CN113442058A - 抛光液输送装置和化学机械抛光设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抛光液输送装置和化学机械抛光设备，抛光液输送装置包括：基座，所述基座上设有基座孔；转轴，所述转轴设在所述基座孔内，且所述转轴设置为在所述基座孔内可选择性地转动；悬臂，所述悬臂相对于所述转轴可转动地连接在所述转轴上，其内部中空；抛光液管，所述抛光液管穿过所述基座孔后伸入所述悬臂内，用于输送抛光液；喷嘴组件，与所述抛光液管连通，所述喷嘴组件包括喷嘴座和设于喷嘴座下方的多个喷嘴；加载模块，用于改变抛光液的物理性质，所述加载模块环绕抛光液管设置以对其中流过的抛光液进行处理，和/或，不同喷嘴处分别设有不同加载模块以实现不同喷淋位置抛光液的不同处理。
Description
技术领域
本发明涉及化学机械抛光技术领域，尤其涉及一种抛光液输送装置和化学机械抛光设备。
背景技术
晶圆制造是制约超/极大规模集成电路(即芯片，IC，Integrated Circuit)产业发展的关键环节。随着摩尔定律的延续，集成电路特征尺寸持续微缩逼近理论极限，晶圆表面质量要求愈加苛刻，因而晶圆制造过程对缺陷尺寸和数量的控制越来越严格。化学机械抛光(CMP，Chemical Mechanical Polishing)是晶圆制造工艺中非常重要的一个环节。抛光过程是利用承载头将晶圆压于抛光垫表面，依靠晶圆和抛光垫之间的相对运动并借助抛光液中的磨粒实现晶圆表面抛光。
抛光液作为化学机械抛光的主要耗材，其物理性质对于抛光效果具有很大影响，例如，抛光液的温度、PH值、极性等都会对抛光效果产生影响。随着芯片制程越来越精密，比如10nm以下量级制程对工艺材料、参数的要求极高，因此，对抛光液进行准确控制是目前亟需解决的问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种抛光液输送装置和化学机械抛光设备，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
本发明实施例的第一方面提供了一种抛光液输送装置，包括：
基座，所述基座上设有基座孔；
转轴，所述转轴设在所述基座孔内，且所述转轴设置为在所述基座孔内可选择性地转动；
悬臂，所述悬臂相对于所述转轴可转动地连接在所述转轴上，其内部中空；
抛光液管，所述抛光液管穿过所述基座孔后伸入所述悬臂内，用于输送抛光液；
喷嘴组件，与所述抛光液管连通，所述喷嘴组件包括喷嘴座和设于喷嘴座下方的至少一个喷嘴；
加载模块，用于改变抛光液的物理性质，所述加载模块环绕抛光液管设置以对其中流过的抛光液进行处理、和/或、不同喷嘴处分别设有不同加载模块以实现不同喷淋位置抛光液的不同处理。
在一个实施例中，加载模块为光照单元、调温单元、极化单元、振动加载器和电磁加载器中的至少一种。
在一个实施例中，加载模块为光照单元，所述光照单元环绕所述抛光液管设置以对其中的抛光液进行照射加热并通过控制光照单元照射抛光液的时长来调节抛光液的温度，和/或，不同喷嘴处分别设有光照单元以实现不同喷淋位置抛光液的不同温度控制。
在一个实施例中，抛光液为水基性溶液，所述光照单元为红外线加热管以适用于水基性溶液。
在一个实施例中，抛光液输送装置还包括设置在所述抛光液管出口端的温度传感器。
在一个实施例中，光照单元设置在所述悬臂内部并被所述悬臂全封闭包围以防止漏光对晶圆造成损伤。
在一个实施例中，喷嘴座固定在悬臂的下表面。
在一个实施例中，抛光液输送装置还包括套筒，所述套筒可转动地设在所述转轴的外部。
在一个实施例中，套筒和所述转轴之间设有轴承。
本发明实施例的第二方面提供了一种化学机械抛光设备，包括：抛光盘、粘接在抛光盘上的抛光垫、吸附晶圆并带动晶圆旋转的承载头、修整抛光垫的修整器、以及向抛光垫表面提供抛光液的如上所述的抛光液输送装置。
本发明实施例的有益效果包括：针对更先进的芯片制程以及节约成本、节省抛光液的需求，提供了一种更具操作性的抛光液控制方案，实现了抛光液的定制化控制，以满足不同需求。
附图说明
通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的优点将变得更清楚和更容易理解，但这些附图只是示意性的，并不限制本发明的保护范围，其中：
图1为本发明一实施例提供的化学机械抛光设备的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的抛光液输送装置的立体图；
图3为本发明一实施例提供的抛光液输送装置的主视图；
图4为本发明一实施例提供的抛光液输送装置的内部结构图；
图5为本发明另一实施例提供的抛光液输送装置的内部结构图；
图6为本发明又一实施例提供的抛光液输送装置的内部结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及其附图，对本发明所述技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本发明实施方式及本发明保护范围的限制。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书及其说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。应当理解的是，除非特别予以说明，为了便于理解，以下对本发明具体实施方式的描述都是建立在相关设备、装置、部件等处于原始静止的未给与外界控制信号和驱动力的自然状态下描述的。
此外，还需要说明的是，本申请中使用的例如前、后、上、下、左、右、顶、底、正、背、水平、垂直等表示方位的术语仅仅是为了便于说明，用以帮助对相对位置或方向的理解，并非旨在限制任何装置或结构的取向。
为了说明本发明所述的技术方案，下面将参考附图并结合实施例来进行说明。
在本申请中，化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing)也称为化学机械平坦化(Chemical Mechanical Planarization)，晶圆(wafer)也称为基板(substrate)，其含义和实际作用等同。
如图1所示，本发明一实施例提供的化学机械抛光设备1包括抛光盘10、粘接在抛光盘10上的抛光垫20、吸附晶圆并带动晶圆旋转的承载头30、修整抛光垫20的修整器40、以及向抛光垫20表面提供抛光液的抛光液输送装置50。
在抛光开始前，机械手将晶圆搬运至存片部处，承载头30从存片部装载晶圆后沿抛光盘10的径向移动至抛光盘10的上方。在化学机械抛光过程中，承载头30将晶圆按压在抛光盘10表面覆盖的抛光垫20上，抛光垫20的尺寸大于待抛光的晶圆的尺寸，例如为晶圆尺寸的1.2倍或更大，由此保证均匀地对晶圆进行抛光。承载头30做旋转运动以及沿抛光盘10的径向往复移动使得与抛光垫20接触的晶圆表面被逐渐抛除，同时抛光盘10旋转，抛光液输送装置50向抛光垫20表面喷洒抛光液。在抛光液的化学作用下，通过承载头30与抛光盘10的相对运动使晶圆与抛光垫20摩擦以进行抛光。由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在晶圆与抛光垫20之间流动，抛光液在抛光垫20的传输和旋转离心力的作用下均匀分布，以在晶圆和抛光垫20之间形成一层液体薄膜，液体中的化学成分与晶圆产生化学反应，将不溶物质转化为易溶物质，然后通过磨粒的微机械摩擦将这些化学反应物从晶圆表面去除，溶入流动的液体中带走，即在化学成膜和机械去膜的交替过程中去除表面材料实现表面平坦化处理，从而达到全局平坦化的目的。在抛光期间，修整器40用于对抛光垫20表面形貌进行修整和活化。使用修整器40可以移除残留在抛光垫20表面的杂质颗粒，例如抛光液中的研磨颗粒以及从晶圆表面脱落的废料等，还可以将由于研磨导致的抛光垫20表面形变进行平整化，保证了在抛光期间抛光垫20表面形貌的一致性，进而使抛光去除速率保持稳定。在抛光完成后，承载头30吸附晶圆以将其放置在存片部上，机械手从存片部取得晶圆后将晶圆运送至后处理单元。
在抛光过程中，需要对抛光液进行准确控制。下面参考图2-图6描述根据本发明实施例的抛光液输送装置50。
如图2-图6所示，根据本发明实施例的抛光液输送装置50包括基座51、转轴52、悬臂53、抛光液管54、喷嘴组件56和加载模块。
如图3所示，基座51上设有基座孔511，基座51内设有用于支撑转轴52的支撑台阶，支撑台阶具有支撑功能，支撑台阶围绕基座孔511的中心设置，当转轴52支撑在支撑台阶上时，支撑台阶能够对转轴52起到支撑作用，可以使转轴52很好地装配在基座孔511内，从而可以保证转轴52的工作可靠性。另外，基座51可以是具有下端面和上端面的圆柱形，基座孔511贯穿下端面和上端面。
如图4所示，转轴52设在基座孔511内，且转轴52设置为在基座孔511内可选择性地转动。
如图1和图2所示，抛光液输送装置50还可以包括套筒57，套筒57可转动地设在转轴52的外部，需要说明的是，转轴52与套筒57可相对旋转，套筒57的上端与悬臂53相连，而且套筒57与悬臂53相对静止，当需要调整悬臂53的位置时，可以使套筒57绕着转轴52转动，由此可以带动悬臂53同时转动，从而可以对悬臂53的位置进行调整，如此设置可以进一步简化调整步骤，从而可以使操作更加简单、方便。
如图3所示，套筒57和转轴52之间设有轴承58，轴承58设在套筒57的上部和/或下部，需要解释的是，轴承58可以设在套筒57的上部，轴承58也可以设在套筒57的下部，轴承58还可以同时设在套筒57的上部和下部，其中，套筒57通过轴承58安装于转轴52上。
如图4所示，转轴52还可以具有中心通孔，转轴52也可以具有上端面和下端面，而且，转轴52的外部轮廓可以为圆柱形，转轴52的外圆柱面靠近转轴52的下端面部分为旋转面，转轴52的旋转面以外的外圆柱面两端为轴承58安装位，轴承58安装在轴承58安装位处，如此设置能够提升套筒57与转轴52的装配质量，可以更好地实现套筒57与转轴52之间的相对转动，从而可以进一步方便调整悬臂53的位置。
如图3所示，悬臂53相对于转轴52可转动地连接在转轴52上，其内部中空。悬臂53可以包括彼此相连的固定部和悬挂部。固定部用于与套筒57连接，固定部的形状与套筒57的上端面的形状适配，以使悬臂53与套筒57很好地装配在一起。
如图3所示，抛光液管54依次穿过基座51、转轴52和悬臂53后与喷嘴座60相连，抛光液管54连通喷嘴座60的通水孔，如此设置可以使抛光液管54的布置更加合理，从而可以提升抛光液管54的工作性能，进而可以进一步提升抛光液输送装置50的工作性能。
抛光液管54穿过基座孔511后伸入悬臂53内，用于输送抛光液或气体。其中，该气体可以为蒸汽、氦气、或氮气等，用于供给至抛光垫20表面以调节抛光垫20温度且不影响抛光过程。另外，抛光液管54可以由透明且耐腐蚀的材料制成，例如玻璃、塑料、硅橡胶等，以防止抛光液腐蚀且适用于光照单元照射。
如图3所示，喷嘴组件56与抛光液管54连通，喷嘴组件56包括喷嘴座60和设于喷嘴座60下方的多个喷嘴61；具体地，喷嘴61可以由透明且耐腐蚀的材料制成，例如玻璃、塑料、硅橡胶等，以防止抛光液腐蚀且适用于光照单元照射。
喷嘴组件56固定于悬臂53的下表面。喷嘴组件56包括喷嘴座60和喷嘴61，喷嘴座60固定在悬臂53的下表面，多个喷嘴61设于喷嘴座60下方。喷嘴座60设在悬挂部的底部，需要说明的是，喷嘴座60固定于悬挂部的下表面，喷嘴座60具有上表面和下表面，喷嘴座60的上表面具有通水孔，喷嘴座60的下表面具有一组喷嘴安装孔，通水孔和喷嘴安装孔相联通。喷嘴座60通过喷嘴安装孔与喷嘴61连通。
下面对加载模块进行说明，其用于改变抛光液的物理性质，加载模块环绕抛光液管设置以对其中流过的抛光液进行处理，和/或，不同喷嘴处分别设有不同加载模块以实现不同喷淋位置抛光液的不同处理。
在一个实施例中，加载模块可以为光照单元、调温单元、极化单元、振动加载器和电磁加载器中的至少一种。加载模块可以根据需求对抛光液的温度、极性、波动性等多种物理性质进行处理。
本发明实施例实现了抛光液的定制化控制，以满足不同需求。
其中，光照单元用于对抛光液进行照射加热并通过控制光照单元照射抛光液的时长来调节抛光液的温度。
调温单元，用于对抛光液或气体进行冷却或升温。调温单元环绕抛光液管设置、和/或、不同喷嘴处分别设有不同调温单元以实现向抛光垫表面不同位置喷淋不同温度物质，从而调控抛光温度。调温单元为流体浴管或螺旋缠绕线圈。
极化单元，用于对抛光液进行极化处理。极化单元包括第一电极和相对设置的第二电极。
振动加载器，用于对抛光液施加振动以减少抛光垫表面的颗粒聚集。振动加载器包括超声波发生器和/或兆声波发生器。振动加载器产生的振动的频率为10KHz～50KHz。
化学机械抛光是通过在晶圆、抛光液和抛光垫20之间的界面处进行机械磨蚀和化学蚀刻的组合来进行的。在抛光过程中，由于晶圆表面和抛光垫20之间的摩擦而产生大量的热量。另外，抛光过程还包括抛光垫20修整步骤，将修整器40(例如涂覆有磨料金刚石颗粒的修整盘)压靠在旋转的抛光垫20上以修整和纹理化抛光垫20表面，此修整步骤也会产生热量。实际操作中，在典型的一分钟铜CMP工艺中，名义下压力为2psi，去除速率为
聚氨酯抛光垫的表面温度可能会升高约30℃。
化学机械抛光过程中与化学有关的变量、例如参与反应的引发和速率、以及与机械有关的变量、例如抛光垫20的表面摩擦系数和粘弹性、都与温度密切相关。因此，抛光垫20的表面温度的变化会导致去除速率、抛光均匀性、腐蚀、凹陷和残留物的变化。通过在抛光过程中更严格地控制抛光垫20的表面温度，可以减小温度变化，并且可以改善晶片内不均匀性或晶片间不均匀性，提高抛光性能。
本发明实施例为了解决这些问题，如图4至图6所示，在本发明的一个实施例中，加载模块为光照单元55，光照单元55可以设置为如图4至图6所示的多种实施方式。本发明实施例解决了抛光液的温度控制问题，特别是提供了一种更具操作性的局部温度控制方案，能够对抛光温度进行准确控制，结构简单。
在一个实施例中，光照单元55为红外线加热管。
抛光液为水基性溶液，光照单元为红外线加热管可以适用于水基性溶液，温度调控效果好。
目前抛光液主要含有水、抛光液颗粒、缓蚀剂、氧化剂、络合剂等成分，基本都是水基性溶液，对于改变水基性溶液的温度，红外波段是比较合适的，升温效果好。
如图4所示，在一个实施例中，光照单元55环绕抛光液管54设置以对其中的抛光液进行照射加热并通过控制光照单元55照射抛光液的时长来调节抛光液的温度，光照单元55设置在悬臂53内部并被悬臂53全封闭包围以防止漏光对晶圆造成损伤。本实施例在抛光液输送装置50增加光照单元55进行加热。
如图5所示，在另一个实施例中，在不同喷嘴61处分别设有光照单元以实现不同喷淋位置抛光液的不同温度控制，从而在抛光垫20不同位置处喷洒不同温度的抛光液，可以改变抛光垫20对晶圆的去除速率，针对特殊面形的晶圆可以实现定制抛光，例如边缘薄的晶圆，可通过降低向边缘喷洒抛光液的喷嘴61温度而降低抛光垫20对晶圆边缘的去除速率，从而提高最终抛光的一致性。本实施例实现了对每个喷嘴进行单独的温度控制。
如图6所示，在又一个实施例中，既在环绕抛光液管54的位置处设置一光照单元，又在不同喷嘴61处分别设置光照单元。
实际上，尽管并未在附图中示意，调温单元80也可以形成为能够产生电磁波或微波的例如是电磁线圈的装置以对抛光液的温度进行调节，并且由于不同的集成电路制程对抛光液供给流量要求存在差异，对于一些对升温速度要求较高的场景，可能需要设置由电磁线圈构成的调温单元80，甚至设置由电磁线圈、光照加热和/或接触加热装置连用的调温单元，以保证供给至抛光垫的抛光液温度符合要求。可选择的，上述用于加热的电磁线圈可设置于抛光液管54周围和/或设置于至少一个喷嘴61周围。
在一个实施例中，抛光液输送装置50还包括设置在抛光液管54出口端的温度传感器，或者，温度传感器也可以设置在每个喷嘴61处。通过温度传感器测量抛光液输送装置50输出的抛光液的温度，从而控制光照单元55照射抛光液的时长以使抛光液控制在目标温度。温度传感器可以是红外传感器、热电偶等。
可选择的，可以在抛光液管54、至少一个喷嘴61和/或抛光液输送装置50的其他部分或位置设置多个相同或不同形式的温度传感器，从而还可以测量抛光垫上的抛光液的温度，从而根据抛光垫上的抛光液的温度的反馈来调节调温单元80。优选的，所述悬臂53的下部可设置多个温度传感器以测量抛光垫不同位置的温度。
优选的，根据本发明实施例的抛光液输送装置的加载模块可以形成为不同形式的加载装置，特别的，所述抛光液输送装置优选在其悬臂53、抛光液管54、喷嘴组件56等不同位置处设置有2个或多个加载装置，以实现分布式加载，从而避免过于集中的加载可能对抛光液造成的改性甚至破坏，提升加载的可控性。
需要说明的是，尽管本申请实施以抛光液为例来说明加载装置的设置及其作业方式，但所述用于输送抛光液的管路及装置亦可用于输送纯净水等其他液体，换言之，根据本发明的抛光液输送装置可用于输送清洗液或水等其他液体。
本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。应当理解的是，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制，相同的参考标记用于表示附图中相同的部分。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种抛光液输送装置，其特征在于，包括：
基座，所述基座上设有基座孔；
转轴，所述转轴设在所述基座孔内，且所述转轴设置为在所述基座孔内可选择性地转动；
悬臂，所述悬臂相对于所述转轴可转动地连接在所述转轴上，其内部中空；
抛光液管，所述抛光液管穿过所述基座孔后伸入所述悬臂内，用于输送抛光液；
喷嘴组件，与所述抛光液管连通，所述喷嘴组件包括喷嘴座和设于喷嘴座下方的至少一个喷嘴；
加载模块，用于改变抛光液的物理性质，所述加载模块环绕抛光液管设置以对其中流过的抛光液进行处理、和/或、不同喷嘴处分别设有不同加载模块以实现不同喷淋位置抛光液的不同处理。
2.如权利要求1所述的抛光液输送装置，其特征在于，所述加载模块为光照单元、调温单元、极化单元、振动加载器和电磁加载器中的至少一种。
3.如权利要求2所述的抛光液输送装置，其特征在于，所述加载模块为光照单元，所述光照单元环绕所述抛光液管设置以对其中的抛光液进行照射加热并通过控制光照单元照射抛光液的时长来调节抛光液的温度，和/或，不同喷嘴处分别设有光照单元以实现不同喷淋位置抛光液的不同温度控制。
4.如权利要求3所述的抛光液输送装置，其特征在于，所述抛光液为水基性溶液，所述光照单元为红外线加热管以适用于水基性溶液。
5.如权利要求3所述的抛光液输送装置，其特征在于，还包括设置在所述抛光液管出口端的温度传感器。
6.如权利要求3所述的抛光液输送装置，其特征在于，所述光照单元设置在所述悬臂内部并被所述悬臂全封闭包围以防止漏光对晶圆造成损伤。
7.如权利要求1所述的抛光液输送装置，其特征在于，喷嘴座固定在悬臂的下表面。
8.如权利要求1所述的抛光液输送装置，其特征在于，还包括套筒，所述套筒可转动地设在所述转轴的外部。
9.如权利要求8所述的抛光液输送装置，其特征在于，所述套筒和所述转轴之间设有轴承。
10.一种化学机械抛光设备，其特征在于，包括：抛光盘、粘接在抛光盘上的抛光垫、吸附晶圆并带动晶圆旋转的承载头、修整抛光垫的修整器、以及向抛光垫表面提供抛光液的如权利要求1至9任一项所述的抛光液输送装置。
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