CN105500183A - 一种研磨垫及其使用周期检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种研磨垫及其使用周期检测方法，通过将两种强度及粗糙度不同的材料层叠在一起组合成为一张研磨垫，在对研磨垫进行修整时，通过动态收集扭矩回馈信息，当位于上层的研磨层逐渐消耗、位于下层的基板栓体露出时，动态收集的扭矩回馈信息将发生趋势变化，即可通过研磨设备内设的算法及判定标准得出相应研磨垫使用周期是否达到的判断，避免了传统依靠收集研磨垫的研磨时间或/和研磨的晶圆个数一种或两种信息来判断研磨垫使用周期的是否达到的不准确判断方法，从而可以使研磨垫的使用周期最大化，有效降低成本。

Description

一种研磨垫及其使用周期检测方法
技术领域
本发明涉及半导体集成电路设备技术领域，更具体地，涉及一种可以检测使用周期的研磨垫及其使用周期的检测方法。
背景技术
在晶圆制造中，随着制程技术的升级、导线与栅极尺寸的缩小，光刻(Lithography)技术对晶圆表面平坦程度(Non-uniformity)的要求越来越高，因而化学机械研磨(ChemicalMechanicalPolishing，简称CMP)工艺得到了广泛的应用。
在半导体领域，化学机械研磨已成为半导体工艺流程中不可或缺的一环。在化学机械研磨工艺中，通过研磨台面带动研磨垫旋转，并通过研磨液分配臂向研磨垫喷射研磨液；同时，以研磨头保持待研磨的晶圆，将晶圆的待研磨面按压在研磨垫上并作相对转动，对晶圆进行研磨处理并使其平坦化。
由于研磨速率、研磨垫摩擦系数与研磨时间呈相同的变化趋势，均是随着研磨时间的增加而急剧的降低，因此对研磨垫的损耗进行及时有效的监测就非常必要了。
在现有技术条件下，研磨垫的使用寿命主要按照以下方式定义：
1)定义研磨垫的研磨时间；
2)定义使用研磨垫研磨的晶圆个数；
3)同时定义研磨垫的研磨时间和使用研磨垫研磨的晶圆个数，且将先到者定义为使用寿命。
但是，上述监测方式有一定的局限性。当对不同的晶圆进行研磨工艺时，由于不同产品的晶圆其膜质和研磨压力的不同会造成对研磨垫不同的损耗，因此在相同的研磨时间下损耗会有很大的不同。同样，在相同的研磨晶圆个数的前提下，如果研磨的是不同产品的晶圆，其对研磨垫的损耗也会不同。
因此，目前的研磨垫监测方法针对不同晶圆在同一个研磨垫上进行研磨工艺时，不能实时检测研磨垫的磨损情况，进而造成研磨垫不能得到充分的利用，增大了生产成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种研磨垫及其使用周期检测方法，可实时检测研磨垫的磨损情况，并可准确判断研磨垫的使用周期是否达到。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种研磨垫，所述研磨垫包括上下密合设置的研磨层和基板复合层，所述研磨层具有小于基板的强度及粗糙度，所述基板具有向上伸入研磨层内并均匀分布的多数个栓体。
优选地，所述栓体为锥形体。
优选地，所述栓体锥形体的顶角不小于60度。
优选地，所述栓体顶部具有弧形倒角。
优选地，所述研磨层或基板采用超高分子量聚乙烯纤维、芳香族聚酯纤维或聚乙烯醇聚酯纤维材料制作。
优选地，所述基板的杨氏模量和硬度大于研磨层。
优选地，所述基板的杨氏模量不小于1000cN/dtex,所述研磨层的杨氏模量不小于450cN/dtex；所述基板的肖氏硬度不小于50。
优选地，所述基板的杨氏模量为1000-2500cN/dtex,所述研磨层的杨氏模量为450-1800cN/dtex；所述基板的肖氏硬度为50-70。
一种针对上述的研磨垫的使用周期检测方法，包括：提供一新研磨垫，在每次使用研磨垫修整器对研磨垫进行修整时，分别采集研磨垫的扭矩回馈信息进行监控，并设定一个报警阈值；当研磨垫的扭矩回馈信息超过阈值时，发出报警信息，并根据设定的判定标准判断该研磨垫是否达到使用周期。
优选地，对所述研磨垫进行修整时，通过每次采集若干个扭矩回馈信息作为分组数据，生成一控制图，通过该控制图计算得到上、下控制限，并将上控制限定义为报警阈值；定义当研磨垫的扭矩回馈信息连续3组超过阈值时，作为研磨垫使用周期到达的判定标准，并对照控制图中的分组数据图形进行判断。
从上述技术方案可以看出，本发明通过将两种强度及粗糙度不同的材料层叠在一起组合成为一张研磨垫，在对研磨垫进行修整时，通过动态收集扭矩回馈信息，当位于上层的研磨层逐渐消耗、位于下层的基板栓体露出时，动态收集的扭矩回馈信息将发生趋势变化，即可通过研磨设备内设的算法及判定标准得出相应研磨垫使用周期是否达到的判断，避免了传统依靠收集研磨垫的研磨时间或/和研磨的晶圆个数一种或两种信息来判断研磨垫使用周期的是否达到的不准确判断方法，从而可以使研磨垫的使用周期最大化，有效降低成本。
附图说明
图1是本发明一较佳实施例的一种研磨垫结构示意图；
图2是图1中基板栓体的放大结构示意图；
图3是图1中研磨垫的使用状态变化示意图；
图4是本发明一较佳实施例的针对图1的研磨垫的使用周期检测方法流程框图；
图5-图6是通过采集扭矩回馈信息生成的控制图示例。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明一较佳实施例的一种研磨垫结构示意图。如图1所示，本发明的一种研磨垫为复合层结构，包括上下密合设置的研磨层1和基板2。在所述基板2上加工有多数个向上突出的栓体3，这些栓体3在基板2的上表面形成均匀分布，并伸入研磨层1内形成紧密结合。
请参阅图1。对所述研磨层1与基板2采用具有不同强度及粗糙度的材料进行制作，是本发明的一个关键，即应使得所述研磨层1具有小于基板2的强度及粗糙度。当采用本发明的研磨垫进行研磨时，被研磨物体与新研磨垫的研磨层之间的相对扭矩数据处于一个较低的平稳水平；随着研磨次数的增加，研磨层将逐渐被磨损而消耗，其粗糙度逐渐变大、扭矩数据也将逐渐变大；如图3所示，当研磨层1因被大量消耗，以至于从图示的虚线位置A下降至位置B处、基板2上的栓体3开始逐渐裸露出来时，扭矩数据将会有一个台阶式的上升。
利用本发明具有不同强度及粗糙度复合层的研磨垫所产生的上述扭矩变化特性，即可通过在进行研磨垫修整时，动态收集研磨垫的扭矩回馈信息，来监控研磨垫的磨损情况，并根据设定的阈值和判定标准来判断研磨垫是否达到使用周期。
作为一可选的实施方式，所述研磨层1或基板2可采用超高分子量聚乙烯纤维、芳香族聚酯纤维或聚乙烯醇聚酯纤维等材料进行制作；并且，所述研磨层和基板可使用相同的一种材料进行制作，也可使用不同的两种材料进行制作。可在基板的背面黏贴背胶，以便研磨垫在研磨台面上进行安装固定。
为了使所述研磨层具有小于基板的强度，可使得所述基板2的杨氏模量和硬度大于研磨层1。作为一优选的实施方式，所述基板的杨氏模量应不小于1000cN/dtex,所述研磨层的杨氏模量应不小于450cN/dtex；并且，所述基板的肖氏硬度应不小于50。进一步优选地，所述基板的杨氏模量可为1000-2500cN/dtex,所述研磨层的杨氏模量可为450-1800cN/dtex；所述基板的肖氏硬度可为50-70。
请继续参阅图1。为了使本发明的研磨垫在研磨层磨损消耗时，其扭矩数据有一个逐渐变大的过程，以便在基板上的栓体开始逐渐裸露出来时，能够使扭矩数据产生一个易于区分的台阶式的上升，作为一优选的实施方式，可以将所述栓体3加工成锥形体的突出形状。例如，可以将所述栓体加工成具有正四边形底面的金字塔形，或者圆锥体形以及具有多边形底面的其他锥形体等。
请参阅图2，图2是图1中基板栓体的放大结构示意图。如图2所示，作为一优选的实施方式，可将所述栓体3的顶部例如上述锥形体的顶角加工成弧形，即加工出具有圆弧形的倒角4。栓体顶部的弧形倒角4可以有效避免由于栓体顶部过于尖锐，在一定速度下可能导致的晶圆划伤现象。并且，作为进一步优选的实施方式，可将所述栓体锥形体的顶角θ加工成不小于60度；例如较佳的栓体锥形体的顶角θ可为60度，可产生较好的扭矩数据渐变现象，以更有利于进行研磨垫使用周期的判断。
下面对本发明的一种针对上述的研磨垫的使用周期检测方法的具体实施方式进行详细说明。
请参阅图4，图4是本发明一较佳实施例的针对图1的研磨垫的使用周期检测方法流程框图。如图4所示，本发明的一种针对上述的研磨垫的使用周期检测方法，可包括：
首先利用一张具有研磨层和基板复合层的新研磨垫，在该研磨垫的使用过程中、每次使用研磨垫修整器对研磨垫进行修整时，分别采集研磨垫的扭矩回馈信息进行监控，并设定一个报警阈值。例如，可采集以电压形式显示的研磨垫的扭矩回馈信息。然后，对采集的反馈电压数据是否在阈值内进行判断，当研磨垫的扭矩电压超过阈值时，可利用研磨设备的控制程序发出报警信息，并根据设定的判定标准判断该研磨垫是否达到使用周期。反之，如果扭矩电压未超过阈值，则可继续使用该研磨垫，并在下次进行研磨垫修整时，再次通过采集研磨垫的扭矩回馈信息进行监控并判断。
作为一优选的实施方式，可利用研磨设备设置的Cpk控制软件来实施本发明的检测方法。具体可包括：在对上述研磨垫进行修整时，可通过每次采集若干个扭矩回馈信息构成一组数据组，例如2-5个扭矩电压数据作为分组数据，利用研磨设备设置的Cpk控制软件生成一张控制图，并可通过该控制图利用该软件的算法计算得到控制图的上、下控制限。由于在研磨垫的研磨层消耗过程中，扭力电压呈逐渐升高趋势，因此，可将控制图的上控制限定义为报警阈值。在研磨设备设置的Cpk控制软件中定义有数种判断控制图图形异常的标准；我们将其中的连续3点超出控制限作为判断研磨垫使用周期是否达到的依据，即定义当研磨垫的扭矩回馈信息(扭矩电压)连续3组超过阈值(上控制限)时，作为研磨垫使用周期到达的判定标准，并对照控制图中的分组数据图形进行判断。
作为一实例，请参阅图5-图6，图5-图6是通过采集扭矩回馈信息生成的控制图示例。如图5所示，当新研磨垫在设备上进行修整时，可通过获得新研磨垫的扭矩回馈信息确定目标值与阈值。以采集扭矩电压数据为例，在进行20次的扭矩电压数据采集后，研磨设备设置的Cpk控制软件形成了图示的一张控制图。图中可生成目标值CL和上控制限UCL、下控制限LCL，可将其中的上控制限UCL作为报警阈值。从图中可以看出，当研磨垫在使用周期的初期，研磨层还处于完好的状态，在进行修整时，采集到的扭矩电压数据比较稳定，基本呈随机分布，且没有发生超出阈值的现象。
如图6所示，当研磨垫接近使用周期时，研磨层逐渐被消耗，粗糙度逐渐变大，获得的研磨垫扭矩电压会逐渐上升，并陆续有一、二个点超过阈值现象发生，此时，设备将送出报警信息。我们定义当研磨垫的扭矩电压连续3个点超过阈值时，作为研磨垫使用周期到达的判定标准。因此，图中圈C和圈D显示的两个超出阈值的数据点未被认为是研磨垫使用周期到达的节点。该研磨垫可继续使用并继续进行监控。
当研磨层在使用中继续被大量消耗，以至于基板上的栓体开始逐渐裸露出来，此时收集到的扭矩电压会有一个台阶式的上升，并且连续超过事先设定的阈值，如图中圈E所示的连续三点超出阈值。由此设备内的软件算法会判断认为该张研磨垫达到使用周期，设备送出报警信息，以便及时更新研磨垫。
在现有技术中，都是使用单一一种强度和粗糙度的材料按照一定厚度制作研磨垫。由于材料一致，使用中摩擦系数接近，因而很难通过扭矩数据反馈来准确判断研磨垫的消耗。如果强行通过扭矩数据反馈来判断，则会存在研磨垫剥落(peeling)现象，进而将导致晶圆破片等一系列问题。因此，只能通过定义研磨的研磨时间，或者定义使用研磨垫研磨的晶圆个数来判断研磨垫的使用寿命，较为不准确。
本发明通过将两种强度及粗糙度不同的材料层叠在一起组合成为一张研磨垫，在对研磨垫进行修整时，通过动态收集扭矩回馈信息，当位于上层的研磨层逐渐消耗、位于下层的基板栓体露出时，动态收集的扭矩回馈信息将发生趋势变化，即可通过研磨设备内设的算法及判定标准得出相应研磨垫使用周期是否达到的判断，避免了传统依靠收集研磨垫的研磨时间或/和研磨的晶圆个数一种或两种信息来判断研磨垫使用周期的是否达到的不准确判断方法，从而可以使研磨垫的使用周期最大化，有效降低成本。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种研磨垫，其特征在于，所述研磨垫包括上下密合设置的研磨层和基板复合层，所述研磨层具有小于基板的强度及粗糙度，所述基板具有向上伸入研磨层内并均匀分布的多数个栓体。
2.根据权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，所述栓体为锥形体。
3.根据权利要求2所述的研磨垫，其特征在于，所述栓体锥形体的顶角不小于60度。
4.根据权利要求2或3所述的研磨垫，其特征在于，所述栓体顶部具有弧形倒角。
5.根据权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，所述研磨层或基板采用超高分子量聚乙烯纤维、芳香族聚酯纤维或聚乙烯醇聚酯纤维材料制作。
6.根据权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，所述基板的杨氏模量和硬度大于研磨层。
7.根据权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，所述基板的杨氏模量不小于1000cN/dtex,所述研磨层的杨氏模量不小于450cN/dtex；所述基板的肖氏硬度不小于50。
8.根据权利要求7所述的研磨垫，其特征在于，所述基板的杨氏模量为1000-2500cN/dtex,所述研磨层的杨氏模量为450-1800cN/dtex；所述基板的肖氏硬度为50-70。
9.一种针对权利要求1-8任意一项所述的研磨垫的使用周期检测方法，其特征在于，包括：提供一新研磨垫，在每次使用研磨垫修整器对研磨垫进行修整时，分别采集研磨垫的扭矩回馈信息进行监控，并设定一个报警阈值；当研磨垫的扭矩回馈信息超过阈值时，发出报警信息，并根据设定的判定标准判断该研磨垫是否达到使用周期。
10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于，对所述研磨垫进行修整时，通过每次采集若干个扭矩回馈信息作为分组数据，生成一控制图，通过该控制图计算得到上、下控制限，并将上控制限定义为报警阈值；定义当研磨垫的扭矩回馈信息连续3组超过阈值时，作为研磨垫使用周期到达的判定标准，并对照控制图中的分组数据图形进行判断。
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