CN203622179U - 一种护圈装置及研磨头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种护圈装置，用于化学机械研磨设备的研磨头，包括：固定环，用于固定套设于所述研磨头的上盖盘或保持环上；设置于所述固定环上的万向轮装置，所述万向轮装置至少为两个，且用于与所述化学机械研磨设备的研磨垫接触。本实用新型提出的护圈装置一旦在CMP工艺设备中得到应用，不仅具有节约成本、优化工艺和提高芯片良率的预期效果，同时可以有效推进代工企业的技术改造能力，增强工艺线的精细化制造能力。本实用新型还公开了一种具有上述护圈装置的研磨头。
Description
技术领域
本实用新型涉及化学机械研磨技术领域，特别涉及一种护圈装置及研磨头。
背景技术
化学机械研磨（CMP，Chemical Mechanical Polishing）是当前半导体加工技术的主流平坦化工艺，是芯片制造工艺中重要步骤之一。在CMP工艺制程中，硅片表面形貌的均匀性非常重要，硅片表面的几何形貌将会影响到电子器件的电性能参数，厚度不均匀性会使同一硅片上制造出的器件性能产生差异，影响芯片成品率。
如图1和图2所示，现有的研磨头一般包括传动轴101，具有固定和支撑作用的上盖盘102、保持环103和基盘104。其中，在整个CMP工艺装置中，保持环（retaining ring）是有效改善硅片表面形貌均匀性的主要部件之一。它的作用是用于防止硅片在CMP工艺制程中滑出研磨头，同时给研磨垫施加一定的压力，有效改善硅片与研磨垫接触过程中表面接触压力的均匀性，以提高CMP工艺的整体均匀度。保持环在使用过程中会被不断磨损，其厚度逐渐变薄，当保持环底部垫片的厚度减薄到一定程度时，需要更换新的垫片，以保证保持环在CMP研磨过程中可以很好地控制硅片横向移动，防止硅片在研磨过程中摆脱研磨头的控制，造成滑片。在CMP工艺中，保持环在研磨过程中与研磨垫保持一定的接触压力，在研磨工艺中，保持环会逐渐消耗导致垫片厚度减少，此时保持环相对于研磨头承载硅片的膜垫片要保持一定高度差。随着保持环底部垫片的厚度出现变化，保持环对研磨垫的实际压力会出现一定的波动，进而影响CMP工艺的整体均匀度。为了改善CMP工艺制程的实际平坦化效果，改善硅片表面形貌的均匀度，优化现有护圈设计已经成为候选的技术方案。
中国专利CN201283537Y公开了一种CMP边缘压敷环设计方案，其CMP边缘压敷环的外侧设计了可以肉眼观察的标记，它的作用是提供表征CMP边缘压敷环寿命的参考标准。当CMP边缘压敷环在使用中被磨损，其厚度逐渐变薄，一旦磨损至相应的标记时，即可认为该CMP边缘压敷环已经不能继续使用，需要及时更换。该专利存在的主要缺陷是仅仅实现了保持环使用寿命的监控功能，没有提供延长保持环寿命的改进方案，没有提供更为合理的技术改造方案优化研磨头装置，没有提出减少磨损的技术方案。
因此，如何减少保持环的研磨磨损，降低工艺成本，改善CMP工艺的全局平坦化效果，提高芯片产品良率，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种护圈装置，以减少保持环的研磨磨损，降低工艺成本，改善CMP工艺的全局平坦化效果，提高芯片产品良率；
本实用新型的另一目的在于提供一种具有上述护圈装置的研磨头。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种护圈装置，用于化学机械研磨设备的研磨头，包括：
固定环，用于固定套设于所述研磨头的上盖盘或保持环上；
设置于所述固定环上的万向轮装置，所述万向轮装置至少为两个，且用于与所述化学机械研磨设备的研磨垫接触。
优选地，在上述护圈装置中，所述万向轮装置通过固定环延伸翼设置于所述固定环上；
所述固定环延伸翼设置于所述固定环的外侧边缘。
优选地，在上述护圈装置中，所述万向轮装置包括：
安装在滚轮支架上的滚轮；
设置于所述滚轮支架上的轴承，所述滚轮支架与所述轴承的内圈和外圈中的一个相连；
与所述轴承的内圈和外圈中的另一个相连的安装座，所述安装座与所述固定环延伸翼通过螺栓相连。
优选地，在上述护圈装置中，所述固定环延伸翼上具有用于插设所述万向轮装置的安装杆的安装孔。
优选地，在上述护圈装置中，所述固定环延伸翼的安装孔内嵌设有轴承；
所述万向轮装置插设于所述轴承的内圈。
优选地，在上述护圈装置中，所述固定环延伸翼的安装孔为螺纹孔；
所述万向轮装置包括：
安装在滚轮支架上的滚轮；
设置于所述滚轮支架上的轴承，所述滚轮支架与所述轴承的内圈和外圈中的一个相连；
与所述轴承的内圈和外圈中的另一个相连的安装杆，所述安装杆为螺杆，所述螺杆与所述螺纹孔螺纹配合。
优选地，在上述护圈装置中，所述固定环延伸翼为至少三个，且均匀地布置于所述固定环的外侧边缘。
优选地，在上述护圈装置中，所述固定环的外部轮廓为圆形或矩形。
优选地，在上述护圈装置中，所述万向轮装置的滚轮为圆柱形滚轮或球形滚轮。
优选地，在上述护圈装置中，所述万向轮装置的滚轮为外周面带有条纹的滚轮。
优选地，在上述护圈装置中，所述万向轮装置的滚轮的内芯为不锈钢材质，外部为工程塑料材质。
一种研磨头，包括上盖盘和保持环，还包括如上任一项所述的护圈装置；
所述固定环固定套设于所述研磨头的上盖盘或保持环上。
优选地，在上述研磨头中，所述固定环与所述上盖盘或保持环为一体式结构。
优选地，在上述研磨头中，所述固定环与所述上盖盘或保持环为过盈配合结构。
优选地，在上述研磨头中，所述上盖盘或保持环的外表面设置有第一配合部；
所述固定环的内表面上设置有与所述第一配合部凹凸配合的第二配合部。
优选地，在上述研磨头中，所述第一配合部为凸出部，所述第二配合部为与所述凸出部配合的凹陷部；
或者，所述第一配合部为凹陷部，所述第二配合部为与所述凹陷部配合的凸出部。
从上述的技术方案可以看出，本实用新型提供的护圈装置，利用万向轮装置在CMP工艺中灵活变向，滚动摩擦代替应力磨损的技术特点，通过与保持环共同分压的物理机制，有效降低保持环的磨损速率，节省工艺耗材成本，减少更换保持环垫片的工艺线停工时间，进而节省工艺成本。该护圈装置结构简单，易于集成于现有的研磨头装置，从而在设备成本少量增加的基础上，实现CMP工艺制程的有效技术改造，进而改善CMP工艺的整体平坦化效果，提高芯片成品率。
本实用新型提出的护圈装置一旦在CMP工艺设备中得到应用，不仅具有节约成本、优化工艺和提高芯片良率的预期效果，同时可以有效推进代工企业的技术改造能力，增强工艺线的精细化制造能力。因此，在上述有益效果的基础上，能够实现代工企业和电路设计者的良性互动，增强电路设计人员对代工企业的信赖感和忠诚度，进一步提高代工企业的业界知名度和荣誉感，增强代工企业与国际上其它顶级制造厂商的竞争能力。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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为现有技术中研磨头的结构示意图；
图2为现有技术中研磨头的分解结构示意图；
图3为本实用新型实施例提供的护圈装置的结构示意图；
图4为本实用新型实施例提供的研磨头的分解结构示意图；
图5为本实用新型实施例提供的研磨头的结构示意图；
图6为本实用新型实施例提供的研磨头的另一角度的结构示意图；
图7为本实用新型实施例一提供的万向轮的结构示意图；
图8为本实用新型实施例二提供的万向轮的结构示意图；
图9为本实用新型实施例三提供的万向轮的结构示意图；
图10为本实用新型实施例四提供的万向轮的结构示意图；
图11为本实用新型实施例五提供的万向轮的结构示意图。
具体实施方式
本实用新型的核心在于提供一种护圈装置，以减少保持环的研磨磨损，降低工艺成本，改善CMP工艺的全局平坦化效果，提高芯片产品良率；
本实用新型的另一核心在于提供一种具有上述护圈装置的研磨头。
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图3-图6，图3为本实用新型实施例提供的护圈装置的结构示意图；图4为本实用新型实施例提供的研磨头的分解结构示意图；图5为本实用新型实施例提供的研磨头的结构示意图；图6为本实用新型实施例提供的研磨头的另一角度的结构示意图。
本实用新型实施例提供的护圈装置200，包括护圈装置本体，用于化学机械研磨设备的研磨头，包括固定环201和万向轮装置203。
其中，固定环201用于固定套设于研磨头的上盖盘100或保持环300上，固定环具201有圆形内表面，或者非圆形的内表面，并对应地保证上盖盘100或者保持环300具有圆形或者非圆形的外表面。以将固定环201固定于保持环300上为例，若保持环300的外表面为圆柱面，则固定环201的内表面为与保持环300配合的圆柱面，相应地，若保持环300的外表面为多边形表面或椭圆形表面，则固定环201的内表面为与保持环300配合的多边形表面或椭圆形表面。
固定环201的外部轮廓可为圆形，也可为矩形或其它形状，可根据具体应用情况具体设置，本实用新型不做限定。
万向轮装置203设置于固定环201上，万向轮装置203至少为两个，且用于与化学机械研磨设备的研磨垫接触。在将护圈装置200固定在现有的研磨头上后，则要求万向轮装置203的滚轮能够与化学机械研磨设备的研磨垫接触，从而可利用带有万向轮装置203的辅助支撑设计方案，借助万向轮装置203变向灵活和滚动摩擦的技术特点，降低CMP工艺的边缘效应，减少保持环的研磨磨损，降低工艺成本，改善CMP工艺的全局平坦化效果，提高芯片产品良率。
本实用新型提供的护圈装置，利用万向轮装置203在CMP工艺中灵活变向，滚动摩擦代替应力磨损的技术特点，通过与保持环300共同分压的物理机制，有效降低保持环300的磨损速率，节省工艺耗材成本，减少更换保持环垫片的工艺线停工时间，进而节省工艺成本。该护圈装置200结构简单，易于集成于现有的研磨头装置，从而在设备成本少量增加的基础上，实现CMP工艺制程的有效技术改造，进而改善CMP工艺的整体平坦化效果，提高芯片成品率。
本实用新型提出的护圈装置200一旦在CMP工艺设备中得到应用，不仅具有节约成本、优化工艺和提高芯片良率的预期效果，同时可以有效推进代工企业的技术改造能力，增强工艺线的精细化制造能力。因此，在上述有益效果的基础上，能够实现代工企业和电路设计者的良性互动，增强电路设计人员对代工企业的信赖感和忠诚度，进一步提高代工企业的业界知名度和荣誉感，增强代工企业与国际上其它顶级制造厂商的竞争能力。
为了实现万向轮装置203稳定的安装，在本实用新型一具体实施例中，万向轮装置203通过固定环延伸翼202设置于固定环201上，固定环延伸翼202设置于固定环201的外侧边缘。
在本实施例中，在固定环201的外侧边缘设置了用于安装万向轮装置203安装座，即固定环延伸翼202，通过设置该固定环延伸翼202可将各个万向轮装置203围成的圆形半径大于固定环201，从而避免万向轮装置203与上盖盘100或保持环300造成干涉。需要说明的是，万向轮装置203也可直接通过连接件或者直接焊接的方式设置在固定环201的周围，只要保证固定环201的厚度足够大即可避免干涉的问题。
若固定环201为圆环，固定环201的厚度是指外圈半径减去内圈半径的尺寸，若为其它图形的环，由固定环内的一点a向固定环做垂线，该垂线与固定环的内圈的交点为b，与外圈的交点c，则固定环201的厚度是指c-b。
请参阅图7，图7为本实用新型实施例一提供的万向轮的结构示意图。
在本实用新型一具体实施例中，万向轮装置203包括滚轮2031、滚轮支架2032、轴承（图中未示出）和安装座2035。
其中，滚轮2031安装在滚轮支架2032上，轴承设置于滚轮支架2032上，滚轮支架2032与轴承的内圈和外圈中的一个相连，安装座2035与轴承的内圈和外圈中的另一个相连，安装座2035与固定环延伸翼202通过螺栓相连。
安装座2035和滚轮支架2032分别与轴承的内圈和外圈相连，从而使得安装座2035和滚轮支架2032可相对转动，即滚轮2031可相对固定环延伸翼202转动。安装座2035可开设多个螺栓孔，相应的在固定环延伸翼202与其对应的螺栓孔，以便于螺栓的安装。
在本实用新型一具体实施例中，固定环延伸翼202上具有用于插设万向轮装置203的安装杆的安装孔。在本实施例中，与上述实施例的区别在于，上述实施例中的万向轮装置203通过螺栓安装在固定环延伸翼202，在本实施例中，在固定环延伸翼202上开设了安装孔，可通过插配的方式实现万向轮装置203的装配，装配起来更加便利。
请参阅图8-图10，图8为本实用新型实施例二提供的万向轮的结构示意图；图9为本实用新型实施例三提供的万向轮的结构示意图；图10为本实用新型实施例四提供的万向轮的结构示意图。
在本实用新型一具体实施例中，固定环延伸翼202的安装孔内嵌设有轴承，万向轮装置203插设于轴承的内圈。具体地，万向轮装置203包括滚轮支架2032、滚轮2031和安装杆2033。
其中，滚轮2031设置于滚轮支架2032上，安装杆2033的一端设置于滚轮支架2032上，安装杆2033的另一端插设于轴承的内圈，从而使得万向轮装置203整体可相对于固定环延伸翼202转动。
万向轮装置203的滚轮2031可为图8和图10示出的圆柱形滚轮，也可为图9示出的球形滚轮。万向轮装置203的滚轮2031优选为图10示出的外周面带有条纹的滚轮，以便保证万向轮装置203在变向转动过程中，滚轮2031与研磨垫、研磨液实现有效过渡，改善万向轮的变向滚动效果，增强CMP工艺的整体研磨率的有效均匀度。
请参阅图11，图11为本实用新型实施例五提供的万向轮的结构示意图。
在本实用新型一具体实施例中，固定环延伸翼202的安装孔为螺纹孔。
万向轮装置203包括滚轮支架2032、滚轮2031、轴承2034和安装杆2033。
其中，滚轮2031安装在滚轮支架2032上，轴承2034设置于滚轮支架2032上，滚轮支架2032与轴承2034的内圈和外圈中的一个相连。安装杆2033与轴承2034的内圈和外圈中的另一个相连。安装杆2033为螺杆，螺杆与螺纹孔螺纹配合。
安装杆2033和滚轮支架2032分别与轴承2034的内圈和外圈相连，从而使得安装杆2033和滚轮支架2032可相对转动，即滚轮2031可相对固定环延伸翼202转动。安装杆2033设计为螺杆，相应的在固定环延伸翼202上的安装孔设计为螺孔，从而更加便于万向轮装置203的拆装。
万向轮装置203与固定环201的连接方式可以选用上置轴承和下置轴承两种方式。该轴承可以是球轴承、流体动态轴承、转子轴承或锥形轴承，轴承具有内圈或轴承壳、滚珠、外圈，在整个CMP工艺制程中保证万向轮实现灵活变向转动。
为了进一步优化上述技术方案，固定环延伸翼202为至少三个，且均匀地布置于固定环201的外侧边缘。由于固定环延伸翼202与万向轮装置203是一一对应的关系，所有相应的万向轮装置203也应为三个以上。
在本实用新型一具体实施例中，万向轮装置203的滚轮的内芯为不锈钢材质，不锈钢耐磨损和抗压性强的特点。需要说明的是滚轮的内芯还可为其它具有耐磨损和抗压性强的材质。
滚轮的外部为工程塑料材质，例如可为PPS（Phenylenesulfide，聚苯硫醚）、PEEK（polyetheretherketone，聚醚醚酮）、PET（polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯）、POM（polyacetals，聚缩醛）、PI（polyimide，聚酰亚胺）等工程塑料。上述材料与研磨液几乎不发生反应，具有耐腐蚀、抗磨损、使用寿命长等优点。
本实用新型实施例还公开了一种研磨头，包括上盖盘100和保持环300，其中，还包括如上实施例公开的护圈装置200，固定环201固定套设于研磨头的上盖盘100或保持环300上。由于研磨头具有上述护圈装置200，因此具有上述护圈装置200的所有技术效果，本文在此不再赘述。
护圈装置200在CMP工艺中需要施加压力，并且需要具有施加压力均匀，易于改变的特点，该压力可以通过上盘盖100或者保持环300带动固定环201直接施加。一般来说，所施加的压力大约4.5-5.5psi（Pounds per square inch，P是指磅pound，S是指平方square，I是指英寸inch）的范围内，特别是5psi。但是，这些范围只是示例性的，因为可以在大约2psi至8psi的范围中调节出任何压力，以实现所要求的研磨平坦化效果。优选的是，施加在固定环201上的偏压力或压力大于施加给基盘上的压力，以使研磨垫产生稍微变形，由此降低CMP工艺出现的边缘效应。
需要说明的是，固定环201与上盖盘100或保持环300可为一体式结构，即固定环201与保持环300或上盖盘100一体化直接铸造。
除了上述方式之外，也可采用装配的方式实现固定环201与上盖盘100或保持环300的连接，例如固定环201与上盖盘100或保持环300可为过盈配合结构。
进一步地，上盖盘100或保持环300的外表面设置有第一配合部；固定环201的内表面上设置有与第一配合部凹凸配合的第二配合部。其中，第一配合部为凸出部，第二配合部为与凸出部配合的凹陷部；或者，第一配合部为凹陷部，第二配合部为与凹陷部配合的凸出部。
在本实用新型的实施例中，上述的固定环201包括可以具有变动直径的内表面，其环形内表面具有至少一个凹陷部及/或者至少有一个凸出部（没有画出），并且上盖盘100或保持环300的外表面具有至少一个凸出部及/或者至少一个凹陷部，进而有效增强固定环201与上盖盘100或保持环300的固定牢固程度。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种护圈装置，用于化学机械研磨设备的研磨头，其特征在于，包括：
固定环（201），用于固定套设于所述研磨头的上盖盘（100）或保持环（300）上；
设置于所述固定环（201）上的万向轮装置（203），所述万向轮装置（203）至少为两个，且用于与所述化学机械研磨设备的研磨垫接触。
2.根据权利要求1所述的护圈装置，其特征在于，所述万向轮装置（203）通过固定环延伸翼（202）设置于所述固定环（201）上；
所述固定环延伸翼（202）设置于所述固定环（201）的外侧边缘；
所述固定环延伸翼（202）为至少三个，且均匀地布置于所述固定环（201）的外侧边缘。
3.根据权利要求2所述的护圈装置，其特征在于，所述万向轮装置（203）包括：
安装在滚轮支架上的滚轮；
设置于所述滚轮支架上的轴承，所述滚轮支架与所述轴承的内圈和外圈中的一个相连；
与所述轴承的内圈和外圈中的另一个相连的安装座，所述安装座与所述固定环延伸翼（202）通过螺栓相连。
4.根据权利要求2所述的护圈装置，其特征在于，所述固定环延伸翼（202）上具有用于插设所述万向轮装置（203）的安装杆的安装孔。
5.根据权利要求4所述的护圈装置，其特征在于，所述固定环延伸翼（202）的安装孔内嵌设有轴承；
所述万向轮装置（203）插设于所述轴承的内圈。
6.根据权利要求4所述的护圈装置，其特征在于，所述固定环延伸翼（202）的安装孔为螺纹孔；
所述万向轮装置（203）包括：
安装在滚轮支架上的滚轮；
设置于所述滚轮支架上的轴承，所述滚轮支架与所述轴承的内圈和外圈中的一个相连；
与所述轴承的内圈和外圈中的另一个相连的安装杆，所述安装杆为螺杆，所述螺杆与所述螺纹孔螺纹配合。
7.根据权利要求1-6任一项所述的护圈装置，其特征在于，所述固定环（201）的外部轮廓为圆形或矩形；
所述万向轮装置（203）的滚轮为圆柱形滚轮或球形滚轮。
8.一种研磨头，包括上盖盘（100）和保持环（300），其特征在于，还包括如权利要求1-7任一项所述的护圈装置（200）；
所述固定环（201）固定套设于所述研磨头的上盖盘（100）或保持环（300）上。
9.根据权利要求8所述的研磨头，其特征在于，所述固定环（201）与所述上盖盘（100）或保持环（300）为一体式结构；
或者，所述固定环（201）与所述上盖盘（100）或保持环（300）为过盈配合结构。
10.根据权利要求9所述的研磨头，其特征在于，所述上盖盘（100）或保持环（300）的外表面设置有第一配合部；
所述固定环（201）的内表面上设置有与所述第一配合部凹凸配合的第二配合部；
其中，所述第一配合部为凸出部，所述第二配合部为与所述凸出部配合的凹陷部；
或者，所述第一配合部为凹陷部，所述第二配合部为与所述凹陷部配合的凸出部。
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|---|---|---|---|
| CN201320865754.4U CN203622179U (zh) | 2013-12-25 | 2013-12-25 | 一种护圈装置及研磨头 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111702656A (zh) * | 2020-07-04 | 2020-09-25 | 刘永 | 一种间距可控的化学机械研磨头 |
-
2013
- 2013-12-25 CN CN201320865754.4U patent/CN203622179U/zh not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN111702656A (zh) * | 2020-07-04 | 2020-09-25 | 刘永 | 一种间距可控的化学机械研磨头 |
| CN111702656B (zh) * | 2020-07-04 | 2021-08-17 | 林燕 | 一种间距可控的化学机械研磨头 |
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