CN102528643A - 化学机械研磨设备及其研磨单元 - Google Patents

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Abstract

一种用于化学机械研磨设备的研磨单元，包括：研磨盘，所述研磨盘用于承载所提供的晶圆；研磨垫手臂，所述研磨垫手臂一端固定，所述研磨垫手臂另一端固定研磨垫，所述研磨垫手臂带动所述研磨垫相对于所提供的晶圆运动；研磨垫，所述研磨垫固定于所述研磨垫手臂，并且可以在研磨垫手臂的带动下，相对于所提供的晶圆运动，研磨垫手臂确定运动期间该研磨垫与所提供的晶圆接触；研浆供应路线，所述研浆供应路线在研磨期间在研磨垫与被研磨晶圆之间供应研浆。本发明还提供相应的化学机械研磨设备。采用本发明有利于实现化学机械研磨设备的小型化，并且有利于节约研浆，提高化学机械研磨设备中研磨垫的利用率。

Description

化学机械研磨设备及其研磨单元
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别涉及化学机械研磨设备及其研磨单元。
背景技术
化学机械研磨(CMP，Chemical Mechanical Polishing)工艺由IBM于1984年引入集成电路制造工业，并首先用于后道工艺的金属间绝缘介质(IMD，InterMetal Dielectric)的平坦化，然后通过设备和工艺的改进用于钨的平坦化，随后用于浅沟槽隔离(STI)和铜的平坦化处理。化学机械研磨为近年来IC制程中很活跃的一项技术。
化学机械研磨的机理是被研磨晶片的表面材料与研浆发生化学反应生成一层相对容易去除的表面层，所述表面层通过研浆中的研磨剂以及施加在被研磨晶片上的研磨压力，在与研磨垫的相对运动中被机械地磨去。特别地，在对金属材料进行CMP时，研浆与金属表面接触并产生金属氧化物，并通过研磨去除所述金属氧化物以达到研磨的效果。
在公开号为CN1471141A的中国专利申请中公开了一种化学机械研磨设备。如图1所示，现有的化学机械研磨设备的研磨单元是一个自动旋转的研磨盘102以及一个晶圆握把104，通常研磨盘102会被设计成一种圆形板以方便跟安装在研磨盘102上的研磨垫106一起旋转，提供的晶圆110会被晶圆握把104抓住，而晶圆握把104的位置是可以调节的，晶圆握把104可以施力在晶圆110上，在研磨期间，晶圆握把104会确定晶圆110有接触到研磨垫106。在研磨盘102上方放置有一个研浆供应路线108，可以提供研磨用的研浆112，所述研浆112包含反应物和研磨剂，反应物用于与被研磨晶圆110的表面材料发生反应生成相对容易磨去的材料，研磨剂用于研磨垫106与晶圆110之间的机械研磨，在CMP设备中通常会有一个调节器114来调节研磨垫。
但是为了缩减生产单一芯片的成本，晶圆的尺寸越来越大，从8英寸发展到12英寸，甚至18英寸、24英寸以至更大。晶圆尺寸的变大给CMP工艺中对晶圆研磨的均一性带来了很大的困难，尤其是对晶圆边缘部分的研磨。以18寸晶圆为例，在研磨过程中很容易损坏晶圆。此外，CMP设备的研磨单元的尺寸也随晶圆尺寸的增加而增加，不利于器件的小型化，并对CMP设备的维护产生不利的影响。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种用于化学机械研磨设备的研磨单元，可以减小研磨盘的尺寸，有利于实现器件的小型化，包括：
研磨盘，所述研磨盘用于承载所提供的晶圆；
研磨垫手臂，所述研磨垫手臂一端固定，所述研磨垫手臂另一端固定研磨垫，所述研磨垫手臂带动所述研磨垫相对于所提供的晶圆运动；
研磨垫，所述研磨垫固定于所述研磨头，并且可以在研磨垫手臂的带动下，相对于所提供的晶圆运动，研磨垫手臂确定运动期间该研磨垫与所提供的晶圆接触；
研浆供应路线，所述研浆供应路线在研磨期间在研磨垫与被研磨晶圆之间供应研浆。
优选地，所述研磨垫手臂通过夹在非固定端的研磨头固定所述研磨垫。
优选地，所述研浆供应路线形成在研磨垫手臂内。
优选地，研磨垫手臂向所述晶圆施加一压力，并通过调节研磨垫手臂的高度调节所述压力的大小。
优选地，所述研磨垫手臂围绕该固定点旋转的角度小于360度。
优选地，研磨垫手臂进一步控制施加于晶圆上的一压力。
优选地，所述研磨盘的形状是圆形，且直径大于所提供的晶圆的直径。
优选地，所述研磨垫的形状是圆形。
优选地，所述研磨垫的直径小于或等于所提供的晶圆的直径。
优选地，所述研磨盘的数量大于或者等于1。
优选地，所述研磨垫的数量大于或者等于所述研磨盘的数量。
优选地，所述研磨单元还包括研磨垫修整部件，所述研磨垫修整部件包括刷洗研磨垫的刷子以及喷洒溶液和/或去离子水的喷洒。
优选地，所述研磨单元还包括研磨垫更换部件，所述研磨垫更换部件包括拆除研磨垫子部件，和安装研磨垫子部件。
相应地，本发明还提供一种化学机械研磨设备，所述化学机械研磨设备含有上述各项用于化学机械研磨设备的研磨单元中的任意一项。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
第一，本发明用研磨盘承载待研磨的晶圆，且研磨垫的尺寸小于待研磨的晶圆，在晶圆尺寸增加的情况下，只需要增加研磨盘的尺寸，而不需要提供比晶圆尺寸大的研磨垫，从而有利于实现器件的小型化；
第二，本发明中，研浆供应路线形成在研磨垫手臂内，研浆可以直接提供在研磨垫与待研磨的晶圆的接触处，从而有利于节约研浆，在研磨期间可以提高研磨垫的利用率；
第三，本发明中所述研磨垫手臂带动所述研磨垫相对于所提供的晶圆运动，因为研磨垫的尺寸小于待研磨晶圆的尺寸，研磨垫可以达到待研磨晶圆的各个部位，从而容易控制研磨的均一性，尤其是有利于对晶圆边缘部分的研磨，不易损坏被研磨的晶圆；
第四，研磨期间可以通过所提供的研磨垫修整部件和研磨垫更换部件实现对晶片的自动清洗和对研磨垫的自动更换，从而提高研磨效率，节约成本。
附图说明
图1是现有的化学机械研磨设备的研磨单元的结构示意图。
图2是本发明所提供的化学机械研磨设备的研磨单元的结构示意图。
图3是本发明所提供的化学机械研磨设备的结构示意图。
具体实施方式
由背景技术可知，现有的用于化学机械研磨设备的研磨单元包含自动旋转的研磨盘、安装在研磨盘上的研磨垫、晶圆握把，所提供的待研磨的晶圆会被晶圆握把抓住，待研磨的晶圆的尺寸小于研磨垫的尺寸，并且晶圆待研磨的表面朝下，与研磨垫相对，而晶圆握把的位置是可以调节的，晶圆握把可以施力在晶圆上，在研磨期间，晶圆握把会确定晶圆有接触到研磨垫。在研磨盘上方设置有一个研浆供应路线，可以提供研磨用的研浆，在晶圆相对研磨垫的转动过程中，研磨晶圆的动作会透过研磨垫以及由胶状硅土组成的研浆来进行。但是随着晶圆尺寸的增加，研磨垫的尺寸以及晶圆握把的尺寸也需要不断增加，从而不利于器件的小型化，并造成原料的浪费。
本发明的发明人对上述问题进行研究，在本发明中创造性地提出一种用于化学机械研磨设备的研磨单元，所述研磨单元以研磨盘承载待研磨的晶片，所述晶片待研磨的表面朝上(即待研磨的表面背离研磨盘)，以研磨垫手臂固定研磨垫，并带动研磨垫相对于晶片转动，并保证研磨垫在转动的过程中与晶片待研磨的表面接触，从而实现对待研磨晶片的研磨。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
图2是本发明的一个实施例所提供的用于化学机械研磨设备的研磨单元，包括：
研磨盘302，所述研磨盘302用于承载所提供的晶圆301；
研磨垫手臂305，所述研磨垫手臂305一端固定，所述研磨垫手臂305另一端固定研磨垫，所述研磨垫手臂带动所述研磨垫相对于所提供的晶圆运动；
研磨垫304，所述研磨垫304固定于所述研磨垫手臂305，并且可以在研磨垫手臂305带动下，相对于所提供的晶圆301运动，研磨垫手臂305确定运动期间该研磨垫304与所提供的晶圆301接触；
研浆供应路线309，所述研浆供应路线309在研磨期间在研磨垫304与被研磨晶圆301之间供应研浆(未示出)。
在本实施例中，示例性地以用于化学机械研磨设备的研磨单元有三个研磨头，每个研磨头上固定一个研磨垫为例，在本发明的其他实施例中，研磨垫的数目可以是不等于三的其他数，比如1、2，或者5......
具体实施例中，为了节约空间，所述研磨盘302的形状可以被设计为圆形，且所述研磨盘302的直径大于待研磨的晶圆301的直径。所述研磨盘302的直径大于待研磨的晶圆301的直径的好处是，待研磨的晶圆301可以完全置于研磨盘302之上，并被吸附于所述研磨盘302之上，比如真空吸附，从而在研磨的过程中，研磨盘302可以向待研磨的晶圆301提供均匀的支持力，避免在研磨垫304在晶圆301表面转动时，晶圆因为受力不均而被损坏。
在本实施例中，三个研磨盘302之间通过转轴303结合，在工作状态下，三个研磨盘302可以同时工作，也可以不同时工作，比如，只有一个研磨盘处于工作状态，而另外两个研磨盘处于空闲状态，相应地，三个研磨盘302可以同步转动，也可以不同步转动，还可以部分转动，部分停止。三个研磨盘302分别由不同的驱动马达控制，每个马达可以单独编程，使用者可以根据工艺的需要进行编程。
研磨垫手臂305，所述研磨垫手臂305一端固定，并可以相对于所提供的晶圆运动，比如沿各个方向的移动以及围绕所述固定点的旋转。在本发明的优选实施例中，研磨垫手臂305的旋转角度小于360度，以节省旋转过程中所需要的空间，所述研磨垫手臂另一端固定研磨垫304，比如通过夹在所述研磨垫手臂305的非固定端的研磨头固定所述研磨垫304。比如通过真空吸附的方式将研磨垫304吸附在研磨头表面，或者通过胶将研磨垫304粘在研磨头表面。所述研浆供应路线309相对于所述研磨垫手臂305设置，比如设置在所述研磨垫手臂305之内或者设置在所述研磨垫手臂305之外，所述研浆供应路线309在研磨期间向研磨垫304与被研磨晶圆301之间供应研浆(未示出)。
所述研磨头用于固定研磨垫304，
研磨垫304，在研磨垫手臂305和研磨头的带动下，相对于所提供的晶圆301运动，通过调节研磨垫手臂305的高度，可以确定运动期间该研磨垫304与所提供的晶圆301接触。
进一步，研磨垫手臂305施加于晶圆301上一压力，还可以进一步通过调节研磨垫手臂305的高度调节施加于晶圆301上一压力，请参考图2，研磨垫手臂305相对于研磨盘302的位置越低，即由研磨垫手臂引起的研磨盘302的弹性形变越大，研磨垫手臂305施加于晶圆301上的压力也越大。在研磨期间，研磨垫304与晶圆301的接触部分置于所述研浆供应路线309所提供的研浆中，所述研浆的成分与研磨对象相关。以研磨金属为例，所述研浆将晶圆301的金属表面氧化形成金属氧化物，由所述研磨垫手臂305控制研磨垫304对晶圆301施以向下的压力，并由所述研磨垫手臂305带动所述研磨垫相对于晶圆301运动，所述运动的轨迹可控，具体的控制方式可以通过对研磨垫手臂305的驱动装置编程实现。晶圆表面的金属氧化物通过压力以及与研磨垫的相对运动被机械地磨去。此外，为了提高研磨的均一性，所述晶圆301还可以自转。所述研磨垫304固定于研磨垫手臂305的非固定端，并且可以与研磨垫手臂305一起旋转，研磨垫手臂确定研磨期间该研磨垫304与所提供的晶圆301接触。
在本实施例中，所述研磨垫304与研磨盘302的数目相同，在本发明的其他实施例中，所述研磨垫304的数目还可以大于研磨盘302的数目，在研磨期间，多个研磨垫304与晶圆发生相对转动，以加快研磨的速度，但是在这种情况下，需要严格控制各个研磨垫304的转动轨迹，避免研磨垫304之间发生碰撞。
在本实施例中，因为研磨垫304的尺寸小于研磨盘302的尺寸，所以研磨垫304可以在研磨盘302的各个部位转动，从而实现研磨的均一性。
此外，研浆供应路线309结合于研磨垫手臂305，并通过研磨垫304供应在研磨垫304与晶圆301接触的部位，在研磨垫304相对晶圆301转动的过程中，研浆均匀地覆盖在晶圆301的表面，从而减小了研浆的浪费。并提高了研磨垫304的利用率。
在本发明的优选实施例中，所述用于化学机械研磨设备的研磨单元还包括，研磨垫修整部件306，所述研磨垫修整部件306用于清洗所述研磨垫304；
在本实施例中，研磨垫手臂305还可以控制研磨垫304进入研磨垫修整部件306，实现研磨垫304的自动清洗。
在现有的化学机械研磨设备中，所述研磨垫304的清洗方法多采用人工清洗的方法，即根据经验，每隔一段时间，由设备工程师对研磨垫304进行清洗，但是在本实施例中，研磨垫304的清洗由软件控制，在工作状态下，每隔一段时间(该时间段可以通过软件设定)，研磨垫手臂305旋转一足以将研磨垫304置于研磨垫修整部件306的角度，研磨垫修整部件306的作用在于把一些研磨过程所产生的副产物带走，研磨垫修整部件306包括刷洗研磨垫的刷子以及喷洒溶液和/或去离子水的喷洒。所述刷子表面有固定一些硬的颗粒，这些颗粒可以刷研磨垫304，以将研磨垫304表面的副产品部分刷离研磨垫304，所述喷洒会喷出溶液和/去离子水，对研磨垫进行冲洗。
在本发明的优选实施例中，所述用于化学机械研磨设备的研磨单元还包括，研磨垫更换部件400，所述研磨垫更换部件400用于更换研磨垫304。
所述研磨垫更换部件400包含拆除研磨垫子部件，和安装研磨垫子部件。
在工作状态下，每隔一段时间(该时间段可以通过软件设定)，研磨垫手臂305旋转一足以将研磨垫304置于研磨垫更换部件400的拆除研磨垫子部件的角度，研磨垫304在拆除研磨垫子部件被拆除，比如通过溶液溶解粘合研磨垫304与研磨头的胶水，从而将研磨垫304拆除，然后研磨垫手臂305再旋转一角度进入安装研磨垫子部件，安装研磨垫304。
本发明还提供一种化学机械研磨设备，所述化学机械研磨设备含有上述各项用于化学机械研磨设备的研磨单元中的任意一项。
如图3所示，本发明所提供的化学机械研磨设备还包括用于供应晶圆的供应单元20和用于清洁研磨后的晶圆的清洁单元50。
供应单元20将待研磨的晶圆301送入研磨单元30，并将所述待研磨的晶圆置于研磨盘302。由研磨垫手臂305和研磨头带动研磨垫304相对于晶圆301进行转动，此外，晶圆301可以与研磨盘302不同步或同步转动，在研磨垫304相对晶圆301运动的同时，由研浆供应路线309在研磨垫304与晶圆301之间供应研浆，进行研磨。
期间，研磨垫修整部件306用于清洗所述研磨垫304；
研磨垫更换部件400用于更换研磨垫304。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
第一，本发明用研磨盘承载待研磨的晶圆，且研磨垫的尺寸小于待研磨的晶圆，在晶圆尺寸增加的情况下，只需要增加研磨盘的尺寸，而不需要提供比晶圆尺寸大的研磨垫，从而有利于实现器件的小型化；
第二，本发明中，研浆供应路线形成在研磨垫手臂内，研浆可以直接提供在研磨垫与待研磨的晶圆的接触处，从而有利于节约研浆，在研磨期间可以提高研磨垫的利用率；
第三，本发明中所述研磨垫手臂带动所述研磨垫相对于所提供的晶圆运动，因为研磨垫的尺寸小于待研磨晶圆的尺寸，研磨垫可以达到待研磨晶圆的各个部位，从而容易控制研磨的均一性，尤其是有利于对晶圆边缘部分的研磨，不易损坏被研磨的晶圆；
第四，研磨期间可以通过所提供的研磨垫修整部件和研磨垫更换部件实现对晶片的自动清洗和对研磨垫的自动更换，从而提高研磨效率，节约成本。
本发明虽然已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，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (13)

1.一种用于化学机械研磨设备的研磨单元，其特征在于，包括：
研磨盘，所述研磨盘用于承载所提供的晶圆；
研磨垫手臂，所述研磨垫手臂一端固定，所述研磨垫手臂另一端固定研磨垫，所述研磨垫手臂带动所述研磨垫相对于所提供的晶圆运动；
研磨垫，所述研磨垫固定于所述研磨垫手臂，并且可以在研磨垫手臂的带动下，相对于所提供的晶圆运动，研磨垫手臂确定运动期间该研磨垫与所提供的晶圆接触；
研浆供应路线，所述研浆供应路线在研磨期间在研磨垫与被研磨晶圆之间供应研浆。
2.依据权利要求1的用于化学机械研磨设备的研磨单元，其特征在于，所述研磨垫手臂通过夹在非固定端的研磨头固定所述研磨垫。
3.依据权利要求1的用于化学机械研磨设备的研磨单元，其特征在于，所述研浆供应路线形成在研磨垫手臂内。
4.依据权利要求1的用于化学机械研磨设备的研磨单元，其特征在于，所述研磨垫手臂向所述晶圆施加一压力，并通过调节研磨垫手臂的高度调节所述压力的大小。
5.依据权利要求1的用于化学机械研磨设备的研磨单元，其特征在于，所述研磨垫手臂围绕该固定点旋转的角度小于360度。
6.依据权利要求1的用于化学机械研磨设备的研磨单元，其特征在于，所述研磨盘的形状是圆形，且直径大于所提供的晶圆的直径。
7.依据权利要求1的用于化学机械研磨设备的研磨单元，其特征在于，所述研磨垫的形状是圆形或者多边形。
8.依据权利要求6的用于化学机械研磨设备的研磨单元，其特征在于，所述研磨垫的直径小于或等于所提供的晶圆的直径。
9.依据权利要求1的用于化学机械研磨设备的研磨单元，其特征在于，所述研磨盘的数量大于或者等于1。
10.依据权利要求1的用于化学机械研磨设备的研磨单元，其特征在于，所述研磨垫的数量大于或者等于所述研磨盘的数量。
11.依据权利要求1的用于化学机械研磨设备的研磨单元，其特征在于，所述研磨单元还包括研磨垫修整部件，所述研磨垫修整部件包括刷洗研磨垫的刷子以及喷洒溶液和/或去离子水的喷洒。
12.依据权利要求1的用于化学机械研磨设备的研磨单元，其特征在于，所述研磨单元还包括研磨垫更换部件，所述研磨垫更换部件包括拆除研磨垫子部件，和安装研磨垫子部件。
13.一种化学机械研磨设备，所述化学机械研磨设备含有上述各项用于化学机械研磨设备的研磨单元中的任意一项。
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