CN111251177B - 承载头及具有其的抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体制造工艺抛光技术领域，具体涉及一种承载头及具有其的抛光装置。承载头包括：非柔性材质的本体，本体靠近待抛光晶圆的端部开设有多个凹腔，每个凹腔上设有与气源连接的通气孔；柔性膜固定连接在端部，适于与待抛光晶圆接触。通过将本体设置为非柔性材质，使得在本体上开设多个凹腔比较方便，在凹腔上设置与气源连接的通气孔，使每个凹腔的气压控制较方便，由于在本体靠近待抛光晶圆的端部固定连接柔性膜，采用柔性膜与待抛光晶圆接触，保证了柔性膜与待抛光晶圆的贴合度，由于无需在各腔室之间单独设置密封机构，而是采用非柔性材质的本体直接开设凹腔配合柔性膜的形式保证各腔室的独立控制，使承载头的结构和工艺制造较简单。

Description

承载头及具有其的抛光装置

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺抛光技术领域，具体涉及一种承载头及具有其的抛光装置。

背景技术

集成电路制造工艺过程通常是指将导体、半导体、绝缘层以一定的工艺顺序沉积在特定的基板(如硅基晶圆)上。在制造工艺过程中，CMP(Chemical MechanicalPolishing，化学机械抛光)装置主要用于对晶圆在膜沉积工艺后的微观粗糙表面进行全局平坦化处理,以便进行后续的半导体工艺过程。

化学机械抛光装置，是通过负压吸附的方式将晶圆的一个面固定在承载头上，并通过工位旋转使另外一个面(即工艺面)在工艺过程中与抛光盘上的抛光垫相接触，即其上的承载头主要用于对晶圆进行吸附和施加压力。现有技术中的承载头通常采用多层膜隔离腔室技术，通过膜的凸起和褶皱等特征将各腔室进行区域分割，并在不同的腔室区域根据工艺需要通入不同的压力值。以图1所示的承载头采用五区域腔室为例进行说明，该膜片通过在基体的基础上形成凸起和褶皱来完成五区域的划分，即通过边缘的环形密封筋条形成第一密闭腔室1；通过临近的环形密封筋条形成第二密封腔室2；通过再向内相邻的环形密封筋条形成第三密闭腔室3；通过再向内相邻的环形密封筋条形成第四密封腔室4；通过中心的环形密封筋条形成第五密封腔室5。

但是该结构的承载头由于采用柔性膜来完成分割腔室，各腔室之间需要设置密封以防止各腔室泄露，使得结构较复杂，且由于不同腔室的压力可能不同，需要做到各腔室互不干扰，这又会给加工、制造带来很大困难。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的承载头结构复杂，工艺制造困难，从而提供一种结构相对简单、工艺制造简单的承载头及具有其的抛光装置。

一种承载头，包括：

本体，所述本体为非柔性材质，且所述本体靠近待抛光产品的端部开设有多个凹腔，每个所述凹腔上设有通气孔，所述通气孔适于与气源连接；

柔性膜，固定连接在所述本体的所述端部，适于与所述待抛光产品接触。

所述本体采用金属材质。

所述本体为圆盘结构，所述凹腔为环状结构。

沿径向方向，由所述本体的边缘向所述本体的中心方向，所述凹腔的体积逐渐增大。

若干个所述凹腔的深度相同，沿所述本体的边缘向所述本体的中心方向，所述凹腔的底面积逐渐增大。

至少一个所述凹腔上设有若干凸筋，所述凸筋由所述凹腔的底部向靠近所述柔性膜的方向延伸，且所述凸筋的延伸长度小于所述凹腔的延伸长度。

所述柔性膜粘接在所述本体上。

所述柔性膜为橡胶膜。

所述承载头还包括：气管，设于所述本体远离所述柔性膜的一端，所述气管的一端与所述通气孔连接，另一端伸出所述本体外，适于与所述气源连接。

所述气管与所述本体的侧部之间设有密封装置。

所述承载头还包括：

压力传感器，设于所述通气孔处，所述压力传感器与所述凹腔一一对应设置；

控制器，与所述压力传感器连接，适于控制所述凹腔内的压力。

一种抛光装置，包括如上述的承载头。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的承载头，通过将本体设置为非柔性材质，使得在本体上开设多个凹腔比较方便，通过在凹腔上设置与气源连接的通气孔，使得每个凹腔的气压控制较方便，各个凹腔互不干扰，通过在本体靠近待抛光产品的端部固定连接柔性膜，采用柔性膜与待抛光产品直接接触，保证了柔性膜与待抛光产品的贴合度，由于无需在各腔室之间设置密封，而是采用非柔性材质的本体直接开设凹腔配合柔性膜的形式保证各腔室的独立控制，且在通气时非柔性的本体开设的凹腔也不会相互干扰，使得承载头的结构比较简单，工艺制造比较简单。

2.本发明提供的承载头，通过将本体设置为金属材质，使得本体的获取简单易得。加工性能也较好。

3.本发明提供的承载头，通过将本体设置为圆盘结构，凹腔设置为环状结构，使得凹腔的加工比较便捷。

4.本发明提供的承载头，通过设置沿径向方向，由本体的边缘向中心方向，若干个凹腔的深度相同，底面积逐渐增大，如此可使得边缘处的凹腔体积较小，进而对边缘处压力控制越精确，进而使得边缘的柔性膜与待抛光产品的边缘的贴合度更高，提高抛光效果。

5.本发明提供的承载头，通过在凹腔上设置凸筋，且凸筋的延伸长度小于凹腔的延伸长度，能够在凹腔内为真空的情况下对柔性膜进行支撑，避免由于柔性膜的变形量较大而导致待抛光产品损伤。

6.本发明提供的承载头，通过将柔性膜粘接在本体上，使得柔性膜与本体的固定方式简单可靠，且体积较小。

7.本发明提供的承载头，通过将柔性膜设置为橡胶膜，使得加工比较便捷，且成本较低。

8.本发明提供的承载头，通过在气管与本体的侧部之间设置密封装置，能够增强了密封效果，防止了凹腔内气体的外泄。

9.本发明提供的承载头，通过设置控制器和在每个凹腔的通气孔处均设置压力传感器，使得每个凹腔内的压力能够自动单独的被检测到，各凹腔之间相互独立，互不干扰。同时，通过设置压力传感器，可以对每个凹腔内部的压力进行控制，进而可以控制凹腔相对应的柔性膜与待抛光产品之间的接触压力，进而可以控制不同凹腔对于待抛光产品的剖光程度，从而更加灵活地把控最终获得的待抛光产品在各个不同部位的抛光程度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的承载头的结构剖视图；

图2为本发明的承载头的结构剖视图；

图3为本发明的在对晶圆进行抛光时的部分结构剖视图；

图4为本发明的在对晶圆进行吸附时的部分结构剖视图；

图5为本发明的在对晶圆进行吸附时监测晶圆处于未吸附状态的部分结构剖视图；

图6为本发明的在对晶圆进行吸附时监测晶圆处于吸附状态的部分结构剖视图；

附图标记说明：

1-第一密闭腔室；2-第二密闭腔室；3-第三密闭腔室；4-第四密闭腔室；5-第五密闭腔室；6-本体；7-第一凹腔；8-第二凹腔；9-第三凹腔；10-第四凹腔；11-第五凹腔；12-通气孔；13-柔性膜；14-凸筋；15-气管；16-密封装置；17-抛光垫；18-压盖；19-探头；20-弹簧；21-第一密封圈；22-第二密封圈；23-传感区域；24-晶圆。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图2-图6所示，本实施例中提供了一种承载头，包括：本体6和柔性膜13。

本体6为非柔性材质，且本体6靠近待抛光产品的端部开设有多个凹腔，每个凹腔上设有通气孔12，通气孔12适于与气源连接；柔性膜13固定连接在本体6的端部，适于与待抛光产品接触。

本实施例中的承载头用于对晶圆24进行吸附抛光，通过将本体6设置为非柔性材质，使得在本体6上开设多个凹腔比较方便，通过在凹腔上设置与气源连接的通气孔12，使得每个凹腔的气压控制较方便，各个凹腔互不干扰，通过在本体6靠近晶圆24的端部固定连接柔性膜13，采用柔性膜13与晶圆24直接接触，保证了柔性膜13与晶圆24的贴合度，由于无需在各腔室之间设置密封，而是采用非柔性材质的本体6直接开设凹腔保证各腔室的独立控制，且在通气时非柔性的本体6开设的凹腔也不会相互干扰，使得承载头的结构比较简单，工艺制造比较简单。

其中，本实施例中的本体6采用金属材质。通过将本体6设置为金属材质，使得本体6的获取简单易得。加工性能也较好。作为可变换的实施方式，也可以是，本体6采用非金属材质，或者是，其他的非柔性材质均可。

如图2所示，本实施例中的本体6为圆盘结构，凹腔为环状结构。通过将本体6设置为圆盘结构，凹腔设置为环状结构，使得凹腔的加工比较便捷。作为可变换的实施方式，也可以是，本体6的横截面为方形结构，凹腔为条状结构，沿本体6的长度方向依次开设多个凹腔。

其中，沿径向方向，由本体6的边缘向本体6的中心方向，凹腔的体积逐渐增大。具体地，如图2所示，若干个凹腔的深度相同，沿本体6的边缘向本体6的中心方向，凹腔的底面积逐渐增大。通过设置沿径向方向，由本体6的边缘向中心方向，若干个凹腔的深度相同，底面积逐渐增大，如此可使得边缘处的凹腔体积较小，进而对边缘处压力控制越精确，进而使得边缘的柔性膜13与晶圆24的边缘的贴合度更高，提高抛光效果。作为可变换的实施方式，也可以是，各凹腔的体积根据实际需要设置，如靠近中心的凹腔也和边缘处的凹腔一样体积设置的很小。

本实施例中靠近本体6中心处的凹腔上设有凸筋14，最中心的凹腔上设置有两个凸筋14，临近的凹腔上设置有一个凸筋14凸筋14，由凹腔的底部向靠近柔性膜13的方向延伸，且凸筋14的延伸长度小于凹腔的延伸长度。通过在凹腔上设置凸筋14，且凸筋14的延伸长度小于凹腔的延伸长度，能够在凹腔内为真空的情况下对柔性膜13进行支撑，避免由于柔性膜13的变形量较大而导致晶圆24损伤。作为可变换的实施方式，也可以是，在空间允许的情况下，可以在多个凹腔上均设置凸筋14；或者是，每个凹腔上的凸筋14可根据实际需要具体设置。

本实施例中的柔性膜13为橡胶膜，如硅胶，使得加工比较便捷，成本较低。且柔性膜13通过粘接的方式固定在本体6上，这样使得柔性膜13与本体6的固定方式简单可靠，体积较小。具体地，柔性膜13通过硫化橡胶粘接在本体6上。为了提高柔性膜13的适应能力，提高承载头的功能范围，还可以对柔性膜13进行优化，如改变柔性膜13的形状，可为L形或Z形折角等形式、设置不同凹腔对应的柔性膜13厚度不同等。作为可变换的实施方式，也可以是，柔性膜13采用其他类似性能的橡胶膜。

如图5-图6所示，为了便于与气源连接，本实施例中的承载头还包括气管15，设于本体6远离柔性膜13的一端，气管15的一端与通气孔12连接，另一端伸出本体6外，适于与气源连接。其中气管15从本体6的侧部伸出本体6，且在气管15要伸出本体6处于本体6之间设有密封装置16，能够增强了密封效果，防止了凹腔内气体的外泄。具体地，本实施例中的密封装置16为密封螺柱，用于堵塞边缘加工孔。作为可变换的实施方式，也可以是，密封装置16为密封圈，或者是不设置密封装置16。

本实施例中的承载头还包括：压力传感器，设于通气孔12处，压力传感器与凹腔一一对应设置；控制器，与压力传感器连接，适于控制凹腔内的压力，其中，压力传感器的结构为现有技术，包括压盖18、探头19，设于压盖18和探头19之间的弹簧20、密封圈等等，这里不做过多赘述。通过设置控制器和在每个凹腔的通气孔12处均设置压力传感器，使得每个凹腔内的压力能够自动单独的被检测到，各凹腔之间相互独立，互不干扰，同时，通过设置压力传感器，可以对每个凹腔内部的压力进行控制，进而可以控制凹腔相对应的柔性膜13与晶圆24之间的接触压力，进而可以控制不同凹腔对于待抛光产品的剖光程度，从而更加灵活地把控最终获得的晶圆24在各个不同部位的抛光程度。

本实施例中的承载头以设置5个凹腔为例进行说明，由边缘向中心分别为第一凹腔7、第二凹腔8、第三凹腔9、第四凹腔10和第五凹腔11，如图3所示，在对晶圆24进行抛光工艺过程时，通常来说由边缘至中心的凹腔会各自施加2-10ps i不等的充气压力，各凹腔对应的柔性膜13会在压力作用下发生膨胀变形，膨胀后的柔性膜13会作用于晶圆24的背面并使晶圆24正面与抛光垫17紧密贴合，由于不同凹腔的压力值通常不同，故各凹腔对应的柔性膜13变形量对于晶圆24施加的作用力也通常不同，这样有利于对晶圆24正面的各区域的研磨量进行精准控制。

如图4所示，在对晶圆24进行搬运过程中，晶圆24首先脱离抛光垫17并与柔性膜13紧密贴合，而后通过通气孔12对各凹腔施加负压，各凹腔对应的柔性膜13在负压作用下会发生收缩变形，故收缩后的柔性膜13会与晶圆24形成局部真空，局部真空会对晶圆24的背面进行吸附。

在对晶圆24搬运过程中，需要对晶圆24的吸附状态进行实时监测，本实施例通过对不同区域的压力值相比较进行监测，以第二凹腔8和第四凹腔10为例进行说明，如图5所示，在对区域体积较小的第二凹腔8施加较小的真空度(如-2psi)的压力值然后与真空源断开连接并保压，通过第二凹腔8的压力传感器(未示意)实时监测第二凹腔8的压力值，同时在区域体积较大的第四凹腔10施加真空度较大的压力值(如-8psi)，同时保持该区域与真空源保持连接状态，并通过第四凹腔10处的压力传感器(图中示意)监测该区域的真空度。在晶圆24未被吸附的情况下，柔性膜13处于正常平展状态，压力传感器的探头19在压盖18及弹簧20的作用下处于自由状态，同时在第一密封圈21和第二密封圈22的作用下，第四凹腔10与传感区域23处于非导通状态，此时第二凹腔8与第四凹腔10之间的压力值差值较大。通过差值对比认为此时晶圆24处于未被吸附状态。

如图6所示，在晶圆24被吸附的状态下，晶圆24与柔性膜13紧密贴合，柔性膜13在受到真空吸附的作用下回产生压力变形，柔性膜13的收缩会促使压力传感器探头19处于收缩状态，此时压力传感器探头19与第二密封圈22之间会产生一定的间隙，则第二密封圈22处于失效状态，无法起到密封作用，即传感区域23与第四凹腔10相互连通，由于第四凹腔10处于真空度较大的状态下且第二凹腔8与真空源断开，故第二凹腔8会由于通过气管15与第四凹腔10相同，第二凹腔8的真空值会发生较大的变化(由-2psi变成-4psi)，通过第二凹腔8的压力传感器可监测到此时晶圆24处于吸附状态。

本实施例中还提供了一种抛光装置，包括如上述的承载头，承载头上的柔性膜13与设于下方抛光垫17上的晶圆24接触，对晶圆24进行摩擦抛光。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种承载头，其特征在于，包括：

本体(6)，所述本体(6)为非柔性材质，且所述本体(6)靠近待抛光产品的端部开设有多个凹腔，每个所述凹腔上设有通气孔(12)，所述通气孔(12)适于与气源连接；

柔性膜(13)，固定连接在所述本体(6)的所述端部，适于与所述待抛光产品接触；

所述本体(6)为圆盘结构，所述凹腔为环状结构；

沿径向方向，由所述本体(6)的边缘向所述本体(6)的中心方向，所述凹腔的体积逐渐增大；

至少一个所述凹腔上设有若干凸筋(14)，所述凸筋(14)由所述凹腔的底部向靠近所述柔性膜(13)的方向延伸，且所述凸筋(14)的延伸长度小于所述凹腔的延伸长度。

2.根据权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述本体(6)采用金属材质。

3.根据权利要求1所述的承载头，其特征在于，若干个所述凹腔的深度相同，沿所述本体(6)的边缘向所述本体(6)的中心方向，所述凹腔的底面积逐渐增大。

4.根据权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述柔性膜(13)粘接在所述本体(6)上。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的承载头，其特征在于，所述柔性膜(13)为橡胶膜。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的承载头，其特征在于，还包括：气管(15)，设于所述本体(6)远离所述柔性膜(13)的一端，所述气管(15)的一端与所述通气孔(12)连接，另一端伸出所述本体(6)外，适于与所述气源连接。

7.根据权利要求6所述的承载头，其特征在于，所述气管(15)与所述本体(6)的侧部之间设有密封装置(16)。

8.根据权利要求6所述的承载头，其特征在于，还包括：

压力传感器，设于所述通气孔(12)处，所述压力传感器与所述凹腔一一对应设置；

控制器，与所述压力传感器连接，适于控制所述凹腔内的压力。

9.一种抛光装置，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的承载头。

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