CN102782814A - 垫片状态化刮扫力矩模式化以达成恒定移除率 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于调整CMP系统中的抛光垫片的方法与设备。在一具体实施例中，一种用于调整抛光垫片的方法包含：对调整盘施加向下力，该向下力推进该调整盘抵住该抛光垫片；测量使该调整盘刮扫该抛光垫片所需的力矩；比较所测量的力矩与模式化力轮廓(MFP)，藉以确定向下力的变化量；以及响应于所确定的变化量，调整该调整盘施抵该抛光垫片的向下力。

Description

垫片状态化刮扫力矩模式化以达成恒定移除率

背景

发明领域

本发明的具体实施例大体而言是关于一种用于调整电化学机械处理系统中的抛光表面的方法。

相关技术的描述在半导体器件制造中，层与结构通过各种处理而沉积与形成在半导体基板上。化学机械抛光(CMP)是一种广泛使用的处理，通过化学机械抛光，抛光垫片与抛光溶液结合而以平坦化基板，或维持平坦度以接收后续层的方式来移除过剩材料。随着时间过去，抛光垫片的有效性会因压力、摩擦、和热同产生自处理淤浆的颗粒、自基板(或从垫片本身)移除的材料、等等相结合而消减，以于垫片上形成硬质、相对平滑表面。此效应一般称为“磨光(glazing)”。为了在已经发生磨光之后增进抛光垫片的有效性，抛光垫片可周期性地进行调整。垫片调整一般涉及了研磨调整盘来擦洗抛光垫片，以移除在垫片表面上的任何累积抛光副产物及/或翻新抛光垫片的表面。抛光垫片表面的调整可以是在以新的抛光垫片进行抛光之前进行，在抛光程序中进行以维持及/或加强表面粗糙度与抛光垫片表面的移除率，或在抛光之后进行，以为待抛光的新基板制备抛光垫片表面。

一般都知道调整盘的有效性会因为盘体与垫片磨耗而随时间降低。因此，抛光垫片的有效性会随时间而浮动，因而随不同基板产生非均匀结果。因此，需要一种改良方法来调整抛光垫片，以增进抛光垫片在调整盘寿命内的性能。

发明内容

本发明的具体实施例提供了用于调整抛光垫片的方法。在一具体实施例中，一种用于调整抛光垫片的方法包含：对调整盘施加向下力，该向下力推进该调整盘抵住该抛光垫片；测量使该调整盘刮扫该抛光垫片所需的力矩；通过比较所测量的力矩与模式化力轮廓(MFP，model force profile)，以确定向下力的变化量；以及响应于所确定的变化量，调整该调整盘施抵该抛光垫片的向下力。

在另一具体实施例中，一种用于调整抛光垫片的方法包含：施加向下力，以推进调整盘抵住抛光垫片；测量该调整盘接触该抛光垫片所产生的摩擦力；比较所测量的摩擦力与模式化力轮廓(MFP)，以确定向下力的变化量；以及响应于所测量的摩擦力与该MFP间的比较，调整所施加的向下力。

在又一具体实施例中，一种以调整盘调整抛光垫片的设备包含：平台，该平台用以支撑该抛光垫片；调整头，该调整头用以固定该调整盘；向下力致动器，该向下力致动器可用于以使该调整头对该抛光垫片施以向下力的方式来移动该调整头；臂体，该臂体耦接至该调整头，以支撑该调整头于该平台上方；刮扫致动器，该刮扫致动器耦接至该臂体且可用于使该调整头刮扫该平台；以及刮扫力矩传感器，该刮扫力矩传感器可用于在该调整盘接触于该抛光垫片时，测量为使该调整头刮扫该平台所需的力矩。

附图简要说明

为使本发明的上述特征可以被详细了解，本发明的更特定描述(简要说明于上文)可参照具体实施例而得知，这些具体实施例说明于所附图式中。

图1为示例CMP系统的截面图，该CMP系统可用于实施本发明的具体实施例。

图2为图1的CMP系统的顶视图。

图3为垫片调整方法的一具体实施例的流程图。

为助于了解，尽可能使用了相同的元件符号来代表图式中相同的元件。应知一具体实施例中的元件与特征可有利地并入其他具体实施例中，无需进一步的说明。

然而，应注意如附图式仅说明了本发明的示例性具体实施例，因此不应被视为对本发明范畴的限制，因为本发明可允许其他的等效具体实施例。

具体描述

本发明的具体实施例与CMP抛光垫片的性能有关。本公开中的具体实施例提供了基于调整臂体刮扫力矩以及抛光垫片与调整盘间摩擦力之间的关系来控制CMP抛光器的方法与设备。具体实施例包含了一种用于调整由调整盘施加至抛光垫片的向下力的方法，该方法是基于测量力与模式化力轮廓间的差异而进行调整以改善处理结果。应知本发明的可实现使用调整器刮扫力矩来监看抛光器性能的构想可即时地应用，及/或在基板被抛光同时调整抛光垫片(即原位调整)时应用、当抛光垫片在基板抛光中被调整(即区外调整)时应用，或在上述情况的任何组合时应用。

图1为根据本发明特定构想的示例CMP系统的一具体实施例的截面图。如图1所示，该CMP系统包含抛光器100，抛光器100具有机械基座130、抛光流体传送臂体190、置于平台102上的抛光垫片104、抛光头106、调整器套件122、以及控制器152。机械基座130支撑平台102、抛光流体传送臂体190与调整器套件122。平台102支撑抛光头106。

在处理期间，抛光头106保持住基板118并使基板118旋转接触至抛光垫片104。抛光头106可包含保持环116，保持环116于处理期间避免基板118从抛光头106下方移动离开。抛光头106可由马达120旋转，藉此沿着抛光头106的中央轴D旋转基板118抵住抛光垫片104。传感器148可用以取得为将基板118旋抵抛光垫片104所需的力度量。

平台102用以在处理期间旋转抛光垫片104，使得抛光垫片104平面化(或“抛光”)基板118的表面，基板118配置在垫片104上。抛光垫片104是消耗性产品，抛光垫片104具有抛光表面且可紧固至平台102。平台102与抛光垫片104通过轴杆114而由耦接至平台102的马达112带动旋转。马达112用以使抛光垫片104相对于保持在抛光头106中的基板118移动。在图1所示的具体实施例中，马达112于X-Z平面中沿着中央轴A而旋转，中央轴A与平台102垂直。传感器150可用于获得度量，该度量代表为使平台102与抛光垫片104相对于基板118及/或调整器装置122旋转所需的力。

抛光流体传送臂体190于抛光期间对抛光垫片104的表面提供抛光流体。抛光流体可包括含研磨剂抛光淤浆，或可包括无研磨剂流体(该无研磨剂流体可具反应性)。

调整器套件122一般包含调整头108、轴杆126与臂体128。轴杆126与臂体128支撑调整头108于平台102上方。调整头108固定调整盘124，调整盘124被选择性放置为与抛光垫片104接触，以调整抛光垫片104的表面。

轴杆126配置为穿过抛光器100的机械基座130。轴杆126可沿着垂直于机械基座130的轴B旋转，在机械基座130与轴杆126之间的轴承132增进了此旋转，使得臂体128旋转调整头108。在一具体实施例中，耦接至轴杆126的刮扫致动器144可以旋转轴杆126以推进臂体128而使调整头108刮扫于抛光垫片104上。

调整器套件122还包含刮扫力矩传感器146，以检测为使调整盘124在抛光垫片104的表面移动上所需的刮扫力矩。在一具体实施例中，刮扫力矩传感器146可以是耦接至刮扫致动器144的力矩或其他力传感器。在其他具体实施例中，刮扫力矩传感器146可以是耦接至刮扫致动器144的电流传感器或压力传感器。电流传感器可检测由刮扫致动器144因调整盘124与抛光垫片104之间摩擦力变化所引出的电流变化。压力传感器可以与刮扫致动器144相接，以于调整盘124与抛光垫片104之间的摩擦力改变时检测用以致动刮扫致动器144的压力变化。在另一具体实施例中，刮扫致动器144可以是直驱式马达，该直驱式马达经配置以提供净力矩反馈以供用于垫片调整器刮扫力矩的测量与控制。在其他的具体实施例中，刮扫力矩传感器146可以是适合提供度量的任何其他传感器，该度量代表为在抛光垫片104的表面上移动调整盘124所需的力。

调整头108使调整盘124沿着垂直通过调整盘124的轴C而旋转。调整盘124是由适合调整抛光垫片104材料的材料所制成。调整盘124可以是毛刷、聚合物，或研磨表面。在一具体实施例中，调整盘124具有表面，该表面含研磨颗粒(例如钻石或其他相对硬质物质)。

在一具体实施例中，马达134用以使调整盘124相对于抛光垫片104旋转。在一具体实施例中，马达134配置于在臂体128远端处的外壳136中。

传感器138可检测当调整盘124与抛光垫片104接触时为使调整盘124沿轴C旋转所需的力矩或旋转力。在一具体实施例中，传感器138可置于外壳136内。在一具体实施例中，传感器138可以是耦接至马达134的电流传感器。电流传感器可检测马达134因调整盘124与抛光垫片104间摩擦力变化所致的电流变化。在另一具体实施例中，传感器138可以是力矩传感器、挠度传感器、或张力计，且传感器138可定位于马达与调整头之间的驱动列中，以测量因对调整头摩擦而产生于驱动列上的力。

利用向下力致动器140来推进调整盘124抵住抛光垫片104。向下力致动器140是配置以选择性地设定调整盘124对抛光垫片104所施的力。在一具体实施例中，向下力致动器140可以是置于臂体128与轴杆126之间，或置于其他合适位置中。

向下力传感器142用以检测度量，该度量代表调整盘124朝抛光垫片104所施加的向下力。在一具体实施例中，向下力传感器142可以是位于向下力致动器140的共同线路中，或可放置在其他适合位置中。

在一具体实施例中，抛光器100可任选地包含垫片厚度传感器(未图示)，该垫片厚度传感器耦接至调整头108。垫片厚度传感器可用于检测位于平台102上的抛光垫片的厚度。垫片厚度传感器可用于确定位于平台102上的抛光垫片104的寿命终点。在一具体实施例中，垫片厚度传感器可用于进一步对控制器152提供额外的反馈信号以控制调整向下力。

一般而言，控制器152用以控制抛光器100中的一个或多个组件以及抛光器100中所执行的处理。在一具体实施例中，控制器152可使用传感数据作为反馈信号，以控制处理期间自基板118的材料移除率。控制器152可以在各个点处耦接于抛光器100，以传送与接收来自各个组件的信号。举例而言，控制器152可传送控制信号至马达112、120、134、刮扫致动器144、与向下力致动器140，并接收对应于传感器138、142、146、148、150所检测的力的信号。

控制器152一般设计为增进抛光器100的控制与自动化，且一般包含中央处理单元(CPU)154、存储器156与支持电路(或I/O)158。CPU 154可以是任何形式的电脑处理器中的一种，这些电脑处理器用于工业设定以控制各种系统功能、基板移动、腔室处理、处理时序与支持硬件(例如，传感器、机器人、马达、时序装置等)，并监测处理(例如，化学浓度、处理变量、腔室处理时间、I/O信号等)。存储器156连接至CPU 154，且存储器156可为一个或多个可直接存取的存储器，例如，随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、软磁碟、硬盘或任何其他形式的数位储存器(本地或远端)。软件指令与数据可经编码并储存于存储器内以指令CPU 154。支持电路158也连接至CPU 154，用于以传统方式支持处理器。支持电路158可包含高速缓存、电力供应、时钟电路、输入/输出电路、子系统等。可由控制器152读取的程序或电脑指令确定哪些任务在基板上可执行。优选地，该程序是可由控制器152读取的软件，该程序包含编码以执行与监测、实施与控制、抛光器100中的基板移动、支撑及/或定位相关的任务。在一具体实施例中，控制器152用以控制自动化装置，以控制抛光器100的战略移动、排程及执行，而使处理可重复进行、解决队列时序问题，并避免基板的过处理和欠处理。

在运作中，如图2所示，由抛光流体传送臂体190将抛光流体202提供至抛光垫片104的表面。抛光头106推进基板118抵住抛光垫片104。在抛光流体202的存在下，与旋转的抛光垫片104的表面接触使基板118的表面平面化。在一具体实施例中，抛光垫片104可用于平面化基板，而以预定速率(根据下述说明，该预定速率有时称为移除率)移除基板表面的材料。

在平面化基板118之前、期间及/或之后，可调整抛光垫片104。在调整期间，调整头108以预定向下力推进调整盘124抵住抛光垫片104。在抛光垫片104上来回刮扫时，调整盘124相对于抛光垫片104的表面旋转。在调整盘与抛光垫片之间的接触为抛光垫片表面提供纹理，该纹理适于维持基板的移除率。调整盘124与抛光垫片104之间的相互作用会产生摩擦力，该摩擦力可如下所述般进行检测。根据一具体实施例，抛光垫片的移除率和产生于调整盘上的摩擦力可直接与调整向下力有关。因此，可根据针对特定向下力所观察到的摩擦力来估计移除率。

图3为可使用本文所述构想的抛光器100所执行的方法300的流程图。应知也可利用其他适当的CMP系统与设备来执行方法300。

在302，利用向下力将调整盘124推抵抛光垫片104。可测量调整盘124对抛光垫片104的向下力，以对力致动器140提供反馈。在一具体实施例中，利用向下力传感器142所提供的度量来测量向下力。所测量的向下力可将调整头108的重量考量在内。

在304，测量为使调整盘124相对于抛光垫片104移动所需的力。为使调整盘124相对于抛光垫片104移动所需的力此处定义为力或力矩。在一具体实施例中，利用由刮扫力矩传感器所提供的度量来测量为使调整盘刮扫于抛光垫片上所需的力或力矩。当调整盘与抛光垫片中之一或两者都磨耗，及/或处理条件改变时，刮扫力矩会因调整盘与抛光垫片之间的相对摩擦力变化而随时间改变。若调整处理不随时间改变，所测量的刮扫力矩便会随调整盘的寿命而减少，因为调整盘会磨耗且调整盘的有效切割率会逐渐降低。因此，根据下述构想，通过使用刮扫力矩作为反馈信号，是可调整向下力以补偿磨耗的调整盘，藉此改良调整处理以维持恒定的移除率。在另一具体实施例中，调整盘124与抛光垫片104之间的摩擦力会产生阻力，该阻力可通过监测为旋转调整盘124及/或抛光垫片104中至少之一所需的力的变化而加以检测。在另一具体实施例中，在基板118与抛光垫片104之间的摩擦力产生阻力，该阻力可通过上述的一个或多个传感器138、142、146、148与150加以测量。应了解在一具体实施例中，任何上述的摩擦力可作为反馈信号以维持恒定移除率。

在306，于304所测得的力可以与模式化力轮廓(MFP)比较，以确定为维持均匀移除所需的向下力的变化。当在306所测量的力为力矩时，MFP是模式化力矩轮廓(MTP)。为求简洁，在应用时对于MFP的参照是指MTP。在一具体实施例中，控制器可比较所测量的力或力矩与模式化力轮廓，以确定向下力的变化。在一具体实施例中，可基于MFP来计算适合维持基板的恒定材料移除率的新的向下力。在一具体实施例中，可于基板处理期间使用新的向下力作为封闭回路控工艺序。在另一具体实施例中，新的向下力数值可用于下一个待处理基板作为反馈控工艺序的用。MFP允许在已知测量力大小与所需移除率情况下计算新的向下力。在大部分应用中，已确定与维持恒定移除率有关的MFP为非线性，且因此力矩变化并不与向下力变化量线性成比例。应知对于特定处理条件而言，力矩变化量可以与向下力变化量线性成比例。

根据一具体实施例，可以是确定新的向下力来增进抛光垫片的寿命。通过确定较低的初始向下力(该初始向下力仍适合达成特定刮扫力矩目标)，可减轻抛光垫片的磨耗。当调整盘是新的时，通过利用较低的初始向下力数值可避免因过度处理所致的过剩抛光垫片磨耗，且在调整盘的表面磨耗时，可增加向下力以维持抛光性能。

在308，可响应于于所测量的力和MFP之间的差异而调整向下力。在一具体实施例中，可响应于所测量的力矩与MFP之间的差异而调整向下力。在一具体实施例中，控制信号可被传送至向下力致动器，以增加作用于调整盘上的向下力。在另一具体实施例中，控制信号可被传送至向下力致动器，以减少向下力以降低抛光垫片与调整盘上的过剩磨耗。应知可预先定义向下力的上限，以限制向下力致动器所施加的向下力大小。

在基板正经受处理时，可调整新的向下力作为封闭回路控制例程，或可调整新的向下力作为反馈控制例程而供下一个待处理基板使用。

MFP可通过经验证据、先前实验与测试、建模、计算而产生，或可被提供作为带有调整盘规格的参考曲线。一般而言，已经确定移除率、刮扫力矩，以及向下力之间的关系会随着调整盘老化而发展。当调整盘的表面面临较大磨耗时，移除率会因而因调整向下力固定而降低。因此，将使用较高的向下力数值以提供相同程度的抛光垫片表面之中断或回复，且为维持恒定的移除率，可周期性地增加调整向下力。

根据某些构想，已确定刮扫力矩和调整向下力之间的关系可依循持续使用调整盘的类似趋势。对于固定的调整向下力而言，在调整盘与抛光垫片之间的摩擦力会随着调整盘的研磨表面磨耗而降低，导致刮扫致动器面临较低力矩。刮扫力矩的降低可指示出垫片调整有效性因研磨表面的磨耗而降低。同样地，已经确定移除率与调整刮扫力矩之间的关系也随调整盘的寿命而发展。磨耗的调整盘调整抛光垫片的效率可能较低，该较低效率会导致移除率随时间而降低。

根据某些构想，可利用两个不同数据组的分析来开发MFP。第一个数据组可利用实验设计而得，这些实验利用在不同磨耗阶段的调整盘而执行。可针对每次向下力调整测量刮扫力矩的均方根(RMS)，以及全覆式基板移除率。第二个数据组可为全覆式基板的马拉松式运作，其中是利用手动CLC以阶梯式形式改变向下力。在一具体实施例中，所施加的向下力可以是开始于3磅的向下力，且在处理2500片基板的过程中可增加至11磅的向下力。可以对每一个基板测量刮扫力矩的RMS，而全覆式RR的测量则可较不频繁。可结合该两个数据组，并利用最小方差估算技术或适当的任何其他数据匹配技术来估算RMS刮扫力矩(T)、向下力(DF)，与全覆式RR之间的模式化力轮廓。在一具体实施例中，模式的结构可如下述：

Log_e(T)=b*Log_e(RR)+a*Log_e(DF)(1)

其中a与b为从最小方差估算中所得的常数。在一具体实例中，针对氧化物CMP系统(该系统使用应用材料公司所制造的低向下力调整臂体)所计算的数值b与a分别为0.228与0.3。在其他条件中，常数b与a可针对特定垫片材料、抛光流体、待抛光基板材料而加以选择。

式(1)也可重写为：

Log_e(T)-Log_e(DF)^a=Log_e(RR)^b

${\mathrm{Log}}_e\left(\frac{T}{{\mathrm{DF}}^a}\right)={\mathrm{Log}}_e{\left(\mathrm{RR}\right)}^b---\left(2\right)$

对于恒定的RR=k而言，等式可简化为：

${\mathrm{Log}}_e\left(\frac{T}{{\mathrm{DF}}^a}\right)={\mathrm{Log}}_{e}k---\left(3\right)$

$\left(\frac{T}{{\mathrm{DF}}^a}\right)=k_1---\left(4\right),$ 或

T=k₁*DF^a    (5)

式(5)说明了用于目标刮扫力矩的模式化力轮廓为达成恒定移除率的向下力的函数。

因此，已提供了用于在调整盘的寿命期间维持恒定移除率的方法。本发明的具体实施例较佳地补偿了调整有效性的损失，以维持所需处理性能。该方法可原位使用作为运行的处理，或是作为反馈例程以实质消除处理偏差。此外，本发明的具体实施例通过确定较低的、仍足以达成特定刮扫力矩目标的向下力，而有利地延长了抛光垫片的使用寿命。因此，例如在调整盘是新的时和刚磨损时，本发明的具体实施例有利地降低了因过度调整所致的过度抛光垫片磨耗。根据特定具体实施例，垫片寿命可比传统方式提升了20％至60％。同样地，应了解本发明的具体实施例有利地增加了调整盘的有用寿命。

尽管前述说明与本发明的具体实施例有关，但可在不脱离本发明的基本范畴的情况下设计出本发明的其他与进一步的具体实施例，且本发明的范畴是由下述权利要求所确定的。举例而言，尽管前述说明与本发明的关注于调整盘的刮扫力矩的具体实施例有关，然应知在整个CMP系统中所测量的力矩，例如在其他马达或致动器处所测量的力矩，也可用于确定控制抛光器的模式化力轮廓。

Claims (14)

1.一种用于调整抛光垫片的方法，包括：

对调整盘施加向下力，所述向下力推进所述调整盘抵住所述抛光垫片；

测量使所述调整盘刮扫所述抛光垫片所需的力矩；

通过比较所测量的力矩与模式化力轮廓(MFP)，藉以确定向下力的变化量；以及

响应于所确定的变化量，调整所述调整盘施抵所述抛光垫片的所述向下力。

2.如权利要求1的方法，其中所述MFP包括所述向下力、所述力矩，以及所述抛光垫片对自基板的材料移除率之间的估计关系。

3.如权利要求1的方法，其中所述确定的步骤包括：

确定为维持所述抛光垫片自基板的材料移除率所必需的向下力的变化量。

4.如权利要求1的方法，其中所述确定的步骤包括：

确定为达成所述MFP的目标力矩所必需的向下力的减量。

5.如权利要求1的方法，其中所述确定的步骤包括：

响应于所测量的力矩小于所述MFP，确定为维持所述抛光垫片的恒定移除率所必需的向下力的增量。

6.如权利要求1的方法，其中所述调整所述向下力的步骤包括：为所述抛光垫片修改调整方案。

7.如权利要求1的方法，其中所述调整所述向下力的步骤包括：在所述抛光垫片的调整期间，原位调整所述向下力。

8.一种用于调整抛光垫片的方法，包括：

施加向下力，以推进调整盘抵住所述抛光垫片；

测量所述调整盘接触所述抛光垫片所产生的摩擦力；

比较所测量的摩擦力与模式化力轮廓(MFP)，以确定向下力的变化量；以及

响应于所测量的摩擦力与所述MFP间的比较，调整所施加的向下力。

9.如权利要求8的方法，其中所述MFP还包括：

所述向下力、所述摩擦力，以及所述抛光垫片自基板的材料移除率之间的估计关系。

10.如权利要求9的方法，其中所述摩擦力包括为使调整头、平台，或抛光头中至少之一旋转所需的旋转力矩。

11.一种用于以一调整盘调整一抛光垫片的设备，所述设备包含：

平台，所述平台用以支撑所述抛光垫片；

调整头，所述调整头用以固定所述调整盘；

向下力致动器，所述向下力致动器可用于以使所述调整头对所述抛光垫片施以向下力的方式来移动所述调整头；

臂体，所述臂体耦接至所述调整头，以支撑所述调整头于所述平台上方；以及

刮扫致动器，所述刮扫致动器耦接至所述臂体且可用于使所述调整头刮扫所述平台；以及

刮扫力矩传感器，所述刮扫力矩传感器可用于在所述调整盘接触于所述抛光垫片时，测量为使所述调整头刮扫所述平台所需的力矩。

12.如权利要求11的设备，还包括：

一控制器，所述控制器耦接至所述向下力致动器，且所述控制器运作以指示所述向下力致动器以响应于一模式化力轮廓(MFP)而选择的一数值来施加所述向下力。

13.如权利要求12的设备，其中所述控制器可用于基于所述刮扫力矩传感器所测量的力矩而提供由所述向下力致动器提供的向下力的封闭回路控制，以维持所述抛光垫片自基板的实质恒定材料移除率。

14.如权利要求11的设备，还包括：

垫片厚度传感器，所述垫片厚度传感器耦接至所述调整头。

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