(57)【要約】平坦化面をコンディショニングする方法、装置および媒体は、研磨パッド（１０８０）およびコンディショニングディスク（１０３０）を有する化学機械研磨（ＣＭＰ）装置（１０００）の中に研磨するウェーハを取り付け、予め選択した最小および最大除去速度の範囲内にウェーハ材料除去速度が維持されるように選択した最初のパッドコンディショニングパラメータセットの下で、ウェーハを研磨し、研磨段階中のウェーハ材料除去速度を決定し、ウェーハ材料除去速度を最大および最小除去速度の範囲内に維持する更新されたパッドコンディショニングパラメータを計算し、更新されたコンディショニングパラメータを使用して研磨パッド（１０８０）をコンディショニングすることを含み、更新されたパッドコンディショニングパラメータは、コンディショニングディスクのコンディショニングダウンフォース、回転速度などのコンディショニングパラメータに基づいて研磨パッドのウェーハ材料除去速度を予測するパッド摩耗／コンディショニングモデルを使用して計算される。
2005518285.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨パッドを有し、前記研磨パッドに対して、ウェーハから材料を除去するためにウェーハが配置され、研磨パッドをコンディショニングするためにコンディショニングディスクが配置された化学機械研磨（ＣＭＰ）装置内で平坦化面をコンディショニングする方法であって、
ａ）最大および最小値を有する少なくとも１つのパッドコンディショニングパラメータの関数としてウェーハ材料除去速度を定義するパッド摩耗／コンディショニングモデルを提供する段階と、
ｂ）前記ＣＭＰ装置内で、予め選択した最小および最大除去速度の範囲内にウェーハ材料除去速度が維持されるように選択した最初のパッドコンディショニングパラメータセットの下で、ウェーハを研磨する段階と、
ｃ）前記研磨段階中のウェーハ材料除去速度を決定する段階と、
ｄ）前記段階（ｃ）の前記決定されたウェーハ材料除去速度および前記パッド摩耗／コンディショニングモデルに基づいて、ウェーハ材料除去速度を前記最大および最小除去速度の範囲内に維持する更新されたパッドコンディショニングパラメータを計算する段階と、
ｅ）前記更新されたコンディショニングパラメータを使用して前記研磨パッドをコンディショニングする段階と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記コンディショニングパラメータはコンディショニングダウンフォースを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記コンディショニングパラメータは前記コンディショニングディスクの回転速度を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記コンディショニングパラメータは、前記ディスクの回転速度、コンディショニング頻度、コンディショニング継続時間、および前記コンディショニングディスクの並進速度からなるグループから選択された１つまたは複数のパラメータを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
更新されたコンディショニングパラメータを計算する前記段階は、前記パラメータが前記決定された最小および最大値の範囲内となるようにパラメータを計算することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記更新されたパッドコンディショニングパラメータは、前記パッド摩耗／コンディショニングモデルの出力と段階（ｃ）の前記決定されたウェーハ材料除去との間の差を求めることによって計算されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
更新されたコンディショニングパラメータを計算する前に、推定値ゲインを使用して前記差を調整することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記更新されたパッドコンディショニングパラメータは、式ｋ＝（ｋ1）＋ｇ×（ｋ−（ｋ1））に従って更新され、上式で、ｋは測定されたウェーハ材料除去速度、ｋ1は計算されたウェーハ材料除去速度、ｇは推定値ゲイン、（ｋ−（ｋ1））は予測誤差であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記段階ｂ）からｅ）までを繰り返すことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記最初のパッドコンディショニングパラメータセットは経験的に決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記最初のパッドコンディショニングパラメータセットは履歴データを使用して決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記最初のパッドコンディショニングパラメータセットは、前記モデルを開発するのに使用した実験計画（ＤＯＥ）の結果を使用して決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
ウェーハ材料除去速度の最大値は、ウェーハ材料除去速度対コンディショニングダウンフォース曲線の飽和点であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
ウェーハ材料除去速度の最小値は、最大許容ウェーハ研磨時間によって定義されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
更新されたパッドコンディショニングパラメータを計算する前記段階ｄ）は、帰納的最適化プロセスを実行することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記推定値ゲインは、前記測定されたパラメータの変動性または信頼性の指示であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１７】
パッドの寿命は下式に従って定義され、
PadLife = f (Fdisk, ωdisk, tconditioning, f, T2)
上式で、Ｆdiskは、コンディショニング中に前記コンディショニングディスクが前記ＣＭＰパッドに加えるダウンフォース、ωdiskは、前記研磨パッドのコンディショニング中の前記コンディショニングディスクの角速度、ｔはコンディショニング時間、ｆはコンディショニング頻度、Ｔ2は、コンディショニング中の前記コンディショニングディスクの掃引速度である
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記ウェーハ材料除去速度は下式によって定義され、
【数１】
2005518285.tif 000029
上式で、Ｆdiskは、コンディショニング中に前記コンディショニングディスクが前記ＣＭＰパッドに加えるダウンフォース、ωdiskは、前記研磨パッドのコンディショニング中の前記コンディショニングディスクの角速度、ｔはコンディショニング時間、ｆはコンディショニング頻度、Ｔ2は、コンディショニング中の前記コンディショニングディスクの掃引速度である
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記ウェーハ材料除去速度は下式に従って決定され、
【数２】
2005518285.tif 000030
上式で、
【数３】
2005518285.tif 000031
は、コンディショニングパラメータｘiに対するウェーハ材料除去速度、ρiは、
【数４】
2005518285.tif 000032
とｘiの間の関係を定義する曲線の傾き、Ｉiはその切片である
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記更新されたパッドコンディショニングパラメータｘi+は、下式を解くことによって決定され、
【数５】
2005518285.tif 000033
上式で、
【数６】
2005518285.tif 000034
は前記ターゲットウェーハ材料除去速度、Ｗiは、コンディショニングパラメータｘiに対する重み付け係数、Δｙは、ウェーハ材料除去速度の前記予測誤差であることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
基板から材料を除去することによって前記基板を平坦化するのに使用する研磨パッドをコンディショニングするための装置であって、
研磨パッドの平坦化面の上に配置可能なアームを有するキャリヤアセンブリと、
前記キャリヤアセンブリに取り付けられたコンディショニングディスクと、
前記コンディショニングディスクの動作パラメータを制御することができるアクチュエータと、
前記アクチュエータに動作可能に結合されたコントローラであって、前記アクチュエータを操作して、前記コンディショニングディスクの前記動作パラメータをパッド摩耗／コンディショニングモデルの関数として調整するコントローラと
を備え、前記モデルが、
コンディショニングディスクのダウンフォースおよびコンディショニングディスクの回転速度を含むパッドコンディショニングパラメータの関数としてウェーハ材料除去速度を決定することを含む
ことを特徴とする装置。
【請求項２２】
前記ウェーハ材料除去速度は下式に従って決定され、
【数７】
2005518285.tif 000035
上式で、
【数８】
2005518285.tif 000036
は、コンディショニングパラメータｘiに対するウェーハ材料除去速度、ρiは、
【数９】
2005518285.tif 000037
とｘiの間の関係を定義する曲線の傾き、Ｉiはその切片である
ことを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記更新されたパッドコンディショニングパラメータｘi+は、下式を解くことによって決定され、
【数１０】
2005518285.tif 000038
上式で、
【数１１】
2005518285.tif 000039
は前記ターゲットウェーハ材料除去速度、Ｗiは、コンディショニングパラメータｘiに対する重み付け係数、Δｙは、ウェーハ材料除去速度の予測誤差である
ことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記更新されたパッドコンディショニングパラメータは、式ｋ＝（ｋ−１）＋ｇ×（ｋ−（ｋ−１））に従って更新され、上式で、ｋは測定されたウェーハ材料除去速度、ｋ−１は計算されたウェーハ材料除去速度、ｇは推定値ゲイン、（ｋ−（ｋ−１））は予測誤差であることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２５】
ウェーハから材料を除去するのに使用する研磨パッドのパッドコンディショニングを最適化するためのパッド摩耗／パッドコンディショニングモデルを開発する方法であって、
少なくとも１つのパッドコンディショニングパラメータとウェーハ材料除去速度の間の関係を決定する段階と、
前記少なくとも１つのパッドコンディショニングパラメータおよび前記ウェーハ材料除去速度について、それぞれに最大値および最小値を決定する段階と、
前記少なくとも１つのパッドコンディショニングパラメータと前記ウェーハ除去速度の前記関係ならびに最小値および最大値を記録する段階と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２６】
前記少なくとも１つのパッドコンディショニングパラメータは複数のパラメータを含み、前記ウェーハ除去速度は、前記複数のパッドコンディショニングパラメータの重み付き関数として定義されることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記少なくとも１つのパッドコンディショニングパラメータはコンディショニングディスクのダウンフォースを含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記少なくとも１つのパッドコンディショニングパラメータはさらにコンディショニングディスクの回転速度を含むことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記少なくとも１つのパッドコンディショニングパラメータは、コンディショニングディスクのダウンフォース、コンディショニングディスクの回転速度、コンディショニング頻度、およびコンディショニングディスクの並進速度からなるグループから選択された１つまたは複数のパラメータを含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項３０】
前記少なくとも１つのコンディショニングパラメータと前記ウェーハ除去速度との間の前記関係は、前記コンディショニングパラメータを段階的に変化させ、その結果生じたウェーハ除去速度を測定することによって決定されることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項３１】
前記コンディショニングパラメータの前記最大値は、前記ウェーハ除去速度の段階的な増大が、その値より上では観察されなくなる値であることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項３２】
前記コンディショニングパラメータの前記最小値は、最低限のウェーハ除去速度を与える値であることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項３３】
ＣＭＰ装置内で、予め選択された最小および最大除去速度の範囲内にウェーハ材料除去速度が維持されるように選択した最初のパッドコンディショニングパラメータセットの下で、ウェーハを研磨する段階と、
前記研磨段階中のウェーハ材料除去速度を決定する段階と、
前記決定されたウェーハ材料除去速度および前記パッド摩耗／コンディショニングモデルに基づいて、ウェーハ材料除去速度を最大および最小除去速度の範囲内に維持する更新されたパッドコンディショニングパラメータを計算する段階と、
前記更新されたパッドコンディショニングパラメータを使用して前記研磨パッドをコンディショニングする段階と
をさらに含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項３４】
前記更新されたパッドコンディショニングパラメータは、前記パッド摩耗／コンディショニングモデルの出力と前記決定されたウェーハ材料除去との間の差を求めることによって計算されることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記更新されたパッドコンディショニングパラメータは、式ｋ＝（ｋ−１）＋ｇ×（ｋ−（ｋ−１））に従って更新され、上式で、ｋは測定されたウェーハ材料除去速度、ｋ1は計算されたウェーハ材料除去速度、ｇは推定値ゲイン、（ｋ−（ｋ1））は予測誤差であることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
コンピュータによって実行される命令を含み、前記命令が、化学機械研磨プロセスのためのコンピュータ実装ソフトウェアアプリケーションを含むコンピュータ可読媒体であって、前記プロセスを実装するための前記命令が、
ａ）前記化学機械研磨プロセスで処理された少なくとも１枚のウェーハのウェーハ除去速度に関するデータを化学機械研磨ツールから受け取る段階と、
ｂ）前記段階（ａ）のデータから、定義された最大および最小値の範囲内の更新されたパッドコンディショニングパラメータを、パッド摩耗／コンディショニングモデルの出力と前記段階（ａ）のデータとの間の差を求めることによって計算する段階と
を含むことを特徴とするコンピュータ可読媒体。
【請求項３７】
研磨パッドを有し、前記研磨パッドに対して、ウェーハから材料を除去するためにウェーハが配置され、研磨パッドをコンディショニングするためにコンディショニングディスクが配置された化学機械研磨（ＣＭＰ）装置内で平坦化面をコンディショニングするための方法であって、
（ａ）
（ｉ）少なくとも１つのパッドコンディショニングパラメータとウェーハ材料除去速度の間の関係を決定し、
（ｉｉ）前記少なくとも１つのパッドコンディショニングパラメータおよび前記ウェーハ材料除去速度について、それぞれに最大値および最小値を決定し、
（ｉｉ）前記少なくとも１つのパッドコンディショニングパラメータと前記ウェーハ除去速度の前記関係ならびに最小値および最大値を記録する
ことによってパッド摩耗／パッドコンディショニングモデルを開発する段階と、
（ｂ）前記ＣＭＰ装置内で、予め選択した最小および最大除去速度の範囲内にウェーハ材料除去速度が維持されるように選択した最初のパッドコンディショニングパラメータセットの下で、ウェーハを研磨する段階と、
（ｃ）前記研磨段階中のウェーハ材料除去速度を決定する段階と、
（ｄ）前記段階（ｂ）の前記決定されたウェーハ材料除去速度および前記パッド摩耗／コンディショニングモデルに基づいて、ウェーハ材料除去速度を最大および最小除去速度の範囲内に維持する更新されたパッドコンディショニングパラメータを計算する段階と
を含み、
前記ウェーハ材料除去速度は下式に従って決定され、
【数１２】
2005518285.tif 000040
上式で、
【数１３】
2005518285.tif 000041
は、コンディショニングパラメータｘiに対するウェーハ材料除去速度、ρiは、
【数１４】
2005518285.tif 000042
とｘiの間の関係を定義する曲線の傾き、Ｉiはその切片であり、
前記更新されたパッドコンディショニングパラメータｘi+は、下式を解くことによって決定され、
【数１５】
2005518285.tif 000043
上式で、
【数１６】
2005518285.tif 000044
はターゲットウェーハ材料除去速度、Ｗiは、コンディショニングパラメータｘiに対する重み付け係数、Δｙは、ウェーハ材料除去速度の予測誤差であり、
さらに、
（ｅ）前記更新されたコンディショニングパラメータを使用して前記研磨パッドをコンディショニングする段階
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３８】
研磨パッドおよびコンディショニングディスクを有する化学機械研磨（ＣＭＰ）装置内で平坦化面をコンディショニングするためのシステムであって、
ａ）前記コンディショニングディスクの回転および方向を含む少なくとも１つのパッドコンディショニングパラメータの関数として、ウェーハ材料除去速度を定義するパッド摩耗／コンディショニングモデルと、
ｂ）前記ＣＭＰ装置内でウェーハを研磨する研磨手段と、
ｃ）ウェーハ材料除去速度を決定するための測定手段と、
ｄ）前記段階（ｃ）の前記決定されたウェーハ材料除去速度および前記パッド摩耗／コンディショニングモデルに基づいて、ウェーハ材料除去速度を最大および最小除去速度の範囲内に維持するためにパッドコンディショニングパラメータを更新するための計算手段と
を備えることを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に研磨（ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）の分野に関し、研磨パッドの寿命を向上させるための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２００１年６月１９日出願の「Advanced Process Control for Semiconductor Manufacturing Process」という名称の米国特許仮出願第６０／２９８８７８号明細書、２００１年７月１６日出願の「Feedforward and Feedback Control for Conditioning of Chemical Mechanical Polishing Pad」という名称の米国特許仮出願第６０／３０５７８２号明細書、２００１年９月１２日出願の「Feedforward and Feedback Control for Conditioning of Chemical Mechanical Polishing Pad」という名称の米国特許仮出願第６０／３１８７４１号明細書、および２００１年１１月３０日出願の「Feedforward and Feedback Control for Conditioning of Chemical Mechanical Polishing Pad」という名称の米国特許出願第０９／９９８，３８４号明細書の優先権を主張するものである。これらはすべて参照によって本明細書に組み込まれる。
【０００３】
化学機械研磨（ｃｈｅｍｉｃａｌ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）は、半導体製造プロセスにおいて、半導体ウェーハ全面を平坦化するために使用される。この方法は、（たとえばスラリ（ｓｌｕｒｒｙ）で飽和した可動研磨パッド）による機械的接触および化学的腐食を使用して、ウェーハ（一般に二酸化シリコン（ＳｉＯ2））から材料（たとえば表面犠牲材料層）を除去することを含む。高トポグラフィの領域（丘）は低トポグラフィの領域（谷）よりも速く除去されるので、研磨によって高低差がならされる。図１ＡにＣＭＰ機１００の上面図を、図１Ｂに、線ＡＡで切ったＣＭＰ機１００の側断面図を示す。ＣＭＰ機１００には研磨対象のウェーハが供給される。一般に、ＣＭＰ機１００はアーム１０１でウェーハ１０５を持ち上げ、これを回転する研磨パッド１０２の上に置く。研磨パッド１０２は弾性材料から作られており、研磨プロセスを促進するためにしばしばテクスチャ（ｔｅｘｔｕｒｅ）が与えられている。研磨パッド１０２は、研磨パッド１０２の下に位置するプラテン（ｐｌａｔｅｎ）１０４、すなわちターンテーブル上で所定の速度で回転する。ウェーハ１０５は、アーム１０１によって研磨パッド１０２上の適当な位置に保持される。ウェーハ１０５の下面は研磨パッド１０２の上に載っている。ウェーハ１０５の上面は、アーム１０１のウェーハキャリヤ１０６の下面と向き合っている。研磨パッド１０２が回転すると、アーム１０１はウェーハ１０５を所定の速度で回転させる。アーム１０１はウェーハ１０５を、所定のダウンフォース（ｄｏｗｎ  ｆｏｒｃｅ）で研磨パッド１０２に押し付ける。ＣＭＰ機１００はさらに、研磨パッド１０２の半径に沿って延びるスラリ分配アーム１０７を含む。スラリ分配アーム１０７は、研磨パッド１０２上にスラリ流を分配する。
【０００４】
所与の研磨パッドの材料除去速度は、図２に示すように、時間の経過とともに指数関数的に低下することが知られている。そのため、研磨サイクルと次の研磨サイクルの間に研磨パッドを（たとえばコンディショニングディスク１０８を使用して）コンディショニングしなければならない。こうすることによってパッドの表面は粗くなり、少なくとも一時的に当初の材料除去速度を回復する。パッドのコンディショニングがもはや不可能になったらパッドを交換する。
【０００５】
従来のコンディショニング法の問題は、研磨パッドの平坦化面がオーバーコンディショニングされる可能性、たとえばこの面がすり減ってしまう可能性があり、したがって研磨パッドの寿命が短くなる可能性があることである。材料除去速度はパッドごとに異なるため、所望の材料除去速度を得るためには、パッドを交換するたびにＣＭＰ機を較正しなおさなければならない。パッドの交換の間に失われる生産時間はそのまま処理の遅延および効率の低下につながる。
【０００６】
パッドの寿命を延ばす試みにおいて、研磨パッドを選択的にコンディショニングするためのさまざまな方法、および平坦化面上の受け入れがたいパッド状態の分布に基づいて、コンディショニング要素（たとえばコンディショニングディスク１０８）のダウンフォースをＣＭＰパッドの表面に沿って変化させるためのさまざまな方法が報告されている。他の方法では、研磨パッドの不均一性に応答して、研磨パッドの表面全体のコンディショニング処方（ｒｅｃｉｐｅ）を変化させることが報告されている。しかし、報告されているこれらのＣＭＰプロセスは一般に、パッド寿命を延ばすことよりもＣＭＰプロセスを改良すること、たとえばウォータ（ｗａｔｅｒ）の不均一性を改善することにより関心がある。
【０００７】
パッドの寿命を延ばし、したがってパッド交換の頻度を小さくする方法および装置は、ウェーハ製造プロセスに大幅なコスト削減をもたらす。
【０００８】
【非特許文献１】Ljung L., "System Identification - Theory for the User", Prentice Hall, Upper Saddle River, N.J. 2nd edition, 1999
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、研磨パッドの平坦化面をコンディショニングしてパッドの実用寿命を延ばす方法、装置および媒体に関する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、パッド摩耗／平坦化プロセスの物理および化学モデル（これは単一のモデルまたは複数のモデルとして実装することができる）を使用して、研磨パッドの性能を予測し、パッド寿命を延ばす。これによって、単一の研磨パッドで研磨することができる半導体ウェーハまたは他の基板の数が増大し、それによって、必要なパッド数の低減およびパッド交換に充てる時間の短縮の両面においてＣＭＰプロセスのコストがかなり削減される。
【００１１】
このモデルは、コンディショニングプロセスの「コンディショニング」動作パラメータに基づいて研磨有効性（ウェーハ材料除去速度）を予測する。本発明の少なくともいくつかの実施形態では、コンディショニングパラメータが、圧力（コンディショニングディスクダウンフォース）および速度（コンディショニングディスクの回転速度）を含み、さらに、コンディショニング頻度、コンディショニング継続時間、パッド表面を横切るコンディショニングディスクの並進速度など、他の因子を含むことができる。このモデルは、パッドをオーバーコンディショニングせず、許容されるウェーハ材料除去速度を提供する範囲の研磨パッドコンディショニングパラメータを選択し、これらのパラメータをこの範囲に維持する。したがって本発明は、ＣＭＰ研磨プロセスのフィードフォワードおよびフィードバック制御のためのプロセスを提供する。本明細書では本発明を、パッドに押し付けられパッドに対して移動する、表面の摩滅を有するディスクの使用に関して説明するが、本発明の技法は他のコンディショニング機構にも適用できる。
【００１２】
本発明の一態様では、研磨パッドを有し、この研磨パッドに対して、ウェーハから材料を除去するためにウェーハが配置され、研磨パッドをコンディショニングするためにコンディショニングディスクが配置された化学機械研磨（ＣＭＰ）装置内で平坦化面をコンディショニングする方法が提供される。この方法は、最大および最小値を有する少なくとも１つのパッドコンディショニングパラメータの関数としてウェーハ材料除去速度を定義するパッド摩耗／コンディショニングモデルを提供する段階と、ＣＭＰ装置内で、予め選択した最小および最大除去速度の範囲内にウェーハ材料除去速度が維持されるように選択した最初のパッドコンディショニングパラメータセットの下で、ウェーハを研磨する段階と、前記研磨段階中のウェーハ材料除去速度を決定する段階と、前記段階（ｃ）の前記決定されたウェーハ材料除去速度およびパッド摩耗／コンディショニングモデルに基づいて、ウェーハ材料除去速度を最大および最小除去速度の範囲内に維持する更新されたパッドコンディショニングパラメータを計算する段階と、更新されたコンディショニングパラメータを使用して研磨パッドをコンディショニングする段階とを含む。
【００１３】
少なくともいくつかの実施形態では、この方法が、ＣＭＰ装置内で、予め選択した最小および最大除去速度の範囲内にウェーハ材料除去速度が維持されるように選択した最初のパッドコンディショニングパラメータセットの下で、ウェーハを研磨する段階（本発明の少なくともいくつかの実施形態ではコンディショニングが研磨と同時に実施される）と、研磨段階中のウェーハ材料除去速度を決定する段階と、ウェーハ材料除去速度に基づいて、ウェーハ材料除去速度を最大および最小除去速度の範囲内に維持する更新されたパッドコンディショニングパラメータを計算する段階と、更新されたパッドコンディショニングパラメータを使用して研磨パッドをコンディショニングする段階とを含む。少なくともいくつかの実施形態では、研磨段階が、１枚のウェーハの研磨を含み、または２枚以上のウェーハの研磨、すなわち研磨サイクルを含む。パッドコンディショニングパラメータの更新では、ウェーハ材料除去速度を平均し、または最後に研磨したウェーハの材料除去速度を使用することができる。
【００１４】
更新されたパッドコンディショニングパラメータは、パッド摩耗／コンディショニングモデルを使用し、コンディショニングディスクのコンディショニングディスクダウンフォースおよび速度を含むパッドコンディショニングパラメータの関数としてウェーハ材料除去速度を決定し、計算されたウェーハ材料除去速度と測定されたウェーハ材料除去速度との差を求め、前記差を低減する更新されたパッドコンディショニングパラメータを計算することによって計算される。更新されたパッドコンディショニングパラメータは、式ｋ＝（ｋ1）＋ｇ×（ｋ−（ｋ1））に従って更新され、上式で、ｋは測定されたウェーハ材料除去速度、ｋ1は計算されたウェーハ材料除去速度、ｇは推定値ゲイン、（ｋ−（ｋ1））は予測誤差である。
【００１５】
少なくともいくつかの実施形態では、最初のパッドコンディショニングパラメータセットが経験的に、または履歴データを使用して、あるいは実験計画（ＤＯＥ）、すなわちモデルを定義するのに使用した一連の実験の結果を使用して決定される。
【００１６】
少なくともいくつかの実施形態では、パッド摩耗／コンディショニングモデルのパッドコンディショニングパラメータが、コンディショニング頻度、またはコンディショニング時間、またはコンディショニング中のコンディショニングディスクの並進速度（回転以外のディスクの運動速度）を含む。
【００１７】
少なくともいくつかの実施形態では、ウェーハ材料除去速度が、研磨の前後にウェーハの厚さを測定することを含む。更新されたパッドコンディショニングを計算する段階は、帰納的最適化プロセスを実行することを含むことができる。
【００１８】
少なくともいくつかの実施形態では、ゲインｇが、測定されたパラメータの変動性または信頼性を指示するために使用される値である。
【００１９】
少なくともいくつかの実施形態では、パッド寿命は下記の関係に従って定義される。
【００２０】
PadLife = f (Fdisk, ωdisk, tconditioning, f, T2)
上式で、Ｆdiskは、コンディショニング中にコンディショニングディスクがＣＭＰパッドに加えるダウンフォース、ωdiskは、研磨パッドのコンディショニング中のコンディショニングディスクの角速度、ｔはコンディショニング時間、ｆはコンディショニング頻度、Ｔ2は、コンディショニング中のコンディショニングディスクの掃引速度である。
【００２１】
少なくともいくつかの実施形態では、ウェーハ材料除去速度は下式によって定義される。
【００２２】
【数１】
2005518285.tif 000003
【００２３】
上式で、Ｆdiskは、コンディショニング中にコンディショニングディスクがＣＭＰパッドに加えるダウンフォース、ωdiskは、研磨パッドのコンディショニング中のコンディショニングディスクの角速度、ｔはコンディショニング継続時間、ｆはコンディショニング頻度、Ｔ2は、コンディショニング中のコンディショニングディスクの掃引速度である。少なくともいくつかの実施形態では、ウェーハ材料除去速度の最大値は、ウェーハ材料除去速度対コンディショニングダウンフォース曲線の飽和点、すなわちダウンフォースの増大が除去速度に影響しない点である。少なくともいくつかの実施形態では、ウェーハ材料除去速度の最小値、したがって最小許容コンディショニングパラメータは、最大許容ウェーハ研磨時間によって定義される。
【００２４】
少なくともいくつかの実施形態では、ウェーハ材料除去速度は下式に従って決定される。
【００２５】
【数２】
2005518285.tif 000004
【００２６】
上式で、
【００２７】
【数３】
2005518285.tif 000005
【００２８】
は、コンディショニングパラメータｘiに対するウェーハ材料除去速度、ρiは、
【００２９】
【数４】
2005518285.tif 000006
【００３０】
とｘiの間の関係を定義する曲線の傾き、Ｉiはその切片である。ただし、ウェーハ研磨に影響を及ぼす可能性がある他の因子は一定に維持する。
【００３１】
少なくともいくつかの実施形態では、更新されたパッドコンディショニングパラメータｘi+は、下式を解くことによって決定される。
【００３２】
【数５】
2005518285.tif 000007
【００３３】
上式で、
【００３４】
【数６】
2005518285.tif 000008
【００３５】
はターゲットウェーハ材料除去速度、Ｗiは、コンディショニングパラメータｘiに対する重み付け係数、Δｙは、ウェーハ材料除去速度の予測誤差である。
【００３６】
本発明の少なくともいくつかの態様では、基板から材料を除去することによって基板を平坦化するのに使用する研磨パッドをコンディショニングするための装置は、研磨パッドの平坦化面の上に配置可能なアームを有するキャリヤアセンブリと、キャリヤアセンブリに取り付けられたコンディショニングディスクと、コンディショニングディスクの動作パラメータを制御することができるアクチュエータと、アクチュエータに動作可能に結合されたコントローラであって、アクチュエータを操作して、コンディショニングディスクの動作パラメータを、研磨パッドおよびウェーハパラメータに基づいて研磨パッドのウェーハ材料除去速度を予測するパッド摩耗／コンディショニングモデルの関数として調整するコントローラとを含む。コンディショニングダウンフォースおよびコンディショニングディスクの回転速度は、モデルが、コンディショニングディスクダウンフォースおよびコンディショニングディスク回転速度を含むパッドコンディショニングパラメータの関数としてウェーハ材料除去速度を決定することによって予測される。
【００３７】
少なくともいくつかの実施形態では、ウェーハ材料除去速度は下式に従って決定される。
【００３８】
【数７】
2005518285.tif 000009
【００３９】
上式で、
【００４０】
【数８】
2005518285.tif 000010
【００４１】
は、コンディショニングパラメータｘiに対するウェーハ材料除去速度、ρiは、
【００４２】
【数９】
2005518285.tif 000011
【００４３】
とｘiの間の関係を定義する曲線の傾き、
Ｉiはその切片である。
【００４４】
少なくともいくつかの実施形態では、更新されたパッドコンディショニングパラメータｘi+は、下式を解くことによって決定される。
【００４５】
【数１０】
2005518285.tif 000012
【００４６】
上式で、
【００４７】
【数１１】
2005518285.tif 000013
【００４８】
はターゲットウェーハ材料除去速度、Ｗiは、コンディショニングパラメータｘiに対する重み付け係数、Δｙは、ウェーハ材料除去速度の予測誤差である。
【００４９】
このように、ウェーハ材料除去速度の許容範囲を維持しつつ、より望ましいコンディショニングディスクダウンフォースおよび角速度を使用し、除去速度が許容される除去速度よりも低くなるたびにコンディショニングパラメータを調整することによって、研磨パッド寿命は延長される。「万能サイズ（ｏｎｅ  ｓｉｚｅ  ｆｉｔｓ  ａｌｌ）」手法をパッドコンディショニングパラメータに適用することによって（たとえば、実際のウェーハ材料除去速度の変化を考慮することなくコンディショニングパラメータを決定することによって）、従来のプロセスは過剰に補償し、それによってパッド材料を必要以上に除去し、パッドの摩耗を加速させる。したがって本発明は、より最適なコンディショニングパラメータ、すなわち損傷したパッドを再コンディショニングするのに必要な力だけを提供する。
【００５０】
本発明のさまざまな目的、特徴および利点は、本発明の以下の詳細な説明を図面とともに検討したときにより完全に理解することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
次に、研磨パッドの寿命を最大にするためのＣＭＰプロセスの新規のフィードフォワードおよびフィードバック法を説明する。パッドの寿命が延びると、交換または調整（たとえばパッドの取外し）の必要なしにより長い期間にわたってより多くのウェーハを研磨できるので、ＣＭＰプロセスのダウンタイムが短縮する。用語ウェーハは一般的な意味で使用され、研磨を受ける実質的に平らな任意の物体を含む。ウェーハは、モノリス構造の他に、１つまたは複数の層を有する基層あるいはその上に付着した薄膜を含む。
【００５２】
大部分のＣＭＰパッド材料は、水にさらされると軟化するウレタンまたは他のポリマーを含む。図３Ａ、３Ｂおよび３Ｃに示す、パッドに関係する化学反応は軟化が起こるプロセスを説明する。具体的には、新品のパッドのウレタン中のイソシアナート（ＮＣＯ）基は通常、図３Ａに示すように水素結合を介して架橋されている。研磨スラリ中の水がパッドと接触すると、この水は、この架橋ウレタン構造中の水素結合を遮断し、図３Ｂに示すようにウレタンと水素結合を形成する。水が架橋ウレタン構造にとって代わると、パッドはより軟らかくなる。図３Ｂの構造はさらに、スラリ中のシリカ（ＳｉＯ2）（研磨プロセスによって除去された材料に由来）と反応して、図３Ｃに示すように、ウレタンパッド中のＮＣＯ基との追加の水素結合を生成することができる。シリカがウレタン構造と化学反応した結果、パッドは「被毒」される。水がスラリから蒸発するにつれ、このシリカによってパッドは硬くなる。シリカとパッドの水素結合は、パッド中でのスラリの運動の平均自由行程を遮り、ウェーハとパッドの間の活性接触面積を減らし、そのため、ウェーハの除去速度、および研磨されたウェーハの表面の均一性が低下する。図２には、図３Ｂおよび３Ｃに示した化学反応において生じる平衡状態を考慮して、除去速度が時間とともに低下するようすが示されている。平衡に達するとパッドの被毒は止まる。
【００５３】
図４Ａ、４Ｂおよび４Ｃは、パッドのコンディショニングを示す単純化されたモデルである。図４Ａに示すように、活性なパッド部位２の高さ（または深さ）１はパッド３の寿命に対応すると考えられる。高さ１が低下するにつれて、期待できるパッド３の残りの寿命も短くなる。図４Ｂのパッド３の被毒領域４は平衡に達しており、化学的には図２Ｂおよび２Ｃによって表される。被毒領域４は一般に、パッドのコンディショニングによって図４Ｃに示すように物理的に除去され、その結果、新しい活性部位２が再び露出する。図４Ａ、４Ｂおよび４Ｃに示すプロセスは、パッドのライフサイクル全体にわたって、使用可能な活性部位がなくなるまで繰り返される。
【００５４】
研磨パッドの平坦化およびコンディショニング中の上述の化学的および機械的プロセスは、平坦化プロセスを最適化するためのモデルを提供する。このモデルを使用し、ウェーハの研磨中にコンディショニングパラメータを調整することによって、ウェーハ材料除去速度を犠牲にすることなく、パッドの寿命を延ばすことができる。具体的には、研磨操作中に、コンディショニングディスクのダウンフォース（Ｆ）およびコンディショニングディスクの回転（または角）速度（ｒｐｍ）、ならびに任意選択の他のコンディショニングパラメータ、たとえば、コンディショニング頻度、ディスク並進速度およびコンディショニング継続時間を、パッドのコンディショニングの動作パラメータを予測し次いでこれらを最適化するフィードバックおよびフィードフォワードループで調整する。
【００５５】
本発明の少なくともいくつかの実施形態によれば、ウェーハ研磨プロセスの知識に基づいて初期モデルを開発し、これを、本発明の少なくともいくつかの実施形態において、流れ図（図５）に示すように使用する。所与のウェーハ研磨処方に対する、たとえばウェーハおよび研磨パッドパラメータが一定である初期モデルに基づいて、所与のコンディショニングパラメータセットの予め選択された最小値と最大値の間に含まれるウェーハ材料除去速度を提供する初期処理条件を識別する。以下、この最小値と最大値の間の範囲をウェーハ材料除去速度の「許容可能」範囲と呼ぶ。これらの条件は、パッドのオーバーコンディショニングが起こらないように選択される。段階５００では、初期パッドコンディショニングパラメータを使用してウェーハを、所与のウェーハ研磨処方に従って研磨する。段階５１０で、研磨したウェーハの厚さを測定し、ウェーハ材料除去速度を計算する。この情報は後に、フィードバックループで、ウェーハ材料除去速度を許容範囲内に維持するのに使用される。この実際の除去速度を（パッド摩耗モデルから導かれた）予測除去速度と比較する。偏差、すなわち予測誤差を使用して、段階５２０で、このモデルで識別された研磨パッドの研磨能力の低下を補償し、かつ／またはモデル化されていない任意の効果を補正する本発明のモデルに従って、パッドコンディショニングパラメータを計算する。更新されたコンディショニングパラメータに従って、段階５３０で、研磨パッドをコンディショニングする。段階５４０で研磨を繰り返し、その研磨結果を使用し、段階５１０〜５３０を繰り返すことによって研磨条件をさらに更新する。
【００５６】
ウェーハ材料除去速度およびコンディショニングパラメータを、予め選択した最小〜最大範囲内に維持することによって、パッドのオーバーコンディショニングが防止される。すなわち、コンディショニングパラメータは、研磨パッドの有効性を回復させるのには十分だが、パッドを必要以上に傷つけない。動作時には、最小許容除去速度に近いウェーハ材料除去速度が得られるパッドコンディショニングパラメータを選択することが望ましい場合がある。最小許容限度に近いコンディショニング力はあまり攻撃的でなく、したがってこれによって研磨パッドのオーバーコンディショニングが回避される確率が高まるからである。しかし、パッド状態の突然の劣化によって、ウェーハ材料除去速度が最小許容率よりも低くなる可能性があるので、最小材料除去速度に近づけ過ぎた条件で操作することについては用心深く（または少なくとも認識して）いなければならない。
【００５７】
以前に指摘したとおり、従来技術のＣＭＰプロセスでは、コンディショニングダウンフォース（すなわちコンディショニングディスクがパッドに加える圧力）または回転速度を表面に亘って一様に、たとえばコンディショニング事象ごとに変化させることはせず、１回のコンディショニング事象は、たとえば研磨パッド全体のコンディショニング、または研磨の間にウェーハと接触している研磨パッドの一部のコンディショニングとなる。「万能サイズ」手法をパッドコンディショニングパラメータに適用することによって、従来のプロセスは過剰に補償し、それによってパッド材料を必要以上に除去し、パッドの摩耗を加速させる。したがって本発明は、はるかに最適なコンディショニングパラメータを提供する。
【００５８】
パッドコンディショニングの最適化は、特定の研磨系に関して実施される。すなわち、パッド寿命を向上させる条件は、研磨するウェーハのタイプ、研磨に使用するスラリおよび研磨パッドの組成に対して固有である。ウェーハ／スラリ／研磨パッド系を識別した後に、本明細書で論じる開発されたモデルを使用して、この系の特性を把握する。例示的な研磨パッドパラメータおよびウェーハパラメータには、研磨パッドのサイズ、研磨パッドの組成、スラリの組成、ウェーハの組成、研磨パッドの回転速度、研磨パッドの圧力、ならびにウェーハの回転および並進速度が含まれる。
【００５９】
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、それぞれのスラリ／研磨パッドウェーハの組合せ（すなわち、所与のタイプのウェーハを用いた製造に使用することができる異なるそれぞれのタイプ／ブランドのスラリ、およびそれぞれのタイプ／ブランドのパッド）に対して、別個のモデル（または複合モデルの少なくとも補助モデル）が生成されると想像される。
【００６０】
図６に、本発明の少なくともいくつかの実施形態においてパッド摩耗／コンディショニングモデルの開発に使用される諸段階の流れ図を示す。本発明の少なくともいくつかの実施形態によって企図されるモデル開発の最初の段階６００では、選択した研磨系のウェーハ材料除去速度と最初のコンディショニングパラメータｘ1、たとえばコンディショニングディスクのダウンフォース（Ｆdisk）との間の関係を求める。この関係は、研磨力、研磨継続時間などのウェーハパラメータを一定にし、コンディショニングダウンフォースをさまざまに変えて、ウェーハ材料除去速度を測定することによって決定される。したがって、指定された条件の下で、たとえば、指定された時間の間、指定された研磨パッド速度およびウェーハ速度でウェーハを研磨して、材料の除去速度を決定することができる。パッドのコンディショニングとウェーハの研磨（「研磨事象」）は同時に、すなわち図１０に示すものなどの装置を使用して実施し、またはウェーハの研磨の後にパッドのコンディショニングを実施することができる。コンディショニングダウンフォースを、他のすべてのパラメータを一定にして、ウェーハごとに（または厚さの測定ごとに）段階的に増大させ、ウェーハ除去速度を再度、決定する。ウェーハ材料除去速度に対するコンディショニングディスクダウンフォースの効果を示す図７に示すような曲線を、所与の研磨系に対して生成する（他のパラメータはすべて一定にする）。
【００６１】
図７を参照すると、曲線の最初の部分７００では、その傾きが、ダウンフォースの変化に対して直線的な応答を示す。この傾きは角度θ1によって特徴づけられる。θ1の値は、コンディショニングダウンフォースに対する研磨プロセスの応答を記述する。θ1の値が大きいほど、曲線の傾きも大きく、平坦化プロセスは、コンディショニングダウンフォースに対してより敏感に応答する。曲線の第２の領域７２０では、曲線が水平になり、コンディショニングダウンフォースの増大に実質的に応答しなくなる。これを飽和点と呼ぶ。飽和の始まりは角度θ2によって記述される。θ2の値が大きいほど、飽和（被毒）の始まりはゆるやかである。
【００６２】
図６の段階６１０では、モデル変数の最小値および最大値を決定する。飽和点は、他のすべての研磨パラメータを一定にした場合のこの研磨系の最大（または実質的な最大）除去速度を識別する。追加の圧力はパッドをオーバーコンディショニングし、研磨速度を実質的に向上させないので、飽和点は同様に、最大コンディショニングダウンフォースを識別する。最低限のウェーハ処理能力が必要なので、最小材料除去速度は、生産目標によって決定される。したがって、最小コンディショニングダウンフォースも処理能力に基づいて定義される。コンディショニングダウンフォースの最小値および最大値を定義した後、この範囲を、コンディショニングダウンフォースの許容される作用範囲を包含するｎ個のステップ、たとえば等間隔のｎ個のステップに分割する。ｎの値は、ステップ、たとえば値ｘから値ｘ＋１までのステップが、フィードバック制御アルゴリズムにおいてモデルパラメータを更新する際に使用するときに意味をなすように選択する。
【００６３】
本発明の少なくともいくつかの実施形態によって企図される段階６２０では、同じ研磨系のウェーハ材料除去速度と第２のコンディショニングパラメータｘ2、たとえばコンディショニングディスクの回転速度との間の関係を、コンディショニングダウンフォースに対して先に説明した方法で決定する。図８を参照すると、ウェーハ材料除去速度に対するパッド回転速度の効果を示す曲線を生成することができる（他のすべてのパラメータは一定にする）。この場合も、適用する回転速度を段階的に増大させ、それぞれの研磨事象に対してウェーハ材料除去速度を測定する。領域８００は、パッドの回転速度の変化に対して直線的な応答を示す。この領域は角度θ3によって特徴づけられる。領域８２０では、曲線が水平になり、回転速度の増大に対して実質的に応答しなくなる。これを飽和点と呼び、角度θ4によって記述される。図６の段階６３０で、最大ウェーハ材料除去速度および最大回転速度を、他のすべての研磨パラメータを一定に維持したこの研磨系の飽和点によって定義する。最小回転速度は、生産面から確立された最小ウェーハ材料除去速度によって決定される。これはたとえば処理能力に基づく。コンディショニングダウンフォースの場合と同様に、ディスク回転速度の許容範囲も、フィードバック制御アルゴリズムにおいてモデルパラメータを更新する際に使用するいくつかのステップ、たとえば値の等しいいくつかのステップに分割することができる。
【００６４】
これらのモデルは、最大および最小ウェーハ材料除去速度、最大および最小パッドダウンフォース、ならびに最大および最小パッド回転速度を提供する。加えて、定数θ1〜θ4の値を決定する。上記の実験計画では、パラメータの絶対値の増大とともにウェーハ除去速度が増大するコンディショニングパラメータを示したが、最小のパラメータ値が最大のウェーハ除去速度を生み出す反対の関係が存在しうることも理解される。その場合、これらのモデルはそれに応じて調整することができる。最大および最小条件は、当技術分野で周知の研磨パッド、ウェーハおよび研磨スラリの任意の組合せについて決定することができる。段階６４０および６５０によって指示されているように、ｘIまでの追加のパッドコンディショニングパラメータをモデルに含めることができ、それらの最小および最大値を決定することができる。
【００６５】
このモデルは、その系を反映した生データとして表現し、または系の変数間の関係を記述した式、たとえば多入力−多出力の線形二次および非線形式によって表現することができる。段階６６０で、フィードバックおよびフィードフォワード制御アルゴリズムを、上記のモデルに基づき、さまざまな方法を使用して構築することができる。これらのアルゴリズムを使用し、帰納的（ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ）パラメータ推定などのさまざまな方法を使用してパラメータを最適化することができる。帰納的パラメータ推定は、入出力データを受け取るのと同時にオンラインでモデル化することが望ましい状況などで使用される。帰納的パラメータ推定は、適応制御、適応予測など、オンラインでの判断によく適している。これらのアルゴリズムおよび識別の理論についての詳細は、非特許文献１を参照されたい。
【００６６】
研磨パッドの摩耗および再コンディショニングは下式１によってモデル化することができる。
【００６７】
PadLife = f (Fdisk, ωdisk, tconditioning, f, T2)                    (1)
【００６８】
上式で、Ｆdiskは、コンディショニング中にコンディショニングディスクが研磨パッドに加えるダウンフォース、ωdiskは、研磨パッドのコンディショニング中のコンディショニングディスクの角速度（回転速度、たとえばｒｐｍ）、ｔはコンディショニング時間、ｆはコンディショニング頻度、Ｔ2は、図１０のＣＭＰ装置例（これについては後に詳細に説明する）に示すコンディショニングホルダの掃引速度である。パッドは別個の段階で、または図１０に示すようにウェーハを研磨している間に、コンディショニングすることができる。頻度は、コンディショニング事象とコンディショニング事象の間の間隔、たとえば研磨したウェーハの枚数として測定される。たとえば、頻度１は、ウェーハ１枚ごとにパッドをコンディショニングすることを意味し、頻度３は、ウェーハ３枚ごとにパッドをコンディショニングすることを意味する。掃引速度とは、研磨パッドの表面を横切ってコンディショニングディスクが移動する速度である。この移動は、図１０の矢印Ｔ2によって指示されている。初期の調査の目的上、本発明の少なくともいくつかの実施形態では、ｔ（時間）、Ｔ2（掃引速度）およびｆ（頻度）が一定に維持されるとする。
【００６９】
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、ウェーハ材料除去速度が式２に基づいてモデル化される。
【００７０】
【数１２】
2005518285.tif 000014
【００７１】
上式で、Ｆdisk、ωdisk、ｆ、ｔconditioning、Ｔ2、θ1、θ2、θ3、θ4は先に定義したとおりである。目的関数は、コンディショニングディスクのダウンフォースおよびディスクのｒｐｍを制御し、任意選択でコンディショニングの頻度および継続時間、パッド表面を横切るコンディショニングディスクの並進速度Ｔ2などの他の因子を制御することによって、除去速度を、最小および最大許容速度（「許容速度」）の範囲内に維持することである。
【００７２】
次いで、このモデルのＣＭＰパラメータ（変数）および定数をコンピュータにプログラムすることができる。これによってこのコンピュータは、ウェーハ材料除去速度およびパッド寿命を向上させる図９に示すプロセスの間、これらのパラメータを絶えず監視し、適切に変化させることができる。ベーススタディ９０１からのパラメータを、ウェーハ研磨プロセスを実行するコンピュータまたは他のコントローラ９０２、およびプロセスパラメータを監視し変更するエスティメータ９０３に入力する。実際の出力（すなわち測定された除去速度）９０４を監視し、これを、エスティメータ９０３が計算した予測出力（すなわちターゲット除去速度）９０５と比較する。実際の出力９０４と予測出力９０５の間の差９０６を求め、エスティメータ９０３に報告する９０７。エスティメータ９０３は次いで、プロセス９０２に対する更新されたパラメータ９０８を適切に生成する。フィードバック制御用のモデルパラメータの更新は式３に基づく。
【００７３】
k = (k1) + g × (k - (k1))                                      (3)
【００７４】
上式で、ｋは現在のパラメータ、ｋ1は以前のパラメータ推定値、ｇは推定値ゲイン（ｅｓｔｉｍａｔｅ  ｇａｉｎ）、（ｋ−（ｋ1））は予測誤差である。推定値ゲインは、ユーザが選択する定数であり、機械の誤差または変動性の尺度である。ゲイン係数は経験的に、または統計的手法を使用して決定することができる。
【００７５】
たとえば、関心の研磨系について一連の曲線を先に説明したように生成して、ウェーハ材料除去速度とコンディショニングダウンフォースおよびコンディショニングディスク回転速度との間の関係を決定することができる。曲線は、標準研磨手順を使用し、調査中のパラメータを除くすべての研磨パッドおよびウェーハ条件を一定に維持して生成する。一定に維持される例示的な研磨パッドおよびウェーハパラメータには、研磨パッドのサイズ、研磨パッドの組成、ウェーハの組成、研磨時間、研磨力、研磨パッドの回転速度、およびウェーハの回転速度が含まれる。調査中のパラメータには、少なくともコンディショニングダウンフォースおよびコンディショニングディスクの角速度が含まれる。以下の解析において詳細に示すように、このモデルに追加のパラメータを組み込むことができる。図７および８のように生成された曲線ならびに図６に示すようなモデル開発を使用して、θ1〜θ4の値、ウェーハ材料除去速度の最小および最大値、条件付きのダウンフォース、ならびにコンディショニングディスク回転速度を決定する。ウェーハ平坦化をモデル化するアルゴリズムを定義し、関心の研磨系に対する最初のパッドコンディショニングパラメータセットを、経験的に、または履歴データを使用して、あるいはこのモデルから決定することができる。
【００７６】
パッド摩耗／パッド回復プロセスをモデル化したアルゴリズムをエスティメータに入力し、予測されるウェーハ材料除去速度をこのモデルに基づいて計算する。実際の結果をこの予測結果と比較し、予測誤差をエスティメータに戻して、モデルをより精巧にする。次いで新しいコンディショニングパラメータを決定する。本明細書に記載したモデルを基にすれば、これらのパラメータは、パッド表面を再活性化させるだけのものにしかならず、オーバーコンディショニングは生じない。したがって、モデルの基準を満たすコンディショニングパラメータの最も小さな増分が、更新されたコンディショニングパラメータに対して選択される。更新されたこのモデルを後に評価して、このモデルがどれくらい適合しているかを判定し、必要ならば、プロセスが最適化されるまでさらに変更することができる。
【００７７】
本発明の少なくともいくつかの実施形態では、コンディショニングパラメータが、たとえば図７および８に示した段階的曲線によって定義される離散的な増分またはステップで更新される。ステップが十分に小さくなり、コンディショニングパラメータに対する調整が小さな調整だけで済むように、適当な数の曲線が生成される。
【００７８】
さらに、本発明の少なくともいくつかの実施形態では、更新されたコンディショニングパラメータを、曲線間にある適当なパラメータへの内挿によって、決定することができる。より少ない数の曲線が最初に生成され、実験結果がパラメータの細かい分解能を提供しない事例では、適当な内挿を実施することができる。
【００７９】
予測された除去速度からの偏差は、１つには、このモデルが、プロセスに寄与しているすべての因子を説明することができないことを反映したものであるが（これは、フィードバックプロセスの反復で改善することができる）、時間の経過に伴う予測ウェーハ材料除去速度からの偏差は、ＣＭＰパッド研磨の劣化を表している。パッドコンディショニングプロセスを識別し、研磨性能の時間変化を考慮するように変更することによって、コンディショニングパッドのオーバーコンディショニングを、たとえば系の飽和点よりも低い値で動作させることによって生じさせることなく、最適なウェーハ材料除去速度が維持される。
【００８０】
この方法の追加の特徴は、ゲイン係数を使用して予測誤差を、式３に示すように限定することである。したがってこの方法は、予測値からの偏差をこのモデルが１００％補正する必要はないことを示唆している。ゲイン係数を使用して、測定パラメータまたは計算パラメータの不確かさを反映し、あるいはあまりに急激にまたはあまりに大幅に変化するパラメータの効果を「減衰」させることができる。たとえばこのモデルが、予測誤差を過剰補償し、それによってこの過剰補償に反応する別の調整が必要となる可能性がある。これによって、変化の大きい最適化プロセスとなり、最適化された条件が実現されるまでに何回かの繰り返しが必要となる。フィードバック制御のためのパラメータの更新にゲイン係数を使用することによって、モデルが予測誤差に反応する程度が限定される。
【００８１】
基本的な系を理解し最適化したら、他のコンディショニング動作パラメータを経験的に変更し、パッドコンディショニングおよびウェーハ研磨に対するそれらの影響にアクセスすることができる。初期の検討では定数値にセットしたパラメータを増大（または低減）させることができる。この系を監視して、この変化が系に対して有する効果を決定する。パッド摩耗およびコンディショニングに関連する他の因子をこの方法で評価できることは容易に明らかである。たとえば、初期の検討では１にセットしたコンディショニング頻度を、２（ウェーハ２枚ごと）、３（ウェーハ３枚ごと）などに増大させることができる。この系を監視して劣化の開始を決定し、この点の直前にプロセスを停止させることができる。コンディショニング事象間の間隔が大きいほど、パッド寿命は長くなる。研磨の質を落とすことなくこの間隔を最大にすることが、本発明の方法の特徴として企図される。
【００８２】
パッド摩耗およびコンディショニングに関連する他の因子をこの方法で、経験的にまたは数学的なモデル化によって評価できることは容易に明らかである。たとえば、コンディショニング時間（パッド上にディスクがとどまる時間）、コンディショニングディスクの並進速度などをこのようにして調べることができる。
【００８３】
図１０に示したものなどの装置１０００を使用して、本発明の少なくともいくつかの実施形態を実施できると想像される。この装置は、キャリヤアセンブリ１０２０と、キャリヤアセンブリに取り付けられたコンディショニングディスク１０３０と、キャリヤアセンブリに動作可能に結合されて、コンディショニングディスクのダウンフォース（Ｆ）および回転速度（ω）を制御するコントローラ１０４０とを含む、コンディショニングシステム１０１０を有する。キャリヤアセンブリは、コンディショニングディスク１０３０が取り付けられたアーム１０５０と、平坦化面と接触した状態、および平坦化面から離れた状態でコンディショニングディスクを移動させる手段１０６０ａ〜ｄとを有することができる。たとえば、コントローラ１０４０を、これらの移動手段（１０６０ａ、１０６０ｂ、１０６０ｃ、１０６０ｄ）に動作可能に結合して、コンディショニングディスクを担持したアームの高さおよび位置を調整することができる。ウェーハの位置および移動を制御する同様の制御機構も配置することができる。動作時、コントローラは、ウェーハ材料除去速度の変化に応答して、コンディショニングディスクの動作パラメータ、たとえばダウンフォースおよび回転速度を調整する。このコントローラを、計算されたコンディショニング処方に従ってコンディショニングを自動的に提供するようコンピュータ制御することができる。したがってこの装置は、ウェーハ１０９０の平坦化プロセスを犠牲にすることなくパッド寿命を延ばすために、パッド１０８０の動作寿命全体にわたってパッドコンディショニングパラメータを選択的に変更する手段を提供する。本発明の少なくともいくつかの実施形態では、たとえば他の構成要素が装置の高さ、位置および／または回転を調整する他のタイプの装置も企図される。
【００８４】
フィードフォワードおよびフィードバックループを実装するために利用される追加の装置は、ウェーハ材料除去速度を計算するのに必要な厚さデータを提供する膜厚測定ツールを含む。このツールは、インラインのｉｎ  ｓｉｔｕ測定ができるように研磨装置上に配置し、または研磨装置から離れた位置に配置することができる。このツールは、光学、電気、音響または機械的測定方法を使用することができる。適当な厚さ測定装置は、Ｎａｎｏｍｅｔｒｉｃｓ社（米カリフォルニア州Ｍｉｌｐｉｔａｓ）、またはＮｏｖａ  Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社（米アリゾナ州Ｐｈｏｅｎｉｘ）から入手可能である。コンピュータを利用して、測定された膜厚および計算された除去速度に基づいて、本発明に従って提供されたモデルおよびアルゴリズムを使用して、最適なパッドコンディショニング処方を計算することができる。適当な一体型コントローラ／研磨装置（Ｍｉｒｒａ  ｗｉｔｈ  ｉＡＰＣまたはＭｉｒｒａ  Ｍｅｓａ  ｗｉｔｈ  ｉＡＰＣ）が、米カリフォルニア州の本願特許出願人から入手可能である。
【００８５】
本明細書で論じた概念を使用して研磨することができる例示的な半導体のウェーハには、シリコン、タングステン、アルミニウム、銅、ＢＰＳＧ、ＵＳＧ、熱酸化物、シリコン関連フィルムおよび低ｋ誘電体、ならびにこれらの混合物から作られたウェーハが含まれる。ただしこれらに限定されるわけではない。
【００８６】
本発明は、従来のさまざまなタイプのＣＭＰ研磨パッドを使用して実施することができる。当技術分野には、ウレタンまたは他のポリマーでできた多数の研磨パッドがある。しかし、再コンディショニングできるパッドは、本発明を使用して評価し、最適化することができる。例示的な研磨パッドには、Ｅｐｉｃ（商標）研磨パッド（Ｃａｂｏｔ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社、米イリノイ州Ａｕｒｏｒａ）、Ｒｏｄｅｌ（登録商標）ＩＣ１０００、ＩＣ１０１０、ＩＣ１４００研磨パッド（Ｒｏｄｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社、米デラウェア州Ｎｅｗａｒｋ）、ＯＸＰシリーズ研磨パッド（Ｓｙｃａｍｏｒｅ  Ｐａｄ社）、Ｔｈｏｍａｓ  Ｗｅｓｔパッド７１１、８１３、８１５、８１５−Ｕｌｔｒａ、８１７、８２６、８２８、８２８−Ｅ１（Ｔｈｏｍａｓ  Ｗｅｓｔ社）が含まれる。
【００８７】
さらに、本発明の方法では、さまざまなタイプの任意のスラリを使用することができる。当技術分野には、一般に半導体ウェーハ中の特定のタイプの金属を研磨するために作られた多数のＣＭＰ研磨スラリがある。例示的なスラリには、Ｓｅｍｉ−Ｓｐｅｒｓｅ（登録商標）（Ｓｅｍｉ−Ｓｐｅｒｓｅ（登録商標）１２、Ｓｅｍｉ−Ｓｐｅｒｓｅ（登録商標）２５、Ｓｅｍｉ−Ｓｐｅｒｓｅ（登録商標）Ｄ７０００、Ｓｅｍｉ−Ｓｐｅｒｓｅ（登録商標）Ｄ７１００、Ｓｅｍｉ−Ｓｐｅｒｓｅ（登録商標）Ｄ７３００、Ｓｅｍｉ−Ｓｐｅｒｓｅ（登録商標）Ｐ１０００、Ｓｅｍｉ−Ｓｐｅｒｓｅ（登録商標）Ｗ２０００およびＳｅｍｉ−Ｓｐｅｒｓｅ（登録商標）Ｗ２５８５として入手できる）（Ｃａｂｏｔ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社、米イリノイ州Ａｕｒｏｒａ）、Ｒｏｄｅｌ  ＩＬＤ１３００、Ｋｌｅｂｅｓｏｌシリーズ、Ｅｌｅｘｓｏｌ、ＭＳＷ１５００、ＭＳＷ２０００シリーズ、ＣＵＳシリーズおよびＰＴＳ（Ｒｏｄｅｌ社）が含まれる。
【００８８】
ウェーハ材料除去速度データからコンディショニング処方を計算するためのアルゴリズムの一例は、下式のように定義することができる。
【００８９】
【数１３】
2005518285.tif 000015
【００９０】
上式で、
【００９１】
【数１４】
2005518285.tif 000016
【００９２】
は、コンディショニングパラメータｘiに対するウェーハ材料除去速度、ρiは、
【００９３】
【数１５】
2005518285.tif 000017
【００９４】
とｘiの間の関係を定義する曲線の傾き、Ｉiはその切片である。ｘ1＝Ｆdisk、ｘ2＝ωdisk、ｘ3＝ｆ、ｘ4＝ｔconditioning、ｘ5＝Ｔ2とすると、このモデルから以下の関係を確立することができる。
【００９５】
【数１６】
2005518285.tif 000018
【００９６】
上式で、
【００９７】
【数１７】
2005518285.tif 000019
【００９８】
は予測される除去速度、ρはそれぞれの式の傾き、Ｉはそれぞれの式の切片である。ＮおよびＮ+は、特定のパッドコンディショニングパラメータに対する上方および下方境界条件を表す。本発明のモデルは、これらのパッドコンディショニングパラメータのすべてまたはサブセットを含むことができる。
【００９９】
ウェーハ材料除去速度に寄与するそれぞれのパッドコンディショニング因子を組み合わせて、単一の式にすることができる。この式は、ウェーハ材料除去速度に対するそれぞれの因子の重み付けされた寄与を定義する。ウェーハ材料除去速度は式１０によって定義することができる。
【０１００】
【数１８】
2005518285.tif 000020
【０１０１】
上式で、Ｗは重み付け係数であり、ＷT＝Ｗ1＋Ｗ2＋Ｗ3＋Ｗ4＋Ｗ5である。重み付け係数は、式１０の
【０１０２】
【数１９】
2005518285.tif 000021
【０１０３】
を満足させるｘiに関連した任意のペナルティ、たとえば材料欠陥、付着の不均一性などを最小化することによって決定される。このペナルティ関数は経験的に、または履歴データを使用して決定することができる。
【０１０４】
ウェーハ材料除去速度の予測誤差
【０１０５】
【数２０】
2005518285.tif 000022
【０１０６】
は、予測除去速度
【０１０７】
【数２１】
2005518285.tif 000023
【０１０８】
と測定除去速度ｙの差であり、式１１のように示される。
【０１０９】
【数２２】
2005518285.tif 000024
【０１１０】
予測誤差を使用して、更新されたウェーハ材料除去速度
【０１１１】
【数２３】
2005518285.tif 000025
【０１１２】
を生成する。フィードバック式１２に基づくこの新しい予測値は次のようになる。
【０１１３】
【数２４】
2005518285.tif 000026
【０１１４】
最適化されたパラメータｘi+は式１３によって決定される。
【０１１５】
【数２５】
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【０１１６】
上式で、
【０１１７】
【数２６】
2005518285.tif 000028
【０１１８】
はターゲットウェーハ材料除去速度である。
【０１１９】
最適化されたこれらのパラメータを使用して、新しいＣＭＰ研磨処方を更新する。この処方は、後続の研磨段階で使用するためにツールに送られる。したがって、このモデルは、より多くのデータを受け取ったときに、プロセスの外部制御なしでプロセスを改善するように適合することができる。
【０１２０】
コンピュータまたは他のコントローラ９０２を含むコンピュータによって制御することができる本発明のさまざまな態様は、図１１に示すものを含む任意の制御／コンピュータエンティティとすることができ（、かつ／または任意の制御／コンピュータエンティティによって制御することができ）る。図１１を参照する。バス１１５６は、システム１１１１の他の構成要素を相互接続する主情報ハイウェイの働きをする。ＣＰＵ１１５８は、このシステムの中央処理装置であり、本発明の実施形態のプロセスおよび他のプログラムを実行するのに必要な計算および論理演算を実行する。リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）１１６０およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１１６２はシステムの主記憶装置を構成する。ディスクコントローラ１１６４は、１つまたは複数のディスクドライブをシステムバス１１５６にインタフェースする。これらのディスクドライブはたとえば、フロッピー（登録商標）ディスクドライブ１１７０、ＣＤ  ＲＯＭまたはＤＶＤ（ディジタルビデオディスク）ドライブ１１６６、あるいは内部または外部ハードドライブ１１６８である。これらのさまざまなディスクドライブおよびディスクコントローラは任意選択の装置である。
【０１２１】
ディスプレイインタフェース１１７２はディスプレイ１１４８をインタフェースし、バス１１５６からの情報をディスプレイ１１４８に表示することを可能にする。ディスプレイ１１４８は、グラフィカルユーザインタフェースの表示に使用することができる。先に説明したシステムの他の構成要素などの外部装置との通信は、たとえば通信ポート１１７４を利用して実施することができる。光ファイバ、電気ケーブル、導線、光通信（たとえば赤外線通信など）、および／または無線通信（たとえば無線周波（ＲＦ）通信など）を、外部装置と通信ポート１１７４との間のトランスポート媒体として使用することができる。周辺インタフェース１１５４は、キーボード１１５０およびマウス１１５２をインタフェースし、入力データをバス１１５６に送信することを可能にする。これらの構成要素に加えて、任意選択でシステム１１１１はさらに赤外線送信器および／または赤外線受信器を含む。赤外線送信器は、赤外線信号送信を介してデータを送／受信する１つまたは複数の処理構成要素／ステーションとともにこのコンピュータシステムを使用するときに任意選択で利用される。赤外線送信器または赤外線受信器を利用する代わりに、コンピュータシステムは任意選択で、低パワー無線送信器１１８０および／または低パワー無線受信器１１８２を使用することもできる。低パワー無線送信器は、製造プロセスの諸構成要素が受け取る信号を送信し、これらの構成要素からの信号を低パワー無線受信器を介して受け取る。低パワー無線送信器および／または受信器は業界標準の装置である。
【０１２２】
図１１には、単一のプロセッサ、単一のハードディスクドライブおよび単一のローカルメモリを有するシステム１１１１を示したが、任意選択でシステム１１１１は、多数のプロセッサまたは記憶装置、あるいは任意のプロセッサまたは記憶装置の組合せを適当に備える。たとえば、システム１１１１の代わりに、またはシステム１１１１と組み合わせて、本発明の実施形態の原理に従って動作する他の適当な処理システムを使用することができる。これには、高性能計算器、ハンドヘルド、ラップトップ／ノート、ミニ、メインフレームおよびスーパーコンピュータ、ならびにこれらを組み合わせた処理システム網が含まれる。
【０１２３】
図１２は、コンピュータ可読コードないしコンピュータ可読命令の記憶に利用することができる例示的なコンピュータ可読記憶媒体１２８４を示す図である。一例として媒体１２８４は、図１１に示したディスクドライブとともに使用することができる。一般に、フロッピー（登録商標）ディスク、ＣＤ  ＲＯＭ、ディジタルビデオディスクなどの記憶媒体は、コンピュータが本明細書に記載の機能を実行できるように、たとえば、１バイト言語のためのマルチバイトロケール、および上記システムを制御するためのプログラム情報を含む。あるいは、図１１に示したＲＯＭ１１６０および／またはＲＡＭ１１６２を使用して、瞬時プロセスに関連した演算を実行するよう中央処理装置１１５８に命令するのに使用するプログラム情報を記憶することもできる。情報を記憶する他の適当なコンピュータ可読媒体の例には、磁気、電子または光（ホログラフィを含む）記憶装置、これらの組合せなどが含まれる。さらに、本発明の少なくともいくつかの実施形態は、媒体が送信（たとえばディジタル信号または伝搬信号）の形態をとることを企図する。
【０１２４】
一般に、本発明の実施形態のさまざまな構成要素は、ハードウェア、ソフトウェアまたはこれらの組合せとして実装できることを強調しておく。このような実施形態では、本発明の機能を実行するために、さまざまな構成要素および段階がハードウェアおよび／またはソフトウェアとして実装される。本発明のこのような実施形態では、現在使用可能な、または将来に開発される任意のコンピュータソフトウェア言語および／またはハードウェア構成要素を使用することができる。たとえば、これまでに述べた少なくともいくつかの機能は、Ｃ、Ｃ＋＋、または使用中のプロセッサからみて適当な任意のアセンブラ言語を使用して、実装することができる。これはさらに、Ｊａｖａ（登録商標）などの解釈環境に書き込み、さまざまなユーザの複数の宛て先へ送ることができる。
【０１２５】
本発明の教示が組み込まれたさまざまな実施形態を示し詳細に説明したが、当業者なら、これらの教示を組み込んだ他の多くの変形実施形態を考案することができよう。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１Ａ】従来のＣＭＰ機の上面図である。
【図１Ｂ】線Ａ−−Ａで切った図１Ａの従来技術のＣＭＰ機の側断面図である。
【図２】図３Ｂと図３Ｃの間に起こるウェーハ材料除去速度の指数関数的減衰および除去速度の平衡状態を示す図である。
【図３Ａ】研磨パッドと研磨スラリの間に起こる化学反応を示す図であって、ポリウレタン研磨パッドの化学構造およびＮＣＯ基間に形成されるイオン結合を示す図である。
【図３Ｂ】研磨パッドと研磨スラリの間に起こる化学反応を示す図であって、ポリウレタン組成物中のＮＣＯ基間のイオン結合を断ち切ることによって、水が、ポリウレタン研磨パッドとイオン結合を形成する方法を示す図である。
【図３Ｃ】研磨パッドと研磨スラリの間に起こる化学反応を示す図であって、シリコンスラリが、水およびポリウレタン研磨パッドと水素結合を形成する方法を示す図である。
【図４Ａ】新しい研磨パッドの断面図である。
【図４Ｂ】古い研磨パッドの断面図である。
【図４Ｃ】継続して使用するために古い研磨パッドを磨き直す方法を示す、研磨パッドの断面図である。
【図５】ＣＭＰプロセスの最適化で使用するフィードバックループの流れ図である。
【図６】データ収集およびパッド摩耗／コンディショニングモデルの生成を示す流れ図である。
【図７】コンディショニングディスクから研磨パッドに掛かる圧力に対するウェーハ材料除去速度を全体的に示すグラフである。
【図８】コンディショニングディスクから研磨パッドに掛かる回転速度に対するウェーハ材料除去速度を全体的に示すグラフである。
【図９】次のウェーハ除去のために図７および８に基づいて除去速度を予測し調整するためのモデルを示す図である。
【図１０】本発明の少なくともいくつかの実施形態の方法で使用されるＣＭＰ機の側断面図である。
【図１１】本発明の少なくともいくつかの実施形態で使用されるツール表現およびアクセス制御を含むコンピュータシステムのブロック図である。
【図１２】本発明の少なくともいくつかの実施形態に基づくソフトウェアのさまざまな部分を記憶することができるフロッピー（登録商標）ディスクを示す図である。
【図１Ａ】
2005518285.tif 000045
【図１Ｂ】
2005518285.tif 000046
【図２】
2005518285.tif 000047
【図３Ａ】
2005518285.tif 000048
【図３Ｂ】
2005518285.tif 000049
【図３Ｃ】
2005518285.tif 000050
【図４Ａ】
2005518285.tif 000051
【図４Ｂ】
2005518285.tif 000052
【図４Ｃ】
2005518285.tif 000053
【図５】
2005518285.tif 000054
【図６】
2005518285.tif 000055
【図７】
2005518285.tif 000056
【図８】
2005518285.tif 000057
【図９】
2005518285.tif 000058
【図１０】
2005518285.tif 000059
【図１１】
2005518285.tif 000060
【図１２】
2005518285.tif 000061
【国際調査報告】
2005518285.tif 000062
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