本发明公开了一种铜CMP的在线平坦度控制系统，包括：在线测量模块，用于根据当前测量点坐标值判断当前测量点是否处于有效测量区域，并根据厚度测量传感器的当前输出值计算对应的测量值，然后将测量值对应到所属晶圆表面分区，并将各分区内全部测量值的平均值作为对应分区的当前铜层厚度值；分区压力调节模块，用于计算各个分区的铜层厚度值与基准区的铜层厚度值的差值，并根据预设的压力调节量、铜层厚度偏差和各压力分区的初始压力值，计算各压力分区的压力新值；控制模块，用于根据各压力分区的压力新值，控制抛光头对晶圆表面的铜层去除。
1.一种铜CMP的在线平坦度控制系统，所述控制系统应用于旋转型铜CMP设备，其特征在于，所述CMP设备的抛光头包括多个压力分区，所述多个压力分区作用于晶圆表面多个分区，在工艺过程中，晶圆被所述抛光头压在抛光垫上，且随所述抛光头旋转并沿抛光盘径向做往复运动，所述抛光垫附在所述抛光盘上并随所述抛光盘旋转，所述控制系统包括：在线测量模块，用于在线计算当前测量点在运动晶圆表面上的坐标值，并根据所述坐标值判断所述当前测量点处于有效测量区域时，计算所述当前测量点的当前测量值，并根据所述当前测量点的坐标值，将所述当前测量值对应到所属晶圆表面分区，并计算各晶圆表面分区内全部测量值的平均值，并将所述平均值作为对应晶圆表面分区的当前铜层厚度值；
分区压力调节模块，用于将晶圆表面各个分区的铜层厚度值与基准区的铜层厚度值相差，得到所述晶圆表面各个分区与所述基准区之间的铜层厚度偏差，其中，所述基准区为所述晶圆表面多个分区的中心区，并根据预设的压力调节量、所述铜层厚度偏差和各压力分区的初始压力值，计算所述各压力分区的压力新值；
控制模块，用于根据所述各压力分区的压力新值，控制所述抛光头对所述晶圆表面铜层的去除。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述在线测量模块采用电涡流厚度测量传感器，实现铜层厚度的在线测量，并通过数据采集卡完成所述电涡流厚度测量传感器输出信号的读取，其中，所述电涡流厚度测量传感器固定在所述抛光盘内的抛光垫下方，并随所述抛光盘同步运动，周期性经过晶圆表面铜层的下方。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述在线测量模块包括：
定位子模块，用于读取所述抛光盘和抛光头的当前转动角度、以及晶圆圆心的径向位置，并根据所述抛光盘和抛光头的当前转动角度、以及所述晶圆圆心的径向位置计算当前测量点相对于晶圆圆心的坐标值；
数据采集子模块，用于根据所述当前测量点的坐标值判断所述当前测量点是否位于有效测量区域，并当所述当前测量点位于所述有效测量区域内时，采集所述厚度测量传感器的当前输出值；
厚度计算子模块，用于根据所述厚度测量传感器的当前输出值、以及输出值与实际铜层厚度值之间的标定关系，计算所述当前输出值对应的测量值，并根据所述当前测量点的坐标值，判定所述测量值所属晶圆表面分区，并计算晶圆表面各分区内全部测量值的平均值，并将所述平均值作为晶圆表面对应分区的当前铜层厚度值。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分区压力调节模块具体用于：
判断当前晶圆表面分区与基准区之间的铜层厚度偏差是否大于第一阈值；
若是，则计算所述当前晶圆表面分区对应的压力分区的初始压力值与所述压力调节量之和，并将和值作为所述压力分区的压力新值；
若否，则进一步判断所述当前晶圆表面分区与基准区之间的铜厚度偏差是否大于或等于第二阈值，其中，所述第一阈值大于所述第二阈值，所述第二阈值为所述第一阈值的相反数；
若是，则将所述当前晶圆表面分区对应的压力分区的初始压力值保持不变；
若所述当前晶圆表面分区与基准区之间的铜厚度偏差小于所述第二阈值，则计算所述当前晶圆表面分区对应的压力分区的初始压力值与所述压力调节量之差，并将差值作为所述压力分区的压力新值。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述分区压力调节模块还用于：
如果所述当前晶圆表面分区与基准区之间的铜厚度偏差大于所述第一阈值、且小于或等于第三阈值，则将所述当前晶圆表面分区对应的压力分区的初始压力值与所述压力调节量的和值作为所述压力分区的压力新值；
如果所述当前晶圆表面分区与基准区之间的铜厚度偏差大于所述第三阈值，则将所述当前晶圆表面分区对应的压力分区的初始压力值与第一压力调节阈值的和值作为所述压力分区的压力新值，其中，所述第一压力调节阈值为2倍的压力调节量；
如果所述当前晶圆表面分区与基准区之间的铜厚度偏差小于所述第二阈值、且大于或等于第四阈值，则将所述当前晶圆表面分区对应的压力分区的初始压力值与所述压力调节量的差值作为所述压力分区的压力新值，其中，所述第四阈值为所述第三阈值的相反数；
如果所述当前晶圆表面分区与基准区之间的铜厚度偏差小于所述第四阈值，则将所述当前晶圆表面分区对应的压力分区的初始压力值与所述第一压力调节阈值的差值作为所述压力分区的压力新值。
6.如权利要求4或5所述的系统，其特征在于，所述分区压力调节模块还用于定义各压力分区的压力上限值和压力下限值，并在当前压力分区的压力新值大于所述压力上限值时，将所述压力新值更正为所述压力上限值，并在当前压力分区的压力新值小于所述压力下限值时，将所述压力新值更正为所述压力下限值。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个压力分区为5个，每个压力分区的形状为环状。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述在线测量模块还用于：根据各个晶圆表面分区的当前铜层厚度值计算当前晶圆表面整体铜层厚度的平均值，并在所述当前晶圆表面整体铜层厚度的平均值小于或等于预设终点值时，向CMP主系统发送控制消息，以使所述CMP主系统中止工艺过程，同时所述控制系统的各状态变量恢复为初始值。
通讯模块，用于建立所述在线测量模块与所述CMP主系统之间的通信连接。
铜CMP的在线平坦度控制系统
技术领域
[0001] 本发明涉及化学机械平坦化技术领域，尤其涉及一种铜CMP的在线平坦度控制系统。
背景技术
[0002] 化学机械平坦化技术(Chemical Mechanical Planarization，英文简称CMP)是目前集成电路制造中晶圆全局平坦化最有效的方法。它利用化学与机械的协同作用，实现晶圆表面的超精密抛光。在铜CMP工艺中，铜去除过程具有较高的去除率，并且抛光后的表面应足够平坦。然而，随着晶圆尺寸不断增大，铜CMP后晶圆表面沿径向方向的不均匀问题已越加明显。为了解决大尺寸晶圆的抛光不均匀问题，如何在线改善晶圆表层平坦度已成为铜CMP工艺控制的重要难题。
发明内容
[0003] 本发明的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。
[0004] 为此，本发明的一个目的在于提出一种铜CMP的在线平坦度控制系统。该系统可以实现可控平坦化，从而更好地实现晶圆表面的全局平坦化及铜层的快速去除。
[0005] 为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种铜CMP的在线平坦度控制系统，所述控制系统应用于旋转型铜CMP设备，所述CMP设备的抛光头包括多个压力分区，所述多个压力分区将晶圆表面划分为多个分区，在工艺过程中，晶圆被所述抛光头压在抛光垫上，且随所述抛光头旋转并沿抛光盘径向做往复运动，所述抛光垫附在所述抛光盘上并随所述抛光盘旋转，所述控制系统包括：在线测量模块，用于在线计算当前测量点在运动晶圆表面上的坐标值，并当所述当前测量点处于有效测量区域时，计算所述当前测量点的当前测量值，并根据所述当前测量点坐标值，将所述当前测量值对应到所属晶圆表面分区，并计算晶圆表面各分区内全部测量值的平均值，并将所述平均值作为对应晶圆表面分区的当前铜层厚度值；分区压力调节模块，用于将晶圆表面各个分区的铜层厚度值与基准区的铜层厚度值相差，得到所述晶圆表面各个分区与所述基准区之间的铜层厚度偏差，并根据预设的压力调节量、所述铜层厚度偏差和各压力分区的初始压力值，计算所述各压力分区的压力新值；控制模块，用于根据所述各压力分区的压力新值，控制所述抛光头对所述晶圆表面铜层的去除。
[0006] 根据本发明实施例的铜CMP在线平坦度控制系统，通过将在线测量模块和分区压力调节模块两者有效地结合在一起，利用在线计算所得晶圆表面铜层厚度形貌，在线调节抛光头相应分区的压力值，以改善对应分区的材料去除率，从而更好地实现晶圆表面的全局平坦化及铜层的快速去除，进而实现在线改良晶圆表面平坦度的目的。
[0007] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0008] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0009] 图1是根据本发明一个实施例的铜CMP的在线平坦度控制系统的结构示意图；
[0010] 图2是根据本发明一个具体实施例的铜CMP的在线平坦度控制系统的结构示意图；
[0011] 图3是根据本发明另一个具体实施例的铜CMP的在线平坦度控制系统的结构示意图。
具体实施方式
[0012] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0013] 首先，需要说明的是，本发明实施例的铜CMP的在线平坦度控制系统应用于旋转型CMP设备上，该CMP设备包括抛光头和抛光盘，该抛光头包括多个压力分区，多个压力分区将晶圆表面划分为多个分区，例如，每个压力分区可对应一个晶圆表面分区。也就是说，该CMP设备采用多压力分区抛光头。在工艺过程中，晶圆被抛光头压在抛光垫上，并随抛光头沿抛光盘径向做往复运动，抛光垫附在抛光盘上并随抛光盘旋转。
[0014] 作为一种示例，多个压力分区为5个，每个压力分区的形状为环状。所述抛光头由气压方式加载，具有5个抛光压力分区及保持环结构，用于300mm晶圆的铜CMP工艺。根据Preston模型，材料去除率可表示为：
[0015] R＝KPV (1)
[0016] 式(1)中，K为Preston系数，P和V分别为晶圆表面的抛光压力和晶圆与抛光盘的相对速度。根据式(1)，通过改变抛光头各压力分区所施加的压力大小，就可以调节晶圆表面相应分区的材料去除率，从而实现可控平坦化。
[0017] 可以理解，抛光头的分区数量越多，对材料去除率的调节能力越强。在本发明中，抛光头以具有五个环状分区的抛光头为例
[0018] 还需要说明的是，本发明实施例的铜CMP在线平坦度控制系统运行在整个CMP设备的控制系统的上位机中，并与CMP设备的主程序并行运行。在每次工艺前，如果用户在CMP控制系统主程序中激活本发明实施例的铜CMP在线平坦度控制系统，则当工艺运行到抛光阶段时，由所述铜CMP在线平坦度控制系统立即接管工艺过程的控制。下面参考附图描述本发明实施例的铜CMP的在线平坦度控制系统。
[0019] 图1是根据本发明一个实施例的铜CMP的在线平坦度控制系统的结构示意图。如图1所示，该铜CMP在线平坦度控制系统10可以包括：在线测量模块100、分区压力调节模块200和控制模块300。
[0020] 具体地，在线测量模块100用于在线计算当前测量点在运动晶圆表面上的坐标值，并根据坐标值判断当前测量点是否处于有效测量区域。如果当前测量点处于有效测量区域，计算当前测量点的当前测量值，并根据当前测量点的坐标值，将当前测量值对应到所属晶圆表面分区，并计算各晶圆表面分区内全部测量值的平均值，并将平均值作为对应晶圆表面分区的当前铜层厚度值。
[0021] 分区压力调节模块200用于将晶圆表面各个分区的铜层厚度值与基准区的铜层厚度值相差，得到晶圆表面各个分区与基准区之间的铜层厚度偏差，并根据预设的压力调节量、铜层厚度偏差和各压力分区的初始压力值，计算各压力分区的压力新值。
[0022] 控制模块300用于根据各压力分区的压力新值，控制抛光头对晶圆表面铜层的去除。
[0023] 也就是说，在线测量模块100可实时计算当前测量点在运动晶圆表面上的坐标值，并当当前测量点处于有效测量区域时，采集当前测量点所对应的厚度测量传感器的当前输出值，在高速数据采集下，为了消除噪声信号的干扰以减少测量误差，可将每一次返回的数据块平均处理，并以当前数据块的平均值作为对应测量点的当前输出值，之后，根据该输出值计算对应的测量值，并根据当前测量点的坐标值，将当前测量值对应到所属晶圆表面分区，并计算晶圆表面各分区内全部测量值的平均值，并将平均值作为对应晶圆表面分区的当前铜层厚度值。这样，可以得到晶圆表面各个分区的铜层厚度值。
[0024] 在线测量模块100可将得到的晶圆表面各个分区的当前铜层厚度值发送给分区压力调节模块200。分区压力调节模块200计算晶圆表面各个分区的当前铜层厚度值与基准区的铜层厚度值的厚度偏差，并根据预设的压力调节量、铜层厚度偏差和各压力分区的初始压力值，计算各个压力分区的压力新值。控制模块300根据各压力分区的压力新值调节抛光头中对应压力分区的压力值，从而根据调节后的压力值调节晶圆表面各分区的材料去除率。
[0025] 可以理解，在线测量模块100可用于在铜CMP工艺过程中实时获取晶圆表面铜层厚度形貌。在线测量模块100可采用电涡流厚度测量传感器实现铜层厚度的在线测量，并通过数据采集子模块完成电涡流厚度测量传感器输出信号的读取，其中，电涡流厚度测量传感器探头固定在抛光盘内的抛光垫下方，并随抛光盘同步运动，周期性经过晶圆表面铜层的下方。进一步地，在本发明的一个实施例中，如图2所示，该在线测量模块100可以包括：定位子模块110、数据采集子模块120和厚度计算子模块130。其中，该数据采集子模块硬件120可为数据采集卡。
[0026] 具体地，定位子模块110用于读取抛光盘和抛光头的当前转动角度、以及晶圆圆心的径向位置，并根据抛光盘和抛光头的当前转动角度、以及晶圆圆心的径向位置计算当前测量点相对于晶圆圆心的坐标值。
[0027] 也就是说，定位子模块110在工艺过程中实时读取抛光盘和抛光头的转动角度，以及晶圆圆心的径向位置，从而计算当前测量点(即厚度测量传感器探头当前所在位置)的准确位置。在本发明的实施例中，为了克服运动信息更新速率偏低的问题，可采用即时更新与参数估算相结合的方法，即在两次数据(运行信息)更新的期间，定位子模块110可根据运动时间自行估算当前抛光头和抛光盘的转动角度，以及晶圆圆心的径向位置，进而计算出当前测量点的坐标值。
[0028] 数据采集子模块120用于根据当前测量点的坐标值判断当前测量点是否位于有效测量区域(即晶圆下方)，并在当前测量点位于有效测量区域内时，采集厚度测量传感器的当前输出值。在高速数据采集下，为了消除噪声信号的干扰以减少测量误差，数据采集子模块120可将每一次返回的数据块平均处理，并以当前数据块的平均值作为对应测量点的输出值，然后由厚度计算子模块130进行后续处理。
[0029] 厚度计算子模块130用于根据厚度测量传感器的当前输出值、以及输出值与实际铜层厚度值之间的标定关系，计算当前输出值对应的测量值，并根据当前测量点的坐标值，确定该测量值所属的晶圆表面分区，并计算晶圆表面各分区内全部测量值的平均值，并将平均值作为对应晶圆表面分区的当前铜层厚度值。
[0030] 在本发明的实施例中，可在CMP设备的上位机内部建立标定数据库，用于存储厚度测量传感器输出值与实际厚度值之间对应关系的标定表。标定表内的全部标定点将可测量范围划分为不同的标定区间，并由各标定区间边界上的两标定点拟合出该区间的线性关系。在线测量模块100在计算铜层厚度时，厚度计算子模块130首先读取标定数据库中已选定的标定表，然后根据厚度测量传感器的当前输出值判断该输出值所属的标定区间。当确定所述标定区间后，厚度计算子模块130利用该区间的线性关系计算该输出值所对应的测量值。
[0031] 例如，本发明实施例的抛光头包括5个压力分区，在线测量模块100可将晶圆厚度形貌划分为5个分区，各分区宽度由抛光头各压力分区作用区域所决定。所以，厚度计算子模块130每次计算完毕当前测量点的铜层厚度后，还需根据定位子模块110所确定的当前测量点坐标，将该测量值对应到所在的分区，之后，计算各分区内全部测量值的平均值，并以该平均值作为对应分区的当前铜层厚度值。
[0032] 在线测量模块100将晶圆表面各个分区的当前铜层厚度值发送给分区压力调节模块200。分区压力调节模块200以此晶圆表面铜层厚度形貌为依据完成各分区压力的在线调节。在本发明的实施例中，分区压力调节模块200可以晶圆表面的某一分区作为基准区(一般地，选择1区，即中心区)，在工艺过程中，基准区的分区压力保持不变。
[0033] 在本发明的实施例中，分区压力调节模块200根据预设的压力调节量、铜层厚度偏差和各压力分区的初始压力值，计算各压力分区的压力新值的具体实现过程可如下：判断当前晶圆表面分区与基准区之间的铜层厚度偏差是否大于第一阈值；若是，则计算当前晶圆表面分区对应的压力分区的初始压力值与压力调节量之和，并将和值作为压力分区的压力新值；若否，则进一步判断当前晶圆表面分区与基准区之间的铜层厚度偏差是否大于或等于第二阈值，其中，第一阈值大于第二阈值，第二阈值为第一阈值的相反数；若是，则将当前晶圆表面分区对应的压力分区保持初始压力值不变；若当前晶圆表面分区与基准区之间的铜层厚度偏差小于第二阈值，则计算当前晶圆表面分区对应的压力分区的初始压力值与压力调节量之差，并将差值作为压力分区的压力新值。
[0034] 在本发明的实施例中，分区压力调节模块200还可用于在当前晶圆表面分区与基准区之间的铜层厚度偏差大于第一阈值、且小于或等于第三阈值，则将当前晶圆表面分区对应的压力分区的初始压力值与压力调节量之和作为压力分区的压力新值；如果当前晶圆表面分区与基准区之间的铜层厚度偏差大于第三阈值，则将当前晶圆表面分区对应的压力分区的初始压力值与第一压力调节阈值之和作为压力分区的压力新值，其中，第一压力调节阈值为2倍的压力调节量；如果当前晶圆表面分区与基准区之间的铜层厚度偏差小于第二阈值、且大于或等于第四阈值，则将当前晶圆表面分区对应的压力分区的初始压力值与压力调节量之差作为压力分区的压力新值，其中，第四阈值为第三阈值的相反数；如果当前晶圆表面分区与基准区之间的铜层厚度偏差小于第四阈值，则将当前晶圆表面分区对应的压力分区的初始压力值与第一压力调节阈值之差作为压力分区的压力新值。
[0035] 举例而言，以1区为基准区，其余各分区的铜层厚度值分别与1区的铜层厚度值相差，得到铜层厚度偏差Δtk(k为正整数，2≤k≤5，对应各压力分区，下同)。设定一组厚度差阈值ti(i为正整数)和压力调节量ΔPk。在本实施例中，取i为2，则分区压力调节模块200可通过以下公式(2)计算出各压力分区的压力新值；
[0036]
[0037] 式(2)中，P′k为分区k的压力新值，Pk为分区k的初始压力值，t1为第一阈值，-t1为第二阈值，t2为第三阈值，-t2为第四阈值。
[0038] 在本发明的一个实施例中，分区压力调节模块200可预先定义各分区压力的压力上限值和压力下限值，如果某分区的压力新值大于该压力上限值，则压力新值更正为该压力上限值；如果某分区的压力新值小于压力下限值，则压力新值更正为该压力下限值。最后，分区压力调节模块200将计算得到的各分区压力新值发送至控制模块300，以使控制模块300根据各压力分区的压力新值，控制抛光头对晶圆表面铜层的去除。
[0039] 进一步地，在本发明的一个实施例中，如图3所示，该控制系统10还可包括通讯模块400，通讯模块400可用于建立在线测量模块100和CMP主系统之间的通信连接。也就是说，该控制系统10可通过通讯模块400建立与CMP主系统的通信连接。其中，在本发明的实施例中，通讯模块400可采用TCP/IP方式，在进行信息通讯前，通讯模块400可根据IP地址和端口号即可建立该控制系统10与CMP主系统之间的通信连接。
[0040] 进一步地，在线测量模块100在计算晶圆表面各分区内全部测量值的平均值，并将所述平均值作为对应晶圆表面分区的当前铜层厚度值之后，还可根据晶圆表面各分区的当前铜层厚度值计算出当前晶圆表面整体铜层厚度的平均值，并在该当前晶圆表面整体铜层厚度的平均值小于或等于预设的终点值时，在线测量模块100可将立即调用通讯模块400向CMP主系统发送规定的数据包以通知CMP主系统即时终止工艺过程，同时本发明实施例的铜CMP在线平坦度控制系统10内各状态变量恢复为初始值，否则控制系统将继续调用本发明所述分区压力调节模块200进行后续处理。
[0041] 综上所述，本发明实施例的铜CMP的在线平坦度控制系统，通过将在线测量模块和分区压力调节模块两者有效地结合在一起，通过在线计算晶圆表面铜层厚度形貌，在线调节抛光头相应分区的压力值，以改善对应分区的材料去除率，从而实现可控平坦化，进而更好地实现晶圆表面的全局平坦化及铜层的快速去除。
[0042] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0043] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0044] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0045] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
