CN110802507A - 研磨头和化学机械研磨设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种研磨头和一种化学机械研磨设备。所述研磨头上设置有用来限定晶圆的研磨保持环，所述研磨保持环包括多块弧形板，所述多块弧形板在晶圆法线方向上的位置在设定范围内可以调节，相邻弧形板之间具有间隙。在研磨晶圆时，相邻两块弧形板之间的间隙可以排出研磨副产物和多余研磨液，研磨保持环在与研磨垫接触而被磨损时，在设定范围内调节各块弧形板在晶圆法线方向上的位置，即可保持相邻弧形板间间隙的深度在要求的范围内，确保相邻弧形板间间隙排污效果不随研磨保持环磨损量增加而变差。另外本发明还提供一种化学研磨设备，化学研磨设备包括前述研磨头。

Description

研磨头和化学机械研磨设备

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种研磨头和一种化学机械研磨设备。

背景技术

在半导体器件的制造过程中，常需要应用研磨工艺对晶圆以及在晶圆上形成的材料进行研磨，以去除不需要的材料并获得平坦的表面。常用的一种研磨工艺是化学机械研磨(CMP)。

现有的CMP设备中，研磨平台上的研磨垫(pad)设置为与研磨平台一起旋转，晶圆被研磨头(polish head)吸附后与研磨垫接触并被加压而在研磨垫上旋转移动，通过摩擦对晶圆进行机械研磨，另外通过研磨液供给单元(slurry delivery)向研磨垫上供给研磨液，以实现对晶圆同步进行机械研磨和化学研磨。

为了防止晶圆在研磨时滑动飞出，现有CMP设备上的研磨头上通常设置有一体结构的研磨保持环，以在研磨时将晶圆设置在研磨保持环内防止晶圆超出设置范围。此外，现有研磨保持环上一般设置有排污沟槽(沟槽的开口朝向研磨垫)，用于排出研磨时产生的副产物及多余研磨液。但是，由于研磨保持环在研磨过程中，贴着研磨垫的底面也会被磨损，这样会使得研磨保持环上的沟槽变浅，导致排出效果变差，使得研磨副产物和多余研磨液堆积在研磨保持环内，会造成晶圆的刮伤等缺陷，也会降低研磨速率，从而降低研磨效率。

发明内容

本发明提供一种研磨头，以解决由于研磨保持环在研磨过程中被磨损而导致的研磨效果变差以及研磨效率降低的问题。本发明另外还提供了一种化学机械研磨设备。

为了实现上述目的，本发明提供的研磨头，包括研磨保持环，所述研磨保持环包括多块弧形板，所述多块弧形板用于在研磨过程中沿晶圆的周向拼接以定位所述晶圆，相邻两个所述弧形板之间具有间隙，每块所述弧形板在所述晶圆的法线方向上的位置在设定范围内可调。

可选的，所述研磨头还包括压头和底座，所述压头用于在研磨过程中压制所述晶圆，所述底座位于所述压头远离所述晶圆的一侧且连接所述压头，所述底座上设置有多个距离调节组件，所述研磨保持环的各块所述弧形板均通过相应的所述距离调节组件与所述底座连接。

可选的，所述距离调节组件为螺杆，每块所述弧形板朝向所述底座的表面设置有与所述螺杆对应的螺纹孔。

可选的，所述底座上还设置有与各个所述螺杆远离所述弧形板的一端连接的多块限位板，各个所述限位板限定相应的所述螺杆沿所述晶圆法线方向朝所述晶圆运动的最大距离。

可选的，相邻两块所述弧形板之间的间隙在距离所述晶圆最近的点处的晶圆切线方向上延伸。

可选的，所述研磨头还包括与所述底座连接的内限位环和外限位环，所述研磨保持环位于所述内限位环和外限位环之间，在所述设定范围内调节所述研磨保持环的各块所述弧形板沿所述晶圆的法线方向上的位置时，各块所述弧形板的远离所述底座的一侧表面均凸出于所述内限定环和所述外限定环。

可选的，所述内限位环和所述外限位环远离所述底座的一侧表面齐平。

可选的，所述研磨头还包括设置于所述弧形板之间的间隙内的限位条，所述限位条贴附在所述底座上，且在所述晶圆的法线方向上，所述限位条与所述晶圆之间的间距大于所述内限位环与所述晶圆之间的间距。

可选的，拼接后的各块所述弧形板在所述晶圆的径向上的尺寸均相同，且任意两个相邻的所述弧形板之间的间隙的宽度均相同。

另一方面，本发明还提供一种化学机械研磨设备，所述化学研磨设备包括所述的研磨头。

本发明提供的研磨头，研磨头上设置的研磨保持环包括多块弧形板，所述多块弧形板用于在研磨过程中沿晶圆的周向拼接以定位所述晶圆，所述多块弧形板在晶圆法线方向上位置可以调节，相邻弧形板之间具有间隙。在研磨晶圆时，相邻两块所述弧形板之间的间隙可以排出研磨副产物和多余研磨液，由于每块所述弧形板在所述晶圆的法线方向上的位置在设定范围内可调，这样在弧形板由于接触研磨垫而被磨损时，可以通过及时调整每块所述弧形板在所述晶圆的法线方向上的位置，使相邻弧形板间的间隙的深度保持在要求的范围内，避免间隙的排污效果受到弧形板磨损量的影响，有助于提高研磨效果和研磨效率。

本发明提供的化学机械研磨设备，包括上述研磨头，因而具有与上述研磨头相同或相似的技术效果。

附图说明

图1为本发明一实施例中研磨头的剖面示意图。

图2为本发明一实施例中研磨保持环、内限位环和外限位环的平面示意图。

图3为图1中研磨保持环的位置发生变化后的剖面示意图。

附图标记说明：

110-弧形板；

120-弧形板间的间隙；

210-底座；

220-螺杆；

230-限位板；

240-内限位环；

240'-外限位环；

250-限位条；

260-压头；

270-底座上的槽孔；

300-晶圆；

400-研磨垫。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的研磨头和化学机械研磨设备作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的一个实施例涉及一种研磨头。图1为本发明一实施例中研磨头的剖面示意图。图2为本发明一实施例中研磨保持环、内限位环和外限位环的平面示意图。如图1和图2所示，本实施例中，研磨头包括研磨保持环，研磨保持环包括多块弧形板110，多块弧形板110用于在研磨过程中沿晶圆300的周向拼接以定位晶圆300，相邻两个弧形板110之间具有间隙120，每块弧形板110在晶圆300的法线方向上的位置在设定范围内可调。

具体的，在研磨过程中，研磨保持环包围着晶圆用以定位晶圆300，防止晶圆300在研磨时由于惯性飞出，研磨保持环的底面贴于研磨垫400，研磨垫400转动研磨晶圆300时研磨保持环的底面也会磨损。相邻弧形板110间具有间隙120，此处间隙120朝向晶圆300露出的部分用于排出研磨副产物和多余研磨液。由于弧形板110在晶圆300的法线方向上的位置在设定范围内可调，而弧形板具有一定厚度，在弧形板110的底面被磨损使得间隙120朝向晶圆300露出的部分深度变短时，方便液体流出的沟槽变浅，此时，可以调节弧形板110在晶圆300的法线方向上的位置，使得相应间隙120朝向晶圆露出的部分伸出，以保持间隙120朝向晶圆露出的部分的深度在要求的范围内(该范围内研磨副产物和多余研磨液可以正常从间隙120流出而不会阻塞)。

在研磨过程中，晶圆限定于研磨保持环内且转动，产生的副产物及多余研磨液在转动过程中甩出，晶圆的切线方向即为这些物质的飞出方向，因此，优选方案中，相邻两块弧形板之间的间隙在距离晶圆最近的点处的晶圆切线方向上延伸，以方便研磨副产物和多余研磨液的排出。在其它实施例中，相邻弧形板之间的间隙的方向也可以不按照间隙距离晶圆最近的点处的晶圆切线方向上设置，或者，可设置间隙的靠近晶圆的一段的延伸方向沿间隙距离晶圆最近的点处的晶圆切线方向上延伸，而相对远离晶圆的一段或多段可以与该间隙靠近晶圆的一段的延伸方向形成一定的角度。

本实施例中，研磨保持环包括四块弧形板110，各块弧形板110在晶圆的径向上的尺寸均相同，且任意两个相邻的弧形板110之间的间隙120的宽度均相同。然而在其它实施例中，研磨保持环的各块弧形板也可以按照其它方式设置，弧形板数量可以是设置为小于四个或者四个以上，各块弧形板的厚度、沿晶圆径向上和/或周向上的尺寸也可以设置为不完全相同，相邻弧形板之间的间隙宽度也可以不完全相同，具体可以根据工艺及排污需要设置。

如图1所示，本实施例的研磨头还包括压头260和底座210，压头260用于在研磨过程中压制晶圆300，底座210位于压头260远离晶圆300的一侧且连接压头260。并且，为了使每块所述弧形板在所述晶圆的法线方向上的位置在设定范围内可调，本实施例中，在底座210上设置了多个距离调节组件，研磨保持环的各块弧形板均通过相应的距离调节组件与底座210连接，且通过距离调节组件可调节每块弧形板100在晶圆300的法线方向上的位置。

具体的，本实施例中的距离调节组件可以为螺杆220，每个弧形板110朝向底座210的表面设置有与螺杆220对应的螺纹孔。螺杆220一端***弧形板110的螺纹孔内，***深度可以是固定的，通过调节螺杆220上下运动，以调节弧形板110在所述晶圆300法线方向上的位置。然而，在其它实施例中，本领域普通技术人员也可以选用其它距离调节组件，只要能够实现弧形板与底座相连接且弧形板在晶圆法线方向上的位置可调即可。

由于在研磨过程中，研磨保持环会随着晶圆研磨量的变化，朝向研磨垫的一面也会被磨损。图3为图1中研磨保持环的位置发生变化后的剖面示意图。具体的，首先如图1所示，在研磨保持环未发生磨损时(即弧形板刚投入使用时)，可以设置弧形板110朝向底座210的表面到底座210的距离最近，如图1中，弧形板110与底座210的下表面相贴；随着使用时间的延长，弧形板110接触研磨垫的表面发生磨损，其远离底座210的一侧表面会由于磨损而靠近底座210，弧形板110厚度变小，弧形板之间的间隙120深度相应的也会变浅。为了维持研磨副产物和多余研磨液仍然能够顺利从间隙排出，可以调节螺杆220朝向晶圆的方向移动，即，使弧形板110沿晶圆300法线方向朝晶圆300运动，使弧形板110靠近底座210的表面和底座210分开一定距离(参照图3)，使相邻弧形板之间的间隙120朝向晶圆300露出的部分的深度维持在要求范围内。

为了方便研磨保持环的安装，以及进一步限制上述研磨保持环的各块弧形板的位置，本实施例中研磨头还可以包括连接于底座210的内限位环240和外限位环240'，内限位环240和外限位环240'位于底座210设置有研磨保持环的同一侧(底座的下表面一侧)。内限位环240和外限位环240'分别与研磨保持环的内外侧面接触，即研磨保持环位于内限位环240和外限位环240'之间，在设定的范围调节每块弧形板110在晶圆300的法线方向上的位置时，研磨保持环的各个弧形板110远离底座210的一侧表面优选均凸出内限位环240和外限位环240'，即始终保持研磨保持环朝向晶圆300的一侧凸出内限位环240和外限位环240'。弧形板110凸出内限位环240的高度即为弧形板间间隙120朝向晶圆300露出的部分的深度，用于排出研磨副产物和多余研磨液，故弧形板110凸出内限位环240的高度应保持在要求的范围内(该范围内研磨副产物和多余研磨液可以正常从间隙120流出而不会阻塞)。

作为示例，本实施例中内限位环240和外限位环240'远离底座210的一侧表面齐平。然而在其它实施例中，所述内限位环和外限位环远离底座的表面也可以存在一定的高度差。

本实施例中的弧形板在设定范围内位置可调节，在该设定范围内，弧形板沿晶圆法线方向朝晶圆运动到弧形板距离底座最远时，弧形板仍然凸出内外限定环与研磨垫接触且凸出的高度满足排污要求，该设定范围与弧形板的厚度以及内外限位环远离底座的表面到底座靠近弧形板的表面的距离有关。如果超出设定范围将无法得到满足要求的间隙排污效果，则说明该弧形板磨损量超出允许的最大值，需要更换。本实施例中，为了限定弧形板的运动范围，使其到达最大磨损量仍然在凸出于内外限定环且与凸出的高度满足排污效果，可以通过限定距离调节组件的朝晶圆运动的最大距离来控制。具体的，研磨头还可包括连接于各个螺杆220远离弧形板110的一端的多块限位板230，从而限位板230可以随着螺杆220在晶圆300的法线方向上移动，各块限位板230可用来限定相应的螺杆220沿晶圆300法线方向朝晶圆300运动的最大距离。

进一步的，如图1和图3所示，底座210上可设置有与限位板230相对应的槽孔270，且限位板230可以在槽孔270内随螺杆220运动。作为示例，限位板230在初始位置位于槽孔270底面上方的一定高度(如图1)。随着研磨保持环磨损量的增加，调节螺杆220朝晶圆300运动的次数增加，限位板230也随之逐渐靠近槽孔270的底面。当研磨保持环达到允许的最大磨损量时，限位板230贴于槽孔270的底部，限位板230被卡住，如图3，此时限位板230限制了螺杆220沿晶圆法线方向朝晶圆移动的运动，即螺杆220沿晶圆300法线方向朝晶圆300运动的移动距离达到最大值，不可再推出弧形板110。为了确保弧形板间间隙120朝向晶圆300露出的部分具有一定的深度，即排污沟槽深度在要求范围内，在限位板限定使得弧形板不再能向下调节时，此时需更换研磨保持环。本发明不限于此，在其它实施例中，也可以通过其它手段，例如在底座和距离调节组件之间设置卡扣来限定弧形板与底座之间的距离，以及时获得弧形板是否需要更换的信息。

本实施例中研磨头还可包括设置于弧形板110之间的间隙120内的限位条250(限位条的下表面位置如图1和图3中的虚线所示)，用来辅助距离调节组件固定相邻弧形板110，具体的，限位条250可设置为与间隙120的宽度相匹配。优选的，设置限位条250贴附在底座210上，且使限位条250与晶圆300之间的间距大于内限位环240与晶圆300之间的间距，以避免对间隙120排污效果的影响。

本实施例的研磨头设置的研磨保持环包括多块弧形板，多块弧形板用于在研磨过程中沿晶圆的周向拼接以定位所述晶圆，多块弧形板在晶圆法线方向上位置可以调节，相邻弧形板之间具有间隙。在研磨晶圆的过程中，弧形板间隙充当排污沟槽，弧形板在晶圆法线方向上的位置可调，使间隙朝向晶圆露出的部分保持一定的高度，即排污沟槽深度保持一定深度。如此，弧形板间隙(即排污沟槽)的排污能力可以通过调节弧形板使其不随研磨保持环贴于研磨垫的表面的磨损量增大而变差，研磨副产物及多余研磨液可以及时有效的排出，避免了由于其堆积在研磨保持环内造成晶圆刮伤等缺陷，同时还可以提升研磨效率，研磨保持环的更换频率也可以降低，从而降低了生产成本。

本发明还提供一种化学研磨设备，包括上述研磨头。所述化学研磨设备可以用在各种半导体器件的制作工艺，以达到使研磨的表面平坦的目的。所述化学研磨设备还包括研磨垫、研磨液供给单元以及研磨垫修整器等组件。在研磨时，晶圆被研磨头吸附后与研磨垫接触并被加压，在研磨垫上作往复运动并旋转，通过摩擦对晶圆进行机械和化学研磨。由于研磨头研磨保持环设置为包括多块弧形板，多块弧形板在研磨过程中沿晶圆的周向拼接以定位所述晶圆，相邻两个弧形板之间具有间隙，因而研磨产生的副产物和多余研磨液可以通过弧形板之间的间隙排出，并且由于每块所述弧形板在所述晶圆的法线方向上的位置在设定范围内可调，可以避免间隙处形成的排污沟槽过浅对其排污能力的影响，有助于提高化学研磨设备的研磨效果和研磨效率。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种研磨头，其特征在于，包括研磨保持环，所述研磨保持环包括多块弧形板，所述多块弧形板用于在研磨过程中沿晶圆的周向拼接以定位所述晶圆，相邻两个所述弧形板之间具有间隙，每块所述弧形板在所述晶圆的法线方向上的位置在设定范围内可调。

2.如权利要求1所述的研磨头，其特征在于，还包括压头和底座，所述压头用于在研磨过程中压制所述晶圆，所述底座位于所述压头远离所述晶圆的一侧且连接所述压头，所述底座上设置有多个距离调节组件，所述研磨保持环的各块所述弧形板均通过相应的所述距离调节组件与所述底座连接。

3.如权利要求2所述的研磨头，其特征在于，所述距离调节组件为螺杆，每块所述弧形板朝向所述底座的表面设置有与所述螺杆对应的螺纹孔。

4.如权利要求3所述的研磨头，其特征在于，所述底座上还设置有与各个所述螺杆远离所述弧形板的一端连接的多块限位板，各个所述限位板限定相应的所述螺杆沿所述晶圆法线方向朝所述晶圆运动的最大距离。

5.如权利要求1所述的研磨头，其特征在于，相邻两块所述弧形板之间的间隙在距离所述晶圆最近的点处的晶圆切线方向上延伸。

6.如权利要求1所述的研磨头，其特征在于，所述研磨头还包括与所述底座连接的内限位环和外限位环，所述研磨保持环位于所述内限位环和外限位环之间，在所述设定范围内调节所述研磨保持环的各块所述弧形板沿所述晶圆的法线方向上的位置时，各块所述弧形板的远离所述底座的一侧表面均凸出于所述内限定环和所述外限定环。

7.如权利要求6所述的研磨头，其特征在于，所述内限位环和所述外限位环远离所述底座的一侧表面齐平。

8.如权利要求6所述的研磨头，其特征在于，所述研磨头还包括设置于所述弧形板之间的间隙内的限位条，所述限位条贴附在所述底座上，且在所述晶圆的法线方向上，所述限位条与所述晶圆之间的间距大于所述内限位环与所述晶圆之间的间距。

9.如权利要求1至8任一项所述的研磨头，其特征在于，拼接后的各块所述弧形板在所述晶圆的径向上的尺寸均相同，且任意两个相邻的所述弧形板之间的间隙的宽度均相同。

10.一种化学机械研磨设备，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的研磨头。

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