晶圆夹持环以及研磨头的制作方法

本实用新型涉及半导体技术领域，特别涉及化学机械研磨头上的晶圆夹持环。

背景技术：

图1示出了现有技术的一种CMP(Chemical Mechanical Planarization，化学机械研磨，简称CMP)设备的立体结构示意图，图2示出了该CMP设备的截面结构示意图，结合图1和图2，该CMP设备包括：研磨头10；与研磨头10相连的轴杆11；设置于研磨头10上的用于固定晶圆13的夹持环12；位于研磨头10下方的研磨台14；与研磨台14相连的传动件15；固定于研磨台14上的研磨垫16；用于向研磨垫16上喷淋研磨液18的管道17。在进行CMP时，轴杆11对研磨头10提供向下的下压力，将晶圆13按压在研磨垫16上，轴杆11带动研磨头10沿研磨头10的轴线旋转，传动件15带动研磨台14及研磨垫16沿研磨台14的轴线旋转，同时管道17向研磨垫16喷淋研磨液18。

在CMP过程中，晶圆13的表面部分与研磨液18发生化学反应，反应后的产物在研磨垫16的机械研磨作用下被去除，从而降低了晶圆13的表面部分的台阶高度，实现了平坦化。特别地，如图3所示，其是现有的晶圆夹持环的立体结构示意图，夹持环12上面向研磨垫16的表面上沿周向间隔设置有多个深度相同的沟槽19，这些沟槽19可确保研磨液稳定、均匀地到达晶圆研磨区，从而保证研磨质量。然而，在实际的化学机械研磨工艺中，容易出现研磨后晶圆的去除厚度不均匀、片内均匀性和片间均匀性较差的现象，导致晶圆的报废率上升。

有鉴于此，实有必要提出一种新的晶圆夹持环以及研磨头，以满足现有CMP装置在研磨工艺中无法实现研磨晶圆时减少或避免去除厚度不均匀的现象。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型提供了一种晶圆夹持环，设置在研磨头上，包括固定部分以及设置在所述固定部分一侧的多个活动件；多个所述活动件排布成环状，任意相邻两个所述活动件之间形成有空隙，每个所述活动件与所述固定部分连接，而且，每个所述活动件与所述固定部分之间的间距可调。

优选地，在上述的晶圆夹持环中，每个所述活动件的结构相同。

优选地，在上述的晶圆夹持环中，每个所述活动件与所述固定部分螺纹连接和/或弹扣连接。

优选地，在上述的晶圆夹持环中，每个所述活动件上设置有至少一个螺柱，所述固定部分上设置有与所述至少一个螺柱数量相匹配的螺纹孔，所述至少一个螺柱用于旋入所述螺纹孔中实现锁定。

优选地，在上述的晶圆夹持环中，每个所述活动件上设置有至少一个柱体，所述至少一个柱体上设置有一个或多个弹性凸起，所述固定部分上设置有与所述至少一个柱体数量相匹配的开孔，所述至少一个柱体至少部分插入所述开孔中，且所述弹性凸起嵌入所述开孔孔壁的卡槽中。

优选地，在上述的晶圆夹持环中，所述晶圆夹持环还包括用于定位所述活动件安装位置的定位结构。

优选地，在上述的晶圆夹持环中，所述定位结构包括定位槽以及用于插入所述定位槽的定位件，所述定位件连接所述活动件，所述定位槽设置在所述固定部分上并面向所述定位件。

优选地，在上述的晶圆夹持环中，所述定位件与所述活动件一体成型。

优选地，在上述的晶圆夹持环中，所述夹持环还包括用于调节所述活动件与所述固定部分之间间距的膜结构，所述膜结构设置在所述活动件与所述固定部分之间。

优选地，在上述的晶圆夹持环中，所述固定部分上设置有容置槽，所述膜结构的部分厚度设置在所述容置槽中。

为实现上述目的以及其它相关目的，本实用新型提供了一种包括如上任意一项所述的晶圆夹持环的研磨头。

综上所述，本实用新型提供的晶圆夹持环是分体式结构，与现有一体式的晶圆夹持环相比，所述晶圆夹持环上的多个活动件与固定部分之间的间距可调，使得任意相邻两个活动件之间的空隙深度相应可调，由于空隙恰与固定部分面向活动件的表面构成用于分配研磨液的沟槽，这样，在使用时，使得同一台CMP设备上多个研磨头配置的晶圆夹持环之沟槽深度可保持一致，从而减少或避免晶圆研磨后去除厚度不均匀的问题。

特别的，随着研磨时间的增加，同一晶圆夹持环上的沟槽深度会不断变浅，为了避免这一问题，在研磨过程中，通过调节活动件与固定部分的间距，可确保沟槽深度不变，以使到达晶圆研磨区域的研磨液数量和均匀度一致，确保同一片晶圆的研磨质量。

附图说明

图1为现有技术中CMP设备的立体结构示意图；

图2是图1所示的CMP设备的截面结构示意图；

图3是现有技术中晶圆夹持环的立体结构示意图；

图4a是同一批次晶圆经过四个研磨头研磨后其表面不同点厚度的测量结果；

图4b是同一批次且相同数量的晶圆经过四个研磨头研磨后其表面平均厚度的测量结果；

图4c是随着研磨时间的增加，同一个晶圆夹持环的沟槽深度的变化情况；

图5是本实用新型一实施例的晶圆夹持环的分解示意图；

图6a是本实用新型一实施例的晶圆夹持环于最小沟槽深度时的立体结构示意图，其中活动部分和固定部分之间填充有膜结构；

图6b是图6a所示的晶圆夹持环的俯视图；

图6c是本实用新型一实施例的晶圆夹持环于最大沟槽深度时的立体结构示意图，其中活动部分和固定部分之间填充有膜结构；

图7a是本实用新型另一实施例的晶圆夹持环的立体结构示意图，其中活动部分和固定部分通过延伸部封堵沟槽；

图7b是图7a所示的晶圆夹持环于A处的局部放大图；

图8本实用新型一实施例的晶圆夹持环之固定部分的立体结构示意图；

图9是本实用新型一实施例的晶圆夹持环之活动部分的立体结构示意图，其中活动部分上设置有两个螺柱；

图10是本实用新型又一实施例的晶圆夹持环之活动部分的俯视图，其中活动部分上设置有四个螺柱。

本实用新型实施例的附图说明如下：

20-晶圆夹持环；

21-固定部分；

211-定位槽；212-容置槽；213-螺纹孔；

22-活动部分；

221-活动件；222-空隙；223-定位件；224-螺柱；

23-中心孔；

24-膜结构。

具体实施方式

发明人研究发现，同一台CMP设备通常会配置多个研磨头以同时实施研磨，这些研磨头会因各种原因而报废，致使经常性地需要更换新的研磨头，研磨头的更换会影响研磨头之间的研磨率以及研磨尺寸的一致性，即当其中一个研磨头更换为新的研磨头时，其余使用过的研磨头必定与该新的研磨头在夹持环之沟槽深度上存在不一致(因为随着研磨时间的增加，沟槽的深度会因磨损而变浅)，使晶圆材料的研磨去除率不相同，造成CMP研磨晶圆的去除厚度不均匀，影响片间均匀性，因此，上述现象会导致晶圆的报废率上升。本文中，夹持环还被命名为晶圆夹持环，但两者所指的是同一个构件。此外，为了简明起见，将使用过的研磨头定义为旧研磨头，未使用过的研磨头定义为新研磨头，下同。

其中，图4a至图4c所揭示的试验结果进一步说明了上述问题。图4a是同一批次晶圆经过四个研磨头研磨后其表面不同点厚度的测量结果，图4b是同一批次且相同数量的晶圆经过四个研磨头研磨后其表面平均厚度的测量结果，图4c是随着研磨时间的增加，晶圆夹持环的沟槽深度的变化情况。

图4a中，横坐标代表的是晶圆表面同一直径上的41个待测点，纵坐标指的是每个待测点的厚度(单位，纳米)。该结果中，曲线H1、H2、H3所在的厚度值，均是在旧研磨头研磨下测量获得，而曲线H4所在的厚度值是在新研磨头研磨下测量获得。应当理解，新研磨头配置有新的晶圆夹持环，测试时，这四个研磨头同时开始工作，直至研磨完相同数量的晶圆。

由图4a可以看出，晶圆经过旧研磨头研磨后，其表面厚度整体上相差不大，如曲线H1、H2、H3所在的41个待测点的厚度，然而，由新研磨头研磨后的晶圆，其表面厚度与旧研磨头研磨后的晶圆表面厚度存在一定的差距，这表明新研磨头上晶圆夹持环之沟槽深度与旧研磨头上晶圆夹持环之沟槽深度不相同，导致材料研磨去除率不一致。

图4b中，横坐标所指的是被研磨的晶圆数，具体是2000片，即上述四个研磨头中，每个研磨头均研磨了2000片晶圆，纵坐标指的是经过四个研磨头研磨后的所有晶圆表面的平均厚度，具体是上述41个待测点的平均厚度(单位，纳米)。其中，2000片晶圆的平均厚度值4541.57纳米，是采用了新研磨头后的情况，其余三个平均厚度值4409.15纳米、4419.26纳米、4421.01纳米，是采用了旧研磨头后的情况。由图4b可知，其余三个平均厚度值(4409.15纳米、4419.26纳米、4421.01)比较接近，但与另一个平均厚度值(4541.57纳米)相差较大，由此可见，新研磨头上晶圆夹持环之沟槽深度与旧研磨头上晶圆夹持环之沟槽深度不相同，同样导致了材料平均研磨去除率不相同。

图4c中，横坐标指的是随着研磨时间的增加，被研磨完的晶圆数(单位，片)，纵坐标指的是随着研磨时间的增加，研磨头上晶圆夹持环之沟槽的深度(单位，毫米)。根据图4c所揭示的，使用之前，同一个晶圆夹持环上沟槽的深度是3.2mm，但随着研磨的进行且在完成2000片晶圆的研磨后，对应沟槽的深度降至2.9mm，进一步地，当完成4000片晶圆的研磨后，所述沟槽的深度最终降低至2.61mm。由此验证了，随着研磨时间的增加，同一个晶圆夹持环上沟槽的深度会不断变浅。

基于发明人所研究发现的，本实用新型解决的问题是在化学机械研磨工艺中保证新研磨头上晶圆夹持环之沟槽深度与旧研磨头上晶圆夹持环之沟槽深度一致，从而减少甚至避免研磨晶圆时去除厚度不均匀的现象，减小晶圆的报废率。

以下结合附图5至附图10和具体实施例对本实用新型提出的晶圆夹持环以及研磨头作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型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、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

如在本说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，除非内容另外明确指出外。如在本说明书和所附权利要求中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。

首先，参考图5至图6c，图5是本实用新型一实施例的晶圆夹持环的分解示意图，图6a是本实用新型一实施例的晶圆夹持环于最小沟槽深度时的立体结构视图，图6b是图6a所示的晶圆夹持环的俯视图，图6c是本实用新型一实施例的晶圆夹持环于最大沟槽深度时的立体结构示意图。

本实施例的晶圆夹持环20，适用于化学机械研磨装置，可安装在化学机械研磨装置的研磨头上以扣住晶圆，从而起到稳定研磨，确保研磨液同数量以及同均匀度地到达晶圆研磨区域。所述晶圆研磨区域指的是晶圆待研磨面所在的区域。

具体的，所述晶圆夹持环20包括固定部分21以及活动部分22，所述固定部分21呈环状，且所述活动部分22设置在固定部分21的一侧。其中，所述活动部分22包括排布成环状的多个活动件221。使用时，每个活动件221与固定部分21固定连接，即活动件221与固定部分21之间无相对运动，以保证研磨的稳定性和可靠性。但是，使用之前或后，所述活动件221与固定部分21之间的间距可调，也就是说，沿纵向轴线方向，所述活动件221的安装位置可变，这样，可使活动件221远离或靠近固定部分21，从而改变两者的相对距离。

特别的，任意相邻两个活动件221之间形成有空隙222。所述空隙222贯通晶圆夹持环20的中心孔23并与晶圆夹持环20的外部相通。应当知晓，研磨过程中，所述中心孔23用以安置晶圆，而外部的研磨液通过空隙222均匀且同数量地流入晶圆所在的区域。明显地，所述空隙222与固定部分21面向活动部分22的下表面，即构成了晶圆夹持环20上的沟槽，使得研磨液可通过该沟槽流入晶圆研磨区。

本实施例中，使用之前或后，所述活动部分22可自图6a所示的位置调整至图6c所示的位置，其中，当所述活动部分22处于图6a所示的位置时，其相对固定部分21的距离最小，而当所述活动部分22位于图6c所示的位置时，其相对固定部分21的距离最大。毫无疑问，当所述活动部分22相对固定部分21的距离最小时，所述沟槽的深度最小；当所述活动部分22相对固定部分21的距离最大时，所述沟槽的深度最大。但是，实际使用过程中，本实用新型对活动部分22的行程没有特别的要求，具体根据磨损的程度而定，也就是依据新研磨头与旧研磨头上配置的晶圆夹持环之沟槽深度的差值而定。

一个实施例中，当所述活动部分22相对固定部分21的距离最小时，各个活动件221的上表面直接贴合固定部分21的下表面。进一步，所述活动件221的上表面贴合固定部分21的下表面时，两者还同时通过定位结构定位(定位结构的一个实施例示出于图7a和图7b)。

例如图7a和图7b所示，图7a是本实用新型另一实施例的晶圆夹持环的立体结构示意图，图7b是图7a所示的晶圆夹持环于A处的局部放大图，所述定位结构包括定位槽211以及用于插入定位槽211的定位件223，所述定位件223连接活动件221，所述定位槽211设置在固定部分21上并面向定位件223。

优选地，所述定位件223与活动件221一体成型，具体而言，所述活动件221的两个相对侧面分别延伸出一个延伸部，该延伸部用于充当定位件223，以插入固定部分21下表面上的定位槽211中，从而定位活动件221的安装位置。

接着，参阅图8，其是本实用新型一实施例的晶圆夹持环之固定部分的立体结构示意图。根据图8所示的固定部分21，其下表面上设置有多个容置槽212，所述容置槽212的数量与活动件221的数量相匹配。特别的，所述容置槽212中设置有膜结构24，该膜结构24直接填充在活动件221与固定部分21之间，用以密封活动部分22和固定部分21，例如图6a和图6c所示。

所述膜结构24可由弹性材料制成，例如橡胶、泡棉等，从而能够被压缩且回弹。可选，所述膜结构24的厚度大于或等于容置槽212的深度。

一个实施例中，当所述活动部分22相对固定部分21的距离最小时，相比于将活动部分22的上表面直接贴合在固定部分21的下表面上，优选在活动件221与固定部分21之间填充膜结构24。当所述活动部分22逐渐远离固定部分21时，所述膜结构24相应填充在活动件221与固定部分21之间以封堵沟槽，使得沟槽具有完整的侧壁，确保研磨液的分配，例如图6a和图6c所示。

然而，除了通过膜结构24封堵沟槽外，所述活动件221也可通过自身结构封堵，使得沟槽具有完整的侧壁。比如上述公开的图7a和图7b所示，所述延伸部(可相应参见标号223)构成沟槽的一个侧壁，而不同活动件221之相邻两个延伸部便形成了沟槽的两个相对侧壁，由于在活动部分22的行程范围中，该延伸部始终插入固定部分21的定位槽211中，从而有效封堵了沟槽。此时，所述延伸部和定位槽211配合，不仅起到定位活动件221安装位置的作用，而且还起到封堵沟槽的作用。

承上，若采用膜结构24填充固定部分21与活动部分22之间的间隙，优选膜结构24的形状与活动件221的形状相匹配，主要是与活动件221面向固定部分21的上表面的形状相匹配。

本实施例中，所述活动部分22的厚度优选占晶圆夹持环20总厚度的五分之一到三分之一，更优选三分之一，以确保结构强度。

较佳实施方式中，每个活动件221的结构相同，以节省加工材料，降低加工成本。以下描述中以结构相同的活动件221作为示意，详细说明活动部分22与固定部分21之间的连接方式。

参阅图9，其是本实用新型一实施例的晶圆夹持环之活动部分的立体结构示意图，所述活动件221面向固定部分21的上表面上设置有至少一个螺柱224(图9示出的是两个螺柱224，但并不以此为限)，同时参阅图8(或图6b)，所述固定部分21上设置有与螺柱224数量相匹配的螺纹孔213。该螺纹孔213即可以是盲孔也可以是通孔，本实施例示出的均是通孔。使用之前或后，所述螺柱224沿着沟槽的深度方向旋入螺纹孔213中，从而固定连接活动件221与固定部分21，但是，所述螺柱224的旋入深度可调，具体根据新旧研磨头上晶圆夹持环之沟槽深度的差值调整螺柱224的旋入深度，从而使新研磨头上晶圆夹持环的沟槽深度与旧研磨头上晶圆夹持环的沟槽深度一致。

本实施例的螺柱224的数量根据活动件221的结构而定，例如：活动件221同时具备与固定部分21上定位槽211相配合的延伸部时，所述螺柱224的数量可以是一个。当取消延伸部后，为了充分固定，所述螺柱224的数量为两个或两个以上，这样，可确保活动件221与固定部分21之间无相对运动。

在本实用新型的一个实施例中，当取消延伸部后，所述螺柱224的数量为四个，如图10所示，其是实用新型又一实施例的晶圆夹持环之活动部分的俯视图。根据图10所示出的活动部分22，四个螺柱224的中心连线构成一个平行四边形。

接着，除了通过螺纹固定连接外，所述活动件221和固定部分21也可通过弹扣固定连接。具体地说，所述活动件221的上表面(即靠近固定部分21的表面)设置有一个或多个柱体，所述柱体上沿轴向间隔设置若干弹性凸起，这些弹性凸起可嵌入固定部分21下表面之开孔孔壁的卡槽中，从而实现锁定。所述弹性凸起在轴向分布的同时，还沿周向分布，以保证有效固定。弹性凸起，可选半球形，并由金属材料制成。或者，所述弹性凸起呈环形。

在其他实施方式中，所述活动件221与固定部分21还可结合弹簧和螺栓固定连接，或者，采用销、孔方式固定连接等，具体不再详细说明，本领域技术人员容易依据已有知识，实现活动件221与固定部分21的其它固定连接。

本实施例中，所述活动件221的数量可选为18个，以便形成18个沟槽，但并不以此为限，具体根据需要进行设置。

进一步，本实施例还提供了一种包括本实施例晶圆夹持环20的研磨头，用于安装晶圆夹持环20，从而研磨时固定晶圆。由于本实施例的研磨头采用了上述实施例的晶圆夹持环20，故而，由晶圆夹持环20带来的有益效果请相应参考晶圆夹持环20。

本实用新型的较佳实施例如上所述，但并不局限于上述实施例公开的范围，例如，多个活动件的结构可以相同或不同，再例如，每个沟槽的宽度(沿周向)可相同或不同，或者，不局限于通过延伸部和定位槽的方式形锁定位，也可通过销、孔方式定位，再或者，在固定部分上设置螺柱或延伸部，又或者，所述活动部分上设置弹性臂，该弹性臂的一端与固定部分上的卡槽卡合连接。

综上所述，本实用新型提供的晶圆夹持环是分体式结构，与一体式的晶圆夹持环相比，由于晶圆夹持环上的活动部分与固定部分之间的间距可调，使得任意相邻两个活动件之间的空隙深度相应可调，由于空隙恰与固定部分面向活动部分的表面构成用于分配研磨液的沟槽，这样，在使用时，使得同一台CMP设备上多个研磨头配置的晶圆夹持环之沟槽深度可保持一致，从而减少或避免晶圆研磨后去除厚度不均匀的问题，确保片间的均匀性。

特别的，随着研磨时间的增加，同一晶圆夹持环上的沟槽深度会不断变浅，为了避免这一问题，在研磨过程中，通过调节活动部分与固定部分的间距，可确保沟槽深度不变，以使到达晶圆研磨区域的研磨液数量和均匀度一致，确保同一片晶圆的研磨质量。

本实用新型虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型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，均属于本实用新型技术方案的保护范围。