研磨墊修整方法、研磨墊修整裝置及化學機械研磨設備與流程
2023-08-08 07:31:21 2
本發明涉及研磨墊修整方法、研磨墊修整裝置及化學機械研磨設備，屬於研磨墊修整技術領域。
背景技術：
在化學機械研磨製程(chemical mechanical polishing；CMP)中，通常會利用研磨墊配合研磨漿料來平坦化晶圓表面。研磨墊係為一由高分子聚合而成的軟墊。在微觀下，研磨墊的結構體內是一種多孔性的微結構，而研磨墊表面具有許多絨毛。當研磨墊連續研磨數片晶圓之後，在化學機械研磨製程中所產生的副產物將會附著於研磨墊的表面，甚至嵌入其表面的微孔洞內，造成孔洞填塞，或者是黏附於絨毛中，而使絨毛傾倒，進而造成研磨墊的拋光能力大幅下降。因此，當研磨墊使用一段時間之後，須利用研磨墊修整器於研磨墊上沿著徑向(Radial)來回的擺動，並配合研磨墊自身的旋轉，以產生新的絨毛結構，並清除化學機械研磨製程中所附著的殘留物。
另外，隨著晶片尺寸縮小，對晶圓表面平坦度的要求也越來越高。若是位於研磨墊表面的絨毛高低落差太大，突起的絨毛極有可能會刮傷晶圓表面，而被稱為殺手纖毛(killer Asperities)。因此，這些殺手纖毛也必須通過研磨墊修整器去除。
請參照圖1，在已知的技術中，修整器10的工作表面100上會設有多個刃部100a，以切除在研磨墊11表面上的過長的絨毛11s，即殺手纖毛。然而，當研磨墊修整器10的刃部100a接觸到這些絨毛11s時，由於絨毛11s的材質較軟且易彎曲，導致絨毛11s不易被刃部100a切除，而仍殘留於研磨墊11的表面。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種研磨墊修整方法、研磨墊修整裝置及使用其的化學機械研磨設備。
一種研磨墊修整方法，其包括：
先硬化位於一研磨墊的一拋光面上的一待修整區內的多個軟質微結構；以及
利用一修整器切削位於所述待修整區內的被硬化的多個所述軟質微結構，以修整所述研磨墊的所述拋光面。
其中，硬化位於所述待修整區內的多個所述軟質微結構的步驟是通過急速冷凍來完成；所述急速冷凍是在所述待修整區內噴灑一冷凍劑；所述冷凍劑為液態氮、液態氧、乾冰或是冷媒。
其中，利用所述修整器修整所述研磨墊的所述拋光面時，所述研磨墊通過一轉軸以產生自轉，且噴灑所述冷凍劑的步驟與利用所述修整器修整所述拋光面的步驟是沿著同一方向同步進行。
其中，在噴灑所述冷凍劑的步驟中，還進一步包括：沿著所述研磨墊的一徑向方向移動，並且連續地或間歇地噴灑所述冷凍劑在所述研磨墊的所述拋光面上，在噴灑所述冷凍劑的步驟中，還進一步包括：在所述研磨墊的一徑向方向上連續地或間歇地噴灑所述冷凍劑於所述研磨墊的所述拋光面上。
一種研磨墊修整裝置，其包括：
一修整器，其用以修整一研磨墊的一拋光面；以及
一拋光面處理單元，其設置於所述研磨墊的上方，其中，在所述修整器修整所述拋光面上的一待修整區之前，先利用所述拋光面處理單元硬化位於所述待修整區內的多個軟質微結構。
其中，所述拋光面處理單元包括一用於供應一冷凍劑的供應單元以及一與所述供應單元互相連通的噴嘴，且所述供應單元所供應的所述冷凍劑通過所述噴嘴以噴灑在所述待修整區；還包括一移動臂及一能自轉地連接於所述移動臂的自轉軸；所述拋光面處理單元設置於所述移動臂上，且所述修整器通過所述自轉軸以設置於移動臂上，以使得所述拋光面處理單元與所述修整器兩者通過所述移動臂以同步移動；所述拋光面處理單元與所述修整器相鄰，當所述研磨墊通過一轉軸以朝一自轉方向自轉時，所述拋光面處理單元與所述修整器沿著所述自轉方向依序設置。
一種化學機械研磨設備，其包括：
一載臺，其連接於一轉軸以產生自轉；
一研磨墊，其設置於所述載臺上，所述研磨墊具有一拋光面；以及
一研磨墊修整裝置，其包括：
一修整器，其設置於所述研磨墊上，用以修整所述拋光面；以及
一拋光面處理單元，其設置於所述研磨墊的上方，其中，在所述修整器通過所述拋光面上的一待修整區之前，先利用所述拋光面處理單元硬化位於所述待修整區內的多個軟質微結構。
其中，所述拋光面處理單元包括一用於供應一冷凍劑的供應單元以及一與所述供應單元互相連通的噴嘴，且所述供應單元所供應的所述冷凍劑通過所述噴嘴以噴灑在所述待修整區；還包括一清潔單元，其通過噴灑一清潔液，以清洗所述研磨墊並使所述研磨墊的所述待修整區內被硬化的多個所述軟質微結構解凍。
其中，所述研磨墊修整裝置還包括一移動臂以及一能自轉地連接於所述移動臂的自轉軸；所述拋光面處理單元設置於所述移動臂上，且所述修整器通過所述自轉軸以設置於移動臂上，以使得所述拋光面處理單元與所述修整器兩者通過所述移動臂而同步移動。
其中，所述拋光面處理單元與所述修整器彼此相鄰，當所述研磨墊通過所述轉軸以朝一自轉方向自轉時，所述拋光面處理單元與所述修整器沿著所述自轉方向依序設置。
為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是，提供一種研磨墊修整方法。先硬化位於研磨墊的拋光面上的待修整區內的多個軟質微結構，再利用修整器切削位於待修整區內的被硬化的多個軟質微結構，以修整研磨墊的拋光面。
為了解決上述的技術問題，本發明所採用的另外一技術方案是，提供一種研磨墊修整裝置包括修整器以及拋光面處理單元。修整器是用以修整一研磨墊的一拋光面，拋光面處理單元設置於研磨墊的上方，以在修整器修整拋光面上的一待修整區之前，先利用拋光面處理單元硬化位於待修整區內的多個軟質微結構。
為了解決上述的技術問題，本發明所採用的另外再一技術方案是，提供一種化學機械研磨設備，其包括一載臺、一研磨墊以及上述的研磨墊修整裝置。
本發明的有益效果在於，本發明技術方案所提供的研磨墊修整方法、研磨墊修整裝置及使用其的化學機械研磨設備，其可通過在利用修整器對待修整區進行修整前，先硬化待修整區內的軟質微結構，而使修整器可更容易地切削軟質微結構。
綜上所述，本發明的有益效果在於，本發明實施例所提供的化學機械研磨設備、研磨墊修整裝置以及方法，可通過「在利用修整器修整待修整區之前，先硬化位於待修整區內的軟質微結構」的技術特徵，可使修整器可更容易地切削被硬化的軟質微結構，可提升修整器修整拋光面的效率，並降低修整後的拋光面的不平整度。在利用研磨墊對晶圓拋光或研磨時，可進一步避免研磨墊的拋光面不平整而對晶圓表面造成損傷。
另外，由於研磨墊僅有表層被冷凍硬化，因此在經過修整器修整之後，被冷凍而硬化的區域可迅速被解凍而恢復原本的材料特性，並可繼續用於拋光或研磨晶圓。
附圖說明
當結合附圖考慮時，通過參照下面的詳細描述，能夠更完整更好地理解本發明以及容易得知其中許多伴隨的優點，但此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本發明的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定，如圖其中：
圖1為現有技術的研磨墊修整器修整研磨墊的局部放大圖。
圖2為本發明實施例的研磨墊修整方法的流程圖。
圖3為本發明其中一實施例的化學機械研磨設備的立體示意圖。
圖4為圖3的化學機械研磨設備的俯視示意圖。
圖5為圖3的化學機械研磨設備的側視示意圖。
圖6為利用本發明實施例的研磨墊修整裝置修整研磨墊的局部放大圖。
圖7為本發明另一實施例的化學機械研磨設備的俯視示意圖。
圖8為圖7的化學機械研磨設備的側視示意圖。
【符號說明】
修整器10；工作表面100；刃部100a；研磨墊11；絨毛11s；化學機械研磨設備2；載臺20；研磨墊21；拋光面210；軟質微結構210s；冰晶層3；晶圓座22；旋轉軸22s；漿料配送單元23；研磨墊修整裝置24；修整器240；工作面240a；移動臂242；自轉軸243；拋光面處理單元241、拋光面處理單元241』；供應單元241p；噴嘴241s、噴嘴241S；懸臂241h；支架241L；轉軸25；清潔單元26；晶圓W1；待修整區R1；被硬化的待修整區R1』；徑向方向D1；自轉方向D2；流程步驟S100～S200。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
具體實施方式
顯然，本領域技術人員基於本發明的宗旨所做的許多修改和變化屬於本發明的保護範圍。
本技術領域技術人員可以理解，除非特意聲明，這裡使用的單數形式「一」、「一個」、「所述」和「該」也可包括複數形式。應該進一步理解的是，本說明書中使用的措辭「包括」是指存在所述特徵、整數、步驟、操作、組件和/或組件，但是並不排除存在或添加一個或多個其它特徵、整數、步驟、操作、組件、組件和/或它們的組。應該理解，當稱組件、組件被「連接」到另一組件、組件時，它可以直接連接到其它組件或者組件，或者也可以存在中間組件或者組件。這裡使用的措辭「和/或」包括一個或更多個相關聯的列出項的任一單元和全部組合。
本技術領域技術人員可以理解，除非另外定義，這裡使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，並且除非像這裡一樣定義，不會用理想化或過於正式的含義來解釋。
為便於對本發明實施例的理解，下面將做進一步的解釋說明，且各個實施例並不構成對本發明實施例的限定。
實施例1：以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關「研磨墊修整方法、研磨墊修整裝置以及化學機械研磨設備」的實施方式。通常研磨墊具有一拋光面，且拋光面具有多個軟質微結構。研磨墊被多次使用之後，可通過本發明實施例的研磨墊修整裝置執行研磨墊修整方法，以去除在化學機械研磨製程中所產生的殘餘物，並修整研磨墊的拋光面，以減少軟質微結構的高低落差。前述的軟質微結構例如是絨毛或是其它軟質突起物。
請參照圖2。圖2為本發明實施例的研磨墊修整方法的流程圖。如圖2所示，在步驟S100中，硬化研磨墊的拋光面上的一待修整區中的多個軟質微結構。接著，在步驟S200中，通過修整器修整待修整區。前述的待修整區可以指整個拋光面或者是局部的拋光面。也就是說，可以先將拋光面局部或全部硬化，從而硬化多個軟質微結構。之後，再利用修整器切削待修整區內的軟質微結構，以修整研磨墊的拋光面。
在本發明實施例中，是通過急速冷凍來硬化研磨墊的拋光面。詳細而言，可先將冷凍劑噴灑在拋光面上的待修整區，以使研磨墊的局部表層被急速冷凍而硬化。
實施例2：在一實施例中，冷凍劑可以是液態氮、液態氧、乾冰或是冷媒。冷媒例如是液態氯乙烷或是由二氟甲烷(R-32)和五氟乙烷(R-125)混合而成的近共沸製冷劑。冷凍劑可以使拋光面降溫至最大冰結晶生成帶(zone of maximum crystallization of ice)，大約介於0℃至-5℃之間，以使拋光面因結凍而硬化。
此外，由於研磨墊上通常會附著水氣，因此在噴灑冷凍劑之後，會使水氣瞬間結冰而形成覆蓋拋光面的冰晶層。冰晶層會包覆並固定軟質微結構。
因此，以修整器修整研磨墊時，拋光面的軟質微結構因被硬化且被冰晶層固定，而可以保持直立而不會傾倒或彎曲，進而使修整器更容易切削軟質微結構。須說明的是，只要研磨墊被硬化的深度略大於修整器切削的深度即可達成本發明之目的。在一實施例中，研磨墊被硬化的深度，大約是介於0.01mm至0.2mm之間。換言之，研磨墊的底層並未被冷凍硬化，而仍保持初始的材料特性。
須說明的是，經過修整器修整之後，修整器和研磨墊接觸摩擦會產生熱能，又可使因冷凍而硬化的拋光面以及冰晶層解凍及融化，而使研磨墊在修整後即可恢復原本的材料特性。在一實施例中，在修整器修整研磨墊的過程中，會同步地在研磨墊上噴灑清潔液，如:水。如此，除了可清洗在修整過程中所產生的殘留物之外，也可以促使冷凍硬化的拋光面被迅速解凍。
須說明的是，只要能夠在修整器修整拋光面之前，先將拋光面冷凍硬化，本發明並不限制冷凍劑被噴灑的時間點、每次的噴灑範圍以及噴灑的路徑。
舉例而言，在硬化研磨墊的拋光面上的多個軟質微結構的步驟中，可以先對整個研磨墊噴灑冷凍劑，以使整個研磨墊的拋光面被硬化，之後再利用修整器修整研磨墊。也就是說，噴灑冷凍劑的步驟以及修整步驟並不是同步進行。
在這種情況下，冷凍劑的每次噴灑範圍可以涵蓋整個或局部研磨墊的拋光面。另外，在噴灑冷凍劑時，研磨墊可以靜止或者通過轉軸產生自轉。
實施例3：但是，在另一實施例中，噴灑冷凍劑的步驟與利用修整器修整研磨墊的步驟可同步進行。詳細而言，當利用修整器修整拋光面時，研磨墊會通過一轉軸產生自轉。因此，拋光面可沿著研磨墊的一自轉方向依序區分為多個待修整區。噴灑冷凍劑的步驟與利用修整器修整研磨墊的步驟是沿著同一方向同步進行。
進一步而言，在研磨墊自轉時，修整器是沿著研磨墊的一徑向方向移動並依序對多個待修整區進行修整。在一實施例中，冷凍劑也會沿著徑向方向，被噴灑在修整器即將通過的區域，以先硬化拋光面的軟質微結構。
冷凍劑可以是連續地或間歇地噴灑於拋光面上，基於噴灑範圍的大小而定。當拋光面在每次噴灑冷凍劑之後被硬化的範圍遠大於修整器的工作表面時，可以間歇地噴灑冷凍劑。而當拋光面在每次噴灑冷凍劑之後被硬化的範圍接近或小於修整器的工作表面時，可以連續地噴灑冷凍劑。
實施例4：在另一實施例中，在研磨墊自轉時，是在研磨墊的徑向方向上連續地或間歇地噴灑冷凍劑於每一個待修整區。在本實施例中，冷凍劑的每次噴灑範圍僅涵蓋其中一個待修整區，其中待修整區是由研磨墊的中心延伸到研磨墊的邊緣。
請配合參照圖3，顯示本發明實施例的化學機械研磨設備的立體示意圖。圖3的化學機械研磨設備可用來對晶圓執行化學機械研磨製程，也可以在化學機械研磨製程之後，執行圖2所示的研磨墊修整方法。
如圖3所示，化學機械研磨設備2包括載臺20、研磨墊21、晶圓座22、漿料配送單元23以及研磨墊修整裝置24。載臺20用以承載研磨墊21並連接一轉軸25以產生自轉。
研磨墊21具有拋光面210，用以拋光或研磨晶圓。晶圓座22用以抓取晶圓W1，並將晶圓W1放置在研磨墊21上，並壓抵接觸拋光面210。晶圓座22並可通過一旋轉軸22s產生自轉。當執行化學機械研磨製程時，研磨墊21與晶圓W1可分別通過轉軸25以及旋轉軸22s相對轉動。
漿料配送單元23設置於研磨墊21上方，用以將研磨漿料(未標號)分布至研磨墊21的拋光面210。研磨漿料含有一蝕刻和/或研磨顆粒的溶液，而可與晶圓W1表面產生化學作用或者對晶圓W1表面進行機械研磨。
研磨墊修整裝置24用以使研磨墊21的拋光面210具有預定的粗糙度。然而，當化學機械研磨設備2運作時，拋光面210會逐漸變光滑。研磨墊修整裝置可用來使拋光面210維持預定的粗糙度，並移除拋光面210上的殘留物。在一實施例中，會在晶圓W1的表面被拋光時或拋光後，利用研磨墊修整裝置24對拋光面210進行修整。
研磨墊修整裝置24包括修整器240與拋光面處理單元241。修整器240設置於研磨墊21上，用以刮擦及修整拋光面210。進一步而言，研磨墊修整裝置24還包括一移動臂242以及能自轉地連接於移動臂242的自轉軸243，前述的修整器240是通過自轉軸243設置於移動臂242上，並可通過自轉軸243產生自轉。
請參照圖4及圖5，分別為圖3的化學機械研磨設備的俯視示意圖及側視示意圖。移動臂242可帶動修整器240在拋光面210上，沿著研磨墊21的徑向方向移動。當修整器240在拋光面210上移動時，也會通過自轉軸243產生自轉，以修整拋光面210。
另外，拋光面處理單元241設置於研磨墊21的上方，以在修整器240修整拋光面210上的一待修整區R1之前，先硬化位於待修整區R1內的多個軟質微結構。在本實施例中，拋光面處理單元241是和修整器240共同設置在移動臂242上，以使拋光面處理單元241與修整器240兩者可通過移動臂242沿著研磨墊21的徑向方向D1同步移動。
如圖5所示，拋光面處理單元241包括可供應冷凍劑的供應單元241p以及和供應單元241p相連通的噴嘴241s，且供應單元241p所供應的冷凍劑是通過噴嘴241s噴灑在待修整區R1。如前所述，冷凍劑可以是液態氮、液態氧、乾冰或是冷媒。當冷凍劑為乾冰時，是將極低溫的乾冰通過噴嘴241s至研磨墊21，使拋光面210冷凍至硬化。另外，供應單元241p與噴嘴241s之間的連通可通過管路或者是其它已知的方式達成，本發明並不限制。
在本實施例中，噴嘴241s是通過一懸臂241h固定於移動臂242上，並位於修整器240靠近研磨墊21中心的一側，以將冷凍劑噴灑在修整器240即將通過的待修整區R1。在待修整區R1被解凍之前，利用修整器240修整被硬化的待修整區R1，以使拋光面210回復原本的材料特性。在其它實施例中，只要可以在修整器240修整之前，對修整器240即將通過的區域噴灑冷凍劑，噴嘴241s和修整器240的相對位置並沒有限制。
請參照圖5及圖6，顯示圖5在區域A的局部放大圖。如圖6所示，由於拋光面210被噴灑冷凍劑，使拋光面210的多個軟質微結構210s被硬化。另外，拋光面210上的水氣也會瞬間結冰而形成覆蓋軟質微結構210s的冰晶層3。
修整器240的工作面240a上分布多個鑽石顆粒(未標號)。因此，當修整器240的工作面240a接觸拋光面210以進行修整時，軟質微結構210s可保持直立而不會被修整器240壓倒或彎曲，從而使修整器240更容易切削軟質微結構210s。如此，經過修整器240修整之後，可降低拋光面210的不平整度，以避免在化學機械研磨製程中，突起的殺手纖毛對晶圓W1表面造成損傷。
請再參照圖3，本發明實施例的化學機械研磨設備2還包括一清潔單元26，用以清洗經修整後的研磨墊21。清潔單元26可噴灑清潔液，如:水至拋光面210，以去除修整後殘留於拋光面210上的殘渣，並有助於使研磨墊21的待修整區R1被結凍的軟質微結構210s解凍，以恢復研磨墊21表層原本的材料特性。
請參照圖7及圖8。圖7為本發明另一實施例的化學機械研磨設備的俯視示意圖。圖8為圖7的化學機械研磨設備的側視示意圖。和前一實施例不同的是，本實施例的拋光面處理單元241』並未設置在移動臂242上，而是和修整器240相鄰設置。並且，當研磨墊21通過轉軸25朝一自轉方向D2自轉時，拋光面處理單元241』與修整器240是沿著自轉方向D2依序設置在研磨墊21上。
如圖7所示，研磨墊21是朝逆時針方向轉動，因此拋光面處理單元241』與修整器240是沿著逆時針方向依序設置在拋光面210上，以使拋光面處理單元241可在利用修整器240修整之前，先將冷凍劑噴灑至一待修整區R1中，以硬化待修整區R1內的多個軟質微結構。被硬化的待修整區R1』會因為研磨墊240的自轉而被轉動至修整器240所設置的位置。修整器240即可對硬化後的待修整區R1』進行修整。也就是說，噴灑冷凍劑的步驟與修整步驟是同步進行。
詳細而言，在本實施例中，拋光面處理單元241』包括設置在研磨墊21上的支架241L，以及設置於支架241L上的多個噴嘴241S。這些噴嘴241S是沿著研磨墊21的徑向方向排列，並連通於一供應冷凍劑的供應單元241p。在一實施例中，噴嘴241S噴灑冷凍劑的噴灑範圍可以由研磨墊21的中心延伸至邊緣，而涵蓋整個待修整區R1。
在利用本實施例的研磨墊修整裝置24修整拋光面210時，研磨墊21會通過轉軸25產生自轉。並且，通過噴嘴241s噴灑冷凍劑的步驟與利用修整器240修整拋光面210的步驟是同步進行，其中冷凍劑可以通過噴嘴241s被連續地或間歇地噴灑於待修整區R1，已硬化位於待修整區R1內的軟質微結構。
實施例6：在另一實施例中，若研磨墊21是朝順時針方向轉動，則拋光面處理單元241』與修整器240可沿著順時針方向依序設置在拋光面210上。事實上，只要能夠在修整器240修整拋光面210上的待修整區R1之前，先硬化待修整區R1，本發明中並沒有限制拋光面處理單元241』與修整器240的相對位置。
在其它實施例中，噴灑冷凍劑的步驟與修整步驟不一定同步進行。詳細而言，可以先使研磨墊240自轉，並通過噴嘴241S將冷凍劑噴灑於整個拋光面210，使整個拋光面210被冷凍之後，停止噴灑冷凍劑。接著，再利用修整器240來修整被冷凍硬化的拋光面210。在這種情況下，修整器240與拋光面處理單元241』的相對位置並不特別限制。
以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此局限本發明的申請專利範圍，故凡運用本發明說明書及附圖內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。