KR20060115974A

KR20060115974A - 상이한 파장을 갖는 광선으로 종료점을 검출하는 방법 및장치

Info

Publication number: KR20060115974A
Application number: KR1020060101382A
Authority: KR
Inventors: 마누커 비랭; 발터 쉔레버; 보거스로 스웨덱; 안드레아 엔. 비스베서
Original assignee: 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
Priority date: 1999-01-25
Filing date: 2006-10-18
Publication date: 2006-11-13
Also published as: EP1022093A3; US6607422B1; KR100795616B1; TW436377B; KR100715072B1; EP1022093A2; US20040058621A1; US6190234B1; JP2000326220A; KR20000053602A; US7086929B2; JP4560163B2

Abstract

화학적 기계적 연마 장치가 연마 종료점을 결정하는데 연속적으로 사용되는 두 개의 광학 시스템을 포함한다. 제 1 광학 시스템은 기판의 표면상에 충돌하는 제 1 광선을 발생시키는 제 1 광원과, 그리고 측정된 제 1 간섭 신호를 생성시키도록 기판의 표면으로부터 반사되는 광을 측정하는 제 1 센서를 포함한다. 제 2 광학 시스템은 기판의 표면상에 충돌하는 제 2 광선을 발생시키는 제 2 광원과, 그리고 측정된 제 2 간섭 신호를 생성시키도록 기판의 표면으로부터 반사되는 광을 측정하는 제 2 센서를 포함한다. 제 2 광선은 제 1 광선과 상이한 파장을 갖는다.

Description

상이한 파장을 갖는 광선으로 종료점을 검출하는 방법 및 장치 {ENDPOINT DETECTION WITH LIGHT BEAMS OF DIFFERENT WAVELENGTHS}

도 1은 본 발명에 따른 CMP 장치의 개략적 전개 사시도.

도 2는 기판의 간섭계 측정을 위한 2개의 광학 시스템을 갖는 도 1의 CMP 장치의 연마 스테이션의 부분 단면도.

도 3은 도 1의 CMP 장치의 연마 스테이션의 개략적 평면도.

도 4는 기판에 소정 각도로 충돌하고 기판의 2개의 표면으로부터 반사되는 제 1 광학 시스템으로부터의 광선을 도시하는 개략적 다이아그램.

도 5는 기판에 소정 각도로 충돌하고 기판의 2개의 표면으로부터 반사되는 제 2 광학 시스템으로부터의 광선을 도시하는 개략적 다이아그램.

도 6은 도 2의 CMP 장치에서 제 1 광학 시스템에 의해 생성될 수 있는 가상 반사 궤적의 그래프.

도 7은 도 2의 CMP 장치에서 제 2 광학 시스템에 의해 생성될 수 있는 가상 반사 궤적의 그래프.

도 8a 및 도 8b는 2개의 가상 모델 함수의 그래프.

도 9는 제 1 오프-축 제 1 광학 시스템 및 제 2 표준-축 광학 시스템을 구비한 CMP 장치의 개략적 단면도.

도 10은 기판에 수직 입사로 충돌하고 기판의 2개의 표면으로부터 반사되는 광선을 도시하는 개략적 다이아그램.

도 11은 연마 패드 내의 2개의 광학 시스템 및 하나의 윈도우를 구비한 CMP 장치의 개략적 단면도.

도 12는 연마 패드 내에 2개의 오프-축 광학 시스템 및 하나의 윈도우를 구비한 CMP 장치의 개략적 단면도.

도 13은 서로 나란히 배열된 2개의 광학 모듈을 구비한 CMP 장치의 개략적 단면도.

도 14 및 도 15는 470nm에서 피크 방사를 갖는 발광 다이오드를 사용하여 생성되는 비 여과된 반사 궤적 및 여과된 반사 궤적을 각각 도시한 도면.

도 16은 본 발명에 따른 CMP 장치의 개략적 사시도.

도 17은 도 16의 CMP 장치의 2개의 연마 스테이션의 개략적 측면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 기판 12 : 웨이퍼

14 : 박막 구조 20 : 연마 장치

22 : 연마 스테이션 23 : 운반 스테이션

24 : 플래튼 25, 51 : 중심축

28 : 패드 조절 장치 30 : 연마 패드

32 ; 보완층 34 : 덮개층

36 : 슬러리 38 : 슬러리/린스 아암

42 : 중앙 기둥 44 : 캐리어 구동 샤프트

46 : 캐리어 헤드 회전 모터 48 : 슬롯

50 : 캐리어 헤드 52 : 프로세서 (또는 컴퓨터)

54 : 출력 장치 56 : 회전 커플링

60, 80 : 구멍 62, 82 : 투명 윈도우

64, 84 : 광학 시스템 66, 86 : 광원

68, 88 : 센서 (또는 검출기) 70, 90 : 광선

72, 92 : 복귀 광선 74, 94 : 제 1 반사 광선

76, 96 : 투과 광선 78, 98 : 제 2 반사 광선

160 : 위치 센서 162, 164 : 광 단속기

본 발명은 기판의 화학적 기계적 연마(chemical-mechanical polishing)에 관한 것이며, 보다 상세히 설명하면 화학적 기계적 연마에서의 연마 종료점을 검출하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

집적 회로는 일반적으로 실리콘 웨이퍼 상에 도체, 반도체, 또는 절연 층을 순차적으로 증착함으로써 기판 상에 형성된다. 각각의 층이 증착된 이후에, 상기 층은 회로 피쳐를 형성하기 위해 에칭된다. 일련의 층들이 순차적으로 증착되고 에칭됨에 따라, 기판의 외각 또는 최상층 표면, 즉 기판의 노출된 표면은 점차적으 로 비평면화된다. 이러한 비평면 표면은 집적 회로 제조 공정의 사진석판 (photolithographic) 단계에서 문제점을 나타낸다. 따라서, 기판 표면을 주기적으로 평탄화시킬 필요가 있다.

화학적 기계적 연마는 평탄화의 한 방법으로 인정된다. 이러한 평탄화 방법은 기판이 캐리어 또는 연마 헤드 상에 장착되어질 것을 요하고 있다. 기판의 노출된 표면은 회전 연마 패드에 마주하여 위치된다. 연마 패드는 "표준" 패드(standard pad) 또는 고정된 연마 패드(fixed-abrasive pad) 중의 하나일 것이다. 표준 패드는 내구성이 강한 울퉁불퉁한 표면인 반면에, 고정된 연마 패드는 억제 매체 내에 고정된 연마 입자를 갖는다. 캐리어 헤드는 연마 패드로 기판을 가압하기 위해 기판 상에 제어 가능한 하중, 즉 압력을 제공한다. 적어도 하나의 화학 반응제, 및 표준 연마 패드가 사용된 경우의 연마 입자를 포함한 연마 슬러리가 연마 패드의 표면에 제공된다.

CMP 공정의 효과는 공정의 연마 속도, 연마 표면의 (소규모의 거친 면이 없는) 최종 완성도, 및 (대규모의 굴곡이 없는) 평탄도에 의해 측정된다. 연마 속도, 완성도, 및 평탄도는 연마 패드 및 슬러리의 조합, 캐리어 헤드의 구조, 기판과 연마 패드의 상대 속도, 및 기판을 연마 패드에 대해 압축하는 힘에 의해 결정된다.

다른 연마 기구 및 공정의 효과를 측정하기 위해, 소위 "블랭크" 웨이퍼 즉, 패턴이 없는 하나 이상의 층을 갖는 웨이퍼가 기구/공정 자격부여 단계에서 연마된다. 연마된 이후에, 잔여 층의 두께가 기판 표면 상의 몇몇 지점에서 측정된다. 층 두께의 변동은 웨이퍼 표면 균일도의 측정, 및 기판의 다른 영역에서의 상대 연마 속도의 측정을 제공한다. 기판 층의 두께와 연마 균일도를 측정하기 위한 한가지 방법은 연마 장치로부터 기판을 제거하여 이를 검사하는 것이다. 예를 들어, 기판은 기판 층의 두께가 측정되는 예를 들어, 타원 측정이 이루어지는 계측 장소로 전달된다. 불행히도, 이러한 공정은 시간 소모적이며, 고가의 비용을 초래하며, 계측 설비 또한 고가이다.

CMP의 문제점 중 하나는 연마 공정이 완료되었는지, 즉 기판 층이 소정의 평탄도 또는 두께로 평탄화되었는지를 결정하는 것이다. 기판 층의 초기 두께, 슬러리 조성, 연마 패드의 재료 및 상태, 연마 패드와 기판 사이의 상대 속도, 및 연마 패드 상의 기판의 하중의 변동은 재료 제거 속도에 변동을 초래할 수 있다. 이러한 변동은 연마 종료점에 도달하기 위해 필요로 하는 시간에 변동을 초래한다. 따라서, 연마 종료점은 단순히 연마 시간의 함수로서 측정될 수 없다.

연마 종료점을 측정하는 방법중 하나는 연마 표면으로부터 기판을 제거하여 이를 검사하는 것이다. 만일 기판이 소정 사항에 충족하지 못한다면, 추가의 처리를 위한 CMP 장치로 재장전된다. 선택적으로, 상기 검사는 기판을 사용하지 못하도록 과도한 양의 재료가 제거되었는지를 밝혀내야 한다. 즉, 인슈트(in-situ)로서 소정의 평탄도 또는 두께가 달성되었을 때를 측정하는 방법이 요구된다.

인슈트 연마 종료점 검출을 위해 몇 가지 방법이 개발되었다. 상기 방법들 중 대부분은 기판 표면과 관련된 변수를 모니터링하고, 상기 변수가 갑자기 변경될 때 종료점을 검출하는 방식이다. 예를 들어, 절연층 또는 유전층이 연마되어 하부 에 놓여진 금속층이 노출되는 경우, 금속 층이 노출될 때 기판의 마찰 계수 및 반사율이 갑자기 변경되어질 것이다.

모니터링된 변수가 연마 종료점에서 갑자기 변경되는 이상적인 시스템에서, 이러한 종료점 검출 방법은 만족스럽다. 그러나, 기판이 연마됨에 따라, 연마 패드와 기판의 계면에서 연마 패드의 상태 및 슬러리의 조성은 변경될 수 있다. 이러한 변경은 하부층의 노출을 덮어 버리거나 또는 종료점인 것 처럼 모방할 수 있다. 또한, 이러한 종료점 검출 방법은 평탄화만이 수행된 경우, 하부층이 과다 연마되어진 경우, 또는 하부층 및 상부층이 유사한 물리적인 특성을 갖는 경우라면 효과적이지 않을 것이다.

본 발명의 목적은 연마 공정을 중지할 때를 보다 정확하고 신뢰성있게 결정하기 위한 연마 종료점 검출기를 제공하는 것이며, 또한 CMP 공정 중에 기판 상의 층 두께를 인슈트로 측정하기 위한 수단을 제공하는 것이다.

본 발명은 화학적 기계적 연마 중에 기판을 인슈트로 광학적으로 모니터링하는 것에 관한 것이다. 기판 내의 층의 두께는 측정될 수 있으며, 이러한 두께 측정은 CMP공정의 종료점을 측정하고, CMP 공정 중에 웨이퍼 상에 잔류하는 필름의 두께를 측정하고, CMP 공정에서 웨이퍼로부터 제거된 재료의 두께를 측정하기 위해 이용될 수 있다.

제 1 실시예에서, 본 발명은 제 1 표면, 및 제 1 표면 아래에 놓여진 제 2 표면을 갖는 기판의 화학적 기계적 연마 장치에 관한 것이다. 이러한 장치는 제 1 광학 시스템, 제 2 광학 시스템, 및 프로세서를 갖추고 있다. 제 1 광학 시스템은 기판 상에 충돌하는 제 1 광선을 발생시키기 위한 제 1 광원, 및 제 1 간섭 신호를 발생하기 위해 제 1 표면 및 제 2 표면으로부터 반사된 제 1 광선으로부터 광을 측정하기 위한 제 1 센서를 포함하며, 제 1 광선은 제 1 유효 파장을 갖는다. 제 2 광학 시스템은 기판 상에 충돌하는 제 2 광선을 발생시키기 위한 제 2 광원, 및 제 2 간섭 신호를 발생하기 위해 제 1 표면 및 제 2 표면으로부터 반사된 제 2 광선으로부터 광을 측정하기 위한 제 2 센서를 포함하며, 제 2 광선은 제 1 광선과는 다른 제 2 유효 파장을 갖는다. 프로세서는 제 1 및 제 2 간섭 신호로부터 두께를 측정하도록 구성된다.

본 발명은 제 1 및 제 2 광선이 다른 파장을 갖거나, 또는 기판에서 다른 입사각을 가짐으로써 시행될 수 있다. 제 1 유효 파장은 제 2 유효 파장보다 더 크나, 제 2 유효 파장의 정수 배는 아니다. 각각의 광학 시스템은 오프-축(off-axis) 또는 온-축(on-axis) 광학 시스템이다. 제 1 및 제 2 광원 중 적어도 하나는 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 제 1 광원은 제 1 가간섭성 길이를 갖는 제 1 발광 다이오드이며, 제 2 광원은 제 2 가간섭성 길이를 갖는 제 2 발광 다이오드일 수 있다. 제 1 가간섭성 길이는 표면 층을 통한 제 1 광선의 광학 경로 길이보다 더 클 것이며, 제 2 가간섭성 길이는 표면 층을 통한 제 2 광선의 광학 경로 길이보다 더 클 것이다. 상기 장치는 연마 중에 기판의 제 1 표면과 접하는 연마 패드, 및 연마 패드를 지지하기 위한 플래튼을 포함할 수 있다. 플래튼은 제 1 및 제 2 광선이 통과하는 개구부를 포함하고 있거나, 또는 제 1 광선이 통과하는 제 1 개구부 및 제 2 광선이 통과하는 제 2 개구부를 포함할 수 있다. 연마 패드는 제 1 및 제 2 광선이 통과하는 투명 윈도우를 포함하고 있거나, 또는 제 1 광선이 통과하는 제 1 윈도우, 및 제 2 광선이 통과하는 제 2 윈도우를 포함할 수 있다. 제 1 광선은 예를 들어, 600 내지 1500 ㎚ 사이의 제 1 파장을 가지고 있으며, 제 2 광선은 제 1 파장보다는 짧은 예를 들어, 300 내지 600 ㎚ 사이의 제 2 파장을 가지고 있다. 제 1 광선은 기판 상에 입사각을 가질 수 있으며, 이는 기판 상에 제 2 광선의 제 2 입사각보다 작다.

프로세서는 기판의 연마 중에 초기 두께를 측정하도록 구성될 수 있다. 프로세서는 제 1 간섭 신호에 대한 제 1 모델 세기 함수, 및 제 2 간섭 신호에 대한 제 2 모델 세기 함수를 측정하도록 구성될 수 있다. 제 1 및 제 2 모델 세기 함수는 예를 들어, 제 1 주기 및 제 1 위상 오프셋, 및 제 2 주기 및 제 2 위상 오프셋으로 각각 기술된 사인 함수일 것이다. 제 1 주기 및 제 1 위상 오프셋은 제 1 간섭 신호로부터 세기 측정을 위해 제 1 모델 세기 함수의 최소 자승법으로부터 계산되며, 제 2 주기 및 제 2 위상 오프셋은 제 2 간섭 신호로부터 세기 측정을 위해 제 2 모델 세기 함수의 최소 자승법으로부터 계산된다. 두께는 제 1 정수, 제 1 유효 파장, 제 1 주기, 및 제 1 위상 오프셋의 함수인 제 1 모델 두께 함수에 의해 추정되며, 제 2 정수, 제 2 유효 파장, 제 2 주기, 및 제 2 위상 오프셋의 함수인 제 2 모델 두께 함수에 의해 추정된다. 프로세서는 제 1 및 제 2 모델 두께 함수로부터 대략 동일한 두께의 추정치를 제공하는 제 1 정수에 대한 제 1 수치 및 제 2 정수에 대한 제 2 수치를 측정하도록 형성되어 있다. 프로세서는 하기 식으로부터 계산된 제 1 및 제 2 수치를 측정하도록 형성되어 있다.

여기서, M은 제 1 정수이고, N은 제 2 정수이고, λ_eff1은 제 1 유효 파장이고, λ_eff2는 제 2 유효 파장이고, ΔT₁은 제 1 주기이고, ΔT₂는 제 2 주기이고, Φ₁은 제 1 위상 오프셋이고, Φ₂는 제 2 위상 오프셋이다.

다른 실시예에서, 본 발명은 제 1 표면, 및 제 1 표면 아래에 놓여진 제 2 표면을 갖는 기판의 화학적 기계적 연마에 이용되는 장치에 관한 것이다. 이러한 장치는 기판 상에 충돌하는 제 1 광선을 발생시키기 위한 제 1 광원, 및 제 1 간섭 신호를 발생하기 위해 제 1 표면 및 제 2 표면으로부터 반사된 제 1 광선으로부터의 광을 측정하기 위한 제 1 센서를 포함하는 제 1 광학 시스템, 및 기판 상에 충돌하는 제 2 광선을 발생시키기 위한 제 2 광원, 및 제 2 간섭 신호를 발생하기 위해 제 1 표면 및 제 2 표면으로부터 반사된 제 2 광선으로부터의 광을 측정하기 위한 제 2 센서를 갖추고 있는 제 2 광학 시스템을 포함한다. 제 1 광선은 제 1 유효 파장을 가지며, 제 2 광선은 제 1 유효 파장과는 다른 제 2 유효 파장을 갖는다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 제 1 표면 및 제 1 표면 아래에 놓여진 제 2 표면을 갖는 기판의 화학적 기계적 연마에 이용되는 장치에 관한 것이다. 이러한 장치는 제 1 광학 시스템 및 제 2 광학 시스템을 갖추고 있다. 제 1 광학 시스템은 기판 상에 충돌하는 제 1 광선을 발생시키기 위한 제 1 발광 다이오드, 및 제 1 간섭 신호를 발생하기 위해 제 1 표면 및 제 2 표면으로부터 반사된 제 1 광선으로부터의 광을 측정하기 위한 제 1 센서를 갖추고 있다. 제 2 광학 시스템은 기판 상에 충돌하는 제 2 광선을 발생시키기 위한 제 2 발광 다이오드, 및 제 2 간섭 신호를 발생하기 위해 내부 및 외부면으로부터 반사된 제 2 광선으로부터의 광을 측정하기 위한 제 2 센서를 갖추고 있다. 제 1 광선은 제 1 유효 파장을 가지며, 제 2 광선은 제 1 유효 파장과는 다른 제 2 유효 파장을 갖는다.

본 발명은 하기와 같이 수행된다. 제 1 광선은 예를 들어, 700 내지 1500 ㎚ 사이에 제 1 파장을 가지고 있으며, 제 2 광선은 제 1 파장보다는 짧은 예를 들어, 300 내지 700 ㎚ 사이에 제 2 파장을 가지고 있다. 기판은 웨이퍼 상에 위치된 얇은 필름 구조물 내에 층을 갖추고 있으며, 제 1 및 제 2 광선은 상기 비임이 층을 통해 통과함에 따라 제 1 및 제 2 광선의 가간섭성을 유지하기 위해 충분히 긴 가간섭성 길이를 갖는다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 웨이퍼 위에 놓여진 층을 갖춘 기판의 화학적 기계적 연마 중에 연마 종료점을 검출하기 위한 장치에 관한 것으로서, 기판은 제 1 표면 및 제 1 표면 아래에 놓여진 제 2 표면을 갖는다. 상기 장치는 기판의 층에 충돌하는 광선을 발생시키기 위한 발광 다이오드, 간섭 신호를 발생하기 위해 제 1 표면 및 제 2 표면으로부터 반사된 광선으로부터의 광을 측정하기 위한 센서, 및 간섭 신호로부터 연마 종료점을 결정하도록 구성된 프로세서를 포함한다. 발광 다이오드에 의해 방출된 광선은 층을 통한 광선의 광학 경로 길이와 동일하거나 더 긴 가간섭성 길이를 갖는다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 웨이퍼 상에 놓여진 얇은 필름 구조물 내에 층을 갖춘 기판의 화학적 기계적 연마에 이용하기 위한 종료점 검출기에 관한 것이다. 기판은 제 1 표면, 및 제 1 표면 아래에 놓여진 제 2 표면을 갖는다. 종료점 검출기는 제 1 광학 시스템, 제 2 광학 시스템, 및 프로세서를 갖추고 있다. 제 1 광학 시스템은 기판에 충돌하는 제 1 광선을 발생시키기 위한 제 1 광원, 및 제 1 간섭 신호를 발생하기 위해 내부 및 외부면으로부터 반사된 제 1 광선으로부터 광을 측정하기 위한 제 1 센서를 포함한다. 제 2 광학 시스템은 기판에 충돌하는 제 2 광선을 발생시키기 위한 제 2 광원, 및 제 2 간섭 신호를 발생하기 위해 내부 및 외부면으로부터 반사된 제 2 광선으로부터 광을 측정하기 위한 제 2 센서를 포함한다. 제 1 광선은 제 1 유효 파장을 가지며, 제 2 광선은 제 1 유효 파장과는 다른 제 2 유효 파장을 갖는다. 프로세서는 제 1 및 제 2 간섭 신호를 비교하여 연마 종료점을 검출하도록 구성된다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 제 1 표면, 및 제 1 표면 아래에 놓여진 제 2 표면을 갖는 기판의 화학적 기계적 연마 중에 두께를 측정하기 위한 장치에 관한 것이다. 이러한 장치는 기판 상에 충돌하기 위해 다른 유효 파장을 갖는 제 1 및 제 2 광선을 발생시키기 위한 수단, 제 1 및 제 2 간섭 신호를 발생하기 위해 제 1 표면 및 제 2 표면으로부터 반사된 제 1 및 제 2 광선으로부터 광을 측정하기 위한 수단, 및 제 1 및 제 2 간섭 신호로부터 두께를 측정하기 위한 수단을 포함한다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 제 1 표면, 및 제 1 표면 아래에 놓여진 제 2 표면을 갖는 기판의 화학적 기계적 연마 중에 두께를 측정하기 위한 장치에 관한 것이다. 이러한 장치는 기판 상에 충돌하기 위해 다른 유효 파장을 갖는 제 1 및 제 2 광선을 발생시키기 위한 수단, 제 1 및 제 2 간섭 신호를 발생하기 위해 제 1 표면 및 제 2 표면으로부터 반사된 제 1 및 제 2 광선으로부터 광을 측정하기 위한 수단, 및 제 1 및 제 2 간섭 신호로부터 두께를 측정하기 위한 수단을 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 화학적 기계적 연마 중에 기판의 두께를 측정하기 위한 방법에 관한 것이다. 제 1 간섭 신호는 제 1 유효 파장을 갖는 제 1 광선을 기판 상으로 향하게 하는 단계, 및 기판으로부터 반사된 제 1 광선으로부터 광을 측정하는 단계에 의해 발생된다. 제 2 간섭 신호는 제 2 유효 파장을 갖는 제 2 광선을 기판 상으로 향하게 하는 단계, 및 기판으로부터 반사된 제 2 광선으로부터 광을 측정하는 단계에 의해 발생된다. 제 1 유효 파장은 제 2 유효 파장과는 다르다. 제 1 및 제 2 간섭 신호로부터 두께가 측정된다.

상기 방법은 다음에 따라 수행된다. 제 1 및 제 2 모델 세기 함수는 제 1 및 제 2 간섭 신호로 측정될 수 있다. 제 1 및 제 2 모델 세기 함수는 주기 및 위상 오프셋으로 각각 기술된 사인 함수일 것이다. 각각의 모델 세기 함수의 주기 및 오프셋은 간섭 신호로부터 세기 측정을 위해 모델 세기 함수의 최소 자승법으로부터 계산된다. 두께는 제 1 정수, 제 1 유효 파장, 제 1 주기, 및 제 1 위상 오프셋의 함수인 제 1 모델 두께 함수에 의해 추정되며, 제 2 정수, 제 2 유효 파장, 제 2 주기, 및 제 2 위상 오프셋의 함수인 제 2 모델 두께 함수에 의해 추정된다. 제 1 정수에 대한 제 1 수치 및 제 2 정수에 대한 제 2 수치는 제 1 및 제 2 모델 두께 함수로부터 대략 동일한 두께의 추정치를 제공하도록 측정된다. 제 1 및 제 2 수치의 측정은 하기 식으로부터 계산된다.

여기서, M은 제 1 정수이고, N은 제 2 정수이고, λ_eff1은 제 1 유효 파장이고, λ_eff2는 제 2 유효 파장이고, ΔT₁은 제 1 주기이고, ΔT₂는 제 2 주기이고, Φ₁은 제 1 위상 오프셋이고, Φ₂는 제 2 위상 오프셋이다. 제 1 및 제 2 광선은 기판 상에서 다른 파장 또는 다른 입사각을 갖는다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 기판의 연마 중에 연마 종료점을 검출하기 위한 방법에 관한 것이다. 제 1 간섭 신호는 제 1 유효 파장을 갖는 제 1 광선을 기판 상으로 향하게 하는 단계, 및 기판으로부터 반사된 제 1 광선으로부터 광을 측정하는 단계에 의해 발생된다. 제 2 간섭 신호는 제 2 유효 파장을 갖는 제 2 광선을 기판 상으로 향하게 하는 단계, 및 기판으로부터 반사된 제 2 광선으로부터 광을 측정하는 단계에 의해 발생된다. 제 1 유효 파장은 제 2 유효 파장과는 다르다. 제 1 및 제 2 간섭 신호는 연마 종료점을 측정하기 위해 서로 비교된다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 제 1 표면, 및 제 1 표면 아래에 놓여진 제 2 표면을 갖는 기판의 화학적 기계적 연마 장치에 관한 것이다. 이러한 장치는 제 1 광학 시스템을 갖는 제 1 연마 스테이션, 제 2 광학 시스템을 갖는 제 2 연마 스테이션, 및 적어도 하나의 프로세서를 갖추고 있다. 제 1 광학 시스템은 기판이 제 1 연마 스테이션에서 연마될 때 기판에 충돌하는 제 1 광선을 발생시키기 위한 제 1 광원, 및 제 1 간섭 신호를 발생하기 위해 제 1 표면 및 제 2 표면으로부터 반사된 제 1 광선으로부터 광을 측정하기 위한 제 1 센서를 포함한다. 제 2 광학 시스템은 기판이 제 2 연마 스테이션에서 연마될 때 기판에 충돌하는 제 2 광선을 발생시키기 위한 제 2 광원, 및 제 2 간섭 신호를 발생하기 위해 제 1 표면 및 제 2 표면으로부터 반사된 제 2 광선으로부터 광을 측정하기 위한 제 2 센서를 포함한다. 제 1 광선은 제 1 유효 파장을 가지며, 제 2 광선은 제 1 유효 파장과는 다른 제 2 파장을 갖는다. 프로세서는 제 1 및 제 2 연마 스테이션에서 각각 제 1 및 제 2 간섭 신호로부터 연마 종료점을 측정한다.

본 발명은 하기와 같이 수행된다. 제 1 유효 파장은 제 2 유효 파장보다 더 길다. 제 2 광선은 예를 들어, 800 내지 1400 ㎚ 사이의 제 1 광선의 제 1 파장 보다 더 짧은 예를 들어, 400 내지 700 ㎚ 사이에 제 2 파장을 가지고 있다. 제 3 연마 스테이션은 기판이 제 3 연마 스테이션에서 연마될 때 기판 상에 충돌하는 제 3 광선을 발생시키기 위한 제 3 광원, 및 제 3 간섭 신호를 발생하기 위해 제 1 표면 및 제 2 표면으로부터 반사된 제 3 광선으로부터 광을 측정하기 위한 제 3 센서를 구비한 제 3 광학 시스템을 포함한다. 제 3 광선은 제 2 유효 파장과 동일하거나 더 짧은 제 3 유효 파장을 갖는다. 캐리어 헤드는 기판을 제 1 및 제 2 연마 스테이션 사이로 이동시킨다. 각각의 연마 스테이션은 개구부를 구비한 회전가능한 플래튼을 포함하며, 상기 개구부를 통과하여 상기 제 1 및 제 2 광선중 하나가 기판에 충돌할 수 있다. 각각의 연마 스테이션은 대응 플래튼 상에 지지된 연마 패드를 또한 포함하며, 각각의 연마 패드는 제 1 및 제 2 광선중 하나가 통과하여 기판에 충돌하는 윈도우를 갖추고 있다.

본 발명의 또 다른 실시예로서, 화학적 기계적 연마 방법에 관한 것이다. 상기 방법에서, 기판은 제 1 연마 스테이션에서 연마되고, 제 1 간섭 신호는 제 1 유효 파장을 갖는 제 1 광선을 기판 상으로 향하게 하는 단계, 및 기판으로부터 반사된 제 1 광선으로부터 광을 측정하는 단계에 의해 발생되며, 제 1 종료점은 제 1 간섭 신호로부터 검출된다. 제 1 종료점이 검출된 이후에, 제 2 간섭 신호는 제 2 유효 파장을 갖는 제 2 광선을 기판 상으로 향하게 하는 단계, 및 기판으로부터 반사된 제 2 광선으로부터 광을 측정하는 단계에 의해 발생되며, 제 2 종료점은 제 2 간섭 신호로부터 검출된다. 제 2 유효 파장은 제 1 유효 파장과는 다르다.

본 발명에 따른 이점은 다음 사항을 포함한다. 2개의 광학 시스템으로 인해, 기판 상의 층의 초기 두께 및 잔류 두께가 예상될 수 있다. 다른 유효 파장에서 작동하는 두 개의 광학 시스템의 이용으로 이전의 단일 광학 시스템에서 얻어진 것보다 변수 등의 보다 정확한 측정이 가능해진다.

본 발명의 또 다른 특성 및 이점은 도면 및 청구범위를 포함한 하기의 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 하나 또는 그 이상의 기판(10)이 화학적 기계적 연마(CMP)장치(20)에 의해 연마될 것이다. 유사한 연마 장치의 설명은 미국 특허 제 5,738,574 호에 개시되어 있으며, 상기 특허의 전체 개시 내용은 본원에 참고로 인용된다. 연마 장치(20)는 일련의 연마 스테이션(22) 및 운반 스테이션(23)을 구비한다. 운반 스테이션(23)은 개별 기판(10)을 로딩 장치(도시 안됨)로부터 수용하고, 기판을 세척하고, 기판을 캐리어 헤드 내로 로딩하고, 캐리어 헤드로부터 기판을 수납하고, 기판을 다시 세척하고, 최종적으로 기판을 로딩 장치로 다시 운반하는 것을 포함하는 다수의 기능을 수행한다.

각 연마 스테이션은 연마 패드(30)가 배치되는 회전 가능한 플래튼(24)을 구비한다. 제 1 및 제 2 스테이션은 강하고 내구성이 있는 외부 표면을 갖는 2층 연마 패드를 구비하는 반면, 최종 연마 스테이션은 비교적 유연한 패드를 구비할 수도 있다. 기판(10)이 "8 인치(20㎜)" 직경의 디스크 또는 "12 인치(300㎜)" 직경의 디스크인 경우에, 플래튼 및 연마 패드의 직경은 각각 약 20 인치 또는 30 인치가 될 것이다. 각 플래튼(24)은 플래튼 구동 모터(도시 안됨)에 접속될 수도 있다. 대부분의 연마 공정에 있어서, 플래튼 구동 모터는 플래튼(24)을 분당 30 내지 200 회전으로 회전시키지만, 그보다 낮거나 더 높은 회전 속도가 사용될 수도 있다. 또한, 각 연마 스테이션은 연마 패드의 상태를 조절하여 기판을 효율적으로 연마하도록 하기 위해서 패드 조절 장치(28)를 구비할 수도 있다.

연마 패드(30)는 플래튼(24)의 표면에 접촉하는 보완층(32) 및 기판(10)의 연마에 사용되는 덮개층(34)을 구비하는 것이 통상적이다. 덮개층(34)은 보완층(32) 보다 견고한 것이 통상적이다. 그러나, 어떤 패드는 덮개층만을 구비하며 보 완층은 구비하지 않는다. 덮개층(34)은 개방 셀형 발포(open cell foamed) 폴리우레탄 또는 홈이 있는 표면을 구비한 한 장의 폴리우레탄으로 이루어질 수도 있다. 보완층(32)은 우레탄으로 침출된 압축 펠트 섬유로 이루어질 수도 있다. IC-1000으로 이루어진 덮개층 및 SUBA-4로 이루어진 보완층을 갖는 2층 연마 패드는 미국 델라웨어주 뉴와크 소재의 로델 인코포레이티드(Rodel Inc.)로부터 입수할 수 있다(IC-1000 및 SUBA-4는 로델 인코포레이티드의 제품명이다.).

화학 반응 촉매(예를 들면, 산화물 연마용 수산화 칼륨) 및 반응제(예를 들면, 산화물 연마용 탈이온수)를 함유한 슬러리(36)를 슬러리 공급구 또는 조합형 슬러리/린스 아암(38)에 의해 연마 패드(30)의 표면에 공급할 수도 있다. 연마 패드(30)가 표준 패드인 경우에, 슬러리(36)는 연마 입자(예를 들면, 산화물 연마용 이산화 실리콘)를 포함할 수도 있다.

4개의 캐리어 헤드(50)를 가진 회전 가능한 캐러셀(40)이 중앙 기둥(42)에 의해 연마 스테이션 위에 지지된다. 캐러셀 모터 조립체(도시 안됨)가 중앙 기둥(42)을 회전시켜 캐리어 헤드 및 거기에 부착된 기판을 연마 스테이션과 운반 스테이션 사이에서 선회시킨다. 캐리어 구동 샤프트(44)는 캐리어 헤드 회전 모터(46)(도 2 참조)를 각 캐리어 헤드(50)에 연결하여 각각의 캐리어 헤드가 그의 자체 축을 중심으로 독립적으로 회전할 수 있도록 한다. 또한, 슬라이더(도시 안됨)가 각각의 구동 샤프트를 관련 방사상 슬롯(48)에 지지한다. 방사상 구동 모터(도시 안됨)가 슬라이더를 이동시켜 캐리어 헤드를 측면방향으로 진동시킬 수 있다. 작동 시에, 플래튼은 그의 중심축(25)을 중심으로 회전하며, 캐리어 헤드는 그의 중심축(51)을 중심으로 회전하고 연마 패드의 표면을 가로질러 측면방향으로 이동한다.

캐리어 헤드(50)는 여러 기계적 기능을 수행한다. 일반적으로, 캐리어 헤드는 기판을 연마 패드에 대해 지지하고, 기판의 배면을 가로질러 하방 압력을 균일하게 분배하며, 구동 샤프트로부터 기판으로 토크를 전달하고, 기판이 연마 동작 중에 캐리어 헤드 밑으로부터 미끄러지지 않도록 보장한다. 캐리어 헤드의 설명은 스티븐 엠 저니가 등에 의해 "화학적 기계적 연마 장치용 가요성 멤브레인을 갖는 캐리어 헤드"라는 명칭으로 1997년 5월 21일자 출원된 미국 특허 출원 제 08/861,260 호(본 발명의 출원인에게 양도됨)에 개시되어 있으며, 상기 특허 출원의 전체 개시 내용은 본원에 참고로 인용된다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 2개의 구멍 또는 개구부(60, 80)가 플래튼(24)에 형성되어 있고, 2개의 투명 윈도우(62, 82)가 상기 구멍(60, 80)위에 놓인 연마 패드(30)에 각각 형성되어 있다. 상기 구멍(60, 80)은 플래튼(24)의 대향 측면 상에, 예를 들면 약 180°이격된 상태로 형성될 수도 있다. 마찬가지로, 상기 투명 윈도우(62, 82)는 구멍(60, 80) 위의 연마 패드(30)의 대향 측면 상에 각각 형성될 수도 있다. 투명 윈도우(62, 82)는 1996년 8월 26일자로 마누쳐 버랭 등에 의해 "화학적 기계적 연마 정치용 연마 패드에 투명 윈도우를 형성하기 위한 방법"이라는 명칭으로 출원된 미국 특허 출원 제 08/689,930 호(본 발명의 출원인에게 양도됨)에 개시되어 있으며, 상기 특허 출원의 전체 개시 내용은 본원에 참고로 인용된다. 구멍(60, 80) 및 투명 윈도우(62, 82)는 캐리어 헤드(50)의 이동 위치에 관계없이 플래튼의 회전의 일부분 중에 각각 기판(10)을 번갈아 관찰할 수 있도록 위치 설정된다.

기판의 두께 및 연마 속도의 간섭계 측정을 위한 2개의 광학 시스템(64, 84)은 투명 윈도우(62, 82) 밑의 플래튼(24) 아래에 각각 배치된다. 광학 시스템은 플래튼과 함께 회전하여 투명 윈도우에 대해 고정된 위치에 유지되도록 플래튼(24)에 고정될 수도 있다. 제 1 광학 시스템은 광선을 기판에 비 수직 입사각으로 충돌하게 하는 "오프-축(off-axis)" 시스템이다. 광학 시스템(64)은 제 1 광원(66) 및 광검출기와 같은 제 1 센서(68)를 구비한다. 제 1 광원(66)은 투명 윈도우(62)와 패드(도 4 참조)상의 슬러리(36)를 통해 전파되어 기판(10)의 노출된 표면에 충돌하는 제 1 광선(70)을 발생시킨다. 제 1 광선(70)은 광원(66)으로부터 기판(10)의 표면에 수직인 축으로부터 각도(α₁)로 투사된다. 전파각(α₁)은 0°내지 45°, 예를 들면 16°일 수도 있다. 일 실시예에 있어서, 광원(66)은 약 600 내지 1500nm, 예를 들면 670nm의 파장을 갖는 레이저 빔을 발생시키는 레이저이다. 구멍(60) 및 투명 윈도우(62)가 기다란 경우에는, 빔 팽창기(도시 안됨)를 광선(70)의 경로에 배치하여 투명 윈도우의 연장축을 따라 광선을 팽창시킬 수도 있다.

또한, 제 2 광학 시스템(84)은 제 2 광원(86) 및 제 2 센서(88)를 갖는 "오프-축" 광학 시스템일 수도 있다. 제 2 광원(86)은 제 1 광선(70)의 제 1 파장과는 다른 제 2 파장을 갖는 제 2 광선(90)을 발생시킨다. 특히, 제 2 광선(90)의 파장은 제 1 광선(70)의 파장보다 짧을 수도 있다. 일실시예에 있어서, 제 2 광원 (86)은 약 300 내지 500nm 또는 300 내지 600nm, 예를 들면 470nm의 파장을 갖는 광선을 발생시키는 레이저이다. 제 2 광선(90)은 광원(86)으로부터 기판의 노출된 표면에 수직인 축으로부터 각도(α₂)로 투사된다. 투사각(α₂)은 0°내지 45°, 예를 들면 약 16°일 수도 있다. 구멍(80) 및 투명 윈도우(82)가 기다란 경우에는, 다른 빔 팽창기(도시 안됨)를 광선(90)의 경로에 배치하여 광선을 투명 윈도우의 연장축을 따라 팽창시킬 수도 있다.

광원(66, 86)은 연속적으로 작동될 수도 있다.

변형예로, 광원(66)은 투명 윈도우(62)가 대체로 기판(10)에 인접한 경우에 광선(70)을 발생시키도록 활성화될 수도 있고, 광원(86)은 투명 윈도우(82)가 대체로 기판(10)에 인접한 경우에 광선(90)을 발생시키도록 활성화될 수도 있다.

CMP 장치(20)는 투명 윈도우(62, 82)가 기판 근처에 위치하는 시기를 감지하기 위한 위치 센서(160)를 구비할 수도 있다. 플래튼(24)은 CMP 공정 중에 회전하기 때문에, 플래튼 투명 윈도우(62, 82)는 플래튼(24)의 회전의 일부분 중에만 기판(10)의 관찰을 제공할 것이다. 슬러리 또는 보유 링으로부터의 위조 반사(spurious reflections)가 간섭계 신호와 간섭되는 것을 방지하기 위해서는, 광선(70, 90)중 하나가 기판(10)에 충돌하는 경우에만 광학 시스템(64, 84)으로부터의 검출 신호가 표본화될 수 있다. 기판(10)이 투명 윈도우 중의 하나 위에 놓이는 경우에만 검출 신호가 표본화되는 것을 보장하기 위해 위치 센서를 사용한다. 홀 효과(Hall effect), 와 전류, 광 단속기 또는 음향 센서와 같은 공지된 근접 센서 를 사용할 수 있다. 특히, 위치 센서(160)는 CMP 장치의 섀시상의 고정 지점에, 예를 들면 서로 대향되고 캐리어 헤드(50)로부터 90°로 장착되는 2개의 광 단속기(162, 164)(예를 들면, LED/광다이오드 쌍)를 구비할 수도 있다. 위치 플랙(166)은 플래튼의 주변에 부착된다. 플랙(166)의 부착 지점 및 길이와, 광 단속기(162, 164)의 위치는, 투명 윈도우(62)가 기판(10) 밑에 이르는 경우에 플랙이 광 단속기(162)를 작동개시하고 그리고 투명 윈도우(82)가 기판(10) 밑에 이르는 경우에 플랙이 광 단속기(164)를 작동 개시하도록 선택된다. 광 단속기(162)가 플랙에 의해 작동 개시되는 동안 검출기(68)로부터의 출력 신호가 측정되고 저장될 수도 있고, 광 단속기(164)가 플랙에 의해 작동 개시되는 동안 검출기(88)로부터의 출력 신호가 측정되고 저장될 수도 있다. 또한, 위치 센서의 사용은 전술한 미국 특허 출원 제 08/689,930 호에 개시되어 있다.

작동시, CMP 장치(20)는 기판의 표면으로부터 제거된 재료의 양을 결정하거나, 또는 표면이 평탄화되기 시작하는 시점을 결정하기 위하여 광학 시스템(64, 84)을 사용한다. 광원(66, 86), 검출기(68, 88), 및 센서(160)는 일반적인 목적으로 프로그래밍될 수 있는 디지털 컴퓨터 또는 프로세서(52)에 접속될 수 있다. 회전 커플링(56)이 광원(66, 86) 및 검출기(68, 88)로의 전력 및 데이터를 입출력하기 위한 전기적 접속을 제공할 수 있다. 광학 단속기로부터 입력 신호를 수용하고, 검출기로부터의 세기 측정치를 저장하고, 출력 장치(54)상에 이 세기 측정치를 표시하고, 세기 측정치로부터 초기 두께, 연마율, 제거 및 잔여 두께를 계산하고, 그리고 연마 종료점을 검출하도록, 컴퓨터 또는 프로세서(52)가 프로그래밍될 수 있다.

도 4를 참조하면, 기판(10)은 실리콘 웨이퍼와 같은 웨이퍼(12) 및 하부 박막 구조(14)를 포함한다. 박막 구조는 유전체 층(예를 들면, 산화물 층)과 같은 투명 또는 부분 투명 외층을 포함하며, 또한 투명, 부분 투명, 또는 반사성을 가질 수 있는 하나 이상의 하부 층을 포함할 수도 있다.

제 1 광학 시스템(64)에서, 기판(10)상에 충돌하는 광선(70)의 일부는 제 1 반사 광선(74)을 형성하도록 박막 구조(14)의 제 1 면(즉, 외층의 표면)에서 부분적으로 반사된다. 그러나, 광의 일부도 투과 광선(76)을 형성하도록 박막 구조(14)를 통해 투과할 수 있다. 투과 광선(76)으로부터의 광의 적어도 일부는 제 2 반사 광선(78)을 형성하도록 하나 이상의 하부 표면에 의해서(예컨대, 구조(14) 내의 하부 층의 하나 이상의 표면에 의해서 및/또는 웨이퍼(12)의 표면에 의해서) 반사된다. 제 1 및 제 2 반사 광선(74, 78)은 최종 복귀 광선(72)을 형성하도록 그들의 위상 관계에 따라 건설적으로 또는 파괴적으로 서로에 대해 간섭한다(도 2 참조). 반사 광선의 위상 관계는 주로 박막 구조(14) 내의 층의 굴절률 및 두께, 광선(70)의 파장, 및 입사각(α₁)의 함수이다.

도 2를 다시 참조하면, 복귀 광선(72)은 슬러리(36) 및 투명 윈도우(62)를 통해 검출기(68)로 다시 전달된다. 만일 반사 광선(74, 78)의 위상이 서로 같다면, 이들은 검출기(68)상에 최대치(I_max1)를 발생시킨다. 반면에, 반사 광선(74, 78)의 위상이 다르다면, 이들은 검출기(68)상에 최소치(I_min1)를 발생시킨다. 다른 위상 관계는 검출기(68)에 의해 나타나는 최대치 및 최소치 사이의 간섭 신호로 나타난다. 그 결과는 구조(14)의 층 또는 층들의 두께와 함께 변하는 검출기(68)로부터의 신호 출력이다.

구조(14) 내의 층 또는 층들의 두께가 기판이 연마되는 시간에 따라 변하기 때문에, 검출기(68)로부터의 신호 출력도 시간에 따라 변한다. 검출기(68)의 시간 변화 출력은 원위치 반사율 측정 궤적(또는 "반사율 궤적(reflectance trace)")으로 불릴 수 있다. 이러한 반사율 궤적은 연마 종료점의 검출, CMP 공정의 특성 부여, CMP 장치의 작동이 적절한 지의 감지 등과 같은 다양한 목적에 사용될 수 있다.

도 5를 참조하면, 제 2 광학 시스템(84) 내에서 광선(90)의 제 1 부분은 제 1 반사 광선(94)을 형성하도록 박막 구조(14)의 표면층에 의해 부분적으로 반사된다. 광선의 제 2 부분은 투과 광선(96)을 형성하도록 박막 구조(14)를 통해 투과된다. 전파된 광선(96)으로부터 적어도 임의의 광선이 제 2 반사 광선(98)을 형성하기 위하여, 예를 들면, 구조(14)의 하부 층중 하나의 층에 의하여 또는 웨이퍼(14)에 의하여, 반사된다. 제 1 및 제 2 반사 광선(94, 98)은 최종 복귀 광선(92)(도 2 참조)을 형성하기 위하여 그들의 위상 관계에 따라 서로 건설적으로 또는 파괴적으로 간섭한다. 반사 광선의 위상 관계는 구조(14)내의 층 또는 층들의 굴절률 및 두께, 광선(90)의 파장, 및 입사각(α₂)의 함수이다.

최종 복귀 광선(92)은 슬러리(36) 및 투명 윈도우(82)를 통해 검출기(88)로 다시 전파된다. 반사 광선(94, 98)들 사이의 시간에 따라 변하는 위상 관계는 박막 구조(14)에서 층 또는 층들의 시간에 따라 변하는 두께와 관련되어 검출기(88)에서 최소치(I_min2) 및 최대치(I_max2)의 시간에 따라 변하는 간섭 패턴을 발생시킨다. 그러므로, 검출기(88)로부터의 신호 출력은 또한 제 2 반사율 궤적을 발생시키기 위하여 박막 구조(14)의 층 또는 층들의 두께에 따라 변화한다. 광학 시스템에는 상이한 파장을 가지는 광선이 적용되기 때문에, 각각의 광학 시스템의 시간에 따라 변하는 반사율 궤적은 상이한 패턴을 가진다.

블랭크(blank) 기판, 즉, 박막 구조(14)의 층 또는 층들에 패턴이 형성되지 않은 기판이 연마되었을 때, 박막 구조의 표면층으로부터 반사된 광선의 부분과 박막 구조(14)의 하부 층 또는 층들로부터 또는 웨이퍼(12)로부터 반사된 광선의 부분 사이의 간섭으로 인하여 검출기(68, 88)에 의한 데이터 신호 출력이 주기적이 된다.

따라서, CMP 공정동안 제거된 물질의 두께는 데이터 신호의 사이클(또는 사이클의 일부)를 계수하며, 사이클당 얼마나 많은 물질이 제거되는가(후술되는 수학식 5 참조)를 계산하며, 사이클 계수와 사이클당 제거된 두께를 곱하여 계산함으로써 결정될 수 있다. 이 수는 제거되는 목표 두께와 비교될 수 있으며, 상기 비교에 기초하여 상기 공정이 제어될 수 있다. 기판으로부터 제거된 물질의 양의 계산은 또한 전술된 미국 특허 출원 제 08/689,930호에서도 논의된다.

도 6및 도 7을 참조하면, 기판(10)을 "블랭크" 기판이라고 가정하면 광학 시 스템(64, 84)으로부터의 최종 반사율 궤적(100, 110)(점으로 도시됨)은 각각 일반적으로 사인곡선을 따르는 일련의 세기 측정이 될 것이다. CMP 장치는 기판의 표면으로부터 제거된 물질의 양을 결정하기 위하여 반사율 궤적(100, 110)을 이용한다.

컴퓨터(52)는 각각의 반사율 궤적(100, 110)을 위한 모델 함수(가상선(120, 130)으로 도시됨)를 발생시키기 위하여 검출기(68, 88)로부터 세기 측정을 이용한다. 바람직하게, 각각의 모델 함수는 사인파이다. 특히, 반사율 궤적(100)을 위한 모델 함수 I₁(T_measure)는 수학식 3과 같다.

상기 수학식 3에서 I_max1과 I_min1은 사인파의 최대 및 최소 진폭이며, Φ₁은 모델 함수(120)의 위상 차이며, ΔT₁은 모델 함수(120)의 사인파의 피크 대 피크 주기(peak to peak period)이며, T_measure는 측정시간이며, k₁은 진폭 조정 계수이다. 최대 진폭(I_max1)과 최소진폭(I_min1)은 반사율 궤적(100)으로부터 최대 및 최소 세기 측정치를 선택함으로써 결정될 수 있다. 모델 함수(120)는 피팅 공정(fitting process), 예를 들면, 통상의 최소 자승법에 의하여 반사율 궤적(100)의 관찰된 세기 측정치로 맞추어진다. 위상 차(Φ₁) 및 피크 대 피크 주기(ΔT₁)는 수학식 1에서 최적화되는 피팅 계수(fitting codfficient)이다. 진폭 조정 계수(k₁)는 피팅 공정을 향상시키기 위하여 이용자에 의하여 조정될 수 있으며, 약 0.9의 값을 가질 수 있다.

유사하게, 반사율 궤적(110)을 위한 모델 함수[I₂(T_measure)]는 수학식 4와 같다.

상기 수학식 4에서, I_max2 및 I_min2은 사인 곡선의 최대 및 최소 진폭이며, Φ₂는 모델 함수(130)의 위상차이며, ΔT₂는 모델 함수(130)의 사인 곡선의 피크 대 피크 주기이며, T_measure는 측정 시간이며, k₂는 진폭 조정 계수이다. 최대 진폭(I_max2) 및 최소 진폭(I_min2)은 반사율 궤적(110)으로부터 최대 및 최소 세기 측정치를 선택함으로써 결정될 수 있다. 모델 함수(130)는 피팅 공정에 의하여, 예를 들면 통상의 최소 자승법에 의하여 반사율 궤적(110)의 관찰된 세기 측정치로 맞추어 진다. 위상차(Φ₂) 및 피크 대 피크 주기(ΔT₂)는 수학식 2에서 최적화되는 피팅 계수이다. 진폭 조정 계수(k₂)는 피팅 공정을 향상시키기 위하여 사용자에 의하여 조정될 수 있으며, 약 0.9의 값을 가진다.

실제 연마율이 연마 공정동안 변화될 수 있기 때문에, 피크 대 피크 주기와 같은 추정된 연마율(polishing rate)을 계산하기 위하여 이용되는 연마 변수는 주 기적으로 재 계산된다. 예를 들면, 피크 대 피크 주기(ΔT₁, ΔT₂)는 각 사이클을 위한 세기 측정에 기초하여 재 계산될 수 있다. 피크 대 피크 주기는 중첩된 시간 주기에서 세기 측정으로부터 계산될 수 있다. 예를 들면, 제 1 피크 대 피크 주기는 연마 작동(polishing run)의 첫번째 60%인 세기 측정으로부터 계산될 수 있으며, 제 2 피크 대 피크 주기는 연마 작동의 마지막 60%인 세기 측정으로부터 계산될 수 있다. 위상차(Φ₁, Φ₂)는 통상적으로 제 1 사이클동안만 계산된다.

일단 피팅 계수가 결정되면, 박막층의 초기 두께, 현재 연마율, 제거된 물질의 양, 및 잔여 박막 층 두께가 계산될 수 있다. 현재 연마율(P)는 수학식 5로부터 계산될 수 있다.

상기 수학식 5에서, λ는 레이저 광선의 파장이며, η_layer는 박막층의 굴절률이며, α'는 박막층을 통과하는 레이저 광선의 각도이며, ΔT는 가장 최근에 계산된 피크 대 피크 주기이다. 각도 α'는 스넬의 법칙(Snell's law), η_layersinα' = η_airsinα,로부터 결정될 수 있으며, η_layer는 구조(14)의 층의 굴절률이며, η_air는 공기의 굴절률이며, α(α₁ 또는 α₂)는 광선(70 또는 90)의 수직으로 떨어진 각(off-vertical angle)이다. 연마율은 각각의 반사율 궤적으로부터 계산될 수 있으 며 비교될 수 있다.

제거된 물질의 양(D_removed)은 연마율, 즉 수학식 (6)으로부터,

D_removed = P·T_measure

또는 반사율 궤적중의 하나의 피크의 수 또는 소수를 계수하고, 상기 반사율 궤적(즉, 반사율 궤적(100)의 ΔD₁ 및 반사율 궤적(110)의 ΔD₂)의 피크 대 피크 두께(ΔD)에 피크 수를 곱함으로써 계산될 수 있다. 상기 두께(ΔD)는 다음과 같은 수학식 7에 의하여 구할 수 있다.

박막층의 초기 두께(D_initial)는 위상차(Φ₁, Φ₂)로부터 계산될 수 있다. 초기 두께(D_initial)는 다음의 수학식 8 및 수학식 9와 같다.

상기 수학식 8과 수학식 9에서, M과 N은 정수값과 동일하거나 근접한다.

결론적으로 수학식 10과 같다.

실제의 기판에 대해, 제조자는 구조(14)내의 층이 임의의 수준점보다 더 큰 두께로 제작되지 않을 것이라는 것을 알 것이다. 그러므로, 초기 두께(D_initial)는 최대 두께(D_max), 예를 들면 실리콘 산화물의 층에 대해 25000Å 보다 작아야 한다. 최대치(N_max)는 최대 두께(D_max) 및 피크 대 피크 두께(ΔD₂)로부터 계산될 수 있으며, 수학식 11과 같다.

결론적으로, M의 값은 N = 1,2,3,...,N_max의 각각의 정수값에 대해 계산될 수 있다. 정수값에 가장 근접한 M의 값은 선택될 수 있으며, 이것은 수학식 6에 대해 가장 근접한 해답을 나타내는 것으로서, 그러므로 가장 실제적인 두께를 나타낸다. 그때 초기 두께는 수학식 6 또는 수학식 7로부터 계산될 수 있다.

물론, N의 값은 M의 각각의 정수값에 대해 계산될 수 있으며, 이 경우 M의 최대치(M_max)는 D_max/ΔD₁과 동일하다. 그러나, 더 긴 파장과 관련된 변수의 각각의 정수값에 대해 계산하는 것이 바람직하며, 이것은 다른 정수 변수의 더 적은 계산이 요구된다.

도 8a 및 도 8b를 참조하면, 두개의 가상 모델 함수(140, 150)가 실리콘 웨이퍼상의 실리콘 산화물(SiO₂) 표면 층의 연마를 나타내기 위하여 생성된다. 가상 함수 모델(140, 150)을 나타내는 피팅 계수는 표 1에 주어진다.

위상 오프셋	Φ₁ = 12.5 s	Φ₂ = 65.5 s
피크 대 피크 주기	ΔT₁ = 197.5 s	ΔT₂ = 233.5 s

상기 피팅 계수는 10Å/sec의 연마율에 대해 계산되었으며, 표 2의 연마 매개 변수를 이용하였다.

	제 1 광학 시스템	제 2 광학 시스템
물질	실리콘 산화물	실리콘 산화물
초기 두께	10000 Å	10000 Å
연마율	10Å/sec	10Å/sec
굴절률	η_layer = 1.46	η_layer = 1.46
파장	λ₁ = 5663 Å	λ₂ = 6700 Å
공기의 입사각	α₁ = 16 °	α₂ = 16 °
층의 각	α₁' = 10.88 °	α₂' = 10.88 °
피크 대 피크 두께	ΔD₁ = 1970 Å	ΔD₂ = 2336 Å

수학식 8을 이용하여, M 값은 N의 정수값에 대해 계산될 수 있으며 표 3과 같다.

N	M	M의 정수	N의 두께	M의 두께	두께 차
0	0.27	0	655	125	530
1	1.45	1	2992	2100	892
2	2.63	3	5329	6050	-721
3	3.82	4	7665	8025	-360
4	5.00	5	10002	9999	2
5	6.18	6	12338	11974	364
6	7.37	7	14675	13949	725
7	8.55	9	17011	17899	-888
8	9.73	10	19348	19874	-526
9	10.92	11	21684	21849	-165
10	12.10	12	24021	23824	197
11	13.28	13	26357	25799	559
12	14.47	14	28694	27774	920
13	15.56	16	31030	31723	-693
14	16.83	17	33367	33698	-331
15	18.02	18	35704	35673	30
16	19.20	19	38040	37648	392
17	20.38	20	40377	39623	754
18	21.56	22	42713	43573	-860

이와 같이, 가장 좋은 피트(fit), 즉 정수에 가장 근접한 M의 값이 제공되는 N의 선택은 t_i가 최대 두께보다 작기 때문에 수용가능한 약 10000 Å의 결론적인 초기 두께를 가지는 N=4 및 M=5에 대한 것이다. 다음으로 가장 좋은 피트는 결론적인 초기 두께가 약 35700 Å인 N=15 및 M=18이다. 상기 두께는 25000 Å의 예상 최대 초기 두께(D_max) 보다 더 크기때문에, 상기 해답은 거절될 것이다.

그러므로, 본 발명은 CMP 공정동안 기판의 표면층의 초기 두께를 결정하는 방법을 제공한다. 상기 초기 두께치로부터, 현재 두께 D(t)는 수학식 12에 의하여 계산될 수 있다.

증착된 층의 보통 두께는 통상적으로 1000Å 내지 20000Å이므로, 초기 뿐만 아니라 현재 두께는 계산될 수 있다. 실제 두께를 추정하기 위한 유일한 필요조건은 피크 대 피크 주기 및 위상 오프셋을 정확하게 계산하기 위하여 충분한 세기 측정을 하는 것이다. 일반적으로, 이것은 파장 각각에 대해 적어도 최대치 및 최소치를 필요로 한다. 그러나, 반사율 궤적에서의 최대치와 최소치, 그리고 세기 측정이 많으면 많을수록, 실제 두께의 계산이 더 정확해질 것이다.

예를 들면 하나의 파장이 다른 파장의 배인 경우, 파장의 일부 조합은 원위치 계산에 부적당할 수 있다. 양호한 파장의 조합은 "홀수(odd)" 관계로 귀결되며, 즉 λ₁/λ₂의 비율이 작은 정수의 비율과 실질적으로 동일하지 않다. λ₁/λ₂의 비율이 작은 정수의 비율에 실질적으로 동일한 경우, 수학식 8에서 N 및 M에 대한 배수 해(multiple integer solution)가 존재할 수 있다. 간단하게 설명하면, 파장(λ₁ 및 λ₂)은 최대 초기 두께내의 N 및 M 모두에 대해 실질적인 정수 값을 제공하는 수학식 8에 대한 유일한 하나의 해가 존재하도록 선택된다.

게다가, 파장의 바람직한 조합은 SiO₂, Si₃N₄, 및 이와 유사한 것과 같은 다양한 유전체 층에서 동작할 수 있다. 두꺼운 층이 연마될 때, 피크가 적게 발생하는 더 긴 파장이 바람직하다. 단지 최소의 연마가 수행될 때, 짧은 파장은 더욱 바람직하다.

2개의 광학 시스템(64,84)은 다른 파장 및 동일한 전파각를 가지는 광원으로 구성된다. 또한, 광원(66,86)은 다른 파장 및 다른 각각의 전파각(α₁, α₂)을 가 질 수 있다. 광원(66,86)이 동일한 파장 및 다른 각각의 전파각(α₁, α₂)을 갖는 것도 가능하다.

이용가능한 파장은 레이저의 유형, 발광 다이오드(LED), 또는 적절한 비용으로 연마 플래튼(platen)을 위한 광학 시스템으로 결합될 수 있는 다른 광원에 의하여 제한될 수 있다. 몇가지 경우에서, 최적의 파장 관계와 함께 광원을 이용하는 것은 실용적이 아닐 수 있다. 상기 시스템은 특히 두개의 오프-축 광학 시스템이 이용될 때, 두개의 광원으로부터 광선을 위한 상이한 입사각를 이용함으로써 여전히 최적화될 수 있다. 이것은 피크 대 피크 두께(ΔD), 즉 ΔD = λ/(2η*cosα')에 의하여 알 수 있으며, 여기서 λ는 광원의 파장이며, η은 유전체 층의 굴절률이며, α'는 박막 구조에서 상기 층을 통과하는 광의 전파각이다. 그러므로, 유효 파장(λ_eff)은 λ/cosα'로 규정될 수 있으며, 상이한 광원의 파장을 최적화할 때 각각의 광원의 유효 파장(λ_eff)을 중요하게 고려하여야 한다. 그러나, 하나의 유효 파장이 다른 유효 파장의 정수배는 아니며, λ_eff1/λ_eff2의 비는 작은 정수의 비와 실질적으로 동일하지 않다.

도 9 및 도 10을 참조하면, CMP 장치(20a)는 도 1 및 도 2에 대하여 전술된 것과 유사하게 구성된 플래튼(24)을 갖는다. 그러나, CMP 장치(20a)는 오프-축 광학 시스템(off-axis optional system ; 64) 및 표준 축 광학 시스템(normal-axis optical system ; 84a)을 포함한다. 표준 축 광학 시스템(84a)은 광원(86a), 빔 스플리터와 같은 관통 반사적 표면(transreflective surface; 91), 및 검출기(88a) 를 포함한다. 광선(90a)의 부분은 빔 스플리터(91)를 통과하며, 수직 입사각(normal incidence)에서 기판(10)에 충돌하기 위하여 투명 윈도우(82a) 및 슬러리(36a)를 통하여 전파된다. 본 실시예에서, 광선(90a)이 개구부를 통과하며 동일한 통로를 따라 복귀되기 때문에 플래튼(24)의 개구부(80a)는 더 작을 수 있다.

도 11을 참조하면, 다른 실시예에서, CMP 장치(20b)는 플래튼(24b)의 단일 개구부(60b) 및 연마 패드(30b)의 단일 윈도우(62b)를 가진다. 오프-축 광학 시스템(64b) 및 표준 축 광학 시스템(84b)은 동일한 윈도우(62b)를 통하여 개별적인 광선을 각각 향하게 한다. 광선(70b, 90b)이 기판(10)의 동일한 지점으로 향할 수 있다. 이 실시예는 단일의 광학 단속기(162)만을 필요로 한다. 기판상의 레이저의 입사각을 조정하기 위하여 거울(93)이 이용될 수 있다.

도 12를 참조하면, 다른 실시예에서, CMP 장치(20c)는 기판(10)의 동일한 지점에 광선(70c 및 90c)을 향하게 하는 두개의 오프-축 광학 시스템(64c 및 84c)을 가진다. 광선(70c 및 72c)에 의하여 한정된 평면이 광선(90c 및 92c)에 의하여 한정된 평면과 교차하도록, 광학 시스템(64c)의 광원(66c) 및 검출기(68c) 그리고 광학 시스템(84c)의 광원(86c) 및 검출기(88c)가 배치된다. 예를 들면, 광학 시스템(64c, 84c)은 서로로부터 약 90°만큼 오프셋될 수 있다. 이 실시예는 또한 단일의 광학 단속기(162)만을 필요로 하며, 입사각의 변형에 의하여 제 1 광선(70c)의 유효 파장이 조정될 수 있다.

비록 광학 시스템(64c, 84c)이 다른 전파각(α₁, α₂)을 이용하는 것으로서 설명되었지만, 전파각이 동일할 수도 있다. 또한, 광원은 (수평으로) 나란히 위치될 수 있고, 광선은 단일 거울(도시안됨)로부터 반사될 수 있으며, 복귀 광선은 단일 검출기의 두개의 영역에 충돌할 수도 있다. 이는 단일 광학 모듈에 두개의 광원, 거울 및 검출기를 조합하는데 있어서 도움이 된다. 또한, 광선이 기판의 상이한 지점에 충돌할 수 있다.

도 13에 도시된 다른 실시예에서, 두개의 광학 시스템(64d, 84d)이 별도의 모듈에서 서로 옆에 배치된다. 광학 시스템(64d, 84d)은 상술된 전파각(α₁, α₂)으로 기판상에 광선이 향하도록 하기 위하여 각각의 광원(66d, 86d), 검출기(68d, 88d), 및 거울(73d, 93d)을 가진다.

광학 시스템이 상이한 유효 파장에서 작동하는 한, 광학 시스템 및 윈도우의 다른 조합도 또한 본 발명의 범주내에 속함을 이해할 것이다. 예를 들면, 플래튼의 동일한 또는 다른 윈도우를 통하여 광선이 향하도록, 오프-축 광학 시스템 및 표준 축 광학 시스템의 상이한 조합이 배치될 수 있다. 광선이 기판에 충돌하기 전에 광선의 전파각를 조정하기 위하여 거울과 같은 추가적인 광학 부품이 이용될 수 있다.

레이저 대신, 발광 다이오드(LED)가 간섭 신호를 발생하기 위해 광원으로서 이용될 수 있다. 광원의 선택에 있어서 중요한 매개 변수는 광선의 가간섭성 길이이며, 이는 연마층을 통한 광선의 광학 경로 길이의 두배 정도 또는 그 이상이 된다. 광학 경로 길이(OPL)는 수학식 13에 의하여 주어진다.

상기 수학식 13에서 d는 구조(14)에서 층의 두께이다. 일반적으로, 가간섭성 길이가 길면 길수록, 신호는 더 강해질 것이다. 유사하게, 층이 얇으면 얇을 수록, 신호는 더 강해질 것이다. 결론적으로, 기판이 연마될 때, 간섭 신호는 점차적으로 강해질 것이다. 도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, LED에 의하여 생성된 광선은 유용한 반사율 궤적을 제공하기 위하여 충분히 긴 가간섭성 길이를 가진다. 도 14 및 도 15에서의 궤적은 470nm에서 피크 방사를 구비한 LED를 이용하여 발생된다. 상기 반사율 궤적은 기판이 연마될 때 간섭 신호가 더 강해진다는 것을 또한 보여준다. 간섭 측정을 위한 광원으로서 LED의 이용가능성은 (예를 들면, 스펙트럼의 푸른색 및 초록색 영역에서) 더 짧은 파장의 이용을 허용함으로써, 두께 및 연마율의 더 정확한 결정을 허용한다. 레이저가 간섭 측정을 위하여 통상적으로 이용되고 LED가 레이저에 비하여 짧은 가간섭성 길이를 가진다는 것을 가정하면, 상기 두께 측정 수단을 위한 LED의 유용성은 매우 놀랍다.

본 발명의 장치는 하나 이상의 유효 파장에서 작동되는 하나 이상의 광학 시스템을 사용하기 때문에, 두개의 독립된 종료점 신호를 얻을 수 있다. 상기 두개의 종료점 신호는 예를 들면, 연마공정을 중단하기 위하여 이용될 때 교차 체크될 수 있다. 이는 단지 하나의 광학 시스템을 가진 시스템보다 향상된 신뢰성을 제공한다. 또한, 하나의 종료점만이 예비 결정된 시간내에 나타나거나 다른 종료점이 나타나지 않는 다면, 이는 연마 공정을 중단하기 위한 상태로서 이용될 수 있다. 이 방법에서, 모든 종료점 신호의 조합, 또는 단지 하나의 종료점 신호가 연마 공정을 중단시키기 위한 충분한 조건으로서 이용될 수 있다.

종료점이 나타나기 전에, 상이한 광학 시스템으로부터의 신호 궤적이 하나 또는 다른 신호의 불규칙한 실행을 감지하기 위하여 서로 비교될 수 있다.

기판이 평탄화될 초기의 불규칙한 표면을 갖는 경우, 기판 표면이 상당히 고르게 된 후에 반사 신호는 주기적이 될 수 있다. 이 경우, 초기 두께는 반사 신호가 사인파형일 될 때 시작되는 임의의 시점에서 계산될 수 있다. 또한, 종료점(또는 임의의 다른 공정 제어점)은 제 1 또는 후속하는 사이클을 감지하거나, 간섭 신호의 임의의 다른 예비 결정된 신호를 감지함으로써 결정될 수 있다. 그러므로, 두께는 불규칙면이 평탄화되기 시작할 때 결정될 수 있다.

본 발명을 블랭크 웨이퍼와 관련하여 상술하였다. 그러나, 일부 경우에 있어서, 데이터 신호를 필터링함으로써 패턴화된 구조의 상부에 위치한 층의 두께를 측정하는 것이 가능하다. 상기 필터링 공정은 또한 전술한 미국 특허 출원 제 08/689,930호에 논의되어 있다.

게다가, 단일 산화물 층을 가진 실리콘 웨이퍼와 관련하여 기판을 상술하였으나, 간섭 공정은 또한 다른 기판 및 다른 층, 및 박막 구조의 다층과 함께 작용할 수 있다. 박막 구조의 표면이 충돌하는 광선을 부분적으로 반사하고 부분적으로 투과시키며, 그리고 박막 구조 또는 웨이퍼의 하부 층 또는 층들이 충돌하는 광선을 적어도 부분적으로 반사하는 것이 요점이다.

도 16 및 도 17을 참조하면, 다른 실시예에서, 각각의 CMP 장치(20e)에서 연마 스테이션(polishing station)은 단일 광학 시스템만을 포함한다. 특히, CMP 장치(20e)는 제 1 광학 시스템(64e)을 가진 제 1 연마 스테이션(22e) 및 제 2 광학 시스템(64e')을 가진 제 2 연마 스테이션(22e')을 포함한다. 광학 시스템(64e, 64e')은 광원(66e, 66e') 및 검출기(68e, 68e')를 각각 포함한다. 기판이 제 1 연마 스테이션에 위치할 때, 광원(66e)은 광선이 기판에 충돌하도록 플래튼(24e)의 구멍(60e) 및 연마 패드(30e)의 윈도우(62e)를 통하여 향하도록 한다. 유사하게, 기판이 제 2 연마 스테이션으로 이동될 때, 광원(66e)은 광선이 기판에 충돌하도록 하기 위하여 플래튼(24e')의 구멍(60e') 및 연마 패드(30e')의 윈도우(62e')를 통하여 향하도록 한다. 각 스테이션에서, 관련된 검출기는 전술된 미국 특허 출원 제 08/698,930호에서 논의된 바와 같이, 연마 종료점을 결정하기 위해 이용될 수 있는 간섭 신호를 제공하기 위하여 기판으로부터 반사된 광을 측정한다. 두개의 연마 스테이션에서 검출기(68e, 68e')는 동일한 컴퓨터(52e) 또는 상이한 컴퓨터에 연결될 수 있으며, 상기 컴퓨터는 연마 종료점을 감지하기 위한 간섭 신호를 처리한다.

비록 광학 시스템(64e, 64e')이 유사하게 구성되었지만, 상기 광학 시스템은 상이한 유효 파장에서 작동한다. 특히, 제 1 광학 시스템(64e)에서 광선(70e)의 유효 파장은 제 2 광학 시스템(64e')의 광선(70e')의 유효 파장보다 더 커야 한다. 이것은 다른 파장을 가지는 광원을 이용함으로써 달성된다. 예를 들면, 광원(66e)은 적외선 스펙트럼, 예를 들면, 약 800-200 nm, 에서 광선을 생성할 수 있으며, 반면 광원(66e')은 가시광선 스펙트럼, 예를 들면, 약 300-700 nm 내의 광선을 생 성할 수 있다. 특히, 제 1 광선은 약 1300 nm 또는 1550 nm의 파장을 가질 수 있으며, 제 2 광선은 약 400 nm 또는 670 nm의 파장을 가질 수 있다. 광선의 유효 파장은 또한 광선의 입사각를 변경시킴으로써 조정될 수 있다.

작동시, 기판(블랭크 기판 또는 패턴이 형성된 장치 기판일 수 있다.)은 제 1 플래튼으로 운반되며 더 긴 파장 광선을 이용하여 제 1 종료점이 감지될 때까지 연마된다. 그 다음, 상기 기판은 제 2 플래튼으로 운반되며 더 짧은 파장 광선을 이용하여 제 2 종료점이 감지될 때까지 연마된다. 비록 증착층의 초기 두께에서 기판별로 큰 변화가 존재하지만, 이 과정은 정확한 종료점 결정을 제공한다.

장점을 설명하기 위하여, 연마되는 층의 초기 두께에서 기판에 따른 변화는 잘못된 종료점 검출을 초래할 수 있음을 주목하여야 한다. 특히, 만약 두께 변화가 제 1 광학 시스템의 피크 대 피크 두께(ΔD)를 초과한다면, 종료점 검출 시스템은 잘못된 간섭 신호의 사이클에서 종료점을 감지할 것이다. 일반적으로, 더 긴 파장을 이용하는 종료점 검출기는 낮은 분석력(resolution)을 갖는다. 특히, 간섭 신호에는 더 적은 프린지(fringe)가 존재하게 되고, 결론적으로, 연마 장치는 목표 최종 두께에서 정확하게 중단될 수 없게 된다. 그러나, 더 긴 파장은 더 큰 피크 대 피크 두께(ΔD)(수학식 7 참조)를 초래한다. 더 긴 파장은 연마되는 층의 초기 두께에서 기판 대 기판 변화에 대한 더 큰 공차를 제공하며, 즉 잘못된 세기 신호의 사이클에서 종료점이 부적절하게 검출되지 않을 것이다. 역으로, 짧은 파장을 이용하는 종료점 검출기는 더 높은 분석력을 갖지만, 초기 두께 변화에 대한 낮은 공차를 가질 것이다.

제 1 연마 스테이션에서 긴 파장은 더 큰 피크 대 피크 두께(ΔD)를 제공하며, 그럼으로써 기판 대 기판 층 두께 변화에 대한 더 큰 공차를 제공한다. 비록 제 1 종료점 검출기는 제 2 종료점 검출기만큼의 높은 분석을 가지지 못하지만, 제 2 광학 시스템의 단일 피크 대 피크 두께(ΔD')내에서의 연마를 중단시킬 정도로 충분히 정확하다. 제 2 연마 스테이션에서 더 짧은 파장은 최종 종료점에서 두께의 더욱 정확한 결정을 제공한다. 따라서, 순차적으로 상이한 파장을 가진, 특히 제 1 파장보다 더 짧아지는 제 2 파장을 가진 광학 시스템을 이용함으로써, 연마공정은 목표 종료점에서 더욱 정확하게 중단될 수 있다. 또한, 비록 연마되는 층의 초기 두께에서 기판 대 기판 변화가 제 2 광학 시스템의 피크 대 피크 두께(ΔD')를 초과할 지라도 정확한 종료점 검출이 이루어질 수 있다.

상기 과정은 하나 이상의 연마 스테이션에서 다중 광학 시스템을 이용하는 전술한 CMP 장치의 실시예에서 실행될 수 있다. 예를 들면, 상기 과정은 각각의 스테이션에서 연속적으로 기판을 연마함으로써 실행될 수 있으며, 각각의 스테이션에서 두개의 이용가능한 광학 시스템중 하나만을 이용함으로써 실행될 수 있다.

또한, 상기 과정은 도 1 내지 도 15에 도시된 바와 같이, 두개의 광학 시스템을 이용하는 단일 연마 스테이션에서 기판의 연마 작업동안 실행될 수 있다. 예를 들면, 제 1 광학 시스템은 제 1 연마 스테이션에서 다르게 검출되었을 종료점을 검출하기 위하여 이용될 수 있으며, 제 2 광학 시스템은 제 2 연마 스테이션에서 다르게 검출되었을 종료점을 검출하기 위하여 이용될 수 있다. 선택적으로, 제 1 광학 시스템은 중간 연마점을 검출하기 위하여 이용될 수 있다. 중간 연마점이 검 출된 후에, 제 2 광학 시스템은 제 1 연마 스테이션에서 다르게 검출되었을 종료점을 검출하기 위하여 이용될 수 있다. 더욱이, 상기 과정은 광원의 유효 파장이 변경될 수 있는 단일 광학 시스템을 이용하는 단일 스테이션에서 실행될 수 있다. 예를 들면, 광원은 제 1 파장을 가지는 광선을 생성하기 위하여 세팅될 수 있으며, 제 1 종료점 또는 중간 연마점을 감지한 후에, 광원은 제 2 의 상이한 파장을 가지는 제 2 광선을 생성할 수 있다.

비록 스테이션(22e 및 22e')이 제 1 및 제 2 연마 스테이션으로서 도 16에 도시되었지만, 상기 과정은 연마 스테이션의 다른 조합을 이용하여 실행될 수 있다. 예를 들면, 제 1 및 제 2 연마 스테이션은 동일한 긴 파장 광선을 이용하는 광학 시스템을 포함할 수 있으며, 제 3 연마 스테이션(25e")은 더 짧은 파장 광선을 이용하는 광학 시스템을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 과정은 제 2 및 제 3 연마 스테이션에서 수행된다.

또한, CMP 장치의 연마 정확도는 매우 짧은 파장을 이용하는 부가적인 광학 시스템에 의해 더욱 향상될 수 있다. 예를 들면, 제 3 연마 스테이션(22e")은 광선(70e')의 파장 보다 더 짧은 파장을 가지는 광선을 생성하는 광학 시스템을 포함할 수 있다.

또한, 하나 이상의 광학 시스템이 임의의 연마 매개 변수가 변화되는 중간 연마점을 감지하기 위하여 이용될 수 있다. 특히, 표면 층의 임의의 두께를 연마한 후에, 연마율 또는 균일도를 최적화하기 위하여 플래튼 회전율, 캐리어 헤드 회전율, 캐리어 헤드 압력, 또는 슬라리 조성과 같은 연마 매개 변수를 변경하는 것 이 유용하다. 예를 들면, 두개의 광학 시스템을 포함하는 연마 스테이션에서, 제 1 광학 시스템은 임의의 중간 연마점을 감지하기 위하여 이용될 수 있으며, 제 2 광학 시스템은 종료점을 감지하기 위하여 이용될 수 있다. 선택적으로, 가변 파장 광원을 가지는 단일 광학 시스템을 포함하는 연마 스테이션에서, 상기 광학 시스템이 하나의 파장에서 중간 연마점을 먼저 감지한 다음, 다른 파장에서 종료점을 감지한다. 마지막으로, 상기 중간 연마점은 광선의 파장을 변경하지 않는 단일 광학 시스템을 포함하는 연마 스테이션에서 감지될 수 있다. 이 실시예에서, 먼저 연마 매개 변수에서의 변화를 격발하는 중간 연마점을 감지한 다음, 종료점을 감지하기 위해 동일한 광학 시스템이 연속적으로 사용된다.

본 발명을 바람직한 실시예와 관련하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술되고 묘사된 실시예에 제한되지 않는다. 본 발명의 범주는 첨부된 청구 범위에 의하여 한정된다.

본 발명에 의하여, 연마 공정을 중지할 때를 보다 정확하고 신뢰성있게 측정하기 위한 연마 종료점 검출기가 제공되며, 또한 CMP 공정 중에 기판 상에 층의 두께를 원위치에서 측정하기 위한 수단이 제공된다.

Claims

기판의 화학적 기계적 연마 장치로서,

상기 기판상에 충돌하며 제 1 유효 파장을 가지는 제 1 광선을 생성하는 제 1 광원, 및 제 1 신호를 생성하기 위해 상기 기판으로부터 반사되는 상기 제 1 광선으로부터의 광을 측정하는 제 1 센서를 구비한 제 1 광학 시스템;

상기 기판에 충돌하며 상기 제 1 유효 파장과 상이한 제 2 유효 파장을 가지는 제 2 광선을 생성하는 제 2 광원, 및 제 2 신호를 생성하기 위해 상기 기판으로부터 반사되는 상기 제 2 광선으로부터의 광을 측정하는 제 2 센서를 구비한 제 2 광학 시스템; 및

상기 제 1 신호 및 제 2 신호로부터 연마 종료점을 검출하도록 구성된 프로세서

를 포함하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 광선 및 제 2 광선은 상이한 파장을 가지는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 광선 및 제 2 광선은 상기 기판에 대해 상이한 입사각을 가지는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 3 항에 있어서,

상기 제 1 광선 및 제 2 광선은 상이한 파장을 가지는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 유효 파장은 상기 제 2 유효 파장보다 큰 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 5 항에 있어서,

상기 제 1 유효 파장은 상기 제 2 유효 파장의 정수배가 아닌 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 광학 시스템들 중 적어도 하나는 오프-축 광학 시스템인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 7 항에 있어서,

상기 제 1 광학 시스템 및 제 2 광학 시스템은 오프-축 광학 시스템인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 7 항에 있어서,

상기 제 1 광학 시스템은 오프-축 광학 시스템이고 상기 제 2 광학 시스템은 표준-축 광학 시스템인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 광학 시스템들 중 적어도 하나는 표준-축 광학 시스템인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 광원 및 제 2 광원 중 적어도 하나는 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 11 항에 있어서,

상기 제 1 광원은 제 1 가간섭성 길이를 가지는 제 1 발광 다이오드이고 상기 제 2 광원은 제 2 가간섭성 길이를 가지는 제 2 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 12 항에 있어서,

상기 제 1 가간섭성 길이는 상기 기판의 층을 지나는 상기 제 1 광선의 광학적 경로 길이보다 크며, 상기 제 2 가간섭성 길이는 상기 기판의 층을 지나는 상기 제 2 광선의 광학적 경로 길이보다 큰 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 기판의 제 1 표면과 접촉하는 연마 패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 14 항에 있어서,

상기 연마 패드를 지지하는 플래튼을 더 포함하며, 상기 플래튼은 개구부를 포함하며, 상기 제 1 광선 및 제 2 광선은 상기 개구부를 통과하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 14 항에 있어서,

상기 연마 패드를 지지하는 플래튼을 더 포함하며, 상기 플래튼은 제 1 개구부 및 제 2 개구부를 포함하며, 상기 제 1 광선은 상기 제 1 개구부를 통과하고 상기 제 2 광선은 상기 제 2 개구부를 통과하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 14 항에 있어서,

상기 연마 패드는 투명 윈도우를 포함하고, 상기 제 1 광선 및 제 2 광선은 상기 윈도우를 통과하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 14 항에 있어서,

상기 연마 패드는 제 1 투명 윈도우 및 제 2 투명 윈도우를 포함하고, 상기 제 1 광선은 상기 제 1 윈도우를 통과하고 상기 제 2 광선은 상기 제 2 윈도우를 통과하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 유효 파장은 상기 제 2 유효 파장보다 큰 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 19 항에 있어서,

상기 제 1 광선은 제 1 파장을 가지며 상기 제 2 광선은 상기 제 1 파장보다 짧은 제 2 파장을 가지는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 20 항에 있어서,

상기 제 1 파장은 약 600 내지 1500 나노미터인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 20 항에 있어서,

상기 제 2 파장은 약 300 내지 약 600 나노미터인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 19 항에 있어서,

상기 제 1 광선은 상기 기판에 대한 입사각을 가지며, 상기 입사각은 상기 기판에 대한 상기 제 2 광선의 제 2 입사각보다 작은 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
기판의 화학적 기계적 연마 동안 연마 종료점을 검출하는 장치로서,

상기 기판에 충돌하며 제 1 유효 파장을 가지는 제 1 광선을 생성하는 제 1 광원, 및 제 1 신호를 생성하기 위해 상기 기판으로부터 반사되는 상기 제 1 광선으로부터의 광을 측정하는 제 1 센서를 포함하는 제 1 광학 시스템;

상기 기판에 충돌하며 상기 제 1 유효 파장과 상이한 제 2 유효 파장을 가지는 제 2 광선을 생성하는 제 2 광원, 및 제 2 신호를 생성하기 위해 상기 기판으로부터 반사되는 제 2 광선으로부터의 광을 측정하는 제 2 센서를 포함하는 제 2 광학 시스템; 및

상기 제 1 신호와 제 2 신호를 조합하여 연마 종료점을 검출하도록 구성된 프로세서

를 포함하는 연마 종료점 검출 장치.
화학적 기계적 연마를 통해 기판에 대한 층 두께를 검출하는 방법으로서,

제 1 유효 파장을 가지는 제 1 광선이 상기 기판을 향하게 하고 제 1 검출기를 이용하여 상기 기판으로부터 반사되는 상기 제 1 광선으로부터의 광을 측정하여 제 1 신호를 생성하는 단계;

제 2 유효 파장을 가지는 제 1 광선이 상기 기판을 향하게 하고 제 2 검출기를 이용하여 상기 기판으로부터 반사되는 상기 제 2 광선으로부터의 광을 측정하여 제 2 신호를 생성하는 단계 - 상기 제 1 유효 파장과 상기 제 2 유효 파장은 상이함 - ; 및

상기 제 1 신호 및 제 2 신호로부터 연마 종료점을 검출하는 단계

를 포함하는 층 두께 검출 방법.
제 25 항에 있어서,

상기 제 1 광선 및 제 2 광선은 상이한 파장을 가지는 것을 특징으로 하는 층 두께 검출 방법.
제 25 항에 있어서,

상기 제 1 광선 및 제 2 광선은 상기 기판에 대해 상이한 입사각을 가지는 것을 특징으로 하는 층 두께 검출 방법.
제 27 항에 있어서,

상기 제 1 광선 및 제 2 광선은 상이한 파장을 가지는 것을 특징으로 하는 층 두께 검출 방법.
기판의 연마 동안 연마 종료점을 검출하는 방법으로서,

제 1 유효 파장을 가지는 제 1 광선이 상기 기판을 향하게 하고 상기 기판으로부터 반사되는 상기 제 1 광선으로부터의 광을 측정하여 제 1 신호를 생성하는 단계;

제 2 유효 파장을 가지는 제 2 광선이 상기 기판을 향하게 하고 상기 기판으로부터 반사되는 상기 제 2 광선으로부터의 광을 측정함으로써 제 2 신호를 생성하는 단계 - 상기 제 1 유효 파장은 상기 제 2 유효 파장과 상이함 - ; 및

연마 종료점을 검출하기 위해 상기 제 1 신호 및 제 2 신호를 조합하는 단계

를 포함하는 연마 종료점 검출 방법.
화학적 기계적 연마 방법으로서,

기판의 층의 제 1 부분을 연마하는 단계 ;

상기 제 1 부분을 연마하는 동안, 제 1 유효 파장을 가지는 제 1 광선이 기판을 향하게 하고 상기 기판으로부터 반사되는 상기 제 1 광선으로부터의 광을 측정함으로써 제 1 신호를 생성하는 단계 ;

상기 제 1 신호로부터 제 1 중간 연마점을 검출하는 단계;

상기 제 1 중간 연마점을 검출한 후에, 상기 기판의 상기 층의 제 2 부분을 연마하는 단계;

상기 제 2 부분을 연마하는 동안, 상기 제 1 유효 파장과 상이한 제 2 유효 파장을 가지는 제 2 광선이 상기 기판을 향하게 하고 상기 기판으로부터 반사되는 상기 제 2 광선으로부터의 광을 측정함으로써 제 2 신호를 생성하는 단계 ; 및

상기 제 2 신호로부터 상기 층에 대한 연마 종료점을 검출하는 단계

를 포함하는 화학적 기계적 연마 방법.
기판의 층을 연마하는 화학적 기계적 연마 장치로서,

제 1 연마 스테이션;

상기 제 1 연마 스테이션에서 연마됨에, 따라 제 1 유효 파장을 가지며 상기 기판에 충돌하는 제 1 광선을 생성하는 제 1 광원, 및 제 1 세기 신호를 생성하기 위해 상기 층으로부터 반사되는 상기 광선으로부터의 광을 측정하는 제 1 센서를 구비한 제 1 광학 시스템;

제 2 연마 스테이션;

상기 연마 스테이션에서 연마됨에 따라, 상기 제 1 유효 파장과 상이한 제 2 유효 파장을 가지며 상기 기판에 충돌하는 제 2 광선을 생성하는 제 2 광원, 및 제 2 세기 신호를 생성하기 위해 상기 층으로부터 반사되는 상기 제 2 광선으로부터의 광을 측정하는 제 2 센서를 구비한 제 2 연마 시스템; 및

상기 제 1 연마 스테이션에서 상기 제 1 세기 신호로부터 중간 연마점 및 상기 제 2 연마 스테이션에서 상기 제 2 세기 신호로부터 연마 종료점을 검출하는 적어도 하나의 프로세서

를 포함하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 31 항에 있어서,

상기 제 1 유효 파장은 상기 제 2 유효 파장보다 큰 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 32 항에 있어서,

상기 제 1 광선은 제 1 파장을 가지며 상기 제 2 광선은 상기 제 1 파장보다 짧은 제 2 광선을 가지는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 33 항에 있어서,

상기 제 1 파장은 약 800 내지 1400 나노미터인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 33 항에 있어서,

상기 제 2 파장은 약 400 내지 700 나노미터인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 31 항에 있어서,

제 3 연마 스테이션 및 상기 제 3 스테이션에서 연마됨에 따라, 제 3 유효 파장을 가지며 상기 기판에 충돌하는 제 3 광선을 생성하는 제 3 광원, 및 제 3 세기 신호를 생성하기 위해 상기 기판으로부터 반사되는 상기 제 3 광선으로부터의 광을 측정하는 제 3 센서를 구비한 제 3 광학 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 36 항에 있어서,

상기 제 3 유효 파장은 상기 제 2 유효 파장보다 작은 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 36 항에 있어서,

상기 제 3 유효 파장은 상기 제 2 유효 파장과 동일한 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 31 항에 있어서,

상기 제 1 연마 스테이션과 상기 제 2 연마스테이션 사이에서 기판을 이동하는 캐리어 헤드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 31 항에 있어서,

각각의 상기 연마 스테이션은 상기 제 1 광선 및 제 2 광선 중 하나가 상기 기판에 충돌하여 통과될 수 있는 개구부를 갖춘 회전식 플래튼을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
제 40 항에있어서,

각각의 상기 연마 스테이션은 해당 플래튼상에서 지지되는 연마 패드를 포함하며, 각각의 연마 패드는 상기 제 1 광선 및 제 2 광선중 하나가 상기 기판에 충돌하여 통과될 수 있는 윈도우를 가지는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치.
화학적 기계적 연마 방법으로서,

제 1 연마 스테이션에서 기판을 연마하는 단계;

제 1 유효 파장을 가지는 제 1 광선이 상기 기판을 향하게 하고 상기 기판의 층으로부터 반사되는 상기 제 1 광선으로부터의 광을 측정함으로써 제 1 세기 신호를 생성하는 단계;

상기 제 1 세기 신호로부터 중간 연마점을 검출하는 단계;

상기 중간 연마점을 검출한 후에, 제 2 유효 파장을 가지는 제 2 광선이 상기 기판을 향하게 하고 상기 기판의 상기 층으로부터 반사되는 상기 제 2 광선으로부터의 광을 측정함으로써 제 2 세기 신호를 생성하는 단계 - 상기 제 2 유효 파장 은 상기 제 1 유효 파장과 상이함 - ; 및

상기 제 2 세기 신호로부터 연마 종료점을 검출하는 단계

를 포함하는 화학적 기계적 연마 방법.
제 42 항에 있어서,

상기 제 1 유효 파장은 상기 제 2 유효 파장보다 큰 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 방법.
제 43 항에 있어서,

상기 제 1 광선은 제 1 파장을 가지며 상기 제 2 광선은 상기 제 1 파장보다 짧은 제 2 파장을 가지는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 방법.
제 44 항에 있어서,

상기 제 1 파장은 약 800 내지 1400 나노미터인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 방법.
제 44 항에 있어서,

상기 제 2 파장은 약 400 내지 700 나노미터인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 방법.
제 42 항에 있어서,

상기 제 2 세기 신호를 생성하는 단계는 상기 제 1 연마 스테이션에서 수행되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 방법.
제 42 항에 있어서,

상기 연마 종료점을 검출한 후에 상기 기판을 제 2 연마 스테이션으로 이송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 방법.
제 48 항에 있어서,

상기 연마 종료점을 검출한 후에, 제 3 유효 파장을 가지는 제 3 광선이 상기 기판을 향하게 하고 상기 기판으로부터 반사되는 상기 제 3 광선으로부터의 광을 측정함으로써 제 3 세기 신호를 생성하는 단계; 및

상기 제 3 세기 신호로부터 제 2 연마 종료점을 검출하는 단계

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 방법.
제 49 항에 있어서,

상기 제 3 유효 파장은 상기 제 2 유효 파장 보다 작은 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 방법.
제 49 항에 있어서,

상기 제 3 유효 파장은 상기 제 2 유효 파장과 동일한 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 방법.
제 49 항에 있어서,

상기 제 2 연마 종료점을 검출한 후에 상기 기판을 제 3 연마 스테이션으로 이송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 방법.
제 42 항에 있어서,

상기 중간 연마점을 검출한 후에 연마 파라미터를 변조시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 방법.