TW550690B - Integrated endpoint detection system with optical and eddy current monitoring - Google Patents

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TW550690B
TW550690B TW091109176A TW91109176A TW550690B TW 550690 B TW550690 B TW 550690B TW 091109176 A TW091109176 A TW 091109176A TW 91109176 A TW91109176 A TW 91109176A TW 550690 B TW550690 B TW 550690B
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TW
Taiwan
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polishing
thickness
patent application
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TW091109176A
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Boguslaw A Swedek
Manoocher Birang
Nils Johansson
Original Assignee
Applied Materials Inc
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Description

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五、發明説明（） 發明領垃： 本發明係關於基材之化學機械式研磨處理領域。更詳 而言之，本發明係關於一種在化學機械式研磨處理過程中 債測一金屬層的方法及裝置。 i明背景 一積體電路基本上是藉由將數導體層、半導體層或絕 緣層依序置於一·片矽晶圓之上所完成的。其中一產生步驟 疋關於將一填充層放置於另一非平滑表面之上及研磨該 填充層直到顯露出該非平滑表面。例如，可將一導電填充 層放置於一經圖案化絕緣層之上以填充該絕緣層之大量 之溝及洞。接著，研磨該填充層直到該絕緣層之凸起經圖 案化顯露出為止。在研磨處理後，部份仍介於該絕緣層之 該凸起經圖案化間之該等導電層會形成數個通路，阻斷及 電路’該等可提供介於基材上之數個薄層電路間之傳導路 徑。除此之外，研磨處理可用於當加以微影製程之基材表 面〇 經濟部智慧財產局員Η消費合作社印製 化學機械式研磨處理（CMP)為一種被採用之研磨處理 方式。該研磨處理方式基本上需要將該基材配置於一載架 或研磨處理頭之上。該基材之該接觸表面被配置為朝向一 可轉動式研磨處理圓盤墊或帶墊。該研磨處理墊可為一” 標準”墊或一固定式磨蝕墊之其一。一標準墊配有一耐用 之粗糙表面，而一固定式磨蝕墊配有一具磨蝕顆粒之控制 媒介。該載架頭使該基材提供可控制式負載以驅使該基材 第4頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 550690 A7
五、發明説明（） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 朝向該研磨處理塾。一種研磨處理漿用於該研磨處理墊之 表面’該研磨處理漿包含化學反應劑之一種或更多，且若 使用一標準塾時，該研磨處理漿亦包含磨蝕顆粒。 一關於CMP之問題為決定是否該研磨處理過程已完 成’例如’是否一基材層已被研磨至所需之平滑度或厚 度，或何時所求量之物質已被移除。若過度研磨處理（移 除過多）一導電層或薄層將導致電路抗導性增加。另一方 面’若一導電層研磨處理不足（移除過少）將導致電路短 路。基材層之初始厚度、研磨處理漿之成份、研磨處理墊 之狀況、研磨處理墊及基材間之相對速度，和基材之負載 之其一或更多之變化將導致該物質移除率之不同。該等變 化使得完成該研磨處理之終點有所差異。因此，該研磨處 理之結束點不能僅藉由如一研磨處理時間函數所決定。 一決疋研磨處理終點之方式為藉由移出該研磨處理 面之基材並檢查之。例如，將該基材送至度量衡中心以測 量該基材層之厚度，如使用一縱面儀或進行電阻值測量。 若未達所求標準，該基材將重新置入該CMP裝置以進行 進一步處理。此為一段耗時之過程並因此降低該CMP裝 置之產能。另外，該檢查亦可能顯示過量物質已被移除， 因此決定該基材無法再使用。 最近’該基材之原處監測已被提出以決定該研磨處理 終點’如使用光學或電容感測器。而其它提出之終點監測 技術為關於摩擦力測量、馬達電流、研磨處理漿之化學反 應、聲學及傳導性。一已被研究過之偵測技術為產生合金 第5頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐) (請先聞疼背面之注意事項 r本頁) 裝. 訂- 線· 550690 A7 B7
五、發明説明（） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 層之屑流並當該合金層被移除時測量該渦流之變化。 發明目的及橛述： 就某方面而言，本發明是關於一化學機械式研磨處理 之裝置。該裝置具有一用以支撐一研磨面之臺座、一配置 於該臺座用以產生一第一訊號之渦流偵測系統、一配置於 該臺座用以產生一第二訊號之光偵測系統、一臺座内之電 路系統用以結合該第一及該第二訊號為一第三訊號於輸 出電路線中，及一電腦用以接收該輸出電路線中之該第三 訊號並分離該第一及該第二訊號。 本發明之實作可包含下列特徵之其一或更多。該臺座 為可旋轉，且該輸出電路線可穿越介於該電路系統及該電 腦間之一旋轉式電子整合體。一載架頭可支承與該研磨處 理面接觸之基材。該電路系統可將由該第一及該第二訊號 所收集到之資料轉換為數個封包，且該電腦可由該等封包 中取出該資料。 以另一方面而言，該發明是關於一種可決定一研磨處 理墊之厚度的方法。在該方法中，有一導電層置於其上之 基材被放置為可與一研磨處理墊之研磨處理面互相接 觸。由一誘導器產生出一交流磁力場於該導電層中以誘發 渦流。並測量該磁力場之強度，且該研磨處理墊之厚度至 少藉由該磁力場強度之計算而得。 本發明之實作可包含下列特徵之其一或更多。該交流 磁力場之產生可包含使用一驅動訊號以驅動該誘導器。而 第6頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐） (請先閲泰背面之、注意事項 本頁) 裝· 訂· 線- 550690 A7 ___ 五、發明説明（） 該磁力場與該驅動訊號間之相位差是可被測量的。該研磨 處理墊之厚度可至少藉由該磁力場強度及該相位差之計 算而得。一測試基材可藉由一具有第一已知厚度之第一研 磨處理墊及一具有第二已知厚度之第二研磨處理墊進行 研磨處理，並可產生於研磨處理期間該研磨處理墊之厚度 與該訊號強度之相關係數之其一或更多。若該研磨處理塾 之厚度降低至一預先決定之厚度，則可警告使用者。 以另一方面而言，該發明是關於一種在研磨處理期間 測量一基材上導電層厚度之方法。在該方法中，有一導電 層置於其上之基材被放置為可與一研磨處理墊之研磨處 理面互相接觸。而於該基材與該研磨處理面間產生相對運 動以研磨該基材。一誘導器藉由一驅動訊號以驅動產生一 於該導電層中誘發渦流之交流磁力場，並測量該磁力場強 度及介於該磁力場及該驅動訊號間之相位差，而一修正因 . 子則藉由該磁力場強度之計算而得，且該導電層之厚度則 藉由該相位差與該修正因子之計算而得。 本發明之實作可包含下列特徵之其一或更多。該研磨 處理墊之厚度可至少藉由該磁力場強度之計算而得。一測 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 由 藉二 可第 材有 基具 試一 及 塾 S 處 磨 研 1 第 之 度 厚 知 已 一 第 有 具 或 QuJ S 處 磨 研 行 進 墊 gtla 處 磨 研二 第 之 度 厚 知 已 使具 時墊 厚處 知磨 已研 1 一 第第 有該 具在 塾且 理磨 處研 磨行 研進 一 塾 第理 1 處 在磨 材研 基一 試第 測該 1 用 時間 度期 厚理 知處 已磨 二研 第於 有生 行 進 塾 理 處 磨 研 1 第 該 用 使 該 與 度 厚 之 塾g 處 磨 研 該 產之 可度 。 強 磨號 研訊 頁 i7 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐) 550690 A7 __ _B7_— 五、發明説明（） 相關係數之其一或更多。若該研磨處理墊之厚度降低至一 預先決定之厚度，則可警告使用者。 以另一方面而言，該發明是關於一種化學機械式研磨 處理裝置。該裝置配置有一研磨處理面、一載架頭、一渴 流摘測系統、一感應器及一電腦，其中該載架頭用以支承 一其上放置一導電層之基材與該研磨處理面互相接觸，該 渦流偵測系統包含一誘導器及一驅動該誘導器產生交流 磁力場以於導電層中誘發渦流之電流源，該感應器用以測 量該磁力場強度與介於該磁力場及該驅動訊號間之相位 差，該電腦設成可藉由該磁力場強度而計算出一修正因子 並可藉由該相位差與該修正因子而計算出該導電層之厚 度。 以另一方面而言，該發明是關於一用於化學機械式研 磨處理之裝置。該裝置配置有一用以支承一研磨處理面之 臺座，一托住一基材之載架頭，一在研磨處理期間產生一 第一訊號之渦流偵測系統，及一在研磨處理期間放置為產 生一第二訊號之光偵測系統。該渦流偵測系統包含一可產 請 先 閱 讀- 背 之 注一 意 事 項 本 裝 訂 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 而材光 流統照 , 基該 渦系可 器該及 該測線 導於統 。偵光 誘中系 多光該 之集測 更該。 域線偵。或。器 區¾.流置一心測 1 吏ί 位其核檢 第τ{該同 之之之 之 U ， 相徵物間 材W此之特形物 基&Ι因材列叉形 該 S 。 基下量叉 至當源該含大份 伸適光量包置部 延一之測可配少 其含點為作一至 使包一 上實含在 並統之體之包置 場系域大明可配 力測區統發統 一 磁偵 一 系本系含 一 光第測 測包 生該之偵 偵可 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 550690 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（） 射於該基材上和叉形物大致上等距之一點.。該光線可照射 於該基材上而筆直於該核心之上之一點。 本發明之實作之可能優點可包含下列之其一或更 多。該光及渦流偵測系統可實質上地偵測於該基材上之同 一點。該導電層之厚度可在進行大規模研磨處理期間被測 量。用於研磨該基材之一研磨處理墊之厚度在研磨處理期 間亦可被測量。該載架頭所使用之該壓力數據可被調整以 補償不規則研磨處理速率及該進入基材之不規則厚度。研 磨處理可相當準破地被停止。研磨處理過度及研磨處理過 少之情況可被減少，如可能被毀損或侵蝕，藉此提高良率 及產能。 圖式簡單說明： 第1圖為一化學機械式研磨處理裝置之分解示意圖； 第2圖為一載座頭之代表性圖示； 第3 A圖為一化學機械式研磨處理工作站之具部份代表性 之側面圖，該工作站包含一渦流偵測系統及一光偵 測系統； 第3B圖為第3A圖中研磨處理工作站之臺座之俯視圖； 第4圖為該渦流偵測系統之電路圖； 第5圖為該渦流偵測系統產生磁力場之例示性代表圖； 第6A-6D圖為使用一渦流感應器以檢測研磨處理過程終 點之例示圖； 第7圖為由該渦流偵測系統所產生之振幅追蹤例示性圖 第9頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210x297公楚） (請先閲讀背面之注意事項 『本頁) 裝- 訂. 線 550690 A7 B7 五、發明説明（） 表； 第8圖為檢測一振幅及一相位移之一满流債測系統之電路 圃， 第9圖為由該渦流偵測系統所產生之相位移追蹤例示性圖 表； 第1 0A-1 0C圖為一配置一光及渦流偵測系統之臺座之代 表性圖示； 第 1 1圖為由該光偵測系統所產生之振幅追蹤例示性圖 表； 第1 2A圖及第1 2B圖分別為由該渦流偵測系統在不同厚度 墊下產生之振幅追蹤及相位差追蹤之例示性圖 表， (請先閲t#-背面之注意事項 本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖號對照說明： 10 基材 12 金屬層 14 經圖案化底層 16 導電層 18 阻斷層 20 研磨處理裝置 22 研磨處理工作站 23 轉換工作站 24 可轉動臺座 25 中心轴 26 凹槽 27 透明蓋 28 墊調節器裝置 29 矩形凹口 30 研磨處理墊 32 内夾層 34 覆蓋層 36 透明區域 38 處理漿 39 沖洗臂 第順 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐) 550690 A7 B7 五、發明説明（) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 40 渦流偵測系統 42 核心 44 驅動線圈 46 感應線圈 48 驅動系統 50 振盪器 52 電容 54 無線電頻放大器 56 兩極真空管 58 感測系統 60 可轉動多重處理頭旋座 62 旋座桿 64 旋座抽 66 旋轉支撐盤 68 覆蓋物 70 載架頭 71 中心軸 72 放射狀狹缝 74 載架傳動桿 76 載架頭旋轉馬達 80 位置感測器 82 石板 90 電腦 92 旋轉式電集合體 94 輸出裝置 96 採樣區段 100 互斥或運算閘道 102 互斥或運算閘道 104 互斥或運算閘道 106 RC遽波益 140 光偵測系統 142 光射線 144 光源 146 檢測器 160 印刷電路板 202 外罩 204 基底配件 206 平衡裝置 208 負載室 2 1 0 定位環 212 基材内夾配件 2 1 6彈性内膜 218 彈性外膜 220 >内部支撐結構 222 内部間隔環 230外部支撐結構 232 内部間隔環 234下層流體室 第11頁 (請先閲tt-背面之注意事項 本頁) 裝. 線 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 550690 A7 B7 五、發明説明（ 2 3 6上層流體室 244 内部蓋口 250 追蹤 254 追蹤部份 2 5 8 追蹤部份 2 3 8 外層室 246外部蓋口 2 5 2 追蹤部份 2 5 6 追蹤部份 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明詳細說明：__ 參照第1圖，數個基材10之其一或更多可藉由一 CMP裝置20研磨。一類似之研磨處理裝置20之描述可參 考美國專利第5,738,574號。研磨處理裝置20包含連續研 磨處理工作站22a，22b和22c，及一轉換工作站23。 研磨處理工作站之每一者包含一可轉動臺座24， 並於該臺座之上配置一研磨處理墊30。該第一及第二工作 站22a及22b可包含一具有硬式耐用外表面之雙層研磨處 理墊或一具有嵌入式磨蝕顆粒之固定式磨蝕墊。研磨處理 工作站之每一者亦可包含一墊調節器裝置28以維持該研 磨處理墊之狀態，如此可有效地研磨基材。 參照第3A圖，一雙層研磨處理墊30基本上配置有一 緊接該臺座24表面之内夾層32及一用於研磨基材10之 瘦蓋層3 4。基本上覆蓋層34比内夹層32之硬度高。然而， 某些墊僅有一覆蓋層而無内夾層。覆蓋層34可由泡沫橡 膠或鑄物聚氨酯所組成，並可帶有填充材料，如微中空球 體，和/或一具溝槽面。内夾層32可由經壓氨基鉀酸酯過濾 之壓縮毛纖維所組成。一雙層研磨處理整，其配置有由 第12頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐) (請先閲讀背面之注意事項 本頁) 裝· 訂· 線- 550690 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（） ICM000組成之該覆蓋層及由SUBA-4組成之該内夾層， 可由德拉威州（Del aw are)紐阿克市（New ark)之羅道（R〇de 1) 公司取得（IC-1 000及SUBA為羅道公司之產品名稱）。 在一研磨處理之步驟中，一種處理漿38可藉由一處 理漿供給埠或整合式處理漿/沖洗臂供給至該研磨處理墊 3〇之表面，該處理漿包含一種液體（如用於氧化物處理之 去離子水）及一種酸驗度（pH)調節物（如用於氧化物處理之 鉀氫氧化物）。若研磨處理墊30為一標準墊，則處理漿38 亦可包含磨蝕顆粒（如用於氧化物處理之矽氧化物）。 回到第1圖，一可轉動多重處理頭旋座60支托四個 載架頭70。該旋座以旋座軸64為中心藉由一根旋座桿62 旋轉’該旋座藉由馬達裝置（未顯不）驅動以旋轉該載架頭 系統且該基材配置為朝向研磨處理工作站22及轉換工作 站23之間。該等載架頭系統之二者接收並失住該基材， 且藉由將該等基材推向該等研磨處理墊以進行研磨處 理。同時，該等載架頭系統之一者藉由轉換工作站23由 一載荷裝置取得一基材並放置一基材至該載荷裝置。 載架頭70之每一者藉由一載架傳動桿74連接至一載 架頭旋轉馬達76(可藉由移除覆蓋物68之四分之一而顯 現），如此則該載架頭之每一者可單獨地對其個別之軸旋 轉。除此之外，載架頭7〇之每一者個別地側向擺動於旋 轉支撐盤66上之一放射狀狹缝72。在實際運作上，該臺 座對其中心轴25進行旋轉，而該載架頭對其中心軸7 1進 行旋轉並側向移動於該研磨處理塾之該表面。 第13頁 (請先閲讀背面之注意事項 本頁} 裝- -訂· 線- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210x297公釐) 五、發明說明（） 如前述專利應用及第2圖所揭露，一例示性載架頭70 包含一外罩202、一基底配件204、一平衡裝置206(該裝 置可視為該基底配件204之一份）、一負載室208、一定位 % 21〇、及一基材内夾配件212，其中該基材内夾配件包 含三個加壓室，如一上層流體室236、一下層流體室234、 及一外層室238。負載室208位於外罩202及基底配件204 二者間以利一負載使用並可控制基底配件204之該垂直位 置° 一第一壓力調節閥（並未顯示）可藉由一通路器232使 用流體方式連結至負載室208以控制該負載室之壓力及基 底配件204之該垂直位置。 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 X 消 費 合* 社 印 製 該基材内夾配件2 1 2包含一彈性内膜2 1 6、一彈性外 膜218、一内部支撐結構220、一外部支撐結構230、一内 部間隔環222及一外部間隔環232。彈性内膜216包含一 中央部份，該中央部份將壓力傳送至一可控制區域之基材 1〇 °介於基材配件204及内膜216二者間之該空間藉由一 内部蓋口 244所密封，該空間並提供可加壓式下層流體室 234。介於基材配件204及内膜216二者間之該環狀空間 藉由内部蓋口 244及外部蓋口 246所密封，該空間並定義 可加壓式上層流體室236。介於内膜216及外膜218二者 間之該密封空間定義一可加壓式外層室23 8。三個壓力調 節閥（並未顯示）可獨立地連結至下層流體室234 ’上層流 體室236及外層室238。因此，一種液體如瓦斯可各自地 直接進出於室之每一者。 上層流體室236，下層流體室234及外層室238之壓 第14頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 550690 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（） 力組合控制該接觸區域和與該外膜218之一上表面逆向之 内膜2 1 6之壓力二者。例如，將流體由上層流體室2 3 6中 抽出，則内膜2 1 6之該邊緣被抬離外膜2 1 8，藉此減少該 内膜及外膜二者間之該接觸區域之接觸直徑DC。相對 地，將流體柚入上層流體室2 3 6中，則内膜2 1 6之該邊緣 被降低與外膜218靠近，藉此增加該接觸區域之該接觸直 徑DC。除此之外，藉由將下層流體室234中之流體抽出 或抽入，可改變與外膜218逆向之内膜216之該壓力。因 此，内部之該壓力及由載架頭所負載之該區域直徑可受到 控制。 參照第3A圖及第3B圖，一凹槽26形成於臺座24 中，且一透明蓋27，如玻璃或硬塑膠的，可被放置於凹槽 26之上。除此之外，一透明區域36形成於覆蓋透明蓋27 其上之研磨處理墊30中。透明蓋27及透明區域36被放 置於適當處以使該等在該臺座轉動期間通過下層基材 1〇，而不需考慮該載架頭之轉動位置。假設研磨處理墊32 為一雙層墊，則透明區域36可藉由切割内夾層32之一孔 隙並藉由以一透明栓塞替換覆蓋層3 4之一塊而得到。該 栓塞可為一高純度之聚合物或聚氨酯，如不使用填充物而 得的。一般來說，該透明區域36應使用具非磁性及非導 傳性之材料。 參照第3A圖’該第一研磨處理工作站22a包含一同 位置渦流偵測系統40及一光偵測系統丨4〇。該渦流偵測系 統40及光偵測系統140可作為一研磨處理過程控制及終 第15頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(21〇χ 297公釐） (請先閲承背面之注意事項 本頁) 裝· 、νά 線_ 550690 Α7 Β7 五、發明説明（ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 點偵測系統。該第二研磨處理工作站22b及該最後研磨處 理工作站22c二者可僅包含一光偵測系統，雖然二者之任 一者可額外包含一渦流偵測系統或僅包含一渦流偵測系 統。 如第3B圖所示，核心42及視窗區域36在每次臺座 轉動時掃過該下層基材10。每次當該視窗區域掃過該下層 基材時，資料可由渦流偵測系統40及光偵測系統140所 收集。 參照第4圖，渦流偵測系統40包含一驅動系統48以 誘發該基材上一金屬層之渦流及一感測系統5 8以檢測由 該驅動系統於該金屬層所誘發之渦流。該偵測系統40包 含一配置於凹槽26之核心42以旋轉該臺座，一纏繞於核 心42 —份之驅動線圈44，及一纏繞於核心42另一份之感 應線圈46。對驅動系統48而言，偵測系統40包含一與驅 動線圈44連結之振盪器50。對感測系統58而言，偵測系 統40包含一與感應線圈46平行連接之電容52, 一與感應 線圈46連結之無線電頻（RF)放大器54，及一兩極真空管 56。該振盪器50，電容52，RF放大器54，及兩極真空管 56可配置於凹槽26内之印刷電路板160。一電腦90可連 結至該臺座之該等元件，包含從印刷電路板1 60，到旋轉 式電集合體92。 · 參照第5圖，核心42可為一 U型物體，並由具高度 磁導性之非傳導性物質所組成◎該驅動線圈可設計為對應 於該振盪器所產生之該驅動訊號。該精確線圈組態，核心 第16頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) (請先閱济背面之注意事項 本頁) 裝· ,ιτ· 線 550690 A7 B7 五、發明説明（） 組成和形狀，及電容大小可經由實驗所決定。如所揭露， 透明蓋27之該下表面可包含兩個矩形凹口 29，且核心42 之該兩個又形物42 a及42b可延伸至該凹口以更接近該基 材。 參照第3 A圖，在實際運作上，振盪器50驅使驅動線 圈44產生一振盪磁力場48，該磁力場延伸經核心42之該 主體並到達該核心之兩極42a及42b間之間隔。至少一份 之磁力場4 8延伸經研磨處理蟄3 0之細薄部份並到達基材 10。若一金屬層出現於基材上10，則振盪磁力場48於該 金屬層1 2產生渦流。該渦流使該金屬層1 2成為一平行於 感應線圈46及電容52之阻抗源。當該金屬層之該厚度改 變時，該阻抗亦改變，並導致感應裝置之該Q-因子產生變 化。藉由檢測該感應裝置之該Q-因子之變化，該渦流感測 器可感測該渦流之該強度變化，並以此方式獲得金屬層1 2 之厚度變化。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 一般來說，該傳導薄層之該初始厚度越高，則該所需 之共響頻率越低。例如，對於一相當細之薄層而言，如2000 埃（Angstroms)，可選擇該電容係數及感應係數以提供相當 高之共響頻率，如大約2MHz。相對而言，對於一相當厚 之薄層而言，如20000埃，可選擇該電容係數及感應係數 以提供相當低之共響頻率，如大約50kHz。然而，高共響 頻率仍可於使用厚銅層時運作良好。除此之外，高頻率（超 過2MHz)可用以減少該載架頭中金屬部份之背景雜訊。 開始時，參照第3A圖，第4圖及第6A圖，在進行 第17頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐） 550690 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 __— B7 五、發明説明（） 研磨處理前而沒有任何基材時，振盪器50被調整至該Lc 電路之共響頻率。該共響頻率使來自RF放大器54之該輸 出訊號獲得最大振幅。 如第6B圖及第7圖所揭露，在研磨處理進行時，一 基材10被放置為可與研磨處理墊30接觸。基材1〇可包 含一石夕晶圓12及一導電層16，如銅金屬，並放置於經圖 案化底層14之其一或更多之上，該等經圖案化底層可為 半導體，導體或絕緣體層。一阻斷層18，如组金屬或組氮 化物，可將該金屬層由該底層電介質分離。 該等經圖案化底層可包含數個金屬特性，如通道，填 塞及互通。由於在研磨處理前，導電層16之該主體一開 始相當地厚並連續，因此該具有低阻抗性，且在該導電層 中可產生相當強之渦流。如前所述，該渦流使該金屬層成 為一平行於感應線圈46及電容52之阻抗源。接著，傳導 薄層16之出現減少了該感應電路之該Q-因子，因此大幅 地減少來自RF放大器56之訊號之振幅。 參照第6C圖及第7圖，當基材10接受研磨處理時， 導電層1 6之主體部份被磨薄。當導電層16被磨薄，它的 薄層阻抗性增加，且該金屬層中之渦流受到抑制。接著， 金屬層1 6及感測電路系統5 8二者間之耦合減弱（例如， 增加該實際阻抗源之該阻抗性）。當該耦合減弱，則該感 測電路5 8增加接近其初始值。 參照第6D圖及第7圖，最終導電層16之主體部份被 移除，在該經圖案化絕緣層14間之凹溝產生傳導互通 第18頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐） (請先閲承背面之a*意事項 本頁} 裝· -訂· 線
I I I I 550690 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（） 16。於此時，該基材10中介㈣料部份間之該聯結及 感測電$ 58 it到-最小值，而該聯結通常很小且通常為 不連續地。接著，該感測電路之該因子達到最大值（雖 然沒有在當該基材完全移除時之Q-因子之值大）。如此使 得來自該感測電路之該輸出訊號之振幅趨於穩定。 除了振幅之變化感測外，該渦流偵測系統可計算被感 測訊號中之一相位偏移。當該金屬層進行研磨處理時，該 第二訊號之該相位對應於來自振盪器5〇之該驅動訊號而 改變。該相位差可與該被研磨層之該厚度得到相關性。 一相位測量裝置之實作，如第8圖所示，其整合該驅 動與感測訊號以產生具有一脈波寬或功率週期之一振幅 訊號及一相位偏移訊號二者，該功率週期與該相位差成比 率。在該實作中，二個互斥或運算（X0R)閘道1〇〇及1〇2 被使用於分別將來自感應線圈46及振盡器50之正弦訊號 轉換為方波訊號。該二個方波訊號成為一第三X〇r閘道 104之輸入。該第三XOR閘道104之輸出為一具有一脈波 寬或功率週期之相位偏移訊號’該功率週期與該二個方波 訊號間之向位差成比率。該相位偏移訊號經由一 RC濾波 器106所過濾以產生一具有與該向位差成比率電壓之一 DC相似訊號。另外，可將該等訊號傳送至一可編程序的 數位邏輯體，如一複合式可編程序邏輯裝置（Complex Programmable Logic Device; CPLD)或專業可編程序閘道 陣列（Field Programmable Gate Array; FGPA)，以進行該相 位偏移測量。一由該渦流偵測系統測量該驅動及感測訊號 第19頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) (請先閲讀背面之注意事項 本頁) 裝· 訂· 線· 550690 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（） 間相位差之追蹤例示，可參見第9圖。由於該相位測量對 於該驅動頻率之穩定性相當敏感，因此可加入相位鎖定迴 路電子裝置。 該相位差測量之一可能優點為於金屬層厚度之該相 位差相依關係比該振幅更具線性相關。除此之外，該金屬 層之絕對厚度可由一大範圍之可能厚度所決定。 參照第3A圖，一可作為反射計或干涉計使用之光偵 測系統1 4 0可被固定於具有渦流偵測系統4 0之凹槽2 6中 之臺座24»該光偵測系統140包含一光源144及一檢測器 146。光源144及檢測器146所使用之該等電子裝置可配 置於印刷電路板1 60上。該光源產生一條光射線142，該 光射線穿過透明視窗區域36及處理漿並照射至該基材10 之顯露表面。例如，光源144可為一種雷射而光射線142 可為一種直進雷射線。光雷射線142可以一由軸法線所形 成之角度以投射至該基材10表面。除此之外，若凹洞26 及視窗36二者之形狀極為細長時，一射線擴展器（並未例 示）可配置於該光射線之路徑上以沿著該視窗之該細長軸 擴展該光射線。 參照第10A-10C圖，可適當配置光偵測系統140使光 射線1 42照射至該基材之核心42介於二個叉狀物43間之 位置。在一實作中，光源1 4 4被適當配置以使光射線1 4 2 朝向核心前進並大體上沿著平行於臺座42該表面之路 徑。該光射線142由一緊接配置於核心42前之鏡射器162 向上反射，使得光射線142通過數個又狀物43之間，該 第20頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項 本頁) 裝· 訂· 線 550690 A7 B7 五、發明説明（） 光射線並自基材1 0反射，接著照射至一檢測器146上， 而該檢測器至少有一份配置於數個叉狀物43間。在此種 組態中，該光射線射向一由來自該核心之該磁力場所覆蓋 之區域内部之基材上之一點。因此，該光偵測系統140可 測量基材上某部份之反射度，且該部份大體上同為該渦流 偵測系統測量之位置。雖然並未例示，核心42及檢測器 146可被配置或附著於印刷電路板160之其一或更多上。 由一光偵測系統產生之追蹤250範例可見第11圖。 強度追蹤之整體形式如下所述。在開始時，由於該經圖案 化底層1 4具有之拓僕型態，使得金屬層具有某些初始化 樣式。由於該樣式，當該光線照射於該金屬層上時會造成 該光線之散射。當該研磨處理過程進行至該追蹤之追蹤部 份252時，該金屬層變得更加平滑且該被研磨金屬層之反 射度增加。當該金屬層之主體在該追蹤之追蹤部份254中 被移除後，該強度仍維持穩定。而一旦該氧化物層開始於 該追蹤内顯露後，於該追蹤之追蹤部份256内之整體訊號 強度會快速地減弱。再者該氧化層在該追蹤内完全移除 後，於該追蹤之追蹤部份258内之該強度仍再次維持穩 定，然而該可能受到當氧化層移除後干涉計效應之影響而 產生些微振盪。 參照第3A圖，第3B圖及第4圖，該CMP裝置20 亦可包含一位置感測器80，如一光學斷流器，以當核心 42及光源44二者在基材1 〇之下時進行感測。例如，該光 學斷流器可配置於一相對於載架頭70之固定點。一石板 第21頁 (請先閲讀背面之注意事項 本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
550690 A7 B7 五、發明説明（） 82配置於該臺座之該周圍。需選擇適當之配置點及石板 8 2長度以當透明區域3 6經過下層基材1 0時可斷流感測器 之該光訊號°另外’該CMP裝置可包含一編碼器以決定 臺座之角位置。 一通用可編程序式數位電腦90接收強度訊號和來自 渦流感測系統之相位偏移訊號，以及來自光憤測系統之該 強度訊號。該印刷電路板1 60可包含電路系統’如一通用 微處理器或一特別應用積體電路，該印刷電路板用於將來 自該渦流偵測系統及光偵測系統之訊號轉換為數位訊 號。該數位訊號可被整合至數個分離封包中，該等封包可 經由一序列通訊頻道所傳送，如RS-232 ^只要印刷電路板 160及電腦90二者使用該相同封包格式，則電腦90可取 得並使用在終點或程序控制演算法中之該強度及相位偏 移測量。例如，封包之每一者可包含五個位元組，其中二 個位元組為光訊號資料，二個位元組可為該渦流訊號之振 幅或相位差資料，一位元用以表示是否該封包包含振幅或 相位偏移資料，而該剩餘之位元包含用於決定是否視窗區 .域36位於該基材下之旗標，總和檢查位元等等。 由於該偵測系統在每次該臺座旋轉時掃過該基材之 下，因此關於該金屬層厚度及該底層之暴露程度之同位置 資訊可使用一種連續性即時方式（每次臺座轉動）以持續累 積。該電腦90可被設計為當該基材大體上覆蓋於透明區 域36(由該位置感測器所決定）之上時由該偵測系統進行 測量結果採樣。當研磨處理繼續進行，該金屬層之該反射 第2頂 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210x297公楚） (請先閲讀背面之注意事項 裝- 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 550690 A7 B7 五、發明説明（） 性或厚度改變，且該所採樣訊號隨時間而有所差異。該等 隨時間而變化之所採樣訊號可被稱為追蹤。由該偵測系統 所得之測量結果可在研磨處理期間被顯示於一輸出裝置 94中以允許該裝置之該操作員可以視覺偵測該研磨運作 之過程。除此之外，如以下所討論，該等追蹤可被使用於 控制該研磨處理流程並決定該金屬層研磨操作之該終 點。 在實際操作上，CMP裝置20使用渦流偵測系統40 及光偵測系統1 40以決定何時該填充層之該主體已被移除 並決定何時該填塞底層已大體上顯露出。該電腦90對該 等所採樣訊號進行流程控制及終點偵測邏輯操作以決定 何時需調整流程參數及偵測該研磨處理終點。用於該檢測 器邏輯操作之可能流程控制及數個終點判斷標準包含數 個局部最小值或最大值，斜度之改變，振幅或斜度之門檻 值，或其整合。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 除此之外，電腦90可被設計為當每次掃過該基材之 下時將來自渦流偵測系統40及光偵測系統140之測量結 果分散至大量之採樣區段96中，並計算採樣區段之每一 者之半徑位置，同時將該振幅測量結果分類至數個半徑範 圍中，並決定採樣區段之每一者之最小值，最大值及平均 測量結果，且使用多重半徑範圍以決定該研磨處理終點。 更進一步，電腦90可設計為可藉由渦流偵測系統40 所產生之該等訊號以決定研磨處理墊30之厚度及導電層 1 6之該絕對厚度。一般而言，該渦流偵測系統所產生之該 第2頂 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 550690 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（） 強度及相位偏移訊號二者取決於核心40及導電層16二者 間之該距離。尤其，如第12A圖及第12B圖所示，當該研 磨處理塾磨損並變得較薄時，導電層16將移動並更接近 核心40 ’而該耦合將增強，因此該振幅之該強度及相位訊 號將減弱。 如前所述，該渦流偵測系統4 0所產生之該強度及相 位偏移訊號二者同時取決於導電層16之該厚度。然而， 該導電層之厚度大於某一臨界值時，該振幅訊號相對於該 層之厚度將變得較不敏感。因此，當研磨處理開始後，該 振幅訊號將維持不變直到移除足夠之物質（在時間5 )使得 該導電層之厚度較該臨界值為低。在此時，該振幅訊號開 始增加其強度。相對地，該相位偏移訊號立即地反應出該 導電層之厚度變化。 該強度及相位偏移訊號可用於決定該研磨處理墊之 該厚度。開始時，進行一等級判定步驟，也就是在二個具 有不同已知厚度之研磨處理墊上對一測試基材進行研磨 處理，該測試基材配置有一超過該臨界厚度之導電層。另 外，該等級判定步驟亦可使用具有不同等級磨損之該相同 墊》在該等級判定步驟進行期間，分別測量研磨處理墊之 每一者之該強度訊號及相位偏移訊號之該等強度。經由這 些測量結果，可計算出二個係數△ a及△ Φ，分別代表在該 墊厚度下該振幅及相位偏移之訊號強度之該變化。 此後，在一裝置晶圓之研磨處理期間，該強度及相位 偏移訊號之該測量值及該等係數Λα和Δφ(或一等效查值 第24頁 (請先閲讀背面之注意事項 本頁) 裝· -、τ 線 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210x297公釐) 550690 A7 B7 五、發明説明（） 表）可用於決定該研磨處理墊之該厚度。特別地，由於在 該研磨處理過程開始時之該振幅訊號對於該金屬層之該 厚度而言並不敏感，因此該振幅訊號之初始強度是和該研 磨處理墊之該厚度相關。接著該研磨處理墊之所測量厚度 可用於改變該等研磨處理參數或產生一警告。例如，若該 研磨處理墊厚度減少至一預設值之下時，該電腦可產生一 訊號以表示需更換該研磨處理墊。 該強度及相位偏移訊號亦可在研磨處理期間被用於 決定該基材上之該導電層之該絕對厚度。由於該相位偏移 訊號可立即反應出該導電層之該厚度變化，因此可產生 (根據一測試基材之實驗測量結果）一關於該相位偏移訊號 之該強度對應至該導電層之該厚度之查值表。在一裝置基 材之研磨處理期間，該振幅訊號之該初始強度可在研磨處 理開始時加以測量。該電腦可使用該等二個係數△ A和△ Φ 以計算一可調節相位訊號強度，該訊號強度可說明任何偏 移量之產生是由於該研磨處理墊厚度之改變。接著該電腦 可使用該查值表及該可調節相位訊號強度以精確計算該 導電層之該絕對厚度。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 電腦90亦可連結至控制載架頭70所使用壓力之該壓 力機械裝置，亦可連結至載架頭旋轉馬達76以控制該載 架頭旋轉速率，亦可連結至該臺座旋轉馬達（並未顯示）以 控制該臺座旋轉速率，或連結至該處理漿分散系統3 9以 控制提供至該研磨處理墊之該處理漿成份。特別地，將該 等測量結果分類至數個半徑範圍後，該金屬薄層厚度之資 第25頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐） 55〇69〇 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（） 訊可即時傳送至一封閉迴圈控制器以週期地或連續地改 變由一載架頭所使用之該研磨處理壓力數據^例如，該電 腦可決定該終點判斷標準以滿足於該等外部半徑範圍但 尚未滿足於該等内部半徑範圍。其可表示該底層已顯露在 一環狀外部區域但尚未顯露在該基材之一内部區域。在此 種情況下’該電腦可減少該充滿壓力區域之該直徑，使得 壓力僅可到達該基材之該内部區域，因此減少該基材之該 外部區域上之損壞或侵蝕。 該渦流及光偵測系統可被用於多種不同之研磨處理 系統中。該研磨處理墊及該載架頭之任一者或包含二者， 可移動以提供該研磨處理面及該基材二者間之相對運 動β該蘑平處理墊可為一由該臺座保護之圓形（或某些其 它形狀）塾，一連結供應及運作滾輪二者間之線帶，咬一 連續皮帶。該研磨處理墊可被固定於一臺座上，而在研磨 處理進行間經由臺座逐步遞增前進，或在研磨處理期間經 由臺座不斷被驅動前進。該墊可在研磨處理期間由該臺座 .所保護，或在研磨處理期間配置一種流體支撐於該臺座及 研磨處理墊二者間。該研磨處理墊可為一標準（如使用或 不使用填充物之聚氨酯）粗糙墊，一軟墊，或一固定式磨 餘塾。該振盪器之該驅動頻率可在具有一經研磨或尚未研 磨基材存在（具有或不具有該載架頭）時或其它參考物時調 整至一共振頻率，而非當該基材並未存在時進行調整。 雖然例示均配置於該相同凹洞中，·然而光偵測系統 140可配置於和渦流偵測系統40相異之位置。例如，光债 第26頁 本紙張尺度朝巾國國家標準(CNS)A4規格(210X297公箸）— ------ (請先閲讀背面之注意事項 本頁) 裝· 線 550690 A 7 _ _B7_ 五、發明說明（） 測系統140及渦流偵測系統40可被配置於該臺座之兩 側’使得該等交替地掃瞄該基材表面。 本發明之許多方面，例如配置該線圈於和該基材反向 之該研磨處理面之一側或一相位差之該測量，在該渦流感 測器使用一單一線圈時仍然有效。在一單一線圈系統，該 振I器及該感應電容（及其它感測器電路）二者連結至該相 同線圈。 本發明在前述中已進行最佳實施例的說明。但本發 明之範圍並不僅侷限於以上配合圖式所說明之實施例。 故本發明之範圍當以所附之申請專利範圍界定之。
請 先 閲 讀- 背 面 之 注· 意 事 項 本 I 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 頁 27 第 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X 297公釐)

Claims (1)

  1. 申請專利範圍 種用於化學機械式研磨處理之 — I 其至少包含： 臺座，用以支撐一研磨處理面； 訊號； —渴流憤測系統’位於該臺座中，用以產生一第 號； 光偵測系統，位於該臺座中， 用以產生一第二訊 一電路系統，位於該臺座中， 第一訊號成為一第 用以整合該等第一及 三訊號於一輸出線路中；及 一電腦，用以接收該輸出線路中 _取該等第一及第二訊號。 之該第三訊號，並 •如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中上 為可旋轉式者。 述之該裝置 如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中更包含一旋 式電子整合艘’且其中該輸出線路通過該電路系統及 電腦二者間之該旋轉式電子整合體。 轉 該 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中更包含一載 頭，用以支撐一基材，其令該基材與該研磨處理面相 觸0 架 接 5.如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該電路系統組 合該專第一及第二訊號之資料成數個封包，而該電腦由 第28頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公爱) 550690 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 該等封包中擷取出該資料。 6· 一種用以決定一研磨處理墊厚度之方法，其至少包含下 列步驟： 配置一其上具一導電層之基材與一研磨處理墊之一 研磨處理面相接觸； 由一誘導器產生一交流磁力場以於該導電層中誘發 渦流； 測量該磁力場之強度；及 藉由至少該磁力場之強度以計算出該研磨處理墊之 厚度。 7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該交流磁力場 之產生包含使用一驅動訊號驅動該誘導器，且其更包含 測量該磁力場及該驅動訊號二者間之一相位差。 8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該研磨處理墊 之厚度藉由至少該磁力場之強度及該相位差之計算而 得。 9·如申請專利範圍第6項所述之方法，其中更包含使用一 具有第一已知厚度之第一研磨處理墊及使用一具有第 二已知厚度之第二研磨處理墊以研磨一基材，及產生在 研磨處理期間關於該研磨處理墊之該厚度及該訊號之 第29頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐） 550690 8 8 8 8 ABCD 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 々、申請專利範圍 該強度二者間關係之係數之其一或更多。 10.如申請專利範圍第6項所述之方法，其中更包含當該研 磨處理墊之該厚度減少至低於一預設厚度時警告使用 者。 1 1 · 一種用以在化學機械式研磨處理期間測量一基材上一 導電層厚度之方法，其至少包含下列步驟： 配置一其上具有一導電層之基材與一研磨處理墊之 一研磨處理面相接觸； 在該基材及該研磨處理墊二者間產生相對運動以研 磨該基材， 以一驅動訊號驅動一誘導器以產生一於該導電層中 誘發渦流之交流磁力場； 測量該磁力場之強度及該磁力場與該驅動訊號二者 間之相位差； 根據該磁力場之該強度計算出一修正因子；及 由該相位差及該修正因子計算出該導電層之厚度。 12·如申請專利範圍第11項所述之方法，其中更包含藉由 至少該磁力場之該強度以計算該研磨處理墊之厚度的 步驟。 13.如申請專利範圍第12項所述之方法，其中更包含使用 第30頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項 π本頁) 裝. -訂· 線 550690 as B8
    六、申請專利範圍 一具有第一已知厚度之第一研磨處理墊及使用一具有 第二已知厚度之第二研磨處理墊以研磨一基材、及產生 在研磨處理期間關於該研磨處理墊之該厚度及該訊號 之該強度二者間關係之係數之其一或更多的步驟° 14.如申請專利範圍第12項所述之方法，其中更包含當一 第一研磨處理墊具有一第一已知厚度時使用該第一研 磨處理墊以研磨一測試基材、而當一第二研磨處理墊具 有一第二已知厚度時使用該第二研磨處理墊以研磨該 測試基材、及產生在研磨處理期間關於該研磨處理塾之 該厚度及該訊號之該強度二者間關係之係數之其一或 更多的步驟。 15. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中更包含當該 研磨處理墊之該厚度減少至低於一預設厚度時警告使 用者的步驟。 16. —種用於化學機械式研磨處理之裝置，其至少包含： 一研磨處理面； 一載架頭，用以支撐一其上具有一導電層之基材與一 研磨處理墊之一研磨處理面相接觸； 一馬達，用以在該基材及該研磨處理面二者間產生相 對運動； 一渦流偵測系統，用以包含一誘導器及一電流源以驅 第31頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐） 一請先閱讀背面之注意事項 I丨裝丨I 本頁) -訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 550690 ABCD 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 動該誘導器產生一交流磁力場，而該交流磁力場於該導 電層中誘發渦流； 一感測器，用以測量該磁力場之強度及該磁力場及該 驅動訊號二者間之一相位差； 一電腦’用以組態為依據該磁力場之該強度以計算一 修正因子並由該相位差及該修正因子以計算該導電層 之厚度。 17· —種用於化學機械式研磨處理之裝置，其至少包含： 一臺座，用以支撐一研磨處理面； 一載架頭，用以支撐一基材； 一渦流偵測系統，用以在研磨處理期間產生一第一訊 號’該渦流偵測系統包含一誘導器以產生一延伸至該基 材之一第一區域之磁力場； 一光偵測系統，用以在研磨處理期間產生一第二訊 號，該光偵測系統包含一光源，該光源經適當配置並可 使光線集中於該基材之第一區域之一點.，因此使該渦流 偵測系統及該光偵測系統大體上為測量該基材之相同 位置。 18.如申請專利範圍第17項所述之裝置，其中該渦流憤測 系統包含一配置大量叉狀物之核心，且該光偵測系統包 含一配置於至少部份叉狀物間之檢測器。 第32頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項 本頁) 裝. 線 550690 A8 B8 C8 D8 、申請專利範圍 19. 如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中上述之光線 照射至該基材上大致與該等叉狀物等距離之一點。 20. 如申請專利範圍第1 7項所述之裝置，其中上述之渦流 偵測系統包含一核心且該光線照射至該基材上垂直高 於該核心之一點。 (請先閲讀背面之注意事項 本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第33頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐)
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