CN104897296A - 化学机械抛光过程中抛光界面的温度检测装置及温度信号的利用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在不影响抛光工艺过程的前提下高精度地实时检测抛光界面温度的装置，还提供了利用检测到的温度信号进行抛光终点判断和抛光过程监控的方法。该温度检测装置由温度传感器、信号处理模块、导电滑环、信号接收装置、电源及连接各组件间的导线组成。其中，温度传感器的感温区域直接与被抛光工件的背面接触，传感器输出的弱信号经过信号处理模块处理后由导电滑环将其传输到信号接收装置，再由信号接收装置对信号进行采集、处理和显示等操作。当从被抛光工件的一层材料层上去除另外一种材料层时，可以根据抛光界面温度的变化情况判断抛光终点。将抛光界面温度和同一工艺参数下抛光界面的正常温度范围对比，可以判断加工过程是否正常。

Description

化学机械抛光过程中抛光界面的温度检测装置及温度信号的利用

技术领域

本发明专利涉及一种可以在不影响抛光工艺的前提下高精度地实时检测抛光界面温度的装置，本发明还涉及到利用检测到的温度信号进行抛光终点判断和抛光过程监控的方法。

背景技术

化学机械抛光中材料去除率和表面质量受到众多因素的影响，其中抛光界面温度就是主要因素之一。温度的升高，会增加抛光液活性，从而加快化学反应速度，提高材料去除率；同时，温度的升高还可能会导致抛光液PH值的降低，抛光液中的磨粒团聚。另外，温度升高会减小抛光垫的弹性和粘弹性，会改变抛光垫表面纤维的特性从而使得抛光垫粗糙凸峰硬度的降低，进一步导致抛光垫的釉化，从而降低抛光速率和使抛光废液滞留抛光区域而使被抛光工件受到污染。

所以，在抛光机上设计安装抛光界面温度检测装置，实时检测监控抛光温度，对于研究化学机械抛光的机理和监控化学机械抛光过程都有重大意义。

由于化学机械抛光的抛光条件比较特殊，对抛光界面的温度测量较困难，国内外关于抛光温度检测主要有以下方法：

1、采用热成像摄影仪或者红外测温仪间接测量抛光垫温度或者被抛光工件背面温度。

该方法是非接触测温方式，不会破坏温度场，但是热成像摄影仪和红外测温仪在低温测量时的误差较大，绝对温度精度很低，设备的成本较高。

2、在工件上打孔安装温度传感器直接测量抛光液温度。

采用激光或者其他方式在被抛光工件上打孔，温度传感器穿过该孔直接与抛光界面的抛光液接触，进而测得抛光液的温度。这种方法需要在被抛光工件上打孔，对工件会造成不可恢复的损伤，并且传感器裸露的端面容易和抛光垫或者磨粒相互摩擦而损坏，且其被摩擦也会产热，进而影响测温的精度。

3、用激光诱导荧光技术和透明材料代替工件模拟检测抛光界面的温度。

采用双发射激光诱导荧光(DELIF)技术对抛光液进行温度测量，并用有机玻璃代替抛光头，使摄像系统进行数据采集。此方法虽提高了测量精度，但抛光环境与真实的抛光环境不同，测量的并不是真实抛光条件下的抛光界面温度。

抛光界面的温度的检测有着重大的利用价值，比如：利用温度信号在线检测化学机械抛光的终点，利用温度信号监控抛光过程是否存在异常。

利用温度信号在线检测化学机械抛光的终点。这个方法在国内外都有学者研究，但是其用于检测温度的方法多数是采用非接触式的方法，比如利用红外测温，而如前面所述，非接触式的测温方法精度较低，并且所需设备成本较高。

利用温度信号监控抛光过程是否有差错。当抛光垫在抛光过程中磨损或者釉化，抛光液中的磨粒发生团聚或者抛光液中混入杂质，或者抛光工件碎裂等情况发生时，抛光界面的温度均会发生异常变化。因此，通过检测温度的异常变化可以监控抛光过程是否正常进行，而有高精度和高灵敏度的测温装置是实现这一目的的前提。

发明内容

本发明专利的一个目的在于考虑上述问题而提供一种能够在不影响抛光工艺过程的前提下高精度地实时检测抛光界面温度的装置。该装置的温度传感器采用接触式的测量方法测量被抛光工件背面的温度，传感器输出的信号经过处理后由导电滑环将其传入信号接收装置进行采集、处理及显示，导电滑环的作用是实现电路转动部分和固定部分的连接。该装置的具体技术方案如下所述。

该温度检测装置是由温度传感器、信号处理模块、导电滑环、信号接收装置、电源及连接各组件间的导线组成。其中所述的温度传感器安装在被抛光工件的夹持器上，温度传感器的感温区域直接与被抛光工件的背面接触。其中所述的信号处理模块是将传感器输出的弱信号进行处理，转化为相对容易传输及后期处理的信号，它固定在抛光工件的夹持器上。其中所述的导电滑环是一种实现电路固定部分和旋转部分连接的器件，它可以实现动力、控制及数字信号混合传输，它安装在被抛光工件的夹持器上，且两者同轴。其中所述的信号接收装置的作用是温度信号的采集、处理、显示、记录等，它的形式可以不止一种，比如它的一种形式是安装有数据采集卡的电脑。其中所述的电源是为信号处理模块供电。

该装置进一步的设计为：当抛光界面温度上升速度较慢或者温度上升速度不影响热电阻温度传感器对温度测量的准确性时，温度传感器采用热电阻温度传感器。热电阻温度传感器是根据导体或者半导体的电阻值随温度的变化而变化这一特性来测量温度的，它在低温测量时有很高的精度，其内部感温元件在传感器的底部，即温度传感器与被抛光工件接触的一端，感温元件优选横向放置方式，使感温元件与被抛光工件更加贴近，从而测温精度更高、响应更快。当抛光界面温度上升速度较快或者温度上升速度影响热电阻温度传感器对温度测量的准确性时，温度传感器采用热电偶温度传感器。热电偶温度传感器是根据塞贝克效应来测量温度的，它的响应速度比热电阻温度传感器快，但是精度不及热电阻温度传感器。温度传感器的安装方式有压簧式安装、螺纹式安装或者直接将温度传感器嵌入被抛光工件的夹持器内的安装方式，使其感温区域与被抛光工件背面接触。温度传感器的个数可以根据需要选择，可以将其安装在被抛光工件背部的不同位置；信号处理模块采用与温度传感器配合使用的温度变送器，其将温度传感器输出的信号进行放大、去噪声等处理后转化为对应的电流或者电压输出，电源通过导电滑环与其连接并为其供电；导电滑环的通道数根据传感器的个数而确定；信号接收装置采用装有数据采集卡和LabVIEW软件的电脑，其可以对信号进行采集、处理、显示、记录等操作。

本发明专利的另一个目的是提供一种利用检测得到的抛光界面温度信号进行抛光终点在线检测的方法。当被抛光工件是由至少两层材料组成时，比如被抛光工件有底层和覆盖于底层的待去除层，两层材料有不一样的物理特性，例如其与抛光垫的摩擦系数、热传导率等不一样。这样的工件在被抛光的过程中，当待去除层被去除后露出底层材料时，工件与抛光垫的摩擦状态会发生改变，进而导致抛光界面温度的改变。例如：待去除层材料与抛光垫的摩擦系数小于底层材料与抛光垫的摩擦系数，当待去除层材料被抛光后露出底层材料时，抛光界面的温度变化曲线会明显有上升变化。

因此，检测温度的变化就能检测出是否到达抛光终点。该终点在线检测方法至少应该包括如下步骤：

(1)利用本发明专利所提供的温度检测装置检测抛光界面的温度；

(2)利用温度检测装置中信号接收装置对信号进行处理，得到抛光界面温度变化曲线；

(3)监控温度变化曲线，并根据其变化判断是否达到抛光终点。

该方法的进一步设计为：利用本发明提供的温度检测装置检测抛光界面的温度，其中信号接收器采用装有数据采集卡和LabVIEW软件的电脑，应用LabVIEW软件编制的程序对温度信号进行适当的处理，并显示成温度曲线，根据温度曲线的变化判断是否达到抛光终点。

本发明的又一目的是提供一种利用检测得到的抛光界面温度信号对抛光过程进行监控的方法。当抛光垫在抛光过程中磨损或者釉化，抛光液中的磨粒发生团聚或者抛光液中混入杂质，或者抛光工件碎裂等情况发生时，抛光界面的温度均会发生异常变化。因此，通过监控温度的异常变化可以判断抛光过程是否存在异常。该抛光过程监控方法至少应该包括如下步骤：

(1)利用本发明专利所提供的温度检测装置检测抛光界面的温度；

(2)将不同工艺参数下的正常抛光界面温度及其变化情况存档；

(3)实际抛光工作时，将采集到的抛光界面温度与相同加工条件下的正常温度范围进行比较，如果采集到的温度不在正常的温度范围，则说明加工过程存在异常。

该方法的进一步设计为：利用本发明提供的测温装置检测抛光界面的温度，其中信号接收器采用装有数据采集卡和LabVIEW软件的电脑，应用LabVIEW软件编制的程序对温度信号进行适当的处理，并将采集到的温度与相同加工条件下的正常温度进行比较，若有明显差异，则可以判断加工中存在异常。

本发明专利的有益效果是：本发明专利提供的抛光界面温度在线检测装置能够在不影响化学机械抛光工艺的同时高精度的检测出抛光界面的实时温度。该装置所测量的是被抛光工件的背面温度，当被抛光工件厚度在一定范围内背面温度和抛光界面温度相差很小，所以通过被抛光工件的背面温度可以精确的反映抛光界面的温度，同时不需要对被抛光工件钻孔或者进行其它处理，从而不会对抛光工艺造成影响。该装置可以应用于多种类型的抛光机中，比如重力式加压的抛光机、自动加压的抛光机等。利用该温度检测装置所采集到的温度信号进行抛光终点判断和抛光过程监控均有很高的精度，而且装置结构简单、成本低、稳定性高。

附图说明

图1是安装有本发明专利所提供的抛光界面温度检测装置的抛光设备示意图。

图2是热电阻温度传感器的压簧式安装方案示意图。

图3是热电阻温度传感器嵌入于被抛光工件夹持器中的安装方案示意图。

图4是热电偶温度传感器的螺纹式安装方案示意图。

图5是铜互连工艺中有多层材料的被抛光工件示意图。

图6是有三层材料的工件被抛光时的抛光界面温度变化曲线示意图。

图7是抛光过程出现异常时的抛光界面温度变化曲线示意图。

在图中：1.抛光盘和抛光垫，2.被抛光工件，3.被抛光工件的夹持器，4.温度传感器，5.信号处理模块，6.导电滑环，7.导线，8.电源和信号接收装置，9.抛光液输送管，10.热电阻温度传感器，11.弹簧，12.螺帽，13.导线，14.嵌入于夹持器的热电阻温度传感器，15.导线，16.热电偶温度传感器，17.导线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

本发明专利所提供的抛光界面温度检测装置的一个实施例如图1所示，该装置由温度传感器4、信号处理模块5、导电滑环6、电源和信号接收装置8、连接各组件间的导线7组成。在图1中，夹持器3夹持着被抛光工件2并将其压在抛光盘和抛光垫1上，抛光盘和抛光垫1、夹持器3分别绕其轴线旋转，夹持器3和工件2还可能沿着某一轨道往复摆动，抛光液输送管9均匀的向抛光盘和抛光垫1上输送抛光液。

其中所述的温度传感器4安装在被抛光工件的夹持器3上，温度传感器4的感温区域直接与被抛光工件2的背面接触。在一个优选实施例中，如图2所示，被抛光工件2通过真空吸附或者蜡粘结的方式固定于夹持器3上，装置采用的压簧式的热电阻温度传感器被安装于夹持器3的孔中，热电阻温度传感器10通过弹簧11紧压在被抛光工件2的背面，弹簧11的松紧程度可以通过螺帽12调节，导线13采用三线制或者四线制。在另一个优选实施例中，如图3所示，被抛光工件2通过真空吸附的方式固定于夹持器3上，将热电阻温度传感器14嵌入于夹持器3中，保证热电阻温度传感器14的底面和夹持器3的底面在同一平面内，其内部的感温元件是横向放置而更加贴近被抛光工件2的表面，导线15采用三线制或者四线制。在又一个优选实施例中，如图4所示，被抛光工件2通过真空吸附的方式固定于夹持器3上，工件是在较大抛光压力或者较大的转速下被抛光，抛光界面温度上升迅速，温升也较大，此时可以使用热电偶温度传感器，因为热电偶温度传感器的响应速度快，将热电偶温度传感器16通过螺纹式的安装方法安装在夹持器3上，使其端面和夹持器底面在同一平面内，这样就能保证温度传感器的感温区和被抛光工件2背面紧贴，导线17将温度信号传至温度处理模块5。

其中所述的信号处理模块5是将传感器输出的弱信号进行处理，转化为相对容易传输及后期处理的信号，它固定在被抛光工件的夹持器3上。在一个优选实施例中，该信号处理模块5是与热电阻温度传感器10、14或者热电偶温度传感器16配合使用的温度变送器，其将热电阻温度传感器10、14的电阻信号转化为0-10V的电压信号或者4-20mA的电流信号，或者将热电偶温度传感器16输出的弱电压信号转化为0-10V的电压信号或者4-20mA的电流信号。

其中所述的导电滑环6是一种实现电路固定部分和旋转部分连接的器件，它可以实现动力、控制及数字信号混合传输，它安装在被抛光工件的夹持器3上，且两者同轴。导电滑环6的通道数根据温度传感器4的个数和传出信号的形式而确定。

其中所述的电源和信号接收装置8的作用是为信号处理模块5供电和信号的采集、处理、显示及记录等，它的形式可以不止一种，比如它的一种形式是安装有数据采集卡的电脑。将由导电滑环6输出的电压信号经过接线盒连接至数据采集卡的模拟电压输入端，或者将导电滑环输出的电流信号转化为电压信号再经过接线盒连接至数据采集卡的模拟电压输入端。电脑安装数据采集卡的驱动程序和LabVIEW后，利用LabVIEW编写信号采集和处理等程序对电压信号进行采集和处理。

利用上述测温装置检测得到的温度信号进行抛光终点在线检测。比如：在铜互连工艺中被抛光工件2是多层材料，如图5所示，经过抛光工艺后需要去除多余的铜层和Ti/TiN阻挡层。在抛光过程中，首先去除的是铜层，当铜层去除后露出阻挡层，阻挡层去除后露出氧化硅时即为抛光终点。由于铜、阻挡层、氧化硅三者与抛光垫的摩擦系数不一样，对应的抛光界面温度就会不一样，如图6所示，抛光铜层时，抛光界面温度上升，上升速度是先大后小，当铜层去除后开始抛光阻挡层，温度会迅速上升，当阻挡层去除后开始抛光氧化硅，温度会下降。因此，可以根据抛光界面温度的变化判断抛光终点，该工件的终点在线检测方法可以概括为如下步骤：

(1)利用本发明专利所提供的温度检测装置检测抛光界面的温度；

(2)利用温度检测装置中的信号接收装置对信号进行处理，得到抛光界面温度变化曲线；

(3)监控抛光界面温度变化曲线，当温度在第一次上升之后再一次迅速上升，在其上升到最高点并开始下降时，即为抛光终点，此时多余的铜层和阻挡层均已被去除。

利用上述测温装置检测得到的温度信号对抛光过程进行监控。在对某种工件抛光时，比如抛光不锈钢，首先记录各种工艺条件下的正常的抛光界面温度范围，其中某一工艺参数下的正常抛光界面温度范围如图7所示，所述的工艺参数包括：抛光压力、抛光头和抛光盘的转速、抛光头的摆速、抛光液的种类和流量、抛光垫的类型、环境初始温度等。当抛光垫在抛光过程中磨损或者釉化，抛光液中的磨粒发生团聚或者抛光液中混入杂质，或者抛光工件碎裂等情况发生时，抛光界面的温度均会发生异常变化，所以温度曲线就落在正常的温度范围之外，如图7中所示，当发生这种情况时，就需要停机检查。因此，通过检测抛光界面温度，根据其曲线是否在正常温度范围内就可以判断加工过程是否正常。该抛光过程监控方法可以概括为如下步骤：

(1)利用本发明专利所提供的温度检测装置检测抛光界面的温度；

(2)将不同工艺参数下的正常抛光界面温度及其变化情况存档；

(3)实际抛光工作时，设定好抛光工艺参数，并调出该工艺参数下的正常温度变化范围，比较采集到的温度与相同加工条件下的正常温度范围，如果采集到的温度不在正常的温度范围，则说明加工过程存在异常。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种化学机械抛光过程中抛光界面的温度检测装置，其特征在于：包括温度传感器、信号处理模块、导电滑环、信号接收装置、电源及连接各组件间的导线，其中，温度传感器通过导线与信号处理模块连接，信号处理模块通过导电滑环与信号接收装置和电源连接，温度传感器安装在被抛光工件的夹持器上，其感温区域与被抛光工件的背面接触，信号处理模块固定于夹持器上，导电滑环安装在夹持器上并与夹持器同轴；当抛光界面温度上升速度不影响热电阻温度传感器对温度测量的准确性时，所述温度传感器采用热电阻温度传感器，当抛光界面温度上升速度影响热电阻温度传感器对温度测量的准确性时，所述温度传感器采用热电偶温度传感器。

2.根据权利要求1所述的化学机械抛光过程中抛光界面的温度检测装置，其特征在于：所述温度传感器通过压簧式安装方式安装于夹持器上，温度传感器通过弹簧紧压于被抛光工件背面，弹簧弹力需要根据抛光压力调节，使其不至于导致工件变形；或者所述温度传感器通过螺钉式安装方式安装于夹持器上，传感器的端面与夹持器的底面在同一平面上，使其能与被抛光工件背面良好接触；或者所述温度传感器嵌入于夹持器中，传感器的底面与夹持器的底面在同一平面上，使其能与被抛光工件背面良好接触。

3.根据权利要求1所述的化学机械抛光过程中抛光界面的温度检测装置，其特征在于：所述热电阻温度传感器的感温元件在传感器的底部，即温度传感器与被抛光工件接触的一端，感温元件优先采用横向放置，使感温元件与被抛光工件更贴近。

4.根据权利要求1所述的化学机械抛光过程中抛光界面的温度检测装置，其特征在于：所述信号处理模块为与温度传感器相配合的温度变送器。

5.根据权利要求1所述的化学机械抛光过程中抛光界面的温度检测装置，其特征在于：所述信号接收装置实时显示出温度信号的数值和变化，并得到温度数值曲线。

6.根据权利要求5所述的化学机械抛光过程中抛光界面的温度检测装置，其特征在于：所述信号接收装置是安装有数据采集卡和LabVIEW程序的电脑，通过LabVIEW程序处理温度信号，得到温度数值及其变化曲线。

7.一种利用检测得到的抛光界面温度信号进行抛光终点在线检测的方法，其特征在于：被抛光工件由至少两层材料组成，终点在线检测方法至少包括如下步骤：

(1)利用本发明专利所提供的温度检测装置检测抛光界面的温度；

(2)利用温度检测装置中信号接收装置对信号进行处理，得到抛光界面温度变化曲线；

(3)监控抛光界面温度变化曲线，并根据其变化判断是否达到抛光终点。

8.根据权利要求7所述的抛光终点在线检测的方法，其特征在于：所述被抛光工件由底层和覆盖于底层的待去除层组成，两层材料与抛光垫的摩擦系数不相同，待抛光层材料去除后露出底层材料，所述抛光界面温度变化曲线在此时会出现转折，抛光工艺即可停止。

9.一种利用检测得到的抛光界面温度信号对抛光过程进行监控的方法，其特征在于：所述监控方法可以概括为如下步骤：

(1)利用本发明专利所提供的温度检测装置检测抛光界面的温度；

(2)将不同工艺参数下的正常抛光界面温度及其变化情况存档；

(3)实际抛光工作时，将采集到的抛光界面温度与相同加工条件下的正常温度范围进行比较，如果采集到的温度不在正常的温度范围，则说明加工过程存在异常。