[发明专利]化学机械抛光晶圆承载器

说明书

技术领域

本发明涉及一种抛光装置，特别是涉及一种化学机械抛光晶圆承载器。

背景技术

化学机械抛光（CMP）是化学溶液腐蚀结合机械颗粒磨削对半导体材料或其他材料进行抛光的技术，它广泛应用在集成电路（IC）制造业。高精度、超光滑无损伤表面的晶圆（或芯片）即由化学机械抛光设备来获得。化学机械抛光设备主要包括抛光主轴、晶圆承载器、抛光台、抛光垫、抛光液管路。晶圆承载器是设备的核心部件。晶圆承载器固定在抛光主轴下面上，抛光垫粘附在抛光台上面，被抛光的晶圆处在晶圆承载器和抛光垫之间。抛光主轴连接晶圆承载器进行升降、旋转并控制晶圆承载器的下压力。抛光主轴以及晶圆承载器上具有多条（真空、气压、去离子水）的流体管路。晶圆承载器或者真空吸附晶圆，或者夹紧晶圆。晶圆被夹持时，流体通过晶圆承载器分区域的产生可将晶圆压在抛光垫上的不同压力的背压（对晶圆背面施加的液压力称为背压），以增大晶圆抛光面与抛光垫的磨削力，抛光主轴带动晶圆承载器相对抛光台做互为反向旋转，晶圆承载器旋转的同时还在旋转平面上做一定角度的偏摆。晶圆承载器同时进行旋转加偏摆的过程中，抛光液管路将抛光液输送到抛光垫上，从而达到晶圆在机械磨削和化学溶液腐蚀双重作用下的抛光目的。目前，晶圆承载器主要存在以下问题：

1）抛光主轴的下压力；晶圆承载器、抛光台的旋转力；抛光垫的平整度、背压以及经抛光垫喷出的液压力综合产生的抛光力最终均作用在晶圆的被抛光面上，这个综合的抛光力在晶圆抛光面上应基本处处相同，否则极易发生碎片事故。为保证晶圆承载器旋转与摆动同时进行情况下，抛光力在晶圆上处处基本相同，晶圆承载器通常设计成两部分，上部分与抛光主轴连接，下部分既与上部分连接随抛光主轴一起转动，又以抛光主轴轴线为中心感受综合抛光压力变化相对上部分的平面在一定角度下做任意方向的万向偏摆，以调整抛光力在晶圆抛光面上各个点基本一致。晶圆承载器两部分的连接是设计难题。现有晶圆承载器两部分连接的结构基本上是气囊式，缺点较多。

2) 目前，晶圆直径发展的越来越大，由于晶圆承载器旋转线速度不一致，若只对晶圆施加单一背压，不同区域的抛光去除率会产生差异，造成晶圆抛光面形貌突兀。为避免上述问题，对不同抛光区域采用不同背压是避免晶圆面形突兀的基本技术，但当前对晶圆背压进行区域控制的流体管路结构设计复杂，安装困难。

3）“边缘效应”会导致晶圆边缘处有一定的区域难以达到亚微米级别精度，降低晶圆成品率和芯片产量。目前对晶圆承载器均采用保持环紧压在抛光台的抛光垫上的方式来减小“边缘效应”。保持环磨损量达到一定值后就必须更换。传统保持环的上面结构部分采用不锈钢，下面磨损部分采用PEEK/PPS塑料构成。对传统保持环的更换采用或工作一定时间或抛光了一定量晶圆的方法进行，为了防止出现“边缘效应”，保持环经常被提前、频繁更换，造成使用寿命短。PEEK/PPS材料价格不菲，过早更换会造成浪费，频繁更换更会影响设备的正常运转，降低产能和效益。

发明内容

本发明的目的是给出一种晶圆承载器下部分旋转与偏摆同时进行时，感受综合抛光压力变化，下部分带动晶圆相对抛光垫自动产生的万向偏摆能力强；对晶圆不同的抛光区域施加不同气体背压的流体管路结构合理，安装方便且背压区域作用面积大、压力均衡；保持环更换周期合理，使用寿命长；保持环与晶片安装盘之间形成的晶圆安装槽深度可调整。

本发明的目的是能够实现的。本发明化学机械抛光晶圆承载器包括连接在抛光主轴上的上盖以及抛光主轴与上盖之间连接的若干液压管路，还包括安装环、集流盘、夹持环、保持环、膨胀气囊、晶片安装盘、背膜以及通过抛光主轴、上盖与集流盘连接的背压流体管路，其中，保持环的下平面突出晶片安装盘粘贴的背膜的下表面形成晶圆存放平面槽。本发明化学机械抛光晶圆承载器的特征在于：所述上盖的下面安装一个环形的上球面轴承，集流盘的上面安装一个环形的下球面轴承，上球面轴承的内径表面扣压在下球面轴承的外径表面上成工作配合副，所述上盖的下表面中心处静配合连接一个柔性材料制作的上十字联轴节，集流盘的上表面中心处静配合连接一个柔性材料制作的下十字联轴节，上十字联轴节和下十字联轴节为柔性结构并通过螺钉连接，所述上盖的下表面外缘固定连接环形的安装环，安装环连同上盖沿圆周方向均布对称地设有若干导向孔，所述每个导向孔内均滑动连接一个限动柱的上部，限动柱的下部螺纹固定连接在集流盘的上表面，所述上球面轴承、下球面轴承、上十字联轴节、下十字联轴节、固定在集流盘上的限动柱以及与限动柱滑动连接的安装环和上盖上的导向孔构成万向节摆动结构；