CN1092544C

CN1092544C - 液浆喷洒装置

Info

Publication number: CN1092544C
Application number: CN98123943A
Authority: CN
Inventors: 莫逢俊; 乔恩·陈
Original assignee: Aplex Inc
Current assignee: Aplex Inc
Priority date: 1997-11-05
Filing date: 1998-11-05
Publication date: 2002-10-16
Anticipated expiration: 2018-11-05
Also published as: US6098901A; EP0914904A2; EP0914904A3; TW380082B; JPH11216667A; KR19990045034A; CN1223194A

Abstract

一种由旋转轮喷洒液浆的液浆喷洒器，设置在制造集成电路所需的化学机械抛光过程中，在第二种结构中，液浆喷洒器使用一对反向转动轮，该转轮由可变速电动机以一预定速度驱动，凭经验确定的转速可喷洒出所需的液浆量，旋转轮的形状控制射流的竖直分布，液浆喷洒器壳体上的开口和转轮的旋转速度控制射流的水平分布，液浆喷洒器由与液浆不发生化学作用的材料做成。

Description

液浆喷洒装置

本发明涉及到一种液体的喷洒，尤其是，本发明涉及一种化学-机械抛光(CMP)应用中的液浆喷洒。

在亚微型集成电路中，CMP技术用来制造多级互联结构中所需的平面。具体说，制造沉积一个互联层如铝、钨或铜的平表面，内层绝缘材料(如，二氧化硅)通过用含有精细抛光剂的碱性或酸性液浆进行抛光而形成平面。这种液浆的一个实例包括悬浮于调节PH值约为11的去离子水中精细二氧化硅颗粒(例如，平均直径为70nm)。碱度可由氢氧化钾(KOH)和氢氧化氨(NH₃OH)提供，在其它应用场合，使用酸性液浆。

一般地，在一个CMP抛光器中，通过压在抛光垫上的抛光头把需抛光的半导体晶片置于一个微小压力下，在CMP应用中，抛光垫一般用聚氨酯材料做成。在抛光过程中，抛光头按照预定的运动图样移动半导体晶片，或者，把抛光垫安装在一个相对半导体晶片运动的平台上。通过半导体晶片相对于抛光垫的运动并且液浆的化学和机械作用共同进行抛光，将晶片表面抛平。在这样一个过程中，由于该液浆含有大量的水，所以液浆不仅做为抛光剂，而且还起到冷却剂的作用，把晶片表面保持一可接受的温度值。

在现有技术中，液浆一般通过恰当布置并由液浆供应管相连的多个喷嘴喷洒到抛光垫表面上，并且用螺杆泵以每分钟50～500cc的流量传送到抛光垫的表面上。然而，这种方案时间一长就会产生一些问题。特别是，液浆的沉淀物会堵住喷嘴，引起输送时不均匀和不充足。在某些情况下，不均匀和不充足的液浆输送，会导致抛光均匀性差，甚至由于过热而严重损坏晶片。另外，甚至当喷嘴处于良好的工作状态时，也难以控制液浆供配量。并且，提供一种清洗液浆喷洒装置的方法是很重要。当允许脱水时，液浆形成的絮状物若沉积在半导体晶片上时，就会降低集成电路的性能。

根据本发明，提供了一种由转动轮喷洒液浆的液浆喷洒器。

在一实施例中，液浆喷洒器包括：(a)带有开口的壳体；(b)设置在壳体内部用以储存液浆的储存器；(c)旋转机构，例如电动机，以及(d)设置在壳体内部并与所述旋转机构连接转动的转轮组件。在该实施例中，转轮组件包括插入液浆储存器内的锥形件和圆盘部分。在运行中，即转轮组件由旋转机构驱动旋转过程中，液浆流被迫沿着转轮组件的锥形件的侧壁向上蠕动，使液浆通过壳体上的开口由圆盘以射流形式喷洒出去。该射流由旋转离心力形成。如果使用可变速直流(DC)电动机，液浆喷洒器的液浆喷洒量就可以通过施加给电动机的电压来控制。

壳体、转轮以及任何与液浆接触的表面都可构成与液浆不发生化学作用的合成材料〔例如，聚碳酸酯，聚丙烯，聚偏氟乙烯(PVDF)，或任何光面带有聚四氟乙烯涂层的材料〕。在一个实施例中，液浆喷洒器的壳体包括开口附近的挡壁部分，这样，液浆射流被限制在预定角度之内。

液浆喷洒器上设置的进口与液浆供应管相连，以保证液浆被连续地供应到液浆喷洒器的液浆储存器内。

根据本发明，还提供了一种由两个反向旋转的转轮喷洒液浆的自身清洗式液浆喷洒器。

在一个实施例中，该液浆喷洒器包括：(a)带有两个开口的壳体；(b)设置在壳体内以储存液浆的两个液浆储存器；(c)两个旋转机构，以及(d)设置在壳体内并与所述旋转机构连接转动的两个转轮，旋转机构驱使转轮沿相反的方向转动，从而形成液浆射流的交叉重叠部分。壳体上的开口将液浆射流限制在预定的角度内。

在一个实施例中，液浆喷洒器包括一个由气缸驱动的滑动门和清洗水进口，从而当滑动门关闭时，壳体可被清洗而不需操作者的干预，并且壳体的内部和外部没有相互污染。

本发明的液浆喷洒器能使液浆横跨抛光垫且均匀分布，并能精确控制液浆喷洒量，因而，液浆的浪费减至最少。此外，提供了一种自身清洗式液浆喷洒器。

本发明将通过下面的详细描述和附图得到更好的理解。

图1a和图1b分别是包括本发明的液浆喷洒器104的CMP装置100的前视及侧视示意图；

图2a是液浆喷洒器104的装配侧视图；

图2b是液浆喷洒器104的分解侧视图；

图3a是液浆喷洒器104的前视图；

图3b是液浆喷洒器104的运行说明图；

图4是液浆喷洒器104的垂直剖视图，表示液浆喷洒器104的运行原理；

图5是液浆喷洒器124的前视投影图；

图6a是液浆喷洒器124的后视投影图；

图6b是液浆喷洒器124的分解后视投影图；

图7是转轮250；

图8是去掉转轮的储存器转轮壳体的俯视图；

图9是从转轮壳体240的内部顶面向下看的俯视图，表示出液浆喷洒器124的运行过程；

图10a和图10b分别是本发明液浆喷洒器500的垂直和水平剖视图。

本发明提供了一种液浆喷洒器，它消除了在前面部分所描述的现有技术中存在的问题。为了简化下面的详细描述，图中同类部件用相同的参考标号表示。

图1a和图1b分别表示了装置100的侧视图和前视图。如图1a和图1b所示，CMP仪器100包括一条连续的抛光带101，其结构形式便于抛光一个或更多竖直固定的半导体晶片，如晶片107。晶片107由抛光头105竖直固定，该抛光头把晶片107压在竖直安装在抛光带101的抛光垫上。抛光带101以选定抛光速度(例如，每秒10米)通过转动的滚筒轮102和103带着连续运动。支撑组件106提供一个背向压力以使晶片107在预选压力(例如5psi，即5psi＝0.350kg/cm²)下贴在抛光带101上。抛光头105沿着标号109所指的方向转动并且沿着标号107a和107b所指的直线方向横跨抛光垫表面任意来回运动。尽管图1仅表示出用于晶片抛光的抛光带组件的一侧，但是，抛光头和附带机构可以设置在CMP设备100抛光带组件的两侧，以使总的晶片抛光数量增加。

本发明提供了一种液浆喷洒器104，它被放置在距抛光头105较近的上游处(相对于抛光带101的运动方向)。液浆喷洒器104从快速旋转的轮中喷射出一液浆细流，图2a是液浆喷洒器104的装配侧视图，如图2a所示，液浆喷洒器104包括：(a)下壳体201，包括液浆储存器205，(b)上壳体202，它由如固定螺钉固定在下壳体201上，以及(c)可变速电动机203。转轮组件被封闭在下壳体201和上壳体202之间，上壳体202包括液浆进口204，在运行中，该进口与液浆供应管道(未示出)相联，以给液浆喷洒器连续供应液浆，可以用螺杆泵给供应管输送液浆。

在本实施例中，上、下壳体202和201以及转轮组件(示于图2b中)可用下述任一种材料做成：聚碳酸酯，聚丙烯，聚偏氟乙烯(PVDF)，光面上带有聚四氟乙烯涂层的任何材料，或与液浆不发生化学作用的其它材料(例如，硬塑料)。电动机203优选一直流电动机，其速度可通过所施加电压值的变化而改变。上壳体202前端有一开口(即图3a、图3b及图4中所示并且将在下面描述开口310)，这样，可通过该开口喷出液浆射流。

图2b示出了液浆喷洒器104的分解侧视图，如图2b所示，除了电动机203，上、下壳体202和201(包括液浆进口204和液浆储存器205)之外，喷洒器104还包括转轮组件210，它至少包括下述元件：(a)连接件212，用以连接电动机203的转轴211，从而在运行中，转轮组件210以电动机的转速旋转，(b)转轮或圆盘部分213，包括其上下表面之间的凹槽217，以及(c)锥形件214，连接在圆盘部分213的下表面。图2b还示出了一组通孔216，固定螺钉穿过这些通孔旋入上壳体202上的螺纹孔内，从而把上壳体202固定在下壳体201上。锥形件214穿过开口215插入下壳体201内。开口215通入液浆储存器205内。

图3a是从上壳体202上的前开口310方向看去的液浆喷洒器104的前视图，如图3a所示，在上壳体202的内顶壁上设置了两个半挡壁301a和301b。半挡壁301a和301b的设置是为了限定液浆喷洒器104液浆射流的角度。

液浆喷洒器104的运行依照图3b和图4来描述。图3b是从上壳体202的内顶面向下看的液浆喷洒器104的一个视图，图4是液浆喷洒器104的垂直剖视图。运行中，电动机203驱使转轮组件210以预定速度(如，每分钟2000～3000转)旋转。电动机的理想运行速度主要由所需的液浆喷洒量而确定。一般地，较高的转速会提供较大的液浆喷洒量。实际要求的转速可根据经验而定。如图4所示，在该运行速度下，由于锥形件214侧表面上形成的边界层的作用，液浆流从液浆储存器205内被迫沿着锥形件214的侧壁向上蠕动，该液浆流继续蠕动经过圆盘部分213的下表面进入凹槽217，旋转的转轮组件210的离心力把凹槽217内的液浆通过上壳件202的开口310从液浆喷洒器104内喷射出去。在圆盘部分213上，通过凹槽217的壁所形成的尖锐边缘，可将射流沿竖直方向限定为一薄层。

在该实施例中，锥形件214的斜侧壁相对于圆盘部分213倾斜100度。如上所述，挡壁301a和301b把液浆射流水平地限定为所示的预定角度φ，该角的大小，或挡壁301a和301b的长度凭经验而定。流出液浆喷洒器104的液浆(例如，附在壳体壁面上的液浆)可以被收集起来再利用以免浪费。

根据本发明的第二个实施例，提供了一种使用两个转轮的液浆喷洒器。液浆喷洒器124由一对快速反向旋转的转轮喷射出液浆细流。图5是液浆喷洒器124的前视立体图。如图5所示，液浆喷洒器124包括正面220，其上有开口225通向位于正面后边的转轮壳体240。转轮壳体240上的开口与正面220上的开口225成直线。转轮壳体240的内部包含两个转轮250，设置在壳体内部的底表面液浆储存槽248上。

参照图6a和图6b中的液浆喷洒器124的后视立体图，表示出转轮壳体240的外部结构。转轮组件240与液浆进口管340相联接，在运行中，该进口管与液浆供应管(未示出)相联接，从而给液浆喷洒器124连续地供应液浆，可以用螺杆泵给供应管道提供液浆。一对可变速电动机320安装在转轮壳体240的上方，电动机320优选为直流(DC)电动机。如图7所示，电动机320有向下延伸的转轴，装进转轮250顶部的凹坑251内，转轮250的底部是一个锥形部分252，圆盘部分253位于该锥形部分上。转轮壳体240底部的两组液浆储存槽248示于图8，图8是去掉轮子后的转轮壳体俯视图，运行中，转轮250的位置应使其锥形部分252的下顶点置于液浆储存槽248的十字交叉中心点249上。液浆储存槽248的设计有利于最大限度地减少液浆的用量。

下面按照图9来描述液浆喷洒器124的运行。图9是从转轮壳体240内部顶面向下看的液浆喷洒器124的视图。在运行中，电动机203驱使转轮250沿相反的方向610以预定速度(例如，每分钟3000～6000转)旋转。这样便形成了按液浆分布箭头620所示的重叠液浆射流，电动机理想的运行速度主要由要求供给的液浆量以及所期望的液浆射流的分布图样而确定。一般地，较高的转速会喷洒出较大的液浆量，并且液浆射流在分布中心处形成较大的重叠部分，然而，较高的转速也会导致较小的液滴尺寸，而所期望的较大液滴可减少雾化，优选转速可凭经验而确定为流动速率和液滴尺寸的一种折衷方案。通过液浆供应管道340来供应液浆的一般速率大约为450ml/min。

在该运行速度下，由于锥形部分的侧表面上形成的边界层，液浆流从液浆储存槽248内被迫沿着转轮250锥形部252的侧壁向上蠕动，该液浆流继续蠕动经过转轮250的圆盘部分253的下表面。旋转着的转轮离心力把液浆通过转轮壳体240上的开口从液浆喷洒器104喷洒出来。转轮250圆盘部分的尖锐边缘，将射流在竖直方向上限定为一薄层。

在该实施例中，锥形部分252的斜侧壁相对于圆盘部分253倾斜大约120度，正面220上开口225的形状和转轮壳体240上开口的相应形状决定了液浆分布的水平宽度。转轮壳体240和转轮250可由如下任一种材料做成：聚丙烯，聚偏氟乙烯(PVDF)，聚1，1-二氟乙烯(Kynar)，任何光面涂有聚四氟乙烯的材料，或任何与液浆不发生化学作用的其它材料(例如，硬塑料)。配合件一般用聚四氟乙烯，下面将要讨论的排空与供应的管道一般由聚四氟乙烯或PVDF做成。转轮壳体240内部的所有尖角都被倒圆，以便清洗液浆喷洒器124，这一点将在下面描述。

液浆喷洒器124还包括一个滑动门230，关闭此滑动门后可以冲洗转轮壳体240的内部，滑动门230由封闭在气缸壳体235内的气缸335驱动，如图6a和图6b所示。清洗水由进水管343供给。转轮壳体240通过联接着液浆排泄阀243的液浆排泄管242排空。在一般的运行中，每抛光一个晶片，转轮壳体240被冲洗一次，而无需操作者干预。

滑动门230还包括连接着的一对槽板332。槽板332由带有乙烯铰链的塑料制成，当滑动门230关闭时，槽板332被折叠在里面并由进水管343所提供的水冲洗，当滑动门230打开时，槽板332水平伸出遮盖正面220开口225的上方，如图5所示，并防止转轮壳体240内部不让沿正面220流下的任何液体进入，在液浆喷洒器124的正常运行中，水沿正面220流下。滑动门230和槽板332有利地保证了对转轮壳体240的内部及外部的冲洗而并不会相互掺混，也就是说防止了转轮壳体240内部的液浆被冲到连接在抛光带101上的抛光垫上，并且防止了外部的冲洗稀释转轮壳体240内的液浆。

本发明的第三个实施例适用于抛光带竖直安装，但却沿水平方向传动的抛光装置(可考虑，例如，把CMP设备100沿抛光垫平面旋转90度)。与图1a和1b所示的液浆喷洒器的旋转轮不同(它沿水平面方向转动)，于这种抛光设备的液浆喷洒器旋转轮，该旋转轮沿竖直平面方向转动。显然，在这种设备中，储存液浆的储存器不能如图4中的储存器205那样设置，图10a和10b分别是体现本发明这第三种实施例的液浆喷洒器500的垂直和水平剖视图。

如图10a所示，液浆喷洒器500从壳体505侧面上的开口501喷射出一液浆流，装在壳体505内的转轮组件503是由一转轴504驱动而旋转，该转轴504耦接到位于壳体505外面的可变速电动机502上。如图10b所示，转轮组件503部分地浸设在位于壳体505底部的液浆储存器506内，这样，当转轮组件503由转轴504驱动沿标号503方向旋转时，液浆被旋转着的转轮组件携带并通过壳体505上的开口507由离心力喷射出去。半挡壁501a和储存器506的侧壁501b负责限制射流的角度，其方法大致与图3a和图3b中液浆喷洒器104的半挡壁301a和301b的方法相同。

以上的详细描述是用来说明此具体实施例，且并不限于此。本发明范围之内的各种各样的变动和改进均为可以的，例如，尽管本发明是借助CMP设备来说明的，但是本发明还适用于任何抛光设备，本发明由下面的权利要求所限定。

Claims

1.一种液浆喷洒器，其特征在于，包括：

带有第一开口的壳体；

设置在所述壳体内用以储存液浆的第一储存器；

第一旋转机构；以及

在所述壳体内的第一转轮组件，所述第一转轮组件与所述旋转机构连接转动，所述第一转轮组件包括第一圆盘部分和第一传输通道用以将所述液浆从所述储存器输送到所述第一圆盘部分，其中所述第一圆盘部分包括一沿所述圆盘部分圆周的凹槽，所述第一传输通道包括插入所述第一储存器的第一锥形件，从而当所述第一转轮组件转动时，液浆流被迫沿所述第一锥形件向上蠕动进入所述第一圆盘部分，并通过所述第一开口以射流形式由所述第一圆盘部分喷洒出去。

2.根据权利要求1所述的液浆喷洒器，其特征在于，所述第一旋转组件包括可变速电动机。

3.根据权利要求1所述的液浆喷洒器，其特征在于，所述第一转轮组件和所述壳体用与所述液浆不发生化学作用的材料制成。

4.根据权利要求3所述的液浆喷洒器，其特征在于，所述材料包括聚偏氟乙烯。

5.根据权利要求3所述的液浆喷洒器，其特征在于，所述材料包括聚碳酸酯。

6.根据权利要求3所述的液浆喷洒器，其特征在于，所述材料包括聚丙烯。

7.根据权利要求3所述的液浆喷洒器，其特征在于，所述材料包括带有聚四氟乙烯涂层的任何材料。

8.根据权利要求1所述的液浆喷洒器，其特征在于，还包括所述壳体内设置在所述开口附近以将所述射流限制在预定角度的挡壁部分。

9.根据权利要求1所述的液浆喷洒器，其特征在于，还包括将液浆连续供应到所述第一储存器内的第一液浆进口。

10.根据权利要求1所述的液浆喷洒器，其特征在于，所述壳体进一步包括第二开口，并且，所述液浆喷洒器还包括：

设置在所述壳体内用于储存液浆的第二储存器；

第二旋转机构；以及

在所述壳体内的第二转轮组件，所述第二转轮组件与所述第二旋转机构连接转动，所述第二转轮组件包括第二圆盘部分和第二传输通道用于将所述液浆从所述储存器传输到所述第二圆盘部分，其中所述第二圆盘部分包括一沿所述圆盘部分圆周的凹槽，所述第二传输通道包括插入所述第二储存器的第二锥形件，从而，当所述第一和所述第二转轮组件旋转时，液浆流被迫分别沿着所述第一和所述第二锥形件向上进入所述第一和第二圆盘部分，并分别通过所述第一和第二开口由所述第一和第二圆盘部分协调地以射流形式喷洒出去。

11.根据权利要求10所述的液浆喷洒器，其特征在于，所述第一和第二旋转机构被驱动沿相反方向转动所述第一和第二转轮组件。

12.根据权利要求10所述的液浆喷洒器，其特征在于，还包括：

具有打开和关闭位置的滑动门，从而在关闭位置时，该滑动门盖住所述壳体上的所述第一和第二开口；

驱动所述滑动门的气缸；以及

给所述壳体提供清洗水的进水管。

13.根据权利要求12所述的液浆喷洒器，其特征在于，还包括用于清洗后使所述壳体排空的排泄管和排泄阀。

14.根据权利要求13所述的液浆喷洒器，其特征在于，还包括连接在所述滑动门上的槽板，以便当所述滑动门在打开位置时，该槽板伸出到所述第一和第二开口的上方。