CN118204900A - 研磨垫、化学机械研磨设备及研磨方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种研磨垫、化学机械研磨设备及研磨方法。所述研磨垫包括：相对设置的第一表面及第二表面。第一表面设有多个由外至内依次间隔排布的凹槽。任一相邻凹槽之间的间距与研磨垫半径的比值为8/25～12/25。本公开实施例中的研磨垫可以使得待研磨物与研磨垫的接触面积更大，从而有利于提高研磨效率，进而提高生产效率。

Description

研磨垫、化学机械研磨设备及研磨方法

技术领域

本公开涉及半导体技术领域，特别是涉及一种研磨垫、化学机械研磨设备及研磨方法。

背景技术

采用化学机械研磨设备对晶圆进行研磨时，若使用新研磨头，由于新研磨头的定位环厚度无法达到生产需求，容易导致待研磨晶圆边缘的研磨速率不足，从而产生残留物。因此，在使用新研磨头时，需要对新研磨头中的定位环进行一定程度的打磨消耗，以使新研磨头达到生产要求。

然而，目前对新研磨头的打磨时间过久，严重影响化学机械研磨设备的可使用时间，从而无法满足生产过程中的消耗。

因此，如何提高研磨效率，从而缩短新研磨头的打磨时间，进而提高生产效率是亟需解决的问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述背景技术中的问题，提供一种研磨垫、化学机械研磨设备及研磨方法，能够提高研磨效率，从而缩短新研磨头的打磨时间，进而提高生产效率。

为了解决上述技术问题，根据一些实施例，本公开的一方面提供一种研磨垫，该研磨垫包括：相对设置的第一表面及第二表面。第一表面设有多个由外至内依次间隔排布的凹槽。任一相邻凹槽之间的间距与研磨垫半径的比值为8/25～12/25。

本公开实施例中，研磨垫的第一表面设有多个由外至内依次间隔排布的凹槽，任一相邻凹槽之间的间距与研磨垫半径的比值为8/25～12/25。相对于传统研磨垫，本公开通过减少凹槽的数量，也即通过增大研磨垫中相邻凹槽之间的间距，得到具有特殊图形的研磨垫。如此，本公开实施例中的研磨垫可以使得待研磨物与研磨垫的接触面积更大，从而有利于提高研磨效率，进而提高生产效率。

根据一些实施例，研磨垫的邵氏硬度不小于65。

本公开实施例中，采用高硬度的研磨垫，可以进一步提高研磨效率，进而提高生产效率。

根据一些实施例，多个凹槽的宽度均相等。

根据一些实施例，任一相邻凹槽的间距均相等。

根据一些实施例，最外侧的凹槽与研磨垫的外边缘之间的间距小于相邻凹槽之间的间距。最内侧的凹槽与研磨垫的中心之间的间距小于相邻凹槽之间的间距。

根据一些实施例，本公开的另一方面提供了一种化学机械研磨设备，包括如上一些实施例中所述的研磨垫以及研磨头。研磨头设置于研磨垫的上方包括研磨头主体，以及设置于研磨头主体的下表面的定位环。定位环与研磨垫的第一表面相接触。

本公开实施例中，化学机械研磨设备包括研磨垫以及研磨头，研磨垫的第一表面设有多个由外至内依次间隔排布的凹槽，任一相邻凹槽之间的间距与研磨垫半径的比值为8/25～12/25。相对于传统研磨垫，本公开通过减少凹槽的数量，也即通过增大研磨垫中相邻凹槽之间的间距，得到具有特殊图形的研磨垫。如此，本公开实施例中的研磨垫可以使得新的研磨头的定位环与研磨垫的接触面积更大，从而有利于提高研磨效率，进而提高生产效率。

根据一些实施例，化学机械研磨设备还包括：研磨盘和研磨液供应装置。研磨盘的一侧表面覆盖有研磨垫，且与研磨垫的第二表面相接触。研磨液供应装置自研磨盘的一侧延伸至研磨垫的上方，用于向研磨垫提供研磨液。

根据一些实施例，本公开的又一方面提供了一种研磨方法，包括：提供如上一些实施例中所述的化学机械研磨设备；将待研磨晶圆置于研磨头的定位环内；待研磨晶圆的待研磨面与研磨垫的第一表面相接触；通过研磨液供应装置向研磨垫的第一表面提供研磨液；使用研磨头对待研磨面进行研磨。

本公开实施例中，研磨垫的第一表面设有多个由外至内依次间隔排布的凹槽，任一相邻凹槽之间的间距与研磨垫半径的比值为8/25～12/25。相对于传统研磨垫，本公开通过减少凹槽的数量，也即通过增大研磨垫中相邻凹槽之间的间距，得到具有特殊图形的研磨垫。如此，本公开实施例中的研磨垫可以使得新的研磨头的定位环与研磨垫的接触面积更大，从而有利于提高研磨效率，进而提高生产效率。

根据一些实施例，将待研磨晶圆置于研磨头的定位环内之前，还包括：通过研磨液供应装置向研磨垫的第一表面提供研磨液；使用研磨液及研磨垫对定位环进行调整。

根据一些实施例，研磨液包括二氧化硅。二氧化硅在研磨液中的质量百分比不小于20％。

本公开实施例中，通过使用固体含量较高的二氧化硅研磨液，搭配高研磨压力与转速，可以快速提高新的研磨头中的定位环的消耗速度，以使得研磨头快速达到生产需求。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1(a)为本公开一实施例中提供的一种研磨垫的俯视结构示意图；

图1(b)为本公开一实施例中提供的一种研磨垫的剖面结构示意图；

图2为本公开一实施例中提供的一种化学机械研磨设备的剖面结构示意图；

图3为本公开一实施例中提供的一种研磨方法的流程图。

附图标记说明：

1-研磨垫；11-凹槽；12-第一表面；13-第二表面；2-研磨头；21-研磨头主体；22-定位环；3-研磨盘；4-研磨液供应装置；41-研磨液；5-待研磨晶圆；6-软垫。

具体实施方式

为了便于理解本公开，下面将参照相关附图对本公开进行更全面的描述。附图中给出了本公开的实施例。但是，本公开可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本公开的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本公开的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本公开。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本公开教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白，当术语“组成”和/或“包括”在该说明书中使用时，可以确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。同时，在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

在此使用时，“沉积”工艺包括但不限于物理气相沉积(Physical VaporDeposition，简称PVD)、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)或原子层沉积(Atomic Layer Deposition，简称ALD)。

在集成电路制造中，随着器件尺寸的不断缩小，化学机械研磨工艺是晶圆表面获得平坦化的重要工艺。采用化学机械研磨设备对晶圆进行研磨时，若使用新研磨头，由于新研磨头的定位环厚度无法达到生产需求，容易导致待研磨晶圆边缘的研磨速率不足，从而产生残留物。因此，在使用新研磨头时，需要对新研磨头中的定位环进行一定程度的打磨消耗，以使新研磨头达到生产要求。然而，目前对新研磨头的打磨时间过久，严重影响化学机械研磨设备的可使用时间，从而无法满足生产过程中的消耗。

化学机械研磨是在受控的温度、压力和化学成分条件下，通过将研磨头中的半导体晶圆紧紧贴附在旋转研磨表面上或者以其他方式将晶圆相对于研磨表面移动来完成的。研磨表面可以是由相对柔软的多孔材料(例如发泡聚氨酯)形成的平面状的研磨垫，并用具有化学活性和研磨性的水性浆料座位研磨液润湿。水性浆料可以是酸性或碱性的，通常包括磨料颗粒，诸如过渡金属螯合盐或氧化剂之类的反应性化学试剂，以及诸如溶剂、缓冲剂和钝化剂之类的助剂。在浆料中，盐或其他试剂提供化学蚀刻作用。而磨料颗粒与研磨垫一起提供机械研磨作用。在研磨过程中，通过一个或多个喷嘴将浆料连续地供应给研磨垫。

基于此，本公开提供了一种研磨垫、化学机械研磨设备及研磨方法，能够提高研磨效率，从而缩短新研磨头的打磨时间，进而提高生产效率。

请参阅图1(a)和图1(b)，本公开一些实施例提供了一种研磨垫1，包括：相对设置的第一表面12及第二表面13。第一表面12设有多个由外至内依次间隔排布的凹槽11。任一相邻凹槽11之间的间距(例如D1和D2)与研磨垫1半径r的比值为8/25～12/25。

本公开实施例中，研磨垫1的第一表面12设有多个由外至内依次间隔排布的凹槽11，任一相邻凹槽11之间的间距(例如D1和D2)与研磨垫1半径r的比值为8/25～12/25。相对于传统研磨垫，本公开通过减少凹槽11的数量，也即通过增大研磨垫1中相邻凹槽11之间的间距(例如D1和D2)，得到具有特殊图形的研磨垫1。如此，本公开实施例中的研磨垫1可以使得待研磨物与研磨垫1的接触面积更大，从而有利于提高研磨效率，进而提高生产效率。

在一些实施例中，研磨垫1由层叠设置的基垫和研磨层粘合在一起，形成一个整体，整面理化性质一致。

在一些示例中，研磨垫1的直径尺寸大于后续待研磨晶圆的直径尺寸。

具体地，研磨垫1的直径尺寸与后续待研磨晶圆的直径尺寸的尺寸差范围包括：5mm～20mm。例如：研磨垫1的直径尺寸与后续待研磨晶圆的直径尺寸的尺寸差为5mm、10mm、15mm或20mm等等。

在一些示例中，任一相邻凹槽11之间的间距(例如D1和D2)与研磨垫1半径r的比值可以为：8/25、9/25、2/5、11/25或12/25等等。

在一些实施例中，研磨垫1的邵氏硬度不小于65。

在一些示例中，研磨垫1的邵氏硬度可以为65、70、75、80或85等等。

本公开实施例中，采用高硬度的研磨垫1，可以进一步提高研磨效率，进而提高生产效率。

在一些实施例中，多个凹槽11的宽度均相等。

在一些实施例中，任一相邻凹槽11的间距(例如D1和D2)均相等。

在一些实施例中，最外侧的凹槽11与研磨垫1的外边缘之间的间距d1小于相邻凹槽11之间的间距(例如D1和D2)。最内侧的凹槽11与研磨垫1的中心O之间的间距d2小于相邻凹槽11之间的间距(例如D1和D2)。

请参阅图2，本公开一些实施例还提供了一种化学机械研磨设备，包括如上一些实施例中所述的研磨垫1以及研磨头2。研磨头2设置于研磨垫1的上方包括研磨头主体21，以及设置于研磨头主体21的下表面的定位环22。定位环22与研磨垫1的第一表面12相接触。

本公开实施例中，化学机械研磨设备包括研磨垫1以及研磨头2，研磨垫1的第一表面12设有多个由外至内依次间隔排布的凹槽11，任一相邻凹槽11之间的间距(例如D1和D2)与研磨垫1半径r的比值为8/25～12/25。相对于传统研磨垫，本公开通过减少凹槽11的数量，也即通过增大研磨垫1中相邻凹槽11之间的间距(例如D1和D2)，得到具有特殊图形的研磨垫1。如此，本公开实施例中的研磨垫1可以使得新的研磨头2的定位环22与研磨垫1的接触面积更大，从而有利于提高研磨效率，进而提高生产效率。

在一些实施例中，请参阅图2，研磨头2包括研磨头主体21、定位环22和至少两个空气腔(未示出)。至少两个空气腔设置在研磨头主体21的外表面处。

示例地，研磨头2具有两个空气腔，对应于研磨头主体21的两个子通道进行设置。每个空气腔分别连接至研磨头主体21中的其中一个相应的子通道，并且配置成生成气流。

在一些实施例中，请继续参阅图2，研磨头主体21具有旋转轴。空气腔围绕研磨头主体21的旋转轴以基本相等的角度间隔隔开。两个空气腔可以围绕研磨头主体21的旋转轴以180度角间隔隔开。研磨头主体21包括轴向部分以及连接至轴向部分的底座部分。底座部分具有上表面、侧面和下表面。研磨头主体21的空腔设置在底座部分的下表面处。主通道设置在研磨头主体的轴向部分处，而子通道设置在研磨头主体21的底座部分处。

示例地，每个子通道均具有设置在研磨头主体21的底座部分的侧面处的开口。每个空气腔均连接至每个子通道的开口。

在一些实施例中，请继续参阅图2，研磨头2用于通过研磨液对待研磨晶圆5进行研磨。软垫6设置在研磨头2与待研磨晶圆5之间，待研磨晶圆5可利用部分真空或者粘合剂紧紧贴附在软垫6上。研磨头2设置成通过驱动马达沿第一方向持续旋转，并且可选地沿第二方向横向往复运动。相应地，待研磨晶圆5的旋转和横向的组合运动旨在降低待研磨晶圆5表面上的材料去除速率的差异。

根据一些实施例，化学机械研磨设备还包括：研磨盘3和研磨液供应装置4。研磨盘3的一侧表面覆盖有研磨垫1，且与研磨垫1的第二表面13相接触。研磨液供应装置4自研磨盘3的一侧延伸至研磨垫1的上方，用于向研磨垫1提供研磨液。

具体地，在一些实施例中，请继续参阅图2，研磨垫1安装在研磨盘3上。与待研磨晶圆5相比，研磨盘3具有相对较大的表面积，以容纳研磨头2上的待研磨晶圆5在研磨垫1表面上的平移运动。研磨液供应装置4安装在研磨盘3上方，以输送研磨液，研磨液从研磨液供应装置4的喷嘴滴到研磨垫1的表面上。研磨液可以从储存槽或容器中重力供给，或以其他方式泵送供应研磨液供应装置4。此外，还可以从研磨盘3的下方供应研磨液，使得研磨液向上流经研磨垫1的底面。

在一些实施例中，化学机械研磨设备可以包括电机。电机可以驱动研磨盘3转动。研磨盘3通过承载机器而带动研磨垫1旋转，并配合研磨液以对新的研磨头2的定位环22进行化学机械研磨工艺。

在一些示例中，化学机械研磨设备还包括：研磨盘清洗***、喷水机构以及吸水机构。研磨盘清洗***设置在研磨台上且位于研磨盘3上方，用于对研磨盘3进行刷洗。喷水机构设置在研磨台上且位于研磨盘3上方，用于在清洗过程中向研磨盘3喷水。吸水机构设置在研磨台上且位于研磨盘3上方，用于清洗完成后吸收研磨盘3上的废水和研磨液。

在一些实例中，研磨液中的固体含量较高。如此，采用固体含量较高的研磨液41，新的研磨头的定位环22与研磨垫1之间能够产生更好的研磨效果。

在一些实例中，研磨液供应装置4包括设置在研磨台上的磁力搅拌装置、支架、设置在支架上的雾化喷头。其中，磁力搅拌装置与雾化喷头之间通过研磨液输送管连接，雾化喷头连接有压缩空气管路。磁力搅拌装置用于均匀搅拌研磨液41。研磨液输送管安装在磁力搅拌装置上，用于输送研磨液41。压缩空气管路安装在支架上，用于输送压缩空气。雾化喷头用于喷淋研磨液41。雾化喷头上安装有不锈钢杯罩，不锈钢杯罩用于控制喷淋范围。

在一些实例中，研磨盘清洗***包括设置在研磨台上的升降电缸、与升降电缸连接的旋转电机、与旋转电机连接的刷洗毛刷。升降电缸用于控制刷洗毛刷升降。旋转电机用于驱使刷洗毛刷旋转。

在一些实例中，研磨台与动力部连接，用于驱动研磨台绕其轴线转动。具体地，动力部包括电机等。

请参阅图3，本公开的又一方面提供了一种研磨方法，包括步骤S100～S400。

S100，提供如上一些实施例中所述的化学机械研磨设备。

S200，将待研磨晶圆置于研磨头的定位环内；待研磨晶圆的待研磨面与研磨垫的第一表面相接触。

S300，通过研磨液供应装置向研磨垫的第一表面提供研磨液。

S400，使用研磨头对待研磨面进行研磨。

本公开实施例中，研磨垫的第一表面设有多个由外至内依次间隔排布的凹槽，任一相邻凹槽之间的间距与研磨垫半径的比值为8/25～12/25。相对于传统研磨垫，本公开通过减少凹槽的数量，也即通过增大研磨垫中相邻凹槽之间的间距，得到具有特殊图形的研磨垫。如此，本公开实施例中的研磨垫可以使得新的研磨头的定位环与研磨垫的接触面积更大，从而有利于提高研磨效率，进而提高生产效率。

在一些实施例中，将待研磨晶圆5置于研磨头2的定位环22内之前，还包括：通过研磨液供应装置4向研磨垫1的第一表面12提供研磨液41；使用研磨液41及研磨垫1对定位环22进行调整。

进一步地，示例地，软垫6设置在研磨头2与待研磨晶圆5之间，且设置于定位环22内。

在一些实施例中，研磨液41包括二氧化硅。二氧化硅在研磨液41中的质量百分比不小于20％。示例地，研磨液41从研磨液供应装置4的喷嘴滴到研磨垫1的表面上。

本公开实施例中，通过使用固体含量较高的二氧化硅研磨液41，搭配高研磨压力与转速，可以快速提高新的研磨头2中的定位环22的消耗速度，以使得研磨头2快速达到生产需求。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本公开的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本公开的保护范围。因此，本公开专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种研磨垫，其特征在于，包括：相对设置的第一表面及第二表面；所述第一表面设有多个由外至内依次间隔排布的凹槽；任一相邻所述凹槽之间的间距与所述研磨垫半径的比值为8/25～12/25。

2.如权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，所述研磨垫的邵氏硬度不小于65。

3.如权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，多个所述凹槽的宽度均相等。

4.如权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，任一相邻所述凹槽的间距均相等。

5.如权利要求4所述的研磨垫，其特征在于，最外侧的所述凹槽与所述研磨垫的外边缘之间的间距小于相邻所述凹槽之间的间距；最内侧的所述凹槽与所述研磨垫的中心之间的间距小于相邻所述凹槽之间的间距。

6.一种化学机械研磨设备，其特征在于，包括：

如权利要求1至5中任一项所述的研磨垫；以及，

研磨头；所述研磨头设置于所述研磨垫的上方，包括研磨头主体，以及设置于所述研磨头主体的下表面的定位环；所述定位环与所述研磨垫的第一表面相接触。

7.如权利要求6所述的化学机械研磨设备，其特征在于，所述化学机械研磨设备还包括：

研磨盘，所述研磨盘的一侧表面覆盖有所述研磨垫，且与所述研磨垫的第二表面相接触；

研磨液供应装置，所述研磨液供应装置自所述研磨盘的一侧延伸至所述研磨垫的上方，用于向所述研磨垫提供研磨液。

8.一种研磨方法，其特征在于，包括：

提供如权利要求7所述的化学机械研磨设备；

将待研磨晶圆置于所述研磨头的所述定位环内；所述待研磨晶圆的待研磨面与所述研磨垫的第一表面相接触；

通过所述研磨液供应装置向所述研磨垫的第一表面提供研磨液；

使用所述研磨头对所述待研磨面进行研磨。

9.如权利要求8所述的研磨方法，其特征在于，所述将待研磨晶圆置于所述研磨头的所述定位环内之前，还包括：

通过所述研磨液供应装置向所述研磨垫的第一表面提供研磨液；

使用所述研磨液及所述研磨垫对所述定位环进行调整。

10.如权利要求8或9所述的研磨方法，其特征在于，所述研磨液包括二氧化硅；所述二氧化硅在所述研磨液中的质量百分比不小于20％。