CN107984374A - 一种化学机械抛光研磨速率的实时侦测装置及其侦测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种化学机械抛光研磨速率的实时侦测装置，包括底座、固定于底座上表面的研磨垫和设置于所述研磨垫上方的研磨垫修整器，所述研磨垫修整器包括修整头、与修整头连接的修整器摇臂和与所述修整器摇臂连接的修整器转轴，还包括一小研磨头；一检测窗；一激光光源；一激光探测器。以及一种采用本发明的化学机械抛光研磨速率的实时侦测装置的实时侦测方法。本发明利用小晶圆结合终点检测的方法测量研磨速率，可在生产的过程中研磨或修整研磨垫时测量速率，避免停机测量对产能的浪费，而且测量的速率可用于下一片即将研磨的产品片，滞后较小，所测速率更能准确反映实际产品片速率的快慢，从而得到准确的研磨时间和厚度。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体设备，尤其涉及一种化学机械抛光研磨速率的实时侦测装置及其侦测方法。
背景技术
化学机械抛光(CMP，Chemical Mechanical Polishing)工艺是一种平坦化工艺，自1990年被引入集成电路制造工艺以来，经过不断实践和发展，已成为推动集成电路技术节点不断缩小的关键工艺。目前，化学机械抛光工艺已经被广泛应用于浅沟槽隔离结构平坦化、多晶硅平坦化、栅电极平坦化、钨塞平坦化和铜互连平坦化等工艺中，还被应用于基底表面上的其他薄膜层的抛光。
但是化学机械研磨中因为产品晶圆表面图形的存在,晶圆表面是金属和氧化物相间隔的混合材质,难以直接用终点检测技术检测到研磨终点或研磨速率。需要测量研磨速率，用以计算需要研磨的时间。错误的研磨速率会导致错误的研磨时间，从而使厚度不准确，影响良率。目前研磨速率的侦测主要有两种手段。一是依靠中断生产时非产品晶片的固定时间研磨及研磨前后厚度的量测，从而计算得到研磨速率，该方法需要中断生产，影响产能，不能实时侦测最新的研磨速率。二是通过产品晶片的研磨后厚度量测结果对研磨速率进行反馈调整，该方法需要在晶圆清洗烘干完成后才能进行量测，有一定的滞后性。研磨速率不准确会造成研磨时间不准确，从而导致研磨最终厚度不准确。目前的速率测量方法是通过停机测量非产品晶片，或者产品晶圆研磨且清洗完成后测量厚度再计算得到研磨速率。这两种方法都有至少多片以上的滞后性，而研磨速率这段时间会发生变化，导致研磨时间不准确。
发明内容
本发明为解决现有技术中的上述问题提出的一种方便实时侦测研磨速率的化学机械抛光研磨速率的实时侦测装置及其侦测方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明首先提供了一种化学机械抛光研磨速率的实时侦测装置，包括底座、固定于底座上表面的研磨垫和设置于所述研磨垫上方的研磨垫修整器，所述研磨垫修整器包括修整头、与修整头连接的修整器摇臂和与所述修整器摇臂连接的修整器转轴，还包括
一小研磨头，水平设置，所述小研磨头上端连接所述修整器摇臂下表面，所述小研磨头下表面略高于所述研磨垫上表面，并在小研磨头下表面设置容纳小硅片的容纳腔；
一检测窗，竖直设置，设置于研磨垫的竖直通孔内，所述检测窗的上下表面与所述研磨垫上下表面齐平，所述检测窗为透光材质；
一激光光源，设置于底座内，所述激光光源位于所述检测窗正下方，用以发射激光透过检测窗照射到小硅片的上表面和下表面分别发生反射和折射；
一激光探测器，设置于激光光源底部，用以接收激光的反射和折射光信号。
为了进一步优化上述技术方案，本发明所采取的技术措施为：
优选的，所述小研磨头还包括：
一转盘，水平设置，所述转盘底端为所述容纳腔；
一保持环，水平设置于转盘的所述容纳腔外侧；
一吸盘，水平设置于所述容纳腔内；
一转轴，竖直设置，连接所述转盘的上表面的圆心位置；
一转动马达，竖直设置，通过传送皮带与所述转轴连接；
所述穿过所述修整器摇臂下表面
优选的，所述吸盘包括：
一高压供气管一，竖直设置，所述高压供气管一顶端连接供气设备；
一吸盘气囊腔，水平设置，顶端通孔连接所述高压供气管一；
一吸盘内部多孔板，水平设置，所述吸盘内部多孔板的板面上设置复数个竖直向通气通孔；
一弹性薄膜，水平设置，所述弹性薄膜上表面与所述吸盘内部多孔板连接。
优选的，所述保持环还包括：
一高压供气管二，竖直向设置，所述高压供气管二顶端连接供气设备；
一保持环气囊腔，水平设置，所述保持环气囊腔顶端通孔连接所述高压供气管二的底端，所述保持环气囊腔底端连接所述保持环。
优选的，所述转轴的顶端位于所述修整器摇臂内。
更优选的，所述传送皮带位于所述修整器摇臂内。
优选的，所述检测窗设置为弧形水平面检测窗。
更优选的，所述高压供气管一和高压供气管二还与抽气装置连接。
其次本发明还提供了一种采用上述化学机械抛光研磨速率的实时侦测装置的实时侦测方法，包括：
步骤S1，安装小硅片到所述容纳腔内；
步骤S2，打开激光光源；
步骤S3，打开研磨垫旋转开关，研磨垫开始研磨小硅片；
步骤S4，研磨垫旋转每一圈时所述检测窗扫过小硅片底部时，所述激光光源发出的激光被小硅片的上表面和下表面反射和折射，反射的反射光和折射的折射光被激光探测器检测到；
步骤S5，所述激光探测器根据探测到的每一圈的反射光和折射光信号得到一个正弦曲线图样的光强-时间图谱；
步骤S6，根据所述的光强-时间图谱计算出实际的测量片研磨速率。
为了进一步优化上述技术方案，本发明所采取的技术措施为：
优选的，完成所述步骤S6后，还包括步骤S7，根据执行步骤S6后得到的实际的测量片研磨速率实时调整研磨垫的实时研磨速率到预定值。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明利用小晶圆结合终点检测的方法测量研磨速率，可在生产的过程中研磨或修整研磨垫时测量速率，避免停机测量对产能的浪费，而且测量的速率可用于下一片即将研磨的产品片，滞后较小，所测速率更能准确反映实际产品片速率的快慢，从而得到准确的研磨时间和厚度。
附图说明
图1为本发明的一种优选实施例的化学机械抛光研磨设置的结构示意图；
图2为本发明的一种优选实施例的研磨垫修整器的仰视图；
图3为本发明的一种优选实施例的小研磨头的结构示意图；
图4为本发明的一种优选实施例的小研磨头的仰视图；
图5为本发明的一种优选实施例的光强-时间图谱；
图6为本发明的一种优选实施例的光路示意图；
图7为本发明的一种优选实施例的流程图；
附图标记为：
1底座；2研磨垫；3研磨垫修整器；4小研磨头；5小硅片；6检测窗；7 激光光源；8激光探测器；21竖直通孔；31修整头；32修整器摇臂；33修整器转轴；41容纳腔；42转盘；43保持环；44吸盘；45转轴；46转动马达； 47传送皮带；431高压供气管二；432保持环气囊腔；441高压供气管一；442 吸盘内部多孔板；443通气通孔；444弹性薄膜；445吸盘气囊腔。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。
如图1和图2所示，一种化学机械抛光研磨速率的实时侦测装置，包括底座 1、固定于底座1上表面的研磨垫2和设置于所述研磨垫2上方的研磨垫修整器 3，所述研磨垫修整器3包括修整头31、与修整头31连接的修整器摇臂32，还包括
一小研磨头4，水平设置，所述小研磨头4上端连接所述修整器摇臂32下表面，所述小研磨头4下表面略高于所述研磨垫2上表面，并在小研磨头4下表面设置容纳小硅片5的容纳腔41；
一检测窗6，竖直设置，设置于研磨垫2的竖直通孔21内，所述检测窗6 的上下表面与所述研磨垫2上下表面齐平，所述检测窗6为透光材质；
一激光光源7，设置于底座1内，所述激光光源7与检测窗6位于同一圆周，用以发射激光透过检测窗6照射到小硅片5的上表面和下表面分别发生反射和折射；
一激光探测器8，设置于激光光源7底部，用以接收激光的反射和折射光信号。
所述所述修整器摇臂32连接有修整器转轴33，所述修整器摇臂32内部设置有空腔，在一种较佳的实施例中，所述修整器转轴32绕修整器转轴33转动；
优选的，所述小研磨头4的直径大于修整器摇臂32的宽度；
优选的，所述激光光源7和激光探测器8与所述检测窗6的相对位置不固定，设置所述小研磨头4的修整器摇臂32为固定式，在检测窗6随研磨垫2转动时，小研磨头、激光光源7和激光探测器8的位置是固定不动的，只有检测窗 6是转动的，研磨垫2做圆周或钟摆运动时，在相同的时间间隙内检测窗6会扫过激光光源7上方，激光光源7的激光向竖直向上的方向发射，经过检测窗6 射到小研磨头4的小硅片5的上表面和下表面发生反射或折射后折回，然后激光探测器8得到激光光源7的反射和折射光线进行测量，得到相应的小硅片5的上表面的反射光和折射光以及下表面的反射光和折射光的数据信号。
也可以是，所述激光光源7和激光探测器8与所述检测窗6的相对位置不固定，设置所述小研磨头4的修整器摇臂32为周期摇摆式运动，在检测窗6随研磨垫2转动时，激光光源7和激光探测器8的位置是固定不动的，小研磨头、检测窗6是转动的，修整器摇臂32和研磨垫2做圆周或钟摆运动时，在相同的时间间隙内检测窗6和小研磨头4设置为同时扫过激光光源7上方，激光光源7 的激光向竖直向上的方向发射，经过检测窗6射到小研磨头4的小硅片5的上表面和下表面发生反射或折射后折回，然后激光探测器8得到激光光源7的反射和折射光线进行测量，得到相应的小硅片5的上表面的反射光和折射光以及下表面的反射光和折射光的数据信号。
还可以是，所述激光光源7和激光探测器8与所述检测窗6的相对位置是固定的，设置所述小研磨头4的修整器摇臂32为固定式，在检测窗6随研磨垫 2转动时，激光光源7和激光探测器8跟着研磨垫2一起转动，研磨垫2做圆周或钟摆运动时，在相同的时间间隙内检测窗6会扫过激光光源7上方，激光光源 7的激光向竖直向上的方向发射，经过检测窗6射到小研磨头4的小硅片5的上表面和下表面发生反射或折射后折回，然后激光探测器8得到激光光源7的反射和折射光线进行测量，得到相应的小硅片5的上表面的反射光和折射光以及下表面的反射光和折射光的数据信号。
更可以是，所述激光光源7和激光探测器8与所述检测窗6的相对位置是固定的，设置所述小研磨头4的修整器摇臂32为周期摇摆式运动，在检测窗6 随研磨垫2转动时，激光光源7和激光探测器8跟着研磨垫2一起转动，修整器摇臂32和研磨垫2做圆周或钟摆运动时，在相同的时间间隙内小研磨头4设置为扫过激光光源7上方，激光光源7的激光向竖直向上的方向发射，经过检测窗6射到小研磨头4的小硅片5的上表面和下表面发生反射或折射后折回，然后激光探测器8得到激光光源7的反射和折射光线进行测量，得到相应的小硅片5的上表面的反射光和折射光以及下表面的反射光和折射光的数据信号。
修整器摇臂32上安装的小研磨头，直径仅有10厘米以下，能旋转且对测量片，即小硅片5背面施加比较均匀的压力。研磨垫修整器3摆动时，小研磨头 4向下压住测量片，即小硅片5并转动，模拟研磨头带动产品片运动。使用可用于光学终点检测的研磨垫2，其上有一狭长的透光玻璃检测窗6，下方安装激光光源7及激光探测器8。研磨垫2旋转时窗口每一圈都会扫过小硅片5底部，这样激光探测器8每一圈都能得到小硅片5上表面的反射光和折射光以及下表面的反射光和折射光的信号。
如图3和图4所示，所述小研磨头4还包括：
一转盘42，水平设置，所述转盘42底端为所述容纳腔41；所述转盘为圆形转盘；
一保持环43，水平设置于转盘42的所述容纳腔41外侧；所述保持环43 设置在转盘42的底端；
一吸盘44，水平设置于所述容纳腔41内；
一转轴45，竖直设置，连接所述转盘42的上表面的圆心位置；所述转轴 45带动转盘42的转动；
一转动马达46，竖直设置，通过传送皮带47与所述转轴45连接。
所述小研磨头4由内置于修整器转轴33内的转动马达46通过传动皮带47 带动绕修整器转轴33转动。
进一步的，在一种较佳的实施例中，所述吸盘44包括：
一高压供气管一441，竖直设置，所述高压供气管一441顶端连接供气设备；
一吸盘气囊腔445，水平设置，顶端通孔连接所述高压供气管一441；
一吸盘内部多孔板442，水平设置于所述吸盘气囊腔445，所述吸盘内部多孔板442的板面上设置复数个竖直向通气通孔443；
一弹性薄膜444，水平设置，所述弹性薄膜444上表面与所述吸盘内部多孔板442连接。
再进一步的，在一种较佳的实施例中，所述保持环43还包括：
一高压供气管二431，竖直向设置，所述高压供气管二431顶端连接供气设备；
一保持环气囊腔432，水平设置，所述保持环气囊腔432顶端通孔连接所述高压供气管二431的底端，所述保持环气囊腔432底端连接所述保持环43。
更进一步的，在一种较佳的实施例中，所述转轴45的顶端位于所述修整器摇臂32内。
小研磨头4内部有一个环形保持环气囊腔432和一个圆柱体吸盘气囊腔 445。保持环气囊腔432下方连接环形的塑料保持环43，保持环43的作用为防止研磨时小硅片5从小研磨头4的边缘滑出。吸盘气囊腔445内部固定有吸盘内部多孔板442，下方蒙上弹性薄膜444，即形成能够向上吸附小硅片5也能在研磨时向下对小硅片5施加压力的吸盘44。保持环气囊腔432和吸盘气囊腔445 分别由不同的高压供气管连接供气。
更进一步的，在一种较佳的实施例中，所述传送皮带47位于所述修整器摇臂32内。所述转动马达46包括传送皮带47优先整体设置于修整器摇臂32内部的空腔。
更进一步的，在一种较佳的实施例中，所述检测窗6设置为弧形水平检测窗。所述检测窗6优选为与所述小硅片5的直径大小一致，使小硅片5的检测数据更准确，使激光光源7的激光的折射或反射更准确。
更进一步的，在一种较佳的实施例中，所述高压供气管一441和高压供气管二431还与抽气装置连接。优选的，所述高压供气管一441和高压供气管二 431同时设置有抽气和充气的两种装置。
如图7所示，本发明还包括一种采用所述的化学机械抛光研磨速率的实时侦测装置的实时侦测方法，包括：
步骤S1，安装小硅片5到所述容纳腔41内；将小硅片5水平放置于弹性薄膜444的下方并贴近，启动高压供气管一441和高压供气管二431，使其先将小硅片5吸附于吸盘44下方；
步骤S2，打开激光光源7；
步骤S3，打开研磨垫2旋转开关，研磨垫2开始研磨小硅片5；启动研磨垫2使其转动后，小硅片5与研磨垫2开始接触研磨，高压供气管一441和高压供气管二431开始提供向下的增压气流，使小硅片5贴紧研磨垫2研磨；
优选的，所述研磨垫修整器3设置有修整器转轴33，所述修整器摇臂32绕所述修整器转轴33转动研磨小研磨头4；
步骤S4，研磨垫2旋转每一圈时所述检测窗6扫过小硅片5底部时，所述激光光源7发出的激光被小硅片5的上表面和下表面分别反射和折射，反射的反射光和折射的折射光被激光探测器8检测到；所述小硅片5在研磨垫2上相对做周期性的往返的滑动，小研磨头4内的小硅片5在每一研磨滑动周期都会经过检测窗6的上方，此时研磨垫2下方的激光光源7和激光探测器8也同时与检测窗6对准，这样每周期的折射和反射的激光就被激光探测器8检测到。
步骤S5，所述激光探测器8根据探测到的每一圈的反射光和折射光信号得到一个正弦曲线图样的光强-时间图谱；
步骤S6，根据所述的光强-时间图谱计算出实际的测量片研磨速率。
进一步的，在一种较佳的实施例中，完成所述步骤S6后，还包括步骤S7，根据执行步骤S6后得到的实际的测量片研磨速率实时调整研磨垫2的实时研磨速率到预定值。
测量片正面生长上较厚的几微米以上实际所需研磨的单一透明材料或者可表征实际速率大小的单一透明材料。根据终点检测技术，利用不同厚度对同一波长的激光产生的反射光与折射光的干涉作用，激光探测器得到一个正弦曲线图样的光强-时间图谱如图5。光路示意图如图6。根据起点和终点时间之间有几个完整波形，可计算出实际研磨量。研磨量除以研磨时间即得到测量片研磨速率。
计算原理及公式如下，非产品片表面薄膜的直接反射光强为Ia,透射再射出的光强为Ib,二者在薄膜表面的相位差为φ，真空中波长为λ，膜厚为d，折射率为n，折射角为α，膜厚变化量为Δd，研磨时间为Δt,相位差变化量为Δφ。研磨速率为R,则薄膜总出射光强而φ＝(2π×2nd×cosα)/λ。而膜厚d在研磨作用下随时间减少，所以出射光强随时间变化的曲线是正弦波形，研磨过程中产生的完整波形的数量为N,则研磨过程中的相位差变化为Δφ＝2πN，另外根据膜厚的变化量d也可以计算出相位差的变化量Δφ＝Δd×2n×2π×cosα/λ，所以可得到2πN＝Δd×2n×2π×cosα/λ，所以Δd＝Nλ/2n×cosα，则研磨速率R＝Δd/Δt＝Nλ/2n×cosα×Δt，即根据研磨起点和终点时间之间有几个完整波形，可计算出研磨速率。
根据研磨速率公式R＝kPV，K为与材料等相关的参数，P为硅片表面压强， V为研磨垫硅片的相对速度，即研磨速率与压强和相对速度成正比。不同材料的系数k不同，但一般研磨速率比率固定，假设测量片的材料系数、压强、速度及研磨速率为Kt、Pt、Vt、Rt；产品片对应参数为Kp、Pp、Vp、Rp。则 Rt＝Kt*Pt*Vt,Rp＝Kp*Pp*Vp，则Rt/Rp＝Kt*Pt*Vt/(Kp*Pp*Vp)，所以Rt增大时， Rp也增大，因此测量片速率快慢变化可以表征出或计算得到实际产品速率的快慢的变化。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种化学机械抛光研磨速率的实时侦测装置，包括底座、固定于底座上表面的研磨垫和设置于所述研磨垫上方的研磨垫修整器，所述研磨垫修整器包括修整头、与修整头连接的修整器摇臂和与所述修整器摇臂连接的修整器转轴，其特征在于：还包括
一小研磨头，水平设置，所述小研磨头上端连接所述修整器摇臂下表面，所述小研磨头下表面略高于所述研磨垫上表面，并在小研磨头下表面设置容纳小硅片的容纳腔；
一检测窗，竖直设置，设置于研磨垫的竖直通孔内，所述检测窗的上下表面与所述研磨垫上下表面齐平，所述检测窗为透光材质；
一激光光源，设置于底座内，所述激光光源位于所述检测窗正下方，用以发射激光透过检测窗照射到小硅片的上表面和下表面分别发生反射和折射；
一激光探测器，设置于激光光源底部，用以接收激光的反射和折射光信号。
2.根据权利要求1所述的化学机械抛光研磨速率的实时侦测装置，其特征在于：所述小研磨头还包括：
一转盘，水平设置，所述转盘底端为所述容纳腔；
一保持环，水平设置于转盘的所述容纳腔外侧；
一吸盘，水平设置于所述容纳腔内；
一转轴，竖直设置，连接所述转盘的上表面的圆心位置；
一转动马达，竖直设置，通过传送皮带与所述转轴连接；
所述穿过所述修整器摇臂下表面。
3.根据权利要求2所述的化学机械抛光研磨速率的实时侦测装置，其特征在于：所述吸盘包括：
一高压供气管一，竖直设置，所述高压供气管一顶端连接供气设备；
一吸盘气囊腔，水平设置，顶端通孔连接所述高压供气管一；
一吸盘内部多孔板，水平设置，所述吸盘内部多孔板的板面上设置复数个竖直向通气通孔；
一弹性薄膜，水平设置，所述弹性薄膜上表面与所述吸盘内部多孔板连接。
4.根据权利要求2所述的化学机械抛光研磨速率的实时侦测装置，其特征在于：所述保持环还包括：
一高压供气管二，竖直向设置，所述高压供气管二顶端连接供气设备；
一保持环气囊腔，水平设置，所述保持环气囊腔顶端通孔连接所述高压供气管二的底端，所述保持环气囊腔底端连接所述保持环。
5.根据权利要求2所述的化学机械抛光研磨速率的实时侦测装置，其特征在于：所述转轴的顶端位于所述修整器摇臂内。
6.根据权利要求5所述的化学机械抛光研磨速率的实时侦测装置，其特征在于：所述传送皮带位于所述修整器摇臂内。
7.根据权利要求1所述的化学机械抛光研磨速率的实时侦测装置，其特征在于：所述检测窗设置为弧形水平面检测窗。
8.根据权利要求3或4所述的化学机械抛光研磨速率的实时侦测装置，其特征在于：所述高压供气管一和高压供气管二还与抽气装置连接。
9.一种采用权利要求1-8任一项所述的化学机械抛光研磨速率的实时侦测装置的实时侦测方法，包括：
步骤S1，安装小硅片到所述容纳腔内；
步骤S2，打开激光光源；
步骤S3，打开研磨垫旋转开关，研磨垫开始研磨小硅片；
步骤S4，研磨垫旋转每一圈时所述检测窗扫过小硅片底部时，所述激光光源发出的激光被小硅片的上表面和下表面分别发生反射和折射，反射的反射光和折射的折射光被激光探测器检测到；
步骤S5，所述激光探测器根据探测到的每一圈的反射光和折射光信号得到一个正弦曲线图样的光强-时间图谱；
步骤S6，根据所述的光强-时间图谱计算出实际的测量片研磨速率。
10.根据权利要求9所述的实时侦测方法，其特征在于：完成所述步骤S6后，还包括步骤S7，根据执行步骤S6后得到的实际的测量片研磨速率实时调整研磨垫的实时研磨速率到预定值。
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