CN218697529U - 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

本实用新型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，承载头包括连接在枢轴下方的基座组件，在基座组件下方夹持有弹性膜以形成可加压腔室，在可加压腔室内定位有内压环，在可加压腔室外设有外压环，外压环和内压环套设装配；所述弹性膜的起始端固定于基座组件，弹性膜穿过外压环和内压环之间的相交面并绕内压环的外缘延伸从而包裹内压环并在底部形成用于抵接晶圆的底面；所述内压环的底面靠近边缘的位置设有第一垫片，通过内压环按压所述第一垫片以调节晶圆边缘的形貌。

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

本实用新型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。

小尺寸的承载头由于内部空间受限，装配条件苛刻，难以设置多区气膜，换句话说气膜难以分区，也就不能分区控制各区压力，并且由于气膜下垂的作用，中间容易下垂，气膜整体呈现一种中间低两边高的曲面状态，气膜进气后表面不一致，难以实现晶圆的抛光表面高度一致的平整度要求。

实用新型内容

本实用新型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。

本实用新型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，包括连接在枢轴下方的基座组件，在基座组件下方夹持有弹性膜以形成可加压腔室，在可加压腔室内定位有内压环，在可加压腔室外设有外压环，外压环和内压环套设装配；所述弹性膜的起始端固定于基座组件，弹性膜穿过外压环和内压环之间的相交面并绕内压环的外缘延伸从而包裹内压环并在底部形成用于抵接晶圆的底面；所述内压环的底面靠近边缘的位置设有第一垫片，通过内压环按压所述第一垫片以调节晶圆边缘的形貌。

在一个实施例中，所述内压环设有通气孔，所述通气孔连通内压环的内侧面和外底面。

在一个实施例中，所述通气孔在内压环的外底面的出口位于所述第一垫片的外侧。

在一个实施例中，所述弹性膜穿过所述相交面的高度与所述可加压腔室的高度之间的比值在1/4～1/3之间。

在一个实施例中，所述弹性膜在起始端和相交起始处之间设有褶皱，其中，所述相交起始处为弹性膜到达相交面的起始处。

在一个实施例中，所述内压环顶端还设有顶压环。

在一个实施例中，所述第一垫片包括上层的致密层和下层的疏松层。

在一个实施例中，所述疏松层的厚度大于所述致密层的厚度。

在一个实施例中，所述第一垫片为环形，第一垫片的环宽与晶圆的半径之间的比值在1/4～1/5之间。

在一个实施例中，所述第一垫片尽量靠近内压环的底面边缘但不超过该底面边缘。

在一个实施例中，所述内压环和外压环之间还设有第二垫片。

在一个实施例中，所述内压环和基座组件之间还设有第三垫片。

本实用新型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。

本实用新型实施例的有益效果包括：优化承载头的结构，提高边缘可控性。

附图说明

通过结合以下附图所作的详细描述，本实用新型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，并不限制本实用新型的保护范围，其中：

图1示出了本实用新型一实施例提供的化学机械抛光设备；

图2示出了实施例1提供的承载头；

图3示出了实施例2提供的承载头；

图4和图5示出了实施例3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，对本实用新型所述技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本实用新型的特定的具体实施方式，用于说明本实用新型的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本实用新型实施方式及本实用新型保护范围的限制。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，以下对本实用新型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。

为了说明本实用新型所述的技术方案，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，本实用新型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5示出了本实用新型多个实施例提供的用于化学机械抛光的承载头30，承载头30包括基座组件32、保持环36、弹性膜33、外压环35和内压环34，下面具体介绍。这里说明一下，本申请中的“内”、“外”是以弹性膜33的圆心为参照，靠近弹性膜33圆心的为“内”，远离的为“外”。

实施例1

如图2所示，基座组件32连接在枢轴31的下方，用于支撑固定保持环36和弹性膜33。基座组件32下方安装有围绕可加压腔室331设置的保持环36，保持环36围绕弹性膜33、外压环35和内压环34。在化学机械抛光过程中，保持环36的内部直径表面与弹性膜33的下部表面之间形成一容纳空间，用于限定晶圆。保持环36的底部表面朝下并与抛光垫的上表面相对，位于保持环36内部的晶圆抵压于抛光垫的上表面，保持环36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36的底面设有通道，用于抛光液流入、流出。

如图2所示，基座组件32下方夹持有弹性膜33以形成可加压腔室331，在可加压腔室331内定位有内压环34，在可加压腔室331外设有外压环35，外压环35和内压环34套设装配。外压环35、内压环34是自由浮动的。当可加压腔室331内通入气体后，腔室内压强增大，压强透过弹性膜33传递至晶圆，内压环34和外压环35配合限定了弹性膜33的位置和形状。

外压环35和内压环34可以套在一起，具体地，外压环35为环形，内压环34包括圆形的底板341和从底板341向上延伸形成的环形壁342，环形壁342距底板341的边缘有一定距离，从而在内压环34的上部边缘区域形成一个可以匹配外压环35的边缘槽343，即内压环34具有一个与外压环35匹配的边缘槽343，边缘槽343在底板341和环形壁342之间，利用此空间实现环形的外压环35套在环形壁342的外周。另外，内压环34的材料为钛合金或不锈钢材质。

如图2所示，弹性膜33包括起始端332、伸出部分333、在外压环35和内压环34之间弯曲延伸的周边部分336以及底面。弹性膜33的起始端332夹在保持环36和基座组件32之间。弹性膜33穿过外压环35和内压环34之间的相交面并绕内压环34的外缘延伸从而包裹内压环34并在底部形成用于抵接晶圆的底面。其中，弹性膜33到达该相交面的起始处可以称为相交起始处335。从起始端332到相交起始处335之间的一段称为伸出部分333。周边部分336的弯曲路径从底面的边缘依次向上、向内、向上和向外延伸连接伸出部分333。装配时，弹性膜33先包裹在内压环34的外面，再套上外压环35。弹性膜33分隔开内压环34和外压环35，内压环34和外压环35不直接接触，弹性膜33的一部分位于内压环34和外压环35之间。

如图2所示，内压环34的底面靠近边缘的位置设有弹性的第一垫片37，通过内压环34按压第一垫片37以调节晶圆边缘的形貌。第一垫片37为环形，可以沿周向粘接在内压环34的底面。第一垫片37的位置和尺寸决定了对晶圆边缘的调控范围和能力。优选地，垫片的环宽与晶圆的半径之间的比值在1/4～1/5之间。当可加压腔室331内通入气体后，气体压强通过内压环34将第一垫片37向下按压，从而将局部的下压力作用在弹性膜33下方的晶圆表面，实现了调节晶圆相应的环形区域的抛光压力。另外，第一垫片37还可以将弹性膜33底面与内压环34底面之间的区域分为两个分区，分别是内分区338和外分区339，内分区338在弹性膜33的中央区域，外分区339在弹性膜33的边缘区域。通过第一垫片37与弹性膜33之间压实的程度还可以控制外分区339的进气量，进而控制外分区339对晶圆的下压力。

在一个实施例中，第一垫片37包括上层的致密层和下层的疏松层。疏松层的厚度大于致密层的厚度。疏松层的材质为具有弹性和微孔结构的毛毡材料。致密层为胶体材料，用于将第一垫片37粘接在内压环34的底面。第一垫片37用于实现边缘分区，同时防止金属材质的内压环34割伤弹性膜33。

如图2所示，在一个实施例中，内压环34的上表面边缘还设有弹性的第二垫片38，第二垫片38的具体位置在边缘槽343的底面，第二垫片38将该边缘槽343的底面与弹性膜33之间分隔开，起到缓冲作用，避免外压环35和内压环34之间碰撞损伤弹性膜33。

如图2所示，在一个实施例中，内压环34的上表面，即内压环34和基座组件32之间还设有第三垫片39。当然第三垫片39也可以固定在基座组件32底面的对应位置。第三垫片39用于缓冲内压环34和基座组件32之间的碰撞。

实施例2

如图3所示，实施例2中，内压环34设有通气孔345，通气孔345连通内压环34的内侧面和外底面。具体地，通气孔345在内压环34的环形壁342的内侧面开口在内部延伸从底板341的底面出口，或者，通气孔345在内压环34的底板341的上表面开口向下延伸从底板341的底面出口。通气孔345用于连通弹性膜33内位于内压环34下方的区域以及位于内压环34上方的区域，保证稳定供气、气压稳定。

进一步，通气孔345在内压环34的外底面的出口位于第一垫片37的外侧，也就是说通气孔345的出口通向位于第一垫片37的外侧的外分区339，从而防止抛光晶圆过程中，在大压力工况下即当可加压腔室331内通入较大气压时出现第一垫片37被内压环34紧紧压在弹性膜33上使得位于边缘的外分区339内无法进气的现象，避免了第一垫片37被压实在弹性膜33上造成加压时晶圆在第一垫片37的位置出现过抛甚至弹性膜33被撕裂的现象。

如图3所示，在一个实施例中，弹性膜33穿过相交面的高度a与可加压腔室331的最高高度b之间的比值在1/4～1/3之间，即1/4≤a/b≤1/3，从而减小装配后弹性膜33及外压环35、内压环34整体的轴向尺寸，避免弹性膜33、外压环35与内压环34组装后出现松垮现象，进而防止由于松垮导致的抛光作业时晶圆边缘位置的抛光稳定性不理想。

实施例3

如图4和图5所示，实施例3中为了增加承载头30内部的轴向空间利用率，弹性膜33在起始端332和相交起始处335之间设有褶皱334，其中，相交起始处335为弹性膜33到达相交面的起始处。设置具有柔性的褶皱334既保证了在装片(Load)或卸片(Unload)过程中弹性膜33的轴向柔性，增强了柔性，又能在抛光作业中减轻加压后晶圆边缘发生过抛现象。

如图4和图5所示，内压环34顶端还设有顶压环344，此顶压环344取代了第三垫片39，增加顶压环344可以将弹性膜33的周边部分336完全包裹并覆盖一部分的伸出部分333，防止装配后出现松垮现象。

如图4和图5所示，第一垫片37为环形，第一垫片37尽量靠近内压环34的底面边缘但不超过该底面边缘，换句话说，装配时第一垫片37尽可能塞入弹性膜33和内压环34之间的边缘，但是第一垫片37不能超出内压环34的边缘。这样设计可以去掉实施例1中所说的外分区339，也能避免出现由于外分区339进不了气而造成晶圆边缘抛光不可控的现象。

进一步，第一垫片37的边缘靠近内压环34的边缘，第一垫片37的环宽与晶圆的半径之间的比值在1/4～1/5之间，能够补偿保持环36和弹性膜33压力覆盖不到的区域，提高了对晶圆边缘的调控范围和能力。

综上，本申请具有以下优点：

1)限定的弹性膜33结构尺寸，可避免内压环34和第一垫片37位置压实晶圆导致的过抛现象；

2)合理的压环设计能防止弹性膜33组件装配后出现松垮现象进而影响圆周均匀性；

3)合理的第一垫片37位置和尺寸可有效增强可加压腔室331压力的调节能力；

4)内压环34边缘增加通气孔345可使边缘加压稳定，不会因为内压环34和第一垫片37压实晶圆而导致边缘无法进压或排气，确保边缘的压力的可调控性；

5)改进的弹性膜33结构，在保证避免内压环34和第一垫片37位置压实晶圆导致的过抛现象的同时，还可以防止出现装片或卸片失败的问题。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本实用新型的构思，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实用新型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实用新型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实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型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，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (13)

1.一种用于化学机械抛光的承载头，其特征在于，包括连接在枢轴下方的基座组件，在基座组件下方夹持有弹性膜以形成可加压腔室，在可加压腔室内定位有内压环，在可加压腔室外设有外压环，外压环和内压环套设装配；所述弹性膜的起始端固定于基座组件，弹性膜穿过外压环和内压环之间的相交面并绕内压环的外缘延伸从而包裹内压环并在底部形成用于抵接晶圆的底面；所述内压环的底面靠近边缘的位置设有第一垫片，通过内压环按压所述第一垫片以调节晶圆边缘的形貌。

2.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述内压环设有通气孔，所述通气孔连通内压环的内侧面和外底面。

3.如权利要求2所述的承载头，其特征在于，所述通气孔在内压环的外底面的出口位于所述第一垫片的外侧。

4.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述弹性膜穿过所述相交面的高度与所述可加压腔室的高度之间的比值在1/4～1/3之间。

5.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述弹性膜在起始端和相交起始处之间设有褶皱，其中，所述相交起始处为弹性膜到达相交面的起始处。

6.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述内压环顶端还设有顶压环。

7.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述第一垫片包括上层的致密层和下层的疏松层。

8.如权利要求7所述的承载头，其特征在于，所述疏松层的厚度大于所述致密层的厚度。

9.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述第一垫片为环形，第一垫片的环宽与晶圆的半径之间的比值在1/4～1/5之间。

10.如权利要求1或9所述的承载头，其特征在于，所述第一垫片尽量靠近内压环的底面边缘但不超过该底面边缘。

11.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述内压环和外压环之间还设有第二垫片。

12.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述内压环和基座组件之间还设有第三垫片。

13.一种化学机械抛光设备，其特征在于，包括如权利要求1至12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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