專利名稱：一種用于cmp拋光頭多區(qū)的氣壓控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造設(shè)備中的氣壓控制系統(tǒng)，特別涉及一種用于化學(xué)機(jī)械拋光 (Chemical Mechanical Polishing, CMP)拋光頭的正壓與負(fù)壓控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，CMP是半導(dǎo)體制造工藝中晶圓全局平坦化最有效的技術(shù)。在CMP拋銅領(lǐng)域 中，拋光頭夾持硅片將待拋銅層表面壓向旋轉(zhuǎn)的拋光盤，通過拋光盤上的拋光墊摩擦以及 拋光液腐蝕實(shí)現(xiàn)有效快速的銅層移除。其中，拋光頭可以通過控制硅片背面各環(huán)形區(qū)腔室 壓力實(shí)現(xiàn)對(duì)硅片拋光壓力的全局動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。拋光頭內(nèi)部腔室等效于多個(gè)密閉腔室，可膨脹與收縮，腔室之間可互相擠壓或者 無擠壓。腔室之間的耦合主要有三種情況一種是體積耦合，即各腔室之間的擠壓或收縮引 發(fā)腔室容積的變化；一種是氣源輸入耦合，各腔室同時(shí)加壓時(shí)引發(fā)氣源瞬間供氣壓力波動(dòng)； 最后一種是真空輸出耦合，多腔室同時(shí)真空動(dòng)作時(shí)，某一腔室真空的變化(比如漏氣)引發(fā) 別腔室真空度變化。對(duì)于體積耦合的情況通常解決的辦法是改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或軟件補(bǔ)償?shù)绒k 法；而氣源輸入耦合以及真空輸出耦合卻可以通過改變氣路控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。此外，該控制系統(tǒng)中的壓力傳感單元用于采集腔室的實(shí)時(shí)壓力，隨后反饋至控制 系統(tǒng)構(gòu)成全閉環(huán)控制。然而受到結(jié)構(gòu)的限制，該傳感單元的安裝位置常常不能放置于拋光 頭腔室內(nèi)部，而是安放于氣壓控制系統(tǒng)出口處。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于CMP拋光頭的壓力控制系統(tǒng)。其特征在于含有 作為壓力源的氣源、控制閥組、壓力傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路以及CPU，其中壓力傳感器共有N個(gè)，N > 1，分別采集遠(yuǎn)端拋光頭中同樣的N個(gè)腔室壓力，把采集 到的各腔室壓力通過一個(gè)具有同樣N個(gè)通道的A/D轉(zhuǎn)換電路輸入到CPU中，其中所述的N 個(gè)壓力傳感器與化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)設(shè)備上的所述N個(gè)腔室的旋轉(zhuǎn)接頭相連，控制閥組，共有N條支路，每一支路對(duì)應(yīng)連接著所述的一個(gè)腔室，所述每條支路的 輸入端與壓力源相連，每條支路的輸出端與對(duì)應(yīng)于該條支路的所述腔室的輸入端相連，每 條支路由正壓通道、負(fù)壓通道和一個(gè)雙向過濾器組成，其中正壓通道，由依次串聯(lián)的減壓閥、電控比例閥以及正負(fù)壓開關(guān)閥組構(gòu)成，所述減壓 閥的輸入端與所述壓力源的輸出端相連，負(fù)壓通道，由依次串聯(lián)的常開狀態(tài)的真空開關(guān)閥、真空發(fā)生器、負(fù)壓氣囊、真空調(diào) 壓閥以及與所述正壓通道共用的正負(fù)壓開關(guān)閥組構(gòu)成，所述真空開關(guān)閥的輸入端與所述的 壓力源的輸出端相連，其中，L1 Llri (η大于1)支路共用同一路負(fù)壓通道，Ln單獨(dú)使用一路 負(fù)壓通道，所述的正負(fù)壓開關(guān)閥組的輸出端與一個(gè)雙向過濾器的輸入端相連，該雙向過濾器 的輸出端與對(duì)應(yīng)的一條支路上的所述腔室相連，
所述的正負(fù)壓開關(guān)閥組是由一個(gè)三位三通閥，或兩個(gè)相互并聯(lián)的兩通閥，或相互 串聯(lián)的一個(gè)兩位三通閥和一個(gè)兩通閥組成，CPU，為每一個(gè)所述腔室設(shè)定一個(gè)腔室壓力值，同時(shí)，設(shè)定一個(gè)差壓信號(hào)輸出端向 所述正壓通道中的電控比例閥輸出所述設(shè)定腔室壓力與實(shí)測(cè)腔室壓力的差值，差值大于 零，表示對(duì)所述腔室繼續(xù)加壓，差值小于零，表示對(duì)所述腔室減壓，還設(shè)有切換控制信號(hào)輸 出端同時(shí)與所述負(fù)壓通道的真空開關(guān)閥的抓片啟動(dòng)控制信號(hào)輸入端以及與所述的正負(fù)壓 開關(guān)閥組的按所需運(yùn)行狀態(tài)切換控制信號(hào)輸入端相連，在啟動(dòng)抓片過程與腔室壓力調(diào)控過 程間進(jìn)行切換，所述差壓輸出端輸出的差壓信號(hào)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換電路后輸出到所述正壓通道 中電控比例閥的控制信號(hào)輸入端，調(diào)控后的氣壓在所述切換控制信號(hào)控制下經(jīng)由所述正負(fù) 壓開關(guān)閥組、雙向過濾器后送往對(duì)應(yīng)的腔室；所述抓片啟動(dòng)控制信號(hào)打開所述負(fù)壓通道的 真空開關(guān)閥輸出，通過真空調(diào)壓閥調(diào)壓后經(jīng)所述雙向過濾器送往對(duì)應(yīng)的腔室，在斷電狀態(tài) 下，所述的正負(fù)壓開關(guān)閥組切向負(fù)壓通道。本發(fā)明的氣壓控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果1、系統(tǒng)能夠避免由于系統(tǒng)意外斷電時(shí)真空泄露致使硅片脫落。2、有效的克服氣源輸入耦合以及真空輸出耦合的影響。3、有效改進(jìn)由于傳感單元安放位置所帶來的傳感精度誤差。4、對(duì)于容積較大腔室采用一條獨(dú)立的負(fù)壓通道有利于減少真空回路對(duì)其余通道 的影響。5、由于負(fù)壓氣囊的添加，有利于節(jié)省成本。


圖1為本發(fā)明多區(qū)拋光頭壓力控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖，Li, L2, ... Ln表示通往 腔室的每條支路；DO表示CPU輸出的數(shù)字量輸出信號(hào)；圖2為圖1控制系統(tǒng)的部分詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖，P1^... Pn表示正壓通道中送往正負(fù) 壓開關(guān)閥組的支路，Vp. . . Vn表示負(fù)壓通道中送往正負(fù)壓開關(guān)閥組的支路；ΔΡ代表設(shè)定壓 力值與實(shí)測(cè)壓力值的差值；圖3為開關(guān)閥組的主要構(gòu)成示意圖，Pn表示正壓通道中送往正負(fù)壓開關(guān)閥組的支 路，Vn表示負(fù)壓通道中送往正負(fù)壓開關(guān)閥組的支路；圖4為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，Li，L2，. . . Ln表示通往腔室的每條支路；
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的一種用于CMP拋光頭多區(qū)的氣壓控制系統(tǒng)，屬于半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域， 其特征在于包括壓力源、控制閥組、壓力傳感器、CPU、數(shù)模以及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路等。該控制系 統(tǒng)通過對(duì)各支路的壓力與流量控制實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)端各腔室的壓力控制。控制閥組的每條支路由 正壓與負(fù)壓兩個(gè)通道和一個(gè)雙向過濾器組成。其中正壓通道由與壓力源依次相連的減壓 閥、電控比例閥、正負(fù)壓開關(guān)閥組構(gòu)成。負(fù)壓通道由與壓力源依次相連的真空開關(guān)閥、真空 發(fā)生器、氣囊、真空調(diào)壓閥和正負(fù)壓開關(guān)閥組構(gòu)成。正負(fù)壓開關(guān)閥組輸出連接雙向過濾器。 L1 !^—(??！大于1)支路共用同一路負(fù)壓通道，Ln單獨(dú)使用一路負(fù)壓通道。壓力傳感器將采 集到的各腔室壓力經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路送至CPU。進(jìn)一步地，所述的傳輸氣路包括至少一條分支管路和過濾器構(gòu)成的通路。進(jìn)一步地，所述的每一條分支管路包括正壓和負(fù)壓兩個(gè)通道。進(jìn)一步地，所述的每一正壓通道中電控比例閥入口處添加減壓閥。進(jìn)一步地，所述的負(fù)壓氣路中包含兩個(gè)真空發(fā)生器以及真空氣囊裝置。進(jìn)一步地，所述的每一負(fù)壓通道中真空發(fā)生器后端添加氣囊以及真空調(diào)壓閥。進(jìn)一步地，所述的傳感器為正負(fù)壓力傳感器。進(jìn)一步地，所述的A/D轉(zhuǎn)換電路至少采用12位精度。進(jìn)一步地，所述的多區(qū)壓力控制系統(tǒng)僅由一個(gè)壓力源組成。進(jìn)一步地，所述的拋光 頭多區(qū)可收縮和膨脹，區(qū)域之間可互相擠壓。以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的氣壓控制系統(tǒng)做進(jìn)一步的詳細(xì)闡述。圖1為本發(fā)明多區(qū)拋光頭壓力控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明的氣動(dòng)控制系統(tǒng) 包括壓力源10，壓力傳感器30，CPU40，A/D以及D/A輸出單元50，控制閥組60組成。控制 閥組60連接著壓力源與拋光頭內(nèi)各腔室20 (Zl Zn)，腔室壓力經(jīng)壓力傳感器30采集至 CPU40,經(jīng)過軟件處理后由輸出單元50控制閥組輸出。此處，拋光頭腔室為柔性或剛性，腔 室之間耦合或非耦合。在圖2系統(tǒng)控制閥組60中，每一支路Li連接著壓力源10與遠(yuǎn)端各腔室20Zi(i = 1 η)，各支路主要由正壓通道與負(fù)壓通道組成。正壓通道由減壓閥61、電控比例閥62以 及正負(fù)壓開關(guān)閥組63依次串聯(lián)組成。負(fù)壓通道主要由真空開關(guān)閥65、真空發(fā)生器66 (例如 SMC公司生產(chǎn)的Sl系列)、氣囊69、真空調(diào)壓閥64以及正負(fù)壓開關(guān)閥組63依次串聯(lián)組成。 正負(fù)壓通道的輸出經(jīng)雙向過濾器68連接至遠(yuǎn)端各腔室，正負(fù)壓開關(guān)閥組63斷電時(shí)為負(fù)壓 吸附狀態(tài)，有利于保護(hù)硅片。正壓通道工作時(shí)，由CPU40控制正負(fù)壓開關(guān)閥組63切向正壓 通路，同時(shí)關(guān)閉真空開關(guān)閥65，根據(jù)用戶設(shè)定的壓力調(diào)節(jié)電控比例閥62，壓力傳感器30實(shí) 時(shí)將腔室壓力采集至CPU40，由軟件控制實(shí)現(xiàn)腔室壓力與設(shè)定壓力一致。負(fù)壓通道工作時(shí)， 正負(fù)壓開關(guān)閥組63切向負(fù)壓通道；真空開關(guān)閥65打開，其連接的正壓源10將觸發(fā)真空發(fā) 生器工作，腔室的真空度調(diào)節(jié)由真空調(diào)壓閥64實(shí)現(xiàn)。此外，本發(fā)明除了能夠產(chǎn)生壓力與負(fù)壓外，還能夠連通大氣。連通大氣時(shí)，真空開 關(guān)閥65關(guān)閉，此時(shí)真空發(fā)生器并不產(chǎn)生真空，而是連通大氣，通過正負(fù)壓開關(guān)閥組63切向 真空回路即可實(shí)現(xiàn)各腔室與大氣相連。圖3為開關(guān)閥組的主要構(gòu)成示意圖。開關(guān)閥組的詳細(xì)構(gòu)成可以由兩個(gè)兩通閥并聯(lián) 組成(圖a)，也可由一個(gè)兩位三通和兩通閥串聯(lián)組成(圖b)，或者由一個(gè)三位三通閥(圖 c)組成等。圖4為本發(fā)明的實(shí)施例，本發(fā)明的壓力控制系統(tǒng)連接至CMP設(shè)備90的旋轉(zhuǎn)接頭 80，與拋光頭120腔室Zl Si相連，傳感器安裝于遠(yuǎn)端旋轉(zhuǎn)接頭入口處。對(duì)于拋光頭腔室 容積較大以及真空可靠性要求高的區(qū)域連接至本發(fā)明系統(tǒng)的第支路。當(dāng)CMP設(shè)備執(zhí)行 拋光硅片時(shí)，各區(qū)按用戶設(shè)定控制電控比例閥62施加背壓力，同時(shí)與傳感器采集到的實(shí)時(shí) 數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，由軟件控制使得腔室壓力快速達(dá)到目標(biāo)值。拋光完畢抓取硅片以及移動(dòng)硅 片時(shí)，真空回路打開，正壓通道關(guān)閉。
權(quán)利要求
1.一種用于CMP拋光頭的壓力控制系統(tǒng)，其特征在于含有作為壓力源的氣源、控制閥 組、壓力傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路以及CPU，其中壓力傳感器共有N個(gè)，N > 1，分別采集遠(yuǎn)端拋光頭中同樣的N個(gè)腔室壓力，把采集到的 各腔室壓力通過一個(gè)具有同樣N個(gè)通道的A/D轉(zhuǎn)換電路輸入到CPU中，其中所述的N個(gè)壓 力傳感器與化學(xué)機(jī)械拋光CMP設(shè)備上的所述N個(gè)腔室的旋轉(zhuǎn)接頭相連，控制閥組，共有N條支路，每一支路對(duì)應(yīng)連接著所述的一個(gè)腔室，所述每條支路的輸入 端與壓力源相連，每條支路的輸出端與對(duì)應(yīng)于該條支路的所述腔室的輸入端相連，每條支 路由正壓通道、負(fù)壓通道和一個(gè)雙向過濾器組成，其中正壓通道，由依次串聯(lián)的減壓閥、電控比例閥以及正負(fù)壓開關(guān)閥組構(gòu)成，所述減壓閥的 輸入端與所述壓力源的輸出端相連，負(fù)壓通道，由依次串聯(lián)的常開狀態(tài)的真空開關(guān)閥、真空發(fā)生器、負(fù)壓氣囊、真空調(diào)壓閥 以及與所述正壓通道共用的正負(fù)壓開關(guān)閥組構(gòu)成，所述真空開關(guān)閥的輸入端與所述的壓力 源的輸出端相連，其中，L1 Llri (η大于1)支路共用同一路負(fù)壓通道，Ln單獨(dú)使用一路負(fù)壓 通道，所述的正負(fù)壓開關(guān)閥組的輸出端與一個(gè)雙向過濾器的輸入端相連，該雙向過濾器的輸 出端與對(duì)應(yīng)的一條支路上的所述腔室相連，所述的正負(fù)壓開關(guān)閥組是由一個(gè)三位三通閥，或兩個(gè)相互并聯(lián)的兩通閥，或相互串聯(lián) 的一個(gè)兩位三通閥和一個(gè)兩通閥組成，CPU，為每一個(gè)所述腔室設(shè)定一個(gè)腔室壓力值，同時(shí)，設(shè)定一個(gè)差壓信號(hào)輸出端向所述 正壓通道中的電控比例閥輸出所述設(shè)定腔室壓力與實(shí)測(cè)腔室壓力的差值，差值大于零，表 示對(duì)所述腔室繼續(xù)加壓，差值小于零，表示對(duì)所述腔室減壓，還設(shè)有切換控制信號(hào)輸出端 同時(shí)與所述負(fù)壓通道的真空開關(guān)閥的抓片啟動(dòng)控制信號(hào)輸入端以及與所述的正負(fù)壓開關(guān) 閥組的按所需運(yùn)行狀態(tài)切換的控制信號(hào)輸入端相連，在啟動(dòng)抓片過程與腔室壓力調(diào)控過程 間進(jìn)行切換，所述差壓輸出端輸出的差壓信號(hào)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換電路后輸出到所述正壓通道中 電控比例閥的控制信號(hào)輸入端，調(diào)控后的氣壓在所述切換控制信號(hào)控制下經(jīng)由所述正負(fù)壓 開關(guān)閥組、雙向過濾器后送往對(duì)應(yīng)的腔室；所述抓片啟動(dòng)控制信號(hào)打開所述負(fù)壓通道的真 空開關(guān)閥輸出，通過真空調(diào)壓閥調(diào)壓后經(jīng)所述雙向過濾器送往對(duì)應(yīng)的腔室，在斷電狀態(tài)下， 所述的正負(fù)壓開關(guān)閥組切向負(fù)壓通道。
2.如權(quán)利要求1所述的一種用于CMP拋光頭多區(qū)的氣壓控制系統(tǒng)，其特征在于所述 的真空調(diào)壓閥為手動(dòng)調(diào)壓閥、電控調(diào)壓閥以及電控比例閥中的任何一種。
3.如權(quán)利要求1所述的一種用于CMP拋光頭多區(qū)的氣壓控制系統(tǒng)，其特征在于真空 開關(guān)閥打開時(shí)，所述的真空發(fā)生器產(chǎn)生真空度；真空開關(guān)閥關(guān)閉時(shí)，所述的真空發(fā)生器與大 氣相連。
4.如權(quán)利要求1所述的一種用于CMP拋光頭多區(qū)的氣壓控制系統(tǒng)，其特征在于所述 的壓力傳感器安裝于所述CMP設(shè)備拋光頭的進(jìn)氣口端。
5.如權(quán)利要求1所述的一種用于CMP拋光頭多區(qū)的氣壓控制系統(tǒng)，其特征在于所述 的壓力傳感器為正負(fù)壓傳感器。
全文摘要
一種用于CMP拋光頭多區(qū)的氣壓控制系統(tǒng)，屬于半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于包括壓力源、控制閥組、壓力傳感器、CPU、數(shù)模以及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路等。該控制系統(tǒng)通過對(duì)各支路的壓力與流量控制實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)端各腔室的壓力控制?？刂崎y組的每條支路由正壓與負(fù)壓兩個(gè)通道和一個(gè)雙向過濾器組成。其中正壓通道由與壓力源依次相連的減壓閥、電控比例閥、正負(fù)壓開關(guān)閥組構(gòu)成。負(fù)壓通道由與壓力源依次相連的真空開關(guān)閥、真空發(fā)生器、氣囊、真空調(diào)壓閥和正負(fù)壓開關(guān)閥組構(gòu)成。正負(fù)壓開關(guān)閥組輸出連接雙向過濾器。L1～Ln-1(n大于1)支路共用同一路負(fù)壓通道，Ln單獨(dú)使用一路負(fù)壓通道。壓力傳感器將采集到的各腔室壓力經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路送至CPU。
文檔編號(hào)B24B37/00GK102133730SQ201110002118
公開日2011年7月27日 申請(qǐng)日期2011年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月6日
發(fā)明者葉佩青, 張輝, 王同慶, 路新春, 門延武 申請(qǐng)人:清華大學(xué)