兼容的研磨垫以及研磨模块的制作方法

本公开的实施例总体上涉及研磨基板(诸如半导体基板)的方法与装置。更具体而言，涉及用于在电子设备制造工艺中研磨基板的边缘的方法与装置。

背景技术：

化学机械研磨是常用于高密度集成电路的制造的工艺，该工艺用以通过在研磨流体存在的情况下移动与研磨垫接触的基板的特征侧(即，基板的沉积物接收表面)来平坦化或研磨经沉积于基板上的材料的层。在典型的研磨工艺中，基板经固定于承载头中，该承载头朝向研磨垫推进或按压基板的背侧。通过化学和机械活动的组合，从与研磨垫接触的基板的特征侧移除材料。

承载头可含有多个单独控制的压力区域，该等单独控制的压力区域对基板的不同区域施加差压(differential pressure)。例如，若与在基板中心处期望的材料移除相比，于基板的外周边缘处期望的材料移除较高，则可使用承载头对基板的外周边缘施加较多压力。然而，基板的刚度(stiffness)倾向于重新分配承载头所施加于基板的压力，以使得对基板所施加的压力可能被分散或被平滑化。该平滑化效应使得局部压力施加(用于局部材料移除)十分困难，虽然不是不可能。再者，基板可能于处理期间变成非平坦的，且当基板于常规系统中被研磨时，基板上的特定区域可能经受材料的过度移除或移除不足，此可归因于基板质量、研磨控制的精准度、或其他因素，这些因素的各者可能损害基板上的器件的部分而降低良率。

因此，需要一种有助于从基板的局部区域移除材料的方法与装置。

技术实现要素：

本公开的实施例总体上涉及研磨基板(诸如半导体基板)的方法与装置。于一实施例中，提供一种研磨设备。该研磨设备包括外壳、耦接至该外壳的柔性底座、以及设置在该柔性底座的第一侧上的接触区域，其中该柔性底座基于该外壳与该柔性底座的第二侧内所含有的压力而膨胀和收缩，以便在该第一侧上形成接触面积，该接触面积小于该柔性底座的表面面积。

于另一实施例中，提供一种研磨模块。该研磨模块包括具有基板接收表面与周界的卡盘，以及定位在该卡盘的该周界附近的研磨垫，该研磨垫包含定位在柔性底座的中心附近的接触区域，其中通过对该柔性底座的背侧施加压力，该研磨垫是可膨胀的。

于另一实施例中，提供一种研磨基板的方法。该方法包括推压设置在外壳上的研磨垫抵靠基板的表面，该研磨垫设置在柔性底座上；以及通过调整对该柔性底座的背侧的压力来调整该研磨垫的接触面积，其中该接触面积小于该柔性底座的表面面积。

附图说明

因此，为了详细理解本公开的上述特征的方式，可参考实施例得出以上简要概括的本公开的更具体的描述，实施例中的一些在附图中绘示。然而，应注意的是，所附附图仅绘示了本公开的典型实施例，并且因此不认为是对其范围的限制，因为本公开允许其他等效的实施例。

图1A是处理站的一个实施例的部分截面图。

图1B是研磨模块的一个实施例的示意截面图。

图2A是研磨模块的另一实施例的侧面剖面图。

图2B是图2A所示的研磨模块的等距俯视图。

图3是研磨头的一个实施例的侧面剖面图。

图4是研磨头的另一实施例的侧面剖面图。

图5A及图5B是示出研磨垫的不同实施例的俯视图。

图6是沿图5A的线6-6的研磨垫的部分的等距剖面图。

为促进理解，于可能处已使用相同的附图标记来标志附图中共有的相同元素。构想到，一个实施例中所公开的元素可有利地被利用于其他实施例中而无需特定的描述。

具体实施方式

本公开的实施例提供研磨系统以及结合研磨系统的用来研磨基板的研磨模块。如本文所述的研磨模块的实施例在径向速率控制以及角向(theta(Θ)direction)速率控制上提供精细分辨率(例如，小于约3厘米(mm))。本公开的方面包括具有局部区域中的受限的凹陷(dishing)和/或侵蚀(erosion)的改良的局部研磨控制。

图1A是处理站100的一个实施例的部分截面图，处理站100配置为执行研磨工艺，诸如化学机械研磨(CMP)工艺或电化学机械研磨(ECMP)工艺。图1B是研磨模块101的一个实施例的示意截面图，当该研磨模块101与处理站100结合使用时，这构成研磨系统的一个实施例。处理站100可被用于执行全局CMP工艺，例如，用以研磨基板102的主要侧的整个表面。当使用处理站100未充分地研磨基板102的局部区域(诸如基板102的外周边缘)时，研磨模块101可被用以研磨该局部范围。研磨模块101可被用于在由处理站100执行的全局CMP工艺之前或之后研磨基板102的边缘或其他局部区域。处理站100和研磨模块101的各者可以是独立式单元或较大的处理系统的部分。可经适配成利用处理站100和研磨模块101中的一者或两者的较大的处理系统的示例包括可从加利福尼亚州圣克拉拉市的应用材料公司得到的LK、MIRRA研磨系统、以及其他的研磨系统，还有可从其他制造商得到的研磨系统。

处理站100包括可旋转地支撑于底座110上的平台105。平台105可操作地耦接至驱动电机115，驱动电机115经适配成绕旋转轴A来旋转平台105。平台105支撑由研磨材料122制成的研磨垫120。于一个实施例中，研磨垫120的研磨材料122为可商业取得的垫材料，诸如典型地使用于CMP工艺中的基于聚合物的垫材料。聚合物材料可以是聚胺甲酸酯、聚碳酸酯、氟基聚合物、聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯硫(PPS)、或上述各项的组合。研磨材料122可进一步包含开孔型(open cell)或闭孔型(closed cell)发泡聚合物、弹性体、毡(felt)、浸渍的毡、塑料、以及与处理的化学性质兼容的类似材料。于另一实施例中，研磨材料122是用多孔的涂料所浸渍的毡材料。于其他实施例中，研磨材料122包括至少部分导电的材料。

承载头130设置于研磨垫120的处理表面125上方。承载头130固定基板102且在处理期间朝向研磨垫120的处理表面125(沿Z轴)可控制地推压基板102。承载头130含有分区的压力控制设备，该压力控制设备经图示为外区压力施加器138A与内区压力施加器138B(两者均以伪像方式图示)。外区压力施加器138A与内区压力施加器138B于研磨期间对基板102的背侧施加可变的压力。外区压力施加器138A与内区压力施加器138B可经调整以对基板102的边缘区域提供较基板102中心区域相比更大的压力，且反之亦然。因此，外区压力施加器138A与内区压力施加器138B用以调谐研磨工艺。

承载头130安装至支撑件140，该支撑件140支撑承载头130且有助于承载头130相对于研磨垫120的移动。支撑件140可以以在研磨垫120上方悬吊承载头130的方式耦接至底座110或安装于处理站100上方。于一个实施例中，支撑件140安装于处理站100上方的旋转式传送带、直线轨道或圆形轨道。承载头130耦接至驱动系统145，该驱动系统145提供承载头130绕旋转轴B的至少旋转移动。驱动系统145可附加地配置为相对于研磨垫120横向地(X和/或Y轴)沿支撑件140移动承载头130。于一个实施例中，驱动系统145除横向移动外还相对于研磨垫120竖直地(Z轴)移动承载头130。例如，驱动系统145除提供基板102相对于研磨垫120的旋转和/或横向移动外还可被利用以朝向研磨垫120移动基板102。承载头130的横向移动可以是线性或弧形或扫掠运动。

调节设备150与流体施加器155示为定位于研磨垫120的处理表面125上方。调节设备150耦接至底座110且包括致动器185，该致动器185可经适配成相对于研磨垫120和/或底座110沿一个或更多个线性方向来旋转调节设备150或移动调节设备150。流体施加器155包括经适配成将研磨流体供应至研磨垫120的一部分的一个或更多个喷嘴160。流体施加器155可旋转地耦接至底座110。于一个实施例中，流体施加器155适配成绕旋转轴C旋转且提供朝向处理表面125引导的研磨流体。研磨流体可以是化学溶液、水、研磨化合物、清洗溶液、或它们的组合。

图1B是研磨模块101的一个实施例的示意截面图。研磨模块101包括支撑卡盘167的底座165，卡盘167可旋转地于该卡盘167上支撑基板102。卡盘167于一个实施例中可以是真空卡盘。卡盘167耦接至驱动设备168，该驱动设备168可以是提供卡盘167绕轴E的至少旋转移动的电机或致动器。

基板102是以“面朝上”定向设置于卡盘167上，使得基板102的特征侧面对研磨垫170。研磨垫170用以研磨基板102的外周边缘或基板102的其他区域。于研磨模块101上的基板102的研磨可于基板102在图1A的处理站100中的研磨之前或之后进行。研磨垫170可包含可商业购得的垫材料，诸如典型地用于CMP工艺中的基于化合物的垫材料、或其他合适的研磨垫或研磨材料。研磨垫170耦接至支撑臂172，该支撑臂172相对于基板102移动该垫。支撑臂172可耦接至致动器174，该致动器174竖直地(Z方向)移动支撑臂172(以及安装于支撑臂172上的研磨垫170)，该致动器174也相对于基板102和/或卡盘167横向地(X和/或Y方向)移动支撑臂172。致动器174也可被利用来相对于基板102和/或卡盘167以扫掠运动、轨道运动、或圆形运动来移动支撑臂172(以及安装于支撑臂172上的研磨垫170)。

研磨垫170可包含为环形的单一垫。研磨垫170可包括经尺寸设定为实质上匹配基板102的半径的半径。例如，若基板102的半径是150mm，则环形研磨垫可包括约120mm至约150mm的内半径以及约121mm至约155mm的外半径。于一个实施例中，研磨垫170的半径是基于基板102的在期望修正之处(即，当在处理站100上研磨时研磨分辨率不是最佳的(多个)区域)的半径来确定的。于一些实施例中，研磨垫170可于研磨垫170的中心线包括约145mm的半径。于一些实施例中，内半径与外半径可以实质上相等。

于图1B所示的实施例中，研磨垫170可包括具有如上所述的半径的离散弧段。于其他实施例中，研磨垫170可包括多个弧形段，诸如经设置于支撑臂172上的新月形和/或多个离散形状的垫材料。于一些实施例中，研磨垫170包含膜状物研磨垫，该膜状物研磨垫包括可变压力体积162。可变压力体积162可以是由研磨垫170的研磨材料在至少一侧上界定的空隙。可变压力体积162与流体源178流体地连通。流体源178可包括经提供给可变压力体积162的空气或其他气体。该空气或其他气体可对可变空气体积162加压以便膨胀研磨垫170。研磨垫170的膨胀计量(即，所施加的压力)可基于期望的挠曲性质或研磨垫170抵靠该基板的顺应性(compliance)来选择。于一个实施例中，可变压力体积162可经加压至约0.1磅每平方英寸(psi)至约10psi。

研磨模块101也包括流体施加器176以提供研磨流体至基板102的表面。流体施加器176可包括喷嘴(未示出)且配置为类似于图1A中所述的流体施加器155。流体施加器176适配成绕轴F旋转且可提供与流体施加器155相同的研磨流体。底座165可用作从流体施加器176收集研磨流体的池。

图2A是研磨模块200的另一实施例的侧面剖面图，该研磨模块200可经独立使用或配合图1A的处理站100使用。图2B是图2A所示的研磨模块200的等距俯视图。研磨模块200包括卡盘167，该卡盘167于此实施例中耦接至真空源。卡盘167包括基板接收表面205，该基板接收表面205包括与该真空源连通的多个开口(未示出)，使得设置于基板接收表面205上的基板(于图1B中示出)可固定于基板接收表面205上。卡盘167也包括驱动设备168，该驱动设备168旋转卡盘167。流体施加器176也被示出且包括用以将研磨流体递送至卡盘167的喷嘴210。度量设备215(于图2B中示出)也可耦接至底座165。度量设备215可用以通过测量于基板(未示出)上正在被研磨的金属或电介质膜的剩余厚度来提供研磨进展的原位度量(in-situ metric)。度量设备215可以是涡电流传感器、光学传感器、或可用以确定金属或电介质膜厚度的其他感测设备。用于异地(ex-situ)度量反馈的其他方法包括预确定参数(诸如晶片上的沉积物的厚/薄区域的位置)、用于卡盘167和/或研磨垫170的运动配方、研磨时间、以及将使用的下压力。异地(ex-situ)反馈也可以用以确定经研磨的膜的最终轮廓。原位度量法可用以通过监测由异地(ex-situ)度量法确定的参数的进展来优化研磨。

支撑臂172由致动器组件220可移动地安装于底座165上。致动器组件220包括第一致动器225A与第二致动器225B。第一致动器225A可用以竖直地(Z方向)移动支撑臂172且第二致动器225B可用以横向地(X方向、Y方向、或它们的组合)移动支撑臂172。第一致动器225A也可用以提供朝向基板(未示出)推压研磨垫170的可控制的下压力。虽然于图2A和图2B中示出仅一个具有研磨垫170于上的支撑臂172，研磨模块200不限于单一支撑臂172。研磨模块200可包括卡盘167的周长所能允许、且流体施加器176与度量设备215有充足空间允许量所能允许、以及用于支撑臂172(以及安装于支撑臂172上的研磨垫170)的扫掠移动的空间所能允许的任何数目的支撑臂172。

致动器组件220可包含线性移动机构227，线性移动机构227可以是耦接至第二致动器225B的滑动机构或滚珠螺杆。相似地，第一致动器225A的各者可包含竖直地移动支撑臂172的线性滑动机构、滚珠螺杆、或圆柱状滑动机构。致动器组件220也包括耦接于第一致动器225A与线性移动机构227之间的支撑臂235。支撑臂235可由第二致动器225B来致动。因此，支撑臂172(以及安装于支撑臂172上的研磨垫170)的横向移动可包括以同步化的方式在基板(未示出)上的径向扫掠。动态密封件240可绕支撑轴242设置，该支撑轴242可以是第一致动器225A的一部分。动态密封件240可以是耦接在支撑轴242与底座165之间的迷宫式密封件(labyrinth seal)。

支撑轴242设置于经形成在底座165中的开口244。开口244可以是基于由致动器组件220所提供的移动来允许支撑臂172的横向移动的槽。开口244经尺寸设定成允许支撑轴242的充足的横向移动，使得支撑臂172(以及安装于支撑臂172上的研磨垫170)可从基板接收表面205的周界246朝向基板接收表面205的中心移动(当流体施加器176被旋转至不接触基板接收表面205的位置时)。于一个实施例中，基板接收表面205具有与处理期间将被安装至基板接收表面205上的基板的直径实质上相同的直径。例如，若基板接收表面205的半径是150mm，支撑臂172(特别是安装于支撑臂172上的研磨垫170)则可从150mm(例如，周界246)附近朝向中心径向地移动，并且返回周界246。附加地，开口244经尺寸设定以允许支撑轴242的充足的横向移动，使得支撑臂172的端部248可被移动经过卡盘167的周界250。因此，当流体施加器176被绕轴F旋转时，支撑臂172的端部248被向外移动以不接触周界250，基板可被传送至基板接收表面205上或离开基板接收表面205。基板可在全局CMP工艺之前或之后由机械臂或端效器传送到或离开图1A中所示的处理站100。于一个实施例中，基板可使用承载头130被传送至或离开处理站100(于图1A中示出)。

卡盘167可附加地包括外周边缘区域252，外周边缘区域252定位在基板接收表面205的径向外部。外周边缘区域252可在偏离基板接收表面205的平面(即，向下凹入)的平面处。外周边缘区域252也可包括用于调节研磨垫170的调节环255。调节环255的高度也可在偏离基板接收表面205的平面(即，向下凹入)的平面处。调节环255可以是一个或更多个离散的研磨性元件260，该一个或更多个离散的研磨性元件260包含由研磨性颗粒或材料制成或包括研磨性颗粒或材料的矩形件和/或弧形件。于一个实施例中，调节环255包括多个离散的研磨性元件260，该多个离散的研磨性元件260的各者成形为弧段。离散的研磨性元件260的各者可包含在基板研磨工艺之间用来调节研磨垫170的金刚石颗粒。例如，在基板放置于卡盘167的基板接收表面205上之前或之后，支撑臂172上的研磨垫170可被移动至相邻于调节环255且于基板接收表面205的平面下方。接着研磨垫170可经致动或推压朝向调节环255以造成研磨垫170接触离散的研磨性元件260。卡盘167可于此接触期间被旋转以调节研磨垫170。于一个实施例中，研磨垫170的调节的时段小于约2秒，从而可增加研磨模块200的产量。于一个实施例中，研磨垫170的调节可于基板经传送至或离开卡盘167的基板接收表面205期间被执行。

图3为根据本文所公开实施例的研磨头300的一个实施例的侧面剖面图。研磨头300可被利用于图1B中所示的研磨模块101中或于图2A及图2B所示的研磨模块200中。例如，研磨头300可耦接至图1B中所示的研磨模块101的支撑臂172或于图2A及图2B所示的研磨模块200的支撑臂172。

研磨头300包括本文所述的研磨垫170，该研磨垫170安装至外壳305。外壳305包括经形成于外壳305内的管道310，该管道310用于将来自流体源178的流体(诸如空气或其他气体)递送至可变压力体积162。于此实施例中，可变压力体积162被包含于研磨垫170的内表面315与外壳305的内部表面之间。可变压力体积162可经加压以膨胀研磨垫170，使得研磨垫170的处理表面(即，接触基板102的特征侧320的研磨垫170的区域)与基板102的特征侧320共形。

当基板102的表面形状为不均匀或不平坦时，研磨垫170的共形性质可具有特别的重要性。于一示例中，基板102可包括如图3所示的高点(high spot)325。虽然未示出于图3中，基板102也可包括其他高点、以及低点、或高点与低点的组合。

基板102的不平坦性(诸如高点325)可由基板102本身的不均匀度所造成(诸如由先前工艺引发的翘曲)以及其他因素(诸如先前CMP工艺中的不均匀的材料移除)。替代地或此外，基板102的不平坦性可由卡盘167的基板接收表面205的不均匀度造成。于一些例子中，不管基板102的不平坦性，基板102上的欲移除膜330可具有实质上均匀的厚度。欲移除膜330可以是金属(诸如铜、钨或其他金属)、电介质、或其他膜。

于常规CMP系统中，研磨垫可不与基板102的特征侧320的表面形状共形，且不均匀的材料移除可能发生。不均匀的材料移除可能降低良率，且不均匀的材料移除通过使用提供共形研磨垫170的研磨头300而被最小化。共形研磨垫170挠曲以平滑化经施加至基板102的局部区域的压力，此有助于欲移除膜330的均匀移除。共形研磨垫170也均等地在高点325以及相邻于高点325的区域附近分布外力。

于一个实施例中，研磨垫170的材料可以是闭孔型泡棉(closed-cell foam)以便在可变压力体积162内含有流体。于其他实施例中，可变压力体积162可由设置于外壳305与研磨垫170的内表面315间的气囊来形成。于其他实施例中，衬垫可经设置于研磨垫170的内表面315以密封可变压力体积162。于一些实施例中，研磨垫170的侧壁335可被强化以增强侧壁335的结构完整性而不最小化研磨垫170的处理表面的柔性。

图4是根据本文所公开实施例的研磨头400的另一实施例的侧面剖面图。研磨头400可被利用于图1B中所示的研磨模块101中或于图2A及图2B所示的研磨模块200中。例如，研磨头400可耦接至图1B中所示的研磨模块101的支撑臂172或于图2A及图2B所示的研磨模块200的支撑臂172。除下列例外之外，研磨头400是与图3中所图示的研磨头300实质上相似。

研磨头400包括本文所描述的研磨垫170，该研磨垫170安装至外壳405。于一个实施例中，研磨垫170可通过夹持设备410耦接至外壳405。外壳405的内部表面和研磨垫170可界定空隙415，气囊420可定位于该空隙415中。气囊420可耦接至流体源178且与图3的研磨头300相似地操作。

如本文所描述且如图4所绘示的研磨头300与研磨头400的一个实施例中，接触面积425图示于研磨垫170的处理表面430上。接触面积425可以是处理表面430接触基板的面积(未示出)、或沉积于基板上的待移除的膜的面积(图示于图3)。取决于基板的表面形状，接触面积425于研磨期间可能如图3所图示地为凹形、于研磨期间为凸形、或为凹形或凸形的组合。于一个方面中，接触面积425有关于压力P(即，图4中气囊420或图3中可变压力体积162的压力)和施加至研磨头400的下压力。该概念以方程1更明确指定，如下。

方程1：

接触面积x压力＝下压力+(研磨头的)重量

于以上方程中，重量为定值且包括研磨头300或研磨头400的重量，研磨头300或研磨头400包括研磨垫170、外壳305或外壳405、以及支撑臂170的任何部分(图示于图1B以及图2A与图2B)。于一实施例中，接触面积425可通过改变下压力并且保持压力P为定值来调整。于一些实施例中，接触面积425可以是约1mm至约8mm，或更大。于一个实施例中，接触面积425可基于工艺配方来控制。

图5A和图5B为图示研磨垫500的不同实施例的俯视图。研磨垫500可耦接至图示于图4中的外壳405且被利用于图示于图1B中的研磨模块101或图标于图2A和图2B中的研磨模块200。研磨垫500包括设置于柔性底座510的中心或靠近于柔性底座510的中心的接触区域505A和接触区域505B。于一些实施例中，接触区域505A和接触区域505B的各者可组成于图4中图示且描述的接触面积425。接触区域505A和接触区域505B可从柔性底座510突起。

于一个实施例中，接触区域505A包含伸长弧段515，而接触区域505B包含沿柔性底座510上的弧定向的多个离散的接触垫520。于一些实施例中，弧段515以及接触垫520均包括经形成于其上表面的沟槽525。当研磨垫500被使用时，沟槽525可辅助研磨流体的输送。柔性底座510包括用以耦接至研磨头(诸如图示于图4中的研磨头400)的周界530。周界530可沿与弧段515相同的弧形成，或沿与接触垫520相同的弧形成，使得周界530与接触区域505A或接触区域505B之间的距离535在那些位置周围是实质上相同的。

于一些实施例中，研磨垫500是圆形。例如，接触区域505A可具有约10mm至约100mm的直径。

柔性底座510配置为薄膜状物，该薄膜状物对接触区域505A和接触区域505B提供柔性耦接。柔性底座510足够厚且宽以促进Z方向(即，膨胀或压缩方向)的柔性以与基板中的不平坦性共形。柔性底座510的厚度和宽度也配置为对接触区域505A和接触区域505B提供结构稳定性，致使柔性底座510响应于研磨期间在X和/或Y方向可能会经历的水平负载而稳定地维持接触区域505A和接触区域505B的位置。

图6是沿图5A的线6-6的研磨垫500的部分的等距剖面图。接触区域505A的部分图示为设置于柔性底座510上。于所示的实施例中，接触区域505A与柔性底座510一体。然而，于其他实施例中，接触区域505A可以是独立的一个元件或多个组件(在图5B所示的接触垫520的情况中)。当接触区域505A为独立的时，接触区域505A和接触区域505B可容易地被置换。由于接触区域505A为研磨垫500接触基板且可能耗损的唯一部分，柔性底座510上的接触区域505A的置换降低研磨垫500的成本。此外，可移除的接触区域505A可允许针对接触区域505A使用不同材料，以便加强从基板将材料移除。示例性附接特征可包括从研磨垫500的内表面315延伸到接触区域505A内的紧固件(未示出)。黏着剂(诸如压敏黏着剂)也可用作附接特征。

于一些实施例中，接触区域505A从柔性底座510突起距离605。距离605可以是约0.5mm至约4mm，诸如2mm。接触区域505A的宽度610可以是约1mm至约20mm，或更大，诸如约2mm至约6mm。取决于诸如期望的柔性和/或柔性底座510的宽度的因素以及其他因素，柔性底座510的厚度615可以是约0.1mm至约3mm。于一些实施例中，柔性底座510的周界530包括突起唇部620，该突起唇部620可用以促进将研磨垫500夹持至外壳，诸如图示于图4中的外壳405。包括唇部620的周界530可包括约0.1mm至约6mm的厚度，诸如约0.1mm。于一些实施例中，包括唇部620的周界530的厚度是柔性底座510的厚度615的约两倍。

虽然前述内容针对本公开的实施例，本公开的其他和进一步实施例可在不偏离本公开的基本范围的情况下被设计出，且因此本公开的范围由所附权利要求书确定。