CN112792725B - 一种用于化学机械抛光的柔性膜、承载头及抛光设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于化学机械抛光的柔性膜、承载头及抛光设备，所述柔性膜包括用于接收基板的底板部；圆环状的边缘侧壁，该边缘侧壁具有沿所述底板部的周缘向上延伸形成的直立部、从直立部上端朝上向内折弯延伸后朝上向外折弯延伸形成的弯折部、从弯折部向上拱起的凸起部和从所述凸起部下端向内侧水平延伸形成的第一水平延伸部；以及与所述边缘侧壁同心相邻设置的内侧壁，所述内侧壁在其顶端具有弯向内侧水平延伸的第二水平延伸部；所述弯折部与所述凸起部之间设置有过渡部，所述过渡部向外延伸不超过所述直立部的圆周外表面。

Description

一种用于化学机械抛光的柔性膜、承载头及抛光设备

技术领域

本发明涉及化学机械抛光领域，特别涉及一种用于化学机械抛光的柔性膜、承载头及抛光设备。

背景技术

集成电路产业是信息技术产业的核心，在助推制造业向数字化、智能化转型升级的过程中发挥着关键作用。芯片是集成电路的载体，芯片制造涉及芯片设计、晶圆制造、晶圆加工、电性测量、切割封装和测试等工艺流程。其中，化学机械抛光属于晶圆制造工序。

化学机械抛光（Chemical Mechanical Planarization, CMP）是一种全局平坦化的超精密表面加工技术。化学机械抛光通常将晶圆吸合于承载头的底面，晶圆具有沉积层的一面抵压于抛光垫上表面，承载头在驱动组件的致动下与抛光垫同向旋转并给予晶圆向下的载荷；同时，抛光液供给于抛光垫的上表面并分布在晶圆与抛光垫之间，使得晶圆在化学和机械的共同作用下完成晶圆的化学机械抛光。

现有技术的CMP承载头，多腔室隔膜具有五个可调压的腔室分别作用于基板的不同环形区域，这五个腔室配合进行抵压抛光作业可以相较于仅具有一个腔室或少于五个腔室的承载头提升抛光的均匀性和一致性。为了更均匀一致的对基板进行抛光作业，业界一致追求对承载头中用于对基板作业的隔膜划分更多腔室，例如六个可调压的腔室。

另外，在增加腔室个数的同时还要尽量减 “边缘效应”(晶圆边缘抛光难于调控，由于转速高于晶圆内侧等原因导致过抛)，即通过对最边缘的两个或三个腔室进行结构优化从而增强该区域的调控有效性、稳定性、精确性等。

总之，业界希望提供一种化学机械承载头以解决抛光均匀性、一致性、边缘效应、加载有效性、加载可靠性、加载精确度等问题，特别是解决基板边缘部分过抛和/或欠抛等问题，然而，这些问题之间通常又存在彼此影响导致承载头的设计难以权衡。

发明内容

本发明实施例提供了一种用于化学机械抛光的柔性膜、承载头及抛光设备，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。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种化学机械抛光的柔性膜，包括：用于接收基板的底板部；圆环状的边缘侧壁，该边缘侧壁具有沿所述底板部的周缘向上延伸形成的直立部、从直立部上端朝上向内折弯延伸后朝上向外折弯延伸形成的弯折部、从弯折部向上拱起的凸起部和从所述凸起部下端向内侧水平延伸形成的第一水平延伸部；以及与所述边缘侧壁同心相邻设置的内侧壁，所述内侧壁在其顶端具有弯向内侧水平延伸的第二水平延伸部；所述弯折部与所述凸起部之间设置有过渡部，所述过渡部向外延伸不超过所述直立部的圆周外表面。

作为优选实施例，所述凸起部从所述过渡部的上端竖直向上延伸、经圆弧过渡后再竖直向下延伸，所述凸起部沿水平方向的宽度小于所述第一水平延伸部的长度。

作为优选实施例，所述弯折部向内延伸的水平投影超过所述凸起部竖直向下延伸的外表面。

作为优选实施例，所述弯折部的壁厚小于等于所述凸起部的壁厚，所述过渡部的壁厚大于所述弯折部的壁厚且小于所述凸起部的壁厚。

作为优选实施例，柔性膜还包括从所述边缘侧壁的内表面朝径向内侧水平延伸的间隔板，所述间隔板的壁厚小于等于所述底板部的壁厚。

作为优选实施例，所述过渡部的壁厚大于所述弯折部的壁厚且小于所述凸起部的壁厚。

作为优选实施例，所述弯折部包括从直立部上端朝上向内折弯延伸的第一弯折部和自所述第一弯折部朝上向外折弯延伸的第二弯折部，所述第一弯折部与水平面的夹角不等于所述第二弯折部与水平面的夹角。

作为优选实施例，所述第一弯折部与所述第二弯折部的夹角大于20°。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种承载头，其包括上面所述的用于化学机械抛光的柔性膜。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种抛光设备，其包括上面所述的承载头。

本发明的有益效果包括：通过对边缘腔室进行结构优化从而增强该区域的调控有效性、稳定性、精确性等并提供一种化学机械抛光柔性膜、承载头和抛光设备以解决抛光均匀性、一致性、边缘效应、加载有效性、加载可靠性、加载经确定等问题，特别是在一定程度上解决了基板边缘部分过抛和/或欠抛等问题；此外，在不影响所述承载头及化学机械抛光设备作业功能及可靠性的前提下改善及提升抛光过程中膜厚测量的准确性从而提升抛光制程控制及抛光结果的准确性等。

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是根据本发明所述用于化学机械抛光的承载头300的结构示意图；

图2是根据本发明所述柔性膜14的结构示意图；

图3是图2中的柔性膜14边缘部分的局部放大图；

图4是现有技术的柔性膜14’加压时弯折部的形变示意图；

图5是本发明所述柔性膜14加压时弯折部的形变示意图；

图6是本发明所述柔性膜14边缘部分另一个实施例的示意图；

图7是本发明所述抛光设备1000的结构示意图。

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。

化学机械抛光设备简称抛光设备，其一般包括抛光盘、抛光垫、供液装置、修整装置、检测装置、控制装置等，其构成方案作为现有技术已在诸如CN108555771A、CN107813220A、CN206105586U等专利公开中予以充分体现，本发明中不再赘述，但应当理解的是，根据本发明的化学机械抛光设备亦包括抛光盘、抛光垫、供液装置、修整装置、检测装置、控制装置等作业的必要零部件及构件。下面主要介绍根据本发明的化学机械抛光设备中的核心件承载头的构造和功能，下面的所描述的承载头可以应用在根据本发明的化学机械抛光设备中。需要指出的是，如未做特别说明，本实施方式中所述的向内、径向向内是指沿底板部141的半径方向向内，所述的向外、径向向外是指沿底板部141的半径方向向外；并且下述任何关于承载头和柔性膜的技术特征都是可以组合和/或单独形成的，只要这些特征和/或特征的组合能够改善化学机械抛光的作业性能和制程结果；此外，本发明中的术语如果与国家或国际标准或在先或在后申请不一致的地方，应根据该零件、部件、构件或组件等的实际作用等同的进行解释和理解，而不应作为限制本发明保护范围的依据。在本发明中，“化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing,CMP）”也称为“化学机械平坦化（Chemical Mechanical Planarization,CMP）”，晶圆（Wafer）也称基板（Substrate）, 材料去除速率（Material Remove Rate,MRR），其含义和实际作用等同。

如图1所示，本发明提供了一种用于化学机械抛光头300，为了描述方便，下文将化学机械抛光头简称为承载头。该承载头300包括平衡架11、连轴盘12、承载盘13、柔性膜14、环状的环状压盘15、保持环16、第一夹环18、第二夹环19、第三夹环20、环状的弹性膜21等，其中，连轴盘12连接于外部驱动轴以带动整个承载头300移动和/或旋转。具体而言，第二夹环19和第三夹环20分别将弹性模21的外缘和内缘夹紧结合至承载盘13和连轴盘12使得承载盘13可随连轴盘12一体旋转。

具有中轴部、底盘部、周壁部和翼缘部的平衡架11与连轴盘12同轴设置，其中轴部可滑动地插入至连轴盘12的中心轴孔中并可在其中沿竖直方向移动，其翼缘部借助垫圈17、第一夹环18以及未示出的螺栓结合至承载盘13的中心阶梯孔，使得承载盘13可随平衡架11一起旋转和/或沿竖直方向移动。

柔性膜14被环状压盘15夹紧结合至承载盘13的下部并且可以与承载盘13一起移动和/或转动；柔性膜14、环状压盘15与承载盘13配合形成C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7这七个可以分别调控的可调压腔室。尽管没有示意出，但可以理解的是，承载头300内设置有多个可与外部气路耦合连接的气体通道，这些气体通道贯穿连轴盘12、承载盘13、环状压盘15分别连通至这些可调压腔室，从而通过向这些腔室内通入气体或从这些腔室内抽出气体来调节其压力；特别的，可以通过连轴盘12中的沿竖直方向与平衡架11的中轴部平行延伸的通孔来调节可调压腔室C8的压力，以调节承载盘13及柔性膜14沿竖直方向相对于连轴盘12的位移。

根据本发明的柔性膜14的结构示意图，如图2所示，该柔性膜14包括圆形的底板部141、沿底板部141大致竖直向上延伸的直立部142、连接于直立部142顶端的弯折部143、从弯折部143向上拱起的凸起部144和从所述凸起部144下端向内侧水平延伸形成的第一水平延伸部145。

所述第一水平延伸部145的自由端具有沿着竖直方朝向内侧下凸起延伸的密封部145a，为了增强直立部142的刚度使得其可以更有效地沿竖直方朝向内侧下传递作用力，竖直部142的外侧表面形成有用于设置柔性膜外支撑环的圆环状的凹槽，该凹槽沿径向朝向内侧延伸且其厚度不超过直立部142的厚度的一半，使得柔性膜外支撑环可以稳定卡合在凹槽中，柔性膜外支撑环和凹槽向上延伸至接近弯折部143下端的位置并且向下延伸至距底板部141的上表面0.5mm至4mm的位置，特别的，柔性膜外支撑环卡合在凹槽中后其沿径向方向延伸至不超过直立部142的径向外表面2mm以避免在柔性膜外支撑环下部附近区域形成抛光液结晶。

进一步的，在直立部142与底板部141的接合根部内侧形成有沿径朝向内侧外延伸的环状凹槽，其作用包括增强边缘侧壁的直立部142根部的自由度防止产生应力集中和局部皱曲，从而在一定程度上缓解基板边缘区的去除率调控调节效果；为了进一步加强直立部142的刚性以便其上部腔室的压力可以更多地向下传递至其正下方的区域，鉴于不便设置厚度过大的柔性膜外支撑环，可在直立部142内表面设置柔性膜内支撑环。

图2所示的实施例中，柔性膜14还包括与所述边缘侧壁同心相邻设置的内侧壁148，内侧壁148在其顶端具有弯向内侧水平延伸的第二水平延伸部149；柔性膜14还包括从所述边缘侧壁的内表面朝径向内侧水平延伸的间隔板146，间隔板146的壁厚小于等于所述底板部141的壁厚，以增加柔性膜14的整体柔性。

进一步地，弯折部143与凸起部144之间设置有过渡部147，间隔板146、弯折部143、过渡部147、凸起部144和第一水平延伸部145与环状压盘15一起组合形成了气密的可调压腔室C1。过渡部147向外延伸不超过直立部142的圆周外表面，如此设置，有利于更好的控制可调压腔室C1的压力，使得载荷能够有效沿竖直方向传递。

图3是柔性膜14边缘部分的局部放大图，底板部141与直立部142交接处的内侧设置有凹槽部141a。即底板部141边缘部分的厚度由内向外逐渐变小，以调控基板边缘局部区域的抛光去除速率。所述凸起部144从所述过渡部147的上端竖直向上延伸、经圆弧过渡后再竖直向下延伸，其中，弯折部143向内延伸的水平投影超过所述凸起部144竖直向下延伸的外表面，以增加可调压腔室C1内部压力调控的灵活性。

进一步地，凸起部144沿水平方向的宽度小于第一水平延伸部145的长度，优选地，凸起部144沿水平方向的宽度为第一水平延伸部145长度的1/4-1/2，以通过凸起部144的膨胀来提升折弯部143变形的稳定性，保证腔室C1的平稳加压。

作为本发明的另一个实施例，凸起部144的高度小于等于弯折部143竖直方向的高度。优选地，凸起部144的高度等于弯折部143竖直方向的高度。凸起部144竖直方向设置的筋板的壁厚为0.5mm-3mm，相邻筋板之间的间隙为1mm-3mm。此处的筋板为自过渡部147的上端竖直向上延伸和自圆弧过渡处竖直向下延伸形成的结构。

作为本实施例的另一个方面，弯折部143的壁厚小于等于凸起部144的壁厚，过渡部147的壁厚大于弯折部143的壁厚且小于凸起部144的壁厚，以增加柔性膜14的整体柔性。优选地，弯折部143的壁厚为凸起部144壁厚的50%-60%，过渡部147的壁厚为凸起部144的70-80%。

图3中，弯折部143包括从直立部上端朝上向内折弯延伸的第一弯折部143a和自所述第一弯折部143a朝上向外折弯延伸的第二弯折部143b，所述第一弯折部143a与水平面的夹角不等于所述第二弯折部143b与水平面的夹角，以保证弯折部143处的柔性，提升基板边缘区域的压力调控能力，调控晶圆边缘区域的材料去除速率。

进一步地，过渡部147包括朝上向内延伸的延伸段147a，延伸段147a与所述第一弯折部143a平行。优选地，延伸段147a的长度为第一弯折部143a的1/6-1/4，以提升可调压腔室C1的压力调控能力。

图4是现有技术中柔性膜14’在加压状态时，弯折部143形变的示意图。对应的第二弯折部143b有向下弯折的趋势，这会影响可调压腔室C1的正常加载，不利于晶圆边缘区域的压力控制。相比于现有技术，本发明提供的柔性膜14一定程度上解决了这一问题。如图5所示，柔性膜14配置有凸起部144，柔性膜14在加压时，弯折部143几乎水平向外侧膨胀，避免了第二弯折部143b向下弯折对加压的影响，提升了柔性膜14的边缘区域载荷施加的准确性。

图3所示的实施例中，为了改善内侧壁148正下方的底板部141的压力轮廓作用，期望提高内侧壁148根部区域的柔性并且提高内侧壁148中上部区域的刚性，为此，可以在内侧壁148的根部区域设置一褶部，使得褶部上方的环状内侧壁的半径小于或大于褶部下方的环状内侧壁。换言之，环状的内侧壁148的并非完全竖直向上延伸的，而是在其向上大致竖直延伸一段距离之后先形成至少一个褶部之后再继续大致竖直向上延伸形成内侧壁的其他部分。

本发明中，腔室C1与C2的压力很大程度上会相互抵消导致腔室C2正下方柔性膜部分的下压作用力大于直立部142正下方柔性膜的下压作用力，尽管腔室C1的一部分作用力会通过斜面向下斜下方传递并作用于直立部142并进一步作用于其正下方的柔性膜，但这样的力的分量仍然无法解决自立部142下方可能出现的压力不足的情况，为此需要充分利用间隔板146在腔室C1加压过程中伸长时作用于间隔板146根部的向外压力传递至直立部142并使其分量作用于直立部142的正下方，因此间隔板146的内沿与第一水平延伸部145的内沿之间的距离L1尤为关键，由图3示出的这个距离L1决定了腔室C1和/或C2在加压过程中传递至直立部142正下方的作用力的大小，具体而言，这个距离L1的大小与传递至直立部142正下方的作用力的大小大体上成正比，但是考虑到需要放置间隔板146过于向下弯曲与内侧壁等其他结构之间产生干涉，间隔板146的水平投影长度亦应受到限制，一般而言L1的长度应大于2mm，优选大于4mm；或者，这样的水平延伸长度差的作用也可以等效地理解为，腔室C1与C2加压的过程中间隔板146与第一水平延伸部145之间的拉力差/压力差可以等效地看做传递至直立部142的正下方的柔性膜的部分，而这样的拉力差/压力差产生的主要原因在于间隔板146与第一水平延伸部145的沿径向方向水平延伸的距离差。本发明中，内沿是指筋板朝向柔性膜14的内侧延伸靠近柔性膜中心位置的部分。

同时，间隔板146的内沿较第二水平延伸部149的内沿远离底板部141的中心位置，间隔板146的内沿与第二水平延伸部149的内沿之间的距离为L2，如图3所示。间隔板146的内沿与第二水平延伸部149的内沿之间的距离为2mm-10mm，优选地，间隔板146的内沿与第二水平延伸部149的内沿之间的距离为3mm-5mm。如此设置，一方面有利于灵活控制腔室C2的压力，另一方面也有利于柔性膜14对应连接部件的设计及安装。

可以理解的是，柔性膜14的边缘部分也可以配置两个或两个以上的弯折部143，其沿竖直方向设置；柔性膜14也可以配置一个以上的凸起部144，其沿水平方向间隔设置，以提升柔性膜14的压力调控能力。

作为本发明的一个实施例，第一弯折部143a与第二弯折部143b形成的夹角需要大于20°，如此能够避免弯折部143的外翻，以保证柔性膜14的整体使用性能，提升基板边缘区域的压力加载的准确性。

图6是本发明所述柔性膜14边缘部分另一个实施例的示意图，该实施例中，弯折部143设置多个褶皱，以便提高柔性膜14边缘部分的压力调控能力。内侧壁148也可以垂直于底板部141设置，内侧壁148、第二水平延伸部149、间隔板146与环状压盘15形成腔室C2。腔室C1将压力传递至腔室C2以调控柔性膜14边缘部分的压力。

图1所示的实施例中，第一水平延伸部145的上表面的一部分被承载盘13压住，这有利于调节腔室C1加压时的膨胀程度。具体地，该部分结构能够与凸起部144的结构配合，提升柔性膜14的压力调节的准确性。优选地，第一水平延伸部145的上表面的1/3-4/5由承载盘13压住。

同时，本发明还公开了一种抛光设备，其结构示意图，如图7所示。抛光设备1000包括抛光盘100、抛光垫200、图1示出的承载头300、修整器400以及供液部500；抛光垫200设置于抛光盘100上表面并与其一起沿轴线Ax旋转；可水平移动的承载头300设置于抛光垫200上方，其下表面接收有待抛光的基板；修整器400包括修整臂及修整头，其设置于抛光盘100的一侧，修整臂带动旋转的修整头摆动以修整抛光垫200的表面；供液部500设置于抛光垫200的上侧，以将抛光液散布于抛光垫200的表面。

抛光作业时，承载头300将基板的待抛光面抵压于抛光垫200的表面，承载头300做旋转运动以及沿抛光盘100的径向往复移动使得与抛光垫200接触的基板表面被逐渐抛除；同时抛光盘100旋转，供液部500向抛光垫200表面喷洒抛光液。在抛光液的化学作用下，通过承载头300与抛光盘100的相对运动使基板与抛光垫200摩擦以进行抛光。

由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在基板与抛光垫200之间流动，抛光液在抛光垫200的传输和旋转离心力的作用下均匀分布，以在基板和抛光垫200之间形成一层液体薄膜，液体中的化学成分与基板产生化学反应，将不溶物质转化为易溶物质，然后通过磨粒的微机械摩擦将这些化学反应物从基板表面去除，溶入流动的液体中带走，即在化学成膜和机械去膜的交替过程中去除表面材料实现表面平坦化处理，从而达到全局平坦化的目的。

在化学机械抛光期间，修整器400用于对抛光垫200表面形貌进行修整和活化。使用修整器400可以移除残留在抛光垫表面的杂质颗粒，例如抛光液中的研磨颗粒以及从基板表面脱落的废料等，还可以将由于研磨导致的抛光垫200表面形变进行平整化，保证了在抛光期间抛光垫200表面形貌的一致性，进而使抛光去除速率保持稳定。

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。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 (10)

1.一种用于化学机械抛光的柔性膜，其特征在于，包括：

用于接收基板的底板部；

圆环状的边缘侧壁，该边缘侧壁具有沿所述底板部的周缘向上延伸形成的直立部、从直立部上端朝上向内折弯延伸后朝上向外折弯延伸形成的弯折部、从弯折部向上拱起的凸起部和从所述凸起部下端向内侧水平延伸形成的第一水平延伸部；

以及与所述边缘侧壁同心相邻设置的内侧壁，所述内侧壁在其顶端具有弯向内侧水平延伸的第二水平延伸部；

所述弯折部与所述凸起部之间设置有过渡部，所述过渡部向外延伸不超过所述直立部的圆周外表面，所述凸起部沿水平方向的宽度小于所述第一水平延伸部的长度。

2.如权利要求1所述的柔性膜，其特征在于，所述凸起部从所述过渡部的上端竖直向上延伸、经圆弧过渡后再竖直向下延伸；所述底板部与直立部交接处的内侧设置有凹槽部。

3.如权利要求2所述的柔性膜，其特征在于，所述弯折部向内延伸的水平投影超过所述凸起部竖直向下延伸的外表面。

4.如权利要求2所述的柔性膜，其特征在于，所述凸起部的高度小于等于所述弯折部竖直方向的高度。

5.如权利要求1所述的柔性膜，其特征在于，所述弯折部的壁厚小于等于所述凸起部的壁厚，所述过渡部的壁厚大于所述弯折部的壁厚且小于所述凸起部的壁厚。

6.如权利要求1所述的柔性膜，其特征在于，还包括从所述边缘侧壁的内表面朝径向内侧水平延伸的间隔板，所述间隔板的壁厚小于等于所述底板部的壁厚。

7.如权利要求1所述的柔性膜，其特征在于，所述弯折部包括从直立部上端朝上向内折弯延伸的第一弯折部和自所述第一弯折部朝上向外折弯延伸的第二弯折部，所述第一弯折部与水平面的夹角不等于所述第二弯折部与水平面的夹角。

8.如权利要求7所述的柔性膜，其特征在于，所述第一弯折部与所述第二弯折部的夹角大于20°。

9.一种承载头，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的用于化学机械抛光的柔性膜。

10.一种抛光设备，其特征在于，包括权利要求9所述的承载头。

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