(57)【要約】化学的機械研磨装置と方法は、渦電流モニタリング・システムと光学モニタリング・システムを使用可能である。モニタリング・システムからの信号は、出力ラインで結合され、コンピュータで抽出することができる。研摩パッドの厚さは、計算可能である。渦電流モニタリング・システムと光学モニタリング・システムは、基板上の実質的に同一場所を計測可能である。
2004525521.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学的機械研摩の為の装置において：
研磨面を支えるプラテンと；
第１信号を発生させる為に前記プラテン内に位置決めされた渦電流モニタリング・システムと；
第２信号を発生させる為に前記プラテン内に位置決めされた光学モニタリング・システムと；
前記第１信号と前記第２信号を出力ライン上の第３信号へと組み合わせる為のプラテン内の回路と；
前記出力ライン上の第３信号を受信し前記第１信号と前記第２信号とを抽出するコンピュータと；
を備える、前記装置。
【請求項２】
プラテンが回転可能である、請求項１記載の装置。
【請求項３】
回転式電気ユニオン継手を更に備え、前記出力ラインは、前記回路と前記コンピュータとの間の回転式電気継手を通過する、請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記研磨面に接触させて基板を保持する為のキャリアヘッドを更に備える、請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記回路は、前記第１信号及び前記第２信号からのデータをパケット内に集め、前記コンピュータが前記パケットから前記データを抽出する、請求項１記載の装置。
【請求項６】
研摩パッドの厚さを決定する方法において：
研磨パッドの研磨面に接触させて導電層を上部に配置させた基板を位置決めするステップと；
誘導子から交番磁界を発生させて前記導電層内に渦電流を誘導するステップと；
前記磁界の強度を計測するステップと；
前記磁界の少なくとも前記強度から前記研磨パッドの厚さを計算するステップと；
を備える、前記方法。
【請求項７】
前記交番磁界を発生させるステップは、駆動信号で前記誘導子を駆動する工程を含み、更に、前記磁界と前記駆動信号との間の位相差を計測する工程を備える、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記研磨パッドの前記厚さは、少なくとも前記磁界の強度と前記位相差から計算される、請求項７記載の方法。
【請求項９】
第１の既知の厚さを有する第１研磨パッドと、第２の既知の厚さを有する第２の研磨パッドを用いてテスト基板を研磨するステップと、前記研磨パッドの前記厚さを研磨中の前記信号の強度に関連付ける為に少なくとも一つの係数を発生させるステップと；
を備える、請求項６記載の方法。
【請求項１０】
前記研磨パッドの前記厚さが所定厚さ以下になる場合にはユーザに警報を出すステップを更に備える、請求項６記載の方法。
【請求項１１】
化学的機械研磨中に基板上の導電層の厚さを計測する方法において：
研磨パッドの研磨面に接触させて導電層を上部に配置させた基板を位置決めするステップと；
前記基板と前記研磨パッドの間で相対運動を生み出し前記基板を研磨するステップと；
駆動信号で誘導子を駆動して、前記導電層に渦電流を誘導する交番磁界を発生させるステップと；
前記磁界の強度と、前記磁界および前記駆動信号間の位相差と、を計測するステップと；
前記磁界の前記強度に基づき訂正係数を計算するステップと；
前記位相差と前記訂正係数から前記導電層の厚さを計算するステップと；
を備える方法。
【請求項１２】
前記磁界の少なくとも前記強度から前記研磨パッドの厚さを計算するステップを更に備える、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
第１の既知の厚さを有する第１研磨パッドと、
第２の既知の厚さを有する第２研磨パッドとを用いてテスト基板を研磨するステップと、研磨中の前記信号の前記強度に前記研磨パッドの前記厚さを関連付ける為に少なくとも一つの係数を発生させるステップと；
を更に備える、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
第１研磨パッドが第１の既知の厚さを有するときに第１研磨パッドを用いてテスト基板を研磨するステップと、
前記第１研磨パッドが第２の既知の厚さを有するときに前記第１研磨パッドを用いて前記テスト基板を研磨するステップと、
研磨中の前記信号に前記研磨パッドの前記厚さを関連付ける為に少なくとも一つの係数を発生させるステップと、
を備える、請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
前記研磨パッドの前記厚さが所定の厚さ以下になる場合、ユーザに警報を出すステップを更に備える、請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
化学的機械研磨装置において；
研磨面と；
前記研磨面に接触させて、導電層を上部に配置させた基板を保持する為のキャリアヘッドと；
前記基板と前記研磨面との間で相対運動を作り出す為のモータと；
誘導子と電流源を含み、前記導電層内に渦電流を誘導する交番磁界を発生させるように前記誘導子を駆動する、渦電流モニタリング・システムと；
前記磁界と、前記磁界および前記駆動信号間の位相差とを計測するセンサと；
前記磁界の前記強度に基づき訂正係数を計算し、前記位相差と前記訂正係数から前記導電層の厚さを計算するように構成されたコンピュータと；
を備える、前記装置。
【請求項１７】
化学的機械研摩装置において：
研磨面を支えるプラテンと；
基板を保持するキャリアヘッドと；
研磨中に第１信号を発生させる渦電流モニタリング・システムであって、前記基板の第１領域まで拡張する磁界を発生させる誘導子を含む、前記前記渦電流モニタリング・システムと；
研磨中に第２信号を発生させる光学モニタリング・システムであって、前記基板の前記第１領域内のスポットに光ビームを導くように位置決められ適応された光源を含み、前記渦電流モニタリング・システムと前記光学モニタリング・システムは、前記基板上の実質的に同一場所を計測する、前記光学モニタリング・システムと；
を備える、化学的機械研摩装置。
【請求項１８】
前記渦電流モニタリング・システムは、複数のプロングを持つコアを含み、前記光学モニタリング・システムは、前記プロング間に少なくとも部分的に位置決めされた検出器を含む、請求項１７記載の装置。
【請求項１９】
前記光ビームは、前記プロングから実質的に等間隔の地点で前記基板に当たる、請求項１８記載の装置。
【請求項２０】
前記渦電流モニタリング・システムは、コアを含み、前記光ビームは、前記コアの直接上方のスポットで前記基板に当たる、請求項１７記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【背景】
【０００１】
本発明は、基板の化学的機械研摩に関し、特に化学的機械研摩中に金属層をモニタする為の方法および装置に関する。
【０００２】
集積回路は、導体、半導体、絶縁体の層をシリコン・ウエハ上に連続堆積することにより、通常、基板上に形成される。一つの製造ステップは、平坦でない表面を覆い、充填層を堆積すること、その平坦でない表面が露出するまで当該充填層を平坦化することを含む。たとえば、導電性の充填層は、パターン化された絶縁層上に堆積され、その絶縁層内のトレンチや穴を埋めることができる。その後、充填層は、隆起された絶縁層パターンが露出するまで研磨される。平坦化の後、絶縁層の隆起パターンの間に残る導電層の一部は、バイア、プラグ、ラインを形成し、これらは、基板上の薄膜回路間に導電路を提供する。さらに、平坦化は、フォトリトグラフィの為に基板表面を平坦化する為に必要である。
【０００３】
化学的機械研摩（ＣＭＰ）は、認められた平坦化方法の一つである。この平坦化方法は、通常、基板がキャリア又は研磨ヘッドに取り付けられることを必要とする。基板の露出面は、回転研磨ディスク又はベルトパッドに抗して置かれる。「標準」パッド又は固定研削材パッドのいずれか一方であれば、研磨パッドになり得る。標準パッドは、耐久性のある荒い表面を有するが、固定研削材パッドは、包含媒体内に保持された研削材粒子を有する。キャリアヘッドは、基板上に制御可能な負荷を与え、研磨パッドに抗して、それを押し付ける。少なくとも一つの化学反応剤と、（標準パッドが使用される場合には）研削材粒子とを含む研磨スラリーは、研磨パッドの表面に供給される。
【０００４】
ＣＭＰにおける一つの問題は、研磨処理が完了しているか、すなわち、所望の平坦度あるいは厚さまで基板の層が平坦化されたか、あるいは、所望量の材料が除去されたか、を決定することである。導電層または膜の過剰研磨（過剰な除去）により、回路抵抗は増加する。他方、導電層の研磨不足（除去不足）は、電気的短絡を導く。基板層の初期厚、スラリー組成物、研摩パッドの状態、研摩パッドと基板間の相対速度、基板の負荷のバラツキは、材料除去率のバラツキを引き起こすおそれがある。これらのバラツキは、研磨終点に達する為に必要な時間のバラツキを引き起こす。したがって、研磨終点は、単に研磨時間の関数として決定することはできない。
【０００５】
研磨終点を決定する一つの方法は、研磨面から基板を取り外し、それを検査することである。たとえば、基板は、基板層の厚さが、例えばプロフィルメータまたは固有抵抗測定で計測される度量衡学ステーションへ移送可能である。所望の仕様が満たされない場合、基板は、更なる処理の為にＣＭＰ装置に再ロードされる。これは、ＣＭＰ装置のスループットを減らす、時間浪費の処置である。あるいは、材料の過剰な量が除去され、基板が使用不能になったことが検査で明らかになる。
【０００６】
より最近では、研磨終点を見つけるために、基板のインシトゥー・モニタリングが、例えば、光学または容量センサで行われてきた。他の提案された終点検出技術は、摩擦、電流、スラリー化学、音響、導電性の計測を含んできた。考慮されてきた一つの検出技術は、金属層に渦電流を導入し、金属層が除去されるときの渦電流の変化を計測することである。
【概要】
【０００７】
一態様において、本発明は、化学的機械研磨の為の装置に向けられている。この装置は、研磨面を支えるプラテン、そのプラテン内に位置決めされて第１信号を発生させる渦電流モニタリング・システム、そのプラテン内に位置決めされて第２信号を発生させる光学モニタリング・システム、第１信号と第２信号を出力ライン上の第３信号へと結合するプラテン内の回路、出力ライン上の第３信号を受信し第１信号と第２信号を抽出するコンピュータを有する。
【０００８】
本発明の実施例は、次の一以上の特徴を含んでもよい。プラテンは、回転してもよく、出力ラインは、回路とコンピュータ間の回転型電気ユニオン継手を通過させてもよい。キャリアヘッドは、研磨面と接触して基板を保持してもよい。回路は、パケットから第１信号と第２信号からのデータを集め、コンピュータは、パケットからデータを抽出してもよい。
【０００９】
他の態様として、本発明は、研磨パッドの厚さを決定する方法に向けられている。この方法において、上部に導電層が配置された基板は、研磨パッドの研磨面と接触して位置決めされる。交番磁界は、誘導子から発生され、導電層内に渦電流を誘導する。磁界の強さは計測され、研磨パッドの厚さは、少なくとも磁界の強さから計算される。
【００１０】
本発明の実施例は、一以上の次の特徴を含んでもよい。交番磁界の発生は、誘導子を駆動信号で駆動することを含んでもよい。磁界と駆動信号の間の位相差は、計測可能である。研摩パッドの厚さは、少なくとも磁界の強さと位相差から計算可能である。テスト基板は、第１の既知の厚さを有する第１研磨パッドと、第２の既知の厚さを有する第２研磨パッドとを用いて研磨可能であり、少なくとも一つの係数が、研磨パッドの厚さを研磨中の信号強度に関連付けて発生可能である。研摩パッドの厚さが所定の厚さ以下になる場合、ユーザに警報が出されてもよい。
【００１１】
他の態様において、本発明は、化学的機械研摩中に基板上の導電層の厚さを計測する方法に向けられている。この方法では、導電層が上部に配置された基板は、研磨パッドの研磨面に接触して位置決めされる。相対運動は、基板を研磨する為に、基板と研磨パッドとの間に引き起こされる。誘導子は、駆動用信号で駆動されて交番磁界を発生し、交番磁界は、導電層内に渦電流を誘導し、磁界強度と、磁界と駆動信号との位相差が計測され、訂正ファクタが、磁界強度に基づき計算され、導電層の厚さが位相差と訂正ファクタから計算される。
【００１２】
本発明の実施例は、一以上の次の特徴を含んでもよい。この研摩パッドの厚さは、少なくとも磁界強度から計算可能である。テスト基板は、第１の既知の厚さを有する第１研磨パッドと、第２の既知の厚さを有する第２研磨パッドで研磨されてもよいが、テスト基板は、第１研磨パッドが第１の既知の厚さを有するときに第１研磨パッドで研磨され、第１研磨パッドが第２の既知の厚さを有するときに第１研磨パッドで研磨されてもよい。少なくとも一つの係数は、研磨中、研磨パッドの厚さを信号強度に関連付けて発生可能である。研磨パッドの厚さが所定の厚さ以下になる場合、ユーザに警報が出されてもよい。
【００１３】
他の態様において、本発明は、化学的機械研磨装置に向けられている。この装置は、研磨面と、この研磨面に接触させて、上部に導電層が配置された基板を保持する為のキャリアヘッドと、基板と研磨面との間で相対運動を引き起こすモータと、誘導子と電流源を含み、その誘導子を駆動し、導電層内に渦電流を誘導する交番磁界を発生させる渦電流モニタリング・システムと、磁界強度の強度、その磁界と駆動信号との位相差を計測する為のセンサと、磁界強度に基づき訂正ファクタを計算し、位相差と訂正ファクタから導電層の厚さを計算するコンピュータと、を有する。
【００１４】
他の態様において、本発明は、化学的機械研摩の為の装置に向けられている。この装置は、研磨面を支えるプラテン、基板を保持するキャリアヘッド、研磨中に第１信号を発生させる渦電流モニタリング・システム、研磨中に第２信号を発生させる為に位置決めされた光学モニタリング・システムを有する。渦電流モニタリング・システムは、基板の第１領域まで広がる磁界を発生させる為の誘導子を含み、光学モニタリング・システムは、基板の第１領域内のスポットに光ビームを導くように位置決められ適応された光源を含む。このように、渦電流モニタリング・システムと光学モニタリング・システムは、基板上の実質的に同じ場所を計測する。
【００１５】
本発明の実施例は、一以上の次の特徴を含んでもよい。渦電流モニタリング・システムは、複数のプロングを持つコアを含んでもよい。光学モニタリング・システムは、プロング間に少なくとも部分的に位置決めされた検出器を含んでもよい。光ビームは、プロングから実質的に等間隔の位置で基板に当たる。光ビームは、コアの直接上方のスポットで基板に当たってもよい。
【００１６】
本発明の実施例の可能な利点は、以下のうちの一つ以上である。光学モニタリング・システムと渦電流モニタリング・システムは、基板上の本質的に同一場所をモニタ可能である。導電層の厚さは、バルク研磨中に計測可能である。基板を研磨するのに用いられる研摩パッドの厚さは、また、研磨中に計測可能である。キャリアヘッドによって適用される圧力プロファイルは、不均一な研磨率や入ってくる基板の不均一な厚さを補償するように調整可能である。研磨は、正確に停止可能である。ディシングや腐食が可能であるように、過剰な研磨や不十分な研磨は減少可能であり、これにより、歩留まりやスループットを改善する。本発明の他の特徴と利点は、以下の説明と添付図面と請求項から明らかである。
【詳細な説明書】
【００１７】
図１に関連して、１以上の基板１０がＣＭＰ装置２０により研磨可能である。同様の研摩装置２０の説明は、米国特許第５，７３８，５７４号にて見出せる。研摩装置２０は、一連の研磨用ステーション２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、移送用ステーション２３を含む。
【００１８】
各々の研磨用ステーションは、回転可能なプラテン２４を含み、ここに研磨パッド３０が置かれている。第１ステーション２２ａ、第２ステーション２２ｂは、硬い耐久性のある外面を持つ２層研磨パッド、あるいは、埋め込まれた研削材粒子を持つ固定研削材パッドを含めることが可能である。最後の研磨用ステーション２２ｃは、比較的柔らかいパッドあるいは２層パッドを含めることができる。各々の研磨用ステーションは、パッドコンディショナ装置２８を含めることも可能であり、研磨パッドの状態を維持し、効果的に基板を研磨する。
【００１９】
図３Ａを参照して、２層研磨パッド３０は、通常、プラテン２４の表面に当接する裏当て層３２と、基板１０を研磨する為に使用される被覆層３４とを有する。被覆層３４は、通常、裏当て層３２より硬い。しかし、一部のパッドは、被覆層だけを持ち、裏当て層を持たない。被覆層３４は、おそらく充填材（例えば、中空ミクロスフェアおよび／または溝付き表面）を備えた発泡あるいは鋳造されたポリウレタンから構成可能である。裏当て層３２は、ウレタンで浸出された圧縮フェルトファイバから構成可能である。ＩＣ−１０００から構成された被覆層と、ＳＵＢＡー４から構成された裏当て層とを備えた二層研磨パッドは、デラウェア州ニューアーク市のローデル社から入手可能である。（ＩＣ−１０００とＳＵＢＡ−は、ローデル社の商品名である。
【００２０】
研磨ステップ中、液体（例えば、酸化物研磨の為の脱イオン水）を含むスラリー３８と、ｐＨアジャスター（例えば、酸化物研磨の為の水酸化カリウム）が、スラリー供給口または組み合わされたスラリー／洗浄アーム３９により、研摩パッド３０の表面に供給可能である。研摩パッド３０が標準パッドの場合、スラリー３８も研削材粒子（例えば、酸化物研磨のための二酸化珪素）を含んでもよい。
【００２１】
図１に戻ると、回転可能なマルチヘッド・カルーゼル６０は、４つのキャリアヘッド７０を支える。カルーゼルは、カルーゼル・モータ・アセンブリ（図示せず）によりカルーゼル軸６４の周りを中央ポスト６２により回転させられ、キャリアヘッド・システムと、研磨用ステーションおよび移送用ステーション２３間でキャリアヘッド・システムに取り付けられた基板の周りを周回する。キャリアヘッド・システムの３つは、複数基板を受けて保持し、これらを研磨用パッドに押圧することにより研磨する。一方、キャリアヘッド・システムの一つは、移送用ステーション２３を介して、ローディング装置から基板を受け取り、基板をローディング装置に送る。
【００２２】
各々のキャリアヘッド７０は、駆動シャフト７４によりキャリアヘッド回転用モータ７６に連結され（カバー６８の４分の１を取り除くことにより図示）、各キャリアヘッドは独自の軸の周りを独立して回転する。さらに、各キャリアヘッド７０は、カルーゼル支持板６６内に形成されたラジアルスロット７２内で横方向に独立して振動する。操作上、プラテンは、その中心軸２５の周りを回転させられ、キャリアヘッドは、その中心軸７１の周りを回転させられ、研磨パッドの表面を横切り側方に平行移動される。
【００２３】
前述の特許出願において開示され、図２に示されたように、例示キャリアヘッド７０は、ハウジング２０２と、ベース・アセンブリ２０４と、（ベース・アセンブリ２０４の一部と考えられる）ジンバル機構２０６と、浮動上部チャンバ２３６と、浮動下部チャンバ２３４と、外部チャンバ２３８のような３つの圧縮可能チャンバを含む基板裏当てアセンブリ２１２と、を含む。ローディング・チャンバ２０８は、ハウジング２０２と、ベース・アセンブリ２０４との間に置かれ、ベース・アセンブリ２０４の垂直部に負荷を与え、それを制御する。最初の圧力調整器（図示せず）は、通路２３２により、流動的にローディング・チャンバ２０８に連結され、ベース・アセンブリ２０４の垂直部とローディング・チャンバ内の圧力を制御する。
【００２４】
基板裏当てアセンブリ２１２は、フレキシブルな内部膜２１６、フレキシブルな外部膜２１８、内部支持構造体２２０、外部支持構造からだ２３０、内部スペーサリング２２２，外部スペーサリング２３２を含む。フレキシブルな内部膜２１６は、制御可能な領域内で基板１０に圧力を印加する中央部を含む。ベース・アセンブリ２０４と内部膜２１６との間の容積は、圧縮可能な浮動下部チャンバ２３４を提供するが、これは、内側フラップ２４４により密閉される。ベース・アセンブリ２０４と内部膜２１６との間の環状容積であって、内側フラップ２４４と外側フラップ２４６により密閉される上記容積は、圧縮可能な浮動上部チャンバ２３６を画成する。内部膜２１６と外部膜２１８間の密閉容積は、圧縮可能な外部チャンバ２３８を画成する。３つの圧力調整器（図示せず）は、別々に、浮動下部チャンバ２１４、浮動上部チャンバ２３６、外部チャンバ２３８に接続可能である。そのため、ガスのような流体は、別個に各チャンバ内に導くことができ、或いは、別個に各チャンバの外に導くことができる。
【００２５】
浮動上部チャンバ２３６、浮動下部チャンバ２３４、外部チャンバ２３８内の圧力の組み合わせは、外部膜２１８の上面に抗して、内部膜２１６の接触面積および圧力の両方を制御する。たとえば、浮動上部チャンバ２３６の外に流体を真空引きすることにより、外部膜２１８から離れて、内部膜２１６のエッジが持ち上げられ、これにより、内部膜と外部膜との間の接触面積の接触径ＤＣは減少する。逆に言えば、浮動上部チャンバ２３６に流体を押し込むことにより、内部膜２１６のエッジは外部膜２１８に向かって下げられ、これにより、接触面積の接触径ＤＣは増加する。さらに、浮動下部チャンバ２３４の内外にポンピングすることにより、外部膜２１８に対する内部膜２１６の圧力が変更可能である。このように、キャリアヘッドにより負荷が与えられた面積内の圧力と、その面積の径は、制御可能である。
【００２６】
図３Ａ、図３Ｂを参照すると、プラテン２４内に凹部２６が形成され、例えばガラス又は硬いプラスチック製の透過性カバー２７が凹部２６を覆って置かれる。さらに、透過部３６は、研磨パッド３０内に形成され、透過性カバー２７上に横たわっている。透過性カバー２７と透過部３６は、プラテンの一部の回転中、キャリアヘッドの平行移動位置に拘わらず、これらが基板１０の下を通過するように位置決めされる。研摩パッド３２は２層パッドであると仮定すると、透過部３６は、裏当て層３２に孔を切削することにより、さらに、被覆層３４の一区域を透過性プラグで置き換えることにより、構成可能である。プラグは、比較的に純粋なポリマー又はポリウレタンでもよく、例えば、充填材なしで形成可能である。一般に、透過性区域３６の材料は、非磁性または非導電性でなければならない。
【００２７】
図３Ａを参照すると、第１研磨用ステーション２２ａは、インシトゥー渦電流モニタリング・システム４０と光学モニタリング・システム１４０を含む。渦電流モニタリング・システム４０と光学モニタリング・システム１４０は、研磨処理制御と終点検出システムとして機能することができる。第２研磨用ステーションと最終研磨用ステーション２２ｃは、両方とも、光学モニタリング・システムだけを含めるが、いずれも、追加的に、渦電流モニタリング・システム又は渦電流モニタリング・システムだけを含んでもよい。
【００２８】
図３Ｂに示されるように、コア４２とウィンドウ区域３６は、プラテンの各回転に伴い、基板１０の下を一掃する。ウィンドウ・セクションが基板の下を一掃するたびに、渦電流モニタリング・システム４０と光学モニタリング・システム１４０からデータが収集可能である。
【００２９】
図４を参照すると、渦電流モニタリング・システム４０は、基板上の金属層に渦電流を誘導する為に駆動システム４８と、上記駆動システムにより金属層内に誘導された渦電流を検出する為に感知システム５８とを含む。モニタリング・システム４０は、プラテンと共に回転する為に凹部２６内に位置決めされたコア４２と、コア４２の一部の周りに巻かれた駆動用コイル４４と、コア４２の第２部の周りに巻かれた感知用コイル４６とを含む。駆動システム４８の為に、モニタリング・システム４０は、駆動用コイル４４に接続されたオシレータ５０を含む。感知システム５８の為に、モニタリング・システム４０は、感知用コイル４６と並列に接続されたコンデンサ５２，感知用コイル４６に接続されたＲＦ増幅器５４，ダイオード５６を含む。オシレータ５０、コンデンサ５２、ＲＦ増幅器５４、ダイオード５６は、凹部２６の内側のプリント回路基板１６０上に置かれてもよい。コンピュータ９０は、回転電気ユニオン継手９２を介して、プリント回路基板１６０を含むプラテン内の構成部品に結合可能である。
【００３０】
図５を参照すると、コア４２は、比較的に高い透磁率で、非導電材料で形成されたＵ形胴体でもよい。駆動コイルは、オシレータからの駆動信号に合致するように設計されてもよい。正確な巻き構成、コア組成と形状、コンデンサ・サイズは、実験的に決定可能である。図示のように、透過性カバー２７の下面は、２つの矩形窪み９を含めてもよく、コア４２の２つのプロング４２ａ、４２ｂは、窪みの中に拡張し、基板に密接して位置決めされてもよい。
【００３１】
図３Ａに戻ると、動作中、オシレータ５０は、駆動用コイル４４を駆動し、発振する磁界４８を発生させ、この磁界４８は、コア４２のボデーを通り、コアの２つの極４２ａ、４２ｂの間の間隙に広がる。少なくとも、一部の磁界４８は、研磨パッド３０の薄い部分３６とを通り、基板１０の内部に広がる。金属層１１２が基板１０上に存在する場合、発振する磁界４８は、金属層１２内に渦電流を発生させる。渦電流は、感知用コイル４６とコンデンサ５２と並列したインピーダンス源として、金属層１２を作用させる。金属層の厚さが変わると、インピーダンスは変わり、感知機構のＱファクタに変化が生じる。感知機構のＱファクタの変化を検出することにより、渦電流センサは、渦電流の強さの変化、したがって、金属層１２の厚さの変化を感知することができる。
【００３２】
一般に、導電膜の予想初期膜厚が大きくなる程、所望の共振周波数は低くなる。例えば、比較的に薄い膜（例えば、２０００オングストローム）の為に、キャパシタンスとインダクタンスが選択され、比較的に高い共振周波数（例えば、約２ＭＨｚ）を提供可能である。他方、比較的に厚い膜（例えば、２００００オングストローム）の為に、キャパシタンスとインダクタンスが選択され、比較的に低い共振周波数（例えば、約５０ｋＨｚ）が提供可能である。しかし、高い共振周波数は、厚い銅層でも、まだ十分に作動可能である。さらに、非常に高い周波数（約２ＭＨｚ）は、キャリアヘッド内の金属部からバックグランド・ノイズを減らす為に使用可能である。
【００３３】
最初に、図３Ａ、図４、図６を参照すると、研磨を行う前に、オシレータ５０は、どんな基板も無い状態で、ＬＣ回路の共振周波数に合わされる。この共振周波数は、ＲＦ増幅器５４から最大振幅の出力信号を生じさせる。
【００３４】
図６Ｂと図７に示されるように、研磨動作のため、基板１０は研磨パッド３０に接触して置かれる。基板１０は、シリコン・ウエハ１２と導電層１６（銅のような金属）であって、一以上のパターン化された下層１４にわたって配置されたものを含めることができるが、下層は半導体、導体、絶縁体の層でもよい。バリア層１８は（例えば、タンタルまたは窒化タンタル）は、下にある誘電体から金属層を分離してもよい。
【００３５】
パターン化された下にある層は、金属の特徴物（例えば、バイア、パッド、相互接続）を含めることができる。研磨の前に、大部分の導電層１６は、当初、比較的に厚く、連続しているので、低い抵抗率を有し、比較的に強い渦電流が導電層内に発生可能である。前述したように、渦電流は、感知コイル４６とコンデンサ５２と並列のインピーダンス源として金属層に機能させる。従って、導電膜１６の存在は、センサ回路のＱファクタを減少させ、それにより、ＲＦ増幅器５６からの信号の振幅を著しく減少させる。
【００３６】
図６Ｃ、図７を参照すると、基板１０は研磨され、大部分の導電層１６は薄くなる。導電層１６が薄くなると、そのシート抵抗は増加し、金属層内の渦電流は弱められる。従って、金属層１６とセンサ回路５８との間の結合は、減じられる（すなわち、仮想インピーダンス源の抵抗が増加する）。結合が低下するので、センサ回路５８のＱファクタは、当初の値に向かって増加する。
【００３７】
図６Ｄと図７を参照すると、パターン化された絶縁層１４間のトレンチ内の導電性相互接続１６’が残されつつ、ついには大部分の導電層１６が除去される。この時点で、（一般的に小さく、一般的に不連続である）基板内の導電部間の結合とセンサ回路５８は最小値に達する。したがって、（基板が完全に不在時のＱファクタのように大きくはないが）センサ回路のＱファクタは最大値に達する。これは、センサ回路からプラトーまでの出力信号の振幅を引き起こす。
【００３８】
振幅の検知変化に加えて、渦電流モニタリング・システムは、感知信号における位相シフトを計算することができる。金属層が研磨されるにつれて、感知信号の位相は、オシレータ５０からの駆動信号に関して変化する。この位相差は、研磨された層の厚さと相関している。
【００３９】
図８に示された位相計測装置の一インピーダンスは、駆動信号とセンス信号を組み合わせ、一定のパルス幅又はデューティ・サイクルを持つ振幅信号と位相シフト信号の両方を発生させるが、このパルス幅又はデューティ・サイクルは、位相差に比例している。この実施例において、２つのＸＯＲゲート１００、１０２は、コイル４６とオシレータ５０からの正弦信号を、それぞれ、矩形波信号へと変換する。２つの矩形波信号は、第３のＸＯＲゲート１０４の入力側に供給される。第３のＸＯＲゲート１０４の出力は、２つの矩形波信号間の位相差に比例したパルス幅またはデューティ・サイクルを持つ位相シフト信号である。位相シフト信号は、ＲＣフィルタ１０６によりフィルタがかけられ、位相差に比例した電圧を持つ直流のような信号を発生させる。また、信号は、プログラム可能なデジタル・ロジック、例えば、複合プログラム可能なロジック装置（ＣＰＬＤ）、またはフィールド・プログラム可能なゲート・アレイ（ＦＧＰＡ）であって、位相シフト計測を実行するものに供給可能である。駆動信号及び感知信号の位相差を計測する渦電流モニタリング・システムにより発生された形跡の一例が図９に示されている。位相計測は、駆動周波数の安定性に高感度なので、位相固定ループ電子回路が追加されてもよい。
【００４０】
位相差計測の潜在的利点は、金属層の厚さにおける位相差の依存性が、振幅の依存性より線形であってもよい点である。さらに、金属層の絶対的な厚さは、広範囲にわたる、考えられる厚さから決定されてもよい。
【００４１】
図３Ａに戻ると、リフレクト・メータまたは干渉計として機能することができる光学モニタリング・システム１４０は、凹部２６内で、渦電流モニタリング・システム４０と共に、プラテン２４に固定可能である。光学モニタリング・システム１４０は、光源１４４，検出器１４６を含む。検出器１４６と光源１４２の為の電子回路は、プリント回路基板１６０に配置されてもよい。光源は、透過性のウインドウ区域３６とスラリーを伝播して基板１０の露出面に当たる光ビーム１４２を発生させる。たとえば、光源１４４はレーザでもよく、光ビーム１４２は平行にされたレーザ・ビームでもよい。光レーザ・ビーム１４２は、基板１０の表面に対し垂直な軸から一定角度でレーザ１４４から投射可能である。さらに、ホール２６とウインドウ３６が細長い場合、ビーム・エキスパンダ（図示せず）が光ビームの経路内に位置決めされ、ウインドウの細長い軸に沿って光ビームを拡張してもよい。
【００４２】
図１０Ａ〜図１０Ｃを参照すると、光学モニタリング・システム１４０は、光ビーム１４２が、コア４２の２つのプロング４３間の位置で基板に当たるように位置決めされてもよい。一実施例において、光源１４４は光ビーム１４２をコア４２に向かって、プラテン２４の表面と実質的に平行な経路に沿って導くように位置決めされている。光ビーム１４２は、光ビーム１４２がプロング４３の間を通過するように、ちょうどコア４２の前に位置決めされたミラー１６２から上方に反射され、基板１０から反射され、その後、少なくとも一部がプロング４３間に位置決めされた検出器１４６に当たる。この構成において、光ビームは、コアからの磁界によって覆われた領域内の基板上の、あるスポットに導かれる。従って、光モニタリング・システム１４０は、渦電流モニタリング・システム４０によりモニタされる、基板上の実質的に同じ場所の反射率を計測することができる。図で示されていないが、コア４２と検出器１４６は、一以上の印刷回路基板１６０に取り付けられても搭載されてもよい。
【００４３】
光学モニタリング・システムによって発生された形跡２５０の一例は、図１１に示されている。強度の形跡２５０の全体的な形を、以下に説明する。最初に、下にあるパターン化された層１４の形状のため、金属層１６は一定の初期地形を持つ。この地形のために、光ビームが金属層に当たると散乱する。形跡の区域２５２において研磨操作が進むと、金属層は、より平坦になり、研磨された金属層の反射率は増加する。形跡の区域２５４において、大部分の金属層が除去されると、強度は比較的安定のままである。一旦、酸化物層が形跡で露出され始めると、全体の信号強度は、形跡の区域２５６で急に落ちる。一旦、酸化物層が形跡で全体的に露出されると、区域２５８で再び強度は安定するが、酸化物層が除去されるので干渉計の影響のため、小さな振動があるかもしれない。
【００４４】
図３Ａ、図３Ｂ、図４に戻ると、ＣＭＰ装置２０も、光学断続器のような位置センサ８０を含み、コア４２と光源４４が基板１０の下にあるとき、感知することができる。たとえば、光学断続器は、キャリアヘッド７０の反対側の固定位置に搭載されるであろう。フラグ８２は、プラテンの周囲に取り付けられている。取り付け位置とフラグ８２の長さは、それがセンサ８０の光学信号を妨害する一方、透過性区域３６が基板１０の下を一掃するように選択されている。また、ＣＭＰ装置は、プラテンの角度位置を決定する為にエンコーダを含めることができる。
【００４５】
汎用プログラム可能なデジタル・コンピュータ９０は、強度信号と移送シフト信号を渦電流感知システムから受信し、強度信号を光学的モニタリング・システムから受信する。プリント回路基板１６０は、汎用マイクロプロセッサまたは集積回路仕様のアプリケーションのような回路を含めることができ、渦電流感知システムと光学モニタリング・システムからの信号をデジタル・データに変換する。ＲＳ−２３２等のシリアル通信チャネルを介してコンピュータ９０に送信される分離パケット内に、このデジタル・データが集められてもよい。プリント回路基板１６０とコンピュータ９０の両方が同一パケット・フォーマットを使用する限り、コンピュータ９０は、強度および位相シフト計測値を終点または処理制御用アルゴリズムで抽出することができる。例えば、各パケットは；５バイトを持ち、その内の２バイトが光学的信号データ、２バイトが渦電流信号の為の振幅又は位相差のいずれか一方、１ビットが、パケットが増幅か位相シフトデータを含むかを表示し、残りのビットが、ウインドウ区域３６が基板の下にあるかのフラグ、チェックサム・ビット等を含めてもよい。
【００４６】
モニタリング・システムが、プラテンの各々の回転で基板の下を一掃するので、金属層の厚さと下にある層の露出の情報は、インシトゥーに、かつ、連続したリアルタイムベースで（プラテン回転につき１回）集められる。基板が概して（位置センサにより決定されるように）透過性区域３６に横たわるとき、コンピュータ９０は、モニタリング・システムから計測値をサンプリングするようにプログラム可能である。研磨が進むにつれて、金属層の反射率や厚さが変わり、サンプルされた信号は時間の経過とともに変化する。時間を変えてサンプルされた信号は、形跡と呼んでもよい。モニタリング・システムからの計測値は、研磨中、出力装置９４上に表示され、当該装置のオペレータは、研磨操作の進行を視覚的にモニタすることができる。さらに、前述したように、形跡は研磨処理を制御する為に、金属層の研磨操作の終点を決定する為に使用可能である。
【００４７】
操作において、ＣＭＰ装置２０は、渦電流モニタリング・システム４０と光学的モニタリング・システム１４０を使用し、大部分の充填層が除去されたときを決定し、下にある停止層が実質的に露出されたときを決定する。コンピュータ９０は、処理制御と終点検出ロジックを、サンプリングされた信号に適用し、プロセス・パラメータを何時変更すべきかを決定し、研磨終点を検知する。検出回路ロジックの為の終点基準と、可能な処理制御は、ローカル最小値または最大値、傾斜の変更、振幅又は傾斜の閾値、または、これらの組み合わせを含む。
【００４８】
さらに、コンピュータ９０は、渦電流モニタリング・システム４０及び光学モニタリング・システム１４０からの計測値を、基板下の各スイープから複数のサンプリング領域９６に分割し、各サンプリング領域の放射上の位置を計算し、振幅計測値を放射範囲に仕分けし、各サンプリング領域毎に最小値、最大値、平均値を決定し、複数の放射範囲を使用して研磨終点を決定するようにプログラム可能である。
【００４９】
さらに、コンピュータ９０は、渦電流モニタリング・システム４０に基づき、研磨パッド３０の厚さと、導電層１６の絶対厚さを決定するようにプログラム可能である。一般に、渦電流検出器からの強度と位相シフト信号の両方は、コア４０と導電層１６との間の距離に依存する。特に、図１２Ａ、図１２Ｂで示されるように、研磨パッドは摩耗して薄くなるので、導電層１６は、コア４０の近くまで移動し、結合が増加し、よって、振幅及び位相信号の強度は減少する。
【００５０】
前述したように、渦電流モニタリング・システム４０からの強度と位相シフト信号の両方とも、導電層１６の厚さに依存する。しかし、導電層の一定の臨界的厚さを越えて、振幅信号は、層の厚さに反応しない傾向がある。よって、研磨が開始するとき、十分な材料が除去されるまで（時間δまで）、振幅信号は一定のままであり、導電層は、臨界的厚さより薄くなる。この時点で、振幅信号は強度が増加し始める。対照的に、位相シフト信号は、導電層の厚さに直ちに反応する。
【００５１】
強度と位相シフト信号は、研磨パッドの厚さを決定する為に使用可能である。最初に、既知の、異なる厚さの２つの研磨パッドについて、臨界厚さより厚い導電層を持つテスト基板を研磨する為に較正ステップが実行される。あるいは、摩耗の異なる段階で同一パッドを用いて、較正ステップが実行されてもよい。較正ステップ中、強度信号及び位相シフト信号の強度は、各研磨パッドに対し計測可能である。これらの計測値から、２つの係数ΔＡとΔΦが計算されるが、これらは、パッドの厚さに起因する、振幅および位相シフト信号の信号強度の変化をそれぞれ表す。
【００５２】
その後で、デバイスウエハの研磨中、強度信号と位相シフト信号の計測強度と、係数ΔAとΔΦ（または等価なルックアップ・テーブル）は、研磨パッドの厚さを決定する為に使用可能である。特に、振幅信号は、研磨処理の開始時、導電層の厚さに無感応なので、振幅信号の初期強度は研磨パッドの厚さと相関する。研摩パッドの計測された厚さは、その後、研磨パラメータを修正し、警報を発生させる為に使用可能である。たとえば、研摩パッドの厚さが、所定値以下に下がる場合、コンピュータは、研磨パッドの交換が必要であることを表示する信号を発生可能である。
【００５３】
強度信号と位相シフト信号も同様に、研磨中、基板上の導電層の絶対厚さを決定する為に使用可能である。位相シフト信号は直ちに導電層の厚さの変化を感知できるので、ルックアップ・テーブルは、位相シフト信号を導電層の厚さに関連付ける為に（テスト基板の実験的計測値に基づき）作成可能である。デバイス基板の研磨中、振幅信号の初期強度は、研磨の開始時に計測可能である。２係数ΔAとΔΦを使って、コンピュータは調整位相信号強度を計算できるが、調整位相信号強度は、研摩パッドの厚さの変化に起因する、どんなオフセットの原因であることをも示す。コンピュータは、その後、ルックアップ・テーブルと調整位相信号強度とを使用し、正確に導電層の絶対厚さを計算することができる。
【００５４】
コンピュータ９０も同様に、キャリアヘッドにより適用される圧力を制御する為に圧力機構に接続され、キャリアヘッドの回転速度を制御する為にキャリアヘッド回転モータ７６に接続され、プラテン回転速度を制御する為にプラテン回転モータ（図示せず）に接続され、或いは、研磨パッドに供給されるスラリー組成物を制御する為にスラリー分配システム３９に接続されてもよい。具体的には、計測値を放射上の範囲に仕分けした後、金属膜厚さに関する情報は、リアルタイムで閉ループ・コントローラに供給可能であり、定期的あるいは連続的に、キャリアヘッドにより適用される研磨圧力プロファイルを修正する。たとえば、コンピュータは、終点基準が外側放射状範囲の為には満たされるが、内側放射状範囲の為には満たされないことを決定する。これは、下にある層が、基板の内側領域では露出されないが、環状外側領域では露出されることを示す。この場合、コンピュータは、圧力がかけられる領域の直径を減らし、圧力が基板の内側領域だけにかかるようにし、これにより、基板の外側領域のディッシングや腐食を減らす。
【００５５】
渦電流モニタリング・システムと光学モニタリング・システムは、いろいろな研磨システムで使用可能である。研磨パッドかキャリアヘッドのいずれか一方、または、その両方は、研磨面と基板との間で相対運動を与えるように移動する。研摩パッドは、プラテンに固定された円形（又は、他の形状）、供給用ローラと巻き取り用ローラの間に延びたテープ、或いは、連続したベルトであればよい。研摩パッドは、プラテンに付けられ、研磨操作間にプラテンを覆って徐々に進められるか、研磨中にプラテンを覆って連続して駆動されてもよい。パッドは、研磨中にプラテンに固定されてもよいが、研磨中にプラテンと研磨パッド間に流体ベアリングがあってもよい。研摩パッドは、標準の（例えば、充填材付きのポリウレタンあるいは充填材のないポリウレタン製の）粗いパッド、柔らかいパッド、または固定研削材粒子のパッドでもよい。基板が無いとき、回転よりむしろ、研磨済みの基板、未研磨基板の存在と共に（キャリアヘッドがあろうがなかろうが）、オシレータの駆動周波数は共振周波数に合わせることが可能である。
【００５６】
同一の孔に位置決めされているように例示されているが、光学モニタリング・システム１４０は、渦電流モニタリング・システム４０よりプラテン上の異なる場所に配置可能である。たとえば、光学モニタリング・システム１４０と渦電流モニタリング・システム４０は、プラテンの反対側に位置決めされ、これらが交互に基板面を走査する。
【００５７】
基板の反対側にある研磨面の側部にコイルを配置すること、位相差の計測など、本発明の種々の態様は、渦電流センサが一つのコイルを使う場合に、依然として、あてはまる。単一コイルシステムにおいて、オシレータと感知コンデンサ（及び他のセンサ回路）は、同一コイルに接続される。
【００５８】
本発明は、好ましい実施形態に関して記載された。しかし、本発明は、描写され説明された実施形態に限定されるものではない。むしろ、本発明の範囲は、添付された請求項により規定される。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】図１は、化学的機械研摩装置の概略分解斜視図である。
【図２】図２は、キャリアヘッドの概略横断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは渦電流モニタリング・システムと光学モニタリング・システムを含む、化学的機械研磨ステーションの、一部が断面になっている、概略側面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａの研磨ステーションからのプラテンの概略平面図である。
【図４】図４は、渦電流モニタリング・システムの概略回路図である。
【図５】図５は、渦電流モニタリング・システムにより発生された磁界を例示する概略横断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、渦電流センサを用いて研磨終点を検出する方法を概略例示する図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、渦電流センサを用いて研磨終点を検出する方法を概略例示する図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、渦電流センサを用いて研磨終点を検出する方法を概略例示する図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、渦電流センサを用いて研磨終点を検出する方法を概略例示する図である。
【図７】図７は、渦電流モニタリング・システムからの振幅形跡を例示するグラフである。
【図８】図８は、振幅と位相シフトを感知する渦電流モニタリング・システムの概略回路図である。
【図９】図９は、渦電流モニタリング・システムから位相シフトを例示するグラフである。
【図１０Ａ】図１０Ａは、光学モニタリング・システムと渦電流モニタリング・システムを備えたプラテンの横断面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、光学モニタリング・システムと渦電流モニタリング・システムを備えたプラテンの横断面図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、光学モニタリング・システムと渦電流モニタリング・システムを備えたプラテンの横断面図である。
【図１１】図１１は、光学モニタリング・システムからの振幅形跡を例示するグラフである。
【図１２Ａ】図１２Ａは、異なるパッド厚で、渦電流モニタリング・システムにより発生された、振幅形跡を例示するグラフである。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、異なるパッド厚で、渦電流モニタリング・システムにより発生された、位相差の形跡を例示するグラフである。
【符号の説明】
【００６０】
１０…基板、１２…金属層、１４…パターン化された層、１６…導電層、１８…バリア層、２０…ＣＭＰ装置、２２…研磨用ステーション、２３…移送用ステーション、２４…プラテン、２５、７１…中心軸、２６…凹部、２８…パッドコンディショナ装置、３０…研磨パッド、３２…裏当て層、３４…被覆層、３６…透過部、３８…スラリー、３９…スラリー／洗浄アーム、４０…インシトゥー渦電流モニタリング・システム、４２…コア、４３…プロング、４４…駆動用コイル、４６…感知用コイル、４８…磁界、５０…オシレータ、５２…コンデンサ、５４…ＲＦ増幅器、５６…ダイオード、５８…感知システム、６０…マルチヘッド・カルーゼル、６２…中央ポスト、６４…カルーゼル軸、６６…カルーゼル支持板、６８…カバー、７０…キャリアヘッド、７２…ラジアルスロット、７４…駆動シャフト、７６…キャリアヘッド回転用モータ、８０…センサ、８２…フラグ、１４０…光学モニタリング・システム、１４２…、１４４…光源、１４６…検出器、１６０…プリント回路基板、２０２…ハウジング、２０４…ベース・アセンブリ、２０６…ジンバル機構、２０８…ローディング・チャンバ、２１２…基板裏当てアセンブリ、２１４…浮動下部チャンバ、２１６…フレキシブルな内部膜、２１８…フレキシブル外部膜、２２０…内部支持構造体、２２２…内部スペーサリング、２３２…通路、２３４…浮動下部チャンバ、２３６…浮動上部チャンバ、２３８…外部チャンバ、２４４…内側フラップ、２４６…外側フラップ。
【図３】
2004525521.tif 000003
【図４】
2004525521.tif 000004
【図８】
2004525521.tif 000005
【図１１】
2004525521.tif 000006
【図１２Ａ】
2004525521.tif 000007
【図１２Ｂ】
2004525521.tif 000008
【国際公開パンフレット】
2004525521.tif 000009
2004525521.tif 000010
2004525521.tif 000011
2004525521.tif 000012
2004525521.tif 000013
2004525521.tif 000014
2004525521.tif 000015
2004525521.tif 000016
2004525521.tif 000017
2004525521.tif 000018
2004525521.tif 000019
2004525521.tif 000020
2004525521.tif 000021
2004525521.tif 000022
2004525521.tif 000023
2004525521.tif 000024
2004525521.tif 000025
2004525521.tif 000026
2004525521.tif 000027
2004525521.tif 000028
2004525521.tif 000029
2004525521.tif 000030
2004525521.tif 000031
2004525521.tif 000032
2004525521.tif 000033
2004525521.tif 000034
2004525521.tif 000035
2004525521.tif 000036
2004525521.tif 000037
2004525521.tif 000038
2004525521.tif 000039
2004525521.tif 000040
【国際調査報告】
2004525521.tif 000041
2004525521.tif 000042
2004525521.tif 000043