CN112720247A - 一种化学机械平坦化设备及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学机械平坦化设备及其应用，所述一种化学机械平坦化设备包括晶圆载体，设置在所述晶圆载体上的研磨垫，安装在所述研磨垫上的晶圆承载座，安装在所述晶圆载体外侧的第一底座，以及释放臂，所述释放臂的一端与所述第一底座连接，另一端延伸至所述研磨垫中心位置，所述释放臂内包括第一输送管和第二输送管，通过所述第一输送管提供第一类液体清洗所述研磨垫表面，同时通过所述释放臂按压所述研磨垫去除所述第一类液体，通过所述第二输送管提供第二类液体流动到所述研磨垫表面，形成一层研磨液对所述晶圆进行研磨。通过本发明提供的一种化学机械平坦化设备及其应用，可降低研磨液的浪费，同时减少晶圆损伤，防止不同液体混合。

Description

一种化学机械平坦化设备及其应用

技术领域

本发明属于半导体制造设备领域，特别涉及一种化学机械平坦化设备及其应用。

背景技术

化学机械抛平坦化(Chemical Mechanical Planarization，CMP)是集成电路(Integrated Circuit，IC)制造中获得全局平坦化的一种超精密表面加工工艺。在化学机械抛光中，晶圆被固定顶面朝下放在旋转的晶圆载体中，并压在旋转的表面分布有研磨液的研磨垫上，为保证研磨液布满研磨垫表面，需要的流出量较大，且有大量研磨液甩出，造成浪费。同时，因为研磨垫组成材料的多孔性，研磨垫在化学机械抛平坦化中会镜面化，降低研磨速率，这时候需要使用钻石碟刮去研磨垫表面层，使研磨垫表面产生一定的粗糙度。在钻石碟修整之后，研磨垫表面含有团聚研磨粒子组成的颗粒物，甚至包括钻石碟脱落的钻石，这些大尺寸颗粒物易造成晶圆表面刮伤。

发明内容

本发明的目的在于提供一种化学机械平坦化设备及其应用，通过本发明提供的一种化学机械平坦化设备，降低研磨液的浪费，同时减少晶圆损伤。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种化学机械平坦化设备，其至少包括：

晶圆载体；

研磨垫，设置在所述晶圆载体上；

晶圆承载座，安装在所述研磨垫上，且位于所述研磨垫的一侧；

第一底座，安装在所述晶圆载体外侧；

释放臂，其一端与所述第一底座连接，且能够绕所述底座旋转，所述释放臂的另一端延伸至所述研磨垫的中心位置；

其中，所述释放臂包括第一输送管和第二输送管，所述第一输送管和所述第二输送管均具有多个出口，所述第一输送管的出口位于所述释放臂的第一侧面，所述第二输送管的出口位于所述释放臂的第二侧面，所述第一侧面和所述第二侧面位于所述释放臂相对的两侧。

在本发明一实施例中，所述释放臂靠近所述研磨垫一侧的水平面上设置有凹槽。

在本发明一实施例中，所述化学机械平坦化设备还包括驱动装置，所述驱动装置与所述释放臂与所述第一底座连接的一端连接。

在本发明一实施例中，所述化学机械平坦化设备还包括钻石碟，所述钻石碟位于在所述释放臂与所述晶圆承载座之间。

在本发明一实施例中，所述钻石碟位于靠近所述第一侧面的一侧。

在本发明一实施例中，所述第一输送管的多个出口并排设置在所述第一侧面上，所述第一输送管在所述第一侧面上包括4～5个出口。

在本发明一实施例中，所述第二输送管的多个出口并排设置在所述第二侧面上，所述第二输送管在所述第二侧面上包括1～3个出口。

在本发明一实施例中，所述第一侧面垂直于所述研磨垫所在平面。

在本发明一实施例中，所述第二侧面垂直于所述研磨垫所在平面。

本发明还提供一种化学机械平坦化方法，使用上述所述的化学机械平坦化设备，所述方法包括：

旋转所述晶圆载体，在所述第二类液体释放前，通过所述第一输送管提供所述第一类液体清洗所述研磨垫表面，同时通过所述释放臂以一定压力按压所述研磨垫，使所述第一类清洗液体包裹所述研磨垫表面的颗粒物，从远离所述晶圆承载座的一侧和所述凹槽中流出；

通过所述第二输送管提供第二类液体，由靠近所述晶圆承载座的第二侧面流动到所述研磨垫表面，形成一层研磨液对所述晶圆进行研磨；

其中，旋转所述晶圆载体时，所述研磨垫依次经过所述第一侧面、所述第二侧面和所述晶圆承载座，所述第一类液体和所述第二类液体不会混合。

如上所述本发明提供的一种化学机械平坦化设备，在所述第二类液体释放前，通过所述第一输送管提供所述第一类液体清洗所述研磨垫表面，同时，通过所述驱动装置调整所述释放臂按压所述研磨垫，使所述第一类液体和颗粒物的混合液，从远离所述晶圆承载座的一侧和所述凹槽流出，保证在所述钻石碟修整之后，所述研磨垫表面产生的团聚研磨粒子组成的颗粒物被完全清洗，不会对所述晶圆造成损伤，所述第一类液体和所述第二类液体不会混合；通过在所述释放臂靠近所述研磨垫的底面设置所述凹槽，完全去除所述第一类液体；通过所述第二输送管提供所述第二类液体，由靠近所述晶圆承载座的第二侧面流动到所述研磨垫表面，形成一层研磨液对所述晶圆进行研磨；通过设置所述第一输送管上多个出口的位置以及数量保证清洗液不被浪费；通过设置所述第二输送管上多个出口的位置保证研磨液不被浪费；通过本发明提供的一种化学机械平坦化设备及其应用，可降低研磨液的浪费，同时减少晶圆损伤，防止不同液体混合。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种化学机械平坦化设备结构图。

图2为一种化学机械平坦化设备俯视图。

图3为释放臂内液体流向示意图。

图4为释放臂与第一底座连接端视图。

图5为释放臂第一侧面视图。

图6为释放臂第二侧面视图。

标号说明：

10晶圆载体；11研磨垫；20释放臂；21第一底座；22驱动装置；200第一侧面；201第二侧面；202第一输送管；203第二输送管；204凹槽；30晶圆承载座；31晶圆；40钻石碟。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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没有作出创造性劳动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。

请参阅图1所示，集成电路制造中，化学机械抛平坦化是获得全局平坦化的一种超精密表面加工工艺。在化学机械抛光中，晶圆31被固定顶面朝下放在旋转的晶圆承载座30上，并压在旋转的表面分布有研磨液的研磨垫11上，将研磨液流体从喷头流到研磨垫上。根据晶圆31和晶圆承载座30上的尺寸设置浆料流量速度。晶圆31上的不同材料和材料组合表面需要不同的研磨液才能达到所需的研磨速率。研磨垫11的材料特性和表面结构也会影响晶圆31研磨均匀性和缺陷。因此，研磨垫11和研磨液是化学机械抛平坦化工艺的关键要素之一，同时其成本占集成电路制造成本的很大一部分。

请参阅图1至图2所示，在本发明一实施例中，提供一种化学机械平坦化设备，所述化学机械平坦化设备包括晶圆载体10、研磨垫11、晶圆承载座30、释放臂20及其固定以及控制装置、钻石碟40及其固定以及控制装置。其中，研磨垫11位于晶圆载体10上，晶圆承载座30位于研磨垫11上方，且设置在研磨垫11的一侧。释放臂20位于研磨垫11上，且释放臂20设置在与晶圆承载座30相对的一侧，钻石碟40位于释放臂20与晶圆承载座30之间。晶圆载体10旋转时，旋转方向为晶圆承载座30、钻石碟40、释放臂20。

请参阅图1至图2所示，在本发明一实施例中，所述化学机械平坦化设备包括晶圆载体10、研磨垫11以及晶圆承载座30，晶圆载体10在对晶圆31的研磨过程中可以旋转，带动其上方设置的研磨垫11旋转。晶圆承载座30设置在研磨垫11的上方，且位于研磨垫11的一侧，晶圆承载座30将晶圆31顶面朝下固定在研磨垫11的上方，晶圆承载座30可调节晶圆31与研磨垫11之间的距离。在对晶圆31执行化学机械平坦化工艺时，通过晶圆承载座30将晶圆31顶面压在研磨垫11上并进行旋转，晶圆承载座30的旋转方向与晶圆载体10的旋转方向相同。通过释放臂20的第二输送管203释放研磨液分布在研磨垫11上，当晶圆载体10将第二输送管203释放的研磨液旋转至晶圆31与研磨垫11的间隙时，利用晶圆31与研磨垫11的相对运动来平坦化晶圆11表面。

请参阅图1至图2所示，在本发明一实施例中，所述化学机械平坦化设备包括释放臂20、第一底座21和驱动装置22，驱动装置22例如为伺服马达。第一底座21安装在晶圆载体10的外侧，用于固定释放臂20，驱动装置22与释放臂20连接，可控制释放臂20绕第一底座21在水平方向的一定角度范围内旋转，同时驱动装置22可控制释放臂20沿竖直方向动作。在本实施例中，释放臂20绕第一底座21在水平方向的旋转角度范围设置在例如0°～30°，计算所述旋转角度时，释放臂20由第一底座21指向晶圆载体10圆心的角度设置为0°，移动释放臂20靠近晶圆载体10中心的一端，使释放臂20绕第一底座21旋转，移动后的释放臂20与0°时释放臂20所呈的角度为所述旋转角度，其中，释放臂20可绕左右两侧旋转一定所述旋转角度。

请参阅图1至图3所示，在本发明一实施例中，释放臂20的一端与第一底座21连接，另一端由晶圆载体10外侧延伸至晶圆载体10中心。释放臂20内设置第一输送管202和第二输送管203，第一输送管202和第二输送管203均由释放臂20与第一底座21的连接端延伸至释放臂20靠近晶圆载体10中心的一端。第一输送管202和第二输送管203平行设置，且均平行于释放臂20的延伸方向，第一输送管202和第二输送管203与释放臂20靠近晶圆载体10的水平面有一定的预设距离。第一输送管202用于提供第一类液体清洗研磨垫11表面，同时通过释放臂20按压研磨垫11去除所述第一类液体，第二输送管203用于提供所述第二类液体流动到研磨垫11表面，形成一层研磨液对晶圆31进行研磨。

其中，所述第一类液体为缓冲液，所述第二类液体为研磨液。在化学机械抛平坦化工艺过程中，所述研磨液pH值的控制对工艺的稳定性至关重要，所述研磨液的pH值影响研磨率以及缺陷的形成。在化学机械抛平坦化工艺过程中，所述研磨液的pH值会由于局部暴露于空气中或金属化学机械抛平坦化工艺过程中发生的氧化还原反应发生改变，高pH值的所述研磨液会从空气中吸收二氧化碳，形成碳酸，而碳酸会随着时间的推移降低pH值。

在本发明的实施例中，在释放所述第二类液体之间，即释放所述缓冲液研磨晶圆31之前，使用所述第一类液体清洗研磨垫11表面，在清洗研磨垫11的同时，可稳定其后流出的所述第二类液体的pH值，保证化学机械抛平坦化工艺过程中的研磨率以及缺陷的形成。在实际操作过程中，需根据所述第二类液体的类型，对应设置所述第一类液体。在一实施例中，所述第二类液体例如为酸性研磨液，则所述第一类液体例如选择柠檬酸和柠檬酸钾混合溶液。在其他实施例中，所述第二类液体例如为碱性研磨液，则所述第一类液体例如选择选择氢氧化铵和氯化铵混合溶液。

请参阅图2至图6，在本发明一实施例中，释放臂20呈柱状，其沿第一输送管202和第二输送管203的方向包括两个竖直的侧面，靠近钻石碟40的第一侧面200和靠近晶圆承载座30的第二侧面201。第一输送管202邻近第一侧面200，且第一输送管202在靠近晶圆载体10中心一端的第一侧面200上并排设置多个出口，在向心力的作用下，保证研磨垫11的完全清洗，同时，为保证所述第一类液体完全清洗研磨垫11表面，并不浪费所述第一类液体，可灵活设置第一输送管202在第一侧面200上出口的个数。在本实施例中，第一输送管202在第一侧面上出口的个数设置为例如4-5个。第二输送管203邻近第二侧面201，且第二输送管203在靠近晶圆载体10中心一端的第二侧面201上并排设置多个出口，保证与晶圆31接触的研磨垫11上布满所述研磨液，同时，为保证所述第二类液体铺满晶圆31接触的研磨垫11表面，并不会造成所述第二类液体的浪费，可灵活设置第二输送管203在第二侧面201上出口的个数。在本实施例中，研磨垫11的表面槽类型为同心圆槽，第二输送管203在第二侧面201上出口的个数置为例如1-3个。在其他实施例中，研磨垫11的表面槽类型为XY沟槽时，第二输送管203在第二侧面201上出口的个数置为例如4-5个。

请参阅图1和图4所示，在本发明一实施例中，第一侧面200和第二侧面201均垂直于研磨垫11表面设置。本发明对此不做限制，在其他实施例中，第一侧面200和第二侧面201与研磨垫11的表面可称钝角设置，也可呈锐角设置。

请参阅图1和图4所示，在本发明一实施例中，释放臂20靠近研磨垫11的一侧具有一水平面。所述水平面上设置有一凹槽204，凹槽204由释放臂20靠近晶圆载体10中心的一端贯穿至释放臂20与第一底座21固定的一端，且凹槽204的深度小于第一输送管202和第二输送管203与所述水平面的预设距离。当第一输送管202流出所述第一类液体到研磨垫11上，同时，通过伺服电极调整释放臂20在水平方向的角度，使在旋转晶圆载体10时，所述第一类液体完全从靠近钻石碟40的侧面以及凹槽204内流出同时；通过调整是释放臂20在竖直方向的高度，使释放臂20靠近研磨垫11的水平面以一定的下压力按压研磨垫11，使释放臂20将所述第一类液体包裹所述研磨垫表面的团聚研磨粒子组成的颗粒物，从靠近钻石碟40的侧面和所述凹槽中推出。其中，所述下压力设置在例如0.1-0.5psi之间，使所述第一类液体和团聚研磨粒子组成的颗粒物完全流出，同时不会对研磨垫11造成损伤，所述第一类液体和所述第二类液体不会混合。

请参阅图1至图2所示，在本发明一实施例中，钻石碟40设置在晶圆承载座30与释放臂20之间。由于研磨垫11的多孔性，研磨垫11可沿晶圆31的表面输送研磨浆并促进均匀研磨，当研磨垫11对晶圆31进行研磨时，研磨垫11的表面变得平坦和光滑，导致研磨垫11产生一种镜面化的状态，降低研磨速率。此时，使用钻石碟40刮去研磨垫11的表层，使研磨垫11的表面恢复之前的粗糙程度，以便对晶圆31进行研磨。

请参阅图1至图2所示，当使用本发明提供的所述化学机械平坦化设备对晶圆31进行化学机械平坦化工艺时，首先在晶圆承载座30上固定晶圆31，将晶圆压在研磨垫11上。其次，开通设备使晶圆载体10旋转，晶圆载体10的旋转方向为钻石碟40、释放臂20的第一侧面200、释放臂20的第二侧面201、晶圆承载座30。

请参阅图1至图2所示，当晶圆载体10旋转时，其上设置的研磨垫11同向旋转，首先，研磨垫11经过钻石碟40，钻石碟40对研磨垫11表面进行修整，防止研磨垫11镜面化带来的影响。经过钻石碟40对研磨垫11的修整，研磨垫11上会存在团聚研磨粒子组成的颗粒物，甚至包括钻石碟40脱落的钻石，这些大尺寸颗粒物易造成晶圆表面刮伤。其次，研磨垫11经过释放臂20的第一侧面200，其上方并排的第一输送管202出口提供第一类液体清洗研磨垫11表面，同时，通过释放臂20竖直方向的调节，释放臂20靠近研磨垫11的水平面以一定压力按压研磨垫11，去除所述第一类液体以及其上方的大尺寸颗粒物，通过设置释放臂20水平方向的角度调节，使研磨垫11表面的所述第一类液体和大尺寸颗粒物从靠近钻石碟40的侧面(远离晶圆承载座30的一面)以及释放臂20下方的凹槽204内流出，所述第一类液体和所述第二类液体不会混合。再者，研磨垫11经过释放臂20的第二侧面201，其上方并排的第二输送管203出口提供所述第二类液体，所述第二类液体由靠近晶圆承载座30的一侧流出，所述第二类液体在研磨垫11上形成一层研磨液对晶圆31进行研磨。最后，研磨垫11经过晶圆承载座30，对晶圆承载座30上固定的晶圆31进行研磨。

本发明提供的一种化学机械平坦化设备，包括晶圆载体10，设置在晶圆载体10上的研磨垫11，设置在研磨垫11上，且位于研磨垫11一侧的晶圆承载座30，设置在晶圆载体10外侧的第一底座21，与第一底座21连接的释放臂20，设置在晶圆承载座30以及释放臂20之间的钻石碟40。通过钻石碟40修整研磨垫11，防止研磨垫11镜面化；释放臂20内设置第一输送管202和第二输送管203，通过第一输送管202提供所述第一类液体清洗研磨垫11表面，同时，通过驱动装置22调整释放臂20按压研磨垫11，去除所述第一类液体，保证在钻石碟40修整之后，研磨垫11表面产生的团聚研磨粒子组成的颗粒物被完全清洗，不会对晶圆31造成损伤；通过在释放臂20靠近研磨垫11的底面设置凹槽204，去除所述第一类液体；通过第二输送管203提供第二类液体流动到研磨垫11表面，形成一层研磨液对晶圆31进行研磨；通过设置第一输送管202上多个出口的位置以及数量保证清洗液不被浪费；通过设置第二输送管203上多个出口的位置保证研磨液不被浪费。

以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种化学机械平坦化设备，其特征在于，其包括：

晶圆载体；

研磨垫，设置在所述晶圆载体上；

晶圆承载座，安装在所述研磨垫上，且位于所述研磨垫的一侧；

第一底座，安装在所述晶圆载体外侧；

释放臂，其一端与所述第一底座连接，且能够绕所述第一底座旋转，所述释放臂的另一端延伸至所述研磨垫的中心位置；

其中，所述释放臂包括第一输送管和第二输送管，所述第一输送管和所述第二输送管均具有多个出口，所述第一输送管的出口位于所述释放臂的第一侧面，所述第二输送管的出口位于所述释放臂的第二侧面，所述第一侧面和所述第二侧面位于所述释放臂相对的两侧。

2.根据权利要求1所述的一种化学机械平坦化设备，其特征在于，所述释放臂靠近所述研磨垫一侧的水平面上设置有凹槽。

3.根据权利要求1所述的一种化学机械平坦化设备，其特征在于，所述化学机械平坦化设备还包括驱动装置，所述驱动装置与所述释放臂与所述第一底座连接的一端连接。

4.根据权利要求1所述的一种化学机械平坦化设备，其特征在于，所述化学机械平坦化设备还包括钻石碟，所述钻石碟位于所述释放臂与所述晶圆承载座之间。

5.根据权利要求4所述的一种化学机械平坦化设备，其特征在于，所述钻石碟位于靠近所述第一侧面的一侧。

6.根据权利要求1所述的一种化学机械平坦化设备，其特征在于，所述第一输送管的多个出口并排设置在所述第一侧面上，所述第一输送管在所述第一侧面上包括4～5个出口。

7.根据权利要求1所述的一种化学机械平坦化设备，其特征在于，所述第二输送管的多个出口并排设置在所述第二侧面上，所述第二输送管在所述第二侧面上包括1～3个出口。

8.根据权利要求1所述的一种化学机械平坦化设备，其特征在于，所述第一侧面垂直于所述研磨垫所在平面。

9.根据权利要求1所述的一种化学机械平坦化设备，其特征在于，所述第二侧面垂直于所述研磨垫所在平面。

10.一种化学机械平坦化方法，其特征在于，使用权利要求1至权9所述的化学机械平坦化设备，所述方法包括：

旋转所述晶圆载体，在所述第二类液体释放前，通过所述第一输送管提供所述第一类液体清洗所述研磨垫表面，同时通过所述释放臂以一定压力按压所述研磨垫，使所述第一类液体包裹所述研磨垫表面的颗粒物，从远离所述晶圆承载座的一侧和所述凹槽中流出；

通过所述第二输送管提供第二类液体，由靠近所述晶圆承载座的第二侧面，流动到所述研磨垫表面，形成一层研磨液对所述晶圆进行研磨；

其中，旋转所述晶圆载体时，所述研磨垫依次经过所述第一侧面、所述第二侧面和所述晶圆承载座，所述第一类液体和所述第二类液体不会混合。

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