CN113878488A - 一种化学机械抛光头和抛光系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学机械抛光头和抛光系统，所述化学机械抛光头包括联轴盘、承载盘、弹性膜和保持环，所述承载盘通过连接膜与所述联轴盘固定，所述弹性膜通过固定压环安装于所述承载盘的底部，所述保持环设置于所述弹性膜的外周侧并位于承载盘的底部；还包括环状膜，其固定于承载盘的底部并位于弹性膜的上侧；加压后的环状膜抵压于所述弹性膜的顶部，以将环状膜施加的载荷经由弹性膜向下传递。

Description

一种化学机械抛光头和抛光系统

技术领域

本发明属于化学机械抛光技术领域，具体而言，涉及一种化学机械抛光头和抛光系统。

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晶圆的不同环形区域，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。

由于存在多种因素的耦合作用，晶圆边缘区域的去除速率通常是均匀的。但在异常情况下，晶圆的边缘会出现抛光不均匀的情况。

按照通常的技术手段，会为隔膜的边缘位置设置更多的分区，这在一定程度上能够改善晶圆边缘区域的抛光均匀性。但由于隔膜边缘位置的分区对应的压力响应特性存在较大差异，再者，为形成边缘分区设置的间隔筋板也会影响材料的去除速率，无形中增加了晶圆边缘区域压力调控的难度，不利于全局平坦化的产业化。

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，本发明实施例的提供了一种化学机械抛光头，其包括联轴盘、承载盘、弹性膜和保持环，所述承载盘通过连接膜与所述联轴盘固定，所述弹性膜通过固定压环安装于所述承载盘的底部，所述保持环设置于所述弹性膜的外周侧并位于承载盘的底部；还包括环状膜，其固定于承载盘的底部并位于弹性膜的上侧；加压后的环状膜抵压于所述弹性膜的顶部，以将环状膜施加的载荷经由弹性膜向下传递作用于待抛光的晶圆。

作为优选实施例，所述环状膜包括底膜、由底膜的端部向上延伸的侧膜和自所述侧膜的顶部水平延伸的顶膜，所述底膜、侧膜及顶膜形成环形的腔室。

作为优选实施例，所述顶膜的沿部设置有连接凸起，所述环状膜通过卡环可拆卸地连接于所述承载盘的底部；所述卡环设置于所述环状膜的内部，其将所述连接凸起抵压于所述承载盘。

作为优选实施例，所述环状膜内部配置有隔板，所述隔板沿所述环状膜的径向设置，以分割形成独立的腔室，所述腔室分别配置有载荷施加部。

作为优选实施例，所述隔板垂直于所述侧膜设置，其数量为多个并沿所述环状膜的中心均匀分布。

作为优选实施例，所述环状膜还配置有褶皱，所述褶皱的数量至少一个并沿所述侧膜的竖直方向设置。

作为优选实施例，所述弹性膜包括底板、自所述底板的边沿竖直延伸的侧壁和沿所述侧壁的顶部朝向内侧延伸的水平延伸筋，所述环状膜设置于所述水平延伸筋的上侧；所述侧壁配置有内环和外环，所述外环设置于侧壁外侧面的凹槽中，所述内环紧贴所述侧壁内侧面设置；所述环状膜施加的载荷经由外环与内环限定的侧壁向下传递。

作为优选实施例，所述环状膜的水平投影与弹性膜的水平延伸筋部分重叠。

作为优选实施例，所述内环的纵向截面为L形，所述内环的水平段与竖直段一体成型；加压膨胀的环状膜抵压于所述水平延伸筋及内环的水平段。

此外，本发明还提供了一种抛光系统，其包括上面所述的化学机械抛光头。

本发明的有益效果包括：

(1)在承载盘与弹性膜之间配置环状膜，控制环状膜的载荷施加控制晶圆边缘区域的材料去除速率，提高晶圆抛光的均匀性；

(2)本发明减少弹性膜边缘位置的间隔筋板的数量，降低弹性膜的制造成本；

(3)在环状膜的内部设置隔板，将环状膜的腔室分割为多个独立的子腔室，以解决在同一圆周区域厚度不均的晶圆平坦化；

(4)本发明摒弃了增加分区控制边缘压力的技术手段，采用竖向传递的方式控制抛光压力，实现晶圆边缘区域的平坦化，有利于降低抛光控制难度。

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是本发明所述一种化学机械抛光头的结构示意图；

图2是图1中虚线框的局部放大图；

图3是本发明所述环状膜的局部剖视图；

图4是本发明所述环状膜另一个实施例的示意图；

图5是同一圆周区域厚度不均的晶圆的示意图；

图6是本发明所述环状膜在一个实施例的示意图；

图7是具有褶皱的环状膜的示意图；

图8是本发明所述化学机械抛光头另一个实施例的局部放大图；

图9是本发明所述化学机械抛光头再一个实施例的示意图；

图10是本发明所述抛光系统的示意图。

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。

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,W)也称基板(Substrate),其含义和实际作用等同。

图1是本发明一种化学机械抛光头100的结构示意图。化学机械抛光头100包括联轴盘10、承载盘20、弹性膜30和保持环40。联轴盘10通过连接膜50与承载盘20连接，弹性膜30通过固定压环60连接于承载盘20的底部，保持环40设置于弹性膜30的外周侧并位于承载盘20的底部。

进一步地，承载盘20包括盘部和轴部，联轴盘10的中部配置有贯通孔，承载盘20的轴部插接于联轴盘10的贯通孔，承载盘20能够沿贯通孔的长度方向移动以调节弹性膜30的竖直高度。

联轴盘10的顶部配置有连接法兰，连接法兰与未示出的外部驱动轴连接，旋转的联轴盘10经由连接膜50带动承载盘20及其上的弹性膜30一起同轴旋转。吸合有晶圆的弹性膜30抵压于旋转的抛光垫，以实现晶圆底面的材料去除。

图1所示的实施例中，弹性膜30配置5个可调压腔室，其分别作用于晶圆的中心区域及同心的环形区域，以实现晶圆材料去除的均匀性，实现晶圆的全局平坦化。可以理解的是，联轴盘10及承载盘20中配置有流体通道(图中未示出)，以便外部气源与弹性膜30的腔室连通以调节腔室的压力，实现抛光载荷的优化调整。

图2是图1中化学机械抛光头100的局部放大图，弹性膜30包括底板31、侧壁32和水平延伸筋33，侧壁32自底板31的边沿竖直延伸而成，水平延伸筋33沿侧壁32的顶部朝向内侧延伸而成。弹性膜30的内部还配置有内侧筋34，以将弹性膜30划分为多个独立的中部腔室。

为了增加弹性膜30整体的强度，在侧壁32的内外侧分别设置有图2示出的内环91及外环92，以保证弹性膜30边缘部分的载荷施加。具体地，外环92设置于侧壁32外侧面的凹槽中，内环91紧贴侧壁32的内侧面设置。

进一步地，化学机械抛光头100还包括环状膜70，如图1所示，环状膜70设置于弹性膜30的上侧，其通过卡环80固定于承载盘20的底部。具体地，承载盘20的底面配置有放置环状膜70的安装槽，所述安装槽的设置位置与弹性膜30的外缘相匹配，以便环状膜70作用于弹性膜30的外缘。可以理解的是，安装槽的宽度与环状膜70的外形尺寸相匹配。具体地，安装槽的宽度应略大于环状膜70的宽度，以适当预留横向膨胀的空间。安装槽主要是引导环状膜70沿竖直方向压缩或膨胀变形，以调节其对下侧的弹性膜30的作用力。

在非加压状态下，环状膜70的底面与弹性膜30的顶面之间的距离不大于2-5mm，以保证环形膜70形成的腔室充分作用于弹性膜30对应的位置。优选地，环状膜70的底面与弹性膜30的顶面之间的距离为3mm。

环状膜70由具有良好弹性的橡胶材料制成，联轴盘10及承载盘20也配置有与环状膜70连通的流体通道(图中未示出)，以便调节环状膜70与承载盘20形成的腔室的压力。环状膜70施加的载荷经由外环92与内环91限定的侧壁32向下传递，以调节晶圆的边缘区域受到的抛光压力，控制晶圆边缘区域的材料去除速率。

图3是环状膜70的纵向剖视图，为了清晰体现其结构，仅显示部分剖面。环状膜70包括底膜71、侧膜72和顶膜73，三者形成环形的腔室。侧膜72垂直于底膜71，其由底膜71的端部向上延伸而成；顶膜73平行于底膜71设置，其自侧膜72的顶部朝向内侧水平延伸而成。

进一步地，顶膜73的沿部设置有连接凸起74，相应地，承载盘20的安装槽配置有卡接槽，连接凸起74放置于所述卡接槽，卡环80设置于环状膜70的内部，卡环80将环状膜70的连接凸起74抵压于承载盘20的卡接槽中并通过螺栓将卡环80与承载盘20连接，实现环状膜70的固定。

卡环80为环状部件，其顶面设置有凸台，所述凸台经由相邻连接凸起74之间的间隙与承载盘20的底面抵接。所述凸台的宽度需要略小于连接凸起74之间的间隙，以方便卡环80的安装。卡环80的截面宽度要略小于相邻侧膜72的水平距离，以防止卡环80干扰环状膜70的上下伸缩，保证环状膜70的正常加载。

图4是环状膜70另一个实施例的示意图，环状膜70内部配置有隔板75，隔板75沿环状膜70的径向设置，以将环形膜70形成的环状腔室分割为多个独立的子腔室。所述子腔室分别配置有流体通道，以形成独立的载荷施加部，根据晶圆表面的材料去除速率的差异，准确控制同一圆周区域的抛光压力，实现更加精细化的抛光控制。

化学机械抛光中，晶圆W在同一圆周区域可能存在厚度不均匀的情况。如图5中，晶圆W边缘的同一圆周区域A1中，第一区域A11和第二区域A12的厚度大于圆周区域A1中其他位置的厚度。而通常情况下，是将晶圆以圆心为中心划分为多个圆周区域，统一控制同一圆周区域内的抛光压力，来平衡晶圆表面的材料去除速率。而现有的压力控制技术无法解决同一圆周区域厚度不均的晶圆的平坦化。

图6中，环状膜70的内部设置4件隔板75，其垂直于侧膜72设置并沿环状膜70的中心均匀分布，以将环状膜70的环形的腔室分割为4个子腔室。抛光控制部能够根据晶圆同一圆周区域的高度差异，调节子腔室的压力，控制晶圆对应区域的抛光压力，实现晶圆的全局平坦化。

可以理解的是，隔板75也可以为其他数量，如3件、6件、9件等，抛光控制部通过控制分割的子腔室的压力，调节晶圆对应区域的抛光压力。

为提高环状膜70上下伸缩的灵活性，环状膜70还配置有褶皱76，如图6所示，褶皱76的数量为2件，其沿侧膜72的竖直方向设置。可以理解的是，褶皱76的数量至少设置一个即可增加环状膜70的灵活性。当褶皱76配置的数量为多个时，褶皱76可以选择连续设置，也可以选择间隔均匀设置。

为了保证环状膜70的载荷充分传递至弹性膜30的边缘位置，调节晶圆边缘区域的抛光压力，弹性膜30的每部配置纵向截面为L形的内环91，如图8所示，内环91包括水平段和竖直段，所述水平段与水平延伸筋33的内侧面抵接，所述竖直段与侧壁32的内侧面抵接。内环91的水平段的宽度要小于水平延伸筋33的水平长度，以避免内环91的端部与连接弹性膜30的部件发生干涉。

进一步地，内环91顶部的水平段的宽度大致与环状膜70的底膜71的横向宽度相等，或者略大于环状膜70的底膜71的横向宽度。在环状膜70加压膨胀后，底膜71与水平延伸筋33的顶面抵接，经由内环91及外环92限定的侧壁32将载荷传递至晶圆的边缘区域。

图1所示的实施例中，环状膜70的外侧壁大致与弹性膜30的外侧壁重合，以便于加压膨胀的环状膜70对弹性膜30的侧壁32施加载荷。作为本实施例的一个变体，环状膜70的水平投影也可以与弹性膜30的水平延伸筋部分重叠，如图9所示。由于，环状膜70加压后，其朝向下侧伸长的最长距离通常分布在环状膜70的中间位置，为了保证载荷的正常时间，可以将环状膜70向下伸长的最长距离对应位置与侧壁32抵接。

可以理解的是，弹性膜30与保持环40的内侧壁之间的间隙不宜过大，若所述间隙过大，则容易在弹性膜30与保持环40之间附着大量颗粒物，这容易在抛光过程中掉落致使晶圆表面划伤。

此外，本发明还公开了一种抛光系统1000，其结构示意图，如图10所示。抛光系统1000包括抛光盘300、抛光垫200、图1示出的化学机械抛光头100、修整器400以及供液部500；抛光垫200设置于抛光盘300上表面并与其一起沿轴线Ax旋转；可水平移动的化学机械抛光头100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300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，化学机械抛光头100将基板的待抛光面抵压于抛光垫200的表面，化学机械抛光头100做旋转运动以及沿抛光盘300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300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，通过化学机械抛光头100与抛光盘300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。

本发明所述化学机械抛光头100配置环状膜70，环状膜70设置于承载盘20与弹性膜30之间，控制环状膜70的载荷施加控制晶圆边缘区域的材料去除速率，尤其是，环状膜70的内部设置有隔板76，以将环状膜70的环形的腔室分割为多个独立的子腔室，提高晶圆抛光的均匀性。

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)

1.一种化学机械抛光头，其特征在于，包括联轴盘、承载盘、弹性膜和保持环，所述承载盘通过连接膜与所述联轴盘固定，所述弹性膜通过固定压环安装于所述承载盘的底部，所述保持环设置于所述弹性膜的外周侧并位于承载盘的底部；还包括环状膜，其固定于承载盘的底部并位于弹性膜的上侧；加压后的环状膜抵压于所述弹性膜的顶部，以将环状膜施加的载荷经由弹性膜向下传递作用于待抛光的晶圆。

2.如权利要求1所述的化学机械抛光头，其特征在于，所述环状膜包括底膜、由底膜的端部向上延伸的侧膜和自所述侧膜的顶部水平延伸的顶膜，所述底膜、侧膜及顶膜形成环形的腔室。

3.如权利要求2所述的化学机械抛光头，其特征在于，所述顶膜的沿部设置有连接凸起，所述环状膜通过卡环可拆卸地连接于所述承载盘的底部；所述卡环设置于所述环状膜的内部，其将所述连接凸起抵压于所述承载盘。

4.如权利要求2所述的化学机械抛光头，其特征在于，所述环状膜内部配置有隔板，所述隔板沿所述环状膜的径向设置，以分割形成独立的腔室，所述腔室分别配置有载荷施加部。

5.如权利要求4所述的化学机械抛光头，其特征在于，所述隔板垂直于所述侧膜设置，其数量为多个并沿所述环状膜的中心均匀分布。

6.如权利要求1所述的化学机械抛光头，其特征在于，所述环状膜还配置有褶皱，所述褶皱的数量至少一个并沿所述侧膜的竖直方向设置。

7.如权利要求1所述的化学机械抛光头，其特征在于，所述弹性膜包括底板、自所述底板的边沿竖直延伸的侧壁和沿所述侧壁的顶部朝向内侧延伸的水平延伸筋，所述环状膜设置于所述水平延伸筋的上侧；所述侧壁配置有内环和外环，所述外环设置于侧壁外侧面的凹槽中，所述内环紧贴所述侧壁内侧面设置；所述环状膜施加的载荷经由外环与内环限定的侧壁向下传递。

8.如权利要求7所述的化学机械抛光头，其特征在于，所述环状膜的水平投影与弹性膜的水平延伸筋部分重叠。

9.如权利要求7所述的化学机械抛光头，其特征在于，所述内环的纵向截面为L形，所述内环的水平段与竖直段一体成型；加压膨胀的环状膜抵压于所述水平延伸筋及内环的水平段。

10.一种抛光系统，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的化学机械抛光头。

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