CN100506485C - 化学机械研磨装置及其研磨垫轮廓的控制系统与调节方法 - Google Patents

Abstract

一种研磨垫轮廓的控制系统，适于包括研磨垫、研磨台、研磨头以及调节器的一化学机械研磨装置，其中研磨垫包含一透光区。而这种控制系统包括至少一光源、一检测器以及一处理器。而光源设置于研磨台中，且对应于研磨垫的透光区。检测器则位于研磨垫上方，以检测通过研磨垫的透光区的光源所发出的光。处理器根据检测器所检测的结果，来估算研磨垫的厚度，以判定研磨垫的轮廓状况，进而发出一处理讯号至调节器，借以调整调节器的处理程序。由于本发明能在线控制研磨垫轮廓，所以可降低关于晶圆内不均匀度的变量而获致平坦的研磨垫轮廓。

Description

化学机械研磨装置及其研磨垫轮廓的控制系统与调节方法

技术领域

本发明是有关于一种化学机械研磨(chemical mechanical polishing，简称CMP)制作工艺与装置，且特别是有关于一种化学机械研磨装置及其研磨垫(polishing pad)轮廓(profile)的控制系统与调节方法(conditioning method)。

背景技术

在半导体制作工艺中，随着组件尺寸持续缩减，微影曝光分辨率也相对增加，且伴随着曝光景深的缩减，对于晶圆表面的高低起伏程度的要求更为严格。因此，目前晶圆的平坦化制作工艺(planarization)都是依赖化学机械研磨制作工艺来完成，它独特的非等向性磨除性质除了用于晶圆表面轮廓的平坦化之外，亦可应用于垂直及水平金属内联机(interconnects)的镶嵌结构的制作、前段制作工艺中组件浅沟渠隔离制作及先进组件的制作、微机电系统平坦化和平面显示器制作等。

通常化学机械研磨制作工艺包括在线(in-line)进行的研磨抛光步骤，以及在经过一段时间的研磨抛光步骤后所执行的研磨垫调节(pad conditioning)步骤，其中的调节步骤系用以调节研磨垫的轮廓，并利用一个配置于研磨垫上方的调节器(conditioner)来施行，而且一般进行此调节步骤的调节器处理程序(recipe)都是固定不变的。

目前在生产在线如果有晶圆内不均匀度(within wafer non-uniformity，缩写为WIWNU)不佳时，通常不会考虑把研磨垫轮廓当作第一检查项目(checkitem)。然而，实际上在化学机械研磨制作工艺中，研磨垫的轮廓却对于晶圆(wafer)的平整性与研磨装置整体的器具性能(tool performance)都具有重要的影响力。此外，假使无法适当控制研磨垫轮廓，则容易减少其使用寿命。

发明内容

因此，本发明的目的之一是提供一种研磨垫轮廓的控制系统，能在线控制研磨垫轮廓，以降低关于晶圆内不均匀度的变量。

本发明的再一目的是提供一种化学机械研磨装置，可降低关于晶圆内不均匀度的变量，以及在化学机械研磨之后易于拥有具任何可获致优异平坦性的研磨垫轮廓。

本发明的又一目的是提供一种化学机械研磨装置，适于同时研磨数个晶圆，并在线控制研磨垫轮廓。

本发明的另一目的是提供一种在线控制研磨垫轮廓的方法，适于借由调整一调节器的处理程序，来控制一研磨垫的轮廓。

根据上述与其它目的，本发明提出一种研磨垫轮廓的控制系统，适于包括研磨垫、研磨台(table)、研磨头(head)以及调节器的一化学机械研磨装置，其中研磨垫包含一透光区。而这种控制系统包括至少一光源、一检测器(detector)以及一处理器。而光源设置于研磨台中，且对应于研磨垫的透光区。检测器则位于研磨垫上方，以检测通过研磨垫的透光区的光源所发出的光。处理器根据检测器所检测的结果，来估算研磨垫的厚度，以判定研磨垫的轮廓状况，进而发出一处理讯号至调节器，借以调整调节器的处理程序，使得研磨垫的轮廓状况在经过调节器处理后为一优选的状况。

本发明另外提出一种化学机械研磨装置，适于研磨一晶圆，此种化学机械研磨装置包括一研磨台、一研磨垫、一检测器、一处理器、一调节器以及一研磨头，其中研磨台具有至少一光源。而研磨垫覆盖研磨台，并具有至少一透光区，对应于研磨台的光源。检测器则位于研磨垫上方，以检测通过研磨垫的透光区的研磨台的光源所发出的光。处理器则是与检测器相连，且借由检测器检测的结果，来估算研磨垫的厚度，以判定研磨垫的轮廓状况，进而发出一处理讯号。调节器配置于研磨垫上方，且与处理器相连，其中调节器用以调节研磨垫并根据处理器发出的处理讯号调整处理程序，使得研磨垫的轮廓状况在经过调节器处理后为一优选的状况。而研磨头则配置于研磨垫上方的调节器旁，用以抓住晶圆。

本发明再提出一种化学机械研磨装置，适于同时研磨数个晶圆，此种化学机械研磨装置包括数个研磨台、数个研磨垫、数个检测器、一处理器、数个调节器以及数个研磨头，其中各研磨台具有一光源，而研磨垫覆盖每个研磨台，其中各研磨垫具有至少一透光区，对应于研磨台的光源，检测器则位于各研磨垫上方，以检测通过每个研磨垫的透光区的各个研磨台的光源所发出的光。而处理器与各检测器相连，且借由每个检测器检测的结果，来估算每个研磨垫的厚度，以个别判定研磨垫的轮廓状况，而发出数个处理讯号。调节器则配置于各研磨垫上方，且与处理器相连，其中调节器用以调节每一个研磨垫，并根据处理器发出的各个处理讯号分别调整每个调节器的处理程序，使得研磨垫的轮廓状况在经过调节器处理后为一优选的状况。而研磨头都配置于各研磨垫上方的调节器旁，以分别抓住各个晶圆。

本发明又提出一种在线控制研磨垫轮廓的方法，适于借由调整一调节器的处理程序，来控制一研磨垫的轮廓。而此种在线控制研磨垫轮廓的方法是先利用一检测器检测由研磨垫下的一研磨台发出的光。之后，利用与检测器相连的一处理器依照检测器检测的结果进行分析，以估算研磨垫的厚度，并从处理器发出一处理讯号。接着，根据处理器发出的处理讯号，调整调节器的处理程序，使得研磨垫的轮廓状况在经过调节器处理后为一优选的状况。

本发明因为在一化学机械研磨装置中设有一种研磨垫轮廓的控制系统，并配合研磨垫的透光区与研磨台中的光源，所以能在线控制研磨垫轮廓，以降低关于晶圆内不均匀度的变量，并且在化学机械研磨之后易于拥有具任何可获致优异平坦性的研磨垫轮廓。因此，当研磨垫轮廓超出控制的范围时，系统将被动态实时执行研磨垫调节步骤，直到研磨垫轮廓达到使用者的要求才停止。而且，本发明可应用于就地(in-situ)制作工艺或另处(ex-situ)制作工艺中，其中就地制作工艺系连续地调节再根据回馈信息去增加或减少某些区域上的修整量(dressing amount)；而另处(ex-situ)制作工艺系借由以前地回馈信息或于回馈信息的某数量之后来决定调节处理程序。

为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1是依照本发明的第一实施例的化学机械研磨装置的系统结构图。

图2是图1中的化学机械研磨装置的研磨台上视图。

图3是依照图2的III-III剖面的研磨台与其上的研磨垫剖面示意图。

图4是依照图3的化学机械研磨装置在线控制研磨垫轮廓的动作统程图。

图5是依照本发明的第二实施例的化学机械研磨装置的上视示意图。

图6是依照本发明的第三实施例的化学机械研磨装置的上视示意图。

图7是传统无研磨垫轮廓的控制系统的化学机械研磨装置的研磨垫轮廓曲线图。

图8是依照本发明具有研磨垫轮廓的控制系统的化学机械研磨装置的研磨垫轮廓曲线图。

标号说明

10：晶圆

100：化学机械研磨装置

110：研磨台

112、112a、112b：光源

114：发光区域

116：圆心

120：研磨垫

122：透光区

124：光

126、128：顶面

130：检测器

140：处理器

150：调节器

160：研磨头

400～430：步骤

500、600、610：机械手臂

具体实施方式

本发明提供一种化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing，简称CMP)装置及其研磨垫(polishing pad)轮廓(profile)调节方法(conditioningmethod)，其可根据各种情况而使用于其它不同结构的平坦化制作工艺，凡符合本发明的精神，皆适用于本发明的范畴。而且，以下各实施例为本发明的范例之一，然而其仅为举例之用而非用以限定本发明。

第一实施例

图1是依照本发明的第一实施例的化学机械研磨(Chemical MechanicalPolishing，简称CMP)装置的系统结构图。请参照图1，本实施例的化学机械研磨装置100适于研磨一晶圆10，此装置100包括一研磨台(polishingtable)110、一研磨垫(pad)120、一检测器(detector)130、一处理器140、一调节器(conditioner)150以及一研磨头(head)160，其中研磨台110具有至少一光源112。而研磨垫120系覆盖研磨台110，并具有至少一透光区122，对应于研磨台110的光源112。检测器130则位于研磨垫120上方，以检测通过研磨垫120的透光区122的光源112所发出的光124。处理器140则是与检测器130相连，且借由检测器130检测的结果，来估算研磨垫120的厚度，以判定研磨垫120的轮廓状况，进而发出一处理讯号。而如何依照通过透光区122的光124来估算研磨垫120厚度的方式将详述于后。再者，调节器150配置于研磨垫120上方，且与处理器140相连，其中调节器150用以调节研磨垫120并根据处理器140发出的处理讯号调整调节器150调节研磨垫120的处理程序，使得研磨垫120的轮廓状况在经过调节器150处理后为一优选的状况。而研磨头160是配置于研磨垫120上方的调节器150旁用以抓住晶圆10，来进行晶圆10的研磨。另外，研磨台110的光源112可有各种变形，如图2所示。

图2是图1中的化学机械研磨装置的研磨台上视图。请参照图2，光源112配置于研磨台110的径向方向的一线型发光区域114中，其中光源例如条状光源112b或是数个点状光源112a。此外，光源112的配置也可以如本图是贯通整个于研磨台110的径向；抑或，只有从研磨台110的圆心116延伸至研磨台110的边缘。再者，光源112例如是冷光光源。而前述图1的描述中曾提及依照通过透光区122的光124来估算研磨垫120厚度的方式，可参考图3。

图3是依照图2的III-III剖面的研磨台与其上的研磨垫剖面示意图。请参照图3，研磨垫120的透光区122如本图可作成梯形，且于研磨垫120未经磨耗之初，研磨垫120的顶面128的透光区122宽度可设为2a，而在研磨垫120经过一段时间的磨耗之后，其顶面126的透光区122宽度2b也会逐渐变大，且其宽度2b可经由检测器130检测通过透光区122的光源112所发出的光来获得。所以当透光区122侧面与研磨台110的夹角θ为已知时，可利用下面公式一计算出研磨垫120消耗的厚度h：

h＝L x tan θ＝(b-a)x tan θ    公式一

因此，处理器140可对照原始的研磨垫120厚度估算出目前研磨垫120的实际厚度。以上为利用研磨垫120的透光区122面积，来测得研磨垫120厚度的一种范例，而非用以限定本发明的厚度量测机制。

另外，为说明如何应用本发明的装置在线控制研磨垫轮廓，请参考图4，其系依照图1的化学机械研磨装置在线控制研磨垫轮廓的动作流程图。

请参照图4，本发明所提供的在线控制研磨垫轮廓的方法包括先进行步骤400，利用检测器进行检测，其系检测由研磨垫120下的研磨台110发出的光124(请见图1)。之后，进行步骤410，利用与检测器相连的处理器进行结果分析，以依照检测器检测的结果来估算研磨垫的厚度，并从处理器发出一处理讯号，再接续步骤420，根据处理器发出的处理讯号调整调节器的处理程序，其中处理讯号包括实时回馈的信息、以前的回馈信息或于回馈信息的某数量之后来决定调节处理程序。而在调整调节器的处理程序后，将利用调节器调节研磨垫，以增加或减少修整量(dressing amount)，使得研磨垫的轮廓状况在经过调节器处理后为一优选的状况。最后，进行步骤430，继续进行化学机械研磨。而本发明的在线控制研磨垫轮廓的方法可以应用于就地(in-situ)或另处(ex-situ)的化学机械研磨制作工艺中。此外，本发明的概念可应用于各种化学机械研磨装置，以下举两种实施例。

第二实施例

图5是依照本发明的第二实施例的化学机械研磨装置的上视示意图，为区别本实施例与第一实施例，于图5中将省略部分构件，并且使用与图1相同的图示标号来代表具有相同功用的构件。

请参照图5，本实施例的化学机械研磨装置与第一实施例最大的不同在于这种装置可同时进行研磨抛光步骤以及研磨垫调节(pad conditioning)步骤。这种装置的研磨头160与调节器150系分别借由一机械手臂500抓住，并可同时放置于一个研磨台110上。因此，当研磨头160进行研磨抛光时，调节器150可同时进行调节。再者，检测器(未示出)可配置于机械手臂500上，直接进行检测。

第三实施例

图6则是依照本发明的第三实施例的化学机械研磨装置的上视示意图，为区别本实施例与第一实施例，于图6中将省略部分构件，并且使用与图1相同的图示标号来代表具有相同功用的构件。

请参照图6，本实施例的化学机械研磨装置与第一实施例最大的不同在于这种装置可同时进行数片晶圆的研磨抛光步骤。这种装置具有数个研磨台110、研磨头160与调节器150，且各研磨头160可借由一个机械手臂600来进行移动。而每个调节器150也可借由另一些机械手臂610来进行移动，其中研磨头160的移动轨迹例如图中的箭号所示。再者，检测器(未示出)同样可配置于机械手臂600上，以直接进行检测。

此外，为凸显本发明的功效，请参考以下的实验曲线图。

图7是传统无研磨垫轮廓的控制系统的化学机械研磨装置的研磨垫轮廓曲线图；以及图8是依照本发明具有研磨垫轮廓的控制系统的化学机械研磨装置的研磨垫轮廓曲线图。请参考图7与图8，从这两个图即可知本发明(图8)的研磨垫轮廓明显较传统(图7)的研磨垫轮廓平坦，尤其是传统的研磨垫中央区域的厚度明显低于两侧的厚度，因此传统方式易造成晶圆内不均匀度(within wafer non-uniformity，缩写为WIWNU)不佳。

综上所述，本发明的特点之一是在一化学机械研磨装置中设有一种研磨垫轮廓的控制系统，并配合研磨垫的透光区与研磨台中的光源，故能在线控制研磨垫轮廓，以降低关于晶圆内不均匀度的变量，并于研磨后易于拥有具可获致优异平坦性的研磨垫轮廓。

因此，当研磨垫轮廓超出控制的范围时，系统将被动态实时执行研磨垫调节步骤，直到研磨垫轮廓达到使用者的要求才停止。而且，本发明可连续地调节再根据回馈信息去增加或减少某些区域上的修整量；或是借由以前地回馈信息或于回馈信息的某数量之后来决定调节处理程序。

虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何业内人士，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定者为准。

Claims (28)

1.一种研磨垫轮廓的控制系统，用于一化学机械研磨装置，该化学机械研磨装置包括一研磨垫、一研磨台、一研磨头以及一调节器，其特征在于：

该研磨垫包含一透光区，该研磨垫轮廓的控制系统包括：

至少一光源，设置于该研磨台中，其中该光源对应于该研磨垫的该透光区；

一检测器，位于该研磨垫上方，以检测通过该研磨垫的该透光区的该光源所发出的光；以及

一处理器，根据该检测器所检测的结果，来估算该研磨垫的厚度，以判定该研磨垫的轮廓状况，进而发出一处理讯号至该调节器，借以调整该调节器的处理程序。

2.如权利要求1所述的研磨垫轮廓的控制系统，其中该光源配置于该研磨台的径向方向的一线型发光区域中。

3.如权利要求2所述的研磨垫轮廓的控制系统，其中该光源包括条状光源与多个点状光源其中之一。

4.如权利要求1所述的研磨垫轮廓的控制系统，其中该处理器估算该研磨垫的厚度是借由该检测器检测该透光区的面积，来判断该研磨垫的局部磨耗状况。

5.如权利要求1所述的研磨垫轮廓的控制系统，其中该光源包括冷光光源。

6.如权利要求1所述的研磨垫轮廓的控制系统，其中该检测器配置于一机械手臂上，其中该机械手臂用来移动该研磨头。

7.一种化学机械研磨装置，适于研磨一晶圆，其特征在于：

该化学机械研磨装置包括：

一研磨台，具有至少一光源；

一研磨垫，覆盖该研磨台，其中该研磨垫具有至少一透光区，对应于该研磨台的该光源；

一检测器，位于该研磨垫上方，以检测通过该研磨垫的该透光区的该研磨台的该光源所发出的光；

一处理器，与该检测器相连，且借由该检测器检测的结果，来估算该研磨垫的厚度，以判定该研磨垫的轮廓状况，进而发出一处理讯号；

一调节器，配置于该研磨垫上方，且与该处理器相连，其中该调节器用以调节该研磨垫并根据该处理器发出的该处理讯号调整处理程序；以及

一研磨头，配置于该研磨垫上方的该调节器旁，用以抓住该晶圆。

8.如权利要求7所述的化学机械研磨装置，其中该研磨台的该光源配置于该研磨台的径向方向的一线型发光区域中。

9.如权利要求8所述的化学机械研磨装置，其中该研磨台的该光源包括条状光源与多个点状光源其中之一。

10.如权利要求7所述的化学机械研磨装置，其中该处理器估算该研磨垫的厚度是借由该检测器检测该透光区的面积，来判断该研磨垫的局部磨耗状况。

11.如权利要求7所述的化学机械研磨装置，其中该研磨台的该光源包括冷光光源。

12.如权利要求7所述的化学机械研磨装置，还包括一机械手臂，位于该研磨垫上方并与该研磨头相连，用以移动该研磨头。

13.如权利要求12所述的化学机械研磨装置，其中该检测器配置于该机械手臂上。

14.如权利要求7所述的化学机械研磨装置，还包括一机械手臂，位于该研磨垫上方并与该调节器相连，用以移动该调节器。

15.一种化学机械研磨装置，适于同时研磨多个晶圆，其特征在于：

该化学机械研磨装置包括：

多个研磨台，每一研磨台具有至少一光源；

多个研磨垫，覆盖每一研磨台，其中每一研磨垫具有至少一透光区，对应于每一研磨台的该光源；

多个检测器，位于所述研磨垫上方，以检测通过每一研磨垫的该透光区的每一研磨台的该光源所发出的光；

一处理器，与所述检测器相连，且借由所述检测器检测的结果，来估算每一研磨垫的厚度，以个别判定所述研磨垫的轮廓状况，而发出多个处理讯号；

多个调节器，配置于所述研磨垫上方，且与该处理器相连，其中所述调节器用以调节每一研磨垫，并根据该处理器发出的所述处理讯号分别调整所述调节器的处理程序；以及

多个研磨头，配置于所述研磨垫上方的所述调节器旁，以分别抓住所述晶圆。

16.如权利要求15所述的化学机械研磨装置，其中每一研磨台的该光源配置于经过每一研磨台的径向方向的一线型发光区域中。

17.如权利要求16所述的化学机械研磨装置，其中该光源包括条状光源与多个点状光源其中之一。

18.如权利要求15所述的化学机械研磨装置，其中该处理器估算每一研磨垫的厚度是借由所述检测器检测每一研磨垫的该透光区的面积，来判断所述研磨垫的局部磨耗状况。

19.如权利要求15所述的化学机械研磨装置，其中该光源包括冷光光源。

20.如权利要求15所述的化学机械研磨装置，还包括一机械手臂，位于所述研磨垫上方并与所述研磨头相连，用以移动所述研磨头。

21.如权利要求20所述的化学机械研磨装置，其中所述检测器配置于该机械手臂上。

22.如权利要求15所述的化学机械研磨装置，还包括多个机械手臂，位于该研磨垫上方并分别与所述调节器相连，用以移动所述调节器。

23.一种在线控制研磨垫轮廓的方法，适于借由调整一调节器的处理程序，来控制一研磨垫的轮廓，其步骤包括：

利用一检测器检测由该研磨垫下的一研磨台发出的光；

利用与该检测器相连的一处理器依照该检测器检测的结果进行分析，以估算该研磨垫的厚度，并从该处理器发出一处理讯号；以及

根据该处理器发出的该处理讯号，调整该调节器的处理程序。

24.如权利要求23所述的在线控制研磨垫轮廓的方法，其中调整该调节器的处理程序后，还包括利用该调节器调节该研磨垫，以增加修整量。

25.如权利要求23所述的在线控制研磨垫轮廓的方法，其中调整该调节器的处理程序后，还包括利用该调节调节该研磨垫，以减少修整量。

26.如权利要求23所述的在线控制研磨垫轮廓的方法，其中该处理器估算所述研磨垫的厚度利用该检测器检测由该研磨台发出的光透过该研磨垫的透光区面积，来判断该研磨垫的局部磨耗状况。

27.如权利要求23所述的在线控制研磨垫轮廓的方法，包括应用于就地的化学机械研磨制作工艺中。

28.如权利要求23所述的在线控制研磨垫轮廓的方法，包括应用于另处的化学机械研磨制作工艺中。

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