CN101107098A - 化学机械平面化工具的力校准方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明描述的方法和装置允许CMP工具使用者利用机构、测力传感器、控制计算机和力公式快速校准心轴力、晶片力和夹持环力。控制计算机可以基于晶片载具结构测试可膨胀密封件或可膨胀薄膜中的各种压力，以便为经受测试并且用在抛光过程中的特定晶片载具确定唯一的校准值。

Description

化学机械平面化工具的力校准方法和系统

技术领域

这里描述的发明涉及工件抛光领域，特别涉及半导体晶片CMP加工中的力测量和校准方法和装置。

背景技术

集成电路，包括计算机芯片，是通过在硅晶片的前侧堆叠电路层而制成的。在制造过程中，要求极高度的晶片平面度和层平面度。化学机械平面化(CMP)是器件制造过程中的一项工艺，其使得晶片和堆叠在晶片上的各层平坦化，以获得所需程度的平面度。

化学机械平面化这种工艺利用抛光垫抛光晶片，并且组合传送到垫上的浆料的化学和物理作用。晶片由晶片载具保持，晶片的背侧面对晶片载具，晶片的前侧面对抛光垫。抛光垫保持在台板上，台板通常布置在晶片载具下面。晶片载具和台板旋转，从而抛光垫抛光晶片前侧。由选定化学成分和研磨剂形成的浆料被传送到垫上，以实现预期类型和量的抛光。(因此，CMP是通过化学软化、物理向下力以及用于从晶片或晶片层去除材料的旋转的组合作用实现的。)所述向下力，本申请中称作心轴力，在晶片载具中分解为夹持环力和晶片力。

利用CMP工艺，材料薄层被从晶片或晶片层前侧去除。所述层可以是晶片上生长或沉积的氧化物层，沉积在晶片上的金属层，或晶片本身。去除薄材料层的实施是为了降低晶片不规则度。因此，在加工完成后晶片和堆叠在晶片上的各层非常平坦和/或均匀。通常，多层被添加，并且化学机械平面化过程被反复进行，以在晶片表面上建立完整的集成电路芯片。

各种晶片载具结构被用于CMP过程中。一种这样的结构，例如Strasbaugh的变输入气动夹持环(ViPRR)载具，被设计成在夹持环的边界内将晶片保持在载具上，同时安置在夹持环后面的可膨胀密封件受压。所述可膨胀环式密封件使得夹持环延伸到抛光垫中，以产生夹持环力。公式或查值表用于确定可膨胀环式密封件所需的气压值，以产生施加在环上的一定量的力，同时保持心轴力施加于晶片上。

由Strasbaugh设计并且用于CMP的另一种晶片载具结构被设置成具有固定至载具的夹持环，同时可膨胀薄膜用于在晶片后面施加压力。可膨胀薄膜在晶片后面产生作用于晶片的力，称作晶片力。公式或查值表用于确定在抛光过程中向晶片施加规定力所需的薄膜中的气压值。

CMP工具上的心轴力是通过枢转机构产生的，该枢转机构连接着心轴并且由伸缩波纹管(bellows)、活塞或其它致动装置致动。目前，CMP工具上的心轴力被定期校准，以确保CMP过程中施加的心轴力是精确的。技术人员使用测力传感器架测量不同的伸缩波纹管或活塞压力下的心轴力，并将这种信息输入控制计算机以便用于校准。由伸缩波纹管致动系统中的压力产生的向下心轴力可能随时间而改变，因此需要定期校准以确定伸缩波纹管产生的相应心轴力。CMP工具不得不停止工作以实施这种校准。

现在，没有方便的途径测量心轴力、晶片力或夹持环力。最近，利用基于载具类型校准可膨胀密封件压力与环力关系或薄膜与晶片力关系的公式是利用测力传感器架在工厂中通过试验预先确定的。基于晶片载具类型，在不同的气压下，利用适宜的可膨胀密封件或薄膜样品来测量力。通过试验，通用的工厂公式被计算出来，并且该公式被用于所有该类型的晶片载具。结果，有很多通用公式覆盖各种类型和尺寸的晶片载具。

利用该校准方法会遇到很多问题，这部分地因为可膨胀密封件和薄膜的制造不一致性。由于薄膜和可膨胀密封件利用传统成型方法由橡胶状材料(例如EPDM，硅树脂，HNBR，布纳橡胶等)制成，因此尺寸公差相对较大。除了尺寸差异，由于密封件和密封件之间以及薄膜与薄膜之间的成分不一致性，材料性能也可能有很多不同。此外，材料性能和尺寸可能由于各种条件而随时间变化。一些所述条件包括因连续膨胀和收缩产生的周期性应力，浆料的化学侵袭，热周期，以及暴露于空气和水分。可膨胀密封件和薄膜的尺寸和材料性能会极大地影响力校准曲线，并且这些性能的变化可能会负面影响校准曲线。由于制造不一致性，材料不一致性，以及性能随时间的变化，用于晶片载具的通用型工厂力校准措施并不精确。这可能导致非最佳且不一致的抛光结果。

以前，半导体设计者和制造者总是面临着表面平面度的不一致性，并且围绕这些问题设计芯片。其它设计者和制造者要求更小的公差。这些团体需要针对个体特性处理这些问题并且利用定制的台式试验设备分选薄膜和可膨胀密封件。这种过程缓慢且人工强度大。许多可膨胀密封件由于不能落入一定的预定极限之内而被认为是不能使用且被抛弃。由于晶片公差变得越来越重要，需要有方法和装置能够在抛光操作周期之前或之间快速地特性化和校准单个可膨胀密封件或薄膜，以确保精确的晶片和夹持环力被用于晶片加工中。

发明内容

下面描述的方法和系统允许CMP工具的使用者容易且精确地利用机构、测力传感器、控制计算机和力公式校准心轴力、晶片力和夹持环力。控制计算机可以基于晶片载具结构测试可膨胀密封件或可膨胀薄膜中的各种压力，以便为受测且在抛光过程中使用的特定晶片载具确定唯一的校准值。这种校准值比通用型工厂校准值更为精确，这是因为校准值对于特定的载具而言是唯一的。该系统特别适用于具有独立夹持环和晶片力控制的晶片载具。

目前，校准是在紧邻安装晶片载具之前进行，并且在预定数量的抛光周期之后定期进行，以确保在晶片载具的整个使用寿命内维持精确的校准。本发明允许在抛光操作周期之前或之间进行校准，而不需要使设备停止使用。

附图说明

图1示出了一种用于实施化学机械平面化系统。

图2示出了卸载站的剖视图，其中设有用于确定由晶片载具和心轴的分力构成的力的测力传感器。

图3示出了卸载站中的测力传感器的详细结构。

图4示出了与心轴、晶片和夹持环有关的心轴力、晶片力和夹持环力的力公式。

图5示出了具有伸缩波纹管致动的臂撑心轴组件。

图6示出了使用位于夹持环后面的可膨胀密封件的晶片载具。

图7示出了使用位于半导体晶片后面的可膨胀薄膜的晶片载具。

图8示出了校准过程的框图。

图9示出了心轴校准曲线。

图10示出了载具校准曲线。

具体实施方式

图1示出了用于实施化学机械平面化(CMP)的系统1。一或多个抛光头或晶片载具2保持着晶片3(以虚线表示以指示其在晶片载具下面的位置)，晶片悬挂于抛光垫4上方。晶片载具2为此具有用于紧固和保持晶片3的结构。晶片载具2由平移臂5悬挂。抛光垫布置于台板6上，台板以箭头7所示方向旋转。晶片载具2绕它们各自的心轴8沿箭头9的方向旋转。晶片载具2由平移轴10带动着在抛光垫表面上方前后平移，平移轴如箭头20所示移动。用于抛光过程的浆料通过浆料喷射管21传送到抛光垫表面，浆料喷射管布置在悬臂22上或穿过悬臂。(其它化学机械平面化系统可以只使用一个晶片载具2保持一个晶片3，或者多个晶片载具2保持多个晶片3。)其它系统也可以使用单独的平移臂以保持每个载具。

图2示出了卸载站23的剖视图，其中使用了测力传感器(loadcell)用于确定由晶片载具2和心轴8的分力构成的力。测力传感器是一种变换器，其将作用于测力传感器的负载转变成电信号。抛光之后，半导体晶片3通常在CMP工具1的卸载站23卸载。在这里公开的系统中，总心轴力和作为分力的晶片力可以在卸载站23测量。在CMP工具力校准方法和系统的替代性实施例，系统可以测量总的心轴力和夹持环分力，或者系统可以测量晶片分力和心轴分力。

在CMP工具力校准系统和方法中，夹持环分力通过控制计算机而确定。CMP力校准系统还可以构造于CMP工具的其它部分中，例如加载站。为了实现自动校准，两个测力传感器24和25被设置在位于CMP工具1上的机构上。

卸载站上的机构被设计成将总向下力与作用于心轴8和作用于晶片3的力区分开。第一测力传感器24测量心轴通过CMP工具中的致动系统向晶片载具向下施加的总力。第二测力传感器25，或多个测力传感器，测量通过背板或可膨胀(可充胀)薄膜施加的作用于晶片载具中的晶片上的分力，即晶片力。带有偏置部27的负载板26利用机械臂或手工放置在卸载站中。在心轴力校准过程中，夹持环密封件或可膨胀薄膜中的压力设置为零。晶片载具被向下带到机构上，并且安置成以心轴的致动系统产生的向下力接触围绕着卸载站的导环31的内径的凸耳29和负载板26。第一测力传感器测量该向下力，并且控制计算机能够记录这些测量结果以及与向下力相对应的来自心轴的致动机构的相应伸缩波纹管压力。作用于心轴的伸缩波纹管压力由位于心轴组件中的梁式测力传感器测量。

负载板26还用于将作用于晶片载具中的晶片的向下力传递到位于加载站内的第二测力传感器25。晶片分力可以由背板或具有薄膜压力的可膨胀薄膜产生。第二测力传感器25能够测量向下力的晶片分力。心轴8和晶片的力测量值被发送到控制计算机。心轴力、晶片力和夹持环力利用心轴力公式(F_心轴＝F_晶片+F_夹持环)以相应的压力适当地校准。

图3详细显示了一种用于测量晶片力的机构的结构。为了清楚起见，负载板26未被示出。该机构包括一组三个点，它们彼此之间相隔大约120度布置，每个点包含一个单独的测力传感器。全部三个单独测力传感器可以协作而被用作第二测力传感器25，以测量晶片分力。或者，该机构可以被构造成其中两个点作为实体支撑部，剩下的那个点包含第二测力传感器25。任何一种所述结构可以被用于测量晶片分力。

图4示出了CMP抛光过程中需要考虑的三个力。所述力包括心轴力35、晶片力36和夹持环力37。在CMP过程中来自心轴8的向下力作用在晶片载具2上以及抛光台上。作用于晶片载具2的力在晶片载具2中分解为夹持环力37分力和晶片力36分力。这些力的力平衡公式表示为：

F_心轴＝F_晶片+F_夹持环

其中：

F_心轴＝来自心轴的力，作用于晶片载具

F_晶片＝来自心轴的力部分，作用于晶片

F_夹持环＝来自心轴的力部分，作用于夹持环

由于晶片力36加上夹持环力37等于总心轴力35，因此在得知了上述公式中的三个力中的两个力的值的情况下，任何一个所述力的值可以计算出来。利用CMF自动力校准装置，心轴力设置为预期值。心轴的实际力由第一测力传感器24测量。系统还能够利用第二测力传感器25测量晶片分力。夹持环力因此而可以通过从总向下心轴力减去晶片分力而计算出来(F_夹持环＝F_心轴-F_晶片)。夹持环力被计算以产生与夹持环致动器压力有关的校准曲线。

大多数CMP工具1上的心轴力来自致动系统。致动系统可以是气动或液压的。通常，CMP工具中的心轴的气压致动器是通过使用伸缩波纹管39而实现的。图5示出了具有伸缩波纹管致动器的臂撑心轴组件。伸缩波纹管39驱动一个机构，该机构在CMP过程中将与晶片载具2连接的心轴8推向抛光垫。心轴力在晶片载具中分解为夹持环分力和晶片分力。在CMP过程中，来自载具的这两个分力作用于抛光台。

图6示出了晶片载具2，其使用了位于夹持环42后面的可膨胀(可充胀)环式密封件41。在一些晶片载具2中，例如Strasbaugh的ViPRR载具，半导体晶片3由载具2保持，而位于夹持环42后面的可膨胀密封件41受压。受压密封件41使得夹持环42向抛光台延伸。受压环式密封件41影响该类型的晶片载具中的夹持环力。公式或查值表用于确定位于夹持环42后面的可膨胀环式密封件41的所需气压值，以在CMP过程中产生作用于夹持环42上的所需量值的力。在心轴力设置为已知值的情况下，通过测量晶片力，CMP自动校准装置允许来自可膨胀密封件41的压力被校准以便实现所需的夹持环力。

在其它半导体晶片载具2中，例如图7所示的，夹持环42由载具2保持，同时可膨胀薄膜43用于在晶片后面3施加压力。该结构中的可膨胀薄膜产生晶片力，其为作用于晶片的向下力的分力。其它晶片载具结构可以使用背板来施加晶片力。公式或查值表用于确定薄膜43中所需的气压值，以便在抛光过程中施加预期的力于晶片3上。

CMP自动校准系统允许快速且精确的方法用于恰好在抛光周期之前或之后在CMP工具中针对相应的心轴力、夹持环力和晶片力校准心轴伸缩波纹管、可膨胀密封件和薄膜的压力。该校准方法和系统导致在抛光晶片时使用更精确的力。图8示出了自动校准方法的框图。当CMP自动校准装置被使用时，具有偏置部27的负载板26被安置在卸载站23中。负载板26的安置是通过操作者或与CMP工具相连的机械臂实现的。负载板26中的偏置部27安置在卸载站23中的一或多个测力传感器的上方。偏置部27可以是可调的，并且负载板26的高度可被调节以补偿晶片3厚度。接下来，基于载具类型，可膨胀环式密封件41或可膨胀薄膜43中的压力设置为零。通过这种方式，可以进行不受环式密封件压力或薄膜压力影响的心轴力测量。心轴8与晶片载具2一起随后被安置在CMP工具1中的卸载站23的上方。晶片载具2可被加载测试晶片，或者，基于负载板26的结构，晶片载具2可以是空的。一旦安置在卸载站23上方，心轴的致动系统受压，并且晶片载具2被以一定量值的向下力向下带到卸载站23。卸载站在x和y方向具有一些水平自由度，并且其结构是相对于心轴和载具自对中的。这使得载具本身对准卸载站的中心。当晶片载具被向下带到卸载站时，其围绕着卸载站中的导环安置成接触负载板26和凸耳29。

为了校准心轴力，控制计算机命令致动系统以规定压力产生心轴的向下力。晶片载具的可膨胀环式密封件或可膨胀薄膜中的压力为零。致动系统将晶片载具向下带到卸载站，第一测力传感器24随后被用于测量由致动系统产生的生成心轴力。控制计算机记录来自第一测力传感器24测量结果以及产生所述心轴力的相应伸缩波纹管压力。控制计算机然后针对致动系统中的各种压力重复上述过程，并且记录压力和相应的心轴力。如图9所示，利用所收集的伸缩波纹管压力45或活塞压力与心轴力46之间关系的数据，产生了心轴校准曲线44。

为了校准对应于晶片载具2中分力例如夹持环力或晶片力的流体压力，控制计算机首先命令心轴力达到规定值，以将晶片载具向下带到卸载站。然后，基于载具2的结构，控制计算机发送指令以使可膨胀环式密封件41膨胀或使可膨胀薄膜43收缩，以达到一定量值的压力。第一测力传感器24然后被用于测量心轴力的总量值。第二测力传感器25用于测量心轴力的晶片分力。控制计算机测试并记录各种环式密封件的力数据或薄膜压力。控制计算机利用总心轴力和晶片分力计算夹持环力。如显示于图10，利用心轴力公式，控制计算机使用所述数据和收集的值以产生校准曲线47，该曲线或是对应于产生夹持环力49的可膨胀环式密封件压力48，或是对应于产生相应晶片力的可膨胀薄膜压力。所产生的校准曲线47取决于晶片载具2结构的类型。图10示出了具有可膨胀环式密封件的ViPRR晶片载具2的校准曲线47。

通过上述程序产生的校准曲线44和47对于受测试的晶片载具2和心轴而言是唯一的。校准的心轴和载具然后可以在晶片抛光过程中使用。唯一的校准值确保了心轴力、晶片力和夹持环力在CMP过程中是正确的。

校准应当在需要时进行。其可以在载具2被更换为不同的载具2，在夹持环42和/或可膨胀密封件41被更换，或当载具2的高度被调整(随着夹持环磨损，其高度利用垫片调节，该高度必须被垫起)时执行。晶片载具2可能有许多消耗部件(包括夹持环42和可膨胀密封件41)需要定期维护。为此，通常需要将载具移除，重组，和定期更换。校准应当在载具2重组之后进行。如果晶片载具在CMP工具中被更换，校准过程还应当对新的载具2重复进行。此外，校准趋向于随时间发生漂移。即使载具2没有被更换或重组，也应进行定期校准。这里公开的系统和方法允许方便且精确地校准CMP工具中的心轴和晶片载具。

因此，虽然装置和方法的各实施例被参照它们的研制环境进行了描述，但它们仅仅用于解释本发明原理。在不脱离本发明原理以及权利要求中限定的范围内，可以构想出其它实施例和结构。

Claims (24)

1.一种用于校准CMP工具的系统，包括：

CMP工具；

第一机构，其设置在CMP工具中，适于测量由致动系统产生的心轴向下力；

第二机构，其位于所述CMP工具中，适于测量所述向下力的晶片分力；以及

控制计算机，其被编程以进行：

控制、测量和记录由致动系统产生的心轴向下力；

测量和记录所述向下力的晶片分力；

确定所述向下力的夹持环分力。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一机构包括第一测力传感器，其适于测量心轴向下力。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，第二机构包括第二测力传感器，其适于测量向下力的晶片分力。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，第二机构包括多个测力传感器，其适于测量向下力的晶片分力。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，第二机构包括两个支撑部以及第二测力传感器。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述致动系统包括伸缩波纹管。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，致动系统还具有用于产生向下力的伸缩波纹管压力，并且控制计算机还被编程为进行：

测量对应于向下力的伸缩波纹管压力；

记录对应于向下力的伸缩波纹管压力；以及

产生校准表，其中伸缩波纹管压力与向下力相对应。

8.如权利要求1或7所述的系统，其特征在于，控制计算机还被编程为控制向下力的晶片分力。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，通过背板或具有可膨胀薄膜压力的可膨胀薄膜在晶片载具中产生晶片分力。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述控制计算机还被编程为产生表，其中晶片分力与产生晶片分力的可膨胀薄膜压力相对应。

11.如权利要求1或7所述的系统，其特征在于，所述控制计算机还被编程为控制夹持环分力。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，夹持环分力通过晶片载具中的具有可膨胀密封件压力的可膨胀环式密封件产生。

13.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述控制计算机还被编程为产生表，其中夹持环分力与产生夹持环分力的相应可膨胀密封件压力相对应。

14.一种校准CMP的方法，包括：

将带有晶片载具的心轴定位在一个机构上方，该机构适于测量由致动系统产生的心轴向下力，并且适于测量所述向下力的晶片分力；

以一定量值的向下力将所述晶片载具带到所述机构上；以及

校准致动系统的所述向下力。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括校准向下力的晶片分力。

16.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于，还包括校准向下力的夹持环分力。

17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述校准向下力的步骤还包括以伸缩波纹管压力对致动系统中的心轴伸缩波纹管加压，利用所述机构中的第一测力传感器测量向下力，记录向下力，以及记录对应于向下力的伸缩波纹管压力。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括将伸缩波纹管压力与向下力相对照，并且产生心轴校准曲线。

19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，校准晶片力的步骤还包括将所述心轴力设置为已知量值的力，并且在晶片后面以产生晶片分力的薄膜压力对可膨胀薄膜加压。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括利用第一测力传感器测量所述心轴力，利用第二测力传感器测量晶片力，以及记录晶片分力和所述薄膜压力。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括将薄膜压力与晶片分力相对照，并且产生校准曲线。

22.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述校准夹持环力的步骤还包括将所述心轴力设置为已知力，在夹持环后面利用产生夹持环力的密封件压力对可膨胀环式密封件加压。

23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括利用第一测力传感器测量向下力，利用第二测力传感器测量晶片分力，确定夹持环分力，以及记录夹持环分力和相应的密封件压力。

24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括将所述密封件压力与所述夹持环分力相对照，并且产生校准曲线。

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