CN106272037A - 化学机械研磨装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体生产和加工领域。本发明揭示了一种化学机械研磨装置，包括研磨部件、夹持部件以及驱动部件，研磨部件与驱动部件相连并通过夹持部件加以固定，研磨部件用于固持晶圆，化学机械研磨装置还包括清洗池以及多个清洗喷嘴，其中部分的清洗喷嘴设置于清洗池内，化学机械研磨装置处于清洗状态时，研磨部件移动至清洗池构成的清洗空间，位于清洗池内的清洗喷嘴指向研磨部件的底面及侧面；另至少有一个清洗喷嘴设置为高于研磨部件的顶面且指向夹持部件，或指向研磨部件的顶面。同时，本发明还揭示了相应的化学机械研磨方法。采用本发明提供的技术方案，能够避免结晶的产生，并提高效率。

Description

化学机械研磨装置及方法
技术领域
本发明涉及半导体生产和加工领域，更具体地说，涉及一种对晶圆进行化学机械研磨的装置及方法。
背景技术
在半导体集成电路的加工和制造过程中，晶圆通常离不开化学机械研磨工艺，也即本领域技术人员所述的CMP工艺。这一工艺要求对晶圆施加一定的下压力，结合研磨液与晶圆的化学反应，对晶圆表面的膜层加以去除。CMP工艺是一种相当成熟的半导体技术，在业内得到了广泛的应用。
但是，CMP工艺对研磨液产生的结晶非常敏感，需要尽可能地加以预防和杜绝。因为晶圆相对脆弱，且承受着一定的下压力，如果在研磨过程中有结晶存在，那么晶圆在运动的过程中很可能会碰到并碾过这些结晶，可以想象，这将有可能在晶圆的表面留下十分严重的划痕，导致晶圆直接报废。因此，各家厂商都在相应的CMP设备和工艺方面增加了研发力量和经费投入，尽力避免和清除此类结晶，以保障晶圆的安全及品质。
作为其中一种现行的措施，是在CMP工艺的研磨过程结束后，对研磨头进行清洗，图1给出了相应的化学机械研磨装置。如图1所示的，该化学机械研磨装置中设置有专门的清洗区域，该化学机械研磨装置包括了作为研磨部件的研磨头101，作为夹持部件的夹具102，以及作为驱动部件的马达103。马达103通过各种机械结构与研磨头101相连接，并由夹具102将二者固定在一起，马达103能够驱动研磨头101绕轴旋转，由于夹具102在旋转轴上夹紧，因而夹具也将在马达103的带动下同步旋转。
在研磨头101的下方，吸附有晶圆104。由于展示的是研磨结束后的清洗过程，所以此时研磨头101已经被移动到化学机械研磨装置的清洗区域，该区域内设置有清洗池105，清洗池105内部还设置有一清洗台106，用于在必要时承放晶圆104。 另外，清洗台106上设置有若干清洗喷嘴108，这些清洗喷嘴108有的位于研磨头101的正下方，指向研磨头101的底面；有的位于靠近清洗池106内侧壁的位置处，指向研磨头101的侧面。一根输液管道107接通至清洗台106，以向清洗喷嘴108提供去离子水。
这套装置在研磨工艺结束后能够对研磨头101的底面以及侧面进行清洗，冲刷掉残留的研磨液，从而在一定程度上避免了结晶的产生。但是该化学机械研磨装置仍存在设计的漏洞，即它忽略了研磨头101上表面以及夹具102位置处的结晶，无法对研磨头101上表面以上的位置(包括上表面)处进行清洗。一般情况下，研磨头101上表面以上的位置处，产生结晶的物质的量以及几率相较于上表面以下的位置处，都要小的多。但是研磨过程中摩擦产生的高温总有可能使一定量的研磨液蒸发或汽化，而且晶圆厂中的化学机械研磨装置终年不辍的工作，日积月累，研磨头101的上表面以及夹具102位置处总有机会产生结晶，并在研磨过程产生的振动中掉落至晶圆104或研磨转盘上，对晶圆104造成划伤。除此之外，这套装置要想对研磨头101进行清洗，则相应的研磨头101将无法继续进行研磨，必须停止工作并移动至相应的清洗区域以接受清洗喷嘴108的冲洗。从效率角度将，这也是对宝贵工作时间的一种浪费。
同时，该装置还缺少对清洗过后残留在晶圆104上的去离子水加以去除和收集的机构，难以保持整洁。
发明内容
鉴于现有技术存在的缺陷，本发明给出了相应的解决方案。本发明揭示了一种化学机械研磨装置，用于对晶圆进行CMP工艺处理，该装置能够对自身的研磨部件进行清洗，且不会遗漏相应的夹持部件，清洗过程中也并不一定需要终止对晶圆进行研磨，从而在保证了清洗效果并提高了效率。本发明也同时给出了相应的化学机械研磨方法。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种化学机械研磨装置，包括研磨部件、夹持部件以及驱动部件，研磨部件与驱动部件相连并通过夹持部件加以固定，研磨部件用于固持晶圆，化学机械研磨装置还包括清洗池以及多个清洗喷嘴，其中部分的清洗喷嘴设置于清洗池内，化学 机械研磨装置处于清洗状态时，研磨部件移动至清洗池构成的清洗空间，位于清洗池内的清洗喷嘴指向研磨部件的底面及侧面；另至少有一个清洗喷嘴设置为高于研磨部件的顶面且指向夹持部件，或指向所述研磨部件的顶面。
进一步地，驱动部件带动研磨部件沿水平方向平移，在研磨部件的平移方向上设置有清洗喷嘴，且该清洗喷嘴指向夹持部件。
进一步地，驱动部件带动研磨部件及夹持部件绕自身的中心轴旋转。
进一步地，清洗喷嘴喷射去离子水。
优选地，化学机械研磨装置设置有气体喷嘴，以在清洗结束后对晶圆进行吹干。
优选地，化学机械研磨装置设置有集液槽，以收集晶圆表面的去离子水。
一种化学机械研磨方法，用于化学机械研磨装置，该化学机械研磨装置包括研磨部件、夹持部件以及驱动部件，所述研磨部件与所述驱动部件相连并通过所述夹持部件加以固定，所述研磨部件用于固持晶圆，所述化学机械研磨装置还包括清洗池以及多个清洗喷嘴，其中部分所述的清洗喷嘴设置于所述清洗池内，在研磨过程中对所述夹持部件或研磨部件的顶面喷射去离子水进行清洗。
进一步地，对夹持部件喷射去离子水以前，停止添加研磨液。
一种化学机械研磨方法，用于化学机械研磨装置，该化学机械研磨装置包括研磨部件、夹持部件以及驱动部件，所述研磨部件与所述驱动部件相连并通过所述夹持部件加以固定，所述研磨部件用于固持晶圆，所述化学机械研磨装置还包括清洗池以及多个清洗喷嘴，其中部分所述的清洗喷嘴设置于所述清洗池内，在研磨过程结束后，对所述夹持部件或研磨部件的顶面喷射去离子水进行清洗。
进一步地，清洗过程在清洗池中进行。
本发明揭示的化学机械研磨装置及方法，相较于现有技术能够对需要清洗的部件进行完全彻底的清洗，且不耽误工时，避免了结晶产生，从而大大提高了CMP工艺的可靠性及效率。
附图说明
图1是现有技术中能够自行清洗的化学机械研磨装置的结构示意图；
图2是本发明第一具体实施例中的化学机械研磨装置的结构示意图；
图3是本发明第一具体实施例中的化学机械研磨装置在研磨过程中对夹持部件进行清洗的示意图；
图4是本发明第二具体实施例中的化学机械研磨装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施例和具体实施方式进行介绍：
图2-3涉及本发明的第一具体实施例。该实施例中的化学机械研磨装置包括研磨头201、夹具202以及马达203，其中研磨头201作为研磨部件吸附晶圆204并对晶圆204进行研磨；夹具202为夹持部件，用于将研磨头201和马达203相固定；马达203为驱动部件，能够带动研磨头201旋转，且马达自身也能在水平方向上移动。
该化学机械研磨装置还包括一个清洗池205以及多个清洗喷嘴208，其中大部分清洗喷嘴208均设置在清洗池205内。清洗池205的侧壁向上延伸，能够遮挡飞溅的水花，并构成相应的清洗空间。清洗池205内设置有清洗平台206，用于在清洗晶圆204背面时承载晶圆204，且大部分清洗喷嘴208均设置在清洗平台206上，这些清洗喷嘴208由一根连接至清洗平台206的输液管道207提供清洗所需的去离子水。清洗池205和清洗平台206可以设计成可活动的，以方便调整清洗位置，或方便晶圆204进入或离开相应的清洗空间。
在晶圆204的研磨过程结束后，研磨头201将被移动至清洗池205构成的清洗空间内接收清洗，此清洗状态下，位于清洗池205内的清洗喷嘴208指向研磨头201的正面以及侧面，向研磨头201喷射去离子水以清洗去除研磨液，此时，研磨头201尚吸附有晶圆204，因为位于研磨头201和晶圆204正下方的清洗喷嘴208喷出的去离子水将喷射至晶圆204上；而那些设置在侧方并指向研磨头201侧面的清洗喷嘴208喷射出的去离子水则打在了研磨头201的侧面。而当晶圆204被卸下后，研磨头201在无晶圆204的状态下进入清洗空间，即可将去离子水喷射至研磨头201的底面，对底面进行清洗。可以看到，设置于清洗池205内的清洗喷嘴208仅能够清洗晶圆204或研磨头201的下表面，以及研磨头201的侧面，而无法清洗到研磨头201的顶面以及夹具202。
为了弥补这一缺陷，本实施例中的化学机械研磨装置额外设置了一个清洗 喷嘴209，该清洗喷嘴209接通去离子水管路，能够在清洗过程中指向夹具202，或者指向研磨头201的顶面，向相应的位置喷射去离子水。清洗喷嘴209的具体位置可视情况而定，例如可安装在清洗池206的外部或安装在马达303的下方。但由于清洗池206侧壁的存在，以及研磨头201自身侧面的阻挡，要想将去离子水顺利地打在研磨头201的顶面或夹具202上，总体上讲清洗喷嘴209应设置在高于研磨头201的顶面的位置处，然后调整清洗喷嘴209指向研磨头201的顶面，或者指向夹具202，否则将难以实现全面清洗的目的。
与传统化学机械研磨装置不同的是，本发明的清洗过程不仅可以独立于研磨过程，在研磨过程结束之后对相应的部件进行清洗外，还可以与研磨过程同时进行，在研磨过程中即对夹持部件进行清洗。这样将大幅节省清洗所需要的时间，提高清洗效率。
图3展示的正是本发明第一具体实施例在研磨过程中同时进行清洗处理的情形。该研磨过程可以简单概括为：研磨盘212高速旋转，研磨头201施加下压力将晶圆204抵在研磨盘212上，研磨头201沿过研磨盘212圆心的直线来回运动，对晶圆204进行研磨，而且通常马达203也将带动研磨头201以及夹具202旋转。图中的双向箭头标明了研磨头201在水平面内的运动方向，图中的弧线箭头标示了研磨片212的旋转方向。为了在研磨过程中即对夹具202进行清洗，需要在研磨头201水平运动的方向上设置清洗喷嘴211，且该清洗喷嘴211在研磨过程中直指夹具202，向夹具202喷射去离子水。如果该清洗喷嘴211与清洗过程中所使用的清洗喷嘴209处于相同位置，那么该清洗喷嘴211也即是清洗过程中的清洗喷嘴209；如果位置不同，则清洗喷嘴211为另设的清洗喷嘴。
一般情况下，对研磨头201或夹具202进行清洗时，通常需要马达203带动它们绕自身的中心轴旋转，这样，就可以仅在化学机械研磨装置的一侧设置一个或者少数几个清洗喷嘴209或者清洗喷嘴211，即可在旋转的作用下对研磨头201或夹具202进行360°的清洗。否则，可能需要多个清洗喷嘴209或者清洗喷嘴211环绕研磨头201或夹具202排布，才能实现360°全角度的清洗。
为了防止清洗所用的去离子水在取放晶圆204的过程中流淌至化学机械研 磨装置的各处，在该装置中还设置了集液槽210，用以收集清洗后晶圆204背面的积水。具体方法是，清洗结束后，由机械手平稳的抓取晶圆204并水平运动至集液槽210的上方，然后将晶圆204翻转至竖直位置对其进行沥水，使水分全部滴入集液槽210，之后再将晶圆204翻转至水平，平移至后续工位。这样避免了晶圆204背面的积水流淌至化学机械研磨装置的各处。
与第一具体实施例对应的，是本发明的第一具体实施方式，即一种化学机械研磨方法，其在研磨过程中对夹具202喷射去离子水进行清洗。在该具体实施方式中，对夹具202进行清洗时，对夹具202喷射去离子水以前，要保证已经不再向研磨盘212上添加研磨液了，否则将造成研磨液的浪费。
研磨过程结束后，可以将研磨头201移动至清洗池205，进一步对夹具202，研磨头201的侧面、顶面及底面，以及晶圆204进行清洗。
图4则揭示了本发明的第二具体实施例。第二具体实施例中的化学机械研磨装置同样可以对其研磨部件的顶面以及夹持部件进行清洗，但其全部清洗过程均在研磨过程结束以后单独进行，因而不需要驱动部件、研磨部件以及夹持部件进行过多的运动。
如图4所示，该实施例中的化学机械研磨装置同样包括研磨头301、夹具302以及马达303，它们分别作为该化学机械研磨装置的研磨部件、夹持部件和驱动部件。夹具302将马达303与研磨头301夹紧并固持在一起。该化学机械研磨装置还设置有清洗池305和清洗喷嘴，清洗池305内设置有可升降的清洗平台306。该清洗平台306上设置有指向研磨头301底面及侧面的清洗喷嘴308，清洗喷嘴308由相应的输液管道307供应清洗所需的去离子水，且该清洗平台306可承载晶圆304。
在化学机械研磨装置的一侧，单独设置有清洗喷嘴309，该清洗喷嘴309的具体位置不做限定，但原则上应当高于研磨头301设置，且可以在清洗过程中指向夹具302或者研磨头301的顶面，从而实现传统化学机械研磨装置无法完成的清洗功能，对研磨头301和夹具302进行全面彻底的清洗，最终能够避免结晶的产生。清洗过程中，最好使马达303工作，以带动夹具302以及研磨头301一起旋转，这样可以减少清洗喷嘴309的数量，实现360°清洗。另外，由于该实施例仅考虑在研磨过程结束以后再对研磨头301和夹具302进行清洗 的情形，因而并不要求马达303自身在水平面内做直线运动。
作为优选，第二实施例中还设置有气体喷嘴310，可以喷射氮气等不会对工艺产生影响的气体，对晶圆304背面的积水进行吹干，以提高干燥效率，放置积水四处流淌。吹干时，晶圆304放置于清洗平台306上，调整气体喷嘴310指向晶圆304的背面并喷气。
与第二实施例对应的，本发明的第二具体实施方式涉及一种化学机械研磨方法，在研磨过程结束后，对夹具302喷射去离子水进行清洗。该清洗过程在一个由清洗池306构成的清洗空间内完成，且其同时还对研磨头301的底面、侧面以及顶面进行了全面的清洗。
以上实施例及实施方式显示了本发明卓越的进步性，也非常便于本领域技术人员理解，但需要注意的是，它们并非限制性的。显而易见的，本发明申请的权利要求书才更加具有宽泛的保护范围，限定了发明所期望取得的权利边界。

Claims (10)

1.一种化学机械研磨装置，包括研磨部件、夹持部件以及驱动部件，所述研磨部件与所述驱动部件相连并通过所述夹持部件加以固定，所述研磨部件用于固持晶圆，所述化学机械研磨装置还包括清洗池以及多个清洗喷嘴，其中部分所述的清洗喷嘴设置于所述清洗池内，其特征在于：所述化学机械研磨装置处于清洗状态时，所述研磨部件移动至所述清洗池构成的清洗空间，位于所述清洗池内的清洗喷嘴指向所述研磨部件的底面及侧面；另至少有一个清洗喷嘴设置为高于所述研磨部件的顶面且指向所述夹持部件，或指向所述研磨部件的顶面。
2.根据权利要求1所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述驱动部件带动所述研磨部件沿水平方向平移，在所述研磨部件的平移方向上设置有清洗喷嘴，且该清洗喷嘴指向所述夹持部件。
3.根据权利要求1或2所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述驱动部件带动所述研磨部件及夹持部件绕自身的中心轴旋转。
4.根据权利要求1所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述清洗喷嘴喷射去离子水。
5.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设置有气体喷嘴，以在清洗结束后对所述晶圆进行吹干。
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设置有集液槽，以收集晶圆表面的去离子水。
7.一种化学机械研磨方法，用于化学机械研磨装置，该化学机械研磨装置包括研磨部件、夹持部件以及驱动部件，所述研磨部件与所述驱动部件相连并通过所述夹持部件加以固定，所述研磨部件用于固持晶圆，所述化学机械研磨装置还包括清洗池以及多个清洗喷嘴，其中部分所述的清洗喷嘴设置于所述清洗池内，其特征在于，在研磨过程中对所述夹持部件或研磨部件的顶面喷射去离子水进行清洗。
8.根据权利要求7所述的化学机械研磨方法，其特征在于，对夹持部件喷射去离子水以前，停止添加研磨液。
9.一种化学机械研磨方法，用于化学机械研磨装置，该化学机械研磨装置包括研磨部件、夹持部件以及驱动部件，所述研磨部件与所述驱动部件相连并通过所述夹持部件加以固定，所述研磨部件用于固持晶圆，所述化学机械研磨装置还包括清洗池以及多个清洗喷嘴，其中部分所述的清洗喷嘴设置于所述清洗池内，其特征在于，在研磨过程结束后，对所述夹持部件或研磨部件的顶面喷射去离子水进行清洗。
10.根据权利要求9所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述清洗过程在清洗池中进行。
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