CN101327575A - 研磨头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研磨头，适用于化学机械研磨工艺。该研磨头包括内圈部与外圈部。外圈部为环状结构，且连接于内圈部。内圈部与外圈部为一体成型的结构。此外，外圈部的表面与内圈部的表面具有段差，使得外圈部的表面高于内圈部的表面。本发明不需使用耗材就能提升研磨头边缘的研磨率，以改善研磨率的均匀性，能够以施予研磨头固定背压的方式，而获得较佳的研磨均匀度。

Description

研磨头

技术领域

本发明有关于一种集成电路装置，特别是有关于一种研磨头。

背景技术

在半导体工艺技术中，化学机械研磨的原理是利用类似磨刀的机械式原理，配合适当的化学助剂(reagent)，将研磨垫(polishing pad)上的晶片表面高低起伏不一的轮廓加以磨平。一般来说，化学机械研磨装置大多使用研磨头抓住晶片，然后把晶片的正面压在供有研浆(slurry)的研磨垫上进行研磨。在化学机械研磨的过程中，由于机械结构上的限制，而使研磨头上的压力无法全面一致，造成部分区域的研磨率会过高或过低。

公知技术利用施以不同的背压于研磨头，也就是使用类似气囊(air bag)以浮动式背压的方式来调整压力，改善研磨率不一致的问题。但是，以浮动式背压的方式加压于研磨头容易因为气压的控制不稳定，而导致加压效果不佳。此外，在公知技术中，也有通过于表面平整的研磨头上覆盖载膜(carrierfilm)，并在研磨率较低的位置，例如是研磨头的边缘，于载膜上加垫一块带(tape)来加大压力。然而，加垫于研磨头上的带的厚度必须非常薄，通常为30μm，使得在制造的过程中，带的品质不易控制。因此，上述两种公知技术会因为气压控制不稳定或是由于耗材制造品质的差异，使研磨率均匀性改善的效果有限，无法达到预期的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题提供一种研磨头，不需使用耗材就能提升研磨头边缘的研磨率，以改善研磨率的均匀性。

本发明提出一种研磨头，适用于化学机械研磨工艺(chemicalmechanical polishing，CMP)。研磨头包括内圈部与外圈部。外圈部为环状结构，且连接于内圈部。内圈部与外圈部为一体成型的结构。此外，外圈部的表面与内圈部的表面具有段差，使得外圈部的表面高于内圈部的表面。

在本发明的一实施例中，上述的段差介于5μm至35μm之间。

在本发明的一实施例中，上述的段差为10μm。

在本发明的一实施例中，上述的内圈部为圆，而外圈部为圆形环。

在本发明的一实施例中，上述的圆的半径与圆形环的宽度的比介于2∶1至5∶1之间。

在本发明的一实施例中，上述的圆的半径与圆形环的宽度的比为3∶1。

在本发明的一实施例中，上述的外圈部邻接于内圈部的外缘，且内圈部与外圈部的接面为垂直接面。

在本发明的一实施例中，于内圈部与外圈部之间更包括连接环，使内圈部与外圈部相连接。

在本发明的一实施例中，上述的连接环的表面为斜面。

根据上述方案，本发明相对于现有技术的效果是显著的：

本发明的研磨头利用其表面轮廓形成有段差，来调整边缘区域研磨率较低的现象。由于研磨头的外圈部的表面高于内圈部的表面，使得原本研磨率较低的边缘区域的研磨率能够获得提升，以改善研磨率的均匀性。

此外，本发明的研磨头不需额外使用耗材，如载膜或带，因此可以避免研磨率受到耗材制造品质不一的影响。并可以通过减少耗材的使用，降低研磨头的制作成本。

再者，利用本发明具有凹凸构形的研磨头来进行晶片的研磨，当施以相同背压于此研磨头时，会在研磨头的外圈部形成较大的压力。因此，能够调整整体的研磨率，而使晶片表面的均匀度可以提升。

附图说明

图1A为依照本发明一实施例所绘示的研磨头的俯视图及沿I-I’线段剖面图的投影关系对照示意图。

图1B为依照本发明另一实施例所绘示的研磨头的俯视图及沿I-I’线段剖面图的投影关系对照示意图。

图2为以本发明的研磨头进行化学机械研磨工艺的移除率分布图。

图3为以公知的覆盖载膜的研磨头进行化学机械研磨工艺的移除率分布图。

主要元件符号说明

100、200……研磨头  102……内圈部

104…………外圈部   106……连接环

106a………表面      108……接面

D……………段差     W1……半径

W2……………宽度

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

图1A为依照本发明一实施例所绘示的研磨头的俯视图及沿I-I’线段剖面图的投影关系对照示意图。

请参照图1A，适用于化学机械研磨工艺的研磨头100例如是一个圆形的结构。研磨头100包括内圈部102以及外圈部104。

在本实施例中，内圈部102为实心圆形结构，而外圈部104为圆形环状结构。外圈部104环绕于内圈部102的周围，且外圈部104的内缘与内圈部102的外缘相邻接，使二者之间的接面108为垂直接面。内圈部102与外圈部104为一体成型的结构。也就是说，从俯视的角度来看研磨头100，内圈部102与环状的外圈部104例如是共同构成一个同心圆的结构。

请参照图1A，在研磨头100的半径截面上，内圈部102的半径W1与外圈部104所占的宽度W2的比例如是介于2∶1至5∶1之间。另一方面，外圈部104的厚度例如是大于内圈部102的厚度，且外圈部104的表面会高于内圈部102的表面，而二者之间的段差D例如是介于5μm至35μm之间。在一实施例中，研磨头100的半径为100mm，内圈部102的半径W1为75mm，外圈部104环状结构的宽度W2则为25mm；而外圈部104表面与内圈部102表面之间的段差D为10μm。

图1B为依照本发明另一实施例所绘示的研磨头的俯视图及沿I-I’线段剖面图的投影关系对照示意图。于图1B中，与图1A相同的构件则使用相同的标号并省略其说明。

请参照图1B，本发明还提出另一种适用于化学机械研磨工艺的研磨头200。组成研磨头200的基本构件与组成研磨头100的基本构件大致相同，其中主要的差异在于：在研磨头200中，于内圈部102与外圈部104之间更包括连接环106，连接内圈部102与外圈部104之间。连接环106为圆形环状结构，且其内缘与内圈部102邻接，其外缘则与外圈部104邻接。连接环106的表面106a例如是斜面，可以将内圈部102的表面与外圈部104的表面连接起来。值得一提的是，连接环106的数量以及表面构造并不局限于图1B所绘示，只要能够使内圈部102与外圈部104相连接并构成一体成形的结构即可，本发明于此不作特别的限定。

请同时参照图1A与图1B，换言之，研磨头100与研磨头200具有凹凸构形，上述的内圈部102即为凹部，外圈部104为凸部。当然，在其它实施例中，研磨头100与研磨头200的凹部与凸部的配置并不局限于上述的内圈部102与外圈部104，于此领域具有通常知识者可视其需求进行调整。

承上述，内圈部102与外圈部104的结构为一体成型的构造。因此，研磨头100与研磨头200的形成方法是在具有平整表面的刚体材料(未绘示)上，例如是平面研磨头本体，保留研磨率表现较低的边缘位置，在研磨率较高的内圈位置移除部份刚体材料作为内圈部102。移除刚体材料的方法例如是通过切削或是研磨的方式向下切削研磨，使刚体材料上形成具有段差D的内圈部102与外圈部104。而段差D则是利用控制向下切削或研磨的深度来进行调整。当然，内圈部102的半径W1以及段差D可以经由使用研磨头100与研磨头200进行后续的化学机械研磨工艺，所研磨出来的材料层表面轮廓进行修正，以取得最佳化的条件。此外，移除部份刚体材料的位置并不局限于本实施例中所绘示的内圈部102的形成位置，移除部份刚体材料的区域可以为任何研磨率较高而需调整的区域，于此领域具有通常知识者当可视其需求进行调整。

特别说明的是，在研磨头100与研磨头200中，具有较高表面的外圈部104是配置于公知平面研磨头中研磨率较低的区域。而使用上述的研磨头100或研磨头200进行化学机械研磨工艺，是先以研磨头100或研磨头200将晶片(未绘示)固定于研磨垫(未绘示)上，其中研磨垫上例如是布满研浆。之后，施以固定背压于研磨头100或研磨头200，再利用研磨垫与晶片的相对移动进行研磨步骤。由于研磨头100与研磨头200具有凹凸构形，即使在施加固定背压的情况下，还是可以通过研磨头100与研磨头200表面轮廓的差异来提供晶片不同的压力。进一步而言，构成凸部的外圈部104会提供较大压力于晶片。因此，在进行研磨步骤时，可以使研磨头100与研磨头200边缘的研磨率获得提升，而改善研磨均匀性。

为证实本发明的研磨头确有其功效，以下特举一个实验例来说明本发明的研磨头应用于化学机械研磨工艺时所达到的效果。

实验例

图2是以本发明的研磨头(如图1A所示的研磨头100)进行化学机械研磨工艺的移除率分布图。

请参照图2，当使用本发明的研磨头进行化学机械研磨工艺时，是将晶片固定于本发明的研磨头上，再施加固定的背压于研磨头，使晶片压至研磨垫上以进行研磨步骤。从图2的结果中显示，远离圆心的边缘部份的移除率确实可以有效地提升，且整体研磨率的均匀性也获得改善(研磨均匀度为500A/min)。再者，图2中分别绘示的四次数据分布十分一致，显示本发明的研磨头还可以使研磨率有持续稳定的表现。

比较例

图3是以公知的覆盖载膜的研磨头进行化学机械研磨工艺的移除率分布图。

比较例与实验例进行化学机械研磨的方法相似，唯一的差别仅在所使用的研磨头不同。请参照图3，在使用仅覆盖载膜的研磨头进行化学机械研磨时，表面为平面的研磨头会造成部分区域的移除率过高或过低，尤其是远离圆心的边缘部份会发生移除率明显降低的问题，而导致均匀性不佳。

由以上实际测试的结果显示：本发明的研磨头不仅可以提升边缘的研磨率，还可以改善研磨率的均匀性并使研磨率稳定表现。

综上所述，本发明于研磨头的内圈部形成凹部，使位于研磨头外圈部作为凸部，再施予研磨头固定背压进行化学机械研磨工艺，可以使原本研磨率较低的边缘通过研磨头的凹凸构形造成压力的改变，而使外圈部研磨率增加，因而可以获得较佳的均匀性。

另一方面，由于本发明的研磨头采用固定式的刚体结构，而不需额外使用载膜或带等耗材，可以避免耗材的制造品质造成研磨率不稳定。此外，此种一体成型的结构在于工艺参数的最佳化及维护上都较为容易，并能获得较大的工艺裕度(process window)。

再者，本发明通过改变研磨头表面轮廓的简单手段，即可调整部分区域研磨率，达成较佳均匀性的目的，且不需额外使用耗材，可有助于节省工艺成本。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种研磨头，适用于一化学机械研磨工艺，其特征在于，包括：

一内圈部；以及

一外圈部，该外圈部为环状结构，连接于该内圈部，该内圈部与该外圈部为一体成型，其中该外圈部的表面与该内圈部的表面具有一段差，使该外圈部的表面高于该内圈部的表面。

2.如权利要求1所述的研磨头，其特征在于，该段差介于5μm至35μm之间。

3.如权利要求2所述的研磨头，其特征在于，该段差为10μm。

4.如权利要求1所述的研磨头，其特征在于，该内圈部为一圆，该外圈部为一圆形环。

5.如权利要求4所述的研磨头，其特征在于，该圆的半径与该圆形环的宽度的比介于2∶1至5∶1之间。

6.如权利要求5所述的研磨头，其特征在于，该圆的半径与该圆形环的宽度的比为3∶1。

7.如权利要求1所述的研磨头，其特征在于，该外圈部邻接于该内圈部的外缘，且该内圈部与该外圈部的接面为垂直接面。

8.如权利要求1所述的研磨头，其特征在于，于该内圈部与该外圈部之间更包括一连接环，使该内圈部与该外圈部相连接。

9.如权利要求8所述的研磨头，其特征在于，该连接环的表面为斜面。

Images