CN1080619C - 化学机械研磨机台 - Google Patents

Abstract

一种化学机械研磨机台，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，用以刮平研磨垫的表面，去除残留在研磨垫上的杂质，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。

Description

化学机械研磨机台及其调节刷结构

本发明涉及一种化学机械研磨机台，特别是涉及一种化学机械研磨机台上的履带式调节刷结构。

在半导体制造工艺技术中，表面平坦化是处理高密度光刻的一项重要技术，因为没有高低落差的平坦表面才能避免曝光散射，而形成精密的图案转移(pattern transfer)。平坦化技术主要有旋涂式玻璃法(Spin-OnGlass-SOG)与化学机械研磨法(CMP)等两种，但在半导体制造工艺技术进入毫微米(sub-half-micron)之后，旋涂式玻璃法已无法满足所需求的平坦度，所以化学机械研磨技术是现在唯一能提供超大型集成电路(Very-LargeScale Integration-VLSI)，甚至极大型集成电路(Ultra-Large ScaleIntegration-ULSI)制造工艺，“全面性平坦化(global planarization)”的一种技术。

请同时参照图1A与图1B，其分别绘出一种现有化学机械研磨机台(Chemical-Mechanical Polishing-CMP)的俯视与侧视图。其中包括：一研磨台(polishing table)10；一握柄(holder)11，用以抓住被研磨的晶片12；一研磨垫13(polishing pad)，铺在研磨台10上；一管件14(tube)，用以输送研磨液15(slurry)到研磨垫13上；一液泵16，用以将研磨液15抽送到管件14中；以及一调节刷(Conditioner)17，用以刮平研磨垫13的表面。当进行化学机械研磨时，研磨台10与握柄11分别沿一定的方向旋转，如图中箭号18a与18b所示，且握柄11抓住晶片12的背面19，将晶片12的正面20压在研磨垫13上。管件14将液泵16所打进来的研磨液15，持续不断地供应到研磨垫13上。所以，化学机械研磨程序就是利用研磨液15中的化学试剂，在晶片12的正面20上产生化学反应，使之形成一易研磨层，再配合晶片12在研磨垫13上由研磨液15中的研磨粒(abrasive particles)辅助的机械研磨，将易研磨层的凸出部分研磨，反覆上述化学反应与机械研磨，即可形成平坦的表面。基本上，化学机械研磨技术是利用机械抛光的原理，配合适当的化学试剂(reagent)与研磨粒，将表面高低起伏不一的轮廓，同时加以“抛光”的平坦化技术。

上述现有化学机械研磨机台的缺点在于，传统的调节刷17无法有效且均匀地刮平研磨垫13的表面。请参照图2A，其绘出现有第一种化学机械研磨机台的俯视图与侧视图。此机台的型号为IPEC-472，其中有一研磨垫30，其位于研磨台32上，在研磨垫30上有晶片34与调节刷36等结构，当晶片34被研磨时，调节刷36会以箭头方向38做来回反覆的运动，用以刮平研磨垫30的表面。又，请参照图3A和图3B，其绘出现有第二种化学机械研磨机台的俯视图与侧视图。此机台的型号为AMAT-Mirra，其中有一研磨垫40，其位于研磨台42上，而研磨垫40上有晶片44与调节刷46等结构。当晶片44被研磨时，调节刷46会以箭头方向48做来回反覆的运动，用以刮平研磨垫40的表面，然后，再参照图4，其绘出上述两种化学机械研磨机台调节刷的刮平轨迹示意图。可以看到，刮平的轨迹分布得并不均匀，有些部分几乎没有被刮磨，容易产生弱刮的现象(under conditioning)，例如在空白轨迹54处。有些部分则因容易重复刮磨，而产生过刮的现象(overconditioning)，例如在轨迹交点56处。只有少数地方才有正常的刮平情形(normal conditioning)，例如在轨迹52处。

接着，请参照图5A和图5B，其绘出现有第三种化学机械研磨机台的俯视图与侧视图。此机台的型号为SpeedFam Auriga，其中有研磨垫60，其位于研磨台62上，而在研磨垫60上有晶片64与调节刷66等结构。此处调节刷66的结构例如为钻石环(diamond ring)。当晶片64被研磨时，调节刷66会在研磨台62的周缘运动，用以刮平研磨垫60的表面。再参照图6，其绘出图5A和图5B调节刷的刮平结果示意图。其中，横轴的单位为公分(cm)，可以看到，调节刷66刮过一段时间之后，在研磨台62上的研磨垫60的剖面(pad profile)高低落差会很大，例如研磨垫60的中央部分较高，边缘部分研磨较低。如此一来，晶片64的研磨也会跟着不均匀，例如晶片64中央部分会被研磨较多，而边缘部分被研磨较少。

接着，请参照图7A和图7B，其绘出现有第四种化学机械研磨机台的俯视图与侧视图。此机台的型号为Cybeq-IP8000，其中有研磨垫70，其位于研磨台72上，在研磨垫70上有晶片74与调节刷76等结构。当晶片74被研磨时，调节刷76会在研磨台72的周缘运动，用以刮平研磨垫70的表面。再参照图8，其绘出图7A和图7B的调节刷的刮平结果示意图。可以看到，刮过一段时间之后的研磨垫剖面78高低落差很大，如此一来，晶片74的研磨也会跟着不均匀，例如晶片74中央部分会被研磨较少，而边缘部分则被研磨较多(此情形与上述的结构相反)。

综上所述，不论是现有哪种型号的调节刷结构，因为刮平轨迹结果分布都不均匀(如图4所示)，因此都具有刮磨不均匀的缺点。只要使用一段时间，就会造成研磨垫的剖面很差，高低落差非常明显(如图6与图8所示)。如此一来，晶片的研磨也会跟着不均匀，严重降低化学机械研磨的质量与效果。

本发明的目的是提供一种化学机械研磨机台，引进一种改进的履带式调节刷结构，其具有钻石履带以及履带内的多个轴向平行排列的滚轮，其中钻石履带以一固定速率转动，且会带动滚轮跟着转动。所以，可以使调节刷的刮平轨迹非常均匀，且调节刷使用一段时间后，研磨垫的剖面也会维持得较平坦。

本发明的另一目的是提供一种化学机械研磨机台，其具有履带式调节刷结构，且在此调节刷结构上，还包括有一清洗装置，其可以在调节刷进行刮平动作的同时，进行冲洗调节刷的步骤，将残留在履带上的杂质去除，提高调节刷的刮除质量。

本发明的目的是这样实现的，即提供一种化学机械研磨机台，该机台包括：一研磨台，以一固定方向旋转；一研磨垫，设于该研台上；一握柄，用以抓住一晶片的背面，将该晶片的正面压在该研磨垫上；一履带式调节刷，置于该研磨垫上，用以刮平该研磨垫的表面，去除残留在该研磨垫上的杂质；以及一管件，置于该研磨垫上方，用以输送一研磨液至该研磨垫上。其中，还包括一液泵，连接于管件的管件柄上，用以将研磨液抽送到管件中。

本发明还提供一种用于化学机械研磨机台的调节刷结构，该调节刷结构包括：一长轴主体；一履带，包覆于该长轴主体的外侧，以一固定速率转动；复数个滚轮，该各滚轮的轴向平行排列，该各滚轮位于该履带内侧且与该履带接触，该各滚轮会被该履带带动而跟着转动；以及复数个硬颗粒，分布于该履带的表面，用以刮平该研磨垫的表面，去除残留在该研磨垫上的杂质。

上述履带式调节刷的结构为本发明的特点，其为一长条型的结构，包括：一长轴主体结构；一履带，例如为皮带，包覆于长轴结构的外侧，以一固定速率转动；多个滚轮，滚轮的轴向均平行排列，其位于履带内侧且与履带接触，所以，滚轮会被履带带动而跟着转动；一转动驱动器，位于长轴主体结构上，用以驱动履带的转动；以及在履带的外侧表面有多个硬颗粒，例如为碎钻石颗粒，用以刮平研磨垫的表面，去除残留在研磨垫上的杂质。此外，还包括一清洗装置，其装设于履带式调节刷远离研磨垫的一端，用以清洗残留在履带上的杂质。此清洗装置包括一清洗刷与一喷水器，可同时提供清洗的功能。其中，清洗刷与履带的表面相接触，而喷水器用以喷出所需的清洗液，喷至清洗刷与履带之间的接触面。

本发明装置的优点在于，其设有调节刷结构，可使刮平轨迹非常均匀，提高化学机械研磨的质量及效果。

下面结合附图，详细说明本发明的实施例，其中：

图1A为现有一种化学机械研磨机台整体结构的俯视图；

图1B为现有一种化学机械研磨机台整体结构的侧视图；

图2A和图2B为现有第一种化学机械研磨机台的俯视图与侧视图；

图3A和图3B为现有第二种化学机械研磨机台的俯视图与侧视图；

图4为现有第一种与第二种化学机械研磨机台调节刷的刮平轨迹示意图；

图5A和图5B为现有第三种化学机械研磨机台的俯视图与侧视图；

图6为现有第三种化学机械研磨机台调节刷的刮平结果示意图；

图7A和图7B为现有第四种化学机械研磨机台的俯视图与侧视图；

图8为现有第四种化学机械研磨机台调节刷的刮平结果示意图；

图9为本发明的一较佳实施例，一种化学机械研磨机台中调节刷的侧视图；

图10为本发明的一较佳实施例，一种化学机械研磨机台中调节刷的俯视图；

图11为本发明的一较佳实施例，一种化学机械研磨机台中调节刷的刮平轨迹示意图；

图12为本发明的一较佳实施例，一种化学机械研磨机台中调节刷的刮平效果剖面示意图。

本发明的特点在于，引进一新的调节刷结构，用以改进现有调节刷的缺点。其为一长条型结构，具有钻石履带以及履带内的多个轴向平行排列的滚轮，其中，钻石履带以一固定速率转动，且会带动滚轮跟着转动。所以，调节刷的每个部位的刮磨与力量可以均等，使刮平轨迹非常均匀。此外，本发明还引进一清洗装置，提供同时清洗的功能(insitu-cleaning)，其可以在调节刷进行刮平动作的同时，进行冲洗调节刷的步骤，将残留在履带上的杂质去除，提高调节刷的刮平质量。

请参照图9与图10，其为本发明的一较佳实施例，一种化学机械研磨机台中调节刷的俯视图与侧视图。本发明的化学机械研磨机台中，部分结构与现有图1A的结构相同，以相同的标号表示，本发明结构包括：一研磨台84；一握柄11(如图1A与图1B所示)，用以抓住被研磨的晶片12(如图1B所示)；一研磨垫82，铺在研磨台84上；一管件14(如图1A与图1B所示)，其置于研磨垫82上方，用以输送研磨液15到研磨垫82上；一液泵16，用以将研磨液15抽送到管件14中(如图1A与图1B所示)。

本发明的特点在于调节刷结构的改进，例如为履带式调节刷80，其与现有的结构完全不同，可用以有效且均匀地刮平研磨垫82的表面，详细结构描述如下。如图9与图10所示，其为一长条型(linear)的结构，此结构包括：首先，提供一长轴主体结构81，其为履带式调节刷80的主支杆，用以连接其他所有的元件结构，其长度约大于被研磨的晶片直径。然后，一履带86，例如皮带，其包覆于长轴主体结构81的外侧，以一固定速率转动，转动方向如箭头83所示。在履带86上分布有许多硬颗粒85，例如为碎钻石颗粒，都分布且布满于履带86的外表面，用以刮平研磨垫82的表面，去除残留在研磨垫82上的杂质。接着，还包括多个滚轮88，滚轮88的轴向均平行排列，其位于履带86内侧且与履带86相接触，所以，滚轮88会被履带86带动而跟着转动。此外，还有转动驱动器92，位于长轴主体结构81上，且位于履带86的内侧，例如位于长轴主体结构81的两端，可用以驱动履带86的转动。

本发明除了履带式调节刷80的主要部分以外，还可以包括清洗装置98，其可装设于履带式调节刷80远离研磨垫82的一端，进行同步清洗的动作，用以清洗残留在履带86上的杂质。此清洗装置98包括清洗刷96(bursher)与喷水器94(water sprayer)。其中，清洗刷96与履带86的表面相接触，而喷水器94则用以喷出所需的清洗液，将清洗液喷至清洗刷96与履带86之间的接触面，然后再配合清洗刷96的动作而刷除履带86上的杂质。清洗装置98主要是可以在调节刷80进行刮平动作的同时，进行冲洗调节刷80的步骤，将残留在履带86上的杂质一并去除，提高节刷80的刮除质量。

接着，请参照图11，其为本发明的较佳实施例，利用调节刷进行刮平动作的结果轨迹示意图。其中，曲线100代表调节刷在进行刮平动作时，调节刷在研磨垫上所行经的路径。可以看到的是，此曲线100与现有的结果轨迹比较起来，没有相互交错之处，而且，路径与间隔也非常均匀整齐。既不容易产生弱刮的现象(under conditioning)，也不容易产生过刮的现象(overconditioning)，各处都维持在均匀的刮平情况下。因此，本发明的调节刷，可以保持研磨垫的平坦性与均匀性，达到较佳的刮平结果。此外，本发明调节刷80结构具有清洗装置98，可以在调节刷进行刮平动作的同时，进行冲洗调节刷的步骤，将残留在履带86上的杂质同时去除，提高节刷80的刮除质量。

再参照图12，其为本发明的一较佳实施例，利用调节刷进行刮平动作的剖面示意图。其中，横轴代表长度(单位为cm)，研磨垫104位于研磨台106上，晶片102位于研磨垫104上。当调节刷进行刮平动作一段时间之后，我们可以看到研磨垫104被耗损的程度，其表面剖面图如108所示，虽然会因损耗而凹陷，但是，在凹陷处也仍然可以维持良好的均匀性与平坦度。

综上所述，本发明所提出的化学机械研磨机台结构，具有以下的特点：

(1)本发明所提出的调节刷80结构，其具有钻石履带86以及履带内的多个轴向平行排列的滚轮88，其中钻石履带86以一固定速度转动，并会带动滚轮88跟着转动。所以，可以使调节刷80的刮平轨迹非常均匀。

(2)本发明所提出的调节刷80结构，其使用一段时间后，虽然研磨垫82的表面有耗损，但是研磨垫82的剖面仍然会维持得平坦与均匀。因此，不会影响晶片研磨的均匀性，提高化学机械研磨的质量与效果。

(3)本发明所提出的调节刷80结构，还包括有清洗装置98，其包括清洗刷96与喷水器94，可同时提供清洗的功能。在调节刷80进行刮平动作的同时，进行冲洗调节刷80的步骤，将残留在履带86上的杂质去除，提高调节刷80的刮平质量。

综上所述，虽然以上结合较佳实施例揭露本发明，然而其并非限定本发明，本领域技艺人员在不脱离本发明的精神和范围内，可作出各种更动与润饰，因此本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (20)

1.一种化学机械研磨机台，其特征在于，该机台包括：

一研磨台，以一固定方向旋转；

一研磨垫，设于该研磨台上；

一握柄，用以抓住一晶片的背面，将该晶片的正面压在该研磨垫上；

一履带式调节刷，置于该研磨垫上，用以刮平该研磨垫的表面，去除残留在该研磨垫上的杂质；以及

一管件，置于该研磨垫上方，用以输送一研磨液至该研磨垫。

2.如权利要求1所述的化学机械研磨机台，其特征在于，该履带式调节刷包括：

一长轴主体结构；

一履带，包覆于该长轴主体结构的外侧，以一固定速率转动；

复数个滚轮，该各滚轮的轴向平行排列，该各滚轮位于该履带内侧且与该履带接触，所以，该各滚轮会被该履带带动而跟着转动；以及

复数个硬颗粒，分布于该履带的表面，用以刮平该研磨垫的表面，去除残留在该研磨垫上的杂质。

3.如权利要求2所述的化学机械研磨机台，其特征在于，该履带式调节刷还包括一清洗装置，该清洗装置装设于该履带式调节刷远离该研磨垫的一端，用以清洗残留在该履带上的杂质。

4.如权利要求3所述的化学机械研磨机台，其特征在于，该清洗装置还包括一清洗刷，该清洗刷与该履带式调节刷的表面相接触。

5.如权利要求3所述的化学机械研磨机台，其特征在于，该清洗装置还包括一喷水器，用以喷出所需的清洗液到该清洗刷与该履带式调节刷之间的接触面。

6.如权利要求2所述的化学机械研磨机台，其特征在于，该履带式调节刷的该履带包括一皮带。

7.如权利要求2所述的化学机械研磨机台，其特征在于，该履带式调节刷的该各硬颗粒包括碎钻石颗粒。

8.如权利要求2所述的化学机械研磨机台，其特征在于，该履带式调节刷还包括一转动驱动器，位于该长轴主体结构上，用以驱动该履带。

9.如权利要求1所述的化学机械研磨机台，其特征在于，还包括一液泵，连接于该管件的该管件柄上，用以将该研磨液抽送到该管件中。

10.如权利要求1所述的化学机械研磨机台，其特征在于，该履带式调节刷为一长条型。

11.如权利要求1所述的化学机械研磨机台，其特征在于，该履带式调节刷的长度约大于该晶片的直径。

12.一种用于化学机械研磨机台的调节刷结构，其特征在于，该调节刷结构包括：

一长轴主体；

一履带，包覆于该长轴主体的外侧，以一固定速率转动；

复数个滚轮，该各滚轮的轴向平行排列，该各滚轮位于该履带内侧且与该履带接触，该各滚轮会被该履带带动而跟着转动；以及

复数个硬颗粒，分布于该履带的表面，用以刮平该研磨垫的表面，去除残留在该研磨垫上的杂质。

13.如权利要求12所述的调节刷结构，其特征在于，还包括一清洗装置，该清洗装置装设于该履带式调节刷远离该研磨垫的一端，用以清洗残留在该履带上的杂质。

14.如权利要求13所述的调节刷结构，其特征在于，该清洗装置还包括一清洗刷，该清洗刷与该履带的表面相接触。

15.如权利要求13所述的调节刷结构，其特征在于，该清洗装置还包括一喷水器，用以喷出所需的清洗液到该清洗刷与该履带之间的接触面。

16.如权利要求12所述的调节刷结构，其特征在于，该长轴主体为一长条型。

17.如权利要求12所述的调节刷结构，其特征在于，该长轴主体的长度约大于一被研磨的晶片直径。

18.如权利要求12所述的调节刷结构，其特征在于，该履带包括一皮带。

19.如权利要求12所述的调节刷结构，其特征在于，该硬颗粒包括碎钻石颗粒。

20.如权利要求12所述的调节刷结构，其特征在于，还包括一转动驱动器，位于该长轴主体上，用以驱动该履带。

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