一种用于化学机械抛光的供液装置、修整装置及抛光单元的制作方法

1.本实用新型属于化学机械抛光技术领域，具体而言，涉及一种用于化学机械抛光的供液装置、修整装置及抛光单元。


背景技术：

2.化学机械抛光(chemical mechanical polishing,cmp)是一种全局平坦化的超精密表面加工技术。化学机械抛光通常将晶圆吸合于承载头的底面，晶圆具有沉积层的一面抵压于抛光垫上表面，承载头在驱动组件的致动下与抛光垫同向旋转并给予晶圆向下的载荷；同时，抛光液供给于抛光垫的上表面并分布在晶圆与抛光垫之间，使得晶圆在化学和机械的共同作用下完成晶圆的化学机械抛光。
3.抛光过程中，用于修整抛光垫的修整装置、供给抛光液的供给装置以及承载头等部件都需要定期保湿或冲洗，以防止抛光作业形成的溅落物附着于抛光零部件的外表面而结晶，这些结晶容易掉落至抛光垫表面而致使抛光垫或晶圆划伤。
4.为避免抛光垫或晶圆被掉落的结晶划伤，现有技术通常为抛光单元配置定期保湿或冲洗装置，其可以避免清洗液飞溅至抛光盘上而提升抛光质量。即在护盖的上方设置一根喷淋杆或一排喷嘴，以从上向下淋水或喷水，进而对抛光零部件进行充分保湿。但上述技术方案也存在一些不足：首先，在抛光单元内部新增喷淋杆和/或喷嘴组件，其自身可能无法保湿，极易在喷淋杆和/或喷嘴组件表面形成结晶；其次，喷淋杆及喷嘴组件的出水孔尺寸较小，容易堵塞而影响正常保湿效果；并且出水孔的垂直度、出水孔的位置精度、喷淋杆及喷嘴组件的安装精度都要求很高，常规加工方法无法满足加工要求；此外，喷淋杆及喷嘴组件有一定的长度，流体需要从进水口流经所有的出水孔或者喷嘴，流体先后通过喷淋杆的各个位置，这会导致出水孔或喷嘴出水不均匀，距离进水口近端的出水量大，远端的出水量小，进而影响保湿面的均匀覆盖。
5.此外，随着工艺制程的下移，出现7nm、5nm甚至3nm制程工艺，这对抛光环境提出更高的要求；抛光单元的零部件表面附着颗粒物数量需要严苛控制，以避免颗粒物结晶而带来晶圆划伤缺陷。


技术实现要素：

6.本实用新型旨在至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。
7.为此，本实用新型实施例的第一方面提供了一种用于化学机械抛光的供液装置，其包括供液基座和供液臂，所述供液臂的一端转动连接于所述供液基座，其另一端配置有朝向下侧的供液管；所述供液臂的上部配置有防护件，所述防护件具有溢流结构，以在防护件顶面的至少部分区域形成液膜。
8.在一些实施例中，所述溢流结构朝向所述防护件的顶部设置，溢流结构形成的液膜由高向低覆盖防护件的至少部分顶面。
9.在一些实施例中，所述溢流结构包括溢流槽和延展槽，所述溢流槽沿所述防护件
的长度方向设置，所述延展槽与所述溢流槽相连通并位于所述防护件的端部。
10.在一些实施例中，所述延展槽沿所述防护件的端面轮廓设置，延长槽的深度小于或等于溢流槽的深度。
11.在一些实施例中，所述溢流结构还包括进液孔和流体孔道，所述进液孔设置于所述防护件的端部并与流体孔道相连通；所述溢流槽位于所述流体孔道的上方。
12.在一些实施例中，所述溢流槽的纵向剖面为上宽下窄的梯形，溢流槽的侧面朝向外侧倾斜，相邻侧面形成的倾斜角为10-60
°
。
13.在一些实施例中，所述溢流结构包括溢流孔、进液孔及流体孔道，设置于防护件端部的进液孔与流体孔道相连通，所述溢流孔自流体孔道的内侧壁向外延伸至防护件的顶面。
14.此外，本实用新型还公开了一种用于化学机械抛光的修整装置，其包括修整基座和修整臂，所述修整臂的一端转动连接于所述修整基座，其另一端配置有修整部；所述修整臂的上部配置有防护件，所述防护件具有溢流结构，以在防护件顶面的至少部分区域形成液膜。
15.作为优选实施例，所述溢流结构朝向所述防护件的顶部设置，形成的液膜由高向低覆盖防护件的顶面；所述溢流结构包括溢流槽和延展槽，所述溢流槽沿所述防护件的长度方向设置，所述延展槽与所述溢流槽相连通并位于所述防护件的端部。
16.此外，本实用新型实施例的第二方面还提供了一种化学机械抛光单元，其包括抛光盘和承载头，还包括上面所述的供液装置和/或上面所述的修整装置。
17.本实用新型的有益效果包括：供液装置及修整装置上侧的防护件设置溢流结构，无需新增清洁保湿的零部件，有效保证供液装置及修整装置的清洁及保湿，同时节省作业空间；采用溢流原理进行清洁保湿，避免传统方式中的流体喷射反溅问题，有效提升供液装置及修整装置的防护效果；此外，防护件的溢流槽尺寸较大，有效降低防护件的加工精度及安装精度，有利于控制化学机械抛光设备的制造成本。
附图说明
18.通过结合以下附图所作的详细描述，本实用新型的优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本实用新型的保护范围，其中：
19.图1是本实用新型一实施例提供的用于化学机械抛光的供液装置的示意图；
20.图2是本实用新型一实施例提供的防护件的结构示意图；
21.图3是本实用新型一实施例提供的防护件的纵向剖视图；
22.图4是本实用新型一实施例提供的纵向截面为梯形的防护件的示意图；
23.图5是本实用新型一实施例提供的端部配置有延展槽的防护件的示意图；
24.图6是图5中a处的结构示意图；
25.图7是图5中b处的结构示意图；
26.图8是本实用新型一实施例提供的配置有溢流孔的防护件的示意图；
27.图9是图8所示防护件的纵向剖视图；
28.图10是本实用新型一实施例提供的配置有溢流孔的防护件的示意图；
29.图11是本实用新型又一实施例提供的配置有溢流孔的防护件的示意图；
30.图12是本实用新型一实施例提供的配置有溢流槽及溢流孔的防护件的纵向剖视图；
31.图13是本实用新型一实施例提供的用于化学机械抛光的修整装置的示意图；
32.图14是本实用新型一实施例提供的化学机械抛光单元的示意图。
具体实施方式
33.下面结合具体实施例及其附图，对本实用新型所述技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本实用新型的特定的具体实施方式，用于说明本实用新型的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本实用新型实施方式及本实用新型保护范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本技术权利要求书及其说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
34.本说明书的附图为示意图，辅助说明本实用新型的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。应当理解的是，为了便于清楚地表现出本实用新型实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制，相同的参考标记用于表示附图中相同的部分。
35.在本实用新型中，“化学机械抛光(chemical mechanical polishing,cmp)”也称为“化学机械平坦化(chemical mechanical planarization,cmp)”，晶圆(wafer,w)也称基板(substrate)，其含义和实际作用等同。
36.图1是本实用新型提供的用于化学机械抛光的供液装置100的示意图，供液装置100包括供液基座110和供液臂120，供液臂120的一端转动连接于供液基座110，其另一端配置有朝向下侧的供液管(未示出)。通常，供液基座110设置于抛光盘的外侧，在需要供给抛光液时，供液臂120绕供液基座110旋转，使得供液管位于抛光盘上的抛光垫上方的设定位置，以实现抛光液的供给。
37.图1中，供液装置100还包括防护件10，防护件10罩设于供液臂120上，其能够在一定程度上防止抛光过程中的抛光液直接溅射至供液装置100配置的零部件而影响抛光液的正常供应。
38.为了防止抛光过程中的液体、颗粒及其混合物在防护件10的表面结晶，现有的方案是为供液装置100配置清洗液喷射装置，但该清洗液喷射装置自身可能无法保湿，极易在清洗液喷射装置表面形成结晶，此外，清洗液喷射装置可能为喷淋杆及喷嘴组件，其上的出水孔尺寸较小，容易堵塞而影响正常保湿效果。
39.为在一定程度上解决现有方案存在的问题，本实用新型的防护件10还配置有图1示出的溢流结构20，溢流结构20能够在防护件10的顶面的至少部分区域形成液膜，以实现供液装置100的保湿清洁，解决结晶掉落致使晶圆划伤的问题。
40.图2示出了本实用新型中防护件10的示意图。防护件10罩设于供液专职100的供液臂120上，以防止供液臂120的表面附着抛光液等颗粒物而形成结晶。
41.防护件10配置有溢流结构20，通入溢流结构20的流体能够在防护件10的顶面形成液膜，以实现防护件10顶面的清洁与保湿，防止抛光过程中形成的溅落物附着于防护件10的顶面。如抛光液与颗粒物的混合物，可能在抛光过程中附着在抛光单元中的零部件表面。本实用新型中，所谓防护件10的顶面是除防护件10的内表面以外的表面，其包括防护件10
顶部的表面及防护件10侧部的表面。
42.进一步地，溢流结构20朝向防护件10的顶部设置，溢流结构20形成的液膜由高向低覆盖防护件10的顶面，以实现防护件10顶面的清洁保湿，防止抛光溅落物附着。本实用新型中，抛光溅落物是指抛光过程中，在抛光单元的相对封闭空间中的抛光液、抛光去除物以及其他颗粒物的混合物。
43.图2所示的实施例中，溢流结构20包括溢流槽20a，其沿防护件10的长度方向设置。通入溢流槽20a的流体自下而上充满溢流槽20a，并沿防护件10的顶部向外侧溢出，以清洁防护件10上的抛光作业溅落物，并在防护件10的顶面形成液膜。防护件顶面形成的液膜能够保证防护件10具有一定湿度，以减小抛光溅落物与防护件10表面之间的附着力，防止或避免抛光溅落物附着于防护件10的表面。
44.图2中，溢流结构20还包括进液孔30和图3示出的流体孔道40，其中，进液孔30与流体孔道40相连通，流体孔道40沿防护件10的长度方向设置，流体孔道40的上部形成有与流体孔道40连通的溢流槽20a。
45.进一步地，进液孔30设置于防护件10的端部，流体经由进液孔30进入流体孔道40，再经由溢流槽20a缓慢溢出。具体地，与进液孔30连通的管路将流体输送至流体孔道40，流体孔道40中的流体由下至上逐渐升高，以缓慢充满溢流槽20a；若继续向防护板10供给流体，则流体会沿防护板10的顶部向两侧流淌，以清洁防护件顶面，同时实现防护件顶面的有效保湿。
46.图3中，溢流槽20a的纵向剖面为矩形，溢流槽20a及流体孔道40纵向剖面的中心连线垂直于防护件10所在平面。即溢流槽20a设置于流体孔道40的上侧并位于防护件10的中间位置。
47.作为本实施例的一个变体，溢流槽20a的纵向剖面也可以为上宽下窄的梯形，如图4所示，进入溢流槽20a的流体缓慢充满溢流槽20a，以实现防护件10顶面的清洁及保湿。可以理解的是，溢流槽20a的纵向剖面也可以为其他结构形式，只要其截面形状相对于溢流槽20a与流体孔道40的中心连线基本对称，以便保证经由溢流槽20a流出的液体大致均匀的分布在防护件10的两侧，实现防护件顶面的清洁及保湿。
48.图4所示的实施例中，溢流槽20a的侧面朝向外侧倾斜，相邻侧面形成的倾斜角β为10-60
°
。优选地，溢流槽20a侧面之间的倾斜角β为25-45
°
，以保证溢流槽20a的流体高度缓慢增加，避免流体高度增加过快而无法形成完整的液膜。
49.图2中，进液孔30设置于防护件10的后端，以方便流体管路的安装。本实用新型中，防护件10的后端是相对于抛光盘而言，防护件10接近抛光盘的外侧的一端称为后端，防护件10接近抛光盘的中心的一端称为前端。流体管路设置在防护件10的后端，这有利于减少抛光盘上侧的空间占用，增加抛光单元的操作空间。
50.进一步地，进液孔30与流体孔道40连通，进液孔30的孔壁的上沿低于溢流槽20a的顶面，使得流体自下而上、依次充满流体孔道40及溢流槽20a。作为本实施例的一个变体，进液孔30孔壁的上沿也可以与溢流槽20a的顶面平齐，如此也能够使得流体自下而上充满溢流槽20a。图2所示的实施例中，进液孔30与流体孔道40同轴设置；可以理解的是，进液孔30也可以与流体孔道40倾斜设置，只要进液孔30与流体孔道40相连通即可。
51.在化学机械抛光中，供液装置100的后端位于抛光盘的外侧，供液装置100的前端
通常位于抛光垫上侧，因此，设置在供液装置100上侧的防护件10的长度方向对应区域可能不同程度地附着抛光溅落物。通常，距离抛光垫的中心越近，其附着颗粒物的可能性越大。因此，防护件10上的溢流结构20可以设置一定坡度，即溢流结构20朝向防护件10的前端略微向下倾斜。具体地，靠近防护件10后端的溢流结构20的深度较小，溢流结构20的深度沿着防护件10的长度方向逐渐增加，直至于流体孔道40完全连通。如此设置，在防护件10的前端区域能够形成完整的液膜，保证良好的清洁保湿效果，同时节约水源，控制晶圆制造成本。
52.可以理解的是，溢流结构20的坡度可以沿防护件10的长度方向变化，以便在特定区域形成完整的液膜，保证特定区域的清洁保湿效果。
53.图3示出的防护件10配置有溢流槽20a，经由进液孔30进入流体孔道40及溢流槽20a的流体，在重力作用下沿防护件10的顶部向两侧流淌，以清洁防护件的表面并保证防护件表面具有一定湿度，防止抛光作业溅落物附着于防护件表面。
54.由于溢流槽20a沿防护件10的长度方向设置，溢流槽20a无法保证防护件10端部的清洁保湿效果，尤其是防护件的前端，其靠近抛光盘的中心位置；若防护件10的前端形成颗粒物结晶，则结晶极易掉落而致使抛光垫和/或晶圆划伤，影响晶圆抛光的加工质量。
55.为解决上述技术问题，防护件10端部的顶面配置有延展槽50，如图5所示，延展槽50与溢流槽20a相连通。如此设置，溢流槽20a的流体通过延展槽50沿防护件10的宽度方向拓展，使得溢流槽20a中的流体不仅沿防护件10的长度方向缓慢溢出，同时延展槽50的流体也能够沿防护件10的端面缓慢溢出，以实现防护件端部的清洁与保湿。
56.图6是图5中a处的局部放大图，其示出了防护件10的后端顶面的局部示意图；图7是图5中b处的局部放大图，其示出了防护件的前端顶面的局部示意图。
57.图5中，延展槽50沿防护件10的端面轮廓设置，其深度小于溢流槽20a的深度。溢流槽20a的端部与延展槽50之间设置有图6及图7示出的过渡段21，溢流槽20a的流体先上升至过渡段21，再慢慢上升至过渡段21的上部，直至缓慢覆盖防护件10的顶面。自溢流槽20a及延展槽50缓慢溢出的流体，将防护件10的顶面进行有效清洁，以防止抛光作业溅射物附着于防护件的表面。
58.作为图5示出的实施例的一个变体，延展槽50的深度也可以等于溢流槽20a的深度，经由进液孔30进入流体孔道40的流体，逐渐充满与流体孔道40连通的溢流槽20a及延展槽50，同样能够实现防护件10顶面的清洁保湿。
59.与现有的喷射方式相比，本实用新型提供的溢流方案至少存在以下优点：(1)无需在抛光单元内部增设零部件，减少了抛光单元内部空间的占用；(2)通过溢流结构在防护件的顶面形成厚度较薄的液膜，液膜精准覆盖防护件的顶面；而喷射清洁保湿方案中，为保障喷射的流体全面覆盖抛光单元中的零部件，难免会在零部件以外的区域喷射部分流体，而增加流体的使用量。
60.图8是本实用新型所述防护件10另一个实施例的示意图，防护件10配置的溢流结构20还包括溢流孔20b，溢流孔20b与流体孔道40相连通，如图9所示，溢流孔20b的轴线垂直于流体孔道40的长度方向。流体孔道40内的流体经由溢流孔20b到达防护件10的顶面，流体在重力作用下由高处向低处流淌，以清洁保湿防护件10的表面。
61.进一步地，溢流孔20b的数量为多个，其沿防护件10的长度方向间隔设置，以使得流体孔道40内的流体尽量均匀分布在防护件的顶面。
62.作为图8所示实施例的变体，防护件10的内部可以沿流体孔道40的所在轴线对称设置两排溢流孔20b，如图10所示。溢流孔20b是自流体孔道40的内侧壁倾斜向外延伸至防护件10顶面的贯通孔，以便流体经由溢流孔20b上溢至防护件10的顶面。
63.为保证两排溢流孔20b之间区域的清洁保湿，两排溢流孔20b之间的夹角θ为5-20
°
。优选地，两排溢流孔20b之间的夹角θ为15
°
，以便经由溢流孔20b排出的流体覆盖防护件10的整个顶面。
64.图11是图8所示的实施例的另一个变体，溢流孔20b的数量为一排，其设置于防护件10的中间位置并沿防护件10的长度方向排布。经由溢流孔20b溢出的流体缓慢覆盖防护件10的顶面，实现防护件的清洁保湿。
65.图8至图11所示的实施例中，相邻溢流孔20b沿防护件10长度方向的距离为5-30mm，以保证防护件10顶面能够形成完整的液膜，实现防护件10的清洁保湿。图8所示的实施例中，溢流孔20b为圆形，如图9所示，其内径为2-10mm。可以理解的是，溢流孔20b也可以为其他形状。
66.图8所示的实施例中，为保证防护件10端部的清洁保湿，需要在防护件10的前端及后端设置溢流孔20b，溢流孔20b的一端与流体孔道40连通，溢流孔20b的另一端延伸至防护件10的端面的上侧。自溢流孔20b溢出的水流在重力作用下，逐渐覆盖防护件10的端面，以实现防护件端面的清洁保湿。
67.可以理解的是，防护件10也可以同时配置图5示出的溢流槽20a和图8示出的溢流孔20b，如图12所示。溢流槽20a与溢流孔20b组合使用，以保证防护件10顶面覆盖完整的液膜，实现防护件10的清洁保湿。
68.图12是防护件10经由溢流孔20b的纵向剖视图，溢流槽20a沿防护件10的长度方向设置并位于防护件10的中间位置，溢流孔20b的数量为两排，多个溢流孔20b彼此间隔地沿防护件10的长度方向设置。可以理解的是，溢流孔20b也可以设置为四排、六排或其他数量，以便高效地在防护件10的顶面形成清洁保湿的液膜。
69.本实用新型提供的用于化学机械抛光的修整装置200的示意图，如图13所示。修整装置200包括修整基座210和修整臂220，修整臂220的一端转动连接于修整基座210，其另一端配置有修整部230。其中，修整部230的底部设置有修整盘，修整盘的底面镶嵌有金刚石颗粒，修整臂220能够绕修整基座210摆动，同时，修整盘自身旋转并对抛光垫表面施加一定载荷，以修整抛光垫的上表面。
70.图13中，修整装置200还包括防护件10，防护件10罩设于修整臂220上，防护件10配置有溢流结构20，以在防护件10顶面的至少部分区域形成液膜。
71.本实用新型所述修整装置200上配置的防护件10与供液装置100上的防护件10的结构相同，这里不再赘述。设置于修整装置200上侧的防护件10配置有溢流结构20，其能够在防护件10顶面的至少部分区域形成液膜，有效保证防护件顶面的清洁保湿，防止抛光溅落物的结晶。
72.本实用新型在防护件10的上部设置溢流结构，其不引入新的零部件，有效节省了作业空间；通过溢流原理实现防护件的均匀保湿，避免常规技术中的喷淋杆或喷嘴的冲击反溅问题，有效保证抛光单元内部的作业环境。
73.由于溢流槽20及溢流孔20b具有一定尺寸，其能够避免颗粒物堵塞；同时，溢流槽
20自身的歪斜或溢流槽20的中心线与流体孔道40的中心线不重合，也不会影响防护件清洁保湿的效果，有效控制了溢流结构的加工精度及安装精度，有利于降低cmp设备的制造成本。
74.可以理解的是，本实用新型所述的防护件也可以用于化学机械抛光系统中其他部件的防护，如设置抛光驱动部件(upper pneumatics assembly,upa)外周侧及顶部的防护、抛光头/承载头(carrier head)的防护等。
75.此外，本实用新型还提供了一种化学机械抛光单元，其包括抛光盘300和承载头400，如图14所示，抛光盘300上表面配置有与抛光盘300一起旋转的抛光垫，所述承载头400在驱动组件的致动下旋转并在抛光垫上方移动，承载头400吸合晶圆并将晶圆抵压于抛光垫表面。
76.进一步地，化学机械抛光单元还包括上面所述的供液装置100和/或上面所述的修整装置200。
77.图14中，化学机械抛光单元包括供液装置100及修整装置200，其上皆设置有防护件10。修整装置200通过修整臂220连接于设置于抛光盘300一侧的固定座，修整臂220带动旋转的修整部230摆动以修整抛光垫的表面；供液装置100设置于抛光垫的上侧，以将抛光液散布于抛光垫的表面。
78.抛光作业时，承载头400将晶圆的待抛光面抵压于抛光垫的表面，承载头400做旋转运动以及沿抛光盘300的径向往复移动，使得与抛光垫接触的晶圆表面被逐渐抛除；同时抛光盘300旋转，供液装置100向抛光垫表面喷洒抛光液。在抛光液的化学作用下，通过承载头400与抛光盘300的相对运动使晶圆与抛光垫摩擦以进行抛光。
79.作为图14所示的实施例的变体，化学机械抛光单元中的供液装置100配置有防护件10，而修整装置200的上方不设置带有溢流结构的防护件；或者，化学机械抛光单元中的修整装置200配置有防护件10，而供液装置100不设置带有溢流结构的防护件。具体在哪些部件配置防护件，需要考虑摆动臂所处的作业环境，以评判其受到溅射的概率，综合确定防护件是否需要设置溢流结构。
80.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
81.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。