TWI298667B - A method and apparatus for conditioning a polishing pad - Google Patents

Description

Γ298667 (1) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明一般來說係關於半導體晶圓拋光裝置，更明確 地說，係關於一種半導體晶圓的拋光墊所用之調節組件。 【先前技術】 半導體晶片係藉由在一半導體晶圓基底上形成連續多 層而製造出來的。形成許多的突起與凹陷會在一薄膜上導 致起起伏伏，因此，這樣的起伏必須施以平面化，以便於 後續的製造。 將多層施以拋光的方法，目前在先前技術中已知有'' 化學機械式拋光〃（CMP)。CMP —般來說包含以下步驟： 將一晶圓放置在一拋光墊上，且使欲被拋光的那一層放置 在晶圓與拋光墊之間的一介面上。然後，晶圓與拋光墊彼 此之間產生相對移動。將泥漿引入拋光墊上，此拋光墊具 有一特定紋理表面，使得晶圓與拋光墊之間的相對移動， 配合泥漿而導致該層的逐漸拋光。 在拋光了預定數目的晶圓之後，泥漿與晶圓的材料最 後會堆積在拋光墊上，使得拋光墊變得很平滑。拋光墊的 平滑會降低在晶圓表面上的效果，導致拋光速率的下降， 或者在晶圓表面上的不規則拋光。因此，必須實施調節拋 光墊的步驟。 因此，拋光墊便會施以調節，以便重新分配泥漿。使 一調節組件在拋光墊的表面上移動，以一向下的力量接觸 -5-

1298667 (2) 拋光墊的表面。調節拋光墊的步驟會在其中產生溝紋， 拋光墊變得粗糙不平，且能有效去除多餘材料，恢復7 光墊的拋光特性。 【發明內容】及【實施方式】 以下，將說明用於在一半導體基底上拋光一薄膜纪 法與裝置。旋轉一拋光墊，且將欲被拋光的一晶圓放濯 此旋轉中的拋光墊上。拋光墊具有多數溝紋，可運送晶 與拋光墊之間的泥漿，且從晶圓移除過多的材質，如识 使晶圓表面產生有效的拋光。由於拋光晶圓之故，所公 拋光墊變得平滑，因此必須藉由調節而使其恢復效果。 置一調節裝置，上面具有多數鑽石。該等鑽石具有預淀 角度’以便使鑽石產生強度，如此能提供在拋光墊的窄 調節中之最佳旋轉速度與向下力量，且同時可以減少 破裂的比例。 1 ·拋光系統 圖1是一示意圖，顯示一拋光裝置10正在拋光一 圓1 8的情形。拋光裝置1 〇包括一拋光支撐系統1 2、分 單元1 4及晶圓1 8用的晶圓支撐組件1 6。 拋光支撐系統12包括一拋光墊20、一轉台22、一 轉承座24、一驅動軸26與一電動馬達28。拋光墊20 藉由轉台2 2支撐，且透過驅動軸2 6而連接到旋轉承座 上。旋轉承座2 4係藉由電動馬達2 8來供電。 使 拋 方 在 圓 能 使 設 的 效 石 晶 配 旋 係 2 4 -6- 1298667 (3) 分配單元1 4包括一管3 2及一存放泥漿3 6的回收槽 34。管32係連接到回收槽34上且在拋光支撐系統上方延 伸。在晶圓18的拋光期間，泥漿36從回收槽34運送至 抛光墊2 0。 晶圓支撐組件1 6包括一阻擋塊3 8、一旋轉軸40、一 方向臂42、一連接臂44、一旋轉單元46與一電動馬達48 。阻擋塊3 8係用以固持晶圓，且藉由旋轉軸40而連接到 φ 方向臂42。方向臂42係連接到連接臂44且然後連接到旋 轉單元46，係藉由電動馬達48來供電。 圖2顯示拋光裝置10當晶圓18接觸拋光墊20的表 面之情形。拋光墊20係連接到驅動軸26，拋光墊係透過 旋轉承座24而藉由電動馬達28來供電。泥漿36係從管 32經由回收槽34運送出去，且運送到拋光墊20上。晶圓 18可接觸拋光墊20與泥漿36。晶圓18係藉由阻擋塊38 而支撐，且藉由旋轉軸40來旋轉，而旋轉軸又連接到方 向臂42上。晶圓1 8會在旋轉中的拋光墊上旋轉，在其上 受到一壓力F 1，且藉由泥漿3 6使晶圓的表面受到拋光。 2 .調節系統 在拋光支撐系統12拋光一定數目的晶圓18之後’抛 光墊20的效果會降低。因此，建議需將拋光墊20加以調 節，以便維持拋光晶圓1 8時的效果。在拋光晶圓1 8之前 、拋光期間或拋光之後，拋光墊20均可以藉由此調節系 統來加以調節。 (4) 1298667 圖3顯示拋光裝置1 0在調節拋光墊20之情 上述的一拋光支撐系統12及分配單元14之外， 10進一步包括一調節單元50。 調節單元5 0包括一調節組件5 2、一旋轉軸 向臂56、一連接臂58、一旋轉單元60及電動馬 節組件52係藉由旋轉軸54連接到方向臂56。 60係藉由連接臂58而連接到方向臂56，而旋轉 φ 由電動馬達62來加以供電。 圖4a與4b係更加詳細的顯示調節組件52 調節組件52包括一底座部64與多數鑽石70。ϋ 一實施例，其中鑽石70是呈八面體，而在另一 ，如圖4b所示，鑽石是呈立方體。 八面體鑽石70包含八側面、十二邊緣與六 在一實施例中，外部的角度A1是60度，總合是 ’內部的角度形成一 90度的直角A2。立方體鑽 Φ 成直角A2的六側面，且亦包含十二邊緣與六個 部的角度總合是2160度。 鑽石型的實施例在決定鑽石的強度與耐久性 必須的角度。所獲得的品質乃是使用最佳處理條 調節拋光墊2 0所必須的。現有的鑽石調節墊係 狀或三角形鑽石，這些鑽石很容易破裂。而其碎 會埋入到拋光墊2 0中，然後會刮擦晶圓表面。 裂的部分會導致調節結果的不均勻，且對於晶圓 來說是很不利的。 形。除了 拋光裝置 54、一 方 達62。調 旋轉單元 單元係藉 的零件。 B 4a顯示 實施例中 個頂點。 k 1440 度 石包含形 頂點，外 上提供了 件時有效 使用鋸齒 裂的部分 所以，碎 1 8拋光 -8 - (5) Γ298667 底座部64包括第一側邊66與第二側邊68。第一側 66係與旋轉軸54接觸，支撐調節組件52的旋轉。第二 邊68具有一黏著劑黏接矩陣材料，係藉由3M公司製造 可允許將多數鑽石70埋入其中，可提升用於調節的最 分佈與突起。鑽石從底座突出，突出的程度在50到90 米之間，且在一實施例中，鑽石70突出的距離D1爲 微米。在一實施例中，56%的鑽石70是隨意埋入黏著 φ 68中，意思是指鑽石突出的角度也會呈任意角度，所以 剩下44%的突出，會在拋光墊20內產生最佳的溝紋， 便進一步在泥漿3 6與晶圓1 8之間產生連接。 鑽石70的突出距離D1能藉由產生到拋光墊20內 佳深度的溝紋，而有效執行拋光墊的調節。此一特性可 由鑽石整體的形狀及鑽石能承受最佳處理條件之能力而 得，且維持一沒有缺陷的環境。現有的非可調整式調節 侵入到拋光墊中之程度較小，這是因爲完整的鑽石無法 φ 受處理條件的衝擊，於是導致缺陷。現有的可調整式鑽 調整器係將三角形鑽石固定於螺旋鋼柄上，而無法產生 佳深度，這是因爲整個鑽石都會受到衝擊。 鑽石70的寬度爲160與210微米之間，且在一實 例中爲180微米。在一實施例中，每單位面積中的鑽石 數目是至少每平方公分50個鑽石。：埋入矩陣黏著性黏 材料內的鑽石70數目範圍是150個到900個之間。在 實施例中，則埋入450個到900個鑽石之間。在另一實 例中，大約有600個鑽石被埋入一 1英吋直徑的碟片內 邊 側 佳 微 80 劑 僅 以 最 藉 獲 器 承 石 最 施 70 接 施 且 (6) 1298667 呈現均勻分佈。在一實施例中，藉由700微米的距離D2 ，能夠在每平方公分的面積中產生200個鑽石。 現有的可調整螺旋式調節器包含四個到五個可調整鑽 石，這些鑽石並未提供有效調節拋光墊20所必須之適合 覆蓋範圍。很少量的鑽石就是等於在拋光墊中產生很少的 溝紋。爲了有效拋光晶圓，泥漿必須接觸晶圓表面，因此 溝紋越少，泥漿與晶圓接觸的可能性就越小，如此一來會 妨礙拋光。 現行的非調整式埋入型調節器，係在一 4到6英吋的 碟片上使用至少3000個鋸齒狀鑽石。雖然在拋光墊內產 生了大量溝紋，但是較大直徑的碟片仍舊不適用，這是因 爲其表面平坦度不夠，且無法追蹤留在拋光墊上的拋光痕 跡之間的表面變化。此種調節器傾向於調節某些部位，而 同時留下其他部位尙未調節，因此，降低了晶圓拋光的效 果。而且，使用此種較大直徑碟片必須使用很大的力量， 通常是介於7到1 0磅之間，如此大的力量會使鋸齒狀的 鑽石產生碎裂，再一次降低晶圓拋光的效果。 圖5a顯示在拋光裝置10中，當調節組件52接觸拋 光墊2 0表面之情形。拋光墊2 0係連接到驅動軸2 6上， 且藉由旋轉承座24來旋轉。旋轉承座係藉由一電動馬達 2 8而加以供電，以便旋轉拋光墊2 0。在拋光期間，泥漿 36是從管32經由回收槽34而運送到拋光墊20上。調節 組件52係接觸拋光墊20，且施加一向下的壓力F2，且藉 由旋轉軸5 4來旋轉。 -10- (7) 1298667 現在參考圖5b，當拋光墊20旋轉時，方向臂56會 著連接臂5 8與方向臂連接處的一中心點作樞轉，如此 致調節組件52掃過拋光墊20。阻擋塊38係用以覆蓋晶 18’且藉由方向臂42與旋轉單元46加以支撐。當拋光 圓18時，泥漿36會產生沉澱。 圖6詳細地顯示在調節期間拋光墊2〇的刮擦情形 埋入底座部的第二側邊68內之鑽石70會接觸泥漿36 φ 拋光墊20。鑽石會藉由產生具有50到90微米之間深度 多數溝紋’來調節泥漿34與拋光墊20。在一實施例中 溝紋深度爲80微米，這些溝紋藉由運送拋光墊20與晶 1 8之間的泥漿而有助於拋光，且允許移除過多材料。 3.處理條件 在一調節組件52的第二側邊68上之多數鑽石，可 由在其中產生溝紋而調節拋光墊20的表面，藉由運送 φ 光墊20與晶圓1 8之間的泥漿，且允許移除過多材料， 使拋光墊20有效執行晶圓1 8的拋光，也有效達成晶圓 表面的平面化。 在調節器旋轉期間的鑽石會產生碎裂，而這些碎裂 分已知會埋入拋光墊20中，且稍後會刮擦已經進行拋 的晶圓表面。在調節組件52上的鑽石70包含能使整個 石達到最佳化的角度。埋入的鑽石之八面體或立方體形 能允許在拋光墊2 0上產生最佳的條件，例如每分鐘轉 、鑽石的分佈與突起情形，施加的力量F2等，這些配 繞 導 圓 晶 〇 與 的 圓 藉 拋 能 18 部 光 鑽 狀 速 合 -11 - (8) 1298667 拋光墊20對調節組件52的最佳比例，可以減少破裂比 ，有效提升拋光墊20的調節效果以及晶圓拋光效果。 圖7顯示爲了有效實施拋光墊的調節之最佳處理參 。在一實施例中，調節組件的直徑範圍在〇 . 5到1 · 5英 之間，且維持拋光墊/調節器的比例在1 : 1 3到1:40 " 間，且一般來說是在1〇〇到750rpm之間的轉速進行旋 ，以便對應於埋入鑽石的數量是介於〗50個到900個之

I 的範圍內，且施加1到6磅的向下力量F2。在另一實 W 例中，更加有效的拋光墊/調節器之比例爲1 : 1 6到1 : 之間，且在3 00到750rpm之間的轉速進行旋轉，對應 埋入鑽石的數量是介於450個到900個之間的範圍內。 另一實施例中，以5 00rpm的轉速進行旋轉，將600個 石埋入1英吋直徑的碟片內，且施加1.175磅的向下力 F2，維持拋光墊/調節器的比例在1 : 20，因此在拋光 20上產生每平方英吋0.37磅的壓力，以上述條件實施 φ 節作用。 現有非可調整式調節器一般來說直徑是4到6英吋 可提供拋光墊/調節器的比例在1 : 3到1 : 4之間，在 到50rpm之間的轉速進行旋轉，含有3000個鑽石，且 加7到1 0磅的向下力量F2，這些條件對於拋光墊的調 作用來說是不夠的，其原因敘述如下。 在調節器與拋光墊之間的比例表現出來是不適當的 這是因爲表面平坦度不夠，且無法追蹤留在拋光墊上的 光痕跡之間的表面變化，如此一來便產生更大的不均勻 例 數 吋 之 轉 間 施 26 於 在 鑽 量 墊 =田 5周 5 30 施 節 拋 性 -12- (9) 1298667 ’這一點對於拋光晶圓是有害的。此種使用的鑽石很容易 碎裂，所以當施加處理條件時，便會產生缺陷，便減少拋 光晶圓的效果。現有技術是在~能增加鑽石數目的方向上 移動，且施加力量到調節器上。 現有的可調整式螺旋型調節器一般來說直徑較小，以 2 000 rpm的轉速進行旋轉，含有3到5個可調整鑽石尖端 ，並將其固定至鋼柄上。這種調節器所施加的力量一般比 起非調整式調節器來說是小很多，但仍舊產生同樣的問題 〇 藉由現有可調整螺旋式調節器在拋光墊中所產生的溝 紋數量與深度，會減少晶圓與泥漿之間的介面，如此一來 降低了拋光效果。由於鑽石的尺寸以及能夠裝配在一碟片 上的零件之能力等原因，所以產生溝紋的鑽石相當少，而 且也很難製造。這些鑽石能夠透過螺旋式鋼柄來加以調整 ，但卻無法獲得想要的深度，這是由於鑽石的脆弱與尺寸 等因素所致。以2000rpm的轉速進行旋轉，且施加1磅的 力量，鑽石碎裂的比例仍舊維持固定，如此便降低了晶圓 拋光的效果。 在CMP晶圓處理期間，調節墊能使拋光墊表面獲得 更新，以便維持一均勻的墊表面。拋光墊的調節步驟有助 於維持最佳墊表面粗糙度及多孔性，此多孔性能確保泥漿 運送到晶圓表面上且移除CMP的殘餘物。若沒有對墊表 面施以調節步驟的話，則會產生表面平滑的現象，且氧化 物的移除將會急速減少，如此一來便妨礙晶圓的拋光。 -13- (10) Γ298667 許多參數均會影響CMP處理，且使調節步驟不完全 的問題仍舊存在。鑽石的特性仍舊是最主要的，且提供執 行最佳處理條件的能量。埋入鑽g/，而非將鑽石固定至螺 〜一·—-—.............- --·‘··"* 旋鋼柄上，能使調節器在單位面積中獲得想要的鑽石數量 與突起程度。整個立方體或八面體的鑽石形狀不再使鑽石 成爲處理過程中的限制因素，這樣的問題在現有調節器所 使用的鋸齒狀鑽石中是經常出現的。本案反而能允許最佳 的向下力量及每分鐘的轉速，以便徹底均勻地執行調節步 驟。最後，小碟片尺寸能夠維持表面平坦度，追蹤拋光墊 中的表面變化，均勻地調節拋光墊，因此可以增加拋光輸 出量。 雖然已經藉由上述較佳實施例與附圖來說明本發明， 要知道的是這些實施例只是用來說明，而非侷限本發明。 因此，本發明並未侷限於上述結構與裝置而已，對於熟知 此項技術者來說，仍可以在不背離本發明之精神與範圍的 前提下，產生出許多修改。 【圖式簡單說明】 圖1是一不意圖，顯不具有一拋光支撐系統的拋光裝 置； 圖2是一示意圖，顯示拋光裝置正在拋光一晶圓的情 形； 圖3是一示意圖，顯示具有一調節單元的拋光裝置； 圖4 a與4 b是剖面側視圖，詳細地顯示調節組件與其 -14- (11) 1298667 中多數的鑽石； 圖5a是一側視圖，顯示使用中的拋光裝置正在調節 拋光墊之情形； 圖5b是一頂視圖，顯示圖5a中的拋光裝置； 圖6是一剖面圖，詳細顯示拋光墊的調節步驟；及 圖7是一圖表，顯示最佳的處理參數。

【主要元件符號說明】 10 拋 光 裝 置 12 拋 光 支 撐 系 統 14 分 配 單 元 16 晶 圓 支 撐 組 件 18 晶 圓 20 拋 光 墊 22 轉 台 24 旋 轉 承 座 26 驅 動 軸 28 電 動 馬 達 32 管 34 回 收 槽 36 泥 漿 38 阻 擋 塊 40 旋 轉 軸 42 方 向 臂 -15- (12)1298667 44 連 接 臂 46 旋 轉 臂 48 電 動 馬 達 50 調 節 單 元 52 =田 m 節 組 件 54 旋 轉 軸 56 方 向 臂 58 連 接 臂 60 旋 轉 單 元 62 電 動 馬 達 64 底 座 部 66 第 一 側 邊 68 第 二 側 邊 70 鑽 石

Claims (1)

1298667 1十、申請專利範圍

附件2A : 第941 23 925號專利申請案 中文申請專利範圍替換本 民國9 6年12月5日修正 1 _ 一種用於拋光半導體晶圓的調節裝置，包含具有第 一與第二側的底座，該調節裝置包含： 多數鑽石，其在該第二側嵌入該底座內，其中該底座 的該第二側具有平坦表面，且其中該等鑽石含有具有約9 〇 度的角度之頂點，其中該多數鑽石中的每一鑽石的該等9〇 度頂點的至少一者自該底座的該平坦第二側突出， 其中該多數鑽石中的該等突出90度頂點的每一者突 出約相等的量。 2 ·如申請專利範圍第1項之調節裝置，其中該底座具 有介於〇 . 5到1 · 5英吋之間的直徑。 3 ·如申請專利範圍第1項之調節裝置，其中該裝置包 括介於150個到900個之間的鑽石。 4 ·如申請專利範圍第3項之調節裝置，其中該裝置包 括大約6 0 0個鑽石。 5 ·如申請專利範圍第1項之調節裝置，其中在鑽石中 是呈八面體的。 6·如申請專利範圍第1項之調節裝置，其中具有約60 度或更小的角度之該等八面體鑽石的頂點係埋入於該底座 內。 1298667 r—— 〜鬌 ”________I 丨 了丨_丨·.....1, .—— - ^1_Ι·ΙΙΊΊ -- - _ ' M CTei修夜)正替換頁 7.如申請專利範圍第6項之調節裝置，其中該等鑽石 從該底座突出50到90微米。 8 .如申請專利範圍第7項之調節裝置，其中該等鑽石 從該底座突出其結構的約44%。 9 ·如申請專利範圍第1項之調節裝置，其中該等鑽石 係嵌入包含矩陣黏著性黏接材料的該底座內。 I 〇.如申請專利範圍第9項之調節裝置，其中該鑽石 φ 寬180微米。 II ·如申請專利範圍第1項之調節裝置，其中介於每 • 個鑽石之間的間隔至少是7 0 0微米。 1 2 .如申請專利範圍第1項之調節裝置，其中每單位 面積的鑽石是每平方公分至少50個。 1 3 · —種藉由在半導體晶圓的表面上移動拋光墊的拋 光表面來拋光該半導體晶圓的表面之方法，該方法另包含 以下步驟： φ 藉由以約1 00rPm至750rpm之間的轉速旋轉調節碟片 來調節該拋光墊，該調節碟片包含具有第一側與平坦的第 二側之底座，且多數鑽石嵌入該調節碟片的該第二側的該 底座內，其中該等鑽石含有具有約90度的角度之頂點， 其中該多數鑽石中的每一鑽石的該等90度頂點的至少一 者自該底座約等量地突出，以使該多數鑽石在該拋光表面 上均勻地刮擦。 14.如申請專利範圍第13項之方法，其中該碟片係以 3 OOrpm的速度旋轉。 1298667

1 5 .如申請專利範圍第1 3項之方法，其中該調節碟片 具有約0.5與約1 · 5英吋之間的直徑，且其中該多數鑽石 爲介於150個到900個之間的鑽石。 1 6 .如申請專利範圍第1 5項之方法，其中該拋光墊之 調節，係藉由在該碟片上施加1到6磅之間的向下力。 1 7 .如申請專利範圍第1 3項之方法，其中該等鑽石是 呈立方體的，包含90度的角度。 1 8 .如申請專利範圍第1 3項之方法，其中該等鑽石是 呈八面體的。 1 9 .如申請專利範圍第1 3項之方法，其中在該碟片上 具有至少450個鑽石。 2 〇 .如申請專利範圍第1 3項之方法，其中每單位面積 的鑽石是每平方公分大約200個。 2 1 ·如申請專利範圍第1 3項之方法，其中該拋光墊之 調節，係藉由在該調節碟片上施加1到6磅之間的向下力 〇 22·如申請專利範圍第21項之方法，其中該拋光墊之 調節，係藉由在該調節碟片上施加大約1 · 1 7 5磅的向下力 〇 2 3 如申請專利範圍第1 3項之方法，其中該等鑽石所 產生的溝紋深度是介於5 0與9 0微米之間。 24·—種藉由在半導體晶圓的表面上移動拋光墊的拋 光表面來拋光該半導體晶圓的表面之方法，該方法另包含 以下步驟： -3- 1298667 藉由以相對於該拋光墊約lOOrpm至700rpm之 速，旋轉具有約0.5與約1.5英吋之間的直徑之調 及以1至6磅之間的接觸力與該拋光墊的該拋光表 接觸之平坦調節表面，來調節該拋光墊，且介於約 至約900個之間的鑽石嵌入至該調節墊的該調節表 其中該等鑽石含有具有約90度的角度之頂點，其 數鑽石中的每一鑽石的該等90度頂點的至少一者 調節表面約等量地突出，以使該多數鑽石可以在該 面上均勻地刮擦。 25.如申請專利範圍第24項之方法，其中該碟 大約500rpm的速度旋轉。 26·如申請專利範圍第24項之方法，其中該等 嵌入至該調節墊的該調節表面上，其中該調節表面 黏著性黏接材料，且其中該等鑽石自該調節碟片的 表面突出其結構的約44%。 27·—種藉由在半導體晶圓的表面上移動拋光 光表面來拋光該半導體晶圓的表面之方法，該拋光 第一直徑，該方法另包含以下步驟： 藉由旋轉包含其上面每平方公分具有至少50 的平坦調節表面之調節碟片，調節該拋光墊，以使 石在該拋光表面上刮擦，該調節碟片具有第二直徑 該第一直徑對該第二直徑的比例是介於1 : 1 3與1 28.如申請專利範圍第27項之方法，其中該第 間的轉 節碟片 面物理 150個 面上， 中該多 自該該 拋光表 片係以 鑽石係 包含陣 該調節 墊的拋 墊具有 個鑽石 該等鑽 ，其中 :40之 一直徑 -4-

1298667 與該第二直徑具有介於1 : 1 6到1 : 26之間的比例。 29.如申請專利範圍第28項之方法，其中該第一直徑 與該第二直徑具有大約1 : 20的比例。 3 0.如申請專利範圍第27項之方法，其中該等鑽石所 產生的溝紋大約是80微米深。