CN111263683A - 垫调节器的切割速率监控 - Google Patents

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Abstract

一种用于化学机械抛光的装置，包括平台，所述平台具有表面以支撑抛光垫；承载头，保持基板抵靠抛光垫的抛光表面；垫调节器，保持调节盘抵靠抛光表面；原位抛光垫厚度监控系统；及控制器。控制器配置成以相应临界值储存与多个调节器盘产品的每个相关联的数据、接收从多个调节盘产品选择调节器盘产品的输入、确定与经选择的调节器盘产品相关联的特定临界值、从监控系统接收信号、从信号产生垫切割速率的测量、及若垫切割速率在特定临界值之外则产生警报。

Description

垫调节器的切割速率监控
技术领域
本公开案关于在化学机械抛光中通过垫调节器监控在整个抛光垫的切割速率。
背景技术
集成电路通常通过在硅晶片上依序沉积导电、半导体或绝缘层而形成在基板上。各种制造工艺需要在基板上平坦化层。举例而言，一个制造步骤牵涉将导电填充层沉积在图案化绝缘层上以填充绝缘层中的沟道或孔。接着抛光填充层直到暴露凸起的绝缘层图案。在平坦化之后，残留在凸起的绝缘层图案之间的导电填充层形成过孔、插头及导线，而提供基板上薄膜电路之间的导电路径。
化学机械抛光(CMP)为一种可接受的平坦化的方法。此平坦化方法通常需要将基板固定在承载头上。基板的暴露的表面放置抵靠旋转抛光垫。承载头在基板上提供可控制的负载，以推挤基板抵靠抛光垫。诸如具有研磨粒子的浆料的抛光液体供应至抛光垫的表面。
在CMP工艺实行达某时段之后，抛光垫的表面归因于浆料副产物的堆积及/或从基板及/或抛光垫移除的材料而可能变得光面(glazed)。光面可降低抛光速率或增加基板上的非均匀性。
通常，抛光垫通过以垫调节器进行调节的工艺而维持在所欲的表面粗糙度(且避免光面)。垫调节器用以在抛光垫上移除非所欲的堆积，且将抛光垫的表面重新产生至所欲的粗糙度。通常的垫调节器包括研磨调节器盘。此调节器盘可例如嵌入金刚石研磨粒子而可抵靠抛光垫表面刮擦以重新纹理化垫。然而，调节工艺亦倾向耗损抛光垫。因此，在某些次数的抛光及调节的循环之后，必须替换抛光垫。
发明内容
一种用于化学机械抛光的装置，包括：平台，具有表面以支撑抛光垫；承载头，保持基板抵靠抛光垫的抛光表面；垫调节器，保持调节盘抵靠抛光表面；原位抛光垫厚度监控系统；及控制器。控制器配置成以相应临界值储存与多个调节器盘产品的每个相关联的数据、接收从多个调节器盘产品选择调节器盘产品的输入、确定与经选择的调节器盘产品相关联的特定临界值、从监控系统接收信号、从信号产生垫切割速率的测量、及若垫切割速率在特定临界值之外则产生警报。
某些实施方式可包括一或更多以下优点。可确定抛光垫的厚度，且可监控对整个抛光垫的切割速率。若切割速率偏离正常速率，则此可表示调节器盘的效率降低。当调节器盘效率降低时可替换调节器盘，由此改善垫调节均匀性，增加基板抛光速率，且减少晶片的中非均匀性(WIWNU)及缺陷。可调整调节盘上的压力使得垫耗损速率实质上维持恒定。
一或更多实施方式的细节在附图及以下说明书中提及。其他方面、特征及优点将在说明书、图及从权利要求书而为显而易见的。
附图说明
图1A为包括配置成检测垫层厚度的传感器的化学机械抛光系统的示意侧视部分剖面图。
图1B为包括检测垫层厚度的传感器的化学机械抛光系统的另一实例的示意侧视部分剖面图。
图2为化学机械抛光系统的顶部示意视图。
图3为用于电磁感应监控系统的驱动系统的电路示意图。
图4为来自传感器的信号强度对平台的多重旋转的说明图表。
图5为垫切割速率对时间的说明图表。
在各个图中类似的元件符号代表类似的元件。
具体实施方式
如上所述，调节工艺亦倾向耗损抛光垫。抛光垫通常具有沟槽以承载浆料，且随着垫被耗损，这些沟槽变得较浅且抛光效率降级。因此，在抛光及调节的某次数的循环之后，需要替换抛光垫。通常此举仅通过在已抛光一定数量的基板之后替换抛光垫即可完成，例如，在500个基板之后。
令人遗憾的是，垫耗损的速率并非固定，所以抛光垫可能比设定次数持续更多或更少的次数，而可分别导致垫寿命的浪费或非均匀的抛光。具体而言，在抛光垫的寿命期间，在调节盘上例如金钢石的研磨材料逐渐耗损。因此，盘的调节效率可随着时间下降。因此，所产生的表面纹理调节发生变化，且可随着抛光垫的寿命且在不同垫之间发生降级。此举改变抛光的特性。
类似地，调节器盘倾向随着时间丧失效率。在不限于任何特定理论的情况下，在调节器上的研磨粒子亦耗损且失去尖锐度。因此，垫调节器亦需要周期性地替换。再次，此举仅通过在已抛光一定数量的基板之后替换调节盘即可完成，例如，在1000个基板之后(垫及调节盘的替换速率为耗损品且取决于工艺)。
抛光垫厚度可经原位测量，例如以安装在调节系统、承载头或平台上的传感器测量。若测量的垫厚度低于临界值，则可替换抛光垫。此外，运行垫切割速率(亦称为垫耗损速率)可从垫厚度测量而计算。可监控垫切割速率的变化及噪声。此外，若测量的垫耗损速率低于临界值，则可替换调节器盘。
一个难题为厚度测量可能遭受到显着的噪声。对噪声的某些作用可为周期性的，例如，因为传感器通过抛光垫的不同位置。对噪声的另一作用为“湿式停留”问题；当抛光系统在湿式停留之后开始运行，感应式传感器的抛光垫厚度测量结果倾向于大得不自然。此举产生的垫切割速率估计不正确。
然而，通过将预测过滤施加至垫厚度测量，例如卡尔曼滤波器，可降低此噪声且更准确地计算垫的耗损速率。
图1A图标化学机械抛光装置的抛光系统20的实例。抛光系统20包括可旋转盘形平台24，抛光垫30位于此平台上。平台24可操作以在轴25四周旋转。举例而言，马达22可转动驱动杆28以旋转平台24。抛光垫30可为两层抛光垫，而具有外部层34及较软背层32。
抛光系统20可包括供应端口或结合的供应冲洗臂39，以将例如浆料的抛光液体38配给至抛光垫30上。
抛光系统20亦可包括抛光垫调节器60，以研磨抛光垫30来维持抛光垫30在一致的研磨状态。抛光垫调节器60包括底座、可在抛光垫30上横向扫掠的臂62及通过臂64连接至底座的调节器头64。调节器头64将研磨表面(例如，通过调节器头64保持的盘66的下部表面)与抛光垫30接触以对抛光垫30调节。研磨表面为可旋转的，且可控制研磨表面抵靠抛光垫的压力。
在某些实施方式中，臂62枢转附接至底座，且来回扫掠以振荡扫掠运动横跨抛光垫30移动调节器头64。调节器头64的运动可与承载头70的运动同步，以避免碰撞。
调节器头64的垂直运动及在抛光垫30上调节表面的压力的控制可通过在调节器头64上或内的垂直致动器68提供，例如，可加压腔室定位以施加向下压力至调节器头64。或者，垂直运动及压力控制可通过底座中的垂直致动器提供，而抬升整个臂62及调节器头64，或通过臂62及底座之间的枢纽连接而准许臂62的倾斜的可控制角度，且因此准许调节器头64在抛光垫30上方的高度。
调节盘66可为以例如金钢石砾的研磨粒子涂布的金属盘。具体而言，调节盘66可为导电主体。
承载头70可操作以保持基板10抵靠抛光垫30。承载头70从例如转盘或轨道的支撑结构72悬挂，且通过驱动杆74连接至承载头旋转马达76，使得承载头可在轴71的四周旋转。可选地，承载头70可横向振荡，例如在转盘或轨道72的滑件上；或通过转盘本身的旋转振荡。在操作中，平台在平台的中心轴25四周旋转，且承载头在承载头的中心轴71四周旋转，且在抛光垫30的整个顶部表面横向转移。
承载头70可包括弹性膜80，所述弹性膜80具有基板固定表面以接触基板10的背侧，及多个可加压腔室82，以施加不同压力至基板10上的不同区，例如，不同的径向区。承载头亦可包括固持环84，以保持基板。
抛光系统20包括原位抛光垫厚度监控系统100，所述抛光垫厚度监控系统100产生代表抛光垫的厚度的信号。具体而言，原位抛光垫厚度监控系统100可为电磁感应监控系统。电磁感应监控系统可通过在导电层中产生涡电流或在导电圈中产生电流任一者而操作。在操作中，抛光系统20可使用监控系统100以确定是否需要替换调节器盘及/或抛光垫。
在某些实施方式中，监控系统包括安装在平台中的凹槽26内的传感器102。传感器102可包括至少部分定位于凹槽26中的磁芯104，及缠绕在芯104四周的至少一个线圈106。驱动及感测电路系统108电气连接至线圈106。驱动及感测电路系统108产生可发送至控制器90的信号。
尽管图示为处于平台24的外侧，但驱动及感测电路系统48的某些或全部可安装在平台24中。旋转耦合器29可用以将可旋转平台中的部件(例如，线圈106)电气连接至平台外侧的部件(例如，驱动及感测电路系统108)。
对于在平台中具有传感器102的感应监控系统，导电主体130放置与抛光垫130的顶部表面，即抛光表面接触。因此，导电主体130定位在远离传感器102的抛光垫130的远侧上。在某些实施方式中，导电主体为调节器盘66(见图1A)。在某些实施方式中，导电主体130可具有穿过导电主体130的一或多个缝隙(aperture)，例如，主体可为圈状。在某些实施方式中，导电主体为实心片而不具有缝隙。这些的任一个可为调节器盘66的部分。
随着平台24旋转，传感器102在导电主体130下方扫掠。通过以特定频率从电路系统108取样信号，监控系统100在横跨导电主体130(例如，横跨调节器盘66)的多个地点处产生测量。对于每次扫掠，可选择或结合在一或多个地点处的测量。
参照图3，线圈106产生磁场120。当磁场120到达导电主体130时，磁场120可通过且产生电流(例如，若主体130为圈)，及/或磁场产生涡电流(例如，若主体130为片)。此举产生有效阻抗，此阻抗可通过电路系统108测量，因此产生代表抛光垫30的厚度的信号。
各种配置可能用于驱动及感测电路系统108。举例而言，驱动及感测电路系统108可包括边际振荡器，且维持恒定振幅的边际振荡器的驱动电流可用作信号。或者，驱动线圈106可以恒定频率驱动，且来自感测线圈的电流的振幅或相位(相对于驱动振荡器)可用作信号。
或者或额外的平台中的传感器，如图1B中所显示，监控系统100可包括定位在抛光垫30上方的传感器102’。举例而言，垫厚度传感器102’可定位在调节头64中、在调节器臂62上、或在承载头70上。传感器102’可例如通过弹簧103偏移而与抛光垫30的抛光表面34接触。而且，传感器102’并不接触抛光表面34，而是可悬挂在抛光垫30上方。举例而言，若传感器120’从调节器臂62悬挂，且调节器头64放置在抛光垫30上，则介于传感器120’及平台24之间的距离将取决于抛光垫30的厚度。在任何这些情况中，产生的信号将取决于传感器到平台24的导电主体的距离，且因此将取决于抛光垫30的厚度。
垫厚度传感器102’亦可为电磁感应监控系统。在此情况中，传感器102’可类似于传感器102，且包括磁芯104、缠绕在芯104四周的至少一个线圈106、及电气连接至线圈106的驱动及感测电路系统108。来自芯104的磁场120可通过抛光垫且在下方导电主体，例如平台24中产生涡电流。有效阻抗取决于传感器102及平台24之间的距离，且此可通过电路系统108感测，因此提供抛光垫30的厚度的测量。
或者，传感器102’可为接触轮廓仪。
若传感器102定位在抛光垫30上方且测量至平台24的距离，则传感器102将产生不需要大量处理的有效连续信号。
然而，若传感器102安装成与平台24一起旋转且测量至导电主体130的距离，则即使传感器102并非位于导电主体130下时亦可产生数据。图4图示在平台24的两次回旋过程后来自传感器102的“原始”信号150。平台的单一回旋通过时间段R来表示。
传感器102可经配置使得当越靠近导电主体130(且因此抛光垫30越薄)则信号强度越强。如图4中所显示，初始传感器102可在承载头70及基板10下方。因为在基板上的金属层为薄的，所以金属层仅建立通过区域152表示的弱的信号。相对地，当传感器102在导电主体130下方时，传感器102产生由区域154表示的强的信号。介于那些时间之间，传感器102产生由区域156表示的甚至更低的信号。
可使用数种技术以过滤出来自传感器102的信号中并未对应至导电主体130的部分。抛光系统20可包括位置传感器，以感测何时传感器102在导电主体120下方。举例而言，光学断流器可固定在固定地点处，且标旗可附接至平台24的周围。附接的点及标旗的长度经选择使其发送传感器102在基板导电主体130下方扫掠的信号。如另一实例，抛光系统20可包括编码器，以确定平台24的角位置，且使用此信息以确定传感器102何时在导电主体130下方扫掠。在任一情况中，控制器90可从时段排除信号中传感器102并非在导电主体130下方的部分。若传感器102’在抛光垫30上方则可使用类似的技术，以过滤出信号中对应至传感器102’定位在平台24中的讯窗或其他凹槽上的部分。
或者或额外的，控制器可仅将信号150与临界T(见图4)比较，且排除信号中不符合临界T的部分，例如，低于临界T。
归因于调节器头64在整个抛光垫30的扫掠，传感器102可能并非仅通过导电主体130的中心下方。举例而言，传感器102可仅沿着导电主体的边缘通过。在此情况中，因为存在较少导电材料，所以信号强度将较低(例如，通过信号150的区域158显示)，且并非抛光垫30的厚度的可靠指示符。排除信号中不符合临界T的部分的优点在于控制器90亦可排除通过传感器102沿着导电主体130的边缘通过所造成的这些非可靠的测量。
在某些实施方式中，在每次扫掠中，信号150的未排除的部分可被平均以产生针对扫掠的平均信号强度。
例如通用可程序数字计算机的控制器90从原位抛光垫厚度监控系统100接收信号，且可配置成从信号产生抛光垫30的厚度的测量。如上所述，归因于调节工艺，抛光垫的厚度随时间而改变，例如，在基板的数十或数百次抛光的过程中。因此，在多个基板上，来自原位抛光垫厚度监控系统100经选择或结合的测量提供表示抛光垫30的厚度变化的随时间改变的系列值。
传感器102的输出可为数字电子信号(若传感器的输出为模拟信号，则模拟信号可通过传感器或控制器中的ADC转换成数字信号)。数字信号以一系列信号值组成，具有取决于传感器的取样频率在信号值之间的时段。此系列信号值可称为信号对时间的曲线。系列信号值可表示成一组值SN。
为了建立信号强度对抛光垫厚度的关系，已知厚度(例如，通过轮廓仪、针规或类似物测量)的抛光垫可放置在平台上且测量信号强度。
在某些实施方式中，来自传感器102的信号强度线性相关于抛光层的厚度。在此情况中，值Th＝S或Th＝A*S，其中A为常数以将函数拟合至已知抛光垫厚度的数据。
然而，来自传感器102的信号强度不需线性相关于抛光层的厚度。举例而言，信号强度可为抛光层的厚度的指数函数。
厚度的指数函数接着可拟合至数据。举例而言，函数可为以下形式：
S＝Ae-B*Th
其中S为信号强度，Th为抛光垫厚度，且A及B为常数而经调整以将函数拟合至已知抛光垫厚度的资料。
对于后续使用于抛光的抛光垫，控制器90可使用此函数以从信号强度计算抛光垫厚度。更具体而言，控制器可配置成从信号强度的等式对数函数产生抛光垫厚度Th的测量，例如以下：
Figure BDA0002461550720000081
然而，可使用其他函数，例如二阶或更高阶多项式函数或多线段。因此，信号值SN序列可转换成厚度值ThN序列。
如上所述，垫厚度测量遭受噪声。具体而言，每次新的基板开始抛光及每次抛光系统进入湿式停留模式可引入噪声。然而，厚度测量系列可使用并入线性预测的滤波器而平滑化。此同一滤波器可用以计算目前垫切割速率。线性预测为统计技术，使用目前及以往数据以预测未来数据。
控制器90亦配置成从信号产生垫切割速率的测量。此垫切割速率可通过将线性函数拟合至随着时间测量的垫厚度值SN而计算得出。举例而言，可从移动窗口将函数拟合至厚度值，例如最后N个晶片，其中N取决于操作者是意欲计算接近瞬间切割速率还是接近平均垫切割速率的垫切割速率而选择。较小的N值对噪声更有反应。较大的N值较少反应但亦较少瞬时。在某些实施方式中，移动窗口为最后3-30次测量。举例而言，移动窗口可为5-10次测量。
图5中图示随着时间的垫切割速率(图表线160)的可能图。此图表为多个基板的抛光之后(并非在单一基板的抛光之中)。如图标，垫切割速率160可初始维持相当平坦(在区域162中)，例如，在已安装崭新调节器盘之后。然而，在一些时间之后，垫切割速率随着调节器盘耗损且失去尖锐度而可开始下降(在区域164中)。
当垫切割速率160的测量低于临界T’时，控制器90可对抛光系统20的操作者产生警报，而需要替换调节盘66。
在某些实施方式中，T’的值取决于消耗设定(例如，不同的调节盘)。举例而言，控制器可储存与具有不同消耗零件(例如，不同的调节盘)的T’的不同值相关联的数据库。零件可通过制造商、品牌及制造、或零件号码(例如，SKU)而规定，当操作者安装新的调节盘时，可将零件识别信息输入控制器190中。控制器190可接着基于输入的零件识别而自动设定临界T’。
或者或额外的，控制器90可调整从调节器头62在调节盘66上的向下力，以维持恒定的抛光垫耗损速率。可假设耗损速率与调节盘66上的向下力成正比。
然而，在某些情况中，即使在垫切割速率低于临界T之前，垫切割速率可经历一段增加的变异(例如，在区域166中)。此变化可指示调节器盘的问题或在抛光工艺中某些其他问题任一者。垫切割速率中的变异(或时间上的非均匀性)可例如通过计算移动窗口中垫切割速率测量的标准偏差来确定，例如，最后M次垫切割速率测量。在某些实施方式中，若变异超过临界，则控制器90可产生警报。此举可触发操作者替换调节盘或者检查抛光系统中的问题。
当抛光系统20包括原位基板监控系统40时，原位抛光垫监控系统100可为第一电磁感应监控系统，例如，第一涡电流监控系统，且基板监控系统40可为第二电磁感应监控系统，例如，第二涡电流监控系统。然而，第一及第二电磁感应监控系统归因于已监控的不同元件而将以不同共振频率建构。
原位抛光垫厚度监控系统可在各种抛光系统中使用。抛光垫或承载头中任一者，或两者可移动以提供抛光表面及基板之间的相对运动。抛光垫可为固定至平台的圆形(或某些其他形状)垫、在供应及拾起滚轮之间延伸的条带、或连续皮带。抛光垫可固定在平台上、在抛光操作之间的平台上渐进行进、或在抛光期间连续在平台上驱动。垫在抛光期间可固定至平台，或在抛光期间可在平台及抛光垫之间具有流体轴承。抛光垫可为标准(例如，具有或不具有填充物的聚胺酯)粗制垫、软垫或固定的研磨垫。
此外，尽管以上说明聚焦在抛光期间的监控，但抛光垫的测量可在基板抛光之前或之后获得，例如当基板正在传送至抛光系统时。
本发明的实施例及在此说明书中所述的所有功能性操作可在数字电子电路系统中实施，或在计算机软件、固件或硬件中实施，包括在此说明书中所公开的结构手段及结构均等物，或上述各者的组合。本发明的实施例可实施作为一或更多计算机程序产品，即，具体安装在信息载体中的一或更多计算机程序，例如，在非暂时性机器可读取储存媒体中或在传播信号中，通过或控制数据处理装置的操作，例如可程序处理器、计算机或多重处理器或计算机。计算机程序(亦已知为程序、软件、软件应用或编码)可以任何形式的程序语言撰写，包括编译或解释语言，且计算机程序可以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程或其他适合在计算环境中使用的单元。计算机程序并非必须对应至文件。程序可储存在保持其他程序或数据的文件的部分中、在专用于本程序的单一文件中、或在多重协调文件中(例如，储存一或更多模块、子程序或编码的部分的文件)。计算机程序可经部署以于一个网站或分布横跨多个网站而在一个计算机上或在多重计算机上执行，且通过通讯网络互连。
此说明书中所述的工艺及逻辑流程可通过执行一或更多计算机程序的一或更多可程序化处理器实行，以通过在输入资料上操作且产生输出来实行功能。处理及逻辑流程亦可通过(且装置亦可实施作为)专用逻辑电路来实行，例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(特定应用集成电路)。
已说明本发明的数个实施例。然而，应理解可作成各种修改而不会悖离本发明的精神及范畴。因此，其他实施例在以下权利要求书的范畴之中。

Claims (15)

1.一种用于化学机械抛光的装置，包含：
平台，具有表面以支撑抛光垫；
承载头，保持基板抵靠所述抛光垫的抛光表面；
垫调节器，保持调节盘抵靠所述抛光表面；
原位抛光垫厚度监控系统；及
控制器，配置成以相应临界值储存与多个调节器盘产品的每个相关联的数据、接收从所述多个调节器盘产品选择调节器盘产品的输入、确定与经选择的所述调节器盘产品相关联的特定临界值、从所述监控系统接收信号、从所述信号产生垫切割速率的测量、及若所述垫切割速率在所述特定临界值之外则产生警报。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述原位抛光垫厚度监控系统包含电磁感应监控系统。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述电磁感应监控系统包含传感器，所述传感器具有保持在所述垫调节器上的磁芯，以便产生磁场以在所述平台中感应电流。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述垫调节器包含在所述平台之上延伸的臂，且所述磁芯支撑在所述垫调节器的所述臂上。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器配置成施加预测滤波器至所述信号以产生经过滤的信号，所述经过滤的信号包括调整的值序列，且其中所述控制器配置成通过以下步骤对所述调整的值序列中包括各个调整的值产生所述经过滤的信号：
从测量的值序列产生至少一个预测值；及
从所述测量的值序列及所述预测值计算所述调整的值。
6.一种用于化学机械抛光的装置，包含：
平台，具有表面以支撑抛光垫；
承载头，保持基板抵靠所述抛光垫的抛光表面；
垫调节器，保持调节盘抵靠所述抛光表面；
原位抛光垫厚度监控系统；及
控制器，配置成从所述监控系统接收信号、从所述信号产生垫切割速率的测量、及从所述信号确定所述垫切割速率的变异测量。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述控制器配置成若所述变异测量超过临界值则产生警报。
8.如权利要求6所述的装置，其中所述控制器配置成通过计算所述垫切割速率的标准偏差来确定变量测量。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述控制器配置成在测量的移动窗口中计算所述标准偏差。
10.如权利要求6所述的装置，其中所述原位抛光垫厚度监控系统包含电磁感应监控系统。
11.如权利要求10所述的装置，其中所述电磁感应监控系统包含传感器，所述传感器具有保持在所述垫调节器上的磁芯，以便产生磁场以在所述平台中感应电流。
12.如权利要求11所述的装置，其中所述垫调节器包含延伸在所述平台之上的臂，且所述磁芯支撑在所述垫调节器的所述臂上。
13.一种控制化学机械抛光的方法，包含以下步骤：
将基板与在平台上的抛光垫接触；
在所述抛光垫及所述基板之间产生相对运动；
调节所述抛光垫；
以原位垫厚度监控系统监控所述抛光垫，且产生取决于所述抛光垫的厚度的信号；
从所述信号产生垫切割速率的测量；及
从所述信号确定所述垫切割速率的变异测量。
14.如权利要求13所述的方法，所述方法包含以下步骤：通过计算所述垫切割速率的标准偏差来确定所述变量测量。
15.如权利要求14所述的方法，所述方法包含以下步骤：在测量的移动窗口中计算所述标准偏差。
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