使用改良型摩擦測量的基板拋光端點檢測的系統(tǒng)與方法
【專利摘要】本發(fā)明提供拋光基板的方法、裝置及系統(tǒng)。本發(fā)明包括上部平臺；耦接至上部平臺的扭矩/應(yīng)變測量儀；以及耦接至扭矩/應(yīng)變測量儀并適于經(jīng)由扭矩/應(yīng)變測量儀驅(qū)動上部平臺旋轉(zhuǎn)的下部平臺。在其他實施例中，本發(fā)明包括上部托架、耦接至上部托架的側(cè)向力測量儀及耦接至側(cè)向力測量儀并適于支撐拋光頭的下部托架。本發(fā)明揭示多個額外方面。
【專利說明】使用改良型摩擦測量的基板拋光端點檢測的系統(tǒng)與方法
[0001]本發(fā)明與2011年 11 月 16 日申請的標(biāo)題為“SYSTEMS AND METHODS FOR SUBSTRATEPOLISHING END POINT DETECTION USING IMPROVED FRICTION MEASUREMENT (使用改良型摩擦測量的基板拋光端點檢測的系統(tǒng)與方法)”的美國臨時專利申請案第61/560，793號及2012年4月27日申請的美國專利申請案第13/459,071號相關(guān)，并主張這些專利申請案的優(yōu)先權(quán)，這些專利案每一個的全文以引用的方式并入本文中。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明大體是關(guān)于電子設(shè)備制造，更特定言之是針對半導(dǎo)體基板拋光系統(tǒng)與方法。
【背景技術(shù)】
[0003]基板拋光端點檢測方法可利用抵靠拋光頭內(nèi)所固定的基板旋轉(zhuǎn)拋光墊所需扭矩的估計值來確定何時已經(jīng)移除充足的基板材料?，F(xiàn)有基板拋光系統(tǒng)通常利用來自致動器的電信號(如馬達(dá)電流)來估計抵靠基板旋轉(zhuǎn)拋光墊所需的扭矩量。本發(fā)明
【發(fā)明者】已經(jīng)確定，此等方法在一些情況下可能無法足夠精確且持續(xù)地確定何時已達(dá)端點。因此，在基板拋光端點檢測領(lǐng)域中仍需改良。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供拋光基板的方法及裝置。在一些實施例中，該裝置包括上部平臺；彈性地耦接至上部平臺的扭矩/應(yīng)變測量儀；及耦接至扭矩/應(yīng)變測量儀的下部平臺。通過致動器驅(qū)動的下部平臺經(jīng)由扭矩/應(yīng)變測量儀驅(qū)動上部平臺。
[0005]在一些其他實施例中，提供一種用于基板的化學(xué)機械平坦化處理的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括附裝至上部平臺的拋光墊；以及適于抵靠此拋光墊固定及旋轉(zhuǎn)基板的基板載體。拋光平臺組件包括上部平臺；彈性地耦接至上部平臺的扭矩/應(yīng)變測量儀；以及耦接至扭矩/應(yīng)變測量儀并適于經(jīng)由扭矩/應(yīng)變測量儀驅(qū)動上部平臺旋轉(zhuǎn)的下部平臺。
[0006]在另一些實施例中，提供一種拋光基板的方法。該方法包括以下步驟:經(jīng)由扭矩/應(yīng)變測量儀將下部平臺耦接至上部平臺，該上部平臺適于固定拋光墊；旋轉(zhuǎn)下部平臺以驅(qū)動上部平臺；使固定基板的拋光頭壓靠在上部平臺的拋光墊上；以及測量當(dāng)拋光基板時旋轉(zhuǎn)上部平臺所需的扭矩量。
[0007]在又一些實施例中，提供一種拋光基板的裝置。該裝置包括上部托架；耦接至上部托架的側(cè)向力測量儀；及耦接至側(cè)向力測量儀并適于支撐拋光頭的下部托架。
[0008]在一些其他實施例中，提供一種用于基板的化學(xué)機械平坦化處理的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括適于固定基板的拋光頭組件；以及適于抵靠拋光頭中所固定的基板固定及旋轉(zhuǎn)拋光墊的拋光墊支撐，該拋光頭組件包括:上部托架；耦接至上部托架的側(cè)向力測量儀；耦接至側(cè)向力測量儀的下部托架；以及耦接至下部托架并適于固定基板的拋光頭。
[0009]在另一些實施例中，提供一種拋光基板的方法。該方法包括以下步驟:旋轉(zhuǎn)支撐拋光墊的平臺；經(jīng)由側(cè)向力測量儀將上部托架耦接至下部托架，該下部托架適于支撐適于固定基板的拋光頭；將固定基板的拋光頭壓靠在平臺上的拋光墊上；以及測量當(dāng)拋光基板時基板上的側(cè)向力大小。
[0010]在其他實施例中，提供一種拋光基板的裝置。該裝置包括:上部托架；耦接至上部托架的位移測量儀；以及耦接至位移測量儀并適合支撐拋光頭的下部托架。
[0011]提供許多其他方面。藉助以下詳細(xì)說明、隨附權(quán)利要求書及附圖，可更清楚地了解本發(fā)明的其他特征及方面。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為根據(jù)本發(fā)明的實施例的基板拋光系統(tǒng)的平臺旋轉(zhuǎn)部分的側(cè)視圖。
[0013]圖2A為根據(jù)本發(fā)明第一實施例的基板拋光系統(tǒng)的平臺旋轉(zhuǎn)部分的剖面圖。
[0014]圖2B為根據(jù)本發(fā)明第二實施例的基板拋光系統(tǒng)的平臺旋轉(zhuǎn)部分的剖面圖。
[0015]圖3A為根據(jù)本發(fā)明第三實施例的基板拋光系統(tǒng)的平臺旋轉(zhuǎn)部分的剖面圖。
[0016]圖3B為根據(jù)本發(fā)明第四實施例的基板拋光系統(tǒng)的平臺旋轉(zhuǎn)部分的剖面圖。
[0017]圖3C為根據(jù)本發(fā)明第五實施例的基板拋光系統(tǒng)的平臺旋轉(zhuǎn)部分的剖面圖。
[0018]圖4為根據(jù)本發(fā)明第三、第四及第五實施例由柔性件支撐的上部平臺的俯視圖。
[0019]圖5為根據(jù)本發(fā)明第三、第四及第五實施例的柔性件示例性實施例的透視圖。
[0020]圖6為流程圖，該圖圖示根據(jù)本發(fā)明一些實施例拋光基板的示例性方法。
[0021]圖7為根據(jù)本發(fā)明的實施例使用基板拋光系統(tǒng)的實施例拋光基板時隨時間測量扭矩的實驗結(jié)果圖。
[0022]圖8A為根據(jù)本發(fā)明側(cè)向力測量實施例的基板拋光系統(tǒng)示例性拋光頭組件的側(cè)視圖。
[0023]圖SB為拋光期間位于拋光墊上的基板的俯視圖，該圖顯示根據(jù)本發(fā)明實施例拋光墊的旋轉(zhuǎn)及基板上的側(cè)向力。
[0024]圖9A是根據(jù)本發(fā)明實施例的替代基板拋光系統(tǒng)的示例性拋光頭部分的側(cè)視圖。
[0025]圖9B為拋光期間位于拋光墊上的兩個基板的俯視圖，該圖顯示根據(jù)本發(fā)明實施例拋光墊的旋轉(zhuǎn)及基板上的側(cè)向力。
[0026]圖1OA為根據(jù)本發(fā)明的第二側(cè)向力測量實施例的基板拋光系統(tǒng)拋光頭組件的剖面圖。
[0027]圖1OB為根據(jù)本發(fā)明的第三側(cè)向力測量實施例的基板拋光系統(tǒng)拋光頭組件的剖面圖。
[0028]圖1OC為根據(jù)本發(fā)明的第四側(cè)向力測量實施例的基板拋光系統(tǒng)拋光頭組件的剖面圖。
[0029]圖11為流程圖，該圖圖示根據(jù)本發(fā)明一些實施例的拋光基板的替代示例性方法?！揪唧w實施方式】
[0030]使用取自用于驅(qū)動拋光墊支撐平臺的馬達(dá)的電信號(如電流、電壓、功率等)來估計抵靠拋光頭中所固定基板旋轉(zhuǎn)拋光墊所需的扭矩量的現(xiàn)有基板拋光系統(tǒng)(如化學(xué)機械平坦化(CMP)系統(tǒng))可能在一些情況下由于許多誤差來源而不準(zhǔn)確。一些此類誤差來源包括致動器固有特性變化(如線圈及磁鐵的變化)、傳輸元件容差(如齒輪箱、皮帶、滑輪等)、軸承摩擦力及溫度變化。
[0031]本發(fā)明提供改良型方法及裝置，用于準(zhǔn)確地確定拋光系統(tǒng)中抵靠拋光頭中固定的基板旋轉(zhuǎn)拋光墊時遇到的摩擦力。本發(fā)明通過嵌入及/或鄰接支撐拋光墊的平臺增加直接扭矩及/或應(yīng)變測量儀器來提供最小化或避免上述誤差來源的方法。嵌入扭矩/應(yīng)變測量儀直接測量抵靠拋光頭中固定的基板旋轉(zhuǎn)拋光墊所需的物理量(如旋轉(zhuǎn)力或應(yīng)變的量)。移動直接嵌入及/或鄰接至拋光墊支撐平臺的測量點最小化來自傳動系統(tǒng)中的元件的誤差。
[0032]在一些實施例中，增加了一或更多個支撐，該等支撐耦接下部平臺(如，以剛性方式耦接至致動器的驅(qū)動元件)及上部平臺(如，固定拋光墊的受驅(qū)動元件)。此等支撐適于承受由旋轉(zhuǎn)下部平臺來驅(qū)動上部平臺而產(chǎn)生的推力載荷、徑向載荷及力矩載荷，但上部平臺僅有一個自由度(如旋轉(zhuǎn)方向)可相對于下部平臺移動。致動器的驅(qū)動扭矩穿過扭矩/應(yīng)變測量儀(由驅(qū)動下部平臺)傳遞至上部平臺。由于拋光頭的載荷施加于上部平臺上所固定的拋光墊上，所以扭矩/應(yīng)變測量儀可用于測量克服拋光頭載荷及維持上部平臺旋轉(zhuǎn)所需的額外扭矩。
[0033]支撐亦通過限制可施加于上部平臺及下部平臺的扭矩微分量而起到保護(hù)應(yīng)變測量設(shè)備的作用。在一些實施例中，支撐可以是例如以下類型軸承的任一組合:空氣軸承、流體軸承、磁力軸承、深槽軸承、角接觸軸承、滾柱軸承及/或錐形交叉滾柱軸承。在一些實施例中，支撐或者可以是(例如)由柔性件制成的樞軸。在一些實施例中，應(yīng)變測量設(shè)備可以是例如扭矩傳感器、嵌入桿端測力計或樞軸/柔性件上的應(yīng)變儀。一般情況下，可采用任何適宜且能實行的支撐及/或應(yīng)變測量設(shè)備。
[0034]在一些實施例中，本發(fā)明提供測量施加給拋光頭中基板的側(cè)向力的方法及裝置，而不測量嵌入及/或臨接支撐拋光墊的平臺的扭矩及/或應(yīng)變。側(cè)向力測量儀可設(shè)置于支撐拋光頭的上部托架與下部托架之間。當(dāng)拋光墊推壓拋光頭中的基板時，側(cè)向力測量儀可直接測量與介于基板與拋光墊之間的摩擦力成比例的力。與前述實施例一樣，僅允許單方向有限移動的支撐可用于承受由將基板壓至旋轉(zhuǎn)拋光墊中而產(chǎn)生的推力載荷、徑向載荷及力矩載荷。該等支撐亦可通過限制側(cè)向移動量來保護(hù)側(cè)向力測量儀。
[0035]與前述實施例一樣，側(cè)向力測量實施例的支撐可以是例如以下類型軸承的任一組合:空氣軸承、流體軸承、磁力軸承、深槽軸承、角接觸軸承、滾柱軸承及/或錐形交叉滾柱軸承。在一些實施例中，支撐或者可以是(例如)由柔性件制成的樞軸。在一些實施例中，應(yīng)變測量設(shè)備可以是例如扭矩傳感器、嵌入桿端測力計或樞軸/柔性件上的應(yīng)變儀。一般情況下，可采用任何適宜且能實行的支撐及/或應(yīng)變測量設(shè)備。
[0036]測量及監(jiān)測拋光頭中基板上的側(cè)向力以根據(jù)摩擦力相對大小的變化確定拋光端點可有利于監(jiān)測支撐拋光墊的平臺中的扭矩。舉例而言，在使用一個拋光墊同時拋光不同拋光頭中的兩個或更多個基板的化學(xué)機械平坦化系統(tǒng)中，監(jiān)測每個基板上的側(cè)向力可獨立確定何時已達(dá)到拋光端點。
[0037]轉(zhuǎn)至圖1，顯示基板拋光系統(tǒng)100的平臺旋轉(zhuǎn)部分。上部平臺102適于在CMP處理期間旋轉(zhuǎn)拋光墊101時支撐拋光墊101。上部平臺102可包括卡盤、黏著劑或其他機構(gòu)以在處理期間牢固地固定拋光墊101。上部平臺102彈性地耦接至由底板106支撐的下部平臺104，并由下部平臺104驅(qū)動。底板106亦支撐系統(tǒng)100的下述其他部分。滑輪108A耦接至下部平臺104，并經(jīng)由皮帶110耦接至滑輪108B?；?08B耦接至由支架114支撐的齒輪箱112，支架114耦接至底板106，并由底板106支撐。致動器116 (如馬達(dá))亦耦接至齒輪箱112。致動器116以電氣方式耦接至控制器118。因此，下部平臺104經(jīng)由齒輪箱112、滑輪108AU08B及皮帶110耦接至致動器116，使得致動器116可在控制器118的控制下驅(qū)動系統(tǒng)100。在一些實施例中，致動器116及固定基板122的拋光頭120(以虛線表示)均在控制器118控制下運轉(zhuǎn)及工作，控制器118可以是編程的通用計算機處理器及/或?qū)Ｓ们度胧娇刂破鳌?br> [0038]本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會了解，所示介于致動器116與下部平臺104之間的聯(lián)接僅為實例。所示元件可用許多不同布置予以替代。舉例而言，致動器116可以是直接耦接至下部平臺104的直接驅(qū)動馬達(dá)。齒輪箱112有助于將致動器116使滑輪108B旋轉(zhuǎn)的速度(如每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)，RPM)調(diào)節(jié)至適于CMP處理的速度，但在一些實施例中，可選用已適于以適宜速度運轉(zhuǎn)的致動器。因此，可采用驅(qū)動下部平臺104的任何可行方式。
[0039]在作業(yè)中，致動器116在系統(tǒng)管理器(如執(zhí)行軟件指令的控制器118、計算機處理器等)控制下驅(qū)動下部平臺104平臺以適于CMP處理的期望速度旋轉(zhuǎn)。如下文將更詳細(xì)地加以闡述，下部平臺104的旋轉(zhuǎn)引起上部平臺102旋轉(zhuǎn)，此乃因兩者之間是柔性耦接。上部平臺102上的拋光墊101是抵靠向?qū)伖鈮|101施加下向力的拋光頭120 (虛線中所示)中所固定的基板122旋轉(zhuǎn)。拋光頭120的下向力產(chǎn)生對上部平臺102的旋轉(zhuǎn)的阻力。該阻力由旋轉(zhuǎn)下部平臺104的致動器116克服。使用扭矩/應(yīng)變測量儀(圖1中未示出、但圖2中可見)來測量克服由拋光頭120引起的阻力所需的扭矩量。伴隨拋光基板122及移除材料，旋轉(zhuǎn)所受阻力的大小亦發(fā)生變化。不同材料可能具有不同摩擦系數(shù)，且視所拋光材料層而定，旋轉(zhuǎn)平臺102及104所需的扭矩量可發(fā)生變化。停止拋光的端點可能對應(yīng)于預(yù)定量的扭矩或扭矩變化，此量在扭矩/應(yīng)變測量儀上測量。在一些實施例中，旋轉(zhuǎn)平臺102及104所需的扭矩量的變化的閾限量可代表拋光處理的端點。需注意，視材料而定，端點閾值變化量可為所需扭矩量的增加或所需扭矩量的減少。下文參照圖8來闡述作為時間函數(shù)的扭矩變化的實例。
[0040]轉(zhuǎn)至圖2A，顯示基板拋光系統(tǒng)200A的實施例的部分的剖面圖。支撐202將上部平臺102支撐于下部平臺104之上。上部平臺102亦經(jīng)由聯(lián)軸器204平臺耦接至扭矩傳感器206，該扭矩傳感器206用作圖2A的實施例中的扭矩/應(yīng)變測量儀。下部平臺104由底板106上的軸承208支撐，且下部平臺104適于在底板106上的軸承208上旋轉(zhuǎn)?；?08A經(jīng)由延伸過底板106的軸210耦接至下部平臺104。在一些實施例中，支撐202及軸承208可實施為以下類型軸承的任一可行組合:空氣軸承、流體軸承、磁力軸承、深槽軸承、角接觸軸承、滾柱軸承及/或交叉滾柱軸承。舉例而言，可使用日本東京THK株式會社制造的RB系列交叉滾柱軸承。可使用密歇根州安阿伯(Ann Arbor, Michigan)NSK公司制造的雙錐形滾柱軸承?？墒褂玫聡诖敫鶌W拉赫舍弗勒科技股份公司(Schaeffler TechnologiesGmbH&C0.KG of Herzogenaurach, Germany)制造的商品名為INA的XSU系列交叉滾柱型軸承?？刹捎萌魏芜m宜且能實行的軸承。
[0041]在作業(yè)中，支撐202適于承受基板/載體與襯墊/上部平臺之間的動態(tài)交互而產(chǎn)生的推力載荷、徑向載荷及懸伸力矩載荷，但允許上部平臺102僅有一個自由度(如旋轉(zhuǎn)方向)相對于下部平臺104移動。致動器116的驅(qū)動扭矩(圖1)穿過扭矩/應(yīng)變測量儀(此情況下為扭矩傳感器206)傳遞至上部平臺102。由于拋光頭的載荷施加于上部平臺102上的拋光墊上，故扭矩傳感器206適于測量克服拋光頭載荷及驅(qū)動上部平臺102所需的額外扭矩。
[0042]轉(zhuǎn)至圖2B，顯示基板拋光系統(tǒng)200B的第二實施例的部分的剖面圖。此實施例與圖2A的系統(tǒng)200A類似，不同之處在于測力計212替代聯(lián)軸器204及扭矩傳感器206用于連接上部平臺102及下部平臺104兩者并用作扭矩/應(yīng)變測量儀。市售并可用于一些實施例中的測力計212的實例是美國俄亥俄州哥倫布市Honeywell公司制造的嵌入測力計模型。可使用其他能實行的測力計。舉例而言，在一些實施例中可使用測力計陣列。在一些實施例中，可使用在平臺102、104之間設(shè)置的多個測力計212。
[0043]轉(zhuǎn)至圖3A，圖示基板拋光系統(tǒng)300A的第三替代實施例的平臺旋轉(zhuǎn)部分的剖面圖。支撐302將上部平臺102支撐于下部平臺104之上。上部平臺102經(jīng)由聯(lián)軸器204平臺亦耦接至已耦接至下部平臺104的扭矩傳感器206，且扭矩傳感器206用作圖3A的實施例中的扭矩/應(yīng)變測量儀。在一些實施例中，支撐302可實施為例如由柔性件制成的樞軸。以下關(guān)于圖4及圖5詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的實施例的柔性件。
[0044]轉(zhuǎn)至圖3B，圖示基板拋光系統(tǒng)300B的第四替代實施例的平臺旋轉(zhuǎn)部分的剖面圖。支撐302將上部平臺102支撐于下部平臺104上并耦接至下部平臺104。然而，應(yīng)變儀304替代扭矩傳感器206耦接至支撐302，應(yīng)變儀304用作圖3B的實施例中的扭矩/應(yīng)變測量儀。可用于一些實施例中的市售的應(yīng)變儀304的實例是美國康涅狄格州斯坦福Omega公司制造的KFG系列應(yīng)變儀。可使用其他能實行的應(yīng)變儀。如在圖3A的實施例中，在一些實施例中，支撐302可實施為(例如)由柔性件制成的樞軸。以下關(guān)于圖4及圖5詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的實施例的柔性件。
[0045]轉(zhuǎn)至圖3C，圖示基板拋光系統(tǒng)300C的第五替代實施例的平臺旋轉(zhuǎn)部分的剖面圖。支撐302將上部平臺102支撐于下部平臺104上并耦接至下部平臺104。然而，測力計212替代應(yīng)變儀304耦接至平臺102及平臺104，測力計212用作圖3C的實施例中的扭矩/應(yīng)變測量儀。如上所述，可用于一些實施例中的市售的測力計212的實例是美國俄亥俄州哥倫布市Honeywell公司制造的嵌入測力計。在一些實施例中，可使用測力計陣列。可使用其他能實行的測力計。如在圖3A的實施例中，在一些實施例中，支撐302可實施為(例如)由柔性件制成的樞軸。以下關(guān)于圖4及圖5詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的實施例的柔性件。
[0046]轉(zhuǎn)至圖4，顯示上部平臺102的俯視圖，自下方支撐上部平臺102為以虛線所示的四個柔性件302的示例性布置。注意，設(shè)置柔性件，每個柔性件的縱軸經(jīng)對齊以相交于上部平臺102的旋轉(zhuǎn)中心。還需注意，雖然圖示有四個柔性件302，但亦可使用更少(如3個)或更多(如5個、6個及7個)柔性件302。
[0047]轉(zhuǎn)至圖5，顯示柔性件302的示例性實施例的透視圖。示例性柔性件302的剖面圖為工字梁型。柔性件302的相對較寬的(X尺寸)頂部和底部可包括分別用于附接至上部平臺102及下部平臺104的夾持或緊固機構(gòu)。更大體言之，適用于本發(fā)明的柔性件可包括一段在一個方向或維度上具有柔性但在所有其他方向或維度上具有剛性的材料。舉例而言，圖5中所圖示工字型柔性件302可沿介于較寬頂部及底部區(qū)域間的變薄的高度維度(Z維度)彎曲，而無法沿其他所有維度彎曲。換言之，柔性件可沿X方向及-X方向彎曲(如笛卡兒參照系所示)，但無法沿Y方向、-Y方向、Z方向或-Z方向彎曲。
[0048]可設(shè)置每一柔性件302，使得柔性維度在切線方向上與平臺102及平臺104的旋轉(zhuǎn)方向?qū)R(即垂直于半徑)。換言之，對齊柔性件302的縱向維度(例如，沿Y軸方向)以便在平臺102及平臺104的旋轉(zhuǎn)軸處相交，如圖5中所示。因此，將平臺102與平臺104耦接在一起的柔性件302容許平臺102及平臺104相對于彼此輕微移動至柔性件302變曲的程度。
[0049]在一些實施例中，柔性件302可由不銹鋼或任一種可彎曲但無可塑變形的能實行材料制成。適宜柔性件302的示例性尺寸可為:高度為約0.2cm至約IOcm(Z維度)，長度為約Icm至約30cm (Y維度)，中央薄區(qū)域?qū)挾葹榧s0.1cm至約2cm (X維度)，頂部及底部厚區(qū)域?qū)挾葹榧s0.1cm至約5cm(X維度)。在一些實施例中，柔性件302可包括介于柔性件寬維度與窄維度之間的圓弧或圓形連接部/邊緣305，如圖5中所示。該等圓弧連接部305可避免柔性件302在連接部305處疲勞。在一些實施例中，連接部305的半徑可為約0.1cm至約2cm?？墒褂闷渌嵝约牧霞?或尺寸。
[0050]如上文所述，在一些實施例中，除扭矩傳感器/測力計布置外或替代扭矩傳感器/測力計布置，可在一或更多個柔性件302上放置應(yīng)變計304并可利用柔性件302來測量介于平臺102與平臺104之間的扭矩載荷。在此實施例中，介于上部平臺102與下部平臺104之間的僅有聯(lián)軸器可為柔性件302。
[0051]在一些實施例中，或者可使用一種將上部平臺102與下部平臺104耦接在一起的彈性泡沫或黏著劑來實施樞軸。
[0052]轉(zhuǎn)回至圖3A至圖3C，在作業(yè)中，使用柔性件作為支撐302，柔性件302適于承受由旋轉(zhuǎn)下部平臺104來驅(qū)動上部平臺102而產(chǎn)生的推力載荷、徑向載荷及力矩載荷，但允許上部平臺102僅有一個自由度(如旋轉(zhuǎn)方向)相對于下部平臺104移動。應(yīng)注意，如上文所解釋，該一個自由度可受柔性件302限制。致動器108的驅(qū)動扭矩(圖1)穿過扭矩/應(yīng)變測量儀(于圖3A中為扭矩傳感器206 ;于圖3B中為應(yīng)變儀304 ;于圖3C中為測力計212)傳遞至上部平臺102。由于拋光頭的載荷施加于上部平臺102上的拋光墊上，故扭矩/應(yīng)變測量儀(于圖3A中為扭矩傳感器206 ;于圖3B中為應(yīng)變儀304 ;于圖3C中為測力計212)適于測量克服拋光頭載荷及維持上部平臺102旋轉(zhuǎn)所需的額外扭矩。
[0053]轉(zhuǎn)至圖6，提供流程圖，該圖圖示根據(jù)本發(fā)明一些實施例拋光基板的示例性方法600。下述示例性方法600可使用由電腦處理器或控制器118控制的化學(xué)機械平坦化系統(tǒng)的任一上述實施例實現(xiàn)。在一些實施例中，可采用在控制器或通用計算機處理器上執(zhí)行的軟件指令來實現(xiàn)以下方法600中所述的邏輯。在其他實施例中，該方法600的邏輯可完全在硬件中實現(xiàn)。
[0054]在步驟602中，致動器116旋轉(zhuǎn)下部平臺104以驅(qū)動上部平臺102，該上部平臺固定用于拋光基板的拋光墊。在步驟604中，使固定基板的拋光頭壓靠在上部平臺102上的拋光墊上。在用拋光墊去除材料期間，固定基板的拋光頭的下向力對平臺102及平臺104的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生阻力。在步驟606中，致動器116施加額外扭矩克服該阻力，且平臺102及平臺104相對于彼此達(dá)到穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)。在步驟608中，使用扭矩/應(yīng)變測量儀來測量該額外扭矩。例如，在一些實施例中，當(dāng)柔性件302用作支撐時，可測量相對的旋轉(zhuǎn)位移或直線位移來指示所施加的額外扭矩。在此實施例中，結(jié)合相對的旋轉(zhuǎn)位移或直線位移測量的柔性件302可提供所施加扭矩的指示。在判定步驟610中，將扭矩變化閾值與所測量扭矩進(jìn)行比較。若隨時間測量的扭矩變化量小于此扭矩變化閾值，則系統(tǒng)100繼續(xù)拋光/去除材料，并且流程返回步驟608，在該步驟中再次測量扭矩。若隨時間測量的扭矩變化量等于或高于此扭矩變化閾值，則系統(tǒng)100確定已達(dá)到此拋光端點。在其他實施例中，可測量應(yīng)變或位移并將應(yīng)變或位移與一或更多個閾值相比較。因而，在一些實施例中，可基于檢測隨時間所測量的扭矩、應(yīng)變或位移量的變化來檢測拋光處理的一或更多個階段。在一些實施例中，自上部平臺102上的拋光墊提起拋光頭中的基板。在一些實施例中，所檢測端點可能僅表不從一個材料層轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙牧蠈?，并可繼續(xù)拋光直至達(dá)到步驟612所述的最終端點。
[0055]轉(zhuǎn)至圖7，提供在拋光處理期間繪制為時間函數(shù)的扭矩的示例性曲線圖700。該圖圖示使用本發(fā)明的一實施例所達(dá)成的實驗結(jié)果。盡管顯示了一特定圖形，但該圖形僅用于說明目的，而非以任何方式對本發(fā)明的范疇加以限制。
[0056]在示例性拋光處理中，將拋光頭載荷施加至上部平臺102上的拋光墊。下部平臺104驅(qū)動上部平臺102以克服載荷的阻力。第一材料在拋光期間逐漸自基板去除，并且驅(qū)動平臺104的扭矩的趨勢保持相對穩(wěn)定。當(dāng)已清除第一材料且第一材料下面的第二材料的拋光開始時，檢測旋轉(zhuǎn)上部平臺所需扭矩的趨勢的相對較劇烈變化702。清除第一材料期間扭矩趨勢變化的數(shù)量級將取決于諸多因素，如第一及第二材料的相對硬度及/或密度，及/或與漿料的化學(xué)反應(yīng)，或類似因素；并且拋光第二材料期間所需的扭矩可小于或大于拋光第一材料期間所需的扭矩。系統(tǒng)100可辨識當(dāng)基板上第一材料與第二材料進(jìn)行轉(zhuǎn)換時旋轉(zhuǎn)上部平臺104所需扭矩的變化702，并可停止拋光(若目標(biāo)是去除第一材料并留下第二材料)。在一些實施例中，可測量測試基板在清除不同材料層期間的示例性扭矩值或變化的數(shù)據(jù)庫，并將該數(shù)據(jù)庫儲存在控制器118內(nèi)以便在生產(chǎn)處理過程中參考。
[0057]現(xiàn)轉(zhuǎn)至圖8A及圖SB，圖中顯示根據(jù)本發(fā)明替代實施例的基板拋光系統(tǒng)800的拋光頭組件實例。圖8B是拋光期間位于拋光墊101上的基板122的俯視圖，該圖顯示拋光墊101的旋轉(zhuǎn)812及基板122上的側(cè)向力814。如圖8A中所示，拋光墊101通過平臺102及平臺104支撐及旋轉(zhuǎn)，這些平臺位于固定基板122的拋光頭120下方。拋光頭120由耦接至下部托架804的芯軸802支撐。下部托架804由支撐808耦接至上部托架806。
[0058]在一些實施例中，支撐808可用柔性件302 (圖5)或各種類型的軸承(例如，諸如滾動元件軸承等線性軸承、流體軸承、磁力軸承等)實施。也可使用諸如測力計或配有反饋電路的致動器等的側(cè)向力測量儀810將下部托架804及上部托架806耦接在一起。在一些實施例中，替代側(cè)向力測量儀810(或除此側(cè)向力測量儀810之外)，可使用位移測量儀。位移測量儀可包括任意類型的距離傳感器，例如電容距離傳感器、電感距離傳感器、渦流距離傳感器、激光距離傳感器或諸如此類。因此，下部托架804與上部托架806可彈性地耦接以容許彼此沿一方向(如一個自由度)相對運動。舉例而言，對支撐808進(jìn)行布置以使支撐808在將基板122抵靠拋光墊101下推壓時可在沿圖8B中箭頭814的方向做輕微運動。因此，可由側(cè)向力測量儀810測量(或使用位移測量儀確定)在抵靠拋光墊101推擠基板122時經(jīng)由拋光墊101的旋轉(zhuǎn)812而施加給拋光頭102內(nèi)固定的基板122的力。
[0059]在一些實施例中，耦接至上部托架806與下部托架804的致動器(如線性致動器)可適于抵消通過抵靠拋光墊101下推基板122而產(chǎn)生的側(cè)向力。使用反饋電路監(jiān)測來自以上論述的傳感器的位移信號、載荷信號或應(yīng)變信號，可利用致動器為保持托架806及托架804的相對位置而消耗的能量來確定在任何給定時刻所施加的側(cè)向力的大小。保持托架相對位置所需的能量隨拋光墊與此基板之間摩擦力的變化而變化。利用來自致動器的反饋信號(如為保持托架相對位置而使用的電流量)，可確定所消耗的能量。因此，在一些實施例中，替代側(cè)向力測量儀810或位移測量儀，可使用具有反饋電路及基本傳感器的致動器來確定基板與拋光墊之間摩擦力的大小。
[0060]亦應(yīng)注意，在測量上部平臺與下部平臺之間扭矩的實施例(如圖2A至圖3C)中，耦接于這兩個平臺之間且具有反饋電路的致動器(如旋轉(zhuǎn)致動器)可用于替代扭矩測量設(shè)備。致動器及反饋電路可用于保持這兩個平臺的相對位置，且為此所消耗的能量可用于確定基板與拋光墊之間摩擦力的量。
[0061]同樣，在測量上部平臺與下部平臺之間扭矩的實施例(如圖2A至圖3C)中，替代扭矩測量或除扭矩測量之外，可測量相對位移。與托架之間位移測量的實施例一樣，平臺之間位移的位移測量儀亦可包括任意類型的距離傳感器，例如電容距離傳感器、電感距離傳感器、渦流距離傳感器、激光距離傳感器或諸如此類。
[0062]在一些實施例中，可采用減震模塊減少振動。在本發(fā)明的兩側(cè)向力測量實施例(托架之間)及扭矩測量實施例(平臺之間)中可采用減震模塊。在一些實施例中，可采用限制托架之間(及平臺之間)相對運動的范圍的硬止擋來保護(hù)感測/測量儀及提供結(jié)構(gòu)安全性。
[0063]通過監(jiān)測拋光頭120上側(cè)向力814的變化而確定拋光端點可作為測量平臺102及平臺104上扭矩的變化的理想替代方法。此方法尤其適用于化學(xué)機械平坦化系統(tǒng)800’，如圖9A及圖9B所圖不,該系統(tǒng)在同一拋光墊101上同時使用兩個或兩個以上拋光頭。舉例而言，由于同時被拋光的兩個基板122及122’可能會不同，因此，即使在同一化學(xué)機械平坦化系統(tǒng)800’上，此兩基板的拋光速率亦可能不同，期望能夠單獨監(jiān)測每一基板122及122’的拋光進(jìn)展(例如根據(jù)摩擦力的變化)。
[0064]現(xiàn)轉(zhuǎn)至圖10A、圖1OB及圖10C，該三圖圖示額外三個使用側(cè)向力測量的拋光頭組件1000、拋光頭組件1010及拋光頭組件1020的替代實施例。在每個實施例中，可采用位移測量儀替代側(cè)向力測量儀。在圖1OA中，支撐用三個與圖5中所圖示的那些柔性件類似的柔性件302實施?？墒褂酶嗷蚋賯€柔性件302。在此實施例中，側(cè)向力測量儀用安裝在柔性件302上的應(yīng)變儀1002實施。在圖1OA中，使用了三個應(yīng)變儀1002，每個柔性件302安裝有一個應(yīng)變儀。注意，可使用更少個應(yīng)變儀1002。
[0065]在圖1OB中，支撐用三個軸承1004(例如，位于桿上的線性球狀襯套軸承)實施?？墒褂酶嗷蚋賯€軸承1004。在此實施例中，側(cè)向力測量儀用安裝在軸承1004上的應(yīng)變儀1002實施。在圖1OB中，使用了三個應(yīng)變儀1002，每個軸承1004安裝有一個應(yīng)變儀。注意，可使用更少個應(yīng)變儀1002。
[0066]在圖1OC中，支撐用三個軸承1004(例如，位于桿上的線性球狀襯套軸承)實施?？墒褂酶嗷蚋賯€軸承1004。在此實施例中，側(cè)向力測量儀用安裝在上部托架806與下部托架804之間的測力計1006實施。在圖1OC的實施例中，使用了一個測力計1006。注意，可使用更多個測力計1006。市售并可用于一些實施例的測力計1006的實例是美國俄亥俄州哥倫布市Honeywell公司制造的嵌入測力計型號?？墒褂闷渌m用的測力計。舉例而言，在一些實施例中可使用測力計陣列。在一些實施例中，可在托架804與托架806之間設(shè)置多個測力計1006。注意，在上述實施例中，可使用以下類型軸承的任一組合:空氣軸承、流體軸承、磁力軸承、深槽軸承、角接觸軸承、滾柱軸承、線性軸承及/或錐形交叉滾柱軸承?？闪硗馐褂没蛱娲褂萌魏纹渌軐嵭休S承類型。
[0067]轉(zhuǎn)至圖11，提供流程圖，該圖圖示根據(jù)本發(fā)明一些實施例拋光基板的示例性方法1100。下述示例性方法1100可使用由計算機處理器或控制器118控制的化學(xué)機械平坦化系統(tǒng)的任一上述實施例實現(xiàn)。在一些實施例中，可采用在控制器或通用計算機處理器上執(zhí)行的軟件指令來實現(xiàn)以下方法1100中所述的邏輯。在其他實施例中，該方法1100的邏輯可完全在硬件中實現(xiàn)。
[0068]在步驟1102中，致動器旋轉(zhuǎn)固定用于拋光基板的拋光墊的平臺。在步驟1104中，使固定基板的拋光頭壓靠在平臺上的拋光墊上。在用拋光墊去除材料期間，固定基板的拋光頭的下向力對平臺的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生阻力(如摩擦力)。在步驟1106中，致動器施加額外扭矩以克服此阻力，且系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)。在步驟1108中，使用設(shè)置于上部托架與下部托架之間的側(cè)向力測量儀來測量側(cè)向力形式的摩擦力。在一些實施例中，例如當(dāng)將柔性件用作支撐時，可測量相對位移來指示所施加的側(cè)向力。在判定步驟1110中，將側(cè)向力變化閾值與所測量的側(cè)向力進(jìn)行比較。若隨時間測量的側(cè)向力變化量小于此側(cè)向力變化閾值，則系統(tǒng)繼續(xù)拋光/去除材料，并且流程返回步驟1108，在該步驟中再次測量側(cè)向力。若隨時間測量的側(cè)向力變化量等于或高于此側(cè)向力變化閾值，則系統(tǒng)確定在步驟1112中已達(dá)到拋光端點。
[0069]在一些實施例中，在步驟1112中已達(dá)到此端點后，自平臺上的拋光墊提起拋光頭中的基板。在一些實施例中，所檢測端點僅表示從一材料層轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙牧蠈?，并可繼續(xù)拋光直至達(dá)到最終端點。在一些具有多個拋光頭的實施例中，可同時執(zhí)行上述步驟(1104-1112)，但由不同拋光頭獨立執(zhí)行。換言之，第一個拋光頭可能達(dá)到端點并加載新基板，而第二個拋光頭則繼續(xù)監(jiān)測側(cè)向力等待達(dá)到變化閾值。
[0070]因此，盡管已結(jié)合本發(fā)明的較佳實施例揭示本發(fā)明，但應(yīng)了解，其他實施例可涵蓋于如以下權(quán)利要求書所界定的本發(fā)明的精神及范疇內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種拋光基板的裝置，所述裝置包含: 上部平臺; 扭矩/應(yīng)變測量儀，所述扭矩/應(yīng)變測量儀耦接至所述上部平臺；以及下部平臺，所述下部平臺耦接至所述扭矩/應(yīng)變測量儀并適于經(jīng)由所述扭矩/應(yīng)變測量儀驅(qū)動所述上部平臺旋轉(zhuǎn)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，所述裝置進(jìn)一步包含適于將所述上部平臺支撐在所述下部平臺上的支撐。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述支撐包括柔性件。
4.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述支撐包括軸承。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述扭矩/應(yīng)變測量儀是扭矩傳感器。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述扭矩/應(yīng)變測量儀是測力計。
7.一種用于基板的化學(xué)機械平坦化處理的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含: 拋光頭，所述拋光頭適于固定基板；以及 拋光墊支撐，所述拋光墊支撐適于抵靠所述拋光頭中所固定的所述基板而固定及旋轉(zhuǎn)拋光墊，所述拋光墊支撐包括: 上部平臺； 扭矩/應(yīng)變測量儀，所述扭矩/應(yīng)變測量儀耦接至所述上部平臺；以及下部平臺，所述下部平臺耦接至所述扭矩/應(yīng)變測量儀并適于經(jīng)由所述扭矩/應(yīng)變測量儀驅(qū)動所述上部平臺旋轉(zhuǎn)。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包含適于將所述上部平臺支撐在所述下部平臺上的支撐，其中所述支撐包括柔性件。
9.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述扭矩/應(yīng)變測量儀包含所述支撐及位移測量儀，所述位移測量儀適于測量相對的旋轉(zhuǎn)位移或直線位移作為所施加扭矩的指示。
10.一種拋光基板的方法，所述方法包含以下步驟: 經(jīng)由扭矩/應(yīng)變測量儀將下部平臺耦接至上部平臺，所述上部平臺適于固定拋光墊； 旋轉(zhuǎn)所述下部平臺以驅(qū)動所述上部平臺； 使固定基板的拋光頭壓靠在所述上部平臺上的所述拋光墊上；以及 測量當(dāng)拋光所述基板時旋轉(zhuǎn)所述上部平臺所需的扭矩量。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，所述方法進(jìn)一步包含以下步驟: 基于檢測所述所測量扭矩或應(yīng)變量相對于閾值的變化來檢測拋光端點。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，所述方法進(jìn)一步包含以下步驟: 基于檢測所述所測量扭矩或應(yīng)變量的變化來檢測拋光處理的一或更多個階段。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，所述方法進(jìn)一步包含以下步驟: 測量相對的旋轉(zhuǎn)位移或直線位移作為所述所施加的扭矩的指示。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，所述方法進(jìn)一步包含以下步驟:確定隨時間測量的扭矩變化量是否等于或高于扭矩變化閾值.
15.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述測量所述扭矩量的步驟包含以下步驟:移動柔性件及測量相對的旋轉(zhuǎn)位移或直線位移作為所述所施加的扭矩的指示。
【文檔編號】H01L21/304GK103975420SQ201280059528
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2012年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月16日
【發(fā)明者】S-S·張, H·C·陳, L·卡魯比亞, P·D·巴特菲爾德, E·S·魯杜姆 申請人:應(yīng)用材料公司