研磨头组件和化学机械研磨设备的制作方法

本实用新型涉及晶圆生产制造加工设备领域，具体涉及一种研磨头组件和化学机械研磨设备。

背景技术：

随着半导体工业飞速发展，电子器件尺寸逐渐缩小，要求晶圆的表面平整度能够达到纳米级。传统平坦化技术仅仅能够实现局部平坦化，当最小特征尺寸达到0.25μm以下时，就必须进行全局平坦化。常见的传统平面化技术有很多，如热流法、旋转玻璃法、回蚀法等，但它们都属于局部平坦化工艺，不能做到全局平坦化。

90年代兴起的化学机械抛光技术可以实现全局平坦化技术。化学机械抛光技术能够从加工性能上和速度上同时满足晶圆的加工要求。化学机械抛光亦称为化学机械研磨，其原理是化学腐蚀作用和机械去除作用相结合的加工技术，是目前机械加工中唯一可以实现表面全局平坦化的技术

现有技术中，通常使用化学机械研磨设备的研磨头来研磨晶圆，使晶圆表面实现全局平坦化。在使用研磨头研磨晶圆的过程中，研磨头内部会挤压所述晶圆，以具有更好的研磨效果。但在挤压晶圆的过程中，很容易将晶圆挤出研磨头，影响最终对晶圆的加工效果和晶圆产率。

现有技术中，通常使用安装在研磨头外部的晶圆滑出检测传感装置来检测所述晶圆是否滑出所述研磨头。所述晶圆滑出检测传感装置利用光反射原理来检测晶圆是否滑出。但是使用这种方式有可能会出现误侦测、漏侦测的情况，检测的准确度不高。当出现检测的漏误时，很有可能会导致晶圆毁损、甚至报废，影响晶圆的产率

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种研磨头组件和化学机械研磨设备，能够提高晶圆产率。

为解决上述技术问题，以下提供了一种研磨头组件，包括：研磨头，包括具有一开口的腔体和卡盘板，所述卡盘板设置于所述腔体开口处，所述卡盘板的正面用于固定晶圆；压力控制单元，设置于所述腔体内，包括：压力腔和密封件，所述密封件第一端连接所述卡盘板背面，第二端隔离所述压力腔与所述腔体，当所述卡盘板固定有晶圆时，所述压力腔内的压力保持恒定，当晶圆从研磨头中滑出后，卡盘板连同所述密封件位置发生移动，使得所述压力腔内压强发生变化；压力管道，用于连通所述压力腔与压力供应端；压力传感器，用于连接所述压力管道，用于检测所述压力腔内的压强。

可选的，还包括泄压腔，与所述压力腔连通，所述密封件的第二端隔离所述泄压腔与所述腔体，且当所述卡盘板固定有晶圆时，所述密封件隔离所述泄压腔与所述压力腔，当晶圆从研磨头中滑出后，卡盘板连同所述密封件位置发生移动，所述泄压腔与压力腔连通，压力腔内气体通过所述泄压腔泄出使得压力腔内压强发生变化。

可选的，还包括泄压管道，连通所述泄压腔与大气环境。

可选的，所述密封件包括顶针，所述顶针第一端连接至所述卡盘板背面，第二端穿过所述泄压腔，伸入所述压力腔内，且所述第二端具有第一密封层和第二密封层，所述第一密封层用于隔离所述泄压腔和所述腔体，所述第二密封层用于在所述卡盘板固定有晶圆时隔离所述压力腔和泄压腔。

可选的，所述密封件还包括一弹簧，设置于所述顶针的第二端与所述压力腔的腔体壁之间，且所述弹簧的弹力方向与所述密封件的可运动方向相一致。

可选的，所述泄压腔与所述腔体之间设置有滑移部，所述第一密封层卡设于所述滑移部中，将所述压力腔和腔体隔离；所述第一密封层可以在所述滑移部中移动，且移动过程中保持所述泄压腔和腔体隔离。

可选的，所述压力管道上设置有压力调节器，用于调整所述压力腔内的压强。

可选的，所述压力管道上还设置有一阀门，用于控制所述压力管道的通断。

为解决上述问题，本实用新型的技术方案还提供一种化学机械研磨设备，包括上述任一项所述的研磨头组件。

本实用新型的研磨头组件具有压力腔，且所述压力腔内的恒压环境能够随着放置在所述研磨头内部的晶圆的位置的变化而变化。通过压力传感器能够检测到压力腔内的压强变化，从而及时判断晶圆是否从研磨头内滑出。

附图说明

图1为本实用新型的一种具体实施方式中的研磨头组件的结构示意图；

图2为本实用新型的一种具体实施方式中晶圆未滑出研磨头的腔体时，所述腔体压强、卡盘板位置以及压力腔正常压强和压力传感器输出正常信号的时序示意图；

图3为本实用新型的一种具体实施方式中晶圆滑出研磨头的腔体时，所述腔体压强、卡盘板位置以及压力腔异常压强和压力传感器输出异常信号的时序示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型提出的一种研磨头组件和化学机械研磨设备作进一步详细说明。

请参阅图1，为本实用新型的一种具体实施方式中安装有晶圆的研磨头组件的结构示意图。

在该具体实施方式中，所述研磨头组件包括：研磨头102，内部设置有具有开口的腔体117和卡盘板104。

所述卡盘板104设置于所述腔体117的开口处，所述卡盘板104的正面用于固定待研磨的晶圆113。在图1所示的具体实施方式中，所述卡盘板104通过设置于两端的卡盘板弹簧115设置于所述腔体117内。卡盘板弹簧115的一端连接至所述卡盘板104的背面，另一端连接至所述研磨头102顶部，且卡盘板弹簧115的弹力方向为垂直于所述卡盘板104表面的方向，使得所述卡盘板104在外力作用下能够在垂直卡盘板104表面的方向上移动。该具体实施方式中，所述卡盘板104的正面设置有薄膜112，用于与晶圆113相接触，防止卡盘板104与晶圆113直接接触而造成晶圆113的毁损。

所述研磨头组件还包括腔体进气口111，用于向所述腔体117内通入气体或抽出气体，以调整所述腔体117内的压强，从而调整所述卡盘板104的位置。在对晶圆113进行研磨的过程中，通过所述腔体117内气体压强对所述卡盘板104施加压力，将晶圆113压在研磨垫表面，与研磨垫充分接触。

所述研磨头组件还包括压力控制单元，设置于所述腔体117内，位于所述研磨头顶部。所述压力控制单元包括压力腔100和密封件118，所述密封件118第一端连接所述卡盘板104背面，第二端隔离所述压力腔100与所述腔体117，当所述卡盘板104固定有晶圆113时，所述压力腔100内的压力保持恒定，当晶圆113从研磨头102中滑出后，卡盘板104连同所述密封件118位置发生移动，使得所述压力腔100内压力发生变化。

该具体实施方式中，所述压力控制单元还包括一泄压腔103，所述泄压腔103与所述压力腔100之间具有一开口，使得所述泄压腔103与所述压力腔100连通，所述密封件118的第二端隔离所述泄压腔103与所述腔体117，且当所述卡盘板104固定有晶圆113时，所述密封件118密封所述开口以隔离所述泄压腔103与所述压力腔100，当晶圆113从研磨头104中滑出后，卡盘板104连同所述密封件118位置发生移动，所述泄压腔103与压力腔100连通，压力腔100内气体通过所述泄压腔103泄出使得压力腔100内压强发生变化。

该具体实施方式中，所述密封件118包括一顶针107，所述顶针107第一端连接至所述卡盘板104背面，第二端依次伸入所述泄压腔103和压力腔100，且所述第二端具有第一密封层109和第二密封层108，所述第一密封层109用于隔离所述泄压腔103和所述腔体117，所述第二密封层108用于在所述卡盘板104固定有晶圆113进行研磨时，所述第二密封层108密封所述压力腔100和泄压腔103之间的开口，以隔离所述压力腔100和泄压腔103。在对晶圆113进行研磨的过程中，当晶圆113从卡盘板104上脱落，从研磨头102中滑出，卡盘板104的位置会发生下降，带动所述顶针107向下移动，进而使得所述第一密封层109和第二密封层108位置发生变化，所述第二密封层108移动至泄压腔103内，导致泄压腔103与压力腔100连通，从而使得压力腔100内气体进入所述泄压腔103内，通过所述泄压腔103泄压，使得压力腔100内压强下降。通过检测所述压力腔100内的压强变化，就可以判断晶圆113是否从研磨头中滑出。

在其他的具体实施方式中，也可设置其他可以隔离泄压腔103和压力腔100、压力腔100与腔体117的隔离结构，该隔离结构应当能够跟随所述晶圆113的运动而发生运动，在晶圆113从研磨头102中滑出后，改变所述泄压腔103和压力腔100之间的隔离状态，使所述泄压腔103和压力腔100连通。

所述密封件118还包括一弹簧110，设置于所述顶针107的第二端与所述压力腔100的腔体壁之间，且所述弹簧110的弹力方向与所述密封件118的可运动方向相一致。通过所述弹簧110限定所述顶针107的位置，使得所述顶针107能够跟随所述卡盘板104运动。在该具体实施方式中，当晶圆113位于所述研磨头102内时，所述弹簧110处于压缩状态。

所述泄压腔103与所述腔体117之间设置有滑移部119，所述第一密封层109卡设于所述滑移部119中，将所述压力腔100和腔体117隔离；所述第一密封层109可以在所述滑移部119中移动，且移动过程中保持所述泄压腔103和腔体117隔离。因此，不管晶圆是否从所述研磨头102中滑出，所述第一密封层109始终保持所述泄压腔103与所述腔体117隔离，避免影响所述腔体117内的压强。

该具体实施方式中，所述泄压腔103位于所述压力腔100下方，更靠近所述卡盘板104。所述泄压腔103与所述腔体117的连接处在所述泄压腔103的底部，所述第二密封层108设置于所述第一密封层109的上方。在该具体实施方式中，所述第二密封层108与第一密封层109相互平行。所述第二密封层108的尺寸与所述压力腔100的尺寸相一致，所述第一密封层109的尺寸与滑移部119的尺寸相一致，以保证所述泄压腔103与所述压力腔100、所述泄压腔103与所述腔体117之间的隔离效果。

所述研磨头组件还包括泄压管道121，连通所述泄压腔103与大气环境，使得所述泄压腔103内的压强与大气压强一致。

所述研磨头组件还包括压力管道122，用于连通所述压力腔100与压力供应端116，所述压力供应端116可通过所述压力管道122向所述压力腔100内通入气体，以调整所述压力腔100内的压强。该具体实施方式中，所述压力管道122上还连接有压力传感器101，用于检测所述压力管道122内的压强，所述压力管道122内的压强即为压力腔100内的压强。

所述压力管道122上还设置有压力调节器105，用于调整所述压力腔100内的压强。所述压力管道122上还设置有一阀门106，用于控制所述压力管道122的通断。该具体实施方式中，所述阀门106设置于所述压力传感器101与所述压力腔100之间。

在一种具体实施方式中，所述研磨头组件的压力控制单元仅包括一压力腔，当晶圆从研磨头中滑出，密封件位置发生变化，使得压力腔的体积发生变化，压力腔内的压强也会随之变化，依旧可以通过检测压力腔内的压强判断晶圆是否从研磨头中滑出。

请参阅图2至3，其中图2为本实用新型的一种具体实施方式中晶圆未滑出研磨头的腔体时，所述腔体内压强、卡盘板位置以及压力腔压强和压力传感器输出信号的时序示意图，图3为本实用新型的一种具体实施方式中晶圆滑出研磨头的腔体后，所述腔体内压强、卡盘板位置以及压力腔压强和压力传感器输出信号的示意图。

请查看图2，在对晶圆进行研磨过程中，晶圆一直位于研磨头内，腔体内在施加压强P1和真空状态vac之间进行周期变化，当施加压强P1时，卡盘板下降至合适位置处，将压力腔与泄压腔之间的开口密封，使得压力腔与泄压腔隔离，压力腔内压强为P2；当腔体内压强由P1状态切换为真空状态vac时，在外界大气压强作用下，卡盘板上升，导致压力腔与泄压腔连通，压力腔处于泄压状态vent。在晶圆没有从研磨头内滑出时，卡盘板位置跟随腔体内压强变化而变化，导致压力腔内压强跟随腔体压力变化实时发生变化，此时压力传感器输出正常信号，该具体实施方式中，所述正常信号为低电平。

请查看图3，当晶圆在研磨过程中，从研磨头中滑出时，卡盘板在腔体压力作用下高度会下降，使得压力腔与泄压腔连通，导致压力腔内压强与腔体内压强变化不同步，压力腔提前泄压(请查考图3处虚线圈出位置处)，导致压力腔压力发生异常变化，压力传感器对应的输出异常信号，该具体实施方式中，所述异常信号为高电平1。

在一个具体实施方式中，可以给所述压力传感器101的输出端连接一报警单元，当所述压力传感器101输出高电平1时，所述报警单元被驱动，发出警报。

上述研磨头组件具有压力腔，且所述压力腔内的压强能够随着放置在所述研磨头内部的晶圆的位置的变化而变化，因此，当放置在研磨头内部的所述晶圆滑出研磨头时，压力传感器能够检测出所述压力腔内的压强变化。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。