CN102528653B - 固定式颗粒研磨装置及其研磨方法 - Google Patents

Abstract

本发明还提供一种固定式颗粒研磨装置，相应地，本发明上述装置的使用方法，包括：对上一片晶圆完成研磨后，开始计时；当计时达到预定值时，先清除研磨垫表面残留的水；再由喷洒部件向研磨垫喷洒第一溶液，在研磨垫表面形成保护层；喷洒部件向所述研磨垫表面的保护层喷洒第二溶液，所述第二溶液可以溶解所述保护层；喷洒部件向研磨垫喷洒去离子水，所述去离子水用于冲洗所述第二溶液，以及保护层溶于第二溶液所形成的溶液；去除研磨垫表面的去离子水；开始对下一批次晶圆进行研磨。通过本发明所提供的固定式颗粒研磨装置及其研磨方法可以提高固定式颗粒研磨装置的研磨性能。

Description

固定式颗粒研磨装置及其研磨方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及固定式颗粒研磨装置及其研磨方法。

背景技术

化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing)工艺是达成全局平坦化的最佳方法之一，尤其在半导体制作工艺进入亚微米(Sub-micron)领域后，化学机械研磨成为一项重要的工艺技术。

常用的化学机械研磨使用喷布在研磨垫上的研磨浆，以便有助于被研磨的晶圆的平坦化。研磨浆一般由研磨摩擦组分和化学反应组分构成。研磨摩擦组分源于悬浮在研磨浆中的研磨用颗粒。研磨用颗粒在与晶圆表面做摩擦接触时会增加研磨垫的研磨特性。化学反应组分归因于研磨剂，研磨剂与被研磨晶圆表面材料做化学反应。研磨剂通过与要加以研磨的晶圆的表面材料发生化学反应而软化或分解所说的表面。研磨摩擦组分和化学反应组分有助于研磨垫从晶圆表面上除掉材料。

将研磨浆分布给研磨垫的方式会显著影响研磨浆在研磨时的研磨和化学特性的效果，这又会影响除掉率。研磨浆的不充分的散布稳定性会导致不均匀研磨，所以研磨浆在晶圆表面和研磨垫表面的均匀分布对研磨的效果至关重要。

但是，传统的研磨浆分布系统一般不提供研磨浆在晶圆表面上的均匀分布。例如，大多数研磨浆分布系统将新研磨浆提供给晶圆的边缘，然后将研磨浆传至晶圆的中心。但是，在研磨浆到达晶圆的中心时，研磨浆的某些研磨特征会失效。结果是，新研磨浆会使更多的研磨摩擦力作用于晶圆的边缘，从而能较快地除掉材料，而失效的研磨浆会使较少的研磨摩擦力作用于晶圆的中心，从而会较缓慢地除掉材料，结果会导致不均匀的研磨晶圆表面。

为解决上述问题，在专利号为US20010044271的美国专利中提供了一种固定式颗粒研磨装置(fixed abrasive polishing web)。具体请参考图1，在进行化学机械研磨时，所述研磨头101将晶圆102以一定的下压力压置于研磨垫108表面，研磨垫108表面有固定的研磨颗粒107，且每完成一个晶圆的研磨，研磨垫108经由输入轴106和输出轴105沿顺时针方向移动一步，以使得研磨下一个待研磨晶圆的研磨垫108表面的固定的研磨颗粒107的研磨性能是好的。此外，所述研磨垫108还可以与可旋转的转盘104以及置于转盘104之上的研磨盘103一起旋转。所述固定式颗粒研磨装置还包括研磨剂供应部件，所述研磨剂供应部件用于提供与被研磨晶圆表面材料发生化学反应的研磨剂。

但是，在实际应用中发现，在经过一段研磨空闲时间后，所述固定式颗粒研磨装置的研磨性能会下降。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种固定式颗粒研磨装置及其研磨方法，可以提高固定式颗粒研磨装置的研磨性能。为解决上述问题，本发明一种固定式颗粒研磨装置，包括：研磨垫，所述研磨垫表面含有固定的研磨颗粒，所述研磨垫的一部分与待研磨的晶圆的待研磨表面相对，还包括：

研磨空闲计时部件，用于计算两次研磨之间的空闲时间，在研磨停止时开始计时，在下次研磨开始时，停止计时；

喷洒部件，用于向研磨垫喷洒液体。

优选地，所述固定式颗粒研磨装置还包括：研磨垫输入轴，用于将研磨垫输送到研磨盘的表面；研磨垫输出轴，用于将研磨后的研磨垫送离研磨盘的表面。

优选地，所述固定式颗粒研磨装置还包括：研磨头，研磨头固定待研磨的晶圆；晶圆握把，所述晶圆握把抓住研磨头，在研磨期间，晶圆握把和研磨头会确定晶圆有接触到研磨垫；研磨剂供应路线，用于向待研磨晶圆供应研磨剂；研磨盘，所述研磨盘用于承载所述研磨垫；转盘，所述转盘用于承载所述研磨盘，并带动研磨盘和研磨垫转动。

相应地，使用本发明所提供的固定式颗粒研磨装置的研磨方法，包括：

对上一片晶圆完成研磨后，开始计时；

当计时达到预定值时，先清除研磨垫表面残留的水，再由喷洒部件向研磨垫喷洒第一溶液，在研磨垫表面形成保护层；

启动对研磨垫表面的保护层的清洗程序；

清洗程序结束后，重新开始研磨。

优选地，所述预定值大于1小时。

优选地，所述第一溶液为甲烯酸树脂溶液。

优选地，所述甲烯酸树脂溶液的浓度是0.01-10％。

优选地，当喷洒部件向研磨垫喷洒第一溶液时，研磨垫的转速小于30rpm。

优选地，第一溶液的流速为100-2000ml/min，喷洒的时间大于60s。

优选地，对研磨垫表面的保护层的清洗程序包括：

向所述研磨垫表面的保护层喷洒第二溶液，所述第二溶液可以溶解所述保护层；

向研磨垫喷洒去离子水，所述去离子水用于冲洗所述第二溶液，以及保护层溶于第二溶液所形成的溶液；

去除研磨垫表面的去离子水。

优选地，所述固定式颗粒研磨装置还包括控制部件，当研磨空闲计时部件的计时达到预定值时，控制部件向喷洒部件发出喷洒信号。

优选地，所述第二溶液包括聚乙二醇、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺中的任意一种或者组合。

优选地，喷洒第二溶液时，研磨垫的转速小于30rpm。

优选地，所述第二溶液的流速为100-2000ml/min，喷洒的时间大于60s。

优选地，向研磨垫喷洒去离子水时，所述研磨垫的转速为30-80rpm。

优选地，去除研磨垫表面的去离子水时，研磨垫的转速大于80rpm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明在研磨垫长时间空闲的情况下，在研磨垫表面形成保护层，所形成的保护层可以隔绝研磨垫表面的研磨颗粒与空气及水分，从而对研磨垫表面的研磨颗粒形成保护，防止因为长时间暴露于空气和水分，与空气和/水发生反应而造成研磨性能的下降；

此外，在重新开始研磨之前，先溶解研磨垫表面的保护层，接着用去离子水将研磨垫表面冲洗干净，再去除研磨垫表面的去离子水，以洁净的研磨垫对晶圆进行研磨，可以进一步提高研磨的性能。

附图说明

图1是现有的固定式颗粒研磨装置的结构示意图。

图2是本发明所提供的固定式颗粒研磨装置的结构示意图。

图3是本发明的一个实施例所提供的固定式颗粒研磨装置的研磨方法的流程图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有的固定式颗粒研磨装置经过一段研磨空闲时间后，所述固定式颗粒研磨装置的研磨性能会下降。本发明的发明人针对上述问题进行研究，并发现引起上述问题的原因是，在研磨空闲时间内，研磨垫表面的固定的研磨颗粒长期暴露于空气和水中，与空气和水发生反应从而引起研磨颗粒的研磨特性下降。在空闲时间超过1个小时的情况下，研磨效率会下降40％以上，并且被研磨表面的均一性比较差。

发明人经过进一步研究，在本发明中提供一种固定式颗粒研磨装置及其研磨方法。

图2是本发明所提供的固定式颗粒研磨装置的一个实施例的结构示意图，包括：

晶圆握把210，所述晶圆握把210抓住所提供的研磨头201；

研磨头201，研磨头201固定待研磨的晶圆202，在研磨期间，晶圆握把210和研磨头201会确定晶圆202有接触到研磨垫208；

研磨垫208，所述研磨垫208表面含有固定的研磨颗粒207，所述研磨垫208部分与待研磨的晶圆202的待研磨表面相对，每研磨完一个晶圆202，研磨垫208通过研磨垫输入轴206与研磨垫输出轴205的转动进行移动，研磨垫208与待研磨的晶圆202相对的部分发生更替，在与研磨垫输入轴206相对安装的研磨垫208在研磨垫208更替的过程中全部用完之后，更换新的研磨垫208。

研磨剂供应路线，用于向待研磨晶圆202供应研磨剂，在研磨时，研磨剂与待研磨晶圆202表面材料发生化学反应，生成易于研磨的材料，所述易于研磨的材料在与研磨颗粒207的研磨过程中，脱离晶圆202的表面；

研磨盘203，所述研磨盘203用于承载所述研磨垫208；

转盘204，所述转盘204用于承载所述研磨盘203，并带动研磨盘203和研磨垫208转动；

研磨垫输入轴206，用于将研磨垫208输送到研磨盘203的表面；

研磨垫输出轴205，用于将研磨后的研磨垫208送离研磨盘203的表面；还包括：

研磨空闲计时部件，用于判断研磨空闲时长，所述研磨空闲计时部件在前一个晶圆研磨结束时开始计时，开始研磨下一个晶圆时停止计时；

喷洒部件，用于向研磨垫208喷洒液体，所述喷洒部件可以只包含一个可移动喷头，在不同阶段，所述喷头喷洒不同溶液，并且喷洒的位置也可能不相同，也可以包含多个可移动或者不可移动的喷头，每个喷头在某一阶段向研磨垫208的喷洒一种溶液，或者在不同阶段向研磨垫208的喷洒不同的溶液。

为了保护研磨垫208表面的研磨颗粒207不因长时间暴露于空气和水中而影响研磨颗粒207的研磨特性，如果研磨空闲时间达到预定值，喷洒部件向研磨垫喷洒聚丙烯酸酯溶液。进一步，所述固定式颗粒研磨装置还包括控制部件，当研磨空闲计时部件的计时达到预定值时，控制部件向喷洒部件发出喷洒信号。或者当所述研磨空闲计时部件的计时达到预定值时，所述研磨空闲计时部件发出信号，然后人工向喷洒部件输入喷洒指令。

即，当所述研磨空闲计时部件的计时值超过预定值时，喷洒部件向研磨垫喷洒聚丙烯酸酯溶液。在本发明的优选实施例中，所述预定值大于1小时。

相应地，本发明还提供一种固定式颗粒研磨装置的研磨方法，其特征在于，包括：对上一片晶圆完成研磨后，开始计时；当研磨计时达到预定值时，先清除研磨垫表面残留的水，再由喷洒部件向研磨垫喷洒第一溶液，在研磨垫表面形成保护层；重新开始研磨前，启动对研磨垫表面的保护层的清洗程序；重新开始研磨。

图3为本发明的一个实施例所提供的固定式颗粒研磨装置的研磨方法的流程图，包括：

步骤S101，对上一片晶圆完成研磨后，开始计时；

步骤S102，当计时达到预定值时，先清除研磨垫表面残留的水；

步骤S103，再由喷洒部件向研磨垫喷洒第一溶液，在研磨垫表面形成保护层；

步骤S104，喷洒部件向所述研磨垫表面的保护层喷洒第二溶液，所述第二溶液可以溶解所述保护层；

步骤S105，喷洒部件向研磨垫喷洒去离子水，所述去离子水用于冲洗所述第二溶液，以及保护层溶于第二溶液所形成的溶液；

步骤S106，去除研磨垫表面的去离子水；

步骤S107，开始对下一批次晶圆进行研磨。

为了进一步说明本发明的精神和实质，下文中结合附图和实施例，对本发明做进一步的说明。

请参考3，对上一片晶圆完成研磨后，开始计时。

在本发明的一个实施例中，提供研磨空闲计时部件，所述研磨空闲计时部件在对上一个晶圆完成研磨后，开始计时。所述研磨空闲计时部件可以是一自动的计时装置，在探测到研磨停止后开始计时，也可以是一种人工操作的计时部件。在连续研磨的过程中，如果预先知道各晶片之间的研磨间隔时间很短，小于所述的预定值的情况下，也可以不启动所述研磨空闲计时部件。

在研磨空闲期间，研磨垫208表面的研磨颗粒207暴露于空气和水中，会被腐蚀，从而影响研磨特性，暴露的时间越长，对研磨特性的影响也会越大，所以在暴露时间达到一定值时，研磨效果会无法接受。所以当研磨空闲时间达到一定值时，需要对研磨垫208形成保护。

当研磨空闲计时部件计时达到预定值时，先清除研磨垫208表面残留的水；

当空闲计时部件计时达到预定值时，前述控制部件向喷洒部件发出喷洒信号。或者当所述研磨空闲计时部件的计时达到预定值时，所述研磨空闲计时部件发出信号，然后人工向喷洒部件输入喷洒指令。喷洒部件在大约1-5分钟之后开始喷洒液体，在所延迟的1-5分钟内清除研磨垫208表面残留的水。

清除研磨垫208表面残留的水的方法包括：

高速旋转研磨垫208，利用离心力将研磨垫208表面的水甩离研磨垫208；

对研磨垫208通入氮气，进一步吹干研磨垫208表面的水。

在本发明的实施例中，所述预定值大于1小时。所述预定值太大，可能因为研磨垫208表面的研磨颗粒207暴露于空气和水中的时间过长而造成研磨效果下降，需要长时间研磨才能达到所需要的效果，所述预定值太小，可能因为频繁在研磨垫208表面形成保护层，去除保护层而影响研磨效率。在本发明的优选实施例中，所述预定值为1.2小时。

接着，执行步骤S103，由喷洒部件向研磨垫208喷洒第一溶液，在研磨垫208表面形成保护层。

所述第一溶液为甲烯酸树脂溶液(PA，polyacrylate)，所述甲烯酸树脂溶液的浓度是0.01-10％。

为了提高喷洒的均匀性，当喷洒部件向研磨垫208喷洒第一溶液时，研磨垫208以小于30rpm(转/分钟)的转速旋转。

第一溶液的流速为100-150ml/min，喷洒的时间大于60s。

第一溶液喷洒在研磨垫208上的范围包括整个研磨垫。

在恢复研磨之前，先启动对研磨垫208表面的保护层的清洗程序，具体地包括：

执行步骤S104，喷洒部件向所述研磨垫208表面的保护层喷洒第二溶液，所述第二溶液可以溶解所述保护层。

所述第二溶液是有机碱，所述第二溶液包括聚乙二醇、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺中的任意一种或者组合。所述第二溶液的量足以溶解研磨垫表面的保护层。

为了提高喷洒的均匀性，喷洒第二溶液时，研磨垫208以小于30rpm的转速旋转。

所述第二溶液的流速为100-150ml/min，喷洒的时间大于60s。

执行步骤S105，喷洒部件向研磨垫208喷洒去离子水，所述去离子水用于冲洗所述第二溶液，以及保护层溶于第二溶液所形成的溶液；

喷洒部件向研磨垫208喷洒去离子水时，所述研磨垫208的转速为30-80rpm。

执行步骤S106，去除研磨垫208表面的去离子水；

去除研磨垫208表面的去离子水时，研磨垫的转速大于80rpm，通过离心力，使研磨垫208表面的去离子水脱离研磨垫208。

在对研磨垫208进行清洗之后，重新启动研磨程序，执行步骤S107，开始对下一批次晶圆进行研磨。

在本实施例中，喷洒部件的喷头可以同时对研磨垫208的各个部分喷洒液体，对研磨垫208进行清洗，所以在对研磨垫208进行清洗之后，研磨垫208表面的保护层被全部清洗干净。在本发明的其他实施例中，为了节省喷洒部件的空间，喷洒部件的喷头比较少，喷射范围只覆盖与被研磨的晶圆相对的研磨垫208的表面，则只有与被研磨的晶圆相对的研磨垫208被清洗，研磨垫208的其他部位还覆盖着保护层，所以在研磨完一个晶片后，研磨垫208向研磨垫输出轴205的方向移动一段长度；然后重复步骤S104至步骤S106，对研磨垫208移动后与晶圆相对的部分进行清洗，然后研磨下一片晶圆，直至所有覆盖保护层的研磨垫208全部被清洗干净，然后开始连续地对晶圆进行研磨，而停止对研磨垫208表面的保护层的清洗程序。

如果在所有覆盖保护层的研磨垫208全部被清洗干净之前，晶片被全部研磨，则研磨空闲计时部件开始计时。

在本发明的一个实施例中，重新启动研磨程序后，研磨50个晶圆后，所有覆盖保护层的研磨垫208全部被清洗干净，可以连续进行研磨，而不再需要对研磨垫208进行清洗。

综上，本发明在研磨垫长时间空闲的情况下，在研磨表面形成保护层，所形成的保护层可以隔绝研磨垫表面的研磨颗粒与空气及水分，从而对研磨垫表面的研磨颗粒形成保护，防止因为长时间暴露于空气和水分，与空气和/水发生反应而造成研磨性能的下降；

此外，在重新开始研磨之前，先溶解研磨垫表面的保护层，接着用去离子水将研磨垫表面冲洗干净，再去除研磨垫表面的去离子水，以洁净的研磨垫对晶圆进行研磨，可以进一步提高研磨的性能。

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 (14)

1.一种固定式颗粒研磨装置，包括：研磨垫，所述研磨垫表面含有固定的研

磨颗粒，所述研磨垫的一部分与待研磨的晶圆的待研磨表面相对，其特征

在于，还包括：

研磨空闲计时部件，用于计算两次研磨之间的空闲时间，在研磨停止时开始计时，在下次研磨开始时，停止计时；

喷洒部件，用于向研磨垫喷洒液体，所述液体至少包括第一溶液与第二溶液，所述第一溶液用于在研磨垫表面形成保护层，所述第二溶液用于溶解所述保护层。

2.依据权利要求1的固定式颗粒研磨装置，其特征在于，所述固定式颗粒研磨装置还包括控制部件，当研磨空闲计时部件的计时达到预定值时，控制部件向喷洒部件发出喷洒信号。

3.依据权利要求1的固定式颗粒研磨装置，其特征在于，所述固定式颗粒研磨装置还包括：研磨垫输入轴，用于将研磨垫输送到研磨盘的表面；研磨垫输出轴，用于将研磨后的研磨垫送离研磨盘的表面。

4.依据权利要求1的固定式颗粒研磨装置，其特征在于，所述固定式颗粒研磨装置还包括：研磨头，研磨头固定待研磨的晶圆；晶圆握把，所述晶圆握把抓住研磨头，在研磨期间，晶圆握把和研磨头会确定晶圆有接触到研磨垫；研磨剂供应路线，用于向待研磨晶圆供应研磨剂；研磨盘，所述研磨盘用于承载所述研磨垫；转盘，所述转盘用于承载所述研磨盘，并带动研磨盘和研磨垫转动。

5.使用权利要求1至4中任意一项所述的固定式颗粒研磨装置的研磨方法，其特征在于，包括：对上一片晶圆完成研磨后，开始计时；

当计时达到预定值时，先清除研磨垫表面残留的水，再由喷洒部件向研磨垫喷洒第一溶液，在研磨垫表面形成保护层；

启动对研磨垫表面的保护层的清洗程序；

清洗程序结束后，重新开始研磨；

其中，所述对研磨垫表面的保护层的清洗程序包括：

向所述研磨垫表面的保护层喷洒第二溶液，所述第二溶液可以溶解所述保护层；

向研磨垫喷洒去离子水，所述去离子水用于冲洗所述第二溶液，以及保护层溶于第二溶液所形成的溶液；

去除研磨垫表面的去离子水。

6.依据权利要求5的固定式颗粒研磨装置的研磨方法，其特征在于，所述预定值大于1小时。

7.依据权利要求5的固定式颗粒研磨装置的研磨方法，其特征在于，所述第一溶液为甲烯酸树脂溶液，所述甲烯酸树脂溶液的浓度是0.01–10％。

8.依据权利要求5的固定式颗粒研磨装置的研磨方法，其特征在于，当喷洒部件向研磨垫喷洒第一溶液时，研磨垫的转速小于30rpm。

9.依据权利要求7的固定式颗粒研磨装置的研磨方法，其特征在于，第一溶液的流速为100-2000ml/min，喷洒的时间大于60s。

10.依据权利要求5的固定式颗粒研磨装置的研磨方法，其特征在于，所述第二溶液包括聚乙二醇、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺中的任意一种或者组合。

11.依据权利要求5的固定式颗粒研磨装置的研磨方法，其特征在于，喷洒第二溶液时，研磨垫的转速小于30rpm。

12.依据权利要求5的固定式颗粒研磨装置的研磨方法，其特征在于，所述第二溶液的流速为100-2000ml/min，喷洒的时间大于60s。

13.依据权利要求5的固定式颗粒研磨装置的研磨方法，其特征在于，向研磨垫喷洒去离子水时，所述研磨垫的转速为30-80rpm。

14.依据权利要求5的固定式颗粒研磨装置的研磨方法，其特征在于，去除研磨垫表面的去离子水时，研磨垫的转速大于80rpm。