TWI487596B - 磨光監視方法及磨光裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種於磨光期間監視形成於基板表面上之導電膜之厚度變化之方法，亦關於一種磨光裝置。
磨光裝置係廣泛使用於磨光如形成於晶圓之表面上之阻障膜(barrier film)及互連金屬膜(interconnect metal film)之導電膜。於磨光期間，磨光端點偵測(polishing end point detection)及磨光狀態變化係根據導電膜之厚度而決定。因此，磨光裝置通常包含用以於磨光期間偵測導電膜厚之膜厚偵測器。該膜厚偵測器之典型範例為渦電流感測器。此渦電流感測器係組構成供應高頻交流電流(alternating current)至線圈(coil)以便於導電膜中誘發渦電流，從而由渦電流所誘發之磁場所導致之阻抗(impedance)變化來偵測導電膜之厚度。
第1圖係顯示用以解釋渦電流感測器原理之等價電路(equivalent circuit)。當交流電源供應器(AC power supply)送出高頻交流電流I1
至線圈1時，於線圈1中所誘發之磁力線(magnetic lines of force)係通過導電膜。結果，於感測器側之電路及導電膜側之電路之間係發生互感現象(mutual inductance)，而渦電流I2
會流經導電膜。此渦電流I2
係產生導致感測器側之電路之阻抗變化之磁力線。渦電流感測器係從感測器側之電路之阻抗變化而測量導電膜之厚度。
於第1圖中之感測器側之電路及導電膜側之電路中，係成立下列方程式。
R1
I1
+L1
dI1
/dt+MdI2
/dt=E (1)
R2
I2
+L2
dI2
/dt+MdI1
/dt=0 (2)
其中M代表互感係數(mutual inductance)，R1
代表包含線圈1之感測器側之電路之等價電阻，L1
代表包含線圈1之感測器側之電路之自感係數(self inductance)，R2
代表對應渦電流損失之等價電阻，以及L2
代表渦電流所流經之導電膜之自感係數。
使In
=An
ejωt
(正弦波，sine wave)，上述方程式(1)及(2)則表示如下。
(R1
+jωL1
)I1
+jωMI2
=E (3)
(R2
+jωL2
)I2
+jωMI1
=E (4)
從該些方程式(3)及(4)，推導出以下方程式。
I1
=E(R2
+jωL2
)/[(R1
+jωL1
)(R2
+jωL2
)+ω2
M2
]=E/[(R1
+jωL1
)+ω2
M2
/(R2
+jωL2
)] (5)
因此，藉由下列方程式得到感測器側之電路之阻抗Φ。
Φ=E/I1
=[R1
+ω2
M2
R2
/(R2 2
+ω2
L2 2
)]+jω[L1
-ω2
L2
M2
/(R2 2
+ω2
L2 2
)] (6)
分別以X及Y取代阻抗Φ之實部(即，電阻成分(component))與虛部(即，電感抗(inductive reactance)成分)，上述方程式(6)則表示如下。
Φ=X+jωY (7)
第2圖係顯示由將隨磨光時間變化之X及Y描繪於XY座標系統上而繪製成之曲線圖。顯示於第2圖之座標系統係以Y軸為垂直軸及以X軸為水平軸而定義。點T∞之座標為當膜厚為無限大(即R2
為零)時之X及Y之值。當能忽略基板之導電係數時，點T0之座標為當膜厚為零時(即R2
為無限大)之X及Y之值。由X及Y之值所特定之點Tn之座標係隨著膜厚減少而以弧狀朝著點T0行進(travel)。第2圖中之符號k係代表耦合係數(coupling coefficient)，且具有下列關係。
M=k(L1
L2
)1/2
(8)
第3圖係顯示朝逆時針方向旋轉第2圖中的曲線圖90度且進一步轉換所得的曲線圖而獲得的曲線圖。具體而言，由座標(X,Y)所特定的點係繞著XY座標系統中之原點O旋轉，且進一步移動經旋轉的座標以便於產生下述之曲線圖，亦即，該曲線圖中原點O與座標(X,Y)所特定的點之間之距離係按照膜厚之減少而減少。另能對於第3圖中之曲線圖進行如放大之進一步處理。雖然第3圖顯示的是將第2圖中之曲線圖朝逆時針方向旋轉90度之情況，但該旋轉角度並未限定於90度。舉例而言，旋轉角度能調整成使對應於欲監視的膜厚之上限之Y座標與膜厚為零之點之Y座標相等。
如第3圖所示，由X及Y之值而定位之點Tn係隨著膜厚減少而於弧中朝著點T0行進。於行進期間，只要Tn並未定位於接近點T∞，則於XY座標系統中之原點O與點Tn之間之距離Z(=(X2+Y2)1/2)係隨著膜之厚度減少而減少。因此，藉由監視距離Z，便能決定於磨光期間之膜厚變化以及磨光端點。第4圖係顯示藉由將距離Z描繪於垂直軸上及將磨光時間描繪於水平軸上而產生之曲線圖。如此曲線圖所示，距離Z係隨著磨光時間而減少，且於特定時間點變成常數。因此，藉由偵測距離Z之此奇異點(singular point)，便能決定磨光端點。
然而，由於包含渦電流感測器四周之週遭溫度及液體浸入磨光墊之操作環境的變化，且由於渦電流感測器其自身隨時間之狀態變化，渦電流感測器之輸出訊號值可能會漂移(即，彼此平行移動)，如第5圖之虛線所示。渦電流感測器之輸出訊號值之漂移會造成離原點O之距離Z的變化及曲線圖自身的向上位移，如第6圖所示。即使於此情況中，因奇異點亦會漂移而可偵測到磨光端點。然而，當停止磨光或當於預設目標厚度達到時之時間點改變磨光狀態時，此輸出漂移會導致問題。此係因渦電流感測器之輸出訊號值及膜厚之間之關係的改變之故。此導致磨光時間之偵測上之誤差(error)。
此種渦電流感測器輸出值之漂移除了上述根據距離Z之方法以外亦影響其他監視膜厚的方法。舉例而言，日本早期公開專利申請案第2005-121616號案係於其第13圖中，揭露一種於磨光期間監視膜厚變化之方法，該方法係根據通過中心點(固定點)之參考線以及連接由渦電流感測器之輸出訊號(成分X，成分Y)所特定之點與中心點之線之間之角度(θ)的變化。此方法具有能精準地監視膜厚變化而不用顧慮磨光墊厚度變化之優點。然而，於此方法中，角度θ亦可能隨著渦電流感測器之隨時間變化的輸出值而變化。因此，渦電流感測器之輸出值與膜厚之間之關係可能有所改變。
為求解決此問題，必須定期校準(calibrate)渦電流感測器。然而，為了校準渦電流感測器，則需停止磨光處理，因而降低磨光裝置之效益。因此理由，於半導體大量生產設備中，無法經常實行渦電流感測器之校準。
本發明係有鑑於上述缺失而研創者。因此，本發明目的係提供一種磨光監視方法及磨光裝置，係能夠校準渦電流感測器而無需降低磨光裝置之可利用性，且能夠精準地監視膜厚。
用以達到上述目的之本發明之一實施態樣，係提供使用渦電流感測器監視基板上之導電膜厚變化之方法，其中，該基板係與磨光墊之磨光表面滑動接觸(slide contact)。該方法係包含：於基板之水磨光期間、於磨光墊之修整期間或於磨光墊之替換期間取得渦電流感測器之輸出訊號做為修正訊號值；從修正訊號值與預定修正參考值之間的差而計算修正量；當磨光具有導電膜之基板時，藉由從渦電流感測器之輸出訊號減去該修正量而計算實際測量訊號值；以及於磨光期間藉由監視該實際測量訊號值之變化而監視該導電膜之厚度變化。
於本發明之一較佳實施態樣中，修正參考值係包括：事先於與取得修正訊號值時之狀態相同之狀態下獲得之渦電流感測器的輸出訊號。
於本發明之一較佳實施態樣中，該方法係進一步包含：取得渦電流感測器之特徵訊號值(characteristic signal value)；於與取得特徵訊號值時之狀態相同之狀態下取得渦電流感測器之輸出訊號做為初始訊號值；從特徵訊號值與初始訊號值之間的差而計算初始漂移；以及於計算修正量之前，藉由從修正參考值減去初始漂移而修正該修正參考值。
於本發明之一較佳實施態樣中，渦電流感測器輸出訊號係包括：包含渦電流感測器線圈之電路之阻抗之電阻成分及電感抗成分。
於本發明之一較佳實施態樣中，渦電流感測器輸出訊號係包括：包含渦電流感測器線圈之電路之阻抗之電阻成分及電感抗成分，該電阻成分及該電感抗成分係定義成為座標系統上之座標，且於該座標系統上旋轉及移動該座標，以使座標系統之原點與由座標所特定之點之間之距離按照導電膜之厚度之減少而減少。
本發明之另一實施態樣，係提供一種磨光裝置，係包含：具有磨光表面之磨光墊、渦電流感測器、組構成推壓基板抵靠磨光表面之頂環(top ring)、組構成修整磨光表面之修整器、組構成在基板與磨光墊之間提供相對運動之機構、以及組構成使用渦電流感測器監視與磨光表面滑動接觸之基板上之導電膜之厚度變化之監視單元。該監視單元係能操作成：於基板之水磨光期間、於磨光墊之修整期間或於磨光墊之替換期間取得渦電流感測器之輸出訊號做為修正訊號值；從修正訊號值與預定修正參考值之間的差而計算修正量；當磨光具有導電膜之基板時，藉由從渦電流感測器之輸出訊號減去該修正量而計算實際測量訊號值；以及於磨光期間藉由監視該實際測量訊號值之變化而監視該導電膜之厚度變化。
依據本發明，可在必須於磨光裝置中實施之諸如修整等預定處理期間，於軟體上實施渦電流感測器之校準。因此，能持續實施膜厚之精準監視而無需降低磨光裝置之可利用性。
以下將參照圖式描述本發明之具體實施例。
第7圖係顯示按照本發明之具體實施例之磨光裝置之整體結構之概要圖。如第7圖所示，磨光裝置具有：於其上表面固持有磨光墊10之磨光檯12、配置成固持作為待磨光之工件之晶圓(基板)且推壓晶圓抵靠磨光墊10上表面之頂環14、以及配置成當不實施晶圓磨光時於磨光墊10上表面之上實施修整(或調適(condition))的修整器20。磨光墊10之上表面係提供用以與晶圓滑動接觸之磨光表面。
磨光檯12係耦接至位於其下方之馬達(未圖示)，且繞著其軸以如箭頭所指之方向旋轉。磨光液供應噴嘴(未圖示)係位於磨光檯12上方，以使磨光液從磨光液供應噴嘴供應至磨光墊10上。
頂環14係耦接至頂環軸18，該頂環軸18係耦接至馬達及升降缸(elevating cylinder)(未圖示)。頂環14因此能如箭頭所指而垂直移動，且繞著頂環軸18旋轉。藉由真空吸引等方式吸住且固持住待磨光之晶圓於頂環14之下表面。
以上述結構，被固持於頂環14下表面之晶圓係藉由頂環14旋轉且壓抵至旋轉中的磨光檯12上之磨光墊10之磨光表面。磨光液係從磨光液供應噴嘴供應至磨光墊10之磨光表面上。晶圓因此在晶圓表面(下表面)與磨光墊10間存在有磨光液之狀態下被磨光。於此具體實施例中，磨光檯12與頂環14構成提供晶圓與磨光墊10之間之相對運動之機構。
第8圖係顯示於第7圖中所示之頂環之剖面之概要圖。如第8圖所示，頂環14具有：碟狀(disk-like)頂環主體31，其透過可撓關節(flexible joint)30耦接至頂環軸18之低端；以及保持環(retainer ring)32，係設置於頂環主體31之低部上。頂環主體31係由如金屬或陶瓷之具有高強度及剛性(rigidity)之材料所製成。保持環32係由高度剛性的樹脂或陶瓷等製成。保持環32能與頂環主體31一體成形。
頂環主體31及保持環32於其中具有容置下述構件的空間：被帶至與晶圓W的彈性墊33接觸、以彈性薄膜(elastic membrane)製成之環形壓力薄片(annular pressure sheet)34、以及配置成固持住彈性墊33之碟狀的夾板(chucking plate)35。彈性墊33具有由夾板固持住之上部外周邊緣。四個壓力腔(pressure chamber)(空氣袋(air bag))P1、P2、P3及P4係設置於彈性墊33及夾板35之間。該些壓力腔P1、P2、P3及P4係分別透過流體通道37、38、39及40與未圖示之壓力調整器流體連通。壓力調整器係配置成供應加壓流體(例如，加壓空氣)至壓力腔P1、P2、P3及P4內，以及於該些壓力腔內建立真空狀態。中央壓力腔P1係為圓柱狀，而其他壓力腔P2、P3及P4則為環狀。該些壓力腔P1、P2、P3及P4係以同心圓配置。壓力調整器能包括壓縮器(compressor)及真空泵(vacuum pump)。
壓力調整器能獨立改變壓力腔P1、P2、P3及P4之內部壓力，從而實質上獨立調整施加於以下四區域的推壓力：中央區域C1、內部區域C2、外部區域C3以及周圍區域C4。精確而言，每個區域或多或少會受相鄰區域影響。再者，藉由整體抬升或下降頂環14，保持環32能將預定力量施加於磨光墊10上。壓力腔P5係形成於夾板35與頂環主體31之間。上述壓力調整器係組構成供應加壓流體至壓力腔P5內，以及透過流體通道41於壓力腔P5內建立真空狀態。隨此操作，夾板35及彈性墊33係整體地垂直移動。保持環32係安排成圍繞晶圓W以便於防止晶圓W於磨光期間脫離頂環14。
如第7圖所示，用以偵測形成於晶圓W上之導電膜厚之渦電流感測器50係設置於磨光檯12中。此渦電流感測器50係與耦接至CMP控制器54之監視單元53耦接。渦電流感測器50之輸出訊號係送至監視單元53。該監視單元53係如參照第3及4圖所描述者而處理渦電流感測器50之輸出訊號，且計算距離Z(參見第4圖)做成為按照導電膜厚而變化之監視訊號。由監視單元53所進行之渦電流感測器50之輸出訊號的處理係包含顯示於第2圖中之曲線圖之旋轉處理及轉換處理。監視單元53係於磨光期間監視於區域C1、C2、C3及C4之每個區域中之監視訊號之變化(即，導電膜厚之變化)。
第9圖係顯示磨光檯12與晶圓W間之位置關係之平面圖。符號CT
係代表磨光檯12之旋轉中心。如第9圖所示，渦電流感測器50係設置於在磨光期間使渦電流感測器50通過由頂環14固持之晶圓W之中心CW
之位置。具體而言，每次磨光檯12進行一迴旋時，渦電流感測器50係朝晶圓W之實質上徑向方向掃過晶圓W。
第10圖係顯示渦電流感測器50掃過晶圓W之路徑圖。如上所述，當磨光檯12旋轉時，渦電流感測器50係掃過晶圓W之表面以便描繪出通過晶圓W之中心CW
(即，頂環軸18之中心)之路徑。因頂環14之轉速一般與磨光檯12之轉速不同，渦電流感測器50於晶圓W表面上之路徑係隨磨光檯12每次旋轉而不同，如第10圖中之掃描線(scan line)(掃線(sweep line))SL1
、SL2
、SL3
…所示。即使於此情況中，因渦電流感測器50如上所述位於經過晶圓W之中心CW
之處，故渦電流感測器50之路徑於每次旋轉皆經過晶圓W之中心CW
。於此具體實施例中，由渦電流感測器50偵測膜厚之時機係調整成使得每次旋轉中由渦電流感測器50偵測晶圓W之中心CW
處之膜厚。
眾所週知的是，經磨光的晶圓W之表面之膜厚分布係一般相對於朝垂直於晶圓W之表面之方向延伸穿過晶圓W之中心CW
之軸而軸對稱。因此，如第10圖所示，當於第m條掃描線SLm
上之第n個監視點表示成MPm-n
時，於第n個監視點之徑向位置之晶圓W之膜厚變化能藉由追蹤個別掃描線上之第n個監視點MP1-n
、MP2-n
、…、MPm-n
之監視訊號而予以監視。
第11圖係顯示從於第10圖所示之晶圓上之監視點中，選擇欲藉由監視單元53監視之監視點之範例之平面圖。於第11圖所示之範例中，監視單元53係監視位於區域C1、C2、C3及C4之中心及邊界附近之監視點MPm-1
、MPm-2
、MPm-3
、MPm-4
、MPm-5
、MPm-6
、MPm-8
、MPm-10
、MPm-11
、MPm-12
、MPm-13
、MPm-14
及MPm-5
。不似第10圖所示之範例，能於監視點MPm-i
及MPm-(i+1)
之間設置另一監視點。待監視之監視點之選擇並未限定成第11圖所示之範例。從控制晶圓W表面之磨光之觀點而欲監視之點可予以選擇為監視點。或者，能選擇於每條掃描線上的所有監視點。
於第10圖中，為了簡化之目的，於一次掃描操作中監視點之數量為15。然而，監視點之數量並未限定於所說明之範例，而能按照測量期間及磨光檯12之轉速而為不同之數目。舉例而言，可設定三百個監視點分布於晶圓W之一端至另一端，且將該些監視點區分成對應於區域C1、C2、C3及C4之四個區段中。於此情況中，能計算於每個區段中於監視點獲得之感測器,50之輸出訊號值之平均值或代表值，且該經計算的平均值或代表值能用作為該區段中的感測器50的輸出訊號值。為求平滑資料以消除雜訊，能標準化(standardize)於鄰近監視點獲得之輸出訊號值。
監視單元53係對於所選擇的監視點所獲得之渦電流感測器50之輸出訊號實施上述處理以產生監視訊號(即，此具體實施例中之距離Z)。監視單元53係比較於每個選擇的監視點獲得之監視訊號與預設給每個壓力腔P1、P2、P3及P4之參考訊號，且計算於壓力腔P1、P2、P3及P4中之最佳壓力，該等最佳壓力能夠使個別的監視訊號能收斂(converge)於對應的參考訊號。如此，監視單元53係作為用於根據監視訊號而控制壓力腔P1、P2、P3及P4內部壓力之控制器。
經計算之壓力係從監視單元53發送至CMP控制器54。該CMP控制器54係透過壓力調整器改變壓力腔P1、P2、P3及P4之內部壓力。以此方式，調整施加於晶圓W中個別區域C1、C2、C3及C4之推壓力。監視單元53及CMP控制器54能整合為單一控制單元。
第12圖係顯示渦電流感測器之概要圖。該渦電流感測器50係包含：感測線圈102、連接至該線圈102之交流電源供應器103、以及組構成偵測包含感測線圈102之電路(於第1圖中之感測側之電路)之電阻成分X及電感抗成分Y之同步偵測器(synchronous detector)105。導電膜201(將被偵測其厚度之膜)係晶圓W上之薄膜，且該薄膜係以如銅、鎢(tungsten)、鉭(tantalum)或鈦(titanium)之導電材料製成。於感測線圈102及導電膜之間之距離G係例如於0.5mm至5mm之範圍內。
第13圖係顯示如第12圖所示之渦電流感測器之感測器線圈之範例配置圖。感測線圈102係包含：線軸(bobbin)111，及三個纏繞於該線軸111上之線圈112、113及114。該些線圈112、113及114係形成三層線圈。中央線圈112係連接至交流電源供應器103之激發線圈(exciting coil)。該激發線圈112係以交流電源供應器103供應之交流電來產生磁場，從而於晶圓上之導電膜內引發渦電流。偵測線圈113係位於激發現圈112上方(即，位於導電膜側)。該偵測線圈113係組構成偵測由流動於導電膜中之渦電流產生之磁通量(magnetic flux)。平衡線圈114係位於偵測線圈113之相反側。
線圈112、113及114係具有相同圈數(1至500圈)。偵測線圈113及平衡線圈114係以彼此相反相位(phase)連接。當導電膜接近於偵測線圈113時，由流經導電膜之渦電流所產生之磁通量係與偵測線圈113及平衡線圈114互鏈(interlink)。因偵測線圈113位於比其他線圈更接近導電膜之處，產生於線圈113及114中之誘發電壓(induced voltage)便不平衡，藉此能偵測由導電膜中渦電流所引發之互鏈通量(interlinkage flux)。
第14圖係顯示渦電流感測器之細節之概要圖。交流電源供應器103係包含：產生固定頻率之如石英振盪器(quartz oscillator)之振盪器。舉例而言，交流電源供應器103係供應具有1至50MHz之固定頻率之交流電流至感測線圈102。由交流電源供應器103產生之交流電流係透過帶通濾波器(bandpass filter,BPF)120供應至感測線圈102。感測線圈102之端點係輸出一訊號，該訊號係透過橋接電路(bridge circuit)121及高頻放大器(high-frequency amplifier,HF Amp)123而發送至同步偵測器105。同步偵測器係具有餘弦同步偵測電路125及正弦同步偵測電路126，且提取出(extract)阻抗之電阻成分及電感抗成分。
設置低通濾波器(low-pass filter,LPF)127及128以便從由同步偵測器105輸出之電阻成分及電感抗成分中移除不需要的高頻成分(例如，不低於5kHz)。結果，便從渦電流感測器50輸出阻抗中作為電阻成分之訊號X及作為電感抗成分之訊號Y。監測單元53係對於輸出訊號X及Y實施如參照第3圖之描述的相同處理(例如，旋轉處理及轉換處理)，從而計算距離Z(參見第3及4圖)作為監視訊號。渦電流感測器50之輸出訊號X及Y之處理(例如，旋轉處理及轉換處理)能於渦電流感測器50中電性地實施，或能藉由監視單元53中之計算而實施。
膜厚變化之監視能在不進行如第3圖所描述之訊號X及Y的處理下執行。於此情況中，係於接近於第2圖中之T0點設置參考點(固定點)，以根據參考點及點Tn間距離之變化來監視膜厚之變化。該參考點係設置於(由座標所指定之)下述位置，亦即，使參考點及點Tn間之距離隨著磨光時間而減少的位置。
由於包含週遭溫度及液體浸入磨光墊之操作環境的變化，且由於渦電流感測器50其自身隨時間之狀態變化，渦電流感測器之輸出訊號值可能會漂移(即，彼此平行移動)，如第5圖所示。因此，於此具體實施例中，監視單元53係定期實施渦電流感測器50之輸出訊號之校準，以便精準地監視膜厚之變化。下列描述係有關實施於輸出訊號之校準處理，其中，該輸出訊號係經由如第3圖所示之實施於渦電流感測器50的輸出訊號X及Y之上述處理(例如，旋轉處理及轉換處理)而獲得者。校準處理能於上述處理之前實施。於此說明書中，渦電流感測器50之輸出訊號係包含經過上述處理而獲得之訊號以及未施加上述處理之未加工訊號(raw signal)兩者。
第15圖係顯示校準渦電流感測器之輸出訊號之流程圖，而第16圖係按照第15圖之流程圖而視覺性說明校準渦電流感測器50之輸出訊號之處理。
如第15圖所示，於步驟1，實施渦電流感測器50之初始校準(即，硬體校準)。具體而言，磨光墊10係從磨光檯12移除，並將具有預定厚度之間隔件放置於磨光檯12之上表面上。將不帶有導電膜之晶圓(即，膜厚為零)置於間隔件上。於此狀況中，監視單元53係取得渦電流感測器50之特徵訊號值Xc及Yc。然後，調整渦電流感測器50之輸出以使特徵訊號值Xc及Yc對應指示膜厚為零之預定座標。
於此初始校準(即，硬體校準)中，係使用帶有具有預定厚度之導電膜之晶圓而進一步調整渦電流感測器50之輸出，以使渦電流感測器50之輸出訊號對應其他預定座標。從該些操作之結果，而最終地決定如結合第3圖所描述之放大的幅度及旋轉的角度。以此方式，在無磨光墊存在於渦電流感測器50上方之狀態下實施初始校準(即，硬體校準)。上述無導電膜之晶圓及具導電膜之晶圓為專門用於校準之晶圓。如此，該晶圓其自身之電阻係數及膜厚係經嚴格地管理。
接著，於步驟2，由監視單元53取得渦電流感測器50之初始訊號值Xg及Yg。初始訊號值Xg及Yg之取得係於與上述初始校準狀態相同之狀態下實施，且於磨光處理開始之前實施。具體而言，將相同或同一間隔件置於磨光檯12之上，以及將相同或同一晶圓(即，無導電膜之晶圓)置於間隔件之上。於此狀況中，係取得從渦電流感測器50輸出之初始訊號值Xg及Yg。然後，於步驟3，計算初始漂移ΔXg及ΔYg。具體而言，從初始訊號值Xg及Yg減去特徵訊號值Xc及Yc，藉此獲得初始漂移ΔXg(=Xg-Xc)及ΔYg(=Yg-Yc)。
倘若從初始校準(即，硬體校準)結束至磨光開始已經過一段時間，則渦電流感測器50之輸出訊號與正於其初始校準後之輸出訊號相比可能已經有所漂移。取得初始訊號值Xg及Yg之目的是為了從初始校準(硬體校準)之時間點決定該渦電流感測器50之輸出訊號的變化量。當初始校準之後立即開始磨光時，初始漂移ΔXg及ΔYg則估計為零。因此，未實施步驟2及步驟3。然而，能獲得初始漂移ΔXg及ΔYg而不論是否立即,於初始校準後開始磨光。
於完成步驟3之後，藉由監視單元53取得屬於用以修正漂移之參考值之修正參考值Xb及Yb，做為步驟4。該些修正參考值Xb及Yb之取得係於與初始校準及上述取得初始訊號值之處理之狀態相似之狀態下實施。相似狀態意指該狀態並非為完全與初始校準及上述取得初始訊號值之處理之狀態相同之狀態。更具體言之，係於無導電膜存在於渦電流感測器50上方之狀態下，取得修正參考值Xb及Yb。舉例而言，係在修整器20正在修整磨光面10之研磨表面時、或在使用供應至磨光表面上之水對晶圓進行水磨光且渦電流感測器50並未面對晶圓上之導電膜時、或在使用供應至磨光表面上之水對無導電膜之晶圓進行水磨光時、或在為了替換而從磨光檯12移除磨光墊10時，實施修正參考值Xb及Yb之取得。無導電膜之晶圓之例子係包含僅具有非導電膜之晶圓。
當於修整期間欲獲得修正參考值Xb及Yb時，渦電流感測器50之輸出值(即，修正參考值Xb及Yb)係於遠離該修整器20之位置取得。當於具非導電膜之晶圓之水磨光期間欲獲得修正參考值Xb及Yb時，渦電流感測器50之輸出值係於其面對該晶圓之位置取得。精確而言，渦電流感測器50之輸出值可能根據晶圓其自身之電阻係數(即，基板電阻)而改變。因此，係管理晶圓以使其電阻係數落於特定範圍中。能使用無膜之矽晶圓，以取代具非導電膜之晶圓。
當於具導電膜之晶圓之水磨光期間欲取得修正參考值Xb及Yb時，渦電流感測器50之輸出值係於遠離該晶圓之位置取得。當於替換磨光墊10期間欲取得修正參考值Xb及Yb時，渦電流感測器50之輸出值係於磨光檯12上無物時取得。應注意者為，於替換磨光墊10期間之修正參考值Xb及Yb之取得係限於幾乎不發生液體浸入磨光墊10之情況，而因此幾乎不影響渦電流感測器50之輸出訊號。
為求品質控制(quality contrbl,QC)，係定期實施包含對具非導電膜之晶圓進行水磨光之處理。上述修整、水磨光及磨光墊之替換，全部必須於磨光裝置中實施。按照本具體實施例之校準係於該些處理其中之一期間實施，而不中斷處理。因此，不需騰出用以校準窩電流感測器50之輸出訊號之時間。因此，不會降低整體產量。於該些處理之任何處理中，係於渦電流感測器50並未面對導電膜時(即，當導電膜並未出現於渦電流感測器50之有效測量區域內)，取得渦電流感測器50之輸出訊號。因此，於第1圖中之R2
值係趨近於無限大，且於與當導電膜厚減少至零時之狀態相似之狀態下獲得該修正參考值。
接著，於步驟5，從修正參考值Xb及Yb減去初始漂移△Xg及△Yg，以修正該修正參考值。於此步驟中，獲得經修正的修正參考值Xo(=Xb-△Xg)及Yo(=Yb-△Yg)。於磨光處理之前僅實施一次修正參考值Xb及Yb之取得(步驟4)及經修正的修正參考值X0及Y0之計算(步驟5)。倘若於初始校準之後立即獲得修正參考值，則可能省略步驟1、步驟2、步驟3及步驟5中之特徵訊號值之取得。於此情況中，Xb及Yb則使用做為後續步驟中之修正參考值。
步驟2至步驟5之處理係為了將渦電流感測器50之輸出訊號修正成當實施初始校準時之其輸出訊號。然而，於不需要使經修正的輸出訊號與初始校準時之輸出訊號一致之情況中，可藉由以預定值取代入修正參考值Xb及Yb，例如藉由使特徵訊號值之調整目標值為Xc’及Yc’且進一步使Xo=Xc’及Yo=Yc’，而省略於步驟1及步驟2至步驟5中之特徵訊號值的取得。於此情況中，修正量△Xa及△ya(將於稍後討論)係視獲得修正訊號值Xa及Ya之狀態(將於稍後討論)而改變。因此，於此方法中，無法一起使用於不同狀態下獲得之修正訊號值。另一方面，於前述方法中，只要分別獲得修正參考值，便能混合且一起使用於不同狀態下(例如，於修整、替換磨光墊期間)所獲得之修正訊號值及修正量。
此後，於步驟6，藉由監視單元53取得修正訊號值Xa及Ya。於與修正參考值Xb及Yb之取得狀態相同之狀態下實施該些修正訊號值Xa及Ya之取得。舉例而言，倘若修正參考值Xb及Yb係於修整器20在修整液體之供應下修整磨光表面時取得，則修正訊號值Xa及Ya亦同樣於修整器20在相同修整液體之供應下修整磨光表面時取得。舉例而言，能於磨光晶圓前之修整期間、或於磨光第一片晶圓前之磨光墊之替換期間，取得修正訊號值Xa及Ya。
然後，於步驟7中，藉由從修正訊號值Xa及Ya減去修正參考值Xo及Yo而獲得修正量ΔXa(=Xa-Xo)及ΔYa(=Ya-Yo)。該些修正量ΔXa及ΔYa係渦電流感測器50之輸出訊號之漂移。修正量ΔXa及ΔYa係儲存且記錄(register)於監視單元53中。然後，當磨光後續之晶圓時，係藉由從渦電流感測器50之輸出訊號Xm及Ym減去修正量ΔXa及ΔYa而獲得經修正的輸出訊號Xp及Yp。經修正的輸出訊號Xp(=Xm-ΔXa)及Yp(=Ym-ΔYa)係實際測量訊號值。於步驟3計算初始漂移ΔXg及ΔYg之後，該些初始漂移便被記錄成初始修正量ΔXa及ΔYa(即，ΔXa=ΔXg及ΔYa=ΔYg)。隨此初始設定，只要從初始漂移之計算後並未經過長時間，甚至能於步驟7中第一次計算修正量之前，便適當實施渦電流感測器50之輸出訊號之修正。監視單元53係計算於XY座標系統上之原點O與由座標(Xp,Yp)所特定之點之間之距離Z(=(Xp2
+Yp2
)1/2
)，如第4圖所示。再者，監視單元53係根據距離Z之變化來監視於磨光期間導電膜之厚度。
磨光端點能藉由偵測距離Z變成常數之奇異點來偵測。再者，藉由從經驗或實驗預先獲得顯示距離Z及膜厚之間之關係的資料，可能於膜厚減少至所需膜厚時停止磨光或改變磨光狀態。
每次計算出修正量時，係由監視單元53比較修正量ΔXa及ΔYa與預定之臨界值(步驟8)。倘若所計算的修正量係等於或小於臨界值，則以新計算的修正量取代當前已記錄的修正量(步驟9)。另一方面，倘若所計算之修正量超出臨界值，該些所計算的修正量則被當做意外事件而捨棄。
隨後，以某時間間隔重複步驟6至9，以使已記錄之修正量維持在適當值。倘若液體浸入磨光墊10之影響大，則能於每次磨光晶圓或每次磨光一批晶圓時重複步驟6至9。倘若液體浸入磨光墊10之影響小，則能於每次替換磨光墊10時重複步驟6至9。
如第17A圖所示，顯示渦電流感測器50之輸出訊號的弧形曲線圖除了漂移之外，還可能旋轉、放大或縮小。於此情況中，除了漂移修正之外，還能實施旋轉修正及/或增益(gain)修正。旋轉修正及增益修正能如下實施。第一，於初始校準(硬體校準)後立即取得渦電流感測器之輸出訊號，以產生參考曲線圖(參見第17A圖中之虛線)。然後，實施前述校準以修正漂移(參見第17B圖)。隨後，實施旋轉修正(參見第17C圖)且進一步實施增益修正，以使修正之目標曲線圖與參考曲線圖相符。該些修正係使膜厚能被精準地監視。
提供上述具體實施例，以使熟悉該項技藝者能夠製造及使用本發明。而且，各種對於該些具體實施例之變更對於熟悉該項技藝者而言是清楚的，且能將一般原理及定義於此之特殊範例應用於其他具體實施例。因此，本發明並非有意限定於描述於此之具體實施例，而是要與如同由申請專利範圍及等效者定義之最寬範圍一致。
1．．．線圈
3．．．交流電源供應器
10．．．磨光墊
12．．．磨光檯
14．．．頂環
18．．．頂環軸
20．．．修整器
30．．．可撓關節
31．．．頂環主體
32．．．保持環
33．．．彈性墊
34．．．環形壓力薄板
35．．．夾板
37、38、39、40、41．．．流體通道
102．．．線圈
103．．．交流電源供應器；石英振盪器
105．．．同步偵測器
111．．．線軸
112．．．激發線圈
113．．．偵測線圈
114．．．平衡線圈
120．．．帶通濾波器
121．．．橋接電路
123．．．高頻放大器
124．．．相位偏移
125．．．餘弦同步偵測電路
126．．．正弦同步偵測電路
127、128．．．低通濾波器
201．．．導電膜
C1．．．中央區域
C2．．．內部區域
C3．．．外部區域
C4．．．周圍區域
CW
、CT
．．．中心
G、Z．．．距離
MP．．．監視點
P1、P2、P3、P4、P5．．．壓力腔
SL．．．掃描線
W．．．晶圓
第1圖係顯示用以解釋渦電流感測器原理之等價電路；
第2圖係顯示由描繪隨磨光時間變化之X及Y於XY座標系統上而繪製成之曲線圖；
第3圖係顯示朝逆時針方向旋轉第2圖中的曲線圖90度且進一步轉換所得的曲線圖而獲得的曲線圖；
第4圖係顯示藉由描繪距離Z於垂直軸上及磨光時間於水平軸上而產生之曲線圖；
第5圖係說明渦電流感測器之輸出訊號值之漂移；
第6圖係說明由渦電流感測器之輸出訊號漂移而造成之偵測誤差；
第7圖係顯示按照本發明之具體實施例之磨光裝置之整體結構之概要圖；
第8圖係顯示於第7圖中所示之頂環剖面之概要圖；
第9圖係顯示磨光檯與晶圓之間位置關係之平面圖；
第10圖係顯示渦電流感測器掃過晶圓之路徑圖；
第11圖係顯示從於第10圖所示之晶圓上之監視點中，選擇藉由監視單元監視之監視點之範例之平面圖；
第12圖係顯示渦電流感測器之概要圖；
第13圖係顯示如第12圖所示之渦電流感測器之感測器線圈之範例圖；
第14圖係顯示渦電流感測器之細節之概要圖；
第15圖係顯示校準渦電流感測器之輸出訊號之流程圖；
第16圖係按照第15圖之流程圖而圖示說明校準渦電流感測器之輸出訊號之處理圖；以及
第17A至17D圖係說明實施漂移修正、旋轉修正及增益(gain)修正之處理圖。
Claims (9)
- 一種監視方法，係使用渦電流感測器監視與磨光墊之磨光表面滑動接觸之基板上之導電膜的厚度變化，該方法係包括：於基板之水磨光期間或於該磨光墊之修整期間取得該渦電流感測器之輸出訊號做為修正訊號值；從該修正訊號值與預定修正參考值之間的差而計算修正量；當磨光具有導電膜之基板時，藉由從該渦電流感測器之該輸出訊號減去該修正量而計算實際測量訊號值；以及於磨光期間藉由監視該實際測量訊號值之變化而監視該導電膜之厚度變化。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該修正參考值係包括：事先於與取得該修正訊號值時之狀態相同之狀態下獲得之該渦電流感測器之輸出訊號。
- 如申請專利範圍第2項之方法，後包括：取得該渦電流感測器之特徵訊號值；於與取得該特徵訊號值時之狀態相同之狀態下取得該渦電流感測器之輸出訊號做為初始訊號值；從該特徵訊號值與該初始訊號值之間的差而計算初始漂移；以及於上述之計算該修正量之前，藉由從該修正參考值減去該初始漂移而修正該修正參考值。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該渦電流感測器之該輸出訊號係包括：包含該渦電流感測器之線圈的電路之阻抗之電阻成分及電感抗成分。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中：該渦電流感測器之該輸出訊號係包括：包含該渦電流感測器之線圈的電路之阻抗之電阻成分及電感抗成分；該電阻成分及該電感抗成分係定義成為座標系統上之座標；以及於該座標系統上旋轉及移動該座標，以使該座標系統之原點與由該座標所特定之點之間之距離按照該導電膜之厚度之減少而減少。
- 一種磨光裝置，用於磨光基板，係包括：具有磨光表面之磨光墊；渦電流感測器；組構成推壓基板抵靠該磨光表面之頂環；組構成修整該磨光表面之修整器；組構成在該基板與該磨光墊之間提供相對運動之機構；以及組構成使用該渦電流感測器監視與該磨光表面滑動接觸之基板上之導電膜之厚度的變化的監視單元，其中，該監視單元係能操作成：於基板之水磨光期間或於該磨光墊之修整期間取得該渦電流感測器之輸出訊號做為修正訊號值； 從該修正訊號值與預定修正參考值之間的差而計算修正量；當磨光具有導電膜之基板時，藉由從該渦電流感測器之該輸出訊號減去該修正量而計算實際測量訊號值；以及於磨光期間藉由監視該實際測量訊號值之變化而監視該導電膜之厚度變化。
- 如申請專利範圍第6項之裝置，其中，該修正參考值係包括：事先於與取得該修正訊號值時之狀態相同之狀態下獲得之該渦電流感測器之輸出訊號。
- 如申請專利範圍第6項之裝置，其中，該渦電流感測器之該輸出訊號係包括：包含該渦電流感測器之線圈的電路之阻抗之電阻成分及電感抗成分。
- 如申請專利範圍第6項之裝置，其中：該渦電流感測器之該輸出訊號係包括：包含該渦電流感測器之線圈的電路之阻抗之電阻成分及電感抗成分；該電阻成分及該電感抗成分係定義成為座標系統上之座標；以及於該座標系統上旋轉及移動該座標，以使該座標系統之原點與由該座標所特定之點之間之距離按照該導電膜之厚度之減少而減少。
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