CN106625244A - 铜cmp在线测量点实时定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铜CMP在线测量点实时定位方法及系统，该方法包括：读取晶圆的初始角度位置和探头的初始角度位置，和晶圆初始位置与抛光盘初始位置的初始圆心距；采用即时更新与参数估算相结合的方法，计算电涡流传感器探头的当前旋转角度，晶圆的当前旋转角度及其沿抛光盘径向摆动时与抛光盘盘心的当前圆心距；计算电涡流传感器探头和晶圆相对初始位置的运动增量，并利用电涡流传感器探头在晶圆表面的运动轨迹方程，计算工艺过程中电涡流传感器探头在晶圆表面的坐标。本发明解决了铜CMP工艺过程中测量点实时定位问题，可实现当前测量值与测量点坐标的快速匹配，更好地满足了铜CMP在线测量的工艺需求。

Description

铜CMP在线测量点实时定位方法及系统

技术领域

本发明涉及化学机械平坦化技术领域，具体涉及一种铜CMP在线测量点实时定位方法及系统。

背景技术

化学机械平坦化(Chemical Mechanical Planarization，简称CMP)技术是当今最有效的全局平坦化方法。它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，并已在超大规模集成电路制造中得到了广泛应用。在CMP过程中，需要精确控制材料的去除量。若不能实现有效的监控，将无法避免晶圆“过抛”或者“欠抛”等情况的出现。由于铜CMP苛刻的工艺环境，使得在线测量的实现非常困难。

目前，对于铜CMP工艺，基于电涡流检测方法的在线测量模块已出现在铜CMP系统中，可用于监测一定厚度范围内的铜层去除情况，判断工艺是否已达到期望终点，以及时终止工艺过程。然而，由于铜CMP特殊的工艺过程，电涡流传感器所采集到的有效测量信号仅为探头运动至晶圆下方时的部分，并且有效测量轨迹和有效采样点数不固定，进而加大了在线处理与分析测量数据的难度。为了实现精确的在线测量，迫切需要在工艺过程中实现当前测量点的实时定位，以完成测量值与测量点坐标的快速匹配，从而更好地满足铜CMP在线测量的工艺需求。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种铜CMP在线测量点实时定位方法。

本发明的另一目的在于提出一种铜CMP在线测量点实时定位系统。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种铜CMP在线测量点实时定位方法，包括以下步骤：S1：读取晶圆的初始位置和电涡流传感器探头的初始角度位置，和所述晶圆的初始位置与抛光盘初始位置的初始圆心距；S2：采用即时更新与参数估算相结合的方法，实时计算所述电涡流传感器探头的当前旋转角度，所述晶圆的当前旋转角度及其沿所述抛光盘径向摆动时与所述抛光盘盘心的当前圆心距；S3：实时计算所述电涡流传感器探头和所述晶圆相对初始位置的角度运动增量及所述晶圆相对所述抛光盘盘心的圆心距，并利用所述电涡流传感器探头在所述晶圆表面的运动轨迹方程，计算工艺过程中所述电涡流传感器探头在晶圆表面的坐标，其中，所述电涡流传感器探头安装在所述抛光盘内的预设位置上，所述晶圆被吸附在抛光头上，所述电涡流传感器探头随抛光盘匀速圆周运动，周期性运动至所述晶圆下方，所述晶圆被抛光头反向压在所述抛光盘上，并随所述抛光头自转，且沿所述抛光盘径向做直线往复摆动。

根据本发明实施例的铜CMP在线测量点实时定位方法，可实时得到电涡流传感器当前测量点的坐标。

另外，根据本发明上述实施例的铜CMP在线测量点实时定位方法，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，所述电涡流传感器探头在晶圆表面的运动轨迹方程为：

其中，e为所述抛光盘圆心和所述晶圆圆心的圆心距，θ₁为所述晶圆相对自身初始位置的旋转角度，θ为所述电涡流传感器探头相对自身初始位置的旋转角度，R为所述电涡流传感器探头与所述抛光盘圆心之间的距离，(x₁,y₁)为电涡流传感器探头在晶圆表面运动坐标系的坐标。

进一步地，在步骤S2中，系统在实时计算时时刻以即时更新的数据为基准，并记录最新更新的时刻。在两次数据更新的期间，系统如需进行坐标计算，则根据距离最近的上一次数据更新时刻的已运动时间和当前旋转角速度自行计算当前所述晶圆和所述电涡流传感器探头的转动角度增量，并以上一刻更新值与当前计算值的和作为当前的转动角度值。

进一步地，在工艺过程中，通过EtherCAT实时采集抛光盘驱动电机的旋转角度、抛光头驱动电机的旋转角度，以及抛光头直线运动的距离，即可分别得到电涡流传感器探头的旋转角度，晶圆的旋转角度及其沿抛光盘径向的直线运动距离。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种铜CMP在线测量点实时定位系统，包括：数据读取模块，通过读取工艺过程中抛光盘驱动电机的旋转角度、抛光头驱动电机的旋转角度及抛光头沿抛光盘径向往复运动时的直线距离，进而得到电涡流传感器探头的旋转角度，晶圆的旋转角度及其沿抛光盘径向与抛光盘盘心的圆心离；计算模块，根据所述数据读取模块提供的电涡流传感器探头和晶圆的运动信息，首先分别计算电涡流传感器探头相对初始位置的旋转角度，晶圆相对初始位置的旋转角度及其距离抛光盘圆心的圆心距，然后通过电涡流传感器探头在晶圆表面的运动轨迹方程，进行电涡流传感器探头在晶圆表面实时坐标点的计算；其中，所述电涡流传感器探头安装在所述抛光盘内的预设位置上，所述晶圆被吸附在抛光头上，所述电涡流传感器探头随抛光盘匀速圆周运动，周期性运动至晶圆下方，所述晶圆被抛光头反向压在抛光盘上，并随抛光头自转，且沿抛光盘径向做直线往复摆动。

根据本发明实施例的铜CMP在线测量点实时定位系统，可在线计算出电涡流传感器在晶圆表面当前测量点的具体坐标。

另外，根据本发明上述实施例的铜CMP在线测量点实时定位系统，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，所述电涡流传感器探头在晶圆表面的运动轨迹方程为：

其中，e为所述抛光盘圆心和所述晶圆圆心的圆心距，θ₁为所述晶圆相对自身初始位置的旋转角度，θ为所述电涡流传感器探头相对自身初始位置的旋转角度，R为所述电涡流传感器探头与所述抛光盘圆心之间的距离，(x₁,y₁)为电涡流传感器探头在晶圆表面运动坐标系上的坐标。

进一步地，所述计算模块采用即时更新与参数估算相结合的方法，实时计算所述电涡流传感器探头的当前旋转角度，所述晶圆的当前旋转角度及其沿所述抛光盘径向摆动时与所述抛光盘盘心的当前圆心距。

进一步地，所述数据读取模块在工艺过程中通过EtherCAT实时采集抛光盘驱动电机的旋转角度、抛光头驱动电机的旋转角度，以及抛光头沿抛光盘径向运动的距离，分别计算电涡流传感器探头的旋转角度，晶圆的旋转角度及其沿抛光盘径向运动的距离。

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铜CMP在线测量点实时定位方法的流程图；

图2是本发明一个实施例的CMP工艺中电涡流传感器和晶圆运动轨迹示意图；

图3是本发明一个实施例的铜CMP在线测量点实时定位的结构框图。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

以下结合附图描述本发明实施例的铜CMP在线测量点实时定位方法。

图1是本发明一个实施例的铜CMP在线测量点实时定位方法的流程图，图2是本发明一个实施例的CMP工艺中电涡流传感器探头和晶圆运动方式示意图。

如图1和图2所示，本发明实施例针对铜CMP工艺，电涡流传感器探头安装在抛光盘面内(抛光垫下)，通过导电滑环的引线与固定在机台内的信号处理电路相连。在工艺过程中，抛光头吸附晶圆，并将晶圆反向压在抛光垫上；晶圆随抛光头自转，并沿抛光盘径向做直线往复摆动；抛光盘与抛光头同步同向旋转；电涡流传感器探头随抛光盘一起匀速圆周运动，并周期性运动至晶圆下方。如图2所示，当探头运动至测量点A时，则进入有效测量区域；当探头运动至测量点B时，则离开有效测量区域。待工艺过程稳定后，在线测量系统开始实时读取传感器输出信号并进行相关计算。

由CMP特殊的工艺过程可知，探头的旋转和晶圆的旋转及其摆动，确定了探头与晶圆的相对运动关系。因此，建立电涡流传感器探头在晶圆表面(运动坐标系)的运动轨迹方程，如下所示：

其中，e为抛光盘圆心和晶圆圆心的圆心距，θ₁为晶圆相对自身初始位置的旋转角度，θ为电涡流传感器探头相对自身初始位置的旋转角度，R为电涡流传感器探头与抛光盘圆心之间的距离，(x₁,y₁)即为电涡流传感器探头在晶圆表面运动坐标系的坐标。

本发明实施例的铜CMP在线测量点实时定位方法，包括以下步骤：

S1：读取晶圆的初始角度位置和探头的初始角度位置，和晶圆初始位置与抛光盘初始位置的初始圆心距。

具体地，每次工艺开始前，控制抛光头和抛光盘运动至指定初始位置。此时，读取抛光头和抛光盘的初始角度值(分别记为θ₁₀和θ₀)。在本发明的实施例中，抛光头沿抛光盘径向直线运动的初始位置固定，则记晶圆圆心在抛光头初始位置处距离抛光盘圆心的距离为常数P₀。

S2：采用即时更新与参数估算相结合的方法，实时计算电涡流传感器探头的当前旋转角度，晶圆的当前旋转角度及其沿抛光盘径向摆动时与抛光盘盘心的当前圆心距。

具体地，本发明实施例采用即时更新与参数估算相结合的方法，以克服可能出现的运动信息更新速率偏低的情况。在实时计算过程中，系统时刻以即时更新的数据为基准，并记录最新更新的时刻。在两次数据(重点针对抛光头或者抛光盘电机的旋转角度)更新的期间，系统如需进行坐标计算，则根据距离最近的上一次数据更新时刻的已运动时间和当前旋转角速度自行计算当前抛光头和抛光盘电机的转动角度增量，并以上一刻更新值与当前计算值(角度增量)的和作为当前的转动角度值以进行后续的计算。由于在工艺阶段，抛光头和抛光盘保持稳定的匀速旋转，所以位置估算值与实际值基本吻合，可较好地保证测量点的实时定位。此外，在本CMP系统中，相比传感器探头的转动线速度，抛光头的摆动速度很低。因此，本发明对于抛光头沿抛光盘径向的位置信息(即e)始终以更新值为准，不必进行参数估算。

在本发明的一个实施例中，通过EtherCAT实时采集抛光盘驱动电机的旋转角度、抛光头驱动电机的旋转角度，以及抛光头直线运动时的距离，从而在工艺过程中分别得到电涡流传感器探头的旋转角度，晶圆的旋转角度及其沿抛光盘径向与抛光盘盘心的圆心距。

S3：计算电涡流传感器探头和晶圆相对初始位置的运动增量，并利用电涡流传感器探头在晶圆表面运动坐标系的运动轨迹方程，计算工艺过程中电涡流传感器探头在晶圆表面运动坐标系的坐标。

具体地，根据抛光头和抛光盘的当前位置信息，即抛光盘电机的当前旋转角度θ_n、抛光头电机的当前旋转角度θ_1n和其沿抛光盘径向的绝对位置P_n，依次分别计算电涡流传感器探头相对初始位置的旋转角度θ，晶圆相对初始位置的旋转角度θ₁及其距离抛光盘圆心的圆心距e。其中，θ＝θ_n–θ₀；θ₁＝θ_1n–θ₁₀；e＝P₀–P_n(P₀>P_n)。在完成上述参数的计算后，系统根据电涡流传感器在晶圆表面的运动轨迹方程即可计算出电涡流传感器探头当前的准确位置，以实现测量值与测量点位置的快速匹配。

本发明的实施例还公开了一种铜CMP在线测量点实时定位系统，包括数据读取模块210和计算模块220。其中，数据读取模块210通过读取工艺过程中抛光盘驱动电机的旋转角度，抛光头驱动电机的旋转角度及抛光头沿抛光盘径向往复运动时的直线距离，进而可知电涡流传感器探头的旋转角度，晶圆的旋转角度及其沿抛光盘径向往复运动时的直线距离。计算模块220根据数据读取模块210提供的电涡流传感器探头和晶圆的运动信息，首先分别计算电涡流传感器探头相对初始位置的旋转角度θ，晶圆相对初始位置的旋转角度θ₁及其距离抛光盘圆心的圆心距e，然后通过电涡流传感器探头在晶圆表面运动坐标系的运动轨迹方程，进行电涡流传感器探头在晶圆表面运动坐标系实时坐标点的计算。

在本发明的一个实施例中，计算模块220通过如下电涡流传感器探头在晶圆表面(运动坐标系)的运动轨迹方程完成实时坐标点的计算。

其中，e为抛光盘圆心和晶圆圆心的圆心距，θ₁为晶圆相对自身初始位置的旋转角度，θ为电涡流传感器探头相对自身初始位置的旋转角度，R为电涡流传感器探头与抛光盘圆心之间的距离，(x₁,y₁)即为电涡流传感器探头在晶圆表面运动坐标系的坐标。

在本发明的一个实施例中，针对抛光头或者抛光盘电机的旋转角度，计算模块220采用即时更新与参数估算相结合的方法。在实时计算过程中，时刻以即时更新的数据为基准，并记录数据更新的时刻。在两次数据更新的期间，如需进行坐标计算，则根据距离最近的上一次数据更新时刻的已运动时间和当前旋转角速度自行计算当前抛光头和抛光盘电机的转动角度增量，并以上一刻更新值与当前计算值(角度增量)的和作为当前的转动角度值以进行后续计算。

在本发明的一个实施例中，数据读取模块通过EtherCAT实时采集抛光盘驱动电机的旋转角度、抛光头驱动电机的旋转角度，以及抛光头沿抛光盘径向运动距离，从而在工艺过程中分别得到电涡流传感器探头的旋转角度，晶圆的旋转角度及其沿抛光盘径向的运动距离。

在工艺过程中，系统采用上述方法实时追踪当前测量点的位置。直至系统收到结束测量指令后，停止计算，释放相关系统资源，恢复各参数变量初始值，以等待下次测量过程。

另外，本发明实施例的铜CMP在线测量点实时定位方法及系统的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (8)

1.一种铜CMP在线测量点实时定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：读取晶圆的初始角度位置和电涡流传感器探头的初始角度位置，和所述晶圆的初始位置与抛光盘的初始位置的初始圆心距；

S2：采用即时更新与参数估算相结合的方法，实时计算所述电涡流传感器探头的当前旋转角度，所述晶圆的当前旋转角度及其沿所述抛光盘径向摆动时与所述抛光盘盘心的当前圆心距；

S3：实时计算电涡流传感器探头和晶圆相对初始位置的角度运动增量，及所述晶圆相对所述抛光盘盘心的圆心距，并利用所述电涡流传感器探头在晶圆表面的运动轨迹方程，计算工艺过程中所述电涡流传感器探头在晶圆表面的坐标；

其中，所述电涡流传感器探头安装在所述抛光盘内的预设位置上，所述晶圆被吸附在抛光头上，所述电涡流传感器探头随抛光盘匀速圆周运动，周期性运动至所述晶圆下方，所述晶圆被抛光头反向压在所述抛光盘上，并随所述抛光头自转，且沿所述抛光盘径向做直线往复摆动。

2.根据权利要求1所述的铜CMP在线测量点实时定位方法，其特征在于，所述电涡流传感器探头在晶圆表面的运动轨迹方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=-e\·cos{\mathrm{\θ}}_1+R\·cos(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)\\ y_1=e\·\sin {\mathrm{\θ}}_1+R\·sin(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)\end{array}\right.$

其中，e为所述抛光盘圆心和所述晶圆圆心的圆心距，θ₁为所述晶圆相对自身初始位置的旋转角度，θ为所述电涡流传感器探头相对自身初始位置的旋转角度，R为所述电涡流传感器探头与所述抛光盘圆心之间的距离，(x₁,y₁)为电涡流传感器探头在晶圆表面运动坐标系的坐标。

3.根据权利要求1或2所述的铜CMP在线测量点实时定位方法，其特征在于，在步骤S2中，所述晶圆和所述电涡流传感器探头的旋转角度以即时更新的数据为基准，并记录最新更新的时刻，在两次数据更新期间进行坐标计算时，根据距离最近的上一次数据更新时刻的已运动时间和当前旋转角速度自行计算当前所述晶圆和所述电涡流传感器探头的转动角度增量，并以上一刻更新值与当前计算值的和作为当前的转动角度值。

4.根据权利要求1或2所述的铜CMP在线测量点实时定位方法，其特征在于，在工艺过程中，通过EtherCAT实时采集抛光盘驱动电机的旋转角度、抛光头驱动电机的旋转角度，以及抛光头直线运动的距离，即可分别得到电涡流传感器探头的旋转角度，晶圆的旋转角度及其沿抛光盘径向的直线运动距离。

5.一种铜CMP在线测量点实时定位系统，其特征在于，包括：

数据读取模块，通过读取工艺过程中抛光盘驱动电机的旋转角度、抛光头驱动电机的旋转角度及抛光头沿抛光盘径向往复运动时的直线距离，进而得到电涡流传感器探头的旋转角度，晶圆的旋转角度及其沿抛光盘径向往复运动时的直线距离；

计算模块，根据所述数据读取模块提供的电涡流传感器探头和晶圆的运动信息，首先分别计算电涡流传感器探头相对初始位置的旋转角度，晶圆相对初始位置的旋转角度及其距离抛光盘圆心的圆心距，然后通过电涡流传感器探头在晶圆表面的运动轨迹方程，进行电涡流传感器探头在晶圆表面实时坐标点的计算；

其中，所述电涡流传感器探头安装在所述抛光盘内的预设位置上，所述晶圆被吸附在抛光头上，所述电涡流传感器探头随抛光盘匀速圆周运动，周期性运动至晶圆下方，所述晶圆被抛光头反向压在抛光盘上，并随抛光头自转，且沿抛光盘径向做直线往复摆动。

6.根据权利要求5所述的铜CMP在线测量点实时定位系统，其特征在于，所述电涡流传感器探头在晶圆表面的运动轨迹方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=-e\·cos{\mathrm{\θ}}_1+R\·cos(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)\\ y_1=e\·\sin {\mathrm{\θ}}_1+R\·sin(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)\end{array}\right.$

其中，e为所述抛光盘圆心和所述晶圆圆心的圆心距，θ₁为所述晶圆相对自身初始位置的旋转角度，θ为所述电涡流传感器探头相对自身初始位置的旋转角度，R为所述电涡流传感器探头与所述抛光盘圆心之间的距离，(x₁,y₁)为电涡流传感器探头在晶圆表面运动坐标系的坐标。

7.根据权利要求5或6所述的铜CMP在线测量点实时定位系统，其特征在于，所述计算模块采用即时更新与参数估算相结合的方法，实时计算所述电涡流传感器探头的当前旋转角度，所述晶圆的当前旋转角度及其沿所述抛光盘径向摆动时与所述抛光盘盘心的当前圆心距。

8.根据权利要求5或6所述的铜CMP在线测量点实时定位系统，其特征在于，所述数据读取模块在工艺过程中通过EtherCAT实时采集抛光盘驱动电机的旋转角度、抛光头驱动电机的旋转角度，以及抛光头沿抛光盘径向运动距离，分别计算电涡流传感器探头的旋转角度，晶圆的旋转角度及其沿抛光盘径向运动的距离。