KR100827871B1 - In-situ endpoint detection and process monitoring method and apparatus for chemical mechanical polishing - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 넓게는 기판의 화학 기계 폴리싱에 대한 것이며, 보다 구체적으로는 화학 기계 폴리싱을 하는 동안 금속층을 모니터링하기 위한 방법 및 장치에 대한 것이다. The present invention broadly relates to chemical mechanical polishing of substrates, and more particularly to methods and apparatus for monitoring metal layers during chemical mechanical polishing.
집적회로는 도전층, 반도체층 또는 절연층을 기판 위에 연속적으로 증착시킴으로써 형성되는 것이 일반적이다. 제조 공정 중 한 단계에서는, 평탄하지 않은 표면에 충전재층(filler layer)을 증착하고, 평탄한 층이 나타날 때까지 이 충전재층을 폴리싱한다. 예를 들어 도전성 충전재층은 패턴이 형성된 절연층에 증착되어, 절연층 내에 구멍이나 트렌치를 형성한다. 이후 충전재층은 절연층의 융기된 패턴이 노출될 때까지 폴리싱된다. 평탄화 이후, 절연층의 융기된 부분 사이에 남아 있는 도전층의 일부는 비아, 플러그 및 라인을 형성하는데, 이들은 기판 위의 얇은 회로 사이에서 도전성 경로를 제공한다. 더욱이 평탄화는 포토리소그래피를 위해 기판 표면을 평탄화하는 데에도 필요하다. Integrated circuits are typically formed by continuously depositing a conductive layer, a semiconductor layer, or an insulating layer on a substrate. In one step of the manufacturing process, a filler layer is deposited on an uneven surface and the filler layer is polished until a flat layer appears. For example, the conductive filler layer is deposited on the patterned insulating layer to form holes or trenches in the insulating layer. The filler layer is then polished until the raised pattern of the insulating layer is exposed. After planarization, some of the conductive layer remaining between the raised portions of the insulating layer forms vias, plugs, and lines, which provide conductive paths between thin circuits on the substrate. Furthermore, planarization is also necessary to planarize the substrate surface for photolithography.
화학 기계 폴리싱(CMP)은 평탄화를 위해 채용되는 방법 중 하나이다. 이 평탄화 방법에서는 보통 기판이 캐리어나 폴리싱 헤드에 장착되어 있어야 한다. 기판의 노출된 표면은 회전하는 폴리싱 디스크 패드 또는 벨트 패드에 대해 놓인다. 폴리싱 패드는 "표준(standard)" 패드이거나 고정 연마 패드(fixed-abrasive pad)일 수 있다. 표준 패드는 내구성 있는 거친 표면을 가지는 반면, 고정 연마 패드는 유지 매체(containment media) 내에 지지되는 연마재 입자를 가진다. 캐리어 헤드는 제어 가능한 하중을 기판에 제공하여 기판을 폴리싱 패드에 대해 누른다. 표준 패드가 사용될 경우 연마입자 및 적어도 하나의 화학 반응제(chemically-reactive agent)를 포함하는 폴리싱 슬러리가 폴리싱 패드 표면에 공급된다. Chemical mechanical polishing (CMP) is one of the methods employed for planarization. This planarization method usually requires the substrate to be mounted on a carrier or polishing head. The exposed surface of the substrate lies against the rotating polishing disk pad or belt pad. The polishing pad can be a "standard" pad or a fixed-abrasive pad. Standard pads have a durable rough surface, while fixed abrasive pads have abrasive particles that are supported in containment media. The carrier head provides a controllable load to the substrate to press the substrate against the polishing pad. If a standard pad is used, a polishing slurry comprising abrasive particles and at least one chemically-reactive agent is supplied to the polishing pad surface.
CMP의 한 가지 문제는, 폴리싱 공정이 끝났는지, 즉 기판층이 원하는 평탄도 즉 두께로 평탄화되었는지 또는 언제 원하는 양의 물질이 제거되었는지를 측정하는 것이다. 도전층이나 필름을 오버폴리싱(너무 많이 제거)하면 회로 저항이 높아질 수 있다. 반대로, 도전층을 언더폴리싱(너무 적게 제거)하면 전기 쇼팅이 발생될 수 있다. 기판층의 초기 두께, 슬러리 조성, 폴리싱 패드의 상태, 폴리싱 패드와 기판의 상대 속도, 기판에의 하중이 변하면, 폴리싱 엔드포인트에 이르기까지 필요한 시간이 변화될 수 있다. 그러므로 폴리싱 엔드포인트는 단순히 폴리싱 시간의 함수로서 결정되어서는 안된다.One problem with CMP is to determine if the polishing process is finished, i.e., if the substrate layer has been planarized to the desired flatness or thickness, or when the desired amount of material has been removed. Overpolishing (removing too much) the conductive layer or film can result in high circuit resistance. Conversely, under-polishing (too little removal) of the conductive layer can result in electrical shorting. As the initial thickness of the substrate layer, the slurry composition, the state of the polishing pad, the relative speed of the polishing pad and the substrate, and the load on the substrate change, the time required to reach the polishing endpoint may change. Therefore, the polishing endpoint should not simply be determined as a function of polishing time.
폴리싱 엔드포인트를 측정하기 위해 폴리싱 면에서 기판을 제거하여 검사하는 방법이 있다. 예를 들어 기판은 검사 스테이션(metrology station)으로 이송되고, 이곳에서 기판층의 두께가 예를 들어 프로필로미터(profilometer)나 비저항(resistivity) 측정에 의해 측정될 수 있다. 요구되는 규격이 달성되지 않으면, 기판은 CMP 장치에 재장착되어 추가로 처리된다. 이에 따라 시간이 상당히 소모되어 CMP 장치의 효율이 낮아진다. 이와 달리, 과도한 양의 물질이 제거되었음이 검사에 의해 밝혀지면 기판은 못쓰게 된다. There is a method of removing and inspecting a substrate from the polishing surface to measure the polishing endpoint. For example, the substrate is transferred to a metrology station, where the thickness of the substrate layer can be measured, for example, by profilometer or resistivity measurement. If the required specifications are not achieved, the substrate is remounted in the CMP apparatus for further processing. This consumes significant time and lowers the efficiency of the CMP device. In contrast, if the inspection reveals that an excessive amount of material has been removed, the substrate is unruly.
보다 최근에는, 예를 들어 광학 센서나 정전용량 센서로 기판을 인시츄 모니터링(in-situ monitoring)하여 폴리싱 엔드포인트를 검출하여 오고 있다. 제안된 다른 엔드포인트 검출 기술은 마찰, 모터 전류, 슬러리의 화학조성, 음향 또는 전도도 등과 관련되어 있다. 고려되는 한 가지 검출 방법은 금속층 내에 와류를 흘리고 금속층이 제거됨에 따른 와류의 변화를 측정하는 것이다.More recently, polishing endpoints have been detected by in-situ monitoring the substrate with, for example, optical or capacitive sensors. Other proposed endpoint detection techniques relate to friction, motor current, chemical composition of the slurry, acoustic or conductivity, and the like. One detection method that is considered is the flow of vortices in the metal layer and measuring the change in the vortex as the metal layer is removed.
CMP 처리에서 발생되는 다른 문제로는, 하부층에 노출된 충전재층을 폴리싱할 때 기판 표면의 디슁(dishing)이다. 구체적으로, 일단 하부층이 노출되면, 충전재층 중 패턴이 형성된 하부층의 융기된 부분 사이에 위치한 부분은 오버폴리싱되어, 기판 표면에 오목한 함몰부(depression)를 형성할 수 있다. 디슁이 일어나면 기판은 집적회로 제조에 적절하지 못하게 되어, 공정의 수율이 낮아진다.Another problem arising in CMP processing is dishing of the substrate surface when polishing the filler layer exposed to the underlying layer. Specifically, once the bottom layer is exposed, portions of the filler layer located between the raised portions of the patterned bottom layer may be overpolished to form recesses in the substrate surface. Dicing occurs, the substrate becomes unsuitable for integrated circuit fabrication, resulting in low process yield.
본 발명의 한 특징은 기판 내 도전성 필름을 모니터링하기 위한 센서에 있다. 센서는, 기판 부근에 위치할 수 있는 코어, 제 1 코일에 전기적으로 결합되어 제 1 코일에 교류를 유도하고 기판 부근에 교번 자기장을 발생시키는 발진기, 및 코어의 제 2 부분 둘레에 감기는 제 2 코일을 포함한다. 축전기는 제 2 코일에 전기적으로 결합되며, 증폭기는 제 2 코일 및 축전기에 전기적으로 결합되어 출력 신호를 생성한다. One feature of the present invention is a sensor for monitoring a conductive film in a substrate. The sensor includes a core, which may be located near the substrate, an oscillator electrically coupled to the first coil to induce alternating current in the first coil and generating an alternating magnetic field near the substrate, and a second winding around the second portion of the core. It includes a coil. The capacitor is electrically coupled to the second coil, and the amplifier is electrically coupled to the second coil and the capacitor to produce an output signal.
본 발명의 실시예는 아래 특징 중 하나 이상이 포함된다. 발진기는 교류를 포함하며 그 주파수는 기판이 코어 부근에 있지 않을 때 공명 주파수를 제공하도록 선택된다. 코어는 페라이트를 필수 구성요소로 하여 이루어질 수 있으며, 두 개의 갈래(prong) 및 이들 갈래 사이의 연결부를 포함할 수 있다. 제 1 코일은 연결부 둘레에 감길 수 있고, 제 2 코일은 두 개의 갈래 중 적어도 하나의 둘레에 감길 수 있다. 제 2 코일 및 축전기는 병렬로 연결될 수 있다. 센서는 기판 맞은 편의 폴리싱 패드 쪽에 위치할 수 있다. 폴리싱 패드는 상부층 및 하부층을 포함할 수 있으며, 코어에 인접하는 하부층의 적어도 일부에는 구멍(aperture)이 형성될 수 있다. 컴퓨터가 출력 신호를 수신할 수 있다. Embodiments of the present invention include one or more of the following features. The oscillator includes an alternating current whose frequency is selected to provide a resonant frequency when the substrate is not near the core. The core may consist of ferrite as an essential component and may comprise two prongs and a connection between these prongs. The first coil may be wound around the connection and the second coil may be wound around at least one of the two branches. The second coil and the capacitor can be connected in parallel. The sensor may be located on the polishing pad opposite the substrate. The polishing pad may include an upper layer and a lower layer, and apertures may be formed in at least a portion of the lower layer adjacent to the core. The computer can receive the output signal.
본 발명의 다른 특징은 화학 기계 폴리싱 장치에 있다. 이 장치는 폴리싱 패드, 기판을 폴리싱 면의 제 1 면에 대해 유지하기 위한 캐리어, 와류 센서, 및 적어도 하나의 폴리싱 패드 및 캐리어 헤드에 결합되어 이들 사이에서 상대적 운동을 발생시키기 위한 모터를 포함한다. 센서는 기판 맞은 편, 폴리싱 패드의 제 2 면에 위치하는 적어도 하나의 인덕터, 적어도 하나의 인덕터에 전기적으로 결합되어 코일 내에 전류를 유도하고 교번 자기장을 발생시키는 발진기, 및 적어도 하나의 인덕터에 결합되는 축전기를 포함한다. Another feature of the invention resides in a chemical mechanical polishing apparatus. The apparatus includes a polishing pad, a carrier for holding the substrate relative to the first side of the polishing side, a vortex sensor, and a motor coupled to the at least one polishing pad and the carrier head to generate relative motion therebetween. The sensor is coupled to at least one inductor opposite the substrate, the at least one inductor located on the second side of the polishing pad, an oscillator electrically coupled to the at least one inductor to induce current in the coil and generate an alternating magnetic field, and at least one inductor. It includes a capacitor.
본 발명은 아래의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 플래튼(platen)은 폴리싱 패드를 지지할 수 있고, 적어도 하나의 인덕터는 플래튼 상부 면 내의 리세스(recess) 내에 위치될 수 있다. 플래튼은 회전할 수 있으며, 위치 센서는 플래튼 및 컨트롤러의 각 위치를 결정하여, 적어도 하나의 인덕터가 기판 부근에 위치할 때 와류로부터의 데이터를 견본 채취한다. 리세스는 폴리싱 패드의 제 2 면에 형성될 수 있다. 폴리싱 패드는 그 제 1 면에는 커버층을 포함할 수 있고 제 2 면에는 지지층(backing layer)을 포함할 수 있으며, 리세스는 지지층의 일부가 제거됨으로써 형성될 수 있다. 와류 센서는, 폴리싱 패드 내 리세스에 인접하여 위치하는 두 개의 폴(poles)을 가지는 코어를 포함할 수 있으며, 적어도 하나의 인덕터가 코어의 제 1 부분 둘레에 감긴다. 와류 센서는 코어를 포함할 수 있고, 적어도 하나의 인덕터는 코어의 제 1 부분에 감긴 제 1 인덕터와 코어의 제 2 부분에 감긴 제 2 인덕터를 포함할 수 있다. 상기 발진기는 제 1 코일에 교류를 유도하기 위해 제 1 코일에 전기적으로 결합될 수 있다. 상기 축전기는 제 2 코일에 전기적으로 결합될 수 있다. 상기 발진기는 기판이 코어 근방에 있지 않을 때 공명 주파수를 제공하도록 선택된 주파수로 교류를 유도할 수 있다. 상기 와류(eddy current) 센서로부터의 출력 신호를 엔드포인트 검출 장치가 수신할 수 있다. 이 엔드포인트 검출 장치는 상기 출력 신호가 소정의 임계치(predetermined threshold)를 초과하는 경우 폴리싱 엔드포인트를 신호하도록 구성될 수 있다.The present invention may include one or more of the following features. The platen may support the polishing pad and at least one inductor may be located in a recess in the platen top surface. The platen can rotate, and the position sensor determines each position of the platen and controller, sampling data from the vortex when at least one inductor is located near the substrate. The recess may be formed in the second side of the polishing pad. The polishing pad can include a cover layer on its first face and a backing layer on its second face, and the recess can be formed by removing a portion of the support layer. The eddy current sensor may comprise a core having two poles located adjacent to a recess in the polishing pad, wherein at least one inductor is wound around the first portion of the core. The eddy current sensor may comprise a core and the at least one inductor may comprise a first inductor wound around a first portion of the core and a second inductor wound around a second portion of the core. The oscillator may be electrically coupled to the first coil to induce alternating current in the first coil. The capacitor may be electrically coupled to the second coil. The oscillator may induce alternating current at a frequency selected to provide a resonant frequency when the substrate is not near the core. An endpoint detection device may receive an output signal from the eddy current sensor. The endpoint detection device may be configured to signal a polishing endpoint if the output signal exceeds a predetermined threshold.
다른 양태로서, 본 발명은 폴리싱 작업 중에 기판 상의 전도층의 두께를 모니터링하는 방법에 관한 것일 수 있다. 이 방법에서는, 기판이 폴리싱 면의 제 1 측면에 위치되고, 폴리싱 면의 기판 반대쪽의 제 2 측면에 위치된 인덕터로부터 교번 자기장이 생성된다. 이 자기장은 폴리싱 면을 거쳐 연장되어 전도층에 와류를 유도한다. 전도층 두께의 변화에 기인한 교번 자기장의 변화가 검출된다.In another aspect, the present invention may relate to a method of monitoring the thickness of a conductive layer on a substrate during a polishing operation. In this method, an alternating magnetic field is generated from an inductor located on the first side of the polishing side and located on the second side of the polishing side opposite the substrate. This magnetic field extends through the polishing surface to induce vortices in the conductive layer. The change in the alternating magnetic field due to the change in the conductive layer thickness is detected.
본 발명의 실행은 하기 특징 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 제 1 코일이 발진기로 제 1 주파수에서 구동될 수 있다. 기판이 자기장 근방에 있지 않을 때 이 제 1 주파수가 공명 주파수일 수 있다. 제 2 코일에 의해 교번 자기장이 감지될 수 있다. 제 2 코일은 축전기와 병렬로 연결될 수 있다. 제 1 코일은 코어의 제 1 부분 주위에 감겨질 수 있는 한편, 제 2 코일은 코어의 제 2 부분 주위에 감겨질 수 있다. 인덕터가 기판에 인접할 때가 판단될 수 있다. 인덕터는 제 1 신호에 의해 구동될 수 있고, 교번 자기장으로부터 제 2 신호가 생성될 수 있다. 제 2 신호의 진폭의 변화가 판단될 수 있다. 제 1 신호와 제 2 신호 간의 위상차 변화가 판단될 수 있다.The practice of the present invention may include one or more of the following features. The first coil may be driven at the first frequency with an oscillator. This first frequency may be the resonance frequency when the substrate is not near the magnetic field. The alternating magnetic field may be sensed by the second coil. The second coil may be connected in parallel with the capacitor. The first coil may be wound around the first portion of the core while the second coil may be wound around the second portion of the core. It can be determined when the inductor is adjacent to the substrate. The inductor can be driven by the first signal and a second signal can be generated from the alternating magnetic field. The change in the amplitude of the second signal can be determined. A change in phase difference between the first signal and the second signal may be determined.
다른 양태로서, 본 발명은 화학 기계 폴리싱 방법에 관련된다. 이 방법에서, 전도층을 갖는 기판이 폴리싱 면의 제 1 가장자리(side)에 위치된다. 폴리싱 면의 기판 반대쪽의 제 2 가장자리에 위치된 인덕터로부터 교번 자기장이 생성된다. 이 자기장은 폴리싱 면을 거쳐서 연장되어 전도층에 와류를 유도한다. 전도층을 폴리싱하기 위해 기판과 폴리싱 면간에 상대적 운동이 발생된다. 기판 내의 와류가 감지되고, 감지된 와류가 엔드포인트 기준(endpoint criteria)을 나타낼 때 폴리싱이 중단된다.In another aspect, the present invention relates to a chemical mechanical polishing method. In this method, a substrate having a conductive layer is located at the first side of the polishing surface. An alternating magnetic field is generated from the inductor located at the second edge opposite the substrate of the polishing surface. This magnetic field extends through the polishing surface to induce eddy currents in the conductive layer. Relative motion occurs between the substrate and the polishing surface to polish the conductive layer. Vortex in the substrate is sensed and polishing stops when the sensed vortex indicates an endpoint criteria.
본 발명의 실행은 하기 특징 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 엔드포인트 기준은 임계치 강도를 지나치거나 같은 정도의 와류일 수 있다.The practice of the present invention may include one or more of the following features. The endpoint criterion may be a vortex beyond or equal to the threshold intensity.
다른 양태로서, 본 발명은 화학 기계 폴리싱 장치에 관련된다. 이러한 장치는 폴리싱 면을 갖춘 폴리싱 패드와, 폴리싱 면에 대해 기판을 지지하는 캐리어와, 폴리싱 패드 및 캐리어 헤드 중 적어도 하나에 결합되어 상대적 운동을 발생시키는 모터와, 전도층 두께 모니터링 장치를 갖는다. 이러한 전도층 두께 모니터링 장치는 적어도 하나의 인덕터와, 구동 신호를 발생시키며 적어도 하나의 인덕터에 결합되어 상기 적어도 하나의 인덕터에 교류를 유도하고 교번 자기장을 생성하는 전류 소스와, 상기 적어도 하나의 인덕터에 전기적으로 결합되어 교번 자기장을 감지하고 감지 신호를 생성하는 축전기를 포함하는 감지 회로와, 상기 전류 소스 및 상기 감지 회로에 결합되어 감지 신호와 구동 신호간의 위상차를 측정하는 위상 비교 회로를 포함한다.In another aspect, the present invention relates to a chemical mechanical polishing apparatus. Such a device has a polishing pad with a polishing surface, a carrier supporting a substrate with respect to the polishing surface, a motor coupled to at least one of the polishing pad and the carrier head to generate relative motion, and a conductive layer thickness monitoring device. Such a conductive layer thickness monitoring device includes at least one inductor, a current source generating a drive signal and coupled to the at least one inductor to induce alternating current in the at least one inductor and to generate an alternating magnetic field; A sensing circuit comprising a capacitor electrically coupled to sense an alternating magnetic field and generating a sense signal, and a phase comparison circuit coupled to the current source and the sense circuit to measure a phase difference between the sense signal and the drive signal.
본 발명의 실행은 하기 특징 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 제 1 게이트, 예컨대 XOR 게이트가 인덕터 및 발진기로부터의 사인 신호를 제 1 및 제 2 구형파 신호(square-wave signal)로 변환할 수 있다. 비교기, 예컨대 XOR 게이트가 제 1 구형파 신호와 제 2 구형파 신호를 비교하여 제 3 구형파 신호를 생성할 수 있다. 필터가 상기 제 3 구형파 신호를, 상기 제 1 및 제 2 구형파 신호간의 위상차에 비례하는 진폭을 갖는 차동 신호(differential signal)로 변환시킬 수 있다. 위상 비교 회로가 상기 위상차에 비례하는 듀티 사이클(duty cycle)을 갖는 신호를 생성할 수 있다.The practice of the present invention may include one or more of the following features. At least one first gate, such as an XOR gate, may convert sinusoidal signals from the inductor and oscillator into first and second square-wave signals. A comparator, such as an XOR gate, may compare the first square wave signal with the second square wave signal to generate a third square wave signal. A filter may convert the third square wave signal into a differential signal having an amplitude proportional to the phase difference between the first and second square wave signals. The phase comparison circuit may generate a signal having a duty cycle proportional to the phase difference.
다른 양태로서, 본 발명은 화학 기계 폴리싱 작업시 기판 위의 전도층의 두께를 모니터링하는 방법에 관한 것일 수 있다. 이 방법에서, 코일이 제 1 신호에 의해 전력을 얻어서 교번 자기장을 생성한다. 교번 자기장은 기판의 전도층에 와류를 유도한다. 교번 자기장이 측정되고 자기장을 나타내는 제 2 신호가 생성된다. 제 1 및 제 2 신호는 비교되어 이들 간의 위상차를 판단하도록 한다.In another aspect, the present invention may relate to a method of monitoring the thickness of a conductive layer on a substrate in a chemical mechanical polishing operation. In this method, the coil is powered by the first signal to create an alternating magnetic field. The alternating magnetic field induces vortices in the conductive layer of the substrate. The alternating magnetic field is measured and a second signal representing the magnetic field is generated. The first and second signals are compared to determine the phase difference therebetween.
다른 양태로서, 본 발명은 화학 기계 폴리싱 장치에 관한 것이다. 이 장치는 폴리싱 패드와, 폴리싱 면의 제 1 가장자리에 대해 기판을 지지하는 캐리어와, 기판 근방에 교번 자기장을 생성하도록 위치된 와류 모니터링 장치와, 광선을 발생시키고 기판으로부터 광선의 반사를 검출하는 광학 모니터링 장치와, 상기 와류 모니터링 장치 및 광학 모니터링 장치로부터 신호를 수신하는 제어기와, 상기 폴리싱 패드 및 캐리어 헤드 중 적어도 하나에 결합되어 이들 사이에서 상대적 운동을 발생시키는 모터를 포함한다.In another aspect, the present invention relates to a chemical mechanical polishing apparatus. The apparatus includes a polishing pad, a carrier for supporting the substrate with respect to the first edge of the polishing surface, a vortex monitoring device positioned to generate an alternating magnetic field in the vicinity of the substrate, and an optical for generating the light beam and detecting the reflection of the light beam from the substrate. A monitoring device, a controller for receiving signals from the eddy current monitoring device and the optical monitoring device, and a motor coupled to at least one of the polishing pad and the carrier head to generate relative motion therebetween.
본 발명의 실행은 다음 특징 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 와류 모니터링 장치는 폴리싱 패드의 기판 반대쪽의 제 2 가장자리에 위치된 인덕터를 포함할 수 있다. 이 인덕터는 폴리싱 패드 아래에서 플래튼(platen) 내의 제 1 캐비티 내에 위치될 수 있다. 광학 모니터링 장치는 광원과, 폴리싱 패드의 기판 반대쪽의 제 2 가장자리에 위치된 광검출기를 포함할 수 있다. 상기 광원 및 광검출기는 폴리싱 패드 아래에서 플래튼 내의 제 1 캐비티 내에 위치되거나 혹은 제 2 캐비티 내에 위치될 수 있다. 와류 모니터링 장치 및 광학 모니터링 장치는 기판 상에서 거의 동일한 반경방향 위치를 모니터링하도록 위치될 수 있다. 상기 제어기는 와류 모니터링 장치 및 광학 모니터링 장치 양쪽으로부터의 신호에서 엔드포인트 기준을 검출하도록 구성될 수 있다.The practice of the present invention may include one or more of the following features. The eddy current monitoring device can include an inductor located at a second edge opposite the substrate of the polishing pad. This inductor may be located in a first cavity in a platen under the polishing pad. The optical monitoring device may include a light source and a photodetector located at a second edge opposite the substrate of the polishing pad. The light source and photodetector may be located within the first cavity in the platen or within the second cavity under the polishing pad. The vortex monitoring device and the optical monitoring device can be positioned to monitor almost the same radial position on the substrate. The controller may be configured to detect endpoint references in signals from both the eddy current monitoring device and the optical monitoring device.
다른 양태에서, 본 발명은 화학 기계 폴리싱 방법에 관한 것이다. 이 방법에서, 기판이 폴리싱 면의 제 1 가장자리에 위치되고, 기판을 폴리싱하기 위해 기판과 폴리싱 면 사이에 상대적 운동이 발생되며, 와류 모니터링 장치로부터 제 1 신호가 생성되고, 광학 모니터링 장치로부터 제 2 신호가 생성되며, 상기 제 1 및 제 2 신호는 엔드포인트 기준에 대해 모니터링된다.In another aspect, the present invention relates to a chemical mechanical polishing method. In this method, the substrate is positioned at the first edge of the polishing surface, relative motion is generated between the substrate and the polishing surface to polish the substrate, a first signal is generated from the eddy current monitoring device, and the second from the optical monitoring device. A signal is generated and the first and second signals are monitored for endpoint criteria.
본 발명의 실행은 하기 특징 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 신호 모두에서 엔드포인트 기준이 검출될 때, 또는 제 1 및 제 2 신호 중 어느 하나에서 엔드포인트 기준이 검출될 때, 폴리싱이 중단될 수 있다. 기판은 금속층을 포함할 수 있고, 상기 모니터링의 단계는 이러한 금속층이 소정 두께에 도달될 때까지 와류 모니터링 장치로부터의 신호를 모니터링한 다음, 광학 모니터링 장치로부터의 신호를 모니터링하는 것을 포함할 수 있다.The practice of the present invention may include one or more of the following features. Polishing may be stopped when an endpoint reference is detected in both the first and second signals, or when an endpoint reference is detected in either of the first and second signals. The substrate may comprise a metal layer, and the step of monitoring may include monitoring the signal from the eddy current monitoring device until the metal layer reaches a predetermined thickness, and then monitoring the signal from the optical monitoring device.
다른 측면에서, 본 발명은 기판상의 금속층(metal layer)을 화학적 기계적 폴리싱하는 방법을 제시한다. 기판은 제 1폴리싱 속도(polishing rate)로 제 1폴리싱 스테이션에서 제 1폴리싱 면으로 폴리싱된다. 제 1폴리싱 스테이션에서의 폴리싱은 와류 모니터링 시스템(eddy current monitoring system)으로 모니터링되고, 그런후 기판상에 사전 설정된 두께의 금속층이 잔류한다는 것을 와류 모니터링 시스템이 나타내는 경우 기판은 제 2폴리싱 스테이션으로 전달된다. 기판은 제 1폴리싱 속도보다는 느린 제 2폴리싱 속도로 제 2폴리싱 스테이션에서 제 2폴리싱 면으로 폴리싱된다. 폴리싱은 광학 모니터링 시스템으로 제 2폴리싱 스테이션에서 모니터링되는데, 제 1 하부층(underlying layer)이 적어도 부분적으로 노출되었다는 것을 광학 모니터링 시스템이 나타내는 경우에 폴리싱이 중단된다. In another aspect, the present invention provides a method for chemical mechanical polishing of a metal layer on a substrate. The substrate is polished from the first polishing station to the first polishing face at a first polishing rate. Polishing at the first polishing station is monitored with an eddy current monitoring system, and then the substrate is transferred to the second polishing station when the vortex monitoring system indicates that a metal layer of a predetermined thickness remains on the substrate. . The substrate is polished from the second polishing station to the second polishing face at a second polishing rate slower than the first polishing rate. Polishing is monitored at the second polishing station with an optical monitoring system, where the polishing is stopped if the optical monitoring system indicates that the first underlying layer has been at least partially exposed.
본 발명의 실행은 다음 특징 중의 하나 또는 그 이상을 포함할 수도 있다. 제 1 하부층은 배리어층(barrier layer)일 수도 있다. 기판은 제 3 폴리싱 스테이션에 전달되어 제 3 폴리싱 면으로 폴리싱될 수도 있다. 제 3 폴리싱 스테이션에서의 폴리싱은 제 2 광학 모니터링 시스템으로 모니터링될 수도 있고, 그리고 제 2 하부층이 적어도 부분적으로 노출되었다는 것을 제 2 광학 모니터링 시스템이 나타내는 경우 폴리싱이 중단될 수도 있다. 제 2 하부층이 거의 전체적으로 노출될 때까지 제 3 폴리싱 스테이션에서의 폴리싱은 계속될 수도 있다. 제 1 하부층이 거의 전체적으로 노출될 때까지 제 2폴리싱 스테이션에서의 폴리싱이 계속될 수도 있다. 제 2폴리싱 스테이션에서 기판을 폴리싱하는 것은 제 2폴리싱 스테이션에서의 잔여 폴리싱보다 높은 압력에서의 초기 폴리싱 단계를 포함할 수도 있다. The practice of the present invention may include one or more of the following features. The first lower layer may be a barrier layer. The substrate may be transferred to a third polishing station and polished to the third polishing surface. Polishing at the third polishing station may be monitored with a second optical monitoring system, and polishing may be stopped if the second optical monitoring system indicates that the second underlayer has been at least partially exposed. Polishing at the third polishing station may continue until the second underlayer is almost entirely exposed. Polishing at the second polishing station may continue until the first underlayer is almost entirely exposed. Polishing the substrate at the second polishing station may include an initial polishing step at a higher pressure than the remaining polishing at the second polishing station.
다른 측면에서, 본 발명은 기판상의 금속층을 화학적 기계적 폴리싱하는 방법을 제시한다. 기판은 제 1폴리싱 속도로 제 1폴리싱 스테이션에서 제 1폴리싱 면으로 폴리싱된다. 제 1폴리싱 스테이션에서의 폴리싱은 와류 모니터링 시스템으로 모니터링되고, 그리고 기판상에 사전 설정된 두께의 금속층이 잔류한다고 와류 모니터링 시스템이 나타내는 경우에 제 1폴리싱 스테이션에서의 폴리싱 속도가 감소된다. 제 1폴리싱 스테이션에서의 폴링싱은 광학 모니터링 시스템으로 모니터링되고, 제 1 하부층이 적어도 부분적으로 노출된다고 광학 모니터링 시스템이 나타내는 경우 폴리싱이 중단된다.In another aspect, the present invention provides a method for chemical mechanical polishing of a metal layer on a substrate. The substrate is polished from the first polishing station to the first polishing face at a first polishing rate. Polishing at the first polishing station is monitored with a vortex monitoring system, and the polishing rate at the first polishing station is reduced when the vortex monitoring system indicates that a metal layer of a predetermined thickness remains on the substrate. Polling at the first polishing station is monitored by the optical monitoring system and polishing is stopped when the optical monitoring system indicates that the first underlayer is at least partially exposed.
본 발명의 실행은 다음 특징 중의 하나 또는 그 이상을 포함할 수도 있다. 제 1 하부층은 경계 층일 수도 있다. 기판은 제 2폴리싱 스테이션에 전달되어 제 2폴리싱 면으로 폴리싱될 수도 있다. 제 2폴리싱 스테이션에서의 폴리싱은 제 2 광학 모니터링 시스템으로 모니터링될 수도 있고 그리고 제 2 하부층이 적어도 부분적으로 노출된다고 제 2 광학 모니터링 시스템이 나타내는 경우에 폴리싱이 중단될 수도 있다. 기판은 제 3 폴리싱 스테이션에 전달되어 버핑 표면(buffing surface)으로 버핑될 수도 있다. 제 2폴리싱 스테이션에서의 폴리싱은 제 1 하부층이 거의 전체적으로 노출될 때까지 계속될 수도 있다.The practice of the present invention may include one or more of the following features. The first lower layer may be a boundary layer. The substrate may be transferred to a second polishing station and polished to the second polishing side. Polishing at the second polishing station may be monitored with a second optical monitoring system and polishing may be stopped if the second optical monitoring system indicates that the second underlayer is at least partially exposed. The substrate may be transferred to a third polishing station and buffed to a buffing surface. Polishing at the second polishing station may continue until the first underlayer is exposed almost entirely.
다른 측면에서, 본 발명은 기판이 제 1폴리싱 속도로 폴리싱되는 기판상의 금속층을 화학적 기계적 폴리싱하는 방법을 제시한다. 폴리싱은 와류 모니터링 시스템으로 모니터링되고, 기판상에 사전 설정된 두께의 금속층이 잔류한다고 와류 모니터링 시스템이 나타내는 경우 폴리싱 속도가 감소된다. 폴리싱은 광학 모니터링 시스템으로 모니터링되고, 그리고 하부층이 적어도 부분적으로 노출된다고 광학 모니터링 시스템이 나타내는 경우에 폴리싱이 중단된다. In another aspect, the present invention provides a method for chemical mechanical polishing of a metal layer on a substrate on which the substrate is polished at a first polishing rate. Polishing is monitored with a vortex monitoring system and the polishing rate is reduced when the vortex monitoring system indicates that a metal layer of a predetermined thickness remains on the substrate. Polishing is monitored with an optical monitoring system, and polishing is stopped when the optical monitoring system indicates that the underlying layer is at least partially exposed.
본 발명의 실시예의 가능한 장점들은 다음 중의 하나 또는 그 이상을 포함할 수도 있다. 금속층을 벌크 폴리싱하는 동안, 캐리어 헤드에 의하여 인가되는 압력 프로파일이 조정되어 유입 기판의 불-균일 두께 및 불-균일 폴리싱 속도를 보상할 수도 있다. 게다가, 폴리싱 모니터링 시스템은 금속층의 폴리싱 엔드포인트를 제자리에서 감지할 수 있다. 더욱이, 폴리싱 모니터링 시스템은 폴리싱 장치가 폴리싱 파라미터를 스위칭하는 지점을 결정할 수 있다. 예를 들어, 폴리싱 모니터링 시스템은 폴리싱 엔드포인트에 앞서 금속층을 폴리싱하는 동안 폴리싱 속도를 감속시키도록 트리거링하는데 사용될 수도 있다. 폴리싱은 고정밀도로 중단될 수 있다. 디슁(dishing)과 침식(erosion)과 같이 오버 폴리싱 및 언더 폴리싱이 감소될 수도 있어, 수율 및 처리량을 개선할 수 있다.Possible advantages of embodiments of the present invention may include one or more of the following. During bulk polishing of the metal layer, the pressure profile applied by the carrier head may be adjusted to compensate for the non-uniform thickness and non-uniform polishing rate of the inlet substrate. In addition, the polishing monitoring system can detect the polishing endpoint of the metal layer in place. Moreover, the polishing monitoring system can determine the point at which the polishing apparatus switches the polishing parameters. For example, a polishing monitoring system may be used to trigger to slow down the polishing rate while polishing the metal layer prior to the polishing endpoint. Polishing can be stopped with high precision. Overpolishing and underpolishing, such as dishing and erosion, may be reduced, thereby improving yield and throughput.
본 발명의 다른 특징 및 장점들은 도면과 청구 범위를 포함하여 다음 기술을 통해 명백해 질 것이다.Other features and advantages of the invention will be apparent from the following description, including the drawings and the claims.
도 1은 화학적 기계적 폴리싱 장치의 전개된 대략적인 사시도를 도시하고,1 shows an exploded schematic perspective view of a chemical mechanical polishing apparatus,
도 2는 캐리어 헤드의 대략적인 단면도를 도시하고,2 shows a schematic cross sectional view of a carrier head,
도 3은 와류 모니터링 시스템 및 광학 모니터링 시스템을 포함하는 화학적 기계적 폴리싱 스테이션의 부분적으로 단면 형성된 대략적인 측면도를 도시하고,3 shows a schematic side view, partially in cross section, of a chemical mechanical polishing station including a vortex monitoring system and an optical monitoring system,
도 4a 내지 도 4e는 도 3의 폴리싱 스테이션으로부터 플래튼의 대략적인 평면도를 도시하고,4A-4E show a schematic plan view of the platen from the polishing station of FIG. 3,
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도 5는 와류 모니터링 시스템에 의하여 생성되는 자기장을 나타내는 대략적인 횡단면도를 도시하고,5 shows a schematic cross sectional view showing a magnetic field generated by the vortex monitoring system,
도 6은 와류 센서로부터 코어의 대략적인 사시도를 도시하고,6 shows a schematic perspective view of the core from the vortex sensor,
도 7a 내지 도 7d는 와류 센서를 사용하는 폴리싱 엔드포인트 감지 방법을 대략적으로 도시하고,7A-7D schematically illustrate a polishing endpoint sensing method using a vortex sensor,
도 8은 와류 모니터링 시스템으로부터 진폭 트레이스를 나타내는 그래프를 도시하고,8 shows a graph showing amplitude traces from a vortex monitoring system,
도 9a 및 도 9b는 와류 모니터링 시스템의 대략적인 회로도를 도시하고,9A and 9B show schematic circuit diagrams of a vortex monitoring system,
도 10은 와류 모니터링 시스템으로부터 위상 전이 트레이스를 나타내는 그래프를 도시하고,10 shows a graph showing a phase transition trace from a vortex monitoring system,
도 11은 광학 모니터링 시스템으로부터 진폭 트레이스를 나타내는 그래프를 도시하고, 11 shows a graph representing an amplitude trace from an optical monitoring system,
도 12는 금속층을 폴리싱하는 방법을 도시하는 흐름도이고,12 is a flowchart illustrating a method of polishing a metal layer,
도 13은 금속층을 폴리싱하는 대안적인 방법을 나타내는 흐름도이고,13 is a flow diagram illustrating an alternative method of polishing a metal layer,
도 14는 와류 모니터링 시스템을 포함하는 화학적 기계적 폴리싱 스테이션의 부분적으로 횡단면이 형성된 대략적인 측면도를 도시하고,14 shows a schematic side view with a partially cross-sectional view of a chemical mechanical polishing station including a vortex monitoring system,
도 15a 내지 도 15b는 폴리싱 패드의 대략적인 횡단면도를 도시한다.15A-15B show a schematic cross sectional view of a polishing pad.
도 1을 참조하여, 하나 또는 그 이상의 기판(10)이 CMP 장치(20)에 의하여 폴리싱될 수 있다. 유사한 폴리싱 장치(20)의 설명은 미국 특허 번호 제 5,738,574호에서 찾아 볼 수 있는데, 이의 전체적인 명세서는 여기서 이하 참조된다. 폴리싱 장치(20)는 일련의 폴리싱 스테이션(22a, 22b, 및 22c) 및 전달 스테이션(23)을 포함한다. 전달 스테이션(23)은 캐리어 헤드와 로딩 장치 사이에서 기판을 전달한다. Referring to FIG. 1, one or
각각의 폴리싱 스테이션은 회전 가능한 플래튼(rotatable platen, 24)을 포함하는데, 이 회전 가능한 플래튼에는 폴리싱 패드(30)가 배치된다. 제 1 스테이션(22a) 및 제 2 스테이션(22b)은 내구성의 외측 경표면(hard durable outer surface)을 구비하는 층이 두 개인 폴리싱 패드 또는 매입된 마모성 입자를 구비하는 고정-마모성 패드를 포함할 수도 있다. 최종 폴리싱 스테이션(22c)은 비교적 연한 패드 또는 층이 두 개인 패드를 포함할 수 있다. 각각의 폴리싱 스테이션은 폴리싱 패드의 조건을 유지하여 효과적으로 기판을 폴리싱하도록 패드 컨디셔너 장치(28)를 포함할 수도 있다. Each polishing station includes a
도 3을 참조하여, 층이 두 개인 폴리싱 패드(30)는 통상적으로 배면층(backing layer, 32)를 구비하는데, 이 배면층은 플래튼(24)의 표면 및 덮개층(covering layer, 24)과 접하고, 이 덮개층은 기판(10)을 폴리싱하는데 사용된다. 덮개 층(34)은 배면층(32)보다 통상적으로 더 단단하다. 하지만, 몇몇 패드들은 덮개층만을 구비하고 배면층을 구비하지 않는다. 덮개 층(34)은 가능하게는 충진재로 공동 미소 구체(hollow microspheres) 및/또는 요홈진 표면과 같이 발포되거나 캐스팅된 폴리우레탄(polyurethane)으로 구성될 수 있다. 배면층(32)은 우레탄(urethane)으로 리치된(leached) 압축 펠트 섬유(compressed felt fibers)로 구성될 수 있다. IC-1000으로 구성된 덮개 층 및 SUBA-4로 구성된 배면층으로 이루어진 층이 두 개인 폴리싱 패드는 델라웨어 뉴어크(Newark, Delaware)에 소재한 Rodel, Inc.로부터 입수 가능하다(IC-1000 및 SUBA-4는 Rodel, Inc.의 제품명이다.).Referring to FIG. 3, a two-
폴리싱 단계 동안, 액체(예를 들어, 산화 폴리싱(oxide polishing)용 탈이온수(deionized water)) 및 pH 어드져스터(pH adjuster)(예들 들어, 산화 폴리싱용 수산화 칼륨(potassium hydroxide))을 포함하는 슬러리(38)는 슬러리 공급 포트 또는 슬러리/린스 아암(39)에 의하여 폴리싱 패드(30)의 표면에 공급될 수 있다. 폴리싱 패드(30)가 통상 패드인 경우, 슬러리(38)는 마모성 입자(예를 들어, 산화 폴리싱용 이산화 실리콘(silicon dioxide))를 포함할 수도 있다. During the polishing step, a liquid (eg deionized water for oxide polishing) and a pH adjuster (eg potassium hydroxide for oxidative polishing) are included.
도 1로 돌아와서, 회전 가능한 다중-헤드 카루젤(roastable multi-head carousel, 60)은 네 개의 캐리어 헤드(70)를 지지한다. 카루젤은 중심 포스트(62)를 통하여 카루젤 축(64)을 중심으로 카루젤 모터 어셈블리(도시 안됨)에 의하여 회전되어, 캐리어 헤드 시스템을 선회시키고 그리고 폴리싱 스테이션(22) 및 전달 스테이션(23) 사이에 부착된 기판을 선회시킨다. 세 개의 캐리어 헤드 시스템은 기판을 수용하고 유지하여, 이들을 폴리싱 패드에 대하여 가압함으로써 이들을 폴리싱한다. 한편, 한 개의 캐리어 헤드 시스템은 기판을 전달 스테이션(23)으로부터 수용하고 전달 스테이션(23)으로 기판을 전달한다. Returning to FIG. 1, a rotatable
각각의 캐리어 헤드(70)는 캐리어 드라이브 샤프트(74)에 의하여 캐리어 헤드 회전 모터(76)(덮개(68)의 1/4을 제거하여 도시함)에 연결되어, 각각의 캐리어 헤드는 자신의 축을 중심으로 독립적으로 회전할 수 있다. 게다가, 각각의 캐리어 헤드(70)는 카루젤 지지 플레이트(66)에 형성된 반경 방향 슬롯(72)에서 독립적으로 횡으로 진동한다. 적절한 캐리어 헤드(70)의 기술은 1999년 12월 23일과 2000년 3월 27일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제 09/470,820호 및 09/535,575호에서 찾아볼 수 있는데, 이들은 본 명세서에서 참조된다. 작동 시에, 플래튼은 그 중심 축(25)을 중심으로 회전되고, 그리고 캐리어 헤드는 그 중심축(71)을 중심으로 회전하고 폴리싱 패드의 표면을 횡으로 가로질러 병진 운동한다. Each
전술한 특허 출원 명세서에서 설명하고 도 2에 도시한 바와 같이, 예시적인 캐리어 헤드(70)는 하우징(202), 베이스 조립체(204), (베이스 조립체(204)의 일부로서 고려될 수 있는)짐발 기구(206), 로딩 챔버(208), 유지 링(210), 및 부상식 상부 챔버(236), 부상식 하부 챔버(234), 및 외측 챔버(238)와 같은 3 개의 가압가능한 챔버를 포함하는 기판 후방 조립체(212)를 포함한다. 상기 로딩 챔버(208)는 하우징(202)과 베이스 조립체(204) 사이에 위치되어 하중을 가하고 베이스 조립체(204)의 수직 위치를 제어한다. 제 1 압력 조절기(도시 않음)는 통로(232)에 의해 로딩 챔버에 유체 연결되어 로딩 챔버의 압력과 베이스 조립체(204)의 수직 위치를 제어한다.As described in the foregoing patent application specification and shown in FIG. 2, the
기판 후방 조립체(212)는 가요성 내부 막(216), 가요성 외부 막(218), 내부 지지 구조물(220), 외부 지지 구조물(230), 내부 스페이서 링(222) 및 외부 스페이서 링(232)을 포함한다. 가요성 외부 막(216)은 압력을 제어가능한 영역에 있는 웨이퍼(10)에 가하는 중앙부를 포함한다. 내부 플랩(244)에 의해 밀봉되어 있는 내부 막(216)과 베이스 조립체(204) 사이의 체적은 가압 가능한 부상식 하부 챔버(234)를 제공한다. 내부 플랩(244)과 외부 플랩(246)에 의해 밀봉되어 있는 내부 막(216)과 베이스 조립체(204) 사이의 환형 체적은 가압 가능한 부상식 상부 챔버(236)를 형성한다. 내부 막(216)과 외부 막(218) 사이의 밀봉된 체적은 가압가능한 외부 챔버(238)를 형성한다. 3 개의 압력 조절기(도시않음)는 부상식 하부 챔버(234), 부상식 상부 챔버(236) 및 외부 챔버(238)에 독립적으로 연결된다. 따라서, 가스와 같은 유체가 각각의 챔버에 독립적으로 유출 또는 유입될 수 있도록 지향될 수 있다.Substrate back
부상식 상부 챔버(236), 부상식 하부 챔버(234) 및 외부 챔버(238)내부의 압력을 조합함으로써 외부 막(218)의 상부면에 대한 내부 막(216)의 압력과 접촉 영역을 제어한다. 예를들어, 부상식 상부 챔버(236)의 유체를 외부로 펌핑함으로써 내부 막(216)의 에지가 외부 막(218)으로부터 들어올려져, 내부 막과 외부 막 사이의 접촉 영역의 접촉 직경(Dc)을 감소시킨다. 역으로, 부상식 상부 챔버(236)의 유체를 내부로 펌핑함으로써 내부 막(216)의 에지가 외부 막(218)쪽으로 하강하여 접촉 영역의 접촉 직경(Dc)이 증가한다. 또한, 유체를 부상식 하부 챔버(234)의 내외부로 펌핑함으로써 외부 막(218)에 대한 내부 막(216)의 압력이 제어된다. 그러나, 캐리어 헤드가 장전된 영역의 직경과 그 내부의 압력은 제어되지 않는다.The pressure and contact area of the
도 3을 참조하면, 리세스(26)가 플래튼(24)내부에 형성되며 투명부분(36)이 리세스 위에 놓인 폴리싱 패드(30)내에 형성된다. 구멍(26)과 투명 부분(36)은 캐리어 헤드의 병진 위치와 무관하게 플래튼의 회전의 일부분 중에 기판 아래(10)를 통과하도록 위치된다. 폴리싱 패드(32)가 2 층의 패드라고 가정하면, 후방 층(32)의 일부를 제거하고 투명한 플러그(36)를 커버 층(34) 내측에 삽입함으로써 얇은 패드 부분(36)이 구성될 수 있다. 플러그(36)는 예를들어 충전제 없이 형성될 수 있는 상당히 순수한 폴리머 또는 폴리우레탄일 수 있다. 일반적으로, 투명한 부분(36)의 재료는 비-자성 및 지-전도성이어야 한다.Referring to FIG. 3, a
도 3 및 도 4a 내지 도 4e를 참조하면, 제 1폴리싱 스테이션(22a)은 인-시튜 와류 모니터링 시스템(40)과 광학 모니터링 시스템(140)을 포함한다. 와류 모니터링 시스템(40)과 광학 모니터링 시스템(140)은 폴리싱 공정 제어 및 엔드포인트 검출 시스템으로서의 역할을 할 수 있다. 제 2폴리싱 스테이션(22b) 및 최종 폴리싱 스테이션(22c)은 모두 광학 모니터링 시스템을 포함하지만, 와류 모니터링 시스템은 어느 하나의 스테이션만이 추가로 포함할 수 있다.3 and 4A-4E, the
와류 모니터링 시스템(40)은 기판의 금속층내의 와류를 유도하는 구동 시스템(48)과 상기 구동 시스템에 의해 금속층내에 유도된 와류를 검출하는 감지 시스템(58)을 포함한다. 상기 모니터링 시스템(40)은 플래튼과 함께 회전하는 리세스(26) 내부에 위치된 코어, 코어(42)의 한 부분에 감긴 구동 코일(44), 및 코어(42)의 다른 부분에 감긴 감지 코일(46)을 포함한다. 구동 시스템(48)용으로, 모니터링 시스템(40)은 구동 코일(44)에 연결된 발진기(50)를 포함한다. 감지 시스템(58)용으로, 모니터링 시스템(40)은 감지 코일(46)에 병렬로 연결된 축전기(52), 감지 코일(46)에 연결된 RF 증폭기(54), 및 다이오드(56)를 포함한다. 발진기(50), 축전기(52), RF 증폭기(54), 및 다이오드는 플래튼(24)으로부터 떨어져 위치될 수 있으며 회전 전기 유니온(29)을 통해 플래튼 내의 구성요소와 연결될 수 있다.
도 5를 참조하면, 작동시 발진기(50)는 구동 코일(44)을 구동시켜 코어(42)의 몸체를 통해 코어의 두 개의 극(42a,42b) 사이로 연장하는 진동 자기장(48)을 발생시킨다. 적어도 자기장(48)의 일부는 폴리싱 패드(30)의 얇은 부분(36)을 통해 기판(10) 내측으로 연장한다. 금속층(12)이 기판 상에 존재하면, 진동 자기장(48)은 금속층(12) 내에 와류를 발생시킨다. 와류는 금속층(12)이 감지 코일(46) 및 축전기(52)와 병렬로 임피던스 소오스로서의 역할을 하게 한다. 금속층의 두께가 변경되면서 임피던스도 변경되어 감지 기구의 큐-팩터(Q-factor)의 변경을 초래한다. 감지 기구의 큐-팩터의 변경을 검출함으로써, 와류 센서는 와류 세기의 변화를 감지하여 금속층(12)의 두께 변화를 감지한다.Referring to FIG. 5, in operation, the
도 6을 참조하면, 코어(42)는 상당히 높은 투자율(예를들어, 약 2500)을 갖는 비전도성 재료로 형성된 U형 몸체일 수 있다. 특히, 코어(42)는 페라이트일 수 있다. 하나의 실시예에서, 두 개의 극(42a, 42b)은 약 0.6 인치 떨어져 있으며, 코어는 약 0.6 인치의 깊이를 가지며, 코어의 횡단면은 한 측면이 약 0.2 인치인 정방체이다.Referring to FIG. 6, the
일반적으로, 인-시튜 와류 모니터링 시스템(40)은 약 50㎑ 내지 약 10㎒, 예를 들면, 2MHz의 공명 주파수를 갖도록 구성된다. 예를들어, 감지 코일(46)은 약 0.3 내지 30μH의 인덕턴스를 가질 수 있으며 축전기(52)는 약 0.2 내지 20㎋의 전기용량을 가질 수 있다. 구동 코일은 발진기로부터의 구동 신호를 동조시키도록 설계될 수 있다. 예를들어, 발진기가 낮은 전압과 낮은 임피던스를 가진다면, 구동 코일은 낮은 임피던스를 제공하기 위한 몇몇 권선 회수(turn)만을 가질 수 있다. 다른 한편으로, 발진기가 높은 전압과 높은 임피던스를 가진다면, 구동 코일은 커다란 임피던스를 제공하기 위한 보다 많은 권선 회수를 가질 수 있다.Generally, the in-situ eddy
하나의 실시예에서, 감지 코일(46)은 코어의 각각의 분기부분 주위에 9회의 권선을 가지며 구동 코일(44)은 코어의 베이스 주위에 2회의 권선을 가지며 발진기는 약 0.1 내지 5.0 V의 크기로 구동 코일(44)을 구동시킨다. 또한, 하나의 실시예에서, 감지 코일(46)은 약 2.8μH의 임피던스를 가지며, 축전기(52)는 약 2.2㎋의 전기용량을 가지며, 공명 주파수는 약 2 ㎒이다. 다른 실시예에서, 감지 코일은 약 3μH의 임피던스를 가지며 커패시터(52)는 약 400pF의 전기용량을 가진다. 물론, 이들 값들은 정확한 권선 형상, 코어의 조성과 형상, 및 축전기의 크기에 고도로 민감한 단지 예시적인 값들이다.In one embodiment, the
일반적으로, 전도성 필름의 예상 초기 두께가 클수록 소정의 공명 주파수는 낮다. 예를들어, 상당히 얇은, 예를들어 2000Å의 두께를 갖는 경우에, 전기용량와 인덕턴스는 상당히 높은, 예를들어 약 2㎒의 공명 주파수를 갖도록 선택될 수 있다. 다른 한편으로, 상당히 낮은, 예를들어 20000Å의 두께를 갖는 경우에, 전기용량와 인덕턴스는 상당히 낮은, 예를들어 약 50㎑의 공명 주파수를 갖도록 선택될 수 있다. 그러나, 높은 공명 주파수는 두꺼운 동 층에 대해 여전히 양호하게 작동할 수 있다. 또한, 매우 높은 주파수(2㎒ 이상)는 캐리어 헤드의 금속 부분들로부터의 암 소음(background noise)을 감소시키는데 사용될 수 있다.In general, the greater the expected initial thickness of the conductive film, the lower the predetermined resonance frequency. For example, in the case of a fairly thin thickness, for example 2000 kHz, the capacitance and inductance can be chosen to have a fairly high resonance frequency, for example about 2 MHz. On the other hand, in the case of a fairly low thickness, for example 20000 Hz, the capacitance and inductance can be chosen to have a fairly low resonance frequency, for example about 50 Hz. However, high resonance frequencies can still work well for thick copper layers. In addition, very high frequencies (above 2 MHz) can be used to reduce background noise from metal parts of the carrier head.
먼저, 도 3, 도 4a 내지 도 4e 및 도 7a를 참조하면, 폴리싱을 안내하기 이전에 발진기(50)는 임의 기판의 존재없이 LC 회로의 공명 주파수로 회전된다. 이러한 공명 주파수는 RF 증폭기(54)로부터의 출력 신호를 최대로 한다.First, referring to FIGS. 3, 4A-4E and 7A, the
도 7b 및 도 8에 도시한 바와 같이, 폴리싱 작동을 위하여 기판(10)은 폴리싱 패드(30)와 접촉되게 놓인다. 기판(10)은 실리콘 웨이퍼(12) 및 전도성 층(16)을 포함할 수 있으며, 상기 전도성 층은 반도체 전도체 또는 절연체일 수 있는 하나 이상 패턴화된 하부층(14) 위에 배열되는 동과 같은 금속층이다. 티타늄 또는 질화 티타늄과 같은 배리어층(18)은 하부 유전체로부터 상기 금속층을 분리할 수 있다. 패턴화된 하부층들은 예를들어 바이어스, 패드 및 상호 연결부와 같은 금속 피쳐(features)를 포함할 수 있다. 폴리싱 이전에 커다란 도전 층(16)이 초기에는 상당히 두껍고 연속적이므로, 낮은 저항을 가지며 상당히 강한 와류가 전도성 층에 발생될 수 있다. 전술한 바와 같이, 와류는 감지 코일(46) 및 축전기(52)와 병행하여 임피던스 소오스로서의 역할을 하게 한다. 따라서, 전도성 필름(16)이 존재하면 센서 회로의 큐-팩터를 감소시켜 RF 증폭기(56)로부터의 신호 크기를 상당히 감소시킨다.As shown in FIGS. 7B and 8, the
도 7c 및 도 8을 참조하면, 기판(10)이 폴리싱되면서 전도성 층(16)의 벌크 부분이 얇아진다. 도전 층(16)이 얇아지면서 시이트 저항이 증가되며 금속층 내의 와류가 상쇄된다. 따라서, 금속층(16)과 센서 회로(58) 사이의 커플링이 감소된다(즉, 실제 임피던스 소오스의 저항을 증가시킨다). 커플링이 감소하면서 센서 회로(58)의 큐-팩터가 원래 값쪽으로 증가한다.7C and 8, as the
도 7d 및 도 8을 참조하면, 최종적으로 전도성 층(16)의 벌크 부분이 제거되어 패턴화된 절연 층(14) 사이의 트렌치 내에 전도성 상호 연결부(16')를 남기게 된다. 이러한 시점에서, 일반적으로 작고 일반적으로 연속적인 기판 내의 전도성 부분과 센서 회로(58) 사이의 커플링은 최소화된다. 따라서, 센서 회로의 큐-팩터는 (기판이 전체적으로 없을 때의 큐-팩터만큼 크지는 않지만)최대값에 도달한다. 이는 센서 회로로부터 플래튼으로의 출력 신호를 증폭시킨다.7D and 8, the bulk portion of the
이와 같이, 출력 신호의 증폭이 더 이상 증가하지 않고 레벨 오프(예를들어 로컬 플래토;local plateau)에 도달하는 시점을 감지함으로써 컴퓨터(90)는 폴리싱 엔드포인트를 감지할 수 있다. 이와는 달리, 하나 이상의 테스트 기판을 폴리싱함으로써 폴리싱 기계의 작동자는 금속층의 두께 함수로서 출력 신호의 크기를 결정할 수 있다. 따라서, 엔드포인트 검출기는 금속층의 특정 두께가 기판에 유지될 때 폴리싱을 멈출수 있다. 특히, 컴퓨터(90)는 증폭기로부터의 출력 신호가 소정 두께에 대응하는 전압 임계치를 초과하는 시점에서 엔드포인트를 조정할 수 있다. 이와는 달리, 와류 모니터링 시스템도 폴리싱 변수의 변화를 조정하는데 사용될 수 있다. 예를들어, 모니터링 시스템이 폴리싱 조건을 검출할 때 CMP 장치는 (예를들어, 고 선택도 슬러리로부터 저 선택도 슬러리로)슬러리의 조성을 변경시킬 수 있다. 다른 실시예로서, 후술하는 바와 같이 CMP 장치는 캐리어 헤드에 인가된 압력 프로파일을 변경시킬 수 있다.As such, the
도 9a를 참조하면, 크기 변화의 감지 이외에도 와류 모니터링 시스템은 감지된 신호에 있어서의 위상 변위를 계산하기 위한 위상 변위 센서(94)를 포함할 수 있다. 금속층이 폴리싱되면서 감지된 신호의 위상은 발진기(50)로부터의 구동 신호와 관련하여 변경된다. 이러한 위상차는 폴리싱된 층의 두께에 대해 보정될 수 있다.Referring to FIG. 9A, in addition to the detection of a magnitude change, the eddy current monitoring system may include a
와류 모니터링 시스템의 크기와 위상 변위 부분들에 대한 실시예가 도 9b에 도시되어 있다. 이 실시예에서는 도 9b에 도시한 바와 같이, 구동 및 센서 신호가 조합되어 위상차에 비례하는 듀티 사이클 또는 펄스 폭을 갖은 위상 변위 신호를 발생시킨다. 이 실시예에서 두 개의 XOR 게이트(100, 102)가 감지 코일(46) 및 발진기(50) 각각으로부터의 사인파 신호를 구형파 신호로 전환시키는데 사용된다. 두 개의 구형파 신호들은 제 3 XOR 게이트(104)의 입력측으로 공급된다. 제 3 XOR 게이트(104)의 출력은 두 개의 구형파 신호들 사이의 위상차에 비례하는 듀티 사이클과 펄스 폭을 갖는 위상 변위 신호이다. 상기 위상 변위 신호는 RC 필터에 의해 필터되어 위상차에 비례하는 전압을 갖는 DC형 신호를 발생한다. 이와는 달리, 상기 신호는 프로그램가능한 디지탈 로직, 예를들어 위상 변위 측정을 수행하는 복합 프로그램가능한 로직 디바이스(CPLD) 또는 필드 프로그램가능한 게이트 어레이(FGPA) 내측으로 공급된다. 와류 모니터링 시스템의 크기 감지부에 대한 다른 실시예가 도 9c에 도시되어 있다. 구동 및 감지 신호 사이의 위상 차를 측정하는 와류 모니터링 시스템에 의해 발생되는 트레이스(trace)의 예가 도 10에 도시되어 있다. 위상 측정이 구동 주파수에 상당히 민감하므로, 위상 고정 루프 전자기장치가 추가될 수 있다.An embodiment of the magnitude and phase shift portions of the vortex monitoring system is shown in FIG. 9B. In this embodiment, as shown in Fig. 9B, the drive and sensor signals are combined to generate a phase shift signal having a duty cycle or pulse width proportional to the phase difference. In this embodiment two
위상 측정의 잠재적인 장점은 금속층 두께에 대한 위상차의 종속성이 크기의 종속성에 비해 더욱 선형적이라는 점이다. 또한, 금속층의 절대 두께가 가능한 두께의 폭 범위에 대해 결정될 수 있다는 점이다.A potential advantage of phase measurements is that the dependence of the phase difference on the metal layer thickness is more linear than the dependency of size. In addition, the absolute thickness of the metal layer can be determined for a range of possible thicknesses of the thickness.
도 3을 참조하면, 반사계 또는 간섭계로서의 기능을 할 수 있는 광학 모니터링 시스템(140)은 와류 모니터링 시스템(40)에 인접한 리세스(26) 내의 플래튼(24)에 대해 고정될 수 있다. 따라서, 광학 모니터링 시스템(140)은 와류 모니터링 시스템(40)에 의해 감시될 때와 거의 동일한 기판 상의 위치에 대한 반사율을 측정할 수 있다. 특히, 광학 모니터링 시스템(140)은 상기 플래튼(24)의 회전 축으로부터의 와류 모니터링 시스템(40)과 동일 거리에서 기판 부분을 측정하도록 위치될 수 있다. 따라서, 광학 모니터링 시스템(140)은 와류 모니터링 시스템(40)과 동일한 통로에서 기판을 통과할 수 있다.Referring to FIG. 3, an
광학 모니터링 시스템(140)은 광원(144)과 검출기(146)를 포함한다. 광원은 기판(10)의 노출 면과 충돌하도록 투명 윈도우(36)와 슬러리를 통해 전파되는 광 비임(142)을 발생시킨다. 예를들어, 광원(144)은 레이저 일 수 있으며 광 비임(142)은 조준된 레이저 비임일 수 있다. 광 레이저 비임(142)은 기판(10) 표면에 수직한 축선으로부터 각을 이루도록 레이저(144)로부터 투사될 수 있다. 또한, 구멍(26)과 윈도우(36)가 길다면, 비임 확대기(도시않음)가 광 비임의 통로내에 위치되어 광 비임을 윈도우의 길다란 축선을 따라 확대시킬 수 있다. 일반적으로, 광학 모니터링 시스템은 전체 내용이 본원 발명에 참조된 1998년 11월 2일자 출원된 미국 특허 출원번호 09/184,767호 및 미국 특허 제 6,159,073호에 기술된 바와 같은 역할을 한다.
구동 및 감지 신호 사이의 위상 차를 측정하는 광학 모니터링 시스템에 의해 발생되는 트레이스(250)의 예가 도 11에 도시되어 있다. 트레이스(250)의 전체 형상은 다음과 같이 설명될 수 있다. 먼저, 금속층(16)은 하부 패턴화된 층(14)의 형상으로 인한 몇몇 초기 형상을 가진다. 이러한 형상으로 인해, 광 비임은 금속층과 충돌할 때 산란된다. 폴리싱 작동이 트레이스의 부분(252)에서 진행되면서 금속층은 더욱 평탄화되며 폴리싱된 금속층의 반사율이 증가한다. 금속층의 벌크가 트레이스의 부분(254)에서 제거되면서 세기가 상대적으로 안정화된다. 일단 산화 층이 트레이스에 노출되면 전체 신호 세기가 트레이스의 부분(256)에서 빠르게 하강한다. 일단 산화 층이 트레이스에서 전체적으로 노출되면 산화 층이 제거될 때의 간섭 효과로 인한 미세한 진동을 겪더라도 세기는 트레이스의 부분(258)에서 다시 안정화된다.An example of a
도 3 및 도 4a 내지 도 4e를 다시 참조하면, CMP 장치(20)는 코어(42) 및 광원(44)이 기판(10) 아래에 있는 시점을 감지하기 위해 광 차단기와 같은 위치 검출기를 포함한다. 예를들어, 광 차단기는 캐리어 헤드(70)에 대향하는 일정한 지점에 장착될 수 있다. 플래그(82)는 플래튼의 주변부에 부착된다. 플래그(82)의 길이 및 부착 지점은 투명 부분(36)이 기판(10) 아래를 통과하는 동안에 센서(80)의 광 신호를 차단하도록 선택된다. 이와는 달리, CMP 장치는 플래튼의 각위치를 결정하는 인코더를 포함할 수 있다.Referring again to FIGS. 3 and 4A-4E, the
범용의 프로그램 가능 디지탈 컴퓨터(90)는 와류(eddy current) 감지 시스템으로부터 강도 신호 및 위상 편이 신호(phase shift signal)와, 광학 모니터링 시스템으로부터 강도 신호를 수신(receive)한다. 모니터링 시스템이 플레튼의 각각의 회전에 대해 기판 아래에서 스위프하기 때문에, 금속층의 두께 및 하부층의 노출에 대한 정보는 인시츄(in-situ) 방식 및 연속 실시간(플레이트의 회전 당 한번)으로 축적된다. 기판이 일반적으로 투명부(36, 위치 센서에 의해 결정됨) 상에 놓일 때 컴퓨터(90)는 모니터링 시스템으로부터 샘플 측정치에 대해 프로그램될 수 있다. 폴리싱이 진행될 때, 금속층의 두께 또는 반사도는 변하고, 샘플 신호는 시간에 따라 변한다. 시간에 따라 변하는 샘플 신호는 트레이스(traces)로 지칭될 수도 있다. 모니터링 시스템으로부터의 측정치는 장치의 작업자가 폴리싱 작업의 진행 상황을 가시적으로 모니터할 수 있도록 폴리싱 중에 출력 장치(92) 상에 디스플레이될 수 있다. 게다가, 후술되는 것처럼, 트레이스는 폴리싱 공정을 제어하고 금속층의 폴리싱 작업의 엔드포인트를 결정하는데 사용될 수도 있다.
General-purpose programmable
와류 모니터링 시스템(40) 및 광학 모니터링 시스템(140)으로부터의 신호가 컴퓨터(90)에 공급되기 때문에, 상기 모니터링 시스템 중 어느 하나 또는 모두는 엔드포인트 결정을 위해 사용될 수 있다. 이로 인해 유전체 및 금속 재료의 폴리싱을 위한 화학 기계적 연마기가 강력한 엔드포인트 탐지 성능을 갖는다. 상기 두 시스템으로부터의 신호는 엔드포인트 기준을 위해 모니터될 수 있고, 상기 두 시스템으로부터의 엔드포인트 기준의 탐지는 폴리싱 엔드포인트 또는 공정 변수의 변화를 발생시키기 위해 다양한 부울 논리 연산(예를 들어, AND 또는 OR)과 조합될 수 있다. 가능한 공정 제어와 탐지기 논리에 대한 엔드포인트 기준으로는 국부적 최소치 또는 최대치, 기울기 변화, 진폭 또는 기울기의 임계치, 또는 이들의 조합을 포함한다. 일 모니터링 시스템은 다른 모니터링 시스템을 확인하기 위해 제공될 수도 있다. 예를 들어, 폴리싱 장치는 와류 신호 및 광학 강도 신호에서 적절한 엔드포인트 기준을 탐지할 때 폴리싱을 중지시킬 수 있다. 선택적으로, 일 시스템은 백업 엔드포인트 탐지기로서 작용할 수도 있다. 폴리싱 장치는 일 시스템, 예를 들어 와류 모니터링 시스템으로부터 제 1 엔드포인트 기준을 탐지할 때 폴리싱을 중지시킬 수 있고, 엔드포인트 기준이 소정의 시간 범위에서 탐지되지 않는다면, 폴리싱은 다른 시스템, 예를 들어 광학 모니터링 시스템으로부터 제 2 엔드포인트 기준을 탐지할 때 중지될 수 있다. 게다가, 상기 두 시스템이 폴리싱 작업의 상이한 부분에 대해 사용될 수도 있다. 예를 들어, 금속 폴리싱(특히 구리 폴리싱) 중에 대부분의 기판은 와류 모니터링 시스템으로 모니터되면서 폴리싱될 수 있다.Since signals from the eddy
금속층에 대한 폴리싱 작업에서, CMP 장치(20)는 충전층 벌크가 언제 제거되 는지를 결정하고 하부 정지층이 실질적으로 언제 노출되는지를 결정하기 위해 와류 모니터링 시스템(40)과 광학 모니터링 시스템(140)을 사용한다. 컴퓨터(90)는 공정 변수를 언제 변경하고 폴리싱 엔드포인트을 언제 탐지하는가를 결정하기 위해 공정 제어 및 엔드포인트 탐지 논리를 샘플 신호에 적용한다. 와류 모니터링 시스템이 금속막이 소정의 두께에 도달했음을 결정할 때, 광학 모니터링 시스템은 하부 절연층이 언제 노출될지를 탐지하기 위해 사용될 수도 있다.In polishing operations on the metal layer, the
게다가, 본원에 참조되고 1999년 12월 13일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제 09/460,529호에 개시된 것처럼, 컴퓨터(90)는 기판 아래의 각각의 스위프(sweep)에서 와류 모니터링 시스템(40) 및 광학 모니터링 시스템(140)으로부터의 측정치를 복수의 샘플 영역(96)으로 분리하고, 각각의 샘플 영역의 반경 위치를 계산하고, 진폭 측정치를 반경 범위로 분류하고, 각각의 샘플 영역에 대한 최소치, 최대치 및 평균치를 결정하고, 폴리싱 엔드포인트를 결정하기 위해 다중 반경 범위를 사용하도록 프로그램될 수 있다.In addition, as disclosed in US Patent Application No. 09 / 460,529, incorporated herein by reference on Dec. 13, 1999,
컴퓨터(48)는 캐리어 헤드(70)에 의해 캐리어 헤드의 회전율을 제어하기 위해 캐리어 헤드 회전 모터(76)에 적용되고, 플래튼 회전율을 제어하기 위해 플레튼 회전 모터(도시 않음)에 적용되거나, 폴리싱 패드에 공급되는 슬러리 조성을 제어하기 위해 슬러리 분배 시스템(39)에 적용된 압력을 제어하는 압력 기구에 연결될 수도 있다. 특히, 본원에 참조되고 2000년 7월 5일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제 09/609,426호에 개시된 것처럼, 측정치를 반경 범위로 분류한 후, 금속막 두께에 대한 정보는 캐리어 헤드에 의해 적용된 폴리싱 압력 프로파일을 주기적 또는 연속적으로 수정하기 위해 실시간으로 폐쇄 루프 제어기에 공급될 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터는 엔드포인트 기준이 내측 반경 범위에 대해서가 아니라 외측 반경 범위에 대해 만족시키는지를 결정할 수 있다. 이는 하부층이 기판의 내측 영역이 아니라 환형 외측 영역에 노출됨을 나타낸다. 이러한 경우에, 컴퓨터는 압력이 적용되어 압력이 기판의 내측 영역에만 적용되는 영역의 직경을 감소시킴으로써, 기판의 외측 영역 상의 부식 및 디슁(dishing)을 감소시킨다.The
구리층과 같은 금속층을 폴리싱하는 방법이 도 12의 흐름도에 도시된다. 우선, 기판은 금속층 벌크를 제거하기 위해 제 1폴리싱 스테이션(22a)에서 폴리싱된다. 폴리싱 공정은 와류 모니터링 시스템(40)에 의해 모니터된다. 소정의 두께, 예를 들어 2000Å의 구리층(14)이 하부 배리어층(16) 상에 남을 때(도면 참조), 폴리싱 공정은 중지되고 기판은 제 2폴리싱 스테이션(22b)으로 이송된다. 제 1폴리싱의 엔드포인트는 위상 편이 신호가 실험적으로 결정된 임계치를 초과할 때 발생될 수 있다. 제 1폴리싱 스테이션에 대한 예시적인 폴리싱 변수로는 93rpm의 플레튼 회전율, 약 3psi의 캐리어 헤드 압력, 및 IC-1010 폴리싱 패드를 포함한다. 제 1폴리싱 스테이션에서 폴리싱이 진행될 때, 와류 모니터링 시스템(40)으로부터의 반경 두께 정보는 기판 상에 있는 캐리어 헤드(200)의 장착 영역 및/또는 압력을 제어하기 위해 폐쇄 루프 피드백 시스템에 공급될 수 있다. 폴리싱 패드 상의 유지 링의 압력은 폴리싱 속도를 조절하기 위해 조절될 수도 있다. 이로 인해 캐리어 헤드는 폴리싱 속도의 비균일성 또는 유입되는 기판의 금속층 두께의 비균일성을 보상할 수 있다. 결과적으로, 제 1폴리싱 스테이션에서의 폴리싱 후, 대부분의 금속층은 제거되고 기판 상에 잔류하는 금속층의 표면은 실질적으로 평탄화된다.A method of polishing a metal layer, such as a copper layer, is shown in the flowchart of FIG. First, the substrate is polished at the
제 2폴리싱 스테이션(22b)에서, 기판은 제 1폴리싱 스테이션에서의 폴리싱 속도보다 낮은 폴리싱 속도로 폴리싱된다. 예를 들어, 폴리싱 속도는 약 2배 내지 4배, 즉 약 50% 내지 75% 만큼 감소된다. 폴리싱 속도를 감소시키기 위해, 캐리어 헤드 압력이 감소될 수 있고, 캐리어 헤드의 회전율이 감소될 수 있고, 슬러리의 조성이 폴리싱 슬러리를 보다 천천히 유입시키기 위해 변경될 수 있고, 또는 플레튼의 회전율이 감소될 수 있다. 예를 들어, 캐리어 헤드로부터 기판 상의 압력은 약 33% 내지 50% 감소될 수도 있으며, 플레이트 회전율 및 캐리어 헤드의 회전율은 약 50% 감소될 수도 있다. 제 2폴리싱 스테이션(22b)에 대한 예시적인 폴리싱 변수로는 43rpm의 플레튼 회전율, 약 2psi의 캐리어 헤드 압력, 및 IC-1010 폴리싱 패드를 포함한다.In the second polishing station 22b, the substrate is polished at a polishing rate lower than the polishing rate at the first polishing station. For example, the polishing rate is reduced by about 2 to 4 times, ie about 50% to 75%. To reduce the polishing rate, the carrier head pressure can be reduced, the turnover of the carrier head can be reduced, the composition of the slurry can be changed to introduce the polishing slurry more slowly, or the turnover of the platen is reduced. Can be. For example, the pressure on the substrate from the carrier head may be reduced by about 33% to 50%, and the plate turn rate and rotation rate of the carrier head may be reduced by about 50%. Exemplary polishing parameters for the second polishing station 22b include platen turnover of 43 rpm, carrier head pressure of about 2 psi, and IC-1010 polishing pad.
선택적으로, 폴리싱이 제 2폴리싱 스테이션에서 시작할 때, 기판은 예를 들어 약 10초 동안, 어느 정도 높은 압력 및 회전율, 예를 들어 3psi 및 93rpm에서, 간단히 폴리싱될 수도 있다. "초기" 단계로 지칭될 수 있는 이러한 초기 폴리싱은 예상 작업 처리량을 유지하기 위해 금속층 상에 형성되는 자연 산화물을 제거하거나 플레튼 회전율 및 캐리어 헤드 압력의 램프 업(ramp-up)을 보상하기 위해 요구될 수도 있다.Optionally, when polishing begins at the second polishing station, the substrate may simply be polished at some high pressure and rotation rate, for example 3 psi and 93 rpm, for example for about 10 seconds. This initial polishing, which may be referred to as the "early" stage, is required to remove natural oxides formed on the metal layer to compensate for the expected throughput or to compensate for ramp-up of platen turnover and carrier head pressure. May be
폴리싱 공정은 광학 모니터링 시스템에 의해 제 2폴리싱 스테이션(22b)에서 모니터된다. 금속층이 제거되고 하부 배리어층이 노출될 때까지 제 2폴리싱 스테이션(22b)에서 폴리싱이 진행된다. 물론, 금속층의 미소 부분이 기판 상에 잔류할 수 있지만, 금속층은 실질적으로 제거된다. 광학 모니터링 시스템은 배리어층이 노출될 때 반사도의 변화를 탐지할 수 있기 때문에 이러한 엔드포인트를 결정하는데 유용하다. 특히, 제 2폴리싱 스테이션에 대한 엔드포인트는 광학 모니터링 신호의 진폭 또는 기울기가 컴퓨터에 의해 모니터된 전체 반경 범위를 걸쳐 실험적으로 결정된 임계치 아래로 떨어질 때 발생될 수 있다. 이는 배리어 금속층이 실질적으로 모든 기판을 가로질러 제거되었음을 나타낸다. 물론, 폴리싱이 제 2폴리싱 스테이션(22b)에서 진행될 때, 광학 모니터링 시스템(40)으로부터의 반사도 정보는 가장 먼저 노출되는 배리어층의 영역이 오버폴리싱되는 것을 방지하기 위해 기판 상에서 캐리어 헤드(200)의 장착 영역 및/또는 압력을 제어하는 폐쇄 루프 피드백 시스템에 공급될 수 있다.The polishing process is monitored at the second polishing station 22b by the optical monitoring system. Polishing proceeds in the second polishing station 22b until the metal layer is removed and the lower barrier layer is exposed. Of course, a minute portion of the metal layer may remain on the substrate, but the metal layer is substantially removed. Optical monitoring systems are useful in determining these endpoints because they can detect changes in reflectivity when the barrier layer is exposed. In particular, an endpoint for the second polishing station may occur when the amplitude or slope of the optical monitoring signal falls below an experimentally determined threshold over the entire radius range monitored by the computer. This indicates that the barrier metal layer has been removed substantially across all substrates. Of course, when polishing is performed at the second polishing station 22b, the reflectivity information from the
배리어층(barrier layer)이 노출되기 전에 폴리싱 속도를 감소시킴으로써, 디슁(dishing) 및 부식 효과가 감소될 수 있다. 또한, 폴리싱 기계의 상대적인 반응 시간이 향상되어, 최종 엔드포인트 기준이 검지된 후 물질이 보다 적게 제거되면서, 폴리싱 기계가 폴리싱을 중지하고 제 3 폴리싱 스테이션으로 이동하게 한다. 또한, 예측된 폴리싱 엔드 시간 근처에서 보다 높은 강도의 측정값이 수집될 수 있으며, 이로써 폴리싱 엔드포인트 계산의 정확성이 잠재적으로 향상된다. 그러나, 제 1폴리싱 스테이션에서 대부분의 폴리싱 작동 동안 내내 높은 폴리싱 속도를 유지함으로써, 높은 수율이 달성된다. 바람직하게, 캐리어 헤드 압력(carrier head pressure)이 감소되거나 또는 다른 폴리싱 매개변수가 변화하기 전에, 총괄 폴리싱(bulk polishing)의 적어도 75%, 예컨대 80-90%가 완료된다.By reducing the polishing rate before the barrier layer is exposed, dishing and corrosion effects can be reduced. In addition, the relative reaction time of the polishing machine is improved, which results in less material being removed after the final endpoint criterion is detected, causing the polishing machine to stop polishing and move to the third polishing station. In addition, higher intensity measurements can be collected near the predicted polishing end time, thereby potentially improving the accuracy of the polishing endpoint calculation. However, by maintaining a high polishing rate throughout most polishing operations at the first polishing station, high yields are achieved. Preferably, at least 75%, such as 80-90%, of bulk polishing is completed before the carrier head pressure is reduced or other polishing parameters are changed.
금속층이 제 2폴리싱 스테이션(22b)에서 일단 제거되었다면, 기판은 배리어층을 제거하기 위해 제 3 폴리싱 스테이션(22c)으로 이송된다. 제 2폴리싱 스테이션에 대한 예시적인 폴리싱 매개변수는 103rpm의 플래튼 회전율, 약 3psi의 캐리어 압력 헤드, 및 IC-1010 폴리싱 패드를 포함한다. 선택적으로, 기판은 예컨대 약 5초 동안의 개시 스텝(initiation step), 예컨대 3psi의 다소 높은 압력, 및 예컨대 103rpm의 플래튼 회전율에 의해 일시적으로 폴리싱될 것이다. 폴리싱 프로세스는 제 3 폴리싱 스테이션(22c)에서 광학 모니터링 시스템에 의해 모니터되고, 배리어층이 거의 제거되어 밑에 놓인 유전체 층(dielectric layer)이 거의 노출될 때 까지 계속 진행된다. 제 1 및 제 2폴리싱 스테이션에서는 동일한 슬러리 용액이 사용되는 반면, 제 3 폴리싱 스테이션에서는 다른 슬러리 용액이 사용된다.Once the metal layer has been removed at the second polishing station 22b, the substrate is transferred to the third polishing station 22c to remove the barrier layer. Exemplary polishing parameters for the second polishing station include a platen turnover of 103 rpm, a carrier pressure head of about 3 psi, and an IC-1010 polishing pad. Optionally, the substrate will be temporarily polished by, for example, an initiation step for about 5 seconds, such as a rather high pressure of 3 psi, and a platen turnover of, for example, 103 rpm. The polishing process is monitored by the optical monitoring system at the third polishing station 22c and continues until the barrier layer is nearly removed and the underlying dielectric layer is barely exposed. The same slurry solution is used in the first and second polishing stations, while another slurry solution is used in the third polishing station.
구리층과 같은 금속층을 폴리싱하는 다른 방법이 도 13에 플로우챠트 형태로 도시되어 있다. 이 방법은 도 12에 도시된 방법과 유사하다. 그러나, 신속한 폴리싱 스텝과 느린 폴리싱 스텝 모두가 제 1폴리싱 스테이션(22a)에서 수행된다. 배리어층의 제거는 제 2폴리싱 스테이션(22b)에서 수행되며, 버핑 스텝(buffing step)은 최종 폴리싱 스테이션(22c)에서 수행된다.Another method of polishing a metal layer, such as a copper layer, is shown in flowchart form in FIG. 13. This method is similar to the method shown in FIG. However, both the fast polishing step and the slow polishing step are performed at the
다양한 폴리싱 시스템에서 와류(eddy current) 및 광학 모니터링 시스템이 사용될 수 있다. 폴리싱 면과 기판 사이에서 상대적 운동을 제공하도록 폴리싱 패드 또는 캐리어 헤드 중 어느 하나, 또는 이들 모두가 이동될 수 있다. 폴리싱 패드는 플래튼, 공급 롤러와 테이크-업 롤러 사이로 연장된 테이프, 또는 무한 벨트에 고정된 원형(또는 일부 다른 형상) 패드일 수 있다. 폴리싱 패드는 플래튼 상에 고정되거나, 폴리싱 작동 사이에 플래튼 위로 점진적으로 전진하거나, 또는 폴리싱 동안 플래튼 위로 연속적으로 구동될 수 있다. 이러한 폴리싱 패드는 폴리싱 동안 플래튼에 고정될 수 있거나, 또는 폴리싱 동안 플래튼과 폴리싱 패드 사이에서 유체 지지(fluid bearing)가 존재할 수 있다. 폴리싱 패드는 표준형(예컨대, 첨가재가 있거나 또는 없는 폴리우레탄) 러프 패드(rough pad), 소프트 패드(soft pad), 또는 고정-연마 패드(fixed-abrasive pad)일 수 있다. 기판이 없는 경우 튜닝되지 않고, 폴리싱된 또는 폴리싱되지 않은 기판(캐리어 헤드에 의해 또는 캐리어 헤드 없이)이 존재하는 상태에서 발진기(oscillator)의 구동 주파수가 공명 주파수로 조율(tunning)될 수 있거나, 또는 다소 다른 기준으로 조율된다.Eddy current and optical monitoring systems can be used in various polishing systems. Either or both of the polishing pad or the carrier head can be moved to provide relative motion between the polishing surface and the substrate. The polishing pad may be a platen, a tape extending between the feed roller and the take-up roller, or a circular (or some other shape) pad fixed to an endless belt. The polishing pad may be fixed on the platen, progressively advanced over the platen between polishing operations, or continuously driven over the platen during polishing. Such polishing pads may be secured to the platen during polishing, or there may be fluid bearing between the platen and the polishing pad during polishing. The polishing pad can be a standard (eg, polyurethane with or without additives) rough pads, soft pads, or fixed-abrasive pads. If no substrate is present, the drive frequency of the oscillator can be tuned to the resonance frequency with no tuning and with a polished or unpolished substrate (with or without carrier head), or Tuning is somewhat different.
광학 모니터링 시스템(140)은, 동일한 구멍 내에 위치되는 것으로 상술하였지만, 와류 모니터링 시스템(40)과는 상이한 플래튼 상의 위치에 위치될 수 있다. 예컨대, 광학 모니터링 시스템(140) 및 와류 모니터링 시스템(40)은 플래튼의 마주하는 가장자리(opposite sides)에 위치될 수 있어서, 이들이 교대로 기판 표면을 스캔할 수 있다.The
도 14를 참조하면, 다른 실시예에 있어서, 제 1폴리싱 스테이션은 와류 모니터링 시스템(40)만을 포함하고, 광학 모니터링 시스템을 포함하지 않는다. 이 경우, 패드의 섹션(36')은 이송에 필요하지 않다. 그러나, 섹션(36')이 비교적 얇은 것이 유리할 것이다. 예컨대, 폴리싱 패드(30)가 2개층의 패드라고 가정하면, 배면층(backing layer; 32')의 일부분(33')을 제거함으로써 얇은 패드 섹션(36')이 도 15a에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다. 대안으로, 도 15b에 도시된 바와 같이, 덮개층(34")의 일부분 및 배면층(32")의 일부분(33") 모두를 제거함으로써, 얇은 패드 섹션(36")이 형성될 수 있다. 따라서, 이러한 실시예는 얇은 패드 섹션(36") 내의 덮개층(34")의 바닥면 내에 오목부를 구비한다. 폴리싱 패드가 단일층 패드라면, 패드의 바닥면 내에 오목부를 형성하도록 패드 물질의 일부분을 제거함으로써 얇은 패드 섹션(36)이 형성될 수 있다. 폴리싱 패드가 그 자체로 충분히 얇거나, 또는 와류 측정을 방해하지 않는 자기 투과성(및 전도도)를 가진다면, 패드는 임의의 변경 또는 오목부를 필요로 하지 않는다.Referring to FIG. 14, in another embodiment, the first polishing station includes only the eddy
와류 센서가 단일 코일을 사용한다면, 기판과 대향하는 폴리싱 면의 하나의 가장자리 상의 코일의 배치 또는 위상차의 측정과 같이, 본 발명의 다양한 양상이 여전히 적용된다. 단일 코일 시스템에서, 발진기 및 감지 축전기(sense capacitor)(또는 다른 센서 회로) 모두가 동일한 코일에 연결되어 있다.If the eddy current sensor uses a single coil, various aspects of the present invention still apply, such as the measurement of the phase difference or the placement of the coil on one edge of the polishing surface opposite the substrate. In a single coil system, both the oscillator and sense capacitor (or other sensor circuit) are connected to the same coil.
지금까지 바람직한 실시예를 통해 본 발명을 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에 제한되지 않으며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 한정된다.So far, the present invention has been described through preferred embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the scope of the present invention is defined by the appended claims.
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