用于晶片上准确传感器位置确定的抖动校正的制作方法

本公开内容与化学机械抛光相关；更具体来说，与通过基板上的原位监测系统来精确确定测量位置的方法和设备相关。

背景技术：

通常通过在硅晶片上顺序沉积导电层、半导电层或绝缘层而在基板上形成集成电路。一个制造步骤涉和在非平面表面上沉积填料层，和使填料层平坦化直到露出非平面表面为止。例如，导电填料层可沉积在图案化的绝缘层上以填充绝缘层中的沟槽或孔。接着，抛光填料层直到暴露出绝缘层的凸起图案为止。在平坦化之后，保留在绝缘层的凸起图案之间的导电层部分形成通孔、插头和接线，提供基板上的薄膜电路之间的导电路径。另外，需要平坦化以平坦化基板表面以进行光刻。

化学机械抛光(cmp)是一种可接受的平坦化方法。此平坦化方法通常要求将基板安装在承载头上。基板的暴露表面靠着旋转的抛光盘垫或带状垫放置。承载头在基板上提供可控制的负载以将基板推向抛光垫。将抛光液(如具有磨粒的浆料)供应到抛光垫的表面。

cmp中的一个问题是确定抛光处理是否完成，即，基板的层是否已被平坦化到所需的平坦度或厚度，或是否已经去除了所需量的材料。过度抛光(去除太多)导电层或膜导致电路电阻增加。另一方面，导电层的抛光不足(去除太少)导致电短路。基板的层的初始厚度、浆料组成、抛光垫条件、抛光垫和基板之间的相对速度和基板上的负载的变化可引起材料去除速率的变化。这些变化导致达到抛光终点所需的时间变化。因此，不能仅根据抛光时间来确定抛光终点。

最近，已(例如)利用光学或涡流传感器对基板进行原位(in-situ)监测，以便检测抛光终点。

技术实现要素：

本公开内容与用于晶片上的精确传感器位置的抖动校正(chatteringcorrection)相关。

在一个方面中，一种在计算机可读取介质上有形地编码的计算机程序产品，该计算机程序产品包括使计算机系统执行以下操作的指令：从抛光过程中扫过并监测基板的原位监测系统的传感器接收信号值序列，该信号值序列取决于在该基板上经历抛光的层的厚度；从该信号值序列中检测该传感器穿过该基板或保持该基板的固定环的前缘的时间和该传感器穿过该基板或该固定环的后缘的时间；和针对该信号值序列的至少一些信号值中的每个信号值，基于该传感器穿过该基板或该固定环的该前缘的该时间和该传感器穿过该基板或该固定环的后缘的该时间来确定该信号值在该基板上的位置。

在另一方面中，一种抛光方法，包括以下步骤：使基板的层的表面与抛光垫接触；使该基板和该抛光垫之间产生相对运动；当用可旋转平台(platen)使该基板的该层经历抛光时，将原位监测系统的传感器扫过该基板；从该原位监测系统产生信号值序列，该信号值序列取决于该层的厚度；从该信号值序列中检测该传感器穿过该基板或固定环的前缘的时间和该平台传感器穿过该基板或固定环的后缘的时间；和针对该信号值序列中的至少一些信号值中的每个信号值，基于该平台传感器穿过该基板或该固定环的该前缘的该时间和该平台传感器穿过该基板或该固定环的后缘的该时间来确定该信号值在该基板上的位置。

在另一方面中，一种抛光系统包括：可旋转平台，用于支撑抛光垫；承载头，用于将基板保持在该抛光垫上；原位监测系统，其包括一个在抛光过程中扫过该基板和产生信号值序列的传感器，该信号值序列取决于经历抛光的层的厚度；和控制器。控制器经构造以：从传感器接收信号值序列，从该信号值序列中检测该传感器穿过基板的前缘的时间和该传感器穿过基板的后缘的时间，和针对该信号值序列的至少一些信号值的每个信号值，基于该传感器穿过该基板或固定环的该前缘的该时间和该传感器穿过该基板或该固定环的后缘的时间来确定该信号值在该基板上的位置。

实施方式可包括以下特征中的一者或多者。

确定位置的步骤可包括确定信号值的一阶导数，和识别信号值的一阶导数中的第一极值和第二极值。第一极值表示前缘，并且第二极值表示后缘。可检测固定环的前缘和后缘，例如固定环的内表面的前缘和后缘。检测信号值序列的步骤可包括检测基板的前缘和后缘内的金属层。

保持基板的承载头可定位成使得承载头的中心距可旋转平台的旋转轴的径向距离与平台传感器(platensensor)距可旋转平台的旋转轴的径向距离相同。可用传感器检测基板的前缘和后缘。可确定前缘和后缘与传感器相交的时间。可基于来自与原位监测系统的传感器分开的位置传感器的信号来确定平台旋转速率。可确定边缘上的销点(pinpoint)位置。可使用销点的位置来计算基板上的位置。

确定承载头位置的步骤可包括以下步骤：根据以下等式来计算边缘所对向的角度θ，

其中tle为传感器穿过前缘的时间、tte为传感器穿过后缘的时间，和ω为平台的旋转速率。

确定承载头相对于平台的中心的位置(hs)的步骤可包括以下步骤：根据以下等式计算承载头的位置，

其中a＝1，

b＝-2rsensorcosθ

c＝rsensor²-rpin²

其中rsensor为传感器距平台的中心的距离。

确定信号值在基板上的位置(d)的步骤可包括以下步骤：根据以下等式计算基板上的位置：

d²＝hs²+rsensor²-2hsrsensorcosγ,和

其中tflash为信号值测量的时间。

原位监测系统可包括位于平台凹槽中的涡流传感器(该涡流传感器经构造以当基板的前缘或后缘经过该涡流传感器时产生信号)、电耦合到涡流传感器和控制器的驱动器和感应电路、和与涡流传感器分开的位置传感器，该位置传感器经构造以感测可旋转平台的位置。位置传感器可包括径向编码器。径向编码器可耦接到可旋转平台的驱动轴。

在附图和下文描述阐述了本发明的一或多个实施方式的细节。根据说明书、附图和权利要求书，本发明的其他特征、目的和优势将显而易见。

附图说明

图1为化学机械抛光系统的示意性横截面侧视图。

图2为图1的化学机械抛光系统的示意性顶视图。

图3为示出由涡流监测系统产生的磁场的示意性横截面图。

图4包括当核心扫描过基板时来自涡流监测系统的信号图，且图4示出了由控制器显示的图形化使用者界面。

图5a示出了当核心扫描过基板时来自涡流监测系统的信号图。

图5b示出了信号的一阶导数的图。

图5c示出了来自晶片前缘的信号的一部分的一阶导数的展开图。

图5d示出了来自固定环前缘的信号的一部分的一阶导数的展开图。

图5e示出了来自晶片后缘的信号的一部分的一阶导数的展开图。

图5f示出了来自固定环后缘的信号的一部分的一阶导数的展开图。

图6为示出用于计算测量的径向位置的处理的示意图。

图7为示出测量位置的计算的示意图(在距基板中心的径向距离方面)。

图8a和图8b分别示出了多条没有抖动校正和有抖动校正的迹线(每条迹线是来自基板上的特定扫描的来自涡流监测系统的信号)。通过抖动校正，可获得更稳定的扫描到扫描(scan-to-scan)的迹线。这允许更精确的边缘重建。

附图中的相同元件符号表示相同元件。

具体实施方式

如上所述，已(例如)利用光学或涡流传感器进行基板的原位监测。若原位监测系统的传感器在进行多次测量的同时扫描过基板，则通常想要计算每个单独测量的位置(例如，距基板中心的径向距离)。可能出现的一个问题是“抖动(chattering)”(从扫描到扫描的测量位置的不一致的确定)，这导致了迹线的前缘和后缘在时域中前后移位。当显示多条迹线时，此抖动呈现为前后左/右移位(例如，参见图8a)。抖动可随着处理平台/处理头部旋转速度或头部扫描幅度和频率而改变。特别是，在较高的平台旋转速率和较高的头部扫描频率下，抖动会变得更加严重。

抖动会产生控制不稳定性，因传感器在晶片上的实际位置是不确定的。因此，边缘重建可能是困难的且可能取决于处理条件，因此边缘重建不可靠。不受任何特定理论的限制，根本原因可能来自以下几个来源：操作员关于头部扫掠(sweep)位置的信息可能不准确、平台和/或头部旋转速率(例如，以rpm为单位)可能由于延迟而不准确，且主轴旋转可能不是同心的，但可能是摆动的。

在这种新技术中，通过运行没有头部扫描的基板来校准“销位置”。可从固定环金属边缘信号的一阶导数来检测销位置，这不依赖于膜轮廓。尽管也可使用晶片边缘，但由于晶片边缘位置可能由于膜边缘排除而改变，因此不太理想。当获得此销位置时，此销位置用来计算实时头部扫描并感测晶片位置。

此技术可显著减少抖动且允许更准确地确定传感器在基板上的位置。此技术也可使边缘重建更可靠，且更少地依赖于处理条件。可使用来自抛光机的传感器测量值，而不是依赖于从抛光机发送的处理参数信息(例如，平台旋转速率)，来计算传感器位置。

图1示出了化学机械抛光系统20的示例。抛光系统包括可旋转的盘形平台24，抛光垫30位于该盘形平台24上。平台24可操作以绕第一轴25旋转。例如，马达22可转动驱动轴28以使平台24旋转。抛光垫30可为具有外抛光层34和较软的背衬层32的双层抛光垫。

抛光系统20可包括供应端口或组合的供应-冲洗臂39，以将抛光液38(如研磨浆料)分配到抛光垫30上。抛光系统20可包括具有调节盘的垫调节器设备，以保持抛光垫的表面粗糙度。

承载头70是可操作的以将基板10保持在抛光垫30上。承载头70悬挂在支撑结构72(例如转盘或轨道)上，并通过驱动轴74连接到承载头旋转马达76以使得承载头可绕第二轴71旋转。可选地，承载头70可通过沿轨道的移动或通过转盘本身的旋转振荡来(例如，在转盘上的滑块上)横向振荡。

承载头70可包括保持基板的固定环84。在一些实施方式中，固定环84可包括高导电部分，例如，载体环可包括接触抛光垫的薄的下塑料部分86、和厚的上导电部分88。在一些实施方式中，高导电部分为金属，例如与被抛光的层相同的金属(如铜)。

承载头70可包括柔性膜80，柔性膜80具有与基板10的背面接触的基板安装表面。膜80可形成多个可加压腔室82，以将不同的压力施加到基板10上的不同的区域(例如，不同的径向区域)。

在操作中，平台24围绕其中心轴25旋转，并且承载头70绕其中心轴71旋转且跨越抛光垫30的顶表面横向平移。

抛光系统20也包括原位监测系统100，如涡流监测系统。原位监测系统100包括传感器102(例如，在涡流监测系统的情况下，包括芯和线圈组件以产生磁场)，以在抛光期间监测基板10。传感器102可固定到平台24，使得传感器102随着平台24的每次旋转而在基板10下方扫过。每当传感器102扫过基板下方时，可从原位监测系统100收集资料。

在操作中，抛光系统可使用原位监测系统100来确定导电层何时达到目标厚度(例如，沟槽中金属的目标深度或覆盖介电层的金属层的目标厚度)，然后停止抛光。替代地或另外地，抛光系统可使用原位监测系统100来确定跨越基板10的导电材料的厚度差异，且在抛光过程中使用此信息来调节承载头70中的一个或多个腔室82中的压力，以减少抛光不均匀性。

凹槽26可形成在平台24中，且可选地，薄的垫部分36可形成在覆盖凹槽26的抛光垫30中。可将凹槽26和薄的垫部分36定位成使得在平台部分旋转的期间，无论承载头的平移位置如何，凹槽26和薄的垫部分36都在基板10下方通过。假设抛光垫30为双层垫，可通过去除背衬层32的一部分和(可选地)在抛光层34的底部形成凹槽来构造薄的垫部分36。薄的部分可以可选地为透光的(例如，若原位光学监测系统被整合到平台24中)。

假设原位监测系统为涡流监测系统，则该原位监测系统可包括磁芯104，和围绕芯104的一部分缠绕的至少一个线圈106。可将芯104至少部分地定位在凹槽26中。驱动和感应电路108电连接到线圈106。驱动和感应电路108产生可被发送到控制器90(例如，可编程通用计算机)的信号。可通过经由旋转耦合器29的有线连接或通过无线通信来提供与控制器90的通信。尽管示出为在平台24的外部，但驱动和感应电路108中的一些或全部可被安装在平台24中或在平台24上(例如，在平台24中的相同凹槽26或单独的凹槽中)。

参见图1和图3，驱动和感应电路108将ac电流施加到线圈106，此举在芯104的两个磁极152a与152b之间产生磁场150。在操作中，当基板10间歇地覆盖传感器时，磁场150的一部分延伸到基板10中。电路108可包括与线圈106并联连接的电容器。线圈106和电容器一起可形成lc谐振回路。

若想要监测基板上的导电层的厚度，则当磁场150到达导电层时，磁场150可通过并产生电流(若目标为环路)或产生涡流(若目标为片)。这改变了lc电路的有效阻抗特性。

驱动和感应电路108可包括耦合到组合的驱动/感应线圈106的边缘振荡器，且输出信号可为将正弦振荡的峰值到峰值幅度维持在恒定值所需的电流(例如，如美国专利号7,112,960中所描述的)。线圈106和/或驱动和感应电路108的其他构造是可能的。例如，分离的驱动和感应线圈可缠绕在芯上。驱动和感应电路108可以固定频率施加电流，并且来自驱动和感应电路108的信号可为感应线圈中的电流相对于驱动线圈的相移或为感应电流的幅度(例如，如美国专利号6,975,107中所描述的)。

参考图2，当平台24旋转时，传感器102扫过基板10下方。通过以特定频率对来自电路108的信号进行取样，电路108在跨越基板10的一系列取样区域94处产生测量。对于每次扫掠而言，可选择或组合一个或多个取样区域94的测量值。例如，可对来自特定径向区域内的取样区域的测量值进行平均，以为每个径向区域提供单个测量。作为另一个例子，可选择特定径向区域内的最高或最低值以提供径向区域的测量。因此，在多次扫掠中，所选择的或组合的测量提供时变的值序列。

参见图1和图2，抛光系统20也可包括位置传感器，以感测传感器何时位于基板10下方和传感器何时离开基板。例如，位置传感器可包括安装在与承载头70相对的固定位置处的光学中断器(opticalinterrupter)98。标记96可附接到平台24的周边。标记96的附接点和长度经选择以当传感器扫过基板10下方时标记96会将中断器98中的光束阻断。代替地或另外，抛光系统20可包括编码器以确定平台24的角位置。

控制器90接收来自原位监测系统100的传感器的信号。由于传感器随着平台24的每次旋转扫过基板10下方，故导电层深度的信息(例如，体层(bulklayer)或沟槽中的导电层材料)是原位累积的(每个平台旋转一次就累积一次)。控制器90可被编程以当基板10大致覆盖传感器时对来自原位监测系统100的测量结果进行取样。

另外，控制器90可被编程以计算每个测量的径向位置，并将测量分类成径向范围。通过将测量值布置在径向范围内，可将关于每个径向范围的导电膜厚度的数据馈送到控制器(例如，控制器90)中，以调节由承载头施加的抛光压力分布。控制器90也可被编程以将终点检测逻辑应用于由原位监测系统100产生的测量序列并检测抛光终点。例如，控制器90可检测测量序列何时达到或超过阈值。

参见图4至图5，可监测来自原位监测系统100的信号以检测基板的前缘和后缘。或者，可监测来自原位监测系统100的信号，以检测固定环的前缘和后缘，例如，固定环84的内表面84a的前缘和后缘或固定环84的外表面84b的前缘和后缘(参见图1)。

为了检测前缘和后缘，可计算和监测信号的一阶导数。例如，可计算和监测信号的一阶导数的峰(针对基板或固定环的外表面的前缘)和谷(针对基板或固定环的外表面的后缘)。作为另一个例子，可计算和监测信号的一阶导数的谷(针对固定环的内表面的前缘)和峰(对于固定环的内表面的后缘)。峰和谷出现的时间分别表示传感器穿过前缘和后缘的时间。

为了计算测量的径向位置，抛光系统最初可以其中承载头70不横向振荡的校准模式运行。参考图6，在校准运行中，承载头经定位成使得承载头70的中心距平台24的旋转轴的径向距离与传感器距平台24的旋转轴的径向距离相同。

如上所述，控制器90基于来自涡流监测系统的接收信号检测传感器穿过前缘的时间tle且类似地检测传感器穿过后缘的时间tte。

可基于来自位置传感器的信号来计算平台旋转速率ω。代替地或另外地，ω取自存储在控制器中的控制值。

基于这些值，可使用以下等式来计算“销点(pinpoint)”的径向位置rpin，

rpin²＝hs²+rsensor²-2hsrsensorcosθ(等式2)

其中hs为头部扫过位置(平台24的旋转轴与承载头的中心轴71之间的距离)，而rsensor为传感器与平台的旋转轴之间的已知距离。本文中的术语“销点”表示边缘(例如，基板的边缘或固定环的内表面或外表面)上的设定点。

在随后的监测步骤中，可基于销点的位置计算测量位置。若使用固定环边缘作为销点，则在校准期间可不存在基板。在校准运行期间，hs和rsensor的示例性值为7.5英寸。

参考图7，为了抛光基板，最初可用正常模式运行抛光系统，其中承载头70横向振荡且用原位监测系统100监测基板10。在此模式中，可在逐个扫掠的基础上来计算头部扫过位置hs。也就是说，对于每次扫掠，基于来自涡流监测系统的信号来确定时间tle和时间tte。可使用上文的等式1和下文的等式(其中a＝1)来从ω、tle、tte、rpin和rsensor计算头部扫过位置hs：

b＝-2rsensorcosθ(等式3)

c＝rsensor²-rpin²(等式4)

接着可使用以下等式从hs、ω、tle、tte、rsensor和发生测量的特定时间tflash(实时)在逐个测量的基础上来计算来自原位监测系统的每个测量的位置(即，测量距基板中心的径向距离d)，

d²＝hs²+rsensor²-2hsrsensorcosγ(等式7)

γ表示传感器与测量时连接平台中心和承载头中心的接线之间的角度。同样地，可基于来自位置传感器的信号计算平台旋转速率ω。或者或另外地，可从存储在控制器中的控制值获取ω。

通过使用销点的位置和基板上的传感器位置的几何计算，可更精确地确定测量的实际位置(例如，相对于基板中心的径向位置)，且因此可减少抖动。这样可改善扫描到扫描和传感器到传感器的匹配。因此，可使终点确定更可靠和/或可改善晶片均匀性。

实施方式可实现为一或多个计算机程序产品；即，有形地体现在非暂时性机器可读取储存介质中的一个或多个计算机程序，用于由数据处理设备(可编程化的处理器、计算机或多个处理器或计算机)执行或控制数据处理设备的操作。

上述抛光设备和方法可应用于各种抛光系统中。抛光层可为标准(例如，具有或不具有填料的聚氨酯)抛光材料、软材料或固定研磨材料。用于计算来自原位监测系统的测量位置的技术可应用于其他类型的监测系统(例如光学监测系统)，只要这种监测系统能够检测基板和/或固定环边缘即可。在使用相对定位术语的情况下，应该理解这是指系统内元件的相对定位；抛光表面和基板可保持垂直取向或相对于重力的某些其他取向。

已描述了本发明的许多实施方式。然而，应该理解，在不脱离本发明的精神和范畴的情况下，可进行各种修改。因此，其他实施方式落入随附的权利要求书的范围内。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种在非暂时性计算机可读取介质上有形地编码的计算机程序产品，该计算机程序产品包括使计算机系统进行以下操作的指令：

从抛光过程中扫过并监测基板的原位监测系统的传感器接收信号值序列，该信号值序列取决于在该基板上经历抛光的层的厚度；

从该信号值序列中检测该传感器穿过该基板或保持该基板的固定环的前缘的时间和该传感器穿过该基板或该固定环的后缘的时间；和

针对该信号值序列的至少一些信号值中的每个信号值，基于该传感器穿过该基板或该固定环的该前缘的该时间、该传感器穿过该基板或该固定环的后缘的该时间、和该前缘和该后缘上的销点相对于该承载头的该中心的径向位置来确定该信号值在该基板上的位置。

2.如权利要求1所述的计算机程序产品，其中确定该位置的指令包括进行以下操作的指令：

确定该信号值的一阶导数；和

识别该信号值的该一阶导数中的第一极值和第二极值，其中该第一极值指示该前缘并且该第二极值指示该后缘。

3.如权利要求1所述的计算机程序产品，其中确定该位置的指令包括进行以下操作的指令：

使承载头定位基板，使得该承载头的中心距可旋转平台的旋转轴的径向距离与该原位监测系统的该传感器距该可旋转平台的该旋转轴的径向距离相同；

用该传感器检测该前缘和该后缘；

确定该前缘和该后缘穿过该传感器的时间；

基于来自位置传感器的信号来确定平台旋转速率，该位置传感器与该原位监测系统的该传感器分开；和

确定该前缘和该后缘上的该销点相对于该承载头的该中心的位置。

4.如权利要求4所述的计算机程序产品，其中确定该信号值在该基板上的该位置的指令包括进行以下操作的指令：使用该销点的该位置来确定该承载头相对于该平台的该中心的位置。

5.一种抛光方法，包括以下步骤：

使基板的层的表面与抛光垫接触；

使该基板和该抛光垫之间产生相对运动；

当用可旋转平台使该基板的该层经历抛光时，将原位监测系统的传感器扫过该基板；

从该原位监测系统产生信号值序列，该信号值序列取决于该层的厚度；

从该信号值序列中检测该传感器穿过该基板或固定环的前缘的时间和该平台传感器穿过该基板或固定环的后缘的时间；和

针对该信号值序列中的至少一些信号值中的每个信号值，基于该平台传感器穿过该基板或固定环的该前缘的该时间、该平台传感器穿过该基板或固定环的后缘的该时间、和该前缘和该后缘上的销点相对于该承载头的该中心的径向位置来确定该信号值在该基板上的位置。

6.如权利要求6所述的抛光方法，其中检测该信号值序列的步骤包括以下步骤：检测该固定环的前缘和后缘。

7.如权利要求7所述的抛光方法，其中检测该固定环的前缘和后缘的步骤包括以下步骤：检测该固定环的内表面的前缘和后缘。

8.如权利要求6所述的抛光方法，其中确定该位置的步骤包括以下步骤：

确定该信号值序列的一阶导数；和

识别该一阶导数中的谷和峰，其中该谷指示该前缘并且该峰指示该后缘。

9.如权利要求6所述的抛光方法，其中检测该信号值序列的步骤包括以下步骤：检测该基板的该前缘和后缘内的金属层。

10.如权利要求10所述的抛光方法，其中确定该位置的步骤包括以下步骤：

确定该信号值序列的一阶导数；和

识别峰和谷，其中该峰指示该前缘并且该谷指示该后缘。

11.如权利要求6所述的抛光方法，其中确定位置的步骤包括以下步骤：

定位保持该基板的承载头，使得该承载头的该中心距该可旋转平台的旋转轴的径向距离与该平台传感器距该可旋转平台的该旋转轴的径向距离相同；

用该传感器检测该基板的该前缘和该后缘；

确定该前缘和该后缘穿过该传感器的时间；

基于来自位置传感器的信号来确定平台旋转速率，该位置传感器与该原位监测系统的该传感器分开；和

确定该边缘上销点的该位置。

12.一种抛光系统，包括：

可旋转平台，用于支撑抛光垫；

承载头，用于将基板保持在该抛光垫上；

原位监测系统，包括在抛光过程中扫过该基板和产生信号值序列的传感器，该信号值序列取决于经历抛光的层的厚度；和

控制器，该控制器经构造以执行：

从该传感器接收该信号值序列，

从该信号值序列中检测该传感器穿过该基板的前缘的时间和该传感器穿过该基板的后缘的时间，和

针对该信号值序列的至少一些信号值的每个信号值，基于该传感器穿过该基板或固定环的该前缘的该时间、该传感器穿过该基板或固定环的后缘的该时间、和该前缘和该后缘上的销点相对于该承载头的该中心的径向位置来确定该信号值在该基板上的位置。

13.如权利要求14所述的抛光系统，其中该原位监测系统包括：

涡流传感器，位于该平台的凹槽中，该涡流传感器经构造以当该基板的前缘或后缘经过该涡流传感器时产生信号；

驱动和感应电路，其电耦合到该涡流传感器和该控制器；和

位置传感器，该位置传感器与该涡流传感器分开，该位置传感器经构造以感测该可旋转平台的位置。