多压力分区抛光头的静态加压控制算法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及化学机械抛光技术领域，特别涉及一种多压力分区抛光头的静态加压 控制算法。
【背景技术】
[0002] 化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)技术是目前集成电路制造 中制备多层铜互连结构的关键技术之一。作为当今最有效的全局平坦化方法，CMP技术利用 化学腐蚀和机械磨削的协同作用，可以有效兼顾晶圆局部和全局平坦度。
[0003]抛光压力不仅是工艺过程中影响材料去除率和去除非均匀性的重要工艺参数之 一，而且是实现抛光前后装卸片等动作的关键因素。随着晶圆尺寸的不断增大，为了保证晶 圆表面材料去除的均匀性，分区压力控制技术已引入CMP工艺中。但是分区压力控制技术要 求抛光头具备多个压力分区，造成抛光头各分区压力之间产生相互影响，最终导致压力控 制难度加大。如果没有有效的控制算法，抛光各分区压力的控制效果较差，不利用装卸片过 程，严重时还有可能造成晶圆碎片，影响整个工艺的连续进行。因此，实现可靠的压力控制， 保证抛光压力良好的响应特性是实现连续正常工艺的重要条件。目前，有关压力控制的高 级算法较多，但是较为复杂，不便于控制系统软件的实现。而且相关算法所面向的控制环境 比较单一，不同于CMP工艺环境。
【发明内容】
[0004] 本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
[0005] 为此，本发明的目的在于提出一种多压力分区抛光头的静态加压控制算法，该控 制算法简洁有效，在程序运行时大大减少了计算量，而且参数调节方便，可较好地应用于 CMP工艺前后的装卸片等静态加压过程。
[0006] 为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种多压力分区抛光头的静态加压控 制算法，包括以下步骤:分别获取所述抛光头的各压力分区的平均零点偏移量;根据所述抛 光头的各压力分区的平均零点偏移量，分别对CMP抛光头系统的各路气压传感器的测量值 进行修正，并将修正后的测量值作为所述各路气压传感器的最终输出值;在算法内部，对各 压力分区的预设压力值进行修正以得到压力修正值，并将所述压力修正值作为实际参与运 算的压力设定值;实时计算所述各路气压传感器的最终输出值与对应压力分区的压力设定 值之间的偏差量;根据所述偏差量计算所述CMP抛光头系统的相应电气比例阀的控制量。
[0007] 根据本发明实施例的多压力分区抛光头的静态加压控制算法，简洁有效，在程序 运行时大大减少了计算量，而且参数调节方便，可较好地应用于CMP工艺前后的装卸片等静 态加压过程。
[0008] 根据本发明上述实施例的多压力分区抛光头的静态加压控制算法具有如下附加 的技术特征：
[0009] 在一些示例中，针对抛光头的装卸片等静态加压过程，控制算法主体采用增量式 纯比例控制，即将当前计算得到的控制增量与上一时刻计算得到的控制量之和作为所述相 应电气比例阀的当前控制量，其中，控制增量的计算方法具体为：
[0010] Δ u(n) =ΚΡ · Δ e(n),
[0011] 其中，A e(n)为气压传感器的最终输出值与对应压力分区的压力设定值的当前偏 差量与上一时刻偏差量的差值，心为比例项系数，Au(n)为第η时刻相应电气比例阀的控制 增量。
[0012] 在一些示例中，对各压力分区的预设压力值进行修正以得到压力修正值，具体包 括:将所述各压力分区的预设压力值除以对应修正系数的商作为压力修正值。
[0013] 在一些示例中，所述抛光头的各压力分区的压力控制共享同一计算方法，但具有 独立的比例系数Κρ。
[0014] 在一些示例中，所述各路气压传感器与所述各压力分区一一对应，以分别检测所 述各压力分区所受的压力。
[0015] 在一些示例中，所述多压力分区包括第一至第五压力分区及保持环。
[0016] 本发明的附加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】
[0017] 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：
[0018] 图1是本发明一个实施例的CMP抛光头系统的控制原理图；
[0019] 图2是本发明一个实施例的多区静态压力响应开环测试结果示意图；以及
[0020] 图3是本发明一个实施例的多压力分区抛光头的静态加压控制算法的流程图。
【具体实施方式】
[0021] 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，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0022] 以下结合附图描述根据本发明实施例的多压力分区抛光头的静态加压控制算法。 [0023]首先结合图1和图2对本发明实施例涉及的CMP抛光头系统进行详细描述。
[0024] 如图1所示，在本发明的一个实施例中，所涉及到的CMP抛光头系统包括6个压力腔 室，即多压力分区对应为6个压力分区，分别为第一压力分区至第五压力分区及保持环。CMP 抛光头系统通过气压方式实现抛光头对晶圆背面各个分区的压力加载。该CMP抛光头系统 的单条气路的主要环节依次包括:气源、减压阀、电气比例阀和气压传感器等，其控制原理 如图1所示。其中，电气比例阀用于施加精确可调的正压，各路气压传感器与各压力分区一 一对应，分别用于实时监测各个压力腔室内的压力值。根据气压传感器测量到的抛光头各 压力腔室内的气压值，可间接反映晶圆表面对应分区所受到的压力值及晶圆与抛光垫界面 之间的压力值。
[0025] 由于多压力分区抛光头的硬件结构决定了相邻腔室之间存在耦合，所以在实际 CMP过程中，当抛光头的第一至第五压力分区同时加压时，相邻分区的压力响应必然会相互 影响。在开环条件下，抛光头各分区压力由初始值持续上升，但速度缓慢，均在较长时间内 未达到稳定。当压力稳定后，各压力分区均存在一定程度的静态误差。在多区压力静态测试 中，抛光头的5个压力分区同时加压。如图2所示，由于相邻压力腔室之间的耦合，各压力分 区的压力响应特性还会受到直接或者间接的影响，使得被控对象进一步复杂。
[0026] 在晶圆的装卸片过程中，需要有效的控制算法以保证抛光头各分区良好的压力响 应特性与稳压效果。如果晶圆和保持环所受压力的真实值与设定值之间偏差较大，将导致 装卸片动作的失败，严重时将导致晶圆碎片。相比CMP工艺过程，装卸片动作较为简单，无抛 光头和抛光盘的运动所带来的影响。对于连续工艺过程，装卸片动作只需重复进行。所以同 一机台的装卸片工艺参数在完成调试后基本固定不变。基于此，本发明提出了一种简洁有 效的控制算法，进一步降低了程序运行时的计算量。针对CMP装卸片时的工艺环境，基于PID 基本原理，设计了多压力分区抛光头静态加压的控制算法。通过实验验证，本发明实施例的 控制算法可较好地应用于CMP装卸片时的压力控制。CMP上层控制系统根据实时读取到的压 力反馈值和工艺配方中的压力设定值，实时调用本发明实施例的控制算法。当压力反馈值 偏离设定值时，CMP上层控制系统根据本发明实施例的控制算法的计算结果及时改变对应 电气比例阀的控制量，以减小压力反馈值与设定值之间的偏差，保证装卸片过程中抛光头 各个分区压力的精确控制，及良好的稳压效果。
[0027] 基于此，结合图3所示，根据本发明实施例的多压力分区抛光头的静态加压控制算 法，包括以下步骤：
[0028]步骤S1:分别获取抛光头的各压力分区的平均零点偏移量。
[0029]在本发明的一个实施例中，抛光头的各压力分区的平均零点偏移量如表1所不：
[0031] 表 1
[0032] 步骤S2:根据抛光头的各压力分区的平均零点偏移量，分别对CMP抛光头系统的各 路气压传感器的测量值进行修正，并将修正后的各路气压传感器的测量值作为各路气压传 感器的最终输出值。
[0033] 具体而言，每次安装抛光头或者更换气囊后，首先令抛光头各压力腔室通大气。此 时，上层控制系统读到的气压传感器的输出值（即气压传感器的测量值)可能不为零，存在 少量的零点偏移。为了保证实际压力值(测量值)与压力设定值之间良好的一致性，首先需 修正CMP上层控制系统读到的气压传感器输出的测量值。具体方法是根据抛光头各压力分 区的平均零点偏移量，分别将上层控制系统读到的各路气压传感器输出的测量值调整相应 的大小，即将气压传感器输出的测量值与平均零点偏移量的差值作为各路气压传感器的最 终输出值，并将各路气压传感器的