JP4764825B2 - 研磨終点検知システム及び摩擦センサを使用する方法 - Google Patents

Description

背景

本発明は、基板の化学機械的研磨に関する。

集積回路は、典型的には、シリコンウェーハ上への導電性、半導電性又は絶縁性の層の逐次的堆積によって基板上に形成される。１つの製造工程は、非平坦面を覆ってフィラー層を堆積させることと、該非平坦面が露出するまで、該フィラー層を平坦化することとを伴う。例えば、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）プロセスにおいては、酸化物フィラー層を、パターン化された窒化物層上に堆積して、該窒化物層（及び下にあるシリコン)中の該トレンチ又はホールを充填することができる。その後、該フィラー層は、該窒化物層の高くなったパターンが露出するまで研磨される。平坦化の後、残っている該酸化物層の部分は、該基板上の回路間の絶縁を形成する。また、平坦化は、基板表面を平坦化してリソグラフィを行うために必要とされる。

化学機械的研磨（ＣＭＰ）は、平坦化の１つの概して容認された方法である。この平坦化方法は、典型的には、上記基板がキャリア又は研磨ヘッドの上に載置されることを必要とする。該基板の露出面は、回転研磨ディスクパッド又はベルトパッド等の研磨面に対向して配置される。該研磨面は、“標準的な”パッド又は固定研磨パッドのいずれかとすることができる。標準的なパッドは、耐久性のある粗面を有するのに対して、固定研磨パッドは、閉じ込め媒体内に保持された研磨粒子を有する。該キャリアヘッドは、該基板を該研磨パッドに対向して押し付けるために、該基板上に制御可能な負荷を形成する。少なくとも１つの化学的反応性薬剤及び研磨粒子を含む研磨スラリーは、標準的なパッドを使用する場合、該研磨面に供給される。

ＣＭＰにおける１つの問題は、該研磨プロセスが完了したか否かを判断すること、すなわち、所望量の材料物質が除去されている場合に、又は、下にある層が既に露出されている場合に、基板の層が所望の平坦度又は厚さに平坦化されているか否かを判断することである。該基板の層の初期の厚さ、スラリーの組成、研磨パッドの状態、該研磨パッドと該基板との間の相対速度、及び該基板上の負荷の変動は、該材料物質の除去レートの変動を引き起こす可能性がある。これらの変動は、研磨終点に達するのに必要な時間の変動を引き起こす。そのため、該研磨終点は、単に研磨時間の関数として決めることができない。

研磨終点を判断する１つの方法は、上記基板を該研磨面から取り外して、該基板を検査することである。例えば、該基板を測定ステーションへ移送することができ、そこで基板の層の厚さが、例えば、表面形状測定装置又は比抵抗測定によって測定される。所望の仕様が満たされない場合には、該基板は、さらなる処理のために、ＣＭＰ装置に再装填される。これは、該ＣＭＰ装置のスループットを低下させる、時間のかかる処置である。別法として、該検査は、過剰な量の材料物質が除去されていることを明らかにして、該基板を使用不可にしてもよい。

最近では、研磨終点を検知するために、例えば、光センサ又は静電容量センサを使用する、基板のイン・シトゥーでのモニタリングが行われてきている。他の提案されている終点検知技術は、摩擦、モータ電流、スラリーの化学的性質、音響学、伝導率及び誘導渦電流の測定を伴う。しかし、１つの基板上に堆積された２つの基板層の間の伝導率又は反射率の変化の検知に依存する方法は、該２つの層が同じ伝導率及び反射率を有している場合には効果がない。

概要

概して、一つの態様において、本発明は、研磨中の基板の摩擦係数をモニタする装置に注力する。該装置は、基板の露出面に接触する上面を有する可動部材と、該可動部材の横方向の変位に基づいて信号を生成するセンサとを含む。該部材は、該基板からの摩擦力に反応して横方向に変位可能であり、また、該基板の該露出面の表面積よりも小さい表面積を有する上面を含む。

上記装置の実施は、以下の特徴のうちの１つ以上を含んでもよい。板ばね又は複数のばね等の復元要素を、該可動部材に結合してもよい。該可動部材は、研磨パッドセグメントを含んでもよい。該研磨パッドセグメントは、２つの層を含んでもよい。該可動部材は、該復元要素と該研磨パッドセグメントとの間に結合された支持片を含んでもよい。該可動部材の横方向の変位に基づいて信号を生成するのに使用される該センサは、ひずみゲージとすることができる。複数のひずみゲージを、最大ひずみの箇所で該板ばねに取付けることができる。該可動部材の横方向の変位に基づいて信号を生成するのに使用される該センサは、レーザー干渉計等の光センサ、又は圧電センサとすることができる。該可動部材の該上面は、研磨パッドの研磨面と実質的に同一平面とすることができる。該可動部材は、プラテン、例えば、回転可能なプラテンに接続することができる。該可動部材は、該プラテンからギャップによって隔離することができる。該ギャップを介したスラリーの透過を防ぐために、柔軟なシーリング膜を該可動部材に結合してもよい。該柔軟なシーリング膜は、該復元要素と該可動部材との間に挿入することができる。

概して、別の態様において、本発明は、研磨中の基板の摩擦係数をモニタする装置に注力する。該装置は、該基板の露出面に接触する上面を有する部材と、該部材を構造体に接続する復元要素と、該復元要素のひずみに基づいて信号を生成するセンサとを含む。該上面は、該基板の露出面の表面積よりも小さい表面積を有する。

概して、他の態様において、本発明は、化学機械的研磨装置に注力する。該装置は、研磨物のための支持体と、該研磨物の研磨面に対向して１枚の基板を保持するキャリアと、該研磨物及びキャリアの少なくとも一方に結合されて、それら２つの間に相対運動を生成するモータと、ひずみを測定するセンサとを含む。該センサは、該基板の露出面に接触する上面を有する可動部材であって、該部材が、該基板からの摩擦力に反応して横方向に変位可能であり、該上面が、該基板の露出面の表面積よりも小さい表面積を有する可動部材と、該可動部材の横方向の変位に基づいて信号を生成するセンサとを含む。

本発明の実施は、以下の特徴のうちの１つ以上を含んでもよい。上記上面は、上記研磨物が上記支持体によって保持されている場合、上記研磨面と実質的に同一平面とすることができる。

概して、別の態様においては、化学機械的研磨装置に使用されるプラテンが提供される。該プラテンは、ひずみセンサを収容する凹部を有するベースプレートを含み、該凹部は、該ひずみセンサの変位を可能にするために、該ひずみセンサの断面積よりも大きい断面積を有している。該凹部内に配置された該ひずみセンサも含まれており、該ひずみセンサは、該基板と直接に、あるいは、復元要素に結合された研磨面の断面積よりも小さい断面積を有する他の要素を介して接触する場合もある、該研磨面の断面積よりも小さい断面積を有する復元要素と、該基板と、ひずみを測定するセンサとの間の相対的な動きの方向における該復元要素のひずみを測定する少なくとも１つのデバイスとを含む。

他の態様において、本発明は、研磨システムに使用される物品に注力する。該物品は、柔軟な、流体不透過性膜と、該膜の第１の面に固着された研磨パッド片とを有する。該膜の縁部は、該研磨パッド片の縁部を越えて伸びている。

本発明の実施は、以下の特徴のうちの１つ以上を含んでもよい。該第１の面と反対側の該膜の第２の面に、及び／又は該研磨パッド片を囲む該膜の該第１の面に、接着剤を設けてもよい。除去可能ライナーが該接着剤をカバーしてもよい。該研磨パッド片は、カバー層と支持層とを含んでもよく、該支持層は、該カバー層よりもより圧縮性とすることができる。該膜は、シリコーン又はラテックスとすることができる。

一つの態様において、本発明は、研磨中の基板の摩擦係数をモニタするシステムを特徴とする。研磨パッドアセンブリは、研磨面を含む研磨層と、基板の露出面に接触する上面を有する、該研磨層に柔軟に結合された基板接触部材とを含む。該上面の少なくとも一部は、該研磨面と実質的に同一平面である。該基板接触部材の横方向の変位を測定するために、センサが設けられている。

実施は、以下の特徴のうちの１つ以上を含んでもよい。上記研磨パッドアセンブリは、該アセンブリを貫通する開口部を有してもよい。上記基板接触部材は、該開口部内に配置することができる。上記センサは、ひずみゲージ又は圧力ゲージを含んでもよい。アラインメントデバイスを、該基板接触部材と該センサとの間に結合してもよい。該研磨パッドは、該基板接触部材を囲んでもよいが、該基板接触部材と接触しなくてもよい。シールが、該基板接触部材と該研磨パッドとの間に延びていてもよい。該シールは、柔軟な、流体不透過性要素を含む。該シールは、シリコーン、ラテックス又はポリウレタンで形成することができる。該シールは、Ｏリングとすることができ、該Ｏリングは、接着材料を使用して、該基板接触部材及び該研磨パッドに固着することができる。該シールは、該基板接触部材を通って延びていてもよい。該基板接触部材及び研磨層は、該研磨パッドから該基板接触部材を機械的に切り離す湾曲部によって接続してもよい。該湾曲部は、該研磨パッドの反対側の面に凹部によって形成することができる。

別の態様において、本発明は、研磨システムを特徴とする。該システムは、可動プラテンを含む。研磨パッドは、該可動プラテンに接続され、該研磨パッドは、研磨面と、開口部とをその中に有する。基板接触部材は、該開口部内に含まれており、基板の露出面に接触する上面を有する。該基板接触部材の上面は、該研磨面と実質的に同一平面である。センサは、該基板接触部材の横方向の変位を測定し、該基板の該横方向の変位に基づいて信号を生成する。コントローラは、該センサから該信号を受け取る。

実施は、以下の特徴のうちの１つ以上を含んでもよい。上記センサは、ひずみゲージ又は圧力ゲージとすることができる。アラインメントデバイスを、該基板接触部材と該センサとの間に結合してもよい。上記研磨パッドは、該基板の露出面に接触する上面を有する。該研磨パッドは、該基板接触部材を囲んでもよいが、該基板接触部材に接触しなくてもよい。シーリング片は、該基板接触部材と該研磨パッドとの間に延びていてもよい。該シーリング片は、柔軟な、流体不透過性要素で形成することができる。該シーリング片は、シリコーン、ラテックス又はポリウレタンで形成することができる。該シーリング片は、Ｏリングとすることができる。該Ｏリングは、接着剤を使用して、該基板接触部材及び該研磨パッドに固着することができる。該シーリング片は、該基板接触部材を通って延びていてもよい。該研磨パッドは、該基板の露出面に接触する上面を有してもよく、該研磨パッドは、該基板接触部材と同じ材料からなる片で形成することができる。湾曲部は、該基板接触部材を該研磨パッドから機械的に絶縁してもよい。

別の態様において、本発明は、研磨システムに使用される物品を特徴とする。研磨パッドは、研磨面を有する。基板接触部材は、基板の露出部分に接触する上面を有する。該上面は、該研磨面と実質的に同一平面である。柔軟で流体不透過性要素で形成されたシールは、該基板接触部材を該研磨パッドに固着し、該基板接触部材が該研磨パッドに対して横方向の動きを可能にする。

実施は、以下の特徴のうちの１つ以上を含んでもよい。上記研磨パッドは、２つ以上の層を有してもよい。上記シールは、該研磨パッド片の２つの層の間に固着することができる。該シールは、該研磨パッド片全体を通って延びていてもよく、又は、該研磨パッド片内に部分的に延びていてもよい。アラインメントデバイスの第１の面は、該基板接触部材に取付けさせることができる。該シーリング材も、該アラインメントデバイスに接触させてもよい。アラインメントロッドが、該アラインメントデバイスの第２の面から伸びていてもよい。該基板接触部材の上面は、該研磨パッドと同じ材料から構成することができる。該基板接触部材の上面は、該基板接触部材から液体を流す溝を含んでもよい。該シールは、Ｏリングであってもよい。該シールは、ラテックス、シリコーン又はポリウレタンで構成することができる。該研磨パッド及び該基板接触部材は、材料からなる１つの連続片から製造することができる。

他の態様において、本発明は、研磨中の基板の摩擦係数をモニタする装置を特徴とする。可動部材は、基板の露出面に接触する上面を有する。該上面は、該基板の露出面の表面積よりも小さい表面積を有する。接続部材が、該可動部材に結合されている。該接続部材は、該基板からの摩擦力に反応して、チャネルに沿って横方向に変位可能である。センサは、該接続部材の該チャネルに沿った横方向の変位に基づいて信号を生成する。

実施は、以下のうちの１つ以上を含んでもよい。該可動部材は、研磨パッドセグメントを含んでもよい。該センサは、該接続部材の横方向の変位に基づいて信号を生成することができる。該可動部材の上面は、研磨パッドの研磨面と実質的に同一平面とすることができる。固定デバイスを、該研磨パッドセグメントと、該接続部材との間に結合してもよい。該固定デバイスは、アラインメントロッドによって、該接続部材に結合してもよい。研磨スラリーが、該チャネル又は該センサに入らないように、柔軟な、流体不透過性膜を、該固定デバイスと該接続部材との間に配設してもよい。該膜は、シリコーン、ラテックス又はポリウレタンとすることができる。

別の態様において、本発明は、研磨パッドを組み立てる方法を特徴とする。基板接触部材が、モールド内で位置合わせされる。該モールドは、***した周縁を有しており、その結果、該基板接触部材は、該***した周縁の内側面と位置合わせされる。開口を有する研磨パッドは、該***した周縁の外側面と位置合わせされ、その結果、該開口は、該***した周縁の外側面と位置合わせされる。シーリング材が、該基板接触部材、該研磨パッド及び該***した周縁によって形成された凹部内に配置される。

実施は、以下の特徴のうちの１つ以上を含んでもよい。アラインメントデバイスを、該基板接触部材と位置合わせすることができ、その結果、該アラインメントデバイスの第１の面は、該基板接触部材に取り付けられ、該シーリング材も該アラインメントデバイスに接触する。アラインメントロッドは、該アラインメントデバイスの第２の面から伸びていてもよい。該基板接触部材の上面は、該研磨パッドと同じ材料から構成することができる。該基板接触部材の上面は、液体を該基板接触部材から流す溝を含んでもよい。該シーリング材は、Ｏリングとすることができる。該シーリング材は、ラテックス、シリコーン又はポリウレタンとすることができる。

また別の態様において、本発明は、研磨工程中の基板の摩擦係数をモニタする装置に注力する。該装置は、研磨中の基板の表面の領域に係合する部材を有する。該領域は、該基板の表面の表面積よりも小さい表面を有し、該部材は、研磨面に対して横方向に移動可能である。

実施は、以下の特徴のうちの１つ以上を含んでもよい。該装置は、該部材上の基板の横方向の摩擦力を示す信号を生成する手段を含んでもよい。該部材は、研磨パッドの一部、又は、プラテンに移動可能に接続されているボディを備えていてもよい。該部材は、実質的に単一の方向に、横方向に移動可能とすることができ、又は、２つの垂直な方向に横方向に移動可能とすることができる。

また別の態様において、本発明は、研磨工程中の基板の摩擦係数をモニタリングする方法に注力する。該方法は、基板の表面を、研磨面に接触させると同時に、該研磨面に対して横方向に移動可能である部材の上面と接触させて配置することと、該部材上の該基板の横方向の摩擦力を示す信号を生成することとを含む。

これらの包括的及び特定の態様は、システム、方法又は装置、あるいは、システム、方法及び装置の何らかの組合せを使用して実施することができる。また、上述した様々な特徴のいずれかは、その他の特徴と共に、又は、本発明の他の態様と共に、使用することができる。

本発明は、以下の効果のうちのいくつか又は全てを実現するように、あるいは、以下の特徴のうちのいずれも実現しないように、実施することができる。本発明を取り込んだ化学機械的研磨システム又は装置は、化学機械的研磨中に正確な終点検知を実行して、下にある層の露出を指し示すことができる。加えて、本発明は、研磨プロセス中に終点検知を実行することができ、研磨されている該層は導電性ではない。さらに、本発明は、研磨される層と露出される該層とが、反射率及び屈折率等の同じ光特性を有する研磨プロセス中に終点検知を実行することができる。具体的には、本発明は、ＳＴＩ研磨プロセス中に終点検知を実行することができ、シリコン酸化物層は、シリコン窒化物層を露出させるように研磨される。また、本発明は、研磨される層と、露出される層とが同じ伝導特性を有する研磨プロセスにおいて、終点検知を実行することができる。

本発明の１つ以上の実施形態の詳細は、添付図面及び以下の説明に記載されている。本発明の他の特徴、目的及び利点は、説明及び図面から、及びクレームからはっきりと理解されるであろう。

種々の図面における同様の参照符号は、同様の構成要素を指し示す。

詳細な説明

図１及び図２を参照すると、１つ以上の基板１０をＣＭＰ２０によって研磨することができる。同様の研磨装置２０の記述は、米国特許第５，７３８，５７４号に見つけることができ、その全体の開示を本願明細書に組み入れる。研磨装置２０は、一連の研磨ステーション２２及び移送ステーション２３を支持するマシンベース２１を含む。移送ステーション２３は、上記キャリアヘッドと装填装置との間で基板を移送する。

各研磨ステーションは、その上に、研磨パッド３０等の研磨物が配置かれる回転可能なプラテン２４を含む。研磨パッド30は、高耐久性の外面を有する２層研磨パッド、単一層の硬いパッド、埋め込み研磨粒子を有する固定研磨パッド、又は、比較的軟らかいパッドとすることができる。各研磨ステーションは、パッドコンディショナ装置２８が基板１０を有効に研磨するように、研磨パッド３０の状態を保つパッドコンディショナ装置２８も含むことができる。

２層研磨パッド３０は、典型的には、プラテン２４の表面に当接する支持層３２と、基板１０を研磨するのに使用される研磨面３１を有するカバー層３４とを有する。カバー層３４は、典型的には、支持層３２よりも硬い。カバー層３４は、場合によりフィラー、例えば、中空微粒子及び／又は溝付きの面を有する、発泡ポリウレタン又はキャストポリウレタンから構成することができる。支持層３２は、ウレタンで浸出された圧縮フェルト繊維から構成することができる。ＩＣ−１０００から構成された該カバー層、及びＳＵＢＡ−４から構成された該支持層を有する２層研磨パッドは、Ｄｅｌａｗａｒｅ州ＮｅｗｗａｒｋのＲｏｄｅｌ，Ｉｎｃ．から入手可能である（ＩＣ−１０００及びＳＵＢＡ−４は、Ｒｏｄｅｌ，Ｉｎｃ．の製品名である）。

回転可能なマルチヘッドカルーセル６０は、４つのキャリアヘッド７０を支持する。該カルーセルは、研磨ステーション２２と移送ステーション２３との間で、該キャリアヘッドシステムと、該キャリアヘッドシステムに取付けされた基板とを旋回させるカルーセルモータアセンブリ（図示せず）により、中心ポスト６２によってカルーセル軸６４の周りに回転される。該キャリアヘッドシステムのうちの３つは、基板を受取りかつ保持し、該基板を研磨パッド３０に対して押圧することにより研磨する。それに対して、該キャリアヘッドシステムのうちの１つは、移送ステーション２３から基板１０を受取り、また、基板１０を移送ステーション２３へ送る。

各キャリアヘッド７０は、キャリア駆動軸７４により（カバー６８の４分の一が取り除かれて示されている）キャリアヘッド回転モータ７６に接続されているため、各キャリアヘッドは、それ自体の軸周りに独立して回転することができる。加えて、各キャリアヘッド７０は、カルーセル支持プレート６６に形成された径方向スロット７２内で、独立して横方向に往復動する。適当なキャリアヘッド７０の記述は、２００４年３月２６日に出願された米国特許出願第１０／８１０，７８４号に見つけることができ、その全体の開示を組み入れる。動作中、プラテン２４は、その中心軸２５周りに回転し、該キャリアヘッドは、その中心軸７１周りに回転し、上記研磨パッドの表面の全域で横方向に移動する。

スラリー３８は、スラリー供給ポート又はスラリー／リンス共用アーム３９によって研磨パッド３０に供給することができる。研磨パッド３０が標準的なパッドである場合、スラリー３８は、研磨粒子（例えば、酸化物研磨用の二酸化シリコン）を含むことができる。

次に、図２及び図３を参照すると、凹部２６がプラテン２４に形成されており、また、開口部３３が研磨パッド３０に形成されている。凹部２６及び開口部３３は、研磨パッド３０と基板１０との間の相対運動の周期中に何度か基板１０の下を通過するように配置されている。例えば、プラテン２４が回転すると仮定すると、凹部２６は、基板１０の全域で軌道９６に追従し、それによって基板１０の全域をスキャンする。

基板の局部的な個別の領域の摩擦係数の変化をモニタしかつ検知する摩擦検出システムは、凹部２６内に部分的に配置されている。該摩擦検出システムは、ひずみ検出機構（ひずみセンサ）４６と、ひずみセンサ４６からのデータを処理する、コンピュータ９０等の処理デバイスとを含む。

ひずみセンサ４６は、基板から摩擦力を受けたときに動くことができる基板接触部材５８と、該基板接触部材を元の中立位置に戻すように付勢する復元要素と、該基板接触部材の変位に基づいて信号を生成するセンサとを含む。

ひずみセンサ４６は、凹部２６内に配置されており、基板１０の断面積よりも小さい断面積を有する、基板接触部材５８の上面４５が、研磨パッド３０の研磨面３１と同一平面にあるように、研磨パッド３０の開口部３３を貫通して伸びている。プラテン２４が回転すると仮定すると、ひずみセンサ４６及び基板接触部材５８は、基板１０の全域で軌道９６に追従することになる。それに伴って、基板接触部材５８の面４５は、少なくとも数回、例えば、プラテン２４が回転するたびに、基板１０に接触する。

ここでもまた、プラテン２４が回転すると仮定すると、ひずみセンサ４６は、基板接触部材５８が、基板接触部材５８が通り抜けた円形軌道に接する方向に移動可能であるが、該基板接触部材５８が通り抜けた該円形軌道と直角な他の方向には概して移動可能ではないように構成することができる。

ひずみセンサ実施を図４に示す。この実施においては、上記復元要素は、ベース４２上に設けられている板ばね４８である。板ばね４８は、ステンレススチール等の金属材料で形成することができる。板ばね４８は、幅の狭い側部４７を有する矩形状固体とすることができる。幅の狭い側部４７の厚さ及び板ばね４８の組成は、ひずみセンサ４６が、基板１０との接触により生じる摩擦力を受けたときに、板ばね４８が（非弾性変形を受けることなく）弾性的に湾曲するように、予測される摩擦力に基づいて選択することができる。板ばね４８は、板ばね４８の幅の広い側部４９の表面が、基板１０とひずみセンサ４６との間の相対運動の方向と垂直になるように、凹部２６内に配向されている。ベース４２は、板ばね４８を凹部２６内に固着する堅い支持を形成し、横方向の動きを制限する。該相対運動から生じる摩擦抵抗は、ばねの板４８に、湾曲のかたちのひずみをもたらす。

特に、板ばね４８は、幅の広い側部４９を、上記プラテンの回転軸２５を通る半径と実質的に平行にした状態で配方することができる。それに伴って、板ばね４８は、基板接触部材５８が通り抜けた上記円形軌道に接する横方向に沿って湾曲することができるが、例えば、該半径と平行な他の横方向に沿っては比較的湾曲しにくい。

基板接触部材５８とプラテン２４との間のギャップ４３は、板ばね４８が湾曲したときに動く基板接触部材５８のための空間を形成する。接線方向におけるギャップ４３のサイズは、板ばね４８のばね定数と、基板１０により基板接触部材５８に作用する摩擦力の予測される大きさとに基づいている。ギャップ４３は、予測される研磨条件（例えば、キャリアヘッドの下向きの力、プラテンの回転レート及びスラリーの組成）の下で、凹部２６の側壁に接触することなく動くように、十分な空間又は基板接触部材５８を形成するであろう。

基板接触部材５８は、基板接触部材５８が研磨パッド３０と同一平面になるように、板ばね４８の表面に取付けることができる。基板接触部材５８は、単一片とすることができ、又は、支持片５７及び研磨パッドセグメント５９等の他のコンポーネントを含むことができるため、その結果として生じるひずみセンサ４６の上面４５は、該研磨パッドと同一平面である。

概して、基板接触部材５８の上面４５は、研磨プロセスに有害な影響を及ぼさない材料で形成され、例えば、該材料は、研磨環境と化学的に適合性があるべきであり、かつ該基板を引っかいたり、該基板を損傷させたりするのを避けるために、十分に軟らかくすべきである。例えば、基板１０よりも小さい断面積を有する、上述したように、支持層３２とカバー層３４とを含む２点研磨パッド等の研磨パッドのセグメント５９は、支持片５７に取り付け、板ばね４８の頂部に配置することができる。その結果、基板接触部材５８に取付けられた研磨パッドセグメント５９は、プラテン２４上に取付けられた研磨パッド３０と同一平面になる。

概して、研磨パッドセグメント５９の上面４５は、研磨パッド３０の研磨面３１に使用されるのと同じ材料で形成される。一つの実施において、上面４５は、ひずみセンサ４６の性能を向上させるように設計してもよい。例えば、図４Ｃに示すように、上面４５は、スラリーを研磨パッドセグメント５９から流出させるように設計された溝パターン２８７又はスキージタイプの構造を有してもよい。別法として、図４Ｄに示すように、上面４５は、上記基板との接触を保つように設計された剛毛２８８を有するブラシ構造を有してもよい。

次いで図４Ｅを参照すると、上面４５は、ひずみセンサ４６の板ばね４８が均衡から外れて動いた場合の面外偏位を避けるために、傾斜させて形成してもよい。該板ばねが均衡位置を離れても、上面４５のある程度の部分は、該基板と接触したままである。このことは、該ひずみセンサが、該板ばねが均衡から外れて動こうが動くまいが、該基板の前面に不均一な圧力プロファイルを生成することなく、該基板との接触により生じた摩擦力を測定することを可能にする。

上述したように、上面４５は、基板１０の断面積よりも小さい（及び研磨面３１よりも小さい）断面積を有する。例えば、該上面は、該基板の表面積の５％よりも小さく、又は、１％よりも小さくすることができる。上面４５は、約０．２０ｃｍ^２〜１０ｃｍ^２の表面積を有することができ、例えば、上面４５は、１辺が約０．５〜３ｃｍの正方形又は同じ直径を有する円とすることができる。

基板１０と研磨パッド３０との間の相対運動は、ひずみセンサ４６の基板接触部材５８を、基板１０に断続的に物理的に接触させる。この接触は、ひずみセンサ４６と基板１０との間の摩擦係数により、ひずみセンサ４６に対して摩擦力を生成する。基板接触部材５８は、摩擦力の影響の下で、横方向に（すなわち、基板１０及び研磨パッド３０の表面と平行に）変位可能であり、この横方向の変位が、板ばね４８に対してひずみをもたらす。板ばね４８が受けるひずみの量は、基板１０によってひずみセンサ４６に作用する摩擦力に依存する。該摩擦力は、該基板の材料の性質に部分的に依存し、また、該基板の平坦化の程度にも依存する。板ばね４８の元の形状からの変形の割合は、ひずみの程度を反映する。板ばね４８のひずみは、この変形をモニタすることによって測定することができる。一つの実施において、板ばね４８は、変形と加えられる摩擦力との関係が線形となるように、少なくとも該研磨工程で予測されるであろう力の範囲に設計することができる。

板ばね４８のひずみ又は変位を測定するデバイスは、凹部２６内に含めることができる。例えば、ひずみ又は変位測定デバイスは、板ばね４８の位置の光学的モニタリング、導電性等の板ばね４８の物理的特性の変化の検出に基づいて、又は、取付けたひずみゲージの使用を介して、ひずみを測定することができる。一つの実施において、ひずみセンサ４６は、板ばね４８に接着された多数のひずみゲージ５０を含む。ひずみゲージ５０は、リード５６を介して、板ばね４８の反対側の他のひずみゲージ５０に相互接続することができ、また、出力システム（図示せず）に結合することができる。

基板接触片５８と基板１０との間の摩擦力が、板ばね４８を湾曲させた場合、ひずみゲージ５０も湾曲することになり、取付け箇所において、板ばね４８と同じひずみを受ける。板ばね４８の一方の面のひずみゲージ５０が伸ばされるのに対して、板ばね４８の反対側のひずみゲージ５０は、圧縮されることになる。その結果として、該ひずみゲージは、板ばね４８上の該ひずみに比例する信号を生成する。

例示的なひずみゲージ５０は、一定の長さのワイヤを含み、そのひずみが測定される対象物、この場合、板ばね４８への直接的な接着剤によって固定されている。ワイヤの長さは、該ワイヤをひずみゲージ５０内の蛇行経路に配置することにより、該ひずみゲージ自体よりも長くすることができる。各ひずみゲージ５０における該ワイヤの長さの圧縮又は伸長は、該ワイヤの伝導特性を変える。該ワイヤの長さが伸びるにつれて、抵抗が増す。逆に、該ワイヤの長さが圧縮されると、抵抗が減少する。

ひずみセンサ４６の一つの実施においては、４つのひずみゲージ５０が使用される。２つのひずみゲージ５０は、板ばね４８の一方の面に配置され、一方、他の２つのひずみゲージ５０は、板ばね４８の反対側の面に配置される。板ばね４８が湾曲すると、２つのひずみゲージ５０は、増加した抵抗を見せ、一方、板ばね４８の反対側の他の２つのひずみゲージ５０は、減少した抵抗を見せた。

次に、図５を参照すると、ひずみゲージブリッジ回路５２を、ひずみゲージ５０の間の相互接続を概略的に表すのに使用することができる。ひずみゲージ５０は、同じ基本抵抗値Ｒを有するひずみゲージブリッジ回路内の４つの抵抗器として表すことができる。図５の一般的なブリッジ回路に示すように、増加した抵抗を受けるひずみゲージ５０は、Ｒ＋ｄＲで表され、一方、減少した抵抗を受けるひずみゲージ５０は、Ｒ−ｄＲで表され、ただし、ｄＲは、ひずみゲージ５０の変形によって引き起こされる抵抗の変化である。変化した抵抗の結果としての回路電圧の変化は、概して小さく、増幅器５４によりいくつかの実施において増幅して、より強力な結果として生じる出力信号を生成することができる。該出力は、板ばね４８に作用するひずみ力を示す。

図２に戻って及び図５を参照すると、ひずみゲージブリッジ回路５２の増幅された出力は、処理のためにコンピュータ９０へ送信される。処理は、研磨パッドセグメント５９と上記基板１０との間の摩擦係数の計算、ひずみセンサ４６からの測定値を、基板１０上の半径方向の位置に関連付けることと、該ひずみ測定値に基づいて、化学機械的研磨の進行状況を解析すること、測定されたひずみの変化に基づいて、研磨装置を制御することと、該ひずみ測定値をグラフィック情報に変換することを含むことができる。出力は、モニタ９２等のデバイスによって表示することができる。

図２を参照すると、上述したように、ひずみセンサ４６とプラテン２４との間に形成されたギャップ４３は、ひずみセンサ４６のための空間を、基板１０からの摩擦力の下で、横方向に動かすことを可能にする。潜在的に、スラリーは、このギャップを通過して凹部２６内に流れることができる。ドレイン４４は、研磨プロセス中に凹部２６内にたまるスラリーを除去するために、プラテン２４を貫通して伸ばすことができる。ドレイン４４は、単独で、又は、図６Ａ〜図６Ｍに関して以下に説明するように、弾性的又は柔軟な流体不透過性シーリング膜と共に機能することができる。

次に図６Ａ〜図６Ｍを参照すると、弾性的又は柔軟な流体不透過性シール、例えば、シリコーン又はラテックス膜等のシーリング膜を、ひずみセンサ４６とプラテン２４との間のギャップをシールするのに使用することができる。該シーリング膜は、スラリーが該ギャップを通過して凹部２６内に入るのを防ぐ。いくつかの例示的なシーリングの実施を図６Ａ〜図６Ｍに示す。

図６Ａに示すように、シーリング膜８４は、基板接触部材５８の支持片５７の一部を形成し、１つ以上のファスナー９４によりプラテン２４に接続されている。シーリング膜８４は、支持片５７とプラテン２４との間のギャップにまたがっている。シーリング膜８４は、支持片５７を取り囲むリングを形成することができ、または、支持片５７に一体化された固体片とすることができ、あるいは、支持片５７の上部に配置することができる。ファスナー９４は、ねじ等の機械的ファスナーとすることができ、又は、該固定は、接着剤によって実行することができる。研磨パッドセグメント５９は、支持片５７に取付けすることができる。研磨パッドセグメント５９は、プラテン２４に接着された研磨パッド３０と同一である必要はない。しかし、基板１０の均一な研磨を有するために、同じ特質を有する、プラテン２４上及びひずみセンサ４６の一部の研磨面を使用することが有利である。一つの実施においては、研磨パッド３０は、凹部２６の縁と面一とすることができる。別法として、研磨パッド３０は、図６Ａに示すように、該縁から凹ませてもよい。

図６Ｂは、２つのシーリング膜を使用するシステムの実施例を例示する。第１のシーリング膜８８は、プラテン２４及び支持片５７の両方の凹部にファスナー９８により接続されたリングである。第２のシーリング膜８６は、プラテン２４の上部に接着され、かつ上記ギャップ及び支持片５７の両方にわたってまたがっている固体片である。具体的には、プラテン２４の表面は、シーリング膜８６がプラテン２４の上面と面一にあるように、該シーリング膜にフィットするためのくぼみ９０を含む。そして、研磨パッド３０は、該プラテンとシーリング膜との組合せの上面に設けられる。２点研磨パッドの場合、支持パッド３４が、プラテン２４とシーリング膜８６の組合せに接着される。また、シーリング膜８６は、例えば、粘着剤（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ａｄｈｅｓｉｖｅ；ＰＳＡ）等の接着剤により、支持片５７の上面に、及び研磨パッドセグメント５９に接着される。

図６Ｃを参照すると、研磨パッドセグメント５９及び第２のシーリング膜８６の組合せは、組立て済みユニットとして販売することができる。具体的には、研磨パッドセグメント５９は、例えば、粘着剤を使用して、柔軟なシーリング膜８６、例えば、シリコーン又はラテックス膜の中心に取付けることができるため、シーリング膜８６の縁部は、該研磨パッドセグメントの縁部を越えて延びている。加えて、該シーリング膜の下面９２及び上面９３の外端部は、接着層９４で被覆することができ、また、各接着層は、ライナー９５で覆うことができる。

取付けの間、ライナー９５は、膜８６の下面９２から取り外され、該ユニットは、支持片５７の上部に、及びプラテン２４のくぼみに接着される。膜８６の上面は、プラテン２４の上面と概して同一平面とすることができる。ライナー９５は、該膜の上面から除去することができ、また、研磨パッド３０は、開口部３３が、研磨パッドセグメント５９の周囲にフィットし、かつ該開口部に隣接する該膜の縁部が、膜８６の上面９３の周縁にあるように、該プラテンの上面に固着することができる。

図６Ｄは、ひずみセンサ４６が、プラテン２４の凹部２６内に位置している挿入片１００内に設けられているシステムを例示する。そのため、シーリング膜１０２をプラテン２４に接続する代わりに、シーリング膜１０２を、挿入片１００と基板接触部材５８との間に設けることができる。シーリング膜１０２は、図６Ａ〜図６Ｂで説明したのと同じ方途で、接触支持片と挿入片１００との間に接着又は固定することができる。挿入片１００の使用は、シーリング膜１０２をプラテン２４に固着することなく、プラテン２４内に位置することができるモジュラーピースを可能にする。そのため、研磨パッド３０は、挿入片１００が上記凹部内に配置された後に、プラテン２４に及び挿入片１００に接着することができる。

代替えとして、上記基板接触部材及びシールが、上記パッド、シール及び基板接触部材を該プラテンから単一の部材として取り外すことができるように、該研磨パッドに固着されている研磨物を使用することができる。図６Ｅ及び図６Ｆは、該シール及び基板接触部材が該研磨パッドに一体化されている研磨パッドを作る方法を例示する。該方法は、シーリング材をモールド３１５内に一定量供給することにより、基板接触部材５８を該パッドに対してシールすることを含む。モールド３１５は、平坦であり、シーリング材３１０が該モールドに恒久的に接着しないように、適当な材料で形成されている。一つの実施においては、モールド３１５の表面の一部は、***した周縁３１９を特徴とする。縁３１９は、縁取られた領域３１８を囲い込む。縁取られた領域３１８は、該基板接触部材と同じ形状であり、また、該基板接触部材にフィットするような大きさに形成されている。

基板接触部材５８は、縁取られた領域３１８内にあるようにモールド３１５内に配置されている。そのため、研磨パッド３０は、該研磨パッド内の開口部３０７が、縁３１８の周りにフィットし、かつ研磨パッド３０が基板接触部材５８を囲むように、モールド３１５内に配置することができる。一つの実施においては、該研磨パッドには、後の該接触部材の配置に適した開口部を本質的に形成することができる。別の実施においては、該開口部は、研磨パッド片に切られる。縁取られた領域３１８は、基板接触部材５８と研磨パッド３０との間に凹部の底部を形成する。

一実施形態において、外側に伸びる突出部３０７を有するアラインメント固定具３０５を基板接触部材５８に取付けてもよい。外側に伸びる突出部３０７と反対側の該アラインメント固定具の端部は、上記基板と接触する表面と反対側の該基板接触部材の側面に固着されている。アラインメント固定具３０５は、例えば、糊又は粘着剤によって該基板接触部材に固着されている。一つの実施においては、該アラインメント固定具は、該基板接触部材を部分的に又は完全に囲むリップ３１１を有することができる。該外側に伸びる突出部は、円形又は楕円形ロッド、矩形又は四角形バー又は円錐形として形づくることができる。

図６Ｍに示すように、上記パッドがプラテン２４内に据付けられると、アラインメント固定具３０５の突出部３０７を、アラインメントレセプタクル３０９の収容凹部内に挿入することができる。このようにして、アラインメント固定具３０５及び基板接触部材５８がひずみセンサ４６に機械的に結合されると共に、該パッド及び接触部材５８を、１つのユニットとして容易に据付け及び取外しできるようになる。また、アラインメントレセプタクル３０９は、該パッドを取付けるオペレータが、該基板接触部材が該プラテン上に正しく配置される場合を判断することができるため、基板接触部材５８及び研磨パッド３０の取付けを容易にする。

その後、シーリング材３１０は、基板接触部材５８と研磨パッド３０との間のギャップ内に配置される。該シーリング材が、研磨パッド３０、基板接触部材５８及びアラインメントロッド３０５の間にシールを作成するように、十分なシーリング材３１０が該ギャップ内に設けられる。該シーリング材は、十分に柔軟なため、基板接触部材５８は、研磨中の該基板の摩擦係数に反応して動くことができる。適当なシーリング材は、シリコーン、ラテックス又はポリウレタンを含む。

図６Ｆは、上記の方法を使用して構築した研磨パッドを例示する。シーリング材３１０は、上記基板接触部材５８、研磨パッド３０及びアラインメント固定具３０５の間に完全なシールを作る。接触部材５８の上面４５は、研磨パッド３０の上面３１と同一平面とすることができる。上記モールドの縁取られた領域の結果として、シーリング材３１０は、上面４５及び３１よりも下にわずかにへこんでいる。一つの実施において、該研磨パッドは、例えば、液体のパッド材料を硬化させることにより、該基板接触部材及びシールの周りに形成することができる。

図６Ｍに示すように、上記パッドがプラテン２４上に据付けると、アラインメント固定具３０５の突出部３０７は、アラインメントレセプタクル３０９の収容凹部内に挿入することができる。このようにして、アラインメント固定具３０５及び基板接触部材５８がひずみセンサ４６に機械的に結合されると共に、該パッド及び接触部材５８を１つのユニットとして容易に据付け及び取外しできるようになる。また、アラインメントレセプタクル３０９は、該パッドを取付けるオペレータが、該基板接触部材が該プラテン上に正しく配置される場合を判断することができるため、基板接触部材５８及び研磨パッド３０の据付けを容易にする。

図６Ｇ及び図６Ｈは、ガスケット層を組み込んでいる研磨パッドを示す。研磨パッド３０及び基板接触部材５８はそれぞれ、少なくとも２つの層、すなわち、上部層２５９とサブパッド２２４とを含む。基板接触部材５８と研磨パッド３０との間には、ギャップが形成されている。このギャップは、パッチパッドが、研磨工程中の摩擦力に反応して自由に動くことを可能にする。上部層２５９とサブパッド２２４との間に配設されたガスケット層２８４は、液体が該ギャップ領域を流れるのを防ぐ。図６Ｇは、ガスケット層２８４が、研磨パッド３０の実質的に全体にわたって延びている一つの実施を示す。図６Ｈは、該ガスケット層が、研磨パッド３０の一部、具体的には、開口部３０７に間近に隣接する該パッドの部分にわたってのみ延びている代替の実施を示す。どちらの実施においても、該ガスケット層は、パッチ領域でのみ露出している。該ガスケット層は、柔軟で、液体不透過性である材料、例えば、シリコーン、ラテックス又はポリウレタンで形成される。

図６Ｌは、シュラウドシーリング層を使用する２点パッドを示し、この場合、該シュラウドは、上記研磨パッドに組み込まれている。この実施においては、研磨パッド３０は、１つの基板接触部材を収容する１つの開口部が本質的に形成されている。該研磨パッドの形成プロセスの間、シュラウド２９０が、上部層２５９とサブパッド２２４との間に挿入される。該シュラウドは、例えば、図６Ｌに示すように、該研磨パッドの一部のみを貫通して及ぶことができ、あるいは、該研磨パッド全体を貫通して（図示せず）及ぶことができる。該シュラウドは、シーリング層として作用し、柔軟で、液体に対して不浸透性である材料、例えば、シリコーン、ラテックス又はポリウレタンで形成されている。該研磨パッドは、上述したような方途でプラテン２４に取付けられている。そして、基板接触部材５８が、適当な手段、例えば、粘着剤を使用してシュラウド２９０に固着される。

一つの実施において、基板接触部材５８は、該接触部材に取付けられたアラインメントロッド２９２を有することができ、この場合、該アラインメントロッドは、該アラインメントロッドが該シュラウドを貫通して伸び、かつ基板接触部材５８を上述したように固着することができるように、シュラウド２９０内の開口部を通って挿入される。

図６Ｉは、研磨パッド３０と基板接触部材５８との間の空間をシールするために、上記ガスケット層の代わりに、Ｏリング２８６を組み込んでいる研磨パッドを示す。該Ｏリングは、接着材料により、又は、研磨パッド３０及び基板接触部材５８により該Ｏリングに作用する圧縮力により、研磨パッド３０及び基板接触部材５８に固着することができる。

図６Ｊは、上記基板接触部材が該研磨パッドの一体化された部分として形成されている研磨パッドを示す。研磨パッド３０は、２つの層、すなわち、上部層２５９とサブパッド２２４とを含むことができるが、このコンセプトは、単一層のパッドにも適用可能であろう。一つの実施において、基板接触部材５８は、研磨パッド３０をミリングして、該基板接触部材が所望される領域内に一連のノッチ２７４、２７６を作成することにより、該研磨パッド内に形成される。ノッチ２７４、２７６は、該ノッチ領域内の該研磨パッドの部分が該基板接触部材となるように配置されている。該ノッチは、基板接触部材５８を研磨パッド３０から機械的に切り離す湾曲部２７３を形成し、該基板接触部材が、研磨工程中の摩擦力に反応して十分に動けるようにし、該摩擦係数の検出を可能にする。ノッチ２７４は、サブパッド２２４が液体に対して不透過性ではないので、上部層２５９を越えてサブパッド２２４内に及ぶべきではない。代替の実施においては、該基板接触部材を形成する該湾曲部を有する該上部層は、該ノッチがモールドプロセス中に作成されるように、モールド内で予め形成される。どちらの実施においても、該研磨層及び基板接触部材が、液体に対して不浸透性の材料からなる１つの連続片から形成されるため、追加的なシーリング材は必要なく、研磨スラリーが貫通するための開口を有さない。

図６Ｋは、シュラウドシーリング層を使用する２点パッドを示し、この場合、該シュラウドは、上記基板接触部材に取付けられている。シュラウド２９０は、基板接触部材５８に取付けられている。該シュラウドは、シーリング層として作用し、柔軟で、液体に対して不浸透性である材料、例えば、シリコーン、ラテックス又はポリウレタンで形成されている。一つの実施において、該パッチは、アラインメントロッド２９２に接続されている。シュラウド２９０は、基板接触部材５８の縁部を越えて延びており、また、プラテン２４上にある。研磨パッド３０の変形を引き起こすことなく、シュラウド２９０を収容するため、凹部３５５を、例えば、機械加工によって、プラテン２４内に形成することができる。そして、該基板接触部材を収容する１つの開口部を有する研磨パッド３０を、プラテン２４上に配置することができ、それにより、シュラウド２９０が固着される。代替の実施においては、研磨パッド３０は、例えば、該研磨パッドが該シュラウドに接触している間に、液体のパッド材料を硬化させることにより、基板接触部材５８の周りに形成してもよい。

図７Ａを参照すると、基板１０は、シリコンウェーハ１２と、１つ以上の堆積層１４及び１６とを含むことができる。該堆積層は、半導体層、導電性層又は絶縁層とすることができる。１つの層が堆積された後、例えば、フォトリソグラフィ技術を使用して、パターンをエッチングすることができる。そして、その後の層を、該パターニングされた層を覆って堆積することができる。図７Ａ〜図７Ｃに示すように、基板１０は、パターニングされた層１４が露出され、かつ層１４及び１６の上面が同一平面になるまで、該堆積層１６の厚みを低減するように研磨することができる。

異なる基板の層は、該堆積層とひずみセンサ４６との間で異なる摩擦係数を有する。この摩擦係数の違いは、異なる堆積層が、異なる量の摩擦力を生成し、それに伴って、異なる量のひずみが板ばね４８に生成されることを意味する。摩擦係数が増加すると、板ばね４８の変形が増加する。同様に、摩擦係数が減少すると、板ばね４８の変形は減少する。堆積層１６が、パターニングされた層１４を露出させるように研磨されると、該ひずみは、堆積層１４の材料と研磨パッド３０との間の異なる摩擦係数を反映するように変化することになる。このため、ひずみの変化、及びひずみ測定デバイスによって検出された摩擦をモニタリングすることにより、研磨終点を判断するのに、コンピュータ９０等の計算デバイスを使用することができる。

次に、図８Ａ及び図８Ｂを参照すると、研磨プロセス中の異なる箇所での検出される摩擦の起り得る変化を例示する実施例の２つのグラフが示されている。図８Ａは、堆積層１４に対する摩擦係数が、堆積層１６に対する摩擦係数よりも小さい仮想の化学機械的研磨プロセス中の摩擦対時間のグラフである。同様に、図８Ｂは、堆積層１４に対する摩擦係数が、堆積層１６に対する摩擦係数よりも大きい仮想の化学機械的研磨プロセス中の摩擦対時間のグラフである。

図７Ａを参照すると、研磨プロセスの始めにおいては、層１６の表面は、平坦でなくてもよいが、その代わりに、該堆積プロセスから生じるピーク及び谷を有してもよい。非平坦面は、より高い摩擦、ひいては、同じ材料の場合の平坦面をもたらす。従って、図８Ａに示すように、初期の非平坦面は、該グラフの初めにおいて、高い摩擦で表されている。

次いで図７Ｂに移ると、堆積層１６が既に平坦化されているが、層１４はまだ現れていない。図８Ａにおいて、この状況は、その減少した摩擦の結果としての高いレベルから低いレベルへの摩擦の変化によって例示されている。

最終的に、図７Ｃにおいて、該研磨プロセスは、堆積層１４を現わすように堆積層１６の厚みを低減した。この実施例において、堆積層１４は、より低い摩擦係数、ひいては、堆積層１６を有する。その結果として、図８Ａにおいては、該グラフは、該摩擦が再び減少したことを示す。摩擦のレベルは、該研磨プロセスの終点に相当する。その結果として、該摩擦は、該研磨プロセスの全体にわたって減少する。

次いで、図８Ｂを参照すると、上記初期の非平坦面は、該グラフの初めにおける高い摩擦によって表されており、堆積層１６の平坦化は、平坦化された層１６に対する減少した摩擦の結果としての高いレベルから低いレベルへの摩擦の変化によって例示されている。

この実施例において、堆積層１４は、より高い摩擦係数、ひいては、堆積層１６を有する。従って、図８Ｂにおいて、該研磨プロセスが、堆積層１４を現すように堆積層１６の厚みを低減した場合、該グラフは、該摩擦が増加したことを示している。摩擦のレベルは、該研磨プロセスの終点に相当する。その結果として、該摩擦は、平坦化ポイントから終点状態へ増加する。

上述したように、図８Ａ及び図８Ｂは、実施例のグラフであり、該摩擦力の実際の相対的変化は、該堆積層に使用される材料、及び堆積層１６の初期の粗さの程度に依存する。具体的な終点摩擦値を、実験を通じて測定することができる。

また、このシステムは、（下にある層１４の露出というより）堆積された層１６の平坦化の程度に基づく終点研磨を誘発する為に使用可能である。この実施において、終点は、平坦化により引き起こされる摩擦の初期減少の検出により誘発される。

次に、図２及び図９を参照すると、コンピュータ９０を、研磨ステーション２２を制御するのに使用することができる。コンピュータ９０は、ひずみゲージ５０から入力を受取り、その結果をモニタ９２上に表示することができる。加えて、化学機械的研磨プロセスのスタートと停止を制御するように、コンピュータプログラムを設計することができる。図９に示すように、化学機械的研磨のためのコンピュータプログラムの実施は、基板１０に対する化学機械的研磨プロセスの開始で始まる（ステップ９１０）。該研磨プロセスの間、コンピュータ９０は、ひずみゲージ５０から入力を受取る（ステップ９２０）。ひずみゲージ５０からの入力は、連続的に、定期的に、あるいは、その両方のある組合せで受取ることができる。コンピュータ９０は、ひずみ入力信号を受取って、ひずみゲージ５０が受けたひずみを測定する（ステップ９３０）。そして、コンピュータ９０は、ひずみの変化に対する信号をモニタする（ステップ９４０）。該ひずみの変化が所望の研磨終点を指し示す場合、コンピュータ９０は、該研磨プロセスを終了する（ステップ９５０）。一つの実施において、コンピュータ９０は、該ひずみデータの傾きの変化を検知して、研磨終点を判断する。また、コンピュータ９０は、ひずみ信号スムージングをモニタして、研磨終点を判断することもできる。別法として、コンピュータ９０は、終点の発生を判断するために使用される、上記堆積層に基づく所定の終点ひずみ値を含むデータベースを調べる。

また、コンピュータ９０は、米国特許第６，１５９，０７３号明細書における光学的測定の場合に説明したように、ひずみセンサ４６からの測定値を径方向範囲に分類することができる。そして、該測定値は、キャリアヘッド７０によって加えられる圧力の実時間閉ループ制御に使用することができる。例えば、コンピュータ９０が、上記基板の縁部における半径方向ゾーンで摩擦が変化していることを検知すると、このことが、下にある層が初めて該基板の縁部において露出していることを指し示すことができる。それに応じて、コンピュータ９０は、キャリアヘッド７０に、該基板の縁部に、その中心における圧力よりも小さい圧力を加えさせることができる。

ひずみゲージ５０と増幅器５４とを概略的に組合わせた回路を図１０に示す。この実施例においては、ひずみゲージ５０は、抵抗器ＲＳ１〜ＲＳ４として表されており、各抵抗器は、３５０オームのひずんでいない抵抗を有する。ひずみゲージ５０は、上記ばねの板がひずみを受けたときに、ＲＳ１及びＲＳ２が抵抗を増加させ、また、該ばねの板がひずみを受けたときに、ひずみゲージＲＳ３及びＲＳ４が抵抗を減少させるように、一緒に接続されている。該ひずみゲージの両端の電圧は、ひずみの量により変化する。その出力電圧は、ひずみゲージ５０からの出力信号に利得を与えるために、図１０に示す増幅回路によって使用される。利得の量は、部分的に抵抗器ＲＧの値に依存する。例えば、図１０に示す回路の場合、５００オーム〜５０オームの抵抗器の値は、１００〜１０００程度の利得を生じることができる。そして、該増幅器の出力を処理のためにコンピュータへ伝送することができる。

ひずみセンサ４６は、様々な研磨システムに一体化することができる。研磨プロセスの間、基板１０及び研磨物は、互いに相対的に動く。ひずみセンサ４６が該研磨物と共に動くと仮定すると、研磨物支持体、例えばプラテン２４、又はキャリアヘッドのいずれか、あるいは、両方とも、ひずみセンサ４６と基板１０との間で相対運動を生ずるように動くことができる。別法として、該ひずみセンサは、該研磨物と共に動く必要はない。この場合、該ひずみセンサは、不動とすることができ、また、キャリアヘッド７０は、ひずみセンサ４６と該基板との間で相対運動を生ずるように動くことができる。該研磨物は、プラテン、供給ローラと巻取りローラとの間に及ぶテープ、又は、連続するベルトに固着された円形（又は他の形状）パッドとすることができる。該研磨物は、プラテン上に付着することができ、研磨工程の間に、プラテン上を徐々に進めることができ、又は、研磨中に、該プラテン上を連続的に走らせることができる。該研磨物は、標準的な（例えば、フィラーを有する又は有しない)粗面パッド、ソフトパッド又は固定研磨剤パッドとすることができる。基板１０の断面積よりも小さい断面積を有する接触面４５を有するひずみセンサ４６が、化学機械的研磨プロセス中に、基板１０に物理的に接触できるように、適当な開口を、上述した研磨パッド３０のうちのいずれかに作成し、プラテン４２に配置することができる。該研磨物に供給されるスラリー３８は、研磨剤を含むことができ、又は、研磨剤がないものとすることができる。

一つの実施において、研磨パッドセグメント５９は、支持片５７を要することなく、板ばね４８に直接接続されている。加えて、支持片５７がない実施においては、シーリング膜８４、８６、８８及び１０２を、板ばね４８に直接取付けることができる。

別の代替の実施においては、上記復元要素自体が、基板接触部材５８を形成する。例えば、該復元要素は、ソフトポリウレタン等の、上記基板に傷をつけない材料で形成された（上記板ばねと同じ一般的な形状を有する）湾曲可能なシートとすることができる。該湾曲可能なシートは、研磨パッド３０がプラテン２４上に据付けられたときに、基板１０の断面積よりも小さい断面積を有するその上面が、研磨面３１と同一平面にあるように、凹部２６から伸びている。また、該復元要素は、板ばねではなく、四角形又は丸い金属ロッドとすることができる。

上記復元要素は、弾性部材又は圧縮可能部材等の、外力によるその変形に抗して力を作用させる何らかの材料とすることができる。該復元要素は、（状況に応じて、図６Ｃに示すように、中間固定部を介して）基板接触部材５８を研磨物支持体に接続することができる。例えば、図１１に示すように、ひずみセンサ４６は、基板接触部材５８をプラテン２４に接続する復元要素として、複数のばね１１０を含むことができ、該部材が、基板１０との接触によって引き起こされる摩擦力の下で、横方向に動くことが可能になっている。取付けられた該ばねが受けるひずみを示す、基板接触部材５８の変位は、例えば、レーザー干渉計１１２により、又は、容量性センサ又は渦センサにより、あるいは他の変位測定センサにより、光学的にモニタすることができる。別法として、光ビーム１２０を、基板接触部材５８の側面で反射させて、位置敏感光検出器１２４に入射させるように、光源１２２から向けることができる。基板接触部材５８の変位は、該光ビームが検出器１２４に当たる位置を変えさせ、それにより、部材５８の横方向の変位及び摩擦係数を示す信号を生成する。ひずみセンサ４６が、上記研磨物と共に動かないと仮定すると、該復元要素は、基板接触部材５８を、該プラテンを支持するマシンベース２１等の不動の固定具に接続することができる。

図１２に示すまた別の代替の実施においては、摩擦検出システムは、上記基板からの摩擦力の下で、湾曲するのではなく、横方向にスライドするように構成されているひずみセンサを含む。この実施において、摩擦センサ２４６は、基板１０から摩擦力を受けたときに動くことができる基板接触部材５８と、基板接触部材５８に接続された概して硬いスライディングロッド２４８と、スライディングロッド２４８及び基板接触部材５８を中立位置に戻すように付勢するばね２４９と、基板接触部材５８及びスライディングロッド２４８の変位に基づいて信号を生成する圧力センサ２５０とを含む。

ロッド２４８は、ベース２５４にスライド可能に取付けられており、該ベースは、上記プラテンに固着することができ、又は、該プラテンの一部とすることができる。スライディングロッド２４８は基板接触部材の変位を圧力センサ２５０に伝送する。スライディングロッド２４８の動きは、スライディングロッド２４８が、上記基板と摩擦センサ２４６との間の相対運動の方向と平行な軸に沿って移動するように制限するために、ベース２５４内のチャネル２５２によって限定することができる。

基板接触部材５８に対する摩擦力は、基板接触部材５８及びスライディングロッド２４８の両方の横方向の変位を引き起こすことになる。このことは、スライディングロッド２４８に、基板接触部材５８がより大きな摩擦力を受けたときに加えられるより大きな圧力によって、圧力センサ２５０に抗する圧力を作用させる。該圧力センサは、出力システム（図示せず）に結合することができる。

ばね２４９は、スライディングロッド２４８に設けられている。ばね２４９は、ステンレススチール等の金属材料で形成することができる。ばね２４９の組成は、摩擦センサ２４６が、上記基板との接触により生じる摩擦力を受けたときに、（非弾性変形を受けることなく）該ばねが弾性的に圧縮しかつ伸びるように、予測される摩擦力に基づいて選択することができる。ばね２４９は、上記復元力が、該基板と摩擦センサ２４６との間の相対運動の方向と平行になるように、配向されている。このように、ばね２４９は、スライディングロッド２４８及び基板接触部材５８の変位に抗して復元力を作用させることになる。

基板接触部材５８は、基板接触部材５８が、研磨パッド３０と同一平面になるように、スライディングロッド２４８に取付けられている。基板接触部材５８は、単一片とすることができ、又は、摩擦センサ２４６の結果として生じる上面が研磨パッド３０と同一平面になるように、支持片や研磨パッドセグメント等の他のコンポーネントを含むことができる。この実施の利点は、該基板接触部材が常に、該研磨パッドの表面及び該基板と平行のままであるため、該基板接触部材の表面全体が該基板と接触したままであるということである。このことは、該基板により該基板接触部材に対して作用される摩擦力のより正確な測定を可能にする。

圧力センサ２５０の出力は、処理のためにコンピュータ９０へ送られる。処理は、基板接触部材５８と基板１０との間の摩擦係数の計算することと、摩擦センサ２４６からの測定値を基板１０上の半径方向の位置に関連付けることと、該圧力測定値に基づいて、化学機械的研磨プロセスの進行状況を解析することと、測定された圧力の変化に基づいて、上記研磨装置を制御することと、該圧力測定値をグラフィック情報に変換することとを含むことができる。出力は、モニタ９２等のデバイスによって表示することができる。

上述した様々な実施と組み合わせることができる別の実施形態においては、上記摩擦感知システムは、多数のセンサを含む。例えば、図１３Ａに示すように、該システムは、上記プラテンの回転軸から実質的に同じ距離に配置されているが、該回転軸の周りに等しい角度間隔で配置された多数のセンサを含むことができる。他の実施例として、図１３Ｂに示すように、該システムは、近接して配置されているが、異なる、例えば、直角方向の配向を有するセンサ（例えば、該プラテンの回転軸２５を通る半径と平行なその基板接触部材の変位を測定する一方のセンサと、該プラテンの回転軸２５を通る半径と垂直なその基板接触部材の変位を測定する他方のセンサ）を含むことができる。この構成の場合、該システムは、全体の摩擦力を示す測定値を、例えば、２つの直角方向で測定されたひずみの二乗の合計の平方根として生成することができる。

また別の実施例として、上記基板接触部材は、上記プラテンの回転軸２５を通る半径に対して平行に及び直角に横方向に移動可能とすることができ、また、上記摩擦検出システムは、両方向に沿って該部材の変位を測定するセンサを含むことができる。例えば、図１４を参照すると、板ばねの代わりに、上記ひずみセンサは、矩形状断面を有する柔軟な支持ポスト１７０を含むことができる。ひずみセンサ５０ａからなる第１のセットを、１つの方向における該支持ポストのたわみを測定するために、支持ポスト１７０の一組の対向面に配設することができ、ひずみセンサ５０ｂからなる第２のセットを、直角方向における該支持ポストのたわみを測定するために、他方の一組の対向面に配設することができる。ひずみセンサからなる各セットは、図４Ａ〜図５に関して論じたように接続することができ、それによって、２つの直角方向における該摩擦力の測定値を生成することができる。この構成の場合、該システムは、上記基板接触部材に対する全体の摩擦力を示す測定値を、例えば、該２つの直角方向で測定したひずみの二乗の合計の平方根として生成することができる。

どのような実施においても、コンピュータ９０は、受取った生のひずみデータを摩擦値に変換するために、該ひずみデータに対して処理ステップを実行することができる。コンピュータ９０は、ひずみゲージ５０のひずみと、基板接触部材５８に作用する摩擦力との関係を使用して、摩擦係数を計算することができる。そして、終点測定は、摩擦係数に基づいて行うことができる。

研磨動作は、導電性層、絶縁層又は半導電性層を除去して、同じ型の、例えば、導電性、絶縁性又は半導電性の別の層を露出させる研磨工程とすることができる。別法として、該研磨工程は、導電性層、絶縁層又は半導電性層を除去して、異なる型の別の層を露出させる研磨工程とすることができる。どちらの場合においても、該研磨工程は、１つの層を除去して、同じ反射率を有する別の層、例えば、２つの絶縁層を露出させる研磨工程とすることができる。例えば、該研磨される層は、窒化物とすることができ、また、該露出される層は、酸化物とすることができ、また逆も同様であり、あるいは、両方の層を酸化物としてもよい。該研磨工程は、ＳＴＩ、ＩＬＤ（ｉｎｔｅｒ−ｌａｙｅｒ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）、ＩＭＤ（ｉｎｔｅｒ−ｍｅｔａｌｌｉｃ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）及びＰＤＭ（ｐｒｅ−ｍｅｔａｌ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）、ポリシリコン、又はＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）プロセスにおけるステップとすることができる。

本発明は、ディジタル電子回路を使用して、又は、コンピュータハードウェア、ファームウェア、ソフトウェアを使用して、あるいは、それらの組合せで実施することができる。本発明の装置は、プログラマブルプロセッサによる実行のための機械可読ストレージデバイスに具体的に組み込まれたコンピュータプログラムプロダクトに実施することができ、また、本発明の方法ステップは、入力データに対して演算し、出力を生成することにより、本発明の機能を実行する命令からなるプログラムを実行するプログラマブルプロセッサによって実行することができる。本発明は、データストレージシステム、少なくとも１つの入力デバイス及び少なくとも１つの出力デバイスからデータ及び命令を受取り、データ及び命令を該データストレージシステム、少なくとも１つの入力デバイス及び少なくとも１つの出力デバイスへ送るように結合された少なくとも１つのプログラマブルプロセッサを含むプログラマブルシステム上で実行可能である１つ以上のコンピュータプログラムで有利に実施することができる。各コンピュータプログラムは、高水準の手続き形プログラミング言語又はオブジェクト指向プログラミング言語で、又は、必要に応じて、アセンブリ言語又は機械語で実施することができ、また、どのような場合においても、言語は、コンパイル済みの又は解釈実行済みの言語とすることができる。適当なプロセッサは、例証として、汎用マイクロプロセッサ及び専用マイクロプロセッサの両方を含む。概して、プロセッサは、読出し専用記憶メモリ及び／又はランダムアクセスメモリから命令及びデータを受取る。コンピュータの最も重要な素子は、命令を実行するプロセッサとメモリである。概して、コンピュータは、データファイルを格納する１つ以上の大容量記憶デバイスを含み、そのような記憶デバイスは、内部ハードディスク及びリムーバブルディスク等の磁気ディスク、光磁気ディスク及び光ディスクを含む。コンピュータプログラム命令及びデータを具体的に組み込むのに適しているストレージデバイスは、例証として、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ及びフラッシュメモリデバイス等の半導体メモリデバイス、内部ハードディスク及びリムーバブルディスク等の磁気ディスク、光磁気ディスク及びＣＤ−ＲＯＭディスクを含む不揮発性メモリの全ての形態を含む。上記のいずれかは、ＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ−ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ）により補完することができ、又は、ＡＳＩＣに組み込むことができる。

本発明を、特定の実施に関して説明してきた。その他の実施も以下のクレームの範囲内にある。

化学機械的研磨装置の概略分解斜視図である。 摩擦検出システムを含む化学機械的研磨装置の概略側面図、部分断面図である。 ひずみセンサを含む化学機械的研磨装置の概略平面図である。 ひずみセンサの概略側面図である。 ひずみセンサの部分断面図である。 ひずみセンサを有する研磨パッドの概略側面図である。 ひずみセンサを有する研磨パッドの概略側面図である。 ひずみセンサを有する研磨パッドの概略側面図である。 ひずみ測定デバイスの概略的な回路図である。 ひずみセンサの概略断面図である。 ひずみセンサの概略断面図である。 研磨装置に組み込む物品の概略断面図である。 ひずみセンサの概略断面図である。 パッチパッドセンサを有する研磨パッドを作る方法を概略的に示す。 研磨装置に組み込む物品の概略断面図である。 研磨装置に組み込む物品の概略断面図である。 研磨装置に組み込む物品の概略断面図である。 研磨装置に組み込む物品の概略断面図である。 研磨装置に組み込む物品の概略断面図である。 シュラウドシーリング層を有する２ピース研磨パッドの概略断面図である。 シュラウドシーリング層を有する２ピース研磨パッドの概略断面図である。 ひずみセンサの概略断面図である。 ひずみセンサを使用して研磨終点を検知する方法を概略的に示す。 ひずみセンサを使用して研磨終点を検知する方法を概略的に示す。 ひずみセンサを使用して研磨終点を検知する方法を概略的に示す。 研磨プロセスの摩擦対時間の実施例のトレースを示すグラフである。 研磨プロセスの摩擦対時間の実施例のトレースを示すグラフである。 ひずみセンサを使用する化学機械的研磨の方法を実行するフローチャートを示す。 ひずみゲージブリッジ及び増幅回路の実施の概略回路図である。 ひずみセンサの代替の実施の概略側面図、部分断面図である。 摩擦センサの別の代替の実施の概略側面図、部分断面図である。 多数のセンサを有する研磨ステーションの概略平面図である。 直交方向の摩擦を測定する多数のセンサを有する研磨ステーションの概略平面図である。 支持ポストを有するひずみセンサの概略平面図である。

符号の説明

１０…基板、２０…ＣＭＰ装置、２２…研磨ステーション、２４…プラテン、３０…研磨パッド、４６…ひずみセンサ、５０…ひずみゲージ、５８…基板接触部材、９０…コンピュータ。

Claims (15)

1. 研磨を受ける基板の摩擦係数をモニタする装置であって、
   可動プラテンと、
   研磨面を有し、かつ開口部をその中に有する、前記可動プラテンに接続された研磨パッドと、
   前記研磨パッドの前記研磨面に対向して基板の露出面を保持するキャリアヘッドと、
   前記開口部内に配置された可動部材であって、前記可動部材は前記基板の前記露出面に接触する上面を有し、前記可動部材が前記基板からの摩擦力に反応して前記研磨面に対して横方向に変位可能であり、前記上面が、前記研磨面と同一平面にあり、且つ、前記基板の前記露出面の表面積よりも小さい表面積を有する、可動部材と、
   前記可動部材の横方向の変位に基づいて、前記基板の個別の領域の摩擦係数を示す信号を生成するセンサと、
   を備える装置。
2. 前記可動部材に結合され、前記可動部材を前記研磨面に対して横方向に中立位置に向けて付勢する復元要素をさらに備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記復元要素が板ばねを含む、請求項２に記載の装置。
4. 前記可動部材の横方向の変位に基づいて信号を生成する前記センサが、前記板ばねに取り付けられたひずみゲージである、請求項３に記載の装置。
5. 前記可動部材の横方向の変位に基づいて信号を生成する前記センサが光センサである、請求項１に記載の装置。
6. 前記可動部材の横方向の変位に基づいて信号を生成する前記センサが圧電センサである、請求項１に記載の装置。
7. 前記可動部材がギャップにより前記プラテンから隔離されており、
   前記装置が、前記ギャップを通るスラリーの透過を防ぐ、前記可動部材に結合された柔軟なシーリング膜をさらに備える、請求項１に記載の装置。
8. 前記可動部材に結合された復元要素をさらに備え、前記柔軟なシーリング膜が、前記復元要素と前記可動部材との間に挿入されている、請求項７に記載の装置。
9. 前記可動部材が円形軌道を通り抜けるように前記プラテンが回転可能であり、
   前記可動部材が、前記研磨面に対して前記円形軌道に接する方向に移動可能であり、前記円形軌道と直角な方向に移動可能でない、請求項１に記載の装置。
10. 前記センサは、前記復元要素のひずみに基づいて信号を生成するように構成された、請求項２に記載の装置。
11. 前記可動部材と前記研磨パッドとの間に及ぶシールをさらに備え、前記シールが、柔軟な、流体不透過性材料を含む、請求項１に記載の装置。
12. 前記シールが、前記基板接触部材を通って延びている、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記可動部材と前記研磨パッドの研磨層とが、前記基板接触部材を前記研磨パッドから機械的に分断する湾曲部によって接続されている、請求項１に記載のシステム。
14. 前記可動部材に結合された接続部材であって、前記基板からの摩擦力に反応して、チャネルに沿って横方向に変位可能な接続部材をさらに備える、請求項１に記載の装置。
15. 研磨工程中の基板の摩擦係数をモニタする方法であって、
    基板をキャリアヘッドで保持して、前記基板の露出面を、研磨パッドの研磨面と接触させると共に、研磨パッドの開口部内に配置され且つ前記基板からの摩擦力に応じて研磨面に対して横方向に移動可能である部材の上面、ここで、当該上面は、前記研磨面と同一平面にあり、且つ、前記基板の前記露出面の表面積よりも小さい表面積を有する、と接触させて配置するステップと、
    前記研磨パッドを移動するためにプラテンを移動するステップと、
    可動部材の横方向変位に基づいて、前記可動部材に接する前記基板の個別の領域の摩擦係数を示す信号を生成するステップと、
    を備える方法。

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