CN116372775A - 一种抛光头及具有其的晶圆抛光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抛光头及具有其的晶圆抛光装置，该抛光头包括本体；弹性膜组件，设置在本体上，弹性膜组件包括相互嵌套设置的内膜和外膜，其中，内膜固定设置在本体的底壁上，内膜上形成有多个适于作用于晶圆中心区域的相互独立的压力腔室；外膜卡套在本体的外周侧，外膜包覆在内膜外，且与内膜之间设有缓冲间隙；在研磨过程中，内膜通过外膜将作用力施加在晶圆上。本发明通过设置由内膜和外膜相互嵌套构成的弹性膜组件，在研磨过程中，由于晶圆对抛光头的反作用力直接作用在外膜上而非内膜上，外膜相对本体在径向上发生形变或位移并不会直接导致内膜的形变或位移，因此可减小内膜的位移或变形、提高研磨面的平坦度和工艺效果。

Description

一种抛光头及具有其的晶圆抛光装置
技术领域
本发明涉及化学机械抛光技术领域，具体涉及一种抛光头及具有其的晶圆抛光装置。
背景技术
在芯片制造工艺中，化学机械抛光(CMP)工艺作为重要的平坦化技术被应用于晶圆的研磨过程中，然而随着晶圆直径尺寸的增大和芯片关键特征尺寸的逐渐缩小，晶圆表面的高平坦化、均匀性、一致性等要求越来越严格。目前，晶圆研磨技术通常通过对抛光头内的软膜腔室进行压力填充，其中软膜腔室的尺寸大小与晶圆相似，通过压力填充使软膜腔室内部产生下压力，对晶圆在抛光垫上进行研磨抛光。
现有技术中的抛光头多采用一膜多气室的结构，即一个软膜由分布设置在其底板上的多个内环形挡筋膜将软膜内腔分隔出多个可调压的腔室，在研磨过程中软膜通过底板与晶圆直接接触，多个腔室分别通过底板作用于晶圆的不同环形区域以配合进行抵压抛光作业。
在研磨过程中，由于软膜运动以及软膜上各个气室压力不同，容易引发软膜上内环形挡筋膜相对于底板发生变形或移动，而上述软膜上内环形挡筋膜和底板连接，可能引发底板发生变形，进而导致底板对晶圆给压不稳定，影响对晶圆的研磨效果；反之，晶圆的反作用力和摩擦力等因素也会使得内环形挡筋膜相对于底板进一步发生形变或移动，进一步影响晶圆的平坦化效果。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的抛光头在对晶圆抛光过程中，因软膜上内环形挡筋膜相对于底板发生形变或移动，导致晶圆平坦化效果的问题。
为此，第一方面，本发明实施例提供了一种抛光头，该抛光头包括：
本体；
弹性膜组件，设置在所述本体上，所述弹性膜组件包括相互嵌套设置的内膜和外膜，其中，所述内膜固定设置在所述本体的底壁上，所述内膜上形成有多个适于作用于晶圆中心区域的相互独立的压力腔室；所述外膜卡套在所述本体的外周侧，所述外膜包覆在所述内膜外，且与所述内膜之间设有缓冲间隙；
在研磨过程中，所述内膜通过所述外膜将作用力施加在晶圆上。
可选地，所述内膜的外周壁与所述外膜的内周壁之间形成的适于作用于晶圆边缘区域的边缘腔室。
可选地，所述边缘腔室包括由上至下依次分布且相互独立设置的第一腔室和第二腔室，其中，
所述第一腔室内气压增大时适于对第二腔室施加作用力，并通过第二腔室的形变将作用力传递至所述晶圆的边缘区域上。
可选地，所述外膜包括第一底板、自所述第一底板的外周边沿竖直方向向上延伸形成的周侧壁、沿所述周侧壁的顶部边缘向内延伸形成的第一水平延伸筋；
所述边缘腔室由所述第一水平延伸筋、所述周侧壁的内壁、第一底板、所述内膜的外周壁以及所述本体外壁共同围合而成；
所述外膜的周侧壁的内周壁固定设置有第二水平延伸筋，所述第二水平延伸筋位于第一水平延伸筋和第一底板之间，且第二水平延伸筋将所述边缘腔室分隔形成第一腔室和第二腔室；
所述第二水平延伸筋与第一水平延伸筋分别为环状，所述本体外周设置有适于与外膜连接的卡接凸部，所述第二水平延伸筋的内环边与第一水平延伸筋的内环边形成适于卡接在所述卡接凸部上的环形卡接口。
可选地，所述抛光头还包括：
外环，呈环形且位于所述第二腔室中，所述外环的顶壁与所述第二水平延伸筋抵接，底壁与所述第一底板的内壁相抵接，适于将所述第一腔室的作用力传递至所述第一底板，并通过所述第一底板将作用力传递至晶圆的边缘区域上；
所述外环的外侧壁紧贴所述外膜的内侧壁设置，适于限制所述外膜的径向形变。
可选地，所述抛光头还包括：
内环，呈环形且设置在所述内膜的外侧壁，所述内环裹覆在所述内膜的外周，所述内环适于限制所述内膜径向形变。
可选地，所述本体包括承载盘，所述卡接凸部由所述承载盘的上方周壁向外凸出延伸形成，所述卡接凸部的底部角部设置有防脱卡勾；
所述防脱卡勾的顶壁与卡接凸部的外周壁之间形成有环形的限位台阶，所述第一水平延伸筋的内环边缘卡接限位在所述限位台阶上，所述防脱卡勾的内周壁与卡接凸部的底壁以及承载盘的外周之间形成环形的限位卡槽，第二水平延伸筋的内环边缘卡勾限位在所述限位卡槽内；
所述内环具有裹覆在所述内膜外周的形变限位部和自所述形变限位部内环边沿向上延伸形成的卡塞定位部，所述卡塞定位部挤压卡塞在第二水平延伸筋的内环边缘与限位卡槽之间的配合间隙内。
可选地，所述内膜包括第二底板、以及由内向外间隔形成于所述第二底板上的多个呈环形的压力腔室；
所述第二底板与外膜的底壁相对设置，且两者之间预留有设定的缓冲间隙。
可选地，每个压力腔室分别由相对设置的两个环形挡筋与第二底板围合形成，两个环形挡筋的上边沿之间形成适于与本体连接的环形开口；
所述内膜通过压环可拆卸地连接于所述本体的底部，所述压环具有环形抵压部和固定环形抵压部上方的连接凸部，环形抵压部抵压在两个所述环形挡筋的顶壁内侧，连接凸部由所述环形开口伸出与本体连接；
所述内膜的环形挡筋的沿部设置有密封唇部，所述压环将所述密封唇部抵压于所述本体的底壁上。
第二方面，本发明实施例提供了一种晶圆抛光装置，该晶圆抛光装置包括前述实施方式中任一项所述的抛光头。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明实施例中通过设置由内膜和外膜这两个软膜相互嵌套构成的弹性膜组件，相较于现有技术中一膜多气室结构，本发明实施例中的内膜向外膜施加压力并通过外膜将作用力施加在晶圆上，而且外膜和内膜之间设有缓冲间隙，避免了内外膜各自形变时对彼此产生较大影响，在利用抛光头对晶圆进行研磨过程中，由于晶圆对抛光头的反作用力、摩擦力直接作用在外膜上而非直接作用在内膜上，外膜相对本体在径向上发生形变或位移并不会直接导致内膜的形变或位移，因此能够减小研磨过程中内膜发生位移或变形的程度，从而提高研磨面的平坦度和工艺效果；
另外，由于外膜和内膜之间设有缓冲间隙具有缓冲作用，即使内膜内压力腔室在膨胀过程中由于各压力腔室之间的压差导致压力分散、内膜变形，在缓冲作用下也能够降低内膜形变对晶圆中心区域造成施压不均匀，从而降低内膜形变对晶圆的影响，以提升晶圆的平坦化程度。
2.本发明实施例设置有边缘腔室，通过调节边缘腔室对晶圆的按压力的大小，可调节对晶圆边缘区域的研磨量。
3.现有技术中的弹性膜由于四周没有约束，气室在膨胀过程中向水平方向膨胀，导致气室对晶圆的垂直压力分散，影响气室对晶圆的压力控制。而本实施例设置有外环，一方面外环可将第一腔室的作用力传递至第一底板，并通过第一底板将作用力传递至晶圆的边缘区域上；另一方面，外环能够限制外膜的径向形变，以使得第二腔室沿纵向形变，纵向形变产生均匀的下压力，避免垂直压力分散，提高气室对晶圆的压力控制。
4.本发明实施例中由于外环的第一支撑壁上设置有环形凸筋，当第二腔室在研磨过程中发生形变时，可避免内膜外周壁与外膜内周壁之间完全接触。
5.本发明实施例通过设置内环，一方面，内环能有效地约束内膜在水平方向的膨胀，使内膜的压力集中作用在垂直方向，以更有效地控制内膜作用于晶圆的压力；另一方面，内环能够避免由于内膜水平膨胀而影响到外膜边缘部分对晶圆的压力控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中抛光头的结构示意图；
图2为弹性膜组件的纵截面示意图；
图3为外环与内环的纵截面示意图。
附图标记说明：
1、本体；
2、内膜；21、第二底板；22、环形挡筋；23、密封唇部；
3、外膜；31、第一底板；32、第一水平延伸筋；33、第二水平延伸筋；
4、第一腔室；5、第二腔室；
6、外环；7、内环；8、压环。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例
如图1至图3所示，本发明实施例提供了一种抛光头，该抛光头包括本体1和设置在本体1上的弹性膜组件，弹性膜组件包括相互嵌套设置的内膜2和外膜3，其中，内膜2固定设置在本体1的底壁上，内膜2上形成有多个适于作用于晶圆中心区域的相互独立的压力腔室；外膜3卡套在本体1的外周侧，外膜3包覆在内膜2外且与内膜2之间设有缓冲间隙；在研磨过程中，内膜2通过外膜3将作用力施加在晶圆上。
本发明实施例中通过设置由内膜2和外膜3这两个软膜相互嵌套构成的弹性膜组件，相较于现有技术中一膜多气室结构，本发明实施例中的内膜2向外膜3施加压力并通过外膜3将作用力施加在晶圆上，而且外膜3和内膜2之间设有缓冲间隙，避免了内外膜3各自形变时对彼此产生较大影响，在利用抛光头对晶圆进行研磨过程中，由于晶圆对抛光头的反作用力、摩擦力直接作用在外膜3上而非直接作用在内膜2上，外膜3相对本体1在径向上发生形变或位移并不会直接导致内膜2的形变或位移，因此能够减小研磨过程中内膜2发生位移或变形的程度，从而提高研磨面的平坦度和工艺效果；
另外，由于外膜3和内膜2之间设有缓冲间隙具有缓冲作用，即使内膜2内压力腔室在膨胀过程中由于各压力腔室之间的压差导致压力分散、内膜2变形，在缓冲作用下也能够降低内膜2形变对晶圆中心区域造成施压不均匀，从而降低内膜2形变对晶圆的影响，以提升晶圆的平坦化程度。
可选地，内膜2的外周壁与外膜3的内周壁之间形成适于作用于晶圆的边缘区域的边缘腔室。本实施例设置有边缘腔室，通过调节边缘腔室对晶圆的按压力的大小，可调节对晶圆边缘区域的研磨量。
可选地，边缘腔室包括由上至下依次分布且相互独立设置的第一腔室4和第二腔室5，其中，第一腔室4内气压增大时适于对第二腔室5施加作用力，并通过第二腔室5的形变将作用力传递至晶圆的边缘区域上。
可选地，外膜3包括第一底板31、自第一底板31的外周边沿竖直方向向上延伸形成的周侧壁、以及自周侧壁的顶部边缘向内延伸形成的第一水平延伸筋32；边缘腔室由第一水平延伸筋32、所述周侧壁的内壁、第一底板31、内膜2的外周壁以及本体1外壁共同围合而成；外膜的周侧壁的内周壁固定设置有第二水平延伸筋33，第二水平延伸筋33位于第一水平延伸筋32和第一底板31之间，且第二水平延伸筋33将边缘腔室分隔形成第一腔室4和第二腔室5；所述第二水平延伸筋33与第一水平延伸筋32分别为环状，所述本体1外周设置有适于与外膜3连接的卡接凸部，所述第二水平延伸筋33的内环边与第一水平延伸筋32的内环边形成适于卡接在所述卡接凸部上的环形卡接口。
可选地，抛光头还包括外环6，外环6呈环形且位于第二腔室5中，外环6的顶壁与第二水平延伸筋33抵接，底壁与第一底板31的内壁相抵接，适于将第一腔室4的作用力传递至第一底板31，并通过第一底板31将作用力传递至晶圆的边缘区域上；可选地，外环6的外侧壁紧贴外膜3的内侧壁设置，适于限制外膜3的径向形变，以使得第二腔室5沿纵向形变，纵向形变产生均匀的下压力。
现有技术中的弹性膜由于四周没有约束，气室在膨胀过程中向水平方向膨胀，导致气室对晶圆的垂直压力分散，影响气室对晶圆的压力控制。而本实施例设置有外环6，一方面外环6可将第一腔室4的作用力传递至第一底板31，并通过第一底板31将作用力传递至晶圆的边缘区域上；另一方面，外环6能够限制外膜3的径向形变，以使得第二腔室5沿纵向形变，纵向形变产生均匀的下压力，避免垂直压力分散，提高气室对晶圆的压力控制。
可选地，所述外环6的横截面呈“┌”形，所述外环6具有紧贴外膜3内周壁的第一支撑壁、以及自第一支撑壁上周边沿向内延伸的第二支撑壁，第二支撑壁抵接在第二水平延伸筋33的下方。可选地，所述外环6上第二支撑壁成型为平面，平面的设置增大了外环6与第二水平延伸筋33的接触面积，第一腔室4纵向变形所产生的下压力通过外环6传递至晶圆的边缘区域上。
可选地，第一支撑壁内周形成有环状凸筋。本实施例中由于外环6的第一支撑壁上设置有环形凸筋，当第二腔室5在研磨过程中发生形变时，可避免内膜2外周壁与外膜3内周壁之间完全接触。可选地，所述环状凸筋的纵截面呈三角形。
可选地，抛光头还包括内环7，内环7呈环形且设置在内膜2的外侧壁，内环7裹覆在内膜2的外周，内环7适于限制内膜2径向形变。本发明实施例通过设置内环7，具有如下效果：一方面，内环7能有效地约束内膜2在水平方向的膨胀，使内膜2的压力集中作用在垂直方向，以更有效地控制内膜2作用于晶圆的压力；另一方面，内环7能够避免由于内膜2水平膨胀而影响到外膜3边缘部分对晶圆的压力控制。
可选地，所述本体1包括承载盘，所述卡接凸部由所述承载盘的上方周壁向外凸出延伸形成，所述卡接凸部的底部角部位置设置有防脱卡勾；
所述防脱卡勾的顶壁与卡接凸部的外周壁之间形成环形的限位台阶，所述第一水平延伸筋32的内环边缘卡接限位在所述限位台阶上，所述防脱卡勾的内周壁与卡接凸部的底壁以及承载盘的外周之间形成环形的限位卡槽，第二水平延伸筋33的内环边缘卡勾限位在所述限位卡槽内；
所述内环7具有裹覆在所述内膜2外周的形变限位部和自所述形变限位部边沿向上延伸形成的卡塞定位部，所述卡塞定位部挤压卡塞在第二水平延伸筋33的内环边缘与限位卡槽之间的配合间隙内。
可选地，内环7上的形变限位部纵截面呈L形，卡塞定位部呈阶梯形或Z形，并对内膜2具有定位作用。通过设置卡塞定位部能够提高内膜2、外膜3和本体1三者之间配合的稳定性，内环7为一物多用，简化了结构，无需额外增设定位环等结构。
内膜2包括第二底板21、以及由内向外间隔形成于第二底板21上的多个呈环形的压力腔室；所述第二底板21与外膜3的底壁相对设置，且两者之间具有设定的缓冲间隙。本发明实施例中，第二底板21与第一底板31相对设置，且在研磨过程中两者可发生相对形变或位移，晶圆对弹性膜组件的作用力不会直接作用于内膜2上，减少内膜2变形移动程度；又由于内膜2的第二底板21与外膜3的第一底板31相对贴合设置，能够尽量避免减少内膜2作用于晶圆的压力控制。
可选地，每个压力腔室分别由相对设置的两个环形挡筋22与第二底板21围合形成，两个环形挡筋22的上边沿之间形成适于与本体1连接的环形开口；本实施例中，压力腔室膨胀时环形挡筋22相对第二底板21发生形变，由于内膜2上的环形挡筋22并不与外膜3之间连接，环形挡筋22的形变并不会直接导致外膜3发生形变或位移。
所述内膜2通过压环8可拆卸地连接于所述本体1的底部，所述压环8具有环形抵压部和固定环形抵压部上方的连接凸部，环形抵压部抵压在两个所述环形挡筋22的顶壁内侧，连接凸部由所述环形开口伸出与本体1连接；所述内膜2的环形挡筋22的沿部设置有密封唇部23，所述压环8将所述密封唇部23抵压于所述本体1的底壁上。
本发明实施例还提供了一种晶圆抛光装置，该晶圆抛光装置包括前述实施方式中任一项的抛光头。本发明实施例提供的晶圆抛光装置包括前述的抛光头，其中，该晶圆抛光装置所达到的技术优势及效果同样包括抛光头所达到的技术优势及效果，此处不再赘述。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种抛光头，其特征在于，包括：
本体(1)；
弹性膜组件，设置在所述本体(1)上，所述弹性膜组件包括相互嵌套设置的内膜(2)和外膜(3)，其中，所述内膜(2)固定设置在所述本体(1)的底壁上，所述内膜(2)上形成有多个适于作用于晶圆中心区域的相互独立的压力腔室；所述外膜(3)卡套在所述本体(1)的外周侧，所述外膜(3)包覆在所述内膜(2)外，且与所述内膜(2)之间设有缓冲间隙；
在研磨过程中，所述内膜(2)通过所述外膜(3)将作用力施加在晶圆上。
2.根据权利要求1所述的抛光头，其特征在于，所述内膜(2)的外周壁与所述外膜(3)的内周壁之间形成适于作用于晶圆的边缘区域的边缘腔室。
3.根据权利要求2所述的抛光头，其特征在于，所述边缘腔室包括由上至下依次分布且相互独立设置的第一腔室(4)和第二腔室(5)，其中，
所述第一腔室(4)内气压增大时适于对第二腔室(5)施加作用力，并通过第二腔室(5)的形变将作用力传递至所述晶圆的边缘区域上。
4.根据权利要求3所述的抛光头，其特征在于，所述外膜(3)包括第一底板(31)、自所述第一底板(31)的外周边沿竖直方向向上延伸形成的周侧壁、以及自所述周侧壁的顶部边缘向内延伸形成的第一水平延伸筋(32)；
所述边缘腔室由所述第一水平延伸筋(32)、所述周侧壁的内壁、第一底板(31)、所述内膜(2)的外周壁以及所述本体(1)外壁共同围合而成；
所述外膜(3)周侧壁的内周壁固定设置有第二水平延伸筋(33)，所述第二水平延伸筋(33)位于第一水平延伸筋(32)和第一底板(31)之间，且第二水平延伸筋(33)将所述边缘腔室分隔形成第一腔室(4)和第二腔室(5)；
所述第二水平延伸筋(33)与第一水平延伸筋(32)分别为环状，所述本体(1)外周设置有适于与外膜(3)连接的卡接凸部，所述第二水平延伸筋(33)的内环边与第一水平延伸筋(32)的内环边形成适于卡接在所述卡接凸部上的环形卡接口。
5.根据权利要求4所述的抛光头，其特征在于，所述抛光头还包括：
外环(6)，呈环形且位于所述第二腔室(5)中，所述外环(6)的顶壁与所述第二水平延伸筋(33)抵接，底壁与所述第一底板(31)的内壁相抵接，适于将所述第一腔室(4)的作用力传递至所述第一底板(31)，并通过所述第一底板(31)将作用力传递至晶圆的边缘区域上；
所述外环(6)的外侧壁紧贴所述外膜(3)的内侧壁设置，适于限制所述外膜(3)的径向形变。
6.根据权利要求4所述的抛光头，其特征在于，所述抛光头还包括：
内环(7)，呈环形且设置在所述内膜(2)的外侧壁，所述内环(7)裹覆在所述内膜(2)的外周，所述内环(7)适于限制所述内膜(2)径向形变。
7.根据权利要求6所述的抛光头，其特征在于，所述本体(1)包括承载盘，所述卡接凸部由所述承载盘的上方周壁向外凸出延伸形成，所述卡接凸部的底部角部位置设置有防脱卡勾；
所述防脱卡勾的顶壁与卡接凸部的外周壁之间形成环形的限位台阶，所述第一水平延伸筋(32)的内环边缘卡接限位在所述限位台阶上，所述防脱卡勾的内周壁与卡接凸部的底壁以及承载盘的外周之间形成环形的限位卡槽，第二水平延伸筋(33)的内环边缘卡勾限位在所述限位卡槽内；
所述内环(7)具有裹覆在所述内膜(2)外周的形变限位部和自所述形变限位部边沿向上延伸形成的卡塞定位部，所述卡塞定位部挤压卡塞在第二水平延伸筋(33)的内环边缘与限位卡槽之间的配合间隙内。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的抛光头，其特征在于，所述内膜(2)包括第二底板(21)，以及由内向外间隔形成于所述第二底板(21)上的多个呈环形的压力腔室；
所述第二底板(21)与外膜(3)的底壁相对设置，且二者之间预留有设定的缓冲间隙。
9.根据权利要求8所述的抛光头，其特征在于，每个压力腔室分别由相对设置的两个环形挡筋(22)与第二底板(21)围合形成，两个环形挡筋(22)的上边沿之间形成适于与本体(1)连接的环形开口；
所述内膜(2)通过压环(8)可拆卸地连接于所述本体(1)的底部，所述压环(8)具有环形抵压部和固定环形抵压部上方的连接凸部，环形抵压部抵压在两个所述环形挡筋(22)的顶壁内侧，连接凸部由所述环形开口伸出与本体(1)连接；
所述内膜(2)的环形挡筋(22)的沿部设置有密封唇部(23)，所述压环(8)将所述密封唇部(23)抵压于所述本体(1)的底壁上。
10.一种晶圆抛光装置，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的抛光头。
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