CN102133729B

CN102133729B - 一种用于cmp抛光头的压力控制系统

Info

Publication number: CN102133729B
Application number: CN2011100021165A
Authority: CN
Inventors: 张辉; 门延武; 王同庆; 路新春; 叶佩青
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2011-01-06
Filing date: 2011-01-06
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2031-01-06
Also published as: CN102133729A

Abstract

一种用于CMP抛光头的压力控制系统，属于半导体制造技术领域，其特征在于包括压力源、控制阀组、压力传感器、CPU、数模以及模数转换电路等。该控制系统通过对各支路的压力与流量控制实现对远端各腔室的压力控制。控制阀组的每条支路由正压与负压两个通道和一个过滤器组成。其中正压通道由与压力源依次相连的减压阀、电控比例阀、正负压开关阀组构成。负压通道由与压力源依次相连的开关阀、真空发生器、真空调压阀和正负压开关阀组构成。正负压开关阀组的输出与一个双向过滤器相连，双向过滤器的输出连接远端腔室。压力传感器将采集到的各腔室压力经A/D转换电路送至CPU。

Description

一种用于CMP抛光头的压力控制系统

技术领域

本发明涉及半导体制造设备中的气压控制系统，特别涉及一种用于化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)抛光头的正压与负压控制系统。

背景技术

当前，CMP是半导体制造工艺中晶圆全局平坦化最有效的技术。在CMP抛铜领域中，抛光头夹持硅片将待抛铜层表面压向旋转的抛光盘，通过抛光盘上的抛光垫摩擦以及抛光液腐蚀实现有效快速的铜层移除。其中，抛光头可以通过控制硅片背面各环形区腔室压力实现对硅片抛光压力的全局动态调节。

抛光头内部腔室等效于多个密闭腔室，可膨胀与收缩，腔室之间可互相挤压或者无挤压。腔室之间的耦合主要有三种情况：一种是体积耦合，即各腔室之间的挤压或收缩引发腔室容积的变化；一种是气源输入耦合，各腔室同时加压时引发气源瞬间供气压力波动；最后一种是真空输出耦合，多腔室同时真空动作时，某一腔室真空的变化(比如漏气)引发别腔室真空度变化。对于体积耦合的情况通常解决的办法是改变结构设计或软件补偿等办法；而气源输入耦合以及真空输出耦合却可以通过改变气路控制结构设计实现。

此外，该控制系统中的压力传感单元用于采集腔室的实时压力，随后反馈至控制系统构成全闭环控制。然而受到结构的限制，该传感单元的安装位置常常不能放置于抛光头腔室内部，而是安放于气压控制系统出口处。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于CMP抛光头的压力控制系统。其特征在于含有：

作为压力源的气源、控制阀组、压力传感器、A/D转换电路、D/A转换电路以及CPU，其中：

压力传感器共有N个，N≥1，分别采集远端抛光头中同样的N个腔室压力，把采集到的各腔室压力通过一个具有同样N个通道的A/D转换电路输入到CPU中，其中所述的N个压力传感器与化学机械抛光(CMP)设备上的所述N个腔室的旋转接头相连，

控制阀组，共有N条支路，每一支路连接着所述的一个腔室，所述每条支路的输入端与压力源相连，每条支路的输出端与对应于该条支路的所述腔室的输入端相连，每条支路由正压通道、负压通道和一个双向过滤器组成，其中：

正压通道，由依次串联的减压阀、电控比例阀以及正负压开关阀组构成，所述减压阀的输入端与所述压力源的输出端相连，

负压通道，由依次串联的常开状态的真空开关阀、真空发生器、真空调压阀以及与所述正压通道共用的正负压开关阀组构成，所述真空开关阀的输入端与所述的压力源的输出端相连，

所述的正负压开关阀组的输出端与一个双向过滤器的输入端相连，该双向过滤器的输出端与对应的一条支路上的所述腔室相连，

所述的正负压开关阀组是由一个三位三通阀，或两个相互并联的两通阀，或相互串联的一个两位三通阀和一个两通阀组成，

CPU，为每一个所述腔室设定一个腔室压力值，同时，设定一个差压信号输出端向所述正压通道中的电控比例阀输出所述设定腔室压力与实测腔室压力的差值，差值大于零，表示对所述腔室继续加压，差值小于零，表示对所述腔室减压，还设有：切换控制信号输出端同时与所述负压通道的真空开关阀的抓片启动控制信号输入端以及与所述的正负压开关阀组的按所需运行状态切换控制信号输入端相连，在启动抓片过程与腔室压力调控过程间进行切换，所述差压输出端输出的差压信号经过D/A转换电路后输出到所述正压通道中电控比例阀的控制信号输入端，调控后的气压在所述切换控制信号控制下经由所述正负压开关阀组、双向过滤器后送往对应的腔室；所述抓片启动控制信号打开所述负压通道的真空开关阀输出，通过真空调压阀调压后经所述双向过滤器送往对应的腔室，在断电状态下，所述的正负压开关阀组切向负压通道。

本发明具有以下优点和积极效果：

本发明的一种用于CMP抛光头的压力控制系统不仅能有效的克服气源输入耦合以及真空输出耦合的影响，而且能有效改进由于传感单元安放位置所带来的传感精度误差。此外该系统能够避免由于意外断电时真空泄露致使硅片脱落。

附图说明

图1为本发明压力控制系统总体结构示意图，L1，L2，...Ln表示通往腔室的每条支路；DO表示CPU输出的数字量输出信号；

图2为图1控制系统的部分详细结构示意图，I₁表示正压通道中送往正负压开关阀组的支路，I₂表示负压通道中送往正负压开关阀组的支路；ΔP代表设定压力值与实测压力值的差值；

图3为开关阀组的主要构成示意图，I₁表示正压通道中送往正负压开关阀组的支路，I₂表示负压通道中送往正负压开关阀组的支路；

图4为本发明实施例的结构示意图，L1，L2，...Ln表示通往腔室的每条支路；

具体实施方式

本发明提供的一种用于CMP抛光头的压力控制系统，属于半导体制造技术领域，其特征在于包括压力源、控制阀组、压力传感器、CPU、数模以及模数转换电路等。该控制系统通过对各支路的压力与流量控制实现对远端各腔室的压力控制。控制阀组的每条支路由正压与负压两个通道和一个过滤器组成。其中正压通道由与压力源依次相连的减压阀、电控比例阀、正负压开关阀组构成。负压通道由与压力源依次相连的开关阀、真空发生器、真空调压阀和正负压开关阀组构成。正负压开关阀组的输出与一个双向过滤器相连，双向过滤器的输出连接远端腔室。远端压力传感器将采集到的各腔室压力经控制系统中的A/D转换电路送至CPU。

进一步地，所述的传输气路包括至少一条分支管路和过滤器构成的通路。

进一步地，所述的每一条分支管路包括正压和负压两个通道。

进一步地，所述的每一正压通道中电控比例阀入口处添加减压阀。

进一步地，所述的每一负压通道中包含真空发生器。

进一步地，所述的每一负压通道中真空发生器后端添加真空调压阀。

进一步地，所述的传感器为正负压力传感器。

进一步地，所述的A/D转换电路至少采用12位精度。

进一步地，所述的多区压力控制系统仅由一个压力源组成。

进一步地，所述的抛光头多区可收缩和膨胀，区域之间可互相挤压。

以下将结合附图对本发明的气压控制系统做进一步的详细阐述。

图1为本发明压力控制系统总体结构示意图。本发明的气动控制系统包括压力源10，压力传感器30，CPU40，A/D以及D/A输出单元50，控制阀组60组成。控制阀组60连接着压力源与抛光头内各腔室20(Z1～Zn)，腔室压力经压力传感器30采集至CPU40，经过软件处理后由输出单元50控制阀组输出。此处，抛光头腔室为柔性或刚性，腔室之间耦合或非耦合。

在图2系统控制阀组60中，每一支路Li连接着压力源10与远端各腔室20Zi(i＝1～n)，各支路主要由正压通道100与负压通道110两部分组成。正压通道100由减压阀61、电控比例阀62以及正负压开关阀组63依次串联组成。负压通道主要由真空开关阀64、真空发生器65(例如SMC公司生产的ZH系列)、真空调压阀66以及正负压开关阀组63依次串联组成。正负压通道的输出经双向过滤器68连接至远端各腔室，正负压开关阀组63断电时为负压吸附状态，有利于保护硅片。正压通道工作时，由CPU40控制正负压开关阀组63切向正压通路，同时关闭真空开关阀64，根据用户设定的压力调节电控比例阀62，压力传感器30实时将腔室压力采集至CPU40，由软件控制实现腔室压力与设定压力一致。负压通道工作时，正负压开关阀组63切向负压通道；真空开关阀64打开，其连接的正压源10将触发真空发生器工作，腔室的真空度调节由真空调压阀66实现。

此外，本发明除了能够产生压力与负压外，还能够连通大气。连通大气时，真空开关阀64关闭，此时真空发生器并不产生真空，而是连通大气，通过正负压开关阀组63切向真空回路即可实现各腔室与大气相连。

图3为开关阀组的主要构成示意图。开关阀组的详细构成可以由两个两通阀并联组成(图a)，也可由一个两位三通和两通阀串联组成(图b)，或者由一个三位三通阀(图c)组成等。

图4为本发明的实施例，本发明的压力控制系统连接至CMP设备90的旋转接头80，与抛光头120腔室Z1～Zn相连，传感器安装于远端旋转接头入口处。当CMP设备执行抛光硅片时，各区按用户设定控制电控比例阀62施加背压力，同时与传感器采集到的实时数据进行比较，由软件控制使得腔室压力快速达到目标值。抛光完毕抓取硅片以及移动硅片时，真空回路打开，正压通道关闭。

Claims

1.一种用于CMP抛光头的压力控制系统，其特征在于含有：作为压力源的气源、控制阀组、压力传感器、A/D转换电路、D/A转换电路以及CPU，其中：

压力传感器共有N个，N≥1，分别采集远端抛光头中同样的N个腔室压力，把采集到的各腔室压力通过一个具有同样N个通道的A/D转换电路输入到CPU中，其中所述的N个压力传感器与化学机械抛光CMP设备上的所述N个腔室的旋转接头相连，

控制阀组，共有N条支路，每一支路对应连接着一个所述的腔室，所述每条支路的输入端与压力源相连，每条支路的输出端与对应于该条支路的所述腔室的输入端相连，每条支路由正压通道、负压通道和一个双向过滤器组成，其中：

CPU，为每一个所述腔室设定一个腔室压力值，同时，设定一个差压信号输出端向所述正压通道中的电控比例阀输出所述设定腔室压力与实测腔室压力的差值，差值大于零，表示对所述腔室继续加压，差值小于零，表示对所述腔室减压，还设有：切换控制信号输出端同时与所述负压通道的真空开关阀的抓片启动控制信号输入端以及与所述的正负压开关阀组的按所需运行状态切换的控制信号输入端相连，在启动抓片过程与腔室压力调控过程间进行切换，所述差压信号输出端输出的差压信号经过D/A转换电路后输出到所述正压通道中电控比例阀的控制信号输入端，调控后的气压在所述切换控制信号控制下经由所述正负压开关阀组、双向过滤器后送往对应的腔室；所述抓片启动控制信号打开所述负压通道的真空开关阀输出，通过真空调压阀调压后经所述双向过滤器送往对应的腔室，在断电状态下，所述的正负压开关阀组切向负压通道。

2.如权利要求1所述的一种用于CMP抛光头的压力控制系统，其特征在于：所述的真空调压阀为手动调压阀、电控调压阀以及电控比例阀中的任何一种。

3.如权利要求1所述的一种用于CMP抛光头的压力控制系统，其特征在于：真空开关阀打开时，所述的真空发生器产生真空度；真空开关阀关闭时，所述的真空发生器与大气相连。

4.如权利要求1所述的一种用于CMP抛光头的压力控制系统，其特征在于：所述的压力传感器安装于所述CMP设备抛光头的进气口端。

5.如权利要求1所述的一种用于CMP抛光头的压力控制系统，其特征在于：所述的压力传感器为正负压传感器。