CN211589696U - 具有温控模块的化学机械抛光装置 - Google Patents

Abstract

一种具有温控模块的化学机械抛光装置，包括：抛光盘，用于使抛光垫与其一起旋转；承载头，其配置有保持环以接收晶圆并将晶圆加载于所述抛光垫；承载头驱动装置，包括电机、驱动轴、气动组件、外壳和控制单元；电机和气动组件配置于所述外壳内，驱动轴从所述外壳底部伸出以将电机和气动组件的作用传递至承载头，外壳的外表面配置有光学传感器单元及用于致动该光学传感器单元的导轨，光学传感器单元可随导轨在外壳表面移动或移动至外壳下方，并且光学传感器单元具有至少一个可调节角度的红外热成像传感器或多个朝不同方向设置的红外热成像传感器以获取抛光垫的上表面的不同作业区域的温度梯度图像。

Description

具有温控模块的化学机械抛光装置

技术领域

本公开涉及半导体晶圆加工领域，尤其涉及一种具有温控模块的化学机械抛光装置。

背景技术

化学机械抛光是一种在芯片制造领域的主流的晶圆抛光的方式。这种抛光方式通常将晶圆吸合在承载头的下部，晶圆具有沉积层的一面抵接于旋转的抛光垫上表面，承载头在驱动部件的带动下与抛光垫同向旋转并给予晶圆向下的载荷；同时，抛光液供给于抛光垫的上表面并分布在晶圆与抛光垫之间，在化学及机械的综合作用下使晶圆完成全局化的抛光。

随着电路的特征线宽从250nm逐渐向28nm甚至于向5nm演进，对晶圆制造的化学机械抛光需求变得非常高，特别是随着制程的下移及产量的不断提升，化学机械抛光的作业转速不断提高导致化学机械抛光的温度不断提升，极大的影响了化学机械抛光的作业控制，因此亟需一种可以控制抛光作业温度的化学机械抛光装置。需要注意的是，现有的化学机械抛光装置中尽管也可以在抛光盘的上表面设置冷却管路，但标准化的晶圆生产线的冷却水供应限定为5-8L/min，并且由于晶圆生产线是整体设计规划的，这样的冷却水供应流量是很难做出改变或调整的。总而言之，如何在不断提升的化学机械抛光作业温度和有限的冷却水供应之间寻求平衡，提高冷却水的冷却作业效果，更准确的控制化学机械抛光作业期间的抛光垫的不同区域的作业温度是亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型旨在一定程度上解决上述问题中的一部分，有鉴于此，本实用新型提供了一种具有温控模块的化学机械抛光装置，包括：抛光盘，用于使抛光垫与其一起旋转；承载头，其配置有保持环以接收晶圆并将晶圆加载于所述抛光垫；承载头驱动装置，该驱动装置包括电机、驱动轴、气动组件、外壳和控制单元；

所述电机和气动组件配置于所述外壳内，所述驱动轴从所述外壳底部伸出以将所述电机和气动组件的作用传递至承载头，所述外壳的外表面配置有光学传感器单元及用于致动该光学传感器单元的导轨，所述光学传感器单元可随所述导轨在所述外壳表面移动或移动至所述外壳下方，并且所述光学传感器单元具有至少一个可调节角度的红外热成像传感器或多个朝不同方向设置的红外热成像传感器以获取抛光垫的上表面的不同作业区域的温度梯度图像。

根据本实用新型的另一个方面，所述光学传感器单元配置有第一红外热成像传感器、第二红外热成像传感器和第三红外热成像传感器，所述第一红外热成像传感器向上设置在所述光学传感器单元的顶部以获取所述承载头底部的温度梯度图像，所述第二红外热成像传感器水平设置在所述光学传感器单元的侧面上以获取所述承载头圆周表面的温度梯度图像，所述第三红外热成像传感器向下设置在所述光学传感器单元的底部以获取抛光垫表面图像。

根据本实用新型的另一个方面，所述红外热成像传感器中的至少有一个的分辨率超过640×480像素。

根据本实用新型的另一个方面，所述光学传感器单元可移动至接近抛光垫，以测量不同视场范围的温度梯度图像，从而获得不同清晰度的温度梯度图像。

根据本实用新型的另一个方面，所述抛光盘的上表面中嵌设有多组独立的冷却管路。

根据本实用新型的另一个方面，所述多组独立的冷却管路中的每组冷却管路分别单独由电磁阀控制，以调控其通入冷却水的流量。

根据本实用新型的另一个方面，所述多组独立的冷却管路中的每组冷却管路分别由单独的电磁阀控制，以调控其通入冷却水的流量。

根据本实用新型的另一个方面，所述多组独立的冷却管路中的每组冷却管路分别经由单独的电磁阀交汇连接至主供液管路。

根据本实用新型的另一个方面，所述多组独立的冷却管路中的每组冷却管路均同心的环绕所述抛光盘的轴线设置。

根据本实用新型的另一个方面，所述多组独立的冷却管路中的每组冷却管路包括不同圈数环状冷却管，其中位于中部的冷却管路的冷却管的数量高于位于抛光盘的圆周外侧的冷却管路的冷却管的圈数。

本实用新型的有益效果包括但不限于，在一定程度上解决晶圆工厂冷却液供给与冷却效果不理想的矛盾，并且在一定程度上实现了温度的闭环精确控制，节省了宝贵的冷却水资源，降低了芯片生产成本。

附图说明

为了进一步清楚地说明本实用新型实施例和/或现有技术中的相关的技术方案，下面将对根据本实用新型的实施例及现有技术描述中所需要使用的附图及其中的主要内容作简单介绍，显而易见的是，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一部分实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1示出了的具有两个光学传感器单元的具有温控模块的化学机械抛光装置的结构示意图，其中的两个光学传感器单元设置在根据本实用新型的用于化学机械抛光承载头的驱动装置的外表面；

图2示出了承载头的驱动装置表面设置有竖直导轨和斜向导轨的具有温控模块的化学机械抛光装置，光学传感器单元可沿其中的导轨在承载头的驱动装置的外表面移动；

图3示出了在承载头的驱动装置的外表面配置了延伸导轨的具有温控模块的化学机械抛光装置，光学传感器单元可随延伸导轨移动至承载头的驱动装置下方；

图4和图5分别示出了不同形式的光学传感器单元的变体；

图6示出了根据本实用新型的具有温控模块的化学机械抛光装置的温控模块的示意图，其中，温控模块包括温度检测单元和温度调节单元。

具体实施方式

下面结合具体实施例及其附图，对本实用新型所述技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本实用新型的特定的具体实施方式，用于说明本实用新型的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本实用新型实施方式及本实用新型保护范围的限制。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。

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(substrate)也成称为晶圆(wafer)，其含义和实际作用等同。

为了说明本实用新型所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。如图1所示，应用了本实用新型实施例的承载头驱动装置100的具有温控模块的化学机械抛光装置的主要构成部件包括：用于保持晶圆并加载致动晶圆的承载头10、上表面覆盖有抛光垫21的抛光盘20、用于修整抛光垫21的修整器30、以及用于提供抛光液的供液器40、用于驱动承载头10旋转并向承载头10传递载荷的承载头驱动装置50、和耦连承载头10和承载头驱动装置50的驱动轴60；其中，承载头驱动装置50中设置有用于使驱动轴60旋转的电机(未示出)和用于向承载头10施加气体载荷的气动组件(未示出)等，承载头驱动装置50可沿滑轨等导向部件携带承载头10水平移动靠近或远离抛光垫21的圆周中心。

在化学机械抛光作业过程中，承载头10将接收于其下表面的晶圆抵压在抛光盘20表面覆盖的抛光垫21上，并且承载头10进行旋转运动以及沿抛光盘20的径向往复移动使得与抛光垫21接触的晶圆表面被逐渐抛除，同时抛光盘20旋转，供液器40向抛光垫21表面散布施加抛光液。在抛光液的化学作用和承载头的机械载荷共同作用下，通过承载头10与抛光盘20的相对运动使晶圆与抛光垫21之间摩擦以实现晶圆的全局化抛光。在抛光期间，修整器30用于对抛光垫21表面形貌进行修整和活化，使用修整器30可以移除残留在抛光垫21表面的杂质颗粒，例如抛光液中的抛光颗粒以及从晶圆表面脱落的废料等，还可以将由于抛光导致的抛光垫21表面形变进行平整化。

如图1所示，承载头驱动组件50仅可沿水平方向直线移动或摆动而难以在竖直方向上移动，其外壳501的最下端与抛光垫21的上表面之间的距离约为60mm至120mm，外壳501可以形成为如图1所示的竖直延伸的矩形箱体，或者也可以形成截面为椭圆形或其他形状组合的竖直箱体，以容置电机和气动组件等其他零部件。根据本实用新型的承载头驱动装置50还包括设置于其外壳501的外表面的光学传感器单元502和/或光学传感器单元503，换言之，根据本实用新型的承载头驱动装置50表面至少安装有一个光学传感器单元。更具体的，对于形如如图1所示的外壳501而言，光学传感器单元502、503设置在外壳501最接近抛光垫21边缘的侧面的下边缘处，例如可以设置在该侧面的下边缘的中间位置或者设置在该下边缘的一端和/或两端。鉴于外壳501的底部与抛光垫21之间的距离较小，而抛光垫21的直径一般为500mm至770mm，因此采现有技术中仅在类似于外壳501的结构的下表面或化学机械抛光设备机架上安装红外热成像传感器的技术方案难以像本实用新型的承载头驱动装置50这样通过光学传感器单元502、503来获取抛光垫21的全场高清表面图像数据，或者说，根据本实用新型的具有光学传感器单元的承载头驱动装置50可以更大范围且更准确、更全面的获取抛光垫21及抛光设备其他部件的图像信息。

为了进一步扩大承载头驱动装置50的光学传感器单元502或503的有效视场(field of view)，光学传感器单元502和/或503可以设置成可移动的传感器单元，使得所述光学传感器单元可在外壳501表面竖向移动，从而增大传感器单元距离抛光垫21的距离以增大其有效视场范围，这样不仅可以更全面的监测抛光垫21表面的抛光液分布状态及流速信息等，还可以监测供液器40和修整器30的作业状态等。将光学传感器单元设置在外壳501的外表面而非底面的另一点有益效果在于，尽量使得承载头10少落入光学传感器单元的视场范围内以使更多的抛光垫21的表面图像被捕获，换言之，尽量使得承载头10不挡住光学传感器单元的视场。

如图2所示，为了便于实现使得光学传感器单元502、503在外壳501表面移动，外壳501表面可设置有至少一条沿外壳最接近抛光垫21的竖直拐角边或竖直边竖直延伸的导轨510，使得光学传感器单元503可导轨510竖直运动以调节其与抛光垫21之间的距离；作为导轨510的一种可替换的变体，其也可形成如导轨520的形式，导轨520沿外壳501的侧面的外表面斜向延伸，其与水平面的夹角为30度至60度，优选为45度。

此外，如图3所示，为了使光学传感器单元503能够近距离的监测抛光垫21表面的细微特征等，可以增设内滑轨530B并将光学传感器单元503设置于内滑轨530B的下端，内滑轨530B可移动地套设在外滑轨530A中并可沿外滑轨530A移动以调整传感器单元503与抛光垫21上表面之间的距离，图3中虚线部分示出了内滑轨530B带动光学传感器单元503向下竖直移动后的状态，可见，此时光学传感器单元503已处于接近抛光头10的上表面所在的平面并且可以继续向下移动延伸直至接触抛光垫21。

通过使光学传感器单元503随内导轨530B向下竖直移动至与抛光垫21的上表面接触，可以便于光学传感器单元503近距离地监测抛光头10和抛光垫21的作业状态，例如监测承载头10的外周积累的结晶颗粒情况、监测抛光垫21表面的污染物、颗粒物、杂质等情况、和/或抛光垫21的厚度及磨损等。

尽管没有示出，但作为根据本实用新型的承载头驱动组件50的变体，外滑轨530A、内滑轨530B以及安装在内滑轨530B下端的光学传感器单元503也可以设置在外壳501的内部，当需要使用光学传感器单元503时，内导轨530B携带光学传感器单元503向下竖直移动从外壳501的底部伸出。类似的，也可以在承载头驱动组件50的外壳501的外表面设置多条类似的导轨，使得设置在其表面的多个光学传感器单元均可沿相应的导轨移动以改变其位置，所述光学传感器单元的数量可以是1个、2个、3个或者更多，并且这些光学传感器单元502或503可以形成为包括红外热成像传感器、透镜组、角度调节部等，使得所述红外热成像传感器可以改变其视场的位置和角度以获取不同部件表面的温度梯度图像。此外，也可在外壳501的外表面设置光学投影器(未示出)，所述光学投影器可投射不同形式及图案的红外光、紫外光、白光等，其图案可以是条纹结构光、散斑结构光等，以与所述红外热成像传感器配合测量抛光垫21的表面形貌、抛光液的分布及厚度、抛光头周围的弓波(Bow Wave)等，并且所述光学投影器可以包括两个或两个以上的投影部，以投射出不同形式的光、光学图案及其组合，并且所述光学投影器可以形成为LED光源、LCD光源。

容易想到的是，所述光学投影器可以与红外热成像传感器封装成为一体，成为光学传感器单元并一起移动，光学传感器单元502、503也可以用于监控抛光头10所接收的晶圆是否出现滑片(Wave Slip)现象以及抛光液在抛光垫21表面的流速等；优选的，光学传感器单元502、503中红外热成像传感器的图像传感器采用每秒采集率超过500帧的高速图像传感器，优选采用每秒采集率超过2000帧的高速图像传感器以实时监控晶圆是否出现滑片(Wafer Slip)现象及抛光液的流动等。

优选的，根据本实用新型的承载头驱动组件50配置有至少两个光学传感器单元，从而便于通过双目成像的方式或结构光投影的方式获得抛光垫21的三维表面形貌和抛光液的分布情况。

此外，光学传感器单元502、503中的透镜组和图像传感器也可配置成可转动或可调节角度的，其角度位置可以根据化学机械抛光的工艺进程进行调整，也可以根据监测到的图像数据的分析结果来进行调整；或者如图4中的红外热成像传感器5033和5035那样，使得光学传感器单元中的透镜组和图像传感器朝向承载头10的边缘及底部安装，使得当承载头10处于作业状态时或抬升起后，所述光学传感器单元可向下移动以获取承载头10的保持环(未示出)的厚度及磨损情况。

进一步的，每个光学传感器单元502、503中可装有两组及以上的红外热成像传感器及获取不同角度的图像信息，例如光学传感器单元502、503中设置有朝向承载头10的下部的保持环边缘获取图像的红外热成像传感器5033，也可设置朝向供液器40的供液喷嘴配的红外热成像传感器以监测抛光液滴落的液滴大小和液滴流速等。图4示出了光学传感器单元503的另一种变体，可包括：基体5030、固连至基体5030并驱动基体5030移动的内滑轨530B、设置于基体5030底部的红外热成像传感器5031和光学投影器5032、设置于基体5030的朝向承载头10的侧面的以获取承载头10及保持环状态的红外热成像传感器5033，其中基体5030形成为近似立方体的形状，具有大体竖直的四个侧壁或圆周状侧壁；容易理解的是，尽管没有示意出，也可以在侧壁上设置红外热成像传感器和光学投影器，以通过结构光投影测量的方式获取保持环边缘粘连的抛光液结晶层的厚度和形貌特征，另外，也可以在基体5030的上表面设置红外热成像传感器5035以通过将承载头10提升起并将光学传感器单元503移动至基体5030下方，从而使得红外热成像传感器5035获取承载头10底部和下部的图像；本申请的技术方案中，红外热成像传感器也可替换地形成为用于测量温度的非接触式和/或接触式的温度传感器，例如红外温度传感器等以检测抛光垫的温度、抛光液的温度、保持环的温度、承载头不同部分的温度等。

图5示出了光学传感器单元503实施例的另一种变体，其通过一种具有弧面壁5043的基体504来配置一套可以变换取景角度的红外热成像传感器5041和/或光学投影器5042，红外热成像传感器5041和/或光学投影器5042可沿弧面壁5043移动如箭头所示方向来回移动，当移动到弧面壁5043下方时，红外热成像传感器5041和/或光学投影器5042对准抛光垫21的上表面以测量其表面的磨损、厚度、抛光液分布、温度等信息数据，当其移动至弧面壁5043上方时，则对准承载头10的侧面以监测承载头10表面的抛光液结晶情况及保持环的污染、保持环的消耗等情况，并且也可以监测保持环磨损情况等；作为图6中示出的光学传感器单元503实施例的另一种变体。

容易理解的是，所述光学传感器单元502或503也可以设置成具有至少一个固定角度或可调节角度的红外热成像传感器或多个朝不同方向设置的红外热成像传感器以获取抛光垫的上表面的不同作业区域的温度梯度图像。

如图6所示，根据本实用新型的具有温控模块的化学机械抛光装置的温控模块除按照上述描述包括用于检测温度梯度分布的光学传感器单元502和503外，还包括用于调节抛光盘20与抛光垫21的温度的冷却模块，该冷却模块进一步包括冷却供液单元8和冷却管路单元6；其中冷却管路单元6包括多组可独立控制的冷却管路组61、62和63，这些冷却管路组分别经由独立的电磁控制阀71、72和73控制以调节经由独立的供液管81、82和83通入其中每组冷却管路组的冷却介质的流量；容易理解的是，所述电磁控制阀71、72和73控制流入供液管81、82和83及冷却管路组61、62和63的控制信号是根据上述光学传感器单元502和/或503的红外热成像传感器所测量的诸如抛光垫21表面的温度梯度图像(即不同部位的温度)生成的，对于温度较高的区域则经由电磁控制阀控制相应的冷却管路组通入相对多的冷却介质。

考虑到在化学机械抛光作业期间，外壳501底部距离抛光垫21的表面的距离一般为18-28cm，所述红外热成像传感器中的至少有一个的分辨率可设置为超过640×480像素，以实现在捕获抛光垫表面全场清晰地温度梯度图像。

所述每组冷却管路组包括不同圈数环状冷却管，其中位于抛光盘20的径向中部的冷却管路组62的冷却管的数量高于位于抛光盘的圆周外侧的冷却管路组61的冷却管的圈数，换言之，位于抛光盘20的径向中部的冷却管路组62的冷却管的密度高于位于抛光盘的圆周外侧的冷却管路组61的密度，从而实现相对更优的冷却效果。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本实用新型的构思，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实用新型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实用新型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实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型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，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种具有温控模块的化学机械抛光装置，其特征在于：包括：抛光盘，用于使抛光垫与其一起旋转；承载头，其配置有保持环以接收晶圆并将晶圆加载于所述抛光垫；承载头驱动装置，该驱动装置包括电机、驱动轴、气动组件、外壳和控制单元；

所述电机和气动组件配置于所述外壳内，所述驱动轴从所述外壳底部伸出以将所述电机和气动组件的作用传递至承载头，所述外壳的外表面配置有光学传感器单元及用于致动该光学传感器单元的导轨，所述光学传感器单元可随所述导轨在所述外壳表面移动或移动至所述外壳下方，并且所述光学传感器单元具有至少一个可调节角度的红外热成像传感器或多个朝不同方向设置的红外热成像传感器以获取抛光垫的上表面的不同作业区域的温度梯度图像。

2.如权利要求1所述的化学机械抛光装置，其特征在于，所述光学传感器单元配置有第一红外热成像传感器、第二红外热成像传感器和第三红外热成像传感器，所述第一红外热成像传感器向上设置在所述光学传感器单元的顶部以获取所述承载头底部的温度梯度图像，所述第二红外热成像传感器水平设置在所述光学传感器单元的侧面上以获取所述承载头圆周表面的温度梯度图像，所述第三红外热成像传感器向下设置在所述光学传感器单元的底部以获取抛光垫表面的温度梯度图像。

3.如权利要求2所述的化学机械抛光装置，其特征在于，所述红外热成像传感器中的至少有一个的分辨率超过640×480像素。

4.如权利要求1所述的化学机械抛光装置，其特征在于，所述光学传感器单元可移动至接近抛光垫，以测量不同视场范围的温度梯度图像，从而获得不同清晰度的温度梯度图像。

5.如权利要求1所述的化学机械抛光装置，其特征在于，所述抛光盘的上表面中嵌设有多组独立的冷却管路。

6.如权利要求5所述的化学机械抛光装置，其特征在于，所述多组独立的冷却管路中的每组冷却管路分别单独由电磁阀控制，以调控其通入冷却水的流量。

7.如权利要求5所述的化学机械抛光装置，其特征在于，所述多组独立的冷却管路中的每组冷却管路分别经由单独的电磁阀交汇连接至主供液管路。

8.如权利要求5所述的化学机械抛光装置，其特征在于，所述多组独立的冷却管路中的每组冷却管路均同心的环绕所述抛光盘的轴线设置。

9.如权利要求8所述的化学机械抛光装置，其特征在于，所述多组独立的冷却管路中的每组冷却管路包括不同圈数环状冷却管，其中位于中部的冷却管路的冷却管的数量高于位于抛光盘的圆周外侧的冷却管路的冷却管的圈数。

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