專利名稱：半導(dǎo)體晶片拋光過程中的光學終點檢測裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體晶片加工的技術(shù)領(lǐng)域，并且更具體地講，涉及用于化學機械拋光中的一次性拋光墊。該拋光墊包括用于在進行拋光操作時監(jiān)控所拋光的表面的狀態(tài)的光學傳感器，因而允許確定加工的終點。
背景技術(shù)：
在Birang等人的1999年4月13日授權(quán)的美國專利No.5893796以及2000年4月4日授權(quán)的繼續(xù)專利No.6045439中，說明了安裝在拋光墊中的窗的多種結(jié)構(gòu)。待拋光的晶片位于拋光墊的頂部，并且拋光墊坐靠在剛性臺板上，從而在晶片的下側(cè)表面上進行拋光。在拋光加工的過程中，通過干涉儀監(jiān)控該表面，其中所述干涉儀位于所述剛性的臺板下方。干涉儀向上發(fā)出激光束，并且為了使該激光束到達晶片的下側(cè)表面，該激光束必須穿過臺板中的開口，并且然后繼續(xù)向上穿過拋光墊。為了防止?jié){料在臺板中的開口上聚積，窗設(shè)置在拋光墊中。不論窗所形成的方式，清楚的是，干涉儀傳感器總是位于臺板下方并且從不位于拋光墊中。
在Tang的1999年9月7日授權(quán)的美國專利No.5949927中，說明了用于在拋光加工的過程中監(jiān)控所拋光的表面的多種方法。在一個實施例中，Tang提出了嵌在拋光墊中的光纖帶。這種帶僅僅是一種光導(dǎo)體。進行檢測的光源以及探測器位于墊的外側(cè)。而Tang并未建議將光源以及檢測器包括在拋光墊內(nèi)。在一些Tang的實施例中，光纖解耦器被用于將光纖中的光從轉(zhuǎn)動部件傳輸至固定部件。在其它實施例中，光學信號在轉(zhuǎn)動部件上被檢測到，并且最終的電信號經(jīng)由電滑環(huán)傳輸至固定部件。在Tang的專利文獻中，沒有建議借助于無線電波、聲波、調(diào)制光束或者通過磁感應(yīng)將電信號傳輸至固定部件。
在Schultz的、1992年1月21日授權(quán)的美國專利No.5081796中所述的另一個光學終點檢測系統(tǒng)中，說明了一種方法，其中在局部拋光之后，晶片移動至晶片的一部分伸出臺板的邊緣的位置處。在該伸出部分上的磨損是由干涉測量法測量以確定是否應(yīng)該繼續(xù)拋光加工。
在以前試圖將傳感器安裝在拋光墊的過程中，在拋光墊中形成開口，并且光學傳感器借助于粘合劑在所述開口中被粘結(jié)就位。然而，隨后的檢測表明粘合劑的使用并不能確保防止拋光漿料(可包括活性化學物品)進入光學傳感器，并且防止拋光漿料透過拋光墊到達支承臺。
總之，盡管在現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域中公知多種技術(shù)用于在拋光加工的過程中監(jiān)控所拋光的表面，但是這些技術(shù)中沒有一種是完全令人滿意的。由Tang所述的光纖束是價格昂貴的并且是潛在易碎的；并且由Birang所利用的將干涉儀安置于臺板下方的應(yīng)用要求制造穿過臺板的開口，其中所述臺板支承著拋光墊。因此，本發(fā)明人著手設(shè)計一種監(jiān)控系統(tǒng)，其將是價格便宜并且堅固的，利用了近來一些部件小型化的優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
以下所述的一次性拋光墊是由聚氨酯泡沫構(gòu)成。所述拋光墊包含用于在線監(jiān)控所拋光的晶片表面的光學特性的光學傳感器。此外，來自光學傳感器的實時數(shù)據(jù)使得可在不卸下晶片進行離線檢測的條件下確定加工的終點。這極大提高了拋光加工的效率。
待拋光的晶片是包含不同材料層的復(fù)合結(jié)構(gòu)。通常，最外層被拋光，直至到達該層與下一層的交界面。此時認為已到達拋光操作的終點。拋光墊以及附帶的光學部件和電子器件可以檢測到從氧化層到硅層的過渡，以及從金屬層到硅層或其他材料層的過渡。
所述拋光墊涉及通過將光學傳感器和其它元件嵌入傳統(tǒng)的拋光墊中而改型所述傳統(tǒng)的拋光墊。未改型的拋光墊廣泛地商業(yè)有售，Newark，New Jersey的Rodel公司制造的IC 1000型拋光墊就是一種傳統(tǒng)未改型的拋光墊。也可采用Thomas West公司制造的拋光墊。
光學傳感器檢測所拋光的表面的光學特性。大體上，表面的光學特性是指它的反射率。但是，表面的其它光學特性也可被檢測，包括表面的偏光性、表面的吸光率以及表面的光致發(fā)光性(若存在)。用于檢測這些不同的特性的方法在光學技術(shù)領(lǐng)域中是公知的，并且通常這些方法僅涉及向光學系統(tǒng)增加偏光器或光譜濾波器。因此，在下文說明中更多使用術(shù)語“光學特性”。
除光學部件外，一次性拋光墊也提供用于向拋光墊中的光學傳感器供電的裝置。
一次性拋光墊還提供用于供電的裝置，其用于將代表光學特性的電信號從轉(zhuǎn)動的拋光墊傳輸至鄰近的不轉(zhuǎn)動的接收器。墊可拆卸地連接至非一次性的轂部，該轂部包含電源和信號處理電路。
包含光源和檢測器的光學傳感器被布置在拋光墊內(nèi)的盲孔中，從而面向所拋光的表面。光源產(chǎn)生的光線被所拋光的表面反射，檢測器檢測所反射的光線。檢測器產(chǎn)生與反射回檢測器的光線的強度有關(guān)的電信號。
檢測器所產(chǎn)生的電信號，通過隱藏在拋光墊的各層中的細導(dǎo)體，從所述檢測器所在的位置從徑向向內(nèi)地傳導(dǎo)至拋光墊的中心開口處。
一次性拋光墊以機械和電子的方式可拆卸地連接至隨著拋光墊而轉(zhuǎn)動的轂部。所述轂部包含電子電路，其涉及向光學傳感器供電，并且將檢測器產(chǎn)生的電信號傳輸至系統(tǒng)的不轉(zhuǎn)動的部分。由于這些電路的代價，所述轂部并不被認為是一次性的。在拋光墊磨損不能使用之后，其連同光學傳感器和細導(dǎo)體一起被丟棄。
用于操作轂部內(nèi)的電路和用于向光學傳感器的光源供電的電能可通過多種方法提供。在一個實施例中，感應(yīng)器的副繞組包括在轉(zhuǎn)動的轂部中，而主繞組位于拋光機的相鄰的不轉(zhuǎn)動的部分上。在另一實施例中，太陽能電池或光電陣列安裝在轉(zhuǎn)動的轂部上，并被安裝在機器的不轉(zhuǎn)動部分上的光源照射。在另一實施例中，電能來自位于轂部內(nèi)的電池。而在另一實施例中，轉(zhuǎn)動的拋光墊中的或轉(zhuǎn)動的轂部中的導(dǎo)電體穿過安裝在拋光機的鄰近的不轉(zhuǎn)動部分上的永磁體的磁場，以構(gòu)成磁電機。
代表所拋光的表面的光學特性的電信號，通過任意多種方法，從轉(zhuǎn)動的轂部傳輸至拋光機的相鄰的固定部分。在一個實施例中，待傳輸?shù)碾娦盘柋挥脕硪灶l率調(diào)制由位于相鄰的不轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)上的檢測器所接收的光束。在其它實施例中，信號通過無線電線路或聲波線路被傳輸。而在另一實施例中，信號被施加至位于轉(zhuǎn)動的轂部上的感應(yīng)器的主繞組，并被位于拋光機的鄰近的不轉(zhuǎn)動部分上的感應(yīng)器的副繞組接收。該感應(yīng)器可與用于將電能耦合進轂部中的感應(yīng)器相同，也可以是不同的感應(yīng)器。
在傳感器的頂部與晶片的下側(cè)之間必須存在可通的光路。但是，空出區(qū)域是不可接受的，因為其會迅速由拋光漿料充滿，從而導(dǎo)致其不適于作為一種光學介質(zhì)。另外，空出區(qū)域會在均質(zhì)且均勻彈性的拋光墊中產(chǎn)生較大的機械不連續(xù)性。此外，光學傳感器的各部件必須不與所拋光的晶片直接機械接觸，以避免擦傷晶片的表面。
為了克服該問題，采用下文詳細描述的技術(shù)，光學傳感器被嵌入拋光墊中。這些技術(shù)已經(jīng)成功克服了上述缺點。
另外，所檢測的光的強度傳輸了關(guān)于在拋光過程中從層去除的材料的量的信息。隨著表面層被去除，所檢測的光的強度隨時間以正弦規(guī)律變化。正弦曲線上任意兩個連續(xù)的波峰之間的距離表示所去除的材料的特定的量。因而，可以通過校準正弦曲線，并且然后通過統(tǒng)計拋光過程中所測量或觀察到的波峰的個數(shù)，而在線測量在拋光過程中所去除的材料的總量。同樣地，通過以下方式可測量所去除的材料的量，即通過校準正弦曲線、測量正弦曲線上起始點與終點之間的距離、然后在該距離與所去除的材料的量之間建立聯(lián)系。


圖1示出了化學機械拋光機利用嵌有光學傳感器的拋光墊而拋光晶片的俯視圖；圖2是透視分解圖，其示出了安置在拋光墊中的轂部的各元件以及光學組件的大體結(jié)構(gòu)；圖3是光學傳感器的前側(cè)俯向透視圖；
圖4是側(cè)視圖，示出了不帶有棱鏡的光學傳感器；圖5示出了采用電感耦合器的電子組件轂部；圖6示出了轂部的剖視圖，其中所述轂部利用發(fā)光裝置以將信號傳輸至不轉(zhuǎn)動的轂部；圖7示出了轂部的剖視圖，其中所述轂部利用無線電發(fā)射裝置以將信號傳輸至不轉(zhuǎn)動的轂部；圖8示出了轂部的剖視圖，其中所述轂部利用聲波以將信號傳輸至不轉(zhuǎn)動的轂部；圖9示出了安置在拋光墊中的扣環(huán)；圖10是扣環(huán)的俯視圖，其中接觸墊以及導(dǎo)電帶安置在扣環(huán)的底部；圖11示出了嵌在拋光墊中的光學傳感器的中間剖視圖；圖12示出了用于嵌入如圖13所示的光學傳感器的注射模制加工的中間剖視圖；圖13示出了嵌在單注射模制墊中的光學傳感器和轂組件的中間剖視圖；圖14示出了用于嵌入光學傳感器和轂組件這兩者的注射模制加工的中間剖視圖；圖15示出了安裝在CMP系統(tǒng)中的拋光墊；圖16說明了在光線入射到設(shè)置在晶片的前側(cè)上的薄層材料上時所選擇波長的光線的特性；圖17是曲線圖，其示出了在第一層材料從晶片去除時，檢測的光線關(guān)于時間的強度。
具體實施例方式
圖1是化學機械系統(tǒng)1的俯視圖，所述化學機械系統(tǒng)具有在拋光墊3中切出的光學端口2。晶片4(或者其它需要平坦化或拋光的工件)通過拋光頭5被保持，并且從平移臂6懸置在拋光墊3上方。其它系統(tǒng)可使用保持多個晶片的多個拋光頭，以及位于拋光頭的相反兩側(cè)(左側(cè)和右側(cè))的彼此分離的平移臂。
在拋光加工過程中所使用的漿料經(jīng)由漿料注射管7注射到拋光墊的表面上。懸掛臂8連接至不轉(zhuǎn)動的轂部9，其懸置在電子組件轂部10上。電子組件轂部10借助于轉(zhuǎn)鎖、棘爪、扣環(huán)、螺釘、螺紋鏈段或者任何可釋放的匹配機構(gòu)而可拆卸地連接在拋光墊3上。轂部10連接至位于轂部所連接之處的墊中的導(dǎo)電組件。導(dǎo)電組件可以是連接在薄導(dǎo)電帶11上的單個觸頭或多個觸頭，其中所述導(dǎo)電帶也稱為柔性線路或帶形電纜。帶11將位于光學端口2中并嵌在墊3中的光學檢測機構(gòu)電連接至電子組件轂部10中的電子器件。帶11還可包括單獨的線材或細纜線。
所述窗(端口)隨著拋光墊轉(zhuǎn)動，而所述拋光墊本身在加工驅(qū)動臺上或在臺板8上沿箭頭12的方向轉(zhuǎn)動。拋光頭繞它們各自的心軸13沿箭頭14的方向轉(zhuǎn)動。拋光頭本身通過平移軸15如箭頭16所示在拋光墊的表面上來回平移。因而，光學窗2在拋光頭下方穿過，而拋光頭同時進行轉(zhuǎn)動和平移，在拋光墊/臺板組件的每次轉(zhuǎn)動中掃過橫跨晶片表面的復(fù)雜路徑。
在墊轉(zhuǎn)動時，光學端口2和導(dǎo)電組件(見圖10)一直保持在相同的徑線17上。然而，在墊3繞轂部9轉(zhuǎn)動時，徑線沿圓形路徑平移。注意，導(dǎo)電帶11沿徑線17安放并隨其移動。
如圖2所示，拋光墊3為圓形并且包括中心圓形開口23。在拋光墊中形成盲孔24，并且孔向上開口從而面向所拋光的表面。光學傳感器25安放在盲孔24中，并且導(dǎo)電帶11嵌在拋光墊3中，其中所述導(dǎo)電帶從光學傳感器25延伸至中心開口23。
在拋光墊3被使用時，電子組件轂部從上方被插入中心開口23中，并且通過將基座26螺合在轂部10的螺紋部分上而被固定在那里，其中所述基座26位于拋光墊3下方。如圖5所示，拋光墊3因而夾在轂部的對應(yīng)部分與基座26的對應(yīng)部分之間。在研磨加工的過程中，拋光墊3、轂部10以及基座26一起繞中心豎直軸線28轉(zhuǎn)動。
拋光機的不轉(zhuǎn)動的轂部9鄰近轂部10位于其上。在操作的過程中，不轉(zhuǎn)動的轂部9固定在懸掛臂8上。
圖3更詳細地示出了光學傳感器25。光學傳感器25包括光源35、檢測器36、反射表面37(其可以是棱鏡、鏡子、或者其它光學反射部件)、以及導(dǎo)電帶11。導(dǎo)電帶11包括層疊在一起的大體平行的多個導(dǎo)體，從而對光源35供電并且將檢測器36的電輸出信號引導(dǎo)至中心開口23。優(yōu)選地，光源35和檢測器36是匹配的一對。大體上，光源35是發(fā)光二極管，而檢測器36是光電二極管。由光源35發(fā)出的光束的中心軸線最初水平指向，但是在到達反射表面37之后，光線被再次向上指向從而觸擊所拋光的表面并從其反射。反射的光線被反射表面37重新指向，從而反射的光線照射在檢測器36上，所述檢測器產(chǎn)生與照射在其上的光線的強度相關(guān)的電信號。選擇如圖3所示的結(jié)構(gòu)以最小化傳感器的高度。反射表面37可以被省略，而作為替代，可使用如圖4的側(cè)視圖所示的結(jié)構(gòu)。
光學部件以及導(dǎo)電帶11的端部可被封裝為薄盤38的形式，其尺寸設(shè)置成緊密配合在圖2的盲孔24中。注意，在圖3和圖4的結(jié)構(gòu)中，可使用隔板以減少非反射光線到達檢測器36的量。在導(dǎo)電帶11中包括三種導(dǎo)體電源導(dǎo)體39、信號導(dǎo)體40、以及一個或多個回流導(dǎo)體或接地導(dǎo)體41。
圖5說明了采用電感耦合器的電子組件轂部。電源導(dǎo)體39鄰近拋光墊3的中心開口23端接于電源插頭48，而信號導(dǎo)體40同樣端接于信號插頭49。在轂部10被插入中心開口23中時，電源插頭48與電源插座50電接觸，而信號插頭49與信號插座51電接觸。O形密封環(huán)52防止拋光加工中所使用的液體接觸插頭和插座。密封環(huán)53設(shè)置在基座26中以進一步確保轂部中的電子電路保持不受污染。
由檢測器產(chǎn)生并與光學特性有關(guān)的電信號通過導(dǎo)體54從信號插座51輸送至信號處理電路55，該信號處理電路55依據(jù)電信號在導(dǎo)體56上產(chǎn)生代表光學特性的處理過的信號。導(dǎo)體56上處理過的信號然后被施加至發(fā)射器57。
信號從轉(zhuǎn)動轂部10傳遞至不轉(zhuǎn)動的轂部9的過程被稱為電感耦合或RF耦合。整個組件可被稱為電感耦合器或RF耦合器。
發(fā)射器57將時變電流施加至變壓器(transformer)的主繞組58，其中所述主繞組58產(chǎn)生表示所述處理過的信號的變化的磁場59。磁場59向上延伸透過轂部10的頂部并且被變壓器的副繞組60截獲，其中所述副繞組60位于拋光機的鄰近的不轉(zhuǎn)動的部分9上或者位于某些其它不轉(zhuǎn)動的物體上。變化的磁場59在副繞組60中感應(yīng)出電流，該電流施加至接收器61，其中所述接收器61在端子62處產(chǎn)生代表光學特性的信號。該信號然后可由外部電路利用以便實現(xiàn)諸如監(jiān)控拋光操作的過程或者確定拋光加工的終點是否已經(jīng)到達的目的。
相似的技術(shù)可被用來將電能從拋光機的相鄰的不轉(zhuǎn)動的部分9傳輸至轉(zhuǎn)動轂部10。不轉(zhuǎn)動的部分9上的主電源63將電流施加至變壓器的主繞組64，其中所述主繞組64產(chǎn)生向下延伸透過轂部10的頂部的磁場65，并且該磁場由副繞組66截獲，其中變化的磁場感應(yīng)出電流，該電流被施加至電能接收器電路67。電能接收器67在導(dǎo)體68上施加電能并傳輸至電源插座50，從所述電源插座處，電能被傳導(dǎo)經(jīng)過電源插頭48以及電源導(dǎo)體39到達光源。電能接收器67還經(jīng)由導(dǎo)體69對信號處理電路55供電，并且經(jīng)由導(dǎo)體70對發(fā)射器57供電。因而，用于操作LED的電能還可通過感應(yīng)耦合的方式提供。
繞組58是與繞組66相同的繞組，并且繞組60是與繞組64相同的繞組。可選地，各繞組可以是不同的。重疊的電源部件和信號部件是處于不同的頻率范圍并且由濾波的方式隔離。
圖6至圖8示出了其它的技術(shù)，用于將信號從轉(zhuǎn)動的轂部10傳輸至拋光機的不轉(zhuǎn)動的轂部9，并且將電能從不轉(zhuǎn)動的轂部9傳輸進入轉(zhuǎn)動的轂部10。
圖6示出了發(fā)射器57，其進一步包括調(diào)制器75，其中所述調(diào)制器將頻率調(diào)制后的電流施加至發(fā)光二極管或激光二極管76，其中所述頻率調(diào)制后的電流體現(xiàn)了表示光學特性的處理后的信號。發(fā)光二極管76發(fā)出光波77，其中所述光波77由透鏡78聚焦在光電二極管檢測器79上。檢測器79將光波77轉(zhuǎn)換成電信號，該電信號在接收器80中被解調(diào)以在端子62處產(chǎn)生代表光學特性的電信號。
主電源是電池81，其對配電電路82供電，所述配電電路反過來向電源插座50、信號處理電路55、以及發(fā)射器電路57配電。在圖7中，發(fā)射器57是無線電發(fā)射器，其包括天線87，其中所述天線發(fā)射無線電波88穿過轂部9的頂部。無線電波88由天線89截獲并且由接收器90解調(diào)以在端子62處產(chǎn)生代表光學特性的電信號。
通過磁電機(magneto)產(chǎn)生電能，其中所述磁電機包括永磁體91，其位于不轉(zhuǎn)動的部分9中；以及感應(yīng)器(感應(yīng)線圈)92，其中在感應(yīng)器92旋轉(zhuǎn)經(jīng)過永磁體91時，永磁體91的磁場感應(yīng)出電流。感應(yīng)出的電流由電源電路93整流和濾波，并且然后由配電電路94分配。
在圖8中，發(fā)射器57還包括功率放大器100，其驅(qū)動揚聲器101，所述揚聲器產(chǎn)生聲波102。聲波102由位于拋光機的不轉(zhuǎn)動的部分9中的傳聲器103拾取。傳聲器103產(chǎn)生施加至接收器104的電信號，其中所述接收器104反過來在端子62處產(chǎn)生代表光學特性的電信號。
通過太陽能電池或太陽能電池板105響應(yīng)于光線106而在轉(zhuǎn)動轂部10中產(chǎn)生電能，其中所述光線106通過位于不轉(zhuǎn)動的部分9中的光源107施加至太陽能電池板105上。太陽能電池板105的電輸出通過轉(zhuǎn)換器108被轉(zhuǎn)換成適合的電壓，并且如果需要的話，被施加至配電電路94。
圖9至圖16示出了轂部插入組件和光-電插入組件25。這些圖還說明了將扣環(huán)(可拆卸地連接電子組件轂部)和光-電組件密封在拋光墊中的方法。在這些圖中所示的拋光墊3是工業(yè)上可購的傳統(tǒng)的拋光墊，例如由Rodel公司生產(chǎn)的IC 1000型號的拋光墊。該型號的拋光墊包括兩層0.045英寸厚的聚氨酯泡沫，它們以面對面的方式由0.007英寸厚的粘合劑層粘結(jié)。然而，它們每個已經(jīng)被調(diào)整以允許導(dǎo)電帶11、扣環(huán)114和光學組件25安置在墊中。
圖9示出了模制的插入件的剖視圖，所述插入件包括扣環(huán)114，其用于將電子組件轂部10固定在拋光墊3的中心開口中?？郗h(huán)114安置在拋光墊3的中心開口23中。向內(nèi)延伸的凸緣115或套環(huán)在扣環(huán)114中切出，從而電子組件轂部10將穩(wěn)固鎖扣就位。導(dǎo)銷孔116接收電子組件轂部的導(dǎo)銷117以有助于確保電子組件轂部10的準確對正?？郗h(huán)借助于粘合劑或者借助于隨后干燥和固化的液體聚氨酯而密封在拋光墊3中。電子組件轂部10包括圍繞其底部區(qū)段119設(shè)置的凸緣或脊118。該凸緣118的尺寸設(shè)置成提供與模制的插入件的扣環(huán)114的可釋放的配合。
導(dǎo)電帶11在光學組件25與電子組件轂部10之間傳輸電信號和電力。帶11的終端設(shè)置在轂部接收開口120的底部中的接觸墊126上。接觸墊設(shè)有用于與設(shè)置在轂部10上的匹配觸頭122建立電接觸的觸頭。觸頭122優(yōu)選是彈簧加載式或彈簧推壓式觸頭(例如彈簧銷)。觸頭可設(shè)置成冗余組。如圖所示，在該視圖中可見在組中設(shè)置三個觸頭。
扣環(huán)組件114優(yōu)選與拋光墊3共平面，從而多個墊可容易地以彼此上下的方式堆疊在一起。
圖10示出了扣環(huán)114的俯視圖?？郗h(huán)114的圓形唇部、導(dǎo)銷孔116、以及導(dǎo)電帶11與圖9中所示的相同。在該圖中還示出設(shè)置在接觸墊126上的三種電觸頭。更具體地講，這三種觸頭是用于電源傳導(dǎo)(觸頭123)、信號傳導(dǎo)(觸頭124)以及公共地(觸頭125)，所有這些觸頭是位于接觸墊126上。接觸墊126設(shè)置在扣環(huán)組件的內(nèi)側(cè)表面的底部上。
電子組件轂部將在扣環(huán)114的唇部115中鎖扣就位。轂部的各觸頭與接觸墊126的對應(yīng)觸頭的準確的對正是由導(dǎo)銷117來確保。因而，當轂部在扣環(huán)中固定后，轂部的觸頭與接觸墊126的觸頭123、124、125建立電接觸。
圖11和圖12示出了光學傳感器25的剖視圖以及將光學傳感器25固定在拋光墊3中的光學端口2中的方法。在拋光墊中產(chǎn)生開口或孔143。開口143必須大到足以容納光學傳感器25。光學傳感器25被安置在光學組件盤(puck)中，從而其可容易地設(shè)置在開口中。盤的尺寸和大小被設(shè)置成盤面向晶片的表面大致與拋光墊的表面平齊(盤的表面與墊的表面相差0.015英寸或更小)。開口鄰近拋光墊3的上側(cè)表面144和下側(cè)表面145的各部分從開口徑向向外延伸一短距離。這與墊的邊界形成卷筒形的空出區(qū)域。
在上側(cè)層147的下側(cè)形成通道以容納用于從電子組件轂部10向光學傳感器25傳輸電力和信號的導(dǎo)電帶11。導(dǎo)電帶11可擠入大體由粘合劑層148所占據(jù)的空間，其中所述粘合劑層148將拋光墊的上側(cè)層147固定在拋光墊的下側(cè)層149上?？蛇x地，導(dǎo)線帶11可位于粘合劑層148之上或之下。
在開口143已經(jīng)在拋光墊3中形成后，光學傳感器25和其導(dǎo)電帶11被嵌入它們各自的位置中，在那里它們通過由聚氨酯組成的墊片或通過上側(cè)層147和下側(cè)層149的對應(yīng)部分被支承和保持就位。
此后，組件被放在夾具中，所述夾具包括平坦的、非粘性的表面155和156。非粘性表面155和156與上側(cè)墊表面144和下側(cè)墊表面145接觸，并且壓在一起。
接著，液體聚氨酯通過注射器157注射穿過下側(cè)模板(moldplate)159中的通道158并且進入緊鄰包圍光學傳感器25的空出區(qū)域，直至所注射的聚氨酯開始經(jīng)由上側(cè)模板161的排出通道160流出。在注射的過程中，稍微沿順時針方向傾斜組件是有幫助的，從而液體被注射到空出區(qū)域的最低位置點，并且排出通道160處于最高位置點。以這種方式傾斜組件防止空氣在空出區(qū)域中被捕獲。
所注射的聚氨酯162位于光學傳感器25的正上方，用作為窗，所述光學傳感器25可透過所述窗看見晶片的下側(cè)，其中所述晶片安放在上側(cè)層147的頂部。液體聚氨酯是這樣一種類型的聚氨酯，其在固化之后是光學透明的。因為這種類型的聚氨酯在化學特性上與拋光墊3的聚氨酯類似，所以其與拋光墊3的材料形成耐用的、防液體的連接。
扣環(huán)組件可嵌入到墊中，如圖9所示，或者利用注射模制工藝與墊一體形成。如圖13和14所示，包括上側(cè)墊層147、下側(cè)墊層149以及粘合劑層148的墊3已經(jīng)被沖壓和切割以為光學傳感器、帶形電纜以及電極墊提供空出區(qū)域168。帶形電纜11、接觸墊和光學傳感器25安放在墊中的相應(yīng)空出區(qū)域中，并且扣環(huán)轂部模制件可嵌入轂部開口中。電極墊可利用弱壓敏粘合劑(粘性膠)膠合在扣環(huán)模制件169上。
如圖13所示，上側(cè)模基座172和下側(cè)?；?73分別被壓靠在拋光墊的上側(cè)層147和下側(cè)層149上。然后，聚氨酯或其它可注射的塑料被注射穿過注射端口174，并且聚氨酯填充空出區(qū)域。在板之間的空出區(qū)域被充滿后，液體聚氨酯162將經(jīng)由排出口175流出，并且表明注射過程完成。如圖14所示，所注射的聚氨酯176形成扣環(huán)組件，并且填充帶形電纜通道以及光學傳感器組件開口。所注射的聚氨酯密封并且連接扣環(huán)114與光學插入件25之間的整個長度的空出區(qū)域，并且所述聚氨酯將帶形電纜和傳感器組件在墊中鎖定就位。
該過程可通過以下方式完成，即通過設(shè)置轂部開口的尺寸稍微大于扣環(huán)插入件而如圖9和圖10使用扣環(huán)插入件，并且使用所注射的聚氨酯以將扣環(huán)插入件固定在墊上。
圖15示出了安裝在CMP系統(tǒng)中的整個拋光墊3的詳細視圖，其中利用了圖13和14所示的墊結(jié)構(gòu)。墊包括上側(cè)墊層147、下側(cè)墊層149、粘合劑層148、注射的聚氨酯176、導(dǎo)電帶11、光學傳感器25，如之前的圖中所示那樣。墊安放在臺板18上。電子組件轂部10被嵌入到扣環(huán)中，從而彈簧銷電觸頭137與電極墊的電極接觸。不轉(zhuǎn)動的接收轂部9從懸掛臂8懸置在轉(zhuǎn)動的電子組件轂部10上方。轉(zhuǎn)動的電子組件轂部中的電子器件可以是如圖5至8中所示的電子器件，這些電子器件在這些圖中位于由附圖標記10表示的線框中，而不轉(zhuǎn)動的接收轂部9將容納位于由附圖標記9表示的線框中的對應(yīng)的電子器件。在長期使用之后，墊將被消耗并且可以被取出并拋棄。新的墊可安放在臺板上，并且轉(zhuǎn)動的轂部可嵌入在新的墊的扣環(huán)中。
圖16示出了當光線入射在位于晶片前側(cè)上的薄層材料上時所選擇的波長的光線190的特性。晶片4被顯著放大以說明在晶片的前側(cè)191上建立的兩個最外層。第一最外層192覆蓋第二層193。每層可具有大約30微米或者更小的厚度，該厚度通常在大約10微米與大約1000埃(大約1微米的1/10)之間，并且多個附加的層可設(shè)置在第一和第二層之下。在拋光加工的過程中，第一層被拋光以部分地或完全地除去該層。為了確定已經(jīng)去除了第一層的量，所選擇波長的光線190從光源35射出并以相對于光學傳感器盤(光學組件盤)的軸線的固定角度射向晶片的前側(cè)。反射的光線被檢測器36檢測到。光源和光線檢測器這兩者安置在光學傳感器盤中，而光學傳感器盤可整個安置在拋光墊中。從晶片反射的光線的強度傳輸關(guān)于拋光過程中所去除材料的量的信息。(光線的波長被選擇成光線的一部分將穿透薄層材料。對于多種層的材料而言，例如硅、二氧化硅、銅和其它材料，所選擇的波長是在大約300納米(藍光)或更小至大約1500納米(紅外光)或更大的范圍內(nèi)。在盤的軸線與光源軸線之間測量，入射角和反射角固定在大約0度與70度之間，優(yōu)選大約5度。)在光線190指向晶片的前側(cè)時，光線的一部分194從晶片的表面反射，而光線的一部分195透過該表面并透過第一層材料192。光線的一部分195從第二層193的表面反射并且透過第一層192射出。光線部分194和光線部分195在到達檢測器之前結(jié)合在一起。因為光線部分195的行程距離比光線部分194的更大，所以從第一層192的表面反射的光線(光線部分194)以及從第二層193的表面反射的光線(光線部分195)可以具有不同的相位。依據(jù)光線部分194與195之間的相對相位，這兩個光線部分相長地或相消地彼此相互干涉，因而分別使得所檢測的光線強度更大或更小。
隨著第一層192被去除，光線部分195相對于光線部分194的行程距離發(fā)生改變，因而改變它們之間的相位關(guān)系。結(jié)果，在第一層被去除時，所檢測的光線的強度發(fā)生改變。因為在該層被去除時這兩個光線之間的相移反復(fù)在0度與90度之間變化，所以所檢測的光線的強度大致按正弦規(guī)律變化。
圖17是曲線圖，其示出了在第一層材料從晶片被去除時，所檢測的光線隨時間變化的強度。(所反射的光線的強度同層的厚度相關(guān)，并且隨著層的厚度以正弦規(guī)律變化。層的厚度隨著拋光的時間而變化。)在光線部分194和光線部分195相長地彼此相互干涉時，所檢測的光線的密度處于波峰200。在光線部分194和光線部分195完全相消地彼此相互干涉時，所檢測的光線的強度處于波谷201。
為了在拋光的過程中檢測所去除的材料的量，曲線必須被校準。為了校準該正弦曲線，外側(cè)層的絕對厚度首先通過光譜反射法、橢圓率測量法、或者用于測量絕對厚度的其它方法而被測量。(這些方法可以利用各種不同的供貨商提供的設(shè)備來完成。這種設(shè)備是相對體積龐大、費用高昂或精密的，并且漿料和拋光加工的其它因素影響折射率和層厚度的精確測量。因而，這些用于測量層厚度的其它方法并不適于在拋光的過程中用在拋光墊中或者在批量生產(chǎn)中使用)接著，所反射的光線信號的強度由光學傳感器25測量。然后，檢測晶片的外側(cè)層被拋光，直至正弦曲線的一個或多個波長被測量或觀察到。因而，如果所反射的光線的最初強度處于波峰或波谷，則那么拋光晶片直至測量到第二或隨后的波峰或波谷。如果所反射的光線信號的最初強度位于正弦曲線的某些其它位置點，則然后拋光晶片直至兩次或多次測量到相同強度的位置點。然后停止拋光加工，并且再次測量外側(cè)層的絕對厚度。
層厚度的兩次測量之差是層厚度的最初改變。但是僅僅如果在相同類型的晶片上(或外側(cè)晶片層上)采用相同的拋光加工并且如果采用相同波長的入射光，則層厚度的最初改變同樣由沿正弦曲線的一個波長表示?？梢越y(tǒng)計沿曲線的多個波長，在這種情況中，層厚度的總的改變等于所測量到的波長的數(shù)量乘以層厚度的最初改變值。
為了方便，通過在拋光加工過程中統(tǒng)計所測量的波峰或波谷的數(shù)量，可以容易地統(tǒng)計出沿正弦曲線的波長。因為波峰或波谷可被認為是正弦曲線上的節(jié)點，所以測量層厚度的這種過程可被稱為統(tǒng)計節(jié)點的過程。(術(shù)語統(tǒng)計節(jié)點指的是沿正弦反射曲線統(tǒng)計波長的過程，并且不限于僅僅統(tǒng)計波峰和波谷。)例如，晶片的外側(cè)層的厚度利用橢圓率測量法測量為10000埃(1微米)。利用特定的加工來拋光該層直至測量到正弦曲線上的一個波長。在拋光之后，該層的厚度利用橢圓率測量法測量為8000埃。因而，正弦曲線上的峰值之間的距離(一個波長)對應(yīng)于層厚度的改變，等于2000埃。如果層的最終期望的厚度是4000埃，則拋光該層直至統(tǒng)計到總共3個波長(代表6000埃的去除材料)，在該位置點，拋光加工達到其終點。
這種方法也可被用來連續(xù)測量層厚度的較小改變。沿正弦曲線的波長的一小部分等于所拋光層的厚度改變的對應(yīng)的一小部分。接上例，波長的1/2(由箭頭“X”所示的峰峰距離)代表等于1000埃的層厚度的改變。因而，如果晶片被再次拋光并且沿正弦曲線的另一半波長被測量到，則然后，最終的層厚度將是3000埃。因為波長的各小部分可以被統(tǒng)計，所以可以實現(xiàn)節(jié)點統(tǒng)計以現(xiàn)場測量層厚度的非常小的改變。
在曲線的波長隨著加工的時間變化并且在不同的波長代表所去除的材料的不同的量的情況下，有必要在沿曲線的多個位置點或針對多個波長校準正弦曲線。因而，如圖17所示，在沿箭頭“X”所示的距離不等于沿箭頭“Y”所示的距離時，那么必須校準更多的正弦曲線。另外，可以在沿正弦曲線上的任意多個位置點測量層的絕對厚度以增加校準曲線的準確性。如果正弦曲線遭受到噪音干擾，如圖17所示的正弦曲線中的變動，則這么做是有必要的。
設(shè)置處理器和軟件以根據(jù)上述方法在反射的光線的強度的變化與層厚度的變化之間建立聯(lián)系?？稍O(shè)置顯示器以顯示拋光加工的進度?？梢栽O(shè)置諸如計算機硬件和軟件的控制系統(tǒng)以調(diào)整拋光加工，或者響應(yīng)于層厚度的改變而減慢、停止或改變拋光的速度。因而，控制系統(tǒng)可使得在鄰近終點時減慢拋光并且在到達終點時停止拋光。(控制系統(tǒng)可以依據(jù)隨時間而變化的層厚度控制拋光加工的任何方面。)應(yīng)該注意的是，各種不同的組合可用于各種不同的發(fā)明中。例如，所述與電感耦合器和其它非接觸耦合器相連的可拆卸的轂部的實施例還可與滑環(huán)和其它接觸耦合器一起使用。盡管已經(jīng)說明使用聚氨酯用于注射和用于注射的密封層，但是可使用其它材料，只要它們在多個插入件與墊之間提供顯著的粘合與密封。另外，盡管已經(jīng)結(jié)合光學傳感器說明了墊結(jié)構(gòu)，但是電傳感器、熱傳感器、電阻傳感器和其它傳感器可以作為替代使用，并且模制和可拆卸的轂部的優(yōu)點仍將獲得。
另外，可以產(chǎn)生正弦反射曲線的庫以在生產(chǎn)過程中節(jié)約時間。每條曲線將對于特定晶片上的特定加工是相同的。因而，在用公知的加工方法拋光公知的類型的晶片時，其中已經(jīng)針對公知的加工方法建立了校準曲線，可以跳過校準步驟。另外，可以通過針對在整個拋光加工中所統(tǒng)計的每個波長測量每個所去除的層的絕對厚度而進一步重新限定每個反射曲線。因而，針對拋光加工的整個過程校準曲線將是精確的(不考慮反射率、層的材料或者加工參數(shù)的變化)。因而，盡管已經(jīng)參照裝置和方法所應(yīng)用的環(huán)境說明了裝置和方法的優(yōu)選實施例，但是它們僅僅是示意性示出了本發(fā)明的原理。在不脫離本發(fā)明的精神和權(quán)利要求書的范圍的前提下，可以作出其它實施例和結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種拋光位于晶片上的材料層并且同時檢測所述層的厚度變化的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括適于拋光所述層的拋光墊；安置在所述拋光墊中的傳感器組件，其中所述傳感器組件包含光源，其適于發(fā)出已知波長的光線；光線檢測器，其適于檢測入射在所述光線檢測器上的光線的強度；以及光學組件盤，所述光源和所述光線檢測器包含在所述光學組件盤中，而所述光學組件盤可透過預(yù)定波長的光線；用于向所述光源和所述光線檢測器輸電的裝置，所述用于輸電的裝置操作性連接至所述傳感器組件；以及操作性連接至所述光線檢測器的處理器，在拋光的過程中，入射在所述光線檢測器上的光線的強度根據(jù)拋光的時間以正弦規(guī)律變化，所述處理器被編程以測量代表所檢測的信號隨時間而變化的強度的正弦曲線，而所述處理器進一步被編程以測量所述正弦曲線的波長。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括控制系統(tǒng)，其操作性連接至所述處理器和用于拋光所述晶片的裝置，所述控制系統(tǒng)適于在所述處理器測量所述正弦信號的預(yù)定波長時控制拋光的速度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光學組件盤包括從所述墊面向外的外側(cè)表面，并且所述拋光墊包括適于面向所述晶片的外側(cè)表面，并且所述光學組件盤的外側(cè)表面與所述拋光墊的外側(cè)表面大致平齊。
4.一種拋光位于晶片上的材料層并且同時檢測所述層的厚度變化的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括適于拋光所述層的拋光墊；安置在所述拋光墊中的傳感器組件，所述傳感器組件包含光源，其適于發(fā)出已知波長的光線；光線檢測器，其適于檢測入射在所述光線檢測器上的光線的強度，以及用于將入射在所述檢測器上的光線的強度轉(zhuǎn)換成與所述光線的強度對應(yīng)的電信號的裝置；以及光學組件盤，所述光源和所述光線檢測器包含在所述光學組件盤中，而所述光學組件盤可透過預(yù)定波長的光線；用于向所述光源和所述光線檢測器輸電的裝置，所述用于輸電的裝置操作性連接至所述傳感器組件；用于向處理器輸送電信號的裝置，所述用于輸送電信號的裝置操作性連接至所述傳感器組件；其中，所述處理器被編程以便在所述電信號的變化與所述層的厚度的變化之間建立聯(lián)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括控制系統(tǒng)，其操作性連接至所述處理器和用于拋光所述晶片的裝置，所述控制系統(tǒng)可響應(yīng)于所述層的厚度的變化而調(diào)整拋光的速度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光學組件盤包括從所述墊面向外的外側(cè)表面，而所述拋光墊包括適于面向所述晶片的外側(cè)表面，并且所述光學組件盤的外側(cè)表面與所述拋光墊的外側(cè)表面大致平齊。
7.一種通過拋光工藝拋光位于第一晶片上的材料層并且同時檢測所述層的厚度的方法，所述方法包括以下步驟測量所述層的第一厚度；將已知波長的光線指向所述層的表面，其中所述光線是由光源發(fā)出；之后，利用所述拋光工藝拋光所述層，同時利用光線檢測器測量從所述層反射的光線的強度，繼續(xù)進行拋光，直至測量到第一正弦曲線的預(yù)定波長，所述第一正弦曲線代表所反射的光線隨拋光時間變化的強度；之后，測量所述晶片的第二厚度；并且結(jié)合所述第一厚度和所述第二厚度以計算出所述層的厚度的第一改變值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，還包括通過在所述層的厚度的第一改變值與所述第一正弦曲線的預(yù)定波長之間建立聯(lián)系而校準所述正弦曲線的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一正弦曲線的預(yù)定波長所占比率對應(yīng)于所述層的厚度的總改變值，即所述總改變值等于所述比率乘以所述層的厚度的第一改變值。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟提供第二晶片，所述第二晶片具有與所述第一晶片相同的結(jié)構(gòu)，所述第二晶片的特征在于位于所述第二晶片上的材料層；利用所述拋光工藝拋光所述第二晶片的層；將所述光線指向所述第二晶片的層的表面；在所述第二晶片的層被拋光時，測量從所述第二晶片的層反射的光線的強度，所述反射的光線的強度隨拋光所述第二晶片的時間的改變被繪成第二正弦曲線，所述第二正弦曲線大致等于所述第一正弦曲線；在第二晶片的層的厚度改變與所述第一正弦曲線的波長的預(yù)定改變之間建立聯(lián)系。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟提供第二晶片，所述第二晶片具有與所述第一晶片相同的結(jié)構(gòu)，所述第二晶片包括位于所述第二晶片上的材料層；利用所述拋光工藝拋光所述第二晶片的層；將所述已知波長的光線指向所述第二晶片的層的表面上；在所述第二晶片的層被拋光時，測量從所述第二晶片的層反射的光線的強度，從所述第二晶片反射的光線的強度隨拋光時間的改變被繪成第二正弦曲線，所述第二正弦曲線大致等于所述第一正弦曲線；并且通過在加工的過程中統(tǒng)計在第二正弦曲線上所測量的預(yù)定波長的數(shù)量并且通過將所測量的預(yù)定波長的數(shù)量乘以厚度的第一改變值而計算出所述第二晶片的層的厚度的改變值。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述光源和所述光線檢測器設(shè)置在位于所述拋光墊中的光學組件盤中。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述光源和所述光線檢測器設(shè)置在位于所述拋光墊中的光學組件盤中。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述光源和所述光線檢測器設(shè)置在位于所述拋光墊中的光學組件盤中。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述光源和所述光線檢測器設(shè)置在位于所述拋光墊中的光學組件盤中。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述光源和所述光線檢測器設(shè)置在位于所述拋光墊中的光學組件盤中。
全文摘要
公開了一種拋光位于晶片上的材料層并同時測量所述層的厚度變換的方法。光線從位于拋光墊中的光學傳感器指向所述晶片的表面。反射光線的強度由同樣位于拋光墊中的光線檢測器測量。在去除所述層時，反射的光線的強度隨著層厚度的變化以正弦規(guī)律變化。通過在沿正弦曲線的兩個或多個位置點測量層的絕對厚度，校準所述正弦曲線，從而曲線的波長的一部分對應(yīng)于層的厚度的變化。
文檔編號B24B49/12GK1929952SQ200580007089
公開日2007年3月14日 申請日期2005年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月8日
發(fā)明者艾麗斯·M·達爾林普爾, 羅伯特·J·霍瑞爾 申請人:斯特拉斯保