多壓力分區(qū)拋光頭的靜態(tài)加壓控制算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種多壓力分區(qū)拋光頭的靜態(tài)加壓 控制算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)技術(shù)是目前集成電路制造 中制備多層銅互連結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)之一。作為當(dāng)今最有效的全局平坦化方法，CMP技術(shù)利用 化學(xué)腐蝕和機(jī)械磨削的協(xié)同作用，可以有效兼顧晶圓局部和全局平坦度。
[0003]拋光壓力不僅是工藝過程中影響材料去除率和去除非均勻性的重要工藝參數(shù)之 一，而且是實(shí)現(xiàn)拋光前后裝卸片等動(dòng)作的關(guān)鍵因素。隨著晶圓尺寸的不斷增大，為了保證晶 圓表面材料去除的均勻性，分區(qū)壓力控制技術(shù)已引入CMP工藝中。但是分區(qū)壓力控制技術(shù)要 求拋光頭具備多個(gè)壓力分區(qū)，造成拋光頭各分區(qū)壓力之間產(chǎn)生相互影響，最終導(dǎo)致壓力控 制難度加大。如果沒有有效的控制算法，拋光各分區(qū)壓力的控制效果較差，不利用裝卸片過 程，嚴(yán)重時(shí)還有可能造成晶圓碎片，影響整個(gè)工藝的連續(xù)進(jìn)行。因此，實(shí)現(xiàn)可靠的壓力控制， 保證拋光壓力良好的響應(yīng)特性是實(shí)現(xiàn)連續(xù)正常工藝的重要條件。目前，有關(guān)壓力控制的高 級(jí)算法較多，但是較為復(fù)雜，不便于控制系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)。而且相關(guān)算法所面向的控制環(huán)境 比較單一，不同于CMP工藝環(huán)境。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。
[0005] 為此，本發(fā)明的目的在于提出一種多壓力分區(qū)拋光頭的靜態(tài)加壓控制算法，該控 制算法簡潔有效，在程序運(yùn)行時(shí)大大減少了計(jì)算量，而且參數(shù)調(diào)節(jié)方便，可較好地應(yīng)用于 CMP工藝前后的裝卸片等靜態(tài)加壓過程。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例提出了一種多壓力分區(qū)拋光頭的靜態(tài)加壓控 制算法，包括以下步驟:分別獲取所述拋光頭的各壓力分區(qū)的平均零點(diǎn)偏移量;根據(jù)所述拋 光頭的各壓力分區(qū)的平均零點(diǎn)偏移量，分別對(duì)CMP拋光頭系統(tǒng)的各路氣壓傳感器的測量值 進(jìn)行修正，并將修正后的測量值作為所述各路氣壓傳感器的最終輸出值;在算法內(nèi)部，對(duì)各 壓力分區(qū)的預(yù)設(shè)壓力值進(jìn)行修正以得到壓力修正值，并將所述壓力修正值作為實(shí)際參與運(yùn) 算的壓力設(shè)定值;實(shí)時(shí)計(jì)算所述各路氣壓傳感器的最終輸出值與對(duì)應(yīng)壓力分區(qū)的壓力設(shè)定 值之間的偏差量;根據(jù)所述偏差量計(jì)算所述CMP拋光頭系統(tǒng)的相應(yīng)電氣比例閥的控制量。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多壓力分區(qū)拋光頭的靜態(tài)加壓控制算法，簡潔有效，在程序 運(yùn)行時(shí)大大減少了計(jì)算量，而且參數(shù)調(diào)節(jié)方便，可較好地應(yīng)用于CMP工藝前后的裝卸片等靜 態(tài)加壓過程。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的多壓力分區(qū)拋光頭的靜態(tài)加壓控制算法具有如下附加 的技術(shù)特征：
[0009] 在一些示例中，針對(duì)拋光頭的裝卸片等靜態(tài)加壓過程，控制算法主體采用增量式 純比例控制，即將當(dāng)前計(jì)算得到的控制增量與上一時(shí)刻計(jì)算得到的控制量之和作為所述相 應(yīng)電氣比例閥的當(dāng)前控制量，其中，控制增量的計(jì)算方法具體為：
[0010] Δ u(n) =ΚΡ · Δ e(n),
[0011] 其中，A e(n)為氣壓傳感器的最終輸出值與對(duì)應(yīng)壓力分區(qū)的壓力設(shè)定值的當(dāng)前偏 差量與上一時(shí)刻偏差量的差值，心為比例項(xiàng)系數(shù)，Au(n)為第η時(shí)刻相應(yīng)電氣比例閥的控制 增量。
[0012] 在一些示例中，對(duì)各壓力分區(qū)的預(yù)設(shè)壓力值進(jìn)行修正以得到壓力修正值，具體包 括:將所述各壓力分區(qū)的預(yù)設(shè)壓力值除以對(duì)應(yīng)修正系數(shù)的商作為壓力修正值。
[0013] 在一些示例中，所述拋光頭的各壓力分區(qū)的壓力控制共享同一計(jì)算方法，但具有 獨(dú)立的比例系數(shù)Κρ。
[0014] 在一些示例中，所述各路氣壓傳感器與所述各壓力分區(qū)一一對(duì)應(yīng)，以分別檢測所 述各壓力分區(qū)所受的壓力。
[0015] 在一些示例中，所述多壓力分區(qū)包括第一至第五壓力分區(qū)及保持環(huán)。
[0016] 本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【附圖說明】
[0017] 本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得 明顯和容易理解，其中：
[0018] 圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的CMP拋光頭系統(tǒng)的控制原理圖；
[0019] 圖2是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的多區(qū)靜態(tài)壓力響應(yīng)開環(huán)測試結(jié)果示意圖；以及
[0020] 圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的多壓力分區(qū)拋光頭的靜態(tài)加壓控制算法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0022] 以下結(jié)合附圖描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多壓力分區(qū)拋光頭的靜態(tài)加壓控制算法。 [0023]首先結(jié)合圖1和圖2對(duì)本發(fā)明實(shí)施例涉及的CMP拋光頭系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0024] 如圖1所示，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所涉及到的CMP拋光頭系統(tǒng)包括6個(gè)壓力腔 室，即多壓力分區(qū)對(duì)應(yīng)為6個(gè)壓力分區(qū)，分別為第一壓力分區(qū)至第五壓力分區(qū)及保持環(huán)。CMP 拋光頭系統(tǒng)通過氣壓方式實(shí)現(xiàn)拋光頭對(duì)晶圓背面各個(gè)分區(qū)的壓力加載。該CMP拋光頭系統(tǒng) 的單條氣路的主要環(huán)節(jié)依次包括:氣源、減壓閥、電氣比例閥和氣壓傳感器等，其控制原理 如圖1所示。其中，電氣比例閥用于施加精確可調(diào)的正壓，各路氣壓傳感器與各壓力分區(qū)一 一對(duì)應(yīng)，分別用于實(shí)時(shí)監(jiān)測各個(gè)壓力腔室內(nèi)的壓力值。根據(jù)氣壓傳感器測量到的拋光頭各 壓力腔室內(nèi)的氣壓值，可間接反映晶圓表面對(duì)應(yīng)分區(qū)所受到的壓力值及晶圓與拋光墊界面 之間的壓力值。
[0025] 由于多壓力分區(qū)拋光頭的硬件結(jié)構(gòu)決定了相鄰腔室之間存在耦合，所以在實(shí)際 CMP過程中，當(dāng)拋光頭的第一至第五壓力分區(qū)同時(shí)加壓時(shí)，相鄰分區(qū)的壓力響應(yīng)必然會(huì)相互 影響。在開環(huán)條件下，拋光頭各分區(qū)壓力由初始值持續(xù)上升，但速度緩慢，均在較長時(shí)間內(nèi) 未達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)壓力穩(wěn)定后，各壓力分區(qū)均存在一定程度的靜態(tài)誤差。在多區(qū)壓力靜態(tài)測試 中，拋光頭的5個(gè)壓力分區(qū)同時(shí)加壓。如圖2所示，由于相鄰壓力腔室之間的耦合，各壓力分 區(qū)的壓力響應(yīng)特性還會(huì)受到直接或者間接的影響，使得被控對(duì)象進(jìn)一步復(fù)雜。
[0026] 在晶圓的裝卸片過程中，需要有效的控制算法以保證拋光頭各分區(qū)良好的壓力響 應(yīng)特性與穩(wěn)壓效果。如果晶圓和保持環(huán)所受壓力的真實(shí)值與設(shè)定值之間偏差較大，將導(dǎo)致 裝卸片動(dòng)作的失敗，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致晶圓碎片。相比CMP工藝過程，裝卸片動(dòng)作較為簡單，無拋 光頭和拋光盤的運(yùn)動(dòng)所帶來的影響。對(duì)于連續(xù)工藝過程，裝卸片動(dòng)作只需重復(fù)進(jìn)行。所以同 一機(jī)臺(tái)的裝卸片工藝參數(shù)在完成調(diào)試后基本固定不變?；诖?，本發(fā)明提出了一種簡潔有 效的控制算法，進(jìn)一步降低了程序運(yùn)行時(shí)的計(jì)算量。針對(duì)CMP裝卸片時(shí)的工藝環(huán)境，基于PID 基本原理，設(shè)計(jì)了多壓力分區(qū)拋光頭靜態(tài)加壓的控制算法。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本發(fā)明實(shí)施例的 控制算法可較好地應(yīng)用于CMP裝卸片時(shí)的壓力控制。CMP上層控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)讀取到的壓 力反饋值和工藝配方中的壓力設(shè)定值，實(shí)時(shí)調(diào)用本發(fā)明實(shí)施例的控制算法。當(dāng)壓力反饋值 偏離設(shè)定值時(shí)，CMP上層控制系統(tǒng)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的控制算法的計(jì)算結(jié)果及時(shí)改變對(duì)應(yīng) 電氣比例閥的控制量，以減小壓力反饋值與設(shè)定值之間的偏差，保證裝卸片過程中拋光頭 各個(gè)分區(qū)壓力的精確控制，及良好的穩(wěn)壓效果。
[0027] 基于此，結(jié)合圖3所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多壓力分區(qū)拋光頭的靜態(tài)加壓控制算 法，包括以下步驟：
[0028]步驟S1:分別獲取拋光頭的各壓力分區(qū)的平均零點(diǎn)偏移量。
[0029]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，拋光頭的各壓力分區(qū)的平均零點(diǎn)偏移量如表1所不：
[0031] 表 1
[0032] 步驟S2:根據(jù)拋光頭的各壓力分區(qū)的平均零點(diǎn)偏移量，分別對(duì)CMP拋光頭系統(tǒng)的各 路氣壓傳感器的測量值進(jìn)行修正，并將修正后的各路氣壓傳感器的測量值作為各路氣壓傳 感器的最終輸出值。
[0033] 具體而言，每次安裝拋光頭或者更換氣囊后，首先令拋光頭各壓力腔室通大氣。此 時(shí)，上層控制系統(tǒng)讀到的氣壓傳感器的輸出值（即氣壓傳感器的測量值)可能不為零，存在 少量的零點(diǎn)偏移。為了保證實(shí)際壓力值(測量值)與壓力設(shè)定值之間良好的一致性，首先需 修正CMP上層控制系統(tǒng)讀到的氣壓傳感器輸出的測量值。具體方法是根據(jù)拋光頭各壓力分 區(qū)的平均零點(diǎn)偏移量，分別將上層控制系統(tǒng)讀到的各路氣壓傳感器輸出的測量值調(diào)整相應(yīng) 的大小，即將氣壓傳感器輸出的測量值與平均零點(diǎn)偏移量的差值作為各路氣壓傳感器的最 終輸出值，并將各路氣壓傳感器的