CN110524412B - 一种化学机械抛光保持环和化学机械抛光承载头 - Google Patents

Abstract

一种化学机械抛光保持环，包括环形主体，所述环形主体由环状的上部和下部组成，所述上部由金属制成，所述下部由塑料制成并且具有用作抛光液通道的凹槽，所述上部和下部通过结合层结合为一体，所述结合层含有吸波材料以防止保持环反射电磁波或产生电涡流。

Description

一种化学机械抛光保持环和化学机械抛光承载头

技术领域

本发明属于化学机械抛光技术领域，尤其涉及一种化学机械抛光保持环和化学机械抛光承载头。

背景技术

化学机械抛光是一种在芯片制造领域的主流基板抛光方法。这种抛光方法通常将基板吸合在承载头的下部，基板具有沉积层的一面抵接于旋转的抛光垫上，承载头在驱动部件的带动下与抛光垫同向旋转并给予基板向下的载荷；同时，抛光液供给于抛光垫的上表面并分布在基板与抛光垫之间，使得基板在化学和机械的综合作用下完成全局抛光。

承载头是化学机械抛光装置的重要组成部分，其作业性能直接关系到基板的化学机械抛光效果。美国专利US20130065495A1公开了一种承载头，其包括承载盘及柔性膜，柔性膜可拆卸地设置在承载盘的下部；承载盘包括第一部分及第二部分，第一部分可移动地同心设置在第二部分的上部凹槽中使得第一部分和第二部分彼此之间可沿垂直于承载盘底面的方向运动。第二部分下部安装有柔性膜使得第二部分与柔性膜之间形成多个气腔以通过调节每个独立气腔的压力实现对基板压力轮廓的调节。现有技术中，外部空气经由第一部分上表面的气孔进入第一部分内部的通道并从第一部分侧壁上的气孔流出，然后经由气管输送至分别与独立气腔连通的第二部分的上表面的气孔。

承载头的下部设置有保持环，其在基板的化学机械抛光中发挥重要作用。一方面，其可以防止抛光过程的基板从承载头的底部滑脱或飞出；另一方面，保持环的底部设置有沟槽，其可以为更新基板与抛光垫之间的抛光液提供流体通道；再者，保持环抵压于抛光垫参与基板边缘压力的调整，有利于实现基板的全局平坦化并改善平坦化的一致性。

在化学机械抛光过程中，为了实时调节材料去除速率，需要在线测量待去除材料层的厚度，当待去除材料为金属时，电涡流膜厚测量方法比较适用。现有的电涡流膜厚测量装置通过信号发生器产生交变电磁场信号，使基板的金属膜中形成电涡流，通过传感器检测由所述金属膜中的电涡流引起的电感变化信号，并由此确定金属膜的厚度。

化学机械抛光终点检测的检测精度要求随着特征结构尺寸的不断缩小而提高，由于传统的化学机械抛光承载头的保持环等部件内包含金属部件或金属材料，在电涡流膜厚测量中所述金属部件内也会产生电涡流，从而会对传感器获取的由金属特征结构产生的信号造成干扰，影响终点检测的精度。因此，希望能够在测量基板的金属结构特征厚度以判断化学机械抛光重点时保证承载头的金属结构尽量少地干扰所述测量信号。

发明内容

本发明提供了一种化学机械抛光保持环和化学机械抛光承载头，旨在一定程度上解决上述技术问题之一，其技术方案如下：

一种化学机械抛光保持环，包括环形主体，所述环形主体由环状的上部和下部组成，所述上部由金属材料制成，所述下部由塑料制成并且具有用作抛光液通道的凹槽，所述上部和下部通过结合层结合为一体，所述结合层含有吸波材料以防止保持环反射电磁波或产生电涡流；

上述方案中，所述吸波材料为磁介质型吸波材料、电介质型吸波材料和/或电阻型吸波材料；

进一步的，所述吸波材料为铁氧体微粉和/或镀有镍-磷合金的石墨烯微粉。

进一步的，所述吸波材料占所述结合层总重量的比例为2％至20％；

上述方案中，所述上部的下表面具有强化结合部，该强化结合部可以是环状突起、环状凹槽、径向突起、或径向凹槽；

进一步的，所述强化结合部横截面可以是矩形、梯形、三角形、锥形、或半圆形；

进一步的，所述强化结合部的高度为0.1mm至2mm。

进一步的，该保持环的上部的下表面具有经激光处理、喷砂、喷丸、磨削和/或切削处理而成的糙化结构；

进一步的，所述下表面的粗糙度Ra为0.8至6.3。

此外，本发明还提出了一种化学机械抛光承载头，该承载头包括上述任一种根据本发明的保持环。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果包括：减小了在电涡流金属膜厚测量过程中保持环产生的电涡流对检测电磁波的干扰、提高了检测精度。

附图说明

通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的优点将变得更清楚和更容易理解，但这些附图只是示意性的，并不限制本发明的保护范围，其中：

图1非限定性的示出了典型的化学机械抛光单元的构造示意图；

图2非限定性的示出了根据本发明的化学机械抛光承载头的结构的示意图；

图3非限定性的示出了根据本发明的化学机械抛光承载头的保持环的结构的示意图；

图4非限定性的示出了化学机械抛光承载头的保持环的金属部分对化学机械抛光终点检测信号的影响；

图5非限定性的放大示出了根据本发明的化学机械抛光承载头的保持环的结合层的一种结构；

图6非限定性的示出了根据本发明的具有间隔结构的化学机械抛光保持环的结合层；

图7非限定性的示出了根据本发明的化学机械抛光保持环的上部金属结构的部分表面镀有金属吸波涂层的结构；

图8非限定性的示出了根据本发明的化学机械抛光保持环的变体的金属结构的全部表面镀有吸波涂层的结构；

图9A和图9B分别示出了使用不含有吸波材料和含有吸波材料的保持环时电涡流测量装置和四探针装置测量得到的基板的特征结构厚度的比较关系。

具体实施方式

下面结合具体实施例及其附图，对本发明所述技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本发明实施方式及本发明保护范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书及其说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

图1是抛光单元2A的基本结构构造的立体示意图，抛光单元2A包括抛光盘10、抛光垫20、基板承载装置30、修整装置40以及抛光液供应装置50；抛光垫20设置于抛光盘10上表面并与其一起同步沿轴线Ax1旋转；可水平移动的基板承载装置30设置于抛光垫20上方，其所耦接的承载头的下表面吸持有待抛光的基板W；修整装置40包括修整臂41及修整头42，修整臂41带动旋转的修整头42摆动以修整抛光垫20表面使其达到适于抛光的优化状态；抛光液供应装置50将抛光液散布于抛光垫20的上表面；进行化学机械抛光作业时，基板承载装置30将基板W的待抛光面抵压抛光垫20的上表面，抛光液分布于抛光垫20与基板W之间，在化学和机械的作用下完成基板材料的去除。基板承载装置30包括承载头31及上部气动组件32(UPA,Upper Pneumatic Assembly)，承载头31通过未示出的连接组件耦接至上部气动组件32。

图2是基板承载装置30的承载头31的外部结构示意图，承载头31底部设置有用于吸合和/或加载基板W的柔性膜314和与该柔性膜同轴设置且位于其圆周外侧的用于保持限定基板W不滑出承载头31的保持环312，其中，柔性膜314的圆周外壁与保持环312的圆周内壁之间具有一定间隙。图3单独示意出了根据本发明的化学机械抛光保持环的结构，从图2和图3中可以看出，保持环312包括上部3121、下部3123和中间的结合层。

图4是具有保持环312的承载头31的局部剖视图，承载头31包含承载盘313、柔性膜314、环状压盘315和保持环312，保持环312一般具有金属骨架或金属架构结构；嵌入设置在抛光盘10与抛光垫20之间的电涡流检测装置203会向基板W方向发射电磁波以测量基板表面结构特征层的厚度以捕获抛光终点，保持环312的金属骨架或金属架构会产生电涡流和电磁波反射进而对电涡流检测装置203的信号测量精度造成影响，特别是对靠近基板W边缘处的抛光终点检测造成显著影响，为此，本实施例中保持环312的结合层3122中加入了吸波材料从而减少保持环的金属部分对测量电磁波的影响。

图5是图4中保持环部分的局部放大图，其中保持环312的环形主体包括环形的上部3121和下部3123，上部3121可由诸如不锈钢、钛合金或铝合金等金属材料制成，下部3123可由诸如PPS、PEEK、聚碳酸酯、聚氨酯、聚亚氨酯、或PET等硬质工程塑料制成；上部3121和下部3123通过的结合层3122同轴地结合为一体，所述结合层3122的厚度可以是均匀的。在一些实施例中，由于保持环312在化学机械抛光作业过程中会受到剪切力的作用而导致其上部3121与下部3123部分或全部脱离，为了增加保持环312的上部和下部的结合强度，上部3121的下表面可设置有用于加强结合的强化结合部(未示出)，该强化结合部可以是环状突起、环状凹槽、径向突起、径向凹槽中的至少一种，保持环312的上部3121的下表面或强化结合部的表面可进行糙化处理以增强其与结合层3122的结合强度，从而增强上部3121和下部3123的结合强度；进一步的，可通过砂皮打磨、激光表面处理、喷丸、喷砂和/或等离子喷涂等一些列方法将上部3121的底面的粗度Ra控制在0.8至6.3之间，优选控制在1.6或3.2(分别对应7级和6级表面光洁度)，需要说明的是，过度糙化可能导致结合层初固时间延长和/或所述上部3121的底面不能被形成结合层3122的粘结剂充分浸润从而降低结合强度的问题。

类似的，也可参照使用上述方法对下部3123的上表面进行处理以增加其结合强度，此时，所述环状突起、环状凹槽、径向突起、径向凹槽的横截面可以是矩形、梯形、三角形、锥形、半圆形和/或其他任意的规则形状或不规则形状，并且所述环状突起、环状凹槽、径向突起、径向凹槽的高度和/或深度为0.1mm至2mm，优选为0.3mm至1mm，此处的“高度”和“深度”均指的是这些突起或凹槽的最低处与最高处之间的距离。

如图6所示，在一些实施例中，结合层3122中设置有间隔结构3124，结合层3122可由诸如环氧树脂类胶合剂固化形成，在其固化过程中，因间隔结构3124的存在，保持环上部3121和下部3123之间的距离可维持某一个定值，从而确保结合层3122厚度均匀。进一步地，间隔结构3124亦具有吸波性能，并且其吸波性能优选与结合层3122的单位吸波性能接近，例如该间隔结构3124可由诸如表面镀有镍-磷合金的石墨烯微涂层的碳纤维骨架制成，并且，该间隔结构3124厚度在0.2mm至2mm之间，优选为0.3至1mm。间隔结构3124可以形成为环状结构、块状结构等任意可以起到支撑作用以形成一定厚度的结合层3122并与结合层3122具有相同的吸波特性的结构。需要说明的是，尽管所述吸波材料的重量占比会因结合层3122的厚度而变化，并且可能随具体工艺需求而变化，一般而言，吸波材料占结合层3122总质量的2至20％，优选为6％至18％。

在本发明的一些实施例中，结合层3122中含有磁介质型吸波材料、电介质型吸波材料和电阻型吸波材料中的至少一种。优选地，采用有铁氧体微粉和/或镀有镍-磷合金的石墨烯微粉作为结合层3122中的吸波材料。如图7所示，在本发明的一些实施例中，保持环上部3121的底面和侧面设置吸波镀层3121A，或者，可以仅在保持环312的内侧面和底面形成有吸波镀层3121A。优选地，可采用镍-磷-石墨烯镀层作为吸波镀层3121A，该镀层不仅有优良的电磁波吸收性能，还具有较强的耐蚀性、耐磨性和硬度。

如图8所示，是本发明保持环的另一实施例，其中，保持环312由环状的金属内芯3125和包覆层3127组成，其中内芯3125由诸如不锈钢、钛合金或铝合金等金属材料制成，包覆层3127由诸如PPS、PEEK、聚碳酸酯、聚氨酯、聚亚氨酯、或PET等硬质工程塑料制成。在一些实施例中，内芯3125表面镀有吸波镀层3125A；优选地，可采用镍-磷-石墨烯镀层作为吸波镀层3125A。可替换的，内芯3125表面可涂覆有一层具有吸波功能的非金属涂层或通过热注塑的方式形成有一层非金属吸波结构，并且为了使得该层非金属吸波结构与内芯3125结合紧固，可在内芯3125A表面设置类似于上述的用于加强结合的强化结合部，然后再在该非金属吸波结构外部形成用于化学机械抛光的牺牲塑料结构，该牺牲塑料结构会随着化学机械抛光作业而损耗。此处所述的强化结合部亦可以是环状突起、环状凹槽、径向突起、径向凹槽中的至少一种；进一步的，可通过砂皮打磨、激光表面处理喷砂、等离子喷涂和/或喷丸等方法将内芯3125A的表面粗糙度Ra控制在0.8至6.3之间，优选控制为1.6或3.2(分别对应7级和6级表面光洁度)，需要说明的是过度糙化可能导致结合层初固时间延长和/或所述底面不能被粘结剂充分浸润从而降低结合强度的现象；所述环状突起、环状凹槽、径向突起、径向凹槽的横截面可以是矩形、梯形、三角形、锥形、半圆形和/或其他任意的规则形状或不规则形状，并且所述环状突起、环状凹槽、径向突起、径向凹槽的高度和/或深度为0.1至5mm，优选为1.5至3mm。

进一步的，吸波材料按工艺可分为：

1.涂(镀)层型：粉末混合粘结剂固化在工件表面，或在工件表面形成镀层，使用寿命长；

2.结构型：同时具有承载和吸波的双重功能，可成型为各种复杂形状；

3.贴片型：通用性好，易于使用；

保持环的结构和使用环境决定了贴片型难以应用，只考虑前两种形式。

进一步的，吸波材料按损耗机理：

1.导电损耗型

2.介电损耗型

3.磁损耗型

铁氧体吸波材料同时具有上述2、3两种材料的特性；在低频段，主要由磁滞效应、涡流效应及磁后效的损耗造成对电磁波的损耗；在高频段，铁氧体对电磁波的损耗主要来源于自然共振损耗、畴壁共振损耗及介电损耗，具有以下优点：吸收频段宽、吸收率高、成本低廉、制备工艺简单、匹配厚度薄，因此优先考虑铁氧体吸波材料。

另一方面，铁氧体吸波材料具有以下缺点：密度大、耐腐蚀性欠佳、不能作为镀层。保持环由于接触抛光液，需要一定的耐腐蚀性，为了防止碎屑污染晶圆，对部件表面硬度和耐磨性也有一定要求，综合上述情况，考虑采用石墨类的新材料，如碳纤维材料或表面镀有镍磷合金的石墨烯材料。碳纤维材料可以作为结构件，应用于各种部位；镍-磷-石墨烯镀层具有优秀的吸波性能，同时还有较强的耐磨性、耐蚀性和硬度，与基体的结合也更好。

为了验证含有吸波材料的结合层3122的保持环312对金属膜厚测量精度的改善作用，分别采用现有技术中无吸波材料的保持环和本发明中有吸波材料的保持环进行对照实验，实验结果如图9A和图9B所示，在图9A中，实线为安装有结合层3122不含吸波材料的环保持的承载头进行300mm基板化学机械抛光时，采用电涡流法对基板的金属膜厚进行在线测量得到的膜厚形貌，点状虚线是采用四探针法对同一基板进行离线膜厚测量的结果；由于离线测量时没有化学机械抛光设备的干扰，其结果比在线测量更精确、更可信，可以作为参考量值。可以看出，在±150mm边缘处，测量误差较为显著。

作为对照，在图9B中，实线为安装有结合层3122含有吸波材料的环保持的承载头进行300mm基板化学机械抛光时采用电涡流法对基板的金属膜厚进行在线测量得到的膜厚形貌，点状虚线是采用四探针法对同一基板进行离线膜厚测量的结果。可以看出，与现有技术相比，基板边缘部分的测量误差明显得以减小。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，各实施例可以任意组合，组合后形成的新的实施例也在本申请的保护范围之内。某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种化学机械抛光保持环，包括环形主体，所述环形主体由环状的上部和下部组成，所述上部由金属材料制成，所述下部由塑料制成并且具有用作抛光液通道的凹槽，所述上部和下部通过结合层结合为一体，所述结合层含有吸波材料以防止保持环反射电磁波或产生电涡流；所述环形主体的上部与下部之间设置有间隔结构，其由表面镀有镍-磷合金的石墨烯微涂层的碳纤维骨架制成，所述间隔结构为环状或块状结构，其支撑于上部与下部之间，使得所述结合层的厚度均匀并具有相同的吸波特性；所述吸波材料为磁介质型吸波材料、电介质型吸波材料和/或电阻型吸波材料，其占结合层总质量的2%至20%；所述上部的底面和/或侧面形成有吸波镀层。

2.如权利要求1所述的保持环，其特征在于，所述吸波材料为铁氧体微粉和/或镀有镍-磷合金的石墨烯微粉。

3.如权利要求1至2中任一项所述的保持环，其特征在于，所述上部的下表面具有强化结合部，该强化结合部可以是环状突起、环状凹槽、径向突起、或径向凹槽。

4.如权利要求3所述的保持环，其特征在于，所述强化结合部横截面可以是矩形、梯形、三角形、锥形、或半圆形。

5.如权利要求3所述的保持环，其特征在于，所述强化结合部的高度为0.1mm至2mm。

6.如权利要求1所述的保持环，其特征在于，该保持环的上部的下表面具有经激光处理、喷砂、喷丸、磨削和/或切削处理而成的糙化结构。

7.如权利要求6所述的保持环，其特征在于，所述下表面的粗糙度Ra为0.8至6.3。

8.一种化学机械抛光承载头，其特征在于，该承载头包括如权利要求1至7中任一项所述的保持环。