JP2011530418A - 計量フィードバックに基づくパッドプロファイルの閉ループ制御 - Google Patents

Abstract

化学的機械研磨装置は、半導体ウェーハが処理されて研磨パッドの厚さが低減するにつれて研磨パッドの厚さを検出する計量システムを含む。この化学的機械研磨装置は、研磨表面のうち研磨パッドの隣接する領域より高い領域または低い領域が検出されたときに調節ディスクの材料除去速度を調整する制御装置を含む。

Description

関連出願の相互参照
このＰＣＴ出願は、２００９年８月７日出願の米国特許出願第１２／１８７，６７５号、ＣＬＯＳＥＤ ＬＯＯＰ ＣＯＮＴＲＯＬ ＯＦ ＰＡＤ ＰＲＯＦＩＬＥ ＢＡＳＥＤ ＯＮ ＭＥＴＲＯＬＯＧＹ ＦＥＥＤＢＡＣＫに対する優先権を主張する。米国特許出願第１２／１８７，６７５号を、参照として本明細書に組み込む。

本発明は、半導体デバイスを製造するために化学的機械研磨（ＣＭＰ）で使用される研磨パッドを調節する方法および装置に関する。

従来のＣＭＰ機は、回転式の研磨パッド、結合されたウェーハキャリア、および調節ディスクを含む。ＣＭＰ処理中、流体中に研削粒子を入れた液体スラリーを回転式の研磨パッド上へ流し込み、ウェーハキャリア上に半導体ウェーハを配置する。ウェーハキャリアは、ウェーハをスラリーおよび回転式の研磨パッドに押し付け、一方キャリアアームが、研磨パッドの幅全体にわたってウェーハを移動させる。スラリーとの化学反応、および研削粒子との接触による物理的浸食により、ウェーハから材料が除去され、あらゆる不規則なトポグラフィが平らになり、露出したウェーハ表面が平面になる。調節ディスクは通常、研磨パッドに対して移動および回転するダイヤモンド研削表面を含む。調節ディスクは、ウェーハから除去された粒子が研磨表面上に蓄積するのを防ぎ、研磨パッドの均一な研削特徴を維持する。

ウェーハが処理されるにつれて研磨パッドも摩耗し、最終的には交換しなければならない。ＣＭＰプロセスに伴う問題は、ウェーハ処理中にパッドの研磨表面が凸凹になる可能性があることである。凸凹した研磨表面は、ウェーハを正しく研磨することができず、その結果、凸凹したまたは欠陥のあるウェーハ処理をもたらすことがある。したがって、研磨表面の均一性を監視してＣＭＰ研磨パッドの凸凹した摩耗を防止するＣＭＰシステムの制御システムが必要とされている。

本発明は、研磨パッドの研磨表面の均一性を維持するシステムおよび方法を対象とする。このシステムは、回転式の研磨パッド、ウェーハキャリア、調節ディスク、計量システム、および閉ループ制御システムを含む。ウェーハキャリアは、研削スラリーで被覆された回転式の研磨パッドに対してウェーハを保持する。キャリアは、研磨パッドの幅全体にわたってウェーハを回転および移動させる。ウェーハから材料が除去されるにつれて、ウェーハは研磨されて滑らかで平坦な表面になる。ＣＭＰ処理中、調節ディスクもまた、研磨パッドの幅全体にわたって移動する。調節ディスクは、研磨パッドの上を移動して研磨パッドからウェーハ粒子を落とす多くの小さいダイヤモンドを含む研削表面を有することが好ましい。研磨パッドの厚さは、ＣＭＰ処理中、計量システムによって監視される。

計量システムは、研磨パッドの上に固定の距離で距離センサを配置して距離測定を行うことによって、研磨表面のすべての領域の厚さを検出することができる。厚さは、センサと研磨パッドの底面の間の既知の距離から距離測定を引くことによって求めることができる。このシステムは、厚さ測定を記憶し、この情報を使用して研磨パッドのプロファイルまたは厚さマップを作製することができる。研磨パッドの何らかの凸凹した領域が検出された場合、制御システムは、調節ディスクを制御して、研磨パッドの凸凹した領域に対する材料除去速度を調整する。

研磨パッドの測定を使用して、研磨パッドのプロファイル描写図を作ることができる。プロファイルは、研磨パッドの横断面図に似ており、垂直軸が研磨パッドの厚さのばらつきを表し、水平軸が研磨パッドの幅全体にわたって径方向位置を表す。研磨パッドがその中心の周りを回転するため、ディスクは、径方向のパターンで摩耗する傾向がある。研磨パッド全体にわたって各径方向位置の厚さを知ることによって、研磨表面全体に対するトポグラフィを予測することができる。

対照的に、厚さマップは、研磨パッドの領域全体に対する厚さ測定を提供する。厚さマップを作製するために、研磨パッド表面を、座標系によって画定された多くの別個の領域に分割することができる。一実施形態では、極座標系を使用して、回転および径方向の座標によって研磨パッドの各領域を画定する。次いでこのシステムは、厚さ測定を径方向および回転位置と相関させることによって、研磨パッドに対する厚さマップを作製することができる。厚さマップは、色または暗さのコントラストを利用して、研磨パッドの厚い領域と薄い領域を区別することができる。厚さマップは、研磨パッドの周囲で円形に延びていない凸凹した表面を識別することができる。

研磨パッドの厚さを検出するために使用されるセンサは、研磨パッドの上に様々な形で構成することができる。一実施形態では、研磨パッドの上を固定のトラックに沿って摺動する可動キャリッジなどの可動構造に、１つまたは複数の距離センサを取り付けることができる。別法として、これらのセンサは、研磨パッドの幅にわたってセンサを移動させるアームに取り付けることができる。さらに別の実施形態では、複数のセンサを固定して取り付けることができ、各センサは研磨パッドの異なる径方向位置の上に配置される。これらのセンサは、レーザ、クロマティック白色光、誘導、ＣＥＴＲパッドプローブ、超音波などを含むことができる。研磨パッドの厚さ測定は、ウェーハ処理間にエクスシトゥ（ｅｘ−ｓｉｔｕ）で、またはウェーハ処理中にインシトゥ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で行うことができる。研磨パッドが回転するため、パッドのすべての領域を、センサ下に、またはセンサの検出範囲内に移動させることができる。

システムは、厚さ測定データを分析して、研磨パッドの摩耗速度が均等であるかどうか、またはパッドの何らかの不均一な領域が存在するかどうかを判断することができる。研磨パッドの高い領域または低い領域が検出された場合、システムは、調節ディスクを制御して欠陥を補正することができる。制御装置は、材料除去速度を増大させて高い領域の厚さを低減させることができる。研磨パッドに対して調節ディスク上により大きい圧縮力を印加すること、調節ディスクの回転速度を増大させること、そして調節ディスクが研磨パッドの高い領域の上に配置される時間を増大させることを含めて、材料除去速度を増大させる様々な方法がある。逆に、システムが研磨パッドの低い領域を検出した場合、システムは、研磨パッドの低い領域の上で調節ディスクの圧縮を低減させること、調節ディスクの回転速度を低減させること、または調節ディスクが低い領域の上に配置される時間を低減させることによって、材料除去速度を低減させることができる。

研磨パッド表面のばらつきが定量化されるため、補正作用は、研磨パッドの厚さのばらつきのレベルに比例することができる。たとえば、材料除去速度を大きく増大させて、研磨表面内で検出された大きい突起を低減させることができる。システムは、突起がより小さくなっていることを検出するにつれて、それに比例して材料除去速度を低減させることができる。

一実施形態では、調節ディスクは、調節ディスクによって研磨パッドに印加される力を検出するセンサを含むことができる。センサは、研磨パッドに対する調節ディスクの圧縮を検出する力変換器とすることができる。別の実施形態では、センサは、調節ディスクモータによって調節ディスクに印加されるトルクを検出するトルク変換器とすることができる。システムは、研磨パッドの正常な領域の上で調節ディスクに印加される圧縮力またはトルクを一定に維持することができ、また研磨パッドの凸凹した領域の上で調節ディスクに印加される力のばらつきを検出することができる。

研磨パッドの厚さが最小であることが検出されたとき、システムは寿命信号を作製し、研磨パッドを交換することができる。システムはまた、研磨表面の厚さのばらつきが修理できないほどになったときを検出し、寿命信号を発することができる。本発明のシステムは、均一の研磨パッド表面を維持するため、研磨パッドの寿命が延び、したがって各研磨パッドを使用して、最大数のウェーハを正しく処理することができる。

ＣＭＰシステムの上面図である。 固定のセンサトラックを有するＣＭＰシステムの一実施形態を示す図である。 可動センサアームを有するＣＭＰシステムの一実施形態を示す図である。 固定のセンサを有するＣＭＰシステムの一実施形態を示す図である。 例示的な検出されたパッドプロファイルを示す図である。 例示的なパッド厚さマップを示す図である。 ＣＭＰ制御システムのブロック図である。 溝をもつ研磨パッドの断面図である。 調節ディスクアームの一実施形態を示す図である。

本発明は、ＣＭＰ処理中に研磨パッドの均一の厚さを維持する改善された装置および方法を対象とする。本発明のシステムは、ＣＭＰ研磨パッドの厚さを監視して、調節パッドの調整を行い、均一の研磨パッドの厚さを維持する。図１を参照すると、本発明のＣＭＰシステムは、回転式の円形研磨パッド１０５、ウェーハキャリア機構１１１、調節ディスク１１７、および研磨パッド計量システム１２１を含む。ＣＭＰ処理中、スラリー分配機構１２５によって研磨パッド１０５上へ研削スラリーを流し込む。ウェーハキャリア機構１１１は、スラリーの上で、回転式の研磨パッド１０５の幅全体にわたってウェーハを回転および移動させる。調節ディスク１１７は、研磨パッド１０５に接触して研磨表面からウェーハ粒子を除去する研削表面を含む。調節ディスク１１７を研磨パッド１０５に押し付けて、研磨パッド１０５の幅全体にわたって前後に掃引する。

研磨パッド計量システムは、１つまたは複数のセンサ１２１を含み、センサ１２１は、センサ１２１から研磨パッド１０５の上部表面までの距離を検出する。研磨パッドの厚さは、センサ１２１と研磨パッド１０５の底面の間の既知の距離から測定された距離を引くことによって計算される。センサ１２１は、研磨パッド１０５の幅全体にわたって徐々に増える径方向位置で測定を行うように構成することができる。新しい研磨パッド１０５は、均一の厚さおよび平面の上部表面を有する。研磨パッド１０５が摩耗するにつれて、パッド１０５の厚さは低減する。センサと研磨パッド１０５の上部表面の間の距離の変化を測定することによって、システムは、研磨パッド１０５の厚さのばらつきを検出することができる。

センサは、様々な異なる形で研磨パッドの厚さを検出することができる。図２を参照すると、一実施形態では、ＣＭＰ研磨パッド１０５の上で固定の垂直距離で取り付けられた固定のトラック１３１に、１つまたは複数のセンサが取り付けられる。センサ１２１は、研磨パッドの上面までの垂直距離を測定することができる。センサ１２１は、研磨パッド１０５の幅または半径全体にわたってトラック１３１上を移動させることができ、徐々に増える径方向位置で、垂直測定を行うことができる。このシステムはまた、研磨パッドの回転位置を提供する回転検出器１３３を含むことができ、したがって各測定では、関連する径方向と回転の位置を有することができる。

図３を参照すると、一実施形態では、センサ１２１は、研磨パッド１０５の幅全体にわたってセンサ１２１を移動させる可動アーム１３５の構造に結合させることができる。可動アーム１３５は、研磨パッド１０５に対して直角な垂直枢動軸１３７の周りを回転することができ、したがってセンサ１２１は、アーム１３５の位置にかかわらず、常に同じ垂直距離のところに位置する。可動アーム１３５の長さは、研磨パッド１０５の半径全体にわたってセンサ１２１を移動させるのに十分なほど長くしなければならない。回転式の研磨パッド１０５の幅または半径全体にわたってセンサ１２１を移動させることによって、研磨パッドのすべての領域の厚さを測定することができる。

図４を参照すると、研磨パッド１０５の半径または直径全体にわたって、複数のセンサ１２１を固定して取り付けることができる。各センサ１２１は、研磨パッド１０５の異なる径方向位置の上でビーム１４４に取り付けることができる。多くのセンサ１２１が存在するため、センサ１２１を移動させることなく、それぞれが同時に距離測定を行うことができる。センサ１２１は移動機構に結合されていないため、センサ１２１の移動のために位置誤りが生じる可能性は低い。一実施形態では、各センサ１２１が研磨パッド１０５の上で異なる径方向位置を有するように、センサ１２１を互い違いに取り付けることができる。研磨パッド１０５が回転すると、システムは厚さ測定を行うことができ、したがって、研磨パッド１０５のすべての領域に対する厚さを記録することができる。

本発明の研磨パッド計量システムは、研磨パッドプロファイル、研磨パッドトポグラフィ、溝の深さなどを含めて、研磨パッド表面の様々なフィーチャを測定するように構成することができる。システムがパッドプロファイルを測定するように構成されるとき、研磨パッド全体にわたる径方向位置に対する厚さが測定される。これらの測定を平均して、研磨パッドのそれぞれの同心円状の円形領域の厚さを求めることができる。研磨パッドの幅全体にわたる平均の厚さ測定をすべて組み合わせることによって、研磨パッドプロファイル図が生成される。研磨パッドは回転するため、回転中心の周囲で円形のパターンで摩耗し、プロファイル厚さ測定は、研磨パッド全体を精密に表す。ウェーハ処理中のパッドプロファイルの変化を監視することによって、研磨パッド表面の欠陥を検出することができる。

図５を参照して、例示的なパッドプロファイルを示す。厚さのばらつきをはっきりと示すために、垂直軸の長さの尺度は、水平軸の尺度より実質上大きい。研磨パッドが新しいとき、パッドは完全な厚さであり、パッドプロファイルは、水平線２０１で表すように均一である。パッドが摩耗するにつれて、パッドの厚さが低減し、研磨パッドの幅全体にわたって厚さのばらつきが見えるようになる。この例では、研磨パッドの厚さは、中心１９１および外径１９５で上昇している。それは、これらの領域を使用してウェーハを研磨することができないためである。研磨パッドの中間領域１９９は外径１９５より薄く、中心の方へ傾斜している。ウェーハキャリアは、研磨パッドに対してウェーハを平坦に保つジンバル機構を含むため、中間領域１９９内の滑らかな傾斜した研磨表面がＣＭＰウェーハ処理にとって有害になることはないであろう。しかし、研磨パッドプロファイルはまた、外径１９５に近接した領域で窪み１９３の欠陥を示す。窪み１９３は、隣接する領域と同じ圧力ではウェーハに接触しない領域であるため、この欠陥の結果、研磨が凸凹になり、処理されるウェーハに潜在的な損傷をもたらす可能性がある。パッドプロファイルを図で示すことによって、システムまたは操作者は、パッドの研磨表面内の欠陥を検出することができる。好ましい実施形態では、システムは、窪み１９３を検出し、調節パッドの制御を調整してこの領域であらゆる追加の摩耗を低減させる。研磨パッドの隣接する領域の厚さが低減するにつれて、窪みは除去され、その結果、研磨表面は均一になる。

他の実施形態では、システムは、研磨パッドのすべての領域に対する厚さを検出することができる。次いで、研磨パッド全体に対する厚さを、Ｘ，Ｙ座標系または極座標系などの格子でマッピングすることができる。座標系を使用することによって、研磨パッドのすべての領域に対する個々の厚さ測定を厚さマップ上に示すことができる。図６を参照すると、研磨パッド全体に対する厚さマップ１６１をＸ，Ｙ座標格子上に示す。研磨パッドの厚さは、研磨パッドの領域の色または暗さのばらつきで表すことができる。この例では、より暗い陰影が研磨パッドの厚みの大きな領域を表し、より明るい陰影が厚みの小さい領域を表す。外縁部１６３および研磨パッドの中心１６５は、中間領域１６７より暗くかつ厚い。

この例では、研磨パッドの欠陥領域１６９を示す。欠陥領域１６９は隣接する領域より明るく、これは、欠陥領域１６９が隣接する領域より薄いことを示す。領域１６９は、研磨パッドの周囲をずっと延びているわけではないため、このタイプの欠陥は、上記のプロファイル研磨パッド検出システムでは検出されないことがある。

別の実施形態では、計量システムを使用して、研磨パッド内の溝の深さを測定することもできる。ＣＭＰ研磨パッド内の溝は通常、異なる径方向位置のところに隔置された同心円状の円のパターンである。別法として、溝は、研磨パッドの中心に対して螺旋状のパターンまたは何らかの他のパターンを有することができる。これらの溝は、ＣＭＰ処理中にスラリーが溜まる場所を提供する。溝の深さを測定することによって、溝に隣接している研磨パッドの厚さを求めることができる。図７を参照すると、点線１９６が、新しい研磨パッドの上部表面の断面を表し、下部の実線１９５が、摩耗した研磨パッドの上部表面を表す。研磨パッドが新しいとき、点線１９６と溝の基底１９７の間の距離はすべて同じである。研磨パッドがウェーハを処理するにつれて、研磨パッドの上部表面から材料が除去され、実線１９５から溝の基底１９７までの距離が異なってくる。溝は研磨パッドの幅全体にわたって延びることができるため、溝の深さのばらつきは、厚さが凸凹した領域であることを示すことができる。

研磨パッドの厚さ測定は、ウェーハ処理間にエクスシトゥおよび／またはウェーハ処理中にインシトゥで行うことができる。研磨パッドは数百個のウェーハを処理することができるため、ウェーハ間のパッドの厚さの測定は実際に役に立つことができる。エクスシトゥ測定の場合、研磨パッドからスラリーを除去してから厚さを測定することができる。これにより、システムは、研磨パッド上のスラリー層による厚さ測定の干渉または誤りを回避することができる。研磨パッドは、厚さ測定が行われる間、静止して保持することができ、次いで、研磨パッドのすべての領域が測定されるように回転させることができる。別法として、研磨パッドが回転している間に厚さ測定を行うこともできる。システムが研磨パッドの回転位置を検出するため、極座標系が、厚さ測定に関連する研磨パッドの個々の領域を画定する好ましい手段となることができる。

他の実施形態では、センサ（複数可）は、静止した研磨パッドの厚さのばらつきを測定する。これらのセンサは、１つまたは複数の厚さを記録し、次いで新しい位置へ移動して停止し、追加の厚さを測定することができる。研磨パッド全体または研磨パッドの代表的な領域の厚さは、順次測定することができる。この実施形態では、センサは、研磨パッドの厚さ測定をＸ，Ｙ位置座標と関連付けることができる。

研磨パッドの厚さがインシトゥで測定される場合、厚さ測定は、スラリー層を通って行われる。これらの実施形態では、センサ読取りは、スラリーの影響を受けないであろう。研磨パッドが上に取り付けられた大皿は、研磨パッドに対する回転位置を提供する回転センサを有することができる。研磨パッドが回転するにつれて、システムは、パッドの回転位置、ならびにセンサ（複数可）の径方向位置を検出することができる。次いでシステムは、研磨パッドの径方向および回転座標を厚さ測定と関連付けることができる。図１を参照すると、スラリーの影響を最小にするために、計量システム１２１は、スラリー分配機構１２５に隣接して上流位置に配置することができる。したがって、ウェーハキャリア１１１と調節ディスク１１７の両方によってスラリーを分散させてから、計量システム１２１によって研磨パッド１０５の厚さを検出する。

図８を参照して、閉ループ制御システムのブロック図を示す。パッド計量システム１７１の研磨パッド厚さセンサは、研磨パッドの厚さ測定を監視するプロセス制御装置１７３に結合される。厚さ測定に基づいて、制御装置１７３は、研磨パッドのうち厚さが均一でない領域に対して、調節パッド１７５の材料除去速度を調整することができる。計量システム１７１は、調節ディスクによって欠陥領域が補正されると、厚さの補正を検出することができる。

論じたように、システムは、エクスシトゥおよびインシトゥ動作モードで使用することができる。エクスシトゥ動作では、研磨パッドの厚さは、ウェーハ処理間に計量システム１７１によって測定することができる。制御装置１７３は、次のウェーハの処理中に欠陥領域の上の材料除去速度を調整することによって、研磨パッド１７５内の欠陥領域に関する情報に応答することができる。厚さの欠陥が補正されると、計量システムは補正を検出し、制御装置１７３は、調節パッド１７５を制御して、研磨パッド全体にわたってより均一な材料除去を実行する。

インシトゥモードでは、計量システム１７１は、ＣＭＰ処理中に研磨パッドの厚さを測定し、あらゆる厚さのばらつきをすぐに検出する。制御装置１７３は、調節ディスク１７５によって材料除去速度を調整することによって応答することができる。調節ディスク１７５が欠陥領域を補正すると、計量システム１７１は補正を感知し、制御装置１７３は、調節ディスク１７５の補正作用を低減させる。計量システム１７１からのフィードバックに加えて、システムはまた、調節ディスク１７５に結合された力センサからのフィードバックを利用することができる。力センサを監視することによって、制御システムは、調節ディスク１７５によって研磨パッド上の欠陥の物理的処理が変更されたことを検出することができる。

様々な研磨パッドの厚さ検出方法が可能である。たとえば、一実施形態では、システムは、複数の厚さ測定の読取りを行って、より高い読取りおよびより低い読取りを捨て、残りの読取りを平均することができる。したがって、センサ検出におけるあらゆる個々の測定誤りを、システムから除去することができる。研磨パッドの表面が完全に滑らかではないため、多くの測定の平均により、パッドの厚さをより精密に示すことができる。論じたように、システムは、厚さ測定を、研磨パッド上の半径位置、または研磨パッドの対応する測定された領域を示す任意の他の情報と関連付けることができる。

論じたように、システムはまた、厚さ情報を使用して、研磨表面のトポグラフィを図示すること、および／または厚さマップを作ることができる。研磨パッドのこれらの描写図は、ＣＭＰ処理が行われているとき、リアルタイムで表示することができる。一実施形態では、システムは、研磨パッドプロファイルまたは厚さマップのデータベース１７７に結合させることができる。この情報を使用して、ＣＭＰ処理を最適化し、処理性能に対する同等の標準として機能することができる。システムは、研磨パッドに対するプロファイルまたは厚さマップを、以前の研磨パッドデータのデータベースと比較することができる。たとえば、システムは、処理してきた複数のウェーハに対する累積的かつ最適の研磨パッドプロファイルまたは厚さマップを記憶することができる。したがって、特有の数のウェーハを処理したパッドに対する正常の研磨パッドプロファイルを求めることができる。研磨パッドとデータベース１７７から予期される厚さとの間で著しい差が検出された場合、システムは、異常が検出され、潜在的な処理誤りが発生している可能性があることを示す信号を発することができる。

研磨パッドの厚さのばらつきの位置を知ることによって、制御装置は、ＣＭＰ処理の調整を行って、研磨パッドを最適化し、研磨パッドの寿命を延ばすことができる。一実施形態では、制御装置を使用し、調節ディスクに対して異なる制御信号を適用することによって、調節ディスクの動作を制御して、研磨パッド内のあらゆるむらを補償する。たとえば、研磨パッドの高い領域が識別された場合、システムは調節ディスクに、研磨パッドの高い領域からより多くの材料を除去させることができる。逆に、低い場所が検出された場合、調節ディスクを制御して、より少ない材料を除去することができる。

圧縮力、調節ディスクに印加されるトルク、回転速度、および研磨パッドのある領域の上に調節ディスクが配置される時間を含めて、様々な要因で研磨パッドの材料除去速度を制御することができる。一実施形態では、より高い圧縮力を調節ディスクに印加して研磨パッドからの材料除去速度を増大させることによって、高い領域を低減させることができる。図８を参照すると、調節ディスクは、調節ディスク１１７と研磨パッド１０５の間の圧縮力を制御するアクチュエータ１８９を含むアーム１８５に結合させることができる。アーム１８５は、アーム１８５を回転させて研磨パッド１０５の幅全体にわたって調節ディスク１１７の位置を制御する回転アクチュエータ１８７に結合させることができる。アーム１８５の位置および研磨パッド１０５の回転位置を知ることによって、制御装置は、研磨パッド１０５のうち調節ディスク１１７の下にある領域を判断することができる。圧縮アクチュエータ１８９を線形アクチュエータとして示すが、圧縮アクチュエータ１８９は、回転アクチュエータ、空気式アクチュエータ、または任意の他のタイプの力機構を含めて、様々な他のタイプの機構を含むことができる。

研磨パッド１０５のうち隣接する領域より高い領域が調節ディスク１１７の下にあると判断したとき、制御装置は、アクチュエータ１８９の圧縮力を増大させることができ、したがってより大きい力で調節ディスク１１７を研磨パッド１０５に押し付けて、材料除去速度を増大させる。高い領域が低くなり、厚さ均一性が研磨パッド１０５の残り部分により近くなると、システムは、厚さが低減したことを検出し、領域が均一になって特別な処理を必要としなくなるまで、増大させた圧縮を低減させることができる。調節ディスクに印加される圧縮力は、約０〜２０重量ポンドの範囲とすることができる。圧縮圧力の増大は、圧力＝圧縮力／調節パッド面積という式に基づいて、調節パッド１１７の面積に依存する。したがって、直径４．２５インチの調節パッドは、１４．１９平方インチの表面積を有する。０〜２０ポンドという力の結果、圧力範囲は１平方インチ当たり０〜１．４１ポンドになる。

研磨パッド１０５からの材料除去速度はまた、調節ディスク１１７の回転速度を変動させることによって制御することができる。研削調節ディスク１１７に対する回転速度を増大させることによって、材料除去速度が増大される。高い領域が検出された場合、システムは、調節ディスク１１７が高い領域の上にあるときに調節ディスク１１７の回転速度を増大させて、研磨パッド１０５の材料除去速度を増大させることができる。逆に、低い領域が検出された場合、システムは、調節ディスク１１７が研磨パッド１０５の低い領域の上にあるときに調節ディスク１１７の回転速度を低減させることができる。研磨パッド１０５の厚さがより均一になるにつれて、調節ディスク１１７の回転速度の変動を低減させことができ、したがって研磨パッド全体にわたって材料除去速度を均一にすることができる。調節ディスク１１７の回転速度は、約０〜２００ＲＰＭの範囲とすることができる。

研磨パッド１０５の材料除去速度を変更するさらに別の方法は、調節ディスク１１７が研磨パッド１０５のある領域の上に位置する時間を変動させることである。材料除去速度は、研磨パッド１０５の領域が調節ディスク１１７に対してより長い露出時間を有するときに増大される。正常のＣＭＰ処理中、調節ディスク１１７は、研磨パッド１０５の幅全体にわたって均一の径方向移動速度で移動する。研磨パッド１０５全体にわたる調節ディスク１１７の正常の掃引速度は、１分当たり約２５回とすることができる。研磨パッド１０５の高い領域は、調節ディスク１１７が高い領域の上に位置決めされたときに掃引速度を低減させることによって接触時間を増大させることによって低くすることができる。したがって、幅全体にわたって均一の移動速度ではなく、システムは、高い領域の上で径方向の移動速度を低減させることができ、したがって調節ディスク１１７は、研磨パッド１０５の他の均一の厚さの領域より多くの時間を高い領域の上で費やす。逆に、調節パッド１１７は、厚みの小さい領域の上で掃引速度を増大させることによって、研磨パッド１０５の厚みの小さい領域との接触時間を低減させることができる。研磨パッド１０５の欠陥領域の厚さを監視することによって、制御装置は、材料除去速度を連続して調整して、研磨表面内の欠陥を補正し、研磨表面をより均一にすることができる。したがって、システムを使用して、研磨表面の均一性を監視および維持することができる。

一実施形態では、調節ディスクシステムは、調節ディスク１１７に結合されたセンサ１３３を含むことができ、したがってシステムは、研磨パッド１０５に印加される力を検出することができる。一実施形態では、センサ１３３は、調節ディスク１１７とアーム１８５の間に取り付けられた力変換器とすることができる。力変換器１３３は、アーム１８５によって調節ディスク１１７に印加された圧縮力を測定することができる。制御装置は、圧縮力を監視し、所望の圧縮および材料除去速度が検出されるまで、アクチュエータ１８９を調整することができる。

別の実施形態では、センサ１３３は、調節ディスク１１７を回転させるために印加されたトルクを検出するトルク変換器とすることができる。調節ディスク１１７および研磨パッドの研削表面が摩耗するにつれて、調節ディスク１１７と研磨パッドの間の摩擦係数が低減することがある。したがって、摩耗した研磨パッド１０５から同じ材料除去速度を得るには、調節ディスク１１７上で追加の圧縮力が必要とされることがある。したがって、調節ディスク１１７に印加されるトルクは、研磨パッド１０５からの材料除去速度に比例させることができる。研磨パッド１０５および調節ディスク１１７が摩耗するにつれて、同じトルクおよび材料除去速度をもたらすには、より高い圧縮が必要とされることがある。システムは、調節ディスクに印加されるトルクが一定に維持されるように、圧縮力を調整することができる。

調節ディスクは直径約４．２５インチとすることができるため、研磨パッド上の小さい欠陥を補正するのが困難な可能性がある。論じたように、本発明のシステムは、研磨パッドのうち欠陥を有する領域を識別するために使用できる、研磨パッドのすべての領域の厚さマップを作製することができる。小さい欠陥領域が不適当な高さであることが分かった場合、調節ディスク以外のデバイスを使用して、研磨パッド上の高い場所を除去することができる。本発明のＣＭＰシステムは欠陥領域の位置を識別することができるため、ユーザは、欠陥領域の修理を行うことが可能である。

異なるタイプのセンサを使用して、研磨パッドの厚さを測定することができる。研磨パッド計量に適したセンサは、レーザ、クロマティック白色光、誘導、ＣＥＴＲパッドプローブ、超音波などを含む。センサ（複数可）を研磨パッドの上で移動させて、パッドの厚さを検出することができる。厚さ検出は、ウェーハ処理中、またはウェーハの処理間に実行することができる。好ましい実施形態では、研磨パッドの厚さの検出は、研磨パッドがスラリーで覆われているときに実行されるが、別の実施形態では、パッドの厚さ検出は、乾いたパッド上で実行され、これにはスラリーの除去が必要とされる。

レーザセンサは、レーザ光を研磨パッド表面へ誘導し、反射した光が検出される。反射した光に基づいて、センサと表面の間の距離を精密に計算することができる。光の速度は一定であるため、レーザ光のパルスは精密にすることができ、システムは、光パルスが測定している表面に接触してはね返ったパルスを受け取るのに費やす時間を検出することができる。別法として、光に基づく距離測定は、干渉法に基づくことができる。レーザビームは、スラリーを表面から落とした清浄な研磨パッドを最も容易に検出するが、一方、レーザビームを薄いスラリー層を通って研磨パッドの表面へ誘導して反射した光を検出することによって、研磨パッドの厚さを検出することも可能である。

別の実施形態では、クロマティック白色光を使用して、研磨パッド表面内のばらつきを検出することができる。光のビームを研磨パッドに誘導することができ、反射した像がセンサによって検出され、白色光の直径は、レーザビームの直径より実質上大きい。したがって、研磨パッド全体の厚さを求めるのに必要とされる測定を、より少なくすることができる。

近接検出器は、磁界を発生させる検出コイルを形成するインダクタンスと並列のキャパシタンスから構成される発振回路を備える。誘導ループを流れる電流は、センサが他の対象に近接しているときに変化し、この電流の変化を検出することができる。電流の変化を測定することによって、対象との距離を求めることができる。

機械的プローブを使用して、研磨パッドの厚さを検出することもできる。プローブは通常、研磨パッドに接触する端部を有する細長い構造である。固定の点から研磨パッドの表面までのプローブの延長を知ることによって、研磨パッドの厚さを求めることができる。研磨パッドの移動がプローブを損傷する可能性があるため、ＣＭＰ処理中に機械的プローブを使用するのは困難な可能性がある。したがって、これらのプローブは、静止した研磨パッドを測定するのに使用されることが好ましい。スラリーを通ってプローブを押し付けることができるため、センサ読取りは、スラリーの影響を受けない。

超音波センサは、極超短波の音波からのエコーを解釈することによって、研磨パッドの厚さを求める。超音波センサは、高周波音波を生成して、センサから再び受け取ったエコーを評価する。センサは、信号を送った時間とエコーを受け取った時間の時間間隔を計算して、対象までの距離を求める。センサおよび受信機の位置を知ることによって、研磨パッドの厚さを求めることができる。

応用例に応じて、異なるタイプのセンサが他のセンサより好ましい可能性がある。下の表１を参照して、センサの最も適切な応用例を示す。レーザ、誘導、およびプローブなどの小さい検出領域を有するセンサは、研磨パッドの特有の領域の高精度の測定により適している。対照的に、クロマティック白色光および超音波センサなどのより広い領域のセンサは、トポグラフィを検出するのに優れている。より大きな面積のセンサは、溝の深さを検出するのに優れている。

表１

本発明のシステムについて特定の実施形態を参照して説明したが、本発明のシステムの範囲から逸脱することなく、これらの実施形態に追加、削除、および変更を加えうることが理解されるであろう。記載のＣＭＰシステムは様々な構成要素を含むが、これらの構成要素および記載の構成を様々な他の構成で修正および再構成できることがよく理解される。

Claims (15)

1. 化学的機械研磨のための装置であって、
   回転可能な研磨パッドと、
   前記研磨パッド全体にわたって移動するように適合された研削表面を有する調節ディスクと、
   前記調節ディスクに結合されたアクチュエータと、
   前記研磨パッドの厚さを検出するように適合された計量センサと、
   前記アクチュエータに結合され、前記調節ディスクによって材料除去速度を制御するように適合された制御装置と
   を備える装置。
2. 前記制御装置が前記調節ディスクの位置を制御するように適合されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記制御装置が、前記研磨表面に対する前記調節ディスクの圧縮力を増大させる信号を送ることによって、厚みの大きな領域内で前記材料除去速度を増大させるように適合されている、請求項１に記載の装置。
4. 前記制御装置が、前記研磨表面に対する前記調節ディスクの圧縮力を低減させる信号を送ることによって、厚みの小さい領域内で前記材料除去速度を低減させるように適合されている、請求項１に記載の装置。
5. 前記研磨パッドの少なくとも１つの領域の厚さが所定の厚さを下回ることを前記計量センサが検出すると、前記制御装置が寿命信号を伝送する、請求項１に記載の装置。
6. 化学的機械研磨の方法であって、
   研磨表面を有する研磨パッドを回転させることと、
   前記研磨パッド全体にわたって調節ディスクを移動させることと、
   計量センサを用いて前記研磨パッドの領域の厚さを測定することと、
   前記研磨パッドのうち隣接する領域より厚いまたは薄い領域を検出することと、
   前記調節ディスクが前記研磨パッドのうち前記隣接する領域より厚いまたは薄い領域の上にあるとき、前記調節ディスクによって前記研磨パッドからの材料除去速度を調整することと
   を含む方法。
7. 前記計量センサによって検出された前記研磨パッドの前記領域の厚さおよび前記厚さに関連する研磨の領域をメモリ内に記憶すること
   をさらに含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記研磨パッドの半径全体にわたって前記計量センサを移動させることと、
   前記研磨パッドのうち前記研磨パッドの前記隣接する領域より厚い領域の上で、前記調節ディスクの前記材料除去速度を増大させることと
   をさらに含む、請求項６に記載の方法。
9. 前記調節ディスクが前記研磨パッドのうち前記隣接する領域より厚い領域の上にあるとき、前記調節ディスクの回転速度を増大させること
   をさらに含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記調節ディスクが前記研磨パッドのうち前記隣接する領域より厚い領域の上にあるとき、前記研磨表面に対する前記調節ディスクの圧縮力を増大させること
    をさらに含む、請求項８に記載の方法。
11. 前記調節ディスクが前記研磨パッドのうち前記隣接する領域より厚い領域の上にあるとき、前記調節ディスクと前記研磨ディスクの間の接触時間を増大させること
    をさらに含む、請求項８に記載の方法。
12. 前記研磨パッドの半径全体にわたって前記計量センサを移動させることと、
    前記領域の厚さが前記研磨パッドの隣接する領域より薄い場合、前記研磨パッドの前記領域の上で前記調節ディスクの前記材料除去速度を低減させることと
    をさらに含む、請求項６に記載の方法。
13. 前記調節ディスクが前記研磨パッドのうち前記隣接する領域より薄い領域の上にあるとき、前記調節ディスクの回転速度を低減させること
    をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記調節ディスクが前記研磨パッドのうち前記隣接する領域より薄い領域の上にあるとき、前記研磨ディスクに対する前記調節ディスクの圧縮力を低減させること
    をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記研磨パッドの厚さが所定の厚さを下回ることを前記計量センサが検出すると、寿命信号を伝送すること
    をさらに含む、請求項６に記載の方法。

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