TW202241640A - 具備檢測器的量測晶圓、及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於用於研磨晶圓之研磨裝置的管理，特別是關於量測藉由研磨裝置而正在研磨之晶圓表面上的物理量之技術。研磨裝置包含：研磨台（5）及研磨頭（7）。量測研磨裝置內之物理量的本案方法係藉由研磨頭（7）將具備檢測器（112）之量測晶圓（100）按壓於研磨台（5）上的研磨墊（2），並藉由檢測器（112）量測物理量。
Description
本發明係關於一種用於研磨晶圓之研磨裝置的管理，特別是關於量測藉由研磨裝置而正在研磨之晶圓表面上的物理量之技術。
為了研磨晶圓表面而使用化學機械研磨裝置（CMP裝置）。該化學機械研磨裝置（以下簡稱為研磨裝置）係以邊使研磨台及研磨頭旋轉，邊對研磨台上之研磨墊供給研磨液（典型而言係漿液），進一步藉由研磨頭對研磨墊之研磨面按壓晶圓的方式而構成。晶圓在研磨液存在下滑動接觸研磨墊之研磨面。晶圓之表面藉由研磨液之化學性作用、與研磨液所含之研磨粒及／或研磨墊的機械性作用而平坦化。
晶圓之研磨率（亦稱為除去率）可能取決於研磨裝置之運轉條件而改變。例如，用於研磨晶圓之研磨條件、及用於重現研磨墊之研磨面的修整條件則大幅影響晶圓之研磨率。研磨條件之例如有：研磨頭及研磨台之旋轉速度、研磨頭將晶圓按壓於研磨墊之力、研磨液之流量及供給位置等。修整條件之例如有：修整器之旋轉速度、修整器按壓研磨墊之力、修整器在研磨墊上移動之速度等。
為了將此等研磨條件及修整條件最佳化，監視研磨中之晶圓的表面狀態很重要。因此，過去提出有藉由埋設於研磨台或研磨墊之檢測器監視研磨中之晶圓表面狀態的技術。
［先前技術文獻］
［專利文獻］
[專利文獻1]美國專利申請公開第2017－0133252號說明書
（發明所欲解決之問題）
但是，埋設於研磨台或研磨墊之檢測器無法直接感知晶圓的表面。再者，在檢測器與晶圓表面之間存在研磨液，再者，在晶圓研磨中，晶圓與檢測器之相對位置隨時變化。因而，過去之技術不易正確監視晶圓的表面狀態。
因此，本發明提供一種可量測與研磨中之晶圓表面上的物理量實質地等效之物理量的技術。
（解決問題之手段）
一個樣態提供一種方法，係量測研磨裝置內的物理量，該研磨裝置包含研磨台及研磨頭而用於研磨目標晶圓，且藉由前述研磨頭將具備檢測器之量測晶圓按壓於前述研磨台上的研磨墊，而藉由前述檢測器量測物理量。
一個樣態為前述物理量係溫度、壓力、力、加速度、聲音中之至少1個。
一個樣態為邊對前述研磨墊上供給研磨液，且邊藉由前述研磨頭將前述量測晶圓按壓於旋轉之前述研磨台上的前述研磨墊，邊藉由前述檢測器量測前述物理量。
一個樣態為進一步包含依據前述物理量之量測資料判定前述研磨裝置之運轉異常的工序。
一個樣態為前述判定研磨裝置運轉異常之工序，係當前述物理量之量測資料所含的量測值未達目標值時，生成表示前述研磨裝置運轉異常之警報信號的工序。
一個樣態為前述判定研磨裝置運轉異常之工序，係當前述物理量之量測資料從基準資料偏離而超出指定的容許範圍時，生成表示前述研磨裝置運轉異常之警報信號的工序。
一個樣態為前述基準資料係以其他研磨裝置所獲得之物理量的量測資料。
一個樣態係在啟動前述研磨裝置時，且在研磨目標晶圓之前，藉由前述檢測器量測前述物理量。
一個樣態係在研磨複數個目標晶圓後，藉由前述檢測器量測前述物理量。
一個樣態為前述檢測器係複數個檢測器。
一個樣態為前述複數個檢測器係以量測複數種物理量之方式而構成。
一個樣態為前述量測晶圓具有研磨對象層，前述量測晶圓之底面由前述研磨對象層而形成。
一個樣態為前述方法進一步包含在前述研磨對象層之厚度低於指定的下限值後，將新的研磨對象層形成於前述量測晶圓上的工序。
一個樣態為前述量測晶圓具有2mm以下之厚度。
一個樣態為前述量測晶圓具有與前述目標晶圓相同大小及相同形狀。
一個樣態提供一種量測晶圓，係用於量測研磨裝置內的物理量，該研磨裝置包含研磨台及研磨頭而用於研磨目標晶圓，且具備：底座；及檢測器，其係設置於前述底座，並以量測前述物理量之方式而構成。
一個樣態為前述檢測器係以量測溫度、壓力、力、加速度、聲音中之至少1個的方式而構成。
一個樣態為前述檢測器係複數個檢測器。
一個樣態為前述複數個檢測器係以量測複數種物理量之方式而構成。
一個樣態為前述量測晶圓進一步具備研磨對象層，前述量測晶圓之底面由前述研磨對象層而形成。
一個樣態為前述量測晶圓具有2mm以下之厚度。
一個樣態為前述量測晶圓具有與前述目標晶圓相同大小及相同形狀。
一個樣態為前述檢測器包含隔膜(diaphragm)，其係具有露出面。
一個樣態為前述隔膜由前述底座之一部分而構成。
一個樣態為前述量測晶圓進一步具備保護膜，其係覆蓋前述檢測器。
（發明之效果）
採用本發明時，在藉由研磨頭將量測晶圓按壓於研磨墊的同時，內建於量測晶圓之檢測器可量測量測晶圓表面上之物理量（例如溫度、壓力等）。該物理量實質地相當於以研磨裝置正在研磨目標晶圓（例如形成有元件之製品晶圓）時之目標晶圓表面上的物理量。因此，可依據藉由檢測器所獲得之物理量的量測資料正確監視研磨裝置之運轉狀態。
以下，參照圖式說明本發明之實施形態。
圖1係顯示研磨裝置一種實施形態之示意圖。如圖1所示，研磨裝置具備：支撐具有研磨面2a之研磨墊2的研磨台5；對研磨面2a按壓晶圓W之研磨頭7；供給研磨液至研磨面2a之研磨液供給噴嘴8；及控制研磨裝置之動作的動作控制部47。研磨頭7係以可在其下面保持晶圓W之方式而構成。晶圓W係身為研磨對象之目標晶圓。晶圓W使用於製造半導體元件。晶圓W係圓形，不過，一種實施形態係身為研磨對象之目標晶圓亦可具有方形晶圓等之其他形狀。
研磨裝置進一步具備：支軸14；連結於支軸14之上端，而使研磨頭7搖動之研磨頭搖動臂16；可旋轉地支撐於研磨頭搖動臂16之自由端的研磨頭軸桿18；及使研磨頭7以其軸心為中心而旋轉之研磨頭旋轉馬達20。研磨頭旋轉馬達20配置於研磨頭搖動臂16內，並經由皮帶及滑輪等構成之轉矩傳導機構（無圖示）而連結於研磨頭軸桿18。研磨頭7連結於研磨頭軸桿18之下端。研磨頭旋轉馬達20經由上述轉矩傳導機構使研磨頭軸桿18旋轉，研磨頭7與研磨頭軸桿18 一起旋轉。如此，研磨頭7藉由研磨頭旋轉馬達20將其軸心作為中心而在箭頭指示之方向旋轉。
研磨頭軸桿18可藉由升降機構（無圖示）對研磨頭搖動臂16相對地上下移動，且研磨頭7藉由該研磨頭軸桿18之上下移動，可對研磨頭搖動臂16相對地上下移動。
研磨裝置進一步具備使研磨墊2及研磨台5將此等之軸心為中心而旋轉的台旋轉馬達21。研磨台5經由台軸5a而連結於台旋轉馬達21。研磨台5及研磨墊2藉由台旋轉馬達21以台軸5a為中心可在箭頭指示之方向旋轉。研磨墊2貼合於研磨台5的上面。研磨墊2之上面構成研磨晶圓W的研磨面2a。
晶圓W之研磨進行如下。邊分別使研磨頭7及研磨台5旋轉，邊從設於研磨台5上方之研磨液供給噴嘴8供給研磨液至研磨墊2的研磨面2a上。供給至研磨墊2的研磨液之例如為含有研磨粒之漿液。研磨墊2將其軸心作為中心而與研磨台5一體地旋轉。研磨頭7藉由升降機構（無圖示）而下降至指定的研磨位置。再者，研磨頭7在上述研磨位置將晶圓W按壓於研磨墊2的研磨面2a。在研磨液存在於研磨墊2之研磨面2a的狀態下，晶圓W滑動接觸於研磨墊2之研磨面2a。晶圓W之表面藉由研磨液之化學性作用、與研磨液中包含之研磨粒及／或研磨墊2的機械性作用之組合而被研磨。
研磨裝置進一步具備：修整研磨墊2之研磨面2a的修整器50；連結修整器50之修整器軸桿51；設於修整器軸桿51上端之作為修整器按壓致動器的空氣汽缸53；可旋轉地支撐修整器軸桿51之修整器搖動臂55；固定有修整器搖動臂55之支軸58；及對研磨墊2之研磨面2a上供給修整液之修整液供給噴嘴59。
修整器50之下面構成修整面50a，該修整面50a由研磨粒（例如，鑽石粒子）而構成。空氣汽缸53配置於藉由支柱56所支撐之支撐台57上，此等支柱56固定於修整器搖動臂55。空氣汽缸53經由修整器軸桿51而連結於修整器50。空氣汽缸53係以使修整器軸桿51及修整器50一體地上下移動，以指定之力將修整器50之修整面50a按壓於研磨墊2的研磨面2a之方式而構成。亦可取代空氣汽缸53，而將伺服馬達及滾珠螺桿機構之組合用於修整器按壓致動器。
研磨裝置進一步具備使修整器50將其軸心為中心而旋轉之修整器旋轉馬達60。該修整器旋轉馬達60配置於修整器搖動臂55內，並經由皮帶及滑輪等構成之轉矩傳導機構（無圖示）而連結於修整器軸桿51。修整器50連結於修整器軸桿51之下端。修整器旋轉馬達60經由上述轉矩傳導機構使修整器軸桿51旋轉，修整器50與修整器軸桿51一起旋轉。如此，修整器50將其軸心為中心而藉由修整器旋轉馬達60在箭頭指示之方向旋轉。
研磨裝置進一步具備使修整器50在研磨面2a上搖動之修整器搖動馬達63。該修整器搖動馬達63連結於支軸58。修整器搖動臂55將支軸58作為中心而與支軸58一起可迴旋地構成。修整器搖動馬達63藉由使修整器搖動臂55將支軸58作為中心而順時鐘及逆時鐘迴旋指定角度程度，而修整器50邊將其修整面50a按壓於研磨墊2之研磨面2a，邊在研磨墊2上於研磨墊2之半徑方向搖動。
本實施形態為將修整器搖動臂55固定於支軸58，而修整器搖動馬達63係以使支軸58與修整器搖動臂55一起旋轉之方式而連結於支軸58。一種實施形態為修整器搖動馬達63亦可以設置於支軸58之上端，不使支軸58旋轉，而使修整器搖動臂55迴旋之方式而配置。
研磨墊2之研磨面2a的修整進行如下。研磨台5及研磨墊2旋轉，同時，從修整液供給噴嘴59對研磨墊2之研磨面2a上供給修整液。修整液之例如為純水。修整器50以修整器軸桿51為中心而旋轉，同時，修整器50之修整面50a藉由空氣汽缸53而按壓於研磨面2a。在研磨面2a上存在修整液之狀態下，修整器50滑動接觸於研磨面2a。在修整器50滑動接觸於研磨面2a的期間，修整器搖動馬達63使修整器搖動臂55以支軸58為中心順時鐘及逆時鐘迴旋指定角度程度，而使修整器50在研磨墊2之半徑方向移動。如此，藉由修整器50切削研磨面2a，來修整（重現）研磨面2a。
動作控制部47具備：儲存有程式之記憶裝置47a；及按照程式中所含之命令執行運算的運算裝置47b。動作控制部47至少由1台電腦構成。記憶裝置47a具備：隨機存取記憶體（RAM）等之主記憶裝置；與硬碟機（HDD）、固態硬碟（SSD）等之輔助記憶裝置。運算裝置47b之例如有CPU（中央處理裝置）、GPU（圖形處理單元）。不過，動作控制部47之具體構成不限定於本實施形態。
圖2係圖1所示之研磨頭7的剖面圖。研磨頭7具備：固定於研磨頭軸桿18之載體71；及配置於載體71下方之扣環(retainer ring)72。在載體71之下部保持有抵接於晶圓W之柔軟的薄膜(membrane)（彈性膜）74。在薄膜74與載體71之間形成有4個壓力室G1、G2、G3、G4。壓力室G1、G2、G3、G4藉由薄膜74與載體71而形成。中央之壓力室G1係圓形，其他壓力室G2、G3、G4係環狀。此等壓力室G1、G2、G3、G4排列於同心上。一種實施形態亦可設置5個以上之壓力室，或是設置3個以下之壓力室。
在壓力室G1、G2、G3、G4中，可分別經由流體路徑F1、F2、F3、F4而從氣體供給源77供給壓縮空氣等之壓縮氣體。晶圓W藉由薄膜74而按壓於研磨墊2之研磨面2a。更具體而言，壓力室G1、G2、G3、G4內之壓縮氣體的壓力經由薄膜74作用於晶圓W，而對研磨面2a按壓晶圓W。壓力室G1、G2、G3、G4之內部壓力可獨立變化，藉此，可對晶圓W之對應的4個區域，亦即對中央部、內側中間部、外側中間部、及周緣部獨立調整研磨壓力。
在載體71與扣環72之間配置有環狀的滾動隔膜(rolling diaphragm)76，在該滾動隔膜76內部形成有壓力室G5。壓力室G5經由流體路徑F5而連通於上述氣體供給源77。氣體供給源77對壓力室G5內供給壓縮氣體，壓力室G5內之壓縮氣體經由滾動隔膜76對研磨墊2的研磨面2a按壓扣環72。
晶圓W之周緣部及薄膜74的下面（亦即晶圓按壓面）被扣環72包圍。在晶圓W研磨中，扣環72在晶圓W之外側按壓研磨墊2的研磨面2a，防止研磨中晶圓W離開研磨頭7。
流體路徑F1、F2、F3、F4、F5從壓力室G1、G2、G3、G4、G5延伸至氣體供給源77。流體路徑F1、F2、F3、F4、F5中分別安裝有壓力調整器R1、R2、R3、R4、R5。來自氣體供給源77之壓縮氣體通過壓力調整器R1～R5及流體路徑F1～F5而供給至壓力室G1～G5內。
壓力調整器R1、R2、R3、R4、R5係以控制壓力室G1、G2、G3、G4、G5內之壓力的方式而構成。壓力調整器R1、R2、R3、R4、R5連接於動作控制部47。動作控制部47係以生成各壓力室G1～G5之目標壓力值的方式而構成。動作控制部47將目標壓力值傳送至上述壓力調整器R1～R5，壓力調整器R1～R5以壓力室G1～G5內之壓力與對應的目標壓力值一致之方式工作。由於具有複數個壓力室G1、G2、G3、G4、G5之研磨頭7可依據研磨進度獨立地將晶圓W表面上之各區域按壓於研磨墊2，因此可均勻地研磨晶圓W之膜厚。
為了量測如上述構成之研磨裝置內的物理量而使用以下說明之量測晶圓。該量測晶圓係搭載檢測器之晶圓，其可量測與研磨中之晶圓W表面上的物理量實質地等效之物理量。量測晶圓是與上述晶圓W相同，藉由圖1所示之研磨裝置來研磨。亦即，邊分別使研磨頭7及研磨台5旋轉，邊從設於研磨台5上方之研磨液供給噴嘴8對研磨墊2的研磨面2a上供給研磨液。研磨頭7將量測晶圓按壓於研磨墊2之研磨面2a。在研磨液存在於研磨墊2之研磨面2a上的狀態下，量測晶圓滑動接觸於研磨墊2的研磨面2a。
圖3係顯示包含量測晶圓之監視系統的一種實施形態之示意圖。監視系統具備：量測研磨裝置內之物理量的量測晶圓100；及分析物理量之量測資料的資料分析裝置103。圖3中量測晶圓100作為俯視圖來描繪。量測晶圓100具有：底座110；量測物理量（例如溫度）之複數個檢測器112；記憶物理量之量測資料的記憶體115；資料通信部117；及電池118。檢測器112、記憶體115、資料通信部117、及電池118藉由無圖示之配線而電性連接。
本實施形態之底座110係圓形，且具有與圖1所示之目標晶圓W相同大小及相同直徑。圖3所示之量測晶圓100的各構成元件之配置係一例，此等構成元件的配置不限定於圖3所示之例。如圖3所示之例，資料分析裝置103亦可連接於具有與圖1所示之研磨裝置同樣構成的複數個研磨裝置。
量測晶圓100具有與身為研磨對象之目標晶圓（上述晶圓W）相同形狀及相同大小。例如，目標晶圓係直徑為200mm或300mm之圓形時，量測晶圓100亦係直徑為200mm或300mm之圓形。其他例於目標晶圓係四方形時，量測晶圓100亦係相同大小之四方形。量測晶圓100具有與身為研磨對象之目標晶圓（上述晶圓W）相同厚度，或是比其大之厚度。此因，在與身為研磨對象之目標晶圓相同條件下，量測晶圓100可量測研磨裝置內之物理量。從該觀點而言，量測晶圓100具有2mm以下之厚度。本說明書中所謂「相同」，並非表示嚴格地相同，而包含對熟悉本技術之業者而言可視為相同的範圍。
底座110使用硬質材料（除金屬外）。底座110的材料之例如有矽、碳化矽（SiC）、陶瓷等。複數個檢測器112配置於底座110上。更具體而言，複數個檢測器112係埋設於底座110內。
藉由檢測器112所量測的物理量之例如有溫度、壓力、力、加速度、聲音。複數個檢測器112亦可包含量測不同類型之物理量的不同類型之檢測器，或是，亦可係量測相同類型之物理量的相同類型之複數個檢測器。例如，複數個檢測器112亦可包含量測溫度之溫度檢測器、與量測壓力之壓力檢測器。另外例係複數個檢測器112亦可包含量測溫度之溫度檢測器、量測壓力之壓力檢測器、及量測加速度之加速度檢測器。又另外例係複數個檢測器112亦可僅包含量測溫度之溫度檢測器或是量測壓力之壓力檢測器。搭載於量測晶圓100之檢測器112係微小的檢測器，不過只要不特別說明，其具體地構成不加以限定。例如，檢測器112亦可係使用MEMS（Micro Electro Mechanical Systems, 微電子機械系統）之技術而製造於量測晶圓100內的檢測元件。或是，亦可在預先製造檢測元件後，藉由將該檢測元件設置於量測晶圓100而構成檢測器112。
圖3所示之實施形態係複數個檢測器112分布於量測晶圓100的半徑方向。一種實施形態係量測晶圓100亦可進一步具備分布在其周方向之檢測器112。各檢測器112接受來自電池118之電力供給而動作。一種實施形態係量測晶圓100亦可僅具備1個檢測器112。
資料通信部117係藉由無線通信及／或有線通信可連接於研磨裝置之動作控制部47而構成。無線通信之例如有RFID（Radio-frequency identification, 射頻識別）、藍芽（Bluetooth）、紅外線通信等。有線通信之例如有電纜通信、USB通信。
檢測器112、記憶體115、資料通信部117、及電池118藉由無圖示之配線而電性連接。藉由檢測器112取得之物理量的量測資料暫時保存於記憶體115。保存於記憶體115內之物理量的量測資料藉由資料通信部117傳送至外部設備之研磨裝置的動作控制部47。動作控制部47藉由有線通信或無線通信而連接於資料分析裝置103。
資料分析裝置103係以依據物理量之量測資料判定研磨裝置的運轉是否發生異常，判定為研磨裝置發生運轉異常時，生成警報信號，並將該警報信號送至動作控制部47之方式而構成。一種實施形態為資料分析裝置103係以當量測資料中所含之量測值未達指定的目標值時，生成警報信號，並將警報信號送至動作控制部47之方式而構成。一種實施形態為資料分析裝置103係以將量測資料與基準資料作比較，當量測資料從基準資料偏離而超過指定之容許範圍時，生成警報信號，並將警報信號送至動作控制部47之方式而構成。
資料分析裝置103具備：儲存有程式之記憶裝置103a；及按照程式中所含之命令執行運算的運算裝置103b。資料分析裝置103至少由1台電腦構成。記憶裝置103a具備：隨機存取記憶體（RAM）等之主記憶裝置；與硬碟機（HDD）、固態硬碟（SSD）等之輔助記憶裝置。運算裝置103b之例如有CPU（中央處理裝置）、GPU（圖形處理單元）。不過，資料分析裝置103之具體構成不限定於本實施形態。
資料分析裝置103至少由1台電腦構成。前述至少1台電腦亦可係1台伺服器或複數台伺服器。資料分析裝置103亦可係以有線通信或無線通信而連接於動作控制部47之邊緣伺服器，亦可係藉由網際網路或區域網路等之通信網路而連接於動作控制部47之雲端伺服器或霧伺服器。資料分析裝置103亦可配置於閘道器、路由器等中。
圖4係顯示量測晶圓100之一部分的剖面圖。如圖4所示，量測晶圓100具備用於保護檢測器112、記憶體115、資料通信部117、及電池118避免接觸研磨液之保護膜120。保護膜120配置於底座110的露出面之上，而形成量測晶圓100之上面。保護膜120覆蓋底座110、檢測器112、記憶體115、資料通信部117、及電池118。保護膜120被要求具有電絕緣性、耐酸性、耐鹼性、低吸水率。再者，保護膜120被要求不致在底座110上產生反作用力（應力）、不含氣泡、具有平坦之露出面、容易附著於各種界面等。滿足此等要件之保護膜120的材料例如有UV硬化型環氧丙烯酸酯樹脂。
量測晶圓100之底面100a係藉由圖1所示之研磨頭7對研磨墊2的研磨面2a按壓之面。圖4所示之實施形態為量測晶圓100之底面100a係由底座110的底面而構成。本實施形態為整個檢測器112係埋設於底座110內，檢測器112之前面（圖4係檢測器112之下面）從量測晶圓100的底面100a（亦即，底座110之底面）露出。整個量測晶圓100之厚度T係2mm以下。
圖5A及圖5B係顯示檢測器112之配置例的剖面圖。圖5A所示之例係在量測晶圓100之底面100a（亦即，底座110之底面）形成有開口100b，檢測器112配置於開口100b內。該開口100b形成於底座110之底面。檢測器112之前面位於比量測晶圓100之底面100a內側。圖5B所示之例，關於檢測器112配置於開口100b內的部分與圖5A相同，不過檢測器112之前面在與量測晶圓100之底面100a（亦即，底座110之底面）同一平面內。
圖6係顯示檢測器112之具體構成的一種實施形態之示意圖。如圖6所示，檢測器112具備：檢測部140、積體電路部150、及電路保持部160。檢測部140包含用於量測物理量之構成元件，且具有構成檢測器112之前面（圖6之例係下面）的露出面140a。積體電路部150具有包含溫度修正處理、控制電路等之電子電路。電路保持部160係保持積體電路部150之構件。用於傳送量測資料之配線（無圖示）通過電路保持部160而電性連接於積體電路部150。
圖7係顯示檢測器112之更詳細構成的一例之示意圖。圖7所示之檢測器112係直接插入底座110內之壓力檢測器的一例。如圖7所示，檢測器112之檢測部140具有：具有構成檢測器112之前面（圖7之例係下面）的露出面141a之隔膜141；配置於隔膜141上之包含壓電元件、電極等的檢測元件142；及形成於隔膜141之上方的空間143。亦可在積體電路部150與電路保持部160之間配置彈性體（例如，矽橡膠, silicone rubber）。
如圖8A所示，隔膜141亦可由底座110之一部分構成。此時，為了提高隔膜141之機械性強度，亦可在隔膜141之端部設置三角剖面形狀之角落補強部144。如圖8B所示，隔膜141亦可係藉由物理量傳遞構件145而連結之複數個隔膜141A、141B。複數個隔膜141A、141B中之至少1個亦可由底座110的一部分構成。圖8B所示之例係下側之隔膜141A由底座110的一部分構成。複數個隔膜141A、141B之全部亦可由底座110的一部分構成。物理量傳遞構件145例如由矽橡膠、環氧樹脂、UV硬化樹脂、矽薄膜等之樹脂構成。
圖9係顯示檢測器112之更詳細構成的其他例之示意圖。圖9所示之檢測器112具有將預先製造之壓力檢測器設置於底座110內的構成。本例為檢測部140之隔膜141由藉由物理量傳遞構件145所連結的複數個隔膜141A、141B而構成。複數個隔膜141A、141B中的下側之隔膜141A由底座110之一部分構成。在上側之隔膜141B與下側的隔膜141A之間設置有物理量傳遞構件145，在上側之隔膜141B與積體電路部150之間形成有空間143。一種實施形態為檢測部140亦可具備單一的隔膜。亦可在積體電路部150與電路保持部160之間配置彈性體（例如，矽橡膠）。
如圖6至圖9所示，檢測器112可以各種樣態設置於底座110內。只要是可量測需要之物理量，檢測器112之具體構成並無特別限定。
圖10係顯示量測晶圓100之其他實施形態的剖面圖。由於不特別說明之構成與參照圖4及圖5所說明的實施形態相同，因此省略其重複之說明。圖10所示之實施形態係量測晶圓100具有覆蓋底座110之底面的研磨對象層125。該研磨對象層125形成量測晶圓100之底面100a。因此，藉由圖1所示之研磨裝置正在研磨量測晶圓100時，研磨對象層125藉由圖1所示之研磨頭7按壓於研磨墊2的研磨面2a。藉由具備此種研磨對象層125，量測晶圓100可邊在與目標晶圓（上述晶圓W）相同研磨條件下被研磨，邊藉由檢測器112量測研磨裝置內之物理量。
一種實施形態係研磨對象層125之材料亦可與構成目標晶圓（上述晶圓W）的被研磨面之材料相同。研磨對象層125的材料之例如有金屬及絕緣材。例如，金屬係銅、鋁、鎢、鈷、或釕，絕緣材係二氧化矽（SiO
2）、或TEOS（四乙氧基矽烷）等。
研磨對象層125在物理量量測中藉由研磨裝置而逐漸被研磨。因此，在研磨對象層125之厚度低於指定的下限值後，在量測晶圓100上形成新的研磨對象層。一種實施形態為研磨對象層125之露出面（底面）亦可具有溝等的標記。當標記消失時，可判斷為研磨對象層125之厚度低於指定的下限值。
圖11係顯示量測晶圓100之其他實施形態的剖面圖。由於不特別說明之構成與參照圖4至圖10所說明的實施形態相同，因此省略其重複之說明。圖11所示之實施形態為量測晶圓100進一步具有熱傳導率比底座110低之低熱傳導層130。該低熱傳導層130具有與檢測器112之水平剖面相同大小及相同形狀的通孔130a，檢測器112貫穿通孔130a而配置。檢測器112之前面（圖11係檢測器112的下面）從低熱傳導層130露出。低熱傳導層130之材料只要是比底座110之熱傳導率低者即可，並無特別限定，不過，例如使用二氧化矽（SiO
2）。低熱傳導層130之厚度例如在數nm至數十μm的範圍。
圖11所示之實施形態在檢測器112係使用溫度檢測器時有利。亦即，在量測晶圓100之底面100a及／或研磨墊2產生的熱不擴散至底座110內而傳導至檢測器112。結果，檢測器112可精確量測量測晶圓100之底面100a的溫度。
迄今所說明之各種實施形態的量測晶圓100可使用於研磨裝置之運轉監視。亦即，圖3所示之資料分析裝置103分析藉由量測晶圓100所取得之研磨裝置內的物理量（例如，量測晶圓100表面上之溫度、壓力等）的量測資料，並依據分析結果判定研磨裝置是否發生運轉異常。運轉監視之時機（Timing）可舉出各種例。例如，亦可在量產製程中流入之複數個晶圓搬送容器（例如FOUP（前開式晶圓傳送盒））中包含收容了至少1個量測晶圓100之晶圓搬送容器，在正常的晶圓研磨處理中以量測晶圓100進行物理量之量測。藉由將收容至少1個量測晶圓100之晶圓搬送容器定期地流入研磨裝置，可定期地運轉監視研磨裝置。將包含量測晶圓100之晶圓搬送容器（例如FOUP）流入研磨裝置的時機可任意決定。以下，說明依據量測資料之分析結果判定研磨裝置之運轉狀態的實施形態，不過量測資料之用途不限定於以下的實施形態。
一種實施形態係邊對研磨墊2上供給研磨液，且邊以研磨頭7將量測晶圓100按壓於研磨墊2，同時，量測晶圓100藉由檢測器112量測物理量。物理量量測中，量測晶圓100與目標晶圓同樣地藉由研磨頭7而旋轉。一種實施形態係在物理量量測中，亦可不以研磨頭7使量測晶圓100旋轉。
一種實施形態係邊對研磨墊2上供給研磨液，且邊以研磨頭7將量測晶圓100按壓於研磨墊2，同時，量測晶圓100藉由檢測器112量測溫度，並將溫度之量測資料送至動作控制部47。資料分析裝置103從動作控制部47取得溫度之量測資料，並分析溫度之時間變化。而後，如圖12所示，當溫度未達指定之目標值時，資料分析裝置103判定為研磨裝置發生運轉異常。溫度未達指定之目標值的原因如有：研磨液之流量高、研磨頭7之按壓力低、研磨液供給噴嘴8之研磨液供給位置不適切、及研磨墊2之修整不適切等。
一種實施形態係邊對研磨墊2上供給研磨液，且邊以研磨頭7將量測晶圓100按壓於研磨墊2，同時，量測晶圓100藉由檢測器112量測壓力，並將壓力之量測資料送至動作控制部47。資料分析裝置103從動作控制部47取得壓力之量測資料，並分析壓力之時間變化。而後，資料分析裝置103於壓力未達指定之目標值時，資料分析裝置103判定為研磨裝置發生運轉異常。壓力未達指定之目標值的原因如有：壓力調整器（參照圖2）之動作不良、壓縮氣體洩漏等。
一種實施形態係資料分析裝置103使用從連接於資料分析裝置103之另外研磨裝置（參照圖3）送來的量測資料作為基準資料，如圖13所示，當從動作控制部47獲得之量測資料偏離基準資料而超出容許範圍時，資料分析裝置103判定為研磨裝置發生運轉異常。基準資料亦可係預設之目標資料。
藉由資料分析裝置103判定為研磨裝置發生運轉異常情況下，使用者可進行研磨裝置之動作檢查。動作檢查項目之例如有：研磨台5之旋轉速度、研磨頭7之旋轉速度、研磨液之供給位置、研磨液之流量、研磨頭7之按壓力（壓力室G1～G5內之壓力）、修整器50之旋轉速度、修整器50之按壓力、修整器50在研磨墊2上之移動速度等。
一種實施形態係藉由資料分析裝置103判定為研磨裝置發生運轉異常情況下，亦可進行研磨裝置之校正(calibration)。例如，在相同構成之複數個研磨裝置在相同處理條件下正在研磨複數個量測晶圓情況下，以圖1所示之研磨裝置藉由量測晶圓100獲得之壓力的量測資料偏離在另外研磨裝置獲得之壓力的量測資料而超過容許範圍時，亦可以藉由量測晶圓100量測之壓力變得相同的方式來校正壓力調整器R1～R5（參照圖2）。
一種實施形態為量測晶圓100之檢測器112亦可係量測加速度之加速度檢測器。例如，檢測器112係可量測三維（3次元）加速度之3軸加速度檢測器。此種檢測器112可量測藉由研磨裝置正在被研磨時之量測晶圓100的行動。更具體而言，檢測器112可量測在研磨頭7之扣環72（參照圖2）內之沿著量測晶圓100底面的方向之加速度、及垂直於量測晶圓100底面之方向的加速度。
資料分析裝置103藉由將加速度以時間積分，指認量測晶圓100之速度及位置，可瞭解量測晶圓100在扣環72內之行動。依據此種分析結果，可達成用於使晶圓在扣環72內之行動穩定化的處理條件（例如，研磨頭7之旋轉速度、研磨台5之旋轉速度等）的最佳化；及消耗構件之最佳化（扣環72之材料、扣環72內徑、薄膜74之材料、薄膜74之表面粗糙度等）。
一種實施形態係亦可使用複數個量測晶圓100量測物理量。例如，如圖14所示，在FOUP等之晶圓搬送容器140內收容第一量測晶圓100A、複數個目標晶圓W、及第二量測晶圓100B，將晶圓搬送容器140搬送至圖1所示之研磨裝置，並按照第一量測晶圓100A、複數個目標晶圓W、及第二量測晶圓100B之順序研磨此等晶圓。第一量測晶圓100A之檢測器112在研磨裝置啟動時，且在複數個目標晶圓W研磨前量測研磨裝置內之物理量。第二量測晶圓100B在研磨複數個目標晶圓W後量測研磨裝置內的物理量。
如此，由於獲得研磨裝置啟動時在晶圓表面的物理量之量測資料，因此可以高精度判斷研磨裝置是否正常起動。此外，第一量測晶圓100A係以複數個檢測器112量測複數種物理量（例如，壓力、溫度、加速度等）之方式而構成時，可依據此等複數種物理量之量測資料，輕易指認研磨裝置啟動時之運轉狀態不穩定時的原因。
一種實施形態係亦可以將第一量測晶圓100A及第二量測晶圓100B收容於晶圓搬送容器140內時，將各量測晶圓100之電池118（參照圖3）充電的方式而構成。電池118之充電方法亦可係接觸式充電或是非接觸式充電。再者，亦可在研磨後將第一量測晶圓100A及第二量測晶圓100B收容於晶圓搬送容器140內時，儲存於各第一量測晶圓100A、100B之記憶體115（參照圖3）的量測資料藉由資料通信部117而傳送至外部設備（例如，圖3所示之研磨裝置的動作控制部47）。
上述實施形態係以具有本發明所屬之技術領域中具有通常知識者可實施本發明為目的而記載者。熟悉本技術之業者當然可形成上述實施形態之各種修改例，本發明之技術性思想亦可適用於其他實施形態。因此，本發明不限定於記載之實施形態，而係在按照藉由申請專利範圍所定義之技術性思想的最廣範圍作解釋者。
［產業上之可利用性］
本發明可利用於管理用於研磨晶圓之研磨裝置，特別是可利用於量測藉由研磨裝置而正在被研磨之晶圓表面上的物理量之技術。
2:研磨墊
2a:研磨面
5:研磨台
5a:台軸
7:研磨頭
8:研磨液供給噴嘴
14:支軸
16:研磨頭搖動臂
18:研磨頭軸桿
20:研磨頭旋轉馬達
21:台旋轉馬達
47:動作控制部
47a:記憶裝置
47b:運算裝置
50:修整器
50a:修整面
51:修整器軸桿
53:空氣汽缸
55:修整器搖動臂
56:支柱
57:支撐台
58:支軸
59:修整液供給噴嘴
60:修整器旋轉馬達
63:修整器搖動馬達
71:載體
72:扣環
74:薄膜（彈性膜）
76:滾動隔膜
77:氣體供給源
100:量測晶圓
100a:底面
100b:開口
100A:第一量測晶圓
100B:第二量測晶圓
103:資料分析裝置
103a:記憶裝置
103b:運算裝置
110:底座
112:檢測器
115:記憶體
117:資料通信部
118:電池
120:保護膜
125:研磨對象層
130:低熱傳導層
130a:通孔
140:晶圓搬送容器
140a,141a:露出面
141,141A,141B:隔膜
142:檢測元件
143:空間
144:角落補強部
145:物理量傳遞構件
150:積體電路部
160:電路保持部
F1,F2,F3,F4,F5:流體路徑
G1,G2,G3,G4,G5:壓力室
R1,R2,R3,R4,R5:壓力調整器
W:晶圓
圖1係顯示研磨裝置一種實施形態之示意圖。
圖2係圖1所示之研磨頭的剖面圖。
圖3係顯示包含量測晶圓之監視系統的一種實施形態之示意圖。
圖4係顯示量測晶圓之一部分的剖面圖。
圖5A係顯示檢測器之配置例的剖面圖。
圖5B係顯示檢測器之配置例的剖面圖。
圖6係顯示檢測器之具體構成的一種實施形態之示意圖。
圖7係顯示檢測器之更詳細構成的一例之示意圖。
圖8A係顯示隔膜之構成例的放大剖面圖。
圖8B係顯示隔膜之構成例的放大剖面圖。
圖9係顯示檢測器之更詳細構成的其他例之示意圖。
圖10係顯示量測晶圓之其他實施形態的剖面圖。
圖11係顯示量測晶圓之又其他實施形態的剖面圖。
圖12係顯示藉由量測晶圓所取得之溫度的量測資料因時間變化之一例的曲線圖。
圖13係顯示藉由量測晶圓所取得之溫度的量測資料因時間變化之其他例的曲線圖。
圖14係說明使用複數個量測晶圓量測物理量之一種實施形態的圖。
47:動作控制部
47a:記憶裝置
47b:運算裝置
100:量測晶圓
103:資料分析裝置
103a:記憶裝置
103b:運算裝置
110:底座
112:檢測器
115:記憶體
117:資料通信部
118:電池
Claims (25)
- 一種方法，係量測研磨裝置內的物理量，該研磨裝置包含研磨台及研磨頭而用於研磨目標晶圓， 且藉由前述研磨頭將具備檢測器之量測晶圓按壓於前述研磨台上的研磨墊， 而藉由前述檢測器量測物理量。
- 如請求項1之方法，其中前述物理量係溫度、壓力、力、加速度、聲音中之至少1個。
- 如請求項1或2之方法，其中邊對前述研磨墊上供給研磨液，且邊藉由前述研磨頭將前述量測晶圓按壓於旋轉之前述研磨台上的前述研磨墊，邊藉由前述檢測器量測前述物理量。
- 如請求項1或2之方法，其中進一步包含依據前述物理量之量測資料判定前述研磨裝置之運轉異常的工序。
- 如請求項4之方法，其中前述判定研磨裝置運轉異常之工序，係當前述物理量之量測資料所含的量測值未達目標值時，生成表示前述研磨裝置運轉異常之警報信號的工序。
- 如請求項4之方法，其中前述判定研磨裝置運轉異常之工序，係當前述物理量之量測資料從基準資料偏離而超出指定的容許範圍時，生成表示前述研磨裝置運轉異常之警報信號的工序。
- 如請求項6之方法，其中前述基準資料係以其他研磨裝置所獲得之物理量的量測資料。
- 如請求項1或2之方法，其中在啟動前述研磨裝置時，且在研磨前述目標晶圓之前，藉由前述檢測器量測前述物理量。
- 如請求項1或2之方法，其中在研磨複數個目標晶圓後，藉由前述檢測器量測前述物理量。
- 如請求項1或2之方法，其中前述檢測器係複數個檢測器。
- 如請求項10之方法，其中前述複數個檢測器係以量測複數種物理量之方式而構成。
- 如請求項1或2之方法，其中前述量測晶圓具有研磨對象層，前述量測晶圓之底面由前述研磨對象層而形成。
- 如請求項12之方法，其中進一步包含在前述研磨對象層之厚度低於指定的下限值後，將新的研磨對象層形成於前述量測晶圓上的工序。
- 如請求項1或2之方法，其中前述量測晶圓具有2mm以下之厚度。
- 如請求項1或2之方法，其中前述量測晶圓具有與前述目標晶圓相同大小及相同形狀。
- 一種量測晶圓，係用於量測研磨裝置內的物理量，該研磨裝置包含研磨台及研磨頭而用於研磨目標晶圓，且具備： 底座；及 檢測器，其係設置於前述底座，並以量測前述物理量之方式而構成。
- 如請求項16之量測晶圓，其中前述檢測器係以量測溫度、壓力、力、加速度、聲音中之至少1個的方式而構成。
- 如請求項16或17之量測晶圓，其中前述檢測器係複數個檢測器。
- 如請求項18之量測晶圓，其中前述複數個檢測器係以量測複數種物理量之方式而構成。
- 如請求項16或17之量測晶圓，其中前述量測晶圓進一步具備研磨對象層，前述量測晶圓之底面由前述研磨對象層而形成。
- 如請求項16或17之量測晶圓，其中前述量測晶圓具有2mm以下之厚度。
- 如請求項16或17之量測晶圓，其中前述量測晶圓具有與前述目標晶圓相同大小及相同形狀。
- 如請求項16或17之量測晶圓，其中前述檢測器包含隔膜，其係具有露出面。
- 如請求項23之量測晶圓，其中前述隔膜由前述底座之一部分而構成。
- 如請求項16或17之量測晶圓，其中前述量測晶圓進一步具備保護膜，其係覆蓋前述檢測器。
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