JP2017528904A - 一体型センサを有する化学機械研磨保持リング - Google Patents
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Abstract
Description
化学機械研磨(CMP)は、一般に認められている平坦化方法の1つである。平坦化中、基板は、典型的には、キャリアまたは研磨ヘッド上に取り付けられる。基板の露出表面は、回転式研磨パッドに対して配置される。研磨パッドは、「標準」または固定砥粒パッドとすることができる。標準研磨パッドは、耐久性のある粗面化された表面を有するのに対し、固定砥粒パッドは、閉じ込め媒体内に保持された研磨粒子を有する。キャリアヘッドは、制御可能な負荷、すなわち圧力を基板上に提供して、基板を研磨パッドに押し付ける。標準パッドが使用される場合、少なくとも1つの化学反応剤および研磨粒子を含む研磨スラリが、研磨パッドの表面に供給される。
CMPプロセスの有効性は、CMPプロセスの研磨速度、ならびにその結果得られる基板表面の仕上がり(小規模の粗さがないこと)および平坦度(大規模のトポグラフィがないこと)によって測定することができる。研磨速度、仕上がり、および平坦度は、パッドとスラリの組合せ、基板とパッドとの間の相対速度、および基板をパッドに押し付ける力によって判定される。
CMP保持リングは、研磨中に基板を保持するように機能する。CMP保持リングはまた、基板の下でスラリの輸送を可能にし、均一性に関するエッジ性能に影響を与える。しかし、典型的なCMP保持リングには、プロセス中、診断中、または化学機械研磨プロセスの終点およびたとえば基板の破損もしくは滑落などの破局的事象に関するフィードバックの提供中に閉ループ制御に使用することができる一体型センサがない。
いくつかの実施形態では、化学機械研磨装置に対するキャリアヘッドは、台座と、台座に接続された保持リングであって、中心開口を有する環状本体、本体内に形成されたチャネルであり、チャネルの第1の端部が中心開口に近接する、チャネル、およびチャネル内で第1の端部に近接して配置されたセンサであり、化学機械研磨プロセスからの音響および/または振動放出を検出するように構成されたセンサを含む保持リングと、台座および保持リングとは独立して可動になるように屈曲部によって台座に接続された支持構造と、加圧可能なチャンバの境界を画定する可撓膜であって、支持構造に接続され、基板に対する取付け表面を有する膜とを含むことができる。
いくつかの実施形態では、化学機械研磨状態を判定する方法は、化学機械研磨装置内に一体型センサを有する保持リングを設けるステップと、化学機械研磨装置内に配置された基板上で化学機械研磨プロセスを実行するステップと、実行される化学機械研磨プロセスからの音響および/または振動放出を、センサを介して捕捉するステップと、捕捉された音響および/または振動放出に関連する情報を伝送するステップと、伝送された情報の分析に基づいて化学機械研磨状態を判定するステップとを含むことができる。
上記で簡単に要約し、以下でより詳細に論じる本開示の実施形態は、添付の図面に示す本開示の例示的な実施形態を参照することによって理解することができる。しかし、本開示は他の等しく有効な実施形態を許容することができるため、添付の図面は、本開示の典型的な実施形態のみを示し、したがって本開示の範囲を限定すると見なされるべきでないことに留意されたい。
本開示の実施形態は、CMPプロセスにおける終点、異常な状態、および他の診断情報の検出を可能にする装置および方法を含む。具体的には、基板上のCMPプロセスによって生じる音響および/または振動放出情報は、一体型の音響/振動センサ302を有するCMP保持リングを使用して監視される。いくつかの実施形態では、一体型の音響/振動センサ302を有する本発明の保持リングは、CMPプロセスによって生じた音響/振動信号の実時間分析を可能にする。それらのCMP音響/振動信号は、たとえば、終点検出、基板のずれ、基板のローディングおよびアンローディングの問題などの異常な状態の検出、CMP研磨の一体部分であるCMPヘッドおよび他の関連する機械アセンブリの機械的性能の予測などのプロセス制御に使用することができる。記録された音響/振動情報は、音響/振動シグネチャに分解することができ、この音響/振動シグネチャの変化が監視され、音響/振動シグネチャのライブラリに対して比較される。音響周波数スペクトルの特徴の変化は、プロセスの終点、異常な状態、および他の診断情報を明らかにすることができる。したがって、本開示と一貫した実施形態は、有利には、統計的分析技法を使用して、事前設定された限界に対して機器パラメータを連続して監視し、機器の健康に関する予防的かつ迅速なフィードバックを提供することができる欠陥の検出および分類(FDC)システムおよび方法を提供する。そのようなFDCシステムおよび方法は、有利には、予定されないダウンタイムをなくし、ツールの利用可能性を改善し、廃物を低減させる。
いくつかの実施形態では、CMP音響/振動信号/記録は、BLUETOOTHなどの短距離無線方法または他の無線通信方法を使用して、CMPヘッドから伝送される。いくつかの実施形態では、研磨サイクルにおけるヘッドの回転中に絶えず充電することができる充電式電池によって、センサ電子機器に給電することができる。
各研磨ステーション25a〜25cは回転可能なプラテン30を含み、プラテン30上に研磨パッド32が配置される。基板10が直径8インチ(200ミリメートル)または12インチ(300ミリメートル)のディスクである場合、プラテン30および研磨パッド32は、それぞれ直径約20または30インチである。プラテン30は、機台22内に位置するプラテン駆動モータ(図示せず)に接続することができる。大部分の研磨プロセスで、プラテン駆動モータはプラテン30を1分当たり30〜200回回転させるが、より低いまたはより高い回転速度を使用することもできる。各研磨ステーション25a〜25cは、研磨パッドの研削状態を維持するために、関連するパッドコンディショナ装置40をさらに含むことができる。
実際の研磨中には、キャリアヘッドのうちの3つ、たとえばキャリアヘッドシステム70a〜70cが、それぞれの研磨ステーション25a〜25cの上に位置決めされる。各キャリアヘッド100は、基板を下げて研磨パッド32に接触させる。概して、キャリアヘッド100は、研磨パッドに対して定位置で基板を保持し、基板の裏面に力を分散させる。キャリアヘッドはまた、駆動シャフトからのトルクを基板へ伝達する。
基板バッキングアセンブリ112は、支持構造114と、支持構造114を台座104に接続する屈曲隔膜116と、支持構造114に接続された可撓部材または膜118とを含む。可撓膜118は、支持構造114の下に延びて、基板に対する取付け表面120を提供する。台座104と基板バッキングアセンブリ112との間に位置決めされたチャンバ190を加圧することで、可撓膜118を下方へ押して基板を研磨パッドに押し付ける。
台座104は、ハウジング102の下に位置する略リング状の本体である。台座104は、アルミニウム、ステンレス鋼、または繊維強化プラスチックなどの剛性材料から形成することができる。通路130が、台座を通って延びることができ、2つの取付け具132および134が、通路130に通路128を流体的に結合するようにハウジング102と台座104との間に可撓管を接続するための取付け点を提供することができる。
クランプリング142によって弾性および可撓膜140が台座104の下面に取り付けられて、内袋144を画定することができる。クランプリング142は、ねじまたはボルト(図示せず)によって台座104に固定することができる。内袋144に第1のポンプ(図示せず)を接続して、流体、たとえば空気などのガスを内袋内または内袋外へ誘導し、したがって支持構造114および可撓膜118にかかる下向きの圧力を制御することができる。
内側クランプリング162によって、折れ曲がった隔膜160の内側エッジをハウジング102に締め付けることができ、外側クランプリング164は、折れ曲がった隔膜160の外側エッジを台座104に締め付けることができる。したがって、折れ曲がった隔膜160は、ハウジング102と台座104との間の空間を密閉して、ローディングチャンバ108を画定する。折れ曲がった隔膜160は、略リング状で厚さ60ミルのシリコーンシートとすることができる。ローディングチャンバ108に第2のポンプ(図示せず)を流体的に接続して、ローディングチャンバ内の圧力および台座104に印加される負荷を制御することができる。
基板バッキングアセンブリ112の屈曲隔膜116は、略平面の環状リングである。屈曲隔膜116の内側エッジは、台座104と保持リング110との間に締め付けられ、屈曲隔膜116の外側エッジは、下部クランプ172と上部クランプ174との間に締め付けられる。屈曲隔膜116は可撓性および弾性を有するが、屈曲隔膜116はまた、半径方向および接線方向に剛性を有することもできる。屈曲隔膜116は、ネオプレンなどのゴム、NYLONもしくはNOMEXなどの弾性体で被覆された布、プラスチック、またはガラス繊維などの複合材料から形成することができる。
可撓膜118、支持構造114、屈曲隔膜116、台座104、およびジンバル機構106の間に密閉される体積は、加圧可能なチャンバ190を画定する。チャンバ190に第3のポンプ(図示せず)を流体的に接続し、チャンバ内の圧力を制御し、したがって基板にかかる可撓膜の下向きの力を制御することができる。
保持リング110は、たとえばボルト194(図2の横断面図には1つのみを示す)によって台座104の外側エッジに固定された略環状のリングとすることができる。ローディングチャンバ108に流体が入れられ、台座104が下向きに押されたとき、保持リング110もまた下向きに押されて、研磨パッド32に負荷を印加する。保持リング110の内面188は、可撓膜118の取付け表面120とともに基板受取り凹部192を画定する。保持リング110は、基板が基板受取り凹部から外れるのを防止する。
いくつかの実施形態では、伝送器310は、保持リング110の外面に結合することができる。伝送器310と保持リング110の半径方向外側の表面との間にシール314を配置して、チャネル304の最も外側の直径開口を密閉することができる。
方法500は508へ進み、508で、保持リング110内に埋め込まれた音響/振動センサ302が、実行される化学機械研磨プロセスからの音響/振動放出を捕捉する。
510で、音響/振動センサ302によって捕捉された音響/振動放出に関連する情報が、伝送器310によって伝送される。いくつかの実施形態では、音響/振動放出に関連する情報は、伝送器310によってコントローラ/コンピュータ340へ無線で伝送される。
512で、伝送される情報の分析に基づいて、1つまたは複数の化学機械研磨状態が判定される。たとえば、いくつかの実施形態では、判定される状態は、CMPプロセスの終点検出、基板のずれ、基板のローディングおよびアンローディングの問題などの異常な状態の検出、CMP研磨の一体部分であるCMPヘッドおよび他の関連する機械アセンブリの機械的性能の状態などを含むことができる。いくつかの実施形態では、コントローラ/コンピュータ340は、伝送器310によって伝送される情報を分析して、1つまたは複数のCMPプロセス状態を判定することができる。
514で、判定された化学機械研磨状態に基づいて、化学機械研磨装置をコントローラ/コンピュータ340によって制御することができる。方法500は、516で終了する。
保持リング110の上部部分184は、金属、たとえばステンレス鋼、モリブデン、もしくはアルミニウム、またはセラミック、たとえばアルミナなどの剛性材料、あるいは他の例示的な材料から形成される。上部部分の材料は、約10〜50 106psi、すなわち下部部分の材料の弾性係数の約10〜100倍の弾性係数を有することができる。たとえば、下部部分の弾性係数は、約0.6 106psiとすることができ、上部部分の弾性係数は、約30 106psiとすることができ、したがって比は約50:1である。上部部分184の厚さT2は、下部部分180の厚さT1より大きくするべきである。具体的には、上部部分は、約300〜500ミルの厚さT2を有することができる。
上記は本開示の実施形態を対象とするが、本開示の基本的な範囲から逸脱することなく、本開示の他のさらなる実施形態を考案することができる。
保持リング110の上部部分184は、金属、たとえばステンレス鋼、モリブデン、もしくはアルミニウム、またはセラミック、たとえばアルミナなどの剛性材料、あるいは他の例示的な材料から形成される。上部部分の材料は、約10〜50 106psi、すなわち下部部分の材料の弾性係数の約10〜100倍の弾性係数を有することができる。たとえば、下部部分の弾性係数は、約0.6 106psiとすることができ、上部部分の弾性係数は、約30 106psiとすることができ、したがって比は約50:1である。上部部分184の厚さT2は、下部部分180の厚さT1より大きくするべきである。具体的には、上部部分は、約300〜500ミルの厚さT2を有することができる。
Claims (15)
- 基板に対する取付け表面を有するキャリアヘッドに対する保持リングであって、
中心開口を有する環状本体と、
前記本体内に形成されたチャネルであり、前記チャネルの第1の端部が前記中心開口に近接する、チャネルと、
前記チャネル内で前記第1の端部に近接して配置されたセンサであり、前記基板上で実行されるプロセスからの音響および/または振動放出を検出するように構成されたセンサとを備える保持リング。 - 前記チャネル内で前記センサと前記中心開口との間に配置されたシール
をさらに備える、請求項1に記載の保持リング。 - 前記シールが、前記中心開口を前記センサから分離するシリコン膜である、請求項2に記載の保持リング。
- 前記チャネルが、前記保持リングの外面から前記中心開口に近接する前記保持リングの内面まで延びる、請求項2または3に記載の保持リング。
- 前記シールが、厚さ約1mm〜約10mmである、請求項2または3に記載の保持リング。
- 前記シールが故障したかどうかを検出する第2のセンサをさらに備え、前記第2のセンサが、湿度センサまたは圧力センサの1つである、
請求項2または3に記載の保持リング。 - 前記センサが、前記基板上で実行されるプロセスからの音響放出を検出するためのマイクロフォン、または前記基板上で実行されるプロセスから生じた振動を検出するための微小電子機械システム(MEMS)加速度計の1つである、請求項1から6までのいずれか1項に記載の保持リング。
- 前記センサが、1つまたは複数の電気リードを介して伝送器に結合される、請求項1から3までのいずれか1項に記載の保持リング。
- 前記伝送器が、前記センサから得られる音響および/または振動放出に関連する情報を無線で伝送するように構成された無線伝送器である、請求項8に記載の保持リング。
- 前記伝送器が、前記保持リングの外面上に配置される、請求項8に記載の保持リング。
- 台座と、
前記台座に接続された保持リングであって、
中心開口を有する環状本体、
前記本体内に形成されたチャネルであり、前記チャネルの第1の端部が前記中心開口に近接する、チャネル、および
前記チャネル内で前記第1の端部に近接して配置されたセンサであり、化学機械研磨プロセスからの音響および/または振動放出を検出するように構成されたセンサを備える保持リングと、
前記台座および前記保持リングとは独立して可動になるように屈曲部によって前記台座に接続された支持構造と、
加圧可能なチャンバの境界を画定する可撓膜であって、前記支持構造に接続され、基板に対する取付け表面を有する膜と
を備える、化学機械研磨装置に対するキャリアヘッド。 - 前記保持リングが、前記チャネル内で前記センサと前記中心開口との間に配置されたシールをさらに含む、請求項11に記載のキャリアヘッド。
- 前記シールが、前記中心開口を前記センサから分離するシリコン膜である、請求項12に記載のキャリアヘッド。
- 前記チャネルが、前記保持リングの外面から前記中心開口に近接する前記保持リングの内面まで延びる、請求項11から13までのいずれか1項に記載のキャリアヘッド。
- 化学機械研磨状態を判定する方法であって、
化学機械研磨装置内に一体型センサを有する保持リングを設けるステップと、
前記化学機械研磨装置内に配置された基板上で化学機械研磨プロセスを実行するステップと、
実行される前記化学機械研磨プロセスからの音響および/または振動放出を、前記センサを介して捕捉するステップと、
前記センサによって捕捉された前記音響および/または振動放出に関連する情報を伝送するステップと、
前記伝送された情報の分析に基づいて化学機械研磨状態を判定するステップとを含む方法。
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