CN109015335A - 化学机械研磨装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种化学机械研磨装置及其工作方法，其中，化学机械研磨装置包括：研磨盘，所述研磨盘包括承载面；位于所述承载面表面的研磨垫，所述研磨垫包括相对的非研磨面和研磨面，所述非研磨面与承载面贴合；修整器，用于对所述研磨面进行表面处理；位于研磨盘内的振动装置。利用所述化学机械研磨装置能够提高研磨垫的使用寿命。

Description

化学机械研磨装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种化学机械研磨装置及其工作方法。

背景技术

化学机械抛光(Chemical Mechanical Planarization，CMP)工艺是一种平坦化工艺，在1990年被引入集成电路制造工艺以来，经过不断实践和发展，已成为推动集成电路技术节点不断缩小的关键工艺。目前CMP已经广泛应用在前沟槽隔离结构平坦化、栅电极平坦化、钨栓塞平坦化和铜互连平坦化工艺中。CMP工艺也被应用于去除基底表面上的薄膜层。

然而，现有化学机械研磨装置中研磨垫的使用寿命较短。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种化学机械研磨装置及其工作方法，以提高研磨垫的使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明提供一种化学机械研磨装置，包括：研磨盘，所述研磨盘包括承载面；位于所述承载面表面的研磨垫，所述研磨垫包括相对的非研磨面和研磨面，所述非研磨面与承载面贴合；修整器，用于对研磨面进行表面处理；位于研磨盘内的振动装置。

可选的，所述振动装置包括：超声波装置。

可选的，所述振动装置的个数为一个或者多个。

可选的，当振动装置的个数为一个时，所述振动装置的中心轴与研磨盘的中心轴共线。

可选的，所述振动装置的个数为多个时，若干个振动装置绕研磨盘的中心轴均匀分布于研磨盘内。

可选的，还包括：研磨头，用于夹持晶圆；卡盘，用于带动所述研磨头，使研磨头相对于研磨面运动；研磨液供应管，用于供应研磨液。

相应的，本发明还提供一种化学机械研磨装置的工作方法，包括：提供上述化学机械研磨装置；采用振动装置对研磨垫进行振动处理；对研磨垫进行振动处理后，采用修整器对研磨面进行表面处理。

可选的，所述化学机械研磨装置还包括：研磨头，用于夹持晶圆；研磨液供应管，用于供应研磨液；采用振动装置对研磨垫进行振动处理之前，还包括：通过研磨液供应管向研磨面上输送研磨液；在研磨头上施加压力，使晶圆相对于研磨面运动，且所述晶圆与研磨面贴合；当晶圆相对于研磨面运动，且所述研磨液接触晶圆后，对晶圆进行化学机械研磨工艺；所述化学机械研磨工艺之后，使晶圆与研磨面分离。

可选的，所述振动装置包括超声波装置；所述超声波装置工作时的参数包括：功率20千瓦～100千瓦。

可选的，振动处理的次数为一次或者多次。

可选的，所述振动次数为多次时，每次振动处理之后，利用修整器对研磨面进行表面处理。

可选的，所述表面处理包括化学腐蚀和机械研磨中的一种或者两种组合。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

本发明技术方案提供的化学机械研磨装置中，所述研磨垫内具有空隙，且所述研磨面暴露出所述空隙，所述空隙用于使后续部分研磨液停留在研磨面的表面。利用化学机械研磨装置对晶圆进行化学机械研磨时易产生副产物，所述副产物易填充于空隙内，所述修整器对研磨面进行表面处理以去除所述副产物。由于所述研磨盘内具有振动装置，使得空隙内的部分副产物能够不断地从空隙内被振动出来，而位于空隙内的副产物到研磨面的最大距离较小，则修整器去除空隙内副产物以暴露出未被副产物填充的空隙所需的时间较短，使得研磨垫的磨损较少，因此，有利于提高研磨垫的使用寿命。

附图说明

图1是一种化学机械研磨装置的结构示意图；

图2是一种化学机械研磨装置的结构示意图；

图3是本发明化学机械研磨装置的结构示意图；

图4是本发明化学机械研磨装置的工作流程图。

具体实施方式

正如背景技术所述，利用现有化学机械研磨装置对晶圆进行研磨的后期，研磨速率降低较严重。

图1是一种化学机械研磨装置的结构示意图。

请参考图1，研磨盘100(Platen)，所述研磨盘100包括承载面(图中未标出)；位于所述承载面表面的研磨垫102(Polish Pad)，所述研磨垫102包括相对的非研磨面(图中未示出)和研磨面A，所述非研磨面与承载面相贴合；用于夹持晶圆的研磨头104，所述研磨头104与研磨面A相对；用于带动所述研磨头104转动的卡盘105，使研磨头104相对于研磨面A运动；用于向研磨面A供应研磨液107(Slurry)的研磨液供应管106。

利用上述化学机械研磨装置对晶圆进行研磨时，沿X方向上，所述研磨盘100绕研磨盘100的中心轴顺时针旋转或者逆时针旋转，所述研磨垫102内的空隙有利于防止研磨液107因离心力的作用而直接从研磨盘102的边缘流走，使得部分研磨液107能够停留在研磨面A上，则所述研磨液107能够与晶圆接触而发生化学反应。

然而，在化学机械研磨工艺过程中，易产生副产物，所述副产物易堵塞所述空隙，使得研磨面A表面变得光滑，则研磨液107因离心力的作用而难以停留在研磨面A上，使得晶圆难以与研磨液107接触，则对晶圆的作用仅来自于研磨头104和研磨面A之间的机械研磨，使得对晶圆的研磨速率较小。

一种使研磨液107能够停留在研磨面A上的方法包括：增加修整器200，所述修整器200对研磨面A进行表面处理，以暴露出未被副产物填充的空隙，具体请参考图2。

随着化学机械研磨工艺的进行，所形成的副产物的量不断增加，且位于空隙内的副产物的量也不断增加，使得所述副产物到研磨面A的最大距离较大，则为了暴露出未被副产物填充的空隙，修整器200对研磨面A进行表面处理的时间较长，则对研磨垫102的磨损较严重，使得研磨垫102的使用寿命较短。

为解决所述技术问题，本发明提供了一种化学机械研磨装置，包括：修整器，用于对研磨面进行表面处理；位于研磨盘内的振动装置。利用所述化学机械研磨装置能够提高研磨垫的使用寿命。

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图3是本发明化学机械研磨装置的结构示意图。

请参考图3，化学机械研磨装置包括：研磨盘300，所述研磨盘300包括承载面(图中未标出)；位于所述承载面表面的研磨垫301，所述研磨垫301包括相对的非研磨面(图中未标出)和研磨面B，所述非研磨面与承载面贴合；修整器302，用于对研磨面B进行表面处理；位于研磨盘300内的振动装置303。

所述化学机械研磨装置还包括：研磨头304，所述研磨头304与研磨面B相对；用于带动研磨头304的卡盘305，使研磨头304相对于研磨面B运动；用于向研磨面B供应研磨液的研磨液供应管306。

所述研磨头304用于吸附晶圆，在工作的过程中，将晶圆夹持在研磨垫301和研磨头304之间，有利于对晶圆进行研磨。所述研磨液供应管306用于向研磨面B上供应研磨液。

沿Y方向上，所述研磨盘300绕研磨盘300的中心轴顺时针运动或者逆时针运动。

所述研磨垫301内具有空隙，且所述研磨面B暴露出所述空隙，使得后续研磨液被输送至研磨面B上时，即使研磨盘300处于旋转状态，所述研磨液也不会因为离心力的作用而全部从研磨垫301的边缘流出，即：部分研磨液能够停留在研磨面B上，使得研磨液能够与晶圆接触，有利于所述晶圆与研磨液发生化学反应。同时，所述晶圆还在研磨头304和研磨面B的作用下被机械研磨，因此，利用所述化学机械研磨装置对晶圆的研磨速率较快。

在化学机械研磨工艺的过程中，所述晶圆与研磨液反应易产生副产物，所述副产物易被晶圆压入研磨面B暴露出的空隙内，使得研磨面B变得光滑，使得研磨液难以停留在研磨面B上，则对晶圆的研磨仅靠研磨头304和研磨垫301之间的机械力进行研磨，使得晶圆的研磨率较低。

并且，利用所述化学机械研磨装置进行化学机械研磨工艺时，部分研磨液残留在研磨面B上，使得所述研磨面B被釉化(Glazing)形成釉化层。当所述研磨面B被釉化时，研磨液在离心力的作用下，更加容易沿研磨垫301的边缘流走，即：研磨面B上更加难以停留研磨液，则对晶圆的研磨仅靠研磨头304和研磨垫301之间的机械力进行研磨，使得晶圆的研磨率更低。

所述修整器302对研磨面B进行表面处理以暴露出未被副产物填充的空隙，有利于研磨液能够停留在研磨面B上。

所述振动装置303包括超声波装置。尽管所述研磨面B暴露出的空隙被副产物填充，但是，所述振动装置303能够使空隙内的副产物不断从空隙内被振动出。随着振动装置303工作时间的延长，更多的副产物能够从空隙内被振动出，而残留在空隙内的副产物较少，且空隙内副产物到研磨面B的最大距离较小，则后续利用修整器302对研磨面B进行表面处理以暴露出未被副产物填充的空隙的时间较短，则研磨垫301的磨损量较少，因此，有利于提高研磨垫301的使用寿命。

所述空隙内副产物到研磨面B的最大距离是指空隙内副产物底部到研磨面B表面的距离。

所述修整器302的材料包括金刚石。所述金刚石的硬度较大，则采用金刚石作为修整器302对釉化层和副产物的去除速率较大。

所述修整器302去除所述釉化层和副产物之后，有利于暴露出未被副产物填充的空隙，使得研磨盘300在旋转的过程中，部分研磨液能够停留在研磨垫301上，则所述研磨液301能够与晶圆接触而发生化学反应。由此可见，对晶圆的研磨不仅来自于研磨液的化学腐蚀，还来自于研磨头304和研磨面B的机械研磨，使得对晶圆的研磨速率较大。

在本实施例中，所述研磨盘300的形状为圆柱体，所述研磨面B平行于圆柱体的底部表面。在其他实施例中，所述研磨盘的形状包括长方体或者正方体。

在本实施例中，振动装置303的个数为1个，且所述振动装置303的中心轴与研磨盘300的中心轴共线，使得振动装置303对研磨盘300顶部的研磨垫301的振动一致性较高，使得研磨面B暴露出的空隙内的部分副产物均能够从空隙内振动处理，且残留在空隙内的副产物到研磨面B的最大距离均较小，则后续修整器302对研磨面B进行表面处理以暴露出未被副产物填充的空隙的时间较短，则对研磨垫301的磨损较弱，因此，有利于提高研磨垫301的使用寿命。

在其他实施例中，所述振动装置的个数为多个，且多个振动装置绕研磨盘的中心轴均匀分布于研磨盘内。

图4是本发明化学机械研磨装置的工作流程图。

步骤S1：提供所述化学机械研磨装置；

步骤S2：采用振动装置对研磨垫进行振动处理；

步骤S3：在对研磨垫进行振动处理后，采用修整器对研磨面进行表面处理。

以下结合图3进行详细说明。

请参考图3，提供所述化学机械研磨装置；采用振动装置303对研磨垫301进行振动处理；对研磨垫301进行振动处理后，采用修整器302对研磨面B进行表面处理。

所述化学机械研磨装置还包括：研磨头304，用于夹持晶圆(图中未示出)；研磨液供应管306，用于供应研磨液；采用振动装置303对研磨垫301进行振动处理之前，还包括：通过研磨液供应管306向研磨面B上输送研磨液；在研磨头304上施加压力，使晶圆相对于研磨面B运动，且所述晶圆与研磨面B贴合；当晶圆相对于研磨面B运动时，且所述研磨液接触晶圆后，对晶圆进行化学机械研磨工艺；所述化学机械研磨工艺之后，使晶圆与研磨面分离。

在对晶圆进行化学机械研磨工艺的过程中，晶圆与研磨液发生化学反应形成副产物，所述副产物易填充研磨面B暴露出的空隙。随着化学机械研磨工艺时间的增加，所述空隙内被填充的副产物的量越多。因此，所述化学机械研磨工艺后，使晶圆与研磨垫301分离，即：停止对晶圆的化学机械研磨工艺。使晶圆与研磨垫301分离之后，有利于后续去除空隙内的副产物。

停止对晶圆的化学机械研磨工艺后，启动振动装置303，所述振动装置303使空隙内的副产物不断从空隙内被振动出来，使得位于空隙内的副产物较少，且空隙内的副产物到研磨面B的最大距离较小，则后续利用修整器302对研磨面B进行表面处理以暴露出未被副产物填充的空隙所需的时间较短，使得研磨垫301被磨损的量较少，因此，有利于提高研磨垫301的使用寿命。

启动振动装置303之后，使修整器302对研磨面B进行表面处理以暴露出所述空隙之前，还包括：利用高压水柱冲洗研磨面B。利用高压水柱冲洗研磨面B，有利于去除研磨面B上的部分副产物、以及空隙内部分的副产物。

在本实施例中，所述振动装置303包括超声波装置；且所述超声波装置工作时的参数为：功率20千瓦～100千瓦。

在本实施例中，选择所述功率的意义在于：若所述功率小于20千瓦，不利于更多的副产物从空隙内振动出来，使得残留在空隙内的副产物的厚度仍较厚，则后续利用修整器对研磨面B进行表面处理时仍需要较长的时间才能够暴露出未被副产物填充的空隙，使得对研磨垫301的磨损量较多，因此，不以利于提高研磨垫301的使用寿命；若所述功率大于100千瓦，将超出振动装置303的量程，易损坏振动装置303。

在本实施例中，所述振动处理的次数为1次。

在其他实施例中，振动处理的次数为多次，且每次振动处理之后，利用修整器对研磨面进行表面处理。

在本实施例中，所述表面处理为机械研磨。在其他实施例中，所述表面处理包括化学腐蚀或者化学腐蚀与机械研磨相结合。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (12)

1.一种化学机械研磨装置，其特征在于，包括：

研磨盘，所述研磨盘包括承载面；

位于所述承载面表面的研磨垫，所述研磨垫包括相对的非研磨面和研磨面，所述非研磨面与承载面贴合；

修整器，用于对所述研磨面进行表面处理；

位于研磨盘内的振动装置。

2.如权利要求1所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述振动装置包括：超声波装置。

3.如权利要求1所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述振动装置的个数为一个或者多个。

4.如权利要求3所述的化学机械研磨装置，其特征在于，当所述振动装置的个数为一个时，所述振动装置的中心轴与研磨盘的中心轴共线。

5.如权利要求3所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述振动装置的个数为多个时，若干个振动装置绕研磨盘的中心轴均匀分布于研磨盘内。

6.如权利要求1所述的化学机械研磨装置，其特征在于，还包括：研磨头，用于夹持晶圆；卡盘，用于带动所述研磨头，使研磨头相对于研磨面运动；研磨液供应管，用于供应研磨液。

7.一种化学机械研磨装置的工作方法，其特征在于，包括：

提供权利要求1至权利要求6任一项所述化学机械研磨装置；

采用振动装置对研磨垫进行振动处理；

在对研磨垫进行振动处理后，采用修整器对所述研磨面进行表面处理。

8.如权利要求7所述的化学机械研磨装置的工作方法，其特征在于，所述化学机械研磨装置还包括：研磨头，用于夹持晶圆；研磨液供应管，用于供应研磨液；采用振动装置对研磨垫进行振动处理之前，还包括：通过研磨液供应管向研磨面上输送研磨液；在研磨头上施加压力，使晶圆相对于研磨面运动，且所述晶圆与研磨面贴合；当晶圆相对于研磨面运动，且所述研磨液接触晶圆后，对晶圆进行化学机械研磨工艺；所述化学机械研磨工艺之后，使晶圆与研磨面分离。

9.如权利要求7所述的化学机械研磨装置的工作方法，其特征在于，所述振动装置包括超声波装置；所述超声波装置工作时的参数包括：功率20千瓦～100千瓦。

10.如权利要求7所述的化学机械研磨装置的工作方法，其特征在于，所述振动处理的次数为一次或者多次。

11.如权利要求10所述的化学机械研磨装置的工作方法，其特征在于，所述振动处理的次数为多次时，每次振动处理之后，利用修整器对研磨面进行表面处理。

12.如权利要求7所述的化学机械研磨装置的工作方法，其特征在于，所述表面处理包括化学腐蚀和机械研磨中的一种或者两种组合。