專利名稱：在磨光墊上控制薄膜厚度和控制流體材料組成的設備和方法
發(fā)明
背景技術：
領域本發(fā)明通常涉及半導體制造，并且更準確地說涉及在化學機械平面化(CMP，chemical mechanical planarization)晶片(wafer)加工期間的過程控制。
背景技術：
在制造半導體裝置中，需要進行化學機械平面化(CMP)操作，包括去除過量材料、拋光和后CMP晶片清理與干燥。一般地，集成電路裝置是以多層結構形式制造的。在基片層，形成具有p型和n型摻雜區(qū)域的晶體管裝置。在隨后層中，相互連接的金屬化線路被圖案化并且電氣連接到晶體管裝置以限定期望的功能性裝置。圖案化的導電部件由介電材料絕緣，例如二氧化硅。因為形成更多的金屬化層和相關的介電層，所以平面化絕緣材料的需求增加。沒有平面化，由于表面形態(tài)的變化使得制造附加的金屬化層變得基本上不可能。在其他應用中，在絕緣材料中形成金屬化線路圖案，然后進行金屬CMP操作以去除過度的金屬化。進一步的應用包括在金屬化加工前使所沉積的介電薄膜平面化，如用于多金屬絕緣的淺溝槽隔離的電介質。
一般地，CMP系統(tǒng)實現(xiàn)轉盤、帶、軌道或刷操作，其中帶、墊或刷用來擦凈、拋光和磨光晶片的一邊或兩邊。一般地，墊本身是由聚氨酯材料或其他適合的材料制成并且可被硬臺、支撐帶例如不銹鋼帶支撐。在操作中，漿料液體被施加和散布于磨光墊表面或帶的表面。當用漿料覆蓋的帶或墊旋轉時，使晶片下降到墊的表面并且使其平面化。
成功的CMP操作的期望結果是在所加工晶片上剩下均一的平面表面。一般地在晶片上薄膜的去除速率被仔細地跟蹤或監(jiān)控。已經(jīng)進行各種嘗試以控制化學機械平面化系統(tǒng)的操作以求提供均一的去除速率。一個普遍的嘗試是控制由晶片載體或其他工件固定裝置所施加的向下的力，輸送可變的壓力到研磨磨光表面。不幸地，向下的力的變化可以在高補償性向下的力所施加處的晶片部分導致所謂表面凹陷的局部退化和侵蝕表現(xiàn)。過度向下的力可引起附加的質量問題如薄膜分層、劃痕或顆粒間邊界損傷。聚焦于去除速率的均一性可有時被當前應用誤導。也就是說，從最終用戶的觀點考慮，希望在半導體晶片表面上獲得均一的后CMP層，其不一定是均一的去除速率的結果。例如，如果在平面化前晶片的表面的厚度不是均一的，當均一的去除速率被施加于所加工的晶片時，保持了非均一性。均一的去除速率施加于具有較大邊緣厚度的基片將導致晶片具有較低中心厚度，類似于在平面化作用前晶片的狀態(tài)。另外，在上述實例中，晶片中心的過度磨光可導致?lián)p失模具和較低的晶片產(chǎn)量。
在CMP操作期間有許多機會測量晶片上的裝置部件。許多部件可通過捕獲指示該部件的信號而被確定。當部件繼續(xù)縮小尺寸，尤其是半導體制造中所用的薄膜厚度，指示部件的信號在某些位置變得不可監(jiān)測。感應傳感器可用于置換、接近和薄膜厚度測量。傳感器憑借貼近被測物體的測量線圈的波動電磁場來感應樣品中的電流。波動電磁場的產(chǎn)生是交流電通過線圈的結果。波動電磁場感生渦流，其產(chǎn)生其自身的場，與原始場重疊并且改變線圈電感。在平面化期間傳感器如感應傳感器的反饋可使得在CMP操作期間進行實時監(jiān)控并且校正(如果需要)。
鑒于以上所述，需要一種技術以更準確地影響晶片表面上的去除速率變化，所述技術是在平面化操作期間控制磨光墊上差別性供給的流體的組成和量。
發(fā)明概述概括地說，本發(fā)明是一種設備，其提供對平面化的控制，在半導體晶片上產(chǎn)生特定的剩余薄膜厚度。應該理解的是可將本發(fā)明以多種方式實現(xiàn)，包括作為設備、系統(tǒng)、裝置或方法。本發(fā)明的若干發(fā)明實施方案描述如下。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，提供一種用于化學機械平面化系統(tǒng)的設備。流體置換裝置可被置于磨光墊上貼近的位置。流體置換裝置被配置成從該磨光墊區(qū)域置換至少部分第一流體。流體輸送裝置可在該磨光墊區(qū)域用第二流體替換第一流體。替換第一流體的第二流體與第一流體不同。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案，提供一種用于加工半導體基片的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括磨光墊和可被置于磨光墊上貼近的位置、并被配置以接收晶片的晶片載體?？芍糜谀ス鈮|上的第一流體協(xié)助由晶片載體固定的晶片的平面化。流體限制裝置可使第一流體分布于整個磨光墊。流體置換裝置可從磨光墊上的區(qū)域置換至少部分第一流體，所述流體置換裝置可被置于流體限制裝置和載體頭部之間的磨光墊上貼近的位置。流體輸送裝置可在該磨光墊區(qū)域用第二流體替換第一流體，第二流體不同于第一流體。
根據(jù)本發(fā)明的又一個實施方案，提供一種控制存在于磨光墊表面上薄膜的性質的方法。該方法包括置換存在于磨光表面區(qū)域上的流體和在磨光表面區(qū)域用第二流體替換被置換的流體。該區(qū)域的替換發(fā)生在置換之后，以便第二流體占據(jù)先前由被置換的流體占據(jù)的區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案，提供一種控制存在于磨光墊表面上薄膜的性質的方法。該方法包括至少部分地置換存在于磨光表面區(qū)域上的流體和在磨光表面區(qū)域用第二流體替換被置換的流體。該區(qū)域的替換發(fā)生在置換之后以便第二流體占據(jù)至少部分先前由被置換的流體占據(jù)的區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的又一個實施方案，提供一種用于化學機械平面化(CMP)系統(tǒng)的設備。可被置于磨光墊上貼近的位置的頭部包括限定在頭部中的輸入端和輸出端。輸入端可在貼近的位置輸送流體到磨光墊的表面上。鄰近于輸入端定向的輸出端可去除至少部分被輸送到磨光墊表面上的流體。
在另一個實施方案中，提供一種控制磨光墊表面上的薄膜的性質的方法。該方法包括在磨光墊上輸送流體和從磨光墊表面上去除至少部分流體。該流體在磨光墊表面上貼近的位置被輸送。至少部分該流體的去除被配置以發(fā)生在磨光墊表面上貼近的位置和鄰近于流體的輸送。
在另一個實施方案中，提供一種可控制化學機械磨光(CMP，chemical mechanical polishing)系統(tǒng)的設備。該設備包括傳感器、計算機和頭部。該頭部可被置于磨光墊上貼近的位置。該頭部包括限定在頭部中的輸入端，該輸入端可在貼近的位置輸送流體并且輸送到磨光墊的表面上，和在頭部中的輸出端，該輸出端鄰近于輸入端定向。該輸出端可去除至少部分被輸送到磨光墊表面上的流體。
根據(jù)又一個實施方案，提供一種用于化學機械平面化(CMP)系統(tǒng)的設備。該設備包括可被置于磨光墊上貼近的位置的頭部。限定在頭部中的輸出端可被置于磨光墊上貼近的位置并且被配置以能夠去除存在于磨光墊表面上的材料。限定在頭部中的輸入端可被置于磨光頭部上貼近的位置，可輸送流體到磨光墊表面以至少部分地替換所被配置以由輸出端去除的材料，該輸出端被置于頭部之上鄰近于輸入端。
本發(fā)明優(yōu)點眾多。在晶片表面上引入薄膜厚度變化提供方法和設備之所需，所述方法和設備可差別性地改變磨光表面區(qū)段上的漿料、水及其他流體的濃度，以便在晶片表面材料上施加單獨的區(qū)域平面化。通過置換存在于磨光表面上的流體和替換在置換區(qū)域中的流體，對施加于磨光表面的流體的精確區(qū)段控制可在晶片上增減材料的去除速率。與確保整個晶片表面的均一去除速率的傳統(tǒng)嘗試相反，能夠進行獨立區(qū)域平面化的目標是提供對目標剩余層厚度均一性的控制。
應理解的是以上的概述及其下的詳細說明僅僅是示范性的和說明性的，并不像權利要求一樣限制本發(fā)明。


附圖，其并入并構成本說明書的一部分，說明本發(fā)明示范性的實施方案，并與說明書描述內(nèi)容一起來說明本發(fā)明的原理。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案用于差別性閉合回路平面化控制的化學機械平面化(CMP)系統(tǒng)的截面圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的差別性控制回路化學機械平面化(CMP)系統(tǒng)的頂視圖，顯示單個具有若干輸入端和輸出端的頭部。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的差別性控制回路化學機械平面化(CMP)系統(tǒng)的頂視圖，顯示可在臂上滑動的頭部。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的差別性控制回路化學機械平面化(CMP)系統(tǒng)的頂視圖，顯示可被延伸臂移動的頭部。
圖5A是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的另一結構的側視圖。
圖5B是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的用于旋轉式系統(tǒng)的本發(fā)明的頂視圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的控制磨光墊表面上的薄膜性質的方法的流程圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案用于提供通過從磨光墊去除漿料而差別性控制施加于基片表面的去除速率的方法的流程圖。
圖8是根據(jù)第二控制方法可提供實時差別性閉合回路控制的化學機械平面化(CMP)系統(tǒng)的示意圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的用于差別性閉合回路平面化控制的可選擇化學機械平面化(CMP)系統(tǒng)的示意圖。
圖10a提供根據(jù)本發(fā)明的用于差別性閉合回路平面化控制的化學機械平面化(CMP)系統(tǒng)的另一實施方案。
圖10b提供根據(jù)本發(fā)明的用于差別性閉合回路平面化控制的化學機械平面化(CMP)系統(tǒng)的可選擇實施方案。
圖11a是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的化學機械平面化(CMP)系統(tǒng)的頂視圖，顯示具有若干流體置換裝置和流體輸送端口的頭部。
圖11b提供一圖形，其圖解說明本發(fā)明CMP系統(tǒng)所用的控制方法。
圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的化學機械平面化(CMP)系統(tǒng)的頂視圖，顯示可被延伸臂移動的頭部。
圖13是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的化學機械平面化(CMP)系統(tǒng)的頂視圖，顯示具有流體置換裝置和流體輸送端口的可在臂上滑動的頭部。
圖14a是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的呈旋轉式的本發(fā)明的可選擇結構的側視圖。
圖14b是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的用于旋轉式系統(tǒng)的本發(fā)明的頂視圖。
圖15是通過在磨光表面上置換和替換流體而控制磨光墊表面上的薄膜性質的方法的流程圖。
圖16是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的通過在磨光墊表面上置換和替換流體而提供差別性控制施加于基片表面的去除速率的化學機械平面化系統(tǒng)的操作方法的流程圖。
發(fā)明詳述本發(fā)明的幾個示范性的實施方案現(xiàn)將參考附圖而詳細描述。在下文描述中，闡述許多細節(jié)以便提供對本發(fā)明的徹底理解。然而，應當理解的是，對于本領域技術人員來說，可以實施本發(fā)明而無需部分或全部的這些細節(jié)。在其他情況中，沒有歷述眾所周知的加工操作以免不必要地使本發(fā)明模糊不清。
上述描述提供了幾個實施方案，其設計用來在化學機械平面化系統(tǒng)中通過精確控制施加于磨光表面的流體而控制晶片層表面的材料平面化。概括地說，第一方法(A)使用去除存在于磨光表面上的貼近的位置的流體和用可選擇的流體替換該流體以便控制由載體頭部施加于磨光表面上的基片上特定區(qū)域的平面化。第二方法(B)使用置換存在于磨光表面上的流體和替換在被置換的區(qū)域中的流體，其可增減由載體固定的基片上受影響的平面化量。
A.去除和替換圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案可提供實時差別性閉合回路控制的化學機械平面化(CMP)系統(tǒng)100的示意圖。由晶片載體135固定的晶片130靠著磨光墊101旋轉。流體輸送裝置103輸送第一流體102到磨光墊101。第一流體102一般包含用于晶片130化學機械平面化的漿料，其由影響去除晶片表面上材料的化學和物理研磨劑組成。磨光墊101上的漿料可結合已駐于磨光墊101上的其他微粒、研磨劑、材料殘余物、墊殘余物、去離子水和異丙醇，所有這些結合起來形成遍布于磨光墊101表面的薄膜。磨光墊101中的凹槽106和微孔108沿晶片載體135的方向120運送第一流體102。應該理解的是任何適用技術都可用來輸送流體到磨光墊101如泵、氣壓等。
流體限制裝置104，還稱為壩，位于輸送裝置的下游，被強制靠于磨光墊101以均勻地在磨光墊101表面上分配第一流體102。均勻分布要求漿料均一地沿磨光墊101的寬度分配，產(chǎn)生均一的而沿晶片方向前進的薄膜。輸送裝置103因此不必是一種要求精確分配第一流體102到磨光墊101的裝置。流體流動限制裝置104壓靠于磨光墊101，產(chǎn)生流體限制裝置104上游的第一流體102的池。對本領域技術人員顯而易見的是，流體限制裝置104可由其他合適的技術夾緊或固定到在磨光墊101上延伸的臂上。在磨光墊101上延伸的臂可在垂直和水平方向受控以便相對于磨光墊101控制角度和間隙。在一個實施方案中，流體限制裝置104由和磨光墊101相同的材料即聚氨酯組成。然而應該理解的是，流體限制裝置104可由任何適合CMP操作并且可產(chǎn)生第一流體102的池同時在下游提供均勻分布的材料構成。
仍參考圖1，頭部115位于流體限制裝置104和晶片載體135之間。頭部115在磨光墊101上的位置可為約0.1mm-約1mm并且將被最優(yōu)化以提供最佳執(zhí)行反應。精確的最佳位置將取決于第一流體102分配速率、它的粘度、潤濕系數(shù)、及其它在用第二流體118替換第一流體102中限定頭部115效率的參數(shù)。頭部115有至少一個可輸送第二流體118的輸入端117和至少一個可經(jīng)由真空及其他加壓技術去除第一流體102和部分第二流體118的輸出端119。輸送第二流體118包括在磨光墊101的表面上在期望位置均勻分布。第二流體118可為無研磨劑化學惰性液體、去離子水及其他與方法無關的流體中的一種。鄰近于磨光墊101的表面在頭部115的輸入端117之一和輸出端119之一之間的間隙116使得第二流體118稀釋并且經(jīng)由輸出端119去除第一流體102。第一流體102的稀釋減緩，并且在去除第一流體102的極限情況下，防止由CMP系統(tǒng)造成的晶片130的平面化。在去除第一流體102期間，原先的漿料與薄膜其他組分如微粒、材料殘余物和墊殘余物、部分第二流體118即去離子水一起沿晶片載體135的方向120前進。當?shù)诙黧w118被施加于磨光墊101時，晶片130表面的平面化有效地減少或著沒有平面化。
如上所述，當磨光墊101沿方向120朝應用范圍移動時，其帶著第一流體102，其可為包含材料如漿料、微粒、材料殘余物和墊殘余物的薄膜。在一個實施方案中，在加入可為無研磨劑化學惰性液體、去離子水及其他與方法無關的流體中的一種的第二流體118前，部分去除保持在磨光墊101上的材料(第一流體102)。部分第二流體118可通過間隙116和在頭部115中的輸出端119與第一流體102一起被去除。用這樣的方式，第二流體118通過提供第一流體102的稀釋和提升作用可協(xié)助于從磨光墊101表面去除第一流體102。在另一個實施方案，在通過輸入端117施用第二流體118前，通過在頭部115中的輸出端119去除全部保持在磨光墊101上的材料(第一流體102)。就完全去除或近似完全去除第一流體102和用第二流體118替換來說，第二流體118(與方法無關的流體)沿應用范圍方向120前進，在晶片130的指定部分中提供有效減少地材料去除或者無材料去除。
晶片載體135可結合至少一個傳感器140，其被配置以探測晶片的材料性質和CMP操作的進展。在一個實施方案中，傳感器可探測指示薄膜厚度的信號。就導電薄膜來說，多個傳感器140可為感應傳感器，其被配置以探測由感應電流發(fā)出的磁場所產(chǎn)生的信號。通常，指示薄膜厚度的信號包括第三體效應。感應傳感器使得在通常用于半導體制造中的全部厚度范圍內(nèi)無接觸測量薄的導電(例如金屬)薄膜厚度，一般地約0-15000埃。已經(jīng)確定的是，感應傳感器對于以典型的載荷自動機器速度移動的晶片來說可提供足夠快速的反應。因此，有可能在加工期間進行厚度測量而沒有影響加工處理量。而且，晶片的移動可被利用，以由有限數(shù)量的在簇結構中的傳感器產(chǎn)生薄膜厚度分布圖。例如，晶片校準器提供在旋轉方向和直線半徑方向上的移動而以一致的方式定位晶片。因此本發(fā)明中，一簇傳感器可在該晶片進行常見自動晶片處理工藝的同時，或在CMP期間被旋轉的同時捕獲晶片的薄膜厚度分布圖。當晶片130被旋轉時，對于晶片130可產(chǎn)生薄膜厚度分布圖，使得為了期望的厚度分布圖，頭部115可使?jié){料置換最優(yōu)化。
仍參考圖1，計算機150，還稱為控制器，協(xié)調(diào)CMP系統(tǒng)100的各種控制活動。計算機150可與多個傳感器140、頭部115、流體限制裝置104和流體輸送裝置103通訊142。計算機150可被配置以調(diào)節(jié)來自傳感器140的指示薄膜厚度的信號以基本上去除CMP系統(tǒng)引入的第三體效應和基片厚度分量(component)。按照調(diào)節(jié)的信號值，可產(chǎn)生第二流體118、流體限制裝置104和流體輸送裝置103的控制信號。傳感器140的薄膜厚度的反饋給計算機150提供信息，其是通過給頭部115下達命令而調(diào)節(jié)去除速率所需的。如果由任何一個傳感器140所產(chǎn)生的信號指示去除速率過高，即，與傳感器140中的某一個相對應的晶片130的特定區(qū)域厚度較低，那么第二流體118(是離子水或者一些其他適合的置換化學品)可通過在頭部115上的輸入端117之一分配以調(diào)節(jié)平面化程度和減少晶片130上對應點所受的去除速率。類似地，當在部分晶片130上已經(jīng)獲得期望厚度時，頭部115(作為執(zhí)行和校正系統(tǒng))用第二流體118替換第一流體102以在受作用的范圍內(nèi)防止進一步的平面化。如這里所用的，在本發(fā)明中執(zhí)行和校正系統(tǒng)接收來自計算機150的命令并且執(zhí)行操作如流體輸送和去除。當漿料在磨光墊101表面上指定位置去除時，加工應用的校正和調(diào)整是由頭部115提供。
圖2提供如上所述CMP系統(tǒng)的頂視圖。應該理解的是晶片130的旋轉速度以及磨光墊101的線速度造成一種情況，其中指向晶片130中心的流體由于晶片130的旋轉速度而被推開至側面。在該情況下，例如，其中漿料存在于磨光墊101上，由于在中心處可獲得較少量的漿料，晶片130中心受到較低的去除速率。流體限制裝置104下游的頭部115通過在多個由傳感器140指定的位置去除漿料和用水替換而對部分晶片130的表面施加差別性去除速率。另外晶片的旋轉提供在晶片載體135下定向的流體的可選擇通路122。當施加于旋轉晶片時，在直線帶上輸送的流體的通路將實現(xiàn)圓形應用。可提供第二流體的輸入端117還可根據(jù)晶片130預期的旋轉沿方向121被置于位置上。
就直線帶CMP系統(tǒng)來說，應該理解的是帶可沿直線方向120朝晶片130移動同時晶片130繞其軸旋轉。因此，在頂端部分(另外被稱為晶片130的高相對速度部分130a)中磨光墊101和晶片130運動是相反的。當旋轉的晶片130和磨光墊101沿相同的相對方向移動時，如底端部分所示，是低相對速度部分136b。由于在磨光墊101的高相對速度部分130a產(chǎn)生的較大量的著色銅加工副產(chǎn)品和碎片的沉積，結果，磨光墊101往往受污于經(jīng)受較高相對速度的區(qū)域。因而，流體限制裝置104和第一流體102的池的一個功能是收集和更均一地分配碎片而不是使碎片在磨光墊101的同一普遍范圍內(nèi)再循環(huán)。通過促進更均一的磨耗型態(tài)，碎片均勻分布可延長磨光墊101的使用期限。
如圖2所示，本領域技術人員應該理解的是流體可被輸出端119去除而第二流體118可被輸送并且輸送在一個或多個位置。輸入端117和輸出端119的位置可被配置在頭部115上，使得能夠隔離磨光墊101表面上的特定區(qū)域，以便控制施加于晶片130的去除速率。因為頭部115的輸入端117之一和輸出端119之一之間的鄰近磨光墊101表面的間隙116使得第二流體118稀釋并且通過輸出端119去除第一流體102，因此可以說輸入端117和輸出端119成對地連接在一起。輸入端117和輸出端119對的激活可獨立地由計算機150(如上述圖1所述)控制，以便計算機150可在磨光墊101的指定部分中分離去除第一流體102。頭部115可包含多個輸入端117和輸出端119，如圖所示，橫跨磨光墊101的寬度。頭部115可由臂114固定，該臂114延伸跨越以上述圖1所述方式操作的磨光墊101的寬度。臂114可由磨光墊101之上的設備支撐或者可通過延伸到磨光墊101以外由系統(tǒng)上其他結構所支撐。
圖3提供配置在臂114上的頭部115的可選擇結構。頭部115可沿臂114直線移動，如圖3中所述，該臂114延伸跨越磨光墊101的寬度。頭部115的位置能夠在輸入端117和輸出端119下隔離磨光墊101表面上的特定區(qū)域，以便控制施加于晶片130的去除速率。多個頭部115′可任選提高應用范圍的覆蓋面，即將在晶片130表面下通過的磨光墊101的范圍。頭部115和多個頭部115′可沿臂114一致或獨立地直線移動，該臂114延伸跨越磨光墊101的寬度。以上圖1所述的計算機150可提供頭部115或多個頭部115′移動的協(xié)調(diào)，以便適當?shù)嘏鋫淠ス鈮|101用于差別性地控制平面化操作。
或者，如圖4所示，臂114可移動頭部115到由傳感器140指定的位置。臂114可具有若干關節(jié)113并且可由任何適用技術如步進馬達、伺服馬達等控制，以便將漿料、去離子水或其它的適合的流體引于流體限制裝置104下游的磨光墊101的表面上，以求控制施加于晶片130的去除速率。另外多個臂114′可移動多個頭部115′到由計算機150(如圖1所述)指定的位置以用于磨光墊101的制備。
圖5A是如以上圖1所述的CMP系統(tǒng)的可選擇結構的側視圖。晶片載體135可被配置在旋轉平臺中的磨光墊的上方。包含輸入端117和輸出端119的頭部115使得第二流體118稀釋并且從磨光墊101上的薄膜去除第一流體102。
圖5B是旋轉式結構的CMP系統(tǒng)的頂視圖，其在磨光墊上進行薄膜的去除和替換。臂114在晶片載體135上游的旋轉磨光表面上支撐頭部115。流體輸送裝置103和流體限制裝置104在頭部115的上游。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的控制磨光墊上薄膜的性質的方法的流程圖。該方法在操作404中由在磨光墊表面上貼近的位置輸送流體至磨光墊上而開始。操作408中，在鄰近于流體輸送的磨光墊表面上貼近的位置從磨光墊表面上至少部分流體被去除。去除來自磨光墊表面上薄膜的流體可有助于控制薄膜的性質。該薄膜可包括漿料、一定量的去離子水、一定量的化學品、異丙醇、微粒、研磨劑、材料殘余物和墊殘余物。磨光墊上薄膜的組成對于晶片表面上進行的平面化具有直接作用。從薄膜去除漿料減緩在磨光墊表面上的貼近的位置的材料去除。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的流程圖，說明提供差別性控制施加于晶片表面的去除速率的操作方法。當為了在操作504中使一種或多種薄膜被去除而提供晶片時，該方法開始。在加工操作前可產(chǎn)生基片的厚度圖。當掃描晶片表面以獲得厚度數(shù)據(jù)而無外部感應物體或第三體時，可產(chǎn)生厚度圖。這里，校準器及其他中轉站可用來掃描晶片表面以便產(chǎn)生如上所述的厚度圖。僅當晶片和掃描機構用來產(chǎn)生厚度圖時，第三體即導電物體在這里不存在。識別厚度數(shù)據(jù)的基片分量和厚度數(shù)據(jù)的薄膜分量。這里，由掃描晶片表面產(chǎn)生的信號被細分為基片分量和薄膜分量。例如，感應信號可被分解為兩個分量。應該理解的是由此分量數(shù)據(jù)，可產(chǎn)生校準系數(shù)，所述校準系數(shù)可被隨后施加于厚度的下游測量，即嵌入于晶片載體的傳感器，以便更確切地確定厚度。
然后該方法進行操作506，晶片被轉移到加工站。在一個實施方案中，加工站是CMP系統(tǒng)。當然，任何適合的自動機器、機械或手工操作可用來轉移晶片到加工站。該方法然后移到操作508，晶片載體上的傳感器確定與晶片上離散點對應的薄膜厚度，并且探測第三體的存在。這里，如上所述參考圖1-4，嵌入于晶片載體的一個或多個傳感器可用來探測厚度數(shù)據(jù)。在一個實施方案中，感應傳感器被用來進行這種探測，然而可使用散射計、光譜反射計、熱監(jiān)控、應力監(jiān)控及其他傳感器。
接著在操作510中，調(diào)節(jié)與晶片上的點對應的厚度數(shù)據(jù)以基本上去除基片分量和第三體效應。即，用在沒有外部感應物體或第三體的情況下所確定的校準系數(shù)來分離與上述晶片上薄膜有關的厚度數(shù)據(jù)。厚度圖的坐標與加工操作中所用的傳感器(例如，如上所述的感應傳感器)相聯(lián)系。厚度圖上的點可與嵌入在晶片載體中的傳感器相聯(lián)系，以便平面化加工可控制在與嵌入在晶片載體中的傳感器相關的區(qū)域中。計算機，亦稱控制器，如上述圖1所述可提供構成這個聯(lián)系所必需的計算。在操作512中，當漿料被施加于墊上時，晶片表面的平面化在操作514中開始。離散位置處的薄膜厚度是如上所述基于傳感器516的反饋由計算機計算。每個操作521繼續(xù)平面化加工直到在操作518中在特定位置獲得期望的厚度。如果在特定位置獲得期望的厚度，在操作522中查詢?nèi)總鞲衅魑恢?。如果期望的厚度在部分而不是全部位置獲得，頭部從具有期望的厚度或過度的去除速率的區(qū)域去除漿料并且如上述圖1-4所述在操作525中替換第二化學惰性無研磨劑流體。然后在操作512中該方法繼續(xù)將漿料施加到磨光墊，但是由計算機指定已獲得期望厚度的范圍使用第二流體替換漿料。繼續(xù)操作512直到在操作522中所有位置的傳感器顯示已經(jīng)獲得期望厚度。當在晶片上期望厚度已經(jīng)在所有位置獲得時，平面化加工完成，并且在操作530中從磨光墊移走晶片。
總之，圖1-7中所述的CMP系統(tǒng)可被配置以通過去除和替換拋光介質上的流體而差別性地控制施加于晶片區(qū)域的去除速率。通過使用產(chǎn)生池的流體限制裝置，均一的漿料層被限定于限制裝置的下游。作為執(zhí)行和控制系統(tǒng)操作的頭部，通過在指定的相應于晶片載體上傳感器位置的位置去除研磨劑而提供過程控制，以便獲得具有均一薄膜厚度的基片。由流體限制裝置提供的均一的漿料層在已獲得期望薄膜厚度的范圍內(nèi)被去除。多個傳感器使得可以通過最初在非工藝操作條件下以及在平面化加工期間確定晶片上薄膜的厚度而確定終點和相關的去除速率。而且，上述的實施方案可被應用于旋轉或軌道型CMP系統(tǒng)以及依賴帶式拋光介質的直線CMP系統(tǒng)。
B.置換和替換圖8是根據(jù)第二控制方法可提供實時差別性閉合回路控制的化學機械平面化(CMP)系統(tǒng)200的示意圖。由晶片載體135固定的晶片130靠著磨光墊101旋轉。流體輸送裝置103輸送第一流體102到磨光墊101。第一流體102一般包含用于晶片130化學機械平面化的漿料，其由影響去除晶片表面上材料的化學和物理研磨劑組成。磨光墊101上的漿料可結合已駐于磨光墊101上的其他微粒、研磨劑、材料殘余物、墊殘余物、去離子水和異丙醇，所有這些結合起來形成遍布于磨光墊101表面的薄膜。磨光墊101中的凹槽106和微孔108沿晶片載體135的方向120運送第一流體102。應該理解的是任何適用技術都可用來輸送流體到磨光墊101如泵、氣壓等。
流體限制裝置104，還稱為壩，位于輸送裝置的下游，被強制靠于磨光墊101以均勻地在磨光墊101表面上分配第一流體102。均勻分布要求漿料均一地沿磨光墊101的寬度分配，產(chǎn)生均一的而沿晶片方向進行的薄膜。輸送裝置103因此不必是一種要求精確分配第一流體102到磨光墊101的裝置。流體流動限制裝置104壓靠于磨光墊101，產(chǎn)生流體限制裝置104上游的第一流體102的池。對本領域技術人員顯而易見的是，流體限制裝置104可由其他合適的技術夾緊或固定到在磨光墊101上延伸的臂。在磨光墊101上延伸的臂可在垂直和水平方向受控以便相對于磨光墊101控制角度和間隙。在一個實施方案中，流體限制裝置104由和磨光墊101相同材料的即聚氨酯組成。然而應該理解的是，流體限制裝置104可由任何適合CMP操作并且可產(chǎn)生第一流體102的池同時在下游提供均勻分布的材料構成。
繼續(xù)參考圖8，流體置換裝置210位于流體限制裝置104和晶片載體135之間。流體置換裝置210可被置于磨光墊101以上約0.1mm-約25mm并且將被最優(yōu)化以提供存在于流體限制裝置104下游的磨光墊101上的流體的最佳受控置換。精確的最佳位置將取決于第一流體102分配速率、它的粘度、潤濕系數(shù)、接近流體置換裝置210的磨光墊101進速。其他的參數(shù)也可影響流體置換裝置210的能力在流體限制裝置104和晶片載體135之間在貼近的位置提供置換流體212來有效清理凹槽106、微孔108和第一流體102的磨光墊101表面。置換流體212可為干凈的干燥空氣(CDA)、氮氣(N2)或其他適合的氣體，其可提供存在于磨光墊101上的第一流體102的置換。由置換流體212從磨光墊101上的區(qū)域置換第一流體102所必需的一定量的流體壓力可通過流體置換裝置210釋放?？墒褂脟娮旎蚱渌m合的方法以便提供約5-約40磅/平方英寸(PSI)的流體壓力。流體置換裝置210可偏離磨光墊101一個角度θ，其可為約10度-高達約90度。垂直或正交于磨光墊101的線可確定用于測量θ角的合適參照物。施加置換流體212的θ角可被最優(yōu)化以便提供來自磨光墊101的第一流體102的最佳置換。
仍舊參考圖8，在流體置換裝置210的正操作期間，由于通過置換流體212的置換，直接鄰近于和低于流體置換裝置210的磨光墊101的范圍基本上沒有流體。因為磨光墊101沿方向120前進，所以沒有流體的范圍將沿方向120朝晶片載體135前進。在沒有流體的范圍以上和流體置換裝置210的下游，流體輸送裝置230可用第二流體102a替換第一流體102。不同于由流體限制裝置104上游的流體輸送裝置103提供的第一流體102，第二流體102a可為去離子水、漿料和研磨劑含量可變的漿料中的一種或組合。第二流體102a可通過不同的端口或噴嘴而被輸送，如234、236和238所示。
在某些情況下，流體置換裝置210未必完全置換全部存在于磨光墊101上的薄膜和流體。當在某區(qū)域中非常薄的薄膜剩余在凹槽106和微孔108中時，薄膜的影響將通過由流體輸送裝置230供給的第二流體102a的實質替換而最小化。剩余在表面上的或在磨光墊101凹槽106和微孔108中的薄膜可非均一地分布于整個磨光墊101，通過相對大量的第二流體102a(用來替換第一流體102)也使影響最小化。在極限情況下，在磨光墊101的期望的區(qū)段中，所有第一流體102可被第二流體102a置換和替換。
在一個實施方案中，端口或噴嘴可被配置以通過238輸送漿料或研磨劑含量可變的漿料、通過236輸送漿料和通過234輸送去離子水。選擇去離子水、漿料和研磨劑含量可變的漿料來調(diào)節(jié)由CMP系統(tǒng)所賦予的平面化程度。來自流體輸送裝置230的第二流體102a分配于晶片載體135上游的直接鄰近流體輸送裝置230并且在其以下的范圍內(nèi)的磨光墊101上。當磨光墊101沿方向120朝晶片載體前進時第二流體102a將占據(jù)凹槽106和微孔108。以這樣的方式第二流體102a基本上是在磨光墊101的材料中，以致甚至當晶片載體135旋轉時在凹槽106和微孔108內(nèi)的部分將正好在晶片載體135下前進。在磨光墊101上的部分第二流體102a，即，在磨光墊101表面上的和在微孔108和凹槽106外的過量流體，當磨光墊101沿方向120前進時通過晶片載體135的移動可被部分置換。
置換流體裝置210和流體輸送裝置230影響磨光墊101的區(qū)段。如果由流體輸送裝置230提供的第二流體102a由去離子水組成，去離子水將填充凹槽106、微孔108和磨光墊101表面。當包含去離子水的區(qū)段在晶片載體135下前進時，在受影響的晶片130表面區(qū)域上得到極小的平面化以及在極限情況下無平面化。在該范圍的另一端，如果由流體輸送裝置230提供的第二流體102a包含高濃度的漿料和研磨劑，此流體將沿方向120朝晶片載體135前進并且在由晶片載體135壓靠于磨光墊101的晶片表面130上賦予較高的材料去除速率(還被稱為平面化速率)。
如圖8所示，晶片載體135可結合至少一個傳感器140，其被配置以探測晶片的材料性質和CMP操作的進展?？捎蓚鞲衅?40探測的材料性質包括薄膜厚度、傳導率、表面粗糙度和表面形態(tài)高度變化。其他適合的傳感器可用來確定CMP操作的進展如那些描述于未決的美國專利申請US10/672019中的傳感器，而機械和熱應力監(jiān)控傳感器描述在未決的美國專利申請US10/671978中，其引入這里作為參考。
在一個實施方案中，傳感器可探測指示薄膜厚度的信號。就導電薄膜來說，多個傳感器140可為感應傳感器，其被配置以探測由感應電流發(fā)出的磁場所產(chǎn)生的信號。通常，指示薄膜厚度的信號包括第三體效應。感應傳感器使得在通常用于半導體制造中的全部厚度范圍內(nèi)無接觸測量薄的導電(例如金屬)薄膜厚度，一般地約0-15000埃。已經(jīng)確定的是，感應傳感器對于以典型的載荷自動機器速度移動的晶片來說可提供足夠快速的反應。因此，有可能在加工期間進行厚度測量而沒有影響加工處理量。而且，晶片的移動可被利用，以由有限數(shù)量的在簇結構中的傳感器產(chǎn)生薄膜厚度分布圖。例如，晶片校準器提供在旋轉方向和直線半徑方向上的移動而以一致的方式定位晶片。
因此本發(fā)明中，一簇傳感器可在該晶片進行常見自動晶片處理工藝的同時，或在CMP期間被旋轉的同時捕獲晶片的薄膜厚度分布圖。當晶片130被旋轉時，對于晶片130可產(chǎn)生薄膜厚度分布圖，使得為了期望厚度的分布，流體置換裝置210和流體輸送裝置230可使在磨光墊101上特定區(qū)段中的流體最優(yōu)化。
仍參考圖8，計算機150，還稱為控制器，協(xié)調(diào)CMP系統(tǒng)200的各種控制活動。計算機150可與多個傳感器140、流體限制裝置104、流體輸送裝置103、流體置換裝置210和流體輸送裝置230通訊。計算機150可被配置以調(diào)節(jié)來自傳感器140的指示薄膜厚度的信號以基本上去除CMP系統(tǒng)引入的第三體效應和基片厚度分量。按照調(diào)節(jié)的信號值，可產(chǎn)生流體限制裝置104、流體輸送裝置103、流體置換裝置210和流體輸送裝置230的控制信號。來自傳感器140的薄膜厚度的反饋給計算機150提供信息，其是通過給流體置換裝置210和流體輸送裝置230下達命令而調(diào)節(jié)去除速率所需的。計算機150可指引第二流體102a的流動以便通過238輸送漿料或可變的研磨劑漿料，通過236輸送漿料和通過234輸送去離子水。選擇去離子水、漿料和研磨劑含量可變的漿料或組合來調(diào)節(jié)由CMP系統(tǒng)所賦予的平面化程度。
圖9是如上所述CMP系統(tǒng)200的剖視圖，其提供輸送第二流體102a的流體輸送裝置230的可選擇實施方案。如所示，流體輸送裝置230可為具有幾個流體輸入端的單個噴嘴。端口234、236和238可分別提供去離子水、漿料和研磨劑含量可變的漿料。一系列閥232可控制來自噴嘴的第二流體102a的輸送。一系列閥232可協(xié)助產(chǎn)生去離子水和漿料的某些混合物。響應傳感器140反饋的計算機150可指引流體置換裝置210和流體輸送裝置230以便最優(yōu)化的晶片130表面的平面化，如上圖8中所述。對控制從端口234、236和238選擇第二流體102a的一系列閥232的控制也可以由計算機150指引。
圖10a是用于CMP系統(tǒng)200的流體置換裝置210和流體輸送裝置230的又一個實施方案。在此實施方案中，流體置換裝置210和流體輸送裝置230是可置換和替換磨光墊101上的流體的頭部220的一部分。頭部220起執(zhí)行和校正系統(tǒng)(其接收來自計算機150的命令)的作用，并且執(zhí)行操作如流體置換和替換。頭部220可具有幾個通道，其被配置以協(xié)助在晶片載體135前置換和替換在磨光墊101上的流體?；蛘?，頭部220可具有流體置換裝置210和流體輸送裝置230，其以適當方式連接，以保證置換和替換影響磨光墊101應用范圍的區(qū)域。
頭部220可被置于磨光墊101以上約0.1mm-約25mm并且將被最優(yōu)化以提供對存在于流體限制裝置104下游的磨光墊101上的流體的最佳受控置換。精確的最佳位置將取決于第一流體102分配速率、它的粘度、潤濕系數(shù)、接近流體置換裝置210的磨光墊101進速。其他的參數(shù)也可限定流體置換裝置210的能力在流體限制裝置104和晶片載體135之間在貼近的位置提供置換流體212來有效清理凹槽106、微孔108和第一流體102的磨光墊101表面。在頭部220的結構中，流體置換裝置210被結合為通道，其位于流體限制裝置104下游最近處并且位于晶片載體135上游最遠處。被結合作為頭部220一部分的流體置換裝置210以θ角度提供置換流體212，該角度可為約10度-高達約90度。垂直或正交于磨光墊101的線可確定用于測量θ角的合適參照物。施加置換流體212的θ角可被最優(yōu)化以便提供來自磨光墊101的第一流體102的最佳置換。置換流體212可利用噴嘴或其他工藝通過流體置換裝置210而被釋放以便提供約5-約40磅/平方英寸(PSI)的流體壓力。
參考圖10a，頭部220被配置以包括按上述圖8和9中的流體輸送裝置230的方式用于輸送第二流體102a的端口238和234。端口238和234可被配置以分別輸送漿料或研磨劑含量可變的漿料和去離子水。由頭部220置換和替換流體影響流體限制裝置104和晶片載體135之間的磨光墊101的區(qū)段(還稱為部分)。響應傳感器140反饋的計算機150可指引流體置換裝置210和流體輸送裝置230以便最優(yōu)化受所述區(qū)段影響的晶片130表面的平面化，如上圖8中所述。
圖10b提供沒有流體輸送裝置103和流體限制裝置104的CMP系統(tǒng)。如圖10b所示，具有流體置換裝置210與端口238和234的頭部220本身可在由CMP系統(tǒng)晶片平面化的部分應用范圍中提供流體組合物。用于連接流體置換裝置210的流體輸送裝置230的其他結構如那些圖8-9中描述的那些也是適合的。當磨光墊沿方向120移動時，在磨光墊101應用范圍內(nèi)受頭部220影響的流體的置換與替換足夠完成晶片130相應位置的平面化。
圖11a提供以上圖8-10中所述的CMP系統(tǒng)200的頂視圖。應該理解的是晶片130的旋轉速度以及磨光墊101的線速度造成一種情況，其中指向晶片130中心的流體由于晶片130的旋轉速度而被推開至側面。在該情況下，例如，其中漿料存在于磨光墊101上，由于在中心處可獲得較少量的漿料，晶片130中心受到較低的去除速率。晶片130的旋轉提供在晶片載體135下定向的過量流體的可選擇通路122。如以上圖8中所述，磨光墊101凹槽106和微孔108中的第一流體102或第二流體102a基本上直線地或沿方向120(臺式)前進而形成第二流體102a的通路122b。在磨光墊101上的流體材料可在通路122a中按照晶片載體135的旋轉而被移位。第二流體102a基本上是在磨光墊101的材料中，以致甚至當晶片載體135旋轉時在凹槽106和微孔108內(nèi)的部分將在晶片載體135下沿通路122b前進。當施加于旋轉晶片時，在直線帶上輸送的流體的通路將實現(xiàn)圓形應用。就旋轉式CMP系統(tǒng)(在以下圖14a和14b中討論)來說，在磨光墊101的凹槽106和微孔108中的流體的方向120將影響非直線型的通路。在磨光墊101上的部分第二流體102a，即，在磨光墊101表面上并且在微孔108和凹槽106外的過量流體，當磨光墊101沿方向120前進時通過晶片載體135的移動可被部分置換。
仍舊參考圖11a，提供第二流體102a的圖8-9中的流體輸送裝置以及端口238和234還可被置于根據(jù)晶片130沿方向121的預期旋轉的位置。就直線帶CMP系統(tǒng)來說，應該理解的是帶可沿直線方向120朝晶片130移動同時晶片130繞其軸旋轉。磨光墊101的高相對速度部分130a處在磨光墊101和晶片130的運動是相反的地方，如圖11a的頂端部分所示。低相對速度部分130b所經(jīng)受的是在同一相對方向上的晶片130旋轉和磨光墊101移動。由于在帶的上半部產(chǎn)生的較大量的碎片和加工副產(chǎn)品，結果，磨光墊101往往受污于經(jīng)受較高相對速度的區(qū)域。因而，流體限制裝置104和第一流體102的池的一個功能是收集和更均一地分配碎片而不是使碎片在磨光墊101的同一普遍范圍內(nèi)再循環(huán)。通過促進更均一的磨耗型態(tài)，碎片均勻分布可延長磨光墊101的使用期限，因而增加多重晶片的加工穩(wěn)定性。
如上所述的傳感器140可排列在晶片130上，如傳感器141-147所示。雖然圖例提供了七個傳感器，但是為了實時控制，提供晶片材料性質的任何適合數(shù)目的傳感器都可用于為計算機提供反饋。在傳感器141-147陣列中的各個傳感器140被配置以探測晶片130的材料性質，如上所述。傳感器141-147與橫跨磨光墊101應用范圍的多個頭部220相關連。所述應用范圍由多個橫跨磨光墊101范圍的區(qū)域限定，當磨光墊101沿方向120朝排列在晶片130上的傳感器141-147前進時，所述區(qū)域將前進到正好在晶片130下方的位置。
如圖11a所示，具有多個流體置換裝置210和被配置以分別輸送漿料或研磨劑含量可變的漿料和去離子水的端口238和234的頭部220可被配置以覆蓋應用范圍。流體限制裝置104下游的頭部220通過在多個由傳感器141-147指定的位置置換第一流體102并用第二流體102a替換而對部分晶片130的表面施加差別性去除速率。頭部220可在根據(jù)晶片130沿方向121預期旋轉的位置提供第二流體。
頭部220可由臂114或其它適合結構支撐，用來在磨光墊101應用范圍上放置頭部220。本領域技術人員應該理解的是流體置換和替換可在一個或多個位置進行?？膳渲妙^部220的位置以便能夠在磨光墊101表面上隔離特定區(qū)段以便控制施加于晶片130的去除速率。包含多個置換和替換裝置的單個頭部可用于覆蓋應用范圍?；蛘?，多個頭部220可陣列于應用范圍，其中每一個頭部都可進行受控的直線運動，以便影響應用范圍的期望部分。通過控制流體置換裝置210和部分1的端口238和234頭部220的部分1影響由傳感器141監(jiān)控的晶片130的區(qū)域。類似地頭部220的部分5影響與傳感器145有關的應用范圍部分。如果由任何一個傳感器141-147產(chǎn)生的信號顯示去除速率過高，即，與傳感器141-147中的一個對應的晶片130特定區(qū)域中的厚度較低，那么，流體置換裝置210可由計算機指引(如上圖10a中所述)以置換第一流體102并且端口234可輸送去離子水、或端口238可輸送研磨劑含量可變的漿料以便調(diào)節(jié)平面化程度和減少晶片130上的相應點所受到的去除速率。類似地，當在部分晶片130上已經(jīng)獲得期望厚度時，起執(zhí)行和校正系統(tǒng)作用的頭部220用來自端口234的去離子水置換第一流體102并用其替換第一流體102，防止在受作用的范圍內(nèi)進一步的平面化。
在圖11b中提供一圖形，其圖解說明一個示范性的CMP系統(tǒng)200所用的控制方法。在X軸上提供來自晶片載體135的傳感器陣列，顯示為傳感器141-147。如上圖11a中所述，傳感器141-147提供相對于磨光操作的反饋，還被稱為相對去除速率，與應用范圍的區(qū)段相關聯(lián)。磨光操作的相對去除速率在Y軸上提供。目標去除速率顯示為中值，正數(shù)1、2和3表示X軸上的傳感器所受到的去除速率相對增加。與傳感器141相關聯(lián)的為-1的去除速率值表示所測值小于該特定傳感器的目標值。如果去除速率值低于目標值，那么以上圖8-9中所述的流體置換裝置210將置換磨光墊101上的第一流體102并且流體輸送裝置230將用漿料替換第一流體102。類似地，可添加研磨劑含量可變的漿料以增加傳感器141所受的相對去除速率。
在可選擇實施方案中，如圖10a中所述的頭部220結構，磨光墊101上的被置換的第一流體102將被由漿料或研磨劑含量可變的漿料組成的第二流體102a替換以便增加傳感器141所測的相對去除速率。若傳感器，如傳感器144顯示比目標值高的去除速率，置換第一流體102并用去離子水替換將驅使傳感器144所受的相對去除速率朝目標值的方向下降。與橫跨應用范圍的各個區(qū)段有關的流體置換裝置201和流體輸送裝置230可獨立或動態(tài)地工作，以便最優(yōu)化相對去除速率來影響CMP系統(tǒng)所磨光的材料的目標厚度。
圖12是圖8-11中所述的CMP系統(tǒng)的可選擇實施方案。臂114提供對于頭部220的支撐，所述頭部220包含流體置換裝置210以及被配置以分別輸送漿料或研磨劑含量可變的漿料和去離子水的端口238和234。臂114可移動頭部220到由傳感器141-147指定的位置。臂114可具有若干關節(jié)113并且可由任何適用技術如步進馬達、伺服馬達等控制，以便在流體限制裝置104下游的磨光墊101的表面上置換和用第二流體102a替換第一流體102，以求控制施加于晶片130的去除速率。另外多個臂114′可移動多個頭部115′到由計算機150指定的位置以便提供置換和替換包括如圖11中所述的磨光墊101應用范圍上的薄膜在內(nèi)的流體。被配置以支撐流體置換裝置210以及擔負往磨光墊101輸送替換流體的端口238和234的多個臂114′，如上所述，可被CMP系統(tǒng)使用以差別性地控制去除速率來確保晶片130表面上剩余的材料的目標厚度。
圖13提供配置在臂114上的頭部220的可選擇結構。頭部220可沿臂114直線移動，如圖13中所述，該臂114延伸跨越磨光墊101的寬度。頭部220的位置能夠在流體置換裝置210以及被配置以分別輸送漿料或研磨劑含量可變的漿料和去離子水的端口238和234下隔離磨光墊101表面上的特定區(qū)域，以便控制施加于晶片130的去除速率。可任選多個頭部220′以提高應用范圍的覆蓋面，即將在晶片130表面下通過的磨光墊101的范圍。頭部220和多個頭部220′可沿臂114一致或獨立地直線移動，該臂114延伸跨越磨光墊101的寬度。以上圖8所述的計算機150可提供頭部220或多個頭部220′移動的協(xié)調(diào)，以便適當?shù)嘏鋫淠ス鈮|101用于差別性地控制平面化操作。
圖14a是以上圖8-10和圖11a-11b所述的CMP系統(tǒng)的可選擇結構的側視圖。晶片載體135可被配置以將晶片130置于旋轉平臺上的磨光墊101的上。頭部220用來置換和替換存在于磨光墊101上的流體以控制晶片130表面上材料的相對去除速率。
圖14B是旋轉式結構的CMP系統(tǒng)的頂視圖，其使用置換和替換組成磨光墊101上的薄膜的流體。臂114在晶片載體135的上游和在流體輸送裝置103和流體限制裝置104的下游支撐在旋轉磨光墊101上的頭部220。如以上圖中所述，頭部220包含流體置換裝置210(其提供在磨光墊101上置換第一流體102)以及端口238和234(其提供用第二流體102a替換第一流體102)。
圖15是一幅流程圖，其提供控制磨光墊上的薄膜的性質的方法。該方法在操作704中由置換存在于磨光表面區(qū)域上的流體而開始。磨光墊上和磨光墊中的薄膜的流體材料組成可取決于磨光操作而變化。被置換的流體(其構成磨光墊區(qū)域上和磨光墊區(qū)域中的薄膜)可包括漿料、一定量的去離子水、化學品、異丙醇、微粒、研磨劑、材料殘余物和墊殘余物。在操作708中，在磨光表面區(qū)域用第二流體替換被置換的流體。第二流體可為漿料、研磨劑含量可變的漿料、漿料和去離子水中的一種或組合。作為磨光墊表面上和磨光墊中的薄膜的第二流體通過作用于位于下游的晶片區(qū)域而有助于磨光操作。置換和替換流體的方法可被應用于所有類型的CMP設備，由于其控制有助于平面化加工的薄膜材料組成，因此不局限于直線或旋轉系統(tǒng)。
圖16是一幅根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的流程圖，其說明控制磨光表面上的薄膜的性質的操作方法。當為了在操作804中使一種或多種薄膜被去除而提供晶片時，該方法開始。在加工操作前可產(chǎn)生基片的厚度圖。當掃描晶片表面以獲得厚度數(shù)據(jù)而無外部感應物體或第三體時，可產(chǎn)生厚度圖。這里，校準器及其他中轉站可用來掃描晶片表面以便產(chǎn)生如上所述的厚度圖。僅當晶片和掃描機構用來產(chǎn)生厚度圖時，第三體即導電物體在這里不存在。識別厚度數(shù)據(jù)的基片分量和厚度數(shù)據(jù)的薄膜分量。這里，由掃描晶片表面產(chǎn)生的信號被細分為基片分量和薄膜分量。例如，感應信號可被分解為兩個分量。應該理解的是由此分量數(shù)據(jù)，可產(chǎn)生校準系數(shù)，該校準系數(shù)可被隨后用于厚度的下游測量，即嵌入于晶片載體的傳感器，以便更確切地確定厚度。
然后該方法進行操作806，晶片被轉移到加工站。在一個實施方案中，加工站是CMP系統(tǒng)。當然，任何適合的自動機器、機械或手工操作都可用來轉移晶片到加工站。該方法然后移到操作808，晶片載體上的傳感器確定與晶片上離散點相應的薄膜厚度，并且探測外部感應物體或第三體的存在。這里，如上所述參考圖8-13嵌入于晶片載體的一個或多個傳感器可用來探測厚度數(shù)據(jù)。在一個實施方案中，感應傳感器被用來進行這種探測，然而可使用散射計、光譜反射計、熱監(jiān)控、應力監(jiān)控及其他傳感器。
接著在操作810中，調(diào)節(jié)與晶片上的點對應的厚度數(shù)據(jù)以基本上去除基片分量和第三體效應。即，用在沒有第三體的情況下所確定的校準系數(shù)來分離與上述晶片上薄膜有關的厚度數(shù)據(jù)。厚度圖的坐標與加工操作中所用的傳感器(例如，如上所述的感應傳感器)相聯(lián)系。厚度圖上的點可與嵌入在晶片載體中的傳感器相聯(lián)系，以便平面化加工可控制在與嵌入在晶片載體中的傳感器相關的區(qū)域中。計算機，亦稱控制器，如上述圖8所述可提供構成這個聯(lián)系所必需的計算。在操作812中，當漿料被施加于墊上時，晶片表面的平面化在操作814中開始。離散位置處的薄膜厚度是由接收傳感器816的反饋的計算機計算，如上所述，所述傳感器從晶片上被平面化的區(qū)段監(jiān)控薄膜的影響。每個操作821繼續(xù)平面化加工直到在操作818中在特定位置獲得期望的厚度。如果在特定位置獲得期望的厚度，在操作822中查詢?nèi)總鞲衅魑恢谩?br> 如果期望的厚度在部分而不是全部位置獲得，流體置換裝置和流體輸送裝置置換和替換磨光墊上組成薄膜的流體以便在操作825中在期望的磨光墊應用范圍的區(qū)段內(nèi)影響相對去除速率，如上述圖8-14中所述。置換和替換區(qū)段的陣列被配置于磨光墊表面的應用范圍。計算機可基于與受薄膜性質影響的范圍相關聯(lián)的傳感器的反饋在所述區(qū)段調(diào)節(jié)所述置換和替換。如果系統(tǒng)未裝備計算機或如果要求手動控制，所述置換和替換區(qū)段可通過基于預平面化分析和或晶片測繪的手工或其他機械技術進行定位和調(diào)節(jié)?？赏瓿上到y(tǒng)的預校準以便傳感器的反饋在置換和替換操作的定位和實時控制中不再是如此重要或關鍵的。
為了實現(xiàn)通過磨光墊表面被磨光的材料的目標厚度，基于傳感器的反饋，計算機在區(qū)段中以差別性速率設置置換和替換的調(diào)節(jié)度。在具有期望厚度或過度去除速率的區(qū)段中，流體置換裝置置換主要由來自磨光墊的漿料組成的第一流體并且用第二化學惰性非研磨劑流體即去離子水替換第一流體?；蛘撸コ俾士稍谄谕姆秶鷥?nèi)在操作825中通過置換第一流體并且用漿料或研磨劑含量可變的漿料替換而增加。
然后在操作812中該方法繼續(xù)將漿料施加到磨光墊，雖然由計算機指定已獲得期望厚度的范圍具有替換漿料的由去離子水組成的第二流體。繼續(xù)操作812直到在操作822中所有位置的傳感器都顯示已經(jīng)獲得期望厚度。當在晶片上所有位置已經(jīng)獲得期望厚度時，平面化加工完成，并且在操作830中從磨光墊移走晶片。
總之，本發(fā)明實施方案提供一種CMP系統(tǒng)，其可被配置以差別性地控制所施加于晶片區(qū)域的去除速率。與均一去除速率相反，差別性控制使得能夠獲得均一的厚度。通過使用產(chǎn)生池的流體限制裝置，均一的漿料層被限定于限制裝置的下游。通過在磨光墊中和磨光墊上所指定的位置置換由漿料、微粒、研磨劑、異丙醇和水中的一種或其組合組成的第一流體，流體置換裝置提供了過程控制?？砂ㄒ粋€或多個流體輸送端口的流體輸送裝置可用去離子水、漿料或研磨劑含量可變的漿料在磨光墊的區(qū)段中替換被置換的第一流體。流體置換裝置和流體輸送裝置置換和替換磨光墊上組成薄膜的流體，以在磨光墊應用范圍的期望區(qū)段中影響相對去除速率。在晶片載體上的可探測被磨光的晶片材料性質的傳感器為流體置換裝置和流體輸送裝置提供反饋，以調(diào)節(jié)平面化程度和減少晶片上相應點處所受到的去除速率。當在部分晶片上已經(jīng)獲得期望的厚度時，可為頭部一部分的流體置換裝置和流體輸送裝置置換第一流體并且用去離子水替換第一流體，以在受作用的范圍內(nèi)防止進一步的平面化或顯著減少平面化。
在對晶片均一地探測到期望厚度后，平面化操作完成并且可發(fā)出信號以停止操作。如上所述的多個傳感器使得通過最初在非工藝操作條件下以及在平面化加工期間確定晶片上薄膜的厚度而確定終點和相關的去除速率。上述的實施方案可被應用于旋轉或軌道型CMP系統(tǒng)以及依賴帶式拋光介質的直線CMP系統(tǒng)。
在本文中依據(jù)幾個示范性的實施方案已描述了本發(fā)明。經(jīng)研究本發(fā)明的說明書和實際操作，本發(fā)明的其他實施方案對于本領域技術人員來講是顯而易見的。上述具體實旋方案和優(yōu)選特征應被認定為是示范性的，本發(fā)明由所附權利要求限定。
權利要求
1.一種用于化學機械平面化系統(tǒng)的設備，其包括流體置換裝置，其可被置于磨光墊上貼近的位置，該流體置換裝置被配置以從磨光墊區(qū)域置換至少部分第一流體；和流體輸送裝置，其可在所述磨光墊區(qū)域用第二流體替換第一流體，第二流體不同于第一流體。
2.權利要求1的設備，其中流體置換裝置提供空氣、干凈的干燥空氣和氮氣中的一種以從磨光墊區(qū)域置換第一流體。
3.權利要求1的設備，其中流體置換裝置在磨光墊上貼近的位置為約0.1mm-約25mm。
4.權利要求1的設備，其中流體置換裝置可提供約5-約40磅/平方英寸(PSI)的流體壓力。
5.權利要求1的設備，其中流體置換裝置偏離磨光墊約10度-約90度的角度。
6.權利要求1的設備，其中第一流體可為漿料、去離子水、異丙醇、微粒、研磨劑、材料殘余物和墊殘余物中的一種或其組合。
7.權利要求1的設備，其中由流體輸送裝置輸送的流體可為去離子水、漿料和研磨劑含量可變的漿料中的一種或其組合。
8.權利要求7的設備，其中選擇去離子水、漿料和研磨劑含量可變的漿料中的一種或其組合來調(diào)節(jié)CMP系統(tǒng)實施的平面化程度。
9.一種加工半導體基片的系統(tǒng)，其包括磨光墊；晶片載體，該晶片載體可被置于磨光墊上貼近的位置，該晶片載體被配置以接收晶片；第一流體，可置于磨光墊上，該流體有助于由晶片載體固定的晶片的平面化；流體限制裝置，可受控使第一流體分布于整個磨光墊；流體置換裝置，可被置于流體限制裝置和載體頭部之間的磨光墊上貼近的位置，該流體置換裝置可從磨光墊上的區(qū)域置換至少部分第一流體；和流體輸送裝置，其可在所述磨光墊區(qū)域用第二流體替換第一流體，第二流體不同于第一流體。
10.權利要求9的系統(tǒng)，其中第一流體可為漿料、去離子水、異丙醇、微粒、研磨劑、材料殘余物和墊殘余物中的一種或其組合。
11.權利要求9的系統(tǒng)，其中流體置換裝置提供空氣、干凈的干燥空氣和氮氣中的一種以從磨光墊區(qū)域置換第一流體。
12.權利要求9的系統(tǒng)，其中流體置換裝置在磨光墊上貼近的位置為約0.1mm-約25mm。
13.權利要求9的系統(tǒng)，其中流體置換裝置可提供約5-約40磅/平方英寸(PSI)的流體壓力。
14.權利要求9的系統(tǒng)，其中流體置換裝置偏離磨光墊約10度-90度的角度。
15.權利要求9的系統(tǒng)，其中由流體輸送裝置輸送的流體可為去離子水、漿料和研磨劑含量可變的漿料中的一種或其組合。
16.權利要求15的系統(tǒng)，其中選擇去離子水、漿料和研磨劑含量可變的漿料中的一種來調(diào)節(jié)CMP系統(tǒng)實施的平面化程度。
17.權利要求16的系統(tǒng)，其中置換流體裝置和流體輸送裝置影響磨光表面的區(qū)段。
18.權利要求17的系統(tǒng)，其還包括由至少兩個所述區(qū)段限定的多個區(qū)段以橫跨磨光表面的應用范圍。
19.一種控制存在于磨光墊表面上薄膜性質的方法，其包括置換存在于磨光表面區(qū)域上的流體；在所述磨光表面區(qū)域用第二流體替換被置換的流體，該區(qū)域的替換發(fā)生在置換之后，以便第二流體占據(jù)先前由被置換的流體占據(jù)的區(qū)域。
20.權力要求19的控制存在于磨光墊表面上薄膜性質的方法，其中置換和替換被配置以控制薄膜的性質，其用來改變平面化程度。
21.權力要求19的控制存在于磨光墊表面上的薄膜的性質的方法，其中第二流體是去離子水、漿料和研磨劑含量可變的漿料中的一種或其組合。
22.權利要求20的控制存在于磨光墊表面上的薄膜的性質的方法，其中該置換和替換覆蓋磨光墊表面的區(qū)段。
23.權利要求22的控制存在于磨光墊表面上薄膜性質的方法，其還包括從所述區(qū)段監(jiān)控薄膜對被平面化的晶片的影響；接收來自與受影響的基片平面化相關的傳感器的相對于所述區(qū)段的反饋；和基于從與受薄膜性質影響的范圍相關的傳感器接收的反饋在所述區(qū)段調(diào)節(jié)所述置換和替換。
24.用于化學機械平面化(CMP)系統(tǒng)的設備，包括；頭部，其可被置于磨光墊上貼近的位置，該頭部包括，限定在頭部中的輸入端，該輸入端可在貼近的位置輸送流體并且輸送到磨光墊的表面上；和在頭部中的輸出端，該輸出端鄰近于輸入端定向，該輸出端可去除至少部分被輸送到磨光墊表面上的流體。
25.權利要求24的設備，其中該頭部是可移動的。
26.權利要求24的設備，其中該頭部可包含多個附加的輸入端和輸出端。
27.權利要求24的設備，其中可配置多個頭部以橫跨應用范圍。
28.權利要求24的設備，其中頭部在磨光墊上貼近的位置為約0.1mm-約1mm。
29.權利要求24的設備，其中流體可為無研磨劑化學惰性液體、去離子水和與方法無關的流體中的一種。
30.權利要求24的設備，其中輸出端可去除存在于磨光墊上的材料。
31.權利要求30的設備，其中在磨光墊上可被輸出端去除的材料可為漿料、去離子水、異丙醇、微粒、研磨劑、材料殘余物和墊殘余物中的一種或其組合。
32.權利要求24的設備，其還包括計算機。
33.權利要求32的設備，其中計算機可與位于CMP系統(tǒng)上的傳感器通訊。
34.權利要求33的設備，其中傳感器可探測基片材料性質，所述性質包括薄膜厚度、傳導率、表面粗糙度和表面形態(tài)高度變化。
35.控制磨光墊表面上的薄膜的性質的方法，包括在磨光墊上輸送流體，該輸送在磨光墊表面上貼近的位置；和從磨光墊表面上去除至少部分所述流體，該去除被配置以發(fā)生在磨光墊表面上貼近的位置并且鄰近于流體的輸送。
36.權利要求35的控制磨光墊表面上的薄膜的性質的方法，其中所述輸送和去除被配置以有助于控制磨光墊表面上的薄膜的性質。
37.權利要求36的控制磨光墊表面上的薄膜的性質的方法，其中薄膜包括漿料、一定量的去離子水、一定量的化學品、異丙醇、微粒、研磨劑、材料殘余物和墊殘余物中的一種或多種。
38.權利要求35的方法，其中從薄膜去除漿料調(diào)節(jié)可由磨光墊表面賦予的平面化程度。
39.可控制化學機械磨光(CMP)系統(tǒng)的設備，包括傳感器；計算機；和頭部，其可被置于磨光墊上貼近的位置，該頭部包括限定在頭部中的輸入端，該輸入端可在貼近的位置輸送流體并且輸送到磨光墊的表面上；和在頭部中的輸出端，該輸出端鄰近于輸入端定向，該輸出端可去除至少部分輸送到磨光墊表面上的流體。
40.權利要求39的設備，其中計算機可與位于CMP系統(tǒng)上的傳感器通訊。
41.權利要求39的設備，其中傳感器可探測被加工的晶片表面的材料性質。
42.權利要求41的設備，其中材料性質包括薄膜厚度、傳導率、表面粗糙度和表面形態(tài)高度變化。
全文摘要
提供一種用于化學機械平面化系統(tǒng)(100)的設備。該設備包括流體置換裝置和流體輸送裝置。流體置換裝置可被置于磨光墊(101)上貼近的位置，該流體置換裝置被配置以從該磨光墊(101)區(qū)域置換至少部分第一流體。流體輸送裝置(103)可在所述磨光墊區(qū)域用第二流體替換被置換的第一流體，第二流體不同于第一流體。還提供一種控制存在于磨光墊(101)表面上的薄膜的性質的方法。進一步提供一種設備，其可在磨光墊上輸送流體，其中，輸送是在磨光墊表面上貼近的位置。該設備應進一步可從磨光墊表面上去除至少部分所述流體。該去除被配置以發(fā)生在磨光墊表面上貼近的位置并且鄰近于流體的輸送。
文檔編號B24B57/02GK1839015SQ200480023728
公開日2006年9月27日 申請日期2004年6月17日 優(yōu)先權日2003年6月18日
發(fā)明者Y·戈特基斯, D·林 申請人:蘭姆研究有限公司