CN112059914A - 一种滑片检测装置和化学机械抛光系统 - Google Patents

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CN112059914A CN202010995537.1A CN202010995537A CN112059914A CN 112059914 A CN112059914 A CN 112059914A CN 202010995537 A CN202010995537 A CN 202010995537A CN 112059914 A CN112059914 A CN 112059914A
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Abstract

本发明公开了一种滑片检测装置和化学机械抛光系统，所述滑片检测装置包括激光发射器、光纤接收器和控制器；所述激光发射器和光纤接收器设置于V形支架，所述V形支架朝向抛光垫设置，所述激光发射器朝向抛光垫发射激光，光纤接收器接收反射的激光并将其转化为电信号；所述控制器根据光纤接收器的电信号判定是否有晶圆自承载头滑出；所述激光发射器和光纤接收器相对于抛光垫倾斜设置，使得附着于其上的液滴滑落而不封堵激光发射和/或接收的路径。

Description

一种滑片检测装置和化学机械抛光系统
技术领域
本发明属于化学机械抛光技术领域，具体而言，涉及一种滑片检测装置和化学机械抛光系统。
背景技术
集成电路产业是信息技术产业的核心，在助推制造业向数字化、智能化转型升级的过程中发挥着关键作用。芯片是集成电路的载体，芯片制造涉及芯片设计、晶圆制造、晶圆加工、电性测量、切割封装和测试等工艺流程。其中，化学机械抛光属于晶圆制造工序，化学机械抛光(Chemical Mechanical Planarization,CMP)是一种全局平坦化的超精密表面加工技术。
化学机械抛光通常将晶圆吸合于承载头的底面，晶圆具有沉积层的一面抵压于抛光垫上表面，承载头在驱动组件的致动下与抛光垫同向旋转并给予晶圆向下的载荷；同时，抛光液供给于抛光垫的上表面并分布在晶圆与抛光垫之间，使得晶圆在化学和机械的共同作用下完成晶圆的化学机械抛光。
化学机械抛光过程中，化学机械抛光装备(机台)会发生异常，常常发生晶圆与承载头脱离的情况，即滑片(Wafer slip out)。在离心力作用下，滑片后的晶圆常常与机台碰撞而破碎，这在一定程度上影响机台的正常运行，同时增加了晶圆制造的成本。
为了预防晶圆在抛光过程中滑片，一般在承载头的侧部设置光学感应装置，以监测晶圆的状态。当晶圆自承载头滑出通过光学感应装置时，晶圆会发生强发射，发射光由光学感应装置感知，光学感应装置便发出信号通知机台停止一切动作，并控制承载头与修整器上提，以避免晶圆发生碰撞而破碎。
化学机械抛光过程中，需要使用大量抛光液，为了防止抛光液的研磨颗粒发生结晶，一般会为机台配置多个喷射清洗液的喷嘴。因此，为检测滑片配置的光学感应装置使用在多水湿润的环境中。
由于水流可能在抛光垫的表面形成镜面水膜而发生误报的情况，一定程度上影响化学机械抛光系统的正常运行，影响机台运行的效率。此外，水流可能喷射至光学感应装置并在其上形成液滴，液滴可能位于光线发射或接收的路径上，进而影响滑片检测的准确性。
发明内容
本发明旨在至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。
为此，本发明实施例的第一个方面提供了一种滑片检测装置，其包括激光发射器、光纤接收器和控制器；所述激光发射器和光纤接收器设置于V形支架，所述V形支架朝向抛光垫设置，所述激光发射器朝向抛光垫发射激光，光纤接收器接收反射的激光并将其转化为电信号；所述控制器根据光纤接收器的电信号判定是否有晶圆自承载头滑出；所述激光发射器和光纤接收器相对于抛光垫倾斜设置，使得附着于其上的液滴滑落而不封堵激光发射和/或接收的路径。
作为优选实施例，所述V形支架一体成型以形成分别设置所述激光发射器和光纤接收器的安装面，所述安装面的夹角为150°-160°。
作为优选实施例，所述激光发射器和/或光纤接收器的前侧设置有光强衰减组件，所述光强衰减组件包括减光片，其可拆卸地设置于所述激光发射器和/或光纤接收器的前侧。
作为优选实施例，所述减光片的外侧面设置有疏水涂层。
作为优选实施例，所述光强衰减组件包括减光片，其外侧面设置有疏水涂层。
作为优选实施例，所述疏水涂层为派瑞林C，其厚度为10nm-30nm。
作为优选实施例，滑片检测装置还包括喷气组件，所述喷气组件竖直设置于所述V形支架的中部位置；所述喷气组件朝向所述激光发射器和光纤接收器的端面喷射气体以去除附着于其上的液滴。
作为优选实施例，所述喷气组件包括喷嘴，所述喷嘴的内部设置有缓流腔和加速腔，两者同心贯通连接；所述缓流腔为圆柱孔，所述加速腔为锥形孔，所述加速腔的母线与喷嘴的中轴线之间的夹角为15°-60°；所述加速腔的外周壁设置有矩形的喷射口，所述喷射口朝向所述激光发射器和光纤接收器的端面喷射气体。
作为优选实施例，滑片检测装置还包括防护板，所述防护板为U形板，其罩设于所述激光发射器和光纤接收器的外侧，以防止水流溅射至所述激光发射器和光纤接收器的外端面。
本发明实施例的第二个方面提供了一种化学机械抛光系统，其包括抛光盘、设置于抛光盘上侧的抛光垫、承载头和承载头驱动装置，其还包括上面所述的滑片检测装置，所述滑片检测装置设置于承载头驱动装置以检测承载头内部的晶圆是否滑出。
作为优选实施例，所述滑片检测装置设置于承载头驱动装置的侧部或底部并位于晶圆自承载头滑出的轨迹线。
本发明的有益效果包括：
(1)组合抗干扰性强的激光发射器和捕捉信号灵敏的光纤接收器，有效提升了滑片检测的准确性；
(2)将激光发射器和光纤接收器设置于V形支架，使得附着于其上的液滴滑落而不封堵激光发射和/或接收的路径，此外，在V形支架设置喷气组件，以除去附着在激光发射器和光纤接收器端面的液滴，降低液滴附着对滑片检测准确性的影响；
(3)在激光发射器和/或光纤接收器的前侧设置光强衰减组件，以衰减发射端和/或接收端的光强度，解决滑片检测误报的问题。
附图说明
通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明的保护范围，其中：
图1是本发明所述滑片检测装置10的结构示意图；
图2是本发明所述化学机械抛光系统100的结构示意图；
图3是本发明所述滑片检测装置10的另一个实施例的示意图；
图4是图3所示的滑片检测装置10的立体图；
图5是本发明所述喷嘴15a的结构示意图；
图6是本发明所述喷嘴15a的立体图；
图7是本发明所述喷嘴15a另一个实施例的示意图；
图8是本发明所述滑片检测装置10的再一个实施例的示意图；
图9是本发明所述光强衰减组件16的一个实施例的示意图；
图10是本发明所述滑片检测装置10的电气图；
图11是本发明所述滑片检测装置10实施检测的流程图；
图12是本发明所述滑片检测装置10对应的光纤接收器12接收到的光强度的曲线图；
图13是本发明所述具有防护板的滑片检测装置10的示意图；
图14是本发明所述化学机械抛光系统100另一个实施例的示意图；
图15是本发明所述化学机械抛光系统100的俯视图。
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。
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。
在本发明中，“化学机械抛光(CMP,Chemical Mechanical Polishing)”也称为“化学机械平坦化(CMP,Chemical Mechanical Planarization)”，其含义和实际作用等同。
图1是本发明所述的滑片检测装置10的一个实施例的示意图。滑片检测装置10包括激光发射器11、光纤接收器12和控制器13。
激光发射器11和光纤接收器12设置于V形支架14，V形支架14朝向抛光垫20设置。激光发射器11朝向抛光垫20发射激光，光纤接收器12接收反射的激光并将其转化为电信号，控制器13根据光纤接收器12的电信号判定是否有晶圆W自承载头(图2示出)滑出。
激光发射器11发射波长为650nm的激光，其具有的线性和抗干扰能力，同时，光纤接收器12具有捕捉信号灵敏度高的优点，激光发射器11与光纤接收器12组合使用，适用于湿度较大或多水的恶劣环境的滑片检测。
图2是滑片检测装置10应用于化学机械抛光系统100的示意图。化学机械抛光系统100包括抛光盘30、设置于抛光盘30上侧的抛光垫20、承载头40和承载头驱动装置50，滑片检测装置10设置于承载头驱动装置50的侧部，以实时监测承载头40内的晶圆W是否滑出。
图1中，V形支架40一体成型，其形成对称的两个安装面，以分别安装激光发射器11和光纤接收器12。由于激光发射器11和光纤接收器12相对于抛光垫20倾斜设置，因此，溅射的液滴可以沿倾斜设置的安装面向下滑落。液滴不会封堵在图1中点划线示出的激光发射和/或接收的路径，有效防止溅落至激光发射器11和光纤接收器12端面的含有抛光液和/或清洗液的液滴对滑片检测的影响，降低滑片检测的误报率，保证化学机械抛光系统的误报停机，提高晶圆加工的效率。
图1所示的实施例中，V形支架40形成的两个安装面的夹角θ为155°，激光发射器11和光纤接收器12对称设置于相应的安装面。附着在激光发射器11和光纤接收器12端面的液滴在重力作用下滑落至端面下侧的角部，液滴不会封堵激光发射和/或接收的路径，有效保证了流体溅射对滑片检测精度的影响。可以理解的是，V形支架40形成的安装面的夹角θ为150°-160°。
为了解决流体溅射的液滴对滑片检测的影响，本发明还提供了另一个解决方案。滑片检测装置10的另一个实施例的示意图，如图3所示。滑片检测装置10还包括喷气组件15，其竖直设置于所述V形支架14的中部位置。喷气组件15朝向设置在其两侧的激光发射器11和光纤接收器12的端面喷射气体，以进一步去除附着在激光发射器11和光纤接收器12端面的液滴，避免端面附着的液滴对滑片检测准确性的影响。
图4是图3所示的滑片检测装置10的立体图，喷漆组件15设置在V形支架14的中间位置，其外周侧设置有喷射口，以便对激光发射器11和光纤接收器12的端面喷射气体。
作为本发明的一个实施例，喷漆组件15喷射的气体为高压空气，高压空气为经过过滤的洁净气体。在一些实施例中，喷漆组件15喷射的气体也可以为N2和/或惰性气体，以减少具有一定活性的气体对化学机械抛光的干扰。惰性气体可以选择氦、氖、氩、氪、氙等。
进一步地，喷气组件15包括喷嘴15a，其端部通过管路与待喷射的气体连接。在图2所示的实施例中，滑片检测装置10设置在承载头驱动装置50的侧部。承载头驱动装置50的上部设置多个电气阀组成的阀岛，可以通过承载头驱动装置50的阀岛引入待喷射的气源。即在现有结构的基础上，增加喷射组件15，几乎不会增加作业空间。如此设置能够有效降低结构的复杂度，提高运行的稳定性。
图5是本发明所述喷嘴15a的结构示意图。喷嘴15a为圆柱体结构，其内部设置有缓流腔15a-1和加速腔15a-2，两者同心贯通连接；缓流腔15a-1为圆柱孔，加速腔15a-2为锥形孔，加速腔15a-2位于缓流腔15a-1的外侧。
进一步地，加速腔15a-2的外周壁设置有矩形的喷射口15a-3，喷射口15a-3朝向激光发射器11和光纤接收器12的端面设置。喷射口15a-3的高度为0.5mm-3mm，优选地，喷射口15a-3的高度为1.2mm。
图6是喷嘴15a的立体图。喷射口15a-3设置于喷嘴15a的外周侧，图6示出了一个喷射口15a-3，在其相对位置还设置有一个喷射口15a-3。
图5中，加速腔15a-2的母线与喷嘴15a的中轴线之间的夹角α为25°，以便经由喷嘴15a的缓流腔15a-1并进入加速腔15a-2的气体能够以较高的速度自喷射口15a-3喷射。
可以理解的是，加速腔15a-2的母线与喷嘴15a的中轴线之间的夹角α为15°-60°；喷气组件15引入的喷射气体经由缓流腔15a-1、加速腔15a-2，再由喷射口15a-3朝向激光发射器11和光纤接收器12的端面喷射。
图5中，喷射口15a-3的为矩形结构，其上端面与下端面相互平行设置，喷射口15a-3的中轴线与喷嘴15a内侧底面的距离为1mm-5mm。
图7是图5所示的实施例的一个变体，在该实施例中，喷射口15a-3的上端面和下端面朝向外侧设置，其喷射口15a-3形成开口向外的结构，以便气体快速经由喷射口15a-3喷出，以提升喷气组件15喷射附着于激光发射器11和光纤接收器12端面的液滴的效果。
作为本发明的一个实施例，激光发射器11和/或光纤接收器12的前侧设置有光强衰减组件16，以灵活调节发射或接收的激光的强度，提高本发明所述滑片检测装置10的适应性。光强衰减组件16可拆卸地设置于激光发射器11和/或光纤接收器12的前侧，以便提高安装调试的便捷性。
图8是本发明所述滑片检测装置10的另一个实施例的示意图，在该实施例中，激光发射器11的前侧设置光强衰减组件16。光强衰减组件16通过螺纹连接设置于激光发射器11的前侧。进一步地，光强衰减组件16包括减光片，以减弱发射或接收的激光的强度。可以理解的是，减光片的透光率可以在1％、2％、3％、5％、10％、25％、30％、50％、60％、70％、80％等范围内灵活单独选择或组合使用。
图9是本发明所述光强衰减组件16的一个实施例的示意图，光强衰减组件16包括圆柱状的主体部16a，主体部16a的端部设置有与激光发射器11或光线接收器12连接的螺纹；主体部16a的前端设置有减光片16b，所述减光片16b由设置在外部的限位罩16c固定。可以理解的是，光强衰减组件16也可选择其他结构形式，只要方便减光片16b的拆卸及更换即可。
为了防止光强衰减组件16外侧的减光片16b附着液滴，在减光片16b的外侧面设置有疏水涂层。由于在疏水涂层上部的静态液滴的接触角大于90°，液滴可以沿疏水涂层滚落至光强衰减组件16的下端，以防止喷射流体的液滴对滑片检测的影响。
作为本实施例的一个方面，所述疏水涂层为派瑞林C，其综合了优良的介电性能和物理机械性能，有效防止液滴附着在减光片16b的外侧面。派瑞林C的厚度为10nm-30nm。优选地，派瑞林C的厚度为15nm，其通过气相沉积于减光片16b的外侧面。
图10是本发明所述滑片检测装置10的电气图，激光发射器11包括光发射电路，以发射单一波长的激光；光纤接收器12包括光感应电路，以感应环境中的发射光。
控制器13包括信号转换模块、信号分析模块和信号增益调节模块；信号转换模块将光感应电路接收的发射光的强度转换为电信号Id，即光纤接收器12检测到的代表反射光强度的电流值；信号分析模块将Id与Ir比较，以判定是否有晶圆自承载头滑出。其中，Ir为额度电流值。
信号增益调节模块能够使放大电路的增益自动地随信号强度而自动调整，以保证控制器13输出电信号的准确性。作为本发明的一个实施例，信号增益安装预先设定的档位进行调节。作为本实施例的一个方面，调节档位为1-7档不等。
化学机械抛光中，抛光垫的外观存在色差，并且在随着使用时间的延长，抛光垫的颜色会出现不同程度的变化。为了保证滑片检测装置10检测的准确性，需要调整信号增益调节模块以适用不同的检测环境。本发明中，通过信号增益调节模块与上面所述的光强衰减组件16配合，能够调节出位于信号增益档位之间的效果，以提高滑片检测装置10的适用范围。
图11是滑片检测装置10实施检测的流程图。当晶圆正常进行化学机械抛光时，晶圆保持于承载头的内部；激光发射器11发射的激光照射在抛光垫的表面，由于抛光垫表面还有抛光液和/或DIW，照射在其上的激光会发生漫反射，因此，光纤接收器12接收到的发射光是有限的。
图12是本发明所述滑片检测装置10对应的光纤接收器12接收到的光强度的曲线图。在t0之前，晶圆始终保持在承载头的内部。
当t0之后，Id＞Ir，则表明晶圆自承载头滑出；此时，激光发射器11发射的激光照射在晶圆的表面，由于晶圆的表面为光滑的镜面，其将80％及以上的入射光发射并由光纤接收器12接收，因此，代表其光强度的Id超过了Ir。
在一些实施例中，Ir的数值为3600μA，而当未有晶圆滑出时，Id为30-50μA。由于Ir远大于正常运行时的监测值，因此，本发明所述的滑片检测装置能够保证滑片检测的准确性。
在一些实施例中，控制器13转换的电信号可以为与光强度相关的无量纲的数值，只要将检测值与预先设定的额定值比较，即可判定处晶圆是否从承载头的内部滑出。
作为本发明的另一个实施例，滑片检测装置10还包括防护板17，如图13所示。防护板17为U形板，其设于激光发射器11和光纤接收器125的外侧，防护板17的开口部朝向承载头驱动装置设置，以防止水流溅射至激光发射器11和光纤接收器12的外端面。
图13中，激光发射器11配置有发射防护罩11a，光纤接收器12配置有接收防护罩12a；发射防护罩11a和接收防护罩12a为锥形结构，以防止水流溅射至激光发射器11和光纤接收器12的外端面。
作为本实施例的一个方面，发射防护罩11a的锥度为15°-30°，接收防护罩12a的锥度为45°-60°。
图14是本发明所述化学机械抛光系统另一个实施例的示意图，其包括抛光盘30、设置于抛光盘30上侧的抛光垫20、承载头40和承载头驱动装置50，其还包括上面所述的滑片检测装置10，滑片检测装置10设置于承载头驱动装置的下侧，以检测承载头内部的晶圆是否滑出。
滑片检测装置10需要设置在承载头40的外周侧，以避免承载头40自身遮挡光线的发射及接收。滑片检测装置10需要设置在晶圆自承载头滑出的轨迹线，如图15所示，以在晶圆滑出的第一时间实施检测。图15中，抛光垫上的点划线表示晶圆滑出的轨迹线。
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 (10)

1.一种滑片检测装置，其特征在于，包括激光发射器、光纤接收器和控制器；所述激光发射器和光纤接收器设置于V形支架，所述V形支架朝向抛光垫设置，所述激光发射器朝向抛光垫发射激光，光纤接收器接收反射的激光并将其转化为电信号；所述控制器根据光纤接收器的电信号判定是否有晶圆自承载头滑出；所述激光发射器和光纤接收器相对于抛光垫倾斜设置，使得附着于其上的液滴滑落而不封堵激光发射和/或接收的路径。
2.如权利要求1所述的滑片检测装置，其特征在于，所述V形支架一体成型以形成分别设置所述激光发射器和光纤接收器的安装面，所述安装面的夹角为150°-160°。
3.如权利要求1所述的滑片检测装置，其特征在于，所述激光发射器和/或光纤接收器的前侧设置有光强衰减组件，所述光强衰减组件包括减光片，其可拆卸地设置于所述激光发射器和/或光纤接收器的前侧。
4.如权利要求3所述的滑片检测装置，其特征在于，所述减光片的外侧面设置有疏水涂层。
5.如权利要求4所述的滑片检测装置，其特征在于，所述疏水涂层为派瑞林C，其厚度为10nm-30nm。
6.如权利要求1所述的滑片检测装置，其特征在于，还包括喷气组件，所述喷气组件竖直设置于所述V形支架的中部位置；所述喷气组件朝向所述激光发射器和光纤接收器的端面喷射气体以去除附着于其上的液滴。
7.如权利要求6所述的滑片检测装置，其特征在于，所述喷气组件包括喷嘴，所述喷嘴的内部设置有缓流腔和加速腔，两者同心贯通连接；所述缓流腔为圆柱孔，所述加速腔为锥形孔，所述加速腔的母线与喷嘴的中轴线之间的夹角为15°-60°；所述加速腔的外周壁设置有矩形的喷射口，所述喷射口朝向所述激光发射器和光纤接收器的端面喷射气体。
8.如权利要求1所述的滑片检测装置，其特征在于，还包括防护板，所述防护板为U形板，其罩设于所述激光发射器和光纤接收器的外侧，以防止水流溅射至所述激光发射器和光纤接收器的外端面。
9.一种化学机械抛光系统，其特征在于，包括抛光盘、设置于抛光盘上侧的抛光垫、承载头和承载头驱动装置，其还包括权利要求1-8任一项所述的滑片检测装置，所述滑片检测装置设置于承载头驱动装置以检测承载头内部的晶圆是否滑出。
10.如权利要求9所述的化学机械抛光系统，其特征在于，所述滑片检测装置设置于承载头驱动装置的侧部或底部并位于晶圆自承载头滑出的轨迹线。
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