CN104813449B - 多平台多头的研磨架构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种研磨设备，该研磨设备包括：在平台上得以支撑的数个站，该等数个站包括至少两个研磨站及一传送站，每一研磨站包括一平台以支撑研磨垫；数个承载头，该等承载头自轨道悬置及可沿轨道移动，使得每一研磨站可选择性地定位在该等站处；及控制器，该控制器经配置以控制承载头沿轨道的运动，使得在每一研磨站处的研磨期间仅有单个承载头定位在研磨站中。

Description

多平台多头的研磨架构

技术领域

本揭示案是关于化学机械研磨(chemical mechanical polishing；CMP)系统的架构，及关于在CMP系统中的测量。

背景技术

集成电路通常是通过在硅晶圆上循序沉积导电层、半导体层，或绝缘层而形成于基板上。一个制造步骤涉及在非平面表面上沉积填料层及使填料层平坦化。在某些应用中，填料层经平坦化，直至图案化层的顶表面曝露为止。例如，导电填料层可沉积在图案化绝缘层上以填充绝缘层中的沟槽或孔洞。在平坦化之后，在绝缘层的凸起图案之间剩余的金属层部分形成通孔、栓塞及接线，上述各者在基板上的薄膜电路之间提供导电路径。在诸如氧化研磨的其他应用中，填料层经平坦化，直至在非平面表面上剩余预定厚度为止。此外，基板表面的平坦化对光微影技术而言通常为必需的。

化学机械研磨(chemical mechanical polishing；CMP)是一种可接受的平坦化方法。此平坦化方法通常需要将基板安装在承载头或研磨头上。基板的曝露表面通常与旋转的研磨垫相抵放置。承载头在基板上提供可控负载以推动该基板抵住研磨垫。磨料研磨浆通常经供应至研磨垫的表面。

浆分布、研磨垫状态、研磨垫与基板之间的相对速度，及基板上的负载的变化可导致材料移除速率的变化。该等变化及基板层的初始厚度的变化导致达到研磨终点所需时间的变化。因此，仅将研磨终点决定为研磨时间的函数可能导致基板的研磨过度或研磨不足。诸如光学或涡电流监测的多种现场监测技术可用以检测研磨终点。

发明内容

在一些系统中，基板在一连串研磨站上得以研磨。一些系统在研磨站中的单个研磨垫上同时研磨多个基板。然而，协调终点控制及交叉污染可能成为问题。可适应众多不同研磨情况的一种引起关注的架构包括四个平台，每一平台研磨一个基板。

在一些系统中，基板在研磨期间受现场监测，例如，经由光学或涡电流技术。然而，现有监测技术可能无法可靠地在所需时刻暂停研磨。可通过循序测量站自基板中测得光谱。换言之，光谱可在基板仍由承载头固持之时，但在定位于研磨站之间的测量站处测得。可自光谱计算得出值，该值可用于在该等研磨站中的一或更多者处控制研磨操作。

在一个方面中，研磨设备包括N个研磨站、由支撑结构固持及可循序移动至该等N个研磨站的偶数个承载头、传送站，及控制器。N是等于或大于4的偶数。每一研磨站包括一平台以支撑研磨垫。控制器经配置以在传送站中将两个基板装载入承载头中的两者内、将承载头中的该等两者移至N个研磨站中的第一对研磨站、在第一研磨步骤中在N个研磨站中的第一对研磨站处同时研磨两个基板、将承载头中的该等两者移至N个研磨站中的第二对研磨站、在第二研磨步骤中在N个研磨站中的第二对研磨站处同时研磨两个基板、将承载头中的该等两者移至传送站，及自承载头中的该等两者卸载两个基板。

实施可包括以下特征中的一或更多者。承载头的数目可等于N或N+2。N可为4。传送站可包括两个装载罩。控制器可经配置以使两个基板中的第一基板被装载在两个装载罩中的第一装载罩处、移动经过第一对研磨站的第一研磨站至第一对研磨站的第二研磨站、在第一对研磨站的第二研磨站处经研磨、移动经过第二对研磨站的第一研磨站至第二对研磨站的第二研磨站，及在第一对研磨站的第二研磨站处经研磨。研磨站及传送站可在平台上得以支撑，及以大体相等的角度间隔定位在平台中心周围。控制器可经配置以在数个模式中之一者下操作。在该等数个模式中的第一模式下，控制器可将承载头中的两者移至N个研磨站中的第一对研磨站。在该等数个模式中的第二模式下，控制器可使一承载头循序移至N个研磨站中的每一者，及在N个研磨站中的每一者处研磨基板。

设备可包括两个循序测量站。两个循序测量站的第一探针可定位在第二对研磨站的第一站与第二站之间，及两个循序测量站的第二探针可定位在第二站与传送站之间。两个循序测量站的第一探针可定位在第一对研磨站的第一站与传送站之间，及两个循序测量站的第二探针可定位在第一对研磨站的第一站与第二站之间。

在另一方面中，研磨设备包括：五个站，该等五个站在平台上得以支撑，及以大体相等的角度间隔定位在平台中心周围；及数个承载头，该等承载头自轨道悬置并可沿此轨道移动，使得每一研磨站可选择性地定位于该等站处。该等五个站中包括四个研磨站及一传送站，每一研磨站包括一平台以支撑研磨垫。

在另一方面中，研磨设备包括在平台上得以支撑的数个站，该等数个站包括至少两个研磨站及一传送站，每一研磨站包括一平台以支撑研磨垫；数个承载头，该等承载头自轨道悬置及可沿此轨道移动，使得每一研磨站可选择性地定位在该等站处；及控制器，该控制器经配置以控制承载头沿轨道的运动，使得在研磨期间，每一研磨站处仅有单一承载头在研磨站中经研磨。

实施可包括以下特征中的一或更多者。控制器可经配置以在数个模式中之一者下操作。在该等数个模式中的第一模式下，控制器可经配置以在传送站中将两个基板装载入承载头中的两者内、将承载头中的该等两者移至数个研磨站中的第一对研磨站，及在第一研磨步骤中在第一对研磨站处同时研磨两个基板。在第一模式下，控制器可经配置以将承载头中的该等两者移至数个研磨站中的第二对研磨站、在第二研磨步骤中在数个研磨站中的第二对研磨站处同时研磨两个基板、将承载头中的该等两者移至传送站，及自承载头中的该等两者卸载两个基板。在数个模式中的第二模式下，控制器可经配置以使承载头循序移至数个研磨站中的每一者，及使基板在该每一研磨站处经研磨。

在另一方面中，研磨设备包括：五个站，该等五个站在平台上得以支撑及以大体相等的角度间隔定位在平台中心周围，该等五个站包括三个研磨站、一传送站及一测量站，每一研磨站包括一平台以支撑研磨垫；数个承载头，该等承载头自轨道悬置及可沿此轨道移动，使得每一研磨站可选择性地定位在该等站处；及循序测量系统，该系统具有位于测量站中的探针。

实施可包括以下特征中的一或更多者。测量站可包括来自循序测量系统的单一探针。测量站可包括来自数个循序测量系统的数个探针。

在另一方面中，研磨设备包括：数个研磨站，每一研磨站包括一平台用以支撑研磨垫；数个承载头，该等承载头由支撑结构固持及可循序移动至研磨站；传送站，该传送站包括数个装载罩；及数个循序测量系统，该等数个测量系统中的每一测量系统具有一探针，该探针位于数个装载罩中的不同装载罩内。

在另一方面中，一种操作研磨系统的方法包括以下步骤：沿一路径将基板向前输送经过研磨站到达循序测量系统的探针处，无需在研磨站处研磨基板；利用测量系统量测基板；沿该路径将基板向后输送至研磨站；及在研磨站处研磨基板。

实施可包括以下特征中的一或更多者。在研磨基板之后，可沿该路径将基板向前输送至另一站。该另一站可为另一研磨站或传送站。沿该路径输送基板可包括以下步骤：在轨道上支撑承载头，及沿轨道移动承载头。

在另一方面中，控制研磨系统的一种方法包括以下步骤：沿一路径将基板向前输送经过循序测量系统的探针到达研磨站，无需利用循序测量系统量测基板；在研磨站处研磨基板；将基板沿该路径向后输送至循序测量系统的探针，及利用测量系统量测基板。

实施可包括以下特征中的一或更多者。可沿路径将基板向前输送经过研磨站到达另一站。该另一站可为另一研磨站或传送站。沿该路径输送基板可包括以下步骤：在轨道上支撑承载头，及沿轨道移动承载头。

实施可包括以下潜在优势中的一或更多者。该系统可适应于诸多不同的研磨情况的需求，及可为含有两个步骤的常用研磨配方提供较高产量。研磨终点可得以更可靠地决定，及可降低晶圆内的不均匀性(within-wafer non-uniformity；WIWNU)及晶圆间不均匀性(wafer-to-wafer non-uniformity；WTWNU)。

在附图及下文的描述中介绍一或更多个实施的细节。其他方面、特征及优势将自描述、附图及权利要求中显而易见。

附图说明

图1是研磨设备的实例的平面示意图。

图2是研磨设备的实例的横剖面示意图。

图3A至图3C图示研磨设备的操作方法。

图4是循序光学测量系统的实例的横剖面示意图。

图5图示研磨设备的另一实施。

图6图示具有四个循序测量站的研磨设备的另一实施。

图7图示将循序测量站整合至传送站内的研磨设备的另一实施。

图8图示研磨设备的另一实施，在该研磨设备中，研磨站被替换为循序测量站。

图9图示一示例性光谱。

图10是湿式工艺光学测量系统的横剖面示意图。

图11是湿式工艺光学测量系统的另一实施的横剖面示意图。

图12是一基板的顶部示意图。

各种附图中的相同元件符号指示相同元件。

具体实施方式

随着集成电路继续发展，线宽继续缩小且积体电路中的层继续累积，从而需要更为严格的厚度控制。由此，研磨工艺控制技术(无论是利用现场监测还是批次工艺控制)面对使研磨后的厚度符合规范的挑战。

例如，当执行多层产品基板的现场光谱监测时，来自光谱监测系统的入射光束可先穿透数个介电层，再由金属接线反射。因此，反射的光束可由于多个层的厚度及关键尺寸而得。由此种复杂的层堆迭得出的光谱常在决定正在经受研磨的最外层的厚度方面显现出显著的困难。此外，最外层的厚度是工艺控制的间接参数。此情况是因为在诸多应用中，如若诸如蚀刻深度的其他尺寸或关键尺寸变化，则金属接线的厚度(对于产出而言更为关键的参数)可能变化，即使最外层厚度达到目标值亦如此。

用于决定研磨终点的控制方案在CMP步骤与前馈或反馈控制之间纳入湿式测量。基板的尺寸变动在每一研磨步骤之后在循序测量站处得以捕获，及该等变动用以决定是否需要再制基板，或经前馈或反馈以控制先前或随后的研磨站处的研磨操作或终点。

研磨设备经配置使得承载头在第一研磨站及第二研磨站处进行研磨期间固持基板，及将基板自第一研磨站移至第二研磨站。当承载头固持基板时及当基板未与第一研磨站或第二研磨站中的任一者的研磨垫接触时，循序测量站经定位以量测基板。

图1为化学机械研磨设备100的平面图，该设备用于处理一或更多个基板。研磨设备100包括至少部分支撑及罩盖数个研磨站124的研磨平台106。研磨站的数目可为等于或大于四的偶数。例如，研磨设备可包括四个研磨站124a、124b、124c及124d。每一研磨站124经调适以研磨保持在承载头126中的基板。

研磨设备100亦包括多个承载头126，每一承载头经配置以承载一基板。承载头的数目可为等于或大于研磨站的数目的偶数，例如，四个承载头或六个承载头。例如，承载头的数目可比研磨站的数目多两个。此举允许自承载头中的两者处执行基板的装载及卸载，同时在剩余的研磨站处利用其它承载头进行研磨，从而提供改良的产量。

研磨设备100亦包括用于自承载头装载及卸载基板的传送站122。传送站122可包括数个装载罩123，例如，两个装载罩123a、123b，该等装载罩经调适以便有助于在承载头126与工厂介面(未图示)或其他装置(未图示)之间通过传送机器人110来传送基板。装载罩123一般有助于在机器人110与每一承载头126之间进行传送。

研磨设备100的站包括传送站122及研磨站124，该等站可以大体相等的角度间隔定位在平台106中心的周围。此定位并非必需，但可向研磨设备提供优良的占地面积。

每一研磨站124包括在平台120(参看图2)上得以支撑的研磨垫130。研磨垫130可为具有外研磨层130a及较软的背托层130b的双层研磨垫(参看图2)。

在研磨操作中，一个承载头126定位在每一研磨站处。两个额外承载头可定位在装载与卸载站122中以将已研磨基板交换为未研磨基板，同时其他基板正在研磨站124处经研磨。

承载头126由可使每一承载头沿一路径移动的支撑结构所固持，该路径依序经过第一研磨站124a、第二研磨站124b、第三研磨站124c及第四研磨站124d。此结构允许每一承载头选择性地定位在研磨站124及装载罩123上方。

在一些实施中，每一承载头126耦接至溜板108，该溜板108安装至架空轨道128。通过沿架空轨道128移动溜板108，承载头126可定位在选定的研磨站124或装载罩123上方。沿轨道移动的承载头126将横穿经过每一研磨站的路径。

在图1所绘示的实施中，架空轨道128具有圆形配置(如虚线所示)，该配置允许用于固定承载头126的溜板108得以选择性地在装载罩122及研磨站124上作轨道运行及/或脱离装载罩122及研磨站124。架空轨道128可具有其他配置，包括椭圆形、扁圆形、直线形或其他适合的定向。或者，在一些实施中，承载头126自旋转料架悬置，及旋转料架的旋转沿圆形路径同时移动全部承载头。

研磨设备100的每一研磨站124可包括例如位于臂134的端部处的一端口，以在研磨垫130上施配诸如磨料浆的研磨液体136(参看图2)。研磨设备100的每一研磨站124亦可包括垫调节设备132，以摩擦研磨垫130以将研磨垫130维持在恒定的研磨状态。

如图2所示，每一研磨站124处的平台120可操作以围绕轴121旋转。例如，马达150可转动传动轴152以旋转平台120。

每一承载头126可操作以固持基板10以与研磨垫130相抵。每一承载头126可独立控制与每个相应基板相关联的研磨参数，例如压力。特定而言，每一承载头126可包括固定环142以将基板10固定在柔性薄膜144之下。每一承载头126亦包括数个可独立控制的可加压腔室，该等腔室(例如，三个腔室146a-146c)由薄膜界定，该等腔室可向柔性薄膜144上且从而基板10上的关联区域施加可独立控制的压力。尽管图2中仅图示三个腔室以便于说明，但可有一或两个腔室，或四个或更多个腔室，例如，五个腔室。

每一承载头126自轨道128悬置，且每一承载头126通过传动轴154连接至承载头旋转马达156，使得承载头可围绕轴127旋转。任选地，每一承载头140可例如通过在轨道128上驱动溜板108，或通过旋转料架自身的旋转振动而横向振动。在操作中，平台围绕该平台的中心轴121旋转，且每一承载头围绕该承载头的中心轴127旋转且跨越研磨垫的顶表面而横向平移。横向拂掠的方向平行于研磨表面212。横向拂掠可为线性或弓状运动。

诸如可编程计算机的控制器190连接至每一马达152、156以独立控制平台120及承载头126的旋转速率。例如，每一马达可包括编码器，该编码器量测关联传动轴的角度定位或旋转速率。同样，控制器190连接至每一溜板108中的致动器以独立控制每一承载头126的横向运动。例如，每一致动器可包括线性编码器，该线性编码器量测溜板108沿轨道128的定位。

控制器190可包括中央处理单元(central processing unit；CPU)192、存储器194及支持电路196(例如，输入/输出电路系统、电源、时钟电路、高速缓存，及类似物)。存储器连接至CPU 192。存储器是非暂态可计算的可读取介质，且存储器可为一或更多个易于使用的存储器，例如，随机存取存储器(random access memory；RAM)、只读存储器(read onlymemory；ROM)、软盘、硬盘，或其他形式的数字储存器。此外，尽管控制器190经图示为单个计算机，但控制器190可为例如包括多个独立操作的处理器及存储器的分布式系统。

基于用于控制承载头在研磨站处定位的次序及时间的控制器190的编程，此架构可适应于多种研磨情况。

例如，一些研磨配方较为复杂且需要四个研磨步骤中的三个研磨步骤。由此，一操作模式是用于控制器以使基板在装载罩123中的一者处装载入承载头126；及使承载头126得以依次定位在每一研磨站124a、124b、124c、124d处，以便基板循序在每一研磨站处研磨。在最后一站处的研磨之后，承载头126返回装载罩123中的一者处，及基板自承载头126处卸载。

换言之，一些研磨配方仅需要两个研磨步骤。由此，另一操作模式为将第一基板在第一装载罩123a处装载入第一承载头126，及将该第二基板在第二装载罩123b处装载入第二承载头126(参看图3A)。然后，该等两个承载头移至前两个研磨站上的位置。亦即，第一承载头126移至第二研磨站124b，及第二承载头126移至第一研磨站124a(参看图3B)。由此，第一承载头126绕过第一研磨站124a(第一基板未在第一研磨站124a处经研磨)。同样，第二研磨头126绕过第二装载罩123b(第二基板未在第二装载罩123b处装载或卸载)。第一基板在第二研磨站124b处经研磨，且第二基板同时在第一研磨站124a处经研磨。

一旦前两个研磨站处完成研磨，两个承载头就移至随后两个研磨站上的位置。亦即，第一承载头126移至第四研磨站124d，且第二承载头126移至第三研磨站124c(参看图3C)。由此，第一承载头126绕过第三研磨站124a(第一基板未在第三研磨站124c处经研磨)。同样，第二研磨头126绕过第二研磨站124b(第二基板未在第二研磨站124b处装载或卸载)。第一基板在第四研磨站124d处经研磨，且第二基板同时在第三研磨站124c处经研磨。

一旦第一基板在第四研磨站124d处完成研磨，第一承载头126就移至第二装载罩123b。同样，一旦第二基板在第三研磨站124c处完成研磨，则第二承载头126移至第一装载罩。由此，第一承载头126绕过第一装载罩123a(第一基板未在第一装载罩123a处装载或卸载)。同样，第二研磨头126绕过第四研磨站124d(第二基板未在第四研磨站124d处经研磨)。

此操作模式的优势为此模式可在基座106的占地面积合理的情况下提供较高产量，同时避免当多个基板在同一研磨垫上经研磨时可能发生的诸如协调终点控制及交叉污染的问题。

可使用此操作模式的研磨工艺的实例为金属研磨，例如，铜研磨。例如，金属层的整体研磨可在第一研磨站124a及第二研磨站124b处得以执行，且阻障层的金属清除及移除可在第三研磨站124c及第二研磨站124d处得以执行。

由于承载头126位于轨道128之上，因此每一承载头不能在路径上向前行进以经过位于该承载头自身前方的承载头。由此，必须由控制器190进行一些协调，以便在下一站处的操作完成后，承载头才向前行进。

参看图1、图3A至图3C及图4，研磨设备100亦包括一或更多个循序(亦称作线内)测量系统160(参看图4)，例如，光学测量系统(例如，光谱测量系统)。循序测量系统定位在研磨设备100内，但循序测量系统并不在研磨操作期间执行量测；相反，量测在研磨操作之间得以收集，例如，在基板正在自一研磨站移至另一研磨站之时。或者，循序测量系统160中的一或更多者可为非光学测量系统，例如，涡电流测量系统或电容式测量系统。

在一些实施中，研磨系统包括两个循序测量系统。该等两个循序测量系统可位于路径上的研磨站的相对两侧。例如，在一些实施中(如图1及图3A所示)，研磨系统100包括：第一测量系统，该第一测量系统具有第一探针180a，该第一探针180a位于第三研磨站124c与第四研磨站124d之间；及第二测量系统，该第二测量系统具有第二探针180b，该第二探针180b位于第四研磨站124d与传送站122之间。作为另一实例，在一些实施中(如图5所示)，研磨系统100包括：第一测量系统，该第一测量系统具有第一探针180a，该第一探针180a位于传送站122与第一研磨站124a之间；及第二测量系统，该第二测量系统具有第二探针180b，该第二探针180b位于第一研磨站124a与第二研磨站124b之间。

每一线内测量系统160包括在平台106上得以支撑的探针180，该探针位于由承载头126所遵循的路径上的一位置及位于两个站之间，例如，在两个研磨站124之间，或在研磨站124与传送站122之间。特定而言，探针180位于一位置处，使得由轨道128支撑的承载头126可将基板10定位在探针180之上。

在一些操作模式下，基板在站上进行研磨之前先在循序测量站160处经量测。在此情况下，在一些实施中，测量站160的探针180可定位在研磨站之后的路径上。由此，附有基板的承载头126沿该路径移动经过研磨站124到达循序监测站的探针180，基板通过探针180量测，且承载头沿该路径(向反方向)移动返回至研磨站124。

例如，参看图3B及图3C，一旦第一基板在第二研磨站124b处完成研磨，基板就可移动经过第三研磨站124c及第四研磨站124d到达第二探针180b、通过第二探针180b量测及沿该路径移动返回至第四研磨站124d。同样，一旦第二基板在第一研磨站124a处完成研磨，基板就可移动经过第二研磨站124b及第三研磨站124c到达第一探针180a、通过第一探针180a量测及沿该路径移动返回至第三研磨站124c。

在一些操作模式下，基板在站上进行研磨之后在循序测量站160处得以量测。在此情况下，在一些实施中，测量站160的探针180可定位在研磨站之前的路径上。由此，附有基板的承载头126沿该路径移动经过循序监测站的探针180到达研磨站124，基板在研磨站124处经研磨，承载头沿该路径(向反方向)移动返回至探针180，基板经量测，且承载头再次沿该路径向前行进，经过研磨站124到达下一站。

例如，参看图5，一旦在第二装载罩123b处将第一基板装载入承载头126内，第一基板就移动经过第一探针180a、第一研磨站124a，及第二探针180b而到达第二研磨站124b。一旦第一基板在第二研磨站124b处完成，第一基板就沿该路径移动返回至第二探针180b、通过第二探针180b量测、然后沿该路径向前移动至第四研磨站124d。同样，一旦在第一装载罩123a处将第二基板装载入承载头126，第二基板就移动经过第二装载罩123b及第一探针180a而到达第一研磨站124a。一旦第二基板在第一研磨站124a处完成研磨，基板就沿该路径移动返回至第一探针180a、通过第一探针180a量测、然后沿该路径向前行进至第三研磨站124c。

在一些实施中，测量站160的探针180可定位在研磨站之后的路径上，及测量站160的探针180可用于在研磨站处的基板研磨之后进行量测。例如，在图1及图3A中所示的实施中，第一探针180a及第二探针180b可用于在第三研磨站124c处及在第四研磨站124d处分别研磨第二基板及第一基板之后量测该第二基板及第一基板。

在一些实施中，测量站160的探针180可定位在研磨站之前的路径上，且测量站160的探针180可用于在研磨站处的基板研磨之前进行量测。例如，在图5所示的实施中，第一探针180a及第二探针180b可用于在第一研磨站124a及第二研磨站124b处分别研磨第二基板及第一基板之前量测该第二基板及第一基板。

参看图6，在一些实施中，研磨系统100包括四个循序测量站。例如，研磨系统100可包括位于第二装载罩123b与第一研磨站124a之间的第一探针180a、位于第一研磨站124a与第二研磨站124b之间的第二探针180b、位于第三研磨站124c与第四研磨站124d之间的第三探针180b及位于第四研磨站124d与第一装载罩123a之间的第四探针180d。

具有两个(或四个)循序测量站160的优势是可同时对两个基板执行量测。然而，可应用在路径上将承载头向后移至探针或研磨站的技术，即使仅有一循序测量站亦如此。此外，尽管此实例注重于具有四个研磨站的研磨系统，但该等技术可应用于具有多个研磨站的几乎任何系统。

例如，研磨系统可包括如图1所示的四个平台，但仅包括单个循序测量站，例如，其中探针定位在第三研磨站124c与第四研磨站124d之间。在此情况下，在第二研磨步骤之前的量测中，第一基板将通过探针量测、然后沿路径向前移至第四研磨站124d，而第三基板则将通过探针量测、然后沿路径向后移至第三研磨站124c。

作为另一实例，研磨系统可包括如图1所示的四个平台，但仅包括单个循序测量站，例如，其中探针定位在第一研磨站124a与第二研磨站124b之间。在此情况下，在第一研磨步骤之后的量测中，第一基板将自第二研磨站124b向后移至探针、通过探针量测及然后沿路径向前移至第四研磨站124d，而第三基板则将自第一研磨站124a向前移动、通过探针量测及然后向前移至第三研磨站124c。

作为另一实例，研磨系统可包括如图2所示的四个平台及两个循序测量站，但其中第一探针则定位在第一研磨站124a与第二研磨站124b之间，且第二探针定位在第三研磨站124c与第四研磨站124d之间。此系统可与两个先前实例中的任一者所提供的系统具有相同作用。

在一些实施中，探针180应定位在预计要清除填料层的站的邻近处。例如，在控制器190经配置有配方以在第一研磨站及第二研磨站处执行填料层的整体研磨(但非清除)及在第三研磨站及第四研磨站处执行下层的移除或清除的情况下，探针180可定位在第三研磨站或第四研磨站的邻近处。

参看图7，在另一实施中，循序测量系统的至少一探针180定位在传送站122中。例如，两个循序测量系统的两个探针180a及180b分别定位在传送站122的各个装载罩123a及123b中。在操作中，由两个承载头126固持的两个基板可在两个装载罩123a及123b处得以量测。此量测可在基板在第一研磨站124a处经研磨之前进行，或可在基板在最后一研磨站124d处经研磨之后进行。

或者或此外，一或两个承载头可在待量测的第一站124a或第二站124b处的研磨之后，沿轨道128往回移动，然后被向前输送至第三站124b或第四站124d；及/或一或两个承载头可在待量测的第三站124c或第四站124d处的研磨之前，沿轨道向前移动经过第三站124c或第四站124d，然后被输送返回至第三站124b或第四站124d。

参看图8，在另一实施中，研磨站中的一者被替换为测量站161，其中循序测量系统的探针180定位在测量站中。研磨设备100的站包括传送站122、研磨站124及测量站161，该等站可以大体相等的角度间隔定位在平台106的中心周围。在图8所示的实例中，有三个研磨站124a、124b，及124c。一般而言，图8中所图示的研磨设备可用于循序研磨操作，例如，承载头126将依次移至每一研磨站124a、124b、124c且在该研磨站处执行研磨操作。此架构的优势为尺寸紧凑，同时可赋能含有三个步骤的常用研磨工艺及允许进行循序测量。

在操作中，测量站161可仅用以在第一站124a及第二研磨站124b处的研磨操作之间量测基板。然而，亦可应用上述回溯方法。例如，承载头可在第二站124b处的研磨之后沿轨道128往回移动，以便在站161处量测基板，然后，承载头126可被向前输送至第三站124b。作为另一实例，承载头可在第一站124a处的研磨之前，沿轨道向前移动经过第一站124a，基板可在测量站161处经量测，然后，承载头可沿轨道128被输送返回至第一站124a。

尽管图8中仅图示一探针180a，但测量站161可针对两个独立循序测量系统而包括两个探针，以允许两个基板在测量站161处同时经量测。此外，测量站161可定位在第二站124b与第三站124c之间，该等站之间的传送次序可经适当的更动。

返回到图4，光学测量系统160可包括光源162、光检测器164及电路系统166，该电路系统166用于在控制器190与光源162及光检测器164之间发送及接收信号。

一或更多个光纤可用以将光自光源162传输至研磨垫中的光出入通路，及将自基板10反射的光传输至检测器164。例如，分叉光纤170可用以将光自光源162传输至基板10及传输返回至检测器164。分叉光纤可包括：干线172，该干线的一端部位于探针180中以量测基板10；及两个支线174及176，该等两个支线分别连接至光源162及检测器164。在一些实施中，并未使用分叉光纤，而可使用两个相邻的光纤。

在一些实施中，探针180固持分叉光纤的干线172的一端部。在操作中，承载头126将基板10定位在探针180之上。来自光源162的光自干线172的端部射出，经基板10反射回干线172中，且所反射的光由检测器164接收。在一些实施中，例如聚焦透镜的一或更多个其他光学元件定位在干线172的端部上，但该等光学元件并非必需。

探针180可包括一机构以调整干线172的端部的垂直高度，例如，干线172的端部与平台106的顶表面之间的垂直距离。在一些实施中，探针180在致动器系统182上得以支撑，该致动器系统经配置以在一平面内横向移动探针180，该平面平行于轨道128的平面。致动器系统182可为XY致动器系统，该致动器系统包括两个独立的线性致动器以使探针180沿两个正交轴独立移动。

电路系统166的输出可为数字电子信号，该信号传递至控制器190以用于光学测量系统。同样，回应于自控制器190传递至光学测量系统160的数字电子信号中的控制命令，光源162可开启或关闭。或者，电路系统166可通过无线信号而与控制器190通信。

光源162可经操作以射出白光。在一实施中，所射出的白光包括波长为200-800纳米的光。适合的光源为氙灯或氙汞灯。

光检测器164可为分光计。分光计为用于在电磁光谱的一部分上量测光强度的一种光学仪器。适合的分光计为光栅分光计。分光计的典型输出为作为波长(或频率)的函数的光强度。图9图示一经量测的光谱300的实例。

如上所述，光源162及光检测器164可连接至计算装置，例如，控制器190，该计算装置可经操作以控制该光源162及光检测器164的操作及接收该等两者的信号。计算装置可包括位于研磨设备附近的微处理器，例如，可编程计算机。就控制而言，计算装置能够例如将光源的启动与承载头126的运动同步。

任选地，循序测量系统160可为湿式测量系统。在湿式测量系统中，对基板表面执行量测，同时，一层液体覆盖在正在量测的表面的部分上。湿式测量的优势在于液体与光纤170可具有类似的折射率。液体可提供均匀介质，光可经由该介质而前往及来自将要研磨或已研磨的薄膜表面。湿式测量系统169可经配置以使液体在量测期间流动。流动的液体可自经量测的基板表面冲走研磨残留物，例如，浆料。

图10图示湿式循序测量系统160的实施。在此实施中，光纤170的干线172位于管186内。诸如去离子水的液体188可自液体来源189经抽取至管186中及通过管186。在量测期间，基板10可定位在光纤170的端部上方。基板10相对于管186的顶部的高度及液体188的流动速率经选定使得当液体188在管186中溢流时，液体188充填光纤170的端部与基板10之间的空间。

或者，如图11所示，承载头126可下降至由罩壳189界定的储存槽中。由此，基板10及承载头126的一部分可浸没在储存槽中的诸如去离子水的液体188中。光纤170的端部可浸没在基板10以下的液体188中。

在任一情况下，在操作中，光来自光源162，穿过液体188到达基板10的表面，自基板10的表面反射，进入光纤的端部，及返回检测器164。

参看图12，典型基板10包括多个晶粒12。在一些实施中，控制器190使基板10及探针180承受相对运动，以便光学测量系统160可在基板10上的区域18内进行多次量测。特定而言，光学测量系统160可在以大体均匀的密度分布在区域18内的点184处进行多次量测(图5上仅显示一点以便明确说明)。区域18可等同于晶粒12的区域。在一些实施中，晶粒12(及区域18)可被视为包括任何相邻的切割道的一半。在一些实施中，在区域18内至少进行一百次量测。例如，如若一晶粒在一侧上为1cm，则可按1mm之间隔在整个区域进行量测。区域18的边缘无需与基板上的特定晶粒12的边缘对准。

在一些实施中，当承载头126将基板10固持在固定位置上(相对于平台106)的同时，XY致动器系统182使探针180的量测点184横穿跨越基板10上的区域18的路径。例如，XY致动器系统182可使量测点184横穿一路径，该路径横穿在数个均匀间隔的平行线段上的区域18。此结构允许光学测量系统160进行在区域18内均匀间隔的量测。

在一些实施中，并无致动器系统182，且在承载头126移动以使量测点184横穿区域18的同时，探针180保持静止(相对于平台106)。例如，承载头可承受旋转(来自马达156)、平移(来自沿轨道128移动的溜板108)的组合以使量测点184横穿区域18。例如，当溜板108使基板的中心自探针180向外移动时，承载头126可旋转，此举使量测点184横穿基板10上的螺旋路径。通过在点184跨越区域18的同时进行量测，可在区域18上以大体均匀的密度进行量测。

在一些实施中，相对运动是由承载头126的运动及探针180的运动的组合而引发，该等两种运动例如，承载头126的旋转及探针180的线性平移。

控制器190接收来自光学测量系统160的信号，该信号承载信息，该信息描述由光检测器在每一次光源闪光或检测器的每一时段接收到的光的光谱。在经量测的每一光谱中，可自经量测的光谱计算得出特征值。特征值可用于在研磨站中的一或更多者处控制研磨操作。

计算特征值的一种技术为在经量测的每一光谱中，自参考光谱库中辨识相匹配的参考光谱。库中每一参考光谱可具有关联的特征值，例如，厚度值或指示平台旋转的时间或次数的索引值，参考光谱预计在该等值处出现。通过决定相匹配的参考光谱的关联特征值，可产生特征值。此技术在美国专利公开案第2010-0217430号中有所描述，该公开案以引用的方式并入本文。另一技术是分析经量测的光谱中的光谱特征的特性，例如，经量测的光谱中的峰值波长或谷值波长，或峰值宽或谷值宽。经量测的光谱中的特征的波长值或宽度值提供特征值。此技术在美国专利公开案第2011-0256805号中有所描述，该公开案以引用的方式并入本文。另一技术是将光学模型拟合至经量测的光谱。特定而言，光学模型的参数经最佳化以向经量测光谱提供最佳的模型拟合。所产生的经量测光谱参数值产生特征值。此技术在申请于2012年3月8日的美国专利申请案第61/608,284号中有所描述，该申请案以引用的方式并入本文。另一技术是对经测量光谱执行傅立叶变换。经变换的光谱中的峰值的位置经量测。所产生的经量测光谱的位置值产生特征值。此技术在申请于2012年4月23日的美国专利申请案第13/454,002号中有所描述，该申请案以引用的方式并入本文。

如上所述，特征值可用于在研磨站中的一或更多者处控制研磨操作。控制器能够基于特征值(例如)计算特征值及调整以下各项的研磨时间、研磨压力，或研磨终点：(i)先前研磨步骤，亦即对于在经量测基板刚离开的研磨站处的后续基板而言；(ii)后续研磨步骤，亦即在经量测基板将要传送至的研磨站处；或(iii)第(i)项及第(ii)项两者。

在一些实施中，在第一CMP步骤之前，得自于上游非研磨步骤的基板尺寸信息(层厚度、关键尺寸)(如可用)被前馈至控制器190。

在CMP步骤之后，使用湿式测量而在循序测量站160处量测基板，该循序测量站位于基板曾在研磨时所处的研磨站与下一研磨站之间。诸如层厚度或铜接线的关键尺寸的特征值经捕获及发送至控制器。

在一些实施中，控制器190使用特征值以针对在下一研磨站处的基板调整研磨操作。例如，如若特征值指示蚀刻沟槽较深，则可利用更大的移除量来调整后续研磨站的后厚度目标，以便使剩余金属接线厚度保持不变。如若特征值指示下层厚度已变更，则在后续研磨站处用于现场终点检测的参考光谱可经修正以便使终点出现在距离目标金属接线厚度更近之处。

在一些实施中，控制器190使用特征值以在先前研磨站调整后续基板的研磨操作。例如，如若特征值指示蚀刻沟槽较深，则可利用更大的移除量来调整先前研磨站的后厚度目标，以便使剩余金属接线厚度保持不变。如若特征值指示下层厚度已变更，则在先前研磨站处用于现场终点检测的参考光谱可经修正以便使终点出现在距离目标金属接线厚度更近之处。

在一些实施中，控制器190分析经量测光谱及决定适当的基板路线。例如，控制器190可对比特征值与阈值，或决定特征值是否符合预定范围。如若特征值指示研磨未完成，例如，如若特征值符合指示研磨不足的基板的预定范围，或未超出指示经满意研磨的基板的阈值，则可将基板送回先前研磨站进行再制。例如，一旦再制完成，基板就可在测量站经再次量测，或基板可经输送至下一研磨站。如若特征值未指示研磨未完成，则可将基板输送至下一研磨站。

例如，可在循序测量站160处使用湿式测量来量测诸如金属残留物的参数。如若检测到金属残留物，则可将基板送回先前研磨站进行再制。否则，可将基板输送至下一研磨站。

为检测金属残留物，控制器190可评估由填充材料覆盖的面积百分比。将每一经量测光谱300与参考光谱对比。参考光谱可为来自较厚的填充材料层的光谱，例如，来自金属的光谱，例如，铜或钨参考光谱。该对比产生每一经量测光谱300的相似性值。表示在区域18内的填充材料量的单个纯量值可自相似性值计算得出，例如，通过对相似性值求平均。然后，可对比纯量值与阈值以决定区域内的残留物的存在及/或量。

在一些实施中，相似性值由经量测光谱与参考光谱之间的平方差之和计算得出。在一些实施中，相似性值由经量测光谱与参考光谱之间的交叉关联关系计算得出。

例如，在某个实施中，每一经量测光谱与参考光谱之间的平方差之和(sum ofsquared differences；SSD)经计算以产生每一量测点的SSD值。然后，可将SSD值归一化，方法是用所有SSD值除以在扫描中获取的最高SSD值以产生归一化SSD值(使得最高SSD值等于1)。然后，用1减去归一化SSD值以产生相似性值。具有最高SSD值及因而具有最小铜分摊量的光谱现今等于0。

然后，在前一步骤中产生的所有相似性值的平均值经计算以产生纯量值。如若存在残留物，则此纯量值将较高。

作为另一实例，在某个实施中，每一经量测光谱与参考光谱之间的平方差之和(sum of squared differences；SSD)经计算以产生每一量测点的SSD值。然后，可将SSD值归一化，方法是用所有SSD值除以在扫描中获取的最高SSD值以产生归一化SSD值(使得最高SSD值等于1)。然后，用1减去归一化SSD值以产生逆归一化SSD值。对于给定光谱，如若在先前步骤中产生的逆归一化SSD值小于使用者定义的阈值，则该逆归一化SSD值设定为0。使用者定义的阈值可为0.5至0.8，例如，0.7。然后，在前一步骤中产生的所有值的平均值经计算以产生纯量值。如若存在残留物，则此相似性值将再次较高。

如若计算得出的纯量值大于阈值，则控制器190可指定基板含有残留物。相反，如若纯量值等于或小于阈值，则控制器190可指定基板不含有残留物。

如若控制器190未指定基板含有残留物，则控制器通常可使基板在下一研磨站处进行处理。相反，如若控制器190指定基板含有残留物，则控制器可采取多种动作。在一些实施中，可立即将基板返回先前研磨站进行再制。在一些实施中，将基板返回晶匣(无需在后续研磨站处进行处理)，一旦队列中其他基板完成研磨，就指定对该基板进行再制。在一些实施中，将基板返回晶匣(无需在后续研磨站处进行处理)，并在追踪数据库中产生针对该基板的条目，以便指示该基板含有残留物。在一些实施中，纯量值可用以调整后续的研磨操作以确保残留物的完全移除。在一些实施中，纯量值可用以标志及提醒操作人员研磨工艺中出现错误，因此需要操作人员注意。该工具可进入数个错误/警报状态，例如将所有基板返回晶匣及等待操作人员介入。

在另一实施中，将计算得出的每一量测值的相似性值与阈值相对比。基于该对比，可指定每一量测点为填充材料或非填充材料。例如，如若产生如上所述的每一量测点的逆归一化SSD值，则使用者定义的阈值可为0.5至0.8，例如，0.7。

区域18内被指定为填充材料的量测点的百分比可经计算得出。例如，可用经指定为填充材料的量测点数目除以量测点的总数。

此计算所得的百分比可与阈值百分比相对比。此阈值百分比可由对基板上的晶粒图案的了解而计算得出，或凭借经验由对已知不含有残留物的样本基板的量测(使用上述量测过程)而计算得出。样本基板可通过专用测量站而经验证为不含有残留物。

如若计算得出的百分比大于阈值百分比，则可指定基板为含有残留物。相反，如若该百分比等于或小于该阈值百分比，则可指定基板为不含有残留物。然后，控制器190可采取上述动作。

在一些实施中，光学测量系统160的探针180’定位在装载及卸载站与研磨站的一者之间。如若探针180’定位在装载站与第一研磨站之间，则特征值可通过测量系统量测得出，及经前馈以在第一研磨站处调整基板的研磨。如若探针180’定位在最后的研磨站与卸载站之间，则特征值可通过测量系统量测得出，及经反馈以在最后的研磨站处调整后续基板的研磨，或在检测到含有残留物的情况下可将基板送回最后的研磨站以进行再制。

上述控制方案可更为可靠地维持产品基板的制造合规性，及可减少再制，及可提供基板的路线再选择以在对产量干扰更少的情况下提供再制。此方案可提供生产率及产出效能的改良。

上述研磨设备及方法可应用于多种研磨系统。例如，多个承载头可自旋转料架悬置，而非自轨道悬置，且自旋转料架悬置并相对于旋转料架可移动的溜板可提供承载头的横向运动。平台可环绕轨道行进而非旋转。研磨垫可为固定于平台的圆形(或一些其他形状)垫。终点检测系统的一些方面可适用于线性研磨系统(例如，在研磨垫为线性移动的连续带或卷对卷带的情况下)。研磨层可为标准(例如，含有或不含有填料的聚氨酯)研磨材料、软材料，或固定研磨材料。本文使用相对定位的术语；应理解，研磨表面及基板可被固持在垂直方向或一些其他方向。

尽管前述内容是针对本发明的实施例，但可在不脱离本文的基本范畴的前提下设计本发明的其他及进一步实施例，且本文的范畴由下文的权利要求书所决定。

Claims (9)

1.一种研磨设备，该研磨设备包括：

N个研磨站，其中N为等于或大于4的偶数，每一研磨站包括一平台以支撑一研磨垫，其中偶数个研磨站包括第一研磨站、第二研磨站、第三研磨站、及第四研磨站；

传送站，该传送站包括两个装载罩；

支撑结构，该支撑结构包括圆形架空轨道，其中承载头由该支撑结构所固持，并且其中该支撑结构使每个承载头沿一路径移动，该路径依次经过该第一研磨站、该第二研磨站、该第三研磨站、及该第四研磨站；

偶数个承载头，该等承载头由该支撑结构所固持，及可循序移动至该等N个研磨站，每一承载头耦接至溜板，该溜板安装至该架空轨道，其中每个溜板可沿该轨道移动，使得该承载头得以在所选择的研磨站或装载罩上作轨道运行并得以定位在所选择的研磨站或装载罩上；及

控制器，该控制器经配置以：在该传送站中将两个基板装载入该等承载头中的两者内，该载入包括将第一基板在第一装载罩处载入第一承载头并将第二基板在第二装载罩处载入第二承载头；将该等承载头中的该等两者移至该等N个研磨站中的第一对研磨站，该移动包括将该第一承载头移至该第二研磨站且绕过该第一研磨站，并且将该第二承载头移至该第一研磨站且绕过该第一装载罩；在第一研磨步骤中在该等N个研磨站中的该第一对研磨站处同时研磨该等两个基板；将该等承载头中的该等两者移至该等N个研磨站中的第二对研磨站，该移动包括将该第一承载头移至该第四研磨站且绕过该第三研磨站，并且将该第二承载头移至该第三研磨站且绕过该第二研磨站；在第二研磨步骤中在该等N研磨站中的该第二对研磨站处同时研磨该等两个基板；将该等承载头中的该等两者移至该传送站，该移动包括将该第一承载头移至该第一装载罩且绕过该第二装载罩，并且将该第二承载头移至该第二装载罩且绕过该第四研磨站；及自该等承载头中的该等两者将该等两个基板卸载到该两个装载罩，

其中该N个研磨站及该传送站在一平台上得以支撑，并且以大体相等的角度间隔定位在该平台的中心周围。

2.如权利要求1所述的研磨设备，其中承载头的数目等于N+2。

3.如权利要求1所述的研磨设备，其中承载头的数目等于N。

4.如权利要求1所述的研磨设备，其中N等于4。

5.如权利要求1所述的研磨设备，其中该控制器经配置以在数个模式中的一者下操作，及在该等数个模式中的第一模式下，该控制器使该等承载头中的该等两者移至该等N个研磨站中的该第一对研磨站，及在该等数个模式中的第二模式下，该控制器使承载头循序移至该等N个研磨站中的每一者，及使该基板在该等N个研磨站中的每一者处经研磨。

6.如权利要求1所述的研磨设备，该研磨设备包括两个循序测量站，并且其中，该等两个循序测量站的第一探针可定位在该第二对研磨站的第一站与第二站之间，并且该等两个循序测量站的第二探针定位在该第二站与该传送站之间。

7.一种操作研磨设备的方法，该方法包括以下步骤：

在传送站的第一装载罩处将第一基板载入第一承载头；

在传送站的第二装载罩处将第二基板载入第二承载头；

自该传送站的该第一装载罩将该第一基板输送经过第一研磨站到达第二研磨站，无需在该第一研磨站处研磨该第一基板；

自该传送站的该第二装载罩将第二基板输送至该第一研磨站且绕过该第一装载罩；

在该第二研磨站处研磨该第一基板，及在该第一研磨站处同时研磨该第二基板；

自该第二研磨站将该第一基板输送经过第三研磨站到达第四研磨站，无需在该第三研磨站处研磨该第一基板；

自该第一研磨站将该第二基板输送经过该第二研磨站到达该第三研磨站，无需在该第二研磨站处研磨该第二基板；

在该第四研磨站处研磨该第一基板，及在该第三研磨站处同时研磨该第二基板；

自该第四研磨站将该第一基板输送至该第一装载罩且绕过该第二装载罩；以及

自该第三研磨站将该第二基板输送经过该第四研磨站到达该传送站的该第二装载罩，无需在该第四研磨站处研磨该第二基板；

其中该等研磨站及该传送站在一平台上得以支撑，并且以大体相等的角度间隔定位在该平台的中心周围，并且其中，输送该第一基板包括将该第一基板固持在第一承载头上并沿圆形轨道移动该第一承载头，并且其中输送该第二基板包括将该第二基板固持在第二承载头上并沿该圆形轨道移动该第二承载头。

8.如权利要求7所述的方法，其中承载头的数目比研磨站的数量大2。

9.如权利要求7所述的方法，其中承载头的数目等于研磨站的数目。