CN211615261U - Cmp温度调节装置和化学机械抛光设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了CMP温度调节装置和化学机械抛光设备，其特征在于，用于在化学机械抛光时降低抛光垫和/或抛光液的温度，所述CMP温度调节装置包括温度调节辊、滑动连接机构、旋转接头、基座、流体管路和驱动机构；所述温度调节辊沿抛光垫表面滚动以通过与抛光垫接触进行热交换；所述温度调节辊表面形成有非金属隔离层。

Description

CMP温度调节装置和化学机械抛光设备

技术领域

本实用新型涉及晶圆的化学机械抛光技术领域，尤其涉及一种CMP温度调节装置和化学机械抛光设备。

背景技术

晶圆制造是制约超/极大规模集成电路（即芯片，IC，Integrated Circuit）产业发展的关键环节。随着摩尔定律的延续，集成电路特征尺寸持续微缩逼近理论极限，晶圆表面质量要求愈加苛刻，因而晶圆制造过程对缺陷尺寸和数量的控制越来越严格。化学机械抛光是晶圆制造工艺中非常重要的一个环节。抛光过程是利用承载头将晶圆压于抛光垫表面，依靠晶圆和抛光垫之间的相对运动并借助抛光液中的磨粒实现晶圆表面抛光。

在抛光过程中，由于晶圆与抛光垫之间的摩擦以及微观切削作用，将会产生大量的热导致温度过高。然而对于化学机械抛光来说，抛光液中的化学成分与晶圆表面的化学作用需要在一定温度下进行，如果温度过高，化学作用过快，化学作用与机械去除作用失衡，会使晶圆加工质量受到很大影响。因此，需要对化学机械抛光过程中的温度进行控制，并且同时避免引入金属离子污染。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种CMP温度调节装置和化学机械抛光设备，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本实用新型实施例的第一方面提供了一种CMP(即化学机械抛光，Chemicalmechanical polishing)温度调节装置，其特征在于，用于在化学机械抛光时降低抛光垫和/或抛光液的温度，所述CMP温度调节装置包括温度调节辊、滑动连接机构、旋转接头、基座、流体管路和驱动机构；所述温度调节辊沿抛光垫表面滚动以通过与抛光垫接触进行热交换；所述温度调节辊表面形成有非金属隔离层。

在一个实施例中，所述滑动连接机构包括轴承、轴套和锁紧螺帽；轴承与基座固定连接，轴套环绕所述杆体并与所述杆体之间通过锁紧螺帽固定；

所述温度调节辊与滑动连接机构固定连接，所述滑动连接机构与旋转接头固定连接，所述旋转接头与基座固定连接，所述基座与所述驱动机构连接以带动所述温度调节辊上下移动；

所述温度调节辊包括圆柱状的具有内部中空结构的杆体，所述杆体的一端封闭以防止抛光液进入所述内部中空结构，所述杆体的另一端设有开口以使所述流体管路穿过所述开口并深入所述内部中空结构，所述杆体的设有开口的一端与所述滑动连接机构固定连接以使所述杆体可绕其沿长度方向的中轴自由滚动；

所述流体管路穿过所述滑动连接机构的中间通孔并与所述旋转接头连接以通过所述旋转接头与外部的流体供给源连接；

所述温度调节辊由高导热率材料制成以通过流体管路内流通的低温流体使杆体保持低温，所述温度调节辊设于抛光垫上方并可下移至与抛光垫表面接触或与抛光垫表面的抛光液接触，从而使低温的杆体与转动的抛光垫接触时在摩擦力的作用下地自由滚动进而对抛光垫或抛光液进行冷却。在一个实施例中，所述流体管路包括进液管路和出液管路，所述进液管路和出液管路在所述内部中空结构内靠近所述杆体封闭一端汇合。

在一个实施例中，所述进液管路为弯曲盘旋状以增加在所述内部中空结构内的长度从而提高降温效果。

在一个实施例中，所述旋转接头通过管路与流体供给源连接，所述管路上设有流量控制阀以调节所述低温流体的流量从而改变所述温度调节辊的表面温度。

在一个实施例中，所述杆体的侧壁内设有应力传感器，用于检测所述杆体与抛光垫之间的压力以控制该压力不大于预设值从而减少所述杆体表面与抛光垫之间的摩擦。

在一个实施例中，CMP温度调节装置还包括安装在所述抛光垫上的温度传感器，用于检测所述抛光垫的抛光温度。

在一个实施例中，CMP温度调节装置还包括控制器，所述控制器分别与所述驱动机构、所述温度传感器、所述流量控制阀和所述压力传感器连接。

在一个实施例中，所述高导热率材料为碳化硅、氮化硅或氮化铝。

本实用新型实施例的第二方面提供了一种化学机械抛光设备，包括：

抛光盘，其上粘接有抛光垫；

承载头，用于吸附晶圆并将晶圆按压在抛光垫上进行旋转；

修整器，用于对抛光垫表面进行修整；以及，

如上所述的CMP温度调节装置。

本实用新型实施例的有益效果包括：通过使温度调节辊与抛光垫进行热交换，对与温度调节辊表面接触的抛光垫或抛光液进行温度调节，控制CMP作业温度并且避免引入金属离子污染。

附图说明

通过结合以下附图所作的详细描述，本实用新型的优点将变得更清楚和更容易理解，但这些附图只是示意性的，并不限制本实用新型的保护范围，其中：

图1为本实用新型一实施例提供的化学机械抛光设备的立体示意图；

图2为本实用新型一实施例提供的化学机械抛光设备的俯视图；

图3为本实用新型一实施例提供的CMP温度调节装置的截面图；

图4为本实用新型另一实施例提供的CMP温度调节装置的截面图；

图5为本实用新型一实施例提供的杆体沿宽度方向的截面图。

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。应当理解的是，除非特别予以说明，为了便于理解，以下对本实用新型具体实施方式的描述都是建立在相关设备、装置、部件等处于原始静止的未给与外界控制信号和驱动力的自然状态下描述的。

此外，还需要说明的是，本申请中使用的例如前、后、上、下、左、右、顶、底、正、背、水平、垂直等表示方位的术语仅仅是为了便于说明，用以帮助对相对位置或方向的理解，并非旨在限制任何装置或结构的取向。

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和图2所示，本实用新型一实施例提供的化学机械抛光设备1包括抛光盘10、粘接在抛光盘10上的抛光垫20、吸附晶圆并带动晶圆旋转的承载头30、修整抛光垫20的修整器40、向抛光垫20表面提供抛光液的供液部50、以及存片部60。

在抛光开始前，机械手将晶圆搬运至存片部60处，承载头30从存片部60装载晶圆后沿抛光盘10的径向移动至抛光盘10的上方。在化学机械抛光过程中，承载头30将晶圆按压在抛光盘10表面覆盖的抛光垫20上，抛光垫20的尺寸大于待抛光的晶圆的尺寸，例如为晶圆尺寸的1.2倍或更大，由此保证均匀地对晶圆进行抛光。承载头30做旋转运动以及沿抛光盘10的径向往复移动使得与抛光垫20接触的晶圆表面被逐渐抛除，同时抛光盘10旋转，供液部50向抛光垫20表面喷洒抛光液。在抛光液的化学作用下，通过承载头30与抛光盘10的相对运动使晶圆与抛光垫20摩擦以进行抛光。由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在晶圆与抛光垫20之间流动，抛光液在抛光垫20的传输和旋转离心力的作用下均匀分布，以在晶圆和抛光垫20之间形成一层液体薄膜，液体中的化学成分与晶圆产生化学反应，将不溶物质转化为易溶物质，然后通过磨粒的微机械摩擦将这些化学反应物从晶圆表面去除，溶入流动的液体中带走，即在化学成膜和机械去膜的交替过程中去除表面材料实现表面平坦化处理，从而达到全局平坦化的目的。在抛光期间，修整器40用于对抛光垫20表面形貌进行修整和活化。使用修整器40可以移除残留在抛光垫20表面的杂质颗粒，例如抛光液中的研磨颗粒以及从晶圆表面脱落的废料等，还可以将由于研磨导致的抛光垫20表面形变进行平整化，保证了在抛光期间抛光垫20表面形貌的一致性，进而使抛光去除速率保持稳定。在抛光完成后，承载头30吸附晶圆以将其放置在存片部60上，机械手从存片部60取得晶圆后将晶圆运送至后处理单元。

在抛光过程中，由于晶圆表面和抛光垫20之间的摩擦而产生大量的热，并且修整器40与抛光垫20之间的摩擦也会产生大量的热。抛光垫20表面的温度变化会导致晶圆去除速率、抛光均匀性等抛光性能参数发生变化。因此，本实用新型实施例提供了一种CMP温度调节装置70，用于在化学机械抛光时降低抛光垫20和/或抛光液的温度。

如图3和图4所示，CMP温度调节装置70包括温度调节辊71、滑动连接机构72、旋转接头73、基座74、流体管路75和驱动机构；

温度调节辊71与滑动连接机构72固定连接，滑动连接机构72与旋转接头73固定连接，旋转接头73与基座74固定连接，基座74与驱动机构连接以带动温度调节辊71上下移动。

温度调节辊71包括圆柱状的具有内部中空结构711的杆体712，杆体712的一端封闭以防止抛光液进入内部中空结构711，杆体712的另一端设有开口以使流体管路75穿过开口并深入内部中空结构711，杆体712的设有开口的一端与滑动连接机构72固定连接以使杆体712可绕其沿长度方向的中轴l ₀ 自由滚动。

流体管路75穿过滑动连接机构72的中间通孔并与旋转接头73连接以通过旋转接头73与外部的流体供给源连接。

温度调节辊71由高导热率材料制成以通过流体管路75内流通的低温流体使杆体712保持低温，温度调节辊71设于抛光垫20上方并可下移至与抛光垫20表面接触或与抛光垫20表面的抛光液接触，从而使低温的杆体712与转动的抛光垫20接触时在摩擦力的作用下被动地自由滚动进而对抛光垫20或抛光液进行冷却。

类似的，温度调节辊71由高导热率材料制成以通过流体管路75内流通的高温流体使杆体712保持相对高温，温度调节辊71设于抛光垫20上方并可下移至与抛光垫20表面接触或与抛光垫20表面的抛光液接触，从而使高温的杆体712与转动的抛光垫20接触时在摩擦力的作用下被动地自由滚动进而对抛光垫20或抛光液进行升温。

本实施例中，通过使温度调节辊71表面保持低温，对与温度调节辊71表面接触的抛光垫20或抛光液进行冷却，从而降低抛光温度。并且，温度调节辊71能够自由滚动，在抛光垫20旋转时，在温度调节辊71与抛光垫20之间的接触摩擦力的作用下，温度调节辊71绕自身的中轴l ₀ 被动的自由滚动，从而大大降低摩擦力，减少磨损。

根据本发明实施例的另一个方面，由于温度调节辊71的与抛光垫接触的部分通常由诸如金属等高导热率材料制成，其可能在于抛光垫接触的过程中引入致命的金属离子污染，温度调节辊71的表面局部或者全部涂覆、生长、镀设、喷丸形成有非金属隔离层7000，所述非金属隔离层7000由派瑞林(Parylene)或特氟龙(PTFE)等疏水性材料形成，所述隔离层的厚度大于等于0.02mm且小于等于2mm，优选为0.1-0.5mm。

如图2所示，抛光垫20的旋转方向如图2中箭头方向aa′所示，温度调节辊71的自由滚动方向如图2中箭头方向bb′所示。

在本实施例中，杆体712由高导热率材料制成。该高导热率材料需要既耐受抛光垫20的磨损又对抛光液具有高耐化学性。高导热率材料可以是陶瓷材料，例如碳化硅、氮化硅或氮化铝。杆体712的长度为0.8至1.2倍的抛光垫20半径。

如图3和图4所示，滑动连接机构72设置在基座74的通孔内。滑动连接机构72包括轴承721、轴套722和锁紧螺帽723；轴承721与基座74固定连接，轴套722环绕所述杆体712并与所述杆体712之间通过锁紧螺帽723固定。

基座74与驱动机构连接以实现上下移动，其中，驱动机构可以由直线电机实现，还可以由丝杠和电机组成，优选地，丝杠具有差动螺纹结构以通过微小位移实现温度调节辊71表面与抛光垫20或抛光液刚好接触并且温度调节辊71不紧压在抛光垫20上，控制温度调节辊71与抛光垫20之间的压力不能过压，从而避免温度调节辊71与抛光垫20之间由于摩擦造成磨损。

如图3和图4所示，流体管路75为循环管路，用于使低温流体流入流出。其中，低温流体的温度不高于20℃，以对抛光垫20或抛光液进行冷却。

流体管路75包括进液管路751和出液管路752，进液管路751和出液管路752在内部中空结构711内靠近杆体712封闭一端汇合。

如图3所示，作为一种实施方式，进液管路751为弯曲盘旋状以增加在内部中空结构711内的长度从而提高降温效果。

如图4所示，作为另一种实施方式，进液管路751延杆体712长度方向延伸。

可以理解的是，出液管路752也可以为弯曲盘旋状或者延杆体712长度方向延伸。

在一个实施例中，流体管路75与旋转接头73连接，旋转接头73通过管路与流体供给源（未示出）连接，管路上设有流量控制阀（未示出）以调节低温流体的流量从而改变温度调节辊71的表面温度。

在一个实施例中，杆体712的侧壁内设有应力传感器，用于检测杆体712与抛光垫20之间的压力以控制该压力不大于预设值从而减少杆体712表面与抛光垫20之间的摩擦。其中，预设值可以为20牛顿。

其中，应力传感器可以为应变片，位于杆体712侧壁的局部，以使杆体712与抛光垫20刚好接触但不会紧压在抛光垫20上从而降低摩擦力。

在一个实施例中，CMP温度调节装置70还包括安装在抛光垫20上的温度传感器，用于检测抛光垫20的抛光温度。

在一个实施例中，CMP温度调节装置70还包括控制器（未示出），控制器分别与驱动机构、温度传感器、流量控制阀和压力传感器连接。

控制器通过温度传感器检测到抛光温度过高时，例如高于50℃，使流量控制阀增大开度以提高流体流量。具体地，控制器通过温度传感器检测到抛光温度在第一温度范围，例如50℃至70℃，控制流量控制阀处于第一预设开度以使流体流量高于15L/min；控制器通过温度传感器检测到抛光温度在第二温度范围，例如40℃至50℃，控制流量控制阀处于第二预设开度以使流体流量在10L/min至15L/min之间；控制器通过温度传感器检测到抛光温度在第三温度范围，例如30℃至40℃，控制流量控制阀处于第三预设开度以使流体流量在5L/min至10L/min之间。优选地，预先设置抛光温度与流量控制阀开度的关系映射表，在抛光过程中，通过查表判断温度传感器实时检测到抛光温度所在的温度范围从而确定对应的流量控制阀开度，进而能够使抛光温度稳定在合适的工作范围内。

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 (8)

1.一种CMP温度调节装置，其特征在于，用于在化学机械抛光时降低抛光垫和/或抛光液的温度，所述CMP温度调节装置包括温度调节辊、滑动连接机构、旋转接头、基座、流体管路和驱动机构；

所述温度调节辊沿抛光垫表面滚动以通过与抛光垫接触进行热交换；

所述温度调节辊表面形成有非金属隔离层；

所述温度调节辊包括圆柱状的具有内部中空结构的杆体。

2.如权利要求1所述的CMP温度调节装置，其特征在于，所述滑动连接机构包括轴承、轴套和锁紧螺帽；轴承与基座固定连接，轴套环绕所述杆体并与所述杆体之间通过锁紧螺帽固定；

所述温度调节辊与滑动连接机构固定连接，所述滑动连接机构与旋转接头固定连接，所述旋转接头与基座固定连接，所述基座与所述驱动机构连接以带动所述温度调节辊上下移动；

所述杆体的一端封闭以防止抛光液进入所述内部中空结构，所述杆体的另一端设有开口以使所述流体管路穿过所述开口并深入所述内部中空结构，所述杆体的设有开口的一端与所述滑动连接机构固定连接以使所述杆体可绕其沿长度方向的中轴自由滚动；

所述流体管路穿过所述滑动连接机构的中间通孔并与所述旋转接头连接以通过所述旋转接头与外部的流体供给源连接；

所述温度调节辊由高导热率材料制成以通过流体管路内流通的低温流体使杆体保持低温，所述温度调节辊设于抛光垫上方并可下移至与抛光垫表面接触或与抛光垫表面的抛光液接触，从而使低温的杆体与转动的抛光垫接触时在摩擦力的作用下地自由滚动进而对抛光垫或抛光液进行冷却。

3.如权利要求1所述的CMP温度调节装置，其特征在于，所述流体管路包括进液管路和出液管路，所述进液管路和出液管路在所述内部中空结构内靠近所述杆体封闭一端汇合。

4.如权利要求3所述的CMP温度调节装置，其特征在于，所述进液管路为弯曲盘旋状以增加在所述内部中空结构内的长度从而提高降温效果。

5.如权利要求1所述的CMP温度调节装置，其特征在于，所述旋转接头通过管路与流体供给源连接，所述管路上设有流量控制阀以调节流经管路的低温流体的流量从而改变所述温度调节辊的表面温度。

6.如权利要求1所述的CMP温度调节装置，其特征在于，所述杆体的侧壁内设有应力传感器，用于检测所述杆体与抛光垫之间的压力以控制该压力不大于预设值从而减少所述杆体表面与抛光垫之间的摩擦。

7.如权利要求1所述的CMP温度调节装置，其特征在于，还包括安装在所述抛光垫上的温度传感器，用于检测所述抛光垫的抛光温度。

8.一种化学机械抛光设备，其特征在于，包括：

抛光盘，其上粘接有抛光垫；

承载头，用于吸附晶圆并将晶圆按压在抛光垫上进行旋转；

修整器，用于对抛光垫表面进行修整；以及，

如权利要求1至7任一项所述的CMP温度调节装置。

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