CN110948376B - 一种用于化学机械抛光承载头的驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于化学机械抛光承载头的驱动装置，包括电机、驱动轴、气动组件和外壳，所述电机和气动组件配置于所述外壳内，所述驱动轴从所述外壳底部伸出以将所述电机和气动组件的作用传递至承载头，所述外壳外表面配置有至少一个光学传感器单元。

Description

一种用于化学机械抛光承载头的驱动装置

技术领域

本公开涉及半导体基板加工技术领域，尤其涉及化学机械抛光设备。

背景技术

化学机械抛光是一种在芯片制造领域的主流的基板抛光的方式。这种 抛光方式通常将基板吸合在承载头的下部，基板具有沉积层的一面抵接于 旋转的抛光垫上表面，承载头在驱动部件的带动下与抛光垫同向旋转并给 予基板向下的载荷；同时，抛光液供给于抛光垫的上表面并分布在基板与 抛光垫之间，在化学及机械的综合作用下使基板完成全局化的抛光。

随着电路的特征线宽从250nm逐渐向28nm甚至于向5nm演进，对基 板制造的化学机械抛光需求变得非常高，例如需要更方便可靠地实时监测 抛光垫的表面形貌及温度等状态、需要更方便可靠地实时监控抛光液的散 布及温度状态等、需要更方便可靠地实时监控保持环等抛光部件表面的抛 光液结晶情况、需要更方便可靠地监控抛光垫及保持环的牺牲部的损耗情 况等等。

发明内容

本发明旨在一定程度上解决上述问题中的一部分，有鉴于此，本发明 提供了一种用于化学机械抛光承载头的驱动装置，包括电机、驱动轴、气 动组件以及外壳，所述电机和气动组件配置于所述外壳内，所述驱动轴从 所述外壳底部伸出以将所述电机和气动组件的作用传递至承载头，其特征 在于，所述外壳外表面配置有至少一个光学传感器单元。

优选的，所述光学传感器单元可在所述外壳外表面移动以调节其水平 和竖直距离。

优选的，所述外壳底部边缘配置有光学投影器。

优选的，所述光学投影器可沿所述外壳底部边缘移动。

优选的，所述外壳外表面配置有两个光学传感器单元和至少一个光学 投影器。

优选的，所述光学传感器单元和所述光学投影器可分别相对独立移动 或一起移动。

优选的，上述承载头驱动装置还包括用于接收所述光学传感器所获取 的图像信息、承载头状态信息、承载头位置信息、基板状态信息和/或抛光 转盘状态信息中至少一种信息的控制单元，该控制单元根据其接收到的输 入运算得到并输出用于控制所述光学传感器单元位置的输出信号，所述光 学传感器根据该输出信号移动。

此外，本发明还公开了一种化学机械抛光装置，用于全局地平坦化基 板，其包括：

转盘，用于致动抛光垫与其一起旋转，

承载头，其配置有保持环以接收基板并将基板加载于所述转盘上的抛 光垫，

以及承载头驱动装置，该驱动装置包括电机、驱动轴、气动组件、外 壳和控制单元，所述电机和气动组件配置于所述外壳内，所述驱动轴从所 述外壳底部伸出以将所述电机和气动组件的作用传递至承载头，所述外壳 外表面配置有至少一个光学传感器单元，所述控制单元用于接收所述光学 传感器所获取的图像信息、承载头状态信息、承载头位置信息、基板状态 信息和/或抛光转盘状态信息中至少一种信息，所述控制单元根据其接收到的输入运算得到并输出用于控制所述光学传感器单元位置的输出信号，所 述光学传感器根据该输出信号移动。

进一步的，上述化学机械抛光装置的所述光学传感器单元可在所述外 壳外表面移动以调节其水平和竖直距离。

进一步的，上述化学机械抛光装置的所述外壳底部边缘配置有光学投 影器。

本发明的有益效果包括但不限于，在一定程度上解决化学机械抛光状 态监测的视场与精确度之间的矛盾并且可以同时获取不同抛光部件的不 同位置的多种状态数据以为多元统计回归分析和机器学习提供大数据基 础，在一定程度上解决了训练及决策数据不足的问题。

附图说明

为了进一步清楚地说明本发明实施例和/或现有技术中的相关的技术 方案，下面将对根据本发明的实施例及现有技术描述中所需要使用的附图 及其中的主要内容作简单介绍，显而易见的是，下面描述中的附图仅仅是 本发明的一部分实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造 性劳动的情况下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1示出了的具有两个光学传感器单元的化学机械抛光装置的结构示 意图，其中的两个光学传感器单元设置在根据本发明的用于化学机械抛光 承载头的驱动装置的外表面；

图2示出了承载头的驱动装置表面设置有竖直导轨和斜向导轨的化学 机械抛光装置，光学传感器单元可沿其中的导轨在承载头的驱动装置的外 表面移动；

图3示出了在承载头的驱动装置的外表面配置了延伸导轨的化学机械 抛光装置，光学传感器单元可随延伸导轨移动至承载头的驱动装置下方；

图4A和图4B分别示出了不同形式的光学传感器单元的变体。

具体实施方式

下面结合具体实施例及其附图，对本发明所述技术方案进行详细说明。 在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构 思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本发明实施方式及本 发明保护范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基 于本申请权利要求书及其说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术 方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的 替换和修改的技术方案。

在本申请中，“化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing)”也称 为“化学机械平坦化(Chemical Mechanical Planarization)”，基板(substrate) 也成称为晶圆(wafer)，其含义和实际作用等同。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。 如图1所示，应用了本发明实施例的承载头驱动装置100的化学机械抛光 装置的主要构成部件包括：用于保持基板并加载致动基板的承载头10、上 表面覆盖有抛光垫21的抛光盘20、用于修整抛光垫21的修整器30、以 及用于提供抛光液的供液器40、用于驱动承载头10旋转并向承载头10 传递载荷的承载头驱动装置50、和耦连承载头10和承载头驱动装置50 的驱动轴60；其中，承载头驱动装置50中设置有用于使驱动轴60旋转的 电机(未示出)和用于向承载头10施加气体载荷的气动组件(未示出)等，承 载头驱动装置50可沿滑轨等导向部件携带承载头10水平移动靠近或远离 抛光垫21的圆周中心。

在化学机械抛光作业过程中，承载头10将接收于其下表面的基板抵 压在抛光盘20表面覆盖的抛光垫21上，并且承载头10进行旋转运动以 及沿抛光盘20的径向往复移动使得与抛光垫21接触的基板表面被逐渐抛 除，同时抛光盘20旋转，供液器40向抛光垫21表面散布施加抛光液。 在抛光液的化学作用和承载头的机械载荷共同作用下，通过承载头10与 抛光盘20的相对运动使基板与抛光垫21之间摩擦以实现基板的全局化抛 光。在抛光期间，修整器30用于对抛光垫21表面形貌进行修整和活化， 使用修整器30可以移除残留在抛光垫21表面的杂质颗粒，例如抛光液中 的抛光颗粒以及从基板表面脱落的废料等，还可以将由于抛光导致的抛光 垫21表面形变进行平整化。

如图1所示，承载头驱动组件50仅可沿水平方向直线移动或摆动而 难以在竖直方向上移动，其外壳501的最下端与抛光垫21的上表面之间 的距离约为60mm至120mm，外壳501可以形成为如图1所示的竖直延 伸的矩形箱体，或者也可以形成截面为椭圆形或其他形状组合的竖直箱体， 以容置电机和气动组件等其他零部件。根据本发明的承载头驱动装置50 还包括设置于其外壳501的外表面的光学传感器单元502和/或光学传感器 单元503，换言之，根据本发明的承载头驱动装置50表面至少安装有一个 光学传感器单元。更具体的，对于形如如图1所示的外壳501而言，光学 传感器单元502、503设置在外壳501最接近抛光垫21边缘的侧面的下边 缘处，例如可以设置在该侧面的下边缘的中间位置或者设置在该下边缘的 一端和/或两端。鉴于外壳501的底部与抛光垫21之间的距离较小，而抛 光垫21的直径一般为500mm至770mm，因此采现有技术中仅在类似于 外壳501的结构的下表面或化学机械抛光设备机架上安装摄像头的技术方 案难以像本发明的承载头驱动装置50这样通过光学传感器单元502、503 来获取抛光垫21的全场高清表面图像数据，或者说，根据本发明的具有 光学传感器单元的承载头驱动装置50可以更大范围且更准确、更全面的 获取抛光垫21及抛光设备其他部件的图像信息。

为了进一步扩大承载头驱动装置50的光学传感器单元502或503的 有效视场(field of view)，光学传感器单元502和/或503可以设置成可移动 的传感器单元，使得所述光学传感器单元可在外壳501表面竖向移动，从 而增大传感器单元距离抛光垫21的距离以增大其有效视场范围，这样不 仅可以更全面的监测抛光垫21表面的抛光液分布状态及流速信息等，还 可以监测供液器40和修整器30的作业状态等。将光学传感器单元设置在外壳501的外表面而非底面的另一点有益效果在于，尽量使得承载头10 少落入光学传感器单元的视场范围内以使更多的抛光垫21的表面图像被 捕获，换言之，尽量使得承载头10不挡住光学传感器单元的视场。

如图2所示，为了便于实现使得光学传感器单元502、503在外壳501 表面移动，外壳501表面可设置有至少一条沿外壳最接近抛光垫21的竖 直拐角边或竖直边竖直延伸的导轨510，使得光学传感器单元单元503可 导轨510竖直运动以调节其与抛光垫21之间的距离；作为导轨510的一 种可替换的变体，其也可形成如导轨520的形式，导轨520沿外壳501的 侧面的外表面斜向延伸，其与水平面的夹角为30度至60度，优选为45 度。

此外，如图3所示，为了使光学传感器单元503能够近距离的监测抛 光垫21表面的细微特征等，可以增设内滑轨530B并将光学传感器单元 503设置于内滑轨530B的下端，内滑轨530B可移动地套设在外滑轨530A 中并可沿外滑轨530A移动以调整传感器单元503与抛光垫21上表面之间 的距离，图3中虚线部分示出了内滑轨530B带动光学传感器单元503向 下竖直移动后的状态，可见，此时光学传感器单元503已处于接近抛光头10的上表面所在的平面并且可以继续向下移动延伸直至接触抛光垫21。

通过使光学传感器单元503随内导轨530B向下竖直移动至与抛光垫 21的上表面接触，可以便于光学传感器单元503近距离地监测抛光头10 和抛光垫21的作业状态，例如监测承载头10的外周积累的结晶颗粒情况、 监测抛光垫21表面的污染物、颗粒物、杂质等情况、和/或抛光垫21的厚 度及磨损等。

尽管没有示出，但作为根据本发明的承载头驱动组件50的变体，外 滑轨530A、内滑轨530B以及安装在内滑轨530B下端的光学传感器单元 503也可以设置在外壳501的内部，当需要使用光学传感器单元503时， 内导轨530B携带光学传感器单元503向下竖直移动从外壳501的底部伸 出。类似的，也可以在承载头驱动组件50的外壳501的外表面设置多条类似的导轨，使得设置在其表面的多个光学传感器单元均可沿相应的导轨 移动以改变其位置，所述光学传感器单元的数量可以是1个、2个、3个 或者更多，并且这些光学传感器单元502或503可以形成为包括摄像头、 透镜组、角度调节部等，使得所述摄像头可以改变其视场的位置和角度以 获取不同方位的图像信息。

此外，也可在外壳501的外表面设置光学投影器(未示出)，所述光学 投影器可投射不同形式及图案的红外光、紫外光、白光等，其图案可以是 条纹结构光、散斑结构光等，以与所述摄像头配合测量抛光垫21的表面 形貌、抛光液的分布及厚度、抛光头周围的弓波(Bow Wave)等，并且所述 光学投影器可以包括两个或两个以上的投影部，以投射出不同形式的光、 光学图案及其组合，并且所述光学投影器可以形成为LED光源、LCD光 源。

容易想到的是，所述光学投影器可以与摄像头封装成为一体，成为光 学传感器单元并一起移动，光学传感器单元502、503也可以用于监控抛 光头10所接收的基板是否出现滑片(Wave Slip)现象以及抛光液在抛光垫 21表面的流速等；优选的，光学传感器单元502、503中摄像头的图像传 感器采用每秒采集率超过500帧的高速图像传感器，优选采用每秒采集率 超过2000帧的高速图像传感器以实时监控基板是否出现滑片(Wafer Slip)现象及抛光液的流动等。

优选的，根据本发明的承载头驱动组件50配置有至少两个光学传感 器单元，从而便于通过双目成像的方式或结构光投影的方式获得抛光垫21 的三维表面形貌和抛光液的分布情况。

此外，光学传感器单元502、503中的透镜组和图像传感器也可配置 成可转动或可调节角度的，其角度位置可以根据化学机械抛光的工艺进程 进行调整，也可以根据监测到的图像数据的分析结果来进行调整；或者如 图4A中的摄像头5033和5035那样，使得光学传感器单元中的透镜组和 图像传感器朝向承载头10的边缘及底部安装，使得当承载头10处于作业 状态时或抬升起后，所述光学传感器单元可向下移动以获取承载头10的 保持环(未示出)的厚度及磨损情况。

进一步的，每个光学传感器单元502、503中可装有两组及以上的摄 像头及获取不同角度的图像信息，例如光学传感器单元502、503中设置 有朝向承载头10的下部的保持环边缘获取图像的摄像头5033，也可设置 朝向供液器40的供液喷嘴配的摄像头以监测抛光液滴落的液滴大小和液 滴流速等。图4A示出了光学传感器单元503的另一种变体，可包括：基 体5030、固连至基体5030并驱动基体5030移动的内滑轨530B、设置于 基体5030底部的摄像头5031和光学投影器5032、设置于基体5030的朝 向承载头10的侧面的以获取承载头10及保持环状态的摄像头5033，其中 基体5030形成为近似立方体的形状，具有大体竖直的四个侧壁或圆周状 侧壁；容易理解的是，尽管没有示意出，也可以在侧壁上设置摄像头和光 学投影器，以通过结构光投影测量的方式获取保持环边缘粘连的抛光液结 晶层的厚度和形貌特征，另外，也可以在基体5030的上表面设置摄像头 5035以通过将承载头10提升起并将光学传感器单元503移动至基体5030 下方，从而使得摄像头5035获取承载头10底部和下部的图像；本申请的 技术方案中，摄像头也可替换地形成为用于测量温度的非接触式和/或接触 式的温度传感器，例如红外温度传感器等以检测抛光垫的温度、抛光液的 温度、保持环的温度、承载头不同部分的温度等。

图4B示出了光学传感器单元503实施例的另一种变体，其通过一种 具有弧面壁5043的基体504来配置一套可以变换取景角度的摄像头5041 和/或光学投影器5042，摄像头5041和/或光学投影器5042可沿弧面壁5043 移动如箭头所示方向来回移动，当移动到弧面壁5043下方时，摄像头5041 和/或光学投影器5042对准抛光垫21的上表面以测量其表面的磨损、厚度、 抛光液分布、温度等信息数据，当其移动至弧面壁5043上方时，则对准 承载头10的侧面以监测承载头10表面的抛光液结晶情况及保持环的污染、 保持环的消耗等情况，并且也可以监测保持环磨损情况等；作为图4B中 示出的光学传感器单元503实施例的另一种变体，容易理解是的，也可以 将图4B中90度的弧面设置成180度的弧面，使得摄像头5041等可以通 过移动至弧面上端对准其上方物体，例如对准承载头10和/或其保持环的底面以检测基板的装载及保持环底面的状态。

最后需要说明的是，本申请中的光学传感器单元502、503、504的作 用并不限于获取光学图像，也可以是诸如红外测距仪等光学传感器构成的 其他功能单元。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各 部分的形状及其相互关系。应当理解的是，为了便于清楚地表现出本发明 实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制，相同的参 考标记用于表示附图中相同的部分。在本说明书的描述中，参考术语“一 个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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 求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种用于化学机械抛光承载头的驱动装置，包括电机、驱动轴、气动组件和外壳，所述电机和气动组件配置于所述外壳内，所述驱动轴从所述外壳底部伸出以将所述电机和气动组件的作用传递至承载头，其特征在于，所述外壳外表面配置有至少一个光学传感器单元；

所述外壳的外表面配置有光学投影器；

所述光学传感器单元可在所述外壳外表面移动以调节其水平和竖直距离，每个光学传感器单元中装有两组摄像头以获取不同角度的图像信息；

所述光学投影器与光学传感器单元中的摄像头配合，通过结构光投影的方式获得抛光垫的三维表面形貌和抛光液的分布情况。

2.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述光学投影器可沿所述外壳底部边缘移动。

3.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述外壳外表面配置有两个光学传感器单元和至少一个光学投影器。

4.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，还包括用于接收所述光学传感器单元所获取的图像信息、承载头状态信息、承载头位置信息、基板状态信息和/或抛光转盘状态信息中至少一种信息的控制单元，该控制单元根据其接收到的输入运算得到并输出用于控制所述光学传感器单元位置的输出信号，所述光学传感器单元根据该输出信号移动。

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