TW201922415A - 對晶圓進行化學機械研磨的裝置 - Google Patents

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Abstract

提供一種對晶圓進行化學機械研磨的裝置，包括製程腔室；及能夠旋轉的台板，置於製程腔室內。研磨墊及晶圓載具置於台板上。漿料供應端口被配置成在台板上供應漿料。製程控制器被配置成控制裝置的操作。一組麥克風置於製程腔室內。一組麥克風被排列成探測在裝置的操作期間製程腔室中的聲音並傳送與探測到的聲音對應的電訊號。訊號處理器被配置成從一組麥克風接收電訊號，處理電訊號以實現對在裝置的操作期間的事件的探測，並響應於探測到事件而向製程控制器傳送反饋訊號。製程控制器還被配置成接收反饋訊號並基於接收到的反饋訊號啓動動作。

Description

對晶圓進行化學機械研磨的裝置
本揭露涉及半導體製造製程中所使用的化學機械研磨方法及用於化學機械研磨的裝置。
積體電路（integrated circuit，IC）中關鍵特徵的大小不斷減小，且對執行高解析度微影製程的需要日益迫切。因此，用於進行微影的輻射的焦深也已減小。需要將對晶圓進行平坦化的精確度控制在原子尺度（atomic scale）下。舉例來說，對28 nm、22 nm、16 nm及10 nm技術的典型景深（depth-of-field）要求接近埃級。當然，這些僅是實例，並不旨在進行限制。
雖然隨著微影演進及微影的複雜度提高，在晶圓製作期間最常使用化學機械研磨（Chemical Mechanical Polishing，CMP）來在微影製程開始時提供原子級平坦表面，但化學機械研磨的其他使用領域已得到開發。舉例來說，近來，化學機械研磨用於通過對金屬層（例如鋁、銅及鎢等）進行研磨來將淺溝渠（shallow trench）平坦化。
儘管化學機械研磨的用途日益廣泛，但化學機械研磨的傳統問題仍然存在。舉例來說，化學機械研磨由於在研磨時使用機械力而可能會在晶圓中引入機械缺陷。研磨墊可形成及/或釋放粗顆粒，這些粗顆粒可在被研磨的晶圓上造成劃傷。另外，對於許多類型的表面來說，化學機械研磨製程需要“盲”終點探測（“blind” endpoint detection）。舉例來說，在化學機械研磨製程期間，監測化學機械研磨製程已需要對晶圓進行周期性的光學觀測。此導致製程進入長的停工期，且如果在人工觀測下缺陷未被探測到，則也有可能降低良率。因此，需要改進技術以對化學機械研磨進行線上監測及控制。
根據本揭露的實施例，一種對晶圓進行化學機械研磨的裝置包括：製程腔室；能夠旋轉的台板，實質上水平地設置在所述製程腔室內，研磨墊設置在所述台板上；晶圓載具，設置在所述台板上，所述晶圓載具包括晶圓保持器，所述晶圓保持器被配置成固持所述晶圓，在所述裝置的操作期間所述晶圓被上下倒置地保持在所述研磨墊上；漿料供應端口（slurry supply port），被配置成在所述台板上供應漿料；製程控制器，被配置成控制所述裝置的操作；一組麥克風，設置在所述製程腔室中或鄰近所述製程腔室設置，所述一組麥克風被排列成探測在所述裝置的操作期間所述製程腔室中的聲音並傳送與所探測到的所述聲音對應的電訊號；以及訊號處理器，被配置成從所述一組麥克風接收所述電訊號，處理所述電訊號以實現對在所述裝置的操作期間的事件的探測，並響應於探測到所述事件而向所述製程控制器傳送反饋訊號。所述製程控制器還被配置成接收所述反饋訊號並基於所接收到的所述反饋訊號來啓動動作。
以下揭露內容提供許多不同的實施例或實例來實施所提供主題的不同特徵。下文闡述組件及排列的具體實例以簡化本揭露。當然，這些僅是實例，並不旨在進行限制。舉例來說，在以下說明中，第一特徵形成於第二特徵上或形成於第二特徵之上可包括第一特徵與第二特徵形成爲直接接觸的實施例，且也可包括額外特徵可形成在第一特徵與第二特徵之間以使第一特徵與第二特徵可不直接接觸的實施例。另外，本揭露可在各種實例中重複使用參考編號及/或字母。此重複是出於簡潔及清晰目的，本質上並不規定所論述的各種實施例及/或配置之間的關係。
此外，爲便於說明起見，本文中可使用例如「在...之下」、「在…下」、「下部」、「在…上方」、「上部」等空間相對用語來闡述如圖中所說明的一個元件或特徵與另外的元件或特徵的關係。除了圖中所繪示的定向之外，所述空間相對用語還旨在囊括器件在使用或操作中的不同定向。可以其他方式對裝置/器件進行定向（旋轉90度或處於其他定向），且可相應地對本文中所使用的空間相對描述符相似地加以解釋。另外，用語「由…製成」可意指「包括」或「由…組成」。
本揭露大體來說涉及用於監測及控制在半導體製造中所使用的化學機械研磨（CMP）製程的方法及裝置。更具體來說，本文中所述的方法及裝置有利於監測化學機械研磨製程以發現反常行爲。通常使用化學機械研磨製程來將晶圓平坦化，化學機械研磨製程使用研磨墊及化學漿料。漿料通常是材料的膠狀態，其充當化學刻蝕劑以刻蝕晶圓頂表面處的材料。在設置漿料時，使研磨墊相對於晶圓旋轉以移除材料且使任何不規則的形貌變平滑。化學機械研磨裝置經不起在製程期間的直接光學檢驗。因此，通過周期性地停止所述製程並檢驗晶圓以判斷是否已到達終點來執行對化學機械研磨製程的監測。另外，任何反常結果（例如，在晶圓表面上存在細微劃傷）只有在停止製程並檢驗晶圓之後才探測得到，而這對採取更正動作來說可能爲時已晚。這會造成整個半導體製造製程遇到大的瓶頸，且影響製造良率。預期，本文中所述的裝置及方法的實施例有利於在不停止製程的情况下在操作期間監測及控制化學機械研磨製程，由此提高化學機械研磨製程的速度及良率。
圖1示意性地說明根據本揭露實施例用於對半導體晶圓執行化學機械研磨的裝置。在實施例中，所述裝置包括封閉能夠旋轉的台板110、研磨頭組件（polishing head assembly）120、漿料供應系統130及墊調節器（pad conditioner）140的腔室100。
在實施例中，台板110連接到馬達（未示出），所述馬達使台板110按照預選旋轉速度（rotational velocity）旋轉。在實施例中，台板110被覆蓋有由相對軟的材料製成的可替換的研磨墊111（在本文中可互換地被稱爲「墊111」）。在一些實施例中，墊111是表面帶凹槽的薄的聚合物圓盤（polymeric disc），且可根據應用而是多孔的或實心的（solid）。確定墊111的材料及物理性質的因素包括將被研磨的材料（即晶圓表面處的材料）以及在研磨之後所期望達到的粗糙度。墊111可在背面上具有壓敏型黏著劑，以使墊111黏著到台板110。在研磨製程期間，可根據被研磨的材料（即晶圓頂表面處的材料）的類型來以適合的潤滑材料將墊潤濕。
在實施例中，研磨頭總成120包括頭121及載具122。頭121保持（hold）載具122，載具122繼而保持將被研磨的晶圓（wafer）123。在一些實施例中，研磨頭總成120包括位移機構（displacement mechanism）（未示出）以使頭121向側面振動（參考圖1）。在一些實施例中，頭121可包括用於使晶圓123相對於台板110旋轉的馬達。在一些實施例中，使晶圓123與台板110以非同步不同心的方式旋轉以使得台板110與晶圓123之間進行非均一的相對運動。相對運動的非均一性有利於通過避免從同一點重複移除來從晶圓表面均一地移除材料。研磨頭總成120對晶圓123施加受控的向下壓力來保持晶圓123抵靠台板110。
漿料供應系統130引入適合材料的化學漿料135（在本文中可互換地被稱爲「漿料135」）以用作墊111與晶圓123之間的研磨介質（abrasive medium）。在實施例中，漿料135是與其他化學品（例如，腐蝕抑制劑（rust inhibitors）及鹼（bases））一起分散在水中以提供鹼性pH值的研磨顆粒的膠狀態。在一些實施例中，研磨顆粒是例如二氧化矽（silica）、鈰土（ceria）及氧化鋁（alumina）等材料。在實施例中，研磨顆粒具有大體均一的形狀及狹窄的大小分布，其中平均顆粒大小的範圍根據使用時所針對的應用而從約10 nm到約100 nm或大於100 nm。在實施例中，漿料供應系統130包括貯存系統（未明確示出）及導管（conduit）131，導管131用於將漿料135輸送到位於台板110頂部的研磨墊111。可基於應用來控制漿料135的流動速率。
在實施例中，在對研磨墊111進行研磨時，墊調節器140跨越台板110的整個區域周期性地「調節」研磨墊111以提供均一厚度及粗糙度。在研磨製程期間維持研磨墊111的厚度及粗糙度會防止晶圓123上出現不期望的壓力點或翹曲，且有助於維持晶圓123的均一厚度。
台板110及研磨頭總成120的大幅度機械移動在腔室100內產生特殊聲音。圖2A示意性地說明正常操作的化學機械研磨製程及正常操作的化學機械研磨製程的在時域中及在頻域中的特殊聲音，所述特殊聲音是由一組麥克風250探測到。腔室100內的聲音的振幅及頻率可受以下因素影響：例如台板110的轉速（rotational speed）、晶圓123的轉速、頭121的振動頻率、台板110與晶圓123之間的對準、晶圓表面處的材料、晶圓表面處的膜的厚度、在晶圓表面處的膜緊下方的材料、晶圓123的材料、晶圓123的厚度、漿料135的成分、漿料135的流動速率、研磨墊111的材料、及研磨墊111的狀况等。確定腔室100內的聲音的振幅及頻率的其他因素涵蓋在本揭露的範圍內。儘管圖中未示出，但在一些實施例中，聲譜包括頻率低至零點幾赫茲（例如，0.01 Hz）到頻率高至數兆赫（例如，200 MHz）的聲音。
在一些實施例中，如果化學機械研磨製程的參數是相同的，則化學機械研磨製程的聲譜大體來說是相同的。另一方面，當參數發生變化時，聲譜應也會發生變化。舉例來說，在一些實施例中，在由於移除了晶圓頂表面處的膜而使晶圓表面處的材料發生變化時，聲譜會因在晶圓頂表面處的膜緊下方的材料而發生變化。化學機械研磨製程的其他變化及反常也可導致與化學機械研磨製程相關聯的特殊聲譜發生變化。舉例來說，晶圓表面上的劃傷可因將晶圓表面的材料的顆粒添加到漿料而導致漿料的成分發生暫時變化。隨著更多漿料被添加到製程且製程繼續操作，這些顆粒可被沖走。然而，漿料成分的暫時變化可足以使與化學機械研磨製程相關聯的聲譜發生暫時變化。
圖2B示意性地說明反常操作的化學機械研磨製程及由一組麥克風250探測到的在時域及頻域中的特殊聲音。圖2C繪示重疊於圖2A所示正常操作的化學機械研磨製程的聲譜上的圖2B所示反常操作化學機械研磨製程的聲譜。
具體來說，圖2B繪示由於晶圓表面上出現細微劃傷所致的漿料135的成分的變化。來自晶圓表面的額外顆粒及晶圓表面的頂層厚度的局部變化導致聲譜與圖2A中所示的正常進行中化學機械研磨的聲譜不同。在圖2C中可看到，化學機械研磨製程的聲譜的一些部分保持不變，而化學機械研磨製程的聲譜的其他部分由於細微劃傷而發生大幅度變化。
因此，在一些實施例中，聲譜的變化指示化學機械研磨製程的參數發生變化。在一些情形中，變化會隨著製程繼續操作而發生。舉例來說，由於晶圓的頂層的厚度發生變化，因此聲譜會發生變化。然而，某些變化（例如，圖2B中所繪示的由於細微劃傷所致的變化）在正常化學機械研磨製程中無法被預測到。可通過在化學機械研磨製程期間持續分析聲譜以探測聲譜中的型樣並對所探測到的型樣與聲譜的已知或已獲悉（learned）的型樣進行比較，來探測化學機械研磨製程中的所期望事件或反常事件的發生。反常事件包括但不限於：由於漿料研磨物致使晶圓表面上存在細微劃傷；研磨墊的異常定位或厚度；研磨墊，台板或晶圓的異常平直狀態（abnormal leveling）；研磨墊劣化等。
圖3示意性地說明根據本揭露實施例用於監測化學機械研磨製程的裝置。在實施例中，用於監測化學機械研磨製程的裝置包括一組麥克風250，所述一組麥克風250設置在圖1中所繪示的化學機械研磨裝置的腔室中或鄰近所述腔室設置。用於監測化學機械研磨製程的裝置還包括訊號處理器（signal processor）310，所述訊號處理器310操作地連接到所述一組麥克風250且被配置成從所述一組麥克風250接收電訊號並處理所述電訊號。所述裝置還包括製程控制器（process controller）320，所述製程控制器320操作地連接到訊號處理器310且被配置成從訊號處理器310接收反饋訊號並基於所述反饋訊號來控制化學機械研磨製程的參數。
在實施例中，所述一組麥克風250包括經選取以將從化學機械研磨製程收集到的聲音優化的一個或多個麥克風。舉例來說，所述一組麥克風250可包括被設計成探測在約0.01 Hz到約200 MHz範圍中的聲音的單個寬頻帶麥克風。在一些實施例中，所述一組麥克風250包括專門探測特定頻率範圍的數個窄頻帶麥克風。舉例來說，所述一組麥克風250可包括：一個或多個次聲波（infrasonic）麥克風，被設計成探測頻率從約0.01 Hz到約20 Hz的聲音；一個或多個可聞聲波（acoustic）麥克風，被設計成探測頻率從約20 Hz到約20 kHz的聲音；以及一個或多個超聲波（ultrasonic）麥克風，被設計成探測從約20 kHz到約200 MHz的聲音。次聲波麥克風的實例包括但不限於駐極體容電器型（electret condenser）麥克風。可聞聲波麥克風及超聲波麥克風的實例包括但不限於壓電麥克風（piezoelectric microphone）、電容性麥克風（capacitive microphone）、移動線圈麥克風（moving coil microphone）或光聲麥克風（optoacoustic microphone）。
在實施例中，所述一組麥克風250設置在腔室100內或鄰近腔室100的位置處以將所探測到的聲音最大化。在實施例中，所述一組麥克風250設置在腔室100的壁上或鄰近腔室100的壁設置。在一些實施例中，所述一組麥克風250分布在整個腔室100。舉例來說，所述一組麥克風250中的一些麥克風可放置在腔室100的壁上，而其他麥克風可放置在台板110下方且又一些麥克風可放置在載具122的遠離晶圓123的頂側上。在一些實施例中，基於預計在腔室100內的特別位置處的聲音的頻率及振幅來將麥克風的分布及放置優化。預期，較高頻率的聲音具有方向性且在徑向方向（radial direction）上衰減。在某些實施例中，針對這類聲音使用被設計成探測方向性聲音（directional sound）的窄頻帶麥克風。在其他實施例中，所述一組麥克風250放置在腔室100外的可探測到來自腔室100的聲音的位置處。
參考圖3，在實施例中，次聲波麥克風設置在腔室100的頂壁上或鄰近腔室100的頂壁設置，共同橫跨整個可聞聲波頻譜（即，約20 Hz到約20 kHz）的一組窄頻帶可聞聲波麥克風設置在腔室100的側壁上或鄰近腔室100的側壁設置，共同橫跨範圍從約20 kHz 到約200 MHz的聲譜的一組窄頻帶超聲波麥克風設置在台板110（遠離墊111）的底側（未明確示出）上，且共同地橫跨範圍從約20 kHz到約200 MHz的聲譜的一組窄頻帶超聲波麥克風設置在載具122（遠離晶圓123）的頂側（未明確示出）上。
在實施例中，所述一組麥克風250中的每一麥克風硬連線（hard-wired）到訊號處理器310以傳送與每一麥克風探測到的聲音對應的電訊號。在另一實施例中，所述一組麥克風250中的每一麥克風將與其探測到的聲音對應的電訊號以無線方式傳送到訊號處理器310。舉例來說，在某些實施例中，麥克風使用無線通信協議（wireless communication protocol）（例如，藍牙或電氣電子工程師學會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）802.11（無線保真（wireless fidelity，Wi-Fi））來向訊號處理器310傳送電訊號。包括私有協議在內的其他類型的無線通信協議涵蓋在本揭露的範圍內。
在實施例中，訊號處理器310包括非暫時性計算機可讀記憶體（non-transitory computer-readable memory）及處理器，所述處理器被配置成從所述一組麥克風250接收電訊號，處理電訊號並分析電訊號。訊號處理包括但不限於將電訊號同步化並對電訊號進行濾波來減少噪聲。
在一些實施例中，所述一組麥克風250在空間上分散在腔室100內或鄰近腔室100分散，且是非同步的以便於麥克風的安裝。在這些實施例中，如果有必要，則可在訊號處理器310中對從各個麥克風接收到的電訊號執行同步化。在實施例中，將電訊號同步化包括：產生頻率與非同步電訊號的頻率實質上分開的定時訊號（timing signal），將所述定時訊號傳送到麥克風中的每一者，從麥克風中的每一者接收包括定時訊號與對應的非同步電訊號的組合的組合訊號，及分離組合訊號中的每一者以復原非同步電訊號及定時訊號，以及根據所復原的定時訊號來將非同步訊號對準以生成同步電訊號。在這些實施例中，可以想到，定時訊號的頻率是經過選取的。因此，與非同步電訊號的任何能量重疊可忽略不計以免淹沒（drowning out）電訊號中所含有的信息。舉例來說，在一些實施例中，定時訊號具有處於千兆赫（gigahertz，GHz）範圍中的頻率，其中從所述一組麥克風250接收到的電訊號所具有的能量極小或根本無能量。
在實施例中，使用來自製程控制器320的訊號來將所述一組麥克風250中的所有麥克風同步化。舉例來說，在一些實施例中，製程控制器將「啓動探測」訊號同時傳送到麥克風中的每一者，且麥克風中的每一者響應於接收到「啓動探測」訊號而開始探測聲音訊號。在一些實施例中，製程控制器320使“啓動探測”訊號與化學機械研磨製程操作的開始同步。因此，在麥克風中的每一者處進行的聲音探測（且由此產生電訊號）與化學機械研磨製程的開始是同步的。使來自非同步麥克風的電訊號同步的其他方法涵蓋在本揭露的範圍內。
在實施例中，訊號處理器310被配置成對從所述一組麥克風250中每一者接收到的電訊號進行濾波，以減少環境聲音（ambient sound）及噪聲來提高信噪比（signal to noise ratio，SNR）。用於對電訊號進行濾波的各種方法是此項技術中已知的且本文中將不再詳述。
訊號分析包括但不限於：探測聲音來源的位置、對聲譜進行時域分析、將電訊號從時域轉換到頻域、對聲譜進行頻域分析、對訊號進行分解、型樣識別、型樣比較等。
在實施例中，訊號處理器310被配置成探測聲音來源的位置。可使用三角測量算法（triangulation algorithm）來探測聲音來源。舉例來說，在一些實施例中，在所述一組麥克風250中的麥克風非同步的情形中，所述一組麥克風250被構成爲具有帶寬及頻率敏感度相同的三個或更多個麥克風，所述三個或更多個麥克風分散設置於腔室100。在一些實施例中，例如在化學機械研磨製程期間對聲譜進行頻域分析之後，選取所述三個或更多個麥克風的帶寬及中心頻率以將在所述三個或更多個麥克風處接收到或探測到的聲音訊號的强度最大化。在同步過程之後，然後可使用在所述三個或更多個麥克風處接收到的特定聲音到達的時間差來計算聲音來源與所述三個或更多個麥克風中的每一者的距離，繼而使用計算出的距離來計算聲音來源的位置。
在例如通過製程控制器來使所述一組麥克風250中的麥克風同步的實施例中，訊號處理器310被配置成從在交疊頻帶中探測聲音的麥克風接收同步電訊號，處理所述訊號以探測訊號的共同型樣，並計算來自不同麥克風的共同型樣之間的時間差。通過使用提供所述共同型樣的麥克風的位置、基於所述時間差來計算所述共同型樣的來源的位置。
在各種實施例中，採用例如傅立葉變換（例如快速傅立葉變（Fast Fourier transform，FFT）、離散傅立葉變換（discrete Fourier transform，DFT）等）、拉普拉斯變換（Laplace transform）或小波變換（wavelet transform）等算法來將時域訊號轉換成頻域訊號。
型樣識別可包括基於模型的方法（model-based method）或機器學習方法（machine-learning method）。在實施例中，在使從所述一組麥克風250接收到的所有電訊號同步之後，使用基於模型的方法來識別聲譜中的型樣。在基於模型的方法中，使用在化學機械研磨製程的數個正常循環期間所執行的回歸分析（regression analysis）來產生正常化學機械研磨製程（具有一組給定參數）的聲譜的模型。舉例來說，在一些實施例中，訊號處理器310基於用於將淺溝渠平坦化的化學機械研磨製程的聲譜的模型、通過識別與模型聲譜的偏差來識別在用於將淺溝渠平坦化的化學機械研磨製程期間形成在晶圓表面上的細微劃傷。
在實施例中，通過將與製程的正常或異常（及異常的原因）有關的反饋提供到訊號處理器310以及通過指示正常循環中的特定事件，訊號處理器310被配置成「獲悉」正常聲譜、異常聲譜及與所期望的正常事件相關聯的聲音型樣。特定事件的實例包括但不限於到達終點及達到所期望的頂膜厚度等。聲譜的型樣可受以下因素影響：例如晶圓表面的材料（鋁、銅、鎢、二氧化矽及氮化矽等）、表面的布局（頂表面上的器件圖案、圖案密度等）及漿料的成分。
舉例來說，在一些實施例中，訊號處理器310基於在大量製程循環期間識別化學機械研磨製程的聲譜的型樣而「獲悉」：用於將淺溝渠平坦化的正常化學機械研磨製程具有特別型樣（即正常型樣），且在用於將淺溝渠平坦化的化學機械研磨製程期間形成在晶圓表面上的細微劃傷會導致正常型樣發生特別的變化。
在實施例中，在識別到聲譜的型樣（在本文中可互換地被稱爲「聲音型樣」）之後，訊號處理器310基於所述聲音型樣來產生包含與化學機械研磨製程相關的信息的反饋訊號，並向製程控制器320傳送所述反饋訊號。如果聲音型樣指示製程正常，則反饋訊號可僅僅是「一切正常」訊號。在實施例中，正常製程的反饋訊號另外還包括已發生例如到達終點或達到所期望的厚度等預定事件的指示。另一方面，如果聲譜的型樣指示製程異常，則反饋訊號向製程控制器320指示已發生了異常事件或反常事件。在此種情形中，反饋訊號包含與反常事件有關的信息，指示例如事件類型及反常來源。
在實施例中，製程控制器320包括非暫時性計算機可讀記憶體及處理器，所述處理器被配置成從訊號處理器接收反饋訊號，分析所述反饋訊號，並通過將命令傳送到化學機械研磨裝置（包括但不限於台板110、研磨頭總成120、漿料供應系統130及墊調節器140）的各個處理單元來控制化學機械研磨製程的各種參數。在一些實施例中，由製程控制器320控制的化學機械研磨製程的參數包括但不限於：台板110的旋轉速度、在研磨墊111上供應的漿料135的流動速率及成分、晶圓123與研磨墊111接觸的壓力、對研磨墊111的調節、載具122的旋轉速度、頭121的振動頻率等。在實施例中，製程控制器320還被配置成與所述一組麥克風250進行通信以例如便於使麥克風同步。
在實施例中，在接收到事件（正常事件或反常事件）已經發生的反饋訊號時，製程控制器320分析所述反饋訊號並響應於事件的發生而啓動預定動作。如果發生正常的所期望事件（例如，到達化學機械研磨製程的終點或材料發生變化），則製程控制器320啓動動作來停止所述製程。在實施例中，反饋訊號包含材料移除速率低於正常值的信息。可能會由於晶圓表面處的材料發生變化或由於漿料流動速率未被優化而出現低的移除速率。因此，如果以由訊號處理器310分析的聲音型樣爲基礎的反饋訊號指示已由於晶圓表面處的材料發生變化而致使移除速率降低且材料變化是所期望的製程結果，則製程控制器320確定製程在繼續正常進行中且無需採取更正動作。
在一些實施例中，如果發生反常事件，則製程控制器320基於反饋訊號來判斷更正動作是否將會使發生反常事件之後的製程正常化且判斷哪些製程參數最適於將製程正常化。舉例來說，如果反饋訊號指示移除速率已由於非最優的漿料流動速率而發生降低，則製程控制器320將命令傳送到漿料供應系統130以改變漿料流動速率。
圖4繪示監測化學機械研磨製程的方法的流程圖。在實施例中，用於監測化學機械研磨製程的方法包括：在步驟S420處，探測在化學機械研磨製程期間產生的聲音訊號；在步驟S430處，處理聲音訊號；在步驟S440處，識別聲音訊號的型樣來探測預定事件的發生；在步驟S450處，產生包含與預定事件相關聯的信息的反饋訊號；及在步驟S410處，基於反饋訊號中的信息來控制化學機械研磨製程的參數。
在一些實施例中，使用設置在封閉化學機械研磨裝置的腔室中的一組麥克風來執行對聲音訊號的探測。所述一組麥克風包括經選取以將從化學機械研磨製程收集到的聲音最大化的一個或多個麥克風。舉例來說，被設計成探測在約0.01 Hz到約200 MHz範圍中的聲音的單個寬頻帶麥克風設置在化學機械研磨製程腔室中的適合位置處。另一選擇爲或另外，採用專門探測特定頻率範圍的數個窄頻帶麥克風。在實施例中，將所述一組麥克風設置在腔室內的位置處以將所探測到的聲音最大化。舉例來說，將麥克風設置在腔室壁上、台板的底側上及/或晶圓載具的頂側上。
將所探測到的聲音訊號轉換成電訊號並將所述電訊號傳送到訊號處理器，所述訊號處理器用於處理與由所述一組麥克風探測到的聲音對應的電訊號。本文中互換地使用用語“聲音訊號”來指示與由所述一組麥克風探測到的聲音對應的電訊號。在實施例中，訊號處理器包括非暫時性計算機可讀記憶體及處理器，所述處理器被配置成接收聲音訊號，處理所述聲音訊號並分析所述聲音訊號。處理聲音訊號可包括但不限於接收聲音訊號，使所接收到的訊號同步並對同步訊號進行濾波以減少噪聲。
在一些實施例中，通過以下操作來實現所接收到的訊號的同步：產生頻率與非同步電訊號的頻率實質上分開的定時訊號，將所述定時訊號傳送到麥克風中的每一者，從麥克風中的每一者接收包括定時訊號與對應的非同步電訊號的組合的組合訊號，並分離組合訊號的每一者以復原非同步電訊號及定時訊號，並且根據所復原的定時訊號來將非同步訊號對準以生成同步電訊號。在這些實施例中，可以想到定時訊號的頻率經選取以使其與非同步電訊號的能量交疊（如果存在的話）可忽略不計，以免淹沒電訊號中含有的信息。
在一些實施例中，使用來自被配置成控制化學機械研磨製程的各種製程參數的製程控制器的同步化訊號來使麥克風同步。舉例來說，製程控制器傳送指示化學機械研磨製程的開始時間的同步化訊號，由此命令所述一組麥克風啓動聲音探測。
分析包括但不限於：探測聲音來源位置，分析時域中的聲譜，將電訊號從時域轉換成頻域，分析頻域中的聲譜，分解訊號，識別訊號中的型樣，及對所識別的型樣與已知或已獲悉的型樣進行比較等。
可使用三角測量算法來探測聲音來源。在實施例中，在化學機械研磨製程期間對聲譜進行頻域分析之後，選取三個或更多個麥克風的頻帶寬度及中心頻率以將在三個或更多個麥克風處接收到或探測到的聲音訊號的强度最大化。在同步化過程之後，然後可使用在所述三個或更多個麥克風處接收到的特定聲音到達的時間差來計算聲音來源與所述三個或更多個麥克風中的每一者的距離，繼而可使用計算出的距離來計算聲音來源的位置。使用非同步的空間分散麥克風來探測聲音來源的其他方法涵蓋在本揭露的範圍內。
可通過基於模型的方法或機器學習方法來實現對聲音訊號的型樣的識別。在實施例中，使用在化學機械研磨製程的數個正常循環期間所執行的回歸分析來產生正常化學機械研磨製程（具有一組給定參數）的聲譜的模型。在這些實施例中，基於所述模型來識別預定正常事件，且通過識別與模型聲譜的偏差來識別異常事件。
在實施例中，基於與正常、異常（及異常原因）及與所期望的正常事件相關的指示相關的反饋來獲悉正常聲譜、異常聲譜及與所期望的正常事件相關聯的聲音型樣。在這些實施例中，基於與「獲悉的」型樣的比較來識別事件。
在型樣被識別出之後，使用與所識別型樣相關聯的信息來產生反饋訊號，所述反饋訊號包含與對應於所識別型樣的事件（正常事件或異常事件）相關的信息。在所探測到的事件是所期望的事件（例如終點、所期望的厚度變化或所期望的材料變化）的情形中，可使用來自反饋訊號的信息終止製程或改變製程的某些參數以使製程能夠按照期望繼續正常進行。在所探測到的事件異常或反常的情形中，在異常事件或反常事件之後，使用來自反饋訊號的信息來控制化學機械研磨製程的參數以終止化學機械研磨製程或提供更正動作以使化學機械研磨製程正常化。
可受控制的化學機械研磨製程的參數包括但不限於：台板的旋轉速度、在研磨墊上供應的漿料的流動速率及成分、晶圓與研磨墊接觸的壓力、對研磨墊的調節、晶圓載具的旋轉速度及研磨頭的振動頻率等。
應瞭解，並非所有的優勢均在本文中得到必要的論述，不存在所有的實施例或實例皆需要的特別優勢，且其他實施例或實例可提供不同的優勢。
根據本揭露的一個方面，一種對晶圓進行化學機械研磨的裝置包括：製程腔室；能夠旋轉的台板，實質上水平地設置在所述製程腔室內，研磨墊設置在所述台板上；晶圓載具，設置在所述台板上，所述晶圓載具包括晶圓保持器，所述晶圓保持器被配置成固持所述晶圓，在所述裝置的操作期間所述晶圓被上下倒置地保持在所述研磨墊上；漿料供應端口（slurry supply port），被配置成在所述台板上供應漿料；製程控制器，被配置成控制所述裝置的操作；一組麥克風，設置在所述製程腔室中或鄰近所述製程腔室設置，所述一組麥克風被排列成探測在所述裝置的操作期間所述製程腔室中的聲音並傳送與所探測到的所述聲音對應的電訊號；以及訊號處理器，被配置成從所述一組麥克風接收所述電訊號，處理所述電訊號以實現對在所述裝置的操作期間的事件的探測，並響應於探測到所述事件而向所述製程控制器傳送反饋訊號。所述製程控制器還被配置成接收所述反饋訊號並基於所接收到的所述反饋訊號來啓動動作。在以上及以下實施例中的一或多者中，所述一組麥克風包括被配置成對頻率處於約0.01 Hz到約200 MHz範圍內的聲音進行探測的麥克風。在實施例中，所述動作包括選自由以下組成的群組的至少一個動作：改變所述能夠旋轉的台板的旋轉速度，改變通過所述漿料供應端口供應的所述漿料的流動速率及成分，以及改變所述晶圓與所述研磨墊接觸的壓力。在實施例中，所述事件是選自由以下組成的群組的至少一個事件：製程到達終點，晶圓表面上存在劃傷，所述研磨墊劣化，所述研磨墊或所述晶圓出現異常的平直狀態，在所述研磨墊或所述晶圓表面上存在研磨顆粒，以及在所述晶圓表面處存在材料的變化。在實施例中，所述一組麥克風被配置成使用無線通信協議傳送所述電訊號。在實施例中，所述訊號處理器還被配置成執行選自由以下組成的群組的至少一個操作：對所述電訊號進行濾波以從所探測到的所述聲音消除噪聲或環境聲音，探測所探測到的所述聲音的來源的位置，在時域中或在頻域中處理所述電訊號，以及將所探測到的所述聲音中的型樣識別爲與所述裝置的所述操作期間的預定事件對應。在以上及以下實施例中的一或多者中，對所述型樣的識別包括：基於事件模型或使用預先獲悉的聲音型樣與事件之間的對應關係來將聲音的型樣與已知事件進行匹配。
根據本揭露的另一方面，一種操作用於化學機械研磨的裝置的方法包括：探測在所述裝置的操作期間所述裝置的製程腔室中的聲音，並使用一組麥克風向訊號處理器傳送與所探測的所述聲音對應的電訊號；在所述訊號處理器中處理從所述一組麥克風接收到的所述電訊號以實現對在所述裝置的操作期間的事件的探測，並響應於探測到所述事件而向製程控制器傳送與所探測到的所述事件對應的反饋訊號；以及由所述製程控制器基於所接收到的所述反饋訊號來啓動動作。在以上及以下實施例中的一或多者中，所述動作包括改變所述化學機械研磨的一個或多個參數。在以上及以下實施例中的一或多者中，所述一組麥克風包括被配置成對頻率處於約0.01 Hz到約200 MHz範圍內的聲音進行探測的麥克風。在實施例中，所述參數包括選自由以下組成的群組的至少一個參數：能夠旋轉的台板的旋轉速度、在設置在所述能夠旋轉的台板上的研磨墊上供應的漿料的流動速率及成分、以及晶圓與所述研磨墊接觸的壓力。在實施例中，所述事件是選自由以下組成的群組的至少一個事件：所述化學機械研磨到達終點、晶圓表面上存在劃傷、研磨墊劣化、所述研磨墊或所述晶圓出現異常平直狀態、在所述研磨墊或所述晶圓表面上存在研磨顆粒、以及在所述晶圓表面處存在材料的變化。在以上及以下實施例中的一或多者中，處理所述電訊號包括選自由以下組成的群組的至少一個操作：對所述電訊號進行濾波以從所探測到的所述聲音移除噪聲或環境聲音，探測所探測到的所述聲音的來源的位置，在時域中或在頻域中處理所述電訊號，以及將所探測到的所述聲音中的型樣識別爲與所述裝置的所述操作期間的預定事件對應。在實施例中，對所述型樣的識別包括：基於事件模型或使用預先獲悉的聲音型樣與事件之間的對應關係來將聲音的型樣與已知事件進行匹配。在實施例中，所述一組麥克風被配置成使用無線通信協議傳送所述電訊號。
根據本揭露的又一方面，一種監測化學機械研磨製程的系統包括：製程控制器，被配置成控制所述化學機械研磨製程的參數；一組麥克風，設置在用於化學機械研磨的裝置的製程腔室中或鄰近所述製程腔室設置，所述一組麥克風被排列成探測在所述化學機械研磨製程期間所述製程腔室中的聲音並傳送與所探測到的所述聲音對應的電訊號；以及訊號處理器，被配置成從所述一組麥克風接收所述電訊號，處理所述電訊號以實現對在所述裝置的操作期間的事件的探測，並響應於探測到所述事件而向所述製程控制器傳送與所探測到的所述事件對應的反饋訊號。在實施例中，所述製程控制器還被配置成接收所述反饋訊號並基於所接收到的所述反饋訊號來啓動對所述化學機械研磨製程的一個或多個參數的改變。在以上及以下實施例中的一或多者中，所述製程的所述一個或多個參數包括選自由以下組成的群組的至少一個參數：能夠旋轉的台板的旋轉速度，在設置在所述能夠旋轉的台板上的研磨墊上供應的漿料的流動速率及成分，以及晶圓與所述研磨墊接觸的壓力。在實施例中，所述一組麥克風包括被配置成對頻率處於約0.01 Hz到約200 MHz範圍內的聲音進行探測的麥克風。在實施例中，所述一組麥克風被配置成使用無線通信協議傳送所述電訊號。在以上及以下實施例中的一或多者中，所述訊號處理器還被配置成執行選自由以下組成的群組的至少一個操作：對所述電訊號進行濾波以從所探測到的所述聲音移除噪聲或環境聲音，探測所探測到的所述聲音的來源的位置，在時域中或在頻域中處理所述電訊號，以及將所探測到的所述聲音中的型樣識別爲與所述裝置的所述操作期間的預定事件對應。在實施例中，對所述型樣的識別包括：基於事件模型或使用預先獲悉的聲音型樣與事件之間的對應關係來將聲音的型樣與已知事件進行匹配。
以上內容概述了數個實施例或實例的特徵以使所屬領域的技術人員可更好地理解本揭露的方面。所屬領域的技術人員應瞭解，其可容易地使用本揭露作爲設計或修改其他製程及結構以實現與本文中所介紹的實施例或實例相同的目的及/或達成相同的優勢的基礎。所屬領域的技術人員還應意識到這些等效構造並不背離本揭露的精神及範圍，且其可在不背離本揭露的精神及範圍的情况下在本文中做出各種變化、替代及更改。
100‧‧‧腔室
110‧‧‧台板
111‧‧‧研磨墊/墊
120‧‧‧研磨頭總成
121‧‧‧頭/研磨頭
122‧‧‧載具
123‧‧‧晶圓
130‧‧‧漿料供應系統
131‧‧‧導管
135‧‧‧化學漿料/漿料
140‧‧‧墊調節器
250‧‧‧麥克風
310‧‧‧訊號處理器
320‧‧‧製程控制器
S410、S420、S430、S440、S450‧‧‧步驟
結合附圖進行閱讀，從以下詳細說明最好地理解本揭露。需强調，根據行業中的標準慣例，各種特徵並不按比例繪製且僅用於說明目的。事實上，爲論述清晰起見，可任意地增大或減小各種特徵的尺寸。 圖1是根據實施例的用於化學機械研磨（CMP）的裝置的示意圖。 圖2A是根據實施例的化學機械研磨製程在正常操作中的示意圖以及從所述製程發出的聲音的模擬的時域曲線圖及頻域曲線圖。 圖2B是根據實施例的化學機械研磨製程在異常操作中的示意圖以及從所述製程發出的聲音的模擬的時域曲線圖及頻域曲線圖。 圖2C說明根據實施例的從正常化學機械研磨製程發出的聲音的時域曲線圖及頻域曲線圖與從異常化學機械研磨製程發出的聲音的時域曲線圖及頻域曲線圖的重疊。 圖3是根據實施例的用於監測化學機械研磨製程的裝置的示意圖。 圖4繪示根據實施例的監測化學機械研磨製程的方法的說明性流程圖。

Claims (1)

  1. 一種對晶圓進行化學機械研磨的裝置，包括： 製程腔室； 能夠旋轉的台板，實質上水平地設置在所述製程腔室內，研磨墊設置在所述台板上； 晶圓載具，設置在所述台板上，所述晶圓載具被配置成固持所述晶圓，在所述裝置的操作期間所述晶圓被上下倒置地保持在所述研磨墊上； 漿料供應端口，被配置成向所述台板供應漿料； 製程控制器，被配置成控制所述裝的操作； 一組麥克風，設置在所述製程腔室中或鄰近所述製程腔室設置，所述一組麥克風被排列成探測在所述裝的操作期間所述製程腔室中的聲音並傳送與所探測到的所述聲音對應的電訊號；以及 訊號處理器，被配置成從所述一組麥克風接收所述電訊號，處理所述電訊號以實現對在所述裝置的操作期間的事件的探測，並響應於探測到所述事件而向所述製程控制器傳送反饋訊號， 其中所述製程控制器還被配置成接收所述反饋訊號並基於所接收到的所述反饋訊號來啓動動作。
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