專利名稱：化學機械研磨裝置及化學機械研磨方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體制造領(lǐng)域，特別涉及一種化學機械研磨裝置及化學機械研磨方法。
背景技術(shù)：
隨著超大規(guī)模集成電路ULSI (Ultra Large Scale Integration)的飛速發(fā)展,集成電路工藝制作工藝變得越來越復雜和精細。為了提高集成度，降低制造成本，芯片單位面積內(nèi)的元件數(shù)量不斷增加，平面布線已難以滿足元件高密度分布的要求，只能采用采用多 層布線技術(shù)利用芯片的垂直空間，進一步提高器件的集成度。但是多層布線技術(shù)的應(yīng)用會造成硅片表面的起伏不平，對圖形制作極其不利。為此，要在大直徑硅片上實現(xiàn)多層布線結(jié)構(gòu)，首先就要實現(xiàn)每一層都具有很高的全局平整度，即要求對多層布線互連結(jié)構(gòu)中的導體、 層間介質(zhì)層、金屬、娃氧化物、氮化物等進行平坦化(Planarization)處理。目前，化學機械研磨(CMP, Chemical Mechanical Polishing)是達成全局平坦化的最佳方法，尤其在半導體工藝進入亞微米領(lǐng)域后，化學機械研磨已成為一種不可或缺的制作工藝技術(shù)?；瘜W機械研磨(CMP)是通過晶片與研磨頭之間的相對運動來平坦化晶片待研磨表面的。例如公開號為“US2006003671A1”美國專利中公開了一種化學機械研磨裝置及方法。圖I為現(xiàn)有技術(shù)化學機械研磨裝置結(jié)構(gòu)示意圖。如圖I所示的化學機械研磨裝置，包括研磨盤(Platen) 100，鋪墊在所述研磨盤100上的研磨墊(Polish Pad) 102 ;用于夾持待研磨晶圓的研磨頭104 ;用于帶動所述研磨頭轉(zhuǎn)動的卡盤105 ;用于供應(yīng)研磨液(Slurry)的研磨液供應(yīng)管106。研磨時，將待研磨的晶圓103附著在所述研磨頭104上，所述待研磨的晶圓103的待研磨面朝下，并在所述研磨頭104提供的下壓力下緊貼在所述研磨墊102上，當所述研磨盤100在電機帶動下旋轉(zhuǎn)時，所述研磨頭104也在所述卡盤105的帶動下同向轉(zhuǎn)動，同時研磨液107通過所述研磨液供應(yīng)管106輸送到所述研磨墊102上，在所述研磨頭104、研磨墊102、研磨盤100共同作用下，研磨液均勻的分布到所述研磨墊102上，在研磨過程中，研磨液在離心力的作用下，直接從所述研磨墊102邊緣流出，然后通過廢液管道排出，不能再被使用，這樣就造成研磨液的極大的浪費，研磨液利用率低，增加了工藝成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是提供了一種化學機械研磨裝置及其研磨方法，提高化學機械研磨研磨液利用率，降低工藝成本。為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種化學機械研磨裝置，包括研磨盤；位于所述研磨盤上用于對晶圓待研磨表面進行研磨的研磨墊以及在研磨時用于夾持所述晶圓的研磨頭；還包括位于所述研磨盤外側(cè)并環(huán)繞所述研磨盤的高度可調(diào)的控制圈，所述控制圈用于在研磨時，在所述研磨墊之上和控制圈內(nèi)保留一定量的研磨液?？蛇x的，所述控制圈的高度調(diào)節(jié)范圍為O 15毫米?？蛇x的，所述控制圈材料為聚四氟乙烯(PFA)。可選的，所述控制圈的厚度為I 10毫米?？蛇x的，所述控制圈和研磨盤之間具有密封裝置。可選的，該化學機械研磨裝置還包括傳動單元和控制單元，其中，所述傳動單元用于在動力源的作用下調(diào)節(jié)所述控制圈的高度，包括與所述控制圈相連的第一連接結(jié)構(gòu)、與所述第一連接結(jié)構(gòu)相連的第二連接結(jié)構(gòu)、與所述第二連接結(jié)構(gòu)相連的動力源；
所述控制單元用于接收機臺信號并給所述動力源提供控制信號?？蛇x的，所述第一連接結(jié)構(gòu)數(shù)量大于或等于I個?？蛇x的，所述第一連接結(jié)構(gòu)以所述第二連接結(jié)構(gòu)為圓心在同一平面上呈等夾角分布?？蛇x的，所述動力源數(shù)量大于或等于I個?？蛇x的，所述動力源為步進電機。可選的，所述第二連接結(jié)構(gòu)與所述動力源的連接方式是齒輪連接或是絲桿連接。本發(fā)明還提出了一種化學機械研磨方法，其特征在于，包括步驟提供待研磨晶圓；用研磨頭夾持待研磨晶圓；控制圈升至一定的高度；供應(yīng)研磨液，研磨盤和所述研磨頭做同向運動，研磨所述待研磨晶圓待研磨表面?？蛇x的，所述控制圈高度范圍為O 15毫米。可選的，所述控制圈升至一定高度這一步驟在用研磨頭夾持待研磨晶圓步驟之前或在用研磨頭夾持待研磨晶圓步驟之后。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案具有以下優(yōu)點在進行化學機械研磨時，控制圈升至一定高度，在所述研磨墊之上和控制圈內(nèi)保留一定量的研磨液，因此研磨液的供應(yīng)速率可以相應(yīng)的降低，研磨液的消耗量減少，極大的提高了研磨液的利用率，降低工藝成本。所述控制圈的高度是可調(diào)的，可以滿足不同的產(chǎn)品和工藝要求，研磨時，在所述研磨墊之上保留不同量的研磨液。


圖I是現(xiàn)有技術(shù)化學機械研磨裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明化學機械研磨裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3 圖6為圖2所示化學機械研磨裝置的傳動單元第一種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為圖2所示化學機械研磨裝置的傳動單元第二種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為對應(yīng)本發(fā)明化學機械研磨方法的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式發(fā)明人在使用現(xiàn)有化學機械研磨裝置進行研磨時發(fā)現(xiàn)，從研磨墊邊緣流出的研磨液中還含有大量的未使用的研磨液原液，所述研磨液若直接從廢液管道排出，這樣會造成研磨液的極大的浪費，研磨液利用率低，增加了工藝成本。
為解決上述問題，發(fā)明人提出一種化學機械研磨裝置。請參考圖2，為本發(fā)明化學機械研磨裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。所述化學機械研磨裝置包括研磨盤200，所述研磨盤200是用于放置研磨墊；研磨墊(Polish Pad) 202，所述研磨墊鋪墊在所述研磨盤200上，用于研磨待研磨晶圓的待研磨表面； 研磨頭203，所述研磨頭203是用于夾持待研磨晶圓，在研磨時，所述研磨頭203提供下壓力，使所述待研磨晶圓的待研磨表面緊貼所述研磨墊202 ；卡盤204，所述卡盤204的作用是帶動所述研磨頭203旋轉(zhuǎn)；研磨液供應(yīng)管205，用于供應(yīng)研磨液；控制圈206，所述控制圈206位于所述研磨盤200的外側(cè)且環(huán)繞其一圈，所述控制圈206的作用是在研磨時在研磨墊表面保留一定量的研磨液；傳動單元(在圖中未標示)，所述傳動單作用是在動力源的作用下調(diào)節(jié)所述控制圈206的高度；控制單元(在圖中未標示)，所述控制單元用于接收機臺信號并給所述動力源提供控制信號。所述控制圈206的材料可以為PFA (聚四氟乙烯)或是其他抗酸堿腐蝕的材料。所述控制圈206厚度為I 10毫米,所述厚度為所述控制圈206沿坐標軸x方向的寬度。在未進行研磨時所述控制圈206的上端206a與所述研磨盤200上表面平齊,此時的位置定義為所述控制圈206的初始位置；當進行研磨時，所述控制圈206在所述傳動單元的作用下從所述初始位置上升至一定高度，使所述控制圈206之內(nèi)研磨盤200上保留一定量的研磨液，所述高度為所述控制圈206上端與所述初始位置的沿坐標軸y方向上的垂直距離，所述高度范圍為O 15毫米。本實施例中，所述上端、上表面為沿坐標軸y方向數(shù)值增加的方向，相應(yīng)的，下端、下表面為沿坐標軸y方向數(shù)值減小的方向。所述研磨盤200上研磨液的保留量與所述控制圈206的高度有關(guān)，高度越高，研磨液的保留量越大。所述控制圈206的位置位于所述初始位置時，所述控制圈206的下端206b位置可以在所述研磨盤200下表面的上方也可以在所述研磨盤200下表面的下方。當所述控制圈206的下端206b位置在所述研磨盤200下表面的上方時，所述控制圈206可以通過至少兩個或兩個以上的立柱(圖中為標示)與所述傳動單元相連。本實施例中所述控制圈206的下端206b的位置位于所述研磨盤200下表面的下方，且所述控制圈206的下端206b與所述研磨盤200下表面的垂直距離至少大于15毫米。在圖2中，在所述研磨盤200和所述控制圈206之間還有密封裝置207，所述密封裝置207的作用是在研磨時防止研磨液從所述研磨盤200和所述控制圈206之間滲漏。所述密封裝置207為防腐蝕材料制成的橡膠圈或是環(huán)形的橡膠墊或是任意可以防止研磨液從所述研磨盤200和所述控制圈206之間滲漏的裝置。此外，圖2所示的密封裝置207僅為舉例，并非進行限定，例如所述橡膠圈的個數(shù)可以為多個，所述橡膠圈的位置可以變化，所述橡膠圈截面的形狀也可以是方形。參考圖3，為所述傳動單元第一種實施例結(jié)構(gòu)示意圖，包括控制圈206 ;與所述控制圈206下端相連的第一連接結(jié)構(gòu)208 ;與所述第一連接結(jié)構(gòu)208相連的帶有鋸齒的第二連接結(jié)構(gòu)209，所述第二連接結(jié)構(gòu)209在所述第一連接結(jié)構(gòu)208上方；帶有鋸齒的聯(lián)軸器211 ;固定有所述聯(lián)軸器211的動力源(圖中未示出)。所述第二連接結(jié)構(gòu)209位于所述第一連接結(jié)構(gòu)208上方時，當所述控制圈206向上運動時，所述第二連接結(jié)構(gòu)209對所述第一連接結(jié)構(gòu)208作用力為拉力；參考圖4，所述第二連接結(jié)構(gòu)209也可位于所述第一連接結(jié)構(gòu)208下方，當所述控制圈206向上運動時，所述第二連接結(jié)構(gòu)209對所述第一連接結(jié)構(gòu)208作用力為推力。所述第一連接結(jié)構(gòu)208為具有防腐蝕材料層的鋼桿或者防腐蝕材料制成的剛性桿件?！?br> 所述聯(lián)軸器211的鋸齒與所述第二連接結(jié)構(gòu)209的鋸齒相互咬合(圖中未示出)，通過控制鋸齒的數(shù)量和間距，可以實現(xiàn)不同精度的高度調(diào)節(jié)。所述動力源為步進電機。所述控制圈206的高度調(diào)節(jié)過程為所述動力源動作(順時針或逆時針旋轉(zhuǎn))，帶動所述聯(lián)軸器211旋轉(zhuǎn)，所述聯(lián)軸器211通過齒輪帶動所述第二連接結(jié)構(gòu)209上下運動，所述第一連接結(jié)構(gòu)208隨著所述第二連接結(jié)構(gòu)209上下運動，使得與所述第一連接結(jié)構(gòu)208相連所述控制圈206上下運動，從而實現(xiàn)所述控制圈206的高度調(diào)節(jié)。所述第一連接結(jié)構(gòu)208數(shù)量為I個或I個以上，當所述第一連接結(jié)構(gòu)208大于或等于2個時，所述第一連接結(jié)構(gòu)208以第二連接結(jié)構(gòu)209為圓心在同一平面上呈等夾角分布。例如，參考圖5所示為有3個第一連接結(jié)構(gòu)208，所述3個第一連接結(jié)構(gòu)208均與第二連接結(jié)構(gòu)209相連，并在一個平面上以第二連接結(jié)構(gòu)209為圓心成120度夾角分布與所述控制圈206下端相連，采用這種方式連接，使所述控制圈206受力更均勻，運動更順暢。所述動力源數(shù)量為I個或I個以上,例如參考圖6為有2個動力源,2個動力源呈對稱分布，相應(yīng)的所述第二連接結(jié)構(gòu)209和所述聯(lián)軸器211也為2個，此種情況下所述第二連接結(jié)構(gòu)208可以為2個或2個以上。采用多個動力源可以提高所述動力單元對所述控制圈206驅(qū)動力，但相應(yīng)帶來材料的浪費，成本的上升。參考圖7，為所述傳動單元第二種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，包括控制圈206 ;與所述控制圈206下端相連的第一連接結(jié)構(gòu)208 ;與所述第一連接結(jié)構(gòu)208相連第二連接結(jié)構(gòu)209 ;通過皮帶215與第二連接結(jié)構(gòu)209相連的動力源210。所述動力源210為步進電機。所述第一連接結(jié)構(gòu)208為具有防腐蝕材料層的鋼桿或者防腐蝕材料制成的剛性桿件。所述第二連接結(jié)構(gòu)209為絲桿，所述絲桿通過固定塊212固定，使所述絲桿只能在固定塊內(nèi)旋轉(zhuǎn)，所述移動塊213套在所述絲桿上，當所述絲桿動作時,所述移動塊213沿著所述絲桿上下運動，所述第一連接結(jié)構(gòu)208固定在所述移動塊213，所述絲桿209和所述動力源210均固定有聯(lián)軸器214，所述聯(lián)軸器214通過皮帶215相連。所述控制圈206的高度調(diào)節(jié)過程為所述動力源210動作(順時針或逆時針旋轉(zhuǎn))，通過所述皮帶215帶動所述絲桿旋轉(zhuǎn)，使得所述絲桿上的移動塊213上下運動，同時所述第一連接結(jié)構(gòu)208也隨著所述移動塊213上下運動，使得與所述第一連接結(jié)構(gòu)208相連的所述控制圈206上下運動，從而實現(xiàn)所述控制圈206的高度調(diào)節(jié)。采用絲桿作為第二連接結(jié)構(gòu)209，通過選用不同螺距的絲桿，可以實現(xiàn)不同精度的高度調(diào)節(jié)，并且絲桿不容易變形且易于維護?；谏鲜龌瘜W機械研磨裝置的化學機械研磨方法，請參考圖8，包括步驟提供待研磨晶圓216 ;將所述待研磨晶圓216傳送并吸附在研磨頭203上,所述待研磨的晶圓216的待研磨面朝下，并在所述研磨頭203提供的下壓力下緊貼在研磨墊202上；控制圈206從初始位置上升至設(shè)定的高度；研磨盤200在電機帶動下旋轉(zhuǎn)，所述研磨頭203也在卡盤204的帶動下同向轉(zhuǎn)動，同時研磨液供應(yīng)管205以一定速率將研磨液供應(yīng)到所述研磨墊202上；所述研磨液在所述研磨頭203、研磨墊202、研磨盤200共同作用下，均勻的分布到所述研磨墊202表面；研磨結(jié)束時，所述控制圈206降至所述初始位置。
所述控制圈206從初始位置上升至設(shè)定的高度這一步驟可以在用研磨頭203夾持待研磨晶圓步驟之前也可以用研磨頭203夾持待研磨晶圓步驟之后。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在使用本發(fā)明裝置進行化學機械研磨時，應(yīng)該根據(jù)實際產(chǎn)品情況和工藝要求來設(shè)定所述控制圈206的高度，例如在對某一固定產(chǎn)品的固定待研磨面在進行研磨時，假設(shè)現(xiàn)有化學機械研磨能取得一定的研磨效果。采用本發(fā)明裝置進行化學機械研磨，由于所述控制圈206在所述研磨墊202表面保留一定量的研磨液，因此可以相應(yīng)的減小研磨時所述研磨液的供應(yīng)速率，研磨完成時能達到與現(xiàn)有技術(shù)相同的研磨效果，從而提供研磨液的利用率；另一方面，如果研磨液供應(yīng)速率與現(xiàn)有技術(shù)保持不變，由于所述控制圈206的作用，在所述研磨墊202表面保留比現(xiàn)有技術(shù)更多量研磨液，研磨完成時能達到與現(xiàn)有技術(shù)更好的研磨效果，提高了器件的性能。綜上，本發(fā)明提供的化學機械研磨裝置及其研磨方法，在研磨時控制圈升至設(shè)定的高度，在研磨墊表面保留一定量的研磨液，可以相應(yīng)的減小研磨時所述研磨液供應(yīng)管研磨液的供應(yīng)速率，能達到與現(xiàn)有技術(shù)同樣的研磨效果，從而提供研磨液的利用率，降低工藝成本。本發(fā)明雖然已以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種化學機械研磨裝置，包括研磨盤；位于所述研磨盤上用于對晶圓待研磨表面進行研磨的研磨墊以及在研磨時用于夾持所述晶圓的研磨頭；其特征在于，還包括位于所述研磨盤外側(cè)并環(huán)繞所述研磨盤的高度可調(diào)的控制圈，所述控制圈用于在研磨時，在所述研磨墊之上和控制圈內(nèi)保留一定量的研磨液。
2.如權(quán)利要求I所述的化學機械研磨裝置，其特征在于，所述控制圈的高度調(diào)節(jié)范圍為O 15毫米。
3.如權(quán)利要求I所述的化學機械研磨裝置，其特征在于，所述控制圈材料為聚四氟乙烯。
4.如權(quán)利要求I所述的化學機械研磨裝置，其特征在于，所述控制圈的厚度為I 10毫米。
5.如權(quán)利要求I所述的化學機械研磨裝置，其特征在于，所述控制圈和研磨盤之間具有密封裝置。
6.如權(quán)利要求I所述的化學機械研磨裝置，其特征在于，該化學機械研磨裝置還包括傳動單元和控制單元，其中， 所述傳動單元用于在動力源的作用下調(diào)節(jié)所述控制圈的高度，包括與所述控制圈相連的第一連接結(jié)構(gòu)、與所述第一連接結(jié)構(gòu)相連的第二連接結(jié)構(gòu)、與所述第二連接結(jié)構(gòu)相連的動力源； 所述控制單元用于接收機臺信號并給所述動力源提供控制信號。
7.如權(quán)利要求6所述的化學機械研磨裝置，其特征在于，所述第一連接結(jié)構(gòu)數(shù)量大于或等于I個。
8.如權(quán)利要求6或7所述的化學機械研磨裝置，其特征在于，所述第一連接結(jié)構(gòu)以所述第二連接結(jié)構(gòu)為圓心在同一平面上呈等夾角分布。
9.如權(quán)利要求6所述的化學機械研磨裝置，其特征在于，所述動力源數(shù)量大于或等于I個。
10.如權(quán)利要求6所述的化學機械研磨裝置，其特征在于，所述動力源為步進電機。
11.如權(quán)利要求6所述的化學機械研磨裝置，其特征在于，所述第二連接結(jié)構(gòu)與所述動力源的連接方式是齒輪連接或是絲桿連接。
12.一種化學機械研磨方法，其特征在于，包括步驟提供待研磨晶圓；用研磨頭夾持待研磨晶圓；控制圈升至一定的高度；供應(yīng)研磨液，研磨盤和所述研磨頭做同向運動，研磨所述待研磨晶圓待研磨表面。
13.如權(quán)利要求12所述的化學機械研磨方法，其特征在于，所述控制圈高度范圍為O 15毫米。
14.如權(quán)利要求12所述的化學機械研磨方法，其特征在于，所述控制圈升至一定高度這一步驟在用研磨頭夾持待研磨晶圓步驟之前或在用研磨頭夾持待研磨晶圓步驟之后。
全文摘要
一種化學機械研磨裝置，包括研磨盤；位于所述研磨盤上用于對晶圓待研磨表面進行研磨的研磨墊以及在研磨時用于夾持所述晶圓的研磨頭；還包括位于所述研磨盤外側(cè)并環(huán)繞所述研磨盤的高度可調(diào)的控制圈，所述控制圈用于在研磨時，在所述研磨墊之上和控制圈內(nèi)保留一定量的研磨液。使用這種化學機械研磨裝置進行研磨，提高化學機械研磨研磨液利用率，降低工藝成本。
文檔編號B24B37/02GK102950536SQ20111025269
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月30日
發(fā)明者陳楓 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司