TWI579103B - 用於監控及控制壓力之裝載罩設備、研磨設備及方法 - Google Patents

Description

用於監控及控制壓力之裝載罩設備、研磨設備及方法

本揭露係關於監控固定環的厚度，且使用固定環的經測量厚度來控制研磨期間所施加的壓力。

化學機械研磨(CMP,Chemical mechanical polishing)是高密度積體電路製造中所用的許多程序的一個。化學機械研磨通常如此執行：存在有研磨流體時將基板相抵於研磨材料移動。在許多研磨應用中，研磨流體包括有研磨作用的漿料，以助於基板之部件側的平坦化，基板之部件側在處理期間是壓抵於研磨材料。

基板通常在研磨操作期間是被研磨頭所固定。傳統研磨頭包括固定環，固定環結合有基板固定口部。基板可藉由黏滯至彈性膜而固定在基板固定口部中。固定環防止基板在研磨期間從研磨頭底下滑落出。

在研磨期間，固定環通常壓抵於研磨墊。承載頭中的可施加壓力腔室可控制固定環的垂直位置。固定環通常由 可磨損材料形成，且當研磨進行時，固定環的底表面被磨掉。因此，固定環的厚度在處理多個基板的過程中會改變。

大多數的CMP系統利用可垂直致動轉移機構(通常稱為裝載罩)，在研磨頭與機器人的葉片之間轉移基板。固定環與裝載罩可包含對準部件，所以，當裝載罩升起朝向承載頭時，裝載罩接合於固定環，且基板對準於承載頭中的口部。

固定環的厚度會影響被研磨基板的移除分佈。不限於任何特定理論，固定環壓抵於研磨墊時，假設承載頭中的腔室施加固定的壓力，研磨墊的壓縮量係取決於固定環厚度。因為固定環隨時間磨損，不同的基板將會經歷不同的移除分佈，導致晶圓間的不一致(WTWNU,Wafer-to-Wafer non-Uniformity)。藉由監控固定環的厚度，承載頭所施加的壓力可被調整來補償且改良WTWNU。裝載罩的垂直致動可用於量測固定環的厚度。

在一態樣中，裝載罩設備係用於傳送在處理系統中的基板，該設備包括：具有基板支撐的台座裝置、致動器，與控制器。該致動器係配置來移動該台座裝置至載入位置而與承載頭之固定環相接觸，且該致動器根據該台座裝置所行經的距離來產生固定環厚度信號。該控制器係配置來從該致動器接收該固定環厚度信號。

實施可包括一或多個下述特徵。該台座裝置可包括 主體，該主體具有頂表面與用以支撐該基板的向內突伸突出部，且該突出部可具有在該頂表面之下的上表面。該台座裝置可包括突伸於該頂表面之上的唇部，且該唇部可具有傾斜內壁。該台座裝置可配置成使得在該載入位置中，該主體的該頂表面接觸於該固定環的底表面。該唇部可具有水平表面，該水平表面從該傾斜內壁徑向向外。該控制器可配置來比較該固定環厚度信號與臨界值，且該控制器可配置來根據該比較來決定是否要產生警示。該控制器可配置成根據該固定環厚度信號來調整該承載頭中之至少一個腔室的一壓力。該控制器可配置成從該固定環厚度信號來決定固定環厚度值。該控制器可配置成儲存一查找表，該查找表將信號值關聯於厚度值。該至少一個腔室包括調整該固定環之垂直位置的腔室。

在另一態樣中，一種研磨設備包括：研磨台、轉移台、可在該研磨台與該轉移台之間移動的承載頭，與控制器。該轉移台包括台座裝置與致動器。該台座裝置具有基板支撐。該致動器係配置來移動該台座裝置至載入位置，且該致動器係配置來根據該台座裝置所行經的距離來產生信號。該承載頭包括固定環與複數個可獨立施加壓力的腔室，且在該載入位置中，該台座裝置接觸於該固定環。該控制器係配置來從該致動器接收該信號，且根據該信號來調整該承載頭中之該複數個腔室的至少一個腔室的壓力。

實施的優點可包括一或多個下述優點。可在研磨操作之前可靠地量測固定環的厚度，且不會損失產量。所量測 的厚度可用於調整研磨參數，特別是承載頭所施加的壓力，且可改良WTWNU。

10‧‧‧基板

100‧‧‧化學機械研磨系統

102‧‧‧研磨台

104‧‧‧承載頭

106‧‧‧可旋轉平台

108‧‧‧流體源

110‧‧‧裝載罩

112‧‧‧臂部

114‧‧‧噴嘴

115‧‧‧研磨墊

116‧‧‧研磨材料

118‧‧‧轉移機構

120‧‧‧支柱

122‧‧‧懸臂部

124‧‧‧驅動機構

126‧‧‧基座

128‧‧‧台座裝置

130‧‧‧罩

132、133‧‧‧致動器

134‧‧‧孔

136、138‧‧‧軸

140‧‧‧殼體

142‧‧‧邊緣

146‧‧‧凹槽(口部)

148‧‧‧彈性膜

150‧‧‧固定環

152a、152b‧‧‧腔室

154‧‧‧壓力源

160‧‧‧控制器

202‧‧‧上台座

204‧‧‧頂表面

206‧‧‧突出部

208‧‧‧凹陷區

212‧‧‧唇部

214‧‧‧傾斜內壁

216‧‧‧頂表面

220‧‧‧底表面

222‧‧‧頂表面

224‧‧‧下部

226‧‧‧上部

228‧‧‧內直徑表面

230‧‧‧傾斜部

232‧‧‧下表面

A‧‧‧箭頭

第1圖為化學機械研磨系統之實施的簡化側視圖(部分為剖面)。

第2圖為固定環與裝載罩的一實施例的剖面視圖。

為了促進了解，已經在任何可能的地方使用相同的元件符號來表示圖式中共用的相同元件。

第1圖繪示簡化的化學機械研磨系統100的部分剖面視圖，研磨系統100包括研磨台102、承載頭104，與裝載罩110。雖然裝載罩110是顯示在研磨系統100的一實施中，裝載罩110可用於其他處理系統中，該處理系統利用基板固定頭來在處理期間將基板固定在面向下的方向中。可適於從本發明受益的合適研磨系統的實例包括可從應用材料公司取得的MIRRA^TM與REFLEXION^TM化學機械研磨系統。可適於從本發明受益的其他研磨系統包括美國專利第5,738,574號中所述的系統，該專利之內容在此藉由參照而全部併入。

在一實施中，研磨台102包括可旋轉平台106，可旋轉平台106具有研磨材料116設置於可旋轉平台106上。研磨材料116可為傳統聚氨酯研磨墊、固定有研磨作用的材料，或適於化學機械研磨的其他墊。

研磨台102額外包括流體源108，流體源108適於在處理期間提供研磨流體至研磨材料116的工作表面。在第1圖繪示的實施例中，具有至少一個噴嘴114的臂部112係設置來在處理期間將研磨流體流動至研磨材料116上。

承載頭104通常被轉移機構118支撐於研磨台102之上，轉移機構118耦接於基座126。轉移機構118通常適於選擇性定位該承載頭104於研磨材料116之上的處理位置與裝載罩110之上的轉移位置之間。在第1圖繪示的實施中，轉移機構118包括具有懸臂部122的支柱120，懸臂部122可旋轉來橫向定位該承載頭104。承載頭104可藉由驅動機構124來耦接於臂部122。驅動機構124可適於施加旋轉於承載頭104。承載頭104相對於基座126的高度可藉由驅動機構124或藉由承載頭104中之可施加壓力腔室來控制。合適的承載頭係敘述於美國專利第7,699,688號中，該專利之內容在此藉由參照而全部併入。

通常，承載頭104包括殼體140與固定於殼體邊緣附近(例如邊緣142)的固定環150，以在研磨期間進一步固定基板於承載頭104中的凹槽146內。

在一些實施中，承載頭104包括彈性膜148，彈性膜148後面是複數個可獨立施加壓力的腔室，該等腔室可施加不同的壓力至基板的不同徑向區。例如，承載頭可包括第一腔室152a來施加壓力至基板的中央部分，且承載頭可包括第二腔室152b來施加壓力至基板的邊緣部分。腔室152a、152b耦接於壓力源154(在第1圖為了簡化只顯示一個壓力源)， 使得腔室152a、152b可被獨立控制地充氣或抽氣。

為了執行轉移操作，彈性膜148可與基板相接觸，且一或多個腔室152a、152b可被抽氣，因此產生真空於基板與彈性膜之間，且藉此固定基板在承載頭104上。為了執行研磨操作，一或多個腔室152a、152b可被充氣，因此將基板壓抵研磨材料116。

固定環150的垂直位置以及固定環150壓抵研磨材料116的壓力也可被調整，例如藉由驅動機構124或藉由承載頭104內的另一可施加壓力腔室。承載頭104內的可施加壓力腔室中的壓力(該壓力可控制固定環150的垂直位置)可由壓力源154控制。

裝載罩110通常包括台座裝置128與罩130。台座裝置128由軸136支撐。罩130由軸138支撐。軸136、138延伸通過基座126中的孔134，且軸136、138分別耦接於致動器133、132，致動器133、132分別控制台座裝置128與罩130相對於基座126的高度。台座裝置128提供一個結構是匹配於承載頭104，以確保在基板轉移期間在該台座裝置128與該承載頭104之間的對準。台座裝置128通常延伸來轉移基板至承載頭104，並且台座裝置128在解除夾持處理期間從該延伸位置收回以接收基板，如同下文進一步所述。

控制器160(例如包括微處理器的程式化電腦)耦接於致動器132、133，以根據處理程序來控制致動器132、133，並且控制器160至少從致動器133接收信號，該等信號指示了台座裝置128的垂直延伸。控制器160也可耦接於壓 力源154或驅動機構124，以控制固定環150的垂直延伸及/或承載頭中之腔室152a、152b中之壓力。

第2圖繪示承載頭104之固定環150與台座裝置128的一實施的剖面圖(為了簡化所以沒有繪示承載頭104的其餘部分)。台座裝置128包括至少一上台座202。在某些實施中，上台座耦接於下台座，且上台座通常配置成相對於下台座而橫向且有角度地移動。如此允許上台座202移動，以允許基板對準於固定環150內的口部146。上台座202也包括突出部206，例如環狀突出部，突出部206環繞凹陷區208。突出部206支撐在基板10之排除區域中的基板10的邊緣。基板的排除區域是基板的部件側的外面周圍，例如外面2毫米，上面並沒有部件形成。

台座裝置128亦可包括其他部件，例如用以機械式固定基板於裝載罩內的夾持裝置、用以噴灑清洗流體於基板及/或固定環上的清水噴嘴，及/或適於偵測裝載罩110內基板之存在的感測器。

固定環150具有底表面220，底表面220將接觸於研磨材料116(參見第1圖)。固定環150的內直徑表面228在研磨操作期間可用於固定基板。如上所述，固定環通常由可磨損材料形成，例如塑膠，且當研磨進行時，固定環的底表面220被磨掉。因此，固定環的頂表面222與底表面220之間的總高度對於不同基板將有所改變。在某些實施中，固定環150包括可磨損材料之下部224與材料(例如金屬)之上部226，上部226比下部224還堅硬。在其他實施中，整個 固定環150是塑膠。

固定環150的外直徑表面可包括與台座裝置128上的對應部件相匹配的對準部件。如此允許承載環與台座對準，使得基板10對準於固定環150內的口部146。此對準部件可包括外直徑的傾斜部230，傾斜部230從固定環的頂部朝向固定環的底部向內傾斜。固定環150也可包括凸緣部，凸緣部具有大概水平的下表面232，下表面232定位成從傾斜部230徑向向外。

在某些實施例中，抬升的唇部212沿著上台座202的外邊緣軸向突伸。唇部212包括傾斜內壁214，傾斜內壁214配置成匹配於固定環150之外直徑表面的傾斜部230。傾斜內壁214與傾斜部230可具有相同的傾角，例如45°。唇部212也可包括水平的頂表面216。

當致動器133導致台座128向上抬升時(箭頭A)，傾斜內壁214接合於傾斜部230，導致上台座202及/或固定環150橫向移動，以將基板10對準於固定環150內的口部146。

當致動器133持續將台座128向上抬升時，上台座202的頂表面204抵接於固定環150的底表面220。替代地，若固定環夠薄，則當致動器133持續將台座128向上抬升時，唇部212的頂表面216抵接於固定環150之凸緣的下表面232。因此，凸緣可作為台座128移動時的堅硬停止部。

裝載罩110可用於量測固定環的磨損量或厚度。具體地，致動器133可產生代表台座之垂直高度的信號。例如， 該信號可為致動器所產生的電壓準位，用以將台座抬升至給定位置。如上所述，在載入程序期間，致動器133將台座128向上抬升，直到上台座202的頂表面204抵接於固定環150的底表面220。若固定環較厚，則在接觸於固定環150之前，台座128將不會被抬升得如此高。另一方面，當固定環磨損且變得較薄，則在接觸於固定環150的底表面220之前，台座128將需要被抬升得較高。因此，來自致動器133的信號(在台座128抵接於固定環150的底表面220時所量測或產生)可關聯於固定環的厚度。在某些實施中，當台座抵接於固定環150的底表面220時，分離的感測器(例如線性編碼器或光學距離感測器)可偵測台座所行經的距離或台座128的位置。裝載罩110可用於量測固定環150的磨損量或厚度。此外，固定環厚度的量測可在正常的基板載入或卸下程序期間執行，而不用移除固定環或影響基板產量。

在某些實施中，固定環的厚度可針對數個信號值來憑經驗量測，且可產生查找表來轉換該信號值成為厚度量測。在某些實施中，來自致動器133的「原始」信號(例如電壓值)可使用作為厚度信號。

在某些實施中，控制器160配置成決定固定環150的磨損量，亦即，從固定環150移除的厚度。例如，控制器可儲存針對「新的」固定環150所產生的厚度信號值。之後，當固定環150磨損時，可從所儲存的厚度信號值減去稍後的厚度信號值，以產生差異值。此差異值代表從固定環150移除的厚度。

「新的」信號(厚度量測)與磨損量都視為是固定環厚度信號。

在某些實施中，控制器160可比較該厚度信號與臨界值。在新的信號或厚度量測的實例中，若厚度信號低於臨界值(或在差異信號的實例中為超過臨界值)，則控制器160可產生一信號(例如可被操作者看到或聽到的信號)，表示固定環需要更換。如此允許當固定環已經磨損至預定厚度時才更換固定環，而非經過預定數量的研磨操作之後，此舉可以允許固定環被使用到較接近它的最大壽命。

在某些實施中，控制器160使用厚度信號來決定調整承載頭104所施加的一或多個壓力。例如，固定環150的垂直位置可被調整，例如藉由設定來自壓力源154的合適壓力，使得當固定環磨損時，研磨墊被每個基板壓縮的量更一致。替代地或額外地，一或多個腔室152a、152b中的壓力可被調整，以補償因為固定環厚度改變所導致之基板邊緣處的研磨率的改變。在某些實施中，控制器160儲存一個表，該表將不同厚度信號值關聯於不同校正因子。校正因子可為附加的或增加的。藉由施加校正因子至承載頭所施加的壓力，在固定環的生命週期中可減少晶圓內的不一致(WIWNU,within-Wafer non-Uniformity)與晶圓間的不一致(WTWNU)。

本發明已經用多個實施例來敘述。但是，本發明不限於所述與所繪的實施例。而是，本發明的範圍是由所附申請專利範圍所界定。

本發明的主張如下。

10‧‧‧基板

110‧‧‧裝載罩

130‧‧‧罩

132、133‧‧‧致動器

136、138‧‧‧軸

146‧‧‧凹槽(口部)

150‧‧‧固定環

202‧‧‧上台座

204‧‧‧頂表面

206‧‧‧突出部

208‧‧‧凹陷區

212‧‧‧唇部

214‧‧‧傾斜內壁

216‧‧‧頂表面

220‧‧‧底表面

222‧‧‧頂表面

224‧‧‧下部

226‧‧‧上部

228‧‧‧內直徑表面

230‧‧‧傾斜部

232‧‧‧下表面

A‧‧‧箭頭

Claims (18)

1. 一種裝載罩設備，用於傳送在一處理系統中的一基板，該設備包括：一台座裝置，該台座裝置具有一基板支撐，該基板支撐配置來支撐該基板的一邊緣(rim)，該台座裝置進一步包括一頂表面及自該頂表面向上突伸的一唇部，且該唇部配置來環繞一承載頭的一固定環以接收該基板，該頂表面及該唇部固定至該基板支撐，使得該頂表面及該唇部與該基板支撐垂直地行進；一致動器，該致動器配置來移動該台座裝置而與該基板支撐、該頂表面及該唇部一起移動至一載入或卸下位置，使得該台座裝置的該頂表面與該承載頭之該固定環的一底表面相接觸，該致動器配置來根據該台座裝置所行經的一距離來產生一固定環厚度信號，以使該台座裝置的該頂表面與該固定環相接觸，同時該基板支撐相對於該頂表面保持垂直地固定；及一控制器，該控制器配置來從該致動器接收該固定環厚度信號。
2. 如請求項1所述之設備，其中該台座裝置包括一主體，該主體具有該頂表面與用以支撐該基板的一向內突伸突出部，該突出部具有在該頂表面之下的一上表面。
3. 如請求項2所述之設備，該唇部具有一傾斜內壁。
4. 如請求項3所述之設備，其中該唇部具有一水平表面，該水平表面從該傾斜內壁徑向向外。
5. 如請求項1所述之設備，其中該控制器係配置來比較該固定環厚度信號與一臨界值，且該控制器係配置來根據該比較來決定是否要產生一警示。
6. 如請求項1所述之設備，其中該控制器係配置成根據該固定環厚度信號來調整該承載頭中之至少一個腔室的一壓力。
7. 如請求項6所述之設備，其中該控制器係配置成從該固定環厚度信號來決定一固定環厚度值。
8. 如請求項7所述之設備，其中該控制器係配置成儲存一查找表，該查找表將信號值關聯於厚度值。
9. 如請求項6所述之設備，其中該至少一個腔室包括調整該固定環之一垂直位置的一腔室。
10. 如請求項1所述之設備，其中該固定環厚度信號包括該致動器的一電壓。
11. 如請求項1所述之設備，其中該控制器係配置成在載入該基板至該承載頭中的期間，接收該固定環厚度信號。
12. 如請求項1所述之設備，其中該控制器係配置成在從該承載頭卸下該基板的期間，接收該固定環厚度信號。
13. 一種裝載罩設備，用於傳送在一處理系統中的一基板，該設備包括：一台座裝置，該台座裝置具有一基板支撐，該基板支撐配置來支撐該基板的一邊緣，該台座裝置進一步包括一頂表面及自該頂表面向上突伸的一唇部，該唇部配置來環繞一承載頭的一固定環以接收該基板，該頂表面及該唇部固定至該基板支撐，使得該頂表面及該唇部與該基板支撐垂 直地行進；一致動器，該致動器配置來移動該台座裝置而與該基板支撐、該頂表面及該唇部一起移動至一位置，使得該台座裝置的該頂表面與該承載頭之該固定環的一底表面相接觸；一感測器，該感測器用以決定該台座裝置所行經的一距離，以使該台座裝置的該頂表面與該固定環相接觸，同時該基板支撐相對於該頂表面保持垂直地固定；及一控制器，該控制器配置來接收來自該感測器的一信號，且根據來自該感測器的該信號來決定該固定環的一厚度。
14. 如請求項13所述之設備，其中該信號包括該致動器的一電壓。
15. 如請求項13所述之設備，其中該控制器係配置成在載入該基板至該承載頭中的期間，接收該固定環厚度信號。
16. 如請求項13所述之設備，其中該控制器係配置成根據該固定環厚度信號來調整該承載頭中之至少一個腔室的一壓力。
17. 一種研磨設備，包括：一研磨台；一轉移台，該轉移台包括一台座裝置與一致動器，該台座裝置具有一基板支撐，該基板支撐配置來支撐一基板的一邊緣，該台座裝置進一步具有一頂表面及自該頂表面向上突伸的一唇部，該頂表面及該唇部固定至該基板支撐， 使得該頂表面及該唇部與該基板支撐垂直地行進，該致動器配置來移動該台座裝置而與該基板支撐、該頂表面及該唇部一起移動至一載入或卸下位置，該致動器配置來根據該台座裝置所行經的一距離來產生一信號；一承載頭，該承載頭可在該研磨台與該轉移台之間移動，該承載頭包括一固定環與複數個可獨立施加壓力的腔室，其中該唇部配置來環繞一承載頭的一固定環，且其中在該載入或卸下位置中，該台座裝置的該頂表面接觸於該固定環的一底表面；及一控制器，該控制器配置來根據該台座裝置所行經的一距離從該致動器接收該信號，以使該台座裝置的該頂表面與該固定環相接觸，同時該基板支撐相對於該頂表面保持垂直地固定，且根據該信號來調整該承載頭中之該複數個腔室的至少一個腔室的一壓力。
18. 一種操作一研磨設備的方法，包括以下步驟：從一台座裝置載入一基板到一承載頭，該台座裝置具有一基板支撐，該基板支撐配置來支撐該基板的一邊緣，該台座裝置進一步包括一頂表面及自該頂表面向上突伸的一唇部，該唇部配置來環繞一承載頭的一固定環以接收該基板，該頂表面及該唇部固定至該基板支撐，使得該頂表面及該唇部與該基板支撐垂直地行進；研磨該基板；及從該承載頭卸下該基板到該台座裝置；其中載入步驟或卸下步驟中之至少一者包括：抬升該台 座裝置而與該基板支撐、該頂表面及該唇部一起移動到該台座裝置的該頂表面接觸於該承載頭之該固定環之一底表面的一位置處；根據該台座裝置所行經的一距離來產生一固定環厚度信號，以使該台座裝置的該頂表面與該固定環相接觸，同時該基板支撐相對於該頂表面保持垂直地固定；以及根據該信號來調整該承載頭中之該複數個腔室的至少一個腔室的一壓力。