專利名稱：拋光片磨損的在線監(jiān)測(cè)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體晶片加工技術(shù)，特別是涉及在化學(xué)機(jī)械拋光過程中測(cè)量拋光片磨損的設(shè)備及方法。
化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)是在拋光過程中使用化學(xué)試劑或膏劑，并通過拋光片的機(jī)械作用來使晶片表面光潔平整。在拋光過程中，可去除晶片表面的材料，但也使拋光片磨損。最后，由于拋光片已經(jīng)磨損壞了或磨損不均勻，就必須更換拋光片。不均勻磨損的拋光片會(huì)造成晶片表面材料去除不均勻，并導(dǎo)致拋光后的表面質(zhì)量下降。因此，為了保證CMP系統(tǒng)工作的有效性，必須定期檢查拋光片的磨損情況和/或定期更換。通常拋光片是用粘結(jié)劑粘結(jié)到一起的，因此，卸下拋光片測(cè)量其厚度是不可能的，因?yàn)檫@樣會(huì)撕裂拋光片并使之不能使用。拋光片的光學(xué)測(cè)量方法是可行的，但是拋光片上水和膏劑的不均勻分布，防礙了光學(xué)干涉測(cè)量法作為一個(gè)可行的技術(shù)方案來測(cè)量其厚度，除非系統(tǒng)停機(jī)并且拋光片是清潔干燥的。
當(dāng)前CMP系統(tǒng)的一個(gè)重要的工藝流程就是特定的拋光片檢修工藝流程。由于準(zhǔn)確測(cè)量拋光片厚度較為困難，現(xiàn)行做法是在拋光了一定數(shù)目的晶片后即更換拋光片。然而，由于拋光片材料特性一批與一批不同，并且不同的晶片和拋光參數(shù)導(dǎo)致拋光片磨損率的變化范圍很寬，因此在拋光片更換前，拋光的晶片數(shù)目是變化的。過于頻繁地更換拋光片會(huì)增加CMP系統(tǒng)的停機(jī)時(shí)間和降低拋光晶片的產(chǎn)量。一個(gè)較理想的CMP系統(tǒng)是檢修拋光片的停機(jī)時(shí)間最短，而且又可避免由于拋光片磨損壞了或不均勻磨損而出現(xiàn)的問題。
根據(jù)本發(fā)明，用一種化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)設(shè)備的在線傳感器對(duì)拋光片進(jìn)行測(cè)量。在拋光過程中，CMP設(shè)備的一臺(tái)分析儀或系統(tǒng)控制器，根據(jù)在線傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，來確定拋光片是否已經(jīng)磨損壞了或不均勻磨損，當(dāng)拋光片需要檢修時(shí)給使用者發(fā)出信號(hào)。拋光作業(yè)僅在CMP系統(tǒng)要求更換拋光片時(shí)才中斷進(jìn)行維護(hù)。這樣，拋光片檢修的停機(jī)時(shí)間就減到最少。而且，系統(tǒng)控制器可調(diào)整CMP系統(tǒng)的工作參數(shù)，例如根據(jù)拋光片所需數(shù)據(jù)而調(diào)整拋光片調(diào)節(jié)器，以提高系統(tǒng)效能或使拋光片的磨損更均勻一些。
本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方案包括一個(gè)無觸點(diǎn)傳感器，例如激光傳感器，它直接將光束射向目標(biāo)區(qū)域并接收反射光，然后根據(jù)入射光和反射光的三角測(cè)量法來確定到反射點(diǎn)的距離。傳感器的理想目標(biāo)區(qū)域，理論上是在每一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)拋光片的固定位置上。例如，目標(biāo)區(qū)域可設(shè)在運(yùn)載拋光片的傳送帶的傳輸輥或托輥上方。當(dāng)拋光片凹陷部分或凸面進(jìn)入傳感器的目標(biāo)區(qū)域時(shí)，即可測(cè)出到凹陷部分上的點(diǎn)和凸面上的點(diǎn)的距離。拋光片磨損時(shí)，到拋光片凸面上反射點(diǎn)的距離會(huì)增加，而到凹陷部分底部的距離大致保持恒定。拋光片凸面上點(diǎn)與凹陷部分上點(diǎn)的平均距離差，就是拋光片凸面的厚度。到拋光片凸面距離的均方根值顯示了凸面厚度的變化量，也就是拋光片表面粗糙度。
在CMP過程中，傳感器測(cè)量拋光片上點(diǎn)的距離是沿著一條測(cè)量軌跡進(jìn)行的。這條測(cè)量軌跡是依據(jù)傳感器和拋光片的運(yùn)動(dòng)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，傳感器運(yùn)動(dòng)速度分量方向垂直于拋光片運(yùn)動(dòng)的方向。例如，傳感器的前后運(yùn)動(dòng)形成一條橫穿過拋光片的Z字形軌跡。當(dāng)傳感器前后運(yùn)動(dòng)頻率是拋光片運(yùn)動(dòng)循環(huán)頻率的整數(shù)倍時(shí)，在拋光片一個(gè)或更多個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)后，傳感器仍會(huì)沿同樣的軌跡返回。這樣，通過比較從一次掃描到下一次掃描時(shí)，拋光片上同一系列點(diǎn)的厚度或磨損量，可識(shí)別出拋光片的磨損情況。
另一方面，CMP設(shè)備是根據(jù)拋光片的測(cè)量數(shù)據(jù)運(yùn)行的。例如，可通過調(diào)整CMP設(shè)備運(yùn)行參數(shù)來矯正拋光片的不均勻磨損，同時(shí)這種調(diào)整也提高了拋光的均勻度。另外，對(duì)于一個(gè)特定的拋光片來說，根據(jù)當(dāng)時(shí)拋光片的實(shí)際厚度和輪廓而確定拋光片的檢修時(shí)機(jī)，而不是根據(jù)具體拋光片可能產(chǎn)生誤差的統(tǒng)計(jì)預(yù)期方法來確定檢修時(shí)機(jī)要好得多。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，拋光設(shè)備包括一個(gè)在拋光過程中為轉(zhuǎn)動(dòng)而活動(dòng)安裝的拋光片；一個(gè)在拋光片轉(zhuǎn)動(dòng)且其一部分進(jìn)入傳感器目標(biāo)區(qū)域時(shí)，可測(cè)量到拋光片該部分的距離的傳感器；以及一臺(tái)與傳感器相匹配的，可根據(jù)測(cè)量距離值而確定拋光片是否需要檢修的控制器。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，使用在線傳感器測(cè)量拋光片的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的一個(gè)局部示意圖；圖2是圖1中的拋光設(shè)備，在沿運(yùn)動(dòng)的傳送帶上的一條軌跡所測(cè)到的傳感器與拋光片表面距離的線圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，表示對(duì)拋光片凹陷部分和凸面進(jìn)行測(cè)量的視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，表示拋光片測(cè)量數(shù)據(jù)的采集和處理流程圖。
在不同的圖中所采用的相同標(biāo)號(hào)代表了相似或相同的物件。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，在化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)過程中，在線無觸點(diǎn)傳感器可測(cè)量到移動(dòng)中的拋光片表面的距離。拋光片磨損而變薄時(shí)，測(cè)量的到拋光片的距離增加。因此，系統(tǒng)控制器可依據(jù)測(cè)量的距離，來確定何時(shí)拋光片磨損不均勻或太薄而需要更換。另外，在CMP過程中，控制器可以檢測(cè)出拋光片的不同點(diǎn)的不同磨損情況，和識(shí)別拋光片的不均勻磨損，這時(shí)需要改變?nèi)缤C(jī)時(shí)間或調(diào)節(jié)器壓力等工作參數(shù)。這種系統(tǒng)工作參數(shù)的變化，可以提高拋光片的使用壽命和拋光的效能。
圖1表示了根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式確定的CMP設(shè)備100的一部分。CMP設(shè)備100包括一個(gè)承載拋光片的傳送帶130，一個(gè)用來放置晶片使之抵靠拋光片的晶片載運(yùn)盤160，一個(gè)位于晶片載運(yùn)盤160下方支撐傳送帶130的支撐架150，一個(gè)具有可使傳送帶130和拋光片移動(dòng)的傳輸輥140的傳送帶驅(qū)動(dòng)裝置，以及一個(gè)安裝在傳感器驅(qū)動(dòng)裝置上，用來測(cè)量到拋光片的距離的傳感器110。工作時(shí)，傳送帶驅(qū)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)傳送帶130，使得拋光片滑過安裝在晶片載運(yùn)盤160上的晶片的露出表面。支撐架150和晶片載運(yùn)盤160相配合，以保持拋光片始終平行于晶片加工表面并與其均勻接觸。申請(qǐng)?zhí)栁粗⒋硖?hào)為M-5186US、名稱為“化學(xué)機(jī)械拋光中帶有迎角控制的晶片載運(yùn)盤”的相關(guān)美國(guó)專利申請(qǐng)，描述了一種晶片載運(yùn)盤，因此這里結(jié)合其全部作為參考。申請(qǐng)?zhí)栁粗⒋硖?hào)為M-5185US、名稱為“包括流體靜壓軸承支撐的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備”，和申請(qǐng)?zhí)栁粗?、代理?hào)為M-5240US、名稱為“包括密封流體腔支撐件的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備”的相關(guān)美國(guó)專利申請(qǐng)，描述了對(duì)于CMP設(shè)備100較適合的支撐結(jié)構(gòu)，因此這里將它們作為參考。
拋光片的機(jī)械作用與供給拋光片上的軟膏或拋光液的化學(xué)反應(yīng)相互結(jié)合，使得拋光片從晶片表面上去除材料，并拋光或局部地平整晶片表面。在理想狀態(tài)下，材料的去除最好發(fā)生在晶片表面的最高點(diǎn)，但也可能在橫貫晶片的區(qū)域上均勻發(fā)生。拋光片的缺陷或者支撐架150和/或載運(yùn)盤160壓力的不均勻，會(huì)導(dǎo)致拋光片的個(gè)別部位較多或較少地參與去除晶片表面的材料。例如，對(duì)處于晶片載運(yùn)盤160上的晶片壓力較小的部位，拋光片去除晶片表面材料的速度，要慢于壓力較大的部位。在CMP設(shè)備100中，一個(gè)載運(yùn)盤驅(qū)動(dòng)裝置(圖中未示出)轉(zhuǎn)動(dòng)晶片載運(yùn)盤160，并且使晶片載運(yùn)盤160前后移動(dòng)橫過傳送帶130。這可以通過在晶片很大的區(qū)域范圍內(nèi)、分布不同拋光速率來降低具有不同拋光速率的拋光片部位的影響。
在CMP過程中，一個(gè)控制器180控制移動(dòng)傳感器110的驅(qū)動(dòng)裝置120，并處理由傳感器110傳回的測(cè)量參數(shù)。例如，控制器180可以是一臺(tái)運(yùn)行適當(dāng)軟件的計(jì)算機(jī)，或是一個(gè)有特定目的的數(shù)據(jù)處理電路。本發(fā)明的一個(gè)典型實(shí)施例中，控制器180是一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)，其具有一個(gè)控制驅(qū)動(dòng)裝置120的接口插件，和一個(gè)從傳感器110接收數(shù)據(jù)的接口插件?？刂破?80可以從接收到的拋光片測(cè)量數(shù)據(jù)中，識(shí)別出拋光片的不均勻磨損或過磨損。如果識(shí)別出拋光片不均勻磨損，控制器180可通過改變CMP設(shè)備100的工作參數(shù)進(jìn)行校正。例如，改變晶片載運(yùn)盤160的移動(dòng)范圍，以增加晶片在拋光片磨損較小的區(qū)域的滯留時(shí)間。拋光片一個(gè)部位的磨損越慢，意味著在該部位的壓力太小，控制器180可以調(diào)整支撐架150或晶片載運(yùn)盤160的構(gòu)形，來增加選定區(qū)域的壓力。申請(qǐng)?zhí)栁粗?、名稱為“用密封流體腔支撐拋光片的拋光設(shè)備”中，記載了一種可控制壓力分布的支撐結(jié)構(gòu)。傳送帶130的轉(zhuǎn)動(dòng)速度或拋光時(shí)間也可以改變。其它的控制方法也是可以的，這取決于CMP設(shè)備的特性。當(dāng)測(cè)量的數(shù)據(jù)顯示用于校正的拋光片太薄或極不均勻時(shí)，控制器180可發(fā)出拋光片需要進(jìn)行維護(hù)的信號(hào)。
從一個(gè)循環(huán)到下一個(gè)循環(huán)過程中，傳感器驅(qū)動(dòng)裝置120前后移動(dòng)傳感器110，使其位于傳送帶130和拋光片準(zhǔn)確定位的位置的上方。例如，傳感器110可設(shè)置在傳送帶130直接接觸傳輸輥140位置的上方，以便隨時(shí)使位于傳感器110目標(biāo)范圍內(nèi)的傳送帶130的部位貼靠傳輸輥140，并且朝傳感器110延伸的距離，等于傳送帶130及拋光片的厚度之和。傳感器110通常在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)測(cè)量到拋光片表面的距離?？梢栽趻伖膺^程中拋光片處于移動(dòng)狀態(tài)時(shí)，或在拋光作業(yè)期間拋光片不動(dòng)時(shí)進(jìn)行測(cè)量。拋光片的厚度或磨損量，可通過測(cè)量數(shù)據(jù)的相互比較而確定，后面將進(jìn)一步闡述。一般地講，拋光片磨損且厚度減小時(shí)，傳感器110測(cè)量的平均距離增大。這樣通過平均距離的測(cè)量可識(shí)別出磨壞的拋光片。
在典型的實(shí)施例中，傳感器驅(qū)動(dòng)裝置120在垂直于傳送帶130運(yùn)動(dòng)方向上，橫穿傳送帶130的寬度移動(dòng)傳感器110。另外，傳感器110可沿任何預(yù)定的軌跡移動(dòng)。例如，傳感器110可沿與傳送帶130運(yùn)動(dòng)方向成一定夾角的方向移動(dòng)，因此傳感器110相對(duì)于傳送帶130的運(yùn)動(dòng)，使得傳感器110橫過傳送帶130寬度，并在垂直于運(yùn)動(dòng)方向的方面上測(cè)量拋光片的外形輪廓。通常，距離測(cè)量值對(duì)應(yīng)于拋光片上沿軌跡170運(yùn)動(dòng)的部分，所述軌跡170取決于傳感器110和傳送帶130的運(yùn)動(dòng)。傳送帶130可在任何位置停下來，以測(cè)量拋光片的特定的部位。另外，傳感器110與傳送帶130的運(yùn)動(dòng)循環(huán)同步，以便在拋光過程中，傳感器110周期性地沿原運(yùn)動(dòng)軌跡返回，并反復(fù)測(cè)量拋光片的同一個(gè)部位。例如，如果傳感器110前后運(yùn)動(dòng)的頻率是傳送帶130運(yùn)動(dòng)循環(huán)頻率的整數(shù)倍，在傳送帶130的每一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)過程中，傳感器110可相對(duì)于傳送帶130以相同的軌跡170返回。如果傳感器110前后運(yùn)動(dòng)的頻率是傳送帶130運(yùn)動(dòng)循環(huán)頻率的一半或其它分?jǐn)?shù)，則沿軌跡170的一個(gè)完整描跡需要傳送帶130進(jìn)行兩個(gè)或更多個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)。在這種情況下，對(duì)傳送帶130的一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)過程，在傳送帶130的一點(diǎn)上、拋光片的厚度測(cè)量結(jié)果可以同后續(xù)的循環(huán)過程中在同一點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，并且可以跟蹤記錄拋光片在特定點(diǎn)的磨損。
圖2所示的圖線210、220是在傳送帶130的不同運(yùn)動(dòng)循環(huán)過程中，沿軌跡170運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)的測(cè)量距離D。圖線210、220是相對(duì)于以軌跡170的起始點(diǎn)作為時(shí)標(biāo)起點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)S所繪制的曲線。由于沿軌跡170拋光片厚度的變化，以及傳感器110在其前后運(yùn)動(dòng)過程中，相對(duì)于傳輸輥140的高度變化或其它設(shè)備缺陷，導(dǎo)致圖線210、220表示的測(cè)量距離不是常量。如果磨損量能夠由不同運(yùn)動(dòng)循環(huán)的圖線差別中確定，在傳感器110的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，傳感器110到傳輸輥140的距離保持一個(gè)定值是不必要的。圖線220表示的運(yùn)動(dòng)循環(huán)發(fā)生在圖線210表示的運(yùn)動(dòng)循環(huán)之后，在兩次運(yùn)動(dòng)循環(huán)過程中，圖線220與圖線210的差值表示了拋光片累計(jì)磨損量Δt。對(duì)于圖線210和220，在整個(gè)時(shí)間坐標(biāo)S范圍內(nèi)，Δt近似是一個(gè)常量，顯示了至少對(duì)于沿軌跡170運(yùn)動(dòng)的拋光片的部位來說，其磨損量是均勻的。當(dāng)拋光片的磨損量不均勻時(shí)，圖線210和220的差值在整個(gè)時(shí)間坐標(biāo)S范圍內(nèi)變化很大。選擇傳感器110的運(yùn)動(dòng)頻率，以便在傳感器110回到軌跡170的起點(diǎn)前，傳送帶130能進(jìn)行許多的運(yùn)動(dòng)循環(huán)，以增加拋光片的測(cè)量區(qū)域，并提高檢測(cè)更小范圍內(nèi)不均勻磨損的能力。
要識(shí)別一個(gè)拋光片是否已經(jīng)磨壞了，或者測(cè)定拋光片的磨損總量，或者測(cè)定其實(shí)際厚度。一種測(cè)定拋光片磨損總量的方法是先確定一條測(cè)量距離的初始圖線并存儲(chǔ)起來，如圖線230，然后將其與后續(xù)圖線220或210進(jìn)行比較。初始圖線與后續(xù)圖線的差值，就是拋光片從開始使用到測(cè)量后續(xù)圖線這段時(shí)間內(nèi)的累計(jì)磨損量。當(dāng)拋光片累計(jì)磨損量超過一定界限時(shí)，就應(yīng)當(dāng)進(jìn)行更換了。要確定拋光片的絕對(duì)厚度，可將拋光片還未就位時(shí)的圖線作為初始圖線230，并將圖線230作為基準(zhǔn)線，圖線210、220指示出在圖線210、220所對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)過程中，拋光片的厚度是T1、T2。如果拋光片的厚度太薄，它就應(yīng)當(dāng)被更換了。
另外一種測(cè)量拋光片厚度的方法是測(cè)量拋光片凹陷部分的一點(diǎn)與其凸面上一點(diǎn)的距離差值。拋光片的凹陷有許多種形式，如凹槽、凹坑或穿過拋光片的孔眼等。圖3顯示了拋光片310上的點(diǎn)和距離測(cè)量值之間的相互關(guān)系。拋光片310包括凹陷部分314及與其間隔開的較高的區(qū)域(凸面312)。CMP設(shè)備上一個(gè)典型的未磨損的拋光片，從其凸面312的頂部到凹陷部分314的底部的距離大約是0.015”至0.025”。當(dāng)凸面磨損到大約0.0020”至0.0015”，或累計(jì)磨損量已造成拋光片表面過度不均勻而影響所要求的拋光精度時(shí)，拋光片就應(yīng)當(dāng)進(jìn)行更換了。當(dāng)移動(dòng)傳感器110橫過拋光片的寬度時(shí)，傳感器110可測(cè)量到其所掃過的每一個(gè)凹陷部分的大約5-10個(gè)點(diǎn)的距離，和到拋光片每一個(gè)凸面上一連串點(diǎn)的距離?？刂破髟谔幚韽膫鞲衅?10接受到的數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，可由測(cè)量數(shù)據(jù)的突變來反映從拋光片凹陷部分到其凸面、或從其凸面到凹陷部分的變化。例如，圖3表示了由對(duì)應(yīng)于拋光片凹陷部分314的一串測(cè)量數(shù)據(jù)值324，變化到對(duì)應(yīng)于拋光片凸面312的一串測(cè)量數(shù)據(jù)值322時(shí)，距離測(cè)量數(shù)值突然減小。測(cè)量值324可用其均值來表征拋光片的凹陷部分。由統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)來看，這種均值所表征的到拋光片凹陷部分的距離，比一個(gè)單獨(dú)的測(cè)量值更精確。另外，為了與后續(xù)的拋光片運(yùn)動(dòng)循環(huán)過程的測(cè)量數(shù)據(jù)相比較而需存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，均值所占用的內(nèi)存空間也是比較小的。由于拋光片凹槽的磨損較小，在整個(gè)拋光過程中，測(cè)量的到這種特殊凹陷部分的特殊點(diǎn)的平均距離應(yīng)保持一個(gè)常量。但是，如果有物質(zhì)聚集在凹陷部分，測(cè)量的凹陷部分的點(diǎn)的距離值會(huì)減小。由先前的凹陷部分的測(cè)量數(shù)據(jù)，可判斷出殘留物是否已經(jīng)聚集起來。測(cè)量的到凹陷部分的后續(xù)距離與初始距離的差值，就表示了殘留物聚集的總量。
對(duì)應(yīng)于拋光片凸面312的測(cè)量值322，控制器可確定一個(gè)到凸面的平均距離和一個(gè)均方根(RMS)變量值。測(cè)量的到拋光片凸面的平均距離，與到其相鄰的凹陷部分的平均距離的差值，就是拋光片凸面的厚度值。RMS變量值是拋光片凸面不均勻度的一個(gè)量化值。測(cè)量的到拋光片凸面的平均距離值變化量，和每一個(gè)凸面的RMS變量值，反映了拋光片表面整體的不均勻度。當(dāng)需要將這個(gè)平均距離值和對(duì)應(yīng)于每一個(gè)凸面的RMS值存儲(chǔ)起來與后面的測(cè)量值進(jìn)行比較時(shí)，它們所占用的系統(tǒng)存儲(chǔ)空間可大大減小。
可根據(jù)CMP設(shè)備100的工作情況和精度需求來選擇傳感器100。具體地說，最好選擇無觸點(diǎn)式傳感器，其可進(jìn)行距拋光片大約1至2英寸的遠(yuǎn)距離測(cè)量，并獲得精確的測(cè)量值，而不會(huì)由于拋光片上拋光膏的影響而降低測(cè)量精度。標(biāo)準(zhǔn)的未磨損的拋光片厚度大約是1250μm，要測(cè)量到拋光片凹陷部分上幾個(gè)點(diǎn)的距離，所需的測(cè)量靈敏度大約是10μm或更高，空間分辨率大約是50μm。所需的響應(yīng)速度決定于與傳送帶運(yùn)動(dòng)方向相垂直的傳感器移動(dòng)速度分量。一般情況下，響應(yīng)速度大約是1kHz就足夠了。光學(xué)傳感器和無觸點(diǎn)式傳感器都可達(dá)到這一精度要求。但由于拋光片上拋光膏會(huì)干擾距離的測(cè)量，作為光學(xué)傳感器的一種，干涉測(cè)量傳感器一般是不適合的。在典型實(shí)施例中，傳感器110是直接將光束射向目標(biāo)區(qū)域，并接收反射光，然后使用三角測(cè)量法來確定到反射點(diǎn)的距離的激光傳感器。在具體使用過程中，一種較適合的光學(xué)傳感器是Aromat公司的LM10微型激光傳感器。另一種光學(xué)傳感器是使用共焦技術(shù)，當(dāng)聚焦在點(diǎn)上時(shí)，其確定從透鏡輪廓面到光線聚焦點(diǎn)的距離。可用的非光學(xué)傳感器包括熱線傳感器，它可通過由熱線或電阻對(duì)待測(cè)表面的熱傳導(dǎo)效果來確定到表面的距離。
圖4所示為按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的CMP系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和分析處理過程400。在拋光操作開始時(shí)，第一個(gè)步驟410記錄例如日期、時(shí)間以及傳送帶或拋光片的標(biāo)記等信息，以區(qū)分CMP操作過程。接著數(shù)據(jù)采集和分析處理過程400進(jìn)入一個(gè)循環(huán)過程，包括步驟420、430、440、450、460、。470和480，這些步驟重復(fù)循環(huán)直到CMP操作過程完成，或者到步驟480確定拋光片需要進(jìn)行更換時(shí)為止。在這個(gè)循環(huán)過程中，步驟420測(cè)量到拋光片的一個(gè)截取部分上的點(diǎn)的距離。這個(gè)截取部分最好相對(duì)小一些，以減少一次需測(cè)的點(diǎn)的數(shù)目。在一個(gè)整體循環(huán)過程中，橫越過拋光片上大約三個(gè)凹槽的范圍是一個(gè)較為適合的拋光片截取部分。步驟430用來識(shí)別和記錄傳送帶測(cè)量截面的位置。這個(gè)沿周向環(huán)繞傳送帶的截面位置，可通過最后一次遇到傳送帶上的標(biāo)志點(diǎn)的時(shí)間，或傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)角度而識(shí)別出來。傳感器110的位置識(shí)別出垂直于拋光片運(yùn)動(dòng)方向的該截面位置。
步驟440、450和460是分析測(cè)量數(shù)據(jù)的步驟。步驟440可識(shí)別出拋光片截取部分上分別對(duì)應(yīng)于凹槽和凸面的一組測(cè)量數(shù)據(jù)。步驟450確定每一組測(cè)量數(shù)據(jù)的平均距離值和RMS值。步驟460是相互比較它們的平均距離值和RMS值，以及與拋光片同一截取部分的原先存儲(chǔ)值進(jìn)行比較。實(shí)例的比較包括計(jì)算拋光片凸面與其相鄰的凹槽的平均距離差值，以確定在凸面處拋光片的厚度，以及確定橫過拋光片一定范圍內(nèi)拋光片厚度的變化。步驟470是將所確定的平均距離值和RMS值存儲(chǔ)起來，作為拋光片截取部分的標(biāo)識(shí)信息。如果拋光片未達(dá)到其使用壽命以及不是非正常磨損，該循環(huán)過程將重復(fù)進(jìn)行到下一個(gè)拋光片截取部分。如果拋光片已經(jīng)磨損壞了或是在非正常磨損的情況下，步驟480直接進(jìn)入數(shù)據(jù)采集和分析處理過程400的下一個(gè)步驟490，即顯示拋光片的使用狀態(tài)。CMP設(shè)備的使用者可著手維修拋光片。
可使用在自始至終幾個(gè)不同的拋光作業(yè)過程中所存儲(chǔ)的拋光片數(shù)據(jù)，反復(fù)控制操作步驟和進(jìn)行趨勢(shì)分析，以識(shí)別可影響拋光均勻度或材料去除率的拋光片使用狀態(tài)。特別是，通過對(duì)拋光片測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，可建立在正常使用CMP設(shè)備時(shí)拋光片參數(shù)的上、下界限值。在超過統(tǒng)計(jì)界限值時(shí)，可提醒使用者拋光效能有低于最佳狀態(tài)的可能。然后使用者可通過例如改變拋光參數(shù)或者替換拋光片的方法來矯正這種狀態(tài)。相反，如果拋光效能低于最佳狀態(tài)，通過將拋光片測(cè)量數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)界限值相比較，可以指示出或者消除出現(xiàn)問題的拋光片。
盡管本發(fā)明是用幾個(gè)相關(guān)的特殊實(shí)施例來描述的，但說明書所描述的僅是本發(fā)明具體應(yīng)用的一個(gè)例子而已，本發(fā)明并不局限于此。具體地說，盡管本發(fā)明的實(shí)施例是對(duì)CMP傳送帶式拋光機(jī)的描述，但本發(fā)明也可用于其它種類的拋光機(jī)，例如純機(jī)械式拋光機(jī)和轉(zhuǎn)臺(tái)式拋光機(jī)。在這些具體應(yīng)用過程中，可在拋光機(jī)上、在拋光片間歇時(shí)或使用中進(jìn)行測(cè)量。本發(fā)明實(shí)施例所揭示的技術(shù)特征的其它各種變型和組合，均落在本發(fā)明權(quán)利要求所限定的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1．一種拋光設(shè)備，包括一個(gè)為了在拋光過程中轉(zhuǎn)動(dòng)而活動(dòng)安裝的拋光片；一個(gè)安裝的傳感器，當(dāng)拋光片安裝在拋光設(shè)備上、處于傳感器目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，測(cè)量到拋光片的部分的距離；以及一臺(tái)與傳感器相匹配的分析儀，其中，該分析儀可根據(jù)距離測(cè)量值而確定拋光設(shè)備是否應(yīng)當(dāng)執(zhí)行操作工序。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的拋光設(shè)備，其中，當(dāng)拋光片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，安裝傳感器以測(cè)量到進(jìn)入該傳感器目標(biāo)區(qū)域的拋光片部分的距離。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的拋光設(shè)備，其中，當(dāng)拋光片靜止不動(dòng)時(shí)，安裝傳感器以測(cè)量到處于該傳感器目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的拋光片部分的距離。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的拋光設(shè)備，還包括一個(gè)安裝有所述拋光片的轉(zhuǎn)臺(tái)。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的拋光設(shè)備，還包括一條其上安裝有所述拋光片的傳送帶；以及一個(gè)使所述傳送帶和拋光片轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置。
6．根據(jù)權(quán)利要求5所述的拋光設(shè)備，其中，所述驅(qū)動(dòng)裝置包括一個(gè)其上支撐所述傳送帶的傳輸輥，以及所述的傳感器目標(biāo)區(qū)域包括支撐于傳輸輥上的傳送帶的一部分。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述的拋光設(shè)備，還包括一個(gè)裝有所述傳感器的驅(qū)動(dòng)裝置，當(dāng)所述拋光片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，該驅(qū)動(dòng)裝置移動(dòng)所述傳感器橫過所述拋光片。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的拋光設(shè)備，其中，所述驅(qū)動(dòng)裝置沿著垂直于所述拋光片運(yùn)動(dòng)方向的一條直線前后移動(dòng)所述傳感器。
9．根據(jù)權(quán)利要求1所述的拋光設(shè)備，其中，所述傳感器在測(cè)量距離時(shí)不接觸所述拋光片。
10．根據(jù)權(quán)利要求9所述的拋光設(shè)備，其中，所述傳感器包括一個(gè)光學(xué)傳感器。
11．根據(jù)權(quán)利要求10所述的拋光設(shè)備，其中，所述光學(xué)傳感器用三角測(cè)量法來測(cè)量距離。
12．根據(jù)權(quán)利要求10所述的拋光設(shè)備，其中，所述光學(xué)傳感器用共焦技術(shù)來測(cè)量距離。
13．根據(jù)權(quán)利要求1所述的拋光設(shè)備，其中，所述拋光設(shè)備對(duì)晶片進(jìn)行機(jī)械拋光。
14．根據(jù)權(quán)利要求1所述的拋光設(shè)備，其中，所述的操作工序包括更換或修補(bǔ)所述拋光片。
15．根據(jù)權(quán)利要求1所述的拋光設(shè)備，其中，所述的操作工序包括根據(jù)所測(cè)距離的分析結(jié)果而調(diào)整拋光設(shè)備的工作參數(shù)。
16．根據(jù)權(quán)利要求15所述的拋光設(shè)備，其中，所述分析儀根據(jù)所測(cè)距離的分析結(jié)果而調(diào)整拋光設(shè)備的工作參數(shù)。
17．一種操作所述拋光設(shè)備的方法，包括以下步驟使用安裝在拋光設(shè)備上可移動(dòng)的拋光片來拋光目標(biāo)工件；當(dāng)所述拋光片安裝在拋光設(shè)備上時(shí)，對(duì)拋光片進(jìn)行測(cè)量；以及根據(jù)拋光片安裝于拋光設(shè)備上時(shí)所測(cè)量的拋光片數(shù)據(jù)，來確定該拋光片是否需要檢修。
18．根據(jù)權(quán)利要求17所述的操作方法，其中，所述的對(duì)拋光片的測(cè)量，包括使用一個(gè)光學(xué)傳感器，來測(cè)量從該光學(xué)傳感器到拋光片表面的距離。
19．根據(jù)權(quán)利要求17所述的操作方法，其中，對(duì)拋光片的測(cè)量包括在所述拋光片的第一運(yùn)動(dòng)循環(huán)過程中，測(cè)量到該拋光片表面上的一點(diǎn)的第一距離；和在所述拋光片的第二運(yùn)動(dòng)循環(huán)過程中，測(cè)量到該拋光片表面上該點(diǎn)的第二距離；確定該拋光片是否需要檢修的過程包括確定所述第一和第二距離之間的差值，以確定在所述第一和第二運(yùn)動(dòng)循環(huán)中所述拋光片的磨損量。
20．根據(jù)權(quán)利要求17所述的操作方法，其中，對(duì)拋光片的測(cè)量包括測(cè)量到所述拋光片的一個(gè)凹陷部分上的第一點(diǎn)的第一距離；測(cè)量到所述拋光片的一個(gè)凸面上的第一點(diǎn)的第二距離；以及使用所述第一和第二距離差值來確定所述凸面的厚度。
21．根據(jù)權(quán)利要求17所述的操作方法，其中，對(duì)拋光片的測(cè)量包括測(cè)量到所述拋光片的截取部分上一系列點(diǎn)的距離，該截取部分包括一個(gè)凹陷部分和一個(gè)凸面；識(shí)別出對(duì)應(yīng)于該凹陷部分上的點(diǎn)的第一組相關(guān)距離測(cè)量值，以及對(duì)應(yīng)于該凸面上的點(diǎn)的第二組相關(guān)距離測(cè)量值；確定第一組距離測(cè)量值的平均值作為第一平均距離，以及第二組距離測(cè)量值的平均值作為第二平均距離；以及使用所述第一和第二平均距離差值來確定所述凸面的厚度。
22．根據(jù)權(quán)利要求21所述的操作方法，還包括確定第二組距離測(cè)量值的一個(gè)變化值；將所述第二平均距離和所述變化值儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中；以及將所述拋光片的后續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)與儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中的所述平均距離和所述變化值進(jìn)行比較。
23．根據(jù)權(quán)利要求17所述的操作方法，其中，對(duì)拋光片的測(cè)量包括在拋光過程中，移動(dòng)傳感器，且其移動(dòng)速度分量的方向垂直于所述拋光片的運(yùn)動(dòng)方向；以及在拋光過程中，當(dāng)所述拋光片和所述傳感器都運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)所述拋光片進(jìn)行測(cè)量。
24．根據(jù)權(quán)利要求23所述的操作方法，其中，所述的移動(dòng)傳感器是在所述拋光片的寬度上前后移動(dòng)傳感器。
25．根據(jù)權(quán)利要求24所述的操作方法，其中，在測(cè)量過程中所述拋光片以第一頻率轉(zhuǎn)動(dòng)；和所述傳感器以第二頻率前后移動(dòng)，所述第二頻率是所述第一頻率的整數(shù)倍。
26．根據(jù)權(quán)利要求17所述的操作方法，其中，所述的對(duì)拋光片的測(cè)量包括確定所述拋光片的厚度。
27．根據(jù)權(quán)利要求17所述的操作方法，其中，所述的對(duì)拋光片的測(cè)量包括確定所述拋光片的磨損量。
28．根據(jù)權(quán)利要求17所述的操作方法，其中，所述的對(duì)拋光片的測(cè)量包括確定所述拋光片的表面粗糙度。
29．根據(jù)權(quán)利要求17所述的操作方法，其中，所述的對(duì)拋光片的測(cè)量包括測(cè)量所述拋光片中凹陷部分里聚集的殘留物總量。
30．一種操作所述拋光設(shè)備的方法，包括以下步驟使用可移動(dòng)的拋光片來拋光晶片；當(dāng)所述拋光片位于拋光設(shè)備上時(shí)，對(duì)拋光片進(jìn)行測(cè)量；所述拋光片位于拋光設(shè)備上時(shí)，對(duì)所測(cè)得的所述拋光片數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；以及根據(jù)所述的分析步驟中所獲得的結(jié)果，來調(diào)整拋光設(shè)備的工作參數(shù)。
31．根據(jù)權(quán)利要求30所述的操作方法，其中，所述的調(diào)整拋光設(shè)備工作參數(shù)，包括改變所述晶片相對(duì)于所述拋光片的運(yùn)動(dòng)軌跡。
32．根據(jù)權(quán)利要求30所述的操作方法，其中，所述的對(duì)拋光片的測(cè)量，包括使用一個(gè)光學(xué)傳感器，來測(cè)量從所述光學(xué)傳感器到所述拋光片表面的距離。
33．根據(jù)權(quán)利要求30所述的操作方法，其中，所述的測(cè)量步驟與拋光同時(shí)進(jìn)行。
34．根據(jù)權(quán)利要求30所述的操作方法，其中，測(cè)量、分析和調(diào)整步驟與拋光同時(shí)進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在化學(xué)機(jī)械拋光過程中使用在線傳感器測(cè)量拋光片的拋光設(shè)備和方法。由測(cè)量數(shù)據(jù)可識(shí)別出拋光片是否已經(jīng)磨損壞了或是否不均勻磨損,并更換拋光片。按照即時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)而不是按照統(tǒng)計(jì)預(yù)期方法來安排檢修,可將檢修的停機(jī)時(shí)間降到最低,并避免使用已經(jīng)磨損壞了或是不均勻磨損的拋光片。新設(shè)計(jì)的拋光設(shè)備可延長(zhǎng)拋光片使用壽命以及增加拋光效能。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案包括一個(gè)無觸點(diǎn)式傳感器,例如激光傳感器。
文檔編號(hào)H01L21/00GK1224922SQ9812582
公開日1999年8月4日 申請(qǐng)日期1998年11月5日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月5日
發(fā)明者曾會(huì)明 申請(qǐng)人:阿普萊克斯公司