化學機械平面化工具的力校準方法和系統的製作方法

2023-11-01 16:38:57 3

專利名稱：化學機械平面化工具的力校準方法和系統的製作方法
技術領域：
這裡描述的發明涉及工件拋光領域，特別涉及半導體晶片
CMP加工中的力測量和校準方法和裝置。
背景技術：
集成電路，包括計算機晶片，是通過在矽晶片的前側堆疊電 路層而製成的。在製造過程中，要求極高度的晶片平面度和層平 面度。化學機械平面化(CMP)是器件製造過程中的一項工藝， 其使得晶片和堆疊在晶片上的各層平坦化，以獲得所需程度的平 面度。
化學機械平面化這種工藝利用拋光墊拋光晶片，並且組合傳 送到墊上的漿料的化學和物理作用。晶片由晶片載具保持，晶片 的背側面對晶片載具，晶片的前側面對拋光墊。拋光墊保持在臺 板上，臺板通常布置在晶片載具下面。晶片載具和臺板旋轉，從 而拋光墊拋光晶片前側。由選定化學成分和研磨劑形成的漿料被 傳送到墊上，以實現預期類型和量的拋光。(因此，CMP是通過化 學軟化、物理向下力以及用於從晶片或晶片層去除材料的旋轉的 組合作用實現的。)所述向下力，本申請中稱作心軸力，在晶片載 具中分解為夾持環力和晶片力。
利用CMP工藝，材料薄層被從晶片或晶片層前側去除。所述 層可以是晶片上生長或沉積的氧化物層，沉積在晶片上的金屬層， 或晶片本身。去除薄材料層的實施是為了降低晶片不規則度。因
此，在加工完成後晶片和堆疊在晶片上的各層非常平坦和/或均勻。 通常，多層被添加，並且化學機械平面化過程被反覆進行，以在 晶片表面上建立完整的集成電路晶片。
各種晶片載具結構被用於CMP過程中。 一種這樣的結構，例 如Strasbaugh的變輸入氣動夾持環(ViPRR)載具，被設計成在夾 持環的邊界內將晶片保持在載具上，同時安置在夾持環後面的可 膨脹密封件受壓。所述可膨脹環式密封件使得夾持環延伸到拋光 墊中，以產生夾持環力。公式或査值表用於確定可膨脹環式密封 件所需的氣壓值，以產生施加在環上的一定量的力，同時保持心 軸力施加於晶片上。
由Strasbaugh設計並且用於CMP的另 一 種晶片載具結構被設 置成具有固定至載具的夾持環，同時可膨脹薄膜用於在晶片後面 施加壓力。可膨脹薄膜在晶片後面產生作用於晶片的力，稱作晶 片力。公式或查值表用於確定在拋光過程中向晶片施加規定力所 需的薄膜中的氣壓值。
CMP工具上的心軸力是通過樞轉機構產生的，該樞轉機構連 接著心軸並且由伸縮波紋管(bellows)、活塞或其它致動裝置致動。 目前，CMP工具上的心軸力被定期校準，以確保CMP過程中施 加的心軸力是精確的。技術人員使用測力傳感器架測量不同的伸 縮波紋管或活塞壓力下的心軸力，並將這種信息輸入控制計算機 以便用於校準。由伸縮波紋管致動系統中的壓力產生的向下心軸 力可能隨時間而改變，因此需要定期校準以確定伸縮波紋管產生 的相應心軸力。CMP工具不得不停止工作以實施這種校準。
現在，沒有方便的途徑測量心軸力、晶片力或夾持環力。最 近，利用基於載具類型校準可膨脹密封件壓力與環力關係或薄膜 與晶片力關係的公式是利用測力傳感器架在工廠中通過試驗預先
確定的。基於晶片載具類型，在不同的氣壓下，利用適宜的可膨 脹密封件或薄膜樣品來測量力。通過試驗，通用的工廠公式被計 算出來，並且該公式被用於所有該類型的晶片載具。結果，有很 多通用公式覆蓋各種類型和尺寸的晶片載具。
利用該校準方法會遇到很多問題，這部分地因為可膨脹密封 件和薄膜的製造不一致性。由於薄膜和可膨脹密封件利用傳統成
型方法由橡膠狀材料(例如EPDM,矽樹脂，HNBR，布納橡膠等) 製成，因此尺寸公差相對較大。除了尺寸差異，由於密封件和密 封件之間以及薄膜與薄膜之間的成分不一致性，材料性能也可能 有很多不同。此外，材料性能和尺寸可能由於各種條件而隨時間 變化。 一些所述條件包括因連續膨脹和收縮產生的周期性應力， 漿料的化學侵襲，熱周期，以及暴露於空氣和水分。可膨脹密封 件和薄膜的尺寸和材料性能會極大地影響力校準曲線，並且這些 性能的變化可能會負面影響校準曲線。由於製造不一致性，材料 不一致性，以及性能隨時間的變化，用於晶片載具的通用型工廠 力校準措施並不精確。這可能導致非最佳且不一致的拋光結果。
以前，半導體設計者和製造者總是面臨著表面平面度的不一 致性，並且圍繞這些問題設計晶片。其它設計者和製造者要求更 小的公差。這些團體需要針對個體特性處理這些問題並且利用定 制的臺式試驗設備分選薄膜和可膨脹密封件。這種過程緩慢且人 工強度大。許多可膨脹密封件由於不能落入一定的預定極限之內 而被認為是不能使用且被拋棄。由於晶片公差變得越來越重要， 需要有方法和裝置能夠在拋光操作周期之前或之間快速地特性化 和校準單個可膨脹密封件或薄膜，以確保精確的晶片和夾持環力 被用於晶片加工中。

發明內容
下面描述的方法和系統允許CMP工具的使用者容易且精確地 利用機構、測力傳感器、控制計算機和力公式校準心軸力、晶片 力和夾持環力。控制計算機可以基於晶片載具結構測試可膨脹密 封件或可膨脹薄膜中的各種壓力，以便為受測且在拋光過程中使 用的特定晶片載具確定唯一的校準值。這種校準值比通用型工廠 校準值更為精確，這是因為校準值對於特定的載具而言是唯一的。 該系統特別適用於具有獨立夾持環和晶片力控制的晶片載具。
目前，校準是在緊鄰安裝晶片載具之前進行，並且在預定數 量的拋光周期之後定期進行，以確保在晶片載具的整個使用壽命 內維持精確的校準。本發明允許在拋光操作周期之前或之間進行 校準，而不需要使設備停止使用。


圖1示出了一種用於實施化學機械平面化系統。
圖2示出了卸載站的剖視圖，其中設有用於確定由晶片載具 和心軸的分力構成的力的測力傳感器。
圖3示出了卸載站中的測力傳感器的詳細結構。
圖4示出了與心軸、晶片和夾持環有關的心軸力、晶片力和 夾持環力的力公式。
圖5示出了具有伸縮波紋管致動的臂撐心軸組件。
圖6示出了使用位於夾持環後面的可膨脹密封件的晶片載具。
圖7示出了使用位於半導體晶片後面的可膨脹薄膜的晶片載具。
圖8示出了校準過程的框圖。 圖9示出了心軸校準曲線。 圖IO示出了載具校準曲線。
具體實施例方式
圖1示出了用於實施化學機械平面化(CMP)的系統1。 一或 多個拋光頭或晶片載具2保持著晶片3(以虛線表示以指示其在晶 片載具下面的位置)，晶片懸掛於拋光墊4上方。晶片載具2為此 具有用於緊固和保持晶片3的結構。晶片載具2由平移臂5懸掛。 拋光墊布置於臺板6上，臺板以箭頭7所示方向旋轉。晶片載具2 繞它們各自的心軸8沿箭頭9的方向旋轉。晶片載具2由平移軸 10帶動著在拋光墊表面上方前後平移，平移軸如箭頭20所示移 動。用於拋光過程的漿料通過漿料噴射管21傳送到拋光墊表面， 漿料噴射管布置在懸臂22上或穿過懸臂。(其它化學機械平面化 系統可以只使用一個晶片載具2保持一個晶片3，或者多個晶片載 具2保持多個晶片3。)其它系統也可以使用單獨的平移臂以保持 每個載具。
圖2示出了卸載站23的剖視圖，其中使用了測力傳感器(load cell)用於確定由晶片載具2和心軸8的分力構成的力。測力傳感 器是一種變換器，其將作用於測力傳感器的負載轉變成電信號。 拋光之後，半導體晶片3通常在CMP工具1的卸載站23卸載。 在這裡公開的系統中，總心軸力和作為分力的晶片力可以在卸載 站23測量。在CMP工具力校準方法和系統的替代性實施例，系 統可以測量總的心軸力和夾持環分力，或者系統可以測量晶片分 力和心軸分力。
在CMP工具力校準系統和方法中，夾持環分力通過控制計算 機而確定。CMP力校準系統還可以構造於CMP工具的其它部分 中，例如加載站。為了實現自動校準，兩個測力傳感器24和25 被設置在位於CMP工具1上的機構上。
卸載站上的機構被設計成將總向下力與作用於心軸8和作用 於晶片3的力區分開。第一測力傳感器24測量心軸通過CMP工 具中的致動系統向晶片載具向下施加的總力。第二測力傳感器25， 或多個測力傳感器，測量通過背板或可膨脹(可充脹)薄膜施加 的作用於晶片載具中的晶片上的分力，即晶片力。帶有偏置部27 的負載板26利用機械臂或手工放置在卸載站中。在心軸力校準過 程中，夾持環密封件或可膨脹薄膜中的壓力設置為零。晶片載具 被向下帶到機構上，並且安置成以心軸的致動系統產生的向下力 接觸圍繞著卸載站的導環31的內徑的凸耳29和負載板26。第一 測力傳感器測量該向下力，並且控制計算機能夠記錄這些測量結 果以及與向下力相對應的來自心軸的致動機構的相應伸縮波紋管 壓力。作用於心軸的伸縮波紋管壓力由位於心軸組件中的梁式測 力傳感器測量。
負載板26還用於將作用於晶片載具中的晶片的向下力傳遞到 位於加載站內的第二測力傳感器25。晶片分力可以由背板或具有 薄膜壓力的可膨脹薄膜產生。第二測力傳感器25能夠測量向下力 的晶片分力。心軸8和晶片的力測量值被發送到控制計算機。心 軸力、晶片力和夾持環力利用心軸力公式(F心軸二F晶片+F夾持環) 以相應的壓力適當地校準。
圖3詳細顯示了一種用於測量晶片力的機構的結構。為了清 楚起見，負載板26未被示出。該機構包括一組三個點，它們彼此 之間相隔大約120度布置，每個點包含一個單獨的測力傳感器。
ii
全部三個單獨測力傳感器可以協作而被用作第二測力傳感器25， 以測量晶片分力。或者，該機構可以被構造成其中兩個點作為實 體支撐部，剩下的那個點包含第二測力傳感器25。任何一種所述 結構可以被用於測量晶片分力。
圖4示出了 CMP拋光過程中需要考慮的三個力。所述力包括 心軸力35、晶片力36和夾持環力37。在CMP過程中來自心軸8 的向下力作用在晶片載具2上以及拋光臺上。作用於晶片載具2 的力在晶片載具2中分解為夾持環力37分力和晶片力36分力。 這些力的力平衡公式表示為
F1心軸=^晶片+F1夾持環
其中
F心軸二來自心軸的力，作用於晶片載具
Fg二來自心軸的力部分，作用於晶片
F夾持環-來自心軸的力部分，作用於夾持環
由於晶片力36加上夾持環力37等於總心軸力35，因此在得 知了上述公式中的三個力中的兩個力的值的情況下，任何一個所 述力的值可以計算出來。利用CMF自動力校準裝置，心軸力設置 為預期值。心軸的實際力由第一測力傳感器24測量。系統還能夠 利用第二測力傳感器25測量晶片分力。夾持環力因此而可以通過 從總向下心軸力減去晶片分力而計算出來(F夾持環-F心軸一F晶片)。 夾持環力被計算以產生與夾持環致動器壓力有關的校準曲線。
大多數CMP工具1上的心軸力來自致動系統。致動系統可以 是氣動或液壓的。通常，CMP工具中的心軸的氣壓致動器是通過 使用伸縮波紋管39而實現的。圖5示出了具有伸縮波紋管致動器 的臂撐心軸組件。伸縮波紋管39驅動一個機構，該機構在CMP
過程中將與晶片載具2連接的心軸8推向拋光墊。心軸力在晶片 載具中分解為夾持環分力和晶片分力。在CMP過程中，來自載具 的這兩個分力作用於拋光臺。
圖6示出了晶片載具2，其使用了位於夾持環42後面的可膨 脹(可充脹)環式密封件41。在一些晶片載具2中，例如Stmsbaugh 的ViPRR載具，半導體晶片3由載具2保持，而位於夾持環42 後面的可膨脹密封件41受壓。受壓密封件41使得夾持環42向拋 光臺延伸。受壓環式密封件41影響該類型的晶片載具中的夾持環 力。公式或查值表用於確定位於夾持環42後面的可膨脹環式密封 件41的所需氣壓值，以在CMP過程中產生作用於夾持環42上的 所需量值的力。在心軸力設置為已知值的情況下，通過測量晶片 力，CMP自動校準裝置允許來自可膨脹密封件41的壓力被校準以 便實現所需的夾持環力。
在其它半導體晶片載具2中，例如圖7所示的，夾持環42由 載具2保持，同時可膨脹薄膜43用於在晶片後面3施加壓力。該 結構中的可膨脹薄膜產生晶片力，其為作用於晶片的向下力的分 力。其它晶片載具結構可以使用背板來施加晶片力。公式或査值 表用於確定薄膜43中所需的氣壓值，以便在拋光過程中施加預期 的力於晶片3上。
CMP自動校準系統允許快速且精確的方法用於恰好在拋光周 期之前或之後在CMP工具中針對相應的心軸力、夾持環力和晶片 力校準心軸伸縮波紋管、可膨脹密封件和薄膜的壓力。該校準方 法和系統導致在拋光晶片時使用更精確的力。圖8示出了自動校 準方法的框圖。當CMP自動校準裝置被使用時，具有偏置部27 的負載板26被安置在卸載站23中。負載板26的安置是通過操作 者或與CMP工具相連的機械臂實現的。負載板26中的偏置部27
安置在卸載站23中的一或多個測力傳感器的上方。偏置部27可 以是可調的，並且負載板26的高度可被調節以補償晶片3厚度。 接下來，基於載具類型，可膨脹環式密封件41或可膨脹薄膜43 中的壓力設置為零。通過這種方式，可以進行不受環式密封件壓 力或薄膜壓力影響的心軸力測量。心軸8與晶片載具2 —起隨後 被安置在CMP工具1中的卸載站23的上方。晶片載具2可被加 載測試晶片，或者，基於負載板26的結構，晶片載具2可以是空 的。 一旦安置在卸載站23上方，心軸的致動系統受壓，並且晶片 載具2被以一定量值的向下力向下帶到卸載站23。卸載站在x和 y方向具有一些水平自由度，並且其結構是相對於心軸和載具自對 中的。這使得載具本身對準卸載站的中心。當晶片載具被向下帶 到卸載站時，其圍繞著卸載站中的導環安置成接觸負載板26和凸 耳29。
為了校準心軸力，控制計算機命令致動系統以規定壓力產生 心軸的向下力。晶片載具的可膨脹環式密封件或可膨脹薄膜中的 壓力為零。致動系統將晶片載具向下帶到卸載站，第一測力傳感 器24隨後被用於測量由致動系統產生的生成心軸力。控制計算機 記錄來自第一測力傳感器24測量結果以及產生所述心軸力的相應 伸縮波紋管壓力。控制計算機然後針對致動系統中的各種壓力重 復上述過程，並且記錄壓力和相應的心軸力。如圖9所示，利用 所收集的伸縮波紋管壓力45或活塞壓力與心軸力46之間關係的 數據，產生了心軸校準曲線44。
為了校準對應於晶片載具2中分力例如夾持環力或晶片力的 流體壓力，控制計算機首先命令心軸力達到規定值，以將晶片載 具向下帶到卸載站。然後，基於載具2的結構，控制計算機發送 指令以使可膨脹環式密封件41膨脹或使可膨脹薄膜43收縮，以
達到一定量值的壓力。第一測力傳感器24然後被用於測量心軸力 的總量值。第二測力傳感器25用於測量心軸力的晶片分力。控制 計算機測試並記錄各種環式密封件的力數據或薄膜壓力。控制計 算機利用總心軸力和晶片分力計算夾持環力。如顯示於圖10，利 用心軸力公式，控制計算機使用所述數據和收集的值以產生校準 曲線47，該曲線或是對應於產生夾持環力49的可膨脹環式密封件 壓力48，或是對應於產生相應晶片力的可膨脹薄膜壓力。所產生 的校準曲線47取決於晶片載具2結構的類型。圖10示出了具有 可膨脹環式密封件的ViPRR晶片載具2的校準曲線47。
通過上述程序產生的校準曲線44和47對於受測試的晶片載 具2和心軸而言是唯一的。校準的心軸和載具然後可以在晶片拋 光過程中使用。唯一的校準值確保了心軸力、晶片力和夾持環力 在CMP過程中是正確的。
校準應當在需要時進行。其可以在載具2被更換為不同的載 具2，在夾持環42和/或可膨脹密封件41被更換，或當載具2的 高度被調整(隨著夾持環磨損，其高度利用墊片調節，該高度必 須被墊起)時執行。晶片載具2可能有許多消耗部件(包括夾持 環42和可膨脹密封件41)需要定期維護。為此，通常需要將載具 移除，重組，和定期更換。校準應當在載具2重組之後進行。如 果晶片載具在CMP工具中被更換，校準過程還應當對新的載具2 重複進行。此外，校準趨向於隨時間發生漂移。即使載具2沒有 被更換或重組，也應進行定期校準。這裡公開的系統和方法允許 方便且精確地校準CMP工具中的心軸和晶片載具。
因此，雖然裝置和方法的各實施例被參照它們的研製環境進 行了描述，但它們僅僅用於解釋本發明原理。在不脫離本發明原 理以及權利要求中限定的範圍內，可以構想出其它實施例和結構。
權利要求
1.一種用於校準CMP工具的系統，包括CMP工具；第一機構，其設置在CMP工具中，適於測量由致動系統產生的心軸向下力；第二機構，其位於所述CMP工具中，適於測量所述向下力的晶片分力；以及控制計算機，其被編程以進行控制、測量和記錄由致動系統產生的心軸向下力；測量和記錄所述向下力的晶片分力；確定所述向下力的夾持環分力。
2. 如權利要求l所述的系統，其特徵在於，所述第一機構包括第一測力傳感器，其適於測量心軸向下力。
3. 如權利要求l所述的系統，其特徵在於，第二機構包括第二測力傳感器，其適於測量向下力的晶片分力。
4. 如權利要求l所述的系統，其特徵在於，第二機構包括多 個測力傳感器，其適於測量向下力的晶片分力。
5. 如權利要求l所述的系統，其特徵在於，第二機構包括兩 個支撐部以及第二測力傳感器。
6. 如權利要求l所述的系統，其特徵在於，所述致動系統包 括伸縮波紋管。
7. 如權利要求6所述的系統，其特徵在於，致動系統還具有 用於產生向下力的伸縮波紋管壓力，並且控制計算機還被編程為 進行-測量對應於向下力的伸縮波紋管壓力； 記錄對應於向下力的伸縮波紋管壓力；以及 產生校準表，其中伸縮波紋管壓力與向下力相對應。
8. 如權利要求1或7所述的系統，其特徵在於，控制計算機 還被編程為控制向下力的晶片分力。
9. 如權利要求8所述的系統，其特徵在於，通過背板或具有可膨脹薄膜壓力的可膨脹薄膜在晶片載具中產生晶片分力。
10. 如權利要求9所述的系統，其特徵在於，所述控制計算機 還被編程為產生表，其中晶片分力與產生晶片分力的可膨脹薄膜 壓力相對應。
11. 如權利要求1或7所述的系統，其特徵在於，所述控制計 算機還被編程為控制夾持環分力。
12. 如權利要求11所述的系統，其特徵在於，夾持環分力通 過晶片載具中的具有可膨脹密封件壓力的可膨脹環式密封件產 生。
13. 如權利要求13所述的系統，其特徵在於，所述控制計算 機還被編程為產生表，其中夾持環分力與產生夾持環分力的相應 可膨脹密封件壓力相對應。
14. 一種校準CMP的方法，包括將帶有晶片載具的心軸定位在一個機構上方，該機構適於測 量由致動系統產生的心軸向下力，並且適於測量所述向下力的晶片分力；以一定量值的向下力將所述晶片載具帶到所述機構上；以及 校準致動系統的所述向下力。
15. 如權利要求14所述的方法，其特徵在於，還包括校準向 下力的晶片分力。
16. 如權利要求14或15所述的方法，其特徵在於，還包括校 準向下力的夾持環分力。
17. 如權利要求14所述的方法，其特徵在於，所述校準向下 力的步驟還包括以伸縮波紋管壓力對致動系統中的心軸伸縮波紋 管加壓，利用所述機構中的第一測力傳感器測量向下力，記錄向 下力，以及記錄對應於向下力的伸縮波紋管壓力。
18. 如權利要求17所述的方法，其特徵在於，還包括將伸縮 波紋管壓力與向下力相對照，並且產生心軸校準曲線。
19. 如權利要求15所述的方法，其特徵在於，校準晶片力的 步驟還包括將所述心軸力設置為已知量值的力，並且在晶片後面 以產生晶片分力的薄膜壓力對可膨脹薄膜加壓。
20. 如權利要求19所述的方法，其特徵在於，還包括利用第 一測力傳感器測量所述心軸力，利用第二測力傳感器測量晶片力， 以及記錄晶片分力和所述薄膜壓力。
21. 如權利要求20所述的方法，其特徵在於，還包括將薄膜 壓力與晶片分力相對照，並且產生校準曲線。
22. 如權利要求17所述的方法，其特徵在於，所述校準夾持 環力的步驟還包括將所述心軸力設置為已知力，在夾持環後面利 用產生夾持環力的密封件壓力對可膨脹環式密封件加壓。
23. 如權利要求22所述的方法，其特徵在於，還包括利用第 一測力傳感器測量向下力，利用第二測力傳感器測量晶片分力， 確定夾持環分力，以及記錄夾持環分力和相應的密封件壓力。
24. 如權利要求23所述的方法，其特徵在於，還包括將所述 密封件壓力與所述夾持環分力相對照，並且產生校準曲線。
全文摘要
本發明描述的方法和裝置允許CMP工具使用者利用機構、測力傳感器、控制計算機和力公式快速校準心軸力、晶片力和夾持環力。控制計算機可以基於晶片載具結構測試可膨脹密封件或可膨脹薄膜中的各種壓力，以便為經受測試並且用在拋光過程中的特定晶片載具確定唯一的校準值。
文檔編號B24B37/04GK101107098SQ200680003229
公開日2008年1月16日 申請日期2006年1月27日 優先權日2005年1月28日
發明者T·A·沃爾什, W·卡萊尼安 申請人:斯特拉斯保