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TWI680831B - 用於化學機械研磨的聲學發射監控和終點 - Google Patents

用於化學機械研磨的聲學發射監控和終點 Download PDF

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TWI680831B
TWI680831B TW105106762A TW105106762A TWI680831B TW I680831 B TWI680831 B TW I680831B TW 105106762 A TW105106762 A TW 105106762A TW 105106762 A TW105106762 A TW 105106762A TW I680831 B TWI680831 B TW I680831B
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polishing
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石川大衛正幸
傑瑞安班傑明
吳正勳
歐斯特海德湯瑪士Ｈ
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美商應用材料股份有限公司
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Abstract

化學機械研磨設備包括平臺以支撐研磨墊，及臨場(in-situ)聲學發射監控系統，該聲學發射監控系統包括由該平臺支撐的聲學發射感測器、波導，該波導經配置以延伸穿過研磨墊的至少一部分，及處理器，以接收來自聲學發射感測器的信號。臨場聲學發射監控系統經配置以偵測由基板的變形所造成且透過波導傳送的聲學事件，且處理器經配置以基於該信號而判定研磨終點。

Description

用於化學機械研磨的聲學發射監控和終點
本揭示有關於化學機械研磨的臨場(in-situ)監控。
積體電路通常藉由在矽晶圓上依序沉積導電層、半導體層或絕緣層而形成於基板上。一種製造步驟涉及將填料層沉積於非平面表面上，並將該填料層平坦化。對於特定的應用而言，該填料層被平坦化直到圖案層的頂表面暴露為止。舉例而言，導電填料層可被沉積於圖案化的絕緣層上，以填滿該絕緣層中的槽或孔洞。經過平坦化後，保留於該絕緣層之升起圖案之間的金屬層部分形成了穿孔、插塞及導線，該等穿孔、插塞及導線提供該基板上的薄膜電路之間的導電路徑。對於例如氧化物研磨的其他應用上，該填料層被平坦化直到預定的厚度存留於該非平面表面上為止。另外，該基板表面的平坦化通常是光微影所需求的。
化學機械研磨(chemical mechanical polishing,CMP)為一種被接受的平坦化方法。此平坦化方法通常要求該基板安裝於承載頭或研磨頭上。該基板的該暴露表面通常靠在轉動研磨墊上擺設。該承載頭將可 控制的負載提供於該基板上以將該基板推靠至該研磨墊。研磨性的研磨液通常供應至該研磨墊的該表面。
CMP中的一個問題是判定研磨處理是否完成，亦即，基板層是否已被平坦化到所期望的平坦度或厚度，或所期望的材料量何時被移除。漿料分佈、研磨墊狀況、研磨墊及基板之間的相對速度，及基板上的負載之變化可能造成材料移除速率的變化。該等變化，以及基板層之初始厚度的變化，造成了達到研磨終點所需要的時間之變化。因此，研磨終點通常無法僅以研磨時間的函數來判定。
在一些系統中，基板在研磨期間被臨場(in-situ)監控，例如，藉由監控馬達旋轉平臺或承載頭所需要的扭矩(torque)。研磨的聲學監控也已經被提出。然而，現存的監控技術可能無法滿足半導體裝置製造商在需求上的增加。
如上方所提到，化學機械研磨的聲學監控已經被提出。藉由擺設聲學感測器以直接接觸漿料或墊部分，信號衰減可被減少，該墊部分是機械地從剩餘的研磨墊去耦(decoupled)。此舉可提供更準確的監控或終點偵測。此聲學感測器可用於其他研磨處理中的終點偵測，例如，以偵測填料層的移除及下覆層的暴露。
在一個態樣中，化學機械研磨設備包括平臺以支撐研磨墊，及臨場聲學發射監控系統，該臨場聲學發射 監控系統包括由該平臺所支撐的聲學發射感測器、波導，該波導經配置以延伸穿過該研磨墊的至少一部分，及處理器，該處理器用於接收來自聲學發射感測器的信號。臨場聲學發射監控系統經配置以偵測由基板的變形所造成且傳送通過波導的聲學事件，且該處理器經配置以基於該信號而判定研磨終點。
實作方式可包括以下一或更多者。聲學發射感測器可具有125kHz及550kHz之間的運作頻率。該處理器可經配置以在信號上執行傅立葉轉換以產生頻譜。該處理器可經配置以監控頻譜，且如果頻譜的頻率分量強度超過閾值，則觸發研磨終點。
一個態樣中，化學機械研磨設備包括平臺以支撐研磨墊，及臨場聲學監控系統，以產生信號。該臨場聲學監控系統包括由該平臺所支撐的聲學發射感測器及波導，該波導經定位以將該聲學發射感測器耦合至研磨墊中的槽中的漿料(slurry)。
實作可包括以下一或更多者。設備可包括研磨墊。該研磨墊可具有研磨層及研磨層的研磨表面中的複數個漿料輸送槽，且波導可延伸穿過研磨墊且進入該槽中。波導的端點可定位在研磨表面下方。研磨墊可包括研磨層及背托層。波導可延伸穿過並接觸背托層。孔可形成於背托層中，且波導可延伸穿過該孔。臨場聲學監控系統可包括複數個平行波導。波導的位置可為垂直可調整的。
在另一個態樣中，化學機械研磨設備包括平臺以支撐研磨墊，及臨場聲學監控系統以產生信號。臨場聲學監控系統包括由平臺所支撐的聲學感測器、研磨墊材料的主體，該研磨墊材料的主體從研磨墊機械地去耦，及波導，該波導將聲學感測器耦合至研磨墊材料的主體。
實作可包括以下一或更多者。該設備可包括研磨墊。研磨墊材料可為與研磨墊中的研磨層相同的材料。主體可藉由縫隙而與研磨墊分離。密封件可防止漿料透過縫隙洩漏。波導的位置可為垂直可調整的。沖洗系統可將流體引導到波導的端點下方的凹槽中。
在另一個態樣中，化學機械研磨設備包括平臺以支撐研磨墊，及墊繩支座(pad cord support)，該墊繩支座經配置以將研磨材料的繩索保持在研磨墊中的孔中。
實作可包括以下一或更多者。墊繩支座可包括饋送捲筒及回收捲筒，且墊繩支座經配置以將墊繩從饋送捲筒導引至回收捲筒。臨場聲學監控系統可產生信號。臨場聲學監控系統可包括由平臺所支撐的聲學感測器，及波導，該波導將聲學感測器耦合到墊繩下方的區域。沖洗系統可將流體導引到波導及墊繩之間的區域中。波導的端點可具有開槽以接收墊繩。該繩可藉由縫隙而與研磨墊分離。
在另一個態樣中，化學機械研磨設備包括平臺以支撐研磨墊、臨場聲學監控系統，該臨場聲學監控系統 包括複數個聲學感測器，該等聲學感測器在複數個不同位置處由該平臺支撐，及控制器，該控制器經配置以從複數個聲學感測器接收信號，並從該等信號判定聲學事件在基板上的位置。
實作可包括以下一或更多者。控制器可經配置以判定信號中的聲學事件之間的時間差，並基於該時間差判定位置。臨場監控系統可包括至少三個聲學感測器，且控制器可經配置以三角測量(triangulate)聲學事件的位置。聲學事件在信號中可由突發類型的發射來表示。控制器可經配置以判定事件離該基板之中心的徑向距離。控制器可經配置以在信號上執行快速傅立葉轉換(FFT)或小波封包轉換(WPT)。複數個聲學感測器可定位在離平臺的旋轉軸之不同徑向距離處。複數個聲學感測器可定位在平臺的旋轉軸周圍的不同角度位置處。
在另一個態樣中，非暫態電腦可讀取媒體上存有指令，當該等指令由處理器執行時，造成該處理器執行上述設備的運作。
實作可包括以下潛在優點的一或更多者。聲學感測器可具有更強的信號。下覆層的暴露可更可靠地偵測到。研磨可更可靠地停止，且晶圓至晶圓的一致性可被改善。
一或更多個實施例的細節在以下附圖及描述中闡述。其他態樣、特徵及優點將顯見於描述及繪圖，以及請求項。
10‧‧‧基板
100‧‧‧研磨設備
110‧‧‧研磨墊
112‧‧‧外部研磨層
114‧‧‧背托層
116‧‧‧漿料輸送槽
118‧‧‧孔
120‧‧‧旋轉盤形平臺
121‧‧‧馬達
122‧‧‧螺紋
124‧‧‧驅動軸
125‧‧‧中心軸
128‧‧‧頂表面
130‧‧‧端口
132‧‧‧漿料
140‧‧‧承載頭
142‧‧‧固定環
144‧‧‧彈性膜
146a‧‧‧腔室
146b‧‧‧腔室
146c‧‧‧腔室
150‧‧‧旋轉料架
152‧‧‧驅動軸
154‧‧‧承載頭旋轉馬達
155‧‧‧軸
160‧‧‧臨場聲學監控系統
162‧‧‧聲學發射感測器
164‧‧‧凹槽
166‧‧‧信號處理電子設備
168‧‧‧電路
170‧‧‧探針
172‧‧‧端點
174‧‧‧螺紋
180‧‧‧壓力源
182‧‧‧導管
184‧‧‧端口
190‧‧‧控制器
200‧‧‧主體
202‧‧‧密封件
204‧‧‧縫隙
206‧‧‧凹槽
210‧‧‧繩索
212‧‧‧饋送捲筒
214‧‧‧回收捲筒
220‧‧‧孔
222‧‧‧頂表面
224‧‧‧通道
226‧‧‧流體源
250‧‧‧圖形
252‧‧‧背景聲學信號
302‧‧‧步驟
304‧‧‧步驟
306‧‧‧步驟
308‧‧‧步驟
310‧‧‧步驟
圖1繪示研磨設備之範例的示意剖面圖。
圖2繪示聲學監控感測器的示意剖面圖，該聲學監控感測器具有探針，該探針延伸到研磨墊中的槽中。
圖3繪示聲學監控感測器的示意剖面圖，該聲學監控感測器具有複數個探針。
圖4繪示聲學監控感測器的示意剖面圖，該聲學監控感測器具有探針，該探針延伸到墊區段中。
圖5繪示聲學監控感測器示意剖面圖，該聲學監控感測器具有可移動的繩索。
圖6繪示來自聲學監控感測器的探針之示意剖面圖。
圖7繪示平臺的示意頂視圖，該平臺具有複數個聲學監控感測器。
圖8繪示來自複數個聲學監控感測器的信號。
圖9為繪示控制研磨之方法的流程圖。
各種繪圖中的相同參考符號代表相同的元件。
在一些半導體晶片製造處理中，上覆層，例如金屬、氧化矽或多晶矽，被研磨直到下覆層，例如，介電質(例如氧化矽、氮化矽或高K介電質)暴露為止。對於一些應用而言，當下覆層暴露時，來自基板的聲學發射將改變。研磨終點可藉由偵測聲學信號中的此改變來判定。
將監控的聲學發射可能在基板材料發生變形的時候由應力能量所造成，且所產生的聲學頻譜是與基板的材料特性相關。可注意到，此聲學效果並非相同於基板靠在研磨墊上摩擦所產生的噪音(有時亦稱為聲學信號)；該聲學效果發生在比這樣的摩擦噪音明顯更高的頻率範圍，例如，50kHz至1MHz，且因此監控用於基板應力所造成之聲學發射的合適頻率範圍並不會造成監控摩擦噪音所使用的頻率範圍之最佳化。
然而，聲學監控的潛在問題是聲學信號至感測器的傳送。研磨墊傾向衰減聲學信號。因此，在聲學信號的低衰減位置具有感測器是有利的。
圖1繪示研磨設備100的範例。研磨設備100包括旋轉盤形平臺120，其中研磨墊110位於該旋轉盤形平臺上。研磨墊110可為雙層研磨墊，該雙層研磨墊具有外部研磨層112及較軟的背托層114。平臺可經運作以繞著軸125旋轉。舉例而言，馬達121，例如，直流感應馬達，可轉動驅動軸124，以旋轉平臺120。
研磨設備100可包括端口130以將研磨液體132，例如研磨漿料，分配到研磨墊110到墊上。研磨設備還可包括研磨墊調節器以打磨研磨墊110，以使研磨墊110維持在一致的研磨狀態。
研磨設備100包括至少一個承載頭140。承載頭140可經運作以保持基板10靠至研磨墊110。每個承載 頭140可具有與每個分別的基板相關聯的研磨參數(例如壓力)之獨立控制。
承載頭140可包括固定環142以將基板10固定於彈性膜144下方。承載頭140還包括由膜(例如，三個腔室146a-146c)所定義的一或更多個獨立可控制的可加壓腔室，該可加壓腔室可將獨立可控制的壓力施加至彈性膜144上的相關聯區域，且因此將壓力施加至基板10上(見圖1)。雖然圖1為了繪示的簡便而只繪示三個腔室，但可存在一個或兩個腔室，或四個或更多個腔室，例如，五個腔室。
承載頭140從支撐結構150(例如，旋轉料架(carousel)或軌道)懸掛，且該承載頭由驅動軸152連接至承載頭旋轉馬達154，例如，直流感應馬達，使得承載頭可繞著軸155旋轉。可選擇地，每個承載頭140可例如在旋轉料架150上的滑軌上橫向擺動，或藉由旋轉料架自身的旋轉擺動而橫向擺動，或藉由沿著軌道滑動而橫向擺動。在典型的運作中，平臺繞著其中心軸125旋轉，且每個承載頭繞著其中心軸155旋轉並跨過研磨墊的頂表面而橫向轉移。
雖然僅顯示一個承載頭140，但更多個承載頭可被提供以持定額外的基板，使得研磨墊110的表面區域可有效地被使用。
控制器190，例如可編程電腦，被連接到馬達121、154，以控制平臺120及承載頭140的旋轉速率。 例如，每個馬達可包括編碼器，該編碼器測量相關聯的驅動軸的旋轉速率。可為馬達本身、控制器的一部分，或獨立電路的反饋控制電路從編碼器接收所量測到的旋轉速率，並調整供應到馬達的電流，以確保驅動軸的旋轉速率匹配從控制器接收到的旋轉速率。
研磨設備100包括至少一個臨場聲學監控系統160。臨場聲學監控系統160包括一或更多個聲學發射感測器162。每個聲學發射感測器可安裝在上位平臺120的一或更多個位置。具體而言，臨場聲學監控系統可經配置以偵測聲學發射，該聲學發射是在基板10的材料發生變形的時候，由應力能量所造成的。
位置感測器，例如，連接到平臺或旋轉編碼器的邊緣的光斷續器(optical interrupter)，可被用來感測平臺120的角度位置。此舉允許在感測器162靠近基板時(例如，當感測器162在承載頭或基板的下方時)，只有部分的所量測之信號被用於終點偵測。
在圖1所顯示的實作中，聲學發射感測器162被定位在平臺120中的凹槽164中，且經定位以從較靠近研磨墊110的基板側邊接收聲學發射。感測器162可透過旋轉耦合件(例如水銀滑環)而藉由電路168連接到電源及/或其他信號處理電子設備166。信號處理電子設備166可順次連接到控制器190。來自感測器162的信號可藉由內建的內部放大器而放大，該內建的內部放大器具有40-60dB的增益。若有必要的話，來自感測器162的信 號接著可被進一步放大且過濾，並透過A/D端口數位化至例如在電子設備166中的高速資料擷取板。來自感測器162的資料可在1MHz至3MHz被記錄。
若定位在平臺120中的話，聲學發射感測器162可位於平臺120的中心，例如旋轉軸125、在平臺120的邊緣，或在中點(例如，對於20英寸直徑的平臺而言，離旋轉軸5英寸)。
在一些實作中，氣體可被導引到凹槽164中。舉例而言，例如空氣或氮氣的氣體可從壓力源180(例如，泵或氣體供應線)透過平臺120中的管道及/或通道所提供的導管182而導引至凹槽164中。出口端口184可將凹槽164連接到外部環境，並允許氣體從凹槽164脫離。氣流可加壓凹槽164，以減少漿料洩漏到凹槽164中及/或將洩漏到凹槽164的漿料透過出口端口184清除，以減少感測器162的污染損壞電子零件或其他部件的可能性。
聲學發射感測器162可包括探針170，該探針提供了用於聲能(acoustic energy)傳送的波導。探針170可突出於平臺120的頂表面128上方，該平臺支撐研磨墊110。探針170可以是，例如，具有尖銳端點的針狀主體(例如，見圖2)，該針狀主體從感測器162的主體延伸到研磨墊110中。替代地，探針170可為具有鈍頂點的圓柱體(例如，參見圖5)。探針可由任何緻密(dense)的材料製成，且理想地是由抗腐蝕的不銹鋼製成。
對於波導所耦合到的感測器部分，可使用市面上可取得的聲學發射感測器(例如Physical Acoustics Nano 30)，該聲學發射感測器具有50kHz及1MHz之間的工作頻率，例如，125kHz及1MHz之間，例如，125kHz及550kHz之間。感測器被附接到波導的遠端並保持在位置中，例如，用夾具或藉由到平臺120的螺紋連接件。
參照圖2，在一些實作中，複數個漿料輸送槽116形成在研磨墊110的研磨層112的頂表面中。槽116部分延伸但不完全穿過研磨層112的厚度。在圖2所顯示的實作中，探針170延伸穿過研磨層172，例如穿過維持在槽116下方的研磨層的薄部分，使得端點172定位在其中一個槽116中。此舉允許探針170直接感測聲學信號，該等聲學信號透過存在於槽116中的漿料傳播。相較於僅延伸到研磨層中的探針而言，此舉可改善聲學發射感測器與來自基板10的聲學發射的耦合。
探針170的端點172應在槽116中定位於足夠低處，使得當研磨墊110由基板10壓縮的時候，端點不會接觸基板10。
在一些實施作中，探針的端點172的垂直位置是可調整的。此舉允許感測端點172的垂直位置被精確地相對於研磨墊110的槽的底部而定位。例如，聲學發射感測器162可包括圓柱體，該圓柱體符合穿過平臺120的一部分的孔中。主體的外部表面上的螺紋174可接合平臺 120中的孔的內部表面上的螺紋122，使得端點172的垂直位置之調整可藉由主體的旋轉來達成。然而，垂直調整的另一個機制可被使用，例如壓電(piezeoelectric)致動器。探針端點172的垂直定位可與圖2至圖4中所顯示的實作結合。
探針170可延伸穿過並接觸背托層114。替代地，孔118可形成於背托層114中，使得探針170延伸穿過孔118且不直接接觸背托層114。使用刺穿研磨層112的薄針狀探針170可有效地將研磨層112保持密封，並減少漿料透過探針170所產生的孔洩漏。另外，波導可穿透背托層114而不機械地妥協背托層114的物理特性。
由於探針170對槽116的對準是困難的，如圖3所顯示，故聲學發射感測器162可包括複數個探針170。例如，探針可為複數個平行的針。假設探針170延伸跨過至少等於槽116之間的節距(pitch)的區域，則當研磨墊被放置在平臺120上時，探針170的至少一個端點172應被定位在槽116中。
參照圖4，在一些實作中，聲學發射感測器162的探針170延伸到具有頂表面208的主體200中，該主體經配置以接觸基板10的底部，但該主體藉由縫隙204而與研磨墊110的其餘部分機械地分離。主體200可由相同於研磨層112的材料所形成。主體可具有相同於研磨層112的厚度。主體橫向可為約10mm至50mm。主體200可為圓形(從研磨墊的頂部視角)、矩形或其他形狀。
此配置允許探針170透過直接接觸基板的主體200接收聲學信號。然而，藉由機械地分離主體200與研磨墊110，主體200大致在沒有環繞的研磨墊110限制下移動。因此，主體200可被認定是幾乎機械地從研磨墊110的其餘部分去耦。此舉可改善聲學信號到感測器162的傳送。
可選擇地，凹槽206可形成於主體200的頂表面中，且探針170可延伸穿過主體200到凹槽206中。凹槽206可用漿料填充，以允許聲學發射感測器162直接感測透過存在於凹槽206中的漿料而傳播的聲學信號。
如上所述，主體200可為與剩餘的研磨墊相同的材料，例如，多孔聚氨酯(porous polyurethane)。主體200可以是不透明的。另一方面，在一些實作中，研磨系統100還包括臨場光學監控系統。在此情況下，主體200可為透明窗口，該光學監控系統將光束導引穿過該透明窗口。
可選擇地，密封件202，例如O形環，可用來防止漿料透過主體200及研磨墊110之間的縫隙204洩漏。密封件202可為足夠彈性的，使得墊110的變形不被傳送到主體200，因此保持主體200幾乎從研磨墊110的其餘部分機械地去耦。
參照圖5，在一些實作中，墊材料的主體200可由繩索210取代，該繩索由墊材料製成，例如，與研磨層112相同的材料。繩索210可從饋送捲筒212捲動到回 收捲筒214。繩索210從饋送捲筒212向上延伸穿過背托層112中的孔118及研磨層112中的孔220到具有頂表面222的部分221，該部分與研磨層112的阻擋表面幾乎共平面，且該繩索透過孔118、220回到回收捲筒214。雖然未繪示，但繩索210可通過導引槽，該等導引槽將部分221維持在所期望的位置中，例如，大致與研磨層112水平，並定位在孔220的中心。
在運作中，馬達可週期性地推進回收捲筒214以從饋送捲筒214拉動繩索210的新部分。藉由在感測器162上方提供墊材料的新部分，此配置可避免在感測端點處造成測量漂移的磨損。
聲學發射感測器162還可包括流體清洗端口，例如，通過感測器162的主體的一或更多個通道224。在運作中，流體，例如液體(例如水)，可從流體源226通過通道224導引至孔118及220。此舉可防止漿料在孔中堆積。此外，流體可改善探針170對基板10的聲學耦合。
雖然圖5繪示流體清洗端口的通道226位於感測器162的下半身，但如圖6所顯示，通道226在一些實作中可沿著探針170的長軸而延伸穿過探針170。此舉允許流體被注入到較靠近繩索210的空間中，並可對基板10提供改善的探針170之聲學耦合。在一些實作中，探針170的頂端包括凹槽，該凹槽當作導軌以將繩索210的部分221持定在所期望的位置中。
現在轉到來自任何先前實作的感測器162的信號，該信號例如在放大、初步濾波及數位化之後，可例如在控制器190中經受資料處理，以用於終點偵測或反饋控制或前饋控制。
在一些實作中，執行了信號的頻率分析。例如，快速傅立葉轉換(FFT)可在信號上執行，以產生頻譜。特定的頻帶(frequency band)可被監控，且若該頻帶中的強度跨過閾值，這可能代表下覆層的暴露，該暴露可用於觸發終點。替代地，若所選擇的頻率範圍中的局部最大值或最小值的寬度跨過閾值，這可能表示下覆層的暴露，該暴露可用於觸發終點。例如，對於監控淺溝槽隔離(shallow trench isolation,STI)中的層間介電質(inter-layer dielectric,ILD)之研磨而言，225kHz至350kHz的頻率範圍可被監控。
作為另一個範例，小波封包轉換(WPT)可在信號上執行，以將該信號分解成低頻分量及高頻分量。若必要的話，該分解可被重複以將信號打斷成較小的分量。其中一個頻率分量的強度可被監控，且若該分量的強度跨過閾值，這可能代表下覆層的暴露，該暴露可用於觸發終點。
參照圖7，在一些實作中，複數個感測器162可被安裝在平臺120中。每個感測器162可以圖2至圖6中任一者所描述的方式配置。來自感測器162的信號可被控制器190使用，以計算研磨期間在基板10上發生的聲 學發射事件的位置分佈。在一些實作中，複數個感測器162可被定位在平臺120的旋轉軸周圍的不同角度位置處，但離旋轉軸相同的徑向距離。在一些實作中，複數個感測器162被定位在離平臺120的旋轉軸不同徑向距離處，但在相同的角度位置。在一些實作中，複數個感測器162被定位在平臺120的旋轉軸周圍的不同角度位置處，且離該平臺的該旋轉軸不同的徑向距離。
圖8是來自感測器162的信號強度作為時間函數的圖形250。假設來自基板10的聲學發射是基板10上的離散事件的結果，則特定事件應當表現為對背景聲學信號252的偏差250，例如表現為突發類型的發射。每個偏差可具有不同的形狀，但對於特定的偏差而言，儘管時間平移(以虛線顯示)，由不同的感測器162接收到的信號應具有幾乎相同的形狀，該時間平移是由於信號從事件的位置傳播到感測器所需要的時間差異。聲學發射波經由漿料132傳播的速度是固定的。因此，每個感測器162從研磨表面112上發生的特定事件接收到波信號所需要的時間是正比於特定事件的位置及感測器位置之間的距離。因此，每個感測器162接收到指示特定事件的聲學信號之時間將取決於感測器162至事件位置的距離，及聲學信號的傳播速度。
每個感測器接收到指示事件的聲學信號的相對時間差T可被判定，例如，利用來自感測器162的信號的交互關聯(cross-correlation)。此時間差T可用於 三角測量(triangulate)感測器162之間的二維空間中的聲學事件之大致位置。增加感測器162的數量可提高三角測量的精準度。使用二或更多個感測器的聲學信號之三角測量被描述於「Source location in thin plates using cross-correlation」，S.M.Ziola及M.R.Gorman，J.of Acoustic Society of America，90(5)(1991)，及「Acoustic-Emission source location in two dimensions by an array of three sensors」，Tobias，Non-Destructive Test.，9，pp.9-12(1976)。將該等技術應用至CMP涉及研磨墊的槽中的流體-且更具體而言，墊110及基板10之間的流體132-當作波傳播的均質媒介(isotropic medium)。
假設感測器162相對於基板10的位置是已知的，例如，使用馬達編碼器信號或附接到平臺120的光斷續器，則可計算出基板上的聲學事件的位置，例如，可計算出事件離基板中心的徑向距離。感測器相對於基板的位置之判定是在美國專利第6,159,073號中探討，該專利透過引用併入本文。
各種處理上有意義的聲學事件包括微划痕、薄膜轉換突破(film transition break through)，及薄膜清除(film clearing)。各種方法可用於分析來自波導的聲學發射信號。傅立葉轉換及其他頻率分析方法可用於判定研磨期間發生的峰值頻率。實驗判定的閾值及在 所定義的頻率範圍內之監控被用來識別研磨期間所預期的及未預期的變化。預期的變化之範例包括在薄膜硬度的轉換期間突然出現峰值頻率。未預期的變化之範例包括耗材組合的問題(例如墊打光(pad glazing)或其他誘導處理漂移的機器健全問題)。
圖9繪示用於研磨裝置基板的處理，例如，在經由實驗判定閾值之後。裝置基板在研磨站研磨(302)，且聲學信號從臨場聲學監控系統收集(304)。
該信號被監控以偵測下覆層的暴露(306)。例如，特定的頻率範圍可被監控，且強度可被監控並與閾值作比較。
研磨終點的偵測觸發了研磨的停止(310)，儘管在終點觸發後，研磨可持續預定的時間量。替代地或額外地，所收集的數據及/或終點偵測時間可向前饋送，以在後續的處理運作(例如，在後續的站研磨)中控制基板的處理，或可向後饋送以控制相同研磨站的後續基板之處理。
在此說明書中描述的實作及所有功能性運作可在數位電子電路中實現，或在電腦軟體、韌體或硬體中實現，包括在此說明書中揭示的結構構件及其結構等同物，或在其組合中實現。在此描述的實作可實現為一或更多個非暫態電腦程式產品，亦即，有形地體現於機器可讀取儲存裝置中的一或更多個電腦程式，以用於被資料處理 設備(例如，可編程處理器、電腦或多個處理器或電腦)執行，或控制資料處理設備的運作。
電腦程式(也稱為程式、軟體、軟體應用程式或編碼)可以任何形式的程式語言撰寫，包括編譯(compiled)或直釋(interpreted)的語言，且該電腦程式可以任何形式部署，包括作為獨立程式或作為模組、組件、子常式(subroutine)或其他適合用於計算環境中的單元。電腦程式不一定對應於檔案。程式可存儲在存有其他程式或資料的檔案之一部分中、在所探討的程式專用的單一檔案中，或多個協調檔案中(例如，儲存一或更多個模組、子程式，或部分編碼的檔案)。電腦程式可經部署以在一個電腦或多個電腦上執行於一個站處，或橫跨多個站分佈，並由通訊網路互相連接。
此說明書中描述的處理及邏輯流程可由一或更多個可程式化處理器行使，該可程式化處理器執行一或更多個電腦程式以藉由在輸入資料上運作並產生輸出而行使功能。處理及邏輯流程亦可由特殊用途邏輯電路行使，且設備亦可實現為特殊用途邏輯電路，該特殊用途邏輯電路例如FPGA(可程式化邏輯閘陣列)或ASIC(特殊用途積體電路)。
「資料處理設備」的用詞涵蓋了用於處理資料的所有設備、裝置及機器，以範例而言包括可編程處理器、電腦，或多個處理器或電腦。該設備除了包括硬體外，還可包括編碼，該編碼產生用於所探討的電腦程式之執行 環境，例如，構成處理器韌體、協議堆疊(protocol stack)、資料庫管理系統、作業系統，或前述一或更多者之組合的編碼。適合用於執行電腦程式的處理器以範例而言包括，一般用途微處理器及特殊用途微處理器兩者，及任何種類的數位電腦的任何一或更多個處理器。
適合用於儲存電腦程式指令及資料的電腦可讀取媒體包括所有形式的非揮發性記憶體、媒體及記憶體裝置，以範例而言包括半導體記憶體裝置，例如，EPROM、EEPROM及快閃記憶體裝置；磁碟，例如內部硬碟或可移除磁碟；磁光碟；及CD ROM及DVD-ROM碟片。處理器及記憶體可被特殊用途邏輯電路補充，或併入特殊用途邏輯電路。
上述的研磨設備及方法可應用於各種研磨系統中。無論是研磨墊，或承載頭，或兩者可經移動以提供研磨表面及晶圓之間的相對運動。舉例而言，平臺可軌道運行(orbit)而非旋轉。研磨墊可為固定到平臺的圓形(或某種其他形狀)的墊。終點偵測系統的一些態樣可能應用於線性研磨系統(例如，其中研磨墊是線性移動的連續的皮帶或捲筒至捲筒的皮帶)。研磨層可為標準(例如，具有或不具有填料的聚氨酯(polyurethane))的研磨材料、軟質材料，或固定研磨材料。相對定位的術語被使用；但應理解到，研磨表面與晶圓可持定於垂直方向或某種其他方向。
雖然此說明書包含許多細節，但該等細節不應被建構為對所主張之範疇的限制，而是作為專用於特定發明的特定實施例的特徵之描述。在一些實作中，方法可應用於上覆層及下覆層材料的其他組合，及應用至來自其他種類的臨場監控系統(例如，光學監控或渦電流監控系統)的信號。
10‧‧‧基板
100‧‧‧研磨設備
110‧‧‧研磨墊
112‧‧‧外部研磨層
114‧‧‧背托層
116‧‧‧漿料輸送槽
120‧‧‧旋轉盤形平臺
121‧‧‧馬達
124‧‧‧驅動軸
125‧‧‧中心軸
130‧‧‧端口
132‧‧‧漿料
140‧‧‧承載頭
142‧‧‧固定環
144‧‧‧彈性膜
146a‧‧‧腔室
146b‧‧‧腔室
146c‧‧‧腔室
150‧‧‧旋轉料架
152‧‧‧驅動軸
154‧‧‧承載頭旋轉馬達
155‧‧‧軸
160‧‧‧臨場聲學監控系統
162‧‧‧聲學發射感測器
164‧‧‧凹槽
166‧‧‧信號處理電子設備
168‧‧‧電路
180‧‧‧壓力源
182‧‧‧導管
184‧‧‧端口
190‧‧‧控制器

Claims (17)

  1. 一種化學機械研磨設備，包括：一平臺以支撐一研磨墊；及一臨場(in-situ)聲學監控系統以產生一信號，該臨場聲學監控系統包括由該平臺所支撐的一聲學發射感測器及一聲學波導，該聲學波導經定位以延伸通過該研磨墊，以將該聲學發射感測器耦合至該研磨墊中的一槽中的漿料。
  2. 如請求項1所述之設備，包括該研磨墊，該研磨墊具有一研磨層及該研磨層的一研磨表面中的複數個漿料傳送槽，該槽是該複數個漿料傳送槽中的一個漿料傳送槽。
  3. 如請求項2所述之設備，其中該波導的一端點被定位在該研磨表面的下方。
  4. 如請求項1所述之設備，其中該臨場聲學監控系統包括複數個平行波導。
  5. 如請求項1所述之設備，其中該波導的一位置是可垂直調整的。
  6. 一種化學機械研磨設備，包括：一平臺以支撐一研磨墊；及一臨場(in-situ)聲學監控系統以產生一信號，該臨場聲學監控系統包括由該平臺所支撐的一聲學感測 器、一研磨墊材料的主體，及一聲學波導，該研磨墊材料的主體與該研磨墊機械地去耦，且該聲學波導延伸通過該研磨墊並且將該聲學感測器耦合至該研磨墊材料的主體。
  7. 如請求項6所述之設備，包括該研磨墊，且其中該研磨墊材料是與該研磨墊中的一研磨層相同的一材料。
  8. 如請求項6所述之設備，包括該研磨墊，且其中該主體藉由一縫隙而與該研磨墊分離。
  9. 如請求項8所述之設備，進一步包括一密封件，以防止漿料透過該縫隙洩漏。
  10. 如請求項6所述之設備，包括一沖洗系統，以將流體引導到該波導的一端點下方的一凹槽中。
  11. 一種化學機械研磨設備，包括：一平臺以支撐一研磨墊；及一臨場(in-situ)聲學監控系統，該臨場聲學監控系統包括複數個聲學感測器，該等聲學感測器在複數個不同位置處由該平臺支撐；及一控制器，該控制器經配置以從該複數個聲學感測器接收信號，並從該等信號判斷一聲學事件在該基板上的一位置，其中將該複數個聲學感測器中的每一個聲學感測器 耦合到延伸通過該研磨墊的一聲學波導。
  12. 如請求項11所述之設備，其中該控制器經配置以在該等信號中判定該聲學事件之間的一時間差，並基於該時間差判定該位置。
  13. 如請求項12所述之設備，其中該臨場監控系統包括至少三個聲學感測器且該控制器經配置以三角測量(triangulate)該聲學事件的該位置。
  14. 如請求項12所述之設備，其中該聲學事件在該等信號中是由一突發類型的發射來表示。
  15. 如請求項11所述之設備，其中該控制器經配置以判定該事件離該基板的一中心的一徑向距離。
  16. 如請求項11所述之設備，其中該複數個聲學感測器被定位在離該平臺的一旋轉軸的不同徑向距離處。
  17. 如請求項11所述之設備，其中該複數個聲學感測器被定位在離該平臺的一旋轉軸的不同角度位置處。
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