一种用于CMP抛光垫寿命在线检测的系统和方法与流程

本发明涉及用于抛光垫寿命在线检测的系统和方法，尤其是一种用于cmp抛光垫寿命在线检测的系统和方法。

背景技术：

化学机械研磨，也被成为化学机械平坦化(chemicalmechanicalplanarization，cmp)或者化学机械抛光(chemicalmechanicalpolishing，cmp)，是能够对半导体元件(如晶圆)实现全局和局部平坦化的工艺技术。

在cmp设备中包含抛光台，所述抛光台表面设置有抛光垫；所述抛光台上方设置有抛光头对待处理的晶圆进行夹持，并施加一定的压力将晶圆紧压在抛光垫的表面；所述抛光头与抛光台相对移动或相对旋转，同时由磨粒和化学溶液组成的抛光液在晶圆和抛光垫之间流动，使晶圆表面在化学和机械的共同作用下实现平坦化。所述抛光台上方还设置有修整头，通过修整头上的金刚石盘对抛光垫表面进行修整；所述修整头带动金刚石盘旋转，下压在抛光垫上并以设定轨迹移动，从而提高抛光垫表面的粗糙度，去除平坦化过程中产生的副产物。

所述抛光垫表面设有多个沟槽，抛光液通过所述沟槽分布在抛光层表面。随着平坦化工艺的进行，抛光垫会逐渐地变薄消耗。因此，抛光垫是一种耗材，其寿命(剩余工作时间)是一个非常重要的因素。新抛光垫的表面材料通气性好，能较好地流通抛光液以增加晶圆表面材料的化学反应程度，提升晶圆平坦化效率。随着抛光垫的使用，抛光垫表面材料被磨损，其通透性变差，使得晶圆平坦化的效率变差，此时可改变某些平坦化参数来提升晶圆平坦化效率。当抛光垫使用一定时间后，晶圆的平坦化效率变得非常差，此时，需要更换旧的抛光垫换上新的抛光垫，从而继续加工晶圆，保证工厂的产出。

目前，抛光垫寿命的判别方法主要依靠以下几种方式：

1.依靠抛光垫的工作时间。当更换抛光垫以后，机台重置抛光垫的使用时间；之后，机台实时统计抛光垫的工作时间，当达到设定值后，提醒客户更换抛光垫。

2.统计每片抛光垫上平坦化晶圆的数量。当更换抛光垫后，机台重置此片抛光垫平坦化晶圆的数量；之后，机台实时统计抛光垫平坦化晶圆的数量，当达到设定值后，提醒客户更换抛光垫；

3.当机台停机维护的时候，用工具测量抛光垫沟槽的深度，以此判断抛光垫的磨损情况，确定是否需要更换抛光垫。

其中，方法1、2的缺点是，由于抛光台转速、抛光头转速、抛光液流量、温度等参数的波动，容易造成相同工作时间内或者相同平坦化晶圆数量的情况下抛光垫的磨损情况不一致，过早更换抛光垫容易造成浪费，过晚更换抛光垫容易造成产品的产率和良率下降。方法3的缺点是，需要人工去测量抛光垫沟槽深度，由此会造成抛光垫污染，同时造成生产效率降低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于cmp抛光垫寿命在线检测的系统和方法，可以准确有效地计算抛光垫的寿命(剩余工作时间)，并可以根据抛光垫的剩余工作时间实时调整cmp工艺参数，提升晶圆的平坦化效率和平坦化质量。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种用于cmp抛光垫寿命在线检测的系统，带沟槽的抛光垫设置在抛光台的表面并随抛光台转动；所述抛光台上方设置有相对抛光台移动或旋转的抛光头，所述抛光头将其承载的晶圆压在抛光垫表面的抛光区域进行平坦化处理，其特征在于，所述系统包含：

光源和光学探测器，其安装在对应抛光区域的部件上；所述光源发射光束至抛光垫表面，光束经抛光垫表面反射至光学探测器；

控制器，在线接收来自所述光学探测器的信号，根据信号强弱计算沟槽深度，以此判断抛光垫的剩余工作时间。

可选地，所述光源和光学探测器是集成在一体的光电传感器；或者，所述光源和光学探测器是独立分开的器件。

可选地，所述对应抛光区域的部件包含固定所述抛光头的抛光臂，所述光源和光学探测器安装在所述抛光臂上。

可选地，所述抛光台上方设有向抛光垫表面供应抛光液用的喷嘴；所述对应抛光区域的部件，包含固定所述喷嘴的抛光液分配臂，所述光源和光学探测器安装在所述抛光液分配臂上。

可选地，所述抛光台的上方设有修整抛光垫表面的修整头；所述对应抛光区域的部件包含修整头及安装在固定所述修整头的修整臂，所述光源和光学探测器安装在所述修整头或修整臂上。

本发明的另一个技术方案是提供一种用于cmp抛光垫寿命在线检测的方法，使用上述任意一种用于cmp抛光垫寿命在线检测的系统；所述方法包含以下的过程：

在抛光垫随抛光台旋转的过程中，光源发出的光束经抛光垫反射；

光学探测器实时接收从抛光垫表面反射的光强信号并传输至控制器；

控制器根据光强信号计算抛光垫表面的沟槽深度；

控制器根据抛光垫表面的沟槽深度计算抛光垫的剩余工作时间；

当抛光垫的剩余工作时间小于设定阈值时，控制器给出更换抛光垫的提醒信号。

本发明的还有一个技术方案是提供一种基于抛光垫寿命检测的cmp工艺参数在线调整方法，包含以下的过程：

确定抛光垫的剩余工作时间和cmp工艺参数之间的关系；

在线检测抛光垫表面的沟槽深度信号；

通过抛光垫表面的沟槽深度信号计算抛光垫的剩余工作时间；

根据抛光垫的剩余工作时间，在线调整cmp工艺参数。

可选地，根据抛光垫的工作时间划分多个寿命区，为每个寿命区建立有不同的工艺配方；不同的工艺配方，对应于具有不同平坦化去除率的cmp工艺参数。

可选地，所有抛光垫的剩余工作时间和cmp工艺参数的关系存储于控制器；

cmp过程开始后，光源发出的光束经抛光垫反射至光学探测器；

所述控制器在线收集来自光学探测器的光学信号，通过第一数学关系转化为抛光垫表面的沟槽深度信号；所述控制器把沟槽深度信号按照第二数学关系转化为抛光垫的剩余工作时间；

所述控制器根据抛光垫的剩余工作时间，在线调整cmp工艺参数：当剩余工作时间小的时候，采用平坦化去除率大的cmp工艺参数；当剩余工作时间大的时候，使用平坦化去除率小的cmp工艺参数。

可选地，所述cmp工艺参数，包含平坦化时间、抛光台转速、抛光头转速、抛光头压力、抛光液流量、抛光盘温度。

通过本发明的抛光垫寿命在线检测系统和方法，可以更加准确地计算抛光垫的寿命(剩余工作时间)，并且不会对抛光垫造成污染。本发明的光源和光学探测器可以集成一体或独立分开，设置在对应抛光区域的多种部件上，其安装位置灵活，对cmp设备的改动小，适用性广。

本发明还可以根据抛光垫的剩余工作时间实时调整cmp工艺参数，对平坦化去除率进行控制，从而提升晶圆的平坦化效率和平坦化质量。本发明根据抛光垫的工作时间划分多个寿命区，分别建立对应于不同平坦化去除率的工艺配方，可以在抛光垫的剩余工作时间小的时候，采用平坦化去除率大的工艺配方，在抛光垫的剩余工作时间大的时候，使用平坦化去除率小的工艺配方，这样对抛光垫的利用更充分，对晶圆平坦化质量的控制也更加精细。

附图说明

图1是抛光垫寿命在线检测系统的示意简图；

图2是设置抛光垫寿命在线检测系统的cmp设备的示意简图；

图3是抛光垫寿命在线检测方法的流程示意图；

图4是基于抛光垫寿命检测的cmp工艺参数在线调整方法的流程图。

具体实施方式

参考图1和图2所示，提供抛光垫寿命在线检测系统的一个实施例：

所述系统包括抛光台3，带沟槽的抛光垫2粘贴在所述抛光台3上表面并且随抛光台3一起旋转。抛光区域上方设置有光源4和光学探测器5，所述光源4发射光束6至抛光垫2表面，经抛光垫2表面反射至光学探测器5。

所述光源4和光学探测器5可以是集成在一体的光电传感器；或者，所述光源4和光学探测器5可以是独立分开的器件。

所述抛光台3的上方设有承载晶圆的抛光头1，所述光源4和光学探测器5可以安装在固定抛光头1的抛光臂8上。

所述抛光台3的上方设有向抛光垫2上表面供应抛光液用的喷嘴，所述光源4和光学探测器5可以安装在固定所述喷嘴的抛光液分配臂9上。

所述抛光台3的上方设有用于修整抛光垫2表面的修整头10，所述光源4和光学探测器5可以安装在修整头10上，或安装在固定所述修整头10的修整臂11上。

所述光源4和光学探测器5可以安装在抛光区域的其它部件上。使得光源4发射光束6至抛光垫2上表面后反射至光学探测器5上。

一种实施例中，设定抛光台3带着抛光垫2按照一定速度旋转，此时，光学探测器5实时接收从光源4发射至抛光垫2表面后的反射光，并传输至控制器7。控制器7根据接收到的光强信号标定为抛光垫2表面的沟槽深度。控制器7根据抛光垫2表面沟槽深度计算抛光垫2的寿命(剩余工作时间)，计算方法一般采用实验和经验获得。当计算的抛光垫2剩余工作时间小于设定阈值时，控制器7提醒设备使用者更换抛光垫2。

参考图3，用于cmp抛光垫寿命在线检测的方法，包含以下的具体实施过程：

(1)在抛光台旋转过程中，光学探测器实时接收光源经抛光垫反射后的光强信号并传输至控制器；

(2)控制器根据光强信号计算抛光垫表面的沟槽深度；

(3)控制器根据抛光垫表面沟槽深度计算抛光垫的剩余工作时间；

(4)当抛光垫的剩余工作时间小于设定阈值，控制器提醒设备使用者更换抛光垫。

参考图4，一种基于抛光垫寿命在线检测而实现的cmp工艺参数调整的方法，包含以下的具体实施过程：

(1)确定抛光垫寿命(剩余工作时间)和工艺参数之间的关系；

工艺参数包括平坦化时间、抛光台转速、抛光头转速、抛光头压力、抛光液流量、抛光盘温度等能控制晶圆平坦化去除效率的因素；

(2)在线检测抛光垫表面的沟槽深度信号；

(3)通过抛光垫表面的沟槽深度信号确定抛光垫寿命；

(4)根据抛光垫寿命在线调整cmp工艺参数。

在本实施例中，先通过实验确定抛光垫寿命(剩余工作时间)和工艺参数之间的关系。一种实施例的具体过程是：假设某种抛光垫的工作时间为30个小时，根据30个小时划分不同的寿命区，本实施例采用6个寿命区，每个寿命区为5小时，同时每个寿命区分别建立不同的工艺配方。工艺配方是根据工艺试验和经验获得，不同的工艺配方对应于不同的平坦化去除率。所有的抛光垫寿命和工艺参数关系存储在控制器中。

cmp过程开始后，控制器在线收集来自光学探测器的光学信号，通过第一数学关系转化为抛光垫表面的沟槽深度信号，第一数学关系可以通过标定获得；

控制器把沟槽深度信号按照第二数学关系转化为抛光垫的寿命，第二数学关系可以通过实验和经验获得；

控制器根据抛光垫的寿命，在线调整工艺配方。一般地，当剩余工作时间小的时候，采用平坦化去除率大的工艺配方；反之，使用平坦化去除率小的工艺配方。

综上所述，本发明可以准确有效地计算抛光垫的寿命(剩余工作时间)，还可以进一步根据抛光垫的剩余工作时间实时调整cmp工艺参数，从而提升晶圆的平坦化效率和平坦化质量。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。