專利名稱：化學(xué)機(jī)械拋光系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及化學(xué)機(jī)械平面化(CMP)系統(tǒng)，特別是CMP系統(tǒng)中使用的泵。
化學(xué)機(jī)械平面化(也稱做化學(xué)機(jī)械拋光)是先進(jìn)的集成電路制造中已證實(shí)的工藝。CMP用在半導(dǎo)體器件制造的幾乎所有階段。化學(xué)機(jī)械平面化通過局部平面化產(chǎn)生精細(xì)結(jié)構(gòu)，對(duì)整個(gè)晶片平面化產(chǎn)生高密度的通孔和互連層。在集成電路制造工藝中進(jìn)行CMP的材料包括單和多晶硅、氧化物、氮化物、聚酰亞胺、鋁、鎢和銅。
此時(shí)，對(duì)于例如平均銷售價(jià)格高的微處理器、ASIC(專用集成電路)和其它半定制的集成電路等的元件，化學(xué)機(jī)械平面化的費(fèi)用證明是合算的。使用的主要領(lǐng)域是形成這些類型的集成電路中需要的高密度的多層互連。如存儲(chǔ)器等的商品器件由于成本的原因很少使用或不使用CMP。
對(duì)于高容量的集成電路設(shè)計(jì)成功地實(shí)行化學(xué)機(jī)械平面化處理顯示出大多數(shù)的半導(dǎo)體制造商都接受了該技術(shù)。半導(dǎo)體制造商在幾個(gè)領(lǐng)域推動(dòng)了CMP的發(fā)展。第一個(gè)領(lǐng)域是成本，如上文所提到的，CMP工藝不用于制造商品的集成電路的制造中，是由于制造成本的任何增加都會(huì)影響收益率。對(duì)CMP的大多數(shù)研究是在降低CMP工藝的每個(gè)晶片成本的領(lǐng)域。CMP成本降低的顯著進(jìn)展將增加制造較低利潤(rùn)率集成電路的生命力。第二個(gè)領(lǐng)域是減少CMP設(shè)備的尺寸或占地面積。較小的占地面積使所有人的成本降低?；瘜W(xué)機(jī)械平面化裝置的目前設(shè)計(jì)占據(jù)了半導(dǎo)體工藝設(shè)備中大量的地板空間。
要強(qiáng)調(diào)的第三個(gè)領(lǐng)域是制造生產(chǎn)能力和可靠性。CMP裝置制造商將精力集中以開發(fā)在更少的時(shí)間里平面化更多晶片的機(jī)器。只有CMP裝置的可靠性也增加，生產(chǎn)能力才顯著增加。研究的第四個(gè)領(lǐng)域是半導(dǎo)體材料的去除裝置。半導(dǎo)體公司在某種程度上依賴于在不同去除處理中使用的漿料或拋光劑的有限數(shù)量的化學(xué)提供商。半導(dǎo)體工業(yè)不開發(fā)一些漿料，但來(lái)自于例如玻璃拋光工業(yè)的其它領(lǐng)域。研究不可避免地導(dǎo)向?qū)Ｓ糜诰唧w半導(dǎo)體晶片處理的高性能漿料工業(yè)。漿料成分中的發(fā)展直接影響去除速率、顆粒統(tǒng)計(jì)、選擇性和顆粒凝聚尺寸。研究的最后領(lǐng)域是后CMP處理。例如，后CMP清潔、集成和計(jì)量學(xué)是裝置制造商開始為CMP工藝提供特定裝置的領(lǐng)域。
因此，在制造環(huán)境中具有提供可靠性的化學(xué)機(jī)械平面化裝置是很有利的。更有利的是化學(xué)機(jī)械平面化裝置能減少每個(gè)晶片拋光的成本。


圖1為化學(xué)機(jī)械平面化裝置中傳送漿料使用的蠕動(dòng)泵的剖面圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明化學(xué)機(jī)械平面化(CMP)裝置的俯視圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明圖2的化學(xué)機(jī)械平面化(CMP)裝置的側(cè)視圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明化學(xué)機(jī)械平面化裝置中使用的隔膜泵的剖面圖；以及圖5為用于根據(jù)本發(fā)明化學(xué)機(jī)械平面化裝置的漿料傳送系統(tǒng)的圖示。
化學(xué)機(jī)械平面化(CMP)工藝中使用的主要成分是拋光漿料。漿料為磨料和化學(xué)物質(zhì)的混合物，可從半導(dǎo)體晶片機(jī)械地和化學(xué)地除去材料。在漿料中使用的化學(xué)物質(zhì)取決于要除去的材料類型。一般來(lái)說(shuō)，化學(xué)物質(zhì)為酸性或堿性，具有強(qiáng)烈的腐蝕性。在晶片拋光的工藝期間，漿料為需要不斷地補(bǔ)充的消耗品。這就是CMP工藝中主要的成本消耗因素。
在CMP工藝中消耗品的其它例子是去離子水和拋光墊。通常包括聚氨酯或一些其它拋光介質(zhì)的拋光墊一般是CMP工藝中的第二個(gè)高成本消耗。每個(gè)晶片的墊成本一般是每個(gè)晶片拋光劑的成本的25％的數(shù)量級(jí)。其它消耗品占據(jù)小于每個(gè)晶片拋光漿料成本的5％。顯然，降低每個(gè)晶片的化學(xué)機(jī)械平面化成本中最大的收獲是拋光漿料的成本。
漿料輸送系統(tǒng)為化學(xué)機(jī)械平面化裝置的一個(gè)部件。漿料輸送系統(tǒng)將拋光劑提供到要拋光的半導(dǎo)體晶片。目前的CMP裝置使用蠕動(dòng)泵將拋光劑輸送到半導(dǎo)體晶片。CMP裝置制造商使用蠕動(dòng)泵是因?yàn)樗鼈兡軐⒁斔偷慕橘|(zhì)與任何泵部件隔離。這樣可保護(hù)關(guān)鍵的泵部件免受磨料和腐蝕性拋光劑的影響。
圖1為在化學(xué)機(jī)械平面化裝置中用于輸送漿料的蠕動(dòng)泵12的剖面圖。蠕動(dòng)泵的隔離裝置是彈性管13。理想地，彈性管可以防止?jié){料中的化學(xué)物質(zhì)滲透。例如彈性管13通常由硅烷或正丁二烯(norprene)型化合物制成。拋光劑通過彈性管13輸送。通過將漿料限制在彈性管13內(nèi)，使?jié){料不與蠕動(dòng)泵12的任何部件接觸。彈性管13的一端連接到接收漿料的輸入(IN)，同時(shí)彈性管13的另一端連接到蠕動(dòng)泵12的輸出(OUT)。
旋轉(zhuǎn)部分14在蠕動(dòng)泵12的外殼16內(nèi)旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)部分14連接到電機(jī)(未顯示)。固定到旋轉(zhuǎn)部分14的是持續(xù)擠壓彈性管13的滾輪15。在蠕動(dòng)泵中最少使用兩個(gè)滾輪，而一些泵設(shè)計(jì)得有許多滾輪。隨著滾輪在外殼16內(nèi)旋轉(zhuǎn)，漿料被推擠或擠壓穿過彈性管13。蠕動(dòng)泵的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)發(fā)生內(nèi)部泄露。只有管破裂才會(huì)發(fā)生泄露。由蠕動(dòng)泵12輸送的材料量由管的內(nèi)徑、硬度測(cè)定器、壁厚度和輸送壓力確定。通過改變泵速度可以改變輸出傳輸?shù)乃俾省?br> 一般來(lái)說(shuō)，蠕動(dòng)泵12簡(jiǎn)單、效率高并且易于維護(hù)。然而，蠕動(dòng)泵12放置在輸送漿料的化學(xué)機(jī)械平面化裝置中時(shí)存在一些問題。一般來(lái)說(shuō)，從半導(dǎo)體晶片去除材料的漿料在輸送系統(tǒng)內(nèi)停留或干燥會(huì)造成可怕的后果，包括硬化、結(jié)塊和沉淀。如果允許停留或干燥，漿料將堵塞輸送系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作或損壞晶片。
要避免以上提到的問題，大多數(shù)的漿料輸送系統(tǒng)盡可能地使?jié){料循環(huán)。此外，在不能循環(huán)拋光劑的情況下，用水沖洗系統(tǒng)。用水沖洗經(jīng)常會(huì)使彈性管13由于水輸送壓力高而破裂。由于滾輪15將彈性管13頂向防止水流動(dòng)的外殼16而發(fā)生問題。在蠕動(dòng)泵12輸入處的水壓用水使彈性管13膨脹使其破裂。
如前所述，在化學(xué)機(jī)械平面化工藝中最高消耗成本為拋光劑。理論上，由化學(xué)機(jī)械平面化裝置輸送漿料的最小需要量，可以均勻地將預(yù)定的材料量從半導(dǎo)體晶片表面上除去。假設(shè)小于拋光劑的最小需要量，將產(chǎn)生不均勻的平面化或甚至損傷晶片。假設(shè)大于拋光劑的最小需要量，將浪費(fèi)漿料，由此增加了制造成本。半導(dǎo)體制造商通常過多地提供漿料，是由于拋光劑的長(zhǎng)期成本小于損壞的半導(dǎo)體晶片成本。
在制造環(huán)境中，輸送的漿料的量受時(shí)間上蠕動(dòng)泵12變化負(fù)面地影響。蠕動(dòng)泵12的輸送中的變化由彈性管13的維護(hù)周期影響。維護(hù)周期由防止彈性管13破裂產(chǎn)生突然故障關(guān)閉CMP裝置的可接受的時(shí)間周期確定。一般來(lái)說(shuō)，蠕動(dòng)泵12更換彈性管13的維護(hù)在一月一次的級(jí)別。
確定漿料輸送率要考慮的另一因素是輸入壓力。拋光劑帶給蠕動(dòng)泵12的內(nèi)部壓力(從整個(gè)漿料輸送系統(tǒng))顯著改變，例如，每平方米1406.2到7031.0千克(每平方英寸2-10磅)范圍內(nèi)的壓力很常見。一般來(lái)說(shuō)，整個(gè)漿料輸送系統(tǒng)能夠提供超過彈性管13能夠忍受的漿料壓力。蠕動(dòng)泵對(duì)漿料的輸入壓力很敏感。實(shí)際上，輸送速率隨較高的輸送壓力增加，是由于隨著壓力增加，彈性管13膨脹，體積變大。設(shè)置CMP裝置的板上漿料輸送系統(tǒng)在最低的輸入壓力輸送大于最小需求量的漿料。由此，當(dāng)漿料的輸入壓力高于最小壓力時(shí)，大量的漿料浪費(fèi)了。
輸送速率也受彈性管13的塑料變形影響。滾輪持續(xù)地?cái)D壓或擠出彈性管13以輸送拋光劑。最初，被滾輪15變平后，彈性管13會(huì)回彈為它的原始形狀。持續(xù)地，發(fā)生塑料變形，彈性管13沒有回彈應(yīng)有的量，由此改變了輸送的體積。換句話說(shuō)，彈性管13隨時(shí)間硬化或變形。漿料輸送速率也影響塑料變形。增加漿料輸送速率(增加蠕動(dòng)泵12的速度)加速了彈性管13隨時(shí)間塑料變形的速率。以上列出的所有問題往往減少了隨時(shí)間的漿料輸送速率。
目前化學(xué)機(jī)械平面化裝置制造商沒有提供任何類型的漿料流動(dòng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。半導(dǎo)體制造商不想低于最小需要的漿料的流量，所以漿料流量由高的初始輸送速率補(bǔ)償。高初始輸送速率確保滿足最小可接受的漿料流量，直到彈性管13由于維護(hù)例行更換。高初始輸送速率浪費(fèi)了漿料，是由于漿料輸送系統(tǒng)提供的多于需要的?？梢怨烙?jì)一般化學(xué)機(jī)械平面化系統(tǒng)增加的輸送速率浪費(fèi)了約25％以上的漿料。在平面化工藝期間，超過50％的最小需要量的拋光劑不太常見。
圖2為化學(xué)機(jī)械平面化(CMP)裝置21的俯視圖。CMP裝置21包括臺(tái)板22、去離子(DI)水閥23、多輸入閥24、泵25、分配桿集流管26、分配桿27、調(diào)節(jié)臂28、從動(dòng)閥29、真空發(fā)生器30和晶片托臂31。
臺(tái)板22支撐平面化半導(dǎo)體晶片處理側(cè)的不同的拋光介質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)。臺(tái)板22由例如鋁或不銹鋼等的金屬制成。電機(jī)(未顯示)連接到臺(tái)板22。臺(tái)板22能夠按用戶選擇的表面速度旋轉(zhuǎn)、按軌道、或線性運(yùn)動(dòng)。
去離子水閥23具有輸入和輸出。輸入連接到DI水源?？刂齐娐?未顯示)開啟或關(guān)閉DI水閥23。當(dāng)DI水閥23開啟時(shí)，DI水源提供到多輸入閥24。多輸入閥24能將不同的材料輸送到分配桿27。輸入到多輸入閥24的材料類型的一個(gè)例子為化學(xué)物質(zhì)、漿料和去離子水。在CMP裝置21的一個(gè)實(shí)施例中，多輸入閥24具有一個(gè)連接到DI水閥23的第一輸入、連接到漿料源的第二輸入和輸出?？刂齐娐?未顯示)關(guān)閉所有的多輸入閥24的輸入或使閥的任何組合開啟，產(chǎn)生到多輸入閥24輸出的選擇材料的流動(dòng)。
泵25將從多輸入閥24接收的材料輸送到分配桿集流管26。由泵25提供的輸送速率由用戶選擇。隨時(shí)間最小流速變化和不同的條件允許在最小需要的流速附近調(diào)節(jié)材料流，減少了化學(xué)物質(zhì)、漿料和DI水的浪費(fèi)。泵25的輸入連接到多輸入閥24的輸入和輸出。
分配桿集流管26允許化學(xué)物質(zhì)、漿料和去離子水流到分配桿27。分配桿集流管26具有輸出和連接到泵25的輸入。另一個(gè)措施利用了泵將每種材料提供到分配桿27。例如，化學(xué)物質(zhì)、漿料和DI水每個(gè)具有一個(gè)連接到分配桿集流管26的泵。通過對(duì)應(yīng)的泵控制每個(gè)材料的流速，使用多個(gè)泵允許不同的材料以不同的組合精確地混合。分配桿27將化學(xué)物質(zhì)、漿料和去離子水分配到拋光介質(zhì)表面。分配桿27具有至少一個(gè)孔，將材料分配到拋光介質(zhì)表面。分配桿27懸在并延伸在臺(tái)板22上，以確保材料分配到拋光介質(zhì)的大多數(shù)表面。
晶片托臂31將半導(dǎo)體晶片懸在拋光介質(zhì)表面上。晶片托臂31將用戶選擇的向下的力施加到拋光介質(zhì)表面。一般來(lái)說(shuō)，晶片托臂31能夠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及線性運(yùn)動(dòng)。通過真空將半導(dǎo)體晶片保持在晶片托架上。晶片托臂31具有第一輸入和第二輸入。
真空發(fā)生器30為晶片托臂31的真空源。真空發(fā)生器30產(chǎn)生并控制晶片托架進(jìn)行晶片拾取使用的真空度。如果真空源在制造設(shè)備不能得到，那么不要求真空發(fā)生器30。真空發(fā)生器30具有連接到晶片托臂31第一輸入的口。從動(dòng)閥29將氣體提供到晶片托臂31，平面化完成后將晶片彈出。在控制晶片分布的平面化期間，氣體也向晶片的背側(cè)施加壓力，以控制晶片分布。在CMP裝置21的實(shí)施例中，氣體為氮?dú)?。從?dòng)閥29具有連接到氮?dú)庠春瓦B接到晶片托臂31的第二個(gè)輸入的輸出。
使用調(diào)節(jié)臂28將磨料端操縱裝置施加到拋光介質(zhì)表面。磨料端操縱裝置平面化拋光介質(zhì)表面并清潔或使表面粗糙以便化學(xué)傳輸。調(diào)節(jié)臂28一般能夠旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)。將端操縱裝置壓向拋光介質(zhì)表面的壓力或向下力由調(diào)節(jié)臂28控制。
圖3為圖2所示的化學(xué)機(jī)械平面化(CMP)裝置21的側(cè)視圖。如圖3所示，調(diào)節(jié)臂28包括墊調(diào)節(jié)器連接件32和端操縱裝置33。CMP裝置21還包括拋光介質(zhì)34、托架膜35、托架環(huán)36、托架組件37、機(jī)械固定架38、熱交換器39、外殼40和半導(dǎo)體晶片77。
拋光介質(zhì)34放置在臺(tái)板22上。一般來(lái)說(shuō)，拋光介質(zhì)34使用壓敏粘合劑固定到臺(tái)板22。拋光介質(zhì)34提供合適的表面將拋光劑引到其上。拋光介質(zhì)34為整個(gè)和局部晶片表面規(guī)則性提供化學(xué)支撐和微符合。一般來(lái)說(shuō)，拋光介質(zhì)34為聚氨酯墊，在化學(xué)傳輸?shù)谋┞侗砻姘ㄐ】谆蜾J角槽。
托架組件37連接到晶片托臂31。托架組件37提供了相對(duì)于臺(tái)板22旋轉(zhuǎn)半導(dǎo)體晶片77的基底。托架組件37也向半導(dǎo)體晶片77施加向下的力使它頂向拋光介質(zhì)34。電機(jī)(未顯示)使用戶控制托架組件37的旋轉(zhuǎn)。在平面化、分布半導(dǎo)體晶片77以及平面化后彈出半導(dǎo)體晶片77的期間，托架組件37包括真空和氣體通路保持半導(dǎo)體晶片77。
托架環(huán)36連接到托架組件37。托架環(huán)36使半導(dǎo)體晶片77與托架組件37同心地對(duì)準(zhǔn)，并物理地制約半導(dǎo)體晶片77橫向運(yùn)動(dòng)。托架膜35連接到托架組件37的表面。托架膜35為半導(dǎo)體晶片77提供具有合適摩擦特性的表面，防止由于平面化期間相對(duì)于托架組件37的滑動(dòng)造成的旋轉(zhuǎn)。此外，托架膜35具有輕微的彈性以有助于平面化工藝。
墊調(diào)節(jié)器連接件32連接到調(diào)節(jié)臂28。墊調(diào)節(jié)器連接件32允許臺(tái)板22和操縱裝置33之間的角柔量。端操縱裝置磨損拋光介質(zhì)34以獲得平整度，并有助于將化學(xué)物質(zhì)傳輸?shù)揭矫婊陌雽?dǎo)體晶片77的表面。
化學(xué)反應(yīng)對(duì)溫度很敏感?，F(xiàn)已公知反應(yīng)的速率通常隨溫度增加。在化學(xué)機(jī)械平面化中，平面化工藝的溫度保持在某個(gè)范圍內(nèi)以控制反應(yīng)速率。溫度由熱交換器39控制。熱交換器39連接到臺(tái)板22用于加熱和冷卻。例如，當(dāng)首先開始一個(gè)晶片批量進(jìn)行平面化時(shí)，溫度約為室溫。熱交換器39加熱臺(tái)板22，以便CMP工藝處于預(yù)定的最小溫度以上，以確保發(fā)生最小的化學(xué)反應(yīng)速率。一般來(lái)說(shuō)，熱交換器39使用乙二醇作為溫度傳輸/控制機(jī)構(gòu)來(lái)加熱或冷卻臺(tái)板22。通過化學(xué)機(jī)械平面化工藝連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)晶片產(chǎn)生熱，例如，托架組件37保持熱量。升高發(fā)生CMP工藝的溫度增加化學(xué)反應(yīng)的速率。通過熱交換器39冷卻臺(tái)板22以確保CMP工藝低于預(yù)定的最大溫度，以便不超過最大反應(yīng)。
機(jī)械固定架38將化學(xué)機(jī)械平面化裝置21升高到地板水平面以上，允許地面安裝滴料盤，它們與拋光裝置未成一體。機(jī)械固定架38也具有可調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)，使CMP裝置21水平，并設(shè)計(jì)得吸收或隔離振動(dòng)。
化學(xué)機(jī)械平面化裝置21放置在裝置外殼40內(nèi)。如前所述，CMP工藝使用對(duì)人類和環(huán)境有害的腐蝕性材料。裝置外殼40可以防止顆粒和化學(xué)蒸汽溢出。CMP裝置21的所有移動(dòng)部件都放置在裝置外殼40內(nèi)，以防止造成傷害。
化學(xué)機(jī)械平面化裝置21的操作介紹如下。在操作說(shuō)明中沒有規(guī)定或隱含特定的步驟順序，很大程度上由要進(jìn)行拋光的半導(dǎo)體晶片的類型確定這些步驟順序。熱交換器39加熱臺(tái)板22到預(yù)定溫度，以確保當(dāng)開始化學(xué)機(jī)械平面化工藝時(shí)，漿料中的化學(xué)物質(zhì)具有最小反應(yīng)速率。電機(jī)驅(qū)動(dòng)臺(tái)板22，使拋光介質(zhì)34處于旋轉(zhuǎn)、按軌道或線性運(yùn)動(dòng)中的一種。
晶片托架31移動(dòng)拾取放置在預(yù)定位置的半導(dǎo)體晶片77。開啟真空發(fā)生器為托架組件37提供真空。托架組件37與半導(dǎo)體晶片77對(duì)準(zhǔn)并移動(dòng)，以使托架組件的表面與半導(dǎo)體晶片77未處理側(cè)接觸。托架膜35粘接到托架組件37的表面。真空和托架膜35將半導(dǎo)體晶片77保持在托架組件37的表面。托架環(huán)36將半導(dǎo)體晶片77限制在托架組件37的表面上的中心處。
開啟多輸入閥24向泵25提供漿料。泵25將漿料提供到分配桿集流管26。漿料通過分配桿集流管26流到分配桿27，在該處輸送到拋光介質(zhì)34的表面。周期地，開啟去離子水閥23通過分配桿27提供水代替漿料，以防止它在分配桿27內(nèi)硬化。臺(tái)板22的運(yùn)動(dòng)有助于在整個(gè)拋光介質(zhì)34的表面上分配拋光劑。一般來(lái)說(shuō)，在整個(gè)拋光工藝期間以恒定的速率輸送漿料。
然后，晶片托架31返回到拋光介質(zhì)34的位置。晶片托架31將半導(dǎo)體晶片77與拋光介質(zhì)34接觸。拋光劑覆蓋拋光介質(zhì)34。晶片托架31對(duì)半導(dǎo)體晶片77施加向下的力以促進(jìn)漿料和半導(dǎo)體晶片77之間的摩擦。設(shè)計(jì)拋光介質(zhì)34進(jìn)行化學(xué)物質(zhì)傳輸，即使它被壓向拋光介質(zhì)也允許漿料的化學(xué)物質(zhì)在半導(dǎo)體晶片77下流動(dòng)。隨著熱量在系統(tǒng)內(nèi)增加，熱交換器39從加熱臺(tái)板22變?yōu)槔鋮s臺(tái)板22以控制化學(xué)反應(yīng)的速率。
應(yīng)該指出以前說(shuō)明過臺(tái)板22可以對(duì)于相對(duì)于半導(dǎo)體晶片77運(yùn)動(dòng)放置進(jìn)行機(jī)械拋光。相反，臺(tái)板22可以固定位置，托架組件37可以在旋轉(zhuǎn)、按軌道或平移運(yùn)動(dòng)放置。一般來(lái)說(shuō)，臺(tái)板22和托架組件37都可以運(yùn)動(dòng)以有助于機(jī)械拋光。
化學(xué)機(jī)械平面化工藝完成后，晶片托架31將托架組件37從拋光介質(zhì)34提起。晶片托架31將半導(dǎo)體晶片77移動(dòng)到預(yù)定區(qū)域進(jìn)行清潔。然后晶片托架31將半導(dǎo)體晶片77移動(dòng)到卸載晶片的位置。之后真空發(fā)生器30關(guān)閉，從動(dòng)閥29開啟向托架組件37提供氣體彈出半導(dǎo)體晶片77。
通過周期性調(diào)節(jié)拋光介質(zhì)34保持化學(xué)機(jī)械平面化工藝的一致性，通常稱做墊調(diào)節(jié)。墊調(diào)節(jié)促進(jìn)了已增多并嵌入到拋光介質(zhì)34內(nèi)的漿料和顆粒的去除。墊調(diào)節(jié)也平面化表面，并使拋光介質(zhì)34的突起粗糙以促進(jìn)化學(xué)物質(zhì)的傳輸。通過調(diào)節(jié)臂28可以得到墊調(diào)節(jié)。移動(dòng)調(diào)節(jié)臂28使端操縱裝置33接觸拋光介質(zhì)34。端操縱裝置33的表面覆有工業(yè)金剛石或其他能調(diào)節(jié)拋光介質(zhì)34的磨料表面。墊調(diào)節(jié)器連接件32在調(diào)節(jié)臂28和端操縱裝置33之間以允許臺(tái)板22和端操縱裝置33之間的角柔量。調(diào)節(jié)臂28能夠旋轉(zhuǎn)和水平移動(dòng)，以幫助墊調(diào)節(jié)。在平面化工藝期間、在晶片開始之間和在晶片處理之前調(diào)整新墊來(lái)完成墊調(diào)節(jié)。
如前所述，在化學(xué)機(jī)械平面化裝置內(nèi)輸送拋光劑(漿料)的工藝中使用的蠕動(dòng)泵不以恒定的速率提供拋光劑。輸送速率隨時(shí)間降低。將蠕動(dòng)泵設(shè)置到高輸送速率以補(bǔ)償隨時(shí)間速率的下降，以確保足夠量的拋光劑提供到拋光介質(zhì)以平面化半導(dǎo)體晶片且沒有損傷。輸送的高速率提供的拋光劑多于需要的，一般大于輸送的拋光劑的25％是不需要的，在平面化工藝中浪費(fèi)了。
試驗(yàn)研究顯示可以限定對(duì)于每種類型的平面化工藝拋光劑的最小輸送速率。假設(shè)小于拋光劑的最小輸送速率，將導(dǎo)致晶片平面化的不均勻，拋光速率降低或甚至晶片損壞。假設(shè)大于拋光劑的最小需要量，將浪費(fèi)漿料，由此增加了制造成本。由此需要時(shí)間上提供精確恒定的輸送速率的泵。一個(gè)這種泵是正排量泵。正排量泵在每個(gè)抽空周期內(nèi)排出或抽運(yùn)固定體積的材料。例如，蠕動(dòng)泵不是正排量泵是由于輸送的材料的體積直接隨輸入壓力變化，與時(shí)間成反向變化。正排量泵的一個(gè)例子是隔膜泵。隔膜泵輸送固定體積的材料，與輸入壓力變化無(wú)關(guān)。
圖4為根據(jù)本發(fā)明化學(xué)機(jī)械平面化裝置中使用的隔膜泵41的剖面圖。隔膜泵41將移動(dòng)部件與漿料的腐蝕性化學(xué)物質(zhì)隔離開。一般來(lái)說(shuō)，隔膜泵41的所有濕表面為對(duì)拋光劑惰性的聚合物成分。隔膜泵包括輸入、輸出、活塞42、旋轉(zhuǎn)件43、隔膜44、檢查閥45、檢查閥46和室47。
顯示的隔膜44固定到活塞42的表面。隔膜44將隔膜泵41的移動(dòng)部件與漿料的腐蝕性化學(xué)物質(zhì)隔離開。另一措施是活塞壓縮少量的液壓液來(lái)代替隔膜。使用加壓液體的優(yōu)點(diǎn)是在隔膜上壓力均等。電機(jī)(未顯示)旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)件43。旋轉(zhuǎn)件43連接到活塞42，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)運(yùn)動(dòng)移動(dòng)活塞42。
檢查閥45允許拋光劑進(jìn)入到隔膜泵41內(nèi)。室47根據(jù)活塞的位置體積改變。室47在活塞42的沖程底部體積最大。在壓力下隔膜泵41的輸入提供拋光劑。壓力打開檢查閥45使拋光劑進(jìn)入并填充室47?；钊?2的向上運(yùn)動(dòng)克服了拋光劑的輸入壓力關(guān)閉了檢查閥45。當(dāng)活塞42在沖程頂部時(shí)，室47具有最小體積。活塞42將檢查閥46推開并輸送等于最大和最小室47體積之間差異的拋光劑體積量。檢查閥45和檢查閥46防止通過隔膜泵41的回流。換句話說(shuō)，拋光劑不會(huì)通過隔膜泵41在相對(duì)或相反的方向(輸出到輸入)內(nèi)流動(dòng)。
隔膜44在發(fā)生塑料變形的情況下，在一定程度上沒有變形?；钊?2的移動(dòng)范圍是每個(gè)抽運(yùn)周期后，使隔膜44回到它的原始形狀。對(duì)隔膜泵41幾乎沒有維護(hù)要求，由此基本上減少了化學(xué)機(jī)械平面化裝置的停產(chǎn)時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，隔膜泵41的維護(hù)周期是兩年更換隔膜，五年更換電機(jī)驅(qū)動(dòng)組件。隔膜泵41具有從輸入到輸出的通路，與活塞42的位置無(wú)關(guān)。拋光劑的輸入壓力將拋光劑輸送到室47內(nèi)，而且也打開了檢查閥46。一旦室47填滿，拋光劑將流出隔膜泵41，浪費(fèi)了拋光劑。該問題可以通過室47填滿活塞42的回程期間保持檢查閥46關(guān)閉來(lái)解決。
圖5為用于根據(jù)本發(fā)明化學(xué)機(jī)械平面化裝置的漿料輸送系統(tǒng)51的示圖。漿料輸送系統(tǒng)51包括檢查閥52、隔膜泵53、檢查閥54、背壓閥55、分配桿集流管57、分配桿58和臺(tái)板59。
檢查閥52包括接收拋光劑的輸入和輸出。拋光劑在箭頭顯示的方向內(nèi)流動(dòng)。檢查閥52具有可以阻斷以終止拋光劑流動(dòng)的通路。通路被阻斷，拋光劑嘗試在箭頭指示的相反方向(回流)內(nèi)流動(dòng)。換句話說(shuō)，檢查閥52允許拋光劑僅在一個(gè)方向內(nèi)(進(jìn)入泵)流動(dòng)。
隔膜泵53具有連接到檢查閥52的輸入和提供拋光劑的輸出。拋光劑的輸入壓力顯著改變。隔膜泵53為正排量泵，由此在每個(gè)泵周期在輸出提供固定體積的拋光劑。隔膜泵53能夠產(chǎn)生很高的輸出壓力驅(qū)動(dòng)拋光劑向下運(yùn)動(dòng)。
檢查閥54包括連接到隔膜泵53的輸入和輸出。拋光劑在箭頭所示的方向內(nèi)流動(dòng)。檢查閥54的工作類似于檢查閥52，包括可以阻斷以終止拋光劑流動(dòng)的通路。通過隔膜泵53的通路被檢查閥52和54阻斷，拋光劑嘗試在箭頭指示的相反方向內(nèi)流動(dòng)。
在漿料輸送系統(tǒng)51中使用背壓閥55來(lái)消除由流過隔膜泵53的拋光劑由于在檢查閥52的輸入處拋光劑的壓力造成的浪費(fèi)問題。拋光劑的輸入壓力開啟了檢查閥52，填充了隔膜泵53的室，和開啟檢查閥54，使拋光劑流出泵。背壓閥55在檢查閥54上產(chǎn)生壓力差，以使壓力差使檢查閥54關(guān)閉以防止拋光劑不希望的回流。
背壓閥55包括輸入、輸出、通路61、閥63和反饋控制64(可選)。背壓閥55的輸入連接到檢查閥54的輸出和通路61。通路61由閥63阻斷。當(dāng)閥63打開時(shí)，通路61形成從背壓閥55的輸入到輸出的鄰接通道。通過壓力控制56預(yù)定的壓力施加到閥63，密封或阻斷通路61。通過將拋光劑提供到壓力超過預(yù)定壓力的背壓閥55的輸入開啟閥63。反饋64允許調(diào)節(jié)到預(yù)定壓力。
通過將壓力控制56的預(yù)定壓力設(shè)置為大于檢查閥52輸入處拋光劑的最大輸入壓力的壓力產(chǎn)生檢查閥54上的壓力差。例如，假設(shè)檢查閥52輸入處拋光劑的輸入壓力在每平方米1406.2到7031.0千克的范圍內(nèi)(每平方英寸2到10磅)改變。最大輸入壓力為每平方米7031.0千克。設(shè)置壓力控制56在閥63上提供每平方米的壓力以確保每平方米10546.5千克(每平方英寸15磅)檢查閥54關(guān)閉，直到隔膜泵53已準(zhǔn)備好輸送精確體積的拋光劑。在隔膜泵53的回程期間，每平方米3515.5千克(每平方英寸5磅)的最小壓力差保持檢查閥54關(guān)閉。當(dāng)在檢查閥52的輸入處拋光劑壓力為每平方米1406.2千克(每平方英寸2磅)時(shí)，發(fā)生每平方米9140.3千克(每平方英寸13磅)的最大壓力差。隔膜泵53能夠在超過每平方米10546.5千克(每平方英寸15磅)的壓力下抽運(yùn)拋光劑。
抽運(yùn)周期示出在漿料輸送系統(tǒng)51中浪費(fèi)如何減到最小。一開始，假設(shè)隔膜泵53處于輸了計(jì)量量的拋光劑的沖程的最上部分?；钊诨爻涕_始疏通隔膜泵53的室。在檢查閥54輸出處的壓力大于保持閥關(guān)閉的檢查閥54輸入處的壓力。在檢查閥52的輸出處拋光劑的輸入壓力開啟檢查閥52填充隔膜泵53的室，直到活塞到達(dá)回程的底部(室填充到最大體積)?；钊纳铣淘跈z查閥54輸入處產(chǎn)生壓力。拋光劑由液體和固體材料組成，因此不能壓縮。由隔膜泵53產(chǎn)生的壓力超過由開啟檢查閥54和閥63的壓力控制56施加到閥63上的預(yù)定壓力。隔膜泵53的活塞排出室內(nèi)的體積在背壓閥55的輸出處輸送拋光劑。注意在每個(gè)抽運(yùn)周期，活塞排出室內(nèi)精確的體積，與檢查閥52的輸入處壓力無(wú)關(guān)。
在背壓閥55的實(shí)施例中，機(jī)械地產(chǎn)生預(yù)定壓力以保持閥63關(guān)閉。一般來(lái)說(shuō)，彈簧提供保持閥63關(guān)閉的壓力。由螺釘結(jié)構(gòu)控制壓力的數(shù)量級(jí)，螺釘結(jié)構(gòu)可以壓縮或減壓彈簧分別地增加和減少預(yù)定的壓力。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)械地調(diào)節(jié)背壓閥能單獨(dú)地設(shè)置對(duì)大多數(shù)應(yīng)用已足夠的預(yù)定壓力。
反饋64能調(diào)節(jié)到保持閥63關(guān)閉的壓力控制56提供的預(yù)定壓力。在檢查閥52的輸入處拋光劑壓力的變化可以檢測(cè)出并增加或減少到保持閥63關(guān)閉的預(yù)定壓力，由此在背壓閥55的輸出處提供不變的拋光劑壓力。對(duì)預(yù)定壓力的調(diào)節(jié)可使檢查閥54上的壓力差不變或可調(diào)。可以使用氣動(dòng)或電反饋以補(bǔ)償在檢查閥52的輸入處拋光劑壓力的變化。使用控制的壓縮氣體改變保持閥63關(guān)閉的壓力。電產(chǎn)生的壓力變化可由電機(jī)或螺線管完成。
大多數(shù)市場(chǎng)上提供的的背壓閥具有平坦表面的閥，在器件的通路內(nèi)頂著另一個(gè)平坦表面而密封閥。使用這種常見類型的背壓閥在系統(tǒng)中產(chǎn)生壓力波，能夠毀壞隔膜泵。例如，當(dāng)輸送一定體積的拋光劑后，背壓閥關(guān)閉時(shí)，壓力波朝隔膜泵傳送。由于隨著閥在泵沖程期間間歇地允許漿料流動(dòng)閥“茶水壺”或震顫，壓力波也從隔膜反射回來(lái)。最差的情況是壓力波擊中隔膜泵的隔膜，力量使隔膜破裂，毀壞了泵。
使用具有錐形表面阻斷背壓閥內(nèi)通路的閥的背壓閥，壓力波的數(shù)量級(jí)和頻率顯著降低或減少。通路內(nèi)的密封表面可以具有或不具有對(duì)應(yīng)于閥的錐形表面的錐形。例如，閥63顯示為弧形表面。Ryan Herco Company將背壓閥命名為PLAST-O-MATIC，一些閥具有弧形表面。
分配桿集流管57具有連接到背壓閥55的輸入和輸出。分配桿58具有連接到分配桿集流管57的輸出和提供拋光劑的輸出。分配桿58懸在臺(tái)板59的上面。等于隔膜泵53的活塞排出的量的拋光劑量流過分配桿集流管57和分配桿58，并分配到臺(tái)板59上的拋光介質(zhì)的表面上。臺(tái)板59的運(yùn)動(dòng)歸功于表面上的拋光劑。半導(dǎo)體晶片與拋光劑和拋光介質(zhì)接觸地放置。應(yīng)該注意化學(xué)機(jī)械平面化裝置利用了幾種類型的運(yùn)動(dòng)機(jī)械地拋光半導(dǎo)體晶片。例如，在臺(tái)板或晶片托架上使用旋轉(zhuǎn)、按軌道和水平運(yùn)動(dòng)在半導(dǎo)體晶片和拋光介質(zhì)之間產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。
到現(xiàn)在為止，應(yīng)該理解現(xiàn)已提供了平面化半導(dǎo)體晶片的裝置和方法。CMP裝置包括在平面化工藝期間支撐半導(dǎo)體晶片的臺(tái)板。臺(tái)板上的拋光介質(zhì)提供適合拋光劑的表面。隔膜泵將拋光劑抽運(yùn)到分配條。隔膜泵為在每個(gè)抽運(yùn)周期內(nèi)提供固定拋光劑體積的正排量泵。隔膜泵的準(zhǔn)確度和可靠性使流速設(shè)置在最小需要量附近以減少拋光劑的浪費(fèi)。泵的可靠性顯著地延長(zhǎng)了維護(hù)時(shí)間。分配桿懸在臺(tái)板上，并將拋光劑分配到拋光介質(zhì)。半導(dǎo)體晶片的處理側(cè)與拋光介質(zhì)接觸地放置以有助于平面化。臺(tái)板、半導(dǎo)體晶片或這兩者都進(jìn)行運(yùn)動(dòng)以平面化半導(dǎo)體晶片。
檢查閥放置在隔膜泵之前或之后。檢查閥可以防止拋光劑在與抽運(yùn)方向的相反方向內(nèi)流動(dòng)。背壓閥放置在隔膜泵輸出的下游，在隔膜泵的輸出處在檢查閥上產(chǎn)生壓力差。將背壓閥(流過拋光劑)設(shè)置到大于隔膜泵輸入處(或連接到隔膜泵輸入的檢查閥的輸入)的拋光劑的最大壓力。背壓閥可以防止由于泵輸入處拋光劑的壓力使拋光劑流過隔膜泵。
背壓閥包括流過拋光劑的通路。背壓閥具有錐形表面的閥，以防止當(dāng)閥關(guān)閉時(shí)在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生有害的壓力波。閥由壓力控制提供的壓力保持關(guān)閉。
下游壓力的進(jìn)一步控制通過控制壓力開啟背壓閥獲得。如果隔膜泵的輸入處壓力增加/降低，那么開啟背壓閥的壓力也增加/降低。一般來(lái)說(shuō)，壓力補(bǔ)償在隔膜泵的輸出的檢查閥上產(chǎn)生壓力差。
使用隔膜泵、檢查閥和背壓閥可以輸送固定和精確體積的拋光劑。輸送速率設(shè)置在要求的最小流速處或附近，以確保晶片平面化不變。由于使用了最小需要量節(jié)約了大量的成本，所以沒有浪費(fèi)拋光劑。漿料的輸送系統(tǒng)的維護(hù)和可靠性也提高了，延長(zhǎng)了維護(hù)的時(shí)間周期并增加了晶片生產(chǎn)率。
權(quán)利要求
1．一種化學(xué)機(jī)械平面化裝置，特征在于臺(tái)板(22)，用于支撐半導(dǎo)體晶片(77)；隔膜泵(12)，具有輸出和接收拋光劑的輸入；以及分配桿(27)，具有連接到所述隔膜泵(12)的所述輸出的輸入和提供所述拋光劑平面化所述半導(dǎo)體晶片(77)的輸出。
2．一種用于半導(dǎo)體晶片的化學(xué)機(jī)械平面化工藝，特征在于包括步驟用正排量泵(12)將拋光劑抽運(yùn)到拋光介質(zhì)(22,34)的表面上；分布所述拋光介質(zhì)(22,34)的所述表面上的所述拋光劑；放置半導(dǎo)體晶片(77)的處理側(cè)與所述拋光介質(zhì)(22,34)的所述表面接觸；移動(dòng)至少一個(gè)所述拋光介質(zhì)(22,34)或半導(dǎo)體晶片(77)，以從半導(dǎo)體晶片(77)去除材料。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，還包括步驟將所述拋光劑提供到所述正排量泵(12)；以及防止所述拋光劑反向流過所述正排量泵(12)。
4．一種化學(xué)機(jī)械平面化的方法，特征在于包括步驟提供拋光介質(zhì)(22,34)；提供拋光劑；用隔膜泵(12)將所述拋光劑抽運(yùn)到所述拋光介質(zhì)；當(dāng)所述隔膜泵(12)的輸出處所述拋光劑的壓力超過預(yù)定壓力時(shí)，將所述拋光劑分配到所述拋光介質(zhì)，所述預(yù)定壓力超過所述隔膜泵(12)的輸入處所述拋光劑的最大壓力；將所述拋光劑分布到所述拋光介質(zhì)(22,34)的表面；放置半導(dǎo)體晶片(77)與所述拋光介質(zhì)(22,34)接觸；以及移動(dòng)至少一個(gè)所述拋光介質(zhì)(22,34)或半導(dǎo)體晶片(77)。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的方法，還包括防止所述拋光劑反向流過所述隔膜泵(12)的步驟。
全文摘要
化學(xué)機(jī)械平面化裝置包括臺(tái)板、晶片托臂、托架組件、調(diào)節(jié)臂、和端操縱裝置。通過以最小需要的輸送速率提供拋光劑確保了不變的晶片平面化,使?jié){料輸送系統(tǒng)降低了浪費(fèi)。漿料輸送系統(tǒng)包括檢查閥、隔膜泵、檢查閥、背壓閥和分配桿。隔膜泵在每個(gè)抽運(yùn)周期提供精確的拋光劑體積,與輸入壓力無(wú)關(guān)。檢查閥防止拋光劑反向流過隔膜泵。背壓閥在檢查閥上產(chǎn)生壓力差,以防止在隔膜泵的回程期間拋光劑的流動(dòng)。拋光劑從分配桿分配到拋光介質(zhì)。
文檔編號(hào)B24B37/04GK1216266SQ9812145
公開日1999年5月12日 申請(qǐng)日期1998年11月2日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月3日
發(fā)明者詹姆斯·F·瓦尼爾 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司