CN216940138U - 一种用于化学机械抛光的修整装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于化学机械抛光的修整装置及系统，所述修整装置包括固定座、摆臂和修整器，所述修整器设置于摆臂的端部并绕固定座摆动；所述修整器包括修整头和检测组件，所述修整头用于修整抛光垫，所述检测组件与修整头在水平方向相邻设置以检测抛光垫的形貌。

Description

一种用于化学机械抛光的修整装置及系统

技术领域

本实用新型属于化学机械抛光技术领域，具体而言，涉及一种用于化学机械抛光的修整装置及系统。

背景技术

集成电路产业是信息技术产业的核心，在助推制造业向数字化、智能化转型升级的过程中发挥着关键作用。芯片是集成电路的载体，芯片制造涉及集成电路设计、晶圆制造、晶圆加工、电性测量、切割封装和测试等工艺流程。其中，化学机械抛光属于晶圆制造工序中的五大核心制程之一。

化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing, CMP）是一种全局平坦化的超精密表面加工技术。化学机械抛光通常将晶圆吸合于承载头的底面，晶圆具有沉积层的一面抵接抛光垫上表面，承载头在驱动组件的致动下与抛光垫同向旋转并给予晶圆向下的载荷；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，使得晶圆在化学和机械的共同作用下完成晶圆的化学机械抛光。

抛光过程中，为保证抛光垫具有良好的表面特性、抛光垫表面沟槽能够容纳更多的抛光液，高效稳定地去除待抛光材料，需要使用修整器对抛光垫表面进行修整处理。修整器的底部配置修整盘（Disk），修整盘的底面镶嵌有金刚石颗粒；修整器给予修整盘一个下压力和旋转力矩，修整盘在抛光垫表面相对运动，以修整抛光垫表面。

修整过程中，抛光垫各个区域受到的作用力可能存在差异，进而在抛光垫的上表面形成高低不同的凹凸。现有技术中，一般通过测量修整盘的位置变化，从而间接判定抛光垫的形貌。由于修整盘的外径一般为100mm以上，致使其识别抛光垫表面凹凸的精度不高。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种用于化学机械抛光的修整装置及系统，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用于化学机械抛光的修整装置，包括固定座、摆臂和修整器，所述修整器设置于摆臂的端部并绕固定座摆动；所述修整器包括修整头和检测组件，所述修整头用于修整抛光垫，所述检测组件与修整头在水平方向相邻设置以检测抛光垫的形貌。

在一个实施例中，所述检测组件包括形貌检测件，所述形貌检测件随所述摆臂移动，以检测抛光垫各个区域的形貌。

在一个实施例中，所述形貌检测件能够沿竖直方向移动，以调节其与抛光垫的距离。

在一个实施例中，所述形貌检测件为接触式传感器，其抵接抛光垫并跟随抛光垫起伏；所述形貌检测件测量其与抛光垫下方的抛光盘之间的距离，从而获取抛光垫的形貌。

在一个实施例中，所述检测组件还包括驱动件，所述驱动件与形貌检测件连接以驱动形貌检测件竖向移动并能够使形貌检测件跟随抛光垫的起伏而移动。

在一个实施例中，所述形貌检测件为电容式传感器、电涡流传感器或电感式传感器。

在一个实施例中，所述检测组件还包括罩设在形貌检测件外周的防护罩。

在一个实施例中，所述防护罩由非金属材料制成，其至少包敷于形貌检测件的底部。

在一个实施例中，所述检测组件还包括接近开关，以检测所述形貌检测件的竖向位置。

本实用新型实施例的第二方面提供了一种化学机械抛光系统，包括抛光盘、承载头和供液装置，其还包括如上所述的修整装置。

本实用新型的有益效果包括：

a.将测量抛光垫形貌的检测组件与修整头水平相邻设置，以减少或避免修整头的驱动部件对形貌检测精度的影响；

b.检测组件中的形貌检测件能够紧贴抛光垫并随抛光垫起伏，通过测量形貌检测件与抛光垫下方的抛光盘的距离，以获取抛光垫的形貌；

c.形貌检测件的外周配置有自润滑的、非金属的防护罩，防护罩与抛光垫之间的摩擦系数较小，使得检测组件能够在抛光垫表面自如移动。

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，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是本实用新型一实施例提供的化学机械抛光系统的示意图；

图2是本实用新型一实施例提供的用于化学机械抛光的修整装置的结构示意图；

图3是本实用新型一实施例提供的修整器的结构示意图；

图4是图3中修整器的基座局部剖开的示意图；

图5是本实用新型一实施例提供的检测组件的示意图；

图6是图5中的检测组件经由形貌检测件中轴线的纵向剖视图；

图7是本实用新型一实施例提供的防护罩的示意图；

图8是本实用新型一实施例提供的形貌检测件的工作原理图。

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。

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。

在本实用新型中，“化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing, CMP）”也称为“化学机械平坦化（Chemical Mechanical Planarization, CMP）”，晶圆（Wafer, W）也称基板（Substrate），其含义和实际作用等同。抛光垫形貌（Profile）是指抛光垫的表面轮廓，即抛光垫表面各个区域高度信息的集合。

本公开内容的实施例总体上涉及在半导体器件制造工业中使用的化学机械抛光(CMP)单元，化学机械抛光时，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之间流动，抛光液在抛光垫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。

如图1所示，本实用新型一实施例提供的化学机械抛光系统包括修整装置100、抛光盘200、抛光垫、承载头300以及供液装置400。其中，抛光垫设置于抛光盘200上表面，抛光垫与抛光盘200一起旋转；可水平移动的承载头300设置于抛光垫上方，承载头300的底部吸合有待抛光的晶圆；修整装置100绕固定点摆动，其上配置的修整头104（图2示出）自身旋转并施加向下的载荷，以修整抛光垫表面；供液装置400设置于抛光垫上方，以将抛光液散布于抛光垫表面。

抛光作业时，承载头300将晶圆的待抛光面抵接抛光垫表面，承载头300做旋转运动以及沿抛光盘200的径向往复移动使得与抛光垫接触的晶圆表面被逐渐抛除；同时抛光盘200旋转，供液装置400向抛光垫表面喷洒抛光液。在抛光液的化学作用下，通过承载头300与抛光盘200的相对运动使晶圆与抛光垫摩擦以进行抛光。

修整装置100用于对抛光垫表面的修整和活化。使用修整装置100可以移除残留在抛光垫表面的杂质颗粒，例如抛光液中的研磨颗粒以及从晶圆表面脱落的废料等，以修整和活化抛光垫表面。

如图2所示，本实用新型一实施例提供的用于化学机械抛光的修整装置100包括固定座101和摆臂102，固定座101设置于抛光盘的外侧，摆臂102的一端设置于固定座101，其另一端配置有修整器103。摆臂102绕固定座101摆动，位于摆臂102端部的修整器103的底部镶嵌有金刚石颗粒，以对抛光垫表面进行修整和活化。

具体地，化学机械抛光期间，修整器103可以移除附着在抛光垫表面的杂质颗粒，例如抛光液中的研磨颗粒以及从晶圆表面脱落的废料等；修整器103还可以平整化由于抛光导致的抛光垫表面形变，保证抛光期间抛光垫表面形貌符合工艺要求，进而稳定晶圆的抛光去除速率，实现晶圆的全局平坦化。

为了使得修整工艺与抛光垫的起伏结构相匹配，需要对抛光垫的形貌进行准确检测。如图3所示，修整器103包括修整头104，其可转动的设置于基座105，修整头104用于修整抛光垫表面。

具体地，修整头104连接于驱动电机（未示出）的转轴，驱动电机位于基座105中，通过转轴带动修整头104旋转，修整头104的底部配置有镶嵌有金刚石的修整盘，以修整抛光垫表面。基座105为壳体结构，其一端连接于摆臂102的端部，带动修整头104旋转的驱动电机以及压力加载部件设置于基座105的内部。

图3中，修整器103还包括检测组件110，检测组件110能够测量抛光垫的形貌。进一步地，检测组件110与修整头104在水平方向相邻设置，以避免修整头104的修整作业对检测组件110测量的干扰，保证抛光垫形貌测量的准确性。

图3所示的实施例中，检测组件110靠近固定座101设置，而修整头104远离固定座101；从而使得，当摆臂102绕固定座101在抛光垫上方摆动时，检测组件110受到的振动干扰小于修整头104受到的振动干扰，以保证检测组件110测量的准确性。优选地，检测组件110的中心与修整头104的中心之间的间距为50-200mm。可以理解的是，检测组件110可以固定于摆臂102的下方，并且，在保证检测组件110能够扫掠抛光垫各个区域的前提下，尽量靠近固定座101的位置，以保证检测组件110测量的准确性。

图4是修整器103的结构示意图，基座105的局部剖开，以便清晰地展示检测组件110的部件构成及其连接关系。

检测组件110包括形貌检测件111，形貌检测件111设置于基座105，其能够随摆臂102移动，以检测抛光垫各个区域的形貌。进一步地，基座105的底板配置有贯通孔，形貌检测件111的至少部分经由所述贯通孔抵接于抛光垫的表面。具体地，形貌检测件111启动之后，可以检测形貌检测件111与抛光垫下方的抛光盘之间的距离，间接获取抛光垫的形貌。

进一步地，形貌检测件111的横截面积远小于修整盘的横截面积，如此设置，形貌检测件111能够更加精确的感知抛光垫的形貌特征，以提升形貌检测件111对抛光垫表面形貌的测量精度。图4示出的事例中，形貌检测件111为圆柱状结构，其外径为10-30mm ，优选为15mm。可以理解的是，形貌检测件111还可以是其他形状。

图5是检测组件110的示意图，检测组件110还包括驱动件112，驱动件112包括固定端和自由端，所述固定端与图4示出的基座105连接，自由端与形貌检测件111连接，驱动件112能够带动自由端沿竖直方向移动，进而调节形貌检测件111的竖向位置，使得形貌检测件111抵接于抛光垫并跟随抛光垫的起伏而移动。

图5中，驱动件112的自由端与连接板113连接，而形貌检测件111固定于连接板113。驱动件112能够带动形貌检测件111沿竖直方向移动，以改变形貌检测件111的竖向位置。若需要对抛光垫进行形貌检测，可以通过驱动件112将形貌检测件111朝向抛光垫移动，使得形貌检测件111始终抵接于抛光垫表面；若无需对抛光垫的形貌进行检测，可以通过驱动件112将相貌检测件111背离抛光垫移动。此外，形貌检测件111的竖向移动也可以适用于不同厚度的抛光垫的检测，以提高检测组件110的使用范围。

图4所示的实施例中，形貌检测件111为接触式传感器，其抵接于抛光垫并跟随抛光垫起伏；形貌检测件111测量其与抛光垫下方的抛光盘200（图1示出）之间的距离，从而获取抛光垫的形貌。

具体地，通过图5示出的驱动件112的自由端带动形貌检测件111向下移动，使得形貌检测件111抵接于抛光垫的上表面。驱动件112可以为气动滑台、丝杠模组或电缸模组等直线驱动模块，以实现形貌检测件111的竖向移动。

为了保证抛光垫形貌检测的准确性，需要形貌检测件111始终抵接于抛光垫表面，而形貌检测件111抵接的抛光垫尽量不发生形变或者发生微小的、大致一致的形变，以便准确获取抛光垫的形貌。

如图5所示，在一个实施例中，驱动件112为气动滑台，在形貌检测件111抵接于抛光垫表面后，气动滑台处于Vent状态，即气动滑台的气路连通大气，驱动件112的自由端能够自由浮动。此时，形貌检测件111抵接的抛光垫的变形量主要是其自身重量引起的，形貌检测件111的自重相对固定，对应的抛光垫的形变也相对固定，因此，上述实施方案能够控制形貌检测件111对抛光垫凹凸结构（微米级）的影响，保证抛光垫形貌测量的准确性。

在进行抛光垫形貌检测时，形貌检测件111摆动至抛光垫的凸起位置，形貌检测件111尚未下移至与抛光垫抵接时，形貌检测件111已经摆动至抛光垫的其他位置，即形貌检测件111存在上下移动延迟的问题。

为减少形貌检测件111上下移动的延迟而影响抛光垫形貌检测的精度，在利用驱动件112的自由端的上下浮动来测量抛光垫形貌时，形貌检测件111的移动速度不宜过快。

作为图5实施例的一个变体，驱动件112也可以给予形貌检测件111恒定的下压力，如0.1-5N，甚至更小，以保证形貌检测件111对抛光垫产生的形变较小且恒定，如1-5um，避免驱动件112的自由端上下移动的延迟对形貌测量精度的影响。上述变体方案实施时，修整装置100的摆臂102可以按照修整作业的工艺参数正常摆动，以满足工业应用的要求。

图4中，形貌检测件111为电涡流传感器。可以理解的是，形貌检测件111也可以为电容式传感器、电感式传感器，或者上述传感器的组合，以保证抛光垫形貌测量的准确性。形貌检测件111主要测量其与具有导电性的抛光盘的距离，间接获取抛光垫各个区域的高度变化。

图5中，检测组件110还包括防护罩114，防护罩114罩设在形貌检测件111外周，换句话说形貌检测件111位于防护罩114内部，以防止或降低化学机械抛光中使用的如抛光液、清洗液等化学液对形貌检测件111运行稳定性的影响及防止锈蚀，保障检测组件110运行的可靠性。

为了避免金属离子污染，同时避免防护罩114对抛光垫表面的划伤，防护罩114由非金属材料制成。优选地，防护罩114由聚四氟乙烯制成，其具有良好的自润滑性，以保证摆臂102带动形貌检测件111在抛光垫表面自如摆动。可以理解的是，防护罩114也可以由其他自润滑性良好的非金属材料制成，如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯硫醚等。

图7是防护罩114一个实施例的示意图，其为圆柱形壳体结构，防护罩114的顶部配置有固定部，所述固定部配置有固定孔，防护罩114自下而上罩设于形貌检测件111的外周，如图6所示，并且通过螺钉固定在连接板113的下部，以保障形貌检测件111运行的稳定性。

作为图7实施例的变体，防护罩114也可以至少包敷于形貌检测件111的底部，使得形貌检测件111与抛光垫的抵接的区域形成有效防护，保证检测组件110运行的稳定性。

图8是形貌检测件111为电涡流传感器的工作原理图，电涡流位移传感器能静态和动态地以非接触方式测量被测体距探头表面的距离，其具有高线性度、高分辨力的特点，电涡流传感器检测精度可以达到微米级，测量精度满足抛光垫形貌测量的要求。

形貌检测件111内部设置有电涡流线圈111a，而抛光垫为聚氨酯、橡胶等非导体材质，对产生电场干扰很小可以忽略。

电涡流线圈111a经由延伸电缆111b通入高频振荡的交变电流，在形貌检测件111的圆柱部的线圈中产生交变的磁场。

形貌检测件111在驱动件112的作用下抵接于抛光垫表面时，抛光盘200由金属制成，其具有导电性。若抛光垫的表面产生凹凸结构，使得形貌检测件111与抛光盘200之间的距离H发生变化；即两者距离的变化，具有导电性的抛光盘200产生反向的交变电磁场。

图8示出的距离H与电涡流线圈111a的阻抗呈近似线性关系，可以通过测量电涡流线圈111a的阻抗计算形貌检测件111与抛光盘200之间的距离H，减去防护罩114的厚度后，可以确定抛光垫各个区域的厚度，进而获得抛光垫的形貌。

图4所示的实施例中，检测组件110还包括接近开关115，接近开关115能够检测形貌检测件111的位置，具体地，当形貌检测件111向上移动至极限位置即连接板113抵接于接近开关115时，接近开关115被触发，从而可以确认检测组件110整体位于抛光垫上方。因此，接近开关115的设置，能够避免检测组件110的形貌检测件111与抛光盘发生碰撞。

图1中，修整装置100通常位于抛光盘200的外侧，在需要进行抛光垫形貌检测时，摆臂102朝向抛光盘摆动，使得检测组件110位于抛光垫的上方。为了避免形貌检测件111与抛光盘发生干涉，在摆臂102执行摆动之前，需要通过驱动件112将形貌检测件111上升至安全高度。即当图5示出的连接板113触发接近开关115后，形貌检测件111的底部高于抛光盘200上方的抛光垫的高度，如此保障检测组件110的可靠运行。

此外，本实用新型实施例的第二方面提供了一种化学机械抛光系统，其包括抛光盘200、承载头300和供液装置400，如图1所示，化学机械抛光系统还包括如上所述的修整装置100。

在化学机械抛光中，抛光垫形貌的检测通常根据抛光系统的运行状态来确定。在一些工程实践中，根据抛光垫加工晶圆的数量确定抛光垫形貌的检测频次。由于抛光垫为消耗品，其能够抛光晶圆的数量有限，可以根据抛光晶圆的数量灵活确定抛光垫形貌检测的时间，以便根据抛光垫形貌判定抛光垫是否需要更换，以合理利用抛光垫，避免抛光垫过度使用而致使抛光良品率降低，同时避免抛光垫未充分利用而浪费抛光成本。

可以理解的是，也可以在修整装置100每次进行修整作业时实施抛光垫的形貌检测，以实时获得抛光垫形貌的信息。化学机械抛光系统配置的控制系统可根据抛光垫形貌信息，灵活调整抛光工艺，以实现晶圆的全局平坦化，或者，满足晶圆表面某种特殊形貌的抛光。

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 (10)

1.一种用于化学机械抛光的修整装置，其特征在于，包括固定座、摆臂和修整器，所述修整器设置于摆臂的端部并绕固定座摆动；所述修整器包括修整头和检测组件，所述修整头用于修整抛光垫，所述检测组件与修整头在水平方向相邻设置以检测抛光垫的形貌。

2.如权利要求1所述的修整装置，其特征在于，所述检测组件包括形貌检测件，所述形貌检测件随所述摆臂移动，以检测抛光垫各个区域的形貌。

3.如权利要求2所述的修整装置，其特征在于，所述形貌检测件能够沿竖直方向移动，以调节其与抛光垫的距离。

4.如权利要求3所述的修整装置，其特征在于，所述形貌检测件为接触式传感器，其抵接抛光垫并跟随抛光垫起伏；所述形貌检测件测量其与抛光垫下方的抛光盘之间的距离，从而获取抛光垫的形貌。

5.如权利要求2所述的修整装置，其特征在于，所述检测组件还包括驱动件，所述驱动件与形貌检测件连接以驱动形貌检测件竖向移动并能够使形貌检测件跟随抛光垫的起伏而移动。

6.如权利要求2所述的修整装置，其特征在于，所述形貌检测件为电容式传感器、电涡流传感器或电感式传感器。

7.如权利要求6所述的修整装置，其特征在于，所述检测组件还包括罩设在形貌检测件外周的防护罩。

8.如权利要求7所述的修整装置，其特征在于，所述防护罩由非金属材料制成，其至少包敷于形貌检测件的底部。

9.如权利要求3所述的修整装置，其特征在于，所述检测组件还包括接近开关，以检测所述形貌检测件的竖向位置。

10.一种化学机械抛光系统，其特征在于，包括抛光盘、承载头和供液装置，其还包括如权利要求1至9任一项所述的修整装置。

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