KR20060116847A - 커플링된 에디 센서에 의해 필름 두께를 측정하기 위한방법 및 장치 - Google Patents

커플링된 에디 센서에 의해 필름 두께를 측정하기 위한방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

필름 두께 측정 동안 스폿 사이즈와 잡음을 측정을 최소화하기 위한 방법을 제공한다. 방법은 도전성 필름과 결합된 제 1 면을 향해 제 1 에디 전류 센서를 위치시키는 단계로 시작한다. 방법은 도전성 필름과 결합된 제 2 면을 향해 제 2 에디 전류 센서를 위치시키는 단계를 포함한다. 방법은 제 1 에디 전류 센서와 제 2 에디 전류 센서로 공급되는 전력을 교호시키는 단계를 추가적으로 포함한다. 본 발명의 일 양태에서, 지연 시간은 제 1 에디 전류 센서와 제 2 에디 전류 센서 사이의 전력 스위칭 사이에 포함된다. 또한, 방법은 제 1 에디 전류 센서와 제 2 에디 전류 센서로부터 신호의 조합에 기초하여 필름 두께 측정을 계산하는 단계를 포함한다. 또한 장치와 시스템을 제공한다.
필름 두께, 에디 센서, 웨이퍼 프로세싱, 반도체 제조

Description

커플링된 에디 센서에 의해 필름 두께를 측정하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING FILLM THICKNESS BY MEANS OF COUPLED EDDY SENSORS}
본 발명의 배경기술
본 발명은 일반적으로 반도체 제조에 관한 것이고, 더 상세하게는 웨이퍼 프로세싱 동안 프로세스 제어를 위한 인라인 계측학 (metrology) 에 관한 것이다.
반도체 제조 동안, 하부 기판이 다양한 레이어의 형성 및 제거되는 복수의 단계가 있다. 스루풋을 증가시키기 위한 끊임없는 요구와 결합되어, 작은 피쳐 사이즈와 타이트한 면 평탄성 요구는, 정확한 두께가 획득된 경우, 즉 종료점이 프로세스 단계 동안 획득된 경우, 프로세스를 종료시키는 것이 매우 바람직하게 되도록 만든다.
에디 (eddy) 전류 센서는 이동 (displacement), 근접 (proximity) 및 필름 두께 측정용으로 사용된다. 센서는 측정되어질 물체에 근접한 프로브 코일의 변동하는 전자기장에 의한 샘플에서의 전류 유도에 의존한다. 변동하는 전자기장은 교류 전류가 코일을 통과하는 결과로서 생성된다. 변동하는 전자기장은 일차장 (primary field) 을 교란시키고, 그 결과로서 코일 인덕턴스를 변경하는 에디 전류를 유도한다.
도 1 은 에디 전류 센서가 동작하는 원리의 단순화된 개략도이다. 교류 전류는 도전성 물체 (102) 에 가깝게 근접한 코일 (100) 을 통해 흐른다. 코일 의 전자기장은 도전성 물체 (102) 에 에디 전류 (104) 를 유도한다. 에디 전류의 크기와 위상은 코일상에 장하 (loading) 를 차례로 가져온다. 따라서, 코일의 임피던스는 가까이에 위치된 도전성 물체에 유도된, 에디 전류에 의해 영향을 받는다. 이 영향은 물체의 두께뿐만 아니라 도전성 물체 (102) 의 근접를 감지하도록 측정된다. 거리 (106) 는 코일 (100) 에 대한 에디 전류 (104) 의 효과에 영향을 주므로, 물체 (100) 가 이동하면, 코일 (100) 에 대한 에디 전류의 영향을 모니터링하는 센서로부터의 신호도 변할 것이다.
필름의 두께를 측정하기 위해서 에디 전류 센서를 사용하려는 시도는 제한적인 성공을 이루어 왔다. 에디 전류 센서로부터의 신호가 필름의 두께 및 기판의 센서까지의 거리 모두에 민감하기 때문에, 해결해야만 하는 2 가지 미제가 있다. 도 2 는 CMP (Chemical Mechanical Planarization) 프로세스 동안 웨이퍼의 두께를 측정하기 위한 에디 전류 센서를 갖는 웨이퍼 캐리어의 개략도이다. 웨이퍼 캐리어 (108) 는 에디 전류 센서 (110) 를 포함한다. CMP 동작 동안, 캐리어 (108) 의 캐리어 필름 (112) 에 의해 지지된 웨이퍼 (114) 가 웨이퍼의 표면을 평탄화하기 위해 패드 (116) 에 대해 압력을 받는다. 패드 (116) 는 스테인레스 스틸 백킹 (118) 에 의해 지지된다.
도 2 의 구성의 하나의 단점은 +/- 3 mil 만큼 변할 수 있는 캐리어 필름의 가변성으로부터 온다. 따라서, 캐리어 필름은 웨이퍼와 센서 사이의 거리에서 상당한 가변성을 야기한다. 또한, 캐리어 필름에 인가된 상이한 다운 포스 (down force) 는, 캐리어 필름이 압축함에 따라 추가적인 변동 (variation) 을 야 기한다. 따라서, 거리에 영향을 미치는 모든 변수에 대해 캘리브레이션하는 것은 매우 어려워지고, 이것은 센서의 두께 측정에 영향을 준다. 이 구성의 다른 단점은 측정될 도전성 재료로부터 이격된 다른 도전성 재료의 존재에 의해 야기되고, 제 3 바디 효과 (third body effect) 로서 일반적으로 언급된다. 도전성 레이어의 두께가 소위 스킨 깊이 (skin depth) 보다 적은 경우, 코일로부터의 전자기장는 완벽하게 흡수되지 않고 도 2 의 패드 (116) 의 스테인레스 스틸 백킹 (118) 을 부분적으로 통과할 것이다. 이것은 스테인레스 스틸 벨트내에 추가적인 에디 전류를 유도할 것이고, 이에 의해 에디 전류 센서로부터의 전체 신호에 제공된다. 또한, 패드가 시간이 지나면서 마모되거나 부식하여 스테인레스 스틸 백킹과 에디 전류 센서사이의 거리에서의 변동을 야기함으로써, 전체 에디 전류 센서 신호로의 적절한 기여 (appropriated contribution) 에 영향을 준다. 따라서, 웨이퍼로서 연속 처리되는 경우 마모 팩터가 고려되어야만 한다. 결과적으로, 두께 측정에 개입된 가변성으로 인해, 에러의 양은 수용불가능하게 높고 예견불가능하다.
전술한 관점에서, 원하는 두께를 보다 정확하게 달성하기 위해 정확한 종료점이 결정될 수 있도록 작업 조건하에서 고유의 가변성을 제거하거나 오프셋시킬 필요가 있다.
발명의 요약
광의적으로 말하자면, 본 발명은 이상적인 조건, 즉, 비-작업 조건 하에서 웨이퍼의 두께를 결정하고, 프로세싱 동작 동안 도입된 미지수에 의한 가변성이 설 명되어지거나 오프셋되도록 그 두께를 제공함으로써 이들 요구를 충족시킨다.
본 발명의 일 실시형태에 따라, 필름 두께 측정 동안 잡음을 최소화시키기 위한 방법을 제공한다. 그 방법은 도전성 필름과 결합된 제 1 면을 향해 제 1 에디 전류 센서를 위치시키는 단계로 시작한다. 그 방법은 도전 필름의 다른 측에 위치된 제 2 에디 전류 센서를 도전 필름과 결합된 제 2 면을 향해 위치시키는 단계를 포함한다. 제 1 및 제 2 에디 전류 센서는 공통 축을 공유하거나 서로 오프셋될 수도 있다. 그 방법은 제 1 에디 전류 센서와 제 2 에디 전류 센서가 한번에 하나씩 전력인가되도록, 제 1 에디 전류 센서 및 제 2 에디 전류 센서에 공급된 전력을 교호 (alternate) 시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 일양태에서, 제 1 에디 전류 센서와 제 2 에디 전류 센서사이에 전력을 스위칭하는 사이에는 지연시간이 포함된다. 또한, 방법은 제 1 에디 전류 센서와 제 2 에디 전류 센서로부터 신호의 조합에 기초하여 필름 두께 측정을 계산하는 단계를 포함한다.
다른 실시형태에서, 웨이퍼 두께를 매핑하기 위한 센서 어레이를 제공한다. 센서 어레이는 복수의 상부 센서와 상부 센서에 대향되는 복수의 바닥 센서를 포함한다. 복수의 바닥 센서 각각은 복수의 상부 센서의 대응하는 하나의 상부 센서와 동축이다. 복수의 상부 센서 중 대응하는 하나의 상부 센서가 액티브인 경우, 복수의 바닥 센서는 패시브가 되도록 더 구성된다. 복수의 상부 센서와 복수의 바닥 센서 양자에 연결된 전원을 포함한다. 또한, 전원으로부터 복수의 바닥 센서와 복수의 상부 센서로 전력을 교호하도록 구성된 제어기를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따라, 웨이퍼를 프로세싱하기 위한 시스템을 제공한다. 시스템은 CMP (화학 기계적 평탄화) 툴을 포함한다. CMP 툴은 하우징 내에 정의된 웨이퍼 캐리어를 포함한다. 웨이퍼 캐리어는 하우징 내에 정의된 윈도우를 갖는 바닥면을 갖는다. 캐리어 필름은 웨이퍼 캐리어의 바닥면에 부착된다. 캐리어 필름은 CMP 동작 동안 웨이퍼를 지지하기 위해 구성된다. 센서는 웨이퍼 내에 내장된다. 센서는 윈도우의 상부면 위에 배치된다. 센서는 웨이퍼의 근접과 두께를 결정하기 위해 웨이퍼에 에디 전류를 유도하도록 구성된다. CMP 툴 외부의 센서 어레이를 제공한다. 센서 어레이는 웨이퍼 캐리어 내에 내장된 센서와 통신한다. 센서 어레이는 제 1 센서 및, 대응하는 제 2 센서를 포함한다. 제 1 센서 및, 대응하는 제 2 센서는 액티브 상태와 패시브 상태 사이에서 교호하도록 구성된다. 제 2 센서가 패시브 상태인 경우 제 1 센서는 액티브 상태에 있도록 추가적으로 구성된다. 센서 어레이는 제 1 센서 및, 대응하는 제 2 센서의 웨이퍼까지의 거리와 관계없이 웨이퍼 두께 신호를 검출하도록 구성된다.
전술한 일반적 설명과 다음의 상세한 설명은 예시적인 것이며, 청구된 바와 같은 본 발명을 한정하지 않는다.
도면의 간단한 설명
본 상세한 설명에 통합되고 일부를 구성하는 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 실시형태를 나타내며 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 기능을 한다.
도 1 은 에디 전류 센서가 동작하는 원리의 단순화된 개략도이다.
도 2 는 CMP 프로세스동안 웨이퍼의 두께를 측정하기 위한 에디 전류 센서를 갖는 웨이퍼 캐리어의 개략도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 인커밍 (incoming) 웨이퍼의 두께를 측정하기 위해 커플링된 센서의 단순화된 개략도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 도 3 에서 도시된, 커플링된 에디 전류 센서의 신호의 그래프이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨이퍼 또는 필름의 인커밍 두께를 측정하기 위한, 커플링된 센서의 다른 구성의 단순화된 개략도이다.
도 6a 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 인커밍 웨이퍼의 두께를 측정하기 위한 커플링된 센서의 또 다른 구성의 단순화된 개략도이다.
도 6b 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 필름 두께를 검출하기 위한 그래프의 일측에 구성된 바와 같은, 에디 전류 센서 어레이를 사용하는 경우, 평균 신호의 안정성을 나타내는 그래프이다.
도 7a 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 하류 CMP 프로세스 두께 센서에 커플링된 인커밍 두께 센서의 단순화된 개략도이다.
도 7b 는 하류 CMP 프로세스 두께 센서에 커플링된 인커밍 두께 센서의 다른 실시형태의 단순화된 개략도이다.
도 8a 및 도 8b 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 표준 저항 필름 두께로부터의 신호와 필름 두께에 대한 에디 전류 센서로부터의 신호 사이의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 9 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 구리 필름 두께를 측정하기 위한 에 디 전류 센서에 대한 캘리브레이션 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 10 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 기판상의 구리 박막의 CMP 동작 동안 2 개의 에디 전류 센서 출력 신호를 나타내는 그래프이다.
도 11a 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연마 벨트의 온도를 측정하는 적외선 (IR) 센서 신호의 시간에 대한 그래프이다.
도 11b 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨이퍼 온도의 IR 신호의 시간에 대한 그래프이다.
도 12 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨이퍼 캐리어에서 에디 전류 센서에 의해 측정된 바와 같이 구리 필름의 제거를 나타내는 CMP 프로세스의 30초 시간 시퀀스 (T1-T9) 의 개략도이다.
도 13 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 오프셋되거나 또는 동축상에 있는, 2 개의 센서에 적용된 스위칭 방식 (scheme) 에 대한 듀티 사이클을 나타내는 단순화된 개략도이다.
도 14a 및 도 14b 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 논-스위칭 전력인가 방식과 스위칭 전력인가 방식 사이의 잡음 차이를 나타내는 예시적인 그래프이다.
도 15a 및 도 15b 는 논-스위칭 전력인가 방식에서 발생된 잡음을 설명하는 예시적인 그래프이다.
도 16a 및 도 16b 는 본 발명의 일 실시형태에 따라 스위칭 전력인가 방식이 센서에 적용되는 경우, 도 15a 및 도 15b 에 유사한 판독을 나타내는 예시적인 그래프이다.
도 17 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 동축 구성으로 에지 배타 개선 (edge exclusion improvement) 을 나타내는 단순화된 개략도이다.
도 18 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 필름 두께 측정 동안 잡음을 최소화시키기 위한 방법 동작을 설명하는 플로우 챠트도이다.
바람직한 실시형태의 상세한 설명
이하, 본 발명의 예시적인 몇몇의 실시형태를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명할 것이다. 도 1 및 도 2 는 "본 발명의 배경기술" 부분에서 전술되었다.
에디 전류 센서 (ECS; Eddy Current Sensor) 는 이동하는 웨이퍼의 금속 필름 두께를 측정하도록 허용한다. ECS 는 통상적인 로딩 로봇 속도하에서 이동하는 웨이퍼에 대해 충분히 빠른 응답을 제공할 수 있다. 따라서, 프로세스 스루풋에 영향을 미치지 않고 "운영 중 (on the fly)" 두께 측정을 수행할 수 있다. 또한, 웨이퍼의 움직임은 클러스터 구성의 한정된 수의 센서로부터 두께 프로파일을 생성하는 이점을 가질 수 있다. 예를 들면, 웨이퍼 얼라이너는 회전 방향과 선형 반경 방향으로 움직임을 제공할 수 있다. 따라서, 센서의 클러스터는 웨이퍼가 보통의 자동화된 웨이퍼 핸들링 방식을 받는 동한 웨이퍼의 두께 프로파일을 획득할 수 있다. 일 실시형태에서, 두께 프로파일은 하류 프로세스의 레시피 (recipe) 가 두께 프로파일에 대해 최적화될 수 있도록 각 웨이퍼에 대해 생성될 수 있다.
아래 도면들은 논-프로세스 조건, 즉 비방해 조건하에서 웨이퍼의 두께를 결 정하는 인커밍 (incoming) 센서 또는 인커밍 센서 클러스터에 대한 구성을 초기에 제공한다. 이 두께는 얇은 금속 필름을 처리하는 하류 제조 프로세스에 저장 및/또는 전달될 수 있다. 즉, 인커밍 두께는 하류의 제조 프로세스에 대해 유사한 두께 측정 디바이스로 공급될 수 있다. 하류의 제조 프로세스에 관련된 센서는 프로세싱 조건에서 발생된 미지수 또는 변수가 무관하도록 인커밍 두께로 조정될 수 있다. 센서의 클러스터는 새로운 계측 특성을 정의하도록 2 또는 3 개의 센서 조합으로 언급된다. 일 실시형태에서, 센서는 거리에 대한 민감성을 제거하기 위해 클러스터로 합쳐진다. 또한, 여기에서 센서 구성으로 수집된 데이터의 샘플 결과가 제공된다. 여기에서 사용된 바와 같이, 센서 어레이는 웨이퍼의 더 큰 영역을 커버 즉, 매핑하도록 합쳐진 2 이상의 센서 클러스터를 포함한다. 또한, 웨이퍼의 동일면상에 위치된 3 개의 센서를 어레이로 간주할 수 있다.
기존의 스테이션에 클러스터화된 센서를 통합시키는 경우, 웨이퍼의 두께는 하류 프로세싱 동작을 위해 매핑되고 저장될 수 있다. 또한, 웨이퍼가 프로세싱 챔버로부터 제거되는 경우, 프로세싱된 웨이퍼의 두께는 프로세싱 동작의 결과에 대해 피드백을 제공하기 위해 스캐닝될 수도 있다. 따라서, 피드백에 기초하여, 동작의 레시피에 조정이 이루어질 수 있다. 또한, 포스트 프로세싱 결과는 추가적인 프로세싱 동작을 위해 제공될 수 있다.
도 3 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 인커밍 웨이퍼의 두께를 측정하기 위한 커플링된 센서의 단순화된 개략도이다. 상부 센서 (130) 와 바닥 센서 (132) 는 웨이퍼 (138) 의 두께를 나타내는 신호를 제공하기 위해 구성된다. 일 실시형태에서, 센서 (130 및 132) 는 에디 전류 센서이다. 웨이퍼 (138) 는 기판 (142) 과 금속 레이어 (140) 를 포함한다. 상부 센서의 축 (134) 은 바닥 센서 (132) 의 축 (136) 으로부터 오프셋된다. 당업자는 상부 센서 (130) 와 하부 센서 (132) 를 오프셋하여, 두 센서가 에디 전류 센서인 경우, 센서 (130 및 132) 에 의해 생성된 전자기장이 서로 방해, 즉 억제하지 않는다는 것을 이해할 것이다. 주파수가 동일하고 축 (134) 이 축 (136) 과 정렬한 경우, 신호의 억제가 특정 상황에서 발생할 수 있지만, 아래에서 설명되는 바와 같이 신호의 억제을 피하기 위해 조정이 이루어질 수 있다. 제어기 (144) 는 센서 (132 및 134) 와 통신한다. 일 실시형태에서, 제어기 (144) 는 센서 (132 및 134) 로부터 신호를 수신하고 웨이퍼 (138) 의 두께를 결정하기 위해 구성된다. 제어기 (144) 는, 웨이퍼의 두께를 나타내는 신호에 이르도록, 센서 (130 및 132) 로부터 신호를 평균화한다. 또한, 상부 센서 (130) 와 바닥 센서 (132) 를 제공하여, 웨이퍼 (138) 의 상부면과 상부 센서 사이의 거리 (146) 의 변화 또는 웨이퍼 (138) 의 하부면과 하부 센서 사이의 거리 (148) 의 변화가 상쇄된다. 즉, 양 센서가 정적인 경우 양 거리의 변화가 판독의 평균화에 의해 오프셋되어, 신호가 두께와 근접 함수보다는 두께의 함수가 된다. 다른 실시형태에서, 제어기 (144) 는 CMP 툴과 같은 하류 툴로 계산된 두께를 전달하여, 하류 프로세스가 웨이퍼의 인커밍 두께에 기초하여 인가된 다운 포스의 압력 및 벨트 속도와 같은 프로세스 설정을 최적화할 수 있다.
도 4 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 도 3 에서 구성된 커플링된 에디 전류 센서로부터의 신호의 그래프이다. 그래프 (150) 는 시간 대 에디 전류 센서 출력전압을 그린다. 라인 (152) 은 도 3 의 바닥 센서 (132) 와 같은, 웨이퍼 아래에 위치된 센서로부터의 신호를 나타낸다. 라인 (154) 은 도 3 의 상부 센서 (130) 와 같은 웨이퍼 상에 위치된 센서로부터의 신호를 나타낸다. 굵은 라인 (156) 은 라인 (152 와 154) 의 평균을 나타낸다. 라인 (156) 이 실제로 일정한 신호를 제공한다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 즉, 상부 센서로부터의 신호와 바닥 센서로부터의 신호를 결합하여, 센서의 거리에 대한 신호의 의존성을 제거한다. 예를 들면, 도 3 의 웨이퍼 (138) 가 상부 센서 (130) 에 더 가깝게 이동하면, 신호는 증가한다. 영역 (158) 은 상부 센서에 가까운 웨이퍼의 움직임을 예시한다. 따라서, 상부 센서로부터의 신호강도는 영역 (158) 에서 라인 (152) 에 의해 나타내지는 것과 같이 증가한다. 동시에, 웨이퍼는 바닥 센서로부터 떨어져 이동하고 있다. 따라서, 바닥 센서로부터 신호강도는 영역 (158) 내의 라인 (154) 에 의해 도시된 바와 같이, 상부 센서로부터 신호강도의 증가와 유사하게 감소한다. 결과적으로, 상부 및 바닥 신호강도의 평균은 일정하게 유지된다. 신호강도가 센서 대 물체로의 거리에 선형적으로 관련되기 때문에, 제 1 정적 센서를 향한 물체의 움직임에 의해 야기된 신호강도 변화는 제 2 정적 센서로부터 멀어지는 물체의 움직임에 의해 야기된 강도의 반대 변화에 의해 오프셋된다. 차례로, 거리에 대한 신호강도가 제거된다.
따라서, CMP 툴의 웨이퍼 캐리어내에 내장된 센서와 같은, 작업 조건하에서 동작하는 센서와, 센서 또는 센서 클러스터를 클러스터링하여, 작업 조건하에서 동작하는 센서가 제거 속도와 프로세스 종료점에 따른 정보를 보다 정확하게 제공하기 위해 캘리브레이션될 수 있다. 즉, 인커밍 필름 두께 또는 웨이퍼 두께의 정확한 측정을 제공하여, 프로세싱 조건하에서 야기된 부정확성은 캘리브레이션 설정을 통해 보상될 수 있다. 또한, 센서 클러스터는, 웨이퍼가 제 1 센서 또는 센서 클러스터에 의해 매핑된 두께 프로파일을 가지며, 정확한 양의 필름 두께를 제거하도록 CMP 프로세스와 같은 프로세스를 커스터마이즈하기 위해 그 프로파일이 프로세스 툴의 제어기로 다운로딩되는 런투런 (run to run) 프로세스로서 이용될 수 있다.
도 5 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨이퍼 또는 필름의 인커밍 두께를 측정하기 위한 커플링된 센서의 다른 구성의 단순화된 개략도이다. 여기에서, 상부 센서 (130) 와 바닥 센서 (132) 는 동일한 수직 축 (160) 을 공유한다. 상부 및 하부 센서 사이의 신호의 임의의 방해 또는 억제를 제거하기 위해, 상이한 주파수가 개별적인 센서의 각각에 대해 인가될 수 있다. 또한, 위상 시프트는 2 개의 센서가 위상이 다르도록 인가될 수 있다. 즉, 하나의 센서가 신호의 억제를 제거하기 위해 180 도 신호의 파형을 역전시킨다. 거리가 전술된 바와 같이 변수로서 제거되기 때문에, 신호강도는 두께의 함수이다. 수학적 방정식으로서 나타내면 : S=k(THK) 이고, S 는 신호강도, k 는 감도 계수이고, THK 는 두께이다. 신호강도와 감도 계수가 상기 방정식에서 알려져 있다면, 일 실시형태에서 두께는 캘리브레이션 곡선을 통해 결정될 수 있다. 결정된 이 두께는 도 8 및 도 9 를 참조하여 언급된 CMP 툴과 같은 반도체 제조 프로세스에서 얇은 금속 필름으로서 하류 프로세스 툴에 공급될 수 있다. 또한, 도 13 내지 도 16b 를 참조하여 더 상세하게 설명되는 스위칭된 전력인가 방식을 적용할 수도 있다. 따라서, 단일 전원 (145) 이 두 개의 센서 (130 및 132) 에 전력을 공급하기 위해 사용될 수도 있다. 물론, 단일 전원은 센서가 도 3 과 같이 오프셋되는, 스위칭된 전력인가 방식으로 적용될 수도 있다.
도 6a 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 인커밍 웨이퍼의 두께를 측정하기 위한 커플링된 센서의 또 다른 구성의 단순화된 개략도이다. 일 실시형태에서, 센서 클러스터는 상부 센서 (130) 의 축 (162) 을 따라 웨이퍼 (138) 의 두께를 결정하기 위해 구성된다. 바닥 센서 (132a 및 132b) 는 각 센서로부터 축 (162) 으로의 거리가 동일하도록 위치지정된다. 따라서, 센서 (132a 및 132b) 로부터의 신호를 평균화하여, 축 (162) 을 따라 신호 및 그 결과로서 두께를 결정한다. 여기에서, 상부 센서 하부 센서 사이의 신호의 방해 또는 억제는 하부 센서 (132a 및 132b) 가 상부 센서 (130) 의 축으로부터 오프셋되는 바와 같이 고려의 대상이 아니다. 영역 (164, 166, 168, 170 및 172) 은 웨이퍼가 상부 센서 (130) 와 바닥 센서 (132a 및 132b) 사이에 정의된 공간을 통과하는, 웨이퍼 (138) 의 움직임을 표시한다. 이러한 영역의 의미는 도 6b 를 참조하여 더 상세하게 설명된다.
도 6b 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 필름 두께를 검출하기 위한 그래프의 일측으로 구성된 바와 같이, 에디 전류 센서 클러스터를 사용하는 경우, 평균 신호의 안정성을 나타내는 그래프이다. 이 구성에서, 에디 전류 센서 클러스터는 상부 센서 (130) 와 2 개의 바닥 센서 (132a 및 132b) 를 포함한다. 웨이퍼 (138) 는 상부 센서 (130) 와 2 개의 바닥 센서 (132a 및 132b) 사이를 이동한다. 그래프 (171) 는 밀리초의 시간 대 전압으로 ECS 판독을 그린다. 라인 (169) 은 센서 (132a) 로부터의 판독을 나타내고, 라인 (173) 은 센서 (132b) 로부터의 판독을 나타낸다. 라인 (175) 는 상부 센서 (130) 로부터 판독을 나타낸다. 일 실시형태에서, 센서 (132a 및 132b) 로부터의 신호가 평균화된다. 이 결과는 센서 (130) 로부터의 신호로 평균화된다. 평균화된 최종 신호는 라인 (177) 에 의해 나타내진다. 그래프 (171) 는 센서 클러스터를 통과하는, 웨이퍼 (138) 의 다양한 위치를 나타낸다. 예를 들면, 웨이퍼 (138) 는 센서 클러스터로 들어오고 영역 (164) 에 의해 그래프 상에 나타내진다. 11 볼트의 ECS 판독은 여기에서 웨이퍼가 측정되지 않는 두께 0 에 대응하는 개시점을 나타낸다. 신호는 센서 클러스터를 통해 웨이퍼 에지가 통과할 때 안정화된다. 그후, 웨이퍼는 영역 (166) 으로 보여지는 이 중간점 이동 경로를 통해 지속적으로 이동한다. 보여지는 바와 같이, 라인 (177) 에 의해 나타내지는 평균 판독은 상대적으로 안정하게 유지된다.
다음으로, 웨이퍼는 0.020 인치 위로 움직인다. 상부 센서 (130) 로부터 신호강도, 즉 0 두께에서 측정된 신호와 기준 신호사이의 차이가 더 강해지는 반면, 바닥 센서 (132a 및 132b) 로부터의 신호강도는 더 약해진다. 그러나, 라인 (177) 으로 나타내는 평균은 상대적으로 일정하게 유지된다. 웨이퍼는 중간 점 경로로부터 0.020 인치 아래로 이동된다. 따라서, 상부 센서 (130) 로부터 신호강도는 더 약해지고, 바닥 센서 (132a 및 132b) 로부터의 신호강도는 더 강해진다. 위에서와 같이, 상부 센서와 바닥 센서 신호의 평균은 상대적으로 일정하게 유지된다. 따라서, 전술한 바와 같이, 센서 클러스터는, 이동 웨이퍼로부터의 가변성 또는 휘어지는 웨이퍼로부터의 신호의 변동을 상부 및 바닥 신호의 평균으로 오프셋시키기 때문에, 센서로부터 웨이퍼의 거리가 무관하고, 안정적인 신호를 공급한다. 웨이퍼 (138) 는 영역 (172) 내에 도시된 바와 같이 센서의 클러스터로부터 나와 이동하고, 빠져나간 웨이퍼의 에지를 센서가 발견하면 신호는 변한다. 도 6a 의 영역 (164-172) 은 도 6b 에 대해 서술된 바와 같이 움직임의 유사한 패턴을 나타낸다. 도 6a 의 움직임의 그래프는 도 6b 에서와 같이 실제로 일정한 평균 신호를 나타낸다. 안정적인 판독이 유지되도록, 센서가 하나의 바닥 센서와 하나의 상부 센서, 하나의 바닥 센서와 2 개의 바닥 센서, 또는 임의의 다른 적절한 구성으로 구성될 수 있는 것은 당업자에게 이해될 것이다.
도 7a 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 하류 CMP 프로세스 두께의 센서에 커플링된 인커밍 두께 센서의 단순화된 개략도이다. 여기에서, 인커밍 두께 센서 (130a) 는 웨이퍼 (138) 의 기판 (142) 상부로 웨이퍼 및/또는 박막 (140) 의 두께를 결정한다. 결정된 두께를 나타내는 신호는 제어기 (144) 로 전달된다. 차례로, 제어기 (144) 는 CMP 프로세스 동안 웨이퍼 캐리어 (174) 내에 내장된 센서 (130b) 로 신호를 전달한다. 일 실시형태의 센서 (130a 및 130b) 는 에디 전류 센서이다. 다른 실시형태에서, 센서 (130a 및 130b) 는 적외선 센서이다. 인커밍 웨이퍼 (138) 의 두께로 센서 (130b) 에 제공하여, 센서와 웨이퍼 사이의 거리에 감도를 실제로 제거하기 위해 캘리브레이션을 수행할 수 있다. 센서 (130b) 와 웨이퍼 (138) 사이의 거리에서 가변성은 작업 조건 동안 억제되는 캐리어 필름 (176) 에 의해 야기될 수 있거나 최대 +/-3 mm 일 수 있는 캐리어 필름의 두께의 고유 가변성 때문일 수 있다. 또한, 연마 패드 (178) 의 상부와 스테인레스 스틸의 백킹 (180) 사이의 거리는 센서 (130b) 로부터의 신호에 영향을 준다. 다시 말하면, 인커밍 웨이퍼 (138) 의 두께를 나타내는 신호는 연마 패드 (178) 의 상부와 스테인레스 스틸의 백킹 (180) 사이의 거리에 영향을 주는 패드 부식과 연마 패드 공차에 의해 야기된 가변성을 실제로 제거하도록 센서 (130b) 를 조정하기 위해 사용된다.
도 7b 는 하류 CMP 프로세스 두께 센서에 커플링된 인커밍 두께 센서의 다른 실시형태의 단순화된 개략도이다. 도 7b 에서, 상부 센서 (130a) 와 바닥 센서 (132a 및 132b) 를 구성하는 센서 클러스터는 제어기 (144) 와 통신한다. 여기에서, 도 6a 및 도 6b 의 센서 클러스터와 같은 적당한 센서 클러스터는 웨이퍼 (138) 의 인커밍 두께 또는 웨이퍼의 박막 (140) 의 인커밍 두께를 결정하기 위해 제공된다. 도 3 및 도 5 를 참조하여 센서 클러스터가 웨이퍼 (138) 의 두께를 결정하기 위해 사용될 수도 있는 적당한 센서 클러스터인 것은 당업자에게 이해될 것이다. 일 실시형태에서, 제어기 (144) 는 웨이퍼를 통해 상부 센서 (130a) 의 축을 따라 웨이퍼 (138) 의 두께에 대한 두께 신호를 결정하기 위해 바닥 센서 (132a 및 132b) 로부터의 신호를 평균화한다. 바닥 센서의 평균화된 신호는 웨 이퍼 (138) 또는 박막 (140) 의 두께를 결정하기 위해서 상부 센서 (130) 로부터의 신호로 평균화된다. 이 두께는 내장된 센서 (130b) 로 전달된다. 전술된 바와 같이 도 7a 를 참조하여, 자동 캘리브레이션은 센서 (130b) 에 대해 수행될 수 있고, 센서와 웨이퍼 사이의 거리에 대한 감도와 연마 패드 (178) 의 상부와 스테인레스 스틸 백킹 (180) 사이의 거리에 대한 감도는 실제로 제거된다. 즉, 자동 캘리브레이션은 CMP 캐리어 대 플레이트의 기계적 이동을 가진 다른 기계적 드리프트 이슈 또는 패드 마모 때문에 센서 근접에서의 변동에 대한 ECS 판독을 조정하기 위해 실시간으로 수행될 수 있다.
도 7b 의 센서 (130b) 는 스페이서 (175) 상부에 배치된다. 스페이서 (175) 는 웨이퍼 캐리어 (174) 의 바닥면으로 정렬된다. 스페이서 (175) 는 비도전성인 임의의 적당한 재료로 구성된다. 일 실시형태에서, 스페이서 (175) 는 폴리머이다. 다른 실시형태에서, 스페이서 (175) 는 약 1 mm 와 약 1.5 mm 두께 사이이다. 센서 (130b) 가 웨이퍼 상의 필름 또는 웨이퍼의 두께와 근접을 나타내는 신호를 송수신하기 위해 스페이서 (175) 는 윈도우를 제공한다.
도 7a 및 도 7b 의 실시형태가 전-CMP (pre-CMP) 프로세싱에 대해 센서 또는 센서 클러스터를 설명하는 동안, 센서 또는 센서 클러스터는 런투런 프로세스 제어를 개선하기 위해 구성된 정보를 제공하기 위해 후-CMP (post-CMP) 프로세싱에 위치될 수도 있다. 임의의 인커밍 필름 두께를 보상하기 위해 프로세스 툴 스테이션으로 특정 레시피에 대해 다운로딩되어지도록 인커밍 두께가 허용하는 동안, 후-CMP 두께는 후-CMP 두께 균일성 측정에서 결정된 임의의 검출된 프로세스 변동 의 정정을 허용한다. 즉, 후-CMP 두께균일성 측정은 정확한 종료점을 획득하기 위해 센서 (130b) 에 대한 캘리브레이션 설정을 추가적으로 미세 조정하기 위해, 센서 (130b) 에 피드백으로서 제공된다. 일 실시형태에서, 제어기 (144) 는 후-CMP 센서 클러스터로부터 센서 (130b) 로 피드백을 제공한다. 다른 실시형태에서, 에디 전류 센서는 SUNX 사로부터 입수 가능한 GP-A 시리즈 아날로그 변위 센서와 같은 보통 입수할 수 있는 에디 전류 센서이다. 다른 실시형태에서, 복수의 센서는 도 7a 및 도 7b 의 웨이퍼 캐리어에 위치될 수 있다. 복수의 센서는 웨이퍼 근접과 금속 필름 두께 양자를 검출하기 위해 다같이 링크될 수 있다. 예를 들면, 용량성 센서는 웨이퍼와 ECS 센서 사이의 거리를 결정하기 위해 웨이퍼 내에 포함될 수 있다. 용량성 센서가 ECS 센서로 링크되면, 거리는 ECS 센서로 제공될 수 있다.
도 8a 및 도 8b 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 표준 저항성 필름 두께 측정 디바이스로부터 신호와 필름 두께에 대한 에디 전류 센서로부터의 신호사이의 상관관계를 나타내는 그래프이다. 도 8a 의 라인 (190) 은 통상적인 저항 센서 어프로치로부터의 신호를 나타낸다. 라인 (192) 은 웨이퍼의 중심으로부터 상이한 시점에서, CMP 툴의 연마 패드 또는 벨트, 웨이퍼 캐리어, 에어 베어링 플레튼 (air bearing platen) 등의 스테인레스 스틸 백킹과 같은 제 3 의 금속체가 있는 경우 에디 전류 센서로부터의 신호를 나타낸다. 라인 (194a) 은 제 3 금속체 없이 에디 전류 센서로부터의 신호를 나타낸다. 따라서, 에디 전류 센서는 저항 측정의 표준 4 점 어프로치로부터의 신호와 밀접하게 상관한다. 또한, 퍼 센트 편차는 삼각형 (196) 으로 나타내는 바와 같이 +/-5% 이내이고, 각 삼각형은 각 삼각형 라인 상에 대한 각 점 사이의 차이에 대응한다.
유사하게 도 8b 는 통상적인 저항성 센서 어프로치로부터의 신호에 상관된 에디 전류 센서 측정을 나타낸다. 여기에서 라인 (190b) 은 통상적인 저항성 센서 어프로치로부터의 신호를 나타내고, 라인 (194b) 은 제 3 금속체가 없는 경우 에디 전류 센서로부터의 신호를 나타낸다. 도 8a 에서 측정된 웨이퍼가 도 8b 에서 측정된 웨이퍼와 상이하다는 것을 인식한다. 다시 말하면, ECS 신호 (194b) 는 RS75 신호와 거의 상관한다. 즉, 신호 사이의 퍼센트 편차는 삼각형 (196) 으로 나타내는 바와 같이 일반적으로 +/- 5% 이내이다. 라인의 종점은 필름의 에지, 즉 웨이퍼의 에지에 대응하고 서로 관련된 것으로 고려되지 않는다는 것을 당업자는 이해할 것이다.
도 9 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 구리 필름 두께를 측정하기 위한 에디 전류 센서용 캘리브레이션 곡선을 나타내는 그래프이다. 라인 (198) 은 구리 필름 두께와, 제 3 금속체가 없는 필름 두께에 대한 관련 ECS 전압 판독을 나타낸다. 라인 (200) 은 구리 필름 두께와, 제 3 금속체가 있는 필름 두께에 대한 관련 ECS 전압 판독을 나타낸다. 도 3, 도 5, 도 6a, 도 6b, 도 7a 및 도 7b 를 참조하여, 캘리브레이션 곡선이 전술된 센서에 적용될 수 있다는 것을 당업자는 인식할 것이다. 또한, 캘리브레이션 곡선은 임의의 도전성 필름 레이어에 대해 생성될 수 있고, 여기에서 설명된 구리는 단지 설명을 위한 목적이고 한정을 위한 것이 아니다.
도 10 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 기판상의 구리 박막의 CMP 동작 동안 2 개의 에디 전류 센서 출력 신호를 설명하는 그래프이다. 라인 (210) 은 CMP 동작을 겪는 웨이퍼의 로딩 에지의 ECS 신호를 시간에 대해 나타낸다. 라인 (212) 은 CMP 동작을 겪는 웨이퍼의 트레일 (trail) 에지의 ECS 신호를 시간에 대해 나타낸다. 라인 (214 및 216) 사이로 정의된 영역은 웨이퍼의 토포그래피를 제거하는 것이고, 라인 (216) 이후의 영역은 웨이퍼로부터 잉여 구리를 제거하는 것이다. 점 (210-1) 은 웨이퍼의 리딩 (leading) 에지의 잉여 구리를 제거하는, 즉 종료점이다. 점 (212-1) 은 웨이퍼의 트레일 에지의 종료점을 나타낸다. 웨이퍼 캐리어 내에 내장된 ECS 로부터 모아진 정보는 제거 속도를 결정하기 위해 지속적인 데이터를 이끈다는 것을 당업자는 인식할 것이다. 또한, 리딩 에지와 트레일 에지 사이의 제거 속도 편차를 볼 수 있다. 센서가 웨이퍼 캐리어내에 내장되면, 센서는 측정되어질 웨이퍼 상의 필름 또는 웨이퍼의 두께에 관해서 지속적인 실시간 데이터를 제공한다. 즉, 센서가 이산 측정을 제공하는 연마 벨트 또는 패드의 회전당 한번의 스냅샷 (snapshot) 을 갖는 경우, 윈도우가 없다. 여기에서 설명된 실시형태는 지속적인 측정과 두께 모니터링을 제공한다.
도 11a 는 본 발명의 일 실시형태에 따라 시간에 대해 연마 벨트의 온도를 측정하는 적외선 (IR) 센서 신호의 그래프이다. 실리콘 기판이 적외선 신호를 통과시키고, 따라서 적외선 신호가, 연마면의 표면에 의해 평탄화된 웨이퍼의 박막의 온도를 검출할 수 있다. 도 11a 의 그래프의 라인은 오퍼레이터에 대해 벨 트의 전면 중앙과 백킹 중앙과 같은, 벨트의 여러 위치에서 적외선 신호를 모니터링하는 것을 나타낸다.
도 11b 는 본 발명의 일 실시형태에 따라 시간 동안 웨이퍼 온도의 적외선 신호의 그래프이다. 여기에서, 웨이퍼 온도는 CMP 프로세스 진행동안 온도 편차를 모니터하기 위해 모니터링된다. 도 11a 및 도 11b 의 각 실시형태에 대해, 라인 (218 및 220) 각각은 관련된 프로세스의 종료점에서 그래프의 응답 라인을 교차시킨다. 즉, 벨트 온도와 웨이퍼 온도는 곡선의 굴곡점 (inflection point) 인, 종료점에서 감소되기 시작한다. 일 실시형태에서, 웨이퍼 온도는 프로세싱 동안 벨트 온도가 약 10 ℃ 만큼 변하고, 웨이퍼 온도가 약 20 ℃ 만큼 변한다.
도 12 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 웨이퍼 캐리어의 에디 전류 센서에 의해 측정된 구리 필름의 제거를 설명하는 CMP 프로세스의 30초 시간 시퀀스 (T1-T9) 의 개략도이다. 시간 스퀀스 (T1-T9) 의 각각은 x 축상의 초 단위의 시간 간격과 y 축 상의 전압 단위의 ECS 신호를 도시한다. 시간 시퀀스 (T1) 는 프로세스의 초기를 나타내고, 시간 시퀀스 (T2) 는 구리 필름의 제거의 개시를 나타낸다. 즉, 479 Å 재료가 시간 시퀀스 (T2) 에서 제거된다. 시간 시퀀스 (T3-T8) 는 대략 30초 주기와, 시간 시퀀스 동안 제거된 재료의 관련된 양을 나타낸다. 시간 시퀀스 (T9) 는 종료점 조건의 발생을 나타낸다.
도 13 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 오프셋되거나 또는 동축에 있는 2 개의 센서에 적용된 스위칭 방식에 대한 듀티 사이클을 나타내는 단순화된 개략도 이다. 여기에서, 제 1 센서에 관련된 듀티 사이클 (250) 은 제 2 센서에 관련된 듀티 사이클 (252) 에 대해 교대로 일어난다. 즉, 듀티 사이클 (252) 이 "온" 상태인 경우, 듀티 사이클 (250) 은 "오프" 상태이고, 그 반대도 같다. 따라서, 측정되어질 기판을 통해 센서의 교차 결합은 이 교호 전력인가 방식으로 제거된다. 교호 전력인가 방식은 스위칭 방식으로서 칭해질 수도 있다. 아래의 도 14a 내지 도 16b 에서 도시된 바와 같이, 도 13 의 스위칭 방식으로부터 나온 잡음은 양 센서가 동시에 전력인가 방식과 비교하면 크게 적다. 제 1 및 제 2 센서가 서로 오프셋될 수도 있고, 즉, 제 1 센서에 대한 축이 도 3, 도 6a 및 도 7b 에서 도시된 바와 같이 제 2 센서에 대한 축으로부터 오프셋된다. 또한, 제 1 센서와 제 2 센서는 도 5 에서 도시된 바와 같이, 이 구조하에서 동축일 수도 있다.
도 14a 및 도 14b 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 논-스위칭 전력인가 방식과 스위칭 전력인가 방식사이의 잡음 차이를 나타내는 예시적인 그래프이다. 도 14a 는 논-스위칭 전력인가 방식에 대한 전압 판독을 나타낸다. 도 14b 는 스위칭 전력인가 방식에 대한 전압 판독을 나타낸다. 보여지는 바와 같이, 도 14a 에 관련된 잡음 레벨은 도 14b 에 관련된 잡음 레벨보다 상당히 크다. 상술한 바와 같이, 제 1 및 제 2 센서에 동시에 전력인가되는 경우, 이 잡음 레벨에서 하락은 웨이퍼를 통해 제 1 및 제 2 센서의 커플링 제거 때문이다. 따라서, 각 센서에 대해 전력인가를 교호하여, 더 적은 간섭을 가지고 보다 정확한 판독을 획득할 수도 있다. 여기에서 설명된 실시형태는 센서에 전력인가하도록 사용되 어질 단일 전원이 가능하여, 상이한 전원의 상이한 잡음 특성에 의해 야기된 에러를 제거한다.
도 15a 및 도 15b 는 논-스위칭 전력인가 방식에서 발생된 잡음을 설명하는 예시적인 그래프이다. 도 15a 의 영역 (254) 은 도 15b 에서 확대된다. 여기에서, 라인 (256) 은 상위 센서로부터의 신호를 나타내고, 라인 (258) 은 하위 센서로부터의 전압 신호를 나타낸다. 도 15b 에서 증명되는 바와 같이, 영역 (254) 내의 라인 (256) 을 연장하면, 전압 판독은 일반적으로 7.7 내지 7.9 볼트 사이에서 진동한다. 도 16a 및 도 16b 는 스위칭 전력인가 방식이 본 발명의 일 실시형태에 따른 센서에 인가되는 경우, 도 15a 및 도 15b 와 유사한 판독을 나타내는 예시적인 그래프이다. 여기에서, 라인 (260) 은 하위 센서 전력 판독을 나타내고, 라인 (262) 은 상위 센서 전압 판독을 나타낸다. 도 16a 에서 보여질 수 있는 바와 같이, 전압 판독은 도 15a 에서 해당 신호와 비교하여 비교적 평평하다. 도 16b 에서 연장 라인 (264) 은 라인 (260) 의 상대적인 평평함을 추가적으로 나타낸다. 여기에서, 하위 센서에 대한 전압 판독은 도 15b 로부터의 7.7 내지 7.9 볼트 사이에 대비하여, 7.75 내지 7.8 볼트의 영역 내에서 상당히 안정적으로 유지된다.
도 17 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 동축 구성에서 에지 배타 개선 (edge exclusion improvement) 을 나타내는 단순화된 개략도이다. 웨이퍼 (280) 는 점선 (282 및 284) 에 의해 설명된 2 개의 동심원을 포함한다. 오프셋 구성에서, 에디 전류 센서는 라인 (284) 내에 정의된 영역 내에서 두께를 측정 하도록 한정될 수도 있다. 그러나, 동축 구성에서, 영역은 라인 (282) 내에 정의된 영역으로 확장될 수도 있다. 따라서, 웨이퍼 (280) 의 더 큰 양을 측정할 것이다. 예를 들면, 에디 전류 센서 프로브가 직경 대략적으로 18mm 인 경우, 측정될 수도 있는 영역이 대략적으로 추가로 9 mm 로 연장될 수도 있다. 유사하게, 프로브는 직경 12 mm 인 경우, 측정 영역은 대략적으로 적어도 6 mm 추가하여 연장될 수도 있다.
도 18 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 필름 두께 측정 동안 검사 스폿 사이즈와 잡음을 최소화시키기 위한 방법 동작을 설명하는 플로우 차트도이다. 방법은 동작 (270) 으로 시작되고, 도전성 필름과 결합된 제 1 면을 향해 제 1 에디 전류 센서를 위치시킨다. 방법은 동작 (272) 으로 진행하고, 도전성 필름과 결합된 제 2 면을 향해 제 2 에디 전류 센서를 위치시킨다. 여기에서, 제 2 에디 전류 센서와 제 1 에디 전류 센서는 도 3 및 도 5 를 참조하여, 전술된 바와 같이 반도체 기판의 반대면을 향할 수도 있다. 제 1 에디 전류 센서와 제 2 에디 전류 센서가 여기에서 설명된 바와 같이 서로에 대해 동축 혹은 오프셋될 수도 있다. 에디 전류 센서가 동축인 경우, 검사 스폿 사이즈는 오프셋 구성과 비교하여 줄어든다. 예를 들면, 오프셋 구성에서, 검사 스폿 사이즈는 도 3 을 참조하여 설명된 바와 같이 에디 전류 센서 프로브의 양 직경만큼 크다. 그러나, 동축 구성에서, 검사 스폿 사이즈는 도 5 를 참조하여 설명된 바와 같이 에디 전류 센서 프로브의 단일 직경으로 줄어든다. 또한, 에디 전류 센서는 얼라이너 스테이션 내에 결합된 매핑 기능의 부품으로서 또는 화학 기계적 평탄화 프로세싱 툴 과 같은 프로세싱 툴로서 위치지정될 수도 있다.
도 18 의 방법은 제 1 에디 전류 센서와 제 2 에디 전류 센서로의 전원공급이 교호적인, 동작 (274) 으로 나아간다. 즉, 제 1 에디 전류 센서로의 전력은 "온" 이고, 제 2 에디 전류 센서로의 전력은 "오프" 이다. 따라서, 한번에 하나의 에디 전류 센서에만 전력인가됨으로써, 기판을 통해 에디 전류 센서상의 교차 커플링을 제거한다. 일 실시형태에서, 지연 시간은 교호 전력인가 방식으로 포함될 수 있다. 즉, 일단 제 1 에디 전류 센서가 "온" 으로 전력인가되고나서 "오프" 로 전력인가되면, 지연 주기는 제 2 에디 전류 센서가 "온" 되기 전에 발생할 것이다. 지연 주기는 본 발명의 일 실시형태에서 1 밀리초일 수도 있지만, 임의의 적당한 지연 주기가 적용될 수도 있다. 방법은 동작 (276) 으로 이동하고, 필름 두께 측정은 제 1 에디 전류 센서와 제 2 에디 전류 센서로부터 신호의 조합에 기초하여 계산된다. 잡음이 교호 전력인가 방식때문에 최소화되기 때문에, 계산된 필름 두께는 더 높은 정확도와 정밀도로 결합될 것이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제 1 및 제 2 에디 전류 센서가 동축이고, 대향하는 에디 전류 센서는 대응하는 에디 전류 센서에 최소 유도성 부하로서 나타내도록 구성될 수도 있다. 이것은 개방 루프 시스템에서 에디 전류 센서를 포함함으로써 달성할 수 있다. 추가적으로, 여기에서 설명된 실시형태는 전력이 교호적이기 때문에, 제 1 에디 전류 센서와 제 2 에디 전류 센서 양자에 전력을 공급하기 위한 단일 전원을 이용할 수 있다. 따라서, 복수의 전원으로부터 에디 전류 센서에 전력인가하는 경우 유도된 에러, 예를 들면, 상이한 전원의 잡음 특성을 제 거한다. 추가적으로, 오프셋 구성에서 발생한 에지 배타 (edgy exclusion) 는 동축 구성에서 교호 전력인가 방식의 애플리케이션에 의해 제거될 수도 있다. 즉, 센서 헤드가 웨이퍼의 에지에 접근하여, 프로브의 부분이 웨이퍼 주변의 바깥부분을 노출시키고 일부가 웨이퍼 주변에서 노출될 것이다. 이 노출은 웨이퍼의 에지 영역이 측정되지 않는 에지 배타를 초래한다. 이 에지 영역은 에디 전류 센서의 직경만큼 넓을 수도 있다. 따라서, 동축 구성에서 에지 배타는 에디 전류 센서를 오프셋하기 위해 비교하여 최소화될 것이다. 즉, 에지 배타 영역은 센서의 반경으로 감소될 수도 있다.
요약하면, 본 발명은 클러스터 센서 구성을 통해, CMP 프로세스와 같은 반도체 제조 프로세스의 종료점 결정을 위해 제공한다. 클러스터 센서는 논-프로세스 조건하에서 웨이퍼 상의 필름 두께를 초기에 결정하여 종료점 및 관련된 제거 또는 증착 속도의 결정을 허용한다. 일 실시형태에서, 측정될 필름의 두께는 약 0 마이크론 내지 2 마이크론 사이이다. 결정된 두께는 센서를 캘리브레이션하기 위해 프로세스 동작과 관련된 제 2 센서로 제공되어, 두께 측정에서 에러를 야기하는 프로세싱 조건으로부터의 변수가 실질적으로 제거된다. 실시형태가 CMP 프로세스에 대해 설명되었지만, 클러스터 센서 어레이는 CMP 프로세스에 한정되지 않는다. 예를 들면, 센서는 기판상의 레이어 또는 필름을 제거하거나 증착하는, 에칭 및 증착 프로세스와 같은 임의의 반도체 프로세스내에서 사용될 수 있다. 추가로, 스위칭 전력인가 방식은 잡음 최소화를 위해 정의된다. 스위칭 전력인가 방식은 기판을 통해 반대 센서가 동시에 전력인가되는 경우 발생하 는 센서의 커플링을 제거한다. 센서가 동축 구성된, 스위칭 전력인가 방식에서 위치되는 경우, 개방 루프 시스템의 통합을 통해 유도성 부하로서 나타나는 대향 센서의 최소화와 함께, 에지 배타의 정도가 감소된다.
본 발명은 예시적인 여러 개의 실시형태에 대해 여기에서 설명되었다. 본 발명의 다른 실시형태는 본 발명의 상세한 설명과 실행의 고려를 통해 당업자에게 명백할 것이다. 전술한 본 실시형태와 바람직한 특성은 예시적인 것으로 고려되어야 하고, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의된다.

Claims (19)

  1. 필름 두께 측정 중에 검사 스폿 사이즈와 잡음을 최소화하기 위한 방법으로서,
    도전성 필름과 결합된 기판의 제 1 면을 향해 제 1 에디 전류 센서를 위치시키는 단계;
    상기 도전성 필름과 결합된 상기 기판의, 상기 제 1 면과 대향하는 제 2면을 향해 제 2 에디 전류 센서를 위치시키는 단계;
    상기 제 2 에디 전류 센서에 전력이 인가되지 않는 동안 상기 제 1 에디 전류 센서에 전력을 인가하고, 상기 제 2 에디 전류 센서에 전력이 인가되는 동안 상기 제 1 에디 전류 센서에 전력을 인가하지 않도록, 상기 제 1 에디 전류 센서와 상기 제 2 에디 전류 센서에 공급되는 전력을 교호시키는 단계; 및
    상기 제 1 에디 전류 센서와 상기 제 2 에디 전류 센서로부터의 신호 조합에 기초하여, 상기 필름 두께 측정을 계산하는 단계를 포함하는, 검사 스폿 사이즈와 잡음 최소화방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 필름과 결합된 제 2 면을 향해 제 2 에디 전류 센서를 위치시키는 단계, 상기 제 2 에디 전류 센서의 축으로부터 상기 제 1 에디 전류 센서의 축을 오프셋시키는 단계를 포함하는, 검사 스폿 사이즈와 잡음 최소화방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 에디 전류 센서와 상기 제 2 에디 전류 센서에 공급되는 전력을 교호시키는 단계는,
    a) 상기 제 1 에디 전류 센서에 전력을 공급하는 단계,
    b) 상기 제 1 에디 전류 센서에 공급된 전력을 종료하는 단계,
    c) 지연 주기 동안 대기하는 단계,
    d) 상기 제 2 에디 전류 센서에 전력을 공급하는 단계,
    e) 상기 제 2 에디 전류 센서에 공급된 전력을 종료하는 단계, 및
    f) 상기 지연 주기 동안 대기하는 단계를 포함하는, 검사 스폿 사이즈와 잡음 최소화방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    측정되어질 각 위치에 대해 상기 a) 내지 f) 단계를 반복하는 것을 더 포함하는, 검사 스폿 사이즈와 잡음 최소화방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 필름과 결합된 제 2 면을 향해 제 2 에디 전류 센서를 위치시키는 단계는, 상기 제 1 에디 전류 센서를 상기 제 2 에디 전류 센서와 동축이 되도록 정렬하는 단계를 포함하는, 검사 스폿 사이즈와 잡음 최소화방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 에디 전류 센서와 상기 제 2 에디 전류 센서에 공급되는 전력을 교호시키는 단계는, 상기 제 1 에디 전류 센서와 상기 제 2 에디 전류 센서 양자를, 각 에디 전류 센서가 패시브일 경우 유도성 부하로서 나타나는 것이 최소화되도록 구성하는 단계를 포함하는, 검사 스폿 사이즈와 잡음 최소화방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 에디 전류 센서와 상기 제 2 에디 전류 센서 양자를, 각 에디 전류 센서가 패시브일 경우 유도성 부하로서 나타나는 것이 최소화되도록 구성하고,
    상기 제 1 에디 전류 센서와 상기 제 2 에디 전류 센서 양자를, 개방 루프로 통합하는 단계를 포함하는, 검사 스폿 사이즈와 잡음 최소화방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    단일 전원으로부터 상기 제 1 에디 전류 센서와 상기 제 2 에디 전류 센서 양자에 전력을 공급하는 단계와,
    상기 제 1 에디 전류 센서와 상기 제 2 에디 전류 센서 양자가 각 위치에 대해 교호 시간에서 전력 인가되도록 전력의 교호를 반복하는 단계를 더 포함하는, 검사 스폿 사이즈와 잡음 최소화방법.
  9. 웨이퍼 두께를 매핑하기 위한 센서 어레이로서,
    복수의 상부 센서;
    상기 상부 센서에 대향된 복수의 바닥 센서로서, 상기 복수의 바닥 센서각각은 상기 복수의 상부 센서 중 대응하는 하나의 상부 센서와 동축이고, 상기 복수의 바닥 센서는, 상기 복수의 상부 센서의 대응하는 하나의 상부 센서가 액티브인 경우 패시브가 되도록 더 구성되는, 상기 복수의 바닥 센서;
    상기 복수의 상부 센서와 상기 복수의 바닥 센서 양자와 연결되는 전원; 및
    상기 전원으로부터 상기 복수의 바닥 센서와 상기 복수의 상부 센서로 전력을 교호시키도록 구성된 제어기를 구비하는, 센서 어레이.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 상부 센서와 상기 복수의 바닥 센서는 에디 전류 센서인, 센서 어레이.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 센서를 패시브 상태에서 액티브 상태로 스위칭하는 경우 지연 시간을 포함하도록 더 구성되는, 센서 어레이.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 센서 어레이는 반도체 프로세싱 툴의 얼라이너 스테이션으로 통합되는, 센서 어레이.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 지연 시간은 1 밀리초인, 센서 어레이.
  14. 화학 기계적 평탄화 (CMP; Chemical Mechanical Planarization) 툴과,
    상기 CMP 툴의 외부의 센서 어레이를 구비하고,
    상기 CMP 툴은,
    하우징 내에서 정의되고, 하우징 내에 정의된 윈도우를 갖는 바닥면을 갖는 웨이퍼 캐리어,
    CMP 동작동안 웨이퍼를 지지하기 위해 구성되며, 상기 웨이퍼 케리어의 상기 바닥면에 부착된 캐리어 필름, 및
    상기 웨이퍼 내에 내장되고 상기 윈도우의 상부면 상부에 배치되며, 상기 웨이퍼의 근접과 두께를 결정하기 위해 웨이퍼에 에디 전류를 유도시키도록 구성된 센서를 포함하고,
    상기 센서 어레이는,
    상기 웨이퍼 캐리어내에 내장된 상기 센서와 통신하고, 제 1 센서 및, 대응하는 제 2 센서를 포함하고,
    상기 제 1 센서와 상기 대응하는 제 2 센서는 액티브 상태와 패시브 상태 사이에서 교호하도록 구성되고,
    상기 제 2 센서가 패시브 상태인 경우, 상기 제 1 센서는 액티브 상태이도록 추가적으로 구성되고,
    상기 센서 어레이는 상기 제 1 센서와 상기 대응하는 제 2 센서의 상기 웨이퍼까지의 거리와 무관한 웨이퍼 두께 신호를 검출하도록 구성되는, 웨이퍼 처리 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 센서 어레이의 상기 제 1 센서와 상기 대응하는 제 2 센서는 공통 축을 갖는, 웨이퍼 처리 시스템.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 센서의 축은 상기 센서 어레이의 상기 대응하는 제 2 센서의 축으로부터 오프셋되는, 웨이퍼 처리 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 센서로부터의 신호는 초기 두께를 결정하기 위해서 상기 대응하는 제 2 센서로부터 신호를 평균화되는, 웨이퍼 처리 시스템.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 센서와 상기 대응하는 제 2 센서 양자와 연결되는 전원; 및
    상기 제 1 센서와 상기 대응하는 제 2 센서에 전력을 교호시키도록 구성된 제어기를 더 구비하는, 웨이퍼 처리 시스템.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 내장된 센서와 상기 센서 어레이와 통신하고,
    상기 제어기는 상기 내장된 센서 또는 상기 센서 어레이 중 하나에 의해 제공된 신호로부터 상기 웨이퍼의 두께를 결정하도록 구성되고, CMP 이전의 웨이퍼와 CMP 이후의 웨이퍼 양자의 두께 프로파일을 CMP 제어기로 제공할 수 있는, 웨이퍼 처리 시스템.
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