具有阶梯部的定位环的制作方法

专利名称：具有阶梯部的定位环的制作方法
技术领域：
本发明涉及化学机械抛光中所使用的定位环。
背景技术：
集成电路通常是由在硅衬底上连续沉积导体层、半导体层或绝缘层的 方式形成。其中一种制造步骤包括在非平坦表面上沉积填料层，并平坦化 填料层直至露出非平坦化表面。例如，导电填料层可沉积在图案化的绝缘 层上以填充绝缘层中的沟槽或孔。接着抛光填料层直至绝缘层的突起图案 露出为止。在平坦化后，留在绝缘层的突起图案间的导电层部分会形成过 孔、插塞及线路，而在衬底上的薄膜电路间形成导电路径。此外，衬底表 面也需要平坦化以便进行光刻。
化学机械抛光(CMP)是一种可接受的平坦化方法。此平坦化方法通 常需要衬底安装在化学机械抛光设备的载体或抛光头上。衬底的暴露表面 会被放置抵靠旋转抛光盘垫或带状垫。抛光垫可以是标准抛光垫或固定研 磨垫(fixed-abrasive pad)。标准垫具有耐磨的粗糙表面，而固定研磨垫 则具有固定在容纳介质(containment media)中的抛光粒子。承载头可在 衬底上提供可控制的负载，以抵靠抛光垫。承载头具有定位环，以在抛光 期间将衬底固定在合适位置。包括至少一种化学反应性试剂及研磨粒子的 抛光液体(如抛光浆)则会供应至抛光垫表面。

发明内容
在一实施例中，本发明公开一种定位环。定位环具有环形下部及环形 刚性上部，其中环形下部沿其内径设有阶梯部，而环形刚性上部沿其内径 设有凹部。上部具有水平表面，并由垂直表面界定出凹部，且阶梯部尺寸
5适配于凹部。阶梯部及凹部间具有有结合层。
在另一实施例中公开一种定位环，其具有环形下部及环形刚性部。下 部具有内径D1及邻近内径D1的环形阶梯部。在外径处，环形阶梯部高度
大于下部高度。环形刚性部具有下表面及位于下表面处的内径D2。 D2大 于Dl，且环形刚性部的下表面邻近环形下部。结合层则位于刚性部内径 至少一部份及下部之间。
在另一实施例中公开一种定位环，其具有环形第一部份及环形第二部 份。第一部份沿内径具有环形凹部。第二部份具有内径、由内径及垂直壁 所界定的环形延伸部，其平行于内径。环形延伸部适配于环形凹部。结合 材料则位在第二部份垂直壁上。
在第一实施例中公开一种用于化学机械抛光的系统。系统具有压板、 由压板所支撑的抛光物、承载头，其经配置以施加负载至抛光物上的衬 底、以及连接至承载头的定位环。定位环至少包括环形下部及环形刚性上 部，其中环形下部沿其内径设有阶梯部，而环形刚性上部沿其内径设有凹 部，其中凹部是由垂直于上部上表面的壁所界定，且阶梯部尺寸适配于凹 部。阶梯部及凹部间并有结合层。
在另一实施例中，公开一种化学机械抛光的方法。该方法包括将抛光 液施加至抛光表面；将衬底维持在定位环内，使衬底表面接触抛光表面； 以及在衬底及抛光表面间形成相对运动。所用定位环包括环形下部及环形 刚性上部，其中环形下部沿其内径设有阶梯部，而环形刚性上部沿其内径 设有凹部，其中凹部是由垂直于上部的上表面的壁所界定，且阶梯部尺寸 适配于凹部。阶梯部及凹部间具有结合层。
在另一实施例中公开一种形成定位环的方法。该方法包括形成环形下 部，其中环形下环部沿其内径具有阶梯部。环形刚性部沿其内径设有凹 部，其中凹部系由垂直于刚性部的上表面的一壁所界定，且阶梯部尺寸适 配于凹部。结合材料则施加至下部或刚性部中任一者。刚性部下表面邻近下部，使结合材料接触上部及下部两者。结合材料会固化而在刚性部至少 一部份及下部间形成结合层。
本发明实施方式可包括下列一个或多个特征件。结合层可包括环氧树 脂材料，例如聚酰胺、或聚酰胺及脂肪胺。结合层厚度可大于2密尔，如
介于约4至20密尔。结合层可介于上部水平表面及下部间。结合层在定
位环径向截面上具有大致均匀的厚度。阶梯部可为环形阶梯部。下部可具 有与其邻近上部的表面相反的耐磨表面。阶梯部具有垂直壁，平行于界定 出凹部的壁，且结合层接触垂直壁。下部所有相对于耐磨表面的面都可接
触结合层或环形刚性部。上部具有接触阶梯部的突出部(projection)。突 出部可为环形突出部。凹部可进一步由邻近上部内径水平唇部所界定，且 环形突出部系邻近水平唇部。或者，环形突出部可以不邻近水平唇部。除 了邻近内径的凹部外，上部及下部可以不与凹部及可适配于凹部的对应阶 梯部接触。
前述实施方式可具有下列一种或多种优势。设有结合层的两部分定位 环可避免抛光浆累积在环的上部及下部间。结合材料(如前述任一 者)))))可具有较佳的抗化学特性，例如抛光浆及去离子水、热及压 力。环部件中一个的突出部有利于适当对齐环的两部分。定位环的部件中 一个的突出部可确保环两部分间具有最小的环氧树脂厚度。结合后的具有 环形阶梯特征件的定位环可具有圆柱形切线边缘接触区(cylindrical tangential edge contact area)，以使上环及下环间的径向间距为零，因此仅 在切线边缘处具有零环氧树脂厚度。突出部可在定位环周围提供相当平均 的黏结材料。具有阶梯特征件的环具有较平坦界面的环更大的表面积可供 结合。较大量的结合材料可提供较强的黏结结合力。此外，增加的结合表 面积朝向定位环的内径(此处具有最高的应力)。再者，垂直结合区可避 免下环在内径处与上环分开。阶梯特征件及突出部可承受负载。也就是 说，在定位环向下压抵抛光垫时，定位环水平移动所形成的侧向负载可经
7由特征件转移，而不是经由黏结物转移。这里描述的环不会有分层现象。 因为环不易分层，故相较于不设有阶梯特征件的环具有较长的使用寿命。 本发明的一个或多个实施例的细节将参照附加图示及下文详细说明。 本发明其它特征、目的及优点在参照说明、图示及权利要求后将更为清 楚。


图1表示定位环部分概要截面图。 图2表示定位环一实施例的截面图。 图3表示定位环一实施例的截面图。
图4表示定位环上下部的截面轮廓。
图5表示具有阶梯部的定位环的概要截面图。
各图中相同组件系以相同参考号标示。
具体实施例方式
参照图^4，衬底由固定至承载头的定位环所固定，以由化学机械抛 光设备进行抛光。适用的承载头描述于美国专利第6,251,215号案中。化 学机械拋光设备的说明可见于美国专利第5,738，574号案中，其全文系合 并于此以供参考。
定位环101可由两个环建构而成下环105及上环110。下环105具 有下表面107及上表面108，其中下表面107可与抛光垫接触。下环105 可由在化学机械抛光处理中具有化学惰性的材料制成，例如塑料(如聚苯 硫(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、填充碳的聚醚醚酮、填充Teflon⑧的聚 醚醚酮、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、 聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯并咪唑(PBI)、聚醚酰亚胺(PEI)或复合材 料)。下环也应耐用并具有低磨损率。此外，下环应具充分压缩性，以使 衬底边缘抵靠定位环的接触不会引起衬底产生碎裂或破裂。另一方面，下 环不应具有这样的弹性使定位环上的下压力造成下环挤入衬底接收凹部 内。定位环101的上环110可由比下环105更硬的材料制成。硬材料可为 金属，如不锈钢、钼或铝或陶瓷(如氧化铝)或其它例示性材料。上环
IIO具有下表面112及上表面113。
下环及上环105、 IIO—起形成定位环101。当两环结合时，下环105 的上表面108位置邻近上环IIO的下表面112。两环在内表面处内径及外 径上大致具有相同尺寸，使两环105、 IIO形成齐平表面，并在两环105、 IIO接合时接触。
上环110的上表面113大致包括多个孔125，如图1所示，其具有多 个螺纹套承接固定物(如螺栓、螺丝或其它硬件)以将定位环101固定至 承载头。？L 125可在承载头周围均匀间隔。此外， 一个或多个校准特征件 (例如小孔或突出物(未示出))可设于上环110的上表面113上。若定 位环具有校准小孔，承载头可具有对应的销，以在承载头及定位环适当对 齐时配合校准小孔。在某些实施例中，定位环101具有自内径延伸至外径 的一个或多个通孔(未示出)，以在抛光期间让抛光浆或空气由环内部通 到外部、或由环的外部通至内部。
两个环可由两环之间界面处的黏结层215结合。黏结层215可以是两 部份慢速固化环氧树脂。慢速固化通常指环氧树脂需几小时至几天才能固 化。然而，环氧树脂固化周期在高温下可縮短。例如，慢速固化环氧树脂 可为Magnobond-6375TM，由乔治亚州査伯利市Magnolia Plastics公司所 提供。或者，环氧树脂可为快速固化环氧树脂。在某些实施方式中，环氧 树脂为高温环氧树脂。高温环氧树脂可抵抗黏结层215因抛光处理期间高 热所致的降解。在某些实施方式中，环氧树脂包括聚酰胺(如60%至 100%的聚酰胺)、以及脂肪胺(如10%至30%的第一脂肪胺以及5%至 10。/。的第二脂肪胺)。例如，高温环氧树脂可为康乃迪克州洛基希尔市的 Henkel公司所提供LOCTITE Hysol E-120HPTM。特别是，相较于其它 黏结剂，LOCTITE Hysol E-120HPTM具有较佳的抗裂解性，且因此可 减少分层所致的伤害。裂解起因于高热、疲劳、去离子水接触与吸收、以 及抛光处理中所用抛光浆的化学物侵蚀。
两环之间在内径与外径处的黏结层215可避免捕获定位环中的抛光
9浆。在抛光期间，抛光垫及定位环101间的摩擦力会形成侧向负载，而使
下环105歪曲。此情形会使拉动下环105离开上环110，而在两环间形成 间隙。此外，衬底压抵下环105内径的侧向负载会增加定位环101的上下 部之间的定位环内径处的张力或剥除力。上环105及下环IIO间的黏结层 215可避免抛光浆进入两环间的间隙，或避免形成间隙。
如图2所示，下环105具有阶梯特征件225。阶梯特征件225由下环 105垂直突出至上环110的对应凹部。阶梯特征件225为邻近定位环101 内径Dl的环形阶梯部。阶梯特征件225由下环105的水平部份向上延伸 出。阶梯特征件225分占下环水平部分内径壁，即邻近下表面107的部 分。与阶梯特征件225上的内径壁相反的是垂直壁230。在某些实施例 中，垂直壁230平行于内径壁。在某些实施例中，垂直壁230呈曲线态。 在某些实施例中，阶梯特征件225呈锥形态。上环110中的凹部对应于阶 梯特征件225，使得在下环105及上环110彼此接触，阶梯特征件225适 配于上环IIO的凹部。上环110具有壁245，其可界定出上环的部分内径 D2，并在两环部分彼此接触时面对下环105的垂直壁230。壁245可界定 出上环110的底部255。在某些实施例中，阶梯部225仅位于下环105的 内径处，而非未于外径处。亦即，除了定位环内径处阶梯部225及凹部以 外，环101可不具有其它阶梯部及对应凹部特征件。
在某些实施例中，阶梯部宽度是沿下环径向截面，其介于沿相同径向 截面的下环宽度的10%至30%间，例如约介于下环宽度12%至20%间。于 某些实施例中，凹部深度是约介于上环IIO深度的10%至40%间，如介于 约20%至30%间。阶梯部225在内径处可构成下环高度的约50%至90% 间，如介于约70%至约90%间。
在定位环的实施例中，下环内径处的高度介于约(U5至0.2英寸之 间，如约0.175英寸。阶梯部高度约为0.12至0.17英寸，如下环上表面以 上约0.15英寸。因此，阶梯部在内径处至少为环总高度的50%。沿径向截 面下环宽度可介于约0.6至1.2英寸吋之间，例如约0.92英寸。阶梯部宽 度可介于约0.08至0.2英寸，如约0.13英寸。定位环中上凹部的宽度可介 于约0.1至0.3英寸吋之间，如约0.16英寸。上环厚度可介于约0.4至0.7
10英寸吋之间，如0.6英寸。
一般而言，现有定位环在上部及下部间具有一平坦界面。在旋转定位 环期间产生的剪力会在水平黏结层上施加力量。在定位环101中，阶梯特
征件225会沿着阶梯特征件225垂直壁230而将剪力转为黏结层215上的 压力。黏结层215由上剪力至压力的转换可减少下环105与上环110分层 (其通常在不设有阶梯特征件定位环时会发生)的可能性。同样的，在定 位环下压抵抛光垫时，定位环相对于抛光垫水平移动所形成的横向力会由 下环105传送至上环110底部255。此外，垂直壁230可因界面增加的表 面积而提供黏结层215较大的结合面积。较大的结合面积也会减少下环 105与上环110分层的可能性。再者，沿垂直壁230的黏结层215可吸收 上环110中材料(如，例如不锈钢的硬材料)及下环105中材料(如，较 不刚性或较软材料，如聚苯硫醚)间不均匀热膨胀所致的应力。同样的， 黏结层215上剪力至压縮力的转换也会降低下环105与上环110分层(会 发生在没有阶梯特征件的定位环)的可能性。
如图3所示，在某些实施例中，下环105及/或上环110分别包括突出 部305及310。在某些实施例中，突出部305、 310系环形，且整个环绕定 位环延伸。在其它实施例中，突出部在定位环周围间隔，例如以等角间隔 的方式，以使结合材料可绕突出部305、 310流动，并避免结合材料中的 气泡。等突出部305及310系延伸至两环部105、 110间的黏结层215中。 等突出部305及310的表面可分别直接接触表面112及230。突出部310 的宽度W决定了黏结层215垂直部分中黏结层215的厚度。突出部305的 高度H决定了黏结层215垂直延伸部的厚度。因为上环105及下环110可 藉由可允许公差的方式加工形成，故黏结层215的厚度从定位环至定位环 均一致。在特定实施例中，两环间黏结层215的厚度介于约4密尔至12密 尔之间，如介于约4密尔至8密尔之间、或4密尔至6密尔之间。厚度可 依据用以结合两环黏结材料的类型以及定位环材料的弹性模数来选择。突 出部310可具有任一垂直长度L，然而突出部310越短，黏结层215在没 有突出部310区域中的长度会越长。
如图4所示，阶梯特征件225可位于下环105的上表面108上，使阶梯部225适配至上环110的凹陷内。除阶梯特征件225以外，定位环在其 底表面上具有多个沟槽以将抛光浆传送进出环(未示出)。
参照图5，阶梯部225与定位环内径相对的壁可呈弯曲。在某些实施 方式中，阶梯部225向内或向外倾斜。此外，定位环内径的一部分或全部 可倾斜。如图所示，在某些实施例中，下环105具有壁，其垂直环磨耗表 面且呈倾斜以使定位环内径向环顶部增加。
在一实施例中，两环是一起加工以在各个上表面108及底表面112上 具有数个特征件。黏结层215可施加至表面中的一个上，两环可定位以使 阶梯特征件225及凹部对齐，且环接触凹部中阶梯特征件225的上方。
一旦两环105、 110己接触在一起形成一个整体定位环101、且黏结剂 固化时，定位环101会接附至承载头100。待抛光衬底会被送至环101凹 部内，且承载头100会将负载施加至衬底，同时衬底则承受相对于抛光垫 的运动。如前文所述，定位环101及抛光垫间摩擦会造成定位环101的两 部份之间结合上的应力。然而，若设有阶梯特征件225，结合分层及定位 环损坏的风险便可降低。
环表面上的特征件具有一个或多个下列机构，以降低分层的发生率。 第一具有阶梯特征件的环具有比平坦界面环更大的上表面积。所增加的 表面积可增加黏结物施加在环上的面积，且因此可形成较强的黏结结合。 其二特征件可以承受负载。亦即，在定位环向下压抵抛光垫时，定位环 的水平移动所造成的侧向负载可经由等特征件传送，而非经由黏结物来传
送。第三阶梯特征件可减少形成上及下环材料的不同热膨胀系数所致的 应力。第四因阶梯特征件位于定位环的内径处，故阶梯特征件可协助减
少上环部及下环部间的剥除力(peel force))。
若干本发明实施例已作描述。然而，应可理解的是亦可在不悖离本发 明精神与范围下进行各种润饰。例如，环形突出部310可位于非邻近阶梯 特征件225上方处，例如相对于垂直壁230中间处。此外，表面108及 112可包括较多或较少的环形间距突出物。定位环外径可包括凸缘，如图 5所示且描述于美国专利第7,094,139号案中，其全文系合并于此以供参 考。因此，其它实施例均应涵盖于下文权利要求所界定范围内。
权利要求
1. 一种定位环，其包括环形下部，沿其内径设有阶梯部；环形刚性上部，沿其内径设有凹部，其中，所述阶梯部尺寸适配于所述凹部；以及结合层，位于所述阶梯部及所述凹部之间。
2. 如权利要求1所述的定位环，其中所述结合层包括环氧树脂材料。
3. 如权利要求2所述的定位环，其中所述环氧树脂材料包括聚酰胺。
4. 如权利要求2所述的定位环，其中所述环氧树脂材料包括介于约 60%至100%的聚酰胺、介于约10%至30%的第一脂肪胺以及介于约5%至 10%的第二脂肪胺。
5. 如权利要求1所述的定位环，其中所述结合层具有至少2密尔的厚度。
6. 如权利要求1所述的定位环，其中所述结合层介于约4密尔至20密 尔之间。
7. 如权利要求1所述的定位环，其中所述阶梯部呈环形。
8. 如权利要求1所述的定位环，其中所述下部具有耐磨表面，所述耐磨表面与其邻近所述上部的表面相反；所述凹部由垂直于所述上部的上表面的壁所界定； 所述阶梯部具有垂直壁，其平行于界定所述凹部的所述壁；以及 所述结合层接触所述垂直壁。
9. 如权利要求8所述的定位环，其中所述下部与所述耐磨表面相对的 所有表面接触所述结合层或所述环形刚性部。
10. 如权利要求9所述的定位环，其中所述上部具有接触所述阶梯部 的突出部。
11. 如权利要求IO所述的定位环，其中所述突出部是环形突出部。
12. 如权利要求IO所述的定位环，其中所述凹部进一步由邻近所述上部的所述内径的水平唇部所界定，且所述环形突出部邻近所述水平唇部。
13. 如权利要求10所述的定位环，其中所述凹部进一步由邻近所述上 部的所述内径的水平唇部所界定，且所述环形突出部并非邻近所述水平唇 部。
14. 如权利要求10所述的定位环，其中所述突出部具有平行于界定所 述凹部的所述壁的壁。
15. 如权利要求1所述的定位环，其中所述结合层位于所述上部的水 平表面及所述下部之间。
16. 如权利要求1所述的定位环，其中除了邻近所述内径的所述凹部 外，所述上部及所述下部没有所述凹部及适配于所述凹部的对应阶梯部接 触。
17. 如权利要求1所述的定位环，其中所述下部具有邻近所述上部的 主水平表面，且所述阶梯部在主水平表面以上延伸下部高度的至少约 50%。
18. 如权利要求1所述的定位环，其中所述阶梯部沿所述下环的径向 截面测量时的的最宽部分比所述阶梯部的水平表面更靠近所述耐磨表面。
19. 一种用于化学机械抛光的系统，其包括压板；抛光物，由所述压板支撑；承载头，被构造成将负载施加至抛光物上的衬底；以及 定位环，接附至所述承载头，其中所述定位环包括 环形下部，沿其内径设有阶梯部；环形刚性上部，沿其内径设有凹部，其中，所述阶梯部尺寸适配 于所述凹部；以及结合层，位于所述阶梯部及所述凹部之间。
20. —种用于化学机械抛光的方法，其包括 将抛光液施加至抛光表面；将衬底固定于定位环内，使所述衬底的表面接触所述抛光表面，其中 定位环包括环形下部，沿其内径设有阶梯部；环形刚性上部，沿其内径设有凹部，其中，所述阶梯部尺寸适配 于所述凹部；以及结合层，位于所述阶梯部及所述凹部之间。；以及 在所述衬底及所述抛光表面间产生相对移动。
21.—种形成定位环的方法，其包括形成环形下部，其中所述环形下环部沿其内径设有阶梯部； 形成环形刚性部，沿其内径设有凹部，其中阶梯部尺寸可适配至凹部；将结合材料施加至所述下部或所述刚性部；使所述刚性部的下表面邻近所述下部，以使得所述结合材料接触所述 刚性部及所述下部两者；以及固化所述结合材料，以在所述刚性部的至少一部份及所述下部之间形 成一结合层。
全文摘要
本发明提供一种两部分定位环(101)。刚性上部(110)沿其内径设有环形凹部。环形耐磨下部(105)具有内径、由内径界定的环形延伸部、以及垂直于第二部分的表面且与内径相对的垂直壁。环形延伸部可适配至环形第一部分的环形凹部。环形第二部分的垂直壁上设有结合材料。
文档编号B24B37/04GK101522370SQ200780038236
公开日2009年9月2日 申请日期2007年2月28日 优先权日2006年10月13日
发明者史蒂文·M·祖尼格, 肖恩·范德维恩 申请人:应用材料公司