TWI805709B - 用於化學機械拋光期間的振動的監測的設備 - Google Patents

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Abstract

化學機械拋光設備包含：一平台，該平台支撐一拋光墊，該平台具有一凹部；一彈性膜，該彈性膜位於該凹部中；及一原地振動監測系統，該原地振動監測系統產生一信號。原地聲音監測系統包含由該彈性膜所支撐的一振動感測器，且放置該振動感測器以耦合至該拋光墊的一下側。

Description

用於化學機械拋光期間的振動的監測的設備
本揭示案相關於化學機械拋光的原地監測。
典型地藉由在矽晶圓上依序沉積傳導性、半傳導性、或絕緣層而在基板上形成積體電路。一個製造步驟涉及在非平面表面上沉積填充層及平面化該填充層。針對某些應用，平面化填充層直至曝露出圖案化層的頂部表面。導體填充層例如可沉積於圖案化絕緣層上以填充絕緣層中的凹溝或孔洞。平面化之後，絕緣層的升高圖案之間保留的金屬層的部分形成通孔、接頭、及線以提供基板上的薄膜電路之間的傳導路徑。針對其他應用，例如氧化物拋光，平面化填充層直至在非平面表面上留下預先決定厚度。此外，基板表面的平面化通常需要光微影。
化學機械拋光(CMP)為一個被接受的平面化方法。此平面化方法典型地需要基板被裝設於載具或拋光頭上。典型地放置基板的曝露表面以抵著旋轉拋光墊。載具頭在基板上提供可控制負載以推動基板抵著拋光墊。典型地將研磨拋光漿供應至拋光墊表面。
CMP中的一個問題是：決定拋光製程是否完成，亦即，基板層是否平面化至所需平坦度或厚度，或何時已移除所需量的材料。漿分佈、拋光墊條件、拋光墊與基板之間的相對速度、及基板上的負載的變化可造成材料移除率的變化。該等變化以及基板層的初始厚度的變化造成達到拋光終點所需要的時間的變化。因此，拋光終點通常不能僅決定為拋光時間的函數。
在一些系統中，在拋光期間原地監測基板，例如，藉由監測馬達旋轉平台或載具頭所需的力矩。亦提出拋光的聲音監測。然而，現存的監測技術無法滿足半導體裝置製造商日益增高的要求。
如上述，提出化學機械拋光的聲音監測。藉由同時提供感測器及拋光墊可相對於平台移動的部分，感測器可提取選擇性地定位至該部分的振動行為。
在一個態樣中，化學機械拋光設備包含：一平台，該平台支撐一拋光墊，該平台具有一凹部；一彈性膜，該彈性膜位於該凹部中；及一原地振動監測系統，該原地振動監測系統產生一信號。該原地聲音監測系統包含由該彈性膜所支撐的一振動感測器，且放置該振動感測器以耦合至該拋光墊的一下側。
實施方式可包含以下特徵之一者或更多者。
該拋光墊可具有一拋光層及一背層。該背層中可具有一孔隙，且該振動感測器可直接接觸該拋光層的一下側。該拋光墊可包含一墊部分，該墊部分藉由一材料耦合至該拋光墊的一剩餘部分，該材料軟於該墊部分。該材料可完整地側向地環繞該墊部分。該拋光墊及該拋光層的該剩餘部分可具有相同的材料成分。該拋光層可具有溝槽，且可將該材料放置於該等溝槽的底部處。
可加壓該彈性膜下方的一容積。該彈性膜可提供一可充氣氣球。該彈性膜可延伸跨過該凹部以密封該彈性膜下方的該容積。幫浦可加壓該容積且促使該振動感測器與該拋光墊接觸。
控制器可經配置以接收來自該振動感測器的信號且偵測一拋光終點。該控制器可經配置以偵測一下方層的曝露。
實施方式可包含以下潛在優點之一者或更多者。聲音或振動感測器可具有較強的信號。可更可靠地偵測下方層的曝露。可更可靠地暫停拋光，且可改良晶圓至晶圓的均勻性。
在所附圖式及下方描述中提出一個或更多個實施例的細節。基於描述及圖式及基於請求項，其他態樣、特徵及優點將為明顯的。
一般而言，在化學機械拋光中，可藉由拋光墊及基板之間的連續黏上/滑走的動作來達成材料移除製程；此黏上/滑走的動作應產生獨特的振動特性(例如，頻率或振幅)，取決於處理條件及待拋光的材料而定。在一些半導體晶片製程中，拋光上方層(例如金屬、氧化矽或多晶矽)直至曝露下方層(例如，介電質，如氧化矽、氮化矽、或高介電常數介電質)。在曝露下方層時，拋光墊及基板之間的黏上/滑走的動作會改變，因而拋光墊中的振動(例如，振動的頻率頻譜)會改變。可藉由偵測振動的此改變來決定拋光終點。
在伸展及釋放拋光墊作為持續黏上/滑走的動作中的部分時，可造成待監測的振動。該等振動不必與僅由基板抵著拋光墊的摩擦所產生的噪聲相同(有時亦稱為聲音信號)；振動可發生在與其他摩擦性噪聲不同的頻率範圍中。
然而，聲音監測的潛在問題為振動的減振。特定而言，若拋光墊固定至平台(例如，藉由黏著劑)，此將趨於減緩拋光墊的振動。因此，擁有經配置以用於良好信號傳輸的拋光墊及擁有位於具有低衰減信號的位置的感測器將為有利的。
圖1圖示拋光設備100的實例。拋光設備100包含可旋轉碟狀平台120，拋光墊110安置於平台120上。可操作平台以繞著軸125旋轉。例如，馬達121(例如，直流電感應馬達)可轉動驅動軸件124以旋轉平台120。
拋光墊110可為兩層拋光墊，具有外拋光層112及較軟的背層114。在一些實施方式中，在拋光墊110的拋光層112的頂部表面中形成複數個漿傳輸溝槽116(見圖2)。溝槽116部分地但非完全地延伸穿過拋光層112的厚度。
拋光設備100可包含埠130以分配拋光液體132(例如，研磨漿)至拋光墊110上至該墊。拋光設備亦可包含拋光墊調節器以研磨拋光墊110以維持拋光墊110於持續一致的研磨狀態。
拋光設備100包含至少一個載具頭140。可操作載具頭140以維持基板10抵著拋光墊110。每一載具頭140可具有獨立控制的相關聯於每一個別基板的拋光參數，例如壓力。
載具頭140可包含保持環142以保持基板10於彈性膜144下方。載具頭140亦包含由該膜界定的一個或更多個可獨立控制的可加壓腔室，例如，三個腔室146a至146c，該等腔室可應用可獨立控制的加壓至彈性膜144上的相關聯區域，因而應用至基板10上。儘管為了容易圖示，圖1中僅圖示三個腔室，可有一個或兩個腔室、或四個或更多個腔室，例如，五個腔室。
載具頭140自支撐結構150(例如，圓盤傳送帶或軌道)懸吊且藉由驅動軸件152連接至載具頭旋轉馬達154(例如，DC感應馬達)，使得載具頭可繞著軸155旋轉。可選地，每一載具頭140可側向地振盪，例如，在圓盤傳送帶150上的滑塊上，或藉由圓盤傳送帶自身的旋轉振盪，或藉由沿著軌道滑動。在典型操作中，平台係繞著其中央軸125旋轉，且每一載具頭係繞著其中央軸155旋轉且側向地平移跨過拋光墊的頂部表面。
儘管僅展示一個載具頭140，但可提供更多載具頭以維持額外的基板，使得可有效使用拋光墊110的表面面積。
控制器190(例如，可程式化電腦)連接至馬達121、154以控制平台120及載具頭140的旋轉率。例如，每一馬達可包含編碼器以量測相關聯驅動軸件的旋轉率。回饋控制電路(可位於馬達本身中、為控制器的部分、或獨立電路中)接收來自編碼器的量測的旋轉率且調整供應至馬達的電流以確保驅動軸件的旋轉率匹配控制器所接收的旋轉率。
拋光設備100包含至少一個原地墊振動監測系統160。原地墊振動監測系統160包含一個或更多個振動感測器162。每一振動感測器162可安裝於上方平台120上的一個或更多個位置處。特定而言，原地聲音監測系統可經配置以偵測在基板10的材料經受變形時由應力能量所造成的聲音發射。
可使用位置感測器(例如，連接至平台或旋轉編碼器的輪緣的光學斷續器)以感測平台120的角度位置。此准許在終點偵測中僅使用在感測器162接近基板時所量測的部分信號，例如，在感測器162位於載具頭或基板下方時。
在圖1及2中所展示的實施方式中，振動感測器162放置於平台120中的凹部164中或上方，且與拋光墊110的下側接觸。在一些實施方式中，在背層114中形成孔隙118，且振動感測器162與拋光層112的下側直接接觸。
感測器162可藉由電路系統168經由旋轉耦合(例如，水銀滑環)連接至功率供應及/或其他信號處理電子元件166。信號處理電子元件166可依序連接至控制器190。可藉由內建內放大器來放大來自感測器162的信號。若必要，可接著進一步將來自感測器162的信號放大及濾波，且經由A/D埠數位化至例如電子元件166中的高速資料認知板。可以1至3 Mhz記錄來自感測器162的資料。
可藉由置於凹部164中的彈性及可充氣膜170來支撐振動感測器162。在一些實施方式中，膜170在凹部164底部及振動感測器162之間形成氣球般結構172。替代地，膜170可簡單伸展跨過凹部164的部分以在膜170的頂部表面下方形成可加壓容積。
膜170下方或內部的可加壓容積可將感測器162偏壓以與拋光墊110接觸。另一方面，彈性膜(例如，氣球般結構)准許感測器162有效地在三個軸上(兩個平行於拋光墊表面且一個垂直於拋光墊表面)自平台120解耦。此准許感測器162在操作時不會被平台120的結構影響阻礙。
此外，參考圖2至3，拋光墊110接觸感測器162的部分180可藉由較軟材料182與拋光墊的剩餘部分振動隔絕。此准許墊部分180結合至感測器162以相對於拋光墊110的剩餘部分平移。因此，感測器162可在操作時不被來自拋光墊110的剩餘部分的結構剛性阻礙(例如，拋光墊至平台的結合)。較軟材料182可完整環繞部分180。墊部分180可為圓形、矩形等。墊部分180與拋光層112的剩餘部分為相同材料。
儘管圖2圖示較軟材料182置於溝槽116底部，此為非必要；較軟材料182可位於拋光層112的全厚度的區域中，且亦可延伸穿過背層114(例如，見圖1)。
振動感測器162可位於平台120的中央處，例如，旋轉軸125處、平台120邊緣處、或中點處(例如，針對20吋直徑的平台，距旋轉軸5吋)。
返回參看圖1，在拋光墊的部分180在基板10下方旋轉時，部分180及基板10之間的黏上/滑走的動作造成某些振動特性。然而，因為部分180及感測器162係自由獨立於拋光墊110及平台120的其他部分，因此感測器可選擇性地提取來自墊部分180的振動行為。
在一些實施方式中，可將氣體引導進入凹部164。例如，可自壓力來源180(例如，幫浦或氣體供應線)引導氣體(例如，空氣或氮氣)經由管道182(由平台120中的管線及/或通路所提供)進入凹部164。出口埠184可將凹部164連接至外部環境且准許氣體自凹部164逸漏。氣流可加壓凹部164以減少漿逸漏進入凹部164及/或逸漏進入凹部164的沖洗漿經由出口埠184離開，從而減少對感測器162的污染的電子元件或其他部件的損壞的可能性。
來自感測器162的信號(例如，在放大、初步濾波及數位化之後)可經受資料處理(例如，在控制器190中)以用於終點偵測或回饋或前饋控制。
在一些實施方式中，實現信號的頻率分析。例如，可在信號上實現快速傅立葉轉換(FFT)以產生頻率頻譜。可監測特定的頻帶，且若頻帶中的強度跨過臨界值，此可指示下方層的曝露，此可用以觸發終點。替代地，若在選擇的頻率範圍中局部最大值或最小值的寬度跨過臨界值，此可指示下方層的曝露，可使用以觸發終點。
作為另一實例，可在信號上實現小波封包轉換(WPT)以將信號分解為低頻分量及高頻分量。若必要，分解可經迭代以將信號破解為較小分量。可監測頻率分量之其中一者的強度，若該成分中的強度跨過臨界值，此可指示下方層的曝露，可使用以觸發終點。
可例如在實驗性決定臨界值之後拋光裝置基板。在拋光站台拋光裝置基板且自原地振動監測系統收集振動信號。
監測信號以偵測下方層的曝露。例如，可監測特定頻率範圍，且可監測強度且與臨界值比較。
拋光終點的偵測觸發拋光暫停，但拋光可在終點觸發之後持續進行達預定的時長。替代地或額外地，可前饋所收集的資料及/或終點偵測時間以在後續處理操作中控制基板處理，例如，在後續站台拋光，或可反饋以控制相一拋光站台對後續基板的處理。
可在數位電子電路或電腦軟體、韌體、或硬體中實施方式本說明書中所述的實施方式及所有功能操作，包含本說明書中所揭露的結構構件及其結構等效物或上述之組合。可將此處所述的實施方式實施方式為一個或更多個非暫態電腦程式產品，亦即，具體體現於機器可讀取儲存裝置中的一個或更多個電腦程式，以用於資料處理設備(例如，可程式化處理器、電腦、或多個處理器或電腦)的執行或控制資料處理設備的操作。
電腦程式(亦公知為程式、軟體、軟體應用、或程式碼)可被寫成任何形式的程式語言，包含經編譯或經解譯語言，且可以任何形式配置，包含獨立運作程式或作為模組、部件、子常式、或適於使用於計算環境中的其他單元。電腦程式不必對應檔案。程式可儲存於維持其他程式或資料的檔案的一部分中、專用於提到的程式的單一檔案中、或在多個協同檔案中(例如，儲存一個或更多個模組、子程式、或部分程式碼的檔案)。電腦程式可經配置以在一個電腦上或一個站體處或藉由通訊網路內部連接跨多個站體分佈的多個電腦上執行。
可藉由執行一個或更多個電腦程式的一個或更多個可程式化處理器來實現本說明書中所述處理及邏輯流程，以藉由在輸入資料上操作及產生輸出來實現功能。亦可藉由特殊目的邏輯電路(例如，FPGA(現場可程式化閘陣列)或ASIC(特殊應用積體電路))來實現製程及邏輯流程，且亦可將設備實施方式成特殊目的邏輯電路。
用語「資料處理設備」擁有所有設備、裝置、及機器以用於處理資料，包含(藉由實例方式)可程式化處理器、電腦、或多個處理器或電腦。除了硬體外，設備可包含產生用於提到的電腦程式的執行環境的程式碼，例如，構成處理器韌體、協定堆疊、資料庫管理系統、作業系統、或上述之其中一者或更多者的組合之程式碼。適於電腦程式執行的處理器包含(藉由實例方式)一般及特殊目的微處理器兩者，及任何類型的數位電腦的任何一個或更多個處理器。
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上述拋光設備及方法可應用於多種拋光系統中。拋光墊、或載具頭、或上述兩者可移動以提供拋光表面及晶圓之間的相對運動。例如，平台可沿軌道而非旋轉。拋光墊可為固定至平台的圓形(或一些其他形狀)墊。終點偵測系統的一些態樣可應用至線性拋光系統(例如，拋光墊為連續的或線性移動的捲到捲帶)。拋光層可為標準的(例如，具有或不具有濾材的聚氨酯)拋光材料、軟材料、或固定研磨材料。使用相對定位的用語；應理解拋光表面及晶圓可維持於垂直定向或一些其他定向中。
儘管本說明書含有許多特例，該等特例不應被詮釋為限制於可請求之範圍，而是作為可特定於特定發明之特定實施例之特徵的描述。在一些實施方式中，方法可應用至覆蓋及下方材料之其他組合，及應用至來自其他類別的原地監測系統(例如，光學監測或渦流監測系統)的信號。
10‧‧‧基板 100‧‧‧拋光設備 110‧‧‧拋光墊 112‧‧‧拋光層 114‧‧‧背層 116‧‧‧溝槽 118‧‧‧孔隙 120‧‧‧平台 121‧‧‧馬達 124‧‧‧驅動軸件 125‧‧‧軸 130‧‧‧埠 132‧‧‧拋光液體 140‧‧‧載具頭 142‧‧‧保持環 144‧‧‧彈性膜 146a‧‧‧腔室 146b‧‧‧腔室 146c‧‧‧腔室 150‧‧‧支撐結構 152‧‧‧驅動軸件 154‧‧‧載具頭旋轉馬達 155‧‧‧軸 160‧‧‧原地墊振動監測系統 162‧‧‧振動感測器 164‧‧‧凹部 166‧‧‧信號處理電子元件 168‧‧‧電路 170‧‧‧膜 172‧‧‧氣球般結構 180‧‧‧部分 182‧‧‧較軟材料 184‧‧‧出口埠 190‧‧‧控制器
圖1圖示拋光設備的實例的示意橫截面視圖。
圖2圖示接合拋光墊的一部分的振動監測感測器的示意橫截面視圖。
圖3圖示具有振動監測感測器的平台的示意頂部視圖。
多個圖式中相似的參考符號指示相似的元件。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
10:基板
100:拋光設備
110:拋光墊
112:拋光層
114:背層
116:溝槽
118‧‧‧孔隙
120‧‧‧平台
121‧‧‧馬達
124‧‧‧驅動軸件
125‧‧‧軸
130‧‧‧埠
132‧‧‧拋光液體
140‧‧‧載具頭
142‧‧‧保持環
144‧‧‧彈性膜
146a‧‧‧腔室
146b‧‧‧腔室
146c‧‧‧腔室
150‧‧‧支撐結構
152‧‧‧驅動軸件
154‧‧‧載具頭旋轉馬達
155‧‧‧軸
160‧‧‧原地墊振動監測系統
162‧‧‧振動感測器
164‧‧‧凹部
166‧‧‧信號處理電子元件
168‧‧‧電路
180‧‧‧部分
182‧‧‧較軟材料
184‧‧‧出口埠
190‧‧‧控制器

Claims (13)

  1. 一種化學機械拋光設備，包括：一平台，該平台支撐一拋光墊，該平台具有一凹部，且其中該拋光墊具有一拋光層及一背層，及一墊部分，該墊部分藉由一材料耦合至該拋光墊的一剩餘部分，該材料軟於該墊部分；一彈性膜，該彈性膜位於該凹部中，其中該彈性膜在該彈性膜下方的該凹部中界定一可加壓容積，其中該可加壓容積完全被包括在該彈性膜內；及一原地振動監測系統，該原地振動監測系統產生一信號，該原地振動監測系統包含由該彈性膜所支撐的一振動感測器，且放置該振動感測器以耦合至該拋光墊的一下側。
  2. 如請求項1所述之設備，包括該背層中的一孔隙，且其中該振動感測器直接接觸該拋光層的一下側。
  3. 如請求項1所述之設備，其中該材料完整地側向地環繞該墊部分。
  4. 如請求項1所述之設備，該拋光墊的該墊部分及該拋光墊的該剩餘部分具有相同的該材料成分。
  5. 如請求項1所述之設備，其中該拋光層具有溝槽，且將該材料放置於該等溝槽的該底部處。
  6. 如請求項1所述之設備，其中該彈性膜延伸跨過該凹部以密封該彈性膜下方的該容積。
  7. 如請求項1所述之設備，包括一幫浦以加壓該容積且促使該振動感測器與該拋光墊接觸。
  8. 如請求項1所述之設備，包括一控制器，該控制器經配置以接收來自該振動感測器的信號且偵測一拋光終點。
  9. 如請求項1所述之設備，其中該控制器經配置以偵測一下方層的曝露。
  10. 一種化學機械拋光設備，包括：一平台，該平台支撐一拋光墊，該平台具有一凹部；一彈性膜，該彈性膜位於該凹部中，該彈性膜延伸跨過該凹部以密封該彈性膜下方的該容積且形成一可加壓腔室；一原地振動監測系統，該原地振動監測系統產生一信號，該原地振動監測系統包含由該彈性膜所支撐的一振動感測器，且放置該振動感測器以耦合至該拋光墊的一下側；及一幫浦，該幫浦加壓該腔室且促使該振動感測器與該拋光墊的該下側接觸。
  11. 如請求項10所述之設備，其中該彈性膜提供一可充氣氣球。
  12. 一種化學機械拋光設備，包括：一平台，該平台具有一凹部，其中該凹部具有一底部表面及側壁；一拋光墊，在該平台上支撐該拋光墊，其中該拋光墊具有一拋光層及一背層，及一墊部分，該墊部分藉由一材料耦合至該拋光墊的一剩餘部分，該材料軟於該墊部分；一彈性膜，該彈性膜在該凹部的該等側壁之間延伸，其中該彈性膜在該凹部的該底部及該彈性膜之間界定一可加壓容積；及一原地振動監測系統，該原地振動監測系統產生一信號，該原地振動監測系統包含由該彈性膜所支撐的一振動感測器，且放置該振動感測器以耦合至該拋光墊的一下側。
  13. 如請求項12所述之設備，其中該彈性膜在三個垂直軸上自該平台解耦該感測器。
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