TW379161B

TW379161B - A chemical mechanical polishing system and method therefor

Info

Publication number: TW379161B
Application number: TW087117972A
Authority: TW
Inventors: James F Vanell
Original assignee: Motorola Inc
Priority date: 1997-11-03
Filing date: 1998-10-29
Publication date: 2000-01-11
Also published as: SG68697A1; CN1216266A; KR19990044935A; US6107203A; JPH11216666A

Description

五、發明說明（1) I 1 先前申請案之參照 i j ! | 本案已於一九九七年十一月三日在美國提出申請，專利 | !申請號碼08/963, 486。丨 i j

i發明背景 I 本發明大致上係關於化學機械式平面化（CMP)系統，特 |

別是關於兩於化學機械式平靣化系統之泵。 I 化學機械式平面化（亦稱化學機械研磨）係先進積體電路| 製造過程中一確實有效之方法，在半導體裝置之每一製造 i ,· i階段幾乎均加以使埒。化學機械式平靣化可經甴局都平靣丨 i化製造出更細微之結構，並透過晶圓之全面平面化製造出| 丨高密度之通道與連接層。在積體電路之製造過程中接受化丨 ί ! I學機械式平面化之材料包括單晶與多晶矽、氧化物、氮化丨 1 ；丨物、聚亞醯安、鋁、鎢與銅= ! | 目前，化學機械式平面化係用於微處理器、特定用途積丨

I體電路（ASIC)、及其他半訂製積體電路等平均售價頗高之 I i組件。其主要罔途在於製成該類積體電路所需之高密度多| 丨層連接。至於記憶體一類之一般性裝置，基於成本考量，丨丨 r 丨則鮮少使用化學機械式平面化。丨 » | I 化學機械式平面化製程現已成功應民於積體電路設計之丨 I ! !量產，這顯示半導體之主要製造商對此技街十分致迎，丰： ί · ；導體製造商亦正積極推動化學機械式正靣化多方靣之演 I進，首先在成本方面，一如上述，化學機械式平靣化製程 | i並未苈於一般性積體電路之製造，因為製造成本若稍有增 i !加便對其獲利率造成影響。許多有關化學機械式平靣化之丨 1

C:Program Γilcs\Pateni\55153. ptd 第 6 買

j五、發玥說明（2) I

j研究如針對如何降低每片晶圓其化學機械式平靣化製程之i I I 1成本。若在降低化學機械式平面化之成本方面能有大幅進ί 屐，則其應用於利潤較低之積體電路之可行性亦將提升。| 其次，在化學機械式平面化設備之尺寸（或佔闬面積）縮小 | j方面，若佔周面積較小，則擁有成本亦較低。但目前化學！丨柄械式干面化工具之設計往往在半導體處理廠内佔用相售 I大之樓地板面積。 j | 第三項重點則為製造之產出及可靠度。化學機械式平面|

i化工具製造商正全力研發可在較短時間内平面化更多晶圓I i之機器。但產出之增加需要化學機械式平面化工具之可靠丨 I度同時增加才具意義。第西項研究重點則在於半導體材料： ;之去除機構。半導體業者大多依賴少數幾家化學品供應商丨 « ； !來提供用於不同去除方法中之泥槳或研磨用化學物。然而； ;部伶泥漿益非專為半導體業而研發，而係來自玻璃拋光業丨 i等其他領域。因此，研究成果勢將為業界帶來專為特定半\ j導體晶圓製程而設計之高效能泥漿。而泥t之組成則直接；丨影響其去除率、粒子數、選擇性、及粒子集體粒度之大小' 最後一項研究重點則為化學機械式平面化之後之4 ： .理，例如化學機械式平靣化之後之清潔、整合、與量測，j .目前部有二具製造商開始針對化學機械式平靣化製程提！ ί j特定之工具。： j 因此，最好能有一種化塋機械式平面化工具 '在製造環； 1境申能具有較高之可靠度，若能降低每片晶圓之研磨成太 )別更佳。；

Yngrani lesM)ami\55153. pi_d 五、發明說明（3) j 圖示簡單說明； ! I 圖1為一剖面圖，顯示一化學機械式平靣化工具中用於 | i輸出泥漿之螺動式泵； j ! 围2為一頂視圖，顯示根據本發明之化學機械式平面化 |

i I I (CMP)工具； i ϊ

! 圖3為一倒視圖，顯示圖2中根據本發明之化學機械式平j 面化（CMP)工具； I ; 圖4為一剖面圖，顯示一用於本發明之化學機械式平面 i ί化工具之膜片泵；及 ί ；囹5顯示一用於本發明之化學機械式平面化工具之泥漿i

i輸出系統。 I : ? i圖示詳細說明 I 研磨用泥漿係用於化學機械式平面化（C Μ P )過程中之主 . i要组成物3該泥漿係研磨劑與化學物之混合物 '可以機械；丨及化學方式去除半導體晶圓上之材料。泥漿中所使罔之化丨丨學构係甴待去除材料之種類而決定。基本上，該化學物或丨丨為酸性或為鹼性，但均具有強腐蝕性。該泥漿係屬洁耗 | i品’在晶圓研磨過程中將不斷補充供應。這亦使泥漿成為？ I ： j化學機械式平靣化過程中一項主要之耗材成本項目。 ; ·. . ; 化學機械式平面化過程中之其他消耗品尚包括去離子水； :及研磨同襯墊=研磨用襯墊基本上包括保利生或其他研磨 i 丨媒介，亦可能是化學機械式平面化過程中成本第二高之耗 I |材。每片晶圓之襯墊成本基太上為每片晶圓其研磨用化昼! |物成本之百分之二十五。其他數種耗材之成本則不及每片;

C:''.Prograin Fi Ies\Patent\55!53. pld 第 8 頁 i 五、發明況明（.1) 晶圆研磨用泥漿成本之百分之五3因此，若欲大幅降低每片晶圓其化學機械式平面化之成本，顯然應從研磨罔泥漿之成本著手。 ί

I 泥漿輸出系統係化學機械式平面化工具之一組件。泥漿!

I 輸出系統為半導體晶圓提供研磨罔化學物以利研磨。現有之化學機械式平面化工具係使用蠕動式泵將研磨用化學物輸至半導體晶圓。而化學機械式平面化工具製造商使用蠕動式泵之原因在於，蠕動式泵可使媒介在輸出過程中與所有泵組件隔離，保護關鍵性之泵組件不致接觸具有研磨性i 及腐餘性之研磨用化學物。 i ί 圖i為一剖面圖，顯示一化學機械式平面化工具中罔於 i ! | i翰岀泥漿之蠕動式泵1 2。而一蠕動式泵之隔離機構係一撓 i

I性管13。理想之撓性管13係泥漿中之化學物所無法穿透。I |舉例而言，撓性管13通常係由矽或去曱基異戊二烯 j (η 〇 r p r e n e )型之化合物製成。研磨用化學物係經甴撓性管 ί 13輸出。而泥漿因受限於撓性管13之内，因此不接觸蠕動 i j式泵12之任一組件。撓性管13之一端係連接於一輸入瑞 ! I (IN)，用於接收泥漿，而撓性管13之另一端則連接於蠕動 |

I ;式泵12之輸ώ端（OUT)。 I 一轉子1 4係旋轉於蠕動式泵1 2之外殼1 6内。轉子1 4並與！ i j 一馬達（未圖示）相連接。轉子14上固定有複數個滾子15 ’ j 罔於不斷向前壓縮撓性管13。一蠕動式泵至少應具有兩個 i |滾子，但亦有包含更多滾子之泵設計。滾子在外殼16内轉 |動時推動或擠壓撓性管1 3内之泥漿。蠕動式泵之優點之一

C:''IV〇2*rain Fi !es\Patent’'55丨 53. ptd % 9 頁

I三，發明說明I 在於·除非該撓性管破裂，否則泵内部不致發生滲漏。經甴蠕動式泵1 2輸出之材料量係由管之内徑、橡膠硬度計、 | 管壁厚度、與輸出壓力而定。泵1 2之輸出率可經甴泵本身I 之速度變化而增減。丨 ί 一般而言，蠕動式泵12之構造簡單、具成本效益、且易1 ； ί

丨於維修。但若安裝於用於翰出泥漿之化學機械式平面化工 I I具士則仍有其缺點=基本上，罔於去除半導體晶圓材料之ί ' i !泥漿若任其停留在輸出系統内或在輸出系統内變乾，則必丨 { * !蒺致嚴重之後果，例如硬化、結塊與沉積。泥漿若任其停丨 1 } j滯或變乾，則輸出系統將因而阻塞，使系統無法正確運；丨作，或使晶圓受損。： I 為避免上述之問題，大部份之泥漿輸出系統係將泥漿僮 ; 丨可能加以反覆循環。此外，系統在泥漿無法反覆循環處理丨

I I 到以水加以沖洗=但以水中洗往往造成換性管1 3因南輸ίΰ : } ； I水壓而破裂。其原因在於複數個滾子15係將撓性管13夾擠； I於外殼.1 6上，_使水無法流動。因此螺動式聚1 2輸入端之水 1 ; I壓释使徺性管1 3膨漲益破裂·' 一如前述，化昱機械式玉靣化製裎中成本最高之消耗品丨 :爲硌磨南化些物.，理論上，化學機械式平靣化工具係輸虫 ' , ' \ ;一妒需最小圬量之泥漿，以便將半導韹晶图表靣上一定量丨丨之材料均勻去除。若研磨罔化塋物之供應少於所需之最小： I罔量，辟造成不均勻之平靣化，甚或使晶圓受損。但若所 |磨闬化學物之供應多於所需之最小周量則將浪費泥漿.益丨使生產成本因而提高。基本上，半導體製造商之所以提供::

:’.[Yoeraui Fi Ics\Pat.ent \55i5〇, ptd $ 10 IT 五、發明說明（6) j } |過多之泥漿，實因呀磨用化學物之長期成本低於受損晶圓j |之成本。 i j 在生產環境中，泥漿輸出量係受到蠕動式泵12會隨時間|

]產生變化之現象之負面影響.。蠕動式泵12在輸出時之可變I

|性係由撓性管13之維修間距而定。該維修間距係甴一可接 I |受之時距而定，該時距可避免撓性管13產生裂縫，並避免| i化學機械式平靣化工具因產生嚴重故障而必須停機。基本 ! ； } I上，蠕動式泵12更換撓性管13之維修間距約為每月一次。I ! 在決定泥漿輸出率時另一應考慮之因素則為輸入壓力。! j \ |研磨闬化學物之輸入壓力（來自一全靣性泥漿輸岀系統）變丨 i化範·圍極大，舉例而言，每平方公尺i 4 0 6 . 2至了 0 3 ί · G公斤：每平方英吋二至十英磅）為十分正常之泥漿壓力範圍。一 ! j ； |般而言，全面性泥漿輸出系統可產生超過撓性管所能承I 丨受之況漿壓力5蹲動式泵對泥漿之輸入壓力十分敏感。事；

τ V ί實上，輸入壓力愈大則輸出率亦愈高，因為撓性管13將擴) \ · i張，並固而翰送更多之研磨周化學物。安裝於化學機械式\ i平靣化工具之泥漿輸出系統之設計係以最小之輸入壓力輸； I忠大於所需最小苈量之泥漿。因此，當泥漿之輸八壓力高： » < 丨於最小壓力時，便造成泥漿相當程度之浪費。、；幹出虽亦受撓性營丨3塑性變形之影響。複數個滚子不斷； |擠壓撓性管i 3以輸出研磨闬化學物。起初，撓性管1 3在被 | i滾子1 5壓扁後仍可回復其原本之形狀。但在塑性變形逐澈! |產生後，撓性管13之回復程度將不如以往’使輪出座因而； |改變。換言之，撓性管1 3逐漸發生硬化或變形。泫漿输出 ! —

C:\Prograii! FiIes\Paient\55i53. pid 第丨1頁 f五、發明說明（7:1 |

；孟亦對塑性變形造成影響。若藉由提高蠕動式泵之速度j i而增加泥漿輸出率，將加速撓性管丨3之塑性變形。以上所 I ? 3

有問題均將逐漸降低泥漿之輸出率。 I 目前，化學機械式平面化工具製造商益未提供任一類形i 有關泥漿流量之即時感應=半導體製造商不願冒險讓泥漿i !之流量低於所需之最小闬量，因此便以較高之初始輸出生* ；； *加以補整。該較高之初始輸出率可在撓性管1 3定期更換維 ; 丨修之前確保泥漿之流量可達到可接受之最小量。由於泥漿ί ! ί 丨將輸出系統之輸出量高於所需，因此該較高之初始輸出率； i將造成泥漿之浪費。據估計，一般化學機械式平面化工具 i |因增加流量而浪費之泥漿約佔百分之二十五或更多。因 ! I此，在平面化過程中若輸出率超過所需最小用量之百分之| :五十仍屬+分常見之現象= ; ： S 2為裉據本發明之化學機械式平面化（CMP )工具2 1之頂； - ； |視圖，化學機械式平面化工具21包括一平台22、一去離子 i i Π)[)水闊23、一多端輸入閥24、一泵25、一分送桿歧管 i I 26、一分送桿27、一調節臂28、一伺服問29、一真空發生 i 1 I器30、及一晶圓托架臂：；正台22支撐多種罔於平面化一半導體晶圓已處理面之硏； :,奈搖介及化學物*=平台2 2基本上係甴銘或不鐘鋼一類之金 | ；/¾製咸。一馬達（未圖示）連接於平台2 2。平台2 2可依使汚： 1者所選定之表面速度進行轉動式、執道式、或線性之移 i j ί !動。 ί I 去離子水閥23具有一輸入端與一輸出端。輸入端係連接：

I五、發明說明（8) I 丨於去離子水之水源。去離子水閥23之開啟或關閉係由控制i | > |電路（未圖示）加以控制。去離子水在去離子水閥23開啟後i \便被輸送至多端輸入閥24。多端輸入閥24可使不同物質被!

!泵打至分送桿27。可輸入多端輸入閥24之物質例如化學 I :; j

I物、泥漿、及去離子水。在化學機械式平面化工具2 i之一 I i j I具體實例中，多端輸入閥24具有第一輸入端，連接於去離i / 子水閥2 3之輸出端；第二輸入端，連接於泥漿之來源；及 | j 一輸出端。控制電路（未圖示）可關閉多端輸入閥24之所有.j 丨绮人端，亦可開啟任一種間之組合，使選取之物質流至多丨

:端輸入閥24之輸出端。 I Ϊ ! ；泵25將來自多端輸入閥24之物質泵打至分送桿歧管26。 | . ί :泵25之泵打速率可由使用者加以選擇。若將流量隨時間之 ί ί ι 丨變化以及不同之狀況降至最低，將可使流量調整至接近所丨 ! · 丨需之最小流量，這將可減少化學物、泥漿、或去華-子水之 | •j ； j浪費。泵25具有一輸入端，連接於多端輸入閥24之輸出 j (端：及一輸出端。 i 丨分送桿歧管26可將化學物、泥漿、或去離子水引導至分j ?送桿27。分送桿歧管26具有一輸入端，連接於泵25之輸出？ I端；及一輸出端。另一種替代方式係每一種輸送至分送垾 \ t ·; j 2 ?之物質使同一泵。敫例而言’化學物、泥漿、及去藥子；

I 水久具有一果，連接於分送桿歧管2 ΰ :若使用多丨固策，II:!丨 ;不同物質可藉由其各別之泵控制其各別之流量1而以精確 j :之各種組合加以混合=分送桿2 7將化學物、泥漿··或去雄 i : ί j子水分送至研磨媒介之表面。分送桿27至少具有一孔口' ί

五 '發明說明（9) I |兩於摔物質分送至砑磨媒介之表靣。分送桿2 7係廷伸並懸| |於二台22之上方，以確保能將物質分送至研磨媒介之大部 I f i

1 丨份'表面。 I j 晶圓托架臂31將一半導體·晶圓懸於研磨媒介表面之上 i

I 方。晶圓托架臂31可對研磨媒介之表靣施予一由使用者選 i 1

定之下壓力。一般而言，晶圓托架臂3丨可轉動亦可作線性I ί之移動3—半導體晶圓係藉甴真空而吸附於晶圓托架。晶| i圆托架臂3i具有第一輸入端與第二輸入端。 I 真空發生器3 0係晶圓托架臂3 i之真空來源。真空發生器 3 0可產生並控制用於使晶圓托架吸衔晶圓之真空狀態3若 i > 生產設備中已設有真空之來源，則不需使用真空發生器 j

i 3 0。真空發生器3 0具有一口，連接於晶圓托架臂3 1之第一 i ； I |翰入端。伺服閥29提供一氣體至晶圓托架臂31 ，以便在晶j j s

I園研磨完成後將其頂出。該氣體亦闬於在晶圓研磨過程中i ! I

!對晶®之背靣施予壓力，以控制晶圓之剖面。在化學機械j |式平靣化工具21之一具體實例中，該氣體係氮氣。伺服閥i 29具有一輸入端，連接於氮氣之來源；及一輸出端，連接 I ! ί 丨於晶圓托架臂3 1之第二輸入端。 ! ! 調節臂28係3於跨一端末研磨器置於研磨媒介之表面3 ! J . ; j該埃末研磨器可將研磨媒介之表靣平面化，並將該表免加 j !以清潔及磨粗，以利化學物之輸送。調節臂28基本上可轉 | 丨勤夺可平移。端末研磨器施予研磨媒介表靣之壓力或向下| ! ! j力係白調節臂2 8加以控制。 ^ 圖3係圖2中化學機械式平靣化（CMP)工具21之倒視圖。 ί

C: '.Program Fi lesXPalcm \55i 53. ptd 第 M 頁 I五、發明說明CIO) ! ? ;

!如圖3辦示，調節臂2 8包括一裰墊調節器聯結器3 2與一塔 I 1末砑磨器3 3 =化學機械式平靣化工具2 1尚具有一研磨媒介I ί i 34、一托架薄膜35、一托架環36 —托架總成37、機台支i ί 1 j架38、一熱交換器39、一外殼40、及一半導體晶圓77: ! ί 1 j 研磨媒介34係置於平台22上=基本上，研磨媒介34係以 | 1 ί |感壓黏著劑固定於平台22上=研磨媒介34提供一適當之表 | )面，可供研磨同化學物置於其上。研磨媒介34可供化學物 | |之輸送，對於晶圓表面上局部或全面性之細微【不】規則 |

'亦可完全配合。基本上，研磨媒介34係一保利生襯墊，其 I

* I |順服性高，並在其整個外露之表面具有複數個小孔或環狀 j 丨溝，有利於化學物之輸送。 ί ! 托架總成37係連接於晶圓托架臂31。托架總成37提供一； ί ! |基礎，可使半導體晶圓77相對於平台22轉動。托架總成37 ； I亦對半導體晶圓77施以一向π力，以便將其固定於研磨媒： I介3 4。一馬達（未圖示）可使乾架總成3 7根據使后者之控制； i ； ;而轉動。托架總成3 7包括真空與氣體通道，可在平面化過 | I程中固定半導體晶圓77、可控制半導體晶圓77之剖面、亦| :可在完成平面化之後將半導體晶圓77頂出。丨 ; 托架環36係連接於托架總成37。托架環36將半導體晶園； i 77之圓心對準托架總成3 7之圓心，显限制半導體晶圓7 7使丨 j其不致倒向移動。托架薄膜35係連接於托架總成37之表； I靣。托架薄膜35之表面具有適當之摩擦性質，可避免半導| 丨體晶圓7 了在平靣化過裎中因相對於托架總成3 7之滑動而轉；:

I 動。此外1托架薄膜亦稱具順服性，有助於平面化之進丨

C : \ProgTciiii Fi les'Npatcnt.XSSlSS. Did % i 5 頁五、發明說明（1!) I行。襯垫調節器聯結器3 2係逹接於調節臂2 8。襯墊調節器聯結器32可使平台22與一端末研磨器33在角度上完全配合。端末研磨器3 3將研磨媒介3 4加以研磨，一方面使其平整，一方面亦有助於半導體晶圓7 7之表面在平面化過程中之化學物輸送。 | 化學反應對溫度十分敏感。幕所皆知，反應速率基本上丨會隨溫度而增加。就化學機械式平面化而言，平面化過程之溫度係維持在某一範圍内，以控制反應速率。溫度係由熱交換器3 9加以控制。熱交換器3 9係連接於平台2 2，兼供加熱及冷卻之用。舉例而言，一批晶圓在剛開始平面化時之溫度約為室溫。熱交換器3 9將平台2 2加熱，使化學機械 |式平面化之過程係高於一預定之最低溫度，以確保化學反 |應能達最低之反應速率。基本上，熱交換器39係以乙二醇 |為溫度輸送/控制之機構，藉以加熱或冷卻平台2 2。將晶 !圓逐一進行化學機械式平面化將會生熱，舉例而言，托架總成3 7便會蓄熱。提高化學機械式平面化過程之溫度將增 |加化學反應之速率。透過熱交換器3 9將平台2 2冷劄可碹保丨化锃機域式平靣化過程低於預定之最高溫，使化®反應不 :致超過最大反應速率。 ? 機台支架38將化學機械式平面化工具21抬離地表，可在 |承接盤未與研磨工具一體成型之情況下，容納安裝於地面之承接盤。機台支架3 8亦具有可調整之功能，可將化®機械式平靣化工具2 1加以整平，並可吸收或隔絕振動。

C ：\Program Fi les\Pat,cm、55153. ptd 第丨6頁五，發明說明ί 12) | ; 化聲挽械式乎靣化工具2 1係位於外殼4 0内。一如前述，| I化學機械式平面化製程所使民之腐蝕性物質對人體及環境 I均有害。处殼4 0可防止微粒及化學蒸汽外洩。而化學機域 ί '

i式平面化工具2 1所有移動式之元件亦裝於外殼4 0内以免損 I ί · j傷。；

I 以下說明化學機械式平面化工具21之運作。在運作說明I I中兹未設定或暗示各步驟之特定順序因為各步驟主要係i i由所使罔之半導體晶圓研磨方式而決定。熱交換器39將平 i 丨台22加熱至一預定之温度，以砝保泥漿中之化學物在化學 |

< J 丨機械式平面化製程開始時具有最低之反應速率。一馬達蔣 ! T \ i驅動平台22，使研磨媒介34進行轉動式、執道式、或線性 i ί ； i移動中之一種。丨 ί ί ：晶圍托桀將移至一預定之位置，將半導體晶圓77拾 |起：啟動真空發生器，使托架總成3 了達真空之狀態。托架：丨總成3 7在對準半導體晶圓7 7後將開始移動，使托架總成之： 1 ? |表靣接觸丰導體晶圓77未經處理之一面。托架薄膜35係固| I定於托架總成37之表面。而半導體晶園77係藉甴真空及托| |架薄膜35兩者共同固定於托架總成37之表面。托架環3 6則 !將丰導體晶圓77之位置限制在托架總成37表面之中央。啟動冬螻翰入闊24，將泥漿輪送至泵25。泵25再將泥漿丨 :坌送至分送桿歧管26。泥漿經甴分送桿歧管26流至分送桿； i 27，再甴該處輸送至研磨媒介34之表面。去離子水閥23锊 ! i作周期性之問啟，將水通至分送桿2 7内以取代泥漿，避免；； ; I泥漿在分送桿27内硬化。平台22之運動有助於將研磨圬化 ί

C:..'Program Γ i i c-s \ Pa ten ί 5 5153. p tel ^ 17 1 五、發明說明（13) | 學物分佈至研磨媒介34之整個表靣。基本上，泥漿在整傾 ! ! ! ! R磨過程中係以固定之流量輸出。 ! \ i I 晶@1托架臂3丨將再回到研磨媒介34之上方。晶圓托架臂I i | I 31使丰導體晶圓77與研磨媒介34接觸。研磨用化學物覆蓋|

I研磨媒介34。晶圓托架臂31對半導體晶圓77施以一向下 I

*力，促進泥漿與半導體晶圓77間之摩擦。研磨媒介34具有I I可輸送化學物之設計，可使泥漿中之化學物在半導體晶圓丨 )77壓住研磨媒介之情況下，仍能在半導體晶圓77下流動。| ；吳楚問始生熬時，熱交換器39便不再加熱平台22，轉而開！

;始冷卻毕台2 2，以控制化學反應之速率。 I } i ! 應特別注意，依前述，為進行機械式之研磨，平台22係i I ; i相對於半導體晶圓77而運動：但亦可讓平台22固定不動.! j而讓托架總成3 7作轉動式、執道式.、或線性之移動"一般：；而言，^台22與托架總成37兩老均會運動，以利機械式平： :斧化之進行：：在彳^學機蘇平面化装程完成後，品圓托架臂3 1便私彳-c：; ;架總成37自研磨媒介34升起。晶圓托架臂31將半導體晶圓| :了了移至預定之區域以便清潔。晶圓托架臂31隨後再將丰導： ί禮晶圓7 了移至卽載之位置。將空發生器3 0關閉，問啟伺跋：：間29，將氣體翰送至托架總成37以便頂出半導體晶圓77。 ! 若欲維持化學機械式平面化製程之均勻性’須锊研磨媒： '4诈周期性之調節，而此一動作基本上稱為襯墊調節。： j掩墊調節有助於去除研磨媒介3 4中所累積並内嵌其中之泥； ί t及微粒。襯墊調節亦將研磨媒介34之表面平面化，並將； £ ;

Γ：''Program Fi les\Paicrir.\55153. ptc! 第！8頁 !其具有細毛之表面磨粗，以利化學物之輸送。襯墊調節之動作係甴調節臂28完成。調節臂28使端末研磨器33與研磨媒介34相接觸。端末研磨器33之表面覆有工業用鑽石或其他可調節研磨媒介3 4之研磨劑。襯墊調節器聯結器3 2係介 |於調筘臂28與端末研磨器33之間 '可使平台22與端太研磨 ;器3 3扼此之角度完全配合。調節臂2 8可轉動亦可芈移，以 ί利觀墊調節之進行。襯墊調節之實施時機包括在平面化之 !過程中、在下一片晶圓開始王面化之前、以及在整個晶圓

I j處理作業之前作新襯墊之調節。 I 一如前述，在化學機械式平面化工具中用以輸出码磨周丨化學物（泥漿）之蠕動式泵無法將研磨用化學物以固定之流丨量輸出。輸出率將隨時間而遞減。為確保研磨媒介能有足 :夠之研廇闬化學物，使半導體晶圓在平面化時不致受損，丨蠕動式泵係設定在一高輸出率以補整隨時間而降低之流，量=以該高輸ώ率所輸出之研磨用化學物將多於搿需.基 !本上，至少有百分之二十五之研磨用化學物並非實際所 !需，且將在乎靣化過程中形成浪費。根據經驗性之研究顯示，每一種平靣化製程之研磨芾化學场最小輸出率均可加以訂定。若低於研磨用化學物之最 :〜、輸出率將造成晶圓平面化之不均勻、研磨速走降低、甚；至使晶圓受損=若超過研磨罔化學物之最小輸岀產則將浪 I費研磨闬化學物，增加製造成本3因此，最好應有一種 ! !泵1可持續提供準確而固定之輸岀率。而排量式泵即為其 φ —種。採量式泵在每一《打循環中均可排出或泵打出一

ν': x!;rograin Fi iesXPai cn ；/\55 i 53. ρί.ο S :5 I i五、發明說明Π5) i I固定量之物質。舉例而言，蠕動弍泵即非排量式泵，s其| I輸出量會直接隨輸入壓力而變化，同時亦會隨時間而遞 | !減。膜片泵為排量式泵之一例。膜片泵可輸出一固定量之i j物質，而與輸入壓力之變化無關。 1 ! j ί 圖4為一剖靣圖，顯示一用於本發明之化學機械式平靣 ! j i i化工具之膜片泵41。膜片泵41可將移動式之組件與泥漿中| I具腐蝕性之化學物隔離。基本上，膜片泵41所有會浸濕之！ j ! :表面其組成均為聚合體，不會與研磨用化學物產生反應。; :艇片泵包括一輸入端、一輸出端、一柱塞42、一轉動桿件； t 5 ：4 ?, ' 一膜爿4 4、一止回閥4 5、一正回閥4 5、與一室4 7 ° j ； ί I 如圖所示，膜片44係裝配於柱塞4 2之表面。膜片44將研 i ί · ；磨用化學物與膜片泵4 i之移動式組件隔離。另一作法則為 : |以一少量之液力液體取代膜片，並以柱塞將其壓力密封。: i使芪壓力密封之液體其優點在於膜片上之壓力均等。一馬丨 :這（孓围示）轉動轉動桿件43。轉動桿件43係連接於柱塞 : | 42，而其轉動在該處則將被轉換為往復運動，以使柱塞42 ：丨移動3 ； * 止回閥45可使研磨用化學物進入膜片泵41。室47之容積 : |則隨柱塞42之位置而變化。室47之容積在柱塞42達到衝理: *•居.部時為最大。由膜片泵4 1輸入端輸入之研磨罔化學物儀 —t於受壓趺態。該壓力將開啟止3間4 5 '使研磨闬彳h ®物; '進〜並充滿室4了内，柱塞42之向上運動可克服研磨；B化登| ;场之輸八壓力i關閉止回間4 5。當柱塞4 2到達衝程之頂璃 . I時，室47'之容積為最小。柱塞42锊止回閥46推開 ' 益輸岀i ί

Γ： \[V〇iirai：i Files\PaLcm\55i53. pid 第 20 頁

I五、發明說明（16) I 體積等於室4 7最大與最小容積差之研磨用化學物。止回閥 4 5與4 6可避免研磨用化學物逆流通過膜片泵4 1 =換言之，研磨闬化學物將無法以相反之方向（由輸出端到輸入端）流回膜片泵41 。 i j 1 膜片44變形之程度將不致產生塑性變形。柱塞42之運動 j I可使膜片44在每一泵打循環後回復至其原本之形狀。由於 j ί膜片泵41幾乎不需維修，因此可大幅減少化學機械式平面 j 化工具停機之時間。一般而言，膜片泵4 1須更換膜片之維 j 修間距為兩年，更換馬達驅動總成之維修間距則為五年。j 膜片泵41其輸入端至輸出端之通道係與柱塞42之位置無丨關3研磨用化學物之輸入壓力不僅將研磨罔化學物輸送至丨 :室47内，亦將止回閥46開啟。研磨用化學物一旦填滿室； i ;47，便將自膜片泵41之輸出端流出，因而造成研磨用化學 ! -J < ί物之浪費。此一問題之解決，可在柱塞42進行下衝程以填 I { .；

I充室47之過程中，讓止回閥46保持關閉即可。 I 1 圖5顯示一用於本發明之化學機械式平面化工具之泥t 丨 |輸ώ系統5 i。泥漿輸出系統51包括一止回閥5 2、一膜片泵： :5 3、一止回間5 4 ' —止逆問5 5、一分送桿歧管5 7、一分送 '' :疼58、與一平台59。 ! ; 正回間52包括一輸入端於接收研磨用化妥物；及一 i :耠出端3研磨用化學物係以箭頭所示之方向流動=止回間 ; 5 2具有一通道，可加以封閉，以阻止研磨用化學物之流動3若研磨用化學物企圖以與箭頭所示相反之方向逆流.'' !則該通道將被封閉。換言之，止回閥5 2使研磨用化學物僅；

五，發明況明Π7) 笵以唯一之方向（進入泵之方向）流動·- 月Η片泵5 3具有一輸入端，連接於止回閥5 2之輸出端；及 ! 一輸出端，用於提供研磨周 i i壓力其變化範圍極大。膜片 ( 出端在每一泵打循環均輸出片泵5.3可產生極高之輸出壓 I '物、；止S闊5 4包括一輸入端，丨一翰出端。研磨用化學物係；闊54之運作類似止回閥52, !阻止研磨用化學物之流動。丨所示相反之方向逆流，則該；s開5 2及5 4封閉， ; 在泥毁輸出系統5 1中使闬 ;物因受止回間5 2輸入端之壓 I費哥磨角化學物之輸入壓 ;泵53之室，显開啟止回閥54 I 土逆閥5 5可在止回閥5 4之兩 :使正回闊5 4保持關閉，以避 :動之方向涂.動。；土逆間5 5包括一輸入端、 ,6 S、签力控制5 6、及一回错丨55之輸入端係連接於止回問 |係由闊6 3加以封閉。通道6 i 化學物=研磨周化學物之輸入泵5 3係一排量式泵·因此其輸一固定量之研磨南化學物。獏力以推動下游之研磨用化學連接於膜片泵53之輸出端：及以箭頭所示之方向流動。止回包括一通道，可加以封閉’以若研磨用化學物企圖以與箭頭連通膜片泵5 3之通道將被被止止逆闊55係為避免研磨帛化學力而流經膜片泵53所產生之浪力將開啟止回閥5 2 '填充獏爿，使研磨用化學物流岀泵外。端產生一塵力差，該壓力差可免砑磨同化學物以其所不屢流一輸出端、一通道6 i、一聞控制d 4 L視需要而定）3 _ih逆；喝 5 4之輸出端及通道6 1.:通道6 1 可在閥6 3開啟時，在止逆間5 5

:-.iYogram Fi lcs\paicr;*\55l53. prd S 22 I s !五、發明說明〇8) i i ί !之翰入瑞與輸出端之間形成一相連之通路。壓力控制56可i ; I 予間6 3 —預定大小之壓力以封閉通道6 1。而閥6 3之開啟 ί則係透過將研磨用化學物輸送至止逆閥5 5之輸入端，其壓 1 I力係大於該預定大小之壓力。回饋控制6 4可將該預定大小 i 3 i ，之壓力加以調整。 |

止回閥54兩端壓力差之產生方式，係將壓力控制56其預I !定大，i、之壓力加以設定，使其大於研磨用化學物在止回閥| ! ί j 5 2输入端之最大輸入壓力。舉例而言，假設研磨闬化學物 | I在止回間52輸入端之壓力變化範圍為每平方公尺丨406. 2至i j 7031. 0公斤（每平方英吋二至十磅），則最大輸入壓力為每| |平方公尺703丨.0公斤。將壓力控制56加以設定，使其施予I i閥63之壓力為每平方公尺10546. 5公斤（每平方英吋十五： ' j :碚），應可確保止回間5 4將保持關閉ί直到膜片泵5 3進備丨 :鈐出一定鼍之砑磨用化昼物時才會開啟。每平方公尺丨：； ;3 5 1 5 . 5公斤（每平方英吋五磅）之最小壓力差可使止回閥5 4 ' ; j ί在膜片泵53進行下衝程時保持關閉。若研磨用化學物在止； 4 i j回閥52輸入端之壓力為每平方公尺1406. 2公斤（每平方英； j吋二磅），則最大壓力差將為每平方公尺9140. 3公斤（每正'

I '方英吋车三磅）=膜片泵53可以大於每平方公尺10546.5公i ：;:各正方英吋+五磅）之壓力輸出研磨用化學物： : | 從一泵打循環可看出如何減少泥漿輸出系統5 1之浪費：ί 1首先假設膜片泵53已輸出一定量之研磨用化學物，並位於i i衝程之最頂端。柱塞將開始向下之衝程，並開啟膜片泵53 ; 1 |之室。止回閥5 4輸出端之壓力係大於止回閥5 4輸八端之壓：

C:\Program FUcs\Paicn!A55l53. pUi 笑23頁五、發明說明（19) ! I力，因此該閥將保持關閉=而砑磨用化學物在止回間52輸 | ί入端之壓力將開啟止回閥52，並開始填充膜片泵53之室直| 丨到柱塞到達下衝程之底端（該室亦將被填滿至其最大之容| ί I量柱塞在進行上衝程時將在止回閥54之輸入端產生壓 I ί力。研磨苈化學物因係由液體及固態物質所組成，因此為 | I不可壓縮。膜片泵53所產生之壓力將超過由壓力控制56所'

* V

I施予閥6 3之預定大小之壓力，因而開啟止回閥5 4與閥6 3。 I 5 \ I族片泵53之柱塞將佔據該室之容積，並將研磨用化學物輸； :至止逆閥5 5之輸出端。在此應特別注意，柱塞在每一泵打丨 i i !循環中均係排出該室内一定量之容積，該容積係與止回閥！ ! ： j52輸入端之壓力無關。； ! 在止逆間55之一具體實例中，該預定大小之壓力係以機丨 i械方式產生，以使閥63保持關閉。基本上，使閥63保持關! r |閉之壓力係由一彈簧所提佞=而該壓力之大小係甴一螺旋 I :蜱構加以控制，該螺旋機構可分別壓縮或鬆開該彈簧，以i 增、減該預定大小之壓力·，一般而言，一以機械方式進行 ί i 丨調整之止逆閥可供該預定大小之壓力作罝一之設定，這對 S .· I大部份之應用而言即已足夠。： | 回饋控制64可使由壓力控制56所提供、闬於使閥63保持： ;関閉之預定大小之壓力得以調整。研磨用化學钧在止S闕； j ί ?输入、端之壓力變化將被力口以感應，並力口至使閥6 3保持關ΐ 閉之該預定大小之壓力中或自其中減去，以使研磨用化學 ! 场在止逆閥55輸出端之壓力能保持固定。將該預定大小之 | '壓力加以調整可使止回閥5 4兩端之壓力差維持固定或可加 « »

；\Progra；n Fiies\Palcni.\55i53. old 第 24 頁 I五.發叨π初〔20) |

|以詞節。可使周液壓及電動之回饋方式，以補整研磨闬化I

j學物在止回閥52輸入端之壓力變化。可使用一控制下之壓I 1力密封氣體以改變使闊6 3保持關閉之壓力。並使用馬達或I i | j電磁線圈，以電動方式產生壓力之改變。！ I ί ；市面上大部份之止逆閥均具有一扁平之表靣，用以密封 | :汸裝置之通道巾另一扁平表靣。若使闬該種常見之土逆 | ；間：則其在系統中所產生之壓力波有可能使膜片泵毀壞。j ;进例而言，止逆闊在輸出一定量之研磨用化學物後關閉，! ^ 丨腭朝膜片泵之方向傳送一壓力波。壓力波亦可能在泵打過i . > j程中，因閥間歇性讓泥漿流過所產生閥之顫動而反射回獏丨

:片之方向=更嚴重之情況則為壓力波在衝擊膜片泵之膜片I {

:時，其強度便該膜片破裂，並使泵毀壞。 I ; 若使用一止逆閥，其所具有之閥具有錐形之表靣，罔於 ; ;封閉該止逆間中之通道，則壓力波之強度及頻率均可大幅: - i ;減低。該通道中兩於密封之表面不一定須為錐形而與該閥 > 丨之铛形表靣相對應=舉例而言，閥63如圖所示即具有一孤 :尚表：¾，菜恩言可口公司（R y a η H e r c 〇 C 〇 m p a n y )以： :0LAST-0-MAT[C為名製造多種」n逆閥，其中有邬份即具有：； · ；孤朽之表面。 ! 分送祥歧管5 7具有一輸入端，連接於止逆閥5 a之輸ώ ： 1 1 :讳：及一輸出瑞。分送桿58具有一輸入端，連接於分送# ； ί歧營57之輸出端；及一輸出端，用於輸出研磨用化昼韌。；丨分送桿58係懸於平台59之上方。一定量之研磨月化學物 . :其量等於由獏片泵53之柱塞所#出之量）將流經分送里歧

五，發明巧.明m) | 管5 7及分送桿5 8，並分送於平台5 9上一研磨媒介之表靣= 平台5 9之運動可將研磨用化學物分铞至整個表面=一主導|

i雜晶固辟與研磨用化學物及研磨媒介相接觸。在此應特別I i注念，化學機械式平面化工具可使用多種不同之運動方 ί ! 1

式，以進行半導體晶圓之機械式研磨。舉例而言，平台或I 1 晶圓托架可作轉動式、軌道式、或線性之運動，以使本導I 體晶圓與研磨媒介之間產生運動。 j 以上已提供一種用於研磨半導體晶圓之設備及方法。該i ； i ;化些機Μ式平面化工具包括一平台，可在平靣化之過程中丨 !支撐半導體晶圓。該平台上之研磨媒介可為研磨闬化學物 | i提供一適當之表面。一膜片泵將研磨闬化學物泵打至一分i ! ： i送桿。該膜片泵係一排量式泵，可在每一泵打循環中翰ώ ；

I ! 一固定量之研磨用化學物。該膜片泵之精確性及可靠性可 \ |使流量設定於或接近於所需之最小流量，以減少研磨另化： :峑物之浪費。而該泵之可靠性亦大幅延長其維修時距該，分送垾係懸平台之上方，並可將研磨同化學物分送至砑磨 | 丨媒介=半導體晶圓已處理之一面將與研磨媒介接觸，以增丨 I進其平面化。該平台、半導體晶圓、或其兩者均可運動，； j以進行半導體晶圓之平面化。丨 i 該膜片泵之前、後各設有一正回閥=該二止回間玎防止：哥这3化學物以與泵打方向相反之方向流動，一止逆閥係' ;設於該琪片泵輸出端之下游，以便在該膜片泵輸出端處之丨 . ；

丨止回問兩端產生一壓力差。該土逆間在使研磨闬化學物通i |過之情況下，其壓力設定值係大於研磨周化學物在膜片泵 I

C: !Vograni Fi ;es'\!)a!em'.'55l53. p*“d 第 26 頁五、發明說明（22) ! 輸入端（或連接於膜片泵輸入端之止回閥輸入端）之最大壓 | i * ；力3該止逆閥可防止研磨圬化學物因其在該膜片泵輸入端| ) .· i之壓力而流至該泵中。；； j ! 該止逆閥包括一可供研磨同化學物流動之通道。該止逆丨 I間具有一閥，其具有錐形之表面，可避免系統在閥關閉時； I ；丨產生具有損害力之壓力波。該閥可在由壓力控制所提供之； i : j壓力下保持關閉。 | ί 將開啟該止逆閥之壓力加以控制便可進一步控制下游之丨 : ί :壓力。開啟該止逆閥之壓力將隨膜片泵輸入端之壓力而增 ! :丨減=一般而言，壓力之補整可在膜片泵輸出端處之止目間; ;兩端產生一固定之壓力差： ; I 膜片泵、止回閥以及止逆閥之使用可使研磨用化學物能 5 i以一固定而準破之流量輸出。該流量係設定於或接近於所 I需之最小用量，以確保晶®平面化之一致性。使罔所需之 ; 丨最+罔t亦將使研磨甩化學物不致浪費*並大幅筘省成 · 丨本 ' 西泥漿輸出系統之維修及可靠性亦將有所提升，一方，面延長維修之時距，一方面增加晶圓之產έ ϋ

:\Program PiIes\Patcm\55153. ptd K 27 I

Claims

I六、中請專利範圍 - I I 1 . 一種化學機械式平面化工具，包括：： I 一平台（22)，用於支撐一半導體晶圓（77); I 一膜片泵（12)，具有一輸入端，用於接收一研磨闬j ! ί匕學物及一輸出端；及：: 1 一分送桿（2 7 )，具有一輸入端，連接於該膜片泵 i ; 3 j (i2)之輸出端；及一輸出端，闬於提供該研磨闬化學物，I I以研磨該半導體晶圓（77)。 I ： | ! 2. —種用於半導體晶圓之化學機械式平面化方法，其步！ i i I驟包括： : j 將一研磨用化學物以一排量式泵（12)泵打至一研磨i 丨媒分（2 2 · 3 4 )之表靣： j ；將該研磨用化學物分佈於該研磨媒介（22, 34)之表 i S… ！ ;® ， ! ! 使該半導體晶圚（77)已處理之一靣接觸該研磨媒介i j ( 2 2，3 4 )之表面：； I 至少移動該研磨媒介（22, 34)或該半導體晶圆（7 了）：丙者之一，以便將材辑自該半導體晶圓（7 7 )去除5 : 如申請專利範圍第2項之方法，其步驟尚包括： i ；將該所磨闬化學物提洪至該排量式泵（i 2 );及 : ; 防止該研磨用化學物逆流通過該排量式泵+Π 2 ): ； 1 4. 一種化學機械式平面化之方法，其步驟包括： | 提供一研磨媒介（2 2 · 3 4) ; ; 提供一研磨用化學物；； ί 將該研磨用化學物以一排量式泵（丨2 )泵打至該研磨

S? 28 百 j六、由請專利範圍 | i j ;媒介： ! ! I ! 若該研磨用化學物’在該排量式泵（1 2 )輸出端之壓力i ! ! !超過一預定之壓力，則將該研磨罔化學物分送至該研磨媒| i介·該預定之壓力係超過該研磨用化學物在該誹量式泵I I (丨2 )輪入端之最大壓力； ; | 將該研磨用化學物分佈於該研磨媒介（22, 34)之表| ί免： | 丨使一半導體晶圓（77)與該研磨媒介（22，34)接觸；| > | ;及 ! ； ! ! 至少移動該研磨媒介（22，34)或該半導體晶圓（7 了）) I 兩者之一。： I 5.如由請專利範圍第4項之方法，其步驟尚包括防止該 I :巧磨闬化璺物逆流通過該排量式泵（1 2 )。 '

C: '.iVogram FiIcs\Paicnt\55153. ptd 第29 I