CN102554781A

CN102554781A - 化学机械抛光头抛光压力控制方法及其装置

Info

Publication number: CN102554781A
Application number: CN2010106117383A
Authority: CN
Inventors: 高慧莹; 罗杨; 孙振杰; 陈学森
Original assignee: Beijing Semiconductor Equipment Institute
Current assignee: Beijing Semiconductor Equipment Institute
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明提供了一种化学机械抛光头抛光压力控制方法及其装置，涉及晶圆化学机械抛光设备技术领域。主要具有超精密减压阀、电空变换器、空气继电器、隔膜汽缸；加压汽缸通过超精密减压阀的控制来克服负载的自身重力；通过空气继电器的PID调节消除外界气源的波动；上位机控制的输出模拟量控制电空变换器、空气继电器、隔膜汽缸的方法来实现抛光的恒定压力控制和压力大小连续可调。采用方法或装置，可有效减少压力波动造成的晶圆破损等现象，得到持续稳定、连续可调的抛光压力，提高晶片的表面抛光质量；该方法合理、原理独特、工艺性好；该装置结构简单，使用方便。特别适用于晶圆化学机械抛光设备的抛光压力控制。

Description

化学机械抛光头抛光压力控制方法及其装置

技术领域

本发明本发明涉及晶圆化学机械抛光设备技术领域,特别是一种蓝宝石衬底晶圆化学机械抛光设备上的抛光头压力控制方法及装置。

背景技术

化学机械抛光过程，即CMP（Chemical Mechanical Planarization ）的加工过程，是对晶圆表面通过化学腐蚀与机械磨削作用达到平坦化的过程。根据CMP工作原理，蓝宝石衬底片与抛光布之间在压力的作用下，产生摩擦力，从而达到材料去除的表面平坦化过程。为了得到理想的抛光效果，达到表面纳米级粗糙度指标，要求抛光压力满足（1）在抛光过程中稳定，无波动；（2）压力大小可调、可控，实现压力连续性控制。传统的压力控制方法采用普通压力汽缸实现固定不变的压力，或采用砝码加压的方式进行加压，压力随外界变化而波动，压力值固定，不能实现连续调节。

发明内容

本发明的目的是提供一种化学机械抛光头抛光压力控制方法及其装置，在对晶圆进行抛光时，采用该方法或装置，可有效减少压力波动造成的晶圆破损等现象，得到持续稳定、连续可调的抛光压力，提高晶片的表面抛光质量；该方法合理、原理独特、工艺性好；该装置结构简单，使用方便。特别适用于晶圆化学机械抛光设备的抛光压力控制。

本发明之一是这样实现的：一种化学机械抛光头抛光压力控制方法，其特征在于：加压汽缸通过超精密减压阀的控制来克服负载的自身重力；通过空气继电器的PID（比例-微分-积分）调节消除外界气源的波动；上位机控制的输出模拟量控制电空变换器、空气继电器、隔膜汽缸的方法来实现抛光的恒定压力控制和压力大小连续可调。

本发明之二是这样实现的：一种化学机械抛光头抛光压力控制装置，包括抛光盘加压机构，其特征在于主要具有超精密减压阀、电空变换器、空气继电器、隔膜汽缸；超精密减压阀的输入端（IN）接通大气主气源，输出端（OUT）连接到隔膜汽缸的推端，电空变换器的输入端（IN）接通大气主气源，电空变换器的输出端（OUT）连接到空气继电器的控制端，控制端连接上位机的模拟量输出端上（DA1），空气继电器的输入端（IN）接通大气主气源，空气继电器的输出端（OUT）连接到隔膜汽缸的引端，隔膜汽缸的输出汽缸杆与抛光盘加压机构连接。

本发明的积极效果是：有效解决了长期以来现有技术中一直存在的且一直未能解决的问题，在对晶圆进行抛光时，采用此项技术可有效减少压力波动造成的晶圆破损等现象，提高晶片的表面抛光质量，达到纳米级表面粗糙度，得到持续稳定、连续可调的抛光压力；可以根据抛光工艺要求，实施连续稳定的模拟量压力输出，达到材料去除的表面平坦化过程，大大提高晶圆的抛光质量，方法合理、原理独特、工艺性好。本发明所提供的压力控制方法采用电空变换器和空气继电器的组合控制隔膜汽缸实现，有效地消除外界气源变化对汽缸输出压力的影响，使输出压力持续稳定。采用上位机模拟量控制，汽缸输出压力大小可根据设定持续变化，实现抛光压力的连续可调。该控制方法既能得到持续稳定、连续可调的抛光压力，又能减低蓝宝石晶圆的碎片率，提高晶圆表面质量，同时还可以减少抛光过程中人工干预的时间，减少人为因素对抛光的影响。特别适用于晶圆化学机械抛光设备的抛光压力控制。

以下结合实施例及其附图作详述说明，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1是本发明化学机械抛光头抛光压力控制方法一实施例的控制方法原理图。

图2是本发明化学机械抛光头抛光压力控制装置一实施例的安装连接结构示意图。

图3是图2中的的压力输入软件的流程图。

图4是图2中的压力输出软件的流程图。

附图1、2中：

1—空气组合元件（气源的过滤、调压和油雾分离）；

2—电空变换器（将模拟量电信号转换为气压信号）；

3—压力表（显示电空变换器的输出压力值）；

4—隔膜汽缸（压力输出到实施装置上，从而实现压力控制）；

5—加压执行机构；

6—空气继电器（对电空变换器的输出压力进行稳定控制）；

7—超精密减压阀（为隔膜汽缸的推端提供克服实施装置自重的稳定压力；

8—压力表（显示超精密减压阀克服自重所需压力值）。

附图3、4中：

X-输入压力值；Y-压力模拟量；C-压力临界值；b-压力偏移量；G-加压执行机构自重；K-压力矫正系数；Open-状态变量；A-当前压力值；

n-压力阶段数（细分数）；i-循环变量；M-实际压力值。

具体实施方式

实施例1：参见图1，该化学机械抛光头抛光压力控制方法，加压汽缸通过超精密减压阀的控制来克服负载的自身重力；通过空气继电器的PID调节消除外界气源的波动；上位机控制的输出模拟量控制电空变换器、空气继电器、隔膜汽缸的方法来实现抛光的恒定压力控制和压力大小连续可调。以下装置实施例也是实现该方法的实施例。

实施例2：参见图2，该化学机械抛光头抛光压力控制装置，包括抛光盘加压机构，具有超精密减压阀7、电空变换器2、空气继电器、隔膜汽缸4；超精密减压阀7的输入端IN接通大气主气源，输出端OUT连接到隔膜汽缸4的推端，电空变换器2的输入端IN接通大气主气源，电空变换器2的输出端OUT连接到空气继电器6的控制端，控制端连接上位机的模拟量输出端上DA1，空气继电器6的输入端IN接通大气主气源，空气继电器6的输出端OUT连接到隔膜汽缸4的引端，隔膜汽缸4的输出汽缸杆与抛光盘加压机构连接。

加压汽缸通过超精密减压阀的控制来克服负载的自身重力。加压汽缸的压力输出过程：上位机控制的输出模拟量控制电空变换器来实现连续可调的压力输出，通过空气继电器的PID（比例-微分-积分）调节消除外界气源的波动，输出稳定气压给汽缸，从而达到输出压力稳定、连续可调的目的。

对蓝宝石衬底晶圆进行抛光时，采用此项技术能够有效消除外界气压波动对抛光压力的影响，实现抛光压力可调、可控，从而达到抛光压力持续稳定、连续可调，精确稳定地控制晶片表面的压力，提高晶片的表面抛光质量。

以三菱PLC的模拟量控制输出、触摸屏进行压力值设定为例进行实施方式描述：

1、按照附图1、图2进行化学机械抛光压力控制装置的连接，连接完成后如图3所示；

2、利用测力计对实施装置（5）进行自重测量，假设测定为G1;

3、调节超精密减压阀（7），使隔膜汽缸（5）克服实施装置及汽缸本身重力，此时实施装置可在汽缸运动中停留在中间位置，输出的抛光压力为零。

4、通过触摸屏输入理想的抛光压力60kg，通过宏代码及地址映射，与PLC通讯。

5、PLC的模拟量输出DA1来控制电空变换器。

6、电空变换器的输出控制空气继电器进行压力的稳定调节输出给隔膜汽缸。

7、隔膜汽缸向下运动，压力传递到实施装置，实现的持续稳定输出。

8、压力输入实现的流程见图3。

9、压力输出流程见图4。

上述软件程序，可根据实际操作具体需要和要求调整。

实验证明，本发明抛光压力控制方法与装置，可减少压力波动造成的晶圆破损等现象，得到持续稳定、连续可调的抛光压力，大大提高了晶片的表面抛光质量，达到纳米级表面粗糙度。

Claims

1.一种化学机械抛光头抛光压力控制方法，其特征在于：加压汽缸通过超精密减压阀的控制来克服负载的自身重力；通过空气继电器的PID调节消除外界气源的波动；上位机控制的输出模拟量控制电空变换器、空气继电器、隔膜汽缸的方法来实现抛光的恒定压力控制和压力大小连续可调。

2.一种化学机械抛光头抛光压力控制装置，包括抛光盘加压机构，其特征在于主要具有超精密减压阀（7）、电空变换器（2）、空气继电器、隔膜汽缸（4）；超精密减压阀（7）的输入端接通大气主气源，输出端连接到隔膜汽缸（4）的推端，电空变换器（2）的输入端接通大气主气源，电空变换器（2）的输出端连接到空气继电器（6）的控制端，控制端连接上位机的模拟量输出端上，空气继电器（6）的输入端接通大气主气源，空气继电器（6）的输出端连接到隔膜汽缸（4）的引端，隔膜汽缸（4）的输出汽缸杆与抛光盘加压机构连接。