一种抛光温度控制装置、化学机械抛光系统和方法与流程

1.本发明属于化学机械抛光技术领域，具体而言，涉及一种抛光温度控制装置、化学机械抛光系统和方法。


背景技术：

2.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，芯片制造涉及芯片设计、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。
3.化学机械抛光（chemical mechanical planarization, 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压于抛光垫上表面，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；同时，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。
4.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，将会产生大量的热量导致温度过高。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。
5.此外，晶圆由装载杯移动至抛光垫上方的过程中，晶圆的表面与抛光垫的表面可能存在温度差，使得抛光垫及其上的抛光液的产生热量损失，使得晶圆接触区域的抛光液的温度不同于其他区域的温度，这在一定程度上也会影响晶圆的抛光效果。
6.因此，需要对化学机械抛光过程中的温度进行控制，提升化学机械抛光的综合性能。


技术实现要素：

7.本发明旨在至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。
8.为此，本发明实施例的提供了一种抛光温度控制装置、化学机械抛光系统和方法，其包括第一调温机构，其包括传热辊、安装座和驱动座，所述驱动座设置于抛光设备的机台板，所述安装座设置于驱动座，所述传热辊悬挑设置于所述驱动座的一侧且其外周侧抵接于抛光垫的上侧，旋转的抛光垫在摩擦力作用下驱动传热辊绕其轴线转动以调节抛光垫及抛光液的温度；第二调温机构，其设置于晶圆传输路径中，以对经由的晶圆喷射流体来调节晶圆底面的温度。
9.作为优选实施例，所述传热辊为锥形辊，其内部配置有流体管路；所述流体管路与外部的流体供给源连通，其通过位于传热辊端部的旋转接头接入传热辊。
10.作为优选实施例，所述第一调温机构还包括旋转电机，其设置于所述旋转接头的外侧并间歇性驱动传热辊转动，以改变传热辊与抛光垫的接触区域。
11.作为优选实施例，所述第二调温机构设置于抛光盘与装载杯之间，其包括流体缓
存部和喷嘴；所述喷嘴设置于所述流体缓存部的顶部，所述流体缓存部通过管路与外部的流体供给源连通。
12.作为优选实施例，所述喷嘴沿所述流体缓存部的长度方向均匀设置，喷嘴的布置长度大于或等于晶圆的直径。
13.作为优选实施例，所述驱动座设置于抛光盘的外周侧，其能够驱动安装座及其上的传热辊旋转以调节传热辊的设置位置。
14.作为优选实施例，所述驱动座能够驱动传热辊旋转至第二调温机构的上侧，第二调温机构的喷嘴朝向传热辊喷射流体以清洗其外周侧。
15.作为优选实施例，所述传热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保持传热辊处于低温状态。
16.此外，本发明还公开了一种化学机械抛光系统，其包括上面所述的抛光温度控制装置。
17.再者，本发明还公开了一种化学机械抛光方法，使用上面所述的化学机械抛光系统，其包括：s1，抛光盘旋转，供液部朝向抛光垫喷射去离子水以清除其表面杂质并润湿抛光垫表面；s2，供液部停止喷射去离子水并朝向抛光垫供给抛光液，第一调温机构的传热辊由旋转的抛光垫驱动旋转，以接触的方式调节抛光垫及抛光液的温度；s3，承载头将放置于装载杯的晶圆吸合并朝向抛光盘移动，承载头经由第二调温机构时旋转，第二调温机构的喷嘴朝向旋转的晶圆喷射流体，以非接触方式调节晶圆底面的温度；s4，承载头移动至抛光盘上侧并将晶圆抵压于抛光垫，承载头旋转并水平移动，以实施晶圆的化学机械抛光。
18.本发明的有益效果包括：（1）为抛光垫配置第一调温结构，通过接触的方式调节抛光垫及抛光液的温度，以改变晶圆抛光条件，提升晶圆抛光的均匀性；（2）在晶圆传输路径中配置第二调温机构，以对经由的晶圆喷射流体，控制晶圆底面的温度，避免待抛光的晶圆与抛光垫及抛光液存在温度差而影响抛光的去除速率；（3）第一调温机构的传热辊能够旋转至第二调温机构的上方，以喷射的方式清洗传热辊的表面，以延长第一调温机构的使用寿命。
附图说明
19.通过结合以下附图所作的详细描述，本发明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，并不限制本发明的保护范围，其中：图1是本发明所述抛光温度控制装置的结构示意图；图2是本发明所述第一调温机构的结构示意图；图3是本发明所述第二调温机构的结构示意图；图4至图6是本发明所述第一调温机构的剖视图；图7是本发明所述一种化学机械抛光系统的示意图；
图8是本发明所述一种化学机械抛光方法的流程图。
具体实施方式
20.下面结合具体实施例及其附图，对本发明所述技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本发明实施方式及本发明保护范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本技术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。
21.本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，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发明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。
22.在本发明中，“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）也称基板（substrate）,其含义和实际作用等同。
23.在化学机械抛光过程中，抛光液的化学反应依赖于抛光液的温度，而化学反应速度与温度关系。因此，温度是化学机械抛光的重要过程控制参数。需要通过控制抛光垫及其上的抛光液的温度来调节晶圆抛光的去除速率，进而参与晶圆全局平坦化的控制，实现晶圆抛光的均匀性。
24.图1为一种抛光温度控制装置的示意图，其配置于化学机械抛光系统，以控制与晶圆抛光相关的温度。抛光温度控制装置包括第一调温机构10和第二调温机构20，第一调温机构10用于控制抛光盘40上的抛光垫及其上的抛光液的温度，第二调温机构20用于控制晶圆传输过程中的温度，以降低晶圆的温度与抛光垫及抛光液之间的温度差值。
25.进一步地，第一调温机构10包括传热辊11、安装座12和驱动座13，如图2所示，驱动座13设置于抛光设备的机台板30，安装座12设置于驱动座13，传热辊11悬挑设置于所述驱动座13的一侧，传热辊11的外周侧抵接于抛光垫的上侧，旋转的抛光垫驱动传热辊11绕其轴线转动，以控制抛光垫及抛光液的温度。
26.进一步地，第二调温机构20设置于晶圆传输路径中以对经由的晶圆喷射流体，控制晶圆底面的温度。图1所示的实施例中，第二调温机构20设置于抛光盘40与装载杯50之间，以调节晶圆自装载杯50传输至抛光盘40过程中的温度。
27.图3是本发明所述第二调温机构20的结构示意图，第二调温机构20包括流体缓存部21和喷嘴22，所述喷嘴22设置于所述流体缓存部21顶部，流体缓存部21通过管路与外部的流体供给源（未示出）连通。
28.其中，喷嘴22沿流体缓存部21的长度方向均匀设置，喷嘴22的布置长度大于或等于晶圆的直径，使得喷嘴22喷射的流体覆盖于晶圆的底面。
29.作为本发明的一个实施例，喷嘴22喷射的流体可以为具有一定温度的去离子水和/或洁净空气，以控制晶圆底面的温度，使得晶圆的底面温度大致与抛光垫及其上的抛光液的温度相同。如此设置，能够避免晶圆作为外部的冷源而干扰第一调温机构10对抛光垫温度的控制。作为本发明的一个实施例，喷嘴22喷射流体的温度与抛光工艺有关，通常喷嘴
22喷射流体的温度为30
‑
50℃。
30.作为本发明的一个实施例，传热辊11为锥形辊，其内部配置有流体管路11a，如图4所示，所述流体管路11a通过位于传热辊11端部的旋转接头14接入传热辊11，流体管路11a与外部的流体供给源（未示出）连通。传热辊11设置为锥形辊，使得传热辊11与抛光垫的接触面积沿半径方向上是不同的，以灵活控制抛光垫及其上的抛光液的温度。作为本实施例的一个变体，也可以在传热辊11的内部设置独立的温控模块，以按需控制各个温控模块的温度，调节抛光垫不同区域的温度。
31.图4中，第一调温机构10还包括旋转电机15，其设置于所述旋转接头14的外侧，其可以间歇性驱动传热辊11转动，以改变传热辊11与抛光垫的接触区域。如此设置，能够有效防止传热辊11的局部始终与抛光垫接触而增加形成抛光结晶。
32.作为本发明的另一个实施例，第一调温机构10的传热辊11的内部设置流体管路11a，流体管路11a沿传热辊11的长度方向呈z字形折弯设置，如图5所示，以便增加流体管路11a设置的均匀性及密度，提高传热辊11的有效性。
33.进一步地，传热辊11的内部也可以设置多个独立的导热模块，所述导热模块可以沿传热辊11的长度方向设置。图6所示的实施例中，传热辊11的内部可以设置第一导热模块11b和第二导热模块11c。可以根据工况需要，灵活设置通入第一导热模块11b及第二导热模块11c的流体温度，使得抛光垫沿半径方向的温度存在差异，以控制化学机械抛光的速率，控制材料的去除速率。
34.可以理解的是，传热辊11为锥形结构，在传热辊的截面尺寸较大的区域设置尺寸较大的导热模块，以加大抛光垫边缘区域的温度控制，增强晶圆边缘部分的抛光控制。
35.图2中，驱动座13设置于抛光盘40的外周侧，其能够带动安装座12及传热辊11摆动。具体地，通常第一调温机构10的传热辊11设置在抛光垫的上侧，当抛光垫无需调节温度时，驱动座11配置的机构可以将传热辊11摆动至抛光垫的外侧。作为本实施例的一个方面，驱动座13也可以带动传热辊11摆动至第二调温机构20的上侧，第二调温机构20的喷嘴22朝向传热辊11喷射流体以清洗其外周侧，以减少传热辊11外周侧的抛光结晶，延长第一调温机构10的使用寿命。
36.作为本发明的一个实施例，传热辊11由高导热率材料制成以通过流体管路11a内流通的低温流体使传热辊11保持低温。
37.传热辊11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。传热辊11与抛光垫接触时，在摩擦力的作用下被动地自由滚动进而对抛光垫或抛光液进行冷却。
38.传热辊11表面保持低温，以便对与传热辊11表面接触的抛光垫或抛光液进行冷却，从而降低抛光温度。在一些实施例中，传热辊11也可以由旋转电机1驱动其滚动，在抛光垫旋转时，在传热辊11与抛光垫之间的接触摩擦力的作用下，传热辊11绕自身的中轴自主滚动，从而提高传热辊11对抛光垫及抛光液的温度调控能力。
39.作为本发明的一个实施例，传热辊11由塑料制成，其外周侧涂覆有耐污涂层，以防止传热辊11外周侧附着有抛光结晶。优选地，耐污涂层为帕瑞林c，其厚度为0.01mm
‑
0.1mm。耐污涂层需要均匀涂覆于传热辊11的外周侧，以保证传热辊11的防污性。
40.再者，本发明还公开了一种化学机械抛光系统，其包括上面所述抛光温度控制装
置，所述抛光温度控制装置包括第一调温机构10和第二调温机构20，如图7所示。化学机械抛光系统还包括抛光盘40、抛光垫、承载头60、修整器70以及供液部80；抛光垫设置于抛光盘40上表面并与其一起沿轴线ax旋转；可水平移动的承载头60设置于抛光垫上方，其下表面接收有待抛光的晶圆；修整器70包括修整臂及修整头，其设置于抛光盘40的一侧，修整臂带动旋转的修整头摆动以修整抛光垫的表面；供液部80设置于抛光垫的上侧，以将抛光液散布于抛光垫的表面。
41.抛光作业时，承载头60将晶圆的待抛光面抵压于抛光垫的表面，承载头60做旋转运动以及沿抛光盘40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40旋转，供液部80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60与抛光盘40的相对运动使晶圆与抛光垫摩擦以进行抛光。
42.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。
43.在化学机械抛光期间，修整器70用于对抛光垫表面形貌进行修整和活化。使用修整器70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，还可以将由于研磨导致的抛光垫表面形变进行平整化，保证了在抛光期间抛光垫表面形貌的一致性，进而使抛光去除速率保持稳定。
44.此外，本发明还公开了一种化学机械抛光方法，使用上面所述的化学机械抛光系统，其流程图，如图8所示，其包括以下步骤：s1，抛光盘40旋转，供液部80朝向抛光垫喷射去离子水以清除其表面杂质并润湿抛光垫表面；该步骤为晶圆抛光之前的准备工作，为了防止抛光垫上部的杂物对抛光垫额干扰，需要清除抛光垫表面杂物。为了保证抛光液在抛光垫上部的状态，需要对抛光垫进行适当的润湿处理。
45.s2，供液部80停止喷射去离子水并朝向抛光垫供给抛光液，第一调温机构10的传热辊11由旋转的抛光垫驱动旋转，以接触的方式调节抛光垫及抛光液的温度；该步骤中，需要预先设定第一调温机构10的相关参数。如通入传热辊内部流体管路11a的流体供给源的温度设定为50
±
2℃，流体速度为30ml/min，以调控抛光垫及其上的抛光液的温度。
46.在一些实施例中，为了更好的实现抛光垫及其上的抛光液的控制，需要在抛光垫的上方设置温度测量装置，所述温度测量装置与第一调温机构10信号连接，以通过pid等闭环控制，灵活调节流体供给源的温度及流体速度，实现抛光垫及抛光液温度的准确控制。
47.s3，承载头60将放置于装载杯50的晶圆吸合并朝向抛光盘40移动，承载头60经由第二调温机构20时旋转，第二调温机构20的喷嘴22朝向旋转的晶圆喷射流体，以非接触方式调节晶圆底面的温度；具体地，承载头60绕其走线低速旋转，如转速为20
‑
50prm；喷嘴22喷射具有一定温度的流体，以调节晶圆底面的温度。该步骤中，关于第二调温机构20的流体缓存部21连通的
流体供给源的参数设定，可以参考步骤s2中第一调温机构10的设定。
48.s4，承载头60移动至抛光盘40上侧并将晶圆抵压于抛光垫，承载头60旋转并水平移动，以实施晶圆的化学机械抛光。
49.具体地，抛光垫及其上的抛光液的温度控制在工艺要求范围内，而承载头60吸合的晶圆底面的温度与抛光垫的温度基本一致，或者，温度差相对较小，实现了化学机械抛光中的温度这一影响因素的准确控制，有利于提升晶圆抛光的均匀性。
50.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发明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。
51.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明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，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。