CN112536713A

CN112536713A - 一种保持环

Info

Publication number: CN112536713A
Application number: CN201910901132.4A
Authority: CN
Inventors: 赵德文; 刘远航; 孟松林
Original assignee: Tsinghua University; Huahaiqingke Co Ltd
Current assignee: Tsinghua University; Huahaiqingke Co Ltd
Priority date: 2019-09-23
Filing date: 2019-09-23
Publication date: 2021-03-23

Abstract

本发明公开了一种保持环，包括第一环形部及第二环形部，所述第一环形部由金属材料制成，所述第二环形部由非金属材料制成，所述第一环形部的至少一面与第二环形部紧贴固定。

Description

一种保持环

技术领域

本发明属于化学机械抛光技术领域，具体而言，涉及一种保持环。

背景技术

化学机械抛光是一种可接受的基板全局抛光的方法。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，在化学及机械的共同作用下实现基板的减薄。

承载头的下部设置有保持环，其在基板抛光中具有重要作用。一方面，其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。

现有的保持环一般包括金属部件及非金属部件，两者通过粘接剂胶合为一体，金属部件与承载头的基座连接，非金属部分与旋转的抛光垫抵接。金属部件与非金属部件的胶合存在分离的风险，并且，粘接剂的胶合工序增加了保持环的制造成本，影响基板化学机械抛光的成本。

因此，亟需设计一种保持环，解决现有技术中存在的技术问题。

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，本发明公开了一种保持环，包括第一环形部及第二环形部，所述第一环形部由金属材料制成，所述第二环形部由非金属材料制成，所述第一环形部的至少一面与第二环形部紧贴固定。

优选地，所述第一环形部的内侧面、外侧面、底面和/或顶面设置有卡合结构。

优选地，所述第一环形部的内侧面、外侧面、底面和/或顶面设置有纳米级微孔。

优选地，所述卡合结构为凹槽和/或凸起。

优选地，所述凹槽和凸起间隔设置于所述第一环形部的内侧面、外侧面、底面和/或顶面。

本申请公开的保持环，其有益效果：设计巧妙，结构稳定，加工制造成本低。

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是根据本发明所述化学机械抛光装备的俯视图；

图2是根据本发明所述抛光单元的结构示意图；

图3是根据本发明所述承载头的结构示意图；

图4是根据本发明所述保持环一实施例的部件拆解图；

图5是图4对应保持环的剖视图；

图6是根据本发明所述保持环又一实施例的部件拆解图；

图7是图6对应保持环的剖视图；

图8是根据本发明所述保持环另一实施例的部件拆解图；

图9是图8对应保持环的剖视图；

图10是根据本发明之第一环形部的结构示意图；

图11是根据本发明所述保持环再一实施例的部件拆解图；

图12是图11对应保持环的剖视图；

图13是根据本发明所述保持环又一实施例的部件拆解图；

图14是图13对应保持环的剖视图；

图15及16是根据本发明所述保持环的加工制造流程图。

其中，数字附图标记的含义如下：

1-前端模块；

2-抛光单元；2A-第1抛光单元；2B-第2抛光单元；2C-第3抛光单元；2D-第4抛光单元；

3-清洗单元；

4-控制单元；

10-抛光盘；

20-抛光垫；

30-晶圆承载装置；

31-承载头；32-上部气动组件；

311-基体；312-保持环；3121-第一环形部；31211-凹槽；31212-凸起；3122-第二环形部；

40-修整装置；41-修整臂；42-修整头；

50-抛光液供应装置。

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。

图1是一种化学机械抛光装备整体结构的俯视图，该化学机械抛光装备包括前端模块1、抛光单元2、清洗单元3及控制单元4，前端模块1、抛光单元2及清洗单元3独立设置，控制单元4对基板处理动作进行控制。

前端模块1配置有两个以上的前装载部，所述前装载部中放置有对多个半导体晶片等基板进行存储的基板盒，所述前装载部沿化学机械抛光装备的宽度方向排列，在前装载部上可搭载开口盒、标准制造接口盒(SMIF,Standard Manufacturing Interface)或前开式晶片盒(FOUP,Front Opening Unified Pod)。这里，SMIF、FOUP是内部收纳有基板盒、通过用隔板覆盖而可保持与外部空间独立的环境的密闭容器。

在前端模块1上，沿所述前装载部并排敷设有行走机构，在所述行走机构配置有可沿基板盒排列方向移动的输送机械手。输送机械手通过在行走机构上移动而可对搭载在前装载部上的基板盒进行存取。所述输送机械手具有上下两个手，使用上侧的手将处理后的基板送回到基板盒，使用下侧的手将处理前的基板从基板盒。前端模块1是为化学机械抛光装配最洁净状态的区域，因而，前端模块1的内部始终被维持在较抛光单元2及清洗单元3都高的压力，以防止其他区域的气流进入前端模块1。前端模块1配置有过滤器风扇单元，所述过滤器风扇单元具有HEPA过滤器、ULPA过滤器或化学过滤器等清洁空气过滤器，从该过滤器风扇单元始终吹出将微粒去除后的清洁空气。

抛光单元2是对基板表面进行化学机械抛光的区域，其包括第1抛光单元2A、第2抛光单元2B、第3抛光单元2C及第4抛光单元2D，所述第1抛光单元2A、第2抛光单元2B、第3抛光单元2C及第4抛光单元2D沿化学机械抛光装备的长度方向排列。

清洗单元3包括清洗模块和干燥模块。所述清洗模块包括驱动组件以及清洗组件，驱动组件带动基板旋转的同时清洗组件绕垂直于基板表面的轴线摆动以向基板表面喷射流体。例如，在利用清洗组件向基板表面喷射去离子水或者化学品清洗基板表面时，基板旋转，可以通过离心力的作用去除基板表面的颗粒，相对于现有的毛刷和兆声清洗方式而言，利用液体对基板表面冲洗的方式损伤更小，且由于不需要利用其他元件与基板接触，因此不会因为耗材到使用寿命后变脏，从而二次污染基板表面。干燥模块与清洗模块并排布置，其中干燥模块用于对基板进行干燥，去除基板表面的液体，避免附着在基板表面的液滴在自然晾干的过程中在基板表面产生水渍，从而保证基板的清洗效果。在一些实施例中，所述清洗模块也可以选择毛刷和/或兆声清洗方式，其与干燥模块并排设置于抛光单元2的外侧。

由于第1抛光单元2A、第2抛光单元2B、第3抛光单元2C及第4抛光单元2D具有相互相同的结构，因而，下面对第1抛光单元2A进行说明。图2是第1抛光单元2A的立体图，抛光单元2A包括抛光盘10、抛光垫20、晶圆承载装置30、修整装置40以及抛光液供应装置50；抛光垫20设置于抛光盘10上表面并与其一起沿轴线Ax1旋转；可水平移动的晶圆承载装置30设置于抛光垫20上方，其下表面吸持有待抛光的晶圆W；修整装置40包括修整臂41及修整头42，修整臂41带动旋转的修整头42摆动以修整抛光垫20表面达到适于抛光的状态；抛光液供应装置50将抛光液散布于抛光垫20表面；抛光作业时，晶圆承载装置30将晶圆W的待抛光面抵压抛光垫20的表面，抛光液分布于抛光垫20与晶圆W之间，在化学机械的作用下完成晶圆表面材料的去除。晶圆承载装置30包括承载头31及上部气动组件32(UPA,upperpneumatic assembly)，承载头31通过未示出的连接组件耦接至上部气动组件32。

图3是承载头31的结构示意图，承载头31包括基体311及设置于基体311底部的保持环312，所述基体311的内部设置有弹性膜，所述弹性膜与基体形成各个独立的腔室以保持待抛光的基板，所述保持环312位于弹性膜的外侧，所述弹性膜与保持环312的内侧设置有间隙。

本发明所述保持环312的部件拆解示意图，如图4所示，所述保持环包括第一环形部3121及第二环形部3122，两者结合成型为一体。图5是保持环的剖视图，第一环形部3121由第二环形部3122包敷为一体，第一环形部3121由金属材料制成，第二环形部3122由非金属材料制成，第一环形部3121的底面及侧面与第二环形部3122的紧密贴合，第一环形部3121的侧面设置有凹槽31211，第一环形部3121的底面设置有凸起31212，以增加第一环形部3121与第二环形部3122的接触面积。作为本实施例的一个变体，第一环形部3121的侧面及底面可设置多个凹槽31211和/或凸起31212，以增加第一环形部3121与第二环形部3122的结合度。

作为本发明的一个实施例，第一环形部3121的底面及侧面均设置有纳米级微孔，组成第二环形部3122的非金属材料处于熔融状态，其直接注射至成型模具内，使得熔融状态的非金属材料直接进入纳米微孔，有效保证了第一环形部3121与第二环形部3122的结合强度。

第一环形部3121的顶面设置有螺纹孔(未示出)，保持环通过螺纹孔与承载头的基座连接固定。在一些实施例中，第一环形部3121可以由不锈钢、钛合金或铝合金等金属制成，第二环形部3122可以由PPS、PEEK、聚碳酸酯、聚氨酯、聚亚安酯、或PET等非金属材料制成。优选地，第二环形部3122由PPS、PEEK等非金属材料制成，其为惰性材料，对化学机械抛光过程没有影响，其具有足够的弹性，能够防止基板边缘碎裂或破裂。

作为本发明的一个实施例，第二环形部3122的底面设置有多个流通槽，所述流通槽由第二环形部3122的内侧面至外侧面贯通设置，化学机械抛光使用的抛光液经由流通槽进入基板与抛光垫之间，抛光使用后的抛光液再经由流通槽流出，抛光液经由第二环形部3122的流通槽实现自我更新，以保证化学机械抛光的顺畅进行。

图6本发明所述保持环312的另一实施例的部件拆解图，第一环形部3121由金属材料制成，第二环形部3122由非金属材料制成，第一环形部3121的侧面及底面与第二环形部3122紧贴并通过纳米成型结合为一体。图7是保持环的剖视图，第一环形部3121的侧面为锥形面，其上设置有多个纳米微孔，熔融状态的非金属材料进入第一环形部3121的纳米微孔，保证了第一环形部3121与第二环形部3122的结合强度。

图8是本发明所述保持环312一个实施例的部件拆解图，第一环形部3121的侧面、底面及顶面紧贴第二环形部3122并通过纳米成型结合为一体。图9是保持环的剖视图，所述第一环形部3121的底面及顶面设置有粗化结构，以防止第一环形部3121与第二环形部3122分离，即使得熔融和/或半熔融状态的非金属材料与保持环的金属支撑结构直接结合从而模制出期望的保持环。如图10是第一环形部3121的结构示意图，第一环形部3121的底面及顶面设置有凹陷及突起间隔设置的粗化结构。所述粗化结构的凹陷及凸起的截面形状为矩形，可以理解的是，其也可以为其他形状，如圆形、椭圆形和/或三角形。

图11是本发明所述保持环312一个实施例的部件拆解图，第一环形部3121由金属材料制成，第二环形部3122由非金属材料制成，第一环形部3121的内侧面及底面与第二环形部3122紧贴并通过纳米成型结合为一体。图12是保持环的剖视图，第一环形部3121的内侧面及底面设置有纳米级微孔，熔融状态的非金属材料直接进入纳米微孔，使得第一环形部3121与第二环形部3122紧密结合，无需使用粘接剂，节省了粘合工序，降低了保持环加工制造成本。

图13是本发明所述保持环312一个实施例的部件拆解图，第一环形部3121由金属材料制成，第二环形部3122由非金属材料制成，第一环形部3121的底面与第二环形部3122紧贴并通过纳米成型结合为一体。图14是保持环的剖视图，第一环体部10的底面设置有凸起31212，对应的第二环形部3122的顶面设置有卡合凸起31212的凹陷结构，第一环形部3121的底面设置有纳米级微孔，以增加第一环形部3121与第二环形部3122的结合，防止第二环形部3122自第一环形部3121脱落。

图15是本发明所述保持环312的加工制造流程图，步骤S11是加工制造第一环形部3121；步骤S12是预处理第一环形部3121，具体地，采用喷砂、喷丸、研磨等手段去除第一环形部3121表面的绣层并清洗、干燥第一环形部3121；步骤S13是在第一环形部3121的侧面、底面或顶面形成纳米级微孔；步骤S14是制造第二环形部3122使其与第一环形部3121结合为一体，具体地，构成第二环形部3122的非金属处于熔融状态并流至第一环形部3121的纳米微孔中，有效增加了两者的结合度。

图16是本发明所述保持环312另一实施例的加工制造流程图，步骤S21是加工制造第一环形部3121，使得第一环形部3121的侧面、顶面和/或底面具有卡合结构；步骤S22是预处理第一环形部3121，具体地，采用喷砂、喷丸、研磨等手段去除第一环形部3121表面的绣层并清洗、干燥第一环形部3121；步骤S23是制造第二环形部3122使其与第一环形部3121结合为一体，构成第二环形部3122的非金属处于熔融状态并流至第一环形部3121的卡合结构，有效增加了两者的结合度。

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

1.一种保持环，其特征在于，包括第一环形部及第二环形部，所述第一环形部由金属材料制成，所述第二环形部由非金属材料制成，所述第一环形部的至少一面与第二环形部紧贴固定。

2.如权利要求1所述的保持环，其特征在于，所述第一环形部的内侧面、外侧面、底面和/或顶面设置有卡合结构。

3.如权利要求1所述的保持环，其特征在于，所述第一环形部的内侧面、外侧面、底面和/或顶面设置有纳米级微孔。

4.如权利要求2所述的保持环，其特征在于，所述卡合结构为凹槽和/或凸起。

5.如权利要求4所述的保持环，其特征在于，所述凹槽和凸起间隔设置于所述第一环形部的内侧面、外侧面、底面和/或顶面。