用于拋光系統的保持環的制作方法

本實用新型的實施方式涉及用于拋光基板，比如半導體基板的拋光系統。更特定而言，實施方式涉及保持環、化學機械平坦化(chemical mechanical planarization；CMP)系統和用于提高保持環壽命的方法。

背景技術：

化學機械拋光(Chemical mechanical polishing；CMP)是在高密度集成電路制造中用以平坦化或拋光沉積在基板上的材料層的常用工藝。承載頭可將保持在其中的基板提供至CMP系統的拋光站，且在存在拋光液的情況下相抵于移動的拋光墊可控地推動基板。通過化學和機械活動的組合，材料從與拋光表面接觸的基板的特征側去除。拋光時從基板去除的材料懸浮在拋光液中。懸浮的材料通過拋光液從拋光站去除。

承載頭通常包括保持環，所述保持環限定(circumscribe)基板且可促進將基板保持在承載頭中。保持環的底表面通常在拋光期間與拋光墊接觸。保持環可具有槽以促進拋光液運動至及離開基板。當拋光基板時，漿料和已去除的懸浮材料可粘附和累積在基板和保持環之間的區域中。粘附的物質侵蝕保持環的金屬表面。另外，粘附的物質可能結塊且回退到拋光墊上且從而成為基板缺陷的來源。

技術實現要素：

因此，本文所述的實施方式提供一種改進的保持環以及具有這種改進的保持環的拋光系統。

在一個實施方式中，保持環具有環形主體，所述環形主體具有頂表面、內徑側壁、外徑側壁和底表面。內徑側壁被配置成用于限定基板。環形主體具有：剛性環形部分；聚合物環形部分，所述聚合物環形部分堆疊在剛性環形部分上且覆蓋剛性環形部分的至少三側；多個槽，所述多個槽形成在底表面中；和多個排水口(wash port)，所述多個排水口穿過聚合物環形部分形成，其中排水口與剛性環形部分隔離。

此外，所述排水口可相對于所述環形主體的中心線非垂直。

另外，所述聚合物環形部分可包含凸起部分，所述凸起部分延伸至所述剛性環形部分中，所述排水口穿過所述凸起部分形成，所述排水口的內徑由所述聚合物環形部分覆蓋。

另外，所述剛性環形部分可由所述聚合物環形部分完全封裝。

此外，所述保持環可進一步包含形成在所述排水口的內徑中的涂層，所述涂層將所述剛性環形部分與所述排水口隔離。

在另一實施方式中，保持環包含環形主體，所述環形主體具有頂表面、內徑側壁、外徑側壁和底表面。所述內徑側壁被配置成用于限定基板。所述環形主體包含：金屬環形部分；聚合物環形部分，所述聚合物環形部分覆蓋所述金屬環形部分的外部；多個槽，所述多個槽形成在所述環形主體的所述底表面中；和多個排水口，所述多個排水口穿過所述聚合物環形部分形成，其中所述排水口與所述金屬環形部分隔離。

此外，所述排水口可相對于所述環形主體的中心線非垂直。

另外，所述聚合物環形部分可包含凸起部分，所述凸起部分延伸至所述金屬環形部分中，所述排水口穿過所述凸起部分形成，所述排水口的內徑由所述聚合物環形部分覆蓋。

另外，所述金屬環形部分可由所述聚合物環形部分完全封裝。

此外，所述保持環可進一步包含形成在所述排水口的內徑中的涂層，所述涂層將所述金屬環形部分與所述排水口隔離。

另外，所述金屬環形部分可由不銹鋼制成，所述聚合物環形部分可由以下至少之一制成：聚苯硫醚(PPS)、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚醚醚酮、和聚對苯二甲酸丁二醇酯。

本文所述的實施方式保護拋光系統的保持環不受腐蝕性拋光化學物質的影響。

附圖說明

為了可詳細地理解本實用新型的上述特征的方式，可參考實施方式獲得本實用新型的更特定的描述，在附圖中示出實施方式的一些實施方式。然而，應注意的是，附圖僅示出本實用新型的典型實施方式，并且因此不被視為限制本實用新型的范圍，因為本實用新型可允許其他同等有效的實施方式。

圖1是拋光系統的部分截面圖。

圖2是具有保持環的承載頭的部分截面圖。

圖3是保持環的俯視圖。

圖4A和圖4B是示出耐腐蝕保持環的一個實施方式的截面圖。

圖5A和圖5B是示出耐腐蝕保持環的另一實施方式的截面圖。

圖6A和圖6B是示出耐腐蝕保持環的又一實施方式的截面圖。

為了促進理解，在可能的情況下，已使用相同的標記數字表示諸圖共用的相同元件。可以預期，在一個實施方式中公開的元件可有利地用于其他實施方式，而無需特定敘述。

具體實施方式

本文描述了保持環、化學機械平坦化系統(CMP)和用于拋光基板的方法。保持環包括金屬部分的封裝以延長保持環的使用壽命。

圖1是化學機械拋光系統(CMP)100的部分截面圖。CMP系統100包括承載頭150，承載頭150將基板135(以虛線示出)保持在保持環130內部，且在處理期間將基板135放置成與拋光墊175的拋光表面180接觸。拋光墊 175置放在工作臺176上。工作臺176通過工作臺軸182耦接至電機184。當 CMP系統100拋光基板135時，電機184使工作臺176且因此使拋光墊175 的拋光表面180圍繞工作臺軸182的軸線186旋轉。

CMP系統100可包括化學品輸送系統190和墊清洗系統160。化學品輸送系統190包括保持拋光液191的化學品槽罐196，所述拋光液比如為漿料或去離子水。拋光液191可通過噴嘴198噴到拋光表面180上。拋光表面180旋轉拋光液191而使拋光液191與基板135接觸，由承載頭150相抵于拋光表面 180按壓所述基板以平坦化基板135。集水槽192可收集旋轉離開拋光墊175 的拋光液191。所收集的拋光液191可被過濾以去除雜質且運輸回化學品槽罐 196以便重新使用。

墊清洗系統160可包括輸水管162，所述輸水管噴灑去離子水164至拋光墊175的拋光表面180上。管將輸水管162連接至去離子水槽罐(未示出)。在拋光之后，來自輸水管162的去離子水164可清洗來自基板135、承載頭150 和拋光表面180的碎屑和過量拋光液191。雖然墊清洗系統160和化學品輸送系統190被示出為分離的元件，但是應理解，單個系統可同時進行輸送去離子水164和輸送拋光液191的功能。

承載頭150被耦接至軸108。軸108被耦接至電機102。電機102被耦接至臂170。電機102相對于臂170以線性運動(X軸和/或Y軸方向)橫向地移動承載頭150。承載頭150還包括致動器104，所述致動器被配置成用于相對于臂170和/或拋光墊175在Z軸方向上移動承載頭150。承載頭150還被耦接至旋轉致動器或電機106，所述旋轉致動器或電機使承載頭150圍繞旋轉軸相對于臂170旋轉，所述旋轉軸與承載頭150的中心線111對準。電機/致動器104、102和106相對于拋光墊175的拋光表面180定位和/或移動承載頭 150。在一個實施方式中，電機/致動器104、102和106在處理期間相對于拋光表面180旋轉承載頭150，并提供向下的力以相抵于拋光墊175的拋光表面 180推動基板135。

承載頭150包括容納柔性膜140的主體125。柔性膜140在承載頭150的下側上提供與基板135接觸的表面。承載頭150也可包含設置在主體125和柔性膜140之間的一或更多個囊狀物110/112。當基板135保持在承載頭150中時，柔性膜140接觸基板135的背側。囊狀物110/112被耦接至第一可變壓力源145A，所述第一可變壓力源有選擇地輸送流體至囊狀物110/112以施加力至柔性膜140。在一個實施方式中，囊狀物110施加力至柔性膜140的外區域，而囊狀物112施加力至柔性膜140的中央區域。從囊狀物110/112施加至柔性膜140的力可被傳輸至基板135的各部分，且可用于控制基板135相抵于拋光墊175的拋光表面180施加的邊緣至中心壓力分布。第一可變壓力源145A被配置成用于獨立地輸送流體至每一囊狀物110/112，以控制通過柔性膜140到達基板135的各個區域的力。另外，可在承載頭150中提供真空口(未示出) 以施加吸力至基板135的背側，從而促進在承載頭150中保持基板135。

主體125和柔性膜140由保持環130限定。保持環130通過致動器132 耦接至主體125。致動器132由第二可變壓力源145B控制。第二可變壓力源 145B提供流體或從致動器132去除流體，這引起保持環130在Z軸方向上相對于承載頭150的主體125移動。第二可變壓力源145B適于獨立于由電機104 提供的運動提供保持環130的Z方向運動。第二可變壓力源145B可通過施加負壓或正壓至致動器132和/或保持環130來提供保持環130的運動。在一個方面中，為了提供用于相抵于拋光墊175按壓基板135的力，壓力被施加于保持環130以在拋光工藝期間，朝向拋光墊175的拋光表面180推動保持環130。

保持環130可由一或更多種材料形成，比如金屬、陶瓷或塑料。所述材料可被選擇以向保持環130提供剛性和壽命。保持環130可具有多個漿料釋放槽 244(圖2中所示)。保持環130可另外具有一或更多個排水口120。排水口 120和漿料釋放槽244允許在承載頭150和保持環130中截留的漿料被沖洗掉。通過排水口120噴灑去離子水以清除附著于保持環130和柔性膜140的顆粒，有利地防止顆粒被再引入到拋光表面180上，顆粒的此再引入可能在拋光期間導致刮傷或以其他方式損壞基板。

承載頭150的保持環130在基板135的拋光期間接觸拋光表面180和拋光液191。化學品輸送系統190在拋光期間將拋光液191輸送至拋光表面180和基板135。保持環130中的漿料釋放槽244和排水口120促進輸送拋光液191 和所夾帶的拋光碎屑穿過保持環130且遠離基板135。保持環130可以以保護某些材料(比如金屬)，包括保持環130免受拋光液191的影響的方式形成，從而延長保持環130的壽命且減少潛在的工藝污染源。

圖2是承載頭150和保持環130的一部分的截面圖。間隙222可形成在保持環130和承載頭150的主體125的支撐結構214之間。間隙222允許支撐結構214在垂直方向上獨立于保持環130移動。空隙220也可存在于支撐結構和保持環130之間。當拋光基板135時，拋光液(即漿料)和懸浮在拋光液中的顆粒可能進入空隙220和間隙222。懸浮固體(顆粒)可能附著于空隙220和間隙222中的承載頭150。如果沒有去除顆粒，那么夾帶在承載頭150中的顆粒可能在拋光期間移出且損壞基板135。

保持環130可以是環形，具有與圖1中所示的中心線111重合的中心線。保持環130也可包括底表面210、內徑側壁254和外徑側壁252。內徑側壁254 具有被設定尺寸以接收基板135的內半徑。保持環130的內徑側壁254通過間隙222和空隙220與支撐結構214分離。

保持環130可由主體202組成，主體202由兩個或更多個部分形成。主體202的部分可包括一或更多個部件，所述部件裝配在一起以形成主體202的環形。在一個實施方式中，保持環130的主體202由兩個環形部分形成。例如，保持環130可具有附接至剛性部分284的聚合物部分280。在另一實施方式中，保持環130可由多于2個部分形成。例如，剛性部分284可由固持在一起或被聚合物部分280封裝的多個分離部分形成。

保持環130的剛性部分284可被結合至保持環130的聚合物部分280。在一個實施方式中，剛性部分284由聚合物部分280完全封裝以便保護剛性部分 284。此布置可通過模塑或通過附加的制造完成。在另一實施方式中，剛性部分284由聚合物部分280部分地封裝，以便暴露剛性部分284的一部分以供檢查。

剛性部分284可以由不銹鋼、鋁、鉬、或其他金屬或合金、或陶器或陶瓷填充的聚合物塑料、或這些或其他適合材料的組合形成。在一個實例中，主體 202的剛性部分284可由諸如不銹鋼(SST)之類的金屬形成。聚合物部分280 可由塑料材料制成，所述塑料材料比如聚苯硫醚(polyphenylene sulfide；PPS)、聚萘二甲酸丁二醇酯(polybutylene naphthalate；PBN)、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚醚醚酮、聚對苯二甲酸丁二醇酯、TX、PEEK、PET、或這些和/或其他適合材料的組合。在一個實例中，主體202的聚合物部分280由塑料材料制成以形成接觸墊 175和基板135的磨損表面，而剛性部分284由SST形成以向聚合物部分280 提供剛性。

聚合物部分280可另外地或替代地形成有疏水材料或涂層，所述疏水材料或涂層耐受與工藝流體的化學相互作用，所述疏水材料或涂層比如為基于用于處理CMP系統100中的基板135的拋光液的化學性質而選擇的聚合物材料。所述聚合物材料可以是含碳材料，比如聚對二甲苯(parylene (polyparaxylylene))；或其他含碳材料，比如PEEK(聚醚醚酮)和類金剛石碳 (diamond-like carbon；DLC)。關于圖5A和圖5B更加詳細地論述涂層。

繼續參看圖2且如上文簡要地論述，主體202可包括形成在底表面210 中的漿料釋放槽244。漿料釋放槽244從內徑側壁254延伸到外徑側壁252。在旋轉保持環130時，由于墊175和承載頭150的旋轉，拋光液191和任何夾帶的拋光碎屑(比如通過拋光從基板135去除的材料)傾向于移動穿過漿料釋放槽244。

排水口120可形成在主體202的任何部分中。排水口120具有第一中心線 290，所述第一中心線可大體上垂直于承載頭150的中心線111(且因此，實質上垂直于保持環130的中心線)。排水口120為指向保持環130的外徑側壁 252的清洗液(即去離子水164)提供路徑，以使清洗液穿過保持環130的主體202而進入界定在承載頭150之內的空隙220和間隙222。排水口120被定尺寸以提供足以去除所夾帶的拋光碎屑的清洗液的流動，所述夾帶的拋光碎屑可能已被截留在承載頭150的空隙220和間隙222中。排水口120可被定向以使得第一中心線290平行于拋光墊175的頂部拋光表面180。或者，排水口120 可以縱向角292傾斜以使得第一中心線290被旋轉至第二中心線293的位置，且排水口120從外徑側壁252向上成角度。排水口120相對于第一中心線290 (或水平線)的縱向角292可以是約大于-80度且小于約80度，比如+/-30度。

排水口120的數目和配置可被配置和/或取決于工藝條件。例如，保持環 130可具有多達18個或更多個間隔開的排水口120，以允許附著于承載頭150 的固體被沖洗掉且離開承載頭150。排水口120可圍繞保持環130相等地或以其他方式間隔開，以確保可用清洗液沖洗承載頭150的空隙220和間隙222 的所有表面。排水口120也可以小的組形成，比如四個或五個排水口120的組；且這些組可被間隔開以提供用于緊固件或其他部件的空間，比如如下文進一步論述的圖4A至圖6A中所示的剛性部分284的部分。

圖3是保持環130的俯視圖。保持環130可具有中心302。保持環130具有頂表面312。頂表面312可具有一或更多個安裝特征310。安裝特征310可延伸至主體202的聚合物部分280中。或者，安裝特征310可延伸至主體202 的剛性部分284中。安裝特征310可以是適合于將保持環130附接于致動器 132的孔、耳片或其他特征。保持環130具有與中心302徑向對準的截面X-X。

圖4A至圖6B示出通過截面X-X獲得的耐腐蝕保持環130的不同實施方式。在圖4A至圖6B中所示的一或更多個實施方式中，聚合物部分280由塑料材料形成且剛性部分284由金屬形成，比如不銹鋼。有利地，聚合物部分 280的材料保護剛性部分284不受流經保持環130的排水口120的腐蝕性流體的影響，以便提升保持環130的壽命。同時，剛性部分284的材料為保持環 130提供結構剛性。

圖4A和圖4B是示出耐腐蝕保持環130的一個實施方式的截面圖。保持環130被暴露于工作流體且具有將流體引導穿過保持環130的排水口120和漿料釋放槽244。圖4A和圖4B示出保持環130的一個實施方式，所述保持環 130具有由聚合物部分280封裝的剛性部分284和穿過聚合物部分280設置的排水口120。即，剛性部分284完全被聚合物部分280包圍和圍繞。

剛性部分284具有頂表面414和底表面416。底表面416可具有輪廓480。輪廓480可以是不規則的或規則的，比如波形。輪廓480可具有將聚合物部分280延伸至剛性部分284的底表面416中的凸起部分481。輪廓480可具有形成正方形、正弦曲線或其他形狀圖案的凸起部分481。在一個實施方式中，剛性部分284的底表面416具有在輪廓480中的大體上矩形的凸起部分481。有利地，延伸至剛性部分284的底表面416中的聚合物部分280的凸起部分481 提供容納穿過聚合物部分280形成的排水口120的空間。因此，排水口120 與剛性部分284隔離，且因此流經排水口120的化學品及其他物質無法接觸保持環130的剛性部分284。

輪廓480可具有周期486。周期486是相鄰凸起部分481的起點之間的距離的量度。周期486可以是短的，其中相鄰凸起部分481靠得很近。或者，周期486可以是長的，其中相鄰凸起部分481被進一步分開。周期486可以是規則的且因此沿著剛性部分284的整個底表面416以大體上類似的間隔出現。規則周期486可以指示具有規則波形的輪廓480。或者，周期486可變化以調節排水口120或排水口120組的放置。

凸起部分481可由寬度484分離。寬度484可被配置成允許在凸起部分 481之間形成一或更多個排水口120。在一個實施方式中，寬度484被配置成用于形成一個排水口120。在另一實施方式中，所述寬度被配置成用于形成兩個或更多個排水口120，比如四個排水口120。在一些實施方式中，聚合物部分280的凸起部分481的寬度484在尺寸上大體相似。在其他實施方式中，聚合物部分280的凸起部分481的寬度484可具有不同的尺寸。例如，凸起部分 481可各自容納不同數目的排水口120，比如在保持環130的一個位置中容納一個排水口120，而在保持環130的另一位置中容納兩個排水口120。

剛性部分284可選擇性地具有用于安裝特征310的接收器410。接收器410 被示出為孔，但可替代地為螺釘、銷釘或其他外部凸出的特征。接收器410 可被螺紋化或具有允許緊固件將保持環130附接于承載頭150的另一特征。有利地，相較于接收器形成在聚合物部分280的較軟材料中，形成在剛性部分 284的材料中的接收器410提供了用于將保持環130附接于承載頭150的更強的固定點。

有利地，剛性部分284可由諸如SST之類的剛性材料形成，且可由聚合物部分280的塑料保護材料完全封裝。剛性部分284的底表面416中的凸起部分481允許在保持環130中形成排水口120，而不將剛性部分284暴露于腐蝕性工作流體。因此，保持環130的壽命被延長超過其中剛性部分284被暴露于腐蝕性工作流體的傳統保持環。

圖5A和圖5B是示出耐腐蝕保持環130的另一實施方式的截面圖。保持環130被暴露于工作流體且具有將流體引導穿過保持環130的排水口120和漿料釋放槽244。圖5A和圖5B示出保持環130的一個實施方式，所述保持環具有由聚合物部分280封裝的剛性部分284和穿過聚合物部分280和剛性部分 284設置的排水口120。

剛性部分284具有頂表面414和底表面516。頂表面414和底表面516可大體上平行于保持環130的頂表面312。剛性部分284可具有穿過所述剛性部分設置的孔520。聚合物部分280可具有大體上與剛性部分284中的孔520對準的孔522。排水口120從內徑側壁254貫穿孔520、522至外徑側壁252。

排水口120可穿過聚合物部分280和剛性部分284形成。涂層526可被設置在孔520、522上，且特別地，孔520將剛性部分284暴露于排水口120。涂層526將排水口120的通道加襯以防止流經所述通道的流體與保持環130 的剛性部分284接觸。涂層526可由諸如含碳材料之類的聚合物材料形成。含碳材料可包括聚對二甲苯(parylene(polyparaxylylene))，例如氯化線性聚對二甲苯(Parylene C(chlorinated linear polyparaxylylene))、線性聚對二甲苯(Parylene N)、和交聯聚對二甲苯(Parylene X)。可被使用的其他含碳材料包括PEEK(聚醚醚酮)和類金剛石碳(DLC)。涂層526保護剛性部分284避免由于化學物質流經排水口120而腐蝕。

可比如在用于形成保持環130的印刷工藝期間在附加的制造操作中施加涂層526。或者，涂層526可通過噴涂、浸漬或其它適當方法施加。在另一替代方式中，涂層526可以是聚合物部分280的整體和連續部分。例如，涂層526可以二次成型工藝形成，其中剛性部分284使用聚合物部分280二次成型。有利地，涂層526保護剛性部分284免受流經排水口120的化學物質的影響，且防止流體侵蝕和劣化剛性部分284。因此，涂層526延長保持環130的使用壽命。

圖6A和圖6B是示出耐腐蝕保持環130的又一實施方式的截面圖。保持環130被暴露于工作流體且具有排水口120和漿料釋放槽244，所述排水口和漿料釋放槽引導流體從內徑側壁254穿過保持環130到外徑側壁252。圖6A 和圖6B示出保持環130的一個實施方式，其中剛性部分284由聚合物部分280 部分地封裝且排水口120穿過聚合物部分280而設置。

剛性部分284具有頂表面612和底表面616。底表面616可具有類似于關于圖4所述的輪廓的輪廓680。輪廓680可具有凸起部分681，所述凸起部分從聚合物部分280延伸且延伸到剛性部分284的底表面616中。凸起部分681 可以是矩形、半圓形、或其他適合形狀。在一個實施方式中，剛性部分284 的底表面616具有形成輪廓680的大體上半圓形凸起部分681。有利地，延伸至剛性部分284的底表面616中的聚合物部分280的凸起部分681提供用于形成排水口120的空間，所述排水口穿過無排水口120的聚合物部分280形成，從而防止剛性部分284被暴露于流經排水口120的化學品。

輪廓680的凸起部分681可具有周期686。周期686可如上文所論述是規則或不規則的以調節排水口120的放置。凸起部分681可被配置成允許在每個凸起部分681中形成一或更多個排水口120。在一個實施方式中，凸起部分681 被配置成用于形成一個排水口120。在另一實施方式中，凸起部分681被配置成用于形成兩個或更多個排水口120，比如三個排水口120。在一些實施方式中，剛性部分284的凸起部分681在尺寸上大體類似于相鄰凸起部分681。在其他實施方式中，剛性部分284的凸起部分481可具有不同的尺寸。

剛性部分284的頂表面612可與保持環130的頂表面312重合。頂表面 612中的安裝特征310將保持環130固定至承載頭150。聚合物部分280可將剛性部分284的除了頂表面612之外的所有部分封裝。聚合物部分280的側部 690形成開口610，剛性部分284設置在開口610中。剛性部分284可被配置成扣入聚合物部分280的開口610或從開口610中解扣。側部690保護剛性部分284的除了頂表面612之外的所有部分免于暴露于處理化學物質。頂表面612被安裝到承載頭150且承載頭150實質上保護剛性部分284的頂表面612 免于暴露于處理化學物質。有利地，使剛性部分284的頂表面612暴露于保持環130中允許容易組裝和獨立替換保持環130的聚合物部分280和/或剛性部分284。

雖然上述內容是針對本實用新型的實施方式，但是可在不背離本實用新型的基本范圍的情況下設計本實用新型的其他和進一步的實施方式。