一种用于化学机械抛光的承载头和抛光设备的制作方法

1.本发明属于化学机械抛光技术领域，具体而言，涉及一种用于化学机械抛光的承载头和抛光设备。


背景技术：

2.集成电路产业是信息技术产业的核心，在助推制造业向数字化、智能化转型升级的过程中发挥着关键作用。芯片是集成电路的载体，芯片制造涉及芯片设计、晶圆制造、晶圆加工、电性测量、切割封装和测试等工艺流程。其中，化学机械抛光属于晶圆制造工序。
3.化学机械抛光(chemical mechanical polishing,cmp)是一种全局平坦化的超精密表面加工技术。化学机械抛光通常将晶圆吸合于承载头的底面，晶圆具有沉积层的一面抵压于抛光垫上表面，承载头在驱动组件的致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的上表面并分布在晶圆与抛光垫之间，使得晶圆在化学和机械的共同作用下完成晶圆的化学机械抛光。
4.承载头的下部设置有保持环，其在晶圆抛光中的作用如下：一方面，保持环可以防止抛光过程的晶圆从承载头的底部飞出；另一方面，保持环的底部设置有沟槽，其可以更新晶圆与抛光垫之间的抛光液；此外，保持环抵压于抛光垫参与晶圆边缘压力的调整，有利于实现晶圆的全局平坦化。
5.保持环为易损易耗品，其需要定期更换。新更换的保持环需要经过磨合(breaking in)，其底面形成一定的高度差，才能降低抛光垫回弹对抛光速率的影响，保证晶圆抛光的均匀性。为了控制晶圆制造成本，需要尽可能缩小保持环的磨合周期。


技术实现要素：

6.本发明旨在至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。
7.为此，本发明实施例的提供了一种用于化学机械抛光的承载头，其包括主体部及保持环，所述主体部的底部配置有基座，所述保持环通过连接结构固定于所述基座；所述连接结构包括固定螺钉、限位环和连接螺钉；保持环设置于承载头的基座的底部，其通过固定螺钉连接于基座；所述限位环为环状结构，其通过连接螺钉固定于所述基座的顶部；所述限位环罩设于所述基座的上侧，其底面抵压于所述保持环的顶面；所述限位环对保持环的抵压力产生相对于所述连接螺钉的偏转力矩，使得保持环的底面形成沿径向的高度差。
8.作为优选实施例，所述限位环包括限位环主体和沿限位环主体的外沿向下延伸设置的外侧板，所述外侧板的底面抵压于所述保持环的顶面。
9.作为优选实施例，所述外侧板的底面抵压于所述保持环的顶面外侧，所述保持环的承压区域为环状结构且低于保持环其他区域的高度，以形成环状的凹部。
10.作为优选实施例，所述保持环的承压区域较其他区域低0.005mm-0.5mm。
11.作为优选实施例，连接结构还包括第一调节圈，其卡接于所述限位环与所述保持环之间，所述第一调节圈对保持环的作用力产生相对于所述连接螺钉的偏转力矩，使得保
持环的底面形成沿径向的高度差。
12.作为优选实施例，所述第一调节圈的硬度hrc为20-100。
13.作为优选实施例，所述限位环的底面抵压于所述保持环顶面的内侧和/或外侧。
14.作为优选实施例，连接结构还包括第二调节圈，其设置于所述保持环与所述基座之间并位于所述固定螺钉的内侧和/或外侧，第二调节圈对保持环的作用力产生相对于所述固定螺钉的偏转力矩，使得保持环的底面形成沿径向的高度差。
15.作为优选实施例，所述外侧板的底面为斜面，所述凹部的顶面与外侧板的底面匹配设置。
16.此外，本发明还提供了一种抛光设备，其包括上面所述的化学机械抛光承载头。
17.本发明的有益效果包括：
18.(1)罩设于基座上侧的限位环与保持环的顶面部分抵接，限位环对保持环的抵压力产生相对于连接螺钉的偏转力矩，使得保持环的底面形成沿径向的高度差，缩短保持环的磨合时间，降低化学机械抛光的成本；
19.(2)限位环与保持环之间配置具有一定硬度的第一调节圈，第一调节圈对保持环的抵压力产生相对于固定螺钉的偏转力矩，使得保持环的底面形成沿径向的高度差；
20.(3)在保持环与基座之间设置具有一定硬度的第二调节圈，在固定螺钉拧紧时，第二调节圈对保持环的作用力产生偏转扭矩，以在保持环的底面形成高度差。
附图说明
21.通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明的保护范围，其中：
22.图1是本发明所述化学机械抛光保持环的连接结构的示意图；
23.图2是图1对应的连接结构经由固定螺钉的剖视图；
24.图3是图1对应的连接结构经由连接螺钉的剖视图；
25.图4是本发明所述限位环的结构示意图；
26.图5是本发明所述保持环的结构示意图；
27.图6至图8是本发明所述连接结构的剖视图；
28.图9是本发明所述连接结构另一个实施例的示意图；
29.图10是本发明所述化学机械抛光承载头的示意图；
30.图11是本发明所述抛光设备的示意图。
具体实施方式
31.下面结合具体实施例及其附图，对本发明所述技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本发明实施方式及本发明保护范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本技术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。
32.本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，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发明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。
33.在本发明中，“化学机械抛光(chemical mechanical polishing,cmp)”也称为“化学机械平坦化(chemical mechanical planarization,cmp)”，晶圆(wafer,w)也称基板(substrate)，其含义和实际作用等同。
34.本发明公开了一种用于化学机械抛光的承载头100，其包括主体部及保持环10，参看图10所示，所述主体部的底部配置有基座20，所述主体部的顶部配置有连接法兰，以便与承载头的传动部分连接。保持环通过连接结构固定于所述基座，本发明中，连接结构也称化学机械抛光保持环的连接结构，其表述意思等同。
35.一种化学机械抛光保持环的连接结构，如图1所示。所述连接结构包括固定螺钉10、限位环20和连接螺钉50。保持环30设置于承载头的基座40的底部，其通过固定螺钉10连接于基座40，如图2所示。限位环20为环状结构，其通过连接螺钉50固定于基座40的顶部，如图3所示。
36.固定螺钉10的数量为多个，其沿保持环30的周向均匀设置，以将保持环30可靠固定于基座40。连接螺钉50的数量为多个，其沿限位环20的周向均匀设置，以将限位环20可靠固定于基座40。
37.保持环30的底面设置有沟槽，化学机械抛光过程中，所述沟槽能够更新晶圆与抛光垫之间的抛光液；同时，保持环30抵压于抛光垫并参与晶圆边缘压力的调整，有利于实现晶圆的全局平坦化。
38.进一步地，限位环20罩设于基座40的上侧，其底面抵压于保持环30的顶面。图2中，限位环20的底面与保持环30顶面的外侧抵接，限位环20对保持环30的抵压力f产生相对于所述连接螺钉50的偏转力矩t，使得保持环30的底面形成沿径向的高度差，保持环30的底面形成的高度差有利于缩短承载头的磨合时间，使得保持环30能够快速适应晶圆的抛光制程，进而准确控制晶圆边缘部分的抛光压力，提升晶圆的抛光均匀性。
39.图2中，保持环30的底面由外向内朝向上侧倾斜。需要说明的是，在保持环30安装固定之前，保持环30的底面一般为平面；保持环安装于基座40后，保持环30的底面形成的径向高度差为2μm-50μm。为了更好的体现保持环底面的高度差，此处采用夸张的表示手法。
40.作为本发明的一个实施例，限位环20包括主体部21和外侧板22，如图4所示，外侧板22沿主体部21的外沿向下延伸设置，图2中，外侧板22的底面抵压于所述保持环30的顶面。
41.为了方便保持环30与基座40之间的固定螺钉10的安装，限位环20的主体部21配置贯通的安装孔，所述安装孔与固定螺钉10的安装位置相对应。
42.进一步地，保持环30的顶面设置有环状的凹部31，如图5所示，凹部31与限位环20的外侧板22匹配设置，外侧板22的底面抵压于保持环30的凹部31。在一些实施例中，外侧板22的底面宽度不大于凹部31的宽度，以保证外侧板22完全抵压于保持环的凹部31。优选地，外侧板22的底面宽度为1mm-5mm，以保证限位环20对保持环30的抵压力。
43.图2中，外侧板22的底面抵压于保持环30的顶面外侧，保持环30的承压区域为环状结构且低于保持环30其他区域的高度，以形成图5示出的环状的凹部31。
44.作为本发明的一个实施例，保持环30的承压区域较其他区域低0.005mm-0.5mm。优
选地，保持环30的承压区域较其他区域低0.1mm-0.3mm，以增加限位环20的外侧板22对保持环30的作用力。
45.作为本实施例的一个变体，外侧板22的底面也可以为斜面，相应地，保持环30的凹部31也为匹配设置的斜面，其自外向内朝向下侧倾斜或自外向内朝向上侧倾斜，以改善限位环20的底面对保持环30的作用力，使得保持环30的底面形成径向的高度差。作为本实施例的一个方面，限位环20的外侧板22的下侧面为斜面，所述斜面相对于水平面的夹角为3
°‑
15
°
，以保证限位环20对保持环30的作用力。
46.图6是本发明所述连接结构的一个实施例的示意图。与图2所示的实施例相比较，保持环30的顶面未设置凹部31，而在限位环20的外侧板22与保持环30之间设置第一调节圈60。为了保证第一调节圈60安装的可靠性，在外侧板22的底面配置安装槽。
47.第一调节圈60对保持环30的作用力f1产生相对于图3示出的连接螺钉50的偏转力矩t1，使得保持环30的底面形成沿径向的高度差。
48.进一步地，第一调节圈60为圆形截面的环状结构，第一调节圈60的硬度hrc为20-100。第一调节圈60的硬度越大，第一调节圈60对保持环30的作用力越大，则保持环30底面形成的高度差越大。
49.作为本发明的一个实施例，第一调节圈60由橡胶材料制成，如氟橡胶、硅橡胶等，其硬度hrc控制在40-60，以便精确控制保持环30底面的高度差，适用于不同的抛光制程。可以理解的是，第一调节圈60也可以由其他材料制成，如聚氨酯、聚碳酸酯、聚甲醛等，以调节保持环30底面的高度差。
50.图7是本发明所述连接结构的另一个实施例的示意图。该实施例是图2实施例与图6实施例的组合。外侧板22的底面设置装配第一调节圈60的安装槽，同时，保持环30的顶面设置凹部31，使得外侧板22的底面与保持环30的凹部31(图5示出)抵接。
51.限位环20的底面和第一调节圈60组合作用于保持环30的顶面。具体地，限位环20的底面对保持环30的顶面的作用力f产生的偏转力矩t，使得保持环30的底面形成径向的高度差；同时，第一调节圈60对保持环30的顶面的作用力f1产生的偏转力矩t1，使得保持环30的底面形成径向的高度差。
52.保持环30的底面形成的径向高度差使得承载头能够与抛光垫等其他抛光部件磨合，快递达到理想抛光状态，以便降低晶圆生产成本。同时，保持环30的底面的径向高度差能够与抛光垫的回弹相互耦合，实现晶圆边缘部分抛光压力的准确控制，提升晶圆抛光的均匀性。
53.图7中，保持环30的底面由外向内朝向上侧倾斜，其高度差为10μm-30μm。可以理解的是，限位环20的底面也可以与保持环30顶面的内侧抵接。限位环20的底面与保持环30顶面的内侧抵压时，限位环20与保持环30之间设置第一调节圈60，使得限位环20及第一调节圈60对保持环30形成组合的作用力。该作用力产生的偏转力矩使得保持环30的底面忧外向内朝向下侧倾斜，以适用不同的抛光制程。图7所示的实施例中，保持环30的底面由外向内朝向上侧倾斜，其高度差为5μm-30μm。
54.作为本发明的另一个实施例，所述连接机构还包括第二调节圈70，其设置于保持环30与基座40之间并位于固定螺钉10的外侧，如图8所示。第二调节圈70对保持环30的作用力f2产生相对于固定螺钉10的偏转力矩t2，使得保持环30的底面形成沿径向的高度差。同
时，限位环20的底面对保持环30的抵压力产生相对于图5示出的连接螺钉50的偏转力矩，使得保持环30的底面形成沿径向的高度差。两者组合作用，使得保持环30能够快速磨合至理想状态，以控制晶圆制造成本。
55.第二调节圈70与第一调节圈60的结构类似，其硬度hrc为20-100。第二调节圈70的硬度越大，第二调节圈70对保持环30的作用力越大，则保持环30底面形成的高度差越大。
56.作为本发明的一个实施例，安装第二调节圈70的凹槽的尺寸可以小于第二调节圈70的截面尺寸。如第二调节圈70的截面高度较凹槽的深度大1mm-3mm，以增强第二调节圈70对保持环30顶面的作用力；或者，第二调节圈70的截面宽度较凹槽的宽度小0.5mm-3mm，以允许第二调节圈70受压后发生横向的变形而部分充满凹槽，实现第二调节圈70对保持环30的作用力f的调节。
57.作为本发明的另一个实施例，第二调节圈70由塑料制成，其弹性模量为0.5gpa-5gpa，以使第二调节圈70通过的力的传递有效抵压于保持环30的顶面。
58.作为本发明的一些实施例，第二调节圈70也可以为截面为矩形的环状结构，安装第二调节圈70的凹槽匹配设置，以保证第二调节圈70对保持环30的作用力。
59.可以理解的是，第二调节圈70也可以配置在固定螺钉10的内侧，以改变第二调节圈70对保持环30的作用力，调节保持环30底面的倾斜度的变化，适用于不同的抛光制程。
60.作为本实施例的一个方面，第二调节圈70的数量可以为多个，其设置在固定螺钉10的内侧和/或外侧，以改变装配至基座40的保持环30底面的高度差。
61.进一步地，设置在基座40与保持环30之间的多个第二调节圈70的硬度可以相同也可以不同。第二调节圈70的硬度不同时，优选的硬度hrc差值大于20。
62.可以理解的是，图8所示的实施例可以与本发明所述的其他实施例组合，形成新的技术方案，以调节保持环30底面的径向高度差，适用于不同的抛光制程。
63.图8所示的实施例中，固定螺钉10和连接螺钉50分别为多个，其可以设置在同一个圆上，如图1所示，即固定螺钉10和连接螺钉50的固定点与保持环30中心之间的距离相等。
64.作为图8实施例的一个变体，固定螺钉10和连接螺钉50也可以设置在不同的同心圆，即固定螺钉10的固定点与保持环30中心之间的距离和连接螺钉50的固定点与保持环30中心之间的距离不相等，如图9所示。第二调节圈70对保持环30的作用力形成的偏转力矩与限位环20的外侧板22的底面对保持环30的作用力形成的偏转力矩相互间隔，以便改善保持环30底面的变形，实现径向高度差的形成，适用于不同的抛光制程。
65.进一步地，保持环30的底面形成的高度差为2μm-50μm。保持环底面形成的高度差使得承载头100能够与抛光垫等其他抛光部件磨合，快递达到理想抛光状态，以便降低晶圆生产成本。同时，保持环30的底面高度差能够与抛光垫的回弹耦合，实现晶圆边缘部分的抛光压力的准确控制，提升晶圆抛光的均匀性。
66.此外，本发明还公开了一种抛光设备1000，其结构示意图，如图11所示。抛光设备1000包括抛光盘300、抛光垫200、图10示出的承载头100、修整器400以及供液部500；抛光垫200设置于抛光盘300上表面并与其一起沿轴线ax旋转；可水平移动的承载头100设置于抛光垫200上方，其下表面接收有待抛光的基板；修整器400包括修整臂及修整头，其设置于抛光盘300的一侧，修整臂带动旋转的修整头摆动以修整抛光垫200的表面；供液部500设置于抛光垫200的上侧，以将抛光液散布于抛光垫200的表面。
67.抛光作业时，承载头100将基板的待抛光面抵压于抛光垫200的表面，承载头100做旋转运动以及沿抛光盘300的径向往复移动使得与抛光垫200接触的基板表面被逐渐抛除；同时抛光盘300旋转，供液部500向抛光垫200表面喷洒抛光液。在抛光液的化学作用下，通过承载头100与抛光盘300的相对运动使基板与抛光垫200摩擦以进行抛光。
68.由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在基板与抛光垫200之间流动，抛光液在抛光垫200的传输和旋转离心力的作用下均匀分布，以在基板和抛光垫200之间形成一层液体薄膜，液体中的化学成分与基板产生化学反应，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基板表面去除，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。
69.在化学机械抛光期间，修整器400用于对抛光垫200表面形貌进行修整和活化。使用修整器400可以移除残留在抛光垫表面的杂质颗粒，例如抛光液中的研磨颗粒以及从基板表面脱落的废料等，还可以将由于研磨导致的抛光垫200表面形变进行平整化，保证了在抛光期间抛光垫200表面形貌的一致性，进而使抛光去除速率保持稳定。
70.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发明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。
71.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明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，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。