[发明专利]用于在半导体晶片抛光时测量晶片特性的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体晶片处理领域，并且尤其涉及置于用于化学机械抛光中的一次性抛光衬垫内的传感器组件。抛光衬垫含有传感器组件，用于在进行抛光操作时监控晶片特性，从而容许调节工艺。

背景技术

在Birang等的1999年4月13日出版的美国专利5893796号和2000年4月4日出版的后续专利6045439号中，公开了用于安装于抛光衬垫中的窗口的若干设计。要抛光的晶片放在抛光衬垫顶上，而抛光衬垫搁在刚性压板(platen)上，使得抛光发生在晶片的下表面上。干涉仪向上指引激光束，并使得它到达晶片的下表面，它必需通过压板中的缝隙，并且然后继续向上通过抛光衬垫。为了防止压板中的缝隙以上的灰浆的积累，在抛光衬垫中设置窗口。不管窗口如何形成，其是无阻碍的，清楚的是干涉仪传感器远远设置于压板之下并且绝不设置于抛光衬垫中。

在Tang的1999年9月7日出版的美国专利5949927号中，描述了用于在抛光过程中监控抛光的表面的若干技术。在一个实施例中，Tang引用了嵌入抛光衬垫中的光纤光学带。此带仅仅是光导体。光源和进行感测的探测器设置于衬垫外部。Tang没有建议在抛光衬垫内包括光源和探测器。在Tang的一些实施例中，使用光纤光学分离器在光纤中从旋转部件至静止部件传输光。在另一些实施例中，在旋转部件上探测光信号，并且通过电滑动环将得到的电信号传输至静止部件。Tang的专利中没有建议通过无线电波、声学波、调制的光束、或通过磁感应发送电信号至静止部件。

在Schultz的1992年1月21日出版的美国专利5081796号中描述的另一光学终点感测系统中，描述了一种方法，其中，在部分抛光后，将晶片移动至晶片的部分突出于压板的边缘的位置。通过干涉法测量此突出部分的磨损量，以确定是否应该继续抛光过程。

在安装传感器于抛光衬垫中的较早的尝试中，在抛光衬垫中形成缝隙并且通过粘合剂将光传感器粘合到缝隙内的位置中。然而，随后的测试表明，为防止可以含有反应化学品的抛光灰浆进入光传感器并防止其穿过抛光衬垫到达支撑台，使用粘合剂可能是不可靠的。

总之，虽然在用于在抛光过程中监控抛光的表面的领域中已知数种技术，但是这些技术没有一种是完全令人满意的。Tang等描述的光纤光学束是昂贵的并且潜在地易碎的；而如Birang等使用的在压板下设置干涉仪的应用需要通过支撑抛光衬垫的压板形成缝隙。因此，本发明提供一种监控系统，其是节约的并且鲁棒的，利用了某些部件的小型化中的最近的进展。公开了置于抛光衬垫内的自包含传感器组件。将传感器组件设置成与控制中心无线通信，简化了CMP设备上的安装。可以将传感器组件与衬垫一起扔掉或将其取下并重新安装在随后的衬垫中。

发明内容

以下描述一种具有传感器组件的一次性抛光衬垫。抛光衬垫包含用于在位监控被抛光的晶片表面的光学特性的传感器组件。也可以监控诸如力、加速度、灰浆pH和温度的其它特性。除其它事情外，从光传感器得到的实时数据使得能够确定工艺的终点，而无需将晶片取下进行离线测量。这大大提高了抛光过程的效率。

待抛光的晶片是包括不同材料的层的复合结构。典型地，抛光最外层，直到达到它与下层的界面。在该点即是所谓的抛光操作的终点达到了。抛光衬垫和相伴的光学器件和电子器件能够探测从氧化物层至硅层的转变以及从金属至氧化物或其它材料的转变。

描述的抛光的衬垫涉及通过在该衬垫内嵌入传感器组件和其它部件来修改常规的抛光衬垫。未修改的抛光衬垫商业上广泛可得到，并且Newark，New Jersey的Rodel公司制造的IC 1000型是典型的未修改的衬垫。也可以使用Thomas West公司制造的衬垫。

传感器组件感测被抛光表面的光学特性。典型地，表面的光学特性是其反射率。然而，也能够感测表面的其它光学特性，包括其偏振、其吸收率、以及其光荧光(如果有的话)。用于感测此多种特性的技术在光学领域是公知的，并且典型地，它们和增加偏振片或光谱滤光器至光学系统无差别。为此原因，在下述讨论中，使用更通用的术语“光学特性”。

一种传感器组件包括光源，并且探测器置于抛光衬垫中的盲孔内，使得面向被抛光的表面。来自光源的光被从被抛光的表面或从表面附近的膜反射，并且探测器探测反射的光。探测器产生与反射回探测器上的光的强度或其它性质相关的电信号。

探测器产生的电信号发送至传感器组件内的控制系统。传感器组件然后从传感器控制系统至与设置于传感器组件外的CMP设备控制系统无线通信的无线接收器无线地发送晶片数据。