研磨头及晶圆研磨装置的制作方法

本发明涉及晶圆制造技术领域，更具体地，涉及一种研磨头及一种晶圆研磨装置。

背景技术：

在半导体材料的加工过程中，硅片作为常用半导体器件、集成电路的基础材料，经常需要对其进行抛光处理，而抛光技术的好坏将直接影响到硅片的质量及半导体器件的性能。用于对硅片等晶圆进行化学机械研磨的研磨装置一般包括研磨平台、研磨头和设置于研磨平台的研磨垫。在晶圆制作工艺中，化学机械研磨是通过研磨头固定吸附晶圆的背面，将化学研磨剂和泥浆液供应到覆有研磨垫的研磨面上，并将晶圆的正面压在研磨垫上，通过研磨头给晶圆施压，同时使研磨平台与研磨头进行相对运动，以将晶圆表面平坦化研磨成镜面。

研磨头通常包括第一转轴、研磨盘和吸附式组合垫(templateassembly)，第一转轴固定连接研磨盘，且能够围绕自身旋转以带动研磨盘旋转；研磨盘具有面向研磨垫的底面，吸附式组合垫固定设置于研磨盘的底面且与研磨盘的底面围成晶圆容纳空间。在晶圆研磨过程中，晶圆设置在晶圆容纳空间内，吸附式组合垫的底面与研磨垫相接触，以防止晶圆滑出至外界。

在实际研磨过程中，吸附式组合垫与容纳在其中的晶圆通常会出现高度差异，此时，根据研磨头加压压力的变化以及吸附式组合垫与容纳在其中的晶圆的作用，柔软的研磨垫的弹性比会受影响，导致出现回弹(rebound)现象，吸附式组合垫与晶圆接触的研磨面会出现应力集中，导致过研磨形状的发生，使得晶圆边缘的形态发生变化，从而影响晶圆的研磨效果。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种研磨头及一种晶圆研磨装置。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明的一个方面提供了一种用于晶圆研磨装置的研磨头，包括第一转轴、研磨盘和吸附式组合垫，其中，

所述第一转轴固定连接至所述研磨盘的上端；

所述吸附式组合垫包括背垫、固定环和缓冲环，所述背垫固定在所述研磨盘的下表面，所述固定环和所述缓冲环固定至所述背垫的下表面，并且所述固定环套设在所述缓冲环的外侧，所述缓冲环与所述背垫未被所述固定环和所述缓冲环覆盖的下表面围成晶圆容纳空间。

在本发明的一个实施例中，所述缓冲环通过压敏胶带粘贴在所述背垫的下表面。

在本发明的一个实施例中，所述固定环的外径等于所述背垫的外径。

在本发明的一个实施例中，所述固定环的径向宽度为20-30mm。

在本发明的一个实施例中，所述背垫的上表面通过橡胶吸盘固定在所述研磨盘的底部。

在本发明的一个实施例中，所述固定环和所述缓冲环的高度均为0.75-0.85mm。

在本发明的一个实施例中，所述缓冲环的径向宽度为20mm。

在本发明的一个实施例中，所述缓冲环采用聚醚醚酮或类金刚石涂层制成。

在本发明的一个实施例中，所述研磨头还包括加压装置，所述研磨盘的下表面与所述背垫的上表面之间包括加压腔，所述加压装置与所述加压腔连通，用于对所述背垫进行加压。

本发明的另一方面提供了一种晶圆研磨装置，包括上述实施例中任一项所述的研磨头。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的研磨头和晶圆研磨装置在固定环与待研磨晶圆之间设置缓冲环，可以有效地防止研磨过程中固定环导致的晶圆边缘应力集中现象，同时起到了缓冲作用，改善了晶圆的研磨效果。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是现有技术的一种研磨头的截面示意图；

图2a至图2d是现有技术的研磨头的晶圆边缘状态示意图；

图3是使用现有的研磨头研磨的晶圆沿径向方向的厚度变化曲线图；

图4是本发明实施例提供的一种研磨头的立体图；

图5是本发明实施例提供的一种研磨头的截面示意图；

图6是本发明实施例提供的一种晶圆研磨装置的截面示意图。

附图标记说明如下：

1-研磨头；11-第一转轴；12-研磨盘；13-吸附式组合垫；131-背垫；132-固定环；133-缓冲环；134-晶圆容纳空间；135-压敏胶带；14-橡胶吸盘；15-加压腔；2-晶圆；3-研磨垫；4-研磨平台；41-第二转轴；5-通气管；6-研磨液管。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

在晶圆制作工艺中，为提升晶圆的平坦度使用的是镜面研磨工艺，所述镜面研磨工艺通常是通过研磨头固定吸附晶圆的背面，将化学研磨剂和泥浆液供应到覆有研磨垫的研磨面上，并将晶圆的正面压在研磨垫上，通过研磨头给晶圆施压，同时使研磨平台与研磨头进行相对运动，将晶圆表面平坦化研磨成镜面。

请参见图1，图1是现有技术的一种研磨头的截面示意图。该研磨头包括第一转轴11、研磨盘12和吸附式组合垫13(templateassembly)，第一转轴11固定连接研磨盘12，且能够围绕自身旋转以带动研磨盘12旋转；研磨盘12具有面向研磨垫的底面，吸附式组合垫13固定设置于研磨盘12的底面且与研磨盘12的底面围成晶圆容纳空间，待研磨的晶圆2设置在所述晶圆容纳空间内。进一步地，吸附式组合垫13包括背垫131和固定环132，背垫131固定在研磨盘12的下表面，固定环132固定至背垫131的下表面，固定环132与背垫131的下表面围成晶圆容纳空间。在研磨过程中，吸附式组合垫13的底面与所述研磨垫相接触，防止晶圆2滑出。该研磨头将晶圆2压向研磨垫，研磨垫与晶圆2相接触，对晶圆2进行表面研磨。

请参见图2a至图2d，图2a至图2d是现有技术的研磨头的晶圆边缘状态示意图。在实际研磨过程中，吸附式组合13与容纳在其中的晶圆2通常会出现高度差异。根据研磨头加压压力的变化以及吸附式组合垫13与晶圆2的高度差，柔软的研磨垫3的弹性比会受影响，导致研磨垫3出现回弹(rebound)现象，如图2a和图2b中的椭圆标注区域。另一方面，根据研磨头加压压力的变化以及吸附式组合垫13与晶圆2的高度差，晶圆2边缘处的背垫131可能会发生变形，使得吸附式组合垫13与晶圆2接触的研磨面会出现应力集中，如图2c和图2d中的椭圆标注区域。研磨垫3回弹现象以及吸附式组合垫13与晶圆2接触的研磨面的应力集中都会导致过研磨形状的发生，使得晶圆2边缘的形态发生变化，从而影响晶圆的研磨效果。

进一步地，请参见图3，图3是使用现有的研磨头研磨的晶圆沿径向方向的厚度变化曲线图。图3显示了不同初始厚度的晶圆在使用现有技术的晶圆研磨装置研磨时，晶圆沿其径向方向的厚度变化情况，可以看出，在接近中间区域处，其厚度减小量分布均匀，然而在边缘区域，研磨量发生明显变化，对于原始厚度770μm、820μm和870μm的晶圆，其边缘研磨量显著减小，这会导致研磨后的晶圆边缘厚度大于中间厚度，而对于原始厚度720μm的晶圆，其边缘研磨量显著增大，这会导致研磨后的晶圆边缘厚度显著中间厚度，从而会影响最终的产品质量。

实施例一

为了解决上述技术问题，本实施例提供了一种用于晶圆研磨装置的研磨头。请参见图4和图5，图4是本发明实施例提供的一种研磨头的立体图；图5是本发明实施例提供的一种研磨头的截面示意图。本实施例的研磨头1包括第一转轴11、研磨盘12和吸附式组合垫13。第一转轴11固定连接至研磨盘12的上端，且连接至第一驱动装置(附图中未示出)，第一转轴11能够在所述第一驱动装置的驱动下围绕其自身旋转，以带动研磨盘12旋转。研磨盘12具有面向研磨垫3的底面，吸附式组合垫13固定设置于研磨盘12的底面且与研磨盘12的底面围成晶圆容纳空间134，待研磨的晶圆2设置在所述晶圆容纳空间134内。吸附式组合垫13用于吸附和固定晶圆2，防止在研磨过程中晶圆2的径向移动。

具体地，吸附式组合垫13包括背垫131、固定环132和缓冲环133。背垫131固定在研磨盘12的下表面，具体地，背垫131的上表面通过橡胶吸盘14固定在研磨盘12的底部。固定环132和缓冲环133固定至背垫131的下表面，并且固定环132套设在缓冲环133的外侧，缓冲环133与背垫131的未被固定环132和缓冲环133的下表面围成晶圆容纳空间134。在本实施例中，固定环132和缓冲环133分别通过压敏胶带135粘贴在背垫131的下表面，同时固定环132的内表面与缓冲环133的外表面也可以通过压敏胶带粘贴固定。

在晶圆研磨过程中，待研磨的晶圆2设置在晶圆容纳空间134内，固定环132和缓冲环133的下表面与位于研磨平台4上表面的研磨垫3相接触，以防止晶圆2滑出至外界。研磨头1将所述晶圆2压向研磨垫3，研磨垫3与晶圆2相接触。通过设置缓冲环133，可以将研磨垫3与背垫131变形而对晶圆2的影响降到最低，很好地改善了研磨垫3回弹现象以及吸附式组合垫13与晶圆2接触的研磨面的应力集中现象，因此可以在一定程度上控制晶圆边缘受到的压力影响，从而减少晶圆边缘区域的研磨量变动，使得可以获得厚度均匀的高品质晶圆。

优选地，固定环132的外径等于背垫131的外径，固定环132的宽度为20-30mm。由于待研磨的晶圆2的厚度通常在0.75-0.85mm，因此固定环132和缓冲环133的厚度均为0.75-0.85mm，以达到好的研磨效果。

在本实施例中，缓冲环133的宽度为20mm。

缓冲环133的制作材质与固定环132可以相同，均采用环氧基树脂。进一步地，为了减少与研磨垫3的摩擦力，缓冲环133和固定环132也可采用聚醚醚酮或类金刚石涂层制成。

进一步地，研磨头1还包括加压装置(附图中未示出)，研磨盘12的下表面与背垫131的上表面之间包括加压腔15，所述加压装置与加压腔15通过通气管5连接，用于对背垫131进行加压。如图5所示，在本实施例中，在第一转轴11和研磨盘12的中心处均开设有中心孔，通气管5依次穿过第一转轴11和研磨盘12的中心处，一端连接至所述加压装置，另一端与加压腔15连通。所述加压装置能够通过通气管5改变加压腔15中的气压。

具体地，请参见图6，图6是本发明实施例提供的一种晶圆研磨装置的截面示意图。在晶圆研磨过程中，通过对加压腔15进行抽气，以使晶圆2被固定吸附在研磨盘12的下表面；此时，研磨盘12向下运动至使缓冲环133和固定环132的底面接触研磨垫3，所述晶圆2与研磨垫3之间还具有间隙。在对晶圆2进行研磨时，通过所述加压装置对加压腔15进行充气。此时，晶圆2被压向研磨垫3，与研磨垫3接触，通过研磨垫3与晶圆2的相对运动，实现对晶圆2的研磨。

本实施例的研磨头和晶圆研磨装置在固定环与待研磨晶圆之间设置缓冲环，可以很好防止研磨过程中固定环导致的晶圆边缘应力集中现象，同时起到缓冲作用，改善了晶圆的研磨效果。

实施例二

在上述实施例的基础上，本实施例提供了一种晶圆研磨装置，该晶圆研磨装置包括实施例一所述的研磨头。

请参见图6，该晶圆研磨装置包括研磨头1、研磨平台4和置于研磨平台4上的研磨垫3。本实施例的研磨头1包括第一转轴11、研磨盘12和吸附式组合垫13。第一转轴11固定连接至研磨盘12的上端，且连接至第一驱动装置(附图中未示出)，第一转轴11能够在所述第一驱动装置的驱动下围绕其自身旋转，以带动研磨盘12旋转。研磨盘12具有面向研磨垫3的底面，吸附式组合垫13固定设置于研磨盘12的底面且与研磨盘12的底面围成晶圆容纳空间134，待研磨的晶圆2设置在所述晶圆容纳空间134内。吸附式组合垫13用于吸附和固定待研磨的晶圆2，防止在研磨过程中晶圆2的径向移动。

研磨平台4的下端中心设置有第二转轴41，第二转轴41连接有第二驱动转置(附图中未示出)，所述第二驱动转置能够驱动第二转轴41围绕自身旋转以带动研磨平台4旋转。

进一步地，吸附式组合垫13包括背垫131、固定环132和缓冲环133。背垫131固定在研磨盘12的下表面，具体地，背垫131的上表面通过橡胶吸盘14固定在研磨盘12的底部。固定环132和缓冲环133固定至背垫131的下表面，并且固定环132套设在缓冲环133的外侧，缓冲环133与背垫131的未被固定环132和缓冲环133的下表面围成晶圆容纳空间134。

此外，该晶圆研磨装置还包括研磨液管6，研磨液管6用于在研磨过程中将研磨液喷洒至研磨垫3上。

在晶圆研磨过程中，待研磨的晶圆2设置在晶圆容纳空间134内，固定环132和缓冲环133的下表面与位于研磨平台4上表面的研磨垫3相接触，以防止晶圆2滑出至外界。研磨头1将所述晶圆2压向研磨垫3，研磨垫3与晶圆2相接触。同时，研磨液从研磨液管6中流出，研磨液对晶圆2的表面进行化学腐蚀，在晶圆2和研磨垫3相对旋转的过程中，经化学腐蚀的碎屑脱离晶圆2的表面，实现研磨。

本实施例的晶圆研磨装置通过在待研磨的晶圆2与固定环132之间设置缓冲环133，可以将研磨垫3与背垫131变形而对晶圆2的影响降到更低，很好地改善了研磨垫3回弹现象以及吸附式组合垫13与晶圆2接触的研磨面的应力集中现象，因此可以在一定程度上控制晶圆边缘受到的压力影响，从而减少晶圆边缘区域的研磨量变动，使得可以获得厚度均匀的高品质晶圆。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。