CN213081116U - 化学机械研磨装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种化学机械研磨装置。所述化学机械研磨装置中，温度控制模块获得研磨垫表面的实时研磨温度后，向研磨液供给模块发送对应的第一设定温度的目标值，并向冷却液供给模块发送对应的第二设定温度的目标值，研磨液供给模块将具有第一设定温度的研磨液喷涂到研磨垫上，且冷却液供给模块将具有第二设定温度的冷却液输出到压板内的冷却液循环通道，实现了对研磨温度的实时调节，有助于提高研磨稳定性以及研磨精度，同时可以减小研磨过程中在被研磨件上产生的凹坑和腐蚀缺陷，提高了研磨质量。

Description

化学机械研磨装置

技术领域

本实用新型涉及化学机械研磨技术领域，特别涉及一种化学机械研磨装置。

背景技术

化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing，CMP)工艺目前被广泛用于半导体制造过程中的表面平坦化工艺处理，根据研磨对象不同可分为硅研磨(Poly CMP)、硅氧化物硏磨(Oxide CMP)、钨硏磨(W CMP) 和铜研磨(Cu CMP)等。

图1为现有的一种化学机械研磨装置的剖面示意图。如图1所示，该化学机械研磨装置包括研磨头170、研磨垫120以及压板110(Platen)，其中，研磨垫120贴附在压板110上，在电机的带动下，研磨垫120随着压板110的转动而转动，被研磨件180(例如晶圆)夹持在研磨头170靠近研磨垫120的端面上。在研磨过程中，研磨头170带动被研磨件180在研磨垫120上转动，同时被研磨件180与研磨垫120接触的表面会与喷涂在研磨垫上的研磨液发生化学反应，生成的反应产物以及被研磨件表面的材料会被研磨垫上的研磨颗粒研磨去除，从而达到了对被研磨件进行化学机械研磨的目的。

但是，上述CMP装置在进行CMP工艺时存在研磨温度不稳定的问题，会对研磨质量产生不良影响。具体来说，在研磨过程中，被研磨件与研磨液发生化学反应会释放热量，研磨颗粒机械研磨去除化学反应产物和被研磨件表面的材料的过程也会释放大量的热，以及随着研磨时间的增加，研磨垫表面的温度也会逐渐增加，这些因素均会引起研磨温度逐渐升高，进而导致研磨速率发生变化，使得精确控制CMP工艺的难度增加，工艺窗口较窄，连续多次研磨的可重复性较差，且经研磨后的晶圆容易出现凹陷(dishing)以及腐蚀(erosion)等问题，导致研磨面的片内均一性较差，产品良率降低。而随着半导体工艺节点的不断缩小(特别是14nm以下的工艺节点)，对研磨稳定性和研磨均一性的要求越来越高，亟待解决研磨温度不稳定的问题。

实用新型内容

本实用新型提供一种化学机械研磨装置，可以对研磨过程中的研磨温度进行实时调节，从而可以提高研磨速率的稳定性，进而提高研磨质量。

本实用新型的化学机械研磨装置包括：

压板，具有相对的上表面和下表面，内部设置有冷却液循环通道；

研磨垫，贴附于所述压板上表面；

研磨液供给模块，用于调节研磨液的温度，并将具有第一设定温度的研磨液喷涂到所述研磨垫上；

冷却液供给模块，连接所述冷却液循环通道，所述冷却液供给模块用于调节冷却液的温度，并将具有第二设定温度的冷却液输入所述冷却液循环通道；

温度探测器，用于探测所述研磨垫表面的实时研磨温度；

温度控制模块，用于获得所述实时研磨温度，根据所述实时研磨温度和所述第一设定温度以及所述第二设定温度的第一对应关系表，得到所述第一设定温度和所述第二设定温度的目标值，并分别将所述第一设定温度的目标值发送至所述研磨液供给模块，以及将所述第二设定温度的目标值发送至所述冷却液供给模块。

可选的，所述研磨液供给模块包括：

混合罐；

多个研磨液存储罐；其中，每个所述研磨液存储罐分别与所述混合罐连接，每个所述研磨液存储罐存储有不同温度的研磨液，每个所述研磨液存储罐与所述混合罐连接的管路上设置有流量控制阀和抽液泵，从所述混合罐的输出端口流出的研磨液具有所述第一设定温度。

可选的，所述研磨液供给模块还包括设置于所述研磨垫上方的研磨液喷头，所述研磨液喷头的进液口与所述混合罐的输出端口连接。

可选的，所述冷却液供给模块包括多个冷却液存储罐、连接每个所述冷却液存储罐的分管道以及连接每个所述分管道的总管道，其中，每个所述冷却液存储罐内分别存储有不同温度的冷却液，每个所述分管道上均设置有流量控制阀，所述总管道上设置有抽液泵，所述抽液泵的输出端口流出的冷却液具有所述第二设定温度，所述抽液泵的输出端口连接所述冷却液循环通道的入口。

可选的，所述温度控制模块还根据所述实时研磨温度与所述冷却液的流速之间的第二对应关系表，得到所述冷却液的目标流速，并将所述目标流速发送至所述冷却液供给模块；所述冷却液供给模块在获得所述目标流速后，根据所述目标流速和所述流量控制阀的开度和所述抽液泵的抽速的第三对应关系表，调节所述流量控制阀的开度和所述抽液泵的抽速。

可选的，所述冷却液的目标流速为500ml/min～1500ml/min。

可选的，所述流量控制阀为比例阀。

可选的，所述温度探测器为接触式温度探测器，所述接触式温度探测器的检测端子设置于所述研磨垫表面。

可选的，所述温度探测器为红外温度检测仪，所述红外温度检测仪的探头设置在所述研磨垫的上方。

可选的，所述第一设定温度的范围为5℃～45℃，所述第二设定温度的范围为5℃～25℃。

本实用新型的化学机械研磨装置在研磨过程中利用具有第一设定温度的研磨液以及具有第二设定温度的冷却液对研磨垫进行实时降温，可以实现对研磨温度的实时调节，使得研磨温度相对稳定，提高了研磨速率的稳定性，进而提高了同一被研磨件内的研磨均匀性以及同一批次中不同被研磨件的研磨均一性，有助于提高研磨精度，增大了研磨工艺窗口，同时可以减小研磨过程中在被研磨件上产生的凹坑和腐蚀缺陷，提高研磨质量。

附图说明

图1为现有的一种化学机械研磨装置的剖面示意图。

图2为利用现有的化学研磨装置进行研磨的研磨速率随研磨时间变化的点状图。

图3为利用现有的化学研磨装置进行研磨的研磨速率随研磨垫温度变化的点状图。

图4为本实用新型一实施例的化学机械研磨装置的剖面示意图。

图5为本实用新型一实施例的化学机械研磨装置的研磨液供给模块的示意图。

图6为本实用新型一实施例的化学机械研磨装置的冷却液供给模块的示意图。

附图标记说明：

110-压板；111-冷却液循环通道；120-研磨垫；130-冷却液供给模块； 131-冷却液存储罐；140-研磨液供给模块；141-研磨液；142-研磨液喷头； 143-研磨液存储罐；144-混合罐；150-温度探测器；160-温度控制模块；170- 研磨头；180-被研磨件；10-流量控制阀；20-抽液泵。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的化学机械研磨装置作进一步详细说明。根据下面说明，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

如图1所示，虽然现有的化学机械研磨装置的压板110内设置有冷却液循环通道111，但是通常通入该冷却液循环通道111内的冷却液的温度和流量是固定的，且喷涂到研磨垫120表面上的研磨液温度也是固定的。发明人研究发现，研磨垫表面的温度(即研磨温度)与研磨过程中产生的摩擦热、研磨液温度、研磨垫下方的冷却液温度和流速以及研磨时间密切相关。图2为利用现有的化学研磨装置进行研磨的研磨速率随研磨时间变化的点状图。图3为利用现有的化学研磨装置进行研磨的研磨速率随研磨垫温度变化的点状图。如图2和图3所示，随着研磨时间的增加，被研磨件如硅晶圆与研磨垫接触的表面与研磨液发生化学反应释放的热量、研磨颗粒机械研磨过程中释放的热量会不断积累，使得研磨垫120表面的温度(即研磨温度)逐渐增加，进而导致研磨速率(Removal Rate)随着研磨垫表面的温度(Pad Temperature)提高而提升。也就是说，利用现有的化学机械研磨装置进行研磨时，随着研磨时间的增加，研磨垫表面的温度会逐渐增加(例如从25℃升到85℃)，研磨速率会变得不稳定，导致该装置的研磨均匀性和稳定性变差，研磨工艺窗口变窄，且研磨过程中产生的凹坑 (dishing)和腐蚀(Erosion)等研磨缺陷的概率变大，研磨质量较差，导致器件良率降低。

为了解决上述问题，本实施例提供一种化学机械研磨装置，图4为本实用新型一实施例的化学机械研磨装置的剖面示意图。如图4所示，所述化学机械研磨装置主要包括压板110、研磨垫120、研磨液供给模块140、冷却液供给模块130、温度探测器150和温度控制模块160。其中，所述压板110具有相对的上表面和下表面，所述研磨垫120贴附于所述压板110上表面，所述压板110内部设置有冷却液循环通道111。

所述研磨液供给模块140用于调节研磨液的温度，并将具有第一设定温度的研磨液141喷涂到所述研磨垫120上。

所述冷却液供给模块130连接所述冷却液循环通道111，所述冷却液供给模块130用于调节冷却液的温度，并将具有第二设定温度的冷却液输入所述冷却液循环通道111。

所述温度探测器150用于探测所述研磨垫120表面的实时研磨温度。

所述温度控制模块160用于获得所述实时研磨温度，根据所述实时研磨温度和所述第一设定温度以及所述第二设定温度的第一对应关系表，得到所述第一设定温度和所述第二设定温度的目标值，并分别将所述第一设定温度的目标值发送至所述研磨液供给模块140，以及将所述第二设定温度的目标值发送至所述冷却液供给模块130。

如图4所示，所述化学机械研磨装置还可以包括研磨头170，所述研磨头170位于所述压板110上方，所述研磨头170靠近所述研磨垫120的端部用于夹持被研磨件180，所述研磨头170带动所述被研磨件180在所述研磨垫120上转动，以对所述被研磨件180进行机械研磨。

上述化学机械研磨装置中，由于所述研磨液供给模块140向研磨垫喷涂的研磨液具有第一设定温度且所述冷却液供给模块130提供的冷却液具有第二设定温度，且在所述第一对应关系表中，实时研磨温度越高，对应的第一设定温度以及第二设定温度越低，可以提高研磨液和冷却液对研磨垫的降温效果，实现了对研磨垫120表面温度(研磨温度)的有效调节，提高了研磨速率的稳定性。

以下结合附图对上述化学机械研磨装置中的具体结构进行说明。

本实施例中，在平行于所述研磨垫120的平面上，所述冷却液循环通道111可以为螺旋状，所述冷却液循环通道111均匀铺设于所述研磨垫下方，所述冷却液循环通道111的进液口可以设置于所述螺旋状的外围，所述冷却液循环通道111的出液口可以设置在所述螺旋状的中间。在另一实施例中，所述冷却液循环通道111的平面形状也可以是同心圆状。

图5为本实用新型一实施例的化学机械研磨装置的研磨液供给模块的示意图。如图5所示，所述研磨液供给模块140可以包括混合罐144和多个研磨液存储罐143，其中，每个所述研磨液存储罐143分别与所述混合罐144连接，每个所述研磨液存储罐143可以存储有不同温度的研磨液，每个所述研磨液存储罐143与所述混合罐144连接的管路上设置有流量控制阀10和抽液泵20，从所述混合罐144的输出端口流出的研磨液的温度为利用混合方法调整后的温度，即上述第一设定温度。所述第一设定温度的范围可以为5℃～25℃。所述流量控制阀可以为比例阀。

具体的，所述研磨液供给模块140还可以包括研磨液喷头142，所述研磨液喷头142可以设置于所述研磨垫120上方，所述研磨液喷头142的进液口与所述混合罐144的输出端口连接，所述研磨液喷头142将具有第一设定温度的研磨液141喷涂到所述研磨垫120上表面。

本实施例中，所述研磨液供给模块140可以存储有每个研磨液存储罐 143内研磨液的温度值，以及第一设定温度与每个流量控制阀的开度和抽液泵抽速之间具有一一对应关系，在获得第一设定温度的目标值后，根据该对应关系直接得到每个流量控制阀的开度和抽液泵抽速，并通过调整所述流量控制阀10使其达到对应的开度，且调整所述抽液泵20使其达到对应的抽速，使得经混合罐144混合后的研磨液具有第一设定温度。

在其它实施例中，研磨液供给模块可以包括热交换机，所述热交换机可以安装于所述混合罐的输出端口与研磨液喷头的进液口间的连接管路上，以调节研磨液温度，使研磨液具有第一设定温度。所述热交换机具有本领公知的结构。

由于研磨垫120表面的温度还会受到通入冷却液循环通道111内的冷却液的降温强度的影响，为了提高研磨温度的控制精度，本实施例还会对冷却液供给模块130提供的冷却液温度进行调控。

图6为本实用新型一实施例的化学机械研磨装置的冷却液供给模块的示意图。如图6所示，所述冷却液供给模块130可以包括多个冷却液存储罐131、连接每个所述冷却液存储罐131的分管道以及连接每个所述分管道的总管道，其中，每个所述冷却液存储罐131内可以分别存储有不同温度的冷却液，每个所述分管道上均设置有流量控制阀10，所述总管道上设置有抽液泵20，所述抽液泵133的输出端口流出的冷却液具有第二设定温度，所述抽液泵133的输出端口连接所述冷却液循环通道111的入口。所述第二设定温度的范围可以为5℃～45℃。所述流量控制阀可以为比例阀，以便于精确控制流量。所述冷却液可以为水、乙二醇型(例如乙二醇混合液)或乙醇型(例如乙醇混合液)。

所述冷却液供给模块可以存储有每个冷却液存储罐内冷却液的温度值，以及第二设定温度与各个冷却液存储罐之间具有一一对应关系，在获得第二设定温度的目标值后，根据该对应关系直接打开存储有相应温度的冷却液的冷却液存储罐并关闭其它的冷却液存储罐，以抽出适应温度的冷却液，从而实现对冷却液温度的调节，使得输入冷却液循环通道内的冷却液具有第二设定温度。一实施例中，所述冷却液供给模块可以包括触发器，所述触发器在接收到所述第二设定温度的目标值后触发打开存储有相应温度的冷却液的冷却液存储罐对应的流量控制阀并关闭其它的冷却液存储罐对应的流量控制阀。

在其它实施例中，冷却液供给模块还可以包括热交换机，所述热交换机可以安装于所述冷却液供给模块中输出冷却液的总管道上，以调节该模块输出的冷却液的温度，使得输入所述冷却液循环通道的冷却液具有第二设定温度。所述热交换机具有本领域公知的结构。

优选方案中，为了更及时地调节研磨温度，例如当研磨温度上升时，除了通过降低喷涂的研磨液温度(即上述第一设定温度)和进入冷却液循环通道的冷却液温度(即上述第二设定温度)之外，还可以进一步通过调整冷却液进入冷却液循环通道的流速来降低研磨温度。具体的，所述温度控制模块160还可以根据所述实时研磨温度与所述冷却液的流速的第二对应关系表，得到所述冷却液的目标流速，并将所述目标流速发送至所述冷却液供给模块130，所述第二对应关系表中，所述实时研磨温度越高，对应的冷却液流速越大，以便于对研磨垫120进行降温；所述冷却液供给模块130可以在获得所述目标流速后，根据所述目标流速和所述流量控制阀的开度和所述抽液泵的抽速的第三对应关系表，调节所述流量控制阀的开度和所述抽液泵的抽速，使得冷却液以目标流速进入所述冷却液循环通道。所述冷却液的目标流速可以为500ml/min～1500ml/min。

表一为实时研磨温度与第一设定温度以及第二设定温度的第一对应关系表。例如，研磨液供给模块140包括两个研磨液存储罐143，分别存储 10℃和25℃的研磨液，冷却液供给模块130可以包括三个冷却液存储罐 131，分别存储有温度为15℃、20℃和25℃的冷却液。如表一所示，在研磨垫表面的实时研磨温度T在25℃≤T＜35℃的范围内时，所述第一设定温度的目标值为25℃，即喷涂到研磨垫表面的研磨液的目标温度为25℃，第二设定温度的目标值为25℃，即冷却液供给模块输出的冷却液的目标温度为25℃，此时，所述温度控制模块160将上述目标值分别发送至研磨液供给模块140和冷却液供给模块130。研磨液供给模块140收到25℃的第一设定温度目标值后，调整模块中的流量控制阀的开度和抽液泵的抽速，将两种温度的研磨液抽到混合罐144中进行混合，得到25℃的研磨液。冷却液供给模块130在收到25℃的第二设定温度目标值后，打开存储有25℃冷却液的冷却液存储罐对应的流量控制阀并关闭其它冷却液存储罐对应的流量控制阀，使得抽液泵的输出端口输出的冷却液温度为25℃。

表一

表二为实时研磨温度与冷却液流速目标值的第二对应关系表。进一步的，如表2所示，在研磨垫表面的实时研磨温度T在25℃≤T＜35℃的范围内时，所述冷却液的目标流速为500ml/min，温度控制模块160将该目标值发送至冷却液供给模块130。冷却液供给模块130在接收到500ml/min 的目标流速后，通过调整25℃冷却液存储罐对应的流量控制阀的开度，并调整该模块中的抽液泵的抽速，使得冷却液供给模块130输出的冷却液的流速达到500ml/min的目标值。

表二

本实施例中，温度探测器150在探测到研磨垫120表面的实时研磨温度后，将信号传输给温度控制模块160。本实施例中，所述温度探测器150 可以为接触式温度探测器，所述接触式温度探测器的检测端子设置于所述研磨垫120，以便于所述检测端子检测研磨垫120表面的温度。另一实施例中，所述温度探测器可以为红外温度检测仪，所述红外温度检测仪的探头设置在所述研磨垫120的上方。

利用本实施例的化学机械研磨装置，在研磨过程中，被研磨件表面与研磨液发生化学反应以及研磨粒子机械研磨被研磨件表面产生的热量会导致研磨温度上升，此时，温度探测器150可以探测研磨垫表面的实时研磨温度，温度控制模块160在获得研磨垫120表面的实时研磨温度后，向研磨液供给模块140发送对应的第一设定温度的目标值，并向冷却液供给模块130发送对应的第二设定温度的目标值以及冷却液的目标流速，接着，研磨液供给模块140将具有第一设定温度的研磨液喷涂到研磨垫120上，且冷却液供给模块130将具有第二设定温度以及目标流速的冷却液输入压板内的冷却液循环通道111，可以降低研磨垫120表面的实时研磨温度。

可见，本实施例的化学机械研磨装置可以实现对研磨垫表面温度的实时调节，即可以对研磨温度进行实时调节，使得研磨温度相对稳定，提高了研磨速率的稳定性，进而提高了同一被研磨件内的研磨均匀性以及同一批次中不同被研磨件的研磨均一性，有助于提高研磨精度，增大了研磨工艺窗口，同时可以减小研磨过程中在被研磨件上产生的凹坑和腐蚀缺陷，提高研磨质量。

上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种化学机械研磨装置，其特征在于，包括：

压板，具有相对的上表面和下表面，内部设置有冷却液循环通道；

研磨垫，贴附于所述压板上表面；

研磨液供给模块，用于调节研磨液的温度，并将具有第一设定温度的研磨液喷涂到所述研磨垫上；

冷却液供给模块，连接所述冷却液循环通道，所述冷却液供给模块用于调节冷却液的温度，并将具有第二设定温度的冷却液输入所述冷却液循环通道；

温度探测器，用于探测所述研磨垫表面的实时研磨温度；

温度控制模块，用于获得所述实时研磨温度，根据所述实时研磨温度和所述第一设定温度以及所述第二设定温度的第一对应关系表，得到所述第一设定温度和所述第二设定温度的目标值，并分别将所述第一设定温度的目标值发送至所述研磨液供给模块，以及将所述第二设定温度的目标值发送至所述冷却液供给模块。

2.如权利要求1所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述研磨液供给模块包括：

混合罐；

多个研磨液存储罐；其中，每个所述研磨液存储罐分别与所述混合罐连接，每个所述研磨液存储罐存储有不同温度的研磨液，每个所述研磨液存储罐与所述混合罐连接的管路上设置有流量控制阀和抽液泵，从所述混合罐的输出端口流出的研磨液具有所述第一设定温度。

3.如权利要求2所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述研磨液供给模块还包括设置于所述研磨垫上方的研磨液喷头，所述研磨液喷头的进液口与所述混合罐的输出端口连接。

4.如权利要求3所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述冷却液供给模块包括多个冷却液存储罐、连接每个所述冷却液存储罐的分管道以及连接每个所述分管道的总管道，其中，每个所述冷却液存储罐内分别存储有不同温度的冷却液，每个所述分管道上均设置有流量控制阀，所述总管道上设置有抽液泵，所述抽液泵的输出端口流出的冷却液具有所述第二设定温度，所述抽液泵的输出端口连接所述冷却液循环通道的入口。

5.如权利要求4所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述温度控制模块还根据所述实时研磨温度与所述冷却液的流速的第二对应关系表，得到所述冷却液的目标流速，并将所述目标流速发送至所述冷却液供给模块；所述冷却液供给模块在获得所述目标流速后，根据所述目标流速与所述流量控制阀的开度和所述抽液泵的抽速的第三对应关系表，调节所述流量控制阀的开度和所述抽液泵的抽速。

6.如权利要求5所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述冷却液的目标流速为500ml/min～1500ml/min。

7.如权利要求2至6任一项所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述流量控制阀为比例阀。

8.如权利要求1所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述温度探测器为接触式温度探测器，所述接触式温度探测器的检测端子设置于所述研磨垫表面。

9.如权利要求1所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述温度探测器为红外温度检测仪，所述红外温度检测仪的探头设置在所述研磨垫的上方。

10.如权利要求1所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述第一设定温度的范围为5℃～45℃，所述第二设定温度的范围为5℃～25℃。

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