CN113993662A - 用于温度控制的化学机械抛光温度扫描设备 - Google Patents
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Abstract
一种化学机械抛光设备,包括平台,具有顶部表面以保持抛光垫;载具头,以在抛光处理期间保持基板抵靠抛光垫的抛光表面;以及温度监控系统。温度监控系统包括定位在平台上方的非接触式热传感器,非接触式热传感器具有在平台上的抛光垫的部分的视场。传感器能够由发动机围绕旋转轴旋转,以便跨抛光垫移动视场。
Description
技术领域
本公开关于化学机械抛光(CMP),且更具体而言,关于在化学机械抛光期间的温度控制。
背景技术
通常通过在半导体晶片上依序沉积导电层、半导体层或绝缘层而在基板上形成集成电路。各种制作处理需要在基板上的层的平坦化。举例而言,一个制作步骤涉及在非平坦表面上方沉积填充层,以及平坦化填充层。对于某些应用,平坦化填充层直到暴露图案化层的顶部表面。举例而言,可在图案化的绝缘层上沉积金属层,以填充绝缘层中的沟道和孔洞。在平坦化之后,在图案化的层的沟道和孔洞中的金属的剩余部分形成贯孔、塞子和线,以提供基板上薄膜电路之间的导电路径。如另一示例,可在图案化的导电层上方沉积介电层,并且接着平坦化以能够实施后续光蚀刻步骤。
化学机械抛光(CMP)为一种被接受的平坦化的方法。此平坦化方法通常需要将基板安装在载具头上。基板的暴露的表面通常放置抵靠旋转抛光垫。载具头在基板上提供可控制的负载,以将其推挤抵靠抛光垫。具有研磨粒子的抛光浆料通常供应至抛光垫的表面。
发明内容
在一个方面中,一种化学机械抛光设备包括:平台,具有顶面以保持抛光垫;载具头,以在抛光处理期间保持基板抵靠抛光垫的抛光表面;以及温度监控系统。温度监控系统包括定位在平台上方的非接触式热传感器,非接触式热传感器具有在平台上的抛光垫的部分的视场。传感器能够由发动机围绕旋转轴旋转,以便跨抛光垫移动视场。
以上方面任何的实例可包括一个或多个以下特征。
热传感器能够围绕平行于抛光表面的轴旋转。
可旋转传感器支撑件可耦合至发动机,使得由发动机旋转支撑件来旋转传感器。传感器支撑件可包括在抛光垫上方延伸的臂。传感器支撑件能够围绕传感器支撑件的纵轴旋转。热传感器能够围绕垂直于支撑件的纵轴的轴旋转。热传感器能够沿着支撑件可移动。
温度监控系统可配置成测量抛光垫的部分的温度。
控制器可耦合至发动机和温度监控系统。控制器可配置成控制发动机,以便使得热传感器在抛光垫上的多个位置处进行测量。
控制器可配置成基于在抛光垫上的多个位置的测量,产生抛光垫的温度曲线。化学机械抛光设备可包括加热器和/或冷却器。控制器可配置成基于温度曲线调整加热器和/或冷却器的操作,以改善抛光垫的温度均匀性。温度轮廓可为径向轮廓。温度轮廓可为围绕平台的旋转轴的角度轮廓。温度轮廓可为2D轮廓。
热传感器可定位于平台的旋转轴上方。热传感器的旋转轴可平行于平台的旋转轴。热传感器的旋转轴可平行于抛光表面。
在另一方面中,一种监控在化学机械抛光系统中的抛光垫的温度的方法,包括:围绕旋转轴旋转热传感器,使得热传感器的视场跨化学机械抛光垫的抛光表面扫掠,同时热传感器维持横向稳定;以及随着视野跨抛光垫扫掠,利用热传感器进行多次测量,以产生温度曲线。
任何以上方面的实例可包括一个或多个以下特征。
旋转轴可平行于抛光表面。
旋转轴可垂直于所述抛光表面。
可能的优点可包括但不限于以下一者或多者。可监控跨抛光垫的温度改变和变化,而无须热传感器的横向平移。这可准许在拥挤的抛光站中进行监控,或提供空间用于抛光站中附加的部件。此外,可监控在抛光垫上多个径向位置处的温度,而无须接触抛光垫。控制器可使用测量的温度,以在抛光操作期间减少温度变化。这可改善抛光处理期间抛光的可预测性,且改善晶片内的均匀性。
附图说明
图1A为示例抛光设备的示意性剖面视图。
图1B为图1A的示例抛光设备的示意性俯视图。
图2A为示例抛光设备的示意性剖面视图。
图2B为图2A的示例抛光设备的示意性俯视图。
具体实施方式
化学机械抛光通过在基板、抛光液体和抛光垫之间的界面处将机械研磨和化学蚀刻结合来操作。在抛光处理期间,归因于基板的表面和抛光垫之间的摩擦而产生大量的热。此外,某些处理还包括原位垫调节步骤,其中例如涂覆有研磨钻石粒子的盘的调节盘按压抵靠旋转抛光垫,以调节且纹路化抛光垫表面。调节处理的研磨还可产生热。举例而言,在通常一分钟的具有2psi的标称下压压力和的移除速率的铜CMP处理中,聚氨酯抛光垫的表面温度可提升约30℃。
在CMP处理中的化学相关的变量(例如,参与反应的初始及速率)和机械相关的变量(例如,抛光垫的表面摩擦系数和黏性)两者为强烈取决于温度。结果,抛光垫的表面温度变化可导致移除速率、抛光均匀性、腐蚀、凹陷及残留物的改变。通过在抛光期间更严格地控制抛光垫的表面的温度,可降低温度的变化,且可改善例如通过晶片之中非均匀性或晶片之间非均匀性来测量的抛旋光性能。
为了在抛光期间更严格地控制抛光垫的表面的温度,且降低温度变化,需要监控抛光垫的表面的温度。温度的监控可以利用热传感器完成,且抛光垫的温度曲线(例如径向温度轮廓)可利用由热传感器执行的抛光垫的不同部分处的热读数来产生。
此外,由于需要与抛光垫接触且相对于抛光垫移动的物理部件的数量(例如,载具头、浆料分配器、温度控制系统等等),邻接抛光垫放置热传感器可为不实际的。然而,取代配置成跨抛光垫扫掠热传感器,热传感器可操作以从固定的横向位置旋转,而跨抛光垫扫掠视场。此配置可占据较少空间,且在抛光垫上方存在其他装备(例如载具头和浆料分配臂)时更容易操作。
图1A和图1B示出化学机械抛光系统的抛光站20的示例。抛光站20包括可旋转盘状平台24,抛光垫30位于可旋转盘状平台24上。平台24可操作以围绕轴25旋转。举例而言,发动机22可转动驱动杆28以旋转平台24。抛光垫30可以是两层抛光垫,具有外部抛光层34及较软背衬层32。
抛光站20可包括供应端口,例如在浆料供应臂39的端处,以将抛光液体38分配到(例如研磨浆料)抛光垫30上。抛光站20可包括垫调节器设备90,具有调节盘92(见图2)以维持抛光垫30的表面粗糙度。调节盘90可定位于臂94的可摆荡的端,以便跨抛光垫30径向扫掠盘90。
载具头70可操作以保持基板10抵靠抛光垫30。载具头70从支撑结构72(例如转盘或轨道)悬挂,并且通过驱动杆74连接至载具头旋转发动机76,使得载具头可围绕轴71旋转。可选地,载具头70可例如在转盘的滑条上,通过沿着轨道移动或通过转盘本身的旋转振荡而横向振荡。
载具头70可包括保持环84以保持基板。在某些实例中,保持环84可包括接触抛光垫的下部塑料部分86和较硬材料的上部部分88。
在操作中,平台围绕其中心轴25旋转,并且载具头围绕其中心轴71旋转并且跨抛光垫30的顶面横向平移。
载具头70可包括柔性膜80,柔性膜80具有基板固定表面以接触基板10的背侧,以及多个可加压腔室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。载具头还可包括保持环84以保持基板。
抛光系统20还包括温度控制系统100,以控制抛光垫30和/或在抛光垫上的浆料38的温度。温度控制系统100可包括冷却系统102和/或加热系统104。冷却系统102和加热系统104中的至少一者,并且在某些实例中为两者,通过将温度受控的介质(例如,液体、蒸气或喷雾)传输至抛光垫30的抛光表面36上(或至已存在于抛光垫上的抛光液体上)来操作。或者,冷却系统102和加热系统104中的至少一者,并且在某些实例中为两者,通过使用接触抛光垫的温度受控的板来操作,以通过传导修改抛光垫的温度。举例而言,加热系统104可使用热板,例如,具有电阻加热的板或具有承载加热液体的通道的板。举例而言,冷却系统102可使用冷板,例如热电板或具有承载冷却液体的通道的板。
如图1A和图1B中所显示,示例冷却系统102包括在平台24和抛光垫30上方从抛光垫的边缘延伸至抛光垫30的中心或至少接近抛光垫30的中心的臂110。臂110可由底座112支撑,并且底座112可被支撑在与平台24相同的框架40上。底座112可包括一个或多个致动器,例如,线性致动器以提升或降低臂110,和/或旋转致动器以使臂110在平台24上方横向摆动。臂110经定位以避免与其他硬件部件(例如抛光头70、浆料分配臂39和温度监控系统150)碰撞(如以下讨论)。
示例冷却系统102包括从臂110悬挂的多个喷嘴120。每一个喷嘴120被配置成将液体冷却介质(例如,水)喷洒至抛光垫30上。臂110可由底座112支撑,使得喷嘴120与抛光垫30分隔开间隙126。
每一个喷嘴120可配置成将喷洒122中的雾化的水引导朝向抛光垫30。冷却系统102可包括液体冷却介质的源130和气源132(见图1B)。在被引导通过喷嘴120之前,来自源130的液体和来自源132的气体可在例如在臂110中或臂110上的混合腔室134(见图1A)中混合,以形成喷雾122。
在某些实例中,可对每一个喷嘴独立控制处理参数,例如流率、压力、温度和/或液体对气体的混合比例。举例而言,用于每一个喷嘴120的冷却剂可流动通过可独立控制的冷却器,以独立控制喷雾的温度。作为另一示例,一个用于气体并且一个用于液体的分隔开的一对泵可连接至每一个喷嘴,使得可对每一个喷嘴独立控制气体和液体的流率、压力和混合比例。
对于加热系统104,加热介质可为气体(例如蒸气或加热的空气)或液体(例如加热的水),或气体和液体的组合。介质高于室温,例如40-120℃,例如90-110℃。介质可为水,例如实质上纯的去离子水,或包括添加物或化学品的水。在一些实例中,加热系统104使用蒸气喷雾。蒸气可包括添加物或化学品。
加热介质可通过流动通过在加热传输臂上的孔洞来传输,孔洞例如由一个或多个喷嘴提供,例如孔或狭缝。孔洞可由连接至加热介质源的歧管来提供。
示例加热系统104包括从抛光垫的边缘在平台24和抛光垫30上方延伸至抛光垫30的中心或至少接近(例如,在抛光垫的总半径的5%内)抛光垫30的中心的臂140。臂140可由底座142支撑,并且底座142可支撑在与平台24相同的框架40上。底座142可包括一个或多个致动器,例如,用于提升或降低臂140的线性致动器,和/或用于使臂140在平台24上方横向摆动的旋转致动器。臂140经定位以避免与其他硬件部件(例如抛光头70、垫调节盘92和浆料分配臂39)碰撞。
在臂140的底部表面中形成多个开口144。每一个开口144配置成将气体或蒸气(例如,蒸汽)引导至抛光垫30上。臂140可由底座142支撑,使得开口144与抛光垫30分隔开间隙。具体而言,间隙可被选择使得加热流体的热在流体到达抛光垫之前不会显著地消散。举例而言,间隙可被选择使得从开口发射的蒸气不会在到达抛光垫之前凝结。
加热系统104可包括蒸汽源146,蒸汽源146可通过管线连接至臂140。每一个开口144可配置成将蒸汽引导朝向抛光垫30。
在某些实例中,可对各个喷嘴独立控制处理参数(例如流率、压力、温度和/或液体对气体的混合比例)。举例而言,用于每一个开口144的流体可流动通过可独立控制的加热器,以独立控制加热流体的温度,例如蒸汽的温度。
图1B示出用于每一个子系统(例如,加热系统102、冷却系统104及提升系统106)的分隔开的臂,各种子系统可包括在由公共臂支撑的单个组件中。举例而言,组件可包括冷却模块、冲洗模块、加热模块、浆料传输模块和可选的擦拭模块。每一个模块可包括固定至公共安装板的主体(例如,致动主体),并且公共安装板可固定在臂端部处,使得组件定位在抛光垫30上方。各种流体传输部件(例如,管线、通道等等)可在每一个主体内部延伸。在一些实例中,模块可从固定板单独拆卸。每一个模块可具有类似的部件,以执行上述相关联系统的臂的功能。
参照图1A和图1B,抛光站20具有温度监控系统150。温度监控系统100包括定位在抛光垫30上方的热传感器180。热传感器180具有抛光垫30的部分190的视场195。此外,热传感器180可移动以改变被监控的垫的部分。特别地,热传感器180可旋转,以便跨抛光垫30的不同部分扫掠视场195。
在某些实例中,热传感器180配置成以被监控的部分190的温度测量产生信号,例如,传感器测量部分的集合温度。通过偏移热传感器180的视场195以在多个位置处进行测量,温度监控系统150可产生抛光垫30的温度曲线。特别地,通过跨抛光垫30扫掠热传感器180的视场195,热传感器180可测量抛光垫30的不同区域的温度。
测量可在抛光垫的多个非重叠部分处进行。或者,测量可在多个重叠部分进行。在后者的情况中,控制器可通过比较邻接和重叠部分的测量,确定比视场更小的区域的温度,以确定来自不同区域的对温度的相对贡献。
热传感器180可为非接触式传感器,例如红外线传感器、热影像传感器、高温计、热电堆检测器、热电检测器、辐射计等等。
部分190可为横跨(例如,直径)1mm至10mm的圆形部分。部分190的直径可取决于热传感器有多么靠近抛光垫30(例如,如图1A中图示的z轴的距离)、热传感器180的视场195的角展度和平台的旋转速率。
热传感器180可由传感器支撑件160支撑。在某些实例中,传感器支撑件160可为可定位在抛光垫30上方的臂。在某些实例中,用于热传感器180的传感器支撑件160附接至系统20的其他特征(例如支撑件72)或由系统20的其他特征提供。
如图1A和图1B中所显示,传感器支撑件160或传感器180可围绕平行于平台24的顶面(且平行于抛光表面36)的旋转轴165旋转。这以与旋转轴165垂直的方向扫掠传感器180的视场195。举例而言,用作传感器支撑件160的臂可由发动机170旋转,或传感器180可由致动器固定至传感器支撑件160。这准许热传感器180旋转,以检视在抛光垫30上的不同径向位置处的不同部分190。特别地,可跨抛光垫30扫掠视场,同时热传感器维持横向稳定。
假设传感器支撑件160为围绕其纵轴旋转的臂,旋转轴165可与臂的纵轴平行,例如共线。对此配置,当臂旋转时,视野195(和被测量的部分190)垂直于臂的纵轴扫掠。在一些实例中,传感器定位在传感器支撑件160上,在使得围绕轴165的旋转导致视场195(和被测量的部分190)沿着抛光垫30的半径扫掠(由箭头C显示)的位置处。
在某些实例中,取代围绕轴165旋转,或除了围绕轴165旋转之外,传感器180可围绕与平台24的表面平行但垂直于臂的旋转轴185旋转。这可使得视场195沿着传感器支撑件160的纵轴扫掠。再次地,这准许传感器180跨抛光垫30扫掠视场195,且测量在落入视场195的部分190处的抛光垫30的温度。
在某些实例中,发动机170可围绕竖直旋转轴175旋转传感器支撑件160。随着发动机170围绕轴175旋转传感器支撑件160,传感器支撑件160围绕轴175旋转,并且热传感器180可跨抛光垫横向平移。这准许传感器180随着发动机170围绕轴175旋转而检视抛光垫30的不同部分190。举例而言,如果传感器支撑件160是耦合至发动机170的臂,则臂可围绕轴175旋转,并且导致热传感器180也围绕轴175旋转。
在某些实例中,热传感器180可沿着传感器支撑件160横向移动。举例而言,如果传感器支撑件160为臂,则热传感器180可沿着臂(如图1A中图示沿着y轴)移动。举例而言,线性致动器(例如线性螺杆驱动器或齿条齿轮装置)可沿着传感器支撑件160移动传感器130。
随着抛光垫30围绕轴25旋转,热传感器180可在抛光垫30上不同的角度位置处的不同的部分190处测量部分190的温度。随着抛光垫30围绕轴25旋转,原本在热传感器180的视场之外的抛光垫30的区域可进入热传感器180的视场195。
控制器90可配置成从传感器180接收测量,并且操作(多个)致动器以控制被监控的部分190的位置。视场195与温度监控系统150的一个或多个特征。在某些实例中,控制器90可使得致动器沿着z轴(如图1A中图示)向上和向下移动传感器支撑件160,由此增加或减少在热传感器180和抛光垫30之间的空间。
此外,控制器90可以基于热传感器180的视场195的角度和从热传感器180至抛光垫30的竖直距离计算从热传感器180至抛光垫30上的部分190的距离D。控制器90然后可以类似地基于热传感器180的视场195’的角度和从热传感器180至抛光垫30的竖直距离计算从热传感器180至抛光垫30上的部分190’的距离D’。距离D和D’可由控制器使用,以补偿由于由热传感器180的旋转导致的从部分190到传感器180的变化的距离的信号强度的改变。举例而言,到达传感器180的热辐射可根据反平方定律变化。计算的距离可用于将信号强度标准化为标准距离,使得随着距离变化,温度计算仍维持精确。
控制器90还可基于视场195的角度,至少确定在抛光垫30上的视场195相对于旋转轴25的径向位置(以及可能径向位置和角度位置两者)。此计算可考虑热传感器180相对于抛光垫30的位置,例如,给定平台24的旋转位置、传感器支撑件160的位置以及传感器160沿着传感器支撑件160的位置。随后,控制器90可确定测量抛光垫30的哪一部分190’,且部分190’相对于部分190的位置。具有该信息,控制器90可使用抛光垫30的部分190的温度测量来产生抛光垫30的温度曲线。
在热传感器180测量部分190、190’的温度之后,控制器90可结合部分190、190’(等等)的测量的温度,以产生抛光垫30的温度曲线。即,热传感器180测量部分190的温度,并且然后测量部分190’的温度,考虑部分190’在抛光垫30上的位置相对于部分190在抛光垫30上的位置的位置,以使用两个部分190和190’产生温度曲线(例如,将测量的温度映射到抛光垫30上)。可重复此处理以测量抛光垫30的进一步部分的温度,使得可产生抛光垫30的温度曲线。
在某些实例中,控制器90使用通过温度监控系统150产生的温度曲线作为反馈,以控制温度控制系统100。举例而言,温度控制系统100可从由温度监控系统150产生的温度曲线来确定存在处于不期望的温度的抛光垫30的部分190。控制器90可接着使得温度控制系统100传输温度受控的介质至抛光垫30的部分190上,以将测量的温度提升或降低至所期望的温度。
随着热传感器180移动以径向扫掠视场195,并且随着抛光垫30围绕轴25旋转,可产生抛光垫30的不同部分190的“螺旋”扫描。此数据可提供抛光垫30的径向温度曲线。或者,多个圆形扫描的集合可产生抛光垫30的径向温度曲线。
参照图2A和图2B,抛光站20具有温度监控系统250。温度监控系统250类似于上述的温度监控系统150,但热传感器280居中定位于抛光垫30上方。具体而言,热传感器280可与平台40的旋转轴25对齐。热传感器280具有抛光垫30的部分290的视场295。
热传感器280可旋转,以便跨抛光垫30的不同部分扫掠视场296。
热传感器280可使用传感器支撑件260由支撑结构72支撑。热传感器280可定位于抛光垫30的中心上方或基本上抛光垫30的中心的上方。传感器支撑件260或传感器280围绕旋转轴265可旋转。举例而言,用作传感器支撑件260的臂可由发动机270旋转,或传感器280可由致动器固定至传感器支撑件260。这准许传感器280旋转以检视在抛光垫30上不同的角度位置处的不同部分290。
假设传感器支撑件260为围绕其纵轴旋转的臂,则旋转轴265与臂的纵轴平行,例如共线。在某些实例中,旋转轴265垂直于抛光垫30的抛光表面36。旋转轴265可平行于平台的旋转轴25。
在某些实例中,取代围绕轴265旋转,或除了围绕轴265旋转之外,传感器280可围绕与平台24的顶面平行但垂直于臂(和轴265)的旋转轴285旋转。这可使得跨抛光垫30径向扫掠视场295。
在某些实例中,通过将传感器支撑件260和热传感器280沿着z轴(如图2A中图示)横向移动,热传感器280可沿着传感器支撑件260横向移动。这准许传感器280增加或减少在传感器280和抛光垫30之间的距离。
通过围绕轴265旋转、围绕轴285旋转和/或沿着轴265横向移动,传感器280可首先测量部分290的温度,然后测量另一部分290’的温度,并且然后产生包含部分290、290’等等的多个温度测量的抛光垫30的温度曲线。
可使用如以上所讨论的温度曲线或温度映射。
以上所述的抛光设备和方法可在各种抛光系统中应用。抛光垫或载具头任一者或两者可移动,以提供抛光表面和基板之间的相对运动。举例而言,平台可沿轨道运行而非旋转。抛光垫可为固定至平台的圆形(或某些其他形状)的垫。抛光层可为标准(例如,具有或不具有填充物的聚氨酯)抛光材料、软材料或固定的研磨材料。
使用相对位置的术语以代表系统或基板内的相对位置;应理解在抛光操作期间抛光表面和基板可保持在竖直定向或一些其他定向中。
控制器90的功能性操作可使用一个或多个计算机程序产品实施,即,实体体现在非瞬时计算机可读取储存介质中的一个或多个计算机程序,用于由数据处理设备(例如为可程序处理器、计算机或多个处理器或计算机)执行或控制数据处理设备的操作。
已说明本发明的数个实施例。然而,应理解可做出各种修改而不会悖离本发明的精神及范围。因此,其他实施例在随附权利要求的范围内。
Claims (15)
1.一种化学机械抛光设备,包含:
平台,具有顶面以保持抛光垫;
载具头,用于在抛光处理期间保持基板抵靠所述抛光垫的抛光表面;
温度监控系统,包括定位在所述平台上方的非接触式热传感器,以具有在所述平台上的所述抛光垫的部分的视场,所述传感器能够由所述发动机围绕旋转轴旋转,以跨所述抛光垫移动所述视场。
2.如权利要求1所述的设备,其中所述热传感器能够围绕平行于所述抛光表面的轴旋转。
3.如权利要求1所述的设备,包含耦合至所述发动机的可旋转传感器支撑件,使得由所述发动机旋转所述支撑件而旋转所述传感器。
4.如权利要求3所述的设备,其中所述传感器支撑件能够围绕所述传感器支撑件的纵轴旋转。
5.如权利要求3所述的设备,其中所述热传感器能够围绕垂直于所述支撑件的所述纵轴的轴旋转。
6.如权利要求3所述的设备,其中所述热传感器能够沿着所述支撑件移动。
7.如权利要求1所述的设备,进一步包含控制器,所述控制器耦合至所述发动机和所述温度监控系统,并且被配置成控制所述发动机,以使所述热传感器在所述抛光垫上的多个位置处进行测量。
8.如权利要求7所述的设备,其中所述控制器配置成基于在所述抛光垫上的所述多个位置的测量,产生所述抛光垫的温度曲线。
9.如权利要求8所述的设备,进一步包含加热器和/或冷却器,并且其中所述控制器配置成基于所述温度曲线调整所述加热器和/或所述冷却器的操作,以改善所述抛光垫的温度均匀性。
10.如权利要求8所述的设备,其中所述温度轮廓为径向轮廓。
11.如权利要求8所述的设备,其中所述温度轮廓为围绕所述平台的旋转轴的角度轮廓。
12.如权利要求8所述的设备,其中所述温度轮廓为2D轮廓。
13.一种监控在化学机械抛光系统中的抛光垫的温度的方法,包含:
围绕旋转轴旋转热传感器,使得所述热传感器的视场跨化学机械抛光垫的抛光表面扫掠,同时所述热传感器维持横向稳定;以及
随着所述视场跨所述抛光垫扫掠,利用所述热传感器进行多次测量,以产生温度曲线。
14.如权利要求13所述的方法,其中所述旋转轴平行于所述抛光表面。
15.如权利要求13所述的方法,其中所述旋转轴垂直于所述抛光表面。
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