兩件式塑料保持環(huán)的制作方法
【專利摘要】一種保持環(huán)包括大致為環(huán)形的上部和大致為環(huán)形的下部。下部具有頂表面和用于在拋光期間接觸拋光墊的底表面。上部具有固定到下部的頂表面的底表面和被構(gòu)造成機械地安裝到承載頭的剛性基座并且緊靠該承載頭的剛性基座的頂表面。下部為第一塑料，上部為剛度約等于或大于第一塑料的不同的第二塑料。
【專利說明】兩件式塑料保持環(huán)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于化學(xué)機械拋光的承載頭(carrier head)的保持環(huán)。
【背景技術(shù)】
[0002]典型地，集成電路通過相繼沉積導(dǎo)體層、半導(dǎo)體層或者絕緣層而形成在襯底(尤其是硅晶圓)上。一個工藝步驟涉及在非平坦的表面上沉積填充層，并且平坦化該填充層。對于某些應(yīng)用，平坦化填充層直至暴露出圖案化層的頂表面。例如，可以在圖案化絕緣層上沉積導(dǎo)電填充層以填充絕緣層中的溝槽或孔。平坦化之后，留在絕緣層的隆起圖案之間的導(dǎo)電層部分形成通道、插頭(Plug)和線(line)，以在襯底上的薄膜電路之間提供導(dǎo)電通路。對于諸如氧化物拋光之類的其它應(yīng)用，平坦化填充層直至在非平坦的表面上方留下預(yù)定的厚度。此外，對光刻而言，通常需要平坦化襯底表面。
[0003]化學(xué)機械拋光(CMP)是一種可接受的平坦化方法。該平坦化方法通常需要將襯底安裝在承載頭上。通常，襯底的暴露表面抵靠旋轉(zhuǎn)的拋光墊。承載頭提供可控制的負載給襯底，以驅(qū)使襯底抵靠拋光墊。拋光液(例如，含有研磨顆粒的漿液)被供應(yīng)到拋光墊的表面。
[0004]通常，襯底通過保持環(huán)保持在承載頭下方。然而，因為保持環(huán)接觸拋光墊，所以保持環(huán)易于磨損，并且有時要進行更換。一些保持環(huán)具有由金屬制成的上部和由耐磨塑料制成的下部，然而其它一些保持環(huán)為單個塑料件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]保持環(huán)可能較昂貴，并且如上所述，磨損后需要定期更換。保持環(huán)的接觸拋光墊的底部由塑料制成，但是由于受例如，保持環(huán)的底部所需的剛度、磨損率、耐化學(xué)性等的限制，對適合塑料組分的選擇也受到了限制，因此塑料可能相當昂貴。技術(shù)之一便是由塑料形成保持環(huán)的上部和下部，其中，上部由與下部塑料不同的塑料制成。這可以允許保持環(huán)的上部由低成本的材料制成。
[0006]一方面，保持環(huán)包括大致為環(huán)形的下部和大致為環(huán)形的上部。下部具有頂表面和在拋光期間接觸拋光墊的底表面。上部具有固定到下部的頂表面的底表面和被構(gòu)造成機械地粘接到承載頭的剛性基座并且緊靠該承載頭的剛性基座的頂表面。下部為第一塑料，并且上部為剛度約等于或大于第一塑料的不同的第二塑料。
[0007]實施例可以包括下述特征的一者或多者。該下部可被固定到上部并且頂表面可以構(gòu)造成使得保持環(huán)可作為一整體從基座移除，從而當移除保持環(huán)時上部仍然固定到下部。下部可以不具備從下部的頂表面到底表面的任何孔徑。下部可通過粘結(jié)劑(例如，環(huán)氧樹脂)附裝到上部。下部可具有介于約80至95之間的肖氏D級的硬度計測量值。上部具有至少為70的肖氏D級硬度計測量值。上部可具有比下部更大的彈性模量。下部可比上部厚。第一塑料可選自由聚苯硫醚(PPS)、聚芳醚酮(PAEK)、聚醚醚酮(PEEK)和聚醚酮酮(PEKK)組成的群組。第二塑料可選自由聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PO、聚芳醚酮(PAEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚甲醛(POM)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、全氟烷氧基(PFA)、聚酰胺酰亞胺(PAI)或者聚四氟乙烯(PTFE)組成的群組。下部的底表面可具有用于輸送漿液的通道。保持環(huán)可具有內(nèi)側(cè)壁和外側(cè)壁，并且內(nèi)側(cè)壁和外側(cè)壁可從上部的頂表面到下部的底表面垂直取向。下部和上部的內(nèi)表面和外表面可在下部與上部接合處齊平。上部的頂表面可包括容納緊固件以將保持環(huán)機械地安裝到基座的孔。
[0008]一個或者多個實施例的細節(jié)將在下述附圖及說明書中有所提及。其它特征、目的和優(yōu)點將通過說明書和附圖以及權(quán)利要求書變得清晰。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是承載頭的示意性剖視圖。
[0010]圖2A是保持環(huán)的側(cè)視圖。
[0011]圖2B是保持環(huán)的仰視圖。
[0012]圖2C是保持環(huán)的剖視圖。
[0013]在各個附圖中，相同的標記表示相同的元件。
【具體實施方式】
[0014]在拋光操作期間，可以通過包括承載頭100的化學(xué)機械拋光(CMP)設(shè)備來拋光一個或多個襯底。對CMP設(shè)備的描述可在美國專利N0.5，738，574中找到。
[0015]參照圖1，示例性的簡化承載頭100包括殼體102、為襯底提供安裝表面的柔性膜104、介于膜104和殼體102之間的可加壓腔室106、以及被固定在殼體102的邊緣附近以將襯底保持在膜104下方的保持環(huán)110。盡管圖1示出了將膜104夾持在保持環(huán)110與基座102之間，但是可以使用一個或多個其它部件(例如，夾持環(huán))來保持膜104。驅(qū)動軸120可被設(shè)置成使承載頭旋轉(zhuǎn)和/或平移經(jīng)過拋光墊。泵可通過殼體中的通路108流體連接到腔室106以控制腔室106內(nèi)的壓力，并且因此控制柔性膜104在襯底上的向下壓力。
[0016]保持環(huán)110可以是，例如被螺釘或者螺栓136固定在基座102的外緣處的、大致為環(huán)形的環(huán)，其中該螺釘或者螺栓通過基座102中的通路138延伸到保持環(huán)110的頂表面112中的對準的螺紋容納凹槽139(見圖2C，示出了一個凹槽)中。在一些實施例中，驅(qū)動軸120可發(fā)生升降以控制保持環(huán)110的底表面114在拋光墊上的壓力。此外，保持環(huán)110可相對于基座120移動，并且承載頭100可包括內(nèi)腔室，其能被加壓以控制保持環(huán)上的向下壓力，例如，如在通過引用包含在本說明書中的美國專利N0.6，183，354或N0.7，575，504中所述的。保持環(huán)的區(qū)別特征在于保持環(huán)可作為一整體從基座102(以及承載頭的其余部分)上移除。在保持環(huán)110的實例中，這意味著，當移除保持環(huán)110時，保持環(huán)110的上部142仍然固定到保持環(huán)的下部140，而無需從承載頭100拆除基座102或者移除基座102。
[0017]保持環(huán)110的內(nèi)表面116連同柔性膜104的下表面一起界定了襯底容納凹槽。保持環(huán)110防止襯底脫離襯底容納凹槽。
[0018]保持環(huán)110的底表面114可以是大致平坦的，或者如圖2A和2B所示，在一些實施例中，它可以具有從保持環(huán)的內(nèi)表面116延伸到外表面118的多條通道130，以便將漿液從保持環(huán)外部輸送到襯底。通道130可以圍繞保持環(huán)間隔均勻地布置。在一些實施例中，每個通道130可相對于經(jīng)過該通道的半徑偏移一角度，例如，45°。通道可以具有約0.125英寸的寬度。在一些實施例中，通道開設(shè)在保持環(huán)的外表面處。
[0019]參照圖2A和圖2C，保持環(huán)110包括多個豎直堆疊部分，該豎直堆疊部分包括具有可接觸拋光墊的底表面114的環(huán)形下部140以及連接到基座104的環(huán)形上部142。下部140可通過粘結(jié)層144結(jié)合到上部142。
[0020]下部140為第一塑料，例如，聚苯硫醚(PPS)，然而保持環(huán)110的上部142為不同的第二塑料，例如，聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)或聚碳酸酯(PC)。第一塑料與第二塑料具有大約相同的剛度，或者第一塑料為比第二塑料更硬(即，具有更高彈性模量)的材料。
[0021]下部140的塑料在CMP處理中呈化學(xué)惰性。此外，下部140應(yīng)該有足夠的彈性，使得襯底邊緣抵靠著保持環(huán)的接觸不會導(dǎo)致襯底碎裂或破裂。另一方面，下部140應(yīng)該足夠剛硬，以在與拋光墊(底表面上)和襯底(內(nèi)表面上)發(fā)生磨損的情況下具備足夠的壽命。下部140的塑料可以具有約80-95的肖氏D級硬度計測量值?？傊?，下部180的材料的彈性模量可在約0.3-1.0X 106psi的范圍內(nèi)。雖然下部可能具有較低的磨損率，但是下部140將逐漸磨損也是可接受的，因為這表現(xiàn)為防止了襯底在內(nèi)表面188中切割很深的切口。
[0022]下部140的第一塑料可以是(例如，由以下材料組成)聚苯硫醚(PPS)、聚芳醚酮(PAEK)、聚醚醚酮(PEEK)或聚醚酮酮(PEKK)。聚苯硫醚(PPS)的優(yōu)點在于它較可靠并且常用作保持環(huán)的材料。
[0023]下部140的厚度T1應(yīng)大于襯底10的厚度Ts。具體地說，下部應(yīng)該足夠厚，使得當承載頭夾持襯底10時，襯底不會接觸粘結(jié)層。另一方面，如果下部太厚，保持環(huán)110的底表面將會因下部的撓性性質(zhì)而發(fā)生變形。依據(jù)生產(chǎn)需求和期望的更換頻率，下部140的初始厚度可為約50至1000密耳(mils)，例如，100到400密耳。下部可以在通道130發(fā)生磨損
后更換。
[0024]保持環(huán)的下部140的內(nèi)表面116可以具有稍大于襯底直徑(例如，比襯底直徑大約l-2mm)的內(nèi)徑D(見圖2B)，以容納襯底裝載系統(tǒng)的定位公差。保持環(huán)110可以具有約半英寸的徑向?qū)挾取?br> [0025]如上所述，下部180的底表面114可以是大致平坦的，或它可以具有多條通道136。通道130部分但不全部延伸通過下部180。
[0026]保持環(huán)110的上部142由剛度約等于或者大于第一塑料的第二塑料制成。第二塑料比第一塑料更硬的優(yōu)點在于能夠增強保持環(huán)110的整體剛性，從而在將保持環(huán)附裝到承載頭100時減小下部140的變形，并且減少磨合(break-1n)時間。然而，可以接受第二塑料比第一塑料稍軟，例如，低至75或70肖氏D級硬度，但是并不能比第一塑料軟太多，否則保持環(huán)將變得太柔。下部180的材料的彈性模量可在約0.25-50X 106psi的范圍內(nèi)。在一些實施例中，例如，如果將碳纖維增添到上部142的塑料來增加剛度，則上部可具有與不銹鋼(例如，彈性模量為約10-50X IO6Psi的材料)相當或者更大的彈性模量，即，為約下部140的材料的彈性模量的10至100倍。
[0027]在一些實施例中，上部140的厚度T2可以小于下部142的初始厚度的1\。然而，這不是必須的；制造商可以生產(chǎn)上部140的厚度T2等于或者大于下部142的初始厚度T1的保持環(huán)110。上部140的厚度T2小于下部142的初始厚度T1的優(yōu)點在于延長保持環(huán)的壽命。
[0028]上部142的第二塑料可以是(例如，由以下材料組成)聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚芳醚酮(PAEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚甲醛(POM)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、全氟烷氧基(PFA)、聚酰胺酰亞胺(PAI)或者聚四氟乙烯(PTFE)或者這些材料的組合。此外，上部142可以是包括一種或者多種上述材料和增強該材料的剛度的碳纖維的復(fù)合材料，一般來說，第二塑料可以是比第一塑料便宜的材料，從而降低了保持環(huán)110的總成本。
[0029]上部142的上表面112可以包括多個螺紋容納凹槽139。在一些實施例中，螺紋容納凹槽139部分地但不完全地延伸通過上部142。然而，在一些實施例中，螺紋容納凹槽139完全地延伸通過上部142并延伸到下部140中。螺紋容納凹槽139可以圍繞保持環(huán)110等角間隔地分開布置。容納凹槽139的螺紋可以直接從上部142的第二塑料材料中加工而來，或可以由插入到孔中的螺釘銷提供。
[0030]粘結(jié)層144可用來將上部140固定到下部142。該結(jié)合層可以由粘結(jié)材料(諸如慢速固化或快速固化的環(huán)氧樹脂等)制成。耐高溫環(huán)氧樹脂防止該結(jié)合層236在拋光處理期間因高熱發(fā)生劣化。在某些實施例中，環(huán)氧樹脂包含聚酰胺和脂族胺。
[0031]此外，上部140和下部142可以通過螺釘(例如，通過上部140中的開口延伸到下部142中的螺紋容納凹槽或者螺紋套)連接、壓入配合在一起或通過聲波成型接合，從而替代粘結(jié)附裝，
[0032]當保持環(huán)110的上部142和下部140接合時，下部140的上表面鄰接上部142的下表面布置。這兩部分在它們的鄰接表面上具有尺寸大致相同的內(nèi)外徑，使得當下部140和上部142接合時，在兩者接觸處形成平齊表面。
[0033]雖然保持環(huán)110可包括用于在下部140的底表面114中輸送漿液的通道130，并且在下部140的頂表面中可具有協(xié)助將下部140固定到上部142的凹槽，但是下部140沒有從下部的頂表面延伸到底表面的任何孔徑。
[0034]在一些實施例中，保持環(huán)110具有一個或多個通過保持環(huán)的主體從內(nèi)徑水平延伸或與水平方向呈小角度地延伸到外徑的通孔，以允許在拋光期間將保持環(huán)中的流體(例如，空氣或水)從內(nèi)部傳到外部，或者從外部傳到內(nèi)部。通孔可以延伸通過上部142。通孔可以繞保持環(huán)均勻地間隔。
[0035]雖然保持環(huán)110的側(cè)壁被示為完全豎直的，但是保持環(huán)110可包括其它特征，諸如外表面上的唇緣或凹槽，用以協(xié)助襯底裝載機上的保持環(huán)的對中或為保持環(huán)抵靠周圍環(huán)的頂部內(nèi)緣提供硬件止擋(hard stop)等，以及保持環(huán)110的內(nèi)表面或外表面可略呈錐形(但是上部142和下部140仍然可以在其接觸處形成齊平表面)。
[0036]本發(fā)明已經(jīng)對多個實施例進行了描述。然而，本發(fā)明并不限于圖示和所述實施例。相反，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求來限定。
【權(quán)利要求】
1.一種保持環(huán)，包括: 大致為環(huán)形的下部，其具有頂表面和用于在拋光期間接觸拋光墊的底表面，其中，所述下部為第一塑料；以及 大致為環(huán)形的上部，其具有固定到所述下部的所述頂表面的底表面和被構(gòu)造成機械地安裝到承載頭的剛性基座并且緊靠所述承載頭的所述剛性基座的頂表面，其中，所述上部為剛度約等于或大于所述第一塑料的不同的第二塑料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的保持環(huán)，其中，所述下部被固定到所述上部并且所述頂表面被構(gòu)造成使得所述保持環(huán)可作為一整體從所述基座移除，從而當移除所述保持環(huán)時所述上部仍然固定到所述下部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的保持環(huán)，其中，所述下部沒有從所述下部的所述頂表面到所述底表面的任何孔徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的保持環(huán)，其中，所述下部通過粘結(jié)劑附裝到所述上部。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的保持環(huán)，其中，所述粘結(jié)劑為環(huán)氧樹脂。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的保持環(huán)，其中，所述下部具有介于約80至95之間的肖氏D級硬度計測量值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的保持環(huán)，其中，所述上部具有至少為70的肖氏D級硬度計測量值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的保持環(huán)，其中，所述上部具有比所述下部大的彈性模量。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的保持環(huán)，其中，所述下部比所述上部厚。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的保持環(huán)，其中，所述第一塑料選自由聚苯硫醚(PPS)、聚芳醚酮(PAEK)、聚醚醚酮(PEEK)和聚醚酮酮(PEKK)組成的群組。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的保持環(huán)，其中，所述第一塑料為聚苯硫醚。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的保持環(huán)，其中，所述第二塑料選自由聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚芳醚酮(PAEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚甲醛(POM)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、全氟烷氧基(PFA)、聚酰胺酰亞胺(PAI)或者聚四氟乙烯(PTFE)組成的群組。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的保持環(huán)，其中，所述第二塑料為聚氯乙烯。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的保持環(huán)，其中，所述下部的所述底表面具有用于輸送漿液的通道。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的保持環(huán)，其中，所述保持環(huán)具有內(nèi)側(cè)壁和外側(cè)壁，并且所述內(nèi)側(cè)壁和所述外側(cè)壁從所述上部的所述頂表面到所述下部的所述底表面垂直取向。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的保持環(huán)，其中，所述下部和所述上部的所述內(nèi)表面和所述外表面在所述下部與所述上部的接合處平齊。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的保持環(huán)，其中，所述上部的所述頂表面包括用于容納緊固件以將所述保持環(huán)機械地安裝到所述基座的孔。
【文檔編號】H01L21/304GK103733315SQ201280040491
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月5日
【發(fā)明者】榮·J·派克, 詹姆斯·科林格勒爾, 斯泰西·邁耶, 克里斯托弗·R·馬洪, 拉克斯曼·穆魯蓋什, 阿施施·布特那格爾, 帕德瑪·戈帕拉克里氏南 申請人:應(yīng)用材料公司