CN112894609A - 化学机械抛光***及化学机械抛光监测方法 - Google Patents

化学机械抛光***及化学机械抛光监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种硅片化学机械抛光***，包括：抛光头，所述抛光头用于固定纯硅片；加压机构，所述加压机构提供所述抛光头压在纯硅片的上表面上的压力；距离传感器，所述距离传感器用于检测包含所述纯硅片的实时厚度的距离信号，并将检测得到的包含所述纯硅片的实时厚度的距离信号传输至控制单元进行计算，以得到所述纯硅片的实时厚度；以及，控制单元，用于根据所述纯硅片的目标厚度以及所述纯硅片的实时厚度数据调整所述加压机构的压力。在最终抛光过程中，通过采用距离传感器实时测量纯硅片的厚度结果自动调整加压机构的压力，达到更好的纯硅片平坦度控制。

Description

化学机械抛光***及化学机械抛光监测方法
技术领域
本发明涉及半导体器件制造技术领域，特别涉及一种化学机械抛光***及化学机械抛光监测方法。
背景技术
化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)，也称之为化学机械研磨或化学机械平坦化，是硅片制造中关键且必不可少的技术，其通过化学反应与机械研磨对硅片表面进行抛光，达到所需平坦度并去除表面缺陷或损伤层.
硅片的表面抛光往往需要经过双面抛光(DSP，double side polish)和正面最终抛光(FP，final polish)两个抛光步骤来完成。双面抛光用于研磨晶圆的正反两面，且可以通过抛光台的控制实现期望的晶圆形状，而最终抛光只对硅片正面进行抛光。
在12英寸硅片最终抛光过程中对纯硅片表面平坦度及均匀性有很高要求，然而，目前最终抛光的机台并未在最终抛光过程中对纯硅片(裸片)表面平坦度实时监测功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种化学机械抛光***及监测方法，以解决在最终抛光过程中对纯硅片表面平坦度实时监测的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种化学机械抛光***，包括：
抛光头，所述抛光头用于固定纯硅片；
加压机构，所述加压机构提供所述抛光头压在纯硅片的上表面上的压力；
距离传感器，所述距离传感器用于检测包含所述纯硅片的实时厚度的距离信号，并将检测得到的包含所述纯硅片的实时厚度的距离信号传输至控制单元进行计算，以得到所述纯硅片的实时厚度；以及，
控制单元，用于根据所述纯硅片的目标厚度以及所述纯硅片的实时厚度数据调整所述加压机构的压力；
其中，所述加压机构位于所述抛光头上方，并与所述抛光头固定连接，所述控制单元分别电连接所述加压机构和所述距离传感器。
可选的，所述距离传感器包括第一距离传感器和第二距离传感器，所述第一距离传感器和第二距离传感器检测的包含所述纯硅片的实时厚度的距离信号传输至控制单元，所述控制单元通过所述第一距离传感器和所述第二距离传感器的距离差值计算所述纯硅片的实时厚度。
可选的，所述第一距离传感器的数量为多个。
可选的，所述抛光头下方还设置有内部背板，所述抛光头上方还设置有第一旋转机构，所述第一旋转机构连接抛光头和内部背板，并带动所述抛光头和内部背板旋转。
可选的，所述第一距离传感器固定于所述内部背板上。
可选的，所述硅片化学机械抛光***还包括抛光台，所述抛光台上设置有凹槽。
可选的，所述第二距离传感器固定于所述抛光台的凹槽内，且所述第二距离传感器的表面与所述抛光台的表面齐平。
基于同一发明构思，本发明还提供一种化学机械抛光监测方法，包括：
利用抛光头将纯硅片压至抛光垫上以对所述纯硅片进行抛光；以及，
距离传感器检测包含所述纯硅片的实时厚度的距离信号，并将检测得到的包含所述纯硅片的实时厚度的距离信号传输至控制单元进行计算，以得到所述纯硅片的实时厚度，控制单元根据所述纯硅片的目标厚度以及所述纯硅片的实时厚度数据实时调整加压机构提供给所述抛光头的压力。
可选的，所述距离传感器包括第一距离传感器和第二距离传感器，所述第一距离传感器和第二距离传感器检测的包含所述纯硅片的实时厚度的距离信号传输至控制单元，所述控制单元通过所述第一距离传感器和所述第二距离传感器的距离差值检测所述纯硅片的实时厚度。
可选的，所述第一距离传感器和所述第二距离传感器的距离差值减去所述橡胶圈、吸附垫和抛光垫的厚度，以得到测试所述纯硅片的实时厚度。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
在本发明提供的化学机械抛光***及监测方法，通过距离传感器检测包含所述纯硅片的实时厚度的距离信号，并将检测得到的包含所述纯硅片的实时厚度的距离信号传输至控制单元进行计算，以得到最终抛光过程中所述纯硅片的实时厚度，并将纯硅片的实时厚度数据反馈给控制单元；控制单元根据纯硅片目标厚度以及纯硅片的实时厚度调整加压机构的压力，使纯硅片得到目标抛光形貌，通过实时测量纯硅片厚度结果自动调整加压机构的压力，达到更好的纯硅片平坦度控制。
附图说明
图1是本发明实施例的化学机械抛光***结构示意图；
图2是本发明实施例的抛光台的俯视示意图；
图3是本发明实施例的抛光头上一个第一距离传感器的仰视示意图；
图4是本发明实施例的抛光头上多个第一距离传感器的仰视示意图；
图5是本发明实施例的抛光头的剖面示意图；
图6是本发明实施例的抛光头的剖面分解示意图；
图7本发明实施例的化学机械抛光监测方法流程示意图；
图中，
10-抛光头；11-加压机构；12-第一距离传感器；13-纯硅片吸附垫；14-纯硅片；15-第一旋转机构；16-内部背板；17-卡环；18-橡胶圈；20-抛光台；21-第二距离传感器；22-抛光垫；23-第二旋转机构；30-控制单元。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的化学机械抛光***及其监测方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
具体的，请参考图1-6，图1为本发明实施例的化学机械抛光***结构示意图，图2是本发明实施例的抛光台的俯视示意图，图3是本发明实施例的抛光头上一个第一距离传感器的仰视示意图，图4是本发明实施例的抛光头上多个第一距离传感器的仰视示意图，图5是本发明实施例的抛光头的剖面示意图，图6是本发明实施例的抛光头的剖面分解示意图。
如图1-6所示，本实施例提供一种化学机械抛光***，包括：
抛光头10，所述抛光头10用于固定纯硅片14；
加压机构11，所述加压机构11提供所述抛光头10压在纯硅片14的上表面上的压力；
距离传感器，所述距离传感器用于检测包含所述纯硅片14的实时厚度的距离信号，并将检测得到的包含所述纯硅片14的实时厚度的距离信号传输至控制单元30进行计算，以得到所述纯硅片14的实时厚度；
控制单元30，分别电连接所述加压机构11和所述距离传感器，所述控制单元30用于根据纯硅片14目标厚度以及纯硅片14的实时厚度数据调整所述加压机构11的压力；
其中，所述加压机构位于所述抛光头上方，并与所述抛光头固定连接，所述控制单元分别电连接所述加压机构和所述距离传感器。
作为一个非限制性的例子，所述加压机构的压力调整规则可参见下述公式：
纯硅片的来料厚度-纯硅片的目标厚度＝设定压力*去除系数；
其中，纯硅片的来料厚度是指纯硅片的初始厚度。
具体实施时，可根据经验公式得出去除系数，即所述抛光头10压在纯硅片14的上表面上的压力与去除量(研磨掉的厚度)之间的线性关系，得到一个固定值(即去除系数)，当纯硅片的来料厚度有浮动时，根据公式可以计算出需要设定的压力。在本实施例中，硅片目标厚度例如是775500nm，当距离传感器检测的纯硅片14的实时厚度为776000nm，加压机构11的初始压力为0.008MPa，则去除系数为62500nm/MPa，当纯硅片的来料厚度为776100nm时，则在相同的抛光时间内，需要增加压力到0.0096MPa，以获得纯硅片的目标厚度。
继续参考图1，所述距离传感器例如是包括第一距离传感器12和第二距离传感器21，所述第一距离传感器12和第二距离传感器21检测的包含所述纯硅片14的实时厚度的距离信号传输至控制单元30，所述控制单元30通过所述第一距离传感器12和所述第二距离传感器21的距离差值计算所述纯硅片14的实时厚度。在本实施例中，需要采用两个距离传感器的距离差值来测试所述纯硅片14的实时厚度，这主要是因为发明人研究发现，纯硅片上还未形成任何器件，因而纯硅片各位置的材料相同，其反射率也相同，因此，不适宜使用单个传感器的方式来测试纯硅片的厚度。
继续参考图2和图3，所述第一距离传感器12的数量可以为一个，也可以为多个。当采用多个第一距离传感器12时，这些第一距离传感器12例如是呈阵列排布或者是以纯硅片的中心为原点，呈发射状排布，本实施例中对此不做限制。
请参考图5和图6，所述抛光头10下方(即靠近纯硅片的一侧)设置有纯硅片吸附垫13，所述纯硅片吸附垫13可用于吸附纯硅片14。在本实施例中，所述纯硅片吸附垫13的材质例如是suede(羊绒垫)，所述纯硅片吸附垫13用于吸附所述纯硅片14以及保护所述纯硅片14背面不会造成划伤。所述抛光头10下方还可以设置有内部背板16，所述抛光头10上方还可以设置有第一旋转机构15，所述第一旋转机构15连接所述抛光头10和所述内部背板16，并带动所述抛光头10和所述内部背板16旋转。所述抛光头10和所述纯硅片吸附垫13中间还设置有橡胶圈18，所述纯硅片吸附垫13粘贴在所述橡胶圈18上。所述橡胶圈18套在卡环17外侧，所述卡环17与所述抛光头10固定连接，所述卡环17与所述抛光头10固定连接方式例如是螺栓连接。
请参考图2-3和图5-6，所述第一距离传感器12可以固定于所述内部背板16上。所述第一距离传感器12固定于所述内部背板16上的固定方式例如是卡接。所述第一距离传感器12位于所述抛光头10的中心直径的位置。当采用多个第一距离传感器12时，这些第一距离传感器12例如是呈阵列排布或者是以纯硅片的中心为原点，呈发射状排布，本实施例中对此不做限制。
继续参考图1所示，所述化学机械抛光***还包括抛光台20，所述抛光台20上设置有至少一个凹槽。所述凹槽例如是条形凹槽，自所述抛光台20的中心向所述抛光台20的边缘延伸，所述凹槽的长度大于所述纯硅片14的半径。所述第二距离传感器21可以固定于所述抛光台20内，并保持所述第二距离传感器21与所述抛光台20同一水平高度，即第二距离传感器21的顶面与抛光台20的顶面齐平。在最终抛光过程中，当所述抛光台20旋转起来，所述第二距离传感器21可以监测所述纯硅片14的每一个位置的实时厚度。
进一步的，所述抛光台20上设置有抛光垫22。在本实施例中，所述抛光台20的材质例如是陶瓷，所述抛光垫22粘贴在所述抛光台20上并覆盖所述第二距离传感器21。所述抛光台20的表面越平整，越有利于抛光的均匀性。所述抛光垫22根据不同工艺选择不同的材质，在本实施例中，所述抛光垫22的材质例如是无纺布，所述抛光垫22表面具有若干沟槽，可将抛光液均匀地分布到所述抛光垫22不同区域，以对所述硅片14正面进行最终抛光工艺。所述化学机械抛光***还包括第二旋转机构23，所述第二旋转机构23用于带动所述抛光台20和所述抛光垫22旋转。
如前文所述，所述距离传感器包括第一距离传感器12和第二距离传感器21，通过所述第一距离传感器12和所述第二距离传感器21的距离差值可测试硅片14的实时厚度。本实施例中，由于所述第一距离传感器12和第二距离传感器21中间包括橡胶圈18、纯硅片吸附垫13、纯硅片14以及抛光垫22，因此，所述纯硅片14的实时厚度为所述第一距离传感器12和所述第二距离传感器21的差值减去所述橡胶圈18、纯硅片吸附垫13以及抛光垫22这三者的厚度。
图7是本发明实施例的化学机械抛光监测方法流程示意图。请参考图1-7，本实施例还提供一种化学机械抛光监测方法，包括：
步骤S10，利用抛光头10将纯硅片14压至抛光垫22上，以对所述纯硅片14进行抛光；以及，
步骤S20，距离传感器检测包含所述纯硅片14的实时厚度的距离信号，并将检测得到的包含所述纯硅片14的实时厚度的距离信号传输至控制单元30进行计算，以得到所述纯硅片14的实时厚度，控制单元30可根据所述纯硅片14目标厚度以及所述纯硅片14的实时厚度数据调整所述加压机构11的压力，使所述纯硅片14得到目标厚度的抛光形貌。
在进行化学机械抛光时，将纯硅片14固定在抛光头10上，移动所述纯硅片14至抛光台20上方，利用抛光头10将纯硅片14压紧至抛光台20上，并使纯硅片14的待抛光面接触相对旋转的抛光垫22，同时，将抛光液输送到抛光垫22上，通过离心力使抛光液均匀地分布在抛光垫22上，从而通过纯硅片14表面与抛光垫22之间的相对运动将纯硅片14表面平坦化。与此同时，通过所述第一距离传感器12和所述第二距离传感器21的距离差值测试所述纯硅片14的实时厚度，其中，所述纯硅片14的实时厚度为第一距离传感器12和第二距离传感器21的差值减去所述橡胶圈18的厚度，纯硅片吸附垫13的厚度以及抛光垫22的实时厚度。所述控制单元30可根据所述纯硅片14目标厚度以及所述纯硅片14的实时厚度数据调整所述加压机构11的压力，使所述纯硅片14得到目标厚度的抛光形貌。
作为一个非限制性的例子，所述加压机构的压力调整规则可参见下述公式：
纯硅片的来料厚度-纯硅片的目标厚度＝设定压力*去除系数；
其中，纯硅片的来料厚度是指纯硅片的初始厚度。
具体实施时，可根据经验公式得出去除系数，即所述抛光头10压在纯硅片14的上表面上的压力与去除量(研磨掉的厚度)之间的线性关系，得到一个固定值(即去除系数)，当纯硅片的来料厚度有浮动时，根据公式可以计算出需要设定的压力。在本实施例中，硅片目标厚度例如是775500nm，当距离传感器检测的纯硅片14的实时厚度为776000nm，加压机构11的初始压力为0.008MPa，则去除系数为62500nm/MPa，当纯硅片的来料厚度为776100nm时，则在相同的抛光时间内，需要增加压力到0.0096MPa，以获得纯硅片的目标厚度。
本实施例所提供的化学机械抛光监测方法适用于纯硅片的正面最终抛光(FP，final polish)工艺，尤其是12英寸的纯硅片的最终抛光过程。
综上可见，在本发明实施例提供的化学机械抛光***及化学机械抛光监测方法，通过距离传感器检测包含所述纯硅片的实时厚度的距离信号，并将检测得到的包含所述纯硅片的实时厚度的距离信号传输至控制单元进行计算，以得到最终抛光过程中所述纯硅片的实时厚度，并将纯硅片的实时厚度数据反馈给控制单元，控制单元根据纯硅片目标厚度以及纯硅片的实时厚度数据调整所述加压机构的压力，使纯硅片得到目标抛光形貌，通过实时测量纯硅片厚度结果自动调整加压机构的压力，达到更好的纯硅片平坦度控制。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种化学机械抛光***，其特征在于，包括：
抛光头，所述抛光头用于固定纯硅片；
加压机构，所述加压机构提供所述抛光头压在纯硅片的上表面上的压力；
距离传感器，所述距离传感器用于检测包含所述纯硅片的实时厚度的距离信号，并将检测得到的包含所述纯硅片的实时厚度的距离信号传输至控制单元进行计算，以得到所述纯硅片的实时厚度；以及，
控制单元，用于根据所述纯硅片的目标厚度以及所述纯硅片的实时厚度数据调整所述加压机构的压力；
其中，所述加压机构位于所述抛光头上方，并与所述抛光头固定连接，所述控制单元分别电连接所述加压机构和所述距离传感器。
2.如权利要求1所述的化学机械抛光***，其特征在于，所述距离传感器包括第一距离传感器和第二距离传感器，所述第一距离传感器和第二距离传感器检测的包含所述纯硅片的实时厚度的距离信号传输至控制单元，所述控制单元通过所述第一距离传感器和所述第二距离传感器的距离差值计算所述纯硅片的实时厚度。
3.如权利要求2所述的化学机械抛光***，其特征在于，所述第一距离传感器的数量为多个。
4.如权利要求2所述的化学机械抛光***，其特征在于，所述抛光头下方还设置有内部背板，所述抛光头上方还设置有第一旋转机构，所述第一旋转机构连接抛光头和内部背板，并带动所述抛光头和内部背板旋转。
5.如权利要求4所述的化学机械抛光***，其特征在于，所述第一距离传感器固定于所述内部背板上。
6.如权利要求2所述的化学机械抛光***，其特征在于，所述硅片化学机械抛光***还包括抛光台，所述抛光台上设置有凹槽。
7.如权利要求6所述的化学机械抛光***，其特征在于，所述第二距离传感器固定于所述抛光台的凹槽内，且所述第二距离传感器的表面与所述抛光台的表面齐平。
8.一种化学机械抛光监测方法，其特征在于，包括：
利用抛光头将纯硅片压至抛光垫上以对所述纯硅片进行抛光；以及，
距离传感器检测包含所述纯硅片的实时厚度的距离信号，并将检测得到的包含所述纯硅片的实时厚度的距离信号传输至控制单元进行计算，以得到所述纯硅片的实时厚度，控制单元根据所述纯硅片的目标厚度以及所述纯硅片的实时厚度数据实时调整加压机构提供给所述抛光头的压力。
9.如权利要求8所述的化学机械抛光监测方法，其特征在于，所述距离传感器包括第一距离传感器和第二距离传感器，所述第一距离传感器和第二距离传感器检测的包含所述纯硅片的实时厚度的距离信号传输至控制单元，所述控制单元通过所述第一距离传感器和所述第二距离传感器的距离差值检测所述纯硅片的实时厚度。
10.如权利要求9所述的化学机械抛光监测方法，其特征在于，所述第一距离传感器和所述第二距离传感器的距离差值减去所述橡胶圈、吸附垫和抛光垫的厚度，以得到测试所述纯硅片的实时厚度。
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