CN113059480B - 一种化学机械抛光装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种化学机械抛光装置，包括：抛光垫、承载头、修整器、传感器组件和控制器；所述抛光垫固定于耦接至第一驱动组件的抛光盘上；所述承载头耦接至第二驱动组件，用于将基板抵压于所述抛光垫上进行抛光；所述修整器耦接至第三驱动组件，用于在抛光过程中对所述抛光垫进行修整；所述传感器组件与第一驱动组件和/或第二驱动组件和/或第三驱动组件连接，用于传送至少一个驱动组件产生的实时数据信号；所述控制器用于接收所述实时数据信号并根据该信号控制抛光过程。
Description
技术领域
本发明属于化学机械抛光技术领域，尤其涉及一种化学机械抛光装置及其控制方法。
背景技术
化学机械抛光是一种在芯片制造领域的主流基板抛光方法。这种抛光方法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，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，使得基板表面在抛光液的化学成分所产生的化学作用和抛光液所包含的磨粒所产生的机械作用下被抛光，实现全局平坦化。
承载头是化学机械抛光装置的重要组成部分，其作业性能直接关系到基板的化学机械抛光效果。美国专利US20070082589A1公开了一种用于化学机械抛光的承载头，其包括连接至第一压力输入的第一通路和连接至第二压力输入的第二通路。承载头还包括具有所述第一和第二通路的底座组件、结合至底座组件的柔性膜。柔性膜通常具有圆形主体，其下表面提供基板安装表面。在底座组件和柔性膜之间的空间形成多个可加压腔，其中所述第一通路和多个可加压腔的第一腔连通，所述第二通路和多个可加压腔的第二腔连通。
承载头的下部设置有保持环，其在基板的化学机械抛光中发挥重要作用。一方面，其可以防止抛光过程的基板从承载头的底部滑脱或飞出；另一方面，保持环的底部设置有沟槽，其可以为更新基板与抛光垫之间的抛光液提供流体通道；再者，保持环抵压于抛光垫参与基板边缘压力的调整，有利于实现基板的全局平坦化并改善平坦化的一致性。
由于大部分的抛光垫是多孔微结构聚合材料制成的，在作业期间众多孔隙可被抛光液中的颗粒填充并形成釉化，从而导致待抛光材料的去除速率持续减小，不利于平坦化工艺，降低半导体元件的成品率和可靠性。为了解决这一问题，通常使用修整器对抛光垫的研磨表面进行修整。修整器通常具有由微小的金刚石颗粒构成的修整面，通过将修整面按压于抛光垫上旋转，同时使修整器沿抛光垫的半径方向摆动，可实现抛光垫研磨表面的再生。
在化学机械抛光过程中，基板的平坦化需要精确控制。为了将待去除材料层充分去除的同时避免抛光过度，需要对抛光过程进行实时监测，尤其希望精确地检测抛光终点。现有技术中，检测抛光终点的方法包括：光学检测、热检测、电涡流检测和摩擦力检测等技术。其中，基于摩擦力的检测方式通过监视基板表面和抛光垫之间摩擦系数的改变来确定抛光终点，而摩擦系数的改变可以通过监测诸如驱动电机的电流值等参数变化来间接探知。若待去除的材料层被完全去除、下层材料露出时，摩擦系数有显著改变，则采用基于摩擦力检测的终点检测方法效果较好。然而，在很多情况下，不同材料层之间摩擦系数接近，当到达抛光终点时，监测信号仅发生较小突变，目标信号被淹没在较大的噪声中；另外，承载头和修整器在抛光垫上的周期性运动将导致驱动电机的参数随之发生周期性改变，即目标信号时刻处于较强的周期性干扰中。
发明内容
本发明提供了一种化学机械抛光装置及其控制方法，旨在一定程度上解决上述技术问题之一，其技术方案如下：
本发明的一个实施方式为一种化学机械抛光装置，包括：抛光垫、承载头、修整器、传感器组件和控制器；
所述抛光垫固定于耦接至第一驱动组件的抛光盘上；
所述承载头耦接至第二驱动组件，用于将基板抵压于所述抛光垫上进行抛光；
所述修整器耦接至第三驱动组件，用于在抛光过程中对所述抛光垫进行修整；
所述传感器组件与第一驱动组件和/或第二驱动组件和/或第三驱动组件连接，用于传送驱动组件产生的实时数据信号；
所述控制器用于接收所述实时数据信号并根据该信号控制抛光过程。
进一步地，所述控制器包括数据采集模块、信号过滤模块和状态识别模块；
所述数据采集模块用于接收第一驱动组件和/或第二驱动组件和/或第三驱动组件的实时数据信号，所述实时数据信号包括电流、转矩、转速信号中的至少一种；
所述信号过滤模块用于对上述信号进行去噪，以消除干扰；
所述状态识别模块基于信号过滤模块的输出信号监视包括抛光终点在内的基板抛光进度。
进一步地，所述信号过滤模块对数据采集模块采集的信号进行FFT变换，在信号频域中滤除周期性干扰。
进一步地，所述信号过滤模块采用PCA方法对数据采集模块采集的信号进行预处理。
进一步地，所述信号过滤模块采用奇异值检验的方法去除输入信号中的奇异值。
在一些实施例中，所述信号过滤模块对第一驱动组件和/或第二驱动组件和/或第三驱动组件的信号进行盲源分离，以进一步去除噪声。
进一步地，所述盲源分离采用CCA、EMD、PSO或ICA中的一种方式进行。
本发明的另一个实施方式为一种化学机械抛光控制方法，包括：
S1.采集化学机械抛光装置的第一驱动组件和/或第二驱动组件和/或第三驱动组件的实时数据信号，所述实时数据信号包括各驱动组件中电机的电流、转矩、转速中的至少一项；
S2.对实时数据信号进行预处理；
S3.对经过预处理的信号进行FFT变换，在信号频域中滤除周期性干扰，再进行反FFT变换；
S4.对经过反FFT变换的信号进行盲源分离；
S5.监测盲源分离后的信号在化学机械抛光过程期间的变化；
S6.响应所监测的变化，停止抛光或改变化学机械抛光参数。
进一步地，所述预处理包括采用PCA和/或奇异值检验方式进行去噪。
进一步地，所述盲源分离采用CCA、EMD、PSO或ICA中的一种方式进行。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果包括：通过识别周期性干扰的频率特征有效滤除周期性干扰信号，并通过盲源分离方法有效识别目标信号的微小突变，可以改善信噪比，从而提高化学机械抛光过程监测的准确性。
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，但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是本发明一实施方式中化学机械抛光装置的立体图；
图2是本发明一实施方式中第一驱动组件电流数据信号的功率谱图；
图3是本发明一实施方式中采用PCA进行数据预处理的结果；
图4是本发明一实施方式中采用奇异值检验进行数据预处理的结果；
图5是本发明一实施方式中盲源分离之前第一驱动组件的输出电流；
图6是本发明一实施方式中盲源分离之后第一驱动组件的输出电流；
图7是本发明一实施方式中化学机械抛光控制方法的流程图。
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。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。
图1是抛光装置的基本结构构造的立体示意图，抛光单元包括抛光盘10、抛光垫20、基板承载装置30、修整器40、抛光液供应装置50、传感器组件60以及控制器70；抛光盘10由第一驱动组件驱动，实现每分钟0到数百转之间任一期望速度的匀速旋转，抛光垫20设置于抛光盘10上表面并与其一起同步绕轴旋转；可水平移动的基板承载装置30设置于抛光垫20上方，其所耦接的承载头的下表面吸持有待抛光的基板W；进行化学机械抛光作业时，基板承载装置30将基板W的待抛光面抵压于抛光垫20的上表面，抛光液分布于抛光垫20与基板W之间，在化学和机械的作用下完成基板材料的去除；基板承载装置30包括承载头31及上部气动组件32(Upper Pneumatic Assembly,UPA)，承载头31通过未示出的连接组件耦接至上部气动组件32，上部气动组件32中包括配置成使承载头31转动和径向移动的第二驱动组件；修整器40包括修整头42及耦接至第三驱动组件的修整臂41，第三驱动组件通过修整臂41带动修整头42旋转并摆动以修整抛光垫20表面使其达到适于抛光的优化状态；抛光液供应装置50将抛光液散布于抛光垫20的上表面；传感器组件60分别连接至第一驱动组件和/或第二驱动组件和/或第三驱动组件，其被配置成可实时传送第一驱动组件和/或第二驱动组件和/或第三驱动组件运行期间各个驱动电机的电流、转矩和转速信号中的至少一种，上述实时数据信号可以用于表征基板W与抛光垫20之间的摩擦力变化情况；控制器70与传感器组件60连接，其被配置成可接收并处理源自传感器组件60的实时数据信号。
当基板W表面待去除的材料层被完全去除、其下层的材料露出时，基板W与抛光垫20之间的摩擦系数发生改变，第一驱动组件的参数也会随之改变，例如基板W与抛光垫20之间的摩擦力减小时，维持抛光盘10转动速度不变所需的电机转矩和电机电流均会减小，因此第一驱动组件的转矩和电流数值的变化可以表征该摩擦力的变化。同时，由承载头31的摆动以及修整器40的摆动与转动造成的抛光垫振动也将对上述摩擦力产生影响，换言之，表征该摩擦力的目标信号处在多个背景信号干扰中，这种干扰无疑会影响对基板W抛光进度监测的准确性。
为了消除干扰，控制器60被配置为具有去噪功能。具体地，控制器60包括数据采集模块、信号过滤模块和状态识别模块。数据采集模块用于接收第一驱动组件和/或第二驱动组件和/或第三驱动组件的实时数据信号，包括电流、转矩、转速信号中的至少一种；信号过滤模块可以对上述实时数据信号进行去噪，以消除干扰；信号过滤模块的输出信号被输入状态识别模块，后者可以通过该信号判断出抛光是否到达终点。
承载头31的摆动以及修整器40的摆动具有固定的频率，因此容易在频域中发现由上述摆动产生的干扰。由于连续性周期性干扰信号的频带较窄，同时其幅值也较大，在频谱分析时可以看做窄带尖峰信号，根据这一特点，可以通过快速傅里叶变换(Fast FourierTransform,FFT)在功率谱中找出背景噪声能量比较大的部分，并在信号的频域中直接滤除，然后对过滤后的信号进行反FFT变换即可达到滤除窄带周期性干扰的目的。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，在抛光盘10的第一驱动组件电流数据信号的功率谱中，存在明显的尖峰信号，这是由修整器40和承载头31的摆动造成的，因此尖峰信号的频率分别与修整器40以及承载头31的摆动频率一致。借助信号过滤模块从第一驱动组件的输出电流信号中去除对应于修整器和承载头的摆动频率的振动成分，可以有效降低背景噪声。由于FFT滤波法的实现难度低，在信号过滤模块中采用FFT滤波是可行的。
因为高速采样数据在FFT变换时所需计算量较大，对设备算力和带宽有较高要求，实时性难以保证，同时一些无关的信号混杂在目标信号中，通过改善硬件和优化逻辑时序已很难提升FFT处理效果。为了进一步提高滤波效果，可以在FFT之前对信号进行预处理，例如，可以采用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)方法对信号进行初步降噪。PCA算法假设样本数据的观测噪声服从等方差的多维高斯分布，因为任何一个变量的变化影响都远远大于随机噪声的影响，所以相较于噪声，各种变量相对不受影响，通过选择能够最大化方差的投影方向作为样本的主成分，即可以用主成分来重构原始数据。
它的主要思想是用尽可能少的隐变量表示蕴含在原先所有变量中的尽可能多的信息量，即在对数据集进行降维的同时去除变量间的相关性，以提取隐含在复杂数据中的变量特征。PCA能获得一个统计模型，它用少量的主成分表明大部分信息，同时将冗余变量视为分解残差。PCA的本质是一种线性变换，从线性代数的角度来看，PCA的目的是为原数据找到另一组基，在这个新的数据空间中，反应数据变化主要趋势的维度(主成分)得以凸显，而次要的维度被去除。
图3为本发明的一个实施例中，采用PCA方法对数据进行预处理之后的结果。其中数据含有3个变量：电枢电流、转速和电磁转矩，样本集有训练集和测试集两类样本。图中直线表示利用训练集求出的该3维过程数据最显著的变化方向(第一主成分)，即样本方差最大、含有信息量最多的方向，菱形代表所有样本数据在第一主成分上的投影。此时仅第一主成分的方差贡献率就超过了85％，即只需用1个维度就可以表征原先3维数据的绝大部分信息，这体现了PCA方法特征提取和数据压缩的功能。接下来进行后续步骤，根据样本在第一主成分上投影的分布特性，可以区分出抛光完成前采集的样本和抛光完成后采集的样本。
另外，在保证算法实时性的前提下，还可以采用奇异值检验的方法去除输入信号中的奇异值。奇异值检验是把大部分数据聚集的簇与少量的噪声样本点分开的方法，诸如单类支持向量机(One-class Support Vector Machine,OCSVM)算法的有监督方法对于奇异值检测问题具有较好的表现。OCSVM的实质是将低维样本数据映射到高维特征空间，在其中寻找一个最优分类超球面，将训练样本用最小超球面包围，并以此超球面作为分类决策面。只要样本足够丰富，那么此分类面就足够精确，使得任何落在球内的样本都可以被认为是正常样本，而落在球外的样本均为离群值。
图4为本发明的一个实施例中，对经过PCA降维的数据样本用OCSVM进行奇异值检验的结果，黑色曲线为特征空间中的超球面在原2维数据空间的投影。被视为噪声的离群点被排除于分类决策面之外，实现了去噪效果。
通过FFT滤波可以消除周期性干扰，但观测信号依然包含大量白噪声和随机脉冲噪声。而上述噪声同时作用于第一驱动组件、第二驱动组件和第三驱动组件的多个电机信号，为了从现场的各种干扰中提取出目标信号，可以对经过FFT滤波的上述多路信号进行盲源分离，即在信号的理论模型和源信号无法精确获知的情况下，从混叠信号中分离出各个源信号。由于白噪声与有用信号之间独立或不相关，可以采用诸如典型相关分析(Canonical Correlation Analysis,CCA)、经验模态分解(Empirical ModeDecomposition,EMD)、粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)或独立成分分析(Independent Component Analysis,ICA)的方法进行盲源分离。
ICA作为盲源分离最简单的解决方案，假定盲源信号的各个分量相互独立，且不考虑时序结构，通过一定的假设条件，仅由观测信号确定线性变换矩阵，依据一定的优化算法使得变换后输出的信号相似性最小，即分量之间相互独立。
CCA方法可识别和量化两组随机变量之间的相关关系，它应用于盲源分离时通常具有比ICA方法更高的计算效率。另外，CCA方法不仅考虑样本值的统计分布，而且充分利用信号之间的相关性，分离结果的准确性和实时性都较好。
由于ICA方法要求源信号平稳且相互独立，对于非平稳信号分离效果欠佳，为了解决这一不足，可以采用EMD方法进行盲源分离。EMD将信号中不同尺度的波动或趋势逐级分解，产生一系列具有不同特征尺度的数据序列，每一个序列即为一个本征模函数分量，该分解具有完备性、正交性和唯一性，能有效处理非平稳信号。
PSO是一种进化计算技术，主要依靠各粒子之间的相互协作来寻找最优解，特点在于能够遍历寻找最优解，当应用于盲源分离时相对于传统方法而言鲁棒性好、收敛精度高。
在本发明的一个实施例中，采用ICA方法对多个电机的电流信号进行盲源分离，可以有效去除其中的随机脉冲干扰和其他干扰，图5是盲源分离之前第一驱动组件的输出电流，去噪后的结果如图6所示。可以看出在抛光过程的中间阶段输出电流值发生了两次跃变，通过对比去噪前后的输出电流，可以看出经过去噪之后，输出电流值的跃变更显著，输出电流跃变的时刻更容易被准确地检测，即信噪比有明显提升。该实施例中，控制器60的状态识别模块在检测到第一驱动组件的输出电流的跃变之后，即可判断当前基板W与抛光垫20之间的摩擦系数发生了突变，即当前与抛光垫20接触的材料层发生了改变，从而认为对前一材料层的抛光已到达终点，可以发出指令结束抛光过程。
如图7所示，在本发明的一个实施例中，通过对第一驱动组件和/或第二驱动组件和/或第三驱动组件的实时数据信号进行处理并根据处理后的信号监测化学机械抛光过程的完整流程包括：
步骤S1.采集化学机械抛光装置的第一驱动组件和/或第二驱动组件和/或第三驱动组件的实时数据信号，所述实时数据信号包括各驱动组件中电机的电流、转矩和转速中的至少一项；
步骤S2.对实时数据信号进行预处理；
步骤S3.对经过预处理的信号进行FFT变换，在信号频域中滤除周期性干扰，再进行反FFT变换；
步骤S4.对经过反FFT变换的信号进行盲源分离；
步骤S5.监测盲源分离后的信号在化学机械抛光过程期间的变化；
步骤S6.响应所监测的变化，停止抛光或改变化学机械抛光参数。
具体地，S2中的预处理可以采用PCA和/或奇异值检验方式进行去噪。
具体地，S4中的盲源分离采用CCA、EMD、PSO或ICA中的一种方式进行。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，各实施例可以任意组合，组合后形成的新的实施例也在本申请的保护范围之内。某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种化学机械抛光装置，包括：抛光垫、承载头、修整器、传感器组件和控制器；
所述抛光垫固定于耦接至第一驱动组件的抛光盘上；
所述承载头耦接至第二驱动组件，用于将基板抵压于所述抛光垫上进行抛光；
所述修整器耦接至第三驱动组件，用于在抛光过程中对所述抛光垫进行修整；
所述传感器组件与第一驱动组件和/或第二驱动组件和/或第三驱动组件连接，用于传送至少一个驱动组件产生的实时数据信号；
所述控制器用于接收所述实时数据信号并根据该信号控制抛光过程，具体包括：
S1.采集化学机械抛光装置的第一驱动组件和/或第二驱动组件和/或第三驱动组件的实时数据信号，所述实时数据信号包括各驱动组件中电机的电流、转矩、转速中的至少一项；
S2.对实时数据信号进行预处理，所述预处理包括采用PCA和/或奇异值检验方式进行去噪；
S3.对经过预处理的信号进行FFT变换，在信号频域中滤除周期性干扰，再进行反FFT变换；
S4.对经过反FFT变换的信号进行盲源分离，所述盲源分离采用CCA、EMD、PSO或ICA中的一种方式进行；
S5.监测盲源分离后的信号在化学机械抛光过程期间的变化；
S6.响应所监测的变化，停止抛光或改变化学机械抛光参数。
2.如权利要求1所述的化学机械抛光装置，其特征在于，所述控制器包括数据采集模块、信号过滤模块和状态识别模块；
所述数据采集模块用于接收第一驱动组件和/或第二驱动组件和/或第三驱动组件的实时数据信号，所述实时数据信号包括电流、转矩、转速信号中的至少一种；
所述信号过滤模块用于对上述信号进行去噪，以消除干扰；
所述状态识别模块基于信号过滤模块的输出信号监视包括抛光终点在内的基板抛光进度。
3.如权利要求2所述的化学机械抛光装置，其特征在于，所述信号过滤模块对数据采集模块采集的信号进行FFT变换，在信号频域中滤除周期性干扰。
4.如权利要求3所述的化学机械抛光装置，其特征在于，所述信号过滤模块采用PCA方法对数据采集模块采集的信号进行预处理。
5.如权利要求4所述的化学机械抛光装置，其特征在于，所述信号过滤模块采用奇异值检验的方法去除输入信号中的奇异值。
6.如权利要求2-5中任一项所述的化学机械抛光装置，其特征在于，所述信号过滤模块对第一驱动组件和/或第二驱动组件和/或第三驱动组件的信号进行盲源分离，以进一步去除噪声。
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