CN111975629A - 定位环及化学机械抛光机台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种定位环及化学机械抛光机台，所述定位环包括环状的基体及沿所述基体的轴向与所述基体层叠设置的结构层，所述结构层包括多条沿垂直于所述基体的轴向设置的条纹；每个所述条纹的延伸方向于所述结构层之外圆周处形成第一交点，所述结构层之外圆周于所述第一交点处的切线与对应的条纹的延伸方向所成的第一夹角在第一预定范围内。通过在结构层上设置多个条纹，并使每个条纹与该条纹对应的基体之外圆周的切线成第一夹角，可以增加结构层的表面粗糙度，以将定位环快速研磨到预定状态，从而节省制程耗费使化学机械抛光机台的研磨均匀性达到工艺要求。

Description

定位环及化学机械抛光机台

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种定位环及化学机械抛光机台。

背景技术

对CMP(化学机械抛光)工艺来说，研磨速率和研磨均匀性是最基本的技术参数，也是CMP机台日常测机和保养复机时必需的测机项目。通常研磨均匀性通过NU来表示，即Monitor Wafer(监控晶圆)上所有量测点的研磨速率的标准差除以平均研磨速率，NU越大表示研磨均匀性越差。

在CMP机台做耗材更换之后常常需要先跑足够多的挡片(Dummy Wafer)之后再测试机台，以保证测机结果满足工艺要求。目前，CMP机台更换研磨头之后需要跑足够多(100～200片)的挡片才能使NU达到工艺要求，不仅增加制程耗材成本，还耗时长久。

研磨头耗材中对于NU影响最大因素之一是定位环，CMP机台在更换定位环之后常见的研磨均匀性不合格的表现为晶圆的边缘处的研磨速率远高于晶圆的中心区域。因此如何对定位环进行处理以使CMP机台的均匀性快速达到工艺要求是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种定位环及化学机械抛光机台，以解决化学机械抛光机台在更换研磨头后因研磨均匀性较差而需要长时间做预研磨处理的问题。

为解决上述技术问题，基于本发明的一个方面，本发明提供一种定位环，其包括环状的基体及沿所述基体的轴向与所述基体层叠设置的结构层，所述结构层包括多个垂直于所述基体的轴向设置的条纹，每个所述条纹的延伸方向与所述结构层之外圆周处形成第一交点，所述结构之外圆周与所述第一交点处的切线与对应的条纹的延伸方向所成的第一夹角在第一预定范围内。

可选的，所述第一预定范围为15°～75°。

可选的，所述条纹沿所述基体的轴向的深度不小于0.02mm，且不大于0.05mm。

可选的，所述结构层的多个所述条纹沿所述基体的周向均匀分布。

可选的，至少一部分所述条纹呈弧形。

可选的，所述条纹贯通所述结构层的内圆周和外圆周。

可选的，所述结构层由热塑性树脂制成。

可选的，所述结构层通过涂覆的方式成型于所述基体上。

基于本发明的另一个方面，本发明提供一种化学机械抛光机台，其包括研磨头及如上所述的定位环，所述定位环与所述研磨头可拆卸地连接，所述定位环之内侧的轴向厚度与所述定位环之外侧的轴向厚度的差值在第二预定范围内，且所述定位环之内侧的轴向厚度小于所述定位环之外侧的轴向厚度。

可选的，所述第二预定范围为0.005mm～0.015mm。

综上所述，在本发明提供的定位环及化学机械抛光机台中，所述定位环包括环状的基体及沿所述基体的轴向与所述基体层叠设置的结构层，所述结构层包括多个垂直于所述基体的轴向设置的条纹，每个所述条纹的延伸方向与所述结构层之外圆周处形成第一交点，所述结构层之外圆周于所述第一交点处的切线与对应的条纹的延伸方向所成的第一夹角在第一预定范围内。通过在结构层上设置多个条纹，并使每个条纹与该条纹对应的基体之外圆周的切线成第一夹角，可以增加结构层的表面粗糙度，以将定位环快速研磨到预定状态，从而节省制程耗材成本，使化学机械抛光机台的研磨均匀性达到工艺要求。

附图说明

本领域的普通技术人员应当理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：

图1是本发明一实施例的定位环的示意图；

图2是本发明一实施例的条纹及凹槽的示意图。

附图中：

10-基体；20-结构层；21-条纹；22-凹槽；α-第一夹角；β-第二夹角。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征，除非内容另外明确指出外。

本发明提供一种定位环及化学机械抛光机台，以解决化学机械抛光机台在更换研磨头后因研磨均匀性较差而需要长时间做预研磨处理的问题。

发明人发现，在挡片研磨定位环的过程中，可通过增加挡片的数量或在研磨过程中增大定位环的压力使定位环达到预定状态，此时，定位环的内壁厚度比定位环的外壁厚度小约0.01mm，但是增加挡片的数量会有额外的花费，增大定位环的压力也不能使定位环快速达到预定状态。另外，发明人与提供定位环的厂商沟通其他的技术方案，比如，在定位环出厂之间，预先将定位环研磨至预定状态，或者将定位环的平整度做到极致，但是化学机械抛光机台在作业时，发现研磨均匀性还是没有明显的改善。鉴于新的定位环需要长时间的预研磨才可使定位环达到预定状态，此过程耗费耗时，作为较优的一种技术方案，发明人尝试采用旧的定位环(比如使用寿命超过一半的定位环)，但发现出现同样如背景技术中提到的晶圆边缘的研磨速率过快的问题，原因可能是在进行定位环研磨时，定位环内壁和外壁的厚度差0.01mm容易被研磨头组装时造成的平整度误差所抵消，基于此，发明人提出在研磨头组装完成之后再对定位环进行研磨，比如，购买使用专用的研磨机将定位环研磨至预定状态后在安装到化学机械抛光机台使用，但是同样增加了花费。

另外，发明人还发现，可在定位环的表面涂覆一定厚度的树脂材料以增加定位环的表面粗糙度，涂覆的树脂材料作为研磨头预研磨的牺牲层，也可将定位环研磨至预定状态。需说明的，定位环的表面通常是PEEK或PPS材料，选择涂覆的树脂材料可与定位环表面的材料相同，也可是其他树脂材料。上述方式可作为一种较优的备选方案以使定位环达到预定状态。

基于上述研究，本发明提供一种定位环，如图1所示，所述定位环包括环状的基体10及沿所述基体10的轴向与所述基体10层叠设置的结构层20，所述结构层20包括多个垂直于所述基体10的轴向设置的条纹21，每个所述条纹21的延伸方向与所述结构层20之外圆周处形成第一交点，如图2所示，所述结构层20之外圆周于所述第一交点处的切线与对应的条纹21的延伸方向所成的第一夹角α在第一预定范围内。条纹21的俯视形状不仅仅包括笔直的，还可具有一定的弧度，应理解为大致呈线型，当然，至少有一部分(比如1/20)条纹21可以是弧形的，在对定位环进行抛光时，工程人员可适应性将一部分条纹改成弧形的；此外，条纹21可贯通，也可不贯通结构层20的内圆周和外圆周，亦或一部分条纹21贯通结构层20的内圆周，另一部分条纹21贯通结构层20的外圆周，本实施例优选设置所述条纹21均贯通结构层20的内圆周和外圆周。通过设置结构层20上的一定深度的条纹21，并与该条纹对应的基体10之外圆周的切线成第一夹角，可以增加结构层20的表面粗糙度，以将定位环快速研磨到预定状态，从而节省制程耗材成本，使化学机械抛光机台的研磨均匀性达到工艺要求。此外，定位环在CMP工艺过程中主要起到防止晶圆在研磨过程中滑出的作用，工程人员可增加对研磨垫的压力使研磨垫产生形变，以使晶圆边缘处在研磨过程中受力均匀，从而改善晶圆边缘处的研磨均匀性。

进一步地，所述第一预定范围为15°～75°。在第一夹角α为90°时，即条纹21沿基体10的径向设置，多个条纹21则大致呈中心对称，本实施例将第一夹角α的范围设置在15°～75°，避免条纹21沿基体10的径向设置，以及避免条纹21的延伸方向和所述结构层20的外圆周上的交点所在的基体10的径向所成的角度过小，可进一步增加结构层20的表面粗糙度，提高定位环研磨至预定状态的效率。

进一步地，所述条纹21沿所述基体10的轴向的深度不小于0.02mm，且不大于0.05mm。在一个示范性的实施例中，条纹21沿定位环的轴向的深度为0.02mm。若上述的深度低于0.02mm，在实际研磨过程中，定位环还未研磨至预定状态，结构层20已经处于光滑的状态，在进一步研磨至预定状态时，由于结构层20上的条纹21被磨损完，即结构层20的表面光滑，那么需要额外增加挡片的数量以研磨定位环至预定状态，挡片价格昂贵，由此便增加了额外的耗费。而当条纹设置过深(即深度大于0.05mm)时，可能会造成定位环已经达到预定状态时，但结构层20上靠近内圆周的条纹尚未消耗完，导致增加了研磨液和研磨副产物的通道，即研磨液和研磨副产物残留在为消耗完的条纹中，从而影响晶圆边缘处的研磨速率。

可选地，所述结构层20上的多个所述条纹21沿所述基体10的周向分布。较佳地，多个条纹21沿基体10的周向均匀分布，以使结构层20各处的粗糙程度一致，便于定位环快速研磨。

结构层21通常是由热塑性树脂制成的易于消耗的树脂层，在一些实施例中，所述结构层20可通过涂覆的方式成型于所述基体10上，亦即结构层20与基体10是分体成型的，通过后加工的方式覆盖于基体10上。另外，所述的基体10由不锈钢材质制成。

在化学机械抛光过程中，定位环达到预定状态后，将基片(通常是晶圆)搁置在定位环上，定位环的材料会对机台的处理组件产生负面影响，此外，定位环还需要承受机台的部分负载，因此应具有良好的弹性、韧性或强度。制作定位环的材料应具有较高的加工精度和尺寸稳定性，以减少基片微刮伤的发生几率，确保基片的良品率。鉴于此，所述结构层20和/或所述基体10可采用热塑性树脂制成。在一个示例中，采用高性能的热塑性树脂如聚苯硫醚(PPS)，其具有良好的耐磨性，耐热性、耐溶剂性、耐化学性以及良好的摩擦性能和机械性能，可满足定位环的使用环境，且延长定位环的使用周期。在一些实施例中，所述热塑性树脂还可为聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚砜(PES)等，本领域技术人员可根据配置相应的热塑性树脂，本发明对此不做具体限制。

进一步地，请参考图2，所述结构层20还包括多个围绕所述基体10的中心周向分布的凹槽22，所述凹槽22沿所述基体10的轴向的深度大于所述条纹21沿所述基体10的轴向的深度，每个所述凹槽22的延伸方向与所述结构层10之外圆周处形成第二交点，所述结构层20之外圆周于所述第二交点处的切线与对应的凹槽22的延伸方向所成的第二夹角β大于所述第一夹角α。此外，凹槽22沿基体10周向的宽度远大于条纹21沿基体10周向的宽度。更进一步地，所述凹槽22贯通所述结构层20的内圆周和外圆周。相邻两个凹槽22所在的结构层10分布多个条纹21。

可选地，所述条纹21的偏转方向与所述凹槽22的偏转方向相同。比如，条纹21和凹槽22都沿顺时针方向偏转，或都沿逆时针方向偏转。

本实施例还提供一种化学机械抛光机台，其包括研磨头及如上所述的定位环，所述定位环与所述研磨头可拆卸连接，所述定位环与所述研磨头可拆卸地连接，所述定位环之内侧的轴向厚度与所述定位环之外侧的轴向厚度的差值在第二预定范围内，且所述定位环之内侧的轴向厚度小于所述定位环之外侧的轴向厚度。需要说明的是，所述的轴向厚度指的是定位环沿其基体10的轴向的厚度。由于所述的化学机械抛光机台包括如上所述的定位环，因此所述化学机械抛光机台也具备由所述定位环带来的有益效果。本领域技术人员可以根据实际现有技术对化学机械抛光机台的其他部件和结构进行设置，这里对化学机械抛光机台的设置原理及其他部件不作详细的说明。

另外，还需进一步说明，将定位环与研磨头连接并安装至化学机械抛光机台后，通过足够多的挡片预研磨定位环至定位环之内侧的轴向厚度与定位环之外侧的轴向厚度的差值至第二预定范围，由于所述的定位环的结构层20通过设置多个如上所述的条纹21以增加结构层20的表面粗糙度，可极大减少挡片的使用数量，将定位环快速研磨至工艺要求。可选地，所述第二预定范围为0.005mm～0.015mm，优选地，定位环之内侧的轴向厚度与定位环之外侧的轴向厚度的差值为0.01mm，以使化学机械抛光机台的研磨均匀性更好。

综上所述，在本发明提供的定位环及化学机械抛光机台中，所述定位环包括环状的基体及沿所述基体的轴向与所述基体层叠设置的结构层，所述结构层包括多个垂直于所述基体的轴向设置的条纹，每个所述条纹的延伸方向与所述结构层之外圆周处形成第一交点，所述结构层之外圆周与所述第一交点处的切线与对应的条纹的延伸方向所成的第一夹角在第一预定范围内。通过在结构层上设置多个条纹，并使每个条纹与对应的基体之外圆周的切线成第一夹角，可以增加结构层的表面粗糙度，以将定位环快速研磨到预定状态，从而节省制程耗材成本，使化学机械抛光机台的研磨均匀性达到工艺要求。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种定位环，用于安装在一研磨头上，其特征在于，包括环状的基体及沿所述基体的轴向与所述基体层叠设置的结构层，所述结构层包括多条沿垂直于所述基体的轴向设置的条纹；每个所述条纹的延伸方向于所述结构层之外圆周处形成第一交点，所述结构层之外圆周于所述第一交点处的切线与对应的条纹的延伸方向所成的第一夹角在第一预定范围内。

2.根据权利要求1所述的定位环，其特征在于，所述第一预定范围为15°～75°。

3.根据权利要求1所述的定位环，其特征在于，所述条纹沿所述基体的轴向的深度不小于0.02mm，且不大于0.05mm。

4.根据权利要求1所述的定位环，其特征在于，所述结构层的多个所述条纹沿所述基体的周向均匀分布。

5.根据权利要求1所述的定位环，其特征在于，至少一部分所述条纹呈弧形。

6.根据权利要求1所述的定位环，其特征在于，所述条纹贯通所述结构层的内圆周和外圆周。

7.根据权利要求1所述的定位环，其特征在于，所述结构层由热塑性树脂制成。

8.根据权利要求1所述的定位环，其特征在于，所述结构层通过涂覆的方式成型于所述基体上。

9.一种化学机械抛光机台，其特征在于，包括研磨头与根据权利要求1～8中任一项所述的定位环，所述定位环与所述研磨头可拆卸地连接，所述定位环之内侧的轴向厚度与所述定位环之外侧的轴向厚度的差值在第二预定范围内，且所述定位环之内侧的轴向厚度小于所述定位环之外侧的轴向厚度。

10.根据权利要求9所述的化学机械抛光机台，其特征在于，所述第二预定范围为0.005mm～0.015mm。

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