CN101780657B - 能使加载载荷均匀布置在承载器表面的抛光加载装置 - Google Patents

Abstract

一种能使加载载荷均匀布置在承载器表面的抛光加载装置，包括支撑盘(1)，其特征是所述的支撑盘(1)相对于承载器的一面上至少安装有三个加载盘(2)，所述的加载盘(2)的中心均匀布置在离支撑盘(1)中心距离为(1/(1+sin(π/n)))×R的圆周上，式中n为加载盘(2)的数量，R为承载器的半径；所述加载盘(2)的半径为sin(π/n)d，式中d是加载盘(2)的中心到支撑盘(1)的中心的距离；在所述加载盘(2)与承载器相接触的一面上设有硅橡胶垫(3)，在支撑盘(1)的另一面上设有与加载装置相配的凹槽(6)。本发明可以将汽缸压头的集中力载荷转变为均布载荷，在抛光过程中提高材料去除的均匀性，改善工件的平面度值。

Description

能使加载载荷均匀布置在承载器表面的抛光加载装置

技术领域

本发明涉及一种精密加工装置，尤其是抛光加工用加载装置，具体地说是一种能使加载载荷均匀布置在承载器表面的抛光加载装置。

背景技术

众所周知，随着IC制造技术的飞速发展，为了增大IC芯片的产量，降低制造成本，晶圆直径越来越大。硅片直径增大后，特征线宽越来越细，对硅片的平面度提出了更高的要求。通常要求每层的全局平整度不大于特征尺寸的2/3，如对于300mm硅片，则要求在300mm直径范围内的全局平面度小于等于87nm。因此必须寻求一种能够实现全局平坦化的加工技术，而化学机械抛光(CMP)技术可以有效地实现硅片的全局平坦化，已成为超大规模集成电路制造中不可或缺的技术。

要获得硅片表面的全局平坦化，硅片表面必须有均匀一致的材料去除率。由Preston方程可知，在抛光过程中，工件与抛光垫接触区域内的材料去除取决于接触区域的速度场及压强分布。当抛光垫转速和硅片转速相同时，硅片上各点相对线速度相等，此时硅片的去除率主要取决于各处的应力分布。因此，解决抛光区域应力分布的问题成为化学机械抛光中平坦化技术的关键。为了使得抛光区域有均匀一致的材料去除率，工件表面要有均匀一致的应力分布，抛光设备的加载方式显得尤为重要，有必要设计一种加载装置可以使得工件表面的应力分布均匀。

现有抛光机的常用加载方式为汽缸加载，抛光时将汽缸压头直接作用于承载器表面，受汽缸压头集中力的影响，会使得工件各处应力分布不均。加工大尺寸工件时，这种应力分布不均的现象更为明显。为了提高应力分布均匀性，有关抛光设备采用重物加载，该方法有利于应力分布的均匀性，但使得加载操作复杂，加载力的范围也受到限制。

发明内容

本发明的目的是针现有的抛光机直接利用汽缸加载时存在加载力应力集中，影响抛光去除率的一致性的问题，设计一种能与现有的汽缸压头配套使用的加载装置，可以使应力分布均匀，同时又具有汽缸加载操作方便，加载范围广等优点的能使加载载荷均匀布置在承载器表面的抛光加载装置。

本发明的技术方案是：

一种能使加载载荷均匀布置在承载器表面的抛光加载装置，包括支撑盘1，其特征是所述的支撑盘1相对于承载器的一面上至少安装有三个加载盘2，所述的加载盘2的中心均匀布置在离支撑盘1中心距离为(1/(1+sin(π/n)))×R的圆周上，式中n为加载盘2的数量，R为承载器的半径；所述加载盘2的半径为sin(π/n)d，式中d是加载盘2的中心到支撑盘1的中心的距离；在所述加载盘2与承载器相接触的一面上设有硅橡胶垫3，在支撑盘1的另一面上设有与加载装置相配的凹槽6。

所述的凹槽6为球冠状凹槽。

在所述的支撑盘1设有数量与加载盘2相同的减重孔7，所述的减重孔7均布在支撑盘1上并使整个加载装置满足动平衡要求。

所述的加载盘2的一面上设有螺杆，螺杆穿过支撑盘1并通过垫片5及螺母4固定在支撑盘1上。

本发明的有益效果：

1、本发明可以变汽缸压头的集中载荷为均布载荷，使得抛光过程中应力分布均匀，改善工件的平面度值。

2、本发明通过在加载盘底面粘贴一层硅橡胶垫，既实现了加载装置与承载器连接，又保证了力分配的均匀性。该方法简单可行，而且抛光后，加载装置和承载器容易分离。

3、本发明结构小巧，加工工艺简单。利用支撑盘这一结构，从工艺上易于保证加载盘在同一平面上。

4、本发明直接采用与汽缸头相配的球冠状凹槽作为压力传递的接头，可省去常规的止推轴承结构，具有连接结构简单，连接和分开方便，成本低的优点。

附图说明

图1是本发明的抛光加载装置的结构示意图。

图2是本发明的加载盘的结构示意图。

图3是汽缸压头直接加载加工后4英寸硅片表面沿径向的等效应力分布图。

图4是使用本发明的加载装置加工后4英寸硅片表面沿径向的等效应力分布图。

图5是汽缸压头直接加载加工后4英寸硅片抛光后的干涉条纹。

图6是使用本发明的加载装置加工后4英寸硅片抛光后的干涉条纹。

图7是汽缸压头直接加载加工后6英寸硅片表面沿径向的等效应力分布图。

图8是使用本发明的加载装置加工后6英寸硅片表面沿径向的等效应力分布图。

图9是汽缸压头直接加载加工后6英寸硅片抛光后的干涉条纹。

图10是使用本发明的加载装置加工后6英寸硅片抛光后的干涉条纹。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-2所示。

一种能使加载载荷均匀布置在承载器表面的抛光加载装置，它包括支撑盘1(可为薄片圆盘状结构，也可为中厚度的圆盘状结构)，所述的支撑盘1相对于承载器的一面上至少安装有三个加载盘2，最多可为9个加载盘，加载盘2紧邻支撑盘1的一面上设有螺杆(如图2)，螺杆穿过支撑盘1并通过垫片5及螺母4固定在支撑盘1上，如图1所示。加载盘2的中心离支撑盘1中心的距离为(1/(1+sin(π/n)))×R，所有加载盘2均匀布置在离支撑盘1距离为(1/(1+sin(π/n)))×R的圆周上，其中n表示加载盘2的数量，R表示承载器的半径；每个加载盘2的半径为sin(π/n)d，式中d就是前述的加载盘2的中心到支撑盘1的中心的距离即d＝(1/(1+sin(π/n)))×R；在所述加载盘2与承载器相接触的一面上设有硅橡胶垫3，在支撑盘1的另一面上设有与加载装置相配的可为球冠状的凹槽6。为了减轻整个加载装置的重量并使其处于动平衡状态，具体实施时还可在支撑盘1上加以出数量与加载盘2相同的减重孔7，所述的减重孔7应均布在支撑盘1上并使整个加载装置满足动平衡要求。

工作时，将本发明的加载装置放置在承载器表面，汽缸压头压在支撑盘1中心的球形凹槽6中，力通过加载盘2均匀加载到承载器表面，从而达到均匀加压的目的。加载盘2下底面均粘贴着一层硅橡胶垫3，在汽缸的压力作用下，硅橡胶垫3和承载器之间形成了局部真空，使加载装置和承载器有效的连接在一起，在承载器旋转的过程中，加载装置一起旋转；在加载盘2下底面粘贴一层硅橡胶同时还能使每个加载盘都与承载器接触，保证了加载力的均匀分布。

下面是两个根据本发明设计的加载装置与传统加载装置的对比效果。

实例一：

以抛光4英寸硅片，加载盘个数为5个为例，介绍使用该加载装置的有益效果。

对于4英寸的工件，承载器与工件为等面积的，承载器半径R即为50.8mm，根据前述公式，可计算出加载装置的各部分尺寸为：加载盘2半径取27.5mm，加载盘2离中心的距离取32.7mm。

首先，在ansys中建模，对比使用加载装置前后的工件表面的等效应力分布，不使用加载装置时，工件沿径向的等效应力分布如附图3所示。使用该加载装置后，工件沿径向的等效应力分布如附图4所示。可以看出单压头加载时，工件表面应力分布不均匀，力从中心到边缘逐渐变小；而使用该加载装置后，工件表面应力分布趋于均匀。

接着，通过抛光实验来检验加载装置对工件平面度的影响。抛光后用激光干涉仪检测工件的平面度，使用的是OSI-150TP型激光平面干涉仪，干涉仪上所显示的干涉条纹范围越大，越为清晰表明平面度较好。

在压强P＝0.05MPa，主轴转速ω＝150r/min，偏心距e＝70mm，抛光时间t＝10min的实验条件下，进行一组对比实验：分别使用和不使用所设计的加载装置抛光。抛光后，在激光干涉仪上检测的干涉条纹如附图5和6所示。对比图5和图6可以看出：抛光时使用所设计的加载装置时，出现的干涉条纹范围更大，也更为规则清晰。可见使用该加载装置提高了应力分布的均匀性，改善了工件的平面度。

实例二。

以抛光6英寸硅片，加载盘个数为5个为例，介绍使用该加载装置的效果。

对于6英寸的工件，承载器的半径R为76.2mm，加载装置的各部分尺寸为：加载盘盘半径取26mm：加载盘距离中心的距离取49mm。

首先，在ansys中建模，对比使用加载装置前后的工件表面的等效应力分布，不使用加载装置时，工件沿径向的等效应力分布如附图7所示。使用该加载装置后，工件沿径向的等效应力分布如附图8所示。可以看出单压头加载时，工件表面应力分布不均匀，力从中心到边缘由大变小；而使用该加载装置后，工件表面应力分布趋于均匀。

接着，通过抛光实验来检验加载装置对工件平面度的影响。抛光后用激光干涉仪检测工件的平面度。

在压强P＝0.075MPa，主轴转速ω＝180r/min，偏心距e＝60mm，抛光时间t＝10min的实验条件下，进行一组对比实验：分别使用和不使用所设计的加载装置抛光。抛光后，在激光干涉仪上检测的干涉条纹如附图9和10所示。对比图9和图10可以看出：抛光时使用所设计的加载装置时，出现的干涉条纹范围更大，也更为规则清晰。可见使用该加载装置提高了应力分布的均匀性，改善了工件的平面度。

实例三。

本实例的加工条件与实例一相同，其区别在于加载盘的尺寸和加载盘中心离支撑盘的距离不符合本发明的计算公式，试验结果表明，工件沿径向的等效应力分布和图3所示的相类似，介于图3和图4之间，硅片抛光后的干涉条纹与图5相类似，介于图5和图6之间，因此可看出，本发明的加载盘的尺寸和安装位置对加工质量有较大的影响。

实例四。

本实例的加工条件与实例二相同，其区别在于加载盘的尺寸和加载盘中心离支撑盘的距离不符合本发明的计算公式，试验结果表明，工件沿径向的等效应力分布和图7所示的相类似，介于图7和图8之间，硅片抛光后的干涉条纹与图9相类似，介于图9和图10之间，因此可进一步看出，本发明的加载盘的尺寸和安装位置对加工质量有较大的影响。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种能使加载载荷均匀布置在承载器表面的抛光加载装置，包括支撑盘(1)，其特征是所述的支撑盘(1)相对于承载器的一面上至少安装有三个加载盘(2)，所述的加载盘(2)的中心均匀布置在离支撑盘(1)中心距离为(1/(1+sin(π/n)))×R的圆周上，式中n为加载盘(2)的数量，R为承载器的半径；所述加载盘(2)的半径为[sin(π/n)]×d，式中d是加载盘(2)的中心到支撑盘(1)的中心的距离；在所述加载盘(2)与承载器相接触的一面上设有硅橡胶垫(3)，在支撑盘(1)的另一面上设有与加载装置相配的凹槽(6)。

2.根据权利要求1所述的能使加载载荷均匀布置在承载器表面的抛光加载装置，其特征是所述的凹槽(6)为球冠状凹槽。

3.根据权利要求1所述的能使加载载荷均匀布置在承载器表面的抛光加载装置，其特征是在所述的支撑盘(1)设有数量与加载盘(2)相同的减重孔(7)，所述的减重孔(7)均布在支撑盘(1)上并使整个加载装置满足动平衡要求。

4.根据权利要求1所述的能使加载载荷均匀布置在承载器表面的抛光加载装置，其特征是所述的加载盘(2)的一面上设有螺杆，螺杆穿过支撑盘(1)并通过垫片(5)及螺母(4)固定在支撑盘(1)上。

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