CN115106932B - 一种化学机械抛光头和抛光设备 - Google Patents

一种化学机械抛光头和抛光设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种化学机械抛光头和抛光设备，所述化学机械抛光头包括主体部及保持环，所述主体部的底部配置有基座，所述保持环通过连接结构固定于所述基座；所述连接结构包括固定螺钉及调节圈，保持环通过固定螺钉连接于承载头的基座，所述调节圈设置于所述保持环与所述基座之间并位于所述固定螺钉的内侧或外侧；所述调节圈对保持环的作用力产生相对于所述固定螺钉的偏转力矩，使得保持环的底面形成沿半径方向的高度差。

Description

一种化学机械抛光头和抛光设备
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 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。
承载头的下部设置有保持环，其在晶圆抛光中的作用如下：一方面，保持环可以防止抛光过程的晶圆从承载头的底部飞出；另一方面，保持环的底部设置有沟槽，其可以更新晶圆与抛光垫之间的抛光液；此外，保持环抵压于抛光垫参与晶圆边缘压力的调整，有利于实现晶圆的全局平坦化。
保持环为易损易耗品，其需要定期更换。新更换的保持环需要经过磨合(breakingin)，其底面形成一定的高度差，才能降低抛光垫回弹对抛光速率的影响，保证晶圆抛光的均匀性。为了控制晶圆制造成本，需要尽可能缩短保持环的磨合周期。
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，其包括主体部及保持环，所述主体部的底部配置有基座，所述保持环通过连接结构固定于所述基座；所述连接结构包括固定螺钉及调节圈，保持环通过固定螺钉连接于承载头的基座，所述调节圈设置于所述保持环与所述基座之间并位于所述固定螺钉的内侧或外侧；所述调节圈对保持环的作用力产生相对于所述固定螺钉的偏转力矩，使得保持环的底面形成沿半径方向的高度差。
作为优选实施例，所述基座的底面配置有环状的凹槽，所述调节圈设置于所述凹槽中。
作为优选实施例，所述保持环的顶面配置有环状的凹槽，所述调节圈设置于所述凹槽中。
作为优选实施例，所述调节圈为圆形截面的环状结构，其硬度HRC为20-100。
作为优选实施例，所述调节圈设置于所述固定螺钉的内侧和外侧，所述调节圈的硬度不同。
作为优选实施例，位于固定螺钉内侧及外侧的调节圈的硬度HRC差值不小于20。
作为优选实施例，所述调节圈位于固定螺钉的外侧，其外周壁与保持环外侧壁的距离为1mm-5mm。
作为优选实施例，所述基座的底面配置有倾斜面，所述保持环底面在固定螺钉的偏转力矩作用下沿径向的倾斜方向与基座底面的倾斜方向相匹配。
作为优选实施例，所述保持环的底面形成的高度差为2μm-50μm。
此外，本发明还提供了一种抛光设备，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：在保持环与基座之间设置具有一定硬度的调节圈，在固定螺钉拧紧时，调节圈对保持环的作用力产生偏转扭矩，以在保持环的底面形成高度差，有利于缩短保持环的磨合时间，降低化学机械抛光的成本。
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是本发明所述化学机械抛光保持环的连接结构的示意图；
图2是图1对应的连接结构的剖视图；
图3至图5是本发明所述连接结构的剖视图；
图6是本发明具有内侧固定螺钉及外侧固定螺钉的连接结构的示意图；
图7是图6对应的连接结构的剖视图；
图8是本发明所述连接结构再一个实施例的示意图；
图9是本发明所述基座的底面配置倾斜面对应的连接结构的示意图；
图10是本发明所述化学机械抛光承载头的示意图；
图11是本发明所述抛光设备的示意图。
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。
本发明公开了一种化学机械抛光头100，其包括主体部及保持环10，参看图10所示，所述主体部的底部配置有基座20，所述主体部的顶部配置有连接法兰，以便与承载头的传动部分连接。保持环通过连接结构固定于所述基座，本发明中，连接结构也称化学机械抛光保持环的连接结构，其表述意思等同。
所述连接结构包括固定螺钉30及调节圈40，如图1所示。保持环10通过固定螺钉30连接于承载头的基座20的下部。固定螺钉30的数量为多个，其沿保持环10的周向均匀设置，以便保持环10可靠固定于基座20。保持环10的底面设置有沟槽，抛光过程中，所述沟槽能够更新晶圆与抛光垫之间的抛光液；同时，保持环10抵压于抛光垫并参与晶圆边缘压力的调整，有利于实现晶圆的全局平坦化。
进一步地，调节圈40设置于保持环10与基座20之间，如图2所示，调节圈40位于固定螺钉30的内侧。调节圈40对保持环10的作用力F产生相对于固定螺钉30的偏转力矩T，使得保持环10的底面形成沿半径方向的高度差。保持环10的底面形成的高度差有利于缩短承载头的磨合时间，使得保持环10能够快速适应晶圆的抛光制程，进而准确控制晶圆边缘部分的抛光压力，提升晶圆的抛光均匀性。
图2所示的实施例中，安装后的保持环10的底面由外向内朝向下侧倾斜。需要说明的是，保持环10的底面形成的高度差为2μm-50μm，为了更好的体现保持环底面的高度差，此处采用夸张的表示手法。
作为本发明的一个实施例，基座20的底面配置有环状的凹槽，调节圈40设置于基座20的凹槽中。作为本实施例的一个变体，保持环10的顶面也可以配置环状的凹槽，调节圈40设置于保持环10的凹槽中。由于固定螺钉30自基座20的上部穿入安装孔以将保持环10固定，若在基座20的底面设置凹槽，调节圈40受到重力可能自凹槽掉落；为了便捷装配，可将凹槽设置为燕尾槽或者凹槽宽度小于调节圈40的截面尺寸，以保证调节圈40在凹槽中的安装位置。
图2中，调节圈40为圆形截面的环状结构，调节圈40与凹槽匹配设置，调节圈40的硬度HRC为20-100。调节圈40的硬度越大，调节圈40对保持环10的作用力F越大，则保持环10底面产生的高度差越大。
作为本发明的一个实施例，安装调节圈40的凹槽的尺寸可以小于调节圈40的截面尺寸。如调节圈40的截面高度较凹槽的深度大1mm-3mm，以增强调节圈40对保持环10顶面的作用力；或者，调节圈40的截面宽度较凹槽的宽度小0.5mm-3mm，以允许调节圈40受压后发生横向的变形而部分充满凹槽，实现调节圈40对保持环10的作用力F的调节。
作为本发明的另一个实施例，调节圈40由塑料制成，其弹性模量为0.5Gpa-5Gpa，以使调节圈40通过力的传递有效抵压于保持环10的顶面。
作为本实施例的一个方面，调节圈40由橡胶材料制成，如氟橡胶、硅橡胶等，其硬度HRC控制在40-60，以便精确控制保持环10底面的高度差，适用于不同的抛光制程。可以理解的是，调节圈40也可以由其他材料制成，如聚氨酯、聚碳酸酯、聚甲醛等，以调节保持环10底面沿半径方向的高度差。
作为本发明的一些实施例，调节圈40也可以为截面为矩形的环状结构，调节圈40与凹槽匹配设置，以保证调节圈40对保持环10的作用力。
图3是本发明所述化学机械抛光保持环连接结构另一个实施例的示意图，保持环10的顶面配置环状的凹槽，调节圈40设置于保持环10的凹槽中并位于固定螺钉30的外侧。固定螺钉30预紧后，调节圈40对保持环10的作用力F产生相对于固定螺钉30的偏转力矩T，使得保持环10的底面形成沿半径方向的高度差。图3中，保持环10的底面由外向内朝向上侧倾斜，其高度差为5μm-30μm。
图3所示的实施例中，调节圈40位于固定螺钉30的外侧，调节圈40为0形圈，其外周壁与保持环10外侧壁的距离为2mm，以降低调节圈40对保持环10与基座20连接可靠性的影响。在一些实施例中，调节圈40的外周壁与保持环10外侧壁的距离可以为1mm-5mm。类似的，若调节圈40设置于固定螺钉30的内侧，则调节圈40的外周壁与保持环10内侧壁的距离为1mm-5mm。
图4是本发明所述连接结构再一个实施例的示意图，调节圈40设置于固定螺钉30的内侧和外侧，其分别为内侧调节圈40a和外侧调节圈40b，调节圈40对保持环10的作用力产生相对于固定螺钉30的偏转力矩，使得保持环10的底面形成沿半径方向的高度差。
进一步地，内侧调节圈40a与外侧调节圈40b的硬度不同，使得内侧及外侧的调节圈40对保持环10的作用力存在差异，以便在保持环10的底面形成适合的高度差。
优选地，调节圈40的硬度HRC差值不小于20，以便在保持环10的底面形成高度差，保持环的底面形成的高度差为2μm-50μm。优选地，调节圈40的硬度HRC差值为30-60。
图4中，内侧调节圈40a的硬度大于外侧调节圈40b的硬度，使得内侧调节圈40a对保持环10的作用力大于外侧调节圈40b对保持环10的作用力，作用力产生相对于固定螺钉30的偏转力矩，使得保持环10的底面由外向内朝向下侧倾斜。
图5是本发明所述化学机械抛光保持环连接结构的示意图，该实施例中，外侧调节圈40b的硬度大于内侧调节圈40a的硬度，使得保持环10的底面由外向内朝向上侧倾斜。
图6是本发明所述化学机械抛光保持环连接结构一个实施例的示意图，保持环10通过内侧固定螺钉30a和外侧固定螺钉30b连接于承载头的基座20上。外侧固定螺钉30b的两侧配置有调节圈40，如图7所示。作业人员可根据抛光制程需要，设定调节圈40的硬度，以在保持环10的底面形成沿半径方向的高度差。
进一步地，内侧固定螺钉30a和外侧固定螺钉30b沿基座20的半径方向设置，使得调节圈40的作用力相对于固定螺钉30的偏转力矩有效作用于保持环10的底面。
可以理解的是，在半径方向上相邻的内侧固定螺钉30a与外侧固定螺钉30b也可以交错设置，如图8所示，使得调节圈40对保持环10的作用力形成相对于固定螺钉30的偏转力矩可以沿保持环10的周向作用于不同的位置，以均衡内侧调节圈40a及外侧调节圈40b的偏转力矩，调节保持环10的底面形成的高度差。
图7中，外侧调节圈40b的硬度大于内侧调节圈40a的硬度，两者的硬度HRC差值为30-50，同时位于内侧固定螺钉30a的内侧未配置调节圈40，因此，保持环10的内侧壁的底部形成局部圆角结构。保持环10的局部圆角结构能够与抛光垫的回弹有效耦合，提高晶圆抛光的均匀性。
作为图7所示的实施例的一个变体，外侧调节圈40b和内侧调节圈40a的硬度也可以设置为相同，或者，外侧调节圈40b的硬度小于内侧调节圈40a的硬度，以改变保持环10底面的倾斜度，以快速适用于不同的抛光制程。
作为图7所示的实施例的另一个变体，在内侧固定螺钉30a与外侧固定螺钉30b之间设置调节圈40，调节圈40对保持环10的作用力形成偏转力矩，使得保持环10底面的中部位置向下凸起，以适用不同种类的抛光制程，弱化抛光垫回弹对晶圆抛光的影响，控制晶圆边缘区域的抛光去除速率，缩小晶圆中心区域与边缘区域的材料去除差异。
可以理解的是，内侧固定螺钉30a的内侧也可以布置调节圈40，使得保持环10的底面形成自内向外朝向上侧的倾斜面，以快速适用不同的抛光制程。
作为本发明的一个实施例，设置于固定螺钉30两侧的调节圈40的数量可以为多个，如两件、三件，调节圈40间隔设置，相邻的调节圈40的硬度设置为相同或不同，以便控制保持环10底面的高度差。
进一步地，保持环10通过上面所述的连接结构固定于基座20。保持环10的底面形成的高度差为2μm-50μm。保持环底面形成的径向高度差使得承载头100能够与抛光垫等其他抛光部件磨合，快递达到理想抛光状态，以便降低晶圆生产成本。同时，保持环10的底面形成的径向高度差能够与抛光垫的回弹耦合，实现晶圆边缘部分的抛光压力的准确控制，提升晶圆抛光的均匀性。
图9是本发明所述基座的底面配置倾斜面对应的连接结构的示意图，基座20的底面配置有倾斜面，在固定螺栓30的提拉下，基座20的倾斜面与保持环10的顶面抵接，使得保持环10的底面沿径向倾斜。即基座20的底面的倾斜方向与保持环10底面形成的径向倾斜方向一致。因此，基座20底面的倾斜面可以与调节圈40组合作用，保证保持环10底面的倾斜度符合抛光工艺要求，缩短承载头的磨合时间。
图9中，基座20的倾斜面设置于凹槽的外侧。可以理解的是，基座20的倾斜面也可以设置在凹槽的内侧。在一些实施例中，倾斜面覆盖基座20的底面设置，基座20的倾斜面配置安装调节圈40的凹槽。
基座20的倾斜面的倾斜角度为0.01-3°，以配合调节圈40在保持环10的底面形成符合工艺要求的高度差。优选地，基座20倾斜面的倾斜角度为0.5-1.5°。
此外，本发明还公开了一种抛光设备1000，其结构示意图，如图11所示。抛光设备1000包括抛光盘300、抛光垫200、图10示出的承载头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；可水平移动的承载头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，承载头100将基板的待抛光面抵压于抛光垫200的表面，承载头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，通过承载头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。
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 (6)

1.一种化学机械抛光头，其特征在于，包括主体部及保持环，所述主体部的底部配置有基座，所述保持环通过连接结构固定于所述基座；所述连接结构包括固定螺钉及调节圈，保持环通过固定螺钉连接于化学机械抛光头的基座，所述调节圈设置于所述保持环与所述基座之间并位于所述固定螺钉的内侧；所述调节圈对保持环的作用力产生相对于所述固定螺钉的偏转力矩，使得保持环的底面形成沿半径方向的高度差；所述基座的底面配置有环状的凹槽，所述调节圈设置于所述凹槽中；所述调节圈由塑料制成，其弹性模量为0.5Gpa-5Gpa；调节圈为圆形截面的环状结构，其硬度HRC为20-100；设置于凹槽中的调节圈作用于保持环的顶面。
2.如权利要求1所述的化学机械抛光头，其特征在于，所述调节圈设置于所述固定螺钉的内侧和外侧，所述调节圈的硬度不同。
3.如权利要求2所述的化学机械抛光头，其特征在于，位于固定螺钉内侧及外侧的调节圈的硬度HRC差值不小于20。
4.如权利要求1所述的化学机械抛光头，其特征在于，所述基座的底面配置有倾斜面，所述保持环底面在固定螺钉的偏转力矩作用下沿径向的倾斜方向与基座底面的倾斜方向相匹配。
5.如权利要求1所述的化学机械抛光头，其特征在于，所述保持环的底面形成的高度差为2μm-50μm。
6.一种抛光设备，其特征在于，包括权利要求1至5任一项所述的化学机械抛光头。
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