KR100971839B1 - 연속적 반경 측정에 의한 웨이퍼 엣지 특성화 - Google Patents
연속적 반경 측정에 의한 웨이퍼 엣지 특성화 Download PDFInfo
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Abstract
기판을 따라 하나 이상의 반경들에서 기판의 하나 이상의 측정을 수행하기 위한 시스템들과 방법들이 기술된다. 기판을 따라 다양한 반경들에서 수행된 두께 측정들은 총 기판 두께를 반영하는 평균값을 달성하기 위해 함께 평균화될 수 있다. 총 기판 두께의 보다 정확한 측정은 다중 측정들을 수행하고 측정들을 함께 평균화함으로써 달성될 수 있다. 평균값을 이용하여, 기판이 목표된 평탄화된 막 프로파일을 달성하도록 보장하기 위해 연마가 조절될 수 있다.
Description
본 발명은 일반적으로 화학 기계적 연마를 위한 방법론에 관한 것으로서, 특히, 와전류 방법론에 대한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
집적 회로는 통상적으로 실리콘 웨이퍼상에 전도성, 반전도성 또는 절연성 층들의 증착에 의해 기판상에 형성된다. 한 제조 단계는 비평면 표면 위에 필러(filler)층을 증착하는 단계 및 비평면 표면이 노출될 때까지 필러층을 평탄화시키는 단계를 수반한다. 예를 들어, 전도성 필러층은 절연층의 트렌치들 또는 홀들을 충전시키기 위하여 패터닝된 절연층상에 증착될 수 있다. 필러층은 그 후 절연층의 양각(raised) 패턴이 노출될 때까지 연마된다. 평탄화 이후에, 절연층의 양각 패턴 사이에 남아있는 전도성층의 부분들은 기판상의 박막 회로들 사이에 전도성 경로들을 제공하는 비아들, 플러그들 및 라인들을 형성한다.
물질들의 층들이 순차적으로 증착되고 제거됨에 따라, 기판의 최상위 표면은 평탄화를 요구하는 그것의 표면에 걸쳐 비평탄화될 수 있다. 표면을 "평탄화"시키는 것은 일반적으로 평면 표면까지 형성하기 위하여 기판의 표면으로부터 물질이 제거되는 프로세스이다. 평탄화는 원치 않는 표면 토포그래피(topography) 및 응집된(agglomerated) 물질들, 결정 격자 손상, 스크래치 및 오염된 층들 및 물질들과 같은 표면 결함들을 제거하는데 유용하다. 평탄화는 또한 피쳐(feature)들을 충전하는데 사용된 초과 증착 물질을 제거함으로써 기판상에 피쳐들의 형성에, 그리고 프로세싱 및 금속화의 후속 레벨들에 대한 평탄한 표면을 제공하는데 유용하다. 또한, 평탄화는 일반적으로 포토리소그래피를 위해 기판 표면을 평탄화시키는데 필요하다.
화학 기계적 연마(CMP)는 평탄화의 용인된 한 방법이다. 종래에는, 이러한 평탄화 방법은 캐리어 헤드상에 기판을 고정시키는 단계 및 회전 연마 패드에 기대어 기판을 배치시키는 단계를 수반하였다. 캐리어 헤드는 그것을 연마 패드에 대하여 가압하도록 기판상에 제어가능한 부하를 제공한다. 연마 패드는 "표준" 패드 또는 고정된 연마 패드 중 하나일 수 있다. 표준 패드는 내구성 있게 울퉁불퉁해진 표면을 가지는 반면, 고정된 연마 패드는 억제 수단에 고정된 연마 입자들을 갖는다. 연마 입자들을 포함할 수 있는 연마액이 연마 패드의 표면에 가해진다(또한, 몇몇 프로세스들은 "연마재 없는" 연마를 사용한다).
구리 연마에 특히 유용한 CMP의 변화는 전기화학적 기계 프로세싱(ECMP)이다. ECMP 프로세스는 종래의 CMP 프로세스와 유사하나, 매우 낮은 다운 및 전단력(down and shear force)에서 구리막 연마에 대해 설계되고, 따라서 낮은 k/Cu 기술들에 적합하다. ECMP 기술들에서, 전도성 물질은 전기화학적 용해에 의해 기판 표면으로부터 제거되는 동시에, 통상적으로 종래의 CMP 프로세스들에 비하여 감소된 기계적 연마력으로 기판을 연마시킨다. 전기화학적 용해는 캐소드와 기판 표면 사이에 바이어스를 인가함으로써 수행되고, 따라서 기판 표면으로부터 주변 전해질로 전도성 물질을 제거한다.
CMP 또는 ECMP에서의 하나의 문제점은 연마 프로세스가 완료되는지 여부, 즉, 기판층이 원하는 평탄도 또는 두께로 평탄화되었는지 여부, 또는, 원하는 양의 물질이 제거되었을 때, 또는 하부층이 노출되었는지 여부이다. 전도성층 또는 막의 과도 연마(과도한 제거)는 증가된 회로 저항을 초래한다. 반면에, 전도성층의 불충분 연마(너무 조금 제거)는 전기 단락을 초래한다. 기판층의 초기 두께, 슬러리(slurry) 조성물, 연마 패드 상태, 연마 패드와 기판 사이의 상대 속도, 및 기판상의 부하의 변화는 물질 제거율의 변화를 야기할 수 있다. 이러한 변화들은 연마 종료점에 도달하기 위해 필요한 시간의 변화를 야기한다. 따라서, 연마 종료점은 단지 연마 시간에 따라 결정될 수 없다.
두 개의 기술들이 연마 종료점에서 변화들을 보상하는데 사용된다. 인라인 방법론 시스템들은 연마 스테이션 외부에 위치되며, 프로세싱 전후에 기판상의 층들의 두께를 측정한다. 층 두께가 연마 이전에 결정되는 것으로 가정하면, 연마 이후에 기판상에 남아있는 물질의 양의 보다 정확한 제어를 제공하기 위하여 조정될 수 있다. 인시튜 시스템들은 제거된 물질의 양을 측정하기 위하여, 또는 층이 노출된 것을 나타내는 기판 특성들의 갑작스러운 변경들을 검출하기 위하여 연마 동안에 기판을 모니터링한다.
최근의 인시튜 종료점 검출 기술은 기판상의 금속층에서 와전류를 야기하며, 금속층이 제거됨에 따라 와전류의 변경를 모니터링하기 위하여 와전류 센서를 사용한다.
인-라인 와전류 모니터링 시스템은 웨이퍼상에 전도성층과 같은 전도성 영역의 두께와 연관된 신호를 발생시킨다. 인-라인 와전류 모니터링 시스템은 화학 기계적 연마 시스템을 사용하여 웨이퍼를 연마하기 이전 또는 이후에 사용될 수 있다.
일반적으로, 본 발명은 기판의 연마를 위한 하나 이상의 연마 스테이션들을 갖는 연마 장치와 관련되며, 연마 스테이션들은 다수의 연마 파라미터들로 작동하고, 연마 장치는, 연마 스테이션들로부터 떨어진 위치에 기판을 홀딩시키기 위한 기판 홀더, 및 기판의 층의 두께에 기초하여 신호를 발생시키기 위한 센서 - 센서 및 기판 홀더는 기판 엣지에 인접한 3개 이상의 각상으로(angularly) 분리된 위치들에 센서를 위치시키기 위한 상대적 이동을 수행하고, 3개 이상의 각상으로 분리된 위치들에서 측정치들을 발생시키도록 구성됨 - 를 포함하는 인-라인 모니터링 시스템; 및 센서로부터 신호를 수신하고 신호에 응답하여 복수의 연마 파라미터들 중 적어도 하나를 제어하기 위한 제어기를 포함한다.
본 발명의 실행들은 다음의 피쳐들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 기판 이송 시스템은 습식 로봇(wet robot)을 포함할 수 있으며, 기판 홀더는 습식 로봇의 경로를 따라 위치될 수 있다. 시스템은 카세트로부터 기판을 수용하기 위한 적어도 하나의 포트를 갖는 팩토리 인터페이스 모듈을 포함할 수 있으며, 기판 홀더는 팩토리 인터페이스 모듈에 위치될 수 있다. 이송 메커니즘은 팩토리 인터페이스 모듈로, 그리고 팩토리 인터페이스 모듈로 기판을 이송하기 위한 팩토리 인터페 이스 로봇을 포함할 수 있다. 와전류 모니터링 시스템은 프로브를 포함할 수 있다. 인터페이스 로봇은 프로브 내에 제1 방향으로 기판을 위치시킬 수 있으며, 프로브에 걸쳐, 예를 들어, 기판의 반경을 따라 기판의 표면을 이동시킬 수 있다. 인터페이스 로봇은 프로브에 관하여 기판을 회전시킬 수 있다. 기판의 표면은 그 후 제1 방향과 상이한 제2 방향을 따라 프로브에 걸쳐 이동될 수 있다. 시스템은 클리너를 포함할 수 있으며, 기판 홀더는 클리너에 위치될 수 있다. 기판 홀더는 연마 장치에 위치될 수 있다. 시스템은 연마 스테이션으로부터 떨어진 다른 위치에 기판을 홀딩시키기 위한 다른 기판 홀더 및 기판의 전도성 영역에 와전류를 야기하고, 전도성 영역의 두께와 연관된 다른 신호를 발생시키도록 다른 기판 홀더에서 기판에 인접하게 위치될 수 있는 다른 프로브를 포함할 수 있으며, 제어기는 다른 프로브로부터의 다른 신호에 기초하여 화학 기계적 연마의 적어도 하나의 연마 파라미터를 제어할 수 있다. 제어기는 연마 스테이션에 기판을 배치시키기 이전 또는 이후에 기판 홀더에 기판 이송 시스템이 기판을 배치시키도록 구성될 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은 연마 장치로부터 연마된 기판들을 수신하기 위한 클리너 및 와전류 모니터링 시스템을 포함하는 시스템에 관한 것이다. 클리너는 기판 홀더를 가지고, 와전류 모니터링 시스템은 기판의 전도성 영역에 와전류를 야기하고, 전도성 영역의 두께와 연관된 신호를 발생시키기 위하여 기판 홀더의 기판에 인접하게 위치될 수 있는 프로브를 갖는다.
다른 측면에서, 본 발명은 기판을 수용하기 위한 팩토리 인터페이스 모듈 및 와전류 모니터링 시스템을 포함하는 시스템에 관한 것이다. 팩토리 인터페이스 모듈은 기판 홀더를 가지며, 와전류 모니터링 시스템은 기판의 전도성 영역에 와전류를 야기하고 전도성 영역의 두께에 관련된 신호를 발생시키기 위하여 기판 홀더의 기판에 인접하게 위치될 수 있는 프로브를 갖는다.
상기 발명들의 실행들은 다음의 피쳐들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 시스템은 프로브로부터의 신호에 기초하여 연마 장치의 적어도 하나의 연마 파라미터를 변경하기 위한 제어기를 포함할 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은 연마 동안에 기판을 홀딩하기 위한 하나 이상의 캐리어 헤드들, 하나 이상의 연마 스테이션들, 연마 스테이션들로부터 분리된 기판 홀딩 스테이션, 및 프로브를 갖는 와전류 모니터링 시스템을 갖는 화학 기계적 연마 시스템과 관련되고, 프로브는 기판의 전도성 영역에서 와전류를 야기하고 전도성 영역의 두께와 연관된 신호를 발생시키기 위하여 기판 홀딩 시스템의 기판에 인접하게 위치된다.
다른 측면에서, 본 발명은 기판을 홀딩하기 위한 측정 스테이션, 와전류 방법론 시스템, 및 제어기를 포함하는 시스템과 관련된다. 측정 시스템은 화학 기계적 연마 장치의 연마 패드로부터 떨어진 위치에 위치된다. 와전류 방법론 시스템은 측정 스테이션에서 기판의 전도성 영역에 인접하게 위치될 프로브, 프로브를 여기시키는(excite) 드라이버 유닛, 및 전도성 영역의 두께와 연관된 출력 신호를 발생시키는 센서 유닛을 갖는다. 제어기는 와전류 방법론 시스템으로부터의 출력 신호에 기초하여 하나 이상의 연마 종료점 기준을 조정하도록 구성된다.
상기 발명들의 실행들은 다음의 피쳐들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 위치들은 화학 기계적 연마 장치, 기판 이송 시스템, 클리너, 그리고 팩토리 인터페이스 모듈로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
다른 실시예에서, 본 발명은 기판이 기판 이송 시스템을 이용하여 연마 장치의 연마 스테이션으로부터 분리되어 위치된 측정 스테이션으로 이송되는 방법과 관련되며, 와전류 시스템의 프로브는 측정 스테이션에서 기판에 인접하여 위치되고, 프로브는 기판의 전도성 영역에 와전류를 유도하도록 여기되고, 측정 신호들이 전도성 영역의 두께와 연관된 와전류 시스템으로 발생되며, 연마 장치의 연마 파라미터는 와전류 시스템으로부터의 신호들에 기초하여 제어된다.
상기 발명들의 실행들은 다음의 피쳐들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 기판은 연마될 수 있다. 연마 단계는 연마 파라미터가 후속 기판의 연마를 제어하도록 이송 단계 이전에 발생할 수 있으며, 또는 연마 단계는 연마 파라미터가 기판의 연마를 제어하도록 이송 단계 이후에 발생할 수 있다.
다른 측면에서, 발명은 하나 이상의 기계들이 상기 방법들을 수행하도록 작동가능한 명령어들을 저장하는 기계 판독가능 매체를 포함하는 물품에 관련된다.
기판은 집적 회로 제조의 다양한 단계들에 있을 수 있으며, 예를 들어, 하나 이상의 증착 및/또는 패터닝된 층들일 수 있다.
발명의 하나 이상의 실행들의 상세한 설명은 첨부되는 도면들 및 하기의 설명에서 진술된다. 발명의 다른 특징들 및 장점들은 설명 및 도면들로부터, 그리고 청구항들로부터 명백해질 것이다.
ECMP 시스템에서, 기판과 캐소드 사이에 전기적 바이어스가 인가될 수 있다. 예를 들어, 전기적 바이어스는 기판 표면과 전기적으로 통신하는 기판 캐리어 헤드와 같은 기판 지지 디바이스(support device)에서 전도성 콘택에 의해 인가될 수 있다. 또 다른 예로써, 바이어스는 기판 표면과 접촉하는 전도성 연마 패드를 통해 인가될 수 있다. 기판 표면에 전기적 바이어스를 인가할 수 있는 ECMP 시스템의 예시적인 구현예는 본 출원의 양수인에게 양도된 공동 계류중인 미국 특허 출원 공개 2005-0282322호에 개시되어 있으며, 이는 본 발명에서 참조된다.
원형 기판의 연마는 통상적으로 축방향으로 대칭이지만, 연마 속도에서는 각 변화(angular variation)가 있을 수 있다. 연마 속도에서의 각 변화는 기판 에지에서보다 두드러질 수 있다. 이러한 영향은 기판의 에지를 따른 기판 층 두께의 각 변화를 산출할 수 있다. 이러한 변화 또는 기판 층 두께의 불균일성은 기판의 층 두께의 정확한 결정 또는 층이 기판으로부터 균일하게 제거되었는지에 대한 결정에 영향을 미칠 수 있다. 특히, 모니터링 시스템이 기판 에지를 통해 하나의 반경 세그먼트에서만 측정될 경우, 기판 에지에서의 평균 두께가 변하는 영역에서 측정이 이루어질 가능성이 있다. 측정된 기판 층 두께가 연마 장치를 제어하거나 또는 기판에 의해 요구되는 연마 량을 결정하기 위해 이용되는 경우, 이러한 두께 변화는 오버연마(overpolishing) 또는 언더연마(underpolishing)를 산출할 수 있다.
예를 들어, 하기 설명되는 것처럼, 웨이퍼 상의 전도성층과 같은 전도성 영역의 두께와 관련된 신호를 생성할 수 있는 인-라인 와전류 모니터링 시스템에 의 해 기판이 스캔 될 수 있다. 측정은 각상으로 분리된 다수의 영역들, 특히 기판의 에지 부근에서 각상으로 분리된 다수의 지점에서 수행될 수 있다. 일 구현예에서, 기판의 각상으로 분리된 반경 세그먼트들(radial segments)을 따라 다수의 스캔들이 수행된다.
주어진 반경 범위 내에서 각상으로 분리된 다수의 지점의 두께 값들은 기판 각각의 방사상 구역에 대한 평균값을 결정하기 위해 서로 평균화될 수 있다. 이러한 평균 값(반경 범위 내에서 각상으로 분리된 다수의 지점으로부터의 측정치 포함)은 프로세스 제어를 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 기판의 금속층의 두께가 연마 이전에 측정될 경우, 평균값, 특히 기판 에지에 대한 평균 두께 값은 웨이퍼 내의 불균일성을 감소시키기 위해 기판에 대한 연마 시스템(예를 들어, 캐리어 헤드에 의해 인가되는 압력)을 제어하는데 이용될 수 있다. 기판이 연마 이후 측정될 경우, 평균값, 특히 기판 에지에 대한 평균 에지 두께 값은 웨이퍼-대-웨이퍼 불균일성을 감소시키기 위해 차후 기판에 대한 연마 시스템(예를 들어, 캐리어 헤드에 의해 인가되는 압력)을 제어하는데 이용될 수 있다.
선택적으로, 두께 값들은 기판의 각 분석을 위해 개별적으로 유지될 수 있다. 예를 들어, 층이 제거되었는지(예를 들어, 하부에 놓인 층이 노출되었는지) 여부를 결정하기 위해 연마 이후 기판이 측정될 경우, 기판 에지 부근에서 각상으로 분리된 공간에서 다수의 측정의 사용은 층이 완전히 제거되었다는 결정에 대한 신뢰성을 개선할 수 있다. 금속층이 소정의 각진 영역들에서 유지되는 경우, 시스템은 기판이 언더연마되었으며 연마가 더 필요하다는 것을 결정할 수 있다.
도 1은 인-라인 와전류 계측 시스템(40)의 예시적인 구현을 나타낸다. 도 1에 도시된 것처럼, 시스템(40)은 와전류 센서(102), 수직 위치 센서(104) 및 수평 위치 센서(106)를 지지하는 하우징(100)을 포함한다. 본 예시적인 구현예에서, 수평 위치 센서(106)는 다수의 광학적 위치 센서들(106a-h)을 포함한다. 와전류 센서(102)는 센서 헤드들(103a, 103b)을 포함한다.
기판(10)은 일반적으로 수평 위치에 있는 계측 시스템(40)으로 도입되고 예를 들어, 로봇(예를 들어, 도 2에 도시되는 웨트(wet) 로봇(24))에 의해 또는 기판 프로세싱 시스템에 포함될 수 있는 기판을 이동 및/또는 조작할 수 있게 설계된 다른 디바이스에 의해 시스템(40) 속으로 측방으로 이동한다. 동작 동안, 와전류 센서(102)는 시스템(40) 속을 기판이 이동함에 따라 기판(10)을 점진적으로 스캔한다.
수직 위치 센서(104)는 수직 거리(108)를 결정하는데 이용된다(즉, 수직 위치 센서(104)의 바닥에서 기판(10)의 상부로의 거리가 측정된다). 거리(108)(z-거리로도 간주될 수 있음)가 결정되고 로봇에 공급되어 센서 헤드들(103a, 103b)에 대해 일정한 기판 거리를 보장하도록 기판 수직 위치를 조절할 수 있게 로봇에 의해 사용되고/사용되거나 와전류 센서(102)에 공급되어 센서 헤드들(103a, 103b) 각각으로부터 기판(10)의 거리 변화에 의해 야기되는 부정확한 두께 측정이 보정된다. 와전류 감지는 기판과 센서 헤드들 간의 거리에 따라 좌우될 수 있다. 예를 들면, 거리(108)는 웨이퍼 진동으로 인해 변할 수 있다. 수직 위치 센서(104)는 기판(10)이 프로브(100)에 완전히 위치되고 스캐닝이 시작되기 이전에 거리(108)의 측정을 수행할 수 있다. 이는 기판 에지(110)가 위치 센서(106a)에 의해 결정될 때 이루어질 수 있다. 기판(10)을 처리하기 위해 사용되는 로봇은 기판(10)의 수직 위치를 조절하도록 명령될 수 있다.
일부 구현예에서, 수평 위치 센서(106)는 시스템(40)의 고정된 위치들에서 기판(10)의 측방 지점을 결정할 수 있다. 예를 들어, 수평 위치 센서(106)는 시스템(40) 속으로의 초기 입구에서 시스템(40)의 엔딩 위치로 기판(10)의 측방 기판 이동을 추적할 수 있다. 일부 구현예에서, 위치 센서들(106a-h)은 시스템(40)내에서 고정되고 미리 결정된 위치들에 배치된다. 각각의 위치 센서(position sensor)는 다른 위치 센서들을 기준으로 등가적으로 이격될 수 있다.
와전류(eddy current) 센서(102)는 기판이 시스템(40)에 진입함에 다라 기판(10)을 감지하여, 기판(10)을 따르는 개별 지점들(discrete points)에서 기판(10)의 연속적인 측정을 취한다. 기판 두께는 기판(10)의 스캐닝된 반경을 따라 개별적인 측정 지점들에서 결정될 수 있다. 기판(10)은 200mm 직경의 원형 기판, 300mm 직경의 원형 기판, 또는 다른 직경을 갖는 기판일 수 있다. 일부 구현예에서, 기판은 원형이 아닐 수 있다.
일부 구현예에서, 위치 센서들(106a-h)은 25mm로 떨어져 있다. 동작 동안, 위치 센서(106a)는 기판 에지(110)의 존재를 검출한다. 이러한 검출은 기판 스캔의 시작 표시로서 이용될 수 있다. 또한, 상기 검출에 따라, 기판 수직 위치가 조절될 수 있다. 다음, 기판은 대향 센서 헤드들(103a, 103b) 사이의 갭을 통해 이동한다. 기판 두께의 와전류 측정은 기판(10)이 와전류 센서(102)를 통과함에 따라 점진적으로 채택된다. 또한, 기판이 스캔됨에 따라, 기판 에지(110)는 각각의 연속하는 위치 센서(106b-106)에 의해 검출된다. 일부 구현예에서, 다중의 와전류 센서 측정은 각각의 위치 센서(106a-h) 사이에서 기판(10)이 이동할 때 시스템(40)에 의해 채택된다. 와전류 센서 측정은 전체 25회 와전류 측정을 얻기 위해 미리 결정된 시간 주기 동안 각각의 위치 센서(106a-h) 사이에서 25mm 거리를 두고 걸쳐진 기판(10)을 따라 1mm 증가치에서 채택될 수 있다.
일부 구현예에서, 이러한 측정 프로세스는 기판의 반경(예를 들어, 기판 에지로부터 기판 중심부)이 측정될 때, 다중의 각을 이루게 분리된 반경 세그먼트들이 측정될 때, 또는 기판 에지 부근에서 상당 수의 위치들이 측정될 때, 기판 스캐닝이 중단될 때까지 지속된다. 이러한 예에서, 기판(10)이 300mm 기판인 것으로 가정하면, 시스템(40)은 150 측정 지점들에서 측정들이 얻어지도록(예를 들면, 1mm 마다 측정됨) 300mm 기판의 반경을 스캔한다. 도 1에 도시된 인-라인 와전류 계측(metrology) 시스템(40)을 이용할 수 있는 기판 프로세싱 시스템이 도 2에 도시된다. 도 2를 참조로, 기판 프로세싱 시스템은 화학적 기계적 연마기(22), 클리너(26), 팩토리 인터페이스 모듈(28), 인-라인 와전류 계측 시스템(40), 기판 이송 시스템(30) 및 제어기(32)를 포함한다. 유사한 기판 프로세싱 시스템의 설명은 미국 특허 No.6,413,145호에서 설명되며, 이들 전체는 본 명세서에서 참조된다.
기판들(10), 예를 들어, 웨이퍼들은 웨이퍼 카세트들(12)(예를 들어, 카세트들(12a-12d)은 총체적으로 웨이퍼 카세트들(12)로 간주됨)에서 기판 프로세싱 시스템(20)으로 이송될 수 있다. 기판 이송 시스템(30)은 카세트들(예를 들어, 웨이퍼 카세트(12))로부터 홀딩 스테이션(150)으로 또는 클리너(26)의 출력에서 다시 카세트들로 기판들을 이동시키기 위한 팩토리 인터페이스 로봇(130), 및 홀딩 스테이션(150), 연마기(22) 및 클리너(26)의 입력 사이에서 기판들을 이동시키는 웨트(wet) 로봇(24)을 포함한다. 기판들은 연마기(22)로의 이송을 위한 팩토리 인터페이스 모듈(28), 및 클리너(26)에 의해 카세트들(12)로부터 추출된다. 기판 프로세싱 시스템(20)의 동작들은 예를 들어, 분산형 제어 소프트웨어를 실행시키는 하나 이상의 프로그램가능한 디지털 컴퓨터들인 제어기(32)에 의해 조절될 수 있다.
인-라인 와전류 계측 시스템(40)은 인-라인 와전류 계측 시스템(40)에 대해 다른 적절한 위치가 사용될 수 있지만, 클리너(26)와 연마기(22) 부근, 이를 테면 웨트 로봇(24) 근처 영역에 위치될 수 있다. 웨트 로봇(24)은 시스템(40)으로 기판(10)이 위치설정되도록 구성될 수 있다. 웨트 로봇(24)은 그리퍼를 가지는 암 또는 진공 척을 이용하여 기판(10)을 홀딩할 수 있고, 수직축 부근의 회전뿐만 아니라, 수평 및 수직으로 연장되고 접힐 수 있도록 구성될 수 있다.
선택적으로, 기판(10)은 팩토리 인터페이스 로봇(18)에 의해 시스템(40) 속으로 측방향으로 이동할 수 있다. 예를 들어, 시스템(40)은 임시 저장기(150)의 일부 또는 인터페이스 모듈(28)에 서스펜딩된 시스템으로서 팩토리 인터페이스 모듈(28)에 위치되거나, 또는 팩토리 인터페이스 모듈(28)과 접하는 모듈(30)일 수 있다. 시스템은 다른 위치에 배치될 수 있고, 다른 로봇 또는 장치가 시스템(40)으로 기판을 이동시킬 수 있다.
제어기(32)는 인-라인 와전류 모니터링 시스템(40)뿐만 아니라 연마 시스 템(22)을 포함하는 시스템(20)의 다른 부품들에 접속된 디지털 컴퓨터일 수 있다. 제어기(48)는 모니터링 시스템(40)을 통해 기판(10)을 이동시키기 위해, 수평 위치 센서(106) 및 수직 위치 센서(104)에 의해 결정됨에 따라 시스템(40)을 기준으로 기판 측방 및 수직 위치 정보를 저장하고, 모니터링 시스템(40)으로부터 수신된 신호들을 저장하고, 신호들로부터 기판상의 상이한 지점들에서 전도성층(12)의 두께를 결정하기 위해 기판을 홀딩하는 로봇, 예를 들면, 웨트 로봇(24)을 제어하도록 프로그램될 수 있다. 일 구현예에서, 웨트 로봇(24)은 프로브(100) 내에서 정확한 위치로 기판(10)을 유도할 수 있고, 결정된 이동 속도로 기판(10)을 프로브(100)속으로 측방으로 이동시킬 수 있다.
인-라인 와전류 계측 시스템(40)은 연마기(22)에 의해 기판(10)을 연마하기 이전 및/또는 이후에 기판(10) 상에 있는 전도성층의 두께를 측정하도록 구성될 수 있다. 기판(10)은 기판의 추가 연마가 필요한 경우를 결정하기 위해 연마 프로세스 동안 특정 지점들에서 웨트 로봇(24)에 의해 시스템(40)으로 이송될 수 있다.
웨트 로봇(24)은 팩토리 인터페이스 로봇(130)과 유사할 수 있으며, 스테이징 섹션(176)과 연마기(22) 사이에서 기판을 이송할 때 기판을 조절하는 광범위한 이동 범위를 제공할 수 있다. 예를 들어, 웨트 로봇(24)은 와전류 계측 시스템(40)으로 기판(10)을 위치시키도록 구성될 수 있다. 웨트 로봇(24)은 그리퍼를 가지는 암 또는 진공 척을 이용하여 기판(10)을 홀딩할 수 있으며, 수직 축 부근에서의 회전뿐만 아니라, 수평으로 그리고 수직으로 연장 및 수축되도록 구성될 수 있다.
일부 구현예에서, 단일의 통합된 시스템 내에서 팩토리 인터페이스 유닛, 연마기, 클리너 및 인-라인 와전류 계측 시스템의 배치, 각각의 기판들의 연마 모니터링은 프로세싱 시스템에서 수행되는 프로세싱 단계들의 표준 세트의 일부로서 수행된다.
수직 거리(108)에 대한 값은 제어기(32)로 전송될 수 있고, 이에 응답하여 제어기(32)는 예를 들어, 기판 진동을 정정하기 위해 웨트 로봇(24)이 시스템(10)에서 기판 위치를 조절하도록 명령할 수 있다. 앞서 개시된 것처럼, 와전류 센서(102)는 기판(10)이 시스템(40)으로 진입함에 따라 기판(10)을 감지하여, 기판의 반경을 따른 개별 지점들에서 기판(10)의 측정 시퀀스를 취할 수 있다. 제어기(32)는 이러한 측정치를 수신하고, 각각의 개별 측정 지점들과 관련된 해당 기판 층 두께를 결정할 수 있다. 예를 들어, 와전류 계측 시스템(40)은 300mm 기판을 스캔할 수 있고 기판(10)을 따라 1mm 증가치에서 신호들 및 데이터를 제어기(32)로 전송할 수 있다. 신호들 및 데이터는 예를 들어, 기판 측방 위치 정보(예를 들어, 25mm 뒤의 와전류 센서(102)), 와전류 센서(102)로부터의 와전류 전압, 및 와전류 센서(102)를 기준으로 기판(10)의 수직 높이(예를 들어, 거리(108))를 포함할 수 있다. 와전류 전압이 어떻게 검출되고 와전류 데이터로서 대응되게 생성되는 방법에 대한 상세한 설명은 예를 들어, 미국 특허 No.7,112,960호에 개시되어 있으며, 이는 본 발명에서 참조된다.
이러한 신호들 및 데이터 지점들은 기판(10)을 따라 측정되는 각각의 지점에서 기판 층 두께 측정치를 결정하기 위한 신호 프로세싱 알고리즘에 의해 처리될 수 있다. 하기에서 보다 상세히 개시될 도 6은 기판(10)의 반경을 따른 위치에 대해 도시된 측정된 기판 층 두께의 예시적 그래프를 나타낸다.
도 3은 와전류 센서에서 이용될 수 있는 예시적인 와전류 센서 헤드(300)(예를 들어, 도 1을 참조로 도시된 것처럼 와전류 센서(102)에서 와전류 센서 헤드들(103a, 103b))을 나타낸다. 와전류 센서 헤드(300)는 포트 코어(pot core)(302) 및 코일(304)을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 코어(302)는 스플릿 페라이트 포트 코어일 수 있다. 예를 들어, 일 구현예에서, 코어(302)는 약 9mm의 직경 및 약 4mm의 높이를 가질 수 있다. 다른 구현예에서, 코어는 다른 구성 및 크기들을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 코일(304)은 26-32개의 게이지 와이어(gauge wire)를 포함하며 약 10-30개의 권선수(turns)를 가질 수 있다. 다른 구현예들에서, 다른 와이어 크기 및 코일 구성이 사용될 수 있다.
AC 전류에 의해 구동될 때, 센서 코일(304)은 기판의 전도성층의 표면에 와전류를 유도하는 진동 자기장을 생성할 수 있다. 생성된 와전류는 전도성층의 AC 전류 및 임피던스에 의해 생성되며 전도성층의 두께 및 저항률과 관련되는 자성 B-필드의 세기와 관련될 수 있다. 따라서, 층의 두께는 센서 코일에 의해 검출된 와전류 및 공지된 저항률을 기초로 결정될 수 있다.
일부 구현예에서, 다른 형태의 와전류 센서 헤드들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 센서 헤드들은 제 1차 코일이 AC 전류에 의해 구동되고 진동 자기장이 생성되고, 제 2차 픽업 코일이 테스트 물체로부터 응답 신호를 수신하는 경우 2개의 코일을 포함할 수 있다.
도 4a는 도 1의 예시적인 인-라인 와전류 계측 시스템(40)의 블록도(400)이다. 도 4b는 도 1의 예시적인 인-라인 와전류 계측 시스템의 투시도(450)이다. 도 4a 및 도 4b를 참조로, 시스템(40)은 직렬 또는 병렬 회로와 접속될 수 있는 센서 헤드들(103a, 103b)을 포함하는 와전류 센서(102)를 포함한다. 센서 헤드들(103a, 103b)은 각각 브라켓(bracket)들(452a, 452b) 상에 장착될 수 있어, 헤드들(103a, 103b)은 서로 미리 결정된 거리를 두고 떨어져 있어 이들 사이에는 게이트 또는 갭이 형성된다. 게이트 거리는 측정되는 기판의 크기에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 반도체 기판상에 증착되는 층들의 두께를 측정하기 위해 반도체 제조시 이용되는 범위는 약 2-6mm일 수 있다. 이러한 범위는 적절한 스폿(spot) 크기, 신호 세기 및 전형적인 반도체 프로세싱 분야에서 신뢰성 있는 처리를 제공한다.
와전류 센서 헤드들(103a, 103b)은 센서 헤드들(103a, 103b)을 구동시키기 위한 AC 전류를 생성할 수 있는 센서 보드 회로(402)와 접속될 수 있다. 센서 보드 회로(402)는 기판 전도성층 두께를 나타내는 전류 헤드들(103a, 103b)로부터의 픽업 와전류 신호를 수신할 수 있다. 전압 형태를 갖는 픽업 와전류 신호는 하기 개시되는 바와 같이, 프로세싱을 위해 픽업 신호를 디지털 신호로 변환시키기 위한 아날로그 대 디지털 변환기를 포함할 수 있는 제어기(404)로 전송될 수 있다.
센서 코일들(예를 들어, 코일(304))을 구동시키기 위해 사용되는 AC 전류는 변할 수 있다. 일부 구현예에서, 구동 전류는 약 300kHz 내지 5MHz의 주파수들에 있을 수 있다. 다른 구현예들에서, 다른 전류 값들도 가능하다.
와전류 계측 시스템(40)은 와전류 센서 헤드들(103a, 103b) 사이의 갭을 통 해 이동함에 따라, 기판(10)의 위치를 검출할 수 있는 위치 센서들(106a-h)의 어레이를 포함할 수 있다. 위치 센서들(106)은 두께 측정이 이루어질 때 기판상의 샘플링 위치들을 결정할 수 있는 제어기(404)에 접속될 수 있다. 일부 구현예들에서, 위치 센서는 이를 테면 쓰로우-빔(through-beam)형 센서인 광학 센서일 수 있다. 적절한 위치 센서들의 예로는 일본 SUNX로부터 상업적으로 이용가능한 모델 EX-11 센서가 포함될 수 있다.
일부 구현예에서, 수직 위치 센서(104)(z-위치 센서로도 간주됨)는 거리 및 진동 영향을 보상하기 위해 와전류 센서(102)에 의해 생성된 로우 데이터(raw data)에 적용될 수 있는 거리 관련 보상 팩터를 결정하도록 기판(10)과 센서 헤드들(103a, 103b) 간의 거리를 측정할 수 있다. 적절한 수직 위치 센서들에 대한 예로는 레이저 거리 센서가 포함될 수 있다. 이러한 센서의 예로는 일본 OMRON로부터 상업적으로 이용가능한 모델 XZ-30V 센서를 포함할 수 있다.
제어기(404)는 센서(106)로부터의 각각의 판독치들(readings)을 기초로 다양한 샘플링 위치들에서 기판 전도성층의 두께를 계산할 수 있다. 일부 구현예에서, 제어기(404)는 아날로그 대 디지털 변환기, PLC(프로그램가능 로직 제어기), 및 PC(퍼스널 컴퓨터)를 포함할 수 있다. 아날로그 대 디지털 변환기는 와전류 센서(102) 및 수직 위치 센서(104)로부터 아날로그 신호들을 프로세싱을 위한 디지털 형태로 변환시킬 수 있다. PLC는 센서(106)로부터 감지 신호들을 수신할 수 있고 데이터 로깅(logging) 또는 수집 기능들을 수행할 수 있다. PC는 PLC로부터의 데이터를 수신하고 측정 및 보상 계산들을 수행할 수 있다. 일부 구현예에서, 측정 결과는 출력 장치(406)(예를 들어, 컴퓨터 디스플레이 또는 프린터)로 출력될 수 있다. 일부 구현예에서, 제어기(404)는 제어기(32)로 데이터를 공급하거나 또는 제어기(32)의 일부일 수 있으며(도 1 참조), 기판 프로세싱 시스템(20)에서 웨트 로봇(24)의 이동을 제어할 수 있다. 웨트 로봇(24)은 프로브(100) 내에서의 정확한 위치로 기판(10)을 유도할 수 있고 결정된 이동 속도로 프로브(100) 속으로 기판을 측방향으로 이동시킬 수 있다.
다양한 방법들이 와전류 센서 판독치들로부터 기판(10)의 두께를 계산하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 방법 중 하나는 센서 판독 보정 곡선들을 생성하기 위해 공지된 전도성층 두께를 가지는 특정 기판들에서 취해진 와전류 센서 판독치들의 실험 데이터를 이용할 수 있다. 다음 와전류 센서 판독치들은 측정된 전도성층들의 두께를 결정하기 위해 보정 곡선들에 대해 맵핑될 수 있다. 이는 도 9에서 보다 상세히 설명될 것이다.
예를 들어, 도 1 및 도 4b를 참조로, 와전류 계측 시스템(40)은 기판(10) 상의 전도성층의 두께를 결정하는데 이용될 수 있다. 웨이퍼는 로봇 암(예를 들어, 도 2의 웨트 로봇(24))에 접속된 엔드 이펙터(end effector)(38) 상에 위치될 수 있다. 다음 로봇 암은 와전류 센서 헤드들(103a, 103b)의 쌍에 의해 형성된 게이트를 통해 웨이퍼를 이동시키기 위해 동작할 수 있다. 웨이퍼가 와전류 센서 헤드들(103a, 103b)의 쌍에 의해 형성된 게이트를 통해 이동함에 따라, 웨이퍼는 웨이퍼의 리딩 에지(leading edge)(예를 들어, 기판 에지(110))에 의해 연속적으로 가동되거나(tripped) 또는 동작될 수 있는 위치 센서들(106)의 어레이를 통과하게 된 다. 감지 루틴(sensing routine)은 웨이퍼가 제 1 위치 센서(106a)를 통과할 때 구동될 수 있다. 감지 루틴은 주기적인 두께 판독치(예를 들어, 1,000 판독치/초의 샘플링 속도)를 취하는 와전류 센서(102), 및 웨이퍼의 속도를 결정하기 위해 웨이퍼 에지(예를 들어, 기판 에지(110))가 각각 연속하는 센서를 통과하는 시기를 검출하는 위치 센서(106)를 포함한다. 이러한 정보를 이용하여, 제어기(404)는 웨이퍼 상의 각각의 샘플링 지점의 위치 및 각각의 샘플링 지점에 측정된 두께를 결정할 수 있다. 이런 방식으로, 두께 측정치는 웨이퍼 양단으로 연장되는 주어진 선을 따라 취해질 수 있다. 웨이퍼 양단의 상이한 라인들을 따른 측정치는 필요한 경우, 원하는 위치로 웨이퍼를 회전시키고 측정을 하는 동안 시스템(40)을 통해 웨이퍼를 이동시킴으로써 취해진다. 이는 도 5에 보다 상세히 개시된다.
일부 구현예에서, 와전류 계측 시스템(40)은 비행(on-the-fly) 동안, 즉 웨이퍼가 센서 헤드들(103a, 103b) 사이의 갭을 통해 이동하는 동안 측정을 수행할 수 있다. 높은 샘플링 속도가 가능하며, 이는 웨이퍼 두께가 신속하게 측정될 수 있게 한다. 일부 구현예에서, 약 300mm의 직경을 갖는 웨이퍼는 약 2,000 샘플링 지점들에서, 약 2초 측정된다. 다른 구현예에서, 각각, 보다 짧은 또는 보다 긴 측정 시간에 해당하는 보다 많은 샘플링 지점 또는 보다 적은 샘플링 지점에서 다른 샘플링 속도가 이용될 수 있다.
일부 구현예에서, 기판(10)의 반대 측면 상의 2개의 와전류 센서 헤드들(예를 들어, 센서 헤드들(103a, 103b))을 이용함으로써, 센서 헤드들을 향하는 또는 센서 헤드들로부터 떨어진 주어진 샘플링 지점의 부주의한 이동(센서 헤드들 간의 갭을 통한 기판의 이동에 의해 발생)은 측정에 큰 영향을 미치지 않을 수 있다. 이는 각각의 샘플링 지점에서 보다 정확한 측정이 이루어지게 한다. 또한, 광범위한 위치설정 제어 메커니즘이 더 이상 필요 없어, 빠른 측정이 이루어질 수 있다. 센서 판독치들은 와전류 센서 헤드들 간의 갭을 통해 기판을 이동시킴에 따라 연속적으로 이루어질 수 있다.
일부 구현예에서, 웨이퍼 상의 전도성층의 빠르고 정확한 두께 측정은 필요한 경우, 원하는 전도성층 두께를 얻기 위한 정확한 동작을 취할 수 있다. 예를 들어, 전반적으로 균일한 두께의 전도성층이 요구되고 측정치가 두께가 충분히 균일하지 않다는 것을 나타내는 경우, 웨이퍼는 선택적인 화학적 기계적 연마, 전기화학적 기계적 연마, 또는 목표된 균일한 두께를 얻기 위한 다른 프로세스로 처리될 수 있다. 일부 실시예에서는, 예를 들어, 제어기(404)가 기판(10)의 측정된 층 두께에 기초하여 연마기(polisher, 22)의 연마 프로세스를 조정하도록 프로그램될 수 있거나, 제어기(404)가 이 기능을 수행하도록 제어기(32)에 데이터를 보낼 수 있다. 연마기(22)의 연마 프로세스는 예를 들어 디-플레이팅(de-plating) 전압을 수정함으로써 조정될 수 있다. 다른 실시예에서, 단일 제어기가 와전류 측정 시스템(40) 및 기판 처리 시스템의 다른 부분들을 제어하는 것과 관련된 기능을 수행하기 위해 사용될 수 있다.
기판 웨이퍼의 전도성층의 두께는 웨이퍼를 연마하기 전에 측정될 수 있다. 예를 들어, 제어기(404)는 전도성층의 두께와 연관된 센서 보드(402)로부터 신호를 수신할 수 있다. 제어기(404)는 연마기(22)의 연마 종료점 알고리즘 또는 연마 파 라미터들을 조정하기 위해 이 데이터를 이용할 수 있다. 대안으로 또는 이에 부가하여, 기판의 전도성층의 두께는 기판의 연마 이후에 측정될 수 있다. 제어기(404)는 후속 기판에 대한 종료점 알고리즘 또는 연마 파라미터를 조정하기 위해 이 신호를 이용할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기(404)는 기판의 연마를 위한 기판 처리 시스템(20)을 제어할 수 있는 제어기(32)로 센서 데이터를 보낼 수 있다.
도 5는 시스템(40)에 의해 스캐닝될 수 있는 기판(502)상의 반경(500)의 예를 도시한다. 이 예에서, 도 1, 4a 및 4b를 참조하여 기재되었던 기판(502)의 반경(500)을 따라서 기판 스캐닝이 수행되고, 기판 두께가 결정된다. 기판(502)의 반경(500)은 각도(504, α)만큼 동일하게 이격된다. 대안으로 반경(500)은 가변적으로 이격될 수 있다.
동작 중에, 기판(502)이 와전류 센서(가령, 와전류 센서(102))로 접근함에 따라, 기판 스캐닝은 시스템(40)에 의해 반경(500a)을 따라 기판(502)을 스캐닝함으로써 시작되어 반경(500a)과 연관된 기판 두께 프로파일을 획득한다. 그 후, 기판(502)이 각(504a)의 값만큼 반시계방향으로 회전된다. 기판(502)은 그 후 시스템(40)에 의해 반경(500b)을 따라 스캐닝되고, 반경(500b)을 따른 기판 두께 프로파일이 결정된다. 기판(502)은 다시 각도(504b)의 값만큼 반시계방향으로 회전된다. 기판(502)은 그 후 시스템(40)에 의해 반경(500c)을 따라 스캐닝되고, 반경(500c)을 따른 기판 두께 프로파일이 결정될 수 있다. 기판(502)은 각도 α만큼 다시 회전될 수 있고 또 다른 반경을 따라 스캐닝될 수 있다. 일부 실시예에서, 이 프로세스는 기판(502)이 360° 만큼 (가령 시계방향 또는 반시계방향) 회전되었고 모든 반경(500)이 스캐닝되었을 때까지 계속된다.
각도, α는 360°로 동일하게 분할가능하며, 이는 기판(502)의 외주면을 따른 동일한 회전 증가를 가능하게 한다. 도 5에 도시된 예에서, 각도, α는 22.5°와 동일하다. 이에 의해 16개의 반경(500)의 스캐닝이 얻어진다. 다른 실시예에서, 각도 α는 22.5° 미만일 수 있고, 예를 들면, 2.5°이다. 이에 의해, 기판에서 144개의 반경의 스캐닝이 얻어진다. 다른 실시예에서, 각도 α는 22.5°보다 클 수 있고, 예를 들면, 45°이다. 이 때 기판은 8개의 반경을 따라 스캐닝될 수 있다. 일반적으로, 기판 두께 특성화는 더 큰 수의 스캐닝된 반경으로 보다 정밀하게 묘사될 수 있다. 그러나, 많은 반경의 스캐닝은 더 긴 기판 두께 특성화 공정에 이르게 된다. 각도, α의 값의 결정은 따라서, 기판 두께 측정 정밀도와 기판 스캐닝 시간 사이의 트레이드 오프(trade off)일 수 있다. 6 내지 20개의 반경이 만족스러운 정밀도를 제공하기 위한 적절한 스캐닝의 수일 수 있다.
또한, 스캐닝은 반경을 스캐닝하는 것에만 제한되지 않고, 대신, 충분한 수의 측정을 수집하기 위하여 기판을 교차하는 임의의 특정 길이(가령 직경)를 스캐닝할 수 있다. 또한, 만약 기판이 로봇에 의해 회전가능하다면, 스캐닝이 아크를 따라, 특히 축 두께 변화가 더욱 잘 발생할 것 같은 기판 에지 부근에 있는 아크에서 수행될 수 있다.
각각의 반경의 스캐닝의 결과들은 함께 수집되어 기판층에 대한 평균 두께를 결정하도록 평균될 수 있다. 예를 들어, 하나의 반경의 스캐닝의 결과는 그 반경 을 따른 기판 층의 평균 두께를 결정하기 위해 평균될 수 있다. 이는 각각의 스캐닝된 반경에 대해 행해질 수 있다. 각각의 반경에 대한 평균 두께는 그 후 수집되어 기판층의 평균 두께를 결정하기 위하여 평균된다. 다른 예에서, 각각의 반경의 스캐닝의 결과들은 수집될 수 있다. 일단 모든 반경이 스캐닝되었다면, 모든 결과들이 서로 다른 반경 영역들에 대해 서로 합해지고, 각각의 영역에 대한 측정값은 그 영역에 대한 기판의 평균 두께를 결정하기 위해 평균될 수 있다.
도 6은 도 1의 측정 스테이션에 의해 측정된 기판의 반경을 따른 기판층 두께의 예시적인 그래프(600)를 도시한다. 그래프(600)는 x-축(604)을 따라 밀리미터(mm) 단위로 측정된 기판의 반경상의 위치에 대해 플로팅된 y-축을 따라 옹스트롱 단위인 기판층 두께 측정값을, 특정 반경에 대한 두께 측정값의 변화의 범위를 나타내는 에러 바아들(error bars)로 도시한다. 반경은 기판의 중앙으로부터 기판 에지까지 걸쳐 있다. 이 예에서, 측정된 기판은 300mm 기판이며, 따라서, 기판의 반경은 150mm이다.
그래프(600)는 전술한 것처럼 기판 표면에서의 에지 영향을 도시한다. 도시된 것처럼, 에지에서의 두께는 에지 자체에서를 제외하고는 일반적으로 기판의 중심에서의 두께보다 크다. 또한, 도시된 것처럼, 두께의 변화는 기판의 에지 자체에서 두드러진다.
따라서, 일부 실시예에서, 기판의 다수의 측정이 도 5를 참조하여 기재된 것처럼, 기판 표면을 따라 상이한 반경에서 취해질 수 있다. 각각의 측정된 반경은 그래프(600)에서 도시된 것과 상이한 두께 측정으로 귀결된다. 전술한 것처럼, 기 판 표면을 따라 다양한 반경에서 취해진 두께 측정은 다양한 반경 영역(특히 에지 영역) 내부에서 서로 평균되어서 그 영역내의 기판층 두께의 각 변화를 고려하는 평균 값을 얻을 수 있어서, 기판층 두께의 보다 정밀한 측정을 제공한다. 평균 두께를 이용하여, 연마는 기판이 소정의 평탄화된 두께 프로파일을 획득하는 것을 보장하도록 조정될 수 있다.
도 7은 기판의 전도성층의 두께를 모니터링하는 방법(700)의 흐름도를 도시한다. 방법(700)은 도 1 및 도 2를 참조하여 도시된 기판 처리 시스템(20)의 일부인 와전류 측정 시스템에서 수행될 수 있다. 방법(700)은 와전류 시스템(40) 부근에 기판(10)을 위치시키고 기판(10)을 시스템(40)으로 삽입함으로써 시작된다(702). 예를 들어, 기판(10)은 웨트 로봇(wet robot, 24)에 의해 처리될 수 있다. 웨트 로봇(24)이 기판(10)을 이동시킴에 따라, 기판(10)이 와전류 센서(102)를 통과할 때 와전류들이 기판(10)의 전도성 영역에 유도된다(704). 제어기(48)는 측정 위치에서 기판의 두께를 결정하기 위해 사용될 수 있는 신호(706)를 수신한다.
다음, 제어기(48)는 인-라인 시스템(40)으로부터 기판 위치 정보를 수신한다(708). 만약 기판 에지(110)가 검출되지 않으면, 스캐닝이 계속된다(704). 만약 기판 에지(110)가 검출되면(710), 웨트 로봇(24)은 시스템(40)으로부터 기판을 제거한다(712). 웨트 로봇(24)은 기판(10)을 각도 α만큼 회전시킨다(714). 각도 α는 반시계 방향으로의 회전의 각도의 미리결정된 수이다. 만약 기판(10)이 기판(10)의 제1 반경 스캔으로부터 360° 회전되면(716), 본 방법(700)은 종료된다. 만약 기판(10)이 360° 완전히 회전되지 않았다면(716), 본 방법(700)은 계속된다(702).
방법(700)의 대안의 실시예에서, 웨트 로봇(24)은 팩토리 인터페이스 로봇(18)이거나, 기판 처리 시스템내에서 기판을 포획, 이동, 및/또는 회전시키기 위해 사용되는 또 다른 유사한 장치일 수 있다. 또 다른 대안의 실시예에서, 기판(10)은 시계방향으로 회전될 수 있다.
도 8은 기판의 층 상의 전도성층의 두께를 모니터링하기 위한 대안의 방법(800)의 흐름도이다. 본질적으로 단계(802-810)는 방법(700)에서 수행된 단계(702-710)와 동일하다. 그러나, 기판 에지의 검출시에 시스템(40)으로부터 기판(10)을 제거하는 것이 아니라, 기판(10)은 각도 α만큼 회전된다(812). 각도 α는 반시계방향으로의 회전의 각도의 미리정해진 수이다. 만약 기판(10)이 기판(10)의 제1 반경 스캔으로부터 360° 회전되었다면(814), 웨트 로봇(24)은 시스템(40)의 프로브(100)로부터 기판(10)을 제거한다(816). 도 7에 도시된 방법과 달리, 기판(10)은 다수의 측정들이 획득되었을 때까지 프로브(100)에 남아 있다.
도 9는 기판 두께에 대한 와전류 출력의 그래프(900)이다. 와전류 출력은, x 축(904)을 따르는 옹스트롱(Å) 단위의 웨이퍼 두께에 대해 도시된 y 축상에 도시된다. 이 도면에 도시된 데이터는 와전류 측정 시스템(40)의 조정에 사용될 수 있다.
기판을 시스템(40)의 내부 및 외부로 이동하기 위해 사용되는 조작적 핸들링 메커니즘(manipulative handling mechanism)(가령, 웨트 로봇(24))의 이동 속도는 기판 스캔 동안 최소 진동 레벨 및 일정한 속도에 대해 최적화될 수 있다.
도 1을 참조하여 기재된 것처럼, 시스템(40)내에서 기판(10)의 수직 거리(108)가 조정될 수 있다. 조정은 기판을 최적화된 위치에서 프로브(40)내에 위치시킴으로써 수행될 수 있고, 와전류 측정 출력이 최소화된다. 조정 동안, 다수의 기판 스캔들이 다수의 수직 거리 위치들에 대해 수행될 수 있어서, 와전류 센서(102)의 자기 중심을 결정하고 높이 보상 알고리즘을 조정한다.
공지된 두께를 갖는 기판들은 그래프(900)에 도시된 것처럼, 측정된 와전류 전압을 기판 두께와 상관시키기 위하여 시스템(40)에 의해 스캐닝될 수 있다. 조정 기판 웨이퍼들의 두께 범위는 시스템(40)의 측정의 범위를 정의하기 위해 사용될 수 있다. 시스템(40)의 측정 범위 및 정밀도는 15,000 옹스트롱을 넘는 기판 두께 값들에 대한 그래프(900)에서 도시된 것처럼, 와전류 센서의 비선형에 의해 제한될 수 있다.
시스템(40)의 보정에 영향을 줄 수 있는 인자들은 기판 도핑 및 막 저항성 변화에 관련이 있다. 기판 도핑은 와전류 센서 전압 값에 영향을 줌으로써, 기판의 두께의 판독에 있어서 오프셋을 발생시킬 수 있다. 와전류 센서 전압 측정값은 막 전도성에 의존하여 변할 수 있다. 어닐링되지 않은 웨이퍼들은 두께 측정의 정밀도를 보장하도록 측정이 이루어지기 이전에 시스템(40)내에서 다시 보정될 수 있다.
와전류 측정 시스템(40)은 측정 스테이션에 근접하여 위치될 수 있고, 여기서 기판은 기판을 연마하기 이전 또는 이후에 측정 스테이션에서 기판 홀더에 파지 된다. 도 2를 참조하면, 인-라인 와전류 측정 시스템(40)이 웨트 로봇(24)의 영역에 위치될 수 있다. 이 위치는 기판이 연마 후에 스캐닝된다면 유리한데, 이는 기판이 연마기에 인접하여 위치되고 측정 이전에 약간의 시간 경과가 수행되기 때문이다. 와전류 측정이 이후의 기판을 연마하는 하나 이상의 처리 파라미터들을 수정하기 위해 사용되는 실시예에서, 이러한 위치는 연마기(22)로의 보다 빠른 피드백을 가능하게 한다. 위치는 또한 기판이 연마 이전에 스캐닝된다면 실용적(functional)이다.
인-라인 와전류 시스템 측정(40)에 대한 또 다른 가능한 위치는 팩토리 인터페이스 모듈(28) 내부이다. 와전류 모니터링 시스템을 팩토리 인터페이스 모듈(28) 내부에 위치시키면 연마 이전에 전도성층을 측정할 때 편리하다. 팩토리 인터페이스 로봇(130)은 저장 스테이션(50)내에 기판을 배치하기 이전에 기판을 인-라인 와전류 측정 시스템(40)으로 배치할 수 있다. 제어기(34)는 기판 데이터를 저장 스테이션(50) 내부의 그 위치로 상관시킬 수 있다. 인-라인 와전류 측정 시스템(40)에 대한 또 다른 가능한 위치는 팩토리 인터페이스 모듈(28)에 직접 부착된 모듈 내부이다.
인-라인 와전류 모니터링 시스템(40)에 대한 또 다른 가능한 위치는 팩토리 인터페이스 모듈(28)내에 위치된 저장 스테이션(50) 내부이다. 시스템(40)은 도 3을 참조하면, 슬롯(56) 상부에 위치될 수 있다. 팩토리 인터페이스 로봇(18)은 슬롯(56)에 기판을 배치하기 전에 인-라인 와전류 측정 시스템(40)으로 기판을 배치할 수 있다. 제어기(34)는 기판 데이터를 저장 스테이션(50) 내부의 이의 위치와 상관시킬 수 있다.
인-라인 와전류 측정 시스템(40)에 대한 또 다른 가능한 위치는 클리너(26) 내부의 출력 저장 스테이션(82) 및 입력 저장 스테이션(80)을 포함할 수 있다. 와전류 측정 시스템(40)은 연마기(22)의 이송 스테이션(27)과 인접하여 위치될 수 있거나, 전도성 영역의 두께가 연마 중이 아닌 기판을 연마하기 이전 및/또는 이후에 측정될 수 있는 연마기(22) 내부의 다른 위치에 위치될 수 있다.
일부 실시예에서, 제2 와전류 측정 시스템(40)이 시스템(20) 내부의 제2 위치에 포함될 수 있다. 예를 들어, 시스템(40)은 홀딩 스테이션(32)에 위치될 수 있거나, 연마 이후에 기판상의 하나 이상의 전도성 영역들의 두께를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 부가적인 와전류 측정 시스템이 팩토리 인터페이스 모듈(28)내에 위치될 수 있고, 연마 이전에 기판상의 하나 이상의 전도성 영역들의 두께를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 두 개의 측정들이 비교될 수 있다. 시스템(40) 및 임의의 부가적인 시스템이, 도 4를 참조하여 도시된 제어기(48) 및/또는 드라이브 시스템(60)의 부분 또는 전부와 같은 몇몇 요소들을 공유할 수 있다.
인-라인 와전류 측정 시스템(40)은 여러 잠재적인 이점을 가진다. 시스템(40)은 불투명 금속 층들에 적합한 비접촉 측정 기법을 제공한다. 프로브(100) 내부로 기판을 이동시키기 위해 사용되는 조작적 핸들링 메커니즘은 인-시튜 모니터링 시스템에서보다 더 느리게 와전류 센서(102)를 가로질러 기판을 이동시킬 수 있다. 결과적으로, 센서(102)는 높은 공간 해상도(spatial solution)를 가질 수 있다. 예를 들어, 밀리미터당 1 데이터 포인트(one data point per millimeter)의 스캐닝 해상도가 가능하다. 실제로, 정보는 표준 4-포인트 프로브(4PP) 기판 전도성층 측정 시스템과 필적할 만하다. 그럼에도 불구하고, 프로브(100) 내부로 기판을 이동시키기 위해 사용되는 조작적 핸들링 메커니즘은 연마기의 처리량이 영향받지 않는 센서(102)하에서 충분히 빠르게 기판을 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 웨트 로봇(24)은 1초 미만에 센서들(103a, 103b) 사이의 센서(102) 게이트 하에서 기판을 100mm(200mm 기판의 반경) 이동시킬 수 있다. 스캐닝된 반경의 수는 기판 스캐닝 프로세스의 지속시간을 결정할 것이다.
시스템은 간단하고, 견고하며 저비용일 수 있다. 시스템은 연마 시스템의 기존 부품내에 위치될 수 있고, 결과적으로 연마 시스템의 배치에 대한 변경 또는 풋프린트에서의 증가를 요구하지 않는다. 수집된 두께 데이터는 측정되고 있는 기판의 연마 공정, 또는 하나 이상의 후속 기판들의 연마 공정을 조정하기 위해 사용될 수 있다.
다수의 실시예들이 기재되었다. 그렇지만, 다양한 수정들이 발명의 사상 및 범위를 일탈하지 않고 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 다른 실시예들이 다음의 청구범위 내에 있다.
도 1은 예시적인 인-라인 와전류 계측 시스템을 나타내는 도면;
도 2는 도 1에 도시된 인-라인 와전류 계측 시스템을 포함하는 예시적인 화학적 기계적 연마 및 세정 시스템을 나타내는 도면;
도 3은 와전류 센서가 이용될 수 있는 예시적인 와전류 센서 헤드를 나타내는 도면;
도 4a는 도 1의 예시적인 인-라인 와전류 계측 시스템의 블록도;
도 4b는 도 1의 예시적인 인-라인 와전류 계측 시스템의 개략도;
도 5는 기판에 대한 예시적인 반경들을 나타내는 도면;
도 6은 기판의 반경을 따른 기판 두께의 예시적인 그래프;
도 7은 기판의 층 상에서 전도성 영역의 두께를 모니터링하는 예시적인 흐름도;
도 8은 기판의 층 상에서 전도성 영역의 두께를 모니터링하는 선택적 방법의 예시적인 흐름도;
도 9는 기판 두께에 대한 와전류 출력의 예시적인 그래프.
다양한 도면들에서 동일한 참조 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
Claims (15)
- 기판을 연마하기 위한 하나 이상의 연마 스테이션을 구비한 연마 장치 - 상기 연마 스테이션은 다수의 연마 파라미터들에 의해 동작됨 -;인-라인(in-line) 모니터링 시스템- 상기 인-라인 모니터링 시스템은,상기 연마 스테이션으로부터 떨어진 위치에 상기 기판을 홀딩시키기 위한 기판 홀더, 및상기 기판의 층 두께를 기초로 신호를 생성하기 위한 센서를 포함하고, 상기 센서와 상기 기판 홀더는 기판 엣지에 인접한 3개 이상의 각상으로(angularly) 분리된 위치들에 상기 센서를 배치하기 위해 상대적 운동을 수행하고 상기 3개 이상의 각상으로 분리된 위치들에서 측정치들을 생성하도록 구성됨 -; 및상기 센서로부터 상기 신호를 수신하고 상기 신호에 응답하여 상기 다수의 연마 파라미터들 중 적어도 하나를 제어하기 위한 제어기를 포함하는 화학 기계 연마 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 센서와 상기 기판 홀더는 상기 기판의 상기 3개 이상의 각상으로 분리된 반경 세그먼트들을 따라 상기 센서를 스캔하기 위해 상대적 운동을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 화학 기계 연마 시스템.
- 제 2 항에 있어서,상기 반경 세그먼트들은 상기 기판의 둘레에서 균등하게 각상으로 이격된 것을 특징으로 하는 화학 기계 연마 시스템.
- 제 2 항에 있어서,상기 센서와 상기 기판 홀더는 상기 기판의 6개 내지 20개의 각상으로 분리된 반경 세그먼트들을 따라 상기 센서를 스캔하기 위해 상대적 운동을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 화학 기계 연마 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 센서는 고정식이고, 상기 기판 홀더는 로봇을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계 연마 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 모니터링 시스템은 기판 엣지 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계 연마 시스템.
- 제 6 항에 있어서,상기 모니터링 시스템은 상기 기판 홀더가 상기 센서에 걸쳐서 상기 기판을 스캔함에 따라, 상기 기판의 제 1 엣지와 상기 기판의 제 2 엣지를 검출하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 화학 기계 연마 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 모니터링 시스템은 상기 기판을 수용하기 위한 개구를 포함하고, 상기 센서는 상기 개구 근처에 배치되는 것을 특징으로 하는 화학 기계 연마 시스템.
- 제 8 항에 있어서,상기 모니터링 시스템은 상기 기판의 측방향 위치를 추적(track)하도록 상기 개구 내의 고정된 미리 결정된 위치들에서 이격된 다수의 수평 위치 센서들을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계 연마 시스템.
- 화학 기계 연마 시스템으로서,기판의 연마를 위한 하나 이상의 연마 스테이션을 구비한 연마 장치 - 상기 연마 스테이션은 다수의 연마 파라미터들에 의해 동작됨 -;상기 기판을 수용하고 하나 이상의 위치들에서 상기 기판을 스캔하기 위한 프로브(probe)- 상기 프로브는,각각의 위치에서 와전류를 유도하고 대응하는 위치에 대한 막 두께를 나타내는 신호를 생성하기 위한 와전류 센서,수직 위치 센서로서 상기 기판이 상기 와전류 센서와 접촉하지 않도록 보장하기 위해 상기 수직 위치 센서와 상기 기판 사이의 수직 거리를 결정하기 위한 수직 위치 센서, 및상기 프로브에 대하여 상기 기판의 측방향 위치를 추적하기 위한 수평 위치 센서를 포함함 -; 및상기 신호를 수신하고 상기 신호에 응답하여 상기 다수의 연마 파라미터들 중 적어도 하나를 제어하기 위한 제어기를 포함하는 화학 기계 연마 시스템.
- 제 10 항에 있어서,상기 각각의 위치는 각도 α만큼 이격되고,상기 시스템은 상기 각도 α만큼 상기 기판을 회전시키도록 동작가능한 로봇을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계 연마 시스템.
- 기판의 엣지에 인접한 3개 이상의 각상으로 분리된 개별 지점들에 센서를 배치하기 위해 인-라인 모니터링 시스템에서 상기 기판에 걸쳐서 상기 센서를 스캐닝하는 단계;각각의 상기 3개 이상의 각상으로 분리된 개별 지점들에서 상기 기판의 두께와 연관된 측정 신호를 생성하는 단계; 및상기 측정 신호를 기초로 연마 장치의 연마 파라미터를 제어하는 단계를 포함하는 화학 기계 연마를 제어하는 방법.
- 제 12 항에 있어서,상기 기판을 스캐닝하는 단계는,상기 기판의 상기 3개 이상의 각상으로 분리된 반경 세그먼트들을 따라 상기 센서를 이동시키는 단계, 및각각의 상기 3개 이상의 각상으로 분리된 반경 세그먼트들 상의 하나 이상의 위치들에서 상기 기판을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계 연마를 제어하는 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 반경 세그먼트들은 상기 기판의 둘레에서 균등하게 각상으로 이격된 것을 특징으로 하는 화학 기계 연마를 제어하는 방법.
- 제 13 항에 있어서,상기 센서의 개구로부터 상기 기판을 제거함이 없이, 상기 3개 이상의 각상으로 분리된 반경 세그먼트들 사이에서 상기 기판을 회전시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계 연마를 제어하는 방법.
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