CN114734370B - 一种抛光头和化学机械抛光设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抛光头和化学机械抛光设备，属于半导体制造技术领域，用以解决现有技术中化学机械抛光存在凹陷和/或侵蚀导致晶圆良率较低的问题。本发明的抛光头包括供电单元和抛光膜，该抛光膜的工作面设有导电层，供电单元与导电层连接，构成电流通路。本发明的化学机械抛光设备包括上述抛光头。本发明的抛光头和化学机械抛光设备可用于晶圆的化学机械抛光。

Description

一种抛光头和化学机械抛光设备

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，尤其涉及一种抛光头和化学机械抛光设备。

背景技术

晶圆采用金属化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)过程中，氧化物损失、凹陷(dishing，参见图1)和侵蚀(Erosion，参见图2)是影响工艺的最重要的三个因素，其中，氧化物损失为局部损失，凹陷为金属凸出氧化物平面的现象。

由于金属(例如，Cu或W)和氧化物之间的研磨量存在差异，会产生凹陷或侵蚀，使得抛光后的表面不规则，影响线宽和图形密度，导致晶圆良率较低。

发明内容

鉴于以上分析，本发明旨在提供一种抛光头和化学机械抛光设备，用以解决现有技术中化学机械抛光存在凹陷和/或侵蚀导致晶圆良率较低的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种抛光头，包括供电单元和抛光膜，该抛光膜的工作面设有导电层，供电单元与导电层连接，构成电流通路。

进一步地，抛光膜为硅膜。

进一步地，采用石墨烯或碳纳米管通过化学气相沉积在抛光膜的工作面形成导电层。

进一步地，导电层采用石墨烯形成，导电层的厚度控制在0.2～0.4nm。

进一步地，上述抛光头还包括触点，供电单元通过触点与导电层连接。

进一步地，触点的数量为两个，分为第一触点和第二触点，第一触点的一端与供电单元的正极连接，第一触点的另一端穿过抛光膜后与导电层连接，第二触点的一端与供电单元的负极连接，第二触点的另一端穿过抛光膜后与导电层连接。

进一步地，上述抛光头还包括抛光头基体，抛光头基体的工作面开设有用于容纳抛光膜、导电层和晶圆的凹槽，沿逐渐远离槽底的方向，抛光膜、导电层和晶圆依次布置在抛光头基体的凹槽中。

进一步地，上述抛光头还包括用于固定晶圆的固定环，固定环设于抛光头基体的工作面，且套设于晶圆的外周面。

进一步地，上述固定环与抛光头基体之间通过锁定件固定可拆卸连接。

进一步地，上述固定环和抛光头基体需要开设用于容纳锁定件的孔。

进一步地，固定环开设通孔，抛光头基体开设盲孔，锁定件穿过固定环上的通孔后插入抛光头基体的盲孔中。

进一步地，上述锁定件包括本体和锁定块，本体穿过通孔后插入盲孔中；本体上开设用于容纳锁定块的容腔，通孔的孔壁和盲孔的孔壁分别开设锁定槽，锁定块部分或全部凸出容腔并插入锁定槽中。

进一步地，上述锁定件还包括用于驱动锁定块进入或凸出容腔的驱动件。

进一步地，上述驱动件包括按钮、锁定杆和弹性杆，锁定块分别设于弹性杆的两端，按钮通过锁定杆驱动弹性杆形变，使得锁定块进入或凸出容腔，锁定杆的一端与按钮连接，锁定杆的另一端与弹性杆连接。

进一步地，抛光头还包括控制器和用于实时采集晶圆表面电流值的电流传感器，控制器分别与电流传感器和供电单元连接，控制器实时获取电流传感器采集的电流值，并判断电流值是否处于阈值范围(例如，-1.5V～5.5V)内，若电流值小于阈值范围，则控制器控制供电单元提高供电电流，若电流值大于阈值范围，则控制器控制供电单元降低供电电流。

本发明提供了一种化学机械抛光设备，包括上述抛光头。

进一步地，上述化学机械抛光设备还包括抛光液供给单元、抛光垫、研磨盘、用于驱动研磨盘转动的研磨转动单元以及用于驱动抛光头转动的抛光转动单元，研磨盘、抛光垫、晶圆和抛光头依次设置，抛光垫置于研磨盘上，抛光头置于抛光垫上，晶圆置于抛光头与抛光垫之间。

进一步地，上述抛光垫采用聚酰亚胺材料制成。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

a)本发明提供的抛光头中，抛光膜与晶圆之间设有导电层，导电层与供电单元连接，当采用上述抛光头对晶圆进行化学机械抛光时，开启供电电源，供电单元与导电层构成电流通路，由于晶圆中的金属(即金属线)同样具有导电性，而氧化物为绝缘材料，两者的电性能不同，因此，导电层能够对晶圆施加电压，与晶圆中的金属导通，使得金属的刻蚀量相比于未施加电压时有所降低，控制金属与氧化物的对比刻蚀量，从而减少凹陷和侵蚀的形成，提升化学机械抛光的均一度，提高晶圆的良率，降低晶圆制作成本。

b)采用本发明提供的抛光头对晶圆进行化学机械抛光，还能够对化学机械抛光的抛光面进行微细调整，大大减少研磨时间，有效节省消耗品的成本。

c)本发明提供的抛光头中设有控制器和电流传感器，电流传感器实时采集晶圆表面的电流值并传送至控制器，控制器根据实时采集的电流值对供电单元的供电电流进行实时调整，从而能够对化学机械抛光中的金属刻蚀量进行实时调节，实现凹陷和侵蚀的精确控制。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为现有技术中具有凹陷的晶圆表面示意图；

图2为现有技术中具有侵蚀的晶圆表面示意图；

图3为本发明实施例一提供的抛光头的结构示意图；

图4为本发明实施例一提供的抛光头的剖面图；

图5为本发明实施例二提供的抛光头中抛光头基体、固定环和锁定件的结构示意图；

图6为本发明实施例二提供的抛光头中抛光头基体、固定环和锁定件的连接示意图；

图7为本发明实施例四提供的化学机械抛光设备的结构示意图。

附图标记：

1-固定环；2-抛光头基体；3-通孔；4-盲孔；5-本体；6-锁定块；7-锁定槽；8-晶圆；9-按钮；10-锁定杆；11-弹性杆；12-供电单元；13-抛光膜；14-导电层；15-触点；16-抛光液供给单元；17-抛光垫；18-研磨盘。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，

全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。

本发明通常的工作面可以为平面或曲面，可以倾斜，也可以水平。为了方便说明，本发明实施例放置在水平面上，并在水平面上使用，并以此限定“高低”和“上下”。

实施例一

本实施例提供了一种抛光头，参见图2至图4，包括供电单元12和抛光膜13(例如，硅膜)，该抛光膜13的工作面设有导电层14，供电单元12与导电层14连接，构成电流通路，需要说明的是，抛光膜13的工作面是指抛光膜13朝向晶圆8的一面，导电层14设于抛光膜13与晶圆8之间，导电层14的一侧与抛光膜13接触，导电层14的另一侧与晶圆8接触。

与现有技术相比，本实施例提供的抛光头中，抛光膜13与晶圆8之间设有导电层14，导电层14与供电单元12连接，当采用上述抛光头对晶圆8进行化学机械抛光时，开启供电电源，供电单元12与导电层14构成电流通路，由于晶圆8中的金属(即金属线)同样具有导电性，而氧化物为绝缘材料，两者的电性能不同，因此，导电层14能够对晶圆8施加电压，与晶圆8中的金属导通，使得金属的刻蚀量相比于未施加电压时有所降低，控制金属与氧化物的对比刻蚀量，从而减少凹陷和侵蚀的形成，提升化学机械抛光的均一度，提高晶圆8的良率，降低晶圆8制作成本。

此外，采用上述抛光头对晶圆8进行化学机械抛光，还能够对化学机械抛光的抛光面进行微细调整，大大减少研磨时间，有效节省消耗品的成本。

示例性地，可以采用石墨烯或碳纳米管通过化学气相沉积(CVD)在抛光膜13的工作面形成导电层14。

其中，石墨烯是碳的同素体之一，是碳原子聚集形成的二维平面结构。在石墨烯中，各碳原子形成六角形，碳原子位于六角形的顶点，这种形状被称为蜂巢状构造或蜂巢晶格。沿薄膜的纵向，采用一个石墨烯原子形成的薄膜，其厚度为0.2nm，非常薄，相应地，此种薄膜的物理和化学稳定性也非常高，具体来说，石墨烯具有200,000cm²/V·s的高固有电子迁移率、约5000W/m·K的高热传导度、约1.0TPa的理论杨氏模量。因此，上述导电层14采用电学性能较好的石墨烯形成，导电层14的厚度控制在0.2～0.4nm。

为了便于供电单元12与导电层14之间的连接，上述抛光头还包括触点15，供电单元12通过触点15与导电层14连接，示例性地，触点15的数量为两个，分为第一触点和第二触点，第一触点的一端与供电单元12的正极连接，第一触点的另一端穿过抛光膜13后与导电层14连接，第二触点的一端与供电单元12的负极连接，第二触点的另一端穿过抛光膜13后与导电层14连接，这样，供电单元12、第一触点、导电层14、第二触点和供电单元12构成电流通路，电流在流经导电层14的过程中，赋予晶圆8中的金属电性能。

可以理解的是，上述抛光头还包括抛光头基体2，抛光头基体2的工作面(即朝向晶圆8的一面)开设有用于容纳抛光膜13、导电层14和晶圆8的凹槽，沿逐渐远离槽底的方向，抛光膜13、导电层14和晶圆8依次布置在抛光头基体2的凹槽中。

实施例二

本实施例提供了一种抛光头，参见图5和图6，其结构与实施例一提供的抛光头的结构基本相同，其区别在于：为了能够更好地对晶圆8进行固定，上述抛光头还包括用于固定晶圆8的固定环1，固定环1设于抛光头基体2的工作面，且套设于晶圆8的外周面。通过固定环1能够对晶圆8进行径向定位，避免晶圆8在抛光过程中脱离抛光头基体2。

值得注意的是，由于电压的施加，晶圆8的固定尤为重要，因此，上述固定环1与抛光头基体2之间通过锁定件固定可拆卸连接。这样，通过锁定件将固定环1和抛光头基体2固定连接，在晶圆8的抛光前、中和后期，固定环1和抛光头基体2之间不会发生移动，从而实现晶圆8的稳定固定。此外，通过上述锁定件，固定环1和抛光头基体2之间为可拆卸连接，当固定环1或抛光头基体2发生损坏需要更换时，仅需要将锁定件抽离固定环1和抛光头基体2，使得固定环1和抛光头基体2分离就能够实现固定环1或抛光头基体2的拆卸和更换，操作方便简单。

可以理解的是，为了实现固定环1和抛光头基体2的固定可拆卸连接，上述固定环1和抛光头基体2需要开设用于容纳锁定件的孔，示例性地，固定环1开设通孔3，抛光头基体2开设盲孔4，锁定件穿过固定环1上的通孔3后插入抛光头基体2的盲孔4中，通过锁定件与固定环1的通孔3孔壁、抛光头基体2的盲孔4孔壁之间的相互作用，对固定环1和抛光头基体2的径向进行限位，从而实现固定环1和抛光头基体2的固定可拆卸连接。

对于锁定件的结构，具体来说，其包括本体5和锁定块6，本体5穿过通孔3后插入盲孔4中；本体5上开设用于容纳锁定块6的容腔，通孔3的孔壁和盲孔4的孔壁分别开设锁定槽7，锁定块6部分或全部凸出容腔并插入锁定槽7中。这样，通过锁定块6和锁定槽7的配合，不仅能够对固定环1和抛光头基体2的径向进行限位，还能够对固定环1和抛光头基体2的轴线进行限位，从而能够提高固定环1对晶圆8的固定稳定性。

值得注意的是，在本体5穿过通孔3以及插入盲孔4的过程中，凸出的锁定块6会与通孔3的孔壁和盲孔4的孔壁发生干涉，因此，上述锁定件还包括用于驱动锁定块6进入或凸出容腔的驱动件。

示例性地，上述驱动件包括按钮9、锁定杆10和弹性杆11，锁定块6分别设于弹性杆11的两端，按钮9通过锁定杆10驱动弹性杆11形变，使得锁定块6进入或凸出容腔，也就是说，锁定杆10的一端与按钮9连接，锁定杆10的另一端与弹性杆11连接。这样，当本体5需要在穿过通孔3以及插入盲孔4的过程中，当锁定块6与通孔3的孔壁发生干涉时，按动按钮9，锁定杆10向靠近盲孔4的孔底方向移动，弹性杆11在锁定杆10的驱动下发生形变，弹性杆11的直线长度减小，使得设于弹性杆11两端的锁定块6之间的距离减小，锁定块6进入容腔，锁定块6与通孔3的孔壁不再发生干涉，本体5能够顺利地穿过通孔3以及插入盲孔4；当本体5到达指定位置(即插入盲孔4中)时，松开按钮9，弹性杆11回复原来的长度，设于弹性杆11两端的锁定块6之间的距离增大，再次部分或全部凸出容腔，插入锁定槽7中。采用上述驱动件结构，能够将按钮9沿固定环1或抛光头基体2的轴向运动转变为锁定块6沿固定环1或抛光头基体2的径向运动，使得锁定块6进入或凸出容腔，从而能够避免在本体5穿过通孔3以及插入盲孔4的过程中凸出的锁定块6与通孔3的孔壁和盲孔4的孔壁发生干涉。

实施例三

本实施例提供了一种抛光头，其结构与实施例一提供的抛光头的结构基本相同，其区别在于：抛光头还包括控制器和用于实时采集晶圆表面电流值的电流传感器，控制器分别与电流传感器和供电单元连接，控制器实时获取电流传感器采集的电流值，并判断电流值是否处于阈值范围(即初始输入的所需电流值范围)内，若电流值小于阈值范围，则控制器控制供电单元提高供电电流，若电流值大于阈值范围，则控制器控制供电单元降低供电电流。

与现有技术相比，本实施例提供的抛光头中设有控制器和电流传感器，电流传感器实时采集晶圆表面的电流值并传送至控制器，控制器根据实时采集的电流值对供电单元的供电电流进行实时调整，从而能够对化学机械抛光中的金属刻蚀量进行实时调节，实现凹陷和侵蚀的精确控制。

实施例四

本实施例提供了一种化学机械抛光设备，参见图7，包括实施例一或实施例二提供的抛光头。

与现有技术相比，本实施例提供的化学机械抛光设备的有益效果与实施例一或实施例二提供的抛光头的有益效果基本相同，在此不一一赘述。

可以理解的是，为了实现化学机械抛光，上述化学机械抛光设备还包括抛光液供给单元16、抛光垫17、研磨盘18、用于驱动研磨盘18转动的研磨转动单元以及用于驱动抛光头转动的抛光转动单元，研磨盘18、抛光垫17、晶圆和抛光头依次设置，抛光垫17置于研磨盘18上，抛光头置于抛光垫17上，晶圆置于抛光头与抛光垫17之间。

实施时，将抛光垫17放置在研磨盘18上，旋转的抛光头压在旋转的抛光垫17上，研磨液从抛光液供给单元16中流出滴在抛光垫17上，研磨液在抛光垫17的离心力作用下，均匀分布在抛光垫17上，在抛光垫17上形成一层研磨液液体薄膜，并在晶圆和抛光垫17之间流动，研磨液中的化学成分与晶圆表面材料产生化学反应，将不溶的物质转化为易溶物质，或者将硬度高的物质进行软化，然后通过抛光垫17的微机械摩擦作用将这些化学反应物和物理反应物从晶圆表面去除，溶入流动的抛光液中带走，从而在化学去膜和机械去膜的交替过程中实现晶圆的平坦化。

为了便于抛光液在晶圆与抛光垫17之间的流动以及化学反应物和物理反应物的去除，上述抛光垫17采用聚酰亚胺材料制成。这是因为，聚酰亚胺材料为多孔性材料，此种材料表面具有沟槽结构，从而能够提高抛光的均匀性，便于抛光液在晶圆与抛光垫17之间的流动以及化学反应物和物理反应物的去除。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种抛光头，其特征在于，包括供电单元和抛光膜，所述抛光膜的工作面设有导电层，所述供电单元与导电层连接；

所述导电层对晶圆施加电压，与晶圆中的金属导通，使得金属的刻蚀量相比于未施加电压时降低；

所述抛光头还包括抛光头基体以及用于固定晶圆的固定环，所述抛光头基体的工作面开设有用于容纳抛光膜、导电层和晶圆的凹槽，沿逐渐远离槽底的方向，所述抛光膜、导电层和晶圆依次布置在抛光头基体的凹槽中；所述固定环设于抛光头基体的工作面，且套设于晶圆的外周面；

所述固定环与抛光头基体之间通过锁定件固定可拆卸连接；所述固定环开设通孔，所述抛光头基体开设盲孔，锁定件穿过固定环上的通孔后插入抛光头基体的盲孔中；

所述锁定件包括本体和锁定块，所述本体穿过通孔后插入盲孔中；所述本体上开设用于容纳锁定块的容腔，所述通孔的孔壁和盲孔的孔壁分别开设锁定槽，所述锁定块部分或全部凸出容腔并插入锁定槽中；

所述锁定件还包括用于驱动锁定块进入或凸出容腔的驱动件；所述驱动件包括按钮、锁定杆和弹性杆，所述锁定块分别设于弹性杆的两端，所述锁定杆的一端与按钮连接，所述锁定杆的另一端与弹性杆连接；

所述本体在穿过通孔以及插入盲孔的过程中，按动按钮，所述锁定杆向靠近盲孔的孔底方向移动，所述弹性杆在锁定杆的驱动下发生形变，所述弹性杆的直线长度减小，使得设于弹性杆两端的锁定块之间的距离减小，所述锁定块进入容腔，所述锁定块与通孔的孔壁不再发生干涉；

所述本体插入盲孔中，松开按钮，所述弹性杆回复原来的长度，设于弹性杆两端的锁定块之间的距离增大，再次部分或全部凸出容腔，插入锁定槽中。

2.根据权利要求1所述的抛光头，其特征在于，采用石墨烯或碳纳米管通过化学气相沉积在抛光膜的工作面形成导电层。

3.根据权利要求1所述的抛光头，其特征在于，所述抛光头还包括触点，所述供电单元通过触点与导电层连接。

4.根据权利要求1至3任一项所述的抛光头，其特征在于，还包括控制器和用于实时采集晶圆表面电流值的电流传感器，所述控制器分别与电流传感器和供电单元连接；

所述控制器实时获取电流传感器采集的电流值，并判断电流值是否处于阈值范围内，若电流值小于阈值范围，则控制器控制供电单元提高供电电流，若电流值大于阈值范围，则控制器控制供电单元降低供电电流。

5.一种化学机械抛光设备，其特征在于，包括如权利要求1至4任一项所述的抛光头。

6.根据权利要求5所述的化学机械抛光设备，其特征在于，还包括抛光液供给单元、抛光垫、研磨盘、用于驱动研磨盘转动的研磨转动单元以及用于驱动抛光头转动的抛光转动单元，所述研磨盘、抛光垫、晶圆和抛光头依次设置。

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