隨著集成電路(Integrated circuit,IC)制造技術的不斷發(fā)展，芯片特征尺寸越來越小，互連層數(shù)越來越多，晶圓直徑也不斷增大。要實現(xiàn)多層布線，晶圓表面必須具有極高的平整度、光滑度和潔凈度，而化學機械拋光(Chemical mechanical polishing, CMP)是目前最有效的晶圓平坦化技術，它與光刻、刻蝕、離子注入、PVD / CVD 一起被稱為 IC 制造最核心的五大關鍵技術。
CMP 裝備主要由拋光頭、拋光盤、修整器、拋光液輸送系統(tǒng)等部分組成，而拋光頭及其壓力控制系統(tǒng)是其中最關鍵、最復雜的部件，是 CMP 技術實現(xiàn)納米級平坦化的基礎和核心。目前國外最先進的 300 mm 晶圓拋光頭采用氣壓方式加載，具有分區(qū)壓力、真空吸附、浮動保持環(huán)及自適應等功能，十分復雜。隨著特征尺寸不斷減小和晶圓直徑不斷增加，對 CMP 表面質量的要求也越來越高，傳統(tǒng)的單區(qū)壓力拋光頭已無法滿足要求。如果拋光頭能夠將晶圓分成多個區(qū)域進行加載，通過改變施加壓力的大小就可以控制不同區(qū)域的材料去除率。當前國際上高端300 mm晶圓CMP 裝備的拋光頭通常具有三個壓力分區(qū)。此外，在 45 nm 技術節(jié)點及以下，目前的 CMP 裝備(拋光壓力>6.985 kPa)極易造成 Low-k 材料的斷裂、劃傷以及 Low-k 介質/銅界面剝離等問題，超低壓力 CMP(<3.448 kPa)將是未來 CMP 裝備和技術的主要發(fā)展方向。
在 CMP 過程中拋光頭主要起以下作用：①對晶圓施加壓力;② 帶動晶圓旋轉并傳遞轉矩;③ 保證晶圓與拋光墊始終貼合良好，不掉片、碎片。此外，在高端 CMP 裝備中拋光頭最好能在不借助外界條件的情況下依靠自身結構夾持晶圓，以提高生產效率。
分區(qū)壓力拋光頭是衡量 CMP 裝備技術水平高低的重要因素。其核心思想來自 Preston 模型，根據(jù)該模型。根據(jù) CHEN 等的研究，拋光頭的分區(qū)數(shù)量越多，對材料去除率的調節(jié)能力越強。但分區(qū)數(shù)量越多意味著其結構更復雜、研發(fā)難度更大。拋光頭各區(qū)尺寸劃分并無具體要求，即可等分，又可根據(jù)拋光頭的內部實際結構進行劃分。
為防止晶圓在旋轉過程中被甩出，拋光頭必須具有保持環(huán)結構。在 CMP 技術的發(fā)展歷程中出現(xiàn)過兩種保持環(huán)：固定保持環(huán)和浮動保持環(huán)。由于固定保持環(huán)無法避免邊緣效應，目前的主流 CMP 裝備均采用了浮動保持環(huán)，通過對浮動保持環(huán)施加不同的壓力可以調節(jié)晶圓與拋光墊的接觸狀態(tài)，從而有效改善邊緣效應。
由于保持環(huán)與拋光墊緊密貼合，必須在保持環(huán)底部設計一系列溝槽以引導拋光液順利進入晶圓/拋光墊界面。此外，為提高壽命，保持環(huán)需選擇高強度、耐腐蝕、耐磨損的聚苯硫醚(Polyphenylene sulfide, PPS) 或 聚 醚 醚 酮 (Polyetheretherketone, PEEK)等材料。
前面提到拋光頭很重要的一個功能是夾持晶圓，實現(xiàn)晶圓在裝卸工位與拋光工位之間的快速、可靠傳輸。在 CMP 技術的發(fā)展歷程中出現(xiàn)過機械夾持、石蠟粘接、真空吸盤等多種夾持方式，但以上方式在效率、可靠性、潔凈度等方面已無法滿足高端 CMP 裝備的要求。 多區(qū)拋光頭采用真空吸附方法夾持晶圓，基本原理如圖2所示。首先對多區(qū)氣囊施加正壓，將氣囊與晶圓之間的空氣擠出，然后利用氣囊不同分區(qū)的正、負壓組合控制，在氣囊和晶圓之間形成負壓區(qū)，將晶圓牢固地吸附在拋光頭上。該方法充分利用了拋光頭自身的多區(qū)氣囊結構，具有快速、可靠、無污染等優(yōu)點。
壓力控制系統(tǒng)通過氣壓方式對拋光頭進行壓力控制，其主要功能有：① 對晶圓和保持環(huán)進行壓力加載;② 對拋光頭抽負壓以夾持晶圓;③ 檢測各腔室是否漏氣。 多區(qū)拋光頭的壓力控制原理如圖3所示。拋光頭氣路的主要元件有氣源、減壓閥、電氣比例閥、真空發(fā)生器、真空調壓閥、兩位三通閥、兩位兩通閥以及壓力傳感器等。拋光頭共有五個壓力腔室(Z1～Z5)，每個腔室都具有施加正壓、抽負壓、通大氣和泄漏檢測等功能，其中正壓采用全閉環(huán)控制。
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