CN109773647B - 晶片研磨系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及借助于利用了多重波长光的相位差检测的晶片研磨系统，在位于研磨头的邻接的第一压力腔与第二压力腔下侧的第一基准位置和第二基准位置，接收光干涉信号，在位于第一基准位置与第二基准位置之间的连接位置也接收光干涉信号，合算邻接的位置之间的相位差，获得在第一基准位置与第二基准位置的晶片研磨层厚度偏差信息，从而即使在研磨工序中不算出晶片研磨层的厚度，也能够在研磨结束时间点均匀地控制晶片研磨层的厚度分布。

Description

晶片研磨系统

技术领域

本发明涉及借助于相位差检测的晶片研磨系统，详细而言，涉及一种在研磨工序中，即使没有完全算出研磨层的厚度，也通过控制光干涉信号的相位差(phasedifference)来实时准确地调节研磨层的厚度的晶片研磨系统。

背景技术

化学机械式研磨(CMP)装置是，为了在半导体元件制造过程中实现用于消除由在反复执行掩蔽、蚀刻及布线工序等的同时生成的晶片表面凸凹引起的晶胞区与周边电路区之间的高度差的广域平坦化，并且改善因电路形成用触点/布线膜的分离及高集成器件化而导致的晶片表面粗糙度等，而用于对晶片的表面进行精密研磨加工的装置。

在这种CMP装置中，承载头在研磨工序前后，以晶片的研磨面与研磨垫相向的状态，对所述晶片加压，以进行研磨工序，同时，一旦研磨工序结束，则将晶片直接或间接地真空吸附后，以把持的状态，移动到下一个工序。

图1a是化学机械式研磨装置1的概略图。如图1所示，化学机械式研磨装置1在旋转11d的研磨盘10的研磨垫11上通过承载头20对晶片W加压并实现研磨，同时，浆料从浆料供应部(图上未示出)供应至研磨垫11上并进行湿式研磨。而且，在此过程中，在调节器40进行旋转40d运动和回旋运动的同时，调节盘对研磨垫11进行表面改性，通过研磨垫11的细微槽，将浆料供应给晶片W。

另一方面，随着半导体元件的集成化，需要精密研磨晶片W的研磨层的厚度。为此，以往正如在大韩民国授权专利公报第10-542474号中所公开的，试图以如下方式检测研磨层厚度：在进行研磨工序的过程(S10)中，从发光部向晶片的研磨面照射光(S20)，光接收部接收从研磨层反射的反射光(S30)，追踪被接收的反射光的光干涉信号，间接地掌握研磨层的厚度变化(S40)。在图1a中，发光部和光接收部均标为附图标记“50”，既可以配置于贯通研磨垫和研磨盘的贯通孔，也可以配置于研磨盘上。

但是，在通过CVD工序等沉积于晶片W的透光性研磨层(例如，氧化物层)的厚度为通常的厚度(例如，

程度)的情况下，通过观察从研磨面反射的干涉光的个数或变化趋势，可以掌握研磨结束时间点，但在沉积于晶片W的氧化物层的厚度为非正常的过厚的厚度(例如，

至

)的情况下，很难通过以上方式来掌握研磨层的厚度，也难以准确检测研磨结束时间点。

更具体而言，从晶片W的氧化物层反射的干涉光如图1b及图1c所示，以按各个波长上下移动的方式变化，随着氧化物层的厚度因氧化物层的研磨而变薄，各波长的波形间隔缩小。而且，光谱特定波长(例如，500nm的波长；λ1)相对于时间轴(sec)的波形如图1d所示。因此，在沉积于晶片W的氧化物层的厚度为通常厚度的情况下，例如可以预先确认氧化物层的厚度在第二个上侧峰值点A2达到目标厚度(大致

)，使研磨在氧化物层的目标厚度下结束。

但是，在沉积于晶片W的氧化物层的厚度比通常厚度更厚的情况下(大致

)，即使研磨晶片W直至达到预定的第二个上侧峰值点A2，晶片W的氧化物层的厚度也无法达到目标厚度。即，通常，在氧化物层的厚度更厚的情况下，尽管需要进行研磨，直至达到时间上超过预定次数的上侧峰值点A2的上侧峰值点A3，但是，以干涉波的峰值是否达到既定次数为基础来检测研磨结束时间点，只会按照沉积于晶片W的初期氧化物层厚度偏差带来误差。

进一步地，不同于图1b及图1c所示，以往，除了计算相对于一个波长的干涉光达到峰值(singular value，奇异点)的次数而数出干涉光的周期之外，没有能够检测氧化层膜的厚度的方法。(以往，没有利用具有多个波长的光，而是利用具有一个波长的激光束，感测氧化物层的目标厚度，但在图1b及图1c中图示具有多个波长的光的光谱，并非引用以往使用具有多重波长的光的情形，而是作为本发明基础原理，用于说明从氧化物层反射的光的特性)。

进一步地，通过CVD工序等沉积于晶片W表面的氧化物层在较多情况下形成为边缘薄而中央部厚，因此，在根据从中央部较厚部分反射的干涉光的波形准确地检测研磨结束时间点方面，存在很大困难。

另外，由于晶片表面的图案而同时检测到不同大小的厚度，导致难以掌握厚度，所以，在研磨工序中通过实时测量晶片研磨层的厚度而均匀地控制晶片研磨层厚度方面，存在更大的困难。

换句话说，虽然在现有技术中提出了即使在晶片研磨工序中发生晶片研磨层厚度偏差，也按不同位置调节研磨头的压力，以补偿晶片研磨层的厚度偏差，但在获得准确的晶片研磨层厚度的过程中需要消耗时间，在实时控制方面存在局限性，在为了获得研磨层厚度而消耗的时间内，研磨层被磨损，因而难以实时调节研磨层厚度偏差。

另外，对于一张晶片进行一次研磨工序所消耗的时间很短，大致为30秒至60秒，在研磨工序中，从氧化物层反射的光干涉信号只经过2～3次周期，因而在研磨工序中难以控制研磨头的压力，以实时调节研磨层厚度。

发明内容

所要解决的技术问题

本发明正是在前述技术背景下研发的，其目的在于，即使在研磨工序中不算出研磨层的厚度，也能够在研磨工序中按照预期的分布准确地调节研磨层的厚度。

更重要的是，本发明的目的在于，即使由于邻接的压力腔中的研磨层厚度偏差大而从这些位置接收的光干涉信号的相位差超过半个周期，也能够准确地感测压力腔之间的厚度偏差。

另外，本发明的目的在于，在研磨工序中，每隔比以往更稠密的时间间隔，获得基于晶片位置的研磨层厚度偏差信息。

与此同时，本发明的目的在于，在研磨工序中，利用光干涉信号的偏差，连续、定性地实时感测研磨层的厚度偏差，从而实时、持续地调节压力，以便晶片研磨层变得均匀。

由此，本发明的目的在于，即使晶片的通过CVD等沉积的研磨层的厚度不均匀均匀，也能够在研磨工序中按均匀均匀的厚度分布研磨晶片研磨层。

技术方案

为了达成所述目的，本发明在研磨形成有透光性材质的研磨层的晶片方面，提供一种晶片研磨系统，从位于研磨头的邻接的第一压力腔和第二压力腔下侧的第一基准位置和第二基准位置接收光干涉信号，也从位于第一基准位置和第二基准位置之间的连接位置接收光干涉信号，合算邻接的位置之间的相位差，以获得在第一基准位置与第二基准位置上的晶片研磨层厚度偏差信息。

在本说明书及权利要求书中通篇记载的记载事项“连续地”感测，定义为不仅包括进行感测的时间间隔完全连续，而且与在1ns至2秒以内以具有2～3个以下波长的光进行检测相比，按远远更加稠密的时间间隔进行感测。

在本说明书及权利要求书中记载的记载事项“邻接”，定义为压力腔在隔着隔壁配置的状态下，指称配置于隔壁的两侧的状态。

本说明书及权利要求书记载的“第一基准位置与第二基准位置之间”中的记载事项“之间”，并非限定为配置于以直线连接第一基准位置与第二基准位置的区间，包括隔开第三距离的情形，所述第三距离大于从隔膜底板(或晶片)的旋转中心至第一基准位置的第一距离，且小于从隔膜底板(或晶片)的旋转中心至第二基准位置的第二距离。

本说明书及权利要求书记载的“基准位置”及与之类似的术语，用于指称位于研磨头的各压力腔下侧的任意位置。因此，“基准位置”是用于与“连接位置”差别化的名称，因而基准位置不是必须局限解释为各压力腔的中央部等特定的位置。

发明效果

根据本发明，即使在研磨工序中不算出研磨层的厚度，也可以在研磨工序中获知晶片研磨层厚度偏差。

更重要的是，即使在位于研磨头中相互邻接的第一压力腔与第二压力腔下侧的晶片研磨层厚度的偏差超过光干涉信号的半个周期的情况下，也可以准确获得研磨层厚度偏差。

即，如果晶片研磨层在不同位置上的厚度相同，则相对于从各个位置反射的反射光的相同波长的光干涉信号不存在相位差和光强度偏差，但如果晶片研磨层在不同位置上的厚度不同，则相对于从各个位置反射的反射光的相同波长的光干涉信号存在相位差和光强度偏差，本发明立足于这种原理，根据从不同位置获得的光干涉信号的相位差和光强度偏差值，直接控制晶片各区域的压力，从而可以能够更容易、更准确地去除晶片研磨层厚度偏差。

由此，本发明即使晶片的通过CVD等沉积的研磨层的初期厚度分布不均匀均匀，也可以无需准确地算出晶片研磨层厚度，以从晶片研磨层接收的反射光中消除光干涉信号偏差的方式，调节研磨头与调节器中的一个以上，，从而可以在研磨结束时间点可靠而准确地、简单地控制晶片研磨层的厚度分布均匀，以使晶片研磨层的厚度分布均匀。

附图说明

图1a是图示普通化学机械式研磨装置的结构的图。

图1b是图示随着晶片研磨层反射光波长而变的研磨初期的光干涉信号的图表。

图1c是图示随着晶片研磨层反射光波长而变的研磨后期的光干涉信号的图表。

图1d是图示晶片研磨层的反射光随着时间而变的特定波长的光干涉信号的图表。

图2是图示以往感测研磨结束时间点的方法的流程图。

图3是图示本发明一个实施例的化学机械式研磨系统的结构的图。

图4作为图3的“A”部分的放大图，是研磨中的研磨头的半剖面图。

图5a是图4的“B”部分的放大图。

图5b是图5a的“D”部分的放大图。

图5c是以图式方式显示在压力腔中获得的光干涉信号的隔膜的横剖面图。

图5d作为图5c的“F”部分的放大图，是用于说明即使相位差相差半周期以上，也能根据第一基准位置与第二基准位置之间的连接位置上的光干涉信号准确求出厚度偏差的结构的图。

图6a作为图5a的“C”部分的放大图，是用于说明随着晶片的氧化物层厚度而变的光干涉信号的发生原理的图。

图6b是图示随着晶片研磨层反射光波长而变的研磨初期的光干涉信号的图表。

图6c是图示随着晶片研磨层反射光波长而变的研磨后期的光干涉信号的图表。

图6d是图示随着晶片氧化物层的厚度变化(研磨时间变化)而异的光干涉信号的图。

图7a至图7c是用于说明本发明的作用原理的图。

图8是图示本发明一个实施例的晶片研磨系统的运转方法的流程图。

附图标记

W：晶片 f：氧化物层

Li：照射光 Lo：反射光

d：反射光的间隔 t：氧化物层厚度

X：光干涉信号 20：研磨头

22：隔膜 40：调节器

100：化学机械式研磨系统 110：研磨盘

111：研磨垫 111a：透明窗

120：光照射部 130：光接收部

140：厚度检测部 150：压力调节部

160：分光仪

具体实施方式

下面参照附图，就本发明进行详细说明。不过，在说明本发明方面，为了明确本发明的要旨，省略关于公知功能或结构的具体说明。

如图3所示，本发明一实施例的化学机械式研磨系统100用于平坦研磨在晶片W的底面形成的研磨层f，其包括：研磨盘110，其上面覆盖有研磨垫111并进行自转11d；浆料供应部(图上未示出)，用于向研磨垫111上供应浆料；研磨头20，在研磨工序中，以使晶片W位于下侧的状态对晶片W加压；调节器40，在研磨工序中，旋转40d，并对研磨垫111进行加压和改性；光照射部120，用于照射光Li，以测量晶片W的研磨层f厚度；光接收部130，用于接收从晶片研磨层f反射的反射光Lo；控制部140，根据由光接收部130测量的反射光Lo，调节研磨头20的压力和调节器40的压力Fc；压力调节部150，根据控制部140的控制信号，向研磨头20的压力腔C1、C2、C3、C4、C5供应空气压力；分光仪(spectrometer)160，其将光接收部130测量的反射光Lo分类为不同波长的光干涉信号。

如图3所示，在所述研磨盘110和研磨垫111上形成有透明窗111a，来自光照射部120的光Li从研磨盘110的下侧照射到进行研磨工序的晶片W的研磨面，光接收部130接收从晶片W的研磨面反射的反射光Lo。在图中，出于便利，示例性图示了光照射部120与光接收部130独立形成的结构，但光照射部120与光接收部130也可以由形成为一个主体的光传感器构成。

作为替代其或与之同时进行的方案，也可以在研磨盘110的上面形成凹陷部，设置具备光照射部和光接收部的光传感器220，在与研磨盘110一同旋转并通过研磨层f的期间，接收从研磨层反射的反射光Lo。

本说明书及权利要求书中记载的“光照射部”和“光接收部”，定义为包括相互独立地形成的结构、形成为一个主体的结构、形成为一个光传感器形式的结构。

下面，出于便利，以光照射部120照射光Li、光接收部130接收反射光Lo的结构为中心，对本发明进行说明。

在制造半导体元件的过程中，所述晶片W的研磨层f以透光材质形成。其中，“透光材质”不限定于从光照射部120照射的光Li全部透过，而是包括全部的使从光照射部120照射的光Li的1％以上透过的材质。例如，研磨层f可以以氧化物层形成。

因此，从光照射部120照射的光Li的一部分在研磨层f的表面反射Loe，所照射的光Li的另一部分透过研磨层f，在非透射层Wo的表面反射Loi。

如图4所示，所述研磨头20包括：上侧本体21'，由于接受从外部传递的旋转驱动力而旋转；底座21，与上侧本体21'连动而一同旋转；隔膜22，按照晶片W的形状，形成有圆盘状的底板221，在底座21上固定有隔壁222；卡环24，在研磨工序中，与研磨垫111接触，配置于隔膜22的外周，以防止晶片W向研磨头20的外侧脱离。

隔膜22的从底板221向上方延长的环状的隔壁222末端通过结合构件211固定于底座21，在隔膜底板221与底座21之间，以同心圆状排列形成有多个压力腔C1、C2、C3、C4、C5。而且，研磨头20的各个压力腔C1、C2、……、C5从压力调节部150接受空气压力，独立地调节压力，隔膜底板221与隔壁222以柔性材质形成，可以按不同的压力腔C1、C2、……、C5，不同地调节对于位于隔膜底板221下侧的晶片W压力。根据情况，隔膜22的一部分可以与刚性高的材质结合在一起形成。

在图中，图示了由于隔壁222以环状形成，多个压力腔C1、C2、……、C5以同心环状配置，以旋转中心为基准，沿半径方向划分的结构，但也可以具备沿着圆周方向划分的隔壁(图上未示出)，压力腔C1、C2、……、C5也可以沿圆周方向划分。因此，本发明的压力腔包括沿半径方向和圆周方向中的一个以上划分的全部情形。因此，研磨头20按由划分的多个压力腔C1、C2、……、C5确定的区域(zone)调节压力，从而按不同区域(zone)控制位于压力腔下侧的晶片研磨层厚度。

所述调节器40以调节盘接触研磨垫111的状态，以具有研磨垫111半径方向成分的方式，进行横向往复摆动运动。此时，调节盘的压力被控制部140调节，调节盘在进行往复摆动运动的路径上，压力被调节，从而调节研磨垫111的特定区域的高度比其他区域更高或更低。

所述光照射部120向晶片W的研磨层f照射具有既定波长的光Li。其中，照射于研磨层f的光Li既可以为单一波长，也可以为两个以上波长。在照射两个以上的波长的情况下，利用本申请人申请并被授权的韩国授权专利公报第10-1436557号的方法，可以获得能够更准确地检测研磨结束时间点的效果。

由光照射部120照射的光Li既可以为具有一个波长的光，优选地，也可以为具有10个以上多波长的多重波长光，还可以为由全部波长的光混合而成的白色光。

光照射部120照射于晶片W的研磨层f的至少两个以上位置，优选地，在研磨头20的每个压力腔C1、C2、C3、C4、C5的下侧基准位置S1、S2、S3、S4、S5至少照射一个，也照射于各压力腔C1、C2、C3、C4、C5的基准位置S1、S2、S3、S4、S5之间的至少一个以上的连接位置E1、E2……。

在图中，出于便利，只在第一基准位置S1与第二基准位置S2之间图示了连接位置E1、E2，但根据本发明优选实施方式，在所有基准位置S1、S2、S3、S4、S5之间均配置有至少一个以上的连接位置E1、E2、……。

其中，所谓在基准位置S1、S2、S3、S4、S5之间配置有连接位置E1、E2、……，不限定于在以直线连接基准位置S1、S2、S3、S4、S5的区间配置有连接位置E1、E2……，只要从隔膜底板(或晶片)的旋转中心O至各位置的距离(半径)位于从隔膜底板(或晶片)的旋转中心O至邻接的基准位置的距离之间即可。

例如，第一基准位置S1和第二基准位置S2位于相同的圆周角，即使第一连接位置E1位于与第一基准位置S1沿圆周方向隔开180度的位置，只要旋转中心O至第一连接位置E1的距离大于旋转中心O至第一基准位置S1的第一距离，且小于旋转中心O至第二基准位置S2的距离，就可以视为连接位置E1位于第一基准位置S1与第二基准位置S2“之间”。不过，为了提高测量的准确性，优选连接位置E1、E2、……位于连接邻接的基准位置S1、S2的连接直线L12上，或从连接直线L2隔开不超过10mm。

虽然将基准位置S1、S2、S3、S4、S5大体上设定为各压力腔C1、C2、C3、C4、C5的中央部(隔壁与隔壁的中间位置)，但不限于此。即，在光照射部120及光接收部130与研磨垫一同旋转的情况下，照射的光的位置在晶片上变动，因而基准位置S1、S2、S3、S4、S5不特定于某个位置，可以设定为各压力腔C1、C2、C3、C4、C5下侧的具有代表性的沿半径方向的位置(大致中央部)，沿圆周方向的位置也可以在每次测量时有变动。

连接位置E1、E2、……可以是将各基准位置S1、S2、S3、S4、S5分成等间隔的值，但不限于此，在每两个以上的连接位置配置于基准位置之间的情况下，在厚度偏差可能较大的区域，可以设定得稠密，在厚度偏差较小的区域，可以设定得疏远。

所述光接收部130接收从光照射部120照射的光在晶片W的研磨层f反射后的反射光Lo。如图5a及图5c所示，光Li照射于研磨头20的各个压力腔C1、C2、C3、C4、C5下侧的至少每一个基准位置S1、S2、S3、S4、S5，如图5b及图5d所示，光Li分别照射于位于各个基准位置S1、S2、S3、S4、S5之间每一个以上的连接位置E1、E2、……，光接收部130在照射有光Li的位置接收各个反射光Lo及基于反射光的光干涉信号X1、X2、……、XE1、XE2……。

如图6a所示，晶片W的研磨面由可透光的氧化物层f和不可透光的非透射层Wo构成，因而从光照射部120照射的光Li的一部分在氧化物层f的表面被反射Loe，从光照射部120照射的光Li的一部分在通过氧化物层f后在非透射层Wo被反射Loi。因此，光接收部130接收的反射光Lo包括在氧化物层f的表面被反射的反射光Loe和通过氧化物层f后在非透射层Wo被反射的反射光Loi，这些反射光Loe、Loi设置细微的间隔d并且与氧化物层f厚度成比例地存在光路径之差，因而在相互干涉的的同时，生成与正弦波形状类似的光干涉信号X。

所述控制部140根据从光接收部130接收的来自各基准位置S1、S2、S3、S4、S5和连接位置的反射光Lo1、Lo2、Lo3、Lo4、Lo5、……LoE1、LoE2、……，提取各个光干涉信号X(……X2、X3、……、XE1、XE2、……)，如图7a所示，映射于相同的时间轴上，控制压力调节部150与调节器40，以便调节通过研磨头20的压力腔C1、C2、C3、C4、C5按不同区域对晶片W加压的压力p1、p2……p5，从而使映射于相同时间轴上的各个光干涉信号由不一致变为一致。

其中，光接收部130接收的反射光Lo(Lo1、Lo2、Lo3、Lo4、Lo5、……、LoE1、LoE2、……)由于在晶片研磨层f与光接收部130之间存在的研磨颗粒、浆料等而会发生振幅失真，但是由研磨层厚度变动导致的相位差几乎不失真，因此，控制部140根据由于各反射光Lo(Lo1、Lo2、Lo3、Lo4、Lo5)而发生的光干涉信号X(X1、X2、X3、X4、X5)的相位差或光强度(intensity)的偏差，控制压力腔C1、C2、C3、C4、C5的压力和调节器40的压力，从而能够更准确地控制晶片的研磨层f的厚度分布。

例如，在要整体上均匀地控制晶片研磨层f厚度的情况下，通过控制根据从各压力腔C1、C2、C3、C4、C5下侧的基准位置S1、S2、S3、S4、S5接收的反射光Lo1、Lo2、Lo3、Lo4、Lo5获得的光干涉信号X的相位差变得全部相同，即使没有直接算出研磨层f厚度，也可以均匀地控制晶片的研磨层f厚度。

为此，也可以一次性对比从既定的所有基准位置S1、S2、S3、S4、S5获得的光干涉信号X1、X2、X3、X4、X5，但是由于在位于第一腔室C1下侧的第一基准位置S1与位于第五腔室C5下侧的第五基准位置S5的晶片研磨层f厚度偏差大，超过光干涉信号X1、X5的半周期(halfperiod)的情况下，压力的控制可能会出错，因此，如图5c所示，优选相互对比晶片研磨层f的厚度偏差小的邻接的压力腔下侧位置(S1、S2)、(S2、S3)、……的光干涉信号。

另一方面，在被隔壁122划分的邻接的压力腔(C1、C2)、(C2、C3)、(C3、C4)、(C4、C5)上的研磨层f厚度偏差小的情况下，如图7a所示，由于来自邻接的压力腔的光干涉信号(X1、X2)、(X2、X3)、(X3、X4)、(X4、X5)的相位差(图中例示的第一光干涉信号X1与第二光干涉信号X2的相位差phx)大致小于半周期，因而在感测相位差的差异方面没有问题。

但是，当晶片研磨层的厚度偏差在沉积步骤中形成得较大，或在研磨工序中，在各压力腔下侧，研磨层厚度偏差不可预测地增大时，来自邻接的压力腔的光干涉信号(X1、X2)、(X2、X3)、(X3、X4)、(X4、X5)的相位差会超过半周期。

如果参照图7c来说明一个示例，在进行研磨的任意时间点tz，在第一光干涉信号X1与第二光干涉信号X2相比发生半周期以上的相位差phx"的情况下，有可能存在将第一光干涉信号X1与第二光干涉信号X2的相位差(phase difference)错误识别成相对更小的相位差值phfx。如上所述，如果控制部140无法准确感测第一光干涉信号X1与第二光干涉信号X2的相位差phx"，错误地识别相位差phfx，则发生越研磨，第一压力腔C1下侧的研磨层厚度与第二压力腔C2下侧的研磨层厚度的偏差越增大的问题。

为了解决这种问题，本发明使至少一个以上的连接位置E1、E2、……位于各压力腔C1、C2、C3、C4、C5的基准位置S1、S2、S3、S4、S5之间的任意位置，接收在连接位置E1、E2、……上的光干涉信号XE1、XE2、……，合算连接位置E1、E2……与邻接的其他测量位置的相位差，获得各基准位置S1、S2、S3、S4、S5之间的相位差phx，从而即使各基准位置S1、S2、S3、S4、S5之间的相位差phx超过半周期，也可以获得准确的相位差。

如图5b所示，以在第一压力腔C1下侧的第一基准位置S1与第二压力腔C2下侧的第二基准位置S2之间配置有两个连接位置E1、E2为例，如图5c所示，从第一基准位置S1获得第一光干涉信号X1，从第二基准位置S2获得第二光干涉信号X2，从第一连接位置E1获得第一连接光干涉信号XE1，从第二连接位置E2获得第二连接光干涉信号XE2。

其中，如图5d所示，第一光干涉信号X1与邻接的第一连接光干涉信号XE1的相位差phx1、第一连接光干涉信号XE1与第二连接光干涉信号XE2的相位差phx2、第二连接光干涉信号XE2与第二光干涉信号X2的相位差phx3的合算值，成为第一光干涉信号X1与第二光干涉信号X2的相位差phx，因此，控制部140合算与在第一基准位置S1与第二基准位置S2之间配置的连接位置E1、E2的各个相位差phx1、phx2、phx3，获得第一基准位置S1与第二基准位置S2的相位差phx。

如上所述，如果从在基准位置S1、S2、S3、S4、S5之间的n个(n＝1以上)连接位置E1、E2接收连接光干涉信号XE1、XE2，获得邻接的测量位置(S1、E1)、(E1、E2)、(E2、S2)的光干涉信号的各相位差phx1、phx2、phx3后，合算各相位差phx1、phx2、phx3，则邻接的测量位置(S1、E1)、(E1、E2)、(E2、S2)间的厚度偏差比基准位置S1、S2间的厚度偏差减小1/(n+1)，因此，即使基准位置S1、S2、S3、S4、S5之间的相位差phx超过半周期，在它们之间测量的各个相位差phx1、phx2、phx3、……也不超过半周期。

因此，在基准位置S1、S2、S3、S4、S5之间设置连接位置E1、E2、……，以连接位置E1、E2、……为媒介，获得其与邻接测量位置S1、S2……间的相位差并合算该相位差从而，即使在厚度偏差很大的情况下，也可以准确地获得基准位置S1、S2、S3、S4、S5之间的相位差phx。

在图中，出于说明的便利，示例性图示了只在第一基准位置S1与第二基准位置S2之间形成有连接位置E1、E2的结构，但本发明也可以在其他基准位置S3、S4、S5之间形成有至少一个以上连接位置，从而可以相同或类似地获得各基准位置之间的相位角。

如上所述，在基准位置S1、S2之间形成有两个以上连接位置的情况下，连接位置为两个以上，包括位于第一基准位置S1与第二基准位置S2之间的与第一基准位置S1最近的第一连接位置E1以及与第二基准位置S2最近的第二连接位置E2。而且，在各个连接位置获得的连接光干涉信号为多个，包括在第一连接位置E1获得的第一连接光干涉信号XE1和在第二连接位置E2获得的第二连接光干涉信号XE2。

而且，通过合算第一光干涉信号X1与第一连接光干涉信号XE1的第一相位差phx1、第二连接光干涉信号XE2与第二光干涉信号X2的第二相位差phx3、第一连接光干涉信号XE1与第二连接光干涉信号XE2的连接相位差phx2，获得第一光干涉信号X1与第二光干涉信号X2的相位差phx。

其中，在所述连接位置为三个以上的情况下，通过合算在邻接的连接位置E1、E2、……获得的连接光干涉信号XE1、XE2……之间的相位差的值，获得所述连接相位差phxs。

另一方面，在图5b至图5d所示的实施方式中，示例性图示了在基准位置S1、S2之间形成有两个连接位置E1、E2的结构，但也可以在基准位置S1、S2之间只形成一个连接位置。

在这种情况下，可以通过合算第一光干涉信号X1与连接光干涉信号(图上未示出)的相位差、连接光干涉信号(图上未示出)与第二光干涉信号X2的相位差，获得在第一基准位置S1上的第一光干涉信号X1与在第二基准位置S2上的第二光干涉信号X2的相位差phx。

如上所述，连接位置E1、E2、……用于即使随着在基准位置S1、S2、S3、S4、S5下侧位置的晶片研磨层f厚度偏差的增大，光干涉信号X的相位差达到半周期以上，也获得在基准位置S1、S2、S3、S4、S5的光干涉信号X1、X2、X3、X4、X5的准确的相位差。因此，在连接位置为n个(n为自然数)的情况下，优选连接位置配置于将基准位置S1、S2、S3、S4、S5之间进行n等分的位置。

例如，在连接位置为一个的情况下，优选地，各个基准位置S1、S2、S3、S4、S5位于各压力腔C1、C2、C3、C4、C5的中央部(与壁的距离近似的位置)，各连接位置位于压力腔C1、C2、C3、C4、C5的隔壁周边。例如，连接位置可以位于从邻接的压力腔之间的隔壁隔开10mm以内的区域。

所述压力调节部150根据从控制部140传输到的控制命令，通过空气压力供应管155，向各个的压力腔C1、C2、C3、C4、C5供应空气压力，利用压力腔C1、C2、C3、C4、C5中的压力p1、p2、p3、p4、p5来不同地控制对晶片W加压的压力。

其中，如果晶片研磨层f不同位置S1、S2、……上的厚度相同，则对于从各位置S1、S2、……反射的反射光的相同波长的光干涉信号X1、X2、……不存在相位差偏差，然而，如果晶片研磨层f在不同位置上的厚度不同，则对于从各位置S1、S2、……反射的反射光的相同波长的光干涉信号X1、X2、……存在相位差phx、……。

因此，不是根据光干涉信号求出研磨层厚度，将在不同位置上求出的研磨层厚度值作对比后，才由控制部140生成用于调节晶片不同区域的压力的控制命令，并向压力调节部150传输控制命令，而是生成用于直接消除各压力腔C1、C2、C3、C4、C5的基准位置S1、S2、……间的相位差的控制命令，并传输给压力调节部150，从而可以进一步提前调节晶片不同区域的压力的时间点，并且通过研磨头20，可以按晶片的不同区域(zone)，更精巧、精密地调节压力。由此，即使在时间较短的研磨工序期间，也可以根据更简单的控制原理来更准确地消除晶片研磨层厚度偏差。

因此，对于通过压力调节部150施加的压力p1、p2、p3、p4、p5，在研磨工序中的某一时间点tx上，可以通过用于消除光干涉信号偏差的一个控制信号来确定，直至研磨工序结束为止，但是，在研磨工序中的随着时间经过的稠密间隔的多个时间点t1、t2……上，通过用于消除光干涉信号偏差的变动的多个控制命令来改变，并消除晶片研磨层的厚度偏差，直至研磨工序结束为止。

在从光照射部120照射白色光(Li)的情况下，光接收部130接收的反射光Lo为所有波长的光混合而成的状态，因此，所述分光仪160用于从由光接收部130接收的反射光Lo中提取需要的光干涉信号X。不过，本发明不限于照射白色光(Li)的结构，因而也可以排除分光仪160的使用。也可以包括照射具有10个以上波长值的多波长光的结构，以便每隔1秒～2秒获得光干涉信号的相对于时间轴的峰值。

因此，在每个既定波长间隔(例如，图6b及图6c中为1nm至10nm)，从光接收部130接收的反射光Lo中提取光干涉信号，获得对各波长的随着时间(研磨层厚度)而变的光干涉信号。将如此获得的光干涉信号传输给控制部140。

下面参照图8，详细叙述如上构成的本发明的晶片研磨系统100的工作原理。

步骤1：首先，如图3所示，覆盖于正在旋转的研磨盘110上侧的研磨垫111与研磨盘110一同旋转，晶片W在研磨面接触研磨垫111的状态下，被正在旋转20d的承载头20加压，浆料从图中未示出的浆料供应部供应到研磨垫111上，在供应给晶片W的同时进行晶片W的湿式研磨工序(S110)。为了顺畅供应浆料，使研磨垫111改性的调节器40可以一面旋转40d，一面对研磨垫111加压。

步骤2：在研磨工序进行期间，在晶片W的研磨面中，向研磨头20的各压力腔C1、C2、C3、C4、C5下侧的基准位置S1、S2、S3、S4、S5及他们之间的连接位置(……、E1、E2、……)照射具有既定波长的光Li(S120)。

此时，为了控制研磨层f的厚度，将照射到研磨层f的光Li均定为相同的波长，以获得各基准位置S1、S2、S3、S4、S5间的相位差，在研磨工序中可以改变用于获得特定时间点上的相位差的波长值。

步骤3：由光接收部130接收从晶片W的研磨面的各测量位置S1、S2、S3、S4、S5、..、E1、E2、……反射的反射光Lo(Lo1、Lo2、Lo3、Lo4、Lo5、……LoE1、LoE2……)(S130)。

反射光Lo作为在氧化物层f表面被反射的反射光Loe与通过氧化物层f后在金属等非透射层Wo被反射的反射光Loi合并的形式，发生光路径之差，以细微的间隔d传播的反射光Loe、Loi相互干涉并生成光干涉信号X。

步骤4：根据在包括基准位置S1、S2、S3、S4、S5和连接位置(……、E1、E2……)的测量位置上的光干涉信号X，算出基准位置S1、S2、S3、S4、S5间的相位差phx(S140)。

为此，从接收自研磨层f不同的基准位置S1、S2、S3、S4、S5和连接位置……、E1、E2……的反射光Lo中，提取各个光干涉信号X(……X2、X3、……、XE1、XE2、……)，使它们映射于相同时间轴上后相互对比，根据对比的光干涉信号X(……X2、X3、……)，求出相位差phx。

其中，连接位置可以为两个以上，包括位于第一基准位置S1与第二基准位置S2之间的与第一基准位置S1最近的第一连接位置E1以及与第二基准位置S2最近的第二连接位置E2。在这种情况下，可以通过合算第一光干涉信号X1与第一连接光干涉信号XE1的第一相位差phx1、第二连接光干涉信号XE2与第二光干涉信号X2的第二相位差phx3、第一连接光干涉信号XE1与第二连接光干涉信号XE2的连接相位差phx2，获得第一光干涉信号X1与第二光干涉信号X2的相位差phx。

而且，在连接位置在第一基准位置S1与第二基准位置S2之间为一个的情况下，合算在第一基准位置的第一光干涉信号X1与在连接位置的连接光干涉信号的相位差、连接光干涉信号与在第二基准位置的第二光干涉信号X2的相位差，获得在第一基准位置S1与第二基准位置S2的光干涉信号X1、X2的相位差。

由此，即使各基准位置S1、S2、S3、S4、S5的厚度偏差大，导致各基准位置的光干涉信号的相位差超过半周期，也可以通过合算利用在连接位置上的测量值稠密地获得的较小的连接相位差phx2以及在连接位置与基准位置之间获得的较小的相位差phx1、phx2，准确求出在基准位置之间的光干涉信号X1、X2、……的相位差phx。

步骤5：获得各基准位置S1、S2、S3、S4、S5间的光干涉信号的相位差后，压力调节部150控制研磨头20的压力腔C1、C2、C3、C4、C5的压力p1、p2、p3、p4、p5，以便消除在基准位置上的相位差(S150)。

更具体而言，如图6a所示，在晶片W的氧化物层f表面Sx被反射的反射光Loe与通过晶片W的氧化物层f后在非透射层Wo被反射的反射光Loi，虽然从相同的光源照射，但两者之间有细微间隔d，存在与氧化物层f厚度t成比例的光路径之差，因此，反射光Loe、Loi相互干涉，生成与正弦波形类似的光干涉信号X(即，干涉光)。

如图6a所示，在氧化物层f的初期厚度to较厚的研磨初期状态下，在氧化物层f表面So被反射的反射光Loi'与通过氧化物层f后在非透射层Wo被反射的反射光Loe'之间的间隔do相对较大，但随着研磨工序的继续，氧化物层f的厚度t逐渐变薄，接近目标厚度(例如，

)，在氧化物层f表面Sx反射的反射光Loi与通过氧化物层f后在非透射层Wo反射的反射光Loe之间的间隔d逐渐减小，因此，干涉光X的波形具有氧化物层f厚度越薄，相对于波长越变动的倾向性。因此，如图6b及图6c所示，关于全体波长的白色光光谱X，在初期，呈现波长的强度(intensity)的波形间隔Y较窄的形态，随着时间的经过，变更为间隔Y'逐渐加宽的波形。

另一方面，本发明向晶片W的研磨面照射具有既定波长的光Li，因而在晶片W的研磨面被反射的反射光Lo及由此而生成的光干涉信号X为对于既定波长的光干涉信号X相加的形态。例如，在将1nm至1050nm的具有均匀强度的白色光当作照射光，向晶片W的氧化物层f照射的情况下，光接收部130接收的作为光干涉信号X组合的反射光Lo如图6b及图6c所示。

研磨初期状态下，如图6b所示，光接收部130接收的反射光Lo，在多个波长中的干涉光X强度(intensity)，根据波长λ而以较窄间隔Y反复形成为与正弦波形类似的形状。而且，随着研磨工序的继续，氧化质层的厚度逐渐变薄，如图6b所示，根据波长λ，干涉光X的强度类似于正弦波形地保持，但他们之间的间隔Y'逐渐加宽。

如果以一个波长(例如，第一波长为469nm)为中心，考查其随着时间(或氧化质层的厚度)的经过而变动的倾向，则如图6d所示，关于一个波长λ1的干涉光X的强度具有与正弦波形类似地上下反复的倾向。换句话说，如果晶片研磨层f厚度随着研磨工序而逐渐变薄，则如图6b所示，随着研磨工序时间的经过，光干涉信号(intensity输出)改变为正弦波形。

即，在氧化质层的厚度随着研磨工序的进行而变薄的过程中，对一个波长的光干涉信号X生成周期性的波形，因而根据光干涉信号的值V1，无法准确获知研磨层f的厚度t，所以，以往一直根据对一个波长的光干涉信号(或干涉光)的周期变化或周期经过次数(例如，如果研磨开始后经过3次周期，则达到最终目标厚度)，检测研磨结束时间点。而且，一直试图从周期的变化和周期经过次数及光干涉信号的值算出晶片研磨层f的厚度。

但是，光干涉信号的值因光接收部130与研磨层f之间的异物质而略微失真，在准确算出厚度方面存在局限性，关于光干涉信号X某个值V1的研磨层厚度，在研磨工序中多次t1、t2……重复出现，包括由补偿信号失真导致的问题在内，从光干涉信号的值算出研磨层厚度，这需要非常复杂的运算，因此，在实际研磨工序中获得晶片研磨层的厚度值的方式一直未被实际应用。

与之相反，本发明并非直接算出晶片研磨层f的厚度，而是如图7a所示，将在研磨工序中某一时间点tx从不同位置S1、S2、S3、S4、S5获得的光干涉信号X的相位差作对比，向去除光干涉信号X的相位差的方向进行控制。

以从相互邻接地位于第一压力腔C1和第二压力腔C2下侧的第一基准位置S1和第二基准位置S2接收的反射光Lo1、Lo2为例，根据从第一基准位置S1接收的反射光Lo1获得的随着时间而变的光干涉信号X1的值Q1，会与在既定的第一时刻tx根据从第二基准位置S2接收的反射光Lo2获得的随着时间而变的光干涉信号X2的值Q2发生相位差phx。以图7a为例，在第一基准位置S1上的光干涉信号X1比在第二基准位置S2上的光干涉信号X2，滞后phx的相位差，这意味着在第一基准位置S1上的研磨层厚度比在第二基准位置S2上的研磨层厚度更厚(欠研磨)。

因此，控制部140控制压力控制部150与调节器40的压力，使得从光接收部130接收的反射光Lo(Lo1、Lo2……)一致。即，控制部140控制第一压力腔C1的压力p1高于第二压力腔C2的压力p2，进一步提高位于第一压力腔C1下侧的晶片W区域的每单位时间的研磨率，以消除第一基准位置S1与第二基准位置S2的厚度偏差。与此同时或者独立于此，控制部140进一步调低相对于与第一压力腔C1下面相应的研磨垫111区域进行摆动运动的调节器40的压力，诱导在与第一压力腔C1底面相应区域的研磨垫111高度高于在与第二压力腔C2底面相应区域的研磨垫111的高度，从而可以进一步提高位于第一压力腔C1下侧的晶片W区域的每单位时间研磨率。

由此，通过调节对晶片W加压的研磨头20压力腔C1、C2、C3、C4、C5的压力p1、p2、p3、p4、p5，或调节调节器40的压力Fc，在第一时刻tx以后，在第一基准位置S1上的每单位时间的研磨层研磨率比在第二基准位置S2的每单位时间的研磨层研磨率高，因此，如图7b所示，在第二基准位置S2上的光干涉信号X2'的变化率更缓慢地变动，同时，在经过一定时间后的第二时刻ty，可以去除在第一基准位置S1上的光干涉信号X1与在第二基准位置S2上的光干涉信号X2根据时间追踪的信号偏差(相位差及光干涉输出值)。即，这意味着在第一基准位置S1上的研磨层厚度与在第二基准位置S2上的研磨层厚度变得相互均匀。

压力调节步骤S140在晶片W研磨工序中，既可以在既定的第一时刻tx只进行一次，也可以隔着既定时间间隔进行多次。

如上所述，本发明无需在研磨工序中直接算出研磨层f的厚度，而是在研磨工序进行期间，连续获得关于研磨层厚度偏差的信息，间歇或持续地对其进行补正，从而可以在晶片研磨层f达到目标厚度的状态下，整体上均匀地控制晶片W研磨层厚度分布。

在前述实施例中，虽然以整体上均匀地调节晶片研磨层的厚度分布的结构为例，但当要将晶片研磨层的一部分(例如，边缘)调节为比其他研磨层区域更厚或更薄的情况下，调节在最外侧压力腔C5的第五基准位置S5的光干涉信号比在其他位置的光干涉信号(……、X2、X3、..)滞后或提前既定程度，从而，也可以按照预期的分布准确地调节研磨层的厚度分布。

由此，本发明即使没有在研磨工序中直接算出研磨层f的厚度，也可以向消除根据时间追踪在不同的位置S1、S2、S3、S4、S5获得的光干涉信号X的信号相位差的方向，控制对晶片W加压的压力与调节器40的压力Fc中的一个以上，从而，调节晶片研磨层厚度达到预期的分布。

以上通过优选实施例，示例性地说明了本发明，但本发明并非只限定于这种特定实施例，在本发明提出的技术思想范畴内，具体而言，在专利权利要求书记载的范畴内，可以修订、变更或改善为不同的方式。

Claims (16)

1.一种晶片研磨系统，形成有透光性材质的研磨层，其特征在于，包括：

研磨头，具备包括第一压力腔和第二压力腔的多个压力腔，通过调节所述压力腔的压力，在研磨工序中将位于下侧的所述晶片加压于研磨垫；

光照射部，用于向所述晶片的研磨层照射光；

光接收部，用于接收从所述研磨层反射的光干涉信号，且接收从所述第一压力腔下侧的第一基准位置反射的第一光干涉信号、从所述第二压力腔下侧的第二基准位置反射的第二光干涉信号、从所述第一基准位置与所述第二基准位置之间的一个以上的连接位置反射的连接光干涉信号；

压力调节部，在所述研磨工序中消除第一基准位置和第二基准位置的所述研磨层的厚度偏差时，不是根据在所述研磨工序中从所述光接收部接收的所述光干涉信号求出所述研磨层厚度，而是调节所述第一压力腔和所述第二压力腔的压力，以便减小所述光接收部从所述第一基准位置和所述第二基准位置接收的第一光干涉信号与所述第二光干涉信号的相位差。

2.根据权利要求1所述的晶片研磨系统，其特征在于，

所述连接位置为一个；

通过合算所述第一光干涉信号与所述连接光干涉信号的第一相位差、所述连接光干涉信号与所述第二光干涉信号的第二相位差的相位差，获得所述第一光干涉信号与所述第二光干涉信号的相位差。

3.根据权利要求1所述的晶片研磨系统，其特征在于，

所述连接位置为两个以上，包括位于所述第一基准位置与所述第二基准位置之间的与所述第一基准位置最近的第一连接位置以及与所述第二基准位置最近的第二连接位置；

所述连接光干涉信号为多个，包括在所述第一连接位置获得的第一连接光干涉信号以及在所述第二连接位置获得的第二连接光干涉信号。

4.根据权利要求3所述的晶片研磨系统，其特征在于，

通过合算所述第一光干涉信号与所述第一连接光干涉信号的第一相位差、所述第二连接光干涉信号与所述第二光干涉信号的第二相位差、所述第一连接光干涉信号与所述第二连接光干涉信号的连接相位差的相位差，获得所述第一光干涉信号与所述第二光干涉信号的相位差。

5.根据权利要求4所述的晶片研磨系统，其特征在于，

所述连接位置为三个以上，

通过合算在邻接的多个连接位置获得的多个连接光干涉信号间的相位差的值，获得所述连接相位差。

6.根据权利要求1所述的晶片研磨系统，其特征在于，

所述研磨层为氧化物层。

7.根据权利要求1所述的晶片研磨系统，其特征在于，

所述接收光的步骤是在所有所述压力腔的下侧，分别接收至少一个位置上的光干涉信号。

8.根据权利要求1所述的晶片研磨系统，其特征在于，

所述第一压力腔与所述第二压力腔隔着隔壁邻接配置。

9.根据权利要求1所述的晶片研磨系统，其特征在于，

所述研磨头以同心圆状配置有多个压力腔。

10.根据权利要求9所述的晶片研磨系统，其特征在于，

所述连接位置位于从所述晶片的旋转中心隔开规定距离处，所述规定距离处于从所述晶片的旋转中心至所述第一基准位置的第一距离和从所述晶片的旋转中心至所述第二基准位置的第二距离之间。

11.根据权利要求9所述的晶片研磨系统，其特征在于，

所述连接位置位于连接所述第一基准位置与所述第二基准位置的连接直线上。

12.根据权利要求10所述的晶片研磨系统，其特征在于，

所述第一基准位置位于所述第一压力腔的中央部，所述第二基准位置位于所述第二压力腔的中央部，所述连接位置位于从设置于所述第一压力腔与所述第二压力腔之间的隔壁起隔开10mm以内的区域。

13.根据权利要求1所述的晶片研磨系统，其特征在于，

当所述第一光干涉信号比所述第二光干涉信号滞后时，使通过所述第一压力腔施加到所述晶片的第一压力大于通过所述第二压力腔施加到所述晶片的第二压力。

14.根据权利要求1所述的晶片研磨系统，其特征在于，

所述研磨头独立地调节分割成多个的所述压力腔的压力，以调节对所述晶片施加的压力。

15.根据权利要求1～12中任意一项所述的晶片研磨系统，其特征在于，

还包括调节器，其对所述研磨垫的表面进行改性；

所述调节器以减小所述第一光干涉信号与所述第二光干涉信号的相位差的方式，根据所述调节器相对于所述研磨垫的位置而调节压力。

16.根据权利要求15所述的晶片研磨系统，其特征在于，

当所述第一光干涉信号比所述第二光干涉信号滞后时，使在对应于所述第一基准位置的区域上的调节器的压力低于在对应于所述第二基准位置的区域上的调节器的压力。

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