专利名称：在研磨期间用于温度控制的设备及方法
技术领域：
本发明的实施例大致上涉及用于研磨半导体基材的设备与方法。更特别地，本发明的实施例提供当研磨半导体基材时用于温度控制的设备与方法，以改善均匀性。
背景技术：
在制造半导体元件的期间，在形成后续 层以前，各种诸如氧化物和铜的层需要平坦化，以移除步骤或起伏。典型地，使用诸如化学机械研磨(CMP)与电化学机械研磨(ECMP)的制程来机械地、化学地及/或电气地执行平坦化。典型地，化学机械研磨包括机械地擦磨在浆料中的基材，浆料含有化学反应试剂。在化学机械研磨期间，浆料被输送到研磨垫上，并且基材通常藉由载具头被压抵研磨垫。载具头也可使基材相对于研磨垫旋转且移动。由于载具头与研磨垫之间的运动以及浆料中的化学试剂，非平坦基材表面可由化学机械研磨来平坦化。然而，CMP制程的各种因素会导致非均匀性，非均匀性在基材表面上造成非平坦人エ缺陷(non-planar artifact)。例如,在处理期间，基材上的不同区域可能相对于研磨垫具有不同速度与对于浆料的不同接取性(accessibility)，这造成了基材的不同区域内的温度变化。基材表面温度是影响移除速率的其中一因素。所以，基材内的温度变化会导致基材内的非均匀性(诸如非平坦表面)。例如，图I绘示具有非均匀性的习知技艺研磨結果。图I中的图10是基材在研磨以后的轮廓。X轴代表和基材中心相隔的距离，并且y轴代表基材厚度。如曲线11所示，靠近基材的边缘处存在有凸块12、13。所以，亟需用于改善研磨中均匀性的设备与方法。
发明内容
本发明大致上涉及用于研磨半导体基材的设备与方法。特别地，本发明的实施例提供用于改善均匀性的设备与方法。一实施例提供ー种基材载具头，该基材载具头包含基底板与挠性薄膜，挠性薄膜耦接到基底板。挠性薄膜的外表面提供基材接收表面，及挠性薄膜的内表面与基底板界定复数个腔室，以提供可独立调整的压カ到相应的该基材接收表面的复数个区域。基材载具头更包含边缘加热器，该边缘加热器设置在复数个腔室的第一腔室中，该第一腔室相应于该基材接收表面的一周围区域。另ー实施例提供一种用于研磨基材的设备，该设备包含平台，该平台可绕着中心轴旋转；研磨垫，该研磨垫设置在该平台上；及基材载具头，该基材载具头设以在处理期间固持基材且将该基材压抵该研磨垫。基材载具头包含基底板与挠性薄膜，挠性薄膜耦接到基底板。挠性薄膜的外表面提供基材接收表面及挠性薄膜的内表面与基底板界定复数个腔室，以提供可独立调整的压カ到相应的基材接收表面的复数个区域。基材载具头更包含边缘加热器，该边缘加热器设置在该复数个腔室的第一腔室中，该第一腔室相应于该基材接收表面的一周围区域。又另ー实施例提供ー种用于处理基材的方法，该方法包含装设基材于基材载具头上；旋转研磨垫；及使用基材载具头与研磨垫来研磨基材。研磨基材的步骤包含下列步骤当使用基材载具头而将基材压抵研磨垫时，相对于旋转的研磨垫而移动基材；及加热基材的ー边缘区域。
可藉由參考本发明的实施例来详细暸解本发明的上述特征，本发明的说明简短地在前面概述过，其中该些实施例在附图中示出。但是应注意的是，附图仅示出本发明的典型实施例，因此典型实施例不应被视为会对本发明范畴构成限制，因为本发明可允许其他等效实施例。图I为ー图，该图显示具有非均匀性的习知技艺研磨結果。
图2为根据本发明的一实施例的基材载具头的概要截面侧视图。图3为图2的基材载具头的概要俯视图。图4为用在本发明的实施例的加热器的透视图。图5为根据本发明的一实施例的研磨站的截面侧视图。图6为图5的研磨站的平面图。为促进了解，在可能时使用相同的元件符号来表示该等图式共有的相同元件。应了解，一实施例的元件可有利地并入到其他实施例而不需特别详述。
具体实施例方式本发明的实施例大致上涉及用于研磨半导体基材的设备与方法。特别地，本发明的实施例涉及用于改善均匀性的设备与方法。本发明的实施例提供加热机构或冷却机构或偏压加热机构，加热机构设以在研磨期间施加热能到基材的周围，冷却机构设以在研磨期间冷却基材的中心区域，偏压加热机构设以在给定的研磨垫半径上产生温度阶梯差异。本发明的一实施例提供基材载具头，基材载具头具有加热器与冷却机构，加热器设置在靠近基材载具头的边缘区域处，冷却机构设置在靠近基材载具头的中心区域处。在另ー实施例中，基材载具头包含固持环，固持环耦接到固持环加热器。本发明的另ー实施例包含圆点加热器，圆点加热器设以加热研磨垫的一区域。本发明的实施例包含加热或冷却被研磨的基材的一部分，以改善研磨均匀性。可适于受益自本发明的清洁模组的实施例是REFLEXION 、REFLEXION LK 与REFLEXION GT ,上述皆可从美国加州的圣大
克劳拉市(Santa Clara)的应用材料公司(Applied Materials, Inc.)获得。本发明的优点包括减少在研磨期间由中心热-边缘冷温度轮廓所造成的基材上非均匀移除率。本发明的实施例也可用以解决由薄膜的不同区块之间的压カ差异所造成的S形状的非均匀移除轮廓，其中薄膜在研磨期间会压抵基材。本发明的实施例可用在诸如铜的金属的化学机械研磨以及诸如预金属介电层的介电层的化学机械研磨。
图2为根据本发明的一实施例的基材载具头101的概要截面侧视图。基材载具头101大致上设以传送基材103且在研磨期间固持基材103使基材103抵靠研磨垫(未示出)。在研磨期间，基材载具头101设以将向下压カ分布在基材103的背表面。基材载具头101大致上包含壳体112，壳体112以可移动的方式耦接到基底组件114。负载腔室129形成在壳体112与基底组件114之间。壳体112的形状为大致上圆形，并且壳体112可连接到驱动轴(未示出)以在研磨期间和驱动轴一起旋转及/或横扫。垂直孔121可形成穿过壳体112，以容许基体组件114的相对运动。基底组件114包含坚硬基底板127，平衡杆122从坚硬基底组件127延伸且松弛地垂直滑过壳体112的垂直孔121。基底组件114是位在壳体112下方的可垂直移 动的组件。环形滚动隔膜120将壳体112可挠地连接到坚硬基底板127。平衡杆122与环形滚动隔膜120可容许基底组件114相对于壳体112垂直地移动。环形滚动隔膜120可弯曲，以允许基底组件114相对于壳体112枢转，使得基材103可維持成和研磨垫的研磨表面为实质上平行。负载腔室129是由壳体112、环形滚动隔膜120与坚硬基底板127来界定。负载腔室129用以施加负载(诸如向下压カ或重量)到基底组件114。基底组件114相对于研磨垫的垂直位置也由负载腔室129来控制。基底组件114更包含固持环111。固持环111可以是经由适配件137被固定在坚硬基底板127的外缘处的大致环形环。固持环111设以避免在研磨期间基材103滑动远离基材载具头101。固持环111的底表面Illa可以是实质上平坦的，或固持环111的底表面Illa可具有复数个通道以促进研磨组成从固持环111外侧到基材的传送。挠性薄膜133大致上被夹持在基底组件114的坚硬基底板127的底侧上。在ー实施例中，挠性薄膜133与坚硬基底板127可形成多个腔室，例如腔室126、180、182、184。腔室126、180、182可在挠性薄膜133与基材103的背侧之间施加压カ或产生真空，以嵌合基材103。在一实施例中，挠性薄膜133包含分隔件133a，分隔件133a设以可密封地耦接到接附点139，接附点139从坚硬基底板127且从多个腔室126、180、182延伸。腔室126、180、182、184连接到流体源，并且腔室126、180、182、184可被充胀与泄缩以固定基材103、释放基材103与施加压カ到基材103。在一实施例中，单一通道可连接到各个腔室126、180、182、184，可经由单一通道藉由将流体(诸如气体或水)流动到各个腔室126、180、182、184将各个腔室充胀，且可经由单一通道藉由使流体从各个腔室126、180、182、184流出将各个腔室泄缩。如图2所示，各个腔室126、180、182各自经由通道125、181、183连接到流体源。在一实施例中，腔室126、180、182、184(图3中未示出)是以同心的方式来配置，如图3所示。尽管描述成使基材载具头101中具有四个同心腔室，具有更少或更多同心腔室或具有复数个以非同心图案来配置的腔室的基材载具头是被包含在本发明的实施例中。在一实施例中，一或多个腔室126、180、182可具有分离的流体进入与排放通道，例如一或多个用以使流体流动到腔室内的进入通道以及ー或多个用以使流体从腔室排出的排放通道。在处理期间，恒定的流体流量系流动通过腔室，以提供热交换且维持腔室中所需要的压力。
在一实施例中，中心腔室126经由进入通道124与复数个排放通道125连接到温度与压カ控制単元187。温度与压カ控制単元187包含流体源185，流体源185连接到热交换装置186。热交换装置186可包含加热器与冷却元件。在研磨期间，流体(例如惰性气体或水)经由热交换装置186从流体源185被泵送到腔室126，其中该流体被加热或被冷却到期望的温度。腔室126中经加热或冷却的流体是作用成热交换流体，以维持基材103的一部分相应于腔室126的温度。流动到腔室126的流体流也提供研磨制程所需要的压カ到基材。可藉由调整朝向腔室126的流体的流速来改变此压力。在一实施例中，如图3所示，腔室126具有一进入通道124与复数个排放通道125，进入通道124设置在靠近腔室126的中心处，排放通道 125均匀地分布在腔室126的外部区域中以能够从中心到边缘实质上均匀地分布流体流。为了将腔室126充胀且施加压カ抵靠基材103，流体流(诸如空气、氮气或水)经由进入通道124被供应到腔室126。流体流从进入通道124向外径向地行进到该复数个排放通道125且离开腔室126。可藉由维持或调整流体的流速来維持或调整腔室126中的压力。为了将腔室126泄缩，流体流会从进入通道124停止，并且可主动地使用真空泵或被动地不使用真空泵将腔室126从该复数个排放通道125泄缩。在一实施例中，温度与压カ控制单元187设以在处理期间提供冷却流体到基材载具头101的中心区域中的一或多个腔室(诸如腔室126)，以冷却基材103的中心区域。基材载具头101更包含边缘加热器116，边缘加热器116设置在靠近挠性薄膜133的边缘区域处且设以在处理期间加热基材的边缘区域。在一实施例中，边缘加热器116是环形膜加热器且接附到外腔室(诸如腔室182)中的挠性薄膜133的内表面。边缘加热器116可以是任何小到足以嵌设在空间中且具有抗腐蚀性的加热器。图4绘示边缘加热器116的透视图的ー实施例。边缘加热器116包含上膜116a、下膜116b与加热构件116c，加热构件116c设置在上膜116a与下膜116b之间。加热构件116c可以是经蚀刻的箔或导线束缚的构件。上膜116a与下膜116b可以是聚酰亚胺膜(诸如来自DuPont的K ΑΡΤ Ν )，此聚酰亚胺膜在大范围的温度内維持稳定。返回图2，基材载具头101更包含固持环加热器117，固持环加热器117设以在处理期间加热固持环111。在一实施例中，固持环加热器117可以是类似图4的边缘加热器116的环形膜加热器，并且固持环加热器117设置在固持环111与适配件137之间。在另ー实施例中，固持环加热器117可以是被嵌设在固持环111或适配件137中的加热构件。藉由提供冷却给中心腔室126及/或提供加热给边缘腔室182和固持环111，基材载具头101可在研磨期间有效地补偿基材的中心区域与边缘区域之间的温度差异且改善均匀性。可以分离或结合的方式使用边缘加热器116、固持环加热器117与腔室126中的冷却流体。本发明的实施例更包含用于在研磨期间圆点加热研磨垫的设备与方法，以补偿基材的中心区域与边缘区域之间的温度差异。图5为根据本发明的一实施例的研磨站100的截面侧视图。图6为图5的研磨站100的平面图。研磨站100大致上包含可旋转平台151与基材载具头101，研磨垫152被放置在可旋转平台151上，基材载具头101可移动地设置在研磨垫152上方。研磨站100可以是具有基材载具头101与平台151的独立装置。研磨站100也可以设置在一系统上，该系统具有多个平台与多个在该多个平台之间循环的载具基材头。大致上，可旋转平台151与研磨垫152大于被处理的基材103，以能致使均匀的处理及/或容许同时被处理的多个基材。例如，若基材103是8英吋(200mm)直径的碟片，平台151与研磨垫152的直径可为约20英吋。若基材103是12英吋(300mm)直径的碟片，平台151与研磨垫152的直径可为约30英吋。在一实施例中，平台151是可旋转铝或不锈钢板，不锈钢驱动轴155将平台151连接到一平台驱动马达(未示出)。对于大部分的研磨制程，平台驱动马达以约30至约200RPM(每分钟转数)的速度将平台151绕着中心轴156旋转，尽管可使用更低或更高的旋转速度。研磨垫152具有粗糙化研磨表面152a，粗糙化研磨表面152a设以利用化学机械研磨(CMP)方法或电化学机械研磨(ECMP)方法来研磨基材103。在一实施例中，研磨垫152可藉由压力敏感粘着层接附到平台151。研磨垫152通常是可消耗的且可被更换。在ー实 施例中，平台151可被替换成具有带垫的研磨结构，其中该带垫是由CMP或ECMP材料制成。研磨站100更包含研磨组成供应管153，研磨组成供应管153设以提供足够的研磨溶液(或浆料)154来覆盖且润湿整个研磨垫152。研磨溶液154大致上含有用于氧化物研磨的反应试剂(例如去离子水)、用于氧化物研磨的磨蚀微粒(例如ニ氧化硅)与用于氧化物研磨的化学反应催化剂(例如氢氧化钾)。研磨站100可更包含垫调节器159，垫调节器159设以维持研磨垫152的状态，以致研磨垫152能够有效地研磨任何被压抵研磨垫152的基材。在一实施例中，垫调节器159可包含可旋转臂166，其中可旋转臂166系固持住独立旋转的调节器头167与相关的冲洗盆162。研磨站100更包含圆点加热器157，圆点加热器157设以将热能引导朝向研磨垫152上的目标圆点158。当研磨垫152绕着中心轴156旋转吋，圆点加热器157可加热研磨垫152的带161。在一实施例中，在研磨期间，带161与一区域重迭，其中该区域是基材103的边缘会接触研磨垫152之处。在一实施例中，圆点加热器157可包括辐射能来源(诸如灯163)与聚焦反射件164，聚焦反射件164设以将来自灯163的辐射能反射且聚焦到目标圆点158。在处理期间，在和中心轴156相隔的距离160处，基材103的边缘区域可接触研磨垫152，以覆盖该带161。圆点加热器157可定位在带161上方的任何位置处。在一实施例中，圆点加热器157设置在研磨垫152上方，以在基材载具头101的直接上游处将热能引导到目标圆点158，如图6所示。此组态可容许研磨垫152的区域在被圆点加热器157加热后，研磨垫152的区域于基材载具头101下方立即地旋转。圆点加热器157的效率是藉由将圆点加热器157定位在基材载具头101的直接上游处来改善，这是因为被加热的区域具有对于环境和研磨浆料的短暴露。在一实施例中，在研磨以前，研磨垫152旋转长达ー时段时，圆点加热器157可被开启以预热该带161,其中该带161在研磨期间接触基材103的边缘区域。在一替代性实施例中，圆点加热器157也可是环形薄膜加热器且设置在研磨垫152下方，以加热该带161。研磨站100可更包含控制器190。在研磨期间，控制器190可控制与调整圆点加热器157、固持环加热器117、边缘加热器116或温度与压カ控制単元187，以获得均匀性。
在一实施例中，控制器190可耦接到温度感应器168 (诸如热电偶)，该些感应器168用来测量基材103在不同半径处的温度或和基材103接触的研磨垫152的温度。控制器190可根据来自该些温度感应器的温度測量值而调整圆点加热器157、固持环加热器117、边缘加热器116或温度与压カ控制单元187。在一实施例中，控制器190可产生基材在处理期间的原位热图像，并且使用此基材的原位热图像来执行即时温度控制。控制器190也可被设定用以个别地、同时地或以各种组合来致动圆点加热器157、固持环加热器117、边缘加热器116、温度与压カ控制単元187，而达成处理目的。本发明的温度控制机构(诸如圆点加热器157、固持环加热器117、边缘加热器116及温度与压カ控制単元187)可提供基材或研磨垫内的空间温度控制。若基材、基材载具头与研磨垫在研磨以前、在研磨期间及/或在研磨以后被致动，本发明的温度控制机构也可执行基材、基材载具头与研磨垫的过渡温度控制。
尽管上述说明涉及本发明的实施例，可在不悖离本发明的基本范畴下设想出本发明的其他与进ー步实施例，并且本发明的范畴是由随附的权利要求来決定。
权利要求
1.一种基材载具头，该基材载具头包含 一基底板； ー挠性薄膜，该挠性薄膜耦接到该基底板，其中该挠性薄膜的一外表面提供一基材接收表面，及该挠性薄膜的一内表面与该基底板界定复数个腔室，以提供可独立调整的压カ到相应的该基材接收表面的复数个区域；及 ー边缘加热器，该边缘加热器设置在该复数个腔室的一第一腔室中，该第一腔室相应于该基材接收表面的一周围区域，其中该复数个腔室是以同心的方式来配置，并且该第一腔室具有环形的形状且位在该复数个腔室的最外侧处。
2.如权利要求I所述的基材载具头，该基材载具头更包含一冷却単元，该冷却单元连接到该复数个腔室的一第二腔室，该第二腔室相应于该基材接收表面的一中心区域，其中该第二腔室具有环形的形状且位在该复数个腔室的最内侧处。
3.如权利要求2所述的基材载具头，其中该边缘加热器为ー环形加热器，并且该边缘加热器在该第一腔室中接附到该挠性薄膜的内表面。
4.如权利要求3所述的基材载具头，其中该边缘加热器为一膜加热器，该膜加热器包含 一上膜，该上膜由聚酰亚胺制成； 一下膜，该下膜由聚酰亚胺制成；及 一加热构件，该加热构件设置在该上膜与该下膜之间。
5.如权利要求3所述的基材载具头，其中该加热构件为一经蚀刻的箔。
6.如权利要求2所述的基材载具头，其中该冷却单元经由ー进入开孔与复数个排放开孔连接到该第二腔室，该进入开孔位在靠近该第二腔室的中心处，该复数个排放开孔均匀地被分布在靠近该第二腔室的边缘区域处。
7.如权利要求6所述的基材载具头，其中该冷却単元包含 一流体源，该流体源连接到该第二腔室的该进入开孔，该流体源用以供应一流体流到该第二腔室；及 一热交换単元，该热交换单元设以冷却该流体流到一期望的温度。
8.如权利要求6所述的基材载具头，其中该冷却単元包含一流体源，该流体源连接到该第二腔室的该进入开孔，并且可藉由提供一热交换流体的流动到该第二腔室且停止该热交換流体的流动，使得该冷却単元能各自充胀且泄缩该第二腔室。
9.如权利要求2所述的基材载具头，其中该基材载具头更包含一经加热的固持环组件，该经加热的固持环组件设置在靠近该挠性薄膜的外周围处。
10.如权利要求9所述的基材载具头，其中该经加热的固持环组件包含 一固持环，该固持环接附到该基底板 '及 ー环形膜加热器，该环形膜加热器设置在该固持环与该基底板之间。
11.一种用于研磨一基材的设备，该设备包含 一平台，该平台可绕着一中心轴旋转； 一研磨垫，该研磨垫设置在该平台上；及 一基材载具头，该基材载具头设以在处理期间固持一基材且将该基材压抵该研磨垫，该基材载具头包含一基底板； ー挠性薄膜，该挠性薄膜耦接到该基底板，其中该挠性薄膜的一外表面提供一基材接收表面，及该挠性薄膜的一内表面与该基底板界定复数个腔室，以提供可独立调整的压カ到相应的该基材接收表面的复数个区域；及 ー边缘加热器，该边缘加热器设置在该复数个腔室的一第一腔室中，该第一腔室相应于该基材接收表面的一周围区域。
12.如权利要求11所述的设备，其中该基材载具头更包含一冷却単元，该冷却单元连接到该复数个腔室的一第二腔室，该第二腔室相应于该基材接收表面的一中心区域。
13.如权利要求12所述的设备，其中该设备更包含一圓点加热器，该圆点加热器设以将热能引导朝向该研磨垫上的一目标区域，该目标区域在研磨期间接触该基材的一边缘区域，其中该圆点加热器包含ー加热灯，该加热灯设置在该研磨垫上方。
14.如权利要求13所述的设备，其中该目标区域是位在该基材载具头的直接上游处。
15.如权利要求12所述的设备，其中该基材载具头更包含一经加热的固持环组件，该经 加热的固持环组件设置在靠近该挠性薄膜的外周围处。
16.如权利要求15所述的设备，其中该设备更包含ー控制器，该控制器与一或多个感应器连接，该ー或多个感应器设以测量该基材与该研磨垫的温度，其中该控制器可根据该研磨垫与该基材的温度測量值而调整该圆点加热器、该经加热的固持环组件、该边缘加热器与该冷却单兀。
全文摘要
本发明的实施例涉及用于改善研磨制程的均匀性的设备与方法。本发明的实施例提供加热机构或冷却机构或偏压加热机构，加热机构设以在研磨期间施加热能到基材的周围，冷却机构设以在研磨期间冷却基材的中心区域，偏压加热机构设以在研磨垫的给定半径上产生温度阶梯差异。
文档编号H01L21/304GK102725831SQ201180007435
公开日2012年10月10日 申请日期2011年6月16日 优先权日2010年8月11日
发明者D·M·库萨, G·S·丹达瓦特, H·C·陈, S·C-C·徐 申请人:应用材料公司