CN119300954A - Cmp保持环的声学监测 - Google Patents

Abstract

化学机械抛光装置包括：平台，所述平台支撑抛光垫；承载头，所述承载头固持基板的表面抵靠所述抛光垫；声学传感器，所述声学传感器支撑在所述平台上；以及电机，所述电机产生所述平台与所述承载头之间的相对运动以便抛光所述基板。所述承载头包括保持环以用于固持所述基板，且所述声学传感器在所述承载头和所述保持环下方的路径中行进。控制器被配置为分析来自所述声学传感器的信号，并且基于所述信号来确定所述保持环的特性。

Description

CMP保持环的声学监测

技术领域

本公开涉及化学机械抛光的原位监测，具体而言，涉及声学监测。

背景技术

通常通过在硅晶片上依序沉积导电层、半导体层、或绝缘层而在基板上形成集成电路。一个制造步骤涉及在非平坦表面上沉积填充层并平坦化填充层。对于某些应用，例如，使用导电填充材料来填充绝缘层中的沟槽或孔，填充层被平坦化直到图案化层的顶表面被暴露。对于其他应用(诸如氧化物抛光)，填充层例如通过抛光达预定时间段而被平坦化，以在非平坦表面上留下填充层的一部分。此外，光刻通常需要基板表面的平坦化。

化学机械抛光(CMP)是一种被接受的平坦化方法。这种平坦化方法通常需要将基板安装在载具或抛光头上。通常将基板的暴露表面放置抵靠旋转的抛光垫。承载头在基板上提供可控制负载，以将其推抵抛光垫。承载头通常包括保持环以围绕基板并将基板固持在承载头下方。保持环的下表面可被压抵抛光垫且可随着抛光的进行而磨耗。因此，可能需要定期更换保持环。

在一些系统中，在抛光期间原位监测基板。已提出在抛光期间对基板进行声学监测。

发明内容

在一个方面中，化学机械抛光装置包括：平台，所述平台支撑抛光垫；承载头，所述承载头固持基板的表面抵靠所述抛光垫；声学传感器，所述声学传感器支撑在所述平台上；以及电机，所述电机产生所述平台与所述承载头之间的相对运动以便抛光所述基板。所述承载头包括保持环以用于固持所述基板，且所述声学传感器在所述承载头和所述保持环下方的路径中行进。控制器被配置为分析来自所述声学传感器的信号，并且基于所述信号来确定所述保持环的特性。

在另一方面中，化学机械抛光装置包括：平台，所述平台支撑抛光垫；承载头，所述承载头固持基板的表面抵靠所述抛光垫；声学传感器，所述声学传感器支撑在所述平台上；以及电机，所述电机产生所述平台与所述承载头之间的相对运动以便抛光所述基板。所述承载头包括保持环以用于固持所述基板，且所述声学传感器在所述承载头和所述保持环下方的路径中行进。控制器被配置为选择来自所述声学传感器的信号的对应于所述保持环下方的所述声学传感器的部分，且被配置为基于来自所述声学传感器的所述信号的所选择的部分来产生警报或修改抛光参数。

可实现以下可能的优点中的一者或多者。可以实时且原位的方式来监测保持环。可使用原位监测来确定保持环是否被“破坏(broken in)”，从而减少抛光系统质量鉴定所需的时间。可监测保持环的磨损状态。来自声学监测系统的信号可取决于保持环底部表面的平坦度或锥角，所述信号可用作调整其他抛光参数的基础，以改善晶片间(WTW)和晶片内(WIW)抛光的均匀性。

在附图和以下描述中阐述了一个或多个实施例的细节。通过说明书和附图并且通过权利要求，其他方面、特征和优点将是显而易见的。

附图说明

图1图示了抛光系统的示例的示意性横截面视图。

图2图示了抛光系统的俯视图。

图3图示了在承载头的保持环下方的声学监测传感器的示意性横截面视图。

在附图中，相同的附图标记指示相同的元件。

具体实施方式

在抛光期间，抛光垫磨耗保持环的底部表面。通常，磨损不会径向跨保持环以均匀速率发生，因此底部表面呈现非平坦的几何形状。然而，保持环的磨损最终达到平衡，使得保持环的底部表面保持与环磨损基本相同的几何形状，直到处理或抛光条件改变。由于保持环的几何形状的不断改变，抛光速率轮廓将漂移，直到保持环达到平衡。

为了减少基板之间或跨基板的抛光变化，可在用于抛光处理之前将保持环“破坏”。一种破坏保持环的方法是模拟基板抛光，例如，通过抵靠移动的抛光垫压迫保持环，使得环磨损直到达到平衡的几何形状。然而，“破坏”的缺点是耗时且需要使用抛光装置。结果，破坏处理是抛光装置的停机时间，在此期间不能执行抛光，从而增加了拥有成本。

通过对保持环进行声学监测，可实时且原位确定保持环被破坏的时间。因此，可减少破坏所需的时间。

作为另一问题，基板对保持环的内表面的影响会在内表面上产生开槽。开槽又会影响施加到基板边缘的压力，从而影响抛光均匀性。

通过对保持环进行声学监测，可检测保持环的内表面上开槽的形成。这允许快速更换保持环，从而减少抛光非均匀的可能性。

更一般地，保持环的声学监测可用于改善抛光处理。例如，来自声学监测系统的信号可指示保持环的下表面的几何形状和/或光滑度，这会影响基板的抛光轮廓，特别是基板边缘附近。因此，这些信号可用作控制各种抛光参数的输入，例如，在基板不同区域中施加的压力，以改善抛光性能。

可使用这些问题中的任一者而独立于其他问题来解决，或系统可解决多个问题。

图1图示了抛光装置100的示例。抛光装置100包括可旋转的碟形平台120，抛光垫110安置在碟形平台120上。抛光垫110可为具有外抛光层112和较软的背层114的两层抛光垫。可操作平台以围绕轴线125旋转。例如，电机121(例如DC感应电机)可转动驱动轴124以旋转平台120。

抛光装置100可包括端口130，用于将抛光液132(诸如研磨浆料)分配到抛光垫110上而到垫。抛光装置还可包括抛光垫调节器，用于研磨抛光垫110以将抛光垫110维持在一致的研磨状态。

抛光装置100包括承载头140。可操作承载头140以将基板10固持抵靠抛光垫110。承载头140包括保持环170以将基板10保持在柔性膜144下方。保持环170可包括由与抛光处理可兼容的耐磨塑料(例如PPS)形成的下部分172，以及由更刚性的材料(例如金属)形成的上部分174。替代地，整个保持环可由塑料形成。通常使用螺钉将保持环170固定到承载头140，使得可移除和更换保持环170。

承载头140还包括一个或多个由膜界定的独立可控制的可加压腔室(例如三个腔室146a至146c)，所述可加压腔室可将独立可控制的压力施加到柔性膜144上的相关联区，从而施加到基板10(参见图1)。虽然为了便于说明在图1中仅图示了三个腔室，但是可存在一个或两个腔室，或四个或更多个腔室，例如五个腔室。

承载头140从支撑结构150(例如转盘或轨道)悬挂，并通过驱动轴152连接到承载头旋转电机154(例如DC感应电机)，使得承载头可围绕轴线155旋转。可选地，每个承载头140可横向摆动，例如在转盘150上的滑块上，或通过转盘本身的旋转摆动，或通过沿着轨道滑动。在典型操作中，平台围绕其中心轴线125旋转，且每个承载头围绕其中心轴线155旋转并跨抛光垫的顶表面横向平移顶表面。

控制器190(例如可编程计算机)连接到电机121、154以控制平台120和承载头140的旋转速率。例如，每个电机可包括编码器，所述编码器测量相关联的驱动轴的旋转速率。

抛光装置100包括至少一个原位声学监测系统160。原位声学监测系统160包括一个或多个声学信号传感器162。每个声学信号传感器可安装在平台120上的一个或多个位置处。特别地，原位声学监测系统可被配置为检测来自保持环170的声学信号。

位置传感器(例如，连接到平台轮缘的光学中断器或旋转编码器)可用于感测平台120的角位置。这仅允许在传感器162接近保持环170时(例如，当传感器162在保持环下方时)所测量的信号的部分在随后的信号处理中用作保持环状态的指示。

在图1和图3中所示的实施方式中，声学监测系统160包括由平台120支撑定位的声学传感器162，以通过抛光垫110从基板10接收声学信号。声学传感器162可部分或完全位于平台120的顶表面中的凹部164中。在一些实施方式中，声学传感器162的顶表面与平台120的顶表面共平面。

在一些实施方式中，抛光垫的直接在声学传感器162上方的部分可包括声学窗119，例如，具有比周围抛光材料低的声学阻抗的区域。声学窗119可延伸穿过抛光层112，或背层114，或这两者。然而，如果抛光垫的声学传输足够高，则声学窗119可能不是必需的。

声学传感器162是接触式声学传感器，具有连接到(例如，直接接触，或仅具有用于附接的黏合剂层，或仅具有用于从其传输声学信号的声学凝胶)抛光垫的一部分，例如抛光层112，或背层114，或声学窗119。例如，声学传感器162可为电磁声学换能器或压电声学换能器。压电传感器可包括：刚性接触板，例如不锈钢等，其被放置成与待监测的主体接触；以及接触板的背侧上的压电组件，例如夹在两个电极之间的压电层。

在一些实施方式中，声学传感器162定位在外壳163中的凹部169内。可选的弹簧165可布置在外壳163与支撑件167之间，提供抵靠外壳163的压力。外壳163上的压力压迫声学传感器162以与抛光垫110的一部分接触。替代地，弹簧165可直接压抵声学传感器162，例如，如果不使用外壳的话。在一些实施方式中，弹簧165是长行程弹簧165，以在较大压缩范围上供应与强弹簧165相似的压力。

声学传感器162可通过电路系统168通过旋转耦合(例如水银滑环)连接到电源和/或其他信号处理电子设备166。

在一些实施方式中，原位声学监测系统160是被动声学监测系统。在这种情况下，由声学传感器162来监测信号而不从声学信号产生器产生信号(或者声学信号产生器可从系统完全省略)。由声学传感器162监测的被动声学信号可在50kHz到1MHz的范围内，例如200到400kHz，或200KHz到1MHz。例如，为了监测浅沟槽隔离(STI)中的层间介电质(ILD)的抛光，可监测225kHz至350kHz的频率范围。

可通过内置的内部放大器或通过外部放大器来放大来自传感器162的信号。在一些实施方式中，放大增益在40与60dB之间(例如，50dB)。如果需要，则来自声学传感器162的信号然后可被进一步放大和过滤，并通过A/D端口数字化到例如电子设备166中的高速数据采集板。来自声学传感器162的数据可被记录在与产生器163的相似范围或不同范围内，例如更高的范围，例如从1到10MHz，例如1至3MHz或6至8Mz。在声学传感器162是被动声学传感器的实施方式中，可监测从100kHz到2MHz的频率范围，例如500kHz到1MHz(例如，750kHz)。

如果定位在平台120中，则声学传感器162可位于平台120的中心处，例如，旋转轴线125处、平台120的边缘处、或中点处(例如，对于直径为20英寸的平台，距离旋转轴线5英寸)。

参考图2，由于平台120的运动(如箭头A所示)，传感器162在保持环170和基板10下方行进的路径(如虚线箭头B所示)中扫掠。声学监测系统160(例如，控制器190)可被配置为在传感器通过保持环170下方时对来自传感器162的信号进行采样。例如，控制器190可基于来自电机编码器或平台位置传感器的输入来确定传感器162的角位置，并将其与承载头140和保持环170的位置进行比较(例如，基于扫掠信息)。在美国专利第6,159,073号和美国专利第6,296,548号中讨论了传感器相对于基板的位置的确定。这允许对当传感器162在保持环170下方时接收到的信号的部分进行标识和选择。对应于其他位置中的传感器的信号的部分(例如，在基板10下方或根本不在承载头140下方)可用于其他监测目的，诸如检测基板10上的缺陷，但不必用于下面讨论的保持环监测。

回到图1和3，由保持环174与垫110的抛光层112之间的接口产生的声学信号行进穿过抛光垫110并被声学传感器162接收。声学传感器162将接收到的信号传输到信号处理电子设备166以对接收到的声学信号执行功能。电子设备166可包括例如滤波器、放大器、频谱分析仪、数据采集系统(DAQ)、或用于处理接收到的声学信号的其他部件。通常，电子设备166可包括通用可编程计算机、专用电路系统、或其组合。在一些实施方式中，电子设备166在控制器190内，例如由控制器190实现。

来自声学传感器162的信号(例如，在放大、初步过滤和数字化之后)可例如在控制器190中经受数据处理，以用于检测保持环的各个阶段(例如，保持环被破坏或保持环的内表面上形成开槽)，或用于抛光参数的反馈或前馈控制。控制器190可产生指示事件类型的警报，例如，警报可指示已发生保持环破坏或开槽形成(或其他可能事件，诸如未分类事件)中的哪一者。

在一些实施方式中，控制器190被配置为监测声学信号强度上的改变。例如，对于主动声学监测系统(其中传感器162发射声学能量)，将接收到的信号强度与发射的信号强度进行比较以产生归一化信号，且可随着时间监测归一化以检测改变。作为另一示例，对于被动声学监测系统，将接收到的信号强度与(例如，在保持环新安装在承载头上时获得的)测量的初始信号强度进行比较，以产生归一化信号，且可随着时间监测归一化以检测改变。所述改变可指示保持环被破坏。

在一些实施方式中，执行信号的频率分析。例如，频域分析可用于确定频谱频率的相对功率的改变，并确定何时在特定半径处发生膜变换。有关按半径变换的时间的信息可用于触发端点。作为另一示例，可对信号执行快速傅里叶转换(FFT)以产生频率频谱。可监测特定的频率，并且如果频带中的强度超过阈值，则这可指示保持环中的改变，例如，保持环被破坏或在保持环的内表面上形成开槽。替代地，如果选择的频率范围中的局部最大值或最小值的位置(例如，波长)或带宽超过阈值，则这可指示保持环中的改变。

在一些实施方式中，可将信号的频谱(例如，功率、波长或频率频谱)与参考频谱进行比较。如果差异(例如，功率、波长或频率范围上的差异的平方和)超过或低于阈值，则这可指示保持环中的改变，例如保持环被破坏或保持环的内表面上形成开槽。

可根据经验确定要监测的信号的适当特性的确定和触发保持环中的改变的指示的适当准则。例如，可使用已知处于平衡的磨损的保持环来执行抛光，且可将来自所述保持环的信号的频谱用作参考频谱。作为另一示例，可使用新的保持环和已知处于平衡的磨损的保持环两者来执行抛光。可比较信号的频谱以根据经验确定用于监测的功率、波长或频带，以及磨损的保持环在所述带内是否具有更高或更低的信号强度。可推导出用于产生指示保持环被破坏的警报的信号的准则，且控制器190可被配置为测试信号是否满足准则。

作为另一示例，可使用已知在内表面上具有开槽的保持环来执行抛光，且来自所述保持环的信号的频谱可用作参考频谱。作为另一示例，可使用新的保持环和已知在内表面上具有开槽的保持环两者来执行抛光。可比较信号的频谱，以根据经验确定用于监测的功率、波长或频带，以及具有开槽的保持环在带内是否具有更高或更低的信号强度。可推导出用于产生指示保持环具有开槽的警报的信号的准则，且控制器190可被配置为测试信号是否满足准则。

在操作中，从原位声学监测系统160收集声学信号。监测所述信号以检测保持环中的改变。改变的检测可向操作者触发警报，或可自动停止抛光操作。在保持环被破坏的情况下，可接着使用所述保持环。保持环可从抛光系统移除以用于另一抛光系统，或抛光系统可从虚拟基板的抛光转换为用于实际集成电路生产的设备基板的抛光。在保持环内部表面上具有开槽的情况下，操作者可更换保持环。

在一些实施方式中，控制器190控制装置100的一个或多个部件，诸如控制承载头140或平台120的旋转速率的电机或基于接收到的声学信号来控制腔室146a至146c内的压力的压力控制器。

从保持环收集的声学监测信号可用于前馈以控制后续处理操作中的基板处理，例如在后续站的抛光，或用于反馈以控制随后的基板在同一抛光站的处理。例如，一个或多个功率、波长或频带中的信号强度可与基板的一个或多个区域(例如径向区)中的抛光速率相关。控制算法可接受声学监测信号并确定对抛光头施加的一个或多个压力的调整，以便改善抛光均匀性。

在一些实施方式中，可使用从基板下方的传感器获得的信号的部分。例如，在保持环的内部表面上的开槽可在基板中产生振动，所述振动可被声学传感器感测到。同样地，可使用已知在内表面上具有开槽的保持环来执行抛光，且可使用信号的频谱(包括对应于基板下方的传感器的信号的部分)作为参考频谱或用于确定产生警报的准则。在操作中，可比较分析对应于位于基板下方的传感器的信号的部分以确定是否满足准则，或可经受傅里叶转换并与参考频谱进行比较。

本说明书中描述的实施方式和所有功能操作可在数字电子电路系统中、或在计算机软件、固件或硬件中实现，包括本说明书中公开的结构构件及其结构等效物，或其组合。本文描述的实施方式可被实现为一个或多个非瞬态计算机程序产品，即，有形地体现在机器可读存储设备中的一个或多个计算机程序，以用于由数据处理装置(例如，可编程处理器、计算机、或多个处理器或计算机)执行或控制其操作。

计算机程序(也称为程序、软件、软件应用程序或代码)可以任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言，且可以任何形式部署，包括作为独立的程序或作为适用于计算环境中的模块、部件、子程序、或其他单元。计算机程序不必对应于文件。程序可存储在保持其他程序或数据的文件的一部分中、专用于所讨论程序的单个文件中、或多个协调文件中(例如，存储一个或多个模块、子程序、或代码的部分的文件)。可部署计算机程序以在一个计算机或一个站点处的多个计算机上执行，或跨多个站点分发并通过通信网络互连。

本说明书中描述的处理和逻辑流程可由一个或多个可编程处理器来执行，所述一个或多个可编程处理器执行一个或多个计算机程序以通过对输入数据进行操作并产生输出来执行功能。所述处理和逻辑流程也可由专用逻辑电路系统执行，且装置也可实现为专用逻辑电路系统，例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)。

术语“数据处理装置”涵盖用于处理数据的所有装置、设备和机器，包括例如可编程处理器、计算机、或多个处理器或计算机。除了硬件之外，装置可包括为所讨论的计算机程序创建执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议堆栈、数据库管理系统、操作系统、或上述的一者或多者的组合的代码。适用于执行计算机程序的处理器包括，例如，通用和专用微处理器两者，以及任何类型的数字计算机的任何一个或多个处理器。

适用于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储器设备，例如包括半导体存储器设备，例如EPROM、EEPROM、以及闪存设备；磁盘，例如内部硬盘或可移除碟；磁光盘；以及CD ROM和DVD-ROM磁盘。处理器和存储器可通过专用逻辑电路系统来补充或并入专用逻辑电路系统。

尽管本说明书含有许多细节，但这些不应被解释为对可要求保护的范围的限制，而是对特定示例的特定特征的描述。也可组合在本说明书中在分开的实施方式的上下文中描述的某些特征。反之，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可在多个实施例中分开或以任何合适的子组合来实现。

已描述了许多实施方式。然而，应理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下可进行各种修改。因此，其他实施方式在以下权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种化学机械抛光装置，包括：

平台，所述平台支撑抛光垫；

承载头，所述承载头固持基板的表面抵靠所述抛光垫，所述承载头包括保持环以用于固持所述基板；

声学传感器，所述声学传感器支撑在所述平台上；

电机，所述电机产生所述平台与所述承载头之间的相对运动以便抛光所述基板，且使得所述声学传感器在所述承载头和所述保持环下方的路径中行进；以及

控制器，所述控制器被配置为分析来自所述声学传感器的信号，并且基于所述信号来确定所述保持环的特性。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器被配置为基于所述信号来检测所述保持环被破坏。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述控制器被配置为响应于检测所述保持环被破坏而产生警报。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器被配置为基于所述信号来检测在所述保持环的内表面上已形成开槽。

5.如权利要求4所述的装置，其中所述控制器被配置为响应于检测在所述保持环的所述内表面上已形成所述开槽而产生警报。

6.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器被配置为产生所述信号的测量的频谱。

7.如权利要求6所述的装置，其中所述控制器被配置为将所述测量的频谱与参考频谱进行比较。

8.如权利要求6所述的装置，其中所述控制器被配置为检测所述测量的频谱中的带中的信号强度，并且将所述信号强度与阈值进行比较。

9.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器被配置为选择所述信号对应于定位在所述保持环下方的所述声学传感器的部分。

10.一种化学机械抛光装置，包括：

平台，所述平台支撑抛光垫；

承载头，所述承载头固持基板的表面抵靠所述抛光垫，所述承载头包括保持环以用于固持所述基板；

声学传感器，所述声学传感器支撑在所述平台上；

电机，所述电机产生所述平台与所述承载头之间的相对运动以便抛光所述基板，且使得所述声学传感器在所述承载头和所述保持环下方的路径中行进；以及

控制器，所述控制器被配置为选择来自所述声学传感器的信号的对应于所述保持环下方的所述声学传感器的部分，且被配置为基于来自所述声学传感器的所述信号的所选择的部分来产生警报或修改抛光参数。

11.如权利要求10所述的装置，其中所述控制器被配置为基于所述信号的所选择的部分来检测所述保持环被破坏。

12.如权利要求10所述的装置，其中所述控制器被配置为基于所述信号的所选择的部分来检测在所述保持环的内表面上已形成开槽。

13.如权利要求10所述的装置，其中所述控制器被配置为基于所述信号的所选择的部分来修改所述抛光参数。

14.一种化学机械抛光装置的方法，包括：

将基板的表面与抛光垫进行接触；

产生所述基板与所述抛光垫之间的相对运动以便抛光所述基板，且使用承载头以相对于横向运动固持所述基板；

在抛光期间，在所述承载头和所述保持环下方的路径中扫掠声学传感器；以及

分析来自所述声学传感器的信号，并且基于所述信号来确定所述保持环的特性。

15.如权利要求14所述的方法，包括：基于所述信号来检测所述保持环被破坏。

16.如权利要求15所述的方法，包括：响应于检测所述保持环被破坏而产生警报。

17.如权利要求14所述的方法，包括：基于所述信号来检测在所述保持环的内表面上已形成开槽。

18.如权利要求17所述的方法，包括：响应于检测在所述保持环的所述内表面上已形成所述开槽而产生警报。

19.如权利要求14所述的方法，包括：基于所述信号来修改抛光参数。

20.如权利要求14所述的方法，包括：选择所述信号的对应于定位在所述保持环下方的所述声学传感器的部分。