CN105701320A - 多压力分区抛光头的静态加压控制算法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种多压力分区抛光头的静态加压控制算法，包括获取各压力分区的平均零点偏移量；根据各压力分区的平均零点偏移量，分别对各路气压传感器的测量值进行修正，并将修正后的测量值作为各路气压传感器的最终输出值；合理修正各压力分区的预设压力值，并将压力修正值作为实际参与运算的压力设定值；计算各路气压传感器的最终输出值与对应压力分区的压力设定值之间的偏差量；根据偏差量计算CMP抛光头系统的相应电气比例阀的控制量；最终实现各分区实际压力快速稳定在工艺人员预设的压力值上。本发明的控制算法简洁有效，在程序运行时大大减少了计算量，而且参数调节方便，可较好地应用于CMP工艺前后的装卸片等静态加压过程。
Description
技术领域
本发明涉及化学机械抛光技术领域，特别涉及一种多压力分区抛光头的静态加压控制算法。
背景技术
化学机械抛光(ChemicalMechanicalPolishing，CMP)技术是目前集成电路制造中制备多层铜互连结构的关键技术之一。作为当今最有效的全局平坦化方法，CMP技术利用化学腐蚀和机械磨削的协同作用，可以有效兼顾晶圆局部和全局平坦度。
抛光压力不仅是工艺过程中影响材料去除率和去除非均匀性的重要工艺参数之一，而且是实现抛光前后装卸片等动作的关键因素。随着晶圆尺寸的不断增大，为了保证晶圆表面材料去除的均匀性，分区压力控制技术已引入CMP工艺中。但是分区压力控制技术要求抛光头具备多个压力分区，造成抛光头各分区压力之间产生相互影响，最终导致压力控制难度加大。如果没有有效的控制算法，抛光各分区压力的控制效果较差，不利用装卸片过程，严重时还有可能造成晶圆碎片，影响整个工艺的连续进行。因此，实现可靠的压力控制，保证抛光压力良好的响应特性是实现连续正常工艺的重要条件。目前，有关压力控制的高级算法较多，但是较为复杂，不便于控制系统软件的实现。而且相关算法所面向的控制环境比较单一，不同于CMP工艺环境。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种多压力分区抛光头的静态加压控制算法，该控制算法简洁有效，在程序运行时大大减少了计算量，而且参数调节方便，可较好地应用于CMP工艺前后的装卸片等静态加压过程。
为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种多压力分区抛光头的静态加压控制算法，包括以下步骤：分别获取所述抛光头的各压力分区的平均零点偏移量；根据所述抛光头的各压力分区的平均零点偏移量，分别对CMP抛光头系统的各路气压传感器的测量值进行修正，并将修正后的测量值作为所述各路气压传感器的最终输出值；在算法内部，对各压力分区的预设压力值进行修正以得到压力修正值，并将所述压力修正值作为实际参与运算的压力设定值；实时计算所述各路气压传感器的最终输出值与对应压力分区的压力设定值之间的偏差量；根据所述偏差量计算所述CMP抛光头系统的相应电气比例阀的控制量。
根据本发明实施例的多压力分区抛光头的静态加压控制算法，简洁有效，在程序运行时大大减少了计算量，而且参数调节方便，可较好地应用于CMP工艺前后的装卸片等静态加压过程。
根据本发明上述实施例的多压力分区抛光头的静态加压控制算法具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，针对抛光头的装卸片等静态加压过程，控制算法主体采用增量式纯比例控制，即将当前计算得到的控制增量与上一时刻计算得到的控制量之和作为所述相应电气比例阀的当前控制量，其中，控制增量的计算方法具体为：
Δu(n)＝Kp·Δe(n)，
其中，Δe(n)为气压传感器的最终输出值与对应压力分区的压力设定值的当前偏差量与上一时刻偏差量的差值，Kp为比例项系数，Δu(n)为第n时刻相应电气比例阀的控制增量。
在一些示例中，对各压力分区的预设压力值进行修正以得到压力修正值，具体包括：将所述各压力分区的预设压力值除以对应修正系数的商作为压力修正值。
在一些示例中，所述抛光头的各压力分区的压力控制共享同一计算方法，但具有独立的比例系数Kp。
在一些示例中，所述各路气压传感器与所述各压力分区一一对应，以分别检测所述各压力分区所受的压力。
在一些示例中，所述多压力分区包括第一至第五压力分区及保持环。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的CMP抛光头系统的控制原理图；
图2是本发明一个实施例的多区静态压力响应开环测试结果示意图；以及
图3是本发明一个实施例的多压力分区抛光头的静态加压控制算法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
以下结合附图描述根据本发明实施例的多压力分区抛光头的静态加压控制算法。
首先结合图1和图2对本发明实施例涉及的CMP抛光头系统进行详细描述。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，所涉及到的CMP抛光头系统包括6个压力腔室，即多压力分区对应为6个压力分区，分别为第一压力分区至第五压力分区及保持环。CMP抛光头系统通过气压方式实现抛光头对晶圆背面各个分区的压力加载。该CMP抛光头系统的单条气路的主要环节依次包括：气源、减压阀、电气比例阀和气压传感器等，其控制原理如图1所示。其中，电气比例阀用于施加精确可调的正压，各路气压传感器与各压力分区一一对应，分别用于实时监测各个压力腔室内的压力值。根据气压传感器测量到的抛光头各压力腔室内的气压值，可间接反映晶圆表面对应分区所受到的压力值及晶圆与抛光垫界面之间的压力值。
由于多压力分区抛光头的硬件结构决定了相邻腔室之间存在耦合，所以在实际CMP过程中，当抛光头的第一至第五压力分区同时加压时，相邻分区的压力响应必然会相互影响。在开环条件下，抛光头各分区压力由初始值持续上升，但速度缓慢，均在较长时间内未达到稳定。当压力稳定后，各压力分区均存在一定程度的静态误差。在多区压力静态测试中，抛光头的5个压力分区同时加压。如图2所示，由于相邻压力腔室之间的耦合，各压力分区的压力响应特性还会受到直接或者间接的影响，使得被控对象进一步复杂。
在晶圆的装卸片过程中，需要有效的控制算法以保证抛光头各分区良好的压力响应特性与稳压效果。如果晶圆和保持环所受压力的真实值与设定值之间偏差较大，将导致装卸片动作的失败，严重时将导致晶圆碎片。相比CMP工艺过程，装卸片动作较为简单，无抛光头和抛光盘的运动所带来的影响。对于连续工艺过程，装卸片动作只需重复进行。所以同一机台的装卸片工艺参数在完成调试后基本固定不变。基于此，本发明提出了一种简洁有效的控制算法，进一步降低了程序运行时的计算量。针对CMP装卸片时的工艺环境，基于PID基本原理，设计了多压力分区抛光头静态加压的控制算法。通过实验验证，本发明实施例的控制算法可较好地应用于CMP装卸片时的压力控制。CMP上层控制系统根据实时读取到的压力反馈值和工艺配方中的压力设定值，实时调用本发明实施例的控制算法。当压力反馈值偏离设定值时，CMP上层控制系统根据本发明实施例的控制算法的计算结果及时改变对应电气比例阀的控制量，以减小压力反馈值与设定值之间的偏差，保证装卸片过程中抛光头各个分区压力的精确控制，及良好的稳压效果。
基于此，结合图3所示，根据本发明实施例的多压力分区抛光头的静态加压控制算法，包括以下步骤：
步骤S1：分别获取抛光头的各压力分区的平均零点偏移量。
在本发明的一个实施例中，抛光头的各压力分区的平均零点偏移量如表1所示：
表1
步骤S2：根据抛光头的各压力分区的平均零点偏移量，分别对CMP抛光头系统的各路气压传感器的测量值进行修正，并将修正后的各路气压传感器的测量值作为各路气压传感器的最终输出值。
具体而言，每次安装抛光头或者更换气囊后，首先令抛光头各压力腔室通大气。此时，上层控制系统读到的气压传感器的输出值(即气压传感器的测量值)可能不为零，存在少量的零点偏移。为了保证实际压力值(测量值)与压力设定值之间良好的一致性，首先需修正CMP上层控制系统读到的气压传感器输出的测量值。具体方法是根据抛光头各压力分区的平均零点偏移量，分别将上层控制系统读到的各路气压传感器输出的测量值调整相应的大小，即将气压传感器输出的测量值与平均零点偏移量的差值作为各路气压传感器的最终输出值，并将各路气压传感器的修正值用于后续的计算中。
步骤S3：对各压力分区的预设压力值进行修正以得到压力修正值，并将压力修正值作为算法内部实际参与运算的压力设定值。
具体地说，为消除静态偏差，本发明的实施例在计算过程中采取分别对每一个压力分区对应的预设压力值进行修正的方法，即以各分区压力对应的预设压力值除以对应修正系数的商作为压力修正值，并以此压力修正值作为实际参与运算的压力设定值。具体地，以第一至第五压力分区的压力值为2psi，保持环的压力值为5psi为例，则本实施例中的抛光头各压力分区的设定值修正系数如表2所示。同理，对于抛光头在装卸片时部分分区的负压控制亦可采取同样的方法，此处不再赘述。
表2
步骤S4：实时计算各路气压传感器的最终输出值与对应压力分区的压力设定值之间的偏差量。
步骤S5：根据上述偏差量计算CMP抛光头系统的相应电气比例阀的控制量，并根据计算得到的控制量对相应的电气比例阀进行控制调节，以减小相应气压传感器的最终输出值与对应压力分区预设压力值之间的偏差量。
具体地说，本发明的实施例基于PID控制思想，可以较好地改善抛光头各分区的压力响应特性，减少响应时间，并且较好地抑制相邻分区的压力影响。针对装卸片等静态动作时，采用增量式纯比例控制方式。具体包括：在实时计算时，每次计算得到的控制量为当前控制量的增量值，也即将当前计算得到的控制增量与上一时刻计算得到的控制量之和作为相应电气比例阀的当前控制量，其中，控制增量的计算方法具体为：
Δu(n)＝Kp·Δe(n)，
其中，Δe(n)为气压传感器的最终输出值与对应压力分区的压力设定值的当前偏差量与上一时刻偏差量的差值，Kp为比例项系数，Δu(n)为第n时刻相应电气比例阀的控制增量。
进一步地，在本发明实施例的CMP抛光头系统中，上层控制系统在进行装卸片动作时调用本发明实施例的控制算法同时控制抛光头的各个压力分区，即各压力分区的压力控制共享同一计算方法，但是抛光头的各压力分区具有独立的比例系数Kp，其中，在调节比例系数Kp时，增大Kp以改善抛光头各压力分区的响应速度和静态误差，直到获取较为满意的Kp值，此时各个压力分区不存在超调量，但依然会存在一定的静态偏差，并可根据此时的静态偏差量估算设定值修正系数。在本发明的一个实施例中，各压力分区的比例系数Kp例如表3所示。
表3
综上，根据本发明实施例的多压力分区抛光头的静态加压控制算法，简洁有效，在程序运行时大大减少了计算量，而且参数调节方便，可较好地应用于CMP工艺前后的装卸片等静态加压过程。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种多压力分区抛光头的静态加压控制算法，其特征在于，包括以下步骤：
分别获取所述抛光头的各压力分区的平均零点偏移量；
根据所述抛光头的各压力分区的平均零点偏移量，分别对CMP抛光头系统的各路气压传感器的测量值进行修正，并将修正后的各路气压传感器的测量值作为所述各路气压传感器的最终输出值；
对各压力分区的预设压力值进行修正以得到压力修正值，并将所述压力修正值作为算法内部实际参与运算的压力设定值；
实时计算所述各路气压传感器的最终输出值与对应压力分区的压力设定值之间的偏差量；以及
根据所述偏差量计算所述CMP抛光头系统的相应电气比例阀的控制量。
2.根据权利要求1所述的多压力分区抛光头的静态加压控制算法，其特征在于，针对抛光头的装卸片等静态动作，控制算法主体采用增量式纯比例控制，即将当前计算得到的控制增量及上一时刻计算得到的控制量之和作为所述相应电气比例阀的当前控制量，其中，控制增量的计算方法具体为：
Δu(n)＝Kp·Δe(n)，
其中，Δe(n)为气压传感器的最终输出值与对应压力分区的压力设定值的当前偏差量与上一时刻偏差量的差值，Kp为比例项系数，Δu(n)为第n时刻相应电气比例阀的控制增量。
3.根据权利要求1所述的多压力分区抛光头的静态加压控制算法，其特征在于，对各压力分区的预设压力值进行修正以得到压力修正值，具体包括：
将所述各压力分区的预设压力值除以对应修正系数的商作为压力修正值。
4.根据权利要求1所述的多压力分区抛光头的静态加压控制算法，其特征在于，所述抛光头各压力分区的压力控制共享同一计算方法，但具有独立的比例系数Kp。
5.根据权利要求1-4任一项所述的多压力分区抛光头的静态加压控制算法，其特征在于，所述各路气压传感器与所述各压力分区一一对应，以分别检测所述各压力分区所受的压力。
6.根据权利要求5所述的多压力分区抛光头的静态加压控制算法，其特征在于，所述多压力分区包括第一至第五压力分区及保持环。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20171023 Address after: 100084 Beijing City, Haidian District Tsinghua Yuan Applicant after: Tsinghua University Applicant after: TIANJIN HWATSING TECHNOLOGY COMPANY LIMITED (HWATSING CO., LTD.) Address before: 300350, Tianjin City, Jinnan District Science and Technology Park, Hai Hing Road, No. 9, building No. 8 Applicant before: TIANJIN HWATSING TECHNOLOGY COMPANY LIMITED (HWATSING CO., LTD.) Applicant before: Tsinghua University |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160622 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |