JP2006522493A - Ｃｍｐのための基板全体用スペクトル画像形成システム - Google Patents

Ｃｍｐのための基板全体用スペクトル画像形成システム Download PDF

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Abstract

化学機械的平坦化処理中に、基板表面と動作可能に接触する研磨パッドを干しする回転プラテンが１回転する間に、実質的な全体の基板表面を表す複数の１次元画像を収集するシステムおよび方法。スペクトル画像を含むフレームデータからなる２次元画像が、複数の１次元画像から収集される。フレームデータは、基板を続けて化学機械的処理するために有用な情報を提供する。

Description

発明の詳細な説明
本発明は、２００３年４月１日付けで出願された米国仮出願第６０／４５９，８７６号、および２００３年５月５日付けで出願された米国仮出願第６０／４６９，４４９号の優先権を主張し、これらの出願は、参考として、その全部の内容がここに記載されたかのように統合される。
（発明の背景）
１．発明の技術分野
本発明は、化学機械平坦化技術（Chemical-mechanical planarization：ＣＭＰ）におけるリアルタイムの検出方法に関する。とりわけ本発明は、基板を平坦化する際に、基板上のフィルムをモニタするための方法および装置に関する。
２．関連技術
化学機械平坦化技術（ＣＭＰ）は、集積回路の製造において、表面トポロジを最小化するための根幹をなす技術となった。表面トポロジを最小化することにより、その表面全体をリソグラフィツールの被写界深度内に収めることができ、特徴構造物を実質的に小さくし、こうした構造物によるデバイス特性の劇的な変化を抑制することができる。
ＣＭＰの基本的概念は、基板と研磨パッドの間にスラリを介在させた状態で、基板を研磨パッドに押しつけ、これらを互いに運動させることである。押しつけて研磨することにより、「高い」領域は「低い」領域より速やかに研磨される。長い時間をかけて、「高い」領域が削り取られて、極めて平坦な表面が残る。こうした表面の平坦さは、部分的には基板の組成に依存する。基板が完全に均質であるならば、表面を極めて平坦にすることが可能である。しかしながら、（いわゆるダマシンプロセスを用いて形成された）誘電膜中に埋め込まれた金属ラインなどの構造物が基板中に含まれる場合、こうした金属ラインがＣＭＰ中に露出すると、露出する材料物質に依存して、エッチング速度が相当に変化し得る。
ＣＭＰを用いて、金属積層物および誘電体膜積層物が平坦化される。金属積層物は、例えば、タングステン／窒化チタニウム／チタニウム、および銅／タンタル／窒化タンタルである。誘電体膜積層物は、例えば、シャロートレンチ素子分離（ＳＴＩ）などの前半工程におけるライン構造体、および後半行程における金属ライン上の中間レベル誘電体膜を含む。
金属積層物または誘電体積層物のどちらを研磨しているか、研磨プロセスをモニタする機能、および適正なタイミングで研磨を終了させる機能は、品質を制御する上で極めて重要な要素である。金属膜を研磨する場合、研磨が不完全であると、残渣金属からなる領域が形成され、電気的短絡が生じ、デバイス不具合が生じる。金属膜を過剰に研磨すると、下方にある誘電体膜が侵食され、回路の静電容量が増大するために、デバイス特性が著しく劣化する。同様に、誘電体膜を不完全または過剰に平坦化した場合も、問題が生じる。平坦化が不完全であると、表面粗さが過剰に残り、ひいてはリソグラフィ露光工程にいて露光焦点がぼやけ、生産量が低下する。過剰に平坦化すると、静電容量を破壊し増大させ、同様に回路特性を劣化させる。研磨される基板の全体において、物質の研磨速度が異なると、不均一性が生じ、特性の劣化を招く。すなわち、基板全体における研磨不均一性を補償する機能がなければ、最適な特性を実現することができない。
これらの問題を解消するために、安定したＣＭＰプロセスを提供するための数多くの技術が提案されてきた。これらの技術は、ローカル完了検出技術とグローバル完了検出技術の２つのカテゴリに大別される。グローバル完了検出技術によれば、ＣＭＰプロセス中の単一の状態を測定し、研磨される基板の表面全体における状態を推測する。反復して測定することにより、研磨プロセスの進捗状況を表す時間依存性のグローバル信号が得られる。グローバル完了検出技術の最も有効な利点は、基板全体における研磨プロセスの状態を示す指標が得られるという点にある。こうした技術において、未処理基板を研磨し、エッチング速度を決定し、そのエッチングレートで除去すべき膜の既知の厚みおよびエッチング速度に基づいて、研磨時間を計算することにより、完了信号を形成する。ただし、この技術は、研磨パッドが経年変化し、劣化するにつれ、エッチング速度に非常に影響を受けやすくなる。また、上記を含む他のグローバル完了検出技術によれば、研磨プロセス中の基板表面における個々の部位に関する情報はまったく得られない。
ローカル完了検出技術によれば、研磨プロセス中に、微少部分の基板表面を検出し、この測定結果に基づいてグローバル特性を推測する。こうした測定は、通常、複数回行われ、測定時における基板の状態に関して限定的な情報が得られる。例えば、ある技術によれば、基板全体において弧を描き、直径をスキャンするように測定するセンサが用いられる。しかし、この技術は、研磨される全体表面にわたる状態を正確に推測することはできず、すなわち研磨される全体表面にわたって測定されることはない。
ローカル完了検出およびグローバル完了検出アプローチにより、研磨プロセスに関する有用情報を得ることができる。しかしながら、両方のタイプのシステムの利点を有するシステムは現在のところ未だない。
さらに、デバイスの外径形状および端部禁止領域（基板の利用できない周縁部）が縮小すると、研磨プロセスの最終段階だけでなく、研磨プロセス中ずっと、基板上のすべての点における状態に関する詳細で定量的な情報に対する要請が高くなる。こうした情報は、研磨プロセスの進捗状況を理解するだけでなく、より重要なことに、基板内における研磨均一性および基板毎の研磨均一性を最適化するために、研磨プロセス中の研磨パラメータを調整する上でも、不可欠である。ある特別の応用事例は、複数領域にあるキャリアを含む。こうしたキャリアは、研磨プロセス中の不均一性を補償するために、基板のさまざまな部位に異なる圧力を加え、基板を最適に研磨するためには、各領域にどの程度の圧力を加えるべきかキャリアにフィードバックする必要がある。
ＣＭＰプロセスをモニタし、制御するための１つの提案されたグローバル完了検出技術によれば、基板と研磨パッドの間に相対的運動を与えるために用いられるキャリアおよびプラテンのモータ電流を測定する。米国特許第５，０６９，００２号には、グローバル完了検出アプローチが開示されている。研磨すべき物質材料が除去されると、異なる物質材料が露出し、摩擦力の違いにより、モータ電流に変化を与え、これを検出することができる。いくつかの応用事例において、このアプローチはうまくいった。ただし、このアプローチは、用いられる研磨パッドに対して際立って異なる摩擦力を有する研磨物質に左右される。グローバル完了検出技術として、このアプローチは、平坦化される基板の任意の特定の部位における平坦化について情報を与えるものではない。
また、これとは別に提案されたグローバル完了検出技術によれば、米国特許第５，０８１，４２１号に開示されているように、研磨プロセス中の研磨パッドに対するウェーハの静電容量を測定する。しかし、このアプローチは、研磨される基板上に形成される構造パターンに強く依存することが立証された。また、このアプローチは、信号ノイズ比が非常に劣悪で、局在的な研磨プロセス情報が一切提供されない。
また、米国特許第５，８７６，２６５号、米国特許第５，２４０，５５２号、米国特許第５，２４５，７９４号、米国特許第５，２２２，３２９号、米国特許第５，３９９，２３４号、および米国特許第５，１９６，００６号を含む、音響学的方法に基づいた数多くのアプローチが提案されてきた。これらの特許は、研磨される基板の表面全体を評価するが、部位特有のプロセス情報を提供することはできないアプローチを開示している。さらに、これらのアプローチは、生産上の価値はなく、利用に際して洗練された専門知識を必要とする。
さらに、リアルタイムのＣＭＰプロセスの進捗をモニタするために、とりわけＣＭＰプロセスの完了時点を検出するために、数多くの光学式技術が提案されてきた。これらすべての技術は、ローカル完了検出技術であって、平坦化すべき基板に光が照射され、反射光または透過光がモニタされる。これらの技術において、ウェーハ上の１点またはそれ以上の点から反射した光が検出され、これらの測定結果に基づいて完了時点が推測される。これらの技術において、連続的に、かつ１度に１箇所の部位において測定がなされる。
いくつかの提案された技術によれば、レーザ光源からの光などの単一波長光を用い、その反射光強度をモニタする。米国特許第６，４９４，７６６号に開示された特定の技術によれば、複数の測定結果を得るためにウェーハ全体に単一光源をスキャンさせ、これらの測定結果を半径方向成分に分別し、これらの測定結果に基づいて完了時点を推測する。このアプローチによれば、直径スキャンが行われるが、測定される直径ラインから離れた領域に関する情報は得られない。またこのアプローチによれば、研磨中における基板が脱落しているかどうかを検出することができず、重大なプロセス問題となり得る。他の技術は、可視光などの幅広いスペクトルにおいて利用可能な情報を用いる。しかし、これらのすべての技術によれば、基板全体に対する平坦化プロセスについて極めて限定的な情報しか得られない。
これらの光学的技術のさらなる問題点は、特徴的端面で散乱する光により生じる信号ノイズに対してこれらの光学的技術が影響を受けやすい点にある。こうした回折効果は、波長依存性および角度依存性の両方を有することが知られており、スペクトル分布に実質的な影響を与える。
米国特許第５，９４９，９２７号によれば、回転中に変化する厚みおよび他の変化量に関して、薄膜（表面上の微少領域）を光学的にモニタし、測定する技術および装置を開示している。これはローカル完了検出システムである。ただし、この発明は、パターン化された特徴物で散乱し、回折する光を評価する問題について言及していない。この特許は、ウェーハの固定した選択部分に対して測定できるようにしたもので、任意の予め決められた部位をどのように選択できるかについて示唆していない。上述の'766特許などの他の光学的に完了時点を検出する特許は、同様の問題点を有する。固定位置にあるセンサの上を通過しない部位に対しては、測定を行うことができない。さらに、研磨プロセス中に基板が偶然にも回転すると、測定結果が誤差を含むことになる。このように、この特許は、グローバル完了時点検出技術の要請については言及していない。
光学的完了検出システムのさらなる目標は、ＣＭＰ中に露出され得る複合的な積層体に関する。KLA-Tencor、Thermawave、Rudolph Technologiesといった会社により製造された固定型の計測装置は、各基板を振動することのないプラットフォーム上に載せて、１０μｍ程度のスポット径で焦点を形成することにより、この問題に対処している。こうして、確実に、検出された光を単一膜積層物から反射した光に対応させることができる。ＣＭＰツール上で研磨される基板は、回転し、透明なスラリに浸される。この基板の動きにより、光が複合的な膜積層体上をスキャンし、これにより、測定されたスペクトル反応に実質的に影響を与え、信号解析を複雑にする。
近年、平坦化プロセスを正確に制御する必要性がますます高まっている。導電性の高い電気的内部結線を実現するために銅が使用されるため、超薄膜型のバリアメタルを利用することが求められている。しかし銅を平坦化するのに適したスラリは、バリアメタルに対してはうまく機能しないため、複数のスラリを用いたプロセスが開発されてきた。これらのプロセスにおいて、金属が不完全に除去された領域および過剰に研磨された領域が形成されないように、第１のスラリを第２のスラリに変更するタイミングを、極めて精緻に制御する必要がある。
（発明の要約）
この開示内容の第１の態様によれば、基板全体用の画像形成システムである。このシステムにおいて、キャリアが基板を保持し、基板は、最大平面寸法を有するパッド接触表面を含む。回転プラテンは、半径を有し、研磨パッドを保持し、このプラテンは、基板の最大平面寸法と等しいか、それ以上の長さを有する、実質的にプラテン半径に沿って配置されたスリットを含む。プラテンは、スリットの周りに配置された光透過性部材を含む。枠により、基板のパッド接触表面が研磨パッドと接触し、プラテンが１回転する間に実質的に完全にスリットを横断するように、プラテンは、キャリアに対して動作可能に配置される。画像処理サブシステムは、パッド接触表面がスリットを横断する間に、基板のパッド接触表面で反射し、光透過性部材およびスリットを通過した光から、基板のパッド接触表面の実質的に全体を表す複数の１次元画像を収集する。そして、画像処理サブシステムは、この１次元画像から、基板を続けて化学機械的処理するために有用な基板に関する情報を提供するフレームデータからなる２次元画像またはフレーム得る。
この開示内容の第２の態様によれば、基板の画像形成方法について開示されている。この方法において、最大平面寸法を有するパッド接触表面を含む基板が保持される。
さらに、研磨パッドが回転プラテンに固定され、このプラテンは、基板の最大平面寸法と等しいか、それ以上の長さを有する、実質的にプラテン半径に沿って配置されたスリットを含む。回転プラテンは、スリットの周囲に配置された光透過性部材を含む。回転プラテンは、基板のパッド接触表面が研磨パッドに接触し、プラテンが１回転する間にスリットを実質的に完全に横断するように、パッド接触表面に対して動作可能に配置される。パッド接触表面がスリットを通過する間に、パッド接触表面で反射し、光透過性部材を通過した光から、基板のパッド接触表面の実質的に全体を表す複数の１次元画像が収集される。フレームが複数の１次元画像から得られる。フレームは、基板を続けて化学機械的処理するために有用な基板に関する情報を与えるフレームデータを有する。
この開示内容の第３の態様によれば、ファイバアセンブリの形成方法が開示されている。この方法において、第１プレートの内側表面が複数の実質的に平行な溝を有するようにパターン形成され、第１プレートは外側表面を有する。個々の検出用光ファイバが所定の各溝内に配置され、固定される。第２プレートの内側表面は、第１プレートの溝に配置されたとき、検出用光ファイバの上方に配置される。第１および第２プレートの内側表面は、互いに固定される。照明用光ファイバは、検出用光ファイバとは実質的に平行に、第１プレートの外側表面上に配置され、固定される。同様に、照明用光ファイバは、検出用光ファイバとは実質的に平行に、第２プレートの外側表面上に配置され、固定される。検出用および照明用光ファイバの端面は、互いに実質的に同一平面を有するように処理される。
この開示内容の第４の態様によれば、ファイバアセンブリの形成方法が開示されている。この方法において、センサ用光ファイバは、第１プレートの内側表面上において、互いに実質的に平行となるように配置され、第１プレートは外側表面を含む。センサ用光ファイバが第１プレートの内側表面上に配置され、固定される。第２プレートの内側表面は、第１プレートの内側表面上に配置されたセンサ用光ファイバの上方に配置され、第２プレートは外側表面を含む。第１および第２プレートの内側表面は、互いに固定される。照明用光ファイバは、検出用光ファイバとは実質的に平行に、第１プレートの外側表面上に配置され、固定される。同様に、照明用光ファイバは、検出用光ファイバとは実質的に平行に、第２プレートの外側表面上に配置され、固定される。検出用および照明用光ファイバの端面は、互いに実質的に同一平面を有するように処理される。
この開示内容の第５の態様によれば、ファイバアセンブリが開示されている。このファイバアセンブリは、ファイバアセンブリ部材を有する。第１束の照明用ファイバが含まれる。照明用ファイバのそれぞれは、ファイバアセンブリ部材において実質的に終端を有し、少なくとも１つの第１列および少なくとも１つの第２列に配列されている。第２束の検出用ファイバが含まれる。第２束の検出用ファイバは、ファイバアセンブリ部材において実質的に終端を有し、第１列および第２列の間の第３列に配列されている。
この開示内容の第６の態様によれば、光ファイバアセンブリが開示されている。このアセンブリは、ファイバアセンブリ部材が開示されている。第１束の照明用ファイバが含まれる。照明用ファイバのそれぞれは、ファイバアセンブリ部材において実質的に終端を有し、第１列および第２列に配列されている。第２束の検出用ファイバが含まれる。第２束の検出用ファイバは、ファイバアセンブリ部材において実質的に終端を有し、第１列および第２列の間の第３列に配列されている。
この開示内容の第７の態様によれば、ダイ用画像形成システムが開示されている。このシステムにおいて、キャリアは基板を保持し、基板は、最大平面寸法を有するパッド接触表面と、ストリートにより分離された部分的に処理された集積回路とを含む。部分的に処理された集積回路は、包囲するストリートとともにダイを構成する。回転プラテンは、半径を有し、研磨パッドを保持し、このプラテンは、ダイの最大平面寸法とほぼ等しい長さを有し、実質的にプラテン半径に沿って配置されたスリットを含む。プラテンは、スリットの周りに配置された光透過性部材を含む。枠は、基板のパッド接触表面が研磨パッドに接触し、プラテンが１回転するときスリットを実質的に完全に横断するように、回転プラテンをキャリアに対して動作可能に配置する。画像処理サブシステムは、パッド接触表面がスリットを横断する間に、パッド接触表面で反射し、光透過性部材を通過した光から、基板のパッド接触表面の実質的に全体を表す複数の１次元画像を収集する。画像処理サブシステムは、この１次元画像から、基板を続けて化学機械的処理するために有用な基板に関する情報を与えるフレームデータからなるフレームを得る。
本発明により数多くの利点が実現される。１つの利点は、集積回路上の特徴的エッジにおいて生じる波長分散回折効果を補償することができる。本発明の第２の利点は、測定領域の大きさを検出用ファイバの形状および開口数により決定される大きさより小さくすることができる。さらなる利点は、広い範囲または狭い範囲の光に基づいて、スペクトル解析法を実施することができる。さらなる利点は、研磨パッドの厚みが変わっても測定することができる。
本発明の数多くの利点基板全体において薄膜積層物を測定できる機能に基づいている。こうした利点の１つは、本発明によれば、基板全体の画像が提供されることである。さらなる利点は、基板全体にわたる複数の膜積層体に対して測定可能であることである。さらなる利点は、金属ＣＭＰプロセスを通して基板全体にわたって金属除去および不均一性が測定されることである。さらなる利点は、誘電体ＣＭＰの途中および最後工程において、残渣膜の厚みおよび不均一性が測定されることである。
本発明のさらに別の利点は、誘電体ＣＭＰの途中および最後工程において、選択された領域での残渣膜の厚みおよび不均一性が測定されることである。本発明のさらなる利点は、ＣＭＰキャリアに１つまたはそれ以上の圧力領域をフィードバックするのに適した基板測定結果が提供されることである。本発明のさらなる利点は、ＣＭＰ毎の制御システムをフィードバックするのに適した基板測定結果が提供されることである。本発明のさらに別の利点は、研磨される基板の一部に関する画像を得る方法が提供されることである。本発明のさらに別の利点は、研磨される基板の一部上にある全体的または部分的なダイに関する画像を得る方法が提供されることである。
本発明に係る上述以外の他のシステム、方法、特徴、利点またはそれらの組み合わせは、当業者が以下の特徴と詳細な説明を読めば、明らかとなる。こうした追加的なシステム、方法、特徴、利点、およびそれらの組み合わせは、この開示内容に含まれ、本発明の範疇に含まれ、添付のクレームにより保護されるものと意図されている。
（詳細な説明）
ここで用いられる「約」、「実質的に」、および「ほぼ」などの用語は、取引に際して許容される公差に対して見込まれる数学的正確さに対する多少の幅を意図するものである。したがって、「約」、「実質的に」、および「ほぼ」などの用語を用いて表現される値は、上限および下限において、正確な値の１％ないし２０％の範囲を含むものと理解しなければならない。
ここで用いられる「ソフトウェア」なる用語は、ソースコード、アセンブリ言語、バイナリコード、ファームウェア、マクロ指令、マイクロ指令など、あるいはこれらの２つ以上を組み合わせたものを含む。
「メモリ」なる用語は、プロセッサにより実行可能な一連のソフトウェア指令を記憶できるプロセッサ判読可能な媒体であって、これらに限定されないが、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ディスク、フロッピディスク、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなど、あるいはこれらの２つ以上を組み合わせたものを含む。
「プロセッサ」または「ＣＰＵ」なる用語は、一連の指令を実行可能な任意のデバイスを意味し、限定しないが、汎用マイクロプロセッサ、専用マイクロプロセッサ、有限状態機械、コントローラ、コンピュータ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）などを含む。
「ロジック」なる用語は、ハードウェア、ソフトウェア、またはハードウェアとソフトウェアの組み合わせにおける実行を意味する。
「ＣＭＰ」なる用語は、化学機械平坦化法を意味し、より一般には、半導体基板に対して行われる任意の化学機械処理を意味する。
本発明の装置は、研磨のための化学機械平坦化プロセス中に基板１８０をモニタすることができる基板全体用の画像形成システム１０５である。図１に示す基板全体用画像形成システム１０５は、スリット１３０を含むプラテン１２０、スリット１３０内に配置されたファイバアセンブリ１２５、およびイルネミネータ束１７４とセンサ束１７６を介してファイバアセンブリ１２５に光学的に接続された光電子アセンブリ１１５を備える。さらに、基板全体用画像形成システム１０５は、電気コネクタ１７６、回転連結器１１０、および光電子アセンブリ１１５がシステムコントローラ１０８に電気的に接続されるように電気的に直列に接続される電気コネクタ１７７を備える。システムコントローラ１０８および電気コネクタ１７７は、プラテンから離れたところに配置されている。
基板全体用画像形成システム１０５は、ＣＭＰツール１００内で用いられ、プラテン１２０上に取り付けられた研磨パッド１３５、プラテンをプラテン回転速度で回転軸１５０の周りに回転させるモータ（図示せず）、および第２のモータ（同様に図示せず）によりキャリア回転速度で回転軸１５５の周りに回転するキャリアアセンブリ１７０をさらに備える。回転軸１５５は、回転軸１５０に対して距離ＲOFFSETだけずれており、この距離を時間とともに変化させてもよい。キャリアアセンブリ１７０は、研磨プロセス中において基板１８０を所定位置に保持するための保持リング１８２を有する。スラリ供給システム（図示せず）において、スラリは、遠心力により研磨パッド上に拡散されるように、回転軸１５０付近にある研磨パッド１３５に供給される。ＣＭＰシステムコントローラ（図示せず）は、ＣＭＰツールの動作を制御する。
基板１８０は、好適には、中心および直径を有する半導体ウェーハであって、一方の表面に半導体回路の構成要素が部分的に形成されている。部分的に形成された半導体回路の構成要素は、平坦化すべき少なくとも１つの膜積層体を含む。膜積層体の具体例として、タンタル下部層をもつ銅、タングステン／窒化チタニウム／チタニウム、二酸化シリコン、およびスピンオングラス（ＳＯＧ）が含まれる。基板１８０は、シリコン、ヒ化ガリウム、アンチモン化ガリウム、またはその他のIII−Ｖ属化合物などの材料から形成されていてもよい。基板１８０は、ＨｇＣｄＴｅなどのII−VI属化合物などの材料を用いて形成してもよい。加えて、基板１８０は、ＢＫ７、フリントガラス、および溶融シリカなどの広範なガラスの中の任意のもの、またはポリメチルアクリレート、ポリカーボネートなどのプラスチックを用いて形成してもよい。基板１８０は、フラットパネルディスプレイの一部を形成してもよい。
プラテン１２０は、作業面１２２を有するディスクであって、その半径は基板１８０の直径より大きい。好適には、プラテン１２０は、基板全体用画像形成システム１０５を収容する部分以外、硬いディスクである。しかし、本発明を実施する上で硬いディスクである必要はない。中空ディスクまたはハニカムコアの上の薄くて硬いディスクなどの他の構造物も同様に機能する。さらに、スリット１３０は、数多くの図面では、一般に、プラテン１２０の矩形形状の切り欠き部として図示されているが、本発明によれば矩形形状に限定されることはない。スリット１３０は、基板１８０からの反射データを取り込むために、光が通過し得る任意の形状を有する開口部をプラテン内に含む。したがって、スリット１３０は、矩形、円形、楕円形、対称形、非対称形、または他の任意の形状を有していてもよい。
Melcotac社（カリフォルニア州、カールズバッド）から市販されているMelcotac Connectorなどの回転連結器１１０は、光電子アセンブリ１１５とシステムコントローラ１０８の間において電気信号が交換されるように機能する。
電気コネクタ１７６および電気コネクタ１７７は、電源とともに同調信号および制御信号を光電子アセンブリ１１５に供給するワイヤを有する。電気コネクタ１７６および電気コネクタ１７７は、さらに光電子アセンブリ１１５からのビデオ信号をシステムコントローラ１０８に供給するワイヤを有する。
研磨パッド１３５は、光を透過し、接着剤を用いてプラテン１２０の作業面１２２に接着されるRodel社（デラウェア州、ウィルミントン）のＩＣ１０００であってもよい。ウィンドウ１３７は、透明であり、１つの実施形態においてはRodel社のＪＲ１１１材であってもよい。
光電子アセンブリ１１５は、イルミネータ束１７４に伝搬する光を生成し、センサ束からの光を受光し、これを電気信号に変換する。この電気信号は、システムコンピュータを用いて、電気コネクタ１７６を介して回転連結器１１０に送信される。この電気信号は、基板１８０の画像を描写するように構成されるか、あるいは研磨を中止するか、次の研磨ステップに進めるようにＣＭＰシステムコントローラに信号出力するように構成される。
イルミネータ束１７４は、光電子アセンブリ１１５からファイバアセンブリ１２５へ光を導くように機能する光ファイバ束である。センサ束１７２は、基板１８０で反射した光を光電子アセンブリ１１５に導くように機能する光ファイバ束である。
システムコントローラ１０８には、ビデオフレームグラバを内蔵し、ＣＭＰシステムコントローラとインターフェイスするコンピュータが具備される。ＣＭＰシステムコントローラは、プラテン１３５の回転速度、キャリア１７０の回転速度、および距離ＲOFFSETなどの情報をシステムコントローラ１０８に供給する。この情報に基づいて、システムコントローラ１０８は、ファイバアセンブリ１２５がキャリア１７０の下方にあるとき、光電子アセンブリ１１５による反射データの収集を可能にするために必要な角度基準信号を形成する。
システムコントローラ１０８は、コンピュータにより制御される可変電源をさらに有する。この可変電源は、光ファイバケーブルのためのScott-Fostec 型番ＤＣＲIIIイルミネータ（登録商標）（Scott-Foster、ニューヨーク州、オーバーン）において、電球の機能をプラテン１３５の光電子アセンブリ１１５で置き換えたものであってもよい。可変電源は、コネクタ１７７、回転連結器１１０、およびコネクタ１７６を介して光電子アセンブリ１１５と通信される電源制御信号を形成する。電源制御信号は、９〜２１ボルトの可変電圧を有し、光電子アセンブリ１１５に電源を供給し、かつ光電子アセンブリ１１５で形成された光を制御するように機能する。
動作に際して、キャリアアセンブリ１７０に装填された基板１８０が研磨パッド１３５に押圧されると、キャリアアセンブリ１７０が回転軸１５５の周りを回転し、プラテン１２０が回転軸１５０の周りを回転し、スラリが研磨パッド１３５を横断するように流れる。化学的および機械的なプロセスを組み合わせることにより、基板１８０の表面から物質材料を侵食する。研磨プロセスが実行されている間、光電子アセンブリ１１５は、システムコントローラ１０８内の可変電源装置により形成された電源制御信号に基づいて、光を生成する。この光は、光イルミネータ束１７４を介してファイバアセンブリ１２５に到達し、スリット１３０がウェーハ１８０の下方を通過するとき、ウェーハ１８０に照射される。ファイバアセンブリ１２５は、ウェーハ１８０で反射した光を受光し、この反射光をセンサ束１７２に導く。光電子アセンブリ１１５は、反射光を受光して、ビデオ信号に変換し、この信号はシステムコントローラ１０８により基板１８０の画像に変換することができる。
図２Ａは、プラテン１２０の作業面１２２、およびスリット１２０内のファイバアセンブリ１２５の位置を示す概略図である。図２Ｂは、プラテン１２０内に設けた光電子アセンブリ１１５を示す概略図である。光電子アセンブリ１１５は、コントローラ１９５、光源１６０、分光計１９０、コネクタ１８２、およびコネクタ１８４を備える。
スリット１３０は、回転連結器１１０付近から半径方向外側に延びている。スリット１３０は、基板１８０の直径より長く、ＲOFFSETがＣＭＰプロセス条件に合致するように変化できるように形成される。スリット１３０は、好適な実施形態において２ｍｍの幅を有するが、イルミネータ束からの光とセンサ束への光が遮蔽されない程度に幅広であることが必要である。スリット１３は、少なくとも、ウェーハ直径に、ウェーハ配置位置の誤差またはＲOFFSET変位量を許容する追加的長さを加えた長さを有することが必要である。スリット１３０は、任意であるが、光電子アセンブリ１１５の機能性が流体により阻害されないようにするために、透明なプラテンウィンドウまたは透明部材を有していてもよい。
コントローラ１９５は、システムコントローラ１０８と、分光計１９０および光源１６０との間をインターフェイスする。コントローラ１９５は、コネクタ１８２を介して光源１６０に動作可能に接続され、これによりコントローラ１９５は光源１６０を制御することができる。同様に、コントローラ１９５は、コネクタ１８４を介して分光計１９０に動作可能に接続される。コントローラ１９５は、システムコントローラ１０８内の可変電源からの電源制御信号を、光源１６０のためのＯＮ／ＯＦＦおよび強度制御信号と解釈する。１つの実施形態において、電源制御信号の電圧が１０Ｖ以下に下がった場合、ＯＦＦ状態であると解釈され、電圧が１０Ｖ以上になったとき、１０Ｖを超える電圧に比例した光強度で点灯させる。コントローラ１９５は、さらにこの電源制御信号を用い、ＤＣ−ＤＣコンバータ（図示せず）を活用して分光計１９０に対する電源を供給する。コントローラ１９５の機能は、当業者により広く知られた標準的な電子部品および設計技術を用いて実現することができる。
光源１６０は、Schott Fostec（ニューヨーク州、オーバーン）から市販されている１５０ＷのＥＫＥ電球であることが好ましい。光源１６０は、およそ４００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲の波長を有する光を出力する。しかし、少なくとも２種類の離散的な波長で光を出力する光源１６０が複数の波長を有する光源であるならば、本発明は機能する。さらに、光源がレーザ光源などの単一波長で出力する光源であっても、レーザ光源から出力される光が基板１８０を研磨するために用いられるスラリに強く吸収されなければ、本発明は機能する。
分光計１９０は、基板１８０で反射し、センサ束１７２を通過する光をスペクトル成分に分解するプリズムまたは回折格子などの波長分散部材を有する。分光計１９０は、これらのスペクトル成分をビデオ信号に変換し、このビデオ信号は、コネクタ１７６、回転連結器１１０、およびコネクタ１７７を介してシステムコントローラ１０８に送信される。
センサ束１７２は、複数の光ファイバを含み、光ファイバのそれぞれは、検出端と出力端を有し、基板１８０がスリット１３０の上方を通過するとき、各検出端が基板１８０を横断するように弧を描き、検出端全体が基板全体にわたって曲線を描いて動くように、検出端がファイバアセンブリ１２５内に配置される。このように検出端は、データ収集位置アレイを構成する。１つの実施形態において、このアレイは、基板の運動方向に対して実質的に平行でないように配置されることが好ましい。
図３は、スリット１３０に挿入される前のファイバアセンブリ１２５を示す簡略化した断面図である。ファイバアセンブリ１２５は、隣接する長手方向端部が角度アルファで面取りされた活性表面１２７を含み、名目上、矩形断面形状を有する。角度アルファの正確な値は重要でなく、面取りされた端面は、ファイバアセンブリ１２５をスリット１３０内に配置するだけの機能を有する。活性表面１２７は、任意であるが、パッド接触表面で反射してこの部材を介してセンサ束に入る光であろうと、イルミネータ束１７４からこの部材を通って伝搬する光であろうと、光の透過を許容する光透過部材１３７を有する。透明部材１３７は、ファイバアセンブリ１２５と一体式であってもよく、スリットの周辺のどこかに配置しておいてもよい。部材１３７は、ガラス、プラスチック、水、空隙、またはこの目的に適う他の任意の透明流体または透明材料であってもよい。他の実施形態において、部材１３７は、プラテン１２０または研磨パッド１３５の全体または一部と一体式であってもよく、あるいはそれらの全体または一部を含んでいてもよい。例えば、図３に示す実施形態において、部材１３７がスリット１３０と位置合わせされるように、矩形ウィンドウの形状を有する部材１３７が形成された研磨パッド１３５が図示されている。
イルミネータ束１７４は、数多くの光ファイバを有するが、図３においては、ただ２本の代表的な照明用ファイバ、すなわち終端１９４ａを含む照明用ファイバ３１０ａと、終端１９４ｂを含む照明用ファイバ３１０ｂが図示されている。同様に、センサ束は数多くの検出用ファイバを有するが、図３では、終端１９２ａを含むただ１本の代表的な検出用ファイバが図示されている。照明用ファイバ３１０ａ，３１０ｂは、イルミネータ束１７４からファイバアセンブリ１２５の活性表面１２７まで延びている。同様に、検出用ファイバ３２０ａは、センサ束１７２からファイバアセンブリ１２５の活性表面１２７まで延びている。終端１９２ａは、終端１９４ａと終端１９４ｂの間に配置されている。
動作に際して、光源１６０からの光は、イルミネータ束１７４の照明用ファイバ３１０ａを介して終端１９４ａまで伝搬し、照明用ファイバ３１０ｂを介して終端１９４ｂまで伝搬し、ファイバアセンブリ１２５の活性表面１２７から出射される。基板１８０で反射した光の一部は検出用ファイバ３２０ａに入射し、再びセンサ束１７２を介して分光計１９０へ導かれる。
図４Ａは、ファイバアセンブリ１２５の平面図である（実寸大ではない）。ファイバアセンブリ１２５は所定の長さと幅を有し、その長さは、基板１８０の直径より若干長く、例えば、２００ｍｍウェーハ用に設計されたときは２２０ｍｍである。その幅は、通常、１〜５ｍｍである。イルミネータ束１７４は細長いファイバアセンブリ１２５の一方の側面に接続され、センサ束１７２はその他方の側面に接続されている。さらに図４は、照明用ファイバの第１の列３１０と、照明用ファイバの第２の列３３０の間に配置された検出用ファイバの列３２０を図示している。
照明用ファイバ３１０と３３０は、光ファイバである。好適な実施形態によれば、ファイバは０．７５ｍｍの直径を有するプラスチックであるが、１ｍｍ程度に大きくても、０．０５ｍｍ程度に小さくても、同様に機能する。
検出用ファイバ３２０は、０．１００ｍｍの好適な直径を有し、一定の面積を有する終端を有する。より大きい直径を有するファイバを用いることができるが、空間解像度が低下する。より小さい直径を有するファイバを用いて空間解像度を改善することができるが、組み立てコストが増大する。
続けて図４Ａを参照すると、照明用ファイバ３１０と３３０は、中心と中心の間隔がファイバの直径とほぼ等しくなるように、直線上に沿って端部と端部が連結するように配向される。照明用ファイバの半径とほぼ等しい距離で、照明用ファイバ３１０と３３０が分離される。
イルミネータ束１７４は、各列のファイバ当たり数百本のファイバを含む。照明用ファイバ３１０の一列の数に、個々の照明用ファイバの厚みを掛け合わせた長さがおよそ１ｍｍ以上とする必要がある。同様に、照明用ファイバ３３０の一列の数に、個々の照明用ファイバの厚みを掛け合わせたものがおよそ１ｍｍ以上である必要がある。一例として、ファイバの直径が０．７５ｍｍで、図４に示すように端部と端部が連結するように配置された場合、イルミネータ束１７４が各列のファイバ毎におよそ３００本のファイバを必要とする。すなわち、照明用ファイバが２列あるとき、イルミネータ束１７４は６００本のファイバを必要とする。０．７５ｍｍの厚みを有するファイバを１列含む照明用ファイバ構成の実施例が機能し、０．５０ｍｍの厚みを有するファイバを２列含む場合も機能し、０．２０ｍｍの厚みを有するファイバを５列含む場合も機能した。照明用ファイバ３１０と３３０の数は、本発明の装置を用いて所望される画像解像度に依存する。解像度は、基板１８０を照射するために利用可能な光量、キャリアおよびプラテンの回転速度にも左右され、さらにはそれほどではないがＲOFFSETにも影響される。実施例によれば、好適な構成は、６００本の照明用ファイバと３００本の検出用ファイバを有し、終端１９２ａは２２０ｍｍの長さ全体に沿って配置される。
検出用ファイバ３２０は、最終的なウェーハ画像の所望する解像度にほぼ等しい数の中心点上に形成される。全体的な画像解像度は、部分的には、センサ束１７２を構成するために用いられる検出用ファイバ３２０の数に依存する。検出用ファイバの数が増大するほど、解像度が増大する。１つの実施形態においては、３００本の検出用ファイバが用いられる。
検出用ファイバ３２０は、各検出用ファイバの終端において頂点を有し、研磨パッド１３５のウィンドウ１３７を貫通して基板に達する円錐部から光を受光する。この円錐部の開口数（ＮＡ）は約０．２２であって、直径がほぼ１ｍｍの検出スポットを基板１８０上に形成する。測定は、基板１８０が検出用ファイバ３２０に対して運動している間の積分時間において行われるので、実際に検出される基板１８０上の領域は長楕円形であり、およそ１．５ｍｍの長さを有する。この基板の一部領域が、各検出用ファイバに対応する検出スポットで反射した光により検出され、１次元の反射画像を形成する検出スポットの空間フィールドが得られる。すなわち、１つの実施形態において、データポイント空間を、画像形成システムの検出スポットの空間フィールドを用いて形成することができる。検出ポイントおよび／またはデータポイントを、実質的に隣接する、あるいは隣接しないアレイに区切ることができる。実質的に隣接する一連のデータポイントは、基板１８０上の一連の検出スポットから生成されたものであって、これにより、大多数の隣接する検出スポットが境界上において接触または重なり合い、基板の照射部分に関する、連続またはほとんど連続する画像を検出することができる。実質的に隣接しない一連のデータポイントは、実質的に隣接せず、この場合、基板１８０上において隣接する検出ポイントの対が離れており、照射基板の一部が未検出のままとなる。
図４Ｂは、照明用ファイバに対する検出用ファイバの好適な位置を示す。一例として、図４Ｂは、代表的な照明用ファイバ３１０ａと３１０ｂを示し、これらが並んで配置され、照明用ファイバ３３０ａと３３０ｂと対向することが図示されている。検出用ファイバ３２０ａは、照明用ファイバ３１０ａと３１０ｂ、および照明用ファイバ３３０ａと３３０ｂの間に配置されている。
照明用ファイバ３１０と照明用ファイバ３３０は、いくつかの目的を果たす。第１の目的によれば、これらは、検出用ファイバ３２０により集光された光を容易に分析できるように、基板１８０への十分な光の供給源である。第２には、各検出用ファイバに対して複数の光源、とりわけ図４Ｂに示すように、各検出用ファイバ３２０ａの周囲に配置された光源を提供することにより、検出用ファイバで検出される光の角度依存性が平滑化される。第３に、検出用ファイバの寸法と比較してそれぞれ大きい光源を配置することにより、検出用ファイバで検出される光の方位角依存性が同様に平滑化される。このように組み合わせることにより、基板１８０の表面における特徴構造物の光の回折効果を最小限に抑える上で重要である。
比較的に大きい径を有する照明用ファイバは、２つの機能を果たす。第１には、この照明用ファイバは、大面積の光源を提供し、光が基板１８０上のデバイス構造物で散乱する際の回折効果を低減する。第２に、検出用ファイバ３２０で集光される光量は、検出用ファイバの終端（例えば、終端１９２ａ）と基板１８０の間の距離に部分的に依存する。この距離は、研磨する間に摩耗する研磨パッド１３５の厚みに相当する。新しい研磨パッドは、その厚みが約２．４ｍｍであって、研磨パッドの厚みが約１．５ｍｍになったとき、研磨パッドは交換される。各検出用ファイバ１９２ａは、照明用ファイバ３１０ａ、３１０ｂ、３３０ａ、３３０ｂから出射された光を受光する。検出用ファイバの終端１９２ａの面積に比べて大きい面積の基板１８０上に光を当てることにより、研磨パッド１３５の厚みの変化に関係なく、光源は拡張光源として機能する。
動作に際して、照明用ファイバ３１０、３３０は、光をファイバアセンブリ１２５から基板１８０上に照射する。基板１８０で反射した一部の光は、検出用ファイバ３２０に入射し、分光計１９０に伝搬し、分光計が光を分析する。
図５は、分光計１９０の一部である線画像分光計５１１を示す。線画像分光計５１１は、レンズアセンブリ５６０、回折格子５７０、および２次元画像形成器５８０を有する。線画像分光計５１１は、次のように動作する。光源１６０からの光は、イルミネータ束１７４を通過し、基板１８０に含まれる膜上に照射される。光がウェーハで反射した後、センサ束１７２で受光される。センサ束１７２は、光をレンズアセンブリ５６０に導き、これは基板１８０上の線に対応する線画像を形成する。線画像は、空間次元に沿って形成される。この線画像は回折格子５７０を通る。回折格子５７０は、線画像を受光し、その各微少部分を、スペクトル次元に沿って形成された構成波長成分に分割する。１つの実施例において、スペクトル次元は空間次元と直交する。その結果、２次元画像形成器５８０により捕捉された２次元スペクトル線画像が得られる。１つの実施例において、画像形成器はＣＣＤであり、空間次元は水平方向次元であり、スペクトル次元は垂直方向次元である。この実施例において、スリット画像に沿った水平方向のＣＣＤ画素位置におけるスペクトル成分は、ＣＣＤアレイの垂直方向次元に沿って投影される。
この実施例での線画像分光計５１１は、本出願の譲受人であるFilmetrics社（カリフォルニア州、サンディエゴ）により製造されている。この分光計において、透過型回折格子５７０は、Optometrics社（マサチューセッツ州、エア）で製造されている、部品番号３４−１２１１である。２次元画像形成器５８０は、Dalsa社で製造されたModel Turanの線スキャンカメラを採用したＣＣＤ画像形成器であって、システム空間方向に２０４８画素、およびシステムスペクトル方向に９６画素を有している。２次元画像形成器５８０は、エリアスキャンモードで操作され、最初の３２列の画素だけが読み出される。さらに、２次元画像形成器５８０は、ビデオ信号を出力するために、アナログモードで操作するように構成されている。こうすることにより、毎秒１０００フレームを超えるデータ読み出し速度が実現される。ＣＭＰツールで研磨される層に求められる範囲の厚みを測定するためには、スペクトルデータの３分の２列で十分である。
単一波長光源を用いる場合、２次元画像形成器５８０を１次元画像形成器で置換することができる。とりわけ安価な全ウェーハ画像形成システムが所望されるいくつかの用途においては、１次元画像形成器で十分であるが、スペクトル情報がないために、膜厚およびその他の特性に関する測定があまり正確でなく、より不明瞭となることがある。
レンズ５６０の開口数は、約０．０６であるが、検出用ファイバ３２０より相当に小さい。組み立て時、検出用ファイバを極力折り曲げないようにすることにより、センサ束１７２に伝搬する光が極力混合しないようにし、その結果、検出器は、検出用ファイバ３２０の０．２２の開口数より小さい円錐角度からの光を検出する。すなわち、レンズ５６０の開口数ＮＡを選択して、個々の検出用ファイバの効果的なスポットサイズを設定することができる。
図４を参照すると、検出用ファイバ３２０は、好適には、一列に（すなわち、左から右へ）配列され、これは図５に示すセンサ束の他端部におけるファイバの列に対応する。この構成は、データポイントの向きを一定にし、データ処理を容易にする。しかし、こうした予め設定された列は、本発明を実施する上で不可欠なものではない。ファイバ束１１５およびセンサ束１７４を製造しやすくするために、検出用ファイバ３２０の列は、任意であってもよいし、未知のものであってもよい。ファイバ３２０の実際の列を決定するために、個別の検出用ファイバ３２０のそれぞれから出射される光は、２次元画像形成器５８０上に照射されるため、検出光に対する入射光のマップを形成することができる。測定された後、このマップは記録され、後続の測定結果は、このマップを用いて分類される。このように、一方の端部における検出用ファイバの列とは関係なく、検出用ファイバの空間フィールドにより形成されるデータポイント空間を、画像形成プロセス中にシステムコントローラ１０８により適正に再構成することができる。
図６は、ファイバアセンブリ１２５の好適な製造方法の一部を示す。ファイバアセンブリ１２５は、プレート６１０と６３０をさらに有し、これらのプレートの厚みが照明用ファイバの直径より多少厚くなるように、各プレートの厚みは照明用ファイバ３１０の半径のおよそ半分である。プレート６１０は、図６Ａに示すように、検出用ファイバ３２０の直径と同程度の深さを有する平行な溝部６２０を含むようにパターン形成されている。プレート６１０と６３０は、アルミニウムまたはステンレススチールなど金属で形成されている。電界研磨法を用いて、溝部６２０を形成する。また、プレート６１０と６３０は、例えば、シリコンなどの他の材料で形成してもよく、溝部６２０はリソグラフィ技術およびエッチング技術により形成される。
溝部が形成された後、検出用ファイバ３２０が溝部６２０内に配置される。そして検出用ファイバ３２０は、エポキシ系接着剤（図示せず）を用いて所定位置に固定される。図６Ｂを参照すると、プレート６３０がプレート６１０の溝部６２０内にある検出用ファイバ３２０の上部に配置され、エポキシ系接着剤（同様に図示せず）を用いて所定位置に固定される。そして照明用ファイバ３１０は、図６Ｃに示すように、溝部６２０と対向するようにプレート６３０の表面上に配置され、エポキシ系接着剤を用いて所定位置に固定される。そしてさらに、照明用ファイバ３３０は、溝部６２０と対向するようにプレート６１０の表面上に配置され、エポキシ系接着剤を用いて所定位置に固定される。この部分的な製造方法により、図６Ｃに示すような平面図と、図６Ｄに示すような側面図を有する構成が実現される。次に、図６Ｅに示すように、ファイバ端部１９２ａ、１９４ａ、１９４ｂが同一平面上に配置されるように、ファイバを研削し、研磨される。そして、当業者に知られた方法により照明用ファイバ３１０と３３０を束ねてイルミネータ束１７４を形成する。同様に、検出用ファイバを束ねてセンサ束１７２を形成する。
図７は、ファイバアセンブリ１２５の択一的な製造方法を示す。プレート６１０’と６３０’は、溝部が形成されない点以外は、それぞれプレート６１０と６３０と同じものである。検出用ファイバ３２０を実現するためには、図７Ａに示すように、検出用ファイバ６２がプレート６１０’の上に配置され、エポキシ系接着剤（図示せず）を用いて所定位置に固定される。図７Ｂに示すように、プレート６３０’が検出用ファイバ６２０’の上に配置され、エポキシ系接着剤（図示せず）を用いて所定位置に固定される。残りの組立方法は、図６で示した方法と同じである。組み立て後、図７Ｃに示すように、周期的な検出用ファイバ、例えば、６個毎のファイバセンサを選択して、検出用ファイバ３２０を形成する。
図８は、基板１８０の表面からの反射データを収集・分析するための本発明の装置の使用方法を示す。この方法は、ファイバアセンブリ１２５がキャリア１７０と基板１８０の下方において曲線を描いて動くとき、分光計１９０を用いて一連の線画像を収集するステップを含む。ファイバアセンブリ１２５が基板１８０の下方において曲線を描いて動くことによる一連の線スキャンにより、フレームが構成される。プラテン１３５が１回転する毎に、ファイバアセンブリ１２５が基板１８０の下方において曲線を描いて動くことになり、追加的なフレームが得られる。一連のフレームは、適正に分析されると、研磨プロセスに関して豊富な情報が得られる。例えば、単一または複数のフレームを用いて、基板１８０の２次元画像を構築することができる。
ＣＭＰシステムコントローラは、プラテン１３５の回転速度、キャリア１７０の回転速度、および角度基準信号を供給する。角度基準信号はトリガ信号を形成し、このトリガ信号とプラテン回転速度の情報により、基板全体用画像形成システム１０５は、ファイバアセンブリ１２５が保持リング１８２の前縁の下方を通過し始めた時点からデータ収集を開始し、ファイバアセンブリ１２５が基板１８０および保持リング１８２の後縁の下方を通過した時点で、データ収集を停止することができる。このとき、基板１８０の位置は既知であるが、キャリア１７０上の基板１８０の回転位置は未知である。
線画像のそれぞれは、各検出用ファイバ３２０からの反射光スペクトルを含む。（キャリア１７０の任意の特定の回転位置に対してではなく、プラテン１３５に対する）キャリア１７０の下方にある各検出用ファイバの位置は分かっているので、線画像は、基板１８０を横断する実質的な弦のような曲線に沿った位置に対する一連の反射光測定値を含む。ファイバアセンブリ１２５が基板の下方において曲線を描いて動くとき、一連の線スキャンを収集することにより、全ウェーハに対する反射光のスペクトルデータを得ることができる。ファイバアセンブリ１２５が基板１８０の下方を１回通過するだけで、反射光のスペクトルデータを得ることができる。方法８００によれば、各フレームにおいて、このスペクトルデータを収集する手順と、時間の関数としての基板１８０の画像を形成するために、空間情報を再マップ化する手順とが提供される。すなわち、この画像は、２次元画像であって、空間次元およびスペクトル次元を含む。
分光計の読み出し速度により、サンプリング周波数が決まる。プラテン回転速度により、ファイバアセンブリ１２５が基板１８０の下方にある時間が決まり、この時間とサンプリング周波数を適宜組み合わせて、ユーザは適当なデータ密度と画像解像度を選択することができる。１回の移動で収集される一連の線画像を収集した後、プラテン１３５に対する基板１８０の回転に関してデータ補正される。その結果として、有意義なプロセス情報を得るために分析できる画像が得られる。このデータは、データ補正前またはデータ補正後に記録して、基板全体用画像形成システム１０５により、ＣＭＰ中における基板１８０の時間依存性画像を形成させることができる。これらの画像を分析することにより、豊富でさまざまなプロセス情報を得ることができる。
基板全体用画像形成システム１０５を初期化するために、基板全体用画像形成システム１０５の基本的な動作パラメータを設定するための初期化データをＣＭＰツールから入手する。初期化データは、名目上のキャリア回転速度、プラテン回転速度、ＲOFFSET（任意のプログラムされたＲOFFSETの変化）、および角度基準信号を含む。ファイバアセンブリ１２５がキャリア１７０の下方にあるときのみデータが収集されるように、コントローラ１９５は、角度基準信号を用いて、開始データ取得信号を形成する。
ステップ８１０において、ファイバアセンブリ１２５が基板１８０を保持するキャリア１７０の下方を移動している間に、基板全体用画像形成システム１０５は、一連の線スキャンを収集する。線スキャンのそれぞれは、センサ束１７２を構成する検出用ファイバ３２０のそれぞれからの一連の反射光データを含む。キャリア１７０の下方にあるファイバアセンブリ１２５の１回の移動に対応する一連の線スキャンがフレームを構成する。図９は、このプロセスを図示し、とりわけ、ファイバアセンブリ１２５が基板１８０の下方において弧を描くように移動するときの、とりわけ３つの位置におけるファイバアセンブリ１２５を図示する。図９は、さらにファイバアセンブリの検出用ファイバ９９０の軌跡をさらに示す。
このステップは、さらに、例えば、光量が許容可能な最低値（測定するのに十分な光量であったことを意味する）と、最大値（信号が飽和する以上の光量）の間にあったかどうかを判断することにより、分光計１９０が受光する光量を積分して、どの程度の光量を受光したか検出するステップを含む。必要ならば、より良好な信号ノイズ比を実現するために、光の強度を調整することができる。積分時間を変えるか、光強度を変えることにより、光強度を調整することができる。そして、プラテンの回転速度をおよびキャリアの回転速度を知ることにより、通過時間を計算することができる。この通過時間は、ファイバアセンブリが保持リング１８２および基板１８０の下方を移動するのに要する時間に対応する。通過時間は、同様に実験的に求めることもできる。実験的に通過時間を求める１つの方法は、センサ９９０が軌跡９１０を移動するときのセンサ９９０による反射測定値を調べることである。保持リング１８２で反射した光の測定値は、基板１８０で反射した光の測定値とは異なるので、基板１８０および保持リング１８２の下方の軌跡９１０を横断する際の実際の時間を求めることができる。計算された通過時間または実験的に求められた通過時間のいずれを用いても、通過時間を測定サンプリング速度で割るとフレーム当たりの線スキャンの数が導き出される。このステップは、データ密度を決定する。
ステップ８２０は、どのフレームが基板１８０の中心点を含むか特定するステップを含み、これは、基板の画像を正しく配向するために必要である。同様に、このステップは、基板全体用画像形成システム１０５がウェーハ上の特定の部位をモニタするために必要不可欠である。再度、図９を参照すると、各フレームは、基板１８０を横断するように延びる線画像を有する。簡略化するために、図９は、実際に用いられるセンサより数少ないセンサを有するファイバアセンブリ１２５を図示している。この方法８００および基板全体用画像形成システム１０５の動作を説明しやすくするために、１２本だけのセンサが図示されるが、実際には、本発明の装置は、より数多くのセンサを設けることによる利点を有する。
線画像のそれぞれは、保持リング１８２の反射に相当する特徴部分を含む。ファイバアセンブリ１２５は、キャリア１７０の下方を移動し、センサ束１７２により受光される反射光は、最初は、保持リング１８２からの反射光だけであって、これはキャリア１７０の端部を示唆する。ファイバアセンブリ１２５が基板１８０の下方に配置されると、１つまたはそれ以上の検出用ファイバが、保持リング１８２からの特徴光だけでなく、基板からの反射光を受光する。図９Ａは、ファイバアセンブリ１２５の一例であって、ファイバアセンブリ１２５が保持リング１８２の前縁を通過した後であって、いくつかの検出用ファイバは保持リングの下方に位置し、別の検出用ファイバは基板１８０の下方に位置している。特に、センサ９４０とセンサ９３０は、保持リング１８２からの光を受光しており、センサ９２０を含むセンサ９４０とセンサ９３０の間のセンサは、基板１８０からの反射光を受光している。図９Ａにおいて、７つのセンサが基板からの光を受光している。
図９Ｂにおいて、ファイバアセンブリ１２５の位置は、図９Ａよりも先に進んだ状態にある。センサ９６０とセンサ９５０は、保持リング１８２からの特徴光を受光している。センサ９３０およびセンサ９７０と、その間にある他のセンサを含む１０個のセンサが基板１８０からの反射光を受光している。図９Ｃに示すファイバアセンブリ１２５の位置は、図９Ｂよりも先に進んだ状態にある。図９Ｃにおいては、センサ９３０とセンサ９４０が保持リング１８２からの特徴光を受光している。センサ９２０およびセンサ９８０と、その間にある他のセンサを含む７個のセンサが基板１８０からの反射光を受光している。
こうして、ファイバアセンブリ１２５が基板１８０を横断するにつれて、基板１８０からの反射光を集光するセンサの数は、徐徐に多くなって最大数に達した後、ファイバアセンブリ１２５が保持リング１８２の後縁の下方を通過するまで、徐徐に少なくなる。フレームを構成する線スキャンの収集に際して、基板１８０からの反射光を受光するセンサの最大数を決定することにより、基板１８０の中心に最も接近した線スキャンを特定することができる。基板１８０からの反射光に対応する反射測定値の中点であって、その線スキャンの特徴光の反射測定値の間の中点が基板１８０の中心に相当する。各フレームはフレーム番号で識別されるので、フレームの経時序列を可能にする。
ステップ８３０は、プラテンの回転速度の情報と、ステップ８２０で得られたキャリアの中心位置の情報を用いて、各フレームにおけるウェーハの中心を推定する。ステップ８３０における計算は、当業者に広く知られた座標変換技術を用いる。
ステップ８４０は、フレーム数、キャリアの回転速度、ステップ８３０で得たウェーハ中心位置の情報を組み合わせて、基板１８０の回転を逆変換させる。基板１８０が回転している状態で得た線スキャンは歪んでおり、矯正する必要があるので、このステップが必要とされる。ステップ８３０において、当業者に広く知られた座標変換を用いて、この回転の逆変換を実現する。ステップ８３０および８４０を適正に実施することにより、半導体ウェーハを平坦化する場合のように、基板１８０が丸いとき、丸いウェーハ画像を得ることができる。
ステップ８５０は広く知られた画像処理技術を用いて、各検出位置に対するスペクトルデータのクリーンアップを行う。「暗い」反応を削除して、画像が表示領域に収まるように画像を正確な寸法に合わせ、平滑化技術を用いて、スペクトル分布の凹凸を滑らかにする。１つの一般的な平滑化技術は、２次元画像形成器５８０の各画素のスペクトルデータに対してボックスカー平滑化処理（box-car averaging）を行うことである。金属表面からの反射データに関して、ある特定の平滑化技術によれば、所定の波長範囲におけるすべてのスペクトルデータを平滑化し、このプロセスをすべての検出位置に対して反復する。１つの実施形態では、２次元画像形成器５８０の全体の感度領域を含むように、波長範囲を予め選択する。別の実施形態では、２次元画像形成器５８０の全体の感度領域の一部だけを含むように波長範囲を予め選択する。下部層の干渉効果に起因する反射の変動を極力少なく、あるいは排除するために、こうした技術が用いられる。さらに別の実施形態では、２次元画像形成器５８０の全体の感度領域のごく一部の狭い領域だけを含むように、すなわち単一画素により検出されたように、波長範囲を予め選択する。この実施形態は、単一波長を有する光源を用いた場合に相当する。
このステップは、（基板１８０が半導体ウェーハである場合）ノッチを好適な方向、ノッチを上へ、下へ、左へ、あるいは右へ向けるように、画像を回転させるステップを含む。基板を配向させる１つの方法は、得られたウェーハ画像においてノッチを検出するステップを有する。約３００本の検出用ファイバ３２０が、１ｋＨｚの通常のサンプリング速度で基板上を移動するとき、１ｍｍ程度の構造物を検出することができる。半導体ウェーハ上のノッチは、およそ２．５ｍｍ×２ｍｍであるので、当業者に広く知られた技術をもって容易に検出することができる。測定された方向により、フレーム毎に予想される基板方向を比較することにより、基板のずれが検出され、２πを単位として定量化することができる。
ステップ８６０は、追加的情報を抽出するために、スペクトル画像を分析するステップを含む。追加的情報の種類は、金属または誘電体など、研磨される材料に部分的に依存する。追加的情報の種類は、同様に、追加的情報の使用意図に依存する。例えば、完了時点を検出する上で、所定のプロセス（またはプロセスステップ）が終了したタイミングをできるだけ速やかに知ることが不可欠である。プロセスを制御するためには、所与のＣＭＰツールの動作状況をモニタし、必要ならば、ＣＭＰツールのプロセスパラメータを補正することが重要である。研磨を制御するためには、ＣＭＰプロセスの結果をみて、不均一性を最小限に抑え、残存する膜厚を矯正し、研磨プロセスが完了した時点での不均一性および残存する膜厚を知ることが重要である。
金属が研磨される場合、残渣金属が存在するかどうか、どこに存在しているかについて、知ることは極めて有用である。残渣金属の存在を判断するための１つの技術は、所定のスペクトル範囲内にある平均的な反射光を、基板１８０全体の各検出位置における閾値と比較することである。
図１０は、ＣＭＰプロセス中、部分的に処理されたシリコン基板の具体的画像を示している。この実施例で用いられた基板は、シリコンにより形成され、その一部において銅膜の積層体を含むように加工されている。ＣＭＰプロセス中、残渣金属により所望の導電性経路が形成されるように、銅膜のバルクは除去される。ＣＭＰプロセスの１つの本質的な特徴は、すべての残渣金属を除去することである。図１０は、除去されない領域１０２０をいくつか示している。基板上を通過する任意の１つのセンサの軌跡が、必ずしも、除去されない領域を横断する必要はない。本発明の装置は基板全体を走査するので、ＣＭＰプロセスの状況に対する極めて信頼性の高い評価結果を得ることができる。
膜厚が変化した際に変化するスペクトル反応、および任意の所与の反射光測定に影響を与え得るさまざまな膜積層体に起因して、誘電体膜の積層体を評価することは、より複雑となる。誘電体膜を取り扱う１つの技術は、基板上に存在するある特定の膜積層体を選択し、例えば、既知の最小二乗法を用いて、適合パラメータを計算することにより、所与の上層の膜厚に対して計算された反射光と、測定された反射光を比較することである。計算された反射光による最上層の膜厚を変化させ、最小二乗法で最小値を探すことにより、実際の膜厚を求めることができる。
基板全体に対して数千もの測定値があるので、数多くのオプションが存在する。回転連結器１１０を介して、基板全体用画像形成システム１０５のコンピュータに供給される位置座標情報を用いて、基板１８０上の特定の部位に対して測定を行うことができる。こうした部位を特定のダイ、または極座標マップや４９部位のデカルト座標マップなどのよく知られた測定マップに対応させることができる。本発明の装置を用いた測定方法を用いて、不均一性に関する有意義なプロセス状況特性を求めることができる。こうした測定は、通常では、ＣＭＰステップが完了した後にしか行われないが、ＣＭＰの完了時点において、膜厚に加えて不均一性について評価できるということは、極めて有用である。
本発明により可能なさらなる分析ステップは、基板１８０上の特定の事前設定された領域における残りの膜厚などを有用なプロセスで計測し、ＣＭＰ研磨プロセス中に、こうした計測値をＣＭＰシステムコントローラに送信することである。この機能は、銅膜を研磨するために用いられる場合など、複数ステップのＣＭＰプロセスに対して特に有用である。これらのプロセスは、研磨される金属膜に依存して、異なるスラリを用いるなど、異なるプロセス手法を有する。すなわち、基板全体用画像形成システム１０５を用いて、タンタルなどのバリア膜を露出させる銅などの１つの金属を除去したことを検出することができる。この状況において、基板全体用画像形成システム１０５は、銅膜の除去を測定し、ＣＭＰシステムコントローラにこの除去を通信し、そしてタンタルが研磨されている間、ＣＭＰプロセスをモニタし続ける。
また本発明は、キャリアが１つまたはそれ以上の圧力領域を有し、所与の領域内における圧力が必要に応じて調整される機能を有する場合、フィードバックコントロールシステムの一部としても利用することができる。こうしたフィードバックコントロールシステムを実現するために、ＣＭＰシステムコントローラは、回転連結器１１０を介して、基板全体用画像形成システム１０５に部位の位置情報を送信する。すると、基板全体用画像形成システム１０５は、基板１８０を測定し、部位位置情報と一致する基板１８０上の部位を特定し、回転連結器１１０を介して、所望の部位に対する計量値を通知する。そしてＣＭＰシステムコントローラは、プロセスの機能を改善するために、帯状圧力などのツールパラメータを調整する。基板を研磨している間に、このプロセスを行うことが可能であり、あるいは１つの基板に対する測定値を用いて、次の基板に対する研磨パラメータを調整するように、実行毎モードで適用することもできる。
ステップ８７０は、データを記録するステップと、プロセスが完了したかどうか判断するステップとを含む。プロセスが完了した場合、方法８００は、終了する。ＣＭＰプロセスが完了していなければ、方法８００のロジックは、ステップ８１０に移り、より多くの反射データが収集される。
＜ダイ全体用画像形成システム＞
当業者ならば明らかなように、ＣＭＰプロセス中に、本発明のシステムを用いて基板全体よりも小さい基板の一部に関する画像を形成することができる。これにより、基板１８０を横断する１本またはそれ以上の帯領域（swath）に相当する一連のデータが得られる。帯領域は、検出された基板の一部であって、データ帯領域は、帯領域で得られた光学的データである。この実施形態において、各帯領域は、好適には、少なくとも基板上のダイと同程度の幅を有する。こうした帯領域を分析することにより、個々のダイを特定し、基板１８０の向きを決定することができる。さらに、ダイの各部位を測定して、ＣＭＰシステムコントローラにその測定結果を通知することができる。
ストリートとは、基板１８０上の集積回路間における基板１８０の使用されない部分である。ストリートにより包囲された集積回路は、ダイを構成する。各ダイは、矩形形状を有し、正方形に形成してもよい。平坦なダイは対称的であるが（矩形ダイに対して２重、正方形ダイに対して４重）、集積回路を含むダイは、不均一な視覚的外観として検出される機能部品を有するため、通常、対称性を有さない。
図１１を参照すると、ダイ全体用画像形成システム１０５’は、プラテン１２０に形成されたスリット１３０’を有し、スリット１３０’の長さは基板１８０の直径より短い。スリット１３０内に設けられたファイバアセンブリ１２５’は、回転連結器１１０から延びる半径方向ラインに沿って配置されている。研磨パッド１３５は、基板１８０より小さいウィンドウ１３７’であって、光がファイバアセンブリ１２５’から出射され、基板１８０で反射した後ファイバアセンブリ１２５’で受光されるようなウィンドウ１３７’を有する。図１１に示す他の構成部品は、図１で示したものと同一である。図１２Ａは、スリット１３０内に設けられたファイバアセンブリ１２５’の名目上の位置を示し、通常動作において、ファイバアセンブリ１２５’は、基板１８０の中心の真下またはほぼ真下を通過するように配置されている。それ以外の点において、図１２は図２と同一である。
ファイバアセンブリ１２５’の製造方法は、その全体的長さが基板１８０上のダイの寸法と同程度か、それより多少大きくなるように選択される点を除き、ファイバアセンブリ１２５の製造方法と同じである。１つの実施形態において、ファイバアセンブリ１２５’は、２０ｍｍの長さを有し、これは、約２７本の検出用ファイバの中心間隔が０．７３ｍｍである場合に相当する。ダイ全体用画像形成システム１０５’は、ダイの大きさに依存するが、１０×１０ないし２０×２０の２次元データポイントアレイを構成する。
図１３は、帯領域１３２０を形成するように、保持リング１８２および基板１８０の下方を通る軌跡１３１０に沿って横断するファイバアセンブリ１２５’の実施例を示す。帯領域１３２０は、ファイバアセンブリ１２５’の長さとほぼ等しい横方向寸法１３２５を有する。基板１８０は、さらに数多くの完全なダイ１３３０を含み、同様に部分的なダイ１３４０を含んでいてもよい。ダイ１３３０は、部分的に処理された集積回路と、部分的に処理された集積回路を包囲する基板の未使用部分とを有する。複数のストリート１３５０と横断方向のストリート１３５５は、隣接する集積回路を分離する。
部分ダイ１３４０は、部分的に加工された集積回路の一部であって、隣接するダイの製造を支援するように作用するが、機能はしない。
動作に際して、続けて図１１を参照すると、キャリアアセンブリ１７０に装填された基板１８０が研磨パッド１３５に押圧されると、キャリアアセンブリ１７０が回転軸１５５の周りを回転し、プラテン１２０が回転軸１５０の周りを回転し、スラリが研磨パッド１３５を横断するように流れる。化学的および機械的なプロセスを組み合わせることにより、基板１８０の表面、すなわちダイ１３３０および部分ダイ１３４０から材料物質を侵食する。研磨プロセスが実行されている間、光電子アセンブリ１１５は、システムコントローラ１０８内の可変電源装置により形成された電源制御信号に基づいて、光を生成する。この光は、光イルミネータ束１７４を介してファイバアセンブリ１２５’に到達し、スリット１３０’がウェーハ１８０の下方を通過するとき、ウェーハ１８０に照射される。ファイバアセンブリ１２５’は、ウェーハ１８０で反射した光を受光し、この反射光をセンサ束１７２に導く。光電子アセンブリ１１５は、反射光を受光して、ビデオ信号に変換し、この信号はシステムコントローラ１０８により基板１８０の一部の画像に変換することができる。
図１４に示す方法１４００を用いてデータを分析する。方法１４００は、ステップ８５０の部分を除いて、方法８００と同じである。すなわち、ノッチの位置を特定することにより、基板の向きを決定する代わりに、任意の帯領域がノッチを含むとは限らないので、ステップ８５０をステップ１４５０で置換する必要がある。
ステップ１４５０においては、各検出位置におけるスペクトルデータをクリーンアップするための広く知られた画像処理技術が用いられる。「暗い」反応を削除して、画像が表示領域に収まるように、画像を正確な寸法に合わせ、平滑化技術を用いて、スペクトル分布の凹凸を滑らかにする。１つの一般的な平滑化技術は、２次元画像形成器５８０の各画素のスペクトルデータに対してボックスカー平滑化処理（box-car averaging）を行うことである。金属表面からの反射データに対して、ある特定の平滑化技術によれば、所定の波長範囲におけるすべてのスペクトルデータを平滑化し、このプロセスをすべての検出位置に対して反復する。１つの実施形態では、２次元画像形成器５８０の全体の感度領域を含むように、波長範囲を予め選択する。別の実施形態では、２次元画像形成器５８０の全体の感度領域の一部だけを含むように波長範囲を予め選択する。下部層の干渉効果に起因する反射の変動を極力少なく、あるいは排除するために、こうした技術が用いられる。さらに別の実施形態では、２次元画像形成器５８０の全体の感度領域のごく一部の狭い領域だけを含むように、すなわち単一画素により検出されたように、波長範囲を予め選択する。この実施形態は、単一波長を有する光源を用いた場合に相当する。
ノッチの位置が分からないので、帯領域データを用いてウェーハの向きを特定する。当業者に広く知られたエッジ検出技術を用いて、図１５Ａに示すように、π／２を単位として基板を方向付ける。図１５Ａに示したように、帯領域１３２０の実際の画像は必要でないが、帯領域データにおけるストリート１３５０および横方向のストリート１３５５の向きについては知る必要がある。
基板１８０の向きを決定するために、帯領域１３２０内のダイ１３６０について、光学的な非均一性を調べる。集積回路は均質ではないので、集積回路で反射される光も同様に均質でない。すなわち、ダイ１３６０のある部分で反射される光は、ダイ１３６０の他の部分で反射される光とは相違点を有する。この相違点の１つの例は、一方の部分がより多くの金属ラインを有し、あるいはさまざまな光学的特性および厚みを有する材料で形成されていることに起因して、色の違いが生じる。第２の相違点は、例えば、一方の部分において他方より多くの金属を有することに起因して強度に差異が生じる。こうした強度における差異は、ダイ１３６０の一方の部分において他方と比して吸収が異なることに起因して生じ得る。第３の相違点は、最初の２つの相違点を組み合わせたことにより生じ、例えば、光が相殺されるように干渉し、暗い外観を与えるヌル領域に対応する狭い波長領域における光強度を調べる場合に生じる。反射光を調べる際に選択される波長は、調査する膜積層体の光学的特性に依存し、この波長は研磨プロセス中に変更してもよい。金属層の厚みがほんの数百ナノメートルとなるまで、反射光がほとんど一定であるような金属層を研磨する場合、強度変動が望ましい。
ダイ１３６０内で反射した光を調査する１つの方法は、図１５Ｂに示すように、ダイ１３６０からの光を４分割し、各４分割領域における光強度を比較することである。スポット１３８０として図示されたように、１つの４分割領域が他の４分割領域に比べて明るかったり、暗かったりする場合、基板１８０の向きは独特な手法で決定される。
基板の向きを検出する信頼性を高める１つの方法は、１つ以上のダイを調べることである。１つ以上のダイを調べることにより、同様に、ＣＭＰプロセスの研磨均一性に関する情報を得ることができる。
ファイバアセンブリ１２５’の長さおよびダイ１３６０の大きさ（製造方法により変更する必要があるときは変化し得るが）に依存するが、帯領域１３３０がダイ全体を含むとは限らない。この場合、当業者に知られた技術を用いて、ストリートを検出し、図１５Ｃのスポット１３８２として示すように、ストリートと横断ストリートの交差点を包囲する４分割領域からの反射光を比較することが有用である。ダイ毎の反射パターンは、名目上同じで、スポット１３８２の位置が特定されると、基板の向きが一意的に決定される。この技術によれば、ファイバアセンブリ１２５’の長さをダイ１３６０より長くする必要はない。すなわち、基板１８０の向きを特定するために、ダイ１３６０の全体に関する画像を形成する必要はなく、これにより本発明のフレキシビリティが格段に向上する。この技術によれば、交差点１３７０を特定でき、交差点の周辺部分が十分大きく、その反射光量の差異を検出できる程度に十分な数の検出用ファイバ３２０をファイバアセンブリ１２５’内に配置することだけが要請される。
当業者ならば明らかなように、基板を横断する２つまたはそれ以上の帯領域が検出されるように、ファイバアセンブリ１２５’を１つ以上の領域に形成してもよい。同様に、当業者ならば明らかなように、ファイバアセンブリ１２５’を１つ以上の領域に形成した場合、測定間でキャリア１７０により基板１８０を部分的に回転できるようにするため、各領域を異なる角度でプラテン１２０内に配置し、プラテンが１回転する間の連続的な帯領域が互いにほぼ垂直となるようにする（または必要ならば、互いに対して別の角度となるようにする）。（この実施形態において、追加的なウィンドウ１３７’を研磨パッド１３５に設ける必要がある。）キャリア回転速度は、プラテン回転速度とほとんど同じであることが多いので、ファイバアセンブリ１２５’の第１部分を、ファイバアセンブリ１２５’の第２部分から９０度だけ変位させると、ほとんど垂直な帯領域が形成される。
横断方向の寸法１３２５の長さが十分小さい場合、基板１８０の表面で反射した光を線画像形成分光計１６１１に直接的に導く光学アセンブリ１６４０とセンサ束とを置換することにより、ファイバアセンブリ１２５’を変更することができる。
図１６は、分光計１９０の一部である線画像形成分光計１６１１を示す。線画像形成分光計１６１１は、センサ束１７２をレンズアセンブリ１６４０で置換した点を除き、線画像形成分光計５１１と同じである。線画像形成分光計１６１１は、レンズアセンブリ５６０、回折格子５７０、および２次元画像形成器５８０をさらに有する。線画像分光計１６１１は、次のように動作する。光源１６０からの光は、イルミネータ束１７４を通過し、基板１８０に含まれる膜上に照射される。光がウェーハで反射すると、センサ束１７２で受光される。センサ束１７２は、光をレンズアセンブリ５６０に導き、これは基板１８０上の線に対応する線画像を形成する。線画像は、空間的次元に沿って形成される。この線画像は回折格子５７０を通る。回折格子５７０は、線画像を受光し、その各微少部分を、スペクトル次元に沿って形成された構成波長成分に分けて分析する。１つの実施例において、スペクトル次元は空間次元と直交する。その結果、２次元画像形成器５８０により捕捉された２次元スペクトル線画像が得られる。１つの実施例において、画像形成器はＣＣＤであり、空間次元は水平方向次元であり、スペクトル次元は垂直方向次元である。この実施例において、スリット画像に沿った水平方向のＣＣＤ画素位置におけるスペクトル成分は、ＣＣＤアレイの垂直方向次元に沿って投影される。
本発明の装置は、ダイ内の数多くの反射光測定値を与えるので、ＣＭＰプロセス中に、ダイ内の選択された部位をモニタし、研磨される際の基板１８０の表面における変化に関するさまざまな情報を提供することができる。本発明の装置は、膜厚（誘電性材料を研磨するとき）、基板内の不均一性、ダイ毎の不均一性、および凹みをモニタすることができる。このプロセス情報はすべて、システムコントローラ１０８を介して、ＣＭＰシステムコントローラに送信される。
本発明のさまざまな実施形態を説明してきたが、当業者ならば明らかなように、本発明の範疇に含まれるより多くの実施形態および実施例が実現可能である。
図１は、本発明に係る１つの実施形態によるＣＭＰツール上の基板全体用の画像形成システムを示す。 図２Ａは、１つの実施形態による、研磨中に基板を見るためのスリットを有するプラテン表面を示す。 図２Ｂは、本発明に係る１つの実施形態による基板全体用の画像形成システムの構成部品のレイアウトを概略的に示す。 図３は、１つの実施形態による、ＣＭＰ中に基板を見るためのスリットを有するプラテン内のファイバアセンブリの配列を示す。 図４Ａは、図３のファイバアセンブリの平面図を示す。 図４Ｂは、図３の照明用ファイバおよび検出用ファイバの詳細図である。 図５は、線スキャン分光計の実施形態を示す。 図６Ａは、本発明に係る１つの実施形態による照明用ファイバおよび検出用ファイバのレイアウトを示す。 図６Ｂは、本発明に係る１つの実施形態による照明用ファイバおよび検出用ファイバのレイアウトを示す。 図６Ｃは、本発明に係る１つの実施形態による照明用ファイバおよび検出用ファイバのレイアウトを示す。 図６Ｄは、本発明に係る１つの実施形態による照明用ファイバおよび検出用ファイバのレイアウトを示す。 図６Ｅは、本発明に係る１つの実施形態による照明用ファイバおよび検出用ファイバのレイアウトを示す。 図７Ａは、ファイバアセンブリの択一的な照明用ファイバおよび検出用ファイバのレイアウトを示す。 図７Ｂは、ファイバアセンブリの択一的な照明用ファイバおよび検出用ファイバのレイアウトを示す。 図７Ｃは、ファイバアセンブリの択一的な照明用ファイバおよび検出用ファイバのレイアウトを示す。 図８は、本発明に係る１つの実施形態によるシステムを用いて、スペクトル反射データを収集して、処理する方法を示す。 図９Ａは、本発明に係る装置の動作を示す。 図９Ｂは、本発明に係る装置の動作を示す。 図９Ｃは、本発明に係る装置の動作を示す。 図１０は、ＣＭＰ中の基板の画像を示す。 図１１は、本発明に係るＣＭＰツール上のダイ全体用の画像形成システムを示す。 図１２Ａは、本発明に係る、ＣＭＰプロセス中に基板を見るためのスリットを有するプラテン表面を示す。 図１２Ｂは、本発明に係る１つの実施形態によるダイ全体用の画像形成システムの構成部品のレイアウトを概略的に示す。 図１３は、ダイ寸法を有する光学的アセンブリが基板を横切った際の行程を示す。 図１４は、本発明に係る１つの実施形態によるダイ全体用の画像形成システムを用いて、スペクトル反射データを収集して、処理する方法を示す。 図１５Ａは、本発明を用いて得られたデータの行程を示す。 図１５Ｂは、４分割部分の１つに光学的差異を有するダイを示す。 図１５Ｃは、ストリートと横断ストリートの交差点を示し、隣接するダイの４分割部分において光学的差異を有する。 図１６は、線画像分光計の実施形態を示す。
符号の説明
１００ ＣＭＰツール、１０５ 基板全体用画像形成システム、１０８ システムコントローラ、１１０ 回転連結器、１１５ 光電子アセンブリ、１２０ プラテン、１２２ 作業面、１２５ ファイバアセンブリ、１２７ 活性表面、１３０ スリット、１３５ 研磨パッド、１３７ ウィンドウ（光透過部材）、１５０ プラテン回転軸、１５５ キャリア回転軸、１６０ 光源、１７０ キャリアアセンブリ、１７４ イルネミネータ束、１７６ センサ束、１８０ 基板、１８２ 保持リング、１９０ 分光計、１９２，１９４ 終端、１９５ コントローラ、３１０，３３０ 照明用ファイバ、３２０ 検出用ファイバ、５１１ 線画像分光計、５６０ レンズアセンブリ、５７０ 回折格子、５８０ ２次元画像形成器、６１０，６３０ プレート、６２０ 溝部、１３４０ 部分ダイ、１３５０ ストリート、１３５５ 横断ストリート、１３６０ ダイ、１３８０ スポット、１６１１ 線画像形成分光計、１６４０ 光学アセンブリ。

Claims (51)

  1. 基板用画像形成システムであって、
    基板を保持するキャリアと、
    研磨パッドを保持するプラテンと、
    キャリアに対してプラテンを配置する枠と、
    基板をＣＭＰ処理している間、１つまたはそれ以上の基板の２次元画像を収集し、この２次元画像から、基板を続けてＣＭＰ処理するために有用な基板に関する情報を得る反射画像処理サブシステムと、を備えたことを特徴とするシステム。
  2. 請求項１に記載のシステムであって、
    プラテンを回転させる手段をさらに有することを特徴とするシステム。
  3. 請求項１に記載のシステムであって、
    反射画像処理サブシステムは、複数の１次元の反射画像を捕捉し、この１次元の反射画像から１つまたはそれ以上の基板の２次元画像を得る手段を有することを特徴とするシステム。
  4. 請求項１に記載のシステムであって、
    基板は、パッド接触表面をさらに有することを特徴とするシステム。
  5. 請求項４に記載のシステムであって、
    反射画像処理サブシステムは、パッド接触表面で反射した光から複数の１次元の反射画像を捕捉し、この１次元の反射画像から１つまたはそれ以上の基板の２次元画像を得る手段を有することを特徴とするシステム。
  6. 請求項１に記載のシステムであって、
    １つまたはそれ以上の２次元画像は、スペクトル画像を含むことを特徴とするシステム。
  7. 請求項１に記載のシステムであって、
    １つまたはそれ以上の２次元画像は、データポイントから得られることを特徴とするシステム。
  8. 請求項７に記載のシステムであって、
    データポイントは、実質的に隣接することを特徴とするシステム。
  9. 請求項７に記載のシステムであって、
    データポイントは、実質的に隣接しないことを特徴とするシステム。
  10. 基板用画像形成システムであって、
    パッド接触表面を含む基板を保持するキャリアと、
    研磨パッドを保持するプラテンと、
    開口部および／または光透過性部材が横断する際に、パッド接触表面で反射し、プラテンおよび／または研磨パッド内にある１つまたはそれ以上の光透過性部材を通過した光から、基板のパッド接触表面の少なくとも一部を表す複数の１次元画像を収集し、この１次元画像から、基板を続けて化学機械的処理するために有用な基板に関する情報を与えるフレームデータからなるフレームを得る画像処理サブシステムと、を備えたことを特徴とするシステム。
  11. 請求項１０に記載のシステムであって、
    プラテンを回転させる手段をさらに有することを特徴とするシステム。
  12. 請求項１０に記載のシステムであって、
    １次元画像は線画像を含むことを特徴とするシステム。
  13. 請求項１０に記載のシステムであって、
    画像処理サブシステムは、
    光源と、
    光源からプラテン内のスリットへ光を搬送するための光ファイバの第１の束と、
    パッド接触表面で反射した光を、１次元画像の空間成分を各波長成分に分割するための波長分散素子へ搬送するための光ファイバの第２の束と、を有することを特徴とするシステム。
  14. 請求項１３に記載のシステムであって、
    画像処理サブシステムは、
    空間次元およびスペクトル次元を含み、波長分散素子からの分割された光を受光して、それぞれの１次元画像に対する２次元収集データと、空間次元を含む収集データの第１次元と、スペクトル次元を含む収集データの第２次元とを提供する２次元画像形成器と、
    複数の２次元収集データからフレームを得るためのプロセッサと、を有することを特徴とするシステム。
  15. 請求項１３に記載のシステムであって、
    第１および第２の束の光ファイバは、プラテンの下側に配設されるファイバアセンブリ部材内に配置された終端部を有することを特徴とするシステム。
  16. 請求項１５に記載のシステムであって、
    光ファイバの終端部は、第１の束の光ファイバの終端部が第１および第２の列を構成し、第２の束の光ファイバの終端部が、第１および第２の列の間に配置された第３の列を構成するように形成されていることを特徴とするシステム。
  17. 基板全体用画像形成システムであって、
    最大平面寸法を有するパッド接触表面を含む基板を保持するキャリアと、
    半径を有し、研磨パッドを保持するプラテンと、
    このプラテンは、基板の最大平面寸法と等しいか、それ以上の長さを有する、実質的にプラテン半径に沿って配置されたスリットを含み、
    研磨パッドは、スリットの周りに配置された光透過性部材を含み、
    基板のパッド接触表面が研磨パッドと接触し、パッド接触表面がプラテンに対して移動するときスリットを実質的に完全に横断するように、キャリアに対して動作可能にプラテンを配置する枠と、
    パッド接触表面がスリットを横断する間に、基板のパッド接触表面で反射し、光透過性部材およびスリットを通過した光から、基板のパッド接触表面の実質的に全体を表す複数の１次元画像を収集し、この１次元画像から、基板を続けて化学機械的処理するために有用なフレームデータからなるフレームを得る画像処理サブシステムと、を備えたことを特徴とするシステム。
  18. 請求項１７に記載のシステムであって、
    プラテンを回転させる手段をさらに有することを特徴とするシステム。
  19. 請求項１７に記載のシステムであって、
    １次元画像は線画像を含むことを特徴とするシステム。
  20. 請求項１７に記載のシステムであって、
    画像処理サブシステムは、
    光源と、
    光源からプラテン内のスリットへ光を搬送するための光ファイバの第１の束と、
    パッド接触表面で反射した光を、１次元画像の空間成分を各波長成分に分割するための波長分散素子へ搬送するための光ファイバの第２の束と、を有することを特徴とするシステム。
  21. 請求項２０に記載のシステムであって、
    空間次元およびスペクトル次元を含み、波長分散素子からの分割された光を受光して、それぞれの１次元画像に対する２次元収集データと、空間次元を含む収集データの第１次元と、スペクトル次元を含む収集データの第２次元とを提供する２次元画像形成器と、
    複数の２次元収集データからフレームを得るためのプロセッサと、を有することを特徴とするシステム。
  22. 請求項２０に記載のシステムであって、
    第１および第２の束の光ファイバは、プラテンの下側に配設されるファイバアセンブリ部材内に配置された終端部を有することを特徴とするシステム。
  23. 請求項２２に記載のシステムであって、
    光ファイバの終端部は、第１の束の光ファイバの終端部が第１および第２の列を構成し、第２の束の光ファイバの終端部が、第１および第２の列の間に配置された第３の列を構成するように形成されていることを特徴とするシステム。
  24. ダイ全体用画像形成システムであって、
    基板を保持するキャリアと、
    この基板は、ダイを構成し、最大平面寸法を有するパッド接触表面を含み、
    半径を有し、研磨パッドを保持する回転プラテンと、
    このプラテンは、ダイの最大平面寸法とほぼ等しい長さを有し、実質的にプラテン半径に沿って配置されたスリットを含み、
    研磨パッドは、スリットの周りに配置された光透過性部材を含み、
    基板のパッド接触表面が研磨パッドと接触し、プラテンが１回転するときスリットを実質的に完全に横断するように、キャリアに対して動作可能に回転プラテンを配置する枠と、
    パッド接触表面がスリットを横断する間に、基板のパッド接触表面で反射し、光透過性部材およびスリットを通過した光から、ダイのパッド接触表面の実質的に全体を表す複数の１次元画像を収集し、この１次元画像から、基板を続けて化学機械的処理するために有用なフレームデータからなるフレームを得る画像処理サブシステムと、を備えたことを特徴とするシステム。
  25. 請求項２４に記載のシステムであって、
    １次元画像は線画像を含むことを特徴とするシステム。
  26. 請求項２４に記載のシステムであって、
    画像処理サブシステムは、
    光源と、
    光源からプラテン内のスリットへ光を搬送するための光ファイバの第１の束と、
    パッド接触表面で反射した光を、１次元画像の空間成分を各波長成分に分割するための波長分散素子へ搬送するための光ファイバの第２の束と、を有することを特徴とするシステム。
  27. 請求項２６に記載のシステムであって、
    空間次元およびスペクトル次元を含み、波長分散素子からの分割された光を受光して、それぞれの１次元画像に対する２次元収集データと、空間次元を含む収集データの第１次元と、スペクトル次元を含む収集データの第２次元とを提供する２次元画像形成器と、
    複数の２次元収集データからフレームを得るためのプロセッサと、を有することを特徴とするシステム。
  28. 請求項２６に記載のシステムであって、
    第１および第２の束の光ファイバは、プラテンの下側に配設されるファイバアセンブリ部材内に配置された終端部を有することを特徴とするシステム。
  29. 請求項２８に記載のシステムであって、
    光ファイバの終端部は、第１の束の光ファイバの終端部が第１および第２の列を構成し、第２の束の光ファイバの終端部が、第１および第２の列の間に配置された第３の列を構成するように形成されていることを特徴とするシステム。
  30. ＣＭＰ中において基板の画像を形成するためのシステムであって、
    パッド接触表面を含む基板を保持するキャリアと、
    研磨パッドを保持する回転プラテンと、
    キャリアに対して動作可能に回転プラテンを配置する枠と、
    開口部および／または光透過性部材が横断する間に、パッド接触表面で反射し、プラテンおよび／または研磨パッド内の１つまたはそれ以上の光透過性部材を通過した光から、基板のパッド接触表面の少なくとも一部を表す複数のデータポイントを収集し、このデータポイントから、基板の一部に関する１つまたはそれ以上の１次元反射画像を得る画像処理サブシステムと、を備え、
    データポイント空間は、基板が動く方向とは実質的に平行でない方向に配置されたデータ収集位置アレイにより特定されることを特徴とするシステム。
  31. 請求項３０に記載のシステムであって、
    １つまたはそれ以上の画像を得るために用いられるデータポイントは、実質的に隣接することを特徴とするシステム。
  32. 請求項３１に記載のシステムであって、
    １つまたはそれ以上の画像を得るために用いられるデータポイントは、実質的に隣接しないことを特徴とするシステム。
  33. 請求項３０，３１，または３２に記載のシステムであって、
    １つまたはそれ以上の画像は、スペクトル画像であることを特徴とするシステム。
  34. 請求項３０に記載のシステムであって、
    画像処理サブシステムは、基板の２次元画像を形成するために、複数の１次元画像を統合し、
    ２次元画像は、基板を続けて化学機械的処理するために有用な基板に関する情報を提供することを特徴とするシステム。
  35. 請求項３４に記載のシステムであって、
    画像処理サブシステムは、基板の少なくとも一部に関する１つまたはそれ以上の２次元画像を形成することを特徴とするシステム。
  36. 請求項３５に記載のシステムであって、
    １つまたはそれ以上の画像を得るために用いられるデータポイントは、実質的に隣接していることを特徴とするシステム。
  37. 請求項３５に記載のシステムであって、
    １つまたはそれ以上の画像を得るために用いられるデータポイントは、実質的に隣接していないことを特徴とするシステム。
  38. 請求項３６または３７に記載のシステムであって、
    １つまたはそれ以上の２次元画像は、スペクトル画像であることを特徴とするシステム。
  39. 半導体基板を研磨するための方法であって、
    ＣＭＰ中において、基板に関する１つまたはそれ以上の２次元画像を収集するステップと、
    この２次元画像データから、基板を続けて化学機械的処理するために有用な基板に関する情報を求めるステップと、を有することを特徴とする方法。
  40. 請求項３９に記載の方法であって、
    求められた情報は、１つまたはそれ以上の画像を再構成するのに適したフレームデータを含むことを特徴とする方法。
  41. 請求項３９に記載の方法であって、
    ２次元画像のそれぞれは、複数の１次元画像を含み、
    この１次元画像のそれぞれは、基板の異なる部分で反射した画像であることを特徴とする方法。
  42. 請求項３９に記載の方法であって、
    １つまたはそれ以上の２次元画像は、スペクトル画像を含むことを特徴とする方法。
  43. 基板の画像形成方法であって、
    パッド接触表面を含む基板を保持するステップと、
    １つまたはそれ以上の光透過性部材を含むプラテンに研磨パッドを固定するステップと、
    パッド接触表面が研磨パッドに接触し、プラテンが１回転する間に１つまたはそれ以上の光透過性部材を実質的に完全に横断するように、パッド接触表面に対して回転プラテンを動作可能に配置するステップと、
    パッド接触表面が光透過性部材を通過する間に、パッド接触表面で反射し、１つまたはそれ以上の光透過性部材を通過した光から、パッド接触表面の少なくとも一部を表す複数の１次元画像を収集するステップと、
    この１次元画像から、基板を続けて化学機械的処理するために有用なフレームデータからなるフレームを求めるステップと、を有することを特徴とする方法。
  44. 請求項４３に記載の方法であって、
    プラテンは、回転プラテンを含むことを特徴とする方法。
  45. 請求項４３に記載の方法であって、
    収集ステップは、
    光源からの光をプラテン内の光透過性部材へ導くサブステップと、
    パッド接触表面で反射した光を波長分散素子へ導くサブステップと、
    １次元画像の空間成分を各波長成分に分割するサブステップと、を有することを特徴とする方法。
  46. 請求項４４に記載の方法であって、
    収集ステップは、
    空間次元およびスペクトル次元を含む２次元画像形成器において、波長分散素子からの分割された光を受光するサブステップと、それぞれの１次元画像に対する２次元収集データと、空間次元を含む収集データの第１次元と、スペクトル次元を含む収集データの第２次元とを提供するサブステップと、を有することを特徴とするシステム。
  47. 請求項４６に記載の方法であって、
    フレームを求めるステップは、複数の２次元収集データからフレームを求めるステップを有することを特徴とするシステム。
  48. ＣＭＰ中に基板の２次元画像を収集するための方法であって、
    最大平面寸法を有するパッド接触表面を含む基板を保持するステップと、
    回転プラテンに研磨パッドを固定するステップと、
    このプラテンは、半径を含み、実質的にこれに沿った、基板の最大平面寸法と等しいか、それ以上の長さを有するスリットを含み、さらにスリットの周囲に配置された光透過性部材を含み、
    基板のパッド接触表面が研磨パッドに接触し、プラテンが１回転する間にスリットを実質的に完全に横断するように、パッド接触表面に対して回転プラテンを動作可能に配置するステップと、
    パッド接触表面がスリットを通過する間に、パッド接触表面で反射し、光透過性部材を通過した光から、基板のパッド接触表面の実質的に全体を表す複数の１次元画像を収集するステップと、
    この１次元画像から、基板を続けて化学機械的処理するために有用な基板に関する情報を与えるフレームデータを求めるステップと、を有することを特徴とする方法。
  49. 請求項４８に記載の方法であって、
    収集ステップは、
    光源からの光をプラテン内のスリットへ導くサブステップと、
    パッド接触表面で反射した光を波長分散素子へ導くサブステップと、
    １次元画像の空間成分を各波長成分に分割するサブステップと、を有することを特徴とする方法。
  50. 請求項４４に記載の方法であって、
    収集ステップは、
    空間次元およびスペクトル次元を含む２次元画像形成器において、波長分散素子からの分割された光を受光するサブステップと、それぞれの１次元画像に対する２次元収集データと、空間次元を含む収集データの第１次元と、スペクトル次元を含む収集データの第２次元とを提供するサブステップと、を有することを特徴とするシステム。
  51. 請求項５０に記載の方法であって、
    フレームを求めるステップは、複数の２次元収集データからフレームを求めるステップを有することを特徴とするシステム。

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Effective date: 20091020