特許 6586108 一体型センサを有する化学機械研磨保持リング

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6586108

(24)【登録日】2019年9月13日

(45)【発行日】2019年10月2日

(54)【発明の名称】一体型センサを有する化学機械研磨保持リング

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/304 20060101AFI20190919BHJP

   B24B 37/32 20120101ALI20190919BHJP

   B24B 49/10 20060101ALI20190919BHJP

   B24B 37/005 20120101ALI20190919BHJP

   B24B 37/30 20120101ALI20190919BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/304 622S

   H01L21/304 621D

   H01L21/304 622G

   B24B37/32 Z

   B24B49/10

   B24B37/005 Z

   B24B37/30 E

【請求項の数】15

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2016-573818(P2016-573818)

(86)(22)【出願日】2015年5月28日

(65)【公表番号】特表2017-528904(P2017-528904A)

(43)【公表日】2017年9月28日

(86)【国際出願番号】US2015032818

(87)【国際公開番号】WO2015195284

(87)【国際公開日】20151223

【審査請求日】2018年5月28日

(31)【優先権主張番号】62/012,812

(32)【優先日】2014年6月16日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】14/720,047

(32)【優先日】2015年5月22日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】390040660

【氏名又は名称】アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ

(74)【代理人】

【識別番号】100086771

【弁理士】

【氏名又は名称】西島 孝喜

(74)【代理人】

【識別番号】100088694

【弁理士】

【氏名又は名称】弟子丸 健

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100067013

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 文昭

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100109335

【弁理士】

【氏名又は名称】上杉 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100120525

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100141553

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 信彦

(72)【発明者】

【氏名】ヤヴェルバーグ サイモン

【審査官】 中田 剛史

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００２／００３７６８１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平１０−１８０６２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０２１５１７８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００２−１６０１５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０８６５５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６４８８５６９（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 米国特許第０６５８５５６２（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３０４

Ｈ０１Ｌ ２１／４６３

Ｂ２４Ｂ ３／００−３／６０

Ｂ２４Ｂ ２１／００−５１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板に対する取付け表面を有するキャリアヘッドに対する保持リングであって、
中心開口を有する環状本体と、
前記本体内に形成されたチャネルであり、前記チャネルの第１の端部が前記中心開口に近接する、チャネルと、
前記チャネル内で前記第１の端部に近接して配置されたセンサであり、前記基板上で実行されるプロセスからの音響および／または振動放出を検出するように構成されたセンサとを備える保持リング。

【請求項2】

前記チャネル内で前記センサと前記中心開口との間に配置されたシール
をさらに備える、請求項１に記載の保持リング。

【請求項3】

前記シールが、前記中心開口を前記センサから分離するシリコン膜である、請求項２に記載の保持リング。

【請求項4】

前記チャネルが、前記保持リングの外面から前記中心開口に近接する前記保持リングの内面まで延びる、請求項２または３に記載の保持リング。

【請求項5】

前記シールが、厚さ１ｍｍ〜１０ｍｍである、請求項３に記載の保持リング。

【請求項6】

前記シールが故障したかどうかを検出する第２のセンサをさらに備え、前記第２のセンサが、湿度センサまたは圧力センサの１つである、
請求項２または３に記載の保持リング。

【請求項7】

前記センサが、前記基板上で実行されるプロセスからの音響放出を検出するためのマイクロフォン、または前記基板上で実行されるプロセスから生じた振動を検出するための微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）加速度計の１つである、請求項１から３までのいずれか１項に記載の保持リング。

【請求項8】

前記センサが、１つまたは複数の電気リードを介して伝送器に結合される、請求項１から３までのいずれか１項に記載の保持リング。

【請求項9】

前記伝送器が、前記センサから得られる音響および／または振動放出に関連する情報を無線で伝送するように構成された無線伝送器である、請求項８に記載の保持リング。

【請求項10】

前記伝送器が、前記保持リングの外面上に配置される、請求項８に記載の保持リング。

【請求項11】

台座と、
前記台座に接続された保持リングであって、
中心開口を有する環状本体、
前記本体内に形成されたチャネルであり、前記チャネルの第１の端部が前記中心開口に近接する、チャネル、および
前記チャネル内で前記第１の端部に近接して配置されたセンサであり、化学機械研磨プロセスからの音響および／または振動放出を検出するように構成されたセンサを備える保持リングと、
前記台座および前記保持リングとは独立して可動になるように屈曲部によって前記台座に接続された支持構造と、
加圧可能なチャンバの境界を画定する可撓膜であって、前記支持構造に接続され、基板に対する取付け表面を有する膜と
を備える、化学機械研磨装置に対するキャリアヘッド。

【請求項12】

前記保持リングが、前記チャネル内で前記センサと前記中心開口との間に配置されたシールをさらに含む、請求項１１に記載のキャリアヘッド。

【請求項13】

前記シールが、前記中心開口を前記センサから分離するシリコン膜である、請求項１２に記載のキャリアヘッド。

【請求項14】

前記チャネルが、前記保持リングの外面から前記中心開口に近接する前記保持リングの内面まで延びる、請求項１１から１３までのいずれか１項に記載のキャリアヘッド。

【請求項15】

化学機械研磨状態を判定する方法であって、
化学機械研磨装置内に一体型センサを有する保持リングを設けるステップと、
前記化学機械研磨装置内に配置された基板上で化学機械研磨プロセスを実行するステップと、
実行される前記化学機械研磨プロセスからの音響および／または振動放出を、前記センサを介して捕捉するステップと、
前記センサによって捕捉された前記音響および／または振動放出に関連する情報を伝送するステップと、
前記伝送された情報の分析に基づいて化学機械研磨状態を判定するステップとを含む方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示の実施形態は、概して、基板の化学機械研磨（ＣＭＰ）に関する。

【背景技術】

【0002】

集積回路は、典型的には、導電性、半導電性、または絶縁性の層を順次堆積させることによって、基板、特にシリコンウエハ上に形成される。各層を堆積させた後、層をエッチングして回路の特徴を作製する。一連の層が順次堆積およびエッチングされるため、基板の外面または最上面、すなわち基板の露出表面は次第に非平面になる。この非平面の表面は、集積回路製造プロセスのフォトリソグラフィステップで問題となる。したがって、基板表面を周期的に平坦化することが必要とされている。
化学機械研磨（ＣＭＰ）は、一般に認められている平坦化方法の１つである。平坦化中、基板は、典型的には、キャリアまたは研磨ヘッド上に取り付けられる。基板の露出表面は、回転式研磨パッドに対して配置される。研磨パッドは、「標準」または固定砥粒パッドとすることができる。標準研磨パッドは、耐久性のある粗面化された表面を有するのに対し、固定砥粒パッドは、閉じ込め媒体内に保持された研磨粒子を有する。キャリアヘッドは、制御可能な負荷、すなわち圧力を基板上に提供して、基板を研磨パッドに押し付ける。標準パッドが使用される場合、少なくとも１つの化学反応剤および研磨粒子を含む研磨スラリが、研磨パッドの表面に供給される。
ＣＭＰプロセスの有効性は、ＣＭＰプロセスの研磨速度、ならびにその結果得られる基板表面の仕上がり（小規模の粗さがないこと）および平坦度（大規模のトポグラフィがないこと）によって測定することができる。研磨速度、仕上がり、および平坦度は、パッドとスラリの組合せ、基板とパッドとの間の相対速度、および基板をパッドに押し付ける力によって判定される。
ＣＭＰ保持リングは、研磨中に基板を保持するように機能する。ＣＭＰ保持リングはまた、基板の下でスラリの輸送を可能にし、均一性に関するエッジ性能に影響を与える。しかし、典型的なＣＭＰ保持リングには、プロセス中、診断中、または化学機械研磨プロセスの終点およびたとえば基板の破損もしくは滑落などの破局的事象に関するフィードバックの提供中に閉ループ制御に使用することができる一体型センサがない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

したがって、本発明者は、化学機械研磨プロセスの終点および破局的事象の正確かつ確実な検出を実現する構造および方法が望ましいと考える。

【課題を解決するための手段】

【0004】

基板に対する取付け表面を有する化学機械研磨キャリアヘッドに対する保持リングが、本明細書に提供される。いくつかの実施形態では、保持リングは、中心開口を有する環状本体と、本体内に形成されたチャネルであり、チャネルの第１の端部が中心開口に近接する、チャネルと、チャネル内で第１の端部に近接して配置されたセンサであり、基板上で実行されるプロセスからの音響および／または振動放出を検出するように構成されたセンサとを含むことができる。
いくつかの実施形態では、化学機械研磨装置に対するキャリアヘッドは、台座と、台座に接続された保持リングであって、中心開口を有する環状本体、本体内に形成されたチャネルであり、チャネルの第１の端部が中心開口に近接する、チャネル、およびチャネル内で第１の端部に近接して配置されたセンサであり、化学機械研磨プロセスからの音響および／または振動放出を検出するように構成されたセンサを含む保持リングと、台座および保持リングとは独立して可動になるように屈曲部によって台座に接続された支持構造と、加圧可能なチャンバの境界を画定する可撓膜であって、支持構造に接続され、基板に対する取付け表面を有する膜とを含むことができる。
いくつかの実施形態では、化学機械研磨状態を判定する方法は、化学機械研磨装置内に一体型センサを有する保持リングを設けるステップと、化学機械研磨装置内に配置された基板上で化学機械研磨プロセスを実行するステップと、実行される化学機械研磨プロセスからの音響および／または振動放出を、センサを介して捕捉するステップと、捕捉された音響および／または振動放出に関連する情報を伝送するステップと、伝送された情報の分析に基づいて化学機械研磨状態を判定するステップとを含むことができる。

【0005】

本開示の他のさらなる実施形態は、以下に記載する。
上記で簡単に要約し、以下でより詳細に論じる本開示の実施形態は、添付の図面に示す本開示の例示的な実施形態を参照することによって理解することができる。しかし、本開示は他の等しく有効な実施形態を許容することができるため、添付の図面は、本開示の典型的な実施形態のみを示し、したがって本開示の範囲を限定すると見なされるべきでないことに留意されたい。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】本開示のいくつかの実施形態による化学機械研磨装置の分解斜視図である。

【図2】本開示のいくつかの実施形態によるキャリアヘッドの概略横断面図である。

【図3】本開示のいくつかの実施形態による保持リングを示す図２のキャリアヘッドの拡大図である。

【図4】本開示のいくつかの実施形態による保持リングの概略図である。

【図5】本開示のいくつかの実施形態による化学機械研磨状態を判定する方法に対する流れ図である。

【図6】本開示のいくつかの実施形態による化学機械研磨プロセス中に検出された機械的な動作不良を示す電圧と時間の関係のグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0007】

理解を容易にするために、可能な場合、同一の参照番号を使用して、図に共通の同一の要素を指す。これらの図は、原寸に比例して描かれたものではなく、見やすいように簡略化されていることがある。一実施形態の要素および特徴は、さらなる記載がなくても、他の実施形態に有益に組み込むことができることが企図される。
本開示の実施形態は、ＣＭＰプロセスにおける終点、異常な状態、および他の診断情報の検出を可能にする装置および方法を含む。具体的には、基板上のＣＭＰプロセスによって生じる音響および／または振動放出情報は、一体型の音響／振動センサ３０２を有するＣＭＰ保持リングを使用して監視される。いくつかの実施形態では、一体型の音響／振動センサ３０２を有する本発明の保持リングは、ＣＭＰプロセスによって生じた音響／振動信号の実時間分析を可能にする。それらのＣＭＰ音響／振動信号は、たとえば、終点検出、基板のずれ、基板のローディングおよびアンローディングの問題などの異常な状態の検出、ＣＭＰ研磨の一体部分であるＣＭＰヘッドおよび他の関連する機械アセンブリの機械的性能の予測などのプロセス制御に使用することができる。記録された音響／振動情報は、音響／振動シグネチャに分解することができ、この音響／振動シグネチャの変化が監視され、音響／振動シグネチャのライブラリに対して比較される。音響周波数スペクトルの特徴の変化は、プロセスの終点、異常な状態、および他の診断情報を明らかにすることができる。したがって、本開示と一貫した実施形態は、有利には、統計的分析技法を使用して、事前設定された限界に対して機器パラメータを連続して監視し、機器の健康に関する予防的かつ迅速なフィードバックを提供することができる欠陥の検出および分類（ＦＤＣ）システムおよび方法を提供する。そのようなＦＤＣシステムおよび方法は、有利には、予定されないダウンタイムをなくし、ツールの利用可能性を改善し、廃物を低減させる。
いくつかの実施形態では、ＣＭＰ音響／振動信号／記録は、ＢＬＵＥＴＯＯＴＨなどの短距離無線方法または他の無線通信方法を使用して、ＣＭＰヘッドから伝送される。いくつかの実施形態では、研磨サイクルにおけるヘッドの回転中に絶えず充電することができる充電式電池によって、センサ電子機器に給電することができる。

【0008】

図１を参照すると、１つまたは複数の基板１０が化学機械研磨（ＣＭＰ）装置２０によって研磨される。ＣＭＰ装置２０は、テーブルトップ２３が取り付けられた下部の機台２２と、取り外し可能な上部の外側カバー（図示せず）とを含む。テーブルトップ２３は、一連の研磨ステーション２５ａ、２５ｂ、および２５ｃと、基板のローディングおよびアンローディングのための移送ステーション２７とを支持する。移送ステーション２７は、３つの研磨ステーション２５ａ、２５ｂ、および２５ｃとともに略正方形の配置を形成することができる。
各研磨ステーション２５ａ〜２５ｃは回転可能なプラテン３０を含み、プラテン３０上に研磨パッド３２が配置される。基板１０が直径８インチ（２００ミリメートル）または１２インチ（３００ミリメートル）のディスクである場合、プラテン３０および研磨パッド３２は、それぞれ直径約２０または３０インチである。プラテン３０は、機台２２内に位置するプラテン駆動モータ（図示せず）に接続することができる。大部分の研磨プロセスで、プラテン駆動モータはプラテン３０を１分当たり３０〜２００回回転させるが、より低いまたはより高い回転速度を使用することもできる。各研磨ステーション２５ａ〜２５ｃは、研磨パッドの研削状態を維持するために、関連するパッドコンディショナ装置４０をさらに含むことができる。

【0009】

反応剤（たとえば、酸化物研磨のための脱イオン水）および化学反応触媒（たとえば、酸化物研磨のための水酸化カリウム）を含有するスラリ５０を、スラリ／洗浄複合アーム５２によって研磨パッド３２の表面に供給することができる。研磨パッド３２が標準パッドである場合、スラリ５０はまた、研磨粒子（たとえば、酸化物研磨のための二酸化ケイ素）を含むことができる。典型的には、研磨パッド３２全体を覆って湿らせるのに十分なスラリが提供される。スラリ／洗浄アーム５２は、各研磨および調整サイクルの終了時に研磨パッド３２の高圧洗浄を提供するいくつかの噴霧ノズル（図示せず）を含む。

【0010】

下部の機台２２の上に回転可能なマルチヘッドカルーセル６０が位置決めされ、カルーセル６０は、カルーセル支持プレート６６およびカバー６８を含む。カルーセル支持プレート６６は、中心ポスト６２によって支持されており、機台２２内に位置するカルーセルモータアセンブリによって中心ポスト６２上でカルーセル軸６４の周りを回転させられる。マルチヘッドカルーセル６０は、カルーセル軸６４の周りに等しい角度間隔でカルーセル支持プレート６６上に取り付けられた４つのキャリアヘッドシステム７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、および７０ｄを含む。キャリアヘッドシステムのうちの３つは、基板を受け取って保持し、これらの基板を研磨ステーション２５ａ〜２５ｃの研磨パッドに押し付けることによって研磨する。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２７から基板を受け取り、また移送ステーション２７へ基板を送出する。カルーセルモータは、キャリアヘッドシステム７０ａ〜７０ｄおよびそれらに取り付けられた基板を、研磨ステーションと移送ステーションとの間でカルーセル軸６４の周りで旋回させることができる。

【0011】

各キャリアヘッドシステム７０ａ〜７０ｄは、研磨またはキャリアヘッド１００を含む。各キャリアヘッド１００は、各キャリアヘッド１００自体の軸の周りを独立して回転し、カルーセル支持プレート６６内に形成された半径方向のスロット７２内で独立して横方向に振動する。キャリア駆動シャフト７４が、スロット７２を通って延び、キャリアヘッド回転モータ７６（カバー６８の４分の１を除去することによって示す）をキャリアヘッド１００に接続する。各ヘッドに対して、１つのキャリア駆動シャフトおよびモータが存在する。各モータおよび駆動シャフトは、摺動部（図示せず）によって支持することができ、摺動部は、半径方向駆動モータによってスロットに沿って線形に駆動されて、キャリアヘッドを横方向に振動させることができる。
実際の研磨中には、キャリアヘッドのうちの３つ、たとえばキャリアヘッドシステム７０ａ〜７０ｃが、それぞれの研磨ステーション２５ａ〜２５ｃの上に位置決めされる。各キャリアヘッド１００は、基板を下げて研磨パッド３２に接触させる。概して、キャリアヘッド１００は、研磨パッドに対して定位置で基板を保持し、基板の裏面に力を分散させる。キャリアヘッドはまた、駆動シャフトからのトルクを基板へ伝達する。

【0012】

図２を参照すると、キャリアヘッド１００は、ハウジング１０２、台座１０４、ジンバル機構１０６、ローディングチャンバ１０８、保持リング１１０、および基板バッキングアセンブリ１１２を含む。ハウジング１０２は、駆動シャフト７４に接続されて、研磨中に駆動シャフト７４とともに回転軸１０７の周りで回転することができる。回転軸１０７は、研磨中に研磨パッドの表面に実質上直交する。ローディングチャンバ１０８は、ハウジング１０２と台座１０４との間に位置し、負荷、すなわち下向きの圧力を台座１０４に印加する。研磨パッド３２に対する台座１０４の垂直位置はまた、ローディングチャンバ１０８によって制御される。
基板バッキングアセンブリ１１２は、支持構造１１４と、支持構造１１４を台座１０４に接続する屈曲隔膜１１６と、支持構造１１４に接続された可撓部材または膜１１８とを含む。可撓膜１１８は、支持構造１１４の下に延びて、基板に対する取付け表面１２０を提供する。台座１０４と基板バッキングアセンブリ１１２との間に位置決めされたチャンバ１９０を加圧することで、可撓膜１１８を下方へ押して基板を研磨パッドに押し付ける。

【0013】

ハウジング１０２は、研磨すべき基板の円形の構成に対応するように、略円形の形状である。円筒形のブッシング１２２が、ハウジングを通って延びる垂直孔１２４内に嵌合することができ、２つの通路１２６および１２８が、キャリアヘッドの空気圧制御のためにハウジングを通って延びることができる。
台座１０４は、ハウジング１０２の下に位置する略リング状の本体である。台座１０４は、アルミニウム、ステンレス鋼、または繊維強化プラスチックなどの剛性材料から形成することができる。通路１３０が、台座を通って延びることができ、２つの取付け具１３２および１３４が、通路１３０に通路１２８を流体的に結合するようにハウジング１０２と台座１０４との間に可撓管を接続するための取付け点を提供することができる。
クランプリング１４２によって弾性および可撓膜１４０が台座１０４の下面に取り付けられて、内袋１４４を画定することができる。クランプリング１４２は、ねじまたはボルト（図示せず）によって台座１０４に固定することができる。内袋１４４に第１のポンプ（図示せず）を接続して、流体、たとえば空気などのガスを内袋内または内袋外へ誘導し、したがって支持構造１１４および可撓膜１１８にかかる下向きの圧力を制御することができる。

【0014】

ジンバル機構１０６は、台座を研磨パッドの表面に対して実質上平行のままに保ちながら、台座１０４をハウジング１０２に対して旋回させることを可能にする。ジンバル機構１０６は、円筒形のブッシング１２２を通って通路１５４内へ嵌合するジンバルロッド１５０と、台座１０４に固定される屈曲リング１５２とを含む。ジンバルロッド１５０は、台座１０４の垂直運動を提供するように通路１５４に沿って垂直に摺動することができるが、ジンバルロッド１５０は、ハウジング１０２に対する台座１０４のあらゆる横方向運動を防止する。
内側クランプリング１６２によって、折れ曲がった隔膜１６０の内側エッジをハウジング１０２に締め付けることができ、外側クランプリング１６４は、折れ曲がった隔膜１６０の外側エッジを台座１０４に締め付けることができる。したがって、折れ曲がった隔膜１６０は、ハウジング１０２と台座１０４との間の空間を密閉して、ローディングチャンバ１０８を画定する。折れ曲がった隔膜１６０は、略リング状で厚さ６０ミルのシリコーンシートとすることができる。ローディングチャンバ１０８に第２のポンプ（図示せず）を流体的に接続して、ローディングチャンバ内の圧力および台座１０４に印加される負荷を制御することができる。

【0015】

基板バッキングアセンブリ１１２の支持構造１１４は、台座１０４の下に位置する。支持構造１１４は、支持プレート１７０、環状の下部クランプ１７２、および環状の上部クランプ１７４を含む。支持プレート１７０は、略ディスク状の剛性部材とすることができ、複数の開孔１７６が支持プレート１７０を貫通する。加えて、支持プレート１７０は、下向きに突出するリップ１７８をその外側エッジに有することができる。
基板バッキングアセンブリ１１２の屈曲隔膜１１６は、略平面の環状リングである。屈曲隔膜１１６の内側エッジは、台座１０４と保持リング１１０との間に締め付けられ、屈曲隔膜１１６の外側エッジは、下部クランプ１７２と上部クランプ１７４との間に締め付けられる。屈曲隔膜１１６は可撓性および弾性を有するが、屈曲隔膜１１６はまた、半径方向および接線方向に剛性を有することもできる。屈曲隔膜１１６は、ネオプレンなどのゴム、ＮＹＬＯＮもしくはＮＯＭＥＸなどの弾性体で被覆された布、プラスチック、またはガラス繊維などの複合材料から形成することができる。

【0016】

可撓膜１１８は、クロロプレンまたはエチレンプロピレンゴムなどの可撓性および弾性材料から形成された略円形のシートである。可撓膜１１８の一部分は、支持プレート１７０のエッジの周りに延びて、支持プレートと下部クランプ１７２との間に締め付けられる。
可撓膜１１８、支持構造１１４、屈曲隔膜１１６、台座１０４、およびジンバル機構１０６の間に密閉される体積は、加圧可能なチャンバ１９０を画定する。チャンバ１９０に第３のポンプ（図示せず）を流体的に接続し、チャンバ内の圧力を制御し、したがって基板にかかる可撓膜の下向きの力を制御することができる。
保持リング１１０は、たとえばボルト１９４（図２の横断面図には１つのみを示す）によって台座１０４の外側エッジに固定された略環状のリングとすることができる。ローディングチャンバ１０８に流体が入れられ、台座１０４が下向きに押されたとき、保持リング１１０もまた下向きに押されて、研磨パッド３２に負荷を印加する。保持リング１１０の内面１８８は、可撓膜１１８の取付け表面１２０とともに基板受取り凹部１９２を画定する。保持リング１１０は、基板が基板受取り凹部から外れるのを防止する。

【0017】

図３を参照すると、保持リング１１０は、研磨パッドに接触することができる底面１８２を有する環状の下部部分１８０と、台座１０４に接続された環状の上部部分１８４とを含む複数の区分を含む。下部部分１８０は、接着剤層１８６によって上部部分１８４に接合することができる。

【0018】

いくつかの実施形態では、保持リング１１０はチャネル３０４を有し、チャネル３０４内に音響／振動センサ３０２が配置される。いくつかの実施形態では、音響／振動センサ３０２は、マイクロフォンとすることができる。他のタイプの音響センサを、本開示と一貫した実施形態とともに使用することもできる。いくつかの実施形態では、音響／振動センサ３０２は、振動を検出／測定する微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）加速度計などの加速度計とすることができる。いくつかの実施形態では、音響／振動センサ３０２は、表面音響波（ＳＡＷ）のインシトゥ検出／測定を実行することができる受動センサであり、ＳＡＷとは、弾性を呈する材料の表面に沿って進む音響波であり、典型的には基板内への深さとともに指数的に減衰する振幅を有する。いくつかの実施形態では、音響／振動センサ３０２は、基板上で実行されるプロセスから生じた音響放出および振動を検出、捕捉、および／または測定することができる。基板上のＣＭＰプロセスによって生じる音響／振動放出情報は、音響／振動センサ３０２によって捕捉される。一体型の音響／振動センサ３０２を有する本発明の保持リングは、音響／振動センサ３０２によって捕捉されるＣＭＰプロセスによって生じた音響信号の実時間分析を可能にする。音響／振動センサ３０２によって捕捉されるＣＭＰ音響／振動信号は、たとえば、終点検出、ウエハのずれ、基板のローディングおよびアンローディングの問題などの異常な状態の検出、ＣＭＰ研磨の一体部分であるＣＭＰヘッドおよび他の関連する機械アセンブリの機械的性能の予測などのプロセス制御に使用することができる。いくつかの実施形態では、捕捉された音響／振動情報は、音響／振動シグネチャに分解することができ、この音響／振動シグネチャの変化が監視され、音響／振動シグネチャのライブラリと比較される。音響／振動周波数スペクトルの特徴の変化は、プロセスの終点、異常な状態、および他の診断情報を明らかにすることができる。捕捉された音響／振動情報を分析し、たとえば、研磨プロセスによって引き起こされる基板の引っ掻きの検出、スラリアームとヘッドの衝突、ヘッドの摩耗（たとえば、シール、ジンバルなど）、欠陥のある軸受、コンディショナヘッドの作動、過度の振動などの機械的な動作不良を明らかにすることができる。図６は、たとえば音響／振動センサ３０２によって検出されたスラリアームの衝突を示す電圧と時間の関係のグラフを示す。電圧は、監視されているプロセスから放出される音響／振動エネルギーを音響／振動センサ３０２によって検出した測定値である。

【0019】

いくつかの実施形態では、音響／振動センサ３０２は、研磨パッド３２が基板１０に物理的に接触して基板１０に擦り付けられるときに放出される振動機械エネルギーを検出するように構成されたトランスデューサを含むことができる。音響／振動センサ３０２によって受け取られる音響／振動放出信号は、電気信号に変換され、次いで電気リード３０８を介して伝送器３１０に電子的に通信される。

【0020】

伝送器３１０は、受け取った音響／振動信号を分析のためにコントローラ／コンピュータ３４０へ送り、ＣＭＰ装置２０を制御することができる。いくつかの実施形態では、伝送器３１０は、伝送アンテナ３１２を有する無線伝送器とすることができる。したがって、いくつかの実施形態では、音響／振動センサ３０２によって検出されるＣＭＰ音響／振動信号は、ＢＬＵＥＴＯＯＴＨ、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）信号方式および規格、近距離通信（ＮＦＣ）信号方式および規格、米国電気電子学会（ＩＥＥＥ）８０２．１１ｘまたは８０２．１６ｘの信号方式および規格、または他の無線通信方法などの短距離無線方法を使用して、伝送器３１０を介してＣＭＰヘッドから伝送される。受信器は、これらの信号を受け取り、これらの信号は上記で論じたように分析される。いくつかの実施形態では、研磨サイクルにおけるヘッドの回転中に絶えず充電することができる充電式電池によって、センサ電子機器に給電することができる。

【0021】

コントローラ／コンピュータ３４０は、音響／振動センサ３０２によって捕捉された音響／振動放出に関連する伝送器３１０によって伝送される情報を分析するようにともに通信可能に結合された１つまたは複数のコンピュータシステムとすることができる。コントローラ／コンピュータ３４０は、概して、中央処理装置（ＣＰＵ）３４２と、メモリ３４４と、ＣＰＵ３４２のための支持回路３４６とを備え、ＣＭＰ処理状態（すなわち、プロセスの終点、異常な状態など）の判定、および判定されたＣＭＰプロセス状態に基づくＣＭＰ装置２０の構成要素の制御を容易にする。

【0022】

上記のＣＭＰ装置２０の制御を容易にするために、コントローラ／コンピュータ３４０は、様々なＣＭＰ装置およびサブプロセッサを制御するために工業的な環境で使用することができる任意の形の汎用コンピュータプロセッサの１つとすることができる。ＣＰＵ３４２のメモリ３４４またはコンピュータ可読媒体は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、フロッピーディスク、ハードディスク、またはローカルもしくは遠隔の任意の他の形のデジタルストレージなど、容易に入手可能なメモリの１つまたは複数とすることができる。支持回路３４６は、従来の方法でプロセッサを支持するようにＣＰＵ３４２に結合される。これらの回路は、キャッシュ、電力供給、クロック回路、入出力回路、およびサブシステムなどを含む。本明細書に記載する本発明の方法は、概して、ソフトウェアルーチンとしてメモリ３４４内に記憶される。ソフトウェアルーチンはまた、ＣＰＵ３４２によって制御されているハードウェアから遠隔に位置する第２のＣＰＵ（図示せず）によって記憶および／または実行することもできる。
いくつかの実施形態では、伝送器３１０は、保持リング１１０の外面に結合することができる。伝送器３１０と保持リング１１０の半径方向外側の表面との間にシール３１４を配置して、チャネル３０４の最も外側の直径開口を密閉することができる。

【0023】

チャネル３０４の最も内側の直径に沿ってシール３０６を配置して、音響／振動センサ３０２をＣＭＰプロセス環境から分離することができる。シール３０６は、ＣＭＰ処理材料および環境状態がチャネル３０４に入るのを防止しながら、高いレベルの音響／振動伝導性を提供する。いくつかの実施形態では、シール３０６は、チャネル３０４内へプレス嵌めすることができ、プランジャのようにチャネル３０４の最も内側の直径の方へ押し込むことができる。いくつかの実施形態では、シール３０６は、シリコン膜とすることができる。他の実施形態では、シール３０６は、保持リング１１０壁のうち穿孔または機械加工されていない部分とすることができる。シール３０６は、厚さ約１ｍｍ〜約１０ｍｍとすることができる。いくつかの実施形態では、音響／振動センサ３０２は、シール３０６が故障／破断したかどうかを検出するために、湿度または圧力センサを含むことができる。他の実施形態では、音響／振動センサ３０２によって検出される音響／振動信号の分析を使用して、シール３０６が故障したかどうかを判定することができる。

【0024】

いくつかの実施形態では、チャネル３０４は、音響／振動センサ３０２を収容するために、ガンドリルまたは他の方法で機械加工することができる。図３に示すように、いくつかの実施形態では、チャネル３０４は、保持リング１１０内に完全に配置することができる。チャネル３０４は、保持リング１１０の外面から中心開口に近接する保持リング１１０の内面（たとえば、内面１８８）まで延びることができる。いくつかの実施形態では、チャネル３０４は、環状の下部部分１８０、環状の上部部分１８４、または両方の組合せの中に完全に配置することができる。図４は、チャネル４０２が保持リング１１０および台座１０４内に配置され、台座１０４の上面上に配置された伝送器３１０に電気リード３０８が取り付けられる少なくとも１つの他の実施形態を示す。図４では、台座１０４および保持リング１１０の交差部でチャネル４０２および電気リード３０８の周りにシール４０４が配置される。

【0025】

動作の際、本開示の実施形態は、図５に方法５００に関して記載するように、化学機械研磨状態を判定するために使用することができる。方法５００は、５０２から始まって５０４へ進み、５０４で、一体型の音響／振動センサ３０２を有する保持リング１１０が、化学機械研磨装置２０内に設けられる。５０６で、化学機械研磨装置２０内に配置された基板１０上で化学機械研磨プロセスを実行することができる。いくつかの実施形態では、化学機械研磨プロセスは、研磨プロセス、基板ローディングまたはアンローディングプロセス、洗浄プロセスなどを含むことができる。
方法５００は５０８へ進み、５０８で、保持リング１１０内に埋め込まれた音響／振動センサ３０２が、実行される化学機械研磨プロセスからの音響／振動放出を捕捉する。
５１０で、音響／振動センサ３０２によって捕捉された音響／振動放出に関連する情報が、伝送器３１０によって伝送される。いくつかの実施形態では、音響／振動放出に関連する情報は、伝送器３１０によってコントローラ／コンピュータ３４０へ無線で伝送される。
５１２で、伝送される情報の分析に基づいて、１つまたは複数の化学機械研磨状態が判定される。たとえば、いくつかの実施形態では、判定される状態は、ＣＭＰプロセスの終点検出、基板のずれ、基板のローディングおよびアンローディングの問題などの異常な状態の検出、ＣＭＰ研磨の一体部分であるＣＭＰヘッドおよび他の関連する機械アセンブリの機械的性能の状態などを含むことができる。いくつかの実施形態では、コントローラ／コンピュータ３４０は、伝送器３１０によって伝送される情報を分析して、１つまたは複数のＣＭＰプロセス状態を判定することができる。
５１４で、判定された化学機械研磨状態に基づいて、化学機械研磨装置をコントローラ／コンピュータ３４０によって制御することができる。方法５００は、５１６で終了する。

【0026】

図３を参照すると、下部部分１８０は、ＣＭＰプロセスにおいて化学的に不活性の材料から形成される。加えて、下部部分１８０は、基板エッジが保持リングに接触することで基板が欠けたりひび割れたりしないような十分な弾性を有するべきである。他方では、下部部分１８０は、保持リングにかかる下向きの圧力が下部部分１８０を基板受取り凹部１９２内へ押し出すほどの弾性を有するべきではない。具体的には、下部部分１８０の材料は、ショアＤの尺度で約８０〜９５のジュロメータ測定値を有することができる。概して、下部部分１８０の材料の弾性係数は、約０．３〜１．０ １０６ｐｓｉの範囲内とすることができる。下部部分はまた、耐久性および低い摩耗率を有するべきである。しかし、下部部分１８０が徐々に擦り減ることは許容することができる。これは、基板エッジが内面１８８内に深い溝を切り込むことを防止すると考えられるためである。たとえば、下部部分１８０は、インディアナ州エバンズビルのＤＳＭ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＰｌａｓｔｉｃｓからＴｅｃｈｔｒｏｎ（商標）の商品名で入手可能なポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）などのプラスチックから作ることができる。デラウェア州ウィルミントンのＤｕｐｏｎｔから入手可能なＤＥＬＲＩＮ（商標）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、もしくはポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、または同じくＤｕｐｏｎｔから入手可能なＺＹＭＡＸＸ（商標）などの複合材料などの他のプラスチックも適している。

【0027】

下部部分１８０の厚さＴ１は、基板１０の厚さＴＳより大きくするべきである。具体的には、下部部分は、基板がキャリアヘッドにチャック締めされたときに基板が接着剤層に触れないように十分に厚くするべきである。他方では、下部部分が厚すぎる場合、保持リングの底面は、下部部分の可撓性による変形を受ける。下部部分１８０の最初の厚さは、約２００〜４００ミルとすることができる（溝の深さは１００〜３００ミルである）。溝が擦り減ると、下部部分を交換することができる。したがって、下部部分１８０の厚さＴ１は、約４００ミル（最初の厚さを４００ミルとする）〜約１００ミル（深さ３００ミルの溝が擦り減ったものとする）で変動することができる。保持リングが溝を含まない場合、下部部分は、保持リングの下部部分の厚さが基板の厚さに等しくなったときに交換することができる。

【0028】

下部部分１８０の底面は実質上平坦とすることができ、または底面は、保持リングの外側から基板へのスラリの輸送を容易にするために、複数のチャネルもしくは溝を有することができる。
保持リング１１０の上部部分１８４は、金属、たとえばステンレス鋼、モリブデン、もしくはアルミニウム、またはセラミック、たとえばアルミナなどの剛性材料、あるいは他の例示的な材料から形成される。上部部分の材料は、約１０〜５０ １０６ｐｓｉ、すなわち下部部分の材料の弾性係数の約１０〜１００倍の弾性係数を有することができる。たとえば、下部部分の弾性係数は、約０．６ １０６ｐｓｉとすることができ、上部部分の弾性係数は、約３０ １０６ｐｓｉとすることができ、したがって比は約５０：１である。上部部分１８４の厚さＴ２は、下部部分１８０の厚さＴ１より大きくするべきである。具体的には、上部部分は、約３００〜５００ミルの厚さＴ２を有することができる。

【0029】

接着剤層１８６は、２つの部分からなる低速硬化エポキシとすることができる。低速硬化とは、概して、エポキシが固まるのに数時間から数日程度かかることを示す。エポキシは、ジョージア州チャンブリーのＭａｇｎｏｌｉａ Ｐｌａｓｔｉｃｓから入手可能なＭａｇｎｏｂｏｎｄ−６３７５（商標）とすることができる。あるいは、接着剤で取り付けるのではなく、ねじまたはプレス嵌めで下層を上部部分に接続することもできる。

【0030】

保持リングの底面の平坦度は、エッジ作用に影響を与える。具体的には、底面が非常に平坦である場合、エッジ作用は低減される。保持リングが比較的可撓性である場合、保持リングがたとえばボルト１９４によって台座に連結されると、保持リングは変形する可能性がある。この変形は、非平面の底面をもたらし、したがってエッジ作用が増大する。保持リングは、キャリアヘッド上に設置後にラッピングまたは機械加工することができるが、ラッピングは、基板を損傷しまたはＣＭＰプロセスを汚染する可能性のある破片を底面内に埋め込む傾向があり、機械加工は、時間がかかり不便である。他方では、ステンレス鋼リングなどの完全に剛性の保持リングは、基板にひび割れを引き起こし、またはＣＭＰプロセスを汚染する可能性がある。

【0031】

本開示の保持リングでは、保持リング１１０の上部部分１８４の剛性により、完全にＰＰＳなどの可撓性材料から形成された保持リングと比較すると、保持リングの全体的な曲げ剛性がたとえば３０〜４０倍増大する。剛性の上部部分によって提供される剛性を増大させることで、保持リングを台座に取り付けることによって引き起こされるこの変形が低減され、またはなくなり、したがってエッジ作用が低減する。さらに、この保持リングは、保持リングがキャリアヘッドに固定された後にラッピングする必要はない。加えて、ＰＰＳの下部部分は、ＣＭＰプロセスにおいて不活性であり、基板エッジが欠けたりひび割れたりするのを防止するのに十分な弾性を有する。

【0032】

本開示の保持リングの剛性を増大させる別の利益は、保持リングの剛性を増大させることで、研磨プロセスがパッドの圧縮性の影響を受けにくくなることである。いかなる特定の理論にも限定されるものではないが、特に可撓性の保持リングの場合、エッジ作用に対する１つの可能な寄与は、保持リングの「撓み」と呼ぶことができるものである。具体的には、キャリアヘッドの後方エッジで保持リングの内面にかかる基板エッジの力は、研磨パッドの表面に対して平行な軸の周りでわずかに保持リングを撓ませ、すなわち局部的に捩じる可能性がある。これにより、保持リングの内径は研磨パッド内へより深く押されて、研磨パッドにかかる圧力を増大させ、基板のエッジの方へ研磨パッド材料の「流れ」を引き起こして変位させる。研磨パッド材料の変位は、研磨パッドの弾性特性に依存する。したがって、パッド内へ撓む可能性のある比較的可撓性の保持リングの場合、研磨プロセスはパッド材料の弾性特性の影響を極めて受けやすい。しかし、剛性の上部部分によって提供される剛性を増大させることで、保持リングの撓みが減少し、したがってパッドの変形が低減され、パッドの圧縮性の影響を受けにくくなり、エッジ作用が低減される。

【0033】

上記の実施形態は、ＣＭＰプロセスに対する音響／振動センサ３０２が埋め込まれた保持リングに焦点を当てているが、同じ設計を基板処理チャンバ内などのエッジリングにも使用することができる。加えて、いくつかの実施形態は、異なる観点から様々な処理状態を検出して「スマートチャンバ」を作製するために、基板処理チャンバの様々な部分に配置された１つまたは複数の音響／振動センサ３０２を含むことができる。
上記は本開示の実施形態を対象とするが、本開示の基本的な範囲から逸脱することなく、本開示の他のさらなる実施形態を考案することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】