具有薄膜位置控制的抛光头的制作方法

1.本发明涉及在化学机械抛光(cmp)中使用的承载头。


背景技术：

2.集成电路通常通过在半导体晶片上依序沉积导电、半导体或绝缘层而形成于基板上。各种制作处理需要在基板上平坦化层。举例而言，一个制作工艺要求在非平坦化表面之上沉积填充层，且平坦化填充层。对于一些应用，平坦化填充层直到暴露图案化层的顶部表面。举例而言，金属层可沉积于图案化绝缘层上，以填充绝缘层中的沟道及孔洞。在平坦化之后，在图案化层的沟道及孔洞中的金属的剩余部分形成贯孔、插头以及线，以在基板上的薄膜电路之间提供导电路径。如另一示例，介电层可沉积于图案化导电层之上，且接着被平坦化以进行后续光刻步骤。
3.化学机械抛光(cmp)为平坦化的一个可接受的方法。此平坦化方法通常需要基板安装在承载头上。基板的暴露的表面通常放置抵靠旋转抛光垫。承载头在基板上提供可控制的负载，以将其推挤抵靠抛光垫。具有研磨粒子的抛光浆料通常供应至抛光垫的表面。


技术实现要素：

4.在一个方面中，一种用于化学机械抛光的承载头，包括外壳，所述外壳用于附接至驱动轴；薄膜组件，所述薄膜组件在外壳下方，具有介于外壳及薄膜组件之间的空间来界定可加压腔室；以及传感器，所述传感器在外壳中，被配置成测量从传感器至薄膜组件的距离。
5.在另一方面中，一种化学机械抛光系统，包括用于支撑抛光垫的平台；承载头；以及控制器。承载头包括外壳，所述外壳用于附接至驱动轴；薄膜组件，所述薄膜组件在外壳下方；空间，所述空间介于外壳及薄膜组件之间，界定可加压腔室；以及传感器，所述传感器在外壳中，配置成测量从传感器至薄膜组件的距离。控制器配置成从传感器接收测量，且配置成控制压力源，以基于测量加压可加压腔室。
6.以上优点可包括但不限于以下的内容。例如，归因于保持环的磨耗，传感器可检测在传感器及薄膜组件上的标靶(target)之间的距离的改变。控制器可造成薄膜组件上方的腔室中的压力减少，以在跨多个抛光操作的基板上维持恒定负载，因此强化晶片对晶片均匀性。
7.一个或多个实例的细节在附图和以下说明中被阐述。其他方面、特征及优点将从说明书及附图并且从权利要求书而为明显的。
附图说明
8.图1a为承载头的概要剖面视图。
9.图1b为图1a的承载头的部分的概要剖面视图。
10.图1c为图1a图的承载头的部分的概要剖面视图。
11.图2为承载头的另一个实例的概要剖面视图。
具体实施方式
12.在一些抛光系统中，承载头中的薄膜用以在抛光期间于基板上施加压力。举例而言，薄膜组件上方的腔室可加压以迫使薄膜抵靠基板。然而，随着承载头的保持环磨耗，在基板上的负载可增加，导致晶片对晶片非均匀性。举例而言，随着保持环磨耗，将薄膜组件连接至承载头的柔性体(flexure)的偏折可增加，导致在薄膜组件上更大的向下力，进而可增加在基板上的负载。可能的解决方式为调整施加至薄膜组件的腔室压力，以补偿来自柔性体的向下力的任何改变，使得在基板上的总负载保持相对恒定。
13.然而，额外的问题是来自柔性体在薄膜组件上的实际向下力并非易于直接测量。然而，从承载头上的传感器至薄膜组件的距离可测量。随着测量的距离减少，腔室压力可减少，而减少在基板上负载的改变。这可减少通过保持环磨耗造成的晶片对晶片非均匀性。保持环在需要替换之前可接着具有更长的寿命。
14.参照图1a至图1c，基板10可通过具有承载头100的化学机械抛光(cmp)装置抛光。承载头100包括：外壳102，外壳102具有上部承载主体104及下部承载主体106；平衡机构108(可以视作下部承载主体106的部分)；负载腔室110；连接至外壳102(例如，连接上部承载主体104和/或下部承载主体106)的保持环组件(以下讨论)；连接至外壳102的外部环400(例如，连接上部承载主体104和/或下部承载主体106)；和薄膜组件500。在一些实例中，上部承载主体104及下部承载主体106通过单个单体主体替代。在一些实施例中，仅具有单个环；缺少保持环205或外部环400中的任一者。
15.上部承载主体104可紧固至可旋转驱动轴，以使整个承载头100旋转。上部承载主体104可大致为圆形的形状。可具有通路延伸通过上部承载主体104，用于承载头100的气动控制。下部承载主体106定位于上部承载主体104下方，且相对于上部承载主体104可垂直移动。负载腔室110定位于上部承载主体104及下部承载主体106之间，以施加负载(即向下压力或重量)至下部承载主体106。相对于抛光垫的下部承载主体106的垂直部分还通过负载腔室110控制。在一些实施例中，相对于抛光垫的下部承载主体106的垂直部分通过致动器控制。
16.平衡机构108准许下部承载主体106相对于上部承载主体104平衡且垂直移动，同时避免下部承载主体106相对于上部承载主体104的横向动作。然而，在一些实例中，不具有平衡。
17.基板10可通过保持环205保持。保持环组件200可包括保持环205及柔性薄膜300，塑形以提供环状腔室350，以控制在保持环205上的压力。保持环205定位于柔性薄膜300下方，且可例如通过夹具250紧固至柔性薄膜300。在保持环205上的负载提供负载至抛光垫30。在保持环205上的独立的负载可允许随着环磨耗而在垫上恒定负载。
18.在保持环205可配置成保持基板10且提供主动边缘工艺控制的同时，外部环400可提供承载头对抛光垫的表面的定位或参考。
19.在承载头中的各个腔室可通过穿过上部承载主体104及下部承载主体106至相关联压力源(例如，压力源922)的通路流体耦合，诸如泵或压力或真空线。可具有一个或多个通路用于柔性薄膜300的环状腔室350，用于负载腔室110，用于下部可加压腔室722，和用于
个别可加压内部腔室650中的各者。来自下部承载主体106的一个或多个通路可通过在负载腔室110内侧或承载头100外侧延伸的挠性管道而链接至在上部承载主体104中的通路。各个腔室的加压可独立控制。特定而言，各个腔室650的加压可独立控制。这准许在抛光期间将不同压力施加至基板10的不同径向区域，由此补偿非均匀的抛光率。
20.薄膜组件500可包括薄膜支撑件716、外部薄膜700、和内部薄膜600。外部薄膜700具有可定位以接触内部薄膜600的内部表面702、及可提供用于基板10的安装表面的外部表面704。外部薄膜700的襟翼(flap)734可具有紧固至薄膜支撑件716且夹持于薄膜支撑件716及夹具736之间的唇部714。夹具736可通过紧固件、螺钉、螺栓或其他类似紧固件而紧固至下部承载主体106。襟翼734可将下部可加压腔室722及腔室724分开。下部可加压腔室722配置成跨内部薄膜600的底部及内部薄膜600的侧边延伸。内部薄膜600定位于下部可加压腔室722及薄膜支撑件716之间。上部可加压腔室726通过薄膜组件500(包括薄膜支撑件716)及下部承载主体106形成。上部可加压腔室726从腔室728(腔室728可排气至承载头100的外侧)通过柔性体900密封于弹性体900上方。
21.外部薄膜700可在基板10的大部分或整体上施加向下压力。在下部可加压腔室722中的压力可被控制以允许外部薄膜700的外部表面704施加压力至基板10。
22.可选地，内部薄膜600可界定相对于彼此可垂直移动的多个个别可加压腔室650(即，经由定位于个别可加压腔室650之间的间隙655上方的内部薄膜600的柔性体656，从而允许各个个别可加压腔室650相对于另一个个别可加压腔室650垂直地移动)。内部薄膜600的唇部652配置成使用夹具660紧固至薄膜支撑件716。夹具660可通过紧固件、螺钉、螺栓或其他类似的紧固件紧固至薄膜支撑件716。各个内部腔室650可在内部薄膜600的相对应部分上个别施加向下压力，从而可接着在外部薄膜700的相对应部分上施加向下压力，从而可接着在基板10的相对应部分上施加向下压力。
23.在一些实例中，取代具有内部薄膜600及外部薄膜700，薄膜组件500可具有紧固至薄膜支撑件716的单个薄膜。
24.参照图1a及图1b，下部承载主体106可使用柔性体900连接至薄膜组件500。柔性体900可使用紧固件902(例如，粘着剂、螺钉、螺栓、夹具，或通过如数个示例的连锁)以连接到外壳102(例如，下部承载主体106)以及薄膜组件500。
25.柔性体900可以由挠性材料组成，诸如橡胶(例如硅橡胶、乙丙二烯三元共聚物(epdm)或氟橡胶)或塑胶膜(例如聚对苯二甲酸乙二酯(pet)或聚甲醛)。柔性体900可足够刚性以抵抗横向动作，以便保持薄膜组件500在外壳102下方居中。然而，柔性体900可足够垂直地柔性，以准许相对于外壳102薄膜组件500的垂直动作。
26.柔性体900通过准许柔性体900屈曲(例如可弯曲地弯折)，而可准许薄膜组件500相对于下部承载主体106垂直移动。随着柔性体900屈曲，通过柔性体900施加至薄膜支撑件716且因此至基板10的压力可增加或减少。
27.控制器910可用以调节承载头100的各种腔室的压力。控制器910可耦合至多个压力源922(尽管示出一个压力源922，但是可具有多个压力源922)、压力源924和压力源926。压力源922、924、926可为例如泵、设施气体管线及可控制阀等等。各个压力源922可连接至个别可加压内部腔室650，压力源924可连接至下部可加压腔室722，且压力源926可连接至上部可加压腔室726。
28.传感器930可测量压力源922、924、926、个别可加压内部腔室650、下部可加压腔室722及上部可加压腔室726中的(多个)压力。传感器930可将测量的压力通讯至控制器910。控制器910可造成压力源922、924、926增加和/或减少在个别可加压内部腔室650、下部可加压腔室722和/或上部可加压腔室726中的压力。
29.随着承载头100执行抛光操作，保持环205和/或外部环400可被磨耗损失。随着保持环205和/或外部环400磨耗损失，柔性体900屈曲以在薄膜支撑件716上(且因此在基板10上)施加增加的向下压力，导致基板10的增加的抛光率。
30.参照图1a及图1b，为了补偿保持环205和/或保持环400的磨耗导致在基板10上增加的负载(即，施加的压力)，在上部可加压腔室726中的压力可调整以维持在基板10上恒定的总负载。
31.为了确定压力的必要改变，传感器950可测量从传感器950至标靶954的距离的距离改变，且控制器910可基于来自传感器950的信号检测距离的改变。传感器950可为雷达、激光、光学、超声或其他类似的接近传感器。
32.传感器950可紧固于承载头100中，例如，定位于下部承载主体106中。传感器950经定位以测量传感器950及标靶954之间的距离。举例而言，标靶954可为传感器950下方的薄膜组件的顶部表面(例如，薄膜支撑件716的顶部表面)的部分。
33.参照图2，在一些实例中，传感器950可紧固至上部承载主体104。窗952可定位于传感器950及标靶954之间，通过下部承载主体106。窗可准许传感器950测量介于传感器950及标靶954之间的距离，而不会影响各种腔室(例如，负载腔室110或上部可加压腔室726)的压力。腔室110可减压以在以传感器950执行距离的测量之前吸引下部承载主体106向上抵靠上部承载主体104。这可确保下部承载主体及上部承载主体之间的分开不会对测量的距离的变化性有贡献。
34.返回附图，进一步，传感器950可连接至控制器910，并且能将测量的距离或测量的距离的改变(例如，归因于保持环205和/或保持环400的磨耗而减少的距离)报告至控制器910。控制器910可接着使压力源926减少上部可加压腔室726中的压力，以在基板10上维持负载。
35.控制器910可配置成基于传感器950及标靶954之间测量的距离来调整上部可加压腔室726的压力。即，控制器910可经配置使得随着柔性体900屈曲且减少传感器950及标靶954之间的距离，由此增加通过柔性体900施加至基板10的压力，控制器减少上部可加压腔室726的压力，以补偿通过柔性体900所施加的增加的压力。
36.上部可加压腔室726的压力可为传感器950及标靶954之间测量的距离的函数。举例而言，随着传感器950及标靶954之间测量的距离减少，上部可加压腔室726的压力可减少。控制器910可接收所欲压力(例如来自存储于非暂态计算机可读取介质中的数据所代表的抛光方案)，且接收来自传感器950的距离的测量。控制器基于所欲压力及距离测量来计算经修改的压力以用于上部可加压腔室726。在上部可加压腔室726中的压力减少的量可存储于关于压力对距离的改变的查找表中。压力的改变可为距离的非线性函数，且可取决于柔性体设计。此外，压力的改变可存储于查找表中作为绝对压力改变或对于所欲压力的百分比改变。此改变例如通过如基于改变的类型所必须的减法或乘法来施加至所欲压力，以计算经修改的压力。
37.为了确定距离及压力差之间的函数关系，可使用具有不同磨耗量的保持环来制作距离及来自薄膜组件500的总向下压力的测量配对的序列。特定而言，保持环可安设在承载头上，承载头定位在压力传感器(例如，压力传感器垫)之上，且上部可加压腔室726充至恒定压力，用于测量的各个配对。接着通过传感器950测量距离，且通过另一传感器(例如，压力传感器垫)测量来自薄膜组件500的总施加压力。多个测量配对可提供施加的压力的增加作为距离测量的函数；用于上部可加压腔室726以使得总施加压力回到恒定压力的压力抵销可被计算为来自此数据的测量的距离的函数。
38.本文中所述的控制器及系统的其他计算装置部分可在数字电子电路中实施，或在计算机软件、固件或硬件中实施。举例而言，控制器可包括处理器，以执行存储于计算机程序产品中(例如，在非暂态机器可读取存储介质中)的计算机程序。此计算机程序(还被称为程序、软件、软件应用或代码)可以以任何形式的程序语言(包括编译或解释语言)撰写，且其可以以任何形式(包括作为独立程式或模组、部件、子常式、或适合在计算环境中使用的其他单元)部署。
39.在控制器的语境中，“配置”指示控制器具有必要的硬件、固件或软件或组合，以在操作时执行所期望功能(相对于单纯可编程以执行所期望功能)。
40.尽管此文件含有许多具体实例细节，但这些不应考量为对任何发明的范围或对可要求保护的限制，而应作为对特定发明的特定实施例的具体的特征的描述。在单独的实施例的语境中，本文档所述的一些特征也可在单个实施例中组合地实施。相反地，在单个实施例的语境中所述的各种特征也可在多个实施例中单独地或在任何适合的子组合中实施。此外，尽管以上所述的特征可用于一些实施例中，且即使初始要求保护为如此，但来自所要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况中可排除组合，且要求保护的组合可针对子组合或子组合的变化。
41.已说明本发明的数个实施例。然而，应理解可进行各种改变而不背离本发明的精神和范围。因此，其他实例在所附权利要求的范围内。