一种抛光头及化学机械平坦化设备的制作方法

1.本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种抛光头及化学机械平坦化设备。


背景技术：

2.随着半导体器件的结构越来越复杂以及工艺尺寸越来越小，化学机械平坦化的工序步骤随之增加，因此，使用的原材料以及消耗品的使用量也持续增加。
3.在进行化学机械平坦化时，需要将抛光液分布在抛光垫以及抛光头之间。现有技术中，抛光液添加到抛光垫上后，由于抛光垫旋转产生的离心力，抛光液被抛离至抛光垫外。因此抛光液无法得到充分利用，抛光液的使用成本居高不下。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种抛光头及化学机械平坦化设备，用于引导抛光液流向抛光头，提高抛光液的使用率，节约抛光液的使用成本。
5.第一方面，本发明提供一种抛光头。该抛光头包括保持环和引导杯。引导杯设置在保持环的外围。引导杯包括杯壁，以及开设在杯壁上的至少一个通槽，通槽用于流通抛光液。
6.与现有技术相比，在保持环外围设置引导杯，抛光液可以直接添加在引导杯所包括的杯壁与保持环之间。在此基础上，在上述杯壁设置有至少一个通槽，抛光液可以沿杯壁流向通槽，并由通槽流向抛光头外围的抛光垫，当抛光垫随转盘转动时，被引导杯引导至抛光头外围的抛光垫上的抛光液在离心力的作用下，流转至抛光头下方的抛光垫上，以参与抛光作业。从以上的应用过程可知，由于抛光液在引导杯的作用下，可以先被引导至抛光头的外围，接着在抛光垫离心力的作用下，流转至抛光垫位于抛光头下方的区域以参与抛光，因此，可以降低抛光液在抛光垫的离心力的作用下被甩出抛光垫而造成的浪费，以提高抛光液的利用率，降低抛光成本。
7.第二方面，本发明还提供一种化学机械平坦化设备。该化学机械平坦化设备用于抛光晶圆。化学机械平坦化设备包括转盘、抛光头、抛光液输送装置和抛光垫。抛光垫设置在转盘所具有的承载面上。抛光头用于承载晶圆。抛光液输送装置用于向抛光垫输送抛光液。抛光头为本发明第一方面所述的抛光头。
8.与现有技术相比，第二方面提供的化学机械平坦化设备的有益效果可以参考第一方面的实现方式描述的抛光头的有益效果。
附图说明
9.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
10.图1为现有技术提供的一种化学机械平坦化设备的结构示意图。
11.图2为本发明实施例提供的一种抛光头的结构示意图；
12.图3为本发明实施例提供的化学机械平坦化设备的结构示意图；
13.图4为本发明实施例提供的保持环与引导杯的仰视图；
14.图5为本发明实施例提供的保持环与引导杯的结构示意图；
15.图6为本发明实施例提供的引导杯的结构示意图。
16.附图标记：
17.10-晶圆，
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11-抛光垫，
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12-抛光液输送装置，
18.20-抛光头，
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21-保持环，
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211-导流槽，
19.22-引导杯，
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221-通槽，
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222-倾斜部。
具体实施方式
20.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
21.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
22.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
23.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
24.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.图1示例出现有技术提供的一种化学机械平坦化设备的结构示意图。在半导体器件制造过程中，例如，如图1所示，在利用化学机械平坦化工艺对晶圆10表面进行平坦化处理时，需要在晶圆10与抛光垫11之间持续分布一层抛光液。抛光液在抛光垫11离心力的作用下均匀分布在抛光垫11的表面。在晶圆10和抛光垫11之间形成一层液体薄膜，抛光液中的化学成分与晶圆10发生反应，以将不溶物质转化为易溶物质。通过微粒的微机械摩擦将上述易溶物质从晶圆10表面去除，并随抛光液流出抛光垫11，以实现晶圆10表面平坦化的目的。被利用的抛光液中通常夹杂着上述易溶物质，被利用的抛光液不能直接再次被用于抛光，因此，化学机械平坦化工艺中需要消耗大量的抛光液。
26.而在现有技术中，抛光液是通过喷嘴等抛光液输送装置12添加到抛光垫11上。由于抛光垫11跟随转盘进行转动，抛光液在抛光垫11的离心力的作用下，有一部分参与晶圆
10的抛光，而大部分抛光液则会直接被甩出抛光垫11。因此，大部分抛光液并不能有效参与到晶圆10的抛光，使得抛光液的利用率降低，使用成本升高。随着晶圆10上布置的结构层(此处的结构层可以是浅槽隔离层、层间介质层、金属塞材料层、金属布线层等)日渐复杂，半导体器件制造过程中所需要的化学机械平坦化工序增多，因此，抛光液的使用成本越来越高。
27.针对上述技术问题，本发明实施例提供一种抛光头20及化学机械平坦化设备。图2示出了本发明实施例提供的一种抛光头的结构示意图，图3示出本发明实施例提供的化学机械平坦化设备的结构示意图。如图2与图3所示所示，上述抛光头20包括保持环21和引导杯22，引导杯22设置在保持环21的外围。引导杯22包括杯壁，以及开设在杯壁上的至少一个通槽221，通槽221用于流通抛光液。
28.上述保持环21可以是现有技术提供的任意一种保持环21，在此不做具体限定。保持环21可以以粘接的方式固定在抛光头20靠近抛光垫11的一面。在实际使用时，晶圆10被吸附在保持环21的环内空间，保持环21用于固定晶圆10。
29.上述保持环21的底面(靠近抛光垫11的一面)上可以开设导流槽211，导流槽211可以自保持环21的外侧壁延伸至保持环21的内侧壁。在实际使用时，在抛光垫11离心力作用下的抛光液可以自导流槽211流转至晶圆10的侧面，以提高对抛光液的利用率。
30.上述导流槽211的结构多种多样，在此做不具体限定。图4示出本发明实施例提供的保持环21与引导杯22的仰视图。例如，如图4所示，保持环21的底面上可以开设导流槽211，导流槽211自保持环21的外侧壁向内侧壁延伸。导流槽211与通槽221连通。抛光液从通槽221流出后，流进保持环21的导流槽211，导流槽211将抛光液从外向内引导，最后流向晶圆10的表面。为了获得更好的连通效果，保持环21上的通槽221的抛光液出口与保持环21上的导流槽211的抛光液入口对应设置。由此抛光液可以更快进入到保持环21内部。上述对应设置，可以不是严格上意义上的首尾相连，通槽221可以通过倾斜于保持环21设置，抛光液从通槽221出来后，具有流向导流槽211的趋向。通过上述对应设置，可以提高抛光液流向导流槽211的流通量。为了使得抛光液能充分流通到导流槽211中，通槽221的抛光液出口的尺寸可以大于导流槽211的抛光液入口尺寸。
31.上述引导杯22自身可以具有完整的杯形腔体。引导杯22还可以是一个中空结构，并与保持环21的外壁形成一个腔体。上述杯形腔体或腔体可以用于容纳抛光液，抛光液输送装置12将抛光液添加至腔体中。上述腔体中属于引导杯22的杯壁上开设有至少一个通槽221，通槽221将容纳在腔体上的抛光液流通至抛光垫11上，进而流通至晶圆10的外周。在此基础上，在上述杯壁设置有至少一个通槽221，抛光液可以沿杯壁流向通槽221，并由导流槽211流向抛光头20外围的抛光垫11，当抛光垫11随转盘转动时，被引导杯22引导至抛光头20外围的抛光垫11上的抛光液在离心力的作用下，流转至抛光头20下方的抛光垫11上，以参与抛光作业。从以上的应用过程可知，由于抛光液在引导杯22的作用下，可以先被引导至抛光头20的外围，接着在抛光垫11离心力的作用下，流转至抛光垫11位于抛光头20下方的区域以参与抛光。通过采用本发明实施例提供的抛光头20，一方面可以减少抛光液被离心力抛离的部分，另一方面还可以增加抛光液流向晶圆10的部分。综合上述效果，上述抛光头20通过引导杯22可以提高抛光液的使用效率，降低抛光液的使用成本。通过实际使用效果，可以节省70％原来被抛离至抛光盘外的抛光液。通过采用发明实施例提供的抛光头20，不仅
能节约抛光液的使用成本，还能提高装备有该抛光头20的设备的市场竞争力。
32.图5示出本发明实施例提供的保持环与引导杯的结构示意图。如图5所示，引导杯22上的通槽221可以向靠近保持环21的方向倾斜。为了使得抛光液能汇聚并流通到晶圆10外周，通槽221应该向靠近保持环21的方向倾斜，或者如图2所示的垂直于抛光垫11。抛光液通过通槽221的引导后，抛光液大部分能具有流向晶圆10方向的趋向，可以进一步的提高抛光液的使用效率，降低抛光液的使用成本。其中，上述通槽221向靠近保持环21的方向倾斜指的是：通槽221位于上方的抛光液入口距离保持环21的中心距离，大于或等于，位于下方的抛光液出口距离保持环21的中心距离。那么通槽221在抛光液入口与抛光液出口之间的部分，其具体的结构并不限制，可以是规则形状也可以是异形形状，保证上述通槽221的抛光液入口与抛光液出口的位置关系满足上述要求即可。例如，抛光液入口与抛光液出口之间的部分可以类比为柔性管道，管道的如何盘卷或者内部结构并不会影响抛光液出口的抛光液流出的方向。
33.图6示出本发明实施例提供的引导杯的结构示意图。为了使得抛光液可以更好地流向通槽221，通过导流槽211流向晶圆10外周。如图2与图6所示，杯壁可以具有向保持环21倾斜的倾斜部222，通槽221开设在倾斜部222。倾斜部222可以引导落在其上面的抛光液流向上述通槽221，另一方面可以容纳一定量的抛光液。引导杯22整体起到类似漏斗的作用，而倾斜部222可以看作为漏斗内部靠近管口的漏斗内壁。正如漏斗也具有多种形状一样，上述杯壁的形状并不限制，以实现上述引导与容纳效果为主要目的。通过引导杯22的杯壁与抛光头20及保持环21之间形成的腔体，抛光液可以被容纳在腔体中。倾斜部222可以引导抛光液流向通槽221，保证抛光液流向晶圆10。在实际使用的时候，通过调整抛光液的添加速率，以及腔体中抛光液的下降速率，形成动态平衡。于是乎，可以保证抛光液并不会过量添加而造成浪费。
34.如图6所示，倾斜部222与保持环21之间具有夹角α，10
°
≤α《90
°
。上述倾斜部222与保持环21之间必然存在一定的夹角，其中通过改变夹角α的大小，可以调节抛光液在保持环21与引导杯22之间流动的速率。也会对通槽221里抛光液流动的速率有影响。因此通过限定夹角α的大小，可以获得不同流速的抛光液，针对实际晶圆10的加工要求可以进行调整，通过更换不同的引导杯22可以实现上述调整效果。其中，夹角α的不同，抛光液重力作用产生沿倾斜部222方向的流动速度会不同。再者，夹角α的不同，会对上述腔体的容积造成影响，进而对通槽221中的抛光液流速以及抛光液添加流速均造成影响。
35.如图2至图4所示，本发明实施例提供的抛光头20中，至少一个通槽221包括多个通槽221，多个通槽221均匀开设在杯壁上。由于抛光头20进行转动，通槽221需要均匀设置，才能保证流向晶圆10四周的抛光液的等量的。由此使得抛光液均布在晶圆10上，保证化学机械平坦化的效果。同时，不同的通槽221的数量以及不同的通槽221的抛光液出入口的面积，对应单位时间流向晶圆10的抛光液的量是不同的。
36.例如，参见图4，当通槽221的横截面为扇环形时，多个通槽221在同一圆环上的面积占比越高，抛光液的流通量越大。而通槽221的个数越多，流向晶圆10的抛光液越均匀。因此通槽221的数量及其排列形式，都会影响抛光液的供给情况。于是乎，在保证通槽221个数较多的前提下，还需要保证通槽221的面积占比要大，同时单个通槽221的横截面面积不能过小。
37.例如，参见图4，当保持环21的导流槽211个数为6个时，引导杯22上的通槽221对应设置为圆周排列的6个。同时通槽221的横截面可以为图示的扇环形，此时引导杯22上的扇环形抛光液出口的弧长，大于导流槽211的抛光液入口的宽度或弧长。于是乎，能保证有足够的抛光液从通槽221流出导流槽211，进而保证对晶圆10有足够的抛光液供给。
38.在大多数现有的抛光头20中，保持环21是一种现有的圆环型结构。为了使得本发明实施例提供的抛光头20能够获得更广大的应用。引导杯22固定或可拆卸的设置在保持环21的外围。当采用引导杯22固定连接到保持环21外围时，可以采用一体化或胶粘等方式。当采用可拆卸连接时，可以采用螺纹连接或者卡槽嵌合的方式。
39.例如，可以在现有的保持环21上加工凹槽，而引导杯22匹配设置有凸起，采用卡槽嵌合的方式，将引导杯22固定到保持环21上。此时引导杯22便于拆卸与安装，可以在各个相同外径的保持环21上开设凹槽，进而根据保持环21上的导流槽211开设情况，来选择不同的引导杯22。也可以在现有的保持环21上加工螺纹孔，而在引导杯22上也加工匹配的螺纹孔，通过螺栓等进行固定。也能实现上述可拆卸效果。
40.又例如，上述导流槽211与通槽221可以对应设置，在此情况下，引导杯22可以固定设置在保持环21外围，保持环21与引导杯22为一体式结构。此时引导杯22与保持环21作为一个整体进行加工，使得导流槽211与通槽221可以严格一一对应。还就可以将通槽221与导流槽211首尾相连，使得抛光液可以全部流向晶圆10。
41.如图5与图6所示，引导杯22的形状可以为上下贯通的中空倒锥台形状。中控倒锥台的引导杯22容易加工，通过普通的冷加工即可完成，同时根据实际情况便于对斜部与保持环21之间的夹角α进行调整。引导杯22的横截面还可以是圆形、方形或异形等任意一种形状，但是越复杂的形状需要的加工难度越大，需要的加工成本就越高，调整夹角α的难度也大。
42.如图3所示，本发明实施例提供的化学机械平坦化设备，用于抛光晶圆10；化学机械平坦化设备包括转盘、抛光头20、抛光液输送装置12和抛光垫11；抛光垫11设置在转盘所具有的承载面上；抛光头20用于承载晶圆10；抛光液输送装置12用于向抛光垫11输送抛光液。结合本发明实施例提供的抛光头20，该化学机械平坦化设备能节约大量抛光液，使得抛光液的使用成本降低。从而该化学机械平坦化设备的市场竞争力也能获得提高。
43.在上述实施方式的描述中，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。
44.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。