一种在线检测研磨垫使用周期的装置及检测方法与流程

本发明涉及半导体集成电路设备技术领域，更具体地，涉及一种可对研磨垫使用周期进行在线检测的装置及检测方法。

背景技术：

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，使得化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing，简称CMP)工艺得到广泛的应用。

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。

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定义使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，其对研磨垫的损耗也会不同。

因此，目前的研磨垫监测方法是一种主观、间接的监测方法，其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，从而增大了生产成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种在线检测研磨垫使用周期的装置及检测方法，能实时检测研磨垫的磨损情况，使研磨垫得到充分的利用。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种在线检测研磨垫使用周期的装置，包括：

壳体，悬设于研磨台面上方，所述研磨台面表面贴有研磨垫；

第一、第二超声波发生器，设于壳体内，用于分别产生高低不同频率的超声波；

第一、第二发射器，并列设于壳体下端，用于向研磨垫垂直发射对应来自第一、第二超声波发生器的超声波；

接收器，设于壳体下端，用于接收由研磨垫及研磨台面分别反馈的不同频率的超声波信号；

算法控制及输出单元，设于壳体内，用于对接收器接收的超声波反馈信号进行计算，以得到当前研磨垫的厚度并输出。

优选地，所述壳体设于位于研磨台面上方的独立支架、研磨垫修整臂或研磨头轨道上，并在受带动时在研磨台面上方移动。

优选地，所述接收器平行设于第一、第二发射器之间的壳体下端。

优选地，所述第一超声波发生器产生的超声波频率为30-40KHz，所述第二超声波发生器产生的超声波频率为90-100KHz，所述第一发射器为发射所述第一超声波发生器产生的30-40KHz频率超声波的低频发射器，所述第二发射器为发射所述第二超声波发生器产生的90-100KHz频率超声波的高频发射器。

优选地，所述算法控制及输出单元通过超声波发射及反馈的频率差值与间隔时间计算研磨垫厚度的变化，并过滤杂讯。

一种在线检测研磨垫使用周期的检测方法，使用上述的在线检测研磨垫使用周期的装置，包括以下步骤：

步骤S01：将在线检测研磨垫使用周期的装置定位于研磨台面上方，并对准研磨台面表面的研磨垫；

步骤S02：打开第一、第二超声波发生器，使其分别发生高低不同频率的超声波，并通过第一、第二发射器向研磨垫垂直发射；

步骤S03：通过接收器接收由研磨垫及研磨台面分别反馈的不同频率的超声波信号；

步骤S04：通过算法控制及输出单元对接收器接收的超声波反馈信号进行计算，得到当前研磨垫的厚度，并对研磨垫的使用状况进行输出。

优选地，步骤S02中，使所述第一超声波发生器发生频率为30-40KHz的超声波，并通过第一发射器向研磨垫垂直发射该30-40KHz频率的超声波，同时，使所述第二超声波发生器发生频率为90-100KHz的超声波，并通过第二发射器向研磨垫垂直发射该90-100KHz频率的超声波。

优选地，步骤S04中，利用所述算法控制及输出单元通过超声波发射及反馈的频率差值与间隔时间计算研磨垫厚度的变化，并过滤杂讯。

优选地，在一次检测过程中，对研磨垫不同位置进行多次超声波发射及反馈，并通过所述算法控制及输出单元对各次超声波发射及反馈结果分别进行计算，以得到当前研磨垫在不同位置处的厚度分布及平均厚度。

优选地，步骤S04中，还包括通过所述算法控制及输出单元判断收到的超声波反馈频率是否在阈值内，并在超出阈值时输出警报。

从上述技术方案可以看出，本发明通过超声波检测方式对研磨垫进行厚度测量，可得到当前研磨垫的厚度准确数据，从而能够实时检测研磨垫的磨损情况，使研磨垫得到充分的利用；本发明利用声波在不同介质中传输速度的差异来具体量化研磨垫的使用寿命，具有客观、直接的特点。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例的一种在线检测研磨垫使用周期的装置使用状态示意图；

图2是本发明一较佳实施例的一种在线检测研磨垫使用周期的装置结构示意图；

图3是本发明一较佳实施例的一种在线检测研磨垫使用周期的检测方法流程图；

图中：1、壳体，2、第一超声波发生器，2’、第二超声波发生器，3、第一发射器，3’、第二发射器，4、接收器，5、算法控制及输出单元，6、机台控制电脑，7、研磨垫，8、研磨台面，9、固定单元。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明一较佳实施例的一种在线检测研磨垫使用周期的装置使用状态示意图。如图1所示，本发明的一种在线检测研磨垫使用周期的装置，悬空设置在研磨机台中的研磨台面上方。具体为，所述装置具有一个壳体1，所述装置可通过其壳体1与一固定单元9进行安装固定，使所述壳体(即装置)悬空设置在研磨机台中研磨台面8的上方。其中，所述固定单元9可以利用研磨机台中的研磨垫修整臂或研磨头轨道，也可以是单独设置在研磨机台中的独立支架；所述壳体1可通过法兰垂直安装在所述固定单元9下端，并位于研磨台面8的上方。

所述研磨台面8的表面粘贴有研磨垫7。

所述固定单元9可以运动，这样，所述壳体1在受到固定单元9带动时，即可在研磨台面8上方移动，以便可以对研磨垫7的不同位置进行多点厚度检测。

请参阅图2，图2是本发明一较佳实施例的一种在线检测研磨垫使用周期的装置结构示意图。如图2所示，在线检测研磨垫使用周期的装置设有壳体1，在壳体1内装有两个超声波发生器，分别是第一超声波发生器2和第二超声波发生器2’；以及在壳体1内装有算法控制及输出单元5；壳体1下端装有两个发射器，分别是第一发射器3和第二发射器3’。其中，第一发射器3连接壳体1内的第一超声波发生器2，第二发射器3’连接壳体1内的第二超声波发生器2’。

第一、第二超声波发生器用于分别产生高低不同频率的超声波，第一、第二发射器用于接收对应来自第一、第二超声波发生器的超声波，并向其下方的研磨垫垂直发射该来自第一、第二超声波发生器的超声波。

所述第一超声波发生器可产生频率为30-40KHz的低频超声波，所述第二超声波发生器可产生频率为90-100KHz的高频超声波；所述第一发射器可为发射所述第一超声波发生器产生的30-40KHz频率超声波的低频发射器，所述第二发射器可为发射所述第二超声波发生器产生的90-100KHz频率超声波的高频发射器。例如，第一、第二发射器可分别为35KHz的低频发射器和90KHz的高频发射器，因此，可通过所述第一发射器向研磨垫垂直发射来自所述第一超声波发生器的35KHz频率的超声波，并可同时通过所述第二发射器向研磨垫垂直发射来自所述第二超声波发生器的90KHz频率的超声波。

第一、第二发射器可并列安装在壳体下端，同时，第一、第二超声波发生器也可在壳体内对应相同距离的位置进行安装固定。

在壳体下端还装有一个接收器4，接收器4连接壳体1内的算法控制及输出单元5。接收器4用于接收由研磨垫7及研磨台面8分别反馈(返回)的不同频率的超声波信号，该超声波信号源于从第一、第二发射器3、3’分别发射的高低不同频率的超声波分别在研磨垫7及研磨台面8不同介质表面反射所产生的超声波反射信号。

所述接收器4可平行设于第一、第二发射器3、3’之间的壳体1下端，以便均衡接收从第一、第二发射器3、3’发射的超声波的反射信号；因而算法控制及输出单元5可设置在位于第一、第二超声波发生器2、2’之间位置的壳体1内。

算法控制及输出单元用于对接收器接收的不同频率的超声波反馈信号进行计算，以得到当前研磨垫的厚度。

请参阅图1、图2。第一、第二超声波发生器分别产生上述低频和高频两个频率的超声波，并各自通过第一、第二发射器向研磨垫发出；当两路声波到达研磨垫表面时，每路中的一部分声波将发生反弹(反馈)而被接收器接收，一部分声波将穿过研磨垫到达研磨台面发生反弹，并被接收器接收。接收器将收到的各个信号传送给算法控制及输出单元分别解析两种声波的反馈时间及衰减速率，并通过编制一定算法计算出当前研磨垫的厚度。因此，可利用所述算法控制及输出单元通过超声波发射及反馈的频率差值与间隔时间计算出研磨垫厚度的变化，并在计算时对杂讯进行过滤，以避免其干扰，从而得到当前研磨垫的使用状况。

过滤杂讯的功能也可以设置在接收器上。

请参阅图2。所述算法控制及输出单元可与研磨设备的机台控制电脑6建立连接，以将其计算结果数据发送给机台控制电脑6。

下面结合具体实施方式及附图，对本发明的一种在线检测研磨垫使用周期的检测方法进行详细说明。

请参阅图3，图3是本发明一较佳实施例的一种在线检测研磨垫使用周期的检测方法流程图。如图3所示，本发明的一种在线检测研磨垫使用周期的检测方法，使用上述的在线检测研磨垫使用周期的装置，包括以下步骤：

执行步骤S1：进行超声波发射。

如图1所示，首先将在线检测研磨垫使用周期的装置(即壳体1)安装在固定单元9上，使装置定位于研磨台面8上方，并对准研磨台面表面的研磨垫7。

接着，如图2所示，当需要进行研磨垫使用周期在线检测、即根据研磨垫厚度确认其处于使用周期的何阶段时，打开第一、第二超声波发生器2、2’，使第一、第二超声波发生器分别发生高低不同频率的超声波，并通过第一、第二发射器3、3’向研磨垫7垂直进行发射。

可使所述第一超声波发生器发生频率为30-40KHz的超声波，并通过第一发射器向研磨垫垂直发射该30-40KHz频率的超声波，同时，使所述第二超声波发生器发生频率为90-100KHz的超声波，并通过第二发射器向研磨垫垂直发射该90-100KHz频率的超声波。

例如，第一、第二发射器可分别为35KHz的低频发射器和90KHz的高频发射器，因此，可通过所述第一发射器向研磨垫垂直发射来自所述第一超声波发生器的35KHz频率的超声波，并可同时通过所述第二发射器向研磨垫垂直发射来自所述第二超声波发生器的90KHz频率的超声波。

执行步骤S2：进行超声波接收。

接着，可通过接收器4接收由研磨垫7及研磨台面8分别反馈的不同频率的超声波信号；并通过算法控制及输出单元5对接收器4接收的超声波反馈信号进行计算，得到当前研磨垫7的厚度。

第一、第二超声波发生器分别产生上述35KHz低频和90KHz高频两个频率的超声波，并各自通过第一、第二发射器向研磨垫发出；当两路声波到达研磨垫表面时，每路中的一部分声波将发生反弹(反馈)而被接收器接收，一部分声波将穿过研磨垫到达研磨台面发生反弹，并被接收器接收。接收器将收到的各个信号传送给算法控制及输出单元分别解析两种声波的反馈时间及衰减速率，并通过编制一定算法计算出当前研磨垫的厚度。因此，可利用所述算法控制及输出单元通过超声波发射及反馈的频率差值与间隔时间计算出研磨垫厚度的变化，并在计算时对杂讯进行过滤，以避免其干扰，从而得到当前研磨垫的使用状况。

然后，通过算法控制及输出单元对得到的研磨垫的使用状况结果数据进行输出，例如可以将其计算结果数据发送给机台控制电脑6。

执行步骤S3：判断反馈频率是否在阈值内。

在利用算法控制及输出单元5对接收的超声波反馈信号进行计算时，通过算法控制及输出单元将其收到的超声波反馈频率与一阈值进行比对，判断收到的超声波反馈频率是否在阈值内，以便快速确认研磨垫的厚度是否处于安全厚度范围，并可进一步判断研磨垫处于其使用周期中的哪一阶段。

执行步骤S4：设备发出报警信息。

当算法控制及输出单元5判断其收到的超声波反馈频率超出阈值时，即向研磨设备(机台)发出报警信息，例如可将该报警信息发送给机台控制电脑6，以便设备进一步向总控制系统发出报警信息。

在每一次的检测过程中，可对研磨垫7的不同位置进行多次超声波发射及反馈，并通过所述算法控制及输出单元5对各次超声波发射及反馈结果分别进行计算，可以得到当前研磨垫7在不同位置处的厚度分布及平均厚度，从而可得到研磨垫的全面使用状态情况。在此基础上，通过进一步优化还可以实现对于某种特定产品、可以定义其最优的工艺条件是在研磨垫使用周期的某一阶段的功能，从而可更合理地安排研磨垫的使用。

综上所述，本发明利用声波在不同介质中传输速度的差异来具体量化研磨垫的使用寿命，通过超声波检测方式对研磨垫进行厚度测量，可得到当前研磨垫的厚度准确数据，从而能够实时检测研磨垫的磨损情况，使研磨垫得到充分的利用，因而具有能客观、直接确认研磨垫使用周期的优点。

本发明所涉及的装置结构及检测方法是基于SEMI国际产业标准的，并满足国际通用的关于半导体产业技术标准的规定。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。