CN103302587A - 化学机械研磨装置及系统 - Google Patents

Abstract

一种化学机械研磨装置，包括：抛光台；固定在所述抛光台上的抛光垫；抛光头，所述抛光头的端面用于与所述抛光垫配合使用研磨晶圆；夹持环，设置于所述抛光头端面的边缘处用来夹持晶圆；其中，所述化学机械研磨装置还包括围绕所述抛光头外侧设置的第一散热装置，或者还包括设置在所述抛光垫与所述抛光台之间的第二散热装置。本发明还提供了一种化学研磨系统。通过采用本发明提供的技术方案，以满足现有的CMP装置无法实现在化学机械抛光工艺中保持抛光温度的恒定的需求，以减小CMP抛光晶圆的去除厚度不均匀的现象，减小晶圆的报废率。

Description

化学机械研磨装置及系统

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种化学机械研磨装置及系统。

背景技术

化学机械抛光(Chemical Mechanical Planarization，CMP)工艺是一种平坦化工艺，在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CMP已经广泛应用在浅沟槽隔离结构平坦化，栅电极平坦化，钨栓塞平坦化，铜互连平坦化等工艺中。CMP工艺也被应用于去除基底表面上的薄膜层。

CMP的相关技术可以参考专利号为5722875的美国专利，其公开了一种抛光方法和装置(method and appartus for polishing)。

图1示出了现有技术的一种CMP设备的立体结构示意图，图2示出了该CMP设备的截面结构示意图，图3是图1中结构的俯视图，结合图1、图2和图3，该CMP设备包括：抛光头10；与抛光头10相连的轴杆11；设置于抛光头10上的用于固定晶圆(wafer)13的夹持环(retaining ring)12；位于抛光头10下方的抛光台(platen)14；与所述抛光台14相连的传动件15；固定于抛光台14上的抛光垫16；用于向抛光垫16上喷淋研磨液(slurry)18的管道17。在进行CMP时，轴杆11对抛光头10提供向下的下压力(downforce)，将晶圆13按压在抛光垫16上，轴杆11带动所述抛光头10沿抛光头10的轴线旋转，传动件15带动抛光台14及抛光垫16沿抛光台14的轴线旋转，同时管道17向抛光垫16喷淋研磨液18。在CMP过程中，晶圆13的表面部分与研磨液18发生化学反应，反应后的产物在抛光垫16的机械研磨作用下被去除，从而降低了晶圆13的表面部分的台阶高度(step height)，实现了平坦化。

在化学机械抛光工艺中，容易出现抛光后晶圆的去除厚度不均匀、片内均匀性和片间均匀性较差的现象，从而导致晶圆的报废率上升。

有鉴于此，实有必要提出一种新的化学机械研磨装置及系统，以满足现有CMP装置在抛光工艺中无法实现抛光晶圆时减少或避免去除厚度不均匀的现象。

发明内容

发明人研究发现，在化学机械抛光工艺中，长时间的工艺操作会使设备摩擦生热，即随着化学机械抛光时间的增加，抛光温度会升高，研磨液的PH值会降低，使晶圆材料的抛光去除率(每分钟去除晶圆的厚度，removal rate)增加，造成CMP研磨晶圆的去除厚度不均匀，影响片内均匀性和片间均匀性，因此，上述现象会导致晶圆的报废率上升。

本发明解决的问题是在化学机械抛光工艺中保持抛光温度的恒定，从而减少甚至避免抛光晶圆时去除厚度不均匀的现象，减小晶圆的报废率。

为解决上述问题，本发明提供一种化学机械研磨装置，包括：

抛光台；

固定在所述抛光台上的抛光垫；

抛光头，所述抛光头的端面与所述抛光垫配合使用，用于研磨晶圆；

夹持环，设置于所述抛光头端面的边缘处用于夹持晶圆；

其中，所述化学机械研磨装置还包括围绕所述抛光头外侧设置的第一散热装置或者还包括设置在所述抛光垫与所述抛光台之间的第二散热装置。

可选的，所述第一或第二散热装置至少包括一层散热片。

可选的，所述散热片的材料为高热导性材料。

可选的，所述第一或第二散热装置的内部散热片互相连接处或第一散热装置的散热片与所述研磨头连接处填充有导热介质。

可选的，所述导热介质为导热硅脂、导热硅胶、导热胶带、石墨垫片、导热云母片、导热陶瓷片、导热相变材料或软性导热硅胶绝缘垫的一种或多种。

可选的，所述化学机械研磨装置同时包括所述第一散热装置与所述第二散热装置。

可选的，所述第一散热装置包括至少两层散热片，外层的散热片包括多个环状散热片，所述环状散热片套接在里层的散热片上。

可选的，相邻的所述环状散热片的间距为0.5cm～2cm。

可选的，所述第一散热装置靠近抛光垫的一侧粘有无尘纸。

可选的，所述无尘纸为环形。

可选的，所述无尘纸至所述抛光台的距离为1cm～5cm。

可选的，所述无尘纸的吸附粒径小于0.5微米。

可选的，所述第二散热装置为一散热腔室，所述散热腔室的上表面面积与所述抛光垫面积相同，所述散热腔室的侧面设有多个通风口。

可选的，所述第二散热装置包括多层散热片，第一层散热片与所述抛光垫接触。

可选的，所述第二散热装置内部设置有至少一个风扇。

可选的，所述化学机械研磨装置还包括用于提供研磨液的管道。

可选的，所述管道至少为两个，其中一个管道用于提供所述研磨液，另一个管道用于提供所述去离子水。

为解决上述问题，本发明还提供了一种包括多个所述化学机械研磨装置的化学机械研磨系统，其还包括：

清洗室；

传输装置，所述传输装置用于晶圆在多个所述化学机械研磨装置与清洗室之间的传输。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

(1)围绕所述抛光头外侧设置的散热装置或者在所述抛光垫与所述抛光台之间设置的散热装置，可以使抛光温度不会随着抛光时间的增加而升高，研磨液的PH值不会改变，即使得晶圆材料的抛光去除率(每分钟去除晶圆的厚度，Removal Rate)稳定不变，被去除厚度均匀，从而使抛光后的晶圆具有良好的片内均匀性和片间均匀性，降低了晶圆的报废率。

(2)所述散热装置的内部散热片互相连接处、散热装置的散热片与所述化学抛光机械研磨装置连接处填充导热介质，所述导热介质不仅可以使化学机械研磨装置中的散热装置与发热体之间形成良好的导热通路，还可以起绝缘和减震的作用。

(3)所述抛光头外侧设置的第一散热装置的最外一层散热片包括多个环状散热片，所述环状散热片的间距为0.5cm～2cm，更有利于散热。

(4)所述无尘纸为环形，套粘在所述夹持环外侧，所述无尘纸粘贴在离抛光台最近的环形散热片上。所述无尘纸至所述抛光台的距离为1cm～5cm。无尘纸一方面可以保护第一散热装置在化学机械抛光过程中不被研磨液污染，使得散热装置更容易清洗；另一方面可以防止在化学机械抛光过程中研磨液溅射到散热片处变干后掉入抛光台对晶圆造成划伤。所述无尘纸的吸附粒径小于0.5微米，其吸附范围广而且吸附效果好。

(5)所述第二散热装置为一散热腔室，所述散热腔室的上表面积与所述抛光垫面积相同，一方面对抛光垫起支撑作用，另一方面更有利于散热。所述散热腔室的侧面设有多个通风口，所述第二散热装置内部在所述抛光台上设置至少一个风扇，通风口和风扇的设置可以更好的将热量排出。

附图说明

图1是现有的化学机械研磨装置的立体结构示意图；

图2是图1中结构的截面结构示意图；

图3是图1中结构的俯视图；

图4是本发明实施例一提供的化学机械研磨装置的截面图；

图5是实施例一中的散热装置的放大示意图；

图6是实施例一中的散热装置的平面示意图；

图7是实施例二提供的化学机械研磨装置的截面示意图；

图8是实施例二中的散热装置的剖面示意图；

图9是图8的散热装置的平面示意图；

图10是图8的散热装置的侧面示意图；

图11是实施例三提供的化学机械研磨装置的截面示意图；

图12是本发明化学机械研磨系统的一种实施例的示意图；

图13是本发明化学机械研磨系统的另一实施例的示意图。

具体实施方式

正如背景技术中所述，CMP虽然是一种广泛采用的平坦化的手段，然而，如图1、图2和图3中的现有CMP装置经过长时间的化学机械抛光操作会使抛光温度升高，造成CMP研磨晶圆时去除厚度不均匀，影响晶圆的片内均匀性和片间均匀性。本发明人仔细研究了现有的CMP装置，提出一种新的化学机械研磨装置，围绕抛光头外侧设置有散热装置或者在抛光垫与抛光台之间设置有散热装置，以满足现有的CMP装置在化学机械抛光工艺中无法实现保持抛光温度恒定的需求，从而减少甚至避免CMP抛光晶圆时去除厚度不均匀的现象。

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。由于本说明书重在解释原理，因此，未按比例制图。

实施例一

图4是实施例一提供的化学机械研磨装置的截面图；图5是实施例一中的散热装置的放大示意图；图6是实施例一中的散热装置的平面示意图；结合图4、图5和图6，该化学机械研磨装置包括：

抛光台24；

抛光垫26，固定在所述抛光台24上方；

抛光头20，所述抛光头20的端面与所述抛光垫26配合使用，用于研磨晶圆23；

夹持环22，设置于所述抛光头20端面的边缘处用来夹持晶圆23，所述夹持环22的厚度等于或小于所述晶圆23的厚度；

轴杆21，设置于所述抛光头20的上方，用于带动所述抛光头20进行旋转和移动；

传动件25，设置在所述抛光台24的下方，用于带动所述抛光台24进行旋转；

管道27，其上设置有出口，用于提供研磨液28；

控制器(图未示)，连接所述轴杆21，控制所述轴杆21进行旋转或水平移动或垂直移动，进而轴杆21带动抛光头20旋转或水平移动或垂直移动。在研磨晶圆23过程中，抛光头20在一定范围内的水平移动可以保证研磨的均匀性。所述控制器还可以调节抛光头20在不同位置处停留的时间，即抛光头20在不同位置处停留的时间可以相同，也可以不同；

第一散热装置29，所述第一散热装置29至少包括一层散热片。在本实施例中，所述第一散热装置29包括两层散热片，即第一层散热片292和第二层散热片293，在其他实施例中，还可以包括三层或多层散热片。本实施例中所述第一散热装置29还包括导热介质291，还包括无尘纸294。

其中，所述管道27至少为两个。在本实施例中，所述管道27为两个，其中一个管道用于提供研磨液28，另一个管道用于提供去离子水。在其他实施例中，所述管道可以为三个，其中一个管道用于提供所需研磨液，一个管道用于提供去离子水，另外一个管道用于提供其它种类的化学液。

如图5和图6所示，本实施例的第一散热装置29粘附在所述抛光头20的外侧，从抛光头20往外依次为导热介质291、第一层散热片292和第二层散热片293。

导热介质291填充于所述散热装置的内部散热片互相连接处、散热装置的散热片与其它部件连接处，所述导热介质291不仅可以使得化学机械研磨装置中的散热装置与发热体之间形成良好的导热通路，还可以起到绝缘和减震的作用。本实施例中所述导热介质291黏贴在抛光头20的外侧，还黏贴在部分夹持环22的外侧。所述导热介质291的底端(即离抛光垫26最近的端)距抛光垫26的距离为1cm～5cm。这样的距离设计一方面使得导热介质291在CMP过程中不容易被研磨液28污染，另一方面使装置上的热量更容易被散发出去。导热介质291的作用是传导化学机械研磨装置散发的热量，其材质可以为导热硅脂、导热硅胶、导热胶带、石墨垫片、导热云母片、导热陶瓷片、导热相变材料和软性导热硅胶绝缘垫。本实施例中，所述导热介质291为导热硅脂。

本实施例中，第一层散热片292黏贴在所述导热介质291的外侧，还黏贴在部分夹持环22的外侧。所述第一层散热片292的底端距抛光垫的距离为1cm～5cm。这样的距离设计一方面使得所述第一层散热片292不容易被研磨液28所污染，另一方面使设备上的热量更容易被散发出去。所述第一层散热片292的材料为高热导性材料，例如金属或合金，合金可以为黄铜、青铜、铝合金或其他合金。

第二层散热片293黏贴在所述第一层散热片292的外侧，所述第二层散热片293包括多个环状散热片，所述环状散热片等间距或非等间距的套接在第一层散热片292上。本实施例中，所述环状散热片等间距套接在第一层散热片292上，所述间距为0.5cm～2cm，间距太大或太小都不利于第二层散热片292的散热，所述最底层的环状散热片2931距抛光垫26的距离为1cm～5cm，这样的距离设计一方面使得所述第二散热片293不容易被研磨液28所污染，另一方面使设备上的热量更容易被散发出去。所述第二层散热片293为高热导性材料，例如金属或合金，合金可以为黄铜、青铜、铝合金或其他合金，并且，第二层散热片293可以和第一层散热片292的材料相同或不同。

本实施例中，在所述导热介质291的底端、所述第一层散热片292的底端和第二层散热片293的最底层环状散热片2931的下表面上粘有一层无尘纸(clean room paper)294，在其他实施例中也可以粘有多层。所述无尘纸为环形，套粘在所述夹持环上，覆盖所述第一散热装置的底端(散热装置中靠近抛光垫的一侧)。所述无尘纸294一方面可以避免研磨液28溅射到散热装置上，保持散热装置的清洁；另一方面可以避免研磨液28溅射到散热装置后变干再掉入抛光垫造成对晶圆的划伤；再者，无尘纸294在使用过程中不易产生纸屑而造成对晶圆的污染。所述无尘纸294距抛光垫26的距离为1cm～5cm，这样的距离可以使得无尘纸294吸附效果好并且不会被研磨液28弄脏。在其他实施例中，也可以采用其他材料，只要具有吸附作用并且能够保护晶圆不被划伤或弄脏的材料就可以。本实施例中，所述无尘纸的吸附粒径小于0.5微米，即粒径小于0.5微米的颗粒都能被无尘纸吸附。

另外需要说明的是，本实施例中，所述抛光头20的端面、抛光台24的表面、抛光垫26和晶圆23为圆形，在其他实施例中，所述抛光头20的端面、抛光台24的表面、抛光垫26和晶圆23也可以采用其他形状，例如为正方形，其在此仅为举例，不应限制本发明的保护范围。

实施例二

下面是本发明的第二实施例，与前面实施例中散热装置设置在抛光头外侧的结构不同，在第二个实施例中，化学机械研磨装置的散热装置为一个散热腔室，设置在抛光垫36与抛光台34(参图7)之间。

图7是实施例二提供的化学机械研磨装置的截面示意图；图8是实施例二中的散热装置的截面示意图；图9是图8的散热装置的平面示意图；图10是图8的散热装置的侧面示意图。

结合图7和图8，本实施例中，所述化学机械研磨装置包括抛光台34、抛光垫36、抛光头30、夹持环32、轴杆31，以及传动件35、管道37、控制器(图未示)、第二散热装置39。命名与实施例一相同的部件，其功能、结构与实施例一也相同或大体相同，这里不详细介绍，可参看实施例一中的说明。

所述第二散热装置39为一散热腔室，散热腔室39中至少包括一层散热片，本实施例中的散热腔室39包括三层散热片，分别为第三层散热片391、第四层散热片393和第五层散热片394。所述散热腔室39还包括导热介质392和风扇395。

第三层散热片391在所述散热腔室39的顶部，所述第三层散热片391的上表面面积和所述抛光垫36相同也可以不同，在本实施例中为相同，一方面对抛光垫起支撑作用，另一方面更有利于散热。所述第三层散热片391的材料为高热导性材料，例如金属或合金，合金可以为黄铜、青铜、铝合金或其他合金。

在所述第三层散热片391的下面设置有一层导热介质392。所述导热介质的材质与作用请参考上面实施例。

在所述导热介质层392的下面设置有第四层散热片393，所述第四层散热片393与导热介质392的表面面积相同，更有利于散热，在其他实施例中也可以不同。所述第四层散热片393的材料为高热导性材料，例如金属或合金，合金可以为黄铜、青铜、铝合金或其他合金。

结合图8和图9，所述第四层散热片393的下面为第五层散热片394。所述第五散热片394包括多个环状散热片，所述多个环状散热片等间距或非等间距固定在第四散热片393的下端，本实施例中为等间距设置，即每层环状散热片从图10的俯视图可以看出为大小不同的同心圆等间距相套。相邻环形散热片之间的间距为0.5cm～2cm，可以保证所述第五层散热片394的散热效果最佳。

在所述散热腔室39的内部还设置至少一个风扇395，所述风扇395设置在所述抛光台34上。本实施例中风扇395的数目有一个。所述风扇395的设置使的化学机械研磨装置中的热量更容易排出。

如图10所示，所述整个散热腔室39的外壁有均匀分布的散热孔396，所述散热孔396的设置更有利于化学机械研磨装置中热量的排出。

实施例三

下面是本发明的第三实施例。与前两个实施例不同，如图11所示，第三个实施例的化学机械研磨装置的同时在所述抛光头40的外侧设置第一散热装置49，在所述抛光垫46和抛光台44之间设置散热腔室59(第二散热装置)。所述第一散热装置49可以与实施例一中的相同，第二散热装置59可以与实施例二中的相同，具体结构请参考实施例一和实施例二。

本发明还提供了一种化学机械研磨系统，包括：

1个或多个如实施例一至三中所描述的化学机械研磨装置；

1个或多个清洗室；

1个或多个传输装置。

所述清洗室用于对研磨后晶圆的清洗。所述传输装置用于晶圆在化学机械研磨装置之间以及化学机械研磨装置与清洗室之间的传输。

参考图12所示，作为一个具体例子，所述化学机械研磨系统100可以包括：第一化学机械研磨装置111、第二化学机械研磨装置121、第三化学机械研磨装置131、传输装置(图中未示出)和清洗室140，所述第一化学机械研磨装置111、第二化学机械研磨装置121、第三化学机械研磨装置131和清洗室140由传输装置顺次连接。即传输装置将一个晶圆依次传输至第一化学机械研磨装置111、第二化学机械研磨装置121和第三化学机械研磨装置131进行研磨，最后传输至清洗室140进行清洗，从而可以提高研磨的效果。

参考图13所示，作为另一个具体例子，所述化学机械研磨系统200可以包括：第一化学机械研磨装置211、第二化学机械研磨装置221、第三化学机械研磨装置231、第四化学机械研磨装置241、第一传输装置(图中未示出)、第二传输装置(图中未示出)、第一清洗室250和第二清洗室260，所述第一化学机械研磨装置211、第三化学机械研磨装置231和第一清洗室250由第一传输装置顺次连接而构成第一研磨组，第二化学机械研磨装置221、第四化学机械研磨装置241和第二清洗室260由第二传输装置顺次连接而构成第二研磨组。第一研磨组和第二研磨组又构成并列模式。即第一传输装置将一个晶圆从第一化学机械研磨装置211传输至第三化学机械研磨装置231进行研磨，最后传输至第一清洗室250进行清洗；第二传输装置将另一个晶圆从第二化学机械研磨装置221传输至第四化学机械研磨装置241进行研磨，最后传输至第二清洗室260进行清洗，从而可以提高研磨的效率。

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 (18)

1.一种化学机械研磨装置，其特征在于，包括：

抛光台；

固定在所述抛光台上的抛光垫；

抛光头，所述抛光头的端面与所述抛光垫配合使用，用于研磨晶圆；

夹持环，设置于所述抛光头端面的边缘处用于夹持晶圆；

其中，所述化学机械研磨装置还包括围绕所述抛光头外侧设置的第一散热装置或者还包括设置在所述抛光垫与所述抛光台之间的第二散热装置。

2.根据权利要求1所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述第一或第二散热装置至少包括一层散热片。

3.根据权利要求2所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述散热片的材料为高热导性材料。

4.根据权利要求1所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述第一或第二散热装置的内部散热片互相连接处或第一散热装置的散热片与所述研磨头连接处填充有导热介质。

5.根据权利要求4所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述导热介质为导热硅脂、导热硅胶、导热胶带、石墨垫片、导热云母片、导热陶瓷片、导热相变材料或软性导热硅胶绝缘垫中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述化学机械研磨装置同时包括所述第一散热装置与所述第二散热装置。

7.根据权利要求6所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述第一散热装置包括至少两层散热片，外层的散热片包括多个环状散热片，所述环状散热片套接在里层的散热片上。

8.根据权利要求7所述的化学机械研磨装置，其特征在于，相邻的所述环状散热片的间距为0.5cm～2cm。

9.根据权利要求1所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述第一散热装置靠近抛光垫的一侧粘有无尘纸。

10.根据权利要求9所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述无尘纸为环形。

11.根据权利要求9所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述无尘纸至所述抛光台的距离为1cm～5cm。

12.根据权利要求9所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述无尘纸的吸附粒径小于0.5微米。

13.根据权利要求6所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述第二散热装置为一散热腔室，所述散热腔室的上表面面积与所述抛光垫面积相同，所述散热腔室的侧面设有多个通风口。

14.根据权利要求6所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述第二散热装置包括多层散热片，第一层散热片与所述抛光垫接触。

15.根据权利要求6所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述第二散热装置内部设置有至少一个风扇。

16.根据权利要求1所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述化学机械研磨装置还包括用于提供研磨液的管道。

17.根据权利要求16所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述管道至少为两个，其中一个管道用于提供所述研磨液，另一个管道用于提供所述去离子水。

18.一种化学机械研磨系统，其特征在于，包括：

多个如权利要求1至17中任一项所述的化学机械研磨装置；

清洗室；

传输装置，所述传输装置用于晶圆在多个所述化学机械研磨装置与清洗室之间的传输。

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