CN108188933A

CN108188933A - 一种化学机械抛光垫的修整设备的结构及其制造方法

Info

Publication number: CN108188933A
Application number: CN201711412687.XA
Authority: CN
Inventors: 左洪波; 杨鑫宏; 李岩; 李铁; 王芳
Original assignee: Harbin Qiuguan Photoelectric Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Harbin Qiuguan Photoelectric Science & Technology Co Ltd
Priority date: 2017-12-24
Filing date: 2017-12-24
Publication date: 2018-06-22

Abstract

本发明涉及一种化学机械抛光垫的修整设备的结构及其制造方法。这套设备包括带螺纹通孔的修整盘底座、带不同直径或密度磨粒的基柱、水平测定盘、连杆和悬臂。修整盘表面由四个研磨单元构成，每个研磨单元又由多个基柱构成，每个基柱上面有磨粒。带磨粒的基柱可以旋入底座的通孔，并可调节露出磨料最高点的高低程度。磨粒由电化学方法固定在基柱表面。整个修整盘的磨粒高度可由一个水平测定盘测定后，才可应用到抛光垫的修整操作。此修整盘可以通过不同的基柱的组合，调节盘中磨粒的密度、磨粒的直径的分布，控制修整盘对抛光垫的抛光速率与磨损程度，可以有效地修整抛光垫。

Description

一种化学机械抛光垫的修整设备的结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及化学机械抛光领域，尤其是抛光垫的修整器的制造方法。

背景技术

化学机械抛光(Chemical Mechanical Planarization, CMP)是目前半导体晶片表面平坦化工艺中最重要的技术。在CMP工艺中，抛光垫和抛光液相互结合，以一定的方式除去多余的材料，从而完整平面化或保持平坦度，以便接纳下一层材料。这些层以一定的方式堆叠结合起来，形成集成电路。随着半导体器件的越来越小型化的发展趋势，要求更多数量的金属化层次，这些越来越小的线路间距，对CMP消耗品(抛光液和抛光垫)的要求更高。抛光垫子是将抛光液稳定均匀地输送到晶片与抛光垫之间，在化学蚀刻与机械磨削两者相互作用下，去除芯片或器件表面多余的材料层。

为了达到晶片加工量产的需求以及维持质量的稳定性，必须利用修整器在化学机械抛光中适时地对抛光垫进行修整，这主要是为了移除表面的抛光副产物，恢复抛光垫的粗糙面，改善其容纳浆料的能力，恢复抛光垫表面的孔洞和把持、运动抛光液的能力，如此可以节约抛光垫成本。目前，大部分的抛光垫修整器表面都是将磨料颗粒用金属耦合材料经过高温钎焊或烧结直接耦合到修整盘上，由于钎焊或烧结要经过高温加工过程，盘体会热应力变形，从而使得工作面上的磨料颗粒最高点经常不在同一水平线上，影响到修整器工作面的平面度，可以影响到抛光垫的修整效果。为了避免工作面不平整在晶片上产生划痕，需要一种抛光垫修整器，既可以调节磨料的密度和分布，又可以调节磨料的最高点，使得磨料在同一工作面上避免划痕，保证化学机械抛光的质量。

发明内容

本发明的目的是提供一套磨料的最高点可以调节，且修整盘表面的磨料的密度和直径大小可以调节的化学机械抛光垫的修整设备的结构。

本发明的目的是这样实现的：它包括抛光垫9、机械传动机构10、抛光头11、修整盘支架、抛光液喷头12、抛光液罐14和电源15，修整盘安装在修整盘支架上，修整盘支架包括悬臂、连杆、修整盘联接器，修整盘联接器8通过连杆7连接悬臂6，抛光头11连接机械传动机构10，抛光头11、抛光液喷头12和修整盘联接器8设置在抛光垫9上方，修整盘的中心与抛光头11的中心在同一个圆周上，圆周的圆心与抛光垫9的圆心重合，抛光头11带动抛光垫9同时运动，抛光液喷头通过电动阀门13连接抛光液罐14，修整盘包括底座和基柱，修整盘的底座5上设置有四个研磨单元，每一个研磨单元设置有相同的基柱通孔；基柱装配入底座的带螺纹的基柱通孔内，电动阀门13、机械传动机构10连接电源15。修整盘的基柱的侧面设置有螺纹3，上端面设置有镍层2，镍层2上有磨粒1，下端面设置有十字花4；基柱上设置有密度和直径大小都相同的金刚石层，金刚石层的最高点在同一水平工作面上。

本发明的另一目的是提供一套磨料的最高点可以调节，且修整盘表面的磨料的密度和直径大小可以调节的化学机械抛光垫的修整设备的结构的制造方法。它的步骤包括：首先制备带螺纹的基柱，并在基柱上表面电镀固定磨料层；然后制备有螺纹的基柱通孔的修整盘的底座；再制备一个中心有液泡的水平测定盘；最后制备水平悬臂、连杆和修整盘联接器，组成一套可以修整抛光垫的设备。

本发明还有这样一些特征：

1、所述的基柱的直径1 ~ 3 cm，螺纹的间距是0.4 mm, 上表面镍层厚度是0.5~1 mm。

2、电镀液是磨料与镍的混合电镀液，利用在基柱上表面电镀镍，将磨料包裹在镍层中。磨料在基柱上表面的直径和密度，可由电解液中磨料的直径大小和悬浮密度调节。电解液中镍离子的浓度 0.1 M，硼酸的浓度0.01 M，磨粒的分散浓度范围是 50 ~ 200 mg/ml。

3、所述的修整座底座带有与基柱直径相同的带螺纹的基柱通孔，基柱可以旋入；基柱通孔分为四个研磨单元。每个研磨单元有相同数目的通孔，每个通孔的直径与基柱相同；修整座底盘与基柱是相同的金属材质。

4、所述的水平测定盘的气泡的直径是2 cm，水平测定盘的直径最小可以覆盖整个修整盘的基柱整体。

5、抛光液的供应管路独立，修整过程中利用喷管喷淋在抛光垫上。

6、基柱的材料可以是铁、钢、镍等硬质常用金属或合金。金属基柱侧面加工成螺纹，下表面有螺栓的十字花槽，上表面不加工，但保持平整。

7、磨料可以是硬度大的金刚石，碳化硅，氮化硼和氧化铝的微米级大小的粒子。

8、水平测定盘中心部分是液体上面有一个空气泡，水平板的材质可以是金属、合金、塑料或陶瓷中的任意一种材质。

9、悬臂、连杆、修整盘联接器之间通过螺纹联接，各个器件的材质相同。

本发明的有益效果有:

1. 在此抛光垫修整器的修整盘表面，磨粒的密度、磨粒的种类和直径大小和修整速率和磨损度，都可以通过利用不同基柱进行调节，可以适应抛光垫不同的需要。

2. 基柱通过螺纹与抛光盘底座上的通孔独立联接，可以简单地调节每个基柱表面露出的高度，且基柱间不相互影响。

3. 通过观察水平测定盘的气泡与中心的距离，可以保证修整磨粒的最高点在同一水平面上，适合未来半导体器件平整化的要求。

4. 抛光垫的修盘器可以方便地更换磨损的基柱，其它的基柱还可以继续使用，可以减少更换整体修整盘的次数，保证生产质量的同时，降低生产成本。

附图说明

图1为本发明化学机械抛光垫的修整设备的结构示意图；

图2为基柱的结构示意图；

图3为基柱的上端结构示意图；

图4为基柱的下端结构示意图；

图5为修整盘俯视图；

图6为修整盘AA面剖面的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

结合图1-6，本实施例包括抛光垫9、机械传动机构10、抛光头11、修整盘联接器8、悬臂6、抛光液喷头12、抛光液罐14和电源15，修整盘安装在修整盘支架上，修整盘支架包括悬臂、连杆、修整盘联接器，修整盘联接器8通过连杆7连接悬臂6，抛光头11连接机械传动机构10，抛光头11、抛光液喷头12和修整盘联接器8设置在抛光垫9上方，修整盘的中心与抛光头11的中心在同一个圆周上，圆周的圆心与抛光垫9的圆心重合，抛光头11带动抛光垫9同时运动，抛光液喷头通过电动阀门13连接抛光液罐14，修整盘包括底座和基柱，修整盘的底座5上设置有四个研磨单元，每一个研磨单元设置有相同的基柱通孔；基柱装配入底座的带螺纹的基柱通孔内，电动阀门13、机械传动机构10连接电源15。修整盘的基柱的侧面设置有螺纹3，上端面设置有镍层2，镍层2上有磨粒1，下端面设置有十字花4；基柱上设置有密度和直径大小都相同的金刚石层，金刚石层的最高点在同一水平工作面上。

本实施例方法步骤包括：首先，是基柱本体的机械加工工作，完成基柱的侧面螺纹3与下底面的十字花4。然后，将多个基柱拧穿过一张特氟龙板，仅仅露出上表。利用导线和锡焊焊接将特氟龙板另一面的多个基柱联接在一起，并将各个导线形成一根总线，将导线的总线联接恒流电源的负极。保持露出的基柱上表面浸入电解液，电解液中的镍离子浓度是0.1 M (其它离子成分略)。磨料1选用金刚石微粉，直径范围10 ~ 30 µm, 电解液中的金刚石微粉浓度是 100 mg/ml，电解槽加热至40^oC, 并不断搅拌，使得金刚石微粉悬浮均一。镍片经过丙酮、乙醇和去离子的超声清洗，去除表面的有机物层。清洗过的镍片联接恒流电源的阳极。在电流密度0.5 A/m²的状态下，在基柱上电镀形成镍层2的同时，将金刚石微粉固定在基柱的上表面。改变电解液中金刚石微粉的悬浮浓度，重复上述的电镀过程，可以得到表面金刚石密度不同的多种基柱。改变电解液中的钻石直径范围的大小，并重复上述过程，可以改变基柱表面金刚石的直径大小的范围。

完成有不同金刚石层固定的基柱的制备后，需要制备修整盘的底座5。在底座5上，制备四个结构单元，每一个单元有相同的基柱通孔数目。利用螺丝刀将基柱装配入底座的带螺纹的通孔内，基柱上的金刚石层的密度和直径大小都相同，修整盘上通孔全部填满。再将水平测定盘放置金刚石层的表面，调整水平盘下面的基柱露出的部分，当水平板上的气泡处于中心点时，可以认为基柱表面的金刚石层的最高点在同一水平工作面上。将修整盘组装到联接器8上，整体联接连杆7与悬臂6，调节连杆7悬臂6的位置，使得修整盘接触并压紧抛光垫。开动电动阀门后，抛光液以一定的速率流出，滴到抛光垫9上。打开机械传动装置10的电源，使得抛光头11 做圆周运动。修整盘的中心与抛光头11的中心在同一个圆周上，这个圆周的圆心与抛光垫9的圆心重合，保证抛光垫9可以被及时的修整。当抛光头11运动时，带动下面的抛光垫9同时运动。这就使得抛光垫9与修整盘之间有相互运动，实现了对抛光垫的打磨修整。当修整盘基柱上的金刚石层有磨损时，可以通过更换基柱并重新水平校准后，继续进行抛光垫的修整工作。

在进行抛光垫修整的工作时，有时需要兼顾抛光垫的切削速率与磨损率。这种情况下，需要不同粒径的金刚石颗粒作为磨料。颗粒大的金刚石，切削性能优异，但是不耐磨损。另一方面，颗粒小的金刚石，切削性能较差，但是耐磨性能优异。将两者装载到同一修整盘上，可以满足上述的兼顾要求。在利用基柱组装修整盘时，靠近中心的位置，利用了金刚石直径较大的基柱。而修整盘周边的位置，利用了金刚石直径较小的基柱。因此，金刚石密度的分布是规律是从中心向外边逐渐变大。这样做使得修整盘内圈的切削能力好，外圈耐磨性较好。让抛光液喷头12喷出抛光液，然后开动机械传动装置10，使得抛光头11运动，并带动抛光垫9旋转运动，抛光垫9与修整盘相互运动。实现了对抛光垫的打磨修整。不同直径的金刚石同时使用，可以使得修整器的切削速度和磨耗率得到有效地控制。利用本修整盘可以得到较好的修整效果。

Claims

1.一种化学机械抛光垫的修整设备的结构，其特征在于它包括抛光垫、机械传动机构、抛光头、修整盘支架、抛光液喷头、抛光液罐和电源，修整盘安装在修整盘支架上，修整盘支架包括悬臂、连杆、修整盘联接器，修整盘联接器通过连杆连接悬臂，抛光头连接机械传动机构，抛光头、抛光液喷头和修整盘联接器设置在抛光垫上方，修整盘的中心与抛光头的中心在同一个圆周上，圆周的圆心与抛光垫的圆心重合，抛光头带动抛光垫同时运动，抛光液喷头通过电动阀门连接抛光液罐，修整盘包括底座和基柱，底座带有与基柱直径相同的基柱通孔，基柱旋入底座的带螺纹的基柱通孔内，电动阀门、机械传动机构连接电源。

2.根据权利要求1所述的一种化学机械抛光垫的修整设备的结构，其特征在于所述的修整盘的基柱的侧面设置有螺纹，上端面设置有镍层，镍层上有磨粒，下端面设置有十字花；基柱上设置有密度和直径大小都相同的金刚石层，金刚石层的最高点在同一水平工作面上；基柱的直径1 ~ 3 cm，螺纹的间距是0.4 mm，镍层厚度是0.5~1 mm。

3.根据权利要求2所述的一种化学机械抛光垫的修整设备的结构，其特征在于所述的底座上设置有四个研磨单元，每一个研磨单元设置有相同的基柱通孔，每个基柱通孔的直径与基柱相同。

4.根据权利要求3所述的一种化学机械抛光垫的修整设备的结构，其特征在于所述的水平测定盘的气泡的直径是2 cm，水平测定盘的直径最小可以覆盖整个修整盘的基柱整体。

5.根据权利要求1所述的一种化学机械抛光垫的修整设备的结构的制造方法，其特征在于它的步骤包括：首先制备带螺纹的基柱，并在基柱上表面电镀固定磨料层；然后制备有螺纹的基柱通孔的修整盘的底座；再制备一个中心有液泡的水平测定盘；最后制备水平悬臂、连杆和修整盘联接器，组成一套可以修整抛光垫的设备。

6.根据权利要求5所述的一种化学机械抛光垫的修整设备的结构的制造方法，其特征在于所述的电镀液是磨料与镍的混合电镀液，利用在基柱上表面电镀镍，将磨料包裹在镍层中；磨料在基柱上表面的直径和密度，可由电解液中磨料的直径大小和悬浮密度调节；电解液中镍离子的浓度 0.1 M，硼酸的浓度0.01 M，磨粒的分散浓度范围是 50 ~ 200 mg/ml。

7.根据权利要求6所述的一种化学机械抛光垫的修整设备的结构的制造方法，其特征在于所述的磨料是硬度大的金刚石，碳化硅，氮化硼和氧化铝的微米级大小的粒子。