TWI568533B - 監控硏磨製程的方法及其硏磨系統 - Google Patents

Description

監控研磨製程的方法及其研磨系統

本發明是有關於一種監控研磨製程的方法以及其研磨系統。

隨著產業的進步，平坦化製程經常被採用為生產各種元件的製程。在平坦化製程中，化學機械研磨製程經常為產業所使用。一般來說，化學機械研磨(chemical mechanical polishing,CMP)製程是將研磨墊貼於研磨承載台上，供應具有化學品及研磨粉末混合之研磨漿液於研磨墊上，對研磨物件(例如是半導體晶圓)施加一壓力以將其壓置於研磨墊上，且讓研磨物件及研磨墊彼此進行相對運動，並以修整器(例如是鑽石碟盤)將研磨墊表面修整。藉由相對運動所產生的機械摩擦及研磨漿液的化學作用下，移除部分研磨物件之表層，而使其表面逐漸平坦，來達成平坦化的目的。在研磨製程中，可能因為研磨墊表面局部不平整的異常狀態，例如是不均勻累積研磨粉末於研磨墊表面、鑽石碟盤的鑽 石顆粒掉落於研磨墊表面、或是研磨墊在長時間應力作用下導致局部脫膠而***等情況，使研磨物件受到的壓力控制異常，導致研磨物件破片而報廢，並使研磨機台必須停機檢查，如此增加製造成本。

本發明提供一種監控研磨製程的方法以及其研磨系統，其可以避免研磨物件在研磨製程中因壓力控制異常而導致破片現象。

本發明的監控研磨製程的方法包括利用研磨頭以及研磨墊對複數個研磨物件依序進行研磨製程。收集已研磨之研磨物件在研磨製程中的個別壓力訊號值。利用壓力訊號值計算出移動基準。利用移動基準及設定一個監控範圍，作為接續之研磨物件的監控標準，以監控研磨製程。

本發明另提供一種研磨系統，用以對研磨物件進行研磨製程。研磨系統包括研磨墊、研磨頭、壓力感測裝置以及控制器。研磨頭設置在研磨墊上，且研磨物件裝設於研磨頭內。壓力感測裝置設置於研磨頭，其中壓力感測裝置收集研磨物件在研磨製程中之個別壓力訊號值。控制器收集壓力感測裝置所測得之壓力訊號值以計算出移動基準及設定一個監控範圍，作為接續之研磨物件的監控標準來監控研磨製程。

基於上述，由於本發明之監控研磨製程的方法及研磨系 統藉由壓力感測裝置收集研磨物件在研磨製程中之個別壓力訊號值，利用控制器依照各個研磨物件的壓力訊號值計算監控標準，以此監控標準偵測研磨墊是否有異常狀態。因此，使用者可及時監控研磨物件受到的控制壓力變化，並可在壓力控制異常時即終止研磨程序，避免破片現象的產生，進而有效減少製造成本。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧研磨系統

102‧‧‧承載台

104‧‧‧研磨墊

110‧‧‧研磨頭

112‧‧‧壓力感測裝置

114‧‧‧控制器

116‧‧‧氣囊

116a‧‧‧第一壓力區

116b‧‧‧第二壓力區

120‧‧‧研磨物件

A‧‧‧轉動方向A

B‧‧‧轉動方向B

C‧‧‧移動方向C

M‧‧‧監控標準

M1、M2‧‧‧曲線

P‧‧‧折線

P1、P2、P3‧‧‧研磨物件的壓力訊號值

圖1A為依照本發明之一實施例之研磨系統的剖面示意圖。

圖1B為依照本發明之一實施例之研磨頭的氣囊的俯視示意圖。

圖2為依照本發明之一實施例之監控研磨製程方法之流程示意圖。

圖3為依照本發明之一實施例之個別研磨物件在研磨製程中之壓力訊號值與時間之間的示意關係圖。

圖1A為依照本發明之一實施例之研磨系統的剖面示意圖。圖1B為依照本發明之一實施例之研磨頭的氣囊的俯視示意圖。圖2為依照本發明之一實施例之監控研磨製程方法之流程示意圖。請先參照圖1，研磨系統100包括承載台102、研磨墊104、研磨頭110、壓力感測裝置112、控制器114以及研磨物件120。 承載台102例如是用以承載研磨墊104。研磨墊104例如是貼附於承載台102的表面上，用以研磨研磨物件120。研磨墊104例如是由聚合物基材所構成，聚合物基材可以是熱固性樹脂(thermosetting resin)或熱塑性樹脂(thermoplastic resin)所合成之聚合物基材，本發明不特別限制研磨墊104之材質。

研磨頭110設置在研磨墊104上，藉此固持研磨物件120於研磨頭110上。如圖1所示，研磨頭110具有氣囊116，且研磨物件120是貼覆在氣囊116的外表面。研磨頭110可藉由對氣囊116輸入氣體來控制氣囊116的內部氣壓，以對研磨物件120施加壓力，進而將研磨物件120壓置於研磨墊104的表面上，使研磨物件120的待研磨面得與研磨墊104相接觸。

如圖1A與圖1B所示，研磨頭110中的氣囊116具有兩個獨立的第一壓力區116a以及第二壓力區116b。其中，在研磨製程的過程中，研磨系統100可以分別對第一壓力區116a以及第二壓力區116b輸入不同的氣體量使研磨物件120在第一壓力區116a以及第二壓力區116b受到不同的壓力。然而本發明不限於此，在其它實施例中，氣囊116可具有單一個氣壓區，氣囊116亦可具有兩個或兩個以上的不同壓力的氣壓區，例如是具有三個、五個、或七個不同壓力的氣壓區。

請參照圖2，進行步驟S1，啟動研磨系統100，對複數個研磨物件120依序進行研磨。在一實施例中，承載台102循著一個固定的轉動方向旋轉時，會同時帶動貼附於承載台102表面的 研磨墊104，而使研磨墊104可以循著與承載台102相同的轉動方向旋轉。研磨頭110循著同一個轉動方向旋轉，會同時帶動貼覆於氣囊116外表面的研磨物件120，而使研磨物件120循著與研磨頭110相同的轉動方向旋轉。在此實施例中，承載台102的轉動方向例如是轉動方向A且研磨頭110的轉動方向例如是轉動方向B，其中，轉動方向A具有一相同於轉動方向B的旋轉方向，以使研磨墊104與研磨頭110進行相對運動，但本發明不限於此，轉動方向A與轉動方向B亦可選擇是相反方向。在一實施例中，研磨頭110循著移動方向C來回平移擺動時，會同時帶動貼覆於氣囊116外表面的研磨物件120，而使研磨物件120可以循著移動方向C來回平移擺動，進行研磨製程。在一實施例中，研磨頭110除了可以使研磨物件120於研磨墊104上旋轉外，還可以同時使研磨物件120於研磨墊104上做來回平移擺動，以使研磨物件120與研磨墊104之間的接觸不會侷限在某一特定的區域，可有助於使研磨速率和均勻度更趨以平穩，並使研磨過程能夠更均勻。

接著，進行步驟S2，收集已研磨之研磨物件120在研磨製程中的個別壓力訊號值。壓力感測裝置112設置在研磨頭110內部，其中壓力感測裝置112收集研磨物件120在研磨製程中之個別壓力訊號值。在本實施例中，研磨頭110藉由對氣囊116輸入氣體來控制氣囊116的內部氣壓，以對研磨物件120施加壓力，將研磨物件120壓置於研磨墊104的表面上，與研磨墊104相接觸。因此，壓力感測裝置112可藉由偵測氣囊116內部的壓力來 測得研磨物件120的壓力訊號值。已研磨之研磨物件120的壓力訊號值例如是選自氣囊116內部的最大壓力值(maximum)、最小壓力值(minimum)、平均壓力值(average)、或最大壓力與最小壓力之間的差值。圖1A所繪示之壓力感測裝置112及控制器114為位於研磨頭110內，但本發明不限於此，壓力感測裝置112及控制器114亦可位於研磨頭110之外。

進行步驟S3，利用壓力訊號值計算出移動基準(moving reference)；再進行步驟S4，利用移動基準並設定監控範圍(monitoring range)，來計算作為接續之研磨物件的監控標準(monitoring criterion)。控制器114可收集藉由壓力感測裝置112所測得之已研磨之研磨物件120的壓力訊號值計算出移動基準，並設定一個監控範圍。之後，控制器114依據移動基準及監控範圍，計算一個作為接續之研磨物件的監控標準M，以監控研磨製程。其中，監控標準M例如是移動基準加減(+/-)監控範圍。

在一實施例中，移動基準是選自所測得之已研磨之研磨物件120的壓力訊號值的移動平均數(moving average)、移動中位數(moving median)、或移動眾數(moving mode)。在另一實施例中，移動基準例如是前n個已研磨之研磨物件120之壓力訊號值的簡單移動平均數，且依下式計算出之：B_i=(P_i-1+...+P_i-n)/n，其中B_i表示接續之研磨物件的移動基準，P_i-n表示接續之研磨物件之前第n個研磨物件120的壓力訊號值，且n≧2。在一實施例中， 監控範圍例如是設定為介於移動基準的50%~80%之間。在另一實施例中，監控範圍例如是前m個已研磨之研磨物件120之壓力訊號值的標準差之倍數(例如是標準差之3倍)，且m≧3。

接著，進行步驟S5，利用監控標準M判斷壓力訊號值是否超出該監控標準M。當於進行研磨製程時，若壓力感測裝置112經由氣囊116的內部壓力變化所偵測到接續之研磨物件之壓力訊號值沒有超出控制器114所計算之監控標準M時，則無異常訊息產生，研磨系統100繼續研磨製程。反之，當於進行研磨製程時，若壓力感測裝置112經由氣囊116的內部壓力變化所偵測到接續之研磨物件之壓力訊號值超出控制器114所計算之監控標準M時，將產生異常訊息。

在一實施例中，異常訊息的因素例如是在研磨墊110表面產生局部不平整的異常狀態。在研磨製程中，當研磨物件120移動至研磨墊110不平整的表面上方時，研磨物件120受到額外壓力變化，間接地使氣囊116產生壓力變化。此時研磨系統100會藉由調節氣囊116的內部壓力而抵銷壓力變化，達到自動修正研磨物件120所承受之額外壓力變化。然而，在利用調節氣囊116的內部壓力以修正研磨物件120所承受之額外壓力變化時，若壓力感測裝置112經由氣囊116的內部壓力所偵測到研磨物件120的壓力訊號值超過控制器114所計算之監控標準M，則研磨系統100將會產生異常訊息。研磨墊110表面產生局部不平整的原因例如是不均勻累積研磨粉末於研磨墊表面、鑽石碟盤的鑽石顆粒掉 落於研磨墊表面、或是研磨墊在長時間應力作用下導致局部脫膠而***等情況造成，但不以此限定本發明。

為了避免在進行研磨製程時，因研磨物件120承受額外壓力變化，而導致研磨物件120破片，需進行異常訊息的排除動作。在研磨製程中，若產生異常訊息，則進行步驟S6，終止研磨製程以排除異常訊息。其中，基於不同的異常訊息的因素，本發明不限定異常訊息的排除動作的手段。當異常訊息已被排除後，則重複步驟S1，啟動研磨系統100進行研磨製程。在一實施例中，氣囊116若是具有兩個或兩個以上的氣壓區，壓力訊號值較佳為選擇偵測自最外圈的氣壓區，因為氣囊116若會受到研磨墊110表面局部不平整區域之影響時，相對地一定會經過氣囊116最外圈的氣壓區，但可能不會經過氣囊116較內圈的氣壓區。因此壓力訊號值選擇偵測自最外圈的氣壓區，可較有效地監控到研磨墊110表面產生局部不平整的情況。但不以此限定本發明，在某些特定的研磨製程條件下，氣囊116較內圈氣壓區的偵測靈敏度可能比較好，而選擇將壓力訊號值偵測自較內圈的氣壓區。

為了更清楚地說明本發明之監控研磨製程的方法及研磨系統，特另以本發明之一實施例進行實驗來解釋異常訊息的判斷。圖3為依照本發明之一實施例之個別研磨物件在研磨製程中之壓力訊號值與時間之間的示意關係圖。請參照圖3，在一實施例中，控制器114所計算之監控標準M是定義為位於曲線M1以及曲線M2之間的區域，且折線P上的每一個點分別為壓力感測裝 置112經由氣囊116所偵測到個別研磨物件120的壓力訊號值，此實施例中的壓力訊號值為最大壓力與最小壓力之間的差值。由圖3清楚可知，壓力訊號值P1、P2、P3超過控制器114所計算之監控標準M，因此研磨系統100在測量到這三個壓力訊號值P1、P2、P3時，將會分別產生一個異常訊息。本發明之監控的方法及研磨系統可視不同需求，選擇在連續產生異常訊息時終止研磨製程，亦可選擇在產生單一個異常訊息時即終止研磨製程。

在一實施例中，研磨系統100可應用於利用閉迴路系統所控制之研磨頭的研磨機台。本發明之監控研磨製程方法及研磨系統可應用於如半導體、積體電路、微機電、能源轉換、通訊、光學、儲存碟片、及顯示器等元件的製作中所使用之研磨製程，製作這些元件所使用的物件120可包括半導體晶圓、Ⅲ V族晶圓、儲存元件載體、陶瓷基底、高分子聚合物基底、及玻璃基底等，但並非用以限定本發明之範圍。

綜上所述，本發明之監控研磨製程的方法及研磨系統藉由壓力感測裝置收集研磨物件在研磨製程中之個別壓力訊號值，利用控制器依照各個研磨物件的壓力訊號值計算監控標準，以此監控標準偵測研磨物件是否有壓力控制異常的狀態，形成預警機制，避免破片現象的產生，進而有效減少製造成本。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍 當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧研磨系統

102‧‧‧承載台

104‧‧‧研磨墊

110‧‧‧研磨頭

112‧‧‧壓力感測裝置

114‧‧‧控制器

116‧‧‧氣囊

116a‧‧‧第一壓力區

116b‧‧‧第二壓力區

120‧‧‧研磨物件

A‧‧‧轉動方向A

B‧‧‧轉動方向B

C‧‧‧移動方向C

Claims (24)

1. 一種監控研磨製程的方法，包括：利用一研磨頭以及一研磨墊對複數個研磨物件依序進行一研磨製程；收集已研磨之該些研磨物件在該研磨製程中的個別壓力訊號值；利用該些壓力訊號值計算出一移動基準；以及利用該移動基準及設定一監控範圍，作為接續之研磨物件的一監控標準，以監控該研磨製程。
2. 如申請專利範圍第1項所述的監控研磨製程的方法，其中該研磨頭具有一氣囊，且該研磨物件是貼覆在該氣囊的外表面。
3. 如申請專利範圍第2項所述的監控研磨製程的方法，其中該壓力訊號值係偵測自該氣囊。
4. 如申請專利範圍第3項所述的監控研磨製程的方法，該氣囊具有兩個或兩個以上的氣壓區，且該壓力訊號值係偵測自最外圈的氣壓區。
5. 如申請專利範圍第1項所述的監控研磨製程的方法，其中該壓力訊號值係選自最大壓力值、最小壓力值、平均壓力值、或最大壓力與最小壓力之間的差值。
6. 如申請專利範圍第1項所述的監控研磨製程的方法，其中該移動基準係選自移動平均數、移動中位數、或移動眾數。
7. 如申請專利範圍第1項所述的監控研磨製程的方法，其中 該移動基準為前n個已研磨之研磨物件之壓力訊號值的簡單移動平均數，且依下式計算出之：B_i=(P_i-1+...+P_i-n)/n其中B_i表示接續之研磨物件的移動基準，P_i-n表示接續之研磨物件之前第n個研磨物件的壓力訊號值，且n≧2。
8. 如申請專利範圍第1項所述的監控研磨製程的方法，其中該監控範圍為介於該移動基準的50%~80%之間。
9. 如申請專利範圍第1項所述的監控研磨製程的方法，其中該監控範圍為前m個已研磨之研磨物件之壓力訊號值的標準差之倍數，且m≧3。
10. 如申請專利範圍第1項所述的監控研磨製程的方法，其中該監控標準為該移動基準+/-該監控範圍。
11. 如申請專利範圍第1項所述的監控研磨製程的方法，其中當於進行該研磨製程時的壓力訊號值超出該監控標準時，產生一異常訊息。
12. 如申請專利範圍第1項所述的監控研磨製程的方法，其中當於進行該研磨製程時的壓力訊號值超出該監控標準時，則終止該研磨製程。
13. 一種研磨系統，用以對複數個研磨物件依序進行一研磨製程，該研磨系統包括：一研磨墊；一研磨頭，設置在該研磨墊上，且每一研磨物件裝設於該研 磨頭內；一壓力感測裝置，其中該壓力感測裝置收集已研磨之該些研磨物件在該研磨製程中之個別壓力訊號值；以及一控制器，該控制器收集該壓力感測裝置所測得之該些壓力訊號值以計算出一移動基準及設定一監控範圍，作為接續之研磨物件的一監控標準，以監控該研磨製程。
14. 如申請專利範圍第13項所述的研磨系統，其中該研磨頭具有一氣囊，且每一研磨物件是貼覆在該氣囊的外表面。
15. 如申請專利範圍第14項所述的研磨系統，其中該壓力訊號值係偵測自該氣囊。
16. 如申請專利範圍第15項所述的研磨系統，其中該氣囊具有兩個或兩個以上的氣壓區，且該壓力訊號值係偵測自最外圈的氣壓區。
17. 如申請專利範圍第13項所述的研磨系統，其中該壓力訊號值係選自最大壓力值、最小壓力值、平均壓力值、或最大壓力與最小壓力之間的差值。
18. 如申請專利範圍第13項所述的研磨系統，其中該移動基準係選自移動平均數、移動中位數、或移動眾數。
19. 如申請專利範圍第13項所述的研磨系統，其中該移動基準為前n個已研磨之研磨物件之壓力訊號值的簡單移動平均數，且依下式計算出之：B_i=(P_i-1+...+P_i-n)/n 其中B_i表示接續之研磨物件的移動基準，P_i-n表示接續之研磨物件之前第n個研磨物件的壓力訊號值，且n≧2。
20. 如申請專利範圍第13項所述的研磨系統，其中該監控範圍為介於該移動基準的50%~80%之間。
21. 如申請專利範圍第13項所述的研磨系統，其中該監控範圍為前m個已研磨之研磨物件之壓力訊號值的標準差之倍數，且m≧3。
22. 如申請專利範圍第13項所述的研磨系統，其中該監控標準為該移動基準+/-該監控範圍。
23. 如申請專利範圍第13項所述的研磨系統，其中當於進行該研磨製程時的壓力訊號值超出該監控標準時，產生一異常訊息。
24. 如申請專利範圍第13項所述的研磨系統，其中當於進行該研磨製程時的壓力訊號值超出該監控標準時，則終止該研磨製程。