CN202462200U - 研磨温控系统和研磨装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种研磨温控系统，用于调整研磨平台上的研磨垫的温度，包括半导体温控装置、用于采集研磨垫温度的温度采集单元以及计算处理单元，所述研磨平台的内部设有腔室，所述半导体温控装置设置于所述腔室内，所述计算处理单元分别与所述温度采集单元和所述半导体温控装置信号连接，所述计算处理单元根据温度采集单元采集到的研磨垫的实际温度和研磨垫的目标温度的比较情况，通过控制半导体温控装置将研磨平台及研磨垫的温度保持在目标温度范围内，以降低温度对研磨速率稳定性的影响，提高产品良率。本实用新型还公开了一种采用上述研磨温控系统的研磨装置，以降低温度对研磨速率稳定性的影响，提高产品良率。

Description

研磨温控系统和研磨装置
技术领域
本实用新型涉及集成电路制造领域，尤其涉及一种研磨温控系统和研磨装置。
背景技术
CMP工艺是指化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing)工艺，或称为化学机械平坦化(Chemical Mechanical Planarization)工艺。化学机械研磨工艺是一个复杂的工艺过程，它是将晶圆表面与研磨垫的研磨表面相接触，然后，通过晶圆表面与研磨表面之间的相对运动以及研磨液的作用将晶圆表面平坦化。
通常采用化学机械研磨设备，也称为研磨装置，来进行化学机械研磨工艺。请参阅图1和图2，其中，图1所示是现有的研磨装置的结构俯视示意图，图2所示是现有的研磨装置的结构侧视示意图。如图1和图2所示，现有的研磨装置包括：下方设有限位环的研磨头101、上面铺设研磨垫102的研磨平台103、研磨液供应管106以及研磨垫清洗液供给管107，所述研磨头101设置于所述研磨垫102的上方，所述研磨液供应管106的研磨液出液口与所述研磨垫清洗液供给管107的清洗液出液口分别设置于所述研磨垫102的上方，所述研磨液供应管106与所述研磨垫清洗液供给管107并排设置于一横向可移动支架内，所述研磨液供应管106用于供应研磨液，所述研磨垫清洗液供给管107用于对研磨垫102进行清洗。
当对晶圆104进行研磨工艺时，将要研磨的晶圆104附着在研磨头101上，该晶圆104的待研磨面向下并接触相对旋转的研磨垫102，研磨头101提供的下压力将该晶圆104紧压到研磨垫102上，所述研磨垫102粘贴于研磨平台103上，当该研磨平台103在驱动轴105的带动下旋转时，研磨垫102跟随研磨平台103转动；同时，研磨液通过研磨液供应管106输送到研磨垫102上，并通过离心力均匀地分布在研磨垫102上。研磨工艺所使用的研磨液一般包含有化学腐蚀剂和研磨颗粒，通过化学腐蚀剂和所述待研磨表面的化学反应生成较软的容易被去除的材料，然后通过机械摩擦将这些较软的物质从被研磨晶圆104的表面去掉，以达到全局平坦化的效果。
由上可知，目前并未对研磨装置进行恒温控制，然而，由于不同的温度对应的研磨液的化学反应速率是不同的，因而，不受恒温控制的研磨装置，批次晶圆之间由于研磨温度受到各种外在条件影响而发生变化，使得研磨速率因温度变化而发生不稳定现象，造成晶圆出现研磨后厚度不均匀，降低了产品良率。
因此，如何提供一种可以避免温度波动对研磨速率的影响、提高晶圆研磨速率的稳定性的研磨温控系统和研磨装置是本领域技术人员亟待解决的一个技术问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种研磨温控系统和研磨装置，通过对研磨平台及其上的研磨垫进行恒温控制，实现对晶圆在研磨过程的恒温控制，避免温度波动对研磨速率的影响，提高晶圆研磨速率的稳定性。
为了达到上述的目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种研磨温控系统，用于调整研磨平台上的研磨垫的温度，包括半导体温控装置、用于采集研磨垫温度的温度采集单元以及计算处理单元，所述研磨平台的内部设有腔室，所述半导体温控装置设置于所述腔室内，所述计算处理单元分别与所述温度采集单元和所述半导体温控装置信号连接，所述计算处理单元根据温度采集单元采集到的研磨垫的实际温度和研磨垫的目标温度的比较情况，通过控制半导体温控装置将研磨平台及研磨垫的温度保持在目标温度范围内。
优选的，在上述的研磨温控系统中，所述半导体温控装置包括电源选择单元与设置于所述腔室的顶壁内侧的半导体制冷片，所述电源选择单元的两端分别与所述半导体制冷片的两端连接。
优选的，在上述的研磨温控系统中，所述电源选择单元包括两个为所述半导体制冷片提供相反方向电流的电源和两开关，所述两开关分别和对应的电源串联后相互并联连接。
优选的，在上述的研磨温控系统中，所述半导体制冷片包括在腔室的顶壁内侧间隔设置的两片热传导片、以及若干间隔排列设置于所述两片热传导片之间的N型半导体元件与P型半导体元件，相邻的N型半导体元件与P型半导体元件的同侧端分别通过导体连接，且所述导体与对应的热传导片接触，位于所述半导体制冷片两端的导体分别连接于所述开关控制单元的两端。
优选的，在上述的研磨温控系统中，所述半导体温控装置还包括导热硅胶，所述两片热传导片中位于上方的一片热传导片通过所述导热硅胶粘合于所述腔室的顶壁内侧。
优选的，在上述的研磨温控系统中，所述温度采集单元包括排列设置于所述研磨垫上方的若干非接触式温度传感器。
优选的，在上述的研磨温控系统中，所述半导体温控装置还包括风扇，所述风扇设置于所述腔室的底部。
本实用新型还公开了一种研磨装置，包括研磨头、研磨平台以及研磨垫，所述研磨垫铺设于所述研磨平台上，所述研磨头设置于所述研磨垫上，其特征在于，还包括如上所述的研磨温控系统。
优选的，在上述的研磨装置中，所述研磨平台采用高热导性材料。
优选的，在上述的研磨装置中，所述研磨平台采用铜或铝合金。
本实用新型提供的研磨温控系统和研磨装置，通过增设位于所述腔室的半导体温控装置、用于采集研磨垫温度的温度采集单元以及计算处理单元，所述计算处理单元分别与所述温度采集单元和所述半导体温控装置信号连接，所述计算处理单元根据温度采集单元采集到的研磨垫的实际温度和研磨垫的目标温度的比较情况，通过控制半导体温控装置将研磨平台及研磨垫的温度保持在目标温度范围内，从而实现研磨垫的恒温控制，降低温度对研磨速率稳定性的影响，提高晶圆研磨均匀性，最终提高产品良率。
附图说明
本实用新型的研磨温控系统和研磨装置由以下的实施例及附图给出。
图1是现有的研磨装置的结构俯视示意图；
图2是现有的研磨装置的结构侧视示意图；
图3是本实用新型一实施例的研磨装置的结构示意图；
图4是本实用新型一实施例的研磨温控系统的结构示意图；
图5是本实用新型一实施例中的半导体制冷片的工作原理示意图。
图中，101、201-研磨头，102、202-研磨垫，103、203-研磨平台、104、204-晶圆、105、205-驱动轴、106-研磨液供给管，107-研磨垫清洗液供给管，2031-腔室、2032-通孔、210-半导体温控装置、220-温度采集单元、230计算处理单元、241-第一电源、242-第二电源、251-第一开关、252-第二开关、261-热传导片、262-N型半导体元件、263-P型半导体元件、264-导体、270-导热硅胶、280-风扇。
具体实施方式
以下将对本实用新型的研磨温控系统和研磨装置作进一步的详细描述。
下面将参照附图对本实用新型进行更详细的描述，其中表示了本实用新型的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本实用新型而仍然实现本实用新型的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本实用新型的限制。
请参阅图3和图4，其中，图3是本实用新型一实施例的研磨装置的结构示意图，图4是本实用新型一实施例的研磨温控系统的结构示意图。
本实用新型提供的研磨装置，包括研磨头201、研磨平台203以及研磨垫202，所述研磨垫202铺设于所述研磨平台203上，所述研磨平台203在驱动轴205驱动下，带动研磨垫202转动，所述研磨头201设置于研磨垫202上。
本实用新型提供的研磨装置，还包括一研磨温控系统，所述研磨温控系统用于调整研磨平台203的温度，包括半导体温控装置210、用于采集研磨平台203温度的温度采集单元220以及计算处理单元230，所述研磨平台203的内部设有腔室，所述半导体温控装置210设置于所述腔室2031内，所述研磨平台203的侧部开设若干与所述腔室2031导通的用于散热的通孔2032，所述计算处理单元230分别与所述温度采集单元220和所述半导体温控装置210信号连接，所述计算处理单元230根据温度采集单元220采集到的研磨垫202的实际温度和研磨垫202的目标温度的比较情况，通过控制半导体温控装置210将研磨平台203及其上的研磨垫202的温度保持在目标温度范围(即目标温度的正常的可接受的浮动范围)内，从而实现研磨垫202的恒温控制，避免研磨垫202的温度波动影响晶圆204研磨速率，提高晶圆204研磨速率的稳定性，进而提高晶圆204研磨均匀性，最终提高产品良率。
优选的，在上述的研磨装置中，所述研磨平台203采用高热导性材料，例如可以采用铜或铝合金。采用高热导性材料的研磨平台203，可以提高半导体温控装置210和研磨平台203之间热传导率，提高半导体温控装置210对研磨平台203的温度调节效率。
请继续参阅图3，较佳的，所述温度采集单元220包括排列设置于所述研磨垫202上方的若干非接触式温度传感器，该若干非接触式温度传感器可以采用红外线温度传感器。所述若干非接触式温度传感器的排列长度与所述研磨垫202的半径一致，上下对应设置，当研磨垫202转动时，所述温度采集单元220每隔一定时间对研磨垫202进行全面采集并在得出研磨垫202的平均温度值后传送给计算处理单元230。
请参阅图3、图4和图5，其中，图5是本实用新型一实施例中的半导体制冷片的工作原理示意图。在本实施例的研磨温控系统中，所述半导体温控装置210包括电源选择单元与设置于所述腔室的顶壁内侧的半导体制冷片，所述电源选择单元的两端分别与所述半导体制冷片的两端连接。所述电源选择单元包括两个为所述半导体制冷片提供相反方向电流的电源(即第一电源241和第二电源242)和两开关(即第一开关251和第二开关252)，所述两开关251、252分别和对应的电源241、242串联后相互并联连接。所述半导体制冷片，也称为热电制冷片，是一种热泵。它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。请重点参阅图4和图5，所述半导体制冷片包括在腔室2031的顶壁内侧间隔设置的两片热传导片261、以及若干间隔排列设置于所述两片热传导片261之间的N型半导体元件262与P型半导体元件263，相邻的N型半导体元件262与P型半导体元件263的同侧端分别通过导体264连接，且所述导体264与对应的热传导片261接触，位于所述半导体制冷片两端的导体264分别连接于所述开关控制单元的两端。
请继续参阅图5，并请结合图3，该半导体温控装置210的工作原理是：当一块N型半导体元件262和一块P型半导体元件263联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型半导体元件262流向P型半导体元件263时，开始吸收热量，成为冷端；电流由P型半导体元件263流向N型半导体元件262时，开始释放热量，成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及N型半导体元件262和P型半导体元件263的元件对数来决定。该半导体温控装置210采用直流电流，既可制冷又可加热。通过改变直流电流的极性来决定在半导体温控装置210上实现制冷或加热。当所控对象的实际温度高于目标温度时，启动制冷；当所控对象的实际温度低于目标温度时，启动制热；以使所控对象的实际温度保持在某一目标温度。当所控对象的实际温度等于目标温度时，停止工作。
请参阅图4，并请结合图3，较佳的，在本实施例中，所述半导体温控装置210还包括导热硅胶270，所述两片热传导片270中位于上方的一片热传导片261通过所述导热硅胶270粘合于所述腔室2031的顶壁内侧。所述导热硅胶270不但具有良好的热导性能，而且可以将两者牢固粘合在一起。
请参阅图4，并请结合图3，较佳的，在本实施例中，所述半导体温控装置210还包括风扇280，所述风扇280设置于所述腔室2031的底部。通过在所述腔室2031的底部增设风扇280，可以帮助所述半导体制冷片进行热量传递，提高温控效率。
请继续参阅图3和图4，在本实施例中，所述计算处理单元230根据温度采集单元220采集到的研磨垫202的实际温度T实与研磨垫202的目标温度T目的比较情况进行处理，通过控制半导体温控装置210将研磨垫202的温度保持在目标温度范围内，研磨垫202的目标温度范围是T目±ΔT，其中，ΔT是可接受的温度偏差范围，例如是2摄氏度。
请继续参阅图3和图4，所述计算处理单元230对所述半导体温控装置210具体控制方法如下：
当T目-ΔT＜T实＜T目+ΔT时，即研磨垫202的实际温度T实处于研磨垫202的目标温度T目范围内时，第一开关251和第二开关252均关闭，半导体温控装置210不工作。
当T实＜T目-ΔT时，即研磨垫202的实际温度T实小于研磨垫202的目标温度T目范围的最小值时，第一开关251关闭，第二开关252打开，半导体温控装置210进行制热，即与研磨平台203的腔室2031的顶壁相连的热传导片261成为热端。
当T目+ΔT＜T实时，即研磨垫202的实际温度T实大于研磨垫202的目标温度T目范围的最大值时，第一开关251打开，第二开关252关闭，半导体温控装置210进行制冷，即与研磨平台203的腔室2031的顶壁相连的热传导片261成为冷端。
计算处理单元230通过上述处理方式使得半导体温控装置210制热或制冷或不工作，来达到对研磨平台203及其上研磨垫202恒温控制的目的，提高晶圆204研磨速率的稳定性。
综上所述，本实用新型提供的研磨温控系统和研磨装置，通过增设位于所述腔室的半导体温控装置、用于采集研磨垫温度的温度采集单元以及计算处理单元，所述计算处理单元分别与所述温度采集单元和所述半导体温控装置信号连接，所述计算处理单元根据温度采集单元采集到的研磨垫的实际温度和研磨垫的目标温度的比较情况，通过控制半导体温控装置将研磨平台及研磨垫的温度保持在目标温度范围内，从而实现研磨垫的恒温控制，降低温度对研磨速率稳定性的影响，提高晶圆研磨均匀性，最终提高产品良率。

Claims (10)

1.一种研磨温控系统，用于调整研磨平台上的研磨垫的温度，其特征在于，包括半导体温控装置、用于采集研磨垫温度的温度采集单元以及计算处理单元，所述研磨平台的内部设有腔室，所述半导体温控装置设置于所述腔室内，所述计算处理单元分别与所述温度采集单元和所述半导体温控装置信号连接，所述计算处理单元根据温度采集单元采集到的研磨垫的实际温度和研磨垫的目标温度的比较情况，通过控制半导体温控装置将研磨平台及研磨垫的温度保持在目标温度范围内。
2.根据权利要求1所述的研磨温控系统，其特征在于，所述半导体温控装置包括电源选择单元与设置于所述腔室的顶壁内侧的半导体制冷片，所述电源选择单元的两端分别与所述半导体制冷片的两端连接。
3.根据权利要求2所述的研磨温控系统，其特征在于，所述电源选择单元包括两个为所述半导体制冷片提供相反方向电流的电源和两开关，所述两开关分别和对应的电源串联后相互并联连接。
4.根据权利要求2所述的研磨温控系统，其特征在于，所述半导体制冷片包括在腔室的顶壁内侧间隔设置的两片热传导片、以及若干间隔排列设置于所述两片热传导片之间的N型半导体元件与P型半导体元件，相邻的N型半导体元件与P型半导体元件的同侧端分别通过导体连接，且所述导体与对应的热传导片接触，位于所述半导体制冷片两端的导体分别连接于所述开关控制单元的两端。
5.根据权利要求4所述的研磨温控系统，其特征在于，所述半导体温控装置还包括导热硅胶，所述两片热传导片中位于上方的一片热传导片通过所述导热硅胶粘合于所述腔室的顶壁内侧。
6.根据权利要求1所述的研磨温控系统，其特征在于，所述温度采集单元包括排列设置于所述研磨垫上方的若干非接触式温度传感器。
7.根据权利要求1所述的研磨温控系统，其特征在于，所述半导体温控装置还包括风扇，所述风扇设置于所述腔室的底部。
8.一种研磨装置，包括研磨头、研磨平台以及研磨垫，所述研磨垫铺设于所述研磨平台上，所述研磨头设置于所述研磨垫上，其特征在于，还包括如权利要求1～7中任意一项所述的研磨温控系统。
9.根据权利要求8所述的研磨装置，其特征在于，所述研磨平台采用高热导性材料。
10.根据权利要求9所述的研磨装置，其特征在于，所述研磨平台采用铜或铝合金。
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