CN1543387A - 具有成型或柔性窗口结构的加强的抛光垫 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学窗口结构。该光学窗口结构包括具有加强层和衬垫层的支撑层。除此以外，该光学窗口结构还具有连接在该支撑层上面的抛光层。此外，该光学窗口结构具有光学窗口孔和成型光学窗口。在操作过程中，该成型光学窗口至少部分地突出到支撑层和抛光垫的光学窗口孔中。

Description

具有成型或柔性窗口结构的加强的抛光垫
技术领域
在半导体器件的制造中，需要进行化学机械平整(CMP)操作。通常，集成电路器件具有多层结构的形式。在衬底层，会形成具有扩散区的晶体管器件。在随后的各层中，形成互连的金属线图案并且电连接到晶体管器件上，从而确定了所期望的功能器件。众所周知，所构成的导电层通过介电材料(比如二氧化硅)与其它导电层绝缘。随着形成更多的金属层和相关的绝缘层，需要对介电材料进行平整。如果没有平整，进一步地制造金属层就会由于表面形貌的差异而变得相当的困难。在其它的应用中，在介电材料中形成金属线图案，然后，进行金属CMP操作以去除多余的金属。
通常利用化学机械平整(CMP)***来抛光如上所述的晶片。CMP***通常包括处理和抛光晶片表面的***部件。例如，这些部件可以是轨道抛光垫，或线性带状抛光垫。抛光垫本身通常是由聚氨酯材料制成。在操作中，带状抛光垫处于运动状态，然后将研浆材料喷洒到带状抛光垫的表面上。上面有研浆的带状抛光垫以期望的速率运动后，把晶片降低到带状抛光垫的表面上。通过这种方法，希望平整的晶片表面会相当的平滑，就像用砂纸打磨木头一样。然后在晶片清洗***中清洗晶片。
在现有技术中，CMP***通常配备有带式、轨道或刷式工作台，其中使用抛光带、抛光垫或刷子来擦洗、打磨和抛光晶片的一个或两个端面。研浆用来使CMP操作便利并且增强CMP操作。研浆通常被引入到运动的工作面上，比如抛光带、抛光垫、刷子等等，并且分布在工作面和正被打磨、抛光、或进行CMP处理的半导体晶片表面上。研浆的分布是通过工作面的运动、半导体晶片的运动以及在半导体晶片和工作面之间产生的摩擦力相结合来完成的。
图1A显示了正在制造过程中的介电层2的截面图，这种制造工艺在制造镶嵌和双镶嵌型互连金属线的过程中是很普遍的。介电层2具有扩散阻挡层4，扩散阻挡层4沉积在介电层2的蚀刻图案表面上。众所周知，扩散阻挡层通常是氮化钛(TiN)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)或者氮化钽(TaN)和钽(Ta)的混合物。扩散阻挡层4沉积到预期厚度后，在扩散阻挡层上形成铜层6，填充介电层2中的蚀刻特征。一些过多的扩散阻挡层和金属材料也不可避免的沉积在这些区域上。为了去除这些过多的材料并且确定期望的互连金属线及其相关通路(没有显示)，要进行化学机械平整(CMP)操作。
如上所述，CMP操作被设计用来从介电层2上去除顶端的金属材料。例如，如图1B所示，去除了铜层6和扩散阻挡层4的多余部分。在通常的CMP操作中，CMP操作必须连续进行，直到从介电层2上去除了所有多余的金属和扩散阻挡层4。但是为了确保从介电层2上去除所有的扩散阻挡层4，需要在CMP处理中监测处理状态和晶片表面状态。这通常称为终点检测。对铜进行终点检测是因为使用计时方法不能成功地对铜进行抛光。因为对于铜层的计时抛光，CMP处理的去除速率不够稳定，所以计时抛光无法用于铜。对铜进行的CMP处理的去除速率变化很大。这样就需要进行监测以确定什么时候到达了终点。在多步CMP操作中需要确定多个终点：(1)确保从扩散阻挡层上去除Cu；(2)确保从介电层上去除扩散阻挡层。因此，使用终点检测技术来确保去除所有预期的多余材料。
对于金属CMP中的终点检测，曾经提出了多种方法。现有技术的方法可以大致分为抛光物理状态的直接和间接检测。直接方法使用显式的外部信号源或化学试剂来在抛光过程中检测晶片的状态。另一方面，间接方法监测由于抛光过程中自然发生的物理或化学变化而在工具内部生成的信号。
间接终点检测方法包括监测：抛光垫/晶片表面的温度、抛光工具的振动、抛光垫和抛光头之间的摩擦力、研浆的电化学电势，以及声发射。温度方法利用了抛光研浆选择性地与被抛光金属膜发生反应时的发热反应。
另一种终点检测方法对研磨过程中产生的声发射进行解调来得到抛光过程的信息。通常使用声发射监测来检测金属终点。该方法监视抛光过程中发生的研磨作用。把麦克风放在离晶片预定距离的位置以检测当材料去除的深度达到距表面特定的距离时产生的声波，从而生成输出检测信号。所有这些方法都提供了抛光状态的全局测量，并且这些方法很大程度上取决于工艺参数的设置和消耗品的选择。但是，除了摩擦力检测以外，没有一种方法在工业中取得了商业成功。
直接终点检测方法使用声波速度、光反射和干涉、阻抗/电导率、由于特殊化学试剂的引入而产生的电化学电势的变化来监测晶片表面。使用声波检测金属终点的方法监测通过晶片/研浆传播的声波速度来检测金属终点。当从一个金属层变化到另一个金属层时，声波速度会发生改变，利用这种现象来检测终点。此外，另一种终点检测的方法使用传感器来监测位于抛光垫下面的流体轴承的流体压力。该传感器被用来检测抛光过程中流体压力的变化，这种压力的变化对应于当抛光从一个材料层变化到下一个材料层时的剪切力的变化。不幸的是，这种方法对于工艺变化不够稳定。此外，检测到的终点是全局的，因此该方法不能检测在晶片表面特定点的局部终点。而且，该方法只限于需要空气轴承的线性抛光机。
曾经有许多利用晶片表面的光反射来检测终点的方案，它们可以分为两类：使用激光源(比如600nm)或使用覆盖电磁光谱的整个可见范围的宽带光源(比如255nm到700nm)来监测单个波长处的反射光信号。另一类方法使用单波长，其中激光源发出的光信号照射在晶片表面上并且检测反射光以进行终点检测。利用抛光从一种金属转变到另一种金属时反射率的变化来检测这种转变。不幸的是，单波长终点检测具有对反射光的绝对强度过于敏感的问题，而反射光的强度很大程度上取决于工艺参数的设置和消耗品的选择。在介电层CMP应用中，这种单波长终点检测技术也有只能测量晶片厚度之间差异而通常不能测量晶片实际厚度的缺点。
宽带方法使用电磁光谱中多个波长的信息，其中使用分光仪来获取光谱中可见范围内的反射光强度谱。在金属CMP应用中，使用整个强度谱来计算终点检测(EPD信号)。检测信号中的显著变化表示从一种金属到另一种金属的转变。
当前终点检测技术的共同问题是要求一定程度的过量去除以确保从介电层2上去除所有的导电材料(比如，金属材料或扩散阻挡层4)，以防止金属线之间意外的电互连。不适当的终点检测或过度抛光的副作用是在希望保留在介电层2中的金属层上产生凹坑8。凹坑效应去除了比预期更多的金属材料并且在金属线上留下凹坑特征。凹坑被认为对互连金属线的性能有负面影响，并且过多的凹坑会导致所期望的集成电路无法实现预期的作用。考虑前面所述内容，需要能够提高终点检测精度的终点检测***和方法。
图1C显示了现有技术的带式CMP***10，其中抛光垫12被设计成绕辊子16转动。作为带式CMP***的共性，压板14被放置在抛光垫12的下面以提供一个表面，使用载料盘18(如图1D所示)将晶片放在该表面上。抛光垫12还具有抛光垫槽12a，这样终点检测可以如图1D所示的那样实施。
图1D显示了使用光学检测器20进行终点检测的典型方式，其中光通过压板14、通过抛光垫12照射到被抛光的晶片24的表面上。为了实现光学终点检测，在抛光垫12中形成有抛光垫槽12a。在一些实施例中，抛光垫12可以具有多个有策略地设置在抛光垫12不同位置的抛光垫槽12a。通常，抛光垫槽12a设计得足够小，以使抛光操作受到的影响最小。除了抛光垫槽12a以外，在压板14上还定义了压板槽22。压板槽22使得在抛光过程中光束能够穿过压板14，通过抛光垫12到达晶片24的预期表面上。
利用光学检测器20，可以确定晶片表面上的特定膜的去除程度。这种检测技术被设计为通过检查光学检测器20接收到的干涉图案来测量膜厚。此外，传统的压板14被设计为有策略地对抛光垫12施加特定大小的背压以使晶片24上的各层能精确去除。
在典型的终点检测***中，例如图1C所示的***，在抛光带中开辟了光孔。如图1D所示，通常在抛光垫和压板中使用光孔，这样激光或光可以照射到晶片上并且可以接收反射光来确定晶片的抛光量。
图1E显示了使用宽光谱光学终点检测得到的终点检测数据的双曲线图40，说明了抛光距离检测。在上面的曲线图41中显示了反射光的强度，曲线42显示了用于终点检测的光的不同频率的反射强度等级。上面的曲线图41具有表示强度的纵轴和表示频率的横轴。曲线42和上面的曲线图41表示了从晶片反射的光的不同强度与传播到晶片的光信号的不同频率之间的关系。如曲线42所示的反射光强度是在光学窗口上没有任何研浆时通过光学窗口的理想的光信号传输。不幸的是，在现有技术的平面光学窗口***中光被研浆阻挡时，传播到晶片上并通过光学检测单元从晶片接收回的光强度会降低(信噪比降低)，如曲线44所示，该曲线是典型的现有技术的特征曲线。因此当研浆积聚在抛光窗口中时，通过现有技术的***得不到曲线42。
进行傅立叶变换50之后，峰值46和曲线48显示在表示终点检测(EPD)强度的曲线图43中。下面的曲线图43具有表示强度的纵轴和表示厚度的横轴。下面的曲线图43的峰值46是通过对曲线42进行傅立叶变换50产生的，曲线48是通过对曲线44进行傅立叶变换50产生的。如果光学检测单元接收到的光信号很弱，如曲线44所示，曲线48就会失真并且不象峰值46那样清晰，峰值46是光学检测单元接收到强光信号而产生的。结果曲线48就不能象峰值46那样精确地显示抛光的膜厚。因此，接收到的光信号越强，通过光学检测单元进行的膜厚测量就越准确。所以，强光信号能够到达晶片或通过光学窗口从晶片反射到达光学检测单元是非常有利的。
图1F显示了在CMP处理的终点检测过程中使用的现有技术的平面光学窗口***60。在这个例子中，抛光垫62在压板64上方运动，在这个例子中，压板64是金属台，它可以在抛光过程中为抛光垫提供支撑。平面光学窗口66粘结在抛光垫62上，并且在抛光过程中在压板槽70上方运动，压板槽70通常是一个将平面光学窗口66暴露给光学检测器72的孔。通常，现有技术的平面光学窗口的厚度为15到30密耳(1密耳等于1×10-3英寸)。由于研浆68沉积在抛光垫62上，所以研浆68会积聚在平面光学窗口66上面的抛光垫孔中。不幸的是，研浆的积聚减少了反射到光学检测器72的光信号，尤其对于短波长的信号。
不幸的是，参照图1A、1B、1C、1D、1E和1F所描述的CMP操作中终点检测的现有技术方法和装置具有各种问题。现有技术的装置还有氧化物去除的问题，其中由于平面光学窗口中的研浆积聚导致光学终点检测的不精确，使得过多或过少的氧化物被去除。确切地说，如图1E所示，研浆的积聚常常会降低光学检测单元从晶片接收到的光信号的强度。因为现有技术的光学窗口在抛光垫孔中被设置成平面，所以，在CMP抛光过程中，研浆会流到抛光垫孔中。当越来越多的研浆流入抛光垫孔中时，会产生更多的光信号干涉。这会极大地降低晶片抛光精度以及所得到的晶片产品的可靠性。这种晶片抛光精度的降低足以使晶片生产成本极大增加。因此，由于现有技术的抛光带设计不能适当地控制和减少研浆在光学窗口上积聚，所以出现了这些问题。
因此，需要一种能够克服这些现有技术的问题的方法和装置，其具有能够减少研浆在光学窗口上积聚的抛光垫结构，使得能够进行更一致和更有效的终点检测，在CMP处理中实现更高精度的抛光。
发明内容
一般地说，本发明通过提供一种改进的在化学机械平整(CMP)处理过程中用于抛光晶片的光学窗口结构而满足了这些需要。该装置包括新的、更有效的、改进的带有成型光学窗口的CMP抛光垫，该成型光学窗口更能阻止研浆的积聚，并且由于在光学窗口孔中有更少的研浆，所以提高了光学检测单元接收的光的强度。应该理解，本发明能够以多种方式实施，包括作为工艺、装置、***、设备或方法。下面对本发明的几个实施例进行描述。
在一个实施例中，提供了一种光学窗口结构。该光学窗口结构包括具有加强层和衬垫层的支撑层。除此以外，该光学窗口结构还具有连接在支撑层顶面上的抛光垫。此外，该光学窗口结构具有光学窗口孔和成型光学窗口。在操作过程中，成型光学窗口至少部分地突出到支撑层和抛光垫的光学窗口孔内，并且该成型光学窗口与抛光垫的侧壁分离开。
在另一个实施例中，提供了一种光学窗口结构。该光学窗口结构包括具有加强层和衬垫层的支撑层。该光学窗口结构还包括连接在支撑层上的抛光垫，以及柔性光学窗口，当向柔性光学窗口的底面施加空气压力时，该柔性光学窗口至少部分地突出到支撑层和抛光垫的光学窗口孔内。当柔性光学窗口部分突出时，它与抛光垫的侧壁分离开。
在另一个实施例中，光学窗口结构包括多层抛光垫、光学窗口孔以及成型光学窗口。该成型光学窗口被设置为在操作过程中至少部分地突出到多层抛光垫的光学窗口孔内，并且该成型光学窗口与抛光垫的侧壁分离开。
本发明有许多优点。最重要的是，通过构造和使用根据本发明的成型光学窗口结构，抛光垫将能在晶片表面(比如金属或氧化物表面)上提供更高效率和更有效的平整/抛光操作。此外，因为利用该成型光学窗口进行CMP处理的晶片得到了更高精度和一致性的抛光，该CMP操作也将带来更高的晶片产出率。本发明的成型光学窗口结构可以使用具有预定形状并凸起的光学窗口以防止研浆在光信号经过的区域上积聚。因此，在终点检测过程中使用的光学检测单元可以通过该成型光学窗口进行理想的光信号发送和接收，从而精确地确定CMP处理中已经完成的抛光量。
下面结合附图对本发明进行详细描述，由此可以更清楚地理解本发明的其它方面和优点，附图以示例的方式解释了本发明的原理。
附图说明
通过以下的详细说明，结合附图，可以更清楚地理解本发明。为了方便描述，用相同的标号指示相同的结构单元。
图1A显示了在制造镶嵌和双镶嵌型互连金属线的过程中很普遍的一种制作工艺中的介电层的横截面视图；
图1B显示了在多余部分的铜层和扩散阻挡层被去除后介电层2的横截面视图；
图1C显示了现有技术的带式CMP***，其中抛光垫被设计成绕辊子转动；
图1D显示了使用光学检测器来进行终点检测的典型方法，其中，光通过压板、通过抛光垫照射到正被抛光晶片的表面上；
图1E显示了使用宽光谱光学终点检测得到的终点检测数据的双曲线图，解释了抛光距离检测；
图1F显示了在CMP处理中的终点检测过程中使用的现有技术的平面光学窗口***；
图2A显示了根据本发明一个实施例的CMP***的俯视图；
图2B显示了根据本发明一个实施例的CMP***的侧视图；
图3显示了根据本发明一个实施例的抛光垫的光学窗口部分；
图4显示了根据本发明一个实施例的光检测区域的断面侧视图；
图5显示了根据本发明一个实施例的带有柔性光学窗口的光学窗口结构；
图6显示了根据本发明一个实施例的带有预成型光学窗口的光学窗口结构；
图7显示了根据本发明一个实施例的光学窗口结构的侧视图；
图8显示了根据本发明一个实施例的带有柔性光学窗口的光学窗口结构的侧视图；
图9显示了根据本发明一个实施例的带有预成型光学窗口的光学窗口结构；
图10A显示了根据本发明一个实施例的光学窗口结构的放大俯视图；
图10B显示了图10A中的光学窗口结构区域的放大视图；
图11显示了根据本发明一个实施例的在CMP过程中的光学窗口结构；
图12显示了根据本发明一个实施例的在CMP处理过程中的带有预成型光学窗口的光学窗口结构；
图13显示了根据本发明一个实施例的在CMP处理过程中使用的带有预成型光学窗口的光学窗口结构，该成型光学窗口具有倾斜的侧面。
具体实施方式
本发明公开了一种带有成型光学窗口的更高效的、改进的CMP抛光垫和带结构，该成型光学窗口更能防止研浆的积聚，从而由于在光学窗口孔中有更少的研浆，提高了光学检测单元接收的光强。在下面的描述中，为了帮助深入地理解本发明，提到了很多具体的细节。但是，本领域的普通技术人员将认识到，离开一些或全部的这些特定细节本发明也可以实施。在其它的场合中，为了使本发明不被模糊而对众所周知的处理操作不作详细描述。
一般地说，本发明针对用于进行终点检测的成型光学窗口结构和方法。应该认识到，成型光学窗口结构在这里也可称为光学窗口结构。该成型光学窗口结构包括带有支撑层的抛光垫和成型光学窗口。成型光学窗口可以设置来减少研浆在它上面的积聚。通过这种方式，成型光学窗口可以减少被CMP过程中引入的研浆所阻挡的光传播量。因此，通过本发明的成型光学窗口从晶片表面接收到的反射光强度比使用现有技术的平面光学窗口要强，从而可以更好地确定在CMP处理中已经完成的抛光量。通过这种方式，可以通过位于成型光学窗口结构和压板下面的光学检测单元发送和接收理想强度的光信号，以确定在CMP处理中已经完成的抛光量。
在优选实施例中，成型光学窗口结构的抛光垫被设计制作成连续的无缝单元，并且最好使用粘合剂粘结在支撑层(可以包括用粘合剂连接的衬垫层和加强层，比如不锈钢层)上，也可以使用任何连接方式。成型光学窗口可以通过任何使该光学窗口能够减少研浆在成型光学窗口表面积聚的方式粘结在抛光垫或支撑层上，比如利用粘合剂。通过这种方式，成型光学窗口可以减少被终点检测过程中引入的研浆所阻挡的光传播量。因此，通过本发明的成型光学窗口从晶片表面接收到的反射光强度比使用现有技术的平面光学窗口要强。
该成型光学窗口结构可以包括抛光垫(或抛光垫层)，以及任何可以与抛光垫一起使用的其它结构部件，比如，衬垫层、支撑层、加强层、任何成型光学窗口，等等。在优选实施例中，加强层是不锈钢带。在成型光学窗口结构内的抛光垫可以是一般的抛光垫形式、带状形式或任何其它可以在CMP处理中使用的形式，比如无缝聚合物抛光垫、无缝聚合物抛光带、聚合物抛光垫、线性带状聚合物抛光垫、聚合物抛光带、抛光层、抛光带等等。抛光垫可以是最好包括不锈钢加强层的多层类型。此外，本发明的成型光学窗口结构可以用于任何类型的要求对任何类型材料的任何表面进行受控、高效和精确抛光的操作。
下面描述的成型光学窗口结构的一个实施例包括三个基本结构部件：聚合物抛光垫、支撑层以及成型光学窗口。这里使用的支撑层至少包括衬垫层、加强层(比如不锈钢带)之一。成型光学窗口可以以任何能够减少研浆在成型光学窗口上积聚的方式进行设置。抛光垫可以通过粘合膜粘结在支撑层上，并且成型光学窗口可以通过粘合剂粘结在支撑层的底面。利用这个示例结构，通过一种巧妙的成型光学窗口结构，实现了更高效的光信号传输，导致非常精确的终点检测，从而该晶片抛光装置和方法优化了CMP的效果，并提高了晶片处理能力。应该认识到，可以使用本发明的装置进行任何类型的晶片平整或抛光。
图2A显示了根据本发明一个实施例的CMP***100的俯视图。抛光头106可以用来在处理过程中固定和夹持晶片108。抛光垫102最好围绕滚筒104形成连续环状。应该认识到，抛光垫102可以包括带有支撑层的抛光层，该支撑层包括衬垫层和加强层。抛光层可以使用任何一种胶水或其它粘合剂材料(比如，3M 467粘合剂)固定在支撑层上。在另一个实施例中，通过直接在支撑层上浇铸聚氨酯来将抛光层固定在支撑层上。抛光垫102最好包括本发明的光学窗口110，通过光学窗口110可以进行终点检测。
抛光垫102沿箭头所指示的112方向转动。应该认识到，抛光垫102可以以任何速度运动来优化平整过程。在一个实施例中，抛光垫102以大约每分钟400英尺的速度运动。当带转动时，通过研浆给料器111将抛光研浆109施加并且散布在抛光垫102的表面上。然后使用抛光头106将晶片108降低到抛光垫102的表面上。通过这种方法，希望平整的晶片108的表面变得充分平滑。
在某些情况下，CMP操作被用来平整诸如铜(或其它金属)的材料，在另一些情况下，它可以被用来去除介电层或介电体和铜的混合物。可以通过调节施加到抛光垫102上的抛光压力来改变平整速率。抛光速率通常与施加到靠着压板118的抛光垫102上的压力大小成比例。在一个实施例中，压板108使用了空气轴承，该空气轴承通常是压板118和抛光垫102之间的压力空气垫。应该认识到，压板118可以使用任何类型的轴承，比如流体轴承等等。在从晶片101表面去除预期量的材料后，使用抛光头106提升晶片108以离开抛光垫102。然后晶片准备送到晶片清洗***。
在这个实施例中，光学窗口110可以设置来防止研浆在光学窗口110上积聚，从而使得终点检测以更高的精度进行，带来更好的晶片抛光可控性。本发明的光学窗口110可以设置为具有受控的形状，这个形状可以在CMP处理过程中通过来自压板118的高压空气而形成，或在生产时预先形成(也就是连接到抛光垫之前形成的形状)、或通过任何其它能够产生预期结构的方式形成。
图2B显示了根据本发明一个实施例的CMP***100的侧视图。在这个实施例中，通过抛光头106将晶片108降低到抛光垫102上。这时，通过研浆给料器111将研浆109施加在抛光垫102上以增强晶片108的抛光。光检测区域116可以包括进行终点检测的光学窗口结构(在下面参照图3-13描述)。因此，在抛光垫102和压板118中具有孔，光信号可以通过该孔传播和反射。利用CMP***100，由于更精确的抛光距离测量而得到了精确的抛光结果。
图3显示了根据本发明一个实施例的抛光垫的光学窗口部分200。在这个实施例中，光学窗口部分200包括带有成型光学窗口208的光学窗口孔206。应该理解，可以使用其它类型的成型光学窗口，比如预先形成的成型光学窗口。在成型光学窗口208的下面，位于压板中的孔或透明区域下面的光学检测单元通过该孔并通过成型光学窗口208发送光信号到晶片上，并且通过成型光学窗口208接收从晶片反射回的光信号。这样，因为成型光学窗口208的构造减少了研浆在成型光学窗口208上面的积聚，所以终点检测可以精确地进行。应该理解，成型光学窗口208可以是任何形状和尺寸，只要能使光信号发送到晶片上，并从晶片反射回来，使光学检测单元能够确定已经通过CMP进行的抛光量，比如椭圆形、圆形、矩形、正方形、或其它几何或非定形的形状。
在使用柔性光学窗口的一个实施例中(如下面所讨论的)，光学窗口孔206在抛光垫方向的轴线上的长度d202为大约0.5英寸至大约2.3英寸，光学窗口孔206在垂直于抛光垫方向的轴线上的宽度d204为大约0.3英寸至大约1.7英寸。在一个优选实施例中，当使用柔性光学窗口时，长度d202可以为大约1.4英寸并且宽度d204可以为大约1英寸。
在使用预先形成的成型光学窗口(预成型光学窗口，也在下面进行讨论)的另一个实施例中，光学窗口孔206的长度d202为大约0.5英寸至大约1.7英寸，在这个实施例中，光学窗口孔206的宽度d204为大约0.4英寸至大约1.3英寸。在使用预成型光学窗口的优选实施例中，长度d202可以为大约1.1英寸并且宽度d204可以为大约0.8英寸。
利用成型光学窗口208，研浆的积聚可以保持为最小，并且通过成型窗口结构传播的光信号可以保持理想水平。
图4显示了根据本发明一个实施例的光检测区域116的断面侧视图。在一个实施例中，抛光垫102具有光学窗口孔206。该光学窗口孔206可以包含柔性光学窗口254，当从压板118施加空气压力252时，该柔性光学窗口254沿方向255移动，变成成型光学窗口208。因此，在这个实施例中，当抛光垫102绕辊子转动时，柔性光学窗口254可以保持为平面。然后当柔性光学窗口254滚动到压板118上方时，空气压力252推动柔性光学窗口254。然后柔性光学窗口254由于空气压力252而膨胀并且呈现弧形的构造(如虚线所示)，变成成型光学窗口208，并且突出到光学窗口孔206中。应该认识到，光学窗口孔206可以是任何能够使终点检测精确和使柔性光学窗口254适当变形的尺寸。对于光学窗口孔206使用的不同尺寸参照图3进行了详细描述。
优选地施加在抛光垫上的研浆会进入光学窗口孔260，并且在现有技术的***中，会阻挡光信号从压板孔258进入。但是，在本发明中，柔性光学窗口254被设置为可控地凸入到光学窗口孔206中，并且当施加空气压力且柔性光学窗口254变成成型光学窗口208时，积聚在柔性光学窗口254上面的研浆会滑离。可以控制柔性光学窗口254的厚度，以确定取决于从压板得到的压力的鼓起量。光学窗口孔260通过压板并且不再施加空气压力252后，成型光学窗口208变平并且回复成光学窗口254。光学窗口254保持为平面，直到这部分抛光垫102再次滚到压板118的上方。应该理解，柔性光学窗口254可以是任何类型的柔软并足够薄以能利用空气压力252可控地变形为成型光学窗口的透明或半透明材料，比如，聚脂薄膜、聚氨酯、任何透光聚合材料，等等。在一个实施例中，柔性光学窗口由能传播光信号的聚氨酯材料制成，厚度为从大约2密耳(0.002英寸)至大约14密耳(0.014英寸)。厚度可以根据所希望的鼓起量而有所变化。在另一个实施例中，柔性光学窗口254大约为6密耳(0.006英寸)厚。利用这种可以变形为成型光学窗口的柔性光学窗口，本发明减少了积聚在成型光学窗口上面的研浆，从而优化了通过成型光学窗口传播的光信号。
图5显示了根据本发明一个实施例的带有柔性光学窗口254的光学窗口结构280。在这个实施例中，柔性光学窗口254连接在抛光垫102上。应该认识到，只要在向柔性光学窗口254的底部施加空气压力时柔性光学窗口254能够可控地鼓起(或成弧形)，柔性光学窗口254可以是任何尺寸以及由任何材料制成。也应该认识到，抛光垫102可以由任何能有效地抛光晶片的材料制成，比如，聚氨酯、铸塑聚氨酯，以及其它任何类型的聚合材料，比如Rodel IC-1000抛光垫、Tomas West 813抛光垫，等等。除此以外，抛光垫102可以是任何能够抛光晶片的尺寸。在一个实施例中，抛光垫102的厚度在大约50密耳(0.05英寸)至大约150密耳(0.15英寸)之间。柔性光学窗口254部分的长度可以是任何距离，只要柔性窗口254可以连接在抛光垫102上并且仍然能够形成成型光学窗口208。也应该认识到，柔性光学窗口254可以以任何方式连接在抛光垫102上，比如通过任何粘合剂的方式、销钉等等。在一个实施例中，柔性光学窗口254按照1/8英寸到1.0英寸之间的距离d283连接在抛光垫102上。在一个优选实施例中，距离d283大约为0.5英寸。
当柔性光学窗口254鼓起时，它沿方向255移动形成成型光学窗口208。因此，当抛光垫102抛光晶片时形成成型光学窗口208，并且位于柔性光学窗口254上面的研浆消失，这样就提高了通过和来自成型光学窗口208的光信号的强度。应该理解，柔性光学窗口254可以鼓起任何高度，只要能够使研浆从成型光学窗口208的表面更好的排走，并且使到达和来自光学检测单元(位于成型光学窗口208的下面)的光信号传输更理想。通过这种方式，可以更精确地测量CMP进程。
图6显示了根据本发明一个实施例的带有预成型光学窗口302a的光学窗口结构300。在这个实施例中，光学窗口结构300包括连接在抛光垫102上的预成型光学窗口302a。抛光垫102可以是任何能够有效地抛光晶片的厚度d310。在一个实施例中，抛光垫102的厚度d310在0.05英寸至0.15英寸之间。在一个优选实施例中，厚度d310大约为0.075英寸。预成型光学窗口302a可以以任何方式连接在抛光垫312上，比如通过任何粘合剂、销钉等等。预成型光学窗口302a可以是任何形状、任何尺寸和结构的任何材料，只要能够透过光信号而限制研浆在预成型光学窗口302a和晶片之间的积聚。在一个实施例中，预成型光学窗口302a是透明的固体聚氨酯块。在另一个实施例中，预成型光学窗口302a是中空的并且充满空气或流体。同样应该理解，预成型光学窗口302a的顶面可以具有任何能够使研浆排走的高度。在一个实施例中，预成型光学窗口302a下凹在抛光垫102的顶面之下，如距离d304所示，该距离在大约0.010英寸至大约0.030英寸之间。在一个优选实施例中，距离d304大约为0.020英寸。在一个实施例中，研浆被输出到如下面参照图13讨论的抛光垫槽中。应该理解，从上方看时，预成型光学窗口可以是任何形状，比如，参照图3详细描述的椭圆形。因此，光学窗口结构300减少了研浆在光学窗口孔中的积聚，并且因此保持了光学检测单元进行的理想的光信号发送和接收。这使得能够使用先进的终点检测进行精确的抛光。
图7显示了根据本发明一个实施例的光学窗口结构320的侧视图。在这个实施例中，光学窗口结构320包括抛光垫102、支撑层330以及柔性光学窗口254。抛光垫102可以是任何类型的具有任何尺寸的抛光垫，只要能够使抛光精确和高效，比如，Rodel Inc公司制造的IC1000抛光垫。在一个实施例中，抛光垫102由聚合物抛光带构成，并且厚度在0.01英寸至0.1英寸之间。在另一个实施例中，抛光垫102大约为0.05英寸厚。在一个实施例中，支撑层330包括衬垫层330a和加强层330b。加强层厚度在大约0.005英寸至大约0.040英寸之间，并且最好由不锈钢制成，虽然可以使用其它类型的支撑材料，比如，凯夫拉尔(Kevlar)等等。衬垫层330a可以由能够为抛光垫102提供缓冲的任何类型的材料制成，比如由Thomas West公司制造的聚氨酯层。在这个实施例中，柔性光学窗口可以连接在抛光垫102和支撑层330之间。柔性光学窗口254通过粘合剂或通过机械连接，比如销钉，固定在合适的位置。当来自空气轴承压板的空气压力施加到柔性光学窗口254的底部时，柔性光学窗口254沿方向255移动并形成成型光学窗口208。这样，积聚在柔性光学窗口254上的研浆会滑离，从而优化了终点检测中光信号的发送和接收。
图8显示了根据本发明一个实施例的带有柔性光学窗口254的光学窗口结构340的侧视图。在这个实施例中，抛光垫102连接在支撑层330上，同时柔性光学窗口254连接在抛光垫102上而不是在支撑层330上。支撑层330包括衬垫层330a和加强层330b。在这个实施例中，柔性光学窗口254只连接在抛光垫120上而不连接到它下面的另一层。应该认识到，柔性光学窗口254可以以任何类型的粘合剂或通过任何机械连接的方式连接在抛光垫102上。如以上参照图7所描述的，当来自空气压板的空气压力向上推时，柔性光学窗口沿方向255向上鼓起，形成成型光学窗口208。因此，在CMP过程中，当光学窗口结构340移动到压板上方时(并且在晶片下方)，形成成型光学窗口208。
图9显示了根据本发明一个实施例的带有预成型光学窗口372的光学窗口结构370。在这个实施例中，光学窗口结构370包括抛光垫102、支撑层330以及预成型光学窗口372。支撑层330包括通过任何类型的粘合剂连接在一起的衬垫层330a和加强层330b。支撑层330也通过粘合剂连接在抛光垫102上。粘合剂的例子包括3M 442、3M 467MP、3M 447、橡胶基粘合剂等等。预成型光学窗口372和抛光垫102之间的间隙382可以是任何距离，比如在大约0.02英寸至大约0.12英寸之间。在一个优选实施例中，间隙382大约为0.03937英寸。另外，在参照图12和13进一步详细描述的另一个实施例中，预成型光学窗口372的顶面是凹的。
与下面参照图12描述的研浆去除机理一样，通常在现有技术的光学窗口上积聚的研浆能够从预成型光学窗口372上排走到抛光垫102的一个或多个槽中。因此，预成型光学窗口372的顶面可以保持对研浆的相对干净，从而使光学检测单元发送和接收的光信号更理想。这种理想的光信号发送和接收使抛光距离测量的分辨率更好，从而提高CMP处理的精度。反过来，可以增加晶片的产出率和降低晶片的生产成本。除此以外，预成型光学窗口372可以延长抛光垫102和支撑层330的使用寿命，因为如果由于某些原因预成型光学窗口372失效，则可以替换预成型光学窗口(通过重新粘结)而不用抛弃抛光垫102和支撑层330。
图10A显示了根据本发明一个实施例的光学窗口结构400的放大俯视图。在这个实施例中，光学窗口结构400包括成型光学窗口208、多个抛光垫槽404、以及多个抛光垫表面402。区域406是光学窗口结构400的一部分，它将在下面参照图10B进行讨论。
图10B显示了图10A中的光学窗口结构400的区域406的放大视图。在这个实施例中，区域406显示了多个抛光槽404中的一个槽。应该认识到，该槽可以是任何尺寸，只要能够使晶片抛光更有效并且使研浆更好的从成型光学窗口的顶面排走。在一个实施例中，槽的深度在大约10密耳至大约50密耳之间。区域406也显示了多个抛光垫表面402的一部分。区域406还包括成型光学窗口208，成型光学窗口208被设置用来使研浆从顶面流入多个抛光槽404，参照图11到13进行更详细的讨论。
应该认识到，图11到13中描述的实施例可以使用多层抛光垫结构(例如参照图7-9描述的)或单层抛光垫结构(例如参照图5-6描述的)。
图11显示了根据本发明一个实施例的在CMP过程中的光学窗口结构500。在这个实施例中，光学窗口结构500包括连接在抛光垫102上的成型抛光窗口208。当光学窗口结构500滚过空气压板时，空气压力506向上推并形成成型光学窗口208。当这个发生时，成型抛光窗口208上面的研浆109落到成型抛光窗口208的侧部，或沿流动方向510流入多个槽404中。能够看到，利用光学窗口结构500，积聚在成型光学窗口208上面的研浆可以极大地减少，并且因此提高光信号的传播强度，从而充分地优化终点检测的精度。
图12显示了根据本发明一个实施例的在CMP处理过程中的带有预成型光学窗口302b的光学窗口结构600。在这个实施例中，预成型光学窗口302b最好能够通过粘合剂连接在抛光垫102上。在一个实施例中，在CMP过程中，研浆109会施加在抛光垫102上。然后研浆109进入到预成型光学窗口302b所在的光学窗口孔中。因为预成型光学窗口302b在抛光垫102的顶面下升起了一小段距离，所以研浆109不能在预成型光学窗口302b的顶面上积聚。在一个实施例中，研浆从预成型光学窗口302b流入到多个抛光垫槽404中，如方向616所示。研浆109也可以流入预成型光学窗口302b和抛光垫102之间的通道中，如方向618所示。因此，因为预成型光学窗口302b，阻挡光信号的研浆109积聚空间量极大地减少，因此提高了由光学检测器发送和接收的光信号的强度。应该认识到，预成型光学窗口302b可以是与平面光学窗口相比能够减少研浆积聚的任何厚度。在一个实施例中，预成型光学窗口可以是任何厚度，只要在预成型光学窗口302b的上顶面和抛光垫102的顶面之间留有大约0.010英寸至大约0.030英寸之间的距离。预成型光学窗口302b与抛光垫102之间的间隙619可以在大约0.02英寸至0.12英寸之间，如距离d614所示。在一个优选实施例中，距离d614大约为0.03937英寸。
因此，通过由图12所示的研浆排走机理，本发明能够实现更精确和高效的CMP监测，晶片表面的抛光可以更加精确，从而提高晶片的产出率并降低晶片生产成本。
图13显示了根据本发明一个实施例的在CMP处理过程中使用的带有具有倾斜侧面709的预成型光学窗口302c的光学窗口结构700。在这个实施例中，预成型光学窗口302c通过粘合剂连接在抛光垫102上。在一个实施例中，在CMP过程中，研浆109施加到抛光垫102上。然后研浆109会流入光学窗口孔中。因为预成型光学窗口302c从抛光垫102的顶面升起一小段距离，所以研浆109不会在预成型光学窗口302c的顶面积聚。预成型光学窗口302c具有倾斜侧面709，倾斜侧面709使研浆109能够从预成型光学窗口302c滑离。在一个实施例中，研浆109也可以流入到多个抛光垫槽404中。应该认识到，只要槽能够有效的从预成型光学窗口302c排走研浆，多个抛光垫槽404可以是任何深度。
因此，因为预成型光学窗口302c，阻挡光信号的研浆109积聚空间量极大地减少，因此提高了由光学检测器发送和接收的光信号的强度。应该认识到，预成型光学窗口302c可以是与平面光学窗口相比能够减少研浆积聚的任何厚度。在一个实施例中，预成型光学窗口在抛光垫102的顶面下大约为0.010英寸至大约0.030英寸。
尽管根据几个优选实施例对本发明进行了描述，但是应该理解到，本领域技术人员阅读了前面的说明并研究了附图之后将认识到本发明的各种变化、添加、替换以及等同。因此，本发明涵盖落入本发明的实质和范围之内的所有变化、添加、替换以及等同。

Claims (20)

1.一种成型光学窗口结构，包括：
支撑层，该层包括加强层和衬垫层；
抛光垫，该抛光垫连接在支撑层的上表面上；
光学窗口孔；以及
成型光学窗口，该成型光学窗口设置为在操作过程中至少部分地突出到支撑层和抛光垫的光学窗口孔中，并且成型光学窗口与抛光垫的侧壁分离开。
2.根据权利要求1所述的成型光学窗口结构，其中
成型光学窗口在抛光垫的顶面下凹下大约0.010英寸至大约0.030英寸。
3.根据权利要求1所述的成型光学窗口结构，其中
所述的光学窗口孔为椭圆形。
4.根据权利要求1所述的成型光学窗口结构，其中
所述的抛光垫是聚合材料，所述的衬垫层是聚合材料，所述的加强层是不锈钢。
5.根据权利要求1所述的成型光学窗口结构，其中
所述的抛光垫是无缝的。
6.根据权利要求1所述的成型光学窗口结构，其中
所述的成型光学窗口设置成能使研浆通过多个抛光垫槽排走。
7.根据权利要求1所述的成型光学窗口结构，其中
所述的成型光学窗口连接在抛光垫和支撑层之一的下表面上。
8.根据权利要求1所述的成型光学窗口结构，其中
所述的成型光学窗口被设置为减少研浆在成型光学窗口上面的积聚。
9.根据权利要求8所述的成型光学窗口结构，其中
所述的成型光学窗口被设置为使光能够在光学窗口结构的底部和顶部之间传输。
10.一种柔性光学窗口结构，包括：
支撑层，该支撑层包括加强层和衬垫层；
抛光垫，该抛光垫连接在支撑层的上表面上；以及
柔性光学窗口，该柔性光学窗口被设置为在有空气压力施加到柔性光学窗口的底面时，至少部分地突出到支撑层和抛光垫的光学窗口孔中，并且当柔性光学窗口部分突出时，与抛光垫的侧壁分离开。
11.根据权利要求10所述的柔性光学窗口结构，其中
所述的柔性光学窗口连接在抛光垫和支撑层之一上。
12.根据权利要求10所述的柔性光学窗口结构，其中
所述的柔性光学窗口被设置为减少研浆在柔性光学窗口顶面上的积聚。
13.根据权利要求12所述的柔性光学窗口结构，其中
所述的柔性光学窗口被设置为使光能够在光学窗口结构的底部和顶部之间传输。
14.根据权利要求10所述的柔性光学窗口结构，其中
所述的抛光垫为聚合材料。
15.根据权利要求10所述的柔性光学窗口结构，其中
所述的抛光垫是无缝的。
16.根据权利要求10所述的柔性光学窗口结构，其中
所述的柔性光学窗口被设置为使研浆通过多个抛光垫槽排走。
17.根据权利要求10所述的柔性光学窗口结构，其中
所述的抛光垫是聚合材料，所述的衬垫层是聚合材料，所述的加强层是不锈钢。
18.一种成型光学窗口结构，包括：
多层抛光垫；
光学窗口孔；以及
成型光学窗口，该成型光学窗口被设置为在操作过程中至少部分地突出到多层抛光垫的光学窗口孔中，并且该成型光学窗口与抛光垫的侧壁分离开。
19.根据权利要求18所述的成型光学窗口结构，其中
所述的多层抛光垫包括不锈钢加强层。
20.根据权利要求18所述的成型光学窗口结构，其中
所述的成型光学窗口被设置为减少研浆在成型光学窗口上面的积聚。
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