JP2013540369A - 化学機械研磨消耗品のばらつきを補償する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

ＣＭＰシステムで研磨パッドを調整する装置及び方法が提供される。一実施形態では、基板を研磨する装置が提供される。装置は、回転可能なプラテンと、ベースに結合されたコンディショナデバイスとを含む。コンディショナデバイスは、第１モータによってベースに回転可能に結合されたシャフトを含む。回転可能なコンディショナヘッドが、アームによってシャフトに結合されている。コンディショナヘッドは、コンディショナヘッドの回転を制御する第２モータに結合されている。１つ又は複数の測定デバイスが設けられており、これらは、ベースに関するシャフトの回転力メトリック、及び、コンディショナヘッドの回転力メトリックを感知するように動作可能である。

Description

本発明の実施形態は、一般に、半導体基板など基板を研磨する方法及び装置に関する。より詳細には、本発明の実施形態は、化学機械研磨（ＣＭＰ）システムで研磨表面を調整する方法に関する。

半導体デバイスの製造中には、層及び構造が半導体基板上に種々のプロセスによって堆積及び形成される。化学機械研磨（ＣＭＰ）は、広く使用されているプロセスであり、これによって、基板を平坦化する、又は後続の層を受け取るための平坦性を維持するように、研磨パッドが研磨液との組み合わせで余分な材料を除去する。時間が経つにつれて、研磨パッドの有効性は減損する。研磨パッドの有効性を改善するために、研磨パッドを周期的に調整することができる。

パッド調節は、一般に、研磨パッドを研磨材コンディショナディスクによって磨き、パッド表面上に蓄積されたいかなる研磨副産物も除去する、及び／又は、研磨パッドの表面をリフレッシュすることを含む。研磨パッド及びコンディショナディスクなど新しいＣＭＰ消耗品が研磨システム中に導入されるとき、特性及び／又は互いの相互作用は未知である。例えば、コンディショナディスクは、製造者ごとにばらつき、しばしばディスクごとにばらつく。そのため、新しいコンディショナディスクは、研磨パッドを不十分に調整する可能性があり、これは結果として除去レートを低下させ、又は、研磨パッドを過剰調整する可能性があり、これは結果として研磨パッドの有効期間を減少させる。同様に、研磨パッド特性は、製造者ごと及び研磨パッドごとにばらつく可能性がある。例えば、硬度など研磨パッドの特性は、調整方策に影響を及ぼし、研磨パッドを過剰調整する、又は調整不足にする可能性がある。

このように、研磨パッドを調整する改善された装置及び方法、並びに研磨パッドの特性及びコンディショナディスクの特性など消耗品の特性及び相互作用に基づく改善された研磨パッド調整が必要とされている。

本発明の実施形態は、基板を研磨する装置及び方法を提供する。一実施形態では、基板を研磨する装置が提供される。この装置は、回転可能なプラテンと、ベースに結合されたコンディショナデバイスとを含む。コンディショナデバイスは、第１モータによってベースに回転可能に結合されたシャフトを含む。回転可能なコンディショナヘッドが、アームによってシャフトに結合されている。コンディショナヘッドは、コンディショナヘッドの回転を制御する第２モータに結合されている。ベースに関するシャフトの回転力メトリックと、コンディショナヘッドの回転力メトリックとを感知するように動作可能な１つ又は複数の測定デバイスが設けられている。

別の実施形態では、基板を研磨する方法が提供される。この方法は、基板なしで研磨前プロセスを行う工程を含み、研磨前プロセスは、研磨ステーションに配置された研磨パッドの研磨表面にコンディショナディスクを押し付ける工程と、コンディショナディスクを研磨パッドに関して動かすために必要な回転力値を監視している間、コンディショナディスクを研磨パッドに関して、研磨表面を横切る掃引パターンで動かす工程と、コンディショナディスクと研磨表面との間の相互作用を示すメトリックを回転力値から決定する工程と、メトリックに応じて研磨方策を調節する工程と、調節された研磨方策を使用して１つ又は複数の基板を研磨する工程とを含む。

別の実施形態では、基板を研磨する方法が提供される。この方法は、基板なしで研磨前プロセスを行う工程を含み、研磨前プロセスは、研磨ステーションに配置された研磨パッドの研磨表面にコンディショナディスクを押し付ける工程と、コンディショナディスクを研磨表面に関して動かすために必要な回転力値を監視している間、コンディショナディスクを研磨パッドに関して動かす工程とを含む。研磨前プロセスは、また、コンディショナディスクと研磨表面との間の相互作用の第１トルクメトリック指標を回転力値から決定する工程と、第１トルクメトリックに応じて研磨方策を調節する工程と、調節された研磨方策を使用して１つ又は複数の基板を研磨する工程と、コンディショナディスクを研磨表面に関して動かすために必要な回転力値を監視し、第２トルクメトリックを決定する間、研磨パッドの研磨表面を調整する工程と、第２トルクメトリックがターゲットトルクメトリックと異なっている場合、１つ又は複数の調整パラメータを調節する工程とを含む。

上に列挙した本発明の特徴が成し遂げられ、詳細に理解することができるように、上で簡単に要約された本発明のより具体的な説明は、添付図面に例示されたその実施形態の参照によって得ることができる。

本発明の実施形態を実践するために使用することができる研磨ステーションの一実施形態の部分的な断面図である。 図１の研磨ステーションの略平面図である。 本発明の実施形態を実践するために使用することができる方法の一実施形態を表すフローチャートである。 本発明の実施形態を実践するために使用することができる方法の別の実施形態を表すフローチャートである。

理解を容易にするために、可能であれば、図面に共通する同一の要素を指定するために同一の参照番号が使用されている。ある実施形態の要素及び特徴が、さらなる列挙なしで、他の実施形態に有益に組み込まれてもよいことが意図されている。

ここに記載された実施形態は、化学機械研磨（ＣＭＰ）システムで研磨パッドの研磨表面を調整し、基板での材料除去レートを高め、スループットを増加させる装置及び方法に関する。ＣＭＰプロセスでは、研磨パッドの表面をリフレッシュするために、研磨パッドの周期的な調整が必要である。しかしながら、パッド調整と、研磨プロセス中の基板からの摩擦との組み合わせは、研磨パッドを、研磨パッドを交換する必要がある段階まで摩耗させる傾向がある。同様に、コンディショナディスクを交換する必要があるように、コンディショナディスクの摩耗性は時間が経つにつれて減少する。新しい研磨パッド及び／又は新しいコンディショナディスクなど新しい消耗品が研磨システムに導入される場合、研磨パッド及びコンディショナディスク間の相互作用は未知である。例えば、研磨パッド特性は、製造者ごと及び研磨パッドごとにばらつく可能性がある。同様に、コンディショナディスクのダイヤモンド砥粒サイズ及び形態などコンディショナディスクの特性は、ディスクごとにばらつく可能性がある。

本発明の実施形態は、研磨パッドや、研磨パッドを調整又はリフレッシュするコンディショナディスク、及びこれらの組み合わせなど消耗品の性能を対象としている。本発明者等は、新しい消耗品の相互作用又は性能は、新しい消耗品の設置時にインサイチュで決定することができることを発見した。消耗品間の相互作用を１つ又は複数の研磨前プロセス内で監視し、性能メトリックを提供することができ、この性能メトリックは、研磨方策で、又は自動化研磨プロセス方策の処理パラメータを制御する閉ループ制御システムで利用することができる。さらに、消耗品の除去レート及び／又は有効期間を向上させるために、性能メトリックを後続の研磨プロセス中に絶えず監視することができる。

図１は、化学機械研磨（ＣＭＰ）プロセス又は電気化学機械研磨（ＥＣＭＰ）プロセスなど研磨プロセスを行うように構成された研磨ステーション１００の一実施形態の部分的な断面図である。研磨ステーション１００は、独立型ユニットであってもよく、又はより大きい処理システムの一部であってもよい。研磨ステーション１００を利用するように適合させることができるより大きい処理システムの例は、他の研磨システムの中でも、カリフォルニア州サンタクララに位置するＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から利用可能な、ＲＥＦＬＥＸＩＯＮ（登録商標）、ＲＥＦＬＥＸＩＯＮ（登録商標）ＬＫ、ＲＥＦＬＥＸＩＯＮ（登録商標）ＬＫ ＥＣＭＰ（商標）、ＲＥＦＬＥＸＩＯＮ ＧＴ（商標）、及びＭＩＲＲＡ ＭＥＳＡ（登録商標）研磨システムを含む。

研磨ステーション１００は、ベース１１０上に回転可能に支持されているプラテン１０５を含む。プラテン１０５は、プラテン１０５を回転軸Ａの周りで回転させるのに適合したアクチュエータ又はドライバモータ１１５に動作的に結合されている。一実施形態では、研磨パッド１２０の研磨材料１２２は、ＣＭＰプロセスで代表的に利用されるポリマー系パッド材料など市販のパッド材料である。ポリマー材料は、ポリウレタン、ポリカーボネート、フルオロポリマー、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、又はこれらの組み合わせであってもよい。研磨材料１２２は、連続気泡又は独立気泡ポリマー、エラストマー、フェルト、含浸フェルト、プラスチック、及び、処理の化学的性質と調和する同様の材料をさらに備えることができる。別の実施形態では、研磨材料１２２は、多孔性コーティングで含浸化されたフェルト材料である。他の実施形態では、研磨材料１２２は、少なくとも部分的に導電性である材料を含む。研磨パッド１２０は、消耗品と考えられ、プラテン１０５に取り外し可能に結合し、研磨パッド１２０の交換を容易にすることができる。

プラテン１０５は、基板が研磨材料１２２と接触しているときに研磨パッド１２０が基板１３５の表面を平坦化又は研磨するように、処理中に研磨パッド１２０を回転させるために利用される。プラテン回転センサなど第１測定デバイス１３８を利用し、プラテン１０５及び研磨パッド１２０を回転させるために必要な力を示すメトリックを得ることができる。第１測定デバイス１３８は、ドライバモータ１１５に、又は、ドライバモータ１１５の出力シャフトに結合された、トルク又は他の回転力センサであってもよい。

キャリアヘッド１３０が、研磨パッド１２０の研磨表面１２５の上に配置される。キャリアヘッド１３０は、基板１３５を保持し、処理中、基板１３５を研磨パッド１２０の研磨表面１２５の方へ（Ｚ軸に沿って）制御可能に押す。一実施形態では、キャリアヘッド１３０は、基板１３５の裏側の１つ又は複数のゾーンに圧力又は力を加え、基板１３５を研磨表面１２５の方へ押すのに適合した１つ又は複数の加圧可能な嚢（図示せず）を含む。キャリアヘッド１３０は、キャリアヘッド１３０を支持し、研磨パッド１２０に関するキャリアヘッド１３０の運動を容易にする支持体部材１４０に取り付けられている。支持体部材１４０は、キャリアヘッド１３０を研磨パッド１２０の上に吊り下げるように、ベース１１０に結合する又は研磨ステーション１００に取り付けることができる。一実施形態では、支持体部材１４０は、研磨パッド１２０の上で研磨ステーション１００に、又は研磨ステーション１００に隣接して取り付けられている円形トラックである。

キャリアヘッド１３０は、少なくとも回転軸Ｂの周りのキャリアヘッド１３０の回転運動を提供するドライバシステム１４５に結合されている。さらに、ドライバシステム１４５は、キャリアヘッド１３０を、支持体部材１４０に沿って研磨パッド１２０に関して横方向（Ｘ及び／又はＹ軸）に動かすように構成されてもよい。一実施形態では、ドライバシステム１４５は、キャリアヘッド１３０を、横方向運動に加えて、研磨パッド１２０に関して垂直（Ｚ軸）に動かす。例えば、ドライバシステム１４５は、研磨パッド１２０に対する基板１３５の回転及び／又は横方向運動を提供するのに加えて、基板１３５を研磨パッド１２０の方へ動かすために利用することができる。キャリアヘッド１３０の横方向運動は、線形、あるいは円弧又は掃引移動であってもよい。第２測定デバイス１４８をキャリアヘッド１３０に結合することができる。第２測定デバイス１４８は、基板１３５を研磨パッド１２０に対して回転させるために必要な力のメトリックを得るために利用される、キャリアヘッド１３０のための回転センサであってもよい。第２測定デバイス１４８は、ドライバシステム１４５に、又は、ドライバシステム１４５の出力シャフトに結合された、トルク又は他の回転力センサであってもよい。

コンディショナデバイス１５０及び流体アプリケータ１５５は、研磨パッド１２０の研磨表面１２５の上方に位置して示されている。流体アプリケータ１５５は、研磨流体を研磨パッド１２０の一部に届けるのに適合した１つ又は複数のノズル１６０を含む。流体アプリケータ１５５は、ベース１１０に回転可能に結合されている。一実施形態では、流体アプリケータ１５５は、回転軸Ｃの周りを回転するのに適合し、研磨表面１２５の方に向けられた研磨流体を供給する。研磨流体は、化学溶液、水、研磨コンパウンド、洗浄溶液、又はこれらの組み合わせであってもよい。

コンディショナデバイス１５０は、一般に、コンディショナヘッド１５１と、回転可能なシャフト１５２と、回転可能なシャフト１５２から研磨パッド１２０の上に延び、コンディショナヘッド１５１を支持するように構成されたアーム１５３とを含む。コンディショナヘッド１５１は、研磨パッド１２０の研磨表面１２５と接触しているように選択的に位置付けられて研磨表面１２５を調整するコンディショナディスク１５４を保持している。コンディショナディスク１５４は、消耗品と考えられ、コンディショナヘッド１５１に取り外し可能に結合し、コンディショナディスク１５４の交換を容易にすることができる。

回転可能なシャフト１５２は、研磨ステーション１００のベース１１０を経て配置されている。回転可能なシャフト１５２は、ベース１１０に関して回転軸Ｄの周りを回転することができる。回転可能なシャフト１５２の回転は、アーム１５３がコンディショナヘッド１５１をベース１１０及び研磨パッド１２０に関して回転させるように、ベース１１０と回転可能なシャフト１５２との間のベアリング１５６によって容易にすることができる。一実施形態では、アクチュエータ又はモータ１５７が、回転可能なシャフト１５２に結合され、回転可能なシャフト１５２を回転させ、アーム１５３及びコンディショナヘッド１５１を、研磨パッド１２０の研磨表面１２５を横切る掃引移動で押す。

コンディショナデバイス１５０は、さらに、回転可能なシャフト１５２の回転を監視するために利用される第３測定デバイス１５８を含む。一実施形態では、第３測定デバイス１５８は、コンディショナディスク１５４を、研磨パッド１２０の研磨表面１２５を横切る掃引移動で移動させるために必要な回転力又はトルクを検出するのに適合した、回転可能なシャフト１５２及び／又はアーム１５３と共に利用される回転センサである。一実施形態では、第３測定装置１５８は、モータ１５７に、又はモータ１５７の出力シャフトに結合されたトルク又は他の回転力センサであってもよい。他の実施形態では、第３測定装置１５８は、モータ１５７に結合された電流センサ又は圧力センサであってもよい。電流センサは、コンディショナディスク１５４と研磨パッド１２０の研磨表面１２５との間の摩擦力が変化するにつれてモータ１５７によって引き出される電流の変化を検出することができる。圧力センサは、コンディショナディスク１５４と研磨パッド１２０の研磨表面１２５との間の摩擦力が変化するにつれて、モータ１５７を発動させるために利用される圧力の変化を検出する、モータ１５７とのインターフェースであってもよい。依然として他の実施形態では、第３測定デバイス１５８は、研磨パッド１２０の研磨表面１２５を横切ってコンディショナディスク１５４を動かすために必要な力を示すメトリックを提供するのに適した任意の他のセンサであってもよい。

コンディショナヘッド１５１は、コンディショナディスク１５４を、コンディショナディスク１５４を直交方向に通るように配置された回転軸Ｅの周りに回転させる。アクチュエータ又はモータ１６１は、コンディショナディスク１５４を、アーム１５３及び／又は研磨パッド１２０の研磨表面１２５に関して回転させるために利用される。一実施形態では、モータ１６１は、アーム１５３の遠位端でハウジング１６２内に配置される。コンディショナディスク１５４は、研磨パッド１２０の材料を調整するのに適した材料から制作される。コンディショナディスク１５４は、ポリマー材料から形成された剛毛を有するブラシであってもよく、又は、研磨材粒子を備える研磨材表面を含んでもよい。一実施形態では、コンディショナディスク１５４は、ベース基板に付着したダイヤモンド又は他の比較的硬い粒子など研磨剤粒子を含有する表面を備えている。

コンディショナデバイス１５０は、さらに、コンディショナディスク１５４が研磨パッド１２０と接触しているときにコンディショナディスク１５４を回転軸Ｅの周りに回転させるために必要な回転力又はトルクを感知する第４測定デバイス１６３を含む。一実施形態では、第４測定デバイス１６３は、コンディショナ１５１によって経験されるトルクを感知するトルクセンサであってもよい。ある態様では、第４測定デバイス１６３は、ハウジング１６２内に配置されている。一実施形態では、第４測定デバイス１６３は、モータ１６１に、又は、モータ１６１とコンディショナディスク１５４との間に結合された出力シャフトに結合された電流センサであってもよい。電流センサは、コンディショナディスク１５４と研磨パッド１２０の研磨表面１２５との間の摩擦力が変化するにつれてモータ１６１によって引き出される電流の変化を検出することができる。別の実施形態では、第４測定デバイス１６３は、モータとコンディショナヘッドとの間のドライバトレーン内に位置し、コンディショナディスク１５４と研磨パッド１２０の研磨表面１２５との間の摩擦によって生じるドライバトレーン上の力を測定する、トルクセンサ、たわみセンサ、又はひずみゲージであってもよい。

調整デバイス１５０は、コンディショナディスク１５４を研磨パッド１２０の研磨表面１２５に押し付けるために利用されるダウンフォースアクチュエータ１６４も含む。ダウンフォースアクチュエータ１６４は、研磨パッド１２０の研磨表面１２５に対してコンディショナディスク１５４によって加えられる力を選択的に制御するように構成されている。一実施形態では、ダウンフォースアクチュエータ１６４は、アーム１５３とシャフト１５２との間に、又は他の好適な場所に配置することができる。他の実施形態（図示せず）では、アーム１５３は、回転可能なシャフト１５２に静的に結合されており、ダウンフォースアクチュエータ１６４は、アーム１５３の遠位端とコンディショナヘッド１５１との間に配置され、研磨パッド１２０の研磨表面１２５に対してコンディショナディスク１５４によって加えられる力を制御する。

第５測定デバイス１６５が、ダウンフォースアクチュエータ１６４に結合されており、研磨パッド１２０の研磨表面１２５に対するコンディショナディスク１５４のダウンフォースを示すメトリックを検出するために利用することができる。一実施形態では、第５測定デバイス１６５は、線内配向で、又は、回転可能なシャフト１５２に関するダウンフォースアクチュエータ１６４の応力又はひずみを検出するために利用される他の好適な場所に、あるいは他の取り付け場所に、ダウンフォースアクチュエータ１６４と共に位置づけられる、又はダウンフォースアクチュエータ１６４に結合することができるダウンフォースセンサである。

測定デバイス１３８、１４８、１５８、１６３及び１６５と同様に、ドライバシステム１４５、ダウンフォースアクチュエータ１６４、モータ１１５、１５７及び１６１の各々は、コントローラに結合されている。一般に、コントローラは、１つ又は複数の部品と、研磨ステーション１００で行われるプロセスとを制御するために使用される。一実施形態では、コントローラは知覚データを使用し、処理中に基板１３５から除去される材料のレートを制御する。コントローラは、制御信号を、ドライバシステム１４５と、ダウンフォースアクチュエータ１６４と、モータ１１５、１５７及び１６１とに送信し、測定デバイス１３８、１４８、１５８、１６３及び１６５によって検出された力に対応する信号を受信する。コントローラは、一般に、研磨ステーション１００の制御及び自動化を容易にするように構成されており、代表的には、中央処理ユニット（ＣＰＵ）、メモリ及び支持回路（又はＩ／Ｏ）を含む。ＣＰＵは、種々のシステム機能、基板運動、研磨プロセス、プロセスタイミング及び支持ハードウェア（例えば、センサ、ロボット、モータ、タイミングデバイス等）を制御する工業設定で使用され、プロセス（例えば、化学濃度、処理変数、プロセス時間、Ｉ／Ｏ信号等）を監視する、任意の形式のコンピュータプロセッサの１つであってもよい。メモリは、ＣＰＵに接続されており、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、フロッピーディスク（登録商標）、ハードディスク、又はローカル又は遠隔の任意の他の形式のデジタルストレージなど、容易に入手可能なメモリの１つ又は複数であってもよい。ソフトウェア命令及びデータは、符号化し、ＣＰＵに命令するためのメモリに格納することができる。プロセッサを従来の方法で支持する支持回路もＣＰＵに接続されている。支持回路は、キャッシュ、電源、クロック回路、入力／出力回路網、サブシステム、その他を含むことができる。コントローラによって読み取り可能なプログラム、又はコンピュータ命令は、どのタスクを基板上で行うことができるかを決定する。好適には、プログラムは、研磨ステーション１００で基板の運動、支持、及び／又は位置付けの監視、遂行及び制御に関係するタスクを行うコードを含む、コントローラによって読み取り可能なソフトウェアである。一実施形態では、コントローラは、ロボットデバイスを制御し、研磨ステーション１００の戦略的運動、スケジューリング、及び運転を制御し、プロセスを反復可能にし、待ち時間の問題を解決し、基板の過度の又は不足した処理を防ぐために使用される。

図２は、図１の研磨ステーション１００の略平面図である。基板１３５がキャリアヘッド１３０内に保持されているときの研磨パッド１２０上の基板１３５の研磨掃引パターン２０５の実施形態のため、キャリアヘッド１３０（図１）は図示されていない。キャリアヘッドは、基板１３５を回転する研磨パッド１２０に関して回転させている間、基板１３５を、研磨表面１２５を横切って線形に又は円弧に動かし、基板１３５から材料を除去させる。コンディショナディスク１５４を有する調整デバイス１５０も、研磨パッド１２０上の調整掃引パターン２１０の一実施形態を例示するために図示されている。コンディショナディスク１５４は、研磨表面１２５を横切って掃引され、研磨表面１２５を調整及び／又はリフレッシュし、基板１３５からの材料の除去レートの向上を容易にする。

動作中、図２に例示されているように、研磨流体アプリケータ１５５によって研磨流体２１５が研磨パッド１２０の研磨表面１２５に届けられる。一実施形態では、プラテン１０５は、約９３毎分回転数（ＲＰＭ）など、約８５ＲＰＭから約１００ＲＰＭの回転速度で回転する。キャリアヘッド１３０（図示せず）は、基板１３５を研磨パッド１２０の研磨表面１２５に押し付ける。一実施形態では、キャリアヘッド１３０は、プラテン１０５に関して、約８７ＲＰＭなど、約８０ＲＰＭから約９５ＲＰＭの回転速度で回転される。キャリアヘッド１３０内の１つ又は複数の加圧可能な嚢は、基板１３５の裏側に圧力を加え、基板１３５を研磨パッド１２０の方へ押すことができる。一実施形態では、平均圧力は、約４．５重量ポンド毎平方インチ（ｐｓｉ）など、約３．５ｐｓｉから約５．５ｐｓｉである。研磨流体２１５が存在する回転する研磨パッド１２０の研磨表面１２５と接触することにより、基板から過剰の金属、誘電体及び／又はバリア材料が除去され、研磨パッド１２０と接触している基板１３５の表面が平坦化される。

基板１３５上で研磨プロセスを行う前、最中及び／又は後、研磨パッド１２０は調整されて、隆起が再生され、研磨副産物及びパッドくずが除去され、研磨表面１２５がリフレッシュされる。調整中、コンディショナヘッド１５１は、コンディショナディスク１５４を研磨パッド１２０に予め規定されたダウンフォースで押し付ける。ダウンフォースアクチュエータ１６４によって加えられるダウンフォースは、約１重量ポンド（ｌｂ−ｆ）から約１０ｌｂ−ｆであってもよい。コンディショナディスク１５４は、調整掃引パターン２１０で研磨パッド１２０を横切って前後に掃引する間、研磨パッド１２０の研磨表面１２５に関して回転する。一実施形態では、コンディショナディスク１５４は、約９５ＲＰＭなど、約８５ＲＰＭから約１０５ＲＰＭの回転速度で回転される。別の実施形態では、調整掃引パターン２１０は、約１．７インチから約１４．７インチなど約１．５インチから約１５インチの範囲を備えている。別の実施形態では、掃引レートは、毎分約１９掃引など、毎分約１５掃引から毎分約２２掃引である。

新しい未使用研磨パッド１２０及び／又は新しい未使用コンディショナディスク１５４など新しい消耗品が研磨ステーション１００に導入された場合、研磨パッド１２０とコンディショナディスク１５４との間の相互作用は、最初は未知である。例えば、研磨パッド特性は、製造者ごと及び研磨パッドごとにばらつく。同様に、コンディショナディスクのダイヤモンド砥粒サイズ及び形態は、ディスクごとにばらつく。これは、研磨パッド１２０の研磨表面１２５中の結晶性特徴の向き及び侵入深さに悪影響を及ぼし、研磨パッド１２０の摩耗レートに有意な違いをもたらす可能性がある。いくつかの実例では、コンディショナディスクの結晶性特徴の断片のみが、調整プロセスで能動的に関与し、継続的な使用で有意な摩耗を経験する。コンディショナディスクの摩耗は、コンディショナディスクの有効期間を減少させるのと同時に、研磨パッドの調整不足によって調整プロセスに悪影響を及ぼす。調整不足は、研磨表面１２５の目つぶれと除去レートの減少とをもたらす可能性があり、これはスループットを低下させる。コンディショナディスク及び研磨パッドなど消耗品の増加した摩耗レートは、早すぎる交換をもたらし、これは、所有コスト及びツール休止時間を増加させる。

消耗品のばらつきを改善する１つの解決法は、消耗品の厳しい仕様及び品質制御を要求することである。しかしながら、増加した品質制御は、消耗品のコストを上昇させる可能性があり、これは所有コストを増加させる。

本発明者等は、新しい消耗品の性能を決定することは、１つ又は複数の新しい消耗品の設置時にインサイチュで決定することができることを発見した。消耗品間の相互作用を１つ又は複数の研磨前プロセス内で監視し、研磨方策で、又は自動化研磨プロセス方策の処理パラメータを制御する閉ループ制御システムで利用することができる性能メトリックを提供することができる。

図３は、図１及び２の研磨ステーション１００によって利用することができる方法３００の一実施形態を表すフローチャートである。方法３００は、研磨ステーション１００での研磨プロセス方策で利用される研磨パラメータを決定するために利用することができる。例えば、研磨ステーション１００での消耗品間の相互作用は、研磨前に決定することができ、研磨前データを使用し、方法３００を利用して研磨方策を調節することができる。

ステップ３１０では、研磨前プロセスが、研磨ステーション１００など研磨ステーションを利用して基板なしで行われる。ステップ３２０では、コンディショナディスク１５４が、研磨パッド１２０の研磨表面１２５の方へ押される。一実施形態では、研磨材表面は、ダウンフォースアクチュエータ１６４を使用して約１ｌｂ−ｆから約１０ｌｂ−ｆのダウンフォースで研磨表面１２５の方へ押される。一実施形態では、ダウンフォース値は、約９ｌｂ−ｆのダウンフォースで一定である。一態様では、コンディショナディスク１５４は研磨材表面を含んでおり、この研磨材表面は、研磨パッド１２０の研磨表面１２５と接触し、これをすり減らすように構成された、剛毛、ダイヤモンド、又は他の研磨材粒子であってもよい。

ステップ３３０では、コンディショナディスク１５４を運動させるために必要な回転力値が監視されている間、コンディショナディスク１５４は研磨パッド１２０に関して動かされる。一実施形態では、研磨パッド１２０に関する運動は、コンディショナディスク１５４の回転、回転するコンディショナディスク１５４に関する研磨パッド１２０の回転、研磨表面１２５を横切る調整掃引パターン２１０でのコンディショナディスク１５４を動かすこと、又は、これらの組み合わせを含む。一実施形態では、コンディショナディスク１５４の研磨材表面が研磨パッド１２０の研磨表面１２５に押し付けられている間、研磨パッド１２０が回転されている間コンディショナディスク１５４は回転される。研磨パッド１２０が第２回転速度で回転されている間、コンディショナディスク１５４は第１回転速度で回転されてもよい。一実施形態では、コンディショナディスク１５４の第１回転速度は、約９０ＲＰＭから約１００ＲＰＭであってもよく、研磨パッド１２０の第２回転速度は、プラテン１０５をその上の研磨パッドで回転させることによって与えられる約９０ＲＰＭから約９６ＲＰＭであってもよい。

コンディショナディスク１５４を運動させるのに必要な回転力値は、研磨パッド１２０に関するコンディショナディスク１５４の運動中に監視される。一実施形態では、コンディショナディスク１５４を回転させるのに必要なトルクは、モータ１６１とコンディショナディスク１５４との間に結合された第４測定デバイス１６３によって監視することができる。別の実施形態では、コンディショナディスク１５４を調整掃引パターン２１０で運動させるために必要なトルクは、第３測定デバイス１５８によって監視される。このように、回転力値は、第４測定デバイス１６３、第３測定デバイス１５８、又はこれらの組み合わせによって提供することができる。

ステップ３４０では、コンディショナディスク１５４と研磨表面１２５との間の相互作用、例えば摩擦力を示すメトリックが、回転力値から決定される。一実施形態では、メトリックは、第３測定デバイス１５８によって感知されるような、コンディショナディスク１５４を調整掃引パターン２１０で運動させるために必要な摩擦の測定されたトルク値である。別の実施形態では、メトリックは、第４測定デバイス１６３によって感知されるような、コンディショナディスク１５４を研磨パッド１２０の研磨表面１２５に関して回転させるために必要な摩擦の測定されたトルク値である。

ステップ３５０では、研磨方策がメトリックに応じて調節される。例えば、メトリックは、上のステップ３３０で決定された測定されたトルク値であり、コンディショナディスク１５４の攻撃性を示す測定されたトルク値など、コンディショナディスク１５４と研磨パッド１２０の研磨表面１２５との間の相互作用の指標である。研磨方策は、閉ループ制御システムによって制御することができ、この閉ループ制御システムは、拡張された研磨の実行（すなわち、自動化された制御プロセスを利用する複数の基板の研磨）中に、１つ又は複数の研磨パラメータ（すなわち、コンディショナディスク１５４及び／又はキャリアヘッド１３０の回転速度、コンディショナディスク１５４及び／又はキャリアヘッド１３０に加えられるダウンフォース、コンディショナディスク１５４及び／又はキャリアヘッド１３０の掃引範囲等）を自動的に調節することができる。閉ループ制御システムは、拡張された研磨の実行中に研磨パラメータを最適化し、複数の基板の研磨中の材料除去レートを最適化するために利用される。

ステップ３６０では、１つ又は複数の基板が、調節された研磨方策を使用して研磨される。一実施形態では、１つ又は複数の基板は、閉ループ制御システムによって制御される調節された研磨方策にしたがって研磨される複数の基板を備えることができる。

一実施形態では、コンディショナディスク１５４及び／又は研磨パッド１２０は、新しい又は未使用であり、研磨材特性、及び／又は、コンディショナディスク１５４と研磨表面１２５との間の相互作用は未知である。例えば、一実施形態では、研磨パッド１２０は、新しい又は未使用であり、コンディショナディスク１５４は、以前の研磨パッドに以前に使用されている可能性がある。しかしながら、新しい研磨パッド１２０とコンディショナディスク１５４との間の相互作用は未知であり、方法３００の実施形態は、新しい研磨パッド１２０をサービスのために準備するためのパッドならしプロセスを含むことができる。別の実施形態では、コンディショナディスク１５４は、新しい又は未使用であり、方法３００の実施形態は、新しいコンディショナディスク１５４の、既存の研磨パッド１２０との相互作用を決定するために単独で利用することができる。別の実施形態では、コンディショナディスク１５４及び研磨パッド１２０の両方が新しい又は未使用であり、コンディショナディスク１５４と研磨表面１２５との間の相互作用は未知である。このように、方法３００の実施形態は、新しいコンディショナディスク１５４及び新しい研磨パッド１２０の相互作用を決定するために利用することができる。

一実施形態では、パッドならし後、認定プロセスがテスト基板に行われる。テスト基板は、ある期間中、研磨パッド１２０の研磨表面１２５に押し付けられ、材料除去レートが計測学プロセスによって決定される。認定プロセス中に決定された材料除去レートを、上のステップ３３０で取得された回転力データと共に利用し、拡張された研磨の実行前に閉ループ制御システムに提供することができる。

一態様では、研磨プロセス又は調整プロセスが行われるにつれて、研磨パッド１２０の研磨表面１２５を横切ってコンディショナディスク１５４を運動させるために必要な力又はトルクは、経時的に変動する可能性がある。力又はトルクの変動は、結果として、コンディショナディスク１５４及び研磨パッド１２０の一方又は両方が摩耗するにつれて、及び／又は、プロセス条件が変化するにつれて、コンディショナディスク１５４と研磨パッド１２０との間の抵抗摩擦力の変化を生じる可能性がある。調整パラメータが経時的に変化しないと、コンディショナディスク１５４が摩耗するにつれて、トルク値はおそらくコンディショナディスク１５４の有効期間に渡って減少し、その効果的な削減レートは徐々に減ずる。別の態様では、コンディショナディスク１５４と研磨パッド１２０との間の摩擦力は、抵抗力を発生し、この抵抗力は、研磨及び／又は調整プロセス中にコンディショナディスク１５４及び／又は研磨パッド１２０の少なくとも１つを回転させるために必要な力の変化を監視することによって検出することができる。別の態様では、基板１３５と研磨パッド１２０との間の摩擦力は、研磨プロセス中に監視することができる抵抗力を発生する。これらの力は、研磨プロセス中、上述した測定デバイス１３８、１４８、１５８，１６３及び１６５の１つ又は複数によって監視することができ、データを閉ループ制御システムに提供し、複数の基板１３５からの材料の最適な除去レートを維持するために、研磨方策及び／又は調整方策を実時間で調節することができる。

図４は、図１及び２の研磨ステーション１００によって利用することができる方法４００の別の実施形態を表すフローチャートである。４１０では、研磨ステーション１００など研磨ステーションで研磨前プロセスが行われる。４２０では、コンディショナディスク１５４が、研磨パッド１２０の研磨表面１２５の方へ押される。４３０では、コンディショナディスク１５４を運動させるために必要な回転力値が監視されている間、コンディショナディスク１５４が研磨パッド１２０に関して動かされる。一実施形態では、研磨パッド１２０に関する運動は、コンディショナディスク１５４の回転、研磨パッド１２０のコンディショナディスク１５４に関する回転、研磨表面１２５を横切る調整掃引パターン１２０でのコンディショナディスク１５４の運動、又はこれらの組み合わせを含む。

一実施形態では、ステップ４１０、４２０及び４３０の１つ又は組み合わせが、基板なしで行われる。別の実施形態では、基板がキャリアヘッド１３０に保持され、研磨パッド１２０の研磨表面１２５に押し付けられている間、ステップ４１０、４２０及び４３０の１つ又は組み合わせが行われる。例えば、基板を認定手続で研磨し、ステップ４１０、４２０及び／又は４３０中の除去レートを決定することができる。

４４０では、回転力値に基づく第１トルクメトリックが決定される。一実施形態では、第１トルクメトリックは、第３測定デバイス１５８によって感知されるような、コンディショナディスク１５４を調整掃引パターン２１０で運動させるために必要な摩擦の測定されたトルク値である。別の実施形態では、第１トルクメトリックは、第４測定デバイス１６３によって感知されるような、コンディショナディスク１５４を研磨パッド１２０の研磨表面１２５に関して回転させるために必要な摩擦の測定されたトルク値である。

４５０では、１つ又は複数の基板が、研磨方策にしたがって閉ループ制御システムを利用して研磨される。研磨方策は、４４０で取得された第１トルクメトリックデータを利用して調節されてもよい。４６０では、コンディショナディスク１５４を研磨表面１２５に関して回転させるために必要な回転力値が監視されている間、研磨パッド１２０の研磨表面１２５は、研磨ステップ４５０の前、最中、又は後に調整される。一実施形態では、メトリックは、第３測定デバイス１５８によって感知されるような、コンディショナディスク１５４を調整掃引パターン２１０で運動させるために必要な摩擦の測定されたトルク値である。別の実施形態では、メトリックは、第４測定デバイス１６３によって感知されるような、研磨パッド１２０の研磨表面１２５に関してコンディショナディスク１５４を回転させるために必要な摩擦の測定されたトルク値である。

ステップ４７０では、ステップ４６０で決定された回転力値に基づく第２トルクメトリックが、ステップ４４０で決定された第１トルクメトリックと比較される。第２トルクメトリックが第１トルクメトリックより小さければ、研磨方策を調節することができる。より低い第２トルクメトリックは、コンディショナディスク１５４の摩耗の指標であってもよい。ステップ４８０では、第２トルクメトリックがターゲットトルクメトリックと異なるならば、コンディショナディスク１５４に加えられるダウンフォースが調節される。例えば、第２トルクメトリックがターゲットトルクメトリックより小さければ、コンディショナディスク１５４に加えられるダウンフォースは増加される。

一態様では、第２トルクメトリックは、測定されたトルク値であり、測定されたトルク値は、ターゲットトルクメトリックと比較される。ターゲットトルクメトリックは、上述した方法３００の部分など実験及びテスト、モデル化、計算の前に、経験的データを通じて生成することができ、あるいは、コンディショナディスクの仕様の範囲内の基準曲線として提供することができる。特定の態様によれば、ターゲットトルクメトリックは、２つの異なったデータセットの解析を使用して展開させることができる。第１データセットは、摩耗の異なった段階でのコンディショナディスクを使用して行われる実験の設計を使用して導き出すことができる。掃引トルクの二乗平均（ＲＭＳ）は、ブランケット基板除去レートと共に、すべてのダウンフォース条件に対して測定することができる。第２データセットは、閉ループコントローラを使用する、ダウンフォースが段階的に変化する場合のブランケット基板のマラソンランであってもよい。一実施形態では、コンディショナディスク１５４に加えられるダウンフォースは、約３ｌｂ−ｆで開始してもよく、約２５００枚の基板を処理する過程で約１１ｌｂ−ｆに増加してもよい。ブランケット除去レートをあまり頻繁には測定できない間、掃引トルクのＲＭＳは、すべての基板で測定することができる。これらの２つのデータセットは結合することができ、最小二乗推定技術又は任意の他の好適なデータフィッティング技術を使用し、ＲＭＳ掃引トルク（Ｔ）と、ダウンフォースと、ブランケット除去レートとの間のターゲットトルクメトリックを推定することができる。一実施形態では、モデルの構造は、以下のようであってもよく、

ここで、ａ及びｂは、最小二乗推定から得られる定数である。ある特定の例では、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．によって製造される低ダウンフォースコンディショナアームを利用する酸化物ＣＭＰシステムに関して計算された値ｂ及びａは、それぞれ０．２２８及び０．３である。定数ｂ及びａは、他の基準のうちで、特定のパッド材料、研磨流体、研磨されている基板材料に関して選択することができる。

式１は、

のように書き換えることもできる。

一定の除去レート＝ｋに関して、式を以下のように減らすことができる。

または、

式５は、一定の除去レートを達成するためのダウンフォースの関数としてのターゲット掃引トルク値に関するターゲットトルクメトリックを例示している。

このように、研磨ステーション内の消耗品の相互作用を決定する方法が提供されている。一実施形態では、方法は、コンディショナディスク１５４の攻撃性、及び／又は、コンディショナディスク１５４と新しい研磨パッド１２０との間の相互作用を決定する。一態様では、方法は、消耗品の有効期間に渡って一定の除去レートを保つために利用することができるデータを提供する。方法は、インサイチュ又は実行中プロセスなど、あるいは、拡張されたプロセス実行中のプロセスドリフトを実質的に排除するフィードバックルーチンなど、新しい消耗品のためのならしプロセスで利用することができる。

上記は、本発明の実施形態を対象としているが、本発明の他の及びさらなる実施形態は、その基本的な範囲から逸脱することなく考案することができ、その範囲は、後に続く特許請求の範囲によって決定される。

Claims (16)

1. 基板を研磨する装置であって、
   ベースに結合された回転可能なプラテンと、
   前記ベースに結合されたコンディショナデバイスであって、第１モータによって前記ベースに回転可能に結合されているシャフトと、アームによって前記シャフトに結合されている回転可能なコンディショナヘッドとを備え、前記コンディショナヘッドは、前記コンディショナヘッドの回転を制御する第２モータに結合されている、コンディショナデバイスと、
   前記ベースに関する前記シャフトの回転力メトリックと、前記コンディショナヘッドの回転力メトリックとを感知するように動作可能な１つ又は複数の測定デバイスとを備える、装置。
2. 前記１つ又は複数の測定デバイスは、前記第１モータに結合された第１センサを備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記１つ又は複数の測定デバイスは、前記第２モータに結合された第２センサを備える、請求項２に記載の装置。
4. 前記１つ又は複数の測定デバイスは、電流センサ、圧力センサ、及びトルクセンサから成るグループから選択されたセンサを備える、請求項３に記載の装置。
5. 前記１つ又は複数の測定デバイスは、第１トルクセンサ及び第２トルクセンサを備える、請求項１に記載の装置。
6. 前記コンディショナデバイスに結合され、前記コンディショナヘッドに加えられるダウンフォースのメトリックを感知する第３センサをさらに備える、請求項５に記載の装置。
7. 前記プラテンの回転を制御するモータに結合された第４センサをさらに備える、請求項５に記載の装置。
8. 基板を研磨する装置であって、
   ベースに結合された回転可能なプラテンと、
   前記ベースに結合されたコンディショナデバイスであって、第１モータによって前記ベースに回転可能に結合されているシャフトと、アームによって前記シャフトに結合されている回転可能なコンディショナヘッドとを備え、前記コンディショナヘッドは、前記コンディショナヘッドの回転を制御する第２モータに結合されている、コンディショナデバイスと、
   前記第１モータに結合され、前記ベースに関する前記シャフトの回転力メトリックを感知するように動作可能な第１センサと、
   前記第２モータに結合され、前記コンディショナヘッドの回転力メトリックを感知するように動作可能な第２センサとを備える、装置。
9. 前記第１センサ又は前記第２センサは、電流センサ、圧力センサ、及びトルクセンサから成るグループから選択される、請求項８に記載の装置。
10. 前記第１センサ及び前記第２センサはトルクセンサである、請求項８に記載の装置。
11. 前記コンディショナデバイスに結合され、前記コンディショナヘッドに加えられるダウンフォースのメトリックを感知する第３センサをさらに備える、請求項８に記載の装置。
12. 前記プラテンの回転を制御するモータに結合された第４センサをさらに備える、請求項１１に記載の装置。
13. 基板を研磨する方法であって、
    基板なしの研磨前プロセスを行う工程であって、前記研磨前プロセスは、コンディショナディスクを研磨ステーションに配置された研磨パッドの研磨表面に押し付ける工程を含み、前記研磨前プロセスは、前記コンディショナディスクを前記研磨パッドに関して動かすために必要な回転力値を監視している間、前記コンディショナディスクを前記研磨パッドに関して前記研磨表面を横切る掃引パターンで動かす工程を備える、工程と、
    前記コンディショナディスクと前記研磨表面との間の相互作用を示すメトリックを、前記回転力値から決定する工程と、
    前記メトリックに応じて研磨方策を調節し、前記調節された研磨方策を使用して１つ又は複数の基板を研磨する工程とを備える、方法。
14. 前記メトリックが、測定されたトルク値を備える、請求項１３に記載の方法。
15. 前記研磨する工程が、
    前記１つ又は複数の基板を研磨する間に前記回転力値を監視する工程と、
    前記監視されたトルク値をターゲットトルク値と比較する工程とを備える、請求項１４に記載の方法。
16. 前記調整ディスクのダウンフォースを、前記測定されたトルク値と前記ターゲットトルク値と間の差に応じて調節する工程をさらに備える、請求項１５に記載の方法。

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