CN116237868A - 一种8英寸或更小尺寸的承载头和化学机械抛光设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种8英寸或更小尺寸的承载头和化学机械抛光设备，该承载头包括基座、保持环、气膜、压环、第一卡环和第二卡环；所述气膜包括形成为圆形的底板、沿所述底板的外周沿竖直向上延伸的侧壁，所述侧壁的顶部向内延伸后再向外弯折延伸至被所述压环和所述保持环压紧固定并形成弯折部；所述气膜还包括从所述侧壁向内水平延伸后再向上延伸形成的内隔壁；所述第一卡环沿所述侧壁的弯折部的外侧表面并且所述第二卡环沿所述侧壁的弯折部的内侧表面一起卡合定位所述弯折部。

Description

一种8英寸或更小尺寸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8英寸或更小尺寸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。

小尺寸的承载头，例如8英寸或6英寸的承载头，由于内部空间不足，分区受限导致压力调控能力弱，无法对晶圆抛光有更精准的控制。

发明内容

本发明实施例提供了一种8英寸或更小尺寸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8英寸或更小尺寸的承载头，包括基座、保持环、气膜、压环、第一卡环和第二卡环；

所述气膜包括形成为圆形的底板、沿所述底板的外周沿竖直向上延伸的侧壁，所述侧壁的顶部向内延伸后再向外弯折延伸至被所述压环和所述保持环压紧固定并形成弯折部；

所述气膜还包括从所述侧壁向内水平延伸后再向上延伸形成的内隔壁；

所述第一卡环沿所述侧壁的弯折部的外侧表面并且所述第二卡环沿所述侧壁的弯折部的内侧表面一起卡合定位所述弯折部。

在一个实施例中，所述内隔壁下方的侧壁的厚度大于其上方的侧壁的厚度。

在一个实施例中，所述内隔壁下方的侧壁的厚度随高度降低而减小形成梯形的侧壁结构。

在一个实施例中，所述第二卡环由环状壁和水平壁构成。

在一个实施例中，所述水平壁的下部的外周沿处设置有贯穿所述第二卡环的通孔，使得气体可以从该通孔处排出作用于所述水平壁的根部并经由所述梯形的侧壁结构使得所述气膜的边缘下压。

在一个实施例中，所述内隔壁向上延伸至与所述第二卡环齐平，并且其上端卡接于所述基座。

在一个实施例中，所述弯折部由环状的第一水平板、竖直板、第二水平板以及斜向的固定板构成。

在一个实施例中，所述第一水平板沿所述侧壁的顶部水平向内延伸形成，所述竖直板沿所述第一水平板内侧边缘向上竖直延伸至与所述第二卡环齐平后再沿水平方向向外延伸形成第二水平板。

在一个实施例中，所述第二水平板的宽度为第一水平板的30％至75％。

在一个实施例中，所述第二水平板的上表面设置有压紧环，其设置于所述第二卡环的顶面并且将所述第二水平板压紧固定于所述第一卡环的上表面。

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：可以精确控制晶圆边缘抛光的形貌。

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示出了本发明一实施例提供的化学机械抛光设备；

图2示出了本发明一实施例提供的承载头；

图3示出了本发明另一实施例提供的承载头。

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、向抛光垫20表面提供抛光液的抛光液供给装置50、以及装载托架(图1未示出)。

在抛光开始前，机械手将晶圆搬运至装载托架处，承载头30从装载托架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装载托架上，机械手从装载托架取得晶圆后将晶圆运送至后处理单元。

图2和图3示出了本发明提供的8英寸或更小尺寸的承载头30，承载头30包括基座31、保持环33、气膜34、压环32、第一卡环35和第二卡环36。图2和图3所示实施例中承载头30的具体结构适用于小尺寸的承载头30，例如8英寸、6英寸或更小尺寸。小尺寸的承载头30由于空间限制，难以实现分区控制并且边缘调控能力差，很难实现高精度的分区调压以及高一致性要求的边缘平整抛光，为了解决此问题，本申请对小尺寸的承载头30进行了结构优化，下面具体介绍。另外提前说明一下，本申请中的“内”、“外”、“向内”、“向外”是以气膜34的圆心为参照，靠近气膜34圆心的称为“内”，远离的称为“外”。

如图2所示，基座31连接在枢轴的下方，用于支撑固定保持环33和气膜34。

保持环33安装在基座31的下方，并围绕气膜34、第一卡环35和第二卡环36设置。在化学机械抛光过程中，保持环33的内部直径表面与气膜34的下部表面之间形成一容纳空间，用于限定晶圆。保持环33的底部表面朝下并与抛光垫的上表面相对，位于保持环33内部的晶圆抵压于抛光垫的上表面，保持环33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，保持环33的底面还可以设有通道，用于抛光液流入、流出。

如图2所示，基座31下方夹持有气膜34以形成加压腔室，在加压腔室内定位有第二卡环36，在加压腔室外设有第一卡环35，第一卡环35和第二卡环36套设装配。第二卡环36的材料可以为钛合金或不锈钢材质。第一卡环35、第二卡环36是自由浮动的，第一卡环35和第二卡环36可以套在一起。当加压腔室内通入气体后，腔室内压强增大，压强透过气膜34传递至晶圆，第二卡环36和第一卡环35相互配合限定了气膜34的位置和形状。

第一卡环35和第二卡环36可以套在一起，具体地，第一卡环35为环形，第二卡环36由环状壁361和水平壁362构成。环状壁361从水平壁362的上表面向上延伸形成，环状壁361距水平壁362的外周边缘有一定距离，从而在第二卡环36的上部边缘区域形成一个可以匹配第一卡环35的环形空间，利用此环形空间可以将环形的第一卡环35套在环状壁361的外周。

如图2所示，在一个实施例中，第二卡环36的上表面，即第二卡环36和基座31之间还设有压紧环37。压紧环37可以由具有弹性的材料制成。压紧环37用于缓冲第二卡环36和基座31之间的碰撞以及压紧一部分气膜34。

如图2所示，在本发明的一个实施例中，气膜34包括形成为圆形的底板341、沿底板341的外周沿竖直向上延伸的侧壁342，侧壁342的顶部向内延伸后再向外弯折延伸至被压环32和保持环33压紧固定并形成弯折部343。

如图2所示，气膜34的边缘夹在保持环33和基座31之间，也就是侧壁342的边缘夹在保持环33和基座31之间。具体地，侧壁342的边缘由压环32和保持环33夹紧，压环32嵌入基座31底部，压环32和基座31之间设有避免漏气的密封圈，保持环33可以采用螺纹固定的方式固定在基座31的底部，从而实现保持环33和压环32之间夹紧气膜34的边缘。

如图2所示，气膜34的侧壁342具有弯折部343，弯折部343在第一卡环35和第二卡环36之间弯曲延伸，第一卡环35沿侧壁342的弯折部343的外侧表面并且第二卡环36沿侧壁342的弯折部343的内侧表面一起卡合定位弯折部343。侧壁342从底板341的外周边缘向上延伸形成，弯折部343是侧壁342依次向内、向上、再向外延伸形成的。具体地，侧壁342围绕第二卡环36的外周面向上延伸，然后在第一卡环35的底面和第二卡环36之间向内延伸，再沿第一卡环35的内周面向上延伸，再在第一卡环35的顶面向外延伸，并且侧壁342在第一卡环35的顶面上方延伸以附接到基座31。

如图2所示，弯折部343由环状的第一水平板、竖直板、第二水平板以及斜向的固定板构成。

其中，第一水平板沿侧壁342的顶部水平向内延伸形成，竖直板沿第一水平板内侧边缘向上竖直延伸至与第二卡环36齐平后再沿水平方向向外延伸形成第二水平板。第一水平板位于第一卡环35的底面和第二卡环36的水平壁362的顶面之间。竖直板位于第一卡环35的内周面和第二卡环36的环状壁361的外周面之间。第二水平板贴着第一卡环35的顶面。

进一步，在一个实施例中，弯折部343的斜向的固定板增加褶皱结构，即固定板的表面不是平滑的，而是具有弯折褶皱的。通过使第一卡环35和保持环33之间的气膜34的固定板部分增设褶皱结构，可以提升气膜34轴向的柔性，降低对保持环33磨损的敏感性，换句话说，保持环33的底面即使有部分磨损、保持环33高度减低，承载头30仍能正常工作，气膜34边缘的褶皱结构可以使气膜34柔性提高仍能适应保持环33磨损的情况。

在一个实施例中，第二水平板的宽度为第一水平板的30％至75％。

如图2所示，第二水平板的上表面设置有压紧环37，其设置于第二卡环36的顶面并且将第二水平板压紧固定于第一卡环35的上表面。

如图2所示，在本发明的一个实施例中，气膜34还包括从侧壁342向内水平延伸后再向上延伸形成的内隔壁344。内隔壁344围绕第二卡环36的底面和内周面形成，内隔壁344向上延伸至与第二卡环36齐平，并且其上端卡接于基座31。

如图2所示，在一个实施例中，内隔壁344下方的侧壁342的厚度大于其上方的侧壁342的厚度。

如图2所示，在一个实施例中，内隔壁344下方的侧壁342的厚度随高度降低而减小形成梯形的侧壁342结构。

进一步，如图2所示，气膜34还包括位于内隔壁344内侧的第一隔膜345和第二隔膜346，第二隔膜346位于第一隔膜345内侧，第一隔膜345和第二隔膜346均为环形，可以采用较薄、柔性充分的竖直筋。本实施例中，位于气膜34中间区域的第一隔膜345和第二隔膜346采用竖直筋，可以防止相邻腔室间由于压差引起的倒塌，能够避免其导致的隔膜位置出现压力波动。

如图2所示，基于气膜34包括底板341、侧壁342、内隔壁344、第一隔膜345和第二隔膜346和结构，气膜34在基座31下方围成了多个同心的相对密封的可调压的加压腔室，具体包括由边缘向中心依次同心设置的第一腔室Z1、第二腔室Z2、第三腔室Z3和第四腔室Z4。中央的第四腔室Z4为圆形，第一腔室Z1、第二腔室Z2和第三腔室Z3为同心的环形。如图2所示，气膜34的底板341、侧壁342和内隔壁344之间围成了第一腔室Z1，底板341、内隔壁344与第一隔膜345之间形成了第二腔室Z2，底板341、第一隔膜345和第二隔膜346之间形成了第三腔室Z3，底板341和环形的第二隔膜346围成了第四腔室Z4。其中，第一隔膜345和第二隔膜346均由气膜34的底板341垂直向上延伸形成。

第一腔室Z1、第二腔室Z2、第三腔室Z3和第四腔室Z4的内部压力互相独立并可分别变化，相应地，承载头30的不同加压腔室将晶圆表面划分为对应的多个分区，由此能对晶圆表面所对应的4个区域即对于晶圆表面的中央区域、第一中间区域、第二中间区域以及周缘区域的抛光压力独立进行调整。每个加压腔室可对其对应的晶圆表面分区施加不同的压力，通过对供给到加压腔室的加压空气等流体的压力分别进行控制，可以实现对晶圆表面不同分区施加不同压力。具体地，可以通过未示出的通孔或流体通道分别向第一腔室Z1、第二腔室Z2、第三腔室Z3和第四腔室Z4中通入或抽出气体以调节该腔室的压力，从而分区精确调节施加于晶圆的压力轮廓以实现更均匀一致的抛光。

如图2所示，第二卡环36位于第一腔室Z1内，当第一腔室Z1中通入气体时，气压作用在第二卡环36上，从而使第二卡环36对内隔壁344下方的侧壁342施加一向下的压力。并且，当第二腔室Z2内通入气体时，气压也会作用在内隔壁344下方的侧壁342上。从而可以通过这双重作用，调节气膜34的侧壁342通过气膜34的底板341作用在晶圆边缘区域的作用力，进而更加精确地调控晶圆边缘的抛光形貌。

本实施例为8英寸或更小尺寸的承载头30增设多个压力分区，即第一腔室Z1、第二腔室Z2、第三腔室Z3和第四腔室Z4，以提升承载头30的压力调控能力，即可根据需求对晶圆表面各区域的去除速率有更好的调节能力，满足更多制程。另外，气膜34的边缘腔室(即第一腔室Z1)采用减小侧壁342传递的压力设计，可对外缘抛光达到更精准的控制。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，水平壁362的下部的外周沿处设置有贯穿第二卡环36的通孔38，使得气体可以从该通孔38处排出作用于水平壁362的根部并经由梯形的侧壁342结构使得所述气膜34的边缘下压。

第二卡环36设有贯穿的通孔38，通孔38连通第二卡环36的顶面和外周面，或者，通孔38连通第二卡环36的顶面和底面。具体地，通孔38在第二卡环36的顶面开口在第二卡环36的内部延伸从外周面出口，或者，通孔38在第二卡环36的顶面开口向下延伸从底面出口。通孔38用于连通第一腔室Z1内位于第二卡环36上方的区域以及位于第二卡环36侧方或下方的区域，以保证稳定供气、气压稳定。

图3所示实施例在第二卡环36增设通孔38，可以使边缘加压稳定，即第一腔室Z1内加压稳定，不会因为第二卡环36和气膜34之间压实而导致边缘无法进压或排气，能够确保边缘压力的可调控性。

综上，本申请具有以下优点：

(1)气膜34内部可布置多个压力腔室，通过压力调节达到对晶圆抛光更精准的控制；

(2)增加气膜34的侧壁342的下半段的厚度，可以防止磨损；

(3)气膜34的侧壁342和内隔壁344的配合设计以及位于气膜34中间区域的第一隔膜345和第二隔膜346采用竖直筋的设计可有效降低拉压状态和压差对气膜34底板341传递压力带来复杂的影响；

(4)气膜34的斜向的固定板加以褶皱设计，能够防止出现装片或卸片过程中由于轴向柔性不足导致的装片失败或卸片失败的问题。

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 (11)

1.一种8英寸或更小尺寸的承载头，其特征在于，包括基座、保持环、气膜、压环、第一卡环和第二卡环；

所述气膜包括形成为圆形的底板、沿所述底板的外周沿竖直向上延伸的侧壁，所述侧壁的顶部向内延伸后再向外弯折延伸至被所述压环和所述保持环压紧固定并形成弯折部；

所述气膜还包括从所述侧壁向内水平延伸后再向上延伸形成的内隔壁；

所述第一卡环沿所述侧壁的弯折部的外侧表面并且所述第二卡环沿所述侧壁的弯折部的内侧表面一起卡合定位所述弯折部。

2.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述内隔壁下方的侧壁的厚度大于其上方的侧壁的厚度。

3.如权利要求2所述的承载头，其特征在于，所述内隔壁下方的侧壁的厚度随高度降低而减小形成梯形的侧壁结构。

4.如权利要求3所述的承载头，其特征在于，所述第二卡环由环状壁和水平壁构成。

5.如权利要求4所述的承载头，其特征在于，所述水平壁的下部的外周沿处设置有贯穿所述第二卡环的通孔，使得气体可以从该通孔处排出作用于所述水平壁的根部并经由所述梯形的侧壁结构使得所述气膜的边缘下压。

6.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述内隔壁向上延伸至与所述第二卡环齐平，并且其上端卡接于所述基座。

7.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述弯折部由环状的第一水平板、竖直板、第二水平板以及斜向的固定板构成。

8.如权利要求7所述的承载头，其特征在于，所述第一水平板沿所述侧壁的顶部水平向内延伸形成，所述竖直板沿所述第一水平板内侧边缘向上竖直延伸至与所述第二卡环齐平后再沿水平方向向外延伸形成第二水平板。

9.如权利要求8所述的承载头，其特征在于，所述第二水平板的宽度为第一水平板的30％至75％。

10.如权利要求9所述的承载头，其特征在于，所述第二水平板的上表面设置有压紧环，其设置于所述第二卡环的顶面并且将所述第二水平板压紧固定于所述第一卡环的上表面。

11.一种化学机械抛光设备，其特征在于，包括如权利要求1至10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。

Images