化学机械研磨元件、晶圆的研磨方法及晶圆研磨系统的制作方法

专利名称：化学机械研磨元件、晶圆的研磨方法及晶圆研磨系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体基材研磨设备，特别是涉及一种化学机械研磨(CMP)设 备，可进行面朝上的晶圆化学机械研磨工艺的化学机械研磨元件、晶圆的研磨方法及晶圆 研磨系统。
背景技术：
半导体集成电路工业历经快速成长。集成电路材料与设计上的科技进步已产生数 个世代，其中每个世代具有较前个世代小且更复杂的电路。然而，这些进步已增加处理与制 造集成电路的复杂度，且为实现这些进步，集成电路的处理与制造系统需要相似的发展。在集成电路的发展过程中，功能密度(即每晶片面积的互连元件的数量)通常已 增加，而几何尺寸[即利用一工艺可产生的最小构件(或线)]已减小。此尺寸缩减通常可 提供增加生产效率与降低相关成本的优势。这样的尺寸缩减也要求半导体制造与处理设备 的相关改进。随着电子产品的发展，半导体科技已广泛地应用来制造存储器、中央处理单元 (CPUs)、显示元件、发光二极管(LEDs)、激光二极管与其他元件或晶片组。为了实现高积集 度与高速度，已缩减半导体集成电路的尺寸，且已提出各种材料与技术来达到这些目标，并 克服制造过程中的障碍。由于半导体集成电路的高积集度，在基材上的半导体集成电路的 地形变得粗糙不平，而应将基材的表面予以平坦化或研磨，以利后续层的沉积。为了解决此 问题，已使用化学机械研磨(CMP)科技。为了本发明的目的，基材与晶圆等用语在本技术领 域中已为人所熟知，且在此可交换使用。传统上，化学机械研磨工艺已应用在面朝下的晶圆上。对于超低介电常数的化学 机械研磨工艺而言，在薄膜上需要低压力。不幸地，传统的化学机械研磨设备通常无法符合 这样在薄膜上的低压力的需求。此外，应用来研磨的下压力可能造成晶圆收缩，而在晶圆的表面上产生碟形缺陷 或不均勻/非平坦外形[非平坦百分比(non-u% )。而且，这样的基材收缩可能在晶圆上 引发侵蚀。与传统面朝下的晶圆处理有关的其他问题包含没有原位(in-situ)晶圆监视的 事实；无法进行晶圆的后化学机械研磨清洁(Post CMP Cleaning)；难以量测终点侦测 (Endpoint Detection ；EPD)；以及需要大量的研磨浆(例如研磨化合物)来散布并润湿研磨垫。因此，需要一种改进的化学机械研磨元件及应用这样的化学机械研磨元件的方 法，以解决上述问题。由此可见，上述现有的化学机械研磨工艺在方法与使用上，显然仍存在有不便与 缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解 决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品及方法又没有适切的结 构及方法能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新的化学机械研磨元件、晶圆的研磨方法及晶圆研磨系统，实属当前重要研发课题之一，亦成 为当前业界极需改进的目标。有鉴于上述现有的化学机械研磨工艺存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设 计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设 一种新的化学机械研磨元件、晶圆的研磨方法及晶圆研磨系统，能够改进一般现有的化学 机械研磨工艺，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经过反复试作样品及改进后， 终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有的化学机械研磨工艺存在的缺陷，而提供一种 新的化学机械研磨元件，所要解决的技术问题是使其可进行面朝上的晶圆的化学机械研磨 工艺。因此，可降低晶圆弯折，而可产生较佳的全域平坦度，进而可节省扫描机工艺窗时间， 非常适于实用。本发明的另一目的在于，克服现有的化学机械研磨工艺存在的缺陷，而提供一种 新的晶圆的研磨方法，所要解决的技术问题是使其缩减化学反应时间，而可缩减微影处理 的碟状化或侵蚀。此外由于晶圆为面朝上，因此有较简单的原位晶圆表面监控，而具有精确 研磨控制，从而更加适于实用。本发明的再一目的在于，克服现有的化学机械研磨工艺存在的缺陷，而提供一种 新的晶圆研磨系统，所要解决的技术问题是使其具有嵌入式清洁器，因此有较高的每小时 产出的晶圆片数处理速率，从而更加适于实用。本发明的还一目的在于，克服现有的化学机械研磨工艺存在的缺陷，而提供一种 新的晶圆研磨系统，所要解决的技术问题是使其提供精确的下压力负载元监控，从而更加 适于实用，且具有产业上的利用价值。本发明的另外还一目的在于，提供一种晶圆研磨系统，所要解决的技术问题是使 其具有较小表面积的环型研磨垫，而可降低研磨浆的使用，并使得溢流研磨浆可回收再利 用，从而更加适于实用。本发明的另外还一目的在于，提供一种晶圆研磨系统，所要解决的技术问题是使 其具有嵌入化学机械研磨平台的原位后化学机械研磨设备，因此可降低成本，从而更加适 于实用。本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出 的一种处理晶圆的化学机械研磨元件，其包括一板，以一面朝上方向支撑欲进行处理的该 晶圆；一研磨头，面对该板，其中该研磨头包含一可旋转研磨垫，当该研磨垫旋转时，该研磨 垫可操作来接触该晶圆；以及一研磨浆涂布系统，提供一研磨浆给该研磨垫来研磨该晶圆。本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。前述的化学机械研磨元件，其中所述的研磨浆涂布系统再循环该研磨浆。前述的化学机械研磨元件，其中所述的板支撑该晶圆旋转。前述的化学机械研磨元件，其更包含一研磨垫修整系统，以在该研磨垫藉由该研 磨头旋转时，修整该研磨垫。前述的化学机械研磨元件，其更包含一原位晶圆清洁元件，可在该板支撑该晶圆
5时，操作来清洁该晶圆。前述的化学机械研磨元件，其更包含一原位监控度量系统，可在该板支撑该晶圆 时，操作来监控该晶圆。前述的化学机械研磨元件，其中所述的研磨垫为环型。本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的 一种晶圆的研磨方法，其包括以一面朝上方向支撑欲进行处理的该晶圆于一板上；利用 一研磨头旋转一研磨垫，该研磨头与该板相对，其中当该研磨垫旋转时，该研磨垫与该晶圆 接触；以及提供一研磨浆给该研磨垫来研磨该晶圆。本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。前述的晶圆的研磨方法，其更包含循环该研磨浆。前述的晶圆的研磨方法，其更包含旋转该板。前述的晶圆的研磨方法，其更包含在该研磨垫藉由该研磨头旋转时，修整该研磨垫。前述的晶圆的研磨方法，其更包含当该板支撑该晶圆时，原位清洁该晶圆。前述的晶圆的研磨方法，其更包含当该板支撑该晶圆时，原位监控该晶圆。前述的晶圆的研磨方法，其更包含当该板支撑该晶圆时，将热传送至该晶圆或将 热传送出该晶圆。本发明的目的及解决其技术问题另外再采用以下技术方案来实现。依据本发明提 出的一种晶圆研磨系统，其包括一板，以一面朝上方向支撑欲进行处理的该晶圆；一研磨 头，面对该板，其中该研磨头包含环状且设有沟槽的一研磨垫，当该研磨垫旋转时，该研磨 垫可操作来接触该晶圆；以及一循环研磨浆涂布系统，用以提供一研磨浆给该研磨垫来研 磨该晶圆。本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。前述的晶圆研磨系统，其中所述的循环研磨浆涂布系统藉由获得过量的该研磨浆 与将所获得的该研磨浆抽回该研磨垫的方式循环该研磨浆。前述的晶圆研磨系统，其中所述的支撑该晶圆的该板相对于该研磨头移动。前述的晶圆研磨系统，其更包含一研磨垫修整系统，以在该研磨垫旋转时，利用一 钻石碟修整该研磨垫。前述的晶圆研磨系统，其更包含一晶圆清洁元件，可在该板支撑该晶圆时，操作 来清洁与干燥该晶圆。前述的晶圆研磨系统，其更包含一闭路下压力控制系统，以即时调整该研磨垫在 该晶圆上的压力。本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上可知，为达到上述目 的，本发明提供了一种处理晶圆的化学机械研磨元件。一实施例包含一板，以面朝上的方 向支撑欲进行处理的晶圆；一研磨头，面对此板，其中研磨头包含可旋转的研磨垫，当此研 磨垫旋转时，此研磨垫可操作来接触晶圆；以及一研磨浆涂布系统，提供研磨浆给研磨垫来 研磨晶圆。在一实施例中，提供一种晶圆的研磨方法，包含以面朝上的方向支撑欲进行处理 的晶圆于一板上；利用研磨头旋转研磨垫，此研磨头与前述的板相对，其中当研磨垫旋转时，研磨垫与晶圆接触；以及提供研磨浆给研磨垫，来研磨晶圆。借由上述技术方案，本发明化学机械研磨元件、晶圆的研磨方法及晶圆研磨系统 至少具有下列优点及有益效果1、应用本发明的化学机械研磨元件，可进行面朝上的晶圆的化学机械研磨工艺； 因此，可降低晶圆弯折，而可产生较佳的全域平坦度，进而可节省扫描机工艺窗时间，非常 适于实用。2、本发明新的晶圆的研磨方法，缩减化学反应时间，而可缩减微影处理的碟状化 或侵蚀。此外由于晶圆为面朝上，因此有较简单的原位晶圆表面监控，而具有精确研磨控 制，从而更加适于实用。3、本发明新的晶圆研磨系统，使其具有嵌入式清洁器，因此有较高的每小时产出 的晶圆片数处理速率，并提供精确的下压力负载元监控，从而更加适于实用，且具有产业上 的利用价值。4、本发明的晶圆研磨系统，具有较小表面积的环型研磨垫，而可降低研磨浆的使 用，并使得溢流研磨浆可回收再利用，并且还具有嵌入化学机械研磨平台的原位后化学机 械研磨设备，因此可降低成本从而更加适于实用。综上所述，本发明是有关于一种化学机械研磨元件、晶圆的研磨方法及晶圆研磨 系统，其中一种处理晶圆的化学机械研磨(CMP)元件，包含一板，以面朝上方向支撑欲进行 处理的晶圆；一研磨头，面对此板，其中研磨头包含可旋转的研磨垫，当研磨垫旋转时，研磨 垫可操作来接触晶圆；以及一研磨浆涂布系统，提供研磨浆给研磨垫来研磨晶圆。本发明在 技术上有显著的进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够 更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。


图IA至图IE为面朝上化学机械研磨处理设备的一实施例的各种视图。图2A与图2B绘示图IA至图IE的化学机械研磨处理设备的研磨浆传送系统的数 个实施例的各种视图。图3A与图3B绘示与图IA至图IE的化学机械研磨处理设备一起使用的研磨垫的 数个实施例的各种视图。图4绘示闭路控制系统的一实施例，其中闭路控制系统用于利用图IA至图IE的 化学机械研磨处理设备的面朝上晶圆处理的原位下压力监控。图5绘示利用图IA至图IE的化学机械研磨处理设备的一种嵌入式化学机械研磨 晶圆清洁设备的实施例。图6绘示一种系统的一实施例，其中此系统用于在使用图IA至图IE的化学机械 研磨处理系统的化学机械研磨处理期间的原位晶圆厚度/折射系数(RI)Ai与k监控。图7绘示一种晶圆背面温度控制系统的一实施例，其中晶圆背面温度控制系统处 理使用图IA至图IE的设备的晶圆。图8绘示一种双环研磨器的示意图，此双环研磨器可与图IA至图IE的化学机械研磨处理设备一起应用。
200系统202 晶圆支撑板
204 研磨头206 轴
208上表面210 研磨垫
2IOA 研磨/处理垫2IOB 研磨/处理垫
211轴212 涂布系统
214 研磨浆杯216 溢流槽
218狭缝220 钻石碟
222轴224 研磨垫冲洗喷
225导管嘴226泵
228 研磨垫230散布沟槽
232角背墙235系统
236 研磨区238负载元
240空气控制汽缸242压力控制器
244压力换能器246晶圆清洁设备
248清洁刷250清洁化学物施放器
252清洁烘干机254原位监控度量系统
257晶圆温度控制系统258热交换器
260热交换器262液体线
264 研磨器
具体实施例方式为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合 附图及较佳实施例，对依据本发明提出的化学机械研磨元件、晶圆的研磨方法及晶圆研磨 系统)其具体实施方式
、结构、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实 施例的详细说明中将可清楚的呈现。为了方便说明，在以下的实施例中，相同的元件以相同 的编号表示。本发明有关于一种半导体基材研磨设备，且在许多实施例中，更特别的是有关于 一种化学机械研磨(CMP)设备，可进行面朝上的晶圆化学机械研磨工艺。示范实施例的说明辅以所附图式进行阐述，所附图式视为完整文字说明的一部 分。在此说明中，相对用语，例如“较低”、“较高”、“水平的”、“垂直的”、“上方”、“下方”、“上”、 “下”、“顶部”与“底部”以及其衍生词(例如“水平地”、“向下地”、“向上地”等等)应视为 与随后所述或目前所讨论的图式中所示的方位有关。这些相对用语用以方便说明，而并非 要求设备以特殊方位来进行建构或操作。可了解的是，以下的发明提供许多不同的实施例或例子，以执行本发明的不同特 征。以下所述的构件与安排的特定例子用以简化本发明。当然，这些特定例子仅是说明例 子，并非所欲的限制。举例而言，在叙述中，第一特征形成于第二特征之上或上所产生的结 果可包含第一与第二特征以直接接触的方式形成的实施例；或者亦可包含额外特征可能形成在介于第一与第二特征之间的实施例，如此一来第一与第二特征可能不会直接接触。此 外，本发明可能会在各例子中重复参考数字及/或文字。这样的重复基于简单与清楚的目 的，以其本身而言并非用以指定所讨论的各实施例及/或配置之间的关系。本发明的实施例有关于晶圆面朝上的处理，包含研磨；以及可提供面朝上的研磨 的研磨浆传送系统、环型研磨垫、晶圆面朝上的监控的原位度量设备、以及利用化学喷嘴与 刷子之后化学机械研磨清洁。请参照图IA至图8，以下共同地描述设备及应用这些设备的方法。可了解的是， 可在这些方法之前、其间及/或之后提供另外的步骤，且对于本方法的另外的实施例，可取 代或减少以下所述的一些步骤。可更进一步了解的是，对于设备的另一些实施例，可将额外 的特征加入设备中，且以下所述的特征可被取代或减少。设备与其应用方法的实施例提供 先进科技的化学机械研磨工艺，特别处理低介电常数晶圆的低压力。改善可能实现在晶圆 均勻度(U% )、平坦度、碟状化、侵蚀、研磨终点检测、原位晶圆检测以及研磨晶圆时研磨浆 /研磨垫的简省。图IA至图IE绘示晶圆面朝上的化学机械研磨处理系统200的一实施例的各种视 图。图IA为化学机械研磨处理系统200的等角视图。图IB绘示图IA的化学机械研磨处理 系统200的切面图。化学机械研磨处理系统200可用来处理半导体基材晶圆。在一实施例 中，系统200用来研磨晶圆。系统200包含但不限于晶圆支撑板202与相对的研磨头204。 在一实施例中，晶圆支撑板202为一硬板，且可操作来支撑将在晶圆支撑板202的上表面 208上进行处理的晶圆。藉由使用硬式的晶圆支撑板202，晶圆保持平直，以减少晶圆弯曲 所造成的碟状侵蚀。上表面208可包含高摩擦系数，以防止晶圆在处理时滑行。晶圆支撑 板202可在化学机械研磨处理过程中绕着轴206旋转。研磨头204包含环绕研磨头204的 外部的盘状物，以抓住研磨垫210。在一实施例中，研磨垫210为环型且沿着研磨头204的 下部。然而，可考虑其他形状的研磨垫210。在晶圆的研磨期间，研磨垫210与晶圆支撑板 202上的晶圆接触。在操作期间，研磨头204与研磨垫210绕着轴211旋转。在研磨期间， 晶圆支撑板202与研磨头204可环绕其各自的轴206与211的任一方向旋转，且可以相同 方向及/或以相反方向旋转。晶圆支撑板202与研磨垫204可以任何速度旋转，包含高或 低速度。图IC绘示与研磨垫研磨浆涂布系统212耦合的化学机械研磨处理系统200的切 面图。研磨浆涂布系统212包含研磨浆杯214与溢流槽(Overf IowTank) 216。而且，如图 2B所示，溢流槽216可包含研磨垫狭缝218，此研磨垫狭缝218可供研磨垫210在研磨头 204上旋转期间通过。当研磨垫210旋转通过研磨垫狭缝218时，此狭缝218可或可不与研 磨垫210接触。若研磨垫210接触溢流槽216中的狭缝218，狭缝218可充当橡胶清洁器 (Squeegee)来清掉研磨垫210的过量研磨浆。在此技术领域中，研磨浆一般已知为具有悬 浮研磨成分的液体，悬浮研磨成分用来拍击、研磨与磨碾表面。图IE绘示利用研磨浆涂布系统212与化学机械研磨处理系统200的旋转研磨次 序的线性方块图，其旋转视图绘示于图ID中。当研磨垫210在研磨头204上旋转时，将研 磨浆向上抽入研磨浆杯214中。如此，研磨浆向上推进，直至研磨浆接触到研磨垫210。研 磨垫210随着研磨头204而环绕轴211，且朝向晶圆支撑板202的上表面208上的将进行 研磨的晶圆来转动。在带有研磨浆的研磨垫210接触晶圆后，研磨垫210通常具有来自晶圆的磨损粒子，而须将这些磨损粒子自研磨垫210上清除。因此，在研磨垫210从晶圆通过 后，研磨垫210与研磨垫修整系统(Conditioning System)的钻石碟220接触，以修整研磨 垫210。利用钻石碟220所进行的研磨垫210修整可随着研磨垫210的旋转而持续不断地 进行，或者研磨垫210的修整可依所需而为间歇性进行，以将研磨垫210保持在良好状态来 研磨晶圆。此外，钻石碟220可绕着轴222旋转，因此研磨垫210的不同部分与钻石碟220 的不同部分接触，来修整研磨垫210。接着，在持续旋转的状态下，研磨垫210通过溢流槽 216中的研磨垫狭缝218的最前面。在一实施例中，溢流槽216具有一或多个研磨垫冲洗喷 嘴224。研磨垫冲洗喷嘴224朝研磨垫210喷射液体(例如，研磨浆、水、空气、溶剂、清洁剂 或任何其他适合的液体)，以帮助自研磨垫210上冲掉任何外来材料，例如来自晶圆的磨损 粒子，并藉以防止研磨垫210被外来材料阻塞。研磨垫狭缝218的应用可允许研磨垫冲洗 喷嘴224喷射液体于研磨垫210，而不会浪费液体。换句话说，当研磨垫210于溢流槽216 中，偏离的液体掉回溢流槽216中，以供重复利用。由液体所洗掉的外来材料可能沉淀而脱 离液体、及/或可利用过滤系统过滤而脱离液体。接着，研磨垫210再次通过研磨浆杯214 的上方，而被供以研磨浆，接下来离开狭缝218而回到晶圆来进行研磨。随着研磨头204与 研磨垫210的转动，在晶圆的研磨期间，此程序本身重复进行。在一替代实施例中，可考虑 的是，一或多个导管225可提供研磨浆、研磨化合物或其他流体给研磨头204及/或研磨垫 210。图2A与图2B绘示化学机械研磨处理系统200的研磨浆溢流传送/涂布系统212 的实施例。泵226将研磨浆自溢流槽216抽取至研磨浆杯214。泵226可位于溢流槽216 之内或之外、或位于研磨浆杯214内。此外，泵226可供应液体给图ID与图IE所示的研磨 垫冲洗喷嘴224。当研磨浆向上抽送时，研磨浆会填充至研磨浆杯214的顶部。一些研磨浆 会突出于研磨浆杯214的顶部，并接触研磨垫210。如同以上关于图1C、图ID与图IE所作 的描述，研磨垫210接收一些研磨浆，并将研磨浆带至将进行研磨的晶圆。然而，可抽取比 研磨垫210可使用的量还要多的研磨浆至研磨浆杯214，因此过量的研磨浆将会从研磨浆 杯214掉回溢流槽216，并透过泵226而再回收或再循环至研磨浆杯214。如同上述，可过 滤研磨浆或其他液体(未绘示)。研磨浆的回收再利用提供一较高的研磨浆利用率(较少 浪费)，并引起研磨浆的活动，以降低研磨浆管道的无效区(Dead Zones) 0在一实施例中， 可藉由增加下压力指示系统与藉由增加研磨浆传送系统的方式，来修改晶圆/陶瓷/蓝宝 石薄化机台，以提供晶圆的研磨。在一实施例中，利用研磨浆溢流来冲洗研磨垫。可藉由所 使用的泵226与研磨浆溢流区关于研磨浆杯214之量，来控制研磨浆流量。图3A与图3B分别绘示研磨垫228的一实施例的下视图与剖面图，其中研磨垫228 可与化学机械研磨处理系统200 —起使用。此研磨垫228可与上述的研磨垫210交换。研 磨垫228包含数个散布沟槽230位于研磨垫228的下表面，以接收并容纳研磨浆，直至研磨 垫228可传送至晶圆来研磨晶圆。当装设在研磨头204的研磨垫118在研磨浆杯214上 方旋转时，散布沟槽230接收研磨浆杯214上方的研磨浆。散布沟槽230可配置有角背墙 (Angular Back wall) 232。角背墙232经塑型，因此当研磨垫228以高速旋转时，施加在研 磨垫228上的离心力将留住研磨浆，以传送至晶圆来进行研磨。接着，当研磨垫228接触晶 圆时，由于研磨垫228的表面为软性或者弯曲，因此研磨垫228上的研磨头204向下施加在 晶圆的压力造成研磨浆接触晶圆且摩擦晶圆，来研磨晶圆。当研磨垫227旋转时，钻石碟220与研磨垫冲洗喷嘴224可清洁与修整研磨垫，包含散布沟槽230，如同以上关于图ID与 图IE所作的描述。图4绘示闭路控制系统235的一实施例，其中闭路控制系统235用于利用化学机 械研磨处理系统200的面朝上晶圆处理/研磨的原位下压力监控。系统235在晶圆的研磨 期间监控施加在晶圆上的下压力。如此一来，压力与下压力可获得较佳控制，以缩减因损伤 而造成的晶圆损失，特别是低介电常数元件。如图4所示，研磨区236可位于晶圆中央上、 晶圆的1/2半径上、或晶圆的边缘上。此外，研磨区236可位于欲进行研磨的晶圆的任何点 上。若使用非环型的研磨垫，晶圆的绝大部分或全部可能受到研磨。为了改变研磨区236， 晶圆支撑板202及/或研磨头204可相对于彼此而移动。在系统235的一实施例中，负载 元(Load Cell) 238与晶圆支撑板202组合在一起。负载元238可位于晶圆支撑板202的 上表面208上、或者可位于任何关于晶圆支撑板202之处，因此负载元238或复数个负载元 (未绘示)接收施加在晶圆上的力/压力，其中此力/压力藉由空气控制汽缸240下压在 研磨头204上，且转而下压在研磨垫210上，进而施加在晶圆上。压力控制器242接收来自 负载元238的有关施加在晶圆的下压力的讯号。压力控制器242解读来自负载元238的讯 号，并传送一讯号至压力换能器244，以显示应由空气控制汽缸240所施加的力的总量。负 载元238提供即时的反馈，以在研磨期间控制晶圆上的下压力。如此，可调整晶圆位移与下 压力的从中央至边缘的均勻度(U%)。此有助于避免晶圆上的薄膜剥落或破裂。图5绘示利用化学机械研磨处理系统200的一种嵌入式化学机械研磨晶圆清洁设 备246的实施例。晶圆清洁设备246可应用来作为原位元件，以在研磨或其他处理后清洁 晶圆。晶圆清洁设备246的一实施例包含清洁刷248、清洁化学物施放器250、及/或后清 洁烘干机252。因此，当晶圆在晶圆支撑板202的上表面208上旋转时，可擦拂晶圆(以移 除较大的粒子)，且以清洁液体清洗晶圆，再干燥晶圆。可操作清洁刷248、清洁化学物施放 器250、及/或后清洁烘干机252，使其上下移动且相对于晶圆移入或移出，以集中清洁于 晶圆的所需的一或多个区域。此外，清洁化学物施放器250及/或后清洁烘干机252可包 含一或多个喷嘴，以依所需来调整清洁液体及/或干燥空气的喷射。清洁刷248应由不会 损伤晶圆的材料所制成。此外，可在晶圆支撑板202上以高速度旋转晶圆，以「旋干」晶圆。 晶圆清洁设备246的使用将可透过缩减每小时产出的晶圆片数(wPH)的成本，而有利于晶 圆的生产，其中缩减每小时产出的晶圆片数的成本藉由降低于独立的清洁元件上的二次操 作、以及藉由缩短清洁晶圆的后化学机械研磨等待时间的方式图6绘示原位监控度量系统254的一实施例，其中原位监控度量系统254用于在 使用化学机械研磨处理系统200的化学机械研磨处理期间的原位晶圆厚度/折射率(Index of Refraction, RI/η)与消光系数(ExtinctionCoefficient, k)的监控。将了解的一点 是，原位通常关于在一工艺反应器中的数个操作，度量通常关于数个测量，因此一原位监控 度量系统为一系统，其可操作来测量在一工艺反应器中的数个项目。在晶圆制作期间，监控 数个晶圆的厚度的数个系统在此技术领域中已广为人知，但这些系统需要二次操作与二次 元件来进行监控。应用化学机械研磨处理系统200时，监控配备，例如光源、透镜配件及/ 或光谱仪，可原位地结合至化学机械研磨处理系统200中，因此可节省成本与处理时间。在 一实施例中，原位监控度量系统254利用数个样本的光常数来测量单一与多层堆迭、以及 独立薄膜的层结构。
图7绘示晶圆温度控制系统257的一实施例，其中晶圆温度控制系统257在使用 化学机械研磨处理系统200的处理期间控制晶圆的温度。在一实施例中，线圈或其他形式 的热交换器258与晶圆支撑板202耦合，并与晶圆交接，以传送热至晶圆或从晶圆传送热。 在一实施例中，热交换器258直接放置在晶圆下。然而，热交换器258无须直接接触晶圆，只 要在介于热交换器与晶圆之间的任何事物可允许热在热交换器与晶圆之间传送。热交换器 258所传送的热或从热交换器258所吸收的热藉由液体线262而传送至第二热交换器260。 在热交换器258与260之间的热传送可利用任何种类热交换器来进行。图8绘示双环研磨器264的示意图，此双环研磨器264可与化学机械研磨处理系 统200 —起应用。如图8所示，双环研磨器264包含二个研磨/处理垫210A与210B。任 意数量的处理/研磨垫210可与研磨器264的数个实施例一起应用。在一实施例中，一垫 (例如研磨/处理垫210A)可用来薄化晶圆，一垫(例如研磨/处理垫210B)可用来研磨晶 圆。在一实施例中，一垫(例如研磨/处理垫210A)可用来初步研磨晶圆，而一垫(例如研 磨/处理垫210B)可用来精细研磨晶圆。在一实施例中，可能需要具有不同研磨垫210选 择性的混合层晶圆。在另一实施例中，一垫(例如研磨/处理垫210A)可提供原位晶圆清 洁，而另一垫(例如研磨/处理垫210B)可提供原位晶圆研磨。复数个研磨垫210可同时 在晶圆上操作，但并不需要这样做。亦应注意的一点是，多个研磨浆杯元件(例如研磨浆杯 214)可与化学机械研磨处理系统一起使用。在此技术领域中具有通常知识者应可轻易地了解上述的特征，包含但不限于超 低介电常数晶圆研磨的超低下压力与快速的旋转速度；降低传统膜/护环研磨的晶圆弯 折，而可产生较佳的全域平坦度，进而可节省扫描机工艺窗时间；缩减化学反应时间，而可 缩减微影处理的碟状化或侵蚀；由于晶圆为面朝上，因此有较简单的原位晶圆表面监控； 由于嵌入式清洁器，因此有较高的每小时产出的晶圆片数处理速率；具有较小表面积的环 型研磨垫，而可降低研磨浆的使用，并使得溢流研磨浆可回收再利用；下压力的精确负载元 监控；在研磨期间的原位晶圆厚度、折射率η与消光系数k的监控，而具有精确研磨控制； 因嵌入化学机械研磨平台的原位后化学机械研磨设备，而可降低成本；超音波控制的处理 与温度控制的处理。在此技术领域中具有通常知识者也应可轻易地了解上述可应用于所有 尺寸的晶圆，包含450微米(mm)的晶圆。上述已概述数个实施例的特征，因此熟习此技艺者可更了解本发明的目的。熟悉 此技艺者应了解到，其可轻易地利用本发明作为基础，来设计或润饰其他工艺与结构，以实 现相同的目的及/或达到与在此所介绍的实施例相同的优点。熟悉此技艺者也应了解到， 这类对等架构并未脱离本发明的精神和范围，且熟悉此技艺者可在不脱离本发明的精神和 范围下，进行各种的更动、取代与润饰。从上述结合所附图式所作的详细描述，可对本发明有更佳的了解。需强调的是，根 据业界的标准实务，各特征并未依比例绘示，且目的仅用以说明。事实上，为了使讨论更为 清楚，各特征的数量及尺寸都可任意地增加或减少。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽 然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人 员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更 动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的
12技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案 的范围内。
权利要求
一种处理晶圆的化学机械研磨元件，其特征在于其包括一板，以一面朝上方向支撑欲进行处理的该晶圆；一研磨头，面对该板，其中该研磨头包含一可旋转研磨垫，当该研磨垫旋转时，该研磨垫可操作来接触该晶圆；以及一研磨浆涂布系统，提供一研磨浆给该研磨垫来研磨该晶圆。
2.根据权利要求1所述的化学机械研磨元件，其特征在于其中所述的研磨浆涂布系统 再循环该研磨浆。
3.根据权利要求1所述的化学机械研磨元件，其特征在于其中所述的板支撑该晶圆旋转。
4.根据权利要求1所述的化学机械研磨元件，其特征在于其更包含一研磨垫修整系 统，以在该研磨垫藉由该研磨头旋转时，修整该研磨垫。
5.根据权利要求1所述的化学机械研磨元件，其特征在于其更包含一原位晶圆清洁 元件，可在该板支撑该晶圆时，操作来清洁该晶圆。
6.根据权利要求1所述的化学机械研磨元件，其特征在于其更包含一原位监控度量 系统，可在该板支撑该晶圆时，操作来监控该晶圆。
7.根据权利要求1所述的化学机械研磨元件，其特征在于其中所述的研磨垫为环型。
8.一种晶圆的研磨方法，其特征在于其包括以一面朝上方向支撑欲进行处理的该晶圆于一板上；利用一研磨头旋转一研磨垫，该研磨头与该板相对，其中当该研磨垫旋转时，该研磨垫 与该晶圆接触；以及提供一研磨浆给该研磨垫来研磨该晶圆。
9.根据权利要求8所述的晶圆的研磨方法，其特征在于其更包含循环该研磨浆。
10.根据权利要求8所述的晶圆的研磨方法，其特征在于其更包含旋转该板。
11.根据权利要求8所述的晶圆的研磨方法，其特征在于其更包含在该研磨垫藉由该 研磨头旋转时，修整该研磨垫。
12.根据权利要求8所述的晶圆的研磨方法，其特征在于其更包含当该板支撑该晶圆 时，原位清洁该晶圆。
13.根据权利要求8所述的晶圆的研磨方法，其特征在于其更包含当该板支撑该晶圆 时，原位监控该晶圆。
14.根据权利要求8所述的晶圆的研磨方法，其特征在于其更包含当该板支撑该晶圆 时，将热传送至该晶圆或将热传送出该晶圆。
15.一种晶圆研磨系统，其特征在于其包括一板，以一面朝上方向支撑欲进行处理的该晶圆；一研磨头，面对该板，其中该研磨头包含环状且设有沟槽的一研磨垫，当该研磨垫旋转 时，该研磨垫可操作来接触该晶圆；以及一循环研磨浆涂布系统，用以提供一研磨浆给该研磨垫来研磨该晶圆。
16.根据权利要求15所述的晶圆研磨系统，其特征在于其中所述的循环研磨浆涂布系 统藉由获得过量的该研磨浆与将所获得的该研磨浆抽回该研磨垫的方式循环该研磨浆。
17.根据权利要求15所述的晶圆研磨系统，其特征在于其中所述的支撑该晶圆的该板相对于该研磨头移动。
18.根据权利要求15所述的晶圆研磨系统，其特征在于其更包含一研磨垫修整系统， 以在该研磨垫旋转时，利用一钻石碟修整该研磨垫。
19.根据权利要求15所述的晶圆研磨系统，其特征在于其更包含一晶圆清洁元件，可 在该板支撑该晶圆时，操作来清洁与干燥该晶圆。
20.根据权利要求15所述的晶圆研磨系统，其特征在于其更包含一闭路下压力控制 系统，以即时调整该研磨垫在该晶圆上的压力。
全文摘要
本发明是有关于一种化学机械研磨元件、晶圆的研磨方法及晶圆研磨系统，其中一种处理晶圆的化学机械研磨(CMP)元件，包含一板，以面朝上方向支撑欲进行处理的晶圆；一研磨头，面对此板，其中研磨头包含可旋转的研磨垫，当研磨垫旋转时，研磨垫可操作来接触晶圆；以及一研磨浆涂布系统，提供研磨浆给研磨垫来研磨晶圆。应用本发明可进行面朝上的晶圆的化学机械研磨工艺；因此可降低晶圆弯折，而可产生较佳的全域平坦度，进而可节省扫描机工艺窗时间，并且可缩减化学反应时间，而可缩减微影处理的碟状化或侵蚀。此外由于晶圆为面朝上，因此有较简单的原位晶圆表面监控，而具有精确研磨控制，从而更加适于实用。
文档编号B24B57/02GK101879700SQ20091017987
公开日2010年11月10日 申请日期2009年10月16日 优先权日2009年5月7日
发明者余振华, 林俞良, 汪青蓉, 黄见翎 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司