CN111469044A - 一种膜板、研磨头和化学机械研磨装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种膜板，涉及半导体集成电路制造技术领域，以解决研磨对象的边缘区域与研磨垫之间过度研磨的问题。该膜板具有相对设置的上表面和下表面，上表面的面积大于下表面的面积，下表面用于与研磨对象接触。该研磨头包括上述技术方案所提供的膜板。本发明提供的膜板、研磨头用于化学机械研磨装置中。

Description

一种膜板、研磨头和化学机械研磨装置

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造领域，尤其涉及一种膜板、研磨头和化学机械研磨装置。

背景技术

近年来，伴随着半导体集成电路的高度集成化、高性能化，开发出了新的精细加工技术-化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing，缩写为CMP)工艺。

现有的化学机械研磨(CMP)装置中，研磨对象以晶圆(Wafer)为例，研磨头(polishhead)包括对晶圆(Wafer)按压用的膜板(Membrane Plate)、以及在晶圆的周围用于夹持晶圆并对研磨垫(pad)进行按压的固定环(Retainer Ring)。在对晶圆进行化学机械研磨时，研磨头吸附晶圆并使晶圆的研磨表面与研磨垫接触。研磨平台上的研磨垫设置为与研磨平台一起旋转，研磨头通过膜板向晶圆背面施加压力，使晶圆在研磨垫上旋转移动，通过研磨垫与晶圆之间的摩擦进行机械研磨，另外通过研磨液，以实现对晶圆同步进行机械研磨和化学研磨。

研磨头通过调节气压达到对晶圆和研磨垫的压力控制，由于晶圆比较脆，所以施加给固定环的压力比施加给晶圆的压力高得多。由于固定环与研磨垫直接接触，而研磨垫的材质为聚氨酯材质，质地软，因此在固定环的压力下，研磨垫会发生形变，即固定环周向的研磨垫会发生向外凸起的现象。并且研磨垫的形变区域会向外扩展到晶圆边缘区域，在晶圆的边缘区域与研磨垫之间出现过度研磨问题，使晶圆边缘区域变薄，厚度不均匀，降低产品良率。

针对上述在晶圆边缘区域的研磨垫发生向外凸起的现象，现有技术是把晶圆分成多个区域，膜板对晶圆进行多区域压力控制。另一种是将固定环分为内环和外环，利用内环的特殊结构吸收研磨垫回弹的压力。还有一种是在固定环内加入硅橡胶材质的结构，如专利(KR101134177B1)，其实质也是通过改变固定环的结构来消除晶圆边缘区域研磨垫的向外凸起现象。至今仍没有一种是通过膜板来改变晶圆边缘研磨垫向外凸起的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种膜板，用于减小研磨对象边缘区域受到的压力，消除研磨对象边缘区域的过度研磨问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种膜板。该膜板具有相对设置的上表面和下表面，上表面的面积大于下表面的面积，下表面用于与研磨对象接触。

优选地，膜板还具有与下表面的边缘接合的下侧面，下侧面用于缓冲研磨对象的边缘区域受到的压力。

优选地，下侧面为斜面，下表面为平面，斜面与平面形成的夹角大于0°，小于或等于90°。

优选地，斜面在平面延展方向的长度为5mm～15mm。

优选地，下侧面为弧面。

优选地，下表面为平面，下侧面为向远离膜板方向隆起的弧面。

优选地，平面与弧面相切，平面与弧面形成的切角大于0小于或等于arcsin(d/s)，d为膜板的厚度，s为弧面的弦长。

优选地，下表面为平面，下侧面为向靠近膜板方向凹陷的弧面。

优选地，弧面的曲率半径为5mm～1000mm。

优选地，弧面在平面延展方向的长度为5mm～15mm。

优选地，下侧面为环状缓冲部，环状缓冲部设在下表面的周向。

优选地，膜板还具有与下侧面的边缘接合的上侧面，上侧面的下部与下侧面的上部接合，上侧面的上部与上表面的边缘接合。

优选地，膜板包括缓冲板和缓冲膜，其中，缓冲膜覆盖在缓冲板的下表面和缓冲板的侧面。

与现有技术相比，本发明提供的膜板具有相对的上表面和下表面，下表面用于与研磨对象接触。由于与研磨对象的边缘区域相接触的研磨垫发生了向外凸起的现象，使研磨对象的边缘区域与研磨垫存在过度研磨问题，所以设置膜板上表面的面积大于下表面的面积。由于膜板下表面的面积小于上表面的面积，使得研磨头对膜板的上表面施加相同压力时，膜板的下表面对研磨对象的压力主要集中在中部区域，减小了膜板对研磨对象边缘区域的压力，降低研磨垫对研磨对象边缘造成的过度研磨问题。有利于研磨对象的有效研磨，使研磨对象的研磨厚度均匀，提升产品良率。

本发明还提供一种研磨头。该研磨头包括上述技术方案所述的膜板。

与现有技术相比，本发明提供的研磨头的有益效果与上述技术方案所述膜板的有益效果相同，此处不做赘述。

本发明还提供一种化学机械研磨装置。该化学机械研磨装置包括上述技术方案所述的研磨头。

与现有技术相比，本发明提供的化学机械研磨装置的有益效果与上述技术方案所述研磨头的有益效果相同，此处不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有技术中研磨对象边缘区域的研磨垫向外凸起的示意图；

图2为本发明实施例中膜板的结构示意图；

图3为本发明实施例中采用图2所示膜板结构的应用示意图；

图4为本发明实施例提供的A的局部放大图；

图5为本实施例中膜板的下侧面为凸面的应用示意图；

图6为本发明实施例提供的B的局部放大图；

图7为本实施例中膜板的下侧面为凹面的应用示意图；

图8为本实施例中膜板的俯视图。

其中：1.研磨头，2.固定环，3.膜板，301.上表面，302.下表面，303.下侧面，304.上侧面，310.缓冲板，320.缓冲膜，5.研磨对象，6.研磨垫。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。

在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域。

图1示出了现有技术中研磨对象边缘区域的研磨垫凸起示意图。如图1所示，研磨头1的一端面设有膜板3。膜板3的外端面与研磨对象4(如晶圆)的背面接触，研磨对象4的正面作为研磨面与研磨垫5接触。研磨头1上还设有夹持研磨对象4的固定环2，使得膜板3位于研磨头1和固定环2所围成的区域。由于在膜板3的压力控制下，研磨对象4对研磨垫5的压力远小于固定环2对研磨垫5的压力，因此，在固定环2的压力下，固定环2周围的研磨垫5会发生凸起现象。而且，研磨垫5的形变区域(即凸起)还有可能向外扩展到研磨对象4的边缘区域，使研磨对象4的边缘区域与研磨垫5的接触面的粗糙度变大，因此研磨对象4的研磨面与研磨垫5研磨时，扩大了研磨对象4的边缘区域与研磨垫5的研磨面积，在研磨对象4的边缘区域出现过度研磨问题，使研磨对象4边缘区域变薄，厚度不均匀，降低产品良率。

针对上述技术问题，本发明实施例提供一种膜板。图2为本发明实施例提供的膜板的结构示意图。如图2所示，该膜板具有相对设置的上表面301和下表面302，上表面301的面积大于下表面302的面积，下表面302用于与研磨对象4接触，比如与晶圆的背面接触。

图3为本发明实施例提供的采用上述膜板结构的应用示意图。如图3所示，膜板3的上表面301设置在研磨头1的一端面，膜板3的下表面302与研磨对象4的背面接触，研磨对象4的正面作为研磨面与研磨垫5接触。研磨头1上还设有夹持研磨对象4的固定环2。在研磨过程中，研磨对象4的边缘区域的研磨垫5会发生凸起。

如图1所示，对于现有技术的膜板来说，研磨对象4的边缘区域的研磨垫5会发生凸起，出现过度研磨问题，使研磨对象4边缘区域变薄，厚度不均匀。如图3所示，对于本发明实施例提供的膜板来说，由于膜板3的下表面302的面积小于上表面301的面积，使得研磨头1对膜板3的上表面301施加相同压力时，膜板3的下表面302对研磨对象4的压力主要集中在中部区域。此时，即使研磨垫5的形变区域(即凸起)向外扩展到研磨对象4的边缘区域，但是因为研磨对象4的边缘区域所受到的压力比较小，因此，本发明实施例提供的膜板3可以降低研磨垫5对研磨对象4边缘造成的过度研磨问题。

如图3所示，通过上述膜板的结构和具体应用过程可知，本发明实施例中设置膜板3的下表面302的面积小于上表面301的面积，使膜板的侧面变为倾斜状，以降低研磨对象4的边缘区域受到的压力。当研磨垫5接触研磨对象4边缘区域的位置粗糙度一定时，相对于现有膜板来说，本发明实施例提供的膜板3通过减小研磨对象4边缘区域对研磨垫5的压力来有效减少研磨垫5对研磨对象4的边缘区域的摩擦力，进而降低研磨对象4边缘区域过度研磨的问题，提升产品良率。

作为一种可能的实现方式，如图3所示，当膜板3的下表面302的面积小于上表面301的面积时，膜板3的侧面以斜向上的方式延伸。应理解，此处的延伸是指膜板3的主要延伸方向。并且，膜板3还具有与下表面302的边缘接合的下侧面303，用于缓冲研磨对象4的边缘区域受到的压力。

在一些可选方式中，如图3所示，与下表面302边缘接合的下侧面303为斜面，图4示出了图3中A的局部放大图，如图4所示，下侧面303与下表面302的延伸方向的夹角为α，α大于0°小于90°。由于研磨垫5凸起对研磨对象4的最大影响范围为离研磨对象4的边缘10mm的地方，因此设置膜板3的下表面302边缘到研磨对象4边缘的距离L大于5mm小于15mm，应理解的是，这里的距离L也是斜面在下表面302延展方向的长度。

对图4所示出的下侧面303进行受力分析，可以发现：膜板3在下侧面303所在的斜面分力Fx斜向下，并且α越大，Fx也就越大，因此，当α超过一定值时，膜板3的下表面302边缘受到压力也就越大，使得膜板3对研磨对象4所施加的作用力分布不均匀。基于此，当α＝30°～60°。此时，膜板3对研磨对象4所施加的作用力分布均匀化。

另外，如图3-图4所示，当膜板3的下表面302边缘与研磨对象4的边缘距离L越近，研磨对象4的边缘也就越容易发生过度研磨的问题。鉴于研磨垫5凸起的情况下，研磨对象4离边缘10mm以内可能出现过度研磨问题。基于此，可以设定距离L大于10mm，比如13mm，以避免膜板3对研磨对象4离边缘10mm以内的区域施加压力，从而减少研磨对象4边缘区域的过度研磨可能性。

由上可见，可以结合角度α、距离L和曲率半径r控制膜板3对研磨对象4施加的压力均匀性和研磨对象4的过度研磨问题。

在一些可选方式中，图5示出了膜板的下侧面为凸面的应用示意图。如图5所示，膜板3的下表面302为平面，与下表面302边缘接合的下侧面303为弧面，例如，下侧面可以为向远离膜板3方向隆起的弧面。

具体地，图6示出了图5中B的局部放大图，如图6所示，为了减小弧面对研磨对象4的压力，可以设置下表面302与弧面相切，下表面302与弧面形成的切角β大于0小于或等于arcsin(d/s)，其中，d为膜板的厚度，s为弧面的弦长。

如图6所示，由于研磨垫5凸起对研磨对象4的最大影响范围为离研磨对象4边缘10mm的地方，因此可以设置膜板3的下表面302边缘到研磨对象4边缘的距离L大于5mm小于15mm，应理解的是，这里的距离L也是弧面在下表面302延展方向的长度。

可以理解的是，如图5-图6所示，膜板3的下侧面303可以为向远离膜板3的方向隆起的弧面，即向外凸起的弧面，设置下表面302与弧面形成的切角β大于0小于或等于arcsin(d/s)，d为膜板的厚度，s为弧面的弦长。由于膜板3的下侧面303为向外凸起的弧面，所以，向远离膜板3的方向隆起的弧面的膜板3较斜面结构的膜板3体积大，重心偏研磨对象4边缘区域。此时，膜板3对研磨对象4边缘区域压力大，使得膜板3对研磨对象4施加压力时，研磨对象4接触下表面302的区域以及临近区域都可以感受到膜板3所施加的作用力。并且，临近区域所感受到的作用力向外逐渐减弱，因此，本发明实施例中膜板3对研磨对象4施加作用力时，研磨对象4所受到的作用力是以逐渐减弱的方式向边缘分布，而研磨垫5凸起的程度则是以研磨垫5中心为起点，向边缘区域逐渐减弱，因此，当下侧面303为采用向远离膜板3的方向隆起的弧面时，膜板3不仅可以缓解研磨对象4边缘所出现的过度研磨问题，而且膜板3还可以最大化的向研磨对象4施加作用力，避免研磨对象4所受到的压力过于集中所导致的应力分布不均问题。

如图5-图6所示，凸起的弧面的曲率半径r范围可以为5mm～1000mm，由于弧面的曲率半径越大，弧面越平缓，膜板3的重心越远离研磨对象4的边缘区域，膜板3对研磨对象4的边缘区域的压力越小。所以当研磨对象4的边缘区域需要减少更多压力的时候可以采用曲率半径r大一些的向远离膜板3方向隆起的弧面。例如，当研磨垫5的凸起比较严重，研磨垫5与研磨对象4接触面粗糙度比较大时，需要膜板3对掩摸对象4的边缘区域减少更多的压力。反之，弧面的曲率半径越小，弧面越向远离膜板的方向弯曲，此时膜板3的重心越接近研磨对象4的边缘区域，膜板3对研磨对象4的边缘区域的压力越大，所以当研磨对象4的边缘区域不需要减少更多压力的时候可以采用曲率半径r小一些的向远离膜板3方向隆起的弧面。例如，当研磨垫5的凸起不太不明显，或者研磨垫5与研磨对象4接触面粗糙度比较小时，膜板3对掩摸对象4的边缘区域不需要减少更多的压力。

图7示出了膜板的下侧面为凹面的应用示意图。如图7所示，膜板3的下表面302为平面，在膜板3上设置与下表面302边缘接合的下侧面303为弧面，例如，下侧面303可以为向靠近膜板3方向凹陷的弧面。

如图7所示，当下侧面303为向靠近膜板3方向凹陷的弧面时，由于研磨垫5凸起对研磨对象4的最大影响范围为离研磨对象4边缘10mm的地方，因此设置膜板3的下表面302边缘到研磨对象4边缘的距离L大于5mm小于15mm，应理解的是，这里的距离L也是凹陷的弧面在下表面302延展方向的长度。

如图7所示，凹陷的弧面的曲率半径范围可以为5mm～1000mm，由于弧面的曲率半径越大，弧面越平缓，膜板3的重心越接近研磨对象4的边缘区域，膜板3对研磨对象4的边缘区域的压力越大，所以当研磨对象4的边缘区域不需要减少太多压力的时候可以采用曲率半径大一些的向膜板3方向凹陷的弧面。例如，当研磨垫5的凸起不太明显，研磨垫5与研磨对象4接触面粗糙度比较小时，膜板3对掩摸对象4的边缘区域不需要减少更多的压力。反之，弧面的曲率半径越小，弧面越向膜板方向弯曲，此时膜板3的重心越远离研磨对象4的边缘区域，膜板3对研磨对象4的边缘区域的压力越小，所以当研磨对象4的边缘区域需要减少更多压力的时候可以采用曲率半径小一些的向膜板3方向凹陷的弧面。例如，当研磨垫5的凸起比较严重，或者研磨垫5与研磨对象4接触面粗糙度比较大时，膜板3对掩摸对象4的边缘区域需要减少更多的压力。

可以理解的是，如图7所示，膜板3的下侧面303可以为靠近膜板3方向凹陷的弧面，由于膜板3的下侧面303为向膜板3方向凹陷的弧面，所以较下侧面为斜面的膜板体积小，重心偏膜板方向，使得膜板3对研磨对象4施加压力时，研磨对象4接触下表面302的区域以及临近区域感受到的膜板作用力较下侧面为斜面的膜板的作用力小，并且作用力的重心远离研磨对象4的边缘区域，因此，当研磨垫5的凸起现象比较靠近研磨对象4的内部时，并且凸起现象比较严重时，可以采用向膜板3方向凹陷的弧面结构作为下侧面303，以缓解研磨对象4边缘所出现的过度研磨问题，需要说明的是，由于研磨垫5的凸起一般会扩展到研磨对象4的边缘区域，很难进入研磨对象4的内部，所以膜板3的下侧面303为向膜板3方向凹陷的弧面结构采用比较少。

作为一种可能的实现方式，图8示出了膜板下侧面的俯视图，下侧面303为环状缓冲部。如图8所示，环状缓冲部设在下表面302的周向，下表面302为环状缓冲部的内环，上表面301为环状缓冲部的外环。

可以理解的是，如图8所示，研磨对象4可以为晶圆，而晶圆一般为圆形，因此可以设置膜板3的上表面301和下表面302为圆形，由于膜板3的上表面301的面积大于下表面302的面积，所以与下表面302边缘接合的下侧面303为环状缓冲部，环状缓冲部设在膜板3下表面302的周向，利用环状缓冲部可以缓冲膜板3对晶圆边缘区域的压力。降低晶圆边缘区域与研磨垫5的过度研磨问题。当然膜板3的上表面301和下表面302也可以为其他形状，在此并不作具体限定。

作为一种可能的实现方式，如图2所示，膜板3还具有与下侧面303的边缘接合的上侧面304，上侧面304的下部与下侧面303的上部接合，上侧面304的上部与上表面301的边缘接合。

可以理解的是，如图3所示，膜板3可以有上侧面304，也可以没有上侧面304，当有上侧面304时，膜板3下侧面303对研磨对象4边缘的压力较没有上侧面304时对研磨对象4边缘的压力大，而且压力的重心偏向研磨对象4边缘。所以当研磨垫5的凸起偏向研磨对象4边缘，并且研磨垫5的凸起不严重或者不明显时，可以采用具有上侧面304的膜板3结构。而当研磨垫5的凸起远离研磨对象4边缘，并且研磨垫5的凸起比较明显时，可以采用没有上侧面304的膜板3结构。

作为一种可能的实现方式，如图2所示，膜板3包括缓冲板310和缓冲膜320，其中，缓冲膜320覆盖在缓冲板310的下表面和缓冲板310的侧面。

可以理解的是，如图3、图5和图7所示，覆盖在缓冲板310下表面的缓冲膜320用于与研磨对象4直接接触，由于研磨对象4(如晶圆)比较脆，为了防止在物理外力作用下研磨对象4破碎，在缓冲板310的下表面和侧面覆盖一层缓冲膜320。通过缓冲膜320既可以防止研磨对象4的破碎，又可以减小膜板3对研磨对象4边缘区域的压力，降低研磨对象4边缘区域与研磨垫之间过度研磨的问题。

本发明实施例还提供一种研磨头。图3、图5、图7示出了研磨头1的具体结构，该研磨头1包括上述技术方案所述的膜板3。

与现有技术相比，本发明实施例提供的研磨头的有益效果与上述技术方案所述膜板的有益效果相同，此处不做赘述。

本发明实施例还提供一种化学机械研磨装置。该化学机械研磨装置包括上述技术方案所述的研磨头。

与现有技术相比，本发明实施例提供的化学机械研磨装置的有益效果与上述技术方案所述研磨头的有益效果相同，此处不做赘述。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (15)

1.一种膜板，其特征在于，所述膜板具有相对设置的上表面和下表面，所述上表面的面积大于所述下表面的面积，所述下表面用于与研磨对象接触。

2.根据权利要求1所述的膜板，其特征在于，所述膜板还具有与所述下表面的边缘接合的下侧面，所述下侧面用于缓冲所述研磨对象的边缘区域受到的压力。

3.根据权利要求2所述的膜板，其特征在于，所述下侧面为斜面，所述下表面为平面，所述斜面与所述平面形成的夹角大于0°，小于或等于90°。

4.根据权利要求3所述的膜板，其特征在于，所述斜面在所述平面延展方向的长度为5mm～15mm。

5.根据权利要求2所述的膜板，其特征在于，所述下侧面为弧面。

6.根据权利要求5所述的膜板，其特征在于，所述下表面为平面，所述下侧面为向远离膜板方向隆起的弧面。

7.根据权利要求6所述的膜板，其特征在于，所述平面与所述弧面相切，所述平面与所述弧面形成的切角大于0小于或等于arcsin(d/s)，d为膜板的厚度，s为弧面的弦长。

8.根据权利要求5所述的膜板，其特征在于，所述下表面为平面，所述下侧面为向靠近膜板方向凹陷的弧面。

9.根据权利要求5～8任一项所述的膜板，其特征在于，所述弧面的曲率半径为5mm～1000mm。

10.根据权利要求5～8任一项所述的膜板，其特征在于，所述弧面在所述平面延展方向的长度为5mm～15mm。

11.根据权利要求2～8任一项所述的膜板，其特征在于，所述下侧面为环状缓冲部，所述环状缓冲部设在所述下表面的周向。

12.根据权利要求2～8任一项所述的膜板，其特征在于，所述膜板还具有与所述下侧面的边缘接合的上侧面，所述上侧面的下部与所述下侧面的上部接合，所述上侧面的上部与所述上表面的边缘接合。

13.根据权利要求1～8任一项所述的膜板，其特征在于，所述膜板包括缓冲板和缓冲膜，其中，所述缓冲膜覆盖在所述缓冲板的下表面和所述缓冲板的侧面。

14.一种研磨头，其特征在于，包括权利要求1-13中任一项所述的膜板。

15.一种化学机械研磨装置，其特征在于，包括权利要求14所述研磨头。

Images