CN111318959B - 一种用于化学机械抛光的保持环和承载头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于化学机械抛光的保持环和承载头，所述环形部包括顶面、底面、外侧面和内侧面，所述顶面与承载头固定连接，所述底面与抛光表面抵接，所述外侧面设置于环形部的外侧并连接于顶面与底面之间，所述内侧面设置于环形部的内侧并连接于顶面与底面之间。

Description

一种用于化学机械抛光的保持环和承载头

技术领域

本发明属于化学机械抛光技术领域，具体而言，涉及一种用于化学机械抛光的保持环和承载头。

背景技术

化学机械抛光(Chemical Mechanical Planarization,CMP)是一种全局平整化的超精密表面加工技术。这种抛光方法通常将基板吸合于承载头的下部，基板具有沉积层的底面抵接于旋转的抛光垫，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与基板之间，在化学和机械的共同作用下实现基板的材料去除。

承载头的下部设置有保持环，其在基板抛光中的作用如下：一方面，保持环可以防止抛光过程的基板从承载头的底部飞出；另一方面，保持环的底部设置有沟槽，其可以更新基板与抛光垫之间的抛光液；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。

基板在进行化学机械抛光过程中，抛光液内部的研磨剂等颗粒物会附着于保持环的表面，尤其是保持环的内侧面与弹性膜的外侧面形成的间隔内。所述间隔尺寸较小，其上会形成大量抛光液结晶。这些结晶的浆料颗粒可能从保持环上脱落，甚至在抛光过程中掉落至抛光垫的表面，抛光的基板可能出现刮伤、划痕等缺陷，即而增加了基板抛光的缺陷数量，影响化学机械抛光系统的产能。

发明内容

本发明旨在至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明第一个方面提供了一种用于化学机械抛光的保持环，其包括环形部，所述环形部包括顶面、底面、外侧面和内侧面，所述顶面与承载头固定连接，所述底面与抛光表面抵接，所述外侧面设置于环形部的外侧并连接顶面与底面，所述内侧面设置于环形部的内侧并连接顶面与底面；所述内侧面和外侧面涂覆有耐污涂层，所述耐污涂层的厚度为0.01μm-30μm。

在一些实施例中，所述环形部的顶面也涂覆有耐污涂层，其厚度为0.05μm-0.2μm。

在一些实施例中，所述环形部的内侧面、顶面和外侧面的表面粗糙度Ra介于6.3μm-12.5μm。

在一些实施例中，所述耐污涂层为热塑性聚合物，其为聚四氟乙烯(PTFE)。

在一些实施例中，所述环形部包括金属部和非金属部，所述非金属部模制形成于金属部的外周侧；所述环形部的顶面、内侧面和外侧面设置的耐污涂层为氟树脂类疏水涂层。

在一些实施例中，所述耐污涂层为聚对二甲苯。

在一些实施例中，所述环形部与耐污涂层之间还涂覆有附着增强层，其可增强耐污涂层与金属部的附着力。

在一些实施例中，所述附着增强层为高分子粘合剂，其的厚度为0.01μm-5μm。

在一些实施例中，所述环形部的顶面设置有螺纹套，所述螺纹套的内部及顶面涂覆有耐污涂层；所述耐污涂层为聚对二甲苯，其厚度为0.01μm-0.1μm。

本发明第二个方面提供了一种用于化学机械抛光的承载头，其包括上面所述的保持环。

本发明公开了一种用于化学机械抛光的保持环和承载头，所述保持环的顶面、内侧面和外侧面设置有耐污涂层，以有效防止抛光液在保持环的表面附着甚至结晶，降低或避免因抛光液在保持环表面形成的结晶块掉落而引起的基板表面刮伤、划伤等缺陷，有效提升基板抛光的成品率，保证化学机械抛光的产能。

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，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是本发明所述保持环的结构示意图；

图2是图1中A处的局部放大图；

图3是本发明所述保持环第一个实施例的结构示意图；

图4是图3中B处的局部放大图；

图5是本发明所述保持环第二个实施例的结构示意图；

图6是本发明所述保持环第三个实施例的结构示意图；

图7是图6中C处的局部放大图；

图8是本发明所述保持环的立体示意图；

图9是本发明所述用于化学机械抛光的承载头的结构示意图。

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。

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。

在本发明中，“化学机械抛光(CMP,Chemical Mechanical Polishing)”也称为“化学机械平坦化(CMP,Chemical Mechanical Planarization)”，“基板(substrate)”也成称为“晶圆(wafer)”，其含义和实际作用等同。

图1是本发明所述保持环1的结构示意图。保持环1包括环形部10，所述环形部10包括顶面10c、底面10d、外侧面10b和内侧面10a。所述顶面10c与承载头固定连接，具体地，其设置于承载头基座的下部，这样，基座的下部与环形部10的内侧形成一个空间，待抛光的基板设置于该空间内。所述底面10d与抛光表面抵接，具体地，环形部的底面10d与抛光垫的上表面抵接。所述外侧面10b设置于环形部10的外侧并连接于顶面10c与底面10d之间，所述内侧面10a设置于环形部10的内侧并连接于顶面10c与底面10d之间。可以理解的是，在环形部的底面10d还设置有未示出的供液槽，抛光液经由环形部10的供液槽输送至基板与抛光垫之间以参与化学作业和机械作业的抛光。

为了解决保持环侧面容易附着抛光液中的抛光剂等颗粒物，甚至在保持环的表面结晶的问题。本发明所述保持环的环形部10的侧面设置有耐污涂层20，如图1所示。所述耐污涂层20设置于环形部10的内侧面10a、外侧面10b，以避免或减少化学机械抛光过程中的颗粒物在保持环表面的结晶，减少保持环上部的结晶掉落引起的基板刮伤或划伤的表面缺陷，提高基板抛光的成品率。

图2是图1中A处的局部放大图，在该实施例中，环形部10的内侧面10a、外侧面10b和顶面10c设置有耐污涂层20，环形部10的顶面10c处的耐污涂层20的厚度等于环形部10的内侧面10a和外侧面10b的耐污涂层20的厚度，以便保证保持环侧面的耐污性，防止抛光过程的颗粒物在保持环的表面附着。由于环形部10的顶面10c与承载头的下部固定，其与抛光过程中的颗粒物接触的可能性减少。

在抛光过程中，保持环1会发生一定程度的翘曲变形，因而，保持环1的顶面10c与承载头的下部可能形成狭小缝隙，该缝隙可能附着少许颗粒物。综上，仍需要在环形部10的顶面10c处设置耐污涂层20，以保证保持环整体的耐污性。作为本发明的一个实施例，环形部的顶面涂覆有耐污涂层，其厚度为0.05μm-0.2μm。优选地，顶面的耐污涂层的厚度为0.08μm。作为本实施例的一个变体，环形部10的顶面10c处的耐污涂层20的厚度可以小于环形部10的内侧面10a和外侧面10b的耐污涂层20的厚度。这样可以在保证保持环耐污性的前提下，控制保持环耐污涂层的成本。

为了增加耐污涂层20与环形部10之间的粘合性，在耐污涂层20涂覆之前，需要对环形部10的表面进行喷砂处理，以改变环形部10顶面、内侧面和/或外侧面的粗糙度，使得其环形部10的表面粗糙度更加适合耐污涂层20的粘合固定。环形部的内侧面、顶面和外侧面的表面粗糙度Ra介于6.3μm-12.5μm。可以理解的是，喷砂处理所得的金属部11的表面粗糙度Ra可以处于6.3μm-12.5μm之间。

作为本发明的一个实施例，所述耐污涂层20的厚度为0.01μm-30μm。优选地，所述耐污涂层20的厚度可以为0.01μm-0.5μm，更优选地，所述耐污涂层20的厚度可以为0.01μm-0.1μm。在图1及图2所示的实施例中，所述耐污涂层20在环形部10的内侧面10a、外侧面10b和顶面10c处的厚度相等，其厚度为0.05μm。作为本实施例的一个变体，所述环形部10的内侧面10a和外侧面10b的耐污涂层20的厚度为0.1μm，而对应的顶面10c处的耐污涂层20的厚度为0.02μm。

作为本发明的另一个实施例，耐污涂层20可以为热塑性聚合物。在一些实施例中，耐污涂层20可以为聚乙烯(PE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氨酯(PU)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、尼龙(Nylon)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和/或聚甲醛(POM)等。优选地，所述耐污涂层20为聚四氟乙烯(PTFE)，聚四氟乙烯具有良好的化学稳定性、耐腐蚀性，其可对环形部10进行有效防护。其可喷涂于环形部10的顶面10c、内侧面10a和外侧面10b。所述耐污涂层20为超细聚四氟乙烯粉末，其喷涂于保持环的顶面10c、内侧面10a和外侧面10b。在一些实施了中，所述超细聚四氟乙烯粉末的尺寸为纳米级，其平均粒径为5nm-50nm。

作为本发明的一个实施例，耐污涂层20可以为氟树脂类疏水涂层。所述氟树脂类疏水涂层是指以氟树脂为主要成膜物质的涂料。由于氟树脂涂料引入电负性大的氟元素，碳氟键能强，氟树脂类疏水涂层具有良好的耐候性、耐热性、耐低温性、耐化学药品性，而且具有独特的不粘性和低摩擦性。因此，氟树脂类疏水涂层能够有效防止抛光过程中的颗粒物附着于保持环的侧面。在一些实施例中，所述氟树脂类疏水涂层可以为四氟乙烯-六氟共聚物(FEP)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、乙烯-聚氯三氟乙烯共聚物(ECTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氯三氟乙烯(CTFE)的任一种或几种。

图3是本发明所述保持环1的实施例的示意图。在该实施例中，环形部10包括金属部11和非金属部12，所述非金属部12模制形成于金属部11的外周侧。所述非金属部12由具有化学惰性的塑料制成。在一些实施例中，非金属部12由聚苯硫醚(PPS)、聚芳醚酮(PAEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯并咪唑(PBI)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚酮酮(PEKK)和/或聚萘二酸丁醇酯(PBN)制成。在保持环1的环形部10的顶面10c、内侧面10a和外侧面10b设置有热塑性聚合物，其可以提升保持环1非金属部12的耐污特性，避免或减少抛光过程中产生的颗粒物附着于保持环1。所述金属部11可以为不锈钢、铝合金或其他金属，由于其包覆于非金属部12的内部，因此，金属部11只要具有足够的强度即可，无需考虑其他因素。图4是图3中B处的局部放大图，在该实施例中，环形部10的顶面10c、内侧面10a和外侧面10b的耐污涂层20的厚度相等。

作为本实施例的一个方面，所述耐污涂层20为聚对二甲苯。聚对二甲苯(parylene)是一族由对二甲基苯合成的热塑性塑料聚合物。聚对二甲苯可在室温条件下气相沉积获得。利用气相沉积技术可以生成数百微米内任何厚度的薄膜。真空沉积的聚对二甲苯具有均一性、保形性，无微孔无缺陷，化学性质不活泼等优良特性，其能够有效防止抛光过程的颗粒污染物附着于保持环。

作为图3所述的保持环1的一个变体，其局部放大图如图5所示。容易理解的是，图5是为了更加清晰的表示耐污涂层20，其实际厚度为微米级。在该实施例中，环形部的顶面10c设置耐污涂层20b，所述耐污涂层20b为热塑性聚合物；而环形部的内侧面10a和外侧面10b设置耐污涂层20a，所述耐污涂层20a为氟树脂类疏水涂层。

作为本发明的另一个实施例，如图6所示，为了增加耐污涂层20与保持环1的环形部10的附着力，可在耐污涂层20与环形部10之间设置附着增强层30。图7是图6中C处的局部放大图。所述附着增强层30的厚度为耐污涂层20厚度的1/5-1/2之间。在一些实施例中，所述附着增强层30为高分子粘合剂，其设置于耐污涂层20与环形部10之间，以增加耐污涂层20的附着力，保证保持环1的耐污涂层20的可靠固定于环形部10的内侧面、顶面和外侧面。在图7所示的实施例中，附着增强层30设置于保持环1环形部10的内侧面与外侧面。相比于保持环的顶面，保持环的内侧面与外侧面接触抛光产生的颗粒物的几率较大。因此，需要保证耐污涂层20可靠附着于保持环内侧面与外侧面。

为了增加耐污涂层20的附着力，其可在耐污涂层20与环形部10之间设置附着力增强层30，以增强耐污涂层20与金属部11和非金属部12之间的附着力。所述附着力增强层30为高分子粘合剂，其厚度为0.01μm-5μm。在一些实施例中，所述附着力增强层30的厚度也可以为5μm-15μm。本发明中，使用的高分子粘合剂由合成乳液、渗透剂、保护剂、补强剂和增稠剂组成，其体积比如下，合成乳液：渗透剂：保护剂：补强剂：增稠剂为40：30：5：15:10。

图8是本发明所述保持环1另一个实施例的示意图，在该实施例中，保持环1的环形部10的顶面10c和内侧面10a设置有耐污涂层。为了防止抛光过程产生的颗粒污染物进入环形部10顶面的螺纹套13内，在螺纹套13的内部及顶面涂覆有耐污涂层20；所述耐污涂层为聚对二甲苯，其厚度为0.01μm-0.1μm。聚对二甲苯(parylene)是一族由对二甲基苯合成的热塑性塑料聚合物。作为本发明的一个实施例，螺纹套13的顶面的耐污涂层的厚度为0.05μm，经验证，工业实践中可增加至不超过50μm且不低于0.01μm，而螺纹套13内部的耐污涂层的厚度为0.08μm。

使用本发明所述的用于化学机械抛光保持环与现有的无耐污涂层的保持环进行生产比对实验，容易理解的是，除保持环有无耐污涂层以外，使用的化学机械抛光的其他硬件及软件他的配置都是一致的。得到的实验结果如表1所示。

表1保持环比对实验结果

保护环类型	晶圆划伤(％)
		无耐污涂层的保持环	0.8‰
配置耐污涂层的保持环	0.1‰

由表1数据可知，使用无耐污涂层的保持环，晶圆表面划伤的概率为0.8‰；而使用配置耐污涂层的保持环后，晶圆表面划伤的概率降低至0.1‰。因此，本发明所述用于化学机械抛光保持环能够降低晶圆划伤的概率，解决抛光过程颗粒污染物结晶掉落而划伤或划伤晶圆表面的问题。

本发明第二个方面提供了一种用于化学机械抛光的承载头，用于化学机械抛光的承载头2的结构示意图，如图9所示，其包括上面任一项所述的保持环1。所述保持环1环形部10的顶面10c、内侧面10a和外侧面10b设置有耐污涂层20，以提升保持环1的耐污性，有效防止抛光过程的颗粒污染物附着于保持环10而发生结晶。有效降低因保持环附着的污染物结晶掉落产生的基板划伤、刮伤等质量缺陷，提高基板抛光的成品率。

此外，根据生产测试，当保持环1的外侧面的耐污涂层表面的厚度大于其内侧面的耐污涂层的厚度30％～100％时，更有利于污染物向保持环内侧聚集，从而更利于污染物的保湿而不容易结晶，因此，宜将保持环外侧的耐污涂层厚度设置为大于其内侧的耐污涂层，在此情况下更快的牺牲掉所述保持环内侧涂层以减少外侧涂层的污染物结晶可能性，从而降低结晶后的污染物可能造成晶圆CMP制程的影响。

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 (8)

1.一种用于化学机械抛光的保持环，用以控制颗粒污染物附着于保持环的装配位置，其特征在于，包括环形部，所述环形部包括顶面、底面、外侧面和内侧面，所述顶面与承载头固定连接，所述底面与抛光表面抵接，所述外侧面设置于环形部的外侧并连接顶面与底面，所述内侧面设置于环形部的内侧并连接顶面与底面；所述内侧面和外侧面涂覆有耐污涂层，所述耐污涂层的厚度为0.01μm-30μm；所述环形部的顶面设置有螺纹套，所述螺纹套的内部及顶面涂覆有耐污涂层；所述耐污涂层为聚对二甲苯，其厚度为0.01μm-0.5μm；所述环形部的顶面也涂覆有耐污涂层，其厚度为0.05μm-0.2μm，其中，所述保持环的外侧面的耐污涂层的厚度大于其内侧面的耐污涂层的厚度30％～100％。

2.如权利要求1所述的保持环，其特征在于，所述环形部的内侧面、顶面和外侧面的表面粗糙度Ra介于6.3μm-12.5μm。

3.如权利要求1所述的保持环，其特征在于，所述耐污涂层为热塑性聚合物，其为聚四氟乙烯PTFE。

4.如权利要求1所述的保持环，其特征在于，所述环形部包括金属部和非金属部，所述非金属部模制形成于金属部的外周侧；所述环形部的顶面、内侧面和外侧面设置的耐污涂层为氟树脂类疏水涂层。

5.如权利要求4所述的保持环，其特征在于，所述耐污涂层为聚对二甲苯。

6.如权利要求1所述的保持环，其特征在于，所述环形部与耐污涂层之间还涂覆有附着增强层，其可增强耐污涂层与金属部的附着力。

7.如权利要求6所述的保持环，其特征在于，所述附着增强层为高分子粘合剂，其的厚度为0.01μm-0.1μm。

8.一种用于化学机械抛光的承载头，其特征在于：包括权利要求1-7任一项所述的保持环。