CN102922414A - 化学机械抛光装置 - Google Patents

Abstract

一种化学机械抛光装置，其特征在于，包括：基座；固定于基座表面的研磨垫，所述研磨垫表面自圆心至边缘具有若干定位同心圆；位于所述研磨垫上方的喷淋头，用于将研磨液喷淋到研磨垫表面；喷淋臂，所述喷淋臂的一端与所述喷淋头连接，另一端与相对于基座固定设置的支杆连接，且所述喷淋臂能够围绕所述支杆水平转动；相对于基座的位置固定设置的定位装置，用于限定所述喷淋臂的转动范围，使所述喷淋头在研磨垫外到预设定位同心圆的上方区域内运动。所述化学机械抛光装置的研磨更平整，抛光效果更佳。

Description

化学机械抛光装置

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种化学机械抛光装置。

背景技术

化学机械抛光(CMP，Chemical Mechanical Polishing)工艺是一种平坦化工艺，自1990年被引入集成电路制造工艺以来，经过不断实践和发展，已成为推动集成电路技术节点不断缩小的关键工艺。目前，化学机械抛光工艺已经被广泛应用于浅沟槽隔离结构平坦化、多晶硅平坦化、栅电极平坦化、钨塞平坦化和铜互连平坦化等工艺中，还被应用于基底表面上的其他薄膜层的抛光。

请参考图1，图1是现有技术的化学机械抛光装置的剖面结构示意图，所述化学机械抛光设备包括：基座10；位于所述基座10下方与基座相连的转动轴11；位于基座10表面的研磨垫（polishing pad）12；位于研磨垫12边缘表面的修整器（pad dress）13，用于修整磨损的研磨垫12；位于研磨垫12上方的抛光头（polishing head）14；与所述抛光头14相连的轴杆15；设置于抛光头14上的用于固定晶圆17的夹持环16。

所述化学机械抛光设备工作时，所述轴杆15对抛光头14提供向下的下压力，将晶圆17按压在抛光垫12上，所述轴杆15带动所述抛光头14沿抛光头14的轴线旋转，同时所述轴杆15带动所述抛光头14在研磨垫12边缘到中心的范围内来回摆动；转动轴11带动基座10及抛光垫12沿抛光垫12的轴线旋转，且旋转方向与抛光头14的旋转方向相反；在化学机械抛光的过程中，研磨液通过位于研磨垫12上方的喷淋头18被喷淋到研磨垫12表面，晶圆17的表面与研磨液发生化学反应，反应后的产物在抛光垫12的机械研磨作用下被去除，从而实现了晶圆17表面的平坦化。

然而，现有的化学机械抛光装置对晶圆进行研磨时，所研磨的晶圆的表面平整度不易控制，研磨的效果不良。

更多化学机械抛光装置和化学机械抛光方法，请参考公开号为CN1227152A的中国专利文件。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种化学机械抛光装置，使被研磨的晶圆表面的平整度提高。

为解决上述问题，本发明提供一种化学机械抛光装置，包括：基座；固定于基座表面的研磨垫，所述研磨垫表面自圆心至边缘具有若干定位同心圆；位于所述研磨垫上方的喷淋头，用于将研磨液喷淋到研磨垫表面；喷淋臂，所述喷淋臂的一端与所述喷淋头连接，另一端与相对于基座固定设置的支杆连接，且所述喷淋臂能够围绕所述支杆水平转动；相对于基座的位置固定设置的定位装置，用于限定所述喷淋臂的转动范围，使所述喷淋头在研磨垫外到预设定位同心圆的上方区域内运动。

可选地，所述研磨垫表面的定位同心圆的数量为75圈。

可选地，所述预设定位同心圆为研磨垫表面自圆心向外的第21圈至第25圈定位同心圆中的任一圈。

可选地，所述喷淋头向所述研磨垫喷淋研磨液时，所述喷淋头位于所述预设定位同心圆的正上方。

可选地，所述定位装置包括：相对于基座位置固定的定位架，所述定位架的一端延伸至高于所述喷淋臂的位置，且所述定位架位于不阻碍所述喷淋臂转动的位置；固定于所述定位架的高于喷淋臂一端的定位螺母，所述定位螺母向下方延伸至低于喷淋臂的顶部表面，用于阻挡喷淋臂带动喷淋头自研磨垫的预设定位同心圆的正上方向圆心上方转动。

可选地，当所述喷淋臂带动所述喷淋头自研磨垫边缘上方转动到预设定位同心圆的正上方时，所述喷淋臂碰触到所述定位螺母，所述定位螺母阻挡所述喷淋臂带动所述喷淋头向研磨垫的圆心上方转动。

可选地，还包括：位于研磨垫上方的抛光头，用于将晶圆按压于研磨垫表面；与所述抛光头连接的轴杆，用于带动所述抛光头旋转或移动；设置于抛光头上的用于固定晶圆的夹持环。

可选地，还包括：基座转轴，用于带动基座旋转，所述基座的旋转方向与抛光头旋转的方向相反。

可选地，还包括：位于研磨垫表面的修整器，用于修整磨损的研磨垫。

可选地，所述研磨垫为圆形，所述晶圆为圆形，所述研磨垫的半径大于或等于所述晶圆的直径。

可选地，所述研磨垫的半径与所述晶圆的直径之间的差值为0-10厘米。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

相对于基座的位置固定设置定位装置，所述定位装置能够限制喷淋臂的转动，使喷淋头仅能够在研磨垫外到预设定位同心圆的上方区域内运动；当化学机械抛光装置未工作时，需要将喷淋臂和喷淋头转动至研磨垫外，以更换研磨垫、更换晶圆或进行设备维护；当进行抛光工作时，再把所述喷淋臂和喷淋头自研磨垫外转动到预设定位同心圆上方；因此，所述定位装置能够在喷淋臂自研磨垫外向研磨垫上方转动时，阻当所述喷淋臂的转动，使所述喷淋头悬停于预设定位同心圆正上方，且所述喷淋头不会继续向研磨垫的圆心移动；因此，所述喷淋头的定位精准，同时无需额外的工序对喷淋头的位置进行检查并校准，能够简化工艺，并且节约工艺时间；还能够使被研磨的晶圆表面更为平整，研磨效果更优良。

附图说明

图1是现有技术的化学机械抛光装置的剖面结构示意图；

图2是现有的化学机械抛光装置未工作时的立体结构示意图；

图3是现有的化学机械抛光装置工作时的立体结构示意图；

图4是本发明的实施例所述的化学机械抛光装置的立体结构示意图；

图5是本发明的实施例所述的化学机械抛光装置的定位装置的结构示意图；

图6是本发明的实施例所述的化学机械抛光装置未工作时的俯视结构示意图；

图7是本发明的实施例所述的化学机械抛光装置工作时的俯视结构示意图。

具体实施方式

如背景技术所述，现有的化学机械抛光装置对晶圆进行研磨时，所研磨的晶圆的表面平整度不易控制，研磨的效果不良。

经本发明的发明人研究发现，现有的化学机械抛光装置的研磨不平整率（RR-NU%）较高是由于，化学机械抛光装置工作时，喷淋臂以及喷淋头的位置不准确。现有的化学机械抛光装置在更换研磨垫、更换晶圆或进行设备保养时，会将位于研磨垫上方的喷淋臂和喷淋头移动到研磨垫外；再于研磨之前，将所述喷淋臂和喷淋头移至指定位置；然而，在将所述喷淋臂和喷淋头移到指定位置时，所述喷淋头的实际位置相对于指定位置会存在偏差，从而造成喷洒于研磨垫表面的研磨液无法均匀地与被研磨晶圆表面接触，造成被研磨的表面不平整，研磨效果不良。

具体的，请参考图2，图2是现有的化学机械抛光装置未工作时的立体结构示意图，包括：位于所述研磨垫100上方的喷淋臂101，所述喷淋臂101的一端由相对于基座固定设置的支杆支撑102，且所述喷淋臂101能够围绕所述支杆102水平转动；固定于所述喷淋臂101另一端的喷淋头103，所述喷淋头103位于所述研磨垫100上方；当所述化学机械抛光装置未工作时，所述喷淋臂101以及所述喷淋头103悬停于所述研磨垫100外的上方。

请参考图3，图3是现有的化学机械抛光装置工作时的立体结构示意图。当所述化学机械抛光装置工作时，转动位于研磨垫100外的喷淋臂101，使位于所述喷淋臂101上的喷淋头103悬停于研磨垫100指定位置110的正上方，以便向研磨垫100表面喷洒研磨液；然而，在将所述喷淋臂101自研磨垫100外转动到研磨垫100上方时，由于现有的化学机械抛光装置对于喷淋臂101的转动由人为手动控制，因此容易造成所述喷淋头103实际停止的位置120相对于指定位置110存在偏差；而所述喷淋头103的位置偏离指定位置110时，会使喷洒向研磨垫100的研磨液无法均匀地与晶圆104表面接触，从而导致晶圆104被研磨的表面不均匀，平整度不良，研磨效果不佳。

经过本发明的发明人进一步研究，在所述化学机械抛光装置中，相对于基座固定设置定位装置；当转动所述喷淋臂，从而带动喷淋头自研磨垫外向研磨垫的指定位置上方移动时，所述定位装置能够限制所述喷淋臂的转动，而且，当所述定位装置阻挡所述喷淋臂时，所述喷淋头位于指定位置的正上方；所述定位装置阻挡所述喷淋臂的继续转动，能够阻止所述喷淋头继续向研磨垫的圆心上方移动，使所述喷淋头悬停的位置标准；而且，设置所述定位装置可无需额外的工序检验所述喷淋头的位置是否正确，能够简化工艺并节约时间。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

请参考图4，图4是本发明的实施例所述的化学机械抛光装置的立体结构示意图，包括：基座200；固定于基座200表面的研磨垫201，所述研磨垫201表面自圆心至边缘具有若干定位同心圆（未示出）；位于所述研磨垫201上方的喷淋头202，用于将研磨液喷淋到研磨垫201表面；喷淋臂203，所述喷淋臂203的一端与所述喷淋头202连接，另一端与相对于基座200固定设置的支杆204连接，且所述喷淋臂203能够围绕所述支杆204水平转动；相对于基座200的位置固定设置的定位装置205，用于限定所述喷淋臂203的转动范围，使所述喷淋头202在研磨垫201外到预设定位同心圆206的上方区域内运动。

所述基座200为圆形，所述基座200的下方与基座转轴210连接，所述基座转轴210能够带动基座200围绕所述基座转轴的轴线旋转。

所述基座200表面固定有研磨垫201，所述研磨垫201为圆形，其表面自圆心至边缘具有均匀分布的若干定位同心圆，在本实施例中，所述定位同心圆的数量为75圈；而且，相邻定位同心圆之间半径的差值相同；所述定位同心圆用于在抛光过程中，确定位于研磨垫201表面的晶圆208以及修整器211的位置，并确定位于研磨垫201上方的喷淋头202的位置，以保证研磨质量。

本实施例中，所述研磨垫201的半径大于或等于所述晶圆208的直径；较佳的，所述研磨垫201的半径与所述晶圆208的直径之间的差值为0-10厘米，从而能够确保所述晶圆208能够充分地在研磨垫201表面水平移动，使研磨更为充分，研磨效果较好。

本实施例所述化学机械抛光装置还包括抛光头207，所述抛光头207位于研磨垫201的上方，当进行研磨时，所述抛光头207将晶圆208向下按压于研磨垫201表面；所述抛光头207与轴杆209连接，所述轴杆209用于带动所述抛光头207上下移动、沿轴杆209的轴线旋转或在研磨垫201表面水平移动；所述抛光头207的边缘上还设置有夹持环（未示出），所述夹持环用于将晶圆208固定于抛光头207。

当所述化学机械抛光装置工作时，所述基座200沿基座转轴210的轴线旋转，所述抛光头207沿轴杆209的轴线旋转，且所述基座200与抛光头207的旋转方向相反。

所述化学机械抛光装置还包括：位于研磨垫201表面的修整器211，所述修整器211位于所述晶圆208所在的定位同心圆的范围内，用于修整由于研磨晶圆208而磨损的研磨垫201表面，以确保研磨的效果。

所述研磨垫201的上方具有喷淋臂203，所述喷淋臂203的一端设置有喷淋头202；当所述化学机械抛光装置工作时，所述喷淋头202应位于预设定位同心圆206的正上方；所述喷淋臂203的另一端支杆204连接，所述支杆204相对于所述基座200的位置固定；所述喷淋臂203能够围绕所述支杆204的轴线水平旋转，使所述喷淋头202能够到达所需位置喷洒研磨液；此外，所述喷淋臂203与输液通道连接，所述输液通道将研磨液输送于喷淋臂203，再通过喷淋臂203上的喷淋头202喷洒于研磨垫201表面。

当所述化学机械抛光装置工作时，所述喷淋头202应位于预设定位同心圆206的正上方；在本实施例中，由于所述定位同心圆的数量为75圈，所述预设定位同心圆206为：自所述研磨垫201的圆心向外的第21圈至第25圈定位同心圆，较佳地，所述定位同心圆206为自研磨垫201的圆心向外第23圈；由于所述喷淋头202喷洒的研磨液具有一定的粘度，无法分散至研磨垫201表面的所有位置，若待研磨的晶圆208表面为完全接触研磨液，会造成研磨表面不平坦；经过本发明的发明人研究发现，只有当所述喷淋头202位于所述预设定位同心圆206正上方时，所述研磨液才能充分地与晶圆208的被研磨表面接触，研磨液在晶圆208的被掩膜表面分布均匀，被掩膜表面较为平整，研磨的效果好；较佳的，当所述喷淋头位于自研磨垫201的圆心向外第23圈定位同心圆时，研磨效果最好，晶圆208的被研磨表面最为平整。

需要说明的是，所述预设定位同心圆206能够根据研磨垫201的不同而具体确定，所述预设定位同心圆206的位置确定需满足：使喷淋头202位于所述预设定位同心圆206正上方时，所喷洒的研磨液能够最均匀地与所述晶圆208接触，从而使研磨效果最佳。

现有的化学机械抛光装置在更换晶圆、更换研磨垫、或进行设备维护时，会将喷淋臂203和喷淋头202转动到研磨垫201外的上方；在进行抛光时，将所述喷淋头202转动到预设定位同心圆206的正上方。

由于目前所述喷淋臂203的转动依靠手动控制，并且在所述化学机械抛光装置上进行标记，记录喷淋头202位于预设定位同心圆正上方时，所述喷淋臂203的位置；并以此标记作为每次喷淋臂203自研磨垫201外转动回研磨垫201上方时的指定位置；然而，所述标记不够精确，在转动喷淋臂203以带动所述喷淋头202悬停于预设定位同心圆206的正上方时，仍旧会造成所述喷淋头202实际停止的位置会与所述预设定位同心圆206存在偏差；所述喷淋头202实际停止的位置与预设定位同心圆206之间，会造成3至5圈定位同心圆的偏差；所述偏差会造成晶圆208接触到的研磨液不均匀，影响研磨的平整度。

因此，为了使喷淋头202的位置更准确，在每次转回喷淋臂时，需要技术人员重新确定预设定位同心圆206的位置，从而使工艺步骤更为复杂，而且浪费时间。

进而，为了使喷淋头202的定位更为准确，且省去每次从研磨垫201外转回喷淋头202时的重新定位步骤，以此节省工艺时间，本发明的发明人在所述化学机械抛光装置上设置定位装置205；所述定位装置205相对于基座200的位置固定设置，所述定位装置205在喷淋臂203自研磨垫201外转动到研磨垫上方的过程中，能够阻挡所述喷淋臂203的转动，而且当所述定位装置205阻挡住所述喷淋臂203的转动时，所述喷淋头202正位于所述预设定位同心圆206的正上方；所述定位装置205阻值所述喷淋臂继续向研磨垫201的圆心处转动，并使所述喷淋头202的位置更精确。

请参考图4和图5，图5是本实施例所述的化学机械抛光装置的定位装置205的结构示意图。

所述定位装置205包括：相对于基座200位置固定的定位架205a，所述定位架205a位于不阻碍所述喷淋臂203（如图4所示）转动的位置；所述定位架205a的一端固定有延伸部205c，所述延伸部205c高于所述喷淋臂203的上表面；固定于所述延伸部205c一端的定位螺母205b，所述定位螺母205b向下方延伸至低于喷淋臂203的顶部表面，用于阻挡喷淋臂203带动喷淋头202（如图4所示）自研磨垫201（如图4所示）的预设定位同心圆206（如图4所示）的正上方向圆心上方转动。

当所述喷淋臂203自研磨垫201外转动到研磨垫201上方的过程中，所述定位螺母205b位于所述喷淋臂203转动的同一水平区域内，且所述定位螺母205b低于所述喷淋臂203的顶部表面，因此所述定位螺母205b能够阻挡所述喷淋臂203的转动；通过调整所述定位螺母205b的位置，使所述喷淋臂203被所述定位螺母阻挡时，所述喷淋头正好位于预设定位同心圆206的正上方，则所述定位装置205能够精确地确定所述喷淋头202的位置，同时省去了每一次转动喷淋臂时的重新定位的工序；使所述化学机械抛光装置的研磨更为平整，同时节省了工艺时间。

需要说明的是，所述定位架205a相对于基座200固定设置，且所述定位架205a位于不影响喷淋臂203围绕支杆204转动的位置。

请参考图4和图6，图6是本发明的实施例所述的化学机械抛光装置未工作时的俯视结构示意图。

当所述化学机械抛光装置停止工作，以更换研磨垫201、更换晶圆208或进行设备维护时，会将喷淋臂203转动到研磨垫201外的上方，以便更换晶圆208或研磨垫201；此时，所述定位装置205的定位架205a处于不妨碍喷淋臂203转动到研磨垫201外的位置，即所述喷淋臂203能够转动到研磨垫201外的上方，而不会受到所述定位架205a的阻挡。

请参考图4和图7，图7是本发明的实施例所述的化学机械抛光装置工作时的俯视结构示意图。

当所述化学机械抛光装置工作时，所述喷淋头202需要位于预设定位同心圆206的正上方；在开始抛光时，将位于研磨垫201外的喷淋臂202转动到所述研磨垫201上方，直至碰触到定位装置205的定位螺母205b为止；此时，位于喷淋臂一端的喷淋头202正位于预设定位同心圆206的正上方，因此，确定所述喷淋头202为止的方法简单，且喷淋头202的位置精确；进而，使被抛光的晶圆208表面更为平整，所述化学机械抛光装置的研磨效果更优良。

本实施例所述化学机械抛光装置具有定位装置205，所述定位装置205相对于基座200的位置固定设置，且所述定位装置205能够限定所述喷淋臂203的转动范围，使所述喷淋头202在研磨垫201外到预设定位同心圆206上方区域内运动；具体的，所述定位装置205包括定位螺母205b，所述定位螺母205b位于所述喷淋臂203转动的同一水平区域内，且所述定位螺母205b低于所述喷淋臂203的顶部表面，因此所述定位螺母205b能够阻挡所述喷淋臂203的转动；当所述喷淋臂203自研磨垫201外向研磨垫上方转动时，所述喷淋臂203能够碰触到所述定位螺母205b；而且，当所述定位螺母205b阻挡住所述喷淋臂203的转动后，所述喷淋头202位于预设定位同心圆的正上方；因此，本实施例所述化学机械抛光装置的喷淋头202定位更精确，且更简便，使晶圆208被研磨表面更平整。

综上所述，相对于基座的位置固定设置定位装置，所述定位装置能够限制喷淋臂的转动，使喷淋头仅能够在研磨垫外到预设定位同心圆的上方区域内运动；当化学机械抛光装置未工作时，需要将喷淋臂和喷淋头转动至研磨垫外，以更换研磨垫、更换晶圆或进行设备维护；当进行抛光工作时，再把所述喷淋臂和喷淋头自研磨垫外转动到预设定位同心圆上方；因此，所述定位装置能够在喷淋臂自研磨垫外向研磨垫上方转动时，阻当所述喷淋臂的转动，使所述喷淋头悬停于预设定位同心圆正上方，且所述喷淋头不会继续向研磨垫的圆心移动；因此，所述喷淋头的定位精准，同时无需额外的工序对喷淋头的位置进行检查并校准，能够简化工艺，并且节约工艺时间；还能够使被研磨的晶圆表面更为平整，研磨效果更优良。

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 (11)

1.一种化学机械抛光装置，其特征在于，包括：

基座；

固定于基座表面的研磨垫，所述研磨垫表面自圆心至边缘具有若干定位同心圆；

位于所述研磨垫上方的喷淋头，用于将研磨液喷淋到研磨垫表面；

喷淋臂，所述喷淋臂的一端与所述喷淋头连接，另一端与相对于基座固定设置的支杆连接，且所述喷淋臂能够围绕所述支杆水平转动；

相对于基座的位置固定设置的定位装置，用于限定所述喷淋臂的转动范围，使所述喷淋头在研磨垫外到预设定位同心圆的上方区域内运动。

2.如权利要求1所述化学机械抛光装置，其特征在于，所述研磨垫表面的定位同心圆的数量为75圈。

3.如权利要求2所述化学机械抛光装置，其特征在于，所述预设定位同心圆为研磨垫表面自圆心向外的第21圈至第25圈定位同心圆中的任一圈。

4.如权利要求1所述化学机械抛光装置，其特征在于，所述喷淋头向所述研磨垫喷淋研磨液时，所述喷淋头位于所述预设定位同心圆的正上方。

5.如权利要求1所述化学机械抛光装置，其特征在于，所述定位装置包括：相对于基座位置固定的定位架，所述定位架的一端延伸至高于所述喷淋臂的位置，且所述定位架位于不阻碍所述喷淋臂转动的位置；固定于所述定位架的高于喷淋臂一端的定位螺母，所述定位螺母向下方延伸至低于喷淋臂的顶部表面，用于阻挡喷淋臂带动喷淋头自研磨垫的预设定位同心圆的正上方向圆心上方转动。

6.如权利要求5所述化学机械抛光装置，其特征在于，当所述喷淋臂带动所述喷淋头自研磨垫边缘上方转动到预设定位同心圆的正上方时，所述喷淋臂碰触到所述定位螺母，所述定位螺母阻挡所述喷淋臂带动所述喷淋头向研磨垫的圆心上方转动。

7.如权利要求1所述化学机械抛光装置，其特征在于，还包括：位于研磨垫上方的抛光头，用于将晶圆按压于研磨垫表面；与所述抛光头连接的轴杆，用于带动所述抛光头旋转或移动；设置于抛光头上的用于固定晶圆的夹持环。

8.如权利要求7所述化学机械抛光装置，其特征在于，还包括：基座转轴，用于带动基座旋转，所述基座的旋转方向与抛光头旋转的方向相反。

9.如权利要求1所述化学机械抛光装置，其特征在于，还包括：位于研磨垫表面的修整器，用于修整磨损的研磨垫。

10.如权利要求1所述的化学机械抛光装置，其特征在于，所述研磨垫为圆形，所述晶圆为圆形，所述研磨垫的半径大于或等于所述晶圆的直径。

11.如权利要求10所述的化学机械抛光装置，其特征在于，所述研磨垫的半径与所述晶圆的直径之间的差值为0-10厘米。

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