CN107088825A - 化学机械研磨机台、温度控制系统及其温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种化学机械研磨机台、温度控制系统及其温度控制方法。所述温度控制系统包括依次通讯连接的采集单元、控制单元以及执行单元。所述温度控制方法包括：所述采集单元采集化学机械研磨过程中的研磨垫的温度信息；所述控制单元根据所述研磨垫的温度信息，控制所述执行单元对所述研磨垫进行降温处理，以使所述研磨垫的温度保持在预定范围内。所述化学机械研磨机台包括研磨垫和所述温度控制系统。本发明通过采集单元获取研磨过程中的研磨垫的温度信息，使控制单元根据该温度信息控制执行单元对研磨垫进行降温，从而实现了研磨垫温度的控制，使化学机械研磨过程中的研磨垫的温度能够稳定在一定的数值范围内，从而确保晶圆的研磨效果。

Description

化学机械研磨机台、温度控制系统及其温度控制方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，具体涉及一种温度控制系统及其控制方法和化学机械研磨机台。

背景技术

在半导体制造领域，晶圆表面的平坦化处理是一项重要的工艺，在对晶圆进行曝光的过程中，晶圆表面越平坦，越能有效避免光的散射，从而实现精密图像的有效转移。

晶圆表面的平坦化处理主要有旋涂式玻璃法(Spin On Glass，简称SOG)和化学机械研磨法(Chemical Mechanical Polish，简称CMP)。旋涂式玻璃法能够满足一般的工艺要求，但在半导体制作工艺进入到毫米级别之后，旋涂式玻璃法已经不能满足生产的工艺要求。目前，化学机械研磨法已成为了主流方法，该方法能够使晶圆表面的平坦程度达到更高的工艺要求。化学机械研磨法由专用的化学机械研磨机台完成，一般的化学机械研磨机台包括：研磨头、研磨台、铺设在研磨台上的研磨垫、用于输送研磨液到所述研磨垫上的管道以及用于输送研磨液的液压泵。当进行研磨作业时，所述研磨头将晶圆按压在研磨垫上并做自转运动，同时，所述研磨垫在研磨台的带动下做旋转运动，在晶圆与研磨垫发生相对运动的过程中，实现了对晶圆的研磨。

发明人发现，在晶圆与研磨垫相对运动过程中，由于摩擦力的作用，不可避免会造成研磨垫的温度上升。图1为研磨垫温度随着研磨时间变化的曲线图，其中的横轴为时间(s)，纵轴为温度(℃)。如图1所示，经过测试，在120s的研磨时间内，随着研磨的进行，研磨垫的温度将从14℃上升到80℃。但是，当研磨垫的温度低于30℃的A点或高于75℃的B点时，会使研磨液与晶圆表面的化学反应特性变差，从而影响晶圆表面的平坦化。

因此，有必要开发一种能够使研磨过程中研磨垫的温度保持在合理范围内的化学机械研磨机台、温度控制系统及其温度控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种化学机械研磨机台、温度控制系统及其温度控制方法，以确保研磨过程中研磨垫的温度能够维持在合理的范围内，从而保证晶圆表面的研磨质量。

为实现上述目的，本发明提供一种温度控制系统，适用于化学机械研磨，包括依次通讯连接的采集单元、控制单元以及执行单元；其中，

所述采集单元用于采集化学机械研磨过程中的研磨垫的温度信息并反馈给所述控制单元；所述控制单元用于根据所述研磨垫的温度信息控制所述执行单元的工作状态；所述执行单元用于对所述研磨垫进行降温处理，以使所述研磨垫的温度保持在预定范围内。

可选的，所述执行单元包括冷却设备和管道，所述管道的一端与所述冷却设备连接，另一端位于所述研磨垫的一侧；所述冷却设备用于提供冷却物质，所述管道用于将所述冷却物质输送至所述研磨垫。

可选的，所述冷却物质为冷却液。

可选的，所述采集单元为温度传感器。

可选的，所述采集单元为多个，多个所述采集单元对称设置在所述研磨垫周围。

可选的，所述温度传感器为热敏电阻式或红外线式温度传感器。

可选的，所述预定范围为30℃～75℃。

本发明还提供一种温度控制方法，适用于化学机械研磨，包括：

采集单元采集化学机械研磨过程中的研磨垫的温度信息；

控制单元根据所述研磨垫的温度信息控制执行单元对所述研磨垫进行降温处理，以使所述研磨垫的温度保持在预定范围内。

可选的，所述根据所述研磨垫的温度信息控制执行单元对所述研磨垫进行降温处理的步骤包括：向所述研磨垫提供冷却物质，以对所述研磨垫进行降温处理。

本发明还提供一种化学机械研磨机台，包括研磨垫以及上述任一项所述的温度控制系统。

综上，在本发明提供的化学机械研磨机台、温度控制系统及其温度控制方法中，通过采集单元获取化学机械研磨过程中的研磨垫的温度信息，并通过控制单元根据所述研磨垫的温度信息控制执行单元对研磨垫进行降温，使得化学机械研磨过程中的研磨垫的温度能够维持在预定范围内，这样便实现了对研磨垫温度的实时在线控制，以此来确保研磨液的化学反应特性，从而保证晶圆表面的平坦化效果。

附图说明

图1为研磨垫温度随着研磨时间变化的曲线图；

图2为本发明一实施例提供的温度控制系统的结构示意图；

图3为本发明一优选实施例提供的温度控制系统的结构示意图；

图4为本发明一实施例提供的化学机械研磨机台的结构示意图。

附图标记说明如下：

11-研磨垫；12-采集单元；13-控制单元；14-执行单元；141-冷却设备；

142-管道；15/16/151/152/152/153/154-通讯电缆；121-第一温度探头；

122-第二温度探头；123-第三温度探头；124-第四温度探头；

401-研磨台；402-研磨头；403-温度控制系统。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

图2为本发明一实施例提供的温度控制系统的结构示意图，该温度控制系统适用于化学机械研磨，并用于对研磨垫11的温度进行控制，其包括：采集单元12、控制单元13以及执行单元14。所述采集单元12与所述控制单元13通讯连接，所述控制单元13与所述执行单元14通讯连接。其中，所述采集单元12可通过通讯电缆15与控制单元13通讯连接，所述控制单元13相应可通过通讯电缆16与执行单元14通讯连接。

正如背景技术中所述，所述研磨垫11的温度会随着研磨的进行而升高，且当所述研磨垫11的温度超出预定范围时，研磨液的化学反应特性会变差而影响研磨。因此，为使晶圆研磨满足工艺要求，需使研磨垫11的温度保持在预定的范围内，例如，针对CES333型号的研磨液，需要将研磨垫11的温度控制在30℃至75℃之间，在该温度范围内，CES333型号研磨液的化学反应特性最佳，可以保证最佳的研磨特性，其中，CES333型号的研磨液是日本旭硝子公司产品。

所述温度控制系统的工作原理是：

首先，所述采集单元12采集化学机械研磨过程中的研磨垫11的温度信息并反馈给所述控制单元13；在此，研磨垫11处于研磨状态；

之后，所述控制单元13根据所述研磨垫11的温度信息控制所述执行单元14的工作状态；所述执行单元14的工作状态包括是否启动运行；

最后，当所述研磨垫11的温度超过预设值时，所述执行单元14便启动以对所述研磨垫11进行降温处理，以使所述研磨垫11的温度保持在预定范围内。

本实施例提供的温度控制系统通过采集单元12获取研磨过程中的研磨垫11的温度信息，并通过控制单元13根据所述研磨垫的温度信息控制执行单元14对研磨垫11进行降温，从而实现了对研磨垫温度的实时在线控制，使研磨垫的温度能够始终稳定在最佳的范围内，在该最佳的范围内，研磨液的化学反应特性最佳，使晶圆表面的平坦化效果更佳。

在一种实施方式中，所述温度控制系统的工作过程为：

步骤1：通过所述控制单元13设置所述研磨垫11的温度上限值；例如，所述控制单元13内存储有研磨垫的温度上限值；

步骤2：所述采集单元12将采集到的化学机械研磨过程中的所述研磨垫11的温度信息实时发送给所述控制单元13；

步骤3：所述控制单元13将所述研磨垫11的温度信息进行解析，获得研磨垫11的实际温度值，并判断所述实际温度值是否超过所述温度上限值；若所述实际温度值超过所述温度上限值，所述控制单元13控制所述执行单元14启动，以对研磨垫11进行降温处理；若所述实际温度值未超过所述温度上限值，所述控制单元13控制所述执行单元14不启动，即对研磨垫11不作降温处理。

可选的，所述执行单元14启动之后，即在对研磨垫11进行降温处理的过程中，还包括：

步骤4：所述控制单元13判断研磨垫11的实际温度值是否小于所述温度上限值；若所述实际温度值小于所述温度上限值，所述控制单元13控制执行单元14关闭；若所述实际温度值大于或等于所述温度上限值，所述执行单元14保持启动状态。

显然，降温后的所述研磨垫11的实际温度值低于所述温度上限值时，所述执行单元14关闭，那么，当所述研磨垫11的实际温度值再次高于所述温度上限值时，所述执行单元14再次启动，即重复执行上述步骤2至步骤4，便可实现对研磨垫11的温度的循环控制。

在另一种实施方式中，所述温度控制系统的工作过程为：

步骤11：通过所述控制单元13设置所述研磨垫11的温度上限值、温度下限值以及目标温度值；例如，所述控制单元13内存储有研磨垫的温度上限值、温度下限值和目标温度值；

步骤12：所述采集单元12将采集到的化学机械研磨过程中的所述研磨垫11的温度信息实时发送给所述控制单元13；

步骤13：所述控制单元13将所述研磨垫11的实际温度信息进行解析，获得所述研磨垫11的实际温度值，且当所述控制单元13判断所述实际温度值超过所述温度上限值时，所述控制单元13控制执行单元14启动以对研磨垫11进行降温，并保持执行单元14一直处于启动状态，以使研磨垫11的实际温度维持在所述目标温度值附近。

步骤11中的目标温度值为降温处理所要达到的温度值，且所述目标温度值在所述温度上限值和所述温度下限值之间，比如50℃。所述温度上限值可以是75℃，所述温度下限值可以是30℃。

进一步的，图3为本发明一优选实施例提供的温度控制系统的结构示意图，如图3所示，所述采集单元12为四个，每个所述采集单元12为一个温度探头(即温度传感器)，四个温度探头分别是第一温度探头121、第二温度探头122、第三温度探头123和第四温度探头124，且所述执行单元14包括冷却设备141和管道142。

其中，所述第一温度探头121可通过通讯电缆151与控制单元13通讯连接；所述第二温度探头122可通过通讯电缆152与控制单元13通讯连接；所述第三温度探头123可通过通讯电缆153与控制单元13通讯连接；所述第四温度探头124可通过通讯电缆154与控制单元13通讯连接。

上述温度探头可以为热敏电阻式温度传感器，也可以为红外线式温度传感器。热敏电阻的阻值会随探测目标温度的变化而发生相应变化，可根据热敏电阻阻值的变化信号获得探测目标的温度信息。红外线温度探头可包括激光器和红外线温度探测器，所述激光器向探测目标发射红外线，所述红外线温度探测器接收红外线反射回的光波，从而获得探测目标的温度信息。

所述冷却设备141可通过通讯电缆16与控制单元13通讯连接。所述管道142的一端与冷却设备141接通，另一端位于研磨垫11之上，并与研磨垫11之间设置有一间距。在一实施例中，所述冷却设备141为一液体制冷机，且冷却液装于液体制冷机内，以提供低温的所述冷却液对研磨垫11进行降温。

结合图3来说，所述温度控制系统的工作过程为:

步骤21：通过控制单元13设置研磨垫的温度上限值；

步骤22：所述第一温度探头121将采集到的所述研磨垫11的第一温度信息发送给控制单元13，所述第二温度探头122将采集到的所述研磨垫11的第二温度信息发送给控制单元13，所述第三温度探头123将采集到的所述研磨垫11的第三温度信息发送给控制单元13，所述第四温度探头124将采集到的所述研磨垫11的第四温度信息发送给控制单元13；此处各个温度探头采集温度信息的过程不分先后顺序；

步骤23：所述控制单元13将所述第一温度信息、第二温度信息、第三温度信息以及第四温度信息分别进行解析，并将解析获得的四个温度值取平均值得到一个探测温度值，所述控制单元13判断该探测温度值是否大于前述温度上限值，若该探测温度值大于温度上限值，所述控制单元13控制冷却设备141启动，以向研磨垫11提供其内置经过冷却的冷却液；

步骤24：随着研磨垫11的温度逐渐下降，且当所述控制单元13判断所述探测温度值低于所述温度上限值时，所述控制单元13控制冷却设备141停止工作。

同样的道理，当所述研磨垫11的探测温度值再次大于所述温度上限值时，重复执行上述步骤22至步骤24，便可实现对研磨垫11温度的循环控制。

前述步骤24还可以由步骤241代替，具体的，步骤241为：

随着所述研磨垫11的温度逐渐下降，且当所述控制单元13判断所述研磨垫11的探测温度值等于所述目标温度值时，所述控制单元13控制冷却设备141持续工作，以使所述研磨垫11的探测温度值等于所述目标温度值。

步骤241中的目标温度值为冷却设备141内置冷却液的温度值，且所述目标温度值在所述温度上限值和所述温度下限值之间。

本实施例提供的温度控制系统，提供了多种温度探头的选择方案，是温度探头的选择更具灵活性，并采用多个温度探头分别在不同位置采集温度信息，使获得的温度更接近真实情况；同时，本实施例采用了对冷却液进行降温的方式，使降温方式更具多样性。

除了液体制冷剂外，所述冷却设备141还可以为一空气压缩机，其冷却物质为气体。空气压缩机在目前的市场上已大量存在，其可实现对输出气体温度的精确控制，并能根据需要设定温度值或温度范围，该空气压缩机可在市场上选购，也可向厂家定制，因此，易于实施，成本低。此外，若以液体制冷机作为冷却设备141，其冷却物质为液体。液体制冷机在目前的市场上已大量存在，其可实现对内置液体温度的精确控制，并能根据需要设定温度值或温度范围，该液体制冷机可在市场上选购，也可向厂家定制，同样易于实施且使用成本低。

本实施提供的温度控制系统，既可以通过气体，也可以通过液体对研磨垫进行冷却，冷却方式更具多样性。

需要说明的是，所述控制单元13可以是一般的温度控制器，可根据需要设定温度控制的上限值和下限制，并输出高低电平对采集单元12和执行单元13进行控制；或可通过移动端程序或控制器本身的人机交互面板对温度进行设定。所述温度上限值可以为75℃，所述温度下限值可以为30℃，即研磨垫的温度可以控制在30℃至75℃之间。

进一步的，本实施例还提供了一种化学机械研磨机台，如图4所示，其包括研磨垫11以及本实施例的温度控制系统403。由于本实施例的化学机械研磨机台包括本实施例的温度控制系统403，故而由本实施例的温度控制系统带来的有益效果请相应参考上述实施例。

其中，所述研磨垫11以真空吸附或粘附的方式设置在研磨台上401。所述研磨台401可以转动。所述化学机械研磨机台还包括研磨头402，所述研磨头402设置在所述研磨台401的上方并可移动和转动，所述研磨头402用于压住晶圆使之与研磨垫11相互作用进行研磨。

最后，本发明的较佳实施例如上所述，但不限于上述实施例所公开的范围，例如，温度探头的数量可以是1个，也可以多个，其多个不限于4个，还可以是5个、6个或更多个，并均匀分布在研磨垫周围。此外，当采集单元为多个时，多个采集单元优选对称设置在研磨垫周围。

综上所述，本发明提供的温度控制系统及温度控制方法，通过采集单元获取温度信息，控制单元根据所述温度信息控制执行单元执行温度控制工作，从而实现了对化学机械机台之研磨垫温度的控制，使化学机械机台之研磨垫的温度稳定在一定的数值范围内，从而使晶圆的平坦化效果更佳。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种温度控制系统，适用于化学机械研磨，其特征在于，包括依次通讯连接的采集单元、控制单元以及执行单元；其中，

所述采集单元用于采集化学机械研磨过程中的研磨垫的温度信息并反馈给所述控制单元；所述控制单元用于根据所述研磨垫的温度信息控制所述执行单元的工作状态；所述执行单元用于对所述研磨垫进行降温处理，以使所述研磨垫的温度保持在预定范围内。

2.如权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，所述执行单元包括冷却设备和管道，所述管道的一端与所述冷却设备连接，另一端位于所述研磨垫的一侧；所述冷却设备用于提供冷却物质，所述管道用于将所述冷却物质输送至所述研磨垫。

3.如权利要求2所述的温度控制系统，其特征在于，所述冷却物质为冷却液。

4.如权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，所述采集单元为温度传感器。

5.如权利要求4所述的温度控制系统，其特征在于，所述采集单元为多个，多个所述采集单元对称设置在所述研磨垫周围。

6.如权利要求5所述的温度控制系统，其特征在于，所述温度传感器为热敏电阻式或红外线式温度传感器。

7.如权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，所述预定范围为30℃～75℃。

8.一种温度控制方法，适用于化学机械研磨，其特征在于，包括：

采集单元采集化学机械研磨过程中的研磨垫的温度信息；

控制单元根据所述研磨垫的温度信息控制执行单元对所述研磨垫进行降温处理，以使所述研磨垫的温度保持在预定范围内。

9.如权利要求8所述的温度控制方法，其特征在于，所述根据所述研磨垫的温度信息控制执行单元对所述研磨垫进行降温处理的步骤包括：向所述研磨垫提供冷却物质，以对所述研磨垫进行降温处理。

10.一种化学机械研磨机台，其特征在于，包括研磨垫以及如权利要求1-7中任一项所述的温度控制系统。