[发明专利]化学机械平面化工具的力校准方法和系统

说明书

技术领域

这里描述的发明涉及工件抛光领域，特别涉及半导体晶片CMP加工中的力测量和校准方法和装置。

背景技术

集成电路，包括计算机芯片，是通过在硅晶片的前侧堆叠电路层而制成的。在制造过程中，要求极高度的晶片平面度和层平面度。化学机械平面化(CMP)是器件制造过程中的一项工艺，其使得晶片和堆叠在晶片上的各层平坦化，以获得所需程度的平面度。

化学机械平面化这种工艺利用抛光垫抛光晶片，并且组合传送到垫上的浆料的化学和物理作用。晶片由晶片载具保持，晶片的背侧面对晶片载具，晶片的前侧面对抛光垫。抛光垫保持在台板上，台板通常布置在晶片载具下面。晶片载具和台板旋转，从而抛光垫抛光晶片前侧。由选定化学成分和研磨剂形成的浆料被传送到垫上，以实现预期类型和量的抛光。(因此，CMP是通过化学软化、物理向下力以及用于从晶片或晶片层去除材料的旋转的组合作用实现的。)所述向下力，本申请中称作心轴力，在晶片载具中分解为夹持环力和晶片力。

利用CMP工艺，材料薄层被从晶片或晶片层前侧去除。所述层可以是晶片上生长或沉积的氧化物层，沉积在晶片上的金属层，或晶片本身。去除薄材料层的实施是为了降低晶片不规则度。因此，在加工完成后晶片和堆叠在晶片上的各层非常平坦和/或均匀。通常，多层被添加，并且化学机械平面化过程被反复进行，以在晶片表面上建立完整的集成电路芯片。

各种晶片载具结构被用于CMP过程中。一种这样的结构，例如Strasbaugh的变输入气动夹持环(ViPRR)载具，被设计成在夹持环的边界内将晶片保持在载具上，同时安置在夹持环后面的可膨胀密封件受压。所述可膨胀环式密封件使得夹持环延伸到抛光垫中，以产生夹持环力。公式或查值表用于确定可膨胀环式密封件所需的气压值，以产生施加在环上的一定量的力，同时保持心轴力施加于晶片上。

由Strasbaugh设计并且用于CMP的另一种晶片载具结构被设置成具有固定至载具的夹持环，同时可膨胀薄膜用于在晶片后面施加压力。可膨胀薄膜在晶片后面产生作用于晶片的力，称作晶片力。公式或查值表用于确定在抛光过程中向晶片施加规定力所需的薄膜中的气压值。

CMP工具上的心轴力是通过枢转机构产生的，该枢转机构连接着心轴并且由伸缩波纹管(bellows)、活塞或其它致动装置致动。目前，CMP工具上的心轴力被定期校准，以确保CMP过程中施加的心轴力是精确的。技术人员使用测力传感器架测量不同的伸缩波纹管或活塞压力下的心轴力，并将这种信息输入控制计算机以便用于校准。由伸缩波纹管致动系统中的压力产生的向下心轴力可能随时间而改变，因此需要定期校准以确定伸缩波纹管产生的相应心轴力。CMP工具不得不停止工作以实施这种校准。

现在，没有方便的途径测量心轴力、晶片力或夹持环力。最近，利用基于载具类型校准可膨胀密封件压力与环力关系或薄膜与晶片力关系的公式是利用测力传感器架在工厂中通过试验预先确定的。基于晶片载具类型，在不同的气压下，利用适宜的可膨胀密封件或薄膜样品来测量力。通过试验，通用的工厂公式被计算出来，并且该公式被用于所有该类型的晶片载具。结果，有很多通用公式覆盖各种类型和尺寸的晶片载具。

利用该校准方法会遇到很多问题，这部分地因为可膨胀密封件和薄膜的制造不一致性。由于薄膜和可膨胀密封件利用传统成型方法由橡胶状材料(例如EPDM，硅树脂，HNBR，布纳橡胶等)制成，因此尺寸公差相对较大。除了尺寸差异，由于密封件和密封件之间以及薄膜与薄膜之间的成分不一致性，材料性能也可能有很多不同。此外，材料性能和尺寸可能由于各种条件而随时间变化。一些所述条件包括因连续膨胀和收缩产生的周期性应力，浆料的化学侵袭，热周期，以及暴露于空气和水分。可膨胀密封件和薄膜的尺寸和材料性能会极大地影响力校准曲线，并且这些性能的变化可能会负面影响校准曲线。由于制造不一致性，材料不一致性，以及性能随时间的变化，用于晶片载具的通用型工厂力校准措施并不精确。这可能导致非最佳且不一致的抛光结果。