微振信號處理在CMP製程之應用研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

微振信號處理在 CMP 製程之應用研究

Analysis and Application of Micro-Vibration Detection System

計畫編號：NSC

90-2212-E-009-061-執行期限：90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日

主 持 人：鄭璧瑩 副教授 國立交通大學機械系

一、中文摘要 半導體廠中大部份關鍵機組的機械 振動，容許振幅為 1μm 以下，若振動大 於容許範圍，將會嚴重影響產品之精度及 良品率。目前振動之量測技術，容易受到 干擾及安裝上的限制，而不容易量測到微 振動之訊號。本研究經評估後考慮採用市 售的雷射位移計配合自行研發含有雜訊過 濾功能之放大機制，藉以量測出微小振動 之訊號，並使用快速傅立葉轉換法（Fast Fourier Transform；FFT）將振動訊號變 換成頻譜而加以解析。本研究所研發的信 號放大機制具有將訊號放大之功能及濾波 之功能，避免雜訊一起被放大而影響量測 訊號，進而發展出一套微振動量測系統。 本研究之量測系統亦可配合其他相關的附 件改裝後，成為結合光學與振動原理之 CMP 終端檢測器。本研究並針對 CMP 實 驗機台為目標進行實際測試，驗證本研究 之微振信號檢測系統的實用效果。 關鍵字：微振動、CMP 終端檢測器、信 號放大機制 Abstr act

The detecting technology of micro-vibration is generally a tough work in precision machining processes. After evaluation, the laser displacement sensor with proposed amplifier mechanism to enhance resolution is adopted and applied to the research work. Detecting signals of micro-vibration is thus followed by using

Fast Fourier Transform technique (FFT) to find the spectrum of vibrations for further analysis. And the proposed signal amplifier is equipped to perform the functions of amplifying signals and filtering noise. The current detecting system in this research is successfully cooperating with the optical sensors to be an integrated detecting unit. Accordingly, this research also focuses on detecting and analyzing the signals on CMP to evaluate the performance of this micro-vibration detection system.

Keyword：Micro-Vibration、CMP Endpoint Detection、Signal Amplifier 二、緣由與目的 在了解目前精密機械的製程信號檢 測的發展現況方面，發現許多的檢測技術 在原理上與機構上都有其困難性和複雜 性，例如光學式偵測器雖然可以直接以光 學方式量測到薄膜厚度（Platen Type）， 唯光訊號極易被干擾或阻礙，當晶圓具有 較多金屬層時，反射與折射訊號將提高雜 訊，影響量測之精度。綜合各項資料的分 析與評估，本研究採用市售的雷射位移計 配合自行研發含有雜訊過濾功能之放大機 制，藉以量測出微小振動之訊號，並使用 快速傅立葉轉換法（Fast Fourier Transform；FFT）將振動訊號變換成頻譜

而加以解析。自行研發的信號放大機制具 有將訊號放大之功能及濾波之功能，避免 雜訊一起被放大而影響量測訊號，進而發 展出一套微振動量測系統。本研究並提出 實用有效的研磨終點檢測技術，整合即時 控制程式的介面，發展兼具光學及振動型 優點的 CMP 製程終點檢測系統，針對 CMP 製程中即時研磨終點檢測系統檢測器與控 制單元中微信號增強與偵測機構進行探討 與研發。 研究方法 系統架構如圖 1 所示，將信號放大機制及 雷射位移計分別架設在 CMP 機台上，振 動信號經由信號放大機制的放大與濾波 後，由雷射位移計量測及信號放大控制器 將訊號放大後，利用 FFT 分析儀或電腦 將訊號轉換成頻率後再加以解析，再由製 程終點偵測程式分析判斷頻譜圖案而決定 CMP 機台所應採取的動作。 相關測試設備包括： 1. CMP 模擬機台。 2.雷射位移計。 3. 自行研發訊號放大控制器。 4. A / D 轉換器。 5.本研究所室發展的相關介面整合與系統 分析軟體。 CMP 模擬機台 由於實際量測晶圓 CMP 研磨實驗的 費用昂貴，所以研究在量測系統完成前採 用本實驗室先前研究中的 CMP 模擬機 台，如圖 2 所示，用以模擬晶圓化學機械 研磨，利用本研究之微振量測系統量測頻 譜位準的動態變化量及位移的動態變化 量，並以實驗數據及結果來驗證本系統，。 表面平坦度實驗 在 CMP 模擬機台的研磨平台及研磨 頭上貼上細的水砂紙，利用砂紙相互磨 擦使砂紙表面的磨粒逐漸減少，而使得 砂紙表面逐漸平坦化，此種現象類似實 際 CMP 研磨機台之研磨機制。 本研究分別針對不使用放大器及使 用 A 型、B 型與 C 型微型探針放大器等 四個項目做研究討論。 實驗設計 將一個雷射位移計雷射位移計固定在 X-Y-Z 精密滑台座上，並安裝於 CMP 模 擬機台，用以量測研磨頭垂直方向的振動 訊號，實驗配置圖如圖 1 所示，在利用振 動信號分析系統將研磨時所產生之振動訊 號擷取並轉換為頻譜之位準資料再加以分 析。在研磨過程中頻譜位準會隨著時間而 逐漸降低，位準越低代表振動強度越小， 這表示表面越平坦。在 CMP 模擬機的研 磨頭頂端與量測系統之間加裝 A、B、C 型微型探針放大機構，如圖 3 所示，利用 其探針的效應將振動訊號放大增強本系統 之解析度，藉以放大研磨時振動的特徵訊 號，使量測系統能更精確的判斷 CMP 之 製程狀態。 三、結果與討論 圖 4 為不使用放大器及使用 A、B、 C 型微型探針放大器四個放大機制頻譜位 準之比較，該四種微型探針放大器以不同 的幾何尺寸與質量參數等加以區分。由實 驗得知不使用放大器時，所量測到的頻譜 除了在 200~400Hz 之不同時間所產生的 頻譜有較明顯的區隔明顯的區隔及層次 外，在其他的頻率範圍也有部份的區隔及 層次，但還是以 300Hz 附近的區隔及層 次 較 為 明 顯 ， 本 研 究 取 300Hz±20Hz （280~320Hz）作為頻率積分及分析的範 圍。使用 A 型微型探針放大器時可發現 頻譜明顯區隔及層次的頻率範圍被轉移到 0~200Hz，在其他的頻率範圍則沒有明顯 的變化，茲取 94~104Hz 作為頻率積分及 分析的範圍。使用 B 及 C 型微型探針放 大 器 時 ， 由 於 吾 人 將 共 振 頻 率 設 定 在 300Hz，所以在圖中頻譜明顯區隔及層次 的頻率範圍在 250~350Hz，而其他的頻率 範圍則沒有明顯的變化，因此可發現此 C

型微型探針放大器在 200~400Hz 以外的 頻 率 範 圍 具 有 濾 波 之 作 用 ， 茲 取 300Hz±20Hz（280~320Hz）作為頻率積 分及分析的範圍，由圖 4 發現 C 型微型 探針放大器的效果最為明顯，效果較佳。 綜合實驗的結果，本研究發現利用現有的 雷射位移計並搭配自行研發的放大器，確 實可使量測系統的精度提高。本研究就是 在上述前題下，在經過長期的規劃模擬與 實驗後，綜合之前的模擬和實驗結果，歸 納於表 1 所示，其中以優、佳、良作為評 比的表示詞。 四、計畫成果自評 平坦化實驗時，如果以肉眼判斷製程 終點，則會太過於主觀且不科學。因此本 研究利用現有的設備加上簡單有效而實用 的機構將訊號放大，使原有的系統也能容 易量測到微振動之訊號，並達到 CMP 終 點檢測的目的，並推測得出實際之製程終 點。這可以節省許多的測試時間及大幅減 少晶圓與耗材的浪費。 成果簡介與結論 本計畫針對 CMP 製程中即時研磨終 點檢測系統檢測器與控制單元中微信號增 強與偵測機構的研發進行探討，本研究預 定完成的具體成果茲簡述於后： (1)、針對感測器的信號處理原理、 感測點的最佳頻譜與強度範圍、量測器裝 置的模擬與設計，使感測信號增強、穩定 性增高等為本研究的目標。本計畫以有限 元素分析法、模態分析實驗法等，就影響 研磨信號偵測的機組結構預做檢定、評 估，選定最適宜的檢測位置與檢測方式。 (2)、基於微信號增強與頻寬偵測機 制的探討與設計，進行微信號檢測單元的 機構設計與分析，以彰顯頻譜訊號處理系 統的信號特徵，以備研磨階段與頻譜訊號 特徵的類比與辨識，據以設計及組裝微信 號檢知器的雛型實驗裝置。 (3)、為使實驗數據的建立較為完整 與系統化，本計畫與半導體製程相關單位 洽借實驗機台以利調節製程參數的設定， 建立完善的檢測系統數據，做為信號檢測 器單元機構設計的參考依據。 本研究的過程有助於參與研究成員 在化學機械研磨機的製程機制與設計經驗 有實際而具體的增進與訓練，而研究成果 將對相關領域之學術研發與相關業者具有 相當的助益。 本研究重點為利用現有的設備加上 簡單有效而實用的機構將訊號放大，使原 有的系統也能容易量測到微振動之訊號， 並達到 CMP 終點檢測的目的。 五、參考文獻 1. 莊達人，「VLSI 製造技術」，高立出版 社，民國 84 年。 2. 王建榮，林必宨，林慶福，「半導體平 坦化 CMP 技術」，全華出版社，民國 89 年。 3. 涂志中，「晶圓化學機械研磨性能測試 研究分析」，國立成功大學機械工程 研究所碩士學位論文，民國 87 年。 4. Gurtej S. Sandhu, et al., US Patent

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