CN108608317A - 研磨垫及研磨垫使用寿命监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供能实时监测使用状况并能第一时间获得达到使用寿命的信息的研磨垫及研磨垫的使用寿命监测方法。研磨垫(1)包括：厚度方向的一个面为研磨面的基材(20)；形成于基材(20)的研磨面一侧并朝向研磨面开口的沟槽(21)；以及形成于基材(20)的研磨面一侧、朝向研磨面开口、垂直于研磨面的至少一个截面在距离窗口(22)的底部一定高度处的宽度是高度的增函数或减函数的窗口(22)。在使研磨垫(1)旋转来进行研磨加工时，对窗口(22)的截面在研磨面处的宽度进行监测，当窗口(22)的截面在研磨面处的宽度随着研磨面的磨损量的增加而达到宽度临界值时，判断为研磨垫(1)达到使用寿命。

Description

研磨垫及研磨垫使用寿命监测方法

技术领域

本发明涉及一种用于化学机械研磨的研磨垫、以及研磨垫的使用寿命监测方法。

背景技术

作为在例如半导体晶圆、场发射显示器等微电子衬底上形成平坦表面的方法，化学机械研磨(CMP：Chemical Mechanical Polishing)在半导体工业领域正得到广泛应用。

在CMP处理中，通常采用研磨垫和研磨液同时通过化学腐蚀和机械力研磨对晶圆表面进行平滑处理。在CMP设备中，研磨垫通常使用聚亚胺脂等多孔性材料制成，其表面形成有有助于研磨液流过研磨垫表面的沟槽。在使用中，在对若干片晶圆进行研磨后，研磨垫表面的沟槽有可能会被磨平，这会导致研磨垫失去保持研磨液的能力，研磨速率会下降，同时还会使晶圆表面产生划伤。因此，需要对研磨垫设置使用寿命。

以往，利用研磨垫的使用时间(Time)或研磨晶圆计数(Count)来定义研磨垫的使用寿命。例如，图6是表示现有的用于研磨垫使用寿命监测的研磨垫使用状况统计表。如图6所示，针对各个工艺类型分别对研磨垫1～3的使用时间和研磨晶圆计数进行统计，当使用时间或研磨晶圆计数超过预先规定的临界值时，例如在BSI/AP工艺中研磨垫3的使用时间超过临界值30小时而达到了32.3小时的情况下，判定为该研磨垫达到使用寿命而做报废处理。

发明内容

发明所要解决的问题

然而，在现有的利用使用时间和研磨晶圆计数来定义研磨垫使用寿命的方法中，由于生产时的偏差以及工作环境等的不同，即使是同一批次生产的研磨垫，在经过相同的使用时间或研磨了相同数量的晶圆后，其磨损情况也各不相同。例如，对于虽然使用时间或研磨晶圆计数超过了临界值但实际还未达到使用寿命的研磨垫，容易因过早报废而造成浪费。另一方面，对于虽然使用时间和研磨晶圆计数均未达到临界值但实际已提前达到了使用寿命的研磨垫，容易因达到使用寿命后仍继续用于研磨晶圆而导致晶圆发生异常甚至报废。因此，需要一种能在进行研磨作业的过程中实时监测研磨垫状况的方法。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供一种能实时监测使用状况并能第一时间获得达到使用寿命的信息的研磨垫、以及研磨垫的使用寿命监测方法。

解决技术问题所采用的技术方案

为了解决本发明的问题，本发明的一个方面所涉及的研磨垫的特征在于，包括：基材，该基材的厚度方向的一个面为研磨面；沟槽，该沟槽形成于所述基材的所述研磨面一侧，朝向所述研磨面开口；以及窗口，该窗口形成于所述基材的所述研磨面一侧，朝向所述研磨面开口，所述窗口的垂直于所述研磨面的至少一个截面在距离所述窗口的底部一定高度处的宽度是所述高度的增函数或减函数。

本发明的另一方面所涉及的研磨垫使用寿命监测方法的特征在于，在使所述研磨垫旋转来进行研磨加工时，对所述窗口的所述截面在所述研磨面处的宽度进行监测，当所述窗口的所述截面在所述研磨面处的宽度随着所述研磨面的磨损量的增加而达到宽度临界值时，判断为所述研磨垫达到使用寿命。

发明效果

根据本发明所涉及的研磨垫及研磨垫使用寿命监测方法，能实时监测研磨垫的使用状况，并能第一时间获得达到研磨垫使用寿命的信息，因此，能防止研磨垫过早报废，降低成本，并能减少因达到使用寿命的研磨垫被继续使用而在研磨时突发异常事件的概率，减少晶圆报废的风险。

附图说明

图1是表示包括本发明实施方式1所涉及研磨垫的化学机械研磨系统的结构的示意图。

图2是用于对图1中的研磨垫的结构进行说明的简要立体图。

图3(a)～图3(e)是表示图1中的窗口的形状及其变形例的示意立体图。

图4是对图1中的窗口的尺寸及其与沟槽的尺寸之间的关系进行说明的示意剖视图。

图5(a)～图5(d)是表示本发明实施方式2所涉及的研磨垫的俯视图。

图6是表示现有的用于研磨垫使用寿命监测的研磨垫使用状况统计表。

具体实施方式

下面，参照附图，对用于实施本发明的优选方式进行说明。各图中，对相同的结构标注相同的标号，并省略重复说明。

实施方式1.

图1是表示包括本发明实施方式1所涉及研磨垫的化学机械研磨系统的结构的示意图，图2是用于对图1中的研磨垫的结构进行说明的简要立体图。

如图1所示，化学机械研磨系统包括：研磨盘1，该研磨盘1通过转轴与未图示的研磨盘驱动源相连接，在研磨作业时绕转轴O旋转；研磨垫2，该研磨垫2例如呈圆盘形，载置于研磨盘1的表面，以与研磨盘1相反一侧作为研磨面，在研磨作业时随着研磨盘1一起旋转；机台3，该机台3与研磨垫2隔开间隔地设置于研磨垫2的上方；研磨头4，该研磨头4设于机台3与研磨垫2之间，通过转轴与机台3相连接，在研磨作业时绕转轴O’旋转；以及研磨垫使用寿命监测器5，该研磨垫使用寿命监测器5设置于机台3，在研磨作业时，对研磨垫2上的后述的窗口的宽度进行监测。

在作业时，将晶圆6固定于研磨头4的最下端，使研磨垫2随着研磨盘1的旋转而旋转，使研磨头4一边旋转，一边以一定的压力将晶圆6按压于研磨垫2的研磨面，同时，利用未图示的研磨液滴加装置向研磨垫2滴加研磨液，从而进行研磨作业。

研磨液例如由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成，用于与晶圆表面材料发生化学反应，将不溶物质转化为易溶物质，或将高硬度物质进行软化，然后通过磨粒和研磨垫表面共同的微机械摩擦作用将这些化学反应物从晶圆表面去除，溶入流动的液体中带走，从而在化学去膜和机械去膜的交替过程中实现晶圆表面平坦化的目的。

研磨垫2包括由例如聚亚胺脂(Polyurethane)等材料所构成的基材20，以其厚度方向的一个面作为研磨面。另外，为了使研磨液能容易地在晶圆表面与研磨垫2的研磨面之间流动，从而利用研磨垫2旋转时的离心力作用而均匀地分布于研磨面上，例如如图1、2所示，在基材20的研磨面一侧形成有1条或多条(本实施方式中为4条)朝向研磨面开口的沟槽21。在本实施方式中，沟槽21在基材20的研磨面上具有圆环形的开口。在经过多次研磨作业后，沟槽21有可能会因与研磨液中磨粒的摩擦或研磨液的腐蚀作用而发生磨损，这会导致研磨垫保持研磨液的能力降低，研磨速率会下降，同时还会使晶圆表面产生划伤。因此，在本实施方式中，在基材20的研磨面一侧还形成有朝向研磨面开口的窗口22。

下面参照图3，对窗口22的结构进行说明。图3(a)～图3(e)是表示图1中的窗口22的形状及其变形例的示意立体图。

如图3(a)所示，窗口22呈倒置棱台形，具有上宽下窄的形状，其顶面和底面例如均为四边形。即，窗口22的垂直于研磨面的截面、例如沿研磨面的径向或切向的截面(在图3(a)中是以单点划线来表示的截面)呈倒梯形。换言之，窗口22的垂直于研磨面的截面在距离窗口22的底部一定高度处的宽度是所述高度的线性增函数。此处，所谓线性增函数是指截面宽度相对于距离窗口底部的截面高度的函数在窗口的高度范围内的导数全部相等，且都大于零。

然而，本发明的窗口22的形状并不局限于倒置棱台形，例如如图3(b)的变形例所示，窗口22的侧壁也可以是弧面，并且，窗口22的顶面或底面也可以为圆形、椭圆形等。换言之，只要窗口22的垂直于研磨面的至少一个截面(在图3(b)中是以单点划线来表示的截面)在距离窗口22的底部一定高度处的宽度是所述高度的单调增函数即可。此处，所谓单调增函数是指截面宽度相对于距离窗口底部的截面高度的函数是连续函数，且在窗口的高度范围内的导数大于零。

另外，例如如图3(c)的变形例所示，当对截面的高度变化反映于宽度变化的测量精度要求不高时，本发明的窗口22的形状还可以是侧壁呈微小阶梯状的上宽下窄的形状。换言之，只要窗口22的垂直于研磨面的至少一个截面(在图3(b)中以单点划线来表示的截面)在距离窗口22的底部一定高度处的宽度是所述高度的增函数即可。此处，所谓增函数是指截面宽度相对于距离窗口底部的截面高度的函数可以是连续函数，也可以是非连续函数，且在窗口的高度范围内的导数大于零。

此外，例如如图3(d)的变形例所示，窗口22的形状并不局限于倒置棱台形等具有底面的形状，也可以是倒置棱锥形、倒置圆锥形等底部收束的形状。此时，窗口22的垂直于研磨面的截面(在图3(d)中是以单点划线来表示的截面)呈倒三角形。

此外，例如如图3(e)的变形例所示，窗口22的形状也可以不是倒置棱台形或倒置棱锥形，而是正置棱台形或正置棱锥形等。即，窗口22的垂直于研磨面的截面(在图3(e)中是以单点划线来表示的截面)在距离窗口22的底部一定高度处的宽度是所述高度的减函数。此处，所谓减函数是指截面宽度相对于距离窗口底部的截面高度的函数可以是连续函数，也可以是非连续函数，且在窗口的高度范围内的导数小于零。

下面，参照图4对窗口22与沟槽21之间的关系、以及利用窗口22来监测研磨垫2的使用寿命的方法进行说明。图4是对图1中的窗口22的尺寸及其与沟槽21的尺寸之间的关系进行说明的示意剖视图。其中，图4的左半部是沿垂直于研磨面的第一截面对沟槽21进行剖切而得的剖视图，图4的右半部是沿垂直于研磨面的第二截面对窗口22进行剖切而得的剖视图。上述第一截面和第二截面可以位于相同平面，也可以位于不同平面，为了对沟槽21和窗口22的尺寸之间的关系进行说明，将两者以高度对齐的方式并排设置来进行比较。

如图4所示，设沟槽21的深度为a，窗口22的深度为b，当研磨面未发生磨损时窗口22的截面在研磨面处的宽度为c。在图4中，沟槽21的深度a等于窗口22的深度b。在使研磨垫旋转来进行研磨加工时，利用任意一种公知的方法对窗口22的截面在研磨面处的宽度进行监测。随着磨损量的增加，研磨面逐渐向下退缩，例如当研磨面的磨损量达到沟槽21的允许磨损深度d时，研磨垫达到使用寿命。此时，窗口22的磨损量也达到了允许磨损深度d，将与该允许磨损深度d相对应的深度位置上的、窗口22的截面的宽度设为宽度临界值e。例如，可以将窗口22的深度b设为0.03英寸，将顶部宽度c设为0.06英寸，将底部宽度设为0.02英寸，此时，可以将宽度临界值e设为0.035英寸。

在图4的示例中，示出了窗口22的截面为倒梯形的情况，因此，满足磨损前的窗口22的截面宽度c大于宽度临界值e，但本发明并不局限于此。例如，当窗口22的形状如图3(e)所示那样为正置棱台形等时，窗口22的截面为正置梯形，此时，磨损前的窗口22的截面宽度c小于宽度临界值e。

另外，在图4的示例中，示出了窗口22的深度b与沟槽21的深度a相等的情况，但本发明并不局限于此。在不影响研磨垫的研磨效果且不破坏研磨垫的结构稳定性的情况下，窗口22的深度可以是大于等于沟槽21的允许磨损深度d的任意深度，优选为是0.03英寸～0.04英寸。

下面对本实施方式的研磨垫的使用寿命监测方法进行说明。如图1所示，在机台3上安装有研磨垫使用寿命监测器5。在使研磨垫2旋转来对晶圆6进行研磨加工时，研磨垫使用寿命监测器5通过激光测距法等公知的方法实时地对窗口22的截面在研磨面处的宽度进行监测，并将监测值发送至机台3。机台3的程序中设定有宽度临界值e，当来自研磨垫使用寿命监测器5的监测值达到宽度临界值e时，机台3发出报警，提醒操作人员研磨垫2达到使用寿命，需要对其进行更换。

根据本实施方式，通过对窗口22的截面在研磨面处的宽度进行监测，来实时地监测研磨垫表面沟槽21的深度，从而能实时监测研磨垫的磨损情况。因此，在研磨垫未达到使用寿命时能继续使用，在研磨垫超过使用寿命时能及时更换，从而能防止研磨垫过早报废，降低成本，并能减少因达到使用寿命的研磨垫被继续使用而在研磨时突发异常事件的概率，减少晶圆报废的风险。

实施方式2.

下面参照图5，对本实施方式所涉及的窗口在研磨垫上的分布情况进行说明。图5(a)～图5(d)是表示本实施方式所涉及的研磨垫的俯视图。

如图5(a)所示，研磨垫2的研磨面呈圆形，在研磨面上，从圆心向外周等间隔地分布有多条(此处为4条)沟槽21。图中，为了简化表示，将沟槽21描绘成了一组同心圆，但实际上各条沟槽21都呈具有一定宽度的圆环形。在中间的两条相邻的沟槽21之间，沿圆周方向等间隔地配置有4个窗口22。在使研磨垫2旋转来进行研磨加工时，对4个窗口22的垂直于研磨面的截面在研磨面处的宽度进行监测，当其中任意的窗口22的宽度达到宽度临界值时，判断为该研磨垫2达到使用寿命。

以上对研磨垫2上的窗口数为4个的情况进行了说明，但本发明并不局限于此，例如，也可以如图5(b)那样在每两条相邻的沟槽21之间都沿圆周方向等间隔地配置4个窗口22。另外，相邻沟槽21之间的窗口数也并不局限于4个，例如也可以如图5(c)、5(d)那样等间隔地配置8个、12个窗口22。

另外，研磨垫2上的沟槽数也并不局限于4条，只要不影响研磨垫的研磨效果，可以在研磨垫上形成任意多条沟槽。

此外，研磨垫2的研磨面的形状也并不局限于圆形，也可以是正多边形等任意的中心对称形。

根据本实施方式，至少在相邻的两条沟槽之间沿圆周方向等间隔地配置多个窗口，并在任意窗口的截面在研磨面处的宽度达到宽度临界值时判断为研磨垫达到使用寿命，从而能从整体上对研磨面的磨损情况进行实时监测，并在研磨垫表面的任意部位的磨损量超过允许磨损量时及时提醒更换，因此，能进一步减少因达到使用寿命的研磨垫被继续使用而在研磨时突发异常事件的概率，减少晶圆报废的风险。

在上述实施方式1、2中，对带有沟槽的研磨垫的使用寿命监测方法进行了说明，但本发明并不局限于此。例如，对于不带沟槽的研磨垫，在单纯想要测量其厚度的情况下，也能适用本发明的结构及方法。

以上对本发明的实施方式及其变形例进行了说明。应当认为本次披露的实施方式的所有方面仅是举例表示，并非是限制性的。本发明的范围由权利要求书来表示，而并非由上述实施方式来表示，本发明的范围还包括与权利要求书等同的含义及范围内的所有的修正、变形和组合。

工业上的实用性

由于本发明所涉及的研磨垫及研磨垫使用寿命监测方法能通过监测形成于研磨垫表面的窗口的宽度来实时监测研磨垫表面沟槽的深度，从而实时监测研磨垫的使用寿命，因此，可适用于例如单研磨头旋转式系统、多研磨头旋转式CMP系统、多研磨盘CMP系统、轨道式CMP系统及线性CMP系统等所有CMP工艺中所使用的研磨垫的生产制造及其使用寿命的监测。

标号说明

1 研磨盘

2 研磨垫

3 机台

4 研磨头

5 研磨垫使用寿命监测器

6 晶圆

20 基材

21 沟槽

22 窗口

Claims (19)

1.一种研磨垫，其特征在于，包括：

基材，该基材的厚度方向的一个面为研磨面；以及

窗口，该窗口形成于所述基材的所述研磨面一侧，朝向所述研磨面开口，所述窗口的垂直于所述研磨面的至少一个截面在距离所述窗口的底部一定高度处的宽度是所述高度的增函数或减函数。

2.如权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，

所述增函数是单调增函数，或所述减函数是单调减函数。

3.如权利要求2所述的研磨垫，其特征在于，

所述增函数是线性增函数，或所述减函数是线性减函数。

4.如权利要求3所述的研磨垫，其特征在于，

所述窗口的所述截面呈倒梯形。

5.如权利要求3所述的研磨垫，其特征在于，

所述窗口的所述截面呈倒三角形。

6.如权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，

还包括沟槽，该沟槽形成于所述基材的所述研磨面一侧，朝向所述研磨面开口。

7.如权利要求6所述的研磨垫，其特征在于，

当所述研磨面的磨损量超过所述沟槽的允许磨损深度时，所述研磨垫达到使用寿命，

所述窗口的深度大于等于所述允许磨损深度。

8.如权利要求7所述的研磨垫，其特征在于，

所述窗口的深度是0.03英寸～0.04英寸。

9.如权利要求1至8的任一项所述的研磨垫，其特征在于，

所述研磨面呈中心对称形，在所述基材的所述研磨面一侧，从所述研磨面的对称中心向外周等间隔地分布有多条圆环形的所述沟槽，

至少在相邻的两条所述沟槽之间，沿圆周方向等间隔地分布有多个所述窗口。

10.一种研磨垫使用寿命监测方法，所述研磨垫包括：

基材，该基材的厚度方向的一个面为研磨面；以及

窗口，该窗口形成于所述基材的所述研磨面一侧，朝向所述研磨面开口，所述窗口的垂直于所述研磨面的至少一个截面在距离所述窗口的底部一定高度处的宽度是所述高度的增函数或减函数，

所述研磨垫使用寿命监测方法的特征在于，

在使所述研磨垫旋转来进行研磨加工时，对所述窗口的所述截面在所述研磨面处的宽度进行监测，

当所述窗口的所述截面在所述研磨面处的宽度随着所述研磨面的磨损量的增加而达到宽度临界值时，判断为所述研磨垫达到使用寿命。

11.如权利要求10所述的研磨垫使用寿命监测方法，其特征在于，

所述增函数是单调增函数，或所述减函数是单调减函数。

12.如权利要求11所述的研磨垫使用寿命监测方法，其特征在于，

所述增函数是线性增函数，或所述减函数是线性减函数。

13.如权利要求12所述的研磨垫使用寿命监测方法，其特征在于，

所述窗口的所述截面呈倒梯形。

14.如权利要求12所述的研磨垫使用寿命监测方法，其特征在于，

所述窗口的所述截面呈倒三角形。

15.如权利要求10所述的研磨垫使用寿命监测方法，其特征在于，

所述研磨垫还包括沟槽，该沟槽形成于所述基材的所述研磨面一侧，朝向所述研磨面开口。

16.如权利要求15所述的研磨垫使用寿命监测方法，其特征在于，

当所述研磨面的磨损量超过所述沟槽的允许磨损深度时，所述研磨垫达到使用寿命，

所述窗口的深度大于等于所述允许磨损深度。

17.如权利要求16所述的研磨垫使用寿命监测方法，其特征在于，

所述窗口的深度是0.03英寸～0.04英寸。

18.如权利要求16所述的研磨垫使用寿命监测方法，其特征在于，

将所述窗口的所述截面在所述允许磨损深度处的宽度设为所述宽度临界值。

19.如权利要求10至18的任一项所述的研磨垫使用寿命监测方法，其特征在于，

所述研磨面呈中心对称形，在所述基材的所述研磨面一侧，从所述研磨面的对称中心向外周等间隔地分布有多条圆环形的所述沟槽，

至少在相邻的两条所述沟槽之间，沿圆周方向等间隔地分布有多个所述窗口，

在使所述研磨垫旋转来进行研磨加工时，对多个所述窗口的所述截面在所述研磨面处的宽度进行监测，

当任意的所述窗口的所述截面在所述研磨面处的宽度随着所述研磨面的磨损量的增加而达到宽度临界值时，判断为所述研磨垫达到使用寿命。