一种抛光方法和化学机械抛光设备与流程

1.本发明涉及半导体晶圆加工技术领域，尤其涉及一种抛光方法和化学机械抛光设备。


背景技术：

2.晶圆的背面减薄（grinding）指对封装前的硅晶片或化合物半导体等多种材料进行高精度磨削，使其厚度减少至合适的超薄形态。晶圆的背面减薄主要是去除衬底的材料，减薄设备中集成了磨削和化学机械抛光(chemical mechanical polishing，cmp)的两部分。晶圆磨削后再进行cmp以进一步提高平整度、减小总厚度偏差（total thickness variation，ttv），同时去除磨削造成的损伤层。
3.在cmp之前会设定一目标厚度，计算各区的目标去除量，然后根据各区的目标去除量的大小调节各区的压力值大小。为了实现抛光平整，目标厚度都是设定为各区厚度一致的直线或者说平面，然而，目标厚度值的设定缺乏理论指导，若设置过大则可能无法将磨削造成的损伤层完全去除，若设置过小将导致cmp时长过长、影响效率。因此，如何很好地平衡平整度和抛光效率是亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种抛光方法和化学机械抛光设备，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
5.本发明实施例的第一方面提供了一种抛光方法，包括：晶圆完成磨削后，测量晶圆cmp之前的厚度的前值形貌，根据损伤层厚度确定去除损伤层之后的厚度的上限形貌，其中，所述上限形貌为前值形貌减去损伤层厚度；如果预存的参考厚度落在前值形貌和上限形貌之间，则基于使平整度和抛光效率最优的约束条件重新计算厚度的目标形貌，其中，所述目标形貌限定在上限形貌和下限厚度之间，所述下限厚度为制程要求的晶圆最薄厚度；如果所述参考厚度落在上限形貌和下限厚度之间，则直接将参考厚度作为目标形貌；按照所述目标形貌调整抛光压力执行抛光。
6.在一个实施例中，按照以下方式判断所述参考厚度是否落在前值形貌和上限形貌之间：计算所述参考厚度与前值形貌的各处差值的最小值，得到最小差异；如果所述最小差异小于所述损伤层厚度，则判定所述参考厚度落在前值形貌和上限形貌之间；如果所述最小差异大于等于所述损伤层厚度，则判定所述参考厚度没有落在前值形貌和上限形貌之间。
7.在一个实施例中，使平整度和抛光效率最优的约束条件包括：由目标形貌计算得
到代表平整度的数值和代表抛光效率的数值，使代表平整度的数值和代表抛光效率的数值的加权和最小或者乘积最小或者指数加权和最小或者指数乘积最小或者与这两个数值相关的函数计算量最小。
8.在一个实施例中，所述基于使平整度和抛光效率最优的约束条件重新计算厚度的目标形貌，包括：按照晶圆表面各个分区，设置各分区分别对应的目标厚度，计算各分区的目标厚度与参考厚度的差值，得到各区差值，将各区差值组成差值数组，，其中，为自然数，为分区总数；使差值数组的标准差和均值最优化，获取所述差值数组。
9.在一个实施例中，所述约束条件包括：其中，和为预设权值，为差值数组的标准差， 为差值数组的均值，为所述损伤层厚度，为各区的前值形貌均值减去参考厚度。
10.在一个实施例中，所述约束条件还包括：；其中，为各区前值形貌的最小值减去下限厚度。
11.在一个实施例中，所述约束条件还包括：；其中，为预设的平整度相关量。
12.在一个实施例中，所述约束条件还包括：。
13.本发明实施例的第二方面提供了一种化学机械抛光设备，包括：抛光盘，其覆盖有用于对晶圆进行抛光的抛光垫；承载头，用于保持晶圆并将晶圆按压在所述抛光垫上；测量模块，用于获取晶圆的形貌数据；控制装置，用于实现如上所述的抛光方法。
14.本发明实施例的第三方面提供了一种控制装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的抛光方法的步骤。
15.本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的抛光方法的步骤。
16.本发明实施例的有益效果包括：通过求解多目标优化问题，可以兼顾平整度要求和抛光效率，既满足了平整度的要求，又提高了抛光效率，避免由于去除量大导致抛光时间太长。
附图说明
17.通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的优点将变得更清楚和更容易理解，但这些附图只是示意性的，并不限制本发明的保护范围，其中：图1为本发明一实施例提供的晶圆减薄系统的示意图；图2为本发明一实施例提供的化学机械抛光设备的示意图；图3为本发明一实施例提供的承载头的示意图；图4为本发明一实施例提供的抛光方法的步骤流程图；图5为参考厚度落在前值形貌和上限形貌之间的一种情形示意；图6为参考厚度落在上限形貌和下限厚度之间的另一种情形示意。
具体实施方式
18.下面结合具体实施例及其附图，对本发明所述技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本发明实施方式及本发明保护范围的限制。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本技术权利要求书及其说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。应当理解的是，除非特别予以说明，为了便于理解，以下对本发明具体实施方式的描述都是建立在相关设备、装置、部件等处于原始静止的未给与外界控制信号和驱动力的自然状态下描述的。
19.此外，还需要说明的是，本技术中使用的例如前、后、上、下、左、右、顶、底、正、背、水平、垂直等表示方位的术语仅仅是为了便于说明，用以帮助对相对位置或方向的理解，并非旨在限制任何装置或结构的取向。
20.为了说明本发明所述的技术方案，下面将参考附图并结合实施例来进行说明。
21.在本技术中，化学机械抛光（chemical mechanical polishing）也称为化学机械平坦化（chemical mechanical planarization），晶圆（wafer）也称为晶片、硅片、基片或基板（substrate）等，其含义和实际作用等同。
22.本公开实施例提供的晶圆减薄技术主要应用于晶圆的背面减薄，这里所说的背面是指晶圆未铺设有器件的一面，一般为衬底，衬底材料可以为硅、氧化硅、氮化硅、碳化硅、蓝宝石等。
23.图1示出了本发明一实施例提供的一种晶圆减薄系统，包括：设备前端模块1，用于实现晶圆的进出，设备前端模块1设置在晶圆减薄系统的前端。设备前端模块1是实现将晶圆从外部搬送到设备机台内部的过渡模块，用于实现晶圆进出，以实现晶圆的“干进干出”。
24.磨削模块3，用于对晶圆进行磨削，所述磨削包括粗磨削和精磨削，磨削模块3设置在晶圆减薄系统的末端，利用吸盘支撑和固定晶圆，砂轮磨削晶圆的背面实现减薄。
25.抛光模块2，用于在完成所述磨削之后对晶圆进行化学机械抛光，还具有在此三个模块（设备前端模块1、磨削模块3和抛光模块2）之间传输晶圆的功能，抛光模块2设置在设备前端模块1和磨削模块3之间。如图1所示，抛光模块2包括化学机械抛光设备4。
26.如图2所示，应用于本发明实施例的化学机械抛光设备4的主要构成部件有用于保持晶圆w并带动晶圆w旋转的承载头10、覆盖有抛光垫21的抛光盘20、用于修整抛光垫21的修整器30、用于提供抛光液的供液部40以及控制装置。
27.在化学机械抛光过程中，承载头10将晶圆w按压在抛光盘20表面覆盖的抛光垫21上，并且承载头10做旋转运动以及沿抛光盘20的径向往复移动使得与抛光垫21接触的晶圆w表面被逐渐抛除，同时抛光盘20旋转，供液部40向抛光垫21表面喷洒抛光液。在抛光液的化学作用下，通过承载头10与抛光盘20的相对运动使晶圆w与抛光垫21摩擦以进行抛光。在抛光期间，修整器30用于对抛光垫21表面形貌进行修整和活化。使用修整器30可以移除残留在抛光垫21表面的杂质颗粒，例如抛光液中的研磨颗粒以及从晶圆w表面脱落的废料等，还可以将由于研磨导致的抛光垫21表面形变进行平整化。
28.如图3所示为一种承载头10的结构示意图。承载头10包括上部结构11和下部结构12，上部结构11与承载头驱动轴（图中未示出）连接，上部结构11和下部结构12之间通过柔性连接件连接。下部结构12包括平衡架121、基座122、弹性膜123和保持环124。弹性膜123和保持环124均固定在基座122的下表面上，环形的保持环124位于弹性膜123外侧且环绕弹性膜123设置。弹性膜123用于吸附晶圆w并向晶圆w施加下压力，弹性膜123可以由弹性材料制成，例如可以由氯丁二烯或者硅橡胶制成。保持环124用于将晶圆w保持在弹性膜123下方以防止晶圆w滑出。如图3所示，弹性膜123内部设有多个同心的可调压腔室，以图3中设有7个可调压腔室为例进行说明，分别为由外侧向中心依次同心设置的第1腔室z1、第2腔室z2、第3腔室z3、第4腔室z4、第5腔室z5、第6腔室z6和第7腔室z7。中央的第7腔室z7为圆形，第6腔室z6至第1腔室z1为同心的环形。显然，图3中示出的可调压腔室的数量仅为一种举例，实际还可以为其他数量，例如2、3、4、5、6、8个等。
29.如图3所示，本实施例中采用的承载头10的底部设有7个可调压腔室，使得可以通过控制各个可调压腔室内的压力来调节施加于晶圆w表面各分区的压力。第1腔室z1至第7腔室z7的内部压力互相独立并可分别变化，相应地，承载头10的不同腔室将晶圆w表面划分为对应的多个分区，由此能对晶圆w表面所对应的多个同心环形区域的抛光压力独立进行调整。每个腔室可对其对应的晶圆w表面分区施加不同的压力，通过对供给到腔室的加压空气等流体的压力分别进行控制，可以实现对晶圆w表面不同分区施加不同压力。
30.基于上述结构，本发明实施例提供了一种抛光方法，用于实现平整度和抛光效率的最优化。
31.如图4所示，本发明实施例提供的抛光方法包括：步骤s1，晶圆完成磨削后，测量晶圆cmp之前的厚度的前值形貌，根据损伤层厚度确定去除损伤层之后的厚度的上限形貌。
32.其中，所述上限形貌为前值形貌减去损伤层厚度。如图5所示，以二维坐标轴作为参照系，前值形貌为晶圆磨削之后、cmp之前的厚度形貌，前值形貌一般为多段曲线。损伤层是由砂轮磨削的应力产生的在晶圆磨削后的表面出现微裂纹的一层，损伤层需要在cmp过程中去除，损伤层厚度为定值。上限形貌由前值形貌平行下移得到，下移量等于损伤层厚度。
33.下面根据预先存储的参考厚度与各形貌之间的大小关系，执行不同的运算，以得到目标形貌。参考厚度可以由上一批次晶圆抛光的最终厚度决定，也可以是经验值。
34.步骤s2，如图5所示，如果预存的参考厚度落在前值形貌和上限形貌之间，则基于使平整度和抛光效率最优的约束条件重新计算厚度的目标形貌。
35.其中，使平整度和抛光效率最优的约束条件包括：由目标形貌计算得到代表平整度的数值和代表抛光效率的数值，使代表平整度的数值和代表抛光效率的数值的加权和最小或者乘积最小或者指数加权和最小或者指数乘积最小或者与这两个数值相关的函数计算量最小。
36.可以理解的是，这是一个迭代的过程，当预存的参考厚度落在前值形貌和上限形貌之间时，第一次计算的目标形貌设为各个分区的上限形貌最小值或者参考厚度，具体看哪个值更小就是哪个值，如图5所示，然后计算代表平整度的数值和代表抛光效率的数值。第二次计算逐步调整目标形貌，然后计算代表平整度的数值和代表抛光效率的数值。以此类推，直到找出最优解。
37.其中，所述目标形貌限定在上限形貌和下限厚度之间，所述下限厚度为制程要求的晶圆最薄厚度。所述参考厚度的标准差为零，换句话说，参考厚度为直线或平面。
38.步骤s3，如图6所示，如果所述参考厚度落在上限形貌和下限厚度之间，则直接将参考厚度作为目标形貌。
39.步骤s4，按照所述目标形貌调整抛光压力执行抛光。
40.本发明实施例同时满足去除损伤层和平坦化的需求，能够兼顾平坦度和抛光效率，既满足了平整度的要求，又提高了抛光效率，避免由于去除量大导致抛光时间太长。
41.在一个实施例中，在步骤s1之后按照以下方式判断参考厚度是否落在前值形貌和上限形貌之间：步骤s11，计算参考厚度与前值形貌的各处差值的最小值，得到最小差异，最小差异即为图5和图6中所示的min tarra 。
42.步骤s12，如果最小差异min tarra小于损伤层厚度minra，则判定所述参考厚度落在前值形貌和上限形貌之间，如图5所示。
43.步骤s13，如果最小差异min tarra大于等于损伤层厚度minra，则判定所述参考厚度没有落在前值形貌和上限形貌之间，如图6所示。
44.下面参照图5，介绍步骤s2中获取目标形貌的具体过程。
45.在一个实施例中，步骤s2包括：步骤s21，按照晶圆表面各个分区，设置各分区分别对应的目标厚度，计算各分区的目标厚度与参考厚度的差值，得到各区差值，如图5所示，将各区差值组成差值数组，，其中，为自然数，为分区总数；本实施例中，，。
46.步骤s22，使差值数组的标准差和均值最优化，获取所述差值数组。换句话说，力求标准差和均值都尽量小，标准差越小表示平整度、平坦度越高，均值越小表示平均去除量越小，即抛光时间短、效率高。
47.本发明实施例分别调整各区的目标厚度，权衡差值数组的标准差最小和均值最
小，使平整度最高、效率最高，即求解约束条件下的最优化问题。
48.如图5所示，各区的目标厚度组成目标形貌，本方法所得的目标形貌为多段线。一般地，抛光设置的目标形貌都是直线，然而本方法所得的目标形貌是多段线，是为了既满足平整度的要求，又提高抛光效率，避免由于去除量大导致抛光时间太长。
49.在一个实施例中，约束条件包括：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）其中，和为预设权值，为差值数组的标准差， 为差值数组的均值，为所述损伤层厚度，为各区的前值形貌均值减去参考厚度。
50.公式（1）中，标准差越小表示平整度越高，均值越小表示平均去除量越小、抛光时长越短、效率越高，公式（1）中，目的是使差值数组的标准差和均值的加权和最小，为标准差和均值分别设置权值和，权值相对越大表示越重视该指标。根据不同制程对平整度和抛光时长的重视程度不同，分别设置权值和的权重。
51.公式（1）中，当某区的参考厚度位于上限形貌之上时，如图5中z6区，为正数，则。当某区的参考厚度位于上限形貌之下时，如图5中z5区，为负数，则。
52.在一个实施例中，约束条件还包括：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）其中，为各区前值形貌的最小值减去下限厚度。
53.公式（2）中，限定了目标形貌不能低于下限厚度。
54.在一个实施例中，约束条件还包括：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）其中，为预设的平整度相关量。
55.公式（3）中，为的上限，利用平整度对进行了限制，能够使得到的目标形貌满足平整度的要求。
56.在一个实施例中，约束条件还包括：。
57.在一个实施例中，约束条件包括：
采用诸如“拉格朗日乘子法”的方法求解上述最优化问题可以得到，然后可以得到目标厚度等于参考厚度减去。
58.本发明实施例还提供了一种控制装置，其包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现如图4所示的方法步骤。所述控制装置是指具有数据处理能力的终端，包括但不限于计算机、工作站、服务器，甚至是一些性能优异的智能手机、掌上电脑、平板电脑、个人数字助理（pda）、智能电视（smart tv) 等。控制装置上一般都安装有操作系统，包括但不限于：windows操作系统、linux操作系统、安卓（android）操作系统、symbian操作系统、windows mobile操作系统、以及ios操作系统等等。以上详细罗列了控制装置的具体实例，本领域技术人员可以意识到，控制装置并不限于上述罗列实例。
59.本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如图4所示的方法步骤。所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（rom，read-only memory）、随机存取存储器（ram，random access memory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
60.本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
61.本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。应当理解的是，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制，相同的参考标记用于表示附图中相同的部分。
62.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
63.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。