專利名稱：兩件式固定環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型一般地涉及襯底的化學(xué)機械拋光，更具體地涉及用于化學(xué)機械拋光的固定環(huán)(retaining ring)。
背景技術(shù)：
集成電路一般通過在硅襯底上有序地沉積導(dǎo)電、半導(dǎo)電或者絕緣的層來形成于襯底之上。其中一個工藝步驟涉及在非平面的表面上沉積填充層，并平面化該填充層直至暴露出所述非平面表面。例如，可以在被圖案化的絕緣層上沉積導(dǎo)電填充層，以填充絕緣層中的溝槽或孔。然后拋光填充層，直至暴露出絕緣層的隆起圖案。平面化之后，留在絕緣層的隆起圖案之間的導(dǎo)電層部分形成通道、插頭(plug)和線(line)，為襯底上的薄膜電路之間提供導(dǎo)電通路。另外，需要平面化來為光刻平面化襯底表面。
化學(xué)機械拋光(CMP)是一種被普遍使用的平面化方法。該平面化方法一般要求襯底被安裝在CMP裝置的托架頭或拋光頭上。襯底的暴露面被抵靠著旋轉(zhuǎn)的拋光盤墊(polishing disk pad)或拋光帶墊(polishing beltpad)放置。拋光墊可以是標準墊或者固定磨料墊中的任一種。標準墊具有耐用粗糙的表面，而固定磨料墊具有固定在保持介質(zhì)中的磨料微粒。托架頭提供了襯底上的可控載荷，以將其壓在拋光墊上。托架頭具有在拋光過程中將襯底固定在適當位置的固定環(huán)。包括至少一種化學(xué)反應(yīng)性試劑，并且如果用的是標準墊則還包括磨料微粒的拋光劑(polishing slurry)被供應(yīng)到拋光墊的表面。
實用新型內(nèi)容一方面，本實用新型提供一種由兩個大致為環(huán)狀的部分構(gòu)成的固定環(huán)。一個部分具有凹陷，而另一個部分具有突起，當兩個部分結(jié)合在一起時，突起伸入凹陷中。突起可具有有著兩個向外傾斜的側(cè)壁的橫截面。
另一方面，本實用新型提供一種固定環(huán)，該固定環(huán)具有大致為環(huán)狀、表面有著一個或多個凹陷的第一部分和大致為環(huán)狀、有著一個或多個突起的第二部分，當?shù)谝缓偷诙糠纸Y(jié)合在一起時，該一個或多個突起伸入第一部分的一個或多個凹陷中。突起具有有著兩個向外傾斜的側(cè)壁。
本實用新型的實現(xiàn)可包括一個或多個下列特征結(jié)構(gòu)。突起的側(cè)壁可以具有10°和70°之間的角度。凹陷的基部可以比凹陷的頸部更寬。突起的幾何結(jié)構(gòu)可與凹陷的幾何結(jié)構(gòu)相似。突起的寬度可小于其對應(yīng)的凹陷的寬度。所述一個或多個凹陷可以是環(huán)狀凹槽、軸向凹槽或者圍繞第二部分以相等的間隔角分布的離散特征結(jié)構(gòu)。兩個環(huán)可以是彼此粘接連結(jié)的，例如，利用環(huán)氧樹脂，或者可以是通過緊固件連接在一起的。第一部分可以在沒有突起的區(qū)域或在突起處與第二部分接觸。兩部分可以各自都具有凹陷和突起。突起具有燕尾形橫截面。
另一方面，本實用新型提供一種固定環(huán)，該固定環(huán)具有大致為環(huán)狀、具有要與拋光墊接觸的底面的第一部分和安裝到第一部分上的、大致為環(huán)狀的第二部分，第二部分具有要被緊固到托架頭上的頂面。第一和第二部分中的一個包括凹穴，而第一和第二部分中的另一個包括伸入該凹穴中的突起。
本實用新型的實現(xiàn)可以具有一個或多個以下優(yōu)點?；ユi結(jié)構(gòu)可以連接固定環(huán)的兩個部件。拋光過程中所產(chǎn)生的側(cè)向載荷可由互鎖結(jié)構(gòu)承載，而不是兩個部件之間的粘接連結(jié)。通過消除粘接連結(jié)處的側(cè)向載荷應(yīng)力，可以減小粘接劑剝離的風(fēng)險。
另一個潛在的優(yōu)點是突起和凹陷能夠增大兩個環(huán)在彼此連接的表面處的表面面積。增大了的表面面積可以等量地增大布有粘接劑的連結(jié)面積，從而可以增強兩個環(huán)之間的粘接力。
本實用新型的另一個潛在的優(yōu)點是特征結(jié)構(gòu)的角度使得在特征結(jié)構(gòu)內(nèi)可以容易地放入材料，同時該角度仍舊能夠構(gòu)成互鎖特征結(jié)構(gòu)。另外，突起能夠足夠厚，足以減小破損的風(fēng)險。如果特征結(jié)構(gòu)彼此直接接觸，則兩個環(huán)可被加工成使得環(huán)之間的粘接層厚度一致。
以下參照附圖和說明書具體說明了本實用新型的一個或多個實施例。本實用新型的其它特征、目的和優(yōu)點在說明書和附圖以及權(quán)利要求中將會清晰體現(xiàn)。


圖1示出了根據(jù)本實用新型的固定環(huán)的局部剖面的立體圖；圖2示出了根據(jù)本實用新型的固定環(huán)的一種實現(xiàn)的橫截面；圖3A示出了固定環(huán)表面上的特征結(jié)構(gòu)布置的一個例子，其中特征結(jié)構(gòu)的形狀為同心圓；圖3B示出了固定環(huán)表面上的特征結(jié)構(gòu)布置的一個例子，其中特征結(jié)構(gòu)為軸向?qū)实陌疾郏粓D3C示出了固定環(huán)表面上的特征結(jié)構(gòu)布置的一個例子，其中特征結(jié)構(gòu)以等距的間隔圍繞環(huán)分布；圖4是互鎖特征結(jié)構(gòu)的突起和凹陷的橫截面示意圖。
相同的標號在不同圖中表示相同的元件。
具體實施方式
如圖1和2所示，固定環(huán)100是可被緊固到CMP設(shè)備的托架頭上的大致為環(huán)狀的環(huán)。在美國專利No.5,738,574中描述了合適的CMP設(shè)備，在美國專利No.6,251,215中描述了合適的托架頭，這里全文引用它們的說明書，作為參考。固定環(huán)在拋光過程中將襯底固定在環(huán)的凹口中。
固定環(huán)可以由兩個環(huán)構(gòu)成，包括一個下環(huán)105和一個上環(huán)110。下環(huán)105具有能使之與拋光墊接觸的下表面107和上表面108。下環(huán)105可由在CMP處理中呈化學(xué)惰性的材料形成，例如聚苯硫醚(PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、碳填充的聚醚醚酮(carbon filled PEEK)、特氟隆填充的聚醚醚酮(Teflonfilled PEEK)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯并咪唑(PBI)、聚醚酰亞胺(PEI)或復(fù)合材料。下環(huán)還應(yīng)該耐用并具有較低的磨損率。另外，下環(huán)應(yīng)該充分可壓縮，使得襯底邊緣抵靠著固定環(huán)的接觸不會導(dǎo)致襯底碎裂或破裂。而另一方面，下環(huán)不應(yīng)太有彈性而使得固定環(huán)上向下的壓力引起下環(huán)擠入襯底接收凹口中。
固定環(huán)的上環(huán)110可由剛性材料形成，例如，如不銹鋼、鉬或鋁的金屬，或者陶瓷，如氧化鋁陶瓷，或者其它典型材料。上環(huán)也可由塑料構(gòu)成，該塑料可以是與下環(huán)相同或者不同的材料。
下環(huán)和上環(huán)一起形成固定環(huán)。當兩個環(huán)結(jié)合時，下環(huán)105的上表面108鄰近上環(huán)110的下表面112安置。兩個環(huán)在內(nèi)徑和外徑上一般具有基本上相同的尺寸，使得當它們結(jié)合時兩個環(huán)在兩者相接處形成齊平的表面。
如圖1所示，上環(huán)110的頂面113一般包括具有螺紋鞘(screwsheath)的孔125，以接收例如螺栓、螺紋件的緊固件或者其它金屬構(gòu)件，用于將固定環(huán)110緊固到托架頭上?？?25可圍繞托架頭被均勻地隔開。另外，可以在上環(huán)110的頂面113上設(shè)置一個或多個對準特征結(jié)構(gòu)，例如孔或突起(未示出)。如果固定環(huán)具有對準孔，那么托架頭可具有當托架頭和固定環(huán)正確對準時與對準小孔配合的對應(yīng)銷釘。
連接上環(huán)和下環(huán)可以通過各種方法實現(xiàn)。連接兩個環(huán)的一種方法是利用兩個環(huán)之間的交界面215中的粘接層。粘接層可以是雙組分慢固化環(huán)氧樹脂(two-part slow-curing epoxy)。慢固化一般指環(huán)氧樹脂需要幾小時到幾天量級的時間來固化。但是，環(huán)氧樹脂的固化周期可以通過升高溫度來縮短。環(huán)氧樹脂可以是Magnobond-6375TM，可以從喬治亞洲查伯利市的Magnolia Plastics公司購買到。或者，環(huán)氧樹脂也可以是快速固化環(huán)氧樹脂。
替代被粘接連接，下環(huán)可以通過例如螺紋件的緊固件或者壓配合被連接到上環(huán)上。但是，粘接層能夠潛在地為環(huán)提供至少一種好處。內(nèi)徑和外徑處的、兩個環(huán)之間的粘接層防止了將漿液截留在固定環(huán)中。在拋光過程中，拋光墊和固定環(huán)之間的摩擦產(chǎn)生一個側(cè)向載荷，該側(cè)向載荷可使底環(huán)歪斜。這種作用能有將下環(huán)從上環(huán)拖開的趨勢，在兩個環(huán)之間產(chǎn)生一個間隙。但是，在上環(huán)和下環(huán)之間有粘接層，該粘接層能夠防止?jié){液進入兩個環(huán)之間的間隙。這可以防止固定環(huán)處的漿液積聚，從而潛在地減少了缺陷。
如圖2所示，兩個環(huán)之間的交界面具有一個或多個互鎖特征結(jié)構(gòu)。該特征結(jié)構(gòu)可包括兩個環(huán)的表面上的凹陷220和突起225。在一種實現(xiàn)中，上環(huán)110的下表面112只具有突起225，而下環(huán)105的上表面108只具有凹陷220。在另一種實現(xiàn)中，突起225在下環(huán)105上，而凹陷220在上環(huán)110中。而在另一種實現(xiàn)中，在兩個環(huán)上都有凹陷220和突起225。
特征結(jié)構(gòu)可設(shè)置在表面108和112上，使得一個環(huán)上的突起裝配進另一個環(huán)的凹陷中。特征結(jié)構(gòu)可具有各種幾何構(gòu)造。例如，特征結(jié)構(gòu)可以是一個或多個環(huán)狀突起或凹槽305a，如圖3A所示?；蛘?，特征結(jié)構(gòu)可以是軸向?qū)实耐黄鸹虬疾?05b，如圖3B所示。另外，特征結(jié)構(gòu)可以是一個或多個離散的突起或凹穴305c。離散的特征結(jié)構(gòu)可以按相等間隔圍繞環(huán)而分布，如圖3C所示，或者隨機或偽隨機地分布于環(huán)上(但是，兩個環(huán)結(jié)合時，頂面和底面上的特征結(jié)構(gòu)相互配合)。另外，離散的特征結(jié)構(gòu)305c可以是各種幾何形狀，例如直線、圓、正方形、三角形或者其它多邊形。
不管特征結(jié)構(gòu)的形狀如何，各個特征結(jié)構(gòu)的橫截面都形成燕尾形的互鎖結(jié)構(gòu)，如圖4所示。即，突起225的頸部的外角a1小于90°，并且突起的頂部410基本上平行于外側(cè)表面415。這樣，突起225的頂部410比該突起的基部420寬。突起225的頂部410和凹陷220的基部455或者可以彼此直接接觸，或者在兩者之間可以有間隙。
凹陷220可具有基本上反映出突起225形狀的幾何結(jié)構(gòu)。所以，凹陷220的基部455和突起的頂部410可彼此大致平行，并且相鄰的突起側(cè)壁460和凹陷側(cè)壁465也可彼此大致平行。凹陷的頸部角度a2也可以與突起的頸部角度a1大致相同。這樣突起225可以具有小于凹陷的開口435的頂部寬度430。
當兩個環(huán)結(jié)合在一起時，突起225裝配在凹陷220中。寬度差440可以是當考慮加工環(huán)的公差時，確保突起225裝配在凹陷220中的盡量小的量。或者凹陷的開口435可以充分寬于突起的頂部寬度430。凹陷深度480可小于突起高度445。
突起的高度445與頂部寬度430的比值一般可小于1。在一種實現(xiàn)中，突起的頂部寬度430是突起的高度445的五倍左右。在一種實現(xiàn)中，突起的高度445約為25密耳(mil)，寬度430約為100密耳，角度a1約為45°粘接區(qū)470可位于兩個環(huán)交界的所有區(qū)域中、僅僅在具有特征結(jié)構(gòu)的表面的區(qū)域中、僅僅在表面不具有特征結(jié)構(gòu)的區(qū)域中、在環(huán)的無特征結(jié)構(gòu)部分和部分特征結(jié)構(gòu)處或者僅僅在部分特征結(jié)構(gòu)處。在一種實現(xiàn)中，兩個環(huán)之間的粘接區(qū)470的厚度450為5密耳左右。該厚度可以根據(jù)用于將兩個環(huán)連結(jié)在一起的粘接材料的類型和該固定環(huán)材料的彈性模數(shù)來選擇。
在一種實現(xiàn)中，突起225的頂部410和凹陷220的基部455彼此直接接觸(基本上沒有任何介入的粘接劑)。這樣，粘接層的厚度450就由突起高度445和凹陷深度480之間的差來確定。由于上環(huán)和下環(huán)能夠以可靠的公差通過加工形成，所以粘接層的厚度450能夠在各固定環(huán)之間確定成一致的。
突起的頸部角度a1可在10°與70°之間。如果角度a1太小，則可能難以正確地涂敷粘接層。如果角度a1太大，則突起225和凹陷220可能缺乏互鎖的能力，就像兩個表面不具有特征結(jié)構(gòu)。
在一種實現(xiàn)中，兩個環(huán)都被加工成在它們各自的頂面108和底面112上具有特征結(jié)構(gòu)。粘接層被涂敷到一個表面上，兩個環(huán)被放置成使得凹陷和突起對準，并且使環(huán)接觸，其中突起的頂部與凹陷的底部咬合。
兩個環(huán)被結(jié)合在一起形成整體的固定環(huán)之后，固定環(huán)被連接到托架頭上。要被拋光的襯底被傳送到環(huán)的凹穴內(nèi)，并且在襯底經(jīng)受相對于拋光墊的運動的時候托架頭向襯底施加載荷。如上面所討論的，固定環(huán)和拋光墊之間的摩擦?xí)诠潭ōh(huán)的兩個部分之間的連結(jié)上產(chǎn)生應(yīng)力。但是，通過包括互鎖結(jié)構(gòu)，可以減小連結(jié)剝離和固定環(huán)失效的風(fēng)險。
環(huán)的表面上的特征結(jié)構(gòu)可以提供至少三種減小剝離的發(fā)生率的機制。第一，有特征結(jié)構(gòu)的環(huán)具有比外表面平坦的環(huán)更大的表面面積。增大了的表面面積增大粘接劑被涂敷到環(huán)上的面積，從而可以產(chǎn)生更強的粘接連結(jié)。第二，特征結(jié)構(gòu)是承擔(dān)載荷的。也就是說，當固定環(huán)被壓在拋光墊上時由固定環(huán)的水平運動產(chǎn)生的側(cè)向載荷能夠通過特征結(jié)構(gòu)傳送，而不是通過粘接劑。第三，互鎖的幾何結(jié)構(gòu)有防止突起滑出凹陷并阻止環(huán)的兩個部件分開的趨勢。
以上說明了本實用新型的若干實施例。但是應(yīng)該理解，在不背離本實用新型的精神和范圍的情況下可以做出各種修改。例如，突起和/或凹陷的頸部在張成燕尾形之前可以以90°與外側(cè)表面相接。相應(yīng)地，凹陷和/或突起的側(cè)壁可以具有不止一個角度。該角度還可以是90°之外的角度。另外，只要兩者能夠互鎖，突起的幾何結(jié)構(gòu)也可以不反映凹陷的幾何結(jié)構(gòu)。相應(yīng)地，其他實施例在本權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種固定環(huán)，具有大致為環(huán)狀的第一部分和大致為環(huán)狀的第二部分，其特征在于所述大致為環(huán)狀的第一部分具有有著一個或多個凹陷的表面；并且所述大致為環(huán)狀的第二部分具有當?shù)谝缓偷诙糠纸Y(jié)合在一起時伸入所述第一部分的一個或多個凹陷中的一個或多個突起，所述突起具有有著兩個向外傾斜的側(cè)壁的橫截面。
2.如權(quán)利要求1所述的固定環(huán)，其中所述兩個側(cè)壁中的至少一個與所述第二部分的表面形成10°和70°之間的頸部角度。
3.如權(quán)利要求2所述的固定環(huán)，其中所述一個或多個凹陷的基部比所述一個或多個凹陷的頸部更寬。
4.如權(quán)利要求3所述的固定環(huán)，其中所述一個或多個凹陷的頸部具有與所述一個或多個隆起的突起的頸部角度基本上相等的頸部角度。
5.如權(quán)利要求1所述的固定環(huán)，其中所述一個或多個隆起的突起的每一個的寬度小于所述一個或多個凹陷的頸部的寬度。
6.如權(quán)利要求1所述的固定環(huán)，其中所述一個或多個凹陷是環(huán)狀凹槽。
7.如權(quán)利要求1所述的固定環(huán)，其中所述一個或多個凹陷是軸向?qū)实陌疾邸?br> 8.如權(quán)利要求1所述的固定環(huán)，其中所述一個或多個隆起的突起以相等的間隔角圍繞所述大致為環(huán)狀的第二部分的表面而分布。
9.如權(quán)利要求1所述的固定環(huán)，還包括所述第一和第二部分之間的連結(jié)區(qū)，和連結(jié)區(qū)內(nèi)的粘接劑。
10.如權(quán)利要求9所述的固定環(huán)，其中所述粘接劑為環(huán)氧樹脂。
11.如權(quán)利要求1所述的固定環(huán)，其中所述第一和第二部分通過一個或多個緊固件連接在一起。
12.如權(quán)利要求1所述的固定環(huán)，其中所述第一部分的表面在所述第一部分沒有隆起的突起的區(qū)域與所述第二部分接觸。
13.如權(quán)利要求1所述的固定環(huán)，其中所述第二部分具有凹陷。
14.如權(quán)利要求1所述的固定環(huán)，還包括所述兩個部分的至少局部之間的連結(jié)區(qū)，其中所述連結(jié)區(qū)厚約5密耳。
15.如權(quán)利要求14所述的固定環(huán)，其中所述一個或多個突起中的至少一個的頂面與所述一個或多個凹陷中的至少一個接觸。
16.一種固定環(huán)，具有大致為環(huán)狀的第一部分和大致為環(huán)狀的第二部分，所述大致為環(huán)狀的第一部分具有要與拋光墊接觸的底面，所述大致為環(huán)狀的第二部分被安裝到所述第一部分上，并且具有要被緊固到托架頭上的頂面，其特征在于所述第一和第二部分中的一個包括凹穴，而第一和第二部分中的另一個包括伸入所述凹穴的突起。
專利摘要提供了一種用于化學(xué)機械拋光的兩件式固定環(huán)。該固定環(huán)由基本上為環(huán)形的兩個部分構(gòu)成。一個部分具有凹陷，而另一部分具有突起，當將兩個部分裝配到一起時，該突起伸入凹陷中。該突起可以具有有著兩個向外傾斜的側(cè)壁的橫截面。拋光過程中所產(chǎn)生的側(cè)向載荷可由互鎖結(jié)構(gòu)承載，因此可以減小粘接劑剝離的風(fēng)險。另一個潛在的優(yōu)點是突起和凹陷能夠增大兩個環(huán)在彼此連接的表面處的表面面積，從而可以增強兩個環(huán)之間的粘接力。特征結(jié)構(gòu)的角度使得在特征結(jié)構(gòu)內(nèi)可以容易地放入材料，同時該角度仍能夠構(gòu)成互鎖特征結(jié)構(gòu)。另外，突起能夠足夠厚，足以減小破損的風(fēng)險。如果特征彼此直接接觸，則兩個環(huán)可被加工成使得環(huán)之間的粘接層厚度一致。
文檔編號H01L21/304GK2841245SQ20032010009
公開日2006年11月29日 申請日期2003年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月30日
發(fā)明者陳志宏, 吳玖勛, 史蒂文·M·祖尼加, 羅伯特·D·托爾斯 申請人:應(yīng)用材料公司