拋光頭的製作方法
2023-10-10 13:43:34
專利名稱：拋光頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種拋光頭。
背景技術：
在集成電路的製造過程中，隨著特徵尺寸的縮小和金屬互連層數的增加，對晶圓表面平整度的要求也越來越高，化學機械拋光是目前最有效的全局平坦化技術。化學機械拋光是將晶圓由旋轉的拋光頭夾持，並將其以一定壓力壓在旋轉的拋光墊上，由磨粒和化學溶液組成的拋光液在晶圓和拋光墊之間流動，晶圓表面在化學和機械的共同作用下實現平坦化。拋光頭起著夾持晶圓並對其背側施加壓力的作用，是實現表面平坦化的關鍵所在。在實際化學機械拋光過程中，拋光頭的保持環以某一壓力壓在旋轉的拋光墊上， 一方面可以防止晶圓從旋轉的拋光頭中甩出，另一方面可以改變拋光墊的壓縮量，從而改善邊緣效應。然而保持環在這個過程中將發生磨損，隨著磨損量的增加，保持環對拋光墊的壓力會減小，一方面晶圓有甩出的危險，另一方面保持環對拋光墊的壓縮量也相應減小，進而影響晶圓的均勻性。目前只是簡單地將保持環設定某一壽命，當磨損量達到一定程度時將其換掉。但這樣一方面不能解決在壽命期內晶圓甩出的危險以及對均勻性的影響，另一方面也會引起成本的增加。因此有必要提供一種改進的拋光頭以解決上述問題。
發明內容
本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。為此，本發明的一個目的在於提出一種可以獲得均勻的、一致的拋光效果的拋光頭。為了實現上述目的，根據本發明的實施例提出一種拋光頭，所述拋光頭包括蓋板；主隔膜，所述主隔膜為環形且具有彈性，所述主隔膜固定在所述蓋板的下表面上；基座，所述基座固定在所述主隔膜的下表面上；柔性膜，所述柔性膜固定在所述基座的下表面上，其中柔性膜與所述基座限定出與外界連通的下腔室；和保持環，所述保持環固定在所述基座的下表面上，所述保持環的徑向截面的面積沿從下向上逐漸減小。根據本發明實施例的拋光頭通過設置具有彈性的主隔膜和徑向截面的面積沿從下向上逐漸減小的保持環，從而可以使所述拋光頭對拋光墊施加的壓力保持不變。由於所述拋光頭對拋光墊施加的壓力保持不變，因此所述拋光頭不僅可以防止晶圓在化學機械拋光過程中被甩出，而且可以獲得均勻的、一致的拋光效果。此外，由於所述保持環的磨損不會降低拋光效果，因此所述保持環可以具有更長的使用壽命，從而降低了拋光成本。另外，根據本發明實施例的拋光頭可以具有如下附加的技術特徵根據本發明的一個實施例，其中所述蓋板、主隔膜和基座限定出與外界連通的上腔室，其中所述下腔室通過所述上腔室與外界連通。根據本發明的一個實施例，所述保持環的內側面沿所述保持環的軸向延伸，且所述保持環的外側面向外傾斜。
根據本發明的一個實施例，所述保持環的內側面為臺階面。根據本發明的一個實施例，所述柔性膜上一體地形成有多個環形肋，其中所述多個環形肋通過利用壓環固定在所述基座的下表面上以將所述柔性膜固定到所述基座上，相鄰兩個環形肋限定出一個環形空間，且最內側環形肋限定出中心空間，所述下腔室由所述中心空間和全部的環形空間構成。根據本發明的一個實施例，所述主隔膜為彈簧或者橡膠件。根據本發明的一個實施例，所述柔性膜由氯丁二烯或者矽橡膠製成。根據本發明的一個實施例，所述保持環通過螺栓固定在所述基座的下表面上。根據本發明的一個實施例，所述保持環由聚亞苯基硫醚、聚醚醚酮或者陶瓷製成。本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖1是根據本發明實施例的拋光頭的結構示意圖。附圖標記說明拋光頭100、蓋板110、基座120、連接通道121、柔性膜130、環形肋131、環狀板 132、保持環140、底面141、141a、內側面142、外側面143、主隔膜150、下腔室160、上腔室 170、壓環180、晶圓200、拋光墊300。
具體實施例方式下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。在本發明的描述中，需要理解的是，術語「縱向」、「橫向」、「上」、「下」、「前」、「後」、 「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」 「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。在本發明的描述中，除非另有規定和限定，需要說明的是，術語「安裝」、「相連」、 「連接」應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語的具體含義。下面參照圖1描述根據本發明實施例的拋光頭100。如圖1所示，根據本發明實施例的拋光頭100包括蓋板110、主隔膜150、基座120、柔性膜130和保持環140。主隔膜150 為環形且具有彈性，主隔膜150固定在蓋板110的下表面上。基座120固定在主隔膜150 的下表面上。柔性膜130固定在基座120的下表面上，其中柔性膜130與基座120限定出與外界連通的下腔室160。保持環140固定在基座120的下表面上，保持環140的徑向截面的面積沿從下向上逐漸減小。在利用根據本發明實施例的拋光頭100進行化學機械拋光時，對基座120施加一個方向向下的壓力F，由於主隔膜150具有彈性，所述壓力F首先通過基座120傳遞到保持環140上，然後再由保持環140傳遞到拋光墊300上，從而將保持環140以所述壓力F壓在拋光墊300上。如圖1所示，通過對保持環140進行受力分析可以發現，保持環140在方向向下的所述壓力F、主隔膜150的方向向上的拉力Fm和拋光墊300的方向向上的支撐力Fr 的作用下實現力的平衡，即F = Fm+Fr。由於保持環140的徑向截面的面積沿從下向上逐漸減小，因此隨著保持環140的磨損，保持環140的底面將由底面141磨損至底面141a，也就是說保持環140的底面面積A 將減小。在化學機械拋光過程中所述壓力F保持不變，隨著保持環140的磨損，主隔膜150 的伸縮量將增大，這樣主隔膜150的所述拉力Fm也相應地增大，因此拋光墊300的所述支撐力Fr將減小。如果根據保持環140的磨損率來對保持環140的所述底面面積A進行計算，可以使拋光墊300的所述支撐力Fr的減小幅度等於保持環140的所述底面面積A的減小幅度，這樣保持環140對拋光墊300施加的壓力ft· (Pr = Fr/A)將保持不變，也就是說拋光頭100對拋光墊300施加的壓力將保持不變。根據本發明實施例的拋光頭100通過設置具有彈性的主隔膜150和徑向截面的面積沿從下向上逐漸減小的保持環140，從而可以使拋光頭100對拋光墊300施加的壓力保持不變。由於拋光頭100對拋光墊300施加的壓力保持不變，因此拋光頭100不僅可以防止晶圓200在化學機械拋光過程中被甩出，而且可以獲得均勻的、一致的拋光效果。此外，由於保持環140的磨損不會降低拋光效果，因此保持環140可以具有更長的使用壽命，從而降低了拋光成本。在本發明的一些實施例中，主隔膜150可以是彈簧或者橡膠件。保持環140可以由耐腐蝕、耐磨材料製成，例如保持環140可以由聚亞苯基硫醚、聚醚醚酮或者陶瓷製成。在本發明的一個具體示例中，保持環140可以通過螺栓固定在基座120的下表面上。如圖1所示，在本發明的一個實施例中，保持環140的內側面142可以沿保持環 140的軸向延伸，且保持環140的外側面143可以向外傾斜，從而可以使保持環140的徑向截面的面積沿從下向上逐漸減小。而且，保持環140可以僅通過改變外側面143向外傾斜的傾斜度來改變保持環140的徑向截面的面積，也就是說保持環140可以僅通過改變外側面143向外傾斜的傾斜度來使拋光墊300的所述支撐力Fr的減小幅度等於保持環140的所述底面面積A的減小幅度，拋光頭100對拋光墊300施加的壓力將保持不變。具體地，保持環140的內側面142可以是臺階面，從而可以更好地與基座120配合。其中，保持環140的內側面142是指在進行化學機械拋光時靠近晶圓200的側面， 保持環140的外側面143是指在進行化學機械拋光時遠離晶圓200的側面，保持環140的徑向截面是指與保持環140的底面141平行的截面，保持環140處於圖1所示的狀態時，保持環140的徑向截面也是保持環140的水平截面。在本發明的一些實施例中，柔性膜130上可以一體地形成有多個環形肋131，其中多個環形肋131可以通過利用壓環180固定在基座120的下表面上以將柔性膜130固定到基座120上，相鄰兩個環形肋131可以限定出一個環形空間，且最內側的環形肋131可以限定出中心空間，下腔室160可以由所述中心空間和全部的環形空間構成。具體地，環形肋131的末端可以設置有垂直於環形肋131的本體的環狀板132，壓環180可以壓在環狀板 132上以將柔性膜130固定到基座120上。柔性膜130可以由彈性材料製成，例如可以由氯丁二烯或者矽橡膠製成。如圖1所示，在本發明的一些實施例中，下腔室160可以具有多個與外界連通的子腔室，在進行化學機械拋光時向所述多個子腔室內通入一定壓力的流體，這樣在所述多個子腔室內形成有流體壓力，所述流體壓力由柔性膜130傳遞給晶圓200。在本發明的一個具體示例中，基座120可以設置有多個與外界連通的基座通道，且所述多個基座通道分別與所述多個子腔室對應地相連通，從而可以使所述多個子腔室與外界連通，也就是說可以使下腔室160與外界連通。這樣可以利用例如流體伺服閥通過相對應的所述基座通道向每個所述子腔室內通入一定壓力的流體。在本發明的一些實施例中，蓋板110、主隔膜150和基座120可以限定出與外界連通的上腔室170，其中下腔室160可以通過上腔室170與外界連通。具體地，蓋板110可以設置有蓋板通道，或者基座120可以設置有基座通道，可以利用例如流體伺服閥通過所述蓋板通道或者所述基座通道向上腔室170內通入壓力為P的流體。所述流體對基座120施加一個方向向下的壓力F，其中F = PX S，S為主腔室170的底面面積。由於所述流體的壓力P(如圖1所示)在化學機械拋光過程中保持不變，因此所述流體對基座120施加的方向向下的壓力F保持不變。在本發明的一個實施例中，下腔室160可以通過連接通道122與上腔室170相連通，從而可以與外界連通。上腔室170可以使向所述多個子腔室內通入一定壓力的流體更加簡便，這樣蓋板110或者基座120隻需設置一個蓋板通道或者基座通道。具有一定壓力的流體通過所述蓋板通道或者基座通道進入上腔室170後，再通過連接通道122進入與連接通道122相連通的下腔室160內，即通過連接通道122進入與連接通道122相連通的各個所述子腔室內。根據本發明實施例的拋光頭100不僅可以防止晶圓200在化學機械拋光過程中被甩出，而且可以獲得均勻的、一致的拋光效果。此外，由於保持環140的磨損不會降低拋光效果，因此保持環140可以具有更長的使用壽命，從而降低了拋光成本。在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。儘管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由權利要求及其等同物限定。
權利要求
1.一種拋光頭，其特徵在於，包括 蓋板；主隔膜，所述主隔膜為環形且具有彈性，所述主隔膜固定在所述蓋板的下表面上； 基座，所述基座固定在所述主隔膜的下表面上；柔性膜，所述柔性膜固定在所述基座的下表面上，其中柔性膜與所述基座限定出與外界連通的下腔室；和保持環，所述保持環固定在所述基座的下表面上，所述保持環的徑向截面的面積沿從下向上逐漸減小。
2.根據權利要求1所述的拋光頭，其特徵在於，其中所述蓋板、主隔膜和基座限定出與外界連通的上腔室，其中所述下腔室通過所述上腔室與外界連通。
3.根據權利要求1所述的拋光頭，其特徵在於，所述保持環的內側面沿所述保持環的軸向延伸，且所述保持環的外側面向外傾斜。
4.根據權利要求3所述的拋光頭，其特徵在於，所述保持環的內側面為臺階面。
5.根據權利要求1所述的拋光頭，其特徵在於，所述柔性膜上一體地形成有多個環形肋，其中所述多個環形肋通過利用壓環固定在所述基座的下表面上以將所述柔性膜固定到所述基座上，相鄰兩個環形肋限定出一個環形空間，且最內側環形肋限定出中心空間，所述下腔室由所述中心空間和全部的環形空間構成。
6.根據權利要求1所述的拋光頭，其特徵在於，所述主隔膜為彈簧或者橡膠件。
7.根據權利要求1所述的拋光頭，其特徵在於，所述柔性膜由氯丁二烯或者矽橡膠製成。
8.根據權利要求1所述的拋光頭，其特徵在於，所述保持環通過螺栓固定在所述基座的下表面上。
9.根據權利要求1所述的拋光頭，其特徵在於，所述保持環由聚亞苯基硫醚、聚醚醚酮或者陶瓷製成。
全文摘要
本發明公開了一種拋光頭，所述拋光頭包括蓋板；主隔膜，所述主隔膜為環形且具有彈性，所述主隔膜固定在所述蓋板的下表面上；基座，所述基座固定在所述主隔膜的下表面上；柔性膜，所述柔性膜固定在所述基座的下表面上，其中柔性膜與所述基座限定出與外界連通的下腔室；和保持環，所述保持環固定在所述基座的下表面上，所述保持環的徑向截面的面積沿從下向上逐漸減小。根據本發明實施例的拋光頭不僅可以防止晶圓在化學機械拋光過程中被甩出，而且可以獲得均勻的、一致的拋光效果。此外，由於所述保持環的磨損不會降低拋光效果，因此所述保持環可以具有更長的使用壽命，從而降低了拋光成本。
文檔編號B24B39/06GK102172887SQ20111003926
公開日2011年9月7日 申請日期2011年2月16日 優先權日2011年2月16日
發明者何永勇, 王同慶, 路新春, 雒建斌 申請人:清華大學