CN115502882A - 一种用于化学机械抛光的承载头和化学机械抛光设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于化学机械抛光的承载头和化学机械抛光设备，该承载头包括连轴盘、平衡架、承载盘、柔性膜和保持环；所述平衡架可滑动地设置于连轴盘的中心通孔内并通过平衡架的底部带动承载盘相对于连轴盘上下移动，柔性膜的一部分被夹紧至承载盘下部以形成密封腔室；所述承载盘的靠近边缘与保持环邻接的对应位置设有磁吸部，用于吸合保持环。

Description

一种用于化学机械抛光的承载头和化学机械抛光设备

技术领域

本发明涉及化学机械抛光技术领域，尤其涉及一种用于化学机械抛光的承载头和化学机械抛光设备。

背景技术

化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）是一种全局平整化的超精密表面加工技术。这种抛光方法通常将晶圆置于承载头的下部，晶圆具有沉积层的底面抵接于旋转的抛光垫，承载头在驱动部件的带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与晶圆之间，在化学和机械的共同作用下实现晶圆的材料去除。

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；更重要地，保持环抵压于抛光垫，并参与晶圆边缘压力的调整。

目前，保持环由螺钉或螺栓固定在承载头的下部，在安装过程中，当拧紧螺钉或螺栓后，拧紧部分对保持环施加一局部拉力造成保持环在对应区域产生变形，并且由于螺钉或螺栓是点状分布的，其与保持环的接触面积很小，导致此变形仅在局部产生，换句话说，保持环有的地方有变形、有的地方没有变形，破环了保持环出厂时的原始形貌，使得保持环对抛光垫施加的压力不均匀，进而影响晶圆抛光的一致性，并且还需要大量的磨合时间。

发明内容

本发明实施例提供了一种用于化学机械抛光的承载头和化学机械抛光设备，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明实施例的第一方面提供了一种用于化学机械抛光的承载头，包括连轴盘、平衡架、承载盘、柔性膜和保持环；

所述平衡架可滑动地设置于连轴盘的中心通孔内并通过平衡架的底部带动承载盘相对于连轴盘上下移动，柔性膜的一部分被夹紧至承载盘下部以形成密封腔室；所述承载盘的靠近边缘与保持环邻接的对应位置设有磁吸部，用于吸合保持环。

在一个实施例中，所述磁吸部为嵌入承载盘的磁体，磁体由钕磁铁、钐钴磁铁、铝镍钴磁铁或铁氧体磁铁形成。

在一个实施例中，所述承载盘中开设有槽，磁体置入槽中，在槽内磁体上方利用填充件封堵。

在一个实施例中，所述承载盘中开设有凹槽，磁体刚好容纳在凹槽中，承载盘的外边缘固定有压盖且压盖覆盖凹槽上方，以使得压盖将磁体固定在凹槽内。

在一个实施例中，所述保持环和承载盘之间设有辅助拆卸结构。

在一个实施例中，所述辅助拆卸结构为设于承载盘的底面边缘和/或保持环的顶面边缘的V型槽，用于在承载盘和保持环之间形成间隙，以便于在拆卸时使用工具伸入所述V型槽，撬开保持环。

在一个实施例中，所述辅助拆卸结构为设于承载盘的拆卸气路，拆卸气路一端用于连接气源，拆卸气路的另一端连通承载盘的位于保持环上方的底面，用于实现当气源向拆卸气路内通入气体后能够加压使承载盘和保持环分离。

在一个实施例中，所述保持环包括金属部分和非金属部分，金属部分用于与所述磁吸部磁性连接。

在一个实施例中，所述金属部分和非金属部分层叠设置，金属部分位于非金属部分的上方。

在一个实施例中，所述非金属部分包裹在金属部分的外侧。

在一个实施例中，所述金属部分为铁、镍或至少一者的合金。

在一个实施例中，所述磁体为圆柱形或矩形，磁体设有多个，沿承载盘的周向均匀设置。

在一个实施例中，所述磁体为环形，沿承载盘的周向设置。

在一个实施例中，所述承载盘和保持环之间设有定位结构，用于组装时使各处位置对应。

本发明实施例的第二方面提供了一种化学机械抛光设备，包括如上所述的承载头，还包括抛光盘、修整器和抛光液供给装置。

本发明实施例的有益效果包括：保持环通过磁吸部磁性连接在承载头的下部，能够实现保持环均匀受力，安装后不变形，保持环磨合时间变短，并且易于维护更换。

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，但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为本发明一实施例提供的化学机械抛光设备的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的承载头的立体示意图；

图3为本发明一实施例提供的承载头的剖视图；

图4为本发明另一实施例提供的承载头的剖视图；

图5对比了两种安装方式对保持环形貌的影响。

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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。应当理解的是，除非特别予以说明，为了便于理解，以下对本发明具体实施方式的描述都是建立在相关设备、装置、部件等处于原始静止的未给与外界控制信号和驱动力的自然状态下描述的。

此外，还需要说明的是，本申请中使用的例如前、后、上、下、左、右、顶、底、正、背、水平、垂直等表示方位的术语仅仅是为了便于说明，用以帮助对相对位置或方向的理解，并非旨在限制任何装置或结构的取向。

为了说明本发明所述的技术方案，下面将参考附图并结合实施例来进行说明。

在本申请中，化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing）也称为化学机械平坦化（Chemical Mechanical Planarization），晶圆（wafer）也称为晶片、硅片、基片或基板（substrate）等，其含义和实际作用等同。

如图1所示，本发明一实施例提供的化学机械抛光设备1包括抛光盘10、粘接在抛光盘10上的抛光垫20、吸附晶圆并带动晶圆旋转的承载头30、修整抛光垫20的修整器40、以及向抛光垫20表面提供抛光液的抛光液供给装置50。

在抛光开始前，机械手将晶圆搬运至存片部处，承载头30从存片部装载晶圆后沿抛光盘10的径向移动至抛光盘10的上方。在化学机械抛光过程中，承载头30将晶圆按压在抛光盘10表面覆盖的抛光垫20上，抛光垫20的尺寸大于待抛光的晶圆的尺寸，例如为晶圆尺寸的1.2倍或更大，由此保证均匀地对晶圆进行抛光。承载头30做旋转运动以及沿抛光盘10的径向往复移动使得与抛光垫20接触的晶圆表面被逐渐抛除，同时抛光盘10旋转，抛光液供给装置50向抛光垫20表面喷洒抛光液。在抛光液的化学作用下，通过承载头30与抛光盘10的相对运动使晶圆与抛光垫20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晶圆与抛光垫20之间流动，抛光液在抛光垫20的传输和旋转离心力的作用下均匀分布，以在晶圆和抛光垫20之间形成一层液体薄膜，液体中的化学成分与晶圆产生化学反应，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晶圆表面去除，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。在抛光期间，修整器40用于对抛光垫20表面形貌进行修整和活化。使用修整器40可以移除残留在抛光垫20表面的杂质颗粒，例如抛光液中的研磨颗粒以及从晶圆表面脱落的废料等，还可以将由于研磨导致的抛光垫20表面形变进行平整化，保证了在抛光期间抛光垫20表面形貌的一致性，进而使抛光去除速率保持稳定。在抛光完成后，承载头30吸附晶圆以将其放置在存片部上，机械手从存片部取得晶圆后将晶圆运送至后处理单元。

图2至图4示出了本申请提供的用于化学机械抛光的承载头，包括连轴盘31、平衡架32、承载盘33、柔性膜34和保持环35。

其中，平衡架32可滑动地设置于连轴盘31的中心通孔内并通过平衡架32的底部带动承载盘33相对于连轴盘31上下移动，柔性膜34的一部分被夹紧至承载盘33下部以形成密封腔室；保持环35安装于承载盘33的底部边缘处。

如图3和图4所示，第一夹环将环状弹性件36的外缘夹紧结合至承载盘33并且第二夹环将环状弹性件36的内缘夹紧结合至连轴盘31，使得当连轴盘31与外部驱动轴（未示出）一起旋转时连轴盘31可经由环状弹性件36带动承载盘33一起同轴旋转；第三夹环和环状垫圈将平衡架32夹紧固定至承载盘33，环状压盘37将柔性膜34气密地夹紧至承载盘33下部使得柔性膜34可以随承载盘33及平衡架32一起同轴旋转并相对于连轴盘31沿竖直方向上下运动；保持环35连接至承载盘33的下表面。当承载头作业时，连轴盘31耦合连接至外部驱动轴，待加工的晶圆被接收保持于保持环35内侧的柔性膜34下方。

如图2至图4所示，保持环35安装于承载头30的下部。

在化学机械抛光过程中，保持环35的内部直径表面与柔性膜34的下部表面之间形成一容纳空间，用于限定晶圆。保持环35的底部表面朝下并与抛光垫的上表面相对，位于保持环35内部的晶圆抵压于抛光垫的上表面，保持环35能够防止晶圆滑出该容纳空间并参与晶圆的载荷施加。另外，承载盘33可上升和下降，以控制保持环35的底部表面在抛光垫上施加的压力。如图2所示，保持环35的底面设有通道，用于抛光液流入、流出。

如图3和图4所示，保持环35与承载盘33耦接，保持环35通过承载盘33安装在承载头30的下部。

目前采用螺钉或螺栓连接保持环35和承载盘33的方式具有许多缺点，一方面，在拆卸或更换螺钉或螺栓时，要先拆下承载头30的其他零件，维护效率低；另一方面，螺钉或螺栓拆卸频率高，容易引起金属碎屑的掉落，金属碎屑附着在承载头30上会影响抛光作业，而晶圆抛光最怕有金属颗粒，不仅有污染风险，甚至可能造成划片、碎片，导致机台整个停机；第三方面，螺钉或螺栓对保持环35的预紧力处基本接近点接触，接触面积很小，容易在局部造成较大变形，从而损失精密零件的精度，影响抛光效果。

为了避免上述问题，如图3和图4所示，在本发明的一个实施例中，承载盘33的靠近边缘与保持环35邻接的对应位置设有磁吸部，用于吸合保持环35。

具体地，磁吸部位于保持环35上方，磁吸部为嵌入承载盘33的磁体331，磁体331可由金属或陶瓷材料形成。这样的材料可包括铁或稀土金属，例如钕、钕铁硼、钐钴、铝镍钴以及陶瓷族中的磁体331，其中陶瓷例如硬磁体氧体、锶和钡铁氧体。磁体331可以是永磁体，例如由钕磁铁、钐钴磁铁、铝镍钴磁铁或铁氧体磁铁形成。或者，磁体331也可以是电磁的。

具体地，磁体331的安装方式可以有多种。

如图3所示，在一个实施例中，在承载盘33中开设有槽，磁体331置入槽中，在槽内磁体331上方利用填充件封堵，例如槽的内侧面设有固定螺纹，在磁体331上方插入螺栓，螺栓与槽螺纹连接，从而将磁体331压实在槽内。

如图4所示，在另一个实施例中，在承载盘33中开设有凹槽，磁体331置入凹槽中，凹槽的尺寸与磁体331匹配使磁体331刚好容纳进去，换句话说，凹槽的深度、内径与磁体331的高度、长度、宽度完全匹配，凹槽刚好容纳磁体331。在承载盘33的外边缘设有与承载盘33固定连接的压盖38，压盖38覆盖承载盘33的上表面靠近外边缘的区域，并且，压盖38位于凹槽上方，使得压盖38与承载盘33固定之后压盖38将磁体331固定在凹槽内。

在又一个实施例中，还可以在承载盘33的底面靠近边缘处形成凹槽，将磁体331固定进该凹槽中。例如通过将磁体331压配进凹槽中或将磁体331粘合到凹槽中。

在另一个实施例中，磁体331嵌入在承载盘33内部。

另外，在一个实施例中，磁体331为圆柱形或矩形，磁体331设有多个，数量可以为2、4、6、8、12、16等偶数，沿承载盘33的周向均匀设置。

在另一个实施例中，磁体331为环形，沿承载盘33的周向设置。

如图3和图4所示，保持环35为环形，包括金属部分351和非金属部分352。

金属部分351由足以吸引到磁体331以便固持保持环35的材料形成。这样，磁体331将保持环35可靠地保持到承载盘33。金属部分351可以包括这样的材料，例如由磁体331吸引的材料如铁、镍或这样的合金。用于金属部分351的合适材料可含有铁磁性物质，如马氏体、铁素体不锈钢，例如400系列不锈钢。

在一个实施例中，保持环35可以由金属部分351和非金属部分352层叠而成，具有耐磨性的非金属部分352设置于金属部分351的下部。

其中，保持环35包括：连接至承载盘33的环状上部部分、和具有可接触抛光垫的底部表面的环状下部部分。此环状下部部分可以利用粘着层结合至环状上部部分。

保持环35的环状上部部分为金属部分351，例如可以是不锈钢材质。

环状下部部分是非金属部分352，由对CMP处理而言是化学惰性的材料形成。此外，环状下部部分应足够有弹性，使得晶圆边缘对着保持环35的接触不会造成晶圆破碎或断裂。另一方面，环状下部部分应足够的坚固，以在来自抛光垫（在底部表面上）和晶圆（在内部表面上）的磨耗下具有足够的寿命。环状下部部分可以由塑料制成，所述塑料例如聚硫苯(PPS)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚醚醚酮(PEEK)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯并咪唑(PBI)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚酰胺-酰亚胺(PAI)或复合材料。

在另一个实施例中，保持环35也可以由金属部分351和非金属部分352包敷而成，具有耐磨性的非金属部分352包敷于金属部分351的外侧。

进一步，承载盘33和保持环35之间设有定位结构，用于组装时使各处位置对应。

定位结构包括至少两对定位销（未示出）和定位孔（未示出），分别设置在承载盘33和保持环35的相对面，组装时定位销插入定位孔内实现定位。并且当在抛光期间，水平方向的剪切力作用到保持环35时，使承载盘33和保持环35之间保持对准，避免错位。

进一步，如图3和图4所示，保持环35和承载盘33之间设有辅助拆卸结构，用于帮助保持环35和承载盘33分离。

如图3所示，在一个实施例中，承载盘33的底面边缘设有V型槽332，用于在承载盘33和保持环35之间形成间隙，以便于在拆卸时使用工具伸入此V型槽332，撬开保持环35，方便拆卸。同理，V型槽332也可以设置在保持环35的顶面边缘。

如图4所示，在另一个实施例中，承载盘33内部设有通向保持环35的拆卸气路333，拆卸气路333一端用于连接气源，拆卸气路333的另一端连通承载盘33的位于保持环35上方的底面，用于实现当气源向拆卸气路333内通入气体后能够加压使承载盘33和保持环35分离，从而辅助拆卸保持环35。进一步，拆卸气路333在承载盘33底面可以形成多个连通的出气孔，以在多个位置向保持环35顶面施加气压，多个出气孔可以沿周向均匀分布，并在承载盘33内部连通并通向位于承载盘33侧面或顶面的进气孔。或者，拆卸气路333还可以在承载盘33底面形成一连通的环形出气口，环形出气口可以向保持环35顶面的环形区域施加气压，环形出气口连通位于承载盘33侧面或顶面的进气孔。优选地，拆卸气路333的出气位置位于磁体331的下方且与磁体331位置对应，换句话说，出气孔或者环形出气口位于磁体331的下方且与磁体331位置对应。

本申请中，保持环35通过磁吸部磁性连接在承载头30的下部，能够实现保持环35均匀受力，安装后不变形，并且易于维护更换。

可以理解的是，图3和图4仅示出了两种示例，不应当作为本申请保护范围的限定，其中各个特征可以更换组合，仍属于本发明的保护范围内。

如图表5所示，对比了利用螺钉紧固的现有保持环安装方式造成的形变以及利用本申请中磁力紧固的安装方式。

图表5中，是使用专门的显微图像采集相机拍摄的保持环底面的一区域的显微形貌。其中，“保持环底面对应区域”一列示意了拍摄的保持环底面的相应区域的位置。“形貌扫描图像”一列中的图是用灰度示意了区域中形貌的起伏情况，颜色越深代表起伏越大。

通过图5，可以清楚地看出，现有的利用螺钉紧固的安装方式，保持环底面会在一小范围内（螺钉附近）带来很大的形貌起伏变形，变形很大（颜色深），并且变形的范围较集中，这种在一个小区域内的大尺寸凹凸变形会使保持环的磨合时间变长，影响作业效率。这里解释一下，每一个新更换的保持环需要先在抛光垫上进行抛磨，以将保持环的形貌抛至最佳匹配状态，这个磨合的时间占据机台作业时间，会影响机台的WPH（每小时的晶圆产出量），影响机台生产效率。

而本申请中的磁力紧固的安装方式，保持环底面的起伏分布较均匀，变形很小（颜色浅），明显地改善了保持环安装后会发生变形的问题，保持环更平整，保持环的磨合时间更短，有益于改善抛光效果。

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 (15)

1.一种用于化学机械抛光的承载头，其特征在于，包括连轴盘、平衡架、承载盘、柔性膜和保持环；

所述平衡架可滑动地设置于连轴盘的中心通孔内并通过平衡架的底部带动承载盘相对于连轴盘上下移动，柔性膜的一部分被夹紧至承载盘下部以形成密封腔室；所述承载盘的靠近边缘与保持环邻接的对应位置设有磁吸部，用于吸合保持环。

2.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述磁吸部为嵌入承载盘的磁体，磁体由钕磁铁、钐钴磁铁、铝镍钴磁铁或铁氧体磁铁形成。

3.如权利要求2所述的承载头，其特征在于，所述承载盘中开设有槽，磁体置入槽中，在槽内磁体上方利用填充件封堵。

4.如权利要求2所述的承载头，其特征在于，所述承载盘中开设有凹槽，磁体刚好容纳在凹槽中，承载盘的外边缘固定有压盖且压盖覆盖凹槽上方，以使得压盖将磁体固定在凹槽内。

5.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述保持环和承载盘之间设有辅助拆卸结构。

6.如权利要求5所述的承载头，其特征在于，所述辅助拆卸结构为设于承载盘的底面边缘和/或保持环的顶面边缘的V型槽，用于在承载盘和保持环之间形成间隙，以便于在拆卸时使用工具伸入所述V型槽，撬开保持环。

7.如权利要求5所述的承载头，其特征在于，所述辅助拆卸结构为设于承载盘的拆卸气路，拆卸气路一端用于连接气源，拆卸气路的另一端连通承载盘的位于保持环上方的底面，用于实现当气源向拆卸气路内通入气体后能够加压使承载盘和保持环分离。

8.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述保持环包括金属部分和非金属部分，金属部分用于与所述磁吸部磁性连接。

9.如权利要求8所述的承载头，其特征在于，所述金属部分和非金属部分层叠设置，金属部分位于非金属部分的上方。

10.如权利要求8所述的承载头，其特征在于，所述非金属部分包裹在金属部分的外侧。

11.如权利要求8至10任一项所述的承载头，其特征在于，所述金属部分为铁、镍或至少一者的合金。

12.如权利要求2所述的承载头，其特征在于，所述磁体为圆柱形或矩形，磁体设有多个，沿承载盘的周向均匀设置。

13.如权利要求2所述的承载头，其特征在于，所述磁体为环形，沿承载盘的周向设置。

14.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述承载盘和保持环之间设有定位结构，用于组装时使各处位置对应。

15.一种化学机械抛光设备，其特征在于，包括如权利要求1至14任一项所述的承载头，还包括抛光盘、修整器和抛光液供给装置。

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