CN113910102A - 一种用于化学机械抛光的承载头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于化学机械抛光的承载头，所述承载头包括主体部；弹性膜，其设置于所述主体部的底面；所述弹性膜包括圆形的底板部和圆环状的边缘侧筋，所述边缘侧筋包括沿所述底板部的周缘向上竖直延伸形成的直立部和自所述直立部的内表面朝径向内侧延伸的间隔板；以及内环，其卡合于所述直立部的内侧壁并位于所述底板部的上侧，所述内环的底部具有朝向直立部延伸形成的第一凸起；所述直立部与底板部交接位置的内侧设置有凹槽部，所述第一凸起的外缘与凹槽部的内侧壁之间设置有间隙，使得加压时直立部底端对晶圆的偏转力矩降低。

Description

一种用于化学机械抛光的承载头

技术领域

本发明属于化学机械抛光技术领域，具体而言，涉及一种用于化学机械抛光的承载头。

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 Polishing,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。

在化学机械抛光过程中，由于晶圆边缘的线速度大，且晶圆边缘接触抛光液的几率较高，使得晶圆边缘的去除速率大于其他区域的去除速率而形成“边缘效应”。通常为承载头配置多腔室的弹性膜，如具有五个可独立调压的腔室，以分别作用于晶圆的不同区域，实现晶圆抛光的均匀性。

由于弹性膜由柔性的橡胶材料模制而成，不同生产批次的弹性膜对应的径向尺寸可能存在微小偏差，这会影响抛光的一致性。具体地，不同直径的弹性膜对应的响应压力存在差异，尤其是弹性膜的边缘腔室的响应压力较大，一般通过保持环加压来辅助调控弹性膜边缘腔室的压力。但这会加速保持环的磨损，而磨损的保持环又影响弹性膜边缘的压力响应，进而激化对保持环磨损的敏感性。

为解决上述问题，通常为弹性膜配置内环，通过内环将弹性膜自内向外撑起，以减少弹性膜尺寸偏差对抛光一致性的影响。但内环结构会降低弹性膜的调控能力，尤其是晶圆边缘的调压；甚至内环底部与弹性膜的底板部抵接，进而间接接触晶圆致使局部区域压力响应过高，以致于发生碎片。

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用于化学机械抛光的承载头，其包括：

主体部；

弹性膜，其设置于所述主体部的底面；所述弹性膜包括圆形的底板部和圆环状的边缘侧筋，所述边缘侧筋包括沿所述底板部的周缘向上竖直延伸形成的直立部和自所述直立部的内表面朝径向内侧延伸的间隔板；

以及内环，其卡合于所述直立部的内侧壁并位于所述底板部的上侧，所述内环的底部具有朝向直立部延伸形成的第一凸起；

所述直立部与底板部交接位置的内侧设置有凹槽部，所述第一凸起的外缘与凹槽部的内侧壁之间设置有间隙，使得加压时直立部底端对晶圆的偏转力矩降低。

作为优选实施例，所述内环还包括内环主体，所述内环主体对应直立部的壁厚为直立壁厚；所述第一凸起的外缘位于直立壁厚中点的内侧。

作为优选实施例，所述凹槽部的上端配置有朝上向内的倾斜面，所述第一凸起的顶面与所述倾斜面匹配设置。

作为优选实施例，所述第一凸起的底面为平面且平行于所述底板部的顶面。

作为优选实施例，承载头还包括外环，所述外环卡接于直立部外侧壁的卡槽中。

作为优选实施例，所述外环和内环由相同的金属、非金属材料或合金材料制成。

作为优选实施例，所述内环的外侧壁为喷砂形成的粗糙面。

作为优选实施例，所述内环还包括第二凸起，其设置于所述内环的顶部并卡合于所述间隔板与所述直立部的交接位置；所述间隔板上侧腔室的压力经由所述直立部向下传递。

作为优选实施例，所述边缘侧筋还包括设置于所述直立部上侧的弯折部和自所述弯折部上端向所述底板部的内侧水平延伸形成的第一水平延伸部。

作为优选实施例，所述弹性膜还包括内侧筋，其与所述边缘侧筋同心相邻设置，所述内侧筋的顶端具有平行于底板部的第二水平延伸部。

本发明的有益效果包括：

(1)卡合于边缘侧筋内侧的内环具有第一凸起，第一凸起的边缘位于直立膜厚中点的内侧，使得加压时直立部底端对晶圆的偏转力矩降低，增强弹性膜边缘的压力调控能力；

(2)内环的外侧壁配置有粗糙面，其能够避免直立部与内环黏连，提升直立部伸缩的顺畅性，增强弹性膜边缘调压能力；

(3)内环的底面设置为平行于底板部的平面，以避免内环与底板部硬性接触而干扰抛光去除速率的调控。

(4)设置具有第一凸起的内环，降低了弹性膜径向尺寸偏差对压力响应的影响，提升了弹性膜边缘腔室压力响应的一致性，降低了承载头对弹性膜径向尺寸的敏感性，提升了承载头的适应性。

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是本发明所述一种用于化学机械抛光的承载头；

图2是本发明所述弹性膜的结构示意图；

图3是本发明所述内环卡合于直立部内侧的示意图；

图4是现有技术及本发明中弹性膜的压力响应曲线图；

图5是现有技术及本发明中承载头的材料去除速率的示意图；

图6是现有技术中不同直径的弹性膜对应的压力响应曲线图；

图7是本发明中不同直径的弹性膜对应的压力响应曲线图。

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)”，承载头(Carrier head)也称抛光头，晶圆(Wafer,W)也称基板(Substrate)，其含义和实际作用等同；材料去除速率(Material Remove Rate,MRR)。

随着制造工艺不断向先进制程节点发展，如制程节点发展至7nm、5nm以下时，先进制造工艺对CMP提出更高的要求。如何控制弹性膜、保持环等耗材对抛光去除速率的影响，提升化学机械抛光的均匀性，始终是本领域技术人员持续解决的技术问题。

本发明提供了一种用于化学机械抛光的承载头100，如图1所示。承载头100包括主体部和弹性膜14，所述主体部包括平衡架11、连轴盘12、承载盘13、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、环状的隔膜21等，其中，连轴盘12连接于外部驱动轴以带动整个承载头100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，平衡架11的翼缘部借助垫圈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。

弹性膜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；弹性膜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100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及弹性膜14沿竖直方向相对于连轴盘12的位移。

根据本发明的弹性膜14的结构示意图，如图2所示，弹性膜14包括圆形的底板部141和圆环状的边缘侧筋，所述边缘侧筋包括沿底板部141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和从弯折部143上端向内侧水平延伸形成的第一水平延伸部145。同时，弹性膜14还包括与所述边缘侧筋同心相邻设置的内侧壁144，内侧壁144在其顶端具有弯向内侧水平延伸的第二水平延伸部147，内侧壁144在其底部与所述底板部141形成一体。

所述第一水平延伸部145的自由端具有竖直向下延伸的密封部，为增强直立部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外环23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，使得外环23可以稳定卡合在凹槽中，外环23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，外环23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，以避免在外环23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图3示出的凹槽部141a，其作用包括增强边缘侧筋的直立部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晶圆边缘去除率的调节效果；为进一步加强直立部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外环23，可在直立部142内表面设置内环22。

图3是本发明内环22安装于弹性膜14内部的示意图。弹性膜14的边缘侧筋还包括间隔板146，其自直立部142的内表面朝径向内侧延伸设置。间隔板146、弯折部143及第一水平延伸部145与未示出的环状压盘15形成可调压腔室C1，如图3所示。

其中，弯折部143包括从直立部142上端朝上向内折弯延伸的第一弯折部和自第一弯折部朝上向外折弯延伸的第二弯折部，第一弯折部与水平面的夹角不等于第二弯折部与水平面的夹角。弯折部143向内弯折的水平投影不超过第一水平延伸部145的内沿，即第一弯折部与第二弯折部的向内折弯的交界处的水平位置不超过第一水平延伸部145的内沿。柔性膜14加压时，弯折部143大致水平向外移动，以便保证加压时折弯部143变形的平稳性。

内环22卡合于直立部142的内侧壁并位于底板部141的上侧，内环22的底部具有朝向直立部142延伸形成的第一凸起22a，第一凸起22a朝向凹槽部141a设置。具体地，凹槽部141a的上端配置有朝上向内的倾斜面，第一凸起22a的顶面与所述倾斜面匹配设置，使得内环22的第一凸起22a与直立部142的内侧壁充分抵接。进一步地，内环22还包括第二凸起22c，其设置于内环22的顶部并卡合于间隔板146与直立部142的交接位置；间隔板146上侧的可调压腔室C1的压力经由直立部142向下传递，以作用于晶圆的表面实现载荷的施加。

第一凸起22a的外缘与凹槽部141a的内侧壁之间设置有间隙，使得加压时直立部142底端对晶圆的偏转力矩降低，增强可调压腔室C1对晶圆边缘的压力控制能力，实现材料去除速率的准确调控。

作为本发明的一个实施例，内环22还包括内环主体22b，内环主体对应直立部142的壁厚为直立壁厚T，如图3所示；第一凸起22a的外缘位于直立壁厚T中点的内侧。图3中的虚线是直立壁厚T的中点线，第一凸起22a的外缘的设置位置位于中点线的内侧，避免直立部142底端的自由度过大而在加压时发生扭转，同时，避免过度限制直立部142底端，以保留可调压腔室C1对晶圆边缘的调压能力。在一些实施例中，内环22的第一凸起22a的外缘与直立壁厚T的中点线平齐，以避免直立部142受到过度限制，同时保障弹性膜边缘的调压能力。

图4是现有技术及本发明中弹性膜的压力响应曲线，其中，虚线及点划线是现有技术中弹性膜对应的压力响应曲线，实线为本发明中弹性膜的压力响应曲线。

现有技术中，弹性膜配置的内环的底部未设置第一凸起或与其类似的结构，即内环没有对直立部的内侧壁形成支撑；这种弹性膜加压后，直立部的底端会发生扭转，弹性膜边缘腔室的响应压力较大。在其他实施例中，弹性膜配置的内环的底部设置全包敷结构，即内环底部的全包敷结构朝向凹槽部141a延伸并抵接于直立部142的内侧壁，该种内环对直立部的内侧壁形成完全支撑；这种结构能够避免弹性膜加压时直立部142底端的扭转，但同时对直立部142约束过多，致使弹性膜边缘腔室的响应压力较小，如图4中点划线所示，这不利于晶圆边缘的压力调控。

本发明中，内环22的底部设置第一凸起22a，第一凸起22a的外缘位于直立壁厚T中点的内侧；本发明对应的弹性膜边缘腔室的响应压力适中，既避免内环22过度限制直立部142底端，又保留了晶圆边缘的调压能力，能够有效提升抛光的均匀性。

通常弹性膜边缘腔室的响应压力较大，需要通过增加保持环16的压力来调节边缘腔室的压力，实现材料去除速率的准确调控。然而保持环16的加压是有限地，尤其是在大压力抛光的工况下，保持环极易达到加压上限，进而限制弹性膜边缘的调压能力。本发明中，弹性膜配置具有第一凸起22a的内环，弹性膜边缘腔室的响应压力降低，能够降低对保持环调压的依赖，提升弹性膜的调压能力。

图5是现有技术及本发明中承载头的对应的材料去除速率曲线图，其中，虚线表示现有技术的承载头对应的材料去除速率曲线，由于弹性膜边缘腔室的压力控制能力降低，晶圆边缘的材料去除速率极大。与现有技术相比，本发明所述弹性膜边缘腔室的压力可控，晶圆边缘的材料去除速率基本稳定，图5中实线表示本发明所述承载头对应的材料去除速率曲线，配置的内环22的结构有利于提升晶圆抛光的均匀性。

作为本发明的另一个实施例，内环22的外侧壁为通过喷砂形成的粗糙面，如此能够避免弹性膜14的直立部142与内环22的外侧壁发生粘连，保证直立部142伸缩变形的顺畅性，提升弹性膜14边缘的调压能力。可以理解的是，内环的外侧壁也可以采用其他适合的工艺方式增加表面粗糙度，保证弹性膜边缘的调压能力。

图3所示的实施例中，第一凸起22a的底面为平面，且平行于所述底板部141的顶面。如此设置，即使第一凸起22a的底面与底板部141的顶面抵接，也不会产生局部载荷过度增加，避免内环22与抛光晶圆间接抵接而致使局部去除速率陡然增加。

作为本发明的一个实施例，外环23和内环22需要由相同的金属、非金属材料或合金材料制成，如外环23和内环22由合金制成。外环23和内环22选用相同的材料，能够保证其弹性模量相同，有利于保持直立部142伸缩变形的一致性，保证直立部具有良好的载荷传递能力。

图6是现有技术中不同直径的弹性膜(内环未设置第一凸起22a)对应的压力响应曲线。由图6可知，不同直径(296.0mm-298.0mm)的弹性膜对应的响应压力差异较大，尤其在145mm的点位，其响应压力的差异甚至达到0.1psi。即现有技术的内环结构对不同直径的弹性膜的压力响应影响较大，弹性膜的压力响应的一致性不佳；这对模具加工提出更高的要求，不利于控制弹性膜加工的成本。同时，弹性膜边缘腔室的响应压力较高，需要通过保持环加压辅助调控晶圆边缘去除速率，而保持环的加压会加剧其底部的磨损，影响弹性膜边缘腔室的压力调控能力，致使抛光均匀性降低。

图7是本发明中不同直径的弹性膜对应的压力响应曲线。由图7可知，不同直径(296.0mm-298.0mm)的弹性膜对应的响应压力差异较小，尤其在145mm的点位，弹性膜压力响应的一致性较好。即内环22配置第一凸起22a对不同直径的弹性膜的压力响应影响较小。具体地，弹性膜边缘腔室的响应压力不高，承载头无需依赖保持环的辅助加压来调控弹性膜边缘腔室的压力，进而降低了保持环的磨损，提升晶圆抛光的均匀性。同时，本发明所述承载头配置具有第一凸起的内环，如此能够降低弹性膜径向尺寸的敏感性，这有利于控制弹性膜的加工要求，控制弹性膜的加工成本。

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承载头，其特征在于，包括：

主体部；

弹性膜，其设置于所述主体部的底面；所述弹性膜包括圆形的底板部和圆环状的边缘侧筋，所述边缘侧筋包括沿所述底板部的周缘向上竖直延伸形成的直立部和自所述直立部的内表面朝径向内侧延伸的间隔板；

以及内环，其卡合于所述直立部的内侧壁并位于所述底板部的上侧，所述内环的底部具有朝向直立部延伸形成的第一凸起；

所述直立部与底板部交接位置的内侧设置有凹槽部，所述第一凸起的外缘与凹槽部的内侧壁之间设置有间隙，使得加压时直立部底端对晶圆的偏转力矩降低。

2.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述内环还包括内环主体，所述内环主体对应直立部的壁厚为直立壁厚；所述第一凸起的外缘位于直立壁厚中点的内侧。

3.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述凹槽部的上端配置有朝上向内的倾斜面，所述第一凸起的顶面与所述倾斜面匹配设置。

4.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述第一凸起的底面为平面且平行于所述底板部的顶面。

5.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，还包括外环，所述外环卡接于直立部外侧壁的卡槽中。

6.如权利要求5所述的承载头，其特征在于，所述外环和内环由相同的金属、非金属材料或合金材料制成。

7.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述内环的外侧壁为喷砂形成的粗糙面。

8.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述内环还包括第二凸起，其设置于所述内环的顶部并卡合于所述间隔板与所述直立部的交接位置；所述间隔板上侧腔室的压力经由所述直立部向下传递。

9.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述边缘侧筋还包括设置于所述直立部上侧的弯折部和自所述弯折部上端向所述底板部的内侧水平延伸形成的第一水平延伸部。

10.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述弹性膜还包括内侧筋，其与所述边缘侧筋同心相邻设置，所述内侧筋的顶端具有平行于底板部的第二水平延伸部。

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