两件式塑料保持环的制作方法
【专利摘要】一种保持环包括大致为环形的上部和大致为环形的下部。下部具有顶表面和用于在抛光期间接触抛光垫的底表面。上部具有固定到下部的顶表面的底表面和被构造成机械地安装到承载头的刚性基座并且紧靠该承载头的刚性基座的顶表面。下部为第一塑料，上部为刚度约等于或大于第一塑料的不同的第二塑料。
【专利说明】两件式塑料保持环
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于化学机械抛光的承载头(carrier head)的保持环。
【背景技术】
[0002]典型地，集成电路通过相继沉积导体层、半导体层或者绝缘层而形成在衬底(尤其是硅晶圆)上。一个工艺步骤涉及在非平坦的表面上沉积填充层，并且平坦化该填充层。对于某些应用，平坦化填充层直至暴露出图案化层的顶表面。例如，可以在图案化绝缘层上沉积导电填充层以填充绝缘层中的沟槽或孔。平坦化之后，留在绝缘层的隆起图案之间的导电层部分形成通道、插头(Plug)和线(line)，以在衬底上的薄膜电路之间提供导电通路。对于诸如氧化物抛光之类的其它应用，平坦化填充层直至在非平坦的表面上方留下预定的厚度。此外，对光刻而言，通常需要平坦化衬底表面。
[0003]化学机械抛光(CMP)是一种可接受的平坦化方法。该平坦化方法通常需要将衬底安装在承载头上。通常，衬底的暴露表面抵靠旋转的抛光垫。承载头提供可控制的负载给衬底，以驱使衬底抵靠抛光垫。抛光液(例如，含有研磨颗粒的浆液)被供应到抛光垫的表面。
[0004]通常，衬底通过保持环保持在承载头下方。然而，因为保持环接触抛光垫，所以保持环易于磨损，并且有时要进行更换。一些保持环具有由金属制成的上部和由耐磨塑料制成的下部，然而其它一些保持环为单个塑料件。
【发明内容】
[0005]保持环可能较昂贵，并且如上所述，磨损后需要定期更换。保持环的接触抛光垫的底部由塑料制成，但是由于受例如，保持环的底部所需的刚度、磨损率、耐化学性等的限制，对适合塑料组分的选择也受到了限制，因此塑料可能相当昂贵。技术之一便是由塑料形成保持环的上部和下部，其中，上部由与下部塑料不同的塑料制成。这可以允许保持环的上部由低成本的材料制成。
[0006]一方面，保持环包括大致为环形的下部和大致为环形的上部。下部具有顶表面和在抛光期间接触抛光垫的底表面。上部具有固定到下部的顶表面的底表面和被构造成机械地粘接到承载头的刚性基座并且紧靠该承载头的刚性基座的顶表面。下部为第一塑料，并且上部为刚度约等于或大于第一塑料的不同的第二塑料。
[0007]实施例可以包括下述特征的一者或多者。该下部可被固定到上部并且顶表面可以构造成使得保持环可作为一整体从基座移除，从而当移除保持环时上部仍然固定到下部。下部可以不具备从下部的顶表面到底表面的任何孔径。下部可通过粘结剂(例如，环氧树脂)附装到上部。下部可具有介于约80至95之间的肖氏D级的硬度计测量值。上部具有至少为70的肖氏D级硬度计测量值。上部可具有比下部更大的弹性模量。下部可比上部厚。第一塑料可选自由聚苯硫醚(PPS)、聚芳醚酮(PAEK)、聚醚醚酮(PEEK)和聚醚酮酮(PEKK)组成的群组。第二塑料可选自由聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PO、聚芳醚酮(PAEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚甲醛(POM)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、全氟烷氧基(PFA)、聚酰胺酰亚胺(PAI)或者聚四氟乙烯(PTFE)组成的群组。下部的底表面可具有用于输送浆液的通道。保持环可具有内侧壁和外侧壁，并且内侧壁和外侧壁可从上部的顶表面到下部的底表面垂直取向。下部和上部的内表面和外表面可在下部与上部接合处齐平。上部的顶表面可包括容纳紧固件以将保持环机械地安装到基座的孔。
[0008]一个或者多个实施例的细节将在下述附图及说明书中有所提及。其它特征、目的和优点将通过说明书和附图以及权利要求书变得清晰。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是承载头的示意性剖视图。
[0010]图2A是保持环的侧视图。
[0011]图2B是保持环的仰视图。
[0012]图2C是保持环的剖视图。
[0013]在各个附图中，相同的标记表示相同的元件。
【具体实施方式】
[0014]在抛光操作期间，可以通过包括承载头100的化学机械抛光(CMP)设备来抛光一个或多个衬底。对CMP设备的描述可在美国专利N0.5，738，574中找到。
[0015]参照图1，示例性的简化承载头100包括壳体102、为衬底提供安装表面的柔性膜104、介于膜104和壳体102之间的可加压腔室106、以及被固定在壳体102的边缘附近以将衬底保持在膜104下方的保持环110。尽管图1示出了将膜104夹持在保持环110与基座102之间，但是可以使用一个或多个其它部件(例如，夹持环)来保持膜104。驱动轴120可被设置成使承载头旋转和/或平移经过抛光垫。泵可通过壳体中的通路108流体连接到腔室106以控制腔室106内的压力，并且因此控制柔性膜104在衬底上的向下压力。
[0016]保持环110可以是，例如被螺钉或者螺栓136固定在基座102的外缘处的、大致为环形的环，其中该螺钉或者螺栓通过基座102中的通路138延伸到保持环110的顶表面112中的对准的螺纹容纳凹槽139(见图2C，示出了一个凹槽)中。在一些实施例中，驱动轴120可发生升降以控制保持环110的底表面114在抛光垫上的压力。此外，保持环110可相对于基座120移动，并且承载头100可包括内腔室，其能被加压以控制保持环上的向下压力，例如，如在通过引用包含在本说明书中的美国专利N0.6，183，354或N0.7，575，504中所述的。保持环的区别特征在于保持环可作为一整体从基座102(以及承载头的其余部分)上移除。在保持环110的实例中，这意味着，当移除保持环110时，保持环110的上部142仍然固定到保持环的下部140，而无需从承载头100拆除基座102或者移除基座102。
[0017]保持环110的内表面116连同柔性膜104的下表面一起界定了衬底容纳凹槽。保持环110防止衬底脱离衬底容纳凹槽。
[0018]保持环110的底表面114可以是大致平坦的，或者如图2A和2B所示，在一些实施例中，它可以具有从保持环的内表面116延伸到外表面118的多条通道130，以便将浆液从保持环外部输送到衬底。通道130可以围绕保持环间隔均匀地布置。在一些实施例中，每个通道130可相对于经过该通道的半径偏移一角度，例如，45°。通道可以具有约0.125英寸的宽度。在一些实施例中，通道开设在保持环的外表面处。
[0019]参照图2A和图2C，保持环110包括多个竖直堆叠部分，该竖直堆叠部分包括具有可接触抛光垫的底表面114的环形下部140以及连接到基座104的环形上部142。下部140可通过粘结层144结合到上部142。
[0020]下部140为第一塑料，例如，聚苯硫醚(PPS)，然而保持环110的上部142为不同的第二塑料，例如，聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)或聚碳酸酯(PC)。第一塑料与第二塑料具有大约相同的刚度，或者第一塑料为比第二塑料更硬(即，具有更高弹性模量)的材料。
[0021]下部140的塑料在CMP处理中呈化学惰性。此外，下部140应该有足够的弹性，使得衬底边缘抵靠着保持环的接触不会导致衬底碎裂或破裂。另一方面，下部140应该足够刚硬，以在与抛光垫(底表面上)和衬底(内表面上)发生磨损的情况下具备足够的寿命。下部140的塑料可以具有约80-95的肖氏D级硬度计测量值。总之，下部180的材料的弹性模量可在约0.3-1.0X 106psi的范围内。虽然下部可能具有较低的磨损率，但是下部140将逐渐磨损也是可接受的，因为这表现为防止了衬底在内表面188中切割很深的切口。
[0022]下部140的第一塑料可以是(例如，由以下材料组成)聚苯硫醚(PPS)、聚芳醚酮(PAEK)、聚醚醚酮(PEEK)或聚醚酮酮(PEKK)。聚苯硫醚(PPS)的优点在于它较可靠并且常用作保持环的材料。
[0023]下部140的厚度T1应大于衬底10的厚度Ts。具体地说，下部应该足够厚，使得当承载头夹持衬底10时，衬底不会接触粘结层。另一方面，如果下部太厚，保持环110的底表面将会因下部的挠性性质而发生变形。依据生产需求和期望的更换频率，下部140的初始厚度可为约50至1000密耳(mils)，例如，100到400密耳。下部可以在通道130发生磨损
后更换。
[0024]保持环的下部140的内表面116可以具有稍大于衬底直径(例如，比衬底直径大约l-2mm)的内径D(见图2B)，以容纳衬底装载系统的定位公差。保持环110可以具有约半英寸的径向宽度。
[0025]如上所述，下部180的底表面114可以是大致平坦的，或它可以具有多条通道136。通道130部分但不全部延伸通过下部180。
[0026]保持环110的上部142由刚度约等于或者大于第一塑料的第二塑料制成。第二塑料比第一塑料更硬的优点在于能够增强保持环110的整体刚性，从而在将保持环附装到承载头100时减小下部140的变形，并且减少磨合(break-1n)时间。然而，可以接受第二塑料比第一塑料稍软，例如，低至75或70肖氏D级硬度，但是并不能比第一塑料软太多，否则保持环将变得太柔。下部180的材料的弹性模量可在约0.25-50X 106psi的范围内。在一些实施例中，例如，如果将碳纤维增添到上部142的塑料来增加刚度，则上部可具有与不锈钢(例如，弹性模量为约10-50X IO6Psi的材料)相当或者更大的弹性模量，即，为约下部140的材料的弹性模量的10至100倍。
[0027]在一些实施例中，上部140的厚度T2可以小于下部142的初始厚度的1\。然而，这不是必须的；制造商可以生产上部140的厚度T2等于或者大于下部142的初始厚度T1的保持环110。上部140的厚度T2小于下部142的初始厚度T1的优点在于延长保持环的寿命。
[0028]上部142的第二塑料可以是(例如，由以下材料组成)聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚芳醚酮(PAEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚甲醛(POM)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、全氟烷氧基(PFA)、聚酰胺酰亚胺(PAI)或者聚四氟乙烯(PTFE)或者这些材料的组合。此外，上部142可以是包括一种或者多种上述材料和增强该材料的刚度的碳纤维的复合材料，一般来说，第二塑料可以是比第一塑料便宜的材料，从而降低了保持环110的总成本。
[0029]上部142的上表面112可以包括多个螺纹容纳凹槽139。在一些实施例中，螺纹容纳凹槽139部分地但不完全地延伸通过上部142。然而，在一些实施例中，螺纹容纳凹槽139完全地延伸通过上部142并延伸到下部140中。螺纹容纳凹槽139可以围绕保持环110等角间隔地分开布置。容纳凹槽139的螺纹可以直接从上部142的第二塑料材料中加工而来，或可以由插入到孔中的螺钉销提供。
[0030]粘结层144可用来将上部140固定到下部142。该结合层可以由粘结材料(诸如慢速固化或快速固化的环氧树脂等)制成。耐高温环氧树脂防止该结合层236在抛光处理期间因高热发生劣化。在某些实施例中，环氧树脂包含聚酰胺和脂族胺。
[0031]此外，上部140和下部142可以通过螺钉(例如，通过上部140中的开口延伸到下部142中的螺纹容纳凹槽或者螺纹套)连接、压入配合在一起或通过声波成型接合，从而替代粘结附装，
[0032]当保持环110的上部142和下部140接合时，下部140的上表面邻接上部142的下表面布置。这两部分在它们的邻接表面上具有尺寸大致相同的内外径，使得当下部140和上部142接合时，在两者接触处形成平齐表面。
[0033]虽然保持环110可包括用于在下部140的底表面114中输送浆液的通道130，并且在下部140的顶表面中可具有协助将下部140固定到上部142的凹槽，但是下部140没有从下部的顶表面延伸到底表面的任何孔径。
[0034]在一些实施例中，保持环110具有一个或多个通过保持环的主体从内径水平延伸或与水平方向呈小角度地延伸到外径的通孔，以允许在抛光期间将保持环中的流体(例如，空气或水)从内部传到外部，或者从外部传到内部。通孔可以延伸通过上部142。通孔可以绕保持环均匀地间隔。
[0035]虽然保持环110的侧壁被示为完全竖直的，但是保持环110可包括其它特征，诸如外表面上的唇缘或凹槽，用以协助衬底装载机上的保持环的对中或为保持环抵靠周围环的顶部内缘提供硬件止挡(hard stop)等，以及保持环110的内表面或外表面可略呈锥形(但是上部142和下部140仍然可以在其接触处形成齐平表面)。
[0036]本发明已经对多个实施例进行了描述。然而，本发明并不限于图示和所述实施例。相反，本发明的范围由所附的权利要求来限定。
【权利要求】
1.一种保持环，包括: 大致为环形的下部，其具有顶表面和用于在抛光期间接触抛光垫的底表面，其中，所述下部为第一塑料；以及 大致为环形的上部，其具有固定到所述下部的所述顶表面的底表面和被构造成机械地安装到承载头的刚性基座并且紧靠所述承载头的所述刚性基座的顶表面，其中，所述上部为刚度约等于或大于所述第一塑料的不同的第二塑料。
2.根据权利要求1所述的保持环，其中，所述下部被固定到所述上部并且所述顶表面被构造成使得所述保持环可作为一整体从所述基座移除，从而当移除所述保持环时所述上部仍然固定到所述下部。
3.根据权利要求1所述的保持环，其中，所述下部没有从所述下部的所述顶表面到所述底表面的任何孔径。
4.根据权利要求1所述的保持环，其中，所述下部通过粘结剂附装到所述上部。
5.根据权利要求4所述的保持环，其中，所述粘结剂为环氧树脂。
6.根据权利要求1所述的保持环，其中，所述下部具有介于约80至95之间的肖氏D级硬度计测量值。
7.根据权利要求6所述的保持环，其中，所述上部具有至少为70的肖氏D级硬度计测量值。
8.根据权利要求7所述的保持环，其中，所述上部具有比所述下部大的弹性模量。
9.根据权利要求1所述的保持环，其中，所述下部比所述上部厚。
10.根据权利要求1所述的保持环，其中，所述第一塑料选自由聚苯硫醚(PPS)、聚芳醚酮(PAEK)、聚醚醚酮(PEEK)和聚醚酮酮(PEKK)组成的群组。
11.根据权利要求10所述的保持环，其中，所述第一塑料为聚苯硫醚。
12.根据权利要求1所述的保持环，其中，所述第二塑料选自由聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚芳醚酮(PAEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚甲醛(POM)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、全氟烷氧基(PFA)、聚酰胺酰亚胺(PAI)或者聚四氟乙烯(PTFE)组成的群组。
13.根据权利要求12所述的保持环，其中，所述第二塑料为聚氯乙烯。
14.根据权利要求1所述的保持环，其中，所述下部的所述底表面具有用于输送浆液的通道。
15.根据权利要求1所述的保持环，其中，所述保持环具有内侧壁和外侧壁，并且所述内侧壁和所述外侧壁从所述上部的所述顶表面到所述下部的所述底表面垂直取向。
16.根据权利要求1所述的保持环，其中，所述下部和所述上部的所述内表面和所述外表面在所述下部与所述上部的接合处平齐。
17.根据权利要求1所述的保持环，其中，所述上部的所述顶表面包括用于容纳紧固件以将所述保持环机械地安装到所述基座的孔。
【文档编号】H01L21/304GK103733315SQ201280040491
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年7月27日 优先权日:2011年8月5日
【发明者】荣·J·派克, 詹姆斯·科林格勒尔, 斯泰西·迈耶, 克里斯托弗·R·马洪, 拉克斯曼·穆鲁盖什, 阿施施·布特那格尔, 帕德玛·戈帕拉克里氏南 申请人:应用材料公司