用于化学机械抛光的承载头组件和化学机械抛光设备的制作方法

1娱乐游戏涉及化学机械抛光技术领域，尤其涉及一种用于化学机械抛光的承载头组件和化学机械抛光设备。


背景技术：

2.化学机械抛光(cmp，chemical mechanical polishing)是晶圆制造工艺中非常重要的一个环节。抛光过程是利用承载头将晶圆压于抛光垫表面，依靠晶圆和抛光垫之间的相对运动并借助抛光液中的磨粒实现晶圆表面抛光。
3.生产过程中需要定期对承载头进行装卸、更换部件等操作，以开展维保作业、保证承载头的使用寿命。进行承载头的维保时，由于承载头法兰会因为自重掉落，一般需要人工手动托住承载头法兰，保持上下两个法兰始终处于贴紧状态才能完成固定。因为承载头法兰自重较大，需要使用较大的力量才能托住，两个法兰面的连接存在较大的难度，一般需要两名操作人员才能完成，大大增加了维保过程的难度和耗时。


技术实现要素：

4娱乐游戏实施例提供了一种用于化学机械抛光的承载头组件和化学机械抛光设备，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
5娱乐游戏实施例的第一方面提供了一种用于化学机械抛光的承载头组件，包括用于相互连接的主轴法兰和承载头法兰，所述主轴法兰和承载头法兰之间设有定位结构，用于组装时使各处位置对应；所述主轴法兰的底部和/或所述承载头法兰的顶部设有磁吸结构，用于辅助安装。
6.在一个实施例中，所述磁吸结构为嵌入的磁体，磁体由钕磁铁、钐钴磁铁、铝镍钴磁铁或铁氧体磁铁形成。
7.在一个实施例中，所述主轴法兰的底部设有磁吸结构，承载头法兰顶部的材料为铁磁性材料。
8.在一个实施例中，所述承载头法兰的顶部设有磁吸结构，主轴法兰底部的材料为铁磁性材料。
9.在一个实施例中，所述主轴法兰的底部设有第一磁吸结构，承载头法兰的顶部设有第二磁吸结构，第一磁吸结构和第二磁吸结构的相对位置的磁极极性相反。
10.在一个实施例中，所述定位结构包括设于主轴法兰的底部和/或承载头法兰的顶部的定位销。
11.在一个实施例中，所述主轴法兰和承载头法兰之间设有辅助拆卸结构。
12.在一个实施例中，所述辅助拆卸结构为设于主轴法兰的底面边缘和/或承载头法兰的顶面边缘的v型槽。
13.在一个实施例中，所述磁吸结构不超出主轴法兰和承载头法兰的表面。
14娱乐游戏实施例的第二方面提供了一种化学机械抛光设备，包括承载头以及用
于连接承载头的如上所述的承载头组件，还包括抛光盘、修整器和抛光液供给装置。
15娱乐游戏实施例的有益效果包括：能够大幅减小承载头维保的难度，提高安装效率，降低操作门槛，降低维保成本。
附图说明
16.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：
17.图1示出了本实用新型一实施例提供的化学机械抛光设备；
18.图2示出了本实用新型一实施例提供的承载头组件的安装过程；
19.图3示出了本实用新型一实施例提供的主轴法兰和承载头法兰；
20.图4示出了本实用新型又一实施例提供的主轴法兰和承载头法兰。
具体实施方式
21.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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本技术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。
22.此外，还需要说明的是，本技术中使用的例如前、后、上、下、左、右、顶、底、正、背、水平、垂直等表示方位的术语仅仅是为了便于说明，用以帮助对相对位置或方向的理解，并非旨在限制任何装置或结构的取向。
23.为了说明本实用新型所述的技术方案，下面将参考附图并结合实施例来进行说明。
24.在本技术中，化学机械抛光(chemical mechanical polishing)也称为化学机械平坦化(chemical mechanical planarization)，晶圆(wafer)也称为晶片、硅片、基片或基板(substrate)等，其含义和实际作用等同。
25.如图1所示，本实用新型一实施例提供的化学机械抛光设备1包括抛光盘10、粘接在抛光盘10上的抛光垫20、吸附晶圆并带动晶圆旋转的承载头30、修整抛光垫20的修整器40、以及向抛光垫20表面提供抛光液的抛光液供给装置50。
26.在抛光开始前，机械手将晶圆搬运至存片部处，承载头30从存片部装载晶圆后沿抛光盘10的径向移动至抛光盘10的上方。在化学机械抛光过程中，承载头30将晶圆按压在抛光盘10表面覆盖的抛光垫20上，抛光垫20的尺寸大于待抛光的晶圆的尺寸，例如为晶圆尺寸的1.2倍或更大，由此保证均匀地对晶圆进行抛光。承载头30做旋转运动以及沿抛光盘10的径向往复移动使得与抛光垫20接触的晶圆表面被逐渐抛除，同时抛光盘10旋转，抛光液供给装置50向抛光垫20表面喷洒抛光液。在抛光液的化学作用下，通过承载头30与抛光
盘10的相对运动使晶圆与抛光垫20摩擦以进行抛光。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20之间流动，抛光液在抛光垫20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20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。在抛光期间，修整器40用于对抛光垫20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20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20表面形变进行平整化，保证了在抛光期间抛光垫20表面形貌的一致性，进而使抛光去除速率保持稳定。在抛光完成后，承载头30吸附晶圆以将其放置在存片部上，机械手从存片部取得晶圆后将晶圆运送至后处理单元。
27.用于化学机械抛光的承载头30包括连轴盘、平衡架、承载盘、柔性膜和保持环。
28.其中，平衡架可滑动地设置于连轴盘滚轮的中心通孔内并通过平衡架的底部带动承载盘相对于连轴盘滚轮上下移动，柔性膜的一部分被夹紧至承载盘下部以形成密封腔室；保持环安装于承载盘的底部边缘处。
29.第一夹环将环状弹性件的外缘夹紧结合至承载盘并且第二夹环将环状弹性件的内缘夹紧结合至连轴盘滚轮，使得当连轴盘滚轮与外部驱动轴一起旋转时连轴盘滚轮可经由环状弹性件带动承载盘一起同轴旋转；第三夹环和环状垫圈将平衡架夹紧固定至承载盘，环状压盘将柔性膜气密地夹紧至承载盘下部使得柔性膜可以随承载盘及平衡架一起同轴旋转并相对于连轴盘滚轮沿竖直方向上下运动；保持环连接至承载盘的下表面。当承载头作业时，连轴盘滚轮耦合连接至外部驱动轴，待加工的晶圆被接收保持于保持环内侧的柔性膜下方。
30.保持环安装于承载头30的下部。在化学机械抛光过程中，保持环的内部直径表面与柔性膜的下部表面之间形成一容纳空间，用于限定晶圆。保持环的底部表面朝下并与抛光垫的上表面相对，位于保持环内部的晶圆抵压于抛光垫的上表面，保持环能够防止晶圆滑出该容纳空间并参与晶圆的载荷施加。另外，承载盘可上升和下降，以控制保持环的底部表面在抛光垫上施加的压力。如图2所示，保持环的底面设有通道，用于抛光液流入、流出。保持环与承载盘耦接，保持环通过承载盘安装在承载头30的下部。
31娱乐游戏实施例提供的承载头30通过承载头组件连接至上部驱动装置，上部驱动装置用于为承载头30提供气动控制和驱动控制，以实现承载头30的各种动作。
32.如图2至图4所示，本实用新型实施例提供了一种用于化学机械抛光的承载头组件，包括用于相互连接的主轴法兰31和承载头法兰32以及卡箍33，主轴法兰31和承载头法兰32之间设有定位结构，用于组装时使各处位置对应；主轴法兰31的底部和/或承载头法兰32的顶部设有磁吸结构，用于辅助安装。磁吸结构可以为嵌入的磁体，磁体由钕磁铁、钐钴磁铁、铝镍钴磁铁或铁氧体磁铁形成。
33.其中，承载头法兰32位于承载头30的顶部并与承载头30的主体结构固定连接，主轴法兰31连接至上部驱动装置的主轴底部。主轴法兰31和承载头法兰32可拆卸地连接。
34.如图3和图4所示，定位结构包括设于主轴法兰31的底部和/或承载头法兰32的顶部的定位销。定位结构包括至少两对定位销和定位孔，分别设置在承载头法兰32和主轴法
兰31的相对面，组装时定位销插入定位孔内实现定位。并且当在抛光期间，水平方向的剪切力作用到承载头30时，定位结构能够使承载头30和主轴之间保持对准，避免错位。
35.具体地，主轴法兰31的底面配置有至少一个定位销311、至少一个定位孔312和多个用于与上部驱动装置的气路连通的气孔313。相应地，承载头法兰32的顶面配置有与主轴法兰31的定位孔312数量相当的定位销321、与主轴法兰31的定位销311数量相当的定位孔322、与主轴法兰31的气孔313数量相同的气孔323。进一步，承载头法兰32的气孔323外周设有密封圈。承载头法兰32的气孔323与主轴法兰31的气孔313一一对应分别精密对准、气密连接，从而实现上部驱动装置可以通过这些气孔向承载头30中通入或排出气体以调节承载头30施加至晶圆的抛光压力。
36.当进行装配或维保作业时，需抬升承载头30使其顶部的承载头法兰32和固定至上部驱动装置的主轴法兰31，为了实现承载头法兰32和主轴法兰31精确对准完成装配，需要将承载头法兰32的定位销321插入主轴法兰31的定位孔312或者/以及将主轴法兰31的定位销311插入承载头法兰32的定位孔322，从而保证承载头法兰32的气孔323与主轴法兰31的气孔313彼此精密对准，然后用卡箍33将承载头法兰32和主轴法兰31紧固。
37.为了方便抬升承载头30，如图3和图4所示，本实用新型实施例在主轴法兰31和承载头法兰32的连接处设置磁吸结构进行辅助固定。并且，为了保证主轴法兰31和承载头法兰32之间接触面的平整，磁吸结构不超出主轴法兰31和承载头法兰32的表面，仅为嵌入式结构。
38.磁吸结构为嵌入主轴法兰31或者承载头法兰32的磁体，磁体可由金属或陶瓷材料形成。这样的材料可包括铁或稀土金属，例如钕、钕铁硼、钐钴、铝镍钴以及陶瓷族中的磁体，其中陶瓷例如硬磁体氧体、锶和钡铁氧体。磁体可以是永磁体，例如由钕磁铁、钐钴磁铁、铝镍钴磁铁或铁氧体磁铁形成。或者，磁体也可以是电磁的。
39.如图3和图4所示，在一个实施例中，磁吸结构设有多个，其中至少一个位于主轴法兰底面或者承载头法兰顶面的中央，其余一部分的磁吸结构围绕气孔并位于气孔的外周均匀分布，以实现更好地吸合。
40.在另一个实施例中，还可以设有环形的磁吸结构，环形的磁吸结构在气孔的外周环绕气孔设置。
41.以上的磁吸结构无论是何种形状的，均嵌入主轴法兰或者承载头法兰的内部，仅露出表面，与气孔的表面齐平。
42.如图3所示，在一个实施例中，主轴法兰31的底部嵌设有磁吸结构314，承载头法兰32顶部的材料为铁磁性材料。本实施例中，磁吸结构314可以为圆柱形或矩形，可以设有均匀分布的多个。或者，磁吸结构314还可以为环形，沿主轴法兰31底面的周向设置。主轴法兰31的材料可以为常规不锈钢。承载头法兰32采用的铁磁性材料可以是如铁、镍或这样的合金，或如马氏体、铁素体不锈钢，例如400系列不锈钢，可以和主轴法兰31吸合。
43.可以理解的是，在另一个实施例中，承载头法兰32的顶部设有磁吸结构，主轴法兰31底部的材料为铁磁性材料。本实施例中，磁吸结构可以为圆柱形或矩形，可以设有均匀分布的多个。或者，磁吸结构还可以为环形，沿承载头法兰32顶面的周向设置。承载头法兰32的材料可以为常规不锈钢。主轴法兰31使用铁磁性材料。
44.如图4所示，在又一个实施例中，主轴法兰31的底部设有第一磁吸结构315，承载头
法兰32的顶部设有第二磁吸结构324，第一磁吸结构315和第二磁吸结构324的相对位置的磁极极性相反。本实施例中，主轴法兰31和承载头法兰32均设置有磁吸结构。主轴法兰31的第一磁吸结构315的朝下的磁极与承载头法兰32的第二磁吸结构324的朝上的磁极的极性相反，从而实现相互吸合。例如，第一磁吸结构315露出的是s极，第二磁吸结构324露出的是n极。
45.进一步，在一个实施例中，主轴法兰31和承载头法兰32之间设有辅助拆卸结构，用于帮助主轴法兰31和承载头法兰32分离。
46.辅助拆卸结构为设于主轴法兰31的底面边缘和/或承载头法兰32的顶面边缘的v型槽。具体地，可以在主轴法兰31的底面边缘设置v型槽，用于在主轴法兰31和承载头法兰32之间形成间隙，以便于在拆卸时使用工具伸入此v型槽，撬开承载头30，方便拆卸。同理，v型槽也可以设置在承载头法兰32的顶面边缘。
47.图2示出了承载头30的安装过程，具体包括：
48.1)抬起承载头30至承载头法兰32与主轴法兰31接近。
49.2)在磁吸结构的磁力作用下，承载头法兰32和主轴法兰31贴合且不分离。
50.3)使用卡箍33将承载头法兰32和主轴法兰31锁紧，从而实现了承载头30的固定安装。
51.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。
52.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。
53.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。