专利名称：化学机械抛光浆液环路系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种化学机械抛光浆液环路系统。
背景技术：
随着集成电路制造工艺的发展，对于半导体器件的集成密度的要求日益增高。随 着上个世纪70年代将多层金属化技术引入到集成电路制造工艺中，使得半导体晶片的垂 直空间得到有效的利用，并显著提高了器件的集成度。但多层金属化引起的一个新的问题 是硅片表面的不平整度加剧，硅片表面的不平整会在后续的光刻步骤中引起例如光刻胶厚 度不均等问题，进而导致光刻受限，严重影响了半导体器件尺寸微细化的发展。针对这一问 题，需要对金属化后的半导体晶片表面进行平坦化，目前已经开发出多种平坦化技术，主要 包括反刻、玻璃回流、旋涂膜层、化学机械抛光(CMP)等。在目前的集成电路制造工艺中，CMP技术是最常用的一种全面平坦化技术。CMP技 术需要使用具有研磨性和腐蚀性的抛光浆液，并配合使用抛光垫和支撑环，通过综合利用 化学作用和机械作用，对半导体晶片进行抛光。抛光浆液可以是酸性或碱性浆液，其中包含 化学试剂(例如氢氧化钾)、研磨颗粒(例如胶体二氧化硅颗粒)、溶剂以及其他添加剂。通 常，此类浆液在使用后除了含有未反应的原料以外，还会夹杂一些反应物和研磨下来的小 颗粒，因为环保和成本方面的要求，一般需要予以回收或再利用。在抛光浆液的环路中，无论是原始的浆液还是使用过的浆液，在它们经过的管路 中，受流速减慢或环境温度变化的影响，都存在溶质或悬浮物发生沉降进而在管壁上结晶 或凝集成块的现象。如果对这些成块的物质长期不加以处理，一方面容易导致管路堵塞，进 而出现故障；另一方面，一旦这些附着在管壁上的物质在体积逐渐增大后脱落并随着原始 浆液一起到达晶片表面，将会在化学机械抛光的过程中在晶片表面产生刮痕，显然，这会导 致平坦化的效果大打折扣或无法实现原先的目的。业界一般使用去离子水(DIW)来清洗上述浆液环路。当前所使用的环路系统的俯 视示意图如图1所示，其中，S表示抛光浆液(Slurry)的输入口，1表示第一子回路，2表示 第二子回路，3表示第三子回路，4表示第四子回路，还可以沿着主管路101设置更多的子回 路(图中以虚线表示)。各子回路的入口处均设置有阀门。由厂务系统直接供应的浆液从 入口处流入后，经由主管路101送至各子回路，并由各阀门来独立控制浆液的开启和关闭 以及流速。例如，需清洗第一子回路1时，可单独开启与该子回路1对应的阀门；如需清洗 多个子回路，则开启相应的多个阀门。在该系统的左侧设有去离子水供应装置，其中，5表示 去离子水罐，B表示水泵，A表示泄流阀门。去离子水从水罐5中流出后，经由管路104，由水 泵B以例如约25psi (磅/平方英寸)的压力送至阀门A，然后经由出水管路102送至右侧 的浆液回路。如果右侧的浆液回路此时正在通入浆液，则该系统关闭阀门A通向浆液回路 的出口，去离子水将经由管路103流回去离子水罐。此外，如果去离子水进入浆液回路时受 阻(例如管路有部分堵塞等原因)或者浆液回路的用水量未达到额定供水量，阀门A也开 启通向管路103的出口，这样可以分流从水泵B泵出的去离子水，使整个管路不至于因为水压过大而出现故障(例如导致水泵B反转、管路泄漏或爆裂)。阀门A的设置可以使得该去 离子水供应系统得以独立运行，不受浆液回路运行周期和运行量的影响。此外，左侧的去离 子水供应装置也可以是移动式的，换言之，该装置可以是能够四处移动的一个独立装置，在 需要对上述浆液回路进行清洗时，先由操作员关闭各子回路的相应阀门，并将出水管路102 手动接驳到该浆液回路或各子回路上的一个入口(图中未示出)，再进行单独的或整体的 清洗。该接驳方式是本领域公知的，在此不再赘述。 然而，以上所述的清洗系统存在一些问题。首先，必须设置或使用一个单独的去离 子水供应装置，而不能由厂务系统(即芯片工厂负责不间断供应水电气和化学品的系统) 直接供应去离子水，这显然会增加设备成本和人力成本；其次，如果使用移动式的供水装 置，必须由专人根据实际运行情况向该去离子水供应装置(具体地说，是向水罐5)中添加 去离子水，以补足清洗后流失的去离子水，由于该清洗方法无法达到自动化，将会增加人力 成本并增大运行风险；最后，也是最重要的，这样的清洗方法无法快速去除牢牢附着在管壁 上的成块物(结晶物或沉积物)，也无法完全去除这样的附着物。其原因在于，这些附着物 往往部分处在管壁的边界层中，流体相对于边界层的流速(与冲击力成正比)接近于0，因 而无法对边界层中或其表面的附着物产生足够大的冲击力。根据流体力学理论，如要全部 去除管壁上的附着物或者对附着物产生足够大的冲击力，需要尽可能地提高水压和流速， 才能减薄管壁的边界层，从而快速去除附着物。然而，受制于成本的压力以及方法本身的限 制，不可能大幅度地提高水泵B的功率以提高水压。即使换用大功率的水泵，也需要考虑水 压过高时管道本身的承受能力和整个浆液系统的防泄漏能力。这样，现有的去离子水清洗 方式往往导致清洗的时间加长(例如长达6小时)且清洗效果不够理想。此外，清洗后，浆 液回路中遗留的去离子水将与后续到来的抛光浆液混合，由此造成抛光浆液的浓度无法得 到准确的控制，影响化学机械抛光的顺利进行。
实用新型内容在实用新型内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式
部分 中进一步详细说明。本实用新型的实用新型内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护 的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保 护范围。为了解决上述问题，本实用新型提供了新的CMP浆液环路系统，该系统不仅可节 省清洗时间，节约能源，而且易于操作，可降低设备负荷，提高设备的安全性能，最有利的 是，该系统可以在改善清洗效果的同时达到以上目的，而且有利于后续的化学机械抛光的 顺利进行。本实用新型的第一方案是一种化学机械抛光浆液环路系统，其中，该系统包括氮 气输入口 N、去离子水输入口 D、化学机械抛光浆液输入口 S、与所述化学机械抛光浆液输入 口 S连接而用于输送化学机械抛光浆液的浆液主管路101、与所述氮气输入口 N和去离子水 输入口 D连接而用于输送去离子水和氮气的至少一个清洗用流体主管路205、设置在化学 机械抛光浆液输入口 S的至少一个阀门Vs和设置在所述氮气输入口 N和所述去离子水输 入口 D的至少一个阀门。本实用新型的第二方案是如第一方案所述的化学机械抛光浆液环路系统，其中，所述的设置在所述氮气输入口 N和所述去离子水输入口 D的至少一个阀门是控制所述氮气输入口的阀门Vn和控制所述去离子水输入口的阀门Vd或用于同时控制所述氮气输入口和 所述去离子水输入口的一个三通阀门VN/D。本实用新型的第三方案是如第一方案或第二方案所述的化学机械抛光浆液环路 系统，其中，该系统还包括用于实施化学机械抛光制程的至少一个浆液子回路，所述至少一 个浆液子回路与所述浆液主管路101和/或所述清洗用流体主管路205连接。本实用新型的第四方案是如第三方案所述的化学机械抛光浆液环路系统，其中， 该系统还包括设置在所述浆液子回路与所述浆液主管路101之间的至少一个阀门和设置 在所述浆液子回路与所述清洗用流体主管路205之间的至少一个阀门。
本实用新型的下列附图在此作为本实用新型的一部分用于理解本实用新型。附图 中示出了本实用新型的实施例及其描述，用来解释本实用新型的原理。在附图中，图1表示的是现有的化学机械抛光浆液环路及其清洗单元的俯视示意图；图2表示的是本实用新型的化学机械抛光浆液环路的一个实施方案的俯视示意 图；以及图3表示的是图2所示的化学机械抛光浆液环路中用于控制氮气和去离子水的阀 门装置(即虚线框内)的另一实施方式。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本实用新型更为彻底的理 解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本实用新型可以无需一个或多个这些细 节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本实用新型发生混淆，对于本领域公知的一些 技术特征未进行描述。为了彻底了解本实用新型，将在下列的描述中提出具体的实施方案，以便说明本 实用新型如何改进现有技术中存在的问题。显然，本实用新型的实施并不限定于半导体领 域的技术人员所熟习的特殊细节。本实用新型的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些 详细描述外，本实用新型还可以具有其他实施方式。在图1至3中，相同或相应的装置或部件由相同的附图标记表示。此外，本文中所谓的“清洗”，如无特别说明，则既包括使用去离子水的清洗，也包 括使用氮气的吹扫。本领域技术人员知晓，所谓的“吹扫”实际上也属于一种“清洗”。总之， 它们的目的均在于尽可能彻底地清除CMP管道中的残留物。图2提供了本实用新型的化学机械抛光浆液环路的一个实施方案的俯视示意图， 其中，浆液环路部分与图1所示的相似，即，S表示抛光浆液(Slurry)的输入口，Vs表示设 置在该输入口的阀门，1表示第一子回路，2表示第二子回路，3表示第三子回路，4表示第四 子回路(1-4均为浆液子回路的实例)，还可以沿着用于输送化学机械抛光浆液的浆液主管 路101设置更多的子回路(图中以主管路101的虚线延长线表示)，以上的子回路仅作为 示例性的表示，本领域技术人员可根据实际情况(例如用于化学机械抛光的机台的数目) 添加或减少子回路的数目，因此该数目显然不构成对该实施方案的限定。而且，当子回路减少到一个时，该子回路即可与上游的浆液主管路合并，在此情况下，该系统可以不设置子回 路，仅设置一个主回路。各子回路(或主回路)用于对晶片进行化学机械抛光处理，使用过 的浆液可由排泄口(图中未示出)排出，再由厂务系统的污水处理单元加以处理。图2中的 D表示去离子水的输入口，N表示氮气的输入口，这两个输入口各由一个阀门控制，即Vd与 \。1 4各子回路的入口处均可设置两个阀门，S卩Ia与lb、2a与2b、3a与3b以及4a与 4b。当阀门Vd与Vn其中之一打开时，如果开启阀门la，氮气或去离子水即可通过管路201 进入第一子回路，进行清洗或吹扫。当关闭阀门Ia后，打开Ib时，抛光浆液即可进入第一 子回路，随后实施化学机械抛光制程。阀门2a与2b、3a与3b和4a与4b以及管路201-204 的用途也与此类似。清洗后的去离子水和氮气可由上述的排泄口或单独设置的排泄口(图 中未示出)排出。 在以上的系统中，阀门Ia与lb、2a与2b、3a与3b以及4a与4b仅用于对各子回 路的清洗或吹扫进行单独的控制。因此，如果实际情况并不要求单独控制，这些阀门亦可省 略。在这种情况下，可以通过、与乂,来控制清洗或吹扫。例如，在关闭浆液阀门Vs的情况 下，打开Vn时，氮气进入各个子回路并进行吹扫；而打开Vd时，去离子水进入各子回路进行清洗。为了获得更好的清洗效果，在本实用新型的系统中，例如，可先使用去离子水来清 洗该浆液环路系统，再使用氮气来吹扫该浆液环路系统。换言之，在需要进行清洗时，先打 开Vd以进行清洗，清洗完毕后，关闭VD，再打开Vn以进行吹扫。在这种情况下，氮气可吹走管 壁上未被去离子水洗去的附着物(例如上文所说的边界层中及表面的附着物)，从而完成 整个管道的彻底清洗。同时，经过氮气吹扫后，整个管道中将不会残留去离子水，由此实现 了管道的干燥，这有利于后续而来的浆液保持既有的浓度，实现预定的化学机械抛光效果。为了节省空间及减少操作步骤，还可以将Vd与Vn合并成一个气密性的三通阀门 参见图3)。这样，通过一个阀门即可实现去离子水和氮气的转换。为了使上游的浆液主管路101也得到清洗，除了图2所示的实施方案之外，还可以 将去离子水和氮气主管路(清洗用流体主管路)205直接与浆液主管路101连通(例如在 阀门Vs的下游连通)。这样，即可省略图2中的管路201-204和阀门la、2a、3a和4a，并以 图2中的阀门lb、2b、3b和4b来控制子回路的浆液/去离子水或氮气的入口。具体地说，当 需要对子回路进行清洗时，例如，可以将阀门Vs关闭，然后打开Vd或VN，随后开启阀门lb、 2b、3b和4b。这样，去离子水或氮气就可以先后通过阀门Vd或Vn、去离子水和氮气主管路 205、浆液主管路101、阀门Ib、2b、3b和/或4b进入相应的子回路。另外，出于实际设备条件的考虑，也可以将图2中的清洗用流体主管路205分离成 去离子水主管路和氮气主管路，分别用于输送去离子水和氮气。这样，只需在子回路(主回 路)入口处增设相应的阀门即可此外，需要注意的是，图示的这些阀门仅给出了最简单的形式。本领域技术人员 完全可以根据实际情况选择其他能够实现上述功能的阀门，例如，为了实现全自动化，可以 设置电磁阀，由单独的控制装置来控制电磁阀；为了在潮湿环境下控制电磁阀，还可以加装 气动机构来控制电磁阀的开关。当然，除了控制输入口或入口的开启和关闭之外，这些阀门 也可以控制流体的流速，以达到所需要的效果。因此，阀门的形式显然不构成对这些实施方 案的限定。当然，为了实现本领域技术人员熟知的其他功能，也可在上述系统中增设其他阀门。对于氮气的来源，既可以是压缩氮气瓶，也可以直接来自厂务系统。所谓的厂务系 统是芯片工厂中用于集中供应、监控水电气等物料、能源的系统，其执行的功能包括一般 气体及特殊气体的供应及监控；超纯水的供应；中央化学品的供应；洁净室的温度和湿度 的维持；废水及废气的处理；电力、照明及冷却水的配合；洁净隔间及相关系统的支持；等 等。本领域技术人员均知晓此概念的具体含义，在此不作过多描述。本实用新型所用的去 离子水同样优选由厂务系统直接供应，即去离子水输入口与厂务系统的去离子水供应管连 通，且视情况设置或不设置阀门。这样，无需设置单独的水泵，而且可以省去移动式去离子 水供应装置的来回搬运和安装工作，由此可节省宝贵的运行时间和大量的人力。例如，在本 实用新型的系统中，去离子水清洗时间一般是0. 5小时至2小时，优选是1小时至1. 5小时； 氮气吹扫时间一般是20分钟至50分钟，优选是25分钟至45分钟，特别是30分钟至40分 钟。但在现有技术中，完成浆液环路系统的清洗从临时安装(加水、搬运和接驳等)到清洗 完毕一般需花费6小时。清洗意味着化学机械抛光机台需要停机，所以如果清洗时间过长， 将导致产率明显下降。由此可见，当采用本实用新型的系统时，产率可获得明显提升，而且 清洗效果也明显改善，这样又可以节省一定时间内需清洗的次数，从而可进一步提高产率。 而且，各个子回路内的抛光浆液不会夹杂管壁上的附着物，因而浆液不会刮伤有待抛光的 晶片。这样，可以明显减少抛光后晶片上的缺陷(例如刮痕、杂质颗粒等)。 此外，为了达到更好的清洗效果，所用的氮气的气压一般为50psi以上，优选 是60psi-80psi，即为厂务系统所供应的氮气的常规压力；所用的去离子水的水压一般为 25psi，可以是单独供应的，但优选是厂务系统直接供应的，即氮气输入口与厂务系统的氮 气供应管连通，且视情况设置或不设置阀门。本实用新型已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是 用于举例和说明的目的，而非意在将本实用新型限制于所描述的实施例范围内。此外本领 域技术人员可以理解的是，本实用新型并不局限于上述实施例，根据本实用新型的教导还 可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本实用新型所要求保护的范围以 内。本实用新型的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。
权利要求一种化学机械抛光浆液环路系统，其特征在于，该系统包括氮气输入口(N)、去离子水输入口(D)、化学机械抛光浆液输入口(S)、与所述化学机械抛光浆液输入口(S)连接而用于输送化学机械抛光浆液的浆液主管路(101)、与所述氮气输入口(N)和去离子水输入口(D)连接而用于输送去离子水和氮气的至少一个清洗用流体主管路(205)、设置在化学机械抛光浆液输入口(S)的至少一个阀门(Vs)和设置在所述氮气输入口(N)和所述去离子水输入口(D)的至少一个阀门。
2.根据权利要求1所述的化学机械抛光浆液环路系统，其特征在于，所述的设置在所 述氮气输入口(N)和所述去离子水输入口(D)的至少一个阀门是控制所述氮气输入口的阀 门(VN)和控制所述去离子水输入口的阀门(VD)，或用于同时控制所述氮气输入口和所述去 离子水输入口的一个三通阀门(VN/D)。
3.根据权利要求1或2所述的化学机械抛光浆液环路系统，其特征在于，该系统还包括 用于实施化学机械抛光制程的至少一个浆液子回路，所述至少一个浆液子回路与所述浆液 主管路(101)和/或所述清洗用流体主管路(205)连接。
4.根据权利要求3所述的化学机械抛光浆液环路系统，其特征在于，该系统还包括设 置在所述浆液子回路与所述浆液主管路(101)之间的至少一个阀门和设置在所述浆液子 回路与所述清洗用流体主管路(205)之间的至少一个阀门。
5.根据权利要求1所述的化学机械抛光浆液环路系统，其特征在于，所述氮气输入口 (N)与厂务系统的氮气供应管连通。
6.根据权利要求1所述的化学机械抛光浆液环路系统，其特征在于，所述去离子水输 入口(D)与厂务系统的去离子水供应管连通。
专利摘要本实用新型提供了一种清洗化学机械抛光浆液环路系统，该系统包括氮气输入口(N)、去离子水输入口(D)、化学机械抛光浆液输入口(S)、与所述化学机械抛光浆液输入口(S)连接而用于输送化学机械抛光浆液的浆液主管路(101)、与所述氮气输入口(N)和去离子水输入口(D)连接而用于输送去离子水和氮气的至少一个清洗用流体主管路(205)、设置在化学机械抛光浆液输入口(S)的至少一个阀门(Vs)和设置在所述氮气输入口(N)和所述去离子水输入口(D)的至少一个阀门。
文档编号B08B9/032GK201609869SQ20102003314
公开日2010年10月20日 申请日期2010年1月14日 优先权日2010年1月14日
发明者桂辉辉, 祝仲凯 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司