CN1795074A - 真空辅助垫清理系统及采用开孔清理盘的方法 - Google Patents
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Abstract
用于清理抛光垫的方法及装置，采用开孔清理盘用于注入特定操作抛光液，无需附加加工、压板及材料处理。该方法及装置采用利用真空性能以将废物材料从清理垫上抽出并经由开孔的清理盘，通过一出口排出该装置，该装置还可以包括独立的冲洗装置以及用于振动垫清理装置的压电装置。
Description
技术领域
本发明总地涉及半导体制造、微机电系统(MEMS)制造和精密抛光的领域；尤其涉及用于去除从抛光过程中产生的废物产品以及用于在化学机械抛光(CMP)与平面化期间注入复合的、不同的抛光液的方法。
背景技术
关于半导体制造的相关技术的描述
集成电路通常由硅晶片衬底构成，该硅晶片衬底典型地生产或制造为具有100至300毫米半径以及16至40密耳厚度的盘片。形成互连电路的金属、电介质和绝缘体的淀积物通过一系列产生预期的电路的工艺，比如光刻、蒸汽淀积和氧化，而生成在晶片上。然后，厚度达一个微米的电绝缘层淀积在电路层之上。在各层，多种的非预期不规则物出现在表面上。这些不规则物在0.05至0.5微米级上。将这些不规则物平面化是极其重要的，以便电路的新层可以没有光刻中的焦点损失地产生，由此可以在层间形成精确的互连。
去除影响这些不规则物的各种技术已经发展并应用。化学机械抛光(CMP)(平面化)工艺已成为去除不规则物并获得微电子设备的需要的平面、层和线宽几何图形的关键技术。CMP系统通常包括下列组件：
1)安装在一旋转性的或轨道压板或带上的抛光垫；
2)抛光液(氧化剂和研磨剂)蒸汽，其化学和研磨介质对抛光性能很重要；
3)大量超纯净水(UPW)，用作润滑剂或抛光液介质/媒介；
4)抛光液组分和冲洗剂。此外，在过程中调节化学或流动性能：
5)钻石末端操纵装置(diamond end effector)，控制抛光垫的表面条件和粗糙外形；以及
6)抛光晶片，安装在提供抛光压力的转头上的托架中。
抛光液在晶片下的注入以及废物产品从抛光和清理过程的除去取决于旋转垫的离心力、末端操控装置的作用以及抛光液加UPW的流动。
晶片上的不规则物通过连续施加到它的表面的氧化药剂与极细研磨微粒的抛光液除去。抛光或平面化通常在晶片朝下安放在抛光垫上的情况下完成，抛光垫在晶片下旋转，晶片自身绕中心轴旋转。线性和轨道方法同样采用，且本发明适用于那些工艺和工具。
由于用特定抛光液操作，所以当前抛光工具和过程包括每一压板的单操作步骤。比如铜CMP所要求的支持多步骤抛光操作，要求额外的工具、压板和材料处理。
没有单独的设备或抛光设备的广泛转变以及/或者手动清理，当前不存在利用不同药剂和不同材料或微粒尺寸的装置。
抛光垫通常由塑料(聚氨酯)材料制成。晶片不规则物的去除率受施加到晶片的向抛光垫的压力、晶片上的抛光液的相对速度、抛光垫表面出现的新抛光液的数量以及晶片电路图形的影响。晶片下抛光液的注入以及废物产品从抛光过程的除去取决于旋转垫的离心力、末端操控装置的作用以及抛光液和组分及UPW的流动。该类型的冲洗不总能移除废物。从抛光液沉淀的大研磨粒子以及成团的抛光液和废物形成在垫的孔洞和凹槽中以及清理装置上的钻石粒子之间。商业应用具有用在生产中的大量UPW以及须处理的大量废水。
晶片抛光率取决于施加到晶片的压力、抛光液以及在末端操控装置臂上用于粗化或清理抛光垫以提供一致的粗糙外形的钻石头。在横截面中，垫具有峰区和谷区，该峰区和谷区都承载抛光液并向其内的研磨粒子提供压力。垫通常包括具有小孔的硬或软的聚氨酯材料以及/或者分散在整个活性层的纤维。纤维以及/或者聚氨酯提供垫的刚性，向研磨剂/晶片界面提供压力以及促进从晶片表面移除材料。小孔作为抛光液存储池，促进药剂与晶片表面接触以及与晶片表面相互作用。药剂的相互作用相对仅有研磨剂的抛光条件是重要的“加速器”，并因此对整个加工性能和控制都很关键。
钻石末端操控装置通常包括埋设在旋转盘形式的金属基体中的钻石粒子。该盘主要用于结构抛光垫，以在晶片上以及晶片与晶片间产生可维持的平面化率。它还用于从垫上除去用过的抛光液和碎片。用过的抛光液和碎片经常出现在包括二氧化硅(SiO2)、电介质和金属的大硬团开始埋设在抛光垫中时。这些材料降低去除率或抛光率以及可重复性，并可以产生破坏晶片表面和设备性能(开口，短路)的刮擦形式的缺陷。来自半导体工业的数据表明，60％的芯片损失因污染造成。据报道，CMP过程为这一污染的主要来源。
加工液体失控的传送和去除(冲洗)还可以造成抛光废物在装置内的许多表面上增加。在移除时，这些干燥/成团的混合物可以导致附加缺陷。经证明，抛光液“不稳定”，易于因传送系统中的剪切力、热和时效作用而成团。还存在钻石粒子从末端操控装置盘的金属基体破断或撕开并刮擦晶片表面的潜在问题。在典型的抛光时间内，从60至600秒，有很多刮擦的引起机构，更多的过程控制是需要的。
近来，这一碎片通过用UPW和/或抛光液充分冲洗垫而从垫去除。这一方法取决于移除废物和团块的液体上的离心力或其它垫运动动力学。这是一种非常不易控制的移除方法，因为冲洗不能破坏垫表面的抛光液的静态层，也不能移除垫孔洞中的抛光液。这会导致附加的抛光液团块沉淀在垫的孔洞和凹槽中。这一抛光液会在后来的时间开始移除，并损伤后来的晶片。将新抛光液提供到晶片/垫界面的这些“旋转力”的可靠性也比需要的程度难以控制或重复，导致去除率和均一性的变化。
抛光垫表面典型地包含小孔、孔洞或凹槽，用于在晶片和垫间导通抛光液，抛光垫表面需要进行清理，以生成一致的抛光界面。抛光液和碎片必须通过连续地“刮擦”或“清理”垫表面而从晶片去除。另外，有时用在这一过程中的氧化抛光液通过与设备层金属相互作用形成较硬氧化物而造成垫的污染；或者脱层，造成晶片的潜在污染和刮伤。
在此作为参考，美国专利号6508697中描述了一种试图解决上述问题的装置，其中公开了一种用于清理淀积在半导体晶片衬底、微电子和光学系统上的可旋转集成电路的系统。该系统包括垫清洗装置、加工液体和利用真空性将废物材料抽出清理垫的、独立的冲洗装置以及将振动运动赋予垫清洗研磨剂或液体的装置。该垫清洗装置包括与用于注入加工液体和/或UPW的入口以及用于供应负压的出口成总的圆形构造的外室。
发明内容
考虑上述现有技术的清洗装置，本发明的一目的是提供一种方法，利用该系统用于清洗抛光垫，该抛光垫具有独立的清洁装置，用于除去碎片并当其在清理过程中移除时松弛抛光液。
再一目的是提供用于向不同(多步骤)操作注入具有特定抛光液或添加剂而无需附加工具、压板以及材料处理的装置。
另一目的是允许步骤间的抛光液化学组分的中和。
再一目的是允许加入可选/附加的抛光液或化学料剂。
另一目的是允许各压板上的多步骤抛光。
再一目的是通过使第一抛光步骤更迅速以及使随后的平面化端点附近的研磨剂/药剂选择更细而增加产出率。
另一目的是消除中间材料处理并允许铜和隔板金属膜的单压板加工。
另一目的是扩展单头和双头抛光工具的效用/寿命。
另一目的是经由抛光液更换(化学的或研磨的)通过更多选择端点控制而减少缺陷。
另一目的是通过减少晶片可见的处理/对准/夹具改变而改善均一性。
用在本发明中的垫清理系统，如上面所参考的美国专利号6508697所提出的，采用研磨盘，该研磨盘具有敞开结构，以当其从衬底表面刮下时收集碎片或细屑。该系统具有垫清理装置、加工液体、利用真空性将废物材料移除清理垫的、独立的冲洗装置以及用于振动垫清理研磨剂的压电装置。碎片产生时，经由研磨和磁性支撑的孔洞移入支撑后的室中以及通向处理系统的管道中。水、其它清洗或中和药剂的射流经由研磨剂与废弃物一起喷洒。这一冲洗/刮擦/真空清洗完全地清洗抛光垫表面，能使替换材料加入而没有交叉污染。所有这些元素在操作中结合起来，提供一种用于清理和清洗抛光垫的独特和有效的系统。它们也能使特定操作抛光液或其它药剂加入清理、清洗和抛光过程，而无需额外的再加工、压板更换及附加材料处理。
垫清理装置具有外室，该外室与用于注入加工液体和/或UPW的入口以及用于加负压的出口成总的圆形构造。外室容纳旋转叶轮组件，其叶轮叶片从叶轮轴向外成放射状。叶轮组件的轴经由外室的上表面开口伸出，并连接到装置的末端操控装置组件。支撑盘、磁性盘或机械紧固装置以及研磨清理盘以层叠结构连接到叶轮。在此作为参考，如美国专利号4222204中所述，研磨盘磁性地或机械地固定就位，提供盘的完全支撑，原因是它向支撑盘将盘拉平。该组件构造为具有对准孔洞，该孔洞使抛光垫上的碎片经由这些孔洞真空吸上(vacuum up)。
在操作中，外室保持固定，其连接管连接到真空设备。水或抛光液或从外室上的入口注入，或经由水套从叶轮中心注入。
从叶轮盘中心向外放射的一系列加压水孔洞能全面覆盖研磨盘，并有助于打破抛光垫的小孔中的静态层。真空作用将水和碎片经由支撑、磁性和研磨盘直接抽上来，而旋转叶轮叶片则将水和碎片清扫到真空拾取出口中以及处理系统中。层叠盘中的对准孔或“敞开结构”在其从垫表面移除时能收集碎片或细屑，能进行连续的清理和清洗，而不干涉研磨盘和晶片表面间的碎片。磁性紧固结构能够快速转变，并提供控制的研磨剂平面度。还可以采用装有用于对准和缓冲的万向接头的机械方法。真空将废物从加工中移除，并将抛光垫不平度提升到非压缩位置中。选择孔洞也以更加控制(比如，压力、位置、次序和垫/晶片表面状态)的方式向垫注入加工液体，比如清洗药剂、抛光液、钝化剂、复合剂、表面活性剂和UPW，甚至清洗气体。
独立的冲洗系统提供给晶片，以松弛碎片并将碎片冲洗到盘的孔洞之上，到叶轮室中，进而到处理系统。在外室上部的密封轴承防止水或加工液体的泄漏。这一冲洗方法还减少当前冲洗抛光垫所需的UPW的数量。这就节约了昂贵的抛光液、UPW量以及昂贵的废物处理。
叶轮向磁性盘或者机械紧固装置以及研磨盘提供稳固支持。磁体机械地或者通过粘结物固定到支撑盘。研磨盘磁性地或者机械地固定到支撑盘。这一系统使垫清理装置能够定期清洗以及使磁体和研磨盘能够定期更换，而无需将导致额外停机时间的整个外室以及内叶轮组件拆解。
压电传感器设置在末端操控装置臂的自由端或液体流附近。由高频激活时，该传感器将低幅振动赋予垫清理装置，进一步促进抛光垫表面上的抛光液的静态层的打破和移除。由末端操控装置臂在抛光垫上赋予的小的垂直力也有助于打破抛光液的膜层，并有助于移除钉楔在抛光垫表面中的粒子。
附图说明
图1至5表示美国专利号6508697的现有技术系统。
图1为用于本发明中并移除了晶片座的化学机械抛光(CMP)系统的主要元件的立体图。
图2为用在本发明中的构件的俯视示意图。
图3为沿图2的线6-6的外室的视图。
图4为沿图2的线7-7的用在本发明中的清理装置的截面图。
图5为表示外室和叶轮组件的用在本发明中的清理装置的构件的分解图。
图6为表示本发明的方法的框图。
具体实施方式
本发明涉及用在化学机械抛光或平面化(CMP)系统中用于移除半导体晶片衬底上的不规则物的清理抛光垫的方法。优选实施例的具体说明可以为本发明提供充分的理解；而与本发明共同作用的一些CMP系统元件因为是公知的而没有详述，并可能会淡化本发明独特的其它方面。对本发明所属技术领域的技术人员来说，很明显本发明可以无需这些其它系统元件而获得实现。
参见图1，其大体地示出了典型CMP系统10的立体图，该典型CMP系统10包括通过晶片托架和支撑臂(未示出)向抛光垫12对晶片11施加压力的抛光头(未示出)以及抛光垫清洗装置15。晶片11在抛光垫12上旋转，抛光垫12固定到旋转的、轨道的或线性的压板13。(晶片托架、支撑臂以及电机没有示出)。通常包含氧化剂、研磨剂和/或超纯水(UPW)的抛光液流14注入在抛光垫表面12a上，并与晶片11的旋转运动一起作用，以在集成电路各层制作后去除晶片11上的几十分之一微米的表面不平度。垫清理装置15用于在抛光垫表面12a被抛光作用改变后恢复和保持抛光垫表面12a。如图2中所示，电机17使末端操控装置臂16沿围绕固定轴18的圆弧转动，同时向垫清理装置15提供旋转运动和向下的力40。来自抛光操作的碎片通过出口41除去。
用在本发明中的垫清理装置15表示在图5的俯视图中，并构造为与末端操控装置臂16机械和电连接。垫清理装置15设计为自动分配药剂、抛光液和/或UPW，以清理抛光垫表面12a，并将在抛光过程中形成的碎片真空吸出，而不干预抛光过程或者导致额外的停机时间。连接到清理座20外围上的真空出口22的软管21将碎片移入到真空设备(未示出)中。连接到入口19的软管23经由清理座20的上中心伸出，并为垫表面12a的可靠覆盖而提供研磨抛光液流，以及/或者为冲洗和润滑而提供中和剂、UPW或清洗剂。为促进碎片去除，压电装置24在其经由电连接25由高频电压激发时向清理装置15施加低幅振动脉冲，从而搅动清理垫表面12a上的碎片粒子，导致碎片粒子开始移动，以便于移除。
图3中所示的清理座20的外室30为沿图2的线6-6的视图。当前实施例的外室30的直径约四英寸，高度约三英寸。很明显，对本领域技术人员来说，本发明可以不同于所述的尺寸特征实施，达到并包括垫的整个工作表面。
图4为沿图2的线7-7的横截面图，并表示具有连接到叶轮叶片33的支撑盘34、磁性盘35以及研磨盘36的叶轮组件32。各盘中的孔洞37对准，从而使碎片从抛光盘12移除到真空出口22。加工液体进入贯通管23并通过孔洞37均匀地分配。外室30与叶轮轴19之间的密封31防止加工液体泄漏。外室30中的环形槽40可以装备向抛光垫12注入加工和冲洗液体的第二装置。
图5为分解视图，其更清楚地表示清理装置15的构件，其螺丝连接孔41将支撑盘34固定到叶轮叶片33。尽管本视图中只表示了四个叶轮叶片33，包括非旋转“BAR”/室构造的其它类型的叶轮叶片构造也可以提供与本实施例相同的功能。
本发明的供给特定操作抛光液的方法50表示在图6的框图中。在加工中清洗抛光垫51包括至少五个并行、串行或任何组合的操作。这一操作可以在内部或在外部进行，并可以支持内部过程pH调节，以控制去除率和/或端点选择。抛光垫12进行振动运动52，以去除松弛的抛光液加工碎片、液体和气体52A。可能残留的静态层通过真空、水和其它药剂53A而被破坏。通过真空、水和药剂54A清洗抛光垫表面、小孔和凹槽54。进一步的步骤涉及用水和其它药剂55A中和残留在垫表面上的抛光液55。最终步骤为冲洗56，以去除清洗液体和任何残留碎片56A。随着清理装置的彻底清洗，其它特定操作抛光液57A、57B和57C可以经由清理装置10的抛光液进料系统或在57注入。
Claims (14)
1.在多步骤抛光过程中清理抛光垫的方法，其中各步骤可以采用不同的特定操作抛光液，该方法具有以下步骤：
经由研磨清理盘中的多个孔洞，将清洗剂施加到抛光垫的表面部分；
经由孔洞，通过施加真空和抽出药剂、碎片和抛光液，从抛光垫上除去清洗剂、垫碎片和任何残留抛光液；
经由研磨清理盘中的多个孔洞，将中和剂施加到抛光垫的表面部分，所选择的中和剂特定地中和抛光液的化学组分；以及
经由孔洞，通过施加真空和抽出中和剂及残留碎片，从抛光垫上用液体和/或气体冲洗抛光垫的表面部分，以除去中和剂及任何残留碎片。
2.如权利要求1所述的方法，其中该方法在内部进行。
3.如权利要求1所述的方法，其中该方法在外部进行。
4.如权利要求1所述的方法，其中清洗步骤在各抛光步骤实施之间重复。
5.如权利要求1所述的方法，其中清理盘在清理过程中旋转，该清理盘还包括多个垂直布置在清理盘的表面之上的叶轮叶片，该叶轮叶片也旋转并执行将除去的清洗剂、垫碎片、中和剂以及抛光液的向一真空出口清扫的步骤。
6.如权利要求1所述的方法，其中该方法还具有以下步骤：
在清洗剂施加的过程中，将振动运动赋予抛光垫，以进一步松弛和移除碎片。
7.一种清理用在CMP过程中的垫的方法，该方法具有以下步骤：
经由研磨清理盘中的多个孔洞，将清洗剂施加到抛光垫的表面部分；以及
经由清理盘孔洞，通过施加真空和抽出药剂、碎片和抛光液，从抛光垫上除去清洗剂、垫碎片和任何残留抛光液。
8.如权利要求7所述的方法，其中清理盘在清理过程中旋转，该盘还包括多个垂直布置于盘的上表面的叶轮叶片，该叶轮叶片也旋转，并执行将除去的清洗剂、垫碎片和残留抛光液向一真空出口清扫的步骤。
9.如权利要求8所述的方法，其中该方法还具有以下步骤：
捕获经由真空出口除去的清洗剂、垫碎片和残留抛光液。
10.如权利要求9所述的方法，其中除去的抛光液被过滤和处理，用于抛光过程的再利用。
11.如权利要求9所述的方法，其中除去的清洗剂被过滤和处理，用于清洗过程的再利用。
12.一种清理用在CMP过程中的抛光垫的装置，该装置具有：
包括贯通形成的多个孔洞的研磨清理盘；
连接到研磨清理盘用于注入液体和/或气体清洗剂的入口，该清洗剂经由形成在所述清理盘中的多个孔洞，到达抛光垫表面的部分；以及
围绕研磨清理盘布置并设有多个孔洞的出口通道的外真空室，该外真空室连接到外真空源，以便通过外真空源的开动，来自清理过程的流出物能够经由清理盘孔洞抽出，并经由外真空室排出清理装置。
13.如权利要求12所述的装置，其中该装置还具有用于支撑研磨清理盘的磁性盘，该磁性盘包括与贯通研磨清理盘形成的孔洞对准布置的多个类似孔洞，从而进入清洗剂和排出流出物都经由研磨清理盘和磁性支撑盘的对准的孔洞。
14.如权利要求12所述的装置，其中该装置还具有连接到研磨清理盘的叶轮件，该叶轮件包括：
孔洞上表面，连接到入口，用于将液体和/或气体清洗剂导向清理盘；以及
多个叶轮叶片，从叶轮件中心以放射方式朝外，垂直地在叶轮件上表面与清理盘之间延伸，该多个叶轮叶片用于将排出流出物导向外真空室。
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