CN114026364A - 用于化学机械研磨的蒸汽产生 - Google Patents

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Abstract

一种蒸汽产生设备包括具有进水口和蒸汽出口的罐。蒸汽产生设备在罐中包括屏障，屏障将罐分成下部腔室和上部腔室。下部腔室被定位成从进水口接收水。蒸汽出口阀从上部腔室接收蒸汽。屏障具有孔，孔用于蒸汽从下部腔室传递到上部腔室，并且允许冷凝水从上部腔室传递到下部腔室。蒸汽产生设备包括加热组件，加热组件配置成向下部腔室的一部分施加热量。蒸汽产生设备包含控制器，控制器被配置为修改通过进水口的水的流速，以将水位保持在加热组件上方和蒸汽出口下方。

Description

用于化学机械研磨的蒸汽产生
技术领域
本公开涉及化学机械研磨(CMP)，并且更具体地涉及在CMP期间使用蒸汽清洁或预热。
背景技术
通常通过将导电层、半导体层或绝缘层顺序沉积到半导体晶片上，以在基板上形成集成电路。各种制造工艺需要基板上的层平坦化。例如，一个制造步骤涉及将填料层沉积到非平面的表面上，并将填料层平坦化。对于某些应用，填料层被平坦化，直到暴露出图案化层的顶表面。例如，可在图案化绝缘层上沉积金属层，以填充绝缘层中的沟槽或孔。在平坦化之后，在图案化层的沟槽和孔中的金属的剩余部分形成通孔、插件和线，以在基板上的薄膜电路之间提供导电路径。作为另一个示例，可以在图案化的导电层上沉积介电层，然后将其平坦化以实现后续的光刻步骤。
化学机械研磨(CMP)为一种被接受的平坦化方法。此平坦化方法通常需要将基板安装在承载头上。基板的暴露表面通常被放置为抵靠旋转研磨垫。承载头在基板上提供可控制的负载，以将基板推抵研磨垫。通常将具有磨料颗粒的研磨浆料供应到研磨垫的表面。
发明内容
在一个方面中，一种蒸汽产生设备包括具有进水口和蒸汽出口的罐。蒸汽产生设备包括在罐中的屏障，屏障将罐分成下部腔室和上部腔室。下部腔室被定位成从进水口接收水。蒸汽出口阀从上部腔室接收蒸汽。屏障具有用于蒸汽从下部腔室传递到上部腔室的孔，并且允许冷凝物从上部腔室传递到下部腔室。蒸汽产生设备包括加热组件，加热组件配置成向下部腔室的一部分施加热量。蒸汽产生设备包含控制器，控制器被配置为修改通过进水口的水的流速，以将水位保持在加热组件上方和蒸汽出口下方。
实施方式可以包括以下特征中的一项或多项。
罐可以是石英。屏障可以是石英。罐和屏障可以涂有PTFE。
旁通管可以与罐平行地连接进水口和蒸汽出口。水位传感器可以定位以监控旁路管中的水位。控制器可以配置为接收来自水位传感器的信号。控制器可被配置为基于来自水位传感器的信号来修改通过进水口的水的流速，以将罐中的水位保持在加热组件上方和蒸汽出口下方。
孔可以位于屏障的边缘附近。孔可以紧邻罐的内径表面定位。孔可仅紧邻罐的内径表面定位。
加热组件可以包括加热线圈。加热线圈可以缠绕在罐的下部腔室周围。
在一个方面中，一种蒸汽产生设备包括具有下部腔室和上部腔室的罐。罐具有进水口和蒸汽出口。下部腔室被定位成从进水口接收水。蒸汽出口阀从上部腔室接收蒸汽。蒸汽产生设备包括加热组件，加热组件配置成向下部腔室的一部分施加热量。蒸汽产生设备包含控制器，控制器被配置为修改通过进水口的水的流量，以将水位保持在加热组件上方和蒸汽出口下方。
实施方式可以包括以下特征中的一项或多项。
罐可以是石英。旁通管可以与罐平行地连接进水口和蒸汽出口。水位传感器可以监测旁通管中的水位。
可能的优点可以包括但不限于以下中的一项或多项。
可以产生足够量的蒸汽，即通过沸腾产生的气态H2O，且污染物含量低。另外，蒸汽产生器可以产生基本上是纯气体的蒸汽，例如，在蒸汽中几乎没有或没有悬浮的液体。这种蒸汽(也称为干蒸汽)可以提供H2O的气态形式，与其他蒸汽替代品(例如闪蒸蒸汽)相比，它具有更高的能量传递和更低的液体含量。
可以快速且有效地清洁CMP设备的各种部件。在溶解或以其他方式从研磨系统表面溶解或去除研磨副产物、干燥的浆料、碎屑等的方面，蒸汽比液态水更有效。因此，可以减少基板上的缺陷。
CMP设备的各种部件可以被预热。可以减小跨研磨垫的温度变化，从而减小跨基板的温度变化，从而减少晶片内不均匀性(WIWNU)。可以减少研磨操作中的温度变化。这可以提高CMP处理期间研磨的可预测性。可以减小从一种研磨操作到另一种研磨操作的温度变化。这可以改善晶片间的均匀性。
在附图与下面的说明中阐述一个或多个实施方式的细节。根据说明书与图式，以及权利要求，将可显然理解其他的方面、特征与优点。
附图说明
图1是研磨设备的示例的示意性平面图。
图2A是示例承载头蒸汽处理组件的示意性剖视图。
图2B是示例修整头蒸汽处理组件的示意性截面图。
图3A是研磨设备的研磨站的示例的示意性截面图。
图3B是化学机械研磨设备的示例研磨站的示意性俯视图。
图4A是示例蒸汽产生器的示意性截面图。
图4B是示例蒸汽产生器的示意性截面俯视图。
具体实施方式
化学机械研磨是通过在基板、研磨液和研磨垫之间的界面处的机械磨耗和化学蚀刻的组合来进行的。在研磨处理期间，由于基板表面和研磨垫之间的摩擦而产生大量的热量。另外，一些处理还包括原位垫修整步骤，其中将修整盘(例如涂覆有磨料金刚石颗粒的盘)压抵旋转的研磨垫，以修整和纹理化研磨垫表面。修整处理的磨耗也会产生热量。例如，在典型的一分钟铜CMP处理中(标称下压压力为2psi并且去除速率为
Figure BDA0003431603110000031
/min)，聚氨酯研磨垫的表面温度可能会升高约30℃。
另一方面，如果研磨垫已经由先前的研磨操作加热，则当新的基板最初下降到与研磨垫接触时，它处于较低的温度，因此可以用作散热器。类似地，分配到研磨垫上的浆料可以充当散热器。总体而言，这些影响导致研磨垫的温度在空间上和时间上变化。
CMP处理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(例如研磨垫的表面摩擦系数和黏弹性)，都与温度密切相关。因此，研磨垫的表面温度的变化会导致去除速率、研磨均匀性、腐蚀、成盘形(dishing)和残留物的变化。通过在研磨处理中更严格地控制研磨垫的表面温度，可以减小温度变化，并且可以改善例如通过晶片内不均匀性或晶片间不均匀性测量的研磨性能。
此外，在CMP期间，碎屑和浆料会积聚在CMP设备的各种部件上。如果这些研磨副产物随后从部件上脱落，它们可能会刮擦或以其他方式损坏基板，从而导致研磨缺陷增加。水射流已用于清洁CMP设备系统的各种组件。但是，执行此任务需要大量的水。
可以解决这些问题中的一个或多个的技术是使用蒸汽(即通过沸腾产生的气态H2O)清洁和/或预热CMP设备的各个部件。例如，由于蒸汽的潜热，可需要较少的蒸汽来提供与热水等效的能量。另外，可以高速喷射蒸汽以清洁和/或预热组件。另外，蒸汽在溶解或以其他方式去除研磨副产物方面比液态水更有效。
图1是用于处理一个或多个基板的化学机械研磨设备2的平面图。研磨设备2包括研磨平台4，研磨平台4至少部分地支撑并容纳多个研磨站20。例如，研磨设备可以包括四个研磨站20a、20b、20c和20d。每个研磨站20适于研磨保持在承载头70中的基板。在图1中未示出每个站的所有部件。
研磨设备2还包括多个承载头70，每个承载头被构造成承载基板。研磨设备2还包括用于将基板装载到承载头和从承载头卸除基板的转移站6。转移站6可包括多个装载杯8，例如两个装载杯8a、8b，其适于协助通过转移机器人9在承载头70与工厂接口(未示出)或其他设备(未示出)之间转移基板。装载杯8通常通过装载和卸除承载头70来协助机器人9和每个承载头70之间的转移。
研磨设备2的站(包括转移站6和研磨站20)，可以围绕平台4的中心以实质相等的角度间隔定位。这不是必需的，但是可以为研磨设备提供良好的占地面积。
为了进行研磨操作，一个承载头70位于每个研磨站处。两个附加的承载头可以定位在装载和卸除站6中，以将经研磨的基板替换为未研磨的基板，而其他基板在研磨站20被研磨。
承载头70由支撑结构保持，支撑结构可使每个承载头沿着依次经过第一研磨站20a、第二研磨站20b、第三研磨站20c和第四研磨站20d的路径移动。这允许将每个承载头选择性地定位在研磨站20和装载杯8上方。
在一些实施方式中，每个承载头70耦接至托架78，托架78安装至支撑结构72。通过沿着支撑结构72(例如轨道)移动托架78，可以将承载头70定位在选定的研磨站20或装载杯8上方。或者，承载头70可以从转盘悬垂，并且转盘的旋转使所有的承载头同时沿着圆形路径运动。
研磨设备2的每个研磨站20可以例如在浆料供应臂39的端部处包括端口，以将诸如磨耗浆料的研磨液38(见图3A)分配到研磨垫30上。研磨设备2的每个研磨站20还可包括垫修整器93，以磨耗研磨垫30以将研磨垫30保持在始终如一的磨耗状态。
图3A和3B示出了化学机械研磨系统的研磨站20的示例。研磨站20包含可旋转式碟形平台24，研磨垫30位于碟形平台24上。平台24可操作以沿着轴25旋转(见图3B中的箭头A)。例如，发动机22可转动驱动轴28，以旋转平台24。研磨垫30可为具有外侧研磨层32与较软的背层34的双层研磨垫。
参照图1、图3A与图3B，研磨站20可以包括例如在浆料供应臂39的端部的供应端口，以将诸如磨耗浆料的研磨液38分配到研磨垫30上。
研磨站20可以包括具有修整器盘92(参见图2B)的垫修整器90，以保持研磨垫30的表面粗糙度。修整器盘92可以位于臂94的末端处的修整器头93中。臂94和修整器头93由基座96支撑。臂94可以摆动，以将修整器头93和修整器盘92横向扫过研磨垫30。清洁杯250可以位于与平台24相邻的臂94可以将修整器头93移动到的位置。
承载头70可操作以将基板10保持抵靠研磨垫30。承载头70由支撑结构72(例如转盘或轨道)悬垂，且由驱动轴74连接至承载头旋转发动机76，使得承载头可沿着轴71旋转。可选地，承载头70可通过沿着轨道移动或者通过转盘自身的旋转性振荡而横向振荡(例如在转盘上的滑动件上)。
承载头70可包括柔性膜80，柔性膜80具有与基板10的背侧接触的基板安装表面，以及多个可加压室82，以将不同的压力施加到基板10上的不同区域，例如不同的径向区域。承载头70可以包括保持环84以保持基板。在一些实施方式中，保持环84可包括与研磨垫接触的下部塑料部分86以及由诸如金属的较硬材料制成的上部部分88。
在操作中，平台绕其中心轴线25旋转，并且承载头绕其中心轴线71旋转(参见图3B中的箭头B)并跨研磨垫30的顶表面横向平移(参见图3B中的箭头C)。
参照图3A和3B，当承载头70跨研磨垫30扫过时，承载头70的任何暴露表面趋于被浆料覆盖。例如，浆液可以黏在保持环84的外径或内径表面上。通常，对于任何未保持在湿润状态的表面，浆料将趋于凝结和/或变干。结果，可以在承载头70上形成颗粒。如果这些颗粒脱落，这些颗粒会划伤基板，导致研磨缺陷。
此外，浆料会结块在承载头70上，或者浆料中的氢氧化钠会在承载头70和/或基板10的表面中的一者上结晶并且导致承载头70的表面被腐蚀。结块的浆料难以去除，并且结晶的氢氧化钠难以返回溶液。
修整器头92会产生类似的问题，例如，可能会在修整器头92上形成颗粒，浆料可能结块到修整器头92上，或者浆料中的氢氧化钠可能在修整器头92的表面中的一者上结晶。
一种解决方案是用液体水射流清洁部件，例如承载头70和修整器头92。但是，仅使用水射流可能难以清洗组件，并且可能需要大量的水。另外，与研磨垫30接触的部件(例如承载头70、基板10和修整器盘92)可以用作散热器，散热器阻碍研磨垫温度的均匀性。
为了解决这些问题，如图2A所示，研磨设备2包括一个或多个承载头蒸汽处理组件200。每个蒸汽处理组件200可用于清洁和/或预加热承载头70和基板10。
蒸汽处理组件200可以是装载杯8的一部分，例如，装载杯8a或8b的一部分。替代或另外地，可以在位于相邻研磨站20之间的一个或多个平台间站9处提供蒸汽处理组件200。
装载杯8包括用于在装载/卸除处理期间保持基板10的底座204。装载杯8还包括壳体206，壳体206围绕或实质围绕底座204。多个喷嘴225由壳体206或分离的支撑件支撑，以将蒸汽245输送至位于由壳体206限定的腔208中的承载头和/或基板。例如，喷嘴225可以定位在壳体206的一个或多个内表面上，例如底板206a和/或侧壁206b和/或腔的顶板上。喷嘴225可以定向成将蒸汽向内引导到腔206中。可以通过使用蒸汽产生器410(例如下面进一步讨论的蒸汽产生器)来产生蒸汽245。排水口235可允许过量的水、清洁溶液和清洁副产物通过以防止在装载杯8中积聚。
致动器提供壳体206和承载头70之间的相对竖直运动。例如，轴210可支撑壳体206并且可竖直致动以升高和降低壳体206。或者，承载头70可以垂直移动。底座205可以与轴210同轴。底座204可以相对于壳体206竖直地移动。
在操作中，承载头70可以定位在装载杯8上方，并且壳体206可以升高(或者承载头70降低)，使得承载头70部分地位于腔208内。基板10可以开始在底座204上并且被吸附在承载头70上，和/或开始在承载头70上并且被解吸附到底座204上。
蒸汽被引导通过喷嘴225，以清洁和/或预热基板10和/或承载头70的一个或多个表面。例如，一个或多个喷嘴可以被定位成将蒸汽引导到承载头70的外表面、保持环84的外表面84a和/或保持环84的底表面84b上。一个或多个喷嘴可以被定位以将蒸汽引导到由承载头70保持的基板10的前表面上(即要研磨的表面上)，或者如果没有基板10被支撑在承载头70上，则将蒸汽引导到膜80的底表面上。可以将一个或多个喷嘴定位在底座204下方，以将蒸汽向上引导到位于底座204上的基板10的前表面上。可以将一个或多个喷嘴定位在基座204上方，以将蒸汽向下引导到位于底座204上的基板10的背面上。承载头70可在承载杯8内旋转和/或相对于承载杯8竖直移动，以允许喷嘴225处理承载头70和/或基板10的不同区域。基板10可以搁置在底座205上，以允许对承载头70的内表面(例如膜82的底表面或保持环84的内表面)进行蒸汽处理。
蒸汽从蒸汽源通过供应管线230穿过壳体206循环到喷嘴225。喷嘴225可以喷射蒸汽245以去除在每次研磨操作之后残留在承载头70和基板10上的有机残留物、副产物、碎屑和浆料颗粒。喷嘴225可以喷射蒸汽245以加热基板10和/或承载头70。
平台间站9可以类似地构造和操作，但是不需要具有基板支撑底座。
由喷嘴225输送的蒸汽245可具有可调节的温度、压力和流速，以改变承载头70和基板10的清洁和预热。在一些实施方式中，可以对于每个喷嘴或在喷嘴组之间独立地调节温度、压力和/或流速。
例如，当产生蒸汽245时(例如，在图4A中的蒸汽产生器410中)，蒸汽245的温度可以为90至200℃。当蒸汽245由喷嘴225分配时，例如由于在传输中的热损失，蒸汽245的温度可以在90至150℃之间。在一些实施方式中，由喷嘴225以70-100℃，例如80-90℃的温度输送蒸汽。在一些实施方式中，由喷嘴输送的蒸汽被过加热，即处于高于沸点的温度。
当蒸汽245由喷嘴225输送时，蒸汽245的流速可以是1-1000cc/分钟，这取决于加热器的功率和压力。在一些实施方式中，蒸汽与其他气体混合，例如，与标准大气或与N2混合。可替代地，由喷嘴225输送的流体实质上是纯水。在一些实施方式中，由喷嘴225输送的蒸汽245与液态水(例如雾化水)混合。例如，液态水和蒸汽可以以1：1至1:10的相对流量比(例如，以sccm为单位的流速)组合。然而，如果液态水的量低，例如小于5重量％、例如小于3重量％、例如小于1重量％，则蒸汽将具有优异的传热质量。因此，在一些实施方式中，蒸汽是干蒸汽，即基本上没有水滴。
为了避免热降解膜，可将水与蒸汽245混合以降低温度，例如降至约40-50℃。可以通过将冷却的水混合到蒸汽245中或将相同或基本相同的温度的水混合到蒸汽245中，来降低蒸汽245的温度(因为液态水比气态水传递更少的能量)。
在一些实施方式中，温度传感器214可以安装在蒸汽处理组件200中或附近，以检测承载头70和/或基板10的温度。控制器214可以接收来自传感器214的信号，以监测承载头70和/或基板10的温度。控制器12可以基于来自温度传感器214的温度测量值来控制组件100对蒸汽的输送。例如，控制器可以接收目标温度值。如果控制器12检测到温度测量值超过目标值，则控制器12停止蒸汽流。作为另一示例，控制器12可以降低蒸汽输送流速和/或降低蒸汽温度，例如，以防止在清洁和/或预热期间部件的过热。
在一些实施方式中，控制器12包括定时器。在这种情况下，控制器12可以在开始输送蒸汽时启动，并且可以在定时器期满时停止输送蒸汽。可以基于经验测试来设置定时器，以在清洁和/或预热期间达到承载头70和基板10的期望温度。
图2B示出了包括壳体255的修整器蒸汽处理组件250。壳体255可以形成为“杯(cup)”，以接收修整器盘92和修整器头93。蒸汽通过壳体255中的供应管线280循环到一个或多个喷嘴275。喷嘴275可喷射蒸汽295以去除在每次修整操作之后留在修整器盘92和/或修整器头93上的研磨副产物，例如碎屑或浆料颗粒。喷嘴275可以位于壳体255中，例如在壳体255内部的底板、侧壁或顶板上。可以定位一个或多个喷嘴以清洁垫修整器盘的底表面和/或修整器头93的底表面、侧壁和/或顶表面。可以使用蒸汽产生器410产生蒸汽295。排水口285可以允许过量的水、清洁溶液和清洁副产物通过，以防止在壳体255中积聚。
修整器头93和修整器盘92可至少部分地下降到壳体255中以被蒸汽处理。当要使修整器盘92恢复操作时，将修整器头93和修整器盘92从壳体255中抬起并定位在研磨垫30上以修整研磨垫30。当修整操作完成时，将修整器头93和修整器盘92从研磨垫上抬起，并摆动回到壳体杯255，以去除修整器头93和修整器盘92上的研磨副产物。在一些实施方式中，壳体255是可竖直致动的，例如安装至竖直驱动轴260。
壳体255定位成接收垫修整器盘92和修整器头93。修整器盘92和修整器头93可以在壳体255内旋转，和/或在壳体255内竖直移动，以允许喷嘴275对修整器盘92和修整器头93的各个表面进行蒸汽处理。
由喷嘴275输送的蒸汽295可具有可调节的温度、压力和/或流速。在一些实施方式中，可以对于每个喷嘴或在喷嘴组之间独立地调节温度、压力和/或流速。这允许变化并因此更有效地清洁修整器盘92或修整器头93。
例如，当产生蒸汽295时(例如，在图4A中的蒸汽产生器410中)，蒸汽295的温度可以为90至200℃。当蒸汽295由喷嘴275分配时，例如由于在传输中的热损失，蒸汽295的温度可以在90至150℃之间。在一些实施方式中，由喷嘴275以70-100℃，例如80-90℃的温度输送蒸汽。在一些实施方式中，由喷嘴输送的蒸汽被过加热，即处于高于沸点的温度。
当由喷嘴275输送蒸汽295时，蒸汽2945的流速可以是1-1000cc/分钟。在一些实施方式中，蒸汽与其他气体混合，例如，与标准大气或与N2混合。可替代地，由喷嘴275输送的流体实质上是纯水。在一些实施方式中，由喷嘴275输送的蒸汽295与液态水(例如雾化水)混合。例如，液态水和蒸汽可以以1：1至1:10的相对流量比(例如，以sccm为单位的流速)组合。然而，如果液态水的量低，例如小于5重量％、例如小于3重量％、例如小于1重量％，则蒸汽将具有优异的传热质量。因此，在一些实施方式中，蒸汽是干蒸汽，即不包含水滴。
在一些实施方式中，温度传感器264可以安装在壳体255中或与壳体255相邻，以检测修整器头93和/或修整器盘92的温度。控制器12可以从温度传感器264接收信号，以检测修整器头93或修整器盘92的温度，例如以检测垫修整器盘92的温度。控制器12可以基于来自温度传感器264的温度测量值来控制组件250对蒸汽的输送。例如，控制器可以接收目标温度值。如果控制器12检测到温度测量值超过目标值，则控制器12停止蒸汽流。作为另一示例，控制器12可以降低蒸汽输送流速和/或降低蒸汽温度，例如，以防止在清洁和/或预热期间部件的过热。
在一些实施方式中，控制器12使用定时器。在这种情况下，控制器12可以在开始输送蒸汽时启动定时，并且可以在定时器期满时停止输送蒸汽。可以基于经验测试来设置定时器，以在清洁和/或预热期间达到修整器盘92的期望温度，例如以防止过热。
参照图3A，在一些实施方式中，研磨站20包括温度传感器64，以监测研磨站中的温度或研磨站的部件/研磨站中的部件的温度，例如研磨垫30和/或研磨垫上的浆料38的温度。例如，温度传感器64可以是红外(IR)传感器，例如IR照相机，其定位在研磨垫30上方并且被配置为测量研磨垫30和/或研磨垫上的浆料38的温度。特别地，温度传感器64可以被配置为在沿着研磨垫30的半径的多个点处测量温度，以便产生径向温度分布。例如，IR照相机可以具有跨过研磨垫30的半径的视场。
在一些实施方式中，温度传感器是接触传感器而不是非接触传感器。例如，温度传感器64可以是定位在平台24上或平台24中的热电偶或IR温度计。另外，温度传感器64可以与研磨垫直接接触。
在一些实施方式中，多个温度传感器可以间隔开在研磨垫30上的不同径向位置处，以便提供在沿着研磨垫30的半径的多个点处的温度。可以替代红外热像仪使用或附加红外热像仪使用。
尽管图3A示出为定位以监测研磨垫30和/或研磨垫30上的浆料38的温度，但温度传感器64可以定位在承载头70内部以测量基板10的温度。温度传感器64可以与基板10的半导体晶片直接接触(即，接触传感器)。在一些实施方式中，多个温度传感器被包括在研磨站22中，例如以测量研磨站的不同部件/研磨站中的不同部件的温度。
研磨系统20还包括温度控制系统100，以控制研磨垫30和/或研磨垫上的浆料38的温度。温度控制系统100可以包括冷却系统102和/或加热系统104。冷却系统102和加热系统104中的至少一个(并且在一些实施方式中为两者)，是通过将温度控制介质(例如液体、蒸气或喷雾)输送到研磨垫30的研磨表面36上(或输送到已经存在于研磨垫上的研磨液上)来操作的。
对于冷却系统102，冷却介质可以是气体(例如空气)或液体(例如水)。介质可以处于室温或被冷却到室温以下，例如在5-15℃。在一些实施方式中，冷却系统102使用空气和液体的喷雾，例如液体(例如水)的雾化喷雾。特别地，冷却系统可以具有产生被冷却到室温以下的水的雾化喷雾的喷嘴。在一些实施方式中，固体材料可以与气体和/或液体混合。固体材料可以是冷却的材料，例如冰，或者是当溶解在水中时例如通过化学反应吸收热量的材料。
可以通过流过冷却剂输送臂中的一个或多个孔(例如，可选地形成在喷嘴中的孔洞或槽)来输送冷却介质。孔可以由连接到冷却剂源的歧管提供。
如图3A和图3B所示，示例冷却系统102包括臂110，臂110在平台24和研磨垫30上方从研磨垫的边缘延伸至研磨垫30的中心或至少接近(例如在研磨垫的总半径的5％以内)研磨垫30的中心。臂110可以由基座112支撑，并且基座112可以与平台24支撑在同一框架40上。基座112可包括一个或多个致动器(例如线性致动器)以升高或降低臂110，和/或包括旋转致动器以使臂110在平台24上方横向摆动。臂110被定位为避免与其他硬件部件(例如研磨头70、垫修整器盘92和浆料分配臂39)碰撞。
示例冷却系统102包括从臂110悬垂的多个喷嘴120。每个喷嘴120被配置为将液体冷却剂介质(例如水)喷射到研磨垫30上。臂110可以由基座112支撑，使得喷嘴120与研磨垫30分开一间隙126。
每个喷嘴120可被构造成将喷雾122中的雾化水引向研磨垫30。冷却系统102可以包括液体冷却剂介质的源130和气体源132(见图3B)。来自源130的液体和来自源132的气体，可以在例如在臂120内或臂110上的混合室134中混合(见图3A)，然后被引导通过喷嘴120以形成喷雾122。
在一些实施方式中，可以针对每个喷嘴独立控制处理参数，例如流速、压力、温度和/或液体与气体的混合比。例如，用于每个喷嘴120的冷却剂可以流过可独立控制的冷却器，以独立地控制喷雾的温度。作为另一示例，可以将一对分离的泵(用于气体的泵和用于液体的泵)连接到每个喷嘴，使得可以针对每个喷嘴独立地控制气体和液体的流速、压力和混合比。
各种喷嘴可以喷射到研磨垫30上的不同径向区域124上。相邻的径向区域124可以重叠。在一些实施方式中，喷嘴120产生沿细长区域128撞击研磨垫30的喷雾。例如，喷嘴可以构造成产生实质上平面的三角形体积的喷雾。
一个或多个细长区域128，例如所有细长区域128，可具有与延伸通过区域128的半径平行的纵轴(参见区域128a)。或者，喷嘴120产生锥形喷雾。
尽管图1示出了喷雾本身重叠，但是喷嘴120可以定向成使得细长区域不重叠。例如，至少一些喷嘴120(例如所有喷嘴120)可以被定向为使得细长区域128相对于穿过细长区域的半径成倾斜角(参见区域128b)。
至少一些喷嘴120可以定向成使得来自喷嘴的喷雾的中心轴线(参见箭头A)相对于研磨表面36成倾斜角。特别地，喷雾122可以从喷嘴120被引导成，在由平台24的旋转引起的撞击区域中，具有与研磨垫30的运动方向相反的方向上的水平分量(参见箭头A)。
虽然图3A和图3B示出了喷嘴120以均匀的间隔隔开，这不是必需的。喷嘴120可以在径向或角度或两者上不均匀地分布。例如，喷嘴120可以沿朝向研磨垫30的边缘的径向方向更密集地聚集。另外，尽管图3A和图3B示出了九个喷嘴，但是可以存在更多或更少数量的喷嘴，例如三至二十个喷嘴。
对于加热系统104，加热介质可以是气体(例如蒸汽(例如来自蒸汽产生器410，请参见图4A)或加热的空气)，或液体(例如加热的水)，或气体和液体的组合。介质高于室温，例如在40-120℃，例如90-110℃。介质可以是水，例如基本上纯的去离子水，或包含添加剂或化学物质的水。在一些实施方式中，加热系统104使用蒸汽喷雾。蒸汽可以包含添加剂或化学物质。
可以通过流过加热输送臂上的(例如，由一个或多个喷嘴提供的)孔(例如，孔洞或槽)来输送加热介质。孔可以由连接到加热介质源的歧管提供。
示例加热系统104包括臂140，臂140在平台24和研磨垫30上方从研磨垫的边缘延伸至研磨垫30的中心或至少接近(例如在研磨垫的总半径的5％以内)研磨垫30的中心。臂140可以由基座142支撑，并且基座142可以与平台24支撑在同一框架40上。基座142可包括一个或多个致动器(例如线性致动器)以升高或降低臂140，和/或包括旋转致动器以使臂140在平台24上方横向摆动。将臂140定位为避免与其他硬件部件(例如研磨头70、垫修整器盘92和浆料分配臂39)碰撞。
沿着平台24的旋转方向，加热系统104的臂140可位于冷却系统110的臂110和承载头70之间。沿着平台24的旋转方向，加热系统104的臂140可位于冷却系统110的臂110和浆料输送臂39之间。例如，冷却系统110的臂110、加热系统104的臂140、浆料输送臂39和承载头70可以沿着平台24的旋转方向按此顺序定位。
多个开口144形成在臂140的底表面中。每个开口144被配置为将气体或蒸气(例如蒸汽)引导到研磨垫30上。臂140可以由基座142支撑，使得开口144与研磨垫30分开一间隙。间隙可以为0.5至5毫米。特别地，可以选择间隙，使得加热流体的热量在流体到达研磨垫之前不会显著消散。例如，可以选择间隙，使得从开口排放的蒸汽在到达研磨垫之前不会冷凝。
加热系统104可以包括蒸汽源148，例如蒸汽产生器410(见图4A)，其可以通过管道连接到臂140。每个开口144可被构造成将蒸汽引向研磨垫30。
在一些实施方式中，可以针对每个喷嘴独立控制处理参数，例如流速、压力、温度和/或液体与气体的混合比。例如，用于每个开口144的流体可以流过可独立控制的加热器，以独立地控制加热流体的温度，例如蒸汽的温度。
各种开口144可以将蒸汽引导到研磨垫30上的不同径向区域上。相邻的径向区域可以重叠。可选地，一些开口144可以被定向成使得来自此开口的喷雾的中心轴线相对于研磨表面36成斜角。可以从一个或多个开口144引导蒸汽，以在由平台24的旋转引起的撞击区域中具有与研磨垫30的运动方向相反的方向上的水平分量。
虽然图3B示出了以均匀间隔隔开的开口144，这不是必需的。喷嘴120可以在径向或角度或两者上不均匀地分布。例如，开口144可以朝研磨垫30的中心更密集地聚集。作为另一示例，开口144可以在与浆料输送臂39将研磨液39输送到研磨垫30的半径相对应的半径处更密集地聚集。另外，尽管图3B示出了九个开口，但是可以存在更多或更少数量的开口。
研磨系统20还可包括高压冲洗系统106。高压冲洗系统106包括多个喷嘴154，例如三至二十个喷嘴，其将高强度的清洁液(例如水)引导到研磨垫30上，以清洗垫30并去除用过的浆料、研磨碎屑等等。
如图3B所示，示例清洗系统106包括臂150，臂150在平台24和研磨垫30上方从研磨垫的边缘延伸至研磨垫30的中心或至少接近(例如在研磨垫的总半径的5％以内)研磨垫30的中心。臂150可以由基座152支撑，并且基座152可以与平台24支撑在同一框架40上。基座152可包括一个或多个致动器(例如线性致动器)以升高或降低臂150，和/或包括旋转致动器以使臂150在平台24上横向摆动。将臂150定位为避免与其他硬件部件(例如研磨头70、垫修整器盘92和浆料分配臂39)碰撞。
沿着平台24的旋转方向，清洗系统106的臂150可位于冷却系统110的臂110和加热系统140的臂140之间。例如，冷却系统110的臂110、清洗系统106的臂150、浆料输送臂39和承载头70可以沿着平台24的旋转方向按此顺序定位。替代地，沿着平台24的旋转方向，冷却系统104的臂140可位于清洗系统106的臂150和加热系统140的臂140之间。例如，清洗系统106的臂150、冷却系统110的臂110、加热系统104的臂140、浆料输送臂39和承载头70可以沿着平台24的旋转方向按此顺序定位。
虽然图3B示出了以均匀间隔隔开的开口154，这不是必需的。另外，尽管图3A和3B示出了九个喷嘴，但是可以存在更多或更少数量的喷嘴，例如三至二十个喷嘴。
研磨系统2还可以包括控制器12，以控制各种部件的操作，例如温度控制系统100。控制器12被配置为从温度传感器64接收针对研磨垫的每个径向区域的温度测量值。控制器12可以将所测量的温度曲线与期望的温度曲线进行比较，并且针对每个喷嘴或开口向控制机构(例如致动器、动力源、泵、阀等)生成反馈信号。反馈信号由控制器12例如基于内部反馈算法来计算，以使控制机构调节冷却或加热的量，使得研磨垫和/或浆料到达(或至少移动到更靠近)所需的温度曲线。
在一些实施方式中，研磨系统20包括刮水片或主体170，以将研磨液38均匀地分布在研磨垫30上。沿着平台24的旋转方向，刮水片170可以位于浆料输送臂39和承载头70之间。
图3B示出了用于每个子系统(例如加热系统102、冷却系统104和清洗系统106)的单独的臂，各种子系统可以被包括在由共同臂支撑的单个组件中。例如，组件可以包括冷却模块、清洗模块、加热模块、浆料输送模块、以及可选的刮水模块。每个模块可以包括主体，例如弓形主体，主体可以固定到共同安装板上，并且共同安装板可以固定在臂的末端，使得组件位于研磨垫30上。各种流体输送部件，例如管道、通道等，可以在每个主体内部延伸。在一些实施方式中，模块可与安装板分开地拆卸。每个模块可以具有类似的组件，以执行上述关联系统的臂的功能。
参照图4A，可以使用蒸汽产生器410产生用于本说明书中描述的处理或用于化学机械研磨系统中的其他用途的蒸汽。示例性蒸汽产生器410可包括封闭内部容积425的罐420。罐420的壁可以由具有非常低水平的矿物污染物的绝热材料制成，例如石英。或者，罐的壁可以由另一种材料形成，例如，并且罐的内表面可以涂覆有聚四氟乙烯(PTFE)或另一种塑料。在一些实施方式中，罐420可以是10-20英寸长和1-5英寸宽。
参照图4A和图4B，在一些具体实施例中，罐420的内部容积425被屏障426划分为下部腔室422和上部腔室424。屏障426可以由与罐壁相同的材料制成，例如石英、不锈钢、铝或诸如氧化铝的陶瓷。石英在降低污染风险方面可以更具优势。屏障426可以通过阻挡沸腾的水溅落的水滴，来实质上防止液态水440进入上部腔室424。这允许干蒸汽积聚在上部腔室424中。
屏障426包括一个或多个孔428。孔428允许蒸汽从下部腔室422进入上部腔室424。孔428(特别是在屏障426的边缘附近的孔428)可以允许上部腔室424的壁上的冷凝物滴落到下部腔室422中，以减少上部腔室426中的液体含量并允许用水440重新加热液体。
孔428可位于屏障426的边缘处，例如仅位于屏障426的边缘处，屏障426与罐420的内壁在该边缘处相交。孔428可位于屏障426的边缘附近，例如在屏障426的边缘与屏障426的中心之间。此构造可以是有利的，因为屏障426在中心没有孔，因此降低了液体水滴进入上部腔室的风险，同时仍然允许上部腔室424的侧壁上的冷凝物流出上部腔室。
然而，在一些实施方式中，孔也被定位成远离边缘，例如跨屏障426的宽度，例如跨屏障425的区域均匀地间隔开。
如图4A所示，进水口432可以将储水器434连接到罐420的下部腔室422。进水口432可以位于罐420的底部处或罐420的底部附近，以向下部腔室422提供水440。
一个或多个加热组件430可以围绕罐420的下部腔室422的一部分。加热组件430例如可以是缠绕在罐420外部周围的加热线圈，例如电阻加热器。加热组件还可以通过在罐的侧壁的材料上的薄膜涂层来提供；如果施加电流，则此薄膜涂层可以用作加热组件。
加热组件430也可以位于罐420的下部腔室422内。例如，加热组件可以涂覆有将防止来自加热组件的污染物(例如金属污染物)迁移到蒸汽中的材料。
加热组件430可以向罐420的底部施加热量，直到最小水位443a。换言之，加热组件430可以覆盖罐420的低于最小水位443a的部分，以防止过热并减少不必要的能量消耗。
蒸汽出口436可以将上部腔室424连接到蒸汽输送通道438。蒸汽输送通道438可位于罐420的顶部或顶部附近，例如在罐420的顶板中，以允许蒸汽从罐420进入蒸汽输送通道438，并到达CMP设备的各种部件。蒸汽输送通道438可用于将蒸汽传向(funnel toward)化学机械研磨设备的各个区域，例如用于蒸汽清洁和预热承载头70、基板10和垫修整器盘92。
参照图4A，在一些实施例中，过滤器470耦合到蒸汽出口438，蒸汽出口438构造成减少蒸汽446中的污染物。过滤器470可以是离子交换过滤器。
水440可从储水器434通过进水口432流入下部腔室422。水440可以填充罐420至少直至在加热组件430上方且在屏障426下方的水位442。当水440被加热时，产生气体介质446并且气体介质446穿过屏障426的孔428上升。孔428允许蒸汽上升并且同时允许冷凝水通过其落下，从而导致气体介质446，其中水是实质上不含液体的蒸汽(例如，没有在蒸汽中悬浮的液体水滴)。
在一些实施例中，使用测量旁通管444中的水位442的水位传感器460来确定水位。旁通管与罐420平行地将储水器434连接至蒸汽输送通道438。水位传感器460可以指示水位442在旁通管444内的位置，并相应地指示水位442在罐420内的位置。例如，水位传感器444和罐420受到相同的压力(例如，它们都从相同的储水器434接收水，并且两者在顶部都具有相同的压力，例如，它们都连接至蒸汽输送通道438)，因此在水位传感器和罐420之间，水位442相同。在一些实施例中，水位传感器444中的水位442可以以其他方式指示罐420中的水位442，例如，水位传感器444中的水位442被缩放以指示罐420中的水位442。
在操作中，罐中的水位442高于最小水位443a并且低于最大水位443b。最小水位443a至少在加热组件430上方，并且最大水位443b在蒸汽出口436和屏障426足够下方使得提供足够的空间，以允许气体介质446(例如蒸汽)积聚在罐420的顶部附近并且仍然基本上没有液体水。
在一些具体实施例中，控制器12耦接至控制流经进水口432的流体的阀480，控制流经蒸汽出口436的流体的阀482和/或水位传感器460。使用水位传感器460，控制器90被配置为调节进入罐420的水440的流量并调节离开罐420的气体446的流量，以将水位442维持在高于最小水位443a(在加热组件430的上方)，以及在最大水位443b下方(在屏障426下方，如果存在屏障426的情况下)。控制器12还可以耦接到用于加热组件430的电源484，以便控制传递到罐420中的水440的热量。
参照图1、2A，2B，3A，3B和4A，控制器12可以监测由传感器64、214和264接收的温度测量值，并控制温度控制系统100、进水口432和蒸汽出口436。控制器12可以连续地监测温度测量值并在反馈回路中控制温度，以调节研磨垫30、承载头70和修整器盘92的温度。例如，控制器12可以从传感器64接收研磨垫30的温度，并且控制进水口432和蒸汽出口436以控制蒸汽到承载头70和/或修整器头92上的输送，以升高承载头70和/或修整器头92的温度以与研磨垫30的温度匹配。减小温度差可以帮助防止承载头70和/或修整器头92在相对较高温度的研磨垫30上充当散热器，并且可以改善晶片内均匀性。
在一些实施例中，控制器12存储针对研磨垫30、承载头70和修整器盘92的期望温度。控制器12可以监测来自传感器64、214和264的温度测量值，并控制温度控制系统100、进水口432和蒸汽出口436，以使研磨垫30、承载头70和/或修整器盘92达到期望的温度。通过使温度达到期望的温度，控制器12可以提高晶片内均匀性和晶片间均匀性。
或者，控制器12可以将承载头70和/或修整器头92的温度升高到略高于研磨垫30的温度，以允许当承载头70和/或修整器头92从它们各自的清洁站和预热站移动到研磨垫30时，它们的温度冷却到与研磨垫30相同或基本相同的温度。
已说明了本发明的数个具体实施例。然而应了解到，可进行各种修改，而不脱离本发明的精神与范围。因此，存在位于下列权利要求的范围内的其他具体实施例。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种蒸汽产生设备，包括：
罐，所述罐具有进水口和蒸汽出口；
所述罐中的屏障，所述屏障将所述罐分为下部腔室和上部腔室，其中所述下部腔室定位成从所述进水口接收水，并且其中所述蒸汽出口阀从所述上部腔室接收蒸汽，并且其中所述屏障具有孔使蒸汽从所述下部腔室传到所述上部腔室，并允许冷凝水从所述上部腔室传到所述下部腔室，并且其中至少一些孔紧邻所述罐的内径表面定位；
加热组件，所述加热组件被配置为向下部腔室的一部分施加热量；和
控制器，所述控制器被配置为修改通过所述进水口的水的所述流速，以将水位保持在所述加热组件上方和所述蒸汽出口下方。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述罐和/或屏障是石英。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述罐和屏障涂覆有PTFE。
4.如权利要求1所述的设备，进一步包括旁通管，所述旁通管与所述罐平行地连接所述进水口和所述蒸汽出口。
5.如权利要求4所述的设备，所述设备包含水位传感器，所述水位传感器被定位为监测所述旁通管中的水位，以及控制器，所述控制器被配置为从所述水位传感器接收信号，并且其中所述控制器被配置为基于来自所述水位传感器的所述信号来修改通过所述进水口的水的所述流速，以将所述罐中的水位保持在所述加热组件上方和所述蒸汽出口下方。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述孔仅紧邻所述罐的所述内径表面定位。
7.如权利要求1所述的设备，其中所述加热组件包括加热线圈。
8.如权利要求7所述的设备，其中所述加热线圈缠绕在所述罐的所述下部腔室周围。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述进水口在所述加热组件的顶部下方。
10.如权利要求9所述的设备，其中所述进水口在所述罐的所述下部腔室的底板中。
11.一种蒸汽产生设备，包括：
罐，所述罐具有下部腔室和上部腔室，所述罐具有进水口和蒸汽出口，并且其中所述下部腔室定位成从所述进水口接收水，并且其中所述蒸汽出口阀从所述上部腔室接收蒸汽；
加热组件，所述加热组件被配置为向下部腔室的一部分施加热量；和
控制器，所述控制器被配置为修改通过所述进水口的水的所述流速，以将水位保持在所述加热组件上方和所述蒸汽出口下方。
12.如权利要求11所述的设备，进一步包括旁通管，所述旁通管与所述罐平行地连接所述进水口和所述蒸汽出口。
13.如权利要求12所述的设备，包括水位传感器，以监测所述旁通管中的水位，并且其中所述控制器被配置为基于来自所述水位传感器的信号来修改通过所述进水口的水的所述流速。
14.一种化学机械研磨系统，包括：
平台，所述平台用于支撑研磨垫；
承载头，所述承载头使基板保持接触所述研磨垫；
发动机，所述发动机用于产生所述平台与所述承载头之间的相对运动；
蒸汽产生器，包括
罐，所述罐具有进水口和蒸汽出口，
所述罐中的屏障，所述屏障将所述罐分为下部腔室和上部腔室，其中所述下部腔室定位成从所述进水口接收水，并且其中所述蒸汽出口阀从所述上部腔室接收蒸汽，并且其中所述屏障具有孔使蒸汽从所述下部腔室传到所述上部腔室，并允许冷凝水从所述上部腔室传到所述下部腔室，
加热组件，所述加热组件被配置为向下部腔室的一部分施加热量，和
控制器，所述控制器被配置为修改通过所述进水口的水的所述流速，以将水位保持在所述加热组件上方和所述蒸汽出口下方；以及
臂，所述臂在所述平台上方延伸，并且至少一个喷嘴连接到所述蒸汽产生器的所述蒸汽出口，并定向成将蒸汽从所述蒸汽产生器输送到所述研磨垫上。

Claims (15)

1.一种蒸汽产生设备，包括：
罐，所述罐具有进水口和蒸汽出口；
所述罐中的屏障，所述屏障将所述罐分为下部腔室和上部腔室，其中所述下部腔室定位成从所述进水口接收水，并且其中所述蒸汽出口阀从所述上部腔室接收蒸汽，并且其中所述屏障具有孔使蒸汽从所述下部腔室传到所述上部腔室，并允许冷凝水从所述上部腔室传到所述下部腔室；
加热组件，所述加热组件被配置为向下部腔室的一部分施加热量；和
控制器，所述控制器被配置为修改通过所述进水口的水的所述流速，以将水位保持在所述加热组件上方和所述蒸汽出口下方。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述罐和/或屏障是石英。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述罐和屏障涂覆有PTFE。
4.如权利要求1所述的设备，进一步包括旁通管，所述旁通管与所述罐平行地连接所述进水口和所述蒸汽出口。
5.如权利要求4所述的设备，所述设备包含水位传感器，所述水位传感器被定位为监测所述旁通管中的水位，以及控制器，所述控制器被配置为从所述水位传感器接收信号，并且其中所述控制器被配置为基于来自所述水位传感器的所述信号来修改通过所述进水口的水的所述流速，以将所述罐中的水位保持在所述加热组件上方和所述蒸汽出口下方。
6.如权利要求1所述的设备，其中至少一些孔紧邻所述罐的所述内径表面定位。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述孔仅紧邻所述罐的所述内径表面定位。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述加热组件包括加热线圈。
9.如权利要求8所述的设备，其中所述加热线圈缠绕在所述罐的所述下部腔室周围。
10.如权利要求1所述的设备，其中所述进水口在所述加热组件的顶部下方。
11.如权利要求10所述的设备，其中所述进水口在所述罐的所述下部腔室的底板中。
12.一种蒸汽产生设备，包括：
罐，所述罐具有下部腔室和上部腔室，所述罐具有进水口和蒸汽出口，并且其中所述下部腔室定位成从所述进水口接收水，并且其中所述蒸汽出口阀从所述上部腔室接收蒸汽；
加热组件，所述加热组件被配置为向下部腔室的一部分施加热量；和
控制器，所述控制器被配置为修改通过所述进水口的水的所述流速，以将水位保持在所述加热组件上方和所述蒸汽出口下方。
13.如权利要求12所述的设备，进一步包括旁通管，所述旁通管与所述罐平行地连接所述进水口和所述蒸汽出口。
14.如权利要求13所述的设备，包括水位传感器，以监测所述旁通管中的水位，并且其中所述控制器被配置为基于来自所述水位传感器的信号来修改通过所述进水口的水的所述流速。
15.一种化学机械研磨系统，包括：
平台，所述平台用于支撑研磨垫；
承载头，所述承载头使基板保持接触所述研磨垫；
发动机，所述发动机用于产生所述平台与所述承载头之间的相对运动；
蒸汽产生器，包括
罐，所述罐具有进水口和蒸汽出口，
所述罐中的屏障，所述屏障将所述罐分为下部腔室和上部腔室，其中所述下部腔室定位成从所述进水口接收水，并且其中所述蒸汽出口阀从所述上部腔室接收蒸汽，并且其中所述屏障具有孔使蒸汽从所述下部腔室传到所述上部腔室，并允许冷凝水从所述上部腔室传到所述下部腔室，
加热组件，所述加热组件被配置为向下部腔室的一部分施加热量，和
控制器，所述控制器被配置为修改通过所述进水口的水的所述流速，以将水位保持在所述加热组件上方和所述蒸汽出口下方；以及
臂，所述臂在所述平台上方延伸，并且至少一个喷嘴连接到所述蒸汽产生器的所述蒸汽出口，并定向成将蒸汽从所述蒸汽产生器输送到所述研磨垫上。
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