(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨パッド、
研磨パッドを保持する回転可能なプラテン、
基板を保持し、プラテン及び研磨パッドが回転している間、研磨パッドに薄膜を圧迫して使用可能なチャック、
研磨パッドを通して薄膜に向けられた光を伝えることができ、伝えられた光が薄膜から反射され研磨パッドを通して通過する反射光を生成する、少なくとも1つの光源、および
反射光の干渉光強度変化を検出し、該薄膜の研磨中に、該干渉光強度変化に基づいて該薄膜の寸法変化を決定すべく設けた、少なくとも1つの装置を備える、基板の上の薄膜を研磨する化学機械ポリッシャー。
【請求項２】
少なくとも1つの装置が、干渉光強度変化を検出する検出器、および検出された干渉光強度変化に応答して化学機械ポリッシャーを制御する分析器を備える、請求項１記載の化学機械ポリッシャー。
【請求項３】
分析器が、反射光の干渉光強度変化を分析し、薄膜の寸法の変化を判定する、請求項２記載の化学機械ポリッシャー。
【請求項４】
分析器が、1つの波長で干渉計を使用して反射光の干渉光強度変化を分析する、請求項３記載の化学機械ポリッシャー。
【請求項５】
分析器が、連続する波長範囲にわたって分光光度計を使用して反射光の干渉光強度変化を分析する、請求項３記載の化学機械ポリッシャー。
【請求項６】
分析器が、反射光の干渉光強度変化を分析して薄膜の厚みまたは平坦度の変化を判定する、請求項３記載の化学機械ポリッシャー。
【請求項７】
入射光および反射光が、プラテンに埋め込まれた光ファイバーケーブルを通して伝えられる、請求項１記載の化学機械ポリッシャー。
【請求項８】
入射光が薄膜のある区分に伝えられる、請求項１記載の化学機械ポリッシャー。
【請求項９】
入射光が薄膜の複数の区分に伝えられる、請求項１記載の化学機械ポリッシャー。
【請求項１０】
光源が、少なくとも1つの波長が200ナノメートルと11000ナノメートルとの間である光を生成する、請求項１記載の化学機械ポリッシャー。
【請求項１１】
光源がレーザ光を生成する、請求項１記載の化学機械ポリッシャー。
【請求項１２】
プラテンと該プラテンに保持される研磨パッドを回転する段階、
薄膜を含む基板をチャック内に保持し、該チャックを薄膜が研磨パッドに対して圧迫されるように配置し、薄膜が回転研磨パッドによって研磨される段階、
薄膜の少なくとも1つの区分を研磨する間、回転研磨パッドを透過する光を該少なくとも1つの区分に照射し、該少なくとも１つの区分が照射した光を反射する段階、および
少なくとも１つの区分を研磨中に、照射された薄膜の少なくとも1つの区分から反射された光の干渉光強度変化を検出し、該干渉光強度変化に基づいて薄膜の寸法変化を決定する段階を含む、薄膜を処理する方法。
【請求項１３】
プラテンと該プラテンに保持される研磨パッドを回転する段階、
薄膜を含む基板をチャック内に保持し、該チャックを薄膜が研磨パッドに対して圧迫されるように配置し、薄膜が回転研磨パッドによって研磨される段階、
薄膜の少なくとも1つの区分を研磨する間、回転研磨パッドを透過する光を該少なくとも1つの区分に照射し、該少なくとも１つの区分が照射した光を反射する段階、および
該少なくとも１区分の研磨中に、照射された薄膜の少なくとも1つの区分から反射された光の干渉光強度変化を検出し、該干渉光強度変化に基づいて薄膜の寸法変化を決定する段階を含む、平坦化された基板を作製する方法。
【請求項１４】
薄膜を研磨する段階が、
光を研磨パッドを通して薄膜に当てることによって薄膜の少なくとも1つの区分を照射する少なくとも1つの光源、
および干渉光強度変化を検出する少なくとも1つの装置を備える化学機械ポリッシャーで該薄膜を研磨する段階を含む、請求項１２または１３の何れか１項記載の方法。
【請求項１５】
反射光が、検出段階の前に研磨パッドを通過して出ていく、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
干渉光強度変化が、薄膜の少なくとも1つの区分が少なくとも1つの装置の上を通過したときに検出される、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも1つの区分を照射する光源からの光と、反射光とが、回転研磨パッドに埋め込まれた光ファイバーケーブルを通過する、請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
検出された干渉光強度変化に応答して薄膜の厚み変化を制御する段階をさらに含む、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
少なくとも1つの装置が、干渉光強度変化を検出する検出器、および検出された干渉光強度変化に応答して化学機械ポリッシャーを制御する分析器を備える、請求項１４記載の方法。
【請求項２０】
研磨パッドを通して薄膜の少なくとも1つの区分に当てられる光が、200ナノメートルと11000ナノメートルとの間の少なくとも１つの波長を含み、
反射光の干渉光強度変化が1つまたは複数の波長にわたって分析される、請求項１４記載の方法。
【請求項２１】
薄膜の複数の区分が照射される、請求項１２または１３の何れか１項記載の方法。
【請求項２２】
薄膜を研磨する段階が、薄膜の厚みを小さくする段階または薄膜を平坦化する段階を含む、請求項１２または１３の何れか１項記載の方法。
【請求項２３】
研磨終点が、反射光の干渉光強度変化に基づいて検出される、請求項１２または１３記載の方法。
【請求項２４】
薄膜が金属膜である、請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
基板が、絶縁材料、導電材料、半導体材料、シリコンウェーハ、ひ化ガリウムウェーハ、およびシリコン−オン−インシュレータのうちの少なくとも1つを備える、請求項１２または１３の何れか１項記載の方法。
【請求項２６】
基板が、シリコンウェーハの上の半導体デバイスを備える、請求項１２または１３の何れか１項記載の方法。
【請求項２７】
薄膜が、SiO2層、スピン−オン−グラス層、タングステン層、アルミニウム層、シリコン層、およびフォトレジスト層のうちの少なくとも1つを備える、請求項１２または１３の何れか１項記載の方法。
【請求項２８】
薄膜が、半導体デバイスの上に誘電層を備える、請求項１２または１３の何れか１項記載の方法。
【請求項２９】
薄膜が、少なくとも1つの金属層の上に少なくとも1つの誘電層を備える、請求項１２または１３の何れか１項記載の方法。
【請求項３０】
薄膜が、半導体デバイスまたは集積回路の一部を備える、請求項１２または１３の何れか１項記載の方法。
【請求項３１】
薄膜の少なくとも１つの区分が、200ナノメートルと11000ナノメートルとの間の少なくとも1つの波長を含む光によって照射される、請求項１２記載の方法。
【請求項３２】
請求項１２の方法によって処理された薄膜を含む半導体デバイス。
【請求項３３】
請求項１２の方法によって処理された薄膜を含む集積回路。
【請求項３４】
少なくとも1つの区分が、200ナノメートルと11000ナノメートルとの間の少なくとも1つの波長を含む光で照射され、
反射光の干渉光強度変化が1つまたは複数の波長にわたって分析される、請求項１３記載の方法。
【請求項３５】
薄膜が直接基板上に形成されている、請求項１３記載の方法。
【請求項３６】
請求項１３の方法によって作られた平坦化された基板。
【請求項３７】
シリコン−オン−インシュレータ基板である、請求項３６記載の平坦化された基板。
【請求項３８】
請求項１３の方法によって作られた平坦化された基板を含む半導体デバイス。
【請求項３９】
請求項１３の方法によって作られた平坦化された基板を含む集積回路。
【請求項４０】
請求の範囲１の化学的機械ポリッシャーであって、
第１分岐脚部が少なくとも１つの光源に接続され、第２分岐脚部が一つの装置に接続される、共通脚部、第１分岐脚部及び第２分岐脚部を有する分岐型光ケーブル、
第２端部が回転可能で、第１端部が前記分岐型光ケーブルの共通脚部に接続される、第１端部と第２端部を有する回転カップラー、
第１端部が前記回転カップラーの第２端部に接続され、第２端部が薄膜に光を照射するべく位置し、薄膜から反射された光を受光する、第１端部、第２端部を有する回転ファイバーケーブルをさらに備える、化学的機械ポリッシャー。
【請求項４１】
請求項１の化学的機械ポリッシャーであって、
少なくとも１つの光源から薄膜に照射された光を伝送、さらに薄膜から少なくとも１つの装置に反射された光を伝送すべく位置した回転カップラーをさらに備えた、化学的機械ポリッシャー。
【請求項４２】
請求項１の化学的機械ポリッシャーであって、
該研磨パッドは、照射光並びに反射光が通過しうる孔を含むものである、化学的機械ポリッシャー。
【請求項４３】
請求項４２の化学的機械ポリッシャーであって、
少なくとも一部が該孔の中に位置し、該孔を通して照射光及び反射光を伝送するために操作可能な光ファイバーケーブルをさらに備えた、化学的機械ポリッシャー。
【請求項４４】
請求項１の化学的機械ポリッシャーであって、
該研磨パッドが照射光および反射光を透過しうる光学的アクセスを含む、化学的機械ポリッシャー。
【請求項４５】
請求項１の化学的機械ポリッシャーであって、
研磨パッド中に埋め込まれ、薄膜の研磨中に薄膜に光学的アクセスを提供すべく設けられた孔をさらに備えた、化学的機械ポリッシャー。
【請求項４６】
請求項１の化学的機械ポリッシャーであって、
該少なくとも１つの装置が、該薄膜から反射された光を受光し、該光を電気信号に変換するために可動な光学検出器を含み、
第２端部が回転可能で、第１端部が光学検出器からの電気信号を受信すべく接続され、該第２端部が光学検出器から１又はそれ以上の分析器に電気信号を伝送するために接続された、第１端部と第２端部を有する電気スリップリングを備えた、化学的機械ポリッシャー。
【発明の詳細な説明】
発明の領域
本発明は、回転を受けている表面の光学的監視および測定のため、特に回転と同時に寸法変化を受けているあらゆる薄膜のインサイチュー（in situ：本来の場所での）実時間監視のための技術および装置に関する。本発明は、半導体および集積回路の生産において望ましい極めて平坦で均一なウェーハを製造するためのウェーハ平坦化の分野において特に有用である。
発明の背景
マイクロエレクトロニクスデバイスの寸法が縮小し続けるにつれて、パターニングの問題が、ますます集積回路および半導体デバイスの製造の妨げとなっている。半導体デバイスの製造には、往々にして極めて平坦な表面、および精確な厚さの薄膜が必要とされる。半導体デバイスの中で平坦化および厚さ調節を必要とする表面としては、半導体材料表面上の誘電材料（例えばＳｉＯ2）の部域または層、およびその他のデバイスパターン層が含まれる。絶縁用誘電層およびその他のデバイス層は、不規則性および粗い微細構成が焦点深度（以下、ＤＯＦと呼ぶ）予算問題を含む製造上の諸問題をもたらすため、極めて平坦である必要がある。表面内の不規則性のために表面の一部が光学系とウェーハの間の特定の距離のところで焦点を外れる可能性があることから、パターン形成の誤差が発生し得る。同様に、層の厚みの変動は、層および隣接デバイスパターンの電気特性、特にマイクロエレクトロニクスデバイスの異なる層の間の相互接続における電気特性に影響を与え得ることから、層の厚さを精確に調節することが必要である。
層の厚さの精確な調節は、半導体デバイスの製造においても同様に非常に重要である。ＶＬＳＩ技術においては、多層デバイスのいくつかの層は一般に電気的に相互接続されている。また、これらの層は、ＳｉＯ２といったような絶縁材料の薄い層によってさまざまなレベルから典型的には絶縁されている。デバイス層を相互接続するためには、間に電気的アクセスを提供するべく往々にして絶縁層中にコンタクトホールが形成される。絶縁層の厚みが厚すぎる場合、層間を接続できない可能性があり、薄すぎる場合には、孔を形成する処理によって下にあるデバイス層が損傷を受ける可能性がある。
その他の平坦化方法（例えば、スピン−オン−グラス（spin-on-glass）およびエッチバック）がさまざまな欠点を有していたことから、化学／機械研磨（以下、ＣＭＰと呼ぶ）平坦化機およびその他のラップ盤が開発され、半導体デバイス製造のための平坦な表面を提供するのに利用されてきた。一般に、ＣＭＰは、回転テーブルに取りつけられた研磨布を用いることによりウェーハを平坦化する技術である。ウェーハは、スピンドル上で回転する研磨布の上でチャックによって保持されている。ウェーハは研磨布に対して下向きに押圧されている。回転する研磨布の毛羽は、薄膜の小片を除去し、これにより表面を平坦化する。
ｐＨが調整された流動性でコロイド状の、スラリーと呼ばれるシリカ粒子の溶液が、研磨布とウェーハの間を流れ、研磨部域から材料を除去し、ウェーハ表面の平坦化を高める。
ＣＭＰおよびラップ盤の終点を決定する典型的方法は、標準的なウェーハを平坦化するのに必要な時間を測定し、次に同じ時間だけ残りのウェーハを処理することである。実際には、この処理は、研磨条件および研磨布が時間よりも個々のウェーハによって変化することから精確な薄膜除去速度を決定するのが極めてむずかしいために、非常に非効率的である。その結果、平坦化の後、個別にウェーハを検査することが往々にして必要となり、これは時間と費用のかかる作業である。従って、ＣＭＰ処理は、インサイチュー（本来の場所での）実時間の測定および制御システムを導入することによって著しく改善されうる。
ＣＭＰ処理を監視し制御する能力は、いくつかの技術によって直接的および間接的に扱われてきた。一つの方法は、キャパシタンスを測定することに基づいている（米国特許第5,081,421号）。この方法の背後にある理論は、ウェーハの電気的キャパシタンスが、ウェーハ表面の平坦化につれて変化するということである。この方法の２つの主要な欠点は、その精度が限定されているということ、およびそれがパターンに依存しているということにある。その精度は、システム全体のキャパシタンスにも影響を及ぼし得る、下にある層のパターンによって危うくなる可能性がある。
一つの直接的方法が提案されているが、これは研磨布の上に張り出すウェーハの１区分の研磨された面（前面）上の干渉光強度の読取りを行なうのにレーザー光を用いる方法である（米国特許第5,081,796号）。このシステムの不利な点は、ウェーハの一部が研磨布の縁部の上に張り出さなくてはならないことから、研磨の均一性の問題が生じ、そしてまた回転ウェーハ上の監視対象スポットをウェーハの張り出しの下側で装置と調和させなくてはならないため、従来のＣＭＰ処理の実質的な修正が必要となる、という点にある。
ウェーハと研磨表面の間の摩擦の変化を検知する、ＣＭＰを監視する間接的な方法が開発されている（米国特許第5,036,015号）。摩擦の変化は、例えば、ウェーハの酸化物コーティングが除去され、研磨布がより硬い材料に接触した時点で発生し得る。この方法の精度は、変化する研磨布条件の変動により影響される。さらに、この方法の使用は、異なる材料によって生じる摩擦を検知する必要があるということによって制限され得る。
研磨中のスラリーの電気伝導度を利用する、ＣＭＰを監視するもう一つの間接的な方法が開発されている（米国特許第4,793,895号）。ＣＭＰ処理中に金属層が露出された場合、スラリーおよびウェーハの電気抵抗率はウェーハ表面上の露出された金属のため変化する。この方法の明白な欠点は、監視のために露出された金属表面を有することを必要とするということにある。これは、大部分のタイプの研磨状況にとって不可能なことである。
平坦化の間、研磨布から離脱した廃棄スラリーを利用するＣＭＰを監視するもう一つの間接的な方法が開発された（米国特許第4,879,258号）。
ある種の材料が誘導層内に埋められ、それが平坦化され研磨布から離れ落下する過程が監視される。この方法の明らかな欠点としては、平坦化とスラリーが研磨布の縁部に到達する時点との間の時間的遅延（約３０秒と推定される）、ならびに先行するウェーハが残した材料により導かれる信号ノイズおよび感度レベルの低さ、がある。この方法は、有効な実時間方法ではない。
これらおよびその他の終点検出技術は、インサイチュー（本来の場所での）実時間方式でのＣＭＰ処理の有効かつ精確な制御を提供してくれない。これらの設計技術は、終点検出の精度を危うくし、そして／またはＣＭＰ処理の著しい変更を必要とする。
【図面の簡単な説明】
図１は、半導体材料の基板上のデバイスパターン、ならびにパターンおよび基板全体にわたる厚く平坦化されていない誘電層を伴う代表的な半導体デバイスの側面図である。
図２は、誘電層がＣＭＰ平坦化を受けた後の図１の半導体デバイスを例示している。
図３は、光ファイバーケーブルが嵌合された回転カップラーの側面図である。
図４は、ＣＭＰアセンブリと一体化された本発明の光ファイバー態様の側面図を示す。光ファイバー装置は、前面および裏面の両方からアプローチで示されている。
図５は、ウェーハの方向に光を伝送する光源を利用する本発明のもう一つの態様を示す。この光はウェーハの表面から反射され、この反射が光検出器によって監視され、この光検出器が光信号を電気信号に変換する。電気信号は、電気スリップリングの中を通過した後分析器へと中継され得る。
図６は、図４に示されているウェーハ保持用チャックを示しており、ここでは、孔が位置するウェーハの裏面に対する圧力の損失を補償するためウェーハの上のキャビティ内に空気が圧送されている。
発明の概要
本発明の目的は、厚み変化を受ける基板上の薄膜の領域を監視できるようにし、かくしてインサイチュー（本来の場所での）実時間方式での終点検出を可能にすることによって、上述の問題を回避することにある。さらに、監視される領域が充分に小さい場合、ウェーハ上の一つのスポットを終点専用にすることもできる。専用の終点スポットは、層のトポロジー、パターン、および多重薄膜層に関連する信号の問題点をとり除くことができる。
かくして、本発明は、寸法的変化を受ける薄膜層上の一区分の光照射および監視用の装置および方法を提供する。光源からの光は、好ましくは基板の裏面を通して層上の監視部域まで伝送され、干渉光強度、分光光度、および／または吸光度の変化に基づいて基板の厚さの変化を評価する分析器に中継し戻される。
好ましい一態様において、光信号は有利に基板の裏面から測定され、このため、ウェーハの監視対象領域および監視装置が処理の間に調時および調整される必要がないので、実施が容易になっている。
発明の詳細な説明
一つの態様において、本発明は、基板の裏面（処理が行なわれていない方の面）を通して薄膜の一区分を照射し、照射された区分から戻る光信号を測定し、そして測定された光信号に基づき基板上の薄膜の厚み変化を決定することを含む、基板上の薄膜の厚み変化を監視する方法である。厚み変化は、測定された光信号内の干渉光強度、分光光度、吸光度および／またはその他の光学的変化を分析する分析計によって決定され得る。基板が回転を受けている場合、この方法は、場合によっては、信号を分析器に結合させる回転カップラーに光信号を中継する段階をさらに含む。
本発明のもう一つの態様は、基板の前面（すなわち研磨中の面）から薄膜の一区分を照射し、照射された区分から戻る光信号を測定し、分析器に接続する回転カップラーに光信号を中継し、そして測定された光信号内の干渉光強度、分光光度、吸光度、および／またはその他の光学的変化を分析する分析器で厚み変化を監視することを含む、基板上の薄膜の厚み変化を監視する方法である。
本発明のもう一つの態様は、光信号を生成するべく基板の前面または裏面のいずれかから薄膜の一区分を照射する光源、光信号を検出するための手段、光信号を分析するための手段、照射された区分からの光信号を光信号分析用手段まで中継するための回転カップラー、および場合によっては一つまたは複数の集束レンズを含む、基板上の薄膜中の厚み変化を監視するための装置である。
好ましくは、この装置には、
（i）共通の脚部および２本の分岐した脚部を有する分岐型光ファイバーケーブル、
（ii）２つの端部を有する回転光ファイバーケーブル、
（iii）光源、
（iv）光信号を分析するための手段、および
（v）静止端部と回転端部を有する回転カップラーが含まれ、
ここで、分岐型光ファイバーケーブルの第１の分岐脚部は光源に連結され、第２の分岐脚部は、光信号を分析するための手段に接続され、共通脚部は回転カップラーの静止端部に連結されており、
さらに、回転光ファイバーケーブルの一つの端部は回転カップラーの回転端部に接続され、もう一方の端部は処理中の基板上の薄膜に近接して保持されている。
「近接」というに用語は、薄膜の監視対象部域の有効な照射および戻り光信号の有効な受理を可能にするのに充分なほど近い、回転光ファイバーケーブル端部と基板上の薄膜との間のいかなる距離も含まれる。好ましい距離は約１cm以下である。
回転光ファイバーケーブルは、光源から照射対照区分まで光を伝送するため、および照射された区分からの復路の戻り光信号を伝送するための両方に役立つ。光源からの光は、分岐型光ファイバーケーブルの第１の分岐脚部を下へ走行し、回転カップラーを通って回転光ファイバーケーブルを下へと移行し、基板上の薄膜を照射する。戻り光信号は、分岐型光ファイバーケーブルの第２の分岐脚部によって分析器まで中継される。さらに、一つまたは複数の回転カップラーの中を通過する回転光ファイバーケーブルの複数の脚部を用いることによって、基板上の薄膜の複数の区分を一度に監視することができる。
好ましくは、光ファイバーケーブルは、束ねられた複数の光ファイバーを含んでいる。しかしながら、光ファイバーケーブルは、単一のファイバーしか含まなくてもよい。また、光ファイバーケーブルは、束ねられた光ファイバーケーブルと単一の光ファイバーケーブルの組合せであってもよい。さらにまた、これは束ねられた複数の光ファイバーケーブルであってもよい。
「基板」という用語は、当該技術分野において公知のものであるいかなる絶縁性、導電性、および半導電性の材料をも内含している。好ましい基板は、シリコンウェーハ、ガリウム−砒素ウェーハ、および絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）ウェーハといったウェーハである。
「基板上の薄膜」という用語は、ＳｉＯ2といった当該技術分野において公知のさまざまな誘電層、タングステンおよびアルミニウムといった金属層、ならびに上述のような基板上に見られるシリコン薄膜といったさまざまなその他の薄膜を内含している。薄膜にはレジスト層も含まれる。
例えば、厚み変化を受けている薄膜は、化学／機械研磨（ＣＭＰ）処理、化学蒸着処理、レジスト現像処理、後露光ベーク、スピンコーティング処理、またはプラズマエッチング処理における基板上の薄膜であってもよい。ＣＭＰの態様において、薄膜は基板と研磨布の界面に位置する。
「光源」という用語は、約２００〜約１１，０００ナノメートルの波長範囲内で基板上の薄膜を照射することのできるいかなる光源をも内含している。光信号が基板の裏面から測定される場合、波長は好ましくは約１，０００〜約１１，０００ナノメートルの間にある。好ましくは、裏面波長は１，３００ナノメートルである。光信号が前面から測定される場合、波長は好ましくは約２００〜約１１，０００ナノメートルの間にある。好ましい前面波長は６３２．８ナノメートルである。好ましくは、基板上の薄膜の区分は光源によって連続的に照射されるが、照射は定時間隔で行なうこともできる。
光信号を分析するための適切な手段、すなわち「分析器」は、干渉光強度、分光光度、吸光度、および／またはその他の光学的変化を測定するための、光検出器、干渉計、分光測光計、および当該技術分野において公知のその他の装置を内含している。
適切な回転カップラーとしては、光が２つの部材の端部間を通過できるようになっていることを条件として、回転部材を非回転部材に結合するための当該技術分野において知られているいかなるカップラーも含まれる。このようなカップラーは、例えば米国特許第4,398,791号および4,436,367号に開示されている。好ましくは、回転していない分岐型光ファイバーケーブルに回転光ファイバーケーブルを結合するための手段には、回転光ファイバーケーブルの一方の端部に取りつけられる回転部材が含まれる。回転部材は、分岐型光ファイバーケーブルの共通脚部に取りつけられる回転カップラーの静止部材の中にはめ込まれる。カップラーは、回転光ファイバーケーブルの端部が分岐光ファイバーケーブルの共通脚部に対して好ましくは１cm未満という近接した状態で保持され、かくして光が２つの端部の間を通過できるように設計されている。場合によっては、ケーブル端部には、信号伝送を増強するための集束レンズがはめ込まれている。
回転カップラーは、軸外し光ファイバーカップラー、電気スリップリング、もしくは前述のカップラーの組合せを含むその他のタイプのカップラー、またはその他の信号回転結合解除手段で置換され得る。
本発明の方法および装置を使用することのできる典型的なＣＭＰ機は、カリフォルニア州サン・ルイス・オビスポ（San Luis Obispo）のＲ．ハワード・ストラスバウ社（R. Howard Strasbaugh, Inc.）、アリゾナ州フェニックス（Phoenix）のウェステック・システムズ社（Westech Systems, Inc.）、およびカリフォルニア州メンロ・パーク（Menlo Park）のシベック・システムズ（Cybeq Systems）が製造しているものである。
図１および２は、半導体デバイスウェーハのＣＭＰ平坦化を例示している。図１には、シリコンウェーハ基板３上に形成されたデバイスパターン２の表面上に被着されたＳｉＯ2といった誘電層１を含む代表的な半導体デバイスが示されている。誘電層は、酸化物の化学蒸着（ＣＶＤ）、スピン−オン−グラスまたはその他の手段といった方法で形成され得る。図２は、図１のウェーハを示すが、ここではＣＭＰの後に予め選択された厚さまで平坦化された誘電層１が備わっている。デバイスパターン２およびウェーハ基板３はこの処理においては比較的変化しない。
図３は、光学式回転カップラー装置の好ましい態様の側面図表示である。図３は、分岐型光ファイバーケーブル４を示しており、そのうち一つの分岐脚部は光源７に接続され、そのもう一方の分岐脚部は光検出器８に接続され、この光検出器はそれ自体信号条件づけ電子部品およびコンピュータ処理および制御システム（図示せず）に接続されている。分岐型光ファイバーケーブル４の共通脚部は光学式回転カップラー５に接続されている。回転光ファイバーケーブル６は、回転カップラーから監視すべきウェーハ基板の部域まで延びている。光ファイバーケーブル４および６は、単ファイバータイプであっても束ファイバータイプであってもよい。同様に、１本のケーブルまたはファイバーの代りにいくつかの光ファイバーケーブルまたはファイバーを使用することも可能である。同様に、例えば、ケーブル４が単なるファイバーでケーブル６が束ケーブルであるような、単ファイバーと束ファイバーのハイブリッドケーブルの態様を作ることもできる。ケーブルがウェーハ基板の監視部域に充分近くにしっかりと固定されている場合には、ケーブル６の監視用端部に集束レンズは不要である。好ましくは、ケーブル６の端部とウェーハ基板との間の距離は１cm未満である。
図４は、図３に示されている装置と適合された標準的なＣＭＰ平坦化装置またはラップ盤の側面図表示である。この装置は、４、５、および６では裏面アプローチから、また４′、５′、および６′では前面アプローチから平坦化装置内にセットアップできる。有効な監視のためには、ある時点で裏面または前面のいずれか一方からのアプローチが必要とされる。図４では、ウェーハ保持用チャックおよびスピンドル１２が、裏面からのアプローチについて、回転カップラー５と一体化された形で示されている。分岐型光ファイバーケーブル４はスピンドル１２の中に送られ、図３に示されるとおり、回転カップラー５の静止部分に接続されている。回転光ファイバーケーブル６は、ウェーハの監視された部域までスピンドルを下方へと送られ、この監視された部域は場合によっては、クリアエリアまたはダイといったパターン無しの部域であるか、または場合によってはパターンを有する部域である。ウェーハ１１は、一般に化学接着剤によってチャックに取りつけられた取付け用パッドまたは「固定具」によってチャックに保持されている。固定具は往々にして、ポリウレタン表面層によって合わせて保持されたベースマトリクスからなる。ウェーハの裏面に保持され、これを圧迫している外部表面は、ウェーハをグリップし、そしてウェーハのための均質な支持体をも提供している。
図４に示されているその他の態様においては、研磨布を保持する回転テーブルベース１０およびプラテン９は、ウェーハに対する前面接近について、回転カップラー５′と一体化された形で示されている。分岐型光ファイバーケーブル４′は、回転テーブルベース１０内に送り込まれ、回転カップラー５′の静止部分に接続される。回転カップラー５′の回転シャフトに接続された回転光ファイバーケーブル６′は、ウェーハの監視部域に隣接している。プラテン９に取りつけられた研磨布は一般に孔を有するものであるため、光ファイバーケーブル６′の端部を穴の一つの中に埋込むことができる。半透明のスラリー溶液は研磨布とウェーハの間を流れ、可視性が最も高い光波長を散乱させる。場合によっては、異なる光波長のスラリー散乱効果を補償するために信号増強手段を使用することができる。好ましい態様において、前面法のための光源光は、波長６３２．８ナノメートルの光であり、この波長はスラリーを通しての光信号伝送と同様に測定の精度の問題をも考量した波長である。研磨布の中に埋込まれた回転光ファイバーケーブル６′は、ウェーハ１１上の測定部域の上に位置づけられた時点で干渉信号を伝送および受理しなければならない。これは、当該技術分野における通常の技術を用いてウェーハ上の監視対象部域全体にわたり監視用光学部品が移行するように調整される。
図５は、電気スリップリングアセンブリの使用を例示している。光源１４が光をウェーハ１１上の一点に伝送し、こうして光は光検出器またはその他の光監視用電子部品１３の方向に反射することになり、この光検出器およびその他の部品１３は光信号を電気信号へと変換する。次に電気信号は、まず分析器１２へ、そして最終的に電気スリップリング１５へと送られ、ここで回転から結合解除されて、ＣＭＰの進捗を監視するその他の分析器へと移行され得る。
図６は、ウェーハ保持用チャックおよびスピンドル１２を示しており、ここで回転光ファイバーケーブル６は、ウェーハ保持用チャック１２を通ってカップラー５からウェーハ１１の後ろの地点まで、ＣＭＰ処理中に一定経路で導かれている。ウェーハを保持するパッドまたは「固定具」が光の通過を許さない場合、これに孔をあけてウェーハへの光学的アクセスを提供することができる。光学的アクセス地点でのウェーハに対する圧力の損失を補償するためには、場合によっては、キャビティ内に空気を圧送してウェーハに圧力を加え圧力損失を補償することができる。また、固定具が光を伝送できるならば、光学的アクセスのための孔あけは不要である。
本発明をその具体的な態様を参照して詳細に記述してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、さまざまな変更および修正をそれに加えることができるということは当業者には明らかであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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