化学机械研磨机中的耗材部件监控的制作方法

本公开内容涉及在化学机械研磨系统中监测耗材部件，例如保持环和/或调节器盘。

背景技术：

化学机械研磨(cmp)是用于制造高密度集成电路的许多工艺之一。化学机械研磨通常通过在研磨液存在的情况下使基板相对于研磨材料移动来执行。在许多研磨应用中，研磨液含有磨浆料，以有助于在处理过程中压在研磨材料上的基板的特征侧的平坦化。

在研磨操作期间，基板通常由承载头保持。传统的承载头包括界定基板保持袋的保持环。基板可由对弹性膜的静摩擦而保持在基板保持袋中。保持环防止基板在研磨过程中从研磨头下方滑出。

在研磨过程中，通常将保持环压在研磨垫上。承载头中的可加压腔室可控制保持环的垂直位置。保持环通常由耐磨材料形成，并且随着研磨的进行，保持环的底表面被磨损。因此，保持环的厚度可以在处理多个基板的过程中改变。最后可能需要更换保持环。

此外，在cmp工艺执行一段时间之后，由于从基板和/或研磨垫所移除的浆料副产物和/或材料的累积，研磨垫的表面会变得光滑。光滑会降低研磨速率或增加基板上的不均匀性。

通常，通过使用衬垫调节器的调节处理而将研磨垫保持在所需的表面粗糙度(并且避免光滑)。衬垫调节器用于去除研磨垫上不需要的积聚物，并将研磨垫的表面再生成至所需的粗糙度。典型的衬垫调节器包括通常嵌有金刚石磨料的研磨盘，其可以刮擦研磨垫表面以将垫重新纹理化。然而，调节处理也倾向于磨损调节器盘本身。因此，在一定数量的研磨和调节循环之后，可能需要更换调节器盘。

技术实现要素：

一种研磨设备包括：用于保持研磨垫的研磨站；用于在研磨站处保持基板与研磨垫接触的载体头；定位成当耗材部件移动远离研磨垫时拍摄耗材部件的下表面的影像的相机；以及经构造以对影像执行影像处理算法以确定耗材部件是否损坏的控制器。耗材部件可为承载头上的保持环或调节器头上的调节器盘。

实施方式的优点可包括以下项中的一个或多个。化学机械研磨系统的耗材部件(例如保持环和/或调节器盘)可以在因这些部件的损坏影响研磨处理之前被更换。这可以减少刮痕与缺陷，并改善研磨均匀性。

附图说明

图1是化学机械研磨系统的实施方式的部分截面的简化侧视图。

具体实施方式

除了诸如保持环或调节器盘之类的耗材部件的一般磨损(例如，厚度减小)之外，这种耗材部件还可能以不特别改变其厚度的方式损坏。例如，保持环的内表面可能形成凹口或裂缝，这会引起研磨不均匀性。类似地，调节器盘上的磨料颗粒可能脱落，这会在调节过程中引入不均匀性。

然而，通过将相机放置在研磨系统中的特定位置以定期扫描耗材部件，可以拍摄耗材部件的图像。该图像接着经由影像分析软件(例如，由机器学习技术训练的算法)以识别出损坏的耗材部件。

图1记载了简化的化学机械研磨系统100的局部剖面图，其包括研磨站102、承载头104及装载杯件110。各种组件可以支撑在底座126上。可适用于受益于本发明的合适的研磨系统的实例包括可从美商应用材料(appliedmaterials)获得的mirra^tm化学机械研磨系统与reflexion^tm化学机械研磨系统。

在一实施方式中，研磨站102包括可旋转平台106，其上设置有研磨垫116。平台106时可操作的以围绕轴旋转。例如，马达180可以转动驱动轴以旋转平台106。

研磨垫116可为传统的聚氨酯研磨垫、固定的研磨材料、或适于化学机械研磨的其他垫。研磨垫116可为具有外研磨层及较软背衬层的双层研磨垫。

研磨站102另外包括研磨液源108，研磨液源108适于在处理期间向研磨垫116的工作表面提供研磨液。在图1所示的实施例中，具有至少一个喷嘴114的臂112经定位以在处理期间使研磨液流到研磨材料116上。研磨液可以包括磨料颗粒，例如，研磨液可为研磨浆料。

研磨站102还可包括研磨垫调节器160，以对研磨垫116进行研磨而将研磨垫116保持在一致的研磨状态。研磨垫调节器160包括调节器基座、可在研磨垫116上横向扫过的臂162以及通过臂162连接到基座的调节器头164。调节器基座可以支撑在研磨系统机器底座126上。调节器头164使研磨表面(例如，由调节器头164保持的盘166的下表面)与研磨垫116接触以调节研磨垫116。研磨表面可为可旋转的，并且研磨表面对研磨垫的压力可为可控制的。

在一些实施方式中，臂162可枢转地附接到调节器基座并前后扫掠以使调节器头164以振荡扫掠运动的方式跨越研磨垫116。调节器头164的运动可以与承载头104的运动同步以防止碰撞。调节器头164的垂直运动以及研磨垫116上的调节表面的压力控制可以由调节器头164上方或内部的垂直致动器(例如，经定位以向调节器头部164施加向下压力的可加压腔室)提供，或者通过基座中的垂直致动器提升整个臂162与调节器头164来提供，或者通过在臂162与基座之间的枢转连接来提供，该枢转连接允许臂162的可控倾斜角度，并因此控制调节器头164在研磨垫116上方的高度。

研磨站102还可包括定位至平台106侧面的调节器冲洗杯件168。在研磨操作之后，臂162可以摆动以将包括调节器盘166的调节器头164放入冲洗杯168中。冲洗杯168可包括喷嘴，该喷嘴配置成对头164与盘166喷射清洁液(例如去离子水)，以冲洗掉任何碎屑、颗粒或污染物。

承载头104悬挂在支撑结构118上，例如转盘或轨道，其可以作为连接至底座126的传送机构。传送机构通常适于将承载头104选择性地定位在研磨垫116上方的处理位置与装载杯件110上方的传送位置之间。承载头104可通过驱动轴连接到承载头驱动机构124，例如旋转马达，使得承载头104可以旋转。

在操作中，平台围绕其中心轴旋转，且承载头104围绕其中心轴旋转并横向地跨越研磨垫116的上表面平移。可选地，在研磨期间，承载头104可以横向摆动，例如，在转盘或轨道上的滑块上；或者通过转盘本身的旋转摆动。

在图1记载的实施方式中，传送机构118包括具有悬臂122的支柱120，悬臂122可以旋转以横向定位承载头104。承载头104可通过马达124连接至臂122。研磨头104相对于底座126的高度可以由驱动机构124或由承载头104内的可加压腔室控制。

一般而言，研磨头104包括壳体140及固定环150，固定环150固定在壳体的边缘附近，例如固定至边缘142，以在研磨过程中将基板保持在研磨头104的凹槽146内。在一些实施方式中，承载头104包括弹性膜148，在弹性膜148后面是多个可独立加压的腔室，这些可独立加压的腔室可以向基板的不同径向区域施加不同的压力。例如，承载头可包括第一腔室152a与第二腔室152b，第一腔室152a用于向基板的中央部分施加压力，第二腔室152b用于向基板的边缘部分施加压力。腔室152a、152b耦接至压力源154(为简化，在图1中仅显示出一个)，使得腔室152a、152b能独立地被控制充气或放气。

为了进行传送操作，可以使弹性膜148与基板接触，并且可以使一个或多个腔室152a、152b放气，从而在基板与弹性膜之间产生真空，从而将基板固定在承载头104上。为了执行研磨操作，可使一个或多个腔室152a、152b充气，从而将基板压靠在研磨垫115上。

保持环150的垂直位置以及保持环150相对于研磨垫116的压力也可为可调节的，例如通过驱动机构124或通过承载头104内的另一个可加压腔室进行调节。控制保持环150的垂直位置的承载头104内的可加压腔室中的压力可由压力源154来控制。

装载杯件110通常包括基座组件128及杯件130。基座组件128提供与研磨头104配合的结构，以确保在基板传送期间的基座组件128提供与研磨头104之间的对准。基座组件128通常被延伸以将基板传送到研磨头104，并从延伸位置缩回以在移除卡盘(de-chucking)的过程中接收基板。

控制器190，如包括微处理器的编程电脑经构造以控制研磨系统100的各种组件。例如，控制器190可以耦接至马达124、180以分别控制承载头104与平台106的旋转速度，可以耦接至压力源164以控制承载头104中的压力，可以耦接至控制传送装置118的定位的致动器，可以耦接至致动器132、133以控制装载杯件110的操作，可以耦接至调节器系统160中的致动器以控制调节器头164的位置以及调节器盘166在研磨垫116上的向下压力，可以耦接至研磨液供应108以控制提供至研磨垫上的研磨液的流速，和/或可以耦接至调节器冲洗盘168以控制喷嘴的操作以在调节器头164上喷射清洁液。

虽然控制器190图示为单一零件，但控制器190可以分布在连接至电脑网络的多个处理部件上。

如上所述，例如保持环150和/或调节器盘166等耗材部件可能遭受损坏或过度磨损。研磨系统100还包括耗材部件监控系统，以检测耗材部件是否损坏。

特别地，研磨系统100包括一个或多个相机200，一个或多个相机200经定位以拍摄耗材部件下侧的图像。每个相机可定位在耗材部件被承载的路径中的一个点上。例如，用于监控保持环的相机可定位在承载头在平台106与装载杯件110之间行进的路径上。类似地，用于监视调节器盘的相机可定位在调节器头在平台106和冲洗杯件168之间行进的路径上。每个相机可以具有耗材部件行进通过的视野(如虚线所示)。

作为一个示例，相机200a可定位在与平台106相邻的底座126上。当承载头104从研磨站102移动至装载杯件110时，相机200a可拍摄保持环150下侧的图像，反之亦然。

作为另一个示例，相机200b可定位在靠近装载杯件110的底座126上。当承载头104从研磨站102移动至装载杯件110时，相机200b可拍摄保持环150下侧的图像，反之亦然。

作为另一个示例，相机200c可定位在邻近冲洗杯件168的底座126上。当调节器头164从研磨站102移动至冲洗杯件168时，相机200c可拍摄调节器盘166下侧的图像，反之亦然。

在一些实施方案中，视野足够宽以使得耗材部件的整个下侧可被拍摄在单一图像中。在一些实施方式中，视野不覆盖耗材部件的整个下侧，且当耗材部件移动通过该视野时，该相机会拍摄多个图像；该多个图像包括该部件的整个下侧。可选地，可将这些多个图像拼接在一起以形成覆盖耗材部件的整个下侧的单一图像。可使用已知的图像处理技术来执行图像拼接。

来自相机200的图像被控制器190中的软件执行的图像处理算法处理，以确定耗材部件是否损坏。例如，图像处理程序可经构造以从图像中检测保持环150下表面的内边缘中的裂缝或碎片。作为另一个示例，图像处理程序可经构造以从图像中检测保持环150下表面上的污点、刮擦或不寻常的表面纹理。作为另一个示例，图像处理程序可经构造以从图像中检测调节器盘166下表面中的缺少的磨料颗粒、或磨损或污点的图案。

在一些实施方式中，如果控制器190检测到损坏的耗材部件，则其可发送信号以通知操作员需要更换。或者，如果控制器190检测到损坏的耗材部件，则可以调整研磨系统中的另一个组件的操作参数，以补偿由损坏引起的不均匀性。

在一些实施方式中，可通过训练机器学习系统来产生图像处理算法。例如，机器学习系统可以用正常和“有缺陷”的耗材部件的图像进行训练。图像处理算法可以通用神经网络来实施。例如，神经网络可为卷积式神经网路或完全连接的神经网路。可以通过以反向传播模式操作来进行训练。

本说明书中描述的本发明的实施方式及所有功能操作可在数字电子电路中实现，或者在电脑软件、固件或硬件中实现，包括本说明书中公开的结构构件及其结构等同物，或上述的组合。本发明的实施方式可以实现为一个或多个电脑程序产品，即，有形地体现在信息载体中(在非暂时性机器可读储存介质中或在传播信号中)的一个或多个电脑程序，用于被数据处理设备(例如可编程处理器、电脑或多个处理器或电脑)执行、或控制数据处理设备的操作。电脑程序(也称为程序、软件、软件应用程式或代码)可用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言，并且可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、组件、子程序或适于运算环境的其他单元。电脑程序不一定对应于一个文件。程序可以储存在保存其他程式或数据的文件的一部分中，可以储存在专用于该程序的单一文件中，或可以储存在多个协调的文件中(例如，储存一个或多个模块、子程式或部分代码的文件)。电脑程序以可被部署为在一个电脑上或在一个站点的多个电脑上执行该程序，或者分布在多个站点上并通过通信网络互连。

本说明书中描述的程序与逻辑流程，可由执行一个或多个电脑程序的一个或多个可编程处理器来执行，以通过对输入的数据进行操作并产生输出来执行功能。这些程序与逻辑流程也可以由专用逻辑电路执行，而且装置也可以实现为专用逻辑电路，例如fpga(现场可编程门阵列)或asic(特定用途集成电路)。

已用若干实施方式描述了本发明。然而，本发明并不限于所示和所述的实施方式。相反，本发明的范围由随附的权利要求书确定。