CN112643529A - Cmp设备的内外压力平衡结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CMP设备的内外压力平衡结构，在所述的研磨腔室的顶部安装FFU，所述研磨腔室采用两层门板，内外形成夹层作为高气压区；从顶部FFU通过一块第一斜板与门板内层相接，研磨腔室排气管道中加装压缩空气喷头，高压气流从顶部沿门板夹层通道向下通过压缩空气喷头喷出；排气管道还具有一通道与研磨腔室内部环境相连，所述排气管道出口下方具有一第二斜板；第一斜板下方具有水帘，水从水帘喷出并沿着研磨腔室门板内壁流下并被收集引入到排气管道以及气液分离装置。所述第二斜板的背面处具有空气导管，经排气管道排出的气流通过空气导管排出，水沿第二斜板流下落入排水管道并被排出。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制造领域，特别是指一种CMP设备的内外压力平衡结构。
背景技术
随着半导体工艺的飞速发展，电子器件尺寸缩小，要求晶圆表面平整度达到纳米级，传统的平坦化技术仅能实现局部平坦化，当最小特征尺寸达到0.25μ m 以下时，必须进行全局平坦化。常见的传统平面化技术很多。如热流法、旋转玻璃法、回蚀法、电子环绕共振法、选择淀积、低压CVD、等离子增强 CVD、淀积-腐蚀-淀积法等。但它们都属于局部平面化工艺，不能做到全局平面化。90 年代兴起的化学机械抛光技术（CMP）则从加工性能和速度上同时满足硅片图形 加工的要求，其也是目前唯一可以实现全局平坦化的技术。
CMP 就是用化学腐蚀和机械力对加工过程中的硅晶圆或其它衬底材料进行 平滑处理。CMP的工作原理是将硅片固定在抛光头的最下面，将抛光垫放置在研磨盘上，抛光时，旋转的抛光头以一定的压力压在旋转的抛光垫上，由亚微米或纳米磨粒和化学溶 液组成的研磨液在硅片表面和抛光垫之间流动，然后研磨液在抛光垫的传输和离心力的作用下，均匀分布其上，在硅片和抛光垫之间形成一层研磨液液体薄膜。研磨液中的化学成分与硅片表面材料产生化学反应，将不溶的物质转化为易溶物质，或者将硬度高的物质进行软化，然后通过磨粒的微机械摩擦作用将这些化学 反应物从硅片表面去除，溶入流动的液体中带走，即在化学去膜和机械去膜的交 替过程中实现平坦化的目的。其反应分为两个过程：化学过程：研磨液中的化学品和硅片表面发生化学反应，生成比较容易去除 的物质；物理过程：研磨液中的磨粒和硅片表面材料发生机械物理摩擦，去除化学反 应生成的物质。
CMP设备抛光腔室内环境颗粒物杂质数量很高，为了减少其对外部环境的影响，业内抛光腔室腔体部分采用负压，且抛光腔室部分不采用完全密封，十字转架上方及门板处留有一定缝隙，从而起到从外界补充清洁空气的作用。然而一旦外部环境变差，环境中的颗粒直接进入设备内部，造成脱机和在线缺陷。
某些厂房的CMP主机台分布在支持区，支持区高架地板下无华夫孔，空气自洁循环相对较差，外界施工及人员扰动产生的颗粒来不及沉降，游动到门板附近会被吸入设备内部，已多次造成因外界施工引起的产品划伤的案例。比如某一STI CMP站点在线划伤缺陷偏高，且划伤缺陷高发时间点与CMP区域的建筑施工作业相对应。
CMP设备的抛光腔室内部空气流动性相对较差，研磨产生的各种颗粒杂质会在设备内部长时间悬浮，沉积在设备内壁及十字转架底部盖板等运动部件表面，颗粒杂质积聚、结晶、长大，然后随设备运行产生的震动而松脱，掉落在研磨台上，造成晶圆划伤。
颗粒杂质来源分析：如图1所示，抛光腔室内部空气中悬浮的研磨副产物在排出过程中，排气过程也会将一部分外界颗粒杂质吸入机台内部，其中的绝大多数颗粒杂质会直接从排气过程排走,但当十字转架快速旋转时，会形成乱涡流，导致本应排出的颗粒杂质落在研磨盘上，造成晶圆产品划伤。
减弱抛光腔室排气压力；晶圆划伤有增加趋势。
分析原因：减少排气压后，研磨副产物不能有效排除，积聚结晶，造成划伤。
增强抛光腔室排气压力同样有增加趋势。
分析原因：增加了内外环境压力差，颗粒杂质进入抛光腔室的速度增加，更容易受到扰流作用落在晶圆上。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种CMP设备的内外压力平衡结构，能减少CMP设备研磨腔室内外侧的压力差，减少外界颗粒杂质进入研磨腔室内部造成污染。
为解决上述问题，本发明所述的CMP设备的内外压力平衡结构，针对CMP的研磨腔室，在所述的研磨腔室的顶部安装工业用空气净化器FFU，对进入研磨腔室的空气进行过滤。
所述研磨腔室采用两层门板，内外形成夹层，从顶部工业用空气净化器FFU通过一块第一斜板与门板内层相接，将顶部流过工业用空气净化器FFU的部分气流引入两层门板之间的夹层通道，所述两层门板之间的夹层通道作为高气压区。
研磨腔室排气管道中加装压缩空气喷头，所述排气管道位于门板夹层的下方，高压气流从顶部沿门板夹层通道向下通过压缩空气喷头喷出。
所述研磨腔室排气管道还具有一通道与研磨腔室内部环境相连，所述压缩空气喷头伸出长度突出于排气管道出口，向下喷出高压空气。
所述排气管道出口下方具有一第二斜板，所述第二斜板从排气管道壁向压缩空气喷头倾斜，压缩空气喷头喷出的高压空气打在第二斜板的正面然后向下方。
所述第一斜板下方具有水帘，水从水帘喷出并沿着研磨腔室门板内壁流下并被收集引入到排气管道中，向下流到第二斜板的正面并被压缩空气喷头喷出的高压空气冲入下方的气液分离装置。
所述气液分离装置位于排气管道出口下方，所述第二斜板的背面处具有空气导管，经排气管道排出的气流通过空气导管排出。
所述第二斜板的下方的气液分离装置还具有排水管道，水沿第二斜板流下落入排水管道并被排出。
进一步的改进是，所述的在研磨腔室的内部还安装有气压感应装置，用于监测研磨腔室内部气压。
进一步的改进是，所述FFU能加快研磨腔室内部的环境净化速度，减少研磨水雾悬浮现象,平衡内外压差，减少外部环境颗粒杂质射入速度。
进一步的改进是，所述的第一斜板使两层门板之间的夹层通道区域的压力大于研磨腔室内部，保证研磨腔室内部区域的空气完全为净化空气；即便两层门板中的外层门板密封处泄露，也不会导致外部环境对内部环境的污染。
进一步的改进是，所述研磨腔室采用气液分离模式，水帘的排水直接从此处排走，水帘水流经过的区域，带走门板上所能聚集的研磨副产物，形成的水墙也起到隔离外部可能进入设备的颗粒杂质。
进一步的改进是，所述压缩空气喷头能与FFU联动，当研磨腔室部分的气压等于或大于有水帘影响的湿区的气压时FFU转速减弱，同时压缩空气喷头喷压缩空气；在伯努利效应下，由于压缩空气喷头长度突出于排气管道出口，从压缩空气喷头两侧带走排气管道更多空气，能及时降低研磨腔室内部的气压。
进一步的改进是，在压缩空气喷头区域形成风墙，即使外部环境的颗粒杂质进入内层也直接被风墙阻隔、带走，不会影响内部的研磨工作区域。
本发明还提供一种CMP设备的内外压力平衡结构，所述的结构为一集风箱；所述的集风箱包含：
一箱体，所述箱体的顶部具有一空气接头，外部进气管道与空气接头对接，从外界接入新鲜空气引入下箱体内。
所述空气接头下方的箱体的上部具有FFU，外界新鲜空气首先通过FFU过滤之后形成干净的空气进入到箱体内部。
所述箱体的各个侧壁下部具有多个排气孔，形成多个排气接头，所述排气接头分别与多根新风管相连，向新风管内输入干净的空气。
进一步的改进是，所述的新风管与CMP设备门板的通风孔相连，所述CMP设备门板的所有通风孔截面积总和与集风箱的排气孔总截面积相等。
进一步的改进是，所述集风箱内进、排气的流速应控制在不会引起扰流的较低的流速。
进一步的改进是，所述的新风管为弯折时不会改变内部截面积的波纹管。
进一步的改进是，所述FFU的侧壁还具有泄压阀及泄压孔，当FFU内部压力过大时通过泄压阀及泄压孔向外部泄压。
本发明所述的CMP设备的内外压力平衡方法，通过对设备气流通道及压力分布进行改进，防止外部颗粒杂质进入研磨腔室内部，同时提高研磨腔室内部研磨副产物颗粒的排出速率，改善研磨腔室内的空气环境，提高产品良率。
附图说明
图1 是CMP设备各区压力及空气流向的示意图。
图2 是本发明CMP设备研磨腔室空气内外压力平衡结构示意图。
图3 是本发明顶部FFU及第一斜板区域的结构示意图。
图4 是本发明排气管道出口及气液分离装置的结构示意图。
图5 是本发明集风箱的结构示意图。
图6 是本发明集风箱的分解示意图。
图7 是本发明集风箱顶部FFU的结构示意图。
图8 是加装本发明结构的产线良率改进的结果曲线。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
空间关系术语例如“在…下”、“在…下面”、“下面的”、“在…之下”、“在…之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在…下面”和4“在…下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
由背景技术部分的介绍可以知道，造成目前CMP设备研磨腔室内部环境污染的原因在于内外压力差很难达到理想状态，导致外部颗粒污染以及内部颗粒无法及时有效排出而对晶圆产生了影响。通过减弱研磨腔室内部与外环境的压力差，减少外界颗粒杂质进入研磨腔室内部的动能是解决问题的关键。
本发明所述的CMP设备的内外压力平衡结构，针对CMP的研磨腔室，如图2及图3所示，在所述的研磨腔室的顶部安装FFU，所述FFU能对进入研磨腔室的空气进行过滤，加快研磨腔室内部的环境净化速度，减少研磨水雾悬浮现象,平衡内外压差，减少外部环境颗粒杂质射入速度。
所述研磨腔室采用双层门板，内层门板与外层门板之间形成夹层通道，从顶部FFU通过一块第一斜板与门板内层相接，将顶部流过FFU的部分气流引入两层门板之间的夹层通道，所述两层门板之间的夹层通道作为高气压区，顶部FFU通过的另一部分干净空气直接进入研磨腔室内部。所述的第一斜板使两层门板之间的夹层通道区域的压力大于研磨腔室内部，即B区气压大于A区气压，保证研磨腔室内部区域的空气完全为净化空气；即便两层门板中的外层门板密封处泄露，也不会导致外部环境对内部环境的污染。
在所述双层门板之间的夹层通道下部形成排气管道，所述研磨腔室排气管道中加装压缩空气喷头，所述排气管道位于门板夹层的下方，高压气流从顶部沿门板夹层通道向下通过压缩空气喷头喷出。
所述研磨腔室排气管道还具有一通道与研磨腔室内部环境相连，所述压缩空气喷头伸出长度突出于排气管道出口，向下喷出高压空气。
所述排气管道出口的下方具有气液分离装置，所述气液分离装置中具有一第二斜板，所述第二斜板从排气管道壁向压缩空气喷头倾斜，压缩空气喷头喷出的高压空气打在第二斜板的正面然后向下方。
所述第一斜板下方具有水帘，水从水帘喷出并沿着研磨腔室门板内壁流下并被收集引入到排气管道中，水帘的排水直接从此处排走，水帘水流经过的区域，带走门板上所能聚集的研磨副产物，形成的水墙也起到隔离外部可能进入设备的颗粒杂质。水帘的水沿内侧门板的内壁向下流到排气管道壁，再流到第二斜板的正面并被压缩空气喷头喷出的高压空气冲入下方的气液分离装置，如图4所示。
所述第二斜板的背面处具有空气导管，经排气管道排出的气流通过空气导管排出。所述第二斜板的下方的气液分离装置还具有排水管道，水沿第二斜板流下落入排水管道并被排出，因此实现了气液分离。
所述的在研磨腔室的内部还安装有气压感应装置，用于监测研磨腔室内部气压。
所述压缩空气喷头能与FFU联动，当研磨腔室部分的气压等于或大于有水帘影响的湿区的气压时FFU转速减弱，同时压缩空气喷头喷压缩空气；在伯努利效应下，由于压缩空气喷头长度突出于排气管道出口，在压缩空气喷头的外后方能形成低压区，从压缩空气喷头两侧带走排气管道内更多空气，依据空气的流向，能及时降低研磨腔室内部的气压。
另外，如图4所示，在压缩空气喷头（3）处喷出高压空气，在压缩空气喷头区域形成风墙，即图4中虚线框区域，即使外部环境的颗粒杂质进入内层也直接被风墙阻隔、带走，不会影响内部的研磨工作区域。
通过上述结构形成的气压平衡效果，可以很好地缓解外部颗粒物对CMP研磨腔室内部的污染。但是对于半导体厂来说，已经安装好的机台设备很难完整地完成上述的全部改造，那么基于对机台设备改动最小的原则，本发明还提供一种解决方案，其改造难度大大降低，但仍具有优良的改善效果。
由于CMP机台的门板上具有多个通风孔，所述通风孔用于机台内部与外部平衡气压，本发明还提供一种CMP设备的内外压力平衡结构，对所述通风孔的进气进行改进。
所述的结构为一集风箱，如图5所示，所述的集风箱包含：
一箱体，所述箱体的顶部具有一空气接头，外部进气管道与空气接头对接，从外界接入新鲜空气引入到下箱体内。
所述空气接头下方的箱体的上部具有FFU，外界新鲜空气首先通过FFU过滤之后形成干净的空气进入到箱体内部。
所述的箱体具有上盖，如图6所示，所述的FFU及空气接头均位于上盖上。箱体的上盖结合处设计有挡槽，便于安装FFU及密封圈。
所述箱体的各个侧壁下部具有多个排气孔，形成多个排气接头，所述排气接头分别与多根新风管相连，向新风管内输入干净的空气。所述的新风管为弯折时不会改变内部截面积的波纹管。
所述的新风管与CMP设备门板的通风孔相连，所述CMP设备门板的所有通风孔截面积总和与集风箱的排气孔总截面积相等。
所述FFU的侧壁还具有泄压阀及泄压孔，当FFU内部压力过大时通过泄压阀及泄压孔向外部泄压。
需要注意的是，所述集风箱内进、排气的流速应控制在不会引起扰流的较低的流速。
在本发明一实施例中，加装FFU,通过集风箱引出7根风管接入设备，总截面积与机台自带的排气孔对等210cm²，根据海平面风速与压强公式：Wp=V²/1600 （Wp单位KN/m²），Vmix≈0.35cm/s Vmax≈0.8cm/s。
对应某一FFU 500型尺寸的转速设定范围1500～3200rpm，通过如图7所示的某一接头尺寸进行设计安装，实验结果加装风管的风速很慢，基本不会引起扰流。
该验证方案对设备改动最小，具备良好的经济性、实用性、可操作性，减弱内外压力差，屏蔽外环境变化对内部工作区的影响，加快研磨腔室内环境新风更换速度，减少晶圆的划伤。
通过对压力平衡的实际验证，证明本设想有效，如图8所示，加装了本发明的结构之后，晶圆在CMP机台中被划伤的概率明显降低。
为避免CMP研磨副产物逸散到设备外界，造成环境污染，研磨腔室的内部相对于外界为负压，在从外界吸入空气过程中也将外环境颗粒杂质一并吸入，成为产品划伤来源。故CMP产品稳定性受外界环境稳定性影响很大。而本发明提供了清洁的新风补充系统，对外环境颗粒杂质起到一定的屏蔽作用，同时该方案提升了研磨腔室的内环境空气中研磨副产物的排出速率，基于以上两处的改进提高了产品的良率。
以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种CMP设备的内外压力平衡结构，其特征在于：针对CMP的研磨腔室，在所述的研磨腔室的顶部安装工业用空气净化器，对进入研磨腔室的空气进行过滤；
所述研磨腔室采用两层门板，内外形成夹层，从顶部工业用空气净化器通过一块第一斜板与门板内层相接，将顶部流过工业用空气净化器的部分气流引入两层门板之间的夹层通道，所述两层门板之间的夹层通道作为高气压区；
研磨腔室排气管道中加装压缩空气喷头，所述排气管道位于门板夹层的下方，高压气流从顶部沿门板夹层通道向下通过压缩空气喷头喷出；
所述研磨腔室排气管道还具有一通道与研磨腔室内部环境相连，所述压缩空气喷头伸出长度突出于排气管道出口，向下喷出高压空气；
所述排气管道出口下方具有一第二斜板，所述第二斜板从排气管道壁向压缩空气喷头倾斜，压缩空气喷头喷出的高压空气打在第二斜板的正面然后向下方；
所述第一斜板下方具有水帘，水从水帘喷出并沿着研磨腔室门板内壁流下并被收集引入到排气管道中，向下流到第二斜板的正面并被压缩空气喷头喷出的高压空气冲入下方的气液分离装置；
所述气液分离装置位于排气管道出口下方，所述第二斜板的背面处具有空气导管，经排气管道排出的气流通过空气导管排出；
所述第二斜板的下方的气液分离装置还具有排水管道，水沿第二斜板流下落入排水管道并被排出。
2.如权利要求1所述的CMP设备的内外压力平衡结构，其特征在于：所述的在研磨腔室的内部还安装有气压感应装置，用于监测研磨腔室内部气压。
3.如权利要求1所述的CMP设备的内外压力平衡结构，其特征在于：所述工业用空气净化器能加快研磨腔室内部的环境净化速度，减少研磨水雾悬浮现象,平衡内外压差，减少外部环境颗粒杂质射入速度。
4.如权利要求1所述的CMP设备的内外压力平衡结构，其特征在于：所述的第一斜板通过对气流引流使两层门板之间的夹层通道区域的压力大于研磨腔室内部，保证研磨腔室内部区域的空气完全为净化空气；即便两层门板中的外层门板密封处泄露，也不会导致外部环境对内部环境的污染。
5.如权利要求4所述的CMP设备的内外压力平衡结构，其特征在于：所述的第一斜板的主要目的是使夹层通道区的气压大于研磨腔室内部，也能采用直通甲板，加大夹层通道区顶部的工业用空气净化器的排风量的其他形式来实现所述目的。
6.如权利要求1所述的CMP设备的内外压力平衡结构，其特征在于：所述研磨腔室采用气液分离模式，水帘的排水直接从此处排走，水帘水流经过的区域，带走门板上所能聚集的研磨副产物，形成的水墙也起到隔离外部可能进入设备的颗粒杂质。
7.如权利要求1所述的CMP设备的内外压力平衡结构，其特征在于：通过第二斜板以及压缩空气喷头，形成气液分离，气体经空气导管排出，液体经底部排水管道排出。
8.如权利要求1所述的CMP设备的内外压力平衡结构，其特征在于：所述压缩空气喷头能与工业用空气净化器联动，当研磨腔室部分的气压等于或大于有水帘影响的湿区的气压时工业用空气净化器转速减弱，同时压缩空气喷头喷压缩空气；在伯努利效应下，由于压缩空气喷头长度突出于排气管道出口，从压缩空气喷头两侧带走排气管道更多空气，能及时降低研磨腔室内部的气压。
9.如权利要求7所述的CMP设备的内外压力平衡结构，其特征在于：在压缩空气喷头区域形成风墙，即使外部环境的颗粒杂质进入内层也直接被风墙阻隔、带走，不会影响内部的研磨工作区域。
10.一种CMP设备的内外压力平衡结构，其特征在于：所述的结构为一集风箱；所述的集风箱包含：
一箱体，所述箱体的顶部具有一空气接头，外部进气管道与空气接头对接，从外界接入新鲜空气引入下箱体内；
所述空气接头下方的箱体的上部具有工业用空气净化器，外界新鲜空气首先通过工业用空气净化器过滤之后形成干净的空气进入到箱体内部；
所述箱体的各个侧壁下部具有多个排气孔，形成多个排气接头，所述排气接头分别与多根新风管相连，向新风管内输入干净的空气。
11.如权利要求10所述的CMP设备的内外压力平衡结构，其特征在于：所述的新风管与CMP设备门板的通风孔相连，所述CMP设备门板的所有通风孔截面积总和与集风箱的排气孔总截面积相等。
12.如权利要求10所述的CMP设备的内外压力平衡结构，其特征在于：所述集风箱内进、排气的流速应控制在不会引起扰流的较低的流速。
13.如权利要求10所述的CMP设备的内外压力平衡结构，其特征在于：所述的新风管为弯折时不会改变内部截面积的波纹管。
14.如权利要求10所述的CMP设备的内外压力平衡结构，其特征在于：所述工业用空气净化器的侧壁还具有泄压阀及泄压孔，当工业用空气净化器内部压力过大时通过泄压阀及泄压孔向外部泄压。
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