CN205166654U - 化学机械抛光装置 - Google Patents

Abstract

一种化学机械抛光装置，包括：抛光平板，抛光平板的上表面被抛光垫覆盖并进行自转；抛光头，在化学机械抛光工序中，一边向抛光垫加压晶片，一边进行旋转，并向抛光垫的具有半径方向成分的方向进行往复移动；传感器，固定在抛光平板，与抛光平板一同旋转，并接收具有晶片的抛光层的厚度信息的接收信号；传感器位置检测单元，检测固定在抛光平板的传感器的旋转位置；控制部，在从传感器位于晶片的底面起接收的第一接收信号的发生位置，检测抛光垫上的晶片的位置，并从所述晶片的检测位置，检测对于晶片的检测轨迹，测定检测轨迹中的晶片的抛光层的厚度，其中，对于晶片的检测轨迹与从传感器接收的第一接收信号对应。

Description

化学机械抛光装置

技术领域

本实用新型涉及化学机械抛光装置，更详细地，涉及即使晶片进行往复移动，并执行化学机械抛光工序，也可以准确地检测晶片的膜厚度的测定位置的化学机械抛光装置。

背景技术

一般情况下，化学机械抛光(ChemicalMechanicalPolishing；CMP)工序是指以在进行旋转的抛光平板上接触晶片等基板的状态进行旋转，并执行机械抛光来以达到预先指定的厚度的方式使基板的表面变得平坦的工序。

为此，如图1所示，化学机械抛光装置1一边以使抛光垫11覆盖抛光平板10的上方的状态进行自转，一边利用承载头20将晶片W加压于抛光垫11的表面并进行旋转，从而对晶片W的表面平坦地进行抛光。为此，具有调节器30，所述调节器30一边以使抛光垫11的表面维持恒定状态的方式进行旋回运动30d，一边使调节盘31同时执行加压和旋转30r，使抛光垫11发生改性，并通过浆料供给管40来向抛光垫11的表面供给用于执行化学抛光的浆料。

而且，在使晶片W位于底面的状态下，承载头20一边对晶片W进行加压，一边使晶片W旋转20r。与此同时，在使晶片W位于底面的状态下，承载头20按指定的距离大小进行往复移动20d，来改变与晶片W相接触的抛光垫11的部位，从而防止基于抛光垫11的磨损偏差的不均匀的抛光。

与此同时，具有传感器50，所述传感器50固定在抛光平板10，来与抛光垫11的旋转11r一同进行旋转50r，并在经过晶片W的底面的过程中，测定晶片W的抛光层的厚度。由于传感器50以固定在抛光平板10的状态进行旋转，因此，将会沿着规定的路径P来旋转。然而，由于晶片W在化学机械抛光工序中向具有半径方向成分的方向进行往复移动20d，因而相对于晶片W，沿着规定的路径P来移动的传感器50将会经过不同轨迹P1、P2、P3。

因此，因固定在抛光平板10的传感器50，基于晶片W的往复移动20d而使相对于晶片W的测定轨迹P1、P2、P3每次都不同，因而存在无法准确地测定晶片W的抛光层的厚度分布的问题。

实用新型内容

解决的技术问题

本实用新型用于解决如上所述的问题，本实用新型的目的在于，提供即使晶片进行往复移动，并执行化学机械抛光工序，也可以准确地检测晶片的膜厚度的测定位置的化学机械抛光装置。

进而，本实用新型的目的在于，即使无需单独测定晶片W的位置，也可以准确地掌握以一体方式与抛光平板一同旋转的传感器所经过的轨迹，从而准确地测定晶片的抛光层的厚度分布。

由此，本实用新型的目的在于，在化学机械抛光工序中，准确地在晶片的整个表面检测抛光层的厚度，从而可以精致地控制晶片的抛光层的厚度。

技术方案

为了实现如上所述的目的，本实用新型提供化学机械抛光装置，其特征在于，包括：抛光平板，所述抛光平板的上表面被抛光垫覆盖并进行自转；抛光头，在化学机械抛光工序中，一边向所述抛光垫加压所述晶片，一边进行旋转，并向所述抛光垫的具有半径方向成分的方向进行往复移动；传感器，固定在所述抛光平板来与抛光平板一同旋转，并接收具有所述晶片的抛光层的厚度信息的接收信号；传感器位置检测单元，用于检测固定在所述抛光平板的所述传感器的旋转位置；以及控制部，在从所述传感器位于所述晶片的底面起接收的第一接收信号的发生位置中检测所述抛光垫上的所述晶片的位置，并从所述晶片的检测位置中检测对于所述晶片的检测轨迹，测定所述检测轨迹中的所述晶片的抛光层的厚度，其中，对于所述晶片的检测轨迹与从所述传感器接收的所述第一接收信号对应。

这是因为，传感器在位于晶片的外侧的状态下，未接收到接收信号，只有在传感器位于晶片的底面的状态下，才从晶片抛光层接收到接收信号，因此，在借助传感器位置检测单元来检测固定在抛光平板的传感器的旋转位置时，检测出从传感器接收到接收信号的瞬间的传感器的位置为晶片的边缘末端所处的位置，从而可以通过从所检测的晶片的边缘末端沿着传感器的指定的旋转路径的方式，来掌握传感器对晶片进行检测的轨迹。

此时，在传感器掌握开始向晶片的边缘末端进入瞬间的晶片的边缘位置的情况下，理论上能够以晶片的中心Ow为基准向半径中心的内侧和外侧导出两个检测轨迹，但通常由于以抛光垫半径的1/2以上的大小形成晶片的直径，并且在抛光垫的边缘和中心的中间部配置晶片，因此，实质上可以被特定为一个检测轨迹。

此时，用于检测所述传感器位置的单元可以由多种公知的单元形成，例如，可以由编码器形成。

而且，所述传感器可以适用包含晶片的抛光层的厚度信息的多种传感器，可以由光传感器和涡流传感器中的任意一个以上形成，所述光传感器用于向晶片抛光层照射光并接收反射光，所述涡流传感器的抛光层由导电层(electricallyconductivelayer)形成，并施加涡电流信号来接收接收信号。

而且，所述传感器能够以固定的方式设置在从抛光垫的中心向半径方向隔着不同距离的位置。所述抛光层的厚度不仅是指所述晶片抛光层的绝对性的厚度值，而且包括所述抛光层的厚度变动值。

而且，多个所述传感器可以配置在从抛光平板的旋转中心向半径方向隔着不同距离的位置。

即，所述检测轨迹确定为连接第一位置和第二位置的形态，并通过反映固定在所述抛光平板的所述传感器的移动曲率来确定，其中,所述第一位置为,在所述传感器与所述抛光垫一同旋转一圈的期间内，自从所述传感器位于所述晶片的底面起，第一次接收所述第一接收信号时的位置；所述第二位置为,所述传感器向所述晶片的底面外侧脱离时，最后接收所述第一接收信号的位置。由此，即使在化学机械抛光工序中不实时监测以振动形态进行往复移动的晶片的位置，也可以准确地确定借助所述传感器来测定的晶片抛光层的轨迹，从而具有可以准确地获得晶片的抛光层中的厚度分布或厚度变化量分布的效果。

像这样，随着晶片向具有半径方向成分的方向进行往复移动，并执行化学机械抛光工序，即使每当旋转时，固定在抛光垫来经过晶片的底面的传感器的轨迹变得不同，也可以监视传感器的旋转位置，来确定包含晶片抛光层的厚度信息的第一接收信号被传感器接收的期间内的传感器的旋转位置，由此还可以确定晶片的位置，因此，可以掌握由传感器经过的晶片的底面轨迹(检测轨迹)。

所述传感器可以适用能够检测晶片抛光层的厚度的多种传感器。例如，可以包括光传感器和涡流传感器中的任意一个以上。

本说明书及实用新型的保护范围所记载的术语“旋转位置”被定义为与抛光垫一同旋转的传感器的圆周方向的位置。

实用新型的效果

如上所述，本实用新型可以获得如下效果：在化学机械抛光工序中，晶片以随机方式或与按指定的行程大小向具有半径方向成分的方向进行往复移动，由此，即使固定在抛光平板来一同旋转的传感器每次经过晶片的底面的路径不同，也只有在传感器位于晶片的底面的状态下从晶片抛光层接收接收信号，因此，可以通过反映传感器的移动路径的曲率来连接第一位置和第二位置的方式获得由传感器经过晶片的下侧的准确的路径，所述第一位置在传感器与抛光平板一同旋转一圈的过程中，在传感器开始位于晶片的底面的下侧的瞬间接收第一接收信号，在传感器位于晶片的底面下侧后向外侧脱离的瞬间，所述第二位置接收第一接收信号。

由此，本实用新型可以获得如下效果：即使晶片在化学机械抛光工序中以规则或不规则的方式进行往复移动，也可以实时准确地测定晶片的抛光层的厚度分布，从而可以调节精致的晶片抛光层的厚度。

附图说明

图1为示出以往的化学机械抛光装置的结构的主视图。

图2为图1的俯视图。

图3为示出在化学机械抛光工序中，基于晶片的往复移动的一个传感器经过晶片的底面的多种路径的图。

图4为示出本实用新型的一实施例的化学机械抛光装置的结构的俯视图。

图5为用于说明在图4的化学机械抛光装置中的第一接收信号的发生位置检测晶片的位置的方法的图。

图6为用于补充说明根据图5来对晶片的位置进行检测的图。

图7为用于说明在图4的化学机械抛光装置中，在传感器进入晶片的底面的状态下，追踪晶片移动的路径的方法的图。

图8为示出本实用新型的另一实施方式的传感器位置检测部的结构的图。

图9为依次示出利用本实用新型的一实施例的化学机械抛光装置来测定晶片抛光层的厚度的方法的顺序图。

附图标记的说明

110：抛光平板111：抛光垫

150：传感器160：传感器位置检测部

170：控制部A1：第一位置

A2：第二位置

具体实施方式

以下，参照附图对本实用新型的一实施例的化学机械抛光装置100进行详述。只是，在对本实用新型进行说明的过程中，为了使本实用新型的要旨更加明确，将省略对公知的功能或结构的具体说明。

本实用新型的一实施例的化学机械抛光装置100包括：抛光平板100，被抛光垫111覆盖，所述抛光垫111以进行抛光的方式与晶片W的抛光面相接触；承载头120，以使晶片W位于底面的状态进行加压，并使晶片W进行自转；浆料供给部40，为了晶片W的化学抛光而向抛光垫111的表面供给浆料；调节器30，以使向抛光垫111供给的浆料向晶片W的抛光层顺畅地流入的方式由调节盘对抛光垫111进行加压，并执行微切割来对抛光垫111的表面进行改性；传感器150，用于从第一接收信号测定晶片W的抛光层的厚度，所述传感器固定在抛光平板110，并与抛光垫111一同旋转，并在经过晶片W的下侧的过程中接收所述第一接收信号；传感器位置检测部160，用于检测与抛光平板110一同旋转的传感器150的旋转位置；以及控制部170，接收从传感器位置检测部160实时检测的传感器150的旋转位置和从传感器150接收的接收信号，来计算出晶片W的抛光层的厚度分布。

所述抛光平板10以上表面被抛光垫11覆盖的状态借助驱动马达M1等来进行旋转驱动。

所述承载头120从外部接收旋转驱动力，来使位于下侧的晶片W进行旋转驱动，并且通过调节设置在所述承载头120的内部的压力腔室的压力，来向抛光垫111加压晶片W，从而实现晶片W的机械抛光工序。

此时，在很多情况下，抛光垫111在化学机械抛光工序中无法在整个表面维持均匀的高度，而是根据晶片的半径长度来呈现出不同的高度，因此，有可能因抛光垫111的表面高度偏差而无法精致地控制晶片W的抛光层的厚度。因此，承载头120可以在化学机械抛光工序中借助驱动单元M2来向抛光平板110的具有半径方向成分的方向(并不局限于从抛光垫111的中心O向半径方向，而是包括相对于半径方向倾斜的方向)进行往复移动，从而使晶片W的抛光层在从抛光垫111的中心O隔着不同距离的位置中相接触，并使晶片抛光层的抛光厚度因抛光垫111的高度偏差而减少依赖，从而可以更加精致地调节晶片抛光层的厚度。

所述传感器150固定在抛光平板110，来与抛光平板110一同进行旋转，并在经过晶片W的下侧时，接收具有晶片抛光层的厚度数据的第一接收信号，从而向控制部170传输第一接收信号。

其中，传感器150可以形成为光传感器，也可以形成为涡电流传感器，所述光传感器照射具有一个以上的波长的光，并接收在晶片抛光层反射的反射光作为第一接收信号，所述涡电流传感器具有传感器线圈，来向晶片抛光层施加涡电流信号，并接收根据晶片抛光层的厚度变化来发生变化的电抗值和电阻值中的任意一个以上作为第一接收信号。

在由光传感器形成传感器150的情况下，虽然具有晶片抛光层可以适用于非导电性膜和导电性膜的优点，但需在晶片抛光层和传感器150之间维持开放的状态。在由涡电流传感器形成传感器150的情况下，具有晶片抛光层虽然只能适用于导电性膜，但是即使在晶片抛光层和传感器150之间介入有作为绝缘体的抛光垫或玻璃等时，也可以测定抛光层的厚度的优点。

考虑到基于承载头120的往复移动120d的行程，优选地，传感器150在从抛光垫111的中心O隔着不同距离配置多个150'。

所述传感器位置检测部160精致地检测与抛光垫111一同旋转的传感器150的位置。为此，可以记住抛光垫111上的传感器150的初始位置，利用编码器测定用于使抛光平板110旋转驱动的驱动马达M1的旋转角之后，通过映射抛光平板110的旋转角和传感器150的位置来能够准确地检测传感器150的旋转位置。

根据本实用新型的另一实施方式，如图8所示，由于只要传感器150在经过晶片W的边缘下侧边界的位置A1、A2中准确掌握传感器150的位置就足够，因此，在仅由抛光垫111的半径成分形成晶片W的往复移动120d路径的情况下，在以从抛光垫的中心经过传感器150的方式延伸的假想线81的半径末端部标有标志115，并可由传感器位置检测部160构成第一检测部165i及第二检测部165o，所述第一检测部165i及第二检测部165o在以与晶片W的边缘相接触的方式延伸的第一假想线82i及第二假想线82o的半径末端部中检测标志115经过。

因此，若与抛光垫111一同旋转的传感器150一边旋转，一边由第一检测部165i检测出标志115，则可以检测出传感器150处于一边经过晶片边缘，一边开始向晶片W的下侧进入的第一位置A1，若由第二检测部165o检测出标志115，则可以检测出传感器150处于一边经过晶片边缘，一边开始向晶片W的外侧脱离的第二位置A2。

像这样，传感器位置检测部160通过多种方法来检测与抛光垫111一同进行旋转的传感器150的位置。

所述控制部170从传感器位置检测部160接收传感器160的位置信息，并从传感器150接收包含传感器160经过晶片抛光层的下侧的过程中接收到的晶片抛光层的厚度信息的第一接收信号。

此时，在传感器150为光传感器的情况下，在传感器150并未位于晶片的下侧的位置Ao中，传感器150无法接收从传感器150照射的光反射后的反射光所形成的第一接收信号。并且，在传感器150为涡电流传感器的情况下，在传感器150并未位于晶片的下侧的位置Ao中，也无法接收第一接收信号。

然后，以传感器150旋转一圈为基准，若与抛光垫111一同旋转50r的传感器150处于向晶片的下侧进入的瞬间的第一位置A1，则传感器150开始从晶片抛光层接收第一接收信号，而随着传感器150从抛光垫111的中心O隔着指定的距离R来旋转，传感器150的旋转路径P已被指定，因此，可通过传感器位置检测部160来在抛光垫111的平面上准确地特定传感器150开始接收第一接收信号的第一位置A1。

此时，如图5所示，传感器150开始接收第一接收信号的第一位置A1会根据晶片W向具有半径方向成分的方向Lw进行往复移动120d而每次都会不同，即，晶片W越接近抛光垫111的中心O，第一位置A1(A11、A12、A13)和抛光垫111的中心O所形成的角度T1、T2、T3越增加，而可以与晶片W的往复移动轴Lw的方向无关地掌握第一位置A1位于抛光垫111上的哪个位置。由此，可以检测晶片W的边缘位于通过传感器150来开始接收第一接收信号的第一位置A1。

理论上，如图6所示，在传感器150处于第一位置A1的状态下，使晶片W的边缘位于第一位置A1的条件具有2种Wo、Wx，但晶片W的直径为略小于抛光垫111的半径的状态，属于由Wx显示的晶片Wx的另一边缘位置脱离抛光垫111的中心O的状态，是实际上无法体现的位置，因此，在传感器150为第一位置A1的状态下的晶片W的位置可以被确定为由Wo显示的斜线圆形态。

从传感器150开始接收第一接收信号的第一位置A1至传感器150经过晶片W的下侧的期间的区域As中，传感器150正常接收包含晶片抛光层的厚度信息的第一接收信号，因此，控制部170接收从传感器150接收到的第一接收信号。

而且，以传感器150旋转一圈为基准，作为从传感器150最后接收到第一接收信号的时点中的传感器位置的第二位置A2也可以由传感器位置检测部160在抛光垫111的平面上检测为准确的位置。这也可以与晶片W的往复移动方向Lw无关地进行检测。

此时，若在传感器150经过晶片W的下侧的期间内，晶片W处于位置固定的状态或晶片W的移动120d速度显著小于传感器150的速度，则传感器150所移动的路径P'(图7的斜线)成为与以晶片的中央部位基准来对称的第二位置A2x相连接的路径。但是，若晶片W的往复移动120d速度并非为可以忽视的大小，则晶片W与承载头120一同沿着往复移动轴Lw来进行移动120d，使得晶片W的中心从Owi向Owo移动do，因此，如图7所示，传感器150经过晶片的下侧的移动路径Po以晶片W的中央部位基准，成为并非对称的形态。

因此，控制部170可以考虑路径P的曲率，来实际上准确地检测传感器150一边经过晶片W的下侧，一边检测厚度的检测轨迹Po，所述路径P考虑用于连接在传感器位置检测部160中获得的第一位置A1和第二位置A2的多个路径中的传感器150的半径位置R。

对利用以如上所述的方式构成的本实用新型的一实施例的化学机械抛光装置的晶片的抛光层的厚度测定方法S1进行详述。

步骤1：首先，在将晶片W位于承载头120的下侧的状态下，一边使抛光平板110进行自转，一边使承载头120也一同进行自转，并以借助向承载头120的压力腔室施加的压力来使晶片W的抛光层向抛光垫111形成加压的状态下，对晶片W的抛光面执行化学机械抛光工序(S110)。

步骤2：在执行化学机械抛光工序的过程中，实时监测固定在抛光平板110的传感器150的位置(S120)。传感器150的位置被传感器位置检测部160检测，如图4所示，可以被用于检测抛光平板110的旋转角的编码器检测，而在晶片W沿着半径方向的轴Lw半来进行往复移动的情况下，可以由第一检测部165i及第二检测部165o检测以如图8所示的方式进行旋转的抛光平板110的标志115。

步骤3：另一方面，传感器150可以使用光传感器或涡电流传感器中的任意一个来测定晶片的抛光层的厚度，在传感器150与抛光垫111一同旋转且在并未位于晶片W的下侧的区域Ao中不接收第一接收信号，而是在晶片W的下侧接收第一接收信号，从而可以通过开始接收第一接收信号的时点和与传感器位置检测部160相比较来检测传感器150向晶片的下侧进入的第一位置A1和传感器150从晶片的下侧向外侧脱离的第二位置A2(S130)。

其中，在传感器150经过调节盘的下侧的期间内也可以接收到接收信号，但传感器150与抛光垫111一同旋转并轮流经过调节盘的下侧和晶片的下侧，因此，控制部170可以掌握传感器150经过晶片的下侧的时点，来准确地检测传感器150经过晶片的边缘的第一位置A1和第二位置A2。

步骤4：像这样，控制部170可以与晶片的移动路径无关地特定传感器150开始向晶片W的下侧进入的第一位置A1和从晶片W脱离的第二位置A2，并根据从抛光垫111的中心O隔着有R大小的距离的传感器150的移动路径P的曲率，来特定传感器150进行1旋转的过程中的传感器150经过晶片的下侧的检测轨迹Po(S140)。

步骤5：因此，每当传感器150进行1旋转时，都会沿着不同检测轨迹Po进行移动，但控制部170可以从由传感器150接收的第一接收信号中检测及测定作为传感器150经过的晶片的下侧的路径的检测轨迹Po的晶片抛光层的厚度和/或厚度变动量(S150)。

像这样，控制部170从传感器150所接收的第一接收信号和传感器150所经过的检测轨迹Po中测定晶片的不同位置的厚度分布。尤其，如图4所示，随着传感器150以从抛光垫111的中心O隔着不同距离配置150'多个，每当抛光垫111进行1旋转时，测定多个检测轨迹Po中的晶片的厚度，因此，与在晶片W停止的状态下执行化学机械抛光工序的方式一样，可以实时获得晶片W的抛光层的厚度分布。

如上所述，本实用新型可以获得如下效果：在化学机械抛光工序中，晶片以随机方式或按指定的行程大小向具有半径方向成分的方向Lw或半径方向Lw'进行往复移动，由此，即使固定在抛光平板来一同旋转的传感器150经过晶片W的下侧的路径P每次都不同，也只有在传感器150位于晶片W的下侧的状态下，基于从晶片抛光层接收的第一接收信号，通过反映传感器W的移动路径P的曲率来连接第一位置A1和第二位置A2的方式获得由传感器经过晶片的下侧的准确的检测轨迹Po，从而实时准确地测定晶片的抛光层的厚度分布，来精致地调节晶片抛光层的厚度，所述第一位置A1在传感器150与抛光平板110一同旋转一圈的过程中，在传感器150开始位于晶片W的底面的下侧的瞬间接收第一接收信号，所述第二位置A2在传感器150位于晶片的底面下侧后，向外侧脱离的瞬间接收第一接收信号。

以上，虽然通过优选的实施例对本实用新型进行了例示性的说明，但本实用新型并不局限于这种特定的实施例，可以在本实用新型所记载的范畴内进行适当的变更。即，前述实施例虽然对晶片在化学机械抛光工序中沿着半径方向的轴Lw施或具有半径方向成分的方向的轴Lw来进行往复移动的结构进行了说明，但本实用新型并不局限于此，也可以在晶片W向多个路径移动的情况下借助传感器150来检测第一位置A1及第二位置A2，从而准确地计算出传感器150经过晶片的下侧的轨迹，来准确地获得晶片的厚度分布。

Claims (7)

1.一种化学机械抛光装置，作为晶片的化学机械抛光装置，其特征在于，包括：

抛光平板，上表面被抛光垫覆盖并进行自转；

抛光头，在化学机械抛光工序中，一边向所述抛光垫加压所述晶片，一边使其进行旋转，并向所述抛光垫的具有半径方向成分的方向进行移动；

传感器，固定在所述抛光平板，并与抛光平板一同旋转，并接收具有所述晶片的抛光层厚度信息的接收信号；

传感器位置检测单元，用于检测固定在所述抛光平板的所述传感器的旋转位置；以及

控制部，通过从所述传感器位于所述晶片的底面起接收的第一接收信号的发生位置，检测所述抛光垫上的所述晶片的位置，并从所述晶片的检测位置，检测对于所述晶片的检测轨迹，并测定所述检测轨迹中的所述晶片的抛光层的厚度，其中，对于所述晶片的检测轨迹与从所述传感器接收的所述第一接收信号对应。

2.根据权利要求1所述的化学机械抛光装置，其特征在于，

所述传感器位置检测单元为编码器。

3.根据权利要求1所述的化学机械抛光装置，其特征在于，

所述传感器为光传感器和涡流传感器中的任意一个以上。

4.根据权利要求1所述的化学机械抛光装置，其特征在于，

多个所述传感器分别固定设置在从抛光垫的中心向半径方向隔着不同距离的位置上。

5.根据权利要求1所述的化学机械抛光装置，其特征在于，

所述抛光层厚度包含所述晶片的所述抛光层的厚度变动值。

6.根据权利要求1所述的化学机械抛光装置，其特征在于，

多个所述传感器分别配置在从所述抛光平板的旋转中心向半径方向隔着不同距离的位置上。

7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的化学机械抛光装置，其特征在于，

所述检测轨迹被确定为连接第一位置和第二位置的形态，并通过反映固定在所述抛光平板的所述传感器的移动曲率来确定，其中,所述第一位置为,在所述传感器与所述抛光垫一同旋转一圈的期间内，自从所述传感器位于所述晶片的底面起，第一次接收所述第一接收信号时的位置；所述第二位置为,所述传感器向所述晶片的底面外侧脱离时，最后接收所述第一接收信号的位置。