专利名称：一种用于化学机械抛光的抛光头的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成电路制造技术领域，特别是涉及 一 种用于化学机 械抛光的抛光头。
背景技术：
在集成电路的制造过程中，由于特征尺寸的不断缩小和金属互连 层数的不断增加，图形曝光的焦深变得越来越小。要实现多层布线，
晶圆表面必须具有很高的均匀性，而CMP ( Chemical-Mechanical Polish,化学机械抛光)技术是目前最有效的全局平坦化技术。
CMP技术是将待抛光的晶圆由抛光头夹持，并将其以一定压力 压在抛光垫上，在抛光过程中，抛光头带动晶圆沿转轴旋转，抛光垫 则沿另一转轴旋转，由磨粒和化学溶液组成的抛光液在晶圆和抛光垫 之间流动，通过化学和机械的共同作用实现表面平坦化。在抛光过程 中，抛光头起着夹持晶圆并对其背侧施加下压力(downforce)的作 用，是实现表面平坦化的关键所在。
在现有的CMP技术中，已知有多种原因可以引起晶圆表面的非 均匀性。这些原因包括施加到晶圆背侧的下压力不均匀、因抛光垫 在晶圆边缘区域和在中心区域出现的典型作用差异而引起的边缘效 应、金属/氧化层的非均匀沉积等。迄今为止，为同时解决这些问题 所做的努力尚没有取得成功。
与此同时，随着特征尺寸的不断縮小，为了降低RC(阻容)延 迟，铜互连和低k材料的引入已成为必然。而低k材料的多孔结构使 得其机械性能变得很差，CMP过程中的常规下压力(2.0-6.0psi)已 无法满足要求，必须釆用低下压力(<2.0psi)，这就需要对抛光头进 行相应的改进。
发明内容
本发明实施例要解决的问题是提供一种用于化学机械抛光的抛 光头，以实现在抛光过程中获得较好的均匀性。
为达到上述目的，本发明实施例的技术方案提供一种用于化学机
械抛光的抛光头，所述抛光头包括
基座，所述基座下方边缘区域有环状凹槽；
保持环隔膜，固定在所述基座的下方，与所述环状凹槽形成保持
环腔室；
保持环，通过所述保持环隔膜浮动于所述保持环腔室的下方，所 述保持环在所述基座的正下方设置有口袋区域，用来容纳晶圆；
多腔室隔膜，所述多腔室隔膜有盘状平面，其上集成有多个同心 环状肋，所述盘状平面、同心环状肋与所述基座的下表面形成多个相 互独立的同心环状腔室。
其中，所述保持环腔室容纳有气体或液体，所述气体或液体的压 力通过所述保持环隔膜传递至所述保持环，形成下压力。
其中，所述多个相互独立的同心环状腔室容纳有气体或液体，所 述气体或液体的压力通过所述多腔室隔膜传递至晶圆，形成下压力。
其中，所述保持环腔室内的气体或液体的压力是可以调节的。
其中，所述多个相互独立的同心环状腔室内的气体或液体的压力 可以分别调节。
其中，所述同心环状肋的末端有垂直于所述同心环状肋的环状平 板，用于与所述基座固定。
其中，所述多个相互独立的同心环状腔室为3-5个。
其中，所述保持环隔膜和多腔室隔膜的材料为弹性材料，所述弹 性材料包括氟橡胶、硅橡胶或聚氨酯橡胶。
其中，所述保持环隔膜与所述基座的固定方式和所述多腔室隔膜 与所述基座的固定方式，为釆用粘贴和/或机械连接的方式。
其中，所述保持环的下部有多个沿径向打通、均匀分布的凹槽， 所述凹槽用于在抛光过程中液体及磨削的排入/排出通道。 与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点 本发明实施例在抛光过程中，该抛光头可以根据多腔室隔膜调节
作用在晶圆上不同区域的下压力，可以根据保持环隔膜调节作用在保
持环上的下压力，同时多腔室隔膜和保持环隔膜的设计可实现低下压
力抛光，因此能够改善晶圆表面的平坦化效果。
图l是本发明实施例的
图2是本发明实施例的 图3是本发明实施例的 图4是本发明实施例的 图5是本发明实施例的 图6是本发明实施例的
具体实施例方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细 描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1和图2是根据本发明优选实施例的抛光头100的剖面结构示 意图。抛光头IOO包括一上壳体IO、 一基座20、 一保持环隔膜30、 一保持环40以及一多腔室隔膜50。
上壳体10可与一驱动轴相连接，并在抛光过程中以驱动轴带动 晶圆200沿轴线90朝一固定方向旋转。驱动轴在抛光过程中与抛光 垫300呈垂直状态。上壳体10呈圆柱形状，其外径对于200mm规格 的晶圆约为250mm,对于300mm规格的晶圆则约为350mm。此外， 有通孔穿过上壳体10，用以气体或液体管路穿过，以便用气压或液 压控制抛光头IOO对晶圆200施加下压力。考虑到其结构特点及工况 环境，上壳体10应选用强度高、韧性好、耐腐蚀的材料，如304#钢、 316#钢、钛酸铝陶瓷等。
一种抛光头的剖面结构示意一种抛光头的另一剖面结构示意图;
一种保持环的剖面结构示意一种保持环的仰视示意一种多腔室隔膜的剖面结构示意图;
一种多腔室隔膜的俯视示意图。
基座20呈圆柱形状，其外径与上壳体10相一致。其上有用以形 成保持环腔室的环状凹槽。基座20上与上壳体10相连接，下与保持 环40及多腔室隔膜50相连接。基座20同样应选用强度高、軔性好、 耐腐蚀的材料。
保持环隔膜30是一环状薄膜，其完全覆盖在基座20的环状凹槽 上，并利用钳制环74、 75固定，从而形成保持环腔室66。保持环隔 膜30通过钳制环74、75釆用粘贴或机械连接或二者并用的方式固定。 考虑到其结构特点及工况环境，保持环隔膜30的材料应为氟橡胶、 硅橡胶或聚氨酯橡胶等弹性材料，厚度为0.2-3mm。
保持环40为 一环状平板，其通过某种方式与保持环隔膜30连接， 并经由保持环隔膜30浮动于保持环腔室66的下方，从而在基座20 的正下方定义出一口袋区域，其大小恰好用来容纳晶圆200。在抛光 过程中，保持环40的内环表面咬合晶圆200,以避免晶圆200从抛 光头100底部滑出。在抛光过程中，保持环40直接与抛光垫200接 触，其磨损、腐蚀情况非常严重，因此保持环40应选用强度高、弹 性好、耐磨损、耐腐蚀、温差变形小的材料，PPS( Polyphenyiene Sulfide 聚苯硫醚)、PEEK (Poly Ether Ether Ketone,聚醚醚酮)等工程塑料 为其较佳选择。
见图3和图4，保持环40的上部有一环状台阶41,保持环40通 过环状台阶41的上表面与保持环隔膜30固定，从而保证了保持环 40有足够的浮动空间。保持环40的下部有多个沿径向打通、均匀分 布的凹槽42，凹槽42用作在抛光过程中液体及磨削的排入/排出通道。 凹槽42的深度在2-5mm之间，数量在6-12个之间为宜。
回到图1和图2，多腔室隔膜50呈圆盘状，其上集成有多个同 心环状肋。多腔室隔膜50与基座20的下表面一起形成了多个相互独 立的同心环状腔室61、 62、 63、 64、 65。在抛光过程中，多腔室隔 膜50的下表面与晶圆200的背侧接触，并通过多个相互独立的同心
环状腔室61、 62、 63、 64、 65对晶圆背侧施加气体或液体压力，形 成下压力。对于200mm规格的晶圆，同心环状腔室以3个为佳，对 于300mm规格的晶圆，同心环状腔室以5个为佳。该优选实施例中 的同心环状腔室为5个。
见图5和图6，多腔室隔膜50的圆盘状平面上集成有5个同心 环状肋51、 52、 53、 54、 55，这些同心环状肋的末端分别有一个垂 直于该同心环状肋的环状平板51a、 52a、 53a、 54a、 55a。通过这些 环状平板及钳制环71、 72、 73,多腔室隔膜50釆用粘贴或机械连接 或二者并用的方式固定在基座20上，形成多个相互独立的同心环状 腔室61、 62、 63、 64、 65。考虑到其结构特点及工况环境，多腔室 隔膜50的材料应为氟橡胶、硅橡胶或聚氨酯橡胶等弹性材料，厚度 为0.2-3mm。
回到图1和图2，根据本发明的优选实施例，基座20上开有61a、 62a、 63a、 64a、 65a、 66a等通孔，用于向同心环状腔室61、 62、 63、 64、 65及保持环腔室66中通入气体或液体，从而对晶圆200和保持 环40施加下压力。改变通入气体量或液体量的大小即可改变不同腔 室的压力大小，进而可以改变施加在晶圆200上相应区域和保持环 40上的压力大小。
前面提到，影响晶圆表面非均匀性的主要因素之一是金属/氧化 层的非均勾沉积导致晶圆表面出现的高低落差。而本抛光头的多腔室 设计能够对晶圆背侧的不同区域施加不同的压力，也就是说，对高的 区域施加大一点的压力，这样抛光速率会更快，对低的区域施加小一 些的压力，这样抛光速率会慢一些，如此以来就能够消除金属/氧化 层的非均匀沉积导致的高低落差，使抛光后的晶圆表面达到较佳的均 匀性。之所以把多腔室设计呈同心环状分布，是因为前道工序一金属 /氧化层的沉积一般釆用旋涂等方式进行，这些工艺形成的高低落差 往往呈同心环状分布。
与此同时，通过改变通入保持环腔室66中气体量或液体量的大
小可改变作用在保持环40上的下压力，从而可以调节保持环40对抛 光垫300的压缩程度，改善因抛光垫在晶圆边缘区域和在中心区域出 现的典型作用差异而引起的边缘效应。
本发明的抛光头能够改善晶圆边缘的非均匀性；能够调节晶圆表 面材料的去除轮廓，以补偿晶圆上的结构层的非均匀沉积；能够实现 低下压力抛光，进而能够获得优异的平坦化效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1、一种用于化学机械抛光的抛光头，其特征在于，所述抛光头包括基座，所述基座下方边缘区域有环状凹槽；保持环隔膜，固定在所述基座的下方，与所述环状凹槽形成保持环腔室；保持环，通过所述保持环隔膜浮动于所述保持环腔室的下方，所述保持环在所述基座的正下方设置有口袋区域，用来容纳晶圆；多腔室隔膜，所述多腔室隔膜有盘状平面，其上集成有多个同心环状肋，所述盘状平面、同心环状肋与所述基座的下表面形成多个相互独立的同心环状腔室。
2. 如权利要求1所述的用于化学机械抛光的抛光头，其特征在 于，所述保持环腔室容纳有气体或液体，所述气体或液体的压力通过 所述保持环隔膜传递至所述保持环，形成下压力。
3. 如权利要求1所述的用于化学机械抛光的抛光头，其特征在 于，所述多个相互独立的同心环状腔室容纳有气体或液体，所述气体 或液体的压力通过所述多腔室隔膜传递至晶圆，形成下压力。
4. 如权利要求2所述的用于化学机械抛光的抛光头，其特征在 于，所述保持环腔室内的气体或液体的压力是可以调节的。
5. 如权利要求3所述的用于化学机械抛光的抛光头，其特征在 于，所述多个相互独立的同心环状腔室内的气体或液体的压力可以分 别调节。
6. 如权利要求1所述的用于化学机械抛光的抛光头，其特征在 于，所述同心环状肋的末端有垂直于所述同心环状肋的环状平板，用 于与所述基座固定。
7. 如权利要求1所述的用于化学机械抛光的抛光头，其特征在 于，所述多个相互独立的同心环状腔室为3-5个。
8. 如权利要求1所述的用于化学机械抛光的抛光头，其特征在 于，所述保持环隔膜和多腔室隔膜的材料为弹性材料，所述弹性材料 包括氟橡胶、硅橡胶或聚氨酯橡胶。
9. 如权利要求1所述的用于化学机械抛光的抛光头，其特征在 于，所述保持环隔膜与所述基座的固定方式和所述多腔室隔膜与所述 基座的固定方式，为釆用粘贴和/或机械连接的方式。
10. 如权利要求l所述的用于化学机械抛光的抛光头，其特征在 于，所述保持环的下部有多个沿径向打通、均匀分布的凹槽，所述凹 槽用于在抛光过程中液体及磨削的排入/排出通道。
全文摘要
本发明公开了一种用于化学机械抛光的抛光头，包括基座，所述基座下方边缘区域有环状凹槽；保持环隔膜，固定在所述基座的下方，与所述环状凹槽形成保持环腔室；保持环，通过所述保持环隔膜浮动于所述保持环腔室的下方，所述保持环在所述基座的正下方设置有口袋区域，用来容纳晶圆；多腔室隔膜，所述多腔室隔膜有盘状平面，其上集成有多个同心环状肋，所述盘状平面、同心环状肋与所述基座的下表面形成多个相互独立的同心环状腔室。本发明在抛光过程中，可通过同心环状腔室对晶圆背侧的不同区域施加不同的低下压力，从而获得较好的均匀性。
文档编号B24B41/047GK101342679SQ20081011870
公开日2009年1月14日 申请日期2008年8月19日 优先权日2008年8月19日
发明者煜 朱, 王同庆, 路新春, 雒建斌 申请人:清华大学