JP5964337B2 - プロセス条件測定機器およびその方法 - Google Patents

Description

半導体ウエハー上で作動する集積回路を生成するために、複数のステップが半導体プロセスに要求される。これらのステップには、素子を形成し、素子間の電気的接続を形成するための様々な材料の成膜と除去が含まれる。ウエハーから材料を除去するプロセスの一つに化学機械研磨（化学機械平坦化）（ＣＭＰ）がある。一般に、ＣＭＰは平坦な表面を形成し、例えば、過去のプロセスにより形成された表面上に追加の層が成膜される箇所に於いて、不均一なトポロジーが問題となり得る箇所のアプリケーションに特に有効である。特に、複雑な集積回路内で金属相互接続の複数層が要求される箇所において、一連の個々の層に関し、適度に平坦な表面を維持しつつ、一連の層を形成することをＣＭＰは可能にする。

一般に、ＣＭＰは、物理的研磨と化学的作用の組み合わせによりウエハーより材料を除去するものである。図１は、ＣＭＰプロセス中のウエハー１０１の断面図を示す。ウエハーの上部表面に加えられる圧力により、ウエハー１０１はパッド１０３へ押し付けられる。プレートもしくはパッドにより加圧がなされる。水力システムまたは空気圧システムにより、ウエハー１０１の上部表面に圧力が加えられる場合もある。このようにして、圧力を制御可能である。幾つかの場合に於いて、ウエハーの上部表面の異なる位置に異なる圧力が加えられる場合がある。ここでＰＥは端部近傍の圧力、ＰＣは中心の圧力である。個々に圧力を制御するために、個々の水力、空気圧、または他のシステムを用い同心円状の領域の系に異なる圧力を加えることが可能である。ウエハー１０１とパッド１０３の一方または両者を動かすことにより、ウエハーとパッドの間で相対運動が形成される。パッド１０３に対しウエハー１０１が動くに伴い、ウエハーの下部表面が侵食される。保持リング１０５は、構造物に対し、ウエハー１０１を所定の位置に維持し、ウエハー１０１の上部に圧力ＰＥならびにＰＣをもたらす。スラリー１０７は、ウエハー１０１の下部にある領域を含むパッド１０３の全域に亘り広がっている。スラリー１０７は、パッド１０３の孔を経由することにより導入可能である。スラリー１０７はウエハー上の材料と反応し得る化学成分ならびに研磨粒を含む。一般に、パッド１０３は、ウエハーからの圧力により変形する柔軟な材料により形成される。ウエハーの下側の表面より材料が除去されるようにＣＭＰシステムは一般に運転される。従って、プロセスされる側（一般に、半導体素子と結線を有する側）が下を向くようにウエハーは通常位置づけられる。

ウエハーの表面に亘り、均一に材料を除去することが一般に望ましい。様々なパラメタがウエハー表面に亘り変化可能であり、不均一な除去率の原因となる。ウエハーに亘り変化し得るパラメタの一つとして、パッドとウエハー間の圧力がある。例えば、図１において、圧力Ｐ１は圧力Ｐ２と同じでない場合がある。ＣＭＰプロセスを調節し、高度の均一性を得るため、圧力Ｐ１とＰ２の値を知ることが一般に望ましい。ウエハー１０１の上部表面に加えられる圧力ＰＣならびにＰＥにより、ウエハー１０１とパッド１０３の間の圧力Ｐ１ならびにＰ２は影響を受けるが、これらの関係は単純ではない場合があり、ＰＣならびにＰＥの測定は、プロセスの最適化に十分な情報をもたらさない場合がある。従って、プロセスの最中に、ウエハーに亘り複数の箇所で直接圧力を測定することが一般に望まれる。平面表示パネル、磁気ヘッド、そして他の素子などといった半導体ウエハー以外の基板にもＣＭＰプロセスは適用可能である。

ＣＭＰプロセスの前に、あるいはＣＭＰプロセスの最中に定期的に、上に記載された種類の基板に加えられる圧力が所望の圧力であるように、圧力を加えるために用いられるＣＭＰヘッドもまた、最適化プロセスにより最適化が必要である場合がある。ここに記載される機器のいくつかの実施態様もまた最適化プロセスに有用である。

一実施態様に於いて、部材は、圧力が加えられるダイヤフラムを備え、ダイヤフラムの撓みが引き起こされる。ダイヤフラムの撓みを検知するために容量的に結合された電極の少なくとも一つの対が用いられる。ここで、ダイヤフラムの撓みの関数として、少なくとも一つの対の容量が変化する。従って、対の容量を検知することで、ダイヤフラムの撓みの目安を提供可能であり、これは、換言すると、ダイヤフラムへの圧力の目安を与える。部材は、基板の特性と実質的に同じ特性を有することが好ましい。

一般に、ＣＭＰに於ける材料の除去は、機械的作用と化学的作用の二つの機構により引き起こされる。これらの機構は密接に関連しているが、個々の機構に関連したパラメタを別々に測定することを試みることが好ましい場合がある。機械的作用の測定に於いて特有な値となり得る測定は、ウエハーがパッドに対し相対的に動く場合のウエハーとパッドの間の摩擦力である。一般に、材料の機械的研磨は、摩擦力の増加に伴い増加する。摩擦力は、せん断力の大きさを示すことで、変形する構造内のせん断力を提供するために使用可能である。一般に、より大きな摩擦力は、ＣＭＰの工程中に材料を除去するより大きな機械的作用をもたらす。

別の実施態様に於いて、ＣＭＰプロセス中に於ける基板の振る舞いをシミュレートするために、ＣＭＰプロセスを経るのに適切である部材が使用される。少なくとも一つのセンサーが部材に取り付けられる。このような表面が研磨または平坦化表面に対して接触し、押し付けられ、研磨または平坦化のプロセスを経る基板表面と部材表面の間に水平方向の力が加えられる場合に、部材表面上のせん断力に関連するパラメタを少なくとも一つのセンサーが測定する。ＣＭＰ表面と接触する部材の表面は、部材がシミュレートする基板表面の特性と実質的に同じ特性を有することが好ましい。

ＣＭＰプロセスを経る半導体ウエハーの断面図であり、本発明の説明に有益である。

圧力または力を測定するためのダイヤフラムにより覆われた空洞を有するプレート形状物の内にある機器または部材の例であり、本発明の一実施態様を説明するものである。

圧力または力を測定するためのプレートを備える容量圧力センサーの断面図であり、本発明の他の実施態様を説明するものである。空洞は、プレートのベースまたはカバーの部分内に形成されるか、ベースとカバー間の分離層の内部に形成される。 圧力または力を測定するためのプレートを備える容量圧力センサーの断面図であり、本発明の他の実施態様を説明するものである。空洞は、プレートのベースまたはカバーの部分内に形成されるか、ベースとカバー間の分離層の内部に形成される。 圧力または力を測定するためのプレートを備える容量圧力センサーの断面図であり、本発明の他の実施態様を説明するものである。空洞は、プレートのベースまたはカバーの部分内に形成されるか、ベースとカバー間の分離層の内部に形成される。 圧力または力を測定するためのプレートを備える容量圧力センサーの断面図であり、本発明の他の実施態様を説明するものである。空洞は、プレートのベースまたはカバーの部分内に形成されるか、ベースとカバー間の分離層の内部に形成される。

未処理のシリコン・ウエハーから形成されたベースの平面図である。

薄く加工された未処理のシリコン・ウエハーから形成されたカバーの平面図である。圧力または力を測定するための容量圧力センサーの部材を備える計装ウエハーを形成するために、図４Ａのベースに取り付けられるようカバーは設計され、本発明の一実施態様を説明するものである。

本発明の他の実施態様による機器のベースの平面図である。

機器を備えたウエハーを形成するために図５Ａのベースに取り付けられるよう設計されたカバーの平面図である。

タンクを備えたセンサー空洞を有する圧力または力を測定するためのウエハーの第一の例を示し、本発明の一実施態様を説明する説明図である。

図６Ａの設定とは異なる設定を示す説明図である。

機器外部への開口部と開口部を制御するバルブを備えるタンク・システムを有する機器の例を示し、本発明の一実施態様を説明する説明図である。

圧力または力を測定するためのフレキシブル回路を備える機器の一例を示す説明図である。

プレート内の寄生容量を検知するためにカバーには取り付けられていない、容量的に結合した電極の対を収納する空洞を包含するベースとカバーを備えるプレートの側面図であり、本発明の他の実施態様を示すものである。

互いに近接し、容量的に結合した電極の二つの対の上面図である。一つの対はプレート内の寄生容量を検知するためにカバーには取り付けられておらず、他の対はカバーの撓みを検知するためにカバーに取り付けられている 。

圧力または力を測定するために、プレートとダイヤフラムに覆われた空洞を有するプレートを備える機器を示す説明図である。ここで回路は、空洞内に少なくとも部分的に位置しており、本発明の別の実施態様を説明するものである。

容量センサーがフレキシブル回路と統合的に形成された別の例を示す説明図である。

センサー空洞がベース内に形成された例を示す説明図である。ひずみゲージが下方に撓むことができるように、スペーサーがひずみゲージの下に設置されている。撓み増強材が、ひずみゲージの上部表面とカバーの間に設置されている。

ひずみゲージがカバーと共に撓むように、ひずみゲージがカバーに接合された別の例を示す説明図である。

図１２Ａに代わる別の実施態様を示す説明図である。

ウエハーとＣＭＰヘッドの間に圧力センサーが設置されている実施態様を示す説明図である。

圧力検知機器の較正に使用可能な圧力較正装置を示す説明図である。

ＣＭＰヘッドとパッドに対し運動するＣＭＰヘッドに取り付けられたウエハーを示す説明図である。

表面と接触し、弾性材の一部を経て第二の剛体に接続されている第一の剛体を示す説明図である。ここで、第一の剛体は表面に対して静止している。

図１６Ａの第一の剛体が、表面に対して運動しており、第二の剛体に力を加えることにより動かされている子とを示す説明図である。第一の剛体と表面の間の相対的運動の結果として、摩擦力Ｆが生成される。摩擦力Ｆはせん断力として作用し、弾性材の一部を変形させる。

弾性材の変形に伴う弾性材の電気的特性の変化を通じ、弾性材上のせん断力による変形を測定するせん断力センサーを示す説明図である。

せん断力センサーの別の形態を示す説明図である。ここで、抵抗は、せん断力に誘起された変形の結果として抵抗が変化する構造物に結線された二つの電極間で測定される。特に、せん断力のもとで、構造が伸長し、変形するように設定される。構造物の抵抗は、このような伸長の結果として変化する。

せん断力センサーの別の形態を示す説明図である。ここで摩擦力は、二つの剛体間で相対的な動きを許容することにより測定可能である。

カバーが表面に亘り移動するに伴い変形する弾性材層によりベースとカバーが分離されている機器の例を示す説明図である。この場合、測定は、機器全域に亘り実施され、経験される摩擦力の総和を示す。

弾性材料によりベースから分離された同心円状の剛体を備える下部表面を有する機器の平面図である。剛体は、小さなギャップにより物理的に互いに分離されており、ベースに対し、剛体は個々に動くことが可能である。剛体を接続する弾性材料に取り付けられた電極は、個々の抵抗測定を得て、異なる剛体により経験される摩擦力の量を表示するために使用可能である。

一実施態様に於いて、パッドに対してウエハーがどのように動き得るかを示す説明図である。パッドは、好ましくは、時計方向に回転する円形のパッドである。ウエハーは反時計方向に回転し、パッドに対し水平方向に移動する。

異なる径と角位置に於けるせん断力をウエハーに亘り測定する機器を示す説明図である。図２１Ａは、図１９Ｂに類似した機器の底部（カバー）を示すが、該機器は、異なる角領域に於いて分離された剛体（分離されたせん断力センサー）を備える。

表面上の異なる位置でせん断力を測定する別の機器を示す説明図である。せん断力センサーのいくらかの変位を許容するために、カバー内に切り欠きが設けられている。典型的な実施態様の詳細な記載

プロセス条件測定機器（ＰＣＭＤ）は、生産ウエハーの物理的寸法と同じ、もしくは類似の寸法を有し、少なくとも一つのプロセスを測定するセンサーと電子機器を有する計装ウエハーを備える。米国特許申請番号１０／７１８，２６９号、１０／８３７，３５９号、そして１１／３８１，９９２号に様々なＰＣＭＤが記載されている。ＰＣＭＤは結線されるか、ワイヤレスとすることができる。結線されたＰＣＭＤは、ワイヤ（もしくは光ファイバー）を通じて、データを外部ユニットへ送信する。ワイヤレスのＰＣＭＤは、ＰＣＭＤ内のメモリにデータを保管するか、外部ユニットへデータを送信可能である。一般に、ＣＭＰなどのウエハーが回転する条件下に於いては、ワイヤレスのＰＣＭＤがプロセス検討により適切である。

ウエハー表面の圧力を測定する一つの方法は、ウエハー内に空洞を形成し、ダイヤフラムとして作用し、圧力下で撓む薄膜を空洞上に残すことである。図２は、ダイヤフラム２１５により覆われた空洞２１３を有するウエハー２１１の例を示す。圧力下に於いて、外部圧力に応じ、ダイヤフラム２１５は量δだけ撓む。一般に、ウエハー２１１の下部表面に加えられた圧力の指標として、δを使用可能である。センサー・データを保管または送信するために（または、保管し、後に送信するために）、撓みを検知する適切なセンサーが使用され、電子機器がウエハー２１１内に設定される場合、このようなＰＣＭＤは、ＣＭＰ等のプロセスの最中に、実際の圧力データを提供可能である。大気圧に加え、ＣＭＰ中の基板の下部表面の圧力は一般に５ｐｓｉ低い。圧力が１５ｐｓｉまたはそれ以上である場合がある。

図２に於けるダイヤフラム２１５のようなダイヤフラムの撓みを測定するために様々な方法が使用可能である。一つの簡便な方法は、ダイヤフラム上に第一キャパシタ電極を設け、空洞内に固定され、第一キャパシタ電極に結合された別の電極を設け、容量の変化を測定するものである。第二の簡便な方法は、ひずみゲージを用いるものである。一般に、空洞を有さず、このアプリケーションのようには撓まない生産ウエハーの侵食に類似して侵食された表面が振舞うように、このアプリケーションに用いられるダイヤフラムの撓みは小さいことが好ましい。一般に、このような撓みは１０μｍ未満に維持されるが、撓みが１０μｍを超える場合もある。図２のダイヤフラムとウエハーに関し適切な寸法と適切な柔軟性を有する材料を選択することにより、このことは達成可能である。

図３Ａ−３Ｄは撓みの測定にキャパシタが用いられる場合の異なる実施態様を示す。をこれらの容量圧力センサーは、貼り合わされたウエハー内に形成された空洞を用いる。ベースならびにカバーを含むように、貼り合わされたウエハーまたは他の構造が形成され、ここで、一般にベースはカバーよりも厚い。カバーまたはカバーの一部は十分に薄く、圧力下で撓むことができる。ベースは、一般に、シリコン・ウエハーを薄くすることで形成され、カバーは、一般に、ＣＭＰプロセスが施される直前まで加工されたシリコン・ウエハーを薄くすることで形成される。このようにして、カバーの下部表面は、材料とトポロジーを含めて、生産ウエハーの下部表面に極めて類似している。ベースとカバーは接合され、単一ユニットを形成する。一般に、ユニットの下部表面の圧力が生産ウエハーの下部表面の圧力に近いように、ユニット（ＰＣＭＤ）の厚さは設定される。このことは、ユニットの厚さが生産ウエハーの厚さに近いことを要求する場合がある。何故なら、厚いＰＣＭＤは一般により硬く、それ故、圧力を異なるように分配するからである。好ましくは、これらの容量圧力センサーは、ＣＭＰを経る実際のワーク・ピースもしくは基板、或いは、ＣＭＰヘッドが適用される（ＣＭＰヘッドが最適化されるべき）基板をシミュレートするものである。この目的のため、貼り合わされたウエハーまたは構造物の特性（寸法、硬度、面積、柔軟性の一つまたは複数の特性）が、半導体ウエハー、または、平面表示パネルなどの実際の基板の特性に実質的に同じであることが好ましい。

図３Ａは第一の容量圧力センサーの断面を示し、ベース３２５とカバー３２７の間に拡がる分離層３２３内に空洞３２１が形成されている。予め定められたパターンに沿って切り出されるＫａｐｔｏｎ（登録商標）のポリイミド・フィルムなどの材料により、分離層３２３は形成可能である。電気絶縁材３２９ａがカバー３２７の上に形成され、キャパシタ電極３３１ａが電気絶縁材３２９ａの上に形成される。一例に於いて、絶縁材の厚さは５μｍから５０μｍの間である。金属箔を取り付けることにより、または金属層の成膜により電極３３１ａは形成可能である。絶縁材３２９ｂと電極３３１ｂはベース３２５の上に同様に形成される。電極３３１ａ、３３１ｂが空洞３２１内に位置するように、アセンブリ中にベース３２５、カバー３２７、そして分離層３２３が配列させられる。この実施態様に於いて、ベース３２５またはカバー３２７に対向する表面上に特別なトポロジーは形成されない。ベース３２５またはカバー３２７の表面は平坦であり得る。

図３Ｂは他の実施態様を示し、ここでは空洞３３３はベース３３５の内部に形成されている。空洞３３３は、機械加工、エッチング、または他の方法によりベース３３５の内部に形成可能である。先に示された如く、次に絶縁材３３７ａが空洞３３３の内部に形成され、電極３３９ａが絶縁材３３７ａの上に形成される。同様に、電極３３９ｂと絶縁材３３７ｂがカバー３４１の上に形成される。

図３Ｃは他の実施態様を示し、ここで空洞３４３はカバー３４５の内部に形成されている。先に示された如く、絶縁材３４７ａ、３４７ｂ、そして電極３４９ａ、３４９ｂが形成される。空洞が形成される箇所に於いてカバーの厚さは適切に削減されているため、この例に於いて、カバー３４５を比較的厚くすることが可能である。図３Ａ−３Ｄの例は、空洞に関する三つの位置を示しており、それらは、分離層内、ベース内、そしてカバー内である。一部をベース内に、一部をカバー内に、または、一部を分離層内に、そして一部をベース内、カバー内の一部または両者内というように、空洞をこれらの要素内の組み合わせにより形成することも可能である。

図は原寸に比例して描かれておらず、特徴の相対的寸法を精確に示すことを意図していないことに留意されたい。構造をより明確に示すために、幾つかの寸法は誇張されている。一例に於いて、容量センサーは、直径１０ｍｍの空洞と直径３−１０ｍｍの電極を備え、電極間の距離は２５−５０μｍである。ダイヤフラムの厚さは１２５−８００μｍである。この例に於いて、絶縁材の厚さは２５μｍであり、電極の厚さは２５μｍ未満である。他の例に於いては、異なる寸法を使用可能である。このような容量センサーは、０．０１ｐｓｉの解像度を備え得る。

図３Ｄは他の実施態様を示し、ここではキャパシタ電極をキャパシタ電極の下部に存在する表面から分離された局所的な絶縁材を形成する代わりに、ブランケット絶縁層３５１ａ、３５１ｂがベース３５３とカバー３５５の両者の上にそれぞれ形成される。ウエハーの少なくとも一方の側の露出された面の全域に亘りブランケット絶縁層は広がる。ウエハーが撓まず、実質的に平坦な表面が保たれるようにブランケット絶縁層は形成される。シリコン表面上に二酸化シリコンを成長させるような成膜または成長により、このようなブランケット絶縁層は形成可能である。カバー、またはベースの内部のいずれかに空洞が形成される箇所に於いて、空洞の表面に亘り絶縁層が広がるように、空洞の形成後に絶縁層を形成可能である。上の例のいずれの場合にも、個別の絶縁材の代わりとしてブランケット絶縁層を使用可能である。

ベースとカバーは互いに電気的に独立したものとするか、米国特許出願１１／３８１，９９２号に記載される如く電気的に接続されたものとすることができる。ベースとカバーは、ドープされた、或いはドープされていない材料により形成可能であり、要件に応じ異なる導電率を設定できる。ベースとカバー材料の抵抗率が高いようにベースとカバーがドープされていないか、ほとんどドープされていない場合、ベースまたはカバーの表面上に電極を（絶縁材または絶縁層無しに）直接設置可能である。ベースまたはカバーが導電性である場合、導電性のベース（またはカバー）と絶縁材によりカバーから分離されている電極の間に寄生キャパシタが形成され得る。寄生キャパシタなどの影響を削減するために、容量センサーの容量が寄生キャパシタの容量よりも大きくなるように寸法が設定される。

図４Ａは、未処理のシリコン・ウエハーから形成されたベース４５９の平面図を示す。ベースは、空洞４６１を含む数多くの空洞を備える。これらの空洞内に絶縁材４６３を含む絶縁材が形成される。電極４６５などの容量センサー電極は、絶縁材の上に形成される。従って、図４Ａのベース４５９は、図３Ｂに示されるベース３３５に対応している。また図４Ａは、相互接続４６７を含む、上部容量センサー電極とベース内の電子機器の間で接続を形成する相互接続（パッド）を示す。両者の電極は、ベース内の電子回路（ここには示されていない）に接続され、容量が測定される。この例では空洞と電極は円形であるが、他の例に於いては、正方形、直方形、または他の形状の空洞と電極を使用可能である。電極の形状は、電極が位置する空洞の形状と必ずしも同じである必要はない。図４Ａでは、ベースの直径方向に沿ってセンサー空洞が配置されている。一般に、ＣＭＰプロセスに於ける圧力分布は放射状に対称（指定された半径に沿った全ての点に於いて圧力が等しい）であると仮定できる。しかしながら、異なる角位置に於いて圧力を測定可能なように、センサー空洞が異なる様式で配置される場合がある。

図４Ｂは、薄く加工された未処理のシリコン・ウエハーから形成されたカバー４６９の平面図を示す。カバー４６９は、図４Ａのベース４５９に取り付けられるように設計されており、数多くの容量圧力センサーを備える計装ウエハーを形成する。絶縁材４７１などの絶縁材はカバー４６９の上に形成され、電極４６９などの容量センサー電極は絶縁材の上に形成される。また、ここでは、相互接続４７５を含むベースへの相互接続が示されている。これらの相互接続は、ベース上の相互接続と整列されており、電極と電子機器の間で電気的接続を形成する。

図５Ａは、別の実施態様によるＰＣＭＤのベース５７７の平面図を示す。図５Ａの例に於いて、（図３Ｄに示される如く）絶縁層を備えるシリコン・ウエハーよりベース５７７は形成されているため、ベース５７７の上に分離絶縁材は設けられない。電極５７９を含む容量センサー電極は、絶縁層の上に直接設置される。空洞５８１などの空洞は、ベース５７７内に形成されるか、ベース電極とカバー電極の間に位置し、空孔を有するスペーサー層の内部に形成される。一般に、ベースの内部または上にもいくらかの電子回路（ここには示されていない）は設置されており、このような電子回路はベース上の電極と、カバー上の電極に接続される。

図５Ｂは、ＰＣＭＤ（計装ウエハー）を形成するために、図５Ａのベース５７７に取り付けられるように設計されたカバー５８３の平面図を示す。カバー５８３は、二酸化シリコン、または他の適切な誘電材料により形成された絶縁層を備えており、個々の電極下で更なる別個の絶縁材を必要としない。電極５８５などの電極は、絶縁層の上に（成膜または他の方法により）直接形成される。また図５Ｂは、カバーの電極をベース５７７内の電子機器に接続する相互接続５８７を含む相互接続を示す。電極５８５と相互接続５８７の接続のために溝（またはトレンチ）５７９が設けられる。電極５８５を形成するのと同じ成膜ステップにより、または個別に、相互接続と電極間の電気的接続は形成される。一例に於いて、スクリーン印刷または他の類似の厚膜技術により、電極と相互接続は形成される。

一般に、圧力センサーのために空洞が形成される箇所に於いて、外部環境より空洞を分離させることが好ましい。このことは、センサーの動作に影響を与える異物が空洞内に混入することを防止する。特に、ＣＭＰに使用されるスラリーが、このような空洞に入った場合に、電極或いは他の部品に損傷を与える場合がある。しかしながら、ダイヤフラムが撓むに伴い、圧力の顕著な増加を空洞が受ける場合がある。空洞体積の変化が小さい場合でも、空洞自身が小さい場合、体積の変化率、従って圧力の変化は顕著なものとなり得る。このような圧力変化は、撓みと外部圧力の間に非線形な関係をもたらし得るため、一般に好ましくない。

ダイヤフラムが空洞内に撓みこむより生じる圧力変化を低減する一つの方法は、空洞と連通する追加の空間を提供することである。この追加の体積は、圧力下でダイヤフラムがセンサー空洞内に撓みこむことに起因する体積変化の影響を低減する。追加の体積はタンクとみなすことができる。外部の圧力によって体積が変化しないように、このようなタンクは一般に形成される。例えば、顕著な撓みがタンク内で生じないように支持構造を使用可能である。

図６Ａは、タンクを備えるセンサー空洞を有するウエハー６８９の第一の例を示す。例えば、センサー空洞６９１はタンク６９３に接続されている。センサーに関する空洞が形成されるのと同じようにしてベース（またはカバー、分離層、或いはこれら要素の組み合わせ）内の空洞としてタンクを形成可能である。チャネル６９５はタンク６９３をセンサー空洞６９１に接続する。タンク内の顕著な体積変化が生じないように、タンク周辺上のカバーで起こり得る撓みを制限するようにタンク全域に亘り支持構造が設けられている。所定の断面積に対し、より大きな体積を得るために、タンクをセンサー空洞よりも深くできる。

図６Ｂは、図６Ａとは異なる設定を示す。図６Ｂに於いて、個々の専用タンクの代わりに、空洞６９９ａ−ｉとタンク６０２ａ、６０２ｂを相互接続するタンク・システムをセンサー空洞６９９ａ−ｉは共有する。このようなタンク・システムは、センサー空洞６９９ａ−ｉを形成するために使用されたプロセスと同じものにより、形成可能である。ここに示される如く、センサー空洞、タンク、そして相互接続チャネルのパターンはベース（及び／または、他の構成要素）内に形成可能である。この例では、タンク・システムはＰＣＭＤの外部より分離されており、異物がタンク・システムに混入することは無く、タンク内の圧力は安定に保たれる。

幾つかの事例に於いて、ＰＣＭＤ内のタンク・システムよりウエハー外部への開口部を設けることが望ましい。例えば、タンク・システム内の圧力を環境気圧と等しくすることが望まれる場合がある。幾つかの事例に於いて、異なる高度または異なる天候条件下での使用により引き起こされる異なる外気圧に起因する圧力差を取り除くために均等化が使用される。また、使用前にタンク・システムを予め設定された条件にすることが望ましい場合がある。例えば、タンク・システムは、大気圧以上、或いは、（真空化で）大気圧以下の所望の圧力に設定できる。また、タンク・システムは、必要に応じて、特定のガス、または特定のガス混合物で充填可能である。

図７は、ＰＣＭＤ７０４外部への開口部７０６を有するタンク・システムを備えるＰＣＭＤ７０４の例を示す。開口部７０６をタンク・システムに選択的に接続するためにバルブが設けられる。微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術により、極めて小さな寸法でバルブならびに他の構成要素を形成可能である。ＭＥＭＳバルブはベース内に形成可能であり、或いは、別個に形成され、ベースに取り付けられる。ＰＣＭＤ７０４内の電子回路によりＭＥＭＳバルブは制御可能である。一般に、ＰＣＭＤ７０４の使用時には、ＭＥＭＳバルブは、タンク・システムへの異物混入を防ぐために閉鎖されている。一般に、ＰＣＭＤ７０４外部からの信号に対応し、ＰＣＭＤ７０４内の電子回路によりＭＥＭＳバルブは開放され得る。これは、較正中、或いは、初期化の手順中に行われ得る。ＭＥＭＳバルブの代替としては、開口部７０６を一時的に閉鎖する閉鎖材料が挙げられる。例えば、シリコーンなどのポリマーといった適切な材料を開口部の閉鎖に使用可能である。閉鎖材料は、タンク・システム設定のために除去可能である。

一般に、センサーからのデータを保管するために、ＰＣＭＤ内に電子回路が設置される。或いは、回路は、ＰＣＭＤ外部の受信機へデータを送信可能である。幾つかの事例に於いては、データはまず保管され、後に送信される。このような回路は、多くの方法により形成、そして接続が可能である。一例に於いて、電子回路は、ベース（またはカバー）内の空洞内に設置される一つまたは複数の集積回路を備える。集積回路は所定の位置に接合される。ベース（またはカバー）上に形成された配線により集積回路とセンサー間の電気的接続が形成される。集積回路上の接続パッドをこれらの配線に接続可能である。この設定で使用された集積回路を、小さな形状と小さな熱容量を有するように、半導体ダイの形状で使用できる。表面上の配線を使用する代わりに、センサーと集積回路を含む素子間で絶縁されたワイヤーを使用可能である。このようなワイヤーは素子に接続され、ＰＣＭＤ内に形成されたトレンチ内で取り回し可能である。

他の実施態様に於いて、ベースに取り付けられたフレキシブル回路アセンブリとして、電子回路と回路間の接続は形成される。一般に、このようなフレキシブル回路の表面がベースの表面と同一平面上にあるように、空洞と溝はベース内に形成され、その後、カバーを取り付け可能である。ＰＣＭＤ内のこのようなフレキシブル回路と配線の使用に関する記載が米国特許出願１０／８３７，３５９号と１１／３８１，９９２号にある。

図８Ａに、フレキシブル回路８１２を備えるＰＣＭＤ８１０の例を示す。フレキシブル回路８１２はセンサーと交信する少なくとも一つのマイクロプロセッサ８１４を備える。マイクロプロセッサ８１４は、センサーからのデータを保管するメモリ、及び／または、好ましくはラジオ波等の無線により、このようなデータを外部機器へ送信する送信回路を備える。更に、フレキシブル回路８１２は、電池８１６または他の電池と他の構成要素の間で電力結線を提供する。図８は、容量センサー８１８ａ−ｉに加え、温度センサーＴ１、Ｔ２、Ｔ３を示す。個々の温度センサーが特定の容量センサーに関する温度を測定可能なように、センサーＴ１、Ｔ２、Ｔ３は容量圧力センサー８１８ａ−ｃに近接している。幾つかの事例に於いて、温度センサーは、個々の容量圧力センサー８１８ａ−ｉに対応するように設置される。このようにして、容量センサーの物理的または電気的な振る舞いに影響を与え得るあらゆる温度の変化を補償するために、特定の容量センサーに関する温度を使用可能である。温度センサーＴ１、Ｔ２、Ｔ３は、フレキシブル回路８１２の一部として形成されるか、別個に形成された後にフレキシブル回路８１２に取り付けられる。

図８Ｂは、本発明の他の実施態様を示すために、プレート内の寄生容量を検知するためにカバーには取り付けられていない、容量的に結合した電極８２６ａと８２６ｂの対８２６を収納する空洞を包含するベース８２４とカバー８２２を有するプレートなどの部材の側面図を示す。電極８２６ａと８２６ｂは誘電層８２８により分離されている。図８Ｃは、互いに近接し容量的に結合された電極８２６と８３６の二つの対の上面図を示す。一つの対（８２６）はプレート内の寄生容量を検知するためにカバーには取り付けられておらず、他の対（８３６）はカバーの撓みを検知するためにカバーに取り付けられている（図８には示されていない）。対８２６の容量は、対８３６により経験される寄生容量の指標となる。従って、測定時の対８３６により経験される寄生容量の影響を低減するために、対８２６の容量を、対８３６によるカバー８２２の撓みの測定の最適化に使用可能である。このことは、図８Ａのフレキシブル回路を経た対８２６と８３６の容量と、カバー８２２の撓みにより生じた対８３６の容量の変化に関するデータを図８Ａのマイクロプロセッサ８１４が受け取った後に、マイクロプロセッサ８１４により実施可能である。

ベースとカバー上に電極が形成される箇所に於いて、いかなる容量の変化をもフレキシブル回路内の電子回路が検出可能なように、これら電極はフレキシブル回路に接続されている。同様に、フレキシブル回路とは統合的に形成されていない温度センサーまたは他のセンサーは、フレキシブル回路に接続される。図９は、カバー９２２上の電極９２０が、フレキシブル回路９２６上のパッド９２４に接続された例を示す。電極９２０は、（図５Ｂに示す如く）センサー空洞９３０の外部にある相互接続９２８に接続されている。相互接続９２８は、カバー９２２上の絶縁層９３２ａによりカバー９２２から分離されている。フレキシブル回路９２６上のパッド９２４は、相互接続９２８の上に横たわり、このパッドは、フレキシブル回路９２６内の一つまたは複数の集積回路に電気的に接続される。相互接続９２８は、導電性のエポキシ９３４により、パッド９２４へ取り付けられる。同様の結線（ここには示されていない）が、ベース電極９３６に関して形成される。同様の結線が、温度センサーに関して形成される。この例では、トレンチ９３８内にフレキシブル回路９２６は横たわっている。従って、電子機器は、一部空洞内（電極９２０と９３６）にあり、一部トレンチ内（フレキシブル回路９２６）にある。このトレンチは、圧力測定時のカバーの撓みの影響を低減するタンクとしても作用する。

図１０は、容量センサーがフレキシブル回路９２６と統合的に形成された別の例を示す。フレキシブル回路は誘電層１０４６により分離された二つの電極１０４４ａ、１０４４ｂを備え、キャパシタ１０４０を形成する。誘電層１０４６は、適切な圧縮性の弾性材により形成可能である。キャパシタを有するフレキシブル回路１０４２の一部は、接着剤の薄い層１０５２ａ、１０５２ｂにより、ベース１０４８とカバー１０５０の両者に接続されている。フレキシブル回路１０４２はトレンチ１０５６内に横たわる。

図９と図１０の例に於いて、トレンチがフレキシブル回路９２６、１０４２のために設けられる。トレンチ９３８、１０５６はセンサー空洞９３０、１０５４にそれぞれ接続される。一般に、フレキシブル回路は、フレキシブル回路のトレンチを完全に占有することは無く、フレキシブル回路の周辺にいくらかの占有されていない空間が残る。この過剰な体積により、フレキシブル回路のために形成されたトレンチを経由する、いくらかのガスの流れが可能となる。また、フレキシブル回路のいくらかの集積回路の周辺に、いくらかの占有されていない空間が一般に残る。従って、フレキシブル回路に関して形成されたトレンチと空洞の内部の占有されていない空間は、センサー空洞内の圧力の変動を低減するタンク・システムを形成可能である。上に記載された如く、このようなタンク・システムからＰＣＭＤ外部への制御された開口部を設定可能である。

一例に於いて、フレキシブル回路は、一つまたは複数の容量センサーを備えるか、一つまたは複数の容量センサーに取り付けられ、更に、一つまたは複数のセンサーから、容量センサーの容量に依存する出力を提供する集積回路への電気的接続を備える。使用可能な集積回路の一例は、容量値−デジタル変換機であるアナログ機器ＡＳ７７４６である。この集積回路は出力を提供し、この出力は、後に、保管または送信のためのマイクロプロセッサへ送られる。別の実施態様に於いて、キャパシタは、容量−デジタル変換を内部で行うマイクロプロセッサに直接接続される。

圧力測定にキャパシタ・センサーを使用することの代替は、ひずみゲージを使用することである。圧力下で撓むダイヤフラムを形成するように、上に記載された任意の例に応じ、センサー空洞を形成可能である。空洞のいずれかの側にキャパシタ電極を設置する代わりに、ダイヤフラムの撓みに伴い、ひずみゲージが撓むようにひずみゲージは設置される。

図１１は、センサー空洞１１５８がベース１１６０内に形成された第一の例を示す（ここではベース１１６０の上にカバー１１６２が描かれていることに留意されたい。これは先行の図とは逆の向きであり、ＣＭＰ工程中の向きとは逆である。）。ひずみゲージ１１６６が下方に撓むことができるように、スペーサー１１６４ａ、１１６４ｂがひずみゲージ１１６６の下に設置される。撓み増強材１１６８（小さなビーズ、チューブ、波形の構造物、あるいは他の小さな剛体など）が、ひずみゲージ１１６６の上部表面とカバー１１６２の間に設置される。従って、カバー１１６２内の任意の撓みは、ひずみゲージ１１６６の撓みを引き起こす。撓み増強材１１６８は、カバー１１６２の撓みよりも大きな撓みをひずみゲージ１１６６内で発生し、それ故、得られる測定を改善し、解像度の向上が可能である。一例に於いて、撓み増強材は、カバーまたはベース内に機械加工される。先に記載された如く、ひずみゲージ１１６６はベース１１６０内の電子回路に接続可能である。

図１２Ａは、ひずみゲージ１２７２がカバー１２７４と共に撓むように、ひずみゲージ１２７２がカバー１２７４に接合された別の例を示す。適切なひずみゲージは、抵抗ひずみゲージ、ピエゾ抵抗ひずみゲージ、圧電ひずみゲージ、或いは、棒ゲージなどの半導体ひずみゲージとすることが可能である。

図１２Ｂは、図１２Ａに代わる別の実施態様を示す。ここでは、カバー１２７８内に空洞１２７６が形成され、カバー１２７８上にひずみゲージ１２８０が形成されている。この例では、ベース１２８２は平坦なものとすることが可能である。

図１３の実施態様では、ウエハー１３８６とＣＭＰヘッド１３８８の間に圧力センサーが設置されている。生産ウエハー、またはＰＣＭＤをウエハー１３８６として使用可能である。圧力センサーは、圧縮性の誘電体により分離された二つの金属電極より形成された容量センサーとすることが可能である。一例に於いて、センサー１３８４ａ−ｄはウエハー１３８６に取り付けられる。他の例では、センサー１３８４ａ−ｄはＣＭＰヘッド１３８８に取り付けられる。いずれの場合に於いても、センサー１３８４ａ−ｄは、ウエハー表面上の様々な箇所に於いて、ＣＭＰヘッド１３８８とウエハー１３８６の間の圧力を測定する。センサー１３８４ａ−ｄは、ＣＭＰヘッド１３８８に搭載された電子モジュール１３８９に接続されている。電子モジュール１３８９は、センサー１３８４ａ−ｄからのデータを保管するか、リアル・タイムでデータを他のユニットへ送信可能である。例えば、電子モジュール１３８９は、リアル・タイムでデータを送信するために、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、または他の無線機器を備え得る。

幾つかの事例に於いて、初期工場較正の一環として、或いは、現場で、圧力測定ウエハー（ＰＣＭＤ）の較正を行うことが好ましい。幾つかの事例に於いて、使用に伴い、圧力センサーからの圧力読み取りは変化し得る。例えば、ＰＣＭＤはＣＭＰに晒されるため、ダイヤフラムの膜圧は減少し、従って、ダイヤフラムの撓みに基づく圧力測定に影響をもたらす。一つの解決策は、侵食を低減するために硬い層（例えば、窒化ケイ素）で表面を覆うことである。しかしながら、このような硬い層は、生産ウエハーの材料とは異なる特性を有する場合がある。他の解決策は、ＣＭＰにより除去された材料を置換するために追加の材料を定期的に成膜する方法である。これは、幾つかの材料（例えば銅）に関しては比較的低い温度で実施され得るが、他の材料（例えばシリコン）に関しては高い温度が要求される。

図１４は、上に記載された圧力検知ＰＣＭＤの較正に使用可能な圧力較正装置を示す。圧力センサーが上を向くように、ＰＣＭＤ１４９０が第一表面１４９２の上に設置される。第二表面１４９４が第一表面１４９２の上に一定の距離を経て設置され、膨らませることができる袋１４９６がＰＣＭＤ１４９０と第二表面１４９４の間に設置される。膨らませることができる袋１４９６は、圧力制御器１４９８を経て予め設定された圧力（または予め設定された圧力の系列）まで膨らまされる。個々の予め設定された圧力で、個々のセンサーに関するセンサー値が記録され、これらデータをセンサー値の較正に使用可能である。このようにしてＰＣＭＤは定期的に較正可能であり、除去された材料または他の影響に関して補正可能である。圧力センサーは、温度制御機器１４５０により予め設定された温度へ加熱または冷却されることが好ましい。

一般に、上に記載された例に準じたＰＣＭＤは、カバー側を下向きにした状態で、ＣＭＰプロセスシステムの内部へ設置され、使用される。ＰＣＭＤは、生産ウエハーが経るプロセスと同じプロセスを経る。プロセス中に、ＰＣＭＤは、下部表面の異なる位置に亘り圧力を測定する。このような測定により生成されたデータは、メモリ内に保管される。プロセス後、ＰＣＭＤに亘る圧力に関する情報を、時間の関数として提供するために、データはダウンロードされ、解析される。温度データは別個に記録可能である。温度データは、また、任意の温度効果に関する圧力センサー値を補償するために使用可能である。

様々な例が、圧力検知ウエハー或いはＰＣＭＤに関するＣＭＰ・アプリケーションに言及される。しかしながら、このような圧力検知ウエハーは、大気圧以上または以下で起こるプロセスを含む様々な他のプロセスで使用可能である。圧力検知ウエハーを用いて研究され得るプロセスの一例は、液浸リソグラフィープロセスであり、エア・ナイフ（ウォーター・パドルの包含に使用される）に起因する圧力を測定可能である。他のプロセスは、ＣＭＰ洗浄または清掃プロセスであり、これはＣＭＰの後にウエハーを洗浄するものである。このような洗浄プロセス中に水に加えられる圧力は、ウエハーの洗浄に影響を与える場合がある。幾つかのプロセスに於いては、静電力によりウエハーがチャックに押さえつけられる。静電チャックなどの保持力は、経時変化する場合があり、プロセス中にウエハーが動かないように調節可能である。圧力測定ＰＣＭＤは、適切な調節が必要であるかを判断するために、ウエハーとかかるチャック間の圧力測定に使用できる。シリコン・ウエハー以外の基板をＰＣＭＤに使用可能である。例えば、ガリウムヒ素ウエハーまたは平面表示パネル基板などを、空洞内に備え付けられたセンサーに使用可能である。

一実施態様に於いて、ＰＣＭＤは、直径が２００ｍｍまたは３００ｍｍのウエハーと同じ直径を有し、また、同じ（または同様の）厚さを有する。ＰＣＭＤは、外圧による空洞内への撓みを検知するセンサーを有する空洞を少なくとも一つ備える。更に、ＰＣＭＤは、少なくとも一つの温度センサーを備え得る。また、ＰＣＭＤは、少なくとも一つの集積回路を備えるフレキシブル回路と、集積回路とセンサー間にある導電体を備え得る。また、ＰＣＭＤは、少なくとも一つの電池を備え得る。空洞内の撓みを検知するセンサーは、容量に基づくもの、或いは、ひずみゲージに基づくものとすることが可能である。空洞は、専用のタンク、もしくは共用されるタンクへ接続可能である。タンクには、外部開口部を設置可能である。

一般に、ＣＭＰに於ける材料の除去は、機械的作用と化学的作用の二つの機構により引き起こされる。これらの機構は密接に関連しているが、個々の機構に関連したパラメタを別々に測定することを試みることが好ましい場合がある。機械的作用の測定に於いて特有な値となり得る測定は、ウエハーがパッドに対し相対的に動く場合のウエハーとパッドの間の摩擦力である。一般に、材料の機械的研磨は、摩擦力の増加に伴い増加する。摩擦力は、せん断力の大きさを示すように、変形する構造物内のせん断力を提供するために使用可能である。一般に、より大きな摩擦力は、ＣＭＰの工程中に材料を除去するより大きな機械的作用をもたらす。

図１５では、ＣＭＰヘッド１５０１とそれに取り付けられたウエハー１５０３が、パッド１５０５に対し速度Ｖで運動している。スラリー１５０７の層がパッド１５０５の全域に亘り拡がっている。ウエハー１５０３が水平方向に動くに伴い、ウエハーはパッド１５０５に押し付けられ、ウエハー１５０３とパッド１５０５の間に圧力が生じる。図１５に於いて、ウエハー１５０３が右に動くに伴い、ウエハーは、運動法とは反対の方向に、力Ｆとして表される摩擦力を受ける。一般に、摩擦力Ｆは、摩擦係数、そして、ウエハー１５０３とパッド１５０５の間の垂直な力（圧力）に依存する。しかしながら、上に記載された如く、ＣＭＰの工程中に、圧力はウエハーの全域で必ずしも均一ではない。ウエハーを回転させることが可能であり、ウエハーの外部は、ウエハーの内部に比べ、より早い速度となる。また、ウエハーは回転するか、或いは、他の方法で、ウエハーの全域に亘り均一ではない速度をもたらすように運動可能である。機械的研磨を見積もるために、ＣＭＰの工程中にウエハー表面の異なる位置に於いて、摩擦力を測定することが有益となる場合がある。

図１６Ａと１６Ｂは、せん断力のもとで変形するように設計された構造物１６０９上へのせん断力の効果を示す。図１６Ａでは、第一の剛体１６１１が表面１６１３と接触している。第一の剛体１６１１は、弾性材１６１７を経て第二の剛体１６１５に接続されている。図１６Ａでは、構造物１６０９は表面１６１３に対して静止している。図１６Ｂでは、構造物１６０９は、表面１６１３に対して速度Ｖで運動している。構造物１６０９は、第二の剛体１６１５に力を加えることにより動かされる。第一の剛体１６１１と表面１６１３の間の相対的運動の結果として、摩擦力Ｆが生成される。摩擦力Ｆはせん断力として作用し、弾性材１６１７の一部を変形させる。例えば、弾性材１６１７は、小さなフレーク、プレートレット、繊維、またはナノチューブなどの導電性要素が分散されたシリコーン弾性体を含み得る。この場合、加重が無い場合に比べ、変位により、第一の剛体１６１１と第二の剛体１６１５の間に、オフセットｄが生じる。ｄの大きさは、Ｆの関数である。せん断力センサーは、せん断力のもとで限られた範囲の相対的変位を有し、そして変位を測定する機構を有する二つの剛体より形成可能である。構造物もしくは部材は、ＣＭＰ工程に於ける実際の材料または基板をシミュレートすることが好ましい。この目的のために、表面１６１３に接する表面が、半導体ウエハーまたは平面表示パネルなどの実際の基板と実質的に同じ摩擦係数を有することが好ましい。構造物１６０９は、実際の基板と実質的に同じ寸法を有することが好ましい。力の少なくとも一成分が構造物１６０９の表面と表面１６１３に垂直なように、せん断力は加えられる。

図１７Ａに示される一例に於いて、せん断力センサー１７１８は、弾性材の変形に伴う弾性材の電気的特性の変化を通じ、弾性材上にかかるせん断力による変形を測定する。特に、このような弾性材の電気抵抗は、弾性材の変形に伴い変化し得る。このような弾性材の抵抗の変化を検知するために、電極が設置される。図１７Ａの例では、電極１７１９ａ、１７１９ｂが弾性材層１７２０内に埋め込まれており、電気抵抗測定ユニット１７２１は電極間の電気抵抗（ここではまた単に「抵抗」とも呼ばれ、これら二つの用語は相互互換的に用いられる）を測定する。弾性材のいくつかについては、異方性の電気特性を有するように形成可能である。異方性の電気特性を有する弾性材は、例えば、小さなフレーク、プレートレット、繊維、またはナノチューブなどの導電性要素が分散されたシリコーン弾性体などである。例えば、このような材料は、一方向に導電性であり、他の方向には非導電性であり得る。このような材料は、せん断（水平方向の）力による変形に伴い抵抗が変化するが、圧縮力（垂直方向の）によっては抵抗が顕著に影響を受けないように形成可能である。抵抗測定用の電極は、例えば、指間化されたフィンガーのパターンとして、弾性材の内部、表面の一方または両側に形成可能である。

図１７Ｂは、せん断力センサー１７９９の別の形態を示す。ここで、抵抗は、図１７Ａのユニット１７２１のような電極１７９７ａ、１７９７ｂの間にある電気抵抗測定ユニット（ここには示されていない）により測定される。これら電極１７９７ａ、１７９７ｂは、せん断力に誘起された変形の結果として抵抗が変化する構造物１７９５に結線されている。特に、電流が弾性材層１７９３を対角的に流れるように構造物１７９５が設定される。したがって、せん断力のもとで弾性材層１７９３が変形するに伴い、構造物１７９５は伸張される。構造物１７９５の抵抗は、このような伸長の結果として変化する。構造物１７９５は、導電性の経路を形成する金属プレートレット（例えば、アルミニウム）、炭素繊維、カーボン・ブラック粒、または類似の小さな導電体により形成可能である。導電性経路の伸長に伴い、導電体間の接触が十分にとれなくなるため、導電性が減少する。一般に、構造物１７９５は下向きの圧力に対し敏感ではない。

図１８は、せん断力センサー１８２２の別の形態を示し、摩擦力は、二つの剛体間での相対的な動きにより測定可能である。突起部１８２５を備える下部剛体１８２３は、上部剛体１８２９内にある空洞１８２７に入り込んでいる。空洞１８２７内の突起部１８２５の位置は、力が加えられた場合に、いくらかの水平方向の動きを許容するばね、または他の機構（例えば、弾性材料）により設定される。下部剛体１８２３が表面１８３１に沿って移動するに伴い、下部剛体１８２３が上部剛体１８２９に対し動く原因となる摩擦力Ｆが生成される。このような相対運動は、突起部１８２５と空洞１８２７の壁との間の距離ｄ１、ｄ２の変化として観測可能である。距離ｄ１、ｄ２は、容量的測定または圧電材料の使用などによる任意の適切な技術により測定可能である。せん断力は任意の水平方向に起こり得るため、せん断力センサーは、静止位置から複数方向への変位を検知可能である。例えば、せん断力センサー１８２２は、ここに示される断面に対し垂直な距離も測定可能である。従って、せん断力の方向と大きさの両者を測定可能である。図１８では、かかる上部剛体１８２９は表面１８３１に接触している。他の例に於いては、このような上部剛体が表面と接触せず、下部剛体のみが表面と接している場合がある。上部剛体１８２９は、せん断力センサー１８２２からのデータを受信する電子機器を備えるＰＣＭＤのベースとすることが可能である。

ＰＣＭＤは、上に記載された構造物を用いて摩擦力を測定できる。図１９Ａは、ＰＣＭＤ１９３６の第一の例であり、ここでは、カバー１９３５が表面に沿って移動するに伴い変形する弾性材層１９３７によりベース１９３３とカバー１９３５が分離されている。この場合、測定はＰＣＭＤ１９３６全域に亘り実施され、経験される摩擦力の総和が示される。しかしながら、幾つかの場合に於いて、ウエハー、またはＰＣＭＤの異なる箇所に於いて摩擦力に関する値を得ることが好ましい場合がある。

図１９Ｂは、弾性材料によりベース（ここには示されていない）から分離された同心円状の剛体１９３９ａ−ｄを備える下部表面を有するＰＣＭＤ１９３８の平面図を示す。剛体１９３９ａ−ｄは、小さなギャップにより物理的に互いに分離されており、剛体１９３９ａ−ｄは、ベースに対し個々に動くことが可能である。ＰＣＭＤ１９３８が回転するに伴い、異なる剛体１９３９ａ−ｄに関する摩擦力は異なる。剛体１９３９ａ−ｄを接続する弾性材料に取り付けられた電極は、異なる剛体が受ける摩擦力量を示すための個々の抵抗測定を得るために使用可能である。このようにして、ＰＣＭＤが受ける摩擦力の単一測定の代わりに、ウエハーの四つの同心円領域が受けるせん断力を示す四つの異なる測定が得られる。従って、ＰＣＭＤ１９３８は、四つの同心円状のせん断力センサーを有するとみなすことが可能である。

幾つかの事例に於いて、異なる径方向の変位と同様に、異なる角変位を有する領域に関し、せん断力を得ることが望ましい場合がある。図２０は、パッド２０４３に対してウエハー２０４１がどのように動き得るかを示す。パッド２０４３は円形のパッドであり、一般的なモーターなどの機器２０５０により、この例では時計方向に回転する。ウエハー２０４１は反時計方向に回転し、一般的なモーターとギヤ機構などの機器２０５２により、パッド２０４３に対し水平方向に移動する。この機器２０５２は単一で機器２０５０と同じものとすることが可能である。これらの異なる運動の結果は、ウエハーの回転に伴い、ウエハーの下にあるパッドに対して運動するウエハー上の点の速度が変化することである。例えば、図２０に示される如く、ウエハー２０４１の右側は、ウエハーの左側に対して、下にあるパッドに対しより早い速度となる。従って、ウエハー上の特定位置に関するせん断力は高低間で振動可能である。また、せん断力は、ウエハー２０４１がパッド２０４３に対し水平方向に移動するに伴い変化する。局所化されたせん断力を測定することで、せん断力の最大、最小、そしてせん断力の変化パターンなどの追加の情報が得られる。

図２１Ａは、表面上で異なる径方向と角位置に於けるせん断力を測定するＰＣＭＤ２１４７を示す。図２１Ａは、ＰＣＭＤ１９３８に類似したＰＣＭＤ２１４７の底部（カバー）を示すが、ＰＣＭＤ２１４７は、異なる角領域に対応する離散された剛体（離散されたせん断力センサー）を有する。従って、異なる径方向領域に関し、摩擦力の平均を測定する代わりに、ＰＣＭＤ２１４７は、個々の角方向領域に於いて異なる位置に関する摩擦力を測定する。これは、有益となり得る、せん断力の最大値と最小値を提供する。

図２１Ｂは、表面上の異なる位置でせん断力を測定する別のＰＣＭＤ２１４９を示す。先の図では、ＰＣＭＤの下部表面上のせん断力センサーは下部表面の全域（あるい下部表面のほぼ全域）を占めていたが、ここでは、せん断力センサー２１５１ａ−ｉはＰＣＭＤ２１４９の下部表面の一部を占めるにすぎない。せん断力センサーのいくらかの変位を許容するために、カバー内に切り欠きが設けられている。弾性材料を用いるセンサー１７１８、１７９９などのせん断力センサー、変位を用いるセンサー１８２２などのせん断力センサー、或いは、任意の他の適切なせん断力センサーを用い、ＰＣＭＤ１９３６、１９３８、２０４７、そして２１４９は、せん断力を測定可能である。一般に、一つまたは複数のせん断力センサーを、ＰＣＭＤ内の他のセンサーと組み合わせることが可能である。特に、圧縮力を測定する圧力センサー、温度センサー、そしてＣＭＰアプリケーションに関する材料除去率センサーを含むことが望ましい場合がある。センサー１７１８、１７９９などのせん断力センサーからのデータ、そして、上に記載された種類のフレキシブル回路を経た他のセンサーからのデータを受け取るために、図８Ａのマイクロプロセッサ８１４に類似のマイクロプロセッサ（ここには示されていない）を使用可能である。好ましくは、かかるマイクロプロセッサは、センサーからのデータを保管するメモリ、及び／または、好ましくはラジオ波等の無線により、このようなデータを外部機器へ送信する送信回路を備える。

幾つかのＰＣＭＤに於いて、ＣＭＰプロセスを特徴づけるために用いられる音響的入力をセンサーは収集する。例えば、表面の侵食に従い、ウエハーの振動周波数は変化し得る。この周波数変化は、ウエハーもしくはＣＭＰヘッド内にある一つまたは複数の音響センサーにより検知可能であり、除去された材料の量に関する情報を得るのに使用される。従って、ある種の音響センサーは除去率センサーとみなされる。

ここに記載された全ての特許、特許出願、記事、本、仕様、他の出版物、文献、事項は、全ての目的に関し、ここに詳述された参照文献として取り扱われる。ここに記載された任意の出版物、文献、または事項と本発明の記載の間に、用語の定義または用法に於いて、非整合性、矛盾がある場合、本発明における用語の定義または用法が優先されるものとする。

特定の好ましい実施態様に関し、本発明の様々な特徴が記載されたが、添付された請求の全見地内で、本発明は保護に値するものであることに留意されたい。本発明は、例えば以下の適用例としても実施可能である。
［適用例１］プロセス条件測定機器であって、
基板の特性と実質的に同じ特性を有し、ダイヤフラムを有する部材を備え、
物理的にダイヤフラムに接続されたセンサー手法を備え、ここで該プロセスが用いられる表面に対して、ダイヤフラムが接触し、押し付けられる場合に、該センサー手法がダイヤフラムの撓みを測定するためのものであり、該センサー手法は容量的に結合された電極の対を少なくとも一つ備え、ここで対の少なくとも一つの容量は、ダイヤフラムの撓みの関数として変化する
プロセスを経る基板の表面上の圧力または力を測定するためのプロセス条件測定機器。
［適用例２］プロセス経る表面に対して、ダイヤフラムが接触し、押し付けられる場合に、該ダイヤフラムの撓みが凡そ１０μｍを超えない柔軟性を有するダイヤフラムである適用例１に記載の機器。
［適用例３］前記部材がプレートを備え、ここで該特性が、プレートの柔軟性、面積、硬さ、そして物理的寸法の一つまたは複数を含む適用例１に記載の機器。
［適用例４］前記部材は、該センサー手法を収納するための、ベースとカバーの間にある少なくとも一つの空洞を定義するベースとカバーを備え、該カバーは該ダイヤフラムを備える適用例１に記載の機器。
［適用例５］少なくとも一つの該空洞が、カバーに対向するベースの表面上、またはベースに対向するカバーの表面上に形成される適用例４に記載の機器。
［適用例６］前記部材が更にベースとカバーの間に分離層を有し、該分離層内に少なくとも一つの該空洞が形成される適用例４に記載の機器。
［適用例７］前記部材が、少なくとも一つの空洞内で圧力を受けるダイヤフラムの撓みの効果を低減する少なくとも一つの該空洞と連通する少なくとも一つのタンクを該部材内部に定義する適用例４に記載の機器。
［適用例８］少なくとも一つのタンクが外部環境と連通する開口部と、かかる連通を制御するバルブを更に備える適用例７に記載の機器。
［適用例９］電子回路を更に備え、ここで電子回路は少なくとも一つの該空洞内に少なくとも一部が存在し、電子回路はメモリまたは無線送信要素を備え、電子回路はセンサー手法からのデータを受信し、メモリ内にデータを保管するか、無線送信要素を用い、データを送信する適用例４に記載の機器。
［適用例１０］前記部材が、少なくとも一つの空洞内で圧力を受けるダイヤフラムの撓みの効果を低減する少なくとも一つの該空洞と連通する少なくとも一つのタンクを該部材内部に定義し、そして該電子回路の少なくとも一部が少なくとも一つの該タンク内に存在する適用例９に記載の機器。
［適用例１１］前記部材が、寸法と厚さが生産向け半導体ウエハーのそれと実質的に同じである半導体ウエハーを備える適用例４に記載の機器。
［適用例１２］該プロセスが研磨または平坦化プロセスであり、該ダイヤフラムは、該研磨または平坦化プロセスによる侵食を低減する耐摩耗性皮膜、あるいは、該プロセスにより侵食された材料を置換する追加の成膜材料を備える適用例１に記載の機器。
［適用例１３］前記部材がプレートを備え、該センサー手法が、該プレートに亘る領域に配置された容量的に結合された電極の複数の対を備え、該機器が更に複数の温度センサーを備え、ここで容量的に結合された電極の該対の温度を測定するため、容量的に結合された電極の対の近傍に個々の温度センサーが配置され、該温度センサーが出力を提供する適用例１に記載の機器。
［適用例１４］前記センサー手法に対応し、そして容量的に結合された電極の対の個々に対応して近傍に位置する温度センサーの出力を用い、容量的に結合された電極の対に対応する個々の測定を調節するための温度センサーの出力に対応する電子回路を更に備える適用例１３に記載の機器。
［適用例１５］前記部材内の寄生容量を検知するため、該ダイヤフラムに接続されていない容量的に結合された電極の参照対の少なくとも一つを更に備える適用例１に記載の機器。
［適用例１６］かかる測定に於ける寄生容量の効果を低減する該センサー手法の測定を調節するために、容量的に結合された電極の該参照対の出力に対応する電子回路を更に備える適用例１５に記載の機器。
［適用例１７］前記部材内の寄生容量を検知するため、該ダイヤフラムに接続されていない容量的に結合された電極の複数の参照対を更に備え、ここで複数の参照対の個々は、測定の寄生容量の効果を低減するために、容量的に結合された測定電極の対に対応する近傍位置に設置される適用例１５に記載の機器。
［適用例１８］前記プロセスが研磨または平坦化プロセスであり、該部材が、プロセス中の該基板の振る舞いをシミュレートする該プロセスを経るのに適切である適用例１に記載の機器。
［適用例１９］前記プロセスが研磨プロセスヘッドまたは平坦化プロセスヘッドの最適化に関するプロセスである適用例１に記載の機器。
［適用例２０］方法であって、
基板の特性と実質的に同じ特性を有するプレートを備える機器を設定し、該プレートはダイヤフラム、そして容量的に結合された電極の対を少なくとも一つを備え、少なくとも一つの該電極対は容量を有し、
ダイヤフラムが研磨または平坦化表面に対して接触し、押し付けられる場合にダイヤフラムの撓みを検知し、該検知が、容量的に結合された電極の対の少なくとも一つの容量の変化を検知する
プロセスを経る基板表面上の圧力または力を測定する方法。
［適用例２１］前記特性が、プレートの柔軟性、面積、硬さ、そして物理的寸法の一つまたは複数を含み、ここで、機器はメモリまたは無線送信要素を備え、更に、該方法は、
容量的に結合された電極の少なくとも一つの対の容量の変化に関連するデータをメモリに保管するか、無線送信要素を用い、データを送信する適用例２０に記載の方法。
［適用例２２］前記プレート内の寄生容量を測定し、該検知に於ける寄生容量の効果を低減することを更に含む適用例２０に記載の方法。
［適用例２３］膨らませることができる部材を予め設定された圧力まで膨らませ、部材の膨らみによるダイヤフラムの撓みを検知し、膨らませることと検知することの最中に予め設定された温度までプレートを加熱する加熱素子を用いることを更に含む適用例２０に記載の方法。
［適用例２４］前記プロセスが研磨または平坦化プロセスであり、該部材が、プロセス中の該基板の振る舞いをシミュレートする該プロセスを経るのに適切である適用例２０に記載の方法。
［適用例２５］前記プロセスが研磨プロセスヘッドまたは平坦化プロセスヘッドの最適化に関するプロセスである適用例２０に記載の方法。
［適用例２６］機器であって、
基板表面の特性と実質的に同じ特性を有する表面を有する部材を備え、該部材は、プロセス中の該基板の振る舞いをシミュレートする該プロセスを経るために適切であり、
部材に取り付けられた少なくとも一つのセンサーを備え、ここで、このような表面が研磨または平坦化のプロセスを経る表面に対して接触し、押し付けられ、そして研磨または平坦化のプロセスを経る基板表面と部材表面の間に水平方向の力が加えられる場合に、部材表面上のせん断力に関連するパラメタを測定する
研磨または平坦化のプロセスを経る基板表面上のせん断力を測定するプロセス条件測定機器。
［適用例２７］前記特性が部材表面の摩擦係数に関連する適用例２６に記載の機器。
［適用例２８］前記部材の寸法が基板の寸法に実質的に類似したものである適用例２６に記載の機器。
［適用例２９］少なくとも一つの該センサーが、部材表面上のせん断力に対して変形可能な構造物を備え、該センサーが構造物の変形量を測定する適用例２６に記載の機器。
［適用例３０］少なく一つの該センサーが、電気的パラメタの変化を測定する回路を更に備える適用例２９に記載の機器。
［適用例３１］前記回路が、該構造物内の二つの位置間の電気抵抗の変化を測定する適用例３０に記載の機器。
［適用例３２］前記構造物が変形した場合に長さと電気抵抗が変化する構造物を該回路が備え、該回路が、該構造物の電気抵抗の変化を測定する適用例３０に記載の機器。
［適用例３３］少なくとも一つのセンサーが二つの剛体を備え、ここで該水平方向の力は二つの剛体間の変位を引き起こし、少なくとも一つの該センサーが該変位を測定する適用例２６に記載の機器。
［適用例３４］前記部材が、複数の剛体を備え、ここで複数の剛体のそれぞれは、該研磨または平坦化プロセス中に於ける基板表面の部分をシミュレートする表面を有し、少なくとも一つの該センサーは該複数の剛体に対応して分離された部分を有する弾性材料を備え、そして複数の回路を備え、ここで複数の該回路のそれぞれが該弾性材料の該部分の変形に関連するパラメタの変化を測定する適用例２６に記載の機器。
［適用例３５］前記回路が、該構造物内の二つの位置間の電気抵抗の変化を測定する適用例３４に記載の機器。
［適用例３６］前記複数の剛体が同心円状の複数の剛体を有する適用例３４に記載の機器。
［適用例３７］前記複数の剛体の少なくともいくらかの断面が角領域を有する適用例３６に記載の機器。
［適用例３８］前記部材が、カバーとベースを備え、ベースはその内部に複数の切り欠きを定義し、
前記カバーの表面に亘り切り欠きは分配されており、部材が更に、カバーの表面が研磨または平坦化のプロセスを経る表面に対して接触し、押し付けられ、研磨または平坦化のプロセスを経る基板表面と部材表面の間に水平方向の力が加えられる場合に、該センサーにかかるせん断力を検知する複数のセンサーを切り欠き内に備える
適用例２６に記載の機器。
［適用例３９］前記プロセスが表面の該研磨または該平坦化の第一運動を引き起こし、該機器が、部材表面の第二運動を引き起こす装置を更に備え、第一と第二の運動が異なる方向である適用例２６に記載の機器。
［適用例４０］前記第一と該第二の運動が回転運動である適用例３９に記載の機器。
［適用例４１］方法であって、
基板表面の特性と実質的に同じ特性を有する表面を備える部材を提供し、ここで該部材は、プロセス中の該基板の振る舞いをシミュレートする該プロセスを経るために適切であり、
部材の表面を研磨または平坦化プロセスを経る表面に対して接触し、押し付け、
研磨または平坦化のプロセスを経る基板表面と部材表面の間に水平方向の力を加え、
部材表面のせん断力に関連するパラメタを測定する
研磨または平坦化プロセスを経る基板表面上のせん断力を測定する方法。
［適用例４２］前記測定が、実質的に同時に該部材の表面に亘り複数の異なる箇所でパラメタを測定する適用例４１に記載の方法。
［適用例４３］前記プロセスが表面の該研磨または該平坦化の第一運動を引き起こし、該方法が、部材表面の第二運動を引き起こすことをさらに含み、第一と第二の運動が異なる方向である適用例４１に記載の方法。
［適用例４４］第一と第二の運動が異なる方向である適用例４３に記載の方法
［適用例４５］第一と第二の運動が回転運動である適用例４３に記載の方法。
［適用例４６］部材を備え、
部材に取り付けられた少なくとも一つのせん断力センサーを備え、そして、
部材に取り付けられた電子回路を備え、ここで、電子回路は、せん断力センサーまたは圧力センサーからのデータをメモリに保管するか、無線送信要素を用い、データを送信する
プロセス条件測定機器。

Claims (22)

1. 研磨もしくは平坦化のプロセスが行なわれる基板表面上の圧力または力を測定するプロセス条件測定機器であって、
   基板の特性と実質的に同じ特性を有する部材であり、互いに接合されて単一ユニットを形成するベースとカバーとを備え、前記ベースまたは前記カバーの互いの反対の表面は、特殊な形状を備えない平面であり、前記部材は、前記ベースとカバーとの間に全体が囲われた少なくとも一つの空洞を備え、前記カバーは圧力を受けて撓むダイヤフラムを備え、
   少なくとも一つの空洞内の圧力によるダイヤフラムの撓みの影響を低減するタンクであって、少なくとも一つの空洞と連通する少なくとも一つのタンクを、前記部材の内部に備え、
   少なくとも一つの前記タンクが外部環境と連通する開口部と、かかる連通を制御するバルブとを、更に備え、
   前記少なくとも一つの空洞に配置され、物理的にダイヤフラムに接続されたセンサー手段を備え、前記プロセスが用いられる表面に対して、前記カバーが接触し、押し付けられる場合に、該センサー手段がダイヤフラムの撓みを測定するためのものであり、該センサー手段は容量的に結合された電極の対を少なくとも一つ備え、該対の少なくとも一つの容量は、ダイヤフラムの撓みの関数として変化する
   プロセス条件測定機器。
2. 少なくとも一つの前記空洞が、前記カバーに対向する前記ベースの表面上、または前記ベースに対向する前記カバーの表面上に形成される請求項１に記載の機器。
3. 前記部材が更に前記ベースと前記カバーの間に分離層を有し、該分離層内に少なくとも一つの前記空洞が形成される請求項１に記載の機器。
4. 電子回路を更に備え、該電子回路は少なくとも一つの前記空洞内に少なくとも一部が存在し、前記電子回路はメモリまたは無線送信要素を備え、前記電子回路は前記センサー手段からのデータを受信し、前記メモリ内にデータを保管するか、前記無線送信要素を用い、データを送信する請求項１に記載の機器。
5. 前記電子回路の少なくとも一部が少なくとも一つの前記タンク内に存在する請求項４に記載の機器。
6. 前記部材が、寸法と厚さが生産向け半導体ウエハーのそれと実質的に同じである半導体ウエハーを備える請求項１に記載の機器。
7. 前記研磨または平坦化のプロセスに亘って、前記表面に対して前記ダイヤフラムが接触し、押し付けられる場合に、該ダイヤフラムの撓みが１０μｍを超えない柔軟性を有するダイヤフラムである請求項１に記載の機器。
8. 前記部材がプレートを備え、前記特性が、プレートの柔軟性、面積、硬さ、そして物理的寸法の一つまたは複数を含む請求項１に記載の機器。
9. 前記ダイヤフラムは、前記研磨または平坦化プロセスによる侵食を低減する耐摩耗性皮膜、あるいは、該プロセスにより侵食された材料を置換する追加の成膜材料を備える請求項１に記載の機器。
10. 前記部材がプレートを備え、前記センサー手段が、該プレートに亘る領域に配置された容量的に結合された電極の複数の対を備え、該機器が更に複数の温度センサーを備え、該容量的に結合された電極の対の温度を測定するため、容量的に結合された前記電極の対の近傍に個々の前記温度センサーが配置され、該温度センサーが出力を提供する請求項１に記載の機器。
11. 前記センサー手段に対応し、そして容量的に結合された前記電極の対の個々に対応して近傍に位置する前記温度センサーの出力を用い、容量的に結合された前記電極の対に対応する個々の測定を調節するための前記温度センサーの出力に対応する電子回路を更に備える請求項１０に記載の機器。
12. 前記部材内の寄生容量を検知するため、前記ダイヤフラムに接続されていない容量的に結合された電極の参照対の少なくとも一つを更に備える請求項１に記載の機器。
13. かかる測定に於ける寄生容量の影響を低減するよう、前記センサー手段による前記測定を調節するために、容量的に結合された前記電極の該参照対の出力に対応する電子回路を更に備える請求項１２に記載の機器。
14. 前記部材内の寄生容量を検知するため、前記ダイヤフラムに接続されていない容量的に結合された電極の複数の参照対を更に備え、複数の前記参照対の個々は、測定の寄生容量の影響を低減するために、容量的に結合された測定電極の対に対応する近傍位置に設置される請求項１２に記載の機器。
15. 前記部材が、前記プロセス中の前記基板の振る舞いをシミュレートする前記プロセスに亘る使用に適した請求項１に記載の機器。
16. 前記部材が、前記研磨または平坦化のヘッドの最適化に適した請求項１に記載の機器。
17. 研磨または平坦化のプロセスが行なわれる基板表面上の圧力または力を測定する方法であって、
    基板の特性と実質的に同じ特性を有するプレートを備える機器を設定し、該プレートは互いに接合されて単一のユニットを形成するベースとカバーとを備え、前記ベースまたは前記カバーの互いの反対の表面は、特殊な形状を備えない平面であり、前記プレートは、前記ベースとカバーとの間に全体が囲われた少なくとも一つの空洞を備え、前記カバーは圧力を受けて撓むダイヤフラムを備え、前記機器は、容量的に結合された電極の対を前記少なくとも一つの空洞の内部に少なくとも一つを備え、少なくとも一つの該電極対は容量を有し、
    少なくとも一つの空洞内の圧力によるダイヤフラムの撓みの影響を低減するタンクであって、少なくとも一つの空洞と連通する少なくとも一つのタンクを、前記プレートに備え、少なくとも一つの前記タンクが外部環境と連通する開口部と、かかる連通を制御するバルブとを、更に備え、
    前記カバーが研磨または平坦化表面に対して接触し、押し付けられる場合に前記ダイヤフラムの撓みを検知し、該検知が、容量的に結合された電極の対の少なくとも一つの容量の変化を検知することにより行なわれる、
    基板表面上の圧力または力を測定する方法。
18. 前記特性が、プレートの柔軟性、面積、硬さ、そして物理的寸法の一つまたは複数を含み、機器はメモリまたは無線送信要素を備え、更に、該方法は、
    容量的に結合された電極の少なくとも一つの対の容量の変化に関連するデータを前記メモリに保管するか、または前記無線送信要素を用い、データを送信する請求項１７に記載の方法。
19. 前記プレート内の寄生容量を測定し、該検知に於ける寄生容量の影響を低減することを更に含む請求項１７に記載の方法。
20. 膨らませることができる部材を予め設定された圧力まで膨らませ、部材の膨らみによる前記ダイヤフラムの撓みを検知し、膨らませることと検知することの最中に予め設定された温度まで前記プレートを加熱する加熱素子を用いることを更に含む請求項１７に記載の方法。
21. 前記プレートが、前記プロセス中の前記基板の振る舞いをシミュレートする前記プロセスに亘る使用に適した請求項１７に記載の方法。
22. 前記プレートが研磨または平坦化のヘッドの最適化に適した請求項１７に記載の方法。

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