KR20190055132A - 화학적 기계적 연마를 위한 실시간 프로파일 제어 - Google Patents

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KR20190055132A
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Abstract

기판의 처리를 제어하는 방법은, 인-시튜 모니터링 시스템으로부터의 신호에 기초하여, 각각, 기판 상의 기준 구역 및 대조 구역의 물리적 특성을 나타내는 제1 및 제2 일련의 특징화 값들을 생성하는 단계를 포함한다. 기준 구역 속도 및 대조 구역 속도는, 각각, 제1 및 제2 일련의 특징화 값들로부터 결정된다. 기준 구역 및 대조 구역에 대한 특징화 값들을 비교함으로써 오차 값이 결정된다. 대조 구역에 대한 출력 파라미터 값은 비례-적분-미분 제어 알고리즘을 사용하여 적어도 오차 값 및 동적 공칭 대조 구역 값에 기초하여 생성되고, 동적 공칭 대조 구역 값은 적어도 기준 구역 속도 및 대조 구역 속도에 기초한 제2 제어 루프에서 생성된다. 기판의 대조 구역은 출력 파라미터 값에 따라 처리된다.

Description

화학적 기계적 연마를 위한 실시간 프로파일 제어
본 개시내용은 일반적으로, 화학적 기계적 연마 동안 연마 속도 수정에 영향을 주기 위한 피드백에 관한 것이다.
집적 회로는 전형적으로, 규소 웨이퍼 상에 전도성, 반전도성, 또는 절연성 층들의 순차적 증착에 의해 기판 상에 형성된다. 일 제조 단계는, 비평면 표면 위에 필러 층을 증착시키고 필러 층을 평탄화하는 것을 수반한다. 특정 응용들의 경우, 필러 층은 패터닝된 층의 최상부 표면이 노출될 때까지 평탄화된다. 절연성 층의 트렌치들 또는 홀들을 채우기 위해, 패터닝된 절연성 층 상에, 예를 들어, 전도성 필러 층이 증착될 수 있다. 평탄화 후에, 절연성 층의 융기된 패턴 사이에 남아 있는 전도성 층의 부분들은, 기판 상의 박막 회로들 사이에 전도성 경로들을 제공하는 비아들, 플러그들 및 라인들을 형성한다. 다른 응용들, 예컨대, 유전체 연마의 경우, 필러 층은 미리 결정된 두께가 하부 층 위에 남겨질 때까지 평탄화되는 유전체 층이다. 포토리소그래피를 위해 유전체 층의 평탄화가 요구될 수 있다.
화학적 기계적 연마(CMP)는 하나의 수용된 평탄화 방법이다. 이 평탄화 방법은 전형적으로, 기판이 캐리어 헤드 상에 장착될 것을 요구한다. 기판의 노출된 표면은 전형적으로, 내구성있는 조면화된 표면을 갖는 회전 연마 패드에 대해 배치된다. 캐리어 헤드는, 기판을 연마 패드에 대해 누르기 위해, 제어가능한 부하를 기판 상에 제공한다. 전형적으로, 연마액, 예컨대, 연마 입자들을 갖는 슬러리가 연마 패드의 표면에 공급된다.
CMP에서의 한가지 문제점은, 바람직한 프로파일, 예를 들어, 원하는 평탄도 또는 두께까지 평탄화되었거나 원하는 양의 물질이 제거된 기판 층을 달성하기 위해 적절한 연마 속도를 사용하는 것이다. 기판 층의 초기 두께, 슬러리 분포, 연마 패드 조건, 연마 패드와 기판 사이의 상대 속도, 및 기판에 대한 부하의 변동들은, 기판에 걸친, 그리고 기판마다의 물질 제거 속도의 변동들을 야기할 수 있다. 이러한 변동들은 연마 종료점에 도달하는데 필요한 시간 및 제거된 양의 변동들을 야기한다. 그러므로, 연마 종료점을 단순히 연마 시간의 함수로서 결정하거나, 또는 단순히 일정한 압력을 가함으로써 원하는 프로파일을 달성하는 것은 가능하지 않을 수 있다.
일부 시스템들에서, 기판은, 예를 들어, 광학 또는 와전류 모니터링 시스템에 의해, 연마 동안 인-시튜로 모니터링된다. 인-시튜 모니터링 시스템으로부터의 두께 측정치들은, 연마 속도를 조정하고 웨이퍼 내 불균일성(WIWNU)을 감소시키기 위해, 기판에 인가되는 압력을 조정하는 데에 사용될 수 있다.
일 양상에서, 컴퓨터 판독가능 매체에 유형적으로 구체화되는 컴퓨터 프로그램 제품은 컴퓨터로 하여금 기판의 처리를 제어하게 하기 위한 명령어들을 갖는다. 인-시튜 모니터링 시스템으로부터의 신호에 기초하여, 처리를 겪고 있고 인-시튜 모니터링 시스템에 의해 모니터링되고 있는 기판 상의 기준 구역(reference zone)의 물리적 특성을 나타내는 제1 일련의 특징화 값들이 생성되고, 기판 상의 대조 구역(control zone)의 물리적 특성을 나타내는 제2 일련의 특징화 값들이 생성된다. 제1 일련의 특징화 값들로부터 기준 구역 속도가 결정되고, 제2 일련의 특징화 값들로부터 대조 구역 속도가 결정된다. 기준 구역에 대한 특징화 값을 대조 구역에 대한 특징화 값과 비교함으로써 오차 값이 결정된다. 비례-적분-미분 제어 알고리즘을 사용하여 적어도 오차 값 및 동적 공칭 대조 구역 값에 기초한 제1 제어 루프에서 대조 구역에 대한 출력 파라미터 값이 계산된다. 동적 공칭 대조 구역 값은, 적어도 기준 구역 속도 및 대조 구역 속도에 기초한 제2 제어 루프에서 계산된다. 처리 시스템으로 하여금 출력 파라미터 값을 사용하여 대조 구역을 처리하게 한다.
또 다른 양상에서, 기판의 처리를 제어하는 방법은, 인-시튜 모니터링 시스템으로부터의 신호에 기초하여, 처리를 겪고 있고 인-시튜 모니터링 시스템에 의해 모니터링되고 있는 기판 상의 기준 구역의 물리적 특성을 나타내는 제1 일련의 특징화 값들을 생성하는 단계, 인-시튜 모니터링 시스템으로부터의 신호에 기초하여, 기판 상의 대조 구역의 물리적 특성을 나타내는 제2 일련의 특징화 값들을 생성하는 단계, 제1 일련의 특징화 값들로부터 기준 구역 속도를 결정하는 단계, 제2 일련의 특징화 값들로부터 대조 구역 속도를 결정하는 단계, 기준 구역에 대한 특징화 값을 대조 구역에 대한 특징화 값과 비교함으로써 오차 값을 결정하는 단계, 비례-적분-미분 제어 알고리즘을 사용하여 적어도 오차 값 및 동적 공칭 대조 구역 값에 기초한 제1 제어 루프에서 대조 구역에 대한 출력 파라미터 값을 계산하는 단계, 적어도 기준 구역 속도 및 대조 구역 속도에 기초한 제2 제어 루프에서 동적 공칭 대조 구역 값을 생성하는 단계, 및 출력 파라미터 값에 따라 기판의 대조 구역을 처리하는 것을 포함하여 기판을 처리하는 단계를 포함한다.
또 다른 양상에서, 연마 시스템은 연마 패드를 유지하기 위한 플래튼, 연마 패드와 접촉하는 기판을 유지하기 위한 캐리어, 플래튼 및 캐리어 중 적어도 하나에 결합되어 그들 사이에 상대적 움직임을 생성하는 모터, 기판의 연마 동안 기판의 물리적 파라미터를 나타내는 신호를 생성하도록 구성된 인-시튜 모니터링 시스템, 및 신호를 수신하고 본 방법을 수행하도록 구성된 제어기를 포함한다.
특정 구현들은 이하의 장점들 중 하나 이상을 가질 수 있다. 제어 시스템은, 변화하는 환경 파라미터들(예를 들어, 패드 거칠기, 리테이닝 링 두께, 온도, 소모품들의 노화, 인입 막 특성들)에 종래의 비례-적분-미분 제어기보다 더 잘 적응할 수 있다. 연마된 기판의 프로파일은 목표 프로파일에 더 가까울 수 있고, 웨이퍼 내 불균일성(WIWNU)이 감소될 수 있는데, 즉, 두께 균일성이 개선될 수 있다.
하나 이상의 실시예의 세부사항들이 이하의 설명 및 첨부 도면들에 열거된다. 다른 특징들, 양상들 및 장점들은 설명, 도면들 및 청구항들로부터 명백해질 것이다.
도 1은 연마 장치의 예의 개략적 단면도를 예시한다.
도 2는 다수의 구역들을 갖는 기판의 개략적인 평면도를 예시한다.
도 3은 연마 패드의 평면도를 예시하고, 제1 기판 상에서 인-시튜 측정치들이 취해지는 위치들을 보여준다.
도 4는 종래 기술의 비례-적분-미분 피드백 제어 시스템에 의해 수행되는 알고리즘을 예시하는 블록도이다.
도 5는 제어 시스템의 구현에 의해 수행되는 알고리즘을 예시하는 블록도이다.
도 6은 기판 상의 다수의 구역들에 대한 시간의 함수로서 특징화 값들의 그래프를 예시한다.
도 7은 목표 두께를 달성하는데 필요한 연마 속도들의 예상을 예시하는 그래프이다.
다양한 도면들에서 유사한 참조 번호들 및 명칭들은 유사한 요소들을 나타낸다.
종래의 비례-적분-미분(PID) 피드백 제어 시스템에서, 공칭 처리 파라미터(예를 들어, 인가된 압력)는 사용자 정의 상수이다. 프로세스를 수행하는 환경 조건들이 (예를 들어, 시스템이 동적이기 때문에) 변화할 수 있고/거나 초기에 불확실한 기판 처리 시스템의 경우, PID 피드백 제어 시스템의 성능은 악영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 연마 작동 시에 환경 조건, 예컨대, 슬러리 농도, 패드 거칠기, 패드 유연성 또는 리테이닝 링 두께가 시간에 따라 변화하는 경우, PID 피드백 제어 시스템은 그러한 변동을 보상하지 못할 수 있어서, 연마 속도 및/또는 두께 프로파일의 변화를 초래할 수 있다.
제거 속도를 제어하기 위해 제어 시스템이 2차 제어 루프를 사용하도록 구성함으로써, 제어 시스템은 환경 조건들에서의 변화를 보상하기 위해 처리 파라미터를 제어할 수 있다.
도 1은 연마 장치(20)의 예를 예시한다. 연마 장치(20)는 회전가능한 디스크-형상 플래튼(22)을 포함하고, 이 플래튼 상에 연마 패드(30)가 위치된다. 플래튼은 축(23)을 중심으로 회전하도록 작동가능하다. 예를 들어, 모터(24)는 플래튼(22)을 회전시키기 위해 구동 샤프트(26)를 회전시킬 수 있다. 연마 패드(30)는, 예를 들어, 접착제 층에 의해 플래튼(22)에 분리가능하게 고정될 수 있다. 연마 패드(30)는 외측 연마 층(32) 및 더 연질인 후면 층(34)을 갖는 2-층 연마 패드일 수 있다.
연마 장치(20)는, 연마액(42), 예컨대, 슬러리를 연마 패드(30) 상에 분배하기 위해 연마액 공급 포트(40)를 포함할 수 있다. 연마 장치(20)는 또한, 연마 패드(30)를 일관된 연마 상태로 유지하기 위해 연마 패드(30)를 연마하기 위해 연마 패드 컨디셔너를 포함할 수 있다.
캐리어 헤드(50)는 연마 패드(30)에 대해 기판(10)을 유지하도록 작동가능하다. 각각의 캐리어 헤드(50)는 또한, 복수의 독립적으로 제어가능한 가압가능 챔버들, 예를 들어, 3개의 챔버들(52a-52c)을 포함하며, 이 챔버들은 독립적으로 제어가능한 압력들을 기판(10) 상의 연관된 구역들(12a-12c)에 인가할 수 있다(도 2 참고). 도 2를 참조하면, 중심 구역(12a)은 실질적으로 원형일 수 있고, 나머지 구역들(12b-12c)은 중심 구역(12a) 주위의 동심 환형 구역들일 수 있다.
도 1로 돌아가면, 챔버들(52a-52c)은 기판(10)이 장착되는 바닥 표면을 갖는 가요성 멤브레인(54)에 의해 한정될 수 있다. 캐리어 헤드(50)는 또한, 가요성 멤브레인(54) 아래에 기판(10)을 유지하기 위해 리테이닝 링(56)을 포함할 수 있다. 예시의 편의를 위해, 도 1 및 2에는 3개의 챔버들만이 예시되어 있지만, 2개의 챔버들, 또는 4개 이상의 챔버들, 예를 들어, 5개의 챔버들이 있을 수 있다. 추가적으로, 기판에 가해지는 압력을 조정하기 위한 다른 메커니즘들, 예를 들어, 압전 액추에이터들이 캐리어 헤드(50)에 사용될 수 있다.
도 1로 돌아가면, 각각의 캐리어 헤드(50)는 지지 구조(60), 예를 들어, 캐러셀로부터 매달리며, 캐리어 헤드가 축(51)을 중심으로 회전할 수 있도록, 구동 샤프트(62)에 의해 캐리어 헤드 회전 모터(64)에 연결된다. 선택적으로, 각각의 캐리어 헤드(50)는, 예를 들어, 캐러셀(60) 상의 슬라이더들 상에서 측방향으로 진동할 수 있거나; 캐러셀 자체의 회전 진동에 의해 진동할 수 있다. 작동 시에, 플래튼(22)은 플래튼의 중심 축(23)을 중심으로 회전되며, 캐리어 헤드(50)는 캐리어 헤드의 중심 축(51)을 중심으로 회전되고, 연마 패드(30)의 최상부 표면에 걸쳐 측방향으로 병진된다.
연마 장치는 또한, 구역들(12a-12c) 중 하나 이상의 구역의 연마 속도를 제어하기 위해, 연마 파라미터들, 예를 들어, 챔버들(52a-52c) 중 하나 이상에서의 인가된 압력을 제어하는 데에 사용될 수 있는 인-시튜 모니터링 시스템(70)을 포함한다. 인-시튜 모니터링 시스템(70)은 구역들(12a-12c) 각각에서 연마되고 있는 층의 두께를 나타내는 신호를 생성한다. 인-시튜 모니터링 시스템은 광학 모니터링 시스템, 예를 들어, 분광사진 모니터링 시스템, 또는 와전류 모니터링 시스템일 수 있다.
일 구현에서, 모니터링 시스템(70)은 광학 모니터링 시스템이다. 광학 모니터링 시스템(70)은 광원(72), 광 검출기(74), 및 원격 제어기(90), 예를 들어, 컴퓨터와 광원(72) 및 광 검출기(74) 사이의 신호들을 전송 및 수신하기 위한 회로(76)를 포함할 수 있다. 광원(72)으로부터의 광을 연마 패드(30)의 윈도우(36)로 보내고, 기판(10)으로부터 반사된 광을 검출기(74)로 보내기 위해 하나 이상의 광섬유가 사용될 수 있다. 예를 들어, 이분된 광섬유(78)가, 광원(62)으로부터의 광을 기판(10)으로 보내고 다시 검출기(74)로 보내는 데에 사용될 수 있다. 광학 모니터링 시스템(70)이 분광사진 시스템인 경우, 그러면 광원(72)은 백색 광을 방출하도록 작동가능할 수 있고, 검출기(74)는 분광계일 수 있다.
회로(76)의 출력(광학 모니터링 시스템으로부터이든 와전류 모니터링 시스템으로부터이든)은, 구동 샤프트(26)의 로터리 커플러(28), 예를 들어, 슬립 링을 통해 제어기(90)에 전달되는 디지털 전자 신호일 수 있다. 대안적으로, 회로(76)는 무선 신호에 의해 제어기(90)와 통신할 수 있다. 제어기(90)는 마이크로프로세서, 메모리 및 입력/출력 회로를 포함하는 컴퓨팅 디바이스, 예를 들어, 프로그램가능한 컴퓨터일 수 있다.
일부 구현들에서, 인-시튜 모니터링 시스템(70)은 플래튼(22)에 설치되고 플래튼과 함께 회전하는 센서(80)를 포함한다. 예를 들어, 센서(80)는 와전류 모니터링 시스템을 위한 자기 코어 또는 광학 모니터링 시스템을 위한 광섬유의 단부일 수 있다. 플래튼(22)의 움직임은 센서가 각각의 기판에 걸쳐 스캔하게 할 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 플래튼의 회전(화살표(38)로 도시됨)으로 인해 센서(80)가 캐리어 헤드 아래를 이동할 때, 인-시튜 모니터링 시스템은 샘플링 주파수로 측정을 하고; 결과적으로, 측정치들은 기판(10)을 횡단하는 원호의 위치들(14)에서 취해진다(지점들의 개수는 예시적이고; 샘플링 주파수에 따라, 예시된 것보다 더 많거나 더 적은 측정치들이 취해질 수 있다).
플래튼의 일 회전 동안, 기판(10) 상의 상이한 위치들로부터 스펙트럼들이 획득된다. 특히, 일부 스펙트럼들은 기판(10)의 중심에 더 가까운 위치들로부터 획득될 수 있고, 일부는 에지에 더 가까운 위치들로부터 획득될 수 있다. 제어기(90)는, 타이밍, 모터 인코더 정보, 플래튼 회전 또는 위치 센서 데이터, 및/또는 리테이닝 링 및/또는 기판의 에지의 광학 검출에 기초하여, 스캔으로부터의 각각의 측정치에 대해 (기판(10)의 중심에 대한) 방사상 위치를 계산하도록 구성될 수 있다. 따라서, 제어기는 다양한 측정치들을 다양한 구역들(12a-12c)(도 2 참고)과 연관시킬 수 있다. 일부 구현들에서, 측정의 시간은 방사상 위치의 정확한 계산의 대용으로서 사용될 수 있다.
도 1로 돌아가면, 제어기(90)는 인-시튜 모니터링 시스템으로부터의 신호에 기초하여 기판의 각각의 구역에 대한 특징화 값을 도출할 수 있다. 제어기(90)는, 기판(10) 아래에서의 센서의 각각의 스캔에 대해 각각의 구역에 대한 적어도 하나의 특징화 값을 생성하거나, 예를 들어, 기판(10)에 걸쳐 센서를 스캔하지 않는 연마 시스템들의 경우, (샘플링 주파수와 동일할 필요 없는) 측정 주파수로 각각의 구역에 대한 특징화 값을 생성할 수 있다. 일부 구현들에서, 스캔 당 하나의 특징화 값이 생성되고, 예를 들어, 다수의 측정치들이 결합되어 특징화 값을 생성할 수 있다. 일부 구현들에서, 각각의 측정치는 특징화 값을 생성하는 데에 사용된다.
특징화 값은 전형적으로, 외측 층의 두께이지만, 관련된 특징, 예컨대, 제거된 두께일 수 있다. 추가적으로, 특징화 값은 두께 이외의 물리적 특성, 예를 들어, 금속 라인 저항일 수 있다. 추가적으로, 특징화 값은, 연마 프로세스를 통한 기판의 진행의 더 일반적인 표현, 예를 들어, 미리 결정된 진행에 후속하는 연마 프로세스에서 측정이 관찰될 것으로 예상될 플래튼 회전들의 횟수 또는 시간을 나타내는 인덱스 값, 또는 단순히, 두께가 변화함에 따라 변하는 센서 값일 수 있다.
와전류 모니터링의 경우, 특징화 값은 단순히, 인-시튜 모니터링 시스템의 출력, 예를 들어, 최대 신호 강도의 %를 나타내는 무차원 값일 수 있다. 대안적으로, 측정치를 두께 값으로 변환하기 위해 순람표가 사용될 수 있다.
광학 모니터링의 경우, 광학적 측정치, 예를 들어, 측정된 스펙트럼을 특징화 값으로 변환하기 위해 다양한 기법들이 사용가능하다.
특징화 값을 계산하기 위한 일 기법은, 각각의 측정된 스펙트럼에 대하여, 일치하는 기준 스펙트럼을 기준 스펙트럼들의 라이브러리부터 식별하는 것이다. 라이브러리의 각각의 기준 스펙트럼은, 연관된 특징화 값, 예를 들어, 기준 스펙트럼이 발생할 것으로 예상되는 플래튼 회전들의 횟수 또는 시간을 나타내는 인덱스 값 또는 두께 값을 가질 수 있다. 일치하는 기준 스펙트럼에 대한 연관된 특징화 값을 결정함으로써, 특징화 값이 생성될 수 있다. 이 기법은 미국 특허 공보 제2010-0217430호에서 설명된다.
또 다른 기법은 광학 모델을 측정된 스펙트럼에 피팅하는 것이다. 특히, 광학 모델의 파라미터는, 모델의 최상의 피팅을 측정된 스펙트럼에 제공하도록 최적화된다. 측정된 스펙트럼에 대해 생성된 파라미터 값은 특징화 값을 생성한다. 이 기법은 미국 특허 출원 제2013-0237128호에서 설명된다. 광학 모델의 가능한 입력 파라미터들은, 층들 각각의 두께, 굴절률 및/또는 흡광 계수, 기판 상의 반복되는 피쳐의 간격 및/또는 폭을 포함할 수 있다.
출력 스펙트럼과 측정된 스펙트럼 사이의 차이의 계산은, 스펙트럼들에 걸친 출력 스펙트럼과 측정된 스펙트럼 사이의 절대 차이들의 합, 또는 측정된 스펙트럼과 기준 스펙트럼 사이의 차이들의 제곱의 합일 수 있다. 차이를 계산하기 위한 다른 기법들이 가능한데, 예를 들어, 측정된 스펙트럼과 출력 스펙트럼 사이의 교차 상관이 계산될 수 있다.
또 다른 기법은, 측정된 스펙트럼으로부터의 스펙트럼 특징부의 특징, 예를 들어, 측정된 스펙트럼의 피크 또는 밸리의 폭 또는 파장을 분석하는 것이다. 측정된 스펙트럼으로부터의 특징부의 파장 또는 폭 값은 특징화 값을 제공한다. 이 기법은 미국 특허 공보 제2011-0256805호에서 설명된다.
위의 광학 기법들 각각에서, 초기 값, 예를 들어, 인덱스 값, 파라미터 값 또는 스펙트럼 특징부의 값을 두께 값으로 변환하기 위해 순람표가 사용될 수 있다.
이 기법들 중 임의의 기법에서, 기판 상의 각각의 구역에 대해 일련의 특징화 값들이 생성된다. 구역들 중 하나는 기준 구역으로서 선택될 수 있고; 나머지 구역들은 대조 구역들이다. 제어기(90)는, 모든 구역들이 동시에 그들의 목표 두께에 더 근접하여 도달하도록 대조 구역들에서의 연마 속도를 변화시키기 위해 연마 파라미터를 조정하기 위해, 상이한 구역들로부터의 일련의 특징화 값들을 사용하도록 구성된 피드백 제어 시스템을 제공한다. 상이한 구역들에 대해 목표 두께가 동일하다고 가정하면, 이는 기판의 WIWNU를 개선할 수 있다.
종래의 비례-적분-미분 피드백 제어 시스템(100)이 도 4에 예시된다. 전형적으로, 제어기는 기준 구역 파라미터 값(예를 들어, 압력 값)을 연마 시스템의 조작자로부터의 입력으로서 수신한다. 처리 시스템은 기준 구역에 대한 기준 구역 파라미터 값을 사용하여 기판에 프로세스를 적용한다(박스(110)).
기준 구역에 대한 특징화 값은 인-시튜 모니터링 시스템에 의해 측정되어, 기준 구역 특징화 값(라인(115))을 생성한다. 이 기준 구역 특징화 값은, 기준 구역에 대한 일련의 특징화 값들의 값들 중 하나일 수 있다. 기준 구역에 대한 일련의 특징화 값들은 yR(t)로 지정될 수 있고, 여기서 t는 측정의 시간을 나타낸다. 대조 구역에 대한 특징화 값이 또한, 인-시튜 모니터링 시스템에 의해 측정되어, 대조 구역 특징화 값(라인(120))을 생성한다. 이 대조 구역 특징화 값은, 대조 구역에 대한 일련의 특징화 값들의 값들 중 하나일 수 있다. 대조 구역에 대한 일련의 특징화 값들은 yC(t)로 지정될 수 있다.
기준 구역 특징화 값 및 대조 구역 특징화 값은 비교기(125)에 의해 비교되고, 예를 들어, 이 둘 사이의 차이가 측정되어, 오차 값(라인(130))을 생성한다. 예를 들어, 값을 생성하기 위해 대조 구역 특징화 값은 기준 구역 특징화 값으로부터 감산될 수 있다. 예를 들어, 이는 오차 값으로 표현될 수 있는데, 이 오차 값은,
Figure pct00001
에 의해 e(t)로서 지정될 수 있다.
이 오차 값은, 대조 구역에 대한 출력 파라미터 값, 예를 들어, 캐리어 헤드 챔버 압력 값(라인(140) 참고)을 생성하기 위해 PID 제어기(박스(135))에 제공될 수 있다. PID 제어기는, 예를 들어, 특징화 값들이 생성되는 것과 동일한 주파수로, 효과적으로 연속적으로 출력 파라미터 값들을 생성할 수 있다. 대안적으로, 출력 파라미터 값은 덜 빈번하게 생성될 수 있다. 일련의 출력 파라미터 값들은 u(t)로 지정될 수 있다.
PID 제어기의 경우, 파라미터 값(u(t))의 전형적인 계산은,
Figure pct00002
(식(1))
로 표현될 수 있고, 여기서, u(0)는 처리 레시피에 의해 미리 결정되고 고정된 공칭 파라미터(예를 들어, 미리 결정된 공칭 연마 압력)이고, KP, KI 및 KD는 PID 제어기 파라미터들이다.
처리 시스템은 출력 파라미터 값을 사용하여 기판의 대조 구역에 프로세스를 적용한다(박스(145)). 이는, 인-시튜 모니터링 시스템에 의해 측정되는, 대조 구역에서의 기판의 두께의 변동을 야기하여, 위에서 언급된 바와 같이 대조 구역 특징화 값(라인(120))을 생성한다.
위에서 언급된 바와 같이, 그러한 PID 피드백 제어 시스템의 성능은 환경 조건들의 변동들에 의해 악영향을 받을 수 있어서, 연마 속도 및/또는 두께 프로파일의 변동을 초래한다.
도 5를 참조하면, 제어 시스템(200)은, 특징화 값들에 기초한, 비례-적분-미분 피드백 제어 루프인 1차 제어 루프(202), 및 특징화 값들의 변화의 속도에 기초한 2차 제어 루프(204)를 포함한다.
1차 제어 루프(202)는, 예를 들어, 이하에서 달리 명시되지 않는 한, 제어 시스템(100)과 유사하다. 제어 시스템(200)은 기준 구역 파라미터 값을 수신하고, 기준 구역에 대한 기준 구역 파라미터 값을 사용하여 기판에 프로세스를 적용한다(박스(110)). 기준 구역에 대한 특징화 값(라인(115)) 및 대조 구역에 대한 특징화 값(라인(120))은 인-시튜 모니터링 시스템에 의해 측정되고, 비교기(125)에 의해 비교되어, 오차 값(라인(130))을 생성한다.
오차 값은 PID 제어기(박스(210))에 제공된다. 그러나, PID 제어기는 또한, 동적 대조 구역 공칭 파라미터 값(라인(215)), 예를 들어, u'(0)로 지정될 수 있는 공칭 압력을 2차 제어 루프(204)로부터 수신한다. 이러한 동적 대조 구역 공칭 파라미터 값은 연마가 진행됨에 따라 업데이트된다.
동적 대조 구역 공칭 파라미터 값은 위의 식(1)에서 사용되고, 미리 결정된 대조 구역 공칭 압력을 대체한다. 즉, PID 제어기에 의해 수행되는 계산은,
Figure pct00003
에 의해 표현될 수 있다.
PID 제어기는 대조 구역에 대한 대조 구역 출력 파라미터 값(라인(140) 참고), 예를 들어, 캐리어 헤드 챔버 압력 값을 생성하고, 그 다음, 이는 처리 시스템에 의해 사용된다.
2차 제어 루프(204)는 오차 값(라인(130)) 뿐만 아니라, rR(t)로 지정될 수 있는 기준 구역 속도(라인(225)), 및 rC(t)로 지정될 수 있는 대조 구역 속도(라인(230))를 수신하는 속도 설정점 제어 모듈(220)을 포함한다. 기준 구역 속도 및 대조 구역 속도는, 각각, 기준 구역 및 대조 구역에 대한 특징화 값들의 변화의 속도들, 예를 들어, 연마 속도들이다.
기준 구역 속도(라인(225))는, 제1 함수를 기준 구역에 대한 일련의 특징화 값들에 피팅하고 제1 함수의 기울기를 결정함으로써 생성될 수 있다. 유사하게, 대조 구역 속도(라인(230))는 제2 함수를 대조 구역에 대한 일련의 특징화 값들에 피팅하고 제2 함수의 기울기를 결정함으로써 생성될 수 있다. 제1 함수 및/또는 제2 함수는 선형 함수일 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 제어기(90)는 각각의 구역에 대한 일련의 특징화 값들을 생성한다. 예를 들어, 도 6을 참조하면, 제1 일련(260)의 특징화 값들(262)(중공 원들로 도시됨)은 기준을 제공하는 제1 구역, 예를 들어, 구역(12a)에 대해 생성될 수 있다. 제2 일련(270)의 특징화 값들(272)(중실 원들로 도시됨)은 대조 구역들 중 하나의 대조 구역을 제공하는 제2 구역, 예를 들어, 구역(12b)에 대해 생성될 수 있고, 제3 일련(280)의 특징화 값들(282)(중공 사각형들로 도시됨)은 대조 구역들 중 또 다른 대조 구역을 제공하는 제3 구역, 예를 들어, 구역(12c)에 대해 생성될 수 있다.
제1 함수(264), 예를 들어, 제1 선형 함수는 제1 일련(260)의 특징화 값들(262)에 피팅되고, 기준 구역 속도, 예를 들어, rR(t)를 제공하기 위해 제1 함수의 기울기가 결정될 수 있다. 유사하게, 제2 함수(274), 예를 들어, 제2 선형 함수는 제2 일련(270)의 특징화 값들(272)에 피팅되고, 대조 구역 속도, 예를 들어, rC(t)를 제공하기 위해 제2 함수의 기울기가 결정될 수 있다.
도 5로 돌아가면, 속도 설정점 제어 모듈(220)은 오차 값, 기준 구역 속도 및 대조 구역 속도를 수신하고, rSP로 지정될 수 있는 속도 설정점 값(라인(235))을 출력한다. 속도 설정점 값을 결정하기 위한 여러 알고리즘들이 이하에서 논의될 것이다.
기준 구역 속도 및 대조 구역 속도는 비교기(240)에 의해 비교되고, 예를 들어, 이 둘 사이의 차이가 측정되어, rerr로 지정될 수 있는 오차 속도(라인(245))를 생성한다. 예를 들어, 오차 속도를 생성하기 위해 대조 속도는 기준 구역 속도로부터 감산될 수 있다. 예를 들어, 이는,
Figure pct00004
와 같이 오차 속도(rerr(t))로 표현될 수 있다.
오차 속도는, 오차 속도에 기초하여 동적 대조 구역 공칭 파라미터 값을 출력하는 속도 제어 모듈(250)에 의해 수신될 수 있다. 예를 들어, 동적 대조 구역 공칭 파라미터 값의 계산은 다음과 같이 표현될 수 있고:
Figure pct00005
여기서, u(0)는 미리 결정된 대조 구역 공칭 파라미터 값이고, KR은 제어 파라미터 상수이다. 위에서 언급된 바와 같이, 동적 대조 구역 공칭 파라미터 값(라인(215))은 PID 제어 모듈(210)에 제공된다.
일 구현에서, 속도 설정점 값은 다음에 따라 계산될 수 있고:
Figure pct00006
여기서, RMAX는 대조 구역의 변화의 속도에 대한 제약을 설정하는 미리 결정된 상수이고, DSPW는 동적 설정점 가중치이다. 동적 설정점 가중치는 다음에 따라 계산될 수 있고:
Figure pct00007
여기서, err은 오차 값(e(t))이고, f는 조정 값이다. 일부 경우들에서, f는 상수이다. 일부 경우들에서, f는,
Figure pct00008
와 같이 표현될 수 있다.
(이 경우에, DSPW, F 및 rSP를 결정하기 위해 미분 방정식을 풀 필요가 있을 것이다).
도 7을 참조하면, 또 다른 구현에서, 속도 설정점 값은 다음에 따라 계산될 수 있고:
Figure pct00009
여기서, yR 및 yC는, 각각, 위에서 논의된 바와 같이, 기준 구역 및 대조 구역의 특징화 값들이고, yEP는 목표 특징화 값, 예를 들어, 목표 두께이다.
일부 구현들에서, 오차는 수 개의 이전의 기판들에 걸쳐 누적된다. 간단한 구현에서, 식(1)에 대한 계산에 사용되는 총 오차(err)는,
Figure pct00010
이고, 여기서, k1 및 k2는 상수들이고, err1은 바로 이전의 기판으로부터 계산된 오차이고, err2는 이전 기판 이전의 하나 이상의 기판에 대해 계산된 오차이다.
위에서 설명된 기법들은 유전체 층들의 광학 모니터링, 및 전도성 층들의 와전류 모니터링에 적용가능하다.
본 명세서에 설명된 본 발명의 실시예들 및 기능적 작동들 전부는, 디지털 전자 회로로, 본 명세서에 개시된 구조적 수단들 및 그의 구조적 등가물들을 포함하는, 컴퓨터 소프트웨어, 펌웨어, 또는 하드웨어로, 또는 그들의 조합들로 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예들은, 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 제품으로, 즉, 하나 이상의 컴퓨터 프로그램(데이터 처리 장치, 예를 들어, 프로그램가능 프로세서, 컴퓨터, 또는 다수의 프로세서들 또는 컴퓨터들에 의한 실행을 위해, 또는 그의 작동을 제어하기 위해, 기계 판독가능 저장 매체에 유형적으로 구체화됨)으로 구현될 수 있다. 컴퓨터 프로그램(또한, 프로그램, 소프트웨어, 응용 소프트웨어, 또는 코드로 알려져 있음)은, 컴파일된 또는 해석된 언어들을 포함하는 임의의 형태의 프로그래밍 언어로 작성될 수 있고, 컴퓨터 프로그램은, 독립형 프로그램으로서, 또는 모듈, 컴포넌트, 서브루틴, 또는 컴퓨팅 환경에서 사용하기에 적합한 다른 유닛으로서를 포함하여, 임의의 형태로 배포될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 반드시 파일에 대응하지는 않는다. 프로그램은 다른 프로그램들 또는 데이터를 보유하는 파일의 일부에, 해당 프로그램에 전용인 단일 파일에, 또는 다수의 협력 파일들(예를 들어, 하나 이상의 모듈, 서브 프로그램들 또는 코드의 부분들을 저장하는 파일들)에 저장될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 하나의 컴퓨터 상에서, 또는 한 장소에 있거나 다수의 장소들에 걸쳐 분산되고 통신 네트워크에 의해 상호연결된 다수의 컴퓨터들 상에서 실행되도록 배포될 수 있다.
본 명세서에서 설명된 프로세스들 및 논리 흐름들은, 입력 데이터를 조작하고 출력을 생성함으로써 기능들을 수행하기 위해 하나 이상의 컴퓨터 프로그램을 실행하는 하나 이상의 프로그램가능 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 프로세스들 및 논리 흐름들은 또한, 특수 목적 논리 회로, 예를 들어, FPGA(필드 프로그램가능 게이트 어레이) 또는 ASIC(주문형 집적 회로)에 의해 수행될 수 있고, 장치는 또한, 그러한 특수 목적 논리 회로로서 구현될 수 있다.
위에서 설명된 연마 장치 및 방법들은 다양한 연마 시스템들에 적용될 수 있다. 연마 패드, 또는 캐리어 헤드들, 또는 둘 모두는, 연마 표면과 기판 사이의 상대적 움직임을 제공하도록 이동할 수 있다. 예를 들어, 플래튼은 회전하는 대신에 궤도를 그리며 돌 수 있다. 연마 패드는 플래튼에 고정된 원형(또는 어떤 다른 형상) 패드일 수 있다. 연마 시스템은, 예를 들어, 연마 패드가 선형으로 이동하는 연속적인 또는 릴-투-릴 벨트인 선형 연마 시스템일 수 있다. 연마 층은 표준(예를 들어, 필러들을 갖거나 갖지 않는 폴리우레탄) 연마 물질, 연질 물질, 또는 고정된 연마재 물질일 수 있다. 상대 위치의 용어들이 사용되는데; 연마 표면 및 기판은 수직 배향으로 또는 어떤 다른 배향으로 유지될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
위의 설명은 화학적 기계적 연마에 초점을 맞추었지만, 제어 시스템은 다른 반도체 처리 기법들, 예를 들어, 식각 또는 증착, 예를 들어, 화학 기상 증착에 적응될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예들이 설명되었다. 다른 실시예들은 다음의 청구항들의 범위 내에 있다.

Claims (15)

  1. 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체에 유형적으로 구체화되는 컴퓨터 프로그램 제품으로서,
    프로세서로 하여금,
    인-시튜 모니터링 시스템으로부터의 신호에 기초하여, 처리를 겪고 있고 상기 인-시튜 모니터링 시스템에 의해 모니터링되고 있는 기판 상의 기준 구역의 물리적 특성을 나타내는 제1 일련의 특징화 값들을 생성하고;
    상기 인-시튜 모니터링 시스템으로부터의 신호에 기초하여, 상기 기판 상의 대조 구역의 물리적 특성을 나타내는 제2 일련의 특징화 값들을 생성하고;
    상기 제1 일련의 특징화 값들로부터 기준 구역 속도를 결정하고;
    상기 제2 일련의 특징화 값들로부터 대조 구역 속도를 결정하고;
    상기 기준 구역에 대한 특징화 값을 상기 대조 구역에 대한 특징화 값과 비교함으로써 오차 값을 결정하고;
    비례-적분-미분 제어 알고리즘을 사용하여 적어도 상기 오차 값 및 동적 공칭 대조 구역 값에 기초한 제1 제어 루프에서 대조 구역에 대한 출력 파라미터 값을 계산하고;
    적어도 상기 기준 구역 속도 및 상기 대조 구역 속도에 기초한 제2 제어 루프에서 상기 동적 공칭 대조 구역 값을 생성하고;
    상기 처리 시스템으로 하여금 상기 출력 파라미터 값을 사용하여 상기 대조 구역을 처리하게 하는 명령어들을 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오차 값을 결정하기 위한 명령어들은 상기 기준 구역에 대한 특징화 값과 상기 대조 구역에 대한 특징화 값 사이의 차이를 계산하는 것을 결정하는 것을 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기준 구역 속도를 결정하기 위한 명령어들은 제1 함수를 상기 기준 구역에 대한 일련의 값들에 피팅하고 상기 제1 함수의 제1 기울기를 결정하기 위한 명령어들을 포함하고, 상기 대조 구역 속도를 결정하기 위한 명령어들은 제2 함수를 상기 대조 구역에 대한 일련의 값들에 피팅하고 상기 제2 함수의 제2 기울기를 결정하기 위한 명령어들을 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 동적 공칭 대조 구역 값을 생성하기 위한 명령어들은 적어도 상기 기준 구역 속도 및 상기 대조 구역 속도에 기초하여 오차 속도를 생성하기 위한 명령어들을 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 오차 속도를 생성하기 위한 명령어들은 상기 기준 구역 속도에 기초하여 속도 설정점 값을 계산하기 위한 명령어들을 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 속도 설정점 값을 계산하기 위한 명령어들은 상기 오차 값, 상기 기준 구역 속도 및 상기 대조 구역 속도에 기초하여 상기 속도 설정점 값을 계산하기 위한 명령어를 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 속도 설정점 값을 계산하기 위한 명령어들은 상기 기준 구역에 대한 특징화 값, 상기 대조 구역에 대한 특징화 값, 및 상기 기준 구역 속도, 및 목표 특징화 값에 기초하여 상기 속도 설정점 값을 계산하기 위한 명령어를 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 오차 속도를 생성하기 위한 명령어들은 상기 속도 설정점 값을 상기 대조 구역 속도와 비교하기 위한 명령어들을 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 오차 속도를 생성하기 위한 명령어들은 상기 속도 설정점 값과 상기 대조 구역 속도 사이의 차이를 계산하기 위한 명령어들을 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 동적 공칭 대조 구역 값을 생성하기 위한 명령어들은 미리 결정된 대조 구역 공칭 압력 및 상기 오차 속도로부터 상기 동적 공칭 대조 구역 값을 계산하기 위한 명령어들을 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품.
  11. 기판의 처리를 제어하는 방법으로서,
    인-시튜 모니터링 시스템으로부터의 신호에 기초하여, 처리를 겪고 있고 상기 인-시튜 모니터링 시스템에 의해 모니터링되고 있는 기판 상의 기준 구역의 물리적 특성을 나타내는 제1 일련의 특징화 값들을 생성하는 단계;
    상기 인-시튜 모니터링 시스템으로부터의 신호에 기초하여, 상기 기판 상의 대조 구역의 물리적 특성을 나타내는 제2 일련의 특징화 값들을 생성하는 단계;
    상기 제1 일련의 특징화 값들로부터 기준 구역 속도를 결정하는 단계;
    상기 제2 일련의 특징화 값들로부터 대조 구역 속도를 결정하는 단계;
    상기 기준 구역에 대한 특징화 값을 상기 대조 구역에 대한 특징화 값과 비교함으로써 오차 값을 결정하는 단계;
    비례-적분-미분 제어 알고리즘을 사용하여 적어도 상기 오차 값 및 동적 공칭 대조 구역 값에 기초한 제1 제어 루프에서 대조 구역에 대한 출력 파라미터 값을 계산하는 단계;
    적어도 상기 기준 구역 속도 및 상기 대조 구역 속도에 기초한 제2 제어 루프에서 상기 동적 공칭 대조 구역 값을 생성하는 단계; 및
    상기 출력 파라미터 값에 따라 상기 기판의 대조 구역을 처리하는 것을 포함하여 상기 기판을 처리하는 단계를 포함하는, 기판의 처리를 제어하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    기준 구역 파라미터 값에 따라 상기 기판의 기준 구역을 처리하는 단계를 포함하는, 기판의 처리를 제어하는 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 기판을 처리하는 단계는 상기 기판을 연마하는 것을 포함하는, 기판의 처리를 제어하는 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 인-시튜 모니터링 시스템은 광학 모니터링 시스템 및/또는 와전류 모니터링 시스템을 포함하는, 기판의 처리를 제어하는 방법.
  15. 연마 시스템으로서,
    연마 패드를 유지하기 위한 플래튼;
    상기 연마 패드와 접촉하는 기판을 유지하기 위한 캐리어;
    상기 플래튼 및 상기 캐리어 중 적어도 하나에 결합되어 이들 사이에 상대적 움직임을 생성하는 모터;
    상기 기판의 연마 동안 상기 기판의 물리적 파라미터를 나타내는 신호를 생성하도록 구성된 인-시튜 모니터링 시스템; 및
    상기 신호를 수신하기 위한 제어기를 포함하고, 상기 제어기는,
    상기 인-시튜 모니터링 시스템으로부터의 신호에 기초하여, 상기 기판 상의 기준 구역의 물리적 특성을 나타내는 제1 일련의 특징화 값들을 생성하고;
    상기 인-시튜 모니터링 시스템으로부터의 신호에 기초하여, 상기 기판 상의 대조 구역의 물리적 특성을 나타내는 제2 일련의 특징화 값들을 생성하고;
    상기 제1 일련의 특징화 값들로부터 기준 구역 속도를 결정하고;
    상기 제2 일련의 특징화 값들로부터 대조 구역 속도를 결정하고;
    상기 기준 구역에 대한 특징화 값을 상기 대조 구역에 대한 특징화 값과 비교함으로써 오차 값을 결정하고;
    비례-적분-미분 제어 알고리즘을 사용하여 적어도 상기 오차 값 및 동적 공칭 대조 구역 값에 기초한 제1 제어 루프에서 상기 대조 구역에 대한 출력 압력 값을 계산하고;
    적어도 상기 기준 구역 속도 및 상기 대조 구역 속도에 기초한 제2 제어 루프에서 상기 동적 공칭 대조 구역 값을 생성하고;
    상기 캐리어 헤드가 상기 기판의 상기 대조 구역에 상기 출력 압력 값을 적용하게 하도록 구성되는, 연마 시스템.
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