TW201404530A

TW201404530A - Ｃｍｐ系統的承載頭中之感測器

Info

Publication number: TW201404530A
Application number: TW102124033A
Authority: TW
Inventors: Hung Chih Chen; Gautam Shashank Dandavate; Samuel Chu-Chiang Hsu; Denis M Koosau
Original assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2014-02-01
Also published as: WO2014014661A1; US20140020829A1; WO2014014661A8

Abstract

感測器可定位在用於化學機械研磨系統的承載頭中。在某些實施中，承載頭包括彈性膜與熱電偶，該熱電偶在彈性膜的下表面上或者嵌入於鄰近下表面的彈性膜中。在某些實施中，承載頭光學感測器固定至承載頭，且承載頭光學感測器經定位來感測承載頭中所固持之基板之背面上之位置的反射性，且控制器經配置來接收來自光學感測器的信號，並且根據信號來決定基板的進動。

Description

CMP系統的承載頭中之感測器

本揭露係關於用於化學機械研磨與感測研磨參數的承載頭。

藉由導體、半導體或絕緣層的連續沉積，積體電路通常形成於基板上，特定而言矽晶圓上。在沉積完每一層之後，蝕刻該層來產生電路特徵。當一系列之層連續沉積與蝕刻時，基板之外部或最上面的表面(亦即，基板的曝露表面)變得愈來愈不平坦。

化學機械研磨(CMP,Chemical mechanical polishing)是將基板表面平坦化的一種已接受的方法。此平坦化方法通常要求基板固定至承載或研磨頭。基板之曝露表面隨後放置成抵靠於旋轉的研磨墊。研磨漿與基板的溫度會影響研磨速率。

某些承載頭包括彈性膜(flexible membrane)，彈性膜具有用於基板的固定表面。彈性膜之另一側上的腔室可經加壓以將基板壓抵研磨墊。

雖然研磨系統已經提出了利用紅外線感測器來量測溫度，但是可能難以獲得基板溫度的可靠量測。例如，來自正在研磨的基板的熱需要通過研磨墊或承載頭中的彈性膜，以到達紅外線感測器，這會與量測相干擾。可以解決這些問題的一種方法在承載頭的彈性膜中實施熱電偶。

另一問題則是在研磨期間，因為彈性膜與基板之間的滑動，基板未必會以與承載頭相同的速率來旋轉。進動(precession)指的是基板與承載頭之間的相對旋轉。藉由設置光學感測器在承載頭內，可監測基板的背側上的標記，且可量測基板的進動。

在一態樣中，一種用於化學機械研磨系統的承載頭包括：基部；及彈性膜，該彈性膜連接至基部並且延伸於基部之下，以在基部與彈性膜之間界定可壓力化的腔室。彈性膜具有下表面以提供基板固定表面。熱電偶定位於彈性膜的下表面上或者嵌入於鄰近下表面的彈性膜中，以及導線提供對於來自熱電偶之信號的使用。

實施可包括一或多個下述特徵。複數個熱電偶可定位於彈性膜的下表面上或者嵌入於鄰近下表面的彈性膜中。複數個熱電偶相對於基板固定表面的中心定位於不同的徑向距離處。複數個熱電偶沿著從基板固定表面的中心延伸的徑向線而定位。複數個熱電偶的相鄰成對熱電偶可藉由相等的徑向距離來分隔。第一熱電偶可定位於基板固定表面的中心處，且第二熱電偶可定位於基板固定表面的邊緣附近。熱電偶可定位於彈性膜的下表面上。熱電偶可嵌入於鄰近下表面的彈性膜中。信號處理器可固定至承載頭，該導線可將熱電偶連接至信號處理器，且信號處理器可配置成從來自熱電偶的信號產生數位溫度值。資料儲存裝置可配置來儲存數位溫度值。

在另一態樣中，一種化學機械研磨系統包括承載頭與控制器。承載頭包括基板固定表面與光學感測器，該光學感測器固定至承載頭，且光學感測器經定位來感測承載頭中所固持之基板之背面上的位置的反射性。控制器經配置來接收來自光學感測器的信號，並且根據信號來決定基板的進動。

實施可包括一或多個下述特徵。光學感測器可包括光源與偵測器，該光源經配置來導引光束至背面上的位置，且偵測器經配置來感測來自背面的光束的反射。承載頭可包括基部與彈性膜，該彈性膜連接至基部並且延伸至基部之下，以在基部與彈性膜之間界定可壓力化的腔室，該彈性膜具有下表面以提供基板固定表面。光源可定位成將光束導引通過彈性膜並且接收通過彈性膜之光束的反射。光學感測器可定位在腔室中。控制器可配置來計算基板的進動速率，或者計算基板的角位置。光學感測器可產生強度信號，且控制器經配置來偵測信號中的波谷。基板在背面上可具有特徵，該特徵具有與背面的其餘部分不同的反射性。特徵可包括施加至基板的背面之材料的標記，或者基板的平坦部分或凹口。

潛在的優點可包括一或多個下述優點。基板的溫度可在研磨期間現場量測，且量測可更準確且可靠。若多個熱電偶嵌入於彈性膜中，則可在基板上的多個位置處量測溫度。所量測的溫度可以輸入至控制系統並且用以調整研磨參數，例如用以提供更均勻的研磨。基板的進動可在研磨期間現場量測。所量測的溫度可以輸入至控制系統並且用以調整研磨參數。可以減小橫越基板的研磨速率的角不對稱。

所附圖式與下面的敘述中提出一或多個實施的細節。從敘述與圖式並且從申請專利範圍可以更加清楚其他特徵、目的與優點。

10‧‧‧基板

12‧‧‧背面

14‧‧‧特徵

16‧‧‧箭頭

18a‧‧‧凹口

18b‧‧‧平坦部分

20‧‧‧化學機械研磨設備

30‧‧‧平臺

32‧‧‧馬達

34‧‧‧驅動軸

35‧‧‧軸

36‧‧‧分配器

38‧‧‧研磨漿

40‧‧‧研磨墊

40a‧‧‧外部研磨層

40b‧‧‧背托層

50‧‧‧驅動軸

52‧‧‧支撐結構(旋轉料架)

54‧‧‧馬達

55‧‧‧軸

60‧‧‧壓力供應接線

62‧‧‧通道

64‧‧‧旋轉式耦接器

66‧‧‧配管

70‧‧‧氣動控制系統

90‧‧‧控制器

92‧‧‧中央處理單元

94‧‧‧記憶體

96‧‧‧支援電路

100‧‧‧承載頭

102‧‧‧基部

104‧‧‧彈性膜

105‧‧‧固定環

106‧‧‧腔室

106a-106c‧‧‧腔室

110‧‧‧下表面

120‧‧‧熱電偶

120a-120d‧‧‧熱電偶

122a-122d‧‧‧溫度量測

124‧‧‧徑向線

126‧‧‧導線

130‧‧‧光學感測器

132‧‧‧光源

134‧‧‧偵測器

136‧‧‧光束

138‧‧‧位置

140‧‧‧導線

142‧‧‧強度信號

144‧‧‧波谷

150‧‧‧信號處理器

152‧‧‧導線

154‧‧‧資料儲存裝置

第1圖例示了研磨設備之範例的示意部分橫剖面視圖。

第2圖為承載頭的示意底視圖。

第3圖為作為時間函數之溫度的圖表，該圖表根據來自現場溫度監測系統的資料。

第4圖為光學感測器的示意圖。

第5圖為基板的示意背側視圖。

第6A與6B圖分別為有凹口的基板與平坦的基板之示意頂視圖。

第7圖為作為時間函數之光強度的圖表，該圖表根據來自現場基板進動監測系統的資料。

相似的元件符號在各個圖式中表示相似的元件。

在第1圖中示意例示了化學機械研磨(CMP, chemical mechanical polishing)設備20的承載頭100。CMP設備的敘述可在美國專利第5,738,574號中找到，該專利之全部內容以引用方式併入本文。CMP設備20可包括可旋轉平臺30，可旋轉平臺30支撐研磨墊40。例如，馬達32可轉動驅動軸34，以使平臺30與研磨墊40繞著軸35旋轉。研磨墊40可為具有外部研磨層40a與較軟背托層40b的兩層研磨墊。

分配器36(例如組合的研磨漿/沖洗臂)提供研磨漿38至研磨墊40的表面。雖然只顯示一個研磨漿/沖洗臂36，可使用額外噴嘴，例如每個承載頭的一或多個專屬研磨漿臂。研磨設備也可包括研磨墊調節器，用以磨損研磨墊40，來將研磨墊40維持在固定的磨損狀態。

研磨設備20包括至少一承載頭100。承載頭100可操作來固持基板10壓抵研磨墊40。承載頭100包括基部102及連接至基部102的彈性膜104，彈性膜104界定了位於基部102與彈性膜104之間的至少一可壓力化腔室106。彈性膜104的下表面110提供基板固定表面來接收基板10。承載頭100可包括固定環108，以將基板10固定在彈性膜104之下。

在第1圖例示的實施中，承載頭100包括由彈性膜104所界定之複數個可獨立控制的可壓力化腔室106，例如三個腔室106a-106c。腔室106可施加可獨立控制的壓力至彈性膜104上的相關區域，且因此至基板10上。中央腔室106a(且因此中央區域)可實質上為圓形。其餘腔室106b、106c可為圍繞中央腔室106a的共中心環狀腔室，且其餘區域可為圍繞中央區域的共中心環狀區域。雖然在第1圖中例示了三個腔室，可以有一個腔室、兩個腔室或者四或更多個腔室，例如五個腔室。

基部102可直接固定至驅動軸50。替代地，基部102可連接至固定於驅動軸的殼體，且基部102與殼體之間的腔室可控制基部的垂直位置。承載頭的其他特徵可在美國專利第7,699,688號中找到，該專利之全部內容以引用方式併入本文。

承載頭100懸掛自支撐結構52(例如旋轉料架)，且承載頭100係藉由驅動軸50而連接至承載頭旋轉馬達54，所以承載頭可以繞著軸55旋轉。選擇性地，承載頭100可以例如在旋轉料架52上的滑座上橫向振盪，或者藉由旋轉料架本身的旋轉振盪。操作時，平臺繞著平臺之中心軸35旋轉，且承載頭繞著承載頭之中心軸55旋轉並且選擇性地橫越研磨墊40的頂部表面橫移。

腔室106a-106c係藉由壓力供應接線60(為了清楚起見，在第1圖只例示一條壓力供應接線，該條壓力供應接線用於腔室106a)流體式連接至氣動控制系統70，例如壓力感測器與閥門的系統，該系統可以調整壓力供應接線60中的壓力，且因此調整腔室106a-106c中的壓力。每一壓力供應接線60可包括通道62與配管66，通道62延伸通過驅動軸50與基部102到達腔室，且配管66(例如導管或水管)流體式連接至氣動控制系統70。藉由旋轉式耦接器64，通道62可連接至配管66。但是，許多其他配置都可用於壓力供應接線60。

研磨設備也包括現場監測系統，現場監測系統可用於決定是否要調整研磨參數。現場監測系統包括安裝在承載頭100中的一或多個感測器。現場監測系統可包括現場基板溫度監測系統或現場基板進動監測系統(precession monitoring system)，或兩者。來自現場監測系統的信號可傳送至控制器90。

控制器90可包括中央處理單元(CPU,central processing unit)92、記憶體94與支援電路96，例如輸入/輸出電路、電源、時脈電路、快取等。記憶體連接至CPU 92。記憶體為非暫態電腦可讀取媒介，且可為一或多個隨時可取用的記憶體，例如隨機存取記憶體(RAM,random access memory)、唯讀記憶體(ROM,read only memory)、軟碟、硬碟或其他形式的數位儲存器。另外，雖然例示為單一電腦，控制器90可為分散式系統，例如包括多個獨立操作的處理器與記憶體。

除了自現場監測系統(以及任何其他端點偵測系統)接收信號之外，藉由連接至個別的馬達或致動器，控制器90可連接至研磨設備100來控制研磨參數，例如平臺與承載頭的各種旋轉速率以及承載頭所施加的壓力。控制器90亦可配置來儲存或決定用於承載頭100中之腔室106a-106c的所欲壓力。控制器90與氣動控制系統70可以通訊，例如，控制器90可配置來傳送命令給氣動控制系統70，回應於此，氣動控制系統可施加所欲壓力給壓力供應接線60。控制器90可包括用非暫態電腦可讀取媒介實施的電腦程式產品，以執行此等與其他操作。例如，如果承載頭包括多個腔室，控制器90亦可配置來設定多個腔室中的壓力，以提供改良的研磨均勻性。

參見第1-2圖，在某些實施中，現場監測系統可包括現場基板溫度監測系統。現場溫度監測系統包括一或多個熱電偶120，熱電偶120充當作溫度感測器。如同第1圖所示，熱電偶120附接至彈性膜104的底部表面110。此舉允許當基板固持在承載頭100中時，熱電偶120可以直接接觸於基板10。替代地，熱電偶120可嵌入於彈性膜104中。雖然第1-2圖例示了四個熱電偶120a-120d，承載頭可以具有一、二、三或五個或更多個熱電偶。

當有多個熱電偶120時，多個熱電偶120可相對於彈性膜104的基板固定表面的中心定位於不同的徑向距離處。例如，如同第2圖所示，最內部的熱電偶120a可位於彈性膜104的基板固定表面的中心處，且最外部的熱電偶120d可位於彈性膜104的基板固定表面的邊緣附近。在某些實施中，熱電偶120位於基板固定表面的徑向線124上。在某些實施中，熱電偶120均勻地分隔。

藉由導線126，熱電偶120可電性耦接至信號處理器150。導線126可嵌入於彈性膜104中、可沿著彈性膜104的外部表面運行、或可延伸通過一或多個腔室106。信號處理器150可將來自熱電偶120的類比電壓轉換成數位信號，例如數位溫度值。

來自信號處理器150的數位信號(例如溫度值)可輸入至控制器90，如同上述。例如，信號處理器150可藉由導線152而連接至控制器，導線152運行通過旋轉式耦接器 64。替代地，信號處理器150可通過無線連接而傳送數位信號給控制器90。替代地，數位信號可記錄在資料儲存裝置154上，例如硬碟或快閃記憶體卡。資料儲存裝置154實體附接至承載頭100，且在完成研磨操作之後，可擷取資料。

第3圖顯示了熱電偶120a-120d之作為時間函數的溫度量測122a-122d的範例。

使用熱電偶的一個好處在於熱電偶可定位在彈性膜104上或中。這允許溫度感測器定位成直接接觸基板，使得彈性膜與研磨墊都不會干擾溫度量測。這可以使溫度量測更準確。

使用多個熱電偶的一個好處在於基板溫度可以在多個徑向位置處量測。因為研磨速率取決於基板溫度，這允許研磨參數(例如，多個腔室106中之一腔室中的壓力)可經調整來提供更均勻的研磨。例如，若控制器90判定基板之一個區域的溫度高於其他區域，則控制器可減少承載頭之對應腔室所施加的研磨壓力，以減小研磨速率並且補償較高溫度。相反，若控制器90判定基板之一個區域的溫度低於其他區域，則控制器可增加承載頭之對應腔室所施加的研磨壓力，以增大研磨速率並且補償較低溫度。

在某些實施中，現場監測系統可包括現場基板進動監測系統。參見第4圖，現場基板進動監測系統包括光學感測器130。光學感測器130可包括光源132與偵測器134。參見第1與4圖，光源132產生通過彈性膜104的光束136並且照明基板10的背面上的位置138。反射自基板10之背面 12的光可由偵測器134來感測。為了被基板的背面12反射，光束136應在可見光範圍中。彈性膜104可由對於可見光範圍中的至少某些波長可穿透的材料來形成，例如矽樹脂。

如同第1圖所示，光學感測器130可安裝在承載頭100上，例如固定至基部102。在某些實施中，光學感測器130可定位於多個腔室106中之一腔室中。

參見第5圖，基板10之背面12包括一或多個特徵14，特徵14具有與背面12之其餘部分不同的反射性。特徵14可相比背面12具有較低反射性。特徵14定位於對應於背面12上的已照明位置138之背面12上的至少一徑向範圍之上。因此，因為基板10的進動(由箭頭16顯示)，位置138間歇地通過特徵14之上。

在某些實施中，特徵為施加至基板10之背面12上的材料(例如線帶或墨水)所提供的標記。替代地或額外地，特徵14可為半導體晶圓本身的部分，例如基板10的背面12上的已蝕刻區域。特徵14可在基板10的中心周圍以大約相等的角間隔相分隔。

替代地或額外地，特徵可由基板10的邊緣提供。例如，基板10可包括凹口18a(見第6A圖)或平坦部分18b(見第6B圖)。因此，因為基板10的進動(由箭頭16顯示)，位置138間歇地通過凹口或平坦部分之上，導致反射性的改變。

光學感測器130可藉由導線140而電性耦接至信號處理器150。信號處理器150可將來自光學感測器130的類比電壓轉換成數位信號，例如數位強度值。

來自信號處理器150的數位信號(例如強度值)可輸入至控制器90，如同上述。例如，信號處理器150可藉由導線152而連接至控制器，導線152運行通過旋轉式耦接器64。替代地，信號處理器150可通過無線連接而傳送數位信號給控制器90。替代地，數位信號可記錄在資料儲存裝置154上，例如硬碟或快閃記憶體卡。資料儲存裝置154實體附接至承載頭100，且在完成研磨操作之後，可擷取資料。

第7圖顯示了作為時間函數的強度信號142的範例，強度信號142來自光學感測器130。如同上述，因為基板10的進動(由箭頭16顯示)，位置138間歇地通過特徵14之上。在此範例中，特徵14具有低於背面的反射性，所以每次位置通過特徵之上時，信號142中會有波谷144。藉由感測強度信號142的減弱，控制器90可判定每次特徵14通過感測器130之下。

假設基板在單一方向中進動，控制器90可計數特徵14已經通過感測器130之下的次數。根據特徵14已經通過感測器130之下的次數，控制器90可計算基板10的角位置A，例如A=N*B，其中N為次數，且B為相鄰特徵14之間的角距離。另外，控制器90可計算角進動的速率R，例如R=B/T，其中T為信號142中的相鄰波谷之間的時間。

判定基板進動的好處在於資料可用於達成目標進動速率。因為基板的研磨均勻性取決於進動速率，這允許研磨參數(例如平臺30或承載頭100的旋轉速率)可經調整來提供目標進動速率。例如，若控制器90判定進動高於目標進動，則控制器可以減小承載頭旋轉速率與平臺旋轉速率之間的差異，以減少基板進動速率。相反的，如果控制器90判定進動是低於目標進動，則控制器可以增加承載頭旋轉速率與平臺旋轉速率之間的差異，以增加基板進動速率。

已敘述多個實施例。然而，將了解到，可做出各種修改。例如，雖然已敘述承載頭為化學機械研磨設備的部分，承載頭可調整至其他類型的處理系統，例如晶圓轉移機器人或電鍍系統。在CMP系統中，平臺不需要為可旋轉的或可整個省略，且研磨墊可為圓形或線形並且可懸吊於滾筒之間，而非附接至平臺。

因此，其他實施例在下面的申請專利範圍的範疇內。