CN111451928A - 一种抛光头及抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抛光头及抛光装置，该抛光头用于将晶圆保持在抛光平台上。该抛光头包括壳体、及与壳体连接的限位环，限位环环绕于晶圆的四周以限位晶圆。还包括位于限位环内的托架，托架上设置有抵压在晶圆表面的背膜。且托架沿第一方向滑动装配在壳体上。该抛光头还包括驱动托架相对壳体沿第一方向滑动的驱动装置。通过采用托架沿与限位环的轴线平行的方向滑动装配在壳体上的方式，并设置驱动装置驱动托架相对壳体沿限位环的轴线方向滑动，可以在限位环磨损较为严重时，通过驱动装置驱动托架沿远离晶圆方向移动，将托架与晶圆表面之间的间距保持在合理范围内，使晶圆与托架之间的间距不因限位环的磨损而减小，防止晶圆边缘过度抛光。

Description

一种抛光头及抛光装置

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种抛光头及抛光装置。

背景技术

目前随着晶圆上设计制作的图形逐步精细化，出于各种目的，CMP(ChemicalMechanical Polishing，化学机械抛光)工艺在不断增加。因此，CMP工艺中的晶圆上成膜图形的均匀性变得更加重要。CMP工艺中晶圆上成膜图形的均匀性受设备结构影响、模式影响、以及全工艺影响。为提高晶圆上成膜图形的均匀性，使用抛光头(Polishing Head)的膜区控制(Membrane Zone Control)及抛光垫调节(Pad Conditioning Tuning)等多种方法。

化学机械抛光装置(CMP Polisher)大致由抛光垫(Polishing Pad)、抛光头(Polishing Head)、研磨剂分配器(Slurry Dispenser)、护垫保持器(Pad Conditioner)等部件组成。其中，抛光头用于将晶圆维持在抛光垫上。现有技术中的抛光头为如图1所示的结构，其包括壳体1、与壳体1固定连接的托架(Membrane Plate)2以及设置在托架2上的背膜(Membrane)3；还包括设置在壳体1上的限位环(Retainer Ring)4。限位环4的作用为将晶圆5限定在抛光垫6与背膜3之间，防止晶圆5脱离抛光头。在壳体1与抛光垫6之间通过气压(Air Pressure)控制的方式将晶圆5抵压在抛光垫6上。此时，限位环4也抵压在抛光垫6上，由于壳体1与晶圆5之间使用高压，所以限位环4的磨损速度较快。随着限位环4的磨损，位于限位环4内侧的晶圆5和托架2之间的间距(Membrane Height，意指托架2与晶圆5表面的间距)将减小。而限位环4内侧的晶圆5和背膜3之间的间距的减小，导致背膜3边缘(MembraneEdge)的压力增加，从而会导致晶圆5边缘(Wafer Edge)的抛光量(Removal)增加，从而在晶圆5的边缘处存在过量化学机械抛光(Over CMP)，影响晶圆5上成膜图形的均匀性。图2为采用现有技术中的抛光头对晶圆5进行抛光过程中，随着限位环4工作时间的延长，晶圆5上各个位置的晶圆上成膜图形变化图。可以看出，晶圆5边缘处的成膜图形明显薄于晶圆5靠近中间位置的成膜图形，晶圆5上成膜图形的均匀性较差。

发明内容

本发明提供了一种抛光头及抛光装置，用于使晶圆与背膜之间的间距保持在设定范围，使晶圆与背膜之间的间距不因限位环的磨损而减小，从而防止晶圆边缘过度抛光，改善晶圆上成膜图形的均匀性。

第一方面，本发明提供了一种抛光头，该抛光头用于将晶圆保持在抛光平台上。该抛光头包括壳体、以及与壳体连接的限位环，其中，限位环环绕于晶圆的四周以限位晶圆。该抛光头还包括位于限位环内的托架，且托架上设置有抵压在晶圆背面的背膜。且托架沿第一方向滑动装配在壳体上，其中，第一方向指的是与限位环的轴线平行的方向。该抛光头还包括驱动托架相对壳体沿第一方向滑动的驱动装置。

在上述的方案中，通过采用托架沿与限位环的轴线平行的方向滑动装配在壳体上的方式，并设置驱动装置驱动托架相对壳体沿限位环的轴线方向滑动，从而可以在限位环磨损较为严重时，通过驱动装置驱动托架沿远离晶圆方向移动，从而将托架与晶圆表面之间的间距保持在合理范围内，使晶圆与托架之间的间距不因限位环的磨损而减小，从而防止晶圆边缘过度抛光，改善晶圆上成膜图形的均匀性。

在一个具体的实施方式中，壳体上设置有沿第一方向开孔的通孔；驱动装置上设置有贯穿通孔后与托架固定连接的连接杆，且连接杆可在通孔内滑动。通过上述的设置方式，以便于将托架滑动装配在壳体上。

在一个具体的实施方式中，连接杆与通孔密封连接，以防止灰尘等杂质通过连接杆与通孔之间的缝隙进入到抛光头内部，从而保持晶圆制备过程中的洁净度。在具体实现连接杆与通孔之间密封连接时，可以选择连接杆通过密封圈与通孔密封连接的方式。

在一个具体的实施方式中，连接杆与托架之间螺纹连接，以便于连接杆与托架之间的拆卸与安装。

在一个具体的实施方式中，驱动装置包括电机、以及设置在电机的输出轴上的齿轮；驱动装置还包括与连接杆固定连接且沿第一方向延伸的齿条，齿条与齿轮相啮合。通过上述的方式，以实现驱动装置驱动连接杆沿第一方向滑动。

在一个具体的实施方式中，驱动装置还可以为伸缩气缸，其中伸缩气缸的活塞杆作为连接杆与托架固定连接，以简化结构。

在一个具体的实施方式中，抛光头还包括控制装置，控制装置用于控制驱动装置驱动托架相对壳体沿第一方向滑动，以便于控制背膜与晶圆表面之间的间距。

在一个具体的实施方式中，控制装置包括设置在壳体内且用于检测托架与晶圆表面之间间距的传感器组件、以及与传感器组件连接且与驱动装置连接的控制单元。其中，控制单元用于控制传感器组件检测托架与晶圆表面之间的间距；且控制单元还用于在托架与晶圆表面之间的间距小于设定值时，控制驱动装置驱动托架沿远离晶圆表面方向滑动。通过设置传感器组件以及具有分析及控制功能的控制单元作为控制装置，以便于实现对驱动装置的控制。

在一个具体的实施方式中，晶圆具有相对的正面及背面，背膜抵压在晶圆的背面上，以进一步改善晶圆正面上成膜图形的均匀性。

第二方面，本发明还提供了一种抛光装置，该抛光装置用于对晶圆表面抛光。该抛光装置包括抛光平台，其中抛光平台包括转盘、以及设置在转盘上且用于对晶圆抛光的抛光垫。该抛光装置还包括位于抛光垫上方的上述任意一种抛光头。

在上述的方案中，通过使抛光头中的托架可沿壳体在限位环的轴线方向上滑动，从而可以在限位环磨损较为严重时，通过驱动装置驱动托架沿远离晶圆方向移动，从而将托架与晶圆表面之间的间距保持在合理范围内，使晶圆与托架之间的间距不因限位环的磨损而减小，从而防止晶圆边缘过度抛光，改善晶圆上成膜图形的均匀性。

附图说明

图1为现有技术中的抛光头的结构示意图；

图2为采用现有技术中的抛光头对晶圆进行抛光时，晶圆表面的上成膜图形变化示意图；

图3为本发明实施例提供的一种抛光头的结构示意图。

附图标记：

10-壳体 11-通孔 20-托架 21-背膜

30-限位环 40-连接杆 50-晶圆 60-抛光垫

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

为了方便理解本发明实施例提供的抛光头，下面首先说明一下本发明实施例提供的抛光头的应用场景，该抛光头应用于采用化学机械抛光方法对晶圆表面进行抛光的工序中，用以将晶圆保持在抛光平台上。下面结合附图对该抛光头进行详细的叙述。

参考图3，本发明实施例提供的抛光头包括壳体10、以及与壳体10连接的限位环30，其中，限位环30环绕于晶圆50的四周以限位晶圆50。在具体设置时，壳体10可以为铝壳、不锈钢壳等作为支撑结构的壳体10结构。限位环30为现有技术中常规的用于化学机械抛光工艺中，对晶圆50进行限位，以将晶圆50锁定于其内的环体结构，其具有容纳晶圆50的空间。在抛光头靠近抛光平台上的抛光垫60时，抛光垫60、壳体10以及限位环30共同将晶圆50固定在内部空间。在具体连接限位环30与壳体10时，限位环30可以与壳体10螺纹连接，以便于限位环30的拆卸与安装。应当理解的是，限位环30与壳体10的连接方式并不限于上述示出的通过螺纹连接的方式，除此之外，还可以采用其他能够将限位环30固定在壳体10上的连接方式。

继续参考图3，该抛光头还包括位于限位环30内的托架20，且托架20上设置有抵压在晶圆50表面的背膜21。托架20可以为诸如平板的板体结构，还可以为由多个桁架结构组成的作为固定背膜21的支撑结构。背膜21为现有技术中抵压在晶圆50上的膜体结构，其用来适应晶圆50的表面，以补偿晶圆50表面以及晶圆50表面上的颗粒带来的不平整性。背膜21具体可以选择类似海绵、且具有抽真空的小孔的膜结构。在具体将背膜21固定在托架20上时，背膜21可以通过粘接方式固定在托架20上。在应用时，晶圆50位于限位环30内，且背膜21抵压在晶圆50的表面，晶圆50的相对的另一面抵压在抛光平台上，随着抛光平台的旋转，抛光平台可以对晶圆50的表面进行抛光。

晶圆50具有相对的正面与背面，抛光平台既可以对晶圆50的正面进行抛光，也可以对晶圆50的背面进行抛光，具体选择抛光晶圆50的正面还是背面与进行抛光的目的有关。在对晶圆50的正面抛光时，参考图3，此时晶圆50的下表面(以图3示出的结构为参考)为晶圆50的正面，晶圆50的上表面为晶圆50的背面，背膜21抵压在晶圆50的背面上，晶圆50的正面抵压在抛光平台上，抛光平台对晶圆50的正面抛光，以进一步改善晶圆50正面上成膜图形的均匀性。在对晶圆50的背面抛光时，此时，晶圆50的下表面(以图3示出的结构为参考)为晶圆50的背面，晶圆50的上表面为晶圆50的正面，背膜21抵压在晶圆50的正面上，晶圆50的背面抵压在抛光平台上。

参考图3，托架20沿第一方向滑动装配在壳体10上。其中，第一方向指的是与限位环30的轴线平行的方向，以图3中的抛光头的放置方式为参考，此时的第一方向为竖直方向。且该抛光头还包括驱动托架20相对壳体10沿第一方向滑动的驱动装置(图中未示出)。与现有技术中抛光头中的托架20与壳体10固定连接的方式相比，本发明实施例公开的技术方案通过采用托架20沿与限位环30的轴线平行的方向滑动装配在壳体10上的方式，并设置驱动装置驱动托架20相对壳体10沿限位环30的轴线方向滑动；在应用时，可以在限位环30磨损较为严重时，通过驱动装置驱动托架20沿远离晶圆50方向移动，从而将托架20与晶圆50表面之间的间距保持在合理范围内，使晶圆50与托架20之间的间距不因限位环30的磨损而减小，从而防止晶圆50边缘过度抛光，改善晶圆50上成膜图形的均匀性。其中，托架20与晶圆50表面之间的间距可以通过托架20的上表面(以图3示出的抛光头为参考)与晶圆50的上表面之间的间距h表示，还可以通过托架20的下表面与晶圆的上表面之间的间距表示。

具体设置时，参考图3，壳体10上设置有沿第一方向开孔的通孔11；驱动装置上设置有贯穿通孔11后与托架20固定连接的连接杆40，且连接杆40可在通孔11内滑动。通过该设置方式，以便于将托架20滑动装配在壳体10上。在具体连接连接杆40以及托架20时，连接杆40可以与托架20之间螺纹连接，在装配时，先使连接杆40的一端穿过壳体10的通孔11，之后将托架20拧紧在连接杆40上，从而便于连接杆40与托架20之间的拆卸与安装。应当理解的是，连接杆40与托架20之间的连接方式并不限于上述示出的方式，除此之外，还可以采用其他能够将连接杆40与托架20固定连接的方式，例如可以采用卡扣卡接的方式。

在具体设置驱动装置时，驱动装置可以包括电机、以及设置在电机的输出轴上的齿轮；驱动装置还可以包括与连接杆40固定连接且沿第一方向延伸的齿条，齿条与齿轮相啮合。通过该方式，以实现驱动装置驱动连接杆40相对壳体10沿第一方向滑动。在应用时，随着限位环30的磨损，可以启动电机，使电机通过齿轮齿条的传动装置，带动托架20向远离晶圆50方式滑动，从而使晶圆50表面与托架20之间的距离保持在合理范围内，避免晶圆50与托架20之间的间距因限位环30的磨损而减小，从而防止晶圆50边缘过度抛光，以改善晶圆50上成膜图形的均匀性。应当理解的是，在驱动装置包括电机时，其驱动连接杆40相对壳体10沿第一方向滑动的方式并不限于上述示出的方式，除此之外，还可以采用其他的方式。例如，可以在电机的输出轴处设置一个减速箱，电机的输出轴与减速箱的输入轴通过联轴器等方式连接，在减速箱的输出轴上设置齿轮，在连接杆40上设置沿第一方向延伸的齿条结构，且齿条结构与齿轮相啮合。在驱动时，电机先通过减速箱进行减速，之后通过齿轮以及连接杆40上的齿条结构驱动连接杆40相对壳体10沿第一方向滑动。

应当注意的是，驱动装置并不限于上述采用电机驱动的方式，除此之外，还可以采用其他的驱动方式。例如，驱动装置还可以为伸缩气缸，其中伸缩气缸的活塞杆作为连接杆40与托架20固定连接，在应用时，伸缩气缸通过活塞杆的伸缩带动连接杆40相对壳体10沿第一方向滑动，从而实现对托架20与晶圆50表面之间的间距的调节。应当理解的是，在驱动装置为伸缩气缸时，其与连接杆40的设置方式并不限于连接杆40作为伸缩气缸的活塞杆的方式，除此之外，还可以采用其他的方式。例如，可以设置伸缩气缸的活塞杆的伸缩方向也是沿第一方向，且伸缩杆与连接杆40之间通过诸如锁扣等的连接结构连接，从而在伸缩气缸的活塞杆伸缩时，其同样能够带动连接杆40相对壳体10沿第一方向滑动。

另外，连接杆40与通孔11可以通过密封连接的方式连接，以防止灰尘等杂质通过连接杆40与通孔11之间的缝隙进入到抛光头内部，从而保持晶圆50制备过程中的洁净度。在具体实现连接杆40与通孔11之间密封连接时，可以选择连接杆40通过密封圈与通孔11密封连接的方式。其中密封圈可以为现有技术中具有密封功能的橡胶圈。具体的，可以在壳体10的通孔11内设置一容纳密封圈的槽体结构，将密封圈设置在槽体结构内，之后将连接杆40装配在通孔11内，从而实现连接杆40与通孔11之间的密封连接。应当理解的是，连接杆40与通孔11之间的连接方式并不限于密封连接的方式，除此之外，还可以采用非密封连接的方式。即只要能够实现调节托架20与晶圆50表面之间的间距的设置方式，都在本发明实施例的保护范围之内。

本发明实施例抛光头还可以包括控制装置，控制装置用于控制驱动装置驱动托架20相对壳体10沿第一方向滑动，以便于控制托架20与晶圆50表面之间的间距。在具体实现控制装置对背膜21与晶圆50表面之间的间距进行控制时，控制装置可以包括设置在壳体10内且用于检测托架20与晶圆50表面之间间距的传感器组件(图中未示出)、以及与传感器组件连接且与驱动装置连接的控制单元。控制单元用于控制传感器组件检测托架20与晶圆50表面之间的间距；控制单元还用于在托架20与晶圆50表面之间的间距小于设定值时，控制单元控制驱动装置驱动托架20沿远离晶圆50的方向滑动。在设置时，控制单元可以为诸如芯片、集成电路板等具有分析及控制功能的部件。控制单元可以集成到驱动装置内，以便于控制单元与驱动装置的连接；控制单元还可以集成到外部的诸如电脑等的终端设备上，以便于用户通过终端设备对驱动装置进行控制。应用时，控制单元可以控制传感器组件实时检测托架20与晶圆50表面之间的间距，在托架20与晶圆50表面之间的间距小于设定值时，控制单元控制驱动装置驱动托架20沿远离晶圆50的方向滑动，从而重新将托架20与晶圆50表面之间的间距控制在合理的设定范围内。在确定托架20与晶圆50之间的间距的设定值时，主要考虑限位环30以及衬垫的材料及尺寸、工序条件等因素具体确定。通过设置传感器组件以及具有分析及控制功能的控制单元作为控制装置，以便于实现对驱动装置的控制。

应当理解的是，控制装置控制的方式并不限于通过传感器组件实时检测的方式，除此之外，还可以采用其他的方式。例如，可以预先测试出限位环30的工作时间与限位环30的磨损量之间的关系，之后测量出限位环30的磨损量与托架20与晶圆50表面之间间距的关系，之后在控制程序中通过计量限位环30的工作时间，控制程序生成相应的调节驱动装置驱动托架20沿第一方向滑动距离的控制命令，从而实现对驱动装置的控制、以及对托架20与晶圆50表面之间间距的控制。

通过采用托架20沿与限位环30的轴线平行的方向滑动装配在壳体10上的方式，并设置驱动装置驱动托架20相对壳体10沿限位环30的轴线方向滑动，从而可以在限位环30磨损较为严重时，通过驱动装置驱动托架20沿远离晶圆50方向移动，从而将托架20与晶圆50表面之间的间距保持在合理范围内，使托架20与背膜21之间的间距不因限位环30的磨损而减小，从而防止晶圆50边缘过度抛光，改善晶圆50上成膜图形的均匀性。

另外，本发明实施例还提供了一种抛光装置，参考图3，该抛光装置用于对晶圆50表面抛光。该抛光装置包括抛光平台，其中抛光平台包括转盘(图中未示出)、以及设置在转盘上且用于对晶圆50抛光的抛光垫60。该抛光装置还包括位于抛光垫60上方的上述任意一种抛光头。通过使抛光头中的托架20可沿壳体10在限位环30的轴线方向上滑动，从而可以在限位环30磨损较为严重时，通过驱动装置驱动托架20沿远离晶圆50方向移动，从而将托架20与晶圆50表面之间的间距保持在合理范围内，使晶圆50与托架20之间的间距不因限位环30的磨损而减小，从而防止晶圆50边缘过度抛光，改善晶圆50上成膜图形的均匀性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种抛光头，用于将晶圆保持在抛光平台上，其特征在于，包括：

壳体；

与所述壳体连接且环绕于所述晶圆四周以限位所述晶圆的限位环；

位于所述限位环内的托架，所述托架上设置有抵压在所述晶圆表面的背膜；

且所述托架沿第一方向滑动装配在所述壳体上，其中，所述第一方向为与所述限位环的轴线平行的方向；

还包括：驱动所述托架相对所述壳体沿所述第一方向滑动的驱动装置。

2.如权利要求1所述的抛光头，其特征在于，所述壳体上设置有沿所述第一方向开孔的通孔；

所述驱动装置上设置有贯穿所述通孔后与所述托架固定连接的连接杆，且所述连接杆可在所述通孔内滑动。

3.如权利要求2所述的抛光头，其特征在于，所述连接杆与所述通孔密封连接。

4.如权利要求3所述的抛光头，其特征在于，所述连接杆通过密封圈与所述通孔密封连接。

5.如权利要求2所述的抛光头，其特征在于，所述连接杆与所述托架螺纹连接。

6.如权利要求2-5任一项所述的抛光头，其特征在于，所述驱动装置包括：

电机；

设置在所述电机的输出轴上的齿轮；

与所述连接杆固定连接且沿所述第一方向延伸的齿条，且所述齿条与所述齿轮相啮合。

7.如权利要求2-5任一项所述的抛光头，其特征在于，所述驱动装置为伸缩气缸，所述连接杆为所述伸缩气缸的活塞杆。

8.如权利要求1所述的抛光头，其特征在于，还包括：

控制装置，用于控制所述驱动装置驱动所述托架相对壳体沿所述第一方向滑动。

9.如权利要求8所述的抛光头，其特征在于，所述控制装置包括：

设置在所述壳体内且用于检测所述托架与所述晶圆表面之间间距的传感器组件；

与所述传感器组件连接且与所述驱动装置连接的控制单元，所述控制单元用于控制所述传感器组件检测所述托架与所述晶圆表面之间的间距；且所述控制单元还用于在所述托架与所述晶圆表面之间的间距小于设定值时，控制所述驱动装置驱动所述托架沿远离所述晶圆表面方向滑动。

10.如权利要求1所述的抛光头，其特征在于，所述晶圆具有相对的正面及背面，所述背膜抵压在所述背面上。

11.一种抛光装置，用于对晶圆表面抛光，其特征在于，包括：

抛光平台，所述抛光平台包括转盘、以及设置在所述转盘上且用于对所述晶圆抛光的抛光垫；

位于所述抛光垫上方的如权利要求1-10任一项所述的抛光头。

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