(57)【要約】  研磨工程及びその他の物質除去工程をインサイチューに監視するための技法は、ウェハーキャリアに埋め込まれた水晶振動子ナノバランス（２２５）を採用する。ウェハーから除去された物質は水晶体の表面に沈積する。その結果の水晶体の周波数のシフトは除去された物質の量を示し、瞬間除去速度並びに工程終点を決定できるようにする。水晶結晶板ナノバランス（２２５）への沈積は、与えられるバイアスによって制御することができる。複数の水晶振動子ナノバランスを使用することができる。本発明のさらなる実施態様においては、研磨工程中にスクラッチなど欠陥原因事象を検出するために水晶振動子ナノバランスが使用される。
2008502493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨工程を監視するための方法であり、
（ａ）セル内の対象面に対して研磨工程を実行し、前記対象面から対象物質を除去するステップと、
（ｂ）前記研磨工程中、前記セル内の共鳴周波数を有する共鳴体の表面上に前記除去された対象物質の少なくとも一部を収集し、それによって前記共鳴体の前記共鳴周波数を変更するステップと、
（ｃ）監視プロセス中における前記共鳴周波数の値を決定するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記共鳴体の前記共鳴周波数の変化率が大幅に変化したことを判定し、前記対象物質が実質的に全て前記対象面から除去されたことを知らせるステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記共鳴体の前記表面上に前記除去された対象物質の少なくとも一部を収集する前記ステップがインサイチューに実行される請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記共鳴体が水晶振動子ナノバランスである請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記対象物質が金属であり、前記除去された物質が金属イオンの形をとる請求項４に記載の方法。
【請求項６】
第二の対象物質の除去を監視するために第二の共鳴体を設けるステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記水晶振動子ナノバランスが金メッキされ、かつ前記共鳴体の前記表面上に前記除去された対象物質の少なくとも一部を収集する前記ステップが基準電極に対して相対的にマイナス電圧を前記水晶振動子ナノバランスに与えるステップをさらに含む請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記共鳴体の前記表面上に前記除去された対象物質の少なくとも一部が収集される前記ステップが前記第二の共鳴体の表面上に前記除去された対象物質の少なくとも一部を収集するステップをさらに含む請求項６に記載の方法。
【請求項９】
化学機械的研磨工程の終点を検出するための方法を実行するためのコンピュータ実行可能な命令を有するコンピュータ可読媒体であり、前記方法が、
（ａ）前記化学機械的研磨工程中に、共鳴体の共鳴周波数を周期的にチェックしてその周波数の変化率を決定するステップであり、ここに前記化学機械的研磨工程において対象面から除去された物質が前記共鳴体の表面に沈積し、かつ前記共鳴体の前記共鳴周波数が前記共鳴体の前記表面に沈積する除去物質の量に関連するステップと、
（ｂ）前記共鳴体の周波数の変化率の変動を検出するステップと、
（ｃ）前記周波数の前記変化率の前記変動があらかじめ決められた閾値を上回る場合、前記化学機械的研磨工程の終点を知らせるステップと、
を含むコンピュータ可読媒体。
【請求項１０】
前記共鳴体が水晶振動子ナノバランスである請求項９に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項１１】
対象面から除去される物質が、銅、タンタル、タングステン、ニッケル及び鉄から成るグループから選択され、かつ前記除去される物質が除去された後にイオンの形をとる請求項１０に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項１２】
化学機械的研磨工程を実行するための装置であり、
（ａ）前記化学機械的研磨工程を実行するためのセルと、
（ｂ）前記セル内に取り付けられる対象面と、
（ｃ）前記セル内に取り付けられる共鳴水晶体であり、前記共鳴水晶体はその表面上に前記化学機械的研磨工程中に前記対象面から除去された物質の少なくとも一部を収集するように配置及び構成され、それによって前記共鳴水晶体の共鳴周波数が変化する、共鳴水晶体と、
（ｄ）前記共鳴水晶体の前記共鳴周波数の複数の周期的サンプルを含むデータを収集するため及び前記収集されたデータに基づき前記化学機械的研磨工程の終点を検出するためのモニタと、
を含む装置。
【請求項１３】
前記モニタがさらに終点出力信号を与えるのに適する請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記化学機械的研磨工程を制御するため及び前記終点出力信号に応答して前記化学機械的研磨工程を自動的に停止するための自動コントローラをさらに含む請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
研磨工程中に欠陥を検出するための方法であり、
（ａ）セル内の対象面に対して研磨工程を実行し、前記対象面から対象物質を除去するステップと、
（ｂ）共鳴周波数を有する共鳴体と前記対象面との間に音響接触をもたらすステップと、
（ｃ）前記研磨工程中に前記共鳴体の前記共鳴周波数を監視するステップと、
（ｄ）前記共鳴体の前記共鳴周波数の特徴に基づき欠陥事象が生じたことを判定するステップと、
を含む方法。
【請求項１６】
前記共鳴体が水晶振動子ナノバランスである請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記対象物質が金属性である請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記対象物質が非金属性である請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
研磨工程中のスクラッチを検出するための方法を実行するためのコンピュータ実行可能な命令を有するコンピュータ可読媒体であり、前記方法が、
（ａ）前記研磨工程中に、対象面に音響的に結合される共鳴体の共鳴周波数を周期的にチェックして前記周波数の変動性を決定するステップと、
（ｂ）前記共鳴体の前記周波数の実質的に増大する変動性を検出するステップと、
（ｃ）前記共鳴体の前記周波数の変動性の増大が予め決められた閾値を上回る場合、前記研磨工程中にスクラッチが生じたことを知らせるステップと、
を含むコンピュータ可読媒体。
【請求項２０】
前記共鳴体が水晶振動子ナノバランスである請求項１９に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項２１】
前記対象面から除去される物質が銅、タンタル、ニッケル、タングステン、鉄、層間誘導体及び浅溝誘導体から成るグループから選択される請求項２０に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項２２】
研磨工程を実行するための装置であり、
（ａ）前記研磨工程を実行するためのセルと、
（ｂ）前記セル内に取り付けられる対象面と、
（ｃ）前記セル内に取り付けられる共鳴水晶体と、
（ｄ）前記共鳴水晶体の共鳴周波数の複数の周期的サンプルを含むデータを収集するため及び前記収集されたデータに基づいて前記研磨工程中の異常を検出するためのモニタと、
を含む装置。
【請求項２３】
前記対象面と前記共鳴水晶体とが音響的に結合される請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記対象面と前記共鳴水晶体とが音響的に分断される請求項２２に記載の装置。
【請求項２５】
前記モニタがさらに異常出力信号を与えるのに適する請求項２２に記載の装置。
【請求項２６】
前記研磨工程を制御するため及び前記異常出力信号に応答して前記研磨工程を自動的に停止するための自動コントローラをさらに含む請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
研磨工程中の物質の除去速度をリアルタイムに測定するための方法であり、
（ａ）セル内の対象面に対して研磨工程を実行し、前記対象面から対象物質を除去するステップと、
（ｂ）前記研磨工程中、前記セル内の共鳴周波数を有する共鳴体の表面上に前記除去された対象物質の少なくとも一部を収集し、それによって前記共鳴体の前記共鳴周波数を変更する、ステップと、
（ｃ）前記共鳴体の前記共鳴周波数の変化率に基づいて前記対象面からの物質除去速度をリアルタイムに決定するステップと、
を含む方法。
【請求項２８】
前記共鳴体が水晶振動子ナノバランスである請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記対象物質が、銅、タンタル、ニッケル、タングステン、鉄、層間誘導体及び浅溝誘導体から成るグループから選択される請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記水晶振動子ナノバランスが金メッキされ、かつ前記共鳴体の前記表面上に前記除去された対象物質の少なくとも一部を収集する前記ステップが、基準電圧の電位に対して相対的にマイナスの電位を前記水晶振動子ナノバランスに与えるステップをさらに含む請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
研磨工程中の物質の除去速度をリアルタイムに測定するための方法を実行するためのコンピュータ実行可能な命令を有するコンピュータ可読媒体であり、前記方法が、
（ａ）前記研磨工程中に、共鳴体の共鳴周波数を周期的にチェックしてその周波数の変化率を決定するステップであり、ここに前記研磨工程において対象面から除去された物質が前記共鳴体の表面に沈積し、かつ前記共鳴体の前記共鳴周波数が前記共鳴体の前記表面に沈積する除去物質の量に関連するステップと、
（ｂ）前記共鳴体の周波数の変化率を検出するステップと、
（ｃ）前記周波数の前記変化率に基づき前記研磨工程中の前記対象面からの物質の除去速度をリアルタイムに決定するステップと、
を含むコンピュータ可読媒体。
【請求項３２】
前記共鳴体が水晶振動子ナノバランスである請求項３１に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項３３】
前記対象面から除去される物質が銅、タンタル、タングステン、ニッケル及び鉄から成るグループから選択され、かつ前記除去される物質が除去された後にイオンの形をとる請求項３２に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項３４】
研磨工程中物質の除去速度をリアルタイムに測定するための装置であり、
（ａ）研磨中に物質が除去される対象面をその中に有する研磨セル内に取り付けられる共鳴水晶体であり、前記共鳴水晶体はその表面上に前記研磨工程中に前記対象面から除去された物質の少なくとも一部を収集するように配置及び構成され、それによって前記共鳴結晶板の共鳴周波数が変化する共鳴水晶体と、
（ｂ）前記共鳴結晶板の前記共鳴周波数の複数の周期的サンプルを含むデータを収集するため及び前記収集されたデータに基づいて前記対象面からの物質の除去速度をリアルタイムに決定するためのモニタと、
を含む装置。
【請求項３５】
前記モニタがさらに前記決定された物質の除去速度を識別する出力信号を与えるのに適する請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記研磨工程を制御するため及び前記出力信号に応答して前記研磨工程の少なくとも１つのパラメータを自動的に修正するための自動コントローラをさらに含む請求項３５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に研磨技術に関するものであり、より詳しくは化学機械的研磨工程及びその他の研磨工程をリアルタイムに監視するためのシステム及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
研磨工程は、多様な技術において多くの目的のために使用されている。多くの用途において、研磨は美観のためまたは機械的な目的のために行われ、研磨の微視的な正確さは重要ではない。しかし、電子材料及び（または）コンポーネントの加工のためなど一部の用途において、研磨工程が正確であることが重要である。例えば、不均等なまたは過剰に深い研磨は、１つまたはそれ以上の集積回路の完成品又は半製品を支えるウェハーなど製品の一部または全部をだめにする場合がある。他方、深さの不十分な研磨も、均等であっても製品を不適切なものにする場合がある。従って、多くの用途において、研磨は非常に正確である必要がある。
【０００３】
この問題に対処するために多くの先行技術の方法を利用できる。例えば、イクスサイチュー（ｅｘ  ｓｉｔｕ）で研磨工程の監視を行うことは既知である。この技法の一例は、周期的に研磨工程から研磨中のピースを取り出し、その時点で研磨工程の程度及び品質を決定するためのテストを使用することを伴う。一般に、この技法は、実際の生産中に各ピースを点検するというよりは研磨手順を開発するために事前に使用される。これは、研磨工程パラメータに関して高度な一貫性と制御を前提としている。
【０００４】
さらに、この種の技法は、コスト高で、遅く、しかも不正確である可能性がある。コスト高で遅いのは、複数の実験を行う必要及び研磨工程を繰り返し開始し停止する必要があるためである。この技法が不正確なのは、この実際の工程中すなわち生産工程中に適切な測定または監視が行われないことがしばしばあることによる。従って、いくつのファクタでもこれが変化すれば研磨速度及び（または）品質に影響するかも知れず、リアルタイムにこの変化を検出し補正する能力はない。
【０００５】
継続中の研磨ステップの終点を検出するために使用される技法は、ウェハーと研磨パッドとの間の摩擦力の監視を伴う。摩擦力が突然変化するとき、それ以前の層が取り除かれ、異なる摩擦係数を有する新しい層が露出されたと想定される。しかし、この手順は、関係する物質が大幅に異なる摩擦係数を持つと想定している。さらに、摩擦係数が相互に大幅に異なるとしても、力の小さい変化を検出することはしばしば困難である。全体的にこの技法には実用性及び正確性が欠けている。
【０００６】
インサイチュー（ｉｎ  ｓｉｔｕ）表面分析のためのより一般的な技法はレーザー干渉法を伴う。この技法を用いる際には、一般に研磨パッドにホールまたはウィンドウが配置され、レーザー放射がウィンドウを通じて研磨面に向けられる。研磨面からのレーザー放射の反射を集めて、最上層の厚みを決定するために分析する。反射光は、一般に反射前に表面を貫通した成分並びに貫通することなく反射面から反射した成分を含む。これらの成分の経路の相違によって、収集された反射において振動する（干渉）パターンを生ずるので、これを処理して層の厚みを追跡することができる。
【０００７】
この技法はある程度は有効であるが、多くの欠点を有する。例えば、この技法の場合研磨パッドにホールが作られなければならないので、漏出及びその結果としての研磨工程の中断の可能性が増大する。さらに、この技法は、その成分全てを含む層全体を分析するためにしか使用できず、複数の表面成分のうちの１つだけを分析するために使用することができない。さらに、パッドは回転または揺動していることが多いので、間欠的な干渉計計測値しか得ることができない。これは、特に、秒単位の遅れが重要になりかねない研磨工程の終点間際には特に厄介である。さらに、研磨パッドのホールの存在は、研磨動作を変える可能性がある。最後に、研磨ステップの終点では分析対象の層は非常に薄くなるので、干渉計測定値が信頼できなくなる可能性がある。
【０００８】
既存の技法に欠陥がある結果として、欠陥製品の率が高くなり、その結果、効果的なインサイチュー監視プロセスが利用できる場合に得られるより歩留まりが低くなりコストが高くなる。さらに、インサイチュー工程監視システムが利用できれば、研磨手順はより速く、かつより効率よくなるだろう。
【発明の開示】
【０００９】
本発明の実施態様は、研磨工程及びその他の除去工程をインサイチューに監視するための新規の技法を提供する。本発明の１つの実施態様において、ウェハーキャリアまたはその他の固定物に水晶振動子ナノバランス（ｇｕａｒｔｚ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｎａｎｏｂａｌａｎｃｅ）が埋め込まれる。研磨工程中、ウェハーまたはその他の対象面から除去された物質は周りのスラリーまたは溶液に入り、水晶振動子ナノバランスの表面に沈積する。水晶振動子ナノバランスの周波数は増大する質量に応答して、除去された物質の量を指示する。この指示を処理して、瞬間除去速度並びに終点を検出することができる。これに応じて、瞬間研磨速度を調整するために溶液特性、ダウンフォース、流量などの研磨パラメータを修正することができる。終点指示は、特定の物質がウェハーの表面から実質的に完全に除去された、研磨工程におけるある時点を識別する。
【００１０】
本発明の実施態様において、与えられるバイアスによって水晶振動子ナノバランス上の沈積を制御することができる。このようにして、ユーザーは監視しうる複数の物質の中から監視すべき物質を選択することができる。さらに、本発明のさらなる実施態様において、ウェハーキャリアに複数の水晶振動子ナノバランスを埋め込んで、様々な物質について連続的かつ同時に除去速度を監視することができるようにする。実際、本発明の多くの実施態様を用いてリアルタイムに選択的にインサイチューに監視を行うことができる。本発明のある実施態様では、１つまたはそれ以上の水晶振動子ナノバランスが、スラリー導管またはリザーバに配置され、ウェハーキャリアまたはそれ以外のワークピースから離れて配置される。
【００１１】
本発明の別の実施態様において、水晶振動子ナノバランスを用いて、研磨工程中のスクラッチなど欠陥原因事象が検出される。本発明のこの実施態様においては、水晶振動子ナノバランスは、研磨対象の表面と音響的に接触する。欠陥原因事象が生じている間、ウェハーの表面では付加的な音響雑音が生じて、水晶振動子ナノバランスに伝えられて、感知周波数監視装置によって検出可能な付加的な雑音周波数スパイクをもたらすことが多い。この効果は検出されて、欠陥原因事象の発生を知らせるために使用される。
【００１２】
さらなる本発明の特徴及び利点は、添付図面を参照する実施態様例の以下の詳細な説明から明らかになるだろう。
【００１３】
特許請求の範囲は本発明の特徴を特に示すが、本発明は、その目的及び利点とともに、添付図面と一緒に下記の詳細な説明からよく理解できるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、研磨工程のインサイチュー監視に関するものであり、本発明の実施態様において、この監視を行うためにナノバランス（ｎａｎｏｂａｌａｎｃｅ）を利用するための新規のシステム及び技法を含む。一般的には、ナノバランスは、研磨スラリーなどスラリーまたはその他の液体または半液体環境または流出液をリアルタイムに監視するために使用される。ナノバランスの応答は対象となるピースから物質が除去されている速度を示す。以下の説明から判るとおり、他の応用及び構成も想定される。
【００１５】
水晶振動子ナノバランスは当業者にはよく知られているが、読み手の便宜のために、この材料についての簡単な説明を行う。水晶振動子ナノバランスは水晶体の質量変化を検出するために逆圧電効果を採用する圧電水晶振動子（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｇｕａｒｔｚ  ｃｒｙｓｔａｌ）である。水晶振動子ナノバランスは、石英の薄いスライスで製造され、多くの場合スライスの各側面に金メッキ電極が配置される。他の周波数が使用されることもあるが、この種の水晶体のもっとも一般的な自然の周波数は、５０００ＭＨｚ及び１０，０００ＭＨｚである。
【００１６】
この装置の周波数決定感度は、２０ｍｍ2ナノバランス電極の質量の変化０．１ナノグラム（ｎｇ）にほぼ対応する０．１ヘルツほどの精度となりうる。動作中、質量変化は、同時に水晶体の周波数変化を生じる。もっと詳しく言うと、物質が水晶体の表面に付着すると、水晶体の共鳴周波数が低下し、周波数の変化は質量の変化に符合する。より感度の良い測定のために絶対値ではなく差分によってこれを監視することもできる。例えば、本発明の１つの実施態様において、水晶共鳴周波数とバイアスを受けない基準水晶体の共鳴周波数との間の差を追跡し、一次水晶体の質量変化をより正確に決定するためにこの差を使用する。この技法を用いて、ナノグラム単位の質量変化を検出することができる。水晶振動子の周波数/質量を監視するために市販のモニタを利用できる。
【００１７】
次に、本発明の実施態様について添付図面を参照しながらさらに詳細に説明する。図１を参照すると、本発明の１つの実施態様による処理システム１０１の略図が示されている。より詳細には、システム１０１は、ワークアセンブリ１０５に隣接する研磨ツール１０３を含む。後の図面を参照して説明するように、アセンブリ１０５は、ウェハーなど研磨対象のピース並びに水晶振動子がその上に据え付けられている支持材（例えば「ヘッド」または「ウェハーキャリア」）を含む。
【００１８】
アセンブリ１０５は、ポジショニングシステム１０７によって制御される正確に位置決めできるアセンブリであることが望ましい。ポジショニングシステム１０７は、アセンブリの横方向の位置及び垂直位置及び（または）圧力を制御できる。本発明の１つの実施態様において、研磨ツール１０３及びワークアセンブリ１０５はセル１０９内にあり、セルは、一般にスラリーまたはその他の物質を閉じ込めることができるように少なくとも底面及び側面で閉鎖された容器である。
【００１９】
セル１０９は、当業者には判るように、さらに基準電極１１１、作用電極１１３及び対極１１５を含むことができる。電極１１１、１１３、１１５の電位はポテンシオスタットによって制御されかつ（または）監視される。研磨工程において研磨速度を調整するために電位が与えられ、制御され、基準電極１１１は電位を正確に制御するのに役立つ。従来のＣＭＰ及びＥＣＭＰ工程並びに他の物質除去工程をインサイチューに監視するために本出願において説明される革新を採用できる。ＱＣＭオシレータモジュール１１９がワークアセンブリ１０５の水晶振動子ナノバランスに接続される。当業者には判るとおり、ＱＣＭオシレータモジュール１１９は、水晶体に電力供給しその共鳴周波数を分析するために使用される。
【００２０】
最後に、コンピュータ及びＤＡＣ（デジタル-アナログ）モジュール１２１がシステム１０１に組み込まれる。コンピュータ及びＤＡＣモジュール１２１は、本発明の実施態様において、（１）ＱＣＭオシレータモジュール１１９を通じて水晶振動子ナノバランスを監視すること、（２）ポジショニングシステム１０７を監視し制御すること、（３）ポテンシオスタット１１７を監視すること、及び（４）ロックイン増幅器１２３を通じてポテンシオスタット１１７を制御すること、を含めて多くの目的を果たす。
【００２１】
簡単に言うと（後に詳細に説明する）、例示される構成１０１は研磨工程の正確な監視及び制御を可能にする。特に、研磨中に対象のピースから物質が除去されると、この物質は水晶振動子ナノバランスに沈積して、その周波数を変える。このようにして、研磨速度を監視することができる。これによって研磨速度をリアルタイムに微調整することができ、特定の層の除去が完了したときなど工程における大きな変化を識別するのに役立つ。特に、このリアルタイム工程監視は、溶液特性、ダウンフォースなど制御パラメータを修正するために研磨状態のフィードバックを通じてリアルタイムに工程を制御するための手段として本発明の実施態様において使用される。
【００２２】
図２は、本発明の代替実施態様による代替形態の略図である。特に、システム２０１は、図１と同じ素子を多く含む。すなわち、システム２０１はワークアセンブリ２０５に隣接する研磨ツール２０３及びポジショニングシステム２０７を含む。さらに、システム２０１は、基準電極２１１、作用電極２１３及び対極２１５を含むセル２０９並びにポテンシオスタット２１７を含む。ＱＣＭオシレータモジュール２１９は上述の通り接続され、コンピュータ及びＤＡＣ（デジタル-アナログ）モジュール２２１が同様にシステム２０１に組み込まれる。
【００２３】
ただし、図２に示される構成は、水晶振動子ナノバランスのポジショニングに関して図１に示される構成と異なる。特に、アセンブリ２０５は対象となるピースがその上に据え付けられる支持材を含むが、水晶振動子ナノバランスを組み込んでも組み込まなくてもよい。むしろ、水晶振動子ナノバランス２２５は、セル２０９用の排水管路２２７またはリザーバなどの離れた位置に配置される。この場合、水晶体２２５はワークアセンブリ２０５またはウェハーに音響的に結合されないが、スラリーとは接触しているので、研磨副産物を受けることができる。
【００２４】
本発明の実施態様によるワークアセンブリが図３及び４に示されている。特に、図３Ａは、図１に示される本発明の実施態様（２０５）に使用可能な本発明の実施態様によるワークアセンブリ３００の上面略図を示している。ワークアセンブリ３００は、ウェハーキャリア３０１、加工対象のウェハー３０３及びウェハーキャリア３０１に埋め込まれる水晶振動子ナノバランス３０５を含む。ウェハー３０３は、保持リングを通じてウェハーキャリア３０１に保持される。水晶振動子ナノバランス３０５はウェハーキャリア３０１の保持リング部分に埋め込まれる。この形態は、ウェハー３０３を取り除いた斜視図でワークアセンブリ３００を示す図３Ｂにおいてさらに明確に示されている。
【００２５】
次に図３Ｂを参照すると、ウェハーキャリア３１０は処理のためにウェハーを保持するための中央凹部３１１を含む。凹部３１１を取り囲む保持リング３１３は、処理のためにウェハーをウェハーキャリア３１０に保持するために使用される。本発明の１つの実施態様によれば、水晶振動子ナノバランス３１５はウェハーキャリア３１０の保持リング３１３に埋め込まれる。本発明のこの実施態様において、水晶振動子３１５は、後に説明する通り、中央凹部３１１に置かれるウェハーと音響的に接触させることができる。
【００２６】
本発明の上記の実施態様の顕著な特徴は、特定の物質に反応するように水晶振動子ナノバランスの応答を調整できることである。特に、本発明の１つの実施態様において、例えば電極表面のイオンを還元するなどにより、質量沈積を促すために水晶振動子ナノバランスに電圧バイアスが与えられる。異なるバイアスは異なる反応を生じることができる。例えば、ｘボルトのバイアスは水晶振動子ナノバランスの表面に銅の沈積を可能にするのに対して、ｙボルトのバイアスは水晶振動子ナノバランスの表面にタンタルの沈積を可能にする。さらに、特定の物質の瞬間除去速度を得るために、研磨作業中与えられるバイアスを動的に変動させることができる。
【００２７】
複数の物質の除去速度を監視するための上記のメカニズムは、瞬間除去速度をチェックすることは可能にするが、水晶振動子ナノバランスを他の物質用に合わせることもあるので、特定の物質の全体除去量を測定することはできない。本発明の実施態様においては、複数の水晶振動子ナノバランスをウェハーキャリア（またはスラリー廃棄物リザーバまたは導管）に組み込むことによって複数の物質の除去速度を同時に連続的に監視することができる。このような構成を図４の斜視図に示す。特に、ウェハーキャリア４１０の保持リング４１３は、第一の水晶振動子ナノバランス４１５ａ並びに第二の水晶振動子ナノバランス４１５ｂを組み込む。両方の水晶振動子ナノバランス４１５ａ、４１５ｂは、例えば図１のＱＣＭオシレータモジュール１１９によって、個別にバイアスを与えられ、監視される。１つまたはそれ以上の離れて配置される水晶体（例えば図２に示されるように）の他に１つまたはそれ以上の埋め込んだ水晶体を持つことを含めて（ただし、これに限定されない）様々な替わりの構成が可能であることが判るだろう。
【００２８】
本発明の１つの実施態様において、異なるバイアスを有する水晶体間に観察される沈積の差を用いて希望の沈積速度をさらに正確に決定することができる。例えば、-０．５Ｖまたはそれ以下のバイアスが与えられるとき物質ｘが水晶体の表面に沈積し、-１Ｖまたはそれ以下の範囲のバイアスが与えられるとき物質ｙが水晶体の表面に沈積すると仮定する。物質ｘ及び物質ｙを含む表面を研磨中、除去された両方の物質の一部は通常の流動及び（または）拡散を通じてただちに水晶体に近付く。-１Ｖより多少低いバイアスが与えられる場合、水晶体における沈積速度（ウェハーにおける除去速度に影響される）は両方の物質の速度を反映する。
【００２９】
観察される速度の一部が、対象とする物質（例えば物質ｙ）に起因すると決定するためには、物質ｘのみの沈積の速度を知ることが有益である。図４に示される通り複数の水晶体装置において、異なる水晶体に異なるバイアスを与え、一方の水晶体において観察される速度から他方の水晶において観察される速度を差し引くことによって、これを行うことができる。上記の例において、-１．０２Ｖのバイアスが与えられた水晶体は両方の物質に反応するのに対して、-０．９９Ｖのバイアスが与えられた水晶体は、物質ｘだけに反応する。このように、物質ｙのより真実に近い沈積速度（従って研磨速度）を示すようにするために、第一の水晶体（-１．０２Ｖのバイアス）で観察される速度から第二の水晶体（-０．９９Ｖのバイアス）について計算された沈積量だけ引くことができる。１つの水晶体しか持たない装置においては、その代わりに時分割でこれを行えばよい。
【００３０】
物質の沈積速度は、バイアスに依存することが多いので、-０．９９Ｖ水晶体における物質ｘの沈積速度は、-１．０２Ｖ水晶体における物質ｘに帰因する沈積部分より多少少ない。しかし、この差は僅かである。さらに、バイアス電圧への沈積速度依存を事前に校正することができる。
【００３１】
上記の物質の例示に関して、代わりに時分割法を使うと、第一の期間中、水晶体は-０．９９Ｖのバイアスが与えられ、物質ｘの沈積速度を反映する。第二の期間中、水晶体は-１．０２Ｖのバイアスが与えられて、物質ｘと物質ｙの組み合わされた沈積速度を反映する。ただし、物質ｙの沈積速度は、結合速度から物質ｘについての既知の速度を引くことによって求められる。
【００３２】
本発明の様々な実施態様による工程監視法について詳細に説明する前に、プロセス監視のタイプについての概略を示す。監視の主要な３つのタイプは、（１）瞬間除去速度監視（ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ  ｒｅｍｏｖａｌ  ｒａｔｅ  ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）、（２）欠陥監視（ｄｅｆｅｃｔ  ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）、及び（３）終点監視（ｅｎｄ−ｐｏｉｎｔ  ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）、を含む。各々の前提及び関連機構については、図５Ａ−５Ｃを参照して説明する。
【００３３】
図５Ａは本発明の実施態様によるワークアセンブリ５１０の側面断面図である。上述の通り、ワークアセンブリ５１０はウェハー５１１を保持するための保持リング５１３を含む。保持リング５１３はさらに水晶振動子ナノバランス５１５を保持するための凹部５１７を含む。水晶振動子ナノバランス５１５には、本発明のほとんどの実施態様の場合従来の任意の接着剤またはファスナが適合するが、音響結合接着剤を通じてナノバランスを所定の位置に固定することができる。さらに、水晶振動子ナノバランス５１５の表面がワークアセンブリ５１０の上面まで伸びないように、水晶振動子ナノバランス５１５を保持するための凹部５１７を十分に窪ませることができる。このようにして、ウェハー５１１に作用する研磨機構は直接水晶振動子ナノバランスに直接影響を与えない。
【００３４】
研磨工程中、ウェハー５１１の表面から除去された物質は、周りのスラリーまたは溶液の中に入る。この状態が図５Ｂに示されている。特に、金属イオン５１９は、研磨工程によってウェハー５１１の表面から分離してスラリーまたは溶液の中に在る状態が示されている。例えば溶解高表面電荷コロイド粒子を監視できるように水晶体の表面により大きな物体を蓄積させるように誘発することもできるかも知れない。また、溶液中で荷電コロイド粒子を形成するよう誘発されれば、非導電性材料の除去速度を監視することもできるだろう。研磨中除去される物質には、銅、タンタル、ニッケル、タングステン、鉄、層間誘導体及び浅溝誘導体を含むが、これに限定されず、金属物質は除去されるとイオンの形をとる。イオン５１９は見やすいように縮尺よりずっと大きく示されている。
【００３５】
図５Ｃはその後の時点のシステムの状態を略図的に示している。この時点で、金属イオン５１９の一部は水晶振動子ナノバランス５１５の付近に移動して、物理的、電気化学的またはその他のメカニズムを通じてその表面に沈積する。この特定のグループが参照番号５２１によって示される。水晶振動子ナノバランス５１５の表面における物質５２１の沈積によって、水晶体５１５の共鳴周波数は当業者にはよく判るとおりに変化する。
【００３６】
この周波数の変化は監視され、沈積した物質の量を測定することができる。一定の期間中に沈積した物質の量は、一般的に言えばほぼ同じ時にウェハー５１１の表面から除去された物質の量に比例する。水晶体の反応は、一般に、ウェハー５１１の表面における対応する除去が生じてから数ミリセカンドの範囲内である。従って、ウェハー５１１からの物質の除去速度をリアルタイムで追跡するために水晶体の周波数の変化を使用することができる。
【００３７】
この効果の付加的な応用は、特定の物質の研磨工程の終点を検出することである。例えば、銅がウェハー５１１から取り除かれていて、水晶体５１５が銅に反応する（例えば、バイアスが銅の沈積に適する）場合、銅がウェハー５１１から取り除かれるとき水晶体周波数（ｃｒｙｓｔａｌ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）は漸進的変化を示し、その後銅の全てが取り除かれたとき周波数は水平状態になる。
【００３８】
図６のシミュレーショングラフ６０１はこの相互関係を示している。特に、水平軸は任意の単位の経過研磨時間を表し、垂直軸はやはり任意の単位のゼロでスタートするためにシフトされた水晶周波数を表す。図からわかるとおり、工程の開始と時点Ｔfとの間に、水晶体の周波数は直線的増加で変化する。これは、結晶板上の蓄積が一定速度であることを示す。
【００３９】
時点Ｔfにおいて、水晶周波数の変化率はゼロに低下し、その結果フラットな周波数の線になる。これは、水晶体のバイアスに適合する種類が水晶体に蓄積しないこと（すなわちウェハーまたはその他の処置表面からこの種類の除去がないこと）を示す。このように、時点Ｔfは対象となる物質について研磨工程の終点を表す。
【００４０】
グラフは単なる例であり、観察される除去速度は一定ではない場合があることがわかるだろう。本発明は、また一定でない速度を評価することを含み、事実、一定でない速度を評価するのに非常に適している。例えば、ある物質例えば銅の研磨中、研磨速度が遅い初期期間がある。この期間に対して相対的な除去速度、終点などを追跡することが有益であり、説明されるメカニズムをこのために有益に使用することができる。
【００４１】
図６に示される特徴を示すためには、水晶振動子ナノバランスの実際の周波数応答を校正しなければならないかもしれない。例えば、周波数応答の変化が２つの種類に起因するものであり、そのうち一方を選び出すことができない場合（例えば、水晶体におけるその沈積が、バイアスを与えることによって制御できない場合）、他方の種類のみによる寄与を示すために、前記の種類による寄与を数学的に取り除くことができる。その代わりに、終点を水平域として注目するのではなく、水晶体の時間/周波数データの二次導関数のスパイクまたは相当の変化を待つことによって、終点を検出することができる。この種のスパイクは、累積速度が急激に変化したことを示すだろう。
【００４２】
終点検出及び速度監視のための上記の技法は、水晶体をウェハーキャリア内に置いてもウェハーキャリアから離して置いても実施できるが、欠陥検出の技法は、水晶体をウェハーと音響接触させて実施されることが望ましい。例えば図３Ａ〜５Ｃに示される構成において、水晶体とウェハーとの間の音響リンクはウェハーキャリアを通じて得られる。さらに、音響伝導接着剤で水晶体をウェハーキャリアに接着することができる。本発明のこの実施態様において、例えばスラリーの中の粒状の不純物のせいで研磨工程中に異常に大きい研削が生じた場合、その結果としての音響の乱れはその周波数の瞬間的摂動として水晶体によって検出される。
【００４３】
図７は、スクラッチ発生中の周波数データのシミュレーショングラフである。水平軸は時間を表し、垂直軸は水晶周波数を表す。スクラッチ事象は、時点Ｔbに始まり、Ｔeに終了する。スクラッチ中の水晶体の周波数は、周波数が滑らかな場合の周りのグラフ部分に比べてノイジーであり、散発的である。このように、結晶板周波数の突然の逸脱の存在を使って、欠陥原因事象の発生を検出することができる。
【００４４】
図８は、本発明の実施態様による研磨工程を監視するための方法をフローチャートの形で示している。図に示されるプロセスは本明細書において説明される革新を用いる１つの方法に過ぎず、他の監視方法を使用することもできることが判るだろう。例示される方法は、欠陥を検出するため、工程の終点を識別するため及び瞬間的除去速度を評価するための監視を含む。この方法に使用される装置は、ウェハー、ウェハーキャリア及び一体水晶振動子ナノバランスを含むが、離れて配置されたナノバランスを用いて欠陥監視を除いて監視態様の全てを実施することもできる。
【００４５】
フローチャート８００のステップ８０１において、研磨工程が開始される。これは一般に、研磨ツールによって保持されるウェハーまたは研磨対象のその他のアイテムを、あらかじめ決められたダウンフォースで研磨パッドと接触するように下げるステップを含む。さらに、パッド及び（または）ウェハーキャリアの回転及び（または）往復運動を開始することができる。ステップ８０３において、水晶振動子ナノバランスの共鳴周波数が得られ、ステップ８０５において、除去速度が計算され、表示される。上述の通り、除去速度は周波数の変化すなわち前の期間からの変化に基づく。ステップ８０６において、必要であれば除去速度を変えるために研磨工程パラメータを自動的か手動的に修正することができる。
【００４６】
さらに、ステップ８０７において、除去速度の一次導関数が計算される。ステップ８０９において一次導関数の平均値の大きな変化が生じたか否かが決定される。平均値の使用は、騒音の効果を排除するためのものである。例えば、先行する５つの期間を通じて一次導関数を平均化することができる。またはもっと少ない数の期間を使用することができる。この決定によって一次導関数の平均値に大きな変化が生じたことが判明したら、ステップ８１１において、終点の読取が表示され、研磨工程の終点に達したことがユーザーに知らされる。ステップ８１１の後、プロセスはステップ８１３へ進む。その代わりに、一次導関数の平均値に大きな変化が生じていないことが決定されると、プロセスは直接ステップ８０９からステップ８１３へ進む。
【００４７】
ステップ８１３において、プロセスは時間に伴う周波数の変動が過剰であるかどうか決定する。これは、平均値自体が変化するかしないかに関係なく、現在の平均値からの周波数測定値の逸脱の急激な増大を識別することによって決定することができる。増大の程度はユーザーの判断に委ねられるが、大規模な増大は、一般に、スクラッチなど欠陥原因事象の発生を示唆するのに十分なものである。時間に伴う周波数の変動が過剰であると決定される場合、プロセスはステップ８１５へ進み、ステップ８１５において、欠陥読取り値が表示され、工程はステップ８０３へ戻る。それ以外はステップ８０３へ直接進む。
【００４８】
新規の有益な工程監視方法及び装置が本明細書において説明されていることが判るだろう。本発明の原理を応用できる多くの可能な実施態様を考慮すると、図面を参照して本明細書において説明される実施態様は単なる例であり、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではないと判るはずである。例えば、図に示される正確な形態及び形状は例であり、本発明の精神から逸脱することなく配列及び細部において例示される実施態様を修正することができることが、当業者には判るだろう。
【００４９】
従って、本明細書において説明される発明は、特許請求及びこれと同等のものの範囲内にある全ての実施態様を包含する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の１つの実施態様による処理システムの略図である。
【図２】本発明の代替実施態様による処理システムの略図である。
【図３Ａ】本発明の１つの実施態様によるウェハー台及び水晶体の上面図である。
【図３Ｂ】本発明の代替実施態様によるウェハー台及び水晶体の側面斜視図である。
【図４】本発明の代替実施態様によるウェハー台及び水晶体の側面斜視図である。
【図５Ａ】本発明の１つの実施態様によるウェハー台、ウェハー及び水晶体の側面断面図である。
【図５Ｂ】ウェハーの表面から物質が除去された後の本発明の実施態様によるウェハー台、ウェハー及び水晶体の側面断面図である。
【図５Ｃ】ウェハーの表面から除去された物質が水晶体に沈積している、本発明の実施態様に従ったウェハー台、ウェハー及び水晶体の側面断面図である。
【図６】本発明の実施態様についての研磨時間対水晶周波数を示すシミュレーションデータのグラフを示す。
【図７】本発明のさらなる実施態様についての研磨時間対水晶周波数を示すシミュレーションデータのグラフを示す。
【図８】本発明の１つの実施態様に従った研磨工程を監視するためのプロセスを示すフローチャートである。
【図１】
2008502493.tif 000003
【図２】
2008502493.tif 000004
【図３Ａ】
2008502493.tif 000005
【図３Ｂ】
2008502493.tif 000006
【図４】
2008502493.tif 000007
【図５Ａ】
2008502493.tif 000008
【図５Ｂ】
2008502493.tif 000009
【図５Ｃ】
2008502493.tif 000010
【図６】
2008502493.tif 000011
【図７】
2008502493.tif 000012
【図８】
2008502493.tif 000013
【国際調査報告】
2008502493.tif 000014
2008502493.tif 000015