CN101291777A - 用于化学机械平坦化系统的有孔修整刷 - Google Patents

Abstract

一种设备，其用于修整化学机械平坦化(CMP)系统的抛光垫，所述设备包括有孔修整盘，所述有孔修整盘形成为支撑任何期望构型中的多个刷毛。所述毛用于提出已经沉积在抛光垫尤其是“软”抛光垫(或抛光毡)的深孔隙内的碎屑和污染物。修整盘内的孔用来允许有效排出修整处理中产生的流出物。孔还可用来在毛刷拭表面时引入修整液，以有助于修整处理。对(借助于连接的真空源)排出流出物的孔的使用通过在沉积和/或积聚的材料有机会被再次混合到修整垫中以前立刻从垫表面去除其而克服了与已有技术有关的问题。

Description

用于化学机械平坦化系统的有孔修整刷

相关申请的交叉引用

本申请要求于2005年10月19日递交的美国临时申请No.60/728,126的利益，并在此以引用方式并入。

技术领域

本发明涉及一种用于清洁化学机械平坦化(CMP)设备的抛光垫的修整刷(conditioning brush)，且更具体地说，涉及一种形成为盘的修整刷，包括一种具有有助于清洁操作的毛和孔的结构。

发明背景

在化学机械平坦化(CMP)领域，称为“垫修整”或“垫修琢”的处理被用来修复抛光垫的表面，并通过从垫移除微粒和用过的抛光浆料来消除表面钝化(surface glazing)。垫修整可“移位(ex-situ)”(即，在晶片抛光循环之间修整抛光垫)或“原位(in-situ)”(即，与晶片抛光循环同时发生或在晶片抛光循环中)进行。在典型已有技术的“原位”垫修整处理中，固定的研磨修整盘在垫表面上移动，以去除少量垫材料和碎屑，从而在垫表面上建立新的粗糙度来便于抛光浆料的自由流动。然后，被去除的垫材料和碎屑与抛光处理中分配的浆料相结合，并被被动地带离垫。

微粒生成是已知修整CMP抛光垫处理的现有难题，其中来自CMP设备、浆料、晶片、垫或修整器中任意一个的微粒在修整后仍然留在垫的表面上。留在垫上的任何单个微粒其后可能在抛光过程中刮坏晶片表面，从而造成潜在的瑕疵或导致抛光不均匀。例如，位于抛光垫上的微粒可形成使抛光垫和晶片之间的力局部集中的高点。如果抛光垫上存在大量微粒，则抛光速率的局部不一致可能会导致抛光不均匀。

在特定类型的CMP中，例如钨CMP或抛光后擦光，使用了相对多孔的抛光垫，其中这种类型的垫的特征在于呈现垂直定向的敞开孔隙的微观结构。被不同地称作为“软”抛光垫、纤维化抛光垫等，这种垫可由毡基底上的多孔涂层组成，该多孔涂层包括位于较小微孔毡层顶部上的垂直定向的大孔隙。沉淀在这些垫内的孔隙的下端区域内的抛光浆料和碎屑可变得几乎停滞不动，并发展成再循环涡流，而这样的再循环涡流又截留更多的材料，从而限制垫的抛光/擦光能力。随着时间的过去，被截留的/再循环的材料可重铺表面并损坏晶片、稀释处理材料、或两者都发生。常规的金刚石研磨修整盘不能有效地去除这种深陷的材料，并且具有快速磨损多孔垫材料的额外缺点。作为替代，修整“刷”可以用来按能驱除深嵌微粒并将其移至废物流中的方式擦亮多孔垫表面。然而，使用修整刷的已有技术的CMP系统需要大量浆料和漂洗水来尝试转移这些微粒。

2002年5月14日颁发给S.Kenji等人的美国专利6,386,963公开了一种修整元件，其被形成来支撑研磨表面和刷毛的组合件。在Kenji等人的结构中，研磨修整材料形成在环形板上，所述环形板连接到修整器头部的底部表面，留下元件的中心区域敞开。多个刷毛形成在小盘上，然后小盘连接到研磨环的中心区域。然而这种特定布置的一个问题在于，在修整元件中心区域的毛的有限布置允许一些微粒物质不受毛的影响，从而保持嵌在垫内。而且，研磨材料和毛之间高度的不同可能会导致对于垫材料的不一致的修整行为和磨损率。

另一已有技术的结构公开在2006年4月25颁发给F.L.Dunn的美国专利7,033,253中。在Dunn的结构中，刷毛按任何期望图案设置于修整元件的底部表面上，其中表面的剩余部分由研磨材料覆盖。可控制毛和研磨材料的相对硬度，以便最佳地修整特定的垫材料。

尽管Dunn和Kenji等人的结构都提供了对于在常规CMP修整元件内实现修整刷的改善，但是仍存在问题，因为在修整处理有机会将碎屑冲去之前，由毛(及研磨材料)驱除的材料有可能会被再次引入到垫表面。

因此，在本领域中仍然需要一种能提供优选地用于大孔隙、纤维化或软的抛光垫/毡的刷拭动作且同时仍能有效地从抛光垫表面去除碎屑的修整结构。

发明内容

本发明解决已有技术中依然存在的需求，本发明涉及一种用于清洁化学机械平坦化(CMP)设备的抛光垫的修整刷，更具体地说，涉及一种形成为盘的修整刷，包括一种具有有助于清洁操作的毛和孔的结构。

根据本发明，有孔修整盘形成为支撑任何期望构型的多个刷毛。修整刷中的孔用来允许有效地排出修整处理中产生的流出物，包括由毛驱除的碎屑和保留在孔隙中的浆料。孔还可用来引进修整液以有助于修整处理。对(借助于连接的真空源)排出流出物的孔的使用通过在沉积和/或积聚的材料有机会被再次混合到修整垫中以前立刻从垫表面去除其而克服了与已有技术有关的问题。

在本发明的一个实施方式中，修整盘由硬材料形成，该硬材料能够将毛支撑在适当位置，使得毛从盘的底部表面稍微离开，从而在毛接合垫材料的孔隙时允许修整器头部保持真空密封。在可替代的实施方式中，修整盘可由研磨材料形成，以允许同时研磨和刷拭抛光垫表面。在又一实施方式中，毛自身可由填充研磨剂的复合材料(abrasive-filled composite)形成。

本发明的其他和进一步的实施方式以及方面在以下的描述过程中且通过参考附图将会变得显而易见。

附图简要描述

现在参考附图，

图1展示了包括根据本发明形成的修整刷的示范性CMP系统；

图2是图1系统的顶视图；

图3是根据本发明形成的示范性修整器头部/修整刷的顶视图，包括在刷内的多个毛和分开的多个孔；

图4是图3修整刷的剖面侧视图；

图5是图4结构的简化视图，详细展示了在抛光垫的孔隙内的毛的侵入；

图6是本发明可替代实施方式的顶视图，其中毛按V状图案设置，而孔设置在其间，图6的视图展示了仅仅少数毛的放置；

图7是与图6相同实施方式的顶视图，在此情况下为在适当位置的一整套毛；及

图8是根据本发明形成的修整刷的又一实施方式的顶视图，在此情况下，毛和孔布置成设置为源于中心的螺旋形图案的多个臂。

详细描述

图1包含了根据本发明形成的示范性CMP系统10的透视图，其用于刷拭抛光垫的表面，而抛光垫用于抛光/平坦化半导体晶片12的表面S。在操作中，晶片12的表面S通过一未显示的装置(并且与本发明的主题不相关)而贴着抛光垫14设置。晶片12在抛光垫14上旋转，如图1箭头所显示。抛光垫14自身固定到旋转轨道或线性台板16。通常包含氧化剂、研磨剂和/或超纯水(UPW)的抛光浆料流从常规的抛光浆料传输设备(未显示)倾注在抛光垫表面18上。抛光浆料与晶片12和垫14的旋转运动相配合，用来去除晶片表面的不平坦部分。

正如以上所提到的，有必要“修整”或“修琢”抛光垫14的表面18，以去除钝化/从垫表面去除抛光浆料的堆积物，也去除与抛光处理本身有关的累积碎屑和其他材料。在图1显示的结构中，末端操纵器臂(end effectorarm)20用来执行修整处理，其中臂20围绕固定轴21沿弧A运动，并同时提供旋转运动R和在连接的修整器头部22上的向下力F。图2显示了臂20、修整器头部22和抛光垫14的相对运动的顶视图，详细展示了臂20在抛光垫14的表面上的弧形运动A。在可替代的实施方式中，末端操纵器可设置成覆盖抛光垫14的整个半径，以便其修整表面18，而不需要基于弧形的扫描运动。正如在下面详细描述的，本发明的有孔修整刷可用于任一实施方式。本发明的有孔修整刷可同样适用于包括抛光毡而不是抛光垫的系统，其中所述毡具有与上述的软抛光垫相同深度的绒毛构型。也就是说，最适合于用本发明的有孔刷来修整的抛光垫和抛光毡的特点在于，呈现能够截留循环涡流中的碎屑和流体的垂直定向敞开孔隙(例如，多孔涂层)的微观结构，如上面所述。

现回头参考图1，修整器头部22显示为还包括根据本发明形成的有孔修整刷30，所述有孔修整刷30执行以下功能：(1)刷拭抛光垫14的表面18来使堆聚在垫14内深处的碎屑变松；(2)排出抛光垫14附近的修整液、沉积碎屑和/或用过的抛光液(下文称为“流出物”)；及，可能地，(3)将修整液引到垫14的表面18上。常规研磨修整盘并不能够总是成功地去除深深嵌入在更纤维化的抛光垫和抛光毡中的一些孔隙内的碎屑。如下所述的多个毛被包括在修整刷30的接触表面31内，并且将会进入纤维化抛光垫的深孔隙中，以便驱除积聚的碎屑。在修整刷30内形成的孔提供用于通过真空通道去除流出物的槽，在图1中，修整器头部22被展示为包括连接到真空源50的真空排出口37。修整液可与表面刷结合使用来有效地去除积聚的碎屑，修整液可通过修整器头部22中的进入口39而被设置到抛光垫18的表面上。

图3包括了示范性有孔修整刷30在固定于修整器头部22内时的顶视图，这里，所展示的表面31将在修整过程中接触抛光垫的表面。存在多种用于将修整刷30连接到修整器头部22的结构，其中特别适合于使孔在刷30和修整盘22的其余部分之间对齐的结构使用基于磁性的六脚键结构，这种结构公开在2004年4月7日递交的共同待决的申请No.10/819,754中，并且转让给了本申请的受让人。参考图3，显示了多个孔34，其中孔34由多个毛40包围，此多个毛40的作用是提供根据本发明的软垫刷拭。图4是图3结构的剖面侧视图。毛40的作用是从在垫14的表面18(见图5)下的纤维化孔隙中去除微粒物质，并通过孔34将流出物推向修整器头部22外围附近的真空出口35，如图4所示。修整器头部22的旋转将有助于使流出物通过真空出口35向外移动进入排放槽36。然后，流出物由真空力牵引通过修整器头部22上的真空排出口37，从而提供对于抛光垫表面18的有效清洁。在如图4所展示的特定实施方式中，修整刷30还包括连接到孔34的槽系统32，以便于根据需要经修整器头部22的进入口39引进修整液。

图5以简化视图展示了垫14、修整器头部22和毛40之间的关系。如上面所提到的，毛40形成为远离修整器头部22下面预定距离，从而允许毛40在修整过程中进入抛光垫14的深的软壁孔隙中，同时保持垫14和修整器头部22之间的真空连接或密封的完整性。如显示的，毛40延伸至垫14的垂直定向的敞开孔隙P内足够深，使得当修整刷30扫过垫表面时可以驱除积累的碎屑。然而，毛40的长度是可控制的，以使修整器头部22的侧壁22W保持与抛光垫14的表面18接触。应理解，毛的具体尺寸是某些参数的函数，这些参数例如但不限于，纤维化抛光材料的孔隙的深度、垫材料本身、由修整器头部施加到抛光垫的向下的力以及施加的真空力。要求表面18和修整器头部侧壁22W之间接触，以便真空力/泄露是可控制的，且碎屑将会持续通过修整刷30从垫表面18排出，并从修整器头部22的真空排出口37排出。毛40包括惰性材料，例如尼龙，这种惰性材料不会与存在于垫表面的任何化学品例如抛光浆料、修整液、晶片碎片材料等起反应。在特定实施方式中，毛40可由填充研磨剂的复合材料形成，此填充研磨剂的复合材料给修整垫14的表面18提供更大量的清洁能量。

图6是可替代的修整刷60的顶视图，在此特定实施方式中，毛40按V状图案62布置在刷60的表面61上。为了清晰起见，只有一部分毛40显示在图6中的适当位置。图7是具有在适当位置的整套毛40的修整刷60的顶视图。再次参考图6，显示了布置在毛的每一个V图案62之间的一组孔34。孔34按上述方式起作用来分配修整液，并排出抛光垫14的表面18中的流出物。

图8包括了根据本发明形成的有孔修整刷的又一实施方式的顶视图。在这个结构中，修整刷70包括布置在一组螺旋形臂72中的毛40，这组螺旋形臂72从刷70的中心区域74发散。孔34类似地布置在螺旋形臂构型中，其中分开的一组孔34布置在毛40的相邻组之间。与以上关于图4描述的结构一样，刷70的毛40和孔34设计成使得将碎屑向外围引导，以便通过排放而有效地去除。

应理解，本发明的有孔修整刷可与任何类型的修整垫或修整毡相结合使用，但是优选与上述的纤维化抛光垫和/或擦光垫一起使用，而这些纤维化抛光垫和/或擦光垫由有益于在截留碎屑和用过的浆料的垫内深处形成循环涡流的深的软壁垂直定向的孔隙组成。本发明的有孔修整刷也可以与常规(即，相对“硬”)抛光垫一起使用，其中研磨毛提供具有比传统研磨修整盘更低的垫磨损率的充分的表面研磨。此外，毛和孔在修整刷表面上的布置可根据需要修改成适合特定CMP系统的需要。当然，本发明的主题旨在仅由附加于此的权利要求的范围限定。

Claims (23)

1.一种设备，其用于修整用在化学机械平坦化(CMP)系统中的抛光垫，所述设备包括：

修整器头部外壳，其包括进入口和排出口，所述进入口用于将修整液引入到所述抛光垫上，所述排出口用于排出所述抛光垫的修整区域中的修整流出物；及

修整盘，其设置在所述外壳内，以便在修整过程中接触所述抛光垫的顶部主表面，所述修整盘包括：

刷，其用于扫过所述抛光垫的所述顶部主表面并从其驱除碎屑，及多个孔，其用于将修整液分配至所述抛光垫，并排出所述抛光垫中的修整流出物。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述刷包括多个毛。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述修整盘包括研磨材料。

4.如权利要求2所述的设备，其中所述多个毛包括惰性材料。

5.如权利要求4所述的设备，其中所述惰性材料包括尼龙。

6.如权利要求2所述的设备，其中所述多个毛包括填充研磨剂的复合材料。

7.如权利要求2所述的设备，其中所述多个毛按跨过所述修整盘的一系列嵌套的V形图案布置，且所述孔布置在其间。

8.如权利要求2所述的设备，其中所述多个毛按跨过所述修整盘的一系列同心圆布置。

9.如权利要求2所述的设备，其中所述多个毛按多个螺旋形臂布置，所述多个螺旋形臂从所述修整盘的中心区域发散。

10.如权利要求2所述的设备，其中所述多个毛离开所述修整器头部外壳以下一段预定距离，以便允许所述毛进入所述抛光垫材料，而不中断从所述抛光垫材料排出流出物。

11.如权利要求1所述的设备，其中所述修整盘还包括六脚键对齐结构，所述六脚键对齐结构用于提供所述修整盘和所述修整器头部外壳之间的对齐连接，从而提供所述修整盘的所述多个孔与所述修整器头部外壳的所述进入口和所述排出口之间的对齐。

12.一种修整盘，其用于修琢化学机械平坦化(CMP)设备内的抛光垫，所述修整盘包括：

多个孔，其用于将修整液分配至所述抛光垫表面，并排出所述抛光垫表面中的修整流出物；及

刷，其用于扫过纤维化抛光垫，并从其驱除碎屑。

13.如权利要求12所述的修整盘，其中所述刷包括多个毛。

14.如权利要求12所述的修整盘，其中所述盘包括研磨材料，所述研磨材料适用于修琢所述抛光垫。

15.如权利要求13所述的修整盘，其中所述多个毛包括惰性材料。

16.如权利要求15所述的修整盘，其中所述惰性材料包括尼龙。

17.如权利要求13所述的修整盘，其中所述多个毛包括填充研磨剂的复合材料。

18.如权利要求13所述的修整盘，其中所述多个毛按跨过所述修整盘的一系列嵌套的V形图案布置，且所述多个孔布置在其中。

19.如权利要求13所述的修整盘，其中所述多个毛按跨过所述修整盘的一系列同心圆布置。

20.如权利要求13所述的修整盘，其中所述多个毛按多个螺旋形臂布置，所述多个螺旋形臂从所述修整盘的中心区域发散。

21.一种方法，其用于修整用在化学机械平坦化系统中的抛光垫，所述方法包括以下步骤：

提供贴着所述抛光垫的顶部主表面的有孔修整刷，所述有孔修整刷包括多个毛和多个孔；

提供所述有孔修整刷上的向下的力，所述向下的力足以将所述多个毛推入所述抛光垫的孔隙内；

使所述有孔修整刷移动跨过所述抛光垫的所述表面，以使所述多个毛驱除所述孔隙中积累的碎屑；及

施加真空力，所述真空力足以通过所述多个孔排出沉积的积聚碎屑，并远离所述化学机械平坦化系统。

22.如权利要求21所述的方法，其中所述方法还包括步骤：

当所述有孔修整刷移动跨过所述抛光垫的所述表面时，将处理液分配到所述抛光垫的所述表面上。

23.如权利要求21所述的方法，其中所施加的所述向下的力和所述真空力是受控的，以便允许所述多个毛接合所述抛光垫的所述孔隙，而不中断从其真空控制地排出沉积的碎屑。