TWI236397B - Methods and systems for controlling belt surface temperature and slurry temperature in linear chemical mechanical planarization - Google Patents

Description

1236397 五、發明說明（1) 一、 【發明所屬之技術領域】 本申請案係與20 0 1年12月28曰所提出之美國專利申請 案第10/041027號相關，案名為「調整處理表面與控制其 溫度的方法與裝置」。該申請案讓與Lani研究公司（申請 標的之受讓人）且在此併入參考。 本發明係關於半導體之製造，更明確的說，係關於在 直線化學機械平坦化（CMP ’Chemical Mechanical Planarizaiton )製程中用以控制皮帶墊表面溫度及研漿 溫度的方法與系統。 7 二、 【先前技術】 一般說來，直線CMP製程包含一晶圓在研漿（其含 研磨材料與化學品之混合物）存在下被按壓於一皮帶墊之 表面進行旋轉。研漿通常由一研漿棒所提供，丨配置 且具有複數個噴嘴。在操作日夺，噴嘴將研襞嘖灑 至皮帶塾之表面上。在平坦化的過程巾，整個晶圓表：： :除速率文皮帶墊上之溫度分佈所影響。舉例來說， 的移除速率傾向小於晶圓中央的移除速率，因為

剛開始時。因= 央，特別是權 ^ 马此問碭（有時稱為晶圓效廡），所^户π 到穩定的移除速率與可接受的 Μ 在仔 本晶然後再開始實際製程晶二先以-些樣 』上述’因此我們需要-可有效控制整個皮帶墊表 第8頁 1236397 五、發明說明（2) 面之溫度分佈的方法 三、【發明内容】 兩、廣泛說來’本發明可藉著提供一 CMp系統來滿足這些 =求，在其中當CMp操作時，由一研漿棒之各個喷嘴所喷 灌出之研漿的溫度可被分別控制。 、 、 依據本發明之一實施態樣，提供一種直線CMp系統。 =系統包含一皮帶墊、一具有複數個喷嘴且配置於該皮帶 么上之研漿棒、及一用於加熱研漿之加熱模組。該加熱模 ^且具有複數個加熱元件，各該加熱元件與該研漿棒之該複 $個喷嘴的其中之一流動連接。該系統也可包含一用來控 纟1遠，熱模組之加熱元件的控制系統，與結合至該控制系 :先之第一與第二溫度感測器。該第一溫度感測器測量由各 f加熱70件所加熱之研漿的溫度，且該第二溫度感測器測 $該皮帶墊表面之溫度。 ^ 在一貫施例中，該加熱元件由石英所組成。在另一實 ^例中，該第一溫度感測器為熱電偶且該第二溫度感測 裔為紅外線感測器。

依據本發明之另一實施態樣，提供一種於直線CMp系 讲:噴灑研漿的方法。在此方法中，將複數個分別加熱之 水，應來源之每一分別流動連接至一研漿棒之複數個喷 上之母 控制各該研漿供應來源中研漿的溫度，以使各 δ亥研漿棒之複數個噴嘴噴灑所需溫度之研漿。 在一實施例中，控制該研漿之溫度包含監測一皮帶墊

1236397 五、發明說明（3) --- 表面之/凰度’及調整各該研衆供應來源中研漿的溫度，以 使各该研襞棒之複數個喷嘴喷灑所需溫度之研漿。在一實 施例1 ’该皮帶墊表面之溫度係藉著紅外線感測器在整個 "亥皮T墊的I度上測量。在一實施例中，控制該研漿之溫 度包含反饋控制之利用。在一實施例中，該反饋控制包含 串接迴路控制。 依據 統中控制 該皮帶塾 帶墊表面 於各個該 帶墊表面 各個該一 丰發明之另一實施 一皮帶墊表面溫度 上對應於一研浆棒 之溫度，該研漿棒 一系列之測量點決 之測量溫度與一設 系列之測量點，利 提供 態樣， 的方法 之噴嘴一系列 異，以得到一第一結果 種於直 方法中 之點處 配置於該皮帶墊之表 ，其相 溫度差異。對於 用一第一控制器調整其第一差 在此 定一第一差異 定溫度之間的 踝UMP系 ’在整個 ，測量皮 面上。對 對應於皮 點決定'一 之間的溫 一噴嘴的 點，利用 果。其後 來調整在 在一 操作員所 例積分微 依據 接 第二差異，其相對 度差異，該研漿溫 一加熱研漿供應來 一第二控制器調整 ’對於各個該*—系 加熱研漿供應來源 實施例中，該設定 提供。在一實施例 分（Ρ I D )控制器< 著，對 應於該 度係得 源。對 其第二 列之測 中之研 溫度係 中，該 於各個該· 系 第一結果與一 自於對 於各個 差異，量點， 聚溫度 由一直 第一與 列之測量 研漿溫度 應於該研漿棒之 該一系列之測量 以得到 利用該 一第二結 第二結果

線CMP系統中之 第二控制器為比 本發明之另一實施態樣，提供一種於直線CMp系

1236397 五、發明說明（4) 統中控制研漿溫度的方法。 個噴嘴之研漿棒。分別押制ί夂方法中’提供一具有複數 研製的溫度。在-實“中由i該複數個研聚棒所喷灑之 監測由各該複數個研漿棒：噴之溫度包含 各該複數個研漿棒所嘖灑之研 ，、皿又，且凋整由 度。 + a赁，麗之研漿的溫度，以維持一所需溫 在 貝知例中’該所黨、、西库乂金山 ., 操作員所提供。在一者γΓ/Γ 直線cmp系統中之

Pfr 'm ^ Λ &列中，監測由各該複數個研f棒 研漿的溫度包含監測-皮帶塾表面之溫i :士 :二控制由各該複數個研聚棒所喷灑：研ΐ的 服度包含反饋控制的利用。在一 研泵 含串接迴路控制。 ’ “反饋控制包 本發明之直線CMP系統使得由研漿棒之各 出之研聚溫度可被分別控制。藉著控制由：’所喷 嘴所喷出之研漿溫度’可在整個皮帶墊的表面ς各：之 溫度分布，如用來在整個晶圓表面上產生 ：所的 率。迄：所做的初步實驗中，發現本發明之直：C的移除遗 與方法攸第一片晶圓起即可得到穩定的移除糸，，· 非均勾性⑺·υ)。故，本發明之直線CMp歲晶1 高了 CMP操作中實施的效率，藉著消除前述、先曰/、方法权 應」問題。 日日圓效 須了解前述的-般說明與接下來的詳 性與說明性，並非限制本發明所主張之權利範=僅為例介 第11頁 1236397

四、【實施方式】 的一些實施例做更詳細的 現在藉著參考附圖對本發明 說明。 圖1為依據本發明一實施例之直線CMP系統1〇〇之簡化 二如圖1所Ί線CMP系統100包含-朝箭頭104所 曰、向移動之皮帶墊102。晶圓110置於皮帶墊1〇2上。 項技：者所知’ 一研磨(圖未示）支持該晶圓 將:口 °下之L力至§亥晶圓上。一加熱模組1 3 0加熱由研 :Ϊ Ϊ (圖未示）戶斤接收之研漿，且將加熱之研漿透過研 水仏應管135輸送至研漿棒12〇。研漿棒12〇再藉由噴嘴12 將研漿輸送至皮帶墊102。加熱模組與研漿棒另外的細節 參考圖2說明如下。 、圖2為顯示圖1中直線CMP系統1〇〇之另外細節的簡化遷 視圖。如圖2所示，加熱模組130位於研漿棒12〇之上，且 包含加熱元件145a-145f (如圖2中虛線所示）。每一個加 熱π件145a-145f被分別控制，之後將做更詳細的說明。 在一實施例中，加熱元件由石英所製成。加熱元件 U5a-145f分別透過研漿供應管135a —135f與研漿棒12〇之 喷嘴1258-1251流動連接。研漿供應管135& — 135{藉著重力 的幫助’分別將加熱之研漿由加熱模組丨3 〇傳送至研漿棒 120之喷嘴125a-125f。在每一個研漿供應管135a_135f* 之研漿溫度可藉者一適當的溫度感測器（如熱電偶）來臣七 測。在一實施例中，熱電偶配置於每一個研漿供應管 4 135a-135f中靠近加熱元件145a-145f之處，如圖2中符號

第12頁 1236397 五、發明說明（6) TC所指示之位置。 ^ 藉著在每一個研漿棒之喷嘴配置一獨立的研漿供應 吕，各個噴嘴噴灑至皮帶墊丨0 2上之研漿的溫度可個別被 =制。因此，皮帶墊102表面的溫度可藉著控制由各個喷 鳴所噴出之研漿溫度而在整個皮帶墊表面改變。如圖2所 示^加熱模組1 3 0用來供應加熱之研漿至研漿棒丨2 〇之六個 喷嘴12 5a-12 5f。熟悉此項技術者當可了解，此加熱模組 亦可用來供應加熱之研漿至具有不同數目噴嘴之研漿棒。 圖3顯示依據本發明一實施例，包含一控制系統之直 線CMP系統1 〇 〇之簡化俯視圖。如圖3所示，直線系統 1〇〇包含一用來控制加熱模組丨30之控制系統3〇〇。控制系 統3〇〇與複數個溫度感測器3 20a—32〇f結合 配^於皮帶墊1〇2之上以測量整個皮帶墊表面之溫又度 一貫施例中，該溫度感測器為固定於一合適的支撐物（如 棒$上之紅外線感測器。電源控制器3丨〇a —3丨〇 f結合於控 制系統300與加熱模組丨30之間，以控制供應至加熱模組之 加熱兀件的功率。在一實施例中，電源控制器31〇a_3l 為石夕控制整流器（SCR，silicon control rectifier )。 在操作中’加熱模組1 3 〇加熱研漿，且加熱之研漿透 過研漿供應管1 3 5a -1 3 5 f流到研漿棒1 2〇。研漿棒1 2 0藉由 喷嘴12 5 a-125f將加熱之研漿喷灑至皮帶墊1〇2之表面上。 在CMP操作中’每一個研漿供應管135a —135f中加熱研漿之 溫度藉著配置於每一個研漿供應管中的熱電偶τ c來測量， 且此資訊被提供至控制系統3 〇 〇。皮帶墊丨〇 2之表面溫度藉

第13頁 1236397 五、發明說明（7) 著溫度感測器3 2 0 a - 3 2 0 f而在整個皮帶墊之寬度上測量， 且此資訊被提供至控制系統3〇〇。控制系統3〇〇處理由熱電 偶TC與溫度感測器32〇a- 320 f所接收之溫度資料，並且藉 著控制電源控制器31 〇a-31 Of來調整加熱模組130中的加熱 元件’以在整個皮帶墊丨〇 2的表面維持一所需之溫度分 布。關於控制系統操作的額外細節參考圖4說明如下。 圖4為依據本發明一實施例之例示性串接迴路反饋控 制機制之方塊圖，其可用來在控制系統3〇〇中控制皮帶墊 ^表面溫度與研漿之溫度。目標溫度資料（以方塊5〇〇表 =^供應至比較器（以方塊5 5〇表示）。目標溫度資料可 藉$ —操作員利用任何適當方法來輸入，如透過圖形使用 者"面（GUI，graphical user interface)手動輸入或 ，過軟體程式自動輸入。在一實施例中，目標溫度資料/確 定整個皮帶墊表面所需之溫度分布。在皮帶墊表面所進行 的溫度測量（以方塊52〇表示）被提供至一適當處理器 (以方塊530表示）。在研漿供應管所進行的溫度測量 一（以方塊510表示）被提供至一適當處理器（以方塊59〇表 示）。 以方塊5 30表示之處理器將溫度感測器（如紅外線感 測器）所讀取的資料轉換為數值資料，且將此數值資料 =至=方塊5 0 0表示之比較器。比較器比較方塊5〇〇之目標 度度資料與由方塊5 3 〇之處理器所接收之數值資料。方 5 5 0之^比較器的輸出訊號輪入由方塊5 6 〇所表示之控制器。 在貝$也例中，此控制裔為一比例積分微分（p I d )控制 1236397 五、發明說明（8) 器’其調整方塊55 0之比較器的輸出訊號。熟悉此項技術 者應可了解除了 PI D控制器以外之控制器也可被使用。 方塊560之控制器的輸出訊號輸入由方塊57〇所表示之 比較器。另一輸入方塊5 70之比較器的訊號為方塊5 90之處 理裔的輸出訊號。此處理器將研漿供應管中之溫度感測器 $如熱電偶）所讀取的資料轉換為數值資料，且將此數值 資料傳送至方塊57 0之比較器。方塊570之比較器比較方塊 5 6 0之控制器的輸出訊號與對應於研漿供應管溫度資料且 由方塊5 9 0之處理器所接收之數值資料。此比較是為了要 避免加熱模組中的研漿沸騰。方塊5 7〇之比較器的輸出訊 號被，入由方塊58 0所表示之控制器。在一實施例中，此 控制器為一比例積分微分（PID )控制器，其調整方塊5了〇 之比較器的輸出訊號。 方塊580之控制器的輸出訊號輸入方塊59〇之處理器， 訊號傳送至方塊53〇之處理器。此處理器將此訊號 :換為-DC電壓’然後再傳送至電源控制器、（以方塊54〇 表不）。此電源控制器（如SCR )接收Dc =供應-AC電壓之輪出以提供電力給加熱模的組= ,、，、兀件，如此將研漿加熱至所需溫度。 圖5為依據本發明一實施例之流程圖6〇〇 ,其顯示 系統中’在一控制系統中用來控制 此方法由操作610開始，其= 帶執矣棒之喷嘴—系列之點冑，測量皮 1236397 五 發明說明（9) *-------- 在適當位置配置合適的溫度感測器來達 中’多個紅外線感測器固定於一配置於*在貝施例 (舉例來說’如圖3所示之紅外線感测器32:塾丄·^撐： 操作6 2 0中’對於各個測量點決定一第— ）。在 於皮帶墊表面之測量溫度與設定溫度之間的、、w产，差相里對應^ =例中，，匕設定溫度確定了整個皮帶塾需之 度刀布。此設定溫度可藉著任何適當的方法 :圖用者介面（GUI，graphical _ 二二 =!;手動提供或透過軟體程式自動提供。㈣量溫度盘 1又疋洫度之間的差異可藉著任何適當的 = 較器（如圖4中的比較器550 )。 置來决疋’如比 調整ίΓ乍6二中，對於各個測量點，利用-第-控制器 门正八第一差異，以得到一第一結果。# 二適當的控制器來調整。在一實施例， _制=任 二控二V，圖4中的控制器56°)。在操作“口 t 溫度之間的溫产異s 一兮八將/、相f二於弟一結果與研漿 裝置：決m供應來源。第二差異可藉著任何適當： 、疋’如比較器（如圖4中的比較器57〇 )。

何適當的；制；來；Γ]:第；結二第二差 川控制3 =整。在—貫施例巾，第二控制器為- 各個測量V利用:TJf8°)。在操作66◦中，對於 … 利用第二結果來調整加熱研漿供應來源中的

1236397 五、發明說明（10) 研漿溫度。因為第二結果已藉著第二控制器來調整（且第 一結果已藉著第一控制器來調整），任何研漿溫度的改變 將會以避免問題（如過沸騰的狀況）的方式來實施。在一 貫施例中’在任何必要的轉換之後，第二結果被傳送至電 源控制器（如圖3中之控制器31 0a-310f或圖4中的電源控 制器54 0 )，其提供電力給加熱模組中的加熱元件，以加 熱研漿。一旦各個加熱研漿供應來源中的研漿溫度已經調 整至所需溫度，此方法便完成。

本么明之直線CMP糸統使得由研襞棒之各個噴嘴所嗔 出之研漿溫度可被分別控制。藉著控制由研漿棒之各個喷 嘴所喷出之研漿溫度，可在整個皮帶墊的表面維持所需之 溫度分布，如用來在整個晶圓表面上產生一均勻的移除速 率。迄今所做的初步實驗中，發現本發明之直線CMp系統 與方法從第一片晶圓起即可得到穩定的移除 ϊ=ΛΤυ)。故’本發明之直線CMP系統與方法提 间了 CMP刼作中實施的效率，藉著消除前述曰 應」問題。 日日圓 >又 本發明提供了 —種直線CMp系統、一種在 面溫度與研漿温度的方法。•然本發明i 了：供 /月邊之瞭解，已參照實施例做了詳細之為 : ㊁為二係限制性者。熟悉本技藝者參考本發明之=不； :揭露的實施例作各種修改^ ^ 本u之㈣’而對其進行之修改或變更，均應=於後

第17頁 1236397 五、發明說明（11) 附之申請專利範圍中 1ΒΪ 第18頁 1236397

五 圖式簡單說明 附圖說明了本發明之實施例，併 的一邻分，揸η夕a从…、叫 1开入及組成本說明書中 口P刀、且連同之别的况明，用來解釋本發 圖1為依據本發明一實施例之直線⑶ ^ 圖； 系統之間化侧視 圖 圖2為顯示圖1 中直線CMP系統之另外細節 的簡化透視 包含一例示性控制系 圖3顯示依據本發明一實施例 統之直線CMP系統之簡化俯視圖；

圖4為依據本發明一實施例之例示性 表面溫度與研漿之溫度； 圖5為依據本發明一實施例之流程圖，其顯示在一直 線CMP系統中’用來控制皮帶墊之表面溫度所實施之操作 方法。 Α件符號說明：_

1〇〇 直線CMP系統 102 皮帶墊 10 4 箭頭 110 晶圓 120 研漿棒 125 喷嘴 125a- 125f 噴嘴

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I 圖式簡單說明 13 0 加熱模組 135 研漿供應管 135a-135f 研漿供應管 145a-145f 加熱元件 30 0 控制系統 310a-310f 控制器 320a-3 2 0 f 溫度感測器 5 0 0 目標溫度資料 510 研漿供應管之溫度測量 520 皮帶墊表面之溫度測量 530 處理器 540 電源控制器 5 5 0 比較器 560 控制器 570 比較器 580 控制器 5 9 0 處理器 6 0 0 流程圖 if 6 1 0 - 6 6 0 步驟

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Claims (1)

1236397 六、申請專利範圍 1. 一種直線化學機械平坦化（CMP，Chemical Mechanical P 1 anar i za i ton )系統，包含： 一皮帶墊； 一研漿棒，配置於該皮帶墊之上，該研漿棒具有複數 個喷嘴；及 一加熱模組，用於加熱研漿，該加熱模組具有複數個 加熱元件，各該加熱元件與該研漿棒之該複數個喷嘴的其 中之一流動連接。 2. 根據申請專利範圍第1項之直線CMP系統，其中該 加熱元件由石英所組成。 3.根據申請專利範圍第1項之直線CMP系統，更包 含： 控制系統，用以控制該加熱模組之加熱元件 4. 根據申請專利範圍第3項之直線CMP系統，更包 含··

第一溫度感測器，用以測量由各該加熱元件所加熱之 研漿的溫度；及 第二溫度感測器，用以測量該皮帶墊表面之溫度，其 中各個該第一與第二溫度感測器結合至該控制系統。 5. 根據申請專利範圍第4項之直線CMP系統，其中該

第21頁 1236397 六、申請專利範圍 第一溫度感測器為熱電偶且該第二溫度感測器為紅外線感 測器。 6. —種於直線CMP系統中喷灑研漿的方法，包含： 將複數個分別加熱之研漿供應來源之每一分別流動連 接至一研漿棒之複數個喷嘴之每一；且 控制各該研漿供應來源中研漿的溫度，以使各該研漿 棒之複數個喷嘴喷灑所需溫度之研漿。 7. 根據申請專利範圍第6項之於直線CMP系統中喷灑 研漿的方法，其中控制該研漿之溫度包含： 監測一皮帶墊表面之溫度；且 調整各該研漿供應來源中研漿的溫度，以使各該研漿 棒之複數個喷嘴喷灑所需溫度之研漿。 8. 根據申請專利範圍第7項之於直線CMP系統中喷灑 研漿的方法，其中該皮帶墊表面之溫度係在整個該皮帶墊 的寬度上測量。

9. 根據申請專利範圍第8項之於直線CMP系統中喷灑 研漿的方法，其中該皮帶墊表面之溫度係藉著紅外線感測 器來測量。 10. 根據申請專利範圍第6項之於直線CMP系統中喷灑

第22頁 1236397 六、申請專利範圍 研漿的方法，f A 1 之利 用。 /、中控制該研漿之溫度包含反饋控制 灑研U :申：f利範圍第1 0項之於直線CMP系統中噴 ' 其中該反饋控制包含串接迴路控制。 方法，包含：於直線CMP系統中控制—皮帶墊表面溫度的 處墊上對應於一研聚棒之噴嘴-系列之點 表面上·， 之溫度，該研漿棒配置於該皮帶墊之 對於各個该一系列之測量點決定一一里，目 應於皮帶塾表面之測量、、w ^^ ^ ^ 八 異； 里，皿度與一汉疋溫度之間的溫度差 對於各個該一系列之、、|旦 甘赞.s 宁夕」之測里點，利用一第一控制器調整 其弟一差異，以得到一第一結果； π

對於各個該U之測量點決^ m，其相對 應於該f一結果與—研聚溫度之間的溫度差異，該研衆溫 度係知自於對應於該研聚棒之一噴嘴的研聚供應來 源； ” 對於各個a亥系、列之測量點，利用一第二控制器調整 其第二差異，以得到一第二結果；且 對於各個j系列之測量點，利用該第二結果來調整 在加熱研聚供應來源中之研漿溫度。 1236397 六、申請專利範圍 圍法該 範方個 利的整 專度在 請溫器 申面測 據表感 根墊線 ，帶外 13.皮紅 一著 制藉 第 控 中 統 系 皮 係 度 溫 之。 I面量 CM表測 線墊上 直帶面 於皮表 之該之 項中塾 12其帶 .根據申請專利範圍第1 2項之於直線CMP系統中控 制一皮V墊表面溫度的方法，其中該設定溫度係由一直線 CMP系統中之操作員所提供。 、 …Λ5·· ϊ ί中請專利範圍第12項之於直線，系、、统中控 制一皮邢墊表面溫度的方法，置中一# 一 比例積分微分控制器。 ’、^ 一弟一控制器為 含： 16· 一種於直線CMP系統中# 心制研漿溫度的方法，包 提供一具有複數個噴嘴之研毅棒· 分別控制由各該複數個研漿且 厅噴灑之研漿的溫度。 17.根據申請專利範圍第1 β 制研漿溫度的方法，其中分別#貝之於直線CMP系統中控 監測由各該複數個研漿棒$ ^該研漿之溫度包含： _整由各該複數個研漿棒哈、麗之研漿的溫度；且 持—所需溫度。 、灑之研漿的溫度，以維 第24頁 1^· 1236397 六、申請專利範圍 18·根據申請專利範圍第1 7項之於直線CMP系統中控 制研漿溫度的方法，其中該所需溫度係由一直線 中之操作員所提供。 /、、、’ 刹讲1將9.田根據申請專利範圍第1 7項之於直線CMP系統中控 之研：ΐ ΐ的方法’其中監測由各該複數個研漿棒所喷灑 研水的温度包含監測一皮帶墊表面之溫度。 、 制讲2將〇.根據申請專利範圍第16項之於直線CMP系統中控 :桌溫度的方法，其中分別控制由各該複數個研漿棒所 喷選之研漿的溫度包含反饋控制的利用。 制研2』· Γίf請專利範圍第20項之於直線cmp系統令控 研水溫度的方法’其中該反饋控制包含串接迴路控制。

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