CN114952597B - 一种用于化学机械平坦化白光终点检测的采集方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于化学机械平坦化白光终点检测的采集方法，包括以下步骤：抛光台设置白光检测模块，用于收集白光经过晶圆的反射光谱信号，光谱信号随抛光过程膜厚减少而变化；沿抛光台的周向设置挡件；设置触发单元和采集单元，转动与挡件配合；抛光台带着白光检测模块旋转；触发单元逻辑状态变化，以触发白光检测模块的处理单元，向光谱仪下发等待采集指令；采集单元转动至挡件的起始端，触发光谱仪，开始采集数据；光谱仪停止采集数据；处理单元输出晶圆去除层的膜厚光谱特征。本发明还公开了一种用于化学机械平坦化白光终点检测的采集系统。本发明可实现高转速抛光过程中，在极短采集时间内，对大量白光光谱数据进行稳定且准确的实时提取。

Description

一种用于化学机械平坦化白光终点检测的采集方法及系统

技术领域

本发明属于半导体集成电路芯片制造技术领域，尤其是涉及一种用于化学机械平坦化白光终点检测的采集方法及系统。

背景技术

现有CMP设备中白光终点检测系统包括白光模块和信号采集触发装置，抛光台以一定的转速转动，与加载了一定压力、在一定区间内摆动的晶圆之间存在相对运动，并在特定的抛光液条件下，从而实现晶圆的化学机械平坦化。在抛光过程中需要实时监测晶圆去除层(如，氧化物层)的膜厚，并给出目标厚度对应的终点。白光检测模块可实时监测平坦化过程中膜层厚度。

现有技术的信号采集方式，开始启动白光终点检测，当开始下发终点检测命令时，若触发式传感器起始位置位于非挡片区间时，其转动至挡片区间后可按设定程序采集完整第一圈数据；而，当触发式传感器起始位置便位于挡片区间时便会立即触发采集命令，当此触发式传感器转过剩余挡片区间，传感器经过不完整挡片区对应的则为白光模块非完整扫过晶圆下表面的数据，并非完整一圈的数据。工艺过程中，上位机会根据采集程序设定的条件判断每圈数据是否可用，不可用则需舍弃不完整的一圈数据。且，当通信延时，上位机未能在传感器扫过挡片区及时收到完整一圈目标点数(采集程序按目标点数执行)的光谱数据时，会等待下一圈，传感器转至挡片区间后继续收集下一圈的多个点数据，并以达到完整目标点数的数据作为一圈完整数据，显然，此种情况下所得的数据并非为单圈采集的完整数据。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种稳定且采集数据准确的用于化学机械平坦化白光终点检测的采集方法及采集装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于化学机械平坦化白光终点检测的采集方法，包括以下步骤：

抛光台设置白光检测模块，包括用于发射白光的光源，用于接收白光经晶圆反射光的光谱仪，及处理单元，其用于收集白光经过晶圆的反射光谱信号，该光谱信号随着抛光过程中膜厚减少而变化；

沿抛光台的周向设置挡件；

设置触发单元和采集单元，其可转动与挡件配合；

抛光台带着白光检测模块旋转；

位于上游的触发单元的逻辑状态由第一状态变化至第二状态，以触发白光检测模块的处理单元，向光谱仪下发等待采集指令；

位于下游的采集单元转动至挡件的起始端，触发白光检测模块的光谱仪，开始采集数据；

光谱仪停止采集数据；

处理单元输出晶圆去除层的膜厚光谱特征；

重复上述步骤，直至晶圆去除层的膜厚光谱特征达到设定目标膜厚对应的光谱特征。

进一步的，所述位于上游的触发单元的逻辑状态由第一状态变化至第二状态步骤中，触发单元从非对应挡件的区域转动至挡件的起始端；或者，触发单元从挡件的终端转动至非对应挡件的区域。

进一步的，包括以下步骤：

抛光台带着白光检测模块旋转，根据抛光台的转速和/或挡件区间的圆心角和/或光谱仪采集的积分时间确定光谱仪每圈的采集点数N；

位于上游的触发单元的逻辑状态由第一状态变化至第二状态，以触发白光检测模块的处理单元，向光谱仪下发等待采集指令；

位于下游的采集单元转动至挡件的起始端，触发白光检测模块的光谱仪，开始采集数据；

判断光谱仪采集的光谱数量是否达到设定值N，若达到设定值，则触发光谱仪停止采集数据；

处理单元输出晶圆膜厚光谱特征；

重复上述步骤，直至达到晶圆去除层的膜厚光谱特征达到设定目标膜厚对应的光谱特征。

进一步的，所述光谱仪停止采集数据步骤中，采集单元转动至挡件的终端，触发光谱仪停止采集数据。

进一步的，所述光谱仪停止采集数据步骤中，采集单元转动至挡件的终端，触发光谱仪停止采集数据，判断光谱仪采集的光谱数量是否达到设定值N，若没有达到设定值N，抛弃该数据。

进一步的，所述向光谱仪下发等待采集指令步骤中，包括向光谱仪下发清理缓存数据和等待采集指令。

进一步的，所述膜厚光谱特征为反射率，或为吸收率，或为由反射率、吸收率计算获得的特征值。

进一步的，所述触发单元和采集单元之间的圆心夹角大于30°。

本发明还公开了一种用于化学机械平坦化白光终点检测的采集系统，包括：

白光检测模块，包括用于发射白光的光源，用于接收通过晶圆的反射光的光谱仪，及处理单元，其可与抛光台同步旋转，用于收集白光经过晶圆的反射光谱信号，以得到晶圆去除层的膜厚光谱特征；

挡件，沿抛光台的周向设置；

触发单元和采集单元，可转动、与挡件先后实现触发配合；

所述触发单元和采集单元与挡件的触发信号可传递至光谱仪处理单元，以实现光谱仪数据的采集。

进一步的，所述挡件固定设置，所述触发单元和采集单元固定于抛光台并可随抛光台同轴转动；或者，所述挡件随抛光台同轴转动，所述触发单元和采集单元固定设置。

进一步的，所述挡件沿抛光台外周设置，其圆心角为60-270°。

进一步的，所述光源为脉冲氙灯光源，其闪烁发出白光。

本发明的有益效果是，1)可实现高转速抛光过程中，在极短采集时间内，对大量白光光谱数据进行稳定且准确的实时提取；2)至少设置两个传感器，将上游的触发单元作为触发启动或终止命令的触发式传感器，保证在每一圈数据采集时，光谱仪中无上一圈的缓存数据和指令，因此每一圈的采集指令对应着此圈的光谱数据，解决了内存清理不及时导致采集指令间逻辑混乱；3)实现了即便下游采集单元的初始位在挡件区间并不会触发采集命令，而只能待上游触发单元转至挡件区间后处理单元查询到逻辑状态变化后，下游采集单元再次转动至挡件区时方可触发采集命令。

附图说明

图1为本发明的采集装置的布局结构俯视图。

图2为本发明的采集装置的结构示意图。

图3为本发明的采集方法的流程图。

其中，1-抛光台，11-抛光垫，2-白光检测模块，21-光源，22-光谱仪，221-采集点，3-晶圆，31-抛光头，4-挡件，51-触发单元，52-采集单元。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示，一种用于化学机械平坦化白光终点检测的采集系统，包括：

抛光台1，台面上贴有抛光垫11；

白光检测模块2，包括用于发射白光的光源21，用于接收通过晶圆3的反射光的光谱仪22，及处理单元，其可与抛光台1同步旋转，用于收集白光经过晶圆3的反射光谱信号，以得到去除层的膜厚光谱特征；其中，去除层的膜厚指的是晶圆3被抛光除去的物质的膜厚，该物质可以是氧化物层；光源21为脉冲氙灯光源，其闪烁发出白光；

挡件4，沿抛光台1的周向设置；

触发单元51和采集单元52，可转动、与挡件4先后实现触发配合；在本实施例中，触发单元51和采集单元52均为传感器；

所述触发单元51和采集单元52与挡件4的触发信号可传递至处理单元，以实现光谱仪数据采集的启闭和采集指令的下发。

上述挡件4固定设置在抛光台1的外周，其不与抛光台1相连，触发单元51和采集单元52则与抛光台1相连，即触发单元51和采集单元52可以随着抛光台1同步转动。

或者，上述挡件4固定设置在抛光台1的外壁，挡件4可以随着抛光台1同步转动，触发单元51和采集单元52则不与抛光台1相连，其固定设置。

本实施例中以第一种情形为例进行说明。即挡件4沿抛光台1外周设置，其圆心角为60-270°。

一种用于化学机械平坦化白光终点检测的采集方法，在上述采集装置下进行，包括以下步骤：

抛光台1设置白光检测模块2，该白光检测模块2包括用于发射白光的光源21，用于接收通过晶圆3的反射光的光谱仪22，及处理单元，其用于收集白光经过晶圆3的反射光谱信号，通过抛光过程中去除层膜厚减少的光谱信号变化，得到去除层的光谱特征；

上述光谱特征为反射率，或为吸收率，或为由反射率、吸收率计算获得的特征值，其为现有技术可以实现，不再赘述；

沿着抛光台1的周向设置挡件4；

设置触发单元51和采集单元52，其可转动与挡件4配合；

抛光台1带着白光检测模块2旋转；

上述步骤中，根据抛光台1的转速、挡件4区间的圆心角、光谱仪22采集的积分时间中的一个或两个及上述的因素，确定光谱仪22每圈的采集点数N，即采集点221的数量为N；

位于上游的触发单元51转动至挡件4的起始端，触发白光检测模块2的处理单元，向光谱仪22下发等待采集指令；当然在其他实施例中，也可以是触发单元51转动至挡件4的终端，触发白光检测模块2的处理单元，向光谱仪22下方等待采集指令；

上述等待采集指令包括向光谱仪22下方清空缓存数据的指令，和等待采集的指定，即为采集单元52与挡件4的触发做好准备工作；

此时，触发单元51具有逻辑状态的改变，其逻辑状态由第一状态变化至第二状态，或由第二状态变化至第一状态；定义触发单元51处在不与挡件4上下正对的区域时，其逻辑状态为第一状态，为0，则触发单元51与挡件4上下正对时，其逻辑状态为第二状态，为1；

位于下游的采集单元52转动至挡件4的起始端，触发白光检测模块2的光谱仪22，开始采集数据；

此时，采集单元52具有逻辑状态的改变，其逻辑状态由第一状态变化至第二状态，定义采集单元52处在不与挡件4上下正对的区域时，其逻辑状态为第一状态，为0，则采集单元52与挡件4上下正对时，其逻辑状态为第二状态，为1；

位于上游的触发单元51转动至挡件4的终端，其逻辑状态由第二状态1变化至第一状态0；此时采集单元52的逻辑状态仍然处于第二状态1；

位于下游的采集单元52转动至挡件4的终端，其逻辑状态由第二状态1变化至第一状态0，触发光谱仪22停止采集数据；

上述步骤中，在触发光谱仪22停止采集数据之后，先判断光谱仪22采集的光谱数量是否达到设定值N，若没有达到设定值N，则抛弃该数据，若达到设定值N，则保留采集数据；

当然，上述步骤也可以替换成，判断光谱仪22采集的光谱数量是否达到设定值N，若达到设定值，则触发光谱仪22停止采集数据；此时无需等到采集单元52转动至挡件4的终端；

处理单元输出晶圆3去除层的膜厚光谱特征；

重复上述步骤，直至晶圆3去除层的膜厚光谱特征达到设定目标膜厚对应的光谱特征。

上述步骤中，引入触发单元51的逻辑状态改变，当触发单元51位于挡件4所在区域时，即两者上下正对时，触发单元51的逻辑状态没有发生变化，保持在第二状态1，此时光谱仪22不会下发等待采集数据的指令。当触发单元51位于非挡件4所在区域时，即两者不上下正对时，触发单元51的逻辑状态没有发生变化，保持在第一状态0，此时光谱仪22也不会下发等待采集数据的指令。只有当触发单元51的逻辑状态从第一状态0变化到第二状态1，或者从第二状态1变化到第一状态0，光谱仪22才会下发等待采集数据的指令。当然，在其他实施例中，也可以不引入触发单元51和采集单元52的逻辑状态变化，只要触发单元51和采集单元52和挡件之间形成触发配合，即可完成整个采集步骤。

更具体的，在集成电路芯片制造中，CMP设备作为关键工艺设备，包括抛光台1，台面上贴有抛光垫11，用于平坦化镀膜的晶圆3；包括抛光头31，用来装载晶圆3并将晶圆3压在抛光垫11上。在CMP工作过程中，抛光头31带着晶圆3和抛光台1同向旋转，同时抛光垫11上实时供给抛光液，以此去除晶圆3表面的膜层。

在CMP过程中，通过晶圆3的实时光谱监测晶圆3表面的膜层厚度变化，当膜厚减薄至目标膜厚时停止抛光。膜层欠抛或过抛都会导致芯片失效。本实施例采用白光检测模块2实时监测晶圆3表面膜层厚度变化，即实时监测晶圆3去除层膜厚。

(1)触发式传感器包括，触发采集功能的采集单元52，以及触发启动功能的触发单元51，当触发单元51随抛光台1从非对应挡件4的区域转至挡件4起始端时，或者触发单元51随抛光台1从挡件4的终端转动至非对应挡件4的区域时，触发单元51的逻辑状态发生改变，如，在特定实施案例中，处于由第一状态0到第二状态1上升沿，光谱仪22记录此逻辑信号改变，处理单元实时查询到此上升沿后会向光谱仪22下发清理光谱仪22中的缓存数据和等待采集。其后，当采集单元52随抛光台1转至挡件4时，其逻辑状态也会发生变化，如，在特定实施案例中，采集单元52处于非挡件4区域时，其逻辑状态为第一状态0；处于挡件4位置时其逻辑状态为第二状态1。当光谱仪22实时查询到采集单元52逻辑状态为1时会触发光谱仪22的采集命令，此时光源21，在特定实施例中为脉冲氙灯光源，会闪烁发出白光，白光经入射光路到达抛光垫11后穿过光学窗口并入射到晶圆3表面，反射光谱经光学窗口传输至光谱仪22，并上传至处理单元，从而完成图1中的光谱采集。在特定实施例中，当采集单元52逻辑信号由第一状态0到第二状态1时，光谱仪22采集光谱数据，反之，逻辑信号由第二状态1到第一状态0时，光谱仪22停止光谱数据采集。

抛光台1转速、挡件4区间的弧度、单点积分时间等条件可用于确定每圈N点的采集参数。触发单元51在每圈到达挡件4位置时，光谱仪22会清空缓存数据等待光谱采集，而采集单元52达到挡件4时逐点收集光谱数据，并向处理单元发送，当采集单元52离开挡件4时，N点数据收集完成，处理单元收集此圈数据；而当下一圈在触发单元51达到挡件4时又将开始新一圈的数据采集准备，重复上述步骤。

(2)在特定实施案例中，触发单元51的逻辑信号改变可以不通过光谱仪22，而存储于另外的PLC，处理单元从此PLC读取逻辑信号改变，其后向光谱仪22下发清空缓存、等待光谱采集。

(3)在特定实施案例中，触发单元51、采集单元52可固定，挡件4可随抛光台1旋转；

(4)在特定实施案例中，挡件4区应具有一定长度/弧度，圆心角为60-270°，优选为100-270°；

(5)采集单元52与启动或终止触发单元51之间的夹角(圆心角)>30°，即图1中α＞30°。

如图3所示，一种用于化学机械平坦化白光终点检测的采集方法，其步骤如下：

S1:根据抛光头31的转速，确定光谱仪22每圈的采集点数N，并设定积分时间；

S2:开始CMP任务，抛光头31带着晶圆3和抛光台1同向旋转；

S3:处理单元实时查询触发单元51，若其逻辑状态发生变化则向光谱仪22下发清理缓存数据和等待光谱采集；否则，继续查询其逻辑状态直至发生变化；

S4:光谱仪22实时查询采集单元52的逻辑状态，当其逻辑状态达到采样设定对应的状态时，光谱仪22开始采样，并将光谱数据传送至处理单元；

S5:当光谱仪22采集的光谱数量达到设定值N时，停止采样；否则继续S4中的采样步骤；

S6:处理单元计算光谱数据；

S7:处理单元根据光谱数据计算结果，判定是否达到终点，若已达到则判定CMP结束，否则，继续重复步骤S3-S7，直至达到终点。

特殊工位实施例

一种用于化学机械平坦化白光终点检测的采集方法，包括以下步骤：

抛光台1设置白光检测模块2，该白光检测模块2包括用于发射白光的光源21，用于接收通过晶圆3的反射光的光谱仪22，及处理单元，其用于收集白光经过晶圆3的反射光谱信号，该光谱信号随着抛光过程中去除层膜厚的减少而变化，以得到去除层的膜厚光谱特征；

沿着抛光台1的周向设置挡件4；

设置触发单元51和采集单元52，其可转动与挡件4配合；

抛光台1带着白光检测模块2旋转；

上述步骤中，根据抛光台1的转速、挡件4区间的圆心角、光谱仪22采集的积分时间中的一个或两个及上述的因素，确定光谱仪22每圈的采集点数N，即采集点221的数量为N；

位于上游的触发单元51初始位置在挡件4对应区域，即其逻辑状态为第二状态，为1；

此时无法触发白光检测模块2的处理单元，不会向光谱仪22下发等待采集指令；

位于下游的采集单元52转动至挡件4的起始端，不会开始采集数据；

直至触发单元51从挡件4的终端转动至不与挡件4上下正对的区域时，采集单元52的逻辑状态由第二状态变化至第一状态；

位于下游的采集单元52转动至挡件4的起始端，触发白光检测模块2的光谱仪22，开始采集数据；

当光谱仪22采集的光谱数量达到设定值N时，停止采样；

处理单元输出晶圆3去除层的光谱特征；

重复上述步骤，直至晶圆3去除层的光谱特征达到设定目标膜厚对应的光谱特征。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种用于化学机械平坦化白光终点检测的采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

抛光台设置白光检测模块，包括用于发射白光的光源，用于接收白光经晶圆反射光的光谱仪，及处理单元，其用于收集白光经过晶圆的反射光谱信号，该光谱信号随着抛光过程中膜厚减少而变化；

沿抛光台的周向设置挡件；

设置触发单元和采集单元，其可转动与挡件配合；

抛光台带着白光检测模块旋转；

根据抛光台的转速和/或挡件区间的圆心角和/或光谱仪采集的积分时间确定光谱仪每圈的采集点数N；

位于上游的触发单元的逻辑状态由第一状态变化至第二状态，以触发白光检测模块的处理单元，向光谱仪下发等待采集指令；

位于下游的采集单元转动至挡件的起始端，触发白光检测模块的光谱仪，开始采集数据；

判断光谱仪采集的光谱数量是否达到设定值N，若达到设定值，则触发光谱仪停止采集数据；

处理单元输出晶圆去除层的膜厚光谱特征；

重复上述步骤，直至晶圆去除层的膜厚光谱特征达到设定目标膜厚对应的光谱特征。

2.根据权利要求1所述的用于化学机械平坦化白光终点检测的采集方法，其特征在于：所述位于上游的触发单元的逻辑状态由第一状态变化至第二状态步骤中，触发单元从非对应挡件的区域转动至挡件的起始端；或者，触发单元从挡件的终端转动至非对应挡件的区域。

3.根据权利要求1所述的用于化学机械平坦化白光终点检测的采集方法，其特征在于：所述光谱仪停止采集数据步骤中，采集单元转动至挡件的终端，触发光谱仪停止采集数据。

4.根据权利要求3所述的用于化学机械平坦化白光终点检测的采集方法，其特征在于：所述光谱仪停止采集数据步骤中，采集单元转动至挡件的终端，触发光谱仪停止采集数据，判断光谱仪采集的光谱数量是否达到设定值N，若没有达到设定值N，抛弃该数据。

5.根据权利要求1所述的用于化学机械平坦化白光终点检测的采集方法，其特征在于：所述向光谱仪下发等待采集指令步骤中，包括向光谱仪下发清理缓存数据和等待采集指令。

6.根据权利要求1所述的用于化学机械平坦化白光终点检测的采集方法，其特征在于：所述膜厚光谱特征为反射率，或为吸收率，或为由反射率、吸收率计算获得的特征值。

7.根据权利要求1所述的用于化学机械平坦化白光终点检测的采集方法，其特征在于：所述触发单元和采集单元之间的圆心夹角大于30°。

8.根据权利要求1所述的用于化学机械平坦化白光终点检测的采集方法，其特征在于：所述挡件固定设置，所述触发单元和采集单元固定于抛光台并可随抛光台同轴转动；或者，所述挡件随抛光台同轴转动，所述触发单元和采集单元固定设置。

9.根据权利要求1所述的用于化学机械平坦化白光终点检测的采集方法，其特征在于：所述挡件沿抛光台外周设置，其圆心角为60-270°。

10.根据权利要求1所述的用于化学机械平坦化白光终点检测的采集方法，其特征在于：所述光源为脉冲氙灯光源，其闪烁发出白光。

11.一种用于化学机械平坦化白光终点检测的采集系统，其特征在于包括：

白光检测模块，包括用于发射白光的光源，用于接收通过晶圆的反射光的光谱仪，及处理单元，其可与抛光台同步旋转，用于收集白光经过晶圆的反射光谱信号，以得到晶圆去除层的膜厚光谱特征；

挡件，沿抛光台的周向设置；

触发单元和采集单元，可转动、与挡件先后实现触发配合；

所述触发单元和采集单元与挡件的触发信号可传递至光谱仪处理单元，以实现光谱仪数据的采集。