一种CMP过程后晶圆厚度测量装置及方法、清洗腔室与流程

一种cmp过程后晶圆厚度测量装置及方法、清洗腔室
技术领域
1.本发明涉及半导体制造工艺技术领域，尤其涉及一种cmp过程后晶圆厚度测量装置基于马兰戈尼干燥的cmp效果测量装置及方法、清洗腔室。


背景技术：

2.cmp(化学机械抛光)是利用机械力的同时加以化学辅助研磨至晶圆平坦化的工艺。为保护晶圆上的图案并且除去刻蚀产生图形凹凸不平，为了后续光刻等工序，因此需要成膜平坦化。cmp前通常经过多次沉积的办法生成作用不同、厚度不同的各种沉积薄膜，因此cmp分为多个研磨进程，在不同的阶段对薄膜厚度研磨程度不同，以此实现对图案的选择性保护。对cmp的研磨进程进行检测和对cmp效果进行测量需要对cmp后晶圆表面的薄膜厚度进行测定。但晶圆在研磨过程中，研磨头和承载盘的高速旋转容易导致研磨液飞溅出来或形成雾状流，这些飞溅出来的研磨液容易累积形成结晶，如果这些结晶体掉落甚至残留在晶圆的表面，造成无法准确测定研磨后晶圆表面薄膜厚度。因此在cmp结束后，必须对晶圆进行清洗后才能准确测定研磨后晶圆表面薄膜厚度。
3.现有技术中，对cmp效果测量必须在清洗结束后将晶圆转移至测量腔室的测厚仪上，再对晶圆表面薄膜的厚度进行测定，以此对cmp效果进行测量。这样操作存在诸多问题，在多cmp进程中，需要经过多次cmp，每次cmp后晶圆经过清洗后进入测量腔室进行测量，会造成大量的步骤重复，生产效率低。同时，将晶圆转移至测量腔室的过程，还可能存在固体颗粒的飘落在晶圆表面，使得测量准确度无法得到保证，而且晶圆表面附着颗粒会对晶圆表面造成损伤；在晶圆从清洗装置转移至测量腔室放置于测厚仪平台上，再从测厚仪平台上转移至下一步工艺，需要经过机械手多次夹取，夹取需要对晶圆施加物理作用力，夹取次数的增加会增加晶圆破损的风险。同时对于整个工艺来说，需要设置单独的测量腔室实现晶圆表面薄膜厚度的测定，设备空间占用大，设备制造成本攀升。


技术实现要素：

4.鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种cmp过程后晶圆厚度测量装置及方法、清洗腔室，至少能解决以下技术问题之一：(1)晶圆表面薄膜厚度测量需要单独的步骤，工艺步骤浪费，生产效率低；(2)晶圆转移至测量腔室的过程，可能造成颗粒的再次飘落和附着，测量准确性降低，晶圆有划伤的风险，并对后续生产工艺造成影响；(3)晶圆转移至测厚仪平台上再进入后续工艺，需要承受机械手的多次夹取产生的力，增加晶圆破损的风险；(4)整个制造过程需要单独设置测量腔室对晶圆表面薄膜厚度的测定，设备空间占用大，设备制造成本攀升。
5.一方面，本发明提供一种cmp过程后晶圆厚度测量装置，包括晶圆厚度测量设备；
6.所述晶圆厚度测量设备设置在清洗腔室内，且位于清洗剂池上方的干燥气体喷射口的上方；
7.所述晶圆厚度测量设备用于在晶圆清洗完成后的上升过程中对晶圆厚度进行测
量。
8.进一步地，所述晶圆厚度测量设备包括光学发射器和光学接收器；
9.所述光学发射器和光学接收器均设置在清洗腔室内，且位于清洗剂池上方的干燥气体喷射口的上方；
10.所述光学发射器用于发射检测光；
11.所述光学接收器用于接收经晶圆表面反射和折射后的检测光。
12.进一步地，所述光学发射器为激光发射器，光学接收器为激光接收器。
13.进一步地，所述光学发射器、光学接收器与干燥气体喷射口同时启动工作。
14.进一步地，晶圆上升方向平行于晶圆表面，所述光学发射器和光学接收器距离晶圆表面1-4cm。
15.进一步地，所述光学发射器和光学接收器的安装位置不高于晶圆上升的最高位置。
16.进一步地，所述光学发射器为线形光学发射器，光学接收器为线形光学接收器。
17.进一步地，所述线形光学发射器和线形光学接收器水平放置，线形光学发射器的检测光的检测宽度d1不小于晶圆直径d，线形光学接收器的检测光的检测宽度d2不小于d1的1.1倍。
18.进一步地，所述干燥为马兰戈尼干燥，所述晶圆清洗完成后在顶升机构的作用下上升。
19.一方面，本发明提供一种cmp过程后晶圆厚度测量方法，包括：
20.cmp过程后的晶圆进入清洗腔室；
21.晶圆在清洗腔室的清洗剂池中完成清洗后，在顶升装置的作用下上升；
22.晶圆开始上升时，干燥气体喷射口开始喷射马兰戈尼干燥气体；
23.晶圆最高处平齐于干燥气体喷射口时，干燥气体喷射口上方的晶圆厚度测量设备开始工作，对上升中的晶圆厚度进行实时检测。
24.进一步地，所述干燥气体喷射口设置在喷射杆上，喷射的气体为异丙醇的高温蒸汽和氮气的混合气体，异丙醇和氮气的体积比为1:4至4:1。
25.另一方面，本发明提供一种cmp过程后晶圆清洗腔室，包括：晶圆厚度测量设备、顶升装置、清洗池和干燥气体喷射杆；
26.所述干燥气体喷射杆位于清洗池上方，用于喷射干燥气体；
27.所述晶圆厚度测量设备位于干燥气体喷射杆上方，用于在晶圆清洗完成后的上升过程中进行晶圆厚度的测量；
28.所述顶升装置用于将清洗完成后的晶圆沿晶圆表面方向提升；
29.所述清洗池内装有液体清洗剂。
30.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
31.(1)现有技术的晶圆表面薄膜厚度测量需要单独的步骤，晶圆表面薄膜测厚装置安装于单独的测量腔室中，本技术的测量装置基于马兰戈尼干燥装置，安装于马兰戈尼干燥装置的气体喷射杆上方，不必设置单独测量晶圆表面薄膜厚度的装置，节省了宝贵的设备空间，大幅降低了设备制造成本。
32.(2)现有技术的晶圆表面薄膜测厚在cmp后的清洗干燥之后，属于单独的测量工艺
流程，本发明的cmp效果测量与马兰戈尼干燥时间完全重合，有效利用了cmp清洗后的马兰戈尼干燥时间，减少了工艺步骤，压缩了工艺时间，提高了整个半导体生产流水线的生产效率，需要多次进行cmp的流程中对效率的提升极为明显。
33.(3)本发明晶圆表面薄膜测厚基于马兰戈尼干燥，对干燥后的晶圆表面薄膜厚度进行实时在线测量，有效防止现有技术中经过传送设备和工艺过程中可能造成的颗粒的二次污染，避免了晶圆的划伤，并且减少了晶圆被机械手的多次夹取和放置，降低了因机械手的夹持的机械力晶圆破损情况的发生。
34.本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
35.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
36.图1a为马兰戈尼干燥开始前示意图；
37.图1b为马兰戈尼干燥进行中示意图；
38.图1c为马兰戈尼干燥结束后示意图；
39.图2a为基于马兰戈尼干燥的cmp效果测量开始前示意图；
40.图2b为基于马兰戈尼干燥的cmp效果测量进行中示意图；
41.图2c为基于马兰戈尼干燥的cmp效果测量结束后示意图。
具体实施方式
42.在单cmp进程中，对cmp效果的测量需要经过单独的测量工艺流程，造成工艺流程的浪费，而对于多cmp进程中，则需要经过多次cmp，每次cmp后晶圆经过清洗后均需要进入测量腔室进行测量，会造成大量的步骤重复，生产效率低。同时，将晶圆转移至测量腔室的过程，还可能存在固体颗粒的飘落在晶圆表面，使得测量准确度无法得到保证，而且晶圆表面附着颗粒会对晶圆表面造成损伤；在晶圆从清洗装置转移至测量腔室放置于测厚仪平台上，再从测厚仪平台上转移至下一步工艺，需要经过机械手多次夹取，夹取需要对晶圆施加物理作用力，夹取次数的增加会增加晶圆破损的风险。同时对于整个工艺来说，需要设置单独的测量腔室实现晶圆表面薄膜厚度的测定，设备空间占用大，设备制造成本攀升。
43.基于以上问题，考虑到在cmp后的清洗过程，晶圆首先被置于清洗剂槽中，通过去离子水等液体清洗剂洗去表面的固体颗粒，然后通过马兰戈尼干燥将晶圆表面的清洗剂液体去除干净。马兰戈尼干燥的过程如图1a、图1b和图1c所示，马兰戈尼干燥是通过顶升装置将晶圆从清洗剂池中提升，在晶圆与清洗剂的固液交界处，通过喷射杆喷射加热的异丙醇ipa蒸汽和氮气的混合气体，在固液交界处形成了气固液三相交界。由于异丙醇可以溶于水，异丙醇和水形成混合小液珠，在气体作用下表面张力发生改变，混合小液珠被去离子水抽拉吸走，实现对晶圆的干燥。由于此过程的驱动力是气固液三相交界处液体表面张力变化所致，因此该过程比较缓慢，为了配合此过程顶升装置提升晶圆速度较慢，整个干燥过程
持续时间很长。本发明利用马兰戈尼的干燥时间，对cmp效果经过测定，提供了一种基于马兰戈尼干燥的cmp效果测量装置及方法。
44.本发明提供的cmp过程后晶圆厚度测量装置，包括：
45.晶圆厚度测量设备；
46.晶圆厚度测量设备设置在清洗腔室内，且位于清洗剂池上方的干燥气体喷射口的上方，用于在晶圆清洗完成后的上升过程中对晶圆厚度进行测量。
47.具体的，晶圆厚度测量设备包括光学发射器和光学接收器；光学发射器和光学接收器设置于清洗腔室内，均位于干燥气体喷射口上方；光学发射器用于发射检测光；光学接收器用于接收经晶圆表面反射和折射后的检测光。
48.本发明的cmp效果测量装置通过对cmp后经过清洗干燥的晶圆表面的薄膜厚度对cmp效果进行测量。与现有的对晶圆表面薄膜测量具有很大不同：
49.(1)从测量装置看，本发明的测量装置与马兰戈尼干燥装置共体，充分利用马兰格尼干燥装置的闲置空间，将两套装置变为一套装置，大大减少了设备所占空间，大大降低了设备成本。
50.(2)从测量方式看，目前对晶圆表面薄膜厚度的测量都采用将晶圆水平放置于测量设备的测量平台上，通过固定装置对晶圆进行固定。区别于目前的测量方式，本发明的对马兰戈尼干燥过程中的晶圆直接进行测厚，由于马兰戈尼干燥利用顶升装置将晶圆垂直从清洗剂池中提升出来，因此本发明采用垂直的方式进行测量。
51.(3)从测量过程看，现有技术将晶圆水平放置于测量设备的测量平台上，通过晶圆的旋转实现对晶圆表面薄膜厚度的测量，本发明基于马兰戈尼干燥对晶圆表面薄膜厚度的测量，晶圆的运动方式为垂直方向的直线运动。
52.(4)从工艺流程看，现有技术的cmp过程后的马兰戈尼干燥在清洗腔室中完成，属于cmp的后续清洗工艺流程，而晶圆表面薄膜厚度的测量在测量腔室中完成，属于单独的测量工艺；本发明在马兰戈尼干燥中对晶圆表面薄膜厚度的测量以此完成对cmp的后续清洗和测量，在清洗设备腔室中一步完成，cmp工艺后的清洗干燥测量融合为一个工艺。
53.考虑到光根据波长具有极为广泛的范畴和分类，基于马兰戈尼干燥的设备和工艺流程，具体的光学发射器选择激光发射器，光学接收器为激光接收器。因激光设备体积相对较小，激光定向性好，测量效果佳。
54.根据前述分析，本发明对cmp效果测量通过在马兰戈尼干燥过程中对晶圆表面的薄膜厚度进行同步测量，因此光学发射器、光学接收器与气体喷射杆同时启动工作，同时结束工作，以此实现同步测量和干燥。
55.考虑到设备的体积和光学测量设备测量的需求，光学发射器和光学接收器距离晶圆提升的运动平面1-4cm，晶圆提升的运动平面也就是提升过程中的晶圆平面。光学发射器和光学接收器距离晶圆提升的运动平面过近，可能会造成激光的运动路径过短，光学发射器发射的检测光经过晶圆表面薄膜发生反射和折射后的位移太小，无法被光学接收器分辨和测量；并且光学发射器和光学接收器距离晶圆提升的运动平面过近，使光学发射器和光学接收器容易与晶圆提升装置发生磕碰，且不利于设备的更换和检修，因此光学发射器和光学接收器距离晶圆提升的运动平面距离为最小为1cm。光学发射器和光学接收器距离晶圆提升的运动平面过远，则可能会造成激光的运动路径过长，光学发射器发射的检测光经
过晶圆表面薄膜发生反射和折射后的位移太大，超过光学接收器的检测范围无法被测量。因此确定光学发射器和光学接收器距离晶圆提升的运动平面距离为1-4cm。
56.光学发射器和光学接收器的水平位置则与晶圆提升至最高位置时顶升装置的水平位置相同。由于cmp效果测量装置是基于马兰戈尼进行干燥，马兰戈尼干燥过程中顶升装置对晶圆的提升位移、起点、终点均为固定，而光学发射器和光学接收器的水平位置决定与cmp效果测量装置开始测量的时间与结束测量的时间。为了实现对整片晶圆表现薄膜各位置的测量，以此获得整片晶圆表现薄膜厚度的数据实现对cmp效果的有效测量。因此cmp效果测量装置必须实现对整片晶圆表面薄膜各位置的测量，测量开始的时间与干燥开始时间相同，测量结束的时间与干燥结束时间相同，因此，光学发射器和光学接收器的水平位置位于气体喷射杆上方，与晶圆提升至最高位置时顶升装置的水平位置相同。
57.具体的，当光学发射器为线形光学发射器，光学接收器为线形光学接收器时，cmp效果测量装置既能够实现对整片晶圆表现薄膜各位置的厚度的测量以获得cmp效果的准确测量又能最大限度节省光学发射器和光学接收器的设备制造成本，缩小设备所占空间。
58.为了保证cmp效果测量装置既能够实现对整片晶圆表现薄膜各位置的厚度的测量，线形光学发射器和线形光学接收器水平放置，且线形光学发射器的长度d1不小于晶圆直径d。为了保证光学发射器发射的检测光经过晶圆表面薄膜发生反射和折射后的位移较大，依然在光学接收器的检测范围，能够被光学接收器接收并测量，线形光学发射器的长度d2不小于d1的1.1倍。
59.在cmp结束后通过去离子水、异丙醇等化学清洗剂对晶圆表面的抛光液颗粒进行清洗，清洗后用顶升装置将晶圆从清洗剂中提升，并使用异丙醇蒸汽利用马兰戈尼原理对晶圆表面进行干燥，由于顶升装置与晶圆边缘存在接触，由于液体表面张力，异丙醇会向顶升装置与晶圆的接触部分聚集，聚集的异丙醇中可能混有清洗剂中的颗粒，因此使用异丙醇进行清洗不但造成异丙醇的聚集，还会造成颗粒的残留，对后续工艺造成不良影响。为了避免这一问题，在一种可能的方案中，本发明的光学发射器发生的激光还可用于对顶升装置与晶圆边缘接触部分聚集残留的液体进行干燥。
60.本发明的基于马兰戈尼干燥的cmp效果测量方法，如图2a、图2b和图2c所示，使用前述的基于马兰戈尼干燥的cmp效果测量装置，顶升装置将晶圆从清洗剂池中提升开始，马兰戈尼干燥气体喷射杆开始喷射气体，晶圆最高处平齐于干燥气体喷射口时，光学发射器和光学接收器开始工作，随着顶升装置缓慢逐步将晶圆提升至最高点，光学接收器通过对光学发射器发射的并经晶圆表面反射和折射的检测光进行检测，得到整片晶圆表面薄膜的各位置的厚度，以整片晶圆表面薄膜的各位置的厚度实现对cmp效果的测量。
61.在一种可能的方案中，气体喷射杆喷射的气体为异丙醇的高温蒸汽和氮气的混合气体，异丙醇和氮气的体积比为1:4至4:1，即异丙醇的体积百分比为20％-80％。考虑到气体中异丙醇的含量直接影响马兰戈尼干燥速度，而cmp效果的测量与马兰戈尼干燥同步开始，同步结束，因此异丙醇和惰性气体氮气的比例直接影响整个干燥和cmp效果测定的速度和时长。异丙醇所占比例低于20％，异丙醇含量较低，马兰戈尼干燥速度慢，整个干燥和cmp效果测量进行太慢，生产效率低；异丙醇含量过高，氮气含量过少，马兰戈尼效应变小，干燥速度反而变慢。因此气体喷射杆喷射的气体为异丙醇的高温蒸汽和氮气的混合气体，异丙醇和氮气的体积比为1:4至4:1。
62.下面具体描述本发明的优选实施例阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
63.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，
64.全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在
……
上方”、“下”和“在
……
上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。
65.本发明通常的工作面可以为平面或曲面，可以倾斜，也可以水平。为了方便说明，本发明实施例放置在水平面上，并在水平面上使用，并以此限定“高低”和“上下”。
66.实施例一
67.本发明的一个具体实施例，公开了一种基于马兰戈尼干燥的cmp过程后晶圆厚度效果测量装置可操作性晶圆最大直径为200mm。
68.cmp过程后晶圆厚度测量装置，包括晶圆厚度测量设备；晶圆厚度测量设备设置在清洗腔室内，且位于清洗剂池上方的干燥气体喷射口的上方，用于在晶圆清洗完成后的上升过程中对晶圆厚度进行测量，晶圆厚度测量设备包括激光发射器和激光接收器。
69.激光发射器发射测量cmp后晶圆表面薄膜厚度的检测光。
70.激光接收器接收经晶圆表面反射和折射后的检测光。
71.气体喷射杆喷射的是高温异丙醇蒸汽和氮气的混合气体，异丙醇和氮气的体积比为2:1。
72.激光发射器为线形激光发射器，激光接收器为线形激光接收器。
73.激光发射器和激光接收器距离晶圆提升的运动平面的距离为2cm。
74.激光发射器、激光接收器与气体喷射杆同时启动工作，同时结束工作。
75.线形光学发射器和线形光学接收器水平放置，线形光学发射器的长度200mm，线形光学发射器的长度220mm。
76.激光发射器发射的激光还可对顶升装置与晶圆边缘接触部分聚集残留的异丙醇进行干燥。
77.实施例二
78.本发明的一个具体实施例，公开了一种cmp过程后晶圆厚度测量方法。
79.本实施例使用的基于cmp过程后晶圆厚度测量装置，可操作性晶圆最大直径为180mm。该装置包括晶圆厚度测量设备；晶圆厚度测量设备设置在清洗腔室内，且位于清洗剂池上方的干燥气体喷射口之上，用于在晶圆清洗完成后的上升过程中对晶圆厚度进行测量，包括激光发射器和激光接收器。
80.气体喷射杆喷射的是高温异丙醇蒸汽和氮气的混合气体，异丙醇和氮气的体积比为1:2。
81.激光发射器发射测量cmp后晶圆表面薄膜厚度的检测光；激光接收器接收经晶圆表面反射和折射后的检测光。
82.激光发射器为线形激光发射器，激光接收器为线形激光接收器。
83.激光发射器和激光接收器距离晶圆提升的运动平面的距离为1.5cm。
84.线形光学发射器和线形光学接收器水平放置，线形光学发射器的长度190mm，线形光学发射器的长度210mm。
85.实施时，顶升装置开始将晶圆从清洗剂池中提升，马兰戈尼干燥气体喷射杆即开始喷射气体，晶圆最高处平齐于干燥气体喷射口时，光学发射器和光学接收器开始工作，随着顶升装置缓慢逐步将晶圆提升至最高点，光学接收器通过对光学发射器发射的并经晶圆表面反射和折射的检测光进行检测，得到晶圆表面薄膜的厚度，以晶圆表面薄膜的厚度获得cmp效果。
86.实施例三
87.本实施例提供了一种cmp过程后晶圆清洗腔室，包括：激光发射器、激光接收器、顶升装置、清洗池、异丙醇喷射杆、激光加热器和温度探测器。本实施例可操作性晶圆最大直径为180mm。
88.激光发射器为线形激光发射器，激光接收器为线形激光接收器。
89.激光发射器和激光接收器距离晶圆提升的运动平面的距离为1.5cm。
90.线形光学发射器和线形光学接收器水平放置，线形光学发射器的长度190mm，线形光学发射器的长度210mm。
91.异丙醇喷射杆位于清洗池上方，用于喷射异丙醇对晶圆进行干燥。
92.顶升装置用于将清洗完成后的晶圆沿晶圆表面方向提升。
93.清洗池内装有去离子水。
94.激光加热器位于异丙醇喷射杆上方，平齐于晶圆顶升装置的最高位置。
95.温度探测器用于实时检测晶圆与顶升装置接触的区域和晶圆下边缘的温度。
96.激光加热器加热主体的形状是矩形。
97.激光加热器距离晶圆平面的距离2cm。
98.激光加热器的加热温度为30-50℃，通过温度探测器探测并调控激光加热器的激光功率实现。
99.激光加热器加热主体的宽度108mm，加热装置的加热主体的高度27mm。
100.cmp结束后通过去离子水对晶圆表面的抛光液颗粒进行清洗，清洗后用顶升装置将晶圆从清洗剂中提升，晶圆提升至最高位置的过程中，顶升装置开始提升晶圆时，异丙醇喷射杆开始喷射气体，晶圆最高处平齐于干燥气体喷射口时，激光发射器和激光接收器开始工作，随着顶升装置缓慢逐步将晶圆提升至最高点，激光接收器通过对光学发射器发射的并经晶圆表面反射和折射的检测光进行检测，得到整片晶圆表面薄膜的各位置的厚度。
101.在异丙醇喷射杆喷射结束后启动，激光加热器通过照射激光对异丙醇喷射干燥后晶圆与顶升装置接触的区域和晶圆下边缘进行干燥，实现对整个晶圆的完全干燥。
102.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。