研磨垫调节装置.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102189484 A (43)申请公布日 2011.09.21 CN 102189484 A *CN102189484A* (21)申请号 201010130264.0 (22)申请日 2010.03.11 B24B 37/00(2006.01) B24B 53/00(2006.01) (71)申请人 中芯国际集成电路制造(上海)有限 公司 地址 201203 上海市浦东新区张江路 18 号 (72)发明人 高思玮 魏红建 齐宝玉 吴端毅 (74)专利代理机构 北京德琦知识产权代理有限 公司 11018 代理人 牛峥 王丽琴 (54) 发明名称 研磨垫调节装置 (5。

2、7) 摘要 本发明公开了一种研磨垫调节装置， 用于控 制钻石研磨盘清理化学研磨机台研磨垫上的杂 质， 包括附着钻石研磨盘的托盘、 轴、 支臂和基座， 该装置还包括霍尔传感器、 永磁体和微处理器 ； 永磁体， 内嵌安装于托盘上， 用于产生磁通量信 号 ； 霍尔传感器， 安装于支臂上， 与永磁体相对配 置， 用于在托盘旋转时， 接收所述永磁体产生的磁 通量信号， 将所述磁通量信号转变为电信号 ； 微 处理器， 用于读取所述电信号， 对电信号进行分析 处理， 获得钻石研磨盘的转速和在垂直方向上的 位置信息。采用本发明的装置能够实时监测钻石 研磨盘的转速和位置。 (51)Int.Cl. (19)中华人。

3、民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 CN 102189485 A1/1 页 2 1. 一种研磨垫调节装置， 用于控制钻石研磨盘清理化学研磨机台研磨垫上的杂质， 包 括附着钻石研磨盘的托盘、 轴、 支臂和基座， 其特征在于， 该装置还包括霍尔传感器、 永磁体 和微处理器 ； 永磁体， 内嵌安装于托盘上， 用于产生磁通量信号 ； 霍尔传感器， 安装于支臂上， 与永磁体相对配置， 用于在托盘旋转时， 接收所述永磁体 产生的磁通量信号， 将所述磁通量信号转变为电信号 ； 微处理器， 用于读取所述电信号， 对电信号进行分析处理， 获得钻石研磨盘。

4、的转速和在 垂直方向上的位置信息。 2. 如权利要求 1 所述的装置， 其特征在于， 所述微处理器对电信号进行分析处理的过 程为 ： 根据单位时间内电信号的个数确定钻石研磨盘的转速 ； 根据电信号的幅值确定钻石 研磨盘的位置。 3. 如权利要求 2 所述的装置， 其特征在于， 所述永磁体的个数不小于 6 个， 呈圆状均匀 内嵌安装于托盘上， 且靠近托盘的边缘。 4. 如权利要求 3 所述的装置， 其特征在于， 所述电信号为电压脉冲信号或者电流脉冲 信号。 5. 如权利要求 4 所述的装置， 其特征在于， 所述钻石研磨盘通过永磁体吸附于托盘上。 6. 如权利要求 5 所述的装置， 其特征在于， 。

5、每个永磁体安装于托盘上对应的安装孔内。 7. 如权利要求 6 所述的装置， 其特征在于， 所述永磁体位于安装孔的中心， 所述永磁体 的四周， 安装孔的空隙中填充有绝缘材料。 8. 如权利要求 7 所述的装置， 其特征在于， 所述安装孔的截面形状为倒梯形。 权 利 要 求 书 CN 102189484 A CN 102189485 A1/5 页 3 研磨垫调节装置 技术领域 0001 本发明涉及半导体化学机械研磨领域， 特别涉及一种研磨垫调节装置。 背景技术 0002 目前， 晶片 (wafer) 的平坦化制作工艺都是依赖化学机械研磨机台来完成， 现 有化学机械研磨机台的剖面结构示意图， 如图 。

6、1 所示。该机台包括研磨台 101、 研磨垫 (pad)102、 研磨头 103、 研磨垫调节装置 (pad condition)104 和钻石研磨盘 (diamond disk)105。研磨台 101 承载研磨垫 102， 当进行研磨时， 首先将待研磨的晶圆 W 架设在研磨 头 103 上， 使晶圆 W 的待研磨面与旋转的研磨垫 102 对向配置， 此时， 在研磨垫 102 上可提 供由研磨粒和化学助剂所构成的研浆 (slurry) ； 接着， 研磨头 103 提供给晶片 W 可控制的 负载如压力， 而将晶片W的待研磨面紧压于研磨垫102上， 随着晶片与研磨垫之间的相对运 动， 以及研磨垫上。

7、研浆的喷洒， 实现对晶片的研磨， 形成晶片平坦的表面。 同时， 在研磨过程 中， 会不断在研磨垫 102 上产生研磨下的杂质， 这就需要钻石研磨盘 105 不断对研磨垫 102 表面进行清理， 钻石研磨盘 105 安装于研磨垫调节装置 104 上， 钻石研磨盘 105 表面有一层 金刚石附着层， 与旋转的研磨垫 102 相对配置， 钻石研磨盘 105 在旋转状态下清理研磨垫 102 表面的杂质。化学机械研磨机台可用于各种材料的研磨， 例如实现对多晶硅、 铜、 钨、 浅 沟槽隔离 (STI)、 层间介质层 (ILD) 或金属间介质层 (IMD) 等的研磨。 0003 现有研磨垫调节装置的剖面结构。

8、示意图如图 2 所示。该装置包括 ： 托盘 201、 轴 202、 支臂 203 和基座 204。 0004 托盘 201， 用于附着钻石研磨盘， 现有技术一般用螺丝将钻石研磨盘安 装在托盘 上 ； 0005 与托盘 201 连接， 在垂直机台方向上伸缩的轴 202， 用于控制钻石研磨盘与研磨垫 之间的距离 ； 0006 与轴 202 连接的支臂 203， 在水平方向， 且在一定角度内摆动， 用于控制钻石研磨 盘与研磨垫接触的范围 ； 0007 与支臂 203 连接的基座 204， 用于将研磨垫调节装置固定在研磨台上。 0008 需要说明的是， 在研磨垫调节装置内部设有马达， 通过传动系统带动。

9、托盘和钻 石研磨盘旋转， 所述传动系统包括皮带、 传动轴和变速齿轮等， 而且马达上安装有解码器 (encoder)， 能够监测马达的转速。当马达依旧在工作， 传动部件失效时， encoder 是无法侦 测到钻石研磨盘的旋转情况的， 因此机台会继续工作， 晶片会继续研磨， 而研磨下的杂质却 没有及时得到清理， 从而影响到产品的质量。 0009 另一方面， 现有化学机械研磨机台无法侦测钻石研磨盘在垂直方向上移动的实际 位置， 只能根据机台的预先设置， 认为钻石研磨盘已经下降到工作位置， 所述工作位置为与 研磨垫接触， 可以进行清理操作的位置。如果钻石研磨盘因机械问题无法下降到工作位置 时， 机台无。

10、法得到告警信息， 仍然认为钻石研磨盘可以正常工作， 此时， 机台也会继续工作， 晶片会继续研磨， 而研磨下的杂质却没有及时得到清理， 从而影响到产品的质量。 说 明 书 CN 102189484 A CN 102189485 A2/5 页 4 发明内容 0010 有鉴于此， 本发明解决的技术问题是 ： 实时监测钻石研磨盘的转速和位置。 0011 为解决上述技术问题， 本发明的技术方案具体是这样实现的 ： 0012 本发明公开了一种研磨垫调节装置， 用于控制钻石研磨盘清理化学研磨机台研磨 垫上的杂质， 包括附着钻石研磨盘的托盘、 轴、 支臂和基座， 该装置还包括霍尔传感器、 永磁 体和微处理器 。

11、； 0013 永磁体， 内嵌安装于托盘上， 用于产生磁通量信号 ； 0014 霍尔传感器， 安装于支臂上， 与永磁体相对配置， 用于在托盘旋转时， 接收所述永 磁体产生的磁通量信号， 将所述磁通量信号转变为电信号 ； 0015 微处理器， 用于读取所述电信号， 对电信号进行分析处理， 获得钻石研磨盘的转速 和在垂直方向上的位置信息。 0016 所述微处理器对电信号进行分析处理的过程为 ： 根据单位时间内电信号的个数确 定钻石研磨盘的转速 ； 根据电信号的幅值确定钻石研磨盘的位置。 0017 所述永磁体的个数不小于 6 个， 呈圆状均匀内嵌安装于托盘上， 且靠近托盘的边 缘。 0018 所述电信。

12、号为电压脉冲信号或者电流脉冲信号。 0019 所述钻石研磨盘通过永磁体吸附于托盘上。 0020 每个永磁体安装于托盘上对应的安装孔内。 0021 所述永磁体位于安装孔的中心， 所述永磁体的四周， 安装孔的空隙中填充有绝缘 材料。 0022 所述安装孔的截面形状为倒梯形。 0023 由上述的技术方案可见， 本发明在托盘上内嵌安装永磁体， 并在支臂上与永磁体 相对的位置上固定安装一霍尔传感器。 永磁体产生磁场， 托盘旋转时， 其上的永磁体每经过 霍尔传感器一次， 霍尔传感器便输出一个脉冲信号， 微处理器对霍尔传感器输出的脉冲信 号进行处理， 根据单位时间内所产生的脉冲数目确定托盘(钻石研磨盘)的转。

13、速， 同时根据 所产生脉冲信号的幅值确定托盘 ( 钻石研磨盘 ) 与研磨垫之间的距离。 附图说明 0024 图 1 为现有化学机械研磨机台的剖面结构示意图。 0025 图 2 为现有研磨垫调节装置的剖面结构示意图。 0026 图 3 为本发明实施例研磨垫调节装置的剖面结构示意图。 0027 图 4 为本发明实施例托盘上安装有永磁体的俯视示意图。 0028 图 5 为本发明实施例霍尔传感器产生的电信号示意图。 0029 图 6a 和 6b 分别为托盘与霍尔传感器之间的距离较远和较近时， 霍尔传感器产生 的不同幅值的电信号的示意图。 0030 图 7 为本发明实施例在托盘上内嵌安装永磁体的剖面结构。

14、示意图。 具体实施方式 说 明 书 CN 102189484 A CN 102189485 A3/5 页 5 0031 为使本发明的目的、 技术方案、 及优点更加清楚明白， 以下参照附图并举实施例， 对本发明进一步详细说明。 0032 下面首先介绍一下霍尔传感器。霍尔传感器是一种能实现磁电转换的传感器， 是 利用霍尔效应的原理制成的。霍尔效应是指在一个矩形半导体薄片上有一电流通过， 此时 如有一磁场也作用于该半导体材料上， 则在垂直于电流方向的半导体两端， 会产生一个很 小的电压， 该电压就称为霍尔电压。 永磁体产生磁场， 当霍尔传感器交替经过永磁体和永磁 体旁的空隙时， 就会有一个变化的磁场。

15、作用于霍尔传感器(半导体材料)上， 使霍尔电压产 生脉冲信号。根据所产生的脉冲数目即可确定转速， 根据所产生脉冲信号的幅值即可确定 位置。 0033 本发明的核心思想是 ： 在托盘上内嵌安装永磁体， 并在支臂上与永磁体相对的位 置上固定安装一霍尔传感器。 永磁体产生磁场， 托盘旋转时， 其上的永磁体每经过霍尔传感 器一次， 霍尔传感器便输出一个脉冲信号， 微处理器对霍尔传感器输出的脉冲信号进行处 理， 根据单位时间内所产生的脉冲数目确定托盘的转速， 同时根据所产生脉冲信号的幅值 确定托盘与研磨垫之间的距离。 0034 本发明实施例研磨垫调节装置的剖面结构示意图如图 3 所示。该装置包括 ： 托。

16、盘 201、 轴 202、 支臂 203 和基座 204， 还包括霍尔传感器 301、 永磁体 302 以及微处理器 303。 0035 其中， 托盘 201， 用于附着钻石研磨盘 ； 0036 与托盘 201 连接， 在垂直机台方向上伸缩的轴 202， 用于控制钻石研磨盘与研磨垫 之间的距离 ； 0037 与轴 202 连接的支臂 203， 在水平方向， 且在一定角度内摆动， 用于控制钻石研磨 盘与研磨垫接触的范围 ； 0038 与支臂 203 连接的基座 204， 用于将研磨垫调节装置固定在研磨台上。 0039 本实施例中， 永磁体 302， 用于产生磁通量信号， 个数为 12 个， 呈圆。

17、状均匀内嵌安 装于托盘上， 且靠近托盘的边缘， 具体俯视示意图如图 4 所示。 0040 霍尔传感器301， 安装于支臂203， 与永磁体302相对的位置上， 用于将接收到的磁 通量信号转变成电信号 ； 0041 微处理器 303， 用于读取所述电信号， 并对所述电信号进行分析处理， 获得托盘的 转速以及托盘与研磨垫之间的距离。 0042 本发明具体实施例中， 永磁体的个数为 12 个， 托盘旋转一圈， 每个永磁体经过霍 尔传感器一次， 就会产生 12 个脉冲信号。理论上， 在托盘上安装一个永磁体， 也可以实现本 发明的发明目的， 托盘旋转一圈， 该永磁体经过霍尔传感器一次， 就会产生 1 个。

18、脉冲信号。 显然， 单位时间内产生的脉冲信号越多， 也就是说在托盘上安装的永磁体越多， 微处理器计 算托盘的转速越准确， 所以本发明实施例优选在托盘上安装 12 个永磁体， 经过研究证明， 在托盘上安装不小于 6 个永磁体， 即可达到较高的转速精度， 而且所有永磁体呈圆状均匀 内嵌安装于托盘上， 且靠近托盘的边缘。 0043 本发明实施例霍尔传感器 301 产生的电信号示意图如图 5 所示。原理上， 霍尔传 感器可以输出电流， 也可以输出电压， 所以所述电信号可以为电流信号或者电压信号， 并且 输出时已经将霍尔传感器产生的模拟信号转变成数字信号， 所以图 5 中霍尔传感器输出的 方波信号， 其。

19、横坐标为为时间， 纵坐标为电压或者电流。永磁体 302 包括 N 极和 S 极， 当 N 说 明 书 CN 102189484 A CN 102189485 A4/5 页 6 极与霍尔传感器 301 相对时， 产生电信号的幅值为正， 当 S 极与霍尔传感器 301 相对时， 产 生电信号的幅值为负， 本发明实施例中霍尔传感器 301 产生正的电信号， 所以此时永磁体 N 极于霍尔传感器 301 相对。当托盘与霍尔传感器之间的距离一定时， 产生电信号的幅值是 一定的。 在一定距离下， 托盘的转速不同， 单位时间内电信号的个数是不同的， 转速越快， 单 位时间内电信号的个数越多。 0044 图 6。

20、a 和图 6b 分别为托盘与霍尔传感器之间的距离较远和较近时， 霍尔传感器产 生的不同幅值的电信号的示意图。从图中可以看出， 横坐标为时间， 纵坐标为电压或者电 流， 当托盘与霍尔传感器距离相对较远时， 产生的电信号幅值相对较小， 当托盘与霍尔传感 器距离相对较近时， 产生的电信号幅值相对较大。 0045 微处理器可以为具有数据处理功能的芯片， 只需要与霍尔传感器电连接即可， 不 需要限定其具体位置， 可以安装于化学机械研磨机台的内部， 不占用机台空间。微处理器 对霍尔传感器输出的脉冲信号进行处理， 根据单位时间内所产生的脉冲数目确定托盘的转 速， 同时根据所产生脉冲信号的幅值确定托盘与研磨垫。

21、之间的距离。 例如， 在托盘上安装12 个永磁体时， 微处理器计算得到托盘的转速为 20 转每秒， 对应霍尔传感器每秒输出的脉冲 信号个数为 240 个。 0046 本发明实施例在托盘上内嵌安装永磁体的剖面结构示意图如图 7 所示。首先针对 每一永磁体 302， 在托盘 201 上设置一安装孔 701， 本发明实施例中安装孔的截面形状为倒 梯形。 也就是说， 本发明可以通过永磁体的磁力直接将钻石研磨盘吸附在托盘上， 而不需要 像现有技术那样， 用螺丝将钻石研磨盘固定在托盘上。 0047 其次， 将永磁体置于安装孔的中心， 并且在安装孔内， 永磁体的周围填充绝缘材 料， 永磁体侧面通过绝缘材料与。

22、托盘连接， 这是由于托盘一般为不锈钢基材， 如果永磁体与 不锈钢基托盘直接接触， 很容易弱化永磁体的磁场 ； 而且永磁体的材质易被氧化和腐蚀， 有了绝缘材料的包裹， 可以延长其使用寿命 ； 更重要的是， 永磁体将钻石研磨盘吸附到托 盘上， 永磁体下表面不直接与钻石研磨盘接触， 有利于永磁体释放磁场， 形成闭合的磁场回 路， 能够更好地吸附钻石研磨盘， 同时能够增大霍尔传感器的安装窗口， 也就是说， 同一永 磁体， 如果永磁体下表面不直接与钻石研磨盘接触， 相比于直接接触的情况， 产生的磁场更 强一些， 那么安装霍尔传感器就不需要完全正对于该永磁体， 也可以接收到同样的磁通量， 即对霍尔传感器安。

23、装位置的要求不需 要那么高了。考虑到所采用的绝缘材料的成本等各 方面因素， 塑料为优选的绝缘材料。永磁体的材质为多种， 可以为钼钴合金等。 0048 本发明实施例中安装孔的截面形状为倒梯形。当然， 安装孔的形状可以为圆柱状 或者其他形状， 经过研究表明， 具有倒梯形的安装孔截面形状， 由于其上宽下窄， 相比于其 他形状， 能够使得置于安装孔内的永磁体和绝缘材料不易脱落， 稳定地填充于安装孔内。 0049 综上所述， 在研磨垫调节装置上安装霍尔传感器和能够产生磁场的永磁体， 托盘 旋转之后， 通过微处理器处理从霍尔传感器读取的电信号， 获得托盘的转速， 以及托盘与研 磨垫之间的距离。 由于托盘吸。

24、附钻石研磨盘之后， 与钻石研磨盘保持相对静止， 所以托盘的 转速即为钻石研磨盘的转速， 而且钻石研磨盘的厚度一定， 可以直接通过微处理器的处理 得到钻石研磨盘与研磨垫之间的距离。因此， 即使带动钻石研磨盘旋转的传动系统出现问 题， 或者钻石研磨盘出现异常没有下降到工作位置， 本发明都可以实时侦测到钻石研磨盘 的转速和位置， 及时对问题进行处理， 避免了由于机台继续工作而严重影响产品质量。 说 明 书 CN 102189484 A CN 102189485 A5/5 页 7 0050 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并非用于限定本发明的保护范围。凡在 本发明的精神和原则之内， 所作的任何修改、 等同替换以及改进等， 均应包含在本发明的保 护范围之内。 说 明 书 CN 102189484 A CN 102189485 A1/2 页 8 图 1 图 2 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102189484 A CN 102189485 A2/2 页 9 图 5 图 6a 图 6b 图 7 说 明 书 附 图 CN 102189484 A 。