CN113649945B - 一种晶圆抛光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶圆抛光装置，包括第二压力介质腔体，用于感应压力变化；多孔盘，带有多个通孔，下表面包覆柔性单腔膜；导通阀单元，用于第二压力介质腔体和第三压力介质腔体之间的导通或隔离，其至少包括导通阀座，导通阀，及弹性件，导通阀座下端伸入通孔内，导通阀的下端突出于导通阀座的下端面；导通阀座与多孔盘由柔性单腔膜覆盖配合形成第三压力介质腔体；第一压力介质腔体；于第三压力介质腔体形成负压，使得多孔盘和柔性单腔膜上吸附有晶圆时，导通阀克服弹性件的力相对导通阀座发生移动，将第二压力介质腔体和第三压力介质腔体相连通。本发明实现了柔性单腔膜正导通机制，可准确、快速判断晶圆的装载状态，碎片风险小。

Description

一种晶圆抛光装置

技术领域

本发明属于半导体集成电路芯片制造技术领域，尤其是涉及一种晶圆抛光装置。

背景技术

在CMP设备工艺过程中，抛光头会在晶圆装载支架处，通过晶圆装载系统进行装片后传输至抛光垫上，平坦化工艺前需要检测并确保晶圆被紧密吸附于抛光头上，在此抛光台完成抛光后，抛光头会将晶圆从抛光垫上重新吸附起来，转移至下一抛光垫进行进一步的平坦化或转移至晶圆装载支架处进行卸载。因此抛光头必须具备装载晶圆的能力，且有检测晶圆相应的机制。

在晶圆装载过程中，通过对抛光头中的介质腔体加压，使得与介质腔体相连的柔性膜膨胀并与晶圆接触逐步排除晶圆与柔性膜之间的空气与液体，待晶圆与柔性膜之间紧密接触后，再向介质腔体中施加负压，柔性膜上吸附的晶圆在大气向上负向力的作用下，晶圆被理想装载至抛光头上。

考虑到使用成本问题，市面上大多采用单腔介质腔体搭配柔性单腔膜的抛光头。单腔介质腔体和柔性单腔膜的使用机制为负导通机制，即对单腔介质腔体施加负压，当晶圆理想装载于柔性膜上，较大横截面积的PIN会卸载部分传导至导杆上的力，使得导通阀无法导通；而当柔性膜上无晶圆或晶圆与柔性膜之间非理想装载时，大气压力挤压孔洞中的柔性膜与PIN进行硬接触，并将大气压力传导至导杆进而导通导通阀。换句话说，这种负压时晶圆理想装载所述介质腔体不导通，无晶圆或晶圆以非理想装载时的所述介质腔体导通的机制称为负导通机制。

负导通机制相较于正向导通机制，存在如下两个缺点：1）延时性，负导通机制中晶圆只有在装载动作完成后，保持封闭状态的检测腔体压力反馈值维持稳定时，方能进行逻辑判断，而正导通机制，晶圆装载时，会在极短时间导通所述介质腔体，可提前进行逻辑判断；2）误判风险，正导通机制中，与晶圆接触的多腔柔性膜作用面积占比（作用面积/晶圆面积比）大，且PIN小，导通阀导通需要的负压较小，而负导通机制中作用到晶圆上的力主要通过多孔，作用面积占比小，PIN大，无晶圆/非理想加载状态时导通阀相对快速导通(无晶圆/非理想加载判定)需要的负压较大，高的负压会导致理想加载时作用在多孔处的压力过大，进而导通导通阀，存在误判风险。另一方面，柔性膜弹性模量随寿命变小等因素都会导致导通阀误导通；3）碎片风险高，负导通时，过高负压条件时作用到晶圆表面的大气压力值过大，存在碎片风险。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种晶圆吸附与否的判断准确性高，判断速度快，不存在碎片风险的晶圆抛光装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种晶圆抛光装置，包括：

第二压力介质腔体，用于感应压力变化；

多孔盘，带有多个通孔，其下表面包覆有柔性单腔膜，用于支撑晶圆；

导通阀单元，设于第二压力介质腔体和第三压力介质腔体之间，用于第二压力介质腔体和第三压力介质腔体之间的导通或隔离，其至少包括导通阀座，可相对导通阀座移动的导通阀，及与导通阀相抵的弹性件，所述导通阀座下端伸入通孔内，所述导通阀的下端突出于导通阀座的下端面；

所述导通阀座与多孔盘由柔性单腔膜覆盖配合形成第三压力介质腔体；

第一压力介质腔体，用于控制多孔盘、第二压力介质腔体和第三压力介质腔体的上、下移动；

于第三压力介质腔体形成负压，使得多孔盘和柔性单腔膜上吸附有晶圆时，所述导通阀克服弹性件的力相对导通阀座发生移动，将第二压力介质腔体和第三压力介质腔体相连通。

本发明通过导通阀和导通阀座的配合，使得在多孔盘和柔性单腔膜紧密吸附晶圆时，晶圆所受吸附力经由柔性单腔膜和导通阀传递至弹性件，实现导通阀单元的导通，即第二压力介质腔体和第三压力介质腔体相互导通，改变了传统的柔性单腔膜负导通机制，对抛光装置是否正确装载晶圆的判断更加快速、准确，在晶圆吸附判定准确性、及时性和安全性方面都有提高，而且无需搭配多气路系统，使用成本降低。

进一步的，在所述第三压力介质腔体呈负压状态时，所述导通阀座的下端面与多孔盘的下表面齐平。

导通阀座的下端面与多孔盘的下表面齐平，有利于晶圆支撑受力分布均匀；当无导通阀座结构或导通阀座下端面高于多孔盘下表面过多时，柔性单腔膜在此通孔区域上在第三压力介质腔体负压时，会形成过量的变形，受负压影响变形量较大时，易使得向上的负压力大于弹性件导通所需力，而使第二压力介质腔与第三压力介质腔体导通。

进一步的，所述通孔的内径大于导通阀座的外径，使得导通阀座外壁和通孔内壁之间形成供柔性单腔膜发生形变的间隙，有利于增加负压区间，从而增加晶圆所受吸附力。

间隙的设置使得负压吸附晶圆过程中，柔性单腔膜在导通阀座和通孔之间形成类似圆环状的负压区间，使得该区间形成对晶圆的吸附力，进而增加了对晶圆的整体吸附力。

进一步的，所述间隙径向宽度为S，所述柔性单腔膜的厚度为H，则S≥2H。当间隙径向宽度S≥2H时，柔性单腔膜受第三压力介质腔体负压作用，会向上往间隙内弯曲变形，柔性单腔膜与晶圆之间形成负压区域，实现对晶圆的吸附。反之，间隙径向宽度S＜2H，则柔性单腔膜无法变形而降低对对晶圆的吸附力，从而容易导致抛光装置装载晶圆失败。

进一步的，所述导通阀突出于导通阀座下端面的长度为D，则D≥1/10H。长度D需充分考虑柔性单腔膜的厚度及其压缩性。第三压力介质腔体负压吸附晶圆过程中，晶圆受负压力向上移动，负压力由从晶圆经由柔性单腔膜传递至导通阀，因此柔性单腔膜会受导通阀压应力产生局部压缩变形。如果长度D小于柔性单腔膜的压缩变形量，则晶圆无法实现导通阀的移动。1/10H为柔性单腔膜的最小压缩变形量。

进一步的，所述导通阀座下端面的外径为d1，所述导通阀的外径为d2，则d1≥d2+H。第三压力介质腔体在无晶圆状态时负压收缩柔性单腔膜向上变形，最终接触并包覆导通阀的端部及导通阀座的下端面，导通阀座的下端面对柔性单腔膜形成支撑，导通阀仅受到柔性单腔膜在端部局部的负压力，远小于弹性件对导通阀的预紧力，从而实现无晶圆状态时的柔性单腔膜无法通导第三压力介质腔体和第二压力介质腔体，因此能判断此时抛光装置未成功吸附晶圆。其中关键尺寸关系为d1≥d2+H，此时导通阀座才能对柔性单腔膜形成支撑效果。

通过理论计算可对导通阀相关参数S、D、d1和d2等参数进行综合调整，从而从设计上实现降低晶圆成功吸附的真空条件，从而大大降低晶圆碎片风险。

进一步的，所述导通阀座的中心与其所在通孔的中心重合。

进一步的，所述通孔均为圆形，或均为椭圆形，或均为四边形，或均为异形，或为上述至少两种形状的组合。

本发明的有益效果是，1）改变了传统的柔性单腔膜负导通机制，可准确、快速判断晶圆的装载状态，提高了晶圆装载效率；2）装载压力减小，也可降低晶圆碎片风险；3）无需搭配多气路系统，使用成本降低。

附图说明

图1为本发明的剖视立体图。

图2为本发明的多孔盘的仰视图。

图3为本发明未吸附晶圆状态的剖视图。

图4为本发明的柔性单腔膜开始形变状态的剖视图。

图5为本发明负压吸附晶圆状态的剖视图。

图6为本发明负压下但未吸附晶圆状态的剖视图。

图7为本发明紧密吸附晶圆时第二压力介质腔体、第三压力介质腔体的压力反馈曲线图。

图8为本发明未吸附晶圆时第二压力介质腔体、第三压力介质腔体的压力反馈曲线图。

图9为对比实施例中抛光装置未吸附晶圆状态的剖视图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1-图3所示，一种晶圆抛光装置，包括第一压力介质腔体1，第二压力介质腔体2，第三压力介质腔体3，多孔盘5，柔性单腔膜6，及导通阀单元4。

第二压力介质腔体2，又称为检测腔体，用于感应压力变化，通过此第二压力介质腔体2内压力的变化判定晶圆7是否装载成功；

多孔盘5，由刚性材料制成，其带有多个通孔51，其下表面包覆有柔性单腔膜6；多孔盘5的下表面呈平面，当柔性单腔膜6吸附了晶圆7时，多孔盘5可以作为晶圆7的主要支撑部件，其中柔性单腔膜6在通孔51上变形与晶圆7形成负压空间，为晶圆7提供吸附在多孔盘5上的压力；

导通阀单元4，设置在第二压力介质腔体2和第三压力介质腔体3之间，用于上述第二压力介质腔体2和第三压力介质腔体3之间的导通或隔离；导通阀单元4至少包括导通阀座41，可以相对导通阀座41移动的导通阀42，及与导通阀42相抵的弹性件43，导通阀座41的下端伸入通孔51内，而导通阀42的下端突出于导通阀座41的下端面；

具体的，定义导通阀42突出于导通阀座41下端面的长度为D，柔性单腔膜6的厚度为H，则D≥1/10H；

更具体的，在本实施例中，导通阀座41大致呈圆柱形，其中心带有穿孔，通孔51为圆形，导通阀座41的中心与所在的通孔51中心重合，即两者同心同轴设置；定义导通阀座41下端面的外径为d1，导通阀42的外径为d2，则d1≥d2+H；

当然在其他实施例中，导通阀座41也可以是别的结构，不限于圆柱形；通孔51还可以是椭圆形，或者是四边形，或者是别的异形结构，或者是一个多孔盘5上带有多种形状的通孔；导通阀座41和通孔51也可以不同心同轴设置；

导通阀座41与多孔盘5由柔性单腔膜6覆盖、配合形成上述的第三压力介质腔体3；

第一压力介质腔体1，用于控制多孔盘5、第二压力介质腔体2和第三压力介质腔体3的上、下移动；

在第三压力介质腔体3形成负压，从而使得多孔盘5上吸附有晶圆7时，导通阀42克服弹性件43的力相对导通阀座41发生移动，将第二压力介质腔体2和第三压力介质腔体3相连通。

当多孔盘5上没有吸附，或者说没有紧密吸附晶圆7时，由于柔性单腔膜6包裹在导通阀42端面，其力度不足以克服弹性件43的力，如图6所示，从而导通阀42不会相对导通阀座41发生移动，第二压力介质腔体2和第三压力介质腔体3无法导通，处于隔离状态。换句话说，本发明的晶圆抛光装置利用正导通机制判断晶圆7是否被良好吸附。

为了保证晶圆7被紧密吸附时受力更加均匀，在第三压力介质腔体3呈负压状态时，导通阀座41的下端面与多孔盘5的下表面相齐平。

为了避免导通阀座41所在处对晶圆7的吸附力偏小，通孔51的内径大于导通阀座41的外径，从而使得导通阀座41的外壁和通孔51的内壁之间形成供柔性单腔膜6发生形变的间隙511。

具体的，间隙511的径向宽度为S，柔性单腔膜6的厚度为H，则S≥2H，如图3所示。

本发明的使用过程是，当晶圆7需要在装载支架或抛光垫上进行夹持时，第一压力介质腔体1加压垂直方向向下带动第二压力介质腔体2、第三压力介质腔体3向下行进，抛光装置位于装载支架或抛光垫上的晶圆7的正上方，如图3所示；

对第二压力介质腔体2、第三压力介质腔体3加压，柔性单腔膜6发生圆弧形变，柔性单腔膜6与晶圆7逐步自晶圆7中心向外接触的同时会排除二者之间的空气、液体后形成紧密贴合，如图4所示；

保持第二压力介质腔体2保压状态，对紧密吸附晶圆7的第三压力介质腔体3施加负压，柔性单腔膜6和晶圆7在大气负向力的作用下向上行进，抵达多孔盘5后，整体在多孔盘5的通孔51继续受压，由于晶圆7的存在，柔性单腔膜6负压空间会相对较大，另一方面各向的大气压力会通过晶圆7传导至柔性单腔膜6并通过导通阀42传输至弹性件43，当活动部件向上的行程达到一定阈值时，导通阀42向上移动，导通阀42导通，第二压力介质腔体2、第三压力介质腔体3导通成负压状态，如图5所示。

晶圆7吸附于柔性单腔膜6上时，晶圆7、柔性单腔膜6、多孔盘5三者主体呈叠加平行的状态，同时导通阀座41下表面、晶圆7、柔性单腔膜6三者局部呈叠加平行的状态，此时晶圆7受力分布均匀，不易破损。

导通之后，持续的负向力会向上支撑晶圆7，达到紧密吸附晶圆7的效果，第二压力介质腔体2、第三压力介质腔体3的压力反馈曲线分别如图7所示中的P2、P3所示。

当抛光装置上晶圆7未理想装载时，会出现第二压力介质腔体2、第三压力介质腔体3无法导通。在未导通情况下，第三压力介质腔体3负压会压迫第二压力介质腔体2，导致第二压力介质腔体2的压力反馈值升高最终保持稳定。在无晶圆或非理想装载情况下，第二压力介质腔体2、第三压力介质腔体3的压力反馈曲线如示意图8所示。

对比实施例

如图9所示，本实施例与实施例一的不同之处在于，缺少导通阀座结构41。

当抛光装置未装载晶圆7时，如图9所示, 柔性单腔膜6在负压作用下向多孔盘5的通孔51内收缩，由于无晶圆7，柔性单腔膜6基本贴合多孔盘5的通孔51，由于没有导通阀座41下表面对柔性单腔膜6形成大面积支撑作用，由于柔性单腔膜6柔性的特质，仅贴附导通阀42下端外壁，产生向上传输至弹性件43的力不足以使得导通阀42导通。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种晶圆抛光装置，其特征在于，包括：

第二压力介质腔体（2），用于感应压力变化；

多孔盘（5），带有多个通孔（51），其下表面包覆有柔性单腔膜（6），用于支撑晶圆（7）；

导通阀单元（4），设于第二压力介质腔体（2）和第三压力介质腔体（3）之间，用于第二压力介质腔体（2）和第三压力介质腔体（3）之间的导通或隔离，其至少包括导通阀座（41），可相对导通阀座（41）移动的导通阀（42），及与导通阀（42）相抵的弹性件（43），所述导通阀座（41）下端伸入通孔（51）内，所述导通阀（42）的下端突出于导通阀座（41）的下端面；

所述通孔（51）的内径大于导通阀座（41）的外径，使得导通阀座（41）外壁和通孔（51）内壁之间形成供柔性单腔膜（6）发生形变的间隙（511）；

所述导通阀座（41）与多孔盘（5）由柔性单腔膜（6）覆盖配合形成第三压力介质腔体（3）；

第一压力介质腔体（1），用于控制多孔盘（5）、第二压力介质腔体（2）和第三压力介质腔体（3）的上、下移动；

于第三压力介质腔体（3）形成负压，使得多孔盘（5）和柔性单腔膜（6）上吸附有晶圆（7）时，所述导通阀（42）克服弹性件（43）的力相对导通阀座（41）发生移动，将第二压力介质腔体（2）和第三压力介质腔体（3）相连通，即吸附晶圆（7）时，第二压力介质腔体（2）和第三压力介质腔体（3）导通。

2.根据权利要求1所述的晶圆抛光装置，其特征在于：在所述第三压力介质腔体（3）呈负压状态时，所述导通阀座（41）的下端面与多孔盘（5）的下表面齐平。

3.根据权利要求1所述的晶圆抛光装置，其特征在于：所述间隙（511）径向宽度为S，所述柔性单腔膜（6）的厚度为H，则S≥2H。

4.根据权利要求3所述的晶圆抛光装置，其特征在于：所述导通阀（42）突出于导通阀座（41）下端面的长度为D，则D≥1/10H。

5.根据权利要求4所述的晶圆抛光装置，其特征在于：所述导通阀座（41）下端面的外径为d1，所述导通阀（42）的外径为d2，则d1≥d2+H。

6.根据权利要求1所述的晶圆抛光装置，其特征在于：所述导通阀座（41）的中心与其所在通孔（51）的中心重合。

7.根据权利要求1所述的晶圆抛光装置，其特征在于：所述通孔（51）均为圆形，或均为椭圆形，或均为四边形，或均为异形，或为上述至少两种形状的组合。

Images