CN111823130A - 一种抛光头及抛光装置 - Google Patents

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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、与壳体连接的限位环、以及位于限位环内且抵压在晶圆表面的背膜。其中，限位环环绕于晶圆四周以限位晶圆，防止晶圆脱出抛光头。且限位环的内径大于晶圆的直径，以在晶圆与限位环之间具有缝隙。该抛光头还包括位于背膜与抛光平台之间且填充在缝隙内的环结构，该环结构用于抵压在抛光平台上，以减缓位于晶圆边缘处的抛光垫反向翘曲现象，从而防止晶圆边缘处被过度抛光，从而减缓晶圆边缘处厚度不均匀现象，以提高晶圆上成膜图形的均匀性。

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
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)、研磨液分配器(Slurry Dispenser)、抛光垫修整器(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，其包括限位环1及背膜2，晶圆3位于限位环1内，背膜2抵压在晶圆3表面以将晶圆3抵压在抛光垫4上，限位环1抵压在抛光垫4上。在限位环1抵压在抛光垫4时，抛光垫4上位于限位环1两侧的区域由于受到限位环1的挤压，从而会发生反向翘曲形变。限位环1与晶圆3紧邻设置，限位环1边缘处的抛光垫4反向翘曲现象会使晶圆3边缘处的抛光量较大，从而引起晶圆3边缘处过度抛光。晶圆3边缘处的抛光垫4反向翘曲对晶圆3边缘处的厚度影响如图2所示，其影响晶圆3边缘处厚度的区域达距离晶圆3边缘5～10mm之间的区域。
发明内容
本发明提供了一种抛光头及抛光装置，用以改善由于晶圆边缘处的抛光垫反向翘曲所引起的晶圆边缘处厚度不均匀现象，提高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、与壳体连接的限位环、以及位于限位环内且抵压在晶圆表面的背膜。其中，限位环环绕于晶圆四周以限位晶圆，防止晶圆脱出抛光头。且限位环的内径大于晶圆的直径，以在晶圆与限位环之间具有缝隙。该抛光头还包括位于背膜与抛光平台之间且填充在缝隙内的环结构，该环结构用于抵压在抛光平台上，以减缓位于晶圆边缘处的抛光垫反向翘曲现象，从而防止晶圆边缘处被过度抛光，从而减缓晶圆边缘处厚度不均匀现象，以提高晶圆上成膜图形的均匀性。
在一个具体的实施方式中，背膜上设置有吸气以吸附环结构的气孔，该气孔还用于吹气以将环结构抵压在抛光平台上，通过采用环结构与限位环为两个完全独立的装配方式，以减缓由于限位环抵压在抛光平台的抛光垫上所引起的抛光垫在限位环周围的翘曲现象，防止晶圆边缘处被过度抛光，提高晶圆上成膜图形的均匀性。且便于装配或卸载环结构。
在一个具体的实施方式中，该气孔还用于吸气以吸附晶圆，或吹气以将晶圆抵压在抛光平台上，通过采用与固定环结构为相同的气孔通道，以简化结构设置。
在一个具体的实施方式中，环结构的材料为树脂，以防止环结构对晶圆表面造成划伤。在具体确定环结构的材料时，环结构的材料可以为聚醚醚酮树脂(poly(ether-ether-ketone)，PEEK)或聚苯硫醚树脂(Polyphenylene sulfide，PPS)。
在一个具体的实施方式中，环结构的厚度为h1，晶圆的厚度为h2；其中，-2mm≤h1-h2≤2mm。以使背膜既抵压在晶圆表面，又抵压在环结构表面，改善晶圆边缘处的厚度均匀性，改善晶圆上成膜图形的均匀性。具体设置环结构的厚度时，环结构的厚度可以设置为0.8～5mm。
在一个具体的实施方式中，环结构的宽度小于或等于限位环的内径与晶圆的直径之间的差值。
在一个具体的实施方式中，环结构的宽度为5～20mm。
第二方面，本发明还提供了一种抛光装置，用于对晶圆表面抛光，该抛光装置包括抛光平台、以及上述任意一种抛光头。其中，抛光平台包括转盘、以及设置在装配上且用于对晶圆抛光的抛光垫，抛光头位于抛光垫的上方。
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抛光时，晶圆边缘处的厚度变化示意图；
图3为本发明实施例提供的抛光头的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的抛光头中晶圆、环结构以及限位环之间的位置关系示意图。
附图标记：
10-壳体11-托架20-限位环
30-背膜40-环结构50-抛光垫60-晶圆
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、与壳体10连接的限位环20，其中，限位环20环绕于晶圆60四周以限位晶圆60，防止晶圆60脱出抛光头。在具体设置时，壳体10可以为铝壳、不锈钢可等作为支撑结构的壳结构。限位环20为现有技术中常规用于采用化学机械抛光工艺对晶圆60进行限位的工序中，以将晶圆60锁定于其内的环体结构。限位环20具有容纳晶圆60的空间。在抛光头靠近抛光平台上的抛光垫50时，抛光垫50、壳体10以及限位环20共同将晶圆60固定在内部空间，以防止晶圆60脱出。在具体连接限位环20与壳体10时，限位环20可以与壳体10螺纹连接，以便于限位环20的拆卸与安装。应当理解的是，限位环20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20固定在壳体10上的连接方式。例如可以采用卡接的方式将限位环20固定在壳体10上。
继续参考图3，在限位环20内设置有用于抵压在晶圆60表面的背膜30。背膜30为现有技术中常规用于抵压在晶圆60表面上的膜体结构，其用来适应晶圆60的表面，以补偿晶圆60表面以及晶圆60表面上的颗粒带来的不平整性。背膜30具体可以选择类似硅胶状物质、且具有抽真空的小孔的膜结构。在具体固定背膜30时，可以在限位环20内设置一个与壳体10连接的托架11，将背膜30固定在托架11上。其中，托架11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30的支撑结构。在具体将背膜30固定在托架11上时，背膜30可以通过粘接、螺钉紧固、夹持、卡接等方式固定在托架11上。应当理解的是，将背膜30固定在限位环20内的方式并不限于上述示出通过托架11固定的方式，除此之外，还可以采用其他能够将背膜30固定并能够控制背膜30抵压在晶圆60表面的方式。
在应用时，晶圆60位于限位环20内，且背膜30抵压在晶圆60的表面，晶圆60的相对的另一面抵压在抛光平台的抛光垫50上，随着抛光平台带动抛光垫50旋转，抛光垫50能够对晶圆60的表面进行抛光。在具体抛光时，晶圆60具有相对的正面与背面，抛光平台既可以对晶圆60的正面进行抛光，也可以对晶圆60的背面进行抛光，具体选择抛光晶圆60的正面还是背面与进行抛光的目的有关。在对晶圆60的正面抛光时，参考图3，此时晶圆60的下表面(以图3示出的结构为参考)为晶圆60的正面，晶圆60的上表面为晶圆60的背面，背膜30抵压在晶圆60的背面上，晶圆60的正面抵压在抛光平台上，抛光平台对晶圆60的正面抛光，以使晶圆60正面上成膜图形的平坦化。在对晶圆60的背面抛光时，此时，晶圆60的下表面(以图3示出的结构为参考)为晶圆60的背面，晶圆60的上表面为晶圆6050的正面，背膜30抵压在晶圆60的正面上，晶圆60的背面抵压在抛光平台的抛光垫50上。
参考图3及图4，为防止晶圆60边缘处被过度抛光，本发明实施例中的限位环20的内径大于晶圆60的直径，以在晶圆60与限位环20之间具有缝隙。在该缝隙中填充有一个环结构40，该环结构40位于背膜30与抛光平台之间，且环结构40抵压在抛光平台上，以减缓位于晶圆60边缘处的抛光垫50反向翘曲程度，从而防止晶圆60边缘处被过度抛光，从而减缓晶圆60边缘处厚度不均匀现象，提高晶圆60上成膜图形的均匀性。
在确定环结构40的材料时，环结构40的材料可以为树脂，以防止环结构40对晶圆60表面造成划伤。具体的，环结构40的材料可以为聚醚醚酮树脂(poly(ether-ether-ketone)，PEEK)或聚苯硫醚树脂(Polyphenylene sulfide，PPS)。应当理解的是，环结构40的材料并不限于上述示出的树脂材料，更不限于上述示出的聚醚醚酮树脂及聚苯硫醚树脂，除此之外，其可以采用任意能够抵压在抛光平台上，且能够减缓抛光平台的抛光垫50在晶圆60边缘处的反向翘曲现象的材料。
在具体确定环结构40的厚度时，环结构40的厚度与晶圆60的厚度有关，晶圆60的厚度越厚，环结构40的厚度越厚。可以设置环结构40的厚度大于晶圆60的厚度，以使背膜30既抵压在晶圆60表面，又抵压在环结构40表面，改善晶圆60边缘处的厚度均匀性，改善晶圆60上成膜图形的均匀性。在确定环结构40的厚度与晶圆60厚度的关系时，环结构40的厚度为h1，晶圆60的厚度为h2；其中，-2mm≤h1-h2≤2mm。即环结构的厚度可以与晶圆的厚度相等。环结构的厚度也可以大于晶圆的厚度，但此时，环结构的厚度超出晶圆的厚度不多于2mm，具体的，环结构的厚度可以比晶圆厚度大0.5mm、1mm、1.5mm、2mm等不大于2mm的任意值。环结构的厚度也可以小于晶圆的厚度，但此时，环结构的厚度比晶圆的厚度小不超过2mm，具体的，环结构的厚度可以比晶圆的厚度小0.5mm、1mm、1.5mm、2mm等不大于2mm的任意值。在具体设置环结构40的厚度时，环结构40的厚度可以设置为0.8～5mm。具体的，环结构40的厚度可以为0.8mm、1.2mm、1.6mm、2.0mm、2.4mm、2.8mm、3.2mm、3.6mm、4.0mm、4.4mm、5.0mm等介于0.8～5mm之间的任意值。应当注意的是，由于环结构40抵压在抛光垫50上，随着抛光垫50的旋转，环结构40会产生磨损，从而使环结构40的厚度越来越薄。所以上述环结构40的厚度指的是环结构40的初始厚度。另外，由于环结构40设置在限位环20的内部，所以环结构40的初始厚度不能超过限位环20的厚度。
在具体确定环结构40的宽度时，可以设置环结构40的宽度小于限位环20的内径与晶圆60的直径之间的差值，以使环结构40与限位环20及晶圆60外边缘之间具有间隙，以便于装配环结构40以及晶圆60。还可以使环结构40的宽度等于限位环20的内径与晶圆60的之间之间的差值，以使环结构40与限位环20及晶圆60外边缘之间不存在间隙，以提高环结构40抑制抛光垫50在晶圆60边缘处反向翘曲现象的效果。其中，上述环结构40的宽度是指环结构40的外径与内径之间的差值，如图3中的D表示环结构40的宽度。
具体的，可以设置环结构40的宽度可以为5mm～20mm。环结构40的宽度可以为5mm、7mm、9mm、11mm、13mm、15mm、17mm、20mm等介于5mm～20mm之间的任意值。另外，应当注意的是，环结构40的宽度决定了限位环20与晶圆60之间缝隙的大小。在环结构40的宽度较大时，限位环20与晶圆60之间的缝隙越大，即限位环20的内径与晶圆60的直径之间的差值也越大；在环结构40的宽度较小时，限位环20与晶圆60之间的缝隙越小，即限位环20的内径与晶圆60的之间之间的差值也越小。
在固定环结构40时，可以在背膜30上设置吸气以吸附环结构40的气孔(图中未示出)，该气孔还用于吹气以将环结构40抵压在抛光平台上，通过采用环结构40与限位环20为两个完全独立的装配方式，以减缓由于限位环20抵压在抛光平台的抛光垫50上所引起的抛光垫50在限位环20周围的翘曲现象，防止晶圆60边缘处被过度抛光，提高晶圆60上成膜图形的均匀性。且通过背膜30上的气孔吸气以吸附环结构40，或吹气以使环结构40向远离背膜30方向移动，从而使环结构40抵压在抛光平台上，从而便于装配或卸载环结构40。
另外，该背膜30上的气孔还可以用于吸气以吸附晶圆60，或吹气以将晶圆60抵压在抛光平台上，通过采用与固定环结构40为相同的气孔通道，以简化结构设置。在应用时，抛光头上的背膜30先吸附环结构40，之后移动抛光头至晶圆60的承载平台上方，通过自动定位等装置使抛光头所处的位置正好使晶圆60、环结构40、限位环20处于同心圆的位置；之后抛光头向晶圆60方向靠近，使晶圆60位于环结构40的容纳空间内。之后背膜30上的气孔吸气以吸附环结构40及晶圆60，并移动到抛光平台的上方，对晶圆60表面进行抛光。
应当注意的是，固定环结构40以及晶圆60的方式并不限于上述示出的方式，除此之外，还可以采用其他能够对环结构40以及晶圆60进行固定的方式。
通过采用限位环20的内径大于晶圆60的直径，以在晶圆60与限位环20之间具有缝隙；并在缝隙内填充一用于抵压在抛光平台上的环结构40，以减缓位于晶圆60边缘处的抛光垫50反向翘曲现象，从而防止晶圆60边缘处被过度抛光，从而减缓晶圆60边缘处厚度不均匀现象，以提高晶圆60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，用于对晶圆60表面抛光，参考图3，该抛光装置包括抛光平台、以及上述任意一种抛光头。其中，抛光平台包括转盘、以及设置在装配上且用于对晶圆60抛光的抛光垫50，抛光头位于抛光垫50的上方。通过采用限位环20的内径大于晶圆60的直径，以在晶圆60与限位环20之间具有缝隙；并在缝隙内填充一用于抵压在抛光平台上的环结构40，以减缓位于晶圆60边缘处的抛光垫50反向翘曲现象，从而防止晶圆60边缘处被过度抛光，从而减缓晶圆60边缘处厚度不均匀现象，以提高晶圆60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 (9)

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；其中，所述限位环的内径大于所述晶圆的直径，以在所述晶圆与所述限位环之间具有缝隙；
位于所述限位环内且抵压在所述晶圆表面的背膜；
还包括：位于所述背膜与所述抛光平台之间且填充在所述缝隙内的环结构，所述环结构用于抵压在所述抛光平台上。
2.如权利要求1所述的抛光头，其特征在于，所述背膜上设置有吸气以吸附所述环结构的气孔，所述气孔还用于吹气以将所述环结构抵压在所述抛光平台上。
3.如权利要求2所述的抛光头，其特征在于，所述气孔还用于吸气以吸附所述晶圆，或吹气以将所述晶圆抵压在所述抛光平台上。
4.如权利要求1所述的抛光头，其特征在于，所述环结构的材料为树脂。
5.如权利要求4所述的抛光头，其特征在于，所述树脂为聚醚醚酮树脂或聚苯硫醚树脂。
6.如权利要求1所述的抛光头，其特征在于，所述环结构的厚度为h1，所述晶圆的厚度为h2；其中，-2mm≤h1-h2≤2mm。
7.如权利要求6所述的抛光头，其特征在于，所述环结构的厚度为0.8～5mm。
8.如权利要求1所述的抛光头，其特征在于，所述环结构的宽度为5～20mm。
9.一种抛光装置，其特征在于，用于对晶圆表面抛光，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1-8任一项所述的抛光头。
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