CN112371614A - 研磨头清洗装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种研磨头清洗装置，包括：若干个清洗支路，每个所述清洗支路包括：喷雾单元、管道、自动阀门、传感器、控制单元和清洗液供应单元，所述传感器检测到所述研磨头的侧面是否存有附着物，向所述控制单元输出反馈信号，基于所述反馈信号，所述控制单元控制所述自动阀门开启或闭合，以控制所述喷雾单元启动与停止。所述喷雾单元启动时，所述喷雾单元向所述研磨头的侧面喷射清洗液。清洗液对所述附着物产生物理化学作用，使得所述附着物从所述研磨头的侧面掉落。避免在研磨头在上下料期间或其自身运动时，所述附着物掉落在研磨垫上，继而在所述晶圆上造成划痕或附着颗粒，最终影响晶圆制品的成品率。

Description

研磨头清洗装置

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种研磨头清洗装置。

背景技术

化学机械研磨(Chemical Mechanical Polish，CMP)是一个通过化学反应和机械摩擦共同作用的工艺。通常地，在化学机械研磨过程中研磨头向晶圆背面施加一定的压力，以使晶圆正面紧贴研磨垫。研磨垫粘贴于研磨盘上，当研磨盘在马达的驱动下进行旋转时，带动所述研磨垫旋转，研磨头也进行相应运动以带动晶圆运动，如此实现了晶圆和研磨垫产生相对运动。以使晶圆正面与研磨垫产生机械摩擦。同时，研磨液通过研磨液供应管路输送到研磨垫上，并通过离心力均匀地分布在研磨垫上。研磨工艺所使用的研磨液一般包含有化学腐蚀剂和研磨颗粒，通过化学腐蚀剂和所述待研磨表面的化学反应生成较软的容易被去除的材料，然后通过机械摩擦将这些较软的物质从被研磨晶圆正面去掉，从而达到晶圆表面平坦化的目的。

化学机械研磨后，需要对研磨头进行清洗，以去除研磨头表面的研磨残留物，所述的残留物可能是研磨液残留、晶片表面的材料层残留物或者研磨液与晶片表面材料发生反应后的生成物的残留物。研磨头清洗装置设置于研磨头下方，并通过去离子水对研磨头的底部进行清洗，以去除晶圆和研磨头上附着的研磨液及残留物，上述结构可以对研磨头底面和晶圆进行清洗。但是在化学机械研磨的过程中，研磨头的上方和侧面往往也会形成部分研磨液结晶以及晶圆上研磨出来的附着物，这些研磨残留物在现有的清洗装置中无法被去除。

发明内容

本发明的目的在于提供一种研磨头清洗装置，能够自动清洗研磨头以清除研磨头侧面的附着物，提升晶圆制品的成品率。

为了达到上述目的，本发明提供了一种研磨头清洗装置，用于清洗研磨机台，所述研磨机台包括研磨头及研磨腔，所述研磨腔具有一进出料口，所述研磨头悬于所述研磨腔内，其特征在于，包括：若干个清洗支路；每个所述清洗支路均包括：喷雾单元、管道、自动阀门、传感器及控制单元，所述喷雾单元及所述传感器均设置于所述进出料口的侧壁上，所述管道连通所述喷雾单元及一清洗液供应单元，所述自动阀门设置于所述管道上，所述控制单元与所述传感器及所述自动阀门信号连接，当所述传感器检测到所述研磨头的侧壁具有附着物时，所述控制单元控制所述自动阀门开启，所述喷雾单元向所述研磨头的侧壁喷出清洗液。

可选的，所述清洗液供应单元的输入端具有一总管道，每个所述清洗支路中的管道均与所述总管道连通，所述总管道上设置有手阀。

可选的，所述清洗支路至少具有两个，两个所述清洗支路相对所述研磨头对称设置。

可选的，所述喷雾单元向所述研磨头的侧壁喷出清洗液时，所述研磨头处于转动状态。

可选的，每个所述喷雾单元均包括至少两个喷嘴。

可选的，所述研磨头能够在位于所述研磨腔内的第一位置和位于所述进出料口的第二位置之间移动，所述第一位置高于所述第二位置，所述传感器的位置与所述第二位置齐平。

可选的，所述传感器设置于对应的所述喷雾单元的下方。

可选的，所述传感器均为光电传感器。

可选的，所述清洗液为去离子水。

可选的，所述管道内的压力均为3bar-9bar。

在本发明提供的研磨头清洗装置中，所述传感器检测到所述研磨头的侧面是否存有附着物，向所述控制单元输出反馈信号，基于所述反馈信号，所述控制单元控制所述自动阀门开启或闭合，以控制所述喷雾单元启动与停止。所述喷雾单元启动时，所述喷雾单元向所述研磨头的侧面喷射清洗液。清洗液对所述附着物产生物理化学作用，使得所述附着物从所述研磨头的侧面掉落。避免在研磨头在上下料期间或其自身运动时，所述附着物掉落在研磨垫上，继而在所述晶圆上造成划痕或附着颗粒，最终影响晶圆制品的成品率。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种化学机械研磨设备的结构示意图；

图2为本发明实施例中的一种研磨头的结构示意图；

图3为本发明实施例中的研磨头清洗装置的结构示意图；

图4为本发明实施例中的晶圆制品检测结果的对比图；

其中，附图标记如下：

100-研磨头；110-本体；120-隔膜；130-定位环；

200-进出料平台；

300-研磨头支撑臂；

400-研磨腔侧壁；

500-研磨头清洗装置；510-清洗支路；511-喷雾单元；512-传感器；513-管道；514-自动阀门；520-手阀；530-清洗液供应单元；

600-晶圆；

700-研磨盘；

800-研磨垫；

900-附着物。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

图1为本发明实施例中的一种化学机械研磨设备。图2为本发明实施例中的一种研磨头的结构示意图。如图1和图2所示，所述化学机械研磨设备至少包括研磨腔侧壁400、研磨头支撑臂300、研磨头100、研磨盘700、进出料平台200和研磨垫800。每个所述研磨头支撑臂300上设置有两个研磨头100。研磨腔在所述进出料平台200处开设有进出料口，所述进出料口处的研磨腔侧壁400之间为所述化学机械研磨设备的进出料平台200，每个所述进出料平台200的对应一个所述研磨头100。所述研磨头支撑臂300带动所述研磨头100在所述进出料平台200处进行上料及下料，因此，所述研磨头100在上料及下料期间位于所述研磨腔侧壁400之间的区域。

在化学机械研磨工艺的过程中，首先将晶圆600反转180度之后，利用所述研磨头100吸附晶圆600背面，然后以所述晶圆600正面朝下的方式，将所述晶圆600反压在布满超细固体粒子研磨颗粒和化学催化剂的研磨垫800(研磨盘700)上，然后利用研磨垫800和研磨头100之间的相对运动，即两者之间的线速度的差异，迫使超细固体粒子研磨颗粒对所述晶圆600表面的凸出点进行研磨，以达到晶圆600表面平坦化的目的。

继续参照图2所示，所述研磨头100包括定位环130、本体110及隔膜120，所述定位环130包围在所述待研磨晶圆600的外围，所述本体110内部设有若干气体通道。所述隔膜120设置于所述本体110下表面，所述研磨头100需装载晶圆600时，通过隔膜120吸真空可以将晶圆600吸附在研磨头100的隔膜120上。所述定位环130固定在所述本体110靠近待研磨晶圆600的一侧、包围所述隔膜120并用于卡持晶圆600。所述晶圆600被隔膜120压在研磨垫800上一边旋转，一边进行研磨，定位环130也压在研磨垫800上晶圆600周围，保证旋转的晶圆600不从研磨头100内滑岀，以实现研磨功能。

研磨垫800是输送研磨液的关键部件，研磨垫800可拆卸的设置于研磨盘700面的上表面，研磨盘700转动以带动所述研磨垫800转动。在本发明的一个实施例中，所述研磨垫800表面具有一层多孔性结构的高分子材料，高分子材料一般选择聚氨酯(PU)和聚碳酸酯(PC)等，研磨垫800上的多孔结构起着储存研磨液的作用。同时増加了晶圆600表面的薄膜跟研磨液的接触面积，提髙反应速度。

加入研磨液是化学机械研磨工艺关键要素之一，研磨液直接影响研磨后晶圆600表面的质量，如厚度、平整度和缺陷水平。研磨液的成分主要由超细固体粒子研磨颗粒、氧化剂、面活性剂和稳定剂等组成。研磨液中超细固体粒子研磨颗粒提供摩擦力以研磨所述晶圆600表面的薄膜。氧化剂等化学催化剂跟所述晶圆600表面的材料起化学作用，让所述晶圆600表面的薄膜变软，使其在物理作用下容易去除。

所述研磨垫800上存有浆液，所述浆液为化学研磨液及所述晶圆600表面上被磨掉的颗粒物的混合物。所述研磨头100在高速旋转的研磨垫800上旋转，对所述晶圆600进行研磨过程中，髙速旋转的研磨垫800会使研磨垫800上的浆液飞溅至所述研磨头100的侧面并附着之，待附着在研磨头100周边区域的浆液中的水分蒸发后，将有大量浆液结晶(也即附着物)附着在研磨头100的侧面，在所述研磨头100上下料时或其自身运动时，这些附着物900随时有可能从所述研磨头100的侧面掉落在所述研磨垫800上，从而所述晶圆600表面的平整度构成极大威胁，最终影响所述晶圆600的成品率。

请继续参照图1和图2，现有的研磨头清洗装置分布在进出料平台200，所述清洗装置包括有多个超纯水喷嘴，但是所述研磨头清洗装置仅能冲洗到所述研磨头100上与所述晶圆600接触的部分，即隔膜120和定位环130，而对研磨头100的侧面及上方的区域边无法进行有效冲洗。

基于此，本发明提供一种研磨头清洗装置，能够自动对研磨头100的侧面及上方的区域进行冲洗。

图3为本发明实施例中的研磨头清洗装置的结构示意图。如图3所示，所述研磨头清洗装置500用于清洗研磨机台，尤其是对研磨机台上的研磨头100侧面的附着物900进行清除，所述研磨机台包括研磨头100及研磨腔，所述研磨腔具有一进出料口，所述进出料平台200位于所述进出料口处，所述研磨头100悬于所述研磨腔内，所述研磨头清洗装置500包括：若干个清洗支路；每个所述清洗支路均包括：喷雾单元511、管道513、自动阀门514、传感器512及控制单元，所述喷雾单元511及所述传感器512均设置于所述进出料口处的侧壁(也即图3中的研磨腔侧壁400)上，所述管道513连通所述喷雾单元511及一清洗液供应单元530，所述自动阀门514设置于所述管道513上，所述控制单元与所述传感器512及所述自动阀门514信号连接，当所述传感器512检测到所述研磨头100的侧壁具有附着物900时，所述控制单元控制所述自动阀门514开启，所述喷雾单元511向所述研磨头100的侧壁喷出清洗液。

所述喷雾单元511设置于所述研磨腔侧壁400，用于将清洗液雾化喷出。所述清洗液包括但不限于去离子水、超纯水或清洗剂溶液。优选的，综合考虑清洗成本及清洗效果，本实施例的清洗液采用去离子水。

继续参照图3，所述管道513的输出端与所述喷雾单元511相连，输入端与所述清洗液供应单元530相连。所述自动阀门514设置于所述管道513上，用于控制所述管道513的通断以控制所述喷雾单元511的启停。优选的，所述管道513内的压力为3bar-9bar，管道513内的去离子水具有较高的水压，喷雾单元511内的去离子水在3bar-9bar的水压下，以极高的速度流动，喷出所述喷雾单元511后会迅速膨胀产生去离子水与气体的混合物。所述喷雾单元511喷出的去离子水和气体冲击所述研磨头100侧面的附着物900。去离子水会和气体混合物因具有较高的动能，能够冲击所述附着物900，促使其掉落。再者，所述去离子水能够中和掉所述附着物900的电荷，降低了所述附着物900与所述研磨头100的侧面之间的吸附力，如此，进一步促进所述附着物900从所述研磨头100的侧面掉落。

可选的，所述喷雾单元511包括至少两个喷嘴。较多的喷嘴可以使得所述喷雾单元511具有较广的喷射范围，有利于增加所述喷雾单元511所能清洗到空间范围。

应知道，所述喷雾单元511的启动时，所述研磨头100处于转动状态。旋转的研磨头100能够使得研磨头100的侧面能够充分的被所述喷雾单元511喷出的去离子水冲洗，以保证清洁效果。

如图3所示，所述传感器512设置于所述研磨腔侧壁400，用于检测所述研磨头100侧面的附着物900，并向所述控制单元输出反馈信号。所述控制单元依据所述反馈信号以控制所述自动阀门514的开闭状态，进一步的控制所述喷雾单元511的启停。

在本发明的研磨头清洗装置500中，所述传感器512检测到所述研磨头100侧面的附着物900，向所述控制单元输出反馈信号，基于所述反馈信号，所述控制单元控制所述自动阀门514开启或闭合，以控制所述喷雾单元511启动与停止。所述喷雾单元511启动时，通过所述喷嘴向所述研磨头100的侧面喷射去离子水。去离子水对所述附着物900产生物理化学作用，使得所述附着物900从所述研磨头100侧面掉落。避免在研磨头100上下料期间或其自身运动时，所述附着物900掉落在研磨垫800上，继而在所述晶圆600上造成划痕或附着颗粒，最终影响晶圆600制品的成品率。

请回到图3，在本发明的一个优选实施例中，所述清洗液供应单元的输入端具有一总管道，每个所述清洗支路中的管道513均与所述总管道连通，所述总管道上设置有手阀520。应知道，所述管道513的输入端设置有一手阀520，用于控制所述管道513的通断。

具体的，所述手阀520采用截断阀，截断阀又称闭路阀，其作用是接通或截断管路中的离子水。因此，所述手阀520可以用于在特殊情况下，截断管路的离子水以停止所述喷雾单元511喷射离子水。

可选的，所述手阀520还可以采用调节阀，其作用是调节离子水的压力、流量等参数。基于此，在本发明的另一个优选实施例中，通过所述手阀520来调节所述管道513的压力或流量。

可选的，所述手阀520还可以采用止回阀，其作用是防止管路中的离子水倒流，基于此，在本发明的另一个优选实施例中，通过所述手阀520防止管道513内的离子水倒流至所述清洗液供应单元530。

应知道，在本实施例中所述清洗液供应单元530为工厂的水循环系统，管道513内的离子水倒流至水循环系统，可能导致水循环系统受到污染，这是我们不希望的。应理解，在本发明的再一个实施例中，所述清洗液供应单元530可以是独立的储液罐。

可选的，所述清洗支路510至少具有两个，两个所述清洗支路510相对所述研磨头100对称设置。

请继续参照图3，由于本实施例中的研磨头100的数量为两个。基于此，所述清洗支路510包括对称于所述研磨头100设置的第一清洗支路和第二清洗支路，每个所述清洗支路510上均设置自动阀门514、喷雾单元511及传感器512。所述第一清洗支路和第二清洗支路对称设置于所述研磨头100的两侧。也即，所述喷雾单元511的数量为两个，且对称设置于所述研磨头100的两侧，所述传感器512的数量为两个，且对称设置于所述研磨头100的两侧。同样的，所述自动阀门514的数量也为两个。

具体的，所述自动阀门514是借助于一些外力对阀门进行控制的一种设备，本发明中的自动阀门514可以是采用压缩空气驱动的自动阀门514，也可以是采用电力驱动的控制阀门。所述阀门的类型可以是蝶阀、球阀或者闸阀。所述控制系统通过控制压缩空气的通断或者电路的通断以控制所述自动阀门514。控制压缩空气的通断或者电路的通断的信号来自所述传感器512。

优选的，所述传感器512采用光电传感器，所述光电传感器是将光信号转换为电信号的一种器件。其工作原理基于光电效应。光电效应是指光照射在某些物质上时，物质的电子吸收光子的能量而发生了相应的电效应现象。所述光电传感器发射出一定光强的发射光照射在所述附着物900上，所述发射光的一部份被所述附着物900反射后，投射回所述到光电传感器上，所述光电传感器依据光强的变化而判断出所述研磨头100的侧面是否存有附着物900。当所述传感器512检测到所述研磨头100的侧面存有附着物900时，便会向所述控制单元输出反馈信号，所述控制单元依据所述反馈信号控制所述自动阀门514的开闭状态。

可选的，所述传感器512固定设置于所述研磨腔侧壁400。应知道，在本发明的一个可选实施例中，所述研磨头清洁装置500还包括若干支撑杆，所述传感器512设置于所述支撑杆上。

进一步的，所述传感器512设置于所述喷雾单元511的下方。应知道，本发明的研磨头清洁装置500是为了更好的冲洗所述研磨头100的侧面及上方的附着物900。将所述传感器512设置于所述喷雾单元511的下方时，所述传感器512检测到所述附着物900时，所述喷雾单元511处于所述附着物900的上方或者至少平行的位置，能够避免所述喷雾单元511处于所述附着物900的下方所造成的冲洗不便的问题。

所述研磨头100能够在位于所述研磨腔内的第一位置和位于所述进出料平口的第二位置之间移动，所述第一位置高于所述第二位置，所述传感器512的位置与所述第二位置齐平。应理解，所述第一位置为研磨腔内的研磨盘700，所述第二位置为所述进出料平台200上的清洗盘。

所述研磨头100包括上升状态和下降状态，所述传感器512设置的高度位于所述研磨头100下降状态的高度。

具体的，所述研磨头100在下料时，所述研磨头清洗装置500对所述研磨头100的侧面进行清洗。应知道，研磨头100下料时，所述研磨头支撑臂300带动所述研磨头100从研磨腔内的研磨盘700上移动至所述进出料平台200处的清洗盘。所述进出料平台200的清洗盘的高度低于所述研磨盘700，因此，所述研磨头100吸取晶圆600从研磨盘700转移至所述进出料平台200的清洗盘时，有一个下降的过程。基于此，所述研磨头100需要进行升降而存在上升状态和下降状态。而且，在下料时清洗所述研磨头100的侧面，能够最低限度的影响所述化学机械研磨设备。

在一个研磨头100的清洗过程中，所述研磨头100从所述研磨盘700上吸取所述晶圆600，随后研磨头100下降，将所述晶圆600转移至所述进出料平台200的清洗盘。所述研磨头100下降前，所述传感器512与所述研磨头100之间具有一个高度差，传感器512的发射光不能照射到所述研磨头100的侧面。研磨头100下降后，传感器512的发射光照射到所述研磨头100的侧面，若研磨头100侧面存有附着物900，传感器512便能输出一个反馈信号给控制单元，所述控制单元控制所述自动阀门514开启，以启动喷雾单元511对所述研磨头100的侧面进行清洗。当所述研磨头100的侧面上的附着物900被冲洗掉之后，传感器512便不会再向所述控制单元反馈信号，控制单元控制所述自动阀门514关闭，如此，所述研磨头清洗装置500实现了自动清洗的功能。

图4为发明本实施例中的晶圆制品检测结果的对比图。如图4所示，图中的圆状图形表示晶圆600，圆状图形内的黑点表示有划痕或颗粒附着的芯片，申请人采用所述研磨头清洗装置500之后，在化学机械研磨工艺中所述晶圆600的划痕和颗粒附着的芯片明显减少，晶圆600制品的成品率有明显的提升。

综上所述，本发明提供了一种研磨头清洗装置，用于对研磨机台上的研磨头侧面的附着物进行清除，所述研磨机台还包括进出料平台及所述进出料平台两侧的研磨腔侧壁，所述研磨头清洗装置包括若干个清洗支路，每个所述清洗支路包括喷雾单元、管道、自动阀门、传感器、控制单元和清洗液供应单元。所述喷雾单元设置于所述研磨腔侧壁，用于将清洗液雾化喷出。所述管道的输出端与所述喷雾单元相连，输入端与所述清洗液供应单元相连。所述自动阀门设置于所述管道上，用于控制所述管道的通断以控制所述喷雾单元的启停。所述传感器设置于所述研磨腔侧壁，用于检测所述研磨头侧面的附着物，并向所述控制单元输出反馈信号。所述控制单元用于控制所述自动阀门以控制所述喷雾单元的启停。在本发明的研磨头清洗装置中，所述传感器检测到所述研磨头的侧面是否存有附着物，向所述控制单元输出反馈信号，基于所述反馈信号，所述控制单元控制所述自动阀门开启或闭合，以控制所述喷雾单元启动与停止。所述喷雾单元启动时，所述喷雾单元向所述研磨头的侧面喷射清洗液。清洗液对所述附着物产生物理化学作用，使得所述附着物从所述研磨头的侧面掉落。避免在研磨头在上下料期间或其自身运动时，所述附着物掉落在研磨垫上，继而在所述晶圆上造成划痕或附着颗粒，最终影响晶圆制品的成品率。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种研磨头清洗装置，用于清洗研磨机台，所述研磨机台包括研磨头及研磨腔，所述研磨腔具有一进出料口，所述研磨头悬于所述研磨腔内，其特征在于，包括：若干个清洗支路；每个所述清洗支路均包括：喷雾单元、管道、自动阀门、传感器及控制单元，所述喷雾单元及所述传感器均设置于所述进出料口的侧壁上，所述管道连通所述喷雾单元及一清洗液供应单元，所述自动阀门设置于所述管道上，所述控制单元与所述传感器及所述自动阀门信号连接，当所述传感器检测到所述研磨头的侧壁具有附着物时，所述控制单元控制所述自动阀门开启，所述喷雾单元向所述研磨头的侧壁喷出清洗液。

2.如权利要求1所述的研磨头清洗装置，其特征在于，所述清洗液供应单元的输入端具有一总管道，每个所述清洗支路中的管道均与所述总管道连通，所述总管道上设置有手阀。

3.如权利要求1或2所述的研磨头清洗装置，其特征在于，所述清洗支路至少具有两个，两个所述清洗支路相对所述研磨头对称设置。

4.如权利要求3所述的研磨头清洗装置，其特征在于，所述喷雾单元向所述研磨头的侧壁喷出清洗液时，所述研磨头处于转动状态。

5.如权利要求3所述的研磨头清洗装置，其特征在于，每个所述喷雾单元均包括至少两个喷嘴。

6.如权利要求1所述的研磨头清洗装置，其特征在于，所述研磨头能够在位于所述研磨腔内的第一位置和位于所述进出料口的第二位置之间移动，所述第一位置高于所述第二位置，所述传感器的位置与所述第二位置齐平。

7.如权利要求6所述的研磨头清洗装置，其特征在于，所述传感器设置于对应的所述喷雾单元的下方。

8.如权利要求1所述的研磨头清洗装置，其特征在于，所述传感器均为光电传感器。

9.如权利要求1所述的研磨头清洗装置，其特征在于，所述清洗液为去离子水。

10.如权利要求1所述的研磨头清洗装置，其特征在于，所述管道内的压力均为3bar-9bar。

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