JP2004503925A - 内蔵光学センサを備えた研磨パッド - Google Patents

Abstract

光源（２８）と検出器（３０）を有する光学センサは、研摩パッド（１０）の穴（１４）に、研摩される面に対向するように配置されている。光源からの光は研摩される面で反射し、該反射光は検出器で検出される。検出器で生成された電気信号は、研摩パッドの中央孔（１２）に設置されたハブ（２０）に伝導される。使い捨て可能な研摩パッドは、機械的かつ電気的に、研摩パッドと共に回転するハブに取り外し可能に接続されている。ハブは、電力を光学センサに供給すること、および電気信号を非回転部（２６）に送信することと関係する電子回路（７８，５８）を有する。これらの仕事を達成するいくつかの技術が記載されている。このシステムにより、研摩機が動作中であっても、研摩される面の光学特性を連続監視することができ、研摩加工の終了点を決定することができる。

Description

【０００１】
技術分野
本発明は半導体ウェハ加工の分野であり、特に、半導体ウェハで行われる化学機械研磨作業で使用する使い捨て研磨パッドに関し、ここで研磨パッドは研磨作業が行われている間に、研磨される表面の状態を監視し、加工の終了点を決定することができる光学センサを有する。
【０００２】
背景技術
１９９９年４月１３日に発行された米国特許第５８９３７９６号および２０００年４月４日に発行された継続特許第６０４５４３９号において、ビラング（Ｂｉｒａｎｇ）らは研磨パッドに取り付けられる窓の多くの設計を示している。研磨されるウェハは研磨パッドの上面にあり、該研磨パッドは剛体プラテンの上にあって、これによりウェハの下面で研磨が生じる。その表面は、研磨加工中、剛体プラテンより下方に設置された干渉計により監視される。干渉計はレーザビームを上方に向け、該レーザビームがウェハの下面に達するようにするために、レーザービームはプラテンの開口を通過し、研磨パッドを経て上方に続くようにしなければならない。プラテンの開口の上方にスラリーが蓄積するのを防止するために、研磨パッドに窓が設けられている。窓がどのように形成されるかに拘わらず、干渉計センサが常にプラテンの下方に設置され、研磨パッドには決して設置されないことは明らかである。
【０００３】
１９９９年９月７日にタング（Ｔａｎｇ）に発行された米国特許第５９４９９２７号には、研磨加工中に研磨面を監視する多くの技術が記載されている。ある実施形態では、タングは、研磨パッドに埋設された光ファイバーケーブルに言及している。このケーブルは単に光の導体にすぎない。光源および検出を行う検出器はパッドの外側に設置されている。研磨パッドの内側に光源や検出器を含むことをタングはどこにも提案していない。タングのいくつかの実施形態では、光ファイバー内の光を回転部品から静止部品に送信するのに、光ファイバーデカプラ（ｄｅｃｏｕｐｌｅｒ）が使用されている。他の実施形態では、光信号は回転部品上で検出され、その結果の電気信号は電気スリップリングを介して静止部品に送信される。タングの特許には、電波や、音響波、変調光ビーム、あるいは磁気誘導により電気信号を静止部品に送信することの提案はなされていない。
【０００４】
１９９２年１月２１日にシュルツ（Ｓｃｈｕｌｔｚ）に発行された米国特許第５０８１７９６号には、部分研磨後に、ウェハの一部がプラテンの縁に張り出す位置にウェハを移動させる方法が記載されている。この張り出し部分の磨耗量は干渉計により測定され、研磨加工を続けるべきか否かが決定される。
【０００５】
結論として、研磨加工中に研磨された面を監視する幾つかの技術が当業者に知られているが、これらの技術のいずれも満足のいくものはない。タングに記載された光ファイバーバンドルは高価であり、潜在的に脆弱である。ビラングらにより使用されているように、プラテンの下に設置された干渉計の使用は、研磨パッドを支持するプラテンに開口を形成することを必要とする。従って、本発明者は、経済的で強固であり、部品の小型化に最新の進歩を利用した監視システムを案出することに着手した。
【０００６】
発明の開示
本発明の目的は、研磨作業中に、研磨されるウェハ表面の反射率のような光学特性を監視するために光学センサが収容された研磨パッドを提供することである。光学センサから引き出されるリアルタイムのデータにより特に加工の終了点を決定することが可能である。
【０００７】
本発明の他の目的は、研磨パッド内の光学センサに電力を供給する装置を提供することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、光学特性を示す電気信号を回転研磨パッドから隣接する非回転受信部に送信するのに使用される電力を供給する装置を提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、研磨パッドが電力および信号処理回路を収容する非使い捨てハブに取り外し可能に接続される、光学センサを収容する使い捨て研磨パッドを提供することである。
【００１０】
本発明によると、光源と検出器を有する光学センサは、研摩パッドの盲穴に、研摩される面に対向するように配置されている。光源からの光は研摩される面で反射し、該反射光は検出器で検出され、該検出器は検出器に反射して戻った光の強度に関する電気信号を生成する。
【００１１】
検出器で生成された電気信号は、研摩パッドの層間に隠された薄導体により、検出器の位置から研摩パッドの中央孔まで、半径方向内方に伝導される。
【００１２】
使い捨て可能な研摩パッドは、機械的かつ電気的に、研摩パッドと共に回転するハブに取り外し可能に接続されている。ハブは、電力を光学センサに供給すること、および検出器で生成された電気信号をシステムの非回転部に送信することと関係する電子回路を有する。これらの電子回路の費用を負担しているため、ハブは使い捨て可能であるとは考えられていない。研摩パッドが磨耗して使用できなくなった後、当該研摩パッドは光学センサと薄導体とともに廃棄される。
【００１３】
本発明によると、ハブ内の電子回路を作動させ光学センサの光源に給電するための電力は、いくつかの技術により供給される。好ましい実施形態では、変圧器の二次巻線は回転ハブ内に収容され、一次巻線は研摩機の隣接する非回転部に設置されている。第１の代案の実施形態では、太陽電池すなわち光電池配列（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ａｒｒａｙ）が回転ハブに装着され、機械の非回転部に装着された光源により照射される。他の代案の実施形態では、電力はハブ内に設置されたバッテリーから引き出される。さらに他の実施形態では、回転研磨パッドまたは回転ハブの電気導体は、研摩機の隣接する非回転部に装着された永久磁石の磁界を通過し、発電機を構成する。
【００１４】
本発明によると、研摩される面の光学特性を表す電気信号は、任意の技術により、回転ハブから研摩機の隣接する静止部に送信される。好ましい実施形態では、送信される電気信号は、隣接する非回転構造に設置された検出器により、光ビームを周波数変調するのに使用される。代案の実施形態では、無線リンクまたは音響リンクにより送信される。さらに他の実施形態では、信号は回転ハブ上の変圧器の一次巻線に印加され、研摩機の隣接する非回転部に設置された変圧器の二次巻線により受け取られる。この変圧器は、電力をハブに結合するのに使用される変圧器と同じであるか、異なる変圧器とすることもできる。
【００１５】
本発明の特徴であると信じられる機構と操作方法の両方についての新規な特徴は、さらなる目的と利点とともに、本発明の幾つかの実施形態を一例として示す添付図面に関してなされる以下の説明からより明らかとなる。しかしながら、図面は例証と説明のみを目的とするものであり、本発明の限界を規定するものではないことは明確に理解されるべきである。
【００１６】
発明を実施するための最良の形態
本発明が使用されるウェハは、異なる材料の複数層を有する合成構造である。典型的には、最外層は下層との境界面に達するまで研磨される。この点において、研磨加工の終了点に達したと言われている。本発明の研磨パッドは、金属から酸化物または他の材料までの移行（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）はもちろんのこと、酸化物層からシリコン層までの移行を検出するのに適用することができる。
【００１７】
研磨機を停止してウェハを取り除いて検査し、該ウェハを研磨機に戻して研磨機を始動することは、工程が十分に行われたか否かを決定する非常に非効率的な方法である。理想的には、本発明を用いることで、本発明の光学センサが終了点（ｅｎｄｐｏｉｎｔ）に達したという決定を許す情報を提供するまで、研磨加工を進行することができる。
【００１８】
終了点の検出が本発明の主目的ではないが、本発明を使用する他の可能性は考慮中である。これには、終了点がどれくらい離れているかを決定すること、ウェハ上の種々の領域をサンプリングすること、ウェハの表面をマッピングすることも含んでいる。単一の光学センサが次の段落に記載されているが、本発明のいくつかの使用では多数の光学センサを研磨パッドに含めてもよいことが企図されている。
【００１９】
本発明は、従来の研磨パッドに光学センサと他の部品を埋設することにより当該従来の研磨パッドを修正することを含む。未修正の研磨パッドは商業的に広範囲に入手可能であり、ニュージャージー州ニューアークのローデル社（Ｒｏｄｅｌ　Ｃｏｍｐａｎｙ）により製造されたモデルＩＣ１０００は典型的な未修正パッドである。トーマスウェスト社（Ｔｈｏｍａｓ　Ｗｅｓｔ　Ｃｏｍｐａｎｙ）により製造されたパッドも使用することができる。これらのパッドを本発明に従って修正し使用する方法は以下の説明から明らかである。
【００２０】
この議論では、本発明の光学センサは研磨される面の光学特性を検出することが分かる。典型的には、面の光学特性はその反射率である。しかしながら、偏光、吸収性、光ルミネセンス（あれば）を含む面の他の光学特性も検出することができる。これらの種々の特性を検出する技術は光学分野で公知であり、典型的には、偏光子やスペクトルフィルタを光学系に付加することを含む。このため、以下の議論では、さらに一般的な用語である「光学特性」が使用されている。
【００２１】
以下に使用される「光学（ｏｐｔｉｃａｌ）」および「光（ｌｉｇｈｔ）」の用語は、紫外光、可視光、赤外光を含む。「無線（ｒａｄｉｏ）」および「音響（ａｃｏｕｓｔｉｃ）」の用語は、通常の広い意味において使用されている。
【００２２】
図１に示すように、研磨パッド１０は円形形状であり、中央円形孔１２を有する。本発明に従い、盲穴１４が研磨パッドに形成され、該穴１４は研磨される面に対向するように上方に開口している。本発明に従い、光学センサ１６が盲穴１４に設置され、該光学センサ１６から中央開口１２まで延びる導体リボン１８が研磨パッドに埋設されている。
【００２３】
研磨パッドが使用されるとき、ハブ２０が中央孔１２に上方から挿入され、研磨パッドの下方にあるベース２２をハブ２０のねじ部にねじ止めすることでそこに固定される。図４に最もよく見られるように、研磨パッド１０はハブの一部とベースの一部の間に挟持される。研削加工中、研磨パッド、ハブおよびベースは、中央垂直軸２４の回りに互いに回転する。
【００２４】
図１および図４−７には、研磨機の非回転部２６が見られる。これはハブ２０の近傍または上方に設置されるのが好ましい。非回転部２６は、本発明の一部とは考えられないが、本発明の付属物であり、その目的は以下にさらに十分に説明する。
【００２５】
図２は、好ましい実施形態をにおける光学センサ１６をさらに詳細に示す上方前部斜視図である。光学センサ１６は、光源２８、検出器３０、反射面３２および導体リボン１８からなる。導体リボン１８は、電力を光源２８に供給し、検出器３０の電気出力信号を中央孔１２に送信するために、互いに積層された多数のほぼ平行な導体を有する。光源２８と検出器３０は調和した組みであるのが好ましい。一般に、光源２８は発光ダイオードであり、検出器３０はフォトダイオードである。光源２８により放射された光束の中央軸は最初は水平に向けられるが、反射面３２に達すると、当該光は上方に向かって研磨される面に衝突し反射する。反射光は反射面３２で向きを変えられ、これにより検出器３０に落ち、該検出器はそこに落ちた光の強度に関係した電気信号を生じる。図２に示す配置はセンサの高さを節約するように選択されている。
【００２６】
より小さな光源や検出器が利用可能になると、反射面で分配することができ、その代わりに図３の側面図に示す配置を使用することができる。
【００２７】
光学部品と胴体リボン１８の端部は、図１の盲孔１４内にこぢんまりと嵌まるようなサイズである薄いディスク３４の形態に包まれている。図２と図３の配置では、検出器に達する迷光の量を低減するのにバッフルを使用してもよいことが理解される。
【００２８】
導体リボン１８内には、電力導体３６、信号導体３８、および図示しない１または複数の戻りまたは設置導体の少なくとも３つの導体が含まれている。
【００２９】
図４に最もよく示すように、電力導体３６は研磨パッドの中央孔１２の近傍にて電力プラグ４０で終わっており、同様に信号導体３８は信号プラグ４２で終わっている。ハブ２０が中央孔１２に挿入されると、電力プラグ４０は電力ジャック４４と電気的に接触し、信号プラグ４２は信号ジャック４６と電気的に接触する。Ｏリングシール４８は、研磨加工で使用される液体がプラグやジャックに達するのを防止している。ジャー蓋形のシール５０がベース２２に設けられ、ハブ内の電子回路が汚染されずに残るのをさらに保証している。
【００３０】
検出器３０によって生成される光学特性に関する電気信号は、信号ジャック４６から導体５２によって信号処理回路５４に送信され、該信号処理回路は当該電気信号に応じて導体５６に光学特性を示す処理信号を生成する。導体５６の処理信号は次に送信器５８に印加される。
【００３１】
図４に示す実施形態では、送信器５８は、時間依存電流（ｔｉｍｅ−ｖａｒｙｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｃｕｒｒｅｎｔ）を変圧器の一次巻線６０に印加し、該変圧器は処理信号を表す可変磁界（ｖａｒｙｉｎｇ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ）６２を生成する。磁界６２はハブ２０の上部を通って上方に延びて、研磨機の非回転部２６または他の非回転物体の近傍に設置された変圧器の二次巻線によって傍受される。可変磁界６２は二次巻線６４に電流を誘導し、該電流は受信器６６に印加され、該受信器はターミナル６８に光学特性を表す信号を生成する。この信号は、研磨作業の進展を監視したり、および／または，研磨加工の終了点に達したか否かを決定するような目的で、外部回路により使用される。
【００３２】
電力を研磨機の隣接する非回転部２６から回転ハブ２０に送信するのに、類似の誘導技術を使用してもよい。非回転部２６の主電源７０は電流を変圧器の一次巻線に印加し、該変圧器は磁界７４を生成し、該磁界はハブ２０の上部を通って下方に延びて、二次巻線７６によって傍受され、該二次巻線において可変磁界は電流を誘導し、該電流は電力受信回路７８に印加される。電力受信器７８は導体８０上の電力を電力ジャック４４に印加し、該電力ジャックから電力が電力プラグ４０と電力導体３６を経て光源２８に送信される。また、電力受信器７８は導体８２を介して電力を信号処理回路５４に供給し、導体８４を介して送信器５８に供給する。現在のところ、磁気誘導技術はベストモードであり、電力を回転ハブ２０に送信する好ましい実施形態である。ある実施形態では、巻線６０は同じ巻線７６であり、巻線６４は同じ巻線７２である。重畳電力と信号成分は、この実施形態では異なる周波数帯域であり、フィルタリングによって分離される。
【００３３】
図５−７は、代案の実施形態を示し、ここでは回転ハブ２０から研磨機の非回転部２６に信号を送信し、また非回転部２６から回転ハブ２０に電力を送信するのに他の技術が使用されている。
【００３４】
図５に示す実施形態では、送信器５８はさらに変調器８６を有し、該変調器は発光ダイオードまたはレーザダイオード８８に光学特性を表す処理信号である周波数変調電流を印加する。発光ダイオード８８は光波９０を放射し、該光波はレンズ９２でフォトダイオード検出器９４上に集光される。検出器９４は光波を電気信号に変換し、該電気信号は受信器９６で複調され、ターミナル６８に光学特性を表す電気信号を生成する。現在のところ、これは電気信号を回転ハブ２０から研摩機の非回転部２６に送信するベストモードであり、好ましい技術である。
【００３５】
また、図５の実施形態では、電力の主電源はバッテリー９８であり、該バッテリーは電力を電力分配回路１００に供給し、該電力分配回路は電力を電力ジャック４４、信号処理回路５４および送信器回路５８に分配する。
【００３６】
図６の実施形態では、送信器５８はアンテナ１０２を有する無線送信器であり、該送信器はハブ２０の上部を通って電波１０４を送信する。電波１０４はアンテナ１０６で傍受され、受信器１０３で複調され、ターミナル６８に光学特性を表す電気信号を生成する。
【００３７】
また、図６の実施形態では、電力は、非回転部２６に設置された永久磁石１１０からなる磁石とインダクタ１１２とからなり、インダクタ１１２が永久磁石１１０を通って回転すると、永久磁石１１０の磁界は電流を誘導する。誘導電流は電力回路１１４で整流され濾過されて電力分配回路１１６により分配される。
【００３８】
図７の実施形態では、送信器５８はさらに電力増幅器１１８を含み、該電力増幅器は音波１２２を生成するラウドスピーカ１２０を駆動する。音波１２２は研摩機の非回転部２６に設置されたマイクロフォン１２４でピックアップされる。マイクロフォン１２４は電気信号を生成し、該電気信号は受信器１２６に印加され、該受信器は光学特性を表す電気信号をターミナル６８に生成する。
【００３９】
また図７の実施形態では、非回転部２６に設置された光源１３２により太陽電池すなわちソーラーパネル１２８に照射された光に応じて、電力が回転ハブ２０内で発生する。ソーラーパネル１２８の電気出力は、必要なら変換器１３４により適当な電圧に変換され、電力分配回路１１６に印加される。
【００４０】
以上のように、化学機械研摩加工において使用する研摩パッドであって、研摩加工中に研摩される面の状態を監視する光学センサを含む研摩パッドを説明した。光学系を含む研摩パッドは、使い捨て可能であり、光学センサで生成される信号を受信して非回転部に送信する使い捨てでないハブとともに使用される。ハブはまた該ハブに設置された他の電子回路はもちろん光学センサに電力を供給する回路を有する。前述した幾つかの実施形態では、信号は電波、音波、光波、または磁気誘導により、回転ハブから非回転部に送信されてもよいことが分かる。また、種々の実施形態では、バッテリーをハブに収容したり、外部で照射される光により起動するソーラーパネルを介して電力をハブに結合し、あるいは回転ハブに装着された誘導機（ｉｎｄｕｃｔｏｒ）内で固定永久磁石が電流を誘導する発電機（ｍａｇｎｅｔｏ）により、電力を供給してもよい。
【００４１】
産業上の利用可能性
研摩パッドに内蔵された光学センサにより、研摩加工の進展を連続的に監視することができ、所望の終了点に達したときに加工を終わらせることができるとともに、加工を早くまたは遅く終わらせるのを回避することができる。このような望まれない可能性を回避することにより、研摩加工をさらに有効に完了させることができる。本発明は、異なる光学特性を有する層を有する如何なる工作物の研摩や研削にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施形態の要素の一般配置を示す分解斜視図。
【図２】本発明の好ましい実施形態に使用される光学センサの前方上部斜視図。
【図３】本発明の代案の実施形態における光学センサを示す側面図。
【図４】本発明の好ましい実施形態によるハブの中間断面を示す図。
【図５】本発明の第１の代案実施形態におけるハブの中間断面を示す図。
【図６】本発明の第２の代案実施形態におけるハブの中間断面を示す図。
【図７】本発明の第３の代案実施形態におけるハブの中間断面を示す図。
【符号の説明】
１０　研摩パッド
１２　中央孔
１４　穴
２０　ハブ
２６　非回転部
２８　光源
３０　検出器
５８，７８　電子回路

Claims (18)

1. 工作物の面上で研摩加工を実行するのに使用する研摩パッドにおいて、
   研摩加工中に前記面の光学特性を検出する光学手段を前記研摩パッドに設けたことを特徴とする研摩パッド。
2. 前記光学手段はさらに光を生成する光源を有する請求項１に記載の研摩パッド。
3. 前記光源は発光ダイオードである請求項２に記載の研摩パッド。
4. 前記光源はソリッドステートレーザである請求項２に記載の研摩パッド。
5. 前記光源は前記加工物の面を照射するように向けられている請求項２に記載の研摩パッド。
6. 前記光学手段はさらに、前記光源により生成される光を前記加工物の面に反射するように向けられた反射面を有する請求項２に記載の研摩パッド。
7. 前記光学手段はさらに、前記加工物の面で反射した光を受けて、反射光の強度を表す電気信号を生じる検出手段を有する請求項５または６に記載の研摩パッド。
8. 中央孔と、
   前記研摩パッド内に設けられ、前記光学手段から前記中央孔へ電気信号を伝導する信号伝導手段とをさらに有する請求項７に記載の研摩パッド。
9. 前記信号伝導手段はさらに細長いフレキシブル回路板を有する請求項８に記載の研摩パッド。
10. 前記中央孔に設置された取り外し可能なハブをさらに有し、該ハブは、
    前記信号伝導手段を離脱可能に受け入れて電気信号をハブに入れるように機械的に適合された電気信号接続手段と、
    該電気信号接続手段に接続され、前記電気信号を受け入れて、該電気信号に応じて光学特性を表す処理信号を生成する信号処理手段と、
    該信号処理手段に接続され、前記処理信号を送信する送信手段と、
    を有する請求項８に記載の研摩パッド。
11. 前記送信手段はさらに前記処理信号を表す電波を送信する手段を有する請求項１０に記載の研摩パッド。
12. 前記送信手段はさらに前記処理信号を表す音波を放射する手段を有する請求項１０に記載の研摩パッド。
13. 前記送信手段はさらに前記処理信号を表す光波を放射する手段を有する請求項１０に記載の研摩パッド。
14. 前記送信手段はさらに前記処理信号を表す可変磁界を生成する手段を有する請求項１０に記載の研摩パッド。
15. 中央孔と、
    該中央孔から前記光学手段に延び、該光学手段に電力を供給する電力導体と、
    前記研摩パッドの中央孔に設置された取り外し可能なハブとからなり、
    前記取り外し可能なハブは、
    外部で付与されるエネルギーに応じて電力を生じる電力受容手段と、
    前記電力導体を離脱可能に受け入れて、前記電力受容手段により生成された電力を前記電力導体に印加するように機械的に適合された電力接続手段とを有する請求項１に記載の研摩パッド。
16. 前記電力受容手段は、外部で当たる光に応じて電力を生成する太陽電池を有する請求項１５に記載の研磨パッド。
17. 前記電力受容手段は誘導器を有し、該誘導器は当該誘導器を通過する印加磁界の変化に応じて電力を生成する請求項１５に記載の研摩パッド。
18. 中央孔と、
    前記研摩パッドの中央孔から前記光学手段に延び、該光学手段に電力を供給する電力導体と、
    前記研摩パッドの中央開口に設置された取り外し可能なハブとをさらに有し、
    前記取り外し可能なハブは、
    電力を生成するバッテリーと、
    前記電力導体を離脱可能に受け入れて、前記バッテリーにより生成された電力を前記電力導体に印加するように機械的に適合された電力接続手段とを有する請求項１に記載の研摩パッド。

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