台湾专利TW201309421A 研磨裝置中所使用之研磨墊之研磨表面的監視方法與監視裝置

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专利摘要:
本發明提供一種能夠監視研磨墊之研磨表面而不必從研磨平台卸下研磨墊的方法。該方法包括下列步驟：使旋轉打磨器在該研磨墊之該研磨表面上擺盪，藉此來修整該研磨表面；在進行該研磨表面之該修整時，測量該研磨表面的高度；計算該高度之測量點在定義於該研磨表面上之二維表面上的位置；以及重覆該研磨表面高度的該測量步驟以及該測量點之位置的該計算步驟以製作該研磨表面的高度分佈。
公开号:TW201309421A
申请号:TW101118479
申请日:2012-05-24
公开日:2013-03-01
发明作者:Hiroyuki Shinozaki；Takahiro Shimano；Akira Imamura；Akira Nakamura
申请人:Ebara Corp；
IPC主号:H01L21-00

专利说明:
研磨裝置中所使用之研磨墊之研磨表面的監視方法與監視裝置
本發明係有關於在研磨墊之修整(conditioning)期間監視研磨墊之研磨表面的方法及裝置。
以CMP裝置為代表的研磨裝置係經設計成可藉由提供研磨墊與基板表面的相對運動同時供給研磨液於附著至研磨平台的研磨墊上來研磨基板表面。為了維持研磨墊的研磨效能，必須定期用打磨器(dresser)來修整(或打磨)研磨墊的研磨表面。
打磨器有鑽石顆粒整個固定於其中的打磨表面。此打磨器有可拆裝的打磨盤，以及打磨盤的下表面提供打磨表面。該打磨器經組態成可繞著自己的軸線旋轉以及壓頂研磨墊的研磨表面，同時在研磨表面上移動。旋轉的打磨器輕輕地刮擦研磨墊的研磨表面以藉此修復研磨表面。
研磨墊在單位時間被打磨器移除的數量(亦即，厚度)係稱作切削率(cutting rate)。研磨墊的研磨表面最好有整體均勻的切削率。為了得到理想的研磨表面，必須進行墊修整的配方調節(recipe tuning)。此配方調節係調整打磨器的轉速及移動速度、打磨器在研磨墊上的負載以及其他條件。
墊修整是否正確地執行係基於是否在研磨表面上達成整體均勻的切削率來評估。在配方調節時，用打磨器實際修整研磨墊數小時而得到研磨墊的輪廓(亦即，研磨表面的橫截面形狀)。切削率可由所得輪廓、初始輪廓以及修整時間算出。
得到研磨墊的輪廓係藉由從研磨平台卸下研磨墊以及測量在多個測量點處的研磨墊厚度。然而，重覆這些程序直到得到均勻的切削率。因此，配方調節會消耗許多研磨墊。隨著基板的尺寸變大，研磨墊的尺寸也變大。結果，研磨墊的單位成本也變高。亦即，墊修整的配方調節不僅需要許多時間也花費許多成本。
墊修整的目的是要修復研磨墊的研磨表面以及形成平坦的研磨表面。不過，在研磨墊的修整期間，研磨墊的研磨表面可能鉤到(絆到)打磨器，而大幅刮擦研磨墊的某些部份。沒有平坦研磨表面的研磨墊使得在研磨製程難以平坦化基板的表面以及會導致產品良率降低。
為了防止產品良率降低，必須獲悉研磨墊的輪廓。不過，需要既花時間又費成本的前述程序才能得到研磨墊的輪廓。
鑑於上述缺點，已做成本發明。因此，本發明的目標是要提供能夠大幅降低研磨墊修整之配方調節的成本及時間以及能夠監視研磨墊之研磨表面而不必從研磨平台卸下研磨墊的方法及裝置。
本發明用於達成上述目標的一個態樣是要提供一種研磨裝置中所使用之研磨墊之研磨表面的監視方法。該方法包括下列步驟：使旋轉打磨器在該研磨墊之該研磨表面上擺盪，藉此來修整該研磨表面；在進行該研磨表面之該修整時，測量該研磨表面的高度；計算該高度之測量點在定義於該研磨表面上之二維表面上的位置；以及重覆該研磨表面高度的該測量步驟以及該測量點之位置的該計算步驟以製作該研磨表面的高度分佈。
在本發明之較佳態樣，該方法更包括下列步驟：由該高度分佈製作該研磨表面高度之不規則性檢測點分佈；以及基於該不規則性檢測點分佈來評估該研磨墊的該修整。
在本發明之較佳態樣，基於該不規則性檢測點分佈來評估該研磨墊之該修整的該步驟包括下列步驟：由該不規則性檢測點分佈計算出該研磨表面高度在事先定義於該研磨表面上之多個區域內的不規則性發生密度；以及在該等多個區域中之至少一者的不規則性發生密度已達預定臨界值時，判定該研磨墊的該修整未正確地執行。
在本發明之較佳態樣，由該高度分佈製作該研磨表面高度之不規則性檢測點分佈的該步驟包括下列步驟：沿著測量時間軸(measurement temporal axis)排列該研磨表面高度的多個測量值以製作由該等多個測量值構成的測量波形；以及描繪該不規則性檢測點於該二維表面中對應至在該測量波形之振幅超過預定值時得到之測量值的位置。
在本發明之較佳態樣，由該高度分佈製作該研磨表面高度之不規則性檢測點分佈的該步驟更包含：藉由自該測量波形擷取由於該打磨器之旋轉而產生之脈衝分量來製作監視波形，其中該不規則性檢測點的該描繪步驟包括下列步驟：描繪該不規則性檢測點於該二維表面中對應至在該監視波形之振幅超過預定值時得到之測量值的位置上。
在本發明之較佳態樣，製作該監視波形的該步驟包括下列步驟：藉由應用帶通濾波器於該測量波形以自該測量波形擷取由於該打磨器之旋轉而產生之脈衝分量來製作監視波形。
在本發明之較佳態樣，製作該監視波形的該步驟包括下列步驟：藉由應用除帶濾波器(band elimination filter)於該測量波形以自該測量波形消除由於該打磨器之擺盪而產生之脈衝分量來製作監視波形。
在本發明之較佳態樣，由該高度分佈製作該研磨表面高度之不規則性檢測點分佈的該步驟包括下列步驟：計算藉由重覆該研磨表面高度測量步驟所得到的兩個測量值之差值；以及描繪該不規則性檢測點於該二維表面中對應至在該差值超過預定臨界值時得到之測量值的位置上。
在本發明之較佳態樣，由該高度分佈製作該研磨表面高度之不規則性檢測點分佈的該步驟包括下列步驟：按預定時間計算該研磨表面高度的測量值變化量；以及描繪該不規則性檢測點於該二維表面中對應至在該變化量超過預定臨界值時得到之測量值的位置上。
在本發明之較佳態樣，該方法更包括下列步驟：由該高度分佈製作該研磨墊的輪廓。
本發明的另一態樣是要提供一種裝置用於監視使用於研磨裝置之研磨墊的研磨表面。該裝置包括：可旋轉打磨器，其係組構成在該研磨表面上擺盪時修整該研磨墊之該研磨表面；墊高度感測器，其係組構成在該研磨表面之修整進行時測量該研磨表面之高度；位置計算器，其係組構成計算該高度之測量點在定義於該研磨表面上之二維表面上的位置；以及墊高度分析器，其係組構成由該研磨表面高度之測量值以及該測量點之該位置來製作該研磨表面的高度分佈。
根據本發明，在該研磨墊的修整期間可顯示該研磨墊之研磨表面的高度於該二維表面上。因此，可實現研磨表面的即時監視。研磨墊不需要從研磨平台卸下，因此可大幅減少墊修整之配方調節的時間及成本。此外，有可能由表現於二維表面上的研磨表面高度來掌握研磨表面的平坦度(flatness)。因此，在該研磨表面之平坦度失去之前，該研磨墊可換成新的研磨墊。結果，可防止產品良率降低。
以下用附圖描述本發明的具體實施例。
第1圖為用於研磨基板(例如，半導體晶圓)之研磨裝置的示意圖。如第1圖所示，該研磨裝置有用於固持研磨墊22於其上的研磨平台12；用於供給研磨液至研磨墊22上的研磨液供給噴嘴5；用於研磨基板W的研磨單元1；以及用於修整(或打磨)研磨基板W時所用之研磨墊22的打磨單元2。研磨單元1及打磨單元2係裝設於基座3上。
研磨單元1有耦合至頂環軸桿18下端的頂環(top ring)20。頂環20經組態成可用真空吸引固持基板W於其下表面上。頂環軸桿18用馬達(未圖示)旋轉以藉此旋轉頂環20及基板W。頂環軸桿18係經組態成可用由例如伺服馬達、滾珠螺桿及其他元件構成的升降機構(未圖示)對於研磨墊22在垂直方向運動。
研磨平台12耦合至配置於研磨平台12下面的馬達13。用馬達13使此研磨平台12繞著自己的軸線旋轉。研磨墊22附著至研磨平台12的上表面。研磨墊22的上表面作用為研磨基板W的研磨表面22a。
進行基板W的研磨如下。在供給研磨液於研磨墊22上時，旋轉頂環20與研磨平台12。在此狀態下，放低固持著基板W的頂環20以使基板W壓抵研磨墊22的研磨表面22a。在有研磨液存在下，使基板W與研磨墊22相互滑動接觸，藉此研磨及平坦化基板W的表面。
打磨單元2具有：接觸研磨墊22之研磨表面22a的打磨器50；耦合至打磨器50的打磨器軸桿51；設在打磨器軸桿51之上端上的氣壓缸53；以及旋轉支撐打磨器軸桿51的打磨臂(dresser arm)55。打磨器50有由彼之下半部構成的打磨盤50a。此打磨盤50a有鑽石顆粒固定於其中的下表面。
打磨器軸桿51與打磨器50對於打磨臂55可在垂直方向運動。氣壓缸53為致動器使得打磨器50可施加打磨負載於研磨墊22上。用供給至氣壓缸53的氣壓(通常為空氣壓力)可調節該打磨負載。
打磨臂55用馬達56驅動以便在支撐軸桿(support shaft)58上搖擺。打磨器軸桿51用設於打磨臂55的馬達(未圖示)旋轉。打磨器軸桿51的此旋轉使得打磨器50繞著自己的軸線旋轉。氣壓缸53通過打磨器軸桿51使打磨器50以預定的負載壓抵研磨墊22的研磨表面22a。
進行研磨墊22之研磨表面22a的修整如下。研磨平台12與研磨墊22用馬達13旋轉。在此狀態下，由打磨液供給噴嘴(未圖示)供給打磨液(例如，純水)至研磨墊22的研磨表面22a上。此外，打磨器50繞著自己的軸線旋轉。用氣壓缸53使打磨器50壓抵研磨表面22a以使打磨盤50a的下表面與研磨表面22a滑動接觸。在此狀態下，打磨臂55搖擺造成打磨器50在研磨墊22上實質沿著研磨墊22的徑向移動(亦即，擺盪)。旋轉打磨器50刮擦研磨墊22以藉此修整(或打磨)研磨表面22a。
用於測量研磨表面22a之高度的墊高度感測器40固接至打磨臂55。此外，感測器目標41固接至打磨器軸桿51以便面向墊高度感測器40。感測器目標41與打磨器軸桿51及打磨器50一起在垂直方向移動，同時固定墊高度感測器40於垂直位置。墊高度感測器40為能夠測量感測器目標41之位移的位移感測器以間接測量研磨表面22a的高度(亦即，研磨墊22的厚度)。由於感測器目標41耦合至打磨器50，所以墊高度感測器40可測量研磨表面22a在研磨墊22修整期間的高度。
墊高度感測器40由打磨器50在接觸研磨表面22a時的垂直位置間接測出研磨表面22a的高度。亦即，墊高度感測器40測量研磨表面22a在與打磨器50下表面(亦即，打磨表面)接觸之區域中的高度平均。任何類型的感測器可用作墊高度感測器40，例如線性比例感測器、雷射感測器、超音波感測器或渦電流感測器。
墊高度感測器40耦合至墊監視裝置60，使得墊高度感測器40的輸出訊號(亦即，研磨表面22a的高度測量值)送至墊監視裝置60。此墊監視裝置60有功能可由研磨表面22a之高度測量值得到研磨墊22的輪廓(亦即，研磨表面22a的橫截面形狀)以及判斷研磨墊22的修整是否正確地執行。
該研磨裝置更具有：用於測量研磨平台12及研磨墊22之旋轉角度的平台旋轉編碼器31；以及用於測量打磨器50之擺盪角度的打磨器旋轉編碼器32。平台旋轉編碼器31與打磨器旋轉編碼器32為設計成可測量角度絕對值的絕對編碼器(absolute encoder)。
第2圖為研磨墊22及打磨器50的示意平面圖。在第2圖，x-y座標系統為定義於基座3上的固定座標系統(參考第1圖)，以及X-Y座標系統為定義於研磨墊22的研磨表面22a上的旋轉座標系統。如第2圖所示，研磨平台12與在其上的研磨墊22係繞著x-y固定座標系統的原點O旋轉，同時打磨器50以在x-y固定座標系統(亦即，打磨器50擺盪)上的預定點C為中心旋轉一預定角度。點C的位置對應至第1圖之支撐軸桿58的中心位置。
由於研磨平台12與支撐軸桿58的相對位置是固定的，因此需要決定點C在x-y固定座標系統上的座標。打磨器50相對於點C的擺盪角度θ為打磨臂55的擺角。此擺盪角度θ是用打磨器旋轉編碼器32測量。研磨墊22(亦即，研磨平台12)的旋轉角度α為x-y固定座標系統之座標軸與X-Y旋轉座標系統之座標軸的夾角。此旋轉角度α是用平台旋轉編碼器31測量。
打磨器50與彼之擺盪(亦即，搖擺運動)中心點C的距離R為由研磨裝置之設計決定的已知值。打磨器50中心點在x-y固定座標系統上的座標可由點C的座標、距離R及角度θ決定。此外，打磨器50中心點在X-Y旋轉座標系統上的座標可由打磨器50中心點在x-y固定座標系統上的座標及研磨墊22的旋轉角度α決定。用已知三角函數及4種算術運算可完成固定座標系統之座標至旋轉座標系統之座標的轉換。
平台旋轉編碼器31與打磨器旋轉編碼器32耦合至墊監視裝置60，使得旋轉角度α的測量值與擺盪角度θ的測量值送至墊監視裝置60。打磨器50與點C的前述距離R以及支撐軸桿58相對於研磨平台12的相對位置事先儲存於墊監視裝置60中。
墊監視裝置60由旋轉角度α及擺盪角度θ算出打磨器50中心點在X-Y旋轉座標系統上的座標，如上述。X-Y旋轉座標系統為定義於研磨表面22a上的二維表面。亦即，打磨器50在X-Y旋轉座標系統上的座標表示打磨器50相對於研磨表面22a的相對位置。以此方式，打磨器50的位置用在定義於研磨表面22a之二維表面上的一位置表示。
墊高度感測器40係組構成可在研磨墊22修整期間以預定時間間隔用打磨器50測量研磨表面22a的高度。每次在墊高度感測器40測得研磨表面22a的高度時，將測量值送到墊監視裝置60。在此墊監視裝置60中，每個測量值與測量點在X-Y旋轉座標系統上的座標(亦即，打磨器50中心點的位置)相關聯。這些座標表示測量點在研磨墊22上的位置。每個測量值以及與該測量值相關聯的測量點位置儲存於墊監視裝置60中。
此外，墊監視裝置60在定義於研磨墊22的X-Y旋轉座標系統上繪出測量點以產生高度分佈，如第3A圖及第3B圖所示。第3A圖圖示藉由測量研磨表面22a之高度20秒所得到的高度分佈，以及第3B圖圖示藉由測量研磨表面22a之高度600秒所得到的高度分佈。高度分佈為研磨表面22a的高度分佈。出現於第3A圖及第3B圖之高度分佈的每個測量點包含關於研磨表面22a之高度及對應測量點之位置的資訊。因此，可由高度分佈得到研磨墊22的輪廓。
如果研磨墊22的修整未正確地執行，研磨墊22局部會被打磨器50刮掉。結果，會失去研磨表面22a的平坦度。為了防止此種情形，墊監視裝置60基於墊高度感測器40的輸出訊號來監視研磨表面22a是否平坦，亦即，研磨墊22的修整是否正確地執行。
墊監視裝置60組構成可沿著測量時間軸排列由墊高度感測器40送出的測量值，以製作曲線圖表示研磨表面22a之高度的時間變化。第4A圖的曲線圖圖示在修整平坦研磨表面22a時的墊高度感測器40之輸出訊號，以及第4B圖的曲線圖圖示在修整不平坦研磨表面22a時的墊高度感測器40之輸出訊號。在第4A圖及第4B圖，縱軸為研磨表面22a的高度以及橫軸為研磨表面22a高度的測量時間。
已沿著測量時間軸排列的測量值形成如第4A圖及第4B圖所示的波形。此波形為由多個測量值構成的測量波形。由第4A圖及第4B圖可見，該波形包含有不同周期T1及T2的兩個脈衝分量。由於研磨表面22a與打磨臂55的搖擺平面平行而可產生有長周期T1的脈衝分量。周期T1對應至打磨器50的擺盪周期。由曲線圖可見，墊高度感測器40的輸出訊號在打磨器50位於研磨墊22周圍部份時變大。與研磨墊22的中央部份相比，這表示打磨器50在周圍部份上時更有可能被研磨墊22鉤到(亦即，絆到)。
短周期T2對應至打磨器50的旋轉周期。由於研磨平台12的轉速與打磨器50的轉速不同但是彼此相對接近而可產生有周期T2的脈衝分量。在第4A圖的曲線圖中，有短周期T2的脈衝分量的振幅與長周期T1之脈衝分量的振幅實質相同。相比之下，在第4B圖的曲線圖中，短周期T2之脈衝分量的振幅大於長周期T1之脈衝分量的振幅。由曲線圖可見，在研磨墊22的研磨表面22a失去平坦度時，短周期T2之脈衝分量的振幅變大。
因此，墊監視裝置60基於得自墊高度感測器40的研磨表面22a的高度測量值來判定正被修整的研磨墊22之研磨表面22a是否平坦。墊監視裝置60有判斷裝置(judging device)70用以基於測量波形的振幅(其係表示研磨表面22a之高度測量值的時間變化)來判斷研磨墊22的研磨表面22a是否平坦。此判斷裝置70組構成在測量波形的振幅超過預定臨界值時可判斷研磨表面22a不平坦。
第5圖的方塊圖圖示判斷裝置70之實施例。判斷裝置70有組構成可由測量波形擷取出有周期T2之脈衝分量的擷取器(extractor)72。此擷取器72組構成可沿著測量時間軸排列由墊高度感測器40送出的多個測量值以製作測量波形以及由該測量波形擷取出有周期T2之脈衝分量以藉此產生監視波形。帶通濾波器(band-pass filter)可用來擷取有周期T2的脈衝分量。帶通濾波器的通帶(pass band)為周期T2的倒數。由於周期T2對應至打磨器50的旋轉周期，如上述，所以帶通濾波器的通帶由打磨器50的轉速給出。判斷裝置70更具有組構成可判定監視波形之振幅是否大於預定臨界值的比較器74A。
第6圖的曲線圖圖示由擷取器72輸出的監視波形。由第6圖可見，只有有周期T2的脈衝分量出現於監視波形。因此，比較器74A可拿周期T2之脈衝分量的振幅與預定臨界值做比較。如果測量波形中沒有具周期T1的脈衝分量，則可省略擷取器72。
第7圖的方塊圖圖示判斷裝置70之另一實施例。判斷裝置70有組構成可由測量波形消除有周期T1之脈衝分量的消除器(eliminator)75。此消除器75組構成可沿著測量時間軸排列由墊高度感測器40送出的多個測量值，以製作測量波形以及消除測量波形中的周期T1之脈衝分量以藉此產生監視波形。除帶濾波器(band-elimination filter)可用來消除有周期T1的脈衝分量。除帶濾波器的止帶(stopband)為周期T1的倒數。由於周期T1對應至打磨器50的擺盪周期，如上述，除帶濾波器的止帶由打磨器50的擺盪周期給出。
判斷裝置70更具有組構成可判定監視波形之振幅是否大於預定臨界值的比較器74B。由消除器75輸出的監視波形與圖示於第6圖的波形實質相同。因此，比較器74B可拿有周期T2之脈衝分量的振幅與預定臨界值做比較。如果測量波形中沒有具周期T1的脈衝分量，可省略消除器75。
第8圖的方塊圖圖示判斷裝置70的又一實施例。判斷裝置70具有：組構成可按預定時間計算研磨表面22a之高度測量值之變化量(絕對值)的微分器(differentiator)76；以及組構成可判定所得到之變化量是否大於預定臨界值的比較器74C。用於微分器76的預定時間可為墊高度感測器40的測量時間間隔。微分器76在每次於收到來自墊高度感測器40之測量值時按預定時間計算測量值的變化量。
第9圖的方塊圖圖示判斷裝置70之再一實施例。判斷裝置70具有：組構成可計算研磨表面22a之高度的兩個測量值之差值(絕對值)的差值計算器77；以及組構成可判定所得到之差值是否大於預定臨界值的比較器74D。差值計算器77每次在收到墊高度感測器40的測量值時計算最近兩個測量值的差值。
第10圖的方塊圖圖示判斷裝置70之更一實施例。判斷裝置70具有：差值計算器78，其係組構成可計算預定參照值與研磨表面22a之高度測量值的差值(絕對值)；以及比較器74E，其係組構成可判定所得到之差值是否大於預定臨界值。用於差值計算器78的預定參照值可為研磨表面22a之初始高度的測量值。差值計算器78每次在收到墊高度感測器40的測量值時計算前述差值。
第11圖的示意圖圖示墊監視裝置60之實施例。如第11圖所示，墊監視裝置60具有：位置計算器81，其係組構成可計算打磨器50在研磨墊22上之位置；測量資料記憶體82，其係組構成可儲存彼此相關聯的打磨器50之位置與研磨表面22a之高度測量值；判斷裝置70，其係圖示於第5圖、第7圖、第8圖、第9圖及第10圖中之任一者；以及，墊高度分析器83，其係組構成可由測量值及打磨器50的位置產生表示研磨表面22a之高度分佈的高度分佈(參考第3A圖及第3B圖)。
如上述，位置計算器81計算打磨器50在二維表面(為定義於研磨表面22a上的X-Y旋轉座標系統)的位置。打磨器50的位置為測量研磨表面22a之高度的測量點位置。此測量點位置係與在該測量點處的測量值相關聯。此外，得到測量值的測量時間係與該測量值以及對應測量點的位置相關聯。測量值、測量點的位置以及測量時間在測量資料記憶體82中儲存成為測量資料的一個集合。
由研磨平台12及打磨單元2之結構決定的常數事先儲存於位置計算器81中。這些常數為用來把定義於研磨裝置之基座3上之x-y固定座標系統的座標轉換成定義於研磨墊22上之X-Y旋轉座標系統的座標時所需要的數值常數。具體而言，該等常數包括打磨器50與其搖擺運動之中心點C之間的距離R以及點C相對於研磨平台12之中心點O的相對位置，如第2圖所示。
墊監視裝置60更具有不規則點分佈產生器85，其係組構成可產生表示研磨表面22a不平坦處之位置的不規則性檢測點之分佈。如果判斷裝置70判斷研磨表面22a不平坦，則不規則點分佈產生器85描繪不規則性檢測點於定義於研磨表面22a上的二維表面(亦即，X-Y旋轉座標系統)上。繪出不規則性檢測點的位置為研磨表面22a中被判定為不平坦的測量點位置。不規則性檢測點的分佈顯示於顯示裝置86上。
第12圖的簡圖各自圖示在研磨表面22a之修整正確地執行時得到的不規則性檢測點分佈。具體而言，第12圖圖示每600秒得到的不規則性檢測點分佈。如第12圖所示，當研磨表面22a被正確地修整時，研磨表面22a保持平坦。因此，X-Y旋轉座標系統上不會出現不規則性檢測點。相比之下，第13圖的簡圖各自圖示在研磨表面22a之修整未正確地執行時得到的不規則性檢測點分佈。如第13圖所示，當研磨表面22a之修整未正確地執行時，會隨著時間逐漸失去研磨表面22a的平坦度。結果，X-Y旋轉座標系統上會出現不規則性檢測點。因此，有可能由出現在定義於研磨表面22a上之二維表面上的不規則性檢測點來判定研磨表面22a的修整是否正確地執行。
不規則點分佈產生器85更具有可計算出現於二維表面上之不規則性檢測點之密度的功能。具體言之，不規則點分佈產生器85計算二維表面上之多個區域中之每一區域的不規則性發生密度以及判定每個區域的不規則性發生密度是否超過預定臨界值。二維表面上的前述區域為事先定義於研磨表面22a上之X-Y旋轉座標系統上的網格區域(grid region)。
第14圖的簡圖圖示定義於X-Y旋轉座標系統上的多個區域。藉由用區域90的面積除每個區域90的不規則性檢測點數可給出不規則性檢測點的密度。用第14圖之元件符號90’表示的區域為不規則性檢測點之密度已達預定臨界值的區域。如第14圖所示，最好使不規則性檢測點之密度已達預定臨界值的區域有顏色。當至少一個區域90中之不規則性檢測點的密度已達預定臨界值時，不規則點分佈產生器85輸出表示研磨表面22a之修整未正確地執行的訊號。
以此方式，在二維表面上可表示研磨表面22a的不規則高度區。因此，在失去研磨表面22a的平坦度之前，研磨墊可換成新的研磨墊。這可防止產品良率降低。此外，在研磨墊22的修整期間有可能得知研磨墊22的修整是否正確地執行。為了使得比較容易視覺辨識不規則性檢測點的出現，最好用陰影或顏色強度表示不規則性檢測點的密度。此外，必要時，最好計算研磨表面22a中之各個區域的高度平均以及顯示高度平均於顯示裝置86。
第15圖為墊監視裝置60之另一實施例的示意圖。如第15圖所示，墊監視裝置60具有：上述位置計算器81；測量資料記憶體82；墊高度分析器83；以及，墊輪廓產生器95，其係組構成可從在墊高度分析器83得到的高度分佈取得研磨墊22的輪廓。在此實施例中，不裝設上述判斷裝置70及不規則點分佈產生器85。不過，第15圖的墊監視裝置60可裝設判斷裝置70及不規則點分佈產生器85。
墊輪廓產生器95組構成可沿著X軸及Y軸排列在X-Y旋轉座標系統之X軸及Y軸上延伸之預定取樣區中之測量點的測量值，以藉此產生研磨墊22的X軸輪廓與Y軸輪廓。第16圖的簡圖圖示定義於研磨墊22上之X-Y旋轉座標系統上的取樣區。在第16圖中，元件符號100A表示在X軸上延伸的取樣區，以及元件符號100B表示在Y軸上延伸的取樣區。取樣區100A及100B有某一寬度d，寬度d大約與打磨器50的直徑相同為較佳。這是為了要得到足夠的測量值以產生研磨墊22的輪廓。
墊輪廓產生器95組構成可擷取存在於取樣區100A及100B之中的測量值以及產生研磨墊22的X軸輪廓與Y軸輪廓。顯示裝置86上顯示產生的X軸輪廓及Y軸輪廓。第17圖的簡圖圖示X軸輪廓及Y軸輪廓。X軸輪廓為研磨表面22a沿著X軸的高度，亦即，研磨表面22a沿著X軸的橫截面形狀。Y軸輪廓為研磨表面22a沿著Y軸的高度，亦即，研磨表面22a沿著Y軸的橫截面形狀。該等輪廓在研磨墊22的修整期間可顯示於顯示裝置86上。所得輪廓儲存於第15圖的墊輪廓記憶體96中。
第18圖的簡圖各自圖示Y軸輪廓在研磨墊22的修整正確地執行時的時間變化。由第18圖可見，在研磨墊22的修整正確地執行時，研磨表面22a保持平坦。第19圖的簡圖各自圖示Y軸輪廓在研磨墊22的修整未正確地執行時的時間變化。由第19圖可見，當研磨墊22的修整未正確地執行時，研磨表面22a的平坦度會隨著時間逐漸失去。
墊輪廓產生器95更具有由X軸輪廓及Y軸輪廓計算出研磨墊22之X軸切削率及Y軸切削率的功能。第20圖的簡圖圖示初始輪廓以及在經過預定時間時得到的輪廓，以及第21圖的簡圖圖示由第20圖之輪廓決定出的切削率。X軸切削率及Y軸切削率的計算係藉由：由墊輪廓記憶體96取出初始X軸輪廓及初始Y軸輪廓的資料，以及在經過預定時間時得到的X軸輪廓及Y軸輪廓資料；計算研磨表面22a在對應位置之高度的差值；以及用經過時間除該差值。
如第21圖所示，X軸切削率與Y軸切削率畫成曲線圖，其中縱軸為切削率而橫軸為研磨墊上的徑向位置。用墊輪廓產生器95算出的X軸切削率及Y軸切削率顯示於顯示裝置86上。
第22圖的簡圖圖示在研磨墊之修整正確地執行時的X軸切削率及Y軸切削率。由第22圖可見，當研磨墊的修整正確地執行時，研磨表面22a整體可得到均勻的切削率。第23圖的簡圖圖示在研磨墊22之修整未正確地執行時的X軸切削率及Y軸切削率。由第23圖可見，當研磨墊的修整未正確地執行時，研磨表面22a整體得不到均勻的切削率。
根據本發明，在研磨墊22的修整期間可得到研磨墊22的輪廓及切削率。因此，可實施墊修整的配方調節同時監視輪廓及/或切削率。此外，為了得到研磨墊22的輪廓及切削率，不需要從研磨平台12卸下研磨墊22。因此，可減少配方調節所需要的時間及成本。
如第2圖所示，研磨墊22的修整係藉由使打磨器50繞著自己的軸線旋轉同時使打磨器50在研磨表面22a的徑向擺盪數次。亦可使打磨器50在研磨表面22a的徑向間歇性地移動同時使打磨器50繞著自己的軸線旋轉，以代替上述操作。
具體而言，使旋轉打磨器50壓抵研磨表面22a上的某一位置，而打磨器50在此位置保持不動直到研磨表面22a的高度降低到目標值以下。當研磨表面22a的高度降低到目標值以下時，使打磨器50朝研磨表面22a的徑向稍微移動，然後打磨器50再度保持不動直到研磨表面22a的高度降低到目標值以下。藉由重覆這些程序，可修整用於研磨基板之研磨表面22a的整個區域。
為了在打磨器50移動後立即去除研磨表面高度的測量誤差，最好使打磨器50保持不動持續至少一段預設時間。此預設時間等於120/N秒為較佳，在此N為研磨平台12的轉速(分鐘^-1)。打磨器50的間歇移動距離約為打磨器50之半徑的一半為較佳。
第24圖為解釋修整方法的流程圖，其中打磨器50係間歇性地移動。在步驟1，全面測量研磨表面22a的高度，以及由測量結果決定出研磨表面22a的高度目標值。在步驟2，打磨器50在研磨表面22a上方移動，以及進一步旋轉打磨器50及研磨墊22。在此狀態下，放低打磨器50以使它的下表面(亦即，打磨表面)壓抵研磨表面22a。
在步驟3，在上述預設時間的期間，旋轉打磨器50在該位置保持不動同時壓著研磨表面22a。在步驟4，判斷研磨表面22a的測得高度是否低於目標值。在步驟5，如果研磨表面22a的高度低於目標值，則在研磨墊22的徑向移動打磨器50一段預定距離。在步驟6，判斷打磨器50是否已達修整結束位置。如果打磨器50已達修整結束位置，修整方法結束。如果打磨器50尚未達到修整結束位置，該方法回到步驟3。
在此方法中，也有可能判定打磨器50在定義於研磨表面22a上之二維表面上的位置以及判定對應至打磨器50之該位置的研磨表面22a高度。因此，研磨表面22a的上述監視方法可應用於此修整方法。
上述研磨表面監視方法可產生以下有益的結果： (i)改善產品良率
由於研磨表面高度的不規則性檢測點在研磨墊的修整期間可顯示於二維表面上，可防止基板的研磨失敗。 (ii)減少研磨墊的成本
由於可由描述於二維表面的不規則性檢測點準確地決定出研磨墊的使用壽命，因此研磨墊可避免不必要的更換。 (iii)墊修整的配方調節簡單準確
基於描述於二維表面的研磨表面高度，可即時監視研磨墊的輪廓及切削率。這使得有可能判斷配方在墊修整期間的好壞。因此，可減少配方調節的時間。此外，可改善配方調節的準確性，因為可基於描述於二維表面上的研磨表面高度來進行配方調節。 (iv)減少配方調節的成本
可得到研磨墊的輪廓及切削率而研磨墊不必從研磨平台卸下。因此，可減少配方調節的成本。此外，可改善研磨裝置的操作速率。 (v)減少測試研磨
即使在測試研磨下，能得到研磨墊的輪廓。因此，在測試研磨期間，可基於研磨墊的輪廓來調整研磨條件。結果，可減少測試研磨的次數。
提供以上具體實施例的說明使得熟諳此藝者可製作及使用本發明。此外，熟諳此藝者顯然可輕易做出各種修改，以及定義於本文的一般原則及特定實施例可應用於其他的具體實施例。因此，不希望本發明受限於描述於本文的具體實施例而是應符合申請專利範圍及等價陳述所定義的最廣泛範疇。
1‧‧‧研磨單元
2‧‧‧打磨單元
3‧‧‧基座
5‧‧‧研磨液供給噴嘴
12‧‧‧研磨平台
13‧‧‧馬達
18‧‧‧頂環軸桿
20‧‧‧頂環
22‧‧‧研磨墊
22a‧‧‧研磨表面
31‧‧‧平台旋轉編碼器
32‧‧‧打磨器旋轉編碼器
40‧‧‧墊高度感測器
41‧‧‧感測器目標
50‧‧‧打磨器
50a‧‧‧打磨盤
51‧‧‧打磨器軸桿
53‧‧‧氣壓缸
55‧‧‧打磨臂
56‧‧‧馬達
58‧‧‧支撐軸桿
60‧‧‧墊監視裝置
70‧‧‧判斷裝置
72‧‧‧擷取器
74A至74E‧‧‧比較器
75‧‧‧消除器
76‧‧‧微分器
77‧‧‧差值計算器
78‧‧‧差值計算器
81‧‧‧位置計算器
82‧‧‧測量資料記憶體
83‧‧‧墊高度分析器
85‧‧‧不規則點分佈產生器
86‧‧‧顯示裝置
90、90’‧‧‧區域
95‧‧‧墊輪廓產生器
96‧‧‧墊輪廓記憶體
100A‧‧‧X軸上延伸的取樣區
100B‧‧‧Y軸上延伸的取樣區
D、R‧‧‧距離
C‧‧‧點
O‧‧‧原點
R‧‧‧半徑
W‧‧‧基板
α‧‧‧旋轉角度
θ‧‧‧擺盪角度
T1、T2‧‧‧周期
X-Y‧‧‧旋轉座標系統
x-y‧‧‧固定座標系統
X,Y‧‧‧軸線
第1圖為用於研磨基板之研磨裝置的示意圖；第2圖為研磨墊及打磨器的示意平面圖；第3A圖的簡圖圖示藉由測量研磨表面高度持續20秒所得到的高度分佈；第3B圖的簡圖圖示藉由測量研磨表面高度持續600秒所得到的高度分佈；第4A圖的曲線圖圖示墊高度感測器在修整平坦研磨表面時的輸出訊號；第4B圖的曲線圖圖示墊高度感測器在修整不平坦研磨表面時的輸出訊號；第5圖為圖示判斷裝置之實施例的方塊圖；第6圖的曲線圖圖示由擷取器輸出的監視波形；第7圖為判斷裝置之另一實施例的方塊圖；第8圖為判斷裝置之又一實施例的方塊圖；第9圖為判斷裝置之再一實施例的方塊圖；第10圖為判斷裝置之更一實施例的方塊圖；第11圖為墊監視裝置之一實施例的示意圖；第12圖的簡圖各自圖示在研磨表面之修整正確地執行時得到的不規則性檢測點分佈；第13圖的簡圖各自圖示在研磨表面之修整未正確地執行時得到的不規則性檢測點分佈；第14圖的簡圖圖示定義於X-Y旋轉座標系統上的多個區域；第15圖為墊監視裝置之另一實施例的示意圖；第16圖的簡圖圖示在定義於研磨墊上之X-Y旋轉座標系統上的取樣區；第17圖的簡圖圖示顯示於顯示裝置上的研磨墊之X軸輪廓及Y軸輪廓；第18圖的簡圖各自圖示在研磨墊之修整正確地執行時的Y軸輪廓時間變化；第19圖的簡圖各自圖示研磨墊之修整未正確地執行時的Y軸輪廓時間變化；第20圖的簡圖圖示初始輪廓以及在經過預定時間時得到的輪廓；第21圖的簡圖圖示由第20圖之輪廓確定的切削率；第22圖的簡圖圖示在研磨墊之修整正確地執行時的X軸切削率及Y軸切削率；第23圖的簡圖圖示在研磨墊之修整未正確地執行時的X軸切削率及Y軸切削率；以及第24圖為解釋修整方法的流程圖，其中打磨器係間歇性地移動。
1‧‧‧研磨單元
2‧‧‧打磨單元
3‧‧‧基座
5‧‧‧研磨液供給噴嘴
12‧‧‧研磨平台
13‧‧‧馬達
18‧‧‧頂環軸桿
20‧‧‧頂環
22‧‧‧研磨墊
22a‧‧‧研磨表面
31‧‧‧平台旋轉編碼器
32‧‧‧打磨器旋轉編碼器
40‧‧‧墊高度感測器
41‧‧‧感測器目標
50‧‧‧打磨器
50a‧‧‧打磨盤
51‧‧‧打磨器軸桿
53‧‧‧氣壓缸
55‧‧‧打磨臂
56‧‧‧馬達
58‧‧‧支撐軸桿
60‧‧‧墊監視裝置
W‧‧‧基板

权利要求:
Claims (20)
[1] 一種在研磨裝置中使用之研磨墊之研磨表面的監視方法，該方法包括下列步驟：使旋轉之打磨器在該研磨墊之該研磨表面上擺盪，藉此來修整該研磨表面；在進行該研磨表面之該修整時，測量該研磨表面的高度；計算該高度之測量點在定義於該研磨表面上之二維表面上的位置；以及重覆該研磨表面之高度的該測量步驟以及該測量點之位置的該計算步驟以製作該研磨表面的高度分佈。
[2] 如申請專利範圍第1項所述之方法，其更包括下列步驟：由該高度分佈製作該研磨表面之高度之不規則性檢測點分佈；以及基於該不規則性檢測點分佈來評估該研磨墊的該修整。
[3] 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中，基於該不規則性檢測點分佈來評估該研磨墊之該修整的該步驟包括下列步驟：由該不規則性檢測點分佈計算出該研磨表面高度在事先定義於該研磨表面上之多個區域內的不規則性發生密度；以及在該等多個區域中之至少一者的不規則性發生密度已達預定臨界值時，判定該研磨墊的該修整未正確地執行。
[4] 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中，由該高度分佈製作該研磨表面高度之不規則性檢測點分佈的該步驟包括下列步驟：沿著測量時間軸排列該研磨表面高度的多個測量值以製作由該等多個測量值構成的測量波形；以及描繪該不規則性檢測點於該二維表面中對應至在該測量波形之振幅超過預定值時得到之測量值的位置上。
[5] 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中，由該高度分佈製作該研磨表面高度之不規則性檢測點分佈的該步驟更包括下列步驟：藉由自該測量波形擷取由於該打磨器之旋轉而產生之脈衝分量來製作監視波形，其中該不規則性檢測點的該描繪步驟包括下列步驟：描繪該不規則性檢測點於該二維表面中對應至在該監視波形之振幅超過預定值時得到之測量值的位置上。
[6] 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中製作該監視波形的該步驟包括下列步驟：藉由應用帶通濾波器於該測量波形以自該測量波形擷取由於該打磨器之旋轉而產生之脈衝分量來製作監視波形。
[7] 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中，製作該監視波形的該步驟包括下列步驟：藉由應用除帶濾波器於該測量波形以自該測量波形消除由於該打磨器之擺盪而產生之脈衝分量來製作監視波形。
[8] 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中，由該高度分佈製作該研磨表面高度之不規則性檢測點分佈的該步驟包括下列步驟：計算藉由重覆該研磨表面高度測量步驟所得到的兩個測量值之間的差值；以及描繪該不規則性檢測點於該二維表面中對應至在該差值超過預定臨界值時得到之測量值的位置上。
[9] 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中，由該高度分佈製作該研磨表面高度之不規則性檢測點分佈的該步驟包括下列步驟：按預定時間計算該研磨表面高度的測量值之變化量；以及描繪該不規則性檢測點於該二維表面中對應至在該變化量超過預定臨界值時得到之測量值的位置上。
[10] 如申請專利範圍第1項所述之方法，其更包括下列步驟：由該高度分佈製作該研磨墊的輪廓。
[11] 一種研磨裝置中所使用之研磨墊之研磨表面的監視裝置，該裝置包含：可旋轉打磨器，其係組構成在該研磨表面上擺盪時修整該研磨墊之該研磨表面；墊高度感測器，其係組構成在進行該研磨表面之修整時測量該研磨表面之高度；位置計算器，其係組構成計算該高度之測量點在定義於該研磨表面上之二維表面上的位置；以及墊高度分析器，其係組構成由該研磨表面高度之測量值以及該測量點之該位置來製作該研磨表面的高度分佈。
[12] 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其更包含：不規則點分佈產生器，其係組構成由該高度分佈來製作該研磨表面高度之不規則性檢測點分佈，其中該不規則點分佈產生器係組構成基於該不規則性檢測點分佈來評估該研磨墊的修整。
[13] 如申請專利範圍第12項所述之裝置，其中，該不規則點分佈產生器組構成：由該不規則性檢測點分佈計算出該研磨表面高度在事先定義於該研磨表面上之多個區域內的不規則性發生密度；以及在該等多個區域中之至少一者的不規則性發生密度已達預定臨界值時，判定該研磨墊的修整未正確地執行。
[14] 如申請專利範圍第12項所述之裝置，其中該不規則點分佈產生器組構成：沿著測量時間軸排列該研磨表面高度的多個測量值以製作由該等多個測量值構成的測量波形；以及藉由描繪該不規則性檢測點於該二維表面中對應至在該測量波形之振幅超過預定值時得到之測量值的位置上來製作該不規則性檢測點分佈。
[15] 如申請專利範圍第14項所述之裝置，其中，該不規則點分佈產生器組構成：藉由自該測量波形擷取由於該打磨器之旋轉而產生之脈衝分量來製作監視波形；以及藉由描繪該不規則性檢測點於該二維表面中對應至在該監視波形之振幅超過預定值時得到之測量值的位置上來製作該不規則性檢測點分佈。
[16] 如申請專利範圍第15項所述之裝置，其中，該不規則點分佈產生器係組構成藉由應用帶通濾波器於該測量波形以自該測量波形擷取由於該打磨器之旋轉而產生之脈衝分量來製作該監視波形。
[17] 如申請專利範圍第15項所述之裝置，其中，該不規則點分佈產生器係組構成藉由應用除帶濾波器於該測量波形以自該測量波形消除由於該打磨器之擺盪而產生之脈衝分量來製作該監視波形。
[18] 如申請專利範圍第12項所述之裝置，其中，該不規則點分佈產生器組構成：計算該研磨表面高度的兩個測量值之間的差值；以及藉由描繪該不規則性檢測點於該二維表面中對應至在該差值超過預定臨界值時得到之測量值的位置上來製作該不規則性檢測點分佈。
[19] 如申請專利範圍第12項所述之裝置，其中，該不規則點分佈產生器組構成：按預定時間計算該研磨表面高度的測量值之變化量；以及藉由描繪該不規則性檢測點於該二維表面中對應至在該變化量超過預定臨界值時得到之測量值的位置上來製作該不規則性檢測點分佈。
[20] 如申請專利範圍第11項所述之裝置，其更包含組構成由該高度分佈製作該研磨墊之輪廓的墊輪廓產生器。

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法律状态:

优先权:

申请号 | 申请日 | 专利标题

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