CN101121247A - 研磨头的清洗装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种研磨头的清洗装置，研磨头具有中心区域和边缘区域，所述边缘区域具有缝隙，所述清洗装置包括与总管路相连的清洗管和由清洗管上引出的多个清洗喷头，所述喷头的位置对应于所述研磨头的中心和边缘区域，其中，对应所述研磨头中心位置的所述喷头的高度小于对应所述研磨头边缘区域的所述喷头的高度。本发明的清洗装置根据清洗的难易程度调整清洗喷头至待清洗处的距离，在保持清洗条件不变的情况下，增强了局部清洗能力，实现了对难清洗之处的重点清洗，提高了清洗效率。

Description

研磨头的清洗装置
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种研磨头的清洗装置。
背景技术
随着超大规模集成电路ULSI(Ultra Large Scale Integration)的飞速发展，集成电路制造工艺变得越来越复杂和精细。为了提高集成度，降低制造成本，元件的特征尺寸(Feature Size)不断变小，芯片单位面积内的元件数量不断增加，平面布线已难以满足元件高密度分布的要求，只能采用多层布线技术，利用芯片的垂直空间，进一步提高器件的集成密度。但多层布线技术的应用会造成硅片表面起伏不平，对图形制作极其不利。为此，需要对不规则的晶片表面进行平坦化(Planarization)处理。目前，化学机械研磨法(CMP，ChemicalMechanical Polishing)是达成全局平坦化的最佳方法，尤其在半导体制作工艺进入亚微米(sub-micron)领域后，化学机械研磨已成为一项不可或缺的制作工艺技术。
化学机械研磨法(CMP)是一个复杂的工艺过程，它是通过晶片和研磨垫之间的相对运动平坦化晶片表面的，其所用设备常称为研磨机或抛光机。研磨时，将要研磨的晶片的待研磨面向下附着在研磨头上，晶片的待研磨面接触相对旋转的研磨垫，研磨头提供的下压力将晶片紧压到研磨垫上，当表面贴有研磨垫在电机的带动下旋转时，研磨头也进行相对转动。同时，研磨液通过研磨液供应管(tube)输送到研磨垫上，并通过离心力均匀地分布在研磨垫上，该研磨液中的化学成分与被研磨晶片发生化学反应，将不溶物质转化为易溶物质(化学反应过程)，然后通过机械摩擦将这些易溶物从被抛光片表面去掉，实现结合机械作用和化学反应将晶片的表面材料去除，达到全局平坦化效果。化学机械研磨(CMP)带来的一个显著质量问题是表面擦痕(Scratch)，经CMP处理后的薄层往往会在表面存有擦痕，这些小而难发现的擦痕易在金属间引起短路或开路现象，大大降低产品的成品率。
申请号为02120608.2的中国专利中公开了一种可减少刮痕的钨金属的化学机械研磨方法，该方法通过在研磨的前段和后段分别采用了标准的酸性钨研磨液和氧化物研磨液进行研磨，实现了钨金属研磨表面刮痕的减少。但是因为其未解决在新的研磨阶段需完全清洗去除前一研磨阶段的研磨液的问题，使用该方法后晶片表面仍可能会存在研磨后的表面刮痕。
在第一阶段的研磨结束后，研磨头和晶片上会残留本次研磨的研磨液和研磨残渣，如果不将这些研磨液及残渣清洗去除，就会影响到第二阶段的研磨，在晶片表面造成划痕。为此，CMP设备内一般均设置有在线清洗装置，以实现在研磨头移动期间对研磨头和晶片的清洗。图1为现有的研磨头中途清洗示意图，如图1所示，研磨头通过真空管路105利用真空吸附着晶片100经过清洗区，当研磨头与清洗管101上的清洗喷头102对齐时，喷头102喷出去离子水对其进行清洗，以去除晶片和研磨头上所附着的研磨液及残渣。然而，因现有清洗装置的清洗力度不够，对于研磨头内一些难以清洗的凹凸区域，如位于研磨头支撑盘106下表面的晶片边缘压覆环(retaining ring)103和缓冲膜(membrane)104间的缝隙108内存在的研磨液及残渣，在一般的清洗条件下是难以去除的，常需要花费较长的清洗时间，仍不能确保清洗干净，造成整体清洗效率和效果的降低，影响下一次的研磨。
发明内容
本发明提供了一种研磨头的清洗装置，该装置重点加强了对难以清洗的部位的清洗能力，提高了整体的清洗效率。本发明不仅局限于半导体制造领域，还可以应用于其它领域，如机械加工领域等。
本发明提供了一种研磨头的清洗装置，该研磨头具有中心区域和边缘区域，所述边缘区域具有缝隙，所述清洗装置包括与总管路相连的清洗管和由清洗管上引出的多个清洗喷头，所述喷头的位置对应于所述研磨头的中心和边缘区域，其中，对应所述研磨头中心位置的所述喷头的高度小于对应所述研磨头边缘区域的所述喷头的高度。
其中，所述缝隙是指研磨头上的晶片边缘压覆环和缓冲膜之间的缝隙。
其中，所述清洗管固定于研磨台上的各研磨垫之间。
其中，所述喷头的高度可以通过调节所述喷头的长度来调整。
其中，若所述清洗管是蛇形管，还可以通过调节所述蛇形管的形状来调整所述喷头的高度。
其中，所述总管路可以是水管路、气管路或真空管路。
本发明具有相同或相应技术特征的另一种化学机械研磨设备，包括多个研磨垫、研磨头，以及多个固定于所述相邻的研磨垫之间的用于清洗研磨头的清洗装置，所述研磨头具有中心区域和边缘区域，所述边缘区域具有缝隙，所述清洗装置包括与总管路相连的清洗管和由清洗管上引出的多个清洗喷头，所述喷头的位置对应于所述研磨头的中心和边缘区域；其中，对应所述研磨头中心位置的所述喷头的高度小于对应所述研磨头边缘区域的所述喷头的高度。
其中，所述缝隙是指研磨头上的晶片边缘压覆环和缓冲膜之间的缝隙。
其中，所述喷头的高度可以通过调节所述喷头的长度来调整。
其中，若所述清洗管是蛇形管，还可以通过调节所述蛇形管的形状来调整所述喷头的高度。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的一种研磨头的清洗装置，根据清洗的难易程度调整清洗喷头至待清洗处的距离，在保持清洗条件不变的情况下，增强了局部清洗能力，实现了对于难清洗之处的重点清洗，提高了清洗效率，缩短了生产周期。
本发明的清洗装置的安装灵活方便，易于实现。
附图说明
图1为现有的研磨头中途清洗示意图；
图2为采用本发明的清洗装置的研磨设备示意图；
图3为本发明的研磨头中途清洗示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明提供的研磨头的清洗装置，包括与水管路相连的清洗管和由清洗管上引出的多个清洗喷头，多个清洗喷头的位置分别与研磨头的中心和边缘区域相对应，因研磨头的边缘区域一般会具有缝隙，清洗难度相对较大，影响了整个研磨头的清洗效率，本发明中，设计为多个清洗喷头到研磨头的距离各不相同，对应清洗难度较大的具有缝隙的边缘区域的清洗喷头到研磨头的距离较近，即对应研磨头边缘区域的喷头的高度设置得要高于对应研磨头中心位置的喷头的高度。本发明的清洗装置可以在保持清洗条件不变的情况下，增强局部清洗能力，实现了对于难清洗之处的重点清洗，提高了清洗效率。
本发明的一个具体实施例是在不同的研磨阶段之间，对研磨头及晶片进行清洗的清洗装置，下面具体说明本发明的第一具体实施例：
对于同一晶片的研磨，其研磨过程可分为粗磨、细磨和精磨三个阶段，且每一阶段对研磨垫(polish pad)和研磨液(slurry)的要求都不同，越往后的阶段，因其研磨速率更低、平坦度要求更高，所用的研磨垫会更致密、研磨液的颗粒会更细小。即，在不同的研磨阶段，需要使用不同的研磨垫和研磨液，故而在晶片的研磨过程中，夹持着晶片的研磨头(head)就需要在用于不同研磨阶段的研磨垫之间移动，进行不同阶段的研磨，同时，还需在各阶段更换不同的研磨液。图2为采用本发明的清洗装置的研磨设备示意图，如图2所示，该设备共有四个研磨头201a到201d，三个用于不同研磨阶段的不同的研磨垫202a到202c和三个供应不同研磨液的研磨液供应管(tube)203a到203c，以及用于装卸晶片的初始位210。此外，在研磨头的移动过程中，务必不能将前一阶段的研磨液带入后一阶段的研磨中，因为若在进行细磨时带入了粗磨时的研磨液，精磨时带入了粗磨或细磨时的研磨液，则会在晶片表面造成划痕(Scratch)，进而导致器件的成品率降低。
在夹持着晶片的研磨头的移动期间，需要将晶片从研磨垫上抬起，由于研磨液的黏力作用，这一转移十分困难，一般需利用真空吸咐(Vacuum-chucking)将晶片吸起，同时，抬起的研磨头和晶片上会带有本次研磨的研磨液及研磨残渣，如果不将这些研磨液及残渣清洗去除就直接将其移至下一阶段的研磨垫上进行研磨，就会影响到下一阶段的研磨，在晶片表面造成划痕。为此，CMP设备在研磨头在研磨垫间移动的中途会设置有清洗装置204a至204c，以实现在不同研磨阶段之间，在研磨头移动中途对研磨头和晶片进行冲洗。
但是，对于研磨头，其存在一些难以清洗的凹凸区域，这些区域内残留的研磨液及残渣相对而言是较难清洗去除的，常需花费较长的清洗时间，以至影响到整体的清洗效率。为此，本发明对传统的清洗装置中的喷头进行了改进，使得清洗装置中的多个清洗喷头到研磨头的距离各不相同，对应清洗难度较大的部位的清洗喷头到研磨头的距离也较近。
图3为采用本发明的清洗装置后的研磨头中途清洗示意图。如图3所示，本实施例中的研磨头是通过真空管路105利用真空吸附的方式夹持晶片的。该研磨头的支撑盘106下表面周边设计有一晶圆晶片边缘压覆环(retainingring)103，该压覆环所定义的区域形成一凹槽，可以将晶片容纳在其内，实现更好地将晶片固定于研磨头上。另外，该研磨头的中心区域内有一缓冲膜(membrane)104，研磨时，对研磨头加压，通过支撑盘106对缓冲膜104施压，使其与欲研磨的晶片100贴紧，晶片上的压力分布均匀，最终研磨结果的均匀性较好。但是，对于采用该种结构的研磨头，会在晶片边缘压覆环103与缓冲膜104间形成一缝隙108，该缝隙在研磨过程中易藏纳研磨液和研磨残渣，且在清洗时也难以清除干净。
在研磨头下方的各研磨垫之间，安装有一与去离子水管路相连接的清洗管，该清洗管上装有多个清洗喷头。当研磨头到达清洗装置上方，需对残留的研磨液和研磨残渣进行清洗时，该清洗喷头开启，喷射一定量的去离子水对研磨头和晶片进行在线清洗。该传统的清洗装置中，对研磨头和晶片等各部分的清洗条件是相同的，对难以清洗的地方也没有进行重点清洗，结果当大部分区域已经清洗干净的情况下，仍需加长时间对难以清洗的凹凸不平之处进行清洗，清洗效率较低。如本实施例中的缝隙108，其内残留的研磨液和研磨残渣与大部分待清洗区域相比是难以去除的，为将其清洗干净，需额外加长清洗时间。而且既使加长了清洗时间，仍可能不能完全去除干净，不能达到较好的清洗效果，影响下一步研磨工艺的正常进行，在晶片表面造成划痕。而如果采用改变清洗条件，如加大水压、增高水温等来提高整体的清洗能力，实现对缝隙处的较为理想的清洗，则既可能会损坏晶片，又较为浪费资源。
为改善这一问题，实现在不改变清洗条件的情况下提高清洗效率和效果，本实施例中，对清洗装置进行了改造。将清洗喷头与研磨头间的距离按研磨头和晶片的清洗难易度进行了调整，如图3所示，对应于较难清洗的缝隙108处的清洗喷头301a，进行了加长处理，提高了其高度，使其与研磨头中难清洗的缝隙间的距离减小。这样，在没有改变水压等清洗条件的情况下，加强了对难清洗处清洗能力，对其进行了重点的清洗，改善了清洗效果；同时，对应于较容易清洗之处的清洗喷头102仍保持不变，确保不影响其的正常清洗。采用本实施例的清洗装置后，清洗时间可由原来的200秒左右，减小到100秒左右，明显提高了清洗效率。
本实施例中，安装于研磨垫之间的清洗管采用的是形状固定不变的硬管，其在安装时就依照研磨头清洗所需的形状固定好，再将对应较难清洗之处的清洗喷头加长即可。在本发明的其它实施例中，清洗管也可以采用形状可调整的软管，如蛇形管，将其按研磨头清洗时所需的形状安置于研磨垫之间，并按清洗的难易程序安装清洗喷头，但在研磨中发现某待清洗处还需额外重点清洗时，可以将该清洗软管的形状再按需要进行调整，另外，也可以通过将对应难清洗之处的蛇形管上抬的方法，提高该处清洗喷头的高度，进而实现减小清洗喷头到难清洗处的距离，增强该处的清洗能力的目的，使用更为灵活方便。
本实施例中在清洗管上安装了四个喷头进行清洗，在本发明的其它实施例中，还可以按需要设置更少或更多的清洗喷头，如2到10个，且各清洗喷头到待清洗物的距离按其清洗的难易度可各不相同。
本实施例中，通过加长对应研磨头上晶片边缘压覆环和缓冲膜之间的缝隙的清洗喷头长度，而实现了对该缝隙处的重点清洗；在本发明的其它实施例中，还可以针对采用的研磨头的结构不同，对研磨头的其它凹凸不平之处进行重点清洗，如固定环的开口、晶片边缘压覆环与弹性板间的缝隙等，同样可以通过调整清洗喷头到待清洗物的距离而实现不同的清洗强度，提高整体的清洗效率。
好的化学机械研磨工艺，不仅要提供高的研磨速率，还要使研磨后的晶片表面没有微观上的粗糙与宏观上的起伏，而这些均与研磨垫和研磨液的选用有关。研磨垫与研磨液的选取不合适，就会造成研磨效率低或在研磨表面存在缺陷，为此，在研磨前，必须要根据待研磨材料的要求选取确定研磨垫和研磨液。不同的待研磨材料所需使用的研磨液是不能混用的，如果研磨头将上一次研磨的研磨液带入下一次不同材料的研磨中，就可能会导致下一次所研磨的晶片表面受损，产生划痕。本实施例中，该清洗装置是用于在线清洗在不同研磨阶段之间进行转移的研磨头及晶片的，在本发明的其它实施例中，其也可以用于在线清洗任一次研磨之后的研磨头和晶片，防止前一次的研磨对下一次的研磨产生影响。
本实施例中，该清洗装置是固定于研磨垫之间，用于在线清洗研磨头及晶片的，在本发明的其它实施例中，本装置还可以固定于其它位置，如研磨机主体附近，来清洗研磨头或研磨垫调整器等部件，同样是根据待清洗物的清洗难易程度确定清洗管上对就清洗喷头到待清洗物的距离，越难清洗的缝隙处，清洗喷头的高度越大，清洗力越强，从而提高了整体的清洗效率，提高了清洗效果，缩短了生产周期。
本实施例中，该清洗装置是与水管路相连，用去离子水进行清洗的；在本发明的其它实施例中，其还可以与气管路相连，用气流，如N2、Ar将待清洗物表面的残渣吹去，同样可以通过调整气喷头到待清洗物间的距离，实现不同的清洗力；或者还可以将该清洗装置与真空管相连，用真空吸力将待清洗物表面的残渣去除，其同样也可以通过调整真空头到待清洗物间的距离实现不同的清洗力。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (12)

1.一种研磨头的清洗装置，研磨头具有中心区域和边缘区域，所述边缘区域具有缝隙，所述清洗装置包括与总管路相连的清洗管和由清洗管上引出的多个清洗喷头，所述喷头的位置对应于所述研磨头的中心和边缘区域，其特征在于：对应所述研磨头中心位置的所述喷头的高度小于对应所述研磨头边缘区域的所述喷头的高度。
2.如权利要求1所述的清洗装置，其特征在于：所述缝隙是指研磨头上的晶片边缘压覆环和缓冲膜之间的缝隙。
3.如权利要求1所述的清洗装置，其特征在于：所述清洗管固定于研磨台上的各研磨垫之间。
4.如权利要求1所述的清洗装置，其特征在于：通过调节所述喷头的长度来调整所述喷头的高度。
5.如权利要求1所述的清洗装置，其特征在于：所述清洗管是蛇形管。
6.如权利要求5所述的清洗装置，其特征在于：通过调节所述蛇形管的形状来调整所述喷头的高度。
7.如权利要求1所述的清洗装置，其特征在于：所述总管路可以是水管路、气管路或真空管路。
8.一种化学机械研磨设备，包括多个研磨垫、研磨头，以及多个固定于所述相邻的研磨垫之间的用于清洗研磨头的清洗装置，所述研磨头具有中心区域和边缘区域，所述边缘区域具有缝隙，所述清洗装置包括与总管路相连的清洗管和由清洗管上引出的多个清洗喷头，所述喷头的位置对应于所述研磨头的中心和边缘区域；其特征在于：对应所述研磨头中心位置的所述喷头的高度小于对应所述研磨头边缘区域的所述喷头的高度。
9.如权利要求8所述的清洗装置，其特征在于：所述缝隙是指研磨头上的晶片边缘压覆环和缓冲膜之间的缝隙。
10.如权利要求8所述的清洗装置，其特征在于：通过调节所述喷头的长度来调整所述喷头的高度。
11.如权利要求8所述的清洗装置，其特征在于：所述清洗管是蛇形管。
12.如权利要求11所述的清洗装置，其特征在于：通过调节所述蛇形管的形状来调整所述喷头的高度。
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