TWI806985B - 研磨設備 - Google Patents
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Abstract
研磨設備包括：一研磨站用於保持一研磨墊；一載體頭用於在研磨站處保持基板與研磨墊接觸；一相機，定位成當易損零件移動遠離研磨墊時，拍攝易損零件的下表面的一影像；以及一控制器配置以對影像執行影像處理演算法以決定易損零件是否被損壞。易損零件可為承載頭上的保持環，或調節器頭上的調節器盤。
Description
本案關於在化學機械研磨系統中監測易損零件，例如保持環及/或調節器盤。
化學機械研磨(CMP)是用於製造高密度集成電路的許多製程之一。化學機械研磨通常通過在研磨液存在下使基板相對於研磨材料移動來進行。在許多研磨應用中，研磨液含有磨料漿，以有助於在加工過程中壓在研磨材料上的基材的特徵面的平面化。
在研磨操作期間，基板通常由承載頭保持。傳統的承載頭包括限定基板保持袋的保持環。可透過對一彈性膜的靜摩擦而將基板保持在基板保持袋中。保持環防止基板在研磨過程中從研磨頭下方滑出。
在研磨過程中，通常將保持環壓在研磨墊上。承載頭中的可加壓腔室可以控制保持環的垂直位置。保持環通常由可穿戴材料形成，並且隨著研磨的進行，保持環的底表面被磨損。因此，保持環的厚度可以在處理多個基板的過程中改變。最後可能需要更換保持環。
此外，在CMP製程執行一段時間之後，由於從基板及/或研磨墊所移除的漿料副產物及/或材料的累積，研磨墊的表面會變成擦光的。擦光會降低研磨速率或增加基板上的不均勻性。
通常，透過用襯墊調節器調節的過程而將研磨墊保持在所需的表面粗糙度（並且避免擦光）。襯墊調節器用於去除研磨墊上不需要的積聚物，並將研磨墊的表面再生成所需的粗糙度。典型的襯墊調節器包括通常嵌有鑽石磨料的研磨盤，其可以刮擦研磨墊表面以將該墊重新紋路化。然而，調節過程也傾向於磨損調節器盤本身。因此，在一定數量的研磨和調節循環之後，可能需要更換調節器盤。
一種研磨設備包括：一研磨站用於保持一研磨墊；一載體頭用於在研磨站處保持基板與研磨墊接觸；一相機，定位成當易損零件移動遠離研磨墊時，拍攝易損零件的下表面的一影像；以及一控制器配置以對影像執行影像處理演算法以決定易損零件是否被損壞。易損零件可為承載頭上的保持環，或調節器頭上的調節器盤。
實現方式的優點，可包括一個或多個以下所列者。化學機械研磨系統的易損零件，例如保持環及/或調節器盤，可以在因這些零件的損壞影響研磨處理之前作更換。這可以減少刮痕與缺陷，並改善研磨均勻性。
除了諸如保持環或調節器盤之類的易損零件的一般磨損（例如，厚度減小）之外，這種易損零件還可能以不特別改變其厚度的方式損壞。例如，保持環的內表面可能有凹口或裂縫，這會引起研磨不均勻性。類似地，調節器盤上的磨料顆粒可能鬆脱，這會在調節過程中引入不均勻性。
然而，藉由將相機放置在研磨系統中以定期掃描易損零件的位置，可以拍攝易損零件的圖像。該圖像接著經由影像分析軟體，例如，透過一機器學習技術訓練的一演算法，以識別出損壞的易損零件。
圖1記載了簡化的化學機械研磨系統100的局部剖面圖，其包括研磨站102、承載頭104及負載杯110。各種組件可以支撐在底座126上。可適用於受益於本發明的合適的研磨系統的實例，包括可從美商應用材料（Applied Materials）獲得的MIRRA™化學機械研磨系統與REFLEXION™化學機械研磨系統。
在一實施方式中，研磨站102包括一可旋轉平台106，其上設置有一研磨墊116。平台106係可操作以繞一軸旋轉。例如，馬達180可以轉動一驅動軸以旋轉平台106。
研磨墊116可為傳統的聚氨酯研磨墊、固定的研磨材料、或適於化學機械研磨的其他墊。研磨墊116可為具有一外研磨層及一較軟背襯層的一雙層研磨墊。
研磨站102另外包括研磨液源108，其適於在處理期間向研磨墊116的工作表面提供一研磨液。在圖1所示的實施例中，具有至少一個噴嘴114的臂112經定位以在處理期間使研磨液流到研磨材料116上。研磨液可以包括磨料顆粒，例如，研磨液可為一研磨漿料。
研磨站102還可包括研磨墊調節器160，以研磨研磨墊116以將研磨墊116保持在一致的研磨狀態。研磨墊調節器160包括調節器基座，可在研磨墊116上橫向掃過的臂162，以及透過臂162連接到基座的調節器頭164。調節器基座可以支撐在研磨系統機器底座126上。調節器頭164使研磨表面（例如，由調節器頭164保持的盤166的下表面）與研磨墊116接觸以調節它。研磨表面可為可旋轉的，並且研磨表面對研磨墊的壓力可為可控制的。
在一些實施方式中，臂162可樞轉地附接到調節器基座並前後掃掠以使調節器頭164以一振盪掃掠運動的方式通過研磨墊116。調節器頭164的運動可以與承載頭104的運動同步以防止碰撞。調節器頭164的垂直運動以及在研磨墊116上的調節表面的壓力的控制，可以由調節器頭164上方或內部的垂直致動器提供，例如，一可加壓腔室經定位以向調節器頭部164施加向下的壓力，或者透過基座中的一垂直致動器提升整個臂162與調節器頭164，或者透過在臂162與基座之間的一樞轉連接，其允許臂162的可控制傾斜角度，並因此控制調節器頭164的在研磨墊116上方的高度。
研磨站102還可包括定位至平台106側面的調節器沖洗杯168。在研磨操作之後，臂162可以擺動以將包括調節器盤166的調節器頭164放入沖洗杯168中。沖洗杯168可包括噴嘴，噴嘴配置成對頭164與盤166噴射一清潔液（例如去離子水），以沖洗掉任何碎屑、顆粒或污染物。
承載頭104懸掛在支撐結構118上，例如轉盤或軌道，其可以作為連接至底座126的傳送機構。傳送機構通常用來將承載頭104選擇性地定位在研磨墊116上方的一處理位置與負載杯110上方的一傳送位置之間。承載頭104可透過一驅動軸連接到承載頭驅動機構124，例如一旋轉馬達，使得承載頭104可以旋轉。
在操作中，平台圍繞其中心軸旋轉，且承載頭104圍繞其中心軸旋轉並橫向地橫跨研磨墊116的上表面平移。可選地，在研磨期間，承載頭104可以橫向擺動，例如，在轉盤或軌道上的滑塊上；或者藉由轉盤本身的旋轉擺動。
在圖1記載的實施方式中，傳送機構118包括具有懸臂122的支柱120，懸臂122可以旋轉以橫向定位承載頭104。承載頭104可藉由馬達124連接至臂122。研磨頭104相對於底座126的高度可以由驅動機構124或由承載頭104內的可加壓腔室控制。
一般而言，研磨頭104包括殼體140及固定環150，固定環150固定在殼體的邊緣附近，例如固定至邊緣142，以在研磨過程中將基板保持在研磨頭104的凹槽146內。在一些實施方式中，承載頭104包括彈性膜148，在彈性膜148後面是複數個可獨立加壓的腔室，其可以向基板的不同徑向區域施加不同的壓力。例如，承載頭可包括第一腔室152a與第二腔室152b，第一腔室152a用於向基板的中央部分施加壓力，第二腔室152b用於向基板的邊緣部分施加壓力。腔室152a、152b係耦接至壓力源154（為簡化，在圖1中僅顯示出一個），使得腔室152a、152b能獨立地被控制充氣或放氣。
為了進行傳送操作，可以使彈性膜148與基板接觸，並且可以使一或多個腔室152a、152b放氣，從而在基板與彈性膜之間產生真空，從而將基板固定在承載頭104上。為了執行研磨操作，可使一或多個腔室152a、152b充氣，從而將基板壓靠在研磨墊115上。
保持環150的垂直位置以及保持環150相對於研磨墊116的壓力也可為可調節的，例如通過驅動機構124或通過承載頭104內的另一個可加壓腔室。控制保持環150的垂直位置的在承載頭104內的可加壓腔室中的壓力，可由壓力源154來控制。
負載杯110通常包括基座總成128及杯130。基座總成128提供與研磨頭104配合的一結構，以確保在基板傳送期間的它們之間的對準。基座總成128通常經延伸以將基板傳送到研磨頭104，並從延伸位置縮回以在移除卡盤(de-chucking)的過程中接收基板。
控制器190，如包括微處理器的一程式化電腦，經配置以控制研磨系統100的各種組件。例如，控制器190可以耦接至馬達124、180以分別控制承載頭104與平台106的旋轉速度，耦接至壓力源164以控制承載頭104中的壓力，耦接至控制傳送裝置118的定位的致動器，耦接至致動器132、133以控制負載杯110的操作，耦接至調節器系統160中的致動器以控制調節器頭164的位置以及調節器盤166的在研磨墊116上的下壓力，耦接至研磨液供應108以控制流至研磨墊上的研磨液的流速，及/或耦接至調節器沖洗盤168以控制噴嘴的操作以在調節器頭164上噴射清潔液。
雖然控制器190圖示為一單一零件，但控制器190可以分佈在連接電腦網絡的多個處理組件上。
如上所述，如保持環150及/或調節器盤166等易損零件，可能遭受損壞或過度磨損。研磨系統100還包括易損零件監控系統，以偵測易損零件是否損壞。
特別地，研磨系統100包括一個或多個相機200，其經定位以拍攝易損零件的下側的圖像。每個相機可定位在可攜帶易損零件的路徑中的一個點上。例如，用於監控保持環的一相機，可定位在該承載頭的在平台106與負載杯110之間行進的路徑上。類似地，用於監視調節器盤的一相機，可定位在該調節器頭的在平台106和沖洗杯168之間行進的路徑上。每個相機可以具有易損零件行進通過的一視野（如虛線所示）。
如一例，相機200a可定位在與平台106相鄰的底座126上。當承載頭104從研磨站102移動至負載杯110時，該相機200a可拍攝保持環150的下側的圖像，反之亦然。
如另一例，相機200b可定位在靠近負載杯110的底座126上。當承載頭104從研磨站102移動至負載杯110時，此相機200b可拍攝保持環150的下側的圖像，反之亦然。
如另一例，相機200c可定位在鄰近沖洗杯168的底座126上。當調節器頭164從研磨站102移動至沖洗杯168時，此相機200c可拍攝調節器盤166的下側的圖像，反之亦然。
在一些實施方案中，視野足夠寬以使得易損零件的整個下側可被拍攝在單一圖像中。在一些實施方式中，視野不覆蓋易損零件的整個下側，且當易損零件移動通過該視野時，該相機會拍攝多個圖像；該多個圖像包括該零件的整個下側。可選地，可將這些多個圖像拼接在一起以形成覆蓋易損零件的整個下側的單一圖像。可使用已知的圖像處理技術來執行圖像拼接。
來自相機200的圖像經由控制器190中的軟體執行的圖像處理演算法，以決定易損零件是否損壞。例如，圖像處理程式可經配置以從圖像中偵測保持環150的下表面的內邊緣中的裂縫或碎片。如另一例，圖像處理程式可經配置以從圖像中在保持環150的下表面上染色、刮擦或不尋常的表面紋理處理。如另一例，圖像處理程式可經配置以從圖像中偵測調節器盤166的下表面中的缺少的磨料顆粒、或磨損或污點的圖案。
在一些實施方式中，如果控制器190偵測到損壞的易損零件，則其可發訊號通知操作員需要更換。或者，如果控制器190偵測到損壞的易損零件，則可以調整研磨系統中的另一個組件的操作參數，以補償由損壞引起的不均勻性。
在一些實施方式中，可透過訓練一機器學習系統來產生圖像處理演算法。例如，機器學習系統可以用正常和「有缺陷」的易損零件的圖像進行訓練。圖像處理演算法可以通用神經網絡來實施。例如，神經網絡可為一卷積式神經網路或一完全連接的神經網路。可以通過以反向傳播模式操作來進行訓練。
本說明書中描述的本發明的實施例及所有功能操作，可在數位電子電路中實現，或者在電腦軟體、韌體或硬體中實現，包括本說明書中揭示的結構構件及其結構等同物，或其組合。本發明的實施例可以實現為一或多個電腦程式產品，亦即，有形地體現在資訊載具中的一或多個電腦程式，例如，在非暫時性機器可讀儲存媒體中或在傳播訊號中，用於執行、或資料處理設備的操作的控制，例如可程式化處理器、電腦或多個處理器或電腦。電腦程式（也稱為程式、軟體、軟體應用程式或代碼）可用任何形式的程式化語言編寫，包括編譯或解釋語言，並且可以以任何形式部署，包括作為獨立程式或作為適用於運算環境的模組、組件、子例程或其他單元。電腦程式不一定對應於一檔案。程式可以儲存在保存其他程式或資料的檔案的一部分中，儲存在專用於所述的程式的單一檔案中，或儲存在多個協調的檔案中（例如，儲存一個或多個模組、子程式或部分代碼的檔案）。可部署一電腦程式以在一個電腦上或在一個站點的多個電腦上執行，或者分佈在多個站點上並通過通訊網絡互連。
本說明書中描述的程序與邏輯流程，可由執行一或多個電腦程式的一或多個可編程處理器來執行，以透過對輸入資料進行操作並產生輸出來執行功能。該些程序與邏輯流程也可以由專用邏輯電路執行，而且裝置也可以實現為專用邏輯電路，例如一FPGA（現場可編程邏輯閘陣列）或ASIC（特定用途積體電路）。
已用若干實施方式描述了本發明。然而，本發明並不限於所示和所述的實施方式。相反，本發明的範圍由隨附申請專利範圍限定。
100‧‧‧化學機械研磨系統
102‧‧‧研磨站
104‧‧‧承載頭
106‧‧‧平台
108‧‧‧研磨液源
110‧‧‧負載杯
112‧‧‧臂
114‧‧‧噴嘴
116‧‧‧研磨墊
118‧‧‧支撐結構
120‧‧‧支柱
122‧‧‧懸臂
124‧‧‧驅動機構/馬達
126‧‧‧底座
128‧‧‧基座總成
130‧‧‧杯
132‧‧‧致動器
133‧‧‧致動器
140‧‧‧殼體
142‧‧‧邊緣
146‧‧‧凹槽
148‧‧‧彈性膜
150‧‧‧固定環
152a‧‧‧腔室
152b‧‧‧腔室
154‧‧‧壓力源
160‧‧‧研磨墊調節器
162‧‧‧臂
164‧‧‧調節器頭
166‧‧‧調節器盤
168‧‧‧沖洗杯
180‧‧‧馬達
190‧‧‧控制器
200‧‧‧相機
200a‧‧‧相機
200b‧‧‧相機
200c‧‧‧相機
圖1是一化學機械研磨系統的一實施方案的部分剖面的簡化側視圖。
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
100:化學機械研磨系統
102:研磨站
104:承載頭
106‧‧‧平台
108‧‧‧研磨液源
110‧‧‧負載杯
112‧‧‧臂
114‧‧‧噴嘴
116‧‧‧研磨墊
118‧‧‧支撐結構
120‧‧‧支柱
122‧‧‧懸臂
124‧‧‧驅動機構/馬達
126‧‧‧底座
128‧‧‧基座總成
130‧‧‧杯
132‧‧‧致動器
133‧‧‧致動器
140‧‧‧殼體
142‧‧‧邊緣
146‧‧‧凹槽
148‧‧‧彈性膜
150‧‧‧固定環
152a‧‧‧腔室
152b‧‧‧腔室
154‧‧‧壓力源
160‧‧‧研磨墊調節器
162‧‧‧臂
164‧‧‧調節器頭
166‧‧‧調節器盤
168‧‧‧沖洗杯
180‧‧‧馬達
190‧‧‧控制器
200a‧‧‧相機
200b‧‧‧相機
200c‧‧‧相機
Claims (20)
- 一種研磨設備，包含：一研磨站；一承載頭，用以在該研磨站保持一基板與一研磨墊接觸，該承載頭包括一保持環；一相機，該相機經定位以當該承載頭移動遠離該研磨墊時，拍攝該保持環的一下表面的一影像；以及一控制器，該控制器配置以對該影像執行一影像處理演算法，以決定該保持環的該下表面是否受損，其中損壞包含以下一或多者i)裂縫、ii)碎片、iii)污點及iv)刮痕。
- 如請求項1所述之研磨設備，其中該影像處理演算法包含一經訓練的機器學習演算法。
- 如請求項1所述之研磨設備，包含一基板傳送站以從該承載頭負載及/或卸載該基板，其中該承載頭係在該研磨站與該傳送站之間為可移動的。
- 如請求項3所述之研磨設備，其中該相機經定位以當該承載頭在該研磨站與該傳送站之間移動時，拍攝該保持環的該下表面的該影像。
- 如請求項3所述之研磨設備，其中該相機係定位成相鄰於在該研磨站內的一平台。
- 如請求項3所述之研磨設備，其中該相機係 定位成相鄰於該基板傳送站。
- 如請求項1所述之研磨設備，其中該相機具有一視野，該視野將該保持環的一整個該下表面拍攝成一單一影像。
- 如請求項1所述之研磨設備，其中該相機經配置以當該承載頭移動時，拍攝該保持環的該下表面的多個影像。
- 如請求項8所述之研磨設備，其中該控制器經配置以將該多個影像拼接成拍攝該保持環的一整個該下表面的一單一影像。
- 如請求項1所述之研磨設備，其中若該控制器偵測到該保持環已受損，該控制器經配置以對一操作者產生一警示。
- 一種研磨設備，包含：一研磨站；一承載頭，用以在該研磨站保持一基板與一研磨墊接觸；一調節器頭，用以保持一調節器盤與該研磨墊接觸；一相機，該相機經定位以當該調節器頭移動遠離該研磨墊時，拍攝該調節器盤的一下表面的一影像；以及 一控制器，該控制器配置以對該影像進行一影像處理演算法，以決定該調節器盤的該下表面是否受損，其中損壞包含以下一或多者i)缺少的磨料顆粒及ii)污點。
- 如請求項11所述之研磨設備，其中該影像處理演算法包含一經訓練的機器學習演算法。
- 如請求項11所述之研磨設備，包含一調節器清洗站，其中該調節器頭係在該研磨站與該清洗站之間為可移動的。
- 如請求項13所述之研磨設備，其中該相機經定位以當該調節器盤在該研磨站與該清洗站之間移動時，拍攝該調節器盤的該下表面的該影像。
- 如請求項14所述之研磨設備，其中該相機係定位成相鄰於在該研磨站內的一平台。
- 如請求項14所述之研磨設備，其中該相機係定位成相鄰於該清洗站。
- 如請求項11所述之研磨設備，其中該相機具有一視野，該視野將該調節器盤的一整個該下表面拍攝成一單一影像。
- 如請求項11所述之研磨設備，其中該相機經配置以當該調節器頭移動時，拍攝該調節器盤的該下表面的多個影像。
- 如請求項18所述之研磨設備，其中該控制器經配置以將該多個影像拼接成拍攝該調節器盤的一整個該下表面的一單一影像。
- 如請求項11所述之研磨設備，其中若該控制器偵測到該調節器盤已受損，該控制器經配置以對一操作者產生一警示。
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