CN110549239A - 化学机械研磨装置及研磨垫表面修整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种化学机械研磨装置及研磨垫表面修整方法，装置包括研磨台，用于设置研磨垫；温控水机，具有进水口和出水口，进水口与去离子水供应装置连接，温控水机用于将经进水口流入的去离子水加热到预设温度范围；喷雾器，设置在研磨台上方，喷雾器与温控水机的出水口连接，喷雾器具有喷头，喷头相对研磨垫表面倾斜设置；调节头，设置在研磨台上方，用于调节修整研磨垫表面的粗糙度。方法包括将完成表面处理的晶圆移出；将加温后的去离子水通过喷雾器的喷头持续喷射到研磨垫表面，以对研磨垫表面进行加热；通过调节头对研磨垫表面进行修整。本发明通过加热的去离子水对研磨垫进行软化，因此提高了研磨垫与晶圆的接触面积。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造技术领域，特别涉及一种化学机械研磨装置及研磨垫表面修整方法。
背景技术
在研磨垫对一个晶圆进行表面处理后，需要通过调节头和去离子水对研磨垫表面进行修整，以提高研磨垫的表面粗糙度。但是，由于去离子水的温度无法调节，导致在不同环境下去离子水的温度变化较大，如图1所示，研磨垫100的表面粗糙度受去离子水的温度影响，使得与晶圆200的接触面积110受温度影响也会产生较大变化。由于晶圆200与研磨垫100的接触面积110减小，导致研磨垫100的移除速率降低，无法有效去除晶圆表面的杂质。
在背景技术中公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此其可能包含没有形成为本领域普通技术人员所知晓的现有技术的信息。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种化学机械研磨装置及研磨垫表面修整方法，以解决或缓解现有技术中存在的技术问题，至少提供一种有益的选择。
本发明实施例的技术方案是这样实现的：
根据本发明的一个实施例提供一种化学机械研磨装置，包括：
研磨台，用于设置研磨垫；
温控水机，具有进水口和出水口，所述进水口与去离子水供应装置连接，所述温控水机用于将经所述进水口流入的去离子水加热且稳定在预设温度范围中；
喷雾器，设置在所述研磨台上方，所述喷雾器与所述温控水机的所述出水口连接，所述喷雾器具有喷头，所述喷头相对所述研磨垫表面倾斜设置，用于向所述研磨垫表面喷射加温后的所述去离子水，以加热和清洁所述研磨垫；以及
调节头，设置在所述研磨台上方，用于调节修整所述研磨垫表面的粗糙度。
在一些实施例中，还包括控制单元，所述控制单元与所述温控水机电连接，用于控制所述温控水机对所述去离子水的加热温度在所述预设温度范围中；所述控制单元还与所述喷雾器电连接，用于控制所述喷头喷出所述去离子水的流速。
在一些实施例中，所述喷头相对所述研磨垫表面的倾斜角度在30°-75°之间，包含端点值。
在一些实施例中，所述研磨台为多个，各所述研磨台分别配置有各一所述研磨垫和各一所述喷雾器，多个所述喷雾器与同一所述温控水机连接。
在一些实施例中，还包括研磨头，所述研磨头设置在所述研磨台上方，用于装载晶圆。
在一些实施例中，所述预设温度范围为43℃-47℃，包含端点值。
本发明实施例还提供了一种研磨垫表面修整方法，包括：
利用上述任一所述化学机械研磨装置，通过所述研磨垫对晶圆进行表面处理；
将完成所述表面处理的所述晶圆移出所述研磨垫；
预湿加热所述研磨垫，将加温后的所述去离子水通过所述喷雾器的所述喷头持续喷射到所述研磨垫表面，以对所述研磨垫表面进行加热，使所述研磨垫表面软化；
表面修整所述研磨垫，通过所述调节头对所述研磨垫表面进行修整；
清洁所述研磨垫，通过加热后的所述去离子水对修整后的所述研磨垫表面进行清洁。
在一些实施例中，所述喷头喷出的所述去离子水对所述研磨垫表面加热5秒后，所述调节头开始对所述研磨垫表面进行修整。
在一些实施例中，所述调节头对所述研磨垫修整时间为10-15秒，所述喷头通过所述去离子水清洁所述研磨垫表面的时间为5秒。
在一些实施例中，还包括：在清洁所述研磨垫后，再利用所述化学机械研磨装置的所述研磨垫对另一晶圆进行表面处理。
在一些实施例中，所述温控水机将所述去离子水的温度加热至43℃-47℃之间，包含端点值。
本发明实施例由于采用以上技术方案，其具有以下优点：本发明的化学机械研磨装置由于设置有与喷雾器连接的温控水机，因此能够对进入到喷雾器中的去离子水进行加热，使得加热后的去离子水喷射到研磨垫表面时能够对研磨垫表面进行软化，在调节头修整研磨垫时，能够提高研磨垫与晶圆的接触面积、表面粗糙度以及移除效率，使得研磨垫对晶圆进行表面处理时减少了划痕的产生。
上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。
附图说明
在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本发明公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本发明范围的限制。
图1为现有技术中的晶圆与研磨垫接触位置放大示意图。
图2为本发明实施例的研磨装置结构示意图。
图3为本发明实施例的研磨装置的俯视结构示意图。
图4为本发明实施例的晶圆与研磨垫接触位置放大示意图。
图5为本发明实施例的温控水机结构示意图。
图6为本发明实施例的研磨垫表面修整方法的流程图。
图7为本发明实施例未加热的研磨垫表面与晶圆的接触面积的示意图。
图8为本发明实施例加热的研磨垫表面与晶圆的接触面积的示意图。
图9为本发明实施例的研磨垫硬度随温度变化的示意图。
图10为本发明实施例的研磨垫与晶圆接触面积随温度变化的示意图。
图11为本发明实施例的研磨垫研磨晶圆产生的划痕随温度变化的示意图。
图12为本发明实施例的研磨垫移除速率随温度变化的示意图。
附图标号说明：
现有技术：
100-研磨垫； 110-接触面积； 200-晶圆。
本发明：
10-研磨垫； 20-研磨台； 30-晶圆；
40-喷雾器； 50-去离子水； 60-温控水机；
61-温控水机进水口； 62-温控水机出水口； 70-调节头；
41-喷头； 80-研磨头； 90-研磨液喷头；
63-壳体； 64-加热腔； 65-进水腔；
66-出水腔； 67-输送管路； 68-挡板；
641-介质入口； 642-截至出口； 300-控制单元；
71-摆臂。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通或两个组件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
定义本发明各附图的上方位为“上”，各附图的下方位为“下”。应当理解为各实施例中限定的“上”和“顶部”即为各附图中的上侧位置，“底部”和“下”即为各附图中的下侧位置。其他有关方位描述的词语均应当理解为以上述定义为参考基准而描述的位置关系。
根据本发明实施例提供一种化学机械研磨装置，如图2、图3所示，包括：
研磨台20，用于设置研磨垫10。研磨台20用于承载研磨垫10，并通过研磨垫10对晶圆30进行表面处理。晶圆30的表面处理可以理解为使得晶圆30的表面平坦化，同时通过摩擦去除晶圆表面残存的杂质(如化学反应物)。
温控水机60，具有进水口61和出水口62。进水口61与去离子水供应装置连接(图中未示出)，出水口与喷雾器40连接。温控水机60用于对去离子水供应装置输送的去离子水50加热并稳定在预设温度范围。加温后的去离子水50附着在研磨垫10的表面后能够对研磨垫10的表面进行加热，使得研磨垫10的表面变软。
喷雾器40，设置在研磨台20上方，喷雾器40与温控水机60的出水口62连接。喷雾器40具有喷头41，喷头41相对研磨垫10的表面倾斜设置，用于将加温后的去离子水50喷射到研磨垫10的表面，去离子水50通过喷雾器40的高压作用对研磨垫10的表面进行加热和清洁。以增加研磨垫10的表面的接触面积11(如图4所示)。其中，喷头41可为多个，且各喷头41沿同一直线间隔排布，以便对研磨垫10的表面均匀喷射去离子水50。
调节头70，设置在研磨台20上方，用于调节修整研磨垫41表面的粗糙度。
需要说明的是，本实施例中记载的晶圆30和研磨垫10的表面，可以理解为是晶圆30的圆形端面和研磨垫10的圆形端面。调节头70和研磨台20均可进行旋转运动，且转速不相同。调节头70还可通过与其连接的摆臂71实现相对研磨台20从中心到边缘的摆动。
在一个实施例中，还包括控制单元300，控制单元300与温控水机60电连接，用于控制温控水机60对去离子水50的加热温度。控制单元300还与喷雾器40电连接，用于控制喷头41喷出去离子水50的流速。
在一个具体的实施方式中，在控制单元300的控制下，温控水机60对去离子水50加热的预设温度范围为43℃-47℃(包含端点值)。在控制单元300的控制下，喷头41喷出去离子水50的流速在5940ml/min-6060ml/min(包含端点值)之间。在上述温度和流速区间内，更有利于对研磨垫10表面进行修整，提高研磨垫10的表面粗糙度和去除速率。
为了更快速均匀的将去离子水50喷射在研磨垫10的表面，喷头41可相对研磨垫10的表面呈15°-75°(包含端点值)的倾斜角度布置，以便更有利于对研磨垫10的表面进行加热和清洁。优选的，喷头41可相对研磨垫10的表面呈30°-75°(包含端点值)的倾斜角度布置。
为了提高晶圆30的表面处理效率，化学机械研磨装置可以设置多个研磨台20。各研磨台20分别配置有至少一个研磨垫10和至少一个喷雾器40，多个喷雾器40可与同一温控水机60连接。为了满足向多个喷雾器40供应加温的去离子水50，温控水机60的容量可以进行调节，且温控水机60的出水口62的数量可根据喷雾器40的数量进行调整。
在一个实施例中，如图5所示，温控水机60包括壳体63，壳体63具有加热腔64，和位于加热腔64两端的进水腔65和出水腔66。进水口61与进水腔65连通，出水口62与出水腔66连通。进水腔65与出水腔66通过位于加热腔64中的多根输送管路67连通。在加热腔64上设置有介质入口641和介质出口642。在加热腔64内交错间隔设置有多个挡板68。在工作时，去离子水50进入进水腔65后经由输送管路67输送至出水腔66。同时，加热介质从介质入口641流入到加热腔64中，在挡板68的导流作用下流向介质出口642，加热介质在流动过程中与输送管路67进行换热，实现对输送管路67中的去离子水50进行加热。
在一个实施例中，还包括研磨头80，研磨头80设置在研磨台20上方，用于装载晶圆30。晶圆30固定在研磨头80的下部，研磨头80以一定的压力将晶圆30压在旋转的研磨垫10的表面上，通过研磨头80和研磨液对晶圆30表面进行处理。其中，研磨液通过研磨液喷头90喷出，研磨液喷头90设置在研磨台20上方。
在一个实施例中，喷雾器40、调节头70、研磨头80以及研磨液喷头90均可转动地设置在研磨台20的上方，当不工作时可转动到研磨台20的外部，避免与其他工作中的器件发生干涉。
本发明实施例还提供了一种研磨垫表面修整方法，该方法可应用于上述任一实施例所述的化学机械研磨装置，如图6所示，包括以下步骤：
步骤S100：通过研磨垫10对晶圆30进行表面处理，当完成晶圆30的表面处理后，将完成表面处理的晶圆30移出研磨垫10。
步骤S200：通过温控水机60对去离子水50加温后输送至喷雾器40中。
步骤S300：预湿加热研磨垫10，喷雾器40的喷头41持续将加温的去离子水50喷射到研磨垫10的表面，以对研磨垫10的表面进行加热，使研磨垫10的表面软化。
步骤S400：表面修整研磨垫10，通过调节头70对研磨垫10的表面进行修整。由于研磨垫10的表面软化，因此调节头70在修整时能够提高研磨垫10的表面粗糙度，并且增加了研磨垫10与晶圆30的接触面积11。由于研磨垫10与晶圆30的接触面积11增加，使得研磨垫10对晶圆30的去除率提高，同时减少了表面处理过程中划痕的产生。同时，由于研磨垫10的表面软化，调节头70修整研磨垫10的时间也有效缩短。
步骤S500：清洁研磨垫10，通过喷头41喷出的去离子水50对修整后的研磨垫10的表面进行清洁，以去除残存的杂质。
步骤S600：向研磨垫10上放入另一晶圆30，通过修整后的研磨垫10对另一晶圆进行表面处理。
在一个实施例中，为了保证研磨垫10表面的修整效果，温控水机60将去离子水50的温度加热控制在43℃-47℃(包含端点值)之间。
在一个实施例中，为了保证研磨垫10表面的修整和清洁效果，喷头41喷出去离子水50的控制流速在5940ml/min-6060ml/min(包含端点值)之间。
在一个具体的实施方式中，喷头41喷出的去离子水50对研磨垫10的表面加热5秒后，调节头70开始对研磨垫10的表面进行修整。调节头70对研磨垫10修整10-15秒后，喷头41再通过去离子水50清洁研磨垫10的表面5秒，从而完成一个晶圆30的表面处理。
本发明方法能够增加研磨垫10与晶圆30的接触面积11。当未通过加热的去离子水50对研磨垫10表面进行加热时，如图7所示，研磨垫10与晶圆30的接触面11较小。如图8所示，当通过加热的去离子水50对研磨垫10表面进行加热后，研磨垫10与晶圆30的接触面11显着增大。
本发明由于通过对去离子水50进行加热，并将去离子水温度控制在43℃-47℃范围内，因此研磨垫10表面温度通过去离子水50得到升温后，研磨垫10表面温度也能够稳定在一定范围内。如图9-12所示，当研磨垫10的表面得到加热并表面温度稳定时，研磨垫10的表面硬度降低且在温度范围内无明显浮动，研磨垫10与晶圆30的接触面积11增大且在温度范围内无明显浮动，研磨垫10表面的划痕减少且在温度范围内无明显浮动，研磨垫10对晶圆30的移除速率提升且在温度范围内无明显浮动。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (11)
1.一种化学机械研磨装置，其特征在于，包括：
研磨台，用于设置研磨垫；
温控水机，具有进水口和出水口，所述进水口与去离子水供应装置连接，所述温控水机用于将经所述进水口流入的去离子水加热且稳定在预设温度范围中；
喷雾器，设置在所述研磨台上方，所述喷雾器与所述温控水机的所述出水口连接，所述喷雾器具有喷头，所述喷头相对所述研磨垫表面倾斜设置，用于向所述研磨垫表面喷射加温后的所述去离子水，以加热和清洁所述研磨垫；以及
调节头，设置在所述研磨台上方，用于调节修整所述研磨垫表面的粗糙度。
2.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：
控制单元，所述控制单元与所述温控水机电连接，用于控制所述温控水机对所述去离子水的加热温度在所述预设温度范围中；所述控制单元还与所述喷雾器电连接，用于控制所述喷头喷出所述去离子水的流速。
3.如权利要求1所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述喷头相对所述研磨垫表面的倾斜角度在30°-75°之间，包含端点值。
4.如权利要求1所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述研磨台为多个，各所述研磨台分别配置有各一所述研磨垫和各一所述喷雾器，多个所述喷雾器与同一所述温控水机连接。
5.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，所述研磨头设置在所述研磨台上方，用于装载晶圆。
6.如权利要求1-5任一项所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述预设温度范围为43℃-47℃，包含端点值。
7.一种研磨垫表面修整方法，其特征在于，包括：
利用根据权利要求1至6中任一项所述的化学机械研磨装置，通过所述研磨垫对晶圆进行表面处理；
将完成所述表面处理的所述晶圆移出所述研磨垫；
预湿加热所述研磨垫，将加温后的所述去离子水通过所述喷雾器的所述喷头持续喷射到所述研磨垫表面，以对所述研磨垫表面进行加热，使所述研磨垫表面软化；
表面修整所述研磨垫，通过所述调节头对所述研磨垫表面进行修整；
清洁所述研磨垫，通过加热后的所述去离子水对修整后的所述研磨垫表面进行清洁。
8.如权利要求7所述的研磨垫表面修整方法，其特征在于，所述喷头喷出的所述去离子水对所述研磨垫表面加热5秒后，所述调节头开始对所述研磨垫表面进行修整。
9.如权利要求8所述的研磨垫表面修整方法，其特征在于，所述调节头对所述研磨垫修整时间为10-15秒，所述喷头通过所述去离子水清洁所述研磨垫表面的时间为5秒。
10.如权利要求7所述的研磨垫表面修整方法，其特征在于，还包括：在清洁所述研磨垫后，再利用所述化学机械研磨装置的所述研磨垫对另一晶圆进行表面处理。
11.如权利要求7所述的研磨垫表面修整方法，其特征在于，所述温控水机将所述去离子水的温度加热至43℃-47℃之间，包含端点值。
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