專利名稱：帶有加壓隔膜的研磨固定臺的制作方法
技術領域：
本發明一般而言在涉及化學機械研磨設備，尤其涉及使用加壓隔膜和壓電元件以改善在化學機械研磨應用中的性能的晶片固定臺設計。
背景技術：
在半導體裝置的制造中，需要進行包含研磨、拋光與晶片清洗的化學機械研磨(CMP)操作。一般而言，集成電路裝置是以多層構造的型式存在。在基板層形成具有擴散區的晶體管裝置。在后續的層中，復數條互連金屬線是被刻以圖案并電連接至晶體管裝置以限定所期望功能的裝置。圖案化的導電層是通過例如二氧化硅的電介質材料而與其他導電層絕緣。當形成更多金屬層與相關電介質層時，會增加平坦化電介質材料的需要。在沒有平坦化的情況下，額外金屬層的制造會由在表面形貌上的更高變化，而在實質上變得更加困難。在其他應用中，將金屬線圖案形成在電介質材料中，然后執行金屬CMP操作以移除過量的金屬化物。
在已有技術中，CMP系統一般以皮帶站、軌道站、或刷子站實現，其中皮帶、軟墊、或刷子是用以擦洗、拋光(buff)和研磨(polish)晶片的一面或兩面。研漿(slurry)用于促進并提高CMP操作。研漿通常最會被導入至一個移動中的制備表面之上，例如皮帶、軟墊、刷子等等，并使其分布遍及制備表面以及受到拋光、研磨或者是由CMP處理所制備的半導體晶片的表面。這種分布操作通常是通過制備表面的移動、半導體晶片的移動和在半導體晶片和制備表面之間所產生的摩擦的組合而完成。
圖1顯示一種例示的已有技術CMP系統10。圖1中的CMP系統10為一種皮帶式系統，這樣標示的原因是因為制備表面為一個安裝在兩個滾筒24上的環狀皮帶18，這兩個滾筒24在旋轉操作中驅動皮帶18，如以皮帶旋轉方向箭頭26表示。晶片12是安裝在晶片頭14上，其是朝方向16旋轉。然后，以力量F使旋轉中的晶片12靠在旋轉中的皮帶18，用于完成CMP處理。某些CMP處理需要顯著的所施加的力F。晶片固定臺22的設置是用于穩定皮帶18，并提供一個使晶片12貼至其上的堅固(solid)表面。由包含分布研磨粒子的例如NH4OH或DI的水溶液所組成的研漿28被導入晶片12的上游。晶片表面的擦洗、研磨與拋光處理，通過使用一個粘著至皮帶18的環狀研磨墊而完成。一般而言，研磨墊是由多孔性材料或纖維材料所構成，并缺少固定研磨劑。
圖2為習知的晶片頭與晶片固定臺構造30的詳細視圖。晶片頭與晶片固定臺構造30包含晶片頭14與位于晶片頭14下方的晶片固定臺22。晶片頭14包含一個固定保持環32，其將晶片12保持在晶片頭14下方的位置。在晶片頭14與晶片固定臺22之間為研磨墊與皮帶18。研磨晶片固定臺22緊密地以非常薄的空氣間隔與研磨墊或皮帶18隔開，其中，該空氣間隔以“空氣軸承”表示，其限定在晶片固定臺22與研磨墊18之間。傳統上已使用了在晶片固定臺22與軟墊18之間的空氣軸承，以試圖建立一個均勻研磨表面。
為了維持此空氣軸承，復數個空氣源開孔一般是形成于晶片固定臺22中，并從晶片固定臺22的中心到晶片固定臺22的外邊緣以同心環方式進行布置。每個環部建立一個空氣運送區，其中來自空氣源的空氣在研磨期間被引導通過這些開孔，從而建立此空氣軸承。空氣是經過晶片固定臺邊緣而排出。
關于多數的空氣運送區，空氣軸承的空氣分布輪廓可通過改變每個區間中的研磨速度而視需要來徑向地改變，以達到最佳研磨效果。不幸的是，這些區間的分布輪廓并非完全彼此獨立。這會使對不同區間建立不同分布輪廓復雜化。
此外，空氣軸承對于各種狀況非常敏感。舉例而言，空氣軸承的壓力會隨著軟墊18與晶片固定臺22之間的間隙而改變。因此，如果在一個區域中將軟墊18推向晶片固定臺22，則會影響空氣軸承的所有區域的壓力，從而為CMP處理增加不必要的復雜性。
以前文的觀點而言，存在對于逐一區間建立空氣分布輪廓的更大獨立性的方法的需求，藉以幫助在每個區間中建立研磨速度而獨立其他區間，因而改善制造靈活性與功能性。
發明內容
廣義來說，本發明通過利用一個加壓隔膜與復數個壓電元件來置換一個晶片固定臺空氣軸承，以在CMP處理中提供改善性能而滿足這些需求。在一實施例中，公開了一種用于改善化學機械研磨應用中的性能的晶片固定臺。此晶片固定臺包含一個配置在晶片固定臺上方的隔膜。配置在隔膜下方的是復數個能對隔膜施加力量的環形氣囊。依此方式，在CMP處理期間能提供區帶控制(zonal control)。
在另一個實施例中，揭露一種用于改善化學機械研磨應用中的性能的系統。此系統包含一晶片頭，能夠運送一晶片；以及一研磨帶，安置在晶片頭下方。進一步包括在此系統中的是一晶片固定臺，其具有一個位于研磨帶下方的隔膜。晶片固定臺還包含復數個配置在隔膜下方的環形氣囊，這些環形氣囊是能對隔膜施加力量。
在本發明的另一個實施例中公開了用于改善CMP應用中的性能的又一個晶片固定臺。晶片固定臺包含復數個配置在晶片固定臺上方的壓電元件。在運作中，復數個壓電元件在CMP處理期間用于對研磨帶施加力量。依此方式，在CMP處理期間能提供區帶控制。
此外，在本發明的又一個實施例中公開了用于改善化學機械研磨應用中的性能的另一個系統。此系統包含一晶片頭，能夠運送一晶片；以及一研磨帶，安置在晶片頭下方。還包括在此系統中的是一晶片固定臺，其具有復數個位于研磨帶下方的壓電元件。復數個壓電元件是能對研磨帶施加力量。
有利的是，本發明的實施例的環形氣囊與壓電元件在CMP處理期間，通過向加壓隔膜提供增加的區帶控制而得以改善性能。進一步，不像已有的空氣軸承那樣，本發明的實施例會大幅減少在CMP處理期間所需要的空氣量。
此外，使用本發明的加壓隔膜或壓電元件的CMP處理，并不像利用空氣軸承的已有CMP處理那樣會對各種狀況敏感。不像空氣軸承那樣，當研磨與晶片固定臺之間之間隙改變時，本發明的加壓隔膜或壓電元件的壓力不會經歷像空氣軸承所經歷的巨大變化。因此，如果在一個區域中將研磨墊推向晶片固定臺，則不會像在利用空氣軸承時影響其他區域一樣地影響加壓隔膜或壓電元件的其他區域中的壓力。本發明的其他實施方式與優點將從下述配合附圖的詳細說明而更顯清楚，這些例子是用于說明本發明的原理。
本發明及其更進一步的優點，將可配合附圖并參考下述說明而得以得到最佳的理解，其中圖1顯示一種例示的現有技術的CMP系統；圖2為已有的晶片頭與晶片固定臺構造的詳細視圖；圖3為顯示依據本發明的一實施例的晶片固定臺構造圖；圖4為顯示依據本發明的一實施例的晶片固定臺構造的詳細視；圖5為顯示依據本發明的一實施例的具有各種不同環形氣囊的晶片固定臺構造圖；圖6A為依據本發明的一實施例的環形氣囊構造的俯視圖；圖6B為顯示依據本發明的一實施例的環形氣囊構造的俯視圖；圖7為顯示依據本發明的一實施例的晶片固定臺構造的示意圖；圖8為依據本發明的一實施例的壓電元件構造的俯視圖；以及圖9為顯示依據本發明的一實施例的CMP系統的圖例。
具體實施例方式
本發明公開出使用復數個加壓隔膜與壓電元件來置換一個晶片固定臺空氣軸承，以改善CMP處理中的性能。在一個實施例中，提供一個加壓隔膜，其在CMP處理期間通過同心氣囊而提供區帶控制。在更進一步的實施例中，壓電元件是被設置在晶片固定臺上面，其在CMP處理期間提供區帶控制。在下述說明中，提出許多具體細節，以便徹底理解本發明。然而，本領域的技術人員將明白到，本發明亦可能在沒有某些或所有這些具體細節的情況下被實現。在其他實例中，為了避免不必要地將本發明模糊化，并未詳細說明熟知的處理步驟。
圖1-2已從已有技術的角度作說明。圖3為顯示依據本發明的一實施例的晶片固定臺構造300。此晶片固定臺構造300包含一個晶片頭302和一個晶片306，該晶片頭302具有一個保持環304而晶片306安置在晶片頭302下方。晶片固定臺構造300亦包含一個配置在一條研磨帶310下方的晶片固定臺308。晶片固定臺308包含一個通過復數個環形氣囊314而增壓的加壓隔膜312。
在操作期間，晶片固定臺308是被靠置在進行研磨晶片306的表面的研磨墊或皮帶310上。為了促進研磨均勻性，每個氣囊314能單獨地通過空氣源而增壓。有利的是，復數個環形氣囊314通過向加壓隔膜312提供增加的區帶控制，而得以改善CMP處理中的性能。不像已有的空氣軸承的是，本發明的實施例的加壓隔膜312會大幅減少在CMP處理期間所需要的空氣量。
此外，使用本發明的加壓隔膜312的CMP處理，并不會像利用空氣軸承的現有的CMP處理一樣對各種狀況敏感。不像空氣軸承的是，當研磨墊310與晶片固定臺308之間的間隙改變時，本發明的加壓隔膜312的壓力不會經歷像空氣軸承所經歷那樣的巨大變化。因此，如果在一個區域中將研磨墊310推向晶片固定臺308，則不會像在利用空氣軸承時影響其他區域那樣影響加壓隔膜312在其他區域中的壓力，這是因為氣囊已經彼此分離。
圖4為顯示依據本發明的一實施例的晶片固定臺構造400的詳細視圖。晶片固定臺構造400顯示一條位于晶片固定臺308上方的研磨帶310，此晶片固定臺308具有一個由復數個環形氣囊314所增壓的加壓隔膜312。如圖4所示，每個環形氣囊314包含一個薄的管狀材料402。在一個實施例中，每個環形氣囊314的管狀材料402通過空氣而增壓。然而，如同本領域的技術人員所將明白到的，管狀材料402可利用任何其他能增壓環形氣囊314的手段(例如流體)而受到增壓。
加壓隔膜312最好是包含一種平坦、柔韌的材料。適當材料包含聚氨酯(polyurethane)、硅、薄金屬(例如不銹鋼)、聚醚醚酮(PEEK)與特氟綸(teflon)。如前所述，在CMP處理期間，復數個環形氣囊314提供增加的區帶控制。為了更進一步地增加區帶控制，可改變加壓隔膜312內的環形氣囊314的尺寸，這些細節將說明于后。
圖5為顯示依據本發明的一實施例的具有各種不同環形氣囊的晶片固定臺構造500的圖。晶片固定臺構造500包含一個晶片固定臺308，此晶片固定臺308具有一個通過復數個環形氣囊314而增壓的加壓隔膜312。如圖5所示，晶片固定臺構造500包含復數個具有不同尺寸的環形氣囊314。
具體而言，隨著環形氣囊314靠近晶片固定臺308的邊緣，環形氣囊314的尺寸會減小。一般而言，在CMP處理期間，更困難之處發生在大約晶片邊緣的10-15毫米內。因此，本發明的一個實施例通過減小靠近晶片固定臺308的邊緣的環形氣囊314的尺寸，來增加靠近晶片邊緣的分解度(resolution)。同樣地，因為晶片的中心通常需要較少的分解度，所以中央環形氣囊314常常大于位于晶片固定臺308的邊緣的那些環形氣囊。
圖6A為依據本發明的一實施例的環形氣囊構造600a的俯視圖。環形氣囊構造600a包含復數個同心環形氣囊314a。在一個實施例中，環形氣囊構造600a的每個同心環形氣囊314a繞著晶片固定臺的中心形成一個完整圓形。依此方式，每個環形氣囊314a可單獨地被增壓，以在CMP處理期間提供區帶控制。為了在CMP處理期間更進一步地增加區帶控制，可縮小每個環形氣囊的長度，如接著將參考圖6B所探討的。
圖6B為顯示依據本發明的一實施例的環形氣囊構造600b的俯視圖。環形氣囊構造600b包含復數個同心環形氣囊314b。不像圖6A的實施例的是，環形氣囊構造600b的每個同心環形氣囊314b并不會繞著晶片固定臺的中心形成一個完整圓形。環形氣囊構造600b的每個同心環形氣囊314b的尺寸，是依據接近晶片固定臺的邊緣的特定環形氣囊314而改變。
如上所述，在CMP處理期間，更困難之處是在大約晶片邊緣的10-15毫米內發生。因此，本發明的一個實施例是通過減少靠近晶片固定臺的邊緣的環形氣囊314b的尺寸，來增加靠近晶片邊緣的分解度。同樣地，因為晶片的中心一般需要較少的分解度，所以中央環形氣囊314b常常大于位于晶片固定臺的邊緣的那些環形氣囊。
有利的是，本發明的實施例是借助一個使用內部環形氣囊而增壓的隔膜，來提供增加的區帶控制，從而得以改善化學機械研磨應用中的性能。本發明的其他實施例通過復數個壓電轉換器，來提供增加的區帶控制，從而也得以改善化學機械研磨應用中的性能。
許多聚合物、陶瓷、與例如水的分子會永久極化，藉以使分子的某些部分明確受到正向充電，而分子的其他部分受到負向充電。當將電場施加至這些材料時，這些極化分子使它們與電場對準，從而造成在材料的分子或晶體構造之內產生被感應生成的偶極子。還有，當材料因為外加機械力量的結果而改變尺寸時，例如石英(SiO2)或鈦酸鋇(BaTiO3)的永久極化材料將產生電場。這些材料為壓電材料，而這種現象是稱為壓電效應。反之，施加電場可使壓電材料改變尺寸。這種現象是稱為電致伸縮，或者稱為反壓電效應。
因此，本發明的一個實施例是利用壓電材料以在CMP處理期間提供區帶控制。圖7為顯示依據本發明的一實施例的晶片固定臺構造700的圖。晶片固定臺構造700包含一個配置在晶片306上方的晶片頭302，并其具有一個保持環304。此外，晶片固定臺308安置在研磨帶310的下方。
晶片固定臺構造700的晶片固定臺308包含復數個配置在研磨帶310下方的壓電元件702。在操作期間，晶片固定臺308靠置在進行研磨晶片306的表面的研磨墊或皮帶310上。為了促進研磨均勻性，可單獨地啟動每個壓電元件702以將區帶力量施加到研磨墊。有利的是，復數個壓電元件702是通過向研磨帶310提供增加的區帶控制，而得以改善CMP處理中的性能。不像現有的空氣軸承的是，本發明的實施例的壓電元件702會大幅減少在CMP處理期間所需要的空氣量。
此外，對于加壓隔膜，使用本發明的壓電元件702的CMP處理不像利用空氣軸承的現有CMP處理那樣對各種狀況敏感。不像空氣軸承的是，當研磨墊310與晶片固定臺308之間的間隙改變時，由本發明的壓電元件702所施加的力量不會經歷像空氣軸承所經歷的巨大變化。因此，如果在一個區域中將研磨墊310推向晶片固定臺308，則不會像在利用空氣軸承時影響其他區域那樣影響通過其他壓電元件702而施加在研磨帶310上的力量。
圖8為依據本發明的一實施例的壓電元件構造800的俯視圖。壓電元件702構造800包含復數個同心壓電元件702。類似在圓6A的環形氣囊構造，在本發明的一個實施例中，每個同心壓電元件702繞著晶片固定臺的中心形成一個完整圓形。然而，為了在CMP處理期間進一步增加區帶控制，可縮小每個壓電元件702的長度，如圖8所示。
不像圖6A的實施例的是，壓電元件構造800的每個同心壓電元件702并不會繞著晶片固定臺的中心形成一個完整圓形。壓電元件構造800的每個同心壓電元件702的尺寸，是依據接近晶片固定臺的邊緣的特定壓電元件702而改變。
如的前所提及的，在CMP處理期間，更困難之處一般而言在大約晶片邊緣的10-15毫米內發生。因此，本發明的一個實施例是通過減少靠近晶片固定臺的邊緣的壓電元件702的尺寸，而增加靠近晶片邊緣的分解度。同樣地，因為晶片的中心一般需要較少的分解度，所以中心壓電元件702常常大于位于晶片固定臺的邊緣的那些壓電元件。
不像空氣軸承的是，本發明的實施例是在CMP處理期間與研磨帶進行物理接觸。結果，由于與研磨帶產生摩擦而可能增加在晶片固定臺上的磨損。為了提供對晶片固定臺的額外保護使其免受磨損，可將一種犧牲材料(sacrifical material)安置在晶片固定臺與研磨帶之間，如接著將參考圖9所探討的。
圖9為顯示依據本發明的一實施例的CMP系統900的圖例。圖9中的CMP系統900為一種皮帶式系統，其具有一條安裝在兩個滾筒910上的環形研磨帶310，這兩個滾筒910是在旋轉操作中驅動研磨帶310，如以皮帶旋轉方向箭頭906表示。一個晶片306是安裝在晶片頭302上，其是朝方向908旋轉。然后，以力量F使旋轉中的晶片306靠在旋轉中的研磨帶310上，以完成CMP處理。某些CMP處理需要顯著的施力F。
具有復數個壓電元件702的晶片固定臺308的設置是用于穩定研磨帶310，并提供一個使晶片306貼至其上的堅固(solid)表面。由包含分布研磨粒子的例如NH4OH或DI的水溶液所組成的研漿904是被導入晶片306的上游。晶片表面的擦洗、研磨與拋光處理，是通過使用一個粘著至研磨帶310的環狀研磨墊而完成。一般而言，研磨墊由多孔性材料或纖維材料所構造，并缺少固定研磨劑。
配置在晶片固定臺308與研磨帶310之間的是犧牲材料914，其是在晶片固定臺308上面通過復數個滾輪916被輥到輥(roll-to-roll)供入。在使用期間，犧牲材料914在晶片固定臺308上面被緩慢供入，以提供保護免受磨損。在一個替代實施例中，犧牲材料914是成為CMP處理進步的指標。依此方式，犧牲材料914會磨損，而不是晶片固定臺308的材料。因此，復數個壓電元件702或加壓隔膜會受到保護，而免受由轉動研磨帶310的摩擦所導致的磨損。
雖然為了清楚理解的目的已相當詳細說明上述發明，但應當明白在所附權利要求的范圍內可能實行某種程度的改變與修改。因此，本實施例是被視為例示而非限制意義，且本發明并未受限于在此所提供的細節，但可能在權利要求的范疇與等效設計的內作變化。
權利要求
1.一種晶片固定臺，用于改善化學機械研磨(CMP)應用中的性能，包含一隔膜，配置在晶片固定臺上方；以及復數個環形氣囊，配置在該隔膜下方，其中該復數個環形氣囊能對該隔膜施加力量。
2.如權利要求1所述的晶片固定臺，其特征在于，該隔膜包含一種軟的且柔韌的材料。
3.如權利要求2所述的晶片固定臺，其特征在于，該隔膜包含聚氨酯。
4.如權利要求1所述的晶片固定臺，其特征在于，該復數個環形氣囊包含多個不同尺寸的環形氣囊。
5.如權利要求4所述的晶片固定臺，其特征在于，靠近晶片固定臺的邊緣的環形氣囊是小于靠近晶片固定臺的中心的環形氣囊。
6.如權利要求1所述的晶片固定臺，其特征在于，該復數個環形氣囊的每一個環形氣囊可單獨地被增壓以對隔膜施加力量。
7.如權利要求6所述的晶片固定臺，其特征在于，每個環形氣囊利用氣體而增壓。
8.如權利要求6所述的晶片固定臺，其特征在于，每個環形氣囊利用液體而增壓。
9.一種用于改善化學機械研磨(CMP)應用中的性能的系統，包含一晶片頭，能夠運送一晶片；一研磨帶，配置在該晶片頭下方；以及一晶片固定臺，具有位在該研磨帶下方的一隔膜，該晶片固定臺還包含配置在該隔膜下方的復數個環形氣囊，其中該復數個環形氣囊能對該隔膜施加力量。
10.如權利要求9所述的系統，其特征在于，晶片固定臺的隔膜包含軟的且柔韌的材料。
11.如權利要求9所述的系統，其特征在于，該復數個環形氣囊具有多個不同尺寸。
12.如權利要求11所述的系統，其特征在于，靠近晶片固定臺的邊緣的環形氣囊小于靠近晶片固定臺的中心的環形氣囊。
13.如權利要求9所述的系統，其特征在于，每個環形氣囊可單獨地被增壓以對該隔膜施加力量。
14.如權利要求13所述的系統，其特征在于，對該隔膜所施加的力量被傳送至研磨帶，以在CMP處理期間提供區帶控制。
15.如權利要求13所述的系統，其特征在于，每個環形氣囊利用氣體而增壓。
16.如權利要求13所述的系統，其特征在于，每個環形氣囊利用液體而增壓。
17.一種晶片固定臺，用于改善化學機械研磨(CMP)應用中的性能，包含復數個壓電元件，配置在晶片固定臺上方，其中該復數個壓電元件能對一研磨帶施加力量。
18.如權利要求17所述的晶片固定臺，其特征在于，利用一電場以啟動復數個壓電元件。
19.如權利要求17所述的晶片固定臺，其特征在于，該復數個壓電元件包含多個不同尺寸的壓電元件。
20.如權利要求19所述的晶片固定臺，其特征在于，靠近晶片固定臺的邊緣的壓電元件小于靠近晶片固定臺的中心的壓電元件。
21.如權利要求17所述的晶片固定臺，其特征在于，該復數個壓電元件的每個壓電元件可單獨地被啟動以對研磨帶施加力量。
22.如權利要求21所述的晶片固定臺，其特征在于，該復數個壓電元件的每個壓電元件可單獨地被啟動以調整抵抗研磨帶的力。
23.如權利要求17所述的晶片固定臺，其特征在于，利用配置在晶片固定臺上方的一犧牲材料來減少晶片固定臺上的磨損。
24.一種用于改善化學機械研磨(CMP)應用中的性能的系統，包含一晶片頭，能夠運送一晶片；一研磨帶，配置在該晶片頭下方；以及一晶片固定臺，具有位于研磨帶下方的壓電元件，其中該復數個壓電元件能對該研磨帶施加力量。
25.如權利要求24所述的系統，其特征在于，利用一電場來啟動復數個壓電元件。
26.如權利要求24所述的系統，其特征在于，復數個壓電元件具有多個不同尺寸。
27.如權利要求26所述的系統，其特征在于，靠近晶片固定臺的邊緣的壓電元件小于靠近晶片固定臺的中心的壓電元件。
28.如權利要求24所述的系統，其特征在于，每個壓電元件可單獨地被啟動以對研磨帶施加力量。
29.如權利要求28所述的系統，其特征在于，每個壓電元件可被單獨地啟動以調整抵抗研磨帶的力。
30.如權利要求24所述的系統，其特征在于，對研磨帶施加的力被傳送至晶片，以在CMP處理期間提供區帶控制。
31.如權利要求24所述的系統，其特征在于，還包含配置在晶片固定臺上方的一犧牲材料，該犧牲材料用于減少晶片固定臺上的磨損。
32.如權利要求31所述的系統，其特征在于，犧牲材料在CMP處理期間，緩慢地滾過晶片固定臺。
全文摘要
本發明用于在使用加壓隔膜與復數個壓電元件來置換晶片固定臺空氣軸承的CMP工藝中的性能的改進。在一個實施例中，公開一種用于改善化學機械研磨應用中的性能的晶片固定臺。晶片固定臺包含一個配置在晶片固定臺上方的隔膜與復數個配置在隔膜下方的環形氣囊，其中環形氣囊能對隔膜施加力量。依此方式，可在CMP處理期間提供區帶控制。在進一步的實施例中，復數個壓電元件配置在晶片固定臺上方，其在CMP處理期間對研磨帶施加力量，從而在CMP處理期間產生改善的區帶控制。
文檔編號B24B37/04GK1481295SQ01821071
公開日2004年3月10日 申請日期2001年12月21日 優先權日2000年12月21日
發明者羅德·基斯特勒, 約翰·博伊德, 阿列克·奧夫恰茲, 奧夫恰茲, 博伊德, 羅德 基斯特勒 申請人:拉姆研究公司