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TWI882592B - 研磨墊與化學機械研磨裝置 - Google Patents

研磨墊與化學機械研磨裝置 Download PDF

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TWI882592B
TWI882592B TW112149436A TW112149436A TWI882592B TW I882592 B TWI882592 B TW I882592B TW 112149436 A TW112149436 A TW 112149436A TW 112149436 A TW112149436 A TW 112149436A TW I882592 B TWI882592 B TW I882592B
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groove
edge
polishing
edge groove
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林明勳
朱彥瑞
林宥任
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華邦電子股份有限公司
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Abstract

本揭露提供一種研磨墊與一種化學機械研磨裝置。研磨墊包括：中心部分，設置有中心凹槽；以及圍繞中心部分的邊緣部分，設置有至少一邊緣凹槽。至少一邊緣凹槽沿著環形輪廓設置。至少一邊緣凹槽的下部在口徑面積上大於至少一邊緣凹槽的上部，且在形狀上相異於至少一邊緣凹槽的上部。

Description

研磨墊與化學機械研磨裝置
本發明是有關於一種半導體製程設備與其中的部件，且特別是有關於一種化學機械研磨裝置與所使用的研磨墊。
半導體製程經常使用化學機械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)執行平坦化操作。在化學機械研磨期間除了研磨液與晶圓產生反應之外，載座與晶圓吸盤經旋轉使得研磨液中的懸浮粒子透過研磨墊的支撐來對晶圓進行研磨。研磨墊修整裝置則接觸旋轉的研磨墊而刮除研磨殘留物質，且保持研磨墊的粗糙度。
相較於研磨墊的邊緣區域，研磨墊的中心區域以較高的速率被研磨墊修整裝置磨耗，因此在研磨墊使用壽命後期，研磨墊將形成由外圍往中心內凹的結構。此使得研磨墊邊緣區域內的凹槽較不易保持研磨液，導致研磨墊邊緣區域的研磨速率低於研磨墊中心區域的研磨速率。換言之，在研磨墊使用壽命後期，有研磨均勻性下降的問題。
本揭露提供一種研磨墊以及運用此研磨墊的化學機械研磨裝置。透過研磨墊的特殊凹槽設計，可在研磨墊使用壽命後期維持足夠的研磨均勻性。
在本揭露的一態樣中，提供一種研磨墊，用於化學機械研磨裝置且包括：中心部分，設置有中心凹槽；以及圍繞所述中心部分的邊緣部分，設置有至少一邊緣凹槽，其中所述至少一邊緣凹槽沿著環形輪廓設置，所述至少一邊緣凹槽的下部在口徑面積上大於所述至少一邊緣凹槽的上部，且在形狀上相異於所述至少一邊緣凹槽的所述上部。
本揭露的另一態樣中，提供一種化學機械研磨裝置，包括：載台；研磨墊，置於所述載台上，且包括中心部分以及圍繞所述中心部分的邊緣部分，其中所述中心部分設置有中心凹槽，所述邊緣部分設置有至少一邊緣凹槽，所述至少一邊緣凹槽沿著環形輪廓設置，所述至少一邊緣凹槽的下部在口徑面積與容量上均大於所述至少一邊緣凹槽的上部，且在形狀上相異於所述至少一邊緣凹槽的所述上部；晶圓吸盤，經配置以吸附且控制晶圓，以使晶圓由上方接觸所述研磨墊；以及研磨液提供裝置，經配置以將研磨液由上方提供至所述研磨墊的表面。
10:化學機械研磨裝置
100:載台
102、602:研磨墊
104:晶圓吸盤
106:研磨液提供裝置
108:研磨墊修整裝置
CR:中心部分
H1:筆直孔洞
H2:U形孔洞
H3:孔洞
PR:邊緣部分
RC:中心凹槽
RP、RP2:邊緣凹槽
SL:研磨液
T3:雙環形溝槽
W:晶圓
WC、WP1、WP2、WP5、WP6:口徑寬度
圖1是根據一些實施例的化學機械研磨裝置的立體示意圖。
圖2A及圖4A是根據一些實施例繪示的研磨墊在使用壽命初期的上視示意圖。
圖2B是沿著圖2A的A-A’線的剖視示意圖。
圖3A為圖2A所示的研磨墊到使用壽命後期的上視示意圖。
圖3B是沿圖3A的A-A’線的剖視示意圖。
圖4B是沿著圖4A的A-A’線的剖視示意圖。
圖5A為圖4A所示的研磨墊到使用壽命後期的上視示意圖。
圖5B是沿圖5A的A-A’線的剖視示意圖。
本揭露實施例提供一種解決在研磨墊使用壽命後期產生研磨均勻性不足的方案。具體而言，透過研磨墊的特殊凹槽設計，可在研磨墊使用壽命後期維持足夠的研磨均勻性。
圖1是根據本揭露一些實施例的化學機械研磨裝置10的立體示意圖。
請參照圖1，化學機械研磨裝置10可包括載台100、配置於載台100上的研磨墊102、用於吸附與控制晶圓W的晶圓吸盤(chuck)104、用於提供研磨液SL的研磨液提供裝置106以及對研磨墊102表面進行修整的研磨墊修整裝置(conditioner)108。
在化學機械研磨操作期間，研磨液提供裝置106將研磨 液SL提供至研磨墊102表面，且研磨液SL至少部分地暫存於研磨墊102表面的凹槽中。此外，晶圓吸盤104吸附晶圓W並將晶圓W抵壓於研磨墊102上，且承載晶圓W的晶圓吸盤104與承載研磨墊102的載台100相對彼此旋轉。此時，保持在研磨墊102的凹槽內的研磨液SL被釋放至研磨墊102的表面。研磨液SL中的化學添加劑與晶圓W反應，以移除晶圓W表面的目標材料。此外，研磨液SL中的懸浮粒子透過研磨墊102的支撐來對晶圓W進行研磨。透過上述的化學反應與物理研磨，晶圓W表面可被平坦化。
此外，在化學機械研磨操作期間，研磨墊修整裝置108由上方接觸研磨墊102，且透過旋轉的碟盤(例如是鑽石碟)而清除研磨殘留物，且修整研磨墊102的表面。更具體而言，藉由研磨墊修整裝置108的碟盤磨耗研磨墊102，以對研磨墊102進行修整，而維持研磨墊102的粗糙度。由此可知，經過研磨墊修整裝置108的修整之後，研磨墊102的厚度將會減薄。然而，實際上研磨墊102的厚度減薄並非為均勻的。
研磨墊102越靠中心的部分半徑越小，而越靠邊緣的部分半徑越大。換言之，相較於研磨墊102的較靠近邊緣的部分，研磨墊102的較接近中心的部分有較高的轉速(revolutions per minutes，RPM)，而以更多的次數接觸研磨墊修整裝置108。如此一來，研磨墊102越靠中心的部分被研磨墊修整裝置108磨耗得更多。所以，在研磨墊102的使用壽命後期，研磨墊102可能形 成由外圍往中心逐漸內凹的結構。此時，保持在研磨墊102的邊緣部分的凹槽內的研磨液SL可能會往研磨墊102的中心流動。研磨液SL越充足的區域研磨效率越佳，反之則具有較差的研磨效率。為避免在研磨墊102的使用壽命後期產生研磨墊102的邊緣部分因缺少足夠的研磨液SL而使得研磨速率低於中心部分的問題，研磨墊102在中心部分與邊緣部分有不同的凹槽設計。
圖2A是根據一些實施例繪示的研磨墊102在使用壽命初期的上視示意圖。圖2B是沿著圖2A的A-A’線的剖視示意圖。
請參照圖2A，研磨墊102可分為中心部分CR以及環繞中心部分CR的邊緣部分PR。在中心部分CR內，研磨墊102具有依序由研磨墊102的中心往外排列的多個中心凹槽RC。在一些實施例中，此些中心凹槽RC可分別為環繞研磨墊102的中心而連續延伸的環形溝槽。作為實例，中心凹槽RC可為同心的圓環形溝槽。在其他實施例中，中心凹槽Rc也可為十字凹槽或其他形狀的凹槽。應理解，所屬領域中具有通常知識者應能夠依據實際需求調整中心凹槽RC的形狀與數量，本揭露並不以此為限。
如圖2B所示，各中心凹槽RC可具有由上至下實質上一致的寬度，且各中心凹槽RC的上部與下部在形狀上相同。如此一來，各中心凹槽RC在研磨墊102使用壽命的各階段皆暴露出大致同等尺寸的開口，而可在研磨墊102表面提供大致等量的研磨液SL。換言之，在研磨墊102使用壽命的各階段，研磨墊102的中心部分CR有大致相同的研磨速率。
另一方面，如圖2A所示，研磨墊102在邊緣部分PR內具有彼此分離的多個邊緣凹槽RP。此些邊緣凹槽RP沿著一或多個環形輪廓排列在中心部分CR內的中心凹槽RC外圍。作為實例，研磨墊102在邊緣部分PR內具有沿著同心的兩個圓環形輪廓排列於中心凹槽RC外圍的邊緣凹槽RP。應理解，所屬領域中具有通常知識者應能夠依據邊緣部分PR的尺寸而調整邊緣凹槽RP的圈數，本揭露並不以此為限。
如圖2B所示，各邊緣凹槽RP的上部為筆直孔洞H1，而各邊緣凹槽RP的下部為U形孔洞H2。作為孔洞H1與孔洞H2的組合，各邊緣凹槽RP具有類似於彎曲傘把的形狀。於研磨墊102的使用壽命前期，各邊緣凹槽RP僅以上部的筆直孔洞H1暴露出。
在一些實施例中，邊緣部分PR中各邊緣凹槽RP的口徑寬度(也就是筆直孔洞H1的口徑寬度WP1與U形孔洞H2的各區段的口徑寬度WP2)約等於中心部分CR中各中心凹槽RC的口徑寬度WC。在另一些實施例中，邊緣部分PR中各邊緣凹槽RP的口徑寬度WP1/WP2小於中心部分CR中各中心凹槽RC的口徑寬度WC。
再者，根據一些實施例，研磨墊102的邊緣部分PR中的各邊緣凹槽RP傾斜設置。具體而言，各邊緣凹槽RP以開口朝向研磨墊102的中心軸的方式自垂直方向傾斜。換言之，各邊緣凹槽RP類似於朝向研磨墊102的中心傾倒。此設計有助於在研磨墊102使用壽命後期利用離心力而將研磨液SL進一步保持在研磨墊102 的邊緣部分PR，以進一步提高於研磨墊102使用壽命後期的研磨均勻性。另一方面，研磨墊102中心部分CR內的中心凹槽RC則無傾斜設計。換言之，中心凹槽RC可沿著垂直方向延伸至研磨墊102中。
圖3A為研磨墊102在使用壽命後期的上視示意圖。圖3B是沿圖3A的A-A’線的剖視示意圖。
在研磨墊102的使用一段時間後，表面逐漸被磨耗，而使各邊緣凹槽RP上部的筆直孔洞H1被移除。此時，各邊緣凹槽RP的U形孔洞H2暴露出來。如圖3A與圖3B所示，各U形孔洞H2以兩個開口暴露於研磨墊102的邊緣部分PR。相較於研磨墊102的使用壽命初期，在研磨墊102的使用壽命後期邊緣部分PR有兩倍的開口數量與開口面積。在一些實施例中，如圖3A所示，U形孔洞H2的開口以放射狀的方式排列。
相較於由頂部至底部皆為筆直孔洞的凹槽，邊緣凹槽RP的下部因設計為U形可具有更大的容量而可容納更多的研磨液SL，且具有雙倍的橫截面面積。因此，在研磨墊102的使用壽命後期(筆直孔洞H1被磨耗掉，而U形孔洞H2暴露出來時)，仍可在研磨墊102的邊緣部分PR提供充足的研磨液SL。所以，可避免在研磨墊102使用壽命後期產生研磨墊102的邊緣部分PR因缺少足夠研磨液SL而造成在研磨速率上明顯低於中心部分CR的現象。如此一來，可解決在研磨墊102使用壽命後期產生的研磨不均勻的問題。
在各邊緣凹槽RP的口徑寬度(也就是筆直孔洞H1的口徑寬度WP1與U形孔洞H2的各區段的口徑寬度WP2)約等於中心部分CR中各中心凹槽RC的口徑寬度WC的實施例中，研磨墊102的使用壽命前期中心部分CR與邊緣部分PR的研磨速率大致相同，且在研磨墊102使用壽命後期邊緣部分PR有約為兩倍的開口面積。如此一來，可在使用壽命前期具有高度研磨均勻性的情況下解決使用壽命後其所產生的研磨不均勻之問題。
另一方面，研磨墊102中心部分CR內的中心凹槽RC經修整後，留下底部部分且分別維持暴露出單一開口。藉由在研磨墊102的使用壽命後期增加邊緣部分PR的邊緣凹槽RP的口徑面積但維持中心部分CR的中心凹槽RC的口徑面積，能夠盡可能補償因非均勻修整而造成的研磨液分布不均，而改善研磨均勻性。
圖4A是根據一些實施例繪示的研磨墊602在使用壽命初期的上視示意圖。圖4B是沿著圖4A的A-A’線的剖視示意圖。圖5A為研磨墊602在使用壽命後期的上視示意圖。圖5B是沿圖5A的A-A’線的剖視示意圖。
研磨墊602相似於參照圖2A、2B、3A與3B所描述的研磨墊102，僅在邊緣部分PR的凹槽設計有所不同。如圖4A所示，研磨墊602的邊緣部分PR設置有沿著環形輪廓連續延伸的邊緣凹槽RP2。詳而言之，各邊緣凹槽RP2以上部的雙環形溝槽T3暴露出來。作為實例，研磨墊602的各邊緣凹槽RP2的雙環形溝槽T3沿著同心圓環形輪廓連續地延伸於邊緣部分PR中。所屬領域 中具有通常知識者可依據邊緣部分PR的尺寸而調整邊緣凹槽RP2的數量，本揭露並不以此為限。此外，雙環形凹槽T3的各環形凹槽的口徑寬度WP5可大等於或小於中心凹槽RC的口徑寬度WC。
如圖4B所示，各邊緣凹槽RP2包括上部的雙環形溝槽T3以及下部的多個孔洞H3。孔洞H3交疊且連通於上方的雙環形溝槽T3。相較於雙環形溝槽T3，孔洞H3具有更大的口徑面積(孔洞H3的口徑寬度WP6大於雙環形溝槽T3的總口徑寬度)與更大的容量。此外，相較於參照圖2B所描述的各U形孔洞H2，各孔洞H3為單一開口的結構且具有更大的口徑面積(孔洞H3的口徑寬度WP6可大於孔洞H2的總口徑寬度)與更大的容量。研磨液SL可從雙環形溝槽T3進入邊緣凹槽RP2，且於孔洞H3中蓄積為研磨液池。
於研磨墊602的使用壽命前期(如圖4A與圖4B所示)，各邊緣凹槽RP2僅以上部的雙環形溝槽T3暴露出。在研磨墊602的使用一段時間後，表面逐漸被磨耗，而使各邊緣凹槽RP2上部的雙環形溝槽T3被移除。此時，如圖5A與圖5B所示，各邊緣凹槽RP2以更大口徑面積的孔洞H3暴露出來。根據一些實施例，如圖5A所示，孔洞H3沿環形輪廓而彼此分離地排列於邊緣部分PR中。作為實例，孔洞H3可沿著同心的兩個圓環形輪廓而彼此分離地設置於邊緣部分PR中，且以放射狀的方式排列。基於在研磨墊602使用壽命後期所暴露出的孔洞H3在口徑面積與容量上大於在研磨墊602使用壽命前期所暴露出的雙環形溝槽T3，可在 研磨墊602的使用壽命後期藉由增加邊緣部分PR的研磨液SL提供量來補償因非均勻修整而造成的研磨液分布不均，以改善研磨均勻性。再者，相較於參照圖2B所描述的筆直孔洞H1與U形孔洞H2，雙環形溝槽T3與孔洞H3可具有更大的研磨液容量且具有更大的口徑面積，故可為研磨墊602的邊緣部分PR提供更多的研磨液SL。
在雙環形溝槽T3的各環形溝槽的口徑寬度WP5約等於中心部分CR中各中心凹槽RC的口徑寬度WC的實施例中，研磨墊602的使用壽命前期中心部分CR與邊緣部分PR的研磨速率大致相同，且在研磨墊602使用壽命後期邊緣部分PR有兩倍以上的開口面積。如此一來，可在使用壽命前期具有高度研磨均勻性的情況下解決使用壽命後其所產生的研磨不均勻之問題。
綜上所述，本發明提供一種化學機械研磨裝置以及一種用於化學機械研磨裝置的研磨墊。所述研磨墊在邊緣部分設置有邊緣凹槽，其在研磨墊的使用壽命初期暴露出上部且在使用壽命後期暴露出具有更大口徑面積與更大容量的下部。相較於此，研磨墊的中心部分設置有中心凹槽，其上部與下部在口徑面積與容量方面實質上相等。在研磨墊使用壽命前期，中心凹槽與邊緣凹槽的上部以大致相同的口徑面積暴露出來，且可在研磨墊的中心部分與邊緣部分提供大致等量的研磨液。到研磨墊的使用壽命後期，中心凹槽仍以相同的口徑面積暴露出，而邊緣凹槽的下部則以更大的口徑面積暴露出。作為結果，可提高研磨墊的邊緣部分的研磨液 提供量。在研磨墊使用壽命後期可能因非均勻修整而產生由邊緣往中心內凹的結構，此可能造成研磨液由研磨墊的邊緣部分往中心部分流動。藉由在研磨墊使用壽命後期提高邊緣部分的研磨液提供量，可補償因形狀因素造成研磨墊邊緣部分的研磨液量下降。因此，即使在研磨墊使用壽命後期仍可維持中心部分與邊緣部分具有大致等量的研磨液提供量。如此一來，從研磨墊的使用壽命前期至後期均能確保中心部分與邊緣部分具有相當的研磨速率。換言之，在研磨墊的整個使用壽命中，都能確保研磨的均勻性。
102:研磨墊
CR:中心部分
H1:筆直孔洞
H2:U形孔洞
PR:邊緣部分
RC:中心凹槽
RP:凹槽
WC、WP1、WP2:口徑寬度

Claims (10)

  1. 一種研磨墊，用於化學機械研磨裝置，且包括：中心部分，設置有中心凹槽，其中所述中心凹槽的上部與下部在形狀、口徑面積實質上相同；以及圍繞所述中心部分的邊緣部分，設置有至少一邊緣凹槽，其中所述至少一邊緣凹槽沿著環形輪廓設置，所述至少一邊緣凹槽的下部在口徑面積上大於所述至少一邊緣凹槽的上部，且所述至少一邊緣凹槽的所述下部在形狀上相異於所述至少一邊緣凹槽的所述上部。
  2. 如請求項1所述的研磨墊，其中所述至少一邊緣凹槽的所述上部的口徑寬度等於或小於所述中心凹槽的口徑寬度。
  3. 如請求項1所述的研磨墊，其中所述至少一邊緣凹槽包括沿著所述環形輪廓分散排列的多個邊緣凹槽，各邊緣凹槽的上部為筆直孔洞，且各邊緣凹槽的下部為以一端連通於所述筆直孔洞的U形孔洞。
  4. 如請求項3所述的研磨墊，其中以所述筆直孔洞與所述U形孔洞組合而成的各邊緣凹槽以頂部朝向所述研磨墊的中心軸而自垂直方向傾斜，而所述中心凹槽沿所述垂直方向延伸至所述研磨墊中。
  5. 如請求項1所述的研磨墊，其中所述至少一邊緣凹槽包括環形邊緣凹槽，所述環形邊緣凹槽的上部為沿著所述環形輪廓連續地延伸的雙環形溝槽，所述環形邊緣凹槽的下部包括沿 著所述環形輪廓分離設置的多個孔洞，且所述多個孔洞分別交疊且連通於所述雙環形溝槽。
  6. 一種化學機械研磨裝置，包括：載台；研磨墊，置於所述載台上，且包括中心部分以及圍繞所述中心部分的邊緣部分，其中所述中心部分設置有中心凹槽，所述中心凹槽的上部與下部在形狀、口徑面積實質上相同，所述邊緣部分設置有至少一邊緣凹槽，所述至少一邊緣凹槽沿著環形輪廓設置，所述至少一邊緣凹槽的下部在口徑面積與容量上均大於所述至少一邊緣凹槽的上部，且所述至少一邊緣凹槽的所述下部在形狀上相異於所述至少一邊緣凹槽的所述上部；晶圓吸盤，經配置以吸附且控制晶圓，以使晶圓由上方接觸所述研磨墊；以及研磨液提供裝置，經配置以將研磨液由上方提供至所述研磨墊的表面。
  7. 如請求項6所述的化學機械研磨裝置，更包括：研磨墊修整裝置，由上方接觸所述研磨墊，且經配置以透過旋轉的碟盤而清除研磨殘留物且修整所述研磨墊的表面。
  8. 如請求項6所述的化學機械研磨裝置，其中在所述研磨墊的使用壽命後期所述至少一邊緣凹槽的所述上部被移除而所述下半部暴露出來。
  9. 如請求項6所述的化學機械研磨裝置，其中所述研磨墊的所述邊緣部分在使用壽命後期的凹槽開口面積大於所述研磨墊的所述邊緣部分在使用壽命前期的凹槽開口面積。
  10. 如請求項6所述的化學機械研磨裝置，其中在所述研磨墊的使用壽命前期與後期，所述研磨墊的所述中心部分保持實質上相同的口徑面積。
TW112149436A 2023-12-19 2023-12-19 研磨墊與化學機械研磨裝置 TWI882592B (zh)

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