化学-机械抛光固定环的制作方法

专利名称：化学-机械抛光固定环的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于将半导体晶片压紧在化学机械抛光装置中的固定环。
技术背景通过在晶片上依次沉积导电层、半导电层和绝缘层，可在半导体基片，特 别是在硅晶片上形成集成电路。在沉积各层后，可在上面蚀刻电路形状。在沉 积并蚀刻一系列层后，所述基片的最上层表面可能变得成更加不平非平面。不 平非平面的表面可能在集成电路制造过程的光刻工序中产生问题。因此，必须 定期磨平半导体基片表面。镶嵌是用隔离电介质形成互连金属线的一种工艺。在镶嵌工艺中，首先通 过平版印刷术在电介质层中形成互连图样，然后沉积金属，以填充所形成的开 槽。多余金属可通过化学-机械抛光(磨平)去除。化学-机械抛光(CMP)， 也称作化学-机械磨平，是指为使表面平面化和使金属互连图样更清晰，通过 化学-机械抛光而进行的去除固体层的一种方法。镶嵌工艺以CMP工艺替代金 属蚀刻形成金属互连图形，而双镶嵌工艺则是镶嵌工艺的一种改进形式。在双 镶嵌工艺中，两个隔层电介质图样形成步骤和一个CMP歩骤形成图样，而采 用常规镶嵌工艺，形成这样的图样需要两个图样形成步骤和两个金属CMP步 骤。在典型的CMP操作中，用容纳有化学反应性浆料的旋转抛光垫抛光基片 的最外表面。基片位于抛光垫上方，并通过固定环夹紧在合适位置。通常，基 片和固定环装在承载头或抛光头上。通过承载头向基片施加一个受控的力，以 将基片压向抛光垫。抛光垫在基片表面上的移动，使基片表面的物质通过化学 和机械作用得以去除。用于进行CMP的机械已经非常成熟，设备成本为数百万美元。然而，在 抛光操作中，设备的一些组件需要经常更换，这就极大增加了 CMP的成本。 这些部件的其中一个就是在磨平晶片时用于容纳和定位晶片的固定环。因此， 使制造固定环的成本和时间最小化，并使该环的耐用性和更换方便性最大化， 是很重要的。发明内容本发明的一个实施方式是化学-机械抛光固定环。所述固定环可包括由诸如聚醚醚酮(PEEK)之类的耐磨塑料制成的基部、和由陶瓷或陶瓷填充聚合物之类的更硬、更耐磨的材料制成的上部或主干 部。 一个所述基部或主干部中，最好包覆成型在另一个之上。所述基部通常可 由平的垫接触区、外表面、内表面、上缘和凹部构成。所述基部还可包括从所 述外表面延伸至内表面的流道，以促进抛光期间浆液传递到和传递出被抛光基 片。所述凹部还包括多个环形凸缘，用于形成跟包覆成型材料的连接。所述凹部还可包括多个具有螺孔的凸起部，所述固定环通过所述螺孔连接到CMP系统。所述环形主干部可包括一个或多个安装夹具、内缘、外缘和连接面，所述 连接面可包含一个或多个凸缘、流道或它们的组合。在一些实施方式中，可将用于主干部或上部的更硬的材料，例如陶瓷填充 聚合物材料，包覆成型在用于基部或下部的未被填充的聚合物材料上。在其它 实施方式中，可将用于基部或下部的未被填充聚合物材料包覆成型在更硬的用 于主干部或上部的填充聚合物材料上。在CMP固定环的又一实施方式中，基部完全包围主干部，使主干部被完 全包覆在基部内。基部通常可由平的垫接触区、外表面、内表面和上缘构成。基部还可包括 从外表面延伸至内表面的流道，以促进抛光过程中浆液传递到和传递出被抛光 的基片。基部还包括多个环形凸缘，用于形成与包覆成型材料的连接。固定环 还可包括多个带螺孔的凸起部，固定环通过所述螺孔连接到CMP系统。环形 主干部可包括一个或多个安装夹具、内缘、外缘和连接面，所述连接面可包含 一个或多个凸缘、沟槽或其组合，它们用于形成与包覆成型基部材料的连接。 在这个实施方式中，基部围绕主干部包覆成型，从而使主干部被完全包覆在基 部内。本发明一种实施方式的优点是，由组成固定环主干部的陶瓷或陶瓷填充聚 合物材料所提供的抗挠刚度。该刚度降低或消除由固定环连接引起的变形，并降低固定环的可压縮性。固定环的变形和可压縮性可能导致整个环的受力分布 不均匀，从而导致不希望有的尺寸变化。本发明一种实施方式的另一优点是，固定环基部的耐磨性和弹性。本发明 实施方式提供了耐用的挠性材料，这种材料可防止由固定环支承的基片边缘碎 裂或破裂，同时减少固定环上与抛光垫接触部位的磨损。本发明一种实施方式的另一优点，是包覆成型基部和主干部之间的连接强 度提高。形成在固定环基部或主干部之间的连接部分中的环形凸缘，使得当将 其它部分包覆成型在其上时形成紧固连接。在采用注射成型的实施方式中，可 形成更薄的凸缘和壁，它们可提供更高的连接和强度。本发明一种实施方式的另一优点是，在抛光过程中抛光浆料施用方便。散 布在固定环基部外侧周围的流道，可促进抛光浆料输送到基片和从基片输出。 位于固定环外侧和内侧且在相邻垫或薄片状垫之间的通道的扩散开口促进抛 光浆输送到基片和从基片输出。本发明一种实施方式的另一优点是，降低了成本和减少了维护。固定环经 久耐用，并且因其有刚性的上部和耐磨的下部而无需经常更换。而且，用于形 成固定环的注射成型和包覆成型工艺，还是一种简单而且成本不高的工艺。此 外，通过全部或部分剔除金属，本发明实施方式中的固定环可明显降低或消除 固定环暴露于酸性或其它腐蚀性抛光化学物质时造成的腐蚀，和由磨损粒子引 起的金属粒子污染。


图1是根据本发明一种实施方式的CMP固定环的立体图；图2是根据本发明一种实施方式的CMP固定环基部的视图；图3是采用根据本发明一种实施方式的CMP固定环的CMP系统示意图；图4是根据本发明实施方式的CMP固定环基部的视图；图5是根据本发明一种实施方式的CMP固定环主干部的视图；图6是根据本发明一种实施方式的CMP固定环的分解图；图7A是CMP固定环沿图1的7A-7A线的剖视图；图7B是CMP固定环沿图1的7B-7B线的剖视图；图8A是根据本发明一种实施方式的CMP固定环的立体图；图8B是根据本发明一种实施方式的CMP固定环基部的立体图；图8C是根据本发明一种实施方式的CMP固定环主干部的立体图；图9A是根据本发明一种实施方式的CMP固定环主干部的立体图；图9B是沿图9A中9B-9B线的剖视图；图IOA和图10B是沿图8A中10-10线的剖视图；图11是根据本发明一种实施方式的CMP固定环下侧的立体图；图12是根据本发明一种实施方式的CMP固定环的立体图；图13是根据本发明一种实施方式的CMP固定环底部的局部立体图； 图14是根据本发明一种实施方式的CMP固定环的垫接触区的放大图； 图15是沿图13中15-15线的剖视图；图16是根据本发明一种实施方式的CMP固定环底部的局部立体图； 图17是根据本发明一种实施方式的CMP固定环底部的局部立体图； 图18是根据本发明一种实施方式的CMP固定环的剖视图； 图19是处于挠性测试装置中的根据本发明一种实施方式的CMP固定环的 立体图；图20是表示出根据本发明一种实施方式的CMP固定环的挠性测试结果的 曲线图；图21是根据本发明一种实施方式的破裂的CMP固定环的局部立体图； 图22是列出根据本发明一种实施方式的CMP固定环的抗拔力测试结果的 表格；图23是根据本发明一种实施方式的CMP固定环的剖视图； 图24是根据本发明一种实施方式的CMP固定环的剖视图； 图25是根据本发明一种实施方式的CMP固定环底部的局部立体图； 图26是根据本发明一种实施方式的CMP固定环底部的局部立体图； 图27是根据本发明一种实施方式的CMP固定环底部的局部立体图； 图28是根据本发明一种实施方式的CMP固定环的剖视图； 图29是根据本发明一种实施方式的CMP固定环的剖视图； 图30A是根据本发明一种实施方式的CMP固定环基部的一种具体形式的 俯视图；图30B是根据本发明一种实施方式的CMP固定环基部沿图30A中 30B-30B线的剖视图；图31是根据本发明一种实施方式的CMP固定环基部的一种具体形式的俯 视图。图32是如图31所述实施方式的立体图。
具体实施方式
参见图1，可见到根据本发明实施方式的CMP固定环100。固定环100包 括下部或基部102和上部或主干部122。见到根据本发明实施方式的下方基部102的独立视 图。基部102通常由平的底表面104、外表面106、内表面108、上缘114和凹 部120构成。凹部120还包括多个环形凸缘IIO和具有螺孔118的凸起部112。 凸缘110用于在上方主干部包覆成型于基部之上时，形成紧固连接，并通过防 止固定环100的扭转或弯曲，对所述固定环赋予强度。基部102还包括从外表 面106延伸至内表面108的流道或凹槽116。凸缘110与固定环100同轴，以 使固定环100在使用时，所述凸缘基本上处于垂直方向。US 6,428,729公开了 采用包覆成型形成多个物件之间的热物理连接的方法，所述公开内容通过引用 并入本文。现参考图3，可见到采用根据本发明一种实施方式的CMP固定环100的 化学-机械抛光系统200。实际上，本发明各种形式的的CMP固定环，例如固 定环IOO，可通过环上的安装夹具固定于CMP系统200的装载头组件202，并 使固定环100的顶表面124与装载头组件202齐平。在一些实施方式中，通过 将紧固插件穿过螺孔118并插进承载头组件202上相应的孔中，来紧固固定环 100。在注射成型过程中，可在固定环100中插入紧固插件，所述插件可在成 型工艺之后进行超声波焊接，或者用人工插入。紧固插件可由包括PEEK和不 锈钢在内的任意合适材料组成。基片204被支承于固定环IOO之内部，并其与 抛光垫206接触。固定环104的底表面104与抛光垫206接触。抛光垫206运 转时，通过轴208a和208b施加的反向旋转力对基片204进行抛光。通常，向 抛光垫206施用浆料、化学反应液或它们的组合物，用以提高从基片204去除 物质的速率。在固定环100基部102的内表面108和外表面106上，具有任意 扩张形流道开口的流道116，可促进浆料或化学反应液输送到固定环100的外 侧，以及从固定环100的外侧输送到基片204。流道或凹槽116可在成型过程 中形成，或在成型工序之后在底表面104通过机加工形成。基部102可由塑料注射成型，优选地，所述塑料为聚醚醚酮(PEEK)、 或包含PEEK的其它聚合物的混合物、或可包含其它耐磨塑料及混合物。PEEK 的优点在于，当它支撑晶片时，使基片边缘碎裂或破裂的可能性非常小，同时 还具有高的耐磨损性和耐刮擦性。基部102也可由挤出或压縮成型后进行机加 工的PEEK组成。本领域技术人员应认识到，可采用不同的聚合物来增加或降 低基部102的耐磨性。在一些实施方式中，在基部102成型之后，主干部122可包覆成型于其上。 在其它实施方式中，可首先成型主干部122，然后将基部102包覆成型于主干 部122之上。在其它实施方式中，主干部122或基部102可用机加工形成，然 后分别将互补的基部或主干部包覆成型在用机加工形成的工件上。图5为包覆成型的上部或主干部122的视图，它是根据本发明一种实施方式的独立工件。基部102中的环形凸缘110有助于形成主干部122和基部102 之间的接触面积增大的紧固连接面。主干部122可包括陶瓷材料或其它填料/ 添加剂。例如，所述陶瓷材料可分散于如PEEK之类的聚合物(其例子是 STAT-PRO ,这是来自Entegris Inc.的导热性陶瓷PEEK)中。这样，可用这 种陶瓷材料定制主干部122的结构刚性、抗剪切性、热传导性或其它性质。主 干部122从结构上提高所述固定环基于其模量的刚劲度。该主干部可具有包括 600,000 1,400,000psi在内，但并不限于此范围的弯曲模量。主干部122材料 可填入下方基部102的凹部120中，从而使其与上缘114和凸起部112处于同 一平面。陶瓷材料的刚性可以有助于形成紧固的装置连接，且可以降低由所述 承载头施加于固定环100的剪切力、旋转力和其它力对该环造成的损伤。图6示出了本发明固定环100的一种实施方式的分解图。如图所示，环的 基部102在非流体接触侧具有一个或多个凸缘110和任选的用于螺套的孔118。 固定环100还包括具有安装夹具126的主干部122。例如，安装夹具126可包 括可带螺纹的插件128的插孔，或者可包括也可能带螺纹的安装榫(未示出)， 以把装配好的装置安装到机床上。根据需要，用于插件128的插孔118、 126 可任意成型为带有螺纹或其它紧固结构。在一些实施方式中，可使用诸如 Heli-Coil 标准型螺栓紧锁螺套之类的插件，也可使用其它带螺纹或紧固结构 的插件。主干部122可具有与基部102上的凸缘110匹配的凸缘130。或者， 主干部122上可模制有凸缘130，然后将固定环的基部102包覆成型于主干部 122上，以填入主干部的凸缘沟槽136中。接触抛光垫的基部表面104，可包 括称作垫或箔形垫的凸的或凹的垫接触结构，下面会对其作更全面的描述。所述固定环可采用或包括螺纹插件128。在其它实施方式中，所述固定环 可包括一个或多个直接在环内形成的内螺纹(tappedthread)，而不采用插件。 与只有所述基部材料的情况相比，由两种材料包覆成型的固定环,例如所述主干 部在两者之中刚性较强，可提供更大的拉拔强度和扭转强度。图7A和图7B示出了本发明一种实施方式的剖视图。图7A表示插孔126 处的剖视图，图7B表示两插孔之间的剖视图。可以看出，主干部的凸缘130 与基部102的凸缘110互锁或配合。在各种实施方式中，主干部122的凸缘130 可以通过模制、机加工、这些方法的任一组合、或其它适合制作所述凸缘的方 法形成。基部的凸缘110、外壁106和底部的垫接触面104，可通过模制、或 机加工或它们的任意组合方法形成。基部102可具有斜边，例如，可形成基部 垫结构的局部的斜外缘105。如图所示，插件128，通过插孔126、主干部122 的空腔或凹部，穿进基部102的部位U8，插件128可以是带螺纹的。可通过在成型期间通过该基部和主干部材料之间的连接，或通过使用粘合剂，或通过 插件中的螺栓或螺钉的作用，或这些方法的任意组合，或其它夹紧装置，将基部102和主干部122固定在一起。如图7A和图7B所示，在包覆成型工艺后， 基部102和主干部122是相互啮合或交错的。图8A 图8C示出了可用于本发明各种实施方式的凸缘110和凸缘130。 主干部122和基部环102具有可紧密配合的凸缘，并通过包覆成型工艺连接在 一起。可在第一注射材料上涂层或打底，以增加对第二注射材料的结合力。图9A和图9B示出了根据本发明一种实施方式的固定环的主干部322。主 干部322可包括不同大小和形状的凸缘330 333。主干部322的凸缘330 333 可与基部上的相应凸缘紧密配合，在基部，机加工基部和主干部的环是接合在 一起的。主干部的凸缘可包括凸缘沟槽336、 337。凸缘可包括沿着该凸缘的一 个或多个各种大小和形状的空隙338。从主干部322的内表面到外表面，可具 有一排或多排凸缘330 333，或一排或多排沟槽336、 337。凸缘沟槽336、 337 和凸缘空隙338可填入包覆成型的基部材料或与相应的机加工部件紧密配合并 固定在一起。可根据固定环的强度、结构刚性、和基部连接要求，选择所述凸 缘沟槽和凸缘空隙的大小。所述凸缘、凸缘沟槽和可选用的凸缘空隙的大表面 积，增加其与基部的连接面积。所述凸缘、沟槽和凸缘空隙提高固定环的刚性。 主干部上表面324，与机床承载头组件接触。主干部阻挡部334形成了与基部 沿固定环外径部分的连接面。主干部的凸缘结构增加了固定环成品中的主干部的刚性。所述凸缘也增加 连接基部层与主干部的表面面积。所述凸缘形成了适合第一注射材料和包覆成 型的第二注射材料的注射成型的壁部。凸缘和槽的尺寸，可按适合注射成型的 原则而选定。在一些实施方式中，所述凸缘从槽到顶部的高度可以是约2.5cm 或更小，最好小于约lcm至约1.5cm。在优选实施方式中，至少有两个凸缘， 优选地，有三个凸缘以相反的轴线方向从各自部分延伸，各凸缘与凸缘的侧壁 交错配合，凸缘最好具有平行的面。凸缘的交错部分的延伸距离最好至少是该 凸缘轴向厚度的25%。主干部可包括适于模制的复合热塑性材料。可用于主干部的材料的一个例 子包括适合加工的基于取代和非取代亚苯基环链的刚棒聚合物，这种聚合物生 成高刚性的结构。可使用少量的这种树脂，以强化其它用于主干部的诸如PEEK 之类的聚合物。可使用的刚棒聚合物的例子，包括但不限于ParmaxSRP (来 自Mississippi Polymer Technologies) 、 Celazole PBI (聚苯并咪唑) (CELAZOLE是Celanese Advanced Materials, Inc.的注册商标)、含PBI纤维的 PEEK、以及PBO (聚苯撑苯并二噁唑)。适于模制的复合物可以是包含有可为固定环提供结构刚性的陶瓷填料的热塑性材料，所述固定环具有一个或多个 带扩张形入口和出口的流道。复合热塑料可选择地具有导热性。这种复合材料的例子，可包括US 5,024,978中揭示的那些材料，该专利中的内容通过引用全 部并入本专利中。复合热塑性塑料可包含纤维强化陶瓷基体复合物。无机或陶 瓷强化纤维可分散于熔融的热塑性材料固形物中。这些加热液体分散体可用于 后续的模制操作中，以形成主干部环。无机材料或陶瓷材料可包括粉末状玻璃， 如粉末状铝硅酸盐玻璃或粉末状硼硅酸盐玻璃，可热结晶生成难熔玻璃陶瓷基 体如(3-锂辉石、转长石、堇青石或其它相基体的粉末状铝硅酸盐玻璃，以及用 于复合物制造的结晶材料，例如氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅和这些材料 与其它材料的组合物，但不限于这些。也可使用多种强化颗粒和/或纤维，它们 选自碳纤维、碳化硅、玻璃、氮化硅、氧化铝、莫来石或类似材料。在选择用 作填料的颗粒和/或纤维时，可根据后续工艺、或复合材料粗加工的成品或最终产物所需的形态或性质的要求，选择所述颗粒和/或纤维的物理形态。因此，例 如，所述纤维可以是编织或非编织的纤维布、纤维束的形式，即可以选择纤维 束或其它形成多纤维纱、绳或合股线的纤维群。颗粒形态可包括但不限于片状、 球形、椭圆形、不规则形、或这些形态的任意组合。固定环的主干部是一种其机械刚性高于耐磨基部材料的材料。固定环的一 些实施方式可包括含金属的主干部，其中可包括机加工的带凸缘的金属主干 部，按带凸缘或不带凸缘的主干部的形状，用粉末状金属烧结制成的主干部， 和由注射成型金属制成的主干部。金属主干部的几何形状可与塑料主干部相类 似。它可包括用于结构的凸缘，并得到用于使第二注射材料包覆成型以形成基 部的均匀壁部。金属主干部还可具有与第二注射聚合物对应的用于机械连接的 底部沟槽。本发明实施方式中全聚合物固定环的一个优点是，可以调配或处理所述聚 合物，使它们中的离子杂质的量减少或不含离子杂质，以适用于微电子制造， 并且可以选择，放气(outgas)很少，并且防止现有的陶瓷固定环中通常会浸 出的钠、铝、铁、铜、锂和其它无机元素的痕量污染。聚合物还可使一套CMP 环材料适用于CMP工艺的全部范围(即，氧化物、钨、铜)。每块晶片一个 环降低了全部消耗品成本，因为一套材料可运用于整个生产线中的环。聚合物 材料群可以选择成具有化学相容性，且可应付宽范围的化学条件，包括CMP 过程中遇到的宽pH值范围。聚合物可根据它们在液体或含水浆液环境中的水 解稳定性和尺寸稳定性来进行选择，使得基片抛光速率和/或基片上的抛光均匀 度维持在加工公差之内。图10A和图10B详细示出了根据本发明一种实施方式的模制固定环300 的倒置剖视图。图IOA示出了可在模制操作中形成的主干部322的内径侧和外 径侧的模制基部的挡片(flashing) 340。该挡片的厚度可以调整。如图10B所 示，固定环的一个或多个面，可通过模制后机加工操作进行磨光，以除去全部 或部分挡片。如图IOA所示，后机加工可将挡片去除至实线342表示的终表面 位置，并抛光。如图IOA和10B中的基部及主干部的凸榫和凹槽结构所示， 固定环的剖视图的特点是，基部和主干部材料具有一个或多个重叠区。图10B详细示出了固定装置300的剖视图，其表示一实施方式，在任选的 后连接或后模制工艺中，已将基部挡片从模制品去除。机加工之后，与抛光垫 不接触的表面可进一步用约600粒度或更细的抛光纸进行抛光。对于与抛光垫 或基片接触的表面，可使用约1500粒度或更细的抛光纸。对要求不太严格的 基片或抛光垫，可使用较低粒度抛光或使用机加工表面。图11为具有环基部302的垫接触面304的固定环300的立体图，垫接触 面304具有一个或多个凸起的垫接触区315，垫接触区315之间具有凹形流道 或凹槽316。凹槽或流道316可具有扩张形入口、扩张形出口、或它们的任意 组合。流道316和凸起的垫315可位于或形成在固定环的周边，而且当固定环 使用期间接触到抛光垫且被转动时，允许流体，例如抛光流体或浆液，在固定 环的内径侧和外径侧之间流动。已经作了描述的固定环、基部、和主干部是环 形的，但也可以采用其它形状，只要更加常用的固定环基部可被安装至移动承 载组件上，并具有能保持基片且最好与基片周边基本上相当的内表面周边。其 间具有流体流道316的垫315可具有基本上与固定环300外缘或周边平行的外 缘，并且垫315可具有内缘，所述内缘具有一个或多个基本上与固定环300内 缘平行的表面。如图13、图14、图16、图17、图25、图26、和图27所示， 垫315可彼此相互隔开，并形成各种形状的流道316。在有些情况下，两个相 邻垫之间，浆液凹槽或流道可以是弯曲或平行的。在一些实施方式中，如图17 所示，所述流道或浆液凹槽可以是锥形的。在内侧、外表面，流道或浆液凹槽 可具有扩张形、扩展形或漏斗形的流道或它们的任意组合。所述扩张流道表面， 可改善固定环的内、外表面及被固定基片之间的流体的传递。所述垫结构的边 缘可以是斜的，以降低抛光垫和固定环上的磨损。流道的深度可以进行调整(制 得更深或更浅)，以调节或改变流体(抛光桨液或其它液体)流进或流出固定 环内部区域(基片放置处)的流量。所述流道在固定环的内径表面、外径表面 或两者之上可具有一个或多个扩张端。固定环内侧或外侧上的扩张形流道或凹 槽的形状，可以是非体积对称的，以改变固定环区域的流体流速，且有利于流 体流入基片或从基片流走。扩张形流道的形状可根据具体的浆液组成、粘度、13颗粒大小和固定环转速进行改动，以实现所需的抛光速率或物质去除速率和/ 或均匀性。图11和图12所示的环形结构300或承载装置，可用于固定基片，以对基 片进行抛光或其它表面处理。在一些实施方式中，固定环300具有允许安装到 转动板并保持圆形基片的形状。固定环具有露出的内表面308或内径，以接触 被抛光基片的周边；基片被面向抛光面或抛光垫固定。固定环300可包括与抛 光垫接触的环形基部302。环形基部302可由包括耐磨材料的材料制成，且在 机床的负载下保持其形状。环形基部302可包含垫接触面侧304、内缘或内表 面308、外缘或外表面306、以及一个或多个凸缘和/或凸缘沟槽(如图10A和 IOB所示)。环形基部302垫接触面304，可包括在环形基部302的内缘表面 308和外缘表面306之间的一个或多个流道或凹槽316和一个或多个垫315。固定环300还可包括环形主干部322。该环形主干部322可用与环形基部 302不同的材料制成。在一些实施方式中，环形主干部322包括比基部刚性更 高且更耐磨的材料，例如陶瓷热塑性塑料复合物。环形主干部322可包含一个 或多个安装夹具326、内缘表面323、外缘表面325、和一个或多个凸缘和/或 凸缘沟槽(如图10A和10B所示)。环形基部302和环形主干部322沿界面 连接在一起，所述界面包括如图10A和图10B所示的它们相应凸缘及沟槽之 间的连接面。这些连接面，可通过化学粘合、焊接或熔接、机械连接、将一材 料包覆成型在另一材料上、或这些方法的任意组合，连接在一起。基部材料和 主干部材料可沿它们接触部位的凸缘和凸缘沟槽形成粘性连接。安装夹具可包 括将环形主干部连接至机床或旋转压盘的结构。固定环基部表面中的流道或凹槽，可进一步包括一个或多个扩张形开口， 所述开口可以是固定环内表面和外表面之间的入口、出口或它们的组合。流道 的截面可以是矩形、圆弧形或其它形状。流道的截面形状可选择为降低或消除 流道中的低流动区域或死体积，弧形的流道可以使沿流道或凹槽表面的浆液流 速更加均匀。在一些实施方式中，例如，基部中流道壁不平行部位的扩张形开 口的空体积可大于流道空体积(流道壁平行的部位)。在一些实施方式中，基 部材料的耐磨性大于主干部。固定环的环形基部可包括耐磨热塑性塑料，如 PEEK或PEEK的共聚物。固定环的环形主干部可包括陶瓷填充的热塑性材料， 这种材料的刚性大于固定环的基部。所述可用作主干部的陶瓷材料可具有比用 于基部的材料更高的密度。图14示出了固定环垫315或薄片结构的一种实施方式。图13示出了形成 于垫315之间的流道316的形状。本发明的一个优点是，流道316可改善对抛 光浆液的利用，并降低抛光成本。固定环垫315之间的流道316或凹槽，用于使流体、液体或浆液可沿由一个垫结构的前导缘和相邻垫结构的底部内缘形成 的凹槽流动。这些流道的位于固定环内径上的扩张形入口的形状，可由一个垫 的底部内缘和相邻垫或薄片的前导缘及前导面形成。固定环外径上的扩张形出 口的形状，可由一个垫的底部内垫缘和后缘与相邻垫的前导缘和外缘形成。流 道形状促进流体和浆液在固定环内径(基片固定于此)和固定环外径之间传递。 在图13中，成形的流道入口 319 (开口朝向固定环内表面或内缘)和成形流道出口 317 (开口朝向固定环外表面或外缘)可以有各种变化形式，并且， 例如，入口 319的空体积可做得比出口 317的空体积大。图15表示剖视图， 示出了在垫外表面上的可选用的斜缘305。相邻垫可彼此相对定位，以形成流 道或凹槽。流道壁可以是平行的或不平行的。入口 319和出口 317可在模制过 程中形成，或在模制工艺后在固定环300上机加工形成。现参考图14，沿固定环形成流道的一个或多个垫315或薄片，可具有内垫 表面344，该内垫表面可具有与固定环内表面的部分相切、平行或弯曲的边缘 或周边部分。垫315的部分可偏离固定环内表面。后缘346和前导缘348可任 选为圆的、斜的，或具有半径的其它形状。圆形有利于流体流动，并减少操作 期间颗粒的生成，因为它能防止手套障碍或防止抛光垫变形。垫的前导面350 可与相邻垫的内垫表面形成流道或凹槽。外垫表面352部分和有斜面的后表面 354可以与固定环外表面部分相切、平行，或者是弯曲的。从前导缘348到外 垫表面352和后缘346的形状可以选择为，其长度大于从前导缘348沿内垫表 面344到后缘346的长度。图15示出了沿固定环基部外缘306的垫结构315的斜缘305。示出了贯穿 主干部322和基部302的可带有螺纹的，或用于安装插件或安装凸榫的孔或槽 或空腔318、 326。在一些实施方式中(未示出)，所述孔可以仅贯穿基部302。 图15还示出了在凹进基部表面的扩张入口和与垫304接触的基部表面之间形 成的台阶307。该台阶的大小可以沿垫结构或垫而改变。所述垫的流道或凹槽的深度，可制作成满足抛光过程中浆液在固定环内侧 和外侧之间流动的要求。如图18所示，基部302中的浆液凹槽316的截面， 可包括在凹槽内的平滑弧线。在一些实施方式中，所述凹槽具有矩形截面。在 凹槽的各种实施方式中，凹槽的最深部分可以是约0.5cm或更小。在一些实施 方式中，流道的最深部分可以是约0.25cm或更小。测试证明，上述实施方式提供了刚性结构。如图19 21所示，根据本发 明实施方式的固定环400，用挠性测试装置460作了挠性测试。固定环400由 模制的Parmax (Mississippi Polymer Technology)主干部422和用450克PEEK 包覆成型的基部402制成。挠性测试持续至环400破裂。测试结果462列于图20。该结果表明，具有包覆成型的凸缘和流道的轻量固定环400形成了刚性结 构。即使在破裂时，如图21所示，基部402和主干部422仍沿它们的连接面 保持粘结状态。进一步测试验证了本发明实施方式的主干部之实际拉拔强度。使用多螺栓 有助于将固定环安装到CMP压盘旋转头上。陶瓷填充PEEK使得可绕周边形 成多个内螺纹螺孔，以将固定环紧固于该旋转头。测试样品使用不锈钢内六角 螺钉-將-32，该螺钉被拧3整圈进入#8-32内螺纹。固定环主干部使用陶瓷填充 PEEK。测试结果500列于图22的表中。现参考图23和24，该图示出了本发明又一实施方式的剖视图。CMP固定 环400包括基部402和主干部422。基部402通常由平的底表面404、外表面 406、内表面408和上表面410构成。基部402可包括斜缘，例如斜的外侧缘 405。基部还可包括一个或多个环形凸缘412。主干部422可包括一个或多个适 于和基部402上的凸缘412紧密配合的凸缘430。在本发明实施方式中，首先 模制主干部422，然后将基部402包覆成型在主干部422上。这样主干部422 被全部包在基部402中。凸缘412和凸缘430提供了基部402和主干部422的 附加的连接面，增加了基部402和主干部422之间的连接强度。基部102可由塑料注射成型，优选地，所述塑料为聚醚醚酮(PEEK)、 或与包含PEEK在内的其它聚合物的混合物、或与可包括其它耐磨塑料及混合 物的聚合物的混合物。PEEK的优点是，它支撑晶片时，使基片边缘碎裂或破 裂的可能性非常小，同时还具有高的耐磨损性和耐刮擦性。基部402还可由挤 出或压縮成型后进行机加工的PEEK组成。本领域的技术人员应公认，可采用 不同的聚合物来增加或降低基部402的耐磨性。主干部422可由陶瓷材料或其它填料/添加剂组成。例如，所述陶瓷材料可 分散于如PEEK之类的聚合物中(其例子是STAT-PRO ,这是来自Entegris Inc. 的导热性陶瓷PEEK)。然后可用这种陶瓷材料定制主干部422的结构刚性、 抗剪切性、热传导性或其它性质。主干部422从结构上提高化学-机械抛光 (CMP)固定环400基于模量的劲度，其中该主干部的弯曲模量范围可以是 600,000 1,400，000 psi，但并不限于此。由陶瓷材料的刚性可以有助于形成紧 固的装置连接，并将降低由承载头施加于CMP固定环400的剪切力、旋转力 和其它力对该环造成的损伤。图24表示CMP400环上的模制基部挡片440。基部挡片440可在模制操 作之后置于基部402。环400的一个或多个表面，可通过模制后机加工工艺抛 光，除去所有或部分挡片。模制后机加工可去除挡片至如实线442所示的最终 表面，并抛光。机加工之后，根据需要，不与抛光垫接触的表面可进一步用约600粒度或更细的抛光纸抛光。对于与抛光垫或基片接触的表面，可使用约1500粒度或更细的抛光纸抛光。对于要求不严格的的基片或抛光垫，可采用较低粒 度抛光或机加工表面。图25至图27示出了更多的固定环垫或薄片315和流道或凹槽316的结构 的实施方式。流道316可以是直的、弯的或弓形的。CMP固定环300包括由 多个薄片315形成的垫接触面304。在首选的实施方式中，垫接触面304占固 定环300全部面积的75% 95%。在又一实施方式中，垫接触面304小于固定 环300总面积的92%。在另一实施方式中，垫接触面304小于固定环300总面 积的90%。在另一实施方式中，垫接触面304小于固定环300总面积的88%。流道316用于浆液流动，而且每个流道316都包括入口部319、出口部317 和颈部311。通过改变薄片315的形状、流道316的形状、入口 319和出口 317 的形状或它们的任意组合，可调节浆液的传递特性，从而调节抛光工艺。流道 316的许多参数，如角度a、宽度、深度、流道316与外表面306和内表面308 会合处的半径、以及固定环300上的流道316总数，都可以改动。与图25所 示流道316的半径相比，图26示出具有在流道316与外表面306和内表面308 会合处的半径更大的流道316的CMP固定环300。图25和图26中，流道316 的角度a为150度。图27示出比图25和图26中CMP固定环具有更大接触面304、而环大小 保持相同的CMP固定环300。流道316与外表面306和内表面308会合处的 半径，比图25中的小，以增加接触面304的面积。流道316的角度a为144 度，但这里提出的角度a的数值，仅用于说明的目的，而不应认为是限制。如图25 图27所示，角度a，是在若流道316不包括出口部317，则流道 316应与外表面306相交的点上，相对于在外表面306所划的切线而测得的。 流道的角度，在固定环中间部侧壁是平行的位置上，可根据流道侧壁处的第一 基线确定，或者，在流道的侧壁不平行的位置上，上述基线可能位于固定环中 间部(在外周边和内周边的中间)的流道中心线处。例如，角度a为当垫接触 面304向下朝向抛光垫时，固定环300按逆时针方向转动的角度。在首选的实 施方式中，角度a至少为130度。可以改变本发明各种实施方式的凸缘和凸缘沟槽形状，以改变基部和主干 部的连接。例如，如图2、 4-6、 8B、 8C和9A所示，从上往下看，凸缘和凸 缘沟槽可以是环形的，而且和固定环轮廓是同心的。如图9A、 9B、 30A、 31 和32所示，凸缘和凸缘沟槽可以连续或非连续地环绕固定环。凸缘和凸缘沟 槽也可以与固定环轮廓不是同心的，而是从上面看呈例如螺旋形。另外，凸缘 可以是非同心的，这样使得它们通常从固定环的一个内缘延伸至另一个边缘，例如，凸缘可以与边缘垂直，或以一定角度与固定环边缘会合。非同心的凸缘 可从固定环的一个边缘完整地延伸至另一边缘，或者，如图30B所示，它们可 以仅在固定环边缘之间部分地延伸。此外，如图28和图29所示，凸缘可具有渐宽或渐縮的截面，以形成基部 和主干部之间的机械连接。例如，如果首先模制带一个或多个具有渐宽截面轮 廓的凸缘的主干部，当基部包覆成型在主干部上时，在模制工艺后基部将与主 干部互锁。类似地，可首先模制带一个或多个具有渐宽截面轮廓的基部，这样， 当主干部被包覆成型于基部之上时，主干部和基部互锁。还有，如图32所示，凸缘可设置有横向通路，以形成基部与主干部之间 的机械互锁。例如，如果首先模制带一个或多个包含一个或多个横向通路127 的凸缘110的基部102，当将主干部包覆成型于基部102上时，物料流进通路 127，形成主干部和基部102之间的机械连接。类似地，可首先模制带一个或 多个包括一个或多个横向通路的凸缘的主干部。当将基部包覆成型于主干部上 时，物料注入所述通路，从而形成基部和主干部之间的机械连接。对于多凸缘 的情况，横向通路将相邻凸缘沟槽连在一起。上述实施方式是说明性的而非限制性的。另外的实施方式落入权利要求书 的范围内。虽然已根据具体实施方式
对本发明作了说明，但本领域的技术人员 应可以认识到，可在形式和细节上作出改动而不脱离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种用于化学-机械抛光操作的固定环，其特征在于，它包括环形主干部，它具有一个或多个环形的在轴向凸出的主干部凸缘、和形成在所述主干部凸缘之间的沟槽，所述主干部包括刚性聚合物材料；和耐磨聚合物基部，它具有平的底表面、一个或多个环形的在轴向凸出的基部凸缘、形成于所述基部凸缘之间的沟槽以及在所述固定环的内缘和外缘之间延伸的所述底表面中的多个凹槽，所述凹槽适合促进在抛光操作期间浆液的传递；其中，所述主干部和所述基部是通过包覆成型工艺连接在一起的，从而使得所述主干部凸缘与所述基部沟槽紧密配合，并且所述基部凸缘与所述主干部沟槽紧密配合。
2. 如权利要求1所述的固定环，其特征在于，所述多个凹槽各包含至少一个 扩张形开口。
3. 如权利要求l所述的固定环，其特征在于，所述基部包覆所述主干部。
4. 如权利要求1所述的固定环，其特征在于，所述基部包括聚醚醚酮，而且 所述主干部包括混合有陶瓷的聚醚醚酮。
5. 如权利要求1所述的固定环，其特征在于，它还包括用于将所述固定环固 定到抛光单元的安装夹具。
6. 如权利要求1所述的固定环，其特征在于，相对于与所述外缘相切的线的 所述凹槽的角度至少为135度。
7. 如权利要求l所述的固定环，其特征在于，所述凹槽界定了多个垫接触区， 所述垫接触区包含小于92%的所述底表面面积。
8. 如权利要求1所述的固定环，其特征在于，所述主干部凸缘和所述基部凸 缘是交错的，而且交错部分的延伸距离至少为所述固定环轴向厚度的25%。
9. 一种制造用于化学-机械抛光操作的固定环的方法，其特征在于，所述方法 包括由耐磨聚合物模制基部，所述基部具有内缘、外缘、多个在轴向凸 出的环形凸缘、形成于所述凸缘之间的沟槽以及底表面；然后，用刚性聚 合物将主干部包覆成型在所述基部上，从而使所述主干部填入所述沟槽并 与所述基部连接。
10. 如权利要求9所述方法，其特征在于，还包括形成多个延伸于所述内缘和 所述外缘之间的凹槽，所述凹槽界定所述底表面上的多个垫接触区。
11. 如权利要求IO所述的方法，其特征在于，所述凹槽的形成还包括形成 相对于与所述外缘相切的线的角度至少为135度的所述凹槽。
12. 如权利要求IO所述的方法，其特征在于，所述垫接触区包含小于92%的所述底表面面积。
13. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括在所述多个凹槽上各形成至少一个扩张形开口。
14. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述基部包括聚醚醚酮，且所述 主干部包括混有陶瓷的聚醚醚酮。
15. —种制造用于化学-机械抛光操作的固定环的方法，所述方法包括由刚性聚合物模制主干部，所述主干部包括多个轴向凸出的环形凸缘和形成在所述凸缘之间的沟槽；然后用耐磨聚合物将基部包覆成型在所述主干部 上，从而使所述基部填入所述沟槽，并与所述主干部连接，所述基部具有 内缘、外缘和底表面。
16. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括形成多个延伸于所述内缘和所述外缘之间的凹槽，所述凹槽界定所述底表面上的多个垫接触面。
17. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述凹槽的形成还包括形成相对于与所述外缘相切的线的角度至少为135度的所述凹槽。
18. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述垫接触区包含小于92%的 所述底表面面积。
19. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述凹槽的形成还包括在所 述凹槽中形成至少一个扩张形开口。
20. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述基部包括聚醚醚酮，且所 述主干部包括混有陶瓷的聚醚醚酮。
21. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，包覆成型基部还包括包覆成 型所述基部，使得所述主干部被完全包覆。
22. —种用于化学-机械抛光操作的固定环，其特征在于，其包括环形主干部，具有两个或多个主干部凸缘、和形成在所述基部凸缘之 间的沟槽，所述主干部包括刚性聚合物材料；以及耐磨聚合物基部，具有平的底表面、两个或多个基部凸缘、形成在所 述基部凸缘之间的沟槽、和在所述固定环的内缘和外缘之间延伸的所述底 表面中的多个凹槽，所述凹槽适合促进抛光操作期间浆液的传递，其中，所述主干部和所述基部通过包覆成型工艺连接在一起，从而使 得所述主干部凸缘与所述基部沟槽紧密配合，并且所述基部凸缘与所述主 干部沟槽紧密配合。
23. 如权利要求23所述的固定环，其特征在于，所述主干部凸缘包含包覆成 型期间供材料流动的通路。
24. 如权利要求23所述的固定环，其特征在于，所述基部凸缘包含包覆成型 期间供材料流动的通路。
25. 如权利要求23所述的固定环，其特征在于，所述主干部凸缘和所述基部 凸缘呈锥形，以形成所述主干部和所述基部之间的机械连接。
全文摘要
一种化学-机械抛光固定环，它包括一个由耐磨塑料制成的基部，和由更坚硬、更耐磨的材料制成的上部或主干部。最好是一个基部或主干部包覆成型在另一个之上。基部通常由平的垫接触区、外表面和内表面构成。基部还可包含从外表面延伸至内表面的流道，以促进浆液在加工期间传递到和传递出被抛光的基片。基部或主干部之中的一个或两者，还包含多个环形凸缘，用于与包覆成型材料形成附加的连接面。
文档编号B24B29/00GK101331003SQ200680026491
公开日2008年12月24日 申请日期2006年5月24日 优先权日2005年5月24日
发明者杰夫里·J·金, 约翰·伯恩斯, 马丁·L·福布斯, 马克·V·史密斯, 马太·A·富勒 申请人:安格斯公司