保持环、用于向保持环施加负载的柔性膜和保持环组件的制作方法

专利名称：保持环、用于向保持环施加负载的柔性膜和保持环组件的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及衬底的化学机械抛光，更具体地涉及化学机械抛光中使用 的研磨头。
背景技术：
集成电路通常通过在硅衬底上顺序沉积导电层、半导电层或绝缘层而在衬 底上形成。 一个制造步骤包含在不平坦的表面上沉积填充层，以及平坦化该填 充层直到暴露不平坦表面。例如，导电填充层可沉积在己构图的绝缘层上来填 充绝缘层中的沟槽或孔。随后研磨该填充层直到暴露该绝缘层的凸起图案。平 坦化之后，绝缘层的凸起图案之间残余的导电层部分形成通孔、插栓和衬垫， 其提供衬底上薄膜电路之间的导电通路。另外，需要平坦化步骤以平坦化衬底 表面用于光刻。化学机械抛光(CMP)是一种公认的平坦化方法。该平坦化方法通常需要 将衬底放置在CMP装置的研磨头或抛光头上。衬底的暴露表面贴着旋转抛光 盘或砂带垫放置。抛光垫可以是标准抛光垫或固定磨粒抛光垫。标准抛光垫具 有耐久的粗糙化表面，而固定磨粒抛光垫具有容纳在容器媒介中的研磨剂颗 粒。研磨头在衬底上提供可控的负载以将衬底推向研磨垫。研磨头具有保持环， 在抛光期间该保持环夹持衬底在适当位置。研磨液，诸如浆液，其包括至少一 种化学反应试剂和研磨剂颗粒，提供给研磨垫的表面。发明内容一方面，本发明描述了一种保持环组件。该保持环组件具有柔性膜，其设 计形状以提供环形腔和放置在该柔性膜下方的环形保持环。该柔性膜具有同心 的内侧壁和外侧壁、从内侧壁和外侧壁的上边缘水平延伸的环形同心边、环形 下表面，以及从环形下表面向下延伸的两个环形同心凸起。环形保持环具有构 造为沿外周围绕衬底边缘以保持衬底的内表面、构造为接触研磨垫的下表面、环形上表面，以及在环形下表面中的两个环形同心凹陷。柔性膜的环形同心凸 起设计尺寸以与环形保持环的环形同心凹陷啮合。
本发明的实施方式可包括一个或多个以下特征。柔性膜的同心内侧壁和外 侧壁可具有在保持环的上环形表面之下延伸的弯曲部分。柔性膜的环形同心边 和环形同心凸起可以比内侧壁和外侧壁更厚。柔性膜的环形下表面可具有多个 圆孔，每个圆孔设置在从环形下表面向下延伸的两个环形同心凸起之间。保持 环的环形上表面可具有多个柱状凹陷，每个柱状凹陷设置在该两个环形同心凹 陷之间，使得柔性膜可用紧固件固定于保持环。柔性膜可以紧固于研磨头。柔 性膜可以由诸如硅树脂的弹性材料形成。环形保持环可以具有环形下部分、环 形上部分，以及该上部分和下部分之间的粘接层。保持环的环形下部分可具有 多个凹槽。保持环的环形上部分可具有沿其外表面的环形唇缘，其中环形唇缘 具有水平下表面、垂直外表面和不水平的上表面。保持环的环形上表面可具有 下环形表面和上环形表面，其中下环形表面比上环形表面更宽。
另一方面，本发明描述了一种保持环。该保持环包括环状圈，该环状圈具 有构造为外周围绕衬底边缘以保持该衬底的内表面、构造为接触研磨垫的下表 面、环形上表面、在该环形上表面中的两个同心凹陷，以及多个柱状凹陷，每 个柱状凹陷设置在该两个环形同心凹陷之间。
本发明的实施方式包括一个或多个以下特征。环状圈可具有含下表面的环 形下部分和含上表面的环形上部分，上部分和下部分可由不同材料形成，以及 上部分可以例如，通过粘接层连接至下部分。环形下部分可具有延伸至上部分 中的相应凹陷中的凸起，以及该凸起可沿着保持环的内表面延伸。上部分可以 比下部分更硬。保持环的下环形表面可以比保持环的上环形表面更宽。下表面 可包括多个从内表面向外表面延伸的多个凹槽。保持环的外表面可具有环形唇 缘。环形唇缘可具有水平的下表面和倾斜的上表面。外表面可以在环形唇缘之 上凹陷。该内表面可包括从下到上向内成锥形的区域。
另一方面，描述了一种用于将负载施加给保持环的柔性膜。该柔性膜包括 围绕环形腔的同心内侧壁和外侧壁、从内侧壁和外侧壁水平延伸的环形同心 边、与侧壁连接的环形下表面，以及从环形下表面向下延伸的两个环形同心凸
起o
本发明的实施方式可包括一个或多个以下特征。该柔性膜的同心内侧壁和外侧壁可具有在环形下表面之下延伸的弯曲部分。柔性膜的环形同心边和环形 同心凸起比内侧壁和外侧壁更厚。柔性膜的环形下表面进一歩可包括多个孔， 例如圆孔，每个孔设置在两个环形同心凸起之间。该孔可围绕下表面成等角间 距隔开。柔性膜由诸如硅树脂的弹性材料形成。另一方面，本发明描述了一种夹持环。该夹持环包括环状圈，该环状圈具 有构造为外周围绕保持环的内表面、构造为接触研磨垫的下表面，以及构造为 附接到研磨头的上表面。该内表面包括与下表面相邻的第一区域，具有比相邻 且位于第一区域之上的内表面的第二区域更小的内径。本发明的实施方式可包括一个或多个以下特征。下表面可具有比上表面更 小的内径。夹持环的外表面可具有邻近下表面的凹陷。该凹陷可包括水平下表 面、垂直上表面和连接该水平下表面及垂直表面的倾斜部分。垂直表面可从下 表面向倾斜部分延伸。凹陷可限定外表面中的环形台阶，以及环形台阶可具有 从下表面延伸的第二垂直表面，以及连接该垂直表面和第二垂直表面的第二水 平下表面。上表面的内径边缘和外径边缘可以是圆形。多个柱状凹陷可形成在 上表面中。多个柱状凹陷围绕上表面成等角间距隔开。下表面可包括从内表面 向外表面延伸的多个凹槽。夹持环可以是由相同材料，诸如塑料形成的单个单 元。夹持环可包括具有上表面的环形上部分和具有下表面的环形下部分，并且 下部分连接至上部分。夹持环的环形上部分和环形下部分可由不同材料形成， 例如上部分可由金属形成而下部分可由塑料，例如聚酰胺酰亚胺形成。粘接层 可连接上部分和下部分。环形下部分可包括延伸至上部分的环形凹陷中的环形 凸起，并且环形凸起可沿着内表面延伸。凹陷可限定水平上表面、内侧壁和该 水平上表面与内壁之间的圆形边缘。内表面可具有与下表面邻近的向内凸起的 台阶。该台阶可具有垂直的内壁和水平外表面。内表面可以在向内凸起的台阶 上方从下向上向内成锥形。夹持环可具有与上表面邻近的向内凸起的唇缘。该 唇缘可具有垂直内壁和沿其上边缘及下边缘的圆形部分。内表面可以在唇缘之 下从上向下向内成锥形。另一方面，本发明描述了一种夹持环。该夹持环具有配置为设置在底座之 下的环形上部分和环形下部分。夹持环配置为外周围绕保持环并具有构造为接 触研磨垫的下表面。环形上部分具有沿着其上表面的边缘以及其内径和外径的 圆形部分。环形下部分具有沿着其外径的凹陷和具有比环形上部分的上表面的内径更小的下表面。
本发明的实施方式可包括一个或多个以下特征。该夹持环可附接到底座。 夹持环可配置为不接触衬底的边缘。环形上部分可具有在其上表面上的多个柱 状凹陷。环形下部分可具有多个凹槽。夹持环的环形上部分和环形下部分可以 是由相同材料，诸如塑料形成的单一单元。环形下部分可包括从凹陷沿着其外 径向外凸出的环形台阶。该环形台阶可具有水平的下表面。沿着环形下部分的 径向截面测得的该环形台阶的最宽部分可以是环形台阶的最上边缘处。环形上 部分和环形下部分可以利用该两部分之间的粘接层由不同材料组成。环形上部 分可具有沿着其内径在其下表面中的凹陷，以及环形下部分可具有沿着其内径 从其上表面向上突出的凸起，其中该凸起设计尺寸以与凹陷啮合。沿着环形上 部分的内径的该凹陷可具有水平上表面和沿着内壁的圆形部分。环形上部分可 具有沿着其上表面的内径向内凸起的唇缘，其中该唇缘可具有垂直内壁和沿着 其上边缘和及下边缘的圆形部分。
另一方面，本发明描述了一种柔性膜。该柔性膜具有主要部分，该主要部 分具有提供衬底安装表面的下表面，以及从主要部分的外边缘延伸的外环形部 分。主要部分和外部环形部分之间的接合点具有外围边缘铰链和沿着外环形部 分的外壁的铰链之上的环形凹陷。外围边缘铰链具有圆形内表面和外表面并构 造为柔性的。
本发明的实施方式可包括一个或多个以下特征。外环形部分可具有沿着其 外壁的环形凹陷和沿着其内壁向内突出的环形台阶。环形凹陷可允许环形部分 弯曲。环形台阶可具有不水平的上表面和下表面。柔性膜可具有连接至外环形 部分的两个环形翼和连接至主要部分的四个同心环形翼。连接至外环形部分的 两个环形翼可具有向内延伸的水平部分和厚边。该边可构造为固定于底座组 件。上环形翼可具有比下环形翼更窄的水平部分。连接至主要部分的最内同心 环形翼可具有向外延伸的水平部分、沿着该水平部分的外边缘的厚边，以及在
主要部分和水平部分之间连接的环形倾斜部分。环形倾斜部分在其与主要部分 的接合点处比与水平部分的接合点处具有更大的半径。连接至主要部分的三个 最外同心环形翼每个可具有从主要部分延伸的垂直部分、从该垂直部分延伸的 水平部分，以及沿着该水平部分的外边缘的厚边，其中该厚边可固定于底座组 件。水平部分可具有比连接至主要部分的三个最外同心环形翼的至少其中之一的垂直部分更小的厚度。连接至主要部分的第二和第三最外同心环形翼的水平 部分长度与垂直部分长度的比率在约1.5和2.0之间。连接至主要部分的三个 最外同心环形翼的至少其中之一可包括在水平部分和垂直部分之间的接合点 处的凹口，其中该凹口允许水平部分垂直弯曲。至少一个同心环形翼可包括与 主要部分接合点处的凹口，其中该凹口可减小主要部分中的压力。
另一方面，本发明涉及一种用于具有前表面、背面和边缘的衬底的化学机 械抛光的研磨头。该研磨头具有底座组件、设置在该底座组件之下的环形保持 环、第一柔性膜，其设计形状以提供设置在底座组件之下和环形保持环之上的 环形腔、夹持环，其外周围绕保持环并配置为接触研磨垫，以及第二柔性膜， 其中底座组件和第二柔性膜之间的空间形成六个可加压腔。环形保持环具有在 环形上表面中的两个环形同心凹陷、构造为接触研磨垫的下表面，以及构造为 外周围绕衬底边缘以保持该衬底的内表面。第一柔性膜具有从环形下表面向下 延伸的两个环形同心凸起，其中该环形同心凸起设计尺寸以啮合入环形保持环 的环形同心凹陷中。夹持环具有环形上部分和环形下部分，其中下部分具有沿 其外径的凹陷。第二柔性膜具有含提供衬底安装表面的下表面的主要部分，和 从主要部分的外边缘延伸的外环形部分，其中主要部分和外环形部分之间的接 合点包括外边缘铰链和沿着外环形部分的外壁的铰链之上的环形凹陷。外边缘 铰链具有圆形的内表面和外表面并构造为柔性的。
本发明的实施方式可包括一个或多个以下特征。研磨头可进一步包括固定 至驱动轴的罩部分，其中底座组件可连接至罩部分。夹持环可构造为向研磨垫 施加向下压力。通过夹持环施加的向下压力可能大于通过保持环施加的向下压 力。夹持环可由比保持环更坚硬的材料形成。夹持环的环形下部分中的凹槽可 以至少约与保持环的环形下部分的凹槽一样宽。研磨头可具有由铝组成的涂 层。第二柔性膜可具有多个环形翼，其中至少一个环形翼可包括设置并构造的 凹口 ，以减少通过至少一个环形翼从至少一个腔传输到到膜的主要部分传输的 向下负载，以减少主要部分中的压力。第二柔性膜可具有多个环形翼，其中至 少一个环形翼可包括凹口 ，当压力不等于相邻可加压腔的压力时该凹口适于使 得至少一个环形翼弯曲。
另一方面，本发明描述了一种用于研磨垫上的衬底的化学机械抛光的研磨 头。该研磨头具有底座、环形保持环和夹持环。该保持环具有构造以外周围绕衬底边缘以保持衬底的内表面、外表面，以及接触研磨垫的下表面。夹持环 具有外周围绕保持环的内表面、外表面，和接触研磨垫的下表面。保持环的下 表面具有从保持环的内表面延伸到保持环的外表面的多个凹槽，夹持环的下表 面具有从夹持环的内表面延伸到夹持环的外表面的多凹槽，以及夹持环的下表 面中的多个凹槽比保持环的下表面中的多个凹槽更宽。本发明的实施方式可包括一个或多个以下特征。研磨头可包括具有衬底安 装表面的衬底垫构件，以及衬底上来自衬底安装表面的负载，研磨垫上来自保 持环的负载和研磨垫上来自夹持环的负载可以独立可调。衬底垫构件可包括柔 性膜。夹持环的下表面中的多个凹槽可以是保持环的下表面中的多个凹槽的两 倍宽。夹持环的下表面中的多个凹槽可以与保持环的下表面中的多个凹槽对 齐。本发明的一个或多个实施方式的详细内容在附图和以下说明书中阐述。本 发明的其他特征、目的和优点将从说明书和附图以及权利要求书显而易见。


图1示出根据本发明的研磨头的示意性横截面视图；图2A是保持环的一个实施方式的俯视图；图2B是保持环的一个实施方式的仰视图；图2C是保持环的一个实施方式的截面视图；图2D是保持环的另一实施方式的截面视图；图3A是柔性膜的一个实施方式的俯视图；图3B是柔性膜的一个实施方式的截面视图；图4A是夹持环的一个实施方式的俯视图；图4B是夹持环的一个实施方式的仰视图；图4C是夹持环的一个实施方式的截面视图；图4D和图4F是夹持环的其它实施方式的截面视图； 图4E、 4G和4H是整体夹持环的实施方式的截面视图；图5是柔性膜的部分截面视图；图6是研磨头的仰视图。在不同的附图中用相同的附图标记表示相同的元件。
具体实施例方式
参照图1，衬底IO将通过具有研磨头100的化学机械抛光(CMP)装置 抛光。CMP装置的描述可以在美国专利No.5,738,574中找到，在此引入其全 部内容作为参考。
研磨头100包括罩102、底座组件104、万向架机构106 (其可以认为是 底座104的零件)、负载腔室108、包括保持环200以及设计形状以提供环形 腔350的第一柔性膜300的保持环组件、夹持环400和衬底垫组件U0，该衬 底垫组件包括限定多个可加压腔的第二柔性膜500。对于类似研磨头描述的该 研磨头的其他特征可以在美国专利申请公开No. 2006/0154580中找到，在此引 入其全部内容作为参考。
罩102 —般可以是圆形形状并可连接至驱动轴以在研磨期间与该轴一起 旋转。存在延伸穿过罩102的通道(未示出)用于研磨头100的气压控制。底 座组件104是放置在罩102之下可垂直移动的组件。万向架机构106允许底座 组件104相对于罩102万向架固定(gimbal)，同时防止底座组件104相对于 罩102的横向运动。负载腔室108位于罩102和底座组件104之间以施加负载， 即，朝底座组件104的向下压力或重力。底座组件104相对于研磨垫的垂直位 置还通过负载腔室108控制。衬底垫组件110包括具有可为衬底10提供安装 表面的下表面512的柔性膜500。
参照图2A-3B，衬底10可通过与底座组件104夹紧的保持环组件固定。 保持环组件可由设计形状以提供环形腔350的保持环200和柔性膜300构成。 保持环200可设置在柔性膜300之下并配置以固定于柔性膜300。
如图2A-2C所示，保持环200具有内表面231和下表面232。内表面231 构造为外周围绕衬底10的边缘以在研磨期间保持衬底。可使得保持环200的 下表面232与研磨垫接触。保持环200具有环形上表面，其可具有两个环形同 心凹陷(recess) 233。这些环形同心凹陷233可以设计尺寸以与设置在保持环 200之上的柔性膜300互锁。
保持环200可以由两个环、下环形部分234和上环形部分235构成。下部 分234可以由在CMP工艺中化学惰性的材料形成，诸如塑料，例如聚苯硫醚 (PPS)。下部分也应当是耐用的并具有低磨损速度。另外，下部分应当充分可压縮从而衬底边缘抵靠保持环的接触不会造成衬底碎裂或破裂。另一方面， 下部分不应当如此有弹性而使得保持环上的向下压力造成下部分挤压入衬底 接收凹陷中。保持环的下部分可具有略大于衬底直径的内径，例如比衬底直径大于约l-2mm，以便容纳衬底装载系统的位置公差。保持环可具有约二分之 一英寸的半径宽度。保持环200的上部分235可由比下部分234更坚硬的材料形成。该坚硬材 料可以是金属，例如，不锈钢、钼、或铝、或陶瓷，例如，氧化铝或其他示例 性材料。当保持环的两个环234、 235结合时，下部分234的上表面与上部分235 的下表面相邻设置。两个环在它们的相邻表面上具有基本相同尺寸的内径和外 径，从而当两个环234、 235结合时在两个环234、 235接触处形成对齐表面。两个环形部分可用它们相邻表面之间的粘接层236粘接。两个环之间的粘 接层236可防止在保持环中捕获浆液。粘接层可由粘性材料形成，诸如慢固化 或快速固定环氧物。由于在抛光工艺期间的高热量，高温环氧物抵抗粘结层 236的退化。在特定实施方式中，环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纹套(未示出)的柱状凹陷或孔212 以容纳紧固件，诸如螺栓、螺丝或其他五金件，用于将保持环200固定于设置 在其上方的柔性膜300上。孔212可围绕保持环等距隔开并设置在两个环形同 心凹陷233之间。在一些实施方式中，保持环200具有在下表面232中形成的一个或多个浆 液输送管道222。浆液输送管道从下部分234的内径延伸到外径用于在研磨期 间使得浆液从保持环的外部输送到内部。浆液输送管道222可围绕保持环等距 隔开。每个浆液输送管道222可相对于贯穿管道的半径成例如45。的角度偏移。 管道可具有约0.125英寸的宽度。在一些实施方式中，保持环200具有经过保持环的主体从内径到外径延伸 的一个或多个通孔，用于允许例如空气或水的流体在研磨期间从保持环的内部 输送到外部，或从保持环的外部输送到内部。该通孔可延伸经过上部分235。 通孔可围绕保持环等距隔开。在一些实施方式中，保持环的上部分235可具有沿其外表面238的唇缘 237。该唇缘可具有水平下表面、垂直外表面和倾斜、不水平的上表面。唇缘237可在衬底研磨期间当保持环磨损时而为抵靠夹持环400的顶内边缘的保持 环提供硬停止(hard stop)。在一些实施方式中，上部分235的外表面238可形成在唇缘237之上的凹 陷246 (唇缘之上的部分外表面相对于唇缘之下的部分外表面凹陷)。当腔室 350抽空时，该凹陷246为柔性膜300的侧壁324提供辊压的空间。在一些实施方式中，保持环的上部分235在其下表面可以比其上表面更 宽。例如，内表面231可具有在垂直区域242之下从上向下向内倾斜的锥形区 域240 (即，具有不断减小的直径)。锥形区域240可与上部分235的下表面 相邻。下部分234的内表面可以是垂直的。由于衬底研磨期间保持环的下部分 磨损，保持环的较窄上部内表面防止提供衬底安装表面的相邻柔性膜上的磨 损。另外，在一些实施方式中，保持环的整个外表面可以用不粘涂层，例如聚 对二甲苯涂覆。在一些实施方式中，图2D所示，下部分234的上表面具有延伸至上部分 235的下表面中的相应凹陷内的凸起244。该凸起244可为环形，例如，围绕 保持环延伸，并可设置在保持环的内表面而提供梯状部件。粘接层236可以沿 该凸起244的外垂直壁延伸。在操作中，该台阶部件将下部分234上的剪切力 从研磨垫传递为凸起244的垂直壁230上的横向力以及粘接层236的相关部分 上的压力。锥形区域240表示为邻近凸起244的上部分235的一部分，但是锥 形区域240可以是下部分234的一部分，例如凸起244的内表面可以是锥形。保持环200和柔性膜300 —起构成保持环组件。柔性膜300构造为上方与 底座组件104夹紧并且下方固定于环形保持环200，在保持环之上提供环形腔 350。当环形腔350加压时，柔性膜在保持环上提供独立可控负载。保持环上 的负载给研磨垫提供负载。保持环上的独立负载可随着环磨损允许垫上一致的 负载。柔性膜设置在保持环和研磨头之间可减少或消除当该环直接固定于研磨 头时发生的保持环上的载具变形的影响。所述载具变形的消除减少保持环上的 不均匀磨损，减少衬底边缘处的工艺可变性，以及使得能使用较低的研磨压力， 增加环寿命。如图3A-3D所示，柔性膜300具有同心内侧壁和外侧壁324。柔性膜300 可具有一对环形边322，其从侧壁324的上边缘水平且向内延伸。柔性膜可利 用设置在柔性膜的环形边322之下的夹环与底部组件104夹紧。另外，柔性膜13300具有下表面。可存在从柔性膜的环形下表面向下延伸的两个环形同心凸起326。这些环形同心凸起326可以形成尺寸以啮合入设置在柔性膜之下的保持 环200的顶表面中的环形同心凹陷233。保持环组件的柔性膜300可由弹性的材料形成，允许该膜受压弯曲。弹性 材料可包括硅树脂和其他示例性材料。柔性膜的下表面可包括圆孔312。圆孔312可设置在两个环形同心凸起326 之间并可围绕柔性膜的下表面等距隔开。圆孔312可容纳紧固件，诸如螺栓、 螺丝或其他五金件，用于将柔性膜300固定于保持环200。在一些实施方式中， 为了将柔性膜300固定于保持环200，粘合剂，例如，Loctite (乐泰)放置在 凹陷212中，以及单向螺丝穿过柔性膜300的孔312嵌入在接收凹陷212中。 因此，柔性膜300可永久有效地连接到保持环200。在一些实施方式中，柔性膜300的同心内侧壁和外侧壁324可在下方巻绕 以形成具有弯曲部分328的下表面。当柔性膜固定于保持环200时，弯曲部分 328可在保持环的上表面之下延伸。弯曲部分328提供滚动铰链，其允许柔性 膜的底部响应于腔350的加压或抽空而不是侧壁324的充分膨胀而上下移动。 在一些实施方式中，环形边322可以比柔性膜的侧壁324更厚。环形同心凸起 326也可比侧壁324更厚。虽然保持环200配置为保持衬底10并提供有效的边缘工艺控制，夹持环 400提供研磨头对研磨垫表面的定位或参照。另外，夹持环400接触并提供保 持环200的横向参照。夹持环400配置为外周围绕保持环200。与保持环相同， 可以使夹持环400的下表面433与研磨垫接触。如图4A-4C所示，夹持环400可具有环形上部分431和环形下部分432。 上部分431可设置在底座组件104之下以及可具有沿其上表面434的内径和外 径的圆形部分。接触保持环的下部分432的截面的内径稍大于保持环的相连部 分的外径；如果保持环为约二分之一英寸宽，则夹持环的内径将比衬底大于约 一英寸，例如，对于300mm (12英寸)衬底，内径约13英寸。下部分432可具有沿其外径440的凹陷441 。该凹陷441可由从底表面433 延伸的垂直表面442、从外径440延伸的水平表面443，以及将垂直表面442 与水平表面443连接的倾斜表面444限定。倾斜部分的最宽部分，如沿径向截 面所测得的，可以是在倾斜表面444的最上边缘。下部分432可具有沿外径440的边缘和水平表面443的圆形部分。
如图4D所示，在一些实施方式中，凹陷441进一歩通过向上凸起的环形台阶435b限定。环形台阶435b可具有水平下表面、倾斜表面和沿所述两个表面的边缘的圆形部分。环形台阶435b的最宽部分，如沿下部分432的径向截 面测得，可以是环形台阶435b的最上边缘。
在一些实施方式中，如图4C所示，夹持环具有在下部分432中沿着内表面430的向内凸起的台阶。在其他实施方式中，如图4E所示，夹持环具有不与夹持环的下表面433垂直的内表面430，如图4E中用虚线表示(虽然图4E示出单个环，但倾斜的内表面可适用于如图4C和4D所示的两个分开环)。 内表面430可从顶向底向外倾斜，且邻近下表面433的内表面430的区域是倾 斜的。相对于内表面的较高区域的相邻下表面433的较小内径(不管由于凸缘 或倾斜表面)允许夹持环横向参考保持环20Q，并且即使在衬底研磨期间夹持 环磨损时，也提供保持环和夹持环之间接触位置中的一致性。另外，当保持环 接触夹持环时，夹持环的底部处的结构设置可防止保持环转矩。在一些实施方式中，下部分432的下表面433具有比上部分431的上表面434更小的内径。
夹持环可附接到底座组件104， 一般地，夹持环配置为包围保持环200并且不接触衬底10的边缘。夹持环400的上部分431可包括具有螺纹套(未示出)以的柱状凹陷或孔412以接收诸如螺栓、螺丝或其他五金件的紧固件，用于将夹持环400固定于底座组件104。孔412可围绕夹持环均匀隔开。在一些实施方式中，孔412不在凹陷441的水平表面433之上延伸。例如，如图4F所示，孔可全部设置在平坦的下表面433之上。另外，一个或多个对齐部件， 诸如孔或凸起(未示出)，可设置在上部分431的顶表面434上。如果夹持环 具有对齐孔，则底座组件104可具有当底座组件104和夹持环完全对齐时与该对准孔啮合的对应销。
在一些实施方式中，夹持环400具有在底表面433上的一个或多个浆液输送管道，该管道从下部分432的内径延伸到外径，用于在研磨期间将浆液从夹持环外部输送到夹持环内部。管道422可围绕夹持环等距隔开。每个浆液输送管道422可相应于贯穿管道的半径成例如45。的角度偏移。参照图6，夹持环管道422可与保持环管道对齐。在一些实施方式中，夹持环管道422比保持环 管道222更宽，这使得浆液更顺畅流入保持环200的内部。例如，夹持环管道422可具有约0.25英寸宽。
在一些实施方式中，夹持环400具有从内径到外径延伸的一个或多个通 孔，用于在研磨期间使浆液或空气从夹持环的内部输送到外部，或从夹持环外 部输送到内部。通孔可延伸经过上部分431。通孔可围绕夹持环等距隔开。在 一些实施方式中，通孔存在于夹持环中而不是保持环中。因此，来自清洗系统 的流体，例如水，其通过夹持环中的通孔喷洒，将沿着保持环的外表面向下冲 洗，从而清洁夹持环和保持环之间的空间。在其他实施方式中，通孔存在于夹 持环和保持环两者中，并且将通孔对齐以便流体将都流经夹持环和保持环。在 所述实施方式中，穿过夹持环400的通孔可以与穿过保持环200的通孔一样宽 或更宽。在一些实施方式中(参见图l)，通孔450可穿过围绕保持环的部分 罩104形成，而不是贯穿夹持环自身形成。
回到图4A-4C，在一些实施方式中，上部分431可具有沿其内表面430向 内凸起的唇缘439，其中该唇缘沿其上边缘和下边缘具有垂直的内壁和圆形部 分。凸起的唇缘439可具有与台阶432的内径相同或更小的内径。唇缘439 可提供啮合唇缘237的硬停止以防止保持环200的过分扩张。在一些实施方式 中，如图4G所示，夹持环400包括倾斜内表面和向内凸起的唇缘439。在一 些其他实施方式中，如图4H所示，夹持环400的内表面具有在下部分432处 向内凸起的台阶和从下向上向外倾斜的倾斜内表面。
在一些实施方式中，如图4C所示，夹持环的上部分431和下部分432由 不同材料组成。上部分431由比下部分432更坚硬的材料形成。该坚硬材料可 以是金属，例如不锈钢、钼或铝或陶瓷，例如，氧化铝或其他示例性材料。下 部分432可以由在CMP工艺中化学惰性的材料，诸如塑料，例如聚醚醚酮 (PEEK)、碳填充的PEEK、 Teflon (特富龙)填充的PEEK、聚酰胺酰亚 胺(PAI)或合成材料形成。
当夹持环的两个部分431、 432结合时，下部分432的上表面放置在上部 分431的下表面附近。该两部分在它们的相邻表面上在内径和外径处通常具有 基本相同尺寸，从而当它们结合时在两部分431、 432接合处两部分431、 432 形成对齐表面。该两个环形部分可用它们相邻表面之间的粘接层436粘接。
下部分432可具有台阶部件438。该台阶部件438从下部分432垂直凸出 至上部分431的对应凹陷437中。台阶部件438是与夹持环400的内径相邻的环形台阶。台阶部件438从下环432的水平部分向上延伸。台阶部件438共用 下环水平部分的内径壁。上部分431的凹陷437对应台阶部件438，从而当下 部分432和上部分431结合一起时，台阶部件438与上部分431的凹陷437 啮合。凹陷437可具有水平上表面和具有圆形部分的垂直内壁。在一些实施方 式中，台阶438仅位于下环432的内径处并且不存在于外径处。就是说，夹持 环400除在夹持环内径处的台阶438和凹陷437外可能不具有其他台阶和相应 凹陷部件。在一些实施方式中，粘接层436可延伸至夹持环的凹陷437中的台 阶438表面。
夹持环的旋转期间产生的剪切力施加力在水平粘接层上。在夹持环400 中，台阶部件438将剪切力沿台阶部件438的垂直内壁传递为粘接层436上的 压力。剪切力到粘接层436上的压力的传递减少下部分432从上部分431分层 的可能性，这种情况可能在没有台阶部件的夹持环中发生。同时，当夹持环下 压靠在研磨垫上时通过夹持环相对于研磨垫的水平运动产生的横向力从下部 分432传递至上部分431的底座。另外，由于接触面的表面面积增加，因此垂 直内壁为粘接层436提供更大的粘接面积。更大的粘接面积也降低下部分432 从上部分431分层的可能性。而且，沿垂直内壁的粘接层436吸收由于上部分 431的材料(例如，诸如不锈钢的刚性材料)和下部分432的材料(例如，较 小刚性或更柔软(compliant)材料诸如PEEK合成物)之间的不均匀热膨胀产 生的应力。
在一些实施方式中，例如，如图4E、 4G和4H所示，夹持环的上部分431 和下部分432包括由相同材料组成的单个单元。整体夹持环可由在CMP工艺 中化学惰性的材料，诸如塑料，例如聚醚醚酮(PEEK)、碳填充的PEEK、 Teflon (特富龙)填充的PEEK，聚酰胺酰亚胺(PAI)或合成材料形成。
虽然保持环200构造为外周围绕衬底10的边缘以保持衬底，柔性膜500 提供安装衬底10的表面512。图5示出柔性膜500的部分截面视图，其中示 出 一般对称的柔性膜的仅一半截面。
如图5所示，柔性膜500可具有一般平坦的主要部分510和外环形部分 520。主要部分510提供衬底安装表面512。外部分520从主要部分510的外 边缘延伸。主要部分510和外环形部分520之间的接合点可具有外围边缘铰链 530和环形凹陷532，该环形凹陷沿着外环形部分520的外壁定位在铰链530之上。外围边缘铰链530可具有沿其内表面和外表面的圆形部分。外围边缘铰
链530和环形凹陷532可构造为柔性的(compliant)，改善衬底10周界上负 载的对准性。
外环形部分520可具有沿其外壁的环形凹陷522，其构造为允许外环形部 分520弯曲。外环形部分520还可具有沿其内壁向内凸出的环形台阶524。环 形台阶524可具有不水平(即，倾斜)上表面和下表面。
在一些实施方式中，柔性膜500可具有数个环形翼。主要部分510可具有 四个同心环形翼516。外环形部分520可具有一对环形翼526。连接至外环形 部分520的环形翼526可具有向内延伸的水平部分540和厚边550。厚边550 可构造为固定于底座组件104。如图5所示，上环形翼可具有比下环形翼更窄 的水平部分(即，不向内延伸一样远)。在一些实施方式中，外环形部分520 可具有环形三角形部分，以及所述一对环形翼526的水平部分540可通过环形 三角形部分的至高点与外环形部分520连接。
连接至主要部分510的最内同心环形翼516可包括向外延伸具有厚边的水 平部分，其可构造为固定于底座组件104，和环形倾斜部分560。环形倾斜部 分560可连接在主要部分510和环形翼516的水平部分之间。环形倾斜部分 560可在与主要部分510接合点处具有比在与水平部分的接合点处更大的半 径。
连接至主要部分510的三个最外同心环形翼516可包括从主要部分510 延伸的垂直部分570，和沿水平部分的外边缘从具有厚边的垂直部分570延伸 的水平部分，其可构造为固定于底座组件104。在一些实施方式中，同心环形 翼516的水平部分可具有比同心环形翼的垂直部分570更小的厚度。在一些实 施方式中，第二和第三最外同心环形翼516可具有水平部分的长度与垂直部分 570的长度的比率在约1.5到2.0之间，诸如约1.66。
在一些实施方式中，环形翼516、 526可具有一个或多个缺口或凹口 (即， 环形凹陷)。同心环形翼516可具有在其水平部分和其垂直部分570之间的接 合点处的凹口 (notch) 580。凹口 580可允许同心环形翼516的水平部分垂直 弯曲。同心环形翼516可具有在其与主要部分510的接合点处的凹口 590。凹 口 590可配置以减少主要部分510的压力。
本发明的另一方面，如图1所示，用于CMP的研磨头可包括底座组件104、环形保持环200，其设置在底座组件104之下并且构造为外周围绕衬底10的
边缘以保持衬底，第一柔性膜300，其设计形状以提供放置在底座组件104之 下和环形保持环200之上的环形腔350，外周围绕保持环200的夹持环400， 以及提供衬底安装表面的第二柔性膜500，其中底座组件104和第二柔性膜500 之间产生的空间形成六个可加压腔。
可加压腔通过利用多个同心夹紧环将第二柔性膜500夹紧到底座组件105 而形成。所述腔可构造为从最内腔到最外腔逐渐变窄。第二最外腔，其部分地 通过外围边缘铰链530限定，狭窄地构造以在衬底研磨期间提供更好的边缘控 制。
每个腔可通过贯穿底座组件104和罩102的通道(未示出)流动耦接至关 联的压力源，诸如泵或压力管或真空管。可以存在用于第一柔性膜300的环形 腔350的一个通道、用于负载腔室108的一个通道，以及用于底座组件104 和第二柔性膜500之间的六个可加压腔的每个腔的一个通道，总共八个通道。 来自底座组件104的一个或多个通道可通过在负载腔室108内或研磨头100 外部延伸的柔性管连接至罩102中的通道。每个腔的加压，以及衬底10上通 过柔性膜500的主要部分510的相连部分施加的力可以独立可控。这允许在研 磨期间不同压力施加到衬底的不同径向区域，从而补偿不均匀的^F磨速率。另 外，保持环200上的压力可利用腔350独立于由膜500限定的腔中的压力而变 化，以及夹持环400上的压力可利用负载腔室108相对于保持环200上的压力 和由膜500限定的腔中的压力而变化。
如上所述的保持环200、第一柔性膜300、夹持环400和第二柔性膜500 的多个实施方式可以实施在研磨头中。
研磨头通常可进一步包括连接至底座组件104并且配置为固定于驱动轴 的罩102。研磨头可用例如，铝、PPEK或合成材料的材料涂覆。研磨头的夹 持环400可向研磨头施加向下的压力。在一些实施方式中，通过夹持环400 施加的向下压力大于通过保持环200施加的向下压力。夹持环400可由比保持 环200更坚硬的材料形成，导致夹持环以比保持环更低的速度磨损。保持环 200和研磨头300的宽度可以变化以调整工艺结果。特别地，衬底边缘的研磨 轮廓可通过改变每个环的宽度和压力而改变。
在一些实施方式中，保持环200可具有狭口或通孔，如图l的虚线表示，其从保持环200的内表面231向外表面238延伸，用于使得流体从该环的内部 输送到外部，或从外部输送到内部。这些狭口可与研磨头100中的狭口对齐， 并可提供从保持环200的内部冲走过多浆液的装置。
在一些实施方式中，第二柔性膜500的同心环形翼516中具有凹口 580、 590可改善研磨均匀性。凹口的潜在优点在于当相邻腔存在不同压力时改善研 磨均匀性。特别地，当相邻腔存在不同压力时，高压腔中的压力趋于使分离的 翼向低压腔中弯曲。分离翼的弯曲可导致与分离的翼相邻的主要部分510中的 受压区域，造成无意的压力分布和不均匀研磨。然而，在主要部分510和垂直 部分570之间的接合点处具有凹口 590使得环形翼516在接合点处更易弯曲。 当由于不同压力导致的翼弯曲时这将减少主要部分510中的压力，从而改善研 磨均匀性。当同心环形翼516的两侧上的相邻可加压腔中压力不同时，凹口 590可适于允许同心环形翼516弯曲。而且，凹口 580、 590可设置并配置为 减少从至少一个可加压腔通过同心环形翼516到主要部分510传递的向下负载 从而减少主要部分510中的压力。
已描述了本发明的多个实施方式。然而，应当理解可以设计各种修改而不 偏离本发明的精神和基本范围。例如，第二柔性膜的数个同心环形翼216可具 有环形倾斜部分560，而不是环形垂直部分570。另外，凹口可以在与环形倾 斜部分560的接合处，或在水平部分540和边550之间的接合处，设置在垂直 部分570的中间。相应地，其他实施方式在以下权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种保持环组件，包括设计形状以提供环形腔的柔性膜，该柔性膜包括同心内侧壁和外侧壁、从该内侧壁和外侧壁水平延伸的环形同心边、环形下表面和从该环形下表面向下延伸的两个环形同心凸起；以及设置在所述柔性膜下方的环形保持环，该环形保持环包括构造为外周围绕衬底边缘以保持衬底的内表面、构造为接触研磨垫的下表面、环形上表面，和在该环形上表面中的两个环形同心凹陷；其中所述柔性膜的环形同心凸起设计尺寸以啮合入所述环形保持环的环形同心凹陷中。
2. 根据权利要求1所述的保持环，其特征在于，所述柔性膜的同心内侧 壁和外侧壁具有在所述保持环的上环形表面下方延伸的弯曲部分。
3. 根据权利要求1所述的保持环，其特征在于所述柔性膜的环形下表面进一步包括多个圆孔，每个圆孔设置在从所述环 形下表面向下延伸的所述两个环形同心凸起之间；以及所述保持环的环形上表面进一步包括多个柱状凹陷，每个柱状凹陷设置在 所述两个环形同心凹陷之间；其中所述柔性膜构造为固定于所述保持环。
4. 根据权利要求1所述的保持环，其特征在于，所述环形保持环进一步 包括环形下部分、环形上部分和在所述上部分和下部分之间的粘接层。
5. 根据权利要求4所述的保持环，其特征在于，所述环形保持环的环形 上部分进一步由沿其外表面的环形唇缘限定，其中所述环形唇缘具有水平下表 面、垂直外表面和不水平的上表面。
6. 根据权利要求4所述的保持环，其特征在于，所述环形保持环的环形 上部分进一步由下环形表面和上环形表面限定，其中所述下环形表面比所述上 环形表面更宽。
7. —种保持环，包括环状圈，其具有设计为外周包围衬底的边缘以保持衬底的内表面、设计为 接触研磨垫的下表面、在环形上表面中的两个环形同心凹陷，以及多个柱状凹陷，每个柱状凹陷设置在所述两个环形同心凹陷之间。
8. 根据权利要求7所述的保持环，其特征在于，所述环状圈包括具有所 述下表面的环形下部分和具有所述上表面的环形上部分，该上部分和下部分由 不同材料形成，所述上部分连接到所述下部分。
9. 根据权利要求8所述的保持环，其特征在于，所述环形下部分具有延 伸至所述上部分的相应凹陷的凸起中。
10. 根据权利要求9所述的保持环，其特征在于，所述凸起沿所述保持环 的内表面延伸。
11. 根据权利要求8所述的保持环，其特征在于，所述环形内表面的环形 上部分进一步由下环形表面和上环形表面限定，其中所述下环形表面比所述上 环形表面更宽。
12. 根据权利要求7所述的保持环，其特征在于，所述下表面包括从内表 面延伸到外表面的多个凹槽。
13. 根据权利要求7所述的保持环，其特征在于，进一步包括具有环形唇 缘的外表面。
14. 根据权利要求13所述的保持环，其特征在于，所述外表面在所述环 形唇缘上方凹陷。
15. 根据权利要求7所述的保持环，其特征在于，所述内表面包括从下向 上向内成锥形的区域。
16. —种用于向保持环施加负载的柔性膜，包括 围绕环形腔室的同心内侧壁和外侧壁； 从所述内侧壁和外侧壁水平延伸的环形同心边； 连接至所述侧壁的环形下表面；以及 从所述环形下表面向下延伸的两个环形同心凸起。
17. 根据权利要求16所述的柔性膜，其特征在于，所述柔性膜的同心内 侧壁和外侧壁具有在所述环形下表面下方的弯曲部分。
18. 根据权利要求16所述的柔性膜，其特征在于，所述柔性膜的环形同 心边和环形同心凸起比所述内侧壁和外侧壁更宽。
19. 根据权利要求16所述的柔性膜，其特征在于，所述柔性膜的环形下 表面进一步包括多个孔，每个孔设置在所述两个环心凸起之间。
20.根据权利要求16所述的柔性膜，其特征在于，所述柔性膜由弹性材 料形成。
全文摘要
本发明描述了一种具有底座组件、保持环组件、夹持环和柔性膜的研磨头。一种保持环组件具有设计形状以提供环形腔室的柔性膜和环形保持环，其中该柔性膜的环形同心凸起设计尺寸以啮合入该环形保持环的环形同心凹陷中。
文档编号H01L21/02GK101293332SQ20071016559
公开日2008年10月29日 申请日期2007年11月22日 优先权日2006年11月22日
发明者史蒂文·M·苏尼加, 吴正勋, 安德鲁·J·纳甘盖斯特 申请人:应用材料股份有限公司