CN117086775A - 一种化学机械抛光设备 - Google Patents

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Abstract

一种化学机械抛光设备，涉及半导体技术领域，该化学机械抛光设备包括抛光盘、设置于抛光盘上的抛光垫、设置于抛光垫上方的喷淋管、抛光头以及设置于抛光头上的夹持环，夹持环用于夹持固定晶圆，喷淋管用于将抛光液喷淋至抛光垫上，抛光头受驱通过夹持环带动晶圆与抛光垫接触并相对抛光盘运动，以使晶圆与抛光液发生化学反应生成的产物与抛光垫发生机械研磨；该化学机械抛光设备还包括控制器以及分别与控制器电连接的集液机构和检测机构，检测机构对集液机构收集的废液检测组分信息并将检测结果发送至控制器，控制器根据检测结果输出终点信号。该化学机械抛光设备能够解决现有技术中利用CMP工艺对晶圆表面进行平坦化时产生的过抛问题。

Description

一种化学机械抛光设备
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种化学机械抛光设备。
背景技术
CMP(Chemical Mechanical Polishing，化学机械抛光)工艺是一种平坦化工艺，自1990年被引入集成电路制造工艺以来，经过不断地实践和发展，已成为推动集成电路技术节点不断缩小的关键工艺。目前，CMP已经广泛应用在浅沟槽隔离结构平坦化、栅电极平坦化、钨塞平坦化、铜互连平坦化等工艺中。除此以外，CMP工艺还被应用于抛光基底表面上的其他薄膜层。
随着集成电路制造工艺水平的不断提高，器件的特征尺寸越来越小，在利用CMP工艺对晶圆表面进行平坦化时，由于没有精确的设备和方法，容易对晶圆表面过抛，影响器件的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种化学机械抛光设备，能够解决现有技术中利用CMP工艺对晶圆表面进行平坦化时产生的过抛问题。
本发明的实施例是这样实现的：
本发明实施例的一方面，提供一种化学机械抛光设备，该化学机械抛光设备包括抛光盘、设置于所述抛光盘上的抛光垫、设置于所述抛光垫上方的喷淋管、抛光头以及设置于所述抛光头上的夹持环，所述夹持环用于夹持固定晶圆，所述喷淋管用于将抛光液喷淋至所述抛光垫上，所述抛光头受驱通过所述夹持环带动所述晶圆与所述抛光垫接触并相对所述抛光盘运动，以使所述晶圆与所述抛光液发生化学反应生成的产物与所述抛光垫发生机械研磨；该化学机械抛光设备还包括控制器以及分别与所述控制器电连接的集液机构和检测机构，所述检测机构对所述集液机构收集的废液检测组分信息并将检测结果发送至所述控制器，所述控制器根据所述检测结果输出终点信号。
可选地，所述控制器内存储有目标组分信息，所述控制器根据所述检测结果与所述目标组分信息的比对结果输出终点信号。
可选地，所述目标组分信息包括抛光物组分信息和边缘物组分信息。
可选地，所述夹持环上设置有集液孔，所述抛光头内设置有集液管，所述集液机构包括集液盒和负压装置，所述集液孔通过所述集液管与所述集液盒连通，所述控制器与所述负压装置电连接，用于控制所述负压装置通过所述夹持环的集液孔经由所述抛光头的集液管将所述抛光垫上的废液收集至所述集液盒内。
可选地，所述集液孔的数量为至少一个，当所述集液孔的数量为多个时，多个所述集液孔沿所述夹持环的周向呈均匀分布。
可选地，所述集液孔的孔径大于1mm。
可选地，所述检测机构包括检测盒、射线源和光谱分析器，所述检测盒与所述集液机构的集液盒连通，所述射线源用于朝向所述检测盒发出射线，所述控制器与所述光谱分析器电连接，用于控制所述光谱分析器探测所述检测盒中的废液在所述射线的照射下发出的X射线荧光，并对所述X射线荧光进行光谱分析得到X射线荧光光谱，并根据所述X射线荧光光谱获取所述废液的组分信息。
可选地，所述光谱分析器包括晶体衍射光栅和探测器，所述晶体衍射光栅用于对所述检测盒中的废液在所述射线的照射下发出的X射线荧光衍射出射，所述探测器用于探测衍射X射线荧光并进行光谱分析得到X射线荧光光谱。
可选地，所述检测盒的材质为透光材料。
可选地，所述化学机械抛光设备还包括驱动装置，所述驱动装置分别与所述抛光盘和所述抛光头传动连接，所述控制器与所述驱动装置电连接，用于根据所述终点信号控制所述驱动装置停止工作。
本发明实施例的有益效果包括：
该化学机械抛光设备包括抛光盘、抛光垫、喷淋管、抛光头和夹持环，夹持环的内壁与晶圆的外壁抵持固定，以使夹持环能够夹持固定晶圆，抛光头在外力驱动下，能够通过夹持环将晶圆按压在抛光垫上，以使晶圆的表面与抛光垫的表面贴合接触，并通过夹持环带动晶圆相对抛光盘沿抛光头的轴线旋转，与此同时，抛光盘在外力驱动下，能够带动抛光垫相对晶圆沿抛光盘的轴线旋转，除此以外，喷淋管能够将抛光液喷淋至抛光垫上，抛光液能够与晶圆的表面发生化学反应，在上述的晶圆相对抛光盘的运动过程中，反应生成的产物能够与抛光垫发生机械研磨，从而实现对晶圆的化学机械抛光。在上述的晶圆的化学机械抛光过程中，从晶圆上被研磨下来的物质会留到抛光垫上，因此，集液机构收集的废液实则是被研磨下来的物质与抛光液形成的混合物，随着晶圆的化学机械抛光过程的不断进行，被研磨下来的物质的组分信息会发生变化，所以，通过检测机构对废液的组分信息的检测，能够有效识别晶圆的化学机械抛光过程的终点，从而实现对晶圆的化学机械抛光过程的实时监测和精确控制，进而解决现有技术中利用CMP工艺对晶圆表面进行平坦化时产生的过抛问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例提供的化学机械抛光设备的结构示意图之一；
图2为本发明实施例提供的化学机械抛光设备的结构示意图之二；
图3为本发明实施例提供的化学机械抛光设备的结构示意图之三；
图4为本发明实施例提供的化学机械抛光设备的结构示意图之四；
图5为本发明实施例提供的化学机械抛光设备的结构示意图之五。
图标：100-化学机械抛光设备；10-抛光盘；11-抛光垫；12-喷淋管；121-抛光液；13-抛光头；131-集液管；14-夹持环；141-集液孔；20-控制器；31-集液盒；32-负压装置；41-检测盒；42-射线源；43-光谱分析器；431-晶体衍射光栅；432-探测器；50-驱动装置；51-传动装置；200-晶圆。
具体实施方式
下文陈述的实施方式表示使得本领域技术人员能够实践所述实施方式所必需的信息，并且示出了实践所述实施方式的最佳模式。在参照附图阅读以下描述之后，本领域技术人员将了解本公开的概念，并且将认识到本文中未具体提出的这些概念的应用。应理解，这些概念和应用属于本公开和随附权利要求的范围内。
应当理解，虽然术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可称为第二元件，并且类似地，第二元件可称为第一元件。如本文所使用，术语“和/或”包括相关联的所列项中的一个或多个的任何和所有组合。
应当理解，当一个元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件上”或“延伸到另一个元件上”时，其可以直接在另一个元件上或直接延伸到另一个元件上，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”或“直接延伸到另一个元件上”时，不存在介于中间的元件。同样，应当理解，当元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件之上”或“在另一个元件之上延伸”时，其可以直接在另一个元件之上或直接在另一个元件之上延伸，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件之上”或“直接在另一个元件之上延伸”时，不存在介于中间的元件。还应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦接”到另一个元件时，其可以直接连接或耦接到另一个元件，或者可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一个元件时，不存在介于中间的元件。
诸如“在…下方”或“在…上方”或“上部”或“下部”或“水平”或“垂直”的相关术语在本文中可用来描述一个元件、层或区域与另一个元件、层或区域的关系，如图中所示出。
本文中使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而且并不意图限制本公开。如本文所使用，除非上下文明确地指出，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”意图同样包括复数形式。还应当理解，当在本文中使用时，术语“包括”指明存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或者增添一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或上述各项的组。
除非另外界定，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的含义与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。还应当理解，本文所使用的术语应解释为含义与它们在本说明书和相关领域的情况下的含义一致，而不能以理想化或者过度正式的意义进行解释，除非本文中已明确这样界定。
请结合参照图1至图5，本发明实施例提供一种化学机械抛光设备100，该化学机械抛光设备100包括抛光盘10、设置于抛光盘10上的抛光垫11、设置于抛光垫11上方的喷淋管12、抛光头13以及设置于抛光头13上的夹持环14，夹持环14用于夹持固定晶圆200，喷淋管12用于将抛光液121喷淋至抛光垫11上，抛光头13受驱通过夹持环14带动晶圆200与抛光垫11接触并相对抛光盘10运动，以使晶圆200与抛光液121发生化学反应生成的产物与抛光垫11发生机械研磨。
需要说明的是，如图1和图2所示，该化学机械抛光设备100包括抛光盘10、抛光垫11、抛光头13和夹持环14，其中，抛光垫11固定设置在抛光盘10上，夹持环14固定设置在抛光头13上，夹持环14的内壁与晶圆200的外壁抵持固定，以使夹持环14能够夹持固定晶圆200，抛光头13在外力驱动下，能够通过夹持环14将晶圆200按压在抛光垫11上，以使晶圆200的表面与抛光垫11的表面贴合接触，并通过夹持环14带动晶圆200相对抛光盘10沿抛光头13的轴线旋转，与此同时，抛光盘10在外力驱动下，能够带动抛光垫11相对晶圆200沿抛光盘10的轴线旋转，除此以外，该化学机械抛光设备100还包括喷淋管12，喷淋管12设置于抛光垫11的上方，喷淋管12能够将抛光液121喷淋至抛光垫11上，抛光液121能够与晶圆200的表面发生化学反应，在上述的晶圆200相对抛光盘10的运动过程中，反应生成的产物能够与抛光垫11发生机械研磨，从而实现对晶圆200的化学机械抛光。
为了对上述的晶圆200的化学机械抛光过程进行实时监测和精确控制，以解决现有技术中利用CMP工艺对晶圆200表面进行平坦化时产生的过抛问题，在本实施例中，该化学机械抛光设备100还包括控制器20以及分别与控制器20电连接的集液机构和检测机构，检测机构对集液机构收集的废液检测组分信息并将检测结果发送至控制器20，控制器20根据检测结果输出终点信号。
其中，集液机构用于收集抛光垫11上的废液，检测机构用于对集液机构收集的废液进行检测，以测得废液的组分信息，并将检测结果发送至控制器20，控制器20用于根据检测结果输出终点信号，从而停止对晶圆200继续进行化学机械抛光，进而有效避免现有技术中CMP工艺对晶圆200的过抛现象。
具体地，在上述的晶圆200的化学机械抛光过程中，从晶圆200上被研磨下来的物质会留到抛光垫11上，因此，集液机构收集的废液实则是被研磨下来的物质与抛光液121形成的混合物，随着晶圆200的化学机械抛光过程的不断进行，被研磨下来的物质的组分信息会发生变化，所以，通过检测机构对废液的组分信息的检测，能够有效识别晶圆200的化学机械抛光过程的终点，从而实现对晶圆200的化学机械抛光过程的实时监测和精确控制。
在本实施例中，控制器20内存储有目标组分信息，控制器20根据检测结果与目标组分信息的比对结果输出终点信号。
需要说明的是，控制器20内可以预先存储有目标组分信息，目标组分信息可以包括被研磨下来的物质的具体组分、具体组分的含量阈值等，本领域技术人员应当能够根据实际情况进行合理的选择和设计，这里不作具体限制。
示例地，在本实施例中，目标组分信息包括抛光物组分信息和边缘物组分信息。
需要说明的是，这里的抛光物指的是需要抛光的物质，边缘物指的是在抛光方向上与需要抛光的物质呈相邻设置的无需抛光的物质。随着晶圆200的化学机械抛光过程的不断进行，废液的组分信息会由原本的仅包括抛光物组分信息逐渐变为不仅包括抛光物组分信息还包括边缘物组分信息，当检测机构测得废液的组分信息包括边缘物组分信息时，意味着抛光物已抛光完全，此时，需要停止对晶圆200继续进行化学机械抛光，如果继续进行则会造成过抛现象。
例如，硅衬底上依次形成有氮化硅和二氧化硅，其中，二氧化硅需要进行抛光处理(即抛光物)，而在抛光方向上与之呈相邻设置的氮化硅则无需进行抛光处理(即边缘物)。上述的抛光物组分信息包括硅成分和氧成分，上述的边缘物组分信息包括氮成分。在晶圆200的化学机械抛光过程刚开始时，废液的组分信息仅包括硅成分和氧成分，随着晶圆200的化学机械抛光过程的不断进行，废液的组分信息不仅包括硅成分和氧成分还包括氮成分，此时，意味着二氧化硅已抛光完全，此时，需要停止对晶圆200继续进行化学机械抛光，如果继续进行则会造成过抛现象。
示例地，在其他实施例中，目标组分信息包括抛光物组分信息及其含量阈值，随着晶圆200的化学机械抛光过程的不断进行，废液的组分信息会由原本的抛光物组分信息及其含量处于某一较小范围，逐渐变为抛光物组分信息及其含量处于某一较大范围，再逐渐变为抛光物组分信息及其含量处于另一较小范围，当检测机构测得废液的组分信息包括的抛光物的含量落入含量阈值的数值范围内时，意味着抛光物已抛光完全，此时，需要停止对晶圆200继续进行化学机械抛光，如果继续进行则会造成过抛现象。
如图1、图3至图5所示，在本实施例中，夹持环14上设置有集液孔141，抛光头13内设置有集液管131，集液机构包括集液盒31和负压装置32，集液孔141通过集液管131与集液盒31连通，控制器20与负压装置32电连接，用于控制负压装置32通过夹持环14的集液孔141经由抛光头13的集液管131将抛光垫11上的废液收集至集液盒31内。
需要说明的是，集液孔141通过集液管131与集液盒31连通形成集液通路，负压装置32与集液通路连接，以为集液通路提供负压吸引力，从而将抛光垫11上的废液通过夹持环14的集液孔141经由抛光头13的集液管131将抛光垫11上的废液收集至集液盒31内，进而实现集液机构的收集废液的功能。
可选地，如图1和图3所示，集液孔141的数量为至少一个，当集液孔141的数量为多个时，多个集液孔141沿夹持环14的周向呈均匀分布，以使集液机构能够均匀地将抛光垫11上的废液收集起来，既不会对晶圆200与抛光液121发生化学反应造成干扰，又能够均匀地收集废液，从而满足采集样品时的公平性。可选地，集液孔141的孔径大于1mm。
关于集液孔141的实际数量和实际孔径，本领域技术人员应当能够根据实际情况进行合理的选择和设计，这里不作具体限制。示例地，集液孔141的实际数量不宜过多，集液孔141的实际孔径不宜过大，以避免对晶圆200与抛光液121发生化学反应造成干扰。
X射线荧光分析是确定物质中微量元素的种类和含量的一种方法，它用外界辐射激发待分析样品中的原子，使原子发出标识X射线，称为X射线荧光，通过测量这些X射线荧光的能量和强度来确定物质中微量元素的种类和含量。
根据X射线荧光分析的特点，如图4和图5所示，在本实施例中，检测机构包括检测盒41、射线源42和光谱分析器43，检测盒41与集液机构的集液盒31连通，射线源42用于朝向检测盒41发出射线，控制器20与光谱分析器43电连接，用于控制光谱分析器43探测检测盒41中的废液在射线的照射下发出的X射线荧光，并对X射线荧光进行光谱分析得到X射线荧光光谱，并根据X射线荧光光谱获取废液的组分信息。其中，射线源42可以为X射线管或55Fe、238Pu、109Cd、57Co其中之一放射性同位素。
需要说明的是，检测盒41与集液机构的集液盒31连通，以将集液机构收集的废液转移至专门的检测盒41内，射线源42朝向检测盒41发出射线，废液会产生X射线荧光，通过光谱分析器43能够得到X射线荧光光谱，X射线荧光光谱会根据废液的组分信息的不同而不同，因此，控制器20通过光谱分析器43能够获取废液中含有哪些组分，从而有效识别晶圆200的化学机械抛光过程的终点，进而实现对晶圆200的化学机械抛光过程的实时监测和精确控制。
具体地，如图5所示，在本实施例中，光谱分析器43包括晶体衍射光栅431和探测器432，晶体衍射光栅431用于对检测盒41中的废液在射线的照射下发出的X射线荧光衍射出射，探测器432用于探测衍射X射线荧光并进行光谱分析得到X射线荧光光谱。
在本实施例中，检测盒41的材质为透光材料。关于检测盒41的实际材质，本领域技术人员应当能够根据实际情况进行合理的选择和设计，示例地，检测盒41的实际材质可以为透光玻璃、透光塑料等，只需使得射线源42发出的射线能够透过检测盒41对检测盒41内的废液进行检测即可，这里不作具体限制。
如图5所示，在本实施例中，该化学机械抛光设备100还包括驱动装置50，驱动装置50分别与抛光盘10和抛光头13传动连接，控制器20与驱动装置50电连接，用于根据终点信号控制驱动装置50停止工作。其中，驱动装置50的数量可以包括两个，两个驱动装置50与抛光盘10和抛光头13传动连接，以使控制器20能够分别控制抛光盘10和抛光头13的启停。
如图1和图2所示，在本实施例中，该化学机械抛光设备100还包括传动装置51，驱动装置50分别通过传动装置51与抛光盘10和抛光头13传动连接，示例地，驱动装置50可以为电机，传动装置51可以为传动轴或传动杆。
以上所述仅为本发明的可选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (10)

1.一种化学机械抛光设备，其特征在于，包括抛光盘、设置于所述抛光盘上的抛光垫、设置于所述抛光垫上方的喷淋管、抛光头以及设置于所述抛光头上的夹持环，所述夹持环用于夹持固定晶圆，所述喷淋管用于将抛光液喷淋至所述抛光垫上，所述抛光头受驱通过所述夹持环带动所述晶圆与所述抛光垫接触并相对所述抛光盘运动，以使所述晶圆与所述抛光液发生化学反应生成的产物与所述抛光垫发生机械研磨；
所述化学机械抛光设备还包括控制器以及分别与所述控制器电连接的集液机构和检测机构，所述检测机构对所述集液机构收集的废液检测组分信息并将检测结果发送至所述控制器，所述控制器根据所述检测结果输出终点信号。
2.根据权利要求1所述的化学机械抛光设备，其特征在于，所述控制器内存储有目标组分信息，所述控制器根据所述检测结果与所述目标组分信息的比对结果输出终点信号。
3.根据权利要求2所述的化学机械抛光设备，其特征在于，所述目标组分信息包括抛光物组分信息和边缘物组分信息。
4.根据权利要求1所述的化学机械抛光设备，其特征在于，所述夹持环上设置有集液孔，所述抛光头内设置有集液管，所述集液机构包括集液盒和负压装置，所述集液孔通过所述集液管与所述集液盒连通，所述控制器与所述负压装置电连接，用于控制所述负压装置通过所述夹持环的集液孔经由所述抛光头的集液管将所述抛光垫上的废液收集至所述集液盒内。
5.根据权利要求4所述的化学机械抛光设备，其特征在于，所述集液孔的数量为至少一个，当所述集液孔的数量为多个时，多个所述集液孔沿所述夹持环的周向呈均匀分布。
6.根据权利要求4所述的化学机械抛光设备，其特征在于，所述集液孔的孔径大于1mm。
7.根据权利要求1所述的化学机械抛光设备，其特征在于，所述检测机构包括检测盒、射线源和光谱分析器，所述检测盒与所述集液机构的集液盒连通，所述射线源用于朝向所述检测盒发出射线，所述控制器与所述光谱分析器电连接，用于控制所述光谱分析器探测所述检测盒中的废液在所述射线的照射下发出的X射线荧光，并对所述X射线荧光进行光谱分析得到X射线荧光光谱，并根据所述X射线荧光光谱获取所述废液的组分信息。
8.根据权利要求7所述的化学机械抛光设备，其特征在于，所述光谱分析器包括晶体衍射光栅和探测器，所述晶体衍射光栅用于对所述检测盒中的废液在所述射线的照射下发出的X射线荧光衍射出射，所述探测器用于探测衍射X射线荧光并进行光谱分析得到X射线荧光光谱。
9.根据权利要求7所述的化学机械抛光设备，其特征在于，所述检测盒的材质为透光材料。
10.根据权利要求1所述的化学机械抛光设备，其特征在于，所述化学机械抛光设备还包括驱动装置，所述驱动装置分别与所述抛光盘和所述抛光头传动连接，所述控制器与所述驱动装置电连接，用于根据所述终点信号控制所述驱动装置停止工作。
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