JP2002510149A - ウェーハ載せ／下ろしユニットに一体にされたフィルム厚さ測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 フィルム厚さ監視センサーを化学機械研磨(ＣＭＰ)を行うためのクラスタツール(30)の載せ・下ろしユニット内に一体にするための技術を提供する。ＣＭＰの性能を決定するために、フィルム厚さを決定するためのセンサー(60)が、クラスタツール(30)の載せ・下ろしユニット(41)内に一体にされる。従って、加工サイクル中、フィルム厚さ測定を、ウェーハをクラスタツール(30)から取出すことなしに不連続時間で行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （発明の背景） （技術分野） 本発明は半導体ウェーハ加工の分野に関し、更に詳細には、半導体ウェーハを
平坦化するのに利用される設備に関する。

【０００２】 （関連技術の背景） 集積回路素子の製造は、必要な構成要素及びその相互接続部を形成するために
、基板上への種々の層の形成を必要とする。製造工程中、種々の構成要素及びそ
の相互接続部をパターンにし、それを形成するために、一定の層または層の一部
分の除去が成し遂げられなければならない。現代の集積回路（ＩＣ）製造技術で
は、種々の構造体を半導体ウェーハに先に形成された層の上に形成する必要があ
る。特徴寸法を減少させるならば、そのような構造体は、薄いフィルム層の形成
の際に製造上の問題を引起こす非常に不規則な表面形態(surface topography)に
なる。製造工程を容易にするために、粗面形態は平滑化又は平坦化されなければ
ならない。

【０００３】 ウェーハ表面の平坦化を達成するための方法のうちの１つが化学機械研磨(Ｃ ＭＰ)である。ＣＭＰは、集積回路加工の種々の段階でシリコンウェーハのよう な半導体ウェーハの表面を平坦化するために広く行われている。ＣＭＰは、光学
表面、度量衡学的サンプル及び種々の金属及び半導体基板を平らにするのにも使
用されている。

【０００４】 ＣＭＰは、半導体ウェーハ上の材料を研磨するために、化学スラリと研磨パッ
ドが使用される技術である。ウェーハを研磨パッドの上に押しつける力を受ける
と、ウェーハに対するパッドの機械移動は、ウェーハとパッドとの間に配置され
たスラリの化学反応と組み合わされて、摩擦力と化学腐蝕とをもたらし、ウェー
ハの露出面(典型的には、ウェーハ上に形成されている層)を平坦化する。ＣＭＰ
を実施する最も普通の方法では、基板が研磨ヘッドに取付けられ、研磨ヘッドが
、回転テーブルに置かれた研磨パッドを押すように回転する(例えば、米国特許 第 5,329,732号参照)。研磨するための機械力は、テーブル回転速度及び研磨ヘ ッドに働く下向きの力から得られる。化学スラリは研磨ヘッドの下に絶え間なく
移送される。研磨ヘッドの回転は、スラリを分配し並びに基板表面にわたる研磨
速度を平均させるのを助ける。

【０００５】 より効果的な研磨速度を得るＣＭＰを行うための他の技術は、直線平坦化技術
を使用するＣＭＰを行うことである。回転パッドの代わりに移動ベルトが使用さ
れ、この移動ベルトはパッドをウェーハ表面にわたって直線的に移動させる。ウ
ェーハは、局所的変動を平均させてなくすために依然として回転させられるけれ
ども、全体的な平坦度は、回転パッドを使用するＣＭＰツールよりも改善される
。直線研磨機の１つの例は米国特許第 5,692,947号に記載されている。

【０００６】 回転研磨機の硬化させたテーブル上面と異なり、直線平坦化ツールは可撓性ベ
ルトを使用することが可能であり、パッドはこのベルト上に配置される。この可
撓性により、ベルトを撓ませ、これにより、ウェーハに及ぼされるパッド圧力の
変化を引起こすことができる。この可撓性を制御する場合、ベルトはウェーハ表
面にわたる平坦化速度及び／又は輪郭を調整するための機構を構成する。従って
、ウェーハに及ぼされるパッド圧力をウェーハ表面に沿う種々の箇所で調整する
流体支持体(即ちプラテン)が使用される。流体支持体の例は、米国特許第 5,558
,568号に記載されている。

【０００７】 ＣＭＰが採用される場合、一般的には、平坦化工程が所望の仕様に従って行わ
れているどうかを決定するために、平坦化工程の効果を監視するのが有利である
。その上、上述の直線研磨機(平坦化ツール)を使用する場合のように研磨輪郭を
調整することができる場合、ＣＭＰ工程を監視することにより、平坦化している
輪郭を、監視から得られた測定値に従って調整することが可能である。従って、
実際の研磨工程中又は各ウェーハの研磨の間、いくつかの形態の監視を行うのが
有利であり、その結果、種々の研磨パラメータを確認する測定値が得られる。

【０００８】 ＣＭＰに特定の監視上の問題は工程終了時点の決定である。即ち、除去すべき
材料の厚さ(又は、変形例として、残っている材料の厚さ)を監視する能力である
。本質的には、ＣＭＰ工程は監視され、いくつかの所望の予備設定された材料厚
さパラメータがウェーハ表面に達成されたとき、平坦化工程は終了する。終了時
点検出技術は、ＣＭＰ工程が停止されるべきこの時点を検出する。種々の終了時
点検出法が当該技術で知られている。

【０００９】 例えば、１つの技術は、ウェーハ基板表面に配置された誘電層の静電容量を監
視するために研磨プラテンに挿入された電極を採用する(例えば、米国特許第 5,
081,421号参照)。他の技術は、ウェーハを回転させるモーターに流れる電流の監
視を採用する(例えば、米国特許第 5,308,438号又は同第 5,036,015号参照)。工
程終了時点を検出するために電流を使用する他の技術も知られている。例えば、
金属層の有無を、電流の流れによって検出しても良いし(例えば、米国特許第 4,
793,895号参照)、或いは、インピーダンス測定値を使用することによって検出し
ても良い(例えば、米国特許第 5,213,655号参照)。他の技術は接触構造体をウェ
ーハの端から端まで使用することによる抵抗又はインピーダンス測定値を使用す
る(例えば、米国特許第 5,321,304号参照)。更に他の技術は、誘電厚さを監視す
るために音波の反射を使用する(例えば、米国特許第 5,240,552号参照)。光技術
は、今、ウェーハ上の材料厚さを測定するための正確な指示器として使用されて
いる(例えば、米国特許第 5,433,651号参照)。従って、半導体ウェーハの研磨サ
イクルの終了時点を検出するための多数の技術が利用できることが理解される。

【００１０】 歴史的には、ウェーハ上にある材料フィルム層の厚さを監視する２つの一般的
なアプローチがあった。第１のアプローチは「独立(stand−alone)」法である。独
立型装置では、フィルム厚さ測定値は、ウェーハが完全に加工された後に得られ
る。この厚さ測定値は、普通、「独立」の設備として配置されている分離ピースの
監視設備で得られ、ＣＭＰツールの一部で得られるのではない。この技術は、残
っているフィルムの品質の事後情報を提供するに過ぎず、これは、材料厚さ除去
が公差から外れている場合に工程を補正するために、しばしば、製造時間を相当
失わせる。

【００１１】 第２のアプローチは、「インサイチュ(in situ)」検出法であり、この方法では 、インサイチュ終了時点検出器が進行中の研磨工程を監視する。そのようなイン
サイチュ検出器は、普通、ＣＭＰツール自体の中に一体にされている。インサイ
チュ装置は進行している工程中になすべき調整を見込んでいるにもかかわらず、
設備は、普通、正しいフィルム厚さを読み取り且つ予測する極端に複雑なアルゴ
リズムを要求する。その上、多レベル集積回路素子が平坦化される場合、アルゴ
リズムは著しく複雑になることがある。或る場合には、そのような複雑なアルゴ
リズムは、それを実行するのに相当長い時間がかかることがあり、これは、研磨
工程にかなりの時間を追加する。

【００１２】 本発明は、独立の概念に基づくけれども、ウェーハの加工サイクル中のＣＭＰ
工程の監視に備えるためにクラスタツール構成に一体にされているＣＭＰ監視ツ
ールを提供する。インサイチュ監視法を使用する代わりに、本発明は、ＣＭＰ工
程中のウェーハの監視の際、別のステップを用意している。

【００１３】 (発明の概要) 本発明は、フィルム厚さ監視センサーを、化学機械研磨(ＣＭＰ)を実施するた
めのクラスタツールの載せ・下ろしユニット内に一体にするための技術を説明す
る。特定の実施形態では、半導体ウェーハを平坦化するための複数の(特定例で は２つの)直線研磨機がクラスタツール内に構成される。クラスタツール内には 、ウェーハをクラスタツールの加工エレメントによって加工するために受入れ且
つ研磨がすんだらウェーハを下ろす載せ・下ろしユニットも構成される。研磨さ
れたウェーハをバフ掛けし且つ洗浄する回転バフモジュールもクラスタ内に構成
される。これらの４つのモジュールは、クラスタツール即ち装置を形成するよう
に集められている。

【００１４】 ＣＭＰの性能を決定するために、フィルム厚さを決定するためのセンサーがク
ラスタツールの載せ・下ろしユニット内に一体にされる。次いで、フィルム厚さ
測定が、加工サイクル中、ウェーハをクラスタツールから取出すことなしに不連
続時間で行われる。その上、好ましい実施形態では、追加のすすぎ機能が好まし
い実施形態の載せ・下ろしモジュールによってもたらされる。

【００１５】 (好ましい実施形態の詳細な説明) ウェーハ監視ツールと、ウェーハ表面を平坦化するためのＣＭＰを備えている
クラスタツールの載せ／下ろしユニットとを一体にするための方法を説明する。
以下の説明では、本発明の完全な理解を得るために、特定の構造、設備、センサ
及び研磨技術等のような多くの特定の詳細が示される。しかしながら、本発明が
これらの特定の詳細なしに実施されても良いことが当業者に認識されよう。他の
例では、本発明を不明瞭にしないために、良く知られている技術、構造及び目的
を説明していない。

【００１６】 本発明が、(普通、直線研磨機とも称される)ＣＭＰ直線平坦化ツール用のクラ
スタツールを参照してここに説明されることに気付かれるはずである。しかしな
がら、本発明を(回転研磨機を含む)他の種類のツールと共に実施しても良いこと
は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなしに、容易に理解される。その上
、本発明を、半導体ウェーハ上に形成されたフィルム層にＣＭＰを実施すること
に関して説明するけれども、本発明はガラス、金属基板又はフラットパネルディ
スプレイを製造するための基板を含む他の半導体基板のような他の材料も容易に
研磨できるようになっている。

【００１７】 図１を参照すると、本発明を実施のに使用される直線研磨機１０が示される。
直線研磨機１０(直線平坦化ツールとも称する)は、シリコンウェーハのような半
導体ウェーハの表面の材料を研磨するために、半導体ウェーハ１１を平坦化する
のに利用されている。除去される材料はウェーハ自体の基板材料であったり、或
いは、基板上に形成された(フィルム層のような)層のうちの１つであったりする
。形成された層は（二酸化珪素のような）誘電材料、(アルミニウム、銅又はタ ングステンのような)金属及び合金、又は(シリコン又はポリシリコンのような) 半導体材料を含む。更に詳細には、表面を平坦化するために、ウェーハ１１上に
作られたこれらの層の１以上を研磨し、化学−機械研磨(ＣＭＰ)として当該技術
で一般的に知られている研磨技術が採用される。一般的には、ウェーハ上の層を
研磨するためにＣＭＰを行う技術が知られており、一般的に行われてきた実施は
、ウェーハの表面をパッド(例えば、米国特許第 5,329,732号参照)を収容する回
転プラットフォーム(即ちプラテン)に当てることによってＣＭＰを行うことであ
った。

【００１８】 直線研磨機１０は、ウェーハ１１の表面に対して直線的に移動するベルト１２
を利用する。ベルト１２は、ローラー(又はスピンドル)１３及び１４の周りを回
転する連続ベルトであり、ローラー１３、１４のうちの一方又は両方がモーター
のような駆動手段によって駆動され、その結果、ローラー１３−１４の回転運動
により、ベルト１２をウェーハ１１に対する(矢印１６で示すように)直線運動で
駆動させる。研磨パッド１５が、ウェーハ１１に面するベルト１２の外面に取付
けられる。或る例では、パッド１５とベルト１２は単一ユニットとして一体にさ
れる。いずれの仕方でも、ベルト／パッド組立体は、ウェーハ１１平坦化するた
めに直線的に移動するように作られる。

【００１９】 ウェーハ１１は、典型的には、研磨ヘッドの一部であるウェーハキャリア１８
内にある。ウェーハ１１は、保持器リングのような機械的保持手段によって、及
び／又は、真空の使用によって適所に保持される。一般的には、ウェーハ１１は
回転され、ベルト／パッドはウェーハ１１を研磨するために直線方向１６に移動
する。ウェーハを或る所定の力でパッドに係合させるために、研磨ヘッド及びキ
ャリア１８を下方に押す下向きの力が及ぼされる。直線研磨機１０はまた、スラ
リ２１をパッド１５上に分配するスラリ分配機構(図示せず)を含む。使用中、パ
ッド１５を再状態調節するために、典型的には、パッドコンディショナー２０が
使用される。パッド１５を再状態調節するための技術は当該技術で知られており
、一般的には、使用済みのスラリ及び除去した屑材料によって生じた残留堆積物
を除去するために、パッドの絶え間ない引っ掻き(scratching)を必要とする。

【００２０】 支持体即ちプラテン２５がベルト１２の下側に且つ研磨ヘッド１８の反対側に
配置され、その結果、ベルト／パッド組立体はプラテン２５とウェーハ１１との
間にある。プラテン２５の一次目的は、パッド１５が均一な研磨のために確実に
ウェーハ１１と十分接触するように支持プラットフォームをベルト１２の下側に
設けることにある。ベルト１２は可撓性であり、ウェーハがパッド１５に下方に
押しつけられるときに押し下げられるので、プラテン２５はこの下向きの力に対
して必要な反作用の支持を与える。

【００２１】 プラテン２５は固体プラットフォームであったり、或いは、(流体支持体とも 称する)流体プラテンであったりする。流体プラテンを有するのが好ましく、そ の結果、プラテン２５からの流体流れがベルト１２の下側に及ぼされる力を制御
するのに使用される。そのような流体流れ制御によって、パッドによってウェー
ハに及ぼされる圧力変動を、より均一な研磨をウェーハ１１の面にわたって与え
るように調整することができる。流体プラテンの１例が米国特許第 5,558,568号
に開示されている。半導体ウェーハを研磨するために直線平坦化をなすための直
線研磨機の概念は既知である。直線平坦化技術の１使用例は、(シリコンウェー ハのような)半導体ウェーハ上に形成された(フィルム層のような)層にＣＭＰを 行うことである。

【００２２】 図２を参照すると、図２は、上述した直線研磨機１０のような複数の直線研磨
機を有するクラスタツール３０を示している。半導体ウェーハ加工用クラスタツ
ールの一般的概念はそれ自体、新規ではなく、多数のクラスタツールが当該技術
で知られている。一般的には、クラスタツールは多数のステーションを有し、各
ステーションは類似した仕事を行うためのものである。クラスタツール３０はこ
の一般的概念のクラスタツールを使用するが、特定デザインのツール３０が本発
明を実施するために使用される。

【００２３】 ツール３０は多数のモジュール(又はステーション)に分けられ、或るものは特
定のウェーハ工程を行うためのものであり、他のものはウェーハを移送し、或い
は、ツールの作動を制御するためのものである。図２の図面の右部に示すように
、入口／出口(Ｉ／Ｏ)モジュール３１がツール３０からのウェーハの入口及び出
口を備えている。多ウェーハを保持するカセットが、ツール３０による加工のた
めにモジュール３１の上に配置され、加工済みウェーハがツール３０からの取出
しのためにこのモジュール３１に戻される。

【００２４】 ウェーハをＩ／Ｏモジュール３１から予備整列器モジュール３４に載せるドラ
イロボットモジュール３２がＩ／Ｏモジュール３１に隣接して配置される。個々
のウェーハの実際の取り上げ及び移動用のロボットアーム３３が図面に示されて
いる。図示のロボットアーム３３はそのような機能を果すための１デザインでは
ない。予備整列器モジュール３４は、ウェーハを、ウェットロボットモジュール
３６と関連したロボットアーム３７による取り上げのために正確に整列させるの
に利用される。気付かれるように、２つのロボットアーム３３及び３７が設けら
れており、一方のロボットアーム３３はドライ状態にあるときのウェーハを厳密
に取扱うためのものであり、他方のロボットアーム３７は、ウェーハがウェット
である又はウェットになるかもしれない他の状況でウェーハを取扱うためのもの
である。

【００２５】 ウェット待ち行列モジュール３８がウェットロボットモジュール３６の一方の
側に隣接し、スクラバー／クリーナモジュール３９がその反対側にある。ウェッ
ト待ち行列モジュール３８は、研磨サイクルを経験したがスクラバー／クリーナ
モジュール３９によって行われる洗浄を更に待っているウェーハの一時的な保管
に備えている。スクラバー／クリーナモジュール３９は、ＣＭＰが行われた後、
ウェーハの最終的なスクラビング(scrubbing)及び洗浄を行う。

【００２６】 主な加工仕事が４つの加工モジュール４１乃至４４によって行われ、これらの
加工モジュール４１乃至４４はそれぞれ、ステーション１乃至４とも称される。
ステーション１(モジュール４１)は載せ・下ろし・洗浄モジュールであり、その
機能は以下に詳細に説明される。ステーション２(モジュール４２)及びステーシ
ョン３(モジュール４３)は各々、ウェーハにＣＭＰを行うための研磨機を有する
。回転研磨装置をモジュール４２及び４３用に利用しても良いけれども、図１の
直線研磨機１０のような直線研磨機を利用するのが好ましい技術である。従って
、直線研磨モジュール４２及び４３の各々が、半導体ウェーハのような基板から
材料を除去するためにＣＭＰを行うことができる。２つの直線研磨モジュールを
示しているに過ぎないが、ツール３０の中に含まれるべき実際の数は設計的選択
事項であることも認識される。

【００２７】 ステーション４(モジュール４４)は、研磨中にウェーハの表面に集まる屑及び
他の粒子をバフで除く回転パッドを含む回転バフモジュールである。このモジュ
ール４４は、「ウェット」状態にあるときのウェーハを加工するのに利用される。
即ち、ウェーハの表面にあるスラリ及び屑材料はこのモジュール４４の作動によ
って除去される。このように構成されているので、ステーション４は、研磨工程
が完了した後のウェーハ表面のバフ洗浄に利用されても良いし、並びに、所望な
らば、研磨サイクル中、間欠的な洗浄を行うのに利用されても良い。

【００２８】 気付かれるように、４つのステーションはＣＭＰ工程を行うための主な加工ユ
ニットからなる。ウェットロボットアーム３７はウェーハを予備整列器モジュー
ル３４から載せ／下ろし／洗浄(ＬＵＣ)モジュール４１に移送する。ＬＵＣモジ
ュール４１を図３に詳細に示し、以下の説明の後の方で更に説明する。いったん
ウェーハがＬＵＣモジュール４１に移送されたら、ウェーハは洗浄され、工程前
測定が図３を参照して気付かれる説明に従って行われる。

【００２９】 引続いて、ウェーハは研磨モジュール４２、４３のいずれか又はその両方に移
送され、そこでＣＭＰが図１の直線研磨機１０によって行われる。研磨が完了し
たら、ウェーハはステーション２又は３のいずれかからステーション４に移動さ
れ、ステーション４で、回転バフ機パッドがスラリ及び屑生成物を除去する。種
々の回転装置を使用することができるけれども、好ましい実施形態のステーショ
ン４のバフ機は当該技術で知られている回転研磨機と同様のものである。回転テ
ーブルがバフ機パッドを有し、ウェーハの面がこのバフ機パッドに係合する。バ
フ機パッドは、水及び消費したスラリーを除去するためにウェーハの面をバフ掛
けするテクスチャーのものである。次いで、ウェーハはＬＵＣモジュール４１に
移動され、ＬＵＣモジュール４１では、工程後測定が行われる。ウェットロボッ
トアーム３７はウェーハを取り上げ、ウェーハをステーション１からウェット待
ち行列モジュール３８又はスクラバー／クリーナモジュール３９のいずれかに再
び移動させる。

【００３０】 ステーションからステーションへのウェーハの移送は多数の技術によって達成
されることができるけれども、好ましい実施形態は円形ダイヤルプレート４７を
利用する。ダイヤルプレート４７は開口を有し、開口数は加工モジュールの数と
一致する。特定例では、４つの開口が９０度の間隔に配置される。ウェーハを保
持するために、キャリヤ４６を含む研磨ヘッド４８がこれらの開口の各々に挿入
される。従って、図面では、４つの研磨ヘッド４８がダイヤルプレート４７の開
口内に配置されている。

【００３１】 図２に示すように、４つの研磨ヘッド４８はダイヤルプレート４７の外リング
部分に沿って円形パターンをなして９０度離れて配置されている。４つのモジュ
ール４１乃至４４は、研磨ヘッドがモジュール４１乃至４４各々についての適当
な作動位置に整列するように構成されている。従って、１つの研磨ヘッドは、ウ
ェーハをＬＵＣモジュール４１内に受入れるハウジングの上にあり、他の２つの
研磨ヘッドはモジュール４２、４３の直線研磨機のベルトの上にあり、第４の研
磨ヘッドはモジュール４４のスクラバーの上にある。

【００３２】 ダイヤルプレート４７の半径方向の中心は４つのモジュール４１乃至４４の中
心に位置決めされ、その結果、ダイヤルプレート４７がその中心５０を中心に回
されるとき、研磨ヘッド４８は１つのステーションから次のステーションまで移
動される。２つの支持用中心クロスビーム４９を有するダイヤルプレート４７が
示され、ダイヤルプレート４７はその中心５０を中心に回される。

【００３３】 図３を参照すると、ＬＵＣモジュール４１の横断面が示される。この図では、
ダイヤルプレート４７の一部分が示されており、研磨ヘッド４８は支持ハウジン
グ５１の上にあるダイヤルプレート４７の開口内にある。ハウジング５１は、と
きどき、支持体即ちプラテンとも称される。図３では、研磨ヘッド組立体４８と
関連した構成部品だけを示しており、これらの構成部品は、外側支持ケーシング
(即ちハウジング)５２、ウェーハキャリヤ４６、ウェーハ保持リング５３、及び
キャリヤフィルム(ウェーハ支持パッド)５４からなる。ヘッド組立体４８の外側
支持ケーシング５２はダイヤルプレート４７の開口に嵌り、又、ウェーハキャリ
ヤ４６用の外側支持ハウジングを構成する。支持リム５２の円周内にあるウェー
ハキャリヤ４６は、ウェーハ４０をウェーハキャリヤ４６の下面に沿って受入れ
且つ保持するのに利用される。キャリヤフィルム５４はウェーハ受入れ面であり
、保持器リング５３は、ウェーハの水平方向移動を確実に制限する。ウェーハキ
ャリヤの一般的な構造は当該技術で知られている。又、研磨ヘッド４８は(例え ば、水、空気及び／又は他の流体用の)流体配管及び／又はウェーハ保持用の真 空配管を含んでも良いことが認識される。キャリアを浮動させる技術を含む多数
のキャリヤ設計が当該技術で知られている。

【００３４】 図３に示すように、ロボットアーム３７はウェーハ４０を支持ハウジング５１
よりも上の適所に配置する。ハウジング５１の下側に連結されている駆動機構５
６が、ウェーハ４０を受入れるために、ハウジング５１を上昇させる。ハウジン
グ５１は、ウェーハキャリヤ４６がウェーハ４０を取り上げるまでウェーハ４０
を支持する。ロボットアーム３７は、ウェーハをハウジング５１の上に置いた後
、邪魔にならないところに移動される。図示の例では、駆動機構５６は空気作動
の鉛直方向位置決めシリンダである。このシリンダは、ハウジング５１を昇降さ
せるために、ハウジングの下側に連結された平らな上昇プレート５７を有してい
る。次いで、ハウジングは、ウェーハがキャリヤ４６に係合するまで上昇され、
そのとき、ウェーハは(通常、存在している水の表面張力且つ／又は真空の使用 によって)キャリヤフィルム５４に保持される。いったんウェーハ４０がキャリ ヤ４６に位置決めされたら、研磨ヘッド４８はダイヤルプレート４７のクラスタ
リング内の他のステーションに回される。

【００３５】 本発明のＬＵＣユニットの唯一性が、ハウジング５１の内部のセンサー６０の
存在にある。複数のセンサー６０が存在しても良く、特定例では、複数のセンサ
ーが好ましいことが理解される。好ましい実施形態では、単一センサーが使用さ
れ、ウェーハ表面の種々の表面領域を光学的に走査するように調整されている。

【００３６】 種々のパラメーターがセンサー６０によって監視されるのが良く、好ましい実
施形態は、研磨される層の厚さを監視するためのセンサーを利用する。当該技術
で知られている種々のフィルム厚さセンサーがセンサー６０として使用されるよ
うになっている。好ましい実施形態では、モデル名NOVASCAN 210又は420を有し 且つイスラエルのノバ・メジャリング・インスツルメント(Nova Measuring Inst
ruments)社によって製造された光センサーが利用されている。光センサーの走査
ビームは、所望箇所の測定値を得るために、典型的にはコンピューター制御の下
、ウェーハ表面に沿う所望箇所を走査するように作られる。光センサーが採用さ
れているので、ハウジング５１の上面は透明に作られる。透明な上プレート５８
が利用されている。ガラス又は石英が上プレート５８のための２つの例である。

【００３７】 又、ハウジング５１の周囲には、複数の流体スプレーノズル６３が含まれる。
ノズルは、(図示のように、)別のブロック６４に位置していても良いし、或いは
、上プレート５８を囲むリングに位置していても良い。ノズル６３は、ウェーハ
４０並びにキャリヤ４６及びハウジング５１を洗浄するために、脱イオン(D.I.)
水のような流体を噴霧する。又、ブロック６４(又はそれと同等の装置)は、上プ
レート５８の上に配置されるウェーハ４０を案内するように機能する。

【００３８】 クラスタツールの載せ・下ろしユニット内に一体にされた厚さセンサーを有す
ることはいろいろ有利である。複雑なインサイチュセンサーの代わりに、より経
済的で簡単な独立型の検知が達成される。独立センサーはインサイチュ技術より
も証明済みの科学技術を提供する。しかしながら、典型的な独立センサーユニッ
トと異なり、本発明は、ウェーハを、行われるべき測定のためにクラスタツール
構成から取出すことを必要としない。その上、センサーは、クラスタツールの作
動に必要とされるユニットに一体にされているので、別の監視モジュールが必要
とされない。本発明を使用すれば、研磨工程中、厚さ測定値を不連続な時間間隔
で得ることができる。

【００３９】 典型的な作動の際、ハウジング５１は完全な伸長位置(最も高い鉛直方向位置)
に位置決めされ、D.I.水がキャリヤフィルム５４に噴霧され、それを洗浄する。
引続いて、ハウジングは、ロボットアーム３７からのウェーハ４０の受入れのた
めに中間位置に下げられる。ウェーハが上プレート５８の上に表面を下にして配
置される前に、D.I.水が噴霧され、ウェーハを洗浄する。ロボットアーム３７は
ウェーハ４０を上プレート５８の上に置き、ウェーハ４０を上プレート５８の上
に配置して引っ込む。次いで、工程前測定が行われる。厚さ測定値を得るために
、採用されるセンサーに応じて、ハウジング５１の内部に水を充たす必要がある
ことがある。もしこれが必要ならば、測定のために、ハウジング５１にD.I.水を
充たす。材料厚さの測定がセンサー６０によって行われた後、ウェーハをキャリ
ヤフィルム５４に載せるために、ハウジング５１は上昇され、ウェーハ５０をキ
ャリヤ４６に係合させる。好ましくは、キャリヤ内の真空配管が、ウェーハ４０
が取り上げられてキャリヤ４６の適所に保持されるように真空をキャリヤフィル
ム５４の受け面に沿って付与する。

【００４０】 いったんウェーハがキャリヤ４６に載せられたら、ダイヤルプレート４７を所
望ステーションまで回転させる。構成に関して、ウェーハは平坦化ステーション
２又は３の各々で加工されても良いし、変形例として、平坦化の一部がステーシ
ョン２で行われ、引続いてステーション３で行われても良い。図示していないけ
れども、ステーションの各々は、ウェーハキャリヤ／研磨ヘッド組立体に係合す
るように下降するステーション自身のスピンドル組立体を有することに気付くは
ずである。即ち、ウェーハキャリヤ４６及びそれと関連した研磨ヘッドはダイヤ
ルプレート４７の開口内にあり、ダイヤルプレートと共に種々のステーションに
回転する。ダイヤルプレート４７は、ヘッド４８がダイヤルプレート４７の開口
から落下するのを防止する保持装置６７を有する。保持装置は(ばねのように)機
械的に作動され、研磨ヘッド４８に係合する。空気及び液圧作動装置が使用され
ても良い。いったん適所に配置されたら、研磨ヘッド４８よりも上にあるスピン
ドル組立体が下げられ、研磨ヘッドに係合し、又、研磨ヘッド４８への流体配管
及び電気配線のために必要な連結をなす。スピンドルも係合され、研磨ヘッドを
回転させ、これにより、ウェーハ４０も回転させる。スピンドルが研磨ヘッドに
係合するとき、保持装置６７は引っ込められ、これにより、スピンドルが下げら
れるとき、研磨ヘッド４８はダイヤルプレート５７の開口内に下げられる。

【００４１】 このアプローチを使用すれば、特定のヘッド組立体４８とウェーハの両方がダ
イヤルプレート４７と共に異なるステーションに回されるとき、特定のヘッド組
立体４８はウェーハを保持する。しかしながら、各スピンドル組立体は、そのス
テーションの上で定置のままである。変形例のアプローチは、スピンドル組立体
をヘッド組立体４８及びダイヤルプレート４７と一緒に回転させることであるこ
とが認識される。しかしながら、好ましい技術は第１のアプローチであり、第１
のアプローチでは、各ステーション専用のスピンドル組立体があり、このスピン
ドル組立体は、種々のキャリヤ４６がダイヤルプレート４７によって適所に配置
されるとき、種々のキャリヤに係合する。

【００４２】 気付かれるように、いったんウェーハがステーション２及び３の適所に位置決
めされたら、スピンドルは、キャリヤ４６を保持している研磨ヘッドを下降させ
るように係合される。次いで、ウェーハは直線研磨機によって研磨される。研磨
サイクルの終了時、スピンドルは分離され、ウェーハはバフのためにステーショ
ン４に回される。再びこのステーション４で、スピンドルが下降してヘッド組立
体に係合し、その結果、ウェーハはバフ用パッドの上に下降された後、回転させ
られる。引続いて、ステーション４のスピンドルの分離後、ウェーハはステーシ
ョン１に戻される。再び、D.I.水を噴霧して、ウェーハ４０を洗浄した後、研磨
後の厚さ測定が行われる。ウェーハが上プレート５８の上に移送された後、前述
と同様の測定技術を使用して、研磨後の厚さを得、平坦化工程の結果を決定する
。次いで、ウェーハはロボットアーム３７の作動によって取出される。

【００４３】 研磨される層の１以上の中間の厚さ測定値を得るために、ウェーハを、加工サ
イクル中いつでも、ステーション１に移動させても良いことも認識される。かく
して、所望ならば、加工サイクル中、平坦化サイクルの進行を決定する多測定値
を得ることができる。これに続く段階は、工程後のバフ、洗浄及び測定を行うた
めの段階と同様である。

【００４４】 最終的には、図２で気付かれるように、ウェーハがウェットロボットアーム３
７の作動によってクラスタモジュールから取出されるとき、ウェーハは、最終洗
浄を待つためにウェット待ち行列モジュール３８に移動されても良いし、或いは
、最終洗浄のためにスクラバー／クリーナモジュール３９に移動されても良い。
このモジュール３９は、ウェーハをウェットロボットアーム３７から受入れるた
めの載せ位置ユニット８０と、２つのブラシ８１と、スクラビング及び最終スピ
ン洗浄を行うスピンステーション８２とを含む。引続いて、ドライロボットアー
ム３３がウェーハをスピンステーション８２から取り上げ、ウェーハをツール３
０からの取出しのためにＩ／Ｏモジュール３１に移動させる。又、(ツールを作 動させ且つ測定値を得るためのプロセッサーのような)必要な制御要素を収容し ている制御モジュール７０及びツール３０の操作用ユーザーインターフェースが
図３で気付かれる。

【００４５】 かくして、直線研磨機を利用するＣＭＰを実施するためのクラスタツールの載
せ・下ろしユニット内での厚さ監視ユニットの一体化を説明した。クラスタツー
ルが直線研磨機を利用する必要が必ずしもないことが認識される。本発明の精神
及び範囲から逸脱することなしに、他の種類の研磨機を採用しても良い。その上
、感知ユニットが他のパラメーターを測定しても良く、研磨される層の厚さの測
定に制限される必要がないことが認識される。

【００４６】 加えて、感知ユニットが、本発明のＬＵＣモジュール４１の代わりに、他のモ
ジュールの構成に適用されても良い。例えば、センサーがスクラバ／クリーナモ
ジュール３９の載せ位置ユニット８０内に収容されても良いし、或いは、ウェッ
ト待ち行列モジュール３８内に収容されても良い。両ユニット８０及び３８は、
ウェーハを次の場所に載せ且つ／又はウェーハを下ろすための中間位置(即ちス テーション)にあるので、ハウジングユニットは、ハウジング５１のユニットと 同様、ウェーハを保持するように設置され、次いで、ハウジング内に配置された
センサーが厚さ測定を行うのが良い。従って、本発明の方法をモジュール４１以
外の箇所で使用してもよいけれども、感知機能をモジュール４１内に有するのが
好ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来技術の直線研磨機の概略図である。

【図２】 図１の直線研磨機を有し且つ本発明の載せ／下ろし／クリーナモジュールを使
用するクラスタツールの平面図である。

【図３】 フィルム厚さ測定装置を一体にした、好ましい実施形態の載せ／下ろし／洗浄
機モジュールの横断面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 パント アニル アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95054 サンタ クララ パーク ヴィユ ー ドライヴ 600 Ｆターム(参考） 3C034 AA07 BB93 CA01 CA22 DD01 3C058 AA07 AA09 BA01 BA07 CA01 DA12 DA17

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平らな面を有する材料を研磨するのに利用され且つ前記平ら
   な面は、この平らな面を平坦化するように研磨するための研磨パッドの上に配置
   されるツールにおいて、 前記材料を研磨させるために且ついったん研磨が完了したらこの材料を取出さ
   せるために、前記材料を更に移送可能に受入れるように配置されたハウジングと
   、 前記材料が前記ハウジングの上に配置されたとき、前記平らな面の研磨特性を
   測定する、前記ハウジングに連結されたセンサーと、 を有する、前記平らな面の監視作動部と前記材料の載せ・下ろし作動部とを一
   体にするための装置。
2. 【請求項２】 前記センサーは、研磨されるフィルムのフィルム厚さを測定
   するためのフィルム厚さセンサーである、請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】 前記センサーは光センサーである、請求項に２記載の装置。
4. 【請求項４】 前記材料の平らな面を洗浄すべく流体を噴霧するための、前
   記ハウジングに連結されたスプレーノズルを更に含む、請求項に２記載の装置。
5. 【請求項５】 基板又は基板上に形成された層の表面に化学機械研磨(ＣＭ Ｐ)を実施するためのものであり且つ前記基板は、前記表面を平坦化するように 研磨するための直線移動研磨パッドの上に配置されるクラスタツールにおいて、 前記表面を研磨させるために且ついったん研磨が完了したら前記基板を取出さ
   せるために、前記基板を更に移送可能に受入れるように配置されたハウジングと
   、 前記基板が前記ハウジングの上に配置されたとき、前記表面の研磨特性を測定
   する、前記ハウジングに連結されたセンサーと、 を有する、前記表面の監視作動部と前記基板の載せ・下ろし作動部とを一体に
   するための装置。
6. 【請求項６】 前記センサーは、研磨されるフィルムのフィルム厚さを測定
   するためのフィルム厚さセンサーである、請求項５に記載の装置。
7. 【請求項７】 前記センサーは光センサーである、請求項に６記載の装置。
8. 【請求項８】 前記材料の前記面を洗浄すべく流体を噴霧するための、前記
   ハウジングに連結されたスプレーノズルを更に含む、請求項に６記載の装置。
9. 【請求項９】 前記基板を載せたり下ろしたりするために前記ハウジングを
   昇降させる、前記ハウジングに連結された駆動機構を更に含む、請求項６に記載
   の装置。
10. 【請求項１０】 半導体ウェーハ上に形成された層に化学機械研磨(ＣＭＰ)
    を行うためのものであり且つ前記半導体ウェーハが、前記層を平坦化するように
    研磨するための直線移動研磨パッドの上に配置されるクラスタツールにおいて、 前記層を研磨させるために且ついったん研磨が完了したら前記半導体ウェーハ
    を取出させるために、前記半導体ウェーハを更に移送可能に受入れるように配置
    されたハウジングと、 前記半導体ウェーハが前記ハウジングの上に配置されたとき、前記層の研磨特
    性を測定する、前記ハウジングに連結されたセンサーと、 を有する、前記層の監視作動部と前記半導体ウェーハの載せ・下ろし作動部と
    を一体にするための装置。
11. 【請求項１１】 前記センサーは、研磨されるフィルムのフィルム厚さを測
    定するためのフィルム厚さセンサーである、請求項１０に記載の装置。
12. 【請求項１２】 前記センサーは光センサーである、請求項に１０記載の装
    置。
13. 【請求項１３】 前記半導体ウェーハを洗浄すべく流体を噴霧するための、
    前記ハウジングに連結されたスプレーノズルを更に含む、請求項に１０記載の装
    置。
14. 【請求項１４】 前記半導体ウェーハを載せたり下ろしたりするために前記
    ハウジングを昇降させる、前記ハウジングに連結された駆動機構を更に含む、請
    求項１０に記載の装置。
15. 【請求項１５】 基板上に形成された層に化学機械研磨(ＣＭＰ)を行うため
    のものであり且つ前記基板は、前記層を平坦化するように研磨するための直線移
    動研磨パッドの上に配置されるクラスタツールにおいて、 前記基板を、前記クラスタツールの載せ・下ろしユニット内に配置されたハウ
    ジングの上に置き、 前記載せ・下ろしユニット内に配置されたセンサーを使用して、前記層の厚さ
    を測定し、 前記基板を前記直線研磨ツールに移送し、 前記層を前記直線研磨ツールの上で平坦化するために研磨し、 前記基板を前記載せ・下ろしユニットに移送し、 前記センサーを使用して、前記層の厚さを再び測定し、 前記基板を前記クラスタツールから下ろす、 ことからなる、研磨される前記層の厚さを、前記基板を前記クラスタツールに載
    せたり下ろしたりする載せ・下ろしユニット内で監視する方法。
16. 【請求項１６】 更に、前記各測定段階の前に、前記基板を洗浄することか
    らなる、請求項１５に記載の方法。
17. 【請求項１７】 前記厚さを測定する段階は、光センサーを使用して、前記
    層を光学的に走査することによって行われる、請求項１５に記載の方法。