一种化学机械平坦化设备、终点检测方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及化学机械平坦化技术领域，特别是涉及一种化学机械平坦化设备、终点检测方法、装置及系统。

背景技术

化学机械平坦化(Chemical Mechanical Polishing，缩写为CMP)是一种表面全局平坦化技术。其中，在化学机械平坦化过程中进行在线实时终点检测(End PointDetection，缩写为EPD)是确保平坦化效果的关键。也就是说，通过在线实时终点检测能够确保将平坦化对象处理至正确的厚度，避免欠平坦化或过平坦化。

传统的在线实时检测技术需要设置多个信号采集装置，包括探测有无晶圆的光学触发传感器，以及获取平坦化对象在平坦化过程中材料移除程度变化的终点探测器。当光学触发传感器探测到平坦化对象时，可以基于此时的探测信号生成控制信号控制终点探测器启动，以收集平坦化对象的材料移除程度变化信号。当光学触发传感器未探测到平坦化对象时，无控制信号生成，此时，终点探测器不启动，也就是不收集平坦化对象的材料移除程度变化信号。根据平坦化对象的材料移除程度变化信号确定平坦化对象是否达到平坦化终点。

传统的在线实时检测技术存在成本高的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种化学机械平坦化设备、终点检测方法、装置及系统，利用随转盘转动的传感器探测信号以反映研磨组件和晶圆的空间分布特性，确定有无晶圆的有效信号，从而省去了原有的探测晶圆有无的光学触发传感器，达到降低系统成本的目的。

为了实现上述目的，本发明提供一种化学机械平坦化设备，包括转盘、以及设在转盘上的传感器和研磨组件。研磨组件研磨晶圆时，传感器用于探测信号，信号用于反映研磨组件和晶圆的空间分布特性。

与现有技术相比，本发明提供的化学机械平坦化设备，设置在转盘上的传感器可以随转盘转动，转盘和研磨组件转动状态实现晶圆的研磨，此时，传感器可以周期性地探测到信号，而信号可以反映出研磨组件和晶圆的空间分布特性。空间分布特性影响传感器转动到与研磨组件和晶圆对应的不同位置处探测信号的强弱。也就是说，可以根据信号的强弱确定研磨中晶圆的位置和对应的晶圆有效信号。在实际应用中，则可以根据晶圆有效信号确定化学机械平坦化是否达到终点。由于传感器可以以周期性转动的方式探测到信号，因此，在一个化学机械平坦化设备中，仅需设置有限个传感器即可实现实时在线终点检测，与现有技术中通过设置光学触发传感器探测有无晶圆后，再设置终点探测器探测晶圆的材料移除程度变化，并根据材料移除程度变化确定晶圆是否达到平坦化终点相比，由于不需要单独设置用于探测有无晶圆的光学触发传感器，因此具有成本低的优点。

本发明还提供一种化学机械平坦化终点检测方法，该化学机械平坦化终点检测方法包括：

获取传感器发送的信号；信号用于反映研磨组件与晶圆的空间分布特性。

根据研磨组件与晶圆的空间分布特性确定信号为晶圆有效信号的情况下，根据晶圆有效信号确定化学机械平坦化是否达到终点。

与现有技术相比，本发明提供的化学机械平坦化终点检测方法的有益效果与上述技术方案的化学机械平坦化设备的有益效果相同，在此不做赘述。

本发明还提供一种化学机械平坦化终点检测装置，该化学机械平坦化终点检测装置包括：

通信单元，用于获取信号，信号用于反映研磨组件与晶圆的空间分布特性。

处理单元，用于在研磨组件与晶圆的空间分布特性确定信号为晶圆有效信号的情况下，根据晶圆有效信号确定化学机械平坦化是否达到终点。

与现有技术相比，本发明提供的化学机械平坦化终点检测装置的有益效果与上述技术方案的化学机械平坦化设备的有益效果相同，在此不做赘述。

本发明还提供一种化学机械平坦化终点检测系统，包括上述技术方案的化学机械平坦化设备，以及上述技术方案的化学机械平坦化终点检测装置。化学机械平坦化设备所包括的传感器与化学机械平坦化终点检测装置所包括的通信单元通信连接。

与现有技术相比，本发明提供的化学机械平坦化终点检测系统的有益效果与上述技术方案的化学机械平坦化设备的有益效果相同，在此不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是化学机械平坦化设备的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的化学机械平坦化终点检测系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的化学机械平坦化设备的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的研磨组件的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的探测信号图；

图6是本发明实施例提供的一种化学机械平坦化终点检测方法的流程图。

其中：10.转盘，11.研磨组件，12.抛光液输送装置，13.抛光垫，14.晶圆，15.抛光液；

2.化学机械平坦化设备，20.转盘，21.传感器，22.研磨组件，220.磨头，221.定位环，222.衬膜，23.研磨垫；

3.化学机械平坦化终点检测装置，30.通信单元，31.处理单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在附图中示出本发明实施例的各种示意图，这些图并非按比例绘制。其中，为了清楚明白的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

以下，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

此外，本发明中，“上”、“下”等方位术语是相对于附图中的部件示意置放的方位来定义，应当能理解到，这些方向性术语是相对概念，它们用于相对的描述和澄清，其可以根据附图中部件所放置的方位变化而相应地发生变化。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。

化学机械平坦化是一种表面平坦化技术，其利用化学机械平坦化设备实现晶圆表面平坦化的目的。图1示出的是化学机械平坦化设备的结构示意图。如图1所示，化学机械平坦化设备可以包括转盘10、研磨组件11和抛光液输送装置12。上述转盘10的承载面上可以通过粘贴的方式设置抛光垫13。上述研磨组件11可以通过真空吸附的方式承载晶圆14。上述抛光液输送装置12在平坦化过程中向抛光垫输入抛光液15。

在实际使用过程中，承载有晶圆14的研磨组件11可以以一定的压力压在由转盘10带动的转动的抛光垫13上。此时，抛光液输送装置12持续不断地向抛光垫13提供抛光液15。抛光液15在抛光垫13离心力的作用下均匀分布在抛光垫13的表面。在晶圆14和抛光垫13之间形成一层液体薄膜，抛光液15中的化学成分与晶圆发生反应，以将不溶物质转化为易溶物质。通过微粒的微机械摩擦将上述易溶物质从晶圆14表面去除，并随抛光液15流出抛光垫，以实现晶圆14表面平坦化的目的。

在晶圆表面平坦化过程中，为了避免过平坦化或欠平坦化，需要在化学机械平坦化设备中应用化学机械平坦化终点检测装置，以实现终点检测。利用终点检测可以确定晶圆材料是否磨到正确厚度。目前行业内提出了基于光学、电学、声学或振动、热学、摩擦力、化学或电化学原理的终点检测方法。

发明人对现有终点检测方法分析发现，为了提高终点检测的精度和可靠度，需要在现有化学机械平坦化设备上集成光学触发传感器和终点探测器，应理解，此处的终点探测器可以是光学终点探测器或涡流终点探测器，无论是哪种终点探测器，均可以包括信号发生器和信号收集器。

在实际应用中，光学触发传感器随转盘转动，当光学触发传感器探测到其晶圆位于终点探测器上方时，可以基于此时光学触发传感器探测的信号生成控制信号，在控制信号的控制下，使终点探测器启动以开始探测晶圆的膜厚变化信号，利用膜厚变化信号进一步地判断晶圆是否到达平坦化终点。当光学触发传感器探测到晶圆离开终点探测器上方时，同样可以基于此时光学触发传感器探测的信号生成控制信号，在控制信号的控制下，使终点探测器关闭以停止探测晶圆的膜厚变化信号。也就是说，利用传统的终点检测方法进行平坦化终点检测时，首先需要探测到有无晶圆的信号，当探测到有晶圆时，再进一步探测晶圆的膜厚变化，根据材料移除程度变化进一步的确定晶圆是否达到平坦化终点。由于有无晶圆的探测需要额外的增设例如光学触发传感器，因此，存在成本高的问题。

针对以上问题，本发明实施例提供一种化学机械平坦化终点检测系统。图2示出的是本发明实施例提供的一种化学机械平坦化终点检测系统。如图2所示，该系统包括化学机械平坦化设备2以及化学机械平坦化终点检测装置3。

上述化学机械平坦化设备2包括转盘20、传感器21以及设在转盘20上的研磨组件22。传感器21设在转盘20上，且可以随转盘20转动。当研磨组件22研磨晶圆24的状态下，传感器21用于探测信号，信号用于反映研磨组件22和晶圆24的空间分布特性。

上述转盘20上可以通过粘贴的方式设置研磨垫23。

具体参见图4，上述研磨组件22可以包括磨头220，磨头220可以是下部开口的中空盘状结构。对应磨头220侧壁的下方可以设置定位环221，定位环221用于固定晶圆24。定位环221内可以设置衬膜222，衬膜222用于补偿晶圆24背面和颗粒带来的不平整性。当研磨组件22承载晶圆24时，可以对由磨头220和晶圆24构成的空间进行抽真空处理，以利用在上述空间内产生的负压实现对晶圆24的承载，此时，晶圆24具体吸附在衬膜222上。

具体参见图2和图3，上述传感器21可以是光电传感器或电涡流传感器。当采用光电传感器时，利用光学信号的明显变化来反映研磨组件22和晶圆24的空间分布特性。当采用电涡流传感器时，利用电涡流传感器的等效阻抗的明显变化来反映研磨组件22和晶圆24的空间分布特性。

具体参见图3，为了确保传感器21探测的探测信号的有效性，传感器21在转盘20上的设置位置可以是，在随转盘20转动过程中，传感器21的运动轨迹可以穿过研磨组件22在转盘20上的正投影区域。

作为一种示例，当传感器21的几何中心与转盘20的几何中心之间的距离为d

作为另外一种示例，当传感器21的几何中心与转盘20的几何中心之间的距离为d

具体参见图2和图4，上述空间分布特性包括研磨组件22的空间分布特性和晶圆24的空间分布特性。研磨组件22的空间分布特性受研磨组件22的具体结构的影响。在研磨组件22包括磨头220、定位环221和衬膜222的情况下，研磨组件22的空间分布特性可以包括磨头220外侧壁以外区域的空间分布特性，当同一转盘20上分布有多个研磨组件22时，磨头220外侧壁以外区域指的是相邻两个研磨组件22之间的区域。研磨组件22的空间分布特性还可以包括定位环221所在区域的空间分布特性，定位环221和衬膜222之间区域的空间分布特性。

上述空间分布特性直接影响信号的强弱。应理解，为了更有效地确定晶圆研磨过程中的晶圆位置以及晶圆表面的平坦化结果，用于反映晶圆的空间分布特性的信号可以比用于反映研磨组件的空间分布特性的信号强。

具体参见图2，在实际应用中，采用上述化学机械平坦化设备2平坦化晶圆24时，转盘20和研磨组件22同时转动，此时随转盘20转动的传感器21可以周期性的探测信号。信号可以反映研磨组件22和晶圆24的空间分布特性。换句话说，空间分布特性影响传感器21转动到研磨组件22和晶圆24对应的不同位置处信号的强弱，也就是说，可以根据探测信号的强弱确定晶圆24的位置，此时，与晶圆24位置对应会输出晶圆有效信号，当晶圆的厚度或材料发生变化时，晶圆有效信号也会随着发生变化，因此，可以根据晶圆有效信号的变化确定化学机械平坦化是否达到终点。由于传感器21可以以周期性转动的方式探测到探测信号，因此，在一个化学机械平坦化设备2中，仅需设置有限个传感器21，例如一个传感器21即可实现实时在线终点检测，与现有技术中通过设置光学触发传感器首先探测有无晶圆，然后再利用终点探测器探测晶圆膜厚变化相比，由于无需设置光学触发传感器，因此，具有成本低的优点。

上述化学机械平坦化终点检测系统所包括的化学机械平坦化终点检测装置3可以应用于本发明实施例提供的化学机械平坦化设备2中。该化学机械平坦化终点检测装置3包括通信单元30和处理单元31，通信单元30和处理单元31通信连接。

具体参见图2，上述通信单元30用于获取传感器21发送的信号，信号用于反映研磨组件22与晶圆24的空间分布特征。

具体参见图3和图4，如上文所述，当研磨组件22与晶圆24的空间分布特性依次包括磨头220外侧壁以外区域的空间分布特性、定位环221所在区域的空间分布特性、定位环221和衬膜222之间区域的空间分布特性和晶圆24的空间分布特性时，而且随转盘20转动的传感器21的运动运动轨迹依次穿过研磨组件22输入侧的磨头220外侧壁以外区域、定位环221所在的区域、定位环221和衬膜222之间的区域、晶圆24所在的区域，以及研磨组件22输出侧的定位环221和衬膜222之间的区域、定位环221所在的区域和磨头220外侧壁以外的区域时。

具体参见图4和图5，传感器21在上述周期内探测到的信号可以包括用于反映研磨组件22输入侧的磨头220外侧壁以外区域的第一电平信号V1、用于反映定位环221所在区域的第二电平信号V2、用于反映定位环221和衬膜222之间区域的第三电平信号V3、用于反映晶圆24所在区域的第四电平信号V4，以及用于反映研磨组件22输出侧的定位环221和衬膜222之间区域的第三电平信号V3、定位环221所在区域的第二电平信号V2和磨头220外侧壁以外的区域的第一电平信号V1。

如上文所述，为了更有效地反映晶圆24所在区域的信号，晶圆24区域对应的第四电平信号V4可以是高电平信号。磨头220外侧壁以外区域的第一电平信号V1和定位环221与衬膜222之间区域的第三电平信号V3可以相等，且小于第四电平V4信号。定位环221所在区域的第二电平信号V2位于第四电平信号V4和第一电平信号V1/第三电平信号V3之间。其中，第四电平信号V4可以是晶圆24有效信号，第一电平信号V1为磨头220外侧壁以外区域有效信号，第二电平信号V2为定位环221有效信号，第三电平信号V3为定位环221和衬膜222之间区域有效信号。

上述处理单元31在研磨组件22与晶圆24的空间分布特性确定信号为晶圆有效信号的情况下，根据晶圆有效信号确定化学机械平坦化是否达到终点。

处理单元31在根据晶圆有效信号确定化学机械平坦化是否达到终点前，需要首先判断信号所包括的第四电平信号V4的强度大于预设电平信号后，确定该电平信号为晶圆有效信号，此处的预设电平信号可以是第二电平信号V2。

处理单元31在确定信号所包括的第四电平信号V4为晶圆有效信号过程中，还需要确定强度等于预设电平信号的第二电平信号V2为定位环221有效信号，以及强度小于预设电平信号的第一电平信号V1是磨头220外侧壁以外区域有效信号，第三电平信号V3是定位环221和衬膜222之间区域有效信号。

处理单元31在确定信号为晶圆有效信号之后，从晶圆有效信号中提取晶圆信息，根据晶圆信息确定化学机械平坦化是否达到终点。

作为一种示例，当采用本发明实施例提供的化学机械平坦化终点检测系统平坦化表面凸凹不同且没有停止层的氧化硅绝缘膜时，由于凸凹不平的晶圆表面所反映出的晶圆信息会表现出不一致的特征，因此，当晶圆信息没有变化或变化量很小时，可以确定化学机械平坦化已经达到终点。

作为另外一种示例，当采用本发明实施例提供的化学机械平坦化终点检测系统平坦化具有停止层的金属膜时，此处的金属膜包括形成在晶圆所具有的凹槽内的金属塞以及形成在晶圆表面的金属层。此时，需要去除金属层保留金属塞。停止层可以是凹槽的槽口所在的平面，在该平面具有金属塞的顶面和隔离金属塞的绝缘层的顶面。由于停止层包括两种不同材料，因此，当平坦化达到停止时，晶圆信息会发生变化，此时可以确定化学机械抛光已经达到终点。

本发明实施例还提供一种化学机械平坦化终点检测方法，可以应用于本发明实施例提供的化学机械平坦化设备中。图6示出的是本发明实施例提供的一种化学机械平坦化终点检测方法的流程图。如图6所示，该化学机械平坦化终点检测方法包括：

S10、获取传感器发送的探测信号。探测信号用于反映研磨组件与晶圆的空间分布特性。

S11、根据研磨组件与晶圆的空间分布特性确定探测信号为晶圆有效信号的情况下，根据晶圆有效信号确定化学机械平坦化是否达到终点。

为了便于理解本发明实施例提供的一种化学机械平坦化终点检测方法，下面结合本发明实施例提供的一种化学机械平坦化终点检测系统，提供一个化学机械平坦化终点检测方法的具体实施例，应理解，以下阐述仅作为解释，不作为限定。

S20、利用化学机械平坦化终点检测系统所具有的通信单元获取传感器发送的信号。信号用于反映研磨组件与晶圆的空间分布特性。

S21、利用化学机械平坦化终点检测系统所具有的处理单元确定磨头外侧壁区域有效信号、定位环有效信号、定位环和衬膜之间区域有效信号、晶圆有效信号。

S22、确定晶圆有效信号，从晶圆有效信号中提取晶圆信息，并根据晶圆信息确定化学机械平坦化是否达到终点。

本发明实施例提供的一种化学机械平坦化终点检测方法具有与本发明实施例提供的化学机械平坦化设备相同的技术效果，在此不做赘述。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。