CN108604549B - 用于化学抛光的系统、装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例提供一种使用流体网络平板组件的用于化学抛光基板的系统、装置和方法，所述流体网络平板组件包含：垫，所述垫具有多个流体开口；多个流体通道的网络，每个通道与至少一个流体开口流体地连通；多个入口，每个入口耦合至不同的流体通道；以及出口，所述出口耦合至未耦合至入口的所述流体通道中的一个。公开了多个附加的方面。

Description

用于化学抛光的系统、装置和方法
相关申请
本申请要求2016年2月8日提交的题为“SYSTEMS,APPARATUS,AND METHODS FORCHEMICAL POLISHING(用于化学抛光的系统、装置和方法)”(案卷号23560/L)的美国临时专利申请序列号62/292,850的优先权，其公开内容通过引用整体结合于此。
技术领域
本发明涉及基板抛光，并且更具体地涉及化学抛光的系统、装置和方法。
背景技术
现有的化学机械抛光(CMP)材料移除方法使用机械向下力以产生基板与抛光垫之间的摩擦。移除材料传统上以每分钟1500nm下降至每分钟400nm的数量级的速率执行。然而，降低材料移除速率低于每分钟20nm超出现有CMP工具的能力，这主要取决于为了造成任何材料移除所需的应用至基板的最小向下力。允许产生越来越小的器件的改进器件形成技术获益于较低的移除速率可允许的加强控制，但以现有CMP工具而言是不可能的。因此，所需要的是不依赖机械向下力量的用于化学抛光的方法及装置。
发明内容
在一些实施例中，本发明提供一种流体网络平板组件，包含：垫，该垫具有多个流体开口；多个流体通道的网络，每个通道与至少一个流体开口流体连通；多个入口，每个入口耦合至不同的流体通道；以及出口，该出口耦合至未耦合至入口的流体通道中的一个。
在其他实施例中，本发明提供一种用于抛光基板的化学抛光系统。该系统包含：抛光头；轨道致动器；以及流体网络平板组件，该流体网络平板组件耦合至轨道致动器并且设置在抛光头下方，其中流体网络平板组件包含：垫，该垫具有多个流体开口；多个流体通道的网络，每个通道与至少一个流体开口流体连通；多个入口，每个入口耦合至不同的流体通道；以及出口，该出口耦合至未耦合至入口的流体通道中的一个。
在又一其他实施例中，本发明提供一种抛光基板的方法。该方法包含以下步骤：提供化学抛光系统，包含流体网络平板组件，该流体网络平板组件具有多个流体通道的网络，每一通道与垫中的至少一个流体开口流体连通，该垫耦合至流体网络平板组件；经由流体网络平板组件将基板暴露至第一化学溶液的薄膜；经由流体网络平板组件使用去离子水的第一薄膜漂洗基板；经由流体网络平板组件将基板曝露至第二化学溶液的薄膜；以及经由流体网络平板组件使用去离子水的第二薄膜漂洗基板。
由下方详细的说明书、所附权利要求书、以及通过图示若干包括用于实现本发明预期的最佳模式的示例性实施例及实现，本发明的其他特征、方面、及优点将变得更完全地显而易见。本发明的实施例也可以能够有其他及不同的应用，并且可在多种方面修改其若干细节，而全不背离本发明的精神及范围。因此，附图及说明书应视为本质上是图示，而非限制。附图不必案比例绘制。说明书意图涵盖落入权利要求书的精神及范围内的所有修改、等效及替代物。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的透视视图，描绘化学抛光系统的示例性实施例。
图2A至2C是根据本发明的实施例的图1的示例性实施例的顶部、前方、及复合的横截面视图。
图3是根据本发明的实施例的图1的示例性实施例的分解顶部透视视图。
图4是根据本发明的实施例的图1的示例性实施例的分解底部透视视图。
图5是根据本发明的实施例的图1的示例性实施例的垫的透视视图。
图6A-6C是根据本发明的实施例的图1的示例性实施例的顶部甲板平板的顶部、前方、及透视视图。
图7A至7C是根据本发明的实施例的图1的示例性实施例的中间甲板平板的顶部、前方、及透视视图。
图8A至8C是根据本发明的实施例的图1的示例性实施例的底部甲板平板的顶部、前方、及透视视图。
图9是根据本发明的实施例的图1的示例性实施例的内部流体通道网络的合成透视视图。
图10A是根据本发明的实施例的图1的示例性实施例的俯视图。
图10B是根据本发明的实施例的图10A中沿着线BB截取的横截面视图。
图10C是根据本发明的实施例的图10B的环绕部分C’的放大的横截面详细视图。
图10D是根据本发明的实施例的图10B的环绕部分D的放大的横截面详细视图。
图10E是根据本发明的实施例的图10A中沿着线EE截取的横截面视图。
图10F是根据本发明的实施例的图10E的环绕部分F的放大的横截面详细视图。
图11A是根据本发明的实施例描绘的具有基板的图1的示例性实施例的俯视图。
图11B是根据本发明的实施例描绘的具有基板、抛光头和轨道致动器的图1的示例性实施例的侧视图。
图12是根据本发明的实施例的描绘化学抛光的示例性方法的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例提供用于化学抛光的系统、装置和方法(例如，纳米级器件)，适于达到低于每分钟20nm的移除速率，以支持下一代的器件技术。通过使用基于暴露的化学蚀刻处理而不应用任何来自抛光垫的机械向下力来抛光基板，可以达到精确的材料移除速率。使用本发明的实施例可以达到改进的处理控制至2nm至4nm内，为下一代器件所需。换句话说，通过使用本发明的实施例可以将基板上的器件高度控制在2nm至4nm内。用于这种控制的实例应用包括抛光FinFET技术器件，抛光FinFET技术器件包括栅极高度控制以及较低的内部互连水平，其中期望2nm至4nm内的管芯内(WID)控制。
通过使用流体网络平板组件，本发明的实施例可实现具有实质上低于每分钟20nm的移除速率的化学抛光以达到2nm至4nm的WID控制，该流体网络平板组件将基板暴露至示例序列的暴露：(1)化学物质A流体的薄膜，(2)去离子化(DI)水漂洗，并且然后(3)依循环方式的化学物质B流体的薄膜，而无须任何施加的机械力。化学物质(例如，化学物质A及B)的暴露持续时间和流体间的速率改变控制了材料移除速率，以达到大约2nm至大约4nm的范围内的处理控制程度。下文中参考附图来描述具有用于输送化学物质及水的流体网络的平板组件的示例性实施例。
现在转到图1，示出了用于化学抛光系统的流体网络平板组件100的示例性实施例的透视视图。在一些实施例中，流体网络平板组件100包含具有流体通道开口104的阵列的垫102。在一些实施例中，以均匀间隔的行及列来排列流体通道开口104，以形成具有大于待抛光的基板的直径(例如，360mm直径的半导体晶片)的圆形图案开口。例如，在一些实施例中，流体通道开口104的圆形图案可具有大约400mm+/-10mm至大约520mm+/-10mm的范围中的直径，或在一些实施例中，该直径可为大约460mm+/-10mm。可使用其他直径。垫102座于顶部甲板平板106上且可以可移除地耦合至顶部甲板平板106，顶部甲板平板106座于中间甲板平板108上且可永久地接合至或可移除地耦合至中间甲板平板108，中间甲板平板108座于底部甲板平板110上且可永久地接合至或可移除地耦合至底部甲板平板110。在一些实施例中，甲板平板可由塑料聚合物构成，诸如聚氯乙烯(PVC)或对使用于化学抛光的化学溶液呈非反应性的任何其他可实现的材料。
图2A至2C展示了流体网络平板组件100的顶部、前方及合成的横截面视图。图2C是图2A中沿着线CC的宽度取得的流体网络平板组件100的合成横截面。可在图2C中看见流体网络平板组件100内的流体通道的网络，其中各个喷嘴与垫102中的流体通道开口104对齐。如所示，流体通道开口104的行对应流体网络平板组件100内的替代流体通道。因此，藉由一个方向上的距离H及藉由垂直方向上的距离W来间隔开流体通道。在一些实施例中，H可以在大约15mm+/-2mm至大约35mm+/-2mm的范围内，或在一些实施例中，大约25mm+/-2mm。在一些实施例中，W可以在大约15mm+/-2mm至大约35mm+/-2mm的范围内，或在一些实施例中，大约25mm+/-2mm。其他尺寸是可能的。在一些实施例中，H及W可大约相等，而在其他实施例中，H及W可以不同。选择给定的尺寸以允许一个或更多个化学溶液的薄膜均匀、一致、及统一地应用至被处理的基板的主要表面。
图3和4是流体网络平板组件100的分解透视视图。图3是俯视图并且图4是仰视图。如可见的，底部甲板110包含安装盘402，使用安装盘402以耦合流体网络平板组件100至轨道动作致动器(图4中未示出，但见于下方描述的图11B)。如也可见的，顶部甲板平板106、中间甲板平板108、及底部甲板平板110的每一个包含对齐通道的阵列，这些对齐通道在多种平板耦合或接合在一起时集合形成流体网络平板组件100内的流体通道的网络。
图5是垫102的透视视图，将基板放置在垫102上以供处理。图6A至6C是流体网络平板组件100的顶部甲板平板106的示例的顶部、前方、及透视视图。图7A至7C是流体网络平板组件100的中间甲板平板108的示例的顶部、前方、及透视视图。图8A至8C是流体网络平板组件100的底部甲板平板110的示例的顶部、前方、及透视视图。图9描绘流体网络900的透视视图，流体网络900由流体网络平板组件100内的对齐通道的集合阵列形成。注意四个连接器用于增加流体至流体网络平板组件100或从流体网络平板组件100移除流体。排水通道出口连接器902可耦合至柔性真空线，以从垫102吸取流体向下而离开流体网络平板组件100。化学物质A通道入口连接器908可耦合至柔性化学物质A供应线(未示出)。相似地，化学物质B通道入口连接器904可耦合至柔性化学物质B供应线(未示出)。漂洗通道入口连接器906可耦合至柔性去离子化水(DIW)供应线。
现在转到图10A至10F，进一步示出了流体网络平板组件100的细节。图10B是图10A中在线BB处取得的流体网络平板组件100的横截面视图。图10C描绘图10B的环绕部分C’内的示例化学物质A或B流体通道1002的放大横截面详细视图。在一些实施例中，可藉由可替换的可移除管状插件1004来形成所有或部分的流体通道1002。因此，若流体通道1002变得阻塞，可藉由简单替换可移除管状插件1004来轻易消除该阻塞。在一些实施例中，可移除管状插件1004具有大约0.5mm的直径。可使用其他直径。图10D描绘图10B的环绕部分D内的示例排水通道1006的放大横截面详细视图。图10E是图10A中在线EE处取得的流体网络平板组件100的横截面视图。图10F描绘图10E的环绕部分F内的示例DIW流体通道1008的放大横截面详细视图。在一些实施例中，DIW流体通道1008具有大约0.5mm的直径。可使用其他直径。
在一些实施例中，DIW流体通道1008可与大约412个流体通道开口104流体地连通。这些开口104可有大约1mm的直径。穿过这些各个开口104的每一个的流动速率可低于或等于大约每分钟8ml。漂洗通道入口连接器906处的流体压力可在大约10psi+/-5psi至大约60psi+/-5psi的范围内。漂洗通道入口连接器906的入口处的总流量可为大约每分钟3000ml。
在一些实施例中，化学物质A通道入口连接器908可与大约92个通道开口104流体连通。这些开口104可有大约1mm的直径。穿过这些各个开口104的每一个的流动速率可低于或等于大约每分钟32.5ml。化学物质A通道入口连接器908处的流体压力可在大约10psi+/-5psi至大约60psi+/-5psi的范围内。化学物质A通道入口连接器908的入口处的总流量可为大约每分钟3000ml。
在一些实施例中，化学物质B通道入口连接器904可与大约108个通道开口104流体连通。这些开口104可有大约1mm的直径。穿过这些各个开口104的每一个的流动速率可低于或等于大约每分钟27.5ml。化学物质B通道入口连接器904处的流体压力可为大约10psi+/-5psi至大约60psi+/-5psi的范围中。化学物质B通道入口连接器904的入口处的总流量可为大约每分钟3000ml。
在一些实施例中，排水通道出口连接器902可与大约184个通道开口104流体连通。这些开口104可有大约1mm的直径。穿过这些各个开口104的每一个的流动速率可低于或等于大约每分钟30ml。从垫102流体排水的抽吸压力可在大约10psi+/-5psi至大约60psi+/-5psi的范围内。排水通道出口连接器902的排水出口处的总排放速率可为大约低于或等于每分钟5000ml。
图11A是示例性流体网络平板组件100的俯视图，其中垫102上描绘有基板1102。图11B是化学抛光系统1100的侧面视图，包含流体网络平板组件100、抛光头1104、和轨道致动器1108，轨道致动器1108经由安装盘402及连接1106耦合至流体网络平板组件100。如图11A中所示，放置基板1102，使基板1102的中央从垫102的中央偏移。在一些实施例中，基板1102的中央从垫102的中央偏移大约50mm+/-10mm。可使用其他偏移量。
在操作中，基板1102被抛光头1104以靠近垫102的接近度固定地维持和旋转，而不施加向下力抵住垫102。当流体网络平板组件100藉由轨道致动器1108以轨道动作移动(而不旋转)，预先定义序列的化学溶液及DIW依序输出并且从垫102和基板1102的表面移除。在垫102和基板1102之间形成流体的薄膜，使得基板不需要接触垫102以接触流体膜。
在一些实施例中，抛光头1104在大约每分钟0+/-5的转至大约每分钟500+/-5转的范围内旋转。可使用其他旋转速率。在一些实施例中，流体网络平板组件100在大约每分钟0+/-5圈至大约每分钟500+/-5圈的频率范围内依轨道运转。可使用其他轨道运转频率。在一些实施例中，抛光头1104及流体网络平板组件100在相对方向上移动，而在其他实施例中，抛光头1104和流体网络平板组件100在非相对方向上移动。在一些实施例中，抛光头1104的中央及流体网络平板组件100的中央之间的偏移量在处理前或处理期间可以是可变的和/或可调整的。例如，流体网络平板组件100可被配置以从抛光头1104的中央偏移大约0+/-0.5英寸至大约2+/-0.5英寸的范围内。可使用其他偏移数值。在一些实施例中，偏移可被配置以在特定范围内的离散的增加量(例如，八个)中为可调整的。在一些实施例中，偏移可被配置以在特定范围内为无限可调整的。化学溶液及DIW至基板1102的切换时间周期(例如，暴露的长度)可在大约0+/-2秒至大约60+/-2秒的范围内变化。可使用其他暴露时间周期。
在一些实施例中，基板的处理可包含一序列的暴露，每一个旨在造成对基板功能上及/或结构上的改变。例如，在第一暴露至化学溶液中，使用H2O2形成金属氧化物之后，接着可藉由抑制剂形成强化膜。在第二暴露中，可藉由侵蚀行动造成从相对高的地点移除强化膜。在第三暴露中，可藉由复合来造成溶解氧化膜，也可造成重新生成强化膜。在第四暴露中，可造成全局的平坦化及材料移除。
现在转到图12，提供根据本发明的实施例的描绘化学抛光的示例性方法1200的流程图。提供化学抛光系统(1202)，该系统包含流体网络平板组件及抛光头。藉由抛光头固定基板且接近流体网络平板(1204)。藉由流体网络平板在基板和流体网络平板之间形成第一化学物质(化学物质A)的薄膜，与基板接触持续预先定义的暴露时间周期(1206)。旋转抛光头(1208)。流体网络平板绕着从基板中央偏移的点依轨道运转(1210)。藉由流体网络平板在基板和流体网络平板之间形成DIW的薄膜，与基板接触持续预先定义的暴露时间周期(1212)。藉由流体网络平板在基板和流体网络平板之间形成第二化学物质(化学物质B)的薄膜，与基板接触持续预先定义的暴露时间周期(1214)。藉由流体网络平板在基板和流体网络平板之间形成DIW的薄膜，与基板接触持续预先定义的暴露时间周期(1216)。确定是否达到抛光终点(1218)。如果是，处理完成，如果否，流程循环回到执行化学物质A的暴露1206。
在一些实施例中，化学物质暴露可被认为施加至基板的脉冲。例如，使用第一化学物质的氧化脉冲可施加持续特定时间增加量，接着在施加漂洗脉冲(例如，使用DIW)之后，可施加研磨脉冲至基板持续特定时间增加量。氧化脉冲可例如是浓度在大约0.1％至大约1％(或大约0.25％)的范围内的H2O2和/或浓度在0.001％至大约0.1％(或大约0.05％)的范围内的苯并三氮唑(BTA)。在一些实施例中，可使用十四烷基硫代乙酸(TTA)来代替BTA。研磨脉冲可为浓度在大约0.005wt％至大约0.05wt％(或大约0.01wt％)的范围内的SiO2，可使用在大约0.05wt％至大约0.5wt％(或大约0.1wt％)的柠檬酸铵或其他羧酸，例如草酸等。
在本公开中描述许多实施例，且仅为了说明的目的而呈现。所描述的实施例并非且不旨在在任何意义上限制。呈现的所公开的发明实施例可广泛应用于众多实现，如从本公开将显而易见。本领域普通技术人员将意识到：可使用众多修改及替代来实现所公开的实施例，诸如结构上的、逻辑上的、软件、及电的修改。虽然可参考一个或更多个特定配置和/或附图来描述所公开的实施例的特定特征，应理解不会参考这些特征的描述而限制这些特征在一个或更多个特定实施例或附图中的使用，除非特别表述。
本公开不是所有实施例的字面描述也不是在所有实施例中必须呈现的发明特征列表。发明名称(在本说明书第一页的起始处提出)不被用为以任何方式限制本发明所公开实施例的范围。
本公开为本领域普通技术人员提供几个实施例和/或发明的实现描述。这些实施例和/或发明的其中一些可以不在本申请中主张，然而，可在一个或更多个主张本申请案的优先权利的继续的申请中主张。
前述描述仅公开本发明的示例性实施例。上文中公开的落于本发明范围内的装置、系统及方法的修改对本领域普通技术人员将是显而易见的。
因此，虽然结合本发明的示例性实施例公开了本发明，应理解其他实施例可落于本发明的精神及范围内，如下方权利要求书所定义。

Claims (15)

1.一种流体网络平板组件，包括：
垫，所述垫具有多个流体开口；
多个流体通道的网络，每个通道与至少一个流体开口流体地连通；
多个入口，每个入口耦合至不同的流体通道；以及
出口，所述出口耦合至未耦合至入口的所述流体通道中的一个。
2.如权利要求1所述的流体网络平板组件，其中，所述多个流体通道的所述网络由多个平板形成，每个平板具有对齐的通道的阵列。
3.如权利要求1所述的流体网络平板组件，其中，以圆形图案设置所述多个流体开口，所述圆形图案具有大于待处理的基板的直径。
4.如权利要求1所述的流体网络平板组件，其中，所述多个入口包含用于第一化学通道的第一入口、用于第二化学通道的第二入口、以及用于漂洗通道的第三入口。
5.如权利要求1所述的流体网络平板组件，其中，所述出口耦合至流体泵并且可操作以用作排水口。
6.如权利要求1所述的流体网络平板组件，进一步包含用于耦合所述流体网络平板组件至轨道致动器的安装盘。
7.如权利要求1所述的流体网络平板组件，其中，所述多个流体通道的至少一些流体通道包含可移除管状插件。
8.一种用于抛光基板的化学抛光系统，所述系统包括：
抛光头；
轨道致动器；以及
流体网络平板组件，所述流体网络平板组件耦合至所述轨道致动器并且被设置在所述抛光头下方，其中，所述流体网络平板组件包含：垫，所述垫具有多个流体开口；多个流体通道的网络，每个通道与至少一个流体开口流体地连通；多个入口，每个入口耦合至不同的流体通道；以及出口，所述出口耦合至未耦合至入口的所述流体通道中的一个。
9.如权利要求8所述的化学抛光系统，其中，所述多个流体通道的所述网络由多个平板形成，每个平板具有对齐的通道的阵列。
10.如权利要求8所述的化学抛光系统，其中，以圆形图案设置所述多个流体开口，所述圆形图案具有大于待处理的基板的直径。
11.如权利要求8所述的化学抛光系统，其中，所述多个入口包含用于第一化学通道的第一入口、用于第二化学通道的第二入口、以及用于漂洗通道的第三入口。
12.如权利要求8所述的化学抛光系统，其中，所述出口耦合至流体泵并且可操作以用作排水口。
13.如权利要求8所述的化学抛光系统，进一步包含用于耦合所述流体网络平板组件至轨道致动器的安装盘。
14.如权利要求8所述的化学抛光系统，其中，所述多个流体通道的至少一些流体通道包含可移除管状插件。
15.一种抛光基板的方法，所述方法包括以下步骤：
提供化学抛光系统，包含流体网络平板组件，所述流体网络平板组件具有多个流体通道的网络，每个通道与垫中的至少一个流体开口流体地连通，所述垫耦合至所述流体网络平板组件；
提供多个入口，每个入口耦合至不同的流体通道；
旋转基板接近所述流体网络平板组件；
使所述流体网络平板组件进行依轨道运转，其中，所述流体网络平板组件的中央从所述基板的中央偏离；
经由所述流体网络平板组件将所述基板暴露至第一化学溶液的薄膜持续预先定义的时间量；
经由所述流体网络平板组件使用去离子水的第一薄膜漂洗该基板；
经由所述流体网络平板组件将所述基板暴露至第二化学溶液的薄膜持续预先定义的时间量；
经由所述流体网络平板组件使用去离子水的第二薄膜漂洗所述基板；以及
重复所述暴露和所述漂洗，直至达到终点。
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