专利名称：化学机械研磨装置及化学机械研磨方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种化学机械研磨装置及化学机械研磨方法。
背景技术：
随着超大规模集成电路ULSI (Ultra Large Scale Integration)的飞速发展,集成电路工艺制作工艺变得越来越复杂和精细。为了提高集成度，降低制造成本，芯片单位面积内的元件数量不断增加，平面布线已难以满足元件高密度分布的要求，只能采用采用多 层布线技术利用芯片的垂直空间，进一步提高器件的集成度。但是多层布线技术的应用会造成硅片表面的起伏不平，对图形制作极其不利。为此，要在大直径硅片上实现多层布线结构，首先就要实现每一层都具有很高的全局平整度，即要求对多层布线互连结构中的导体、 层间介质层、金属、娃氧化物、氮化物等进行平坦化(Planarization)处理。目前，化学机械研磨(CMP, Chemical Mechanical Polishing)是达成全局平坦化的最佳方法，尤其在半导体工艺进入亚微米领域后，化学机械研磨已成为一种不可或缺的制作工艺技术。化学机械研磨(CMP)是通过晶片与研磨头之间的相对运动来平坦化晶片待研磨表面的。例如公开号为“US2006003671A1”美国专利中公开了一种化学机械研磨装置及方法。图I为现有技术化学机械研磨装置结构示意图。如图I所示的化学机械研磨装置，包括研磨盘(Platen) 100，铺垫在所述研磨盘100上的研磨垫(Polish Pad) 102 ;用于夹持待研磨晶圆的研磨头104 ;用于带动所述研磨头转动的卡盘105 ;用于供应研磨液(Slurry)的研磨液供应管106。研磨时，将待研磨的晶圆103附着在所述研磨头104上，所述待研磨的晶圆103的待研磨面朝下，并在所述研磨头104提供的下压力下紧贴在所述研磨垫102上，当所述研磨盘100在电机带动下旋转时，所述研磨头104也在所述卡盘105的带动下同向转动，同时研磨液107通过所述研磨液供应管106输送到所述研磨垫102上，在所述研磨头104、研磨垫102、研磨盘100共同作用下，研磨液均匀的分布到所述研磨垫102上，在研磨过程中，研磨液在离心力的作用下，直接从所述研磨垫102边缘流出，然后通过废液管道排出，不能再被使用，这样就造成研磨液的极大的浪费，研磨液利用率低，增加了工艺成本。
发明内容
本发明解决的问题是提供了一种化学机械研磨装置及其研磨方法，提高化学机械研磨研磨液利用率，降低工艺成本。为解决上述问题，本发明提供了一种化学机械研磨装置，包括研磨盘；位于所述研磨盘上用于对晶圆待研磨表面进行研磨的研磨垫以及在研磨时用于夹持所述晶圆的研磨头；还包括位于所述研磨盘外侧并环绕所述研磨盘的高度可调的控制圈，所述控制圈用于在研磨时，在所述研磨垫之上和控制圈内保留一定量的研磨液。可选的，所述控制圈的高度调节范围为O 15毫米。可选的，所述控制圈材料为聚四氟乙烯(PFA)。可选的，所述控制圈的厚度为I 10毫米。可选的，所述控制圈和研磨盘之间具有密封装置。可选的，该化学机械研磨装置还包括传动单元和控制单元，其中，所述传动单元用于在动力源的作用下调节所述控制圈的高度，包括与所述控制圈相连的第一连接结构、与所述第一连接结构相连的第二连接结构、与所述第二连接结构相连的动力源；
所述控制单元用于接收机台信号并给所述动力源提供控制信号。可选的，所述第一连接结构数量大于或等于I个。可选的，所述第一连接结构以所述第二连接结构为圆心在同一平面上呈等夹角分布。可选的，所述动力源数量大于或等于I个。可选的，所述动力源为步进电机。可选的，所述第二连接结构与所述动力源的连接方式是齿轮连接或是丝杆连接。本发明还提出了一种化学机械研磨方法，其特征在于，包括步骤提供待研磨晶圆；用研磨头夹持待研磨晶圆；控制圈升至一定的高度；供应研磨液，研磨盘和所述研磨头做同向运动，研磨所述待研磨晶圆待研磨表面。可选的，所述控制圈高度范围为O 15毫米。可选的，所述控制圈升至一定高度这一步骤在用研磨头夹持待研磨晶圆步骤之前或在用研磨头夹持待研磨晶圆步骤之后。与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点在进行化学机械研磨时，控制圈升至一定高度，在所述研磨垫之上和控制圈内保留一定量的研磨液，因此研磨液的供应速率可以相应的降低，研磨液的消耗量减少，极大的提高了研磨液的利用率，降低工艺成本。所述控制圈的高度是可调的，可以满足不同的产品和工艺要求，研磨时，在所述研磨垫之上保留不同量的研磨液。
图I是现有技术化学机械研磨装置结构示意图；图2是本发明化学机械研磨装置的结构示意图；图3 图6为图2所示化学机械研磨装置的传动单元第一种实施例的结构示意图；图7为图2所示化学机械研磨装置的传动单元第二种实施例的结构示意图；图8为对应本发明化学机械研磨方法的结构示意图。
具体实施例方式发明人在使用现有化学机械研磨装置进行研磨时发现，从研磨垫边缘流出的研磨液中还含有大量的未使用的研磨液原液，所述研磨液若直接从废液管道排出，这样会造成研磨液的极大的浪费，研磨液利用率低，增加了工艺成本。
为解决上述问题，发明人提出一种化学机械研磨装置。请参考图2，为本发明化学机械研磨装置的结构示意图。所述化学机械研磨装置包括研磨盘200，所述研磨盘200是用于放置研磨垫；研磨垫(Polish Pad) 202，所述研磨垫铺垫在所述研磨盘200上，用于研磨待研磨晶圆的待研磨表面； 研磨头203，所述研磨头203是用于夹持待研磨晶圆，在研磨时，所述研磨头203提供下压力，使所述待研磨晶圆的待研磨表面紧贴所述研磨垫202 ；卡盘204，所述卡盘204的作用是带动所述研磨头203旋转；研磨液供应管205，用于供应研磨液；控制圈206，所述控制圈206位于所述研磨盘200的外侧且环绕其一圈，所述控制圈206的作用是在研磨时在研磨垫表面保留一定量的研磨液；传动单元(在图中未标示)，所述传动单作用是在动力源的作用下调节所述控制圈206的高度；控制单元(在图中未标示)，所述控制单元用于接收机台信号并给所述动力源提供控制信号。所述控制圈206的材料可以为PFA (聚四氟乙烯)或是其他抗酸碱腐蚀的材料。所述控制圈206厚度为I 10毫米,所述厚度为所述控制圈206沿坐标轴x方向的宽度。在未进行研磨时所述控制圈206的上端206a与所述研磨盘200上表面平齐,此时的位置定义为所述控制圈206的初始位置；当进行研磨时，所述控制圈206在所述传动单元的作用下从所述初始位置上升至一定高度，使所述控制圈206之内研磨盘200上保留一定量的研磨液，所述高度为所述控制圈206上端与所述初始位置的沿坐标轴y方向上的垂直距离，所述高度范围为O 15毫米。本实施例中，所述上端、上表面为沿坐标轴y方向数值增加的方向，相应的，下端、下表面为沿坐标轴y方向数值减小的方向。所述研磨盘200上研磨液的保留量与所述控制圈206的高度有关，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时，所述控制圈206的下端206b位置可以在所述研磨盘200下表面的上方也可以在所述研磨盘200下表面的下方。当所述控制圈206的下端206b位置在所述研磨盘200下表面的上方时，所述控制圈206可以通过至少两个或两个以上的立柱(图中为标示)与所述传动单元相连。本实施例中所述控制圈206的下端206b的位置位于所述研磨盘200下表面的下方，且所述控制圈206的下端206b与所述研磨盘200下表面的垂直距离至少大于15毫米。在图2中，在所述研磨盘200和所述控制圈206之间还有密封装置207，所述密封装置207的作用是在研磨时防止研磨液从所述研磨盘200和所述控制圈206之间渗漏。所述密封装置207为防腐蚀材料制成的橡胶圈或是环形的橡胶垫或是任意可以防止研磨液从所述研磨盘200和所述控制圈206之间渗漏的装置。此外，图2所示的密封装置207仅为举例，并非进行限定，例如所述橡胶圈的个数可以为多个，所述橡胶圈的位置可以变化，所述橡胶圈截面的形状也可以是方形。参考图3，为所述传动单元第一种实施例结构示意图，包括控制圈206 ;与所述控制圈206下端相连的第一连接结构208 ;与所述第一连接结构208相连的带有锯齿的第二连接结构209，所述第二连接结构209在所述第一连接结构208上方；带有锯齿的联轴器211 ;固定有所述联轴器211的动力源(图中未示出)。所述第二连接结构209位于所述第一连接结构208上方时，当所述控制圈206向上运动时，所述第二连接结构209对所述第一连接结构208作用力为拉力；参考图4，所述第二连接结构209也可位于所述第一连接结构208下方，当所述控制圈206向上运动时，所述第二连接结构209对所述第一连接结构208作用力为推力。所述第一连接结构208为具有防腐蚀材料层的钢杆或者防腐蚀材料制成的刚性杆件。·
所述联轴器211的锯齿与所述第二连接结构209的锯齿相互咬合(图中未示出)，通过控制锯齿的数量和间距，可以实现不同精度的高度调节。所述动力源为步进电机。所述控制圈206的高度调节过程为所述动力源动作(顺时针或逆时针旋转)，带动所述联轴器211旋转，所述联轴器211通过齿轮带动所述第二连接结构209上下运动，所述第一连接结构208随着所述第二连接结构209上下运动，使得与所述第一连接结构208相连所述控制圈206上下运动，从而实现所述控制圈206的高度调节。所述第一连接结构208数量为I个或I个以上，当所述第一连接结构208大于或等于2个时，所述第一连接结构208以第二连接结构209为圆心在同一平面上呈等夹角分布。例如，参考图5所示为有3个第一连接结构208，所述3个第一连接结构208均与第二连接结构209相连，并在一个平面上以第二连接结构209为圆心成120度夹角分布与所述控制圈206下端相连，采用这种方式连接，使所述控制圈206受力更均匀，运动更顺畅。所述动力源数量为I个或I个以上,例如参考图6为有2个动力源,2个动力源呈对称分布，相应的所述第二连接结构209和所述联轴器211也为2个，此种情况下所述第二连接结构208可以为2个或2个以上。采用多个动力源可以提高所述动力单元对所述控制圈206驱动力，但相应带来材料的浪费，成本的上升。参考图7，为所述传动单元第二种实施例的结构示意图，包括控制圈206 ;与所述控制圈206下端相连的第一连接结构208 ;与所述第一连接结构208相连第二连接结构209 ;通过皮带215与第二连接结构209相连的动力源210。所述动力源210为步进电机。所述第一连接结构208为具有防腐蚀材料层的钢杆或者防腐蚀材料制成的刚性杆件。所述第二连接结构209为丝杆，所述丝杆通过固定块212固定，使所述丝杆只能在固定块内旋转，所述移动块213套在所述丝杆上，当所述丝杆动作时,所述移动块213沿着所述丝杆上下运动，所述第一连接结构208固定在所述移动块213，所述丝杆209和所述动力源210均固定有联轴器214，所述联轴器214通过皮带215相连。所述控制圈206的高度调节过程为所述动力源210动作(顺时针或逆时针旋转)，通过所述皮带215带动所述丝杆旋转，使得所述丝杆上的移动块213上下运动，同时所述第一连接结构208也随着所述移动块213上下运动，使得与所述第一连接结构208相连的所述控制圈206上下运动，从而实现所述控制圈206的高度调节。采用丝杆作为第二连接结构209，通过选用不同螺距的丝杆，可以实现不同精度的高度调节，并且丝杆不容易变形且易于维护。基于上述化学机械研磨装置的化学机械研磨方法，请参考图8，包括步骤提供待研磨晶圆216 ;将所述待研磨晶圆216传送并吸附在研磨头203上,所述待研磨的晶圆216的待研磨面朝下，并在所述研磨头203提供的下压力下紧贴在研磨垫202上；控制圈206从初始位置上升至设定的高度；研磨盘200在电机带动下旋转，所述研磨头203也在卡盘204的带动下同向转动，同时研磨液供应管205以一定速率将研磨液供应到所述研磨垫202上；所述研磨液在所述研磨头203、研磨垫202、研磨盘200共同作用下，均匀的分布到所述研磨垫202表面；研磨结束时，所述控制圈206降至所述初始位置。
所述控制圈206从初始位置上升至设定的高度这一步骤可以在用研磨头203夹持待研磨晶圆步骤之前也可以用研磨头203夹持待研磨晶圆步骤之后。发明人发现，在使用本发明装置进行化学机械研磨时，应该根据实际产品情况和工艺要求来设定所述控制圈206的高度，例如在对某一固定产品的固定待研磨面在进行研磨时，假设现有化学机械研磨能取得一定的研磨效果。采用本发明装置进行化学机械研磨，由于所述控制圈206在所述研磨垫202表面保留一定量的研磨液，因此可以相应的减小研磨时所述研磨液的供应速率，研磨完成时能达到与现有技术相同的研磨效果，从而提供研磨液的利用率；另一方面，如果研磨液供应速率与现有技术保持不变，由于所述控制圈206的作用，在所述研磨垫202表面保留比现有技术更多量研磨液，研磨完成时能达到与现有技术更好的研磨效果，提高了器件的性能。综上，本发明提供的化学机械研磨装置及其研磨方法，在研磨时控制圈升至设定的高度，在研磨垫表面保留一定量的研磨液，可以相应的减小研磨时所述研磨液供应管研磨液的供应速率，能达到与现有技术同样的研磨效果，从而提供研磨液的利用率，降低工艺成本。本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
权利要求
1.一种化学机械研磨装置，包括研磨盘；位于所述研磨盘上用于对晶圆待研磨表面进行研磨的研磨垫以及在研磨时用于夹持所述晶圆的研磨头；其特征在于，还包括位于所述研磨盘外侧并环绕所述研磨盘的高度可调的控制圈，所述控制圈用于在研磨时，在所述研磨垫之上和控制圈内保留一定量的研磨液。
2.如权利要求I所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述控制圈的高度调节范围为O 15毫米。
3.如权利要求I所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述控制圈材料为聚四氟乙烯。
4.如权利要求I所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述控制圈的厚度为I 10毫米。
5.如权利要求I所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述控制圈和研磨盘之间具有密封装置。
6.如权利要求I所述的化学机械研磨装置，其特征在于，该化学机械研磨装置还包括传动单元和控制单元，其中， 所述传动单元用于在动力源的作用下调节所述控制圈的高度，包括与所述控制圈相连的第一连接结构、与所述第一连接结构相连的第二连接结构、与所述第二连接结构相连的动力源； 所述控制单元用于接收机台信号并给所述动力源提供控制信号。
7.如权利要求6所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述第一连接结构数量大于或等于I个。
8.如权利要求6或7所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述第一连接结构以所述第二连接结构为圆心在同一平面上呈等夹角分布。
9.如权利要求6所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述动力源数量大于或等于I个。
10.如权利要求6所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述动力源为步进电机。
11.如权利要求6所述的化学机械研磨装置，其特征在于，所述第二连接结构与所述动力源的连接方式是齿轮连接或是丝杆连接。
12.一种化学机械研磨方法，其特征在于，包括步骤提供待研磨晶圆；用研磨头夹持待研磨晶圆；控制圈升至一定的高度；供应研磨液，研磨盘和所述研磨头做同向运动，研磨所述待研磨晶圆待研磨表面。
13.如权利要求12所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述控制圈高度范围为O 15毫米。
14.如权利要求12所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述控制圈升至一定高度这一步骤在用研磨头夹持待研磨晶圆步骤之前或在用研磨头夹持待研磨晶圆步骤之后。
全文摘要
一种化学机械研磨装置，包括研磨盘；位于所述研磨盘上用于对晶圆待研磨表面进行研磨的研磨垫以及在研磨时用于夹持所述晶圆的研磨头；还包括位于所述研磨盘外侧并环绕所述研磨盘的高度可调的控制圈，所述控制圈用于在研磨时，在所述研磨垫之上和控制圈内保留一定量的研磨液。使用这种化学机械研磨装置进行研磨，提高化学机械研磨研磨液利用率，降低工艺成本。
文档编号B24B37/02GK102950536SQ20111025269
公开日2013年3月6日 申请日期2011年8月30日 优先权日2011年8月30日
发明者陈枫 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司