一种晶圆加载状态检测装置及抛光装置

技术领域

本发明涉及集成电路芯片制造技术领域，具体涉及一种晶圆加载状态检测装置及抛光装置。

背景技术

在集成电路制造及超精密加工领域，化学机械抛光(Chemical MechanicalPolishing，CMP)是实现晶圆全局平坦化的关键工艺。在CMP工艺过程中，抛光头需要完成装载晶圆、下压晶圆抛光、从抛光垫上吸起晶圆、携晶圆转动、卸载晶圆等动作，为避免损伤晶圆、抛光头背膜及其他抛光区零部件，抛光头在执行上述任何动作前后都需检测晶圆在抛光头内的加载状态是否正常，若晶圆加载状态判定为异常，应立即停止抛光区所有相关运动部件动作并触发设备报警，等待故障排除，因此对抛光头上晶圆加载状态的实时准确检测尤为重要。

现有的抛光头设计是通过机械结构配合上部压力控制单元保压压力反馈来判定晶圆在抛光头内的加载状态。当晶圆在抛光头上加载时，与气阀连通的抛光头气室为保压状态，与晶圆接触的抛光头气室为抽真空状态，此时柔性气囊背膜形成一定程度内凹，在气压作用下柔性气囊背膜对晶圆产生吸附。若此过程晶圆吸附正常，柔性气囊背膜内凹的程度不足以通过柱塞压迫弹簧顶开气阀，气阀连通的抛光头气室的保压压力反馈高于判断阈值，系统判断晶圆加载状态正常；若此过程晶圆吸附异常或未吸附，柔性气囊背膜内凹的程度加大通过柱塞压迫弹簧顶开气阀对气阀连通的抛光头气室进行泄压，气阀连通的抛光头气室的保压压力反馈低于判断阈值，系统判断晶圆加载状态异常。

但现有检测方案对万向节、气阀、弹簧、柱塞等机械结构的装配精度要求较高，在组装抛光头时高度依赖组头工人的经验与熟练度，装配误差极易造成气阀经常性误触发或无法触发，从而使抛光头晶圆加载状态检测功能失效，增添了抛光头的使用成本与测试成本；现有检测方案依赖于气阀连接气室的保压压力反馈，在晶圆加载完成后的任何非抛光工况下，气阀连接气室须一直维持保压状态，以判断晶圆加载状态，但是由于装配误差与硬件气密条件制约此气路系统实际上无法避免地处于缓慢漏气状态，因此保压压力会随着时间变化而慢慢趋近于判断阈值，在抛光头动作执行间隔时间较长的工况其对抛光头晶圆加载状态的检测精度较差，极易产生误判从而触发系统报警，影响CMP设备稳定运行时间及产品产出效率。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于解决现有技术中对晶圆加载状态的检测依赖于检测装置的气密条件及装配误差，导致检测精度低问题，从而提供一种晶圆加载状态检测装置及抛光装置。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种晶圆加载状态检测装置，包括：自电容触摸传感器、弹性装置及绝缘触摸板，其中，自电容触摸传感器，其第一表面与控制系统的输入端连接，其第二表面与弹性装置的第一端连接；弹性装置，其第二端与绝缘触摸板的第一表面连接；绝缘触摸板，其第二表面与气囊的第一表面接触；气囊，其第二表面用于加载晶圆，通过将气囊抽真空后，使得晶圆加载在气囊的第二表面上；当晶圆未加载在气囊的第二表面或晶圆加载状态异常时，气囊的第一表面基于气压向绝缘触摸板的第二表面的方向凸起，推动绝缘触摸板使弹性装置收缩后，绝缘触摸板的第一表面与自电容触摸传感器的第二表面接触，自电容触摸传感器判断绝缘触摸板与自电容触摸传感器发生触摸，并向控制系统发送加载状态异常信号。

本发明提供的晶圆加载状态检测装置，自电容触摸传感器通过判断自身的第二表面是否与绝缘触摸板的第一表面接触从而判断气囊的第一表面是否发生形变，进而判断晶圆在气囊的第二表面的加载状态，与相关技术中通过检测气室的保压压力的大小判断晶圆的加载状态的方法相比，本发明自电容触摸传感器通过判断自身与绝缘触摸板的接触状态从而检测晶圆在气囊第二表面的加载状态，无需检测装置中气路的保压压力，故检测过程不依赖于装置的气密性，灵敏度不受装配工人的经验与熟练度、不依赖装置的装配误差，检测精度高、可靠性高。

在一种可选的实施方式中，自电容触摸传感器包括：电容振荡模块、比较模块及输出模块，其中，电容振荡模块，其输入端与外接电源连接，其输出端与比较模块的输入端连接，其第一端为自电容触摸传感器的第二表面，其基于外接电源的电压及电流，通过其内部的采样电容采集电路中的电信号并输出采样电容振荡频率、通过其内部的触摸电容输出触摸电容振荡频率，触摸电容基于绝缘触摸板与电容振荡模块的第一端的接触状态改变自身容值后，电容振荡模块调整触摸电容振荡频率的大小；比较模块，其输出端与输出模块的输入端连接，其用于计算采样电容振荡频率与触摸电容振荡频率的频率比值后，将频率比值与预设值进行比对；输出模块，其输出端与控制系统的输入端连接；当晶圆正常加载在气囊的第二表面时，绝缘触摸板不与电容振荡模块的第一端接触，电容振荡模块的触摸电容的容值不变，当比较模块判断频率比值等于预设值时，输出模块向控制系统输出加载状态正常信号；当晶圆未加载在气囊的第二表面或加载状态异常时，绝缘触摸板与电容振荡模块的第一端接触，电容振荡模块的触摸电容的容值升高，当比较模块判断频率比值不等于预设值时，输出模块向控制系统输出加载状态异常信号。

本发明提供的晶圆加载状态检测装置，当自电容触摸传感器的第二表面与绝缘触摸板第一表面接触时，自电容触摸传感器根据接触压力改变触摸电容的容值，进而改变输出触摸电容振荡频率的大小，比较模块通过判断采样电容振荡频率与触摸电容振荡频率的频率比值的大小控制输出模块输出加载状态正常或异常信号，自电容触摸传感器的输出仅与触摸压力有关，且比较模块的比较结果仅与振荡频率有关，通过电信号判断晶圆的加载状态，不依赖于装置的气密性，检测结果可靠性高、检测方法易于实现。

在一种可选的实施方式中，自电容触摸传感器，还包括：触摸电极，其第一表面与自电容触摸传感器的第二表面连接，其第二表面与弹性装置的第一端连接，电容振荡模块基于绝缘触摸板与触摸电极的接触状态改变触摸电容的容值后，调整触摸电容振荡频率的大小，维持采样电容振荡频率的大小不变。

本发明提供的晶圆加载状态检测装置，通过触摸电极可以将绝缘触摸板中的电荷快速传递至自电容触摸传感器，提高自电容触摸传感器的响应速度，从而提高检测装置的检测效率。

在一种可选的实施方式中，电容振荡模块包括：采样电容振荡模块及触摸电容振荡模块，其中，采样电容振荡模块，其输入端与外接电源连接，其输出端与比较模块的输入端连接，其基于外接电源的电压及电流输出采样电容振荡频率；触摸电容振荡模块，其输入端与外接电源连接，其输出端与比较模块的输入端连接，其第一端与触摸电极的第一表面连接，其基于外接电源的电压及外接电源电流输出触摸电容振荡频率，其基于绝缘触摸板与触摸电极的接触状态改变容值后，调整触摸电容振荡频率的大小；比较模块计算获得采样电容振荡频率与触摸电容振荡频率的频率比值后，将比值与预设值进行比对；当比较模块判断频率比值等于预设值时，输出模块向控制系统输出加载状态正常信号；当比较模块判断频率比值不等于预设值时，输出模块向控制系统输出加载状态异常信号。

在一种可选的实施方式中，采样电容振荡频率为：

其中，f

触摸电容振荡频率为：

其中，f

在一种可选的实施方式中，采样电容振荡频率与触摸电容振荡频率的频率比值计算公式为：

其中，C

在一种可选的实施方式中，当比较模块判断频率比值等于触摸电容的初始容值与采样电容的容值的比值时，输出模块向控制系统输出加载状态正常信号；当比较模块判断频率比值不等于触摸电容的初始容值与采样电容的容值的比值时，输出模块向控制系统输出加载状态异常信号。

本发明提供的晶圆加载状态检测装置，预设值为触摸电容的初始容值与采样电容的容值的比值常数，当触摸电容容值变化时，当前触摸电容的容值相较于触摸电容的初始容值的增量ΔC

在一种可选的实施方式中，自电容触摸传感器还包括：标准电压/标准电流输出模块，其输入端与外接电源连接，其输出端分别与采样电容振荡模块及触摸电容振荡模块的输入端连接，其用于为采样电容振荡模块及触摸电容振荡模块提供相同的标准电压与标准电流。

本发明提供的晶圆加载状态检测装置，标准电压/标准电流输出模块能够为采样电容振荡模块及触摸电容振荡模块提供相同的振荡条件，降低振荡过程中的干扰情况，使有外界干扰或外接电源波动时，采样电容振荡模块及触摸电容振荡模块输出的振荡曲线波动情况一致，保证比较模块根据采样电容振荡频率与触摸电容振荡频率的频率获取的预设值大小，只与触摸电容及采样电容的容值相关，提高装置的检测结果准确度。

在一种可选的实施方式中，弹性装置包括多个复位弹簧，每个复位弹簧的第一端均与自电容触摸传感器的第一表面连接，每个复位弹簧的第二端均与绝缘触摸板的第一表面连接；复位弹簧用于避免当晶圆正常加载在气囊的第二表面时，绝缘触摸板的第一表面与自电容触摸传感器的第二表面接触。

本发明提供的晶圆加载状态检测装置，复位弹簧可以将绝缘触摸板的第一表面与自电容触摸传感器的第二表面隔离一定的距离，并且当弹簧的一端施加一定的压力弹簧才会收缩，保证当晶圆正常加载在气囊的第二表面导致气囊的第一表面微小形变时，弹簧不会因为气囊的微小形变压力收缩，使绝缘触摸板的第一表面与自电容触摸传感器的第二表面仍保持隔离状态，避免自电容触摸传感器误触发，提高装置的可靠性，且弹簧具有低成本的优势。

第二方面，本发明提供一种抛光装置，包括：控制系统、驱动装置、抛光头、气囊及第一方面的晶圆加载状态检测装置，其中，自电容触摸传感器、弹性装置、绝缘触摸板及气囊均设置在抛光头内部；驱动装置，其第一端与控制系统连接，其第二端与抛光头的第一端连接，其基于控制系统的驱动信号驱动抛光头对晶圆进行抛光；抛光头，其基于控制系统的控制信号加载或卸载晶圆；当晶圆正常加载在气囊的第二表面时，控制系统基于加载状态正常信号向驱动装置输出驱动信号，从而控制抛光头对晶圆进行抛光；当晶圆未加载在气囊的第二表面或加载状态异常时，控制系统基于加载状态异常信号停止向驱动装置输出驱动信号，从而控制抛光头停止对晶圆进行抛光。

本发明提供的抛光装置，先通过自电容触摸传感器检测晶圆是否正常加载在抛光头上，检测过程对抛光装置的气密性要求低；当判断晶圆正常加载，再控制驱动装置对晶圆进行抛光；若自电容触摸传感器检测晶圆未加载或加载状态异常时，控制系统控制驱动装置停止对晶圆进行抛光，避免驱动装置无效工作从而对抛光装置的其他部件造成损坏，提高了抛光装置的可靠性及使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是相关技术中的晶圆加载状态检测装置的一个具体结构图；

图2是根据本发明实施例的晶圆加载状态检测装置的一个具体示例的组成图；

图3是根据本发明实施例的晶圆加载状态检测装置的另一具体示例的组成图；

图4是是根据本发明实施例的晶圆加载状态检测装置的另一具体示例的组成图；

图5是根据本发明实施例的抛光装置的一个具体示例的组成图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

相关技术中，晶圆加载状态监测装置通过机械结构配合上部压力控制单元检测气室的保压压力来判定晶圆在气囊上的加载状态，如图1所示，当晶圆在气囊上加载时，与气阀连通的气室为保压状态，与晶圆接触的气囊为抽真空状态，此时气囊背膜形成一定程度上凸，在气压作用下气囊对晶圆产生吸附。若此过程中晶圆吸附正常，气囊背膜上凸的程度不足以通过柱塞压迫弹簧顶开气阀，气阀连通的气室的保压压力高于判断阈值，系统判断晶圆加载状态正常；若此过程中晶圆吸附异常或未吸附，气囊背膜上凸的程度加大，通过柱塞压迫弹簧顶开气阀，对与气阀连通的气室进行泄压，气室的保压压力低于判断阈值，系统判断晶圆加载状态异常。由于在晶圆加载完成后的任何非抛光工况下，气阀连接气室须一直维持保压状态以判断晶圆加载状态，气路系统无法避免地存在漏气现象，检测结果受装置的气密性影响较大，极易产生误判，故需要一种不受装置气密性影响、检测结果准确的晶圆加载状态检测装置。

本实施例提供一种晶圆加载状态检测装置，如图2所示，包括：自电容触摸传感器1、弹性装置2及绝缘触摸板3，其中，自电容触摸传感器1，其第一表面与控制系统的输入端连接，其第二表面与弹性装置2的第一端连接；弹性装置2，其第二端与绝缘触摸板3的第一表面连接；绝缘触摸板3，其第二表面与气囊4的第一表面接触；气囊4，其第二表面用于加载晶圆，通过将气囊4抽真空后，使得晶圆加载在气囊4的第二表面上。

图2中，当晶圆未加载在气囊4的第二表面或晶圆加载状态异常时，气囊4的第一表面基于气压向绝缘触摸板3的第二表面的方向凸起，推动绝缘触摸板3使弹性装置2收缩后，绝缘触摸板3的第一表面与自电容触摸传感器1的第二表面接触，自电容触摸传感器1判断绝缘触摸板3与自电容触摸传感器1发生触摸，并向控制系统发送加载状态异常信号。

具体地，图2中，当晶圆在气囊4的第二表面上加载时，气囊4的气室为抽真空状态，此时在抽真空的作用下，气囊4的第二表面在气压作用下对晶圆产生吸附。当晶圆正常加载在气囊4的第二表面时，晶圆支撑气囊的第二表面，使气囊4的第一表面几乎不发生形变或气囊4第一表面的形变程度不足克服弹性装置2的压力，即气囊4的第一表面几乎不向绝缘触摸板3的第二表面的方向凸起或气囊4的第一表面的凸起程度不足以克服弹性装置2的形变压力，由于弹性装置2的支撑作用，绝缘触摸板3的第一表面不会与自电容触摸传感器1的第二表面发生接触，自电容触摸传感器1判断未发生触摸，并向控制系统发送晶圆加载状态正常信号。

具体地，图2中，当晶圆未加载在气囊4的第二表面或晶圆加载状态异常时，由于气囊4的第二表面没有晶圆的支撑，气囊4的第一表面在气压的作用下发生形变，气囊4的第一表面向绝缘触摸板3的第二表面的方向凸起，并克服弹性装置2的形变压力，推动绝缘触摸板3，从而使绝缘触摸板3的第一表面与自电容触摸传感器1的第二表面接触后，自电容触摸传感器1向控制系统发送晶圆加载状态异常信号。

需要说明的是，本领域技术人员需根据晶圆加载异常时气囊的形变程度选择形变压力合适的弹性装置，确保晶圆加载异常时，气囊的形变程度能够克服弹性装置的形变压力、推动绝缘触摸板与子电容触摸传感器接触。

本实施例提供的自电容触摸传感器通过判断自身的第二表面是否与绝缘触摸板的第一表面接触从而判断气囊的第一表面是否发生形变，进而判断晶圆在气囊的第二表面的加载状态，与相关技术中通过检测气室的保压压力的大小判断晶圆的加载状态的方法相比，本发明的检测结果几乎不依赖于装置的气密性，灵敏度不受装配工人的经验与熟练度、不依赖装置的装配误差，检测精度高、可靠性高。

可选地，如图2所示，弹性装置2包括多个设置于不同位置的复位弹簧，每个复位弹簧的第一端均与自电容触摸传感器1的第一表面连接，每个复位弹簧的第二端均与绝缘触摸板3的第一表面连接；复位弹簧用于避免当晶圆正常加载在气囊4的第二表面时，绝缘触摸,3的第一表面与自电容触摸传感器1的第二表面接触。

在一些可选的实施方式中，如图3所示，自电容触摸传感器包括：电容振荡模块11、比较模块12、输出模块13及触摸电极14，其中，电容振荡模块11，其输入端与外接电源连接，其输出端与比较模块12的输入端连接，其第一端为自电容触摸传感器的第二表面，其基于外接电源的电压及电流，通过其内部的采样电容C

如图3所示，比较模块12，其输出端与输出模块13的输入端连接，其用于计算采样电容振荡频率与触摸电容振荡频率的频率比值后，将频率比值与预设值进行比对；输出模块13，其输出端与控制系统的输入端连接。触摸电极14，其第一表面与自电容触摸传感器的第二表面(即电容振荡模块11的第一端)连接，其第二表面与弹性装置2的第一端连接，电容振荡模块11基于绝缘触摸板3与触摸电极14的接触状态改变触摸电容C

图3中，当晶圆正常加载在气囊4的第二表面时，绝缘触摸板3不与电容振荡模块11的第一端接触，电容振荡模块11的触摸电容C

具体地，如图3所示，电容振荡模块中包含采样电容C

在一些可选的实施方式中，如图4所示，自电容触摸传感器还包括：标准电压/标准电流输出模块15，电容振荡模块包括：采样电容振荡模块111及触摸电容振荡模块112，其中，采样电容振荡模块111，其输入端通过标准电压/标准电流输出模块15与外接电源连接，其输出端与比较模块12的输入端连接，其基于外接电源的电压及电流输出采样电容振荡频率f

如图4所示，比较模块12计算获得采样电容振荡频率f

具体地，如图4所示，采样电容振荡模块111中包含采样电容C

其中，V

触摸电容振荡模块112中的触摸电容C

比较模块12计算输入的采样电容振荡频率f

由于标准电压/标准电流输出模块15的存在，施加在采样电容振荡模块111及触摸电容振荡模块112的上的电压V

其中，C

图4中，当比较模块12判断频率比值等于比值常数A时，即当前触摸电容C

优选地，自电容触摸传感器1选择高介电常数的材料，使得当绝缘触摸板3中少量电荷移动到自电容触摸传感器1时，触摸电容C

本实施例提供一种抛光装置，如图5所示，包括：控制系统5、驱动装置6、抛光头7、气囊4及以上实施例及其任一可选实施方式的晶圆加载状态检测装置，其中，自电容触摸传感器1、弹性装置2、绝缘触摸板3及气囊4均设置在抛光头7内部；驱动装置6，其第一端与控制系统5连接，其第二端与抛光头7的第一端连接，其基于控制系统5的驱动信号驱动抛光头7对晶圆进行抛光；抛光头7，其基于控制系统5的控制信号加载或卸载晶圆；当晶圆正常加载在气囊4的第二表面时，控制系统5基于加载状态正常信号向驱动装置6输出驱动信号，从而控制抛光头7对晶圆进行抛光；当晶圆未加载在气囊的第二表面或加载状态异常时，控制系统5基于加载状态异常信号停止向驱动装置6输出驱动信号，从而控制抛光头7停止对晶圆进行抛光。

具体地，如图5所示，驱动装置6基于控制系统5的驱动信号，带动抛光头7进行装载晶圆、下压晶圆抛光、从抛光垫上吸起晶圆、携晶圆转动、卸载晶圆等动作。当晶圆加载状态检测装置判断晶圆正常加载在抛光头上时，自电容触摸传感器1发送晶圆加载正常信号至控制系统5，控制系统5根据加载状态正常信号驱动驱动装置6工作；当晶圆加载状态检测装置判断晶圆在抛光头上加载状态异常时，自电容触摸传感器1发送晶圆加载异常信号至控制系统5，控制系统5根据加载状态异常信号控制驱动装置6停止工作。

需要说明的是，本实施例中晶圆加载状态检测装置的工作原理及工作流程与以上实施例及其任一可选实施方式中的内容一致，在此不再赘述。

本实施例提供的抛光装置，先通过自电容触摸传感器检测晶圆是否正常加载在抛光头上，检测过程对抛光装置的气密性要求低；当判断晶圆正常加载，再控制驱动装置对晶圆进行抛光；若自电容触摸传感器检测晶圆未加载或加载状态异常时，控制系统控制驱动装置停止对晶圆进行抛光，避免驱动装置无效工作从而对抛光装置的其他部件造成损坏，提高了抛光装置的可靠性及使用寿命。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。