CN110666681A - 一种半导体cmp化学机械抛光设备保持环及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体CMP化学机械抛光设备保持环，包括不锈钢环底座，所述不锈钢环底座的上部覆盖有PEEK塑料层，所述不锈钢环底座的顶部设有靠近不锈钢环底座的环内侧并向不锈钢环底座的环外侧延伸的一圈环状凸起，环状凸起的圆心与不锈钢环底座的圆心重合，环状凸起在其顶部平面与所述PEEK塑料层的接触处均匀开设有若干内陷的反向扣孔，所述环状凸起在位于反向扣孔两侧的、靠近所述不锈钢环底座的外侧处以及靠近所述不锈钢环底座的内侧处分别开设有燕尾槽。本发明还提供了该保持环的加工方法，能够减少加工的步骤，降低制作材料成本，损耗低，无边角废料；实现批量生产，效率高，尺寸一致性好，能保证后加工的尺寸精度。
Description
技术领域
本发明是一种半导体CMP化学机械抛光设备保持环及其加工方法，属于集成电路半导体领域。
背景技术
在集成电路(IC)行业中，化学机械抛光(CMP)是获得全局平坦化的技术，随着晶圆直径的增加，在CMP加工过程中，晶圆边缘容易出现“过磨(over grinding)”现象，降低了平坦度和晶圆利用率。在晶圆外部施加保持环可以把晶圆中心处和边缘处的抛光垫压平到一致高度，克服晶圆边缘的“过磨”现象。保持环上施加的压力起着至关重要的作用，在实际中，晶圆和CMP工艺成本高，依靠实验探索CMP加工后晶圆边缘效应的规律不可行，所以保持环压力不宜通过实验方法确定，需要借助其它方法预测该压力。
具体而言，化学机械抛光(chemical mechanical polish，CMP)技术是制备品圆的关键步骤，它能满足晶圆所必须的严格的工艺控制、高质量的表面外形及平面度。CMP系统是由旋转的晶圆夹持器、承载抛光垫的工台和抛光液供给装置3大部分组成。晶圆以一定的压力压在旋转的抛光垫上，由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在晶圆与抛光垫之间流动，并产生化学反应，晶圆表面形成的化学反应物由磨粒的机械作用去除，实现机械磨削和化学腐蚀双重作用的抛光。背膜是介于晶圆和夹持器之间的一层弹性薄膜，确保晶圆上表面受力均匀。目前，为了增大芯片产量，降低制造成本，晶圆直径不断增大；另外为了提高集成电路的集成度，晶圆的刻线宽度越来越细，晶圆表面精度也越来越高。对于150mm直径以上的晶圆，容易在晶圆边缘形成“过磨”现象，降低了抛光质量和晶圆利用率。在晶圆外添加一个保持环可以解决这问题，它可以把边缘的抛光垫和晶圆以下的抛光垫压平到同一高度。由此可见，保持环上的压力大小至关重要。保持环应具有高耐磨耐蚀性、低振动特性、材料稳定性和纯洁性等性能，只有正确选择保持环材料这些特性才能实现。
现有的5种保持环材料分别为：PPS(Polyphenylene sulfide，聚苯硫醚)、PC(Polycarbonate，聚碳酸酯)、Arlonl330(PTFE/PEEK，Poly tetra fluoro ethylene ptfe/polyetherether ketone，聚四氟乙烯增强聚醚醚酮)、ArlonEX-2618和Arlonl287(CF/PEEK，Carbon fibre/polyetherether ketone，碳纤维增强聚醚醚酮)。采用实验设备CMP立式实验机进行实验，结果表明，PC和PPS的摩擦系数大，材料稳定性不好，磨损量大。Arlonl330和ArlonEX-2618的摩擦系数、材料稳定性和磨损量总体上比PPS和PC好。Arlonl287在5种材料中摩擦系数最低，磨损量比其它所有材料低出10倍以上。另外，PEEK还能够满足一系列关键的要求，包括强度、耐热性以及与抛光液成份的兼容性等。因此，CF/PEEK是目前最理想的保持环材料。开始采用CF/PEEK保持环代替传统的保持环，保持环寿命提高了3倍以上，大大降低了由于更换保持环造成的停工时间，降低了晶圆的制造成本。但是，保持环上压力和保持环与晶圆的问隙对晶圆抛光质量的影响规律尚不明确，实际设计时难以确定最佳方案。
目前保持环的制作工艺有三种：1、全塑料PEEK或PPS加金属螺母，螺母以镶嵌式埋入保持环里面；2、全塑料PEEK包胶304不锈钢方式，不锈钢为骨架支撑，四周用PEEK塑料包裹；3、半塑料半金属粘胶方式，将加工好的PPS胶圈与加工好的SUS304不锈钢用特制胶水粘合成整体。
以上工艺在保持环制作过程中，PPS塑胶板材边角材料占比太大，损耗太大，其加工成本高昂，产量低，精度尺寸很难把握，工序繁琐，累计公差太大，平整度难以保证，良品率低，从而无法更好的满足人们的使用需求，所以现在需要一种更好的半导体CMP化学机械抛光设备保持环及其加工方法。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种半导体CMP化学机械抛光设备保持环及其加工方法，以解决上述背景技术中提出的问题,能够改变加工方式，降低制作材料成本，减少加工步骤，实现批量生产。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：本发明是一种半导体CMP化学机械抛光设备保持环，包括不锈钢环底座，所述不锈钢环底座的上部覆盖有PEEK塑料层，所述不锈钢环底座的顶部设有靠近不锈钢环底座的环内侧并向不锈钢环底座的环外侧延伸的一圈环状凸起，环状凸起的圆心与不锈钢环底座的圆心重合，环状凸起在其顶部平面与所述PEEK塑料层的接触处均匀开设有若干内陷的反向扣孔，所述环状凸起在位于反向扣孔两侧的、靠近所述不锈钢环底座的外侧处以及靠近所述不锈钢环底座的内侧处分别开设有燕尾槽。
另一种作为本发明的一种实施方式，所述反向扣孔在环状凸起的上表面沿不锈钢环底座的内侧向外侧方向均匀地设置至少三个。
另一种作为本发明的一种实施方式，所述反向扣孔的底部宽度大于其顶部开口的宽度。
另一种作为本发明的一种实施方式，所述燕尾槽沿环状凸起的内侧和外侧分别均匀地设置至少五个，燕尾槽设置的位置将圆周等分。
另一种作为本发明的一种实施方式，所述燕尾槽的内部侧壁高度大于外部开口的高度。
另一种作为本发明的一种实施方式，所述不锈钢环底座与所述PEEK塑料层均为环型结构，所述PEEK塑料层通过反向扣孔和燕尾槽与不锈钢环底座紧密相贴紧扣。
另一种作为本发明的一种实施方式，所述PEEK塑料层的顶部沿圆周均匀开设有若干斜槽。
一种半导体CMP化学机械抛光设备保持环的加工方法，包括：步骤1、预制加工出不锈钢环底座，其尺寸的公差精度满足加工保持环所需的要求，不锈钢环底座与PEEK塑料层的接触面设置反向扣孔(3)和燕尾槽(4)，以保证PEEK塑料层包裹不锈钢环底座并相贴紧扣；步骤2、制作加工保持环的注塑模具，模具型腔预留0.5mm的余量；步骤3、根据需要选择合适吨位的注塑机，固定好模具，将预制加工好的不锈钢环底座放入模具内，以注塑型PEEK塑料的标准成型工艺将熔融好的PEEK塑料以高速高压的方式挤入模具型腔，包裹不锈钢环底座，PEEK塑料由原来的流动状态经过冷却定型成固态，充满所有的燕尾槽与反向扣孔，从而完全与不锈钢环底座紧扣，待PEEK塑料部分完全冷却后由模具顶出机构将成型制品推出模具型腔，得到保持环的粗坯半成品，PEEK塑料层顶部的若干斜槽在模具型腔内已经直接成型；步骤4、将保持环的粗坯半成品固定在治具内放入烤炉，在0～200℃的温度范围内逐渐升温，加热烘烤，进行PEEK塑料去应力处理；步骤5、将处理后的保持环的粗胚半成品装夹固定在数控车床上，设定好加工的数字程序，车削掉预留的PEEK塑料余量；步骤6、车削加工完成，取出成品，放入超声波清洗设备内去除杂质油污，最后真空包装。
本发明的有益效果：
1.通过所述反向扣孔与所述燕尾槽，能够使得所述不锈钢环底座与所述PEEK塑料层更好的进行连接，提高了连接的紧固性，从而能够更好的满足人们的使用需求；
2.本发明对比传统粘胶加工方式，减少了加工的步骤；以模具注塑半包胶的方式，实现批量生产，效率高；以国产注塑型PEEK材料代替进口PPS板材，PEEK价格低，损耗低，无边角材料；批量生产的粗坯尺寸一致性好，能保证后加工的尺寸精度。
附图说明
图1是实施例保持环产品示意图；
图2是实施例保持环侧立时的不锈钢环底座与PEEK塑料层横切面结构示意图；
图中：1、不锈钢环底座；2、PEEK塑料层；3、反向扣孔；4、燕尾槽；5、斜槽。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解。
实施例1：如图1和图2所示，一种半导体CMP化学机械抛光设备保持环，包括不锈钢环底座1，所述不锈钢环底座1的上部覆盖有PEEK塑料层2，所述不锈钢环底座1的顶部设有靠近不锈钢环底座1的环内侧并向不锈钢环底座1的环外侧延伸的一圈环状凸起，环状凸起的圆心与不锈钢环底座1的圆心重合环状凸起在其顶部平面与所述PEEK塑料层2的接触处均匀开设有若干内陷的反向扣孔3，所述环状凸起在位于反向扣孔3两侧的、靠近所述不锈钢环底座1的外侧处以及靠近所述不锈钢环底座1的内侧处分别开设有燕尾槽4。
通过所述反向扣孔3与所述燕尾槽4，能够使得所述不锈钢环底座1与所述PEEK塑料层2更好的进行连接，提高了连接的紧固性，从而能够更好的满足使用需求。
实施例2：所述反向扣孔3在环状凸起的上表面沿不锈钢环底座1的内侧向外侧方向均匀地设置至少三个，其设置的数量上限根据保持环的大小和不锈钢环底座顶部的空间范围决定。所述反向扣孔3的底部宽度大于其顶部开口的宽度。
实施例3：所述燕尾槽4沿环状凸起的内侧和外侧分别均匀地设置至少五个，燕尾槽4设置的位置将圆周等分，其设置的数量上限根据保持环的大小和不锈钢环底座顶部的空间范围决定。所述燕尾槽4的内部侧壁高度大于外部开口的高度。
实施例4：所述不锈钢环底座1与所述PEEK塑料层2均为环型结构，所述PEEK塑料层2通过反向扣孔3和燕尾槽4与不锈钢环底座1紧密相贴紧扣。所述PEEK塑料层2的顶部沿圆周均匀开设有若干斜槽5，每个斜槽5的两端分别贯通PEEK塑料层2的环内侧和外侧。
实施例5：一种半导体CMP化学机械抛光设备保持环的加工方法，包括：
步骤1、预制加工出不锈钢环底座1，其尺寸的公差精度满足加工保持环所需的要求，即，尺寸直接做到要求的公差精度；不锈钢环底座1与PEEK塑料层2的接触面通过设置反向扣孔3和燕尾槽4的设计，得以保证PEEK塑料层2包裹不锈钢环底座1并相贴紧扣。
步骤2、制作加工保持环的注塑模具，模具型腔预留0.5mm的余量。
步骤3、根据需要选择合适吨位的注塑机，固定好模具，将预制加工好的不锈钢环底座1放入模具内，以现有的注塑型PEEK塑料的标准成型工艺将熔融好的PEEK塑料以高速高压的方式挤入模具型腔，包裹不锈钢环底座1，PEEK塑料由原来的流动状态经过冷却定型成固态，充满所有的燕尾槽4与反向扣孔3从而完全与不锈钢环底座1紧扣，待PEEK塑料部分完全冷却后由模具顶出机构将成型制品推出模具型腔，即以模具注塑半包胶的方式，得到保持环的粗坯半成品，PEEK塑料层2顶部的若干斜槽5在模具型腔内已经直接成型。
步骤4、将保持环的粗坯半成品固定在特制的治具内放入烤炉，在0～200℃的温度范围内设定好参数，逐渐升温，加热烘烤，进行PEEK塑料去应力处理；其目的是防止PEEK塑料在不规则的分子排列下产生应力，导致PEEK塑料或龟裂或变形。工艺参数可以选择为：从0℃开始以每15～30min升高10℃的速度升温到200℃，保温2～3h，再以20℃/h的速度冷却到常温。
步骤5、将处理后的保持环的粗胚半成品装夹固定在数控车床上，设定好加工的数字程序，车削掉预留的PEEK塑料余量。PEEK塑料在制作模具型腔时已预留0.5mm的余量，待最后车削加工，以保证产品能达到最终的加工精度；不锈钢环尺寸已提前精加工到位，无需加工。PEEK塑料层2顶部的成品面优选地在模具型腔内已经加工出18个斜槽5，也无需再加工。
步骤6、车削加工完成，取出成品，放入超声波清洗设备内去除杂质油污，最后真空包装。
该方法能够更好的进行保持环的注塑加工，实现批量生产，提高效率，从而能够更好的满足使用需求。
实施例6：加工出的保持环通用常规尺寸为：150mm、200mm、300mm。所述不锈钢环底座1优选地采用牌号为SUS630/17-4PH的奥氏体不锈钢，作为保持环的骨架支撑。其在经过200℃高温3H后尺寸基本保持不变，在注塑成型过程中能够解决龟裂问题，从而在后机械车削时能达到很好的平整度，控制公差为正负0.002mm范围之内。PEEK塑料优选地采用30％短碳纤维增强PEEK复合塑料材料，是PPS材料耐磨系数的2.5倍。
为了确定本发明的技术方案，预先采用了有限元模拟分析(FEA，Finite ElementAnalysis)的方法，对晶圆下表面等效应力的分布趋势进行分析，研究保持环压力与晶圆上压力的比值对晶圆上应力分布的影响，确定出最优的保持环压力，并且得出保持环与晶圆之间间隙对保持环压力的影响规律。得出结论如下：(1)、随保持环载荷与晶圆载荷的比值增大，晶圆边缘应力减小，达到一定程度晶圆边缘应力小于晶圆中心区域，因此存在使晶圆表面应力分布最平稳的载荷比值。对于直径200mm的单晶硅晶圆，当晶圆上压力为0.069MPa，抛光垫为suBA Iv型，保持环材料为30％短碳纤维增强PEEK复合材料，晶圆与保持环的间隙为0.75rllm时，保持环上最佳压力为0.1587MPa。(2)、保持环与晶圆之间的间隙越小，晶圆边缘的峰值越小，抛光效果越好。(3)、有限元方法能够很好地模拟和预测保持环上的最佳压力。计算结果表明，保持环能压平晶圆外部弹起的抛光垫，降低晶圆边缘应力峰值，提高晶圆表面抛光质量和晶圆利用率。
综上所述，在确定最佳技术方案的过程中，首先采用有限元模拟的方法分析保持环压力，得出了保持环压力与晶圆压力比值的最优值，并且研究了晶圆与保持环的间隙对最优压力的影响规律。针对不同CMP工艺，保持环压力能够迅速确定，从而提高晶圆抛光质量及利用率，降低晶圆制造成本。然后又根据数据可知国产注塑级热塑型PEEK其耐温耐磨等系数与进口PPS板材相同，再以传统PPS塑胶板与304不锈钢粘胶方式的产品外形尺寸为基础，改变加工方式，降低制作材料成本，减少加工步骤，经过反复的实验认证而得到本发明提供的最新半包胶型保持环及其制作工艺的技术方案。总体而言对比传统粘胶加工方式，减少了加工的步骤；以模具注塑半包胶的方式，实行了批量生产，效率高；以国产注塑型PEEK材料代替进口PPS板材，PEEK价格低，损耗低，无边角材料；批量生产的粗坯尺寸一致性好，能保证后加工的尺寸精度。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.一种半导体CMP化学机械抛光设备保持环，其特征在于：包括不锈钢环底座(1)，所述不锈钢环底座(1)的上部覆盖有PEEK塑料层(2)，所述不锈钢环底座(1)的顶部设有靠近不锈钢环底座(1)的环内侧并向不锈钢环底座(1)的环外侧延伸的一圈环状凸起，环状凸起的圆心与不锈钢环底座(1)的圆心重合，环状凸起在其顶部平面与所述PEEK塑料层(2)的接触处均匀开设有若干内陷的反向扣孔(3)，所述环状凸起在位于反向扣孔(3)两侧的、靠近所述不锈钢环底座(1)的外侧处以及靠近所述不锈钢环底座(1)的内侧处分别开设有燕尾槽(4)。
2.根据权利要求1所述的一种半导体CMP化学机械抛光设备保持环，其特征在于：所述反向扣孔(3)在环状凸起的上表面沿不锈钢环底座(1)的内侧向外侧方向均匀地设置至少三个。
3.根据权利要求2所述的一种半导体CMP化学机械抛光设备保持环，其特征在于：所述反向扣孔(3)的底部宽度大于其顶部开口的宽度。
4.根据权利要求1所述的一种半导体CMP化学机械抛光设备保持环，其特征在于：所述燕尾槽(4)沿环状凸起的内侧和外侧分别均匀地设置至少五个，燕尾槽(4)设置的位置将圆周等分。
5.根据权利要求4所述的一种半导体CMP化学机械抛光设备保持环，其特征在于：所述燕尾槽(4)的内部侧壁高度大于外部开口的高度。
6.根据权利要求1所述的一种半导体CMP化学机械抛光设备保持环，其特征在于：所述不锈钢环底座(1)与所述PEEK塑料层(2)均为环型结构，所述PEEK塑料层(2)通过反向扣孔(3)和燕尾槽(4)与不锈钢环底座(1)紧密相贴紧扣。
7.根据权利要求6所述的一种半导体CMP化学机械抛光设备保持环，其特征在于：所述PEEK塑料层(2)的顶部沿圆周均匀开设有若干斜槽(5)。
8.一种根据权利要求1～7中任意一项所述的半导体CMP化学机械抛光设备保持环的加工方法，其特征在于：所述的方法包含：
步骤1、预制加工出不锈钢环底座(1)，其尺寸的公差精度满足加工保持环所需的要求，不锈钢环底座(1)与PEEK塑料层(2)的接触面设置反向扣孔(3)和燕尾槽(4)，以保证PEEK塑料层(2)包裹不锈钢环底座(1)并相贴紧扣；
步骤2、制作加工保持环的注塑模具，模具型腔预留0.5mm的余量；
步骤3、根据需要选择合适吨位的注塑机，固定好模具，将预制加工好的不锈钢环底座(1)放入模具内，以注塑型PEEK塑料的标准成型工艺将熔融好的PEEK塑料以高速高压的方式挤入模具型腔，包裹不锈钢环底座(1)，PEEK塑料由原来的流动状态经过冷却定型成固态，充满所有的燕尾槽(4)与反向扣孔(3)从而完全与不锈钢环底座(1)紧扣，待PEEK塑料部分完全冷却后由模具顶出机构将成型制品推出模具型腔，得到保持环的粗坯半成品，PEEK塑料层(2)顶部的若干斜槽(5)在模具型腔内已经直接成型；
步骤4、将保持环的粗坯半成品固定在治具内放入烤炉，在0～200℃的温度范围内逐渐升温，加热烘烤，进行PEEK塑料去应力处理；
步骤5、将处理后的保持环的粗胚半成品装夹固定在数控车床上，设定好加工的数字程序，车削掉预留的PEEK塑料余量；
步骤6、车削加工完成，取出成品，放入超声波清洗设备内去除杂质油污，最后真空包装。
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