CN1929952A - 半导体晶片抛光过程中的光学终点检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种抛光位于晶片上的材料层并同时测量所述层的厚度变换的方法。光线从位于抛光垫中的光学传感器指向所述晶片的表面。反射光线的强度由同样位于抛光垫中的光线检测器测量。在去除所述层时，反射的光线的强度随着层厚度的变化以正弦规律变化。通过在沿正弦曲线的两个或多个位置点测量层的绝对厚度，校准所述正弦曲线，从而曲线的波长的一部分对应于层的厚度的变化。

Description

半导体晶片抛光过程中的光学终点检测装置和方法

技术领域

本发明涉及半导体晶片加工的技术领域，并且更具体地讲，涉及用于化学机械抛光中的一次性抛光垫。该抛光垫包括用于在进行抛光操作时监控所抛光的表面的状态的光学传感器，因而允许确定加工的终点。

背景技术

在Birang等人的1999年4月13日授权的美国专利No.5893796以及2000年4月4日授权的继续专利No.6045439中，说明了安装在抛光垫中的窗的多种结构。待抛光的晶片位于抛光垫的顶部，并且抛光垫坐靠在刚性台板上，从而在晶片的下侧表面上进行抛光。在抛光加工的过程中，通过干涉仪监控该表面，其中所述干涉仪位于所述刚性的台板下方。干涉仪向上发出激光束，并且为了使该激光束到达晶片的下侧表面，该激光束必须穿过台板中的开口，并且然后继续向上穿过抛光垫。为了防止浆料在台板中的开口上聚积，窗设置在抛光垫中。不论窗所形成的方式，清楚的是，干涉仪传感器总是位于台板下方并且从不位于抛光垫中。

在Tang的1999年9月7日授权的美国专利No.5949927中，说明了用于在抛光加工的过程中监控所抛光的表面的多种方法。在一个实施例中，Tang提出了嵌在抛光垫中的光纤带。这种带仅仅是一种光导体。进行检测的光源以及探测器位于垫的外侧。而Tang并未建议将光源以及检测器包括在抛光垫内。在一些Tang的实施例中，光纤解耦器被用于将光纤中的光从转动部件传输至固定部件。在其它实施例中，光学信号在转动部件上被检测到，并且最终的电信号经由电滑环传输至固定部件。在Tang的专利文献中，没有建议借助于无线电波、声波、调制光束或者通过磁感应将电信号传输至固定部件。

在Schultz的、1992年1月21日授权的美国专利No.5081796中所述的另一个光学终点检测系统中，说明了一种方法，其中在局部抛光之后，晶片移动至晶片的一部分伸出台板的边缘的位置处。在该伸出部分上的磨损是由干涉测量法测量以确定是否应该继续抛光加工。

在以前试图将传感器安装在抛光垫的过程中，在抛光垫中形成开口，并且光学传感器借助于粘合剂在所述开口中被粘结就位。然而，随后的检测表明粘合剂的使用并不能确保防止抛光浆料(可包括活性化学物品)进入光学传感器，并且防止抛光浆料透过抛光垫到达支承台。

总之，尽管在现有技术领域中公知多种技术用于在抛光加工的过程中监控所抛光的表面，但是这些技术中没有一种是完全令人满意的。由Tang所述的光纤束是价格昂贵的并且是潜在易碎的；并且由Birang所利用的将干涉仪安置于台板下方的应用要求制造穿过台板的开口，其中所述台板支承着抛光垫。因此，本发明人着手设计一种监控系统，其将是价格便宜并且坚固的，利用了近来一些部件小型化的优势。

发明内容

以下所述的一次性抛光垫是由聚氨酯泡沫构成。所述抛光垫包含用于在线监控所抛光的晶片表面的光学特性的光学传感器。此外，来自光学传感器的实时数据使得可在不卸下晶片进行离线检测的条件下确定加工的终点。这极大提高了抛光加工的效率。

待抛光的晶片是包含不同材料层的复合结构。通常，最外层被抛光，直至到达该层与下一层的交界面。此时认为已到达抛光操作的终点。抛光垫以及附带的光学部件和电子器件可以检测到从氧化层到硅层的过渡，以及从金属层到硅层或其他材料层的过渡。

所述抛光垫涉及通过将光学传感器和其它元件嵌入传统的抛光垫中而改型所述传统的抛光垫。未改型的抛光垫广泛地商业有售，Newark，New Jersey的Rodel公司制造的IC 1000型抛光垫就是一种传统未改型的抛光垫。也可采用Thomas West公司制造的抛光垫。

光学传感器检测所抛光的表面的光学特性。大体上，表面的光学特性是指它的反射率。但是，表面的其它光学特性也可被检测，包括表面的偏光性、表面的吸光率以及表面的光致发光性(若存在)。用于检测这些不同的特性的方法在光学技术领域中是公知的，并且通常这些方法仅涉及向光学系统增加偏光器或光谱滤波器。因此，在下文说明中更多使用术语“光学特性”。

除光学部件外，一次性抛光垫也提供用于向抛光垫中的光学传感器供电的装置。

一次性抛光垫还提供用于供电的装置，其用于将代表光学特性的电信号从转动的抛光垫传输至邻近的不转动的接收器。垫可拆卸地连接至非一次性的毂部，该毂部包含电源和信号处理电路。

包含光源和检测器的光学传感器被布置在抛光垫内的盲孔中，从而面向所抛光的表面。光源产生的光线被所抛光的表面反射，检测器检测所反射的光线。检测器产生与反射回检测器的光线的强度有关的电信号。

检测器所产生的电信号，通过隐藏在抛光垫的各层中的细导体，从所述检测器所在的位置从径向向内地传导至抛光垫的中心开口处。

一次性抛光垫以机械和电子的方式可拆卸地连接至随着抛光垫而转动的毂部。所述毂部包含电子电路，其涉及向光学传感器供电，并且将检测器产生的电信号传输至系统的不转动的部分。由于这些电路的代价，所述毂部并不被认为是一次性的。在抛光垫磨损不能使用之后，其连同光学传感器和细导体一起被丢弃。

用于操作毂部内的电路和用于向光学传感器的光源供电的电能可通过多种方法提供。在一个实施例中，感应器的副绕组包括在转动的毂部中，而主绕组位于抛光机的相邻的不转动的部分上。在另一实施例中，太阳能电池或光电阵列安装在转动的毂部上，并被安装在机器的不转动部分上的光源照射。在另一实施例中，电能来自位于毂部内的电池。而在另一实施例中，转动的抛光垫中的或转动的毂部中的导电体穿过安装在抛光机的邻近的不转动部分上的永磁体的磁场，以构成磁电机。

代表所抛光的表面的光学特性的电信号，通过任意多种方法，从转动的毂部传输至抛光机的相邻的固定部分。在一个实施例中，待传输的电信号被用来以频率调制由位于相邻的不转动的结构上的检测器所接收的光束。在其它实施例中，信号通过无线电线路或声波线路被传输。而在另一实施例中，信号被施加至位于转动的毂部上的感应器的主绕组，并被位于抛光机的邻近的不转动部分上的感应器的副绕组接收。该感应器可与用于将电能耦合进毂部中的感应器相同，也可以是不同的感应器。

在传感器的顶部与晶片的下侧之间必须存在可通的光路。但是，空出区域是不可接受的，因为其会迅速由抛光浆料充满，从而导致其不适于作为一种光学介质。另外，空出区域会在均质且均匀弹性的抛光垫中产生较大的机械不连续性。此外，光学传感器的各部件必须不与所抛光的晶片直接机械接触，以避免擦伤晶片的表面。

为了克服该问题，采用下文详细描述的技术，光学传感器被嵌入抛光垫中。这些技术已经成功克服了上述缺点。

另外，所检测的光的强度传输了关于在抛光过程中从层去除的材料的量的信息。随着表面层被去除，所检测的光的强度随时间以正弦规律变化。正弦曲线上任意两个连续的波峰之间的距离表示所去除的材料的特定的量。因而，可以通过校准正弦曲线，并且然后通过统计抛光过程中所测量或观察到的波峰的个数，而在线测量在抛光过程中所去除的材料的总量。同样地，通过以下方式可测量所去除的材料的量，即通过校准正弦曲线、测量正弦曲线上起始点与终点之间的距离、然后在该距离与所去除的材料的量之间建立联系。

附图说明

图1示出了化学机械抛光机利用嵌有光学传感器的抛光垫而抛光晶片的俯视图；

图2是透视分解图，其示出了安置在抛光垫中的毂部的各元件以及光学组件的大体结构；

图3是光学传感器的前侧俯向透视图；

图4是侧视图，示出了不带有棱镜的光学传感器；

图5示出了采用电感耦合器的电子组件毂部；

图6示出了毂部的剖视图，其中所述毂部利用发光装置以将信号传输至不转动的毂部；

图7示出了毂部的剖视图，其中所述毂部利用无线电发射装置以将信号传输至不转动的毂部；

图8示出了毂部的剖视图，其中所述毂部利用声波以将信号传输至不转动的毂部；

图9示出了安置在抛光垫中的扣环；

图10是扣环的俯视图，其中接触垫以及导电带安置在扣环的底部；

图11示出了嵌在抛光垫中的光学传感器的中间剖视图；

图12示出了用于嵌入如图13所示的光学传感器的注射模制加工的中间剖视图；

图13示出了嵌在单注射模制垫中的光学传感器和毂组件的中间剖视图；

图14示出了用于嵌入光学传感器和毂组件这两者的注射模制加工的中间剖视图；

图15示出了安装在CMP系统中的抛光垫；

图16说明了在光线入射到设置在晶片的前侧上的薄层材料上时所选择波长的光线的特性；

图17是曲线图，其示出了在第一层材料从晶片去除时，检测的光线关于时间的强度。

具体实施方式

图1是化学机械系统1的俯视图，所述化学机械系统具有在抛光垫3中切出的光学端口2。晶片4(或者其它需要平坦化或抛光的工件)通过抛光头5被保持，并且从平移臂6悬置在抛光垫3上方。其它系统可使用保持多个晶片的多个抛光头，以及位于抛光头的相反两侧(左侧和右侧)的彼此分离的平移臂。

在抛光加工过程中所使用的浆料经由浆料注射管7注射到抛光垫的表面上。悬挂臂8连接至不转动的毂部9，其悬置在电子组件毂部10上。电子组件毂部10借助于转锁、棘爪、扣环、螺钉、螺纹链段或者任何可释放的匹配机构而可拆卸地连接在抛光垫3上。毂部10连接至位于毂部所连接之处的垫中的导电组件。导电组件可以是连接在薄导电带11上的单个触头或多个触头，其中所述导电带也称为柔性线路或带形电缆。带11将位于光学端口2中并嵌在垫3中的光学检测机构电连接至电子组件毂部10中的电子器件。带11还可包括单独的线材或细缆线。

所述窗(端口)随着抛光垫转动，而所述抛光垫本身在加工驱动台上或在台板8上沿箭头12的方向转动。抛光头绕它们各自的心轴13沿箭头14的方向转动。抛光头本身通过平移轴15如箭头16所示在抛光垫的表面上来回平移。因而，光学窗2在抛光头下方穿过，而抛光头同时进行转动和平移，在抛光垫/台板组件的每次转动中扫过横跨晶片表面的复杂路径。

在垫转动时，光学端口2和导电组件(见图10)一直保持在相同的径线17上。然而，在垫3绕毂部9转动时，径线沿圆形路径平移。注意，导电带11沿径线17安放并随其移动。

如图2所示，抛光垫3为圆形并且包括中心圆形开口23。在抛光垫中形成盲孔24，并且孔向上开口从而面向所抛光的表面。光学传感器25安放在盲孔24中，并且导电带11嵌在抛光垫3中，其中所述导电带从光学传感器25延伸至中心开口23。

在抛光垫3被使用时，电子组件毂部从上方被插入中心开口23中，并且通过将基座26螺合在毂部10的螺纹部分上而被固定在那里，其中所述基座26位于抛光垫3下方。如图5所示，抛光垫3因而夹在毂部的对应部分与基座26的对应部分之间。在研磨加工的过程中，抛光垫3、毂部10以及基座26一起绕中心竖直轴线28转动。

抛光机的不转动的毂部9邻近毂部10位于其上。在操作的过程中，不转动的毂部9固定在悬挂臂8上。

图3更详细地示出了光学传感器25。光学传感器25包括光源35、检测器36、反射表面37(其可以是棱镜、镜子、或者其它光学反射部件)、以及导电带11。导电带11包括层叠在一起的大体平行的多个导体，从而对光源35供电并且将检测器36的电输出信号引导至中心开口23。优选地，光源35和检测器36是匹配的一对。大体上，光源35是发光二极管，而检测器36是光电二极管。由光源35发出的光束的中心轴线最初水平指向，但是在到达反射表面37之后，光线被再次向上指向从而触击所抛光的表面并从其反射。反射的光线被反射表面37重新指向，从而反射的光线照射在检测器36上，所述检测器产生与照射在其上的光线的强度相关的电信号。选择如图3所示的结构以最小化传感器的高度。反射表面37可以被省略，而作为替代，可使用如图4的侧视图所示的结构。

光学部件以及导电带11的端部可被封装为薄盘38的形式，其尺寸设置成紧密配合在图2的盲孔24中。注意，在图3和图4的结构中，可使用隔板以减少非反射光线到达检测器36的量。在导电带11中包括三种导体：电源导体39、信号导体40、以及一个或多个回流导体或接地导体41。

图5说明了采用电感耦合器的电子组件毂部。电源导体39邻近抛光垫3的中心开口23端接于电源插头48，而信号导体40同样端接于信号插头49。在毂部10被插入中心开口23中时，电源插头48与电源插座50电接触，而信号插头49与信号插座51电接触。O形密封环52防止抛光加工中所使用的液体接触插头和插座。密封环53设置在基座26中以进一步确保毂部中的电子电路保持不受污染。

由检测器产生并与光学特性有关的电信号通过导体54从信号插座51输送至信号处理电路55，该信号处理电路55依据电信号在导体56上产生代表光学特性的处理过的信号。导体56上处理过的信号然后被施加至发射器57。

信号从转动毂部10传递至不转动的毂部9的过程被称为电感耦合或RF耦合。整个组件可被称为电感耦合器或RF耦合器。

发射器57将时变电流施加至变压器(transformer)的主绕组58，其中所述主绕组58产生表示所述处理过的信号的变化的磁场59。磁场59向上延伸透过毂部10的顶部并且被变压器的副绕组60截获，其中所述副绕组60位于抛光机的邻近的不转动的部分9上或者位于某些其它不转动的物体上。变化的磁场59在副绕组60中感应出电流，该电流施加至接收器61，其中所述接收器61在端子62处产生代表光学特性的信号。该信号然后可由外部电路利用以便实现诸如监控抛光操作的过程或者确定抛光加工的终点是否已经到达的目的。

相似的技术可被用来将电能从抛光机的相邻的不转动的部分9传输至转动毂部10。不转动的部分9上的主电源63将电流施加至变压器的主绕组64，其中所述主绕组64产生向下延伸透过毂部10的顶部的磁场65，并且该磁场由副绕组66截获，其中变化的磁场感应出电流，该电流被施加至电能接收器电路67。电能接收器67在导体68上施加电能并传输至电源插座50，从所述电源插座处，电能被传导经过电源插头48以及电源导体39到达光源。电能接收器67还经由导体69对信号处理电路55供电，并且经由导体70对发射器57供电。因而，用于操作LED的电能还可通过感应耦合的方式提供。

绕组58是与绕组66相同的绕组，并且绕组60是与绕组64相同的绕组。可选地，各绕组可以是不同的。重叠的电源部件和信号部件是处于不同的频率范围并且由滤波的方式隔离。

图6至图8示出了其它的技术，用于将信号从转动的毂部10传输至抛光机的不转动的毂部9，并且将电能从不转动的毂部9传输进入转动的毂部10。

图6示出了发射器57，其进一步包括调制器75，其中所述调制器将频率调制后的电流施加至发光二极管或激光二极管76，其中所述频率调制后的电流体现了表示光学特性的处理后的信号。发光二极管76发出光波77，其中所述光波77由透镜78聚焦在光电二极管检测器79上。检测器79将光波77转换成电信号，该电信号在接收器80中被解调以在端子62处产生代表光学特性的电信号。

主电源是电池81，其对配电电路82供电，所述配电电路反过来向电源插座50、信号处理电路55、以及发射器电路57配电。在图7中，发射器57是无线电发射器，其包括天线87，其中所述天线发射无线电波88穿过毂部9的顶部。无线电波88由天线89截获并且由接收器90解调以在端子62处产生代表光学特性的电信号。

通过磁电机(magneto)产生电能，其中所述磁电机包括永磁体91，其位于不转动的部分9中；以及感应器(感应线圈)92，其中在感应器92旋转经过永磁体91时，永磁体91的磁场感应出电流。感应出的电流由电源电路93整流和滤波，并且然后由配电电路94分配。

在图8中，发射器57还包括功率放大器100，其驱动扬声器101，所述扬声器产生声波102。声波102由位于抛光机的不转动的部分9中的传声器103拾取。传声器103产生施加至接收器104的电信号，其中所述接收器104反过来在端子62处产生代表光学特性的电信号。

通过太阳能电池或太阳能电池板105响应于光线106而在转动毂部10中产生电能，其中所述光线106通过位于不转动的部分9中的光源107施加至太阳能电池板105上。太阳能电池板105的电输出通过转换器108被转换成适合的电压，并且如果需要的话，被施加至配电电路94。

图9至图16示出了毂部插入组件和光-电插入组件25。这些图还说明了将扣环(可拆卸地连接电子组件毂部)和光-电组件密封在抛光垫中的方法。在这些图中所示的抛光垫3是工业上可购的传统的抛光垫，例如由Rodel公司生产的IC 1000型号的抛光垫。该型号的抛光垫包括两层0.045英寸厚的聚氨酯泡沫，它们以面对面的方式由0.007英寸厚的粘合剂层粘结。然而，它们每个已经被调整以允许导电带11、扣环114和光学组件25安置在垫中。

图9示出了模制的插入件的剖视图，所述插入件包括扣环114，其用于将电子组件毂部10固定在抛光垫3的中心开口中。扣环114安置在抛光垫3的中心开口23中。向内延伸的凸缘115或套环在扣环114中切出，从而电子组件毂部10将稳固锁扣就位。导销孔116接收电子组件毂部的导销117以有助于确保电子组件毂部10的准确对正。扣环借助于粘合剂或者借助于随后干燥和固化的液体聚氨酯而密封在抛光垫3中。电子组件毂部10包括围绕其底部区段119设置的凸缘或脊118。该凸缘118的尺寸设置成提供与模制的插入件的扣环114的可释放的配合。

导电带11在光学组件25与电子组件毂部10之间传输电信号和电力。带11的终端设置在毂部接收开口120的底部中的接触垫126上。接触垫设有用于与设置在毂部10上的匹配触头122建立电接触的触头。触头122优选是弹簧加载式或弹簧推压式触头(例如弹簧销)。触头可设置成冗余组。如图所示，在该视图中可见在组中设置三个触头。

扣环组件114优选与抛光垫3共平面，从而多个垫可容易地以彼此上下的方式堆叠在一起。

图10示出了扣环114的俯视图。扣环114的圆形唇部、导销孔116、以及导电带11与图9中所示的相同。在该图中还示出设置在接触垫126上的三种电触头。更具体地讲，这三种触头是用于电源传导(触头123)、信号传导(触头124)以及公共地(触头125)，所有这些触头是位于接触垫126上。接触垫126设置在扣环组件的内侧表面的底部上。

电子组件毂部将在扣环114的唇部115中锁扣就位。毂部的各触头与接触垫126的对应触头的准确的对正是由导销117来确保。因而，当毂部在扣环中固定后，毂部的触头与接触垫126的触头123、124、125建立电接触。

图11和图12示出了光学传感器25的剖视图以及将光学传感器25固定在抛光垫3中的光学端口2中的方法。在抛光垫中产生开口或孔143。开口143必须大到足以容纳光学传感器25。光学传感器25被安置在光学组件盘(puck)中，从而其可容易地设置在开口中。盘的尺寸和大小被设置成盘面向晶片的表面大致与抛光垫的表面平齐(盘的表面与垫的表面相差0.015英寸或更小)。开口邻近抛光垫3的上侧表面144和下侧表面145的各部分从开口径向向外延伸一短距离。这与垫的边界形成卷筒形的空出区域。

在上侧层147的下侧形成通道以容纳用于从电子组件毂部10向光学传感器25传输电力和信号的导电带11。导电带11可挤入大体由粘合剂层148所占据的空间，其中所述粘合剂层148将抛光垫的上侧层147固定在抛光垫的下侧层149上。可选地，导线带11可位于粘合剂层148之上或之下。

在开口143已经在抛光垫3中形成后，光学传感器25和其导电带11被嵌入它们各自的位置中，在那里它们通过由聚氨酯组成的垫片或通过上侧层147和下侧层149的对应部分被支承和保持就位。

此后，组件被放在夹具中，所述夹具包括平坦的、非粘性的表面155和156。非粘性表面155和156与上侧垫表面144和下侧垫表面145接触，并且压在一起。

接着，液体聚氨酯通过注射器157注射穿过下侧模板(moldplate)159中的通道158并且进入紧邻包围光学传感器25的空出区域，直至所注射的聚氨酯开始经由上侧模板161的排出通道160流出。在注射的过程中，稍微沿顺时针方向倾斜组件是有帮助的，从而液体被注射到空出区域的最低位置点，并且排出通道160处于最高位置点。以这种方式倾斜组件防止空气在空出区域中被捕获。

所注射的聚氨酯162位于光学传感器25的正上方，用作为窗，所述光学传感器25可透过所述窗看见晶片的下侧，其中所述晶片安放在上侧层147的顶部。液体聚氨酯是这样一种类型的聚氨酯，其在固化之后是光学透明的。因为这种类型的聚氨酯在化学特性上与抛光垫3的聚氨酯类似，所以其与抛光垫3的材料形成耐用的、防液体的连接。

扣环组件可嵌入到垫中，如图9所示，或者利用注射模制工艺与垫一体形成。如图13和14所示，包括上侧垫层147、下侧垫层149以及粘合剂层148的垫3已经被冲压和切割以为光学传感器、带形电缆以及电极垫提供空出区域168。带形电缆11、接触垫和光学传感器25安放在垫中的相应空出区域中，并且扣环毂部模制件可嵌入毂部开口中。电极垫可利用弱压敏粘合剂(粘性胶)胶合在扣环模制件169上。

如图13所示，上侧模基座172和下侧模基座173分别被压靠在抛光垫的上侧层147和下侧层149上。然后，聚氨酯或其它可注射的塑料被注射穿过注射端口174，并且聚氨酯填充空出区域。在板之间的空出区域被充满后，液体聚氨酯162将经由排出口175流出，并且表明注射过程完成。如图14所示，所注射的聚氨酯176形成扣环组件，并且填充带形电缆通道以及光学传感器组件开口。所注射的聚氨酯密封并且连接扣环114与光学插入件25之间的整个长度的空出区域，并且所述聚氨酯将带形电缆和传感器组件在垫中锁定就位。

该过程可通过以下方式完成，即通过设置毂部开口的尺寸稍微大于扣环插入件而如图9和图10使用扣环插入件，并且使用所注射的聚氨酯以将扣环插入件固定在垫上。

图15示出了安装在CMP系统中的整个抛光垫3的详细视图，其中利用了图13和14所示的垫结构。垫包括上侧垫层147、下侧垫层149、粘合剂层148、注射的聚氨酯176、导电带11、光学传感器25，如之前的图中所示那样。垫安放在台板18上。电子组件毂部10被嵌入到扣环中，从而弹簧销电触头137与电极垫的电极接触。不转动的接收毂部9从悬挂臂8悬置在转动的电子组件毂部10上方。转动的电子组件毂部中的电子器件可以是如图5至8中所示的电子器件，这些电子器件在这些图中位于由附图标记10表示的线框中，而不转动的接收毂部9将容纳位于由附图标记9表示的线框中的对应的电子器件。在长期使用之后，垫将被消耗并且可以被取出并抛弃。新的垫可安放在台板上，并且转动的毂部可嵌入在新的垫的扣环中。

图16示出了当光线入射在位于晶片前侧上的薄层材料上时所选择的波长的光线190的特性。晶片4被显著放大以说明在晶片的前侧191上建立的两个最外层。第一最外层192覆盖第二层193。每层可具有大约30微米或者更小的厚度，该厚度通常在大约10微米与大约1000埃(大约1微米的1/10)之间，并且多个附加的层可设置在第一和第二层之下。在抛光加工的过程中，第一层被抛光以部分地或完全地除去该层。为了确定已经去除了第一层的量，所选择波长的光线190从光源35射出并以相对于光学传感器盘(光学组件盘)的轴线的固定角度射向晶片的前侧。反射的光线被检测器36检测到。光源和光线检测器这两者安置在光学传感器盘中，而光学传感器盘可整个安置在抛光垫中。从晶片反射的光线的强度传输关于抛光过程中所去除材料的量的信息。(光线的波长被选择成光线的一部分将穿透薄层材料。对于多种层的材料而言，例如硅、二氧化硅、铜和其它材料，所选择的波长是在大约300纳米(蓝光)或更小至大约1500纳米(红外光)或更大的范围内。在盘的轴线与光源轴线之间测量，入射角和反射角固定在大约0度与70度之间，优选大约5度。)

在光线190指向晶片的前侧时，光线的一部分194从晶片的表面反射，而光线的一部分195透过该表面并透过第一层材料192。光线的一部分195从第二层193的表面反射并且透过第一层192射出。光线部分194和光线部分195在到达检测器之前结合在一起。因为光线部分195的行程距离比光线部分194的更大，所以从第一层192的表面反射的光线(光线部分194)以及从第二层193的表面反射的光线(光线部分195)可以具有不同的相位。依据光线部分194与195之间的相对相位，这两个光线部分相长地或相消地彼此相互干涉，因而分别使得所检测的光线强度更大或更小。

随着第一层192被去除，光线部分195相对于光线部分194的行程距离发生改变，因而改变它们之间的相位关系。结果，在第一层被去除时，所检测的光线的强度发生改变。因为在该层被去除时这两个光线之间的相移反复在0度与90度之间变化，所以所检测的光线的强度大致按正弦规律变化。

图17是曲线图，其示出了在第一层材料从晶片被去除时，所检测的光线随时间变化的强度。(所反射的光线的强度同层的厚度相关，并且随着层的厚度以正弦规律变化。层的厚度随着抛光的时间而变化。)在光线部分194和光线部分195相长地彼此相互干涉时，所检测的光线的密度处于波峰200。在光线部分194和光线部分195完全相消地彼此相互干涉时，所检测的光线的强度处于波谷201。

为了在抛光的过程中检测所去除的材料的量，曲线必须被校准。为了校准该正弦曲线，外侧层的绝对厚度首先通过光谱反射法、椭圆率测量法、或者用于测量绝对厚度的其它方法而被测量。(这些方法可以利用各种不同的供货商提供的设备来完成。这种设备是相对体积庞大、费用高昂或精密的，并且浆料和抛光加工的其它因素影响折射率和层厚度的精确测量。因而，这些用于测量层厚度的其它方法并不适于在抛光的过程中用在抛光垫中或者在批量生产中使用)接着，所反射的光线信号的强度由光学传感器25测量。然后，检测晶片的外侧层被抛光，直至正弦曲线的一个或多个波长被测量或观察到。因而，如果所反射的光线的最初强度处于波峰或波谷，则那么抛光晶片直至测量到第二或随后的波峰或波谷。如果所反射的光线信号的最初强度位于正弦曲线的某些其它位置点，则然后抛光晶片直至两次或多次测量到相同强度的位置点。然后停止抛光加工，并且再次测量外侧层的绝对厚度。

层厚度的两次测量之差是层厚度的最初改变。但是仅仅如果在相同类型的晶片上(或外侧晶片层上)采用相同的抛光加工并且如果采用相同波长的入射光，则层厚度的最初改变同样由沿正弦曲线的一个波长表示。可以统计沿曲线的多个波长，在这种情况中，层厚度的总的改变等于所测量到的波长的数量乘以层厚度的最初改变值。

为了方便，通过在抛光加工过程中统计所测量的波峰或波谷的数量，可以容易地统计出沿正弦曲线的波长。因为波峰或波谷可被认为是正弦曲线上的节点，所以测量层厚度的这种过程可被称为统计节点的过程。(术语统计节点指的是沿正弦反射曲线统计波长的过程，并且不限于仅仅统计波峰和波谷。)

例如，晶片的外侧层的厚度利用椭圆率测量法测量为10000埃(1微米)。利用特定的加工来抛光该层直至测量到正弦曲线上的一个波长。在抛光之后，该层的厚度利用椭圆率测量法测量为8000埃。因而，正弦曲线上的峰值之间的距离(一个波长)对应于层厚度的改变，等于2000埃。如果层的最终期望的厚度是4000埃，则抛光该层直至统计到总共3个波长(代表6000埃的去除材料)，在该位置点，抛光加工达到其终点。

这种方法也可被用来连续测量层厚度的较小改变。沿正弦曲线的波长的一小部分等于所抛光层的厚度改变的对应的一小部分。接上例，波长的1/2(由箭头“X”所示的峰峰距离)代表等于1000埃的层厚度的改变。因而，如果晶片被再次抛光并且沿正弦曲线的另一半波长被测量到，则然后，最终的层厚度将是3000埃。因为波长的各小部分可以被统计，所以可以实现节点统计以现场测量层厚度的非常小的改变。

在曲线的波长随着加工的时间变化并且在不同的波长代表所去除的材料的不同的量的情况下，有必要在沿曲线的多个位置点或针对多个波长校准正弦曲线。因而，如图17所示，在沿箭头“X”所示的距离不等于沿箭头“Y”所示的距离时，那么必须校准更多的正弦曲线。另外，可以在沿正弦曲线上的任意多个位置点测量层的绝对厚度以增加校准曲线的准确性。如果正弦曲线遭受到噪音干扰，如图17所示的正弦曲线中的变动，则这么做是有必要的。

设置处理器和软件以根据上述方法在反射的光线的强度的变化与层厚度的变化之间建立联系。可设置显示器以显示抛光加工的进度。可以设置诸如计算机硬件和软件的控制系统以调整抛光加工，或者响应于层厚度的改变而减慢、停止或改变抛光的速度。因而，控制系统可使得在邻近终点时减慢抛光并且在到达终点时停止抛光。(控制系统可以依据随时间而变化的层厚度控制抛光加工的任何方面。)

应该注意的是，各种不同的组合可用于各种不同的发明中。例如，所述与电感耦合器和其它非接触耦合器相连的可拆卸的毂部的实施例还可与滑环和其它接触耦合器一起使用。尽管已经说明使用聚氨酯用于注射和用于注射的密封层，但是可使用其它材料，只要它们在多个插入件与垫之间提供显著的粘合与密封。另外，尽管已经结合光学传感器说明了垫结构，但是电传感器、热传感器、电阻传感器和其它传感器可以作为替代使用，并且模制和可拆卸的毂部的优点仍将获得。

另外，可以产生正弦反射曲线的库以在生产过程中节约时间。每条曲线将对于特定晶片上的特定加工是相同的。因而，在用公知的加工方法抛光公知的类型的晶片时，其中已经针对公知的加工方法建立了校准曲线，可以跳过校准步骤。另外，可以通过针对在整个抛光加工中所统计的每个波长测量每个所去除的层的绝对厚度而进一步重新限定每个反射曲线。因而，针对抛光加工的整个过程校准曲线将是精确的(不考虑反射率、层的材料或者加工参数的变化)。因而，尽管已经参照装置和方法所应用的环境说明了装置和方法的优选实施例，但是它们仅仅是示意性示出了本发明的原理。在不脱离本发明的精神和权利要求书的范围的前提下，可以作出其它实施例和结构。

Claims (16)

1.一种抛光位于晶片上的材料层并且同时检测所述层的厚度变化的系统，所述系统包括：

适于抛光所述层的抛光垫；

安置在所述抛光垫中的传感器组件，其中所述传感器组件包含：

光源，其适于发出已知波长的光线；

光线检测器，其适于检测入射在所述光线检测器上的光线的强度；以及

光学组件盘，所述光源和所述光线检测器包含在所述光学组件盘中，而所述光学组件盘可透过预定波长的光线；

用于向所述光源和所述光线检测器输电的装置，所述用于输电的装置操作性连接至所述传感器组件；以及

操作性连接至所述光线检测器的处理器，在抛光的过程中，入射在所述光线检测器上的光线的强度根据抛光的时间以正弦规律变化，所述处理器被编程以测量代表所检测的信号随时间而变化的强度的正弦曲线，而所述处理器进一步被编程以测量所述正弦曲线的波长。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括控制系统，其操作性连接至所述处理器和用于抛光所述晶片的装置，所述控制系统适于在所述处理器测量所述正弦信号的预定波长时控制抛光的速度。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光学组件盘包括从所述垫面向外的外侧表面，并且所述抛光垫包括适于面向所述晶片的外侧表面，并且所述光学组件盘的外侧表面与所述抛光垫的外侧表面大致平齐。

4.一种抛光位于晶片上的材料层并且同时检测所述层的厚度变化的系统，所述系统包括：

适于抛光所述层的抛光垫；

安置在所述抛光垫中的传感器组件，所述传感器组件包含：

光源，其适于发出已知波长的光线；

光线检测器，其适于检测入射在所述光线检测器上的光线的强度，以及用于将入射在所述检测器上的光线的强度转换成与所述光线的强度对应的电信号的装置；以及

光学组件盘，所述光源和所述光线检测器包含在所述光学组件盘中，而所述光学组件盘可透过预定波长的光线；

用于向所述光源和所述光线检测器输电的装置，所述用于输电的装置操作性连接至所述传感器组件；

用于向处理器输送电信号的装置，所述用于输送电信号的装置操作性连接至所述传感器组件；

其中，所述处理器被编程以便在所述电信号的变化与所述层的厚度的变化之间建立联系。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括控制系统，其操作性连接至所述处理器和用于抛光所述晶片的装置，所述控制系统可响应于所述层的厚度的变化而调整抛光的速度。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述光学组件盘包括从所述垫面向外的外侧表面，而所述抛光垫包括适于面向所述晶片的外侧表面，并且所述光学组件盘的外侧表面与所述抛光垫的外侧表面大致平齐。

7.一种通过抛光工艺抛光位于第一晶片上的材料层并且同时检测所述层的厚度的方法，所述方法包括以下步骤：

测量所述层的第一厚度；

将已知波长的光线指向所述层的表面，其中所述光线是由光源发出；

之后，利用所述抛光工艺抛光所述层，同时利用光线检测器测量从所述层反射的光线的强度，继续进行抛光，直至测量到第一正弦曲线的预定波长，所述第一正弦曲线代表所反射的光线随抛光时间变化的强度；

之后，测量所述晶片的第二厚度；并且结合所述第一厚度和所述第二厚度以计算出所述层的厚度的第一改变值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括通过在所述层的厚度的第一改变值与所述第一正弦曲线的预定波长之间建立联系而校准所述正弦曲线的步骤。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一正弦曲线的预定波长所占比率对应于所述层的厚度的总改变值，即所述总改变值等于所述比率乘以所述层的厚度的第一改变值。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

提供第二晶片，所述第二晶片具有与所述第一晶片相同的结构，所述第二晶片的特征在于位于所述第二晶片上的材料层；

利用所述抛光工艺抛光所述第二晶片的层；

将所述光线指向所述第二晶片的层的表面；

在所述第二晶片的层被抛光时，测量从所述第二晶片的层反射的光线的强度，所述反射的光线的强度随抛光所述第二晶片的时间的改变被绘成第二正弦曲线，所述第二正弦曲线大致等于所述第一正弦曲线；

在第二晶片的层的厚度改变与所述第一正弦曲线的波长的预定改变之间建立联系。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

提供第二晶片，所述第二晶片具有与所述第一晶片相同的结构，所述第二晶片包括位于所述第二晶片上的材料层；

利用所述抛光工艺抛光所述第二晶片的层；

将所述已知波长的光线指向所述第二晶片的层的表面上；

在所述第二晶片的层被抛光时，测量从所述第二晶片的层反射的光线的强度，从所述第二晶片反射的光线的强度随抛光时间的改变被绘成第二正弦曲线，所述第二正弦曲线大致等于所述第一正弦曲线；并且

通过在加工的过程中统计在第二正弦曲线上所测量的预定波长的数量并且通过将所测量的预定波长的数量乘以厚度的第一改变值而计算出所述第二晶片的层的厚度的改变值。

12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述光源和所述光线检测器设置在位于所述抛光垫中的光学组件盘中。

13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述光源和所述光线检测器设置在位于所述抛光垫中的光学组件盘中。

14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述光源和所述光线检测器设置在位于所述抛光垫中的光学组件盘中。

15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述光源和所述光线检测器设置在位于所述抛光垫中的光学组件盘中。

16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述光源和所述光线检测器设置在位于所述抛光垫中的光学组件盘中。

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