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具有分段的基板卡盘的承载头的制作方法

2022-05-12 02:13:01 来源:中国专利 TAG:


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、半导电或绝缘层而形成于基板上。各种制造处理需要在基板上将层平坦化。举例而言,一个制造步骤涉及在非平坦表面上沉积填充层,且将填充层平坦化。对于某些应用,将填充层平坦化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。在平坦化之后,在图案化层的沟道及孔中的金属的剩余部分形成通孔、插头及线,以在基板上提供薄膜电路之间的导电路径。如另一示例,介电层可沉积在图案化导电层上,且接着平坦化以进行接续光刻步骤。
3.化学机械抛光(cmp)为平坦化的一个可接受方法。此平坦化方法通常需要将基板固定在承载头上。基板暴露的表面通常抵靠旋转抛光垫放置。承载头在基板上提供可控制负载,以推挤可控制负载抵靠抛光垫。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装置的承载头,包括承载主体、外部膜组件、环状分段的卡盘及内部膜组件。外部膜组件从承载主体支撑且界定第一多个独立可加压外部腔室。环状分段的卡盘支撑在外部膜组件下方,且包括可由外部膜组件的相应可加压腔室独立垂直移动的多个同心环。环中的至少两者具有穿过其中以将基板吸卡至卡盘的通路。内部膜组件从承载主体支撑,且由卡盘的多个同心环的最内部环围绕。内部膜组件界定第二多个独立可加压内部腔室,且具有接触基板的下部表面。
5.在另一方面中,一种化学机械抛光系统包括用以支撑抛光垫的平台、承载头、耦合至承载头中的内部腔室和外部腔室的多个压力源,以及耦合至压力源的控制器。
6.在另一方面中,一种用于化学机械抛光的方法包括将基板放置在承载头中;使用来自外部膜组件的通过承载头的基板卡盘传输的压力及来自由卡盘围绕的承载头的内部膜组件的压力,来抛光基板;以及在抛光期间,通过使用卡盘将基板卡紧至承载头,从而防止基板横向移动。
7.实现方式可以包括以下特征中的一个或多个。
8.承载头可包括上部承载主体和下部承载主体。边缘控制环可围绕所述卡盘的所述多个同心环的最外部环且可相对于所述卡盘的所述多个同心环的最外部环垂直移动。可加压腔室可控制边缘控制环相对于承载主体的定位。保持环可连接至承载主体且可围绕卡盘。
9.可能的优点可包括但不限于以下一者或多者。分段的基板卡盘可同时将基板抵靠抛光垫放置且将基板紧固至承载头。卡盘可防止基板的横向运动,从而防止或减少基板与保持环碰撞的可能性。由于基板与保持环之间的接触减少,环的内部表面产生较少损伤,因
此保持环的寿命可延长。附加地,基板的边缘可产生较少横向力,以使得基板较不易于翘曲,导致更均匀的抛光和期望的基板轮廓。
附图说明
10.图1a为具有分段的卡盘的承载头的示意性剖面视图。
11.图1b为图1a的膜组件的示意性剖面视图。
12.图2为具有分段的卡盘及浮动膜组件的承载头的示意性剖面视图。
具体实施方式
13.在抛光期间,来自抛光垫的在基板上的摩擦力可驱使基板接触保持环。这可能损伤保持环,例如,由于基板与保持环之间的接触在保持环的壁的内部表面上产生刻痕标记。基板还可由于与保持环碰撞而掉屑或碎裂。附加地,由于刻痕,在抛光期间基板的边缘可能被驱使向上离开或向下挤压在抛光垫上,从而改变在基板上的压力分配且导致非均匀性。此外,在数个抛光周期之后(例如,在由刻痕产生的非均匀性超过可允许限制之前),保持环可需要替换。
14.解决一个或多个此类问题的技术为将基板卡紧至承载头。将基板卡紧可防止基板接触保持环,从而可减少在基板边缘处的非均匀性,且延长保持环的寿命。然而,承载头仍可包括接触基板的背侧的一些部分的弹性膜。
15.参考图1a及图1b,基板10可通过具有承载头100的化学机械抛光(cmp)装置抛光。
16.承载头100包括外壳102、承载主体104、平衡机构106(可被视为承载主体104的部分)及保持环130。
17.外壳102可大致为圆形的形状,且可连接至驱动杆124,以在抛光期间绕中心轴125与驱动杆124一起旋转。可具有延伸穿过外壳102的通路以用于气动控制承载头100。
18.承载主体104为定位在外壳102下方的可垂直移动组件。负载腔室108定位在外壳102与承载主体104之间,以向承载主体104施加负载,即向下压力或重量。腔室108可由环状挠件、滚动隔片或波纹管109密封。承载主体104相对于抛光垫的垂直部分还由负载腔室108控制,负载腔室108可被加压以使得承载主体104垂直移动。在一些实现中,承载头100相对于抛光垫的垂直部分由可造成驱动杆124垂直移动的致动器(未图示)控制。
19.平衡机构106允许承载主体104平衡且相对于外壳102垂直移动,同时防止底座组件104相对于外壳102横向运动。然而,平衡机构为可选的;底座组件可相对于外壳102成固定的倾角。
20.膜组件110包括内部膜组件部分150及外部膜组件部分140。内部膜组件部分150包括连接至承载主体104的内部膜152。内部膜152可由薄的弹性材料组成,诸如硅橡胶。内部膜150具有提供基板安装表面的下部表面155;当装载至承载头100中时基板10直接接触下部表面155。
21.内部膜152可将承载主体104与下部表面155之间的空间划分成多个独立可加压内部腔室154。可加压内部腔室154可同心地布置,例如,在轴125周围。中心内部腔室154a可为圆形的,且其余内部腔室154b可为环状的。可具有一个至十个独立可加压内部腔室154。每个独立可加压内部腔室154可被加压和降压,以与其他独立可加压内部腔室154独立地充气
及放气。
22.在一些实现中,内部膜152可包括翼片152a(见图1a),翼片152a将空间划分成独立可加压内部腔室154。替代地,在一些实现中,每个独立可加压内部腔室154可由内部膜152的底板151及两个侧壁部分153界定。对于每个腔室,凸缘部分156可从侧壁部分153的顶部边缘向内延伸,且由夹具157(见图1b)紧固至承载主体104。夹具157可由螺钉、螺栓或其他类似的紧固件紧固至承载主体104。
23.相邻的内部腔室的侧壁部分153可由桥接部分159在侧壁部分153的顶部边缘处连接,例如,与凸缘部分156共平面。相比之下,在桥接部分159下方,相邻的侧壁部分153由间隙158分开。分开的侧壁部分153允许每个独立可加压内部腔室154相对于相邻的独立可加压内部腔室154扩张(且具体而言,每个独立可加压内部腔室154的底板151垂直移动)。因此,对相邻的内部腔室使用分开的侧壁153减少在基板上相邻区之间的压力串扰。
24.内部膜组件部分150由外部膜组件部分140围绕。外部膜组件部分140包括连接至承载主体104的外部膜142。外部膜142可由薄的弹性材料组成,例如硅橡胶。外部膜142将承载主体104与下部表面145之间的空间划分成多个独立可加压外部腔室144。每个外部腔室144控制基板卡盘160的部分上(例如,如以下所讨论卡盘160的环状环162的一者上)的压力。
25.独立可加压外部腔室144可为环状同心腔室。可具有两个至十个独立可加压外部腔室144。每个独立可加压外部腔室144可被加压及降压,以与其他外部腔室144独立充气及放气。
26.在一些实现中,外部膜142包括翼片142a,翼片142a将承载底座104下方的空间划分成多个独立可加压外部腔室144翼片。替代地,在一些实现中,每个独立可加压外部腔室144可由外部膜142的两个侧壁部分143及底板部分141包覆。对于每个腔室,凸缘部分146可从侧壁部分143的顶部边缘向内延伸,且由夹具147(见图1b)紧固至承载主体104。夹具157可由螺钉、螺栓或其他类似的紧固件紧固至承载主体104。
27.相邻的外部腔室的侧壁部分143可由桥接部分149在侧壁部分143的顶部边缘处连接,例如,与凸缘部分146共平面。相对地,在桥接部分149下方,相邻的侧壁部分143由间隙148分开。分开的侧壁部分143允许每个独立可加压外部腔室144相对于相邻的外部腔室144扩张(且具体而言,每个独立可加压外部腔室144的底板部分151垂直移动)。因此,对相邻的内部腔室使用分开的侧壁143减少基板上相邻区之间的压力串扰。在一些实现中,内部膜152及外部膜154为单个单体膜的部分。
28.在抛光操作期间,独立可加压腔室144和154可被加压以充气且增加在独立可加压腔室144或154下层的基板10的部分上的抛光率。类似地,独立可加压腔室144或154可被降压以放气且降低在独立可加压腔室144或154下层的基板10的部分上的抛光率。
29.在外部膜组件部分140下方且围绕内部膜组件部分150的是分段的基板卡盘160。卡盘160可由铝、不锈钢、陶瓷或塑料组成。卡盘160可包括多个同心环状环162。环状环162可以承载头100的旋转轴125同心。可具有相等数量的环状环162和外部腔室144。卡盘160的每个环状环162可定位在的相应外部腔室144下方。因此,随着每个外部腔室144充气或放气,所述腔室144使得下方环状环162垂直移动,且在基板10上施加增加的或减少的压力。
30.在相邻的环状环162之间的是通道164(例如,环状间隙)。通道164可连接至压力源
180(以下进一步讨论)。压力源180可从环状环162之间吹出抛光副产物(例如,抛光浆料、微粒)。
31.因为卡盘160在外部膜组件部分140下方,膜142不会接触基板10,且不会导致在抛光操作期间与基板10接触而增加的磨耗及撕裂。
32.在卡盘160下方且可选地还在内部膜部分150下方可为垫层170。垫层170可由可压缩材料组成,例如橡胶,例如硅树脂、乙丙二烯三元共聚物(epdm)或含氟弹性体,或多孔聚合物片。垫层170可包括在卡盘的环状环162下方的部分172及在内部膜152下方的部分175。
33.一个或多个真空通道174穿过垫层170形成。具体而言,通道174可穿过垫层在环状环172下方的区域中形成。真空通道174可经由通路182连接至真空源180,以调制真空通道174中的压力。各个通路182的部分可通过穿过卡盘160的环状环162延伸的导管184提供(通路182的其余部分为了简化而示意性图示,但可包括导管穿过其他实心部件的导管及穿过腔室的孔)。举例而言,压力源180可在可将基板10保持至垫层170的真空通道174中建立真空。
34.垫层170可在卡盘160及内部膜组件部分150下方,以解决由卡盘160及内部膜组件部分150造成的非均匀性。环状环162之间的间隙及介于独立可加压腔室154之间的间隙158不会施加压力,且可导致在施加的压力下的局部非均匀性。然而,垫层170可横跨环状环162之间的间隙及间隙158。如此,垫层170可分配施加到基板10的部分上的压力,以减轻将发生在基板10在环状环162之间的间隙和独立可加压腔室154之间的间隙158下方的部分上的非均匀性。
35.替代地,垫层170可由各个环状环组成,其中垫层170的每个环与相邻的环以间隙分开,且紧固至卡盘160的相应环状环162的底部。垫170还可包括横跨内部膜部分150的中心区域175。
36.保持环130可围绕膜组件100和基板10,且可用作压力控制环。保持环130可连接至致动器134,例如,可加压腔室或波纹管。致动器134可使保持环130垂直移动。举例而言,致动器134可使保持环130在抛光操作期间保持抵靠抛光垫30。保持环130被配置成在抛光垫30上包覆基板10而不接触基板10,因为基板10由卡盘160保持在保持环130内的适当位置中。这可增加保持环130的寿命

由于基板被保持在保持环130的适当位置中而不是抵靠保持环130而减少的接触,基板10和保持环130可产生较少损伤。
37.将基板10保持至垫层170的真空压力可防止基板10在承载头100中的横向移动。结果,基板10的边缘较不易由于基板10与保持环130之间碰撞接触的影响而损伤。类似地,保持环130的内部表面由于基板10与保持环130之间减少的接触而产生较少损伤。此外,由于保持环130产生来自基板10的损伤减少,保持环130在需要替换之前可具有增加的寿命。附加地,基板10的边缘更不容易由于与保持环130接触而迫使向上或向下,所以特别是在基板的边缘附近,抛光可以更均匀。此外,因为垫层170在基板10与内部膜组件部分150之间,所以膜152不会在抛光操作期间由于与基板10接触而产生增加的损伤及撕裂。
38.控制器190可连接至压力源180。压力源180可例如为泵、具有相关阀门的设施空气或真空供应管路等等。压力源180可连接至负载腔室108、通道164及真空通道174,以增加或减少其压力。举例而言,控制器190可控制压力源180以对负载腔室108加压以向下朝向抛光垫30移动承载主体104,或降压以在真空通道174中建立真空以将基板10固定至垫层170。
39.参照图2,承载头200包括外壳102、上部承载主体204a、下部承载主体204b、保持环130及外部环230。除了以下所述的,承载头200类似于承载头100。
40.上部承载主体204a为定位在外壳102下方的垂直可移动组件。上部负载腔室208a定位在外壳102与上部承载主体204a之间,以向上部承载主体204a施加负载,即,向下的压力或重量。上部承载主体204a相对于抛光垫30的垂直部分由上部负载腔室208a控制,负载腔室208a可加压以使上部承载主体204a垂直移动。上部负载腔室208a可由在外壳102与上部承载主体204a之间延伸的环状挠件、滚动隔片或波纹管224密封。
41.类似地,下部承载主体204b为定位在上部承载主体204a下方的垂直可移动组件。下部承载主体208b定位在上部承载主体204a与下部承载主体204b之间,以向下部承载主体204b施加负载,即,向下压力或重量。下部承载主体204b相对于抛光垫的垂直部分也由下部负载腔室208b控制,下部负载腔室208b可加压以使下部承载主体204b垂直移动。控制器190可通过调节压力源180来增加及减少上部负载区208a和下部负载区208b中的压力。
42.上部承载主体204a及下部承载主体204b可彼此独立移动,例如,如由上部负载腔室208a及下部负载腔室208b中的压力所指示的。下部负载腔室208a可由在上部承载主体204a与下部承载主体204b之间延伸的环状挠件、滚动隔片或波纹管250密封。
43.举例而言,隔片250可允许通过将上部承载主体204a柔性地连接至下部承载主体204b,来允许垂直移动上部承载主体204a和下部承载主体204b。隔片250可为柔性及非渗透材料,例如橡胶。隔片250可使用锚件252a及252b紧固至上部承载主体204a和下部承载主体204b。隔片250的内部边缘可被夹持在锚件252a与上部承载主体204a之间。诸如螺栓、螺钉的紧固件或其他类似的紧固件可用于将锚件252a紧固至上部承载主体204a。类似地,隔片250的外部边缘可被夹持在锚件252b与下部承载主体204b之间。诸如螺栓、螺钉的紧固件或其他类似的紧固件可用于将锚件252b紧固至下部承载主体204b。
44.在一些实现中,上部承载主体204a和下部承载主体204b相对于抛光垫的垂直位置由可使杆122垂直移动的致动器(未图示)来控制。
45.环状保持环130可连接至致动器和/或波纹管234。致动器和/或波纹管234可使保持环130垂直移动。举例而言,致动器和/或波纹管234可使保持环130在抛光操作期间保持抵靠抛光垫30。保持环130被配置成在抛光垫30上包覆基板10而不接触基板10,因为基板10由卡盘160保持在保持环130内的适当位置中。
46.外部环230可包覆保持环130。外部环230可由紧固件(诸如螺钉、螺栓或其他类似的紧固件)连接至上部承载主体204a。外部环230提供承载头200到抛光垫30的表面的定位或参考。
47.围绕卡盘160的是边缘控制环240。边缘控制环240从下部负载腔室208b解耦,且可连接至下部承载主体204b。举例而言,滚动隔片或波纹管244可定位在边缘控制环240与从下部承载主体204b延伸的唇部242之间。边缘控制环240位于基板10的边缘上方,以独立抛光基板10的边缘,从而使聚焦的边缘负载能够控制围绕由卡盘160控制的基板10上的区域的基板10边缘的抛光。
48.本文所述的系统的控制器及其他计算设备部件可在数字电子电路系统中实现,或在计算机软件、固件或硬件中实现。举例而言,控制器可包括处理器以执行存储在计算机程序产品中(例如在非瞬时机器可读取存储介质中)的计算机程序。此类计算机程序(还已知
为程序、软件、软件应用或编码)可以任何形式的程序语言撰写,包括编译或解释语言,且此类计算机程序可以任何形式部署,包括独自程序或模块、部件、子例程或适合在计算环境中使用的其他单元。
49.尽管此文件含有许多特定实现细节,但这些不应被考虑为任何发明或要求保护的范围,反而应被视为对特定发明的特定实施例具体特征的说明。在此文件中的分开的实施例的上下文中所述的某些特征还可在单个实施例中结合实施。相反地,在单个实施例的上下文中所述的各种特征还可在分开的多个实施例中或以任何适合的子组合来实施。此外,尽管以上特征可说明在某些组合中作用且甚至初始如此地要求保护,但来自要求保护的组合的一个或多个特征可在某些情况中从组合中删除,且要求保护的组合可涉及子组合或子组合的变型。
50.已描述了本发明的数个实施例。然而,应理解,可进行各种修改而不会脱离本发明的精神及范围。因此,其他实现落在以下权利要求的范围内。
再多了解一些

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