CN115091353B - 一种抛光液调整方法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调整方法和化学机械抛光设备,其中方法包括:初始数据获取步骤,获取抛光垫的初始厚度以及对应的抛光液的初始流量;流量调整步骤,获取抛光垫厚度的变化量,根据抛光垫厚度的变化量,计算需要调整的抛光液的流量。本发明能够根据抛光垫的厚度变化,对抛光液的流量进行准确的定量调整,以维持抛光液在抛光垫表面的分布形状和厚度形貌保持稳定,从而保证晶圆抛光速率和抛光后晶圆形貌的一致性,同时节省抛光液。
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调整方法和化学机械抛光设备。
背景技术
集成电路(Integrated Circuit,IC)是信息技术产业发展的核心和命脉。集成电路一般通过在硅晶圆上相继沉积导电层、半导体层或绝缘层而形成。从而使晶圆表面沉积有填料层形成的薄膜。制造工艺中,需要持续平坦化填料层直到露出图案化的顶表面,以在凸起图案之间形成导电路径。
化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)技术是IC制造过程中的首选平面化工艺。在化学机械抛光过程中,同一批次或不同批次的晶圆都应当保证抛光的一致性,这就要求保证过程参数的一致性,从而提高化学机械抛光工艺的可控度,提升产品的稳定性,降低产品的缺陷率,使每一片晶圆达到均一性的生产。
晶圆在抛光过程中,抛光液流量一般设为固定值,随着抛光垫厚度变薄,抛光液在抛光垫上的分布发生变化,会影响抛光速率或晶圆表面抛光后的形貌,影响抛光的一致性。
发明内容
本发明实施例提供了一种抛光液调整方法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调整方法,包括:
初始数据获取步骤,获取抛光垫的初始厚度以及对应的抛光液的初始流量;
流量调整步骤,获取抛光垫厚度的变化量,根据抛光垫厚度的变化量,计算需要调整的抛光液的流量。
在一个实施例中,每次经过预设间隔后,执行所述流量调整步骤。
在一个实施例中,利用抛光垫表面的抛光液厚度数据、抛光垫表面的沟槽面积数据以及沟槽深度数据,计算所述需要调整的抛光液的流量。
在一个实施例中,所述流量调整步骤具体包括:
在一个实施例中,所述沟槽深度的变化量等于抛光垫厚度的变化量。
在一个实施例中,所述抛光液调整方法还包括:温度调节步骤,当抛光垫的厚度减小后,升高抛光液的温度,以降低抛光液的表面张力,利于形成液膜。
在一个实施例中,利用设置于抛光液供给装置中的调温单元对抛光液进行升温。
在一个实施例中,利用与抛光垫接触设置的温度调整元件对抛光液落下的相应区域进行升温。
在一个实施例中,每次经过预设间隔后,执行所述温度调节步骤。
在一个实施例中,抛光垫厚度的变化量与调节温度之间的对应关系预存在一映射表中,利用该预存的映射表确定所需的温度的变化量。
在一个实施例中,所述预设间隔为抛光晶圆达到一定数量。
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;
向抛光垫表面提供抛光液的抛光液供给装置;以及,
控制装置,用于实现如上所述的抛光液调整方法。
本发明实施例的第三方面提供了一种控制装置,包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的抛光液调整方法的步骤。
本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的抛光液调整方法的步骤。
本发明实施例的有益效果包括:根据抛光垫的厚度变化,对抛光液的流量进行准确的定量调整,以维持抛光液在抛光垫表面的分布形状和厚度形貌保持稳定,从而保证晶圆抛光速率和抛光后晶圆形貌的一致性,同时节省抛光液。
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至图4示出了抛光液供给装置向抛光垫表面供给抛光液的分布;
图5示出了具有沟槽的抛光垫表面的抛光液分布;
图6为实施例一提供的一种抛光液调整方法的流程示意图;
图7示出了测厚以及流量调整的原理图;
图8为实施例一提供的另一种抛光液调整方法的流程示意图;
图9为实施例二提供的一种抛光液调整方法的流程示意图;
图10为实施例二提供的另一种抛光液调整方法的流程示意图;
图11至图13示出了第1实施方式提供的多种抛光液供给装置;
图14和图15示出了设置有温度调整元件的抛光盘的结构。
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)也称为晶片、硅片、基片或基板(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51的抛光液供给装置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,抛光液供给装置50向抛光垫20表面喷洒抛光液51。在抛光液51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51在晶圆与抛光垫20之间流动,抛光液51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51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。
抛光垫20可由聚氨基甲酸酯形成。如图2所示,抛光垫20在抛光表面上具有一或多个沟槽,沟槽的形状可以有多种,图2仅为一种示例,可以理解的是,沟槽可以形成为环状、螺旋状、放射状或网格状等。
实施例一
当抛光垫20被用于抛光时,抛光表面会磨损且沟槽深度会减少。如图3和图4所示,当抛光垫20上的沟槽深度减少时,如果再继续供应恒定量的抛光液51,会使其落在抛光垫20表面的分布形状、厚度形貌发生变化,其中,图3示出了抛光垫20在抛之前初始厚度下其表面的抛光液51分布形状,图4示出了抛光垫20在执行一段时间抛磨后厚度变薄时其表面的抛光液51分布形状。然而抛光液51在抛光垫20表面的分布形状、厚度形貌发生变化,会导致晶圆的不同区域的抛光速率发生变化,晶圆抛光的形貌会发生变化,不能实现稳定、一致的抛光。
因此,在抛光过程中,需要对抛光液51的流量进行准确控制。
参照图5,对抛光液51的流量、抛光垫20的厚度、抛光垫表面的抛光液厚度以及沟槽尺寸的关系进行定量分析。
结合公式(1)和公式(2),可以得到:
基于以上分析过程,如图6所示,本发明实施例一提供了一种抛光液调整方法,可以控制流量,具体包括:
步骤S61,初始数据获取步骤,获取抛光垫20的初始厚度以及对应的抛光液的初始流量;
步骤S62,流量调整步骤,获取抛光垫20厚度的变化量,根据抛光垫20厚度的变化量,计算需要调整的抛光液的流量。
在实施例一中,根据抛光垫20的厚度t变化,对抛光液的流量进行准确的定量调整,以维持抛光液在抛光垫20表面的分布形状和厚度形貌保持稳定,从而保证晶圆抛光速率和抛光后晶圆形貌的一致性,同时节省抛光液。
如图7所示,抛光垫20的厚度t可以通过传感器60进行测量,传感器60可以为非接触式的传感器60,例如光学传感器、激光测距传感器等,传感器60还可以为接触式的传感器,例如机械式测距传感器或电涡流传感器等,利用修整器40对抛光垫20进行接触式测厚。
如图7所示,抛光液供给装置50包括依次连接的供给臂52、供液管路53、流量控制器54以及液泵55,传感器60测量抛光垫20的厚度t和/或抛光垫20厚度的变化量传输至控制装置,控制装置按照上述抛光液调整方法通过流量控制器54控制液泵55输送至供液管路53的流量。
如图8所示,在本发明实施例一的另一个实施例中,一种抛光液调整方法的具体过程包括:
步骤(1),获取初始数据,包括抛光垫20的初始厚度以及对应的抛光液的初始流量。
步骤(2),经过预设间隔,执行下一步骤。其中,预设间隔可以按照抛光时间设定,例如经过固定时间,如1小时、2小时等,预设间隔也可以根据制程按照抛光晶圆的数量设定,例如抛光晶圆达到一定数量,如100片、200片等。
步骤(4),按照上述公式(4),利用抛光垫20表面的抛光液厚度数据、抛光垫20表面的沟槽面积数据以及沟槽深度数据,计算需要调整的抛光液的流量。其中,抛光垫20表面的抛光液厚度根据工艺制程不同会发生变化,举例来说,具有沟槽的抛光垫20,其表面的抛光液厚度可取0-0.5mm,针对无沟槽的抛光垫20,考虑抛光垫20表面孔隙对抛光液的吸收,其表面的抛光液厚度可取0-0.1mm。另外,抛光垫20表面的抛光液厚度与晶圆的待抛光厚度有关。
步骤(5),按照计算的流量对抛光液的出液量进行调整。
步骤(6),判断抛光垫20是否到达使用寿命,是否需要更换。若不更换,则返回步骤(2)重复执行流量调整。若更换,则在更换新的抛光垫20之后,重新开始执行该抛光液调整方法。
为了便于理解,下面以一个具体应用场景为例对上述抛光液调整方法进行说明。
最小沟槽的内径为30mm,外径为32mm;最大沟槽的内径为374mm,外径为376mm;
沟槽的面积为118949.5mm2;抛光垫的面积为477594 mm2;
当抛光垫的厚度变薄0.3mm,即∆d=0.3mm;
抛光垫在初始厚度时,抛光液的流量为250ml/min时在抛光垫上形成特定的分布形状。
本申请的实施例一,根据抛光垫20的厚度t变化,对抛光液的流量进行准确的定量调整,以维持抛光液在抛光垫20表面的分布形状和厚度形貌保持稳定,从而保证晶圆抛光速率和抛光后晶圆形貌的一致性,同时节省抛光液。
实施例二
当抛光垫20被用于抛光时,抛光表面会磨损且沟槽深度会减少,当抛光垫20上的沟槽深度减少时,储存于沟槽中的抛光液变少,抛光液不易在抛光垫表面形成完成的液膜,因此,需要改变抛光液的表面张力。
基于此,如图9所示,本发明实施例二提供了另一种抛光液调整方法,用于控制抛光液温度,包括:
步骤S91,初始数据获取步骤,获取抛光垫的初始厚度;
步骤S92,温度调节步骤,当抛光垫的厚度减小后,升高抛光液的温度,以降低抛光液的表面张力,利于形成液膜。
在实施例二中,当抛光垫的厚度减小后,对抛光液进行升温操作,能够降低抛光液的表面张力,有利于形成完整的液膜,有利于维持良好的晶圆抛光效果。
如图10所示,在本发明实施例二的又一个实施例中,一种抛光液调整方法的具体过程包括:
步骤,经过预设间隔,执行下一步骤。其中,预设间隔可以按照抛光时间设定,例如经过固定时间,如1小时、2小时等,预设间隔也可以根据制程按照抛光晶圆的数量设定,例如抛光晶圆达到一定数量,如100片、200片等。
步骤,测量抛光垫20的厚度t,其中,抛光垫20的厚度t可以通过传感器60进行测量,传感器60可以为非接触式的传感器60,例如光学传感器、激光测距传感器等,传感器60还可以为接触式的传感器,例如机械式测距传感器或电涡流传感器等,利用修整器40对抛光垫20进行接触式测厚。
本申请的实施例二在抛光垫的厚度减小后,升高抛光液的温度,以降低抛光液的表面张力,有利于形成完整的液膜,从而维持良好的晶圆抛光效果。
具体地,调整抛光液的温度可以有以下两种实施方式。
第1实施方式
本发明实施例二的第1实施方式利用设置于抛光液供给装置中的调温单元对抛光液进行升温,以降低抛光液的表面张力,利于形成液膜。
如图11至图13所示,抛光液供给装置50中的供给臂52包括:
基座,基座上设有基座孔;
转轴,转轴设在基座孔内,且转轴设置为在基座孔内可选择性地转动;
悬臂,悬臂相对于转轴可转动地连接在转轴上,其内部中空;
抛光液管,抛光液管穿过基座孔后伸入悬臂内,用于输送抛光液或气体;
喷嘴组件,与抛光液管连通,喷嘴组件包括喷嘴座和设于喷嘴座下方的至少一个喷嘴;以及,
调温单元80,其用于对抛光液或气体进行冷却或升温,调温单元80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80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。
在一个实施例中,如图11所示,调温单元80为流体浴管81。流体浴管81内通入预设温度的气或液,例如冷却水、氦气、或氮气等,从而利用流体浴管81向穿过其中的介质进行温度传导,实现冷却或升温。本实施例使用流体浴管81,热量传递效果好,能够快速改变温度。
优选地,抛光液管穿过流体浴管81,接触面积大,热量传递效果好。可以理解的是,也可以在喷嘴处设置流体浴管81。
在另一个实施例中,如图12所示,调温单元80为螺旋缠绕线圈82。作为一种实施方式,调温单元80为流体循环的螺旋缠绕线圈82,其采用螺旋缠绕方式安装,其中循环预设温度的气或液。作为另一种实施方式,调温单元80也可以为电加热的加热线圈。如图12所示,螺旋缠绕线圈82环绕抛光液管设置,当然也可以设置在喷嘴上。
在又一个实施例中,如图13所示,不同喷嘴处分别设有不同调温单元80以向抛光垫20表面不同位置喷淋不同温度物质,实现了抛光垫20表面分区温度控制。
在另一个实施例中,抛光液管包括液管和气管,以按照需求在向抛光垫表面提供抛光液的间隙喷淋气体进行控温。进一步地,液管和气管分别连通不同喷嘴。
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。
本申请中的第1实施方式提供了一种利用设置于抛光液供给装置中的调温单元对抛光液进行升温的方案,能够实现局部的温度控制,操作性强,能够对抛光液的温度进行准确控制,结构简单。
第2实施方式
本发明实施例二的第2实施方式利用与抛光垫接触设置的温度调整元件对抛光液落下的相应区域进行升温,从而在抛光垫的厚度减小后,升高抛光液的温度,以降低抛光液的表面张力,利于形成液膜。
如图14和图15所示,在抛光盘10和抛光垫20之间设置有温度调整元件12。温度调整元件12,其与抛光盘10连接,用于调节抛光垫20上的抛光液落下的相应区域的温度。温度调整元件12可以有多种实现方式,例如,电阻加热元件、红外加热元件、电磁加热元件、微波加热元件、热交换元件或珀尔帖元件。
在一个实施例中,温度调整元件12可以设有多个,排列成阵列,以对抛光垫20的不同区域进行不同温度调节,每一个珀尔帖元件12可以由温度控制器单独控制,从而可以独立控制各区域的温度,快速升温或降温,以维持所需温度。
在一个实施例中,如图15所示,仅在部分区域设置温度调整元件12,由温度控制器单独控制,仅调节该部分区域的温度,比如抛光液落下的相应区域。
本申请中的第2实施方式利用温度调整元件12调节抛光液落下的相应区域的温度,调节精度高、响应速度快,从而改变抛光液的温度以及表面张力,进而控制液膜的形状和覆盖面积。
本发明实施例还提供了一种控制装置,其包括:处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现如图6或图9所示的方法步骤。所述控制装置是指具有数据处理能力的终端,包括但不限于计算机、工作站、服务器,甚至是一些性能优异的智能手机、掌上电脑、平板电脑、个人数字助理(PDA)、智能电视(Smart TV) 等。控制装置上一般都安装有操作系统,包括但不限于:Windows操作系统、LINUX操作系统、安卓(Android)操作系统、Symbian操作系统、Windowsmobile操作系统、以及iOS操作系统等等。以上详细罗列了控制装置的具体实例,本领域技术人员可以意识到,控制装置并不限于上述罗列实例。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质,计算机可读存储介质存储有计算机程序,计算机程序被处理器执行时实现如图6或图9所示的方法步骤。所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中,该计算机程序在被处理器执行时,可实现上述各个方法实施例的步骤。其中,所述计算机程序包括计算机程序代码,所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括:能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
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 (16)
1.一种抛光液调整方法,其特征在于,包括:
初始数据获取步骤,获取抛光垫的初始厚度以及对应的抛光液的初始流量;
流量调整步骤,获取抛光垫厚度的变化量,利用抛光垫表面的抛光液厚度数据、抛光垫表面的沟槽面积数据以及沟槽深度数据,计算需要调整的抛光液的流量,其中,所述沟槽深度数据包括沟槽深度的变化量,所述沟槽深度的变化量等于抛光垫厚度的变化量。
2.如权利要求1所述的抛光液调整方法,其特征在于,每次经过预设间隔后,执行所述流量调整步骤。
8.如权利要求1至7任一项所述的抛光液调整方法,其特征在于,还包括:温度调节步骤,当抛光垫的厚度减小后,升高抛光液的温度,以降低抛光液的表面张力,利于形成液膜。
9.如权利要求8所述的抛光液调整方法,其特征在于,利用设置于抛光液供给装置中的调温单元对抛光液进行升温。
10.如权利要求8所述的抛光液调整方法,其特征在于,利用与抛光垫接触设置的温度调整元件对抛光液落下的相应区域进行升温。
11.如权利要求8所述的抛光液调整方法,其特征在于,每次经过预设间隔后,执行所述温度调节步骤。
12.如权利要求8所述的抛光液调整方法,其特征在于,抛光垫厚度的变化量与调节温度之间的对应关系预存在一映射表中,利用预存的所述映射表确定所需的温度的变化量。
13.如权利要求2或11所述的抛光液调整方法,其特征在于,所述预设间隔为抛光晶圆达到一定数量。
14.一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;
向抛光垫表面提供抛光液的抛光液供给装置;以及,
控制装置,用于实现如权利要求1至13任一项所述的抛光液调整方法。
15.一种控制装置,其特征在于,包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至13任一项所述的抛光液调整方法的步骤。
16.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至13任一项所述的抛光液调整方法的步骤。
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