JP2012508454A - インラインウェハ厚さ感知 - Google Patents

Abstract

裸のシリコン基板を形成する方法が記載される。裸のシリコン基板が測定され、測定は、基板上の１点で信号を得るために無接触静電容量測定デバイスによって行われる。信号、または信号によって示される厚さが制御装置に通信される。信号、または信号によって示される厚さに従って調節後の研磨パラメータが決定される。調節後の研磨パラメータを決定した後、調節後の研磨パラメータを使用して、ポリッシャ上で裸のシリコン基板が研磨される。

Description

本発明は、一般に、基板の化学機械研磨に関する。

集積回路は、典型的には、シリコンウェハ上に導電層、半導体層、または絶縁層を順次に堆積することによって、シリコンウェハなど半導体基板またはウェハ上に形成される。基板は、一般にインゴットと呼ばれるシリコンの円柱体から切り出される。シリコンインゴットは、チョクラルスキー法を使用して成長させることができる。チョクラルスキー法では、一般に、アモルファスシリコンまたはポリシリコンの溶融、および溶融されたシリコン内への単結晶シリコンの浸漬が必要である。単結晶シリコンにより、溶融されたシリコンが大きな結晶を形成できるようになる。次いで、単結晶シリコンを溶融物から引き出して、インゴットを形成する。インゴットをワイヤソーなどによってスライスして、ウェハを作製する。このようにして形成されたインゴットから、約３００ｍｍなど様々な直径のウェハを形成することができる。

次いで、インゴットからのウェハのバッチをそれぞれ両面研磨して、ウェハの表面と裏面を平行にする。次いで、ウェハの厚さを求めるためにウェハを測定することができる。測定後、ウェハを再び研磨して、傷を除去し、ウェハの幾何形状を修正する。例えば起伏をなくす。化学機械研磨（ＣＭＰ）が、ウェハに対して使用される１つの研磨法である。研磨後、ウェハを再び測定する。得られる測定値が、ウェハの質を示す。研磨後の測定値を使用して、ウェハを例えばプライムグレード、ダミーグレード、メカニカルグレードなどに分類または等級付けする。製造業者の要件に従って、様々な最終製品を製造するために各グレードのウェハを製造業者に販売することができる。

本明細書で説明する方法およびシステムを使用して、シリコン基板などの基板の厚さを測定することができる。無接触静電容量計測ツールが研磨システムに組み込まれる。計測ツールは、裸または未加工のシリコン基板など、シリコン基板からの測定値を得ることができるようにする。さらに、研磨前および研磨後の測定値を得ることができ、その基板のさらなる処理または他の基板の処理を制御するために使用することができる。静電容量計測が組み込まれていることにより、別個の測定用ツールに基板を移動させる必要なく、研磨後にシリコン基板を直接測定することができる。次いで、この測定値を、即時のプロセス制御、すなわち閉ループ制御のためにコンピュータに提供することができる。

一態様では、基板を形成する方法が説明される。裸のシリコン基板が測定され、測定は、基板上の１点で信号を得るために無接触静電容量測定デバイスによって行われる。信号、または信号によって示される厚さが制御装置に通信される。信号、または信号によって示される厚さに従って調節後の研磨パラメータが決定される。調節後の研磨パラメータを決定した後、調節後の研磨パラメータを使用して、ポリッシャ上で裸のシリコン基板が研磨される。

さらなる別の態様では、システムが説明される。このシステムは、基板を研磨するための１つまたは複数の研磨ステーションを有する研磨装置であって、研磨ステーションが複数の研磨パラメータで動作する研磨装置と、インライン監視システムとを含む。インライン監視システムが、研磨ステーションから離れた位置で基板を保持するための基板ホルダと、センサまでの基板の距離に基づいて信号を生成するための静電容量センサとを含む。センサと基板ホルダが、基板縁部に隣接する３つ以上の離隔された位置にセンサを位置決めして、３つ以上の離隔された位置で測定値を生成するために、相対運動を行うように構成される。また、システムは、センサから信号を受信し、信号に応答して複数の研磨パラメータの少なくとも１つを制御するための制御装置と、基板収納装置とを含み、インライン監視システムが基板収納装置の内部にある。

さらに別の態様では、本出願は、化学機械研磨システムを説明する。このシステムは、研磨装置、プローブ、ロボット、制御装置、および工場インターフェースを含む。研磨装置は、基板を研磨するための１つまたは複数の研磨ステーションを有し、研磨ステーションが複数の研磨パラメータで動作する。プローブは、基板を受け取り、基板を１つまたは複数の位置でスキャンするためのものである。プローブは、各位置で静電容量を誘発し、対応する位置に関してプローブから基板までの距離を示す信号を生成するための静電容量センサと、基板が静電容量センサに接触しないことを保証するために、基板に対する垂直位置センサの垂直距離を求めるための垂直位置センサとを含む。センサと基板ホルダが、基板縁部に隣接する３つ以上の離隔された位置にセンサを位置決めして、３つ以上の離隔された位置で測定値を生成するために、相対運動を行うように構成される。制御装置は、信号を受信し、信号に応答して複数の研磨パラメータの少なくとも１つを制御するように構成される。工場インターフェースは、基板収納装置を有する。プローブは、工場インターフェース内にあるか、または工場インターフェースに取り付けられる。

システムおよび方法の実施形態は、以下の機能の１つまたは複数を含むことができる。基板の所望の厚さを受信することができ、調節後の研磨パラメータを決定するステップが所望の厚さに基づく。測定するステップが、基板上で半径に沿って少なくとも３点を、または基板上の角度区域内で少なくとも３点を測定するステップを含むことができる。調節後の研磨パラメータが、基板と研磨表面の相対回転速度を含むことができる。調節後の研磨パラメータが、基板に印加される裏面圧力を含むことができる。測定するステップおよび研磨するステップは、無接触静電容量測定デバイスがポリッシャとインラインであるシステムで行うことができる。センサと基板ホルダは、基板の３つ以上の離隔された半径方向セグメントに沿ってセンサをスキャンするために、相対運動を行うように構成することができる。センサは、互いに対向する２つの静電容量センサを含むことができる。

本発明の１つまたは複数の実装形態の詳細を、添付図面および以下の説明に記載する。本発明の他の特徴、目的、および利点は、説明および図面から、かつ特許請求の範囲から明らかになろう。

例示的なインライン静電容量計測システムを示す図である。 図１に示されるインライン静電容量計測システムを含む例示的な化学機械研磨および洗浄システムを示す図である。 図１の例示的なインライン静電容量計測システムのブロック図である。 図１の例示的なインライン静電容量計測システムの斜視図である。 基板の厚さを求めるための例示的な流れ図である。 基板の厚さを求めるための代替方法の例示的な流れ図である。 一体型の静電容量計測システムを含むシステムによって行われる一方法に関する例示的な流れ図である。 一体型の静電容量計測システムを含むシステムによって行われる代替方法に関する例示的な流れ図である。

様々な図面での同様の参照符号は、同様の要素を示す。

ＣＭＰシステムにおいて、所望の厚さを有するように基板が研磨される。例えば、以下に説明するように、インライン無接触静電容量計測システムによって、研磨前または研磨後に基板を測定することができ、インライン無接触静電容量計測システムは、基板の厚さ、または基板の湾曲、歪み、もしくは平坦性に関係付けられる信号を生成することができる。測定は、基板全体にわたって、複数の角度的に離隔された領域で、特に基板縁部付近の複数の角度的に離隔された点で、または基板上の様々な半径方向位置で行うことができる。一実装形態では、基板の角度的に離隔された半径方向セグメントまたはｘ，ｙセグメントに沿って複数回のスキャンが行われる。

図１は、そのようなインライン無接触静電容量計測システム４０の例示的実装形態を示す。図１に示されるように、システム４０は、ハウジング１００を含み、ハウジング１００は、２つの静電容量プローブ１０２と、任意選択の垂直位置センサ１０４と、水平位置センサ１０６とを支持する。この例示的実装形態では、水平位置センサ１０６は、複数の光学位置センサ１０６ａ〜ｈを含む。いくつかの実装形態では、静電容量プローブ１０２は、センサヘッド１０３ａおよび１０３ｂを含む。センサヘッド１０３ａおよび１０３ｂは、基板１０の両側にあり、基板１０の両面を同時にマッピングする。

基板１０は、例えばロボット（例えば図２に示されるようなウェットロボット２４）によって、または基板処理システム内に含まれていることがある基板を移動および／または操作するように指定された他のデバイスによって、計測システム４０内へほぼ水平に導入することができ、システム４０内へ横方向に移動させることができる。動作中、静電容量プローブ１０２は、基板１０がシステム４０内に移動されるときに、基板１０を漸進的にスキャンする。

垂直位置センサ１０４を使用して、垂直距離１０８（すなわち、垂直位置センサ１０４の底部から基板１０の上面まで、または基板ホルダまで測定される距離）を求めることができる。距離１０８（ｚ方向距離と呼ぶこともある）が求められてロボットに提供され、ロボットは、距離１０８を使用して基板垂直位置を調節して、基板の上面または底面がセンサヘッド１０３ａおよび１０３ｂに対して一定の距離になることを保証する。静電容量感知は、基板とセンサヘッドの距離に応じたものとなることがある。例えば、距離１０８は、ウェハ振動により変動することがある。垂直位置センサ１０４は、基板１０がプローブ１００内に完全に配置されてスキャニングが開始される前に、距離１０８の測定を行うことができる。この測定は、基板縁部１１０が位置センサ１０６ａによって検出されたときに行われることがある。次いで、基板１０を取り扱うために使用されるロボットに、基板１０の垂直位置を調節するように命令することができる。いくつかの実装形態では、基板１０を取り扱うために使用されるロボットは、基板の縁部、例えば基板の円形縁部を把持して、基板表面に沿ったすべての点を測定できるようにする。

いくつかの実装形態では、水平位置センサ１０６は、システム４０内部での固定された位置にある基板１０の横方向位置を求めることができる。例えば、水平位置センサ１０６は、システム４０への基板１０の初期進入から、システム４０内部での基板１０の最終位置まで、基板１０の横方向基板移動を追跡することができる。いくつかの実装形態では、位置センサ１０６ａ〜ｈは、システム４０内部で、固定された所定の位置に位置される。各位置センサは、他の位置センサに対して均等に離隔させることができる。

静電容量プローブ１０２は、基板１０がシステム４０に入るときに基板１０を感知し、基板１０に沿って離散点で基板１０の連続的な測定値を取る。センサと基板の間の静電容量、したがって基板の片面からセンサまでの距離を、スキャンされる基板１０の半径に沿って離散測定点で求めることができる。センサ読取りは、静電容量センサヘッド間の間隙を通って基板が移動するときに連続的に行うことができる。基板１０は、直径２００ｍｍの円形基板、直径３００ｍｍの円形基板、または別の直径の基板でよい。いくつかの実装形態では、基板は非円形でよい。

いくつかの実装形態では、位置センサ１０６ａ〜ｈは、２５ｍｍ離隔することができる。動作中、位置センサ１０６ａが、基板縁部１１０の存在を検出する。この検出は、基板スキャンの開始のサインとして使用することができる。また、上述したように、ここで基板垂直位置を調節することができる。次に、向かい合うセンサヘッド１０３ａ、１０３ｂの間の間隙を通して基板が移動される。基板１０が静電容量プローブ１０２を通過するときに、基板厚さの静電容量センサ測定値が漸進的に取られる。さらに、基板がスキャンされるとき、基板縁部１１０が、連続する各位置センサ１０６ｂ〜１０６ｈによって検出される。いくつかの実装形態では、基板１０が各位置センサ１０６ａ〜ｈの間を進むときに、システム４０が複数の静電容量センサ測定値を取る。所定の時間間隔中に基板１０に沿って１ｍｍの増分で静電容量センサ測定値を取ることができ、各位置センサ１０６ａ〜ｈの間で２５ｍｍの距離にわたって計２５個の静電容量測定値を得る。

いくつかの実装形態では、この測定プロセスは、（例えば基板縁部から基板の中心まで）基板の半径が測定されたとき、複数の角度的に離隔された半径方向セグメントが測定されたとき、または基板縁部付近の相当数の位置が測定されたときに基板スキャニングが止まるまで続く。この例では、基板１０が３００ｍｍ基板であると仮定して、システム４０が、３００ｍｍ基板の半径をスキャンして、（例えば１ｍｍごとに測定された）１５０箇所の測定点で測定値を得る。

図１に示されるインライン静電容量計測システム４０を採用することができる基板処理システムが、図２に示される。図２を参照すると、基板処理システム２０は、化学機械ポリッシャ２２と、クリーナ２６と、工場インターフェースモジュール２８と、インライン静電容量計測システム４０と、基板移送システム３０と、制御装置３２とを含む。同様の基板処理システムの説明は、米国特許第６４１３１４５号で見ることができ、その開示全体を参照として本明細書に組み込む。システムは、化学機械ポリッシャ２２の代わりに基板研削装置（図示せず）を含むこともできる。

いくつかの実装形態では、無接触静電容量計測システムは、静電容量測定が行われる間に基板１０の中心部分を支持するためのチャックを含む。このシステムでは、例えば基板を回転させることによって、基板１０の中心を取り囲む領域が測定される。基板に沿った１つの半径方向位置で測定を完了すると、プローブは、新たな半径方向位置に移動される。基板の中心の測定は、中心と縁部の間の基板部分がチャックによって支持されるように基板またはチャックを移動させることによって行うことができ、計測システムは、基板１０の中心部分で基板の両面を測定することができる。

無接触静電容量計測システムの代替実装形態では、基板１０は静止位置で保持され、静電容量プローブ１０２は枢動アームまたは一対の枢動アーム上にある。このとき、センサ１０２が基板１０の表面に沿って移動されて、測定値が得られる。制御装置は、静止した基板１０に対するセンサ１０２の位置を記録する。枢動アームに隣接する固定バーが、基板１０からのセンサ垂直位置に関する基準点を与えることができ、固定バーに対するセンサ位置が求められる。測定中の基板が変形しないように、基板１０を縁部に沿って保持することができる。

いくつかの実装形態では、センサ１０２は、ただ１つのヘッド１０３ａを含み、センサヘッド１０３ａに対向して導電プレートが位置する。いくつかの実装形態では、センサは調節可能である。調節可能なセンサは、以下のように較正され、基板を測定するために使用される。既知の厚さの参照基板を、センサ１０２に、すなわちセンサヘッド１０３ａ、１０３ｂの間に配置する。参照基板の上面および底面を測定するために、センサヘッド位置を調節する。センサヘッドは、センサヘッドの測定範囲の中心付近に位置決めすることができ、基準測定値からの正または負のずれを可能にする。センサ出力は、ゼロボルトに調節することができる。参照基板を試料基板で置き換える。２つのセンサヘッドでのゼロボルトからのずれから、厚さむらを求めることができる。この方法は、センサヘッドの組合せが、基板厚さの変化に対して線形の電圧変化を生み出すこと仮定する。また、この方法は、センサ間の間隙が一定に保たれると仮定し、また、基板が一方のヘッドに近づき、他方のヘッドから離れるように移動されるときに、２つのセンサヘッドの電圧の和が一定に保たれると仮定する。センサヘッドが位置調節可能でない場合、センサ内に参照基板があるときに求められる静電容量が、センサ内に試料基板があるときに求められる静電容量と比較される。

基板１０、例えばウェハは、ウェハカセット１２（例えばカセット１２ａ〜１２ｄ。まとめてウェハカセット１２と呼ぶ）内に入れた状態で基板処理システム２０に搬送することができる。基板移送システム３０は、基板をカセット（例えばウェハカセット１２）から保持ステーション１５０に移動させる、またはクリーナ２６の出口からカセットに戻すための工場インターフェースロボット１３０と、基板を保持ステーション１５０、ポリッシャ２２、およびクリーナ２６の入口の間で移動させるウェットロボット２４とを含む。いくつかの実施形態では、工場インターフェースロボット１３０が可動ステージを含む。工場インターフェースモジュール２８によってカセット１２から基板が抜き出されて、ポリッシャ２２およびクリーナ２６に搬送される。基板処理システム２０の動作は、分散制御ソフトウェアを実行する１つまたは複数のプログラム可能なデジタルコンピュータなどの制御装置３２によって調整することができる。

インライン静電容量計測システム４０は、工場インターフェースモジュール２８内にあってよく、または工場インターフェースモジュール２８に取り付けられた別個の囲壁内にあってもよい。いくつかの実装形態では、インライン静電容量計測システム４０は、クリーナ２６およびポリッシャ２２の近くの領域、例えばウェットロボット２４の近位に位置されるが、インライン静電容量計測システム４０に関して別の適切な位置を使用することもできる。ウェットロボット２４は、静電容量計測システム４０内に基板１０を位置決めするように構成することができる。ウェットロボット２４は、真空チャック、またはグリッパを有するアームによって基板１０を保持することができ、水平方向および垂直方向で前進および後退し、かつ垂直軸周りで回転するように構成することができる。

あるいは、工場インターフェースロボット１３０によって、基板１０を静電容量計測システム４０内へ横方向に移動させることができる。例えば、静電容量計測システム４０は、工場インターフェースモジュール２８内に例えば一次収納装置１５０の一部として、またはインターフェースモジュール２８内に懸架されたシステムとして位置させることができ、あるいは工場インターフェースモジュール２８に当接するモジュール３０でもよい。静電容量計測システム４０を、研磨システム２２とインラインで他の位置に配置することもでき、他のロボットまたはデバイスが静電容量計測システム４０内に基板を移動させることができる。

制御装置３２は、研磨システム２２を含むシステム２０の他の構成要素、およびインライン静電容量監視システム４０に接続されたデジタルコンピュータでよい。制御装置３２は、基板を保持するロボット、例えばウェットロボット２４を制御するようにプログラムすることができ、監視システム４０を通して基板１０を移動させ、水平位置センサ１０６および垂直位置センサ１０４によって求められる監視システム４０に対する基板横方向位置情報および垂直位置情報を格納し、監視システム４０から受信された信号を格納し、それらの信号から、基板上の様々な位置でのプローブから基板の表面までの距離を求める。一実装形態では、ウェットロボット２４は、基板１０をプローブ１００内部の適正な位置に動かすことができ、基板１０を所定の移動速度でプローブ１００内へ横方向に移動させることができる。

インライン静電容量計測システム４０は、ポリッシャ２２によって基板１０を研磨する前および／または研磨した後に基板１０の厚さを測定するように構成することができる。基板のさらなる研磨が必要か判定するために、研磨プロセス中の特定の時点でウェットロボット２４が基板１０を計測システム４０に移送させることができる。

ウェットロボット２４は、工場インターフェースロボット１３０と同様でよく、ステージ領域１７６とポリッシャ２２の間で基板を搬送するときに基板を操作するために広い移動範囲を提供することができる。例えば、ウェットロボット２４は、静電容量計測システム４０内に基板１０を位置決めするように構成することができる。ウェットロボット２４は、真空チャック、またはグリッパを有するアームによって基板１０を保持することができ、水平方向および垂直方向で前進および後退し、かつ垂直軸周りで回転するように構成することができる。

いくつかの実装形態では、工場インターフェースユニット、ポリッシャ、クリーナ、およびインライン静電容量計測システムが単一の一体型処理システムであるとき、個々の基板の研磨の監視は、処理システムで行われる標準的な処理ステップセットの一部として行うことができる。いくつかの実施形態では、静電容量計測システムは、工場インターフェースユニット内、例えば基板収納ユニットの近位にある。いくつかの実施形態では、静電容量計測システムは、工場インターフェースユニットに取り付けられた別個の囲壁内にある。

システムが静電容量計測システム４０を含む場合、システムを較正するために、垂直距離１０８に関する値を制御装置３２に送信することができる。較正は、ウェハがセンサヘッド１０３ａ、１０３ｂの間に導入されるときにセンサヘッドに接触せず、引掻き傷を受けないことを保証することができる。いくつかの実施形態では、システムが較正されると、垂直距離１０８の測定はもはや必要とされない。２つのセンサヘッドにより、垂直距離を求めることができるようになる。いくつかの実施形態では、垂直位置センサ１０４からの信号を使用して、静電容量データを修正してデータから振動を除去するか、または信号歪を修正する。

上述したように、静電容量プローブ１０２は、基板１０がシステム４０に入るときに基板１０を感知することができ、基板の半径に沿った離散点で基板１０の一連の測定値を取る。制御装置３２は、これらの測定値を受信することができ、各離散測定点と関連付けられる対応する基板厚さを求めることができる。例えば、静電容量計測システム４０は、３００ｍｍ基板をスキャンすることができ、基板１０に沿って１ｍｍの増分で信号およびデータを制御装置３２に送信することができる。信号およびデータは、例えば、基板横方向位置情報（例えば基板の縁部から２５ｍｍ）、静電容量プローブ１０２からの静電容量電圧、および静電容量プローブ１０２に対する基板１０または基板ホルダの垂直高さ（例えば距離１０８）を含むことができる。

これらの信号およびデータ点を信号処理アルゴリズムによって処理して、基板１０に沿って測定された各点での基板層厚さ測定値を求めることができる。

図３は、図１の例示的なインライン静電容量計測システム４０のブロック図３００である。図４は、図１の例示的なインライン静電容量計測システム４０の斜視図４００である。図３および図４を参照すると、システム４０は、静電容量プローブ１０２を含むことができ、静電容量プローブ１０２は、センサヘッド１０３ａ、１０３ｂを含み、これらのセンサヘッド１０３ａ、１０３ｂは直列回路または並列回路で接続することができる。センサヘッド１０３ａ、１０３ｂは、それぞれブラケット４５２ａ、４５２ｂに取り付けることができ、互いから所定の距離だけ離隔され、間に間隙を形成する。間隙距離は、測定される基板のサイズに応じて変えることができる。例えば、半導体ウェハが中に導入される間隙に関する範囲は、約０．６５〜０．８０ｍｍの厚さを有するウェハに関しては約２〜６ｍｍである。この範囲は、典型的な半導体処理用途で適切なスポットサイズ、信号強度、および取扱いの信頼性を提供することができる。

静電容量センサヘッド１０３ａ、１０３ｂは、センサヘッド１０３ａ、１０３ｂを駆動させることができるセンサボード回路４０２に接続することができる。圧力がセンサヘッド１０３ａまたは１０３ｂに印加され、基板がセンサヘッドに隣接するとき、ヘッドと基板の間に電界が生成される。センサボード回路４０２は、センサヘッドでの電圧を変える。いくつかの実装形態では、センサボード回路４０２は、センサヘッドと基板の間の静電容量を示す電圧を変えるのに必要な電流の量を決定する。あるいは、センサボード回路は、センサヘッドを駆動させるための電流を発生することができ、基板表面上の様々な点での静電容量変化を求めるために基板が移動されるときに電圧変化を検出することができる。基板の両面の静電容量を求めるセンサボード回路を使用して、基板の厚さを求めることができる。電圧変化を制御装置４０４に伝送することができ、制御装置４０４は、以下で説明するように、電圧をデジタル信号に変換して処理できるようにするためのアナログデジタル変換器を含むことができる。適した静電容量システムは、ＫＬＡ ＴｅｎｃｏｒからＡＦＳ ３２２０ ＦＡウェハ寸法計測システムとして市販されている。

また、静電容量計測システム４０は、位置センサ１０６ａ〜ｈのアレイも含むことができ、このアレイは、基板１０が静電容量センサヘッド１０３ａ、１３０ｂの間の間隙を通して移動されるときに基板１０の位置を検出することができる。位置センサ１０６を制御装置４０４に接続することができ、制御装置４０４は、厚さ測定が行われるときに基板上でのサンプリング位置を決定することができる。いくつかの実装形態では、位置センサは、透過型センサなど光学センサでよい。適切な位置センサの例として、ＳＵＮＸ（日本）から市販されている型式ＥＸ−１１のセンサを挙げることができる。

あるいは、静電容量計測システム４０は、位置センサ１０６ａ〜ｈを含まない。ウェハの位置は、システムを通してウェハを移動させるために使用されるロボットのロボットエンコーダから得ることができる。

いくつかの実装形態では、垂直位置センサ１０４（ｚ方向位置センサと呼ぶこともある）は、基板１０とセンサヘッド１０３ａ、１０３ｂの距離を測定して、距離に関係する補償係数を求めることができ、この補償係数を、静電容量プローブ１０２によって生成された生のデータに適用して、距離および振動の影響を補償することができる。適切な垂直位置センサの例として、レーザ距離センサを挙げることができる。そのようなセンサの例として、ＯＭＲＯＮ（日本）から市販されている型式ＸＺ−３０Ｖのセンサを挙げることができる。

制御装置４０４は、センサ１０６からのそれぞれの読取り値に基づいて、様々なサンプリング位置での基板の厚さ、平坦性、または湾曲を計算することができる。いくつかの実装形態では、制御装置４０４は、アナログデジタル変換器、ＰＬＣ（プログラマブル論理制御装置）、およびＰＣ（パーソナルコンピュータ）を含むことができる。アナログデジタル変換器は、静電容量プローブ１０２および垂直位置センサ１０４からのアナログ信号をデジタル形式に変換して処理できるようにすることができる。ＰＬＣは、センサ１０６から感知信号を受信することができ、データロギングまたは収集機能を行うことができる。ＰＣは、ＰＬＣからのデータを受信することができ、測定および補償計算を行うことができる。いくつかの実装形態では、測定結果を出力デバイス４０６（例えばコンピュータディスプレイまたはプリンタ）に出力することができる。いくつかの実装形態では、制御装置４０４は、データを制御装置３２に提供することができ、または（図１に示されるように）制御装置３２の一部でよく、制御装置３２は、基板処理システム２０内でのウェットロボット２４の移動を制御することもできる。ウェットロボット２４は、基板１０をプローブ１００内部で適正な位置に動かすことができ、基板１０を所定の移動速度でプローブ１００内へ横方向に移動させることができる。

静電容量センサ読取り値から基板１０の厚さを計算するための様々な方法を使用することができる。例えば、１つのそのような方法は、センサ読取り値の較正曲線を生成するために、既知の厚さを有する特定の基板に関して取られた静電容量センサ読取り値の実験データを使用することができる。次いで、静電容量センサ読取り値を較正曲線にマッピングして、測定された基板の厚さを求めることができる。プローブから基板の両面までの距離すべてを、測定値が取られた位置と共にまとめることで、基板の厚さを提供することができる。

例えば、図１および図４を参照すると、静電容量計測システム４０を使用して基板１０の厚さを求めることができる。ウェハを、ロボットアーム（例えば図２のウェットロボット２４）に接続されたエンドエフェクタ３８に位置決めすることができる。次いで、ロボットアームを作動させて、静電容量センサヘッド１０３ａ、１０３ｂの対によって形成される間隙を通してウェハを移動させることができる。ウェハは、静電容量センサヘッド１０３ａ、１０３ｂの対によって形成される間隙を通って移動するとき、位置センサ１０６のアレイを通り、このアレイは、ウェハの先導端（例えば基板縁部１１０）によって連続的に作動または活動化させることができる。ウェハが第１の位置センサ１０６ａを通ったときに感知ルーチンをトリガすることができる。感知ルーチンは、（例えば１０００読取り値／秒のサンプリングレートで）周期的な厚さ読取りを行う静電容量プローブ１０２と、ウェハの速度を求めるために、ウェハ縁部（例えば基板縁部１１０）が連続する各センサを通るときを検出する位置センサ１０６とを含むことができる。この情報を使用して、制御装置４０４は、各サンプリング位置での測定された厚さ、およびウェハ上での各サンプリング位置の位置を求めることができる。このようにして、ウェハにわたって延びる所与のラインに沿って厚さ測定値を取ることができる。望みであれば、ウェハを所望の位置に回転させ、次いでシステム４０を通してウェハを移動させて測定を行うことによって、ウェハにわたる異なるラインに沿った測定値を取ることができる。

いくつかの実装形態では、静電容量計測システム４０は、オンザフライで（ｏｎ−ｔｈｅ−ｆｌｙ）、すなわちウェハがセンサヘッド１０３ａ、１０３ｂの間の間隙を通って移動されている間に測定値を取ることができる。このとき、高いサンプリングレートを可能にすることができ、ウェハ厚さを迅速に測定できるようになる。システムは、単一の基板半径に沿って少なくとも３点、例えば２９点を得ることができる。最大で１００００個のより多数の測定値を得ることができるが、より少数の測定値を選択することもでき、例えば５０〜６００個の間、例えば、オンウェハでは約３００個または１５０個、オフウェハでは５０個である。測定値がより多数であると、より時間がかかり、処理時間が遅くなる。測定値がいくつあれば十分であるかは、システムに入れられるウェハの質に応じて決まる。いくつかの場合には、既知の非平坦領域で、より多数の測定値を得ることができる。いくつかの実装形態では、直径約３００ｍｍのウェハを、約２秒で約２０００のサンプリング点で測定することができる。他の実装形態では、様々なサンプリングレートを使用することができ、それぞれ、測定時間の長短に対応してサンプリング点が多数または少数となる。

いくつかの実装形態では、基板の迅速で正確な測定により、所望の研磨厚さを得るために必要であれば適正な措置を取ることができるようになる。例えば、ほぼ均一な基板厚さが望まれているが、厚さが十分に均一でないことを測定値が示している場合、所望の均一な厚さを得るために、選択的な化学機械研磨、電気化学機械研磨、または他のプロセスをウェハに施すことができる。いくつかの実装形態では、例えば、制御装置４０４は、基板１０の測定された層厚さに基づいてポリッシャ２２の研磨プロセスを調節するようにプログラムすることができ、または制御装置４０４は、この機能を行うためにデータを制御装置３２に提供することができる。ポリッシャ２２の研磨プロセスは、例えば、研磨中に基板に印加される裏面圧力、または研磨中のキャリアヘッドもしくはプラテンの回転速度を変更することによって調節することができる。いくつかのシステムでは、半径方向または角度方向での様々な区域での裏面圧力を、他の区域とは無関係に調節することができる。また、スラリ送達速度、温度、または研磨時間など、研磨プロセスの他のパラメータを変更することもできる。他の実装形態では、ただ１つの制御装置を使用して、静電容量計測システム４０、および基板処理システム２０の他の部分の制御に関連する機能を行うことができる。

基板の厚さは、ウェハの研磨前に測定することができる。例えば、制御装置４０４は、センサから基板の各面までの距離に関連付けられるセンサボード４０２からの信号を受信することができる。制御装置４０４は、そのデータを使用して、ポリッシャ２２の研磨パラメータまたは研磨端点アルゴリズムを調節することができる。あるいは、またはさらに、基板の研磨後に基板の厚さを測定することができる。制御装置４０４は、その信号を使用して、後続の基板に関する研磨パラメータまたは端点アルゴリズムを調節することができる。いくつかの実装形態では、制御装置４０４は、センサデータを制御装置３２に提供することができ、制御装置３２は、基板を研磨するために基板処理システム２０を制御することができる。

図５は、基板の厚さを監視するための方法５００の流れ図である。方法５００は、図１および図２を参照して示した基板処理システム２０の一部である静電容量計測システム４０で行うことができる。方法５００は、静電容量システム４０の近位に基板１０を位置決めし、基板１０をシステム４０内に挿入することから始まる（５０２）。例えば、基板１０は、ウェットロボット２４によって取り扱うことができる。ウェットロボット２４が基板１０を移動させるとき、静電容量プローブ１０２に電圧が印加され、基板１０が静電容量プローブ１０２を通るときに、電圧が印加された各センサヘッドがコンデンサの第１のプレートとして作用し、基板がコンデンサの第２のプレートとして作用する（５０４）。制御装置４８は、その測定位置でセンサから基板の一面までの距離を求めるために使用することができる信号を受信する（５０６）。

次に、制御装置４８は、インライン静電容量計測システム４０から基板位置情報を受信する（５０８）。基板縁部１１０が検出されない場合（５１０）、スキャニングが継続される（５０４）。基板縁部１１０が検出された場合（５１０）、ウェットロボット２４が、基板をシステム４０から取り外す（５１２）。ウェットロボット２４は、角度αだけ基板１０を回転させる（５１４）。角度αは、反時計回りでの回転の所定の角度である。基板１０が、基板１０の最初の半径スキャンから３６０度回転された場合（５１６）、方法５００が終了する。基板１０が、３６０度まで完全には回転されていない場合（５１６）、方法５００が継続される（５０２）。

方法５００の代替実装形態では、ウェットロボット２４は、基板処理システム内部で基板を把持、移動、および／または回転させるために使用される工場インターフェースロボット１３０または別の同様のデバイスである。別の代替実装形態では、基板１０が時計回りで回転される。

図６は、基板の厚さを監視するための代替方法６００の流れ図である。本質的に、ステップ６０２〜６１０は、方法５００で行われるステップ５０２〜５１０と同一である。しかし、基板縁部の検出後に基板１０をシステム４０から取り外すのではなく、基板１０が角度αだけ回転される（６１２）。角度αは、反時計回りでの回転の所定の角度である。基板１０が、基板１０の最初の半径スキャンから３６０度回転された場合（６１４）、ウェットロボット２４は、基板１０をシステム４０のプローブ１００から取り外す（６１６）。図５に示される方法とは異なり、基板１０は、いくつかの測定値が得られるまでプローブ１００内に留まる。

システム４０の内外に基板を移動させるために使用される操作取扱いメカニズム（例えばウェットロボット２４）の移動速度は、基板スキャン中に振動レベルが最小となり、速度が一定となるように最適化することができる。

基板は、基板の表面に沿って、様々な半径方向位置およびｘ，ｙ位置でスキャンすることができる。さらに、ロボットが基板を回転させることができる場合、スキャニングは、弧、特に軸方向の厚さ変動がより生じやすい基板縁部付近での弧に沿って行うことができる。基板上の単一の位置での下側センサヘッドと上側センサヘッドからの距離を組み合わせることにより、基板厚さ、および厚さ情報を提供することができるセンサからの距離が得られる。基板の底面に沿った様々な点での下側センサヘッドからの距離と、基板の上面に沿った様々な点での上側センサヘッドからの距離とを比較することで、基板が平坦であるか、湾曲しているか、または任意の位置で歪んでいるかを示すことができる。

図７を参照して、基板を測定する方法７００を説明する。工場インターフェースロボットなどのロボットが、測定対象の基板を得る（７０２）。基板は、工場インターフェースのＦＯＵＰ（ｆｒｏｎｔ ｏｐｅｎｉｎｇ ｕｎｉｆｉｅｄ ｐｏｄ；フープ）から得ることができるか、またはクリーナ出口で得ることができる。基板が所定の軌跡でプローブの下に通される（７０４）。所定の軌跡は、弧、螺旋、基板の１つまたは複数の半径に沿った軌跡、あるいは所定のｘ，ｙ位置でよい。プローブが基板の静電容量データを収集する（７０６）。静電容量データが制御装置に電子的に伝送される（７０８）。制御装置が、目標の除去厚さまたは研磨後の厚さを実現するために、変更が必要な場合には圧力、回転速度、時間などの研磨パラメータを調節する（７１０）。工場インターフェースロボットが、例えばポリッシャで、またはＦＯＵＰ内に基板を降ろす（７１２）。

図８を参照して、基板を測定する代替方法８００を説明する。工場インターフェースロボットなどのロボットが、測定対象の基板を得て、ＦＯＵＰおよびステージを収容する囲壁内部の可動ステージ上に基板を配置する（８０２）。基板は、ＦＯＵＰまたはクリーナ出口から得ることができる。ステージが、所定の軌跡でプローブの下に基板を通す（８０４）。所定の軌跡は、弧、螺旋、基板の１つまたは複数の半径に沿った軌跡、あるいは所定のｘ，ｙ位置でよい。プローブが基板の静電容量データを収集する（８０６）。静電容量データが制御装置に電子的に伝送される（８０８）。制御装置が、目標の除去厚さまたは研磨後の厚さを実現するために、変更が必要な場合には圧力、回転速度、時間などの研磨パラメータを調節する（８１０）。工場インターフェースロボットが、例えばポリッシャで、またはＦＯＵＰ内に基板を降ろす（８１２）。

基板厚さを使用して、その基板に関して次の研磨ステップで、または研磨すべき次の基板に関して、研磨パラメータに施すべき変更を決定することができる。すなわち、基板厚さ情報を、フィードバックまたはフィードフォワード形式で使用することができる。例えば、基板表面に沿って様々な半径で取られた厚さ測定値を、様々な半径方向区域（特に縁部区域）内で平均化して平均値を得ることができ、この平均値は、その区域内部での角度による基板厚さの相違を考慮するものであり、したがって基板層厚さのより正確な測定値を提供する。平均厚さを使用して研磨を調節して、所望の平坦化された厚さを基板が実現することを保証することができる。

円形基板の研磨は通常は軸対称であるが、角度による研磨速度の相違があってもよい。角度による研磨速度の相違は、基板縁部でより顕著にすることができる。この効果により、基板の縁部に沿って基板厚さに角度による装置を与えることができる。基板厚さのこの変動、または非平坦性は、基板厚さの決定、または層が基板から均一に除去されたかどうかについての判断の精度に影響を及ぼすことがある。特に、監視システムが、基板縁部にわたるただ１つの半径方向セグメントで測定する場合、平均厚さからずれた基板縁部領域内で測定を行うことがある。基板が必要とする研磨の量を決定するためまたは研磨装置を制御するために、測定された基板厚さを使用する場合、この厚さ変動により、基板がより多量に研磨される、またはより少量だけ研磨されることがある。

基板は、例えば、以下に述べるようにインライン静電容量監視システムによってスキャンすることができ、インライン静電容量監視システムは、プローブからウェハの一面までの距離に関係付けられる信号を生成することができる。測定は、複数の角度的に離隔された領域で、特に基板縁部付近の複数の角度的に離隔された点で行うことができる。一実装形態では、基板の角度的に離隔された半径方向セグメントに沿って複数回のスキャンが行われる。

所与の半径方向範囲内の複数の角度的に離隔された点の厚さ値を平均化して、基板の各半径方向区域ごとに平均厚さ値を求めることができる。次いで、（半径方向範囲内の複数の角度的に離隔された点からの測定値を含む）この平均値を、プロセス制御のために使用することができる。例えば、基板の厚さが研磨前に測定される場合、平均値、特に基板縁部に関する平均厚さ値を使用して、後続の基板のために研磨システム（例えばキャリアヘッドによって印加される圧力）を制御し、ウェハ間の不均一性を減少させることができる。

あるいは、基板の角度分析に関して厚さ値を別々のままにしておくことができる。例えば、基板の厚さを求めるために研磨後に基板が測定される場合、基板縁部付近で角度的に離隔された複数の測定値を使用することで、所望の厚さが実現されていると判断する際の信頼性を改善することができる。

図１を参照して説明したように、システム４０内部で基板１０の垂直距離１０８を較正することができる。静電容量測定出力が最小になる最適化位置にプローブ４０内部で基板を位置させるために、較正を行うことができる。較正中、高さ補償アルゴリズムを較正するために、複数の垂直距離位置に関して複数の基板スキャンを行うことができる。

測定された静電容量を、基板からセンサヘッドまでの距離と相関させるために、既知の厚さの基板をシステム４０がスキャンすることができる。較正基板ウェハの厚さ範囲を使用して、システム４０の測定範囲を定義することができる。

システム４０の較正に影響を及ぼすことがある因子は、基板上での材料の相違に関係付けることができる。金属層および半導体層は、誘電体層とは異なる静電容量を提供する。

静電容量計測システム４０を測定ステーションの近位に位置させることができ、基板は、基板を研磨する前または後に、測定ステーションで基板ホルダに保持される。図２を参照すると、インライン静電容量計測システム４０をウェットロボット２４の領域内に位置させることができる。この位置は、基板が研磨後にスキャンされる場合に有利である。なぜなら、基板がポリッシャの近くに位置され、ほとんど間を空けずに測定が行われるからである。後続の基板の研磨のために１つまたは複数の処理パラメータを変更するために静電容量測定が使用される実装形態では、この位置は、ポリッシャ２２へのより迅速なフィードバックを可能にする。基板が研磨前にスキャンされる場合にも、この位置は有効である。理想的には、基板表面は、正確な静電容量測定値が得られるように乾燥している。したがって、基板を、ＣＭＰ前に測定することができ、またはＣＭＰ後に洗浄および乾燥した後で測定することができる。

インライン静電容量計測システム４０に関する別の可能な位置は、工場インターフェースモジュール２８内である。工場インターフェースモジュール２８内に静電容量監視システムを位置させることは、基板を研磨前に測定するときに好都合となり得る。工場インターフェースロボット１３０は、基板を収納ステーション５０内に配置する前に、基板をインライン静電容量計測システム４０内に配置することができる。制御装置３４は、基板データを、収納ステーション５０内での基板の位置に相関させることができる。インライン静電容量計測システム４０に関する別の可能な位置は、工場インターフェースモジュール２８に直接取り付けられたモジュール内である。

インライン静電容量監視システム４０に関する別の可能な位置は、工場インターフェースモジュール内に位置された収納ステーション内である。基板を保持するスロットの上にシステム４０を位置させることができる。工場インターフェースロボット１８は、基板をスロット内に配置する前に、基板をインライン静電容量計測システム４０内に配置することができる。制御装置３４は、基板データを、収納ステーション内での基板の位置に相関させることができる。

インライン静電容量計測システム４０に関する別の可能な位置として、クリーナ内の入口収納ステーションおよび出口収納ステーションもあり得る。静電容量計測システム４０を、ポリッシャ２２の移送ステーションの近位に位置させることができ、またはポリッシャ２２内の別の位置に位置させることができ、研磨中ではなく基板を研磨する前および／または後に基板領域の厚さまたは基板の表面の位置を測定することができる。

いくつかの実装形態では、第２の静電容量計測システム４０を、システム２０内で第２の位置に含むことができる。例えば、システム４０を保持ステーションに位置させることができ、研磨後に１つまたは複数の基板の厚さを測定するために使用することができる。追加の静電容量計測システムは、工場インターフェースモジュール２８内に位置させることができ、研磨前に１つまたは複数の基板の厚さを測定するために使用することができる。２つの測定値を比較することができる。システム４０と任意の追加のシステムは、制御装置３０などいくつかの要素、および／または駆動システムの一部または全部を共有することができる。

インライン静電容量計測システム４０には、考え得る利点がいくつかある。システム４０は、半導体基板に適した無接触測定技法を提供する。プローブ１００内部で基板を移動させるために使用される操作取扱いメカニズムは、インサイチュ監視プロセスよりもゆっくりと静電容量プローブ１０２にわたって基板を移動させることができる。その結果、プローブ１０２は、高い空間解像度を可能にすることができる。例えば、１ミリメートル当たり１つのデータ点のスキャニング解像度が可能である。それにも関わらず、システム４０のプローブ１００内部で基板を移動させるために使用される操作取扱いメカニズムは、ポリッシャのスループットに影響を及ぼさずに、基板をプローブ１０２の下で十分に迅速に移動させることができる。例えば、ウェットロボット２４は、センサヘッド１０３ａ、１０３ｂの間の間隙内へ基板を１秒以内に１００ｍｍ（２００ｍｍ基板の半径）移動させることができる。スキャンされる半径の数が、基板スキャニングプロセスの期間を決定する。システムは、各基板を研磨するためのプロセス制御を提供することができる。基板はそれぞれ、バッチ内の各基板が同じ厚さを有するように研磨することができる。さらに、またはあるいは、個々の基板の直径にわたって一定の厚さを得るように基板を研磨することができる。また、基板の平坦性、湾曲、または歪み、すなわちプロファイルを求めることもできる。プロファイルを求めるために、基板の裏面または表面が平坦であると仮定される。仮定された平坦面が、基準面として使用される。次いで、基板のプロファイルを求めるために、厚さ測定値が基準面と組み合わせて使用される。

いくつかの実装形態では、静電容量計測システムは、ポリッシャとインラインではない。静電容量計測システムによって得られる測定値が、例えばネットワークを介して、例えばイーサネット接続を介して、またはワイヤレスで、制御装置に通信される。次いで、基板の所望の厚さおよび均一性を得るために研磨パラメータを変更すべきかどうか判断するために、制御装置が測定値を使用する。研磨プロセスパラメータをその基板に関して変更する必要がある場合、制御装置は、基板が研磨されるときに、必要な変更を行う。

システムは、単純で、頑強で、安価にすることができる。システムは、研磨システムの既存の部分に位置決めすることができ、したがって、研磨システムのレイアウトの変更またはフットプリントの増加は必要ない。収集された厚さデータを使用して、測定された基板の研磨プロセス、あるいは１つまたは複数の後続の基板の研磨プロセスを調節することができる。

いくつかの実装形態を説明した。それにも関わらず、本発明の精神および範囲から逸脱することなく様々な変更を行うことができることを理解されたい。したがって、他の実装形態が、添付の特許請求の範囲の範囲内にある。

Claims (11)

1. 基板を形成する方法であって、
   裸のシリコン基板を測定するステップであって、測定を、基板上の１点で信号を得るために無接触静電容量測定デバイスによって行うステップと、
   信号、または信号によって示される厚さを制御装置に通信するステップと、
   信号、または信号によって示される厚さに従って、調節後の研磨パラメータを決定するステップと、
   調節後の研磨パラメータを決定した後、調節後の研磨パラメータを使用して、ポリッシャ上で裸のシリコン基板を研磨するステップと
   を含む方法。
2. 基板の所望の厚さを受信するステップをさらに含み、調節後の研磨パラメータを決定するステップが所望の厚さに基づいている、請求項１に記載の方法。
3. 測定するステップが、基板上で半径に沿って少なくとも３点を測定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
4. 測定するステップが、基板上の角度区域内で少なくとも３点を測定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
5. 調節後の研磨パラメータが、基板と研磨表面との相対回転速度を含む、請求項１に記載の方法。
6. 調節後の研磨パラメータが、基板に印加される裏面圧力を含む、請求項１に記載の方法。
7. 測定するステップおよび研磨するステップを、無接触静電容量測定デバイスがポリッシャとインラインであるシステムで行う、請求項１に記載の方法。
8. 基板を研磨するための１つまたは複数の研磨ステーションを有する研磨装置であって、研磨ステーションが複数の研磨パラメータで動作する研磨装置と、
   インライン監視システムであって、
   研磨ステーションから離れた位置に基板を保持するための基板ホルダと、
   センサまでの基板の距離に基づいて信号を生成するための静電容量センサと
   を含み、
   センサと基板ホルダとが、基板縁部に隣接する３つ以上の離隔された位置にセンサを位置決めして、３つ以上の離隔された位置で測定値を生成するために、相対運動を行うように構成されている
   インライン監視システムと、
   センサから信号を受信し、信号に応答して複数の研磨パラメータの少なくとも１つを制御するように構成された制御装置と、
   内部にインライン監視システムを含む基板収納装置と
   を備えたシステム。
9. センサと基板ホルダとが、基板の３つ以上の離隔された半径方向セグメントに沿ってセンサをスキャンするために、相対運動を行うように構成されている、請求項８に記載のシステム。
10. センサが、互いに向かい合う２つの静電容量センサを備えている、請求項８に記載のシステム。
11. 基板を研磨するための１つまたは複数の研磨ステーションを有する研磨装置であって、研磨ステーションが複数の研磨パラメータで動作する研磨装置と、
    基板を受け取り、基板を１つまたは複数の位置でスキャンするためのプローブであって、
    各位置で静電容量を誘発し、対応する位置に関してプローブから基板までの距離を示す信号を生成するための静電容量センサと、
    基板が静電容量センサに接触しないことを保証するために、基板までの垂直位置センサの垂直距離を求めるための垂直位置センサと
    を含むプローブと、
    プローブに隣接して基板を移動させるためのロボットと、
    信号を受信し、信号に応答して複数の研磨パラメータの少なくとも１つを制御するように構成された制御装置と、
    基板収納装置を備える工場インターフェースであって、プローブが、工場インターフェース内にあるか、または工場インターフェースに取り付けられている、工場インターフェースと
    を備える化学機械研磨システム。

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