一种用于化学机械抛光的承载头及抛光设备

摘要

本发明公开了一种用于化学机械抛光的承载头及抛光设备，其包括基座、弹性膜及保持环，所述弹性膜同心设置于所述基座的底部，所述保持环固定于基座底部并位于所述弹性膜的外周侧；还包括调节环，所述调节环可拆卸地连接于所述弹性膜的底部，以将待抛光的晶圆限定于调节环的内部；待抛光的晶圆与调节环作为一个整体设置于所述弹性膜的底部，抛光液经由保持环底面的沟槽输送至调节环及晶圆的底面，以实现晶圆表面的材料去除。

权利要求

1.一种用于化学机械抛光的承载头，其特征在于，包括基座、弹性膜及保持环，所述弹性膜同心设置于所述基座的底部，所述保持环固定于基座底部并位于所述弹性膜的外周侧；还包括调节环，所述调节环可拆卸地连接于所述弹性膜的底部，以将待抛光的晶圆限定于调节环的内部；待抛光的晶圆与调节环作为一个整体设置于所述弹性膜的底部，抛光液经由保持环底面的沟槽输送至调节环及晶圆的底面，以实现晶圆表面的材料去除；所述调节环配置有保护层，其涂覆于调节环的内侧壁；所述保护层为派瑞林，以防止晶圆与调节环接触而产生碎屑；所述保护层与调节环之间配置有过渡层，所述过渡层为橡胶涂层，以增加保护层的粘接性。

2.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述调节环的底面与待抛光晶圆的底面平齐。

3.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述调节环的材料与晶圆底面待去除的材料相匹配。

4.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述调节环的内侧壁与晶圆的外沿之间的距离不大于0.1mm，所述调节环与晶圆间隙配合，使得调节环与晶圆形成一个整体。

5.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述调节环底部的内侧及外侧配置有圆角结构，所述调节环内侧的圆角结构大于其外侧的圆角结构；所述调节环顶部的内侧配置有卡接部，所述卡接部的尺寸与晶圆的边缘倒角尺寸相匹配。

6.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述调节环的外沿与所述弹性膜的外沿平齐，其磁吸于所述弹性膜的底部。

7.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述调节环包括连接部和抵接部，所述连接部由金属制成且其外周侧包敷有抵接部，所述抵接部由硅或硅的氧化物制成。

8.一种抛光设备，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的承载头。

说明书

一种用于化学机械抛光的承载头及抛光设备

技术领域

[0001] 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及抛光设备。

背景技术

[0002] 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(Chemical Mechanical Planarization,CMP)是一种全局平坦化的超精密表面加工技术，属于晶圆制造工序，其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。

[0003] 图1是现有技术中CMP承载头及抛光晶圆材料去除速率曲线的示意图，承载头的弹性膜配置有三个同心的腔室(Zone1、Zone2及Zone3)，以分区控制晶圆的材料去除速率。根据弹性膜的腔室，可将晶圆分成对应的3个抛光区域(Z1、Z2及Z3)。由于晶圆的边缘转速最大，且晶圆边缘供给的抛光液相对较多，因此，晶圆边缘区域(Z3)的材料去除速率相对较大，使得晶圆边缘区域的材料过快的去除，进而影响晶圆全局抛光的均匀性，此种现象称为“边缘效应”。

[0004] 为了更均匀一致的对晶圆进行抛光作业，业界一致追求对承载头中用于对晶圆作业的弹性膜划分更多腔室，如5个腔室，尤其在弹性膜的边缘位置设置复杂的腔室，以增加晶圆边缘区域的调控能力。五个腔室的弹性膜配合进行抵压抛光作业可以相较于仅具有一个腔室或少于五个腔室的承载头提升抛光的均匀性和一致性。

[0005] 如专利CN112847127A及US20150273657A1阐述的技术方案，弹性膜边缘位置的两个或三个腔室的结构得到优化，能够增强边缘区域调控的有效性、稳定性、精确性等，减少化学机械抛光的“边缘效应”。

[0006] 由于弹性膜边缘位置的结构愈加复杂，这会增加承载头的制造成本。再者，现有的弹性膜通常通过模制而成，模具加工存在加工极限。随着抛光制程节点的下移，抛光工序的加工精度接近nm级，而模制的加工精度远远不能满足抛光制程的要求。

[0007] 综上，随着弹性膜边缘位置结构的复杂性，容易达到加工极限而使得技术方案无法实现或实现成本很高，如何弱化或控制“边缘效应”，始终是承载头设计的难题。

发明内容

[0008] 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。

[0009] 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及抛光设备，其包括基座、弹性膜及保持环，所述弹性膜同心设置于所述基座的底部，所述保持环固定于基座底部并位于所述弹性膜的外周侧；还包括调节环，所述调节环可拆卸地连接于所述弹性膜的底部，以将待抛光的晶圆限定于调节环的内部；待抛光的晶圆与调节环作为一个整体设置于所述弹性膜的底部，抛光液经由保持环底面的沟槽输送至调节环及晶圆的底面，以实现晶圆表面的材料去除。

[0010] 作为优选实施例，所述调节环的底面与待抛光晶圆的底面平齐。

[0011] 作为优选实施例，所述调节环的材料与晶圆底面待去除的材料相匹配。

[0012] 作为优选实施例，所述调节环的内侧壁与晶圆的外沿之间的距离不大于0.1mm，所述调节环与晶圆间隙配合，使得调节环与晶圆形成一个整体。

[0013] 作为优选实施例，所述调节环配置有保护层，其涂覆于调节环的内侧壁；所述保护层为派瑞林，以防止晶圆与调节环接触而产生碎屑。

[0014] 作为优选实施例，所述保护层与调节环之间配置有过渡层，所述过渡层为橡胶涂层，以增加保护层的粘接性。

[0015] 作为优选实施例，所述调节环底部的内侧及外侧配置有圆角结构，所述调节环内侧的圆角结构大于其外侧的圆角结构；所述调节环顶部的内侧配置有卡接部，所述卡接部的尺寸与晶圆的边缘倒角尺寸相匹配。

[0016] 作为优选实施例，所述调节环的外沿与所述弹性膜的外沿平齐，其磁吸于所述弹性膜的底部。

[0017] 作为优选实施例，所述调节环包括连接部和抵接部，所述连接部由金属制成且其外周侧包敷有抵接部，所述抵接部由硅或硅的氧化物制成。

[0018] 此外，本发明还公开了一种抛光设备，其包括上面所述的承载头。

[0019] 本发明的有益效果包括：

[0020] (1)在弹性膜底面的边缘位置安装可拆卸地调节环，待抛光的晶圆设置于调节环的内部，使得两者间隙配合形成一个整体，使得抛光的边缘效应作用于调节环而非晶圆的边缘区域，有效降低了晶圆边缘区域的控制难度，提高了晶圆边缘区域的材料去除速率的调控能力，有利于保证晶圆抛光的均匀性；

[0021] (2)调节环的内侧壁涂覆有保护层，以防止晶圆与调节环接触而产生碎屑，避免两者接触形成的碎屑对晶圆抛光的影响；

[0022] (3)调节环顶部的内侧配置卡接部，调节环底部的内侧配置倒角，以将晶圆有效卡接固定，调节环与晶圆成形成为一体结构，有利于提升晶圆边缘区域的材料去除速率。

附图说明

[0023] 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：

[0024] 图1是现有技术中CMP承载头及抛光晶圆材料去除速率曲线的示意图；

[0025] 图2是本发明所述一种用于化学机械抛光的承载头的结构示意图；

[0026] 图3是图2中A处的局部放大图；

[0027] 图4是本发明所述调节环一个实施例的截面图；

[0028] 图5是本发明所述调节环另一个实施例的截面图；

[0029] 图6是本发明所述调节环再一个实施例的截面图；

[0030] 图7是本发明所述晶圆设置于调节环内部的局部示意图；

[0031] 图8是本发明所述调节环按压于抛光垫的示意图；

[0032] 图9是图6对应调节环的一个变体实施例的示意图；

[0033] 图10是本发明所述调节环又一个实施例的截面图；

[0034] 图11是图10所述调节环磁吸于弹性膜底部的示意图；

[0035] 图12是本发明所述一种抛光设备的示意图。

具体实施方式

[0036] 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申请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。

[0037] 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。

[0038] 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)，承载头(Carrier head)也称抛光头(Polishing head)，其含义和实际作用等同。

[0039] 随着集成电路的微细化、多层化的加速发展，半导体元件制造中各工序的加工精度已达数nm级，这对CMP提出更高的要求。因而，需要持续提升化学机械抛光的全局平坦化水平。

[0040] 本发明提供的一种用于化学机械抛光的承载头的示意图，如图2所示。承载头100包括基座10、弹性膜20及保持环30；弹性膜20同心设置于基座10的底部，以吸合待抛光的晶圆；保持环30固定于基座10底部并位于弹性膜20的外周侧，以防止抛光晶圆自承载头滑出，同时保持环30的底面配置沟槽，以保证抛光液的正常供给。

[0041] 进一步地，承载头100还包括调节环40，调节环40可拆卸地连接于弹性膜20的底部，以将待抛光的晶圆限定于调节环40的内部。即待抛光的晶圆W与调节环40作为一个整体设置于弹性膜20的底部，在化学和机械的组合作用下，晶圆W及调节环40的底面的材料同时得到去除。

[0042] 作为本发明的一个实施例，调节环40的材料与晶圆底面待去除的材料相匹配。具体地，调节环40的材料与晶圆的待去除的材料大致相同。如此设置，晶圆W与调节环40等同于一个尺寸变大的“晶圆”。承载头100将晶圆W及调节环40整体吸附固定后加载抛光，由于化学机械抛光的边缘效应主要作用于调节环40的位置，而不是常规承载头结构中的晶圆的边缘区域。即调节环40作为消耗部件，以控制设置于调节环40内部的晶圆W的抛光去除速率，改善晶圆边缘区域的材料去除速率，提升晶圆抛光的均匀性。本发明巧妙地设置调节环40，使得晶圆边缘区域的去除速率得到有效控制，解决了nm级抛光的问题；同时，本发明所述的承载头有效降低了弹性膜边缘位置的结构及控制的设计难度，规避了模具制造的加工极限，有效控制了抛光头成本。

[0043] 作为本实施例的一个方面，调节环40可以由硅制成，也可以由硅的氧化物，如SiO2制成。调节环40的材料与晶圆W待去除的材料基本一致，以将调节环40及晶圆W整合为一个整体进行化学机械抛光。

[0044] 图3是图2中A处的局部放大图。调节环40的底面与待抛光的晶圆W的底面平齐，以保证调节环40与晶圆W抛光的同步性。这样，抛光的边缘效应集中于调节环40而非晶圆W的边缘区域。

[0045] 进一步地，调节环40的外沿与弹性膜20的外沿平齐，如图3所示，以控制调节环40与弹性膜20结合处颗粒物的聚集，防止颗粒物结晶掉落而致使晶圆表面划伤。

[0046] 图2所示的实施例中，调节环40的内侧壁与晶圆W外沿之间的间隙不大于0.1mm，调节环40与晶圆W间隙配合，使得调节环40与晶圆W形成一个整体。具体地，在保证晶圆W顺畅吸合于调节环40的内部的前提下，尽量减少调节环40的内侧壁与晶圆W外沿之间的间隙，以便两者可靠结合为一个整体，使得抛光的边缘效应作用于调节环40的位置，以降低晶圆边缘区域抛光压力的控制难度，降低承载头的制造成本。

[0047] 由于晶圆是以硅为主体的硬性材料，而调节环40的材料与晶圆的材料一致。抛光过程中，晶圆W在摩擦力的作用下会发生侧向移动，使得晶圆W的边沿抵接于调节环40的内侧壁。两种硬性材料发生碰撞会产生碎屑，这些碎屑极易掉落于抛光垫而划伤抛光的晶圆。

[0048] 为了解决上述技术问题，本发明中，调节环40配置有保护层51，如图4所示，其涂覆于调节环40的内侧壁，以防止晶圆W与调节环40硬性接触而产生碎屑。作为本发明的一个实施例，保护层51可以为派瑞林，如派瑞林C，其均匀涂覆于调节环40的内侧壁，以防止晶圆与调节环相互硬性接触而产生碎屑。具体地，保护层51的壁厚为0.05‑0.2mm，保护层51涂覆的厚度均匀性控制在0.01mm以内。

[0049] 为增加保护层51的粘接性，保护层51与调节环40之间配置有过渡层52，如图5所示。优选地，过渡层52为橡胶涂层，橡胶涂层均匀涂覆于调节环40的内侧壁，以保证保护层51的可靠固定。

[0050] 作为本发明的另一个实施例，调节环40底部的内侧配置有倒角结构41，如图6所示，以保证晶圆W顺畅地由弹性膜20吸合固定。具体地，倒角结构41的尺寸小于晶圆W的边缘倒角的尺寸，使得晶圆W不与调节环40的底面发生碰撞，保证晶圆W吸合的顺畅性。此外，倒角结构41的设置也能够有效避免调节环40直接与抛光垫抵接而形成碎屑。

[0051] 图6所示的实施例中，调节环40主要是针对边缘结构为T‑type的晶圆，倒角结构41为斜角；可以理解的是，倒角结构41也可以为圆角。

[0052] 进一步地，调节环40顶部的内侧配置有图6示出的卡接部42，卡接部42底面的尺寸与晶圆W的边缘倒角尺寸相匹配，使得调节环40的卡接部42能够精确地罩设于晶圆W的顶部。具体地，卡接部42自调节环40的顶部朝向内侧延伸设置，卡接部42上朝向内侧延伸的倾斜面与调节环40底面的夹角为θ；夹角θ为10‑60°，优选地，夹角θ为20‑45°，卡接部42的倾斜面与晶圆W的边缘倒角抵接，使得调节环40与晶圆W有机结合形成一个整体。图图7示出了晶圆W设置于调节环40内部的局部示意图，抛光的边缘效应作用于调节环40。

[0053] 图6中，调节环40底部的宽度D与抛光边缘效应的作用区域宽度相匹配，使得设置于调节环40内部的晶圆不受抛光边缘效应的影响。具体地，宽度D在1‑5mm范围内任意取值，优选地，调节环40底部的宽度D为2‑4mm。可以理解的是，调节环40的宽度不宜过大。这是由于调节环40的尺寸直接关系承载头100的相关部件的尺寸，这直接影响承载头100的制造成本。

[0054] 图8是调节环40按压于抛光垫200的示意图，抛光垫200受到调节环40的按压而变形。由图8可知，调节环40的底部棱边最先受到抛光垫200的磨损而产生碎屑。

[0055] 为控制并避免调节环40棱边形成的碎屑对化学机械抛光的影响，调节环40的内侧倒角结构41a和外侧倒角结构41b设置为圆角，如图9所示。优选地，内侧倒角结构41a的尺寸大于外侧倒角结构41b的尺寸。内侧倒角结构41a的作用有二，一是保证晶圆W顺畅的卡接于调节环40的内部，二是避免调节环40的棱边磨损而形成碎屑致使抛光晶圆表面划伤。相较于内侧倒角结构41a，外侧倒角结构41b仅有避免调节环40的棱边磨损的作用。

[0056] 作为本发明的一个实施例，调节环40同心设置于弹性膜20的底部。具体地，调节环40通过磁吸的方式固定于弹性膜20的底部。为了保证调节环40与弹性膜20两者的同心度，弹性膜20的底面及调节环40的顶面配置有凸起结构和卡合结构，以通过准确限位保证调节环40的安装精度。

[0057] 可以理解的是，调节环40也可以通过真空吸附的方式设置于弹性膜20的底部。这需要在弹性膜20的边缘位置配置真空吸附管路，为调节环40的厚度方向配置吸附通道，通过真空吸附的方式将调节环40固定于弹性膜20的底部。

[0058] 在进行化学机械抛光时，首先需要将调节环40同心设置于弹性膜20的底部，然后在按照工艺步骤吸合待抛光的晶圆W。为了保证调节环40吸合的可靠性，调节环40受到的磁吸力在10‑200N之间。由于抛光晶圆W受到弹性膜20的吸合，调节环40由晶圆W的反向限定也能够防止调节环40沿侧向过度窜动而影响化学机械抛光的对称性。

[0059] 图10是本发明所述调节环又一个实施例的截面图，调节环40包括连接部40A和抵接部40B，抵接部40B位于连接部40A的下侧。进一步地，连接部40A可以由金属制成，使得连接部40A可以直接磁性于弹性膜20的底面；抵接部40B可以由Si或SiO2制成，以保证抵接部40B的材料去除速率与晶圆W的材料去除速率大致相同。

[0060] 由于连接部40A为金属，其会形成金属离子而成为金属离子污染的源头。为了切断这一污染源头，连接部40A的表面需要配置聚四氟乙烯(PTFE，又称特氟龙)涂层，以在连接部40A的表面形成有效防护，避免化学机械抛光过程中形成金属离子污染。优选地，聚四氟乙烯涂层全面涂覆于连接部40A的外表面，涂层厚度控制在0.05‑0.2mm。可以理解的是，连接部40A的外表面还可以涂覆聚全氟乙丙烯、聚乙烯等材料作为涂层，防止金属的连接部40A产生金属离子而释放于化学机械抛光环境中。

[0061] 图11是图10示出的调节环40磁吸于弹性膜20底部的示意图，弹性膜20的内侧边缘位置配置有磁环60，调节环40磁性于弹性膜20的底部。可以理解的是，磁环60也可以设置于弹性膜20的底面或内部，以实现调节环40的可拆卸安装，保证调节环40装配的灵活性。

[0062] 在化学机械抛光过程中，晶圆的外沿在侧向力作用下，可能抵接于调节环40的内侧壁，使得内侧壁发生划痕。可以通过定期检测更换的方式，保证晶圆抛光的一致性。由于调节环40检测拆卸方便，且调节环40的体积不大，其制造成本降低，这在一定程度有利于控制晶圆抛光成本。

[0063] 此外，本发明还公开了一种抛光设备1000，其包括上面所述的承载头100，抛光设备1000包括抛光盘300、抛光垫200、图1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晶圆；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。

[0064] 抛光作业时，承载头100将晶圆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接触的晶圆表面被逐渐抛除；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的相对运动使晶圆与抛光垫200摩擦以进行抛光。

[0065] 由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在晶圆与抛光垫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，以在晶圆和抛光垫200之间形成一层液体薄膜，液体中的化学成分与晶圆产生化学反应，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晶圆表面去除，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。

[0066] 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晶圆表面脱落的废料等，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。

[0067] 本发明所述的承载头100配置有调节环40，调节环40磁吸于弹性膜20的底面，其能够将化学机械抛光的边缘效应作用于调节环40而不是晶圆W的边缘区域，有效降低了晶圆边缘区域的控制难度，提高晶圆表面抛光的均匀性。

[0068] 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。

[0069] 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。