TWI829054B - 一種晶圓研磨裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露了一種晶圓研磨裝置，包括第二壓力介質腔體，用於感應壓力變化；多孔盤，帶有多個通孔，下表面包覆柔性單腔膜；導通閥單元，用於第二壓力介質腔體和第三壓力介質腔體之間的導通或隔離，其至少包括導通閥座，導通閥，及彈性件，導通閥座下端伸入通孔內，導通閥的下端突出於導通閥座的下端面；導通閥座與多孔盤由柔性單腔膜覆蓋配合形成第三壓力介質腔體；第一壓力介質腔體；於第三壓力介質腔體形成負壓，使得多孔盤和柔性單腔膜上吸附有晶圓時，導通閥克服彈性件的力相對導通閥座發生移動，將第二壓力介質腔體和第三壓力介質腔體相連通。本發明實現了柔性單腔膜正導通機制，可準確、快速判斷晶圓的裝載狀態，碎片風險小。

Description

一種晶圓研磨裝置
本發明屬於半導體積體電路晶片製造技術領域，尤其是有關一種晶圓研磨裝置。
在CMP設備工藝過程中，研磨頭會在晶圓裝載支架處，通過晶圓裝載系統進行裝片後傳輸至研磨墊上，平坦化工藝前需要檢測並確保晶圓被緊密吸附於研磨頭上，在此研磨台完成研磨後，研磨頭會將晶圓從研磨墊上重新吸附起來，轉移至下一研磨墊進行進一步的平坦化或轉移至晶圓裝載支架處進行卸載。因此研磨頭必須具備裝載晶圓的能力，且有檢測晶圓相應的機制。
在晶圓裝載過程中，通過對研磨頭中的介質腔體加壓，使得與介質腔體相連的柔性膜膨脹並與晶圓接觸逐步排除晶圓與柔性膜之間的空氣與液體，待晶圓與柔性膜之間緊密接觸後，再向介質腔體中施加負壓，柔性膜上吸附的晶圓在大氣向上負向力的作用下，晶圓被理想裝載至研磨頭上。
考慮到使用成本問題，市面上大多採用單腔介質腔體搭配柔性單腔膜的研磨頭。單腔介質腔體和柔性單腔膜的使用機制為負導通機制，即對單腔介質腔體施加負壓，當晶圓理想裝載於柔性膜上，較大橫截面積的PIN會卸載部分傳導至導杆上的力，使得導通閥無法導通；而當柔性膜上無晶圓或晶圓與柔性膜之間非理想裝載時，大氣壓力擠壓孔洞中的柔性膜與PIN進行硬接觸，並將大氣壓力傳導至導杆進而導通導通閥。換句話說，這種負壓時晶圓理想裝載所述介質腔體不導通，無晶圓或晶圓以非理想裝載時的所述介質腔體導通的機制稱為負導通機制。
負導通機制相較於正嚮導通機制，存在如下兩個缺點：1）延時性，負導通機制中晶圓只有在裝載動作完成後，保持封閉狀態的檢測腔體壓力回饋值維持穩定時，方能進行邏輯判斷，而正導通機制，晶圓裝載時，會在極短時間導通所述介質腔體，可提前進行邏輯判斷；2）誤判風險，正導通機制中，與晶圓接觸的多腔柔性膜作用面積占比（作用面積/晶圓面積比）大，且PIN小，導通閥導通需要的負壓較小，而負導通機制中作用到晶圓上的力主要通過多孔，作用面積占比小，PIN大，無晶圓/非理想載入狀態時導通閥相對快速導通(無晶圓/非理想載入判定)需要的負壓較大，高的負壓會導致理想載入時作用在多孔處的壓力過大，進而導通導通閥，存在誤判風險。另一方面，柔性膜彈性模量隨壽命變小等因素都會導致導通閥誤導通；3）碎片風險高，負導通時，過高負壓條件時作用到晶圓表面的大氣壓力值過大，存在碎片風險。
為了克服現有技術的不足，本發明提供一種晶圓吸附與否的判斷準確性高，判斷速度快，不存在碎片風險的晶圓研磨裝置。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：一種晶圓研磨裝置，包括： 第二壓力介質腔體，用於感應壓力變化； 多孔盤，帶有多個通孔，其下表面包覆有柔性單腔膜，用於支撐晶圓； 導通閥單元，設於第二壓力介質腔體和第三壓力介質腔體之間，用於第二壓力介質腔體和第三壓力介質腔體之間的導通或隔離，其至少包括導通閥座，可相對導通閥座移動的導通閥，及與導通閥相抵的彈性件，所述導通閥座下端伸入通孔內，所述導通閥的下端突出於導通閥座的下端面； 所述導通閥座與多孔盤由柔性單腔膜覆蓋配合形成第三壓力介質腔體； 第一壓力介質腔體，用於控制多孔盤、第二壓力介質腔體和第三壓力介質腔體的上、下移動； 於第三壓力介質腔體形成負壓，使得多孔盤和柔性單腔膜上吸附有晶圓時，所述導通閥克服彈性件的力相對導通閥座發生移動，將第二壓力介質腔體和第三壓力介質腔體相連通。
本發明通過導通閥和導通閥座的配合，使得在多孔盤和柔性單腔膜緊密吸附晶圓時，晶圓所受吸附力經由柔性單腔膜和導通閥傳遞至彈性件，實現導通閥單元的導通，即第二壓力介質腔體和第三壓力介質腔體相互導通，改變了傳統的柔性單腔膜負導通機制，對研磨裝置是否正確裝載晶圓的判斷更加快速、準確，在晶圓吸附判定準確性、及時性和安全性方面都有提高，而且無需搭配多氣路系統，使用成本降低。
進一步的，在所述第三壓力介質腔體呈負壓狀態時，所述導通閥座的下端面與多孔盤的下表面齊平。
導通閥座的下端面與多孔盤的下表面齊平，有利於晶圓支撐受力分佈均勻；當無導通閥座結構或導通閥座下端面高於多孔盤下表面過多時，柔性單腔膜在此通孔區域上在第三壓力介質腔體負壓時，會形成過量的變形，受負壓影響變形量較大時，易使得向上的負壓力大於彈性件導通所需力，而使第二壓力介質腔與第三壓力介質腔體導通。
進一步的，所述通孔的內徑大於導通閥座的外徑，使得導通閥座外壁和通孔內壁之間形成供柔性單腔膜發生形變的間隙，有利於增加負壓區間，從而增加晶圓所受吸附力。
間隙的設置使得負壓吸附晶圓過程中，柔性單腔膜在導通閥座和通孔之間形成類似圓環狀的負壓區間，使得該區間形成對晶圓的吸附力，進而增加了對晶圓的整體吸附力。
進一步的，所述間隙徑向寬度為S，所述柔性單腔膜的厚度為H，則S≥2H。當間隙徑向寬度S≥2H時，柔性單腔膜受第三壓力介質腔體負壓作用，會向上往間隙內彎曲變形，柔性單腔膜與晶圓之間形成負壓區域，實現對晶圓的吸附。反之，間隙徑向寬度S＜2H，則柔性單腔膜無法變形而降低對對晶圓的吸附力，從而容易導致研磨裝置裝載晶圓失敗。
進一步的，所述導通閥突出於導通閥座下端面的長度為D，則D≥1/10H。長度D需充分考慮柔性單腔膜的厚度及其壓縮性。第三壓力介質腔體負壓吸附晶圓過程中，晶圓受負壓力向上移動，負壓力由從晶圓經由柔性單腔膜傳遞至導通閥，因此柔性單腔膜會受導通閥壓應力產生局部壓縮變形。如果長度D小於柔性單腔膜的壓縮變形量，則晶圓無法實現導通閥的移動。1/10H為柔性單腔膜的最小壓縮變形量。
進一步的，所述導通閥座下端面的外徑為d1，所述導通閥的外徑為d2，則d1≥d2+H。第三壓力介質腔體在無晶圓狀態時負壓收縮柔性單腔膜向上變形，最終接觸並包覆導通閥的端部及導通閥座的下端面，導通閥座的下端面對柔性單腔膜形成支撐，導通閥僅受到柔性單腔膜在端部局部的負壓力，遠小於彈性件對導通閥的預緊力，從而實現無晶圓狀態時的柔性單腔膜無法通導第三壓力介質腔體和第二壓力介質腔體，因此能判斷此時研磨裝置未成功吸附晶圓。其中關鍵尺寸關係為d1≥d2+H，此時導通閥座才能對柔性單腔膜形成支撐效果。
通過理論計算可對導通閥相關參數S、D、d1和d2等參數進行綜合調整，從而從設計上實現降低晶圓成功吸附的真空條件，從而大大降低晶圓碎片風險。
進一步的，所述導通閥座的中心與其所在通孔的中心重合。
進一步的，所述通孔均為圓形，或均為橢圓形，或均為四邊形，或均為異形，或為上述至少兩種形狀的組合。
本發明的有益效果是，1）改變了傳統的柔性單腔膜負導通機制，可準確、快速判斷晶圓的裝載狀態，提高了晶圓裝載效率；2）裝載壓力減小，也可降低晶圓碎片風險；3）無需搭配多氣路系統，使用成本降低。
為了使本技術領域的人員更好的理解本發明方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本發明保護的範圍。
如圖1-圖3所示，一種晶圓研磨裝置，包括第一壓力介質腔體1、第二壓力介質腔體2、第三壓力介質腔體3、多孔盤5、柔性單腔膜6、及導通閥單元4。
第二壓力介質腔體2，又稱為檢測腔體，用於感應壓力變化，通過此第二壓力介質腔體2內壓力的變化判定晶圓7是否裝載成功；
多孔盤5，由剛性材料製成，其帶有多個通孔51，其下表面包覆有柔性單腔膜6；多孔盤5的下表面呈平面，當柔性單腔膜6吸附了晶圓7時，多孔盤5可以作為晶圓7的主要支撐部件，其中柔性單腔膜6在通孔51上變形與晶圓7形成負壓空間，為晶圓7提供吸附在多孔盤5上的壓力；
導通閥單元4，設置在第二壓力介質腔體2和第三壓力介質腔體3之間，用於上述第二壓力介質腔體2和第三壓力介質腔體3之間的導通或隔離；導通閥單元4至少包括導通閥座41，可以相對導通閥座41移動的導通閥42，及與導通閥42相抵的彈性件43，導通閥座41的下端伸入通孔51內，而導通閥42的下端突出於導通閥座41的下端面；
具體的，定義導通閥42突出於導通閥座41下端面的長度為D，柔性單腔膜6的厚度為H，則D≥1/10H；
更具體的，在本實施例中，導通閥座41大致呈圓柱形，其中心帶有穿孔，通孔51為圓形，導通閥座41的中心與所在的通孔51中心重合，即兩者同心同軸設置；定義導通閥座41下端面的外徑為d1，導通閥42的外徑為d2，則d1≥d2+H；
當然在其他實施例中，導通閥座41也可以是別的結構，不限於圓柱形；通孔51還可以是橢圓形，或者是四邊形，或者是別的異形結構，或者是一個多孔盤5上帶有多種形狀的通孔；導通閥座41和通孔51也可以不同心同軸設置；
導通閥座41與多孔盤5由柔性單腔膜6覆蓋、配合形成上述的第三壓力介質腔體3；
第一壓力介質腔體1，用於控制多孔盤5、第二壓力介質腔體2和第三壓力介質腔體3的上、下移動；
在第三壓力介質腔體3形成負壓，從而使得多孔盤5上吸附有晶圓7時，導通閥42克服彈性件43的力相對導通閥座41發生移動，將第二壓力介質腔體2和第三壓力介質腔體3相連通。
當多孔盤5上沒有吸附，或者說沒有緊密吸附晶圓7時，由於柔性單腔膜6包裹在導通閥42端面，其力度不足以克服彈性件43的力，如圖6所示，從而導通閥42不會相對導通閥座41發生移動，第二壓力介質腔體2和第三壓力介質腔體3無法導通，處於隔離狀態。換句話說，本發明的晶圓研磨裝置利用正導通機制判斷晶圓7是否被良好吸附。
為了保證晶圓7被緊密吸附時受力更加均勻，在第三壓力介質腔體3呈負壓狀態時，導通閥座41的下端面與多孔盤5的下表面相齊平。
為了避免導通閥座41所在處對晶圓7的吸附力偏小，通孔51的內徑大於導通閥座41的外徑，從而使得導通閥座41的外壁和通孔51的內壁之間形成供柔性單腔膜6發生形變的間隙511。
具體的，間隙511的徑向寬度為S，柔性單腔膜6的厚度為H，則S≥2H，如圖3所示。
本發明的使用過程是，當晶圓7需要在裝載支架或研磨墊上進行夾持時，第一壓力介質腔體1加壓垂直方向向下帶動第二壓力介質腔體2、第三壓力介質腔體3向下行進，研磨裝置位於裝載支架或研磨墊上的晶圓7的正上方，如圖3所示；
對第二壓力介質腔體2、第三壓力介質腔體3加壓，柔性單腔膜6發生圓弧形變，柔性單腔膜6與晶圓7逐步自晶圓7中心向外接觸的同時會排除二者之間的空氣、液體後形成緊密貼合，如圖4所示；
保持第二壓力介質腔體2保壓狀態，對緊密吸附晶圓7的第三壓力介質腔體3施加負壓，柔性單腔膜6和晶圓7在大氣負向力的作用下向上行進，抵達多孔盤5後，整體在多孔盤5的通孔51繼續受壓，由於晶圓7的存在，柔性單腔膜6負壓空間會相對較大，另一方面各向的大氣壓力會通過晶圓7傳導至柔性單腔膜6並通過導通閥42傳輸至彈性件43，當活動部件向上的行程達到一定閾值時，導通閥42向上移動，導通閥42導通，第二壓力介質腔體2、第三壓力介質腔體3導通成負壓狀態，如圖5所示。
晶圓7吸附於柔性單腔膜6上時，晶圓7、柔性單腔膜6、多孔盤5三者主體呈疊加平行的狀態，同時導通閥座41下表面、晶圓7、柔性單腔膜6三者局部呈疊加平行的狀態，此時晶圓7受力分佈均勻，不易破損。
導通之後，持續的負向力會向上支撐晶圓7，達到緊密吸附晶圓7的效果，第二壓力介質腔體2、第三壓力介質腔體3的壓力回饋曲線分別如圖7所示中的P2、P3所示。
當研磨裝置上晶圓7未理想裝載時，會出現第二壓力介質腔體2、第三壓力介質腔體3無法導通。在未導通情況下，第三壓力介質腔體3負壓會壓迫第二壓力介質腔體2，導致第二壓力介質腔體2的壓力回饋值升高最終保持穩定。在無晶圓或非理想裝載情況下，第二壓力介質腔體2、第三壓力介質腔體3的壓力回饋曲線如示意圖8所示。
對比實施例
如圖9所示，本實施例與實施例一的不同之處在於，缺少導通閥座結構41。
當研磨裝置未裝載晶圓7時，如圖9所示, 柔性單腔膜6在負壓作用下向多孔盤5的通孔51內收縮，由於無晶圓7，柔性單腔膜6基本貼合多孔盤5的通孔51，由於沒有導通閥座41下表面對柔性單腔膜6形成大面積支撐作用，由於柔性單腔膜6柔性的特質，僅貼附導通閥42下端外壁，產生向上傳輸至彈性件43的力不足以使得導通閥42導通。
上述具體實施方式用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和申請灣利範圍的保護範圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護範圍。
1:第一壓力介質腔體 2:第二壓力介質腔體 3:第三壓力介質腔體 4:導通閥單元 5:多孔盤 6:柔性單腔膜 7:晶圓 41:導通閥座 42:導通閥 43:彈性件 51:通孔 511:間隙 D:長度 d1、d2:外徑 H:厚度 P2、P3:壓力回饋曲線 S:寬度
圖1為本發明的剖視立體圖。 圖2為本發明的多孔盤的仰視圖。 圖3為本發明未吸附晶圓狀態的剖視圖。 圖4為本發明的柔性單腔膜開始形變狀態的剖視圖。 圖5為本發明負壓吸附晶圓狀態的剖視圖。 圖6為本發明負壓下但未吸附晶圓狀態的剖視圖。 圖7為本發明緊密吸附晶圓時第二壓力介質腔體、第三壓力介質腔體的壓力回饋曲線圖。 圖8為本發明未吸附晶圓時第二壓力介質腔體、第三壓力介質腔體的壓力回饋曲線圖。 圖9為對比實施例中研磨裝置未吸附晶圓狀態的剖視圖。
1:第一壓力介質腔體
2:第二壓力介質腔體
3:第三壓力介質腔體
4:導通閥單元
5:多孔盤
6:柔性單腔膜
41:導通閥座
42:導通閥
43:彈性件
51:通孔

Claims (6)

  1. 一種晶圓研磨裝置，包括：第二壓力介質腔體(2)，用於感應壓力變化；多孔盤(5)，帶有多個通孔(51)，其下表面包覆有柔性單腔膜(6)，用於支撐晶圓(7)；導通閥單元(4)，設於所述第二壓力介質腔體(2)和第三壓力介質腔體(3)之間，用於所述第二壓力介質腔體(2)和所述第三壓力介質腔體(3)之間的導通或隔離，其至少包括導通閥座(41)、可相對所述導通閥座(41)移動的導通閥(42)、及與所述導通閥(42)相抵的彈性件(43)，所述導通閥座(41)下端伸入所述通孔(51)內，所述導通閥(42)的下端突出於所述導通閥座(41)的下端面；所述導通閥座(41)與所述多孔盤(5)由所述柔性單腔膜(6)覆蓋配合形成所述第三壓力介質腔體(3)；第一壓力介質腔體(1)，用於控制所述多孔盤(5)、所述第二壓力介質腔體(2)和所述第三壓力介質腔體(3)的上、下移動；於所述第三壓力介質腔體(3)形成負壓，使得所述多孔盤(5)和所述柔性單腔膜(6)上吸附有所述晶圓(7)時，所述導通閥(42)克服所述彈性件(43)的力相對所述導通閥座(41)發生移動，將所述第二壓力介質腔體(2)和所述第三壓力介質腔體(3)相連通， 其中所述通孔(51)的內徑大於所述導通閥座(41)的外徑，使得所述導通閥座(41)外壁和所述通孔(51)內壁之間形成供所述柔性單腔膜(6)發生形變的間隙(511)，其中在所述第三壓力介質腔體(3)呈負壓狀態時，所述導通閥座(41)的下端面與所述多孔盤(5)的下表面齊平。
  2. 如請求項1所述的晶圓研磨裝置，其中所述間隙(511)徑向寬度為S，所述柔性單腔膜(6)的厚度為H，則S
    Figure 110148368-A0305-02-0017-4
    2H。
  3. 如請求項2所述的晶圓研磨裝置，其中所述導通閥(42)突出於所述導通閥座(41)下端面的長度為D，則D
    Figure 110148368-A0305-02-0017-2
    1/10H。
  4. 如請求項3所述的晶圓研磨裝置，其中所述導通閥座(41)下端面的外徑為d1，所述導通閥(42)的外徑為d2，則d1
    Figure 110148368-A0305-02-0017-5
    d2+H。
  5. 如請求項1所述的晶圓研磨裝置，其中所述導通閥座(41)的中心與其所在所述通孔(51)的中心重合。
  6. 如請求項1所述的晶圓研磨裝置，其中所述通孔(51)均為圓形，或均為橢圓形，或均為四邊形，或均為異形，或為上述至少兩種形狀的組合。
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