CN102172887B - 抛光头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抛光头，所述抛光头包括盖板；主隔膜，所述主隔膜为环形且具有弹性，所述主隔膜固定在所述盖板的下表面上；基座，所述基座固定在所述主隔膜的下表面上；柔性膜，所述柔性膜固定在所述基座的下表面上，其中柔性膜与所述基座限定出与外界连通的下腔室；和保持环，所述保持环固定在所述基座的下表面上，所述保持环的径向截面的面积沿从下向上逐渐减小。根据本发明实施例的抛光头不仅可以防止晶圆在化学机械抛光过程中被甩出，而且可以获得均匀的、一致的抛光效果。此外，由于所述保持环的磨损不会降低抛光效果，因此所述保持环可以具有更长的使用寿命，从而降低了抛光成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种抛光头。
背景技术
在集成电路的制造过程中，随着特征尺寸的缩小和金属互连层数的增加，对晶圆表面平整度的要求也越来越高，化学机械抛光是目前最有效的全局平坦化技术。化学机械抛光是将晶圆由旋转的抛光头夹持，并将其以一定压力压在旋转的抛光垫上，由磨粒和化学溶液组成的抛光液在晶圆和抛光垫之间流动，晶圆表面在化学和机械的共同作用下实现平坦化。抛光头起着夹持晶圆并对其背侧施加压力的作用，是实现表面平坦化的关键所在。
在实际化学机械抛光过程中，抛光头的保持环以某一压力压在旋转的抛光垫上，一方面可以防止晶圆从旋转的抛光头中甩出，另一方面可以改变抛光垫的压缩量，从而改善边缘效应。然而保持环在这个过程中将发生磨损，随着磨损量的增加，保持环对抛光垫的压力会减小，一方面晶圆有甩出的危险，另一方面保持环对抛光垫的压缩量也相应减小，进而影响晶圆的均匀性。目前只是简单地将保持环设定某一寿命，当磨损量达到一定程度时将其换掉。但这样一方面不能解决在寿命期内晶圆甩出的危险以及对均匀性的影响，另一方面也会引起成本的增加。因此有必要提供一种改进的抛光头以解决上述问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种可以获得均匀的、一致的抛光效果的抛光头。
为了实现上述目的，根据本发明的实施例提出一种抛光头，所述抛光头包括：盖板；主隔膜，所述主隔膜为环形且具有弹性，所述主隔膜固定在所述盖板的下表面上；基座，所述基座固定在所述主隔膜的下表面上；柔性膜，所述柔性膜固定在所述基座的下表面上，其中柔性膜与所述基座限定出与外界连通的下腔室；和保持环，所述保持环固定在所述基座的下表面上，所述保持环的径向截面的面积沿从下向上逐渐减小。
根据本发明实施例的抛光头通过设置具有弹性的主隔膜和径向截面的面积沿从下向上逐渐减小的保持环，从而可以使所述抛光头对抛光垫施加的压力保持不变。由于所述抛光头对抛光垫施加的压力保持不变，因此所述抛光头不仅可以防止晶圆在化学机械抛光过程中被甩出，而且可以获得均匀的、一致的抛光效果。此外，由于所述保持环的磨损不会降低抛光效果，因此所述保持环可以具有更长的使用寿命，从而降低了抛光成本。
另外，根据本发明实施例的抛光头可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，其中所述盖板、主隔膜和基座限定出与外界连通的上腔室，其中所述下腔室通过所述上腔室与外界连通。
根据本发明的一个实施例，所述保持环的内侧面沿所述保持环的轴向延伸，且所述保持环的外侧面向外倾斜。
根据本发明的一个实施例，所述保持环的内侧面为台阶面。
根据本发明的一个实施例，所述柔性膜上一体地形成有多个环形肋，其中所述多个环形肋通过利用压环固定在所述基座的下表面上以将所述柔性膜固定到所述基座上，相邻两个环形肋限定出一个环形空间，且最内侧环形肋限定出中心空间，所述下腔室由所述中心空间和全部的环形空间构成。
根据本发明的一个实施例，所述主隔膜为弹簧或者橡胶件。
根据本发明的一个实施例，所述柔性膜由氯丁二烯或者硅橡胶制成。
根据本发明的一个实施例，所述保持环通过螺栓固定在所述基座的下表面上。
根据本发明的一个实施例，所述保持环由聚亚苯基硫醚、聚醚醚酮或者陶瓷制成。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的抛光头的结构示意图。
附图标记说明：
抛光头100、盖板110、基座120、连接通道121、柔性膜130、环形肋131、环状板132、保持环140、底面141、141a、内侧面142、外侧面143、主隔膜150、下腔室160、上腔室170、压环180、晶圆200、抛光垫300。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面参照图1描述根据本发明实施例的抛光头100。如图1所示，根据本发明实施例的抛光头100包括盖板110、主隔膜150、基座120、柔性膜130和保持环140。主隔膜150为环形且具有弹性，主隔膜150固定在盖板110的下表面上。基座120固定在主隔膜150的下表面上。柔性膜130固定在基座120的下表面上，其中柔性膜130与基座120限定出与外界连通的下腔室160。保持环140固定在基座120的下表面上，保持环140的径向截面的面积沿从下向上逐渐减小。
在利用根据本发明实施例的抛光头100进行化学机械抛光时，对基座120施加一个方向向下的压力F，由于主隔膜150具有弹性，所述压力F首先通过基座120传递到保持环140上，然后再由保持环140传递到抛光垫300上，从而将保持环140以所述压力F压在抛光垫300上。如图1所示，通过对保持环140进行受力分析可以发现，保持环140在方向向下的所述压力F、主隔膜150的方向向上的拉力Fm和抛光垫300的方向向上的支撑力Fr的作用下实现力的平衡，即F＝Fm+Fr。
由于保持环140的径向截面的面积沿从下向上逐渐减小，因此随着保持环140的磨损，保持环140的底面将由底面141磨损至底面141a，也就是说保持环140的底面面积A将减小。在化学机械抛光过程中所述压力F保持不变，随着保持环140的磨损，主隔膜150的伸缩量将增大，这样主隔膜150的所述拉力Fm也相应地增大，因此抛光垫300的所述支撑力Fr将减小。如果根据保持环140的磨损率来对保持环140的所述底面面积A进行计算，可以使抛光垫300的所述支撑力Fr的减小幅度等于保持环140的所述底面面积A的减小幅度，这样保持环140对抛光垫300施加的压力Pr(Pr＝Fr/A)将保持不变，也就是说抛光头100对抛光垫300施加的压力将保持不变。
根据本发明实施例的抛光头100通过设置具有弹性的主隔膜150和径向截面的面积沿从下向上逐渐减小的保持环140，从而可以使抛光头100对抛光垫300施加的压力保持不变。由于抛光头100对抛光垫300施加的压力保持不变，因此抛光头100不仅可以防止晶圆200在化学机械抛光过程中被甩出，而且可以获得均匀的、一致的抛光效果。此外，由于保持环140的磨损不会降低抛光效果，因此保持环140可以具有更长的使用寿命，从而降低了抛光成本。
在本发明的一些实施例中，主隔膜150可以是弹簧或者橡胶件。保持环140可以由耐腐蚀、耐磨材料制成，例如保持环140可以由聚亚苯基硫醚、聚醚醚酮或者陶瓷制成。在本发明的一个具体示例中，保持环140可以通过螺栓固定在基座120的下表面上。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，保持环140的内侧面142可以沿保持环140的轴向延伸，且保持环140的外侧面143可以向外倾斜，从而可以使保持环140的径向截面的面积沿从下向上逐渐减小。而且，保持环140可以仅通过改变外侧面143向外倾斜的倾斜度来改变保持环140的径向截面的面积，也就是说保持环140可以仅通过改变外侧面143向外倾斜的倾斜度来使抛光垫300的所述支撑力Fr的减小幅度等于保持环140的所述底面面积A的减小幅度，抛光头100对抛光垫300施加的压力将保持不变。具体地，保持环140的内侧面142可以是台阶面，从而可以更好地与基座120配合。
其中，保持环140的内侧面142是指在进行化学机械抛光时靠近晶圆200的侧面，保持环140的外侧面143是指在进行化学机械抛光时远离晶圆200的侧面，保持环140的径向截面是指与保持环140的底面141平行的截面，保持环140处于图1所示的状态时，保持环140的径向截面也是保持环140的水平截面。
在本发明的一些实施例中，柔性膜130上可以一体地形成有多个环形肋131，其中多个环形肋131可以通过利用压环180固定在基座120的下表面上以将柔性膜130固定到基座120上，相邻两个环形肋131可以限定出一个环形空间，且最内侧的环形肋131可以限定出中心空间，下腔室160可以由所述中心空间和全部的环形空间构成。具体地，环形肋131的末端可以设置有垂直于环形肋131的本体的环状板132，压环180可以压在环状板132上以将柔性膜130固定到基座120上。柔性膜130可以由弹性材料制成，例如可以由氯丁二烯或者硅橡胶制成。
如图1所示，在本发明的一些实施例中，下腔室160可以具有多个与外界连通的子腔室，在进行化学机械抛光时向所述多个子腔室内通入一定压力的流体，这样在所述多个子腔室内形成有流体压力，所述流体压力由柔性膜130传递给晶圆200。在本发明的一个具体示例中，基座120可以设置有多个与外界连通的基座通道，且所述多个基座通道分别与所述多个子腔室对应地相连通，从而可以使所述多个子腔室与外界连通，也就是说可以使下腔室160与外界连通。这样可以利用例如流体伺服阀通过相对应的所述基座通道向每个所述子腔室内通入一定压力的流体。
在本发明的一些实施例中，盖板110、主隔膜150和基座120可以限定出与外界连通的上腔室170，其中下腔室160可以通过上腔室170与外界连通。具体地，盖板110可以设置有盖板通道，或者基座120可以设置有基座通道，可以利用例如流体伺服阀通过所述盖板通道或者所述基座通道向上腔室170内通入压力为P的流体。所述流体对基座120施加一个方向向下的压力F，其中F＝P×S，S为主腔室170的底面面积。由于所述流体的压力P(如图1所示)在化学机械抛光过程中保持不变，因此所述流体对基座120施加的方向向下的压力F保持不变。
在本发明的一个实施例中，下腔室160可以通过连接通道122与上腔室170相连通，从而可以与外界连通。上腔室170可以使向所述多个子腔室内通入一定压力的流体更加简便，这样盖板110或者基座120只需设置一个盖板通道或者基座通道。具有一定压力的流体通过所述盖板通道或者基座通道进入上腔室170后，再通过连接通道122进入与连接通道122相连通的下腔室160内，即通过连接通道122进入与连接通道122相连通的各个所述子腔室内。
根据本发明实施例的抛光头100不仅可以防止晶圆200在化学机械抛光过程中被甩出，而且可以获得均匀的、一致的抛光效果。此外，由于保持环140的磨损不会降低抛光效果，因此保持环140可以具有更长的使用寿命，从而降低了抛光成本。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种抛光头，其特征在于，包括：
盖板；
主隔膜，所述主隔膜为环形且具有弹性，所述主隔膜固定在所述盖板的下表面上；
基座，所述基座固定在所述主隔膜的下表面上；
柔性膜，所述柔性膜固定在所述基座的下表面上，其中柔性膜与所述基座限定出与外界连通的下腔室；和
保持环，所述保持环固定在所述基座的下表面上，所述保持环的径向截面的面积沿从下向上逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的抛光头，其特征在于，其中所述盖板、主隔膜和基座限定出与外界连通的上腔室，其中所述下腔室通过所述上腔室与外界连通。
3.根据权利要求1所述的抛光头，其特征在于，所述保持环的内侧面沿所述保持环的轴向延伸，且所述保持环的外侧面向外倾斜。
4.根据权利要求3所述的抛光头，其特征在于，所述保持环的内侧面为台阶面。
5.根据权利要求1所述的抛光头，其特征在于，所述柔性膜上一体地形成有多个环形肋，其中所述多个环形肋通过利用压环固定在所述基座的下表面上以将所述柔性膜固定到所述基座上，相邻两个环形肋限定出一个环形空间，且最内侧环形肋限定出中心空间，所述下腔室由所述中心空间和全部的环形空间构成。
6.根据权利要求1所述的抛光头，其特征在于，所述主隔膜为弹簧或者橡胶件。
7.根据权利要求1所述的抛光头，其特征在于，所述柔性膜由氯丁二烯或者硅橡胶制成。
8.根据权利要求1所述的抛光头，其特征在于，所述保持环通过螺栓固定在所述基座的下表面上。
9.根据权利要求1所述的抛光头，其特征在于，所述保持环由聚亚苯基硫醚、聚醚醚酮或者陶瓷制成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: TIANJIN HWATSING TECHNOLOGY COMPANY LIMITED Free format text: FORMER OWNER: TSINGHUA UNIVERSITY Effective date: 20150202 |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 100084 HAIDIAN, BEIJING TO: 300350 JINNAN, TIANJIN |
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Effective date of registration: 20150202 Address after: 300350, No. 8, building 9, ha Hing Road, Haihe science and Technology Park, Jinnan District, Tianjin Patentee after: TIANJIN HWATSING TECHNOLOGY COMPANY LIMITED (HWATSING CO., LTD.) Address before: 100084 Haidian District 100084-82 mailbox Beijing Patentee before: Tsinghua University |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Application of polishing head in chemico-mechanical polishing technology and polishing method of chemico-mechanical Effective date of registration: 20180206 Granted publication date: 20130130 Pledgee: Tsinghua Holdings Co., Ltd. Pledgor: TIANJIN HWATSING TECHNOLOGY COMPANY LIMITED (HWATSING CO., LTD.) Registration number: 2018120000003 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20191022 Granted publication date: 20130130 Pledgee: Tsinghua Holdings Co., Ltd. Pledgor: TIANJIN HWATSING TECHNOLOGY COMPANY LIMITED (HWATSING CO., LTD.) Registration number: 2018120000003 |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 300350, No. 8, building 9, ha Hing Road, Haihe science and Technology Park, Jinnan District, Tianjin Patentee after: Huahaiqingke Co.,Ltd. Address before: 300350, No. 8, building 9, ha Hing Road, Haihe science and Technology Park, Jinnan District, Tianjin Patentee before: TSINGHUA University |