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用于化学机械抛光的压磨板涂层结构及方法 Download PDF

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Abstract

一种保护化学机械抛光(CMP)设备构件不受侵蚀的结构包括形成于压磨板(32)表面上的难熔金属氧化物涂层(33)。在优选实施例中，难熔金属氧化物涂层(33)为等离子火焰喷涂氧化铬层。在另一实施例中，至少在难熔金属氧化物涂层(33)的孔(41)中设置渗补层(42)用于附加保护。难熔金属氧化物涂层(33)还适于保护易受侵蚀的其它CMP设备构件。

Description

用于化学机械抛光的压磨板涂层结构及方法
本发明一般涉及半导体处理方法，特别涉及用于抛光或平面化材料的结构和方法。
化学机械抛光(CMP)是半导体制造中常用技术，一般用于在淀积下一层之前平面化形成于半导体基片上的一层或儿层材料。为了平面化一层材料，将半导体基片置于CMP设备上，CMP设备包括压磨板、装在压磨板上的抛光盘以及在压磨板运动时位于抛光盘上方的用于固定、移动及旋转半导体基片的抛光臂。悬浮液淀积于抛光盘上，同时压磨板高速度运动(例如，旋转、轨道运动或平移)、压力和温度发生作用，从半导体基片上化学地和机械地去掉材料。
通常所用的悬浮液会与CMP设备中的部件发生反应，导致发生侵蚀。这会降低各部件的寿命。另外，侵蚀会导致工艺污染和不希望的工艺变化。由于半导体制造者在半导体制造工艺中引入新材料，所以正在研制中的新悬浮液化学试剂，会比现有悬浮液化学试剂的侵蚀性更强。
因此，需要能降低CMP设备部件对涉及侵蚀的工艺敏感性的方法和结构。这种方法和结构应该可靠且成本低，而且不应在CMP工艺中引入变化和污染。
图1是现有技术的CMP设备的透视图；
图2是本发明压磨板结构的部分剖面图；
图3展示的是本发明压磨板结构的一部分的另一实施例；
图4展示的是本发明CMP设备的一部分的再一实施例。
在CMP处理过程中，对于压磨板结构来说，重要的是平坦且具有合适的几何形状。如果不这样，便不会使所处理的基片高度平面化地抛光或平面化。另外，对于压磨板结构来说，重要的还有其耐抛光或平面化基片中所用的化学试剂性能。本发明一般涉及形成于例如压磨板结构之类的CMP设备部件上表面能使这些部件更耐平面化工艺环境的涂层。
图1是现有技术的CMP设备11的简化透视图，其中包括压磨板或运动支撑部件12及抛光盘13。带有抛光头或承载装置17(切开部分所示)的抛光臂14在一定力作用下支撑半导体基片、晶片、基片或工件18，使它们贴着抛光盘13。基片18包括要去掉的材料层。另外，基片18自身也被抛光。
CMP设备11还包括用于将悬浮液沉积于抛光盘13上的悬浮液散布装置21及调节抛光盘13的调节构件22。例如CMP设备11的CMP产品可以从如亚利桑那的IPEC/Planar of Phoenix、Speedfam of Chandler等公司，和加利福尼亚的AppliedMaterials of Fanta和Strasbaugh of San Luis Obispotffu公司买到。
在抛光期间，压磨板12和抛光盘13按箭头26的方向(或反方向)旋转，抛光头17和晶片18按箭头27的方向(或反方向)旋转。另外，抛光臂14在抛光盘13上来回摆动。抛光悬浮液由悬浮液散布装置21散布，并靠众所周知的化学和机械方法去掉材料层。
压磨板12一般由铝或不锈钢制成。最好是铝，因为铝质量较小，热传导性较好，且比不锈钢便宜。然而，因为铝是两性的，所以对酸性和碱性悬浮液混合物的侵蚀皆较敏感。
侵蚀一般从压磨板12的外缘15向内发生。因而破坏了压磨板12的平整度，致使半导体制造者不得不调整工艺，避免在抛光盘13和压磨板12的靠外部分16进行抛光，由此导致了抛光时间加长。另外，侵蚀还降低了压磨板12的使用寿命，因而增加了抛光成本和完成整个工艺的时间。此外，侵蚀产生的微粒会在抛光时损伤基片18。
保护铝压磨板的一种技术是阳极化。然而，在半导体制造者把抛光盘13与压磨板12固定在一起并调整合适时，调整抛光盘13所用的仪器经常会损伤阳极化涂层。其结果是，侵蚀会在此损伤区开始发生，并在侵蚀原发点的阳极化涂层下扩展，最终完全去掉阳极化涂层。所以造成了对铝基金属的严重侵蚀。
在另一方法中，前部设备制造者在压磨板12上涂覆聚合物材料(例如环氧化物材料)以提供附加保护。使用聚合物材料的一个缺点是它们的表面硬度很差，特别是在抛光盘调整工艺期间容易受损伤。另外，聚合物涂层的热传导性很差，会对抛光工艺造成不利影响。压磨板12一般用水冷却，以发散抛光过程中产生的热。但该聚合物膜起到了隔绝抛光盘13与压磨板12的作用，因而会降低压磨板12发散抛光盘13的热的能力。
尽管不锈钢压磨板在某些悬浮液化学试剂中比铝压磨板不易受侵蚀，但仍会在其它一些悬浮液化学试剂中造侵蚀。另外，不锈钢压磨板比铝压磨板贵得多。此外，由于其重量的缘故，不锈钢压磨板需要更大功率的驱动电机，增加了设备和操作的花费。而且，不锈钢压磨板热传导性较差，因而需要半导体制造者进行如减慢去除速率等的工艺调整，避免聚集过多的热。所以降低了生产率。在抛光盘的调整工艺期间，不锈钢压磨板还易受损伤。
图2是本发明压磨板或支撑部件32的一部分的剖面图。压磨板32最好为铝、不锈钢等。压磨板32包括形成或淀积于压磨板32主表面上的涂层或保护层33。主表面36支撑抛光盘13并通过抛光盘13支撑基片18，与图1所示的现有技术压磨板12一样。
如图2所示，最好在压磨板32的侧面37上形成涂层33。涂层33最好是形成于压磨板32的暴露于悬浮液材料中的整个表面上。在另一实施例中，涂层33还形成于压磨板32的下表面上，尽管由于其在CMP设备中的部位的缘故一般不受悬浮液的影响。
在优选实施例中，压磨板32的上外缘39处形成有斜面或削面38。斜面38最好去掉了还可能很难涂敷涂层33的锐利边缘。这也消除了边缘碎裂的潜在问题，边缘碎裂会暴露底下的压磨板从而造成侵蚀。
根据本发明，涂层33包括难熔金属氧化物材料或氧化物陶瓷材料。涂层33最好为氧化铬层等。涂层33可以利用等离子火焰喷涂、热喷涂、化学汽相淀积(CVD)、或涂抹等技术形成。涂层33的厚度最好是约0.125mm-约0.500mm(约5密耳-20密耳)。
以下是在压磨板32上形成涂层33的优选工艺顺序。首先在压磨板32的上外缘39处形成斜面38。如果压磨板32为铝，然后去掉任何现有的阳极氧化层。然后对将涂敷的压磨板32的表面进行喷砂处理(例如利用金刚砂)，以使压磨板32粗糙化并进行清洁。接着，在压磨板32上淀积涂层33。优选的一种技术是在氩保护气中进行等离子火焰喷涂，淀积涂层33，因为此工艺可以为淀积提供惰性气氛。因而可以减少自然氧化物的形成，从而增强膜的附着力。
在利用等离子火焰喷涂技术时，压磨板32最好保持在约120℃-150℃的温度。合适的氧化铬源例如可以是METCOP 106氧化铬或其等效物(例如，NORTON 328)。METCOP 106氧化铬可以从纽约的METCO of Westbury买到。等离子火焰喷涂工艺所用喷嘴最好是经常更换，保持工艺期间的清洁，避免形成所不希望的涂层凸凹不平(例如凸点)现象。等离子火焰喷涂处理设备可从亚利桑那的Advanced Materials Technologies Incorporated(AMTI)of Tempe买到。
在形成涂层33后，利用经蒸馏过的丙酮在超声槽中清洗压磨板32。接着，如图3所示，最好在涂层33上形成渗补层42，至少填充涂层33中存在任何微孔41，提供附加保护。渗补层42最好是石蜡，例如可以是从METCO购买的METCO 185渗补料。为了涂渗补层42，将压磨板32加热到合适的温度(对于METCO 185渗补料来说接近95℃)，然后在涂层33上擦涂渗补料，直到微孔41填满为止(这一般发生在渗补料停止消失并开始在微孔之上堆积时)。然后，最好绕压磨板下圆周、压磨板的中心孔及位于压磨板侧面的任何的锁眼处切出斜面。如果有了这些斜面，这些区域中便可以不用渗补层42重新渗补压磨板32。另外，这些附加斜面可以在淀积涂层33之前形成。
一旦渗补完成之后，将压磨板32重新装于冷却的夹具中，然后置于CMP设备中。在放入CMP设备中后，最好用去离子水漂洗压磨板32达24小时。
对涂层33的一个主要要求是必须很能好地附着于压磨板32上。这是因为抛光盘13一般要利用压敏粘结剂(PSA)等固定于压磨板32上。当更换已磨损的抛光盘时，需要很大的力。这个力会导致保护涂层的剥离。对利用上述工艺形成的等离子火焰喷涂氧化铬样品进行附着力试验。把CR Politex抛光盘材料贴到适于CMP处理的PSA材料样品上。结果是，形成涂层后，直接进行剥离试验为平均25.5盎司/半英寸(标准偏差为1.85)，剥离试验24小时为平均30.5盎司/半英寸(标准偏差为1.5)，悬浮液浸没18小时后进行剥离试验为平均19.0盎司/半英寸(标准偏差为0.45)。这些结果表明涂层33与压磨板32的粘附性很好。
另外，发现等离子火焰喷涂氧化铬涂层和石蜡渗补料可以提供很好的热传导性能。这是未曾想到的，其原因在于如难熔金属氧化物等氧化物陶瓷的绝缘性。另外，等离子火焰喷涂氧化铬涂层对悬浮液中几乎所有成分具有抗腐蚀性。此外，此涂层的表面硬度高，能抵抗抛光盘调整时的损伤。而且，发现如果涂层33发生损伤，不必剥离整个涂层，便可以利用等离子火焰喷涂再次处理压磨板32。因而可以节约再处理成本。
图4是本发明CMP设备构件的放大剖面图。构件52为例如铝、不锈钢等金属。构件52的实例包括承载装置(例如图1中所示的那种)、调整装置(例如图1中所示的那种)和/或诸如此类的东西。涂层33淀积于构件52上，用于在处理过程中保护它们的将暴露于悬浮液中的表面。涂层33可利用上述技术形成。
至此，应该理解到，这里提供了能很好地附着于金属CMP设备构件的难熔金属氧化涂层，此涂层是悬浮液中基本上所有成分的抗腐蚀剂，且具有很好地热传导性。另外，采用由等离子火焰喷涂技术形成涂层极有利于降低成本。

Claims (10)

1.一种压磨板涂层结构，其特征在于，具有第一主表面(36)的压磨板(32)；及
形成于第一主表面上的涂层(33)，其中涂层(33)包括难熔金属氧化物。
2.如权利要求1的结构，其中涂层(33)包括氧化铬。
3.如权利要求1的结构，其特征还在于形成于涂层上的渗补层(42)。
4.一种从基片上去掉材料层的方法，其特征在于以下步骤：
提供基片(18)；
把基片设置于具有压磨板(32)的CMP设备上，其中压磨板(32)包括主表面(36)和形成于主表面(36)上的氧化物陶瓷(33)涂层；
用CMP设备从基片(18)上去掉材料。
5.如权利要求4的方法，其中压磨板还包括形成于氧化物陶瓷涂层上的渗补层(42)。
6.如权利要求4的方法，其中氧化物陶瓷包括氧化铬。
7.如权利要求4的方法，其中CMP设备还包括基片承载装置(52)，其具有至少形成于在处理过程中暴露于悬浮液中的表面上的氧化物陶瓷涂层。
8.如权利要求4的方法，其中还包括抛光盘调整装置(52)，其具有至少形成于在处理过程中暴露于悬浮液中的表面上的氧化物陶瓷涂层(33)。
9.一种从工件上去掉材料层的方法，其特征在于以下步骤：
提供第一材料的工件(18)；
在具有支撑部件(32)的抛光设备上设置工件，其中支撑部件(32)包括抛光期间通过抛光设备的抛光盘(13)支撑工件(18)的主表面(36)，其中支撑部件(32)还包括形成于主表面(36)上淀积的难熔金属氧化物层(33)；及
从工件(18)表面上至少去掉第一材料的一部分。
10.一种CMP设备，其特征在于，
具有在暴露于抛光悬浮液时易受侵蚀的表面的金属构件(52)；及
形成于此表面上的难熔金属氧化物保护层(33)。
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