TWI399259B - 具有無線終點偵測系統之化學機械研磨系統 - Google Patents

Description

具有無線終點偵測系統之化學機械研磨系統

本發明如下所述係有關研磨墊之領域，該研磨墊係用於化學機械研磨。

於吾人之先前美國專利，Halley之Polishing Pad With Built-In Optical Sensor，美國專利第6,198,617 01號(Jan. 17,2006)及Wolf之Polishing Pad With Built-In Optical sensor，美國專利第6,485,354號(Nov. 26,2002)中，吾人述及具有內建光感測器，用於化學機械平坦化程序之研磨墊。該感測器組合物包括光源及光偵測器，其係用於偵測研磨期間積體電路表面或晶圓上膜厚度之變化，因此研磨晶圓之技術人員已確知何時停止研磨。吾人已於Truer之Optical View Port For Chemical Mechanical Planarization Endpoint Detection ，美國專利第6,146,242號(Nov. 14,2000)中提出建議，感測器組合物及光感測器係埋設研磨墊之厚度內，因此無需於平台鑽孔。結合光感測器於墊中亦無需如Birang之Forming A Transparent Window In A Polishing Pad For A Chemical Mechanical Polishing Apparatus ，美國專利第5,893,796號(Apr. 13,1999)所述，需穿過平台鑽孔。在Birang的系統中，一光感測器被放置於平台下，需要穿過平台鑽孔，且只有當平台中的孔通過感測器時才能偵測。待研磨的晶圓為包括不同材料層的複合結構。典型地，最外層被研磨到達與下層的介面才停止。這個點就是所謂達到研磨操作的終點。埋設於墊中的光發射器/偵測器可偵測氧化層到矽層的轉變，以及由金屬到氧化物，或其他材質的轉變。光感測器亦可用於測量程序中一層的厚度，以使此層平坦化，並於晶圓上留下厚度均勻的膜。當系統控制器(任何適當的計算機及適當的發射器/偵測器介面)決定研磨程序已達到所要的終點(完全去除金屬層，或減少層至所要的厚度)，系統控制器提供輸出給操作者，表示已達到程序終點，或操作相關的研磨系統以停止研磨。不需由研磨裝置上卸除晶圓及中斷研磨程序，由光感測器衍生的的即時資料便可偵測終點。如此可使研磨程序的效率大為增加。

如下所述之裝置及方法提供一研磨墊，該研磨墊埋設有感測器組合物，其中傳遞感測器組合物及任何所需收發器之間所需的線路係為線纜，其厚度與黏性層之厚度相對應，黏性層可將研磨墊固定於平台。

於吾人之先前技術中，吾人已揭露不同耦合裝置，該耦合裝置用以發射來自埋設於墊中之感測器之光資訊，包括中心位於傳訊至感測器之軸無線通訊系統，該無線通訊系統中，所有動力及通訊電路係存於小磁碟或埋設於墊中之圓盤狀組合物中。如下所述，於墊及平台邊緣放置一無線收發器有利於資料的傳送。在此位置，一較大電源供應器及/或發射器可提供收發器，無需破壞平台的平衡，因此許多研磨操作可藉由使用電池操作的收發器完成。

第1圖係一化學機械平坦化系統1之俯視圖，其具有切入研磨墊3之光埠2。晶圓4(或其他需要平坦化或研磨之工件)以研磨頭5握持，並由移動臂6懸吊於研磨墊3之上。其他系統可使用數個研磨頭以握持數個晶圓，而分開的移動臂在研磨墊對面(左邊及右邊)。用於研磨程序的漿液經由漿液注射管7注於研磨墊表面。

一收發器及動力組合物係提供動力至設於光埠2中之發射器/偵測器組合物。可將收發器及動力組合物的中心定位於懸臂中，或將周邊定位於研磨平台17的邊緣上。若以中心定位，收發器及動力組合物可置於懸臂8上或旋轉軸本身內，懸臂8握持著懸設於旋轉軸10上之非旋轉軸9(旋轉軸10包括傳遞訊號至收發器及動力組合物之裝置，如吾人之美國專利第6,485,354號所述)。軸10相對旋轉墊被固定，並貼附著位於墊內之導電組合物；軸貼附於墊，以發射動力至光組合物並接收來自光組合物中光感測器之訊號。若收發器及動力組合物以周邊定位，則固定於平台的外邊緣，不是在平台頂上、平台下，就是在平台外側，如圖所示收發器及動力組合物10p的位置。導電組合物可為導電線纜，亦稱為彈性電路或線纜，標示為元件符號11。線纜11電連接一光感測機構至電性裝置軸10中的電性裝置，光感測機構位於光埠2之內，並埋設於墊3中。收發器可靠電池運轉，並可以控制系統無線傳輸，特別是當收發器放置在偏離研磨墊的平台上的中心處，如同收發器及動力組合物10p。

窗隨研磨墊旋轉，研磨墊本身於程序驅動台或平台17上，以箭頭12的方向旋轉。研磨頭通常以箭頭14的方向繞著各自的軸13旋轉。研磨頭本身藉由移動機制15於研磨墊表面來回地移動，如箭頭16所示。因此，當研磨頭旋轉及移動時，光窗2通過研磨頭底下，於研磨墊/平台組合物的每一次旋轉中，擊打一跨過晶圓表面的複雜路徑。

第2圖詳細顯示光感測器組合物。光感測器包括一發射器/偵測器組合物34，包括配置於基座38上之光源35及偵測器36。線纜11可被固定於組合物，或可脫離地附著於適當的連接器。線纜11包括許多通常為並聯的導體(包括一電力導體39、一訊號導體40、及一或多個回流或接地導體41)一起組成薄片，用以提供電力至光源35，及傳導偵測器36之電輸出訊號至收發器及動力組合物10或10p。通常，光源35為發光二極體、雷射或其他光源，而偵測器36為光二極體。由光源35發射的光束的中心軸指向上，而照射在正被研磨的表面並由此反射。反射光落在偵測器36上，產生與此光強度相關的電訊號。光元件(視情況，與線纜11的端部)被薄帽體42封住，薄帽體的材質對用來感測的光為透明。帽體包括一寬帽邊43可附著至發射器/偵測器組合物的基座，及一橢圓形帽冠44，具有一大小及尺寸恰可置入研磨墊頂層的對應孔的外表面，及一大小可容納發射器/偵測器組合物的內部空間。帽邊的作用為密封盤體，帽冠的作用為隔開發射器/偵測器組合物及墊。

墊及光感測器組合物的組合如第3、4及5圖所示。如第3圖所示，埋設在研磨墊中的上墊光感測器包括一下墊或次墊49及一上墊50。當次墊中的孔容納感測器帽體組合物的凸緣時，孔51容納感測器組合物帽體的帽冠。線纜11由次墊下用以固設墊至平台的黏著劑中的溝槽通過，或由次墊及上墊之間固定次墊及上墊的的黏著劑中的溝槽通過。或者，槽可用機器形成於墊中使線纜通過墊，特別是當線纜的厚度大於黏著劑厚度。第4圖係根據第3圖作修改，其中上墊50包括連續且整體形成的部分50a，其覆蓋帽冠44的上表面。此可藉由加盲孔於上墊的下側達成，上墊可容納帽冠，並將帽體的帽冠部分放置在盲孔之內。此結構可應用於碎片堆積在帽冠上或周圍而造成問題之處。

如第3、4及5圖之剖面所示，線纜11及黏性層52之厚度為實質相同。因此可避免在線纜軌道上方的頂墊變形。在此圖示中，雖然線纜顯示於平台及次墊之間，線纜亦可放置在次墊及頂墊之間，在黏性層的溝槽中。參見第3圖，發射器/偵測器組合物(元件符號35、36及38，視情況，及容室53)顯示在感測器組合物帽體42之內。線纜11由感測器組合物拉到墊的外邊緣或墊的中心，以連接收發器。第5圖的剖面，取自感測器組合物及收發器及動力組合物之間(其中一個設置於平台的上邊緣或墊的中心)，進一步圖示線纜11穿過黏性層52中的通道，黏性層52將下墊49固設於平台18。若線纜的厚度與黏性層實質為相同，線纜亦可穿過黏性層54中的通道，黏性層54將上墊固設於下墊。藉由除去預製的研磨墊或次墊中預設線纜軌道處的所有黏性層便可形成通道。

墊及感測器組合物的結合可形成於預製的墊，典型的墊具有一PSA層及一保護膜。PSA層的厚度典型為4mil(.004")。組合物之製作係藉由於次墊中形成筒狀孔，及延著預設的線纜軌道削去或切割次墊底部的感壓性黏著劑。典型的Mylar保護層亦延著線纜軌道被去除。如此產生一線纜將置於其中的槽或通道，其深度實質上與線纜相同。同樣地，穿透上墊則切割出矩形或橢圓形孔。接著，Mylar膜由頂墊去除，且頂墊被壓向次墊，使每一個墊中的孔保持對齊。接著，感測器組合物的帽體(容室隔開物及密封盤體)被嵌入墊堆中，嵌入孔致使橢圓形突起緊密地嵌入上墊的橢圓形孔，且膠水流入穴中而使感測器帽體的上表面與墊的上表面齊平。接著，發射器/偵測器組合物被嵌入及固設在感測器帽體的突起之內，及(若尚未附著，線纜的一端則嵌入穴中並附著於發射器/偵測器組合物。將線纜膠合於次墊，在已預先清除感壓性黏著劑的軌道中。被組合的墊應用於平台，並固定於平台。為了完成此系統，收發器被架設在平台的邊緣上或桌台上(雖然放置於桌台的中心之中較佳)，並附著於線纜的自由端。若欲固定的元件尚未被安裝，例如以適當軟體交互連接旋轉收發器與控制系統的接收器或收發器，則可安裝於CMP工具之內或靠近的任何點。製造墊及感測器結合物的各種必要步驟可在各種地方執行，致使堆疊的墊在CMP平台的安裝點可被舉升移動及修改，或者墊及感測器組合物的結合可由墊製造者來組合，並運輸至準備安裝於CMP平台上的CMP設備。

完全組合於研磨晶圓之CMP系統時，CMP系統將包括如上所述之一平台及一研磨墊組合物，一架設於平台週邊上之收發器(或靠近墊的中心)，以接收來自感測器組合物之資料，及發射該資料至一接收器，其經由收發器，依次傳送由感測器組合物接收之資料至研磨工具之控制系統。控制系統被規劃以分析來自感測器組合物資料，以決定及報告在CMP系統中被研磨的晶圓的狀態，包括決定何時達到研磨終點，並可進一步被規劃將終點的到達傳送給操作者，或於達到終點時，控制CMP系統以停止研磨，或於研磨期間，根據由感測器完成的分析訊號所決定的研磨進度調整研磨參數。

儘管裝置及方法較佳實施例已參考其發展之時的環境加以說明，但僅為本發明原則之圖示說明。在不脫離本發明精神及申請專利範圍下，亦可延伸設計出其他實施例及架構或設定。

1．．．化學機械平坦化系統

2．．．光埠

3．．．研磨墊

4．．．晶圓

5．．．研磨頭

6．．．移動臂

7．．．漿液注射管

8．．．懸臂

9．．．非旋轉軸

10．．．旋轉軸

10p．．．收發器及動力組合物

11．．．線纜

12．．．箭頭

13．．．軸

14．．．箭頭

15．．．移動機制

16．．．箭頭

18．．．平台

34．．．發射器/偵測器組合物

35．．．光源

36．．．偵測器

38．．．基座

39．．．電力導體

40．．．訊號導體

41．．．回流或接地導體

42．．．薄帽體

43．．．寬帽邊

44．．．橢圓形帽冠

49．．．下墊或次墊

50．．．上墊

50a．．．部分

51．．．孔

52．．．黏性層

53．．．容室

54．．．黏性層

第1圖顯示一化學機械平坦化機具之俯視圖，其係使用埋設有光感測器之研磨墊及架設於平台邊緣之收發器來研磨晶圓。

第2圖顯示光感測器及其各種元件。

第3、4及5圖顯示墊及光感測器組合物。

1．．．化學機械平坦化系統

2．．．光埠

3．．．研磨墊

4．．．晶圓

5．．．研磨頭

6．．．移動臂

7．．．漿液注射管

8．．．懸臂

9．．．非旋轉軸

10．．．旋轉軸

10p．．．收發器及動力組合物

11．．．線纜

12．．．箭頭

13．．．軸

14．．．箭頭

15．．．移動機制

16．．．箭頭

18．．．平台

Claims (3)

1. 一種用以研磨一晶圓之CMP系統，該CMP系統包括：一平台及一研磨墊組合物，該研磨墊組合物包括：一研磨墊，包括：一研磨層及一黏性層；一感測器組合物，設於該墊之中，該感測器組合物可操作以偵測一正被研磨之晶圓之情況；一線纜，用以連接該光感測器至一用以傳送藉由該感測器組合物產生之資料之收發器；其中該線纜與該黏性層之厚度為實質相同，且該線纜係設置於穿過該黏性層之通道之中；一第一收發器，架設於該平台週邊上，該第一收發器可操作以接收由該感測器組合物之資料及發送該資料至一接收器；一接收器，位於該研磨工具之非旋轉部分上，用於經由該第一收發器傳送來自該感測器組合物之資料，該接收器可操作地連接至一控制系統，該控制系統被規劃以分析來自該感測器組合物之該資料，以決定及報告正於該CMP系統中被研磨之晶圓之狀態。
2. 一種製造一研磨墊組合物之方法，該研磨墊組合物係用於研磨一晶圓，該晶圓位於一固設於平台之研磨墊上，該方法包括如下步驟：提供一研磨墊，該研磨墊具有一覆蓋該研磨墊表面之黏性層；提供一感測器組合物，該感測器組合物之厚度不超過該研磨墊之厚度；提供一線纜，該線纜連接至該感測器組合物；切割一孔，該孔位於該研磨墊中，以容納該感測器組合物於 該墊之厚度內；產生一通道，該通道位於該黏性層中；固定該線纜至該感測器組合物；安置該研磨墊於一平台上，使該黏性層接觸該平台及設於該通道中之該線纜；固設一收發器及電源供應器至該平台，及連接該線纜至該收發器及電源供應器。
3. 一種製造研磨墊組合物之方法，該研磨墊組合物係用於研磨一晶圓，該晶圓位於一固設於平台之研磨墊上，該方法包括如下步驟：提供一研磨墊，該研磨墊具有一覆蓋該研磨墊表面之黏性層；提供一次墊，該次墊具有一覆蓋該次墊表面之黏性層；提供一感測器組合物，該感測器組合物之厚度不超過該研磨墊之厚度；提供一線纜，該線纜連接至該感測器組合物；切割一孔，該孔位於該研磨墊中，以容納該感測器組合物之第一部分；切割一孔，該孔位於該研磨墊中，以容納該感測器組合物之第二部分；產生一通道，該通道位於覆蓋該研磨墊及次墊之一之該黏性層中；放置該感測器組合物入該研磨墊及次墊之該孔中；固定該線纜至該感測器組合物；安置該次墊於一平台上，使該黏性層接觸該平台，及安置該 研磨墊於該次墊上方，使該黏性層接觸該次墊，使該線纜設於該通道之中；固設一收發器及電源供應器至該平台，及連接該線纜至該收發器及電源供應器。