CN1330459C - 用于在化学机械抛光中控制晶片温度的设备及方法 - Google Patents

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Abstract

在化学机械抛光操作中用以控制晶片温度的设备与方法。一晶片承载器(66)具有一晶片安装表面，用以将晶片定位在相邻于热能转移单元(64)之处，以转移相关于晶片(52)的能量。一热能探测器(54)的定位相邻于晶片安装表面，以探测晶片(52)的温度。一控制器(60)响应该探测器(54)，以控制供应至热能转移单元(64)的热能。实施例则包括界定晶片的独立区域，为每个独立区域提供热能转移单元(64)的独立区块以及独立地探测每个独立区域的温度，以独立地控制对于与独立区域相关的热能转移单元(64)的热能供应。

Description

用于在化学机械抛光中控制晶片温度的设备及方法
技术领域
本发明大体上是关于化学机械抛光(CMP)系统及用以改善CMP操作的性能与效率的技术。更具体地说，本发明是关于在CMP操作期间，通过晶片温度的直接监视与晶片热能的往来转移来控制晶片温度的设备及方法。
背景技术
在半导体装置的制造中，必须执行包括抛光、软皮擦光与晶片清洗等的CMP操作；在这些CMP操作的同时还必须执行晶片夹持操作。例如，一典型的半导体晶片可以由硅制成且例如可为直径200mm或300mm的圆盘。例如200mm的晶片的厚度可为例如0.028英寸。为了便于说明，以下是使用术语“晶片”来描述并含括这类用以支持电力或电子电路的半导体晶片及其他平面结构或者基板。
典型的集成电路装置是在这类晶片上以多层结构的形式制造。在晶片的表层上，形成具有扩散区的晶体管器件。而在接下来的层中，则有图案化的互连金属线，其与晶体管器件作电气连接，以确定符合要求的功能装置。图案化的导电层是借助介电材料与其他导电层绝缘。当有更多金属层与相关的介电层形成时，对介电材料平坦化的需求便会增加。若无平坦化，则欲增加金属层的加工将由于表面电路布局的较高差异而变得相当困难。在其他应用中，金属线的图案是形成于介电材料中，然后再执行金属CMP操作将多余的金属移除。
在典型的CMP系统中，晶片是安装于承载器上且所露出的晶片表面是用于CMP工艺。承载器与晶片是以旋转方向作旋转。CMP工艺可在例如当旋转中晶片的外露表面与抛光垫的外露表面借助外力互相朝对方推进之时以及当这些外露表面在各自的抛光方向移动之时实现。CMP工艺的化学方面包括晶片与应用在抛光垫上以及晶片上的浆料成分之间的反应。而CMP工艺的机械方面则包括用以使晶片与抛光垫互相朝对方推进的力以及晶片与抛光垫的相对定位。
虽然已经为成功的CMP工艺所依赖的许多要素提供了控制方法，然而典型的CMP系统并不直接控制晶片温度。例如，有些要素例如晶片之外露表面与抛光垫的外露表面的相对角度便可借助平衡架加以控制。在其他的CMP系统类型中，则提供了线性轴承以避免任何这种角度的产生。
除了晶片温度以外的这些要素的控制仅能间接影响CMP操作期间的晶片温度。例如，对于用以使晶片与抛光垫互相朝对方推进的力的控制将使具温度相关性的化学反应受到间接的影响，而这可能产生摩擦热并间接导致晶片内的温度变化。还有些尝试是为克服预期中由晶片表面的不平坦抛光所导致的问题。这些尝试皆提供抛光垫的外形(例如抛光带)。另外，晶片承载器与晶片之间还提供了各式各样的材料以容许流体自承载器头流向晶片。例如，在承载晶片的真空头内，便设置有将浆料由该承载器头散布至晶片的薄膜。然而，虽然例如浆料等流体是具有一些温度相关的特性，例如粘性，典型的CMP系统并未直接控制晶片温度。
有关于晶片温度的间接控制或无控制的这种情况，更因为许多受控要素间的相互关系以及这些要素在CMP操作上的联合效应而变得复杂化。因此，例如在尝试增加晶片温度时，若增加晶片与承载器间的作用力，可能无意间影响到许多其他的变数，因而限制或阻碍了此种用于温度控制之作用力的使用。例如，这种作用力可能直接影响到抛光的速率，因而在某种程度上与特定晶片温度的需求相冲突。
于是所需要的是一个CMP系统以及在CMP操作期间可在例如不依靠例如CMP作用力等间接要素的情况下，直接控制晶片温度的方法。这种CMP系统将提供可于CMP操作期间直接监视晶片温度的设备与方法，并对一个或多个热能来源加以控制，以达到符合要求的晶片温度。此外，由于所需的CMP操作可能在遍布整个晶片区域内有各种不同的温度需求，这种CMP系统的设置将使其中的设备与方法在CMP操作期间可直接对晶片内不同区域的温度进行监视，并独立地控制各热能来源以达到符合各晶片区域要求的晶片温度。同时，这种CMP系统及其方法将配置在CMP操作期间内与晶片作直接接触的构造，从而使其配置与所需的晶片温度控制一致。
发明内容
大体而言，本发明满足了这些可提供实现上述问题的解决方案的CMP系统及方法的需求。如此，借助本发明，一CMP系统及其方法可在晶片上于一个或多个CMP操作的实行期间内对晶片上的局部平坦化特性进行控制。该特性可为例如从晶片移除的材料数量。经由一系统控制器与一热控制器，便可执行用以控制晶片温度的操作，以便达到所需的晶片上的局部平坦化。为此目的，这种系统可在例如不依靠例如CMP作用力等间接要素的情况下，于CMP操作期间内直接控制晶片温度。这种CMP系统更进一步提供了在CMP操作期间直接监视晶片温度的设备与方法，并对一个或多个热能来源加以控制，以达到所需的晶片温度。此外，为提供可在晶片区域内有不同温度的需求的CMP操作，这种CMP系统配置成可在CMP操作期间内直接对晶片内不同区域的温度进行监视，并分别控制各热能来源，以达到符合各晶片区域要求的晶片温度。此外，这种CMP系统及方法是可以配置在CMP期间内与晶片作直接接触的构造，例如晶片支撑膜，使得其配置(例如热转移特性)与所要求的晶片温度控制一致。
在本发明中，一个控制化学机械抛光操作的晶片温度的方面提供了一具有晶片安装表面的晶片承载器。与晶片安装表面相邻之处可有一热能转移单元，用以转移有关于晶片的能量。且与晶片安装表面相邻之处还有一热能探测器，用以探测晶片的温度。而控制器则可响应该探测器，用以控制供应至热能转移单元的热能。
在本发明的另一个方面，提供了用以监视并控制化学机械抛光操作的晶片温度的设备。热能转移单元是配置有数个独立间隔区块，各区块与晶片安装表面的一个独立区域相邻。每个独立区块还可有效地转移与晶片的某特定区域相关的能量的单个量。而控制器则可响应与各独立区域相关的多个探测器，用以控制供应至热能转移单元的独立间隔区块的热能。
在本发明的又一个方面，提供了一在化学机械抛光操作期间用以监视晶片温度的方法。一操作限定在至少一个晶片表面的独立区域的范围内。一特定温度，其是必须在化学机械抛光操作期间于至少一独立区域上被维持。另一操作在化学机械抛光操作期间感应至少一独立区域的温度。该方法的方面可包括遍布整个晶片表面的多个独立区域中的至少一独立区域。感应操作可借助对各独立区域的温度分别感应的方式来执行。另一操作用于根据相关同心独立区域的感应温度来控制与所述各同心独立区域相关的热能供应。
在本发明的另一个方面，一方法可用于控制晶片温度，包括确定许多晶片表面的独立区域的范围，其中各独立区域是维持在一特定温度，以提供遍布整个晶片的温度梯度。晶片的安装是用于化学机械抛光操作，且其独立区域皆在事先确定的定位上。各独立区域的温度将被测量。一热能转移操作根据相关区域的感应温度进行与各独立区域相关的热能转移。在另一操作中，则对与各独立区域相关的热能供应进行控制。
本发明的其他方面与优点将可借助以下通过举例示出本发明的原理的结合附图的详细叙述而更加清楚。
附图说明
借助以下结合附图的详细叙述，将对本发明有清楚的了解，其中同样的标号表示同样的结构元件。
图1A为本发明中用以控制晶片温度的系统的一示意图，显示了一热能控制器，其用以提供相关于安装在一种CMP系统上的晶片的能量转移；
图1B为本发明中用以控制晶片温度的系统的一示意图，显示了安装在另一种CMP系统上的晶片；
图1C为本发明中用以控制晶片温度的系统的一示意图，显示了显示了安装在又另一种CMP系统上的晶片；
图2为本发明的承载器头的一示意图，说明了用以转移与承载器头上整个晶片区域相关的热能的装置的一个光源实施例，以及一环状温度感应器实施例；
图3A为一示意图，其是向下看一个热能转移单元实施例的同心环的配置，以及温度感应器的一个探头实施例；
图3B为一示意图，其显示遍布整个晶片的同心区域的延伸直径；
图3C为一图表，显示图3A所示的热能转移单元具有均匀的温度对直径位置特性；
图4A为一示意图，其是向下看一热能转移单元的中心点实施例，以及温度感应器的一环状实施例；
图4B为一示意图，其显示遍布整个晶片上在中心点与环状感应器间的区域的延伸直径；
图4C为一图表，显示了热梯度的一实施例，即图4A所示的热能转移单元所具有的可变的温度对直径位置特性；
图5A为一示意图，其是向下看另一个热能转移单元实施例的外围环状流体供应器的配置，以及一温度感应器的阵列；
图5B为一示意图，其是显示遍布整个晶片上沿着环状流体供应器的配置的相对侧间的一感应器阵列延伸的区域的直径；
图5C为一图表，显示了另一个热梯度，即另一个图5A所示的热能转移单元所具有的温度对直径位置特性；
图5D为一以Fluoraptic(商标名)探头作为感应器的图；
图6A为一示意图，其是向下看另一个热能转移单元实施例的多重加热冷却环式的配置，以及许多温度感应器阵列；
图6B为一示意图，其显示晶片的环形区域以及与各阵列对齐的感应器阵列之一；
图6C为一图表，显示了两个热梯度，一个是来自未使用本发明的CMP操作，而另一个则使用了本发明的温度控制方法；
图7为一局部示意图，其是向下看另一个热能转移单元实施例的多重加热冷却环式的配置，以及与环式配置相关的许多温度感应器阵列；
图8A为图2所示结构的一部分的局部放大视图，其显示位于承载器头的晶片安装表面上的一承载膜，其中该承载膜在热力配置上的热传导系数随着该膜在不同区域的位置而有所变化；
图8B为图8A所示的承载膜的平面图，用以说明该承载膜的不同区域；
图9为一流程图，其说明了在化学机械抛光操作期间用以监视晶片温度的方法的操作；
图10为一图表，其是描述了在CMP操作期间对与时间相关的晶片温度的控制；
图11为一示意图，其是独立的温度控制浆料供应器将独立的温度控制浆料流滴在一抛光带上的情形。
具体实施方式
在此将描述一项用于CMP系统的发明以及实现上述问题的解决方案的方法。如此，借助本发明，一CMP系统及方法将可在例如不依靠例如CMP作用力等间接要素的情况下于CMP操作期间内控制晶片温度。这种CMP系统更进一步提供了可在CMP操作期间直接监视晶片温度的设备与方法，并对一个或多个热能来源加以控制，以达到符合要求的晶片温度。以此方法，例如对于在整个晶片区域内有各种不同的温度需求的CMP操作而言，这种CMP系统配置成在CMP操作期间可直接监视独立的不同区域的温度，并独立地控制各热能来源、以达到各独立晶片区域所要求的晶片温度。
在以下的叙述中，提出了许多具体详述，以提供对本发明的彻底了解。然而，熟悉本技术的人士当可了解，本发明可在未使用某些详述的部分或全部的情况下实施。在其他例子中，为不使本发明受到混淆，将不对已熟知的工艺操作与结构进行详细的描述。
参考图1A，可了解本发明是在例如不依靠例如CMP作用力等间接要素的情况下于CMP操作期间提供一用以控制晶片52的温度T的CMP系统50。热能探测器54直接监视晶片52的温度T，并将一个或多个温度信号56输出至系统控制器58。系统控制器58对实现一个或多个热能来源62与一个或多个热能转移单元64间的连接的热控制器60加以控制。单元64是安装于承载器头66之上，并操作于热控制器60与系统控制器58的控制之下，以达到晶片52所要求的温度T。
一般而言，系统50可执行一种方法，其是在晶片52上于一个或多个CMP操作的实行期间内对晶片上的局部平坦化特性进行控制。该属性可为例如自晶片52移除的材料数量。经由系统控制器58与热控制器59，便可执行晶片52的温度控制操作，以便达到符合晶片52所要求的局部平坦化，此将于以下作更全面的叙述。
承载器头66可设置成任何型式用以安装晶片52的安装表面68的承载器头，其外露表面72是位于朝抛光垫76的抛光表面74推进之处。图1A显示了与带型抛光垫76B一起使用的承载器头66的范例，带型抛光垫沿箭头82的方向移动，以执行CMP操作。然而，还可使用其他型式的承载器头66与抛光垫76。例如，图1B是向下看具有与图1A相同定位(晶片在下)的承载器头66。其所示的承载器头66与直径较晶片52及承载器头66大很多的碟状抛光垫76DL一起使用。在图1C中，其所示的承载器头66处于晶片在上的定位，并且与碟状抛光垫调节器83相邻。此处，平移与转动的碟状抛光垫76T是在晶片52上用于小口径CMP操作的部分区域内移动，且还在抛光垫调节器83上移动。
图2描述本发明的承载器头66的一个实施例，其是以光源64L的形式设置了热能转移单元64，用以转移与晶片52相关的热能。在光源64L的例子中，与晶片52相关的热能转移可转移至安装于承载器头66上的晶片52。光源64L可配置成任何用以将高强度光能均匀地分布在一宽广区域，例如均匀地遍布整个晶片52的区域的光源。这类光能可能包含了用以提供热转移至晶片52的辐射或传导能。一般而言，这种光源64L快速地转移这种热能。所示的光源64L与可安装于承载膜84上的晶片52相邻。光源64L可为例如卤素钨灯。均匀地遍布整个晶片区域而供应热能的光源64L是为本发明之一个实施例的范例。必须了解的是以下的描述关于本发明中非均匀地遍布整个晶片区域供应热能的其他实施例。
无论设置于承载器头66上的单元64的特定类型为何，承载器头66可设置一个或多个用以供应浆料88的通道86，以经由承载膜84而分别散布于晶片52与抛光垫76面对面的接触表面72与74(图1A)之间。依照所使用的抛光垫类型，可将包含不同类型的分散状抛光粒子例如SiO2及/或Al2O3等水溶液所组成的浆料88应用于抛光垫76，从而在抛光垫76与晶片52的外露表面72间产生抛光性化学溶液。由于浆料88的温度是影响晶片52的温度T的因素之一，且浆料88的粘性可能具有温度相关性，故可将一热能探测器54S安装于邻近通道86之处，以便直接监视浆料88的温度，并将一温度信号56S输出至系统控制器58。以类似于使用信号56的方式，系统控制器58是使用信号56S来确定如何控制热控制器60，以达到符合晶片52所要求的温度T。在本发明的一个方面，可使用浆料88的温度来控制晶片52的温度T。例如，如图2所示，热能转移单元64还可安装在与浆料通道86有热能转移关系的承载器头66上，并在热控制器60与系统控制器58的控制之下操作，以达到符合浆料88要求的温度。借助浆料88与晶片52的接触，可在不依赖例如图2所示的热能转移单元64L的情况下达到符合晶片52所要求的晶片温度T。
图2还描述以热偶92的形式设置有热能探测器54的承载器头66，其用于直接监视晶片52的温度T。热偶92是可配置成一环绕晶片52的环92R，用以检测与晶片52的外露表面72相邻的平均温度T。热偶92可将温度信号56输出至系统控制器58。在探测器54不需要为了准确地探测晶片52的温度T而靠近或碰触到晶片52的情形中，可将探测器54安装于承载器头66中，并与晶片52保持细小间隔。这样的探测器54因而可探测与晶片52相邻(非常靠近)的承载器头66的温度并从而提供晶片温度的准确指示(例如在实际晶片温度T的正负5度范围内的温度)。均匀地遍布整个晶片区域而供应热能的光源64L是本发明的一个实施例的范例。
本发明的另一个实施例还可均匀地转移与整个晶片区域相关的热能。图3A显示了一连串同心环形式的热能转移单元64，其确定了电阻加热器64R。如同在光源64L的例子中，借助电阻加热器64R所转移的热能转移至安装于承载器头66上的晶片52。加热器64R的配置是独立的同心环且显示成用以均匀地将热能分布在整个晶片52的区域内的三个环。对于直径较大的晶片52(例如与200mm晶片对比的300mm晶片)可使用较多的环，以确保均匀的加热性，从而使整个晶片52的区域具有相同的温度T。这种来自电阻加热器64R的热能是以传导能的形式向晶片52提供热能转移。电阻加热器64R可安装在与晶片52相邻之处，还可安装在承载膜84之上。每个电阻加热器64R可为例如一Watlow电阻加热器。
图3A还描述了设置有另一个热能探测器54实施例的承载器头66。此处，有许多短热偶探头92P等间隔地环绕着晶片52，以直接监视相邻于晶片52的外露表面72的温度T。来自各探头92P的信号56P可由系统控制器58独立地监视，以测定特定探头92P位置处的晶片温度T，或者信号56P可由系统控制器58取平均数以确定相邻于晶片52的外露表面72的温度T。为确保温度T是均匀地遍布整个晶片52的外露表面72的区域，系统控制器58可比较分别由各探头92P所检测到的温度T。这些温度T的零或小(例如5℃)温差可用来指示温度T是均匀地遍布整个晶片52的区域。虽然图3A所示为4个探头92P，但例如还可基于例如晶片52的直径等要素来设置较多或较少的探头92P。此外，为进一步确保温度T是均匀地遍布整个晶片52的区域，可使用例如独立热能探测器54的阵列，其将于以下有关图5A之处作更全面的叙述。
图3B描述一平面图，其是向上看安装于承载器头66的晶片52的外露表面72。所示范的三个环64R是以虚线表示，且所示的直径D3是由晶片52的一边穿越晶片52的中心94而朝外延伸至晶片52的对面一边。直径D3可延伸于例如晶片52对面两侧的探头92P之间。如本发明的此实施例所要求，均匀地遍布于外露表面72的区域的温度T是借助图3C的图表加以说明，该图显示了沿着直径D3的位置而标绘的晶片52的温度T。所示的温度T相当固定，表示温度梯度并未遍布于整个晶片52的外露表面72的区域内。
本发明的其他实施例的提供是为供应非均匀地遍布整个晶片区域的热能，且如图4A至7所示。即，这类实施例各可提供遍布于晶片52的外露表面72的热梯度。图4A显示这些实施例的第一个，说明了以中心碟64P为形式的热能转移单元64，其可座落于晶片52上的一点，例如中心94。该碟64P可由响应电源102(图1A)的电能而产生热能的压电材质加以配置。借助碟64P转移的热能转移至安装于承载器头66的晶片52。作为晶片52的唯一可控制的热能来源，碟64P可将热能散布至晶片52的中心94里。热能因而被非均匀地转移至晶片52。来自碟64P的热能将由中心94向外地或放射状地朝晶片52的边缘流动。离开中心94的示范区域104与106的温度将比中心94的温度低，如此在本实施例中最低温度T的值将相邻于晶片52的边缘处。碟64P可借助类似图2所示有关光源64L的方式安装在相邻于晶片52之处。
图4A还描述设置了一个热能探测器54实施例的承载器头66，其类似于图2所示包括一热偶环92R的热偶92。或者例如，还可设置如以上有关图3A所述的许多短热偶探头92P。热偶环92R环绕着晶片52，以检测相邻于晶片52的外露表面72处的平均温度T。热偶环92R可将温度信号56输出至系统控制器58。
图4B是描述一平面图，其是向上看安装于承载器头66的晶片52的外露表面72。所示范的中心碟64P是以虚线表示，且所示的直径D4是由晶片52的一边穿越晶片52的中心94而朝外延伸至对面一边。直径D4可延伸于例如晶片52对面两侧的环92R之间。如本发明的此实施例所要求，遍布于外露表面72的区域的温度梯度是借助图4C的图表加以说明，该图显示了沿着直径D4的位置而标绘的晶片52的温度T。来自环92R的信号56代表了这种直径D4端点处的温度T。图4C是显示一倒U型曲线110，其描述遍布于晶片52的外露表面72的区域所要求的示范性温度梯度。曲线110表示温度T在中心94具有最大值且向外递减。
若以较佳的情形更准确地测量沿着晶片52的直径D4位置的温度T，以及测量由于中心碟64P的使用而产生的温度梯度，则可使用独立热能探测器54的阵列，其将于以下有关图5A之处作更全面的叙述。在实际的CMP操作中使用这种阵列，则曲线110的形状将基于例如CMP工艺或承载膜84的热转移特性而倾向由图4C所示的倒U型产生变化，其将于以下有关图8之处作更全面的叙述。尽管有这种倾向，具有特定变化方式例如根据图4C所示的曲线110的热梯度仍为所要求的。为补偿这种在单一区域上(例如106)的CMP工艺所发生的非均匀热转移特性，热能转移单元64的配置可如有关例如图6A与7所示。
提供遍布于晶片52的外露表面72区域的另一个温度梯度实施例如图5A所示，其说明了外环640R形式的热能转移单元64。该外环640R可配置成一邻近晶片52的边缘延伸的圆环形。该环640R可为类似图3A所示的环64R的电阻加热器，或者可能以图4A所示的碟64P的压电材质制成。然而，为转移相关于晶片52的热能(包括向晶片52转移或从晶片52转移的热能两者)，图5A所示的实施例提供了在一低温TL与一高温TH下将热能转移流体116供应至外环640R的能力。为此目的，外环640R配置成一中空环形管。环640R可借助类似图2所示有关光源64L的方式安装在相邻于晶片52之处。流体116可为例如乙二醇。
热源62之一可响应热控制器60而提供流体116的加热与冷却，或如图1A所示，一个源62H可供应加热的流体116、而另一个源62C则可供应冷却的流体116。热控制器60是在系统控制器58的控制之下操作，以将源62H或源62C连接至环640R，如此是可适用于加热或冷却。控制器60是将具有适当温度的流体116供应给中空环640R。作为转入或转出晶片52的唯一可控制的热能来源或接收器，环640R可直接转移只转入或转出晶片52外缘的热能。热能因而非均匀地转入或转出晶片52的区域。在加热时，由环640R直接转移至晶片52的热能将朝内地或放射状地由晶片52的边缘朝中心94流动。离开边缘的区域例如122与124发生温度T的变化。至于冷却时，由晶片52直接转移至环640R的热能则将朝外地或放射状地由晶片52的中心94朝边缘流动而至环640R。离开边缘的区域122与124发生温度T的变化。不管流体是供应至较目前晶片52的温度T为冷的晶片52，或者是供应至较目前晶片52的温度T为暖的晶片52，其适用温度T的最低值将分别发生在相邻于本实施例的晶片52的边缘处，或者将发生在相邻于中心94之处。
图5A是描述设置了一个热能探测器54实施例的承载器头66、其是配置成可在许多间隔位置上各自检测晶片52的温度T。如以下的进一步叙述，温度梯度可有不同的定位方式，其相关于晶片52的中心94或有关于晶片52的边缘。为监视例如跨越直径D5的温度梯度，探测器54的配置是为沿着直径D5而以相同间隔的关系排列的独立热能感应器54F的阵列54A。阵列54将穿越例如区域122与124。图5D是显示一个典型的荧光(fluoroptic)探头(例如LUXTRON牌探头)的感应器54F，其是具有一探测尖端126，所设置的涂层128的材质响应不同温度而发出不同荧光。尖端126可位于与晶片52相邻之处，例如与晶片52作直接的接触。在使用承载膜84(例如见图2)的承载器头66的一配置中，尖端126可紧接于与晶片52接触的承载膜84。来自荧光探头54F的信号56的强度提供位于探头54F处的温度T的指示。由于阵列中探头54F的均匀间隔，当系统控制器58接收到来自不同探头54F的信号56时，每个探头54F将同时具有温度T的指示以及探头54F的位置的参考(例如沿着直径D5)。借助一个特定信号56与产生该特定信号56的探头54F的位置之间的关系，系统控制器58因而接收了跨越晶片52的直径D5的实际温度梯度指示，可将实际温度梯度与所要求的温度梯度相比，然后再借助热能转移单元64的环640R使适当的热转移得以发生。
图5B是描述一平面图，其是向上看安装于承载器头66的晶片52的外露表面72。所示范的环640R是以虚表示，且所示的直径D5由晶片52的一边穿越晶片52的中心94而朝外延伸至对面一边。通常直径D5可延伸于例如环640R的对面两侧之间且沿着阵列54A。如本发明的此实施例所要求，遍布于外露表面72的区域的温度梯度借助图5C的图表加以说明，该图显示了沿着直径D5的位置而标绘的晶片52的温度T。图5C是显示一般的倒U型曲线118，其描述晶片52的外露表面72的区域内跨越其直径D5的温度梯度。曲线118表示温度T在边缘处具有最大值且向内递减。若CMP工艺的特性(例如不管该工艺是放热或吸热)使得所要求的热梯度可借助供应冷却流体116或加热流体116至环640R而实现，则如上所述系统控制器58将可使适当热度(热或冷)的流体116由适当的热源62H或62C供应至外环640R。
类似于以上有关图4A至4C的叙述，在实际实行中，曲线118的形状将倾向由图5C所示的倒U型产生变化。该变化可基于例如CMP工艺或承载膜84的热转移特性，其将于以下例如有关图8A与8B之处作更全面的叙述。尽管有这种倾向，具有特定变化方式例如根据图5C所示的曲线118的热梯度仍为所要求的。为补偿这种在单一区域上(例如122)的CMP工艺所具有的非均匀热转移特性，热能转移单元64的配置是可如以下有关例如图6A所示。
参考图6A，本发明还满足了跨越晶片52的直径D6的热梯度是以特定方式变化的需求。另外也提供了例如单一区域上(例如132)的CMP工艺与另一个区域134者相比时其非均匀的热产生或转移特性的补尝。图6A描述了本发明的另一个实施例，其中不同的热能转移是可独立在两个以上的晶片52的不同区域同时发生。这些示范区域可为例如呈放射状间隔的区域132与134。此外，这些区域可为如图7所示的圆饼状或楔状区域136。考虑到例如6A，一热能转移是可进入区域132，而另一热能转移则可离开区域134，反之还同。举例来说，CMP工艺可在一给定时间于区域134产生热能(如此若无本发明的温度控制方法将导致温度T出现不符要求的提升)，而同时CMP工艺还可在区域132吸收热能(如此若无本发明的温度控制方法将导致温度T出现不符要求的降低)。所提供的独立热能转移将可在系统控制器58的控制之下离开区域134或进入区域132。
图6A是显示以许多中空的环或管64PI为形式的热能转移单元64。每个管64PI皆可配置成在晶片52的独立环形区域上呈拱形延伸的圆环，例如在区域132或134之一上。较外侧的管64PI可与晶片52的边缘相邻，而紧接的内侧管64PI可由外侧管64PI朝内呈放射状、以提供转入或转出晶片52的许多环形区域的热能转移。
管64PI的配置是可用于转移有关晶片52的热能，包含转入晶片52的热能与转出晶片52的热能。为此目的，管64PI可为中空的光学纤维，其是可引导来自光源64L的光线以供应热能。管64PI还可连接至冷却流体116的源62C，以提供离开晶片52的特定区域的热能转移。
图6A所示的实施例是以类似图5A所示的外环640R方式提供有关许多管64PI的各自的热能转移，还即在相邻于晶片52的一低温TL与一高温TH两者之下。因此，热源62之一是可响应热控制器60而提供流体116的加热与冷却两者，或如图1A所示，一个源62H可供应加热的流体116，而另一个源62C则可供应冷却的流体116。热控制器60是在系统控制器58的控制之下操作以将源62H或源62C连接至各管64PI。控制器60是将具有是当温度的流体116供应给适当的管64PI。管64PI可安装于与晶片52相邻的承载器头66上，如以上有关环640R的叙述。每个管64PI基本上皆直接转移进入或离开晶片52的一特定区域(例如132或134)的热能。因而相关于整个晶片52的区域的热能是被非均匀地转移。直接由特定区域例如132或134转出或转入的热能将使该区域的温度T上升或下降。借助在独立的管64PI之间提供热绝缘体138，这种区域132的温度T的改变大体上将与任何相邻于晶片52的区域134的任何温度T的改变相互独立。
图6A还描述设置了一个热能探测器54实施例的承载器头66，其配置成可在许多间隔位置上各自检测晶片52的温度T。这些位置是对应于由不同的管64PI所负责的区域。如以下的进一步叙述，所要求的温度梯度可有不同的定位方式，例如由例如晶片52的中心94至其边缘。图6B是描述一平面图，其是向上看安装于承载器头66的晶片52的外露表面72。所示范的圆形管64PI以虚线表示，且所示的环形区域132与134是在虚线之内，以简化说明。对于例如跨越直径D6(图6A)而变化的温度梯度，且其中与每个中心同心的环形区域(例如132)内要求大体上相同的温度T而言，探测器54是可配置成如以上有关图5A所述的独立热能感应器54F所组成的同心圆环阵列54C。阵列54C是排列在环绕区域132的环形路径上，以便监视区域132的温度T。对每个阵列54C而言，感应器54F的位置是环绕着例如环形区域132而有相同间隔的关系。因此每个阵列54C是与相邻的阵列54C保持间隔。由于独立的阵列54C的探头间有相同的间隔，且由于一阵列54C与其他阵列54C相互分开，故当系统控制器58接收到来自不同探头54F的信号56时，每个探头54F将同时具有温度T的指示以及以探头54F为一部分的阵列54C和探头54F的位置的参考。因而系统控制器58所接收的数据提供环绕晶片52的特定环形区域(例如132)的实际热梯度指示，且可将实际热梯度与该区域所要求的热梯度作比较。同样地，系统控制器58还可使用沿着图6A的直径D6而排列的不同探头54F所发出的信号56来确定沿着直径D6的热梯度是否可接受，或者应该借助对供应至例如管64PI的流体进行适当的温度控制来加以改变。
如本发明的此实施例所要求，遍布于外露表面72的区域的温度梯度是借助图6C的图表加以说明，该图显示了沿着直径D6的位置而标绘的晶片52的温度T。这些位置是与相邻于环形区域132、134等的不同探头54F相对应。波浪形的曲线142描述跨越晶片52的外露表面72的直径D6的示范性的温度梯度，。曲线142代表未使用本发明的温度监视与控制方法的温度梯度，该梯度基于CMP工艺可在区域134产生热能(如此若无本发明的温度控制方法将导致温度T出现不符要求的上升)，而同时CMP工艺还可在区域132吸收热能(如此若无本发明的温度控制方法将导致温度T出现不符要求的降低)。图6C还显示斜率固定的曲线144，其描述跨越晶片52的外露表面72的直径D6的经过控制的示范性温度梯度。曲线144代表使用本发明的温度监视与控制方法的温度梯度。尽管CMP工艺在区域134产生了热能，为响应来自与区域134相邻的探测器54F，区域134的管64PI将受到控制并且如位置134上的曲线144所示使热能由区域134转出并降低温度T。以此方式，系统50可避免未使用本发明的温度控制方法时，区域134的温度T出现不符要求的上升。同样地，借助提供热能至区域132，系统50还可避免未使用本发明的温度控制方法时区域132的温度T出现不符要求的降低。
应可了解，以此方式系统50是可用于以特定方式对跨越晶片52的直径D6的热梯度变化加以控制，包括使热梯度消失的控制方式。不管可能不符要求的热梯度是否基于在一个区域(例如132)上的CMP工艺与另一个区域例如134相比具有的非均匀热产生或热转移特性，系统50都可提供这种控制。
系统50的另一个实施例是可将晶片52的区域分割成除了例如区域132与134的环形之外的形状。图7是显示晶片52的一部分，其具有示范性的楔状或圆饼状区域136。这些圆饼状区域136的温度T可借助例如将热能转移单元64配置成具有许多中空的环或管64W的形式来加以控制。图7中晶片52已经切割，用以显示相邻于晶片52的独立楔形区域136的每个管64W皆可具有楔形位置。第一管64W-1相邻于第一区域136-1，它是借助晶片52的总体区域的所选角度152加以界定。第二管64W-2乃相邻于第二区域136-2，它是借助晶片52的总体区域的所选角度154加以界定，且位于第一管64W-1的相邻处。区域136之间可提供绝缘体152以对这些区域136作热分隔。基于上述实施例，晶片52的区域的其他部分可提供其他的楔形管64W，或其他的热能转移单元64。同样地，基于上述实施例，探测器可相对楔形区域136作适当的排列，用以对每个晶片52的这种区域136的温度T进行独立的监视与控制。
图8A与8B描述系统50进一步的实施例，其中承载膜84的热转移特性可与晶片52的温度T的监视与控制结合使用。所示的承载膜84具有许多区块158，可配置成任何形状，包括例如图8B所示的环形区域。所提供的区块158可有不同的热转移特性，例如表面粗糙度或者例如热传导系数。以此方式，由于特定位置的CMP工艺具有特定的热力特性(例如放热反应)，承载膜84配置成可容许较多热能转入或较少热能转出晶片52上相邻于该特定位置之处。为在热能转移单元64的独立部分之一与另一个热能转移单元64的独立部分之间进行热分隔，还可提供不同的热能转移特性。
如上所述，系统50可在晶片52上执行一方法，用以在进行一个或多个CMP操作期间对晶片52上的局部平坦化特性进行控制。这种方法的一个方面包括晶片52的温度监视。图9描述一流程图170，其描述在化学机械抛光操作期间用以监视晶片温度的本发明方法的操作。该方法包括在晶片52的表面区域上界定出至少一个独立区域的范围的操作172。在化学机械抛光操作期间，至少一个独立区域需维持在一特定温度T。该区域可为晶片52的整个区域，或者例如上述区域132、134或136其中之一。该方法接着推进至操作174，其在化学机械抛光操作期间感应出至少一个独立区域的温度。此感应操作可使用上述探测器54之一来执行。
该方法的另一个方面是执行操作172，以界定出遍布于晶片52表面的许多独立区域的至少一个独立区域，例如许多区域136或132及134。这些独立区域可与晶片52的中心同心，且多个同心的独立区域上各可维持一特定的温度T。此外，可借助独立地对每个这种独立区域的温度进行感应来执行感应操作174。接着该方法可根据各区域所感应的温度，以及该感应温度与该区域所要求的温度间的比较结果，而推进至操作176，用以转移相关于至少一个区域或相关于每个独立区域的热能。
应可了解该区域的感应温度与所要求温度间的比较可由系统控制器58加以执行。系统控制器58可为一Watlow温度控制器或电脑，其程序设计为处理所接收的信号56。例如，当承载器头66之上有一信号56时，该信号是可与代表晶片52所要求的温度值T的储存数据相比较。根据任何由该比较所产生的差异，系统控制器58将使热控制器60提供热能至承载器头66，以使感应温度T达到所要求的值。在测定了例如所要求的温度的值之后，便可将该储存数据输入系统控制器58，结果将提供晶片52上所要求的局部平坦化特性，例如晶片52的CMP移除部分所需的数量。
如同于例如当对以上独立阵列54C的探头54F所具有的均匀间隔进行说明时一样，可以有许多的信号56。如所述，由于该阵列54C与其他阵列54隔开，故系统控制器58可由探头54F之一接收信号56，作为表示温度T、探头54F所对应的阵列54C以及探头54F的位置的数据。系统控制器58的程序设计为有系统地组织这些数据并提供环绕晶片52的特定环形区域(例如132)的实际热梯度指示(例如图5C与图6C的图表)。这些环绕晶片52的特定环形区域的实际热梯度数据(例如曲线142)与代表该区域所要求的热梯度数据(例如曲线144)相比较。接着系统控制器58便使热控制器60开始工作，以提供不同区域所要求的温度T。如上所述，这可借助例如将热源62H或热源62C连接至环640R，如此可适用于加热或冷却。系统控制器58对控制器60加以控制，以便将具有适当温度的流体116供应给中空环640R。因此，尽管有CMP工艺在区域134上为响应来自相邻于区域134的探测器54F的信号56而产生热能的示范性情况，系统控制器58的程序设计可使区域134的管64PI由该区域134将热能转出，并且如曲线144的位置134所示使温度T降低。
当使用例如阵列54C时，在测定了例如所要求温度的许多独立值之后，便可将该储存数据输入系统控制器58，结果将在晶片52的相对区域上(例如区域132与134，图6B)提供所要求的独立的局部平坦化特性。这些测定可基于例如浆料88与晶片52之间具温度相关性的化学反应。例如一般而言，与晶片52接触的浆料88的温度愈高，并且晶片52的温度越高，则移除速率将越快，即越快的CMP操作将会发生。
本发明的另一个方面是关于图10所示的温度对时间的图表，其中所示的晶片温度T是在时刻t1有最高值。时刻t1可对应至一特定CMP操作的起始，且一般而言较快的抛光或者移除速率才符合要求并由较高的温度值提供。然而，在CMP操作的实行期间，随着时间的增加(例如由时刻t1至时刻t2)，便需要对移除速率进行规模较大的控制。为此目的，在时刻t2时，所示的晶片温度T的值将开始降低，并持续至例如时间t3。时间t2与t3可更接近该特定CMP操作的结尾，故此一般而言较低或较慢的抛光速率才符合要求，以避免晶片52发生过度抛光的现象。基于以上所述，可在例如时间t1、t2与t3使用系统50，以提供此种具时间相关性的晶片温度T的控制。
本发明的另一个方面是有关晶片52与抛光垫76之间的接触。这种接触是在压力下形成，故而晶片52与抛光垫76之间可发生热能转移。如上所述，可使用系统50并借助控制晶片52的温度T来控制抛光垫76的温度。以此方式，当抛光垫76的抛光特性(例如在给定压力下的抛光速率)随着抛光垫76的温度而变化时，可控制晶片温度T，并且借助晶片与抛光垫之间的接触使抛光76的温度及抛光垫76的抛光特性可在CMP操作期间内的任何时间进行选定。
本发明的进一步实施例是有关使用浆料88的温度来控制晶片52的温度T。例如如图11所示，热能转移单元64L可配置成安装在抛光垫76B之上的独立出口212。独立的出口212是将浆料88的独立浆料流214供应至抛光垫76B的独立区块216之上，该区块216是随着抛光垫76B移动至承载器头66。抛光垫76B的区块216的温度是由浆料流214中相关的浆料88的温度所确定。该抛光垫的移动致使抛光垫76B的相关区块216与晶片52独立的相关区域间具有热能转移的关系，故而可达到例如晶片52的各相关区域所要求的温度。具有相关温度浆料88的抛光垫76B的区块216，以及由晶片52的相关区域所产生的温度T都可用于在晶片的各区域上提供符合要求的局部平坦化特性，例如晶片52的各区域所要求的移除数量。
应可了解本发明是借助提供实现上述问题的解决方案的CMP系统50及所述的方法而满足了上述需求。因此，在CMP操作期间借助CMP系统50以及那些方法来维持对晶片52的温度T的直接控制。也就是说，此温度T是在例如不依靠例如对晶片52施加CMP作用力等间接要素的情况下受到控制。这种CMP系统50进一步直接地在CMP操作期间监视晶片52的温度T。此外，为提供可在晶片区域内有不同温度的需求的CMP操作，这种CMP系统50的配置可在CMP操作期间内直接对晶片52内不同区域(例如132、134、136)的温度进行监视，并分别控制各热能来源62以达到符合各晶片区域要求的晶片温度T。此外，这种CMP系统50及其方法配置在CMP期间内与晶片作直接接触的构造，例如安装于承载器头66上的晶片支撑膜84，使该膜的配置(例如热转移特性)与所要求的晶片温度控制一致。
虽然为了清楚了解的目的，上述发明是已针对许多细节进行描述，但显而易见的是在所附的权利要求书内可进行某种程度的变更与修改。例如晶片52的区域便可根据欲对热能转移进行控制之处而确定各种不同的尺寸与形状。热能转移单元64与探测器54的配置还可与所确定的这些区域相对应而加以变化。因而，本实施例应被视为举例性而非限制性的，且本发明不应受本文中的细节描述的限制，并可在所附的权利要求书及其等效范围内进行修改。

Claims (17)

1.一种用于控制化学机械抛光操作的晶片温度的设备，包括：
一晶片承载器，具有一晶片安装表面；
一热能转移单元，其相邻于晶片安装表面，用于转移与晶片相关的能量；
一热能探测器，其相邻于晶片安装表面，用于探测晶片的温度；
一控制器，其可响应该探测器而控制对热能转移单元的热能供应；
其中，该热能转移单元配置成转移与晶片表面一选定区域相关的热能，以建立遍布整个表面的热梯度，而热能探测器配置成探测该表面上事先确定的位置的温度；并且该热能转移单元的配置关于一圆环确定，且该晶片表面的选定区域相邻于晶片的中心和晶片的外缘中的一个，而热能探测器的配置关于一圆环确定，且该表面上事先确定的位置相邻于晶片的外缘和晶片的中心中的另一个。
2.如权利要求1所述的设备，其中该热能转移单元配置为均匀地转移与基本整个晶片表面相关的热能，以建立遍布于该表面的均匀热力状态，而热能探测器配置为探测该表面上事先确定的位置的温度。
3.如权利要求1所述的设备，其中还包括：
一晶片安装膜，其设置于晶片安装表面上以支撑晶片，该晶片安装膜在热力上配置成使其热传导系数随着与晶片安装表面相关的位置而有所变化；以及
其中从与晶片有关的热能转移单元转移的能量将根据热传导系数的变化而转移至晶片的不同部分。
4.如权利要求1所述的设备，其中：
该控制器借助连接一热能来源至热能转移单元来响应一指示较低温度的探测器以提升晶片的温度。
5.如权利要求1所述的设备，其中：
该控制器借助连接一热能接收器至热能转移单元来响应一指示较高温度的探测器以降低晶片的温度。
6.一种用于改变化学机械抛光操作的晶片温度的设备，包括：
一晶片承载器，具有一用以支撑整个晶片背面的表面；
一热能转移单元，其配置有数个独立间隔的区块，各区块与晶片安装表面的一个独立区域相邻，且每个独立区块有效地转移与晶片上某特定区域相关的能量的独立量；
一浆料供应口，其连接至晶片承载器，以将浆料供应至晶片上某些独立的浆料输入区域；
一热能探测器，其相邻于每个独立的浆料输入区域，用以在晶片上探测相邻于晶片上每个独立的浆料输入区域的一特定区域的温度；以及
一控制器，其响应各探测器而控制对热能转移单元的独立间隔的区块的热能供应，以由浆料补偿与晶片有关的转移的热能。
7.如权利要求6所述的设备，其中热能探测器是一光学热能探测器，具有一对应于每个独立区块的探头，各探头探测与各独立间隔的区块对应的晶片区域的温度；以及
一控制器，其响应各探头而控制对热能转移单元的每个独立间隔区块的热能供应。
8.如权利要求6所述的设备，其中该热能转移单元为一光能来源，具有对应于每个独立间隔区块的独立发光器，以转移与晶片上某特定区域的相关的能量的独立量。
9.如权利要求6所述的设备，其中还包括：
温度探测器，它们以与独立间隔区块相关的阵列均匀地定位，各探测器配置为将代表晶片上一特定位置的温度的信号输出；
一系统控制器，其响应来自探测器的信号且其程序设计成提供遍布于该间隔区块的实际热梯度的指示，该系统的程序设计为比较整个间隔区块上的实际热梯度与所需的热梯度；以及
一热能控制器，其响应该系统控制器而对供应至热能转移单元的每个独立间隔区块的热能进行控制，以使整个间隔区块上的实际热梯度与所要求的热梯度相等。
10.一种用来在化学机械抛光操作期间监视晶片温度的方法，该方法包括以下操作：
界定出至少一个晶片表面的独立区域，其中在化学机械抛光操作期间，该至少一个独立区域需维持在一特定温度；
在化学机械抛光操作期间感应该至少一个独立区域的温度；以及
根据相关区域的感应温度来进行与各独立区域有关的热能转移。
11.如权利要求10所述的方法，其中该至少一个独立区域是多个个遍布于晶片表面的独立区域，且该感应操作借助独立地感应每个独立区域的温度来进行。
12.如权利要求10所述的方法，其中该界定操作界定多个晶片表面的独立区域，该独立区域与晶片的中心同心，其中该多个同心的独立区域各维持在一特定温度；且其中该感应操作对于每个同心的独立区域的温度是独立进行的。
13.如权利要求10所述的方法，其中还包括以下操作：
根据各同心的独立区域的感应温度而与每个同心的独立区域相关的热能供应进行控制。
14.如权利要求10所述的方法，其中该至少一个独立区域是界定在晶片外围之内的碟状区域，该方法还包括以下操作：
根据感应操作的输出而对与该碟状区域有关的热能供应进行控制，该控制是向大体上整个碟状区域内引导光能。
15.一种用于在晶片上进行至少一个化学机械抛光操作期间控制晶片上的局部平坦化特性的方法，该方法包括以下操作：
界定出至少一个晶片表面的独立区域的范围，在该至少一个独立区域将实现一特定的平坦化特性；
控制该至少一个独立区域的温度；
作为至少一个化学机械抛光操作之一将浆料应用在晶片的该至少一个独立区域上；以及
对应用在晶片上该至少一个独立区域的浆料的温度进行控制。
16.如权利要求15所述的方法，其中多个该至少一个独立区域界定在晶片表面上，该方法还包括以下操作：
作为该至少一个化学机械抛光操作的一部分将浆料独立施加在晶片的每个独立区域上；以及
对施加在晶片的独立区域的浆料的每个独立施加的温度进行控制。
17.一种用于在晶片上进行至少一个化学机械抛光操作期间控制晶片上的局部平坦化特性的设备，包括：
一晶片承载器；
一位于晶片承载器上的热能转移单元，用于转移与晶片有关的能量；
一热能探测器系统，其与晶片相邻，用于探测其温度；以及
一控制器，其响应该探测器系统，以控制对热能转移单元的热能供应，该热能探测器系统安装在相邻于晶片的晶片承载器上，用于探测一表示了晶片温度的温度，并且
该热能探测器系统包括一独立热能探测器的阵列，它在与晶片相邻的间隔位置安装在晶片承载器上，用于探测表示了与每个间隔位置相邻的晶片温度的温度。
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