JP2024509546A - 化学機械研磨のための音響モニタリングおよびセンサ - Google Patents

Abstract

化学機械研磨装置は、研磨パッドを支持するプラテンと、研磨パッドに接して基板の表面に対するキャリアヘッドと、基板上の上層を研磨するように、プラテンとキャリアヘッドとの間の相対運動を生成するモータと、インシチュー音響モニタリングシステムと、コントローラとを含む。いくつかの実現例では、インシチュー音響モニタリングシステムは、音響信号を放射する音響信号発生器と、基板の表面から反射した音響信号を受信する音響信号センサとを含む。コントローラは、インシチュー音響モニタリングシステムからの測定値に基づいて、基板の研磨による下層の露出を検出するように構成される。
【選択図】図１

Description

本開示は、化学機械研磨の現場（＝in-situ）モニタリングに関する。

集積回路は、一般的に、導電層、半導電層、または絶縁層をシリコンウェハ上に逐次堆積させることによって、基板上に形成される。ある製造ステップは、フィラー層を非平坦面の上に堆積させ、フィラー層を平坦化することを伴う。特定の用途の場合、フィラー層は、パターニングされた層の上面が露出するまで平坦化される。例えば、導電性フィラー層をパターニングされた絶縁層上に堆積させて、絶縁層のトレンチまたは孔を埋めることができる。平坦化後、金属層のうち絶縁層の隆起したパターンの間に残っている部分は、基板上の薄膜回路間に導電路を提供するビア、プラグ、およびラインを形成する。酸化物研磨など、他の用途の場合、フィラー層は、非平坦面の上に所定の厚さが残るまで平坦化される。加えて、基板表面の平坦化は通常、フォトリソグラフィのために必要とされる。

化学機械研磨（ＣＭＰ）は、１つの許容された平坦化方法である。この平坦化方法は、一般的に、基板をキャリアヘッドまたは研磨ヘッド上に載置する必要がある。基板の露出面は、一般的に、回転する研磨パッドに接して配置される。キャリアヘッドは、制御可能な荷重を基板に与えて基板を研磨パッドに押し付ける。一般的に、砥粒研磨スラリーが研磨パッドの表面に供給される。

ＣＭＰの１つの問題は、研磨プロセスが完了したか否か、即ち、基板層が所望の平面度もしくは厚さまで平坦化されているか否か、または所望の材料量が除去されたかどうかを判定することである。スラリー分布、研磨パッド状態、研磨パッドと基板との間の相対速度、および基板に対する荷重のばらつきは、材料除去率のばらつきを引き起こす可能性がある。これらのばらつき、ならびに基板層の初期厚さのばらつきは、研磨のエンドポイントに達するのに必要な時間のばらつきをもたらす可能性がある。したがって、研磨エンドポイントは通常、単に研磨時間の関数として決定することはできない。

いくつかのシステムでは、基板は、例えば、モータがプラテンまたはキャリアヘッドを回転させるのに必要なトルクをモニタリングすることによって、研磨中に現場（＝in-situ）でモニタリングされる。研磨の音響モニタリングも提案されてきた。

一態様では、化学機械研磨装置は、研磨パッドを支持するプラテンと、研磨パッドに接して基板の表面を保持するキャリアヘッドと、基板上の上層を研磨するために、プラテンとキャリアヘッドとの間の相対運動を生成するモータと、音響信号を放射する音響信号発生器、および基板の表面から反射した音響信号を受信する音響信号センサを含む、現場音響モニタリングシステムと、現場音響モニタリングシステムからの測定値に基づいて、基板の研磨による下層の露出を検出するように構成された、コントローラと、を含む。

別の態様では、化学機械研磨装置は、研磨パッドを支持するプラテンと、研磨パッドに接して基板の表面を保持するキャリアヘッドと、基板上の上層を研磨するために、プラテンとキャリアヘッドとの間の相対運動を生成するモータと、基板の応力エネルギーによって生成される音響信号を受信する音響信号センサを含む現場音響モニタリングシステムと、信号とテスト基板の応力エネルギーによって生成される音響信号の過去の測定値との比較に基づいた、現場音響モニタリングシステムからの測定値に基づいて、基板の研磨による下層の露出を検出するように構成された、コントローラと、を含む。

別の態様では、化学機械研磨装置は、プラテンと、プラテン上で支持された、貫通する開孔を有する研磨パッドと、液体をアパーチャ内へと送達する液体源と、研磨パッドに接して基板の表面を保持するキャリアヘッドと、基板上の上層を研磨するために、プラテンとキャリアヘッドとの間の相対運動を生成するモータと、プラテン上で支持され、開孔の下方に配置された、アパーチャ内の液体を通って伝播する音響信号を基板から受信する音響信号センサを含む、現場音響モニタリングシステムとを含む。

別の態様では、化学機械研磨装置は、プラテンと、プラテン上で支持された研磨パッドと、研磨パッドに接して基板の表面を保持するキャリアヘッドと、基板上の上層を研磨するために、プラテンとキャリアヘッドとの間の相対運動を生成するモータと、音響信号センサを含む現場音響モニタリングシステムとを含む。研磨パッドは、研磨面を有する研磨層と、研磨層の残りの部分よりも低い気孔率を有するインサートとを含む。音響信号センサは、インサートを研磨層内に組み込んだ導波路を含む。

実施例は次の特徴のうち１つまたは複数を含んでもよい。コントローラは、決定に応答して、研磨終点を決定し、キャリアヘッドの現在の圧力を調節するか、または続く新しい基板を研磨するベースライン圧力を調節するように構成されてもよい。流体は水を含んでもよい。音響信号センサは、導波路なしで直接開孔内の液体とインターフェースしてもよい。音響信号センサは圧電音響センサであってもよい。コントローラは、信号を音響信号センサから受信し、研磨終点を検出するように構成されてもよい。コントローラは、発生器の出力電力との比較によって、センサから受信した信号を正規化するように構成されてもよい。コントローラは、正規化された信号を閾値と比較することによって、終点を検出するように構成されてもよい。インサートと研磨パッドの残りの部分とはポリウレタンであってもよい。

以下の可能な利点の１つまたは複数が実現されてもよい。音響センサの信号強度を増加させることができる。下層の露出はより高い信頼性で検出することができる。研磨はより高い信頼性で停止することができ、ウェハ間の均一性を改善することができる。

１つまたは複数の実現例の詳細を、添付図面および以下の記載で説明する。他の態様、特徴、および利点は、説明および図面から、また特許請求の範囲から明白となるであろう。

研磨装置の一例を示す概略断面図である。 研磨パッドの一部分と係合する音響モニタリングセンサを示す概略断面図である。 研磨パッドを貫通する開孔を有する音響モニタリングセンサの別の実現例を示す概略断面図である。 研磨パッド内のインサートと係合する音響モニタリングセンサの別の実現例を示す概略断面図である。 音響モニタリングセンサを有するプラテンを示す概略上面図である。

様々な図面における同様の参照記号は同様の要素を示す。

一部の半導体チップ製造プロセスでは、上層、例えば金属、酸化シリコン、またはポリシリコンは、下層、例えば酸化シリコン、窒化シリコン、または高誘電率などの誘電体が露出するまで研磨される。一部の形態では、下層が露出すると、基板からのアコースティックエミッションが変化する。この音響信号の変化を検出することによって、研磨エンドポイントを決定することができる。しかしながら、既存のモニタリング技法は、半導体デバイスメーカーの増大する要求を満たしていないことがある。

モニタリングされるアコースティックエミッションは、基板材料が変形する際のエネルギーによって引き起こされる場合があり、結果として生じる音響スペクトルは基板の材料特性に関連する。いかなる特定の理論によっても限定されないが、「応力エネルギー」とも呼ばれるこのエネルギーの考えられる発生源、およびその特性周波数としては、化学結合の破壊、特有のフォノン周波数、スリップスティックメカニズムなどが挙げられる。この応力エネルギーの音響効果は、研磨パッドに対する基板の摩擦によって誘発される振動によって生じるノイズ（音響信号と呼ばれる場合もある）と同じではなく、あるいは基板上におけるクラッキング、チッピング、破損、または同様の欠陥の発生によって生じるノイズと同じではない。このエネルギーに対して考えられる周波数範囲は、５０ｋＨｚ～１０ＭＨｚ、例えば１００ｋＨｚ～７００ｋＨｚ、例えば４００ｋＨｚ～７００ｋＨｚである。応力エネルギーは、適切なフィルタリングによって、他の音響信号、例えば研磨パッドに対する基板の摩擦、または基板上の欠陥の発生によって生じるノイズと区別することができる。例えば、音響センサからの信号を、応力エネルギーを表すことが分かっている、テスト基板から測定された信号と比較することができる。

しかしながら、音響モニタリングの潜在的な問題は、音響信号のセンサへの伝達である。導波路を使用した場合であっても、研磨パッドは音響信号を弱める傾向がある。したがって、音響信号の減衰が少ない位置にセンサを有することが有利であろう。

別の課題は、応力エネルギーによって生じるアコースティックエミッションが大幅なノイズを含み得ることである。下層は、上層とは異なる音響特性、例えば反射および減衰を有する傾向がある。能動的に音響信号を生成し、基板からの音響信号の反射を測定することによって、ノイズを低減するのが可能なことがある。

図１は、研磨装置１００の一例を示している。研磨装置１００は、研磨パッド１１０が上に載置される、回転可能なディスク形状のプラテン１２０を含む。研磨パッド１１０は、外側の研磨層１１２とより柔らかいバッキング層１１４とを有する、二層の研磨パッドであることができる。プラテンは、軸線１２５を中心にして回転するように動作可能である。例えば、モータ１２１、例えばＤＣ／誘導モータが駆動軸１２４を旋回させて、プラテン１２０を回転させることができる。

研磨装置１００は、砥粒スラリーなどの研磨液１３２を研磨パッド１１０上に分配するポート１３０を含むことができる。研磨装置はまた、研磨パッド１１０を研削して研磨パッド１１０を一貫した研削状態で維持する、研磨パッドコンディショナを含むことができる。

研磨装置１００は少なくとも１つのキャリアヘッド１４０を含む。キャリアヘッド１４０は、研磨パッド１１０に接して基板１０を保持するように動作可能である。各キャリアヘッド１４０は、それぞれの基板と関連付けられた研磨パラメータ、例えば圧力の、独立制御を有することができる。

キャリアヘッド１４０は、基板１０を可撓性膜１４４の下方で保定する保持リング１４２を含むことができる。キャリアヘッド１４０はまた、可撓性膜１４４上の、したがって基板１０上の関連するゾーンに独立制御可能な圧力を加えることができる、膜によって画成された１つまたは複数の独立制御可能である加圧可能なチャンバを、例えば３つのチャンバ１４６ａ～１４６ｃを含む（図１を参照）。例示を簡単にするため、図１には３つのチャンバのみが示されるが、１つもしくは２つのチャンバ、または４つ以上のチャンバ、例えば５つのチャンバが存在し得る。

キャリアヘッド１４０は、支持構造１５０、例えばカルーセルまたはトラックから懸架され、キャリアヘッドが軸線１５５を中心にして回転できるように、駆動軸１５２によってキャリアヘッド回転モータ１５４に、例えばＤＣ／誘導モータに接続される。任意に、各キャリアヘッド１４０は、例えば、カルーセル１５０のスライダ上で、またはカルーセル自体の回転振動によって、またはトラックに沿って摺動することによって、横方向に振動することができる。一般的な動作の際、プラテンはその中心軸１２５を中心にして回転させられ、各キャリアヘッドは、その中心軸１５５を中心にして回転させられ、研磨パッドの上面を横切って横方向に並進させられる。

プログラマブルコンピュータなどのコントローラ１９０は、モータ１２１、１５４に接続されて、プラテン１２０およびキャリアヘッド１４０の回転速度を制御する。例えば、各モータは、関連する駆動軸の回転速度を測定するエンコーダを含むことができる。フィードバック制御回路は、モータ自体の中にあるか、コントローラの一部であるか、または別個の回路であることができ、測定された回転速度をエンコーダから受信し、モータに供給される電流を調節して、駆動軸の回転速度がコントローラから受信される回転速度と一致するようにする。

研磨装置１００は、少なくとも１つの現場音響モニタリングシステム１６０を含む。現場音響モニタリングシステム１６０は、１つまたは複数の音響信号センサ１６２を含み、またいくつかの実施例では、基板１０の研磨パッド１１０に近い方の側に向かって音響エネルギーを動的に送信するようにそれぞれ構成された、１つまたは複数の音響信号発生器１６３を含む。各音響信号センサまたは音響信号発生器は、上側プラテン１２０上の１つまたは複数の位置に設置することができる。特に、現場音響モニタリングシステムは、基板１０の材料が変形したときに応力エネルギーによって生じるアコースティックエミッションを検出するように構成することができ、音響信号発生器１６３が含まれる実施例では、動的に生成した音響信号の基板１０表面からの反射を検出するように構成することができる。

位置センサ、例えば、プラテンのリムに接続された光遮断器またはロータリーエンコーダを使用して、プラテン１２０の角度位置を感知することができる。これにより、センサ１６２が基板の近傍にあるとき、例えば、センサ１６２がキャリアヘッドまたは基板の下方にあるときに測定された信号部分のみを、終点検出に使用できるようになる。

図１に示される実施例では、音響信号センサ１６２は、プラテン１２０の凹部１６４内に位置付けられ、基板の研磨パッド１１０に近い方の側から音響信号を受信するように位置付けられる。同様に、音響信号発生器１６３は、プラテン１２０の凹部１６４内に位置付けられ、基板の研磨パッド１１０に近い方の側から音響信号を生成する（即ち、放射する）ように位置付けられる。音響信号センサ１６２および音響信号発生器１６３は、回路１６８によって、回転接手、例えば水銀スリップリングを通して、電源および／または他の信号処理エレクトロニクス１６６に接続することができる。信号処理エレクトロニクス１６６は次いで、コントローラ１９０に接続することができ、加えて、コントローラは、例えば、発生器１６３に対する電流供給を可変的に増加または減少させることにより、発生器１６３によって伝達される音響エネルギーの大きさまたは周波数を制御するように構成することができる。

いくつかの実施例では、現場音響モニタリングシステム１６０は受動音響モニタリングシステムである。この場合、信号は、音響信号発生器１６３から信号を生成することなく、音響信号センサ１６２によってモニタリングされる（または音響信号発生器１６３を完全にシステムから省略することができる）。音響信号センサ１６２によってモニタリングされる受動音響信号は、５０ｋＨｚ～１ＭＨｚの範囲内、例えば２００～４００ｋＨｚ、または２００ｋＨｚ～１ＭＨｚであることができる。例えば、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）において層間絶縁膜（ＩＬＤ）の研磨をモニタリングする場合、２２５ｋＨｚ～３５０ｋＨｚの周波数範囲をモニタリングすることができる。

いくつかの実施例では、現場音響モニタリングシステム１６０は能動音響モニタリングシステムである。音響信号発生器１６３によって生成される能動音響信号は、５ＭＨｚ～５０ＭＨｚの周波数範囲を有することができる。

いずれの場合も、センサ１６２からの信号を、４０～６０ｄＢの利得を有する内蔵する内部増幅器によって増幅させることができる。センサ１６２からの信号を次に、必要に応じてさらに増幅させフィルタリングし、例えばエレクトロニクス１６６内の、高速データ収集ボードへのＡ／Ｄポートを通してデジタル化することができる。センサ１６２からのデータは、発生器１６３と同様の周波数範囲で、または異なる、例えばより高周波数の範囲、例えば１～１０ＭＨｚ、例えば１～３ＭＨｚもしくは６～８ＭＨｚで記録することができる。

プラテン１２０内に配置される場合、音響信号センサ１６２、音響信号発生器１６３、または両方は、プラテン１２０の中央に、例えば回転軸１２５に、プラテン１２０の縁部に、または中点（例えば、直径２０インチ（５０．８ｃｍ）のプラテンの場合、回転軸から５インチ（１２．７ｃｍ））に配置することができる。図１は、音響信号センサ１６２および音響信号発生器１６３を互いに結合されているものとして示しているが、これは必須ではない。センサ１６２および発生器１６３は、互いに分割し、物理的に分離させることができる。

いくつかの実施例では、ガスを凹部１６４内へと方向付けることができる。例えば、ガス、例えば空気または窒素を、圧力源１８０、例えばポンプまたはガス供給ラインから、配管および／またはプラテン１２０内の通路によって提供される導管１８２を通して、凹部１６４内へと方向付けることができる。出口ポート１８４は、凹部１６４を外部環境に接続し、ガスを凹部１６４から逃がすことができる。ガス流は、凹部１６４を加圧して、凹部１６４内へのスラリーの漏れを低減し、ならびに／あるいは凹部１６４内に漏れるスラリーを出口ポート１８４から出して除去して、センサ１６２および発生器１６３の汚染の可能性や、エレクトロニクスまたは他の構成要素の損傷の可能性を低減することができる。

いくつかの実施例では、音響信号センサ１６２、音響信号発生器１６３、または両方を、音響エネルギーを伝達するための導波路となる、それぞれのプローブ１７０と結合することができる。プローブ１７０は、研磨パッド１１０を支持するプラテン１２０の上面１２８の上方に突出することができる。プローブ１７０は、例えば、センサ１６２の主本体から研磨パッド１１０内へと延在する、鋭い先端を有する針状体であることができる（例えば、図２Ａを参照）。プローブは、任意の緻密材料から製造することができ、理想的には耐食性ステンレス鋼から作られる。

導波路が結合されるセンサ１６２については、５０ｋＨｚ～１ＭＨｚ、例えば１２５ｋＨｚ～１ＭＨｚ、例えば１２５ｋＨｚ～５５０ｋＨｚの動作周波数を有する市販のアコースティックエミッションセンサ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ Ｎａｎｏ ３０など）を使用することができる。有利には、効率的な高周波数音響エネルギー検出が可能な圧電音響センサを使用することができる。センサは、導波路の遠位端に取り付け、例えば、クランプを用いて、またはプラテン１２０にねじ込み接続することによって、適所で保持することができる。

導波路が結合される発生器１６３については、市販の音響信号発生器を使用することができる。発生器は、導波路の遠位端に取り付け、例えば、クランプを用いて、またはプラテン１２０にねじ込み接続することによって、適所で保持することができる。

あるいは、他のいくつかの実施例では、開孔１３８を研磨パッド１１０に形成することができ、開孔１３８は、研磨層１１２およびバッキング層１１４の厚さ全体を通して延在することができる。複数のスラリー搬送溝１１６が研磨パッド１１０の研磨層１１２の上面に形成される実施例では、開孔１３８を溝１１６の１つと位置合わせすることができ、即ち、開孔１３８を、溝の直下で、溝１１６の下方に残っている研磨層１１２の薄い部分を通して、また研磨パッド１１０のバッキング層１１４を通して、研磨パッド１１０に形成することができる（例えば、図２Ｂを参照）。

液体、例えば水を、開孔１３８内へと方向付けることができる。例えば、液体を、液体源１３９、例えば液体供給ラインから、配管および／またはプラテン１２０内の通路を通して、開孔１３８内へと方向付けることができる。別の例として、音響信号センサ１６２自体が、流体パージポート、例えばセンサ１６２の本体を通る１つまたは複数の通路を含むことができ、通路を通して液体を開孔１３８内へと方向付けることができる。いずれの例においても、研磨パッド１１０の厚さを通して延在する開孔１３８によって、液体がスラリーに、即ち上面上、研磨パッド１１０の溝１１６内、または両方に存在するスラリーに、直接接触することが可能になる。

かかる実施例では、音響信号センサ１６２は、開孔１３８の下方のプラテン１２０内に配置され、開孔１３８内の液体を通って伝播する、基板１０から反射した音響信号を受信する。開孔１３８の水平断面サイズは、音響信号センサ１６２の本体の正確なサイズに応じて決まってもよく（例えば、それに等しいかまたはそれよりも小さい）、それによってセンサ１６２が、アパーチャ１３８の下部開口部にわたって延在し、効率的にアパーチャ１３８を封止し続けるとともにアパーチャ１３８を通る液体またはスラリーの漏れを低減するように上部の体積を封止する。

図２Ａを参照すると、いくつかの実施例では、複数のスラリー搬送溝１１６が、研磨パッド１１０の研磨層１１２の上面に形成される。溝１１６は、全体的にではなく部分的に、研磨層１１２の厚さを通って延在する。図２Ａに示される実施例では、プローブ１７０は、先端１７２が溝１１６のうち１つに位置付けられるように、研磨層１７２を通って、例えば、溝１１６の下方に残っている研磨層の薄い部分を通って延在する。これにより、プローブ１７０が、溝１１６内に存在するスラリーを通って伝播する音響信号を直接感知できるようになる。単に研磨層内へと延在するプローブと比較して、これにより、基板１０からのアコースティックエミッションに対するアコースティックエミッションセンサの結合を改善することができる。

プローブ１７０の先端１７２は、研磨パッド１１０が基板１０によって圧縮されたときに先端が基板１０に接触しないように、溝１１６内の十分に低い位置に配置される。

図２Ａには図示されないが、音響信号発生器１６３は、発生器１６３によって生成された動的音響信号を溝１１６内に存在するスラリーへと直接伝播させることができるように、同じまたは異なるタイプのプローブに同様に結合することができる。

例えば、基板材料が変形したときの応力エネルギーによって生じるアコースティックエミッションを受動的にモニタリングする代わりに、能動的に音響信号を基板１０に向かって放射し、反射した音響信号をモニタリングすることによって、望ましくないノイズを低減することができ、かつ信号強度を増大することができる。これにより、終点検出のモニタリングをより正確にすることができる。

いくつかの実施例では、プローブの先端１７２の垂直位置は調節可能である。これにより、感知先端１７２の垂直位置を、研磨パッド１１０の溝の底部に対して精密に位置決めすることができるようになる。例えば、音響信号センサ１６２は、プラテン１２０の一部分を通る開孔に嵌合する円筒体を含むことができる。円筒体の外表面上のねじ山は、プラテン１２０の開孔の内表面にあるねじ山を係合することができるので、円筒体の回転によって先端１７２の垂直位置の調節を遂行することができる。しかしながら、圧電アクチュエータなど、垂直方向調節のために別のメカニズムを使用することができる。プローブ先端１７２の垂直方向の位置決めは、図１および図２Ａに示される実施例と組み合わせることができる。

プローブ１７０は、バッキング層１１４を通って延在し、バッキング層１１４に接触することができる。あるいは、開孔１１８をバッキング層１１４に形成することができ、それによってプローブ１７０は、開孔１１８を通って延在し、バッキング層１１４と直接接触しない。研磨層１１２を穿孔する薄い針状プローブ１７０を使用することで、効率的に研磨層１１２を封止し続けるとともに、プローブ１７０によって作られる開孔を通るスラリーの漏れを低減することができる。加えて、導波路は、バッキング層１１４の物理的性質を機械的に損なうことなく、バッキング層１１４を貫通することができる。

プローブ１７０を溝１１６に対して位置合わせするのは困難なことがあるので、音響信号センサ１６２、音響信号発生器１６３、または両方を複数のプローブ１７０と結合させることができる。例えば、プローブは複数の平行な針であることができる。プローブ１７０が溝１１６間の間隔に少なくとも等しい領域にわたって延在すると仮定すると、研磨パッドがプラテン１２０上に置かれたとき、プローブ１７０の先端１７２のうち少なくとも１つが溝１１６内に位置付けられるはずである。

図２Ｂを参照すると、いくつかの実施例では、研磨パッド１１０は、液体源１３９を通して送達される液体で実質的に満たすことができる、研磨パッドを通る開孔１３８を有する。ここで、音響信号は、例えば、著しいノイズが生じる、研磨パッド１１０内の物質を通る伝播の代わりにまたはそれに加えて、開孔１３８内の液体を通って伝播することができるので、センサ１６２を研磨パッド１１０の溝内のスラリーに結合することによるノイズを低減するのに必要であった導波路が不要になる。特に、センサ１６２と開孔１３８内の液体との間の接触面のサイズは、センサ１６２の（測定ヘッドの）サイズと実質的に等価である。例えば、センサ１６２が鈍い（例えば、平坦な）上端を有する円筒体を有する場合、例えば、接触面、例えばプローブの先端のサイズがはるかに小さい、導波路を含む実施例とは異なり、接触面サイズは、円筒状センサ本体の水平断面領域全体に等しくてもよい。

動作の際、開孔１３８内へと方向付けられる水などの液体は、基板１０に対するセンサ１６２の音響結合を改善することができる。加えて、これにより、スラリーが開孔１３８内に蓄積するのを防ぐことができる。この構成により、センサ１６２が、液体、および基板と直接接触しているスラリーを通して、音響信号を受信することができるようになる。これにより、センサ１６２への音響信号の伝達を改善することができる。

図２Ｃを参照すると、いくつかの実現例では、プローブ１７０は研磨パッド１１０の一部分を通ることができ、液体源１３９を通して送達される液体で実質的に満たすことができる開孔１３８を有する。プローブ１７０は、研磨パッドの溝内まで延在する必要はない。

音響結合を改善するために、研磨層１１２の部分１１９を、研磨パッドの残りの部分よりも高い音響伝達率を有する材料のインサートに置き換えることができる。インサート１１９は依然として研磨プロセスと適合性があり、例えば、研磨プロセスに対して不活性である。特に、研磨層１１２は微多孔性ポリマー層であることができるが、インサート１１９は非多孔性ポリマー材料であることができる。インサート１１９が研磨層１１２の残りの部分と同じ基本ポリマーのものであり得る場合、例えば、両方ともポリウレタンであることができる。インサート１１９は、研磨層１１２の残りの部分と同じ溝切りを有することができる。溝切りは、インサート１１９の上方でのハイドロプレーニングを回避する助けとなり得る。

いくつかの実施例では、インサート１１９が研磨層１１２の残りの部分と同じ圧縮性を有することが有用である。この場合、圧縮性は、重合の程度によって、またはポリマー中の成分の特定の比によって調節することができる。いくつかの実施例では、インサートは、研磨流体と同じ音響インピーダンスを有するように形成される。インサート１１９は必ずしも光学的に透明でなくてもよい。

図３に示されるように、いくつかの実施例では、複数の音響信号センサ１６２、および任意に複数の音響信号発生器１６３を、プラテン１２０に設置することができる。各センサ１６２または発生器１６３は、図１および図２Ａ～図２Ｂのいずれかに関して記載したように構成することができる。センサ１６２からの信号は、コントローラ１９０によって、研磨中に基板１０上で起こるアコースティックエミッションイベントの位置分布を計算するために使用することができる。いくつかの実施例では、複数のセンサ１６２が、プラテン１２０の回転軸を中心にして異なる角度位置に、ただし回転軸から同じ径方向距離に配置されることができる。いくつかの実施例では、複数のセンサ１６２は、プラテン１２０の回転軸から異なる径方向距離に、ただし同じ角度位置に配置される。いくつかの実施例では、複数のセンサ１６２は、プラテン１２０の回転軸を中心にして異なる角度位置で、回転軸から異なる径方向距離に配置される。

次に、上述の実施例のいずれかにおけるセンサ１６２からの信号に移ると、例えば、増幅、予備フィルタリング、およびデジタル化後の信号は、終点検出またはフィードバックもしくはフィードフォワード制御のどちらかのため、例えばコントローラ１９０で、データ処理することができる。

いくつかの実施例では、コントローラ１９０は音響損失をモニタリングするように構成される。例えば、受信信号強度を放射信号強度と比較して、正規化された信号が生成され、正規化されたものを長時間にわたってモニタリングして、変化を検出することができる。かかる変化は、例えば信号が閾値と交差する場合、研磨終点を示すことができる。

いくつかの実施例では、信号の周波数解析が実施される。例えば、周波数ドメイン解析を使用して、スペクトル周波数の相対出力の変化を決定し、特定の半径においてフィルムの遷移がいつ起こったかを決定することができる。半径ごとの遷移時間に関する情報を使用して、終点をトリガすることができる。別の例として、信号に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実施して、周波数スペクトルを生成することができる。特定の周波数帯をモニタリングすることができ、周波数帯の強度が閾値と交差する場合、これは下層の露出を示すことができ、終点をトリガするのに使用することができる。あるいは、選択された周波数における極大または極小の位置（例えば、波長）または帯域幅が閾値と交差する場合、これは下層の露出を示すことができ、終点をトリガすることができる。例えば、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）において層間絶縁膜（ＩＬＤ）の研磨をモニタリングする場合、２２５ｋＨｚ～３５０ｋＨｚの周波数範囲をモニタリングすることができる。

別の例として、ウェーブレットパケット変換（ＷＰＴ）を信号に対して実施して、信号を低周波数成分と高周波数成分に分解することができる。分解は、信号をより小さい成分に分割するため、必要に応じて繰り返すことができる。周波数成分のうち１つの強度をモニタリングすることができ、成分の強度が閾値と交差する場合、これは下層の露出を示すことができ、終点をトリガするのに使用することができる。

基板１０に対するセンサ１６２の位置が分かっているものと仮定して、例えば、モータエンコーダ信号またはプラテン１２０に取り付けられた光遮断器を使用して、基板上における音響イベントの位置を計算することができ、例えば、基板の中心からのイベントの径方向距離を計算することができる。基板に対するセンサの位置の決定は、参照により組み込まれる、米国特許第６，１５９，０７３号および米国特許第６，２９６，５４８号において考察されている。

様々なプロセスに意味のある音響イベントは、マイクロスクラッチ、フィルムの遷移のブレークスルー、およびフィルムのクリアリングを含む。導波路からのアコースティックエミッション信号を解析するのに、様々な方法を使用することができる。研磨中に生じるピーク周波数を決定するのに、フーリエ変換および他の周波数解析方法を使用することができる。研磨中の予期される変化および予期されない変化を特定するのに、実験で決定された閾値、および規定の周波数範囲内のモニタリングを使用することができる。予期される変化の例としては、フィルム硬度における、遷移中のピーク周波数の急激な出現が挙げられる。予期されない変化の例としては、消耗品セットに関する問題（パッドのグレージング、または他のプロセスドリフトに起因する機械の健全性の問題）が挙げられる。

動作の際、デバイス基板１０が研磨ステーション１００で研磨されている間、音響信号が現場音響モニタリングシステム１６０から収集される。信号がモニタリングされて、基板１０の下層の露出が検出される。例えば、特定の周波数範囲をモニタリングすることができ、強度をモニタリングし、実験的に決定された閾値と比較することができる。

研磨終点の検出は、研磨の停止をトリガするが、終点トリガ後の所定時間、研磨を継続することができる。別の方法としてまたは加えて、収集されたデータおよび／または終点検出時間は、フィードフォワードして、後続の処理動作における基板の処理、例えば後続のステーションにおける研磨を制御することができ、またはフィードバックして、同じ研磨ステーションにおける後続の基板の処理を制御することができる。例えば、研磨終点の検出は、研磨ヘッドの現在の圧力の修正をトリガすることができる。別の例として、研磨エンドポイントの検出は、新しい基板の後続の研磨におけるベースライン圧力の修正をトリガすることができる。

本明細書に記載する実施例、および機能的動作のすべては、デジタル電子回路で、あるいは本明細書で開示する構造的手段およびそれらの構造的等価物を含む、コンピュータソフトウェア、ファームウェア、またはハードウェアで、あるいは上記の組合せで実現することができる。本明細書に記載する実施例は、１つまたは複数の非一時的コンピュータプログラム製品、即ち、データ処理装置、例えばプログラマブルプロセッサ、コンピュータ、または複数のプロセッサもしくはコンピュータによって実行される、あるいはその動作を制御する、機械可読記憶媒体の形で有形的に具体化された、１つまたは複数のコンピュータプログラムとして実現することができる。

コンピュータプログラム（プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、またはコードとしても知られる）は、コンパイル型またはインタプリタ型言語を含む、任意の形態のプログラミング言語で記述することができ、スタンドアロンプログラムとして、またはモジュール、コンポーネント、サブルーチン、もしくはコンピューティング環境で使用するのに適した他のユニットとしたものを含む、任意の形態で展開することができる。コンピュータプログラムは必ずしもファイルに対応しない。プログラムは、他のプログラムまたはデータを保持するファイルの一部分に、問題のプログラム専用の単一のファイルに、あるいは複数の複合ファイル（例えば、１つもしくは複数のモジュール、サブプログラム、またはコードの部分を格納するファイル）に格納することができる。コンピュータプログラムは、１つのコンピュータ上で、または１つのサイトにあるか、もしくは複数のサイトにわたって分散され通信ネットワークによって相互接続された複数のコンピュータ上で、実行されるように展開することができる。

本明細書に記載するプロセスおよび論理フローは、入力データを操作し、出力を生成することによって、１つまたは複数のコンピュータプログラムを実行して機能を実施する、１つまたは複数のプログラマブルプロセッサによって実施することができる。プロセスおよび論理フローはまた、専用論理回路、例えば、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）もしくはＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）によって実施することができ、またかかる専用論理回路として装置を実装することができる。

「データ処理装置」という用語は、例として、プログラマブルプロセッサ、コンピュータ、または複数のプロセッサもしくはコンピュータを含む、データを処理するすべての装置、デバイス、および機械を包含する。装置は、ハードウェアに加えて、問題のコンピュータプログラムの実行環境を作成するコード、例えば、プロセッサファームウェア、プロトコルスタック、データベース管理システム、オペレーティングシステム、またはそれらの１つもしくは複数の組合せを構築する、コードを含むことができる。コンピュータプログラムの実行に適したプロセッサとしては、例として、汎用および専用両方のマイクロプロセッサ、ならびに任意の種類のデジタルコンピュータの任意の１つもしくは複数のプロセッサが挙げられる。

コンピュータプログラム命令およびデータを格納するのに適したコンピュータ可読媒体としては、例として、半導体メモリ素子、例えばＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、およびフラッシュメモリデバイス、磁気ディスク、例えば内蔵ハードディスクまたはリムーバブルディスク、磁気光学ディスク、ならびにＣＤ ＲＯＭおよびＤＶＤ－ＲＯＭディスクを含む、すべての形態の不揮発性メモリ、媒体、およびメモリデバイスが挙げられる。プロセッサおよびメモリは、専用論理回路によって補完することができ、または専用論理回路に組み込むことができる。

上述の研磨装置および方法は、様々な研磨システムにおいて適用することができる。研磨パッドもしくはキャリアヘッドのどちらか、または両方は、研磨面とウェハとの相対運動をもたらすように移動することができる。例えば、プラテンは回転するのではなく周回してもよい。研磨パッドは、プラテンに固定された円形（または他の何らかの形状）のパッドであることができる。終点検出システムのいくつかの態様は、リニア研磨システム（例えば、研磨パッドが、線形的に移動する連続ベルトまたはリール間ベルトである）に適用可能であってもよい。研磨層は、標準的な（例えば、フィラーを有するかもしくは有さないポリウレタン）研磨材料、軟質材料、または固定砥粒材料であることができる。相対的位置付けの用語が使用されるが、研磨面およびウェハは、垂直配向または他の何らかの配向で保持することができるものと理解されるべきである。

本明細書は多くの特定の詳細を包含するが、これらは、特許請求の範囲に対する限定としてではなく、特定の発明の特定の実施形態に特異的であってもよい特徴の説明として解釈されるべきである。いくつかの実施例では、方法は、上層および下層の材料の他の組合せに適用することができ、ならびに他の種類の現場モニタリングシステムからの、例えば、光モニタリングまたは渦電流モニタリングシステムからの信号に適用することができる。

Claims (20)

1. 研磨パッドを支持するプラテンと、
   前記研磨パッドに接して基板の表面を保持するキャリアヘッドと、
   前記基板上の上層を研磨するように、前記プラテンと前記キャリアヘッドとの間の相対運動を生成するモータと、
   前記基板の応力エネルギーによって生成される音響信号を受信する音響信号センサを含む現場音響モニタリングシステムと、
   前記信号とテスト基板の応力エネルギーによって生成される音響信号の過去の測定値との比較に基づいた、前記インシチュー音響モニタリングシステムからの測定値に基づいて、前記基板の前記研磨による下層の露出を検出するように構成された、コントローラと
   を備える、化学機械研磨装置。
2. 前記音響信号発生器が、２００ｋＨｚから１ＭＨｚの周波数の音響エネルギーをモニタリングするように構成された、請求項１に記載の装置。
3. 前記音響信号発生器が、２００ｋＨｚから４００ｋＨｚの周波数の音響エネルギーをモニタリングするように構成された、請求項２に記載の装置。
4. 前記コントローラが、スペクトル周波数の相対出力の変化を決定するために周波数ドメイン解析を実行するように構成された、請求項１に記載の装置。
5. 前記コントローラが、キャリアヘッドの中心に対する音響信号センサの径方向位置を決定し、検出された前記相対出力の変化に基づいて、特定の半径においてフィルムの遷移がいつ起こったかを決定するように構成された、請求項４に記載の装置。
6. プラテンと、
   前記プラテン上で支持された、貫通する開孔を有する研磨パッドと、
   液体を前記開孔内へと送達する液体源と、
   前記研磨パッドに接して基板の表面を保持するキャリアヘッドと、
   前記基板上の上層を研磨するように、前記プラテンと前記キャリアヘッドとの間の相対運動を生成するモータと、
   前記プラテン上で支持されるとともに前記開孔の下方に配置され、前記開孔内の前記液体を通って伝播する音響信号を前記基板から受信する、音響信号センサを含む、現場音響モニタリングシステムと
   を備える、化学機械研磨装置。
7. 前記音響信号センサが、前記開孔を封止するために、前記開孔を横切って延在する、請求項６に記載の装置。
8. 前記研磨パッドが、研磨層と、前記研磨層の研磨面にある複数のスラリー搬送溝とを有し、前記開孔が前記研磨パッドを通って前記溝内へと延在する、請求項６に記載の装置。
9. プラテンと、
   前記プラテン上で支持され、研磨面を有する研磨層を含み、前記研磨層が、前記研磨層の残りの部分よりも低い気孔率を有するインサートである、研磨パッドと、
   前記研磨パッドに接して基板の表面を保持するキャリアヘッドと、
   前記基板上の上層を研磨するように、前記プラテンと前記キャリアヘッドとの間の相対運動を生成するモータと、
   前記インサートを前記研磨層に係合する導波路を含む音響信号センサを含む、現場音響モニタリングシステムと
   を備える、化学機械研磨装置。
10. 前記インサートが前記研磨パッドの残りの部分と同じ圧縮率を有する、請求項９に記載の装置。
11. 前記インサートが前記研磨パッドの前記残りの部分と同じ組成を有する、請求項９に記載の装置。
12. 前記インサートが前記研磨パッドの前記残りの部分と同じ材料であるが重合度が低い、請求項９に記載の装置。
13. 前記インサートが細孔を有さない、請求項９に記載の装置。
14. 溝切りパターンが前記インサートおよび前記研磨パッドの前記残りの部分の両方にわたって延在する、請求項９に記載の装置。
15. 前記溝切りパターンが同心円溝を含む、請求項１４に記載の装置。
16. 前記導波路が、前記インサート内の溝の間にある前記インサートのプラトーに係合する、請求項１４に記載の装置。
17. 研磨パッドを支持するプラテンと、
    前記研磨パッドに接して基板の表面を保持するキャリアヘッドと、
    前記基板上の上層を研磨するように、前記プラテンと前記キャリアヘッドとの間の相対運動を生成するモータと、
    音響信号を放射する音響信号発生器と、前記基板の前記表面から反射した音響信号を受信する音響信号センサとを含む、現場音響モニタリングシステムと、
    前記現場音響モニタリングシステムからの測定値に基づいて、前記基板の前記研磨による下層の露出を検出するように構成された、コントローラと
    を備える、化学機械研磨装置。
18. 前記現場音響モニタリングシステムが、前記音響信号センサを前記研磨パッドの溝内のスラリーに結合するように配置された導波路を含む、請求項１７に記載の装置。
19. 前記研磨パッドを備え、前記研磨パッドが、研磨層と、前記研磨層の研磨面にある複数のスラリー搬送溝とを有し、前記導波路が前記研磨パッドを通って前記溝内へと延在する、請求項１８に記載の装置。
20. 前記音響信号発生器が、５から５０ｋＨｚの周波数の音響エネルギーを生成するように構成された、請求項１７に記載の装置。

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