CN221248288U - 边缘抛光头和晶圆边缘抛光装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于晶圆边缘抛光的边缘抛光头和晶圆边缘抛光装置。晶圆边缘抛光装置包括：卡盘旋转电机和壳体，卡盘旋转电机固定在壳体上，并且，在壳体中设置真空型卡盘、边缘抛光头、边缘抛光头旋转电机、抛光头移位机构和抛光液供给装置，真空型卡盘被构造为能够在卡盘旋转电机的驱动下围绕真空型卡盘的中心轴旋转，其中，边缘抛光头包括：抛光轮、环形垫和砂纸，抛光轮具有圆形的横截面，在抛光轮的外周上套设置环形垫，在环形垫的外周贴附砂纸，抛光轮、环形垫和砂纸从内到外依次组装，形成边缘抛光头，其中，环形垫采用具有弹性的材料制成，抛光轮被构造为能够在边缘抛光头旋转电机的驱动下围绕抛光轮的中心轴旋转。

Description

边缘抛光头和晶圆边缘抛光装置

技术领域

本实用新型总体上涉及半导体制造领域，更具体地，涉及边缘抛光头和晶圆边缘抛光装置。

背景技术

随着半导体技术朝向大尺寸晶圆的方向发展，对晶圆的表面颗粒度、边缘及表面的平坦度等提出了更高的要求。在制备晶圆的切片工艺中，由于各种原因，例如在长晶过程中的温度不均衡或者在切片过程中的应力问题等，导致切片所得的晶圆边缘比较粗糙，存在凹凸不平、尖角等不良。在后续加工工艺中可能会受到外力作用，当外力超出晶圆的最大负载或者应力过度集中时会造成晶圆裂痕、晶圆破片等问题，影响晶圆工艺良率，因此，需要对晶圆进行边缘抛光，使得晶圆边缘的损伤部分能被去除，得到光滑的晶圆边缘。

化学机械抛光(CMP，又称化学机械平坦化、化学机械研磨)是用于实现晶圆表面平坦化的常用技术。这种平坦化方法通常需要将基板安装在载具或拋光头上。基板的暴露表面通常抵靠旋转拋光垫放置。在基板上提供可控负载以抵靠拋光垫并推动该基板，通常将研磨拋光浆料供给到拋光垫的表面。

用于边缘抛光的化学机械抛光设备被引入到晶圆边缘加工工艺，作为晶圆边缘剥落或粗糙度清洁的解决方案。然而，在使用单独的边缘抛光设备时，安装和配置这种独立的抛光设备，不但需要大的资金投入和人力成本，而且增加了设备的整体空间，存在工艺设备之间布局、晶圆转移等问题，操作繁琐，效率低。

此外，用于晶圆边缘的湿法刻蚀或干法刻蚀方案会不必要地去除晶圆边缘的薄膜，另外，会受到薄膜刻蚀速率的限制，并且晶片边缘形状不均匀，严重影响工艺良率。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型提供一种用于晶圆边缘抛光的边缘抛光头以及晶圆边缘抛光装置，用于解决相关技术中结构复杂、效率低、成本高等问题。

根据本实用新型的第一方面，提供一种用于晶圆边缘抛光的边缘抛光头，包括：抛光轮、环形垫和砂纸，其中，抛光轮具有圆形的横截面，在抛光轮的外周套设环形垫，在环形垫的外周贴附砂纸，并且，环形垫采用具有弹性的材料。

在本实用新型第一方面的实施方式中，环形垫可以采用橡胶材料；边缘抛光头的整体外形可以是圆柱体形状，或者可以是圆台体形状；砂纸可以采用柔性砂纸。

根据本实用新型的第二方面，提供一种晶圆边缘抛光装置，包括：卡盘旋转电机和壳体，卡盘旋转电机固定在壳体上，并且，在壳体中设置真空型卡盘、边缘抛光头、边缘抛光头旋转电机、抛光头移位机构和抛光液供给装置，真空型卡盘被构造为能够在卡盘旋转电机的驱动下围绕真空型卡盘的中心轴旋转，其中，边缘抛光头包括：抛光轮、环形垫和砂纸，抛光轮具有圆形的横截面，在抛光轮的外周套设环形垫，在环形垫的外周贴附砂纸，并且，环形垫采用具有弹性的材料，其中，抛光轮被构造为能够在边缘抛光头旋转电机的驱动下围绕抛光轮的中心轴旋转。

在本实用新型第二方面的实施方式中，边缘抛光头的整体外形可以是圆柱体形状，或者可以是圆台体形状；砂纸可以采用柔性砂纸。

在本实用新型第二方面的实施方式中，真空型卡盘可以竖直地取向。

在本实用新型第二方面的实施方式中，与边缘抛光头旋转电机相连接的边缘抛光头可以是可拆卸的。

在本实用新型第二方面的实施方式中，抛光头移位机构可以包括可移动机械臂和机械臂电机。

在本实用新型第二方面的实施方式中，还包括清洗装置。

本实用新型的晶圆边缘抛光装置具有以下有益效果：根据本实用新型，边缘抛光头具有高回弹性质，有利于抵接晶圆边缘进行抛光，而且其具有快速的恢复能力，有助于改善抛光均匀性，并且有利于提高边缘抛光头的使用寿命。根据本实用新型的晶圆边缘抛光装置，能够实现对晶圆边缘的稳定的抛光操作。

根据本实用新型的晶圆边缘抛光装置的边缘抛光头外部形状的表面角度可以修改，可以定制抛光头尺寸和表面角度，以满足晶圆正面或背面的抛光需求和不同的工艺要求。

根据本实用新型的晶圆边缘抛光装置，可以集成装配到现有的晶圆抛光设备例如化学机械抛光设备(例如CMP清洁器)的腔体位置，例如清洗槽位，从而在现有晶圆抛光设备上增加新的处理功能模块，并且有利于减小晶圆抛光设备的整体体积，简化操作并相应地节省人力和资金投入。

附图说明

以下，结合附图对本实用新型的实施方式进行详细说明。附图仅是示例性的，并不对本实用新型构成限制。在附图中，相同的附图标记指代相同的要素，其中：

图1示意性地示出根据本实用新型的晶圆边缘抛光装置的结构示意图，其中，(a)为整体示意图，(b)为局部示意图；

图2示意性地示出晶圆边缘抛光装置中的边缘抛光头的截面示意图；以及

图3A、图3B和图3C示意性地示出边缘抛光头的可选形状。

应当理解，为了图示的简化和/或清楚，在附图中示出的要素不一定按照比例绘制。例如，为了清楚起见，一些要素的尺寸可能相对于其它要素被夸大。此外，为了使本实用新型的构思更容易理解，在附图中省略了本领域已知的要素。附图的尺寸不表示本文所描绘的各种要素的精确尺寸和/或尺寸比例。

具体实施方式

在以下描述中阐述了若干具体的细节。然而，本文所描述的实施方式是可以在没有某些具体细节的情况下实现的。在具体实施方式中，为避免对说明书的理解不清楚，没有详细示出公知的结构和技术。

应理解的是，本说明书所附的图示所示出的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所公开的内容以供理解本实用新型，其并非用于限制本实用新型可实施的条件，在不影响本实用新型所能产生的效果及所能达到的目的情况下，任何结构的修改或变更、比例关系的改变或尺寸的调整，均应落在本实用新型所揭示的技术内容所涵盖的范围内。

应理解的是，在本实用新型的描述中，术语“一端”、“另一端”、“两端”、“一侧”、“中部”、“上”、“顶部”、“前部”、“底部”、“正面”、“背面”、“同轴”等所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实用新型和简化描述，而并非指示或暗示所描述的装置或元件必须具有特定方位或必须以特定方位构造和操作，因此不应解释为对本实用新型的限制，其相对关系的改变或调整，在无实质技术内容改变的情况下，也应视为本实用新型可实施的范围。

应理解的是，在本实用新型的描述中关于方位、取向的描述，例如“竖直”、“竖直地”、“水平”、“水平地”是基于附图所示的方位、取向，其旨在描述要素之间的相对位置关系，不应解释为严格意义上的竖直和/或水平，并非限制为竖直和/或水平地取向。另外，此类术语并非指示或暗示所描述的装置或元件必须具有所述特定取向或必须以所述特定取向构造和操作，因此不应解释为对本实用新型的限制，其相对关系的改变或调整，在无实质技术内容改变的情况下，也应视为本实用新型可实施的范围。

在本实用新型中，除非另有明确规定和限定，术语“安装”、“设置”、“装载”、“固定”、“连接”、“相连”、“旋转”、“转动”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或形成为一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

应当理解，在本文中可能使用了序数词“第一”、“第二”、“第三”等来描述要素，除非明确指出，否则其仅用于区分不同的要素，而不暗示所描述的要素在时间上、空间上，或其它方面必须是给定的顺序。

此外，还应理解，在本文中可能使用了词语“大约”或“约”来修饰数值，这表示在本领域的正常容差范围内。例如，“大约”或“约”可以理解为在所修饰的数值的1％范围内。

晶圆边缘抛光装置是用于对半导体晶圆(以下简称“晶圆”)进行处理的设备。应理解，本文中半导体晶圆是芯片制作过程中圆片装硅晶片的统称。本实用新型中，对于半导体晶圆没有特别限制。

在附图中，图1示意性地示出本实用新型的晶圆边缘抛光装置的结构示意图。如图1中的(a)和(b)所示，晶圆边缘抛光装置包括：卡盘旋转电机1和壳体2，卡盘旋转电机1固定在壳体2上，并且，在壳体2中设置以下部件：真空型卡盘3、边缘抛光头5、边缘抛光头旋转电机6、抛光头移位机构7和抛光液供给装置11。

真空型卡盘3可以在卡盘旋转电机1的驱动下围绕卡盘3的中心轴进行旋转，从而带动置于卡盘上的待处理的晶圆4旋转。

在如图1所示的晶圆边缘抛光装置中，真空型卡盘3竖直地取向，相应地晶圆4竖直地装载在真空型卡盘3上。这样构造的晶圆边缘抛光装置所需的横向空间可以较小，例如其尺寸规格可以设计为仅需占据现有大型抛光设备的一个腔体空间，例如清洁槽位，由此本实用新型的晶圆边缘抛光装置可以安装到或者匹配到或者集成于现有的大型晶圆抛光设备和/或机台，不但能够扩展现有抛光设备的边缘抛光功能，而且节省空间。

但本实用新型不限于图1所示的构造，本领域技术人员应理解，根据不同的应用场合，本实用新型的晶圆边缘抛光装置也可以构造为使真空型卡盘3设置为其它取向，例如水平地放置，相应地，晶圆4水平地装载在真空型卡盘3上，或者其也可以构造为呈其它角度放置，只要能够实现晶圆边缘研磨即可。

壳体2优选地包括密封盖板，用于打开和闭合壳体。密封盖板优选为透明板，从而可以在抛光操作过程中进行观察。

图2示意性地示出边缘抛光头的截面示意图。

边缘抛光头5包括抛光轮8、环形垫9和砂纸10。抛光轮8具有圆形的横截面。抛光轮8可以由合成塑料、树脂等材料制成。抛光轮8与边缘抛光头旋转电机6连接，从而抛光轮8可以在边缘抛光头旋转电机6的驱动下围绕抛光轮的中心轴进行旋转。

在抛光轮8的外周套设环形垫9。在环形垫9的外周贴附砂纸10。抛光轮8、环形垫9和砂纸从内到外依次布置，形成边缘抛光头5。

砂纸10可以根据工艺需求采用各种规格的砂纸，优选地采用柔性砂纸。作为示例，柔性砂纸可采用例如金刚石型(Diamond)磨料抛光带、CeO₂型磨料抛光带等。

环形垫9可以作为软基底，其采用具有弹性的材料制成。环形垫9所具有的弹性使其可以在压力作用下发生形变，使得当边缘抛光头5的环形外周与晶圆4的边缘相抵接时，在压力的作用下，晶圆的边缘可以从抛光头5的外周嵌入所需深度，由此，可以通过抛光头5与晶圆4的边缘之间的相对运动，通过砂纸10对晶圆的边缘进行抛光。而且，由于本实用新型的边缘抛光头具有高回弹性质，由此抛光头具有快速的恢复能力，可以改善抛光均匀性，并且有利于提高边缘抛光头的使用寿命。优选地，环形垫9采用橡胶材料。

根据本实用新型的边缘抛光头的外部形状的尺寸和表面角度可以修改，可以根据需要定制抛光头的尺寸和表面角度。

图3A、图3B和图3C示意性地示出边缘抛光头的可选形状。如图所示，边缘抛光头的整体外形可以是圆柱体形状(参见图3A)，或者，也可以是圆台体形状(参见图3B、图3C)。以上形状是边缘抛光头的可选形状，边缘抛光头的整体外形不限于此，可以根据对晶圆的加工需求设计边缘抛光头的整体外形。

作为示例，将晶圆4的面对真空型卡盘3的表面称为晶圆背面，晶圆的与该背面相反的表面称为正面。当对晶圆的边缘进行抛光时，边缘抛光头5可以采用圆柱体形状的抛光头(参见图3A)。采用这种形状的抛光头，可以对晶圆正面和背面的边缘进行均匀的抛光。另外，当根据工艺需求，需要对晶圆正面的边缘进行抛光时，优选地采用第一圆台体形状的抛光头。在这种情况下，对于第一圆台体形状的抛光头5，第一圆台体形状的在晶圆正面侧的端面设计为具有相对较大的直径，相对地，其在晶圆背面侧的端面设计为具有相对较小的直径(参见图3B)。另外，当根据工艺需求，需要对晶圆背面的边缘进行抛光时，优选地采用第二圆台体形状的抛光头。在这种情况下，对于第二圆台体形状的抛光头5，第二圆台体的在晶圆背面侧的端面具有相对较大的直径，相对地，其在晶圆正面侧的端面设计为具有相对较小的直径(参见图3C)。

与边缘抛光头旋转电机6相连接的边缘抛光头5是可拆卸的，使得可以根据需要对使用过的抛光头进行更换。

抛光头移位机构7可以包括可移动机械臂和机械臂电机。可移动机械臂的一端与机械臂电机相连，另一端与边缘抛光头旋转电机6相连。可移动机械臂可在机械臂电机的驱动下转动和移位，从而调整机械臂的取向，进而调整边缘抛光头5与晶圆4之间的相对位置，以满足不同的抛光需求。

优选地，可移动机械臂是可伸缩的机械臂，可移动机械臂可以在机械臂电机的驱动下伸缩，从而调整机械臂的长度。

晶圆边缘抛光装置还包括抛光液供给装置，具体可以包括抛光液供给管路和抛光液供给喷嘴。供给喷嘴可设计为使得喷嘴的喷洒角度可调。抛光液供给管路的一端与抛光液源相连接，另一端与供给喷嘴相连接，管路上可以设置自动控制阀，自动控制阀可以与控制器连接。抛光液供给喷嘴置于卡盘的一侧，以向晶圆表面供应抛光液。

抛光液可以根据需要选择。作为示例，抛光液可以是去离子水。在另一示例中，抛光液可以是例如二氧化硅的碱性悬浊液。

抛光过程中，晶圆4放置于真空型卡盘3上并在卡盘带动下高速旋转，位于卡盘一侧的抛光液供给喷嘴向晶圆4的表面供应抛光液，随着晶圆4的旋转，抛光液扩散到晶圆的边缘，晶圆边缘与砂纸接触而实现边缘抛光。

抛光液供给装置可以同时作为清洗装置。例如，当抛光操作结束时，可以通过抛光液供给装置供应清洗液。

或者，晶圆边缘抛光装置可以进一步包括清洗装置。清洗装置包括喷嘴和清洗管路，使清洗管路的一端与清洗源相连接，另一端与喷嘴相连接。清洗管路上可以设置控制阀，控制阀可以与控制器连接。当边缘抛光操作结束，控制器可以控制控制阀打开，以通过喷嘴向卡盘和砂纸喷洒清洗液。

通过清洗液对卡盘和砂纸进行清洗，可以避免抛光液中的颗粒以及研磨后产生的颗粒积聚在砂纸和卡盘上导致砂纸的损伤和卡盘的污染，同时避免对晶圆造成损伤。清洗液可以根据需要选择。作为示例，清洗液可以是去离子水。

晶圆边缘抛光装置可以进一步包括回收组件，以对清洗液进行回收。

晶圆边缘抛光装置中的控制器可以是PLC控制器，但不限于此。在控制器内可以预先存储边缘抛光工艺的工艺参数(recipe)，包括抛光时间、抛光液流量、卡盘旋转速度等，但不限于此。控制器根据预先存储的参数控制边缘抛光工艺的启动和结束，控制器可以控制卡盘的旋转速度、抛光液流量等。控制器还可以控制清洗装置。

本实用新型的晶圆边缘抛光装置可以与现有的大型晶圆抛光设备和/或机台(例如化学机械抛光(CMP)设备和/或机台)联合使用，具体而言，本实用新型的晶圆边缘抛光装置可以安装到或者匹配到或者集成于现有的大型晶圆抛光设备和/或机台。本实用新型的晶圆边缘抛光装置所需的空间较小，其尺寸规格可以设计为例如仅需占据大型抛光设备的一个清洁槽位，从而可以安装到或者匹配到或者集成于现有的抛光设备上，不但可以扩展现有抛光设备的边缘抛光功能，而且节省空间。因此，本实用新型的晶圆边缘抛光装置可以替代单独的晶圆边缘抛光设备，从而能够节省晶圆抛光设备的整体体积，并且，将本实用新型的晶圆边缘抛光装置集成装配的操作简单，能够节省人力并降低成本。

本实用新型的晶圆边缘抛光装置的其他结构与现有技术基本相同，出于简洁的目的不赘述。

下面以图1所示的晶圆边缘抛光装置为例，对使用本实用新型的晶圆边缘抛光装置进行晶圆边缘抛光的方法进行说明。

在利用晶圆边缘抛光装置进行边缘抛光时，将待处理晶圆4装载并保持在真空型卡盘3上。

通过抛光头移位机构7使边缘抛光头5到达预定的晶圆边缘抛光位置，使边缘抛光头5的砂纸10与晶圆4的外圆周相邻。具体地，在控制器控制下的可移动机械臂在机械臂电机的驱动下，根据工艺需要调整位置，从而调整与机械臂相连接的边缘抛光头的位置。

驱动卡盘旋转电机1，使卡盘3在卡盘旋转电机1的驱动下围绕卡盘3的中心轴高速旋转，从而带动晶圆4以第一转速沿着第一转向旋转。

在保持卡盘3和其上装载的晶圆4以第一转向旋转的状态下，驱动边缘抛光头旋转电机6，使边缘抛光头5以第二转速沿着第二转向旋转。其中，第二转向可以与第一转向相同，例如均为顺时针方向或者均为逆时针方向。第二转向也可以与第一转向不同，只要晶圆与边缘抛光头之间的相对运动能够实现研磨边缘即可。第一转速和第二转速可以根据实际需要进行设定，例如，第一转速可以是约50～1000RMP，第二转速可以是约500～20000RMP。

控制抛光头旋转电机6的扭矩，以调整边缘抛光头施加到晶圆4的外圆周上的力，从而根据实际需要调整晶圆4的边缘从边缘抛光头5的外周嵌入的深度，即调整边缘抛光距离。例如，施加压力使得晶圆外周缘相对于边缘抛光头向内嵌入的距离可以是约0.1～2mm，例如约1mm，具体的嵌入距离可以通过电机扭矩实时反馈和调整，以检测和优化晶圆边缘抛光操作的状态和晶圆边缘抛光的质量。

通过抛光液供给装置11，将抛光液朝向与晶圆边缘接触的边缘抛光头5的外圆周喷射，随着晶圆4和边缘抛光头5的旋转，抛光液扩散到晶圆的边缘，对晶圆边缘进行抛光。抛光液的流量可以根据实际需要进行设定。

以上步骤的顺序仅是示例性的，可以根据实际需要调整各步骤之间的顺序，或者其中的多个步骤可以同时进行。

对晶圆边缘抛光操作结束后，移除晶圆，之后可以通过清洗装置对卡盘和边缘抛光头进行清洗，由此避免颗粒残留，避免抛光带的损伤和卡盘的污染，提高抛光良率。

根据本实用新型的晶圆边缘抛光装置，能够实现对晶圆边缘的稳定的抛光操作，边缘抛光头具有高回弹性质，有利于抵接晶圆边缘进行抛光，而且其具有快速的恢复能力，有助于改善抛光均匀性，并且有利于提高边缘抛光头的使用寿命。

根据本实用新型的晶圆边缘抛光装置的边缘抛光头外部形状的表面角度可以修改，可以定制抛光头尺寸和表面角度，以满足晶圆正面或背面的抛光需求和不同的工艺要求。

根据本实用新型的晶圆边缘抛光装置，可以集成装配到现有的晶圆抛光设备例如CMP清洁器的清洗槽位，从而在现有晶圆抛光设备上增加新的处理功能模块，并且有利于减小晶圆抛光设备的整体体积，简化操作并相应地节省人力和资金投入。

应当理解，虽然针对具体实施方式描述了本实用新型，但是本领域技术人员在阅读说明书后，可以对其中的一个或多个特征进行修改，而不超出本实用新型的精神和范围。因此，本说明书并不意在限制本实用新型。相反，仅根据所附权利要求及其等同方式限定本实用新型的范围。

Claims (14)

1.一种边缘抛光头(5)，用于晶圆边缘抛光，其特征在于，所述边缘抛光头(5)包括：抛光轮(8)、环形垫(9)和砂纸(10)，其中，所述抛光轮(8)具有圆形的横截面，在所述抛光轮(8)的外周套设所述环形垫(9)，在所述环形垫(9)的外周贴附所述砂纸(10)，并且，所述环形垫(9)采用具有弹性的材料。

2.根据权利要求1所述的边缘抛光头，其特征在于，所述环形垫(9)采用橡胶材料。

3.根据权利要求1所述的边缘抛光头，其特征在于，所述边缘抛光头(5)的整体外形是圆柱体形状。

4.根据权利要求1所述的边缘抛光头，其特征在于，所述边缘抛光头(5)的整体外形是圆台体形状。

5.根据权利要求1所述的边缘抛光头，其特征在于，所述砂纸(10)采用柔性砂纸。

6.一种晶圆边缘抛光装置，包括：卡盘旋转电机(1)和壳体(2)，所述卡盘旋转电机(1)固定在所述壳体(2)上，并且，在所述壳体(2)中设置真空型卡盘(3)、边缘抛光头(5)、边缘抛光头旋转电机(6)、抛光头移位机构(7)和抛光液供给装置(11)，所述真空型卡盘(3)被构造为能够在卡盘旋转电机(1)的驱动下围绕所述真空型卡盘(3)的中心轴旋转，

其特征在于，所述边缘抛光头(5)包括：抛光轮(8)、环形垫(9)和砂纸(10)，所述抛光轮(8)具有圆形的横截面，在所述抛光轮(8)的外周套设所述环形垫(9)，在所述环形垫(9)的外周贴附所述砂纸(10)，并且，所述环形垫(9)采用具有弹性的材料，

其中，所述抛光轮(8)被构造为能够在所述边缘抛光头旋转电机(6)的驱动下围绕所述抛光轮(8)的中心轴旋转。

7.根据权利要求6所述的晶圆边缘抛光装置，其特征在于，所述环形垫(9)采用橡胶材料。

8.根据权利要求6所述的晶圆边缘抛光装置，其特征在于，所述边缘抛光头(5)的整体外形是圆柱体形状。

9.根据权利要求6所述的晶圆边缘抛光装置，其特征在于，所述边缘抛光头(5)的整体外形是圆台体形状。

10.根据权利要求6所述的晶圆边缘抛光装置，其特征在于，所述砂纸(10)采用柔性砂纸。

11.根据权利要求6所述的晶圆边缘抛光装置，其特征在于，所述真空型卡盘(3)竖直地取向。

12.根据权利要求6所述的晶圆边缘抛光装置，其特征在于，与所述边缘抛光头旋转电机(6)相连接的所述边缘抛光头(5)是可拆卸的。

13.根据权利要求6所述的晶圆边缘抛光装置，其特征在于，所述抛光头移位机构(7)包括可移动机械臂和机械臂电机。

14.根据权利要求6所述的晶圆边缘抛光装置，其特征在于，还包括清洗装置。