CN107553330B - 修整盘系统、化学机械研磨装置及修整盘脱落侦测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可侦测研磨过程中修整盘脱落的修整盘系统、化学机械研磨装置以及修整盘脱落的侦测方法，修整盘系统包括：修整盘，用于在研磨过程中修整研磨垫；固定盘，位于所述修整盘上方，且与所述修整盘相固定；侦测系统，包括绝缘部件以及传感器组件，所述绝缘部件设置于所述固定盘内，具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面与所述修整盘相接触，所述传感器组件设置于所述第二表面上，所述侦测系统用于对所述修整盘脱落情况的侦测。通过上述方案，本发明的修整盘系统，通过侦测系统侦测在研磨过程中修整盘脱落情况，实时侦测，及时发现修整盘的脱落；侦测方法中可以采用电容式传感器，测试信号直观，实现方式简便。

Description

修整盘系统、化学机械研磨装置及修整盘脱落侦测方法

技术领域

本发明属于设备及制造技术领域，特别是涉及一种可侦测研磨过程中修整盘脱落情况的修整盘系统、化学机械研磨装置及修整盘脱落侦测方法。

背景技术

在半导体工艺流程中，化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)是非常重要的一道工序，有时也称之为化学机械平坦化。所谓化学机械抛光，它是采用化学与机械综合作用从半导体硅片上去除多余材料，并使其获得平坦表面的工艺过程。

化学机械研磨的主要设备一般包括：研磨垫修整盘、研磨台、研磨垫(Pad)、研磨液供给器、研磨头。研磨垫设置于研磨台上；研磨头的下端装配有待研磨晶圆，所述待研磨晶圆与研磨垫接触；研磨液供给器用于提供研磨液(Slurry)至研磨垫表面；研磨垫修整盘的下端装配有修整盘(Disk)，用于对研磨垫的表面进行修整，同时提高研磨液在所述研磨垫上分布的均匀性；研磨液以一定的速率流到研磨垫的表面，研磨头给待研磨晶圆施加一定的压力，使得待研磨晶圆的待研磨面与研磨垫产生机械接触，在研磨过程中，研磨头、研磨修整盘、研磨台分别以一定的速度旋转，通过机械和化学作用去除待研磨晶圆表面的薄膜，从而达到待研磨晶圆表面平坦化的目的。

通常，研磨垫的表面具有许多助于研磨的凹凸结构，因此研磨垫的表面呈现一定的粗糙程度。一般化学机械研磨设备在研磨数片晶圆后，研磨垫原先凹凸不平的表面将会变得平坦，以致研磨垫的研磨能力降低，同时研磨的均匀性也得不到保障。同时，在研磨过程中待研磨晶圆上被研磨掉的物质会残留在研磨垫表面，研磨液中的某些研磨液副料也会残留在研磨垫表面，这些颗粒状的杂质将使研磨特性发生改变，进而影响研磨效果，使待研磨晶圆表面存在划痕。因此，需要时刻保持研磨垫表面的粗糙程度一致，同时及时去除掉落在研磨垫表面的残留物质，而研磨垫修整盘正是用于调节研磨垫的，可使研磨垫的表面恢复成凹凸不平的表面并保持其粗糙程度的稳定性，同时刮除研磨垫上的残留物质，确保研磨质量。然而，在现有的化学机械研磨装置中，往往存在修整盘受到研磨时的摩擦力作用，可能会发生修整盘从支架上脱落的问题，但当前机台上没有能实现侦测修整盘是否脱落的功能，从而会导致晶圆在修整盘脱落的情况下继续研磨造成损伤。

因此，提供一种可侦测研磨过程中修整盘脱落的修整盘系统、包含其的化学机械研磨装置及修整盘脱落侦测方法，以解决上述问题实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种修整盘系统、化学机械研磨装置及修整盘脱落侦测方法，用于解决现有技术中进行研磨时修整盘脱落无法侦测等的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种可侦测研磨过程中修整盘脱落的修整盘系统，包括：

修整盘，用于在研磨过程中修整研磨垫；

固定盘，位于所述修整盘上方，且与所述修整盘相固定；以及

侦测系统，包括绝缘部件以及传感器组件，所述绝缘部件设置于所述固定盘内，具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面与所述修整盘相接触，所述传感器组件设置于所述第二表面上，所述侦测系统用于对所述修整盘脱落情况的侦测。

作为本发明的一种优选方案，所述固定盘与所述修整盘通过磁力吸附的方式相固定。

作为本发明的一种优选方案，所述固定盘包括至少一个凸出于所述固定盘表面的凸块，所述修整盘包括至少一个与所述凸块相对应的凹槽，且所述凸块插设于所述凹槽中。

作为本发明的一种优选方案，所述凸块为圆柱状凸块，所述圆柱状凸块的直径为1～5mm，长度为1～5mm。

作为本发明的一种优选方案，所述传感器组件为电容式接近传感器或电感式接近传感器。

作为本发明的一种优选方案，所述绝缘部件的材料为聚乙烯醇或聚四氟乙烯。

作为本发明的一种优选方案，所述绝缘部件包括中心部，以及与所述中心部相连接且位于所述中心部外围的边缘部，所述中心部沿所述固定盘厚度方向的长度大于所述边缘部沿该方向的长度，所述边缘部通过连接件与所述固定盘相固定。

作为本发明的一种优选方案，所述连接件为螺钉或螺栓。

作为本发明的一种优选方案，所述侦测系统还包括固定环，所述固定环设置于所述固定盘内，且位于所述绝缘部件的第二表面上，所述固定环、所述绝缘部件的边缘部以及所述固定盘通过所述连接件相连接，所述传感器组件的探测头穿过所述固定环与所述第二表面相接触。

作为本发明的一种优选方案，所述绝缘部件的所述第一表面与所述第二表面之间的距离为2～5mm。

作为本发明的一种优选方案，所述修整盘系统还包括修整盘支架、中空轴以及位于所述修整盘支架上的传动机构，所述固定盘通过所述中空轴连接至所述传动机构上，所述传感器组件固定于所述修整盘支架上且经由所述中空轴伸入到所述绝缘部件的第二表面。

本发明还提供一种化学机械研磨装置，包括：

研磨台；

研磨垫，位于所述研磨台上表面；

研磨头，位于所述研磨垫上表面，用于对位于所述研磨头与所述研磨垫之间的待研磨晶圆进行化学机械研磨；以及

修整盘系统，位于所述研磨垫上表面，且所述修整盘系统为如上述任意一项方案所述的可侦测研磨过程中修整盘脱落的修整盘系统。

本发明还提供一种侦测研磨过程中修整盘脱落的方法，包括如下步骤：

1)提供一如上述方案所述的化学机械研磨装置，并安装好待研磨晶圆；

2)调整所述传感器组件，使得所述修整盘未脱落时，所述传感器组件输出第一信号；

3)启动所述化学机械研磨装置以进行研磨，使得当所述修整盘脱落时，所述传感器组件输出第二信号，以实现研磨过程中所述修整盘脱落情况的侦测。

作为本发明的一种优选方案，所述传感器组件为电容式传感器，至少包括振荡电路及输出电路，所述第一信号为所述输出电路输出的代表所述振荡电路停振的信号，所述第二信号为所述输出电路输出的代表所述振荡电路振动的信号。

如上所述，本发明的可侦测研磨过程中修整盘脱落的修整盘系统、化学机械研磨装置以及侦测研磨过程中修整盘脱落的方法，具有以下有益效果：

1)本发明的修整盘系统以及基于其的化学机械研磨装置，可以通过侦测系统侦测在研磨过程中修整盘脱落于固定盘的情况，可以实现实时侦测，及时发现修整盘的脱落；

2)本发明的可侦测研磨过程中修整盘脱落的修整盘系统及侦测方法中可以采用电容式传感器或者电感式传感器，测试信号直观，实现方式简便。

附图说明

图1显示为本发明实施例一提供的修整盘系统的结构示意图。

图2显示为本发明实施例一提供的另一修整盘系统的结构示意图。

图3显示为图2提供的修整盘系统的俯视图。

图4显示为图2提供的修整盘系统中侦测系统的具体结构示意图。

图5显示为本发明实施例二提供的化学机械研磨装置的结构示意图。

图6显示为本发明实施例二提供的修整盘脱落侦测方法各步骤流程图。

元件标号说明

11 修整盘

111 凹槽

21 固定盘

211 凸块

31 绝缘部件

311 第一表面

312 第二表面

313 中心部

314 边缘部

32 传感器组件

33 连接件

34 固定环

41 修整盘支架

51 中空轴

61 研磨台

71 研磨垫

81 研磨头

9 待研磨晶圆

S1～S3 步骤1)～步骤3)

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

实施例一：

如图1～5所示，本发明提供一种可侦测研磨过程中修整盘脱落的修整盘系统，包括：

修整盘11，用于在研磨过程中修整研磨垫；

固定盘21，位于所述修整盘11上方，且与所述修整盘11相固定；以及

侦测系统，包括绝缘部件31以及传感器组件32，所述绝缘部件31设置于所述固定盘21内，具有相对的第一表面311和第二表面312，所述第一表面311与所述修整盘11相接触，所述传感器组件32设置于所述第二表面312上，所述侦测系统用于对所述修整盘11脱落情况的侦测。

具体的，本发明通过对修整盘系统进行改进，在原有的修整盘系统基础上，对原有系统进行改进，以增设一个侦测系统，从而可以解决修整盘在实际进行晶圆研磨时，会受到摩擦力等因素而脱落，且无法侦测其是否脱落于固定盘的问题。

作为示例，所述固定盘21与所述修整盘11通过磁力吸附的方式相固定。

具体的，所述修整盘11可以采用磁力吸附的方式安装在修整盘支架末端的固定盘21上，当然，在其他实施例中，也可以采用连接件，如螺栓、螺钉等方式固定，在此不做具体限制，本实施例中选择为磁力吸附的方式相固定。

作为示例，所述固定盘21包括至少一个凸出于所述固定盘21表面的凸块211，所述修整盘11包括至少一个与所述凸块211相对应的凹槽111，且所述凸块插设于所述凹槽中。

作为示例，所述凸块211为圆柱状凸块，所述圆柱状凸块的直径为1～5mm，优选为2～3mm，长度为1～5mm，优选为2～3mm。

具体的，在所述修整盘11与所述固定盘21相固定的界面处，还设置有凸块211，优选地，所述凸块211与所述固定盘21为一体成型的结构，且所述固定盘与所述修整盘的材料均优选为不锈钢，且所述修整盘11上设置有与所述凸块211对应的凹槽111，其中，所述凸块211可以保证所述修整盘11在旋转过程中受到摩擦力后，不会在横向方向上发生与所述固定盘21之间的相对位移。所述凸块211与所述凹槽111的数量可以依实际需求而设置，本实施例中，二者的数量均选择为2个，且其直径选择为2mm，长度选择为3mm。

作为示例，所述传感器组件32为电容式接近传感器或电感式接近传感器。

作为示例，所述绝缘部件31的材料为聚乙烯醇或聚四氟乙烯。

作为示例，所述绝缘部件31的所述第一表面311与所述第二表面312之间的距离为2～5mm。

需要说明的是，优选为以电容式接近传感器或者电感式接近传感器实现所述修整盘11的脱落情况的侦测，本实施例中，以选择电容式接近传感器为例进行详细说明，电容式接近传感器是一个以电极为检测端的经电电容接近开关，它由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成，平时检测电极与大地之间存在一定的电容量，它成为振荡电路的一个组成部分，当被检测物体接近检测电极时，由于检测电极加有电压，检测电极就会受到静电感应而产生极化现象，被测物体越靠近检测电极，检测电极上的感应电荷就越多。由于检测电极上的静电电容为C＝Q/V，所以随着电荷量的增多，使检测电极电容C随之增大，由于振荡电路的振荡频率f＝1/2π√LC，与电容成反比，所以当电容C增大时振荡电路的振荡减弱，甚至停止振荡，振荡电路的振荡与停振这两种状态被检测电路转换为开关信号后向外输出，从而实现修整盘脱落情况的侦测，在本实施例中，如当修整盘不脱落时，振荡电路为停振状态，输出电压可以选择显示0V，当修整盘脱落时，修整盘远离侦测头，即形成的电容之间间距增大，电容减小，振荡频率提高，显示为振荡状态，选择输出电压为5V。

具体的，所述传感器组件与所述修整盘之间的绝缘部件的材料优选为非金属材料，如聚乙烯醇(PVA)或聚四氟乙烯(Teflon)。另外，整个绝缘部件上下表面之间的距离优选为3mm，适于更广泛的传感器可以在此厚度设定为修整盘不脱落时保持停振状态。

作为示例，所述绝缘部件31包括中心部313，以及与所述中心部313相连接且位于所述中心部外围的边缘部314，其中，所述中心部313沿所述固定盘厚度方向的长度大于所述边缘部314沿该方向的长度，所述边缘部314与所述固定盘32通过连接件33相固定。

作为示例，所述连接件33为螺钉或螺栓。

作为示例，所述侦测系统还包括固定环34，所述固定环34设置于所述固定盘21内，且位于所述绝缘部件31的第二表面312上，所述固定环34、所述绝缘部件31的边缘部314以及所述固定盘21通过所述连接件33相连接，所述传感器组件32的探测头穿过所述固定环34与所述第二表面312相接触。

具体的，在本实施例中，所述侦测系统中还包括固定环34以及连接件33，用于所述绝缘部件31固定于所述固定盘21中，并有效稳定的将传感器组件32设置于所述绝缘部件31的表面，其中，所述绝缘部件31的上下表面的厚度与所述固定环34的厚度之和优选等于所述固定盘21的厚度，连接件将固定环、绝缘部件和固定盘三者固定在一起，另外，优选所述传感器组件的探测头刚好穿过所述固定环中心的通孔，以进一步提高安装的稳定性。所述固定环及连接件的材质均为金属，尺寸无特殊要求，因受力较小，所述连接件33选择M1级别及以上的螺钉均可。

作为示例，所述修整盘系统还包括修整盘支架41、中空轴51以及位于所述修整盘支架41上的传动机构，所述固定盘21通过所述中空轴51连接至所述传动机构上，所述传感器组件32固定于所述修整盘支架41上且经由所述中空轴51伸入到所述绝缘部件31的第二表面312。

具体的，整个所述修整盘系统还包括相连接的中空轴以及修整盘支架等，所述传动机构如马达或传动齿轮等带动所述修整盘转动，探测头不是固定在固定盘中，不随固定盘旋转。探测头固安装在固定盘上方的支架上，与固定盘无位移，探测头固定在支架上通过中空轴伸入到固定盘底部非金属附近，但不与固定盘接触，另外，探测头末端为非金属材质，PVA/橡胶均可，外观是金属，带螺纹。

实施例二：

如图5所示，本发明还提供一种化学机械研磨装置，包括：

研磨台61；

研磨垫71，位于所述研磨台61上表面；

研磨头81，位于所述研磨垫71上表面，用于对位于所述研磨头81与所述研磨垫71之间的待研磨晶圆9进行化学机械研磨；以及

修整盘系统，位于所述研磨垫71上表面，且所述修整盘系统为如实施例一中任一项方案所述的可侦测研磨过程中修整盘脱落的修整盘系统。

具体的，本实施例提供一种晶圆的化学机械研磨装置，包括如实施例一种任意一项所述的修整盘系统。在对晶圆进行化学机械研磨的过程中，研磨垫调整器，也即修整器系统能够对研磨垫表面的所有区域均匀分布研磨液和去除副产物，采用本实施例中的化学机械研磨装置对待研磨晶圆进行研磨时，可以及时发现研磨盘的脱落情况，从而可以提高晶圆研磨的质量，提高产品的良率。

如图1～6所示，本发明还提供一种侦测研磨过程中修整盘脱落的方法，包括如下步骤：

1)提供一如本实施例任意一种方案所述的化学机械研磨装置，并安装好待研磨晶圆9；

2)调整所述传感器组件32，使得所述修整盘11未脱落时，所述传感器组件32输出第一信号；

3)启动所述化学机械研磨装置以进行研磨，使得当所述修整盘11脱落时，所述传感器组件32输出第二信号，以实现研磨过程中所述修整盘11脱落情况的侦测。

需要说明的是，本发明提供的侦测研磨过程中修整盘脱落的方法，通过修整盘在脱落与不脱落状态时的不同状态通过传感器显示，即当修整盘脱落时传感器探测头信号发生变化，以及时发现修整盘的脱落。

作为示例，所述传感器组件32为电容式传感器，至少包括振荡电路及输出电路，所述第一信号为所述输出电路输出的代表所述振荡电路停振的信号，所述第二信号为所述输出电路输出的代表所述振荡电路振动的信号。

具体的，本实施例中，以选择电容式接近传感器为例进行详细说明，电容式接近传感器是一个以电极为检测端的经电电容接近开关，它由高频振荡电路、检波电路、放大电路、整形电路及输出电路组成，平时检测电极与大地之间存在一定的电容量，它成为振荡电路的一个组成部分，当被检测物体接近检测电极时，由于检测电极加有电压，检测电极就会受到静电感应而产生极化现象，被测物体越靠近检测电极，检测电极上的感应电荷就越多。由于检测电极上的静电电容为C＝Q/V，所以随着电荷量的增多，使检测电极电容C随之增大，由于振荡电路的振荡频率f＝1/2π√LC，与电容成反比，所以当电容C增大时振荡电路的振荡减弱，甚至停止振荡，振荡电路的振荡与停振这两种状态被检测电路转换为开关信号后向外输出，从而实现修整盘脱落情况的侦测，在本实施例中，如当修整盘不脱落时，振荡电路为停振状态，输出电压可以选择显示0V，当修整盘脱落时，修整盘远离侦测头，即形成的电容之间间距增大，电容减小，振荡频率提高，显示为振荡状态，选择输出电压为5V，从而发现修整盘脱落问题及时调整，以避免晶圆继续研磨造成损伤。

综上所述，本发明提供一种可侦测研磨过程中修整盘脱落的修整盘系统、化学机械研磨装置以及研磨过程中修整盘脱落的侦测方法，修整盘系统包括：修整盘，用于在研磨过程中修整研磨垫；固定盘，位于所述修整盘上方，且与所述修整盘相固定；以及侦测系统，包括绝缘部件以及传感器组件，所述绝缘部件设置于所述固定盘内，具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面与所述修整盘相接触，所述传感器组件设置于所述第二表面上，所述侦测系统用于对所述修整盘脱落情况的侦测。通过上述技术方案，1)本发明的修整盘系统以及基于其的化学机械研磨装置，可以通过侦测系统侦测在研磨过程中修整盘脱落于固定盘的情况，可以实现实时侦测，及时发现修整盘的脱落；2)本发明的可侦测研磨过程中修整盘脱落的修整盘系统及侦测方法中可以采用电容式传感器或者电感式传感器，测试信号直观，实现方式简便。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (14)

1.一种可侦测研磨过程中修整盘脱落的修整盘系统，其特征在于，包括：

修整盘，用于在研磨过程中修整研磨垫；

固定盘，位于所述修整盘上方，且与所述修整盘相固定；以及

侦测系统，包括绝缘部件及传感器组件，所述绝缘部件设置于所述固定盘内，具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面与所述修整盘相接触，所述传感器组件设置于所述第二表面上，所述侦测系统用于对所述修整盘脱落于固定盘的情况的侦测。

2.根据权利要求1所述的可侦测研磨过程中修整盘脱落的修整盘系统，其特征在于，所述固定盘与所述修整盘通过磁力吸附的方式相固定。

3.根据权利要求1所述的可侦测研磨过程中修整盘脱落的修整盘系统，其特征在于，所述固定盘包括至少一个凸出于所述固定盘表面的凸块，所述修整盘包括至少一个与所述凸块相对应的凹槽，且所述凸块插设于所述凹槽中。

4.根据权利要求3所述的可侦测研磨过程中修整盘脱落的修整盘系统，其特征在于，所述凸块为圆柱状凸块，所述圆柱状凸块的直径为1～5mm，长度为1～5mm。

5.根据权利要求1所述的可侦测研磨过程中修整盘脱落的修整盘系统，其特征在于，所述传感器组件为电容式接近传感器或电感式接近传感器。

6.根据权利要求1所述的可侦测研磨过程中修整盘脱落的修整盘系统，其特征在于，所述绝缘部件的材料为聚乙烯醇或聚四氟乙烯。

7.根据权利要求1所述的可侦测研磨过程中修整盘脱落的修整盘系统，其特征在于，所述绝缘部件包括中心部，以及与所述中心部相连接且位于所述中心部外围的边缘部，所述中心部沿所述固定盘厚度方向的长度大于所述边缘部沿该方向的长度，所述边缘部通过连接件与所述固定盘相固定。

8.根据权利要求7所述的可侦测研磨过程中修整盘脱落的修整盘系统，其特征在于，所述连接件为螺钉或螺栓。

9.根据权利要求7所述的可侦测研磨过程中修整盘脱落的修整盘系统，其特征在于，所述侦测系统还包括固定环，所述固定环设置于所述固定盘内，且位于所述绝缘部件的第二表面上，所述固定环、所述绝缘部件的边缘部以及所述固定盘通过所述连接件相连接，所述传感器组件的探测头穿过所述固定环的中心与所述第二表面相接触。

10.根据权利要求9所述的可侦测研磨过程中修整盘脱落的修整盘系统，其特征在于，所述绝缘部件的所述第一表面与所述第二表面之间的距离为2～5mm。

11.根据权利要求1～10中任意一项所述的可侦测研磨过程中修整盘脱落的修整盘系统，其特征在于，所述修整盘系统还包括修整盘支架、中空轴以及位于所述修整盘支架上的传动机构，其中，所述固定盘通过所述中空轴连接至所述传动机构上，所述传感器组件固定于所述修整盘支架上且经由所述中空轴伸入到所述绝缘部件的第二表面。

12.一种化学机械研磨装置，其特征在于，包括：

研磨台；

研磨垫，位于所述研磨台上表面；

研磨头，位于所述研磨垫上表面，用于对位于所述研磨头与所述研磨垫之间的待研磨晶圆进行化学机械研磨；以及

修整盘系统，位于所述研磨垫上表面，且所述修整盘系统为如权利要求1～11中任一项所述的可侦测研磨过程中修整盘脱落的修整盘系统。

13.一种侦测研磨过程中修整盘脱落的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)提供一如权利要求12所述的化学机械研磨装置，并安装好待研磨晶圆；

2)调整所述传感器组件，使得所述修整盘未脱落时，所述传感器组件输出第一信号；

3)启动所述化学机械研磨装置以进行研磨，使得当所述修整盘脱落时，所述传感器组件输出第二信号，以实现研磨过程中所述修整盘脱落情况的侦测。

14.根据权利要求13所述的侦测研磨过程中修整盘脱落的方法，其特征在于，所述传感器组件为电容式传感器，至少包括振荡电路及输出电路，所述第一信号为所述输出电路输出的代表所述振荡电路停振的信号，所述第二信号为所述输出电路输出的代表所述振荡电路振动的信号。