CN102725832B - 用于补偿化学机械抛光耗材中的可变性的设备及方法 - Google Patents

Abstract

提供用于调节CMP系统中的抛光垫的设备与方法。在一个实施例中，提供一种用于抛光衬底的设备。此设备包含可旋转平台与调节装置，所述可旋转平台与调节装置耦接到基座。调节装置包含轴杆，所述轴杆藉由第一马达可旋转地耦接到基座。可旋转调节头藉由臂耦接到轴杆。调节头耦接到第二马达，所述第二马达控制调节头的旋转。提供一个或更多个测量装置，所述一个或更多个测量装置可运作地用于感测轴杆相对于基座的旋转力度量以及调节头的旋转力度量。

Description

用于补偿化学机械抛光耗材中的可变性的设备及方法

技术领域

本发明的实施例大体上关于用于抛光衬底(诸如半导体衬底)的方法与设备。更详言之，本发明的实施例关于用于调节化学机械抛光(CMP)系统中的抛光表面的方法。

背景技术

在半导体器件的制造期间，藉由各种工艺将层与结构沉积与形成在半导体衬底上。化学机械抛光(CMP)是广泛地被使用的工艺，通过此工艺，抛光垫与抛光溶液的组合以为了接收后续层而平坦化衬底或维持平坦性的方式来移除过量材料。随着时间，抛光垫的效力减弱。为了改善抛光垫的效力，可定期地调节抛光垫。

大体上，垫调节涉及以研磨调节盘来擦净抛光垫，以移除垫表面上的任何累积的抛光副产物和/或更新抛光垫的表面。当将新CMP耗材(诸如抛光垫与调节盘)引进到抛光系统内时，性质与/或彼此的交互作用是未知的。例如，调节盘会因制造商的不同而有变化，并且时常会因盘的不同而有变化。因此，新调节盘可能对抛光垫调节不足或调节过度，其中调节不足会造成较低的移除速率，而调节过度会造成抛光垫的寿命的缩短。同样地，抛光垫性质会因制造商的不同而有变化，并且会因抛光垫的不同而有变化。例如，抛光垫的性质(诸如硬度)会影响调节方案(conditioningrecipe)，造成抛光垫被调节过度或被调节不足。

因此，需要一种改善的用于调节抛光垫的设备与方法，此设备与方法可基于耗材的性质与交互作用(诸如抛光垫的性质与调节盘的性质)而改善抛光垫调节。

发明内容

本发明的实施例提供用于抛光衬底的设备与方法。在一个实施例中，提供一种用于抛光衬底的设备。此设备包含可旋转平台与调节装置，所述可旋转平台与调节装置耦接到基座。调节装置包含轴杆，所述轴杆藉由第一马达可旋转地耦接到基座。可旋转调节头藉由臂耦接到轴杆。调节头耦接到第二马达，所述第二马达控制调节头的旋转。提供一个或更多个测量装置，所述一个或更多个测量装置可运作地用于感测轴杆相对于基座的旋转力量指标以及调节头旋转力量指标。

在另一实施例中，提供一种用于抛光衬底的方法。此方法包含以下步骤：在不存在有衬底下执行预抛光工艺，所述预抛光工艺包括将调节盘推进抵靠抛光垫的抛光表面，所述抛光垫设置在抛光站中；使调节盘相对于抛光垫横跨抛光以扫掠模式移动，同时监控使调节盘相对于抛光垫移动所需要的旋转力值；从所述旋转力值确定指示调节盘与抛光表面之间的交互作用的度量；响应于所述度量，调整抛光方案；以及使用经调整的抛光方案来抛光一个或更多个衬底。

在另一实施例中，提供一种用于抛光衬底的方法。此方法包含以下步骤：在不存在有衬底下执行预抛光工艺，所述预抛光工艺包括将调节盘推进抵靠抛光垫的抛光表面，所述抛光垫设置在抛光站中；使调节盘相对于抛光垫移动，同时监控使调节盘相对于抛光表面移动所需要的旋转力量值。预抛光工艺亦包括：从旋转力量值决定可指示调节盘与抛光表面之间的交互作用的第一扭矩度量；响应于第一扭矩度量，调整抛光方案；使用经调整的抛光方案来抛光一个或更多个衬底；调节抛光垫的抛光表面，同时监控使调节盘相对于抛光表面移动所需要的旋转力量值，以决定第二扭矩度量；以及当第二扭矩度量不同于目标扭矩度量时，调整一个或更多个调节参数。

附图说明

通过参考在附图中示出的实施例，可获得具体实现和理解本发明的上述特征、以上概括的本发明的更详细描述的方式。

图1是抛光站的一个实施例的部分剖视图，抛光站可用于实施本发明的实施例。

图2是图1的抛光站的示意平面图。

图3是流程图，所述流程图图示可用于实施本发明的实施例的方法的一个实施例。

图4是流程图，所述流程图图示可用于实施本发明的实施例的方法的另一实施例。

为了便于了解，已经尽可能地使用相同的元件符号来指示附图中共同的相同元件。可了解的是，一实施例中的元件与特征结构可有益地被并入到其他实施例中，而无需进一步赘述。

具体实施方式

在此描述的实施例涉及用于调节化学机械抛光(CMP)系统中的抛光垫的抛光表面的设备与方法，以提升衬底上的材料移除速率并增加产能。在CMP工艺中，需要定期地调节抛光垫以更新抛光垫的表面。然而，垫调节与抛光工艺期间来自衬底的摩擦的组合倾向于使抛光垫磨损到必须更换抛光垫的程度。同样地，调节盘的研磨性随着时间减弱，以致必须更换调节盘。当将新耗材(诸如新抛光垫与/或新调节盘)引进到抛光系统内时，抛光垫与调节盘之间的交互作用是未知的。例如，抛光垫性质会因制造商的不同以及抛光垫的不同而有变化。同样地，调节盘的性质(诸如调节盘的钻石砂砾尺寸与表面形貌)会因盘的不同而有变化。

本发明的实施例涉及耗材(诸如抛光垫、用于调节或更新抛光垫的调节盘以及此两者的组合)的性能。发明人已经发现到，可在安装新耗材时原位地决定新耗材的交互作用或效能。可在一个或更多个预抛光工艺中监控耗材之间的交互作用以提供性能度量(performancemetric)，所述性能度量可用在抛光方案或闭路控制系统中以控制自动抛光工艺方案中的处理参数。此外，可在后续抛光工艺期间持续地监控性能度量，以提升移除速率与/或耗材的寿命。

图1是抛光站100的一个实施例的部分剖视图，抛光站100配置成执行诸如化学机械抛光(CMP)工艺或电化学机械抛光(ECMP)工艺之类的抛光工艺。抛光站100可以是独立的单元或更大的处理系统的一部分。可适于利用抛光站100的更大的处理系统的实例包括可从美国加州圣大克劳拉市的应用材料公司取得的 GT^TM与抛光系统，以及其他抛光系统。

抛光站100包括平台105，平台105可旋转地被支撑在基座110上。平台105可运作地耦接到致动器或驱动马达115，所述致动器或驱动马达115适于使平台105绕着旋转轴A旋转。在一个实施例中，抛光垫120的抛光材料122是可商业上取得的垫材料，诸如通常用在CMP工艺中的聚合物基垫材料。聚合物材料可以是聚胺基甲酸酯、聚碳酸酯、氟化聚合物、聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯硫醚(PPS)、或上述材料的组合。抛光材料122可更包含开放或密闭室发泡聚合物、弹性体、毡、浸渍的毡、塑胶以及与处理化学相容的类似材料。在另一实施例中，抛光材料122是以多孔涂覆物来浸渍的毡材料。在其他实施例中，抛光材料122包括至少部分导电的材料。抛光垫120被视为耗材，并且可释放地耦接到平台105以促进抛光垫120的更换。

平台105用于在处理期间使抛光垫120旋转，以致当衬底接触抛光材料122时，抛光垫120可平坦化或抛光衬底135的表面。可利用第一测量装置138(诸如平台旋转传感器)来获得度量，所述度量能指示使平台105与抛光垫120旋转所需要的力。第一测量装置138可以是耦接到驱动马达115或耦接到驱动马达115的输出轴杆的扭矩或其他旋转力传感器。

承载头130设置在抛光垫120的抛光表面125上方。在处理期间，承载头130保持住衬底135且可控制地将衬底135朝向抛光垫120的抛光表面125(沿着Z轴)推进。在一个实施例中，承载头130包括一个或更多个可加压囊袋(未图示)，所述可加压囊袋适于施加压力或力到衬底135的背侧的一个或更多个区块，以将衬底135朝向抛光表面125推进。承载头130被装设到支撑构件140，支撑构件140支撑承载头130且促进承载头130相对于抛光垫120的移动。可按照将承载头130悬置在抛光垫120上方的方式而将支撑构件140耦接到基座110或装设在抛光站100上。在一个实施例中，支撑构件140是被装设成位在抛光站100上或邻近抛光站100且位在抛光垫120上方的圆形轨道。

承载头130耦接到驱动系统145，驱动系统145至少提供承载头130绕着旋转轴B的旋转移动。此外，驱动系统145可配置成使承载头130相对于抛光垫120沿着支撑构件横向地(X轴和/或Y轴)移动。在一个实施例中，驱动系统145除了可使承载头130相对于抛光垫120横向移动，驱动系统145还可使承载头130相对于抛光垫120垂直地(Z轴)移动。例如，驱动系统145除了提供衬底135相对于抛光垫120的旋转与/或横向移动，驱动系统145还可用于使衬底135朝向抛光垫120移动。承载头130的横向移动可以是线性的或弧状或扫掠的运动。第二测量装置148可耦接到承载头130。第二测量装置148可以是用于承载头130的旋转传感器，并且用于获得使衬底135抵靠抛光垫120旋转所需要的力的度量。第二测量装置148可以是耦接到驱动系统145或驱动系统145的输出轴杆的扭矩或其他旋转力传感器。

图上显示调节装置150与流体施加器155设置在抛光垫120的抛光表面125上方。流体施加器155包括一或更多个喷嘴160，喷嘴160适于输送抛光流体到抛光垫120的一部分。流体施加器155可旋转地耦接到基座110。在一个实施例中，流体施加器155适于绕着旋转轴C旋转且提供朝向抛光表面125引导的抛光流体。抛光流体可以是化学溶液、水、抛光化合物、清洁溶液、或上述流体的组合。

大体上，调节装置150包括调节头151、旋转轴杆152与臂153，臂153配置成从旋转轴杆152延伸在抛光垫120上方且支撑抛光器头151。调节头151保持住调节盘154，调节盘154可选择地被放置成接触抛光垫120的抛光表面125以调节抛光表面125。调节盘154被视为耗材，并且可释放地耦接到调节头151以促进调节盘154的更换。

旋转轴杆152设置成通过抛光站100的基座110。旋转轴杆152可相对于基座110绕着旋转轴D旋转。可藉由基座110与旋转轴杆152之间的轴承156来促进旋转轴杆152的旋转，以致臂153使调节头151相对于基座110与抛光垫120旋转。在一个实施例中，致动器或马达157耦接到旋转轴杆152，以使旋转轴杆152旋转并迫使臂153与调节头151能进行横跨抛光垫120的抛光表面125的扫掠运动。

调节装置150还包括第三测量装置158，第三测量装置158用于监控旋转轴杆152的旋转。在一个实施例中，第三测量装置158是可和旋转轴杆152与/或臂153协同使用的旋转传感器，并且适于检测使调节盘154能进行横跨抛光垫120的抛光表面125的扫掠运动所需要的旋转力或扭矩。在一个实施例中，第三测量装置158可以是耦接到马达157或马达157的输出轴杆的扭矩或其他旋转力传感器。在其他实施例中，第三测量装置158可以是耦接到马达157的电流传感器或压力传感器。当调节盘154与抛光垫120的抛光表面125之间的磨擦力改变时，电流传感器可侦测马达157所汲取的电流的变化。当调节盘154与抛光垫120的抛光表面125之间的磨擦力改变时，压力传感器可和马达157构成界面以侦测用于将马达157致动的压力的变化。在又其他实施例中，第三测量装置158可以是适于提供指示使调节盘154横跨抛光垫120的抛光表面125移动所需要的力的度量的任何其它传感器。

调节头151使调节盘154绕着旋转轴E旋转，其中旋转轴E设置成正交地通过调节盘154。致动器或马达161用于使调节盘154相对于臂153与/或抛光垫120的抛光表面125旋转。在一个实施例中，马达161设置在壳体162中且位在臂153的远端处。用适于调节抛光垫120材料的材料来制造调节盘154。调节盘154可以是具有由聚合物材料制成的鬃毛的刷子，或调节盘154包括含有研磨微粒的研磨表面。在一个实施例中，调节盘154包含含有研磨微粒(诸如粘附到基座衬底的钻石或其他相当硬微粒)的表面。

调节装置150还包括第四测量装置163，当调节盘154接触抛光垫120时，第四测量装置163用于感测使调节盘154绕着旋转轴E旋转所需要的旋转力或扭矩。在一个实施例中，第四测量装置163可以是用于感测调节头151所经历的扭矩的扭矩传感器。在一个方面中，第四测量装置163设置在壳体162内。在一个实施例中，第四测量装置163可以是耦接到马达161或马达161和调节盘154之间的输出轴杆的电流传感器。当调节盘154与抛光垫120的抛光表面125之间的磨擦力改变时，电流传感器可侦测马达161所汲取的电流的变化。在另一实施例中，第四测量装置163可以是扭矩传感器、偏移传感器或应力计，第四测量装置163设置在马达与调节头之间的驱动系中，以测量由调节盘154与抛光垫120的抛光表面125之间的摩擦所造成的驱动系上的力。

调节装置150亦包括向下力致动器164，向下力致动器164用于将调节盘154推进抵靠抛光垫120的抛光表面125。向下力致动器164配置成可选择地控制由调节盘154所施加的抵靠抛光垫120的抛光表面125的力。在一个实施例中，向下力致动器164可设置在臂153与轴杆152之间或其他适当位置处。在其他实施例中(未图示)，臂153静态地耦接到旋转轴杆152，并且向下力致动器164设置在臂153的远端与调节头151之间，以控制由调节盘154所施加的抵靠抛光垫120的抛光表面125的力。

第五测量装置165耦接到向下力致动器164且可用于侦测能指示调节盘154抵靠抛光垫120的抛光表面125的向下力的度量。在一个实施例中，第五测量装置165是向下力传感器，并且第五测量装置165可按照同轴取向、或在用于侦测向下力致动器164相对于旋转轴杆152的应力或应变的其他适当位置、或在其他装设位置处与向下力致动器164一起定位或耦接到向下力致动器164。

驱动系统145、向下力致动器164、马达115、157与161、及测量装置138、148、158、163与165中的每一个耦接到控制器。大体上，控制器用于控制一个或更多个部件与抛光站100中所执行的工艺。在一个实施例中，在处理期间，控制器使用感测数据来控制从衬底135移除材料的速率。控制器传送控制信号到驱动系统145、向下力致动器164与马达115、157和161，并且接收对应于由测量装置138、148、158、163与165所侦测的力的信号。大体上，控制器被设计以促进抛光站100的控制与自动化，并且控制器通常包括中央处理单元(CPU)、存储器与支持电路(或I/O)。CPU可以是用在工业设备中而用于控制各种系统功能、衬底移动、抛光工艺、工艺时间点与支持硬件(例如传感器、机器人、马达、时间点装置等)并监控工艺(例如化学浓度、处理变量、工艺时间、I/O信号等)的任何形式的计算机处理器。存储器连接到CPU，并且存储器可以是一个或更多个可轻易取得的存储器(诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、软盘、硬盘、或任何其他形式的数字储存器，无论是本地的或远端的皆可)。软件指令与数据可被编码且被储存在存储器内以用于指令CPU。支持电路亦连接到CPU，而用于以传统方式支持处理器。支持电路可包括高速缓存、电源、时钟电路、输入/输出电路、子系统以及类似物。可由控制器读取的程序或计算机指令决定可在衬底上执行哪些任务。较佳地，程序是可由控制器读取的软件，此软件包括用于执行任务的代码，这些任务涉及在抛光站100中移动、支撑和/或定位衬底的监控、实行与控制。在一个实施例中，控制器用于控制机器人装置，以控制策略移动、排程与抛光站100的运行而使工艺可重复，解决排队时间问题，并避免衬底的处理过度或不足。

图2是图1的抛光站100的示意平面图。承载头130(图1)未图示，以为了使当衬底135被保持在承载头130中时衬底135在抛光垫120上的抛光扫掠模式205的实施例能清晰起见。衬底承载头使衬底135线性地或以弧状方式横跨抛光表面125移动，同时使衬底135相对于旋转的抛光垫120旋转以从衬底135移除材料。图上亦显示具有调节盘154的调节装置150，以图示在抛光垫120上的调节扫掠模式210的一个实施例。调节盘154横跨抛光表面125扫掠，以调节和/或更新抛光表面125而促进提升从衬底135的材料移除速率。

在操作中，如图2所示，藉由抛光流体施加器155将抛光流体215输送到抛光垫120的抛光表面125。在一个实施例中，平台105以约85RPM至约100RPM的旋转速度（诸如约93RPM）旋转。承载头130(未图示)将衬底135推进抵靠抛光垫120的抛光表面125。在一个实施例中，使承载头130相对于平台105以约80RPM至约95RPM的旋转速度（诸如约87RPM）旋转。承载头130内的一个或更多个可加压的囊袋可施加压力到衬底135的背侧，以将衬底135朝向抛光垫120推进。在一个实施例中，平均压力为约3.5psi至约5.5psi，诸如约4.5psi。在抛光流体215的存在下，和旋转的抛光垫120的抛光表面125的接触可从衬底移除过量的金属、介电质和/或阻障材料且平坦化和抛光垫120接触的衬底135的表面。

在衬底135上执行抛光工艺之前、的期间和/或之后，抛光垫120被调节，以再生粗糙性、移除抛光副产物与垫碎屑并更新抛光表面125。在调节期间，调节头151以预定向下力将调节盘154抵靠抛光垫120。向下力致动器164所施加的向下力可以为约1lb-f至约10lb-f。调节盘154相对于抛光垫120的抛光表面125旋转，同时按照调节扫掠模式210横跨抛光垫120往复地扫掠。在一个实施例中，调节盘154以约85RPM至约105RPM的旋转速度（诸如约95RPM）旋转。在另一实施例中，调节扫掠模式210包含约1.5英寸至约15英寸的范围（诸如约1.7英寸至约14.7英寸）。在另一实施例中，扫掠速率为约15扫掠/分钟至约22扫掠/分钟，诸如约19扫掠/分钟。

当将新耗材(诸如新的未使用抛光垫120，与/或新的未使用的调节盘154)引进到抛光站100内时，抛光垫120与调节盘154之间的交互作用起初是未知的。例如，抛光垫性质会因制造商的不同而有变化，并且会因抛光垫的不同而有变化。同样地，调节盘的钻石砂砾尺寸与表面形貌会因盘的不同而有变化。此状况会影响结晶特征结构到抛光垫120的抛光表面125内的取向与穿透深度，这样会导致抛光垫120的磨耗速率的显著差异。在一些例子中，仅调节盘的结晶特征结构的一部分积极地参与调节工艺，并在持续使用下经历显著的磨损。调节盘的磨损会藉由抛光垫的调节不足而影响调节工艺以及缩短调节盘的寿命。调节不足会导致抛光表面125的光滑化与移除速率的降低，此状况会降低产能。增加的耗材(诸如调节盘与抛光垫)磨耗速率会导致过早的更换，此状况会增加拥有成本(costofownership)与设备停机时间(tooldowntime)。

改善耗材可变性的一解决方案是需要耗材的更严格规格与品质控制。然而，增加的品质控制会增加耗材的成本，此状况会增加拥有成本。

发明人已经发现，可在安装一个或更多个新耗材时就原位地决定新耗材的性能。可在一个或更多个预抛光工艺中监控耗材之间的交互作用以提供性能度量，所述性能度量可用在抛光方案或闭路控制系统中以控制自动抛光工艺方案中的处理参数。

图3是图示可以图1与图2的抛光站100来利用的方法300的实施例的流程图。方法300可用于决定用在抛光站100中的抛光工艺方案中的抛光参数。例如，可利用方法300以预抛光来决定抛光站100中的耗材之间的交互作用，且使用预抛光数据来调整抛光方案。

在步骤310，在不存在有衬底的情况下利用抛光站(诸如抛光站100)来执行预抛光工艺。在步骤320，将调节盘154朝向抛光垫120的抛光表面125推进。在一个实施例中，利用向下力致动器164以约1lb-f至约10lb-f的向下力将研磨表面朝向抛光表面125推进。在一个实施例中，向下力值是恒定地维持在约9lb-f的向下力。在一个方面中，调节盘154包括研磨表面，所述研磨表面可以是鬃毛、钻石、或配置成接触且摩擦抛光垫120的抛光表面125的其他研磨微粒。

在步骤330，使调节盘154相对于抛光垫120移动，同时监控使调节盘154移动所需要的旋转力值。在一个实施例中，相对于抛光垫120的移动包括调节盘154的旋转、抛光垫120相对于旋转的调节盘154的旋转、使调节盘154横跨抛光表面125按调节扫掠模式210移动、或上述移动的组合。在一个实施例中，当使抛光垫120旋转时，使调节盘154旋转，同时将调节盘154的研磨表面推进抵靠抛光垫120的抛光表面125。可使调节盘154在第一旋转速度旋转，而使抛光垫120在第二旋转速度旋转。在一个实施例中，调节盘154的第一旋转速度可以为约90RPM至约100RPM，并且藉由使平台105旋转，抛光垫120的第二旋转速度可以为约90RPM至约96RPM，其中抛光垫位在平台105上。

在调节盘154相对于抛光垫120的移动期间，监控使调节盘154移动所需要的旋转力值。在一个实施例中，可藉由第四测量装置163来监控使调节盘154旋转所需要的扭矩，其中第四测量装置163被耦接在马达161与调节盘154之间。在另一实施例中，可藉由第三测量装置158来监控使调节盘154按照调节扫掠模式210移动所需要的扭矩。因此，可由第四测量装置163、第三测量装置158、或此两者的组合来提供旋转力值。

在步骤340，从旋转力值来决定可指示调节盘154与抛光表面125之间的交互作用的度量(例如摩擦力)。在一个实施例中，该度量是由第三测量装置158感测的使调节盘154按照调节扫掠模式210移动所需要的摩擦的测量扭矩值。在另一实施例中，该度量是由第四测量装置163感测的使调节盘154相对于抛光垫120的抛光表面125旋转所需要的摩擦的测量扭矩值。

在步骤350，响应于该度量调整抛光方案。例如，该度量是上述步骤330所决定的测量扭矩值，并可指示调节盘154与抛光垫120的抛光表面125之间的交互作用，诸如可指示调节盘154的侵略性的测量扭矩值。可藉由闭路控制系统来控制抛光方案，其中所述闭路控制系统能在延长的抛光运行期间(即利用自动控制工艺来抛光多个衬底)自动地调整一个或更多个抛光参数(即调节盘154与/或承载头130的旋转速度、施加到调节盘154和/或承载头130的向下力、调节盘154和/或承载头130的扫掠范围等)。闭路控制系统用于在延长的抛光运行期间将抛光参数予以最佳化，以将多个衬底的抛光期间的材料移除速率予以最佳化。

在步骤360，使用经调整的抛光方案来抛光一个或更多个衬底。在一个实施例中，所述一个或更多个衬底可包含根据经调整的抛光方案而被抛光的多个衬底，其中经调整的抛光方案是由闭路控制系统来控制。

在一个实施例中，调节盘154和/或抛光垫120是新的或未使用的，并且研磨性质和/或调节盘154与抛光表面125之间的交互作用是未知的。例如，在一个实施例中，抛光垫120是新的或未使用的，并且调节盘154可已经先前地被用在先前的抛光垫上。然而，新抛光垫120与调节盘154之间的交互作用是未知的，并且方法300的实施例可包括垫冲入工艺(padbreak-inprocess)以使新抛光垫120准备好进行服务。在另一实施例中，调节盘154是新的或未使用的，并且可单独地利用方法300的实施例来决定新调节盘154与现有抛光垫120之间的交互作用。在另一实施例中，调节盘154与抛光垫120皆是新的或未使用的，并且调节盘154与抛光表面125之间的交互作用是未知的。因此，可利用方法300的实施例来决定新调节盘154与新抛光垫120之间的交互作用。

在一个实施例中，在垫冲入之后，在测试衬底上执行合格化工艺(qualificationprocess)。测试衬底被推进抵靠抛光垫120的抛光表面125长达一时段，并且材料移除速率是由计量工艺(metrologyprocess)来决定。在合格化工艺期间所决定的材料移除速率可与在上述步骤330所获得的旋转力数据一起使用，并且在延长的抛光运行之前被提供到闭路控制系统。

在一个方面中，当执行抛光工艺或调节工艺时，使调节盘154跨越抛光垫120的抛光表面125移动所需的力或扭矩会随着时间而变化。力或扭矩的变化可以是调节盘154与抛光垫120之间的阻抗摩擦力变化所导致的结果，此状况是因为调节盘154与抛光垫120中的一者或两者会被磨耗和/或工艺状态会改变。若调节参数没有随着时间改变，扭矩值将很可能随着调节盘154的寿命而降低，此状况是因为调节盘154会磨耗且调节盘154的有效切割速率会逐渐地降低。在另一方面中，在抛光与/或调节工艺期间，调节盘154与抛光垫120之间的摩擦力会产生阻力，可藉由监控使调节盘154和/或抛光垫120的至少一者旋转所需要的力的变化来侦测所述阻力。在另一方面中，在抛光工艺期间，衬底135与抛光垫120之间的摩擦力会产生阻力，所述阻力可被监控。在抛光工艺期间，可藉由上述的一个或更多个测量装置138、148、158、163与165来监控此等力量，并且可提供数据到闭路控制系统来即时地调整抛光方案与/或调节方案，以维持从多个衬底135的最佳材料移除速率。

图4是图示可以与图1与图2的抛光站100一起使用的方法400的另一实施例的流程图。在410，利用抛光站(诸如抛光站100)来执行预抛光工艺。在420，将调节盘154朝向抛光垫120的抛光表面125推进。在430，使调节盘154相对于抛光垫120移动，同时监控使调节盘154移动所需要的旋转力值。在一个实施例中，相对于抛光垫120的移动包括调节盘154的旋转、抛光垫120相对于旋转的调节盘154的旋转、使调节盘154横跨抛光表面125按照调节扫掠模式210移动、或上述的组合。

在一个实施例中，在不存在有衬底下执行步骤410、420与430的一个或组合。在另一实施例中，当衬底被保持在承载头130中且所述衬底被推进抵靠抛光垫120的抛光表面125时，执行步骤410、420与430的一个或组合。例如，可在合格化程序中抛光衬底，以决定在步骤410、420和/或430期间的移除速率。

在440，基于旋转力值，决定第一扭矩度量。在一个实施例中，第一扭矩度量是由第三测量装置158感测的使调节盘154按照调节扫掠模式210移动所需要的摩擦的测量扭矩值。在另一实施例中，第一扭矩度量是由第四测量装置163感测的使调节盘154相对于抛光垫120的抛光表面125旋转所需要的摩擦的测量扭矩值。

在450，利用闭路控制系统根据抛光方案来抛光一个或更多个衬底。可能已经利用在440所获得的第一扭矩度量数据调整抛光方案。在460，在抛光步骤450之前、在抛光步骤450期间、或在抛光步骤450之后调节抛光垫120的抛光表面125，同时监控使调节盘154相对于抛光表面125移动所需要的旋转力值。在一个实施例中，该度量是由第三测量装置158感测的使调节盘154按照调节扫掠模式210移动所需要的摩擦的测量扭矩值。在另一实施例中，该度量是由第四测量装置163感测的使调节盘154相对于抛光垫120的抛光表面125旋转所需要的摩擦的测量扭矩值。

在步骤470，将在步骤460决定的基于旋转力值的第二扭矩度量与在步骤440决定的第一扭矩度量进行比较。若第二扭矩度量小于第一扭矩度量，可调整抛光方案。较小的第二扭矩度量可指示调节盘154的磨损。在步骤480，若第二扭矩度量不同于目标扭矩度量，则调整施加到调节盘154的向下力。例如，若第二扭矩指标小于标靶扭矩度量，则增加施加到调节盘154的向下力。

在一个方面中，第二扭矩度量是测量扭矩值，并且将所述测量扭矩值与目标扭矩值进行比较。可通过经验数据、先前实验与测试(诸如上述的方法300的部分)、模拟、计算来产生目标扭矩值，或目标扭矩值可被提供作为调节盘的规格内的参考曲线。根据某些方面，可使用两个不同的数据组的分析来发展出目标扭矩值。可使用利用在不同磨损阶段的调节盘而执行的实验的设计来推导出第一数据组。可针对每一个向下力状态来测量扫掠扭矩的均方根(RMS)以及毯覆衬底移除速率。第二数据组可以是毯覆衬底的持久运行，其中使用手动闭路控制器以步进方式来改变向下力量。在一个实施例中，在处理约2500个衬底的过程中，施加到调节盘154的向下力可开始于约3lb-f且可增加到约11lb-f。可在每一个衬底上测量扫掠扭矩的RMS，同时可较不常测量毯覆移除速率。可结合此两个资料组，并且可使用最小二乘估计技术(leastsquaresestimationtechnique)或任何其他适当的数据拟合技术(datafittingtechnique)来估计RMS扫掠扭矩(T)、向下力与毯覆移除速率之间的目的扭矩度量。在一个实施例中，该模型的结构可以是如下所示：

Log_e(T)=b*Log_e(RR)+a*Log_e(DF)(1)

其中a与b是从最小二乘估算所获得的常数。在一特定实例中，利用应用材料公司制造的低向下力调节臂针对氧化物CMP系统所计算的数值b与a分别是0.228与0.3。可针对特定垫材料、抛光流体、被抛光的衬底材料与其他标准来选择常数b与a。

方程式(1)亦可被改写成：

Log_e(T)-Log_e(DF)^a=Log_e(RR)^b

${\mathrm{Log}}_e\left(\frac{T}{{\mathrm{DF}}^a}\right)={\mathrm{Log}}_e{\left(\mathrm{RR}\right)}^b---\left(2\right)$

对于恒定移除速率=k，方程式可被简化成如下：

${\mathrm{Log}}_e\left(\frac{T}{{\mathrm{DF}}^a}\right)={\mathrm{Log}}_{e}k---\left(3\right)$

$\left(\frac{T}{{\mathrm{DF}}^a}\right)=k_1,$ 或(4)

T=k₁*DF^a(5)

方程式(5)说明了用于达到恒定移除速率的目的扫掠扭矩值的目的扭矩度量，所述目的扭矩度量是向下力的函数。

因此，已经提供用来决定抛光站内耗材之间的交互作用的方法。在一个实施例中，所述方法决定调节盘154的侵略性与/或调节盘154与新抛光垫120之间的交互作用。在一个方面中，所述方法提供可用于随着耗材寿命维持恒定移除速率的数据。对于新耗材，可在冲入工艺中利用所述方法，作为原位工艺或运行工艺，或作为回馈例程，以在延长的工艺运行期间实质上去除工艺漂移。

尽管上述内容涉及本发明的实施例，但可在不悖离本发明的基本范畴下设计出本发明的其他与进一步实施例，并且本发明的范畴由所附权利要求来决定。

Claims (20)

1.一种用于抛光衬底的设备，包括：

可旋转平台，所述可旋转平台耦接到基座；

调节装置，所述调节装置耦接到所述基座，所述调节装置包括：

轴杆，所述轴杆藉由第一马达可旋转地耦接到所述基座；以及

可旋转调节头，所述可旋转调节头藉由臂耦接到所述轴杆，所述调节头耦接到第二马达，所述第二马达控制所述调节头的旋转；以及

一个或更多个测量装置，所述一个或更多个测量装置可运作地用于感测所述轴杆相对于所述基座的旋转力度量以及所述调节头的旋转力度量，以及

控制器，所述控制器耦接到所述可旋转平台、所述调节装置、以及所述测量装置，其中所述控制器配置成响应于所述测量装置感测到的度量来调整抛光方案以获得从所述衬底的预定材料移除速率。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述一个或更多个测量装置包括第一传感器，所述第一传感器耦接到所述第一马达。

3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述一个或更多个测量装置包括第二传感器，所述第二传感器耦接到所述第二马达。

4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述一个或更多个测量装置包括从电流传感器、压力传感器以及扭矩传感器所构成的群组中选择的传感器。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述一个或更多个测量装置包括第一扭矩传感器和第二扭矩传感器。

6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，还包括：

第三传感器，所述第三传感器耦接到所述调节装置，所述第三传感器感测施加到所述调节装置的向下力的度量。

7.如权利要求5所述的设备，其特征在于，还包括：

第四传感器，所述第四传感器耦接到马达，所述马达控制所述平台的旋转。

8.一种用于抛光衬底的方法，包括：

在不存在衬底的情况下执行预抛光工艺，所述预抛光工艺包括将调节盘推进抵靠抛光垫的抛光表面，所述抛光垫设置在抛光站中，所述预抛光工艺包括：

使所述调节盘相对于所述抛光垫横跨所述抛光表面按照扫掠模式移动，同时监控使所述调节盘相对于所述抛光垫移动所需要的旋转力值；

从所述旋转力值决定指示所述调节盘与所述抛光表面之间的交互作用的度量；以及

响应于所述度量，调整抛光方案以获得从所述衬底的预定材料移除速率；以及

使用经调整的所述抛光方案来抛光一个或更多个衬底。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述度量是摩擦力值。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，监控所述旋转力值包括感测使耦接到所述调节盘的轴杆旋转所需要的扭矩值。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，监控所述旋转力值包括感测使所述调节盘相对于所述抛光垫旋转所需要的扭矩值。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，监控所述旋转力值包括感测使所述调节盘按照扫掠模式移动所需要的扭矩值。

13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述度量包括经测量的扭矩值。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述抛光步骤包括：

在抛光所述一个或更多个衬底期间，监控所述旋转力值；以及

将所述监控的扭矩值与目标扭矩值进行比较。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

响应于所述测量扭矩值与所述目标扭矩值之间的差异，调整所述调节盘的向下力。

16.一种用于抛光衬底的方法，包括：

在不存在衬底的情况下执行预抛光工艺，所述预抛光工艺包括将调节盘推进抵靠抛光垫的抛光表面，所述抛光垫设置在抛光站中，所述预抛光工艺包括：

使所述调节盘相对于所述抛光垫移动，同时监控使所述调节盘相对于所述抛光表面移动所需要的旋转力值；

从所述旋转力值决定指示所述调节盘与所述抛光表面之间的交互作用的第一扭矩度量；以及

响应于所述第一扭矩度量，调整抛光方案以获得从所述衬底的预定材料移除速率；以及

执行抛光工艺，所述抛光工艺包括：

使用经调整的所述抛光方案来抛光一个或更多个衬底；

调节所述抛光垫的所述抛光表面，同时监控使所述调节盘相对于所述抛光表面移动所需要的所述旋转力值，从而决定第二扭矩度量；以及

当所述第二扭矩度量不同于目标扭矩度量时，调整一个或更多个调节参数。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第一扭矩度量和所述第二扭矩度量是摩擦力值。

18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，监控所述旋转力值包括感测使耦接到所述调节盘的轴杆旋转所需要的扭矩值。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，监控所述旋转力值包括感测使所述调节盘相对于所述抛光垫旋转所需要的扭矩值。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，监控所述旋转力值包括感测使所述调节盘按照扫掠模式移动所需要的扭矩值。