JP6182536B2 - 改善された摩擦測定を使用する基板研磨検出のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、２０１１年１１月１６日に出願された「ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ ＰＯＬＩＳＨＩＮＧ ＥＮＤ ＰＯＩＮＴ ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ ＵＳＩＮＧ ＩＭＰＲＯＶＥＤ ＦＲＩＣＴＩＯＮ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ」と題する米国仮特許出願第６１／５６０，７９３号、および２０１２年４月２８日に出願された「ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ ＰＯＬＩＳＨＩＮＧ ＥＮＤ ＰＯＩＮＴ ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ ＵＳＩＮＧ ＩＭＰＲＯＶＥＤ ＦＲＩＣＴＩＯＮ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ」と題する米国特許出願第１３／４５９，０７９号に関し、優先権を主張するものであり、両出願の各々の全体は、参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、一般に電子デバイスの製造に関し、より詳細には、半導体基板研磨システムおよび方法を対象とする。

基板研磨終点検出法は、十分な基板材料がいつ除去されたかを決定するために、研磨ヘッド内に保持された基板に対して研磨パッドを回転するのに必要なトルクの推定を使用することができる。既存の基板研磨システムは、典型的には、基板に対してパッドを回転させるために必要なトルクの量を推定するために、アクチュエータからの電気信号（例えば、モータ電流）を使用する。本発明の発明者は、終点にいつ到達したのかを安定して決定するのに、そのような方法がいくつかの環境では十分に正確でない可能性があることを決定した。したがって、基板研磨終点検出の分野で、改善が必要である。

第１の実施形態では、基板を研磨するために、装置が提供される。装置は、第１のキャリッジと、第１のキャリッジに結合された横力測定器具と、横力測定器具に結合された第２のキャリッジとを含み、第１のキャリッジおよび第２のキャリッジのうちの１つが研磨ヘッドを支持するように適合される。

いくつかの他の実施形態では、基板の化学機械平坦化のためのシステムが提供される。システムは、基板を保持するように適合された研磨ヘッドアセンブリと、研磨ヘッド内に保持される基板に対して研磨パッドを保持および回転させるように適合された研磨パッド支持体とを含み、研磨ヘッドアセンブリが、第１のキャリッジと、第１のキャリッジに結合された横力測定器具と、横力測定器具に結合された第２のキャリッジと、第１のキャリッジおよび第２のキャリッジのうちの１つに結合され、基板を保持するように適合された研磨ヘッドとを含む。

さらに他の実施形態では、基板を研磨する方法が提供される。方法は、研磨パッドを支持するプラテンを回転させることと、第１のキャリッジを第２のキャリッジに横力測定器具を介して結合することであって、第１のキャリッジおよび第２のキャリッジのうちの１つが、基板を保持するように適合された研磨ヘッドを支持するように適合されることと、基板を保持する研磨ヘッドをプラテン上の研磨パッドに適用することと、基板が研磨されるときに基板上の横力の量を測定することとを含む。

他の実施形態では、基板を研磨するために、装置が提供される。装置は、第１のキャリッジと、第１のキャリッジに結合された変位測定器具と、変位測定器具に結合された第２のキャリッジとを含み、第１のキャリッジおよび第２のキャリッジのうちの１つが研磨ヘッドを支持するように適合される。

さらに他の実施形態では、基板の化学機械平坦化のためのシステムが提供される。システムは、基板を保持するように適合された研磨ヘッドアセンブリを含み、研磨ヘッドアセンブリが、第１のキャリッジと、第１のキャリッジにフレキシブルに結合された第２のキャリッジと、第１のキャリッジと第２のキャリッジとの間の横変位を測定するように適合された横変位測定器具と、第１のキャリッジおよび第２のキャリッジのうちの１つに結合され、基板を保持するように適合された研磨ヘッドと、研磨ヘッド内に保持される基板に対して研磨パッドを保持および回転させるように適合された研磨パッド支持体とを含む。

さらに他の実施形態では、基板を研磨する方法が提供される。方法は、研磨パッドを支持するプラテンを回転させることと、第１のキャリッジを第２のキャリッジにフレキシブルに結合することであって、第１のキャリッジおよび第２のキャリッジのうちの１つが、基板を保持する研磨ヘッドを支持するように適合されることと、基板を保持する研磨ヘッドをプラテン上の研磨パッドに適用することと、基板が研磨されるときに横変位測定器具を介して第１のキャリッジと第２のキャリッジ基板との間の横変位の量を測定することとを含む。多くの他の態様が提供される。本発明の他の特徴および態様は、以下の詳細な説明、添付される請求項、および付随する図面から、より十分に明らかとなるであろう。

本発明の実施形態にしたがう基板研磨システムのプラテン回転部の側面図である。 本発明の第１の実施形態にしたがう基板研磨システムのプラテン回転部の部分の断面図である。 本発明の第２の実施形態にしたがう基板研磨システムのプラテン回転部の部分の断面図である。 本発明の第３の実施形態にしたがう基板研磨システムのプラテン回転部の部分の断面図である。 本発明の第４の実施形態にしたがう基板研磨システムのプラテン回転部の部分の断面図である。 本発明の第５の実施形態にしたがう基板研磨システムのプラテン回転部の部分の断面図である。 本発明の第３、第４、および第５の実施形態にしたがう、屈曲部により支持される上部プラテンの上面図である。 本発明の第３、第４、および第５の実施形態にしたがう、屈曲部の例示的な実施形態の斜視図である。 本発明のいくつかの実施形態にしたがう、基板を研磨する例示的な方法を図示する流れ図である。 本発明の実施形態にしたがう基板研磨システムの実施形態を使用して基板が研磨されるときの、経時的なトルク測定の実験結果のグラフである。 本発明の横力測定の実施形態にしたがう基板研磨システムの、例示的な研磨ヘッドアセンブリの側面図である。 本発明の実施形態にしたがった、パッドの回転および基板上の横力を示す、研磨期間に研磨パッド上に位置する基板の上面図である。 本発明の実施形態にしたがう代替基板研磨システムの、例示的な研磨ヘッド部の側面図である。 本発明の実施形態にしたがった、パッドの回転および基板上の横力を示す、研磨期間に研磨パッド上に位置する２つの基板の上面図である。 本発明の第２の横力測定の実施形態にしたがう基板研磨システムの、研磨ヘッドアセンブリの断面図である。 本発明の第３の横力測定の実施形態にしたがう基板研磨システムの、研磨ヘッドアセンブリの断面図である。 本発明の第４の横力測定の実施形態にしたがう基板研磨システムの、研磨ヘッドアセンブリの断面図である。 本発明のいくつかの実施形態にしたがう、基板を研磨する代替の例示的な方法を図示する流れ図である。 本発明の横変位測定の実施形態にしたがう基板研磨システムの、研磨ヘッドアセンブリの垂直断面図である。

研磨ヘッド内に保持される基板に対して研磨パッドを回転させるために必要なトルクの量を推定するために、研磨パッド支持プラテンを駆動するために使用されるモータから取られる電気信号（例えば、電流、電圧、電力など）を使用する既存の基板研磨システム（例えば、化学機械平坦化（ＣＭＰ）システム）は、いくつかの誤差源に起因していくつかの環境では不正確となる可能性がある。これらの誤差源のいくつかとしては、アクチュエータ固有特性ばらつき（例えば、巻線および磁石内のばらつき）、伝動構成要素許容差（例えば、ギヤボックス、ベルト、プーリなど）、ベアリング摩擦、および温度ばらつきが挙げられる。

本発明の実施形態は、研磨システムの研磨ヘッド内に保持される基板に対して研磨パッドを回転させるときに遭遇する摩擦を正確に決定するための、改善された方法および装置を提供する。別の態様では、発明の実施形態は、研磨パッドを支持するプラテンに沿って、かつ／または隣接して、直接トルクおよび／またはひずみ測定器具を加えることにより、上記の誤差源を最小化または回避する方法を提供する。インライントルク／ひずみ測定器具は、研磨ヘッド内に保持される基板に対して研磨パッドを回転させるのに必要な物理量（例えば、回転力の量）を直接測定する。研磨パッド支持プラテンに沿って、かつ／または隣接して、直接測定点を動かすことによって、駆動トレーン内の構成要素からの誤差を最小化する。

いくつかの実施形態では、１つまたは複数の支持体が追加され、下部プラテン（例えば、アクチュエータに堅固に結合された駆動構成要素）と上部プラテン（例えば、研磨パッドを保持する被駆動構成要素）とを結合する。これらの支持体は、上部プラテンを駆動するために下部プラテンを回転させることにより生み出される、推力荷重、径方向荷重、およびモーメント荷重を担持し、しかも、上部プラテンが下部プラテンに対して動くただ１つの自由度（例えば、回転）を可能にするように適合される。アクチュエータの駆動トルクは、トルク／ひずみ測定器具を介して（下部プラテンを駆動することから）上部プラテンに渡される。研磨ヘッドの荷重が上部プラテン上に保持される研磨パッドに印加されるとき、トルク／ひずみ測定器具を使用して、研磨ヘッド荷重を克服するのに必要な追加トルクを測定し、上部プラテンの回転を維持することができる。

支持体は、上部プラテンおよび下部プラテンに印加される可能性があるトルクの差の量を制限することにより、ひずみ測定デバイスへの保護としての役割も果たす。いくつかの実施形態では、支持体は、例えば、以下のタイプのベアリング、すなわち空気ベアリング、流体ベアリング、磁気ベアリング、深溝ベアリング、アンギュラコンタクトベアリング、ローラベアリング、および／またはテーパクロスローラベアリングの任意の組合せであってよい。いくつかの実施形態では、支持体は、代替的に、例えば屈曲部でできたピボットであってよい。いくつかの実施形態では、ひずみ測定デバイスは、例えば、トルクセンサ、インラインロッドエンドロードセル、またはピボット／屈曲部上のひずみゲージであってよい。一般的に、任意の好適で実際的な支持体および／またはひずみ測定デバイスを使用することができる。

研磨パッドを支持するプラテンに沿って、かつ／または隣接して、トルクおよび／またはひずみを測定することの代わりに、本発明のいくつかの実施形態は、研磨ヘッド内の基板に印加される横力を測定する方法および装置を提供する。横力測定器具は、研磨ヘッドを支持する上部キャリッジと下部キャリッジとの間に配設することができる。本明細書で使用する第１のキャリッジは、上部キャリッジまたは下部キャリッジのうちの第１のもののことを言い、第２のキャリッジは、上部キャリッジおよび下部キャリッジのうちの他のもののことを言う。研磨パッドが研磨ヘッド内の基板を押すとき、横力測定器具は、基板と研磨パッドとの間の摩擦に比例する力を直接測定することができる。前の実施形態のように、１つの方向への限られた動きだけが可能な支持体を使用して、基板を回転する研磨パッドに押すことにより生み出される推力荷重、径方向荷重、およびモーメント荷重を担持することができる。支持体は、横への動きの量を制限することにより、横力測定器具を保護することもできる。

前の実施形態のように、横力測定の実施形態のための支持体は、例えば、以下のタイプのベアリング、すなわち空気ベアリング、流体ベアリング、磁気ベアリング、深溝ベアリング、アンギュラコンタクトベアリング、ローラベアリング、および／またはテーパクロスローラベアリングの任意の組合せであってよい。いくつかの実施形態では、支持体は、代替的に、例えば屈曲部でできたピボットであってよい。いくつかの実施形態では、ひずみ測定デバイスは、例えば、トルクセンサ、インラインロッドエンドロードセル、またはピボット／屈曲部上のひずみゲージであってよい。

いくつかの実施形態では、装置、システム、および方法が提供され、研磨の期間に、第１のキャリッジと第２のキャリッジとの間で、変位を測定することができる。横変位測定器具は、第１のキャリッジと第２のキャリッジとの間に配設することができ、第１のキャリッジおよび第２のキャリッジのうちの１つが研磨ヘッドを支持する。研磨パッドが研磨ヘッド内の基板を押すとき、横変位測定器具は、基板と研磨パッドとの間の摩擦に比例するキャリッジ間の変位を直接測定することができる。前の実施形態のように、１つの方向への限られた動きだけが可能な支持体を使用して、基板を回転する研磨パッドに押すことにより生み出される推力荷重、径方向荷重、およびモーメント荷重を担持することができる。支持体は、横への動きの量を制限することにより、横力測定器具を保護することもできる。支持体は、屈曲部であってよい。一般的に、任意の好適で実際的な支持体および／または力、ひずみ、および変位測定デバイスを使用することができる。

研磨ヘッド内の基板上の横力を測定し監視することを使用して、研磨終点などといった研磨の１つまたは複数のステージを決定することができる。摩擦の相対的な量の変化に基づいて横力または変位を監視することは、研磨パッドを支持するプラテンのトルクを監視すること以上に有利な可能性がある。例えば、１つの研磨パッドを使用して異なる研磨ヘッド内の２つ以上の基板を同時に研磨するＣＭＰシステムでは、各基板上の横力を監視することによって、（研磨終点に到達したときなど、）研磨の１つまたは複数のステージの独立した決定が可能となる。

図１を参照すると、基板研磨システム１００のプラテン回転部が示される。上部プラテン１０２は、研磨パッド１０１を支持する一方ＣＭＰ処理の期間回転されるように適合される。上部プラテン１０２は、処理の期間に研磨パッド１０１をしっかりと保持するために、チャック、接着剤、または他の機構を含むことができる。上部プラテン１０２は、ベースプレート１０６により支持される下部プラテン１０４にフレキシブルに結合されて駆動される。ベースプレート１０６は、下で議論されるシステム１００の他の部分も支持する。プーリ１０８Ａは、下部プラテン１０４に結合され、ベルト１１０を介してプーリ１０８Ｂに結合される。プーリ１０８Ｂはギヤボックス１１２に結合され、ギヤボックス１１２はブラケット１１４により支持され、ブラケット１１４はベースプレート１０６に結合されて支持される。アクチュエータ１１６（例えばモータ）も、ギヤボックス１１２に結合される。アクチュエータ１１６は、コントローラ１１８に電気的に結合される。したがって、下部プラテン１０４は、ギヤボックス１１２、プーリ１０８Ａ、１０８Ｂ、およびベルト１１０を介してアクチュエータ１１６に結合され、そのため、アクチュエータ１１６は、コントローラ１１８の制御の下でシステム１００を駆動することができる。いくつかの実施形態では、アクチュエータ１１６および基板１２２を保持する研磨ヘッド１２０（想像線で示す）は、プログラムされた汎用コンピュータプロセッサおよび／または専用組込コントローラであってよい、コントローラ１１８の制御下で、動作および機能の両方を行うことができる。

アクチュエータ１１６と下部プラテン１０４との間に示されるリンケージは単に例示であることに、当業者なら留意するであろう。示される構成要素について、多くの異なる配置を代用することができる。例えば、アクチュエータ１１６は、下部プラテン１０４に直接結合された直接駆動モータであってよい。ギヤボックス１１２は、プーリ１０８Ｂがアクチュエータ１１６により回転される速度（例えば、毎分回転数（ＲＰＭ））を、ＣＭＰプロセスにとって好適な速度に調整するのに有益であるが、いくつかの実施形態では、アクチュエータは、好適な速度で動作するように適合済みのものを選択することができる。したがって、下部プラテン１０４を駆動する任意の実際的な手段を採用することができる。

動作において、アクチュエータ１１６は、システムマネージャ（例えば、ソフトウェア命令を実行するコントローラ１１８、コンピュータプロセッサなど）の制御下で、下部プラテン１０４を駆動して、ＣＭＰプロセスに好適な所望の速度で回転させる。下により詳細に記載されるように、下部プラテン１０４の回転によって、２つのプラテン間のフレキシブルな結合に起因して、上部プラテン１０２の回転を引き起こす。上部プラテン１０２上の研磨パッド１０１は、研磨パッド１０１上に下向きの力を印加する研磨ヘッド１２０（点線で示す）に保持される基板１２２に対して回転される。研磨ヘッド１２０の下向きの力は、上部プラテン１０２の回転に対し抵抗を生じる。抵抗は、下部プラテン１０４を回転させるアクチュエータ１１６により克服される。研磨ヘッド１２０により引き起こされる抵抗を克服するのに必要なトルクの量は、トルク／ひずみ測定器具（図１では見えず、図２を参照）を使用して測定される。基板１２２が研磨され材料が除去されると、回転に対する抵抗の量が変わる。異なる材料は異なる摩擦係数を有する可能性があり、研磨される材料層に依存して、プラテン１０２、１０４を回転させるのに必要なトルクの量が変化する可能性がある。研磨が止められる終点は、トルク／ひずみ測定器具で測定される、所定の量のトルクまたはトルクの変化に対応することができる。いくつかの実施形態では、プラテン１０２、１０４を回転させるのに必要なトルクの量の変化の閾値の量が、研磨プロセスの終点を表すことができる。材料に依存して、終点閾値変化量は、必要なトルクの量の増加またはトルクの量の減少のいずれかとなる可能性があることに留意されたい。時間の関数としてのトルク変化の例が、図７を参照して下で記載される。

図２Ａを参照すると、基板研磨システム２００Ａの実施形態の部分の断面図が示される。上部プラテン１０２は、支持体２０２により下部プラテン１０４の上に支持される。上部プラテン１０２は、また、図２Ａの実施形態でトルク／ひずみ測定器具として働くトルクセンサ２０６に、結合部２０４を介して結合される。下部プラテン１０４は、ベースプレート１０６上で、ベアリング２０８に支持され、ベアリング２０８上で回転するように適合される。プーリ１０８Ａは、ベースプレート１０６を通って延びるシャフト２１０を介して下部プラテン１０４に結合される。いくつかの実施形態では、支持体２０２およびベアリング２０８は、空気ベアリング、流体ベアリング、磁気ベアリング、深溝ベアリング、アンギュラコンタクトベアリング、ローラベアリング、および／またはクロスローラベアリングの任意の実際的な組合せとして実装することができる。例えば、日本、東京のＴＨＫ Ｃｏ．、ＬＴＤ．により製造されるＲＢシリーズのクロスローラタイプベアリングを使用することができる。ミシガン州、Ａｎｎ ＡｒｂｏｒのＮＳＫ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎは、使用することができる、ダブルテーパローラベアリングを製造する。ブランド名ＩＮＡにおいて、ドイツ、ＨｅｒｚｏｇｅｎａｕｒａｃｈのＳｃｈａｅｆｆｌｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＧｍｂＨ＆Ｃｏ．ＫＧにより製造されるＸＳＵシリーズのクロスローラタイプベアリングを使用することができる。任意の好適で実際的なベアリングを採用することができる。

動作において、支持体２０２は、基板／キャリアとパッド／上部プラテンとの間のダイナミックな相互作用により生み出される、推力荷重、径方向荷重、およびオーバハングしているモーメント荷重を担持し、しかも、上部プラテン１０２が下部プラテン１０４に対して動くただ１つの自由度（例えば、回転）を可能にするように適合される。アクチュエータ１１６（図１）の駆動トルクは、トルク／ひずみ測定器具（この場合、トルクセンサ２０６）を介して、上部プラテン１０２に渡される。研磨ヘッドの荷重が上部プラテン１０２上の研磨パッドに印加されると、トルクセンサ２０６は、研磨ヘッド荷重を克服するのに必要な追加トルクを測定し、上部プラテン１０２を駆動させるように適合される。

図２Ｂを参照すると、基板研磨システム２００Ｂの、第２の実施形態の部分の断面図が示される。この実施形態は、結合部２０４およびトルクセンサ２０６の代わりにロードセル２１２が使用されて、上部プラテン１０２と下部プラテン１０４とを連結させること、およびトルク／ひずみ測定器具として働くことの両方以外は、図２Ａのシステム２００Ａと同様である。市販されていて、いくつかの実施形態で使用することが可能なロードセル２１２の例は、オハイオ州ＣｏｌｕｍｂｕｓのＨｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｃ．によって製造されるＩｎ−Ｌｉｎｅ Ｌｏａｄ Ｃｅｌｌモデルである。他の実際的なロードセルを使用することができる。例えば、ロードセルアレイを、いくつかの実施形態で使用することができる。いくつかの実施形態では、プラテン１０２とプラテン１０４との間に配設された複数のロードセル２１２を使用することができる。

図３Ａを参照すると、基板研磨システム３００Ａの、第３の代替実施形態のプラテン回転部の断面図が図示される。上部プラテン１０２は、支持体（例えば屈曲部３０２）により下部プラテン１０４の上に支持される。上部プラテン１０２は、また、下部プラテン１０４に結合されて図３Ａの実施形態でトルク／ひずみ測定器具として働くトルクセンサ２０６に、結合部２０４を介して結合される。いくつかの実施形態では、支持体は、例えば屈曲部３０２でできたピボットとして実装することができる。本発明の実施形態にしたがう屈曲部３０２は、図４および図５に関して下で詳細に記載される。

図３Ｂを参照すると、基板研磨システム３００Ｂの、第４の代替実施形態のプラテン回転部の断面図が図示される。上部プラテン１０２は、支持体（例えば屈曲部３０２）により、下部プラテン１０４の上に支持され、結合される。しかし、トルクセンサ２０６の代わりに、支持体（例えば屈曲部３０２）に結合されたひずみゲージ３０４が、図３Ｂの実施形態でトルク／ひずみ測定器具として働く。いくつかの実施形態で使用することができる、市販されているひずみゲージ３０４の例は、コネチカット州、ＳｔａｍｆｏｒｄのＯｍｅｇａにより製造されるＫＦＧシリーズひずみゲージである。他の実際的なひずみゲージを使用することができる。図３Ａの実施形態のように、いくつかの実施形態では、支持体は、例えば屈曲部３０２でできたピボットとして実装することができる。本発明の実施形態にしたがう屈曲部３０２は、図４および図５に関して下で詳細に記載される。

図３Ｃを参照すると、基板研磨システム３００Ｃの、第５の代替実施形態のプラテン回転部の断面図が図示される。上部プラテン１０２は、支持体（例えば屈曲部３０２）により、下部プラテン１０４の上に支持され、結合される。しかし、ひずみゲージ３０４の代わりに、プラテン１０２、１０４に結合されたロードセル２１２が、図３Ｃの実施形態でトルク／ひずみ測定器具として働く。上記のように、いくつかの実施形態で使用することが可能な市販されているロードセル２１２の例は、オハイオ州ＣｏｌｕｍｂｕｓのＨｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｃ．によって製造されるＩｎ−Ｌｉｎｅ Ｌｏａｄ Ｃｅｌｌである。いくつかの実施形態では、ロードセルアレイを使用することができる。他の実際的なロードセルを使用することができる。図３Ａの実施形態のように、いくつかの実施形態では、支持体は、例えば屈曲部３０２でできたピボットとして実装することができる。本発明の実施形態にしたがう屈曲部３０２は、図４および図５に関して下で詳細に記載される。

図４を参照すると、上部プラテン１０２の上面図が示されており、下から上部プラテン１０２を支持するのは、想像線で示される４つの屈曲部３０２の例示的な配置である。屈曲部は、それぞれ、その長手軸が位置合わせされて配設され、上部プラテン１０２の回転中心で交差することに留意されたい。４つの屈曲部３０２が図示されているが、より少ない数（例えば、３）またはより多い数（例えば、５、６、７など）を使用することができることにさらに留意されたい。

図５を参照すると、屈曲部３０２の例示的な実施形態が、斜視図で示される。例示的な屈曲部５０２の断面は、Ｉビーム形状を有する。屈曲部３０２の比較的広い（Ｘ次元）頂部および底部は、それぞれ、上部プラテン１０２および下部プラテン１０４への取り付けのためのクランプ機構または締結機構を含むことができる。より一般的には、本発明で使用するために好適な屈曲部は、１つの方向または次元にはフレキシブルであるが、他の全ての方向または次元には剛性である長さの材料を含むことができる。例えば、図５において図示されたＩビーム形状の屈曲部３０２は、より広い頂部領域と底部領域との間の細い高さの次元（Ｚ次元）に沿って曲げられるが、他の全ての次元ではフレキシブルでなくてよい。言い換えると、屈曲部は、（カルテシアン基準フレームにより表されると）Ｘ方向および−Ｘ方向には曲げられるが、Ｙ方向、−Ｙ方向、Ｚ方向、または−Ｚ方向には曲げられない。

各屈曲部３０２は、フレキシブルな次元が、プラテン１０２、１０４の回転方向に対し接線方向に（すなわち、半径に垂直に）位置合わせされるように配設することができる。言い換えると、屈曲部３０２の（例えば、Ｙ軸に沿った）長手次元は、図５に示されるように、プラテン１０２、１０４の回転軸で交差するように位置合わせされる。したがって、プラテン１０２、１０４を一緒に結合する屈曲部３０２は、屈曲部３０２が曲がる範囲で、プラテン１０２、１０４が互いに対してわずかに動くことを可能にする。

いくつかの実施形態では、屈曲部３０２は、ステンレス鋼、または変形することなく撓曲することができる任意の実際的な材料から作ることができる。好適な屈曲部３０２の例示的な寸法は、高さ（Ｚ次元）で約０．２ｃｍから約１０ｃｍ、長さ（Ｙ次元）で約１ｃｍから約３０ｃｍ、ならびに中央の細い領域では幅（Ｘ次元）で約０．１ｃｍから約２ｃｍ、および頂部および底部の広い領域では幅（Ｘ次元）で約０．１ｃｍから約５ｃｍであってよい。いくつかの実施形態では、屈曲部３０２は、図５に示されるように、屈曲部の広い寸法と狭い寸法との間に、丸みをつけられたまたは丸くされた継手３０５を含むことができる。これらの丸みをつけられた継手３０５は、屈曲部３０２が、継手３０５において疲労から故障することを回避することができる。いくつかの実施形態では、継手３０５の半径は、約０．１ｃｍから約２ｃｍであってよい。他の屈曲材料および／または寸法を使用することができる。

上に示されたように、いくつかの実施形態では、ひずみゲージ３０４を屈曲部３０２のうちの１つまたは複数の上に配置することができ、プラテン１０２とプラテン１０４との間のトルク荷重は、トルクセンサ／ロードセル構成を介することに加えて、またはその代わりに屈曲部３０２を使用して測定することができる。そのような実施形態では、上部プラテン１０２と下部プラテン１０４との間の結合のみが屈曲部３０２であってよい。

いくつかの実施形態では、ピボットは、代替的に、上部プラテン１０２と下部プラテン１０４とを一緒に結合する、弾性発泡体または接着剤を使用して実装することができる。

図３Ａ〜図３Ｃに戻って参照すると、動作では、屈曲部３０２を支持体として使用して、屈曲部３０２が、上部プラテン１０２を駆動するために下部プラテン１０４を回転することにより生み出される推力荷重、径方向荷重、およびモーメント荷重を担持し、しかも、上部プラテン１０２が下部プラテン１０４に対して動くただ１つの自由度（例えば、回転）を可能にするように適合される。上で説明したように、１つの自由度は、屈曲部３０２により制限できることに留意されたい。アクチュエータ１１６（図１）の駆動トルクは、トルク／ひずみ測定器具（図３Ａではトルクセンサ２０６、図３Ｂではひずみゲージ３０４、図３Ｃではロードセル２１２）を介して上部プラテン１０２に渡される。研磨ヘッドの荷重が上部プラテン１０２上の研磨パッドに印加されるとき、トルク／ひずみ測定器具（図３Ａではトルクセンサ２０６、図３Ｂではひずみゲージ３０４、図３Ｃではロードセル２１２）は、研磨ヘッド荷重を克服するのに必要な追加トルクを測定し、上部プラテン１０２の回転を維持するように適合される。

図６を参照すると、本発明のいくつかの実施形態にしたがう、基板を研磨する例示的な方法６００を図示する流れ図が提供される。下で記載される例示的な方法６００は、コンピュータプロセッサまたはコントローラ１１８の制御の下で、上に記載されたＣＭＰシステムの実施形態のいずれかを使用して実装することができる。いくつかの実施形態では、コントローラまたは一般的なコンピュータプロセッサ上で実行するソフトウェア命令を使用して、以下の方法６００で記載される論理を実装することができる。いくつかの実施形態では、方法６００の論理は、完全にハードウェアに実装することができる。

ステップ６０２では、アクチュエータ１１６は、基板を研磨するために、下部プラテン１０４を回転させ、研磨パッドを保持している上部プラテン１０２を駆動する。ステップ６０４では、基板を保持している研磨ヘッドが、上部プラテン１０２上の研磨パッドに適用される。研磨パッドを用いた材料除去の期間に、基板を保持している研磨ヘッドの下向きの力が、プラテン１０２、１０４の回転に対し抵抗を生じる。ステップ６０６では、アクチュエータ１１６は、追加トルクを印加して抵抗を克服し、プラテン１０２、１０４は、互いに対して定常状態の回転に達する。ステップ６０８では、追加トルクが、トルク／ひずみ測定器具を使用して測定される。いくつかの実施形態では、例えば屈曲部３０２が支持体として使用される場合、相対的な回転または直線変位を、印加される追加トルクの表示として測定することができる。決定ステップ６１０では、トルク変化閾値が測定されたトルクと比較される。経時的に測定されたトルクの量がトルク変化閾値よりも少なく変化する場合、システム１００は研磨／材料除去を継続し、フローは、トルクが再び測定されるステップ６０８に戻る。経時的に測定されたトルク変化の量がトルク変化閾値以上である場合、システム１００は研磨終点に到達したと決定する。いくつかの実施形態では、研磨ヘッド内の基板は、上部プラテン１０２上の研磨パッドから持ち上げられる。いくつかの実施形態では、検出された終点は、単に、１つの材料の層から第２の材料の層への移行を表し、ステップ６１２で最終的な終点に到達するまで研磨が継続することができる。

図７を参照すると、研磨プロセス期間の、時間の関数としてプロットされたトルクの例示的なグラフ７００が提供される。グラフは、本発明の実施形態を使用して達成された実験結果を図示する。特定の形状が示されるが、形状は、単に例示であり、任意のやり方に発明の範囲を制限する意図はない。

例示的な研磨プロセスの期間に、研磨ヘッド荷重が上部プラテン１０２上の研磨パッドに印加される。下部プラテン１０４は、上部プラテン１０２を駆動して荷重の抵抗を克服する。第１の材料は、研磨期間に基板から定常的に除去され、プラテン１０４を駆動するのに必要なトルクの傾向は、比較的一定のままとなる。第１の材料がなくなり、第１の材料の下にある第２の材料の研磨が始まると、上部プラテンを回転させるのに必要なトルクの傾向に、比較的急激な変化７０２が検出される。第１の材料を取り除く期間のトルクの傾向における変化の大きさは、第１の材料および第２の材料の相対的な堅さおよび／もしくは密度、ならびに／またはスラリとの化学反応などのいくつかの要因に依存することになり、第２の材料の研磨期間に必要なトルクは、第１の材料の研磨期間に必要なトルクよりも小さい、または大きい可能性がある。システム１００は、基板上の第１の材料と第２の材料との間の移行のときの、上部プラテン１０４を回転させるのに必要なトルクの変化７０２を識別することができ、（第１の材料を除去し、第２の材料を残すことが目的なら）研磨を止めることができる。いくつかの実施形態では、異なる材料層間で取り除く期間の例示的なトルクの値または変化のデータベースが、テスト基板で測定され、製造処理期間に参照するためコントローラ１１８内に記憶することができる。

ここで図８Ａおよび図８Ｂを参照すると、本発明の代替実施形態にしたがう基板研磨システム８００の、例示的な研磨ヘッドアセンブリが示される。図８Ｂは、パッド１０１の回転８１２および基板１２２上の横力８１４を示す、研磨期間に研磨パッド１０１上に位置する基板１２２の上面図である。図８Ａに見られるように、研磨パッド１０１は、基板１２２を保持する研磨ヘッド１２０の下のプラテン１０２、１０４により支持および回転される。研磨ヘッド１２０は、第１のキャリッジ８０４（例えば、下部キャリッジ）に結合されたスピンドル８０２により支持される。第１のキャリッジ８０４は、支持体８０８により第２の（上部）キャリッジ８０６に結合される。

いくつかの実施形態では、支持体８０８は、屈曲部３０２（図５）または様々なタイプのベアリング（例えば、転動体ベアリングなどの線形ベアリング、流体ベアリング、磁気ベアリングなど）を使用して実装することができる。第１のキャリッジ８０４および第２のキャリッジ８０６は、横力測定器具８１０、例えばロードセルまたはフィードバック回路を備えたアクチュエータとも一緒に結合することができる。いくつかの実施形態では、変位測定器具（図１２）を、横力測定器具８１０の代わりに（または横力測定器具８１０に加えて）使用することができる。変位測定器具としては、容量性距離センサ、誘導性距離センサ、渦電流距離センサ、レーザ距離センサ、線形差動変圧器（ＬＶＤＴ）、ポテンショメータ、ホール効果センサなど、任意のタイプの距離センサが挙げられる。したがって、第１のキャリッジ８０４および第２のキャリッジ８０６は、フレキシブルに結合されて、１つの方向（例えば、１つの自由度）で互いに対し相対的に動くことを可能にする。例えば、支持体８０８は、基板１２２が研磨パッド１０１に対して押し下げられると、図８Ｂ内の横力８１４の向きにわずかに動くことが可能となるように配置することができる。したがって、基板１２２が研磨パッド１０１に対して押されるときに研磨パッド１０１の回転８１２によって研磨ヘッド１２０内に保持される基板１２２に印加される力は、横力測定器具８１０によって測定すること（または、変位測定器具を使用して決定すること）ができる。

いくつかの実施形態では、第１のキャリッジ８０４および第２のキャリッジ８０６に結合されたアクチュエータ（例えば、線形アクチュエータ）は、研磨パッド１０１に対して基板１２２を押し下げることにより生成される横力を相殺するように適合することができる。上に議論されたセンサからの、変位、荷重、またはひずみ信号を監視するフィードバック回路を使用して、キャリッジ８０６、８０４の相対位置を維持するためアクチュエータによって費やされるエネルギを使用して、任意の所与の瞬間に印加される横力の量を決定することができる。パッドと基板との間の摩擦が変化すると、キャリッジの相対位置を維持するのに必要なエネルギが変化する。アクチュエータからのフィードバック信号（例えば、キャリッジの相対位置を維持するために引き込まれる電流の量）を使用して、費やされたエネルギを決定することができる。したがって、いくつかの実施形態では、横力測定器具８１０または変位測定器具の代わりに、フィードバック回路および基本的なセンサを備えるアクチュエータを使用して、基板と研磨パッドとの間の摩擦の量を決定することができる。

上部プラテンと下部プラテンとの間のトルクを測定する実施形態（例えば、図２Ａ〜図３Ｃ）では、プラテン間に結合された、フィードバック回路を備えるアクチュエータ（例えば、回転アクチュエータ）が、トルク測定デバイスの代わりに使用できることにも留意されたい。アクチュエータおよびフィードバック回路を使用して、プラテンの相対位置を維持することができ、そうするために費やされるエネルギを使用して、基板と研磨パッドとの間の摩擦の量を決定することができる。

同様に、上部プラテンと下部プラテンとの間のトルクを測定する実施形態（例えば、図２Ａ〜図３Ｃ）では、トルク測定の代わりまたはトルクを測定に加えて、相対的な変位を測定することができる。キャリッジ間変位測定の実施形態と同様に、プラテン間変位測定器具としては、容量性距離センサ、誘導性距離センサ、渦電流距離センサ、レーザ距離センサなど、任意のタイプの距離センサが挙げられる。

いくつかの実施形態では、緩衝モジュールを使用して振動を減少させることができる。緩衝モジュールは、本発明の、（キャリッジ間の）横力測定の実施形態および（プラテン間の）トルク測定の実施形態の両方で使用することができる。いくつかの実施形態では、キャリッジ間（およびプラテン間）の相対運動の範囲を制限する堅い留め具を採用して、検知／測定器具を保護し、構造的な安全性を可能にすることができる。

横力８１４または研磨ヘッド１２０上の横変位の変化を監視することにより、研磨終点または研磨の他のステージを決定することは、プラテン１０２、１０４上のトルクの変化を測定することの、望ましい代替となることができる。このことは、図９Ａおよび図９Ｂに図示されるような、同じ研磨パッド１０１に同時に２つ以上の研磨ヘッドを使用するＣＭＰシステム８００’に関して、特に当てはまる。例えば、同時に研磨される２つの基板１２２、１２２’は異なる場合があり、したがって同じＣＭＰシステム８００’上でさえ異なる速度で研磨される場合があるので、各基板１２２、１２２’の研磨の進行を（例えば、１つまたは複数のステージにおけるものなどの摩擦変化の観点で）別個に監視できることが望ましい。

ここで図１０Ａ、図１０Ｂ、および図１０Ｃを参照すると、横力測定を使用する、研磨ヘッドアセンブリ１０００、１０１０、１０２０の、３つの追加の代替実施形態が図示される。各実施形態では、横力測定器具の代わりに、変位測定器具を使用することができる。図１０Ａでは、支持体は、図５に図示されたものと同様の３つの屈曲部３０２を使用して実装される。より多いまたはより少ない屈曲部３０２を使用することができる。この実施形態では、横力測定器具は、屈曲部３０２上に取り付けられるひずみゲージ１００２を使用して実装される。図１０Ａでは、３つのひずみゲージ１００２が、各屈曲部３０２に１つずつ使用される。より少ないひずみゲージ１００２を使用できることに留意されたい。

図１０Ｂでは、支持体は、３つのベアリング１００４（例えば、ロッド上の線形ボールブッシュベアリング）を使用して実装される。より多いまたはより少ないベアリング１００４を使用することができる。この実施形態では、横力測定器具は、ベアリング１００４上に取り付けられるひずみゲージ１００２を使用して実装される。図１０Ｂでは、３つのひずみゲージ１００２が、各ベアリング１００４に１つずつ使用される。より少ないひずみゲージ１００２を使用できることに留意されたい。

図１０Ｃでは、支持体は、３つのベアリング１００４（例えば、ロッド上の線形ボールブッシュベアリング）を使用して実装される。より多いまたはより少ないベアリング１００４を使用することができる。この実施形態では、横力測定器具は、第１のキャリッジ８０４と第２のキャリッジ８０６との間に取り付けられるロードセル１００６を使用して実装される。図１０Ｃの実施形態では、１つのロードセル１００６が使用される。より多くのロードセル１００６を使用できることに留意されたい。市販されていて、いくつかの実施形態で使用することが可能なロードセル１００６の例は、オハイオ州ＣｏｌｕｍｂｕｓのＨｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｃ．によって製造されるＩｎ−Ｌｉｎｅ Ｌｏａｄ Ｃｅｌｌモデルである。他の実際的なロードセルを使用することができる。例えば、ロードセルアレイを、いくつかの実施形態で使用することができる。いくつかの実施形態では、キャリッジ８０４とキャリッジ８０６との間に複数のロードセル１００６を配設することができる。上の実施形態では、以下のタイプのベアリング、すなわち空気ベアリング、流体ベアリング、磁気ベアリング、深溝ベアリング、アンギュラコンタクトベアリング、ローラベアリング、線形ベアリング、および／またはテーパクロスローラベアリングの任意の組合せを使用できることに留意されたい。任意の他の実際的なタイプのベアリングを、追加で、または代替的に使用することができる。

図１１を参照すると、本発明のいくつかの実施形態にしたがった、基板を研磨する例示的な方法１１００を図示する流れ図が提供される。下で記載される例示的な方法１１００は、コンピュータプロセッサまたはコントローラ１１８の制御の下で、上に記載されたＣＭＰシステムの実施形態のいずれかを使用して実装することができる。いくつかの実施形態では、コントローラまたは一般的なコンピュータプロセッサ上で実行するソフトウェア命令を使用して、以下の方法１１００で記載される論理を実装することができる。他の実施形態では、方法１１００の論理は、完全にハードウェアに実装することができる。

ステップ１１０２では、アクチュエータは、基板を研磨するために、研磨パッドを保持しているプラテンを回転させる。ステップ１１０４では、基板を保持している研磨ヘッドが、プラテン上の研磨パッドに適用される。研磨パッドを用いた材料除去の期間に、基板を保持している研磨ヘッドの下向きの力が、プラテンの回転に対し抵抗（例えば、摩擦）を生じる。ステップ１１０６では、アクチュエータは、追加トルクを印加して抵抗を克服し、システムは、定常状態の回転に達する。ステップ１１０８では、第１のキャリッジと第２のキャリッジとの間（例えば、上部キャリッジと下部キャリッジとの間）に配設された横力測定器具を使用して、摩擦が横力の観点から測定される。いくつかの実施形態では、例えば屈曲部が支持体として使用される場合、相対的な変位を、印加される横力の表示として測定することができる。例えば、方法１１００は、経時的な変位測定を監視することにより、材料除去の量など、研磨の１つまたは複数のステージの検出を容易にすることができる。決定ステップ１１１０では、横力変化閾値が測定された横力と比較される。経時的に測定された横力の量が横力変化閾値よりも少なく変化する場合、システムは研磨／材料除去を継続し、フローは、横力が再び測定されるステップ１１０８に戻る。経時的に測定された横力変化の量が横力変化閾値以上である場合、システムは、ステップ１１１２で、研磨終点に到達したと決定する。研磨の他のステージを決定することができる。さらに、横変位測定器具を用いて、いくつかの実施形態で、横変位を監視することができる。

いくつかの実施形態では、ステップ１１１２で一度終点に到達したら、研磨ヘッド内の基板は、プラテン上の研磨パッドから持ち上げられる。いくつかの実施形態では、検出された終点は、単に、１つの材料の層から第２の材料の層への移行を表し、最終的な終点に到達するまで研磨が継続することができる。複数の研磨ヘッドを備えるいくつかの実施形態では、上に記載したステップ（１１０４〜１１１２）は、異なる研磨ヘッドによって同時に、しかし独立に実行することができる。言い換えると、第１の研磨ヘッドが終点に到達し新しい基板をロードすることができる一方、第２の研磨ヘッドは、変化閾値に到達するのを待って横力の監視を継続する。

図１２を参照すると、基板の化学機械平坦化のための、別の実施形態のシステム１２００が示される。システム１２００は、基板１２２を保持するように適合された研磨ヘッドアセンブリ１２０を含む。研磨ヘッドアセンブリ１２０は、第１の（例えば、上部）キャリッジ１２０４、および第１のキャリッジ１２０４にフレキシブルに結合された第２の（例えば、下部）キャリッジ１２０６を含む。フレキシブルな結合は、第１のキャリッジ１２０４と第２のキャリッジ１２０６との間を結合する（例えば、図５の屈曲部３０２のような）屈曲部１２０２により達成することができる。第１のキャリッジ１２０４と第２のキャリッジ１２０６との間の相対的な横変位を計測するように適合された横変位測定器具１２１０をもうけることができる。横変位測定器具１２１０は、上記の任意のタイプの距離センサであってよい。図示された実施形態では、研磨ヘッド１２０は、第１のキャリッジ１２０４に結合され、基板１２２を保持するように適合される。この実施形態では、例えば、研磨ヘッド１２０に結合され、研磨ヘッド１２０を支持するスピンドル１２１２が、第２のキャリッジ１２０６内の通路（点線で示す）を通る。研磨ヘッド１２０内に保持される基板１２２に対して研磨パッド１０１を保持し、回転させるようにプラテン１０２が提供される。

したがって、本発明は、その好ましい実施形態に関連して開示されたが、他の実施形態が、以下の請求項に規定されるような、発明の範囲に入る場合があることを理解されたい。

Claims (16)

1. 第１のキャリッジと、
   前記第１のキャリッジに結合された横力測定器具と、
   前記横力測定器具に結合された第２のキャリッジと
   を備え、前記第１のキャリッジおよび前記第２のキャリッジのうちの１つが研磨ヘッドを支持するように適合され、
   前記第１のキャリッジおよび前記第２のキャリッジは、１つの方向で互いに対し相対的に動くようにフレキシブルに結合されている、基板を研磨するための装置。
2. 前記横力測定器具が前記第１のキャリッジに対し前記第２のキャリッジを支持する支持体として機能する複数の屈曲部を含む、請求項１に記載の装置。
3. 各屈曲部がＩビーム形状を有する、請求項２に記載の装置。
4. 前記第１のキャリッジおよび前記第２のキャリッジのうちの１つを前記研磨ヘッドに結合させるように適合されたスピンドルをさらに備える、請求項１に記載の装置。
5. 前記横力測定器具がロードセルを含む、請求項１に記載の装置。
6. 前記横力測定器具が前記支持体に結合されたひずみゲージを含む、請求項２に記載の装置。
7. 基板を保持するように適合された研磨ヘッドアセンブリと、
   前記研磨ヘッドアセンブリ内に保持される前記基板に対して研磨パッドを保持および回転させるように適合された研磨パッド支持体と
   を備え、前記研磨ヘッドアセンブリが、
   第１のキャリッジと、
   前記第１のキャリッジに結合された横力測定器具と、
   前記横力測定器具に結合された第２のキャリッジと、
   前記第１のキャリッジおよび前記第２のキャリッジのうちの１つに結合され、前記基板を保持するように適合された研磨ヘッドと
   を含み、
   前記第１のキャリッジおよび前記第２のキャリッジは、１つの方向で互いに対し相対的に動くようにフレキシブルに結合されている、基板の化学機械平坦化処理のためのシステム。
8. 研磨パッドを支持するプラテンを回転させることと、
   第１のキャリッジを第２のキャリッジに横力測定器具を介して結合することであって、前記第１のキャリッジおよび前記第２のキャリッジのうちの１つが、基板を保持するように適合された研磨ヘッドを支持するように適合され、前記第１のキャリッジおよび前記第２のキャリッジは、１つの方向で互いに対し相対的に動くようにフレキシブルに結合されることと、
   基板を保持する前記研磨ヘッドを前記プラテン上の前記研磨パッドに適用することと、
   前記基板が研磨されるときに前記基板上の横力の量を測定することと
   を含む、基板を研磨する方法。
9. 第１のキャリッジと、
   前記第１のキャリッジに結合された変位測定器具と、
   前記変位測定器具に結合された第２のキャリッジと
   を備え、前記第１のキャリッジおよび前記第２のキャリッジのうちの１つが研磨ヘッドを支持するように適合され、前記第１のキャリッジおよび前記第２のキャリッジは、１つの方向で互いに対し相対的に動くようにフレキシブルに結合されている、基板を研磨するための装置。
10. 前記変位測定器具が、前記第１のキャリッジに対し前記第２のキャリッジを支持する支持体として機能する複数の屈曲部を含む、請求項９に記載の装置。
11. 各屈曲部がＩビーム形状を有する、請求項１０に記載の装置。
12. 前記変位測定器具が距離センサを含む、請求項９に記載の装置。
13. 前記距離センサが、容量性距離センサ、誘導性距離センサ、渦電流距離センサ、レーザ距離センサ、線形差動変圧器（ＬＶＤＴ）、ポテンショメータ、ホール効果センサのうちの少なくとも１つである、請求項１２に記載の装置。
14. 基板を保持するように適合された研磨ヘッドアセンブリ
    を備え、前記研磨ヘッドアセンブリが、
    第１のキャリッジと、
    前記第１のキャリッジにフレキシブルに結合された第２のキャリッジと、
    前記第１のキャリッジと前記第２のキャリッジとの間の横変位を測定するように適合された横変位測定器具と、
    前記第１のキャリッジおよび前記第２のキャリッジのうちの１つに結合され、前記基板を保持するように適合された研磨ヘッドと、
    前記研磨ヘッド内に保持される前記基板に対して研磨パッドを保持および回転させるように適合された研磨パッド支持体と
    を含み、
    前記第１のキャリッジおよび前記第２のキャリッジは、１つの方向で互いに対し相対的に動くようにフレキシブルに結合されている、基板の化学機械平坦化のためのシステム。
15. 研磨パッドを支持するプラテンを回転させることと、
    第１のキャリッジを第２のキャリッジにフレキシブルに結合することであって、前記第１のキャリッジおよび前記第２のキャリッジのうちの１つが、基板を保持する研磨ヘッドを支持するように適合され、前記第１のキャリッジおよび前記第２のキャリッジは、１つの方向で互いに対し相対的に動くようにフレキシブルに結合されることと、
    前記基板を保持する前記研磨ヘッドを前記プラテン上の前記研磨パッドに適用することと、
    前記基板が研磨されるときに横変位測定器具を介して前記第１のキャリッジと前記第２のキャリッジとの間の横変位の量を測定することと
    を含む、基板を研磨する方法。
16. 横変位の量を監視することにより、研磨の１つまたは複数のステージを検出すること
    を含む、請求項１５に記載の方法。

Images