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CN111469045B - 一种晶圆装载杯 - Google Patents

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Abstract

一种晶圆装载杯，其特征在于，包括：同轴设置于所述装载杯中心的托架，该托架具有圆圈状的环形边缘用于承接卸落的晶圆；同轴设置于所述托架圆周外围的支撑卡圈，用于支撑和/或定位晶圆承载头，所述支撑卡圈的顶面设置成高于所述托架的顶面以及设置于所述支撑卡圈的至少一个设置成向所述装载杯的中心轴线方向喷射流体的喷嘴。

Description

一种晶圆装载杯
技术领域
本发明属于化学机械抛光技术领域，尤其涉及一种晶圆装载杯。
背景技术
化学机械抛光(chemical mechanical polishing/planarization，简称CMP)是一种在芯片制造领域的主流晶圆抛光方法。这种抛光方法通常将晶圆吸合在承载头的下部，晶圆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晶圆向下的载荷；同时，抛光液供给于抛光垫的上表面并分布在晶圆与抛光垫之间，使得晶圆表面在抛光液的化学成分所产生的化学作用和抛光液所包含的磨粒所产生的机械作用下被抛光，实现全局平坦化。
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晶圆的化学机械抛光效果。美国专利公开US20070082589A1公开了一种用于化学机械抛光的承载头，其包括连接至第一压力输入的第一通路和连接至第二压力输入的第二通路。承载头还包括具有所述第一和第二通路的底座组件、结合至底座组件的柔性气囊。柔性气囊通常具有圆形主体，其下表面提供晶圆安装表面。在底座组件和柔性气囊之间的空间形成多个可加压腔，其中所述第一通路和多个可加压腔的第一腔连通，所述第二通路和多个可加压腔的第二腔连通。
现有技术中，诸如美国专利US7101253和US7044832所披露的那样，化学机械抛光设备通过承载头(carrier/polishing head)将晶圆吸附运载到抛光垫上进行抛光，抛光结束后再由承载头运回晶圆并卸载至装载杯(load cup)上，这种卸载方式一般称为“卸片”，也可以理解为将晶圆从承载头上卸载下来并且装载到装载杯上。
但是。在卸载晶圆的过程中，存在晶圆与柔性气囊贴合过紧的问题，导致卸载时间过长甚至卸载失败的情况，降低了产能和效率。尽管诸如美国专利公开US20070232209A1采取了在承载头表面设置气孔的方式通过类似于经由气囊/气膜以垂直方向朝晶圆上表面吹气的方式协助卸载晶圆，但容易将污染物引入承载头内，产生结晶污染划伤等进一步问题。进一步的，卸片失败一般分为晶圆边缘区域难以脱落柔性气囊和晶圆中心部分附近区域难以脱落柔性气囊两类问题。此外，在保证卸片成功率的前提下提高卸片速度亦为亟待解决的难题。
发明内容
本发明提供了一种晶圆装载杯，旨在一定程度上解决上述技术问题之一，其披露了一种晶圆装载杯，其特征在于，包括：同轴设置于所述装载杯中心的托架，该托架具有圆圈状的环形边缘用于承接卸落的晶圆；同轴设置于所述托架圆周外围的支撑卡圈，用于支撑和/或定位晶圆承载头，所述支撑卡圈的顶面设置成高于所述托架的顶面；以及，设置于所述支撑卡圈的至少一个喷嘴，其设置成向所述装载杯的中心轴线方向喷射流体。
进一步的，所述喷嘴设置成非雾化喷嘴，可喷射出柱状流体和/或气液混合物。
进一步的，所述喷嘴的数量为2个或者更多个。
进一步的，所述喷嘴沿支撑卡圈的圆周方向等距设置。
进一步的，所述喷嘴设置成相对于水平面向下倾斜喷射，以在卸片期间使其喷射流体至晶圆与承载头的结合处。
进一步的，所述喷嘴中的至少一个或者全部设置成相对于水平面向下倾斜0度至30度。
进一步的，所述喷嘴中的全部设置成相对于水平面向下倾斜3度至15度。
进一步的，所述喷嘴设置成喷口直径为2mm至6mm。
进一步的，所述喷嘴数量为3个至8个。
进一步的，所述喷嘴设置成等距间隔，并且所述喷嘴依次以从小到大或从大到小的角度沿水平面向下倾斜。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果包括：加快晶圆装载杯装载晶圆的卸片速度及卸片成功率，防止因卸片缓慢导致的WPH降低问题并且避免不当卸片或卸片失败导致的其他风险等。相较于在柔性气囊(气膜)上开孔或者在承载头的其他位置开通以辅助卸片，根据本发明的技术方案无需设置气路滑滑等装置，制造和维保成本均大幅降低，可实现性和优化可能性得到明显改善。
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是根据本发明的晶圆装载杯的实施方式的结构示意图；
图2是根据本发明的晶圆装载杯的实施方式的原理示意图；
图3示出了根据本发明的晶圆装载杯的一种实施例可能遇到的问题；
图4示出了根据本发明的晶圆装载杯的一种改进的变体实施例；
图5示出了根据本发明的晶圆装载杯的另一种改进的变体实施例。
具体实施方式
下面结合具体实施例及其附图，对本发明及其实施例相关的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非限制性具体实施方式，用于说明本发明的构思和思路；这些说明均是解释性、示例性、示意性的，不应理解或解释为对本发明实施方式及本发明保护范围的限制。除在此记载的全部实施例外，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或容易想到的其它技术方案，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。为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。在本申请中，“化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing)”也称为“化学机械平坦化(Chemical MechanicalPlanarization)”，基板(substrate)也成称为晶圆(wafer)，其含义和实际作用等同。
图1示出了根据本发明的晶圆装载杯200的作业方式，图1中除承载头1、晶圆W和柔性气囊11以外为根据本发明的晶圆装载杯(load cup)200，承载头1与晶圆装载杯200的托架2对准后，增加柔性气囊11中部的腔室的气压并且/或者减小边缘腔室的气压，使得晶圆W的上表面的边缘部分与柔性气囊11脱离，并且进一步在重力的作用下，晶圆W上表面的中心区域与柔性气囊11下表面贴合的面积逐渐减小，直至晶圆W与柔性气囊11完全分离后落置于晶圆装载杯200的托架2上，完成晶圆W的卸载。
然而，在化学机械抛光过程中，经常有去离子水(DIW)或抛光液进入晶圆W与柔性气囊11之间，增加了晶圆W的表面附着力，同时由于晶圆W重量较小，容易出现晶圆W无法依靠自身重力脱离柔性气囊11的情况。
如图1所示，根据本发明的晶圆装载杯200，包括托架2、托架2外围的支撑卡圈3、以及喷嘴31。支撑卡圈3呈圆圈状用于支撑阻挡承载头1，托架2与支撑卡圈3同心设置。卸载晶圆W时，承载头1移动到晶圆装载杯200上方并对准托架2，以尽量保证晶圆W的中心对准托架2的中心，承载头1的斜角外周的下沿抵接形状匹配的支撑卡圈3的斜角上沿以实现定位，柔性气囊11的中部腔室增压和/或边缘腔室减压以减小承载头1对晶圆W的吸附力从而驱动晶圆W下落脱离承载头1，最终使得晶圆W脱落至托架2上的用于承接晶圆的圆圈状的边缘21上。
支撑卡圈3配置有一个、两个或多个喷嘴31，喷嘴31的出口设置于支撑卡圈3的内壁和/或设置于支撑卡圈31的正上方(上表面)并指向托架2的中心轴线方向。作为一种非限制性的实施方式，喷嘴31的主体可嵌设于支撑卡圈3中，位于外侧的尾端与输送管道(未示出)连通以向喷嘴31供应用于喷射的气体和/或液体。输送管道与流体供应装置连接，用于输送气体和/或液体至喷嘴31。在本发明的一个实施例中，流体供应装置可以提供加压氮气、加压异丙醇气体、含有异丙醇的液体、清洗剂、去离子水(DIW)等中的一种和/或其混合物。尽管附图中并未示出，但容易理解的是，根据本发明的装载杯200还可以配置有储液装置、储气装置、气液混合装置、气体压缩装置、气体存储装置、液体存储装置、液体加压装置和/或液体混合装置等，以用于改变喷嘴31所喷射的流体的状态和/或速度等。
图2是根据本发明实施例中实现晶圆快速卸载的原理图，支撑卡圈3和喷嘴31设置成使得当承载头1抵接在支撑卡圈3上时，喷嘴31设置成尽可能靠近支撑卡圈3的顶面，具体而言，喷嘴31的出口的中心与支撑卡圈3的顶面的距离应尽可能的小，例如不超过30mm，并且优选小于等于8mm，以便在承载头1开始卸片(卸载晶圆)的第一时间可以通过喷嘴31将流体喷射至柔性气囊11的下表面与晶圆W的上表面之间而非晶圆下方，从而有助于快速卸片，避免在承载头1开始卸片后将流体喷射到晶圆W的下方浪费所喷射的流体的同时由于起不到助力卸片的作用而浪费时间，降低了抛光设备整体的产出量(WPH)。
进一步的，一般期待将流体以适当的流量和速度喷射到柔性气囊11与晶圆W之间结合处外围以直接靠流体的冲刷力破坏柔性气囊11与晶圆W之间的结合来实现快速卸片。但是，一般的晶圆厂(Fab)的厂务水压难以保证达到这样的效果或者需要配置独立的加压装置来实现这样的喷射强度或距离。为了增加喷嘴31的喷射距离和喷射强度，使得其能够将柱状流体以尽量不散落的形式喷射至晶圆W的中心结合区域，优选将喷嘴31设置成非雾化直喷构造或束口状加压构造，以保证流体喷射的压力和距离能够实现协助卸片的作用。
考虑到晶圆工厂的厂务终端供水流量一般为2L/min至5L/min，喷嘴31应设计成使得流体的喷射距离大于晶圆W的半径，例如大于常见的300mm晶圆的半径，即大于150mm，并且优选使得喷射距离达到200mm以上；由于喷射的流体会驻留在晶圆W的表面，期望的是，喷射尽量多的流体并使其驻留在晶圆W的表面从而增加晶圆W受重力下落的可能性以便尽快卸片，因此喷口的外径(直径)不应大于7mm，且不应小于1mm，且优选为2mm至5mm，以喷射出直径大于2mm且喷射距离大于150mm的柱状流体。
如图3所示，除了避免将流体喷射至晶圆W下方之外，更期望的是将流体准确喷射至柔性气囊11与晶圆W的结合交界处(即交界面处)；但是，随着柔性气囊11的膨胀鼓起，所述结合交界处不断下移，导致流体会被膨胀的柔性气囊11阻挡而难以到达结合交界处；换言之，如果以喷嘴31持续以平行于晶圆W的角度来水平喷射，则待柔性气囊11继续膨胀后，喷射的流体对卸片帮助的边际效应迅速递减。
为此，如图4所示，可以为支撑卡圈3配置诸如具有由气缸、电磁或丝杠等驱动的可伸缩杆的喷嘴角度调节装置300，以调整喷嘴31的喷射角度α，即调节喷嘴31喷射的柱状的流体与晶圆W平面的夹角，从而在柔性气囊11膨胀鼓起后可以使流体仍能喷射至晶圆W与柔性气囊11的结合交界处。具体而言，喷嘴角度调节装置300为电控推杆等具有复位功能的位置控制装置，可以线性的或非线性地控制喷嘴31的喷射角度，使得喷嘴31先以水平角度喷射流体，并随着柔性气囊11的鼓起后以向下倾斜的方式喷射流体，例如先以水平方式喷射流体，待柔性气囊11加压膨胀0.3S至1秒后再以固定倾斜向下0.5°至30°的方式向下倾斜喷射流体至柔性气囊11与晶圆W的结合交界处，作为可替换的优选实施例，喷嘴31的喷射角度α也可随柔性气囊11膨胀鼓起逐渐向下倾斜喷射至预设角度。考虑到晶圆W完全与柔性气囊11接触时所处的位置与完全落至托架2之后的高度差h以及晶圆的尺寸，所述喷射角度α优选设置为5°至25°。
在卸载晶圆W的过程中，喷嘴31可以将加压流体喷射在晶圆W上表面的中心区域与柔性气囊11下表面的中心区域的交界面处，使得该交界面处的粘合状态得以迅速解除，同时增加晶圆W与柔性气囊11之间的气压，帮助晶圆W快速从柔性气囊11分离，加快晶圆卸载速度。
喷嘴31的数量和位置可以根据实际需求设置，图5中示出了4个等距离且等角度对称设置的4个喷嘴31，实际上喷嘴的数量可以是1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个或更多个，可以为奇数个也可以为偶数个。为了确保晶圆W在周向上的分离进度一致，多个喷嘴31优选按相同间隔均匀地设置于支撑卡圈3之中、上部和/或内侧以向托架2的中心方向喷射流体。
作为考虑喷射角度的进一步变体，不同位置的喷嘴31的喷射角度可以不同，以图5中四个喷嘴31为例，位于最上方的喷嘴31A设置成水平喷射流体，即其喷射的流体与晶圆表面的夹角α为0度，与之相邻的左侧的喷嘴31B设置成以向下倾斜5度的方式喷射流体，俯视图中最下方的喷嘴31D以向下倾斜10度的方式喷射流体，并且俯视图中最右侧的喷嘴31C以向下倾斜15度的方式喷射流体；实际上，无论设置多少个喷嘴，只要其中至少有两个喷嘴的角度不同，其中至少一个喷嘴的角度较水平面向下倾斜，以使得不同的喷嘴均可以在不同卸片时刻将流体喷射至接近交界面的区域，则可以实现改进的更优的卸片效果和更快的卸片速度。
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。
在上述实施例中，对实施例的描述是各有侧重的，这些各实施例或者可以任意组合，组合后形成的新的实施例也在本申请的保护范围之内。某个或者某些实施例中没有详细描述或具体说明记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。并且，对于诸如角度和/或位置调节装置、喷嘴等现有技术中已经披露或者可以购买到的成品组件，本发明不再予以赘述。以上所述实施例及实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制或者约束；尽管已经参照前述实施例对本发明进行了具体化的说明，本领域的普通技术人员不难理解的是：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同或类似的相近替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质或实质或发明点脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应被视为包含在本发明的保护范围之内。换言之，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。

Claims (5)

1.一种晶圆装载杯，其特征在于，包括：
同轴设置于所述装载杯中心的托架，该托架具有圆圈状的环形边缘用于承接卸落的晶圆；
同轴设置于所述托架圆周外围的支撑卡圈，用于支撑和/或定位晶圆承载头，所述支撑卡圈的顶面设置成高于所述托架的顶面；
以及，设置于所述支撑卡圈的至少一个喷嘴，其设置成向所述装载杯的中心轴线方向喷射流体；
所述喷嘴中的至少一个或者全部设置成相对于水平面向下倾斜0°至30°；
所述喷嘴设置成喷口直径为2mm至6mm；
所述喷嘴数量为3个至8个；
还包括喷嘴角度调节装置，其以线性的或非线性地控制喷嘴的喷射角度，使得喷嘴先以水平角度喷射流体，并随着柔性气囊的鼓起后以向下倾斜的方式喷射流体，待柔性气囊加压膨胀0.3s至1s后再以固定倾斜向下0.5°至30°的方式向下倾斜喷射流体至柔性气囊与晶圆的结合交界处。
2.如权利要求1所述的晶圆装载杯，其特征在于，所述喷嘴设置成非雾化喷嘴，可喷射出柱状流体和/或气液混合物。
3.如权利要求1所述的晶圆装载杯，其特征在于，所述喷嘴沿支撑卡圈的圆周方向等距设置。
4.如权利要求1所述的晶圆装载杯，其特征在于，所述喷嘴中的全部设置成相对于水平面向下倾斜3°至15°。
5.如权利要求1所述的晶圆装载杯，其特征在于，所述喷嘴设置成等距间隔，并且所述喷嘴依次以从小到大或从大到小的角度沿水平面向下倾斜。
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