KR20110055602A - 계측 피드백에 기초한 패드 프로파일의 폐루프 제어 - Google Patents
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Abstract
화학 기계적 연마 장치는 반도체 웨이퍼가 프로세싱되고 연마 패드의 두께가 감소됨에 따라 연마 패드의 두께를 검출하는 계측 시스템을 포함한다. 화학 기계적 연마 장치는 연마 패드의 인접 영역들보다 더 높거나 더 낮은 연마 표면의 영역이 검출될 때 컨디셔닝 디스크의 물질 제거의 속도를 조정하는 제어기를 포함한다.
Description
관련 출원에 대한 교차 참조
본 PCT 출원은 2009년 8월 7일 출원된 미국 특허 출원 번호 12/187,675, "계측 피드백에 기초한 패드 프로파일의 폐루프 제어"에 대한 우선권을 주장한다. 미국 특허 출원 번호 12/187,675는 본 출원에서 참조되었다.
본 발명은 반도체 소자를 제조하기 위해 화학 기계적 연마(CMP)에 사용되는 연마 패드를 컨디셔닝하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
종래의 CMP 머신은 회전 연마 패드, 커플링된 웨이퍼 캐리어 및 컨디셔닝 디스크를 포함한다. CMP 프로세싱 동안, 연마 입자들의 액체 슬러리가 회전 연마 패드 상에 부어지고 반도체 웨이퍼가 웨이퍼 캐리어에 위치된다. 웨이퍼 캐리어는 상기 캐리어가 연마 패드의 너비에 걸쳐 웨이퍼를 이동시키는 동안 슬러리 및 회전 연마 패드에 맞대어 웨이퍼를 가압한다. 슬러리와 화학 반응 및 연마 입자들에 의해 접촉으로 인한 물리적 침식은 물질이 웨이퍼로부터 제거되거 하고 임의의 불규칙적인 토포그래피를 완전히 평탄하게 하여서, 노출된 웨이퍼 표면을 평면으로 만든다. 컨디셔닝 디스크는 일반적으로 연마 패드에 대해 이동되고 회전되는 다이아몬드 연마 표면을 포함한다. 컨디셔닝 디스크는 웨이퍼로부터 제거된 입자들이 연마 패드의 표면에 축적되는 것을 방지하고 연마 패드의 균일한 연마 특성을 유지한다.
웨이퍼들이 프로세싱됨에 따라, 연마 패드도 또한 마모되고 결국 교체되어야만 한다. CMP 프로세스의 문제점은 패드의 연마 표면이 웨이퍼 프로세싱 동안 평탄하지 않게 될 수 있다는 것이다. 비평탄 연마 표면은 웨이퍼를 적절하게 연마할 수 없고 비평탄 또는 결함있는 웨이퍼 프로세싱을 야기할 수 있다. 따라서, 필요한 것은 연마 표면의 균일성을 모니터링하여 CMP 연마 패드의 비평탄 마모를 방지하는 CMP 시스템 제어 시스템이다.
본 발명은 연마 패드의 연마 표면의 균일성을 유지하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 이 시스템은 회전 연마 패드, 웨이퍼 캐리어, 컨디셔닝 디스크, 컨디셔닝 디스크, 계측 시스템 및 폐루프 제어 시스템을 포함한다. 웨이퍼 캐리어는 연마 슬러리와 코팅되는 회전 연마 패드에 대해 웨이퍼를 지지한다. 상기 캐리어는 연마 패드의 너비에 걸쳐 웨이퍼를 회전시키고 이동시킨다. 물질은 웨이퍼로부터 제거되고 웨이퍼가 매끄러운 평평한 표면으로 연마된다. CMP 프로세싱 동안, 컨디셔닝 디스크도 연마 패드의 너비에 걸쳐 이동된다. 컨디셔닝 디스크는 바람직하게 연마 패드 위에 이동하는 많은 작은 다이아몬드들을 포함하는 연마 표면을 가지며 연마 패드로부터 웨이퍼 입자들을 세정한다. 연마 패드의 두께는 CMP 프로세싱 동안 계측 시스템에 의해 모니터링된다.
계측 시스템은 연마 패드 위에 고정된 거리에서 거리 센서를 위치시키고 거리를 측정하여 연마 표면의 모든 영역들의 두께를 검출할 수 있다. 두께는 센서와 연마 패드의 하단 사이의 알려진 거리에서 거리 측정치를 빼는 방법으로 결정될 수 있다. 이 시스템은 두께 측정치를 저장할 수 있으며 이러한 정보를 사용하여 연마 패드의 프로파일 또는 두께 맵을 생성할 수 있다. 연마 패드의 임의의 비평탄 영역들이 검출되면, 제어 시스템은 컨디셔닝 디스크를 제어하여 연마 패드의 비평탄 영역에 대한 물질 제거 속도를 조정한다.
연마 패드의 측정은 연마 패드의 그래픽 프로파일 표시를 생성하는데 사용될 수 있다. 프로파일은 연마 패드의 너비에서 변화를 나타내는 수직 축선 및 연마 패드의 너버에 걸쳐 방사상 위치들을 나타내는 수평 축선에 의해 연마 패드의 횡단면과 유사하다. 연마 패드가 그 중심에 대해 회전하기 때문에, 디스크는 방사형 패턴으로 마모되는 경향이 있다. 연마 패드에 걸쳐 각 방사형 위치의 두께를 아는 것으로 인해, 전체 연마 패드에 대한 토포그래피(topography)가 추정될 수 있다.
대조적으로, 두께 맵은 연마 패드의 전체 영역에 대한 두께 측정을 제공한다. 두께 맵을 생성하기 위해, 연마 패드 표면은 좌표계에 의해 정의된 다수의 별개 영역들로 분리될 수 있다. 일 실시예에서, 북극 좌표 시스템은 회전과 요골 좌표에 의해 연마 패드의 각 영역을 정의하는 데 사용된다. 이 시스템은 이후 두께 측정치를 방사상 및 회전 위치들을 상호 연관하여 연마 패드에 대한 두께 맵을 생성할 수 있다. 두께 맵은 색깔 또는 명암으로 대조를 활용하여 연마 패드의 두껍고 얇은 영역들을 차등할 수 있다. 두께 맵은 연마 패드 주위에 원형 방식으로 연장하지 않는 비평탄을 식별할 수 있을 것이다.
연마 패드의 두께를 검출하는데 사용된 센서는 연마 패드 위에 여러 가지 방식으로 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 하나 이상의 거리 센서들이 연마 패드 위에 고정된 트랙을 따라 슬라이딩하는 이동가능한 캐리지와 같은 이동식 구조에 장착될 수 있다. 대안적으로, 센서들이 연마 패드의 너비 위에 센서들을 이동시키도록 하는 아암에 부착될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 복수의 센서들은 각 센서가 연마 패드의 상이한 방사상 위치 위에 위치되어 고정된 방식으로 장착될 수 있다. 센서들은 레이저, 크로매틱 백색광(chromatic white light), 유도성(inductive), CETR 패드 프로브, 초음파 등을 포함할 수 있다. 연마 패드 두께 측정은 웨이퍼 프로세싱 동안 웨이퍼 프로세싱 또는 인시츄 사이에서 엑스 시츄(ex-situ)로 만들어질 수 있다. 연마 패드가 회전하기 때문에, 패드의 모든 영역들이 센서 아래에 또는 센서들의 검출 범위 내에 이동될 수 있다.
시스템이 두께 측정 데이터를 분석하여 연마 패드의 마모 속도가 규칙적인지 또는 패드의 임의의 비균일 영역들이 있는지를 결정할 수 있다. 연마 패드의 높은 영역 또는 낮은 영역이 검출된다면, 시스템은 컨디셔닝 디스크를 제어하여 결함을 수정할 수 있다. 제어기는 물질 제거의 속도를 증가시켜서 높은 영역들의 두께를 감소시킬 수 있다. 연마 패드에 대해 컨디셔닝 디스크 상에 더 큰 압축력을 인가하는 단계, 컨디셔닝 디스크의 회전의 속도를 증가시키는 단계, 및 컨디셔닝 디스크가 연마 패드의 높은 영역들 위에 위치되는 시간을 증가시키는 단계를 포함하는 물질 제거의 속도를 증가시키는 다양한 방식들이 있다. 반대로, 시스템이 연마 패드의 낮은 영역을 검출하면, 시스템은 연마 패드의 낮은 영역들 위에 컨디셔닝 디스크의 압축을 감소시키고, 컨디셔닝 디스크의 회전 속도를 감소시키거나 또는 컨디셔닝 디스크가 낮은 영역들 위에 위치되는 시간을 감소시킴으로써 물질 제거의 속도를 감소시킬 수 있다.
연마 패드 표면에서 변화들이 정량화되기 때문에, 수정 조치들이 연마 패드 두께의 변화의 레벨과 비례될 수 있다. 예를 들어, 물질 제거의 속도에서 큰 증가가 연마 표면에서 검출된 큰 돌출부를 감소시키는데 사용될 수 있다. 시스템이 돌출부가 더 작아지고 있는 것을 검출함으로써, 시스템이 물질 제거의 속도를 비례적으로 감소시킬 수 있다.
일 실시예에서, 컨디셔닝 디스크는 연마 패드에 컨디셔닝 디스크에 의해 인가된 힘을 검출하는 센서를 포함할 수 있다. 센서는 연마 패드에 대해 컨디셔닝 디스크의 압축을 검출하는 힘 변환기(force transducer)일 수 있다. 다른 실시예에서, 센서는 컨디셔닝 디스크 모터에 의해 컨디셔닝 디스크에 인가된 토오크를 검출하는 토오크 변환기(torque transducer)일 수 있다. 이 시스템은 연마 패드의 정상 영역들(normal areas) 위의 컨디셔닝 디스크에 인가된 압축력 또는 토오크를 일정하게 유지할 수 있고 연마 패드의 비평탄 영역들 위의 컨디셔닝 디스크에 인가된 힘에서 변화들을 검출할 수 있다.
최소 연마 패드 두께가 감지될 때, 이 시스템이 수명 신호의 종결을 생성하여 연마 패드가 교체될 수 있다. 이 시스템은 또한 연마 표면의 두께에 변화들이 복구할 수 없어서 수명 신호의 종결을 방출할 때를 검출할 수 있다. 본 발명의 시스템이 균일한 연마 패드 표면을 유지하기 때문에, 연마 패드의 수명이 연장되어서 각 연마 패드가 웨이퍼들의 최대 수를 적절히 프로세싱하는데 사용될 수 있다.
도 1은 CMP 시스템의 평면도이고;
도 2는 고정된 센서 트랙을 갖는 CMP 시스템의 실시예를 도시하고;
도 3은 이동가능한 센서 아암을 구비한 CMP 시스템의 실시예를 도시하고;
도 4는 고정 센서들을 구비한 CMP 시스템의 실시예를 도시하고;
도 5는 예시적으로 검출된 패드 프로파일을 도시하고;
도 6은 예시적인 패드 두께 맵을 도시하고;
도 7은 CMP 제어 시스템의 블록도이고;
도 8은 그루브들을 구비한 연마 패드의 단면을 도시하고; 그리고
도 9는 컨디셔닝 디스크 아암의 실시예를 도시한다.
도 2는 고정된 센서 트랙을 갖는 CMP 시스템의 실시예를 도시하고;
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도 9는 컨디셔닝 디스크 아암의 실시예를 도시한다.
본 발명은 CMP 프로세싱 동안 연마 패드의 균일한 두께를 유지하기 위한 개선된 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 시스템은 CMP 연마 패드의 두께를 모니터링하고 균일한 연마 패드의 두께를 유지하기 위해 컨디셔닝 패드를 조정한다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 CMP 시스템은 회전 원형 연마 패드(105), 웨이퍼 캐리어 메커니즘(111), 컨디셔닝 디스크(117) 및 연마 패드의 계측 시스템(121)을 포함한다. CMP 프로세싱 동안, 연마 슬러리는 슬러리 분배 매커니즘(125)에 의해 연마 패드(105) 상에 부어진다. 웨이퍼 캐리어 메커니즘(111)은 슬러리 위에 회전 연마 패드(105)의 너비에 걸쳐 웨이퍼를 회전시키고 이동시킨다. 컨디셔닝 디스크(117)는 연마 패드(105)를 접촉하는 연마 표면을 가지며 연마 표면으로부터 웨이퍼 입자들을 제거한다. 컨디셔닝 디스크(117)는 연마 패드(105)에 대해 가압하여 연마 패드(105)의 너비에 걸쳐 앞뒤로 스윕된다.
연마 패드 계측 시스템은 연마 패드(105)의 상부 표면에 센서(121)로부터의 거리를 검출하는 하나 이상의 센서(121)를 포함한다. 연마 패드의 두께는 센서(121)와 연마 패드(105)의 하단 사이의 알려진 거리에서 측정된 거리를 빼는 방법으로 계산된다. 센서(121)는 연마 패드(105)의 너비에 걸쳐 증가하는 방사상 위치에서 측정되도록 구성될 수 있다. 새로운 연마 패드(105)는 균일한 두께 및 평면의 상부 표면을 갖는다. 연마 패드(105)가 마모됨에 따라, 패드(105)의 두께는 줄어들 것이다. 센서와 연마 패드(105)의 상부 표면 사이의 거리의 변화들을 측정하여, 시스템은 연마 패드(105) 두께에서 변화들을 검출할 수 있다.
센서는 여러 가지 방법으로 연마 패드의 두께를 검출할 수 있다. 도 2를 참조하여, 일 실시예에서, 하나 이상의 센서들은 CMP 연마 패드(105)위의 고정된 수직 거리에 장착된 고정 트랙(131)에 부착된다. 센서(121)는 연마 패드의 상단까지 수직거리를 측정할 수 있다. 센서(121)는 연마 패드(105)의 너비 또는 반경에 걸쳐 트랙(131) 상에 이동될 수 있으며, 수직 측정이 증가된 방사상 위치들에서 이루어질 수 있다. 이 시스템은 또한 연마 패드의 회전 위치를 제공하기 위한 회전 감지기(133)를 포함할 수 있으므로 각각의 측정은 관련 방사상 및 회전 위치를 가질 수 있다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에서, 센서(121)가 연마 패드(105)의 너비에 걸쳐 센서(121)를 움직이는 이동식 아암(135) 구조에 커플링된다. 이동식 아암(135)은 연마 패드(105)에 직각인 수직 피봇 축(137)을 중심으로 회전할 수 있어서 센서(121)는 항상 아암(135)의 위치와 상관없이 동일한 수직 거리에 있다. 이동식 아암(135)의 길이는 연마 패드(105)의 반경에 걸쳐 센서(121)를 이동시키기에 충분히 길어야만 한다. 회전 연마 패드(105)의 너비 또는 반경에 걸쳐 센서(121)를 이동시킴으로써, 연마 패드의 모든 영역들의 두께가 측정될 수 있다.
도 4를 참조하면, 복수의 센서들(121)이 연마 패드(105)의 반경 또는 직경에 걸쳐 고정된 방식으로 장착될 수 있다. 각 센서(121)는 연마 패드(105)의 상이한 방사상 위치 위의 빔(144)에 장착될 수 있다. 많은 센서들(121)이 있기 때문에, 각각은 센서들(121)의 움직임 없이 동시에 거리 측정을 할 수 있다. 센서들(121)은 움직이는 메커니즘에 결합되지 않고 있으므로, 센서(121)의 움직임에 의한 위치 에러의 가능성이 적다. 일 실시예에서, 센서들(121)은 각 센서(121)가 연마 패드(105) 위의 상이한 방사상 위치를 가지면서 엇갈린 방식(staggered manner)으로 장착될 수 있다. 연마 패드(105)가 회전함에 따라, 시스템은 두께 측정을 하므로 연마 패드(105)의 모든 영역들에 대한 두께들이 기록될 수 있다.
본 발명의 연마 패드 계측 시스템은 연마 패드의 프로파일, 패드 토포그래피, 그루브 깊이 등을 포함하는 연마 패드 표면의 다양한 특징들을 측정하도록 구성될 수 있다. 상기 시스템이 패드 프로파일을 측정하도록 구성될 때, 연마 패드에 걸쳐 반경 위치들에 대한 두께들이 측정된다. 측정치는 평균되어 연마 패드의 각 동심 원형 범위의 두께를 결정할 수 있다. 연마 패드의 너비에 걸쳐 평균 두께 측정을 모두 결합하여, 그래픽 연마 패드의 프로파일이 생성된다. 연마 패드의 회전하기 때문에, 회전의 중심 주위에 원형 패턴으로 마모될 것이고 프로파일 두께 측정들은 전체 연마 패드의 정확한 표시를 제공한다. 웨이퍼 프로세싱 동안 패드 프로파일에서 변화들을 모니터링하여, 연마 패드 표면에서 결함들이 검출될 수 있다.
도 5를 참조하여, 예시적 패드 프로파일들이 도시된다. 두께의 변화를 명확하게 설명하기 위해서, 수직 축의 길이 스케일이 수평 축선의 스케일보다 실질적으로 더 크다. 연마 패드가 새 것일 때 패드는 전체 두께이며 패드 프로파일은 수평 라인(201)에 의해 표시되는 것과 같이 균일하다. 패드가 마모됨에 따라, 패드 두께가 감소하며 연마 패드의 너비에 걸쳐 두께에서 변화들이 보여진다. 이 예시에서, 연마 패드의 두께는 중심(191) 및 바깥 직경(195)에서 상승하며 이러한 영역들이 웨이퍼들을 연마하는데 사용되지 않기 때문이다. 연마 패드의 중간 영역(199)은 바깥 직경(195)보다 더 얇으며 중심 쪽으로 경사진다. 웨이퍼 캐리어는 웨이퍼가 연마 패드에 대해 평평하게 유지하는 짐벌 메카니즘(gimbaled mechanism)을 포함하기 때문에, 중간 영역(199)에서 부드럽게 경사진 연마 표면이 CMP 웨이퍼 프로세싱에 해롭지 않을 수 있다. 그러나, 연마 패드 프로파일은 또한 바깥 직경(195)에 근접한 영역에서 딥(193) 결점을 보여준다. 딥(193)이 인접 영역들과 동일한 압력에 의해 웨이퍼와 접촉하지 않는 영역이기 때문에, 이러한 결점은 프로세싱되는 웨이퍼들에 비평탄 연마 및 잠재적 손상을 야기할 수 있다. 그래픽으로 패드 프로파일을 설명함으로써, 시스템 또는 연산자(operator)는 패드의 연마 표면에 결함을 감지할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 시스템은 딥(193)을 검출하여 이러한 영역에서 임의의 추가적인 마모를 줄일 수 있도록 컨디셔닝 패드의 제어를 조정할 것이다. 연마 패드의 인접 영역의 두께가 감소됨으로써, 딥이 제거되어 균일한 연마 표면이 될 것이다.
다른 실시예들에서, 시스템은 연마 패드의 모든 영역에 대한 두께를 검출할 수 있다. 전체 연마 패드의 두께는 이후 X, Y 좌표계 또는 극 좌표계와 같은 그리드에 맵핑될 수 있다. 좌표계를 사용하여 연마 패드의 모든 영역들에 대한 개별 두께 측정이 두께 맵 상에 도시될 수 있다. 도 6을 참조하여, 전체 연마 패드의 두께 맵(161)은 X, Y 좌표 그리드 상에 도시된다. 연마 패드의 두께는 색상의 변화 또는 연마 패드 영역들의 명암(darkness)으로 표현될 수 있다. 이 예제에서, 더 어두운 음영은 연마 패드의 더 두꺼운 영역들을 나타내는 반면 더 밝은 음영은 더 얇은 영역들을 나타낸다. 외측 에지(163) 및 연마 패드(165)의 중심은 중간 영역(167)보다 더 어둡고 더 두껍다.
이 예제에서, 연마 패드의 결함 영역(169)이 도시된다. 결함 영역(169)이 인근 영역들보다 더 얇다는 표시인 인근 영역들보다 결함 영역(169)은 더 밝다. 이 영역(169)은 연마 패드의 주위에 있는 모든 코스로 연장하지 않기 때문에, 이러한 타입의 결함은 위에서 설명된 프로파일 연마 패드 검출 시스템에 의해 검출되지 않을 수 있다.
다른 실시예에서, 계측 시스템은 또한 연마 패드의 그루브의 깊이를 측정하기 위해 사용될 수 있다. CMP 연마 패드의 그루브들은 상이한 방사상 위치들에서 서로 이격되는 일반적으로 동심 서클들의 패턴으로 있다. 대안적으로, 그루브는 연마 패드의 중심에 대해 나선형 패턴 또는 임의의 다른 패턴을 가질 수 있다. 그루브들은 CMP 프로세싱 동안 슬러리에 대한 저장소를 제공한다. 그루브 깊이를 측정함으로써, 연마 패드의 그루브에 인접한 연마 패드의 두께가 결정될 수 있다. 도 7을 참조하면, 점선(196)은 새로운 연마 패드의 횡단면 상부 표면을 표시하고 낮은 실선(195)은 마모된 연마 패드의 상부 표면을 나타낸다. 연마 패드의 새로운 것일 때, 점선(196)과 그루브들의 베이스들(197) 사이의 거리들은 모두 동일하다. 연마 패드가 웨이퍼들을 프로세싱함에 따라, 물질이 연마 패드의 상부 표면으로부터 제거되어 그루브들의 실선(195)에서 베이스들(197) 사이의 거리들이 상이해진다. 그루브들은 연마 패드의 전체 너비에 걸쳐 연장될 수 있으므로, 그루브 깊이들의 변화들은 두께에서 비평탄 영역들을 지시할 수 있다.
연마 패드 두께 측정은 웨이퍼 프로세싱 사이의 엑스시츄 및/또는 웨이퍼 프로세싱 동안 인시츄로 이루어질 수 있다. 연마 패드는 몇 백개 웨이퍼들을 프로세싱할 수 있기 때문에, 웨이퍼들 사이의 패드 두께의 측정은 실용적일 수 있다. 엑스시츄 측정을 위해 두께가 측정되기 전에 슬러리는 연마 패드로부터 제거될 수 있다. 이것은 시스템이 연마 패드 상의 슬러리의 층으로 인해 두께 측정에서 간섭이나 에러들을 피하게 한다. 연마 패드는 두께 측정되는 동안 고정되게 홀딩될 수 있고 이후 연마 패드의 모든 영역들이 측정되도록 회전된다. 대안적으로, 연마 패드가 회전하는 동안 두께 측정이 이루어질 수 있다. 시스템이 연마 패드의 회전 위치를 검출하기 때문에, 극 좌표계가 두께 측정과 관련된 연마 패드의 개별 영역들을 정의하기 위한 바람직한 수단일 수 있다.
다른 실시예들에서, 센서(들)은 정지 연마 패드의 두께에서 변화들을 측정한다. 센서는 하나 이상의 두께를 기록할 수 있고 이후 새 위치로 이동되어 추가 두께를 측정하도록 정지될 수 있다. 연마 패드의 전체 연마 패드 또는 표시 영역들의 두께는 순차적인 방식으로 측정될 수 있다. 이 실시예에서, 센서들은 연마 패드의 두께 측정치들을 X, Y 위치 좌표와 관련시킬 수 있다.
연마 패드의 두께가 인시츄로 측정되면, 두께 측정들은 슬러리의 층을 통과해 이루어진다. 이러한 실시예들에서 센서 판독 값은 슬러리의 영향을 받지 않을 수 있다. 연마 패드가 탑재되는 플래터는 연마 패드에 대한 회전 위치를 제공하는 회전 센서를 가질 수 있다. 연마 패드가 회전함에 따라 시스템은 패드의 회전 위치 뿐만 아니라 센서(들)의 방사상 위치를 검출할 수 있다. 이 시스템은 이후 연마 패드의 방사상 및 회전 좌표를 두께 측정치와 관련시킬 수 있다. 도 1을 참조하여, 슬러리의 영향을 최소화하기 위해, 계측 시스템(121)은 슬러리 분배 시스템(125)에 인접한 업스트림 위치에 위치될 수 있다. 따라서, 슬러리가 웨이퍼 캐리어(111) 및 컨디셔닝 디스크(117) 모두에 의해 분산된 후에 연마 패드(105)의 두께가 계측 시스템(121)에 의해 검출된다.
도 8을 참조하면, 폐루프 제어 시스템의 블록도가 도시된다. 패드 계측 시스템(171)의 연마 패드 두께 센서는 연마 패드의 두께 측정치들을 모니터링하는 프로세스 제어기(173)에 커플링된다. 두께의 측정치들을 기초로, 제어기(173)는 두께 균일성에서 벗어난 연마 패드의 영역들에 대한 컨디셔닝 패드(175)의 물질 제거의 속도를 조정할 수 있다. 계측 시스템(171)은 결함 있는 영역들이 컨디셔닝 디스크에 의해 수정됨에 따라 두께에서 수정을 검출할 수 있다.
설명한 바와 같이, 시스템은 엑스시츄 및 인시츄 모드들의 작동으로 사용될 수 있다. 엑스시츄 작동에서, 연마 패드의 두께들은 계측 시스템(171)에 의해 웨이퍼 프로세싱 사이에 측정될 수 있다. 제어기(173)는 후속하는 웨이퍼 프로세싱 동안 결함 있는 영역들 위에 물질 제거의 속도를 조정하여 연마 패드(175)의 결함 있는 영역들에 대한 정보에 응답할 수 있다. 두께 결함들이 수정됨에 따라, 계측 시스템은 수정들을 검출할 것이며 제어기(173)는 연마 패드에 걸쳐 더 균일한 물질 제거를 수행하도록 컨디셔닝 패드(175)를 제어할 것이다.
인시츄 모드에서, CMP 프로세싱 동안 계측 시스템(171)은 연마 패드 두께를 측정하여서 두께에서 변화들을 즉시 검출할 것이다. 제어기(173)가 컨디셔닝 디스크(175)에 의해 물질 제거의 속도를 조정하여 응답할 수 있다. 컨디셔닝 디스크(175)가 결함 있는 영역을 수정함에 따라, 계측 시스템(171)은 상기 수정을 감지할 것이고 제어기(173)가 컨디셔닝 디스크(175)의 수정 조치들을 감소시킬 것이다. 계측 시스템(171)으로부터 피드백에 덧붙여, 이 시스템은 컨디셔닝 디스크(175)에 커플링된 힘 센서로부터 피드백을 또한 활용할 수 있다. 힘 센서를 모니터링함으로써, 제어 시스템은 컨디셔닝 디스크(175)에 의해 연마 패드 상에 결함들의 변경된 물리적 프로세싱을 검출할 수 있다.
다양한 연마 패드의 두께 검출 방법들이 가능하다. 예를 들어, 일 실시예에서, 시스템은 다중 두께 측정 판독들을 하여서 더 높고 더 낮은 판독치들을 버리고 나머지 판독치들을 평균할 수 있다. 따라서, 센서 검출에서 개별 측정 에러들이 시스템에서 필터링될 것이다. 연마 패드의 표면이 바람직하게 매끄럽지 않기 때문에, 많은 측정치들의 평균은 패드 두께의 더 정확한 표시를 생성할 수 있다. 설명한 대로, 시스템은 두께 측정치들을 연마 패드 상의 반경 위치 또는 상기 연마 패드의 상응하는 측정 영역을 나타내는 임의의 다른 정보와 관련시킬 수 있다.
설명한 대로, 이 시스템은 또한 상기 두께 정보를 사용하여 연마 표면의 토포그래피를 도시하고 및/또는 두께 맵들을 생성할 수 있다. 이러한 연마 패드의 그래픽 표시들은 CMP 프로세싱이 발생하는 동안 실시간으로 표시될 수 있다. 일 실시예에서, 시스템은 연마 패드 프로파일이나 두께 맵들의 데이터베이스(177)에 연결될 수 있다. 이 정보는 CMP 프로세싱을 최적화하여서 프로세싱 성능에 대해 비교가능한 표준으로서 기능하는데 사용될 수 있다. 이 시스템은 연마 패드에 대한 프로파일 또는 두께 맵들을 종래 연마 패드 데이터의 데이터베이스와 비교할 수 있다. 예를 들어, 시스템은 프로세싱되었던 웨이퍼들의 수에 대한 누적 및 최적 연마 패드 프로필 또는 두께 맵들을 저장할 수 있다. 따라서, 특정 수의 웨이퍼들을 프로세싱하였던 패드에 대한 일반적인 연마 패드 프로파일이 결정될 수 있다. 상당한 차이가 연마 패드와 데이터베이스(177)로부터 예상된 두께 사이에서 검출된다면, 시스템은 예외가 검출되었고 잠재적인 프로세싱 에러들이 발생할 수 있다는 것을 지시하는 신호를 방출할 수 있다.
연마 패드의 두께에서 변화의 위치들을 알게 함으로써, 제어기는 연마 패드를 최적화하여 연마 패드의 수명을 연장하도록 CMP 프로세싱에 조정을 할 수 있다. 일 실시예에서, 제어기는 서로 상이한 제어 신호들을 컨디셔닝 디스크에 적용함으로써 연마 패드에서 임의의 불규칙성들에 대해 조정할 수 있도록 컨디셔닝 디스크의 작동을 제어한다. 예를 들어, 연마 패드의 높은 영역이 식별된다면, 시스템은 컨디셔닝 디스크가 연마 패드의 높은 영역들로부터 더 많은 물질을 제거하게 할 수 있다. 반대로, 낮은 스폿이 검출되면, 컨디셔닝 디스크는 더 적은 물질을 제거하도록 제어될 수 있다.
다음을 포함하는 다양한 요인들이 연마 패드 물질 제거의 속도를 제어할 수 있다 : 압축력, 컨디셔닝 디스크에 인가된 토오크, 회전 혹도 및 컨디시닝 디스크가 연마 패드의 영역 위에 위치된 시간. 일 실시예에서, 연마 패드에서 물질 제거의 속도를 증가시키기 위해 컨디셔닝 디스크에 더 높은 압축력을 적용함으로써 높은 영역들이 감소될 수 있다. 도 8을 참조하여, 컨디셔닝 디스크는 컨디셔닝 디스크(117)와 연마 패드(105) 사이의 압축력을 제어하는 액추에이터(189)를 포함하는 아암(185)에 커플링될 수 있다. 아암(185)은 아암(185)을 회전시켜서 연마 패드(105)의 너비에 걸쳐 컨디셔닝 디스크(117)의 위치를 제어하는 회전 액추에이터(187)에 커플링될 수 있다. 아암(185)의 위치 및 연마 패드(105)의 회전 위치를 앎으로써, 제어기는 컨디셔닝 디스크(117) 아래에 있는 연마 패드(105)의 영역을 결정할 수 있다. 압축 액추에이터(189)가 선형 액추에이터로 도시되지만, 다음을 포함하는 다양한 다른 타입들의 메카니즘들을 포함할 수 있다 : 회전 액추에이터, 공압 액추에이터 또는 임의의 다른 타입의 힘 메커니즘.
인접 영역들보다 더 높은 연마 패드(105)의 영역이 컨디셔닝 디스크(117) 아래인 것으로 결정된 경우, 제어기는 액츄에이터(189)의 압축력을 증가시켜서 물질 제거의 속도를 증가시키도록 컨디셔닝 디스크(117)가 더 큰 힘에 의해 연마 패드(105)에 대해 가압된다. 높은 영역이 낮아지고 연마 패드(105)의 나머지 부분으로 두께 균일성에서 더 가까워짐에 따라, 시스템은 감소된 두께를 검출하여서 상기 영역이 균일하여 더 이상 특정 프로세스의 필요하지 않을 때까지 증가된 압축력을 감소시킨다. 컨디셔닝 디스크에 인가된 압축력은 약 0에서 20 파운드까지의 힘의 범위일 수 있다. 증가된 압축력은 다음 공식에 기초하여 컨디셔닝 패드(117)의 면적에 따라 다를 것이다 : 압력= 압축력/컨디셔닝 패드. 따라서, 직경 4.25 인치인 컨디셔닝 패드가 14.19 평방 인치의 표면 면적을 가질 것이다. 0 - 20파운드의 힘은 평방 인치 당 0 내지 1.41 파운드 압력 범위를 초래할 것이다.
연마 패드(105)에서 물질 제거의 속도는 또한 컨디셔닝 디스크(117)의 회전 속도를 변화시켜서 제어될 수 있다. 연마 컨디셔닝 디스크(117)에 대한 증가된 회전 속도에 의해, 물질 제거의 속도가 증가된다. 높은 영역이 검출되면, 컨디셔닝 디스크(117)가 높은 영역 위에 있을 때 시스템은 회전 컨디셔닝 디스크(117)의 속도를 증가시켜서 연마 패드(105) 물질 제거 속도를 증가시킬 수 있다. 반대로, 낮은 영역이 검출되면, 컨디셔닝 디스크(117)가 연마 패드(105)의 낮은 영역 위에 있을 때 시스템은 컨디셔닝 디스크(117)의 회전 속도를 감소시킬 수 있다. 연마 패드(105) 두께가 더 균일해짐에 따라, 컨디셔닝 디스크(117)의 회전 속도에서 변화가 감소될 수 있어서 물질 제거의 속도가 연마 패드에 걸쳐 균일할 수 있다. 컨디셔닝 디스크(117)의 회전의 속도는 약 0 에서 약 200 RPM까지 범위일 수 있다.
연마 패드(105) 물질 제거의 속도를 변경하기 위한 또 다른 방법은 컨디셔닝 디스크(117)가 연마 패드(105)의 영역 위에 있는 시간을 변경하는 것이다. 연마 패드(105)의 영역이 컨디셔닝 디스크(117)에 더 많은 노출 시간을 가질 때 물질 제거 속도가 증가된다. 정상 CMP 프로세싱 동안, 컨디셔닝 디스크(117)가 연마 패드(105)의 너비에 걸쳐 방사상 이동의 균일한 속도로 이동한다. 연마 패드(105)에 걸쳐 컨디셔닝 디스크(117)의 정상 스윕 속도는 분당 약 25 스윕(sweeps)일 수 있다. 연마 패드(105)의 높은 영역들은 컨디셔닝 디스크(117)가 높은 영역들 위에 위치될 때 스윕 속도를 감소시켜서 접촉 시간을 증가시킴으로써 낮아질 수 있다. 따라서, 너비에 걸쳐 이동의 균일한 속도보다 오히려, 시스템은 높은 영역들 위에 방사상 이동의 속도를 감소시킬 수 있어서 컨디셔닝 디스크(117)는 연마 패드(105)의 다른 균일한 두께 영역들보다 더 높은 영역들 위에서 더 많은 시간을 보낸다. 반대로, 컨디셔닝 패드(117)는 더 얇은 영역들 위에서 스윕 속도를 증가시킴으로써 연마 패드(105)의 더 얇은 부분과 접촉 시간을 줄일 수 있다. 연마 패드(105)의 결함 있는 영역들의 두께를 모니터링함으로써, 제어기는 연마 표면에서 결함들을 수정하고 연마 표면을 더 균일하게 만들기 위해 지속적으로 물질 제거 속도를 조정할 수 있다. 따라서, 시스템은 연마 표면의 균일성을 모니터하고 유지하는데 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 컨디셔닝 디스크 시스템은 컨디셔닝 디스크(117)에 커플링되는 센서(133)를 포함할 수 있고, 따라서 상기 시스템은 연마 패드(105)에 인가된 힘들을 검출할 수 있다. 일 실시예에서 센서(133)는 컨디셔닝 디스크(117)와 아암(185) 사이에 장착된 힘 변환기(force transducer)일 수 있다. 힘 변환기(133)는 컨디셔닝 디스크(117)에 아암(185)에 의해 인가된 압축력을 측정할 수 있다. 목표된 압축 및 물질 제거의 속도가 검출될 때까지 제어기는 압축력을 모니터링하고 물질 제거의 속도를 조정할 수 있다.
다른 실시예에서, 센서(133)는 컨디셔닝 디스크(117)를 회전시키기 위해 인가된 토오크를 검출하는 힘 변환기일 수 있다. 컨디셔닝 디스크(117)의 연마 표면 및 연마 패드가 마모됨에 따라, 컨디셔닝 디스크(117)와 연마 패드 사이의 마찰 계수가 줄어들 수 있다. 따라서, 컨디셔닝 디스크(117) 상에 추가적인 압축력은 마모된 연마 패드(105)로부터 물질 제거의 동일한 속도를 얻기 위해 요구될 수 있다. 따라서, 컨디셔닝 디스크(117)에 인가된 토오크(117)는 연마 패드(105)로부터 물질 제거의 속도와 비례할 수 있다. 연마 패드(105) 및 컨디셔닝 디스크(117)가 마모됨으로써, 더 높은 압축력이 동일한 물질 제거의 토오크 및 속도를 생성하기 위해 요구될 수 있다. 시스템은 컨디셔닝 디스크에 인가된 토오크가 일정하게 유지되도록 압축력을 조정할 수 있다.
컨디셔닝 디스크가 직경에서 약 4.25 인치일 수 있기 때문에, 연마 패드 상에 작은 결함을 수정하기 어려울 수 있다. 설명한 바와 같이, 본 발명의 시스템은 결함을 가진 연마 패드의 영역을 식별하는 데 사용할 수 있는 연마 패드의 모든 영역들에 대한 두께 맵을 생성할 수 있다. 작은 결함 영역이 부적절한 높이인 것으로 판명될 경우, 컨디셔닝 디스크 이외의 장치들이 연마 패드 상의 높은 스폿들을 제거하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 CMP 시스템이 결함 있는 영역들의 위치들을 식별할 수 있기 때문에, 사용자는 결함 있는 영역들에 수리를 할 수 있을 수 있다.
상이한 타입의 센서들이 연마 패드의 두께를 측정하는데 사용될 수 있다. 연마 패드 계측에 적절한 센서들은 다음을 포함한다 : 레이저, 크로마틱 백색 광(chromatic white light), 유도성, CETR 패드 프로브, 초음파, 등. 센서(들)은 패드 두께를 검출하기 위해 연마 패드 위에 이동될 수 있다. 두께 검출은 웨이퍼 프로세싱 동안 또는 웨이퍼들의 프로세싱 사이에 수행될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 연마 패드 두께의 검출은 연마 패드가 슬러리에 의해 덮혀질 때 수행되나, 다른 실시예에서, 패드 두께 검출은 슬러리의 제거를 요구하는 건식 패드 상에서 수행된다.
레이저 센서들은 연마 패드 표면에 레이저 광을 지향하고 반사된 광이 검출된다. 반사광에 기초하여, 센서와 표면 사이의 거리가 정밀하게 계산될 수 있다. 빛의 속력은 일정하기 때문에, 레이저 광의 펄스는 정밀하여 시스템이 광 펄스가 측정되는 표면을 접촉하고 반향 펄스를 수신하는데 걸리는 시간을 검출할 수 있다. 대안적으로, 광 기초 거리 측정은 간섭계 방법(interferometry)에 기초할 것이다. 레이저 빔이 슬러리가 표면으로부터 세정되게 하는 깨끗한 연마 패드를 가장 쉽게 검출하는 반면, 레이저 빔을 슬러리의 얇은 층을 통해 연마 패드의 표면에 지향하여 반사광을 검출함으로써 연마 패드 두께를 검출하는 것이 가능하다.
또 다른 실시예에서, 크로마틱 백색 광은 연마 패드 표면에 변화들을 감지하는 데 사용될 수 있다. 광의 빔은 연마 패드에 지향될 수 있고 반사된 이미지들은 센서에 의해 검출되고, 백색 광의 직경은 실질적으로 레이저 빔의 직경보다 더 크다. 따라서, 더 적은 측정이 전체 연마 패드의 두께를 결정하기 위해 요구될 수 있다.
근접 검출기(proximity detector)는 자기장을 발생시키는 검출 코일을 형성하는 인덕턴스와 병렬인 커패시턴스로 구성된 오실레이팅 회로를 포함한다. 유도성 루프를 통해 흐르는 전류는 센서가 다른 물체들에 근접할 때 변화되고 전류에서 변화가 검출된다. 전류에서 변화를 측정함으로써, 물체에 대한 거리가 결정될 수 있다.
기계 프로브들은 또한 연마 패드 두께를 검출하는데 사용될 수 있다. 프로브는 일반적으로 연마 패드와 접촉하는 단부를 갖는 세장형(elongated) 구조물이다. 고정 포인트에서 연마 패드의 표면까지 프로브의 연장을 앎으로써, 연마 패드의 두께가 결정될 수 있다. 연마 패드의 이동이 프로브에 손상을 야기할 수 있기 때문에 CMP 프로세싱 동안 기계적 프로브를 사용하는 것은 어려울 수 있다. 따라서, 상기 프로브들이 바람직하게 고정 연마 패드들을 측정하는데 사용된다. 프로브가 슬러리를 관통해 가압될 수 있기 때문에 센서 판독은 슬러리에 의해 영향을 받지 않을 것이다.
초음파 센서(ultrasonic sensor)는 울트라 고주파 음파들로부터 에코를 해석하여 연마 패드의 두께를 결정한다. 초음파 센서는 고주파 음파를 생성하고 센서에 의해 다시 수신된 에코를 평가하다. 센서들은 신호를 보내고 에코를 수신하는 사이 시간 간격을 계산하여서 물체까지의 거리를 결정한다. 센서 및 수신기의 위치를 알게 함으로써, 연마 패드의 두께가 결정될 수 있다.
상이한 타입들의 센서들은 어플리케이션에 따라 다른 센서들에 바람직할 수 있다. 아래의 표 1을 참조하여, 센서들 중 가장 적절한 어플리케이션이 지시된다. 레이저, 유도성 및 프로브와 같은 작은 검출 영역을 갖는 센서들이 연마 패드의 특정 영역들의 정밀한 측정에 대해 더 적절하다. 대조적으로, 크로마틱 백색광 및 초음파 센서들과 같은 더 넓은 영역 센서들은 토포그래피를 검출하는데 더 좋다. 더 큰 면적 센서들이 그루브 깊이에 적절하기 때문이다.
| 레이저 | 크로마틱 백색광(Chromatic White Light) | 유도성(Inductive) | 프로브 | 초음파(Ultrasonic) | |
| 패드 프로파일 | X | X | X | ||
| 토포그래피 | X | X | |||
| 그로브 깊이 | X(건식 패드상에서) | X | X |
본 발명의 시스템은 특정 실시예들을 참조하여 설명되었으며, 그러나 본 발명의 시스템의 범주에서 벗어남 없이 이러한 실시예들에 추가, 삭제 및 변화들이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 설명 되어진 CMP 시스템은 다양한 구성 요소를 포함하지만, 이러한 구성 요소들 및 기술된 구성이 수정할 수 있고 다양한 구성으로 재배열될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
Claims (15)
- 화학 기계적 연마를 위한 장치로서,
회전가능한 연마 패드;
상기 연마 패드에 걸쳐 이동하도록 구성된 연마 표면을 갖는 컨디셔닝 디스크;
상기 컨디셔닝 디스크에 커플링된 엑츄에이터;
상기 연마 패드의 두께를 검출하도록 구성된 계측 센서; 및
상기 엑츄에이터에 커플링되고 상기 컨디셔닝 디스크에 의해 물질 제거의 속도를 제어하도록 구성된 제어기를 포함하는
화학 기계적 연마를 위한 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 컨디셔닝 디스크의 위치를 제어하도록 구성된
화학 기계적 연마를 위한 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제어기가 상기 연마 표면에 대한 상기 컨디셔닝 디스크의 압축력에서의 증가에 대해 신호함으로써 더 두꺼운 영역에서 물질의 제거 속도를 증가시키도록 구성된
화학 기계적 연마를 위한 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제어기가 상기 연마 표면에 대한 상기 컨디셔닝 디스크의 압축력에서의 감소에 대해 신호함으로써 더 얇은 영역에서 물질의 제거 속도를 감소시키도록 구성된
화학 기계적 연마를 위한 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 계측 센서가 상기 연마 패드의 하나 이상의 영역의 두께가 미리 결정된 두께 미만인 것을 검출할 때 상기 제어기가 수명의 종결 신호를 전송하는
화학 기계적 연마를 위한 장치.
- 화학 기계적 연마를 위한 방법으로서,
연마 표면을 갖는 연마 패드를 회전시키는 단계;
상기 연마 패드에 걸쳐 컨디셔닝 디스크를 이동시키는 단계;
상기 연마 패드의 영역들의 두께를 계측 센서에 의해 측정하는 단계;
인접 영역들보다 더 두껍거나 더 얇은 연마 패드의 영역을 검출하는 단계;
상기 컨디셔닝 디스크가 상기 인접 영역들보다 더 두껍거나 더 얇은 연마 패드의 영역 위에 있을 때 상기 컨디셔닝 디스크에 의해 상기 연마 패드로부터 물질 제거의 속도를 조정하는 단계를 포함하는
화학 기계적 연마를 위한 방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 계측 센서에 의해 검출된 연마 패드의 영역들의 두께들 및 상기 두께들과 관련된 연마의 영역들을 메모리에 저장하는 단계를 더 포함하는
화학 기계적 연마를 위한 방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 연마 패드의 반경에 걸쳐 상기 계측 센서를 이동시키는 단계 및
상기 연마 패드의 인접 영역들보다 더 두꺼운 연마 패드의 영역 위에서 상기 컨디셔닝 디스크의 물질 제거의 속도를 증가시키는 단계를 더 포함하는
화학 기계적 연마를 위한 방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 컨디셔닝 디스크가 상기 인접 영역들보다 더 두꺼운 연마 패드의 영역 위에 있을 때 상기 컨디셔닝 디스크의 회전 속도를 증가시키는 단계를 더 포함하는
화학 기계적 연마를 위한 방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 컨디셔닝 디스크가 상기 인접 영역들보다 더 두꺼운 연마 패드의 영역 위에 있을 때 상기 연마 디스크에 대해 상기 컨디셔닝 디스크의 압축력을 증가시키는 단계를 더 포함하는
화학 기계적 연마를 위한 방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 컨디셔닝 디스크가 상기 인접 영역들보다 더 두꺼운 연마 패드의 영역 위에 있을 때 상기 컨디셔닝 디스크와 상기 연마 디스크 사이의 접촉의 시간을 증가시키는 단계를 더 포함하는
화학 기계적 연마를 위한 방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 연마 패드의 반경에 걸쳐 상기 계측 센서를 이동시키는 단계; 및
상기 영역의 두께가 상기 연마 패드의 인접 영역들보다 더 얇으면 상기 연마 패드의 영역 위의 컨디셔닝 디스크의 물질 제거의 속도를 감소시키는 단계를 더 포함하는
화학 기계적 연마를 위한 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 컨디셔닝 디스크가 상기 인접 영역들보다 더 얇은 연마 패드의 영역 위에 있을 때 상기 컨디셔닝 디스크의 회전 속도를 감소시키는 단계를 더 포함하는
화학 기계적 연마를 위한 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 컨디셔닝 디스크가 상기 인접 영역들보다 더 얇은 연마 패드의 영역 위에 있을 때 상기 연마 디스크에 대해 컨디셔닝 디스크의 압축력을 감소시키는 단계를 더 포함하는
화학 기계적 연마를 위한 방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 연마 패드의 두께가 미리 결정된 두께 미만인 것을 상기 계측 센서가 검출할 때 수명의 종결 신호를 전송하는 단계를 더 포함하는
화학 기계적 연마를 위한 방법.
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