TW202233359A - 研磨頭及研磨裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種在通過彈性膜形成的壓力室內形成負壓時能夠防止彈性膜的兩側壁彼此的接觸的研磨頭。研磨頭（7）具備：用於將工件（W）按壓於研磨墊（2）的第一彈性膜（41）；配置為包圍第一彈性膜（41）的擋環（33）；用於將擋環（33）按壓於研磨墊（2）的第二彈性膜（50）；固定有第一彈性膜（41）的載體（35）；以及配置於通過第二彈性膜（50）形成的壓力室（58）內，且將第二彈性膜（50）固定於載體（35）的安裝部件（53）。安裝部件（53）具有沿著第二彈性膜（50）的側壁（50A、50B）朝向擋環（33）延伸的支撐部（54A、54B）。

Description

研磨頭及研磨裝置

本發明關於一種將晶片、基板、面板等工件按壓於研磨墊來研磨該工件的研磨頭，特別指以包圍工件的方式配置的擋環的按壓結構。

化學機械研磨（CMP：Chemical Mechanical Polishing）是一邊向研磨墊的研磨面上供給含有二氧化矽（SiO2）等磨粒的研磨液一邊使工件與研磨面滑動接觸而進行研磨的技術。如圖9所示，用於進行CMP的研磨裝置具備：支承研磨墊500的研磨台501、用於保持工件W的研磨頭505以及向研磨墊500供給研磨液的研磨液噴嘴508。

使用此研磨裝置的工件W的研磨方式係以下列步驟進行。一邊使研磨台501與研磨墊500一起旋轉，一邊從研磨液噴嘴508向研磨墊500上供給研磨液。研磨頭505一邊使工件W旋轉一邊將該工件W向研磨墊500按壓。工件W在研磨液的存在下與研磨墊500滑動接觸，工件W的表面通過研磨液的化學性作用與研磨液所含的磨粒及研磨墊500的機械性作用的組合而被平坦化。

在工件W的研磨中，工件W的表面與旋轉的研磨墊500滑動接觸，因此摩擦力作用於工件W。因此，在工件W的研磨中，為了使工件W不從研磨頭505離開，研磨頭505具備擋環510。該擋環510配置為包圍工件W，在工件W的研磨中，擋環510一邊旋轉一邊在工件W的外側按壓研磨墊500。

圖10是表示圖9所示的研磨頭505的一部分的剖視圖。如圖10所示，研磨頭505具有用於將擋環510按壓於研磨墊500的環狀的彈性膜512。在彈性膜512的內側形成有壓力室513。當向壓力室513內供給加壓氣體（例如加壓空氣）時，受到壓力室513內的流體壓力的彈性膜512將擋環510向研磨墊500按壓。因此，在工件W的研磨中，擋環510能夠防止工件W從研磨頭505飛出。

研磨頭505還具有用於將工件W向研磨墊500按壓的彈性膜514。在彈性膜514的內側形成有壓力室515，當向壓力室515內供給加壓氣體（例如加壓空氣）時，受到壓力室515內的流體壓力的彈性膜514將工件W向研磨墊500按壓。因此，工件W在研磨液存在於研磨墊500上的狀態下與研磨墊500滑動接觸。

如圖11的（a）所示，當工件W的研磨結束時，保持工件W的研磨頭505從研磨墊500離開，而與工件W一起移動至規定的釋放位置。而且，如圖11的（b）所示，在壓力室513形成負壓，從而使擋環510對於工件W相對地上升。然後，如圖11的（c）所示，從釋放噴嘴519朝向彈性膜514與工件W的接觸部分噴出液體（例如純水）的噴流，從而將工件W從彈性膜514釋放。 [現有技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]：特開2006-128582號公報 [專利文獻2]：特開2009-131946號公報

[本發明所要解決的技術問題]

然，如圖12所示，當在壓力室513內形成負壓時，彈性膜512的兩側壁可能被真空吸引而相互接觸。在該情況下，不能使擋環510上升至規定的位置，擋環510會妨礙來自釋放噴嘴519的液體的噴流。另外，彈性膜512容易進展成損傷，從而使彈性膜512的壽命縮短。

因此，本發明提供一種在通過彈性膜形成的壓力室內形成負壓時能夠防止彈性膜的兩側壁彼此的接觸的研磨頭。另外，本發明提供一種具備該研磨頭的研磨裝置。 [本發明用於解決技術問題的技術手段]

在一個實施方式中，提供一種用於將工件按壓於研磨墊而研磨該工件的研磨頭，具備：第一彈性膜，用於將所述工件按壓於所述研磨墊；擋環，該擋環配置為包圍所述第一彈性膜；第二彈性膜，用於將所述擋環按壓於所述研磨墊；載體，所述第一彈性膜固定於該載體；安裝部件，配置於通過所述第二彈性膜形成的壓力室內，且將所述第二彈性膜固定於所述載體；以及連結部件，將所述第二彈性膜連結於所述擋環，所述第二彈性膜具有：底壁，與所述連結部件連接；以及側壁，與所述底壁連接，所述安裝部件具有支撐部，該支撐部沿著所述側壁朝向所述擋環延伸。

在一個實施方式中，所述側壁是彼此分離的第一側壁和第二側壁，所述支撐部是分別沿著所述第一側壁和所述第二側壁延伸的兩個支撐部，所述安裝部件具有位於所述兩個支撐部之間的凹陷部，所述連結部件具有突起部，在該連結部件朝向所述安裝部件移動時，該突起部收容於所述凹陷部內。 在一個實施方式中，所述底壁具有朝向所述擋環彎曲的截面形狀，在所述連結部件朝向所述安裝部件移動時，所述支撐部的至少一部分收容於彎曲的所述底壁內。 在一個實施方式中，所述安裝部件具有槽，沿著所述支撐部在所述第二彈性膜的周向上延伸。 在一個實施方式中，所述安裝部件具有貫通所述支撐部的多個通孔，在所述第二彈性膜的周向上排列。 在一個實施方式中，在所述支撐部的至少外側的面實施摩擦降低處理。

在一個實施方式中，提供一種研磨裝置，具備：用於支承研磨墊的研磨台；以及用於將工件按壓於所述研磨墊而研磨該工件的上述研磨頭。 [本發明的效果]

根據本發明，支撐部支撐彈性膜的側壁的內側，能夠防止兩側壁彼此接觸。

以下，參照附圖，對本發明的實施方式進行說明。圖1顯示研磨裝置的一實施方式的示意圖。研磨裝置1是對晶片、基板、面板等工件W進行化學機械性研磨的裝置。如圖1所示，該研磨裝置1具備：支承具有研磨面2a的研磨墊2的研磨台5、將工件W向研磨面2a按壓的研磨頭7以及向研磨面2a供給研磨液（例如，含有磨粒的漿料）的研磨液供給噴嘴8。研磨頭7構成為能夠在其下表面保持工件W。

研磨裝置1還具備：支軸14、與支軸14的上端連結的研磨頭擺動臂16，以及能夠旋轉地支承於研磨頭擺動臂16的自由端的研磨頭軸18。研磨頭7固定於研磨頭軸18的下端。在研磨頭擺動臂16內配置有具備電動機等的研磨頭旋轉機構（未圖示）。該研磨頭旋轉機構與研磨頭軸18連結，並構成為使研磨頭軸18和研磨頭7向由箭頭表示的方向旋轉。

研磨頭軸18與未圖示的研磨頭升降機構（包含滾珠絲杠機構等）連結。該研磨頭升降機構構成為使研磨頭軸18相對於研磨頭擺動臂16相對地上下移動。通過該研磨頭軸18的上下移動，研磨頭7能夠如箭頭所示相對於研磨頭擺動臂16和研磨台5相對地上下移動。

研磨裝置1還具備使研磨墊2和研磨台5以它們的軸心為中心旋轉的工作臺旋轉電機21。工作臺旋轉電機21配置於研磨台5的下方，研磨台5經由台軸5a與工作臺旋轉電機21連結。研磨台5和研磨墊2通過工作臺旋轉電機21以台軸5a為中心向由箭頭表示的方向旋轉。研磨墊2粘貼於研磨台5的上表面。研磨墊2的露出面構成研磨晶片等工件W的研磨面2a。

工件W的研磨如以下進行。工件W以其被研磨面朝下的狀態保持於研磨頭7。一邊使研磨頭7和研磨台5分別旋轉，一邊從設置於研磨台5的上方的研磨液供給噴嘴8向研磨墊2的研磨面2a上供給研磨液（例如，含有磨粒的漿料）。研磨墊2以其中心軸線為中心與研磨台5一體地旋轉。研磨頭7移動至由研磨頭升降機構（未圖示）規定的高度。進而，研磨頭7以維持在上述規定的高度的狀態將工件W按壓於研磨墊2的研磨面2a。工件W與研磨頭7一體地旋轉。在研磨液存在於研磨墊2的研磨面2a上的狀態下，工件W與研磨面2a滑動接觸。工件W的表面通過研磨液的化學性作用和研磨液所含的磨粒及研磨墊2的機械性作用的組合而被研磨。

接著，對研磨頭7進行詳細說明。圖2是研磨頭7的剖視圖。研磨頭7具備頭主體30和擋環33。頭主體30具備：與研磨頭軸18連結的載體35和安裝於載體35的下表面的第一彈性膜38。

第一彈性膜38的下表面構成按壓面38a，該按壓面38a與工件W的上表面（與被研磨面相反一側的面）接觸。在第一彈性膜38形成有多個通孔（未圖示）。在載體35與第一彈性膜38之間形成有多個第一壓力室41。中央的第一壓力室41是圓形的，外側的第一壓力室41是環狀的。這些第一壓力室41通過第一流體線路F1、F2、F3而與壓力調整裝置（未圖示）連接。當向第一壓力室41供給加壓流體（例如，加壓空氣）時，受到第一壓力室41內的流體壓力的第一彈性膜38的按壓面38a將工件W向研磨墊2的研磨面2a按壓。當在第一壓力室41內形成負壓時，工件W通過真空吸附而保持於第一彈性膜38的按壓面38a。第一壓力室41的數量不限於圖2所示的實施方式。在一個實施方式中，也可以是單獨的第一壓力室41設置於載體35與第一彈性膜38之間。

擋環33配置為包圍工件W和第一彈性膜38。更具體而言，擋環33配置為包圍工件W的外周緣和第一彈性膜38的按壓面38a。擋環33的上部與環狀的擋環按壓機構45連結。該擋環按壓機構45構成為，對擋環33的上表面的整體施加均勻地向下的負荷，從而將擋環33的下表面向研磨墊2的研磨面2a按壓。

擋環按壓機構45具備：固定於擋環33的上部的連結部件47、與連結部件47連接的環狀的第二彈性膜50以及將第二彈性膜50安裝於載體35的安裝部件53。連結部件47的具體的結構沒有特別的限定，連結部件47也可以是上側擋環。在第二彈性膜50的內部形成有第二壓力室58。該第二壓力室58通過第二流體線路F4而與壓力調整裝置（未圖示）連接。安裝部件53配置於第二壓力室58內。第二流體線路F4貫通安裝部件53而延伸，並與第二壓力室58連通。在本實施方式中，安裝部件53是沿著擋環33延伸的環狀。

當通過第二流體線路F4向第二壓力室58供給加壓流體（例如，加壓空氣）時，受到第二壓力室58內的流體壓力的第二彈性膜50向下方推動連結部件47，進而，連結部件47向下方推動擋環33的整體。這樣，擋環按壓機構45將擋環33的下表面向研磨墊2的研磨面2a按壓。

圖3是擋環33和擋環按壓機構45的放大剖視圖。如圖3所示，第二彈性膜50具有：兩個側壁50A、50B、與一方的側壁50A連接的底壁50C以及與另一方的側壁50B連接的底壁50D。側壁50A位於另一方的側壁50B的內側，底壁50C位於另一方的底壁50D的內側。第二彈性膜50的上端，即兩個側壁50A、50B的上端由安裝部件53固定於載體35。安裝部件53通過未圖示的螺釘固定於載體35。連結部件47連接於兩個底壁50C、50D。連結部件47是可動部件，根據第二壓力室58內的壓力而上下移動。連結部件47具有朝向安裝部件53突出（即，向上方突出）的突出部47a。

本實施方式中的第二彈性膜50是具有兩個底壁50C、50D的滾動膜片，該兩個底壁50C、50D具有向下方彎曲的截面。該滾動膜片型的第二彈性膜50具有如下優點：第二彈性膜50不會根據第二壓力室58內的壓力的變化而與連結部件47和載體35的內表面摩擦，從而第二彈性膜50能夠順暢地變形。但是，第二彈性膜50不限於本實施方式的形狀，也可以是不具有向下方彎曲的底壁的非滾動膜片型。

安裝部件53具有沿著兩個側壁50A、50B朝向擋環33突出的兩個支撐部54A、54B。這些支撐部54A、54B向下方延伸，並位於第二壓力室58內。支撐部54A、54B彼此分離，在支撐部54A、54B之間形成有凹陷部55。本實施方式的凹陷部55是環狀的。該凹陷部55具有比連結部件47的突出部47a的寬度大的寬度。作為安裝部件53的材料的例子，能夠列舉出金屬（例如不銹鋼）、硬質的樹脂、陶瓷等。

支撐部54A、54B沿著兩個側壁50A、50B的內表面延伸。在向第二壓力室58內供給加壓流體（例如加壓氣體）時，支撐部54A、54B可以與兩個側壁50A、50B的內表面接觸，或者也可以與兩個側壁50A、50B的內表面分離。在第二壓力室58內形成負壓時，支撐部54A、54B能夠從內側支撐這些側壁50A、50B。即，如圖4所示，在第二壓力室58內形成負壓時，側壁50A、50B因負壓而被向彼此接近的方向吸引，但是通過支撐部54A、54B限制了側壁50A、50B向內側的移動。作為結構，支撐部54A、54B能夠防止兩個側壁50A、50B彼此接觸。

而且，根據本實施方式，如圖4所示，當第二壓力室58內形成負壓時，連結部件47朝向安裝部件53移動（即上升），從而連結部件47的突出部47a被收容於安裝部件53的凹陷部55內。同時，支撐部54A、54B的下部分別被收容于向下方彎曲的底壁50C、50D內。因此，確保了連結部件47和擋環33的較大的行程（即，較長的移動距離）。擋環33能夠上升至比第一彈性膜38與工件W的接觸部分高的位置。因此，釋放噴嘴60能夠朝向第一彈性膜38與工件W的接觸部分噴出液體（例如純水）的噴流，從而將工件W從第一彈性膜38釋放。而且，由於支撐部54A、54B能夠防止第二彈性膜50的側壁50A、50B較大地變形，因此能夠延長第二彈性膜50的壽命。

圖5是表示安裝部件53的其他實施方式的放大剖視圖。沒有特別地說明的本實施方式的結構與參照圖1～圖4說明的實施方式相同，因此省略重複的說明。如圖5所示，安裝部件53具有沿著支撐部54A、54B在第二彈性膜50的周向上延伸的槽62A、62B。在本實施方式中，環狀的兩個槽62A、62B沿著兩個支撐部54A、54B的內側延伸。在通過第二流體線路F4排出第二壓力室58內的氣體時，這些槽62A、62B能夠在環狀的第二壓力室58的整體迅速地形成負壓。因此，能夠使擋環33的整體順暢且迅速地上升。

在圖5所示的實施方式中，槽62A、62B沿著支撐部54A、54B的上端形成。但是，槽62A、62B的位置不限於圖5所示的實施方式。例如，如圖6所示，槽62A、62B也可以位於支撐部54A、54B的上端與下端之間。

如圖7所示，在一個實施方式中，槽62A、62B也可以形成於支撐部54A、54B的外側（外表面）。在圖7所示的實施方式中，環狀的兩個槽62A、62B沿著兩個支撐部54A、54B的外側延伸。在向第二壓力室58內供給加壓流體（例如加壓空氣）時，加壓流體流入槽62A、62B，並作用於側壁50A、50B，以使第二彈性膜50的側壁50A、50B從支撐部54A、54B離開。作為結果，第二彈性膜50能夠根據第二壓力室58內的壓力順暢地變形，從而能夠使擋環33順暢地移動。在一個實施方式中，安裝部件53也可以具備圖5或圖6所示的槽（第一槽）62A、62B和圖7所示的槽（第二槽）62A、62B這兩方。

圖8是表示安裝部件53的其他實施方式的放大剖視圖。沒有特別地說明的本實施方式的結構與參照圖1～圖4說明的實施方式相同，因此省略重複的說明。如圖8所示，安裝部件53具有貫通支撐部54A、54B的多個通孔63A、63B。在圖8中，僅畫出了形成於支撐部54A的一個通孔63A和形成於支撐部54B的一個通孔63B，但多個通孔63A、63B沿著第二彈性膜50的周向排列。各通孔63A、63B在第二彈性膜50的半徑方向上貫通支撐部54A、54B。

與參照圖7說明的實施方式相同，在向第二壓力室58內供給加壓流體（例如加壓空氣）時，加壓流體流入多個通孔63A、63B，並作用於側壁50A、50B，以使第二彈性膜50的側壁50A、50B從支撐部54A、54B離開。作為結果，第二彈性膜50能夠根據第二壓力室58內的壓力順暢地變形，從而能夠使擋環33順暢地移動。在一個實施方式中，安裝部件53也可以具備圖5或圖6所示的槽62A、62B和圖8所示的多個通孔63A、63B這兩方。

在圖2～圖8所示的各實施方式中，也可以在支撐部54A、54B的至少外側的面實施摩擦降低處理。摩擦降低處理是能夠降低支撐部54A、54B與第二彈性膜50的摩擦的處理。作為摩擦降低處理的例子，能夠列舉出通過氟樹脂（例如聚四氟乙烯）覆蓋支撐部54A、54B，支撐部54A、54B的表面的粗糙面加工（例如，噴砂處理、壓花加工）。

被實施了摩擦降低處理的支撐部54A、54B能夠使第二彈性膜50根據第二壓力室58內的壓力順暢地變形。作為結果，能夠使擋環33順暢地移動。

上述的實施方式是以具有屬於本發明的技術領域的通常的知識的人能夠實施本發明為目的而記載的。上述實施方式的各種變形例只要是本領域技術人員就當然能夠實現，本發明的技術思想也能夠應用於其他實施方式。因此，本發明不限於所記載的實施方式，而是解釋為按照由請求保護的範圍定義的技術思想的最大範圍。

1:研磨裝置 2:研磨墊 2a:研磨面 5:研磨台 7:研磨頭 8:研磨液供給噴嘴 14:支軸 16:研磨頭擺動臂 18:研磨頭軸 21:工作臺旋轉電機 30:頭主體 33:擋環 35:載體 38:第一彈性膜 38a:按壓面 41:第一壓力室 45:擋環按壓機構 47:連結部件 47a:突出部 50:第二彈性膜 50A、50B:側壁 50C、50D:底壁 53:安裝部件 54A、54B:支撐部 55:凹陷部 58:第二壓力室 62A、62B:槽 63A、63B:通孔 F1、F2、F3:第一流體線路 F4:第二流體線路 W:工件

[圖1]顯示研磨裝置的一實施方式的示意圖。 [圖2] 顯示研磨頭的剖視圖。 [圖3] 顯示擋環和擋環按壓機構的放大剖視圖。 [圖4] 顯示在第二壓力室形成負壓時的擋環和擋環按壓機構的放大剖視圖。 [圖5] 顯示安裝部件的其他實施方式的放大剖視圖。 [圖6] 顯示安裝部件的另一實施方式的放大剖視圖。 [圖7] 顯示安裝部件的另一實施方式的放大剖視圖。 [圖8] 顯示安裝部件的另一實施方式的放大剖視圖。 [圖9] 顯示以往的研磨裝置的示意圖。 [圖10] 顯示圖9所示的研磨頭的一部分的剖視圖。 [圖11]的（a）～（c）顯示以往的研磨頭的動作圖。 [圖12] 顯示說明以往的研磨頭的問題點的圖。

33:擋環

35:載體

38:第一彈性膜

45:擋環按壓機構

47:連結部件

47a:突出部

50:第二彈性膜

50A、50B:側壁

50C、50D:底壁

53:安裝部件

54A、54B:支撐部

55:凹陷部

58:第二壓力室

F4:第二流體線路

W:工件

Claims (7)

1. 一種用於將工件按壓於研磨墊而研磨該工件的研磨頭，包含： 第一彈性膜，用於將所述工件按壓於所述研磨墊； 擋環，配置為包圍所述第一彈性膜； 第二彈性膜，用於將所述擋環按壓於所述研磨墊； 載體，所述第一彈性膜固定於該載體； 安裝部件，配置於通過所述第二彈性膜形成的壓力室內，且將所述第二彈性膜固定於所述載體；以及 連結部件，將所述第二彈性膜連結於所述擋環， 所述第二彈性膜具有： 底壁，與所述連結部件連接；以及 側壁，與所述底壁連接， 所述安裝部件具有支撐部，該支撐部沿著所述側壁朝向所述擋環延伸。
2. 如請求項1所述之研磨頭，其中： 所述側壁是彼此分離的第一側壁和第二側壁， 所述支撐部是分別沿著所述第一側壁和所述第二側壁延伸的兩個支撐部， 所述安裝部件具有位於所述兩個支撐部之間的凹陷部， 所述連結部件具有突起部，在該連結部件朝向所述安裝部件移動時，該突起部收容於所述凹陷部內。
3. 如請求項1或2所述之研磨頭，其中： 所述底壁具有朝向所述擋環彎曲的截面形狀， 在所述連結部件朝向所述安裝部件移動時，所述支撐部的至少一部分收容於彎曲的所述底壁內。
4. 如請求項1或2所述之研磨頭，其中： 所述安裝部件具有槽，該槽沿著所述支撐部在所述第二彈性膜的周向上延伸。
5. 如請求項1或2所述之研磨頭，其中： 所述安裝部件具有貫通所述支撐部的多個通孔，所述多個通孔在所述第二彈性膜的周向上排列。
6. 如請求項1或2所述之研磨頭，其中： 在所述支撐部的至少外側的面實施摩擦降低處理。
7. 一種研磨裝置，包含： 用於支承研磨墊的研磨台；以及 用於將工件按壓於所述研磨墊而研磨該工件的如請求項1至6中任一項所述的研磨頭。

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