專利名稱：用于研磨頭的柔性膜的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及襯底的化學機械拋光，更具體地涉及化學機械拋光中使用 的研磨頭。
背景技術：
集成電路通常通過在硅襯底上順序沉積導電層、半導電層或絕緣層而在襯 底上形成。 一個制造步驟包含在不平坦的表面上沉積填充層，以及平坦化該填 充層直到暴露不平坦表面。例如，導電填充層可沉積在已構圖的絕緣層上來填 充絕緣層中的溝槽或孔。隨后研磨該填充層直到暴露該絕緣層的凸起圖案。平 坦化之后，絕緣層的凸起圖案之間殘余的導電層部分形成通孔、插栓和襯墊， 其提供襯底上薄膜電路之間的導電通路。另外，需要平坦化步驟以平坦化襯底 表面用于光刻。
化學機械拋光(CMP)是一種公認的平坦化方法。該平坦化方法通常需要 將襯底放置在CMP裝置的研磨頭或拋光頭上。襯底的暴露表面貼著旋轉(zhuǎn)拋光 盤或砂帶墊放置。拋光墊可以是標準拋光墊或固定磨粒拋光墊。標準拋光墊具 有耐久的粗糙化表面，而固定磨粒拋光墊具有容納在容器媒介中的研磨劑顆 粒。研磨頭在襯底上提供可控的負載以將襯底推向研磨墊。研磨頭具有保持環(huán)， 在拋光期間該保持環(huán)夾持襯底在適當位置。研磨液，諸如漿液，其包括至少一 種化學反應試劑和研磨劑顆粒，提供給研磨墊的表面。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明描述了一種保持環(huán)組件。該保持環(huán)組件具有柔性膜，其設 計形狀以提供環(huán)形腔和放置在該柔性膜下方的環(huán)形保持環(huán)。該柔性膜具有同心 的內(nèi)側(cè)壁和外側(cè)壁、從內(nèi)側(cè)壁和外側(cè)壁的上邊緣水平延伸的環(huán)形同心邊、環(huán)形 下表面，以及從環(huán)形下表面向下延伸的兩個環(huán)形同心凸起。環(huán)形保持環(huán)具有構 造為沿外周圍繞襯底邊緣以保持襯底的內(nèi)表面、構造為接觸研磨墊的下表面、環(huán)形上表面，以及在環(huán)形下表面中的兩個環(huán)形同心凹陷。柔性膜的環(huán)形同心凸 起設計尺寸以與環(huán)形保持環(huán)的環(huán)形同心凹陷嚙合。本發(fā)明的實施方式可包括一個或多個以下特征。柔性膜的同心內(nèi)側(cè)壁和外 側(cè)壁可具有在保持環(huán)的上環(huán)形表面之下延伸的彎曲部分。柔性膜的環(huán)形同心邊 和環(huán)形同心凸起可以比內(nèi)側(cè)壁和外側(cè)壁更厚。柔性膜的環(huán)形下表面可具有多個 圓孔，每個圓孔設置在從環(huán)形下表面向下延伸的兩個環(huán)形同心凸起之間。保持 環(huán)的環(huán)形上表面可具有多個柱狀凹陷，每個柱狀凹陷設置在該兩個環(huán)形同心凹 陷之間，使得柔性膜可用緊固件固定于保持環(huán)。柔性膜可以緊固于研磨頭。柔 性膜可以由諸如硅樹脂的彈性材料形成。環(huán)形保持環(huán)可以具有環(huán)形下部分、環(huán) 形上部分，以及該上部分和下部分之間的粘接層。保持環(huán)的環(huán)形下部分可具有 多個凹槽。保持環(huán)的環(huán)形上部分可具有沿其外表面的環(huán)形唇緣，其中環(huán)形唇緣 具有水平下表面、垂直外表面和不水平的上表面。保持環(huán)的環(huán)形上表面可具有 下環(huán)形表面和上環(huán)形表面，其中下環(huán)形表面比上環(huán)形表面更寬。另一方面，本發(fā)明描述了一種保持環(huán)。該保持環(huán)包括環(huán)狀圈，該環(huán)狀圈具 有構造為外周圍繞襯底邊緣以保持該襯底的內(nèi)表面、構造為接觸研磨墊的下表 面、環(huán)形上表面、在該環(huán)形上表面中的兩個同心凹陷，以及多個柱狀凹陷，每 個柱狀凹陷設置在該兩個環(huán)形同心凹陷之間。本發(fā)明的實施方式包括一個或多個以下特征。環(huán)狀圈可具有含下表面的環(huán) 形下部分和含上表面的環(huán)形上部分，上部分和下部分可由不同材料形成，以及 上部分可以例如，通過粘接層連接至下部分。環(huán)形下部分可具有延伸至上部分 中的相應凹陷中的凸起，以及該凸起可沿著保持環(huán)的內(nèi)表面延伸。上部分可以 比下部分更硬。保持環(huán)的下環(huán)形表面可以比保持環(huán)的上環(huán)形表面更寬。下表面 可包括多個從內(nèi)表面向外表面延伸的多個凹槽。保持環(huán)的外表面可具有環(huán)形唇 緣。環(huán)形唇緣可具有水平的下表面和傾斜的上表面。外表面可以在環(huán)形唇緣之 上凹陷。該內(nèi)表面可包括從下到上向內(nèi)成錐形的區(qū)域。另一方面，描述了一種用于將負載施加給保持環(huán)的柔性膜。該柔性膜包括 圍繞環(huán)形腔的同心內(nèi)側(cè)壁和外側(cè)壁、從內(nèi)側(cè)壁和外側(cè)壁水平延伸的環(huán)形同心 邊、與側(cè)壁連接的環(huán)形下表面，以及從環(huán)形下表面向下延伸的兩個環(huán)形同心凸 起°本發(fā)明的實施方式可包括一個或多個以下特征。該柔性膜的同心內(nèi)側(cè)壁和外側(cè)壁可具有在環(huán)形下表面之下延伸的彎曲部分。柔性膜的環(huán)形同心邊和環(huán)形 同心凸起比內(nèi)側(cè)壁和外側(cè)壁更厚。柔性膜的環(huán)形下表面進一步可包括多個孔， 例如圓？L，每個孔設置在兩個環(huán)形同心凸起之間。該孔可圍繞下表面成等角間 距隔開。柔性膜由諸如硅樹脂的彈性材料形成。另一方面，本發(fā)明描述了一種夾持環(huán)。該夾持環(huán)包括環(huán)狀圈，該環(huán)狀圈具 有構造為外周圍繞保持環(huán)的內(nèi)表面、構造為接觸研磨墊的下表面，以及構造為 附接到研磨頭的上表面。該內(nèi)表面包括與下表面相鄰的第一區(qū)域，具有比相鄰 且位于第一區(qū)域之上的內(nèi)表面的第二區(qū)域更小的內(nèi)徑。本發(fā)明的實施方式可包括一個或多個以下特征。下表面可具有比上表面更 小的內(nèi)徑。夾持環(huán)的外表面可具有鄰近下表面的凹陷。該凹陷可包括水平下表 面、垂直上表面和連接該水平下表面及垂直表面的傾斜部分。垂直表面可從下 表面向傾斜部分延伸。凹陷可限定外表面中的環(huán)形臺階，以及環(huán)形臺階可具有 從下表面延伸的第二垂直表面，以及連接該垂直表面和第二垂直表面的第二水 平下表面。上表面的內(nèi)徑邊緣和外徑邊緣可以是圓形。多個柱狀凹陷可形成在 上表面中。多個柱狀凹陷圍繞上表面成等角間距隔開。下表面可包括從內(nèi)表面 向外表面延伸的多個凹槽。夾持環(huán)可以是由相同材料，諸如塑料形成的單個單 元。夾持環(huán)可包括具有上表面的環(huán)形上部分和具有下表面的環(huán)形下部分，并且 下部分連接至上部分。夾持環(huán)的環(huán)形上部分和環(huán)形下部分可由不同材料形成， 例如上部分可由金屬形成而下部分可由塑料，例如聚酰胺酰亞胺形成。粘接層 可連接上部分和下部分。環(huán)形下部分可包括延伸至上部分的環(huán)形凹陷中的環(huán)形 凸起，并且環(huán)形凸起可沿著內(nèi)表面延伸。凹陷可限定水平上表面、內(nèi)側(cè)壁和該 水平上表面與內(nèi)壁之間的圓形邊緣。內(nèi)表面可具有與下表面鄰近的向內(nèi)凸起的 臺階。該臺階可具有垂直的內(nèi)壁和水平外表面。內(nèi)表面可以在向內(nèi)凸起的臺階 上方從下向上向內(nèi)成錐形。夾持環(huán)可具有與上表面鄰近的向內(nèi)凸起的唇緣。該 唇緣可具有垂直內(nèi)壁和沿其上邊緣及下邊緣的圓形部分。內(nèi)表面可以在唇緣之 下從上向下向內(nèi)成錐形。另一方面，本發(fā)明描述了一種夾持環(huán)。該夾持環(huán)具有配置為設置在底座之 下的環(huán)形上部分和環(huán)形下部分。夾持環(huán)配置為外周圍繞保持環(huán)并具有構造為接 觸研磨墊的下表面。環(huán)形上部分具有沿著其上表面的邊緣以及其內(nèi)徑和外徑的 圓形部分。環(huán)形下部分具有沿著其外徑的凹陷和具有比環(huán)形上部分的上表面的內(nèi)徑更小的下表面。本發(fā)明的實施方式可包括一個或多個以下特征。該夾持環(huán)可附接到底座。 夾持環(huán)可配置為不接觸襯底的邊緣。環(huán)形上部分可具有在其上表面上的多個柱 狀凹陷。環(huán)形下部分可具有多個凹槽。夾持環(huán)的環(huán)形上部分和環(huán)形下部分可以 是由相同材料，諸如塑料形成的單一單元。環(huán)形下部分可包括從凹陷沿著其外 徑向外凸出的環(huán)形臺階。該環(huán)形臺階可具有水平的下表面。沿著環(huán)形下部分的 徑向截面測得的該環(huán)形臺階的最寬部分可以是環(huán)形臺階的最上邊緣處。環(huán)形上 部分和環(huán)形下部分可以利用該兩部分之間的粘接層由不同材料組成。環(huán)形上部 分可具有沿著其內(nèi)徑在其下表面中的凹陷，以及環(huán)形下部分可具有沿著其內(nèi)徑 從其上表面向上突出的凸起，其中該凸起設計尺寸以與凹陷嚙合。沿著環(huán)形上 部分的內(nèi)徑的該凹陷可具有水平上表面和沿著內(nèi)壁的圓形部分。環(huán)形上部分可 具有沿著其上表面的內(nèi)徑向內(nèi)凸起的唇緣，其中該唇緣可具有垂直內(nèi)壁和沿著 其上邊緣和及下邊緣的圓形部分。另一方面，本發(fā)明描述了一種柔性膜。該柔性膜具有主要部分，該主要部 分具有提供襯底安裝表面的下表面，以及從主要部分的外邊緣延伸的外環(huán)形部 分。主要部分和外部環(huán)形部分之間的接合點具有外圍邊緣鉸鏈和沿著外環(huán)形部 分的外壁的鉸鏈之上的環(huán)形凹陷。外圍邊緣鉸鏈具有圓形內(nèi)表面和外表面并構 造為柔性的。本發(fā)明的實施方式可包括一個或多個以下特征。外環(huán)形部分可具有沿著其 外壁的環(huán)形凹陷和沿著其內(nèi)壁向內(nèi)突出的環(huán)形臺階。環(huán)形凹陷可允許環(huán)形部分 彎曲。環(huán)形臺階可具有不水平的上表面和下表面。柔性膜可具有連接至外環(huán)形 部分的兩個環(huán)形翼。連接至外環(huán)形部分的兩個環(huán)形翼可具有向內(nèi)延伸的水平部 分和厚邊。該邊可構造為固定于底座組件。上環(huán)形翼可具有比下環(huán)形翼更窄的 水平部分。多個同心環(huán)形翼可連接至主要部分，當該柔性膜固定于研磨頭時， 以將主要部分上方的空間分為多個腔室。例如，柔性膜可具有連接至主要部分 的四個同心環(huán)形翼。連接至主要部分的最內(nèi)同心環(huán)形翼可具有向外延伸的水平 部分、沿著該水平部分的外邊緣的厚邊，以及在主要部分和水平部分之間連接 的環(huán)形傾斜部分。環(huán)形傾斜部分在其與主要部分的接合點處比與水平部分的接 合點處具有更大的半徑。連接至主要部分的三個最外同心環(huán)形翼每個可具有從 主要部分延伸的垂直部分、從該垂直部分延伸的水平部分，以及沿著該水平部分的外邊緣的厚邊，其中該厚邊可固定于底座組件。水平部分可具有比連接至 主要部分的三個最外同心環(huán)形翼的至少其中之一的垂直部分更小的厚度。連接 至主要部分的第二和第三最外同心環(huán)形翼的水平部分長度與垂直部分長度的 比率在約1.5和2.0之間。連接至主要部分的三個最外同心環(huán)形翼的至少其中 之一可包括在水平部分和垂直部分之間的接合點處的凹口 ，該凹口允許水平部 分垂直彎曲。至少一個同心環(huán)形翼可包括與主要部分接合點處的凹口，該凹口 可減小主要部分中的壓力。
多個同心環(huán)形翼的第一個可包括橫向延伸部分和將該環(huán)形延伸連接至主
要部分的垂直延伸部分以及多個同心環(huán)形翼的第二個可包括橫向延伸部分和 將橫向延伸部分連接至主要部分的對角延伸部分。多個同心環(huán)形翼的第一個可
以是最外翼，以及多個同心環(huán)形翼的第二個可以是最內(nèi)翼。
另一方面，本發(fā)明描述了一種柔性膜，該柔性膜具有主要部分，該主要部 分具有提供襯底安裝表面的下表面，以及從主要部分的外邊緣延伸的外環(huán)形部 分，以及連接至主要部分的多個同心環(huán)形翼，當該柔性膜固定于研磨頭時，將 該主要部分上方的空間分為多個腔室。多個同心環(huán)形翼的第一個包括橫向延伸 部分和將橫向延伸部分連接至主要部分的垂直延伸部分，以及多個同心環(huán)形翼 的第二個包括橫向延伸部分和將橫向延伸部分連接至主要部分的對角延伸部 分。
本發(fā)明的實施方式可包括一個或多個以下特征。多個同心環(huán)形翼的第一個 可以是最外翼。多個同心環(huán)形翼的第二個可以是最內(nèi)翼。橫向延伸部分可具有 比多個同心環(huán)形翼的第一個的垂直延伸部分更小的厚度。多個同心環(huán)形翼的第 一個的橫向延伸部分的長度與垂直延伸部分的長度的比率可以是在約1.5和
2.0之間。
另一方面，本發(fā)明涉及一種用于具有前表面、背面和邊緣的襯底的化學禾幾 械拋光的研磨頭。該研磨頭具有底座組件、設置在該底座組件之下的環(huán)形保持 環(huán)、第一柔性膜，其設計形狀以提供設置在底座組件之下和環(huán)形保持環(huán)之上的 環(huán)形腔、夾持環(huán)，其外周圍繞保持環(huán)并配置為接觸研磨墊，以及第二柔性膜， 其中底座組件和第二柔性膜之間的空間形成六個可加壓腔。環(huán)形保持環(huán)具有在 環(huán)形上表面中的兩個環(huán)形同心凹陷、構造為接觸研磨墊的下表面，以及構造為 外周圍繞襯底邊緣以保持該襯底的內(nèi)表面。第一柔性膜具有從環(huán)形下表面向下延伸的兩個環(huán)形同心凸起，其中該環(huán)形同心凸起設計尺寸以嚙合入環(huán)形保持環(huán) 的環(huán)形同心凹陷中。夾持環(huán)具有環(huán)形上部分和環(huán)形下部分，其中下部分具有沿 其外徑的凹陷。第二柔性膜具有含提供襯底安裝表面的下表面的主要部分，和 從主要部分的外邊緣延伸的外環(huán)形部分，其中主要部分和外環(huán)形部分之間的接 合點包括外邊緣鉸鏈和沿著外環(huán)形部分的外壁的鉸鏈之上的環(huán)形凹陷。外邊緣 鉸鏈具有圓形的內(nèi)表面和外表面并構造為柔性的。
本發(fā)明的實施方式可包括一個或多個以下特征。研磨頭可進一步包括固定 至驅(qū)動軸的罩部分，其中底座組件可連接至罩部分。夾持環(huán)可構造為向研磨墊 施加向下壓力。通過夾持環(huán)施加的向下壓力可能大于通過保持環(huán)施加的向下壓 力。夾持環(huán)可由比保持環(huán)更堅硬的材料形成。夾持環(huán)的環(huán)形下部分中的凹槽可 以至少約與保持環(huán)的環(huán)形下部分的凹槽一樣寬。研磨頭可具有由鋁組成的涂 層。第二柔性膜可具有多個環(huán)形翼，其中至少一個環(huán)形翼可包括設置并構造的 凹口 ，以減少通過至少一個環(huán)形翼從至少一個腔傳輸?shù)降侥さ闹饕糠謧鬏數(shù)?向下負載，以減少主要部分中的壓力。第二柔性膜可具有多個環(huán)形翼，其中至 少一個環(huán)形翼可包括凹口 ，當壓力不等于相鄰可加壓腔的壓力時該凹口適于使 得至少一個環(huán)形翼彎曲。
另一方面，本發(fā)明描述了一種用于研磨墊上的襯底的化學機械拋光的研磨 頭。該研磨頭具有底座、環(huán)形保持環(huán)和夾持環(huán)。該保持環(huán)具有構造以外周圍 繞襯底邊緣以保持襯底的內(nèi)表面、外表面，以及接觸研磨墊的下表面。夾持環(huán) 具有外周圍繞保持環(huán)的內(nèi)表面、外表面，和接觸研磨墊的下表面。保持環(huán)的下 表面具有從保持環(huán)的內(nèi)表面延伸到保持環(huán)的外表面的多個凹槽，夾持環(huán)的下表 面具有從夾持環(huán)的內(nèi)表面延伸到夾持環(huán)的外表面的多凹槽，以及夾持環(huán)的下表 面中的多個凹槽比保持環(huán)的下表面中的多個凹槽更寬。
本發(fā)明的實施方式可包括一個或多個以下特征。研磨頭可包括具有襯底安 裝表面的襯底墊構件，以及襯底上來自襯底安裝表面的負載，研磨墊上來自保 持環(huán)的負載和研磨墊上來自夾持環(huán)的負載可以獨立可調(diào)。襯底墊構件可包括柔 性膜。夾持環(huán)的下表面中的多個凹槽可以是保持環(huán)的下表面中的多個凹槽的兩 倍寬。夾持環(huán)的下表面中的多個凹槽可以與保持環(huán)的下表面中的多個凹槽對 齊。
本發(fā)明的一個或多個實施方式的詳細內(nèi)容在附圖和以下說明書中闡述。本發(fā)明的其他特征、目的和優(yōu)點將從說明書和附圖以及權利要求書顯而易見。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明的研磨頭的示意性橫截面視圖2A是保持環(huán)的一個實施方式的俯視圖2B是保持環(huán)的一個實施方式的仰視圖2C是保持環(huán)的一個實施方式的截面視圖2D是保持環(huán)的另一實施方式的截面視圖3A是柔性膜的一個實施方式的俯視圖3B是柔性膜的一個實施方式的截面視圖4A是夾持環(huán)的一個實施方式的俯視圖4B是夾持環(huán)的一個實施方式的仰視圖4C是夾持環(huán)的一個實施方式的截面視圖4D和圖4F是夾持環(huán)的其它實施方式的截面視圖4E、 4G和4H是整體夾持環(huán)的實施方式的截面視圖5是柔性膜的部分截面視圖6是研磨頭的仰視圖。
在不同的附圖中用相同的附圖標記表示相同的元件。
具體實施例方式
參照圖1，襯底IO將通過具有研磨頭100的化學機械拋光(CMP)裝置 拋光。CMP裝置的描述可以在美國專利No.5，738,574中找到，在此引入其全 部內(nèi)容作為參考。
研磨頭100包括罩102、底座組件104、萬向架機構106 (其可以認為是 底座104的零件)、負載腔室108、包括保持環(huán)200以及設計形狀以提供環(huán)形 腔350的第一柔性膜300的保持環(huán)組件、夾持環(huán)400和襯底墊組件110，該襯 底墊組件包括限定多個可加壓腔的第二柔性膜500。對于類似研磨頭描述的該 研磨頭的其他特征可以在美國專利申請公開No. 2006/0154580中找到，在此引 入其全部內(nèi)容作為參考。
罩102 —般可以是圓形形狀并可連接至驅(qū)動軸以在研磨期間與該軸一起旋轉(zhuǎn)。存在延伸穿過罩102的通道(未示出)用于研磨頭100的氣壓控制。底
座組件104是放置在罩102之下可垂直移動的組件。萬向架機構106允許底座 組件104相對于罩102萬向架固定(gimbal)，同時防止底座組件104相對于 罩102的橫向運動。負載腔室108位于罩102和底座組件104之間以施加負載， 即，朝底座組件104的向下壓力或重力。底座組件104相對于研磨墊的垂直位 置還通過負載腔室108控制。襯底墊組件110包括具有可為襯底10提供安裝 表面的下表面512的柔性膜500。
參照圖2A-3B，襯底10可通過與底座組件104夾緊的保持環(huán)組件固定。 保持環(huán)組件可由設計形狀以提供環(huán)形腔350的保持環(huán)200和柔性膜300構成。 保持環(huán)200可設置在柔性膜300之下并配置以固定于柔性膜300。
如圖2A-2C所示，保持環(huán)200具有內(nèi)表面231和下表面232。內(nèi)表面231 構造為外周圍繞襯底10的邊緣以在研磨期間保持襯底?？墒沟帽３汁h(huán)200的 下表面232與研磨墊接觸。保持環(huán)200具有環(huán)形上表面，其可具有兩個環(huán)形同 心凹陷(recess) 233。這些環(huán)形同心凹陷233可以設計尺寸以與設置在保持環(huán) 200之上的柔性膜300互鎖。
保持環(huán)200可以由兩個環(huán)、下環(huán)形部分234和上環(huán)形部分235構成。下部 分234可以由在CMP工藝中化學惰性的材料形成，諸如塑料，例如聚苯硫醚 (PPS)。下部分也應當是耐用的并具有低磨損速度。另外，下部分應當充分 可壓縮從而襯底邊緣抵靠保持環(huán)的接觸不會造成襯底碎裂或破裂。另 一方面， 下部分不應當如此有彈性而使得保持環(huán)上的向下壓力造成下部分擠壓入襯底 接收凹陷中。保持環(huán)的下部分可具有略大于襯底直徑的內(nèi)徑，例如比襯底直徑 大于約l-2mm，以便容納襯底裝載系統(tǒng)的位置公差。保持環(huán)可具有約二分之 一英寸的半徑寬度。
保持環(huán)200的上部分235可由比下部分234更堅硬的材料形成。該堅硬材 料可以是金屬，例如，不銹鋼、鉬、或鋁、或陶瓷，例如，氧化鋁或其他示例 性材料。
當保持環(huán)的兩個環(huán)234、 235結(jié)合時，下部分234的上表面與上部分235 的下表面相鄰設置。兩個環(huán)在它們的相鄰表面上具有基本相同尺寸的內(nèi)徑和外 徑，從而當兩個環(huán)234、 235結(jié)合時在兩個環(huán)234、 235接觸處形成對齊表面。
兩個環(huán)形部分可用它們相鄰表面之間的粘接層236粘接。兩個環(huán)之間的粘接層236可防止在保持環(huán)中捕獲槳液。粘接層可由粘性材料形成，諸如慢固化 或快速固定環(huán)氧物。由于在拋光工藝期間的高熱量，高溫環(huán)氧物抵抗粘結(jié)層
236的退化。在特定實施方式中，環(huán)氧物包括聚酰胺和脂肪胺。
上部分235的上表面可包括具有螺紋套(未示出)的柱狀凹陷或孔212 以容納緊固件，諸如螺栓、螺絲或其他五金件，用于將保持環(huán)200固定于設置 在其上方的柔性膜300上。孔212可圍繞保持環(huán)等距隔開并設置在兩個環(huán)形同 心凹陷233之間。
在一些實施方式中，保持環(huán)200具有在下表面232中形成的一個或多個漿 液輸送管道222。漿液輸送管道從下部分234的內(nèi)徑延伸到外徑用于在研磨期 間使得漿液從保持環(huán)的外部輸送到內(nèi)部。漿液輸送管道222可圍繞保持環(huán)等距 隔開。每個漿液輸送管道222可相對于貫穿管道的半徑成例如45。的角度偏移。 管道可具有約0.125英寸的寬度。
在一些實施方式中，保持環(huán)200具有經(jīng)過保持環(huán)的主體從內(nèi)徑到外徑延伸 的一個或多個通孔，用于允許例如空氣或水的流體在研磨期間從保持環(huán)的內(nèi)部 輸送到外部，或從保持環(huán)的外部輸送到內(nèi)部。該通孔可延伸經(jīng)過上部分235。 通孔可圍繞保持環(huán)等距隔開。
在一些實施方式中，保持環(huán)的上部分235可具有沿其外表面238的唇緣 237。該唇緣可具有水平下表面、垂直外表面和傾斜、不水平的上表面。唇緣 237可在襯底研磨期間當保持環(huán)磨損時而為抵靠夾持環(huán)400的頂內(nèi)邊緣的保持 環(huán)提供硬停止(hard stop)。
在一些實施方式中，上部分235的外表面238可形成在唇緣237之上的凹 陷246 (唇緣之上的部分外表面相對于唇緣之下的部分外表面凹陷)。當腔室 350抽空時，該凹陷246為柔性膜300的側(cè)壁324提供輥壓的空間。
在一些實施方式中，保持環(huán)的上部分235在其下表面可以比其上表面更 寬。例如，內(nèi)表面231可具有在垂直區(qū)域242之下從上向下向內(nèi)傾斜的錐形區(qū) 域240 (即，具有不斷減小的直徑)。錐形區(qū)域240可與上部分235的下表面 相鄰。下部分234的內(nèi)表面可以是垂直的。由于襯底研磨期間保持環(huán)的下部分 磨損，保持環(huán)的較窄上部內(nèi)表面防止提供襯底安裝表面的相鄰柔性膜上的磨 損。另外，在一些實施方式中，保持環(huán)的整個外表面可以用不粘涂層，例如聚 對二甲苯涂覆。在一些實施方式中，圖2D所示，下部分234的上表面具有延伸至上部分 235的下表面中的相應凹陷內(nèi)的凸起244。該凸起244可為環(huán)形，例如，圍繞 保持環(huán)延伸，并可設置在保持環(huán)的內(nèi)表面而提供梯狀部件。粘接層236可以沿 該凸起244的外垂直壁延伸。在操作中，該臺階部件將下部分234上的剪切力 從研磨墊傳遞為凸起244的垂直壁230上的橫向力以及粘接層236的相關部分 上的壓力。錐形區(qū)域240表示為鄰近凸起244的上部分235的一部分，但是錐 形區(qū)域240可以是下部分234的一部分，例如凸起244的內(nèi)表面可以是錐形。
保持環(huán)200和柔性膜300 —起構成保持環(huán)組件。柔性膜300構造為上方與 底座組件104夾緊并且下方固定于環(huán)形保持環(huán)200，在保持環(huán)之上提供環(huán)形腔 350。當環(huán)形腔350加壓時，柔性膜在保持環(huán)上提供獨立可控負載。保持環(huán)上 的負載給研磨墊提供負載。保持環(huán)上的獨立負載可隨著環(huán)磨損允許墊上一致的 負載。柔性膜設置在保持環(huán)和研磨頭之間可減少或消除當該環(huán)直接固定于研磨 頭時發(fā)生的保持環(huán)上的載具變形的影響。所述載具變形的消除減少保持環(huán)上的 不均勻磨損，減少襯底邊緣處的工藝可變性，以及使得能使用較低的研磨壓力， 增加環(huán)壽命。
如圖3A-3D所示，柔性膜300具有同心內(nèi)側(cè)壁和外側(cè)壁324。柔性膜300 可具有一對環(huán)形邊322，其從側(cè)壁324的上邊緣水平且向內(nèi)延伸。柔性膜可利 用設置在柔性膜的環(huán)形邊322之下的夾環(huán)與底部組件104夾緊。另外，柔性膜 300具有下表面。可存在從柔性膜的環(huán)形下表面向下延伸的兩個環(huán)形同心凸起 326。這些環(huán)形同心凸起326可以形成尺寸以嚙合入設置在柔性膜之下的保持 環(huán)200的頂表面中的環(huán)形同心凹陷233。
保持環(huán)組件的柔性膜300可由彈性的材料形成，允許該膜受壓彎曲。彈性 材料可包括硅樹脂和其他示例性材料。
柔性膜的下表面可包括圓孔312。圓孔312可設置在兩個環(huán)形同心凸起326 之間并可圍繞柔性膜的下表面等距隔開。圓孔312可容納緊固件，諸如螺栓、 螺絲或其他五金件，用于將柔性膜300固定于保持環(huán)200。在一些實施方式中， 為了將柔性膜300固定于保持環(huán)200，粘合劑，例如，Loctite (樂泰)放置在 凹陷212中，以及單向螺絲穿過柔性膜300的孔312嵌入在接收凹陷212中。 因此，柔性膜300可永久有效地連接到保持環(huán)200。
在一些實施方式中，柔性膜300的同心內(nèi)側(cè)壁和外側(cè)壁324可在下方巻繞以形成具有彎曲部分328的下表面。當柔性膜固定于保持環(huán)200時，彎曲部分 328可在保持環(huán)的上表面之下延伸。彎曲部分328提供滾動鉸鏈，其允許柔性 膜的底部響應于腔350的加壓或抽空而不是側(cè)壁324的充分膨脹而上下移動。 在一些實施方式中，環(huán)形邊322可以比柔性膜的側(cè)壁324更厚。環(huán)形同心凸起 326也可比側(cè)壁324更厚。
雖然保持環(huán)200配置為保持襯底10并提供有效的邊緣工藝控制，夾持環(huán) 400提供研磨頭對研磨墊表面的定位或參照。另外，夾持環(huán)400接觸并提供保 持環(huán)200的橫向參照。夾持環(huán)400配置為外周圍繞保持環(huán)200。與保持環(huán)相同， 可以使夾持環(huán)400的下表面433與研磨墊接觸。
如圖4A-4C所示，夾持環(huán)400可具有環(huán)形上部分431和環(huán)形下部分432。 上部分431可設置在底座組件104之下以及可具有沿其上表面434的內(nèi)徑和外 徑的圓形部分。接觸保持環(huán)的下部分432的截面的內(nèi)徑稍大于保持環(huán)的相連部 分的外徑；如果保持環(huán)為約二分之一英寸寬，則夾持環(huán)的內(nèi)徑將比襯底大于約 一英寸，例如，對于300mm (12英寸)襯底，內(nèi)徑約13英寸。
下部分432可具有沿其外徑440的凹陷441 。該凹陷441可由從底表面433 延伸的垂直表面442、從外徑440延伸的水平表面443，以及將垂直表面442 與水平表面443連接的傾斜表面444限定。傾斜部分的最寬部分，如沿徑向截 面所測得的，可以是在傾斜表面444的最上邊緣。下部分432可具有沿外徑 440的邊緣和水平表面443的圓形部分。
如圖4D所示，在一些實施方式中，凹陷441進一步通過向上凸起的環(huán)形 臺階435b限定。環(huán)形臺階435b可具有水平下表面、傾斜表面和沿所述兩個表 面的邊緣的圓形部分。環(huán)形臺階435b的最寬部分，如沿下部分432的徑向截 面測得，可以是環(huán)形臺階435b的最上邊緣。
在一些實施方式中，如圖4C所示，夾持環(huán)具有在下部分432中沿著內(nèi)表 面430的向內(nèi)凸起的臺階。在其他實施方式中，如圖4E所示，夾持環(huán)具有不 與夾持環(huán)的下表面433垂直的內(nèi)表面430，如圖4E中用虛線表示(雖然圖4E 示出單個環(huán)，但傾斜的內(nèi)表面可適用于如圖4C和4D所示的兩個分開環(huán))。 內(nèi)表面430可從頂向底向外傾斜，且鄰近下表面433的內(nèi)表面430的區(qū)域是傾 斜的。相對于內(nèi)表面的較高區(qū)域的相鄰下表面433的較小內(nèi)徑(不管由于凸緣 或傾斜表面)允許夾持環(huán)橫向參考保持環(huán)200，并且即使在襯底研磨期間夾持
15環(huán)磨損時，也提供保持環(huán)和夾持環(huán)之間接觸位置中的一致性。另外，當保持環(huán) 接觸夾持環(huán)時，夾持環(huán)的底部處的結(jié)構設置可防止保持環(huán)轉(zhuǎn)矩。在一些實施方
式中，下部分432的下表面433具有比上部分431的上表面434更小的內(nèi)徑。
夾持環(huán)可附接到底座組件104， 一般地，夾持環(huán)配置為包圍保持環(huán)200并 且不接觸襯底10的邊緣。夾持環(huán)400的上部分431可包括具有螺紋套(未示 出)以的柱狀凹陷或孔412以接收諸如螺栓、螺絲或其他五金件的緊固件，用 于將夾持環(huán)400固定于底座組件104。孔412可圍繞夾持環(huán)均勻隔開。在一些 實施方式中，孔412不在凹陷441的水平表面433之上延伸。例如，如圖4F 所示，孔可全部設置在平坦的下表面433之上。另外， 一個或多個對齊部件， 諸如孔或凸起(未示出)，可設置在上部分431的頂表面434上。如果夾持環(huán) 具有對齊孔，則底座組件104可具有當?shù)鬃M件104和夾持環(huán)完全對齊時與該 對準孔嚙合的對應銷。
在一些實施方式中，夾持環(huán)400具有在底表面433上的一個或多個漿液輸 送管道，該管道從下部分432的內(nèi)徑延伸到外徑，用于在研磨期間將漿液從夾 持環(huán)外部輸送到夾持環(huán)內(nèi)部。管道422可圍繞夾持環(huán)等距隔開。每個漿液輸送 管道422可相應于貫穿管道的半徑成例如45。的角度偏移。參照圖6，夾持環(huán) 管道422可與保持環(huán)管道對齊。在一些實施方式中，夾持環(huán)管道422比保持環(huán) 管道222更寬，這使得漿液更順暢流入保持環(huán)200的內(nèi)部。例如，夾持環(huán)管道 422可具有約0.25英寸寬。
在一些實施方式中，夾持環(huán)400具有從內(nèi)徑到外徑延伸的一個或多個通 孔，用于在研磨期間使?jié){液或空氣從夾持環(huán)的內(nèi)部輸送到外部，或從夾持環(huán)外 部輸送到內(nèi)部。通孔可延伸經(jīng)過上部分431。通孔可圍繞夾持環(huán)等距隔開。在 一些實施方式中，通孔存在于夾持環(huán)中而不是保持環(huán)中。因此，來自清洗系統(tǒng) 的流體，例如水，其通過夾持環(huán)中的通孔噴灑，將沿著保持環(huán)的外表面向下沖 洗，從而清潔夾持環(huán)和保持環(huán)之間的空間。在其他實施方式中，通孔存在于夾 持環(huán)和保持環(huán)兩者中，并且將通孔對齊以便流體將都流經(jīng)夾持環(huán)和保持環(huán)。在 所述實施方式中，穿過夾持環(huán)400的通孔可以與穿過保持環(huán)200的通孔一樣寬 或更寬。在一些實施方式中(參見圖l)，通孔450可穿過圍繞保持環(huán)的部分 罩104形成，而不是貫穿夾持環(huán)自身形成。
回到圖4A-4C，在一些實施方式中，上部分431可具有沿其內(nèi)表面430向內(nèi)凸起的唇緣439，其中該唇緣沿其上邊緣和下邊緣具有垂直的內(nèi)壁和圓形部
分。凸起的唇緣439可具有與臺階432的內(nèi)徑相同或更小的內(nèi)徑。唇緣439 可提供嚙合唇緣237的硬停止以防止保持環(huán)200的過分擴張。在一些實施方式 中，如圖4G所示，夾持環(huán)400包括傾斜內(nèi)表面和向內(nèi)凸起的唇緣439。在一 些其他實施方式中，如圖4H所示，夾持環(huán)400的內(nèi)表面具有在下部分432處 向內(nèi)凸起的臺階和從下向上向外傾斜的傾斜內(nèi)表面。
在一些實施方式中，如圖4C所示，夾持環(huán)的上部分431和下部分432由 不同材料組成。上部分431由比下部分432更堅硬的材料形成。該堅硬材料可 以是金屬，例如不銹鋼、鉬或鋁或陶瓷，例如，氧化鋁或其他示例性材料。下 部分432可以由在CMP工藝中化學惰性的材料，諸如塑料，例如聚醚醚酮 (PEEK)、碳填充的PEEK、 Teflon (特富龍)填充的PEEK、聚酰胺酰亞 胺(PAI)或合成材料形成。
當夾持環(huán)的兩個部分431、 432結(jié)合時，下部分432的上表面放置在上部 分431的下表面附近。該兩部分在它們的相鄰表面上在內(nèi)徑和外徑處通常具有 基本相同尺寸，從而當它們結(jié)合時在兩部分431、 432接合處兩部分431、 432 形成對齊表面。該兩個環(huán)形部分可用它們相鄰表面之間的粘接層436粘接。
下部分432可具有臺階部件438。該臺階部件438從下部分432垂直凸出 至上部分431的對應凹陷437中。臺階部件438是與夾持環(huán)400的內(nèi)徑相鄰的 環(huán)形臺階。臺階部件438從下環(huán)432的水平部分向上延伸。臺階部件438共用 下環(huán)水平部分的內(nèi)徑壁。上部分431的凹陷437對應臺階部件438，從而當下 部分432和上部分431結(jié)合一起時，臺階部件438與上部分431的凹陷437 嚙合。凹陷437可具有水平上表面和具有圓形部分的垂直內(nèi)壁。在一些實施方 式中，臺階438僅位于下環(huán)432的內(nèi)徑處并且不存在于外徑處。就是說，夾持 環(huán)400除在夾持環(huán)內(nèi)徑處的臺階438和凹陷437外可能不具有其他臺階和相應 凹陷部件。在一些實施方式中，粘接層436可延伸至夾持環(huán)的凹陷437中的臺 階438表面。
夾持環(huán)的旋轉(zhuǎn)期間產(chǎn)生的剪切力施加力在水平粘接層上。在夾持環(huán)400 中，臺階部件438將剪切力沿臺階部件438的垂直內(nèi)壁傳遞為粘接層436上的 壓力。剪切力到粘接層436上的壓力的傳遞減少下部分432從上部分431分層 的可能性，這種情況可能在沒有臺階部件的夾持環(huán)中發(fā)生。同時，當夾持環(huán)下壓靠在研磨墊上時通過夾持環(huán)相對于研磨墊的水平運動產(chǎn)生的橫向力從下部
分432傳遞至上部分431的底座。另外，由于接觸面的表面面積增加，因此垂 直內(nèi)壁為粘接層436提供更大的粘接面積。更大的粘接面積也降低下部分432 從上部分431分層的可能性。而且，沿垂直內(nèi)壁的粘接層436吸收由于上部分 431的材料(例如，諸如不銹鋼的剛性材料)和下部分432的材料(例如，較 小剛性或更柔軟(compliant)材料諸如PEEK合成物)之間的不均勻熱膨脹產(chǎn) 生的應力。
在一些實施方式中，例如，如圖4E、 4G和4H所示，夾持環(huán)的上部分431 和下部分432包括由相同材料組成的單個單元。整體夾持環(huán)可由在CMP工藝 中化學惰性的材料，諸如塑料，例如聚醚醚酮(PEEK)、碳填充的PEEK、 Teflon (特富龍)填充的PEEK，聚酰胺酰亞胺(PAI)或合成材料形成。
雖然保持環(huán)200構造為外周圍繞襯底10的邊緣以保持襯底，柔性膜500 提供安裝襯底10的表面512。圖5示出柔性膜500的部分截面視圖，其中示 出一般對稱的柔性膜的僅一半截面。
如圖5所示，柔性膜500可具有一般平坦的主要部分510和外環(huán)形部分 520。主要部分510提供襯底安裝表面512。外部分520從主要部分510的外 邊緣延伸。主要部分510和外環(huán)形部分520之間的接合點可具有外圍邊緣鉸鏈 530和環(huán)形凹陷532，該環(huán)形凹陷沿著外環(huán)形部分520的外壁定位在鉸鏈530 之上。外圍邊緣鉸鏈530可具有沿其內(nèi)表面和外表面的圓形部分。外圍邊緣鉸 鏈530和環(huán)形凹陷532可構造為柔性的(compliant)，改善襯底10周界上負 載的對準性。
外環(huán)形部分520可具有沿其外壁的環(huán)形凹陷522，其構造為允許外環(huán)形部 分520彎曲。外環(huán)形部分520還可具有沿其內(nèi)壁向內(nèi)凸出的環(huán)形臺階524。環(huán) 形臺階524可具有不水平(g卩，傾斜)上表面和下表面。
在一些實施方式中，柔性膜500可具有數(shù)個環(huán)形翼。主要部分510可具有 四個同心環(huán)形翼516。外環(huán)形部分520可具有一對環(huán)形翼526。連接至外環(huán)形 部分520的環(huán)形翼526可具有向內(nèi)延伸的水平部分540和厚邊550。厚邊550 可構造為固定于底座組件104。如圖5所示，上環(huán)形翼可具有比下環(huán)形翼更窄 的水平部分(即，不向內(nèi)延伸一樣遠)。在一些實施方式中，外環(huán)形部分520 可具有環(huán)形三角形部分，以及所述一對環(huán)形翼526的水平部分540可通過環(huán)形三角形部分的至高點與外環(huán)形部分520連接。
連接至主要部分510的最內(nèi)同心環(huán)形翼516可包括向外延伸具有厚邊的水 平部分，其可構造為固定于底座組件104，和環(huán)形傾斜部分560。環(huán)形傾斜部 分560可連接在主要部分510和環(huán)形翼516的水平部分之間。環(huán)形傾斜部分 560可在與主要部分510接合點處具有比在與水平部分的接合點處更大的半 徑。
連接至主要部分510的三個最外同心環(huán)形翼516可包括從主要部分510 延伸的垂直部分570，和沿水平部分的外邊緣從具有厚邊的垂直部分570延伸 的水平部分，其可構造為固定于底座組件104。在一些實施方式中，同心環(huán)形 翼516的水平部分可具有比同心環(huán)形翼的垂直部分570更小的厚度。在一些實 施方式中，第二和第三最外同心環(huán)形翼516可具有水平部分的長度與垂直部分 570的長度的比率在約1.5到2.0之間，諸如約1.66。
在一些實施方式中，環(huán)形翼516、 526可具有一個或多個缺口或凹口 (即， 環(huán)形凹陷)。同心環(huán)形翼516可具有在其水平部分和其垂直部分570之間的接 合點處的凹口 (notch) 580。凹口 580可允許同心環(huán)形翼516的水平部分垂直 彎曲。同心環(huán)形翼516可具有在其與主要部分510的接合點處的凹口 590。凹 口 5卯可配置以減少主要部分510的壓力。
本發(fā)明的另一方面，如圖1所示，用于CMP的研磨頭可包括底座組件104、 環(huán)形保持環(huán)200，其設置在底座組件104之下并且構造為外周圍繞襯底10的 邊緣以保持襯底，第一柔性膜300，其設計形狀以提供放置在底座組件104之 下和環(huán)形保持環(huán)200之上的環(huán)形腔350，外周圍繞保持環(huán)200的夾持環(huán)400， 以及提供襯底安裝表面的第二柔性膜500，其中底座組件104和第二柔性膜500 之間產(chǎn)生的空間形成六個可加壓腔。
可加壓腔通過利用多個同心夾緊環(huán)將第二柔性膜500夾緊到底座組件105 而形成。所述腔可構造為從最內(nèi)腔到最外腔逐漸變窄。第二最外腔，其部分地 通過外圍邊緣鉸鏈530限定，狹窄地構造以在襯底研磨期間提供更好的邊緣控 制。
每個腔可通過貫穿底座組件104和罩102的通道(未示出)流動耦接至關 聯(lián)的壓力源，諸如泵或壓力管或真空管?？梢源嬖谟糜诘谝蝗嵝阅?00的環(huán)形 腔350的一個通道、用于負載腔室108的一個通道，以及用于底座組件104和第二柔性膜500之間的六個可加壓腔的每個腔的一個通道，總共八個通道。
來自底座組件104的一個或多個通道可通過在負載腔室108內(nèi)或研磨頭100 外部延伸的柔性管連接至罩102中的通道。每個腔的加壓，以及襯底10上通 過柔性膜500的主要部分510的相連部分施加的力可以獨立可控。這允許在研: 磨期間不同壓力施加到襯底的不同徑向區(qū)域，從而補償不均勻的研磨速率。另 外，保持環(huán)200上的壓力可利用腔350獨立于由膜500限定的腔中的壓力而變 化，以及夾持環(huán)400上的壓力可利用負載腔室108相對于保持環(huán)200上的壓力 和由膜500限定的腔中的壓力而變化。
如上所述的保持環(huán)200、第一柔性膜300、夾持環(huán)400和第二柔性膜500 的多個實施方式可以實施在研磨頭中。
研磨頭通?？蛇M一步包括連接至底座組件104并且配置為固定于驅(qū)動軸 的罩102。研磨頭可用例如，鋁、PPEK或合成材料的材料涂覆。研磨頭的夾 持環(huán)400可向研磨頭施加向下的壓力。在一些實施方式中，通過夾持環(huán)400 施加的向下壓力大于通過保持環(huán)200施加的向下壓力。夾持環(huán)400可由比保持 環(huán)200更堅硬的材料形成，導致夾持環(huán)以比保持環(huán)更低的速度磨損。保持環(huán) 200和研磨頭300的寬度可以變化以調(diào)整工藝結(jié)果。特別地，襯底邊緣的研磨 輪廓可通過改變每個環(huán)的寬度和壓力而改變。
在一些實施方式中，保持環(huán)200可具有狹口或通孔，如圖l的虛線表示， 其從保持環(huán)200的內(nèi)表面231向外表面238延伸，用于使得流體從該環(huán)的內(nèi)部 輸送到外部，或從外部輸送到內(nèi)部。這些狹口可與研磨頭100中的狹口對齊， 并可提供從保持環(huán)200的內(nèi)部沖走過多漿液的裝置。
在一些實施方式中，第二柔性膜500的同心環(huán)形翼516中具有凹口 580、 590可改善研磨均勻性。凹口的潛在優(yōu)點在于當相鄰腔存在不同壓力時改善研 磨均勻性。特別地，當相鄰腔存在不同壓力時，高壓腔中的壓力趨于使分離的 翼向低壓腔中彎曲。分離翼的彎曲可導致與分離的翼相鄰的主要部分510中的 受壓區(qū)域，造成無意的壓力分布和不均勻研磨。然而，在主要部分510和垂直 部分570之間的接合點處具有凹口 590使得環(huán)形翼516在接合點處更易彎曲。 當由于不同壓力導致的翼彎曲時這將減少主要部分510中的壓力，從而改善研: 磨均勻性。當同心環(huán)形翼516的兩側(cè)上的相鄰可加壓腔中壓力不同時，凹口 590可適于允許同心環(huán)形翼516彎曲。而且，凹口 580、 590可設置并配置為減少從至少一個可加壓腔通過同心環(huán)形翼516到主要部分510傳遞的向下負載
從而減少主要部分510中的壓力。
已描述了本發(fā)明的多個實施方式。然而，應當理解可以設計各種修改而不
偏離本發(fā)明的精神和基本范圍。例如，第二柔性膜的數(shù)個同心環(huán)形翼216可具 有環(huán)形傾斜部分560，而不是環(huán)形垂直部分570。另外，凹口可以在與環(huán)形,頁 斜部分560的接合處，或在水平部分540和邊550之間的接合處，設置在垂直 部分570的中間。相應地，其他實施方式在以下權利要求書的范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種柔性膜，包括具有提供襯底安裝表面的下表面的主要部分；以及從所述主要部分的外邊緣延伸的外環(huán)形部分；其中所述主要部分和所述外環(huán)形部分之間的接合點包括外圍邊緣鉸鏈和沿所述外環(huán)形部分的外壁的該鉸鏈上方的環(huán)形凹陷，所述外圍邊緣鉸鏈具有圓形內(nèi)表面和外表面并設計為柔性的。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種具有底座組件、保持環(huán)組件、夾持環(huán)和柔性膜的研磨頭。該柔性膜具有主要部分和外環(huán)形部分，其中該主要部分和該外環(huán)形部分之間的接合點包括外圍邊緣鉸鏈和沿該外環(huán)形部分的外壁的鉸鏈上方的凹陷。
文檔編號B24B37/04GK101293334SQ20071016559
公開日2008年10月29日 申請日期2007年11月22日 優(yōu)先權日2006年11月22日
發(fā)明者史蒂文·M·蘇尼加, 吳正勛, 安德魯·J·納甘蓋斯特 申請人:應用材料股份有限公司