CMP系统和用于抛光系统的保持环的制作方法

本实用新型的实施方式涉及用于对诸如半导体基板之类的基板进行抛光的抛光系统。更具体来说，实施方式涉及用于对基板进行抛光的抛光系统的保持环(retaining ring)。

背景技术：

化学机械抛光(CMP)是常用于高密度集成电路的制造中的一种工艺，用于对沉积在基板上的材料层进行平坦化或抛光。承载头可将保持在其中的基板提供至抛光系统的抛光站，并且可控制地迫使基板抵靠着移动的抛光垫。通过在存在抛光流体情况下使得基板的特征结构侧之间接触并且相对于抛光垫移动基板，即可有效利用CMP。通过化学活动和机械活动的组合从基板接触抛光表面的特征结构侧上移除材料。在抛光时从基板移除的颗粒变为悬浮在抛光流体中。在通过抛光流体抛光基板时，移除悬浮颗粒。

由于装置图案的特征结构尺寸变得更小，因此对特征结构的临界尺寸(CD)的要求变成针对稳定且可重复的装置性能的更重要的准则。当特征结构的CD缩至小于20nm的尺寸时，亚微米级刮痕对于提高装置良率而言变得越来越为关键。CMP具有承载头，所述承载头通常包括环绕基板并且便于将基板保持在承载头中的保持环。抛光期间，基板可与保持环接触并使保持环的一些部分以及附着材料脱离，和将松散材料引入抛光工艺中。这些松散材料可在抛光期间与基板和抛光表面接触，并对基板造成微小划痕(<100nm)以及其他类型的缺陷(诸如线路畸变以及裂痕(check mark)缺陷)。

因此，需要一种改进的保持环。

技术实现要素：

本实用新型公开了一种保持环和一种用于对基板进行抛光的化学机械抛光(CMP)系统。在一个实施方式中，用于CMP系统的保持环包括环形主体， 所述环形主体具有抛光内径。所述主体具有：底表面，所述底表面具有形成在其中的槽；外径壁；和内径壁，其中所述内径壁被抛光至小于30微英寸(μin)的平均粗糙度(R_a)。所述环形主体进一步包括：下部部分，所述下部部分具有下部抛光内径和形成在其中的所述槽；和上部部分，所述上部部分具有上部抛光内径，所述上部部分同心地耦接至所述下部部分。所述下部抛光内径的平均粗糙度在2μin与10μin之间。在一个实施方式中，所述下部抛光内径的平均粗糙度为4μin。所述上部部分是由金属组成的，并且所述下部部分是由塑料组成的。所述上部抛光内径的平均粗糙度在2μin与10μin之间。在一个实施方式中，所述上部抛光内径的平均粗糙度为4μin。所述内径壁被配置成接收具有200mm、300mm或450mm的直径的半导体基板。所述外径壁被抛光至小于30μin的平均粗糙度。第二部分是由具有大于第一部分刚度的刚度的材料制成。

在另一实施方式中，提供CMP系统，所述CMP系统包括：可旋转的压板，所述可旋转的压板配置成支撑抛光垫；抛光头，所述抛光头配置成在抛光期间迫使基板抵靠着所述抛光垫；和保持环，所述保持环耦接至所述抛光头。所述保持环包括具有抛光内径的环形主体。所述主体具有：底表面，所述底表面具有形成在其中的槽；外径壁；和内径壁，其中所述内径壁被抛光至小于30微英寸(μin)的平均粗糙度(R_a)。所述环形主体进一步包括：下部部分，所述下部部分具有下部抛光内径和形成在其中的所述槽；和上部部分，所述上部部分具有上部抛光内径，所述上部部分同心地耦接至所述下部部分。所述下部抛光内径的平均粗糙度在2μin与10μin之间。在一个实施方式中，所述下部抛光内径的平均粗糙度为4μin。所述上部部分是由金属组成的，并且所述下部部分是由塑料组成的。所述上部抛光内径的平均粗糙度在2μin与10μin之间。在一个实施方式中，所述上部抛光内径的平均粗糙度为4μin。所述内径壁被配置成接收具有200mm、300mm或450mm的直径的半导体基板。所述外径壁被抛光至小于30μin的平均粗糙度。其中第二部分是由具有大于第一部分刚度的刚度的材料制成。

附图说明

因此，可以参照实施方式(其中一些实施方式在附图中示出)来详细理解 本实用新型的上述特征以及有关本实用新型的更具体的描述。然而，应当注意，附图仅仅示出本实用新型的典型实施方式，并且因此不应视为限制本实用新型的范围，因为本实用新型可允许其他有效实施方式。

图1是根据一个实施方式的具有包括保持环的承载头的抛光设备的局部截面图。

图2是根据一个实施方式的保持环的底部平面图。

图3是沿图2的截面线3-3截得的保持环的一部分的截面图。

为了便于理解，已尽可能使用相同的参考标记来标示各个附图所共有的相同元件。应预见到，一个实施方式中披露的要素可有利地用于其他实施方式，而无需特定叙述。

具体实施方式

本文描述了保持环、化学机械抛光系统(CMP)、和用于对基板进行抛光的方法。所述保持环包括抛光内径，与传统的保持环相比，所述抛光内径具有改进的浆料释放能力，而不会带来高昂制造成本或不会在对基板进行抛光期间在保持环的消耗过程中造成工艺波动。抛光内径实质上防止可稍后脱离并变为抛光基板时的缺陷源的浆料以及抛光的副产物的附着和后续聚结。因此，减少材料堆积使对抛光表面造成的缺陷最小化，以便提高产品良率。另外，减少材料堆积增加了生产的正常运行时间，并且延长了承载头的防护维护和清洁所需的时间间隔。

图1是根据一个实施方式的抛光设备100的局部截面图。承载头150具有保持环130，所述保持环130具有抛光内径，所述抛光内径如下进一步所述的有助于减少缺陷。承载头150保持基板135(以虚线示出)与抛光垫175的抛光表面180接触。抛光垫175放置在压板176上。压板176通过压板轴182耦接至电机184。当抛光设备100对基板135进行抛光时，电机184使得压板176旋转，以及因此使得抛光垫175的抛光表面180围绕压板轴182的轴线186旋转。

抛光设备100可包括化学物质输送系统190。化学物质输送系统190包括化学物质贮罐196，所述化学物质贮罐196容纳抛光流体191，诸如浆料或去离子水。抛光流体191可通过喷嘴198喷涂到抛光表面180上，所述抛光表面 180旋转抛光流体191，使抛光流体191与被承载头150按压在抛光表面180上的基板135接触，以便使基板135平坦化并且移除附着缺陷(例如，颗粒)和其他抛光残留物质。

承载头150耦接至轴108，所述轴108耦接至电机102，电机102进而耦接至臂170。电机102使得承载头150以线性运动(X和/或Y方向)相对于臂170横向移动。承载头150还包括致动器或电机104，用于在Z方向上相对于臂170和/或抛光垫175来移动承载头150。承载头150还耦接至旋转致动器或电机106，所述旋转致动器或电机106使得承载头150相对于臂170围绕旋转轴111旋转。电机104、102和106相对于抛光垫175的抛光表面180来定位和/或移动承载头150。在一个实施方式中，处理期间，电机104、102和106使承载头150相对于抛光表面180旋转并提供向下力以迫使基板135抵靠着抛光垫175的抛光表面180。

承载头150包括被保持环130环绕的主体125。保持环130具有内环直径134。内环直径134可被配置成接收具有200mm、300mm、450mm的直径或其他产品半导体基板直径的半导体基板。内环直径134可具有比设置在其中的基板135大出5mm的直径。例如，内环直径134可具有455mm的直径，以便接收450mm基板135。或者，内环直径134可具有305mm的直径，以便接收300mm基板135。保持环130还可具有多个浆料槽268(在图2中示出)。承载头150还可包含与柔性膜140相邻的一个或更多个泡囊(bladder)110/112。当基板135被保持在承载头150中时，柔性膜140接触基板135的背侧。

在一个实施方式中，保持环130通过致动器132耦接至主体125。在一方面，抛光工艺期间，压力被施加至保持环130以迫使保持环130朝向抛光垫175的抛光表面180。电机106使得承载头150围绕旋转轴111旋转并且将基板135支撑在其中，同时抛光实质围绕旋转轴111旋转。保持环130的内环直径134的尺寸被调整成将基板135支撑在其中。当旋转承载头150中的基板135时，基板135可碰撞或击打保持环130的内环直径134。抛光期间，化学物质输送系统190将抛光流体191输送至抛光表面180和基板135。保持环130的浆料槽促进将抛光流体191和夹带的抛光碎屑运输通过保持环130并且离开基板135。保持环130的内环直径134以这样的方式构造：在抛光时，防止过量夹带的抛光流体附着至内环直径134上，并且因此减缓保持环130中保持的 基板135对保持环130的损坏，同时还减少响应于环130与基板135之间的接触而释放的颗粒的量。

图2是保持环130的底部平面图。保持环130可以由由单块材料形成的主体202组成。或者，主体202可由多个部分中的一个部分形成，所述部分诸如配置成将主体202安装至承载头150的上部部分320(在图3中示出)和配置成使抛光垫175与基板135接触的下部部分210。主体202的部分可包括装配在一起以形成主体202的形状的多个件。在一个实施方式中，保持环130的主体202是呈单个整体构造。在另一实施方式中，保持环130的主体202具有两个部分，即上部部分320和下部部分210。

主体202可由不锈钢、铝、钼或另一耐工艺的金属或合金、或者陶瓷或陶瓷填充的聚合物、或者其他合适材料形成。在一个实施方式中，至少主体202的上部部分320是由耐工艺的金属或合金(诸如不锈钢、铝和钼)、陶瓷或陶瓷填充的聚合物中的一种或更多种制成。另外，主体202可由塑料材料制成，诸如聚苯硫醚(PPS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸丁二醇酯、Ertalyte TX、PEEK、Torlon、Delrin、PET、Vespel、Duratrol或其他合适材料。在一个实施方式中，至少主体202的其中形成槽268的下部部分210是由塑料材料制成。在另一实施方式中，下部部分210可由金属材料制成。

主体202可为环形，具有中心220。主体202还可包括底表面270、内径壁208和外径壁264。内径壁208限定保持环130的内环直径134，并且具有尺寸被调整成接收基板135的内部半径。

保持环130的主体202还可包括耐工艺的涂层，所述耐工艺的涂层可覆盖保持环130的暴露于工艺条件和/或易于释放金属和/或积聚工艺材料的一个或更多个表面。耐工艺的涂层可为疏水材料，其可防止与工艺流体的化学相互作用，诸如基于用于在抛光设备100中处理基板135的抛光流体的化学性质来选择的聚合材料。聚合材料可为含碳材料，诸如帕利灵(parylene)(聚对二甲苯)，例如，帕利灵C(氯化线性聚对二甲苯)、帕利灵N(线性聚对二甲苯)和帕利灵X(交联聚对二甲苯)。可使用的其他含碳材料包括聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(TX(ETX))、长寿命化学机械抛光x5(CMP LL5)聚酯、非晶透明聚醚酰亚胺(ULTEM^TM 1000)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和类金刚石碳(DLC)。

多个槽268可形成在保持环130的下部部分210中。槽268从内环直径134延伸至下部部分210的外径壁264。槽268可具有足够的深度以允许流体(诸如浆料和悬浮固体)通过槽268从内环直径134移动至外径壁264。槽268的数量和配置可为可配置的和/或可取决于工艺条件。例如，保持环130可以具有18个等距间隔开的槽268，以便在承载头150和保持环130旋转时，允许流体从基板135的下方移出并且离开基板135。当基板正在进行抛光操作时，流体将浆料和其他松散材料通过槽268运输离开基板135，以便减缓对基板135的表面的刮擦或损坏。

图3是沿图2的截面线3-3截得的保持环130的一部分的截面图。可将保持环130的上部部分320同心地耦接至保持环130的下部部分210。主体202的上部部分320和下部部分210可装配在一起，并且通过粘合材料(诸如环氧材料、氨基甲酸乙酯材料或丙烯酸材料)在界面330处结合。上部部分320可具有沿其底表面328的间隔件321。间隔件321提供在保持环130的组件的上部部分320的底表面328与下部部分210的顶表面316之间。间隔件321提供均匀间隙，所述均匀间隙最大程度地减少粘合材料挤压出或不均匀地填充在上部部分320的底表面328与下部部分210的顶表面316之间，同时增强环130之间的尺寸可重复性。

上部部分320具有内径壁322。下部部分210具有内径壁312。上部部分320和下部部分210中每个的内径壁322、312与环组件的内环直径134是一致的。对上部部分320和下部部分210两者的内径壁322、312进行抛光。内径壁322、312可通过研磨、CMP、火焰抛光、蒸气抛光或通过其他合适的方法被抛光。内径壁322、312可被抛光至具有小于30的以微英寸(μin)计的平均粗糙度(R_a)，诸如在2μin与10μin之间，或4μin。

在一个实施方式中，保持环130是由单块材料形成的，并且内环直径134可被抛光至小于10μin的R_a。内环直径134具有抛光/平滑表面，这改善了内环直径134槽磨损并且显著减少颗粒产生。抛光内环直径134导致减少开槽以及与基板接触造成的磨损更少，并且另外导致减少颗粒产生以及副产物的附着。另外，对内环直径134进行抛光使得清洁变得容易，并且防止浆料和其他材料附着到内环直径134上。因此，对内环直径134的表面进行抛光最大程度地减少颗粒进入基板135的抛光操作和刮擦/损坏基板135的表面。

在另一实施方式中，保持环130的下部部分210具有被抛光至8μin与10μin之间的内径壁312，以便减少在CMP过程中对基板135进行抛光时因与基板135碰撞而对保持环130所造成的摩擦。内径壁312的减少的摩擦减少因碰撞造成的颗粒产生，并且减少浆料附着至保持环130的内径壁312上。

在另一实施方式中，上部部分320的内径壁322被抛光至10μin与15μin之间。在又一实施方式中，上部部分320的内径壁322被抛光至2μin或更小。对内径壁322的抛光防止浆料和其他材料附着至保持环130的内径壁322上，在所述内径壁322上，所述浆料和其他材料可聚结并稍后移位，从而变为污染物和潜在的刮擦源。因此，减少保持环130的内径壁322上的颗粒/副产物积聚有助于减少抛光的基板135上的缺陷。另外，抛光的内径壁322清洁起来更为容易，因为浆料和其他材料实质上不附着至抛光表面。

上部部分320具有外径壁324，所述外径壁324与保持环130的整个外径壁204重合。下部部分210具有外径壁314，所述外径壁314与保持环130的整个外径壁204重合。下部部分210的外径壁314可具有小于保持环130的整个外径壁204的一定尺寸334。外径壁324、314可被抛光至具有小于30的以μin计的平均粗糙度(R_a)，诸如在2μin与10μin之间，或4μin。抛光表面减少浆料和其他材料对保持环130的外径壁324、314的附着性，并且促进将材料从保持环130的外部清洁干净。因此，保持环130的外径壁324、314抑制浆料和抛光副产物的积聚，由此降低在进行CMP时对基板135的表面造成微小刮痕的可能性。

尽管以上内容针对的是本实用新型的实施方式，但也可以在不背离本实用新型的基本范围的情况下设计出本实用新型的其他和进一步的实施方式。