KR100510919B1 - 화학적-기계적 폴리싱공정시 다중파장분광계를 사용하여 두께를 모니터하는 장치 및 방법 - Google Patents

화학적-기계적 폴리싱공정시 다중파장분광계를 사용하여 두께를 모니터하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 폴리싱도구와 필름두께 모니터를 사용하여 기판을 화학적 기계적 폴리싱(CMP)하는 동안 다중-파장 분광계를 사용하여 두께를 현장에서 모니터하는 방법 및 장치에 관계한다. 폴리싱도구는 모니터 채널을 생성하도록 고정된 모니터창을 포함하는 구멍을 가진다. 필름두께 모니터를 모니터 채널을 통해 기판을 관측하여 기판에 의해 운반된 필름의 두께를 표시한다. 이 정보는 CMP 공정의 종말점을 결정하고, 기판의 주어진 원주에서 제거속도를 결정하며, 기판표면을 가로질러 제거속도 변화를 결정하고 제거속도 및 균일성을 최적화한다. 필름두께 모니터는 분광계를 포함한다.

Description

화학적-기계적 폴리싱공정시 다중파장분광계를 사용하여 두께를 모니터하는 장치 및 방법
본 발명은 반도체 기판 가공분야, 특히 반도체 기판의 화학적-기계적 폴리싱공정시 제거되는 물질을 모니터하는 것에 관한 것이다.
집적회로 디바이스 제조는 필요한 소자 및 상호연결부를 형성하기 위해서 베이스 기판위에 다양한 층(전도체, 반도체 및 부도체인)을 형성할 필요가 있다. 제조공정중 특정층 또는 층일부의 제거는 평탄화 시키거나 다양한 소자 및 상호연결부 형성을 위해 이루어져야 한다. 화학적-기계적 폴리싱(CMP)는 집적회로의 다양한 가공단계에서 실리콘 기판과 같은 반도체 기판의 표면을 평탄화하기 위해서 집중적으로 행해지고 있다. 도한, 광학적 표면, 도량학 샘플, 마이크로-기계류, 다양한 금속 및 반도체 기초 기판을 폴리싱하는데에도 CMP 가 사용된다.
CMP는 반도체 기판상의 물질 제거를 위해 폴리싱 패드와 함께 폴리싱제가 사용되는 기술이다. 폴리싱제의 화학반응과 조합으로 기판에 대한 패드의 기계적운동은 화학적 부식과 마모력을 제공하여서 기판의 노출면(또는 기판상에 형성된 층)을 평탄화 시킨다.
CMP를 수행하는 가장 통상적인 방법에서, 회전하는 웨이퍼 홀더는 웨이퍼를 지탱하고 폴리싱패드가 웨이퍼 표면에 대해 회전한다. 웨이퍼 홀더는 평탄화 공정동안 폴리싱패드에 대해 웨이퍼표면을 압축하고 웨이퍼를 폴리싱 패드에 대해 제 1 축 주위로 회전시킨다(미국특허 제 5,329,732 호 참조). 폴리싱를 위한 기계적 힘은 제 1 축과 다른 제 2 축 주위에 회전하는 폴리싱 패드의 속도와 웨이퍼 홀더의 하향력으로 부터 유도된다. 폴리싱제는 일정하게 웨이퍼 홀더 아래로 전달되고 웨이퍼 홀더의회전은 폴리싱제 전달을 보조하며 기판 표면에 걸쳐 국지적 변화를 해소시킨다. 웨이퍼 표면에 적용된 폴리싱속도는 기판과 폴리싱패드간의 상대속도에 비례하므로 웨이퍼 표면상의 선택된 지점에서 폴리싱속도는 두 개의 주회전축, 즉 웨이퍼 홀더의 축과 폴리싱 패드의 축으로 부터 선택지점의 거리에 종속적이다. 이것은 기판 표면에 걸쳐 비균질한 속도 프로파일을 가져오므로 비균질한 폴리싱가 된다. 추가로, 웨이퍼와 폴리싱 패드간의더 높은 상대속도는 더 우월한 평탄작업을 위해 필요하다는 것은 CMP 분야의 숙련자에게 널리알려진 사실이다("Advanced Metallization for Devices and Circuits-Science, Technology and Manufacturability" ed. S.P. Murarka, A. Katz, K.N. Tu and K. Maex, 151페이지, Stell 참조). 그러나 이러한 구성에서 더 높은 평균상대속도는 기판표면에 걸쳐 덜 바람직한 속도 프로파일을 가져오므로 폴리싱의 균일성이 불량하다.
이러한 문제는 선형 폴리싱기를 사용함으로써 해결된다. 회전 패드 대신에 선형 폴리싱기에서 벨트는 패드를 기판 표면에 걸쳐 선형으로 이동시키므로 기판 표면에 걸쳐 더욱 균일한 속도 프로파일을 제공한다. 기판은 회전하는 폴리싱기 처럼 국지적 변화를 해소하기 위해 여전히 회전된다. 그러나 회전 폴리싱기와는 다르게 선형 폴리싱기는 기판의 균일한 폴리싱를 위해 전체 CMP 공정에서 기판 표면에 걸쳐 균일한 폴리싱속도를 가져온다.
추가로, 선형 폴리싱기는 패드가 배치되는 신축성 벨트를 사용할 수 있다. 이러한 신축성은 벨트를 구부릴 수 있게 하여 기판상에 발휘되는 패드압력을 변화시킬 수 있다. 고정 테이블에 의해 형성된 유체 베어링은 기판 표면을 따라 다양한 위치에서 기판상에 발휘되는 패드 압력을 조절하는데 활용될수 있어서 기판 표면에 걸쳐 폴리싱속도 프로파일을 조절할 수 있다.
선형 폴리싱기는 "기판 표면에 걸쳐 화학적-기계적 폴리싱속도의 조절" 이란 명칭의 일련번호 08/638,464(1996. 4. 16 출원)와 "선형폴리싱기 및 반도체 웨이퍼 평탄화 방법" 이란 명칭의 일련번호 08/795,172(1996. 12. 3 출원)의 특허출원에 기술된다. 유체 베어링은 "선형 폴리싱기의 기판 표면에 걸친 화학적-기계적 폴리싱속도 조절" 이란 명칭의 일련번호 08/638,462(1990. 4. 26 출원)와 미국특허 제 5,558,568 호에 소개된다.
회전하는 CMP 시스템은 다양한 현장 모니터 시스템을 포함하도록 설계된다. 예컨대, 미국특허 제 5,081,421 호는 전도체 기판상의 유전층 두께를 측정하는 수단에 의해 탐지가 이루어지는 현장 모니터 기술을 발표한다. 미국특허 제 5,240,552 호 및 제 5,439,551 호는 종말점 결정을 위해 기판에서 나오는 음향파가 사용되는 기술을 발표한다. 미국특허 제 5,597,442 호는 적외선 온도측정장치를 써서 폴리싱패드의 온도를 모니터함으로써 종말점이 탐지되는 기술을 발표한다. 미국특허 제 5,595,526 호는 종말점 결정을 위해 폴리싱기에 의해 소모된 총에너지의 일부에 비례하는 양이 사용되는 기술을 발표한다. 미국특허 제 5,413,941 호, 5,439,651 호 및 유럽특허출원 EP O 738,561 A1 은 종말점 결정을 위한 광학적 방법을 발표한다.
미국특허 제 5,413,941 호에서 레이저광이 기판에 대한 수직선으로부터 70˚이상의 각도로 기판영역상에 충동하고, 충돌된 레이저광은 투과하기 보다는 주로 반사한다. 반사광의 세기는 폴리싱의 결과로 기판의 평탄도의 변화 측정에 사용된다. 미국특허 제 5,433,651 호에서 회전하는 폴리싱테이블은 폴리싱패드 보다는 테이블과 같은 높이로 파묻힌 창을 가진다. 테이블이 회전할 때 창은 현장 모니터 위를 통과하여 폴리싱공정의 종말점을 나타내는 반사율 측정을 한다. 유럽 특허출원 EP 0 738 561 A1 에서 회전하는 폴리싱테이블은 '651 특허와는 다르게 폴리싱패드와 같은 높이로 형성되어 파묻힌 창을 가진다. 창이 현장 모니터 위를 통과할 때 레이저 간섭계가 사용되어 폴리싱공정의 종말점을 결정한다.
종말점을 현장에서 모니터할 수 있는 선형 폴리싱기가 본 출원의 양수인에게 양도되는 미국특허출원 (대리인 문헌번호 7103/27) 에 기술된다.
그러나, 레이저 간섭계는 고유의 결점을 가진다. 먼저, 위에 놓인 기판층으로부터 나오는 빛의 절대세기를 측정하므로 폴리싱되는 재료에 종속적이다. 둘째, 레이저 간섭계에서 작업자는 입사광에 의해 측정되는 필름두께가 원하는 최종 두께인지 또는 이의 정수배인지 여부를 직접 결정할 수 없다.
추가로, 이러한 종말점 탐지 모니터 시스템의 고유한 한계는 사람이 간섭곡선을 분석해서 합리적인 근사화를 얻어야 된다는 점이다. 따라서, 사용된 파장과 필름성질에 따라서 간섭곡선이 정확해지도록 유한량(2000-4000Å)이 제거된다. 게다가, 단일 파장 사용은 기껏해야 제거속도만을 제공할 수 있으며, 제거속도와 산화물의 초기 두께에 대한 사전지식을 기초로 산화물의 잔류 두께를 추정할 수 있다. 통상적으로 유전층의 초기 두께는 침적/성장 공정의 제한범위내에서 다양하다. 그러므로, 산화물의 특정 초기 두께의 가정은 침적공정의 자연(6시그마)산란에 동등한 에러를 일으킬 수 있다. 게다가, 제거속도의 이성적인 추정이 행해질 수 있기 이전에 적어도 2000-4000Å을 제거할 필요성은 공정에서 각 클러스터는 2000Å 미만을 제거할 것을 요구하는 다중-클러스터 도구에서 구현하기 어렵다.
타원측정(ellipsometry), 비임 프로파일 반사광 측정, 및 광학적 응력발생기 비임 기초 기술이 CMP공정의 현장 모니터에 사용되어 두께를 측정할 수 있다. 이러한 기술은 앞선 단락의 문제를 극복하지만 이들과 관련된 추가 문제가 있다. 예컨대, 타원 측정은 느린 기술이어서 선형 벨트와 같은 CMP도구상에서 실시하기 어렵다. 비임 프로파일 반사광 측정은 CMP에 사용시 잠재적인 문제를 부과하는 큰 광학장치와 촛점이 잘 맞추어진 비임을 필요로 한다. 광학적 응력 발생기 비임 기초기술은 CMP환경에서 구현하기 곤란하다.
따라서,
(i) 자신의 축주위로 회전하며 오비탈 방식으로 회전하거나 선형 또는 원형으로 진동하는 테이블 기초 시스템,
(ii) 무한 또는 한정 벨트를 사용하는 벨트기초 시스템, 또는
(iii) 공지기술에서 발견되는 결점을 극복하는 진동하는 캐리어 헤드 시스템을 사용하여 CMP공정에서 두께를 현장에서 측정을 하는 것이 필요하다.
본 발명은 기판층의 두께를 측정하는 필름 두께 모니터와 폴리싱도구를 사용하는 기판의 화학적-기계적 폴리싱(CMP)에 관한 것이다.
본 발명의 한 측면에 따르면, 폴리싱 요소는 내부에 구멍을 가진다. 모니터창이 폴리싱요소에 고정되어 구멍을 폐쇄시켜 모니터 채널을 생성한다. 필름 두께 모니터는 모니터 채널을 통해서 기판을 관측하여 기판에 의해 운반된 필름의 두께를 나타낸다. 필름 두께 모니터는 분광계를 포함한다.
본 발명의 제 2 측면에 따르면, 필름 두께 모니터는 광원; 광원 세기를 모니터하는 분광계와 같은 광탐지기; 빛을 다중 탐지기에 의해 탐지되는 다중 파장으로 분배하는 분광계; 및 분광계에서 나오는 신호를 처리해서 기판상의 필름 두께를 추정하는 데이타 처리요소를 포함한다.
본 발명의 제 3 측면에 따르면, 운동 수단은 폴리싱요소를 기판을 통해 선형경로로 구동하도록 작용하는 복수의 롤러, 폴리싱요소를 기판을 통해 곡선경로로 구동하도록 작용하며 중심을 통과하는 축주위로 회전하는 테이블, 폴리싱요소를 기판을 통해 곡선 경로로 구동하도록 작용하며 중심을 통과하지 않는 축주위로 회전하는 테이블, 또는 폴리싱요소를 기판을 통해 곡선경로로 구동하도록 작용하며 폐쇄된 경로를 따라 움직이는 테이블을 포함한다.
본 발명의 제 4 측면에 따르면, 기판 캐리어는 폐쇄 경로를 따라 움직인다.
본 발명의 제 5 측면에 따르면, 폴리싱요소는 다중 파장 분광계를 사용함으로써 기판층 두께를 측정하는 방법에 사용된다.
본 발명의 제 6 측면에 따르면, 사전한정된 두께에 도달했는지 여부를 결정하기 위해서 기판의 필름두께를 반복적으로 측정함으로써 CMP공정의 종말점 결정방법에 폴리싱요소가 사용되며, 이 경우에 종말점에 도달했다는 사실이 표시되고 CMP공정이 완료될 수 있다.
본 발명의 제 7 측면에 따르면, 폴리싱요소에서 동일한 모니터 채널을 통해 행해진 두 번의 연속 필름두께 측정치의 차이를 측정함으로써 CMP를 하는 동안 기판의 주어진 원주에서 제거속도를 결정하는 방법에 폴리싱요소가 사용된다.
본 발명의 제 8 측면에 따르면, 적어도 두 개의 필름 두께 모니터 장치에 의해 취해진 적어도 두 번의 연속 필름 두께 측정치의 차이의 평균을 결정함으로써 CMP를 수행하는 동안 기판 표면에 걸친 평균 제거속도를 결정하는 방법에 폴리싱요소가 사용된다.
본 발명의 제 9 측면에 따르면, 적어도 두 개의 필름 두께 모니터 장치에 의해 취해진 적어도 두 번의 연속 필름 두께 측정치 차이의 분산을 결정함으로써 CMP를 수행하는 동안 기판 표면에 걸친 평균 제거속도 분산을 결정하는 방법에 폴리싱요소가 사용된다.
본 발명의 제 10 측면에 따르면, 공정 매개변수의 효과를 결정하기 위해서 폴리싱공정을 분석하고; 제거속도 및 제거속도 분산을 결정하고; 제거속도 및 균일성을 최적화하기 위해서 폴리싱공정 매개변수를 조절함으로써 CMP공정을 최적화하는 방법에 폴리싱요소가 사용된다.
제 1 구체예
도 1 은 당해분야에서 화학적-기계적 폴리싱(CMP)로 알려진 기술을 통해서 기판(도시 안된)을 평탄화하는데 사용된 공지기술의 선형 폴리싱기(100)를 보여준다. 선형 폴리싱기(100)는 기판을 고정하는 폴리싱 헤드(105)에 부착된 기판 캐리어(110)를 갖는다. 기판은 제 1 및 제 2 롤러(130, 135) 주위로 움직이는 벨트(120)상에 위치된다. "벨트" 는 적어도 하나의 층을 포함하는 폐쇄 루우프 요소이며 적어도 하나의 층은 폴리싱재료층이다.
폴리싱제 분배장치(140)는 벨트(120)의 상부에 폴리싱제(150)를 제공한다. 폴리싱제(150)는 벨트와 함께 기판 아래로 움직이며 폴리싱공정동안 임의의 순간에 기판과 부분 또는 완전 접촉할 수 있다. 테이블(155)은 기판 캐리어(110) 아래로 벨트(120)를 지탱한다.
일반적으로 기판 캐리어(110)는 기판을 벨트(120)위로 회전시킨다. 유지링과 같은 기계적 유지수단이나 진공이 기판을 제자리에 고정한다.
벨트(120)는 연속적이며 롤러(130, 135) 주위로 회전한다. 모터(도시안된)와 같은 구동수단이 롤러(130, 135)를 회전시켜 벨트(120)를 기판표면에 대해 선형운동으로 움직이게 한다.
벨트(120)가 선형방향으로 움직일 때 폴리싱제 분배장치(140)는 폴리싱제(150)를 벨트(120)에 제공한다. 조절기(도시안된)가 폴리싱제 잔류물을 제거하거나 패드 변형을 막기 위해서 벨트(120)를 일정하게 긁음으로써 사용중 벨트(120)를 재조절하는데 사용된다.
벨트(120)는 도 1 에 도시된 바와 같이 테이블(155)과 기판 사이를 움직인다. 테이블(155)의 주목적은 벨트(120)가 균일한 폴리싱를 위해 기판과 충분한 접촉을 하도록 벨트(120)의 하면상에 지지 플랫포옴을 제공하는 것이다. 대체로, 기판 캐리어(110)는 적당한 힘으로 벨트(120)에 대해 하향으로 압축시켜서 벨트(120)가 CMP수행을 위해 기판과 충분한 접촉을 하게 한다. 벨트(120)는 신축적이며 기판이 하향으로 압축할 때 눌리므로 테이블(155)은 이러한 하향력에 대해 필요한 반대 지지부를 제공한다.
테이블(155)은 고형 플랫포옴이거나 유체지지부(하나이상의 유체채널을 포함하는)일 수 있다. 테이블(155)로 부터의 유체흐름이 벨트(120) 하면에 대해 발휘된 힘을 조절하는데 사용될 수 있기 때문에 유체 지지부가 선호된다. 이러한 유체흐름 조절에 의해 벨트(120)에 의해 기판상에 발휘되는 압력변화가 조절되어서 기판의 더욱 균일한 폴리싱속도를 제공한다. 유체 지지부의 예는 미국특허 제 5,558,568 호에 발표된다.
도 2 는 본 발명의 제 1 구체예를 보여주는 단면도로서 공지기술의 선형 폴리싱기(100)보다 개량되었다. 공지기술의 구체예처럼 도 2 의 선형 폴리싱기(200)는 기판 캐리어(210), 폴리싱제층(215), 벨트(220) 및 기판(도시안된)상에서 CMP를 수행하는 테이블(240)을 포함한다. 벨트(220)느 폴리싱제층(도시안된), 내면(201) 및 외면(202)을 가진다. 이 구체예에서 새로운 점은 벨트(220)에 있는 구멍(230)(내면(201)으로부터 외면(202)으로 연장된)과 테이블(240)에 있는 구멍(245)이다. 추가로, 탈이온수(255)와 같은 액체 안개층이 벨트(220)와 테이블(240) 사이에 놓인다.
이 구체예는 공지기술의 선형 폴리싱기(100)와 동일한 방식으로 CMP를 수행한다. 폴리싱기(100)와는 다르게 폴리싱기(200)는 현장 필름 두께 모니터(250)와 함께 사용될 수 있다. 특히, 벨트(220)와 테이블(240)에 있는 구멍(230, 245)이 모니터(250)에 의한 기판의 현장 모니터에 사용된다. 벨트(220)가 CMP공정동안 기판아래로 선형 이동할 때 벨트(220)에 있는 구멍(230)은 테이블(240)에 있는 구멍(245) 위로 통과한다. 구멍(230, 245)이 정렬될때(도 2 에 도시된 바와 같이) 기판과 필름두께 모니터(250)간에 광학적 회로가 완성되어 현장 모니터가 수행될 수 있다.
벨트(220) 및 테이블(240)에 있는 구멍(230, 245)은 모니터창(232, 242)을 가진다. 벨트(220)에 있는 모니터창(232)은 선택된 범위의 광학적 파장내에 있는 빛에 대해 투명하며 벨트(220)의 내면(201)과 외면(202) 사이에 완전 또는 부분 연장된다. 일반적으로 벨트(220)에 있는 모니터창(232)은 벨트(220) 하면으로 폴리싱제(215) 또는 물이 누출되지 않게 한다. 벨트(220)의 외면(202)과 동일 높이에 있음으로써 폴리싱공정과 관련이 방지된다. 벨트(220)의 내면(201)과 동일 높이에 있음으로써 테이블(240)의 유체 지지부에서 교란지역의 생성이 방지된다(비록 약간 상승 또는 하강될 수는 있을지라도).
공지기술의 회전하는 테이블 시스템에 있는 창과는 다르게, 모니터창(232)은 벨트(220)를 움직이는 롤러(2 내지 40인치의 직경) 위로 움직이도록 충분히 신축적이어야 하며 폴리싱결과에 최소한의 영향을 미치는 재료로 제조되어야 한다. 사용된 모니터 시스템에 따라서 모니터창(232)은 특별한 광학적 특성(예, 최소의 흡수 또는 산란으로 200 내지 2000㎚의 복사에 대한 최대 투과성)을 필요로 한다.
테이블(240)에 있는 구멍(245)을 채우는 모니터창(242)은 테이블(240)의 상부면과 동일한 높이여서 폴리싱제가 필름 두께 모니터(250)로 흐르는 것을 방지하며 테이블(240)의 유체 지지부에 교란지역의 생성을 방지한다. 벨트(220)에 있는 모니터창(232)과 같이 테이블(240)에 있는 모니터창(242)은 필요한 광학적 특성(모니터(250)로부터 발생되고 기판 표면으로부터 반사되는 광스펙트럼의 최대 투과성)을 제공한다.
제 2 구체예
벨트(220)는 단지 하나의 구멍을 포함할지라도 복수의 구멍이 사용될 수 있다. 도 3 에서 벨트(310)는 복수의 구멍(320, 322, 324, 326, 328)을 포함할 수 있다. 벨트(310)에 있는 각 구멍(320, 322, 324, 326, 328)에 대해서 기판 캐리어(340) 아래로 테이블에 대응 구멍(330, 332, 334, 336, 338)이 있다. 각 구멍(330, 332, 334, 336, 338)은 각 필름 두께 모니터와 정렬된다. 각 구멍은 모니터창에 의해 폐쇄될 수 있다.
도 3 에서 5개의 구멍이 있는데 하나의 기판의 중심에 있고 4개는 90°간격으로 배열된다. 구멍의 갯수나 패턴은 선택에 달려있다. 예컨대 구멍은 선형 또는 집중식 배열될 수 있다. 벨트(310)의 각 지점아래에 분포된 여러개의 필름두께 모니터를 사용하여 기판표면에 걸친 폴리싱공정의 비균일성이 검사될 수 있다.
혹은, 도 10 에서 처럼 벨트(1010)에 단일 구멍(1020)이 테이블에 있는 다중구멍(1030, 1032, 1034)와 함께 사용될 수 있으며, 각 구멍은 각 필름 두께 모니터에 대응한다. 각 구멍은 모니터창에 의해 폐쇄될 수 있다. 테이블(1020)에 있는 구멍(1030, 1032, 1034)은 벨트(1010) 운동에 평행하게 직선으로 정렬된다. 벨트 구멍(1020)이 테이블의 구멍(1030, 1032, 1034)중 하나와 정렬될 때 그 테이블 구멍에 대응하는 필름 두께 모니터가 폴리싱되는 물체의 표면상태를 측정할 수 있다. 이러한 배치를 사용하여 표면의 다중지역의 상태가 벨트(1010)에 있는 단일 구멍에 의해 모니터될 수 있다. 테이블 구멍의 갯수 및 위치와 벨트(1010)에 평행한 직선의 갯수는 선택의 문제이다.
제 3 구체예
도 4 는 또다른 구체예를 보여준다. 여기서는 모니터 채널을 위한 구멍이 테이블에 없다. 대신에 연장된 모니터 채널을 위한 구멍(420)이 벨트(415)에 형성된다. 벨트(415)는 두 개의 층(한층은 (410)이다), 내면(401), 외면(402), 제 1 측면(403) 및 제 2 측면(404)을 가진다. 광학적 경로가 외면(402)으로부터 제 1 측면(403)으로 벨트(415)의 층(410) 상면에 평행하게 측부방향으로 이동하도록 모니터채널(420)이 제공된다. 필름 두께 모니터(440)는 벨트(415) 아래가 아니라 벨트(415)의 제 1 측면(403)에 인접한다.
이 구체예에서, 모니터창은 구멍(420)을 채워서 기판으로부터 필름 두께 모니터(440)까지 광학적 회로를 완성시킨다. 이러한 모니터 창은 신축성 광섬유 요소일 수 있다.
하나이상의 모니터 채널이 제공될 수 있다. 도 5 는 복수의 모니터 채널(520, 522, 524, 526, 528)을 가지는 구체예의 평면도이다. 여기서, 선형 정렬되고 경사진 구멍 패턴이 벨트(510)상에 형성된다. 광섬유 전송라인의 원거리 단부는 선형으로 움직이는 벨트(510)의 측부를 따라 배치된 필름 두께 모니터(530, 532, 534, 536, 538)에 인접하게 종료된다. 이러한 배치에서, 필름 두께 모니터의 위치가 광섬유와 정렬되게 조절될 수 있는데, 그 이유는 필름두께 모니터가 이동가능하게 제조될 수 있기 때문이다. 따라서, 필름 두께 모니터(530, 532, 534, 536, 538)의 위치 조절이 가능함으로 모니터 채널의 배치에 덜 엄격한 조건이 가능하다.
도 5 에는 복수의 필름 두께 모니터가 도시되지만 도 6 에서 처럼 단일한 필름 두께 모니터(630)가 사용될 수 있다. 단일 필름 두께 모니터(630)는 움직이는 벨트(610) 측부를 따라 위치되며 다중 필름 두께 모니터를 대신한다. 이 구체예에서 광섬유 충진 모니터 채널(620, 622, 624, 626, 628)이 선형 배열로 필름 두께 모니터(630)를 가로지를 수 있도록 제조될 수 있다. 다중 모니터 채널에서 동시에 탐지가 수행될 수 없을지라도 다중 필름 두께 모니터가 활용될 때 각 모니터 채널에 대해서 데이타가 수득될 수 있다.
모니터 채널은 외면으로부터 제 1 측면으로 연장되거나(이 경우에 모니터는 벨트 측부를 따라 위치될 수 있다) 외면으로부터 벨트의 내면으로 연장될 수 있다(이 경우에 모니터는 적어도 부분적으로 벨트내에 배치될 수 있다). 또한 벨트회전마다 다중 측정치르 얻기 위해서 벨트상의 구멍 패턴이 한 번이상 반복될 수 있다. 이것은 단위시간당 더 많은 데이타를 제공하므로 수득되는 결과의 질을 향상시킨다.
최상의 모드 및 벨트 구성
유체 지지부(특히 공기) 사용이 고형 테이블 사용보다 장점이 되는데, 그 이유는 모니터 데이타가 다양한 테이블 위치에서 유압을 조정하는데 사용되어서 폴리싱공정동안 현장 보정이 가능하기 때문이다. 테이블은 1-30 유체 흐름 채널을 가진다. 또한 사전 습윤된 탈이온수층이 테이블과 벨트사이에 사용되어서 벨트아래에 있는 폴리싱제를 제거하므로 흐름채널의 차단을 방지한다.
테이블에 있는 모니터창은 사파이어와 같은 단단하고 내긁힘성인 재료로 제조된다. Swiss Jewel Company(Part No. W12.55)의 사파이어 창이 선호된다. 테이블에 있는 모니터창은 CMP공정 조건을 견딜만큼 충분히 강한 접착제를 써서 제자리에 고정된다. 모니터창은 하나이상의 표면상에 반사방지 코팅을 가진다.
Rodel(DF 200)에서 구매가능한 캐리어 필름이 기판과 기판캐리어 사이에 사용된다. 기판 캐리어는 약 5psi의 압력으로 벨트에 대해 기판을 압축한다.
폴리싱제는 1.5 내지 12 의 pH를 가진다. 사용가능한 폴리싱제의 예는 Hoechst 사 제품인 Klebesol 이다.
CMP공정동안 롤러는 약 400ft/분의 벨트속도로 회전한다. 벨트는 약 600파운드의 힘으로 장력을 받아야 한다.
"벨트"는 적어도 하나의 재료층을 포함하며 한층은 폴리싱재료층이다. 벨트를 구축시키는 여러 가지 방법이 있다. 그중 한가지 방법은 Belt Technologies로부터 구매가능한 14인치 폭과 93.7인치의 길이와 내경을 갖는 스텐레스강 벨트를 사용한다(스텐레스강에 추가적으로, 아라미드, 목화, 금속, 금속합금 또는 폴리머에서 선택된 베이층이 사용될 수 있다). 다층 벨트의 구조는 다음과 같다.
스텐레스강 벨트가 CMP기계의 롤러세트상에 위치되고 약 2000파운드의 장력이 걸린다. 스텐레스강 벨트가 장력하에 있을 때 폴리싱재료층, 특히 Rodel의 IC 1000 폴리싱패드가 스텐레스강 벨트상에 놓인다. PVC로 제조된 언더패드가 CMP공정조건을 견딜 수 있는 접착제를 사용하여 스텐레스강 벨트 하면에 부착된다. 구축된 벨트는 총 90밀리의 두께를 가지며, 그중 50밀리는 폴리싱재료층이고 20밀리는 스텐레스강 벨트이고 20밀리는 PVC 언더패드이다.
상기 구축 방법은 여러 가지 결점이 있다. 첫째, 스텐레스강 벨트는 롤러상에서 장력이 견딜 필요가 있으므로 CMP기계의 정지시간이 있다. 둘째, 이러한 구축은 패드를 스텐레스강 벨트상에 위치시키는데 기술자와 시간을 필요로 한다.
이러한 결점을 극복하기 위해서 "화학적-기계적 폴리싱용 집적된 패드 및 벨트"라는 명칭의 일련번호 08/800,373 (1997, 2, 14 출원)의 특허출원에 기술된 바와 같이 벨트가 하나의 집적된 성분으로 형성된다. 이러한 어셈블리의 구성은 다음과 같다.
이 벨트는 직조된 Kevlar 직물주위에 형성된다. 16/3 Kevlar, 1500 데니어 필 및 16/2 목화, 650 데니어 와프가 최상의 위이빙 특성을 제공함이 발견되었다. "필"은 장력 지탱 방향의 얀이며 "와프"는 장력지탱방향에 수직방향에 있는 얀이다. "데니어"는 모노필라멘트의 밀도 및 직경을 한정한다. 첫 번째 숫자는 인치당 꼬임의 수이며 두 번째 숫자는 일인치에 꼬이는 필라멘트의 수를 말한다.
직물은 상술한 스텐레스강 벨트와 동일한 크기를 갖는 몰드에 위치된다. 투명한 폴리우레탄이 진공하에서 몰드에 부어지고 어셈블리가 구어지고 탈형되고 경화되고 필요한 크기로 폴리싱된다. 필요한 재료 성질 또는 폴리싱 특성을 얻기 위해서 수지가 충진재 또는 마모재와 혼합된다. 폴리싱층에 있는 충진재 및 마모재 입자는 폴리싱된 물품을 긁을 수 있기 때문에 평균 입자크기는 100미크론 미만이 좋다. 이러한 벨트는 Belting Industries 로부터 수득될 수 있다.
폴리우레탄과 직물은 몰딩 및 베이킹하지 않고 폴리싱재료층, 특히 Rodel IC 1000 폴리싱패드가 직물에 부착되거나 사전 구축된 벨트에 부착될 수 있다.
이러한 벨트 구성에서 충진재 또는 마모재 입자(100미크론 미만의 평균입자크기를 갖는)는 폴리싱제에 더 낮은 농도의 마모재 입자의 사용을 가능화하도록 전체 폴리싱층에 분산될 수 있다. 폴리싱제에서 마모입자농도의 감소는 상당한 원가절감을 가져온다(CMP공정의 총비용 30-40%를 폴리싱제가 차지한다). 또한, 폴리싱제 입자의 존재로 인하여 광산란의 감소를 가져온다. 이것은 모니터에 의해 수득된 신호의 노이즈를 감소시켜서 더욱 정확하고 재현성있는 결과를 얻을 수 있게 한다.
폴리싱층은 폴리싱제 이동 채널을 포함할 수 있다. 폴리싱제 이동채널은 폴리싱층 표면에 에칭 또는 몰딩된 홈형태의 패턴 또는 조직이다. 이러한 홈은 직사각, U 또는 V형 일 수 있다. 대체로 이러한 채널은 40밀리 미만의 깊이와 폴리싱층 상면에서 1㎜ 미만의 폭을 가진다. 폴리싱제 이동채널은 폴리싱표면 전체에 배열된다. 그러나 다른 패턴도 가능하다. 이러한 채널의 존재는 폴리싱층과 기판사이에 폴리싱제의 이동을 크게 증가시킨다. 이것은 기판 표면에 걸쳐 향상된 폴리싱속도 및 균일성을 제공한다.
벨트에 적당한 위치에서 구멍이 천공될 수 있다. 벨트에 있는 구멍은 특히 ½인치 폭(벨트를 가로질러)과 3½인치 길이(벨트를 따라)를 가진다.
벨트에 있는 구멍을 채우는 모니터창은 투명 폴리우레탄(고형, 충진, 블로우잉 또는 압출된), PVC, 투명 실리콘, 또는 다른 플라스틱으로 제조될 수 있다. 그러나 투명 폴리우레탄은 200 내지 2000㎚의 복사에 대해 최대의 투과와 최소의 흡수 또는 산란을 하므로 선호된다. 적당한 투명 폴리우레탄 수지는 Cal Polymers, Inc. (2115 Gaylord St., Long Beach, California)로부터 "Calthane ND 2300 시스템" 및 "Calthane ND 3200 시스템"으로 구매가능하다. 폴리싱재료층은 폴리싱결과에 최소한의 영향을 주도록 유사재료로 제조된다.
모니터창은 CMP공정동안 모니터창을 제자리에 유지시키기에 충분한 접착제를 써서 구멍에 고정될 수 있다. 접착제로는 3M(Minneapolis, Minnesota)로부터 구매가능한 2141 고무 및 가스켓이 선호된다.
혹은, 모니터창이 벨트에 직접 성형될 수 있다. 스텐레스강층을 갖는 벨트의 경우에 폴리우레탄 수지가 구멍에 주조될 수 있다. 거울-마무리 고무 라이닝을 갖는 케스팅이 경화공정동안 구멍의 양면상에 위치될 수 있다. 직물층을 갖는 벨트인 경우에 몰드에 넣기전 직물에 구멍이 형성될 수 있다. 베이킹 공정후 벨트에 있는 구멍은 폴리우레탄 모니터창을 포함한다.
벨트에 구멍을 위치시키는 또다른 방법으로서, 벨트의 각층은 200 내지 2000㎚ 파장의 빛에 대해 투명한 재료로 제조되어 모니터창을 벨트에 제공할 필요성을 제거할 수 있다. 예컨대, 직물은 직물에 구멍을 제공하기 위해서 Kevlar 또는 다른 재료로 위이빙되거나 광학적 투명 섬유로 구축될 수 있다. 투명 폴리우레탄(또는 다른 투명재료)이 직물상에 성형된다. 이것은 필름 두께측정에 적합한 벨트 어셈블리를 가져온다.
제 4 구체예
도 9 는 제 4 구체예를 보여준다. 이 구체예에서 회전하는 폴리싱장치(900)가 선형 벨트 대신에 CMP를 위해 사용된다. 이러한 장치는 당해분야에 공지이다(미국특허 제 5,329,732 호; 5,081,796 호; 5,433,651 호; 4,193,226 호; 4,811,522 호; 3,841,031 호).
도 9 에 도시된 바와 같이, 회전하는 웨이퍼 홀더(920)는 웨이퍼를 지탱하고 폴리싱요소(테이블(912)상의 폴리싱패드(930))는 웨이퍼 표면에 대해 회전한다. 웨이퍼 홀더(920)는 평탄화 공정동안 폴리싱패드(930)에 대해 웨이퍼 표면을 압축하고 폴리싱패드(930)에 대해 제 1 축(910) 주위로 웨이퍼를 회전시킨다(미국특허 5,329,732 참조). 폴리싱패드(9300는 블로우잉된 폴리우레탄과 같은 비교적 부드러운 습윤된 재료이며 테이블(912)과 함께 축(915) 주위로 회전한다(선형 벨트에 사용된 고정 테이블과는 다르게).
폴리싱를 위한 기계적 힘은 제 1 축(910)과는 다른 제 2 축(915) 주위로 회전하는 폴리싱패드(930)의 속도와 웨이퍼 홀더(920)의 하향력으로부터 유도된다. 폴리싱제가 웨이퍼 홀더(920) 아래로 일정하게 전달되고 웨이퍼 홀더(920)의 회전은 폴리싱제 전달을 보조한다.
웨이퍼 표면에 적용된 폴리싱속도는 기판과 폴리싱패드(930)간의 상대속도에 비례하므로 웨이퍼 표면상의 선택된 지점에서 폴리싱속도는 두 개의 주회전축, 즉 웨이퍼 홀더(920)의 축과 폴리싱패드(930)의 축으로부터 선택된 지점의 거리에 달려있다. 이것은 기판 표면에 걸쳐 비균질한 속도 프로파일을 가져오므로 비균질 폴리싱가 된다.
현장 모니터링은 회전 테이블(912)과 폴리싱패드(930)에 구멍(940)을 제공함으로써 이러한 장치로 수행될 수 있다. 모니터창은 적어도 테이블(912)에 있는 구멍을 폐쇄하기 위해서 폴리싱요소에 고정되어 폴리싱요소에 모니터 채널을 생성한다. 필름 두께 모니터(950)는 테이블(912)과 폴리싱패드(930)의 원운동동안 구멍(940) 아래에 배치된다(모니터(950)의 사용은 아래에서 상술된다). 다중 구멍, 모니터창 및 필름두께 모니터가 사용될 수 있음을 주목하시오.
중심을 통과하는 축 주위로 회전하는 테이블에 추가적으로, 중심을 통과하지 않는 축주위로 회전하는 테이블이 기판을 지나 곡선경로로 폴리싱도구를 구동시키는데 사용될 수 있다. 추가로, 테이블은 기판을 지나 곡선경로로 폴리싱요소를 구동하도록 폐쇄경로를 따라 움직일 수 있다("Orbital Polishing Techniques for CMP", Proceedings of 1996 VMIC Conference, 443 페이지, 1996, 6월 및 WO 96/36459, T. Cleary 및 C. Barnes 참조). 또한 위에서 기술된 CMP시스템에서 기판 캐리어가 폐쇄경로를 따라 움직일 수 있다.
필름 두께 모니터
필름두께 모니터는 기판상의 층두께 계산에 사용된다. 두께를 측정하는 적당한 필름 두께 모니터가 사용될 수 있다. 예컨대, 두께는 타원측정, 비임 프로파일 반사측정 또는 광학적 응력 발생기 비임 기초 기술을 사용하여 측정될 수 있다.
다중-파장 스펙트로스코피
도 7 은 다중파장을 사용하는 시스템(700)의 성분을 보여준다. 시스템(700)은 플래쉬 램프(705)와 트리거를 포함한 전원(710)을 포함하는 조명 모듈(703)을 포함한다. 시스템(700)은 또한 분광계(730), 아날로그/디지탈 전환기(735), 동기화 장치 및 버스 인터페이스(740), 제 1 및 제 2 데이타 파일(750, 755), 기준채널(765), 기준 채널 프로세서(770), 윈도우 센서(745), 및 데이타 처리 및 알고리즘 개발 블록(760)을 포함한다. 광섬유(775)는 플래쉬 램프(705), 기준채널(765) 및 분광계(730)를 테이블(795)에 있는 비임 형성 모듈(720)에 연결시킨다. 시스템(700)은 테이블(795)위에 위치된 웨이퍼상의 필름 두께를 계산하는데 사용된다.
플래쉬 램프(705)는 200㎚ 내지 2미크론의 빛을 발생한다. 광섬유(775)는 플래쉬 램프(705)에서 나오는 빛의 일부를 기준채널(765)에 전달한다. 기준채널(765)은 빛의 총에너지를 계산하고 기준채널 프로세서(770)에 총에너지를 나타내는 아날로그 신호를 발생한다. 기준 채널 프로세서(770)는 아날로그 신호를 디지탈 신호로 전환하고 디지탈 신호를 제 2 데이타 파일(755)에 전송한다. 제 2 데이타 파일(755)에 저장된 정보의 사용은 아래에서 상술된다.
광섬유(775)는 플래쉬 램프(705)에서 나오는 일부의 빛을 테이블(795)내의 비임 형성 모듈(720)에 전달한다. 비임 형성 모듈(720)은 웨이퍼상에 특정 크기의 비임을 촛점을 맞추기 위해서 빛의 직경을 변화시킨다. 비임 형성 모듈은 단일 또는 다중 렌즈나 대물현미경 및 구멍창을 포함한다. 렌즈는 조명크기를 한정하고 광섬유상에 반사된 빛의 촛점을 맞춘다. 구멍창은 반사광의 일부를 모은다.
빛이 웨이퍼를 비출 때 웨이퍼는 광선의 일부를 반사한다. 분광계(730)는 반사광의 스펙트럼을 측정하고 반사 스펙트럼은 나타내는 아날로그 신호를 발생한다. 아날로그/디지탈 전환기(735)는 아날로그 신호를 디지탈 신호로 전환시켜 디지탈 신호를 동기화장치 및 버스 인터페이스(740)에 전송한다.
동기화 장치 및 버스 인터페이스(740)는 센서(745)에 반응한다. 센서(745)는 벨트에 있는 창이 테이블에 있는 창과 정렬되는 시기를 탐지하고 광선을 발생하기에 적절할 때 인터페이스(740)를 가능화시켜서 웨이퍼에서 나오는 반사광 스펙트럼을 탐지한다.
센서에서 나오는 신호 수신시 동기화 장치 및 버스 인터페이스(740)는 세가지 기능을 조합한다. 먼저, 전원(710)에 트리거를 송신하여 플래쉬 램프(705)가 광 펄스를 발생하게 하여서 웨이퍼를 비춘다. 둘째, 동기화장치 및 버스 인터페이스(740)는 기준 채널(765)이 기준채널(765)을 향한 광펄스의 일부의 총에너지를 측정하게 한다. 이러한 측정은 제 2 데이타 파일(755)에 기록된다. 셋째, 동기화 장치 및 버스 인터페이스(740)는 아날로그/디지탈 전환기(735)에서 나오는 디지탈 신호를 제 1 데이타 파일(750)에 기록한다. 이러한 조합은 제 1 데이타 파일(750)이 웨이퍼가 조명을 받을 때 수집되는 데이타만을 기록할 수 있게 한다.
제 1 및 제 2 데이타 파일(750, 755)에 저장된 정보는 데이타 처리 및 알고리즘 개발 블록(760)에 사용된다. 블록(760)은 제 2 데이타 파일(755)에 저장된 정보를 사용하여 예컨대 플래쉬램프(705)의 노화에 의해 야기된 펄스세기 변화에 대해 제 2 데이타 파일(755)의 정보를 정규화한다. 블록(760)은 이러한 정규화된 정보와 제 1 데이타 파일(750)에 저장된 정보를 사용하여 측정순간에 웨이퍼 필름의 두께를 계산한다. 탐지된 스펙트럼 반사함수의 컴퓨터 분석(특히, 최대값 및 최소값)은 두께를 제공하며 어떤 경우에는 측정된 필름의 굴절계수를 제공한다.
분광측정에 대한 또다른 정보는 "퓨리에 변환 스펙트로스코피 소개"(Academic Press, New York (1972), Bell, R.J.)와 "회전 그레팅스" (Academic Press, London (1982), Hutley, M.C.)에서 발견된다. 또한 미국특허 5,517,312; 5,486,701; 4,308,586; 4,844,617 에도 기술된다.
또다른 구체예
플래쉬 램프(705) 대신에 연속작동 광원이 움직이는 기판과 동시에 작동하는 셔터 또는 초퍼 휘일과 함께 사용되어서 기질이 광원 위에 위치될 때 빛을 출력한다.
시스템(800)에서 기준 분광계(810), 기준 아날로그/디지탈 전환기(820) 및 기준 동기화장치와 버스 인터페이스(830)가 도 7 의 시스템(700)에서 기준채널(765)과 기준채널 프로세서(770)를 대신한다.
기준채널이 시스템(700)에서 수행하는 것처럼 총에너지를 측정하는 것이 아니라 기준 분광계(810)는 웨이퍼를 조명하는 광펄스의 스펙트럼을 측정한다. 기준 아날로그/디지탈 전환기(820)는 스펙트럼 정보를 가지는 아날로그 신호를 디지탈 신호로 바꾸어서 기준 동기화장치 및 버스 인터페이스(830)에 보낸다. 기준 동기화장치 및 버스 인터페이스(830)는 센서(845)에서 나오는 신호에 응답하여 제 2 데이타 파일(855)에 스펙트럼 정보를 기록한다.
광선이 비임형성 모듈을 빠져나갈 때 웨이퍼를 만나기 이전 통과되는 매체로 인해 왜곡된다. 비임의 왜곡이 광원의 교란보다 훨씬 클 때 기준채널이 제공하는 측정은 조잡하다.
그러나, 비임의 왜곡이 광원의 교란보다 크지 않을 때 기준 분광계에 의해 제공된 정보는 더욱 상세하다.
또다른 구체예에서 조명광과 반사광을 분리하기 위해서 비임 분할기에 의해 나뉘어지는 어셈블리 대신에 단일 섬유다발을 사용한다.
최상의 모드
크세논 플래쉬 램프(Hamamatsu 모델번호 L4633)와 트리거를 포함한 전원(Hamamatsu 모델번호 C4479)이 선호된다. 센서는 단거리 확산 반사센서(Sunx 모델번호 CX-24)이다.
분광계와 기준 분광계는 집적 소형 분광계(Zeiss 모델번호 MMSI)이다.
기준채널은 광다이오드(Hamamatsu 에 의해 제공되는)이다. 동기화장치 및 버스 인터페이스와 기준 동기화장치 및 버스 인터페이스는 TEC5에 의해 공급된 디바이스로 실현될 수 있다.
제 1 및 제 2 데이타 파일은 하드디스크 드라이브, RAM과 같은 적당한 저장매체를 사용하여 구현된다. 제 1 및 제 2 데이타 파일과 데이타 처리 및 알고리즘 개발 블록은 외부 장치의 성분이라기 보다는 모니터 시스템의 일체 부분이다.
광섬유는 이중 분할, 융합 실리카 섬유 다발이다. 광분할기는 섬유다발의 필요부위를 발산시킴으로써 구현된다. 최소의 섬유다발직경은 3㎜이다. 섬유의 5% 미만이 기준채널 또는 기준 분광계로 발산하는 것이 좋다.
비임의 조명부위와 동일한 수의 섬유가 반사광 수집을 위해 첨가된다.
위에서 기술된 모니터 시스템이 모니터 채널을 가지는 회전 테이블과 함께 사용될 수 있다. 그러나, 센서의 기능은 선형 벨트 시스템에서와 다르다. 즉, 선형 폴리싱요소를 사용하여 기술된 상기 구체예에서 센서는 벨트내 모니터 채널이 필름 두께 모니터와 정렬될 때 탐지한다. 그러나, 회전 테이블 시스템에서 센서는 웨이퍼가 움직이는 테이블에 있는 단일 모니터 채널과 정렬될때는 탐지하지만 모니터 채널이 필름 두께 모니터와 정렬될때는 탐지하지 못한다.
상기 구체예들은 CMP공정동안 기판층이 두께를 측정하는 방법에 사용된다. 첫째, 기판 캐리어는 모니터 채널을 가지거나 폴리싱제로 습윤된 선형운동 벨트 또는 회전 테이블에 대해 기판을 유지한다. 벨트 또는 회전 테이블에 있는 모니터 채널이 필름 두께 모니터와 정렬할 때 기판층 두께가 측정될 수 있다.
두께에 관한 정보는 여러 가지 용도가 있다. 예컨대, 마지막 원치않은 층제거시 CMP 공정을 중단하는 것이 중요하다. 결과적으로, 마지막 층이 제거될 때 종말점 탐지가 필요하다. 종말점 탐지는 기질층 두께에 의해 측정될 수 있다. 이러한 정보를 사용하여 CMP 공정은 자동 또는 수동으로 종료한다.
특히, CMP 공정에 있는 모니터 채널이 필름 두께 모니터와 정렬할 때 필름두께 모니터와 기판간에 광학적 회로가 완성된다. 이것은 기판의 표면상태 측정을 가능하게 한다. CMP도구에 있는 모니터 채널이 필름두께 모니터와 정렬될때마다 필름두께 측정이 수행되어 CMP공정동안 순차적인 필름두께측정이 이루어진다. 그러므로, 필름두께 모니터는 종말점 결정 및 표시에 사용되며 CMP 공정을 수동 또는 자동으로 종결시킬 수 있다.
두께 정보는 화학적-기계적 폴리싱공정을 수행하는 동안 기판의 주어진 원주에서 제거속도를 측정하는 방법에 사용된다. CMP도구에 있는 모니터 채널이 필름두께 모니터와 정렬할 때 필름두께 모니터는 기판상의 주어진 원주에서 필름두께를 측정한다. CMP도구에 있는 동안 모니터 채널을 통해 이루어진 두 개의 연속 필름 두께 측정치의 차이는 폴리싱요소 1회전당 필름 제거율이다. 그러므로, 기지의 도구 속도에서 기판의 제거속도가 단위시간당 두께로서 측정된다.
이 방법은 기판 표면에 걸쳐 제거속도 분산 및 평균 제거속도를 측정하는데에 사용될 수 있다. 이것은 CMP도구에 있는 다중 모니터 채널을 사용하여 가능하다. 이 경우에, 각 모니터 채널은 웨이퍼 기판의 한정된 원주에서 필름두께를 측정한다. 그러므로, 폴리싱요소 회전시 기판표면을 가로질러 다중필름두께 측정이 수행된다. 각 측정치는 제거속도로 전환된다. 따라서 제거속도 분산 및 평균이 계산된다. 예컨대, 측정치의 표준 편차는 기판 표면에 걸쳐 제거속도 분산을 나타낸다.
추가로, 두께에 관한 정보는 CMP장치의 공정매개변수 조정에 사용된다. 벨트(또는 운동 테이블)의 변화와 기판 캐리어 상태의 변화 때문에 기판 폴리싱중 제거 균일성이 변화될 수 있다. 필름두께 모니터를 사용하여 기판의 중심이 기판의 모서리와 동일속도로 폴리싱작업되고 있는지 여부를 결정하는데 기판층 두께가 사용될 수 있다. 이러한 정보를 사용하여 폴리싱도구 매개변수가 수동 또는 자동으로 변형되어 탐지된 비균일성을 해소할 수 있다.
특히, 폴리싱압력, 벨트 또는 테이블 속도, 캐리어 속도, 폴리싱제 흐름과 같은 폴리싱 매개변수가 기판 제거속도 및 균일성에 미치는 영향을 측정하기 위해서 폴리싱공정이 먼저 분석된다. BBN 소프트웨어로부터 구매가능한 RS/1 과 같은 소프트웨어를 사용하여 적당한 모델이 개발될 수 있다. 폴리싱공정중 제거속도 및 제거속도 분산(균일성)이 측정된다. 이러한 정보는 제거속도 또는 균일성 최적화를 위해 폴리싱매개변수(하향력, 도구속도 및 캐리어 속도)를 조정하도록 개발된 모델과 조합으로 사용된다. 이러한 최적화는 실시간 또는 지연방식으로 이루어진다.
도 1 은 공지기술의 선형 폴리싱기의 개략도이다.
도 2 는 본 발명의 선형 폴리싱기의 단면도이다.
도 3 은 테이블에서 구멍의 배치와 테이블에서 구멍과 정렬하는 벨트상의 구멍 패턴을 보여준다.
도 4 는 벨트의 외면으로부터 벨트의 제 1 측면으로 연장된 광신호 경로를 제공하기 위해서 벨트의 두층간에 배치된 광섬유 전송라인의 단면도이다.
도 5 는 테이블이 아니라 벨트에서 감지지점을 보여주는 평면도로서 도 4 의 광섬유 장치가 다중 필름 두께 모니터와 함께 사용된다.
도 6 은 테이블이 아니라 벨트에서 감지지점을 보여주는 평면도로서 도 4 의 광섬유 장치가 단지 하나의 필름 두께 모니터와 함께 사용된다.
도 7 은 분광계의 다중 파장을 사용하는 모니터 시스템의 블록선도이다.
도 8 은 또다른 모니터 시스템의 블록선도로서 기준분광계가 기준 채널을 대체한다.
도 9 는 필름 두께 모니터를 갖는 회전 테이블 CMP 장치의 개략도이다.
도 10 은 테이블에서 복수의 구멍배치와 하나의 구멍을 가지는 벨트를 보여주는 평면도이다.
* 부호 설명
100: 공지의 폴리싱기 105: 폴리싱 헤드
110: 기판 캐리어 120: 벨트
130,135: 롤러 140: 폴리싱제 분배장치
150: 폴리싱제 155: 테이블
200: 본발명의 폴리싱기 201 .... 내면
202: 외면 210: 기판 캐리어
215: 폴리싱제층 220: 벨트
230,245: 구멍 240: 테이블
232,242: 모니터창 250: 모니터
255: 탈이온수 310: 벨트
320,322,324,326,328,330,332,334,336,338: 구멍
340: 기판 캐리어 401: 내면
402: 외면 403,404: 측면
410: 층 415: 벨트
420: 구멍 440: 필름 두께 모니터
510: 벨트 520,522,524,526,528: 모니터 채널
530,532,534,536,538: 필름 두께 모니터
610: 벨트 620,622,624,626,628: 모니터 채널
630: 필름 두께 모니터 700: 시스템
703: 조명모듈 705: 플래쉬 램프
710: 트리거를 포함한 전원 720: 비임 형성 모듈
730: 분광계
735: 아날로그/디지탈 전환기 740: 동기화장치 및 버스 인터페이스
750,755: 데이터 파일 760: 데이터처리 및 알고리즈 개발 블록
765: 기준채널 770: 기준 채널 프로세서
775: 광섬유 795: 테이블
800: 시스템 810: 기준 분광계
820: 기준 아날로그/디지탈 전환기
830: 기준 동기화 장치 및 버스 인터페이스
845: 센서 912: 테이블
915: 축 920: 웨이퍼 홀더
930: 폴리싱 패드 940: 구멍
950: 필름 두께 모니터 1010 .... 벨트
1020: 구멍 1030,1032,1034: 구멍

Claims (21)

  1. 폴리싱요소, 폴리싱경로를 따라 폴리싱요소를 이동시키는 수단, 폴리싱공정중 폴리싱요소에 대해 기판을 압축시키기 위해서 폴리싱요소에 인접위치한 기판 캐리어를 포함하는 화학적-기계적 폴리싱장치에 있어서,
    상기 폴리싱요소 내부에 하나이상의 구멍이 형성되고 상기 구멍은 폴리싱공정중 기판과 간헐적으로 정렬하도록 움직이며;
    상기 폴리싱요소는 구멍을 폐쇄하여 폴리싱요소에 모니터 채널을 생성하도록 폴리싱요소에 고정된 모니터창을 더욱 포함하며;
    상기 장치는 필름두께 모니터를 더욱 포함하며, 상기 필름두께 모니터는 폴리싱공정중 모니터 채널을 통해 기판으로부터 반사된 광학적 복사광에 반응하는 분광계를 포함하여 기판에 의해 운반된 필름의 두께를 표시함을 특징으로 하는 화학적-기계적 폴리싱장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 기판 캐리어가 폐쇄 경로를 따라 움직임을 특징으로 하는 화학적-기계적 폴리싱장치
  3. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 필름 두께 모니터가 폴리싱공정중 모니터 채널을 통해 광학적 복사광으로 기판을 조명하도록 작동하는 광원을 포함함을 특징으로 하는 화학적-기계적 폴리싱장치
  4. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 필름 두께 모니터가 광원을 포함하고 300 내지 1000nm의 파장에서 작동함을 특징으로 하는 화학적-기계적 폴리싱장치
  5. 제 1 항에 있어서, 이동시키는 수단이 기판을 지나 선형경로로 폴리싱요소를 구동하도록 작용하는 복수의 롤러를 포함함을 특징으로 하는 화학적-기계적 폴리싱장치
  6. 제 5 항에 있어서, 필름두께 모니터는 폴리싱요소에 있는 모니터창이 필름두께 모니터와 정렬할 때 탐지하는 센서를 더욱 포함함을 특징으로 하는 화학적-기계적 폴리싱장치
  7. 제 1 항에 있어서, 이동시키는 수단이 기판을 지나 곡선경로로 폴리싱요소를 구동하도록 작용하며 중심을 통과하는 축 주위로 회전하는 테이블을 포함함을 특징으로 하는 화학적-기계적 폴리싱장치
  8. 제 1 항에 있어서, 이동시키는 수단이 기판을 지나 곡선경로로 폴리싱요소를 구동하도록 작용하며 중심을 통과하지 않는 축 주위로 회전하는 테이블을 포함함을 특징으로 하는 화학적-기계적 폴리싱장치
  9. 제 1 항에 있어서, 이동시키는 수단이 기판을 지나 곡선경로로 폴리싱요소를 구동하도록 작용하며 폐쇄경로를 따라 움직이는 테이블을 포함함을 특징으로 하는 화학적-기계적 폴리싱장치
  10. (a) 기판 캐리어의 기판을 폴리싱요소에 대해 유지함으로써 기판상에서 화학적-기계적 폴리싱를 수행하며, 상기 폴리싱요소는 모니터 채널을 가지며 폴리싱제로 적셔지며;
    (b) 화학적-기계적 폴리싱 공정시 폴리싱요소에 있는 모니터 채널이 필름두께 모니터와 정렬할 때 기판상의 층두께를 측정하도록 분광계를 포함하는 필름두께 모니터를 사용하는 단계를 포함하는 화학적-기계적 폴리싱 공정시 기판상의 층두께 측정방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 필름 두께 모니터가
    (a) 광원;
    (b) 광원에서 나오는 빛의 세기를 모니터하는 탐지기;
    (c) 빛을 다중 탐지기에 의해 탐지되는 다중 파장으로 분배하는 분광계;
    (d) 분광계에서 나오는 신호를 처리하여 기판상의 필름 두께를 계산하는 데이타 처리요소를 포함함을 화학적-기계적 폴리싱 공정시 기판상의 층두께 측정방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 광원이 움직이는 기판과 동기적으로 광학적 복사광을 방출하는 플래쉬 램프임을 화학적-기계적 폴리싱 공정시 기판상의 층두께 측정방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 광원이 연속 작동 광원이며, 기판이 광원위에 위치될 때 빛을 방출하기 위해서 움직이는 기판과 동기적으로 작동하는 셔터를 더욱 포함함을 화학적-기계적 폴리싱 공정시 기판상의 층두께 측정방법.
  14. 제 11 항에 있어서, 광 탐지기가 분광계임을 특징으로 하는 방법.
  15. (a) 화학적-기계적 폴리싱공정동안 폴리싱요소에 있는 모니터 채널이 분광계를 포함하는 필름 두께 모니터와 정렬할 때 기판의 필름두께를 측정하며;
    (b) 측정된 필름 두께가 예정된 두께에 도달할때까지 단계 (a)를 반복하고;
    (c) 종말점에 도달했음을 표시하는 단계를 포함하는 화학적-기계적 폴리싱공정의 종말점 측정방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 필름 두께가 예정된 두께에 도달했을 때 화학적-기계적 폴리싱공정을 종료시키는 단계를 더욱 포함하는 화학적-기계적 폴리싱공정의 종말점 측정방법.
  17. (a) 화학적-기계적 폴리싱공정동안 플리싱요소에 있는 모니터채널이 분광계를 포함하는 필름 두께 모니터와 정렬할 때 기판의 제 1 필름두께를 측정하고;
    (b) 화학적-기계적 폴리싱공정동안 폴리싱요소에 있는 모니터 채널이 분광계를 포함하는 필름 두께 모니터와 재정렬할 때 기판의 제 2 필름 두께를 측정하고;
    (c) 제 2 필름두께와 제 1 필름 두께 사이의 차이를 계산하는 단계를 포함하는 화학적-기계적 폴리싱공정동안 기판의 주어진 원주에서 폴리싱요소 회전마다 제거속도를 결정하는 방법.
  18. (a) 화학적-기계적 폴리싱공정동안 폴리싱요소에 있는 제 1 모니터 채널이 분광계를 포함하는 제 1 필름 두께 모니터와 정렬할 때 기판의 제 1 필름 두께를 측정하고;
    (b) 화학적-기계적 폴리싱공정동안 폴리싱요소에 있는 제 1 모니터 채널이 분광계를 포함하는 제 1 필름 두께 모니터와 재정렬할 때 기판의 제 2 필름 두께를 측정하고;
    (c) 화학적-기계적 폴리싱공정동안 폴리싱요소에 있는 제 2 모니터 채널이 분광계를 포함하는 제 2 필름 두께 모니터와 정렬할 때 기판의 제 3 필름 두께를 측정하고;
    (d) 화학적-기계적 폴리싱공정동안 폴리싱요소에 있는 제 2 모니터 채널이 분광계를 포함하는 제 2 필름두께 모니터와 재정렬할 때 기판의 제 4 필름 두께를 측정하고;
    (e) 단계 (b)의 제 2 필름 두께와 단계 (a)의 제 1 필름 두께의 차이를 계산하고;
    (f) 단계 (d)의 제 4 필름 두께와 단계 (c)의 제 3 필름 두께의 차이를 계산하고;
    (g) 단계 (e)와 (f)의 차이의 평균을 계산하는 단계를 포함하는 화학적-기계적 폴리싱공정중 기판을 가로질러 폴리싱요소의 회전마다 평균 제거속도를 결정하는 방법.
  19. (a) 화학적-기계적 폴리싱공정동안 폴리싱요소에 있는 제 1 모니터 채널이 분광계를 포함하는 제 1 필름 두께 모니터와 정렬할 때 기판의 제 1 필름 두께를 측정하고;
    (b) 화학적-기계적 폴리싱공정동안 폴리싱요소에 있는 제 1 모니터 채널이 분광계를 포함하는 제 1 필름 두계 모니터와 재정렬할 때 기판의 제 2 필름 두께를 측정하고;
    (c) 화학적-기계적 폴리싱공정동안 폴리싱요소에 있는 제 2 모니터 채널이 분광계를 포함하는 제 2 필름 두께 모니터와 정렬할 때 기판의 제 3 필름 두께를 측정하고;
    (d) 화학적-기계적 폴리싱공정동안 폴리싱요소에 있는 제 2 모니터 채널이 분광계를 포함하는 제 2 필름 두께 모니터와 재정렬할 때 기판의 제 4 필름 두께를 측정하고;
    (e) 단계 (b)의 제 2 필름 두께와 단계 (a)의 제 1 필름 두께의 차이를 계산하고;
    (f) 단계 (d)의 제 4 필름 두께와 단계 (c)의 제 3 필름 두께의 차이를 계산하고;
    (g) 단계 (e)와 (f)의 차이의 분산을 계산하는 단계를 포함하는 화학적-기계적 폴리싱공정중 기판을 가로질러 폴리싱요소의 회전마다 제거속도분산을 결정하는 방법.
  20. (a) 폴리싱공정 매개변수의 효과를 측정하기 위해서 폴리싱공정을 분석하고;
    (b) 제거속도를 결정하고;
    (c) 폴리싱공정 매개변수를 조정하여 제거속도를 최적화하는 단계를 포함하는 화학적-기계적 폴리싱공정 최적화 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    (d) 제거속도 분산을 결정하고;
    (e) 폴리싱공정 매개변수를 조정하여 균일성을 최적화하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
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