CN110962037A - 一种承载头及化学机械抛光装置 - Google Patents

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赵德文
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Abstract

本发明提供的一种承载头及化学机械抛光装置，所述承载头包括基座、弹性膜以及气管，所述基座包括与枢轴连接的第一部分和与所述弹性膜连接的第二部分，所述第一部分具有至少一个第一气孔，所述第二部分具有与所述第一气孔成对匹配的第二气孔，所述第一气孔和所述第二气孔通过所述气管连接以将气体从所述第一部分输送至所述第二部分以调节弹性膜与基座之间所形成的腔室的压力，用于连接所述第一气孔和所述第二气孔的所述气管沿所述第二部分的上表面弯曲延伸。

Description

一种承载头及化学机械抛光装置
技术领域
本发明属于化学机械抛光领域，具体而言，涉及一种承载头及化学机械抛光装置。
背景技术
化学机械抛光是一种可接受的基板抛光的方法。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，在化学及机械的综合作用下使基板完成全局抛光。
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。如美国专利US20130065495A1公开了一种承载头，其包括基座及弹性膜，弹性膜可拆卸地设置在基座的下部，如图1所示。基座包括第一部分及第二部分，第一部分可移动的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基座底面的方向运动。第二部分下部安装有弹性膜使得第二部分与弹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。
如图1所示，为防止气管与气孔连接松动，现有技术中的气管是沿垂直于基座底面的平面弯曲设置的，导致气管高于第一部分的上表面，进而使得气管的弯曲部分暴露在基座外壳的外部，导致气管因上部弯曲而无法密封在壳体内；抛光作业中，抛光液在离心力作用下飞溅而极易溅落至承载头的上部并进入承载头内部进而腐蚀气管及承载头的其他零部件，从而影响承载头及多种零部件的寿命，甚至形成结晶直接影响承载头的作业。尽管可以通过增大基座壳体上部空间的方式将气管完全密封在壳体内，但会导致承载头结构不紧凑并增加制造和安装成本。
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，本发明提出一种承载头，包括基座、弹性膜以及气管，所述基座包括与枢轴连接的第一部分和与所述弹性膜连接的第二部分，所述第一部分具有至少一个第一气孔，所述第二部分具有与所述第一气孔成对匹配的第二气孔，所述第一气孔和所述第二气孔通过所述气管连接以将气体从所述第一部分输送至所述第二部分以调节所述弹性膜与所述基座之间所形成的腔室的压力，用于连接所述第一气孔和所述第二气孔的所述气管沿所述第二部分的上表面弯曲延伸。
在一个实施例中，所述承载头还包括接头，所述接头用于连接所述气管与所述第一气孔和/或所述第二气孔，以增强所述气管与所述气孔之间连接的可靠性。
在一个实施例中，所述接头是直管接头、弯管接头、万向接头、L接头中的一种，其中，所述接头与所述气管连接的一端和/或与所述气孔连接的一端可绕所述气管中心线或所述气孔的中心线旋转。
在一个实施例中，所述气管沿平行于所述第二部分的上表面的平面延伸，所述气管的中心线距所述第二部分上表面2mm至20mm。
在一个实施例中，由所述气管连接的所述至少一对气孔中的第一气孔与第二气孔的径向距离不大于所述第二部分上表面径向宽度的2/3。
在一个实施例中，所述气管绕所述第一部分的外圆周壁表面弯曲延伸。
在一个实施例中，所述气管沿所述第一部分与第二部分的交汇线方向延伸。
在一个实施例中，所述第一气孔与第二气孔彼此垂直。
在一个实施例中，所述气管的长度不小于所述基座半径的1/2。
此外，本发明还提供了一种化学机械抛光装置，其包括本发明任一项实施例所述的承载头和/或这些承载头的技术特征。
本申请所述的用于化学机械抛光的承载头，其有益效果包括：解决了气管高于第一部分的上表面的问题，可以改变部分气管外漏于壳体的现象，以便于改善承载头上部的密封，改善了基座结构的紧凑性并从而改善了化学机械抛光装置的整体布局。本发明的附加方面和优点将在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
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是现有技术中用于化学机械抛光的承载头的结构示意图；
图2是根据本发明的用于化学机械抛光的承载头的结构示意图；
图3是本发明所述承载头之弹性膜内部腔室的结构示意图；
图4是本发明用于化学机械抛光的承载头一个实施例的俯视图；
图5是本发明用于化学机械抛光的承载头另一个实施例的俯视图；
图6是图2对应的承载头的主视图；
图7a及图7b是承载头第二部分相对于第一部分移动的结构示意图；
图8-图11是根据本发明所述用于化学机械抛光的承载头其他实施例的结构示意图；
图12是具有根据本发明的承载头的化学机械抛光装置的示意图；
其中，数字附图标记的含义如下：
1000-化学机械抛光装置；
100-承载头；
10-基座；
11-第一部分；111-第一气孔；12-第二部分；121-第二气孔；13-凹部；14-交汇线；
20-弹性膜；20a-中心腔室；20b-第一中间腔室；20c-第二中间腔室；20d-边部腔室；
30-枢轴连接件；
40-气管；
50-直管接头；
60-弯管接头。
200-抛光盘；300-供液装置；400-修整器；500-抛光垫；600-抛光液。
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。应当理解的是，除非特别予以说明，为了便于理解，以下对本发明具体实施方式的描述都是建立在相关设备、装置、部件等处于原始静止的未给与外界控制信号和驱动力的自然状态下描述的。
如图2和图3所示，根据本发明的用于化学机械抛光的承载头100包括基座10、枢轴连接件30、气管40，基座10包括第一部分11和第二部分12，第一部分11同心设置于第二部分12内侧上部使得第一部分11和第二部分12可沿垂直于基座底面的方向相对移动；第一部分11经由基座10上部的枢轴连接件30与枢轴(未示出)连接并带动基座10运动；基座10的第二部分12下部安装有弹性膜20以形成多个例如中心腔室20a、第一中间腔室20b、第二中间腔室20c、边部腔室20d的用于调节施加于基板的压力的密封气腔；第一部分11的外壁上部设置有多个第一气孔111，第二部分12上表面具有与第一气孔111成对设置的第二气孔121，每一对气孔之间通过气管40连接，使得空气经由枢轴连接件30上表面的气孔301进入第一部分11后经由第一部分11中的诸如通道之类的空气传输结构输送至第一气孔111，然后再经由与第一气孔111密封连接的气管40输送至与气管40另一端密封连接的第二气孔121，从而使得空气经由第二部分12内的空气传输结构输送至气腔。
在本实施例中，可在气管40与气孔之间设置接头，以减少气管40的弯曲以避免对空气传输产生阻碍性影响从而降低对气腔压力控制的精确性并减少气管40两端处的弯曲和/或扭曲以避免气管40两端的连接松脱。具体而言，这类接头与气管的连接处是可小幅活动的，活动的范围可以是沿气管径向和/或轴向。如图2所示，可在气管40与第一气孔111之间设置直管接头50并在气管40与第二气孔121之间设置弯管接头60，弯管接头60也称为“万向接头”或“L型接头”或“L万向接头”，弯管接头60与第二气孔121连接的部分可绕气孔轴线旋转从而带动气管旋转，并且弯管接头60与气管40连接的连接处可相对于接头主体部分小幅活动，所述活动可以是沿气管径向和/或轴向。进一步的，如图4所示，可在气管40与第一气孔111之间设置弯管接头60并且在气管40与第二气孔121之间设置弯管接头60，换言之，弯管接头不仅改变了气管40两端插入气孔的方向，还使得气管40的两端可以转动，其中气管40两端的弯管接头60可以是相同的或者是不同的。
根据本发明的另一方面，第一气孔111不直接设置在第一部分11的圆形外壁上，而是在第一部分11外圆周壁与顶部的交汇线14处设置凹部13，凹部13的内壁垂直于基座10的底面并大体垂直于基座10的半径，从而使第一气孔111具有规则的圆形边缘轮廓以为气管40或直管接头50的安装提供平面安装面，从而提高气管40或弯管接头60安装的可靠性和稳定性。
需要说明的是，无论气管40是直接与第二气孔121连接还是经由接头与第二气孔121连接，气管40都是可以沿平行于基座10的底面的平面延伸的，所述平行于基座10的底面的平面位于基座10的第二部分12的上表面与第一部分11的上表面之间；作为一种改进，气管40可大体沿平行于基座10的底面延伸并与所述上表面之间形成一夹角，该夹角一般不大于30°，优选不大于15°；这种夹角的效果在于，增加了气管40的可变形度从而增加了气管40的整体柔性，当基座10的第一部分11相对于第二部分11向上移动时减小气管40形状的改变幅度，从而进一步增强了气管连接的可靠性和稳定性。
容易理解的是，基座10的底面与基座10的第二部分12的上表面是大体平行的，气管40一般不会贴合第二部分12的上表面延伸；换言之，气管40延伸的平面与第二部分12的上表面之间存在1～10mm的距离；这段间隔距离不仅有利于气管的安装，还可以避免气管40与第二部分12的上表面之间的粘连或者在气管40与所述上表面之间积聚污染物。
作为本发明的另一个实施例，如图5所示，6个第一气孔111等距均匀的设置于第一部分11的上部凹槽中，并且与第一气孔111分别成对配置的6个第二气孔121等距均匀的设置于第二部分12的上表面，每一对第一气孔111和第二气孔121之间的径向夹角α为15°至90°，优选为30°至60°；需要注意的是，6个第一气孔111均设置在第一部分11上部表面，其距离基座10的中心轴线的在距离是相同的，而第二气孔121距离基座10的中心线的距离可以是不同的，图4中的第二气孔121分布于第二部分12的径向中线处，使得第二气孔121的中心与第二部分12的内径和外径的距离大致相等，而图5中的第二气孔121设置于更靠近所述第二部分12的内径的位置；优选的，可将第二气孔121设置于距第二部分12外环的距离是其外径宽度的1/3～2/3处。
如图5所示，由气管40连接的至少一对气孔中的第一气孔111与第二气孔121的径向距离不大于第二部分12上表面径向宽度的2/3。其中，径向距离为第一气孔111距离基座10中心的径向长度与第二气孔121距离基座10中心的径向长度之差。第二部分12上表面径向宽度为第二部分12上表面的内环与外环之间的径向宽度。
如图5所示，图中虚线所在的垂直于基座10上表面的平面可以表示基座10的半径平面，半径平面为穿过基座10的中心线并垂直于基座10上表面的平面。由气管40连接的成对匹配的第一气孔111与第二气孔121可以不位于基座10的同一半径平面上。
如图1至图6所示，连接基座的第一部分11和第二部分12的气孔的气管40设置成弯曲的，换言之，所述气管40的长度大于成对设置的第一气孔111和第二气孔121之间的直线距离，具体而言，气管40的长度不超过第一气孔111与第二气孔121之间直线距离的π/2倍，优选为1.3～1.8倍；这样做的有益效果在于，如图7a和图7b所示，当基座10的第一部分11和第二部分12均不工作处于初始状态时，气管40的延伸方向(延伸平面)与第二部分12的上表面的夹角θ1可以为0°至15°，当抛光过程开始，所述第二部分12相对于所述第一部分11向下移动后，第二气孔121与第一气孔111之间的距离会随之变大从而导致气管40的延伸方向改变，使得气管40的延伸方向(延伸平面)与第二部分12的上表面的夹角θ1增大至图7b中的θ2，使得气管40的长度逐渐接近其所连接的第二气孔121至第一气孔111之间的距离，由于气管40的长度设置成第一气孔111与第二气孔121之间直线距离的1.3～1.8倍，这样可以保证在基座10作业过程中气管40两端的连接不松脱。
在以上实施例中，第一气孔111等距均匀地设置在基座10的第一部分11上部外表面且第二气孔121是等距均匀地设置在基座10的第二部分12的上表面，并且气管40的长度是相等的。需要说明的是，如图8和图9所示，第一气孔111彼此之间的距离可以是不相等的，并且相邻的两个第一气孔111之间的夹角也可以是不同的；类似的，第二气孔121彼此之间的距离可以是不相等的，并且相邻的两个第二气孔121之间的夹角也可以是不同的；类似的，至少一个气管40可沿顺时针方向弯曲延伸或沿逆时针方向延伸。图10和图11示出了根据本发明的其他实施例，从图10中可见，6支气管40及其所连接的气孔被分成两组，每组中的气管均匀等距设置于基座10的一部分上，从图11中可见，6只气管40集中的均匀等距设置于基座10的一部分上，从而在基座10的第二部分12的上表面留出一部分空间以设置诸如检测装置、平衡装置、调节装置之类的其他部件或单元。
在一个实施例中，承载头还包括用于覆盖第一部分11、第二部分12和气管40的盖体，盖体与第二部分12可拆卸连接。盖体可以包括顶面和柱状的侧面，该顶面上具有镂空口，用于露出枢轴连接件30，枢轴连接件30与承载头的旋转驱动装置连接，以便带动承载头旋转。
图12示出了具有根据以上实施例的承载头100的化学机械抛光装置1000，其中枢轴700带动根据本发明的承载头100与抛光盘200同向转动，抛光盘200上部具有抛光垫500，基板(未示出)位于承载头100与抛光垫500之间，供液装置300将抛光液600输送至抛光垫500表面使得抛光液600散布于基板与抛光垫500之间以完成基板的化学机械抛光。
本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。应当理解的是，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制，相同的参考标记用于表示附图中相同的部分。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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 (10)

1.一种承载头，包括基座、弹性膜以及气管，所述基座包括与枢轴连接的第一部分和与所述弹性膜连接的第二部分，所述第一部分具有至少一个第一气孔，所述第二部分具有与所述第一气孔成对匹配的第二气孔，所述第一气孔和所述第二气孔通过所述气管连接以将气体从所述第一部分输送至所述第二部分以调节所述弹性膜与所述基座之间所形成的腔室的压力，用于连接所述第一气孔和所述第二气孔的所述气管沿所述第二部分的上表面弯曲延伸。
2.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述承载头还包括接头，所述接头用于连接所述气管与所述第一气孔和/或所述第二气孔，以增强所述气管与所述气孔之间连接的可靠性。
3.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述接头是直管接头、弯管接头、万向接头、L接头中的一种，其中，所述接头与所述气管连接的一端和/或与所述气孔连接的一端可绕所述气管中心线或所述气孔的中心线旋转。
4.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述气管沿平行于所述第二部分的上表面的平面延伸，所述气管的中心线距所述第二部分上表面2mm至20mm。
5.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，由所述气管连接的所述至少一对气孔中的第一气孔与第二气孔的径向距离不大于所述第二部分上表面径向宽度的2/3。
6.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述气管绕所述第一部分的外圆周壁表面弯曲延伸。
7.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述气管沿所述第一部分与第二部分的交汇线方向延伸。
8.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述第一气孔与第二气孔彼此垂直。
9.如权利要求1至8中任一项所述的承载头，其特征在于，所述气管的长度不小于所述基座半径的1/2。
10.一种化学机械抛光装置，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的承载头。
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