KR102414470B1 - 연마 패드 마모율 모니터링을 위한 예측 필터 - Google Patents

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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

화학적 기계적 연마를 위한 장치는, 연마 패드를 지지하기 위한 표면을 갖는 플래튼, 연마 패드의 연마 표면에 맞닿게 기판을 유지하기 위한 캐리어 헤드, 연마 표면에 맞닿게 컨디셔닝 디스크를 유지하기 위한 패드 컨디셔너, 인-시튜 연마 패드 두께 모니터링 시스템, 및 모니터링 시스템으로부터 신호를 수신하고 신호에 예측 필터를 적용함으로써 연마 패드 마모율의 측정치를 생성하도록 구성되는 제어기를 포함한다

Description

연마 패드 마모율 모니터링을 위한 예측 필터
본 개시내용은, 화학적 기계적 연마에서 사용되는 연마 패드의 마모율을 모니터링하는 것에 관한 것이다.
집적 회로는 전형적으로, 규소 웨이퍼 상에서의 전도성 층, 반도체 층 또는 절연성 층의 순차적 퇴적에 의해 기판 상에 형성된다. 다양한 제작 공정들은 기판 상의 층의 평탄화를 요구한다. 예컨대, 하나의 제조 단계는, 패터닝된 절연성 층 상에 전도성 충전재 층을 퇴적하여 절연성 층의 트렌치들 또는 홀들을 충전하는 것을 수반한다. 그런 다음, 절연성 층의 융기된 패턴이 노출될 때까지 충전재 층이 연마된다. 평탄화 후에, 절연성 층의 융기된 패턴 사이에 남아 있는 전도성 충전재 층의 부분들은, 기판 상의 박막 회로들 사이에 전도성 경로들을 제공하는 비아들, 플러그들, 및 라인들을 형성한다.
화학적 기계적 연마(CMP)는 평탄화의 하나의 용인된 방법이다. 이러한 평탄화 방법은 전형적으로, 캐리어 헤드 상에 기판이 장착될 것을 요구한다. 기판의 노출된 표면은, 회전하는 연마 패드에 맞닿게(against) 배치된다. 캐리어 헤드는 연마 패드에 맞닿게 기판을 밀기 위해 기판 상에 제어가능한 하중을 제공한다. 연마 액체, 이를테면, 연마 입자들을 갖는 슬러리가 연마 패드의 표면에 공급된다.
특정 시간 기간 동안 CMP 공정이 수행된 후, 연마 패드의 표면은, 슬러리 부산물들, 및/또는 기판 및/또는 연마 패드로부터 제거된 물질의 축적으로 인해 광택화될(glazed) 수 있다. 광택화는, 연마율을 감소시키거나 기판 상의 불균일성을 증가시킬 수 있다.
전형적으로, 연마 패드는, 패드 컨디셔너를 이용한 컨디셔닝의 공정에 의해 원하는 표면 거칠기로 유지된다(그리고 광택화가 방지됨). 패드 컨디셔너는, 연마 패드 상의 원치 않는 축적물들을 제거하고 연마 패드의 표면을 바람직한 거칠음으로 재생시키는 데 사용된다. 전형적인 패드 컨디셔너들은 연마 컨디셔너 디스크를 포함한다. 그러한 컨디셔너 디스크에는, 예컨대, 패드를 리-텍스처링하기 위해 연마 패드 표면에 대해 긁힐 수 있는 다이아몬드 연마 입자들이 매립될 수 있다. 그러나, 컨디셔닝 공정은 또한 연마 패드를 마모시키는 경향이 있다. 결과적으로, 특정 횟수의 연마 및 컨디셔닝 사이클 후에, 연마 패드는 교체될 필요가 있다.
일 양상에서, 화학적 기계적 연마를 위한 장치는, 연마 패드를 지지하기 위한 표면을 갖는 플래튼, 연마 패드의 연마 표면에 맞닿게 기판을 유지하기 위한 캐리어 헤드, 연마 표면에 맞닿게 컨디셔닝 디스크를 유지하기 위한 패드 컨디셔너, 인-시튜 연마 패드 두께 모니터링 시스템, 및 모니터링 시스템으로부터 신호를 수신하고 신호에 예측 필터를 적용함으로써 연마 패드 마모율의 측정치를 생성하도록 구성되는 제어기를 포함한다.
구현들은 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
인-시튜 연마 패드 두께 모니터링 시스템은, 전자기 유도 모니터링 시스템을 포함할 수 있다. 전자기 유도 모니터링 시스템은, 컨디셔닝 디스크에서 금속 층에 전류를 유도하기 위한 자기장을 생성하도록 플래튼에 유지되는 자기 코어를 포함할 수 있다. 전자기 유도 모니터링 시스템은, 플래튼에 전류를 유도하기 위한 자기장을 생성하도록 패드 컨디셔너 상에 유지되는 자기 코어를 포함할 수 있다.
제어기는, 패드 마모율의 측정치가 임계치를 초과하는 경우, 경고를 생성하도록 구성될 수 있다. 제어기는, 실질적으로 일정한 마모율을 유지하기 위해, 패드 마모율의 측정치에 기반하여 컨디셔닝 디스크 상의 패드 컨디셔너의 하방력을 조정하도록 구성될 수 있다.
제어기는, 필터링된 신호를 생성하기 위해 신호에 예측 필터를 적용하도록 구성될 수 있으며, 필터링된 신호는 일련의 조정된 값들을 포함한다. 제어기는, 일련의 조정된 값들에서의 각각의 조정된 값에 대해, 일련의 측정된 값들로부터 적어도 하나의 예측된 값을 생성하고, 일련의 측정된 값들 및 예측된 값으로부터 조정된 값을 계산함으로써, 필터링된 신호를 생성하도록 구성될 수 있다.
제어기는, 선형 예측을 사용하여, 일련의 측정된 값들로부터 적어도 하나의 예측된 값을 생성함으로써, 적어도 하나의 예측된 값을 생성하도록 구성될 수 있다. 예측 필터는 칼만(Kalman) 필터일 수 있다. 예측 필터는 패드 레이트의 측정치를 계산할 수 있으며, 이는 다음을 따른다.
Figure 112020061022681-pct00001
Figure 112020061022681-pct00002
Figure 112020061022681-pct00003
Figure 112020061022681-pct00004
여기서, xk는 패드 두께(Thk) 및 패드 마모율(CRk)을 포함하는 상태 벡터이고, α는 각각의 패드 두께 측정 사이의 컨디셔닝 시간의 양을 표시하고, ΔdF는 컨디셔너 디스크 상의 하방력에서의 변화이고, β는 패드 마모율과 하방력 사이의 비이고, yk는 패드 두께의 측정치이고, vk는 측정 잡음을 표현한다.
특정 구현들은 다음의 이점들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 마모율이 계산될 수 있고, 연마 패드의 두께가 검출될 수 있다. 패드 두께의 측정들에서의 잡음이 감소될 수 있고, 패드 두께 센서가 연마 패드 상의 상이한 영역들을 측정하는 효과들이 보상될 수 있다. 컨디셔너 디스크는, 컨디셔너 디스크의 가용 수명이 거의 다했지만 무용하지는 않을 때 교체될 수 있다. 유사하게, 연마 패드는, 연마 패드의 가용 수명이 거의 다했지만 무용하지는 않을 때 교체될 수 있다. 따라서, 기판의 불균일한 연마를 피하면서 컨디셔너 디스크 및 연마 패드의 수명이 증가될 수 있다. 컨디셔닝 디스크 상의 압력은, 패드 마모율이 실질적으로 일정하게 유지되도록 조정될 수 있다.
하나 이상의 구현의 세부사항들은 첨부한 도면들 및 아래의 설명에서 기재된다. 다른 양상들, 특징들 및 이점들은, 설명 및 도면들로부터, 그리고 청구항들로부터 명백해질 것이다.
도 1a는, 패드 층 두께를 검출하도록 구성되는 센서를 포함하는 화학적 기계적 연마 시스템의 개략적인 부분 측단면도이다.
도 1b는, 패드 층 두께를 검출하기 위한 센서를 포함하는 화학적 기계적 연마 시스템의 다른 구현의 개략적인 부분 측단면도이다.
도 2는, 화학적 기계적 연마 시스템의 개략적인 평면도이다.
도 3은, 전자기 유도 모니터링 시스템을 위한 구동 시스템의 개략적인 회로도이다.
도 4는, 플래튼의 다수회의 회전들에 걸친 센서로부터의 신호 강도의 예시적인 그래프이다.
다양한 도면들에서 동일한 참조 기호들은 동일한 요소들을 표시한다.
위에 언급된 바와 같이, 컨디셔닝 공정은 또한 연마 패드를 마모시키는 경향이 있다. 연마 패드는 전형적으로, 슬러리를 운반하기 위한 홈들을 갖고, 패드가 마모됨에 따라, 이러한 홈들이 더 얕아지게 되고 연마 유효성이 저하된다. 결과적으로, 특정 횟수의 연마 및 컨디셔닝 사이클 후에, 연마 패드는 교체될 필요가 있다. 전형적으로, 이는 단순히, 설정된 수의 기판들이 연마된 후에, 예컨대, 500개의 기판 이후에 연마 패드를 교체함으로써 행해진다.
불운하게도, 패드 마모율이 일관될 필요는 없으므로, 연마 패드는 설정된 수보다 더 많거나 더 적게 견뎌냈을 수 있고, 이는 각각, 패드 수명의 낭비 또는 불균일한 연마를 초래할 수 있다. 특히, 연마 패드의 수명에 걸쳐, 컨디셔닝 디스크 상의 연마 물질, 예컨대 다이아몬드들이 점차 마모된다. 결과적으로, 디스크의 컨디셔닝 효율이 시간 경과에 따라 떨어질 수 있다. 따라서, 표면 텍스처가 발생시키는 컨디셔닝이 변화하고, 연마 패드의 수명에 걸쳐 그리고 패드마다 저하될 수 있다. 이는 연마 거동을 변화시킨다.
유사하게, 컨디셔너 디스크는 시간 경과에 따라 유효성이 저하되는 경향이 있다. 임의의 특정 이론에 제한됨이 없이, 컨디셔너 상의 연마 입자들이 또한 마모되어 날카로움이 저하된다. 따라서, 패드 컨디셔너는 또한 주기적으로 교체될 필요가 있다. 또한, 이는 단순히, 설정된 수의 기판들이 연마된 후에, 예컨대, 1000개의 기판 이후에 컨디셔닝 디스크를 교체함으로써 행해진다(패드 및 컨디셔닝 디스크에 대한 교체율들은 소모품 및 공정 의존적임).
연마 패드 두께는, 인-시튜로, 예컨대, 컨디셔너 시스템, 캐리어 헤드, 또는 플래튼 상에 설치된 센서로 측정될 수 있다. 연마 패드는, 측정된 패드 두께가 임계치 미만으로 떨어지는 경우 교체될 수 있다. 게다가, 패드 두께 측정들로부터 패드 마모율이 계산될 수 있고, 측정된 패드 마모율이 임계치 미만으로 떨어지는 경우 컨디셔너 디스크가 교체될 수 있다.
하나의 난점은, 두께 측정이 상당한 잡음의 영향을 받을 수 있다는 것이다. 잡음에 대한 일부 기여들은, 예컨대, 센서가 연마 패드의 상이한 부분들을 통과하는 것으로 인해 주기적일 수 있다. 잡음에 대한 다른 기여는 "습식 유휴(wet idle)" 문제인데; 연마 시스템이 습식 유휴 후에 작동하기 시작할 때, 유도성 센서는 연마 패드 두께를 부자연스럽게 크게 측정하는 경향이 있을 것이다. 이는, 패드 절삭률의 잘못된 추정치를 생성한다.
그러나, 예측 필터, 예컨대 칼만 필터를 패드 두께 측정들에 적용함으로써, 이러한 잡음이 감소될 수 있고, 패드의 마모율이 더 정확하게 계산될 수 있다. 따라서, 마모율이 임계치와 비교될 때, 컨디셔너 디스크를 너무 이르거나 너무 늦게 교체할 가능성이 감소된다. 더욱이, 실제 패드 두께가 더 정확하게 측정될 수 있으며, 따라서, 연마 패드를 너무 이르거나 너무 늦게 교체할 가능성이 또한 감소된다. 게다가, 제어기는, 마모율이 연마 공정에 문제가 있음을 표시하는 때를 감지할 수 있다.
도 1은, 화학적 기계적 연마 장치의 연마 시스템(20)의 예를 예시한다. 연마 시스템(20)은, 상부에 연마 패드(30)가 위치되는 회전가능한 디스크-형상 플래튼(24)을 포함한다. 플래튼(24)은 축(25)을 중심으로 회전하도록 동작가능하다. 예컨대, 모터(22)는, 구동 샤프트(28)를 회전시켜 플래튼(24)을 회전시킬 수 있다. 연마 패드(30)는, 외측 층(34) 및 더 연질의 후면 층(32)을 갖는 2층 연마 패드일 수 있다.
연마 시스템(20)은, 슬러리와 같은 연마 액체(38)를 연마 패드(30) 상에 분배하기 위한 공급 포트 또는 결합된 공급-세정 암(39)을 포함할 수 있다.
연마 시스템(20)은 또한, 연마 패드(30)를 마모시켜 연마 패드(30)를 일관된 연마용 상태로 유지시키기 위한 연마 패드 컨디셔너(60)를 포함할 수 있다. 연마 패드 컨디셔너(60)는, 기부, 연마 패드(30) 위에서 측방향으로 스위핑할 수 있는 암(62), 및 암(64)에 의해 기부에 연결되는 컨디셔너 헤드(64)를 포함한다. 컨디셔너 헤드(64)는, 연마 패드(30)를 컨디셔닝하기 위해 연마 표면, 예컨대, 컨디셔너 헤드(64)에 의해 유지되는 디스크(66)의 하부 표면을 그와 접촉되게 한다. 연마 표면은 회전가능할 수 있고, 연마 패드에 대한 연마 표면의 압력은 제어가능할 수 있다.
일부 구현들에서, 암(62)은 피봇식으로 기부에 부착되고, 연마 패드(30)에 걸친 진동 스위핑 움직임으로 컨디셔너 헤드(64)를 이동시키기 위해 전후로 스위핑한다. 컨디셔너 헤드(64)의 움직임은, 충돌을 방지하기 위해 캐리어 헤드(70)의 움직임과 동기화될 수 있다.
컨디셔너 헤드(64)의 수직 움직임 및 연마 패드(30) 상의 컨디셔닝 표면의 압력의 제어는, 컨디셔너 헤드(64)에 있는 또는 그 위의 수직 액추에이터(68), 예컨대, 컨디셔너 헤드(64)에 하향 압력을 가하도록 위치된 가압가능 챔버에 의해 제공될 수 있다. 대안적으로, 수직 움직임 및 압력 제어는, 전체 암(62) 및 컨디셔너 헤드(64)를 들어올리는, 기부에 있는 수직 액추에이터에 의해, 또는 암(62)의 제어가능한 경사각 및 그에 따른 연마 패드(30) 위로의 컨디셔너 헤드(64)의 제어가능한 높이를 허용하는, 암(62)과 기부 사이의 피봇 연결에 의해 제공될 수 있다.
컨디셔닝 디스크(66)는, 연마 입자들, 예컨대 다이아몬드 그릿들로 코팅된 금속 디스크일 수 있다. 특히, 컨디셔닝 디스크(66)는 전도성 몸체일 수 있다.
캐리어 헤드(70)는, 연마 패드(30)에 맞닿게 기판(10)을 유지하도록 동작가능하다. 캐리어 헤드(70)는 지지 구조(72), 예컨대, 캐러셀 또는 트랙으로부터 매달리며, 구동 샤프트(74)에 의해 캐리어 헤드 회전 모터(76)에 연결됨으로써 캐리어 헤드가 축(71)을 중심으로 회전할 수 있다. 임의로, 캐리어 헤드(70)는, 예컨대 캐러셀 또는 트랙(72) 상의 슬라이더들 상에서 측방향으로 진동하거나 또는 캐러셀 그 자체의 회전 진동에 의해 측방향으로 진동할 수 있다. 동작 시, 플래튼은 자신의 중심 축(25)을 중심으로 회전되고, 캐리어 헤드는, 자신의 중심 축(71)을 중심으로 회전되고 연마 패드(30)의 최상부 표면에 걸쳐 측방향으로 병진이동된다.
캐리어 헤드(70)는, 기판(10)의 후면과 접촉하기 위한 기판 장착 표면을 갖는 가요성 멤브레인(80), 및 기판(10) 상의 상이한 구역들, 예컨대 상이한 반경방향 구역들에 상이한 압력들을 가하기 위한 복수의 가압가능 챔버들(82)을 포함할 수 있다. 캐리어 헤드는 또한 기판을 유지하기 위한 유지 링(84)을 포함할 수 있다.
연마 시스템(20)은, 연마 패드의 두께를 표현하는 신호를 생성하는 인-시튜 연마 패드 두께 모니터링 시스템(100)을 포함한다. 특히, 인-시튜 연마 패드 두께 모니터링 시스템(100)은 전자기 유도 모니터링 시스템일 수 있다. 전자기 유도 모니터링 시스템은, 전도성 층에서의 와전류의 생성 또는 전도성 루프에서의 전류의 생성에 의해 동작할 수 있다. 동작 시, 연마 시스템(20)은, 모니터링 시스템(100)을 사용하여, 컨디셔너 디스크 및/또는 연마 패드가 교체될 필요가 있는지 여부를 결정할 수 있다.
도 1a 및 도 2를 참조하면, 일부 구현들에서, 모니터링 시스템은 플래튼의 함몰부(26)에 설치된 센서(102)를 포함한다. 센서(102)는, 함몰부(26) 내에 적어도 부분적으로 위치되는 자기 코어(104), 및 코어(104) 주위에 감긴 적어도 하나의 코일(106)을 포함할 수 있다. 구동 및 감지 회로(108)가 코일(106)에 전기적으로 연결된다. 구동 및 감지 회로(108)는, 제어기(90)에 전송될 수 있는 신호를 생성한다.
일부 구현들에서, 모니터링 시스템은 플래튼의 함몰부들에 설치된 다수의 센서들(102)을 포함한다. 센서들(102)은, 회전 축(25)을 중심으로 동일한 각도 간격들로 이격될 수 있다.
플래튼(24) 외부에 있는 것으로 예시되지만, 구동 및 감지 회로(108) 중 일부 또는 그 전부가 플래튼(24)에 설치될 수 있다. 회전식 커플러(29)는, 회전가능 플래튼에 있는 구성요소들, 예컨대 코일(106)을, 플래튼 외부의 구성요소들, 예컨대 구동 및 감지 회로(108)에 전기적으로 연결하는 데 사용될 수 있다.
플래튼에 있는 센서(102)를 갖는 유도성 모니터링 시스템의 경우, 전도성 몸체(130)는 연마 패드(30)의 최상부 표면, 즉, 연마 표면과 접촉하게 배치된다. 따라서, 전도성 몸체(130)는, 센서(102)로부터 연마 패드(30)의 먼 측 상에 위치된다. 일부 구현들에서, 전도성 몸체는 컨디셔너 디스크(66)(도 1a 참조)이다. 일부 구현들에서, 전도성 몸체(130)는, 자신을 통한 하나 이상의 애퍼쳐를 가질 수 있는데, 예컨대, 몸체는 루프일 수 있다. 일부 구현들에서, 전도성 몸체는 애퍼쳐들이 없는 중실형 시트이다. 이들 중 어느 것이든, 컨디셔너 디스크(66)의 일부일 수 있다.
플래튼(24)이 회전함에 따라, 센서(102)는 전도성 몸체(130) 아래로 스위핑한다. 특정 주파수에서 회로(108)로부터의 신호를 샘플링함으로써, 모니터링 시스템(100)은, 전도성 몸체(130)에 걸친, 예컨대, 컨디셔너 디스크(66)에 걸친 복수의 위치들에서 측정치들을 생성한다. 각각의 스윕 동안, 위치들 중 하나 이상에서의 측정치들이 선택되거나 조합될 수 있다.
도 3을 참조하면, 코일(106)은 자기장(120)을 생성한다. 자기장(120)이 전도성 몸체(130)에 도달할 때, (예컨대, 몸체(130)가 루프인 경우) 자기장(120)은 통과하여 전류를 생성할 수 있고/거나 (예컨대, 몸체(130)가 시트인 경우) 자기장은 와전류를 생성한다. 이는, 회로(108)에 의해 측정될 수 있는 유효 임피던스를 생성하며, 따라서, 연마 패드(30)의 두께를 나타내는 신호가 생성된다.
구동 및 감지 회로(108)에 대한 다양한 구성들이 가능하다. 예컨대, 구동 및 감지 회로(108)는 한계 발진기를 포함할 수 있고, 한계 발진기가 일정한 진폭을 유지하기 위한 구동 전류가 신호에 사용될 수 있다. 대안적으로, 구동 코일(106)은 일정한 주파수에서 구동될 수 있고, 감지 코일로부터의 전류의 (구동 발진기에 대한) 진폭 또는 위상이 신호에 사용될 수 있다.
플래튼에 있는 센서에 대해 대안적으로 또는 그에 부가하여, 예컨대, 도 1b에 도시된 바와 같이, 모니터링 시스템(100)은, 연마 패드(30) 위에 위치된 센서(102')를 포함할 수 있다. 예컨대, 패드 두께 센서(102')는, 컨디셔닝 헤드(64)에, 컨디셔너 암(62) 상에, 또는 캐리어 헤드(70) 상에 위치될 수 있다. 센서(102')는, 예컨대 스프링(103)에 의해, 연마 패드(30)의 연마 표면(34)과 접촉하게 편향될 수 있다.
패드 두께 센서(102')는 또한 전자기 유도 모니터링 시스템일 수 있다. 이러한 경우에서, 센서(102')는 센서(102)와 유사할 수 있고, 자기 코어(104), 코어(104) 주위에 감긴 적어도 하나의 코일(106), 및 코일(106)에 전기적으로 연결되는 구동 및 감지 회로(108)를 포함할 수 있다. 코어(104)로부터의 자기장(120)은 연마 패드를 통과하여 하부의 전도성 몸체, 예컨대 플래튼(24)에 와전류를 생성할 수 있다. 유효 임피던스는 센서(102)와 플래튼(24) 사이의 거리에 의존하고, 이는 회로(108)에 의해 감지될 수 있으며, 따라서, 연마 패드(30)의 두께의 측정치가 제공된다.
대안적으로, 센서(102')는 접촉 프로필로미터(profilometer)일 수 있다.
제어기(90), 예컨대, 범용 프로그래밍가능 디지털 컴퓨터는, 인-시튜 연마 패드 두께 모니터링 시스템(100)으로부터 신호를 수신하고, 신호로부터 연마 패드(30)의 두께의 측정치를 생성하도록 구성될 수 있다. 위에 언급된 바와 같이, 컨디셔닝 공정으로 인해, 연마 패드의 두께는 시간 경과에 따라, 예컨대, 수십 또는 수백 개의 기판들을 연마하는 과정에 걸쳐 변한다. 따라서, 다수의 기판들에 걸친, 인-시튜 연마 패드 두께 모니터링 시스템(100)으로부터의 선택되거나 조합된 측정치들은, 연마 패드(30)의 두께의 변화를 표시하는 일련의 시변 값들을 제공한다.
센서(102)의 출력은 디지털 전자 신호일 수 있다(센서의 출력이 아날로그 신호인 경우, 그 신호는 센서 또는 제어기에 있는 ADC에 의해 디지털 신호로 변환될 수 있음). 디지털 신호는 일련의 신호 값들로 구성되며, 신호 값들 사이의 시간 기간은 센서의 샘플링 주파수에 의존한다. 이러한 일련의 신호 값들은 신호-대-시간 곡선으로 지칭될 수 있다. 일련의 신호 값들은 값들(SN)의 세트로서 표현될 수 있다.
연마 패드 두께에 대한 신호 강도의 관계를 설정하기 위해, (예컨대, 프로필로미터, 핀 게이지 등에 의해 측정된 바와 같은) 알려진 두께의 연마 패드들이 플래튼 상에 배치되고 신호 강도가 측정될 수 있다.
일부 구현들에서, 센서(102)로부터의 신호 강도는 연마 층의 두께와 선형으로 관련될 수 있다. 이러한 경우에서, 아래의 수학식들에서 값들 Th = S 또는 Th =
Figure 112020061022681-pct00005
이며, A는 함수를 알려진 연마 패드 두께의 데이터에 맞추기 위한 상수이다.
그러나, 센서(102)로부터의 신호 강도가 연마 층의 두께와 선형으로 관련될 필요는 없다. 예컨대, 신호 강도는 연마 층의 두께의 지수 함수일 수 있다.
그 때, 두께의 지수 함수가 데이터에 맞춰질 수 있다. 예컨대, 함수는 다음의 형태일 수 있다.
Figure 112020061022681-pct00006
여기서, S는 신호 강도이고, Th는 연마 패드 두께이고, A 및 B는 함수를 알려진 연마 패드 두께들의 데이터에 맞추도록 조정되는 상수들이다.
나중에 연마에 사용되는 연마 패드의 경우, 제어기(90)는 이러한 함수를 사용하여 신호 강도로부터 연마 패드 두께를 계산할 수 있다. 더 상세하게, 제어기는, 신호 강도의 등가의 로그 함수로부터 연마 패드 두께(Th)의 측정치를 생성하도록 구성될 수 있는데, 예컨대, 다음과 같다.
Figure 112020061022681-pct00007
그러나, 다른 함수들, 예컨대, 이차 또는 더 높은 차수의 다항식 함수, 또는 폴리라인(polyline)이 사용될 수 있다. 따라서, 일련의 신호 값들(SN)은 일련의 두께 값들(ThN)로 변환될 수 있다.
제어기(90)는 또한, 신호로부터 연마 패드(30)의 마모율의 측정치를 생성하도록 구성된다. 이러한 마모율은, 선형 함수를 시간 경과에 따른 측정된 패드 두께 값들(SN)에 맞춤으로써 계산될 수 있다. 예컨대, 함수는 실행 윈도우, 예컨대, 마지막 N개의 웨이퍼로부터의 두께 값들에 맞춰질 수 있는데, 여기서, N은, 순간 마모율에 더 가까운 패드 마모율을 원하는지 또는 평균 패드 마모율에 더 가까운 패드 마모율을 원하는지에 따라 선택된다. 더 작은 값들의 N은 잡음에 더 반응한다. 더 큰 값들의 N은 잡음에 덜 반응하지만 또한 덜 즉각적이다. 일부 구현들에서, 실행 윈도우는 마지막 3개 내지 30개의 측정이다.
그러나, 위에 언급된 바와 같이, 패드 두께 측정은 잡음에 영향을 받는다. 특히, 잡음은, 새로운 기판이 연마되기 시작할 때마다 그리고 연마 시스템이 습식 유휴 모드가 될 때마다 도입될 수 있다. 그러나, 일련의 두께 측정치들은, 선형 예측을 포함하는 필터를 사용하여 평활화될 수 있다. 이러한 동일한 필터가 사용되어 현재 패드 마모율을 계산할 수 있다. 선형 예측은, 장래의 데이터를 예측하기 위해 현재 및 과거의 데이터를 사용하는 통계적 기법이다. 선형 예측은, 현재 및 과거의 데이터의 자기상관의 추적을 유지하는 일련의 공식들로 구현될 수 있고, 선형 예측은, 단순한 다항식 외삽으로 가능한 것보다 훨씬 더 장래의 데이터를 예측하는 것이 가능하다.
두께 및 마모율은 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure 112020061022681-pct00008
Figure 112020061022681-pct00009
Figure 112020061022681-pct00010
여기서, Th는 패드 두께이고, CR은 순간 패드 마모율(또는 절삭률)이고, α는 각각의 패드 두께 측정 사이의 컨디셔닝 시간량(이는 작업자에 의해 설정될 수 있음)을 표시하고, ω는 백색 잡음 파라미터이다. 여기서, 패드는 기판당 한 번 측정되고, α는 기판에 대한 컨디셔닝 시간과 동일하다. 절삭률은 시간당 두께로 측정될 수 있지만, 측정들 사이의 시간은 초 단위로 측정될 수 있으므로, 3600으로 나눔으로써 변환이 수행될 수 있다. 예컨대, CR은 mil/hr로 표현될 수 있는 반면, 매 웨이퍼마다의 컨디셔닝 시간은 CMP 연마 처리법에서 초 단위로 특정된다.
일부 구현들에서, 선형 예측 필터는 칼만 필터이다. 칼만 필터의 일 예는 다음과 같은 행렬 형식으로 표현될 수 있다:
Figure 112020061022681-pct00011
Figure 112020061022681-pct00012
(시스템 모델)
Figure 112020061022681-pct00013
Figure 112020061022681-pct00014
(측정 모델)
Figure 112020061022681-pct00015
여기서, xk는 상태 공간의 2개의 축 성분으로서 패드 두께 및 패드 마모율을 포함하는 상태 벡터이고, ΔdF는 컨디셔너 디스크 상의 하방력에서의 변화이고, β는 패드 마모율과 하방력 사이의 비이고(β는 컨디셔너 디스크의 수명에 걸쳐 변할 수 있음), yk는 패드 두께 출력(예컨대, 유도성 센서를 사용하여 측정됨)이고, vk는 측정 잡음을 표현하고, ωk는 백색 잡음 파라미터이다. 위에 설명된 시스템 및 측정 모델은 결정론적이 아닌 확률론적 공식화라는 것을 유의한다. ω는, 패드 마모율(CR)이 하나의 기판으로부터 다음 기판까지 무작위의 양만큼 드리프트할 수 있다는 것을 표시한다. Ck는, 측정된 출력을 상태 벡터에 관련시키는 행렬이다.
칼만 필터의 상태 추정 시간 외삽은 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure 112020061022681-pct00016
여기서, AK-1은 다음과 같은 상태 행렬이고,
Figure 112020061022681-pct00017
칼만 필터의 오차 공분산 외삽은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112020061022681-pct00018
여기서, Pk는 상태 추정치에서의 오차에 대한 공분산이고, Qk는 잡음 벡터 W w/ω에 대한 공분산 행렬이다. 칼만 필터에 대한 측정 갱신들은 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure 112020061022681-pct00019
위의 다양한 수학식들에 대해, 다음의 행렬 형식 값들이 사용될 수 있다:
Figure 112020061022681-pct00020
Figure 112020061022681-pct00021
Figure 112020061022681-pct00022
Figure 112020061022681-pct00023
연마 패드(30)의 두께의 측정치가 임계치를 충족할 때, 제어기(90)는, 연마 시스템(20)의 작업자에게 연마 패드(30)가 교체될 필요가 있다는 경고를 생성할 수 있다. 대안적으로 또는 그에 부가하여, 연마 패드의 두께의 측정치가 인-시튜 기판 모니터링 시스템(40)에 공급될 수 있는데, 예컨대, 기판(10)으로부터의 신호를 조정하기 위해 인-시튜 기판 모니터링 시스템(40)에 의해 사용될 수 있다.
연마 패드(30)의 마모율의 측정치가 임계치를 충족할 때, 제어기(90)는, 연마 시스템(20)의 작업자에게 컨디셔닝 디스크(66)가 교체될 필요가 있다는 경고를 생성할 수 있다. 대안적으로 또는 그에 부가하여, 제어기(90)는, 일정한 연마 패드 마모율을 유지하기 위해, 컨디셔닝 디스크(66) 상의 컨디셔너 헤드(64)로부터의 하방력을 조정할 수 있다. 마모율은 컨디셔닝 디스크(66) 상의 하방력에 비례한다는 것이 가정될 수 있다.
일부 구현들에서, 마모율의 측정치가 미리 결정된 범위 밖에 속하는 경우, 이는 연마 공정에 (컨디셔닝 디스크 이외의) 문제가 있음을 표시할 수 있고, 제어기(90)는 경고를 생성할 수 있다.
센서(102)가 연마 패드(30) 위에 위치되어 플래튼(24)까지의 거리를 측정하는 경우, 센서(102)는, 상당한 처리를 필요로 하지 않는 효과적으로 연속적인 신호를 생성할 것이다.
그러나, 센서(102)가 플래튼(24)에 설치되어 그와 함께 회전하고 전도성 몸체(130)까지의 거리를 측정하는 경우, 센서(102)는, 자신이 전도성 몸체(130) 아래에 있지 않을 때라 하더라도 데이터를 생성할 수 있다. 도 4는, 플래튼(24)의 2회의 회전 과정에 걸친 센서(102)로부터의 "미가공" 신호(150)를 예시한다. 플래튼의 단일 회전은 시간 기간(R)으로 표시된다.
센서(102)는, 전도성 몸체(130)가 가까울수록 (그리고 그에 따라, 연마 패드(30)가 얇을수록) 신호 강도가 강해지도록 구성될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 처음에, 센서(102)는 캐리어 헤드(70) 및 기판(10) 아래에 있을 수 있다. 기판 상의 금속 층이 얇으므로, 센서는, 구역(152)에 의해 표시되는 약한 신호만을 생성한다. 대조적으로, 센서(102)가 전도성 몸체(130) 아래에 있을 때, 센서(102)는, 구역(154)에 의해 표시되는 강한 신호를 생성한다. 그 시간들 사이에, 센서(102)는, 구역들(156)에 의해 표시되는 훨씬 더 낮은 신호를 생성한다.
전도성 몸체(130)에 대응하지 않는 센서(102)로부터의 신호의 부분을 필터링하여 제거하기 위해 몇몇 기법들이 사용될 수 있다. 연마 시스템(20)은, 센서(102)가 전도성 몸체(130) 밑에 있을 때를 감지하기 위한 위치 센서를 포함할 수 있다. 예컨대, 광학 인터럽터가 고정된 위치에 장착될 수 있고, 플래튼(24)의 주변부에 플래그가 부착될 수 있다. 플래그의 부착 지점 및 길이는, 센서(102)가 기판 전도성 몸체(130) 밑에서 스위핑하는 것을 플래그가 시그널링하도록 선택된다. 다른 예로서, 연마 시스템(20)은, 플래튼(24)의 각도 위치를 결정하기 위한 인코더를 포함할 수 있고, 이러한 정보를 사용하여, 센서(102)가 전도성 몸체(130) 아래에서 스위핑하고 있는 때를 결정할 수 있다. 어느 경우에서든, 제어기(90)는, 센서(102)가 전도성 몸체(130) 아래에 있지 않은 기간들로부터의 신호의 부분들을 배제할 수 있다.
대안적으로 또는 그에 부가하여, 제어기는 단순히, 신호(150)를 임계치(T)(도 4 참조)와 비교하고, 임계치(T)를 충족하지 않는 신호의 부분들, 예컨대, 임계치(T) 미만인 신호의 부분들을 배제할 수 있다.
연마 패드(30)에 걸친 컨디셔너 헤드(64)의 스윕으로 인해, 센서(102)는 전도성 몸체(130)의 중심 아래를 순조롭게 통과하지 못할 수 있다. 예컨대, 센서(102)는, 전도성 몸체의 가장자리를 따라서만 통과했을 수 있다. 이러한 경우에서, 더 적은 전도성 물질이 존재하므로, 신호 강도는, 예컨대, 신호(150)의 구역(158)에 의해 도시된 바와 같이, 더 낮을 것이고, 연마 패드(30)의 두께의 신뢰가능한 지표가 아닐 것이다. 임계치(T)를 충족하지 않는 신호의 부분들을 배제하는 이점은, 센서(102)가 전도성 몸체(130)의 가장자리를 따라 통과하는 것에 의해 야기되는 이러한 신뢰가능하지 않은 측정들을 또한 제어기(90)가 배제한다는 점이다.
일부 구현들에서, 각각의 스윕마다, 배제되지 않은 신호(150)의 부분이 평균되어 그 스윕에 대한 평균 신호 강도가 생성될 수 있다.
연마 시스템(20)이 인-시튜 기판 모니터링 시스템(40)을 포함하는 경우, 인-시튜 연마 패드 모니터링 시스템(100)은 제1 전자기 유도 모니터링 시스템, 예컨대 제1 와전류 모니터링 시스템일 수 있고, 기판 모니터링 시스템(40)은 제2 전자기 유도 모니터링 시스템, 예컨대 제2 와전류 모니터링 시스템일 수 있다. 그러나, 제1 및 제2 전자기 유도 모니터링 시스템들은, 모니터링되는 상이한 요소들로 인해 상이한 공진 주파수들로 구성될 것이다.
인-시튜 연마 패드 두께 모니터링 시스템은 다양한 연마 시스템들에서 사용될 수 있다. 연마 패드 또는 캐리어 헤드 중 어느 하나 또는 둘 모두는, 연마 표면과 기판 간의 상대적인 움직임을 제공하기 위해 이동할 수 있다. 연마 패드는, 플래튼에 고정되는 원형(또는 몇몇 다른 형상) 패드, 공급 및 권취 롤러들 사이에서 연장되는 테이프, 또는 연속적인 벨트일 수 있다. 연마 패드는, 플래튼 상에 부착되거나, 연마 동작들 사이에서 플래튼 위로 점진적으로 전진되거나, 또는 연마 동안 플래튼 위로 지속적으로 구동될 수 있다. 연마 동안 패드가 플래튼에 고정될 수 있거나, 연마 동안 플래튼과 연마 패드 사이에 유체 베어링이 존재할 수 있다. 연마 패드는 표준(예컨대, 충전재들이 있거나 없는 폴리우레탄) 조질 패드, 연질 패드, 또는 고정식-연마재 패드일 수 있다.
게다가, 전술한 설명이 연마 동안의 모니터링에 초점을 두고 있지만, 연마 패드의 측정치들은 기판이 연마되기 전 또는 그 후에, 예컨대, 기판이 연마 시스템으로 이송되는 동안 획득될 수 있다.
본 명세서에 설명된 본 발명의 실시예들 및 모든 기능 동작들은, 디지털 전자 회로로, 또는 본 명세서에 개시된 구조적 수단 및 그 구조적 등가물들을 포함하는 컴퓨터 소프트웨어, 펌웨어, 또는 하드웨어에서, 또는 그들의 조합들로 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예들은, 데이터 처리 장치, 예컨대, 프로그래밍가능 프로세서, 컴퓨터, 또는 다수의 프로세서들 또는 컴퓨터들에 의한 실행을 위해, 또는 그 동작을 제어하기 위해, 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 제품, 즉, 정보 캐리어 내에, 예컨대, 비-일시적인 기계 판독가능 저장 매체 내에 또는 전파되는 신호 내에 유형으로 구현된 하나 이상의 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수 있다. 컴퓨터 프로그램(프로그램, 소프트웨어, 소프트웨어 애플리케이션, 또는 코드로 또한 알려져 있음)은, 컴파일 또는 해석되는 언어들을 포함하는 임의의 형태의 프로그래밍 언어로 작성될 수 있고, 이는 독립형 프로그램 또는 모듈, 컴포넌트, 서브루틴 또는 컴퓨팅 환경에서 사용하기에 적합한 다른 유닛을 포함하는 임의의 형태로 배포될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 반드시 파일에 대응하지는 않는다. 프로그램은 다른 프로그램들 또는 데이터를 보유하는 파일의 일부분에, 해당 프로그램에 전용인 단일 파일에, 또는 다수의 조직화된 파일들(예컨대, 하나 이상의 모듈, 서브 프로그램, 또는 코드의 부분을 저장하는 파일들)에 저장될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 하나의 위치에 있거나 다수의 위치들에 걸쳐 분산되어 통신망에 의해 상호연결되는 다수의 컴퓨터들 상에서 실행되거나 또는 하나의 컴퓨터 상에서 실행되도록 배치될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 프로세스들 및 논리 흐름들은, 입력 데이터에 대해 동작하여 출력을 생성함으로써 기능들을 수행하기 위해 하나 이상의 컴퓨터 프로그램을 실행하는 하나 이상의 프로그래밍가능 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 프로세스들 및 논리 흐름들은 또한, 특수 목적 논리 회로, 예컨대, 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이(FPGA) 또는 주문형 집적 회로(ASIC)에 의해 수행될 수 있고, 장치가 또한 그들로서 구현될 수 있다.
본 발명의 다수의 실시예들이 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어남이 없이 다양한 수정들이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 다른 실시예들은 다음의 청구항들의 범위 내에 있다.

Claims (15)

  1. 화학적 기계적 연마를 위한 장치로서,
    연마 패드를 지지하기 위한 표면을 갖는 플래튼;
    상기 연마 패드의 연마 표면에 맞닿게 기판을 유지하기 위한 캐리어 헤드;
    상기 연마 표면에 맞닿게 컨디셔닝 디스크를 유지하기 위한 패드 컨디셔너;
    인-시튜 연마 패드 두께 모니터링 시스템; 및
    상기 모니터링 시스템으로부터 신호를 수신하고 상기 신호에 예측 필터를 적용함으로써 연마 패드 마모율의 측정치를 생성하도록 구성되는 제어기를 포함하는, 화학적 기계적 연마를 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인-시튜 연마 패드 두께 모니터링 시스템은 전자기 유도 모니터링 시스템을 포함하는, 화학적 기계적 연마를 위한 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전자기 유도 모니터링 시스템은, 상기 컨디셔닝 디스크의 금속 층에 전류를 유도하기 위한 자기장을 생성하도록 상기 플래튼에 유지되는 자기 코어를 포함하는, 화학적 기계적 연마를 위한 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전자기 유도 모니터링 시스템은, 상기 플래튼에 전류를 유도하기 위한 자기장을 생성하도록 상기 패드 컨디셔너 상에 유지되는 자기 코어를 포함하는, 화학적 기계적 연마를 위한 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 패드 컨디셔너는 상기 플래튼 위로 연장되는 암을 포함하고, 상기 자기 코어는 상기 패드 컨디셔너의 상기 암 상에 유지되는, 화학적 기계적 연마를 위한 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 암은, 상기 연마 패드에 걸친 진동 스위핑 움직임을 수행하도록 구성되는, 화학적 기계적 연마를 위한 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는, 패드 마모율의 상기 측정치가 임계치를 초과하는 경우 경고를 생성하도록 구성되는, 화학적 기계적 연마를 위한 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는, 실질적으로 일정한 마모율을 유지하기 위해, 패드 마모율의 상기 측정치에 기반하여 상기 컨디셔닝 디스크 상의 상기 패드 컨디셔너의 하방력을 조정하도록 구성되는, 화학적 기계적 연마를 위한 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는, 필터링된 신호를 생성하기 위해 상기 신호에 상기 예측 필터를 적용하도록 구성되고, 상기 필터링된 신호는 일련의 조정된 값들을 포함하고, 상기 제어기는, 상기 일련의 조정된 값들에서의 각각의 조정된 값에 대하여,
    일련의 측정된 값들로부터 적어도 하나의 예측된 값을 생성하고,
    상기 일련의 측정된 값들 및 예측된 값으로부터 조정된 값을 계산함으로써, 상기 필터링된 신호를 생성하도록 구성되는, 화학적 기계적 연마를 위한 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 적어도 하나의 예측된 값을, 선형 예측을 사용하여 상기 일련의 측정된 값들로부터 상기 적어도 하나의 예측된 값을 생성함으로써 생성하도록 구성되는, 화학적 기계적 연마를 위한 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 예측 필터는 칼만(Kalman) 필터를 포함하는, 화학적 기계적 연마를 위한 장치.
  12. 화학적 기계적 연마 장치를 동작시키는 방법으로서,
    연마 패드로 기판을 연마하는 단계;
    컨디셔닝 디스크로 상기 연마 패드를 컨디셔닝하는 단계;
    인-시튜 패드 두께 모니터링 시스템으로 상기 연마 패드의 두께를 모니터링하고 상기 모니터링 시스템으로부터 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 신호에 예측 필터를 적용함으로써 패드 마모의 측정치를 생성하는 단계를 포함하는, 화학적 기계적 연마 장치를 동작시키는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 신호에 상기 예측 필터를 적용하는 것은 필터링된 신호를 생성하고, 상기 필터링된 신호는 일련의 조정된 값들을 포함하고,
    상기 필터링된 신호를 생성하는 것은, 상기 일련의 조정된 값들에서의 각각의 조정된 값에 대해,
    일련의 측정된 값들로부터 적어도 하나의 예측된 값을 생성하는 것; 및
    상기 일련의 측정된 값들 및 예측된 값으로부터 조정된 값을 계산하는 것을 포함하는, 화학적 기계적 연마 장치를 동작시키는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 예측된 값을 생성하는 것은, 선형 예측을 사용하여 상기 일련의 측정된 값들로부터 상기 적어도 하나의 예측된 값을 생성하는 것을 포함하는, 화학적 기계적 연마 장치를 동작시키는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 예측 필터는 칼만 필터를 포함하는, 화학적 기계적 연마 장치를 동작시키는 방법.
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