CN112548848B - 一种承载头和化学机械抛光设备 - Google Patents

一种承载头和化学机械抛光设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种承载头，包括承载盘、柔性膜、环状压盘、保持环和至少一个柔性膜固定圈；所述柔性膜具有边缘皱壁和至少一个内皱壁，所述边缘皱壁及内皱壁被环状压盘夹紧至承载盘以形成可调压腔室；所述保持环耦接至所述承载盘下方并包围所述柔性膜固定圈；所述柔性膜固定圈卡合于所述边缘皱壁的外侧和/或内侧，以保持所述边缘皱壁；所述柔性膜固定圈和所述保持环中分别配置磁动部，使得柔性膜圆周边缘可受控下压。

Description

一种承载头和化学机械抛光设备
技术领域
本发明涉及化学机械抛光技术领域，尤其涉及一种用于化学机械抛光的承载头及化学机械抛光设备。
背景技术
化学机械抛光是一种在芯片制造领域主流的基板抛光的方法。这种抛光方法通常将基板吸合在承载头的下部，基板具有沉积层的一面抵接于旋转的抛光垫上，承载头在驱动部件的带动下与抛光垫同向旋转并给予基板向下的载荷；同时，抛光液供给于抛光垫的上表面并分布在基板与抛光垫之间，在化学及机械的综合作用下使基板完成全局抛光。
承载头是化学机械抛光装置的重要组成部分，其作业性能直接关系到基板的化学机械抛光效果。如美国专利US20130065495A1公开了一种承载头，其包括承载盘及弹性膜，弹性膜可拆卸地设置在承载盘的下部；承载盘包括第一部分及第二部分，第一部分可移动地同心设置在第二部分的上部凹槽中使得第一部分和第二部分彼此之间可沿垂直于承载盘底面的方向运动。第二部分下部安装有弹性膜使得第二部分与弹性膜之间形成多个气腔以通过调节每个独立气腔的压力实现对基板压力轮廓的调节。现有技术中，外部空气经由第一部分上表面的气孔进入第一部分内部的通道并从第一部分侧壁上的气孔流出，然后经由气管输送至分别与独立气腔连通的第二部分的上表面的气孔。
中国专利CN104854680B公开了一种承载头，可将各个挡板的尾端夹在夹板之间。各种夹板实质上可为纯塑料、复合塑料或金属，所述纯塑料例如聚醚醚酮或聚苯硫醚，所述复合塑料例如玻璃填充的PEEK或玻璃填充的PPS，所述金属例如不锈钢或铝。环架机构允许底座组件相对于壳体垂直滑动，同时限制底座组件的横向移动。外罩例如由基于聚乙烯对苯二甲酯的半晶态热塑性聚酯制成，例如聚酯可被覆盖于底座组件的外侧以防止来自浆料的污染到达承载头的内部。
然而，随着电子器件特征结构尺寸不断的缩小，其制造过程对化学机械抛光的工艺要求也越来越高，从而导致承载头中气体腔室分区越来越多。这使得承载头的结构也日趋复杂，零部件数量和组合关系都达到了空前的复杂程度，给装配作业和维保作业带来了挑战，并对零部件加工提出了非常高的精度要求和成本要求；此外，化学机械抛光终点检测的检测精度要求也随着特征结构尺寸的不断缩小而提高，因此对承载头的整体电磁信号反射性能也提出了一定要求，希望能够在测量基板上的金属结构特征厚度时，承载头上其他金属部件尽量少的反射电磁测量信号；不仅如此，还要求承载头快速取放基板以及对基板加压的过程中降低对基板可能造成的影响，防止基板损坏等；进一步的，现有技术中将柔性膜边缘处设置两个或三个气体腔室和/或凹陷和/或卡环来实现对晶圆边缘区域的压力精确调控都存在成本高、难以制造、容易吸附污染物影响良率等问题，希望提供一种具有更精确且更均匀的抛光设备来实现更精确且更均匀的化学机械抛光。
发明内容
本发明实施例提供了一种用于化学机械抛光的承载头及化学机械抛光设备，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。
一种用于化学机械抛光的承载头，包括承载盘、柔性膜、环状压盘、保持环和至少一个柔性膜固定圈；所述柔性膜具有边缘皱壁和至少一个内皱壁，所述边缘皱壁及内皱壁被环状压盘夹紧至承载盘以形成可调压腔室；所述保持环耦接至所述承载盘下方并包围所述柔性膜固定圈；所述柔性膜固定圈卡合于所述边缘皱壁的外侧和/或内侧，以保持所述边缘皱壁；所述柔性膜固定圈和所述保持环中分别配置磁动部，使得柔性膜圆周边缘可受控下压。
优选地，承载头顶部设置有滑环，所述线圈电连接至所述滑环，并通过所述滑环与外部电路电连接。
优选地，所述承载盘中设置有电池和无线控制模块，所述线圈电连接至所述无线控制模块，所述无线控制模块由所述电池供电。
优选地，所述无线控制模块的控制方式为蓝牙、射频识别、近场通信、ZigBee或其他短距离无线控制方式中的至少一种。
优选地，所述电池与线圈之间连接有充电模块，使得可以通过无线充电方式对所述电池进行充电。
优选地，所述柔性膜固定圈包括柔性膜外圈和柔性膜内圈，两者分别卡合于所述边缘皱壁的外侧和内侧。
优选地，所述线圈在竖直平面的投影与柔性膜外圈在竖直平面的投影重合。
优选地，所述保持环的内周壁为非金属。
优选地，所述柔性膜外圈为内嵌有永磁体的工程塑料，所述保持环中嵌设有线圈。
同时，本发明还公开了一种化学机械抛光设备，包括上面中任一项所述的承载头。
附图说明
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，但这些附图只是示意性的，并不限制本发明的保护范围，其中：
图1是根据本发明所述用于化学机械抛光的承载头的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的局部示意图；
图3是根据本发明的原理示意图；
图4是根据本发明另一个实施例的局部示意图；
图5是根据本发明另一个实施例的结构示意图；
图6是根据本发明另一个实施例的局部示意图；
图7是根据本发明另一个实施例的局部示意图；
图8是根据本发明另一个实施例的局部示意图；
图9是根据本发明另一个实施例的局部示意图；
图10是根据本发明另一个实施例的局部示意图；
图11是根据本发明另一个实施例的局部示意图；
图12是根据本发明另一个实施例的局部示意图。
具体实施方式
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。
根据本发明的用于化学机械抛光的承载头1的一种实施例如图1所示，包括平衡架11、连轴盘12、承载盘13、柔性膜14、环状压盘15以及保持环16；第一夹环20将环状弹性膜21的外缘夹紧结合至承载盘13并且第二夹环23将环状弹性膜21的内缘夹紧结合至连轴盘12，使得当连轴盘12与外部驱动轴(未示出)一起旋转时连轴盘12可经由环状弹性膜21带动承载盘13一起同轴旋转；第三夹环18和环状垫圈17A、17B将平衡架11夹紧固定至承载盘13，环状压盘15将柔性膜14气密地夹紧至承载盘13下部使得柔性膜14可以随承载盘13及平衡架11一起同轴旋转并相对于连轴盘12沿竖直方向上下运动；保持环16耦合连接至承载盘13的下表面；当承载头1作业时，连轴盘12耦合连接至外部驱动轴，待加工的基板被接收保持于保持环16内侧的柔性膜14下方。
柔性膜14的作用在于与承载头1的其他部分配合形成至少两个可调压的气体腔室，从而进一步微调施加于基板的压力轮廓以改善化学机械抛光的均匀性和一致性。为此，柔性膜14形成为由圆形底板部、环状的边缘皱壁以及至少一个环状的内皱壁构成。边缘皱壁及至少一个内皱壁被环状压盘15夹紧至承载盘13以形成可调压腔室，使得可以通过控制平衡架11的竖直位置和可调压腔室的压力来调节施加于基板的压力。
如图2所示，柔性膜14的边缘皱壁与至少一个柔性膜固定圈卡合，与边缘皱壁外侧卡合的柔性膜固定圈称为柔性膜外圈141，与边缘皱壁内侧卡合的柔性膜固定圈称为柔性膜内圈142，柔性膜外圈141和柔性膜内圈142可共同将边缘皱壁保持于两者之间，也可只使用两者之一来对边缘皱壁进行保持。
在本发明的一个实施例中，柔性膜14的边缘皱壁外侧设有环状凹槽，轮廓与环状凹槽相匹配的柔性膜外圈141卡合于环状凹槽内。柔性膜14的边缘皱壁内侧与柔性膜内圈142的外侧具有相匹配的凹凸结构。当柔性膜外圈141和柔性膜内圈142分别卡合于柔性膜边缘皱壁的外侧和内侧时，可以使得位于两者之间的柔性膜边缘皱壁具有更好的刚性。
保持环16可以部分或完全采用工程塑料制作，柔性膜外圈141可以部分或完全采用永磁材料制作。保持环16的内周壁与柔性膜外圈141相对的部分具有环形空腔，环形空腔内安装有线圈161。线圈161与柔性膜外圈141同轴，两者组成音圈电机。
如图3所示，当线圈161中有电流通过时将产生竖直方向的磁场，含有永磁材料的柔性膜外圈141在磁场中受到竖直方向的磁力，该磁力的大小和方向取决于线圈161中电流的大小和方向，该磁力可对边缘皱壁产生下压或上抬作用，进而改变柔性膜边缘部分施加于基板的下压力。在各调压腔室的气压维持不变的情况下，通过调节线圈161中的电流，可以实现对基板边缘压力的微调，进而对基板边缘的材料去除速率进行微调。
在本发明的另一个实施例中，为了确保磁力控制效果，线圈161的几何中心与柔性膜外圈141的几何中心位于相同高度，使线圈161在竖直平面的投影与柔性膜外圈141在竖直平面的投影重合。保持环16的内周壁位于线圈161与柔性膜外圈141之间的部分采用非金属材料制作，避免对线圈磁场产生干扰。
如图4所示，在本发明的另一个实施例中，取消柔性膜外圈，柔性膜内圈142可以部分或完全采用永磁材料制作。保持环16的内周壁与柔性膜外圈141相对的部分具有环形空腔，环形空腔内安装有线圈161。线圈161与柔性膜外圈141同轴，两者组成音圈电机，当线圈161中有电流通过时将产生竖直方向磁场，具有磁性的柔性膜内圈142在磁场中受到竖直方向的磁力，该磁力的大小和方向取决于线圈161中电流的大小和方向，该磁力可对边缘皱壁产生下压或上抬作用，进而改变柔性膜边缘部分施加于基板的下压力。在各调压腔室的气压维持不变的情况下，通过调节线圈161中的电流，可以实现对基板边缘压力的微调，进而对基板边缘的材料去除速率进行微调。需要说明的是，尽管图中未示出，但柔性膜内圈142也可嵌入卡合设置在柔性膜圆周壁的内部。
在本发明的另一个实施例中，为了确保磁力控制效果，线圈161的几何中心与柔性膜内圈142的几何中心位于相同高度，使线圈161在竖直平面的投影与柔性膜内圈142在竖直平面的投影重合。保持环16的内周壁位于线圈161与柔性膜内圈142之间的部分采用非金属材料制作，避免对线圈磁场产生干扰。
在本发明的另一个实施例中，承载头1的顶部设有滑环，承载头1内部设有导线，线圈161通过导线与滑环电连接，并经由滑环与外部电路实现电连接。外部电路可以根据基板边缘部分的材料厚度和去除速率实时调节线圈161中电流的大小和方向，实现基板边缘压力的精确调节。
如图5所示，在本发明的另一个实施例中，承载头1与化学机械抛光设备的其余部件之间没有电连接，承载盘13中设置有电池131和无线控制模块132，无线控制模块132采用诸如蓝牙、射频识别、近场通信、ZigBee等短距离无线控制方式，并与线圈161电连接，可以根据外部控制信号实时调节线圈161中的电流，进而调节基板边缘压力，线圈161和无线控制模块132均由电池131供电。
在该实施例中，承载盘13中还设有充电模块133，充电模块133与线圈161和电池131电连接。当承载头1未进行抛光作业时，线圈161可以作为无线充电线圈接收外部充电装置提供的电能，经由充电模块133为电池131充电。
在本发明的另一个实施例中，无线控制模块132与加速度传感器连接，以确定承载头1是否处于运动状态，如承载头1处于运动状态，则电池131继续提供电力，如承载头1停止运动，则无线控制模块132可与电池131断开以省电。
如图6所示，柔性膜外圈141可以采用外套141B包裹永磁体141A的结构，外套141B采用高强度材料制作，对机械强度较弱的永磁体141A进行保护，尽量避免在抛光过程中因柔性膜外圈141损伤而产生微粒。
更具体地，外套141B为复合塑料，永磁体141A为钕铁硼材料。
由于保持环16为易损耗材，为了降低使用成本，线圈161可以采用可拆卸设计。如图7所示，在本发明的另一个实施例中，线圈161内嵌于线圈座162，线圈座162可拆卸地耦接于保持环16，当更换保持环时，线圈座162可以整体从旧保持环上取下并装入新保持环，实现重复利用。
更具体地，线圈座162为尼龙塑料。
如图8所示，在本发明的另一个实施例中，线圈161呈嵌入线圈座162的筒状，并且布置在靠近线圈座162的内周壁表面处。线圈161通过多匝绕线同轴绕制形成，该绕线涂敷有诸如磁漆树脂的绝缘树脂。绕线沿着与承载盘下表面平行的方向缠绕。
更具体地，线圈161沿竖直方向形成有多层，优选地，可沿径向形成三层以上的奇数层。在本实施例中，线圈161包括第一线圈层、第二线圈层和第三线圈层，通过将由磁漆树脂绝缘的电线缠绕在线圈架上形成，或将电线缠绕呈筒状再利用黏结剂固定至线圈架上。
在该实施例中，永磁体的磁化方向为轴向。
如图9所示，在线圈161外侧设置有环状的第二永磁体163，第二永磁体163和柔性膜外圈141中的永磁体的磁化方向均为轴向但极性相反。由于第二永磁体163的引导，柔性膜外圈141中的永磁体的磁力线沿径向延伸并穿过线圈161，以增大气隙中的磁通密度，从而使磁通得到充分利用，减少漏磁，进而使相同驱动电流下的音圈电机推力更大。
更具体地，第二永磁体163采用钕铁硼永磁体。
如图10所示，第二永磁体163和柔性膜外圈141中的永磁体均由多个瓦形永磁体拼接组成，每个瓦形永磁体的磁化方向为轴向，拼接后形成一致的轴向磁场，采用瓦形磁钢组代替环形永磁体，可以进一步提高磁通利用率。
如图11所示，线圈座162和柔性膜外圈141中具有环状空腔，用以容置由多个瓦形永磁体拼接而成的环形永磁体。
如图12所示，在本发明的另一个实施例中，线圈161由多个对称分布在保持环16中的子线圈161A组成，子线圈161A可相互串联也可各自独立，各子线圈161A的轴线可以保持在竖直方向也可以与竖直方向成一定夹角。
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。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。
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。

Claims (10)

1.一种用于化学机械抛光的承载头，其特征在于，包括承载盘、柔性膜、环状压盘、保持环和至少一个柔性膜固定圈；
所述柔性膜具有边缘皱壁和至少一个内皱壁，所述边缘皱壁及内皱壁被环状压盘夹紧至承载盘以形成可调压腔室；
所述保持环耦接至所述承载盘下方并包围所述柔性膜固定圈；
所述柔性膜固定圈卡合于所述边缘皱壁的外侧和/或内侧，以保持所述边缘皱壁；
所述柔性膜固定圈和所述保持环中分别配置磁动部，使得柔性膜圆周边缘可受控下压。
2.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，承载头顶部设置有滑环，所述线圈电连接至所述滑环，并通过所述滑环与外部电路电连接。
3.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述承载盘中设置有电池和无线控制模块，所述线圈电连接至所述无线控制模块，所述无线控制模块由所述电池供电。
4.如权利要求3所述的承载头，其特征在于，所述无线控制模块的控制方式为蓝牙、射频识别、近场通信、ZigBee或其他短距离无线控制方式中的至少一种。
5.如权利要求4所述的承载头，其特征在于，所述电池与线圈之间连接有充电模块，使得可以通过无线充电方式对所述电池进行充电。
6.如权利要求1所述的承载头，其特征在于，所述柔性膜固定圈包括柔性膜外圈和柔性膜内圈，两者分别卡合于所述边缘皱壁的外侧和内侧。
7.如权利要求6所述的承载头，其特征在于，所述线圈在竖直平面的投影与柔性膜外圈在竖直平面的投影重合。
8.如权利要求7所述的承载头，其特征在于，所述保持环的内周壁为非金属。
9.如权利要求6-8中任一项所述的承载头，其特征在于，所述柔性膜外圈为内嵌有永磁体的工程塑料，所述保持环中嵌设有线圈。
10.一种化学机械抛光设备，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的承载头。
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