CN102553849B - 一种固定研磨粒抛光垫清洗装置及清洗方法 - Google Patents

一种固定研磨粒抛光垫清洗装置及清洗方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种固定研磨粒抛光垫清洗装置，包括：清洗装置主体；清洗液进液口，位于装置主体末端；与清洗液进液口连通的清洗液喷射口，位于清洗装置工作面，还包括清洗液排出口，位于装置主体末端；及与清洗液排出口连通的清洗液回收口，位于清洗装置工作面。还提供一种使用该固定研磨粒抛光垫清洗装置对抛光垫进行清洗的方法。本发明所提供方案可及时对抛光垫表面的微粒子加工副产品进行去除，有效地避免对待加工晶圆工件表面的划伤问题，提高加工的良品率与生产效率。

Description

一种固定研磨粒抛光垫清洗装置及清洗方法
技术领域
本发明涉及半导体制程中的化学机械抛光工艺，具体地，涉及一种固定研磨粒抛光垫清洗装置及清洗方法。
背景技术
在半导体工业领域，晶圆的制造过程涉及薄膜的淀积和生长工艺，以及之后形成器件和器件内部互连结构所需的多次图形制作。越来越多的IC制作需要6层或更多层的金属布线层，每层之间由层间介质隔开。建立器件结构和多层内连线会很自然地在层与层之间形成台阶。层数增加时，晶圆的表面起伏将更加显著。对于芯片的成品率及长期可靠性而言，一个可接受的平面度是极为重要的。因此需对被加工晶圆进行平坦化处理，使晶圆具有平滑的表面。20世纪80年代，IBM公司将化学机械抛光(CMP)工艺进入集成电路制造领域，并首先用于后道工艺的金属间绝缘介质(IMD)的平坦化。化学机械抛光(CMP)工艺可以有效地兼顾表面的全局和局部平坦度，通过化学和机械的共同作用从工件表面去除极薄的一层材料，实现超精密表面加工，因而成为近年来IC制程中成长最快、最受重视的一项技术。其基本原理即在无尘室的大气环境中，利用机械力对晶圆表面作用，在表面薄膜层产生断裂腐蚀的动力，而这部分必须籍由研磨液中的化学物质通过反应来增加其蚀刻的效率。而研磨液、晶圆与抛光垫之间的相互作用，便是化学机械抛光过程中发生反应的关键所在，因此也带来了工艺参数多、加工过程不稳定、抛光表面残留浆料不易清除及生产成本较高等问题。
基于传统研磨液自由磨粒化学机械抛光的缺点和集成电路发展的趋势，一种基于固定研磨粒的化学机械抛光技术(Fixed Abrasives CMP)被提出。通过将固定研磨粒化学机械抛光技术与微复制技术、磨粒涂层和粒子科学技术进行独特的结合，在生产实践中突显出平坦化效果好、易于控制、成本较低等优点，受到了越来越多的应用。
固定研磨粒化学机械抛光工艺的基本原理为二体磨损原理，即利用固定在抛光垫上的磨粒对被加工工件进行研磨，这就不可避免的在加工过程中产生如脱落的固定研磨粒等微粒子抛光副产品，若不及时的对其进行清除，不仅影响到抛光效率，更使被抛光的产品产生划伤，影响抛光精度与良品率。针对此问题，中国专利申请98116968.6提供了一种化学机械研磨机台，设置有一履带式调节刷，其至少包括：一长轴主体结构；一履带，其上分布有多个硬颗粒及多个滚轮，履带包覆于长轴主体外侧，以一固定速率转动，滚轮轴向均平行排列，其均位于履带内侧且与履带相接触，滚轮由履带带着转动，在履带上还有多个硬颗粒，其分布于履带的表面，用以刮平抛光垫的表面，去除残留在抛光垫上的杂质，在履带式调节刷上还包括一清洗装置，其可在调节刷刮平时，清洗残留在履带上的杂质。尽管此种方案可以清除一部分抛光副产品，但履带上颗粒精细度较低，且清洗装置易被副产品污染，效率低且清洗能力有限。美国专利申请US2002/0090896A1提出了一种可用于固定研磨粒化学抛光的抛光垫清洗装置，利用一个或多个与被清洗抛光垫表面成锐角设置的喷口，喷射出30～300磅/平方英寸或更高压强的液体，以清洗微粒子副产品。尽管该发明提高了清洗效率，但简单的利用压力喷射清洗，并不能及时对抛光垫表面的残留微粒子进行去除，抛光副产品还有可能进入抛光接触面而造成划伤，不能有效地避免被加工工件表面的划伤问题。
综上所述，有必要提供一种新的固定研磨粒抛光垫清洗方案，以减少工件表面的划伤，提高加工的良品率与生产效率。
发明内容
本发明所需解决的问题是针对固定研磨粒化学机械抛光现有技术中使用的喷射清洗方法，利用压力喷射清洗，并不能及时对抛光垫表面的残留微粒子进行去除，抛光副产品还有可能进入抛光接触面而造成划痕，不能有效地避免被加工工件表面的划伤问题。
为解决上述问题，本发明提供一种新的固定研磨粒抛光垫清洗装置，包括：清洗装置主体；清洗液进液口，位于装置主体末端；与清洗液进液口连通的清洗液喷射口，位于清洗装置工作面；还包括清洗液排出口，位于装置主体末端；及与清洗液排出口连通的清洗液回收口，位于清洗装置工作面。
可选地，所述抛光垫清洗装置的喷射口数量大于或等于回收口数量。
可选地，所述抛光垫清洗装置包含1～4排的喷射口及1～4排的回收口。优选地，所述抛光垫清洗装置每排喷射口或回收口的数量为6～20个。
本发明还提供一种新的固定研磨粒抛光垫清洗方法，包括：
提供固定研磨粒抛光垫，置于可旋转抛光台之上；
还提供本发明所述的抛光垫清洗装置，置于抛光垫上方；
启动抛光台以带动研磨垫旋转，清洗装置以清洗液对抛光垫进行清洗；
所述清洗装置以喷射口喷射清洗液，以回收口回收清洗液。
可选地，所述清洗装置工作过程包括：抛光台以第一转速运转，喷射口及回收口同时工作；抛光台以第二转速运转，喷射口停止工作，回收口持续工作；所述第二转速高于第一转速。优选地，所述第一转速范围为5～20转/分钟；所述第二转速范围为50～200转/分钟。
可选地，所述喷射口及回收口与抛光垫的距离为1～10毫米。
可选地，所述清洗液为去离子水。
可选地，抛光台以第一转速运转，喷射口及回收口同时工作时，所述喷射口以第一流量喷射清洗液，回收口以第二流量吸入所述清洗液，所述第二流量大于第一流量。优选地，所述第一流量为200～1000毫升/分钟，所述第二流量为1000～5000毫升/分钟。
与现有技术相比，本发明所提供技术方案可有效减少固定研磨粒化学机械抛光过程中对待加工工件的划伤，提高生产的良品率及生产效率。
附图说明
图1是本发明现有技术原理示意图。
图2是本发明所述固定研磨粒抛光垫清洗方法原理示意图。
图3是本发明所述清洗装置工作状态图。
图4是本发明所述清洗装置工作原理图。
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，下面结合附图对本实发明的具体实施方式做详细的说明。
传统的化学机械抛光技术是基于自由磨粒的化学机械抛光技术，其系统是由一个旋转的晶圆固定装置(磨头)、承载抛光垫的抛光台和抛光(液)浆料供给系统三大部分组成。晶圆正面朝下固定在抛光头上，化学机械抛光时，旋转的晶圆工件以一定的压力压在随工作台一起旋转的抛光垫上，而由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液充满晶圆工件与抛光垫之间，并在晶圆工件表面产生化学反应，表面形成的化学反应物由磨粒的机械作用去除。其抛光垫一般用聚亚氨酯等聚酯类高分子化合物制成。
在此基础上所发展的固定研磨粒化学机械抛光技术，同样包含一个旋转的晶圆固定装置(磨头)、承载抛光垫的抛光台及清洗系统三大部分。因采用了固定于抛光垫的固定研磨粒替代自由磨粒，因此抛光液供给系统这一部分被省去。其中，抛光垫基本结构类似砂纸，一般是用树脂结合剂将亚微米级或纳米级磨料凝聚成团，形成具有特定形状的三维结构细小颗粒(长宽大小约几十至几百微米、高约为几十微米)，按照一定的分布精确地粘结在聚合物基材上，形成复合结构的抛光垫，代替了传统化学机械抛光技术中的自由磨粒和抛光垫；清洗系统则一般采用清洗刷或清洗液喷射装置，以刷除或冲洗的方式去除抛光过程中产生的脱落固定研研磨颗粒等微粒子。
图1示出了本发明所述一种固定研磨粒抛光垫清洗方法的现有技术原理图。在此现有技术中，清洗系统包括一种清洗液喷射装置，所述清洗液采用去离子水。待抛光晶圆工件1通过蜡连接或真空吸附的方式固定于旋转的晶圆固定装置(磨头)之上。在晶圆工件1抛光过程中，抛光台运转以带动附带有固定研磨粒的抛光垫2旋转，转速为50～200转/分钟。在抛光接触区域，抛光垫2与晶圆工件1之间存在压力及转速差，以实现对晶圆工件1的研磨抛光。清洗装置3置于非抛光接触区域，连接清洗液(去离子水)供给系统。在晶圆工件1的抛光过程中，清洗液(去离子水)通过进口4进入清洗装置3并由喷射口喷出，将沉积于固定研磨粒抛光垫缝隙的微粒子移除。载有微粒子副产品的清洗液(去离子水)最后被排出以完成对抛光垫的清洗。
在上述固定研磨粒化学机械抛光过程中，清洗装置喷射的清洗液(去离子水)作用于抛光垫，需保持一定的液压(30～300磅/平方英寸)方可实现对微粒子进行冲洗，否则不足以将微粒子从抛光垫缝隙移除。但是因冲刷的液体在抛光垫表面受到反作用力，不能均匀的保持微粒子受到的液压。在距离喷射口较远的抛光垫区域，冲洗压力相对弱于距喷射口较近的区域，难以保证微粒子副产品被有效移除，依然会使微粒子进入抛光接触区域。因此，单纯的依赖喷射清洗液以去除微粒子副产品的方法，不能完全解决微粒子残留在抛光垫缝隙的问题，依然会带来晶圆工件表面划伤及良品率低等问题。
针对此问题，本发明的发明人通过引入一种新的抛光垫清洗装置，提出了一种新的固定研磨粒化学机械抛光方法，有效解决被抛光晶圆工件表面划伤及良品率低等问题，所述清洗装置包括：清洗装置主体；清洗液进液口，位于装置主体末端；与清洗液进液口连通的清洗液喷射口，位于清洗装置工作面；还包括清洗液排出口，位于装置主体末端；及与清洗液排出口连通的清洗液回收口，位于清洗装置工作面。
本发明还提供一种新的固定研磨粒抛光垫清洗方法，包括：
提供固定研磨粒抛光垫，置于可旋转抛光台之上；
还提供本发明所述的抛光垫清洗装置，置于抛光垫上方；
启动抛光台以带动研磨垫旋转，清洗装置以清洗液对抛光垫进行清洗；
所述清洗装置包括清洗液喷射口及回收口。其中清洗液喷射口用于喷射清洗液以冲洗微粒子副产品，回收口则吸取载有微粒子副产品的清洗液以将其移除。
以下，结合图2至图4对本发明所提供技术方案的一个实施例做进一步阐释：
首先提供待抛光晶圆工件1，请参阅图2，将待抛光晶圆工件固定于固定装置(磨头)上。所述待抛光晶圆工件1，可根据晶圆在半导体加工的具体环节为处于浅沟槽隔离(STI)加工、金属铜抛光、金属钨抛光、Ge-Sb-Te相变材料抛光或HiK门极金属材料抛光等流程中的晶圆工件。除所列举需抛光流程外，本发明所提供的固定研磨粒抛光垫清洗清洗装置及清洗方法，适用于其它任何一种可使用固定研磨粒化学抛光的晶圆抛光工艺。本实施例中以浅沟槽隔离(STI)加工中所需待抛光晶圆工件为例进行说明。其次，所述待抛光晶圆工件1，可根据实际加工环境及晶圆自身条件，采用包括但不限于如蜡连接或真空吸附的方式固定于固定装置(磨头)之上。晶圆工件1固定方式的选择，并不改变本发明的实质内容。本实施例以真空吸附的方式将晶圆工件1固定于固定装置(磨头)之上。
其次，提供固定研磨粒抛光垫2，置于可旋转抛光台之上。请继续参阅图2，所述固定研磨粒可为亚微米级或纳米级磨料凝聚成团，形成具有特定形状的三维结构细小颗粒(长宽大小约几十至几百微米、高约为几十微米)，以规则的分布精确地粘结在聚合物基材上构成。所述磨粒材料可为刚玉(氧化铝)、硅石(二氧化硅)、二氧化铈或金刚石等，具体可根据加工环境进行选择。本实施例选择以刚玉材料作为磨料的抛光垫进行说明。
然后提供抛光垫清洗装置3，置于抛光垫2上方；请继续参阅图2，所述抛光垫清洗装置3设置有清洗液进液口4及排出口5，还设置有喷射口7及回收口6，其中清洗液喷射口7与进液口4相连通，用于喷射清洗液以冲洗微粒子副产品，回收口6则与排出口5相连通，用于吸取载有微粒子副产品的清洗液以将其移除。抛光垫清洗装置3的形状，可依据具体应用环境选择设置为方形、梯形、椭圆形或其他规则或不规则的形状。本实施例选择以长条形为例进行说明。抛光垫清洗装置3上的清洗液喷射口7及回收口6的数量可各自依据具体应用环境进行设置，优选地，可使喷射口7的数量大于或等于回收口6的数量。优选地，喷射口7及回收口6的数量可设置为1～4排，每排喷射口7与回收口6各自的数量可设置为6～20，残留微粒子副产品清除效果较佳。本实施例以喷射口7及回收口6各自设置4排，每排设置6个喷射口7及回收口6为例进行说明。根据本实施例的一个变化例，亦可将喷射口7及回收口6各自设置1排，每排设置20个喷射口7或回收口6予以实现，并不影响本发明实质，在此不予赘述。
然后使固定装置带动晶圆工件1旋转，启动抛光台以带动研磨垫2旋转，并施加压力使晶圆工件1与固定研磨粒抛光垫2相接触，清洗装置3以清洗液对抛光垫2进行清洗。在此环节中，抛光垫2与晶圆工件1接触，开始对晶圆进行抛光。所述晶圆工件1的旋转速度及施加压力数值，可依据被加工晶圆工件的应用环境及自身条件选择设置为各种数值，并不影响本发明实质，在此不予赘述。抛光垫2在接触区对晶圆工件1抛光结束以后，其研磨粒缝隙携带微粒子副产品及进入非接触区，清洗装置3开始对抛光垫2进行清洗。
请参考图3，清洗装置3开始工作对抛光垫2进行清洗。喷射口与回收口与抛光垫的距离可根据应用环境选择具体数值，优选地，距离为1～10毫米。本实施例以喷射口与回收口距离抛光垫10毫米为例进行说明。首先，清洗液由进液口4进入，通过清洗装置3的喷射口7喷出以对抛光垫2进行清洗。同时回收口6进行工作对载有微粒子副产品的清洗液进行回收，将其由排出口5排出，以此完成对抛光垫2的清洗。请进一步参考图4，喷射口7所喷射的清洗液带有一定的液压，将残留于研磨颗粒8缝隙之间的微粒子副产品9冲出，回收口6以一定进液流量对清洗液进行吸入，经排出口5排出。因及时的将抛光的微粒子副产品9从缝隙移除，避免其进入抛光接触区域，从而有效地减少了晶圆工件1抛光面的划伤。所述清洗液可依据具体需求为去离子水或加入化学制品调节PH值的其他液体。本实施例以去离子水为例进行说明。
值得说明的是，可选择在不同清洗阶段同时开启喷射口7及回收口6工作或单独开启其中之一工作进行加工，同时也可对其喷射及回收流量进行控制以进行优化。对于抛光垫的抛光及清洗过程可依据待加工晶圆工件的应用环境及自身环境进行选择，并不影响本发明实质。优选地，该抛光清洗流程可为：首先抛光台2以第一转速运转，喷射口7及回收口6同时工作；其次抛光台2以第二转速运转，喷射口7停止工作，回收口6持续工作；所述第二转速高于第一转速。进一步优选地，所述第一转速范围为5～20转/分钟；所述第二转速范围为50～200转/分钟。具体地，本实施例选择以第一转速为5转/分钟，第二转速为50转/分钟为例进行说明。根据本实施例的一个变化例，也可将第一转速设置为20转/分钟，第二转速设置为200转/分钟，同样可以实现相应的技术效果。
优选地，抛光垫2以第一转速运转，喷射口7及回收口6同时工作时，所述喷射口7以第一流量喷射去离子水清洗液，回收口6以第二流量吸入去离子水清洗液，所述第二流量大于第一流量。进一步优选地，所述第一流量为200～1000毫升/分钟，所述第二流量为1000～5000毫升/分钟。具体地，本实施例选择以第一流量为200毫升/分钟，第二流量为1000毫升/分钟进行说明。
在本实施例中，抛光垫2首先以第一转速5转/分钟进行运转，喷射口7及回收口6同时工作，其中喷射口7以流量200毫升/分钟进行去离子水喷射，回收口6以1000毫升/分钟的流量吸入带有微粒子副产品9的去离子水；其次抛光垫2以第二转速50转/分钟运转，喷射口7停止工作，回收口6继续以流量1000毫升/分钟进行回收工作。因每次抛光后，均及时的在非接触区域对残留于研磨粒缝隙中的微粒子副产品进行清洗回收，有效地减少了晶圆工件表面的划伤，从而提高了产品的良品率及生产效率。
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 (10)

1.一种固定研磨粒抛光垫清洗装置，其特征在于，包括：清洗装置主体；清洗液进液口，位于装置主体末端；与清洗液进液口连通的清洗液喷射口，位于清洗装置工作面；清洗液排出口，位于装置主体末端；及位于清洗装置工作面、与清洗液排出口连通的清洗液回收口，所述清洗液喷射口数量大于或等于回收口数量，且所述清洗液回收口与清洗液喷射口同时工作时，所述喷射口以第一流量喷射去离子水清洗液，回收口以第二流量吸入去离子水清洗液，所述第二流量大于第一流量。
2.根据权利要求1所述的固定研磨粒抛光垫清洗装置，其特征在于，所述抛光垫清洗装置包含1～4排的喷射口及1～4排的回收口。
3.根据权利要求2所述的固定研磨粒抛光垫清洗装置，其特征在于，所述抛光垫清洗装置每排喷射口或回收口的数量为6-20个。
4.一种使用权利要求1至3任一项所述清洗装置的固定研磨粒抛光垫清洗方法，包括：
提供固定研磨粒抛光垫，置于可旋转抛光台之上；
提供抛光垫清洗装置，置于抛光垫上方；
启动抛光台以带动研磨垫旋转，清洗装置以清洗液对抛光垫进行清洗；所述清洗装置以喷射口喷射清洗液，以回收口回收清洗液。
5.根据权利要求4所述的固定研磨粒抛光垫清洗方法，其特征在于，所述清洗装置清洗过程包括：抛光台以第一转速运转，喷射口及回收口同时工作；抛光台以第二转速运转，喷射口停止工作，回收口持续工作；所述第二转速高于第一转速。
6.根据权利要求5所述的固定研磨粒抛光垫清洗方法，其特征在于，所述第一转速范围为5～20转/分钟，所述第二转速范围为50～200转/分钟。
7.根据权利要求4所述的固定研磨粒抛光垫清洗方法，其特征在于，所述喷射口及回收口与抛光垫的距离为1～10毫米。
8.根据权利要求4所述的固定研磨粒抛光垫清洗方法，其特征在于，所述第一流量为200～1000毫升/分钟。
9.根据权利要求4所述的固定研磨粒抛光垫清洗方法，其特征在于，所述第二流量为1000～5000毫升/分钟。
10.根据权利要求4所述的固定研磨粒抛光垫清洗方法，其特征在于，所述清洗液为去离子水。
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