TWI289091B - Apparatus for endpoint detection during polishing - Google Patents

Description

1289091 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種研磨基材晨^ 種利用於檢測臂上設置可進行線性運^ :控裝置。尤其是指- 行表面研躲㈣_及錄之1研磨對研磨基材進

【先前技術1 坦化品求之表面特性進行精確之檢測以提升製程良率，具 有相當之重要性。 ^ 隨著微小化的發展趨勢，使得微結構曰趨複雜，在元 件製造的過程中，製程之規格更是要求越來越高。當一λ 材的尺寸越來越大，以及所含括的微結構越來越多時，ς 味著所需的每一製程步驟與檢測的精準度要求增加。尤其 在表面堆疊製造過程中’如何有㈣針對基材^度以及^ 由於未經研磨之基材表面係為非一致性的高度，因此 當該基材在進行研磨的時候，需要藉由偵測裝置來偵測研 磨過程中或者是研磨結果之狀態（如高度或者是平坦度）， 而在習用技藝中，用以偵測研磨基材厚度之偵測機構，一 般是利用終點偵測器（End Point Detector, EPD)來债測研 磨後之狀態。其主要原理係以入射光源進入到研磨基材之 表面上，在藉由光接收器接收由研磨基材反射之光源，藉 此以彳貞測研磨基材之厚度。 請參閱圖一所示，該圖係為習用應用於化學機械拋光 之端點偵測裝置示意圖。晶圓基材11係被一晶圓夾具15 6 ,1289091 - 上的固定元件13所夾持著，晶圓基材11之研磨面則朝向 • 固定於一旋轉台16上之研磨墊12，該研磨墊12與該旋轉 • 台16上開設有相連通之窗口（圖中未示）。一光偵測裝置 Π可發射出偵測光通過該窗口而以一入射角射向該晶圓基 材11之研磨面，以及揍收從該晶圓基材11之研磨面反射 之光訊號。透過電腦運算裝置以偵測該晶圓基材11之研磨 狀態。 除了上述之外，其他如U.s· Pat· No· 6517413所揭露之 _ 裝置係利用偵測由研磨基材上反射之雷射光，再透過電腦 對偵測之反射雷射光進行訊號處理以分析研磨基材上之剩 餘氧化銅之量進而監控完成研磨所需要之時間，而掌握研 磨基材之研磨精度。又如U.S.Pat.No.6336841其係為 肘10_1又所提出之以紅外線（111汁31^(1，1尺）端點偵測方 法’藉由研磨後研磨基材對於紅外線吸收頻譜的改變，判 斷研磨基材之厚度。此外U. S· Pat· No· 6586337則揭露一種 設置於研磨基材下方以及具有發射以及接收光源功能之一 才木/ 則頭利用刖述之原理偵測訊號以判斷研磨基材之厚度。 雖然前述終點偵測器可以偵測研磨基材之厚度，不過 具有下列缺點·· ‘ （1)必須要之檢測厚度需要大於3000埃，否則所獲得 .之反射頻譜訊噪比不足。 (2)終點偵測器係被固定於一位置上，因此對於大尺寸 之基材區域之量測有限，僅能做局部性之偵測，無 法真正呈現出研磨基材之厚度變化。所以無法獲得 較佳之精確度。 7 1289091 (3)如圖二a至圖二c所示，該圖係為金屬堆疊示音 圖。首先在基板20上形成金屬層21，在沉積的^ 程中，金屬層21之上表面，並不均勻。接下來沉 積介電層22於該金屬層21上，如圖所示，在 沉積的過程中，沉積表面之平整度並不理想，為了 下一階段製程能夠順利進行，需藉由研磨^程將圖 ,Β之結構研磨成平整的狀態，以形成如圖二c所 不之結構。然而在研磨的過程中，若藉由前述之終 點偵測器來偵測研磨基材之平整度以及厚度，僅能 夠偵測研磨基材之局部區域，若將其所偵測之鈇果 當作全面性的研磨厚度檢測結果，將造成過度= j者是偵測不足，進而導致研磨基材表面厚度不均 '~之現象。 另外，在現今研磨中，由於研磨與拋光製都 研磨總體厚度（Total Thickness Variati〇n 得。由於此方法是以基礎面當作其參考平面 容= 研磨基材之平坦度與置放之位置而產生因參考== =差。如圖三中，即為研磨基材8G置放於傾斜之= 就會據參考平*82監控研磨厚度以及平整度時:

f發明内容J 本發明的主要目的是提供一種研磨監控裝置，其係以可進行 8 1289091 Ϊ性之至少—㈣部來制研縣材之厚度以及平括 :以感泰阿由光學式或者是㈣流式_元件所構成到 夕=研縣材進行全面性厚度檢_及獨㈣厚度差異檢測 之目的 為了達到上述之目的，本發明提供一種研磨監控裝置，1 用以檢測-研磨基材之表面研磨狀態，該研磨監控裝置包括二 檢測臂’其係與該研磨基材相距—高度；以及至少-感測部，其 係β又置於该檢測臂上且與該研磨基材之研磨面相對應，該至少一 感測部可㈣行-線齡移運細及細該研材在研磨 中之厚度變化。 較佳的是，該研磨監控裝置更包括有一誘導器，該誘導器可 以產生磁場於該研磨基材上以誘發該研磨基材產生渦電流。 較佳的是，該感測部更包括有一渦電流檢測器，以偵測該研 磨基材所產生之磁場強度。 較佳的疋，該感測部更包括有一光源產生器，該光源產生器 可發出一偵測光至該研磨基材上。 ^ 較佳的是，該研磨監控裝置更包括有至少一光學偵測器，該 光學偵測器係可接收由該研磨基材反射之偵測光。該至少一光學 偵測器係設置於至少一線性滑軌上，藉由該線性滑執提供之線性 位移運動以接收複數個由該研磨基材反射之該偵測光。 較佳的是’該研磨監控裝置更包括有與該感測部作電訊連接 之一電§fL整合早元’該電整合卓元係可整合該感測部之訊號以 輸出一感測訊號。該電訊整合單元更耦接有一控制單元，該控制 單元係可接收該感測訊號，以判斷該研磨基材之研磨狀態。 1289091 【實施方式】 為使胃審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一 •步的4知與瞭解’下文特將本發明之裝置的_細部結構以及設 β的’以使得審查委員可以了解本發明之特 點’詳細說明陳述如下： 輕閱圖四所示’該圖係為本發明之第一較佳實施例示意 鴦圖。本發明之研磨監控裝置3係包括有一檢測臂 30以及一感測部 1 >該檢’貞丨# 30 ’其係與該研磨基材相距_高度。該感測部31， 其係設置於該檢測臂30上且與該研磨基材之研麵相對應 ，該感 測部31可以感測該研磨基材在研磨過程中之厚度變化以及進行一 =生位移運動91。該感測部31 &括有一光學感測部311以及渦電 々il感測部312 ’但不在此限。由於本發明之目的係要能夠掌握在研 ，過知巾研磨基材之全區域研磨狀況，如··研磨基材之厚度或者 疋平整度的掌握，因此本發明之重要特徵之-即是該制部31可 • 以進行位移運動91 ’以掌握監控研磨基材全部區域之研磨狀態。 該，測部31之感測元件之組合，係依檢測之需求而定，所以 也可=單只有光學感測部311或者是單只有渦電流感測部，亦 或者是像本案之第—較佳實施财之光學感卿以及渦電流感測 部兩者結合，但不在此限。例如··如果研磨基材之材料含有金屬 材料為了 4加檢測之精度，就可以將光學感測部311以及涡電 流感測部312進行結合-起使用，而形成如本發明第一較佳實施 例的狀悲。換句話說，只要是為了針對制研磨狀態之感測器， 都可在本發明之保護範圍内。 該線性位移運動9卜在本實施例中可以藉由線性移動機構， 1289091 ，如線性導執32等元件來提供。該線性導軌32係設置於該檢測臂 - 30上，而該感測部31則設置在該線性導軌32上。使該感測部31 、 可以視偵測之需要，而在該線性導軌32上進行該線性位移運動 91，而偵測研磨基材之研磨狀態。 請參閱圖五所示，該圖係為本發明之第二較佳實施例示意 圖。在本實施例中，該研磨監控裝置β之檢測臂6〇上，設置有複 數個感測部61，每一個感測部61以一間隔分佈於該檢測臂6〇上。 該感測部61可藉由設置於該檢測臂6〇上之線性導軌64而進行線 β 性位移運動91。本較佳實施例可應用於大面積之研磨基材來擴大 檢測之範圍，以避免感測部移動行程過大而造成檢測精度降低。 接下來說明本發明之量測方式以及原理。請參閱圖六所示， 該圖係為本發明之研磨監控裝置與研磨裝置結合示意圖。該研磨 裝置7係可為一機械研磨裝置，但不在此限。該研磨裝置7包括 有一旋轉台71、一研磨墊72、一夾具74以及一固定元件73。該 旋轉台71以及該夾具74係可進行一旋轉運動92。該研磨墊72 設置於該旋轉台71上，該固定元件73設置於該夾具74上，以提 供固定被夾持在該夾具74上之研磨基材5。該研磨基材5之研磨 面係與該研磨墊72相對應。 在該旋轉台71之内，開設有一容置空間711，以提供容置一 磨It控裝置，如前述之第—較佳實施例或者是第三較佳實施例 等。在圖六之說明中，該研磨監控裝置6係利用本發明之第二較 =實施例來作·。職研磨監控裝置6之相關電訊信號線材則 ，由该，轉台]之轉軸與_電訊整合單元62作電訊連接。該電 ^整合單元62係可整合該研磨監控裝置6所使狀減線材之訊 〜以輪出一感測訊號。而該電訊整合單元62更耦接有一控制單元 1289091 63，該控制單元63係可接收該感測訊號，以判斷該研磨基材5之 研磨狀態。至於被夾持在夾具74之研磨基材5，則為要進行多層 .金屬材料堆疊製程之研磨基材5。 曰 請參閱圖五以及圖六所示，在檢測的過程中，渦電流感測部 612來判別欲研磨區域之磁通密度，而渦電流感測部612所進行之 偵測係屬於大範圍區域之檢測。而光學感測部611之檢測則是讀 取線性導執64在移動時所經過路徑之訊辣，判別所接收到反射光 之區域的研磨基材5厚度，並傳送至該控制單元63進行處理。由 >於該研磨監控裝置6包括有複數個感測部61，因此在進行端點偵 測與判斷中’該複數個感測部61可以於複數個位置分別擷取複數 個厚度資訊以作為基準點。然後，於研磨一段時間之後，再藉由 該複數個感測部61於複數個位置擷取資訊，經由該控制單元9肋 處理而得到每一個位置之厚度相對差異值，進而掌握研磨基材5 於研磨過程中之研磨狀態。 請參閱圖七A所示，該圖係為本發明之渦電流感測部之較佳 實施例檢測示意圖。該渦電流感測部612包括有一核心本體 6120，在核心本體6120中間區域具有一誘導器6121，在本實施例 中，該誘導器6121係為在該核心本體612〇中間區域纏繞有激發 線圈（Driver coil)。而在核心本體612〇之兩側區域分別具有一 渦電流檢測器6122 ,在本實施例中，該渦電流檢測器6122係為纏 繞於該核心本體6120兩端之拾取線圈（Pickup c〇ii)。 在渦電流之特性中，渦電流的密度隨著離導體表面之深度增 加而遞減。如下式所示： ,1 〇 =-7=^ 12 1289091 - 其中d係為透入深度(m)，f係為頻率(Hz)，σ係為導電率 (niho/in) W 為導磁率（Henry/m)。 . 此外，隨著深度的增加，渦電流的相位角也會有規律的滯後。 滯後的渦電流所產生之交變磁場，對於渦電流檢測器6122之拾取 線圈所產生之感應電流也會隨之產生相位變化。由於研磨基材5 在研磨過程中厚度的改變會影響渦電流透入之深度，因此產生前 述之現象，藉由事先建立的標準，我們可以利用該渦電流檢測器 6122所感測之具有相變化之感應電流，來判斷深度的改變，進而 _ 得知研磨基材5厚度的變化。 此外，由於該研磨基材5為多層金屬堆疊結構，所以將載有 交流電之該誘導器6121接近該研磨基材5 ,藉由該誘導器6121 所引發之父變磁場93而使該研磨基材5上之金屬導體感應產生渦 電/’il，而该渦電流也會產生與該誘導器6121產生之交變磁場相反 方向之磁場，以激發該渦流檢測器6122上之拾取線圈產生一感應 電流。當該研磨基材5之厚度改變時，該研磨基材5之電阻會改 鲁 變，因此該研磨基材5所感應之渦電流以及該渦電流所產生之交 變磁場也會隨之改變，進而使該渦電流檢測器6122檢測具有相位 變化或者是振幅變化之電壓。 圖七A之渴電流感測部係為本發明所舉之實施例其中之一， •在f狀難錄測II之種雛乡，目此本發鴨指之渦電流感 ，測部並不侷限於圖七A之實施例。如圖七B所示，也是滿電流感 成Up之另一較佳實施例。其中該渦電流感測部4包括有一誘導器 40以及一渦電流檢測器41以偵測研磨基材42之研磨狀態。至於 其原理與前述相同，在此不作贅述。 請參閱圖八A所示’該圖係為本發明之光源產生器以及光源 13 ‘1289091 _ 偵測器示意圖。該光學感測部611包括有一光源產生器6111以及 一光源偵測器6112，該光源產生器Mu可發出一偵測光至該 •研磨基材上。該偵測光會以一特定入射角度入射至該研磨基材5 上，然後再反射由該光源偵測器6112所接收。 請麥閱圖八B以及八C所示，其中圖八β係為在研磨過程中 光源產生器以及光源偵測器偵測研磨基材厚度示意圖；圖八C係 為光源偵測器偵測到具有相位差之反射偵測光示意圖。當該研磨 基材5厚度隨著研磨時間而改變時，該光源偵測器6112所接收到 籲之反射偵測光也會因為光行程改變，而產生具有相位差之訊號。 如當光源偵測器6112偵測到反射光90是由一第一厚度5〇反射回 來的訊號時，其光波訊號94如圖八c所示。當經過一段研磨時間 後’该研磨基材5變成-第二厚度51的時候，該光源债測器6112 所偵測到的反射光之狀態如94，所示，因此光波曲線94與光波曲 線94’相差一相位差Δφ。。該控制單元可藉由該相位差△…來 判斷該研磨基材5之厚度。 唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能以之限制 _ 本發明範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修 飾’仍將不失本發明之要義所在，故都應視為本發明的進一步實 施狀況。 綜合上述，本發明之裝置具有降低檢測誤差以及對研磨基材 全區域之檢測能力，不但可以針對不同堆疊材料層進行厚度判別 以及對移除厚度進行點監測外，更可㈣於補基機行移除均 勻度的面監測。因此，本發明之裝置可⑽足#界之需求，進而 提高該產業之競爭力以及帶動週遭產業之發展，誠已符合發明專 利法所規定申請發明所需具備之要件，故爰依法呈提發明專利之 14 1289091 申請，謹請貴審查委員允撥時間惠予審視，並賜準專利為禱。

15 1289091 【固式簡單說明】 圖一係為習用應用於化學機械拋光之端點偵測裝置示意 _ 圖。 '圖二A至圖二C係為金屬堆疊製程示意圖。 圖二係為研磨基材置放於不平整之平台示意圖。 圖四係為本發明之第一較佳實施例示意圖。 圖五係為本發明之第二較佳實施例示意圖。 • 圖六係為本發明之研磨監控裝置與研磨裝置結合示意圖。 圖七A係為本發明之渦電流感測部檢測之較佳實施例示意圖。 圖七B係為本發明之渦電流感測部檢測之另一較佳實施例示意圖。 圖八A係為本發明之光源產生器以及光源偵測器示意圖。 圖八B係為在研磨過程中光源產生器以及光源偵測器偵測研磨基 材厚度示意圖。 1 圖八C係為光源偵測器偵測到具有相位差之反射偵測光示意圖。 【主要元件符號說明】 11- 晶圓基材 12- 研磨墊 13- 固定元件 15- 晶圓夾具 16- 旋轉台 17- 光偵測裝置 20-基板 16 1289091 21 -金屬層 22-介電層 -3-研磨監控裝置 . 30-檢測臂 31_感測部 311- 光學感測部 312- 渦電流感測部 > 32-線性導軌 4- 渦電流感測部 40-誘導器 41 -渴電流檢測器 42-研磨基材 5- 研磨基材 50- 第一厚度 51- 第二厚度 > 6-研磨監控裝置 60-檢測臂 6卜感測部 611- 光學感測部 6111- 光源產生器 6112- 光學偵測器 612- 渦電流感測部 6120-磁性體 1289091 6121-誘導器 - 6122-渦電流檢測器 ' 62-電訊整合單元 63- 控制單元 64- 線性導執 7-研磨裝置 71- 旋轉台 ^ 711-容置空間 72- 研磨墊 73- 固定元件 74- 夾具 81- 平台 82- 參考平面 90、90’ -偵測光 91-線性位移運動 • 92-旋轉運動 93~磁場 94、94’ 光波訊號 18

Claims (1)

1289091 十、申請專利範圍： 1· 一種研磨監控裝置，其係用以檢測一研磨基材之表面研磨狀 • 態，該研磨監控裝置包括： 一檢測臂，其係與該研磨基材相距一高度；以及 至少一感測部，其係設置於該檢測臂上且與該研磨基材之研 磨面相對應，該至少一感測部可以進行一線性位移運動以 及感測該研磨基材在研磨過程中之厚度變化。 2·如申請專利範圍第1項所述之研磨監控裝置，其中該感測部更 _ 包括有一誘導器，該誘導器可以產生磁場於該研磨基材上以誘 發該研磨基材產生渦電流。 3·如申請專利範圍第2項所述之研磨監控裝置，其中該感測部更 包括有一渴電流檢測器，以偵測該研磨基材所產生之磁場強 度。 4·如申請專利範圍第3項所述之研磨監控裝置，其中該感測部更 包括有一光源產生器，該光源產生器可發出一偵測光至該研磨 基材上。 • 5·如申請專利範圍第4項所述之研磨監控裝置，其係更包括有至 少一光學偵測器，該光學偵測器係可接收由該研磨基材反射之 該偵測光。 6·如申請專利範圍第5項所述之研磨監控裝置，其中該至少一光 學偵測器係設置於至少一線性滑軌上，藉由該線性滑軌提供之 、線性位移運動以接收複數個由該研磨基材反射之該偵測光。 7·如申請專利範圍第2項所述之研磨監控裝置，其中該研磨基材 更包括有一金屬材料。 8·如申請專利範圍第1項所述之研磨監控裝置，其中該感測部更 19 1289091 包括有-光源產生n ’該絲產生器可發出―偵戦至該研 - 基材上。 ' 9·如申請專利範圍第8項所述之研磨監控裝置，其係更包括有至 少-光學伽’jH ’該光到貞測II係可接收由該研磨基材反射之 該4貞測光。 10·如申請專利範圍第9項所述之研磨監控裝置，其中該至少一 光學_11係設置於至少—線性滑執上，藉由該線性滑軌提供 之線性位移運動以接收複數個由該研磨基材反射之該债測光。 11·如申請專利範圍帛丨項所述之研磨監控裝置，其中該感測部 係设置於一線性滑執上，該線性滑軌係設置於該檢測臂上。 12·如申請專利範圍第1項所狀研磨監控裝置，其係更包括有 與该感測部作電訊連接之一電訊整合單元，該電訊整合單元係 可整合該感測部之訊號以輸出一感測訊號。 13·如1申請專利範圍第12項所述之研磨監控裝置，其中該電訊整 ，單兀更耦接有一控制單元，該控制單元係可接收該感測訊 號’以列斷該研磨基材之研磨狀態。 20