TWI483807B - 用於補償化學機械研磨耗材中可變性的設備及方法 - Google Patents

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Description

用於補償化學機械研磨耗材中可變性的設備及方法
本發明的實施例大體上關於用於研磨基材(諸如半導體基材)的方法與設備。更詳言之，本發明的實施例關於用於調節化學機械研磨(CMP)系統中的研磨表面的方法。
在半導體元件的製造期間，藉由各種製程將層與結構沉積與形成在半導體基材上。化學機械研磨(CMP)是廣泛地被使用的製程，此製程是透過使研磨墊與研磨溶液的組合以為了接收後續層而平坦化基材或維持平坦性的方式來移除過量材料。隨著時間，研磨墊的效力減弱。為了改善研磨墊的效力，可定期地調節研磨墊。
大體上，墊調節涉及以磨蝕調節盤來擦淨研磨墊，以移除墊表面上的任何累積的研磨副產物與/或以更新研磨墊的表面。當將新CMP耗材(諸如研磨墊與調節盤)引進到研磨系統內時，性質與/或彼此的交互作用是未知的。例如，調節盤會因製造業者的不同而有變化，並且時常會因盤的不同而有變化。依此，新調節盤可能對研磨墊調節不足或調節過度，其中調節不足會造成較低的移除速率，而調節過度會造成研磨墊的壽命的縮短。同樣地，研磨墊性質會因製造業者的不同而有變化，並且會因研磨墊的不同而有變化。例如，研磨墊的性質(諸如硬度)會影響調節程式(conditioning recipe)，造成研磨墊被調節過度或被調節不足。
因此，需要一種改善的用於調節研磨墊的設備與方法，此設備與方法可基於耗材的性質與交互作用(諸如研磨墊的性質與調節盤的性質)而改善研磨墊調節。
本發明的實施例提供用於研磨基材的設備與方法。在一實施例中，提供一種用於研磨基材的設備。此設備包含可旋轉平臺與調節裝置，該可旋轉平臺與調節裝置耦接到基座。調節裝置包含軸桿，該軸桿藉由第一馬達可旋轉地耦接到基座。可旋轉調節頭藉由臂耦接到軸桿。調節頭耦接到第二馬達，該第二馬達控制調節頭的旋轉。提供一或更多個測量裝置，該一或更多個測量裝置可運作地用於感測軸桿相對於基座的旋轉力量指標以及調節頭旋轉力量指標。
在另一實施例中，提供一種用於研磨基材的方法。此方法包含以下步驟：在不存在有基材下執行預研磨製程，該預研磨製程包括將調節盤推進抵靠研磨墊的研磨表面，該研磨墊設置在研磨站中；將調節盤相對於研磨墊移動於越過研磨表面的掃掠圖案中，同時監控將調節盤相對於研磨墊移動所需要的旋轉力量值；從旋轉力量值決定可指示調節盤與研磨表面之間的交互作用的指標；回應於指標，調整研磨程式；及使用經調整的研磨程式來研磨一或更多個基材。
在另一實施例中，提供一種用於研磨基材的方法。此方法包含以下步驟：在不存在有基材下執行預研磨製程，該預研磨製程包括將調節盤推進抵靠研磨墊的研磨表面，該研磨墊設置在研磨站中；將調節盤相對於研磨墊移動，同時監控將調節盤相對於研磨表面移動所需要的旋轉力量值。預研磨製程亦包括：從旋轉力量值決定可指示調節盤與研磨表面之間的交互作用的第一扭矩指標；回應於第一扭矩指標，調整研磨程式；使用經調整的研磨程式來研磨一或更多個基材；調節研磨墊的研磨表面，同時監控將調節盤相對於研磨表面移動所需要的旋轉力量值，以決定第二扭矩指標；及當第二扭矩指標不同於標靶扭矩指標時，調整一或更多個調節參數。
在此描述的實施例關於用於調節化學機械研磨(CMP)系統中研磨墊的研磨表面的設備與方法，以提升基材上的材料移除速率並增加產能。在CMP製程中，需要定期地調節研磨墊以更新研磨墊的表面。然而，墊調節與研磨製程期間來自基材的摩擦的組合傾向於磨耗研磨墊到必須更換研磨墊的程度。同樣地，調節盤的磨蝕性隨著時間減弱，以致必須更換調節盤。當將新耗材(諸如新研磨墊與/或新調節盤)引進到研磨系統內時，研磨墊與調節盤之間的交互作用是未知的。例如，研磨墊性質會因製造業者的不同以及研磨墊的不同而有變化。同樣地，調節盤的性質(諸如調節盤的鑽石砂礫尺寸與表面形貌)會因盤的不同而有變化。
本發明的實施例導向耗材(諸如研磨墊、用於調節或更新研磨墊的調節盤與此兩者的組合)的效能。發明人已經發現到，可在安裝新耗材時原位地決定新耗材的交互作用或效能。可在一或更多個預研磨製程中監控耗材之間的交互作用以提供效能指標(performance metric)，該效能指標可用在研磨程式或閉路控制系統中以控制自動研磨製程程式中的處理參數。此外，可在後續研磨製程期間持續地監控效能指標，以為了提升移除速率與/或耗材的壽命。
第1圖是研磨站100的實施例的部分剖視圖，研磨站100設以執行諸如化學機械研磨(CMP)製程或電化學機械研磨(ECMP)製程的研磨製程。研磨站100可以是獨立的單元或更大的處理系統的一部分。可適於利用研磨站100的更大的處理系統的實例包括可從美國加州聖大克勞拉市的應用材料公司取得的、LK、LK ECMPTM 、GTTM 與MIRRA研磨系統，以及其他研磨系統。
研磨站100包括平臺105，平臺105可旋轉地被支撐在基座110上。平臺105可運作地耦接到致動器或驅動馬達115，該致動器或驅動馬達115適於將平臺105繞著旋轉軸A旋轉。在一實施例中，研磨墊120的研磨材料122是可商業上取得的墊材料，諸如通常用在CMP製程中的聚合物系墊材料。聚合物材料可以是聚胺基甲酸酯、聚碳酸酯、氟化聚合物、聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯硫醚(PPS)、或上述材料的組合。研磨材料122可更包含開放或密閉室發泡聚合物、彈性體、氈、浸漬的氈、塑膠與和處理化學相容的類似材料。在另一實施例中，研磨材料122是以多孔塗覆物來浸漬的氈材料。在其他實施例中，研磨材料122包括至少部分導電的材料。研磨墊120被視為耗材，並且可釋放地耦接到平臺105以促進研磨墊120的更換。
平臺105用於在處理期間將研磨墊120旋轉，以致當基材接觸研磨材料122時，研磨墊120可平坦化或研磨基材135的表面。可利用第一測量裝置138(諸如平臺旋轉感測器)來獲得指標，該指標能指示旋轉平臺105與研磨墊120所需要的力量。第一測量裝置138可以是耦接到驅動馬達115或耦接到驅動馬達115的輸出軸桿的扭矩或其他旋轉力量感測器。
承載頭130設置在研磨墊120的研磨表面125上方。在處理期間，承載頭130保持住基材135且可控制地將基材135朝向研磨墊120的研磨表面125(沿著Z軸)推進。在一實施例中，承載頭130包括一或更多個可加壓囊袋(未圖示)，該或該等可加壓囊袋適於施加壓力或力量到基材135的背側的一或更多個區塊，以將基材135朝向研磨表面125推進。承載頭130被裝設到支撐構件140，支撐構件140係支撐承載頭130且促進承載頭130相對於研磨墊120的移動。可以將承載頭130懸置在研磨墊120上方的方式而將支撐構件140耦接到基座110或裝設在研磨站100上。在一實施例中，支撐構件140是被裝設成位在研磨站100上或鄰近研磨站100且位在研磨墊120上方的圓形軌道。
承載頭130耦接到驅動系統145，驅動系統145提供至少承載頭130繞著旋轉軸B的旋轉移動。此外，驅動系統145可設以將承載頭130相對於研磨墊120沿著支撐構件橫向地(X軸與/或Y軸)移動。在一實施例中，驅動系統145除了可將承載頭130相對於研磨墊120橫向移動，驅動系統145還可將承載頭130相對於研磨墊120垂直地(Z軸)移動。例如，驅動系統145除了提供基材135相對於研磨墊120的旋轉與/或橫向移動，驅動系統145可用於將基材135朝向研磨墊120移動。承載頭130的橫向移動可以是線性的或弧狀或掃掠的運動。第二測量裝置148可耦接到承載頭130。第二測量裝置148可以是用於承載頭130的旋轉感測器，並且用於獲得將基材135抵靠研磨墊120旋轉所需要的力量的指標。第二測量裝置148可以是耦接到驅動系統145或驅動系統145的輸出軸桿的扭矩或其他旋轉力量感測器。
圖上顯示調節裝置150與流體施加器155設置在研磨墊120的研磨表面125上方。流體施加器155包括一或更多個噴嘴160，噴嘴160適於輸送研磨流體到研磨墊120的一部分。流體施加器155可旋轉地耦接到基座110。在一實施例中，流體施加器155適於繞著旋轉軸C旋轉且提供朝向研磨表面125引導的研磨流體。研磨流體可以是化學溶液、水、研磨化合物、清潔溶液、或上述流體的組合。
大體上，調節裝置150包括調節頭151、旋轉軸桿152與臂153，臂153設以從旋轉軸桿152延伸在研磨墊120上方且支撐研磨器頭151。調節頭151保持住調節盤154，調節盤154可選擇地被放置成接觸研磨墊120的研磨表面125以調節研磨表面125。調節盤154被視為耗材，並且可釋放地耦接到調節頭151以促進調節盤154的更換。
旋轉軸桿152設置成通過研磨站100的基座110。旋轉軸桿152可相對於基座110繞著旋轉軸D旋轉。可藉由基座110與旋轉軸桿152之間的軸承156來促進旋轉軸桿152的旋轉，以致臂153將調節頭151相對於基座110與研磨墊120旋轉。在一實施例中，致動器或馬達157耦接到旋轉軸桿152，以將旋轉軸桿152旋轉並迫使臂153與調節頭151能進行越過研磨墊120的研磨表面125的掃掠運動。
調節裝置150更包括第三測量裝置158，第三測量裝置158用於監控旋轉軸桿152的旋轉。在一實施例中，第三測量裝置158是可和旋轉軸桿152與/或臂153併同使用的旋轉感應器，並且適於偵測使調節盤154能進行越過研磨墊120的研磨表面125的掃掠運動所需要的旋轉力量或扭矩。在一實施例中，第三測量裝置158可以是耦接到馬達157或馬達157的輸出軸桿的扭矩或其他旋轉力量感測器。在其他實施例中，第三測量裝置158可以是耦接到馬達157的電流感測器或壓力感測器。當調節盤154與研磨墊120的研磨表面125之間的磨擦力改變時，電流感測器可偵測馬達157所汲取的電流的變化。當調節盤154與研磨墊120的研磨表面125之間的磨擦力改變時，壓力感測器可和馬達157構成界面以偵測用於將馬達157致動的壓力的變化。在又其他實施例中，第三測量裝置158可以是適於提供指標的任一其他感測器，其中該指標可指示將調節盤154移動越過研磨墊120的研磨表面125所需要的力量。
調節頭151將調節盤154繞著旋轉軸E旋轉，其中旋轉軸E設置成正交地通過調節盤154。致動器或馬達161用於將調節盤154相對於臂153與/或研磨墊120的研磨表面125旋轉。在一實施例中，馬達161設置在殼體162中且位在臂153的遠端處。從適於調節研磨墊120材料的材料來製造調節盤154。調節盤154可以是具有由聚合物材料製成的鬃毛的刷子，或調節盤154包括含有磨蝕微粒的磨蝕表面。在一實施例中，調節盤154包含含有磨蝕微粒(諸如黏附到基座基材的鑽石或其他相當硬微粒)的表面。
調節裝置150更包括第四測量裝置163，當調節盤154接觸研磨墊120時，第四測量裝置163用於感測將調節盤154繞著旋轉軸E旋轉所需要的旋轉力量或扭矩。在一實施例中，第四測量裝置163可以是用於感測調節頭151所經歷的扭矩的扭矩感測器。在一態樣中，第四測量裝置163設置在殼體162內。在一實施例中，第四測量裝置163可以是耦接到馬達161或馬達161和調節盤154之間的輸出軸桿的電流感測器。當調節盤154與研磨墊120的研磨表面125之間的磨擦力改變時，電流感測器可偵測馬達161所汲取的電流的變化。在另一實施例中，第四測量裝置163可以是扭矩感測器、偏移感測器或應力計，第四測量裝置163設置在馬達與調節頭之間的驅動列中以測量由調節盤154與研磨墊120的研磨表面125之間的摩擦所造成的驅動列上的力量。
調節裝置150亦包括向下力量致動器164，向下力量致動器164用於將調節盤154推進抵靠研磨墊120的研磨表面125。向下力量致動器164設以可選擇地控制由調節盤154所施加抵靠研磨墊120的研磨表面125的力量。在一實施例中，向下力量致動器164可設置在臂153與軸桿152之間或其他適當位置處。在其他實施例中(未圖示)，臂153靜態地耦接到旋轉軸桿152，並且向下力量致動器164設置在臂153的遠端與調節頭151之間以控制由調節頭151所施加抵靠研磨墊120的研磨表面125的力量。
第五測量裝置165耦接到向下力量致動器164且可用於偵測指標，該指標能指示調節盤154抵靠研磨墊120的研磨表面125的向下力量。在一實施例中，第五測量裝置165是向下力量感測器，並且第五測量裝置165可以同線位向、或在用於偵測向下力量致動器164相對於旋轉軸桿152的應力或應變的其他適當位置、或在其他裝設位置處，設置成併同向下力量致動器164或耦接到向下力量致動器164。
驅動系統145、向下力量致動器164、馬達115、157與161、及測量裝置138、148、158、163與165的各者耦接到控制器。大體上，控制器用於控制一或更多個部件與研磨站100中所執行的製程。在一實施例中，在處理期間，控制器使用感測資料來控制從基材135移除材料的速率。控制器傳送控制訊號到驅動系統145、向下力量致動器164與馬達115、157和161，並且接收對應於由測量裝置138、148、158、163與165所偵測的力量的訊號。大體上，控制器係被設計以促進研磨站100的控制與自動化，並且控制器通常包括中央處理單元(CPU)、記憶體與支援電路(或I/O)。CPU可以是用在工業設備中而用於控制各種系統功能、基材移動、研磨製程、製程時間點與支援硬體(例如感測器、機器人、馬達、時間點裝置等)並監控製程(例如化學濃度、處理變數、製程時間、I/O訊號等)的任何形式的電腦處理器。記憶體連接到CPU，並且記憶體可以是一或更多個可輕易取得的記憶體(諸如隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、軟碟、硬碟、或任何其他形式的數位儲存器，無論是當地的或遠端的皆可)。軟體指令與資料可被編碼且被儲存在記憶體內以為了命令CPU。支援電路亦連接到CPU，而用於以傳統方式支援處理器。支援電路可包括快取、功率供應器、時脈電路、輸入/輸出電路、子系統與諸如此類者。可由控制器讀取的程式或電腦指令係決定可在基材上執行何種任務。較佳地，程式是可由控制器讀取的軟體，此軟體包括用於執行任務的碼，此等任務關於在研磨站100中移動、支援與/或定位基材的監控、實行與控制。在一實施例中，控制器用於控制機器人裝置，以控制策略移動、排程與研磨站100的運行而使製程可重複，解決等待時間問題，並避免基材的處理過度或不足。
第2圖是第1圖的研磨站100的示意平面圖。承載頭130(第1圖)未圖示，以為了使當基材135被保持在承載頭130中時基材135在研磨墊120上的研磨掃掠圖案205的實施例能清晰起見。當承載頭將基材135相對於旋轉的研磨墊120旋轉以從基材135移除材料時，承載頭將基材135線性地或以弧狀方式移動而使基材135越過研磨表面125。圖上亦顯示具有調節盤154的調節裝置150，以圖示在研磨墊120上的調節掃掠圖案210的一實施例。調節盤154係被掃掠越過研磨表面125，以調節與/或更新研磨表面125而促進提升的從基材135的材料移除速率。
在操作中，如第2圖所示，藉由研磨流體施加器155將研磨流體215輸送到研磨墊120的研磨表面125。在一實施例中，平臺105被旋轉於約85 RPM至約100 RPM的旋轉速度，諸如約93 RPM。承載頭130(未圖示)將基材135推進抵靠研磨墊120的研磨表面155。在一實施例中，將承載頭130相對於平臺105旋轉於約80 RPM至約95 RPM的旋轉速度，諸如約87 RPM。承載頭130內的一或更多個可加壓的囊袋能施加壓力到基材135的背側，以將基材135朝向研磨墊120推進。在一實施例中，平均壓力為約3.5 psi至約5.5 psi，諸如約4.5 psi。在研磨流體215的存在下，和旋轉的研磨墊120的研磨表面125的接觸可從基材移除過量的金屬、介電質與/或阻障材料且平坦化和研磨墊120接觸的基材135的表面。
在基材135上執行研磨製程之前、的期間與/或之後，研磨墊120被調節，以再生粗糙性、移除研磨副產物與墊碎屑與更新研磨表面125。在調節期間，調節頭151以預定向下力量將調節盤154抵靠研磨墊120。向下力量致動器164所施加的向下力量可以為約1 lb-f至約10 lb-f。調節盤154相對於研磨墊120的研磨表面125旋轉，同時在調節掃掠圖案210中往復地掃掠越過研磨墊120。在一實施例中，調節盤154被旋轉於約85 RPM至約105 RPM的旋轉速度，諸如約95 RPM。在另一實施例中，調節掃掠圖案210包含約1.5吋至約15吋的範圍，諸如約1.7吋至約14.7吋。在另一實施例中，掃掠速率為約15掃掠/分鐘至約22掃掠/分鐘，諸如約19掃掠/分鐘。
當將新耗材(諸如新的未使用研磨墊120，與/或新的未使用調節盤154)引進到研磨站100內時，研磨墊120與調節盤154之間的交互作用起初是未知的。例如，研磨墊性質會因製造業者的不同而有變化，並且會因研磨墊的不同而有變化。同樣地，調節盤的鑽石砂礫尺寸與表面形貌會因盤的不同而有變化。此狀況會影響結晶特徵結構到研磨墊120的研磨表面125內的位向與穿透深度，此舉會導致研磨墊120的磨耗速率的顯著差異。在一些例子中，僅調節盤的結晶特徵結構的一部分積極地參與調節製程並在持續使用下經歷顯著的磨耗。調節盤的磨耗會藉由研磨墊的調節不足而影響調節製程以及縮短調節盤的壽命。調節不足會導致研磨表面125的光滑化與移除速率的降低，此狀況會降低產能。增加的耗材(諸如調節盤與研磨墊)的磨耗速率會導致過早的更換，此狀況會增加擁有成本(cost of ownership)與設備停機時間(tool downtime)。
改善耗材可變性的一解決方式是需要耗材的更嚴格規格與品質控制。然而，增加的品質控制會增加耗材的成本，此狀況會增加擁有成本。
發明人已經發現到，可在安裝一或更多個新耗材時就原位地決定新耗材的效能。可在一或更多個預研磨製程中監控耗材之間的交互作用以提供效能指標，該效能指標可用在研磨程式或閉路控制系統中以控制自動研磨製程程式中的處理參數。
第3圖是圖示可以第1圖與第2圖的研磨站100來利用的方法300的實施例的流程圖。方法300可用於決定用在研磨站100中的研磨製程程式中的研磨參數。例如，可利用方法300以預研磨來決定研磨站100中的耗材之間的交互作用且使用預研磨資料來調整研磨程式。
在步驟310，在不存在有基材的情況下利用研磨站(諸如研磨站100)來執行預研磨製程。在步驟320，將調節盤154朝向研磨墊120的研磨表面125推進。在一實施例中，利用向下力量致動器164以約1 lb-f至約10 lb-f的向下力量將磨蝕表面朝向研磨表面125推進。在一實施例中，向下力量值是恆定地維持在約9 lb-f的向下力量。在一態樣中，調節盤154包括磨蝕表面，該磨蝕表面可以是鬃毛、鑽石、或設以接觸且摩擦研磨墊120的研磨表面125的其他磨蝕微粒。
在步驟330，將調節盤154相對於研磨墊120移動，同時監控將調節盤154移動所需要的旋轉力量值。在一實施例中，相對於研磨墊120的移動包括調節盤154的旋轉、研磨墊120相對於旋轉的調節盤154的旋轉、將調節盤154移動於越過研磨表面125的調節掃掠圖案210中、或上述的組合。在一實施例中，當將研磨墊120旋轉時，將調節盤154旋轉，同時將調節盤154的磨蝕表面推進抵靠研磨墊120的研磨表面125。可將調節盤154旋轉於第一旋轉速度，而將研磨墊120旋轉於第二旋轉速度。在一實施例中，調節盤154的第一旋轉速度可以為約90 RPM至約100 RPM，並且藉由將平臺105旋轉而使研磨墊120的第二旋轉速度可以為約90 RPM至約96 RPM，其中研磨墊位在平臺105上。
在調節盤154相對於研磨墊120的移動期間，監控將調節盤154移動所需要的旋轉力量值。在一實施例中，可藉由第四測量裝置163來監控將調節盤154旋轉所需要的扭矩，其中第四測量裝置163被耦接在馬達161與調節盤154之間。在另一實施例中，可藉由第三測量裝置158來監控將調節盤154移動於調節掃掠圖案210中所需要的扭矩。因此，可由第四測量裝置163、第三測量裝置158、或此兩者的組合來提供旋轉力量值。
在步驟340，從旋轉力量值來決定可指示調節盤154與研磨表面125之間的交互作用的指標(例如摩擦力量)。在一實施例中，指標是由第三測量裝置158感測的將調節盤154移動於調節掃掠圖案210中所需要的摩擦的測量扭矩值。在另一實施例中，指標是由第四測量裝置163感測的將調節盤154相對於研磨墊120的研磨表面125旋轉所需要的摩擦的測量扭矩值。
在步驟350，回應於指標，調整研磨程式。例如，指標是上述步驟330所決定的測量扭矩值並可指示調節盤154與研磨墊120的研磨表面125之間的交互作用，諸如可指示調節盤154的侵略性的測量扭矩值。可藉由閉路控制系統來控制研磨程式，其中該閉路控制系統可在延長的研磨運行期間(即利用自動控制製程來研磨多個基材)自動地調整一或更多個研磨參數(即調節盤154與/或承載頭130的旋轉速度、施加到調節盤154與/或承載頭130的向下力量、調節盤154與/或承載頭130的掃掠範圍等)。閉路控制系統用於在延長的研磨運行期間將研磨參數予以最佳化，以將多個基材的研磨期間的材料移除速率予以最佳化。
在步驟360，使用經調整的研磨程式來研磨一或更多個基材。在一實施例中，該一或更多個基材可包含根據經調整的研磨程式而被研磨的多個基材，其中經調整的研磨程式是由閉路控制系統來控制。
在一實施例中，調節盤154與/或研磨墊120是新的或未使用的，並且磨蝕性質與/或調節盤154與研磨表面125之間的交互作用是未知的。例如，在一實施例中，研磨墊120是新的或未使用的，並且調節盤154可已經先前地被用在先前的研磨墊上。然而，新研磨墊120與調節盤154之間的交互作用是未知的，並且方法300的實施例可包括墊衝入製程(pad break-in process)以使新研磨墊120準備好進行服務。在另一實施例中，調節盤154是新的或未使用的，並且可單獨地利用方法300的實施例來決定新調節盤154與現有研磨墊120之間的交互作用。在另一實施例中，調節盤154與研磨墊120皆是新的或未使用的，並且調節盤154與研磨表面125之間的交互作用是未知的。因此，可利用方法300的實施例來決定新調節盤154與新研磨墊120之間的交互作用。
在一實施例中，在墊衝入之後，在測試基材上執行合格化製程(qualification process)。測試基材被推進抵靠研磨墊120的研磨表面125長達一時段，並且材料移除速率是由度量製程(metrology process)來決定。在合格化製程期間所決定的材料移除速率可併同在上述步驟330所獲得的旋轉力量資料被利用，並且在延長的研磨運行之前被提供到閉路控制系統。
在一態樣中，當執行研磨製程或調節製程時，將調節盤154移動越過研磨墊120的研磨表面125所需要的力量或扭矩會隨著時間而變化。力量或扭矩的變化可以是調節盤154與研磨墊120之間的阻抗摩擦力量變化所導致的結果，此狀況是因為調節盤154與研磨墊120的一者或兩者會被磨耗與/或製程狀態會改變。若調節參數沒有隨著時間改變，扭矩值將很可能隨著調節盤154的壽命而降低，此狀況是因為調節盤154會磨耗且調節盤154的有效的切割速率會逐漸地降低。在另一態樣中，在研磨與/或調節製程期間，調節盤154與研磨墊120之間的摩擦力量會產生阻抗力量，可藉由監控將調節盤154與/或研磨墊120的至少一者旋轉所需要的力量的變化來偵測該阻抗力量。在另一態樣中，在研磨製程期間，基材135與研磨墊120之間的摩擦力量會產生阻抗力量，該阻抗力量可被監控。在研磨製程期間，可藉由上述的一或更多個測量裝置138、148、158、163與165來監控此等力量，並且可提供資料到閉路控制系統來即時地調整研磨程式與/或調節程式，以為了維持從多個基材135的最佳材料移除速率。
第4圖是圖示可以第1圖與第2圖的研磨站100來利用的方法400的另一實施例的流程圖。在410，利用研磨站(諸如研磨站100)來執行預研磨製程。在420，將調節盤154朝向研磨墊120的研磨表面125推進。在430，將調節盤154相對於研磨墊120移動，同時監控將調節盤154移動所需要的旋轉力量值。在一實施例中，相對於研磨墊120的移動包括調節盤154的旋轉、研磨墊120相對於旋轉的調節盤154的旋轉、將調節盤154移動於越過研磨表面125的調節掃掠圖案210中、或上述的組合。
在一實施例中，在不存在有基材下執行步驟410、420與430的一個或組合。在另一實施例中，當基材被保持在承載頭130中且該基材被推進抵靠研磨墊120的研磨表面125時，執行步驟410、420與430的一個或組合。例如，可在合格化程序中研磨基材，以決定在步驟410、420與/或430期間的移除速率。
在440，基於旋轉力量值，決定第一扭矩指標。在一實施例中，第一扭矩指標是由第三測量裝置158感測的將調節盤154移動於調節掃掠圖案210中所需要的摩擦的測量扭矩值。在另一實施例中，第一扭矩指標是由第四測量裝置163感測的將調節盤154相對於研磨墊120的研磨表面125旋轉所需要的摩擦的測量扭矩值。
在450，利用閉路控制系統根據研磨程式來研磨一或更多個基材。可利用在440所獲得的第一扭矩指標資料已經調整研磨程式。在460，在研磨步驟450之前、的期間、或之後調節研磨墊120的研磨表面125，同時監控將調節盤154相對於研磨表面125移動所需要的旋轉力量值。在一實施例中，指標是由第三測量裝置158感測的將調節盤154移動於調節掃掠圖案210中所需要的摩擦的測量扭矩值。在另一實施例中，指標是由第四測量裝置163感測的將調節盤154相對於研磨墊120的研磨表面125旋轉所需要的摩擦的測量扭矩值。
在步驟470，將在步驟460決定的基於旋轉力量值的第二扭矩指標與在步驟440決定的第一扭矩指標進行比較。若第二扭矩指標小於第一扭矩指標，可調整研磨程式。較小的第二扭矩指標可指示調節盤154的磨耗。在步驟480，若第二扭矩指標不同於標靶扭矩指標，則調整施加到調節盤154的向下力量。例如，若第二扭矩指標小於標靶扭矩指標，則增加施加到調節盤154的向下力量。
在一態樣中，第二扭矩指標是測量扭矩值，並且將該測量扭矩值與標靶扭矩值進行比較。可透過經驗資料、先前實驗與測試(諸如上述的方法300的部分)、模擬、計算來產生標靶扭矩值，或標靶扭矩值可被提供作為調節盤的規格內的參考曲線。根據特定態樣，可使用兩個不同的資料組的分析來發展出標靶扭矩值。可使用利用在不同磨耗階段的調節盤而執行的實驗的設計來衍生第一資料組。可針對每一個向下力量狀態來測量掃掠扭矩的方均根(root mean square,RMS)以及毯覆基材移除速率。第二資料組可以是毯覆基材的持久運行，其中使用手動閉路控制器以階梯形式來改變向下力量。在一實施例中，在處理約2500個基材的過程中，施加到調節盤154的向下力量可開始於約3 lb-f且可增加到約11 lb-f。可在每一個基材上測量掃掠扭矩的RMS，同時可較不常測量毯覆移除速率。可結合此兩個資料組，並且可使用最小平方估測技術(least squares estimation technique)或任何其他適當的資料適配技術(data fitting technique)來估測RMS掃掠扭矩(T)、向下力量與毯覆移除速率之間的標靶扭矩指標。在一實施例中，模擬的結構可以是如下所示：
Log e (T )=b *Log e (RR )+a *Log e (DF )　(1)
其中a與b是從最小平方估測所獲得的常數。在一特定實例中，利用應用材料公司製造的低向下力量調節臂針對氧化物CMP系統所計算的數值b與a分別是0.228與0.3。可針對特定墊材料、研磨流體、被研磨的基材材料與其他標準來選擇常數b與a。
方程式(1)亦可被改寫成：
對於恆定移除速率=k，方程式可被簡化成如下：
T =k 1 *DF a 　(5)
方程式(5)說明了用於達到恆定移除速率的標靶掃掠扭矩值的標靶扭矩指標，該標靶扭矩指標是向下力量的函數。
因此，已經提供用來決定研磨站內耗材之間交互作用的方法。在一實施例中，該方法決定調節盤154的侵略性與/或調節盤154與新研磨墊120之間的交互作用。在一態樣中，該方法提供可用於隨著耗材壽命維持恆定移除速率的資料。對於新耗材，可在衝入製程中利用該方法，作為原位製程或運行製程，或作為回饋常式，以在延長的製程運行期間實質上去除製程漂移。
儘管上述說明是導向本發明的實施例，可在不悖離本發明的基本範疇下設想出本發明的其他與進一步實施例，並且本發明的範疇是由隨附的申請專利範圍來決定。
A-E．．．旋轉軸
X-Z．．．軸
100．．．研磨站
105．．．平臺
110．．．基座
115．．．馬達
120．．．研磨墊
122．．．研磨材料
125．．．研磨表面
130．．．承載頭
135．．．基材
138．．．測量裝置
140．．．支撐構件
145．．．驅動系統
148．．．測量裝置
150．．．調節裝置
151．．．調節頭
152．．．旋轉軸桿
153．．．臂
154．．．調節盤
155．．．流體施加器
156．．．軸承
157．．．馬達
158．．．測量裝置
160．．．噴嘴
161．．．馬達
162．．．殼體
163．．．測量裝置
164．．．向下力量致動器
165．．．測量裝置
205．．．研磨掃掠圖案
210．．．調節掃掠圖案
215．．．研磨流體
300．．．方法
310-360．．．步驟
400．．．方法
410-480．．．步驟
可藉由參考本發明的實施例來詳細暸解本發明於上文所記載的特徵結構，本發明於上文所記載的特徵簡短地在上文概述過，其中該等實施例在附圖中圖示。
第1圖是研磨站的一實施例的部分剖視圖，研磨站可用於實施本發明的實施例。
第2圖是第1圖的研磨站的示意平面圖。
第3圖是流程圖，該流程圖圖示可用於實施本發明的實施例的方法的一實施例。
第4圖是流程圖，該流程圖圖示可用於實施本發明的實施例的方法的另一實施例。
為了促進瞭解，已經盡可能地使用相同的元件符號來指稱圖式中共同的相同元件。可瞭解的是，一實施例中的元件與特徵結構可有益地被併入到其他實施例中，而無需進一步贅述。
A-E．．．旋轉軸
X-Z．．．軸
100．．．研磨站
105．．．平臺
110．．．基座
115．．．馬達
120．．．研磨墊
122．．．研磨材料
125．．．研磨表面
130．．．承載頭
135．．．基材
138．．．測量裝置
140．．．支撐構件
145．．．驅動系統
148．．．測量裝置
150．．．調節裝置
151．．．調節頭
152．．．旋轉軸桿
153．．．臂
154．．．調節盤
155．．．流體施加器
156．．．軸承
157．．．馬達
158．．．測量裝置
160．．．噴嘴
161．．．馬達
162．．．殼體
163．．．測量裝置
164．．．向下力量致動器
165．．．測量裝置

Claims (13)

  1. 一種用於研磨一基材的方法，包含以下步驟：在不存在有一基材的情況下執行一預研磨製程，該預研磨製程包括將一調節盤推進抵靠一研磨墊的一研磨表面，該研磨墊設置在一研磨站中，該預研磨製程包含以下步驟：將該調節盤相對於該研磨墊移動於越過該研磨表面的一掃掠圖案中，同時監控將該調節盤相對於該研磨墊移動所需要的一旋轉力量值；從該旋轉力量值決定可指示該調節盤與該研磨表面之間的一交互作用的一指標；及回應於該指標，調整一研磨程式，以自該基材獲得一預定材料移除速率；及使用經調整的該研磨程式來研磨一或更多個基材。
  2. 如請求項1的方法，其中該指標是一摩擦力量值。
  3. 如請求項1的方法，其中監控該旋轉力量值的步驟包含以下步驟.感測將耦接到該調節頭的一軸桿旋轉所需要的一扭矩值。
  4. 如請求項3的方法，其中監控該旋轉力量值的步驟包含以下步驟：感測將該調節盤相對於該研磨墊旋轉所需要的一扭矩值。
  5. 如請求項3的方法，其中監控該旋轉力量值的步驟包含以下步驟：感測將該調節盤移動於該掃掠圖案中所需要的一扭矩值。
  6. 如請求項1的方法，其中該指標包含一測量扭矩值。
  7. 如請求項6的方法，其中該研磨的步驟包含以下步驟：在研磨該一或更多個基材的期間，監控該旋轉力量值；及將該監控的扭矩值與一標靶扭矩值進行比較。
  8. 如請求項7的方法，更包含以下步驟：回應於該測量扭矩值與該標靶扭矩值之間的一差異，調整該調節盤的一向下力量。
  9. 一種用於研磨一基材的方法，包含以下步驟：在不存在有一基材的情況下執行一預研磨製程，該預研磨製程包括將一調節盤推進抵靠一研磨墊 的一研磨表面，該研磨墊設置在一研磨站中，該預研磨製程包含以下步驟：將該調節盤相對於該研磨墊移動，同時監控將該調節盤相對於該研磨表面移動所需要的一旋轉力量值；從該旋轉力量值決定可指示該調節盤與該研磨表面之間的一交互作用的一第一扭矩指標；及回應於該第一扭矩指標，調整一研磨程式，以自該基材獲得一預定材料移除速率；及執行一研磨製程，該研磨製程包含以下步驟：使用經調整的該研磨程式來研磨一或更多個基材；調節該研磨墊的該研磨表面，同時監控將該調節盤相對於該研磨表面移動所需要的該旋轉力量值，以決定一第二扭矩指標；及當該第二扭矩指標不同於一標靶扭矩指標時，調整一或更多個調節參數。
  10. 如請求項9的方法，其中該第一扭矩指標與該第二扭矩指標是一摩擦力量值。
  11. 如請求項9的方法，其中監控該旋轉力量值的步驟包含以下步驟：感測將耦接到該調節頭的一軸桿旋轉所需要的 一扭矩值。
  12. 如請求項11的方法，其中監控該旋轉力量值的步驟包含以下步驟：感測將該調節盤相對於該研磨墊旋轉所需要的一扭矩值。
  13. 如請求項11的方法，其中監控該旋轉力量值的步驟包含以下步驟：感測將該調節盤移動於該掃掠圖案中所需要的一扭矩值。
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