化學機械拋光設備及其操作方法
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圖1
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圖2A
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圖2B
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圖3
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圖4
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圖5A
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圖5B
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圖6
圖1是繪示根據一些實施例的CMP設備的示意圖。
圖2A是根據一些實施例的圖1中的CMP設備的墊調節(jié)器的示意仰視圖。
圖2B是根據一些實施例的圖1中的CMP設備的墊調節(jié)器的示意橫截面圖。
圖3是繪示根據一些實施例的CMP設備的示意圖。
圖4是繪示根據一些實施例的CMP設備的示意圖。
圖5A及5B是根據一些實施例的圖4中的CMP設備的墊調節(jié)器的示意仰視圖。
圖6是繪示根據一些實施例的操作CMP設備的方法的示意流程圖。
圖1是繪示根據一些實施例的CMP設備100的示意圖。如圖1中所展示，CMP設備100
包含壓板102、晶片載體104及墊調節(jié)器110。拋光墊105安置于壓板102上且包含面向晶片載體104及墊調節(jié)器110的拋光表面105A。在一些實施例中，壓板102可由基座101支撐且可使拋光墊105圍繞第一軸線103旋轉。
晶片載體104包含軸件106及耦合到軸件106的平板107。軸件106經配置以圍繞第
二軸線113旋轉。平板107經配置以固持工件108，例如半導體晶片。在一些實施例中，晶片載體104經配置以向上或向下移動晶片108，使得晶片108可與拋光表面105A接合。在一些實施例中，平板107可通過真空、靜電電荷(ESC)等來固持晶片108。在操作期間，拋光墊105圍繞第一軸線103旋轉且晶片載體104圍繞第二軸線113旋轉。晶片108接觸拋光墊105以借此引起晶片108上的一層或材料的一定量被拋光。壓板102及晶片載體104可沿相同方向旋轉或可沿不同方向旋轉。在一些實施例中，晶片載體104還可圍繞第一軸線103旋轉，但不限于此。在一些實施例中，壓板102可相對于晶片載體104垂直移動，使得晶片載體104可與晶片108接觸以拋光晶片108。
在一些實施例中，晶片108包含半導體襯底(圖中未單獨展示)，例如塊狀半導體襯底。塊狀半導體襯底可包含：元素半導體，例如硅；化合物半導體，例如硅鍺或碳化硅；或其組合。在一些實施例中，晶片108包含各具有形成于晶片108上或晶片108中的若干裝置(例
如電路、晶體管等等)的裸片陣列。在一些實施例中，形成于晶片108上或晶片108中的電路可為適用于一特定應用的任何類型的電路。在一些實施例中，晶片108可包含CMOS襯底。在一些實施例中，晶片108可包含堆疊晶片。在一些實施例中，晶片108中的襯底的背面(其上未形成電路)面向拋光墊105且透過CMP操作變薄或拋光。在一些實施例中，面向拋光墊105的晶片108的層是待薄化的電路的介電或導電層。
墊調節(jié)器110包含臂112、主體114、母盤115、第一盤116及第二盤118。第一盤116及
第二盤118是用于執(zhí)行墊修整或墊調節(jié)的拋光盤。在一些實施例中，第一盤116及第二盤118安置于母盤115的相同側上方。主體114耦合到第一盤116及第二盤118。臂112固持主體114且經配置以在拋光表面105A上方且橫跨拋光表面105A移動墊調節(jié)器110。主體114將臂112與母盤115耦合。在一些實施例中，臂112經配置以透過主體114及母盤115對第一盤116及第二盤118施加向下力。
在操作期間，拋光墊105圍繞第一軸線103旋轉且母盤115圍繞第三軸線123旋轉。
壓板102及母盤115可沿相同方向或不同方向旋轉。在一些實施例中，墊調節(jié)器110的母盤115也可圍繞第一軸線103旋轉，但本揭露不限于此。在一些實施例中，壓板102可相對于墊調節(jié)器110垂直移動，使得拋光墊105可接觸第一盤116或第二盤118以執(zhí)行墊調節(jié)。
在一些實施例中，母盤115、第一盤116及第二盤118具有小于約500rpm的旋轉速
度。墊調節(jié)器110的兩個盤的描繪配置僅供繪示。墊調節(jié)器110的盤數目可為2個以上。在多盤配置中，各種盤可安置于母盤115下方且依一行星運動由母盤115旋轉。在一些實施例中，各種盤可具有其自身旋轉方向及旋轉速度。
第一盤116透過第一軸件126耦合到母盤115。在操作期間，墊調節(jié)器110的母盤115圍繞第三軸線123旋轉，且第一盤116圍繞第一軸件126的第四軸線133旋轉。母盤115及第一盤116可沿相同方向或不同方向旋轉。在一些實施例中，第一盤116還可圍繞第三軸線123旋轉，但本揭露不限于此。
第二盤118透過第二軸件128耦合到母盤115。在操作期間，母盤115圍繞第三軸線
123旋轉，且第二盤118圍繞第五軸線143旋轉。母盤115及第二盤118可沿相同方向或不同方向旋轉。在一些實施例中，第一盤116及第二盤118可沿相同方向或不同方向旋轉。在一些實施例中，第二盤118還可圍繞第三軸線123旋轉，但本揭露不限于此。第一軸件126及第二軸件128經配置以分別固持第一盤116及第二盤118。此外，第一盤116具有第一表面136，其具有面向拋光墊105的拋光表面105A的粗糙結構。在一些實施例中，第一表面136包含一些拋光齒或磨粒。在一些實施例中，第一軸件126可移動或可伸縮以移動第一盤116來使第一表面136與拋光表面105A接合。在一些實施例中，第一軸件126包含用于實現第一軸件126的移動的泵。在一些實施例中，第一軸件126由可類似于臂112的臂結構替換且可經折疊以向上及向下移動第一盤116。
類似地，第二盤118具有第二表面138，其具有面向拋光表面105A的粗糙結構。第二
軸件128可移動或可伸縮以移動第二盤118來使第二表面138與拋光表面105A接合。在一些實施例中，第二軸件128包含用于實現第二軸件128的移動的泵。在一些實施例中，第二軸件128由可類似于臂112的臂結構替換且可經折疊以向上及向下移動第二盤118。在一些實施例中，第二表面138包含若干拋光齒或磨粒。
在一些實施例中，CMP設備100進一步包含耦合到墊調節(jié)器110的控制模塊130?？刂颇K130可經配置以將控制信號傳輸到墊調節(jié)器110以傳送母盤115、第一盤116及第二盤
118的拋光參數，例如工作盤、旋轉速度、旋轉方向等的選擇。在一些實施例中，控制模塊130經配置以傳送第一軸件126及第二軸件128的配置參數(例如延伸及縮回)。在一些實施例中，控制模塊130可使用電子電路來實施且可包含(例如)微控制器、存儲器、FPGA等。
在一些實施例中，第一盤116及第二盤118分別包含第一傳感器206及第二傳感器216。在一些實施例中，第一傳感器206及第二傳感器216面向墊表面105A。在一些實施例中，
第一傳感器206或第二傳感器216分別透過第一表面136或第二表面138暴露。在一些實施例中，第一傳感器206或第二傳感器216可有助于在拋光操作期間檢測壓力值的壓力傳感器。將所檢測的壓力值的測量傳輸到控制模塊130以確定適當壓合壓力。在一些實施例中，第一傳感器206或第二傳感器216是經配置以檢測墊表面105A與第一盤116或第二盤118之間的間隙的近接傳感器或測距傳感器。相應地，可使第一表面136及第二表面138維持相等高度或不同高度?？蓛?yōu)選管理第一盤116及第二盤118的操作因數。
在一些實施例中，CMP設備100進一步包含用于將研漿121施配到拋光墊105的拋光
表面105A的研漿供給器120。研漿121可依液體或水溶液形式經由研漿供給器120的噴嘴提供。典型研漿121是水基溶液且含有用于與拋光墊105一起拋光晶片108的化學物及物理磨粒。在一些實施例中，研漿121中的磨粒可具有不同形狀，例如球體形狀、似球體形狀、橢球體形狀等。在一些實施例中，研漿121中的磨粒由金屬陶瓷復合物制成。在一些實施例中，研漿121中的磨粒由剛玉、碳化鎢、碳化硅(金剛砂)、碳化鈦、硼、氮化硼、二硼化錸、超石英、二硼化鈦、金剛石、黑金剛石等制成。
圖2A是根據一些實施例的圖1中的CMP設備100的墊調節(jié)器110的示意仰視圖。圖2B是沿截面線AA'取得的墊調節(jié)器110的示意橫截面圖。為了清楚及簡化，從圖2A省略墊調節(jié)器110的一些裝置，例如第一軸件126及第二軸件128。第一盤116包含第一基底材料202及固定于第一基底材料202中的多個第一磨粒204。在一些實施例中，第一基底材料202可包含聚合材料、復合材料等。第一基底材料202可經配置為用于固定多個第一磨粒204的模塑層。在一些實施例中，第一磨粒204可由剛玉、碳化鎢、碳化硅(金剛砂)、碳化鈦、硼、氮化硼、二硼化錸、超石英、二硼化鈦、金剛石、黑金剛石等形成。在一些實施例中，第一磨粒204可具有球體形狀、似球體形狀、橢球體形狀等。在一些實施例中，第一磨粒204可具有多面形狀且可包含多刻面錐形形狀、多刻面圓柱形形狀、多刻面球體形狀等。第一磨粒204中的若干個從第一基底材料202的相對光滑表面突出以導致第一表面136的粗糙結構(參閱圖2B)。在一些實施例中，第一磨粒204具有從第一表面136突出的尖端。作為形成第一表面136的示范性方法，可使第一磨粒204依流體形式混合于第一基底材料202中。在固化之后，多個第一磨粒204可含于第一基底材料202內，且第一磨粒204中的若干個從第一基底材料202突出。在一些實施例中，第一基底材料202由金屬形成且多個第一磨粒204安裝于此金屬的表面上。拋光墊表面105A的粗糙度可取決于磨粒204或214的因數，其包含磨粒粒徑、磨粒表面密度及磨粒節(jié)距中的至少一個。在一實施例中，將墊表面105A的粗糙度值Ra計算為從平均線(圖中未單獨展示)的表面輪廓高度偏差的絕對值的算術平均值。簡單來說，粗糙度值Ra是墊表面105A的尖峰及凹谷的一組個別測量的平均值。
在一些實施例，第一磨粒204具有第一配置。例如，第一磨粒204可隨機或均勻分布于第一基底材料202中。在所描繪的實例中，第一磨粒204大體上均勻地分布布置。第一配置
可經確定以將相對較低修整壓力或力施加于墊表面105A上。參考圖2B，在一些實施例中，第一表面136上的第一磨粒204的第一配置具有第一節(jié)距P1。在一些實施例中，第一節(jié)距P1在約100μm到約250μm之間，例如150μm。在一些實施例中，第一配置具有第一磨粒204的第一表面密度D1。在一些實施例中，第一表面密度D1大于約2000格令/cm2。在一些實施例中，第一表面密度D1在約2000格令/cm2到約5000格令/cm2之間，例如4500格令/cm2。返回參考圖2A，在一些實施例中，第一配置具有第一磨粒204的平均粒徑S1。磨粒粒徑可由其幾何形狀(例如其寬度、長度、直徑等)界定。在一些實施例中，第一磨粒204的平均粒徑是指第一磨粒204的算術或幾何平均值。在一些實施例中，第一平均粒徑S1小于約100μm。在一些實施例中，第一平均粒徑S1在約20μm到約100μm之間，例如50μm。
第二盤118包含第二基底材料212及固定于第二基底材料212中的多個第二磨粒214。在一些實施例中，第二基底材料212可包含聚合材料、復合材料等。第二基底材料212可經配置為用于固定多個第二磨粒214的模塑層。在一些實施例中，第二磨粒214可由剛玉、碳
化鎢、碳化硅(金剛砂)、碳化鈦、硼、氮化硼、二硼化錸、超石英、二硼化鈦、金剛石、黑金剛石等形成。在一些實施例中，第二基底材料212及第二磨粒214可擁有分別類似于第一基底材料202及第一磨粒204的材料的材料。第二磨粒214從第二基底材料212的相對光滑表面突出以導致第二表面138的粗糙結構(參閱圖2B)。在一些實施例中，第二磨粒214具有從第二表面138突出的尖端。
在一些實施例中，第二磨粒214可具有第二磨粒配置。例如，第二磨粒214可隨機或均勻分布于第二基底材料212中。在所描繪的實例中，第二磨粒214大體上均勻地分布布置。
第二配置可經確定以將相對較高修整壓力或力施加于墊表面105A上。參考圖2B，在一些實
施例中，第二磨粒214的第二配置具有第二表面138上的第二節(jié)距P2。在一些實施例中，第二節(jié)距P2大于約250μm。在一些實施例中，第二節(jié)距P2在約250μm到約600μm之間，例如500μm。在一些實施例中，第二磨粒214的第二配置具有第二表面密度D2。在一些實施例中，第二表面密度D2小于約1000格令/cm2。在一些實施例中，第二表面密度D2在約100格令/cm2到約1000格令/cm2之間，例如400格令/cm2。返回參考圖2A，在一些實施例中，第二配置具有第二磨粒214的平均粒徑S2。在一些實施例中，第二平均粒徑S2大于約150μm。在一些實施例中，第二平均粒徑S2在約150μm到約400μm之間，例如200μm。
在本實施例中，第一節(jié)距P1小于第二節(jié)距P2。在一些實施例中，第一平均粒徑S1小
于第二平均粒徑S2。在一些實施例中，第一表面密度D1大于第二表面密度D2。在上述一些實施例中，施加到第一磨粒204的向下力或壓力小于施加到第二磨粒214的向下力或壓力。第一磨粒204及第二磨粒214的不同配置可有助于提高墊調節(jié)器110的墊調節(jié)性能。墊調節(jié)性能的因數至少包含切割速率、拋光墊表面均勻性、墊表面缺陷及其它因數。人們已發(fā)現，使用拋光盤及較大修整力(例如，使用較大磨粒粒徑)的墊調節(jié)器提供拋光墊的較高切割速率且從墊表面105A上的溝槽優(yōu)選去除殘屑。然而，此布置會產生更深孔且降低層級均勻性及留下更多表面缺陷，例如墊表面105A上的溝槽上的毛邊結構。此外，使用拋光盤及較小修整力(例如，使用較小磨粒粒徑)的墊調節(jié)器提高層級均勻性且在溝槽上留下較少毛邊，但切割效率降低。鑒于上述情況，所提出的多盤墊調節(jié)器110利用大拋光盤118及小拋光盤116兩者的優(yōu)點來重新粗糙化拋光墊105的墊表面105A?？赏ㄟ^使大拋光盤118及小拋光盤116兩者組合使用來顯著減少單獨采用大拋光盤118或小拋光盤116的缺點。
圖3是繪示根據一些實施例的CMP設備300的示意圖。CMP設備300及圖1中所展示的CMP設備100被視為在不同模式下操作的類似設備。因此，基于圖1及3中所展示的至少不同模式來應用操作與CMP設備100相關聯的CMP設備的方法。第一軸件126及第二軸件128可經伸縮以在拋光墊105上方分別垂直向下及向上移動第一盤116及第二盤118。在圖1中，操作雙盤模式，其中第一軸件126及第二軸件128同時朝向拋光墊105延伸。在圖3中，使用單盤模式，其中第二軸件128從拋光墊105縮回且第一軸件126保持朝向拋光墊105延伸，使得第一盤116及第二盤118安置于不同位準處。第一軸件126可縮回以在雙盤模式期間依類似方式移動第一盤116遠離墊表面105A，使得第一盤116及第二盤118與墊表面105交替接合。透過模式切換，第一盤116及第二盤118可同時或交替修整拋光墊105。在單盤模式的實施例中，可多次重復通過第一盤116及第二盤118的交替墊調節(jié)，直到獲得所要墊表面105A。在一實施例中，確定墊調節(jié)序列，其中具有相對較大平均磨粒粒徑(替代地，較大磨粒節(jié)距或較小磨粒密度)的第二盤118經配置以修整拋光墊105作為墊調節(jié)序列的開始階段。在一實施例中，在墊調節(jié)序列中，具有較小平均磨粒粒徑(替代地，較小磨粒節(jié)距或較高磨粒密度)的第一盤116經配置以修整拋光墊105作為墊調節(jié)序列的結束階段。
圖4是繪示根據一些實施例的CMP設備400的示意圖。CMP設備400包含壓板102及墊
調節(jié)器410。拋光墊105安置于壓板102上且包含面向墊調節(jié)器410的拋光表面105A。CMP設備400可包含晶片載體104，但圖4中未繪示。壓板102經配置以固定拋光墊105且由基座101支撐。墊調節(jié)器410安置于拋光墊105上方。墊調節(jié)器410包含臂112、主體416、修整盤412及振動模塊406。在一些實施例中，母盤可安置于CMP設備400的主體416與修整盤412之間。修整盤412具有構成粗糙表面418的磨粒414。修整盤412的配置及操作方法類似于圖1及3中所繪示的第一盤116或第二盤118的配置及操作方法。
振動模塊406經配置以使修整盤412振動。在一實施例中，振動模塊406安置于修整
盤412上方。在一實施例中，振動模塊406安置于臂112與修整盤412之間。在一實施例中，振動模塊406安置于主體416與修整盤412之間。在一實施例中，振動模塊406與主體416整合。在一實施例中，振動模塊406與修整盤412接觸，例如，振動模塊406安置于修整盤412的上表面上以使修整盤412更有效振動。
在一實施例中，振動模塊406引起修整盤412的磨粒414在墊調節(jié)程序期間振動。在一實施例中，振動模塊406經配置以產生具有高于音波的超聲波頻率的聲波。在一實施例中，振動模塊406可朝向拋光墊105與修整盤412之間的研漿121傳輸能量。在一實施例中，聲波具有高于約20千赫茲的頻率，例如在約20千赫茲到約200千赫茲之間。在一實施例中，振動模塊406經配置以產生具有約0.8兆赫茲到約2兆赫茲的范圍內的超高頻音波頻率的聲波。在一實施例中，振動模塊406可引起流體研漿121內的聲流效應。另外，振動模塊406可產生空穴或氣泡效應以促進從墊表面105A清除殘屑。由空穴效應導致的內爆現象可有助于使研漿121中的粒子及拋光程序中留下的殘屑的聚結物碎成較小塊且使破?；驓埿几鞆谋砻?05A移走。在一些實施例中，聲波引起磨粒414在墊調節(jié)期間沿非單調移動軌跡移動且可在拋光墊105上提供垂直切割力及橫向切割力?？赏瑫r獲得用于修整拋光墊105的減小墊粗糙度及增大去除速率。圖4中所展示的振動模塊406僅供繪示。在一些實施例中，振動模塊406可整合到圖1中所展示的CMP設備100中以與多個拋光盤(例如第一盤116及第二盤118)合作。
可依許多方式實施振動模塊406。在一實施例中，振動模塊406包括聲音傳感器。在
一些實施例中，振動模塊406可由夾于前金屬與后金屬(圖中未單獨展示)之間的壓電材料
組成且產生具有逆壓電效應的聲波。在一些其它實施例中，振動模塊406可由磁體及線圈
(圖中未單獨展示)形成，其中依電磁原理產生聲波。
圖5A是根據一些實施例的圖4中的CMP設備400的墊調節(jié)器410的示意仰視圖。為了簡化及清楚，從圖4省略墊調節(jié)器410的一些裝置，例如臂112及主體416。在一實施例中，振動模塊406經配置以在修整盤412的粗糙表面418周圍產生具有建設性干擾的聲波以放大施加到修整盤412及研漿121上的聲波的振動效應。此建設性或破壞性干擾可確定聲波的最終振動效應及由振動模塊406產生的波強度。在一些實施例中，表面418上由虛線繪示的凈空區(qū)域VA界定于修整盤412的中央區(qū)域中，其中大體上未安置磨粒以促進聲波的建設性干擾。在一些實施例中，磨粒414在區(qū)域VA外具有大于區(qū)域VA內的第二表面密度的第一表面密度。在一實施例中，第二表面密度大體上為零。聲波可促成表面418周圍的區(qū)域VA內的建設性干擾。在一些實施例中，將凈空區(qū)域VA設定為多邊形形狀(例如四邊形形狀或六邊形形狀(如圖5A中所展示))、圓形形狀等。在一些實施例中，振動模塊406在區(qū)域VA內具有突出區(qū)域，使得振動模塊406與磨粒414水平間隔開。在一實施例中，修整盤412的磨粒414可不均勻分布于表面418上。在一實施例中，磨粒414分布于修整盤412的外圍中。在一些實施例中，磨粒414在表面418上分布成環(huán)形形狀。在一些實施例中，磨粒414分布于表面418的拐角處。參考圖5B，磨粒414分布于區(qū)域VA外且在表面418上形成徑向線。圖5A及5B中所展示的磨粒配置可應用于圖1中所展示的墊調節(jié)器110中的多個盤中的每一個。
圖6是繪示根據一些實施例的操作CMP設備的方法600的示意流程圖。方法開始于步驟602。在一些實施例中，墊調節(jié)循環(huán)可包括使用圖1中所繪示的第一盤116的第一墊調節(jié)
及接著使用圖1中所繪示的第二盤118的第二墊調節(jié)。在一些實施例中，墊調節(jié)循環(huán)可包括
使用第二盤118的第一墊調節(jié)及接著使用第一盤116的第二墊調節(jié)。第一墊調節(jié)及第二墊調
節(jié)中的每一個可持續(xù)約30秒到約30分鐘的周期。當開始方法600時，確定將進行多少次墊調節(jié)循環(huán)。在步驟604中，使用墊調節(jié)器的第一盤來對CMP設備的拋光墊執(zhí)行第一墊調節(jié)。第一墊含有具有第一平均粒徑的多個第一磨粒。在步驟606中，使用墊調節(jié)器的第二盤來對拋光墊執(zhí)行第二墊調節(jié)。第二盤含有具有不同于(例如，大于或小于)第一平均粒徑的第二平均粒徑的多個第二磨粒。在一些實施例中，在相同循環(huán)期間同時執(zhí)行第一墊調節(jié)及第二墊調節(jié)。
在步驟610中，在第一墊調節(jié)及第二墊調節(jié)期間將振動力施加到第一盤及第二盤。方法600繼續(xù)步驟608以確定是否達到循環(huán)次數。如果為否定的，那么方法600返回到步驟604以重復另一墊調節(jié)循環(huán)。如果循環(huán)次數已達到預定值，那么結束墊調節(jié)。根據一實施例，一種用于化學機械拋光的設備包含墊調節(jié)器。所述墊調節(jié)器包含具有第一表面的第一盤及具有第二表面的第二盤。所述第一表面含有具有第一平均粒徑的多個第一磨粒且所述第二表面含有具有大于所述第一平均粒徑的第二平均粒徑的多個第二磨粒。
根據一實施例，一種化學機械拋光的設備包含墊調節(jié)器。所述墊調節(jié)器具有面向拋光墊的修整盤及經配置以使所述修整盤振動的振動模塊。
根據一實施例，一種操作化學機械拋光(CMP)設備的方法包含由以下組成的墊調節(jié)序列：提供用于所述CMP設備的拋光墊，所述拋光墊包括位于相同側上的第一盤及第二盤，所述第一盤含有具有第一平均粒徑的多個第一磨粒且所述第二盤含有具有小于所述第一平均粒徑的第二平均粒徑的多個第二磨粒；使用所述墊調節(jié)器的所述第一盤來對所述CMP設備的所述拋光墊執(zhí)行第一墊調節(jié)；及使用所述墊調節(jié)器的所述第二盤來對所述拋光墊執(zhí)行第二墊調節(jié)。
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