CN111687746A - 化学机械研磨设备及其滑片侦测方法 - Google Patents

化学机械研磨设备及其滑片侦测方法 Download PDF

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Abstract

一种化学机械研磨设备及其滑片侦测方法，所述化学机械研磨设备包括：研磨盘，用于固定研磨垫；研磨头，位于所述研磨盘上方，用于固定晶圆；传感器，固定于所述研磨头外壁上，且所述传感器的检测窗口朝向所述研磨盘；喷气单元，固定设置于所述研磨盘一侧，用于向所述传感器喷气。所述化学机械研磨设备的滑片侦测效果提高。

Description

化学机械研磨设备及其滑片侦测方法
技术领域
本发明涉及半导体设备领域，尤其涉及一种化学机械研磨设备及其滑片侦测方法。
背景技术
随着集成电路制造过程中特征尺寸的缩小和金属互联的增加，对晶圆表面平整度的要求也越来越高。化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing，CMP)是将机械研磨和化学腐蚀结合的技术，是目前最有效的晶圆平坦化方法，其广泛应用于半导体工业制造生产中。
化学机械研磨设备包括研磨头和研磨垫，所述研磨头用于固定晶圆，并将晶圆压在研磨垫上，通过转动，使得晶圆表面被研磨。在研磨过程中，还可以在研磨垫上加入研磨液，提高研磨效率。
晶圆在研磨过程中，时常有发生晶圆从研磨头滑出的情况，而化学机械研磨设备未能及时检测到晶圆的滑出，造成晶圆破损问题。
如何使得化学机械研磨设备能够及时检测到晶圆的滑出，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种化学机械研磨设备及其滑片侦测方法，用于提高化学机械研磨设备的滑片侦测效果。
为了解决上述问题，本发明提供了一种化学机械研磨设备，包括：研磨盘，所述研磨盘表面用于固定研磨垫；研磨头，位于所述研磨盘上方，用于固定晶圆；传感器，固定于所述研磨头外壁，且所述传感器的检测窗口朝向所述研磨盘；喷气单元，设置于所述研磨盘一侧，用于向所述传感器喷气。
可选的，所述喷气单元包括喷嘴，所述喷嘴设置于所述研磨头移动轨迹的下方；所述喷嘴设置为：当研磨头移动至所述喷嘴上方时，所述喷嘴的喷气方向朝向所述传感器，与所述传感器的检测窗口之间成60°～90°。
可选的，所述喷嘴通过气体管路连接至气体源，所述气体源与所述喷嘴之间的气体管路上设置有第一阀门。
可选的，还包括：相对设置的第一清洗单元和第二清洗单元，分别用于清洗所述研磨头竖直方向的相对两侧的区域；所述第一清洗单元用于清洗的区域内固定有所述传感器；所述第二清洗单元包括液体喷嘴，所述液体喷嘴连接至液体管路，所述液体管路上设置有第二阀门。
可选的，所述第一阀门和第二阀门连接至同一控制端，用于同步控制所述第一阀门和第二阀门的通断状态。
可选的，所述第一阀门和第二阀门均为气动阀。
可选的，所述化学机械研磨设备包括两个以上的所述研磨盘和两个以上的所述研磨头；化学机械研磨设备包括两个以上的所述喷气单元，分别固定于相邻两个所述研磨盘之间，使得两个以上的所述研磨头均能够移动至所述喷气单元的气体喷出位置上方。
本发明的技术方案还提供一种化学机械研磨设备的滑片侦测方法，所述化学机械研磨设备包括：研磨头，用于固定晶圆；传感器，固定于所述研磨头的外壁上，用于检测晶圆是否从研磨头的晶圆固定位置滑出；所述滑片侦测方法包括：在对所述研磨头进行清洗过程中或清洗完成后，对所述传感器的检测窗口喷气，去除所述检测窗口表面的液体膜。
可选的，对所述传感器的检测窗口喷气的气流压强为0.05MPa～0.1MPa；对所述传感器的检测窗口喷气时，喷气方向与所述检测窗口成60°～90°。
可选的，对所述研磨头进行清洗包括：依次对所述研磨头竖直方向的相对两侧区域进行两次冲洗，且第一次冲洗的区域内固定有所述传感器；进行第二次冲洗的同时对所述传感器的检测窗口喷气或者在第二次冲洗结束之后，对所述传感器的检测窗口喷气。
本发明的化学机械研磨设备，包括喷气单元，可以对侦测晶圆是否滑出的传感器的检测窗口喷气，从而去除所述检测窗口上的液体膜，提高所述传感器的检测效果。
进一步的，所述化学机械研磨设备还包括第一清洗单元和第二清洗单元，所述第一清洗单元用于对研磨头固定有传感器的一侧区域进行冲洗，而第二清洗单元用于清洗相对的另一侧区域。所述喷气单元与所述第二清洗单元连接至同一控制端，能够对所述第二清洗单元和所述喷气单元进行同步控制，在所述的第二清洗单元对研磨头进行冲洗的过程中，对所述传感器进行喷气，从而节约时间。
附图说明
图1为本发明一具体实施方式的化学机械研磨设备的结构示意图；
图2为本发明一具体实施方式的化学机械研磨设备的结构示意图；
图3为本发明一具体实施方式的化学机械研磨设备的传感器与喷气单元的结构示意图；
图4为本发明一具体实施方式的化学机械研磨设备的结构示意图；
图5为本发明一具体实施方式的化学机械研磨设备第二清洗单元与喷气单元之间的连接关系示意图；
图6为本发明一具体实施方式的化学机械研磨设备的结构示意图。
具体实施方式
如背景技术中所述，现有的化学机械研磨设备无法准确侦测到晶圆滑出，容易造成晶圆破损等问题。
请参考图1，为本发明一具体实施方式的化学机械研磨设备的结构示意图。
所述化学机械研磨设备包括：固定于研磨盘上的研磨垫10、位于研磨垫上方的研磨头11以及固定于所述研磨垫10上方的修整盘13，用于活化所述研磨垫10。所述研磨头11上设置有传感器14，用于检测研磨头11下方固定的晶圆是否滑出。所述传感器14为光电传感器，具有朝向所述研磨垫10的检测窗口，用于发出检测光以及接收反射光。
上述化学机械研磨设备的传感器14对晶圆是否滑出的的侦测效果较差，经常会出现未及时侦测到的问题。经研究发现，出现这一问题的原因在于，化学机械研磨设备在机台空闲时，会对研磨头11进行冲洗，在冲洗过程中，会在所述传感器14的检测窗口上形成水膜，水膜厚度到一定程度时，会影响所述传感器14的检测效果，从而无法准确侦测晶圆是否滑出。
为了解决上述问题，本发明提出一种新的化学机械研磨设备，能够及时去除传感器检测窗口上的水膜，提高对晶圆滑出的侦测效果。
下面结合附图对本发明提供的化学机械研磨设备及其滑片侦测方法的具体实施方式做详细说明。
请参考图2，为本发明一具体实施方式的化学机械研磨设备的结构示意图。
所述化学机械研磨设备包括：研磨盘201、研磨头202、传感器203以及喷气单元204。
所述研磨盘201表面用于固定研磨垫。
所述研磨头202位于所述研磨盘201上方，用于固定晶圆，晶圆通过研磨头202底部的固定环固定于所述研磨头202下方，在进行研磨时，所述研磨头202下降，并将晶圆压于研磨垫上，并且所述研磨头202固定晶圆的部分能够在水平面内自转，从而使得晶圆与研磨垫之间发生摩擦，对晶圆表面进行研磨。所述研磨头202整体还可以在水平方向内沿一圆周进行移动。在一个具体实施方式中，所述研磨盘201上方设置有圆形滑轨，所述研磨头202固定于所述滑轨下方，能够沿所述滑轨移动。通常所述研磨头202的移动角度范围小于360°，例如可以为308°。移动的角速度可以为80°/s～100°/s，角加速度为200°/s2～300°/s2，例如移动的角速度可以为85°/s，角加速度为225°/s2。
所述传感器203，固定于所述研磨头202外壁，且所述传感器203的检测窗口朝向所述研磨盘201，用于检测晶圆是否从研磨头202的晶圆固定位置滑出。该具体实施方式中，所述传感器203固定于所述研磨头202朝向所述研磨盘201外侧的外壁上，使得所述研磨头202在移动过程中，所述传感器203始终位于所述研磨头202的外侧。
请参考图3，在一些具体实施方式中，所述传感器203为光电传感器，所述传感器203的检测窗口包括发光窗口2031和接收窗口2032，所述发光窗口2031和接收窗口2032具有位于所述传感器表面朝向所述研磨盘201的透光平面。所述发光窗口2031用于发出检测光，所述接收窗口2032用于接收反射光，所述发光窗口2031和接收窗口2032均朝向所述研磨盘201。在所述化学机械研磨设备工作过程中，所述传感器203发出的检测光透过所述发光窗口2031照射于所述研磨垫上，经由研磨垫反射后通过接收窗口2032由所述传感器203接收，转换成电信号，从而实现对反射光强度的检测。晶圆滑出前后，所述传感器203接收到的反射光强度会发生变化，从而可以及时侦测出晶圆是否滑出。
请继续参考图2，喷气单元204，固定设置于所述研磨盘201外侧，用于向所述传感器203喷气，去除所述传感器203的检测窗口上的液体膜。为了确保去除液体膜的效果，所述喷气单元204对所述检测窗口喷气的方向与所述检测窗口之间成60°～90°夹角，使得较多气流喷向所述检测窗口，将所述检测窗口表面的液体膜吹走，所述液体膜通常为水膜，也可能是溅射至所述检测窗口上的研磨液等。所述喷气单元204的喷气方向与所述检测窗口之间的夹角定义为喷气方向与所述检测窗口的透光平面之间的夹角。在该具体实施方式中，所述喷气单元204的喷气方向与所述检测窗口的透光平面之间垂直。
请继续参考图3，所述喷气单元204包括喷嘴2042；所述喷嘴2042设置于所述研磨头202(请参考图2)移动轨迹的下方；所述喷嘴2042设置为：当研磨头202移动至所述喷嘴2042上方时，所述喷嘴2042的喷气方向朝向所述传感器203。该具体实施方式中，当所述研磨头202经过所述喷嘴2042上方时，所述喷嘴2042正对所述检测窗口，所述传感器203跟随所述研磨头202移动，使得所述传感器203的发光窗口2031和接收窗口2032依次经过所述喷嘴2042上方，通过所述喷嘴2042喷气去除所述发光窗口2031和接收窗口2032上的液体膜。通过控制所述研磨头202的移动速度，可以调整所述发光窗口2031和接收窗口2032在所述喷嘴2042上方停留以接受喷气的时间。
为了提高去除液体膜的效果，所述喷气单元204喷出气体需要有足够大的压强，才能快速将传感器203的检测窗口表面的液体膜去除。在一些具体实施方式中，所述喷气单元204被设置为喷出压强为0.05Mpa～0.1Mpa的气流。在其他具体实施方式中，也可以根据所述喷嘴2042与所述检测窗口之间的距离、喷嘴2042的口径大小等条件，合理设置喷出气体的压强。
所述喷嘴2042通过气体管路2041连接至气体源2043。所述气体源2043可以为氮气源或者氦气、氩气、氖气等惰性气体源，以避免在喷气过程中，对机台造成气体污染。所述气体源2043与所述喷嘴2042之间的气体管路上设置有第一阀门2044，用于控制所述气体管路2041的通断状态。所述第一阀门2044被设置为：当所述传感器203跟随所述研磨头202移动至所述喷嘴2042上方时，所述第一阀门2044开启，气体管路2041导通，喷嘴2042向所述传感器203喷气。所述气体管路2041上还可以设置有增压泵、压强计等，用于控制自所述喷嘴2042喷出的气流压强。
上述具体实施方式中的化学机械研磨设备，包括喷气单元，可以对侦测晶圆是否滑出的传感器的检测窗口喷气，从而去除所述检测窗口上的液体膜，从而提高所述传感器的检测效果。
请参考图4，为本发明另一具体实施方式的化学机械研磨设备的结构示意图。
所述化学机械研磨设备还包括相对设置的第一清洗单元401和第二清洗单元402，用于在所述化学机械研磨设备空闲时，对所述研磨头202进行清洗，以去除所述研磨头202上可能残留的研磨液等。
所述第一清洗单元401和第二清洗单元402分别设置于所述研磨头202移动轨迹的两侧，相对而设，用于清洗所述研磨头202竖直方向的相对两侧区域。当所述研磨头202移动至所述第一清洗单元401和第二清洗单元402之间时，所述第一清洗单元401和第二清洗单元402喷出清洗液，对所述研磨头202进行冲洗。所述清洗液通常为去离子水。
其中，所述第一清洗单元401设置于研磨盘外侧，用于清洗所述研磨头202的固定有所述传感器203的外壁区域。
所述第一清洗单元401和第二清洗单元402依次对所述研磨头202进行冲洗。在一个具体实施方式中，可以先通过所述第一清洗单元401冲洗所述研磨头202朝向研磨盘外侧的区域，然后再通过所述第二清洗单元402冲洗所述研磨头202朝向研磨盘内侧的区域。
在一些具体实施方式中，所述第一清洗单元401和第二清洗单元402，均包括液体喷嘴，所述液体喷嘴连接至液体管路，所述液体管路上设置有阀门，以控制液体管路的通断。当需要对所述研磨头202进行清洗时，所述阀门开启。所述液体管路可以固定于冲洗支架上。
该具体实施方式中，所述喷气单元204设置于所述第一清洗单元401同侧，通过合理设置所述喷气单元204的位置，使得所述研磨头202在移动过程中，所述传感器203能够经过所述喷气单元204的喷嘴上方。所述喷气单元204可以固定于所述第一清洗单元401的冲洗支架上，也可以通过额外增加的支架对所述喷气单元204进行固定。
所述喷气单元204可以具有独立的控制阀门和控制信号，可以根据所述研磨头202的移动速度等参数，预先设定程序，进行喷气操作。例如在所述第一清洗单元401对研磨头202进行清洗完成之后，对传感器203进行喷气，以去除所述第一清洗单元401对研磨头202清洗过程中，在传感器203的检测窗口上形成的水膜。
在一些具体实施方式中，可以在所述第一清洗单元401清洗完成之后，第二清洗单元402清洗完成之前，对所述传感器203进行喷气，去除所述传感器203的检测窗口表面的液体膜。所述喷气单元204具有独立的控制阀门和控制信号，根据预先设定的程式进行喷气操作。
在一些具体实施方式中，还可以在所述第一清洗单元401和第二清洗单元402的清洗过程均完成之后，再对所述传感器203进行喷气，去除所述传感器203的检测窗口表面的液体膜。所述喷气单元204具有独立的控制阀门和控制信号，根据预先设定的程式进行喷气操作。
在另一些具体实施方式中，可以在第一清洗单元401冲洗完成之后，采用第二清洗单元402对研磨头202进行冲洗，同时对所述传感器203进行喷气，可以节约时间。此时，所述研磨头202在第二清洗单元402的清洗位置处，所述传感器203也恰好位于所述喷气单元204的喷嘴上方。由于所述第二清洗单元402的清洗区域位于所述传感器203所在位置的背面，因此，所述第二清洗单元402的清洗过程中，不会再在所述传感器203表面形成水膜；并且，所述喷气单元204对所述传感器203的喷气过程，也不会使得所述第二清洗单元402喷出的水形成水雾凝结于机台上方等位置处，而滴落在其他位置处，对机台造成影响。
在一些具体实施方式中，所述第二清洗单元402的清洗过程与所述喷气单元204的喷气过程同步进行。为了便于控制，所述第二清洗单元402与所述喷气单元204可以通过相同的控制信号进行控制，以确保所述第二清洗单元402与所述喷气单元204之间操作同步。
请参考图5，为本发明一具体实施方式中，所述第二清洗单元402与所述喷气单元204之间的连接关系示意图。
所述第二清洗单元402包括液体喷嘴4022，所述液体喷嘴4022连接至液体管路4021，通过所述液体管路4021连接至液体源4023，所述液体管路4021上设置有第二阀门4024。
所述喷气单元204包括喷嘴2042，通过气体管路2041连接至气体源2043，所述气体管路2041上设置有第一阀门2044。
所述第一阀门2044和第二阀门4024均连接至同一控制端501，通过所述控制端501同步控制所述第一阀门2044和第二阀门4024的开启和关闭状态。
在一些具体实施方式中，所述第一阀门2044和第二阀门4024均为气动阀，所述控制端501为控制气体输入端，用于将一定压强的控制气体同时输入至所述第一阀门2044和第二阀门4024。
在其他具体实施方式中，所述化学机械研磨设备包括两个以上的研磨盘和两个以上的研磨头。研磨头数量较多的情况下，为了确保每个研磨头在移动过程中，传感器均能够经过喷气单元的喷嘴上方，所述化学机械研磨设备可以包括两个以上的喷气单元。
请参考图6，为本发明一具体实施方式的化学机械研磨设备的结构示意图。
该具体实施方式中，所述化学机械研磨设备包括四个研磨盘，分别为研磨盘601～604。所述研磨盘601～604上方分别设置有研磨头，可以沿图中虚线所示轨迹进行圆周移动。在其他具体实施方式中，所述研磨头的数量也可以小于研磨盘的数量。
同时，所述化学机械研磨设备包括两个喷气单元，图中，示出了所述两个喷气单元的喷嘴605和喷嘴606的位置示意图。每个喷气单元用于对两个研磨头的传感器进行喷气。
具体的，所述喷嘴605位于研磨盘602和研磨盘603之间，所述研磨盘602和研磨盘603上方的研磨头均能够移动至所述喷嘴605上方，从而可以对所述研磨盘602和研磨盘603上方的研磨头上固定的传感器进行喷气；所述喷嘴606位于研磨盘601和研磨盘604之间，所述研磨盘601和研磨盘604上方的研磨头均能够移动至所述喷嘴606上方，从而所述喷嘴606能够对所述研磨盘601和研磨盘604上方的研磨头上固定的传感器进行喷气。
所述喷嘴605和喷嘴606还可以分别设置于研磨盘601和研磨盘602之间，以及研磨盘603和研磨盘604之间。
本发明的具体实施方式还提供一种化学机械研磨设备的滑片侦测方法。
所述化学机械研磨设备包括：研磨头，位于所述研磨盘上方，用于固定晶圆；传感器，固定于所述研磨头的外壁上，用于检测晶圆是否从研磨头的晶圆固定位置滑出。所述化学机械研磨设备的具体结构可以参考图1至图6以及上述具体实施方式中的具体描述。
所述滑片侦测方法包括：在对所述研磨头进行清洗过程中或清洗完成后，对所述传感器的检测窗口喷气，去除所述检测窗口表面的液体膜。所述传感器可以为光电传感器，所述光电传感器的检测窗口朝向研磨盘，包括发光窗口和接收窗口。所述发光窗口用于发出检测光，所述接收窗口用于接收反射光，所述发光窗口和接收窗口均朝向所述研磨盘。在所述化学机械研磨设备工作过程中，所述传感器检测光透过所述发光窗口照射于所述研磨垫上，经由研磨垫反射后通过接收窗口由所述传感器接收，转换成电信号，从而实现对反射光强度的检测。晶圆滑出前后，所述传感器接收到的反射光强度会发生变化，从而可以及时侦测到晶圆是否滑出。
在一些具体实施方式中，可以通过固定喷气位置，当研磨头上的传感器移动至所述喷气位置上方时，对所述传感器进行喷气。
为了提高去除液体膜的效果，传感器喷出的气体需要有足够大的压强，才能快速地将传感器的检测窗口表面的液体膜去除。在一些具体实施方式中，喷出气体压强为0.05Mpa～0.1Mpa的气流。在其他具体实施方式中，也可以根据喷嘴与检测窗口之间的距离、喷嘴的口径大小等条件，合理设置喷出气体的压强。
对所述传感器的检测窗口喷气时，喷气方向与所述检测窗口成60°～90°，以提高去除液体膜的效果。较佳的，喷气方向与所述检测窗口成90°。
还包括：依次对所述研磨头竖直方向的相对两侧区域进行两次冲洗，用于清洗所述研磨头竖直方向的相对两侧的区域；且第一次冲洗的区域内固定有所述传感器，第二次冲洗的区域位于所述传感器所在区域的背面。可以在所述第一次冲洗和第二次冲洗结束之后，再对所述传感器的检测窗口喷气，去除由于所述第一次清洗过程在所述传感器检测窗口上形成的液体膜。
在另一具体实施方式中，为了节约时间，也可以在第二次冲洗的过程中，对所述传感器的检测窗口喷气，同时进行所述第二次冲洗过程和对所述传感器进行喷气的过程。具体的，可以通过同一控制信号，控制所述第二次冲洗和所述喷气的过程，使得所述第二次冲洗过程和对传感器的喷气过程同步进行。
在采用上述方法去除所述传感器的检测窗口表面的液体膜之后，继续进行后续的滑片侦测过程：在对晶圆进行研磨的过程中，通过传感器检测晶圆位置，及时判断晶圆是否滑出。
上述化学机械研磨设备的滑片侦测方法，在传感器对晶圆位置进行检测之前，通过对研磨头上固定的传感器的检测窗口喷气，去除所述检测窗口上的液体膜，从而可以提高所述传感器的检测准确性，进而提高所述化学机械研磨设备对晶圆滑片的侦测效果，减少晶圆破片率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种化学机械研磨设备，其特征在于，包括：
研磨盘，所述研磨盘表面用于固定研磨垫；
研磨头，位于所述研磨盘上方，用于固定晶圆；
传感器，固定于所述研磨头外壁，且所述传感器的检测窗口朝向所述研磨盘；
喷气单元，设置于所述研磨盘一侧，用于向所述传感器喷气。
2.根据权利要求1所述的化学机械研磨设备，其特征在于，所述喷气单元包括喷嘴，所述喷嘴设置于所述研磨头移动轨迹的下方；所述喷嘴设置为：当研磨头移动至所述喷嘴上方时，所述喷嘴的喷气方向朝向所述传感器，与所述传感器的检测窗口之间成60°～90°。
3.根据权利要求2所述的化学机械研磨设备，其特征在于，所述喷嘴通过气体管路连接至气体源，所述气体源与所述喷嘴之间的气体管路上设置有第一阀门。
4.根据权利要求3所述的化学机械研磨设备，其特征在于，还包括：相对设置的第一清洗单元和第二清洗单元，分别用于清洗所述研磨头竖直方向的相对两侧的区域；所述第一清洗单元用于清洗的区域内固定有所述传感器；所述第二清洗单元包括液体喷嘴，所述液体喷嘴连接至液体管路，所述液体管路上设置有第二阀门。
5.根据权利要求4所述的化学机械研磨设备，其特征在于，所述第一阀门和第二阀门连接至同一控制端，用于同步控制所述第一阀门和第二阀门的通断状态。
6.根据权利要求5所述的化学机械研磨设备，其特征在于，所述第一阀门和第二阀门均为气动阀。
7.根据权利要求1所述的化学机械研磨设备，其特征在于，所述化学机械研磨设备包括两个以上的所述研磨盘和两个以上的所述研磨头；化学机械研磨设备包括两个以上的所述喷气单元，分别固定于相邻两个所述研磨盘之间，使得两个以上的所述研磨头均能够移动至所述喷气单元的气体喷出位置上方。
8.一种化学机械研磨设备的滑片侦测方法，所述化学机械研磨设备包括：研磨头，用于固定晶圆；传感器，固定于所述研磨头的外壁上，用于检测晶圆是否从研磨头的晶圆固定位置滑出；其特征在于，所述滑片侦测方法包括：
在对所述研磨头进行清洗过程中或清洗完成后，对所述传感器的检测窗口喷气，去除所述检测窗口表面的液体膜。
9.根据权利要求8所述的滑片侦测方法，其特征在于，包括：对所述传感器的检测窗口喷气的气流压强为0.05MPa～0.1MPa；对所述传感器的检测窗口喷气时，喷气方向与所述检测窗口成60°～90°。
10.根据权利要求8所述的滑片侦测方法，其特征在于，对所述研磨头进行清洗包括：依次对所述研磨头竖直方向的相对两侧区域进行两次冲洗，且第一次冲洗的区域内固定有所述传感器；进行第二次冲洗的同时对所述传感器的检测窗口喷气或者在第二次冲洗结束之后，对所述传感器的检测窗口喷气。
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