CN102246280B - 承载头膜 - Google Patents

Abstract

挠性膜包括水平中心部分、连接到该中心部分的垂直部分、连接到该垂直部分的厚缘部分、及连接到该厚缘部分的延伸件。该水平中心部分的外表面提供用于接受基材的安装表面。该厚缘部分的厚度大于直接邻近该厚缘部分的一部分。该厚缘部分介于该延伸件与该垂直部分之间，并且该延伸件的最大尺寸小于该厚缘部分的厚度。

Description

承载头膜

技术领域

本发明大致上关于基材的化学机械研磨，并且特别是关于一种用于化学机械研磨的具有挠性膜的承载头。

背景技术

典型地，集成电路通过相继沉积导体、半导体或绝缘层而形成在基材(尤其是硅晶圆)上。在各层沉积后，被蚀刻以建立电路特征结构。随着一系列的层相继地沉积且蚀刻，基材的最外部或最上方表面(即基材的暴露表面)渐渐变得不平坦。在集成电路制造过程的光微影步骤中，此非平坦表面会造成一些问题。因此，需要周期性地将基材表面予以平坦化。

一种可接受的平坦化方法是化学机械研磨(CMP)。此平坦化方法通常需要使基材被安装在承载头或研磨头上。基材的暴露表面抵靠移动的研磨表面(诸如旋转的研磨垫)。研磨垫可以是具有耐久粗糙表面的“标准”研磨垫或使磨粒保持在容质媒介中的“固定磨粒”研磨垫。承载头提供可控制的负载予基材，以驱使基材抵靠研磨垫。包括至少一种化学反应性试剂的研磨浆及磨粒(若使用标准垫)被供应到研磨垫的表面。

一些承载头包括挠性膜，其具有接受基材的安装表面。挠性膜后面的腔室被加压，以使该膜向外扩张且施加负载予基材。在研磨后，基材被夹持到安装表面、升离研磨垫、且移动到另一位置(例如转移站或另一研磨垫)。

发明内容

在一方面，本说明书描述一种膜。该膜为挠性膜，其包括水平中心部分、连接到该中心部分的垂直部分、连接到该垂直部分的厚缘部分、及连接到该厚缘部分的延伸件。该水平中心部分的外表面提供用于接受基材的安装表面。该厚缘部分的厚度大于直接邻近该厚缘部分的一部分。该厚缘部分介于该延伸件与该垂直部分之间，并且该延伸件的最大尺寸小于该厚缘部分的厚度。

本发明的实施方式可以包括一或多个下述特征。该膜可以具有介于该厚缘部分与该垂直部分之间的连接部分，其中该连接部分是水平的且平行于该中心部分。该连接部分、该垂直部分与该中心部分的截面可以形成u形，而该厚缘部分位于该u形的一端。该厚缘可以具有圆形截面。该延伸件的厚度可以小于该厚缘部分的厚度的50％。该延伸件的厚度可以小于该厚缘部分的厚度的25％。该延伸件的厚度可以小于该厚缘部分的厚度的15％。该延伸件的厚度可以小于该厚缘部分的厚度的10％。该挠性膜可以由聚氯丁二烯(polychloroprene)、乙烯丙烯(ethylene propylene diene)橡胶或硅橡胶形成。该水平中心部分可以为圆形。该水平中心部分的直径可以为约200mm。该水平中心部分的直径可以为约300mm。该厚缘部分可以为环状，并且该延伸件可以为环状。该厚缘部分具有含平坦部分的截面。

一种用于保持基材的承载头可以包含在此所述的膜，环绕该膜的保持环，连接到该保持环的基部组件，其中腔体介于该基部组件与该膜之间，并且该厚缘部分与该延伸件被密封到该基部组件的部件，从而使得流体无法通过该膜与该部件之间。

本发明的实施方式可以包括一或多个下述特征。膜可以被形成为具有密封部分，该密封部分可轻易嵌入承载头组件的凹部内，并且密封到该凹部的壁，从而使得流体无法通过该膜与该组件之间。由于该膜可轻易嵌入该凹部内，该膜可迅速地且轻易地被更换，并且可以将承载头的非运作时间减到最小。再者，由于更有可能形成不会泄漏的膜，将有越少的膜因不可使用(即泄漏或无法嵌入)而被认定成不合格，并且将花费更少时间来更换不合格的膜。减少的承载头停机时间可容许更高的制造效率。

本发明的一或多个实施例的细节公开于附图和下文叙述中。本发明的其它特征、目的与优点可由叙述和附图并由权利要求而变得明显。

附图说明

图1示出根据本发明的承载头的截面图。

图2示出膜的缘的实施例的截面图。

图3示出膜的缘的实施例的截面图。

图4-5示出位于承载头支撑组件中的膜的缘的截面图。

图6示出膜的实施例的部分的截面图。

图7为膜的背侧图。

图8为膜的实施例的示意截面图。

图9为由承载头保持的膜的示意截面图。

各图中类似的组件符号指称类似的构件。

具体实施方式

如前所述，一些承载头包括挠性膜，该挠性膜提供了在数个研磨操作期间和之间供基材用的安装表面。挠性膜或隔膜具有水平安装表面用于接触基材的背侧以及翼部的末端上的夹持部分，其中翼部从挠性膜的背面延伸。在一些实施例中，夹持部分为环状的。夹持部分用以将该膜连接到承载头。一些类型的夹持部分在夹持部分的末端处具有厚缘部或珠件。厚缘嵌入承载头的支撑组件中的沟槽或凹部内。由于厚缘比翼部的其它部件更厚，当膜后面的腔室被加压且膜向外弯离承载头时，翼部不容易从凹部拉出。

承载头由多个嵌合在一起的刚硬对象所形成。挠性膜嵌入比膜更刚硬的组件内。膜可弯曲到足以当环状夹持部分嵌入到类似尺寸的环状凹部内时，没有流体可通过该膜与该组件之间。可以密封该承载头与该膜之间的空间(即腔室)。密封该膜与该承载头之间的腔体可容许腔体依需要被施加正压或负压。

制造中会遭遇的潜在问题是最终产品中嵌合在一起的不同部件的制造容限度。这对于由挠性材料制成的膜尤其是如此。挠性膜是消耗性产品，其以比承载头更大量来形成。当材料磨损时(例如变脆或受损时)，这些膜会被更换。当形成挠性膜时，位于夹持部分的末端的厚缘难以精确地形成。若厚缘不在期望的容限度内，则厚缘可能无法嵌入凹部内(其中承载头将厚缘保持在凹部中)或无法接触凹部的边缘。无论何种情况，厚缘无法适当地密封腔体于承载头与膜之间。缺乏适当的密封会造成泄漏，并且通常成为无用的膜。

通过将延伸件增加到厚缘，可以选择厚缘的尺寸使其为稍微小一点的目标尺寸。就密封承载头的支撑组件且同时维持小厚缘的嵌入轻易性的观点而言，厚缘上的延伸件使得厚缘作用成似乎为较大尺寸的厚缘。由于延伸件具有比厚缘本身更小的尺寸，延伸件可被称为凸件(flash)。不同于大部分类型的通过制造过程来形成并移除的凸件，此凸件经设计以被维持在膜上且沿着膜圆周具有均匀尺寸。由于凸件在最终产品中具有用途且经设计以具有特定尺寸，凸件被称为加工的凸件。

参照图1，基材10将被具有承载头100的化学机械研磨(CMP)设备所研磨。CMP设备的叙述可参阅美国专利案号US5,738,574，并且承载头100的叙述可参阅美国公开案号US2008/0119119，其在此整体以引用方式并入本文作为参考。

承载头100包括壳体102、基部组件104、平衡机构106(其可被视为基部组件104的一部分)、负载腔室108、保持环组件(其包括保持环200与形状可提供环状腔室350的第一挠性膜300)、承载环400、及基材托撑组件110(其包括界定多个可加压腔室的第二挠性膜500)。经描述用于类似承载头的承载头其它特征结构可参阅美国专利公开案号2006/0154580，其在此整体以引用方式并入本文作为参考。

壳体102大致上为圆形，并且可以连接到驱动轴以在研磨期间可与该驱动轴一起旋转。可以有多个信道(未示出)延伸通过壳体102，用于气动控制该承载头100。基部组件104是可垂直移动的组件，其位于壳体102下方。平衡机构106容许基部组件104相对于壳体102转向同时可避免基部组件104相对于壳体102的侧向运动。负载腔室108位于壳体102与基部组件104之间，用于施加负载(即向下压力或重量)到基部组件104。基部组件104相对于研磨垫的垂直位置也可由负载腔室108来控制。基材托撑组件110包括挠性膜500，挠性膜500具有下表面512，下表面512可提供用于基材10的安装表面。

基材10可通过保持环组件来保持，其中保持环组件被夹持到基部组件104。保持环组件可由保持环200与挠性膜300构成。保持环200可设置在挠性膜300下方且配置以固定到挠性膜300。

保持环200具有内表面与下表面。内表面配置以在研磨期间圆周地绕着基材10的边缘以保持住基材10。保持环200的下表面可接触研磨垫(未示出)。保持环200具有环状上表面，其可具有两个环状同心凹部。

保持环200配置以圆周地绕着基材10的边缘以保持住基材的同时，挠性膜500提供了安装基材10的表面512。挠性膜500具有提供基材安装表面512的主要部分510。从主要部分510延伸的是垂直延伸部分或外环状部分520，其可被夹持在保持环200与基部组件104之间。在一些实施例中，垂直延伸部分为圆柱形。

厚缘部分550或珠件位于膜500的周边处。在一些实施例中，水平中间部分或唇件向内凹向膜500的中心，并且将厚缘550连接到环状部分520。厚缘550配置以固定到基部组件104。

参照图2和3，厚缘部分550的截面图示出厚缘部分550的直径或厚度大于位于该厚缘部分550与该膜500的主要部分510之间的中间部分553。延伸部分555，或加工的凸件(flash)，延伸远离厚缘部分550。也就是，厚缘部分550位于延伸部分555与主要部分510之间。延伸部分555使厚缘部分550的有效厚度通过延伸厚度555的厚度而增加。

在一些实施例中，厚缘部分550具有圆形截面(图2)。直径A等于厚缘部分550的直径C，直径A以垂直于直径C来测量。延伸部分555的厚度B(垂直于厚缘部分550的表面的厚度)使厚缘部分550以厚缘部分的直径大于A的方式(例如A+B的直径)来密封，但将不会比直径为A+B的膜更难安装。举例而言，厚缘部分550可以提供如同图上虚线559所示出尺寸的厚缘部分的密封品质。具有直径B的延伸部分555的挠性容许具有直径A的厚缘部分550以及延伸部分555被迫使进入沟槽或凹部，这是具有直径A+B的厚缘部分所无法达到或无法轻易嵌入的。

在其它实施例中，厚缘部分550具有含有弯曲部分和平坦部分的截面(图3)。一个方向上的最宽直径D可以大于或小于垂直于尺寸D所测量方向的方向上的最宽尺寸E。然而，延伸部分555的行为作用成与前述实施例实质上相同。对于具有圆形截面的厚缘部分550或含有平坦表面和弯曲表面的厚缘部分550，延伸部分555的厚度(垂直于厚缘部分的表面)小于厚缘部分550的直径、厚度或最宽尺寸，例如小于厚缘部分550的半径，例如小于厚缘部分550的厚度或最宽尺寸的50％、25％、25％、15％、10％、或5％，诸如介于厚缘部分550的直径的5％与10％之间。在一些实施例中，延伸部分555具有一或多个直角。在一些实施例中，延伸部分555沿着厚缘部分550的半径延伸，并且具有平行于该半径的侧壁。在其它实施例中，延伸部分555随着其从厚缘部分550延伸会渐渐变细。在一些实施例中，厚缘部分550与延伸部分555之间的过渡区包括角度。

挠性膜500是一大致上圆形的薄片，其由挠性和弹性材料制成，例如尼奥普林(Neoprene)、聚氯丁二烯(polychloroprene)、乙烯丙烯(ethylenepropylene diene)橡胶或硅橡胶。膜500对于研磨过程而言应是疏水的、耐久的、且化学惰性的。主要部分510的尺寸可以容纳200mm直径的基材(例如主要部分510的直径可以为约200mm或稍微更大)，或可以容纳300mm直径的基材(例如主要部分510的直径可以为约300mm或稍微更大)。

图4和5示出厚缘部分550与延伸部分555位于承载头组件104的支撑组件565的凹部562中的部分截面图。厚缘部分550于接触点578、579接触凹部的壁。延伸部分555在接触点578的区域中位于厚缘部分550上。由此两图可知，延伸部分555可以位于较靠近环状部分520的内接触点578或较靠近膜500的中心的外接触点579。在一些实施例中，延伸部分555平行于中间部分553所沿着定向的平面。在一些实施例中，延伸部分555以平行于中间部分553延伸方向的方向来延伸。在一些实施例中，延伸部分555相对于中间部分553所延伸的平面以10°、15°、30°、或45°来延伸。

除了确定将延伸部分555定位于何处，可以确定延伸部分555的尺寸。在一些情况中，具有容许厚缘部分550嵌入凹部且同时不容许流体渗入膜与支撑组件565之间的直径范围。该范围可介于x至y之间而具有中间目标直径z。范围的端点，x与y，距离目标直径z约三标准差。若具有厚缘部分550的膜被制成具有目标直径x，由于制造缺失，许多膜会泄漏。若具有厚缘部分550的膜被制成具有目标直径y，由于制造缺失，许多膜会无法嵌入凹部内。一个选择是使厚缘部分550具有直径z，并且使延伸部分555具有目标厚度的两标准差内的厚度。该厚度可以约由式(2*(y-z)/3)来表示。

图6示出挠性膜500的一个实施例的部分截面图，其仅示出大致对称的挠性膜的截面的半部。如图6所示，挠性膜500可以在主要部分510与外环状部分520之间具有接合件，该接合件具有周边边缘枢纽530与环状凹部532，其中该环状凹部532沿着外环状部分520的外壁设置在枢纽530上方。周边边缘枢纽530可以沿着其内表面和外表面具有圆滑部分。周边边缘枢纽530与环状凹部532可以建构成得以弯曲，而改善基材10的周边上的负载的对称性。

外环状部分520可以沿着其外壁具有环状凹部522，其配置以容许外环状部分520弯曲。外环状部分520也可以具有环状步阶524，环状步阶524沿着外环状部分520的内壁向内突出。环状步阶524可以具有非水平(即倾斜)的上表面和下表面。

在一些实施中，挠性膜500可以具有一些环状翼部。主要部分510可以具有四个同心的环状翼部516。外环状部分520可以具有一对环状翼部526。连接到外环状部分520的环状翼部526可以具有水平部分540，水平部分540向内延伸而具有厚缘550。水平部分540将厚缘550连接到环状部分520。上环状翼部可以具有比下环状翼部更窄(即不会如下环状翼部向内延伸一样远)的水平部分。在一些实施例中，外环状部分520可以具有环状三角部分，并且该对环状翼部526的水平部分540可以经由该环状三角部分的顶点连接到外环状翼部520。

连接到主要部分510的最内部同心环状翼部516可以包括水平部分以及环状斜置部分560，该水平部分向外延伸而具有厚缘，该厚缘配置以固定到基部组件104。环状斜置部分560可以接合在主要部分510与环状翼部516的水平部分之间。环状斜置部分560可以在与主要部分510接合处比在与水平部分接合具有更大的半径。

连接到主要部分510的三个最外部的同心环状翼部516可以包括垂直部分570以及水平部分，该垂直部分570从主要部分510延伸，该水平部分从垂直部分570延伸而沿着水平部分的外缘具有厚缘，该厚缘配置以固定到基部组件104。在一些实施例中，同心环状翼部516的水平部分可以具有比同心环状翼部的垂直部分570更小的厚度。在一些实施中，第二和第三最外部同心环状翼部516可以具有介于约1.5与2.0之间(例如约1.66)的水平部分的长度对垂直部分570的长度的比例。

在一些实施中，环状翼部516、526可以具有一或多个凹口或刻槽(即环状凹部)。同心环状翼部516可以在其水平部分与其垂直部分570接合处具有凹口580。凹口580可以容许同心环状翼部516的水平部分垂直地弯曲。同心环状翼部516可以在其与主要部分510接合处具有凹口590。凹口590配置以降低主要部分510中的压缩性。

参照图7，在另一实施例中，挠性膜500’不包括非周边背侧翼部。膜的背侧或平面图示出主要部分510的内表面，即环状中间部分553，其将外环状部分520连接到环状厚缘550。厚缘550位于环状中间部分553与环状延伸部分555之间。如图8所示，外环状部分520(其为圆柱形且缺乏凹部)位于圆形主要部分510与环状中间部分553之间。图9示出由承载头100’所保持的膜500’的截面图。

已经描述许多本发明的实施例。即使如此，应了解的是可以在不悖离本发明的精神和范围下进行各种变更。例如，延伸部分555可以相对于主要部分呈非平行角度。在此描述的一个膜的特征结构可以用于在此描述的其它膜。此外，延伸部分可以设置在除了膜以外的其它组件上，例如O形环等。故，其它实施是落入权利要求所界定的范围内。

Claims (15)

1.一种用于承载头的物件，包含：

挠性膜，其包括水平中心部分、连接到所述中心部分的垂直部分、连接到所述垂直部分的厚缘部分、及连接到所述厚缘部分的延伸件，所述水平中心部分的外表面提供用于接受基材的安装表面，所述厚缘部分的厚度大于直接邻近所述厚缘部分的所述挠性膜的任意部分，其中所述厚缘部分介于所述延伸件与所述垂直部分之间，并且所述延伸件的最大尺寸小于所述厚缘部分的厚度。

2.根据权利要求1所述的物件，还包含介于所述厚缘部分与所述垂直部分之间的连接部分，其中所述连接部分是水平的且平行于所述中心部分。

3.根据权利要求2所述的物件，其中所述连接部分、所述垂直部分与所述中心部分的截面形成u形，而所述厚缘部分位于所述u形的一端。

4.根据权利要求1所述的物件，其中所述厚缘具有圆形截面。

5.根据权利要求1所述的物件，其中所述延伸件的厚度小于所述厚缘部分的厚度的50％。

6.根据权利要求5所述的物件，其中所述延伸件的厚度小于所述厚缘部分的厚度的25％。

7.根据权利要求6所述的物件，其中所述延伸件的厚度小于所述厚缘部分的厚度的15％。

8.根据权利要求5所述的物件，其中所述延伸件的厚度小于所述厚缘部分的厚度的10％。

9.根据权利要求1所述的物件，其中所述挠性膜由聚氯丁二烯、乙烯丙烯橡胶或硅橡胶形成。

10.根据权利要求1所述的物件，其中所述水平中心部分为圆形。

11.根据权利要求10所述的物件，其中所述水平中心部分的直径为200mm。

12.根据权利要求10所述的物件，其中所述水平中心部分的直径为300mm。

13.根据权利要求1所述的物件，其中所述厚缘部分为环状，并且所述延伸件为环状。

14.根据权利要求1所述的物件，其中所述厚缘部分具有含平坦部分的截面。

15.一种用于保持基材的承载头，包含：

根据权利要求1所述的物件的膜；

保持环，其环绕所述膜；以及

基部组件，其连接到所述保持环，其中，腔体介于所述基部组件与所述膜之间，并且所述厚缘部分与所述延伸件被密封到所述基部组件的部件，从而使得流体无法通过所述膜与所述部件之间。

Images