一种压力控制装置和化学机械抛光装置的制作方法

本实用新型涉及化学机械抛光技术领域，尤其涉及一种压力控制装置和化学机械抛光装置。

背景技术：

化学机械抛光(chemicalmechanicalplanarization，cmp)是一种全局表面平坦化技术，在半导体制造过程中用以减小晶圆厚度变化和表面形貌的影响。由于cmp可精确并均匀地把晶圆平坦化为需要的厚度和平坦度，已经成为半导体制造过程中应用最广泛的一种表面平坦化技术。

cmp工艺的实现过程为：承载头保持住晶圆并以一定的速度旋转以及水平往复运动，同时施加一定的下压力把晶圆压在旋转的抛光垫上，由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在晶圆与抛光垫之间流动，抛光液在抛光垫的传输和旋转离心力的作用下均匀分布，以在晶圆和抛光垫之间形成一层液体薄膜，液体中的化学成分与晶圆产生化学反应，将不溶物质转化为易溶物质，然后通过磨粒的微机械摩擦将这些化学反应物从晶圆表面去除，溶入流动的液体中带走，即在化学成膜和机械去膜的交替过程中去除表面材料实现表面平坦化处理，从而达到全局平坦化的目的。

承载头的下部设有由弹性膜形成的压力腔室，加压气体被供给到压力腔室中并由压力腔室内的压力来调整承载头、晶圆以及抛光垫三者之间的作用力，在承载头吸附晶圆以及将晶圆下压至抛光垫的过程中，需要对承载头压力腔室内的压力进行精确调节，但是由于调节机构在微小压力范围内不可控，导致在获得微小压力时压力控制不准确，进而影响承载头作业。

综上，现有技术中存在压力控制不准确的问题。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供了一种压力控制装置和化学机械抛光装置，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本实用新型实施例的第一方面提供了一种用于化学机械抛光的压力控制装置，包括压力控制模块和第一压力传感器，所述压力控制模块中集成有正压控制单元和负压控制单元。

所述正压控制单元的输入端连接正压供给源，所述负压控制单元的输入端连接负压供给源，所述正压控制单元的输出端与所述负压控制单元的输出端共同连接终端元件；所述第一压力传感器连接在所述终端元件的气路端口处；所述正压控制单元、所述负压控制单元和所述第一压力传感器分别与控制器连接；所述控制器获取所述第一压力传感器采集的所述终端元件的端口压力，并控制所述正压控制单元和/或所述负压控制单元的开关，以使所述端口压力稳定在预设目标压力。

在一个实施例中，所述压力控制装置还包括设于所述终端元件气路上的第一电磁阀。

在一个实施例中，所述第一电磁阀为三通电磁阀。

在一个实施例中，所述压力控制装置还包括设于所述终端元件气路上的第二电磁阀。

在一个实施例中，所述第二电磁阀为二通电磁阀。

在一个实施例中，所述压力控制模块中还集成有第二压力传感器，所述第二压力传感器与所述正压控制单元和所述负压控制单元的输出端连接。

在一个实施例中，所述压力控制装置还包括连接于所述正压控制单元和所述负压控制单元的输出端的流量传感器，所述流量传感器与所述控制器连接，以使所述控制器利用所述流量传感器检测的流量值判断气路是否有气体泄露。

在一个实施例中，所述终端元件为承载头的下部由弹性膜形成的压力腔室。

在一个实施例中，所述终端元件为修整器的加压腔室。

本实用新型实施例的第二方面提供了一种化学机械抛光装置，包括：

抛光盘，其覆盖有用于对晶圆进行抛光的抛光垫；

承载头，用于保持晶圆并将晶圆按压在所述抛光垫上；以及

与所述承载头内的压力腔室气路连接的如上所述的压力控制装置。

在一个实施例中，所述化学机械抛光装置还包括：

修整器，用于对抛光垫的表面形貌进行修整；以及

与所述修整器内的加压腔室气路连接的如上所述的压力控制装置。

本申请所述的压力控制装置和化学机械抛光装置，其有益效果包括：可同时实现正压调整和负压调整，可对正压或者负压进行准确的压力控制，从而得到精确的所需压力。

附图说明

通过结合以下附图所作的详细描述，本实用新型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，并不限制本实用新型的保护范围，其中：

图1为本实用新型的一个实施例提供的化学机械抛光装置的结构示意图；

图2为本实用新型的一个实施例提供的承载头的结构示意图；

图3为本实用新型的一个实施例提供的压力控制装置的结构示意图；

图4为本实用新型的一个实施例提供的与承载头连接的压力控制装置的结构示意图；

附图标记说明：

10、承载头；11、上部结构；12、下部结构；121、基座；122、保持环；123、弹性膜；13、柔性连接件；z1、第1压力腔室；z2、第2压力腔室；z3、第3压力腔室；z4、第4压力腔室；f1、第一气路；f2、第二气路；f3、第三气路；f4、第四气路；

20、抛光盘；21、抛光垫；

30、供液装置；

40、修整器；41、基座；42、摆臂；43、修整头；431、粗糙表面；

50、压力控制装置；501、压力控制模块；51、正压控制单元；52、负压控制单元；53、第一压力传感器；54、第一电磁阀；55、第二电磁阀；56、第二压力传感器；57、流量传感器。

具体实施方式

下面结合具体实施例及其附图，对本实用新型所述技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本实用新型的特定的具体实施方式，用于说明本实用新型的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本实用新型实施方式及本实用新型保护范围的限制。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。应当理解的是，除非特别予以说明，为了便于理解，以下对本实用新型具体实施方式的描述都是建立在相关设备、装置、部件等处于原始静止的未给与外界控制信号和驱动力的自然状态下描述的。

如图1所示，一种化学机械抛光装置包括用于保持晶圆的承载头10、覆盖有抛光垫21的抛光盘20、以及向抛光垫21表面提供抛光液的供液装置30。在晶圆抛光期间，承载头10吸附晶圆然后将晶圆按压在抛光垫21上并带动晶圆旋转以及水平往复移动，同时抛光盘20带动抛光垫21旋转，在抛光液的化学作用下，通过承载头10与抛光盘20的相对运动使晶圆与抛光垫21摩擦以进行抛光。

如图2所示为一种承载头10的结构示意图。承载头10包括上部结构11和下部结构12，上部结构11与承载头驱动轴连接，上部结构11和下部结构12之间通过柔性连接件13连接。下部结构12包括基座121、弹性膜123和保持环122。上部结构11与柔性连接件13的上端固定，基座121与柔性连接件13的下端固定。弹性膜123和保持环122均固定在基座121的下表面上，环形的保持环122位于弹性膜123外侧且环绕弹性膜123设置。弹性膜123用于吸附晶圆并向晶圆施加下压力，弹性膜123可以由弹性材料制成，例如可以由氯丁二烯或者硅橡胶制成。保持环122用于将晶圆保持在弹性膜123下方以防止晶圆滑出。

如图2所示，弹性膜123内部设有多个同心的压力腔室，以图2中设有3个压力腔室为例进行说明，分别为由中心向外侧依次同心设置的第1压力腔室z1、第2压力腔室z2和第3压力腔室z3。中央的第1压力腔室z1为圆形，第2压力腔室z2和第3压力腔室z3为同心的环形。显然，图2中示出的压力腔室的数量仅为一种举例，实际还可以为其他数量，例如4、5、6、7个等。

分别借助第一气路f1、第二气路f2和第三气路f3由正压供给源将加压气体供给至第1压力腔室z1、第2压力腔室z2和第3压力腔室z3。另外，分别通过第一气路f1、第二气路f2和第三气路f3由负压供给源在第1压力腔室z1、第2压力腔室z2和第3压力腔室z3内形成负压。负压供给源可以是真空源。

第1压力腔室z1、第2压力腔室z2和第3压力腔室z3的内部压力互相独立并可分别变化，相应地，承载头10的不同压力腔室将晶圆表面划分为对应的多个分区，由此能对晶圆所对应的三个区域即对于晶圆表面的中央区域、中间区域以及周缘区域的抛光压力独立进行调整。每个压力腔室可对其对应的晶圆表面分区施加不同的压力，通过对供给到压力腔室的加压空气等流体的压力分别进行控制，可以实现对晶圆表面不同分区施加不同压力。

另外，通过使承载头10整体升降，从而能够以规定的压力将保持环122推压在抛光垫21上。在上部结构11和下部结构12之间形成有第4压力腔室z4，通过控制第4压力腔室z4内的压力大小使柔性连接件13伸缩以实现下部结构12相对于上部结构11上下移动。可借助第四气路f4由正压供给源将加压气体供给到该第4压力腔室z4内以使下部结构12下移，另外，还可以通过第四气路f4由负压供给源在第4压力腔室z4内形成负压以使下部结构12上移。由此，基座121、弹性膜123以及保持环122组成的下部结构12整体可向上下方向移动。

在晶圆抛光期间，承载头10将晶圆按压在抛光垫21上并且承载头10沿抛光盘20的径向做水平往复移动(如图1中带双向箭头的直线所示)，同时，承载头10与抛光盘20同步旋转运动，使得与抛光垫21接触的晶圆表面被逐渐抛除。晶圆的周端部由保持环122围住，在抛光过程中，晶圆就不会从承载头10下部飞出。

在与第1压力腔室z1、第2压力腔室z2、第3压力腔室z3和第4压力腔室z4连通的第一气路f1、第二气路f2、第三气路f3和第四气路f4上，分别设有压力控制装置50。

如图3所示，本实用新型实施例提供了一种用于化学机械抛光的压力控制装置50，包括压力控制模块501和第一压力传感器53，所述压力控制模块501中集成有正压控制单元51和负压控制单元52。

所述正压控制单元51的输入端连接正压供给源，所述负压控制单元52的输入端连接负压供给源，所述正压控制单元51的输出端与所述负压控制单元52的输出端共同连接终端元件；所述第一压力传感器53连接在所述终端元件的气路端口处；所述正压控制单元51、所述负压控制单元52和所述第一压力传感器53分别与控制器连接；所述控制器获取所述第一压力传感器53采集的所述终端元件的端口压力，并控制所述正压控制单元51和/或所述负压控制单元52的开关，以使所述端口压力稳定在预设目标压力。

如图3所示，正压控制单元51和负压控制单元52集成为一体式结构，即压力控制模块501。采用集成式设计可以缩短控制单元之间的管路长度，减小压力控制装置的体积，同时管路缩短后使压力控制响应速度更快，可以更快地达到预设目标压力。

压力控制模块501可以采用压电比例阀，压电比例阀通过电压控制压电陶瓷变形量的大小以实现通气比例控制，具有功耗小、不发热的特点，由于压电比例阀不发热，可避免温漂对气体压力测量的影响，使气体压力测量更准确。

本实施例中，正压控制单元51的输入端连接正压供给源(即正压源)，输出端连接压力腔室的气路，控制信号输入端连接控制器，从而在控制器的控制下正压控制单元51导通或者断开正压供给源与终端元件之间的气路，以向终端元件内通入加压气体，增加终端元件内的压力。

负压控制单元52的输入端连接负压供给源(即负压源)，输出端连接终端元件的气路，控制信号输入端连接控制器，从而在控制器的控制下负压控制单元52导通或者断开负压供给源与终端元件之间的气路，以从终端元件中抽出气体，降低终端元件内的压力。

其中，正压控制单元51的输出端与负压控制单元52的输出端共同连接于终端元件的气路。

第一压力传感器53设置在终端元件的气路端口靠近终端元件的位置，以准确测量终端元件内的压力，并输出外部压力信号至控制器。控制器根据外部压力信号获取终端元件内的压力。

控制器为pid控制器。

本实施例中压力控制装置50的工作原理为：

当使用正压控制单元51向终端元件通入由第一微小正压减至第二微小正压时，第二微小正压小于第一微小正压，例如先通入0.1psi气压后减至0.05psi，由于电控阀门在接近零压力时有微小范围压力不可控，此时可以利用负压控制单元52做压力补偿，控制负压控制单元52打开一定时间，当通过第一压力传感器53检测到终端元件内的气压达到预设目标压力时，关闭负压控制单元52和正压控制单元51。

当使用正压控制单元51向终端元件内通入一个微小正压时，例如0.05psi，也可以在达到正压允许压力范围后，利用负压控制单元52通入微小负压做压力补偿，以得到一个精确的微小正压。

当使用负压控制单元52将终端元件内由第一微小负压增至第二微小负压时，第二微小负压大于第一微小负压，例如先通入-0.1psi气压后增至-0.05psi，此时可以利用正压控制单元51做压力补偿，控制正压控制单元51打开一定时间，当通过第一压力传感器53检测到终端元件内的气压达到预设目标压力时，关闭正压控制单元51和负压控制单元52。

当使用负压控制单元52从终端元件内抽出一个微小负压时，例如-0.05psi，也可以在达到负压允许压力范围后，利用正压控制单元51通入微小正压做压力补偿，以得到一个精确的微小负压。

本实用新型实施例可同时实现正压调整和负压调整，可对正压或者负压进行准确的压力控制，从而得到精确的所需压力。

在一个实施例中，控制器控制所述正压控制单元51和/或所述负压控制单元52的开关可以由两种方式实现：可以通过控制正压控制单元51或负压控制单元52的开度来控制阀门输出端的压力，还可以通过控制正压控制单元51或负压控制单元52的开关占空比来控制阀门输出端的压力。

对于接近零压的微小气压，传统比例阀有微小范围不可控，本实施例可通过压电比例阀的正负压部分配合来得到更精确的接近零压的可控范围。

在一个实施例中，如图3所示，压力控制装置50还包括设于所述终端元件气路上的第一电磁阀54。

所述第一电磁阀54为三通电磁阀，用于切换，可以使终端元件的气路与正压控制单元51和负压控制单元52的输出端连通，或者可以使终端元件的气路与环境大气压连通。

在一个实施例中，如图3所示，压力控制装置50还包括设于所述终端元件气路上的第二电磁阀55。

所述第二电磁阀55为二通电磁阀，用于控制终端元件气路的通断。

其中，正压控制单元51的输出端和负压控制单元52的输出端共接于第一电磁阀54的输入端，第一电磁阀54的输出端接第二电磁阀55的输入端，第二电磁阀55的输出端接终端元件的气路端口。

在一个实施例中，如图3所示，压力控制模块501中还集成有第二压力传感器56，第二压力传感器56与正压控制单元51和负压控制单元52的输出端连接。

第二压力传感器56输出内部压力信号至控制器，控制器根据内部压力信号获取正压控制单元51和负压控制单元52的输出端压力。

在一个实施例中，如图3所示，压力控制装置50还包括连接于所述正压控制单元51和所述负压控制单元52的输出端的流量传感器57，所述流量传感器57与所述控制器连接，以使所述控制器利用所述流量传感器检测的流量值判断气路是否有气体泄露。

流量传感器57用于监测抛光工艺步骤中气路的气体流量。

当正压控制单元51和负压控制单元52中任一打开且另一关闭，同时第一电磁阀54和第二电磁阀55均打开，在通过第一压力传感器53检测到压力达到预设目标压力时，若通过流量传感器57检测到当前流量高于标定流量范围，则判断发生气体泄露。其中，标定流量范围为预先使用标准终端元件进行测试得到与预设目标压力相对应的所需流量。

本实施例通过使用流量传感器实现了实时在线测量流量以判断是否有气体泄漏，可以避免气体泄漏污染外界环境，还可以防止在抽气时从外界吸入液体造成终端元件的污染。

作为一种可实施方式，所述终端元件为承载头10的下部由弹性膜123形成的压力腔室。

这里所说的终端元件可以为承载头10内的各个压力腔室，例如第1压力腔室z1、第2压力腔室z2、第3压力腔室z3和/或第4压力腔室z4。

如图4所示，压力控制装置50与对应的压力腔室的气路连接，以通过气路独立控制压力腔室内的气压大小。其中，多个压力控制装置50分别与第1压力腔室z1的第一气路f1、第2压力腔室z2的第二气路f2、第3压力腔室z3的第三气路f3和第4压力腔室z4的第四气路f4一对一连接。

本实施例在承载头的压力腔室进行加压或减压时，可以实现微小压力的准确控制。

如图1所示，化学机械抛光装置还包括用于对抛光垫21表面形貌进行修整和活化的修整器40。修整器40包括基座41、摆臂42和修整头43，修整头43具有粗糙表面431，例如嵌有金刚石粒的盘面。修整器40连接有电机以驱动修整器40摆动。在抛光期间，修整器40的工作过程为：以基座41为中心，摆臂42带动修整头43摆动以扫过抛光垫21中心至边缘的距离(如图1中带双向箭头的曲线所示)，同时修整头43携带粗糙表面自转，并施加一定规律的压力在抛光垫21上，从而对抛光垫21表面形貌进行修整和活化。使用修整器40可以移除残留在抛光垫21表面的杂质颗粒，例如抛光液中的研磨颗粒以及从晶圆表面脱落的废料等，还可以将由于研磨导致的抛光垫21表面形变进行平整化，保证了在抛光期间抛光垫21表面形貌的一致性，进而使抛光去除速率保持稳定。

修整器40内部具有一密闭空腔作为加压腔室，以通过对加压腔室内的气压控制实现粗糙表面431的上下移动。

作为另一种可实施方式，所述终端元件为修整器40的加压腔室，压力控制装置50与加压腔室的气路连接，以通过控制加压腔室内的气压大小。

本实施例在修整器的加压腔室进行加压或减压时，可以实现微小压力的准确控制。

在接近零压时，传统比例阀有微小范围不可控，本实用新型实施例可通过压电比例阀的正负压部分配合得到更接近零压的可控范围。当从正压调向零压力时，达到正压允许压力范围后，利用微小负压做压力补偿，使正压更接近零压力；从负压调向零压力时，达到负压允许压力范围后，利用微小正压做压力补偿，使负压更接近零压力。

当正压或负压快速达到某一设定值时，由于元件检测和系统响应有延迟，稳定过程中会产生过冲。本实用新型实施例中的第一压力传感器检测到压力达到设定值误差区间时，使控制器控制给以短暂反向压力，平衡系统响应延时造成的过冲，避免压力超限造成危害，同时使系统压力快速稳定。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本实用新型的构思，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实用新型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实用新型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实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型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，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。