一种研磨垫及利用该研磨垫进行研磨时的损耗检测方法

摘要

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种研磨垫及利用该研磨垫进行研磨时的损耗检测方法。本发明通过在设置有研磨沟槽的研磨垫上预设多个检测斜孔，在进行研磨工艺中需要对研磨垫损耗进行检测时，通过测量进行研磨工艺后的研磨垫上检测斜孔与沟槽之间的距离，并针对该沟槽利用预先设定数值及公式，计算出该研磨垫在该检测斜孔处的磨损情况，并继续对其他各个检测斜孔进行相同的工艺步骤，以能实时的检测该研磨垫在研磨工艺中表面全部位的磨损情况，进而达到充分利用该研磨垫的目的，以降低研磨工艺成本。

权利要求

1.一种研磨垫，所述研磨垫上设置有研磨沟槽，其特征在于，所述研磨垫还设置有多个检测斜孔；

其中，所述检测斜孔的开口端的直径小于所述研磨沟槽的直径。

2.根据权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，所述检测斜孔为从所述研磨垫的上表面延伸至其内部的盲孔。

3.根据权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，所述检测斜孔的开口端与其相邻的所述沟槽之间的距离为1-20mm。

4.根据权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，所述检测斜孔与所述研磨垫表面的夹角为20°-80°。

5.根据权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，所述检测斜孔的个数为3-50。

6.根据权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，所述检测斜孔与所述研磨沟槽之间不接触。

7.根据权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，所述检测斜孔垂直于所述研磨垫表面的深度小于所述研磨沟槽的深度，且大于所述研磨垫到达使用寿命时研磨沟槽预设的深度。

8.根据权利要求1所述的研磨垫，其特征在于，多个所述检测斜孔均匀的设置在所述研磨垫上。

9.一种对研磨垫进行损耗检测的方法，应用于研磨工艺中，包括权利要求1-8中任意一项所述的研磨垫，其特征在于，包括以下步骤：在进行研磨工艺中需要对研磨垫进行损耗检测时，测量所述检测斜孔的上端面距离一研磨沟槽之间的距离x1；

根据磨损计算公式△h＝(X-x1)tanθ，△h为该检测斜孔处研磨垫磨损厚度，X为研磨垫预设的该检测斜孔的开口端距离该研磨沟槽之间的距离，x1为研磨垫研磨工艺后的该检测斜孔的开口端距离该研磨沟槽之间的距离，θ为该检测斜孔与研磨垫的表面之间夹角。

说明书

一种研磨垫及利用该研磨垫进行研磨时的损耗检测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种研磨垫及利用该研磨垫进行研磨时的损耗检测方法。

背景技术

[0002] 在晶圆制造中，随着制程技术的升级、导线与栅极尺寸的缩小，光刻（Lithography）技术对晶圆表面的平坦程度（Non-uniformity）的要求越来越高，化学机械研磨（Chemical Mechanical Polishing，简称CMP）工艺得到广泛的应用；CMP是一个通过化学反应过程和机械研磨过程共同作用的工艺，在研磨过程中，通过研磨头在晶圆背面施加一定的压力，致使晶圆正面紧贴研磨垫，而同时研磨头带动晶圆和研磨垫同方向旋转，以使晶圆正面与研磨垫产生机械摩擦，同时通过研磨液对晶圆进行研磨，即通过一系列复杂的机械和化学作用去除晶圆表面的薄膜，从而达到晶圆平坦化的目的。

[0003] 图1是本发明背景技术中传统研磨垫的俯视图；如图1所示，现有技术中为了增加晶圆与研磨垫的摩擦力，并同时提高研磨液的分布均匀性，在研磨垫1上设置多个成同心圆分布的沟槽2；在进行研磨工艺时，由于晶圆与研磨垫1之间的机械摩擦，研磨垫1的表面上的物质不可避免的有损耗，随着研磨时间的增加，损耗也增加，研磨垫1上的沟槽2的深度会逐渐变浅。

[0004] 图2是本发明背景技术中传统研磨垫在接近其实用寿命时不同位置的研磨垫厚度示意图，横轴表示研磨垫离其中心的距离（单位为inch），纵轴表示研磨垫的厚度（单位为mils）；由于在进行研磨工艺时，晶圆的不同位置作用与研磨垫的压力是不均匀的，且相对研磨垫具有转动和滑动的运动，造成晶圆研磨工艺时对研磨垫的不同位置产生不同的损耗，随着工艺时间的增加，损耗多的区域会比损耗少的区域的厚度较薄；如图2所示，在研磨垫接近其使用寿命时，其距离研磨垫中心距离附近的研磨垫厚度都在70mils左右，而研磨垫边缘区域（距离中心点大于等于15inch的区域）的厚度在75mils以上，甚至能达到80mils，即研磨垫的中间区域明显比起边缘区域的厚度薄很多。

[0005] 图3是本发明背景技术中研磨垫的摩擦系数和研磨时间之间的关系示意图，横轴表示研磨时间（单位为H），纵轴表示摩擦系数；公知的，研磨垫磨损程度会严重影响研磨速率，即随着研磨垫磨损程度的增加，研磨垫的摩擦系数呈现减小的趋势；如图3所示，在研磨工艺进行到2个小时（H）之后，研磨系数从0.95急剧降到0.85以下，而研磨系数的减小又会导致研磨速率的下降，进而增大研磨工艺时间。

[0006] 图4本发明背景技术中研磨垫的研磨速率和研磨时间之间的关系示意图，横轴表示研磨时间（pad age），单位为H，纵轴表示研磨速率（removal rate），单位为A/min；如图4所示，随着研磨时间的增加研磨速率也呈现下降的趋势，尤其是在研磨时间大于等于2小时后，研磨速率也是急剧的从接近5400A/min下降到5200A/min附近。

[0007] 由于研磨速率、研磨垫摩擦系数与研磨时间呈相同的变化趋势，均是随着研磨时间的增加而急剧的降低，因此对研磨垫的损耗进行及时有效的监测就非常必要了。

[0008] 在现有技术条件下，研磨垫的使用寿命主要按照以下方式定义：①定义研磨垫的研磨时间；②定义实用研磨垫研磨的晶圆个数；③同时定义①和②，且以先到者定义为使用寿命。但是，上述监测方式有一定的局限性，当对不同的晶圆进行研磨工艺时，由于不同产品的晶圆其膜质和研磨压力的不同会造成对研磨垫不同的损耗，因此在相同的研磨时间下损耗会有很大的不同，同样，在相同的研磨晶圆个数的前提下，如果研磨的是不同产品的晶圆，其对研磨垫的损耗会不同；即目前的研磨垫监测方法针对不同晶圆在同一个研磨垫上进行研磨工艺时，不能实时检测研磨垫的磨损情况，进而造成研磨垫不能得到充分的利用，增大生产成本。

发明内容

[0009] 针对上述存在的问题，本发明揭示了一种研磨垫，主要是通过在研磨垫上设置多个检测斜孔以用于实时检测研磨垫在研磨工艺中各部位的损耗情况的工艺。

[0010] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

[0011] 一种研磨垫，所述研磨垫上设置有研磨沟槽，其中，所述研磨垫还设置有多个检测斜孔。

[0012] 上述的研磨垫，其中，所述检测斜孔为从所述研磨垫的上表面延伸至其内部的盲孔。

[0013] 上述的研磨垫，其中，所述检测斜孔的开口端与其相邻的所述沟槽之间的距离为1-20mm。

[0014] 上述的研磨垫，其中，所述检测斜孔与所述研磨垫表面的夹角为20°-80°。

[0015] 上述的研磨垫，其中，所述检测斜孔的个数为3-50。

[0016] 上述的研磨垫，其中，所述检测斜孔与所述研磨沟槽之间不接触。

[0017] 上述的研磨垫，其中，所述检测斜孔垂直于所述研磨垫表面的深度小于所述研磨沟槽的深度，且大于所述研磨垫到达使用寿命时研磨沟槽预设的深度。

[0018] 上述的研磨垫，其中，所述检测斜孔的开口端的直径小于所述研磨沟槽的直径。

[0019] 上述的研磨垫，其中，多个所述检测斜孔均匀的设置在所述研磨跌上。

[0020] 一种对研磨垫进行损耗检测的方法，应用于研磨工艺中，包括上述任意一项所述的研磨垫，包括以下步骤：

[0021] 在进行研磨工艺中需要对研磨垫进行损耗检测时，测量所述检测斜孔的上端面距离一研磨沟槽之间的距离x1；

[0022] 根据磨损计算公式 ，△h为该检测斜孔处研磨垫磨损厚度，X为研磨垫预设的该检测斜孔的开口端距离该研磨沟槽之间的距离，θ为该检测斜孔与研磨垫的表面之间夹角，x1为研磨垫研磨工艺后的该检测斜孔的开口端距离该研磨沟槽之间的距离。

[0023] 综上所述，本发明一种研磨垫及利用该研磨垫进行研磨时的损耗检测方法，通过在设置有研磨沟槽的研磨垫上预设多个检测斜孔，在进行研磨工艺中需要对研磨垫损耗进行检测时，通过测量进行研磨工艺后的研磨垫上检测斜孔与沟槽之间的距离，并针对该沟槽利用预先设定数值及公式，计算出该研磨垫在该检测斜孔处的磨损情况，并继续对其他各个检测斜孔进行相同的工艺步骤，以能实时的检测该研磨垫在研磨工艺中表面全部位的磨损情况，进而达到充分利用该研磨垫的目的，以降低研磨工艺成本。

附图说明

[0024] 图1是本发明背景技术中传统研磨垫的俯视图；

[0025] 图2是本发明背景技术中传统研磨垫在接近其实用寿命时不同位置的研磨垫厚度示意图，横轴表示研磨垫离其中心的距离（单位为inch），纵轴表示研磨垫的厚度（单位为mils）；

[0026] 图3是本发明背景技术中研磨垫的摩擦系数和研磨时间之间的关系示意图，横轴表示研磨时间（单位为H），纵轴表示摩擦系数；

[0027] 图4本发明背景技术中研磨垫的研磨速率和研磨时间之间的关系示意图，横轴表示研磨时间（pad age），单位为H，纵轴表示研磨速率（removal rate），单位为A/min；

[0028] 图5为本发明研磨垫预设的结构示意图；

[0029] 图6为本发明研磨垫中进行过研磨工艺后的结构示意图。

[0030] 具体实施方式

[0031] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

[0032] 图5为本发明研磨垫预设的结构示意图，图6为本发明研磨垫中进行过研磨工艺后的结构示意图；如图5所示，本发明一种研磨垫1，主要应用于晶圆平坦化工艺如化学机械研磨工艺（Chemical Mechanical Polishing，简称CMP）等，该研磨垫1上设置有多个研磨沟槽2，比较常用的是将该多个研磨沟槽2设置为多个同心圆状；在该研磨垫1的上的多个研磨沟槽2之间还开设有多个检测斜孔3，以用于在该研磨垫1进行研磨工艺时，实时量测研磨垫表面各部分的损耗情况。

[0033] 进一步的，3-50个检测斜孔3均匀的设置在研磨垫1上，以便于在研磨工艺时对研磨垫1的表面上各部分进行实时的检测，优选的检测斜孔3的个数可设置为3、15、25、35、40或50个，且该多个检测斜孔3均为从研磨垫1的上表面延伸至其内部的盲孔，与研磨垫
1的表面平面呈20°-80°之间的夹角θ，这样才能较为准确的量测在进行研磨工艺前后，检测斜孔3相对于同一个研磨沟槽2之间的距离变化，夹角θ优选的为20°、40°、60°或
80°；其中，每个检测斜孔3的开口端与其相邻的研磨沟槽2之间的距离X的范围在1-20mm之间，以防止设置的检测斜孔3与研磨沟槽2穿通，X的值优选的为1mm、10mm或20mm。

[0034] 优选的，每个检测斜孔3垂直于研磨垫1的表面的深度d小于研磨沟槽2的深度D，且d大于研磨垫1到达使用寿命时研磨沟槽2预设的深度L，即D＞d＞L，以防止设置的检测斜孔3穿透研磨垫1，同时又能预防检测斜孔3在研磨垫1到达实用寿命前失效。

[0035] 进一步的，每个检测斜孔3的开口端的直径r均小于研磨沟槽2的直径R，且为了防止设置的检测斜孔3影响研磨垫2的研磨效果，任一检测斜孔3与任一研磨沟槽3之间均不能穿通。

[0036] 如图5-6所示，本发明还提供了一种利用上述的研磨垫在研磨工艺中对该研磨垫进行实时损耗检测的方法：

[0037] 首先，如图5所示，在利用研磨垫1进行研磨工艺如CMP等前，将该研磨垫1上的每个检测斜孔3相对于距离其最近距离的研磨沟槽2的距离x记录下来，并同时将该检测斜孔3与研磨垫1上表面平面之间的夹角θ的值也记录下来；其中，上述的检测斜孔3及与其对应的研磨沟槽2向研磨垫1内部延伸时形成的夹角Y在10°-70°之间，且θ与Y相加的和为90°。

[0038] 其次，如图6所示，研磨垫1进行研磨工艺后，需要对磨损后的研磨垫1进行损耗检测时，测量每个检测斜孔3和与其对应的研磨沟槽2之间的距离x1。

[0039] 最后，利用公式三角函数公式 计算每个检测斜孔3处研磨垫1的磨损厚度，由于X、x1及θ均已知，所以通过计算即可得到该检测斜孔处研磨垫磨损厚度△h的值，进而确定该检测斜孔处的研磨垫磨损厚度；其中，△h为该检测斜孔处研磨垫磨损厚度，X为研磨垫预设的该检测斜孔的开口端距离该研磨沟槽之间的距离，θ为该检测斜孔与研磨垫的表面之间夹角，x1为研磨垫研磨工艺后的该检测斜孔的开口端距离该研磨沟槽之间的距离。

[0040] 其中，上述的公式 的推导过程为：

[0041] ①

[0042] ②

[0043] 由公式①和②可得△h=h-h1= ；

[0044] 其中，h为在研磨工艺前该检测孔处与其对应的研磨沟槽向研磨垫内部延伸交叉处到研磨垫表面的深度，h为在研磨工艺后该检测孔处与其对应的研磨沟槽向研磨垫内部延伸交叉处到研磨垫表面的深度，△h为该检测斜孔处研磨垫磨损厚度，X为研磨垫预设的该检测斜孔的开口端距离该研磨沟槽之间的距离，θ为该检测斜孔与研磨垫的表面之间夹角，x1为研磨垫研磨工艺后的该检测斜孔的开口端距离该研磨沟槽之间的距离。

[0045] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明实施例提出一种研磨垫及利用该研磨垫进行研磨时的损耗检测方法，通过在设置有研磨沟槽的研磨垫上预设多个检测斜孔，在进行研磨工艺中需要对研磨垫损耗进行检测时，通过测量进行研磨工艺后的研磨垫上检测斜孔与沟槽之间的距离，并针对该沟槽利用预先设定数值及公式，计算出该研磨垫在该检测斜孔处的磨损情况，并继续对其他各个检测斜孔进行相同的工艺步骤，以能实时的检测该研磨垫在研磨工艺中表面全部位的磨损情况，进而达到充分利用该研磨垫的目的，以降低研磨工艺成本。

[0046] 通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，基于本发明精神，还可作其他的转换。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。

[0047] 对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。