用于半导体芯片磨抛的限制环 专利技术说明

金属材料;冶金;铸造;磨削;抛光设备的制造及处理,应用技术1.本发明属于半导体芯片磨抛技术领域，尤其涉及一种用于半导体芯片磨抛的限制环。背景技术：2.半导体芯片的磨抛又称为化学机械抛光(也称化学机械平坦化，chemical mechanical planarization/polishing)是当代芯片制造不可省略的关键制程，其中的磨抛头(也称抛光头，carrier head/polishing head)系核心部件。美国专利us20130065495a1公开了一种磨抛头，其包括承载盘及柔性膜，柔性膜可拆卸地设置在承载盘的下部等。3.如图1和图2所示，中国新型专利cn211193454u公开了一种化学机械抛光装置及其具有限制环的磨抛头31，图1示出了磨抛单元2a的构成，包括转盘10、抛光垫20、基板承载组件30、修整器40和供液臂50；抛光垫20设置于转盘10上表面并随之绕ax1轴线旋转，基板承载装置30设置于抛光垫20上方，其所耦接的磨抛头31的下表面吸持有待抛光的基板w(即半导体芯片或称为半导体芯片基板或称为晶圆基板或称为晶圆)；修整器40包括修整臂41和修整头42。4.进行磨抛时，基板承载组件30将半导体芯片(简称基板或基板w)的结构面抵压于抛光垫20，抛光液分布于抛光垫20与基板w之间，在化学磨和机械抛的共同耦合作用下完成基板材料的去除，从而实现全局平坦化。5.如图2所示，磨抛头31的底部设置有柔性膜314和由顶环3121和底环3123构成的限制环312，柔性膜314的外壁与限制环312的内壁之间具有间隙。6.然而，半导体芯片(即半导体芯片基板/晶圆)的磨抛中，温度对磨抛去除速率的影响随着制程的演进变得日益重要。现有技术对转盘或抛光垫的加温/冷却难以及时将温度场的改变传递至作业的半导体芯片(对于逻辑和存储芯片而言，每片基板的磨抛作业时间仅5-30秒)，温度时滞和时滞温漂都是难以接受的。这种情况下，辐射传热和热对流更是难以在fab中特别是不可能在半导体芯片磨抛中实际应用。7.另外，温度对限制环的在不同制程中的磨损也起到关键作用，而限制环的磨损导致进/出液槽的截面的变化等又将严重影响同一套作业控制参数产生的磨抛结果。8.特别的，在诸如供液臂和/或抛光垫表面等有氧有光环境中对抛光液进行加热升温更容易导致抛光液结晶从而划伤半导体芯片的结构面，并且耗损更多的能量，使得真正参与磨抛作用的抛光液的温度漂移增加且难以控制。9.解决磨抛作业温度的专利包括cn1330459c、cn111512425a、cn101630629b等，但作用于基板的方式都较为远端或远源，结果的不确定性导致难以实际应用。技术实现要素：10.本发明提供了一种化学机械抛光限制环和化学机械抛光磨抛头，旨在一定程度上解决上述技术问题之一，其技术方案如下：提供了一种用于半导体芯片磨抛的限制环，其特征在于，所述限制环形成为圆环状以被安装于磨抛头的下方从而限制半导体芯片在抛光作业期间的运动，所述限制环由第一环和第二环构成；其中第一环的刚性高于第二环；第二环的底部形成有多个沿所述限制环的圆周方向间隔配置并且径向倾斜地向外发散的液槽，使得抛光液在磨抛作业期间的可经由所述液槽进入磨抛头下方的磨抛作业空间，并且所述限制环的夹层中、所述限制环的内部或者所述限制环的顶部配置有用于加热和/或降温的温度控制元件。11.进一步，所述液槽的截面为矩形、梯形、或者圆弧形。12.进一步，所述温度控制元件为根据赛贝克效应作业的温度控制器件。13.进一步，所述第二环的上表面配置多个有用于配置所述温度控制元件的安装槽，所述安装槽沿着所述限制环的圆周方向等距离间隔地设置使得所述温度控制元件可以卡合安装于其中。14.进一步，所述温度控制元件配置于所述液槽的上方以提高热量交换效率同时缩短热量通路的距离。15.进一步，所述温度控制元件的底面与所述液槽的顶面之间的距离为0mm至8mm。16.进一步，所述限制环的全部外表面涂敷有防污层以避免抛光液在所述限制环的表面结晶划伤半导体芯片。17.进一步，所述温度控制元件的底面涂敷有防污层以防止抛光液和/或污染物积聚其表面影响温度传导。18.进一步，所述防污层由特氟龙和/或派瑞林材料形成。19.进一步，所述第一环与所述第二环之间彼此结合的两个面均为直平面结构以增加他们之间的结合接触面积使他们彼此之间牢固地连接。20.本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果包括：减少能量耗散、提高了温度控制的有效性。附图说明21.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：22.图1非限定性的示出了典型的晶圆磨抛单元的构造示意图；23.图2非限定性的示出了根据本发明实施例的晶圆磨抛的承载头的结构的示意图；24.图3非限定性的示出了根据本发明实施例的的限制环的结构的侧视图的示意图；25.图4非限定性的示出了根据本发明实施例的限制环的底环中的周向相邻排列设置的玻尔贴元件和粘合剂部分；26.图5非限定性的示出了根据本发明实施例的限制环的结构的侧视透视图；27.图6非限定性的示出了根据本发明实施例的限制环仰视图(顶视图)及其局部结构的视图。具体实施方式28.下面结合具体实施例及其附图，对本发明所述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具体实施方式，用于说明本发明的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解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。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。29.关于本发明公开的术语方面，限制环(retaining ring或者retainer ring或者retainer)又称为保持环或卡环等，是在半导体芯片制造的平坦化、沉积、刻蚀中常用的关键耗材，磨抛即平坦化又称化学机械平坦化或者化学机械抛光(cmp，chemical mechanical planarization/polishing)；本公开中，半导体芯片也即半导体芯片基板也称晶圆基板或者晶圆(wafer substrate/wafer/substrate)，他们的意思是等同的。30.如图2所示，限制环312由底环3123和顶环3121构成(通常由环氧树脂粘结而成)并且通过螺栓配置于磨抛头31的底部，底环3123间隔地配置有多个液槽3122，这些液槽3122用于在化学机械抛光作业期间通过磨抛头31的旋转使得抛光垫20表面的抛光液经由限制环312的液槽3122动态地流入和/或流出限制环312和柔性膜314所限定的对半导体芯片基板w进行抛光作业的空间。31.顶环3121通常由诸如不锈钢等刚性较强的金属材料制成从而保证限制环312的整体刚性，底环3123通常由诸如pps等工程塑料材料制成，在磨抛作业期间会磨损牺牲。也就是说，作为耗材的限制环312的底环3123的厚度会随着使用而变薄，使得液槽3122的截面积和体积都会相应的变化缩小。这个变化的结果包括，对于同一批次的半导体芯片基板w，使用同样的磨抛参数(磨抛头转速、磨抛时间、下压力等)，由于介入磨抛作业的抛光液的浓度、洁净度、和抛光液体积量的区别，将得到不同的半导体芯片的膜层厚度和均匀度。32.优选的，液槽3122的截面也可以形成为梯形、圆弧形等其他形状，并且所述梯形形成为长边在上的结构，以减小限制环312的磨损所带来的通量变化，并且增加温度改善控制效果。33.通常而言，对于同一个制程的同一批基板，磨抛参数是恒定不变的，或者只能很慎重的调节某个单一变量。因此，当液槽体3122的截面积发生显著变化后，不仅会导致参与作业的抛光液用量减少从而导致欠抛，还可能因为抛光液过少导致温度上升，进而导致抛光液的结晶物划伤半导体芯片基板w。然而，有些材料的磨抛去除速率会随着磨抛环境的温度的上升而加快(如钴)，并且有些材料的磨抛去除速率会随着温度的下降而加快(如sti)。因此，有希望通过快速双向地控制磨抛作业的环境的温度来辅助调节磨抛速率。34.从抛光环境的构成来看，尽管柔性膜314几乎全面地贴合接触待抛光的半导体芯片基板，但调节柔性膜314的温度将导致其中不同分区腔室区域的气压失稳并且存在气膜材料的弹性模量改变的风险因素，而抛光垫20通常由聚氨酯等发泡多孔材料模制切割而成，导热性能较差。因此本发明提出了通过调节限制环312的温度特别是其中液槽3122的温度来调节流经其液槽3122的抛光液的温度，从而快速调节磨抛作业环境的温度。35.进一步，需要既可以对限制环312进行加温调节，并且在另一些工况下需要对其进行反向的降温调节。根据本发明实施例的改进的限制环412的侧视图的局部透视如图3所示，由下部的底环4123、上部的顶环4121和中间间隔设置的多个玻尔贴元件4125(图中仅示出1个)构成。如图3和图4所示，玻尔贴元件4125沿限制环412的圆心均匀地对称间隔分布，并且在顶环4121和底环4123之间的空隙中填充有粘合剂形成的粘合剂层4124。非限定性地，粘合剂层4124的高度与玻尔贴元件4125的厚度应当保持大体一致，玻尔贴元件4125也起到保持粘合剂层4124高度从而保证粘合剂的强度和填充量足以使底环4123和顶环4121粘结牢固的作用，即起到间隔支撑的作用。36.进一步，根据本发明实施例的一种非限制性的变体，如图5所示，优选在底环5123的上表面和/或顶环5121的下表面设置凹槽5126(图5中仅示意性的给出了底环5123的上表面处的凹槽5216)以卡合容纳配置具有一定厚度的玻尔贴元件5125。凹槽5126一方面用于固定地配置玻尔贴元件5125，另一个方面的作用在于使得玻尔贴元件5125配置于更接近限制环512的与抛光液接触的部分，更利于温度的快速传导，提高温度的调节控制效果。37.非限定性的，玻尔贴元件5125优选配置于底环5123的液槽5122的上方甚至正上方以使玻尔贴元件5125所散发的热量通过这样的液槽结构快速散发，换言之，液槽5122类似于散热珊结构快速传导玻尔贴元件5126所散发的热量来改变流经其中的抛光液的温度。38.进一步，如图5所示，非限定性的，玻尔贴元件5125的底面距离限制环512的底面的液槽5122的顶面的距离为0-10mm并优选为0-8mm，换言之，可以使得玻尔贴元件5125更接近于液槽5122设置，甚至将玻尔贴元件5125的底面直接设置为/用作液槽5122的顶面，从而使得玻尔贴元件5125可以直接与流经液槽5122的抛光液直接接触。此时，考虑到玻尔贴元件5125的底面一般由金属材料制成，为了防止抛光液受到温度影响而积聚于玻尔贴元件5125的底面，可对限制环512的整体的全部表面进行特氟龙或派瑞林等防粘连材料的涂敷或其他表面处理以增加其表面张力，而无需担心底环5123的防粘连涂层会影响磨抛作业，原因在于限制环512的边缘和底部磨合(taper break in)过程会自然使得这类涂层脱落，并且这样的整体涂敷的性能优于仅仅对玻尔贴元件5125的底面进行防粘连涂敷，部分原因在于增加了整个液槽5122的接触抛光液的表面的表面张力，从而改善优化了其流通性和抛光液的通过性且不易形成阻塞，类似于血管的内膜。39.尽管在图5中没有明确示出，但作为本发明实施例的变体的一种，限制环512的底环5123的上表面可以设置成具有波浪结构、锯齿结构、凹凸结构等能够增加其表面积的结构，并且相应的，顶环5121的下表面也可以设置成具有波浪结构、锯齿结构、凹凸结构等能够增加其表面积的结构，以避免由于玻尔贴元件5125的设置导致限制环512的底环5123和顶环5121的粘结接触面积减少而导致粘结不牢固的情况发生，即增加他们之间的结合面的面积从而增加结合力/粘结力，防止温度的变化导致粘结剂寿命缩短从而使得限制环512底环5123和顶环5121之间彼此脱落。40.优选的，如图6所示，从限制环612的底环6123的俯视图可以看出，细长形状的液槽6122的方向并非是沿着穿过圆心的直径方向设置的，即液槽6122如图6和图2所示，是斜向设置的，并且为了适应液槽6122的形状和位置，根据本发明实施例的一种变体，玻尔贴元件6125设置成大体与液槽6122具有相同的俯视形状的细长扁平结构，使得其温度的变化能够更为直接且快速的传递至对应的液槽，实现更有效的温度控制。41.特别是，玻尔贴元件也称为玻尔贴、珀耳帖或者帕尔贴(peltier board/tiles)是一种利用塞贝克效应/玻尔效应(seebeck effect/peltier effect)制成的形如薄片的元器件，其一面为制冷面且另一面为制热面，应当注意的是，尽管本发明公开中选用的是玻尔贴元件这个术语，但并不意味着本发明所主张的保护范围中仅仅局限于保护正方形的规制的玻尔贴元件产品，实际上，凡是利用塞贝克效应对限制环进行温度调节的构思均属本发明的保护范围和发明精神，例如直接在限制环中嵌入没有封装的n型半导体部件和p型半导体部件以产生与玻尔贴相同或近似的温度控制效果等方案均属于本发明的构思及其精神和保护范围。42.需要理解的是，尽管上述根据本发明的多个实施例描述了在限制环中设置玻尔贴元件来控制限制环的温度特别是限制环的液槽的温度的技术方案，但只要根据本发明的要旨在于通过在限制环中设置具有温度调节的元件来调整限制环的问题特别是液槽的温度，而这样的元件并不限于玻尔贴元件，并且限制环的构造不限于由底环和顶环构成的层合结构，还包括一体成型的单体结构和内部包覆有骨架外部为塑料的包覆内嵌结构的限制环。换言之，只要是通过元件控制限制环的温度即属于本发明的构思、精神和保护范围。43.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，各实施例可以任意组合，组合后形成的新的实施例也在本技术的保护范围之内。某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。44.以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。









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