具有可移动的浆液分配器的化学机械抛光机及方法

专利名称：具有可移动的浆液分配器的化学机械抛光机及方法
技术领域：
本发明的实施例涉及具有可移动的浆液分配器的化学机械抛光机和相关方法。
背景技术：
在集成电路(IC)和显示器的制造中，为了后续的蚀刻和沉积过程，使用化学机械 抛光(CMP)来使衬底的表面形貌平整。通常的CMP抛光机包括抛光头，所述抛光头振荡并 将衬底压在抛光垫上，同时将磨料颗粒的浆液提供到抛光垫，以抛光衬底。CMP可以用于平 整化电介质层、填充有多晶硅或氧化硅的深沟槽或浅沟槽、和金属膜。可以认为，CMP抛光 是化学和机械作用的结果，例如，化学变化层重复形成于被抛光的材料的表面，然后被抛光 去除。例如，在金属抛光中，在CMP抛光过程中，金属氧化物可以重复的从金属层的表面形 成和被去除。在氧化物抛光中，氧化物层通过抛光浆液同时被化学和物理磨蚀。一种通常的浆液分配器包括固定臂，所述固定臂具有单个浆液分配喷嘴，所述浆 液分配喷嘴从抛光垫上方的固定点释放浆液。由于抛光垫和/或衬底载具的旋转或振荡， 浆液喷洒到整个抛光垫。但是，因为浆液是从台板上的单个位置分配的，所述单个位置通 常位于台板的半径的中点处，由此产生的遍布台板的表面的浆液的分布不一定是非常均勻 的。下方的抛光台板的旋转和由此产生的离心力引起浆液从中心点径向向外散布。但是， 由于上述离心力，优先的更高浓度的浆液形成从中间分配点向外辐射的圆形带，更低浆液 浓度区域形成于分配点和径向内部区域之间。这能引起被抛光的衬底的整个直径上不均勻 的抛光率。还已经研发了多点浆液分配，以为抛光单个衬底提供更加均勻的浆液分配，例如 题为 “CMP Slurry Atomization Slurry Dispense System” 的美国专利 No. 6，沘4，092 所述。大范围多点浆液分配器已经用于在整个垫上喷洒浆液，例如题为“Multipurpose Slurry Delivery Arm for Chemical Mechanical Polishing” 的美国专利 No. 7，052，374 所述。但是，虽然这些浆液分配系统为单个衬底抛光机提供了更好的浆液分布，但是其没有 为更新一代的CMP抛光机提供有效地浆液分布，所述更新一代的CMP抛光机使用多个载具 头来同时抛光多个衬底或用于抛光大衬底。因此，希望获得用于同时抛光多个衬底或用于 抛光大衬底的、具有在整个抛光垫的表面上提供更均勻的浆液分布的浆液分配系统的化学 机械抛光机。

发明内容
化学机械抛光机包括抛光台板，其能够支承抛光垫；第一和第二衬底载具，其各 自能够将衬底固定在所述抛光垫上；和第一和第二浆液分配器。第一和第二浆液分配器各 自包括(i)臂，其包括旋转端和远端；(ii)至少一个浆液分配喷嘴，其位于所述远端上；和 (iii)分配器驱动器，其能够使所述臂围绕所述旋转端旋转，以使得处于所述远端处的所述 浆液分配喷嘴摆动，以在所述抛光台板上分配浆液。化学机械抛光方法包括使第一和第二衬底在抛光垫上摩擦，并且在所述第一和第二衬底中的每一个的前面分配抛光浆液。使用浆液抛光衬底的化学机械抛光机包括用于支承抛光垫的抛光台板、能够将 衬底固定在所述抛光垫上的衬底载具、和包括铰接臂的浆液分配器，所述铰接臂具有在一 个或多个铰接头处连接的多个部分、旋转端和远端、和位于所述远端处或附近的至少一个 浆液分配喷嘴。化学机械抛光方法包括使衬底在安装在抛光台板上的抛光垫上摩擦；提供铰接 浆液分配器臂，所述铰接浆液分配器臂包括在铰接点彼此连接的第一部分和第二部分、旋 转端、远端、和在所述远端处或附近至少一个浆液分配喷嘴；和使所述第一部分相对于所述 第二部分移动，以在所述抛光垫上的分布图案上分配抛光浆液。


参考下面的描述、所述权利要求书、和附图将更好的理解本发明的上述特征、方面 和优点，附图示出了本发明的示例。但是，应当理解，每个特征一般的用于本发明中，而不仅 仅是特定附图的情况，本发明包括这些特征的任意组合，其中图1是处于准备位置的抛光台板组件的透视图，所述抛光台板组件包括抛光台 板、可移动的浆液分配器和抛光垫调节器；图2是图1的抛光台板组件的透视图，示出了可移动的浆液分配器将抛光浆液分 配在抛光垫上；图3是图2的浆液分配器臂的实施例的截面侧视图；图4A是化学机械抛光机的实施例的透视图；图4B是图4A的抛光机的部分分解透视图；图4C是图4A的抛光机的台面的示意俯视图；图5A是示出可移动浆液分配器的另一实施例的抛光台板组件的俯视图；图5B和图5C是图5A的可移动浆液分配器的截面图和截面俯视图；图6A是安装在化学机械抛光机的抛光台的台面上的浆液分配器的另一实施例的 透视图；图6B是示出具有管状部分的图6A的浆液分配器的截面图，所述管状部分具有从 其中穿过的供应管；和图7是示出图6A的浆液分配器的两个不同臂位置的透视图。
具体实施例方式化学机械抛光机100用于抛光衬底的表面。例如，抛光机100可以用于抛光包括 铜互连线或过孔的衬底的表面。在另一实施方式中，抛光机可以用于抛光衬底上的二氧化 硅层的表面。对于本领域普通技术人员显而易见的许多其他的抛光实施方式和应用也处于 本发明的范围内。适合于抛光包括半导体晶片、显示设备、或面板的衬底的表面的抛光机100的实 施例在图1中示出。抛光机100包括台面106，所述台面106固定有一个或多个抛光台108， 所述抛光台108可以同时和单独的运行。每个抛光台108包括抛光台板110，所述抛光台板 110支承抛光垫112。在台板110旋转、振荡或摆动时，第一和第二衬底载具120a、b各自将衬底140a、b分别压在抛光垫112上。在一种形式中，通过用驱动轴连接到台板110的下侧 的台板电机117，台板110旋转。在一种形式中，台板电机117是变速直流电机，例如伺服电 机，所述变速直流电机可以在抛光过程中选择性的提供可变的衬底旋转速度。台板110可 以是铝板或不锈钢板。安装在台板110上的抛光垫112通常包括平面圆盘，所述平面圆盘具有尺寸足够 大的半径，以提供至少两个衬底140a、b的覆盖范围。抛光垫112接触衬底140a、b并紧靠 着衬底140a、b旋转(所述衬底140a、b自身也可以旋转、振荡或摆动)，以抛光每个衬底 140a、b。抛光垫112包括由足够粗糙的材料制成的抛光表面113，以从衬底140a、b抛光和 去除不需要的材料，而不会过度划伤或损坏衬底表面。例如，抛光表面113可以由聚合物、 毡制品、纸、布、陶瓷或其他类似的材料制成。抛光表面113还可以包括附加的凹槽(未示 出)，以增强抛光浆液在抛光表面113上的流动。例如，适合的抛光垫112包括由St. Paul, Minnesota 的 3M Superabrasives and Microfinishing Systems Division 制造的固结磨 料抛光垫，所述固结磨料抛光垫包含嵌入树脂中的磨料颗粒，例如二氧化硅。在一种形式 中，使用压敏胶粘剂，将抛光垫112粘结到台板110，所述台板110与抛光垫112大约直径相 同。第一和第二衬底载具120a、b各自适合于分别将衬底140a、b固定在抛光垫112 上。用真空或表面张力，将衬底140a、b固定在每个衬底载具120a、b上。每个衬底载具 120a、b施加压力，同时在整个抛光垫112上独立的旋转或来回振荡，以实现衬底140a、b上 均勻的抛光表面。在抛光过程中，气动系统(未示出)将衬底载具120a、b降低到抛光垫 112上，以用预定的加载力将衬底140a、b压在抛光垫112上。台板电机117使台板110和 抛光垫112旋转。同时，每个衬底载具120a、b使衬底140a、b旋转，同时滑块(未示出)侧 向的来回驱动衬底载具120a、b，以使衬底140a、b在抛光垫112的表面上侧向振荡。衬底 载具120a、b由一个或多个载具电机(未示出)所驱动，所述载具电机也可以是变速直流电 机，例如伺服电机，所述变速直流电机可以提供可变的衬底旋转速度并且还可以使衬底来 回直线移动。衬底载具120a、b通过使衬底在抛光垫112的两个不同区域摩擦来磨蚀衬底 140a、b的表面。在抛光过程中、之前或之后，第一和第二浆液分配器122a、b向抛光垫112的表面 提供抛光浆液、中和溶液和/或水。在一种形式中，第一和第二浆液分配器122a、b定位于 紧靠抛光台板110。分配器12h、b还可以定位成穿过台板110并在直径上彼此相对。相对 的一对浆液分配器12h、b各自定位成使得其可以旋转并位于第一和第二衬底载具120a、b 之间。在一种形式中，分配器122a、b穿过抛光台板110在弧线上延伸，同时分配浆液。每 个浆液分配器12h、b向抛光垫112的紧邻安装在衬底载具120a、b上的衬底140a、b中的 一个衬底前面的不同区域供应新的抛光浆液。以这种方式，根据抛光台板110的旋转方向， 第一浆液分配器12 向第二衬底载具120b上的衬底120b提供新的浆液，第二浆液分配器 122b向第一衬底载具120a上的衬底120a提供新的浆液。有利的，因为在各自位于第一和 第二衬底载具120a、b之间的在抛光垫112上的不同的圆周区域处分配新的抛光浆液，这使 得抛光机100能够以大致相同的抛光率抛光两个衬底140a、b。第一和第二浆液分配器12h、b各自包括分配器臂123a、b，所述分配器臂123a、b 分别具有旋转端126a、a，和远端U6b、b，。浆液分配器臂123a、b的每个旋转端U6a、a，被安装在旋转轴127a、b上。分配器驱动器U8a、b为旋转轴127a、b提供动力，以使每个 分配器臂123a、b围绕其旋转端U6a、a’旋转，以使在臂123a、b的远端处的各个浆液分配 喷嘴摆动，以在整个抛光台板110上分配浆液。可以操作分配器驱动器128a、b以使分配器 臂123a、b旋转，从而旋转端U6a、a’在抛光台板110的不同区域上沿着固定弧线旋转。分 配器驱动器128a、b能够使每个臂123a、b旋转，以在分配浆液的同时使每个臂在抛光台板 110上的弧线中扫过。在一个实施例中，每个弧线覆盖跨越从约0°到约45°的弧形距离。 第一和第二固定弧线可以沿着抛光垫112的直径彼此相对。如图2所示，至少一个浆液分配喷嘴IMa、b分别设置在每个分配器臂123a、b的 旋转端U6a、a，和远端U6b、b，之间。当分配器驱动器128a使特定的分配器臂123a沿 着弧线旋转时，浆液分配喷嘴12 也沿着固定弧线1 摆动，以在弧形区域133a中的抛光 垫112上分配浆液。分配器驱动器U8a、b各自能够使一个分配器臂123a、b围绕旋转端 126a,a'旋转，从而喷嘴12^、b各自沿着固定弧线129a、b摆动。固定弧线129a、b可以与 台板110的直径交叉。在一个实施例中，当从第一位置开始、沿着弧线移动到第二位置并返 回相同的第一位置时，每个固定弧线^9a、b至少两次与台板110的固定径向轴134交叉。 以这种方式，通过使分配器臂123a、b围绕沿着抛光垫112彼此相对的两个不同的旋转点旋 转，来分配抛光浆液。因此，从沿着抛光垫112彼此分离、甚至能够沿着共同的轴对齐的两 个点，同时分配浆液，所述共同的轴是台板的特定直径。适合的分配器驱动器U8a、b可以 是电机，例如，使用齿轮减速的伺服电机、或直接驱动电机、或可以伸缩以使分配器臂123a、 b移动的液压系统。第一和第二弧线可以是固定弧线，其还可以沿着抛光台板110在直径上 彼此相对。弧线位于第一和第二衬底载具120a、b之间，并向第一和第二衬底载具120a、b 中的每一个提供新的抛光浆液。浆液分配器12h、b还可以分别至少包括第一喷嘴lMa、a，和第二喷嘴124b、b，。 第一和第二喷嘴lMa、a’和124b、b’中的每一个都相互分隔开，并且还可以沿着共同的轴 对齐，所述共同的轴沿着臂123a、b的纵向。分配喷嘴lMa、a’和lMb、b’将流体(例如， 抛光浆液)引导至抛光垫112上，以在所期望的喷洒覆盖区域133a、b中沿着抛光垫112的 更大表面分配抛光浆液。参考图3，分配器臂123包括空心壳体135，所述空心壳体135沿着分配器臂123 的长度环绕并保护多个供应管12fe-c，每个供应管提供用于抛光浆液、中和流体、 或水的通路。例如，供应管12 可以用于向管状储存器137提供抛光浆液，所述管状储存 器137供应喷嘴12^-e。每个喷嘴12^-e通过通常的方法连接到供应管12fe。例如，使 用外螺纹和内螺纹或使用橡胶密封垫，可以将预制的喷嘴12^-e连接到流体供应管125a。 流体供应管由抗所期望的供应流体腐蚀或化学反应的材料制成，或者甚至包括能 够减少在流体接触表面上沉积物的聚积的材料。还期望流体供应管是柔性的，从而其可以 在浆液臂旋转时承受弯曲和屈曲。例如，流体供应管的示例性实施例可以是THV管，例如可 从Minnesota的Dyneon of Oakdale购得的THV x50 UHP。通过位于抛光机100外部的流 体供应源(未示出)向每个流体供应管提供流体。流体供应源可以包括加压罐、化 学输送单元或具有泵的圆筒，并且可以供应浆液、化学品或水。在流体供应源和供应臂之间 还可以使用一个或多个阀、压力传感器和容积式流量计，以控制流体的供应。图3中所示的浆液分配器122的实施例包括多个喷嘴12^-e。每个喷嘴从约0. 03”到约0. 05”的末端开口。喷嘴12^-e还可以具有圆锥形状的横截面，用于以伞 状喷洒方式输出加压流体。适合的圆锥形状包括从约40°到约120°的角宽度。可以通过 在由耐所期望的抛光浆液成分腐蚀和化学反应的材料制成的管中钻孔制成喷嘴IMa-e。喷 嘴12^-e还可以由抵抗沉积物在喷嘴的流体接触表面上聚积的材料形成。在一个实施例 中，喷嘴12^-e由PVDF制成。在可选的实施例中，喷嘴单独制成，并通过螺纹或密 封粘结剂连接到分配器臂123。示例性的预制喷嘴12^-e是可从Carol Stream, Illinois 的 Spray System Co.购得的 VeeJet Spray Nozzle。多个喷嘴12^-e还可以位于浆液分配管道137中，所述浆液分配管道137沿着分 配器臂123的长度固定，以沿着抛光垫112分散浆液。分配器管道137包括沿着分配器臂 123的下侧设置的空心矩形主体，使得管道的纵轴大致平行于空心主体的纵轴。分配器管道 137包括一个或多个集成的浆液分配喷嘴12^-e，所述浆液分配喷嘴12^-e例如可以通过 在分配器管道137中机械加工或钻出喷嘴形状开口来形成。例如，每个成形喷嘴12^-e具 有向外逐渐变细的圆锥形状，较小的第一开口面向通道137的内部体积，较大的第二开口 位于管道137的外表面处(未示出)。例如，成形开口可以具有小于Imm的第一开口直径， 和大于约1. Imm的第二开口直径。成形开口开向台板表面，包括从约Imm到约2mm的直径。 分配器管道的第一开口还可以足够大，以装在流体供应管12 的相应开口的直径上，所述 流体供应管12 向分配器管道供应抛光浆液。随着衬底140和抛光垫112彼此紧靠着旋转，根据所选的浆液配方所供应的抛光 浆液的测定量通过喷嘴12^-e被喷洒在抛光垫上。抛光浆液包含反应剂和化学反应催化 剂。例如，可以用包括去离子水(用作反应剂)和氢氧化钾(用作催化剂)的抛光浆液来抛 光氧化物衬底。例如，适合的抛光浆液还可以包括磨料颗粒，所述磨料颗粒包括氧化铝、氧 化硅、碳化硅或其他陶瓷粉末中的至少一种；并且所述磨料颗粒悬浮在例如包括水、乙醇、 缓冲剂和悬浮化学品中的一种或多种的溶液中。浆液分配器122的分配器臂123还包括单独的一组清洗喷嘴138a_g，在抛光过程 之后，所述清洗喷嘴138a-g提供清洗液，用于清洗衬底140。清洗喷嘴138a_g彼此分隔开， 并且可以在每次抛光和/或规定循环结束时提供对抛光垫112的高压流体清洗。通过供应 管125c向清洗喷嘴138a-g提供清洗液。诸如去离子水之类的清洗液可以用于在衬底从一 个抛光台传输到另一抛光台时清洁衬底140。在衬底140被传送回到固定台时，清洗喷嘴 138a-g还可以朝向缓慢旋转的抛光垫112引导水流，以从抛光垫上清洗浆液。在处理多个 衬底140之间，还可以将水供应到抛光垫112的表面，以从垫表面清洗颗粒和化学物质。可 以在抛光预定数量的衬底140之后或在抛光操作开始时作为预处理步骤、在从垫表面去除 反应物的操作结束时、或根据需要从垫表面清洗颗粒或化学物质时，来执行清洗步骤。清洗 喷嘴138a-g还可以包括圆锥横截面，以向抛光垫112提供水或其他清洗液的伞状喷洒区 域。可以使用清洗液防护物(未示出)来覆盖清洗喷嘴138a-g的侧面，以将清洗液喷雾控 制在衬底上方。清洗液防护物可以由Delaware的DuPont de Nemours Co.的iTeflon制 成。浆液分配器122的分配器臂123还可以包括化学清洗喷嘴139，在完成一个或多 个衬底140的抛光之后，所述化学清洗喷嘴139在整个抛光垫112上分散化学剂，以中和抛 光浆液的反应剂。虽然化学清洗喷嘴139描述成与浆液分配喷嘴IM分开的喷嘴，但是其也可以是相同的喷嘴结构。在一个实施例中，化学清洗喷嘴139位于分配器臂123的远端 126b处。化学清洗的成分被选择用以终止抛光浆液的化学反应成分与被抛光的衬底140的 反应，并且可以用于中和反应浆液成分的蚀刻剂或腐蚀特性。例如，在一个实施例中，化学 清洗包括酸或氨基中和剂。如图4A所示，控制器188包括适合的程序代码190，以控制CMP装置100和其各 种组件，包括浆液分配器122。控制器188是可编程计算机，其包括CPU、输入设备192(例 如，鼠标、键盘和光笔)和输出设备194(例如显示器)。控制器188用于计算和测量抛光参 数，并保存任一抛光台108的流程。在一个实施例中，程序代码190包括用于控制分配器臂 123的电机的代码。例如，代码可以控制为旋转轴127提供动力的分配器驱动器128，以使 得每个分配器臂123围绕其旋转端1 旋转，以使在臂123的远端处的各个浆液分配喷嘴 摆动，以在抛光垫112上分配浆液。控制器188可以操作分配器臂123的电机，以获得所期 望的臂123的移动。控制该移动，以控制臂123的远端1 处的浆液分配喷嘴12^-c的运 动，以将浆液分配在抛光垫112上的在所期望的图案或区域中。例如，控制188可以控制程 序代码，以控制电机，来使分配器臂123在抛光垫112上移动，以在垫112上获得所期望形 状的浆液分布区域。如图5A至5C所示，在浆液分配器122的可选实施例中，所述浆液分配器122的特 征可以单独存在或与在此描述的其他特征结合，分配器臂123包括远端131，所述远端131 可相对于近端141以直线运动来移动。远端131相对于近端141直线移动，例如前后摆动。 以这种方式，位于分配器臂122的可移动部分上的分配喷嘴12^-c可以沿着径向长度向抛 光垫112供应抛光浆液，以覆盖垫的更大的表面积。在这种方式中，分配臂123的包括远端131的部分连接到分配器驱动器143，所述 分配器驱动器143可以使远端131沿着直线路径朝向和远离分配器臂123的近端141而移 动。分配器驱动器143使臂的近端沿着直线路径移动，以将浆液分配在抛光台板上的线中。 直线移动可以匹配与分配器臂123的纵轴相对应的线。由控制器188来控制分配器驱动器 143，所述控制器188包括用于控制分配器臂123的直线运动的程序代码。远端131可以移 动未伸长的分配器臂123的长度的从约20%到90%的直线距离。如图5B和5C所示，卷曲供应管145a、b延伸通过分配器臂123的长度，以向喷嘴 124a-c供应抛光浆液、悬浮液或其他流体。卷曲供应管145a、b使得臂123的长度能够改 变，而不用改变向喷嘴12^-c的流体供应。卷曲供应管145a、b可以由耐所期望的供应流 体腐蚀或化学反应的材料制成，或者甚至可以包括能够减少在流体接触表面上沉积物的聚 积的材料。还期望流体供应管是柔性的，从而其可以承受弯曲和屈曲。例如，供应管例可以 是THV管，例如可从Dyneon购得的THV x50 UHP。通过位于抛光机100外部的流体供应源 (未示出)来向每个卷曲供应管14fe、b提供流体。在可能的实施例中，控制器188包括程序代码190，以控制分配器臂123的远端 131的与衬底载具120的移动相关的移动。例如，衬底140由衬底载具120(未示出)所固 定，分配器臂123的远端131可以移动到位，并在接触抛光垫112的衬底接触区域147之前， 浆液可以被分配到抛光垫112的衬底接触区域147。分配器臂123的远端131可以被定位 于衬底载具120的路径之外，以避免与载具组件碰撞。与不移动的臂相比，使用经过台板或 垫的整个长度、或径向长度的大致部分的直线摆动，分配器臂123可以将抛光浆液供应到抛光垫112的更大区域。直线摆动臂可以被构造成沿着穿过从抛光垫112的中心区域到垫的周界的直线 路径供应抛光浆液。此外，因为位于抛光臂123的远端131附近的喷嘴12^-c可以移动到 抛光垫120上方的径向供应位置中，所以对抛光浆液的流动要求不是很严格。例如，喷嘴 12^-c的部分堵塞和从分配器喷嘴喷溅浆液(这将导致抛光浆液的不均勻分布)并没有 多少影响，这是因为喷嘴12^-c被放置的更靠近目标区域并且喷嘴分配的浆液(尽管不均 勻)仍将落在抛光垫112上的衬底接触区域147中。抛光系统可以包括例如如图5A所示的第一和第二分配器臂123a、123b。第一和 第二分配器臂123a、b可以被构造成彼此相对，例如，第一分配器臂123a的近端141a可以 位于台板的与第二分配器臂12 的近端141b相对的一侧上。第一和第二分配器臂123a、 b可以被构造成比单一分配器臂123在更大的区域上向抛光垫112提供抛光浆液或其他流 体。此外，相对的第一和第二分配器臂可以被构造成选择性的分配抛光介质、清洗液、中和 化学液或其他流体成分。在一个可能的实施例中，第一分配器臂123a被构造为分配抛光浆 液，第二分配器臂12 被构造为分配清洗液和中和化学液。在该可能的实施例中，可以从 腔室拆下第一分配器臂123a，以用于清洗被抛光浆液阻塞的分配器阀，而不需要拆下剩余 的分配器臂12 或拆开其他流体供应线路。第一浆液分配器和分配器臂123a可以设置成向第一衬底接触区域供应抛光浆液 或其他流体，第二浆液分配器和分配器臂12 设置成向第二衬底接触区域供应抛光浆液 或其他流体，第一和第二接触区域互不相同。第一衬底载具使衬底接触到第一衬底接触区 域，第二衬底载具使衬底接触到第二衬底接触区域。以这种方式，第一和第二浆液分配器臂 123a、b向第一和第二衬底载具供应浆液。如图6A所示，在另一可能的实施例中，浆液分配器180包括铰接臂182，所述铰 接臂182包括多个由一个或多个铰接头186a-c所连接的部分。例如，任一部分可相互移 动，第一部分18 可以相对于第二部分184b移动，或者两个部分可以同时移动。每个部分 l^a-c可以具有两个、甚至三个移动自由度。多个部分l^a-c可以包括连接在第二铰接头 186b的第一和第二部分184a、b，以及可选地连接在第三铰接头186c的第三部分1別C。第 一、第二和第三铰接头186a-c中每一者均可以是具有两个自由度的平面铰接头、具有三个 自由度的旋转球接头、上述接头的组合、或其他类型的接头。铰接臂182还可以具有附加的 或更少的部分。选择多个部分18如-(3的数量和铰接头186a-c的类型，以获得铰接臂182 的所期望的移动自由度。此外，通过选择提供了不同自由度的多个部分的数量和铰 接头186a-c的类型的特定组合，铰接臂182可以适合于提供所期望的浆液分布图案或成形 区域。此外，一个或多个铰接头186a_c可以包含多个电机(未示出)，所述电机能够实现 连接到特定铰接头186a_c的任一部分l^a-c的运动的预制范围。驱动多个部分
和铰接臂182的电机可以是位于铰接头186a-c内部的微电机、液压电机和其他电机。在一种形式中，铰接臂182包括在第一接头处的连接到台面的旋转端190、和远端 192，在远端192处或附近具有可以用于将浆液分配在抛光台板或抛光垫112上的一个或多 个浆液分配喷嘴20h-C。控制器188包括适合的程序代码以控制浆液分配器122的运动。 控制器188是可编程计算机，其包括可以用于计算和测量抛光参数并存储任一抛光台108的流程的一个或多个设备。在一个实施例中，控制器188包括程序代码，以控制铰接臂182 的一个或多个各种电机，以获得由一个或多个铰接头186a_c所连接的多个部分l^a-c的 所期望的直线或弧线移动。控制该移动，以控制位于铰接臂182的远端192处的浆液分配 喷嘴20h-C的运动，以将浆液分配在抛光垫112上的所期望的图案或区域中。例如，控制 器188可以包括程序代码，以控制电机，来使铰接臂182在抛光垫112上移动，以获得垫112 上的所期望形状的浆液分布区域。如图7中的示例所示，除了水平摆动，铰接臂182还可以改变分配喷嘴20加-(3在 抛光垫112上方的高度，图7示出了在第一位置上的铰接臂182、多个部分184a-c、接头 186b、c和喷嘴20加-(3，和在第二位置上的铰接臂182，、多个部分184a，-c，、接头186b\c' 和喷嘴202a’ -c’。在该形式中，接头186a位于臂的旋转端190处，从而当操作铰接臂182 的接头时，接头186a的主体不改变位置。在第一位置上，铰接臂182的每个喷嘴20h-C具 有伞状喷洒区域2(Ma_c，加压流体将分配到抛光垫112。在第二位置上，每个喷嘴2(^a’-c’ 具有不同的伞状喷洒区域204a’ -c’。在所示示例中，第一喷洒区域2(Ma_c比第二喷洒区 域20 ’-C’大好几倍。这使得能够改变喷嘴的喷洒区域，而不用改变流体供应的压力。此 外，用所分配的流体覆盖抛光垫112可以适合于匹配抛光垫112和衬底140的接触面积。例 如，如果抛光垫112相比衬底140足够大，使得在处理过程中每个衬底140只接触抛光垫表 面的一小部分，则这是有利的。在一种形式中，第一和第二浆液分配器122a、b放置成紧靠并跨越抛光台板110， 以从彼此分开并沿着抛光台板的两个不同的点同时分配浆液。如图所示，例如，第一和第二 浆液分配器12h、b可以放置成在直径上彼此相对。在一种形式中，相对的一对浆液分配器 122a,b位于用于同时抛光两个衬底140a、b的第一和第二浆液分配器12h、b之间，从而每 个浆液分配器122a、b可以向抛光垫112的位于衬底载具120a、b的当前路径中的不同区 域提供浆液。例如，可以移动第一和第二衬底载具120a、b，以在位于第一衬底载具10 前 的第一点处和位于第二衬底载具120b前的第二点处分配浆液。以这种方式，根据抛光台板 110的旋转的方向，第一浆液分配器12 向第二衬底载具120b提供新的浆液，第二浆液分 配器向第一衬底载具120a提供新的浆液，或者反之亦然。有利的，因为在抛光垫112上的 各自位于第一和第二衬底载具120a、b之间的在不同的圆周区域处分配新的抛光浆液，这 使得抛光机100能够以大致相同的抛光率抛光两个衬底140a、b。在一个实施例中，铰接臂182包括通过第一和第二中间接头186b、c连接在一起的 第一、第二和第三部分18如-(3。第一部分18 在第一接头186a处连接到台面106，所述第 一接头186a是旋转接头，例如球接头，以提供能够使得铰接臂182围绕旋转接头旋转的旋 转端190。第二部分184b位于第一部分18 和第三部分18 中间。一个或多个浆液分配 喷嘴200a、b位于第三部分18 上的铰接臂182的远端192处。铰接臂182的柔性和浆液分配喷嘴200a、b的末端位置能够实现在最理想的分配 或摆动图案中分配抛光浆液，这并不依赖于或关系到抛光垫112的形状或大小。例如，铰接 臂182可以很容易的适合于在矩形甚至正方形的抛光垫112上分配抛光浆液。此外，铰接 臂182还可以由控制器188所控制，以实现所期望的直线或弧线图案，以提供细长的浆液分 布区域。例如，铰接臂182可以很容易的适合于使分配喷嘴2(^a-c在抛光台板上沿着直线 路径移动。在一种形式中，铰接臂182的电机，使得浆液分配喷嘴2(^a-c在台板或抛光垫上沿着直线移动。在另一形式中，铰接臂182的电机使浆液分配喷嘴20h-C在台板或抛光 垫上沿着弧线路径移动。例如，弧线路径可以包括与抛光台板110的固定径向轴交叉至少 两次的固定弧线。例如，弧线路径还可以设置成覆盖在抛光台板110上跨越从约0°到约 45°弧线距离。图6A中所示的浆液分配器122的实施例包括多个喷嘴20加-(3。每个喷嘴2(^a_c 从约0. 03”到约0. 05”的末端开口。喷嘴20加-(3还可以具有圆锥形状的横截面，用于以伞 状喷洒方式输出加压流体。适合的圆锥形状包括从约40°到约120°的角宽度。可以通过 在由耐所期望的抛光浆液成分腐蚀和化学反应的材料制成的管中钻孔制成喷嘴20h-C。喷 嘴2(^a-c还可以由抵抗沉积物在喷嘴的流体接触表面上聚积的材料形成。在一个实施例 中，喷嘴20M-C由PVDF制成。在可选的实施例中，喷嘴20M-C单独制成，并通过螺纹或密 封粘结剂连接到分配器臂182。示例性的预制喷嘴20加-(3是可从Carol Stream, Illinois 的 Spray System Co.购得的 VeeJet Spray Nozzle (Spray System Co. , North Avenue at Schmale Road, Carol Stream, Illinois)。如图6B所示，在一种形式中，铰接臂182的多个部分各自包括管状部分 208，所述管状部分208包括空心壳体。管状部分208沿着铰接臂182的长度环绕并保护多 个供应管206a_c，每个供应管206a_c提供用于抛光浆液、中和流体、或水的通路。例如，供 应管206a可以用于向浆液分配喷嘴20 提供抛光浆液。每个喷嘴20h-C通过通常的方 法连接到供应管206a-c。例如，使用外螺纹和内螺纹或使用橡胶密封垫，可以将预制的喷嘴 连接到流体供应管206a_c。流体供应管206a_c由抗所期望的供应流体腐蚀或化学反应的 材料制成，或者甚至包括能够减少在流体接触表面上沉积物的聚积的材料。还期望流体供 应管是柔性的，从而其可以在铰接臂旋转时承受弯曲和屈曲。例如，流体供应管的示例性实 施例可以是THV管，例如可从Dyneon (城市，州)购得的THV x50 UHP。通过位于抛光机100外部的流体供应源(未示出)向每个流体供应管200a_c提 供流体。流体供应源可以包括加压罐、化学输送单元或具有泵的圆筒，并且可以供应浆液、 化学品或水。在流体供应源和供应臂之间还可以使用一个或多个阀、压力传感器和容积式 流量计，以控制流体的供应。可以操作铰接臂182的喷嘴，以与抛光过程相关联的分配流体。喷嘴20h、b可以 用于根据所选择的配方将浆液的测定量分配到抛光垫。铰接臂182还可以包括一个或多个 单独的清洗喷嘴202c，在抛光过程之后，所述清洗喷嘴202c提供清洗液，用于清洗抛光垫 112。甚至可以在每次抛光和/或规定循环结束时执行对抛光垫112的高压流体清洗。通 过供应管200c向清洗喷嘴提供清洗液。浆液分配器122的铰接臂182可以包括化学清洗 喷嘴(未示出)，在完成一个或多个衬底140的抛光之后，所述化学清洗喷嘴在抛光垫112 上分配化学剂，以中和抛光浆液的反应剂。虽然化学清洗喷嘴描述成与浆液分配喷嘴分开 的喷嘴，但是其也可以是相同的喷嘴结构。在一个实施例中，化学清洗喷嘴位于铰接臂182 的远端192处。参考铰接浆液分配器180所公开的喷嘴可以由与参考旋转浆液分配器122 所公开的相应的浆液分配器、清洗和化学清洗喷嘴相同的材料制成，此外，不同形式的浆液 分配器122、180的相应喷嘴所分配的流体或所提供的压力也可以相同。在此所描述的不同形式的浆液分配器可以用于任一类型的CMP抛光机。例如，可 以用于平坦化半导体晶片衬底的表面的化学机械抛光机100的实施例在图4A到4C中示出。提供抛光机100以说明浆液分配器的不同实施例中的任一个的使用方法；但是，抛光机 100不应当用于限制本发明的范围。例如，抛光机100可以是来自Santa Clara, California 的 Applied Materials, Inc.的 Mirra 或 Sycamore 型 CMP 系统。如图 4A 所示，通常， 抛光机100包括包含台面106在内的外壳104、一个或多个抛光台108a、b、衬底传送台111 和可旋转多头转盘116，所述可旋转多头转盘116单独操作可旋转衬底载具120。每个抛光 台108a、b包括其上设置有抛光垫112a、b的可旋转抛光台板110a、b。台板110a、b可以是 连接到台板电机(未示出)的可旋转的铝或不锈钢板。抛光垫110a、b可以包括固结磨料 或非磨料垫。抛光浆液通过浆液分配器12h、b分配在垫llh、b上。例如，如图6A所示，每个抛光台108还可以具有一个或多个垫调节器114，所述垫 调节器114具有固定独立旋转的调节器头119的可旋转臂118。垫调节器114保持抛光垫 112的状态，以使得垫能够有效的抛光衬底40。每个垫调节器头119包括固定磨料盘(未 示出)的台板。该台板是为磨料垫提供结构刚性的支承结构，例如碳钢板。磨料盘包括金 属合金(例如镍或钴合金)的暴露磨料表面，其具有嵌入在金属合金中的磨料颗粒。因为 固结磨料垫通常不需要调节，所以具有固结磨料垫的抛光台108不需要垫调节器。调节器 头119以与衬底载具120在抛光垫上的运动同步的往复运动在抛光垫112上扫过磨料盘。 图4C中所示的垫调节器安装在距离台面106的第一高度，所述第一高度比第一和第二浆液 分配器的第二高度高。第一高度可以高于第二高度至少约15mm。这种形式使得垫调节器在 浆液臂上方摆动，减少抛光机的所占面积。再参考图4A，衬底装置装置130包括盒架136，所述盒架136容纳一批衬底140。 臂144沿着直线轨迹148移动，并支承关节组件152，所述关节组件152包括用于从固定台 155移动盒架136的盒架钳154、和用于将衬底140从盒架136传送到传送台111的衬底铲 156。在操作中，衬底140从盒架136装载到传送台111，衬底被从所述传送台111传送到衬 底载具120，在衬底载具120上衬底最初由真空固定。然后，转盘116传送衬底140通过一 个或多个抛光台108a、b，并最终使抛光的衬底返回到传送台111。如图4B所示，转盘116 具有支承板160，所述支承板160带有槽162，衬底载具120的轴172穿过所述槽162延伸。 衬底载具120可以在槽162中独立的旋转并来回震荡，以实现均勻的抛光衬底表面。通过 分别的电机176使衬底载具120旋转，所述电机176通常隐藏在转盘116的可移动侧壁178 的后面。如图4B和4C所示，每个抛光台108a-c分别包括可旋转的台板110a_c，每个台 板IlOa-C支承抛光垫112a_c，所述抛光垫llh-c具有一对在上面的、相对的浆液分配器 122a-c、12h’-c’。虽然示出了浆液分配器12h-c、122a’_c’，但是应当理解，可以使用铰接 浆液分配器180来代替或与其组合。在抛光过程中，每个衬底载具120固定、旋转并按压衬 底140抵靠固定到旋转抛光台板llOa-c的抛光垫llh-c。因为衬底140和抛光垫IUa-C 彼此抵靠着旋转，所以通过抛光浆液分配器12h-c、122a’ _c’，根据所选的浆液配方，供应 测定量的具有例如硅胶或氧化铝的去离子水的抛光浆液。可以根据处理流程，编程控制台 板110和衬底载具120，用于以不同的选择速度和方向旋转。为了清晰可见，图4B中未示出 垫调节器，而图4C中示出了三个垫调节器lHa-c。也可以有六个垫调节器114(未示出)， 每个垫调节器与浆液分配器12h-c、122a’ -c’相关联。已经参考本发明的一些的优选方式描述了本发明；但是，还能有其他方式。例如，对本领域技术人员显而易见的，垫调节器可以用于其它类型的实施方式，例如作为固定表 面。也可以使用CMP抛光机的其他结构。此外，对本领域技术人员显而易见的，根据所述实 施方式的参数，也可以使用与上述等价的可选的管道结构。因此，所附权利要求书的精神和 范围不应当限制于对包含于此的优选方式的描述。
权利要求
1.一种化学机械抛光机，其包括(a)抛光台板，其能够支承抛光垫；(b)第一和第二衬底载具，其各自能够将衬底固定在所述抛光垫上；和(c)第一和第二浆液分配器，每个浆液分配器包括 (i)臂，其包括旋转端和远端；( )至少一个浆液分配喷嘴，其位于所述远端上；和(iii)分配器驱动器，其能够使所述臂围绕所述旋转端旋转，以使得处于所述远端处的 所述浆液分配喷嘴摆动，以在所述抛光台板上分配浆液。
2.根据权利要求1所述的抛光机，其中所述分配器驱动器能够具有下列特征的至少一项(a)在分配浆液时，使所述臂旋转，以使得所述臂在所述抛光台板上的弧线中摆动；(b)使所述臂旋转，使得所述浆液分配喷嘴沿着固定弧线摆动，所述固定弧线位于所述 第一和第二衬底载具之间、并且不接触任一所述衬底载具；(c)使所述臂旋转，使得所述浆液分配喷嘴沿着固定弧线摆动，所述固定弧线位于所述 第一和第二衬底载具之间、并且不接触任一所述衬底载具，其中所述固定弧线与所述抛光 垫的径向轴交叉至少两次，(d)根据程序，使所述臂沿着从约0°到约45°的固定弧线旋转。
3.根据权利要求1所述的抛光机，其中所述第一和第二浆液分配器沿着所述抛光台板 在直径上彼此相对。
4.根据权利要求1所述的抛光机，其中，所述第一和第二浆液分配器可以旋转，使得每 个分配器能够位于第一和第二衬底载具之间，以向所述第一和第二衬底载具中的一个衬底 载具提供新的浆液。
5.根据权利要求1所述的抛光机，其中，所述第一和第二浆液分配器各自包括彼此分 开并沿着共同的轴对准的多个浆液分配喷嘴。
6.根据权利要求1所述的抛光机，其还包括第一和第二垫调节器，其安装在距离台面 的第一高度，所述第一高度高于所述第一和第二浆液分配器的第二高度。
7.一种化学机械抛光方法，其包括如下步骤(a)使第一和第二衬底在抛光垫上摩擦；并且(b)在所述第一和第二衬底中的每一个的前面分配抛光浆液。
8.根据权利要求7所述的方法，其包括沿着第一和第二固定弧线分配浆液，所述第一 和第二固定弧线具有下列特征的至少一项(i)所述第一和第二弧线各自向所述第一和第二衬底中的一个衬底提供新的抛光浆液；( )所述第一和第二弧线在直径上彼此相对；(iii)所述第一和第二弧线分隔开，并且每个弧线都位于所述第一和第二衬底之间；(iv)所述第一和第二弧线处于不同的位置，并且位于所述第一和第二衬底之间； (ν)所述第一和第二弧线与所述抛光垫的径向轴交叉至少两次；和(Vi)所述第一和第二弧线各自在从约0°到约45°的范围。
9.根据权利要求7所述的方法，其包括从彼此分开并沿着共同的轴对准的不同的点同时分配浆液。
10.一种化学机械抛光机，其包括(a)抛光台板，其能够支承抛光垫；(b)第一和第二衬底载具，其各自能够将衬底固定在所述抛光垫上；和 (b)第一和第二浆液分配器，每个浆液分配器包括(i)臂，其包括近端和远端；( )至少一个浆液分配喷嘴，其位于所述远端上；和(iii)分配器驱动器，其能够使所述臂的所述远端沿着直线路径移动，以在所述抛光台 板上的线中分配浆液。
11.根据权利要求10所述的抛光机，其包括下列特征中的至少一项 (i)所述第一和第二浆液分配器在所述抛光台板上；( )所述分配器驱动器能够使所述远端朝向或远离所述近端而移动；(iii)所述分配器驱动器能够使所述近端沿着与所述臂的纵轴相对应的线移动；(iv)所述臂的所述远端移动经过未伸长的臂的长度的约20%到约90%的距离；和 (ν)卷曲供应管，其延伸通过所述臂的长度，以向所述分配喷嘴供应抛光浆液、悬浮液或其他流体。
12.一种使用浆液抛光衬底的化学机械抛光机，所述抛光机包括(a)抛光台板，其用于支承抛光垫(b)衬底载具，其能够将衬底固定在所述抛光垫上；和(c)第一浆液分配器，其包括铰接臂，所述铰接臂包括 (i)多个部分，其在一个或多个铰接头处连接；( )旋转端和远端；和(iii)至少一个浆液分配喷嘴，其位于所述远端处或附近。
13.根据权利要求12所述的抛光机，其中，所述多个部分包括在第一和第二铰接头处 连接的、至少第一和第二管状部分，所述铰接头各自提供至少两个移动自由度。
14.根据权利要求12所述的抛光机，其包括第一和第二衬底载具，并且其中，所述浆液 分配喷嘴可以移动，以在位于所述第一衬底载具前面的第一点处和位于所述第二衬底载具 前面的第二点处分配浆液。
15.根据权利要求12所述的抛光机，其包括电机，所述电机能够具有下列特征中的至 少一项(a)使所述铰接臂移动，以使得所述浆液分配喷嘴在所述抛光台板上沿着直线或弧线 路径移动；或(b)使所述铰接臂移动，以使得所述浆液分配喷嘴沿着从约0°到约45°的弧线路径 移动。
16.根据权利要求12所述的抛光机，其还包括控制器，所述控制器包括程序代码，以控 制所述电机，以在所述抛光台板上驱动所述铰接臂，以获得在所述抛光垫上的预定浆液分布。
17.一种化学机械抛光方法，其包括(a)使衬底在安装在抛光台板上的抛光垫上摩擦；和(b)提供铰接浆液分配器臂，所述铰接浆液分配器臂包括在铰接点彼此连接的第一部 分和第二部分、旋转端、远端、和在所述远端处或附近至少一个浆液分配喷嘴；和(C)使所述第一部分相对于所述第二部分移动，以在所述抛光垫上的分布图案上分配 抛光浆液。
18.根据权利要求17所述的方法包括下列特征中的至少一项(a)使所述第一部分和所述第二部分都移动；(b)使所述浆液分配喷嘴在所述抛光台板上沿着直线路径移动；(c)使所述浆液分配喷嘴在所述抛光台板上沿着弧线路径移动；(d)使所述浆液分配喷嘴在所述抛光台板上沿着从约0°到约45°的弧线路径移动；(e)使所述浆液分配铰接臂在所述抛光台板上移动，以获得在所述抛光垫上的浆液分布；(f)以至少两个移动自由度，使所述第一或第二部分移动。(g)在所述抛光台板上的两个位置处分配抛光浆液；或(h)从彼此分开并沿着所述抛光台板的两个不同点同时分配浆液。
全文摘要
一种化学机械抛光机包括抛光台板，其能够支承抛光垫；第一和第二衬底载具，其各自能够将衬底固定在所述抛光垫上；和第一和第二浆液分配器。第一和第二浆液分配器包括(i)臂，其包括旋转端和远端；(ii)至少一个浆液分配喷嘴，其位于所述远端上；和(iii)分配器驱动器，其能够使所述臂围绕所述旋转端旋转，以使得处于所述远端处的所述浆液分配喷嘴摆动，以在所述抛光台板上分配浆液。在另一形式中，可移动浆液分配器包括具有在一个或多个铰接头处连接的多个部分的铰接臂、旋转端和远端、和位于末端处或附近的至少一个浆液分配喷嘴。
文档编号H01L21/304GK102124545SQ200980131752
公开日2011年7月13日 申请日期2009年8月14日 优先权日2008年8月14日
发明者王玉林, 艾培·伊马兹 申请人:应用材料公司