CN1176864A - 化学-机械研磨设备中的浆料再循环 - Google Patents
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Abstract
使再循环浆料连续不断地与使用中的浆料混合,可以提供一个一致的研磨速率,同时只消耗或废弃了一小部分连续流过研磨垫板的浆料。浆料是在一收集环内回收,并送到一个再循环回路中,从而使该回收浆料与新鲜浆料、再生化学物或水混合;测试混合物;过滤混合物;使混合物返回研磨垫板。返回研磨垫板的体积略大于回收的体积,因而使收集环溢流。也可以用同样的方式使冲洗水再循环,以便使研磨垫板在两个研磨周期之间保持湿润。
Description
本发明涉及化学-机械研磨(CMP)***,特别是涉及可使浆料再循环和再生的方法和设备。
CMP设备主要是用来研磨或“磨平”半导体晶片的前面或器件的侧面。在制造集成电路块的过程中,进行一次或多次研磨步骤可以有这样几个好处。例如,因为可减小凸阶的尺寸,所以能降低凸阶的覆盖面积。借助比较平的表面,可以改善在一光刻胶上蚀刻图像的质量。如果光刻胶层不平整,那么就可能使图像的一部分散焦。因此,对一晶片加以研磨可以改善光刻胶的图案质量,并且提高产生器件的质量。
在通常的CMP设备中,一半导体晶片是抵住一旋转的研磨垫片转动,同时给旋转的垫片提供磨料和化学反应溶剂。研磨垫片通常是由覆盖在金属平板上的两个层面构成,把其中弹性较差的那一层面作为研磨垫的外层。所述的各个层面通常是由聚氨酯制成,并且可包括一用来控制层面之尺寸稳定性的填料。在加工用于研磨垫片和研磨头的平板时,必须小心,以使其具有光学上平整、平行的表面。
研磨垫板的直径通常是被研磨晶片的2倍或3倍,并且需将晶片保持在垫板的偏心位置上,以防止在晶片上磨出一不平整的面。晶片的转动轴线和垫板的转动轴线是平行的,但是不共线,这样就可以使晶片的前面与背面保持平行。其它的CMP设备采用的是一摆动式垫板或一连续砂带式垫板。本发明是结合一旋转式垫板作出的,并适用于任何型式的垫板。
需要细心地控制研磨参数,例如晶片的下压力、固定座的转速、垫板的速度、浆料的流速、以及浆料的PH值等,这样才能获得均匀的磨削速度、横穿整个晶片表面的均匀的研磨、以及晶片-晶片的一致性。
根据用途,可以把用于CMP的浆料分成三类:硅研磨浆料、氧化物研磨浆料、以及金属研磨浆料。
硅研磨浆料是指定用来研磨或磨平裸硅晶片。硅研磨浆料通常由直径约为20-200纳米、悬浮在水基液体内的很小的磨料,例如硅(SiO2)、铝(AL2O3)、铈(Ce2O3)等颗粒组成。一般的硅研磨浆料是氧化硅颗粒的胶体悬浮物。浆料内的颗粒比例(重量比)通常是1-15%。浆料的PH值通常是8.0-11.5,并且可通过另外添加碱,例如NaOH、KOH或NH4OH来加以控制。
氧化物研磨浆料是指定用来研磨或磨平晶片上的介电层(通常是氧化硅层)。介电层是用本技术领域众所周知的技术,如氧化或化学的汽相沉积。氧化物研磨浆料通常由悬浮在水基液体内的很小的磨料,例如直径约为50-1000纳米的硅、铝或铈等氧化物的颗粒组成。氧化物研磨浆料内的颗粒所占比例(重量比)通常是1-15%。PH值保持在8以上,通常是10.0-11.45。通过另外添加碱,可以控制浆料的PH值。美国专利4,910,155(Cote和Leach)描述了用于氧化物研磨的工艺和材料。
金属研磨浆料是指定用来研磨和磨平半导体晶片的导电层。导电层通常是沉积在介电层上,并且可以是若干种导电材料,例如钨、钛、铝、铜、掺杂的硅、掺杂的多晶硅、或金属硅化物中的任何一种。介电层通常具有被导电材料添满的诸孔(“通路”),以提供一个穿过介电层而到达先前沉积层面的通路。在导电层被磨光之后,介电层内只保留了各通路内的导电材料。
金属研磨浆料通常包括很小的磨料颗粒,例如悬浮在水基液体内的、直径为50-1000纳米的硅、铝或铈的氧化物的颗粒。浆料内颗粒所占比例(重量比)通常是1-5%,而PH值通常不超过5。通过另外添加有机酸,例如乙酸钾、乙酸或柠檬酸等,可以有选择地控制金属研磨浆料的PH值。除了有机酸以外,浆料内还可以包括一种或多种氧化剂,以除去导电物。通常的氧化剂包括:过氧化氢、铁***、硝酸铁、或者是它们的混合物。美国专利5,340,370(Cadien)中揭示了一种金属研磨工艺以及一些用于金属研磨的浆料。
在市场上,用于CMP的浆料可以从例如CABOT、伊利诺斯州塔斯科拉的Cab-O-sil Division、以及特拉华州内沃克的Rodel Inc.等公司购得。
当晶片受到研磨时,浆料和磨料趋向于磨钝垫板的表面,使垫板变光滑并降低研磨速度。研磨可能造成从垫板材料、晶片本身或其它地方产生分散的颗粒。当这些副产品的浓度足以对研磨产生不利影响时,应该将它们去除。
在研磨过程中,浆料还可以发生化学变化,从而改变其组成和PH值。PH值通常是沿不期望的方向变化,因此,在浆料寿命结束时的晶片研磨比开始时的研磨要慢得多。如果浆料内包含氧化剂,那么氧化剂将在研磨过程中消耗掉一部分。
对研磨垫板加以修整,可以从垫板上去除掉老的浆料颗粒和磨料颗粒,并且可以重新为垫板表面提供新的浆料。对垫板的修整通常包括:去除磨钝层,并在垫板表面上产生一显微的粗糙度。用锋利的物体刮擦垫板或者是用磨料使垫板***,便可恢复垫板表面。
在很多CMP***中,特别是那些大规模半导体生产商所采用的***中,浆料是连续地流到研磨垫板上。当垫板旋转时,浆料将被甩出边缘,并通过一排放通道排出。虽然让新鲜浆料连续流入是较为有利并期望的,但是这样就必须要提供大量的浆料。
美国专利5,299,393(Chandler)揭示了一种围绕着旋转的研磨垫板的封闭装置或挡板。这个挡板能在研磨垫板上贮存浆料,以便用相当少的浆料来研磨晶片。因为浆料是批量使用的,所以在研磨过程中研磨速度不断地降低,直到浆料批量更换后研磨速度再急剧上升。这样的变化使精确地控制工艺变得困难。
挡板还限制了一CMP***在研磨晶片时能快到什么程度。当垫板的转速较高时,浆料是由垫板的外侧边带动旋转,这样会使浆料在垫板上分布不均,并导致研磨得不平整。为了减小离心作用,有挡板的垫板必须以比没有挡板的垫板慢的速度旋转。而较慢的转速又是不怎么理想的,因为它会降低研磨速度。
除了浆料以外,还采用了大量的冲洗水以便从晶片、设备的各种垫板和部件上去除浆料颗粒。冲洗水通常可用来使垫板在研磨周期之间保持湿润。为了减少消耗,一般只在实际研磨过程中供给浆料。冲洗水也可以被用于次级研磨垫板(已知为抛光垫板),以便在将晶片从研磨机上移开之前,可以从晶片上洗去浆料颗粒和粘附的化学物质。
美国专利3,549,439(Kaveggia等人)揭示了一种化学研磨设备,它采用了一个泵从研磨板上去除研磨剂,并将所述研磨剂经过一过滤器泵送至一分开的容器,所述研磨板是由一凸起物围绕,以便使研磨剂保持在研磨板上方。研磨剂被加热时,它会产生分解,以便与工件发生化学反应。需要向容器内的溶液添加一定的化学成分,以便让研磨剂保持一定的浓度。然后,利用另一个泵把调整后的溶液重新泵送到垫板上。该专利和Chandler专利的类似之处在于,采用了一个凸起物或防护装置来挡住液体,因此可以在研磨垫板上保持一定水平的浆料或研磨剂。
美国专利4,459,781(Li)揭示了这样一种方法,即,把包含各种尺寸颗粒混合物的研磨浆料施加于一旋转的研磨轮,并借助离心力使各种尺寸的颗粒分开。通过使工件从磨轮的外边缘朝磨轮的中心(这里的颗粒最小)移动,就可以对工件进行研磨。这只对包含相对较大颗粒的浆料而言是有效的。
美国专利5,478,435(Murphy et al.)揭示了一种用于CMP设备的使用点(point-of-use)浆料分配***,在该***中,浓浆料、稀释剂、有时还包括第三种化学成分,是分开输送到研磨垫板上,并且于使用之前在垫板上或是在一分配管道内混合,以便控制稀释剂、温度和化学成分的渗入。在垫板上进行的混合恰好是发生在浆料被扫到晶片下方或者是被扫到紧挨旋转垫板的导管的一个小扇面部分内之前。该专利涉及在垫板上的混合,但没有提及减少浆料用量、使浆料再循环、使浆料再生、或使冲洗水再循环等问题。
输送到研磨垫板上的浆料的数量是根据需研磨的材料以及其它很多参数而定,并且可在很大范围内变化。浆料可以以每分钟20-500毫升的速度流到研磨垫板上,一般的速度大约是200毫升/分钟。由于浆料是相当昂贵的,所以很多使用者试图减小流量。对于高速和均匀的研磨而言,流到研磨垫板上的浆料流量以及浆料在晶片下方循环流动的合成流体动力学状况是非常重要的。如果流速是200毫升/分钟,每个研磨周期通常需要2至3分钟并消耗400-600毫升浆料。若流速是500毫升/分钟,那么每个周期将消耗高达1500毫升的浆料。
在通常的CMP***中,浆料和冲洗水不会分开,它们被向下引导至一排废口。所用冲洗水的体积通常比所用浆料的体积大三十倍,甚至可以比所耗浆料的体积大一百二十倍。在藉三个单独的CMP周期每个月可生产10,000个晶片的半导体生产厂内,每个月大约要消耗并排放12,000-18,000升浆料,而且需要用超过180,000升的水来混合。这么大的化学物消耗量将会大大加重对晶片生产环境的负面影响,并且会大大提高生产成本。
虽然CMP浆料是比较昂贵的,但是在采用再循环浆料来降低生产成本时,必须衡量可能损坏价值达$10,000-$50,000的晶片的危险程度。实际上,采用再循环浆料可能造成损坏的危险程度不会大于采用新鲜浆料可能造成损坏的危险程度。半导体工业需要通过有效的浆料再生和再使用***来获得一新的、可靠的解决办法,以减少CMP浆料的消耗。此外,半导体工业还需要一个新的、可靠的解决办法来降低CMP设备中冲洗水的消耗。
鉴于存在上述问题,本发明的一个目的在于,减少CMP设备中的浆料消耗。
本发明的另一目的在于,提供一种在CMP设备内连续再循环的“在线”生产工艺。
本发明的另一目的在于,为CMP设备的提供再循环浆料,使用这种再循环浆料而可能造成损坏的危险不会大于采用新鲜浆料可能造成损坏的危险。
本发明的另一目的在于,使研磨设备内的浆料再生。
本发明的又一目的在于,通过进行浆料再循环并且通过添加化学物使浆料再生,提供一种改进的CMP加工工艺。
本发明的另一目的在于,提高CMP设备所能达到的均匀性和一致性。
本发明的又一目的在于,降低CMP设备的生产成本。
本发明的又一目的在于,在不对工艺、材料或设备进行很大改动的情况下,使浆料在CMP设备内再循环,而且不会消耗很多材料。
本发明的另一目的在于,在浆料再循环的同时,能保持使浆料不断地流过研磨垫板这一优点。
本发明的又一目的在于,在不会导致浆料发生急剧的物理和化学变化的情况下,进行浆料再循环。
本发明的另一目的在于,减少CMP设备中的冲洗水的消耗。
上述的各个目的可以由本发明来实现,在本发明中,不仅仅是用再循环浆料来代替新鲜浆料,而且再循环浆料不断地和使用中的浆料混合,以便提供一致的研磨速度,同时,连续地横穿流过研磨垫板的浆料的消耗量或废弃量是非常小的。浆料可以在一收集环内回收,并送到一个再循环回路内,以使回收的浆料和新鲜的浆料、再生的化学物、或水混合;对该混合物进行测试;对该混合物进行过滤;使混合物返回研磨垫板。返回垫板的体积最好是略超过回收的体积,以使其从槽中溢出。冲洗水是以同样的方式再循环,以使研磨垫板在两个研磨周期之间保持湿润。
通过下面结合各附图所作的描述,可以更清楚地了解本发明,附图中:
图1示出了一个根据已有技术构造而成的研磨头;
图2示出了根据本发明构造而成的、在CMP设备中进行浆料再循环的情况;
图3是根据本发明的、用于使浆料再生的设备的研磨垫板和收集环的剖视图;
图4示出了收集环溢流的情况;以及
图5根据本发明的再循环工艺的流程图。
在图1中,半导体晶片10是面朝下地放在研磨垫板11上,研磨垫板11包括设置在金属板15上的聚氨酯层13和14。在具有旋转工作台的CMP***中垫板11的直径通常是50-75cm,而在具有摆动工作台的CMP***中垫板11的直径通常是25-38cm。固定座12可通过固定座垫板16施加一向下的力,以抵住晶片10的背面。固定座12包括一固定环19,其直径略大于需研磨的晶片直径。
固定环围绕着研磨头内的晶片,其内径略大于晶片的直径,在晶片和固定环之间总是有些微的间隙。无论固定环是否压住弹性的研磨垫板,围绕晶片的外周边总是有一个研磨不均匀的环形区域,这在本技术领域称作“边缘排除区”。边缘排除区的宽度通常是5-10mm,它会减小能获得较佳小片(die)的晶片面积。
若固定座12和晶片10旋转的话,可以比晶片不旋转时研磨得更均匀。固定座12还能在垫板11上沿径向移动,以便改善研磨的均匀性。在研磨过程中,浆料17在垫板11上略微搅拌,并随着晶片相对垫板的移动而在晶片10下方循环流动。借助浆料10与被研磨薄膜的化学和机械的作用,就可以进行研磨。研磨工作连续地进行,直到磨削掉所期望的量。
图2示出了本发明的浆料再循环设备。其本身的研磨过程类似于已有技术,而且垫板和晶片固定座也和已有技术相同。也就是说,采用本发明的再循环浆料时,无需对CMP设备的其它部分以及新鲜浆料的化学成分做任何变动。利用本发明可以减少浆料消耗,不会有任何损失或者牺牲。
一半导体晶片(图2中未示)压抵垫板11,并由连接于转轴21的固定座12带动旋转。垫板11如箭头22所示顺时针旋转,而固定座12则如箭头25所示顺时针旋转。浆料31是通过分配管33流动到垫板11上,并且在垫板11上沿径向向外流动。在流过垫板时,浆料31的一部分用于研磨一晶片。从垫板11的外周边向外流出的浆料被收集在收集环23中,这个收集环或者是垫板外周边的一部分,或者是连接于垫板外周边。
在已有技术中,浆料离开垫板的边缘,撞击到与垫板隔开的一个垂直壁上,而后再向下流入收集排放通道中。在此过程中,特别是在形成液滴的情况下,由于浆料的表面积与其体积之比变得非常大,所以浆料可能干化。此外,可能发生颗粒聚集,这样就会非所愿地改变浆料。收集环23可以在浆料离开垫板11时对其加以收集,不会让浆料有大的暴露表面积,或者是发生干化。
图3是收集环23和垫板11边缘的剖视图。收集环23围绕垫板11的外周边延伸,并且包括用来收集已用过浆料的沟槽35。图中所示沟槽35的横截面形状是接近半圆形,它也可以是其它所需截面形状,但是沟槽外壁38的高度最好是与垫板11的上表面等高。沟槽35被加工成光滑表面,而收集环23上最好是涂覆一层不粘性的塑料,例如Teflon(聚四氟乙烯)塑料,以防止用过的浆料37发生粘附、干化、聚集和磨削沟槽的现象。
在如图4所示的本发明的较佳实施例中,随着用过的浆料被循环的浆料替代,浆料从收集环23中溢出。在下文中将要详细描述,在一个循环的过程中,大约有百分之二十的浆料被新鲜浆料替代,与已有技术相比大大地节约了浆料。新鲜浆料的添加量可以在很大范围内变化,例如,可以不超过百分之一,也可以接近百分之一百。
在图2中,沟槽35内设有一拾取管41,它可从沟槽内汲取一部分用过的浆料,并通过管道43把它们输送至泵45的入口。泵45的出口通过管道46而连接于混合总管47。在本发明的一个实施例中,拾取管41和管道是用Teflon制成。或者,也可以采用那些具有足够的刚性、或有足够的刚性支承、并且不会和浆料发生化学反应的材料来设置在沟槽内。
新鲜的浆料是从一合适的容器或储器(未示),经过阀门28和管道27后流入总管47。再生化学物质,例如碱、表面活性剂、悬浮剂、酸、氧化剂,或适用于被研磨材料的其它合适的化学剂是从一合适的容器或储器(未示),经过阀门30和管道29后流入总管47。鉴于再生化学物的各种不同的性质,可能需要用各个单独的泵和管道来将再生化学物输送至总管47。
去离子水是在压力下供给至常闭阀门35。阀门35的出口通过管道34连接于总管47。去离子水是用来稀释浆料或者是冲洗晶片或设备。再生化学物、新鲜浆料、用过的浆料,在某些情况下还有去离子水是在总管47中组合或完全混合。最终产生的再循环浆料通过管子48流到一个可选择使用的热交换器49,浆料在那里受到加热或冷却以使其维持在一个期望的温度上。
从热交换器49起,再循环浆料流经多个传感器,例如PH传感器51、温度传感器52和导电率传感器53。其它适用于某些特殊场合的传感器包括:混浊度传感器、比重计、离子特定电极、伏安测量仪、红外线传感器、紫外线传感器、或可见光传感器。传感器可单独地或组合地在一个或多个反馈回路中用于信息、报警和控制,以便控制再循环浆料的这些特性。例如,电导率传感器53是控制回路32的一部分,可用来自动地测量通过阀门30的碱或酸的流量。
再循环浆料经过三通阀55流动至过滤器56,并经过管道59和分配管33流到垫板11上。管子33的端部位置并不重要,由于液体会横穿研磨垫板11的表面发生离心流动,所以最好是把管子设置在研磨垫板11的中心附近。
在某些情况下,例如冲洗周期时,来自总管47的液体通过管道58被引导向排放通道。浆料中的大颗粒在过滤器56中被去除。在本发明的一个较佳实施例中,将过滤器56设计成能去除直径大于25μ(微米)的型式。当然也可以采用其它尺寸的过滤器,能去除直径在100μ以上之颗粒的过滤器的使用寿命比能去除较小颗粒的过滤器的使用寿命长。
当由于新鲜浆料、再生化学物或水的汇流而在垫板上形成一定体积的再循环浆料时,多余的浆料可简单地超过收集环23的上方并流入排放通道(图中未示)。这个***可以充当一处于稳定状态下的供给和排放***,添加给***的液体体积等于流入排放通道的体积 在本发明的一较佳实施例中,通过再循环流动的液体体积大于流入排放通道的体积。业已发现,再循环流动的体积是流入排放通道体积的3-10倍是比较有用的,如果在4-6倍的范围内则更佳。
允许浆料离开垫板11而流入收集环23,并且在垫板11上没有多余的聚集,这样就可以提供一种化学和物理性质基本保持不变的浆料。Chandler的专利和Kaveggia等人的专利中都教导了用一种凸环或凸起在研磨表面上保持一定数量的浆料,即,该两专利中揭示了批量生产的加工工艺,其中,浆料的性质在研磨的过程中连续变化,而在一个研磨周期的结束点至下一个周期的起始点进行浆料更换时,则发生突然的变化。这样的变化在一致性和均匀性上造成差别。
使浆料可以溢出收集环能减少需再生的浆料的数量,并能为浆料提供程度比较小的离心过滤;即,较大或较重的颗粒趋向于溢出,而不是留在沟槽内。这样就可以消除一些否则需要由过滤器56去除的颗粒。
本发明的另一个特征是,组成再循环浆料的各种组份是在它们被分配到垫板上之前就完全混合均匀。在分配浆料之前,需进行一系列测量,以确定浆料的质量,例如温度、PH值、电导率等,而且要使测量有效,必须使浆料很好地混合。因此,如Murphy等人的专利中所揭示的使用点分配***并不理想。充分的混合可以确保进行更精确的测量以及更佳的工艺控制。
尽管最好是测量温度、PH值和电导率,但也可以监测任何所需参数,或者任何参数也不监测。在不对再循环浆料进行测量的情况下,由于浆料已被充分混合,所以该加工过程也能很好地进行,但加工过程中的其它部分就变得格外重要,例如流体的流动应具有很好的特性和一致性,而晶片加工也应具有很好的特性和一致性。
图5是根据本发明的浆料处理流程图。该流程图是假设***已经开始工作。从新的而且是干的研磨垫板开始,涉及:润湿垫板、施加新鲜浆料、随着浆料首次进入再循环而使得***达到一定的速度。另一方面,在停机时,可用去离子水来冲洗***、切断再循环回路,使得所有的水都充满沟槽,并且将多余的水通过阀门55泵送至排放通道。
在浆料开始于整个***内进行循环之后,把晶片装到固定座上并施加到研磨垫板上。在步骤71,一部分浆料被收集在收集环中,并有一部分浆料从收集环溢出至排放通道。在步骤72,将回收的浆料、以及需要的再生化学物、需要的新鲜浆料和水泵送至混合总管。在步骤73,在混合总管内将各组份混合,并且在步骤74使再循环浆料经过各测量步骤。测量温度及其它参数,并根据来自传感器的数据而对阀门和热交换器进行调节。然后,在步骤75对再循环浆料进行过滤。在过滤之后,再循环浆料重新被送回研磨垫板,这样的再循环过程一直要进行到研磨完成为止。较佳的是,返回的再循环浆料的数量要超过去除的数量,这样就可以在步骤77完成从***中替换一部分浆料。
周期性地采用大量的去离子水,有时甚至可以整夜地使用,以便使研磨垫板保持湿润并防止浆料在垫板上干化。根据本发明的另一方面,通过使去离子水或PH值被调整的水在较长的备用时间内再循环以使垫板保持湿润,可以大大节约去离子水的用量。此外,由于再循环浆料即使在备用时间内也保持流动,所以也可以根本取消用去离子水对垫板进行周期性湿润。
除了用于CMP设备的浆料以外,还可以用本发明的装置对化学物质进行再循环。在很多加工过程中,是在一第二研磨工作台上利用去离子或PH值被调整的冲洗水及一选定的垫板来进行第二研磨或抛光步骤,可以采用与浆料的汲取(有或者是没有溢出)、再生、测量、过滤及再循环相同的方式对第二研磨工作台的冲洗化学物进行再循环。
通过下面的几个例子,可以完全清楚地理解本发明,这几个例子仅仅是为了说明,而不是为了限制。
利用IPEC型472 CMP***、Cabot SS12浆料、Rodel IC1000和RedelSubaIV原始垫板、Rodeal DF200固定座薄膜、以及涂覆了热氧化物的200mm的晶片来进行二个测试。在标准工艺之后,晶片被研磨2分钟。采用一IPEC型Avanti 9000进行CMP的后清洁工作。采用一Tencor型FT1050对氧化物厚度进行研磨前测量和研磨后测量,并采用一Tencor型6200对需控制的晶片表面的擦痕和缺陷进行研磨前测量和研磨后测量。晶片内的非均匀度是利用标准的49点SEMI厚度测量法,在6mm的边缘排除区和10mm的边缘排除区来测量的。
例子#1
采用再循环浆料(新鲜浆料的供给速度是40毫升/分钟,再循环浆料的供给速度是160毫升/分钟)磨平200块晶片。与传统浆料的使用率相比,再循环的浆料的使用量可降低十倍,从200毫升/分钟降至40毫升/分钟。
该测试工作是利用可从472型CMP***的IPEC获得的氧化晶片研磨工艺来进行的。每次第10个晶片是一个预先测量过的、200mm的、原始的、纯热氧化晶片,而其余的则是带有填料的氧化物。在第一天加工总数为140的晶片。第一天的加工过程显得相对比较稳定。加工过程持续至第二天。虽然磨削速率是固定的,但是由于固定座薄膜发生老化,所以各个晶片的不均匀性(WIWNU)可能会有所增加。在完成200块晶片的加工之后,测试结束。
通过采用100%的新鲜浆料并对两种参数加以监测而对另外10块晶片进行加工也产生了同样的老化现象,因此上述的老化现象与使用再循环浆料无关。测试#1的结果被列在表1中,其中的磨削速率(R.R.)是以埃/分钟来表示,而不均匀性是以∑标准偏差的百分数来表示。
表1
第一天-140块晶片-14块监测-再循环浆料
第二天-60块晶片-6块监测-再循环浆料
第二天-10块晶片-2块监测-100%新鲜浆料
6mm边缘排除区 10mm边缘排除区
R.R.,埃/分钟 | %WIWNU | R.R.,埃/分钟 | %WIWNU | |
第一天再循环浆料 | 1632 | 5.76 | 1720 | 4.96 |
第二天再循环浆料 | 1641 | 10.91 | 1619 | 9.07 |
第二天新鲜浆料 | 1769 | 18.72* | 1617 | 11.5* |
*连续地变质
对200块晶片进行刮擦测试,结果是:
平均刮擦个数:先=21.35/后=20.7
平均刮擦深度:先=46.5mm/后=43.3mm
PH值范围(没有PH值调整);
新鲜浆料=PH值平均11.25;再循环浆料=PH值平均11.05
例子#2:
利用新的垫板和新的固定座薄膜进行一第二测试。采用再循环和新的SS12浆料来加工另一些晶片(20块晶片;每10个晶片进行原始纯度TOX监测)。周期性地采集样品,进行分析。在第三天加工100块晶片,而在第四天加工另外100块。这次的磨削速率和WIWNU保持稳定。表2中列出了测试2的结果。还测量了晶片-晶片之间的在磨削速率上的不均匀性(WTWNU)。
表2
再循环浆料 | 新鲜浆料 | |
磨削速率(R.R.)平值;10mm边缘排除区 | 1715.6埃/分钟 | 1775.6埃/分钟 |
WIWNU | 3.71% | 4.43% |
WTWNU | 1.62% | 1.93% |
R.R.平均值;10mm边缘排除区 | 1680.2埃/分钟 | 1735.4埃/分钟 |
WIWNU | 4.20% | 4.35% |
WTWNU | 2.23% | 2.74% |
平均每块晶片的总的刮擦数的变化
-0.75 -1.67
平均每块晶片的总的刮擦尺寸的变化
-1.17mm -3.33mm
总共四天的测试结果表明,在本发明的帮助下,可以大大节约新鲜浆料的使用量,即从200毫升/分钟降至40毫升/分钟,而且基本上能达到和采用100%的新鲜浆料相同的效果。
在上文描述的基础上,本技术领域的熟练人员可以在本发明的范围内作出各种变型。例如,在本发明的一个实施例中采用了压缩泵,但是也可以采用其它类型的泵。尽管提及了晶片上的薄膜,但是用本发明的再循环***研磨和磨平裸硅晶片时也能运行良好。本发明还适用于其它技术,例如用来磨平平面面板显示器的材料。本发明还有一些应用包括:玻璃、塑料、硬盘驱动面上的无电镍、印刷电路板的多层陶瓷封装、芯片固定座,等等。除了CMP加工的浆料以外,本发明还可以用于所有类型的浆料以及化学物质的再循环。无需过滤器或者是添加再生化学物,就可以使本发明的设备让人满意地运行。在本发明的最简单的形式中,使来自收集环的用过的浆料与新鲜的浆料混合,并使混合物返回垫板,结果表明,这样就可以让CMP研磨达到一个让人满意的水平。因为过滤的是再生浆料,而不是再循环浆料,所以还能减少了过滤物质的体积。收集管和分配管可以沿其长度方向设置若干个孔,包括或者是代替了用于收集或分配浆料的开口端。收集环是用于旋转式垫板。可以把类似的装置用于摆动式垫板或砂带,只是这种装置不必和垫板或砂带一起移动。可以采用一个具有研磨下表面的固定环来作为一修整器。
Claims (31)
1.在一种包括一研磨垫板的CMP设备中,其改进包括:
一收集环,它至少部分地围绕所述垫板,在用过的浆料离开所述垫板时接受或容纳所述浆料;
一第一管道,它可通过其第一端从所述收集环内汲取所述用过浆料的一部分;
一混合总管,它具有一出口、一连接于所述第一管道的第一入口、以及一连接至一个新鲜浆料源的第二入口,所述混合总管把送给至其入口的流体混合均匀而产生再循环浆料;以及
一第二管道,它连接于所述混合总管的出口,以便让所述再循环浆料返回所述垫板。
2.如权利要求1所述的CMP设备,其特征在于,所述设备还包括:一泵,它连接在所述第一管道和所述第一入口之间,以便每分钟从所述收集环内汲取预定体积的用过的浆料。
3.如权利要求1所述的CMP设备,其特征在于,所述设备还至少包括一个传感器,用以测量所述再循环浆料的一个性质。
4.如权利要求1所述的CMP设备,其特征在于,所述设备还包括一热交换器,用以调节所述浆料的温度。
5.如权利要求1所述的CMP设备,其特征在于,所述设备还包括一过滤器,用以从所述再循环浆料中去除颗粒污染物。
6.如权利要求2所述的CMP设备,其特征在于,所述设备还包括一所述混合总管上的第三入口,所述第三入口连接于一个用于所述用过浆料的再生化学物质的供给源。
7.如权利要求6所述的CMP设备,其特征在于,所述设备还包括一所述混合总管上的第四入口,所述第四入口连接于一个供水源。
8.如权利要求7所述的CMP设备,其特征在于,所述设备还包括:一连接于所述第二入口的第一阀门、一连接于所述第三入口的第二阀门、以及一连接于所述第四入口的第三阀门,各阀门可调节所述流体向所述混合总管内流动的流量。
9.如权利要求8所述的CMP设备,其特征在于,再循环浆料的体积超过了所述预定体积。
10.如权利要求9所述的CMP设备,其特征在于,再循环浆料的体积超过所述预定体积达10-33%。
11.如权利要求8所述的CMP设备,其特征在于,所述第一阀门和所述第二阀门是闭合的,而所述第三阀门是打开的,以便用水来冲洗所述垫板且所述泵每分钟都从所述收集环内汲取所述预定体积的冲洗水。
12.如权利要求11所述的CMP设备,其特征在于,来自所述混合总管的冲洗水的体积超过了所述预定体积。
13.如权利要求12所述的CMP设备,其特征在于,来自所述混合总管的冲洗水的体积超过所述预定体积达10-33%。
14.如权利要求11所述的CMP设备,其特征在于,所述设备还包括一与所述垫板配合的调节器,以便在水流过所述垫板时进行清洗。
15.如权利要求1所述的CMP设备,其特征在于,所述收集环包括一用来接纳所述用过的浆料的沟槽,所述第一管道的第一端处在所述沟槽内。
16.一种使浆料在CMP设备中再循环的方法,在该CMP设备中浆料被施加到一研磨垫板上,所述方法包括如下步骤:
使一收集环至少部分地围绕所述垫板,以便收集离开垫板的浆料;
从所述收集环内汲取用过的浆料;
使用过的浆料和新鲜浆料混合,以便产生再循环浆料;以及
使再循环浆料返回所述垫板。
17.如权利要求16所述的方法,其特征在于,在所述汲取步骤的汲取量,少于离开垫板的浆料总量。
18.如权利要求16所述的方法,其特征在于,每分钟从所述收集环内汲取的用过浆料的体积小于每分钟返回垫板的再循环浆料的体积。
19.如权利要求18所述的方法,其特征在于,每分钟从所述收集环内汲取的用过浆料的体积比每分钟返回垫板的再循环浆料的体积少10-33%。
20.如权利要求19所述的方法,其特征在于,每分钟从所述收集环内汲取的用过浆料的体积比每分钟返回垫板的再循环浆料的体积少16-25%。
21.如权利要求16所述的方法,其特征在于,所述混合步骤包括:
把所述用过的浆料和新鲜浆料以及水混合,以产生再循环浆料。
22.如权利要求16所述的方法,其特征在于,所述混合步骤包括:
把所述用过的浆料、再生化学物和水混合,以生产再循环浆料。
23.如权利要求16所述的方法,其特征在于,所述混合步骤包括:
把所述用过的浆料、新鲜浆料和再生化学物混合,以产生再循环浆料。
24.如权利要求16所述的方法,其特征在于,所述浆料包含在研磨过程中消耗掉的氧化剂,所述混合步骤包括:
把所述用过的浆料、新鲜浆料和氧化剂混合,以产生再循环浆料。
25.如权利要求16所述的方法,其特征在于,所述混合步骤之后的步骤是:
监测再循环浆料的一个参数。
26.如权利要求25所述的方法,其特征在于,所述参数是温度,所述监测步骤包括:
把再循环浆料的温度维持在一个预定范围内。
27.如权利要求25所述的方法,其特征在于,所述参数是PH值,所述混合步骤包括:
对用过的浆料添加碱或酸,以将再循环浆料的PH值维持在一个预定的范围内。
28.如权利要求25所述的方法,其特征在于,所述参数是电导率,所述混合步骤包括:
对用过的浆料添加碱或酸,以将再循环浆料的电导率维持在一个预定的范围内。
29.一种使冲洗水在CMP设备中再循环的方法,在该CMP设备中冲洗水是被施加到一研磨垫板上,所述方法包括如下步骤:
使一收集环至少部分地围绕所述垫板,以便收集离开垫板的冲洗水;
从所述收集环内汲取冲洗水;
使冲洗水返回所述垫板。
30.如权利要求28所述的方法,其特征在于,在所述汲取步骤汲取的冲洗水少于离开所述垫板的冲洗水总量。
31.如权利要求29所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
在所述冲洗水流过所述垫板时,修整所述垫板;以及
在所述返回步骤之前,对冲洗水加以过滤。
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