CN102335869A - 化学机械研磨装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学机械研磨装置，该装置包括研磨头和研磨液输出器，研磨输出器与研磨头在水平方向上间隔一定的距离，所述研磨液输出器为弧形，所述弧形与所述研磨头的部分外圆周形状匹配，在研磨液输出器上沿弧形方向上均匀分布至少2个研磨液输出头。同时，本发明还公开了一种化学机械研磨方法，采用该装置和方法能够提高化学机械研磨的精度。

Description

化学机械研磨装置和方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种化学机械研磨装置和方法。

背景技术

目前，随着电子设备的广泛应用，半导体的制造工艺得到了飞速的发展，在半导体的制造流程中，涉及化学机械研磨工艺(CMP)。图1为现有技术中化学机械研磨装置的剖面结构图，图2为现有技术中化学机械研磨装置的俯视结构图。如图1和图2所示，该装置包括：研磨台101、研磨垫102、研磨头103、研磨液供应管104和研磨液输出头105。

当进行研磨时，首先将待研磨的晶片W附着在研磨头103上，使晶片W的待研磨面与研磨垫102接触；其次，使表面贴有研磨垫102的研磨台101在电机的带动下发生旋转，从而使研磨头103与研磨垫102之间出现相对的滑动；同时，研磨液供应管104输送研磨液，并通过安装在研磨液供应管104上的研磨液输出头105将研磨液喷洒在研磨垫102上。这样，随着研磨液的喷洒以及研磨头103与研磨垫102之间的相对滑动，研磨液被置于晶片W与研磨垫102之间，从而实现了对晶片W的研磨。需要说明的是，为了减少研磨液输出头105喷洒出的研磨液流出研磨台101而造成浪费的几率，通常研磨液输出头105与研磨头103在水平方向上距离比较近。

另外，研磨液输出头105与研磨头103的相对位置决定了研磨液在研磨垫102上的浓度分布，换句话说，研磨液输出头105与研磨头103的相对位置决定了晶片W各处化学移除率的分布。例如，当研磨液输出头105与研磨头103在第一相对位置时，有可能晶片W的圆心处的化学移除率最大，晶片W的边沿处的化学移除率最小，化学移除率从圆心至边沿逐渐递减或者化学移除率呈波浪状时而递增时而递减，而当研磨液输出头105与研磨头103在第二相对位置时，有可能晶片W的圆心处的化学移除率最小，晶片W的边沿处的化学移除率最大，化学移除率从圆心到边沿逐渐递增。以上两个例子仅为举例说明，在实际应用中，研磨液输出头105相对研磨头103在不同的位置，均对应着不同分布的化学移除率。通常，我们预先通过实验建立不同相对位置与不同分布的化学移除率的对应关系，当对晶片W进行研磨之前，按照当前晶片W所要求的化学移除率的分布，例如若要求晶片W的中间凹，而向边沿方向逐渐变凸，即化学移除率从圆心至边沿逐渐递减，设置研磨液输出头105相对研磨头103的位置。

然而，在实际应用中，当设置研磨液输出头105相对研磨头103的位置时，研磨液输出头105相对研磨头103的实际位置相比理想情况有可能发生偏差，则当前晶片W的化学移除率的分布与理想情况相比也会发生偏差，降低了化学机械研磨的精度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种化学机械研磨装置和方法，能够提高化学机械研磨的精度。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：

一种化学机械研磨装置，该装置包括研磨头和研磨液输出器，研磨输出器与研磨头在水平方向上间隔一定的距离，所述研磨液输出器为弧形，所述弧形与所述研磨头的部分外圆周形状匹配，在研磨液输出器上沿弧形方向上均匀分布至少2个研磨液输出头。

还包括至少2个研磨液供应管，所述研磨液供应管与研磨液输出头分别一一对应，且每个研磨液供应管独立向其所对应的研磨液输出头输送研磨液。

还包括1个研磨液输出管，所述研磨液供应管同时向所述研磨液输出头输送研磨液；

该装置进一步包括：至少2个流量控制控制装置，所述每个流量控制装置分别安装在每个研磨液输出头上，用于对研磨液输出头喷洒在研磨垫上的研磨液的流量进行控制。

所述流量控制装置为阀门。

研磨液输出器与研磨头的圆心在水平方向上的最短距离小于研磨头的直径。

一种化学机械研磨方法，该方法包括：

预先量测每个研磨液输出头喷洒的流量与研磨垫上各处的化学移除率，并反复改变所述流量，获取所述量测的多组流量与研磨垫上各处的化学移除率的数据，建立所述每个研磨液输出头喷洒研磨液的流量与化学移除率分布之间的对应关系；

根据当前晶片所要求的化学移除率分布和所述对应关系，确定对当前晶片进行化学机械研磨时所述每个研磨液输出头喷洒的研磨液的流量；

根据所述确定的流量，对所述每个研磨液输出头喷洒的流量进行控制，每个研磨液输出头分别按照所述控制的流量进行喷洒，并采用所述控制的流量对当前晶片进行化学机械研磨。

根据本发明所提供的技术方案，本发明所提供的一种化学机械研磨装置包括研磨头和研磨液输出器，研磨输出器与研磨头在水平方向上间隔一定的距离，研磨液输出器为弧形，弧形与研磨头的部分外圆周形状匹配，在研磨液输出器上沿弧形方向上均匀分布至少2个研磨液输出头，通过对每个研磨液输出头喷洒在研磨垫上的研磨液的流量进行控制从而实现对当前晶片的化学移除率的分布的控制，因此，在本发明中，研磨液输出头与研磨头在水平方向上的位置是固定不变的，而研磨液输出头的流量是一个比较容易精确控制的物理量，通过对研磨液输出头的流量的精确控制可准确控制化学移除率的分布，从而提高化学机械研磨的精度。

另外，在本发明中，研磨液输出器是与研磨头的部分外圆周形状匹配的弧形，这样，无论研磨液输出器与研磨头在水平方向上的最短距离L在小于研磨头的直径d的范围内如何发生改变，总是能够保证研磨液输出器上所有研磨液输出头与研磨头的距离比较近(而不会发生有的研磨液输出头与研磨头距离很近，有的研磨液输出头与研磨头距离很远的情况)，避免有的研磨液输出头喷洒出的研磨液流出研磨台而导致流量控制失效，而且便于精确地建立每个研磨液输出头喷洒研磨液的流量与化学移除率分布之间的对应关系。

附图说明

图1为现有技术中化学机械研磨装置的剖面结构图。

图2为现有技术中化学机械研磨装置的俯视结构图。

图3为本发明所提供的一种化学机械研磨装置的实施例的俯视结构图。

图4为本发明所提供的一种化学机械研磨装置的实施例的剖面结构图。

图5为本发明所提供的一种化学机械研磨方法的实施例的流程图。

图6a为采用本发明所提供的化学机械研磨装置和方法的实验效果图。

图6b为采用本发明所提供的化学机械研磨装置和方法的实验效果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明所述方案作进一步地详细说明。

图3为本发明所提供的一种化学机械研磨装置的实施例的俯视结构图，图4为本发明所提供的一种化学机械研磨装置的实施例的剖面结构图。如图3和图4所示，该装置包括：研磨台101、研磨垫102、研磨头103、研磨液输出器201，研磨液输出器201与研磨头103在水平方向上间隔一定的距离，研磨液输出器201为弧形，弧形与研磨头103的部分外圆周形状匹配，在研磨液输出器201上沿弧形方向上均匀分布至少2个研磨液输出头105，该装置还包括用于向研磨液输出头105输送研磨液的研磨液供应管104。

具体地说，研磨台101的上表面贴有研磨垫102；晶片W被附着在研磨头103上，且晶片W的待研磨面与研磨垫102接触；N(N为大于等于2的正整数)个研磨液供应管104与位于研磨液输出器201上的N个研磨液输出头105分别一一对应的，每个研磨液供应管104独立向其所对应的研磨液输出头105输送研磨液；研磨液输出头105安装其所对应的研磨液供应管104上，并将来自研磨液供应管104的研磨液喷洒在研磨垫102上，其中，研磨液供应管104与研磨液输出头105的具体连接关系与现有技术相同，此处不再赘述。

在上述实施例中，N个研磨液供应管104与N个研磨液输出头105分别一一对应的，可通过控制每个研磨液供应管104中研磨液的流量，来实现对每个研磨液输出头105所喷洒的研磨液的数量的控制，以及实现对研磨液在研磨垫102上的浓度分布的控制，因此，最终可以实现对晶片各处化学移除率的分布的控制。我们可以使用N个研磨液输出头105实现化学机械研磨，也可仅使用N个研磨液输出头105中的一个或几个实现化学机械研磨，具体的实现方法是将不欲使用的研磨液输出头105所对应的研磨液供应管104中的研磨液流量调整至零，其中，当仅使用N个研磨液输出头105中的一个实现化学机械研磨时，与现有技术是相同的。

另外，还可提供另一实施例，该装置可仅包括一个研磨液供应管104，一个研磨液供应管104同时向N个研磨液输出头105输送研磨液，N个研磨液输出头105均按照现有技术的方法安装在研磨液供应管104上，研磨液供应管104向研磨液输出头105输送研磨液的方法与现有技术也是相同的，只是N个研磨液输出头105对研磨液供应管104所输送的研磨液进行了分流，且每个研磨液输出头105将所分流的研磨液喷洒在研磨垫102上。当该装置仅包括一个研磨液供应管104时，为了实现对每个研磨液输出头105所输出研磨液的流量进行控制，可在每个研磨液输出头105上安装流量控制装置，可见，该装置包括至少2个流量控制装置，其中最常见的流量控制装置为阀门，安装流量控制装置的方法可参考现有技术中的方法。

在上述两个实施例中，当对任一晶片进行化学机械研磨时，研磨液输出器201与研磨头103之间的相对位置都是固定不变的，也就是说，即使两个晶片所要求的化学移除率的分布不相同，但是无需调节研磨液输出器201与研磨头103之间的相对位置，我们所需要调节的只是N个研磨液输出头105中一个或几个的流量，而流量是一个便于精确控制的物理量，因此，可提高化学机械研磨的精度。当然，在进行化学机械研磨之前，我们也需要预先通过实验建立N个研磨液输出头105的流量与化学移除率的分布的对应关系。实验建立对应关系的方法比较灵活，可以仅调节其中一个研磨液输出头105的流量，也可同时调节其中几个研磨液输出头105的流量，或调节全部研磨液输出头105的流量，总之，当建立对应关系时，对具体调节哪一个或哪几个研磨液输出头105的流量没有限定。

需要说明的是，如果研磨液输出器201与研磨头103在水平方向上距离比较远，即使调节了研磨液输出器201中一个或几个研磨液输出头105的流量，有可能研磨液输出头105喷洒出的研磨液中很大一部分已经流出研磨台101，也就是说，调节研磨液输出头105的流量可能并没有显著地改变置于晶片W与研磨垫102之间的研磨液的流量以及浓度的分布，所以，通常要求研磨液输出器201与研磨头103在水平方向上距离比较近，较佳地，L小于研磨头的直径d，L是指研磨液输出器与研磨头的圆心在水平方向上的最短距离。

基于上述化学机械研磨装置，图5为本发明所提供的一种化学机械研磨方法的实施例的流程图。如图5所示，该方法包括以下步骤：

步骤501，预先量测每个研磨液输出头喷洒的流量与研磨垫上各处的化学移除率，并反复改变所述流量，获取量测的多组流量与研磨垫上各处的化学移除率的数据，建立每个研磨液输出头喷洒研磨液的流量与化学移除率分布之间的对应关系。

步骤502，根据当前晶片所要求的化学移除率分布和所述对应关系，确定对当前晶片进行化学机械研磨时每个研磨液输出头喷洒的研磨液的流量。

步骤503，根据确定的流量，对每个研磨液输出头喷洒在研磨垫上的研磨液的流量进行控制，每个研磨液输出头分别按照所控制的流量进行喷洒，并采用所控制的流量对当前晶片进行化学机械研磨。

本发明所提供的一种化学机械研磨方法的实施例的具体说明请参照图4和图5所示装置实施例中的相应说明，此处不再赘述。

图6a和图6b为采用本发明所提供的化学机械研磨装置和方法的实验效果图。如图6a所示，图6a中的曲线表示研磨液输出器中每个研磨液输出头喷洒在研磨垫上的研磨液的流量，图6a的横坐标表示研磨液输出器中每个研磨液输出头的名称，在此，仅以研磨液输出器包括12个研磨液输出头为例，按照逆时针的顺序，这12个研磨液输出头的名称分别为：P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10、P11、P12，图6a的纵坐标表示研磨液输出器中每个研磨液输出头喷洒在研磨垫上的研磨液的流量，所述流量为经归一化后的流量。

如图6b所示，图6b中的曲线表示化学移除率分布，图6b的横坐标表示晶片上每一点与研磨头圆心之间的水平距离，单位为毫米，所述水平距离为一矢量，图6b中为负数的距离仅表示与为正数的距离矢量方向是相反的，图6b的纵坐标表示晶片上每一点的化学移除率，单位为埃/分钟。

通过对比图6a和图6b，当研磨液输出器中每个研磨液输出头喷洒在研磨垫上的研磨液的流量由曲线1改变为曲线2时，相应地，化学移除率分布也由曲线3改变为曲线4，因此，可以看出，通过调节流量可有效地改变化学移除率的分布。

由上述的技术方案可见，本发明所提供的一种化学机械研磨装置包括研磨头和研磨液输出器，研磨输出器与研磨头在水平方向上间隔一定的距离，研磨液输出器为弧形，弧形与研磨头的部分外圆周形状匹配，在研磨液输出器上沿弧形方向上均匀分布至少2个研磨液输出头，通过对每个研磨液输出头喷洒在研磨垫上的研磨液的流量进行控制从而实现对当前晶片的化学移除率的分布的控制，因此，在本发明中，研磨液输出头与研磨头在水平方向上的位置是固定不变的，而研磨液输出头的流量是一个比较容易精确控制的物理量，通过对研磨液输出头的流量的精确控制可准确控制化学移除率的分布，从而提高化学机械研磨的精度。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种化学机械研磨装置，该装置包括研磨头和研磨液输出器，研磨输出器与研磨头在水平方向上间隔一定的距离，其特征在于，所述研磨液输出器为弧形，所述弧形与所述研磨头的部分外圆周形状匹配，在研磨液输出器上沿弧形方向上均匀分布至少2个研磨液输出头。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括至少2个研磨液供应管，所述研磨液供应管与研磨液输出头分别一一对应，且每个研磨液供应管独立向其所对应的研磨液输出头输送研磨液。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括1个研磨液输出管，所述研磨液供应管同时向所述研磨液输出头输送研磨液；

该装置进一步包括：至少2个流量控制控制装置，所述每个流量控制装置分别安装在每个研磨液输出头上，用于对研磨液输出头喷洒在研磨垫上的研磨液的流量进行控制。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述流量控制装置为阀门。

5.根据权利要求2或4所述的装置，其特征在于，研磨液输出器与研磨头的圆心在水平方向上的最短距离小于研磨头的直径。

6.一种化学机械研磨方法，该方法应用于如权利要求1所述的化学机械研磨装置中，该方法包括：

预先量测每个研磨液输出头喷洒的流量与研磨垫上各处的化学移除率，并反复改变所述流量，获取所述量测的多组流量与研磨垫上各处的化学移除率的数据，建立所述每个研磨液输出头喷洒研磨液的流量与化学移除率分布之间的对应关系；

根据当前晶片所要求的化学移除率分布和所述对应关系，确定对当前晶片进行化学机械研磨时所述每个研磨液输出头喷洒的研磨液的流量；

根据所述确定的流量，对所述每个研磨液输出头喷洒的流量进行控制，每个研磨液输出头分别按照所述控制的流量进行喷洒，并采用所述控制的流量对当前晶片进行化学机械研磨。

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