塑彈性體（ΤΡΕ)，例如由美國達拉瓦州，紐 瓦克之杜邦公司購得之"HYTREL"或這些材料之組合所作 成。較佳地，内膜1 16係較外膜π 8為少之彈性。如上所 討論’内膜1 1 6之中心部200之可控制區可以接觸外膜u 8 之上表面並對之施加一向下負載。該負載係經由外膜傳送 至載入區中之基材上。内膜116之中心部200之底面可以 例如被作成具有小凹槽，以確保接觸時，流體可以流於内 及外膜之間。内膜之圓周部208向下延伸於内支撐結構 第15頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先w讀背面之注意事項再填冩本頁)
* ( n mf n 一OJ* ·1 n .^1 .^1 I 經濟邹智慧財產局員Η消費合作社印製 4 3 4 U 1 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（ 120之外表面180，並向内延伸於内間隔環122之下凸緣 194及内支撐結構之上表面182之間，以連接至L型部202 之下緣。内膜之L型部2 02延伸於圓柱部190内並於内間 隔環122之環形上凸緣192上。 外支撐結構2 3 0係位於内膜1 1 6及外膜1 1 8間之外室 238内，以維持外膜118之想要形狀並於真空夹持時，密 封基材與外膜。明確地說，外支撐結構2 3 〇可以具有一大 致硬環形部170’具有由環形部邊緣向下延伸之環形突部 172。或者，突出物172可以定位以接觸外膜之頂面，以 優先抱加壓力至基材之選定區域，如於由史帝夫M.魯尼 加等人於1997年八月8曰所申請之美國專利案第 08/907,810號所"用於化學機械研磨設備之具區域壓力控 制之承載頭"所述，該案係受讓給本案之受讓人，其整個 揭示係併入作為參考。突出物丨72可以藉由黏著方式附著 —層可壓縮#料至環形部170之下表面加以形成。 外間隔環23 2係大致為位於扣環n 〇及外膜t丨8間之 環形構件。明確地說，外間隔環232可以位^外支撐結構 230上。外間隔環232包含-圓柱部184及-凸緣部186, 其向外延伸至扣環Π 〇之内砉；τ、 5 円表面,以維持外間隔環之 橫向位置。 外膜1 1 8係為大致一圓形片 即y片材，其係可彎曲及彈性材 料，例如氣丁二烯，或乙烯兩埽梭 橡勝或硬酮作成。應注意 的是’外膜之中心部21 0定義—m 用於基材之安裝面，而圓 周部212呈蛇形延伸於外支撐站媸、 八奸.、棟230及予以被夾持於基 第16頁 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝--------訂---------線 434111 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五'發明說明（) 座组件1 04及扣環丨丨〇間之外間隔環232之間。明確地說， 圓周部212向上延伸於外支揮結構230之外表面174之 旁’向内延伸於外間隔環2 3 2之凸緣部及外支撐結構23 〇 之上表面176間，並向上延伸於外間隔環232之圓柱部U4 旁’然後向外延伸至一邊緣部2丨4，其係被夾持於下夾環 1 44及扣環π 〇之間’以形成一流體密閉密封。外膜之一” #間隙"部2 1 6係延伸於邊緣部2丨4及外間隔環2 3 2之上 表面之外徑之間。外膜可以包含一厚部218，其向上 延伸於内間隔環1 2 2及外間隔環2 3 2之間。外膜可以預鑄 為蛇形》 於操作中’流體可以被抽進出浮動下室2 3 4，以控制 内膜116靠向外膜118之向下壓力，而靠向基材，及流體 被抽進出浮動上室236,以控制靠向外膜118之内膜Η6 的接觸區域。承載110控制載入區及施加至基材壓力之能 力將參考第4Α及4Β圖加以解釋。參考第4Α圖，一假想 及示意性研磨機300包含一"自由浮動》彈性膜3〇2，其定 義 可加壓^至·^06。假設沒有外力施加至彈性膜302上， 其將大致王球形’並具有内壓p1。然而，若騰被壓縮，例 如於硬板3 04及基材I 〇之間，彈性膜將變形成械園，而 與基材大致呈圓形接觸面區308。假設硬板3〇4施加向下 力F至彈性膜302，力量平衡需要P*AC，其中△ p為 於室306中之内部壓力及包圍彈性膜，及Ac係為接觸 區308之表面積》因此，接觸區域3〇8之直徑Dc將會是 第17頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公f ) -----„---- ^--------^---------^ (諝先閱讀背面之注意事項再填窵本頁) 4 3 4 11 1 A7 B7 五、發明說明（
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結果，任一圓形接觸分佈及壓力可以藉由兩步驟處理 加以取得，於該處理中壓力Pt係被選定’及所施加之力 量F係被碉整以決定載入區之直徑。雖然第4A及4B圖以 示意方式例示出該概念，但本發明可以大致藉由施加一向 下力至自由浮動膜室加以實施。 參考第5A及5B圖，靠著外膜118之内膜之接觸 面，及壓力所施加至基材1〇之載入區可以藉由改變於浮 動上室236中之壓力加以控制。藉由將浮動上室236流醴 插出’内膜116之L型部202係被向上拉，藉以將中心部 2 0 0之外緣扳開外膜1 1 8，並減少載入區之直徑=相反地， 藉由將流體抽入浮動上室236時，内膜1丨6之L型部202 係被強迫向下，藉以將内膜之中心部2 0 0推向與外膜11 8 接觸’龙增加載入區之直徑。另外，若流體被強迫入外室 内膜116之L型部202係被強迫向上’藉以減少載 入區之直徑。因此，於承載頭1〇〇中，載入區之直徑將取 決於上室及下室中之壓力而定。 接觸面積之直徑為上室235，下室234及外室238之 壓力之函數之例示圖400係示於第6圖中。此一圖表可以 精由有限元件分析加以實驗或計算。於第6圖中之圖表 中，X軸代表於室234中之壓力，及y軸代表接觸面積。 諸級圖表線402-418代表於下壓236及外室238中之各種 墨力之上室壓力對接觸面積之關係，其係總結如下表中： <諳先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝------J訂-----I---線 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 X 消 費 合 作 社 印 製 第仴頁 @ m ^ (CNS)A4 X 297公釐） 4 3 4
A7B7I 五、發明說明（） 圖表線 於外室238 中之磨力P1 1^ 於下室234 壓力P2 P2-P1 402 1.0 1.5 0.5 404 1.0 2.0 1.0 406 3.0 —- 3.5 0.5 408 3.0 ...... 4.0 1.0 410 3.0 '''----- 4.5 1.5 412 5.0 5.5 0.5 414 5.0 6.0 —-- 1.0 416 5.0 6.5 1.5 418 5.0 7.0 2.0 {請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 承載頭1 0 0可以操作於’’標準"操作模式中，其中浮動 室2 34及236係被通風或減壓，以離開基材，外室238係 被加壓，以施加均勻壓力給基材之整個背面。 如前所討論’於C Μ P中之—再發生問題是基材中心 之非均勻研磨。然而’該可控制載入區可以用以補償研磨 分佈圖，其中基材之中心係藉由施加一連續之具不同直徑 之負載面積之研磨步驟而欠研磨。例如，承載頭可以用以 於第一期間Τι中，研磨具有半徑Γι之基材區域，然後， 於第二期間丁2中’研磨具有半徑Γ2之較大區域，然後， 於第三期間Τ'3研磨具有半徑r3之更大區域。這確保基材 之不同區域係以需要以降低研磨不均勻性之總時間及壓 力加以研磨。 第19頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNSM4規格（210 X 297公;g ) 4 3 4 1 1 1 - A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 --—___ B7__五、發明說明（） 如同先前所討論，# CMP中之另一常發生問題是於 基材邊緣之非均勺研磨。然而，外間隔環232可以用以控 制由接近基材邊.緣之外膜118所施加之壓力分佈β明確地 說，如於由史帝芬魯加等人申請於ί998年十月9日之美 國專利申請案第09/169,500號，名為，，用於化學機械研磨 之具有彈性膜之承載頭"，其係受讓給本案之受讓人，其 整個揭示係併入作為參考’外間隔環之上表面之表面積可 以被選擇以調整施加至外薄膜之角落對基材圓周之相對 壓力。 為了由研磨墊上移開基材，浮動上室236係被加壓， 以強迫外支撐結構230之突出物172向下靠在外薄膜118 之上表面。這強迫外薄膜與基材接觸，以形成一密封。浮 .動下室2 3 4係被通氣，例如，連接至外面大氣，及外室被 減壓。這使得薄膜118被向内抽，以真空夾持基材至承載 頭上。然後，浮動上室2 3 6係被減壓以將内及外薄膜向上 抽*並將基材抬舉離開研磨墊。最後’負載室係被抽 真空以抬舉基座組件1 04及基材襯墊组件離開研磨墊。 承載頭100之操作以加載一基材至傳送站27之承載 頭，由研磨站25之研磨墊放開基材，並由傳送站27之承 載頭卸載基材係被總結於以下表格中。 --1 —r ---裝ί丨丨丨I丨丨訂-------- *線 (諳先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 第20頁 1本紙張尺度㉟帽@家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） Α7 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 4 3 4 111 ___Β7 五、發明說明（） 加載操作 步驟 啟始狀態 縮回 膨脹薄膜 將基材 抓取晶圓 下組件 推向薄膜 外 通氣 通氣 壓力 通氣 真空 下 通氣 通氣 通氣 通氣 通氣 上 通氣 真空 真空 真空 真空 環 真空 真空 真空 真空 真空 於膨脹，推壓及抓取步驟後可採之時間延遲。 釋放操作 步驟 啟始 施力P 抓取 由墊抬 由墊 狀態 密封力 基材 舉基材 抬舉環 外 通氣 通氣 真空 真空 真空 下 通氣 通氣 通氣 通氣 通氣 上 通氣 壓力 壓力 真空 真空 環 壓力 壓力 壓力 壓力 真空 於密封，抓取，及抬舉步驟後可發生時間延遲 卸載操作 步驟 啟始狀 延伸下 釋放基 送出基 令薄膜 態 組件 材 材 消氣 外 真空 真空 通氣 通氣 通氣 下 通氣 通氣 通氣 壓力 通氣 上 真空 壓力 通氣 通氣 通氣 環 真空 真空 真空 真空 真空 第21Τ (諳先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝.-------訂----- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印Μ衣 A7 B7 五、發明說明（） 於降下及送出步驟可以花之時間延遲。 為了於加載或釋放操作後’決定是否基材係成功地附 著至承載頭上，c Μ P設備可以執行一基材檢測程序。此程 序開始以外室238,上浮動室236及負載室108於真空下， 及下浮動室234被通氣。下浮動室234係被連接至固定壓 力之壓力源。參考第7Α圖’於下浮動室中之壓力係被量 測為時間之函數。參考第7Β圖，於下浮動室中之壓力之 一次導數（dP/dt)係被計算為室係被加壓。若基材未出現， 則下室將向下彎，並具有膨脹空間。相反地，若基材出現 並被夾持至承載頭上，於下室中之容積將受限，及隨後於 下室中之壓力將快速上升。因此，若基材藉由決定是否導 數dP/dt是否超出臨界值C!加以檢測出。此臨界值Ci可 .以實驗決定。若導數dP/dt超出臨界值C i，則基材出現。 另一方面，若導數dP/dt並未超出臨界值C 1，則基材未出 現。下浮動室234可以於基材檢測程序完成後回到真空。 參考第8圖，於另一實施例中，承載頭l〇〇a包含一 大致呈碟狀內支撐板120a，其提供於浮動上室236a及浮 動下室234a間之阻障。内膜1 1 6a係大致圓形片，具有中 心部份200a’及一被固定至基座組件1 〇4a之邊緣部240， 及一環形内區域或外緣242固定至内支撐板i 2〇a之外緣 244。内薄膜之中心部份200a延伸於内支撐板i2〇a之下， 以定義浮動下室2 3 4 a ’而於襯墊板及基座组件間之體積係 被内膜11 6a之邊緣部240所密封，該體積定義浮動上室 236a。碟形内支撐板120a增加了於浮動上室236a及浮動 第22頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---------— I— ·1!11111 一SJ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4341 11 A7 B7 五、發明說明（） 下室234a間之接觸面積。 外支撐結構2 3 0 a可以包本一读带如 ° 衣形部170a，一環形凸 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 緣部178a，其由環形部i7〇a之内缴南 〜門.家向上突出’及一突出 物1 72a ’其由環形部1 70a之外绫命下„认 < π ..家句下延伸，以接觸外薄 膜118a之上表面。外支樓杜进、 又伢心構h〇a〈凸緣部n8a可以 固定至内支樓板120a或内薄膜+ 門溥腰U6a。或者，外支撐結構 23 0a可以於外室238中自由浮動。 承載頭I〇〇a以類似於承載頭1〇〇之方式作動。明確 地說，於汁動上：E 23 6a中之壓力控制内膜靠向外膜上表 面之接觸面積，以及，於浮動下室234&之壓力控制施加 至載入區中之基材之壓力。為了由研磨墊上去除基材，浮 動上室236a係被加壓以強迫於外支撐結構23〇&上之突出 物172a靠向外膜118a之上表面。這使得外薄膜靠向基 材，以於其間形成流體密閉密封。然後，浮動下室係被通 氣’及外至2 3 8 a係被減壓，以將外薄膜拉向内薄膜。最 後，浮動上室係被減壓，以將基材抬離研磨墊。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印*·'?} 參考第9圖，於另一實施例中，承載頭i〇〇b可以包 含具有環形脣部250之外薄膜1 I8b。當外室238c被抽真 空時’脣250可以被拉向基材1〇，以形成一密封並改變基 材之真空夾持，如於魯尼等人於1998年八月31曰所申請 之美國專利申請案第09/149,806號"用於化學機械研磨之 承載頭"所述，該案係受讓給本案之受讓人’其整個揭示 係併入作為參考。 參考第10圖，於另一實施例中，承載頭100c包含一 第23頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 434 Μ 1 Α7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 B7 五、發明說明（） 單一彈性膜118c及一碟狀襯墊結構I22y彈性膜1 1 8c之 中心部260延伸於襯墊結構122c之下’以提供一安裝表 面以嚙合基材。彈性膜之圓周部2 62向上及向内延伸於襯 墊結構之圓柱緣264。圓周部262包含一内轉板.266 ’其 係被夾於一夹環208及襯墊結構122c之上表面270之間’ 及一外轉板272，其係包圍予以夾持於扣環1 1 及環形體 140c間之間隔環120c。因此，於塾結構122c及彈性膜1 18 間之體積定義一可壓縮浮動下室234c，及於基座組件104 及襯墊結構122c間被内及外轉板266及272所密封之體 積定義了可壓縮浮動上室236c » 一泵可以藉由一自由接頭桿150中之通道154連接至 浮動上室236c，及另一菜可以藉由於外殼102中之通道 .134,於基座組件104c中之通道280,及經由襯墊結構122c 之通道282連接至浮動下室234c。固定件284及286提供 用以彈性接管之附著點’以流體連接通道’諸通道流過基 座組件，及襯墊結構，以連接通道134至浮動下室234c。 襯墊結構之底面274可以具有一突出物276，其由結 構之外緣向下延伸。多數凹槽278可以形成於襯塾結構 1 22c之底面274中’以確保流體可以由襯墊結構及彈性膜 間柚出。 藉由控制於浮動上及下室中之壓力，彈性膜！丨8c靠 向基材之接觸壓力及負載面積可以被控制。為了由研磨执 上移開基材，浮動上室236c係被加壓以強边突出物276 向下並於基材及彈性膜間創造一密封，然後浮動下室234c
第24T 私纸張尺度適用中囤國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公f ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ------I I --------線 I . A7 4 3 4 1 1 B7_______ 五、發明說明（） 係被抽真空’以真空夾持基材至承載頭上° 參考第11圖，於另一實施例中’結構上類似於承載 頭100c之承載頭l〇〇d包含一閥路由定位系統300，於襯 整結構122d中，以流體連接上室236d至下室234d。閥路 由定位系統300包含一碟形閥體302及一環形閥凸緣 304«閥體302可以固定於襯墊結構1 22d中乏孔徑306中’ 及閥凸緣304可以黏著固定至襯墊結構122d之頂面312 中。環形密封308固定於頂面312中之淺凹部雜亂次系統 310中，該頂面包含孔徑306。多數垂直通道3丨4可以形 成貫穿碟形闕體302於密封308上，以流禮連接下室234d 及上室236d»閥凸緣304作動為一彈性彈簧以將閥體302 向下偏壓，使得垂直通道314靠於環形密封308，以關閉 該閥。然而，若閥體302係被強迫向上’則密封將不再接 觸閥體及流體可以經由通道3 14洩出。因此’閥300將被 打開及下室234d及上室236d將經由通道314而流體相 通。 閥300可以用以感應是否一基材已經被夾於彈性膜 1 1 8d上。明確地說，於上室234d中之第一壓力量測可以 以一壓力錶（未示出）完成於上室被加壓後，於下室被柚真 空之前。上室234d應與加壓或抽真空該室之泵隔離。然 後，於下室被抽真空後，於上室中壓力之第二量測係由壓 力錶完成。第一及第二壓力量測可以相比較，以決定是否 基材係成功地被真空夾持至承載頭上。 若基材被成功地真空夾持，則彈性膜1 1 8 d將被保持 第25頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -------訂---1!11_ 線 I . 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 434 111 Α7 Β7 五、發明說明（） 於接近基材，藉由於基材及彈性膜間之低壓袋。結果，間 3 00將於其閉合狀態保持偏壓，及於上室中之壓力將保持 不變或可以增加。另一方面，若基材未出現或未被真空失 持至承載頭’則當下室234d被抽真空時，彈性膜U8d將 向上彈。因此，彈性膜將施加一向上力至閥體3〇2並將打 開閥300，藉以流體連接下室234d至上室236d。這允許 流體經由下室23 4d被抽出上室23 6d之外。結果，於上室 中之所得壓力將為低，若基材並未出現或相較於基材被適 當附著時’基材未被真空夾持至彈性膜，這差異可以被檢 ;則以決定是否基材被夾持至承載頭。用以感應於承載頭中 之基材之出現之類似設備與方法係被描述於由布里斯 ^ 門等人所申請於1997年五月23曰之美國專利中請案第 .0 8 / 8 6 2，3 5 0號"用於化學機械研磨系統之具基材檢測機制 之承載頭”之中，其係受讓給本案之受讓人，其整個揭示 係併入作為參考。 可以執行本發明之承載頭有各種架構。例如，浮動上 室可以是一環形或固態體。上及下室可以藉由—彈性膜分 開或藉由一相當硬襯墊或支撐結構分開。基材可以藉由於 可變載入區中之彈性膜加以直接接觸，或一内薄膜可以以 於可變接觸面積來接觸外薄膜之内表面。支撐結構可以具 有孔徑貫穿於其間之環形或碟形體° 本發明已經以若干實施例加以描述然而*本發明並 不限定於所述及描述之實施例。相反地’本發明之範園係 由隨附之申請專利範圍所定義。 第26頁 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) I I I--I I 11111111 I . 經濟部智慧財產局負工消費合作社印製