化学机械平面化工具的力校准方法和系统技术方案

本发明专利技术描述的方法和装置允许ＣＭＰ工具使用者利用机构、测力传感器、控制计算机和力公式快速校准心轴力、晶片力和夹持环力。控制计算机可以基于晶片载具结构测试可膨胀密封件或可膨胀薄膜中的各种压力，以便为经受测试并且用在抛光过程中的特定晶片载具确定唯一的校准值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
这里描述的专利技术涉及工件抛光领域，特别涉及半导体晶片CMP加工中的力测量和校准方法和装置。
技术介绍
集成电路，包括计算机芯片，是通过在硅晶片的前侧堆叠电 路层而制成的。在制造过程中，要求极高度的晶片平面度和层平 面度。化学机械平面化(CMP)是器件制造过程中的一项工艺， 其使得晶片和堆叠在晶片上的各层平坦化，以获得所需程度的平 面度。化学机械平面化这种工艺利用抛光垫抛光晶片，并且组合传 送到垫上的浆料的化学和物理作用。晶片由晶片载具保持，晶片 的背侧面对晶片载具，晶片的前侧面对抛光垫。抛光垫保持在台 板上，台板通常布置在晶片载具下面。晶片载具和台板旋转，从 而抛光垫抛光晶片前侧。由选定化学成分和研磨剂形成的浆料被 传送到垫上，以实现预期类型和量的抛光。(因此，CMP是通过化 学软化、物理向下力以及用于从晶片或晶片层去除材料的旋转的 组合作用实现的。)所述向下力，本申请中称作心轴力，在晶片载 具中分解为夹持环力和晶片力。利用CMP工艺，材料薄层被从晶片或晶片层前侧去除。所述 层可以是晶片上生长或沉积的氧化物层，沉积在晶片上的金属层， 或晶片本身。去除薄材料层的实施是为了降低晶片不规则度。因此，在加工完成后晶片和堆叠在晶片上的各层非常平坦和/或均匀。 通常，多层被添加，并且化学机械平面化过程被反复进行，以在 晶片表面上建立完整的集成电路芯片。各种晶片载具结构被用于CMP过程中。 一种这样的结构，例 如Strasbaugh的变输入气动夹持环(ViPRR)载具，被设计成在夹 持环的边界内将晶片保持在载具上，同时安置在夹持环后面的可 膨胀密封件受压。所述可膨胀环式密封件使得夹持环延伸到抛光 垫中，以产生夹持环力。公式或査值表用于确定可膨胀环式密封 件所需的气压值，以产生施加在环上的一定量的力，同时保持心 轴力施加于晶片上。由Strasbaugh设计并且用于CMP的另 一 种晶片载具结构被设 置成具有固定至载具的夹持环，同时可膨胀薄膜用于在晶片后面 施加压力。可膨胀薄膜在晶片后面产生作用于晶片的力，称作晶 片力。公式或查值表用于确定在抛光过程中向晶片施加规定力所 需的薄膜中的气压值。CMP工具上的心轴力是通过枢转机构产生的，该枢转机构连 接着心轴并且由伸縮波纹管(bellows)、活塞或其它致动装置致动。 目前，CMP工具上的心轴力被定期校准，以确保CMP过程中施 加的心轴力是精确的。技术人员使用测力传感器架测量不同的伸 縮波纹管或活塞压力下的心轴力，并将这种信息输入控制计算机 以便用于校准。由伸縮波纹管致动系统中的压力产生的向下心轴 力可能随时间而改变，因此需要定期校准以确定伸縮波纹管产生 的相应心轴力。CMP工具不得不停止工作以实施这种校准。现在，没有方便的途径测量心轴力、晶片力或夹持环力。最 近，利用基于载具类型校准可膨胀密封件压力与环力关系或薄膜 与晶片力关系的公式是利用测力传感器架在工厂中通过试验预先确定的。基于晶片载具类型，在不同的气压下，利用适宜的可膨 胀密封件或薄膜样品来测量力。通过试验，通用的工厂公式被计 算出来，并且该公式被用于所有该类型的晶片载具。结果，有很 多通用公式覆盖各种类型和尺寸的晶片载具。利用该校准方法会遇到很多问题，这部分地因为可膨胀密封 件和薄膜的制造不一致性。由于薄膜和可膨胀密封件利用传统成型方法由橡胶状材料(例如EPDM,硅树脂，HNBR，布纳橡胶等) 制成，因此尺寸公差相对较大。除了尺寸差异，由于密封件和密 封件之间以及薄膜与薄膜之间的成分不一致性，材料性能也可能 有很多不同。此外，材料性能和尺寸可能由于各种条件而随时间 变化。 一些所述条件包括因连续膨胀和收缩产生的周期性应力， 浆料的化学侵袭，热周期，以及暴露于空气和水分。可膨胀密封 件和薄膜的尺寸和材料性能会极大地影响力校准曲线，并且这些 性能的变化可能会负面影响校准曲线。由于制造不一致性，材料 不一致性，以及性能随时间的变化，用于晶片载具的通用型工厂 力校准措施并不精确。这可能导致非最佳且不一致的抛光结果。以前，半导体设计者和制造者总是面临着表面平面度的不一 致性，并且围绕这些问题设计芯片。其它设计者和制造者要求更 小的公差。这些团体需要针对个体特性处理这些问题并且利用定 制的台式试验设备分选薄膜和可膨胀密封件。这种过程缓慢且人 工强度大。许多可膨胀密封件由于不能落入一定的预定极限之内 而被认为是不能使用且被抛弃。由于晶片公差变得越来越重要， 需要有方法和装置能够在抛光操作周期之前或之间快速地特性化 和校准单个可膨胀密封件或薄膜，以确保精确的晶片和夹持环力 被用于晶片加工中。
技术实现思路
下面描述的方法和系统允许CMP工具的使用者容易且精确地 利用机构、测力传感器、控制计算机和力公式校准心轴力、晶片 力和夹持环力。控制计算机可以基于晶片载具结构测试可膨胀密 封件或可膨胀薄膜中的各种压力，以便为受测且在抛光过程中使 用的特定晶片载具确定唯一的校准值。这种校准值比通用型工厂 校准值更为精确，这是因为校准值对于特定的载具而言是唯一的。 该系统特别适用于具有独立夹持环和晶片力控制的晶片载具。目前，校准是在紧邻安装晶片载具之前进行，并且在预定数 量的抛光周期之后定期进行，以确保在晶片载具的整个使用寿命 内维持精确的校准。本专利技术允许在抛光操作周期之前或之间进行 校准，而不需要使设备停止使用。附图说明图1示出了一种用于实施化学机械平面化系统。图2示出了卸载站的剖视图，其中设有用于确定由晶片载具 和心轴的分力构成的力的测力传感器。图3示出了卸载站中的测力传感器的详细结构。图4示出了与心轴、晶片和夹持环有关的心轴力、晶片力和 夹持环力的力公式。图5示出了具有伸縮波纹管致动的臂撑心轴组件。图6示出了使用位于夹持环后面的可膨胀密封件的晶片载具。图7示出了使用位于半导体晶片后面的可膨胀薄膜的晶片载具。图8示出了校准过程的框图。 图9示出了心轴校准曲线。 图IO示出了载具校准曲线。具体实施例方式图1示出了用于实施化学机械平面化(CMP)的系统1。 一或 多个抛光头或晶片载具2保持着晶片3(以虚线表示以指示其在晶 片载具下面的位置)，晶片悬挂于抛光垫4上方。晶片载具2为此 具有用于紧固和保持晶片3的结构。晶片载具2由平移臂5悬挂。 抛光垫布置于台板6上，台板以箭头7所示方向旋转。晶片载具2 绕它们各自的心轴8沿箭头9的方向旋转。晶片载具2由平移轴 10带动着在抛光垫表面上方前后平移，平移轴如箭头20所示移 动。用于抛光过程的浆料通过浆料喷射管21传送到抛光垫表面， 浆料喷射管布置在悬臂22上或穿过悬臂。(其它化学机械平面化 系统可以只使用一个晶片载具2保持一个晶片3，或者多个晶片载 具2保持多个晶片3。)其它系统也可以使用单独的平移臂以保持 每个载具。图2示出了卸载站23的剖视图，其中使用了测力传感器(load cell)用于确定由晶片载具2和心轴8的分力构成的力。测力传感 器是一种变换器，其将作用于测力传感器的负载转变成电信号。 抛光之后，半导体晶片3通常在CMP工具1的卸载站23卸载。 在这里公开的系统中，总心轴力和作为分力的晶片力可以在卸载 站23测量。在CMP工具力校准方法和系统的替代性实施例，系 统可以测量总的心轴力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于校准ＣＭＰ工具的系统，包括：ＣＭＰ工具；第一机构，其设置在ＣＭＰ工具中，适于测量由致动系统产生的心轴向下力；第二机构，其位于所述ＣＭＰ工具中，适于测量所述向下力的晶片分力；以及控制计算机，其被编程以进 行：控制、测量和记录由致动系统产生的心轴向下力；测量和记录所述向下力的晶片分力；确定所述向下力的夹持环分力。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：W卡莱尼安，TA沃尔什，
申请(专利权)人：斯特拉斯保，
类型：发明
国别省市：US[美国]