专利名称：具有弹性膜的多区域承载体的制作方法
技术领域：
本发明有关一种具有一弹性膜的化学机械研磨承载体，及其相关方法。
背景技术：
集成电路通常是借着一连串导电层、半导体层或绝缘层的沉积步骤而形成于基材上，特别是硅晶片上。在沉积了每一膜层之后，会蚀刻该些膜层以产生出电路特征。当连续沉积且蚀刻一系列的膜层时，基材的暴露表面会渐渐变得不平坦。而此不平坦表面会在集成电路制程的光微影步骤中造成问题。因此，需要周期性地平坦化该基材表面。
化学机械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)是一种已被接受的平坦化方法。此种平坦化方法通常要求将基材安置在一承载体或研磨头上，并使该基材的暴露表面紧靠一移动的研磨表面，例如一旋转研磨垫。该研磨垫可以是一个具有一耐用粗糙表面的「标准」研磨垫，或是一个在包含介质中固定有研磨剂颗粒的「固定式研磨剂(fixed-abrasive)」研磨垫。承载体提供基材一个可控制的负荷，以推挤基材使其紧靠研磨垫。而用来提供研磨颗粒的研磨浆料则被供应至研磨垫的表面上。
某些承载体包含一个具有一放置表面(mounting surface)的弹性膜，用以接受基材。该弹性膜后方的腔室被加压，造成该弹性膜向外扩张而对该基材施加负荷。多种承载体亦可包含一个环绕基材的定位环(retaining ring)，例如用来将基材固定在位于该弹性膜下方的承载体中。某些承载体包含复数个腔室，以对基材的不同区域提供不同的压力。
发明内容
本发明的一方面是关于一种用于机材的化学机械研磨的承载体，该承载体包含一基底与一个延伸在基底下方的弹性膜。该弹性膜包括一个具有一外表面的中心部位，以提供一基材接收表面；一边缘部位，以连接该中心部位与该基底；以及至少一个由该中心部位的内表面延伸出的褶板。该褶板将弹性膜与基底之间的容积分割成数个腔室，且该褶板包括一个横向延伸的第一部位与一个弯曲的第二部位(an angled second section)。该弯曲的第二部位延伸在该第一部位的下方，且将该横向延伸的第一部位连接至该中心部位。
本发明的实施例可包含一或多个下述特征。该第一部位可以水平的方式伸展。该第二部位可具有一水平加载区(horizontal loading area)，并设计该水平加载区的大小，使其足以作用掉该第一部位上的一部份的向下力，该向下力是由位在该弹性膜与该基底之间的腔室压力所产生出来，而非由该基底的作用产生。该第二部位可具有一个约为二分之一该第一部位的大小的水平加载区。该褶板的第二部位对该中心部位的一接触点，可垂直对齐于介于该第一部位与该基底的接触点及该第一部位与该第二部位的接触点之间的该第一部位的中点。该边缘部位可直接连接至该基底。一定位环可能环绕着位在该基材接收表面上的一基材。该第一部位可作垂直移动，如此一来，施加至一基材上的压力行程(pressure profile)才不受定位环磨损影响。弹性膜可包括多个褶板，每个褶板包含一个横向延伸的第一部位，以及一个弯曲且延伸在该第一部位下方的第二部位。可以环状且同心的方式来安置该些褶板，且可设计该些褶板以提供三个独立压力腔室。该第一部位及该第二部位约具有相同的刚性(rigidity)，或该第二部位的刚性可能较该第一部位更高。该第一部位与该第二部位可能具有相同的厚度，或是该第二部位可能较该第一部位的厚度更厚。该褶板可能包含一个垂直的第三区域，其位于该横向延伸的第一部位与该弯曲的第二部位之间，及/或包含一个垂直的第四区域，该第四区域位于该弯曲的第二部位与该中心部位之间。一角度α介于该横向延伸的第一部位与该弯曲的第二部位之间，其角度可能介于20°与80°之间，例如约为45°。该些多个腔室可能提供可独立调整的压力至相关的该基材接收表面的多个区域上，且可架构该弹性膜，以在相邻区域内的不同压力之间提供一致的变化(uniform transition)。
本发明的另一方面是有关一种用于基材的化学机械研磨的承载体。该承载体包括一基底与一个延伸在该基底下方的弹性膜，以提供一基材接收表面且定义出多个腔室，该些腔室是用来将可独立调整的压力提供至该基材接收表面的相关的多个区域。该弹性膜是设计成用以在相邻区域内的不同压力之间提供一实质相同的变化。
本发明的实行可包含一或多种下述特征。
可设计该弹性膜的形状以在相邻区域内的不同压力之间提供一个实质呈单调性的变化。该弹性膜包括一个具有一外表面的中心部位，以提供一基材接收表面；一个连接该中心部位至该基底的边缘部位；以及至少一个由中心部位的内表面延伸出的褶板。该褶板将弹性膜与基底之间的容积分割成数个腔室，且该褶板包括一个横向延伸的第一部位与一个弯曲的第二部位。该弯曲的第二部位延伸在该第一部位的下方，且连接该横向延伸的第一部位至该中心部位。该第二部位可能具有一水平加载区，并设计该水平加载区的大小，使其足以作用掉该第一部位上的一部份的向下力，，该向下力是由其中一个该些腔室内的压力所产生出来，而非由该基底作用而产生。该第二部位可具有一个约为二分之一该第一部位的大小的水平加载区。该褶板的第二部位对该中心部位的一接触点，可垂直对齐于介于该第一部位与该基底的接触点及该第一部位与该第二部位的接触点之间的该第一部位的中点。
本发明又一方面是有关一种与基材化学机械研磨设备的承载体搭配使用的弹性膜。该弹性膜包括一个中心部位，其具有一个用来提供一基材接受表面的外表面；一边缘部位，用来连接该中心部位至该承载体的基底；以及至少一个由该中心部位的内表面延伸出的褶板。该褶板包含一横向延伸的第一部位，及一个延伸在该第一部位下方的弯曲的第二部位。
本发明的另一方面是有关一种研磨基材的方法。该方法包括将一基材安置在一化学机械研磨设备的一承载体上，使得该基材的第一面邻接该承载体，并利用一研磨垫与相对于该基材的第一面的第二面接触，以研磨该基材；以及对多个腔室施加不同压力，以在基材上创造出具有不同压力的区域。该承载体包含一基底部分、一定位环及一弹性膜，该弹性膜提供一个基材放置表面并定义出多个腔室。该弹性膜可被设计成可在相邻区域内的不同压力之间提供一致的变化。
本发明的另一方面是有关一种弹性膜的褶板的运作方法。该褶板连接于一承载体与用来提供一基材接收表面的该弹性膜的中心部位之间。该方法包括在腔室之间提供一压力差，以作用在该褶板的不同面上；允许该褶板的一水平部位作垂直方向的偏移；以及借由压力差而产生一垂直作用力作用在该褶板上。
实施本发明可获得下述的优点。总体而言，可设计该弹性膜的形状，以在相邻的可加压腔室(pressurizable chamber)或区域的边界上的不同压力之间，提供较一致的变化(例如单调性的升高或降低)。特别是，该弹性膜可被设计成能降低或消除该些发生在用来分隔腔室的弹性褶板与用来提供一基材接收表面的该弹性膜中心部位的结合处的压力尖突现象(pressure spikes)。结果是，借着适当选择该些腔室中的压力来补偿研磨速率的变异及所得基材膜层厚度的变异，使得在完成研磨程序后，经本发明的具有弹性膜的承载体研磨后的基材具有较佳的平坦度。此外，亦可设计该弹性膜，使得借由一化学机械研磨设备的承载体所施加的压力能对定位环磨损较不敏感。
于附图及下述内容中记载有本发明的一或多个实施例的细节。可根据该些叙述内容、附图及申请专利范围来了解本发明的其他特征与优点。
图1为一个包含一弹性膜的承载体的剖面图。
图2为图1的承载体的局部放大图。
图3为一示意图，显示数个施力作用至弹性膜上。
各图中的标号是对应至相关元件。
具体实施例方式
如上所述，部分承载体包含一个用以提供基材一放置表面的弹性膜。此外，部分承载体包含复数个腔室位在该弹性膜后方。每一个腔室可独立加压，以使该弹性膜向外延伸，而对该基材的不同区域上施加不同的负荷。
不幸的是，在某些弹性膜的设计中，在不同区域间的过渡区上的压力分布并不均匀一致。特别是，该些膜的外型设计可能造成区域间的边界上的压力尖突。压力尖突可能在研磨行程(polishing profile)中产生不想要的非均匀性(non-uniformity，或不一致性)。因此，一种在邻接且可独立加压的区域之间具有较均匀压力变化的承载体是有用的。
参考图1，是利用一个具有一承载体100的化学机械研磨设备来研磨一个或多个基材10。并可在美国专利案5,738,574号中找有关适合的CMP设备的叙述，且将其全文纳入此处以供参考。
承载体100包含一个基底组合物104(其可直接或间接地连接至一旋转驱动轴74)、一定位环110以及一弹性膜108。弹性膜108延伸在该基底104下方，且与该基底104连接，以提供多个可加压腔室。该些腔室包括一环状内腔室106a、一同心环状中间腔室106b以及一同心环状外腔室106c。通道112a、112b与112c形成于该基底组合物中且贯穿该基底组合物，以分别与该些腔室106a、106b与106c作流体性耦合，以对该研磨设备中的调控装置(regulator)施压。虽然图1显示三个腔室，但该承载体所具有的腔室数目亦可为两个或四个。
虽然该承载体的结构已如图所示，但该承载体可包括其他元件，例如一个固定至该驱动轴的收纳室，且该基底104可活动性地自该收纳室中脱离；或是具有一个平衡头机构(gimbal mechanism，其可能被认为是该基底组合物的一部份)也允许基底104作旋转运动；又或是具有一负荷腔室位在该基底与该收纳室之间、一或多个支撑结构位在该些腔室106a-c中，或一或多个与弹性膜108的内表面接触的内膜(internal membrane)以对该基材施加一支撑压力等。例如，可如美国专利案6,183,354号、美国专利申请案09/712,389号(于1999年12月23日申请)或如美国专利申请案09/470,820号(于200年11月13日申请)中所述那样设计该承载体100，且上述文献的整体内容均纳入本文以供参考。
弹性膜108是由一种具弹性与伸缩性的流体不渗透性材料(fluid-impermeable material)所形成，例如氯丁(neoprene)、氯丁二烯(chloroprene)、乙烯-丙烯(ethylene propylene)橡胶或硅胶等。例如，该弹性膜108可由模压成型硅胶或液态射出成型硅胶所形成。
对于研磨程序来说，弹性膜108需为疏水性、耐用且化学惰性的。弹性膜可包含一个中心部位120、一环状边缘部位124与一个或多个环状同心内褶板(concentric annular inner flaps)128a与128b，其中该中心部位120具有一外表面以提供基材一放置表面122，该环状边缘部位由该研磨表面向外延伸以连接至基底104，同心环状内褶板128a与128b是从该中心部位120的内表面126向外延伸，并连接至基底104，以将介于该弹性膜108与该基底104之间的容积分割成多个可独立加压的腔室106a-c。可利用环状夹环114(annular clamp ring)将褶板128a与128b的末端固定于基底104，并可将环状夹环114视为基底104的一部份。亦可利用环状夹环116将边缘部位124的末端固定于基底104上，而夹环116同样可被视为是基底104的一部份，或是将边缘部位的末端夹在定位环与基底之间。虽然以如图1所示地显示出两个褶板128a与128b，然而承载体100可仅包含一个褶板，或包含三个或更多的褶板。
弹性膜108的中心部位120可如美国专利案6,210,255所讨论的内容那样包含一弹性边缘部位(flexible lip portion)。
参考图2，每个内褶板(如褶板128a)包含一个水平的上方部位140(upperportion)以及一个弯曲延伸部位142(angled extension portion)，该弯曲伸展部位142连接该水平部位140至该中心部位120。
水平部位140具有一个固定在基底140上的末端144，例如利用夹环114将其固定在基底104上。弯曲部位142往回弯折而邻近该水平部位140，使得介于该水平部位140与该弯曲部位142之间的ㄇ形角度呈现锐角，而非钝角。该形角度可介于20°至80°之间，例如约为45°。特别是，可设计该弹性膜108，以使弯曲部位142与中心部位120的内表面126结合的点垂直对齐于该水平部位140的中点(如图中虚线所示)，例如从水平部位固定在基底104上的位置到水平部位与该弯曲部位142连接处的一半距离。
通常，弯曲部位142可具有一加载区，以作用掉该水平部位140上的一部份的向下力，该向下力是由腔室106a中的压力所产生，而非由基底104所作用出来，且关于此点，于下方内容中有更详细的描述。因此，弯曲部位142的大小可能为水平部位140的加载区的大小的一半(可借着将弯曲部位142投射至一水平平面上来决定该弯曲部位142的负载区的大小)。
该褶板可能包括短的垂直部位150与152，其分别位于该弯曲部位142与该水平部位140及/或该中心部位120之间。
弯曲部位142与水平部位140两者的厚度可相等，并可由相同材料来制造两者，使其具有相同的刚性。
或可制造该弯曲部位142，使其刚性大于该水平部位140。弯曲部位142可较该水平部位140的厚度更厚，例如其厚度较该水平部位再多增加50％至100％的厚度。例如，水平部位140的厚度可约为20密耳(mils)，而该弯曲部位142可具有约为30至40密耳的厚度。此外(亦或者)，形成弯曲部位的材料可与形成水平部位的材料不同。或是弯曲部位可含有一包埋元件(embedded element)或与一衬垫层(backing layer)结合，以增加该弯曲部位的刚性。通常在此种实施例中，可借着弯曲该水平部位140来造成一主要的垂直偏移，而弯曲部位142则可扮演一隔片(spacer)的角色，以隔离该中心部位120与该基底104。
参考图3，一腔室(如内腔室106a)内的压力会施加一向下力FD作用在该水平部位140上，以及施加一向外力FO作用在该弯曲部位142上。该向外力FO可分解成一向上力FU以及一水平力FH。假设该弯曲部位142的加载区的大小约为该水平部位的加载区大小的二分之一，那么向上力FU的大小则约为该向下力FD的一半。此外，约二分之一的向下力FD是由基底本身所提供，因此作用在该褶板128a的净垂直作用力为零。所得结果是，褶板128a将不会向下或向上推挤该中心部位120，且因此该折板128a不会引导一压力尖突作用在折板与中心部位接合的位置上。结论是，邻接区域之间(例如由腔室106a与腔室106b所形成的区域之间)的变化将会较为均匀一致，例如在区域之间的整个边界上的压力呈现单调性地升高或降低。
当定位环110磨损时，折板128a-128c至该基底104的接触点会朝研磨垫靠近。然而，水平部位140能有效地顺应定位环的磨损而作调整，而使施加在基材上的压力实质不变。
不似弹性膜的其他部位，边缘部位124较不需顺应上述变化而作变形。例如，边缘部位124可相对较厚于中心部位120或褶板部位128a与128b。或者，可使用刚性较该弹性膜其他部位材质的刚性更高的材料来形成边缘部位124，该些刚性较高的材料可包括如强化材料(reinforce materials)，又或是使该些材料绕在一支撑或垫片结构上而延展，以避免变形。或如2003年4月7号申请的美国专利申请案10/409,637号中所叙述的，边缘部位可能包含一挠性部分(flexure)，并将此参考文献的全体揭示内容纳入此处以作参考。
本发明的数个较佳实施例以揭示如上。然而需明白在不偏离本发明精神与范围下，可作各种修改或变化。例如，该弹性膜可固定在承载体上的不同位置，例如可被固定在定位环与基底之间，或被固定在定位环上。褶板的水平部位可向外延伸，而非向内延伸。弹性膜可附着在一或多个悬置或安放在腔室内的支撑结构上。弹性膜可以一体成形的方式来制造，或由多个薄膜接合而成，例如利用一黏着剂来接合多片薄膜以形成一弹性膜。此外，弹性膜的边缘部位可直接连接至基底，例如边缘部位可被连接在一刚硬的支撑结构上，随后可借着如一个挠性部分将该刚硬的支撑结构连接至基底。再者，需明白到，即使是弹性膜的特定造型对于定位环磨损的敏感性确实降低，但该弹性膜的形状结构可能仍然有用。例如，承载体所具有的定位环无法接触到研磨垫，甚至根本不具有定位环时，该弹性膜的结构仍能发挥如上述的作用。又再者，「水平(horizontal)」与「垂直(vertical)」的用词是指该弹性膜的组件相对应于基材接收表面的位置，因此当承载体的位向随着基材上方的研磨表面或随着一垂直研磨表面而变动时，本发明仍可套用于该些情况中。故其他较佳实施例仍为本发明范围所涵盖。
权利要求
1.一种用于基材的化学机械研磨的承载体，该承载体包括一基底；以及一弹性膜延伸在该基底下方，该弹性膜包括一中心部位、一边缘部位及至少一褶板，该中心部位具有一外表面以提供一基材接受表面，该边缘部位连接该中心部位至该基底，该褶板由该中心部位的一内表面延伸出，该褶板将位在该弹性膜与该基底之间的一容积划分成复数个腔室，该褶板包括一横向延伸第一部位与一弯曲第二部位，该第二部位延伸在该第一部位下方且连接该横向延伸第一部位至该中心部位。
2.如权利要求1所述的承载体，其特征在于该第一部位是水平地延伸。
3.如权利要求1所述的承载体，其特征在于该第二部位具有一水平加载区，该水平加载区的大小足以作用掉该第一部位上的一部份的向下力，该向下力是由位在该弹性膜与该基底之间一腔室中的压力所产生，而非由该基底所产生。
4.如权利要求1所述的承载体，其特征在于该第二部位具有一水平加载区，其大小约为该第一部位大小的二分之一。
5.如权利要求1所述的承载体，其特征在于该褶板的第二部位对该中心部位的一接触点是垂直对齐于介于该第一部位与该基底的接触点及该第一部位与该第二部位的接触点之间的该第一部位的中点。
6.如权利要求1所述的承载体，其特征在于该边缘部位是与该基底直接连接。
7.如权利要求1所述的承载体，其特征在于该弹性膜包括复数个环状同心褶板，每一个该些褶板包括一横向延伸第一部位；以及延伸在该第一部位下方的一弯曲第二部位。
8.如权利要求1所述的承载体，其特征在于该第二部位具有一厚度，该厚度约相等或大于该第一部位的厚度。
9.如权利要求1所述的承载体，其特征在于该第二部位的刚性相等或大于该第一部位的刚性。
10.如权利要求1所述的承载体，其特征在于该褶板包括一垂直部位，位在该横向延伸第一部位与该弯曲第二部位之间。
11.如权利要求1所述的承载体，其特征在于该褶板包括一垂直部位，位在该弯曲第二部位与该中心部位之间。
12.如权利要求1所述的承载体，其特征在于一角度α介于该横向延伸第一部位与该弯曲第二部位之间，且该角度α的范围介于20°至80°之间。
13.如权利要求12所述的承载体，其特征在于该角度α约为45°。
14.一种用于基材化学机械研磨的承载体，其包括一基底；以及一弹性膜，该弹性膜延伸在该基底下方，以提供一基材接受表面且定义出复数个腔室，该些腔室提供可独立调整的压力至与该基材接收表面相关的复数个区域，该弹性膜是被设计成用来在邻接区域内的不同压力之间提供一致变化。
15.如权利要求14所述的承载体，其特征在于该弹性膜是被设计成用来在相邻区域内中的不同压力之间提供一单调性变化。
16.如权利要求14所述的承载体，其特征在于该弹性膜包括一中心部位、一边缘部位及至少一褶板，该中心部位具有一外表面以提供一基材接受表面，该边缘部位连接该中心部位与该基底，该褶板由该中心部位的一内表面延伸出，该褶板将位在该弹性膜与该基底之间的一容积划分成复数个腔室，该褶板包括一横向延伸第一部位与一弯曲第二部位，该第二部位延伸在该第一部位下方且连接该横向延伸第一部位至该中心部位。
17.一种可与一基材化学机械研磨设备的一承载体并用的弹性膜，该弹性膜包括一中心部位，其具有一外表面，以提供一基材接收表面；一边缘部位，用来连接该中心部位至该承载体的基底；以及至少一褶板，由该中心部位的一内表面延伸出来，该褶板包括一横向延伸第一部位以及延伸在该第一部位下方的一弯曲第二部位。
18.一种研磨基材的方法，包括放置一基材在一化学机械研磨设备的一承载体上，使该基材的第一面邻接该承载体，该承载体包括一基底部位、一定位环及一弹性膜，该弹性膜提供该基材一放置表面且定义出复数个腔室；施加不同压力至该些腔室，以在该基材上产生出具不同压力的复数个区域；以及利用一研磨垫接触该基材的一第二面来研磨该基材，该第二面是位在该基材的第一面的对侧上；其中该弹性膜是被设计成用来在邻接区域内的不同压力之间提供一致变化。
19.一种操作一弹性膜的褶板的方法，该褶板被连接在一承载体与该弹性膜的一中心部位之间并可提供一基材接收表面，该方法包括在复数个腔室之间产生一压力差，以作用于该褶板的不同面上；允许该褶板的一水平部位作垂直偏移；以及将由该压力差在该褶板上所造成的一垂直作用力加以作用掉。
全文摘要
一种用于基材的化学机械研磨程序的承载体(carrier head，或称承载头)，其包括一基底与一个延伸在基底下方的弹性膜。该弹性膜包括一个具有一外表面的中心部位，以提供一基材接收表面；一边缘部位，以连接该中心部位与该基底；以及至少一个由该中心部位的内表面延伸出的褶板。该褶板将弹性膜与基底之间的容积分割成数个腔室，且该褶板包括一个横向延伸的第一部位与一个弯曲的第二部位，该弯曲的第二部位延伸在该第一部位的下方，且连接该横向延伸的第一部位至该中心部位。
文档编号C23F1/00GK1697153SQ200510060159
公开日2005年11月16日 申请日期2005年3月25日 优先权日2004年3月26日
发明者陈珲驰, 吴钟铉, 茨辛·修, 托马斯·布雷佐斯基, 史蒂文·M·苏尼加 申请人:应用材料股份有限公司