专利名称：抛光设备和抛光方法
技术领域：
本发明涉及衬底加工方法，并且特别是涉及用于抛光和平整化诸如半导体晶片的衬底的抛光设备和抛光方法。
背景技术：
一些用于抛光和平整化诸如半导体晶片的衬底(或基片)的抛光设备可以调节托架头中的腔室压力。这种抛光设备测量与衬底的薄膜厚度相关的物理量并根据该物理量计算薄膜厚度轮廓。然后，该抛光设备根据所计算的薄膜厚度轮廓和期望的薄膜厚度轮廓之间的比较调节托架头中的腔室压力。
但是，传统的抛光设备不执行其中托架头中的腔室压力在抛光期间连续调节的实时控制。当然，实时控制有望获得更接近期望厚度轮廓的抛光结果。当实时控制应用于传统抛光设备中的压力按比例调节方法时，晶片表面上的薄膜厚度或者大体上与该薄膜厚度成比例的数据需要被现场测量。因此，根据晶片上的薄膜类型或测量方法使实时控制在应用方面受到相当大的限制。
另外，如果期望的厚度轮廓时时改变的话，需要复杂的过程。如果期望的厚度轮廓对于抛光轮廓而言固定，尤其是在初始薄膜厚度与期望厚度轮廓存在很大不同的情况下，被控变量变得过多或不稳定。
发明内容
本发明鉴于上述缺陷而提出。因此，本发明的一个目的在于提供一种实用的抛光设备和方法，其可以精确地控制抛光轮廓、抛光时间或衬底抛光速率。
另外，本发明的另一个目的在于提供一种实用的衬底加工方法，其可以精确地控制形成于衬底上的薄膜的轮廓、加工时间或加工速率。
根据本发明的第一方面，提供了一种具有抛光台和顶圈的抛光设备，所述抛光台具有抛光表面，所述顶圈用于在控制施加于衬底上的至少一个区域的压紧力的同时将该衬底压靠在抛光表面上。该抛光设备具有传感器、监测单元和存储装置，所述传感器用于监测衬底上的至少一个测量点的衬底状况，所述监测单元用于对来自所述传感器的信号执行预定的运算处理，以产生监测信号，所述存储装置用于存储表示用于所述监测信号的参考值和时间之间的关系的参考信号。该抛光设备包括控制器，该控制器用于将测量点的监测信号与参考信号进行比较并且控制顶圈的压紧力，从而使测量点的监测信号趋同(converge)于所述参考信号。
顶圈可以被配置为独立地控制施加于衬底上的多个区域的压紧力。所述传感器可以是可操作的，以监测衬底上的多个测量点的衬底状况。所述顶圈可以包括多个压力室，以用于向衬底上的所述多个区域独立地施加压紧力。
控制器可以是可操作的，以计算抛光开始时多个测量点的监测信号的平均值，并且相对于时间序列平移该参考信号，从而使得抛光开始时的参考信号等于所述平均值。
控制器可以是可操作的，以计算在抛光过程的期望时间点处所述多个测量点的监测信号的平均值，并且相对于一时间序列在所述期望时间点后平移该参考信号，从而使得期望时间点处的参考信号等于所述平均值。
控制器可以是可操作的，以相对于时间序列平移该参考信号，从而使得抛光开始时的参考信号等于抛光开始时衬底上的预定测量点的监测信号。
控制器可以是可操作的，以在抛光过程的期望时间点之后相对于时间序列平移该参考信号，从而使得期望时间点处的参考信号等于在期望时间点处衬底上的预定测量点的监测信号。
控制器可以是可操作的，以在抛光开始时相对于时间序列平移该参考信号，从而使得抛光时间变为期望的时间段。
控制器可以是可操作的，以计算等于抛光过程的期望时间点处的监测信号的参考信号的时间点，并且计算从参考信号等于监测信号的时间点到参考信号变为预定值的参考时间点的时间段。
参考信号可以为这样的信号，其中形成于衬底上的薄膜类型、层状结构、互连结构、抛光液的物理性能、抛光表面的温度、衬底温度、形成抛光表面的抛光工具的厚度中的至少一个被设定为参数。
另外，在使用了当前抛光过程中所用的抛光表面的此前(或过去)抛光过程中所获得的监测信号或者在使用了已经被替换的另一抛光表面的此前抛光过程的初始阶段所获得的监测信号可以被用作该参考信号。
控制器可以是可操作的，以通过使用预测控制来控制顶圈的压紧力。在这种情况下，控制器的控制周期可以在1秒至10秒的范围内。
监测单元可以是可操作的，以排除衬底的周边部分处的测量点的监测信号。可选地，监测单元可以是可操作的，以校正衬底的周边部分处的测量点的监测信号。
传感器可以包括涡流传感器、光学传感器和微波传感器中的至少一个。希望该传感器是可操作的，以测量该衬底的表面上的薄膜厚度。
该抛光设备可以还包括致动器，以用于提供抛光台和顶圈之间的相对运动。在这种情况下，传感器可以设置在抛光台内。致动器可以包括用于旋转抛光台的电动机。
控制器可以是可操作的，以在抛光过程中间歇地中断控制。控制器可以是可操作的，以在抛光结束之前完成控制并且将该时刻的抛光条件保持到抛光结束为止。控制器可以是可操作的，以将一个衬底的抛光过程完成的时间点的抛光条件作为用于另一个衬底的抛光过程的初始抛光条件。控制器可以是可操作的，以根据监测单元的信号检测抛光终点。
根据本发明的第二方面，提供了一种具有抛光台和顶圈的抛光设备，所述抛光台具有抛光表面，所述顶圈用于在独立地控制施加于衬底上的多个区域的压紧力的同时将该衬底压靠在抛光表面上。该抛光设备具有传感器、监测单元和控制器，所述传感器用于监测衬底上的多个测量点的衬底状况，所述监测单元用于对来自所述传感器的信号执行预定的运算处理，以产生监测信号，所述控制器用于根据所述监测信号控制顶圈的压紧力。控制器是可操作的，以在施加到所述多个区域的至少一个上的压紧力超过预定范围时按比例调节(缩放)施加到所述多个区域上的压紧力或该压紧力的变化量，从而使得当施加到所述多个区域的至少一个上的压紧力超过预定范围时施加到所有区域上的压紧力处于预定范围内。
根据本发明的第三方面，提供了一种具有抛光台和顶圈的抛光设备，所述抛光台具有抛光表面，所述顶圈用于在独立地控制施加于衬底上的多个区域的压紧力的同时将该衬底压靠在抛光表面上。该抛光设备具有传感器、监测单元和控制器，所述传感器用于监测衬底上的多个测量点的衬底状况，所述监测单元用于对来自所述传感器的信号执行预定的运算处理，以产生监测信号，所述控制器根据所述监控信息具有极限值时的时间点控制所述顶圈的压紧力。在这种情况下，非金属薄膜可以形成于衬底的表面上。
根据本发明的第四方面，提供了一种具有抛光台和顶圈的抛光设备，所述抛光台具有抛光表面，所述顶圈用于在独立地控制施加于衬底上的多个区域的压紧力的同时将该衬底压靠在抛光表面上。该抛光设备具有传感器、监测单元和控制器，所述传感器用于监测衬底上的多个测量点的衬底状况，所述监测单元用于对来自所述传感器的信号执行预定的运算处理，以产生监测信号，所述控制器用于根据所述监控信息控制所述顶圈的压紧力，从而调节在抛光衬底期间施加到所述多个区域上的压紧力的灵敏度。
根据本发明的第五方面，提供了一种抛光衬底的方法。在该方法中，由传感器对衬底上的至少一个测量点的衬底状况进行监测。对来自所述传感器的信号执行预定的运算处理，以产生监测信号。将所述测量点的监测信号与表示用于该监测信号的参考值和时间之间关系的参考信号进行比较。将所述衬底压靠在抛光表面上，以抛光该衬底，同时控制施加于衬底上的至少一个区域的压紧力，从而使得测量点的监测信号趋同于参考信号。
根据本发明的第六方面，提供了一种加工衬底的方法。在该方法中，衬底上的至少一个测量点的衬底状况由传感器监测。对来自所述传感器的信号执行预定的运算处理，以产生监测信号。将所述测量点的监测信号与表示用于该监测信号的参考值和时间之间关系的参考信号进行比较。在控制衬底状况从而使得测量点的监测信号趋同于参考信号的同时在该衬底上形成薄膜。
根据本发明，可以精确地控制衬底的抛光轮廓、抛光时间和抛光速率。
从结合附图进行的以下描述中，本发明的上述及其他目的、特征和优将变得显而易见，所述附图以举例的方式示出了本发明的优选实施例。
图1是示出了根据本发明的一实施例的抛光设备的平面图；图2是示出了图1所示抛光设备中的抛光单元的一部分的示意图；图3是示出了图2所示抛光单元中的顶圈的竖直剖视图；图4是示出了图2所示抛光单元中的顶圈的仰视图；图5是示出了图2所示抛光单元中的抛光台和半导体晶片之间关系的平面图；图6是示出了一轨迹线的平面图，其中图2所示抛光单元中的传感器在该轨迹线上扫描半导体晶片；图7是示出了一实例的平面图，其中待监测的测量点从图6所示的半导体晶片上的测量点中选出；图8是示出了当抛光晶片的金属薄膜时监测信号变化的曲线图；图9是示出了根据本发明的抛光方法的监测信号变化的曲线图；图10是示出了根据本发明确定参考信号过程的流程图；图11是示出了图2所示传感器的有效测量范围的平面图；图12是示出了根据本发明的参考信号的一应用实例的曲线图；图13是示出了根据本发明的参考信号的另一应用实例的曲线图；图14是示出了根据本发明的参考信号的另一应用实例的曲线图；图15是示出了根据本发明的参考信号的另一应用实例的曲线图；图16是示出了根据本发明的抛光方法的监测信号变化的曲线图；图17是示出了根据本发明的转换参考信号和监测信号的方法的一实例的曲线图；
图18是示出了具有光学传感器的抛光单元的示意图；图19是示出了具有微波传感器的抛光单元的示意图；图20是示出了图19所示的微波传感器的示意图；图21是根据本发明的参考信号的一应用实例的图形表示；图22是根据本发明的控制运算方法的图形表示；图23是根据本发明的预测控制的示意图说明；图24是示出了用于根据本发明的预测控制的模糊规则的一实例的表格；图25是示出了用于根据本发明的预测控制的模糊规则的另一实例的表格；图26是示出了图24和25中的因变量的隶属函数的概念性曲线图；图27是示出了图24和25中的结果变量的隶属函数的概念性曲线图；图28是根据本发明的压紧力的按比例调节方法的图形表示；图29是根据本发明的压紧力的按比例调节方法的图形表示；图30A和30B是示出了根据本发明的抛光方法的模拟结果的曲线图；图31是示出了一实例的示意图，其中根据本发明的抛光方法应用于具有多个阶段的抛光过程；图32是示出了适用于本发明的电镀设备的一实例的竖直剖视图；图33是图32所示电镀设备中的阳极的平面图；图34是示出了适用于本发明的CVD装置的一实例的竖直剖视图；以及图35是示出了适用于本发明的另一CVD装置的实例的竖直剖面图。
具体实施例方式
下面将参照图1-35描述根据本发明的实施例的抛光设备。在图1-35中，相同或相应的部件由相同或相应的参考数字表示并且在下面不再重复描述。
图1是示出了根据本发明的一实施例的抛光设备的平面图。如图1所示，该抛光设备具有四个装载/卸载台2，其上放置有用于储存大量半导体晶片的晶片盒1。沿装载/卸载台2的阵列设置有移动机构3。具有两只手的第一传送机器人4设置在移动机构3上。第一传送机器人4的手可触及装载/卸载台2上的各晶片盒1。
两个清洁及干燥单元5和6设置在与晶片盒1相对的第一传送机器人4的移动机构3的相对侧。第一传送机器人4的手也可触及清洁及干燥单元5和6。每个清洁及干燥单元5和6具有旋转干燥功能，以使晶片高速旋转，从而干燥该晶片。晶片站11设置在两个清洁及干燥单元5和6之间，所述晶片站具有四个用于半导体晶片的摆放台7、8、9和10。第一传送机器人4的手可触及该晶片站11。
第二传送机器人12设置在可触及清洁及干燥单元5和三个摆放台7、9和10的位置处，所述第二传送机器人12具有两只手。第三传送机器人13设置在可触及清洁及干燥单元6和三个摆放台8、9和10的位置处，所述第三传送机器人具有两只手。摆放台7用于在第一传送机器人4和第二传送机器人12之间传送半导体晶片。摆放台8用于在第一传送机器人4和第三传送机器人13之间传送半导体晶片。摆放台9用于从第二传送机器人12向第三传送机器人13传送半导体晶片。摆放台10用于从第三传送机器人13向第二传送机器人12传送半导体晶片。摆放台9位于摆放台10上方。
用于清洁被抛光晶片的清洁单元14邻近清洁及干燥单元5设置在第二传送机器人12的手可触及的位置处。用于清洁被抛光晶片的清洁单元15邻近清洁及干燥单元6设置在第三传送机器人13的手可触及的位置处。
如图1所示，该抛光设备具有两个抛光单元16和17。每个抛光单元16和17具有两个抛光台和一个顶圈，所述顶圈用于保持晶片并将该晶片压靠在抛光台上以抛光该晶片。特别是，抛光单元16包括第一抛光台18、第二抛光台19、顶圈20、用于向第一抛光台18供给抛光液的抛光液供给喷嘴21、用于磨光第一抛光台18的打磨机22和用于磨光第二抛光台19的打磨机23。另外，抛光单元17包括第一抛光台24、第二抛光台25、顶圈26、用于向第一抛光台24供给抛光液的抛光液供给喷嘴27、用于磨光第一抛光台24的打磨机28和用于磨光第二抛光台25的打磨机29。
用于翻转半导体晶片的翻转机30设置在抛光单元16中的第二传送机器人12的手可触及的位置处。第二传送机器人12将半导体晶片传送到翻转机30。类似地，用于翻转半导体晶片的翻转机31设置在抛光单元17中的第三传送机器人13的手可触及的位置处。第三传送机器人13将半导体晶片传送到翻转机31。
用于在翻转机30、31和顶圈20、26之间传送晶片的旋转输送机32设置在翻转机30、31和顶圈20、26的下面。旋转输送机32具有四个以等间距布置的平台，其上放置有晶片。因此，多个晶片可以同时安装在旋转输送机32上。当晶片传送到翻转机30或31并且由翻转机30或31夹住的所述晶片的中心与旋转输送机32中的平台中心对准时，设置在旋转输送机32下方的升降机33或34升起，以将晶片传送到旋转输送机32上。
传送到顶圈20或26的晶片由顶圈20或26的真空抽吸机构所吸引。所述晶片在其由真空抽吸机构吸引的同时被传送到抛光台18或24。随后，该晶片由抛光表面、例如附装到抛光台18或24上的抛光垫或砂轮抛光。第二抛光台19和25中的每一个设置在顶圈20或26可触及的位置处。因此，在晶片由第一抛光台18或24抛光之后，该晶片可以由第二抛光台19或25抛光。抛光后的晶片沿如上所述相同的路径返回至翻转机30或31。
返回到翻转机30或31的晶片由第二传送机器人12或第三传送机器人13传送至清洁单元14或15并在其内部被清洁。在清洁单元14或15内部被清洁的晶片由第二传送机器人12或第三传送机器人13传送至清洁单元5或6并在其内部被干燥。在清洁单元5或6内部被清洁的晶片由第二传送机器人12或第三机器人13放置在摆放台7或8上并且通过第一传送机器人返回到位于装载/卸载台2上的晶片盒1中。
现在，将对上述抛光单元进行详细描述。由于抛光单元16和抛光单元17具有相同的结构，因此下文将只对抛光单元16的结构进行描述。下列说明也适用于抛光单元17。
图2是示出了图1所示抛光单元16的一部分的示意图。如图2所示，具有上表面的抛光台18设置在顶圈20的下面，抛光垫40附装到所述上表面上。抛光液供给喷嘴21设置在抛光台18的上方。抛光液Q从抛光液供给喷嘴21供给至抛光台18上的抛光垫40。抛光台18联接到电动机(未示出)上，所述电动机充当驱动机构，以用于提供抛光台18和顶圈20之间的相对运动。因此，抛光台18被配置为是可转动的。
市场上销售的各种抛光垫均可使用。例如，其中的一些为由Rodel Inc.制造的SUBA800，IC-1000、IC-1000/SUBA400(双层布)以及由FujimiInc制造的Surfin xxx-5和Surfin 000。SUBA800、Surfin xxx-5和Surfin000为由聚氨酯树脂粘结的非织造织物，IC-1000由硬聚氨酯泡沫(单层)制成。聚氨酯泡沫是多孔的并且具有大量形成在其表面中的细小凹槽或孔。
顶圈20经由万向接头41连接到顶圈轴42上，并且顶圈轴42联接到固定于顶圈头43上的顶圈气缸44上。顶圈20具有大致盘状的顶圈主体60和设置在该顶圈主体60的外周部分处的挡圈61。顶圈主体60联接至顶圈轴42的下端。
顶圈气缸44经由调节器RE1连接到压力调整装置45。压力调整装置45用于调节由例如来自压缩空气源或由泵等抽吸的压缩空气的加压流体供给的压力。将供给至顶圈气缸44的加压空气的气压由压力调整装置45经由调节器RE1进行调节。顶圈气缸44沿垂直方向移动顶圈轴42，以使整个顶圈20升高或降低并在预定压紧力的作用下将附装在顶圈主体60上的挡圈61压靠在抛光台18上。
顶圈轴42通过键(未示出)联接到旋转套筒46上。旋转套筒46具有设置在其外周部分处的定时滑轮47。顶圈电动机48固定到顶圈头43上，所述顶圈电动机充当驱动机构，以提供抛光台18和顶圈20之间的相对运动。定时滑轮47经由定时带49连接至安装在顶圈电动机48上的定时滑轮50。因此，当顶圈电动机48被激励旋转时，旋转套筒46和顶圈轴42通过定时滑轮50、定时带49和定时滑轮47彼此协调地旋转，从而使顶圈20旋转。顶圈头43支撑在顶圈头轴51上，所述顶圈头轴可旋转地支撑在框架(未示出)上。
如图2所示，用于监测(检测)包括正被抛光的半导体晶片的薄膜厚度在内的衬底状况的传感器52嵌入到抛光台18中。传感器52与监测单元53和控制器54相连。传感器52的输出信号被传输到监测单元53，在此处对传感器52的输出信号进行必要的转换和操作(算术运算处理)，以产生监测信号。监测单元53具有控制器53a，以用于根据所述监测信号进行控制运算。控制器53a根据监测信号确定顶圈20压紧晶片的作用力(压紧力)并将该压紧力发送给控制器54。例如，使用涡流传感器作为传感器52。设置在监测单元53的外部的控制器54向压力调整装置45发送命令，以改变由顶圈20施加的压紧力。监测单元53中的控制器53a和控制器54可以集成在一起，以形成单个控制器。
图3是示出了图2所示顶圈20的竖直剖面图，图4是示出了图2所示顶圈20的仰视图。如图3所示，顶圈20具有在其中限定出接受空间的圆柱形外壳形式的顶圈主体60和固定到该顶圈主体60的下端的挡圈61。挡圈61具有径向向内凸出的下部。顶圈主体60由具有高强度和刚度的材料、例如金属或陶瓷制成。挡圈61由高刚性树脂、陶瓷等材料制成。挡圈61可以与顶圈主体60一体形成。
顶圈轴42设置在顶圈主体60的中心部分上方，并且顶圈主体60通过万向接头41联接到顶圈轴42上。万向接头41具有球面轴承机构和旋转传动机构，顶圈主体60和顶圈轴42通过所述球面轴承机构可彼此相对倾斜，所述旋转传动机构用于将顶圈轴42的转动传递给顶圈主体60。球面轴承机构和旋转传动机构将压紧力和旋转力从顶圈轴42传递给顶圈主体60，同时允许顶圈主体60和顶圈轴42彼此相对倾斜。
球面轴承机构包括限定于顶圈轴的下表面中心处的半球形凹槽42a，限定于顶圈主体60的上表面中心处的半球形凹槽60a和由诸如陶瓷的高硬度材料制成并插入到凹槽42a和60a之间的轴承滚珠62。同时，旋转传动机构包括固定到顶圈轴42上的驱动销(未示出)和固定到顶圈主体60上的从动销(未示出)。即使顶圈主体60相对于顶圈轴42倾斜，由于驱动销和传动销可彼此相对地沿垂直方向移动，从而使得驱动销和从动销在接触点移动的情况下保持彼此接合。因此，旋转传动机构可靠地将顶圈轴42的旋转扭矩传递给顶圈主体60。
顶圈主体60和挡圈61具有限定于其中的空间，所述空间在其中容纳有弹性垫63、环形保持环64和夹盘65，所述弹性垫63与由顶圈20固定的半导体晶片W形成接触，所述夹盘65大体上为盘状，以用于支撑弹性垫63。弹性垫63具有夹持在保持环64和夹盘65之间的径向外缘，并且径向向内延伸，以覆盖夹盘65的下表面。因此，在弹性垫63和夹盘65之间限定出一空间。
夹盘65可以由金属制成。然而，在使用涡流传感器作为传感器52以测量形成在半导体晶片W上的薄膜厚度的情况下，夹盘65应当优选地由例如氟树脂(例如聚四氟乙烯)的非磁性材料或例如SiC(碳化硅)陶瓷、Al2O3(氧化铝)陶瓷的绝缘材料等制成。
包括弹性膜的加压板66在保持环64和顶圈主体60之间延伸。顶圈主体60、夹盘65、保持环64和加压板66共同限定出顶圈主体60中的压力室71。如图3所示，包括管和连接器的流体通道81与压力室71连通，所述压力室通过设置在流体通道81中的调节器RE2(参见图2)与压力调整装置45相连。加压板66由高强度且耐久的橡胶材料、例如乙丙橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶或硅橡胶制成。
中心袋90和与弹性垫63形成接触的环管91安装在限定于弹性垫63和夹盘65之间的空间内。在本实施例中，如图3和4所示，中心袋90居中地设置在夹盘65的下表面上，并且环管91设置在中心袋90的径向外侧并与其呈环绕关系。如同加压板66一样，弹性垫63、中心袋90和环管91中的每一个由高强度且耐久的橡胶材料、例如乙丙橡胶(EPDM)、聚氨酯橡胶或硅橡胶制成。
限定于夹盘65和弹性垫63之间的空间由中心袋90和环管91分成多个空间。因此，压力室72限定于中心袋90和环管91之间，并且压力室73限定于环管91的径向外侧。
中心袋90包括与弹性垫63的上表面形成接触的弹性膜90a和可拆卸地将弹性膜90a保持在适当位置上的中心袋支架90b。中心袋90在内部具有由弹性膜90a和中心袋支架90b界定的中心压力室74。类似地，环管91包括与弹性垫63的上表面形成接触的弹性膜91a和用于可拆卸地将弹性膜91a保持在适当位置处的环管支架91b。环管91在内部具有由弹性膜91a和环管支架91b限定的中间压力室75。
包括管和连接器的流体通道82、83、84和85分别与压力室72、73、74和75连通。压力室72-75经由分别连接到流体通道82-85的各调节器RE3-RE6与压力调整装置45相连。流体通道81-85通过安装于顶圈轴42的顶端上的回转接头(未示出)与各自的调节器RE2-RE6相连。
夹盘65上方的压力室71和压力室72-75经由与各压力室相连的流体通道81-85被供给诸如压缩空气的加压流体或被排空。如图2所示，与压力室71-75的流体通道81-85相连的的调节器RE2-RE6可以分别调节将供给至各压力室的加压流体的压力。因此，可以独立地控制压力室71-75中的压力或者独立地将大气或真空引入压力室71-75。这样，压力室71-75中的压力利用调节器RE2-RE6独立变化，因此经由弹性垫63将半导体晶片W压靠在抛光垫40上的压紧力可以在半导体晶片W的局部区域(分开区域)内进行调节。在一些应用中，压力室71-75可以与真空源55(参见图2)相连。
在这种情况下，供给至压力室72-25的流体可以在温度方面独立地控制。利用该配置，可以从待抛光表面的背面直接控制衬底、诸如半导体晶片的温度。特别地，当每个压力室在温度方面独立地控制时，化学反应的速率可以在CMP的化学抛光过程中进行控制。
如图4所示，弹性垫63具有多个开口92。内部抽吸部分93从夹盘65向下突出，从而穿过位于中心袋90和环管91之间的各开口92露出。外部抽吸部分94从夹盘65向下突出，从而穿过位于环管91的径向外侧的各开口92露出。在该实施例中，弹性垫63具有8个开口92，并且抽吸部分93和94通过这些开口92露出。
抽吸部分61和62具有分别与流体通道86和87连通的连通孔93a和94a。如图2所示，抽吸部分93和94通过流体通道86和87和阀VI和V2与真空源55、例如真空泵相连。当抽吸部分93和94的连通孔93a和94a与真空源55相连时，连通孔93a和94a的下开口端处的负压增大，以将半导体晶片W吸引到抽吸部分93和94的下端。
如图3所示，当半导体晶片W正在抛光时，抽吸部分93和94定位在弹性垫63的下表面上方，因此不从弹性垫63的下表面伸出。当吸引半导体晶片W时，抽吸部分93和94的下端面大体上与弹性垫63的下表面位于同一平面上。
因为在弹性垫63的外圆周表面和挡圈61的内圆周表面之间存在小间隙G，保持环64、夹盘65和附装在夹盘65上的弹性垫63可以相对于顶圈主体60和挡圈61竖直移动，从而相对于顶圈主体60和挡圈61具有浮动结构。保持环64具有多个从保持环64的下部的外圆周边缘径向向外伸出的突出部64a。包括保持环64的构件的下行运动通过突出部64a与挡圈61的径向向内凸出部分的上表面相接合而限制在预定范围内。
流体通道88限定于顶圈主体60的外圆周边缘中。清洗液(纯水)通过流体通道88供给到弹性垫63的外圆周表面和挡圈61的内圆周表面之间的间隙G中。
在由此构造的抛光设备中，当半导体晶片W将被顶圈20保持时，抽吸部分93和94的连通孔93a和94a经由流体通道86和87与真空源55相连。因此，半导体晶片W在真空条件下通过连通孔93a和94a的抽吸作用被吸引到抽吸部分93和94的下端。当半导体晶片W吸引到顶圈20上时，整个顶圈20移动到抛光表面(抛光垫40)上方的位置。半导体晶片W的外圆周边缘由挡圈61保持，从而使得半导体晶片W不与顶圈20分开。
为了抛光半导体晶片，由抽吸部分93和94对半导体晶片W的吸引力解除，并且半导体晶片W固定在顶圈20的下表面上。同时，顶圈气缸44被致动，以在预定压力下将固定到顶圈20下端的挡圈61压靠到抛光台18上的抛光垫40上。在这种状态下，加压流体分别被供给至处于各自压力下的压力室，从而将半导体晶片W压靠在抛光台18上的抛光表面上。抛光液供给喷嘴21将抛光液Q供给到抛光垫40上，这样抛光液Q保持在抛光垫40上。因此，半导体晶片W利用存在于半导体晶片W的待抛光(下)表面和抛光垫40之间的抛光液Q抛光。
位于压力室72和73下面的半导体晶片W的局部区域在供给至压力室72和73的加压流体的压力下压靠在抛光表面上。位于中心压力室74下方的半导体晶片W的局部区域通过中心袋90的弹性膜90a和弹性垫63在供给至中心压力室74的加压流体的压力下压靠到抛光表面上。位于压力室75下方的半导体晶片W的局部区域通过环管91的弹性膜91a和弹性垫63在供给至压力室75的加压流体的压力下压靠到抛光表面上。
因此，可以通过控制供给至各压力室72-75的压力而沿径向方向独立地调节作用在半导体晶片W的各局部区域上的抛光压力(压紧力)。特别地，控制器54(参见图2)根据传感器52的输出独立地调节经由各调节器RE3-RE6供给至压力室72-75的加压流体的压力，从而调节将半导体晶片W的局部区域压靠在抛光台18上的抛光垫40上的压紧力。当作用在半导体晶片W的各局部区域上的抛光压力独立地调节至期望值时，半导体晶片W被压靠到正在旋转的抛光台18的上表面上的抛光垫40上。类似地，供给至顶圈气缸44的加压流体的压力可以通过调节器RE1调节，以改变挡圈61压紧抛光垫40的压紧力。
因此，当半导体晶片W正在抛光时，挡圈压紧抛光垫40的压紧力以及使半导体晶片W压靠抛光垫40的压紧力可以适当地调节，从而以期望的压力分布向中心区域(图4中的C1)、中心区域和中间区域之间的区域(C2)、外部区域(C3)、半导体晶片W的周边区域(C4)以及定位在半导体晶片W的外面的挡圈61的外周部分施加抛光压力。
定位在压力室72和73下方的半导体晶片W的部分包括两个区域。它们之一由加压流体经由弹性垫64压紧。它们中的另一个、例如围绕开口92的区域由加压流体直接压紧。这两个区域可以在相同的压紧力或者各自希望的压力下压紧。因为弹性垫63保持为与围绕开口92的半导体晶片W的反面紧密接触，因此压力室72和73中的加压流体很难泄漏到压力室72和73的外面。
当半导体晶片W的抛光完成时，半导体晶片W以与如上所述相同的方式在真空下吸引到抽吸部分93和94的下端上。此时，进入压力室72-75将半导体晶片W压靠在抛光表面上的加压流体的供应停止，并且压力室72-75向大气中排空。因此，抽吸部分93和94的下端与半导体晶片W形成接触。压力室71向大气中排空或者抽空，以在其内部形成负压。如果压力室71保持为高压，随后半导体晶片W仅在与抽吸部分93和94形成接触的区域处牢牢压靠在抛光表面上。因此，必须立即减小压力室71中的压力。因此，如图3所示，为了立即减小压力室71中压力，可以设置从压力室71穿过顶圈主体60的泄压端口67。在这种情况下，当压力室71假压时，必须将加压流体经流体通道81连续地供给至压力室71中。泄压端口67具有止回阀，用于在压力室71中形成负压时防止外部空气流入压力室71。
在吸引半导体晶片W之后，整个顶圈20移动到半导体晶片将被传送的位置处，随后，流体(例如，压缩空气或氮气和纯水的混合物)经由抽吸部分93和94的连通孔93a和94a喷射到半导体晶片W上，以从顶圈20释放半导体晶片W。
图5是示出了图2所示抛光单元16中的抛光台18和半导体晶片W之间关系的平面图。如图5所示，传感器52设置在穿过半导体晶片W的中心CW的位置处，所述半导体晶片W在抛光期间由顶圈20保持。参考符号CT表示抛光台18的旋转中心。例如，在传感器52在半导体晶片W下方通过的同时，传感器52可以根据半导体晶片W的例如Cu层的导电薄膜的薄膜厚度或者通行轨道(扫描线)上的薄膜厚度的变化连续地检测增大或减小量。
图6示出了轨迹线，其中传感器52在该轨迹线上扫描半导体晶片W。特别地，每当抛光台18旋转一圈，传感器52扫描晶片表面(待抛光表面)。当抛光台18旋转时，传感器遵循在晶片W的中心CW(顶圈轴42的中心)附近通过的轨道并且扫描晶片W的表面。由于顶圈20的旋转速度通常不同于抛光台18的旋转速度，因此传感器52的轨道在晶片W上根据抛光台18的旋转而变化，如图6中的扫描线SL1、SL2、SL3……所示。然而，如上所述，由于传感器52位于穿过晶片W的中心CW的位置处，因此传感器52的轨道在每圈内穿过晶片W的中心CW。在本实施例中，利用传感器52进行的测量定时如此调整，以使得晶片W的中心CW在每圈中始终由传感器52测量。
另外，已知下列事实，即，被抛光晶片W的表面轮廓通常相对于与晶片W的表面垂直的轴线轴对称并且延伸穿过晶片W的中心CW。因此，如图6所示，当第m个扫描线SLm上的第n个测量点由MPm-n表示时，晶片W的薄膜厚度的过渡可以通过追踪各扫描线上的第n个测量点MP1-n，MP2-n，……，MPm-n的监测信号而在第n个测量点的径向位置处进行监测。
在图6中，为了简化起见，测量点的数目在一次扫描中为15个。然而，测量点的数目不局限于所示实例并且可以根据测量周期和抛光台18的旋转速度具有不同的值。当使用涡流传感器作为传感器52时，通常在一个扫描线上具有至少100个测量点。当具有许多测量点时，所述测量点中的任一个大约与晶片W的中心CW相一致。因此，不需要上述用于晶片W的中心CW的定时调节。
图7是示出了一实例的平面图，其中将被监测单元53监测的测量点从图6所示的半导体晶片W上的测量点中选出。在图7所示的实例中，监测单元53监测定位于区域C1、C2、C3和C4的中心和分界线附近的测量点MPm-1、MPm-2、MPm-3、MPm-4、MPm-5、MPm-6、MPm-8、MPm-10、MPm-11、MPm-12、MPm-13、MPm-14和MPm-15，所述区域如结合图4所描述的那样在压紧力方面独立地控制。不同于图6所示的实例，在测量点MPm-i和MPm-(i+1)之间可以设置另一个测量点。待监测测量点的选择不局限于图7所示的实例。考虑到控制而待监测的点可以任意选择为在待抛光晶片W的表面上待监测的测量点。
监测单元53对选定测量点的输出信号(感测信号)进行预定的(算术)运算处理，从而产生监测信号并将其供给至控制器53a(参见图2)，所述输出信号由传感器52输出。控制器53a根据所提供监测信号和随后描述的参考信号确定顶圈20中的压力室74、72、75和73的压力设定值并将该压力设定值发送至控制器54(参见图2)，所述压力设定值对应于晶片W的区域C1、C2、C3和C4。因此，为晶片W的区域C1、C2、C3和C4对压紧力进行调节。
为了去除噪音的不良影响以获得平滑数据，相邻测量点的监测信号可以取平均值。可选地，晶片W的表面可以根据从晶片W的中心CW开始的半径同心地分成多个区域。各区域中测量点处的监测信号的平均值或代表值可以被计算并用作新的控制用监测信号。这种配置在多个传感器沿抛光台18的径向布置的情况下或者在顶圈20在抛光期间围绕顶圈头轴51摆动的情况下是有效的。
图8是示出了当晶片W的金属薄膜被抛光同时对晶片W的区域C1、C2、C3和C4的压紧力保持在恒定值时监测信号变化的曲线图。图8示出了对应于测量点MPm-1和MPm-15(晶片边缘部分)的监测信号MSA、对应于测量点MPm-5和MPm-11(晶片中间部分)的监测信号MSB和对应于测量点MPm-8(晶片中心)的监测信号MSC。
在图8所示的实例中，各监测信号在抛光初始阶段略有减小。然后，减小的梯度变大。各监测信号在抛光终点(去除金属薄膜)时变为大致恒定。假定初始薄膜厚度在晶片W的局部点处不同，即使该局部点以相同的抛光速率抛光，如图8所示，抛光终点的监测信号值和定时也会根据测量点而不同。在该实施例中，准备了表示监测信号参考值和时间之间关系的预定参考信号，并且监测信号被控制，以便使之趋同于所述参考信号。
图9是示出了当使用上述控制方法抛光晶片W时监测信号变化的曲线图。在抛光期间，晶片W的区域C1、C2、C3和C4的压紧力被如此控制，以使得局部点的监测信号MSA、MSB和MSC和其他未示出点的监测信号趋同(或逼近)于参考信号RS。因此，局部点的监测信号MSA、MSB和MSC大致趋同于同一变化曲线，并且抛光终点在所有局部点处彼此一致。因此，可以实现相对于晶片W的径向具有薄膜厚度高均匀性(以下称作晶片内均匀性)的抛光加工，而不管诸如抛光垫40的装置的状态如何。
抛光速率根据待抛光薄膜的物理性能、抛光液(浆液)类型、抛光垫40的厚度、抛光垫40或晶片W的温度、待抛光薄膜的层状结构或互连结构等等而改变。相应地，参考信号也根据上述情况而变化。控制器54或监测单元53包括参考信号的数据库，所述参考信号对应于待抛光薄膜的物理性能、抛光液(浆液)类型、抛光垫40的厚度、抛光垫40或晶片W的温度、待抛光薄膜的层状结构或互连结构等。当操作者输入适于待抛光晶片的条件时，最佳的参考信号被读取。或者，当晶片W具有相同规格时，例如抛光台18和顶圈20的旋转速度、抛光液和抛光垫40的类型等的抛光条件大体不变。因此，具有相同规格的样本晶片可以被抛光，以获得参考信号。
图10是示出了确定参考信号的方法的实例的流程图。在图10所示实例中，参考信号的确定在开始晶片W的抛光过程之前进行。首先，具有期望规格的顶圈20、打磨机22、抛光垫40、抛光液等在设备的初始设置中进行设定。借助传感器52的测量定时如上所述进行调节(步骤1)。
然后，根据经验等因素生成临时制程，其中用于待抛光晶片W的抛光条件被确定(步骤2)。在该临时制程中，对区域C1、C2、C3和C4的压紧力、挡圈61的压力以及抛光台18和顶圈20的旋转速度保持不变。晶片W根据该临时制程抛光，以获得如图8所示的监测信号(步骤3)。
判断晶片W的抛光速率或抛光时间是否适当(步骤4)。如果抛光速率或抛光时间与期望值存在很大差别的话，便对该临时制程进行更改，并重复抛光过程。当晶片W在期望时间周期内抛光时，从可重复性、噪音等方面判断监测信号是否适当(步骤5)。如果监测信号适当的话，提取适当点的信号产生参考信号。参考信号记录在诸如硬盘的存储装置(未示出)中(步骤6)。如果监测信号存在问题，抛光过程在问题原因解决之后重试。
此时，如果待抛光衬底表面上的薄膜厚度相同的话，理想的是，传感器52的输出信号大致恒定，而不管传感器52和晶片W之间的距离如何。或者，理想地是确定运算处理，以根据传感器52的输出信号计算监测信号，从而使得该监测信号大致恒定，而不管传感器52和晶片W之间的距离如何。然而，当传感器52的输出信号和监测信号根据传感器52和晶片W之间的距离、即抛光垫40的磨损而改变到影响不能忽略的程度时，参考信号可以设置如下。在抛光垫已经更换之后立即或不久，设定具有相同规格的晶片上的适当点的监测信号作为参考信号，所述晶片在具有相同规格的抛光垫替换之后立即或不久被抛光。当抛光垫更换之后抛光了预定数目的晶片时，将利用正在使用的同一抛光垫刚刚抛光或稍早些抛光的晶片上的适当点的监测信号设定为参考信号。
关于用于获得作为参考信号的监测信号的晶片上的点，希望采用施加于其上的压紧力的变化量较小的点，这是因为在控制时可以减少无用的被控变量。
图11是示出了各个测量点处的传感器的有效测量范围的平面图。例如，在涡流传感器的情况下，晶片上的有效测量范围由所述传感器中的线圈尺寸、有效范围的展开角以及从传感器52到晶片W的距离确定。由图11中小圆圈100所示范围内的信息在各测量点处获得。因此，当晶片W的外周边附近将被测量时，传感器的有效测量范围的一部分位于待抛光晶片W的表面之外(参见图11中的测量点MPm-1和MPm-15)。例如，如图12所示，对应于晶片边缘部分处的测量点MPm-1和MPm-15的监测信号MSA1小于其他点的监测信号MSB和MSC。因此，待抛光薄膜的薄膜厚度被低估。相对于随后描述的其他类型的传感器，类似的现象在一些条件下出现。
在这种情况下，不能获得精确监测信号的位置处的测量点在控制时被排除在外。在图11所示实例中，位于晶片W的边缘部分处的测量点MPm-1和MPm-15在控制时被排除在外。特别地，这些测量点的监测信号从控制系统中排除。尽管不能保证晶片W的外周边处的薄膜厚度的均匀性，但是晶片W的其余区域中的薄膜厚度的均匀性可以得到提高。
可替换地，在这种情况下，晶片边缘部分的监测信号可以通过下列等式(1)修正。
y(r，yraw)＝c(r，yraw)g(yraw-y0)+y0…(1)在等式(1)中，y(r，yraw)表示修正的监测信号值，r表示从晶片的中心CW到测量点的距离，yraw表示待修正的监测信号，c(r，yraw)表示修正系数，y0表示当薄膜厚度为0时的监测信号值。修正系数c(r，yraw)根据对半径r和待转换的监测信号yraw的代表值利用实验方法计算出来的多个修正系数由内插法确定。因此，该监测信号被修正，如图12中以MSA2所示。因此，即使在晶片的边缘部分处不能获得精确的监测信号，包括该晶片边缘部分在内的晶片内均匀性也可以得到提高。
除了具有上述结构的传感器之外，例如，考虑到由于温度引起的抛光速率的变化，可以提供非接触式温度计，以在抛光布与晶片形成滑动接触之后立即测量抛光布的点的温度。
图13是示出了参考信号的一应用实例的曲线图。在图13中，在抛光过程或控制过程开始时，参考信号RS1沿时间序列平移，以产生新的参考信号RS2，从而使得直到抛光结束为止抛光时间具有期望值。如果在抛光过程或控制过程开始时，参考信号RS1直到抛光结束为止具有期望的抛光时间，则平移量可以为0。
然后，参考信号RS2相对于时间序列固定。其他未示出点的监测信号MSA、MSB和MSC被控制，从而趋同于参考信号RS2。这样，晶片内的均匀性可以提高，而不管初始薄膜厚度轮廓如何。同时，即使晶片在初始薄膜厚度方面具有变化，或者即使该设备在例如抛光垫的条件方面具有变化，直到抛光结束为止的时间段有望为预定值。因此，如果抛光时间可以恒定不变，晶片可以在可预期的大致恒定周期内在抛光设备中被传送。因此，由于传送不会由于具有较长的抛光时间的晶片而延迟，生产量可以提高。
图14是示出了参考信号的另一应用实例的曲线图。在图14中，参考信号RS3沿时间序列平移，以产生新的参考信号RS4，从而使得局部点处的监测信号的平均值av等于参考信号。可以采用任何方法获得监测信号值的平均值，只要可以获得表示抛光晶片的过程的值即可。例如，可以采用计算算术平均值或加权平均值的方法、获得中间值的方法或者以某一方式转换监测信号并对被转换值求平均值的方法。
然后，参考信号RS4相对于时间序列固定不变。其他未示出点的监测信号MSA、MSB和MSC被控制，从而趋同于参考信号RS4。这样，不同于图13中所示实例，不需要过多改变被控变量，例如施加到晶片W的区域C1-C4上的压紧力。因此，可以期望稳定的抛光。另外，在抛光过程或控制过程之后的抛光时间预期等于具有相同薄膜厚度的晶片被抛光以产生参考信号时的抛光时间。晶片内的均匀性可以提高，而不管初始薄膜厚度轮廓如何。同时，可以获得平均抛光速率，而不管诸如抛光垫的设备的状况如何。
图15是示出了参考信号的另一应用实例的曲线图。在图15中，参考信号RS5在预定时段内沿时间序列平移，以使得局部点处的监测信号平均值等于参考信号。例如，参考信号RS5被平移，以等于监测信号的平均值av1、av2和av3，从而分别产生新的参考信号RS6、RS7和RS8。然后，施加到晶片的区域C1-C4的压紧力得到控制，从而趋同于通过时时平移产生的参考信号。这样，在施加到晶片的区域C1-C4上的初始压紧力大致处于合理范围内的情况下，如果对特定区域上的压紧力在特定时间点倾向于增大的话，对另一个区域的压紧力倾向于减小。因此，本实施例不具有调节抛光时间或抛光速率的功能，但是可以在被控变量变化不大的情况下实现稳定抛光。另外，可以实现良好的晶片内均匀性，而不管初始薄膜厚度轮廓如何。
在图14和15中，参考信号RS5在抛光过程开始时或在预定时段内平移从而等于监测信号的平均值。然而，参考信号可以根据不同于监测信号平均值的任何值进行平移。例如，参考信号可以根据晶片上的预定点的监测信号进行平移。特别地，参考信号可以在抛光过程开始时进行平移，从而等于此时预定点的监测信号。参考信号可以在抛光过程中进行平移，从而等于此时预定点的监测信号。
在上述实例中，监测信号不直接表示待抛光晶片的表面的薄膜厚度。当然，可以利用表示待抛光晶片的表面的薄膜厚度的信号作为监测信号。在这种情况下，图16示出了监测信号的时间变化量。在这种情况下，晶片上局部点的监测信号MSA、MSB和MSC以及晶片上其他未示出点的监测信号与这些点处的薄膜厚度成比例。如图16所示，监测信号值MSA、MSB、MSC等和参考信号RS9总体上根据抛光时间大致线性减小。因此，有利地是，可以根据当前信号值和时间变化梯度(微分)在预定时间段之后计算预计值。因此，可以根据线性计算很容易地获得良好的可控性。
图17是示出了根据参考信号RS10和直线L将晶片上某一点的监测信号MS1转换为新的监测信号MS2的方法的曲线图。直线L穿过参考信号RS10的抛光终点并且梯度为-1。例如，如图17所示，当提供时间t1处的监测信号MS1的值v1时，在参考信号RS10上计算出具有相同值的点P。然后，直到参考信号RS10的抛光终点为止的剩余时间T从点P的时间开始计算。如从图17中可以看出的那样，剩余时间T可以通过参考直线L算出。新的监测信号MS2上的时间t1处的信号值v2根据计算出的时间T设定。例如，信号值v2被设定为v2＝T。或者，信号值v2可以从参考信号上的抛光起点到抛光终点以时间TO进行归一化，从而使得v2＝T/TO。此时，直线L在时间0处的值为1，并具有-1/TO的梯度。
当类似的处理应用于参考信号RS10时，上述直线L可以被看作被转换的新参考信号。该新参考信号(直线L)表示在参考信号RS10上从每个点到抛光终点的剩余时间，并因此成为相对于时间序列为线性关系的单调递减函数。因此，控制算术运算变得很方便。
另外，在大多数情况下，转换后的新监测信号MS2大致与待抛光晶片的表面的薄膜厚度成比例，并因此线性变化。相应地，即使待抛光晶片的表面的薄膜厚度值由于抛光液、晶片表面上的互连图案、底层影响等原因不能被测量，也可以通过线性计算实现良好的控制性能。在图17所示的实例中，参考信号RS10上的抛光终点被作为参考时间。然而，参考信号RS10上的参考时间不局限于抛光终点。例如，可以使用参考信号RS10具有预定值的时间作为参考时间。因此，可以按需要设定参考时间。转换后的新监测信号值在监测信号值不根据抛光时间改变的时间间隔内变得不确定。
上述实例主要在传感器52包括涡流传感器的情况下进行了描述。然而，传感器52可以包括任何传感器，只要其可以检测晶片的状况即可。例如，可以使用光学传感器、微波传感器或基于其他工作原理的传感器作为传感器52。
图18是示出了具有光学传感器的抛光单元的示意图。如图18所示，该抛光单元具有嵌入于其中的传感单元152，以用于测量诸如形成于待抛光半导体晶片W的表面上的绝缘薄膜或金属薄膜的薄膜厚度或色彩的特征值，从而在抛光期间监测抛光状况。传感单元152用于在抛光期间实时连续地监测晶片W的表面的抛光状态(例如，剩余薄膜的厚度或状况)。
允许来自传感单元152的光通过的光传导元件160安装在抛光垫40中。光传导元件160由具有高透光度的材料、例如非发泡聚氨酯(non-foamed polyurethane)制成。或者，在抛光垫40中可以设置通孔。当所述通孔被半导体晶片W覆盖时，从该通孔的下部可以供给透明液体，从而形成光传导元件160。光传导元件160可以设置在抛光台18上穿过由顶圈20固定的半导体晶片W的表面的任何位置处。然而，希望将光传导元件160设置在穿过如上所述的半导体晶片W的中心的位置处。
如图18所示，传感单元152具有光源161、作为光发射部分的光发射光纤162、作为光接收部分的光接收光纤163、分光镜单元164、控制器165以及电源166，所述光发射部分用于从光源161向待抛光半导体晶片W的表面发射光线，所述光接收部分用于接收来自待抛光表面的发射光，所述分光镜单元包括发散由光接收光纤163接收到的光的分光镜和用于存储由分光镜发散的光作为电信号的多个光接收元件，所述控制器用于控制光源161的开关或开始读取分光镜单元164中的光接收元件的定时，所述电源用于向控制器165提供电能。光源161和分光镜单元164通过控制器165被供给电能。
光发射光纤162的光发射端和光接收光纤163的光接收端被配置为大体上垂直于待抛光半导体晶片W的表面。另外，考虑到用于更换抛光垫40的工作性和由光接收光纤163接收的数值，光发射光纤162和光接收光纤163被设置为不从抛光台18的抛光表面向上伸出。例如，具有128个元件的光导二极管阵列可以用作分光镜单元164中的光接收元件。
分光镜单元164通过电缆167与控制器165相连。来自分光镜单元164中的光接收元件的信息通过电缆167传送至控制器165，其中根据发送信息产生被接收光的光谱数据。特别地，在本实施例中，控制器165形成光谱数据发生器，以用于读取储存在光接收元件中的电数据和生成被接收光的光谱数据。电缆168从控制器165通过抛光台18延伸到上述监测单元。因此，由控制器165中的光谱数据发生器产生的光谱数据通过电缆168传送至监测单元53(参见图2)。
监测单元53根据从控制器165接收的光谱数据计算特征值，例如晶片W的表面的薄膜厚度或色彩，并将该特征值作为监测信号提供给上述控制器53a(参见图2)。
如图18所示，接近传感器170安装在抛光台18的周边部分的下表面上。传感器目标171设置在抛光台18之外，从而对应于该接近传感器170。接近传感器170是可操作的，以在抛光台18每旋转一圈时检测传感器目标171并因此检测抛光台18的旋转角。
图19是示出了具有微波传感器的抛光单元的示意图。如图19所示，抛光单元中的抛光台18具有嵌入于其中的天线252，以用于向待抛光半导体晶片W的表面施加微波。天线252设置为面向由顶圈20保持的半导体晶片W的中心部分并且通过波导管253与传感器主体254相连。期望波导管253较短。天线252和传感器主体254可以集成在一起。
图20是示出了图19中的天线252和传感器主体254的示意图。传感器主体254具有微波源255、分离器256、检测器257和监测单元258，所述微波源用于产生微波并将该微波供给至天线252，所述分离器用于将微波源255产生的微波(入射波)和从半导体晶片W的表面反射的微波(反射波)分开，所述检测器用于接收由分离器256分离出的反射波并检测该反射波的振幅和相位，所述监测单元用于根据由检测器257检测到的反射波的振幅和相位分析半导体晶片W的结构。可适宜地使用定向耦合器作为分离器256。
天线252通过波导管253与分离器256相连。微波源255与分离器256相连。由微波源255产生的微波通过分离器256和波导管253供给至天线252。微波从天线252施加于半导体晶片W，从而穿过(穿透)抛光垫40并且到达半导体晶片W。来自半导体晶片W的反射波再次穿过抛光垫40并随后由天线252接收。
反射波从天线252通过波导管253发送至分离器256，所述分离器使入射波与反射波分离。分离器256与检测器257相连。由检测器256分离的反射波传送至检测器257。检测器257检测发射波的振幅和相位。反射波的振幅检测为电功率(dbm或W)或电压(V)值。反射波的相位由集成在检测器257中的相位测量装置(未示出)检测。没有相位测量装置的检测器只能检测发射波的振幅。或者，可以利用相位测量装置仅仅检测发射波的相位。
在监测单元258中，沉积在半导体晶片W上的金属薄膜或非金属薄膜的薄膜厚度根据由检测器257检测的发射波的振幅和相位进行分析。监测单元258与控制器54相连。在监测单元258中获得的薄膜厚度值作为监测信号发送至控制器54。
图21是曲线图，示出了当利用上述光学传感器测量例如氧化膜的光透射薄膜时监测信号的变化。在这种情况下，监测信号相对于时间序列以正弦波形式变化。因此，即使提供了监测信号值，参考信号的对应点不能唯一确定。然而，初始薄膜厚度通常具有有限的范围。因此，当利用信号的极限值或信号的增减在参考信号的时间序列中限定时间间隔时，可以确定哪个时间间隔与初始薄膜厚度相对应。因此，监测信号值可以对应于参考信号。
例如，在图21中，在参考信号RS11的相对最大值之间分别界定了两个时间间隔。在一个相对最大值处的薄膜的薄膜厚度和在随后的相对最大值处的薄膜的薄膜厚度之间的差值Δd由Δd＝λ/2n表示，其中，λ为光的波长，n为薄膜的折射率。如果初始薄膜厚度在介于两个间隔之间、例如在间隔VIII和间隔IX之间或在间隔IX和间隔X之间的范围内的话，可以确定参考信号RS11上的哪个位置与初始薄膜厚度相对应。
在初始薄膜厚度如此确定之后，监测信号MS3被控制，从而趋同于参考信号RS11。因此，可以控制晶片上的剩余薄膜量。另外，通过以与图17所述相同的方法使用直线L可以使监测信号MS3转换为新监测信号MS4，其大致线性递减。因此，可以容易地获得良好的可控性。
在图17的初始间隔和图21中的相对最大值和相对最小值周围，参考信号具有接近0的梯度，并且由于噪音等影响变得相对不稳定。因此，与监测信号值相对应的点不能在参考信号上精确地计算。在这种情况下，希望设置未定的新监测信号，在间隔期间停止控制，并连续地使用被控变量，例如压紧力的最后值。因为参考信号可以根据上述方法在所有间隔内转换，其中控制将停止的间隔限于其中新监测信号不确定的间隔及其附近。因此，即使在如图21所示的监测信号根据抛光时间增减的情况下，当操作定时正确设定时也可以获得良好的控制性能。
或者，施加到晶片局部点(区域)上的压紧力可以根据在反复增减的控制信号中出现相对最大值或相对最小值的时间点而确定。特别地，对于每个目标点来说，测量目标点的监测信号达到相对最大值或相对最小值的时间点。施加到与到达时间早于其他点的到达时间的点相对应的局部区域上的压紧力较小，而施加到与到达时间晚于其他点的到达时间的点相对应的局部区域上的压紧力较大。即使用于同一薄膜厚度的监测信号由于晶片表面上的图案的影响而改变，也可以获得良好的控制性能。在这种情况下，监测信号达到相对最大值或相对最小值的时间点是迟还是早可以根据参考信号到达相对最大值或相对最小值的时间点来判断。然而，压紧力可以在不设定参考信号的情况下根据一时间点的相对关系进行调节，在该时间点处，局部点的监测信号到达相对最大值或相对最小值。因此，可以提高晶片内的均匀性。
图22是根据本发明的控制运算方法的图示说明。参考图17和21描述的监测信号的转换方法被应用于图22。位于抛光开始之后的时刻t处的新参考信号ys(t)由下列等式(2)表示。
ys(t)＝T0-t…(2)在等式(2)中，T0表示在参考信号上从抛光开始到抛光结束的时间段。
另外，T0与参考信号相关，所述参考信号已经根据在该实施例中的上述三种方法的前两个中的任意一个(参见图13和14)沿时间序列平移。或者，如果参考信号已经根据图15所示的方法沿时间序列发生平移，等式右侧将为此时局部点处的监测信号的平均值。在所有情况下，此时，在从时刻t已经过了预定时间t0之后的预测值yp(t，t0)由下列等式(3)表示。
yp(t，to)＝y(t)+to·{y(t)-y(t-Δtm)}/Δtm…(3)在等式(3)中，y(t)表示时刻t处的监测信号，并且Δtm表示预定时间段，以用于计算与时间变化相关的梯度。
此时，在从时刻t过去了时间t0之后的监测信号的预测值与参考信号的偏差D(t，t0)由下列等式(4)表示。
D(t，t0)＝-{yp(t，t0)-ys(t+t0)}/t0…(4)当由等式(4)表示的偏差D为正值时，监测信号具有超前于参考信号的趋势。负偏差表示监测信号具有落后于参考信号的趋势。
如图22所示，如果监测信号的预测值总是等于时间段(周期)Δt的时刻t处的参考信号，则监测信号将预计渐近地趋同于参考信号。例如，如图23所示，D3被定义为晶片的区域C3的偏差，所述晶片具有施加了压紧力u3的背面，并且D2和D4分别被定义为晶片的区域C2和C4的偏差，所述区域C2和C4接近区域C3。压紧力u3的变化量Δu3确定如下。图24示出了模糊规则的实例，以确定压紧力u3的变化量Δu3。除了图24中示出的模糊规则之外，图25示出了考虑到刚刚与晶片滑动接触之后的抛光垫的局部点的温度Tp的模糊规则实例。在图24和25中，“S”表示低，“B”表示高。另外，“PB”表示极大地增大，“PS”表示略微增大，“ZR”表示固定不变，“NS”表示略微减小，“NB”表示极大地减小。
如图24的模糊规则所示，当相应区域C3的偏差D3较小或者压紧力u3较小时，压紧力的变化量Δu3较大。另外，当相邻区域C2和C4的偏差D2和D4较小时，调节变化量Δu3，以使其增大。对于施加到其他独立区域上的压紧力、这些区域的偏差和压紧力的变化量可以按类似的方式确定模糊规则。因此，压紧力可以被控制而不存在过大或过小值，这样所有的偏差趋同于0。
在大多数情况下，当抛光垫具有较高温度时，抛光速率增大，从而使得抛光垫的温度趋于增高。因此，在图25所示的实例中，当抛光垫的温度Tp较低时，压紧力u3的变化量Δu3设置得较大。当抛光垫的温度Tp较高时，压紧力u3的变化量Δu3设置得较小。
图26是示出了图24和25中的因变量(D2-D4，u3，Tp等)的隶属函数的曲线图。图27是示出了结果变量(Δu3等)的隶属函数的曲线图。通过改变图26中的因变量轴线上的点S1和S2，可以改变变量的高低标准。另外，通过改变图27中结果变量轴线上的系数S3，可以调节被控变量Δu3(当因变量彼此相等时，被控变量的值)的灵敏度。
应用于本发明的模糊规则不限于图24和25中所示的实例。模糊规则可以根据系统特性按需要进行确定。另外，因变量和结果变量可以按需要进行确定。可以按需要选择各种推理方法，例如逻辑乘方法、蕴涵法、集结法、逆模糊化方法。
在上述实例中，采用了预测模糊控制，其中偏差的预测值推理得出。从传感器捕捉晶片表面信息的时刻到实际压紧力完全由新值替换以改变抛光条件从而使得传感器的输出值完全改变的时刻需要许多步骤。例如，需要许多步骤，其中包括从传感器向监测单元传送输出信号、转换成监测信号并使该监测信号平滑化、计算压紧力、输送到控制器54、向压力调整装置45提供命令(参见图2)，以及操作压紧机构(压力室)。因此，在信号波完全反映出被控变量的变化之前需要1或2秒至大约10秒。因此，预测控制有效地执行有效控制并且降低了响应滞后的影响。
例如，除了上述模糊控制以外，可以使用定义了适当数学模型的预测模型控制作为预测控制方法。当进行包括上述响应滞后在内的建模时，控制性能可预计得到进一步改进。在这种系统中，当控制周期(控制期间)很短时，在控制信号完全反映被控变量的改变之前，后续操作可能被无意义地执行。另外，可能导致被控变量不需要的改变和信号不必要的变化。抛光时间通常从大约几十秒到大约几百秒。因此，如果控制周期过长的话，将会在实现期望的晶片内均匀性之前到达抛光终点。因此，期望控制周期在1秒至10秒的范围内。
当使用预测模型控制作为预测控制方法时，在每个控制周期内的下列条件下，施加到局部区域上的压紧力被确定为本步骤中的被控变量。
J＝‖YR-YP‖2+λ2‖ΔUQ‖2→最小值第一项对应于从下一步骤到第P个步骤的参考轨迹YR和预测响应RP之间的差值。第二项对应于从当前步骤到第Q个步骤的被控变量的变化量(增量)。当第二项中的系数λ2很大时，用于被控变量的增量的权变大，以减小被控变量的变化。相反，当系数λ2很小时，被控变量变化变大。特别地，1/λ2可以被看作被控变量的灵敏度。
图28和29是当晶片的局部区域处的压紧力的变化量由控制运算进行计算并且局部区域处的压紧力中的任意一个(＝当前值+变化量)超过预定上下限时执行的按比例调节的图示说明。
因为关注根据本发明控制的晶片的晶片内均匀性，如果仅将压紧力超过上下限的区域处的压紧力简单调节到位于上下限范围内的话，所述区域中的平衡丧失，从而不能获得良好的控制性能。因此，在图28所示的实例中，为压紧力设定一参考值。变化量被调节，以使得各个区域处的压紧力(＝当前值+变化量)和参考值(由图28中的箭头表示)之间的差值比例在按比例调节之后保持不变。参考值可以是上下限的平均值或预定标准值。这种按比例调节能够使局部区域处的压紧力的分布大体上等于由控制运算所计算的理想分布。
在图29所示的实例中，根据与当前压紧力的偏离对变化量进行调节，从而使得各区域(由图29中的箭头表示)处的变化量比例在按比例调节之后保持不变。假如所述控制迄今为止被大致良好地执行的话，通过由此按比例调节压紧力的变化量可以实现良好的控制。在图28和29中，区域C1-C4中的上限和下限相等。然而，上限和下限可以在各自的区域中设定为不同值。
已经描述了一种按比例调节方法，其中为各自区域中的压紧力设定上下限。然而，即使为相邻区域处的压紧力设定上限或者为各区域处的压紧力的变化量(增量)设定上下限，压紧力也可以按照与如上所述相同的方式进行按比例调节(缩放)。另外，当为压紧力的变化量设定上下限时，被控变量的灵敏度S3或1/λ2每当对压紧力变化量的控制算术值超过上限或下限时可以调节至较小，以使得控制运算反复进行，直到变化量进入极限值范围内为止。
图30A和30B示出了当晶片的压紧力按照上述控制方法控制时的模拟结果。在图30A中，监测信号被归一化，从而具有初始值(最大值)1和终值(最小值)0。在图30A和30B所示的实例中，局部点的监测信号值在抛光开始之后大约50秒进行趋同，并且晶片各区域处的压紧力接近恒定值。另外，压紧力在抛光开始之后大约80秒完全趋同。监测信号变为0，以在抛光开始之后大约95秒显示抛光终点并随后具有恒定值。
因此，当控制由此令人满意地执行时，局部区域的压紧力预计趋同于恒定值。因此，可以为监测信号设置一阈值。利用抛光终点之前的预定时间点的阈值使控制停止，从而使得各区域的压紧力保持不变。因此，稳定抛光得以确保，并且接近抛光终点的压紧力没有变化，例如表面凹陷的问题可以被消除。
另外，各区域处的压紧力的值在抛光之后储存于存储装置中。被存储的压紧力值可以在具有相同规格的晶片抛光时使用。因此，可以在初始抛光期间施加正常的压紧力，并且在抛光期间可以避免压紧力的不必要的变化。特别地，当晶片在抛光之前具有高晶片内均匀性时，可以实现非常稳定的抛光，同时压紧力在抛光期间很难改变。
或者，当晶片内均匀性最初很高时，这种控制特性可用于确定初始抛光条件。传统上，工艺工程师重复晶片的抛光并利用独立的测量装置进行薄膜厚度分布的测量，通过反复试验确定诸如施加到晶片局部区域和挡圈上的压紧力的抛光条件，并生成制程(recipe)。因此，需要许多工序，并且为了试验还需要大量晶片。当根据本发明的抛光方法应用于这种工艺初始化时，即使例如压紧力的抛光条件出于安全考虑不能在抛光产品晶片期间动态改变，也可以迅速确定抛光条件。因此，可以减小工艺工程师的负担，并可以节约用于试验的晶片。
当产品晶片被抛光时，监测信号可以根据由如上所述的同一传感器获得的感测信号而产生，这样，可以根据该监测信号检测终点。监测信号可以包括在上述控制中使用的监测信号或者可以由其他转换方法产生。如图30A所示实施例中那样，各区域的监测信号在抛光终点附近具有大致相同的值，并且晶片内均匀性在抛光终点附近很高。因此，即使过度抛光时间很短，也可以确保没有金属薄膜的抛光残余物。因此，可以避免诸如由抛光过度引起的凹陷或侵蚀的问题。类似地，在光透射层间电介质的情况下，在晶片内均匀性提高的同时，抛光过程可以在预定薄膜厚度处精确地停止。另外，由于不需要新硬件，本发明是经济的。
根据本发明的抛光方法适用于包括多个阶段的抛光过程。图31是示出了一系统流程的框图，其中一个晶片经受包括N个阶段在内的抛光过程。不同于抛光操作的操作、例如抛光表面的打磨可以包括在每个阶段中。另外，抛光条件(抛光台和顶圈的旋转速度、抛光液、通过顶圈的压紧力等)可以在各阶段中独立设定。另外，根据本发明的抛光方法可以应用于抛光过程中的所有阶段。或者，根据本发明的抛光方法可以仅应用于必需的阶段。
监测单元53中的控制器53a通常处于停止状态。当抛光准备在待抛光的晶片装载到顶圈中并移动到抛光台上方之后完成时，控制器54发出致动命令，从而使得控制器53a从例如硬盘的存储装置读取例如晶片的控制参数或参考信号的必要信息并使停止状态转换为待用状态。
当抛光的第一阶段开始时，控制器54向监测单元53发送初始化命令。控制器53a向(算术)运算程序传送抛光第一阶段所必需的信息，在运算程序中初始化存储器，并将待用状态转换为运行状态。
然后，运算程序在监测单元53的控制器53a中以预定的定时运行，从而对监测信号MS进行运算处理，所述监测信号由监测部分53b根据传感器的输出信号产生，从而计算晶片的压紧力等。计算出的压紧力经由控制器54向调节顶圈压紧力的压力调整装置45传送。然后，当抛光第一阶段结束时，控制器54向监测单元53发送中断命令，控制器53a将运行状态转换为待用状态。如上所述，不仅用于终点检测的监测或计算，而且控制算术运算均在监测单元53中执行。因此，其中向CMP装置传送的数据值很小的系统可以在不增加任何硬件的情况下配置。
然后，在应用根据本发明的抛光方法的各阶段中，从运行状态到待用状态的类似过程反复进行。然后，当最后一个抛光阶段结束时，控制器54向监测单元53发送完成命令，控制器53a将待用状态转换为停止状态。在上述实例中，顶圈的压紧力得到控制。除了顶圈的压紧力外，挡圈的压紧力也可以得到控制。
在上述实例中已经描述了抛光设备的实例。然而，本发明也适用于其他衬底加工设备。例如，本发明可以应用于电镀设备或化学汽相沉积(CVD)设备。
图32是示出了本发明适用的电镀设备的一实例的剖视图，图33是示出了图32所示电镀设备中的阳极的平面图。如图32和33所示，该电镀设备具有摆臂300、经由滚珠轴承302与摆臂300的自由端相连的壳体304以及设置为盖住壳体304的下端处的开口的浸渍元件306。浸渍元件306由具有保水能力的材料制成。
壳体304具有位于该壳体304的下部处的向内凸出部分304a。浸渍元件306具有位于该浸渍元件306的上部处的凸缘部分306a。浸渍元件306的凸缘部分306a与壳体304的向内凸出部分304a相接合，同时隔离件308位于凸缘部分306a的上表面上。这样，浸渍元件306保持在壳体304中。因此，电镀液腔室310形成于壳体304中。
摆臂300被配置为可经过竖直运动电动机312和滚珠丝杆314沿垂直方向移动，所述竖直运动电动机包括伺服电动机。这种竖直运动机构可以包括气动致动器。晶片W由晶片支架316保持，这样密封件318和阴极320与晶片W的外周部分形成接触。
浸渍元件306由诸如氧化铝、碳化硅(SiC)、莫来石(mullite)、氧化锆、氧化钛或堇青石(cordierite)的多孔陶瓷，诸如聚丙烯或聚乙烯的烧坯或者这些材料的组合物的硬质多孔元件、机织织物或非织造织物制成。例如，优选地采用具有孔隙直径为30-200μm的氧化铝陶瓷或者具有孔隙直径为30μm或以下的碳化硅。理想地，浸渍元件306具有20-95％的孔隙率，大约1-20mm，优选地约为5-20mm、更优选地约为8-15mm的厚度。例如，浸渍元件306由氧化铝制多孔陶瓷板制成，其具有30％的孔隙率孔以及100μm的平均孔径。浸渍元件306浸渍有电镀液，从而使得其导电性低于电镀液的导电性。特别地，尽管多孔陶瓷板本身为绝缘件，但是电镀液复杂或迷宫式地导入多孔陶瓷板，从而在厚度方向具有相当长的路径。因此，浸渍元件306被配置为导电性低于电镀液的导电性。
因此，浸渍元件306设置在电镀液腔室310中，从而使得由浸渍元件306提供高电阻。例如籽晶层的晶片表面的表面电阻(或薄层电阻)降低至可忽略的程度，从而使得由晶片表面的表面电阻引起的晶片上的电流密度差减小，以提高镀膜的晶片内均匀性。
电镀液引入管322设置在电镀液腔室310中，并且阳极324附装到电镀液引入管322的下表面上。电镀液引入管322具有与电镀液供给源(未示出)相连的电镀液引入端口322a。外壳304具有设置在外壳304的上表面上的电镀液排出口304b。
电镀液引入管322具有歧管结构，从而向待电镀表面均匀地供给电镀液。特别地，大量细管(未示出)连接到沿纵向方向的预定位置上，从而与电镀液引入管322的内部连通。阳极324和浸渍元件306具有形成在对应于所述细管位置处的小孔。细管通过小孔向下延伸到浸渍元件306的下表面或其附近。
由电镀液引入管322导入的电镀液穿过细管并且到达浸渍元件306的下部。因此，电镀液穿过浸渍元件306的内部。另外，电镀液腔室310充满电镀液，从而将阳极324浸没在电镀液中。另外，电镀液可以通过电镀液排出口304b抽出。阳极324可以包括大量竖直穿透阳极324的通孔，从而使得导入电镀液腔室310的电镀液流经通孔进入浸渍元件306。
阳极324通常由含有0.03-0.05％磷的铜制成，以防止产生残渣。在该实施例中，例如，使用包括不溶电极的不溶阳极作为阳极324，所述不溶电极具有镀有铂等材料的金属或者例如铂或钛的不溶金属。由于使用不溶阳极作为阳极324，避免了阳极324由于溶解原因导致的形状改变。因此，可以连续保持恒定的放电状态而不用更换阳极324。
如图33所示，阳极324在该实例中包括同心分开的四个阳极324a-324d。环状绝缘件326a-326c插入到分开阳极324a-324d的相邻分开表面之间。特别地，阳极324包括位于阳极324的中心区域处的实心圆板形式的第一分开阳极324a、围绕所述第一分开阳极324a的环状第二分开阳极324b、围绕所述第二分开阳极324b的环状第三分开阳极324c和围绕第三分开阳极324c的第四分开阳极324d。环状绝缘件326a-326c分别插入到第一分开阳极324a和第二分开阳极324b之间、第二分开阳极324b和第三分开阳极324c之间、以及第三分开阳极324c和第四分开阳极324d之间。所述分开阳极324a-324d以及环状绝缘件326a-326c设置在同一平面上。
如图32所示，阴极320与电镀电源328的阳极电连接，并且阳极324与电镀电源328的阴极电连接。整流器330与电镀电源328相连。整流器330可以按需要改变流动电流的方向并按需要调节在第一分开阳极324a和待电镀晶片表面之间、第二分开阳极324b和待电镀晶片表面之间、第三分开阳极324c和待电镀晶片表面之间、以及第四分开阳极324d和待电镀晶片表面供给之间的各电压或电流。
例如，在初始电镀过程中调节电流密度，从而使得阳极324中心部分的电流密度高于阳极324的外周部分的电流密度(第四分开阳极324d＜第三分开阳极324c＜第二分开阳极324b＜第一分开阳极324a＝。因此，电镀电流还流过晶片W的中心部分。另外，在将电镀液容纳于其中的浸渍元件306内产生高电阻，从而使得晶片表面的表面电阻降低到可忽略的程度。即使晶片具有较高的表面电阻，这些作用也可以共同降低由晶片表面的表面电阻引起的晶片上电流密度差。因此，具有均匀厚度的镀膜可以可靠地形成。
如图32所示，浸渍元件306包括设置在对应于分开阳极324a-324d的位置处的传感器352，以用于测量晶片表面上的薄膜厚度。包括涡流传感器或光学传感器的各种传感器可用作传感器352。晶片表面上的薄膜厚度由传感器352测量。施加到分开阳极324a-324d上的电压被控制，从而使得薄膜厚度趋同于上述参考信号。
图34是示出了本发明适用的CVD设备的实例的竖直剖面图。如图34所示，该CVD设备具有沉积室400、设置在沉积室400的上部的气体喷头402和设置在沉积室400的内部的加热板404。加热板404在其内部容纳加热器406和温度传感器408，所述温度传感器用于测量晶片放置部分正下方部分的温度。
沉积室400包括传送端口400a和排出端口400b，所述传送端口用于将晶片W传送到沉积室400中并传送来自沉积室400的晶片W，所述排出端口用于排放来自沉积室400的内部的空气。传送端口400a具有门410，从而使沉积室400的内部经由排出端口400b保持在13.33Pa(0.1托)或以下。
气体喷头402具有板状喷嘴板402b，其包括大量喷气孔402a、用于引入例如原料气体或原子团的生产气体的气体引入端口402c和用于气体更换的排气端口402d。
高频电压(例如，13.5MHz或60MHz)可以由高频电源412施加在加热板404和气体喷头402之间。因此，等离子可以在加热板404和气体喷头402之间的空间生成并用于清洁附着物质。
在由此构造的气体喷头402中，导入头部腔室402e中的生产气体从喷嘴板402b中的大量喷气孔402a朝向晶片W喷出。扩散元件402f安装在喷嘴板402b的下表面上，所述扩散元件用于调整从喷气孔402a喷出的生产气体的流动。每个扩散元件都具有足够长的长度使得从喷气孔402a喷出的生产气体在离开扩散元件402f之后立即变为均匀流动并到达晶片W的表面。扩散元件402f连接到致动器(未示出)上以按要求调节扩散元件402f的角度。
用于测量晶片表面上的薄膜厚度的传感器452附装到扩散元件402f的尖端。这些传感器452可以包括各种传感器，包括涡流传感器和光学传感器。晶片表面上的薄膜厚度由传感器452测量。各扩散元件402f的角度和生产气体的流速受到控制，从而使得薄膜厚度趋同于上述参考信号。
图35是示出了本发明适用的CVD设备中的气体喷头500的竖直剖面图。如图35所示，该气体喷头500具有两个喷气嘴主体501和502。两个喷气嘴主体501和502在放置于基座504上的晶片W的上方如箭头C所示往复运动，所述基座设置在沉积室(未示出)中。每个喷气嘴主体501和502均具有形成在其底部的大量喷气孔。预定的生产气体G被供给至喷气嘴主体501和502，以从喷气孔将该生产气体喷射到晶片W的表面。
沉积室的内部保持在低压下(例如，13.33Pa(0.1托)或以下)。氢或氢原子团被供给至喷气嘴主体501，并且用于Cu有机金属材料的气体被供给至喷气嘴主体502。两个喷气嘴主体501和502一体地往复移动或者以不同的速度往复移动。另外，当上半个往复运动完成时，供给气体被切换。特别地，用于Cu有机金属材料的气体被供给至喷气嘴主体501，并且氢或氢原子团被供给至喷气嘴主体502。然后，后半个往复运动开始。这些操作重复进行(或可以只进行一次)。因此，Cu薄膜形成于晶片W的上表面上。
用于测量晶片表面上的薄膜厚度的传感器552附装到喷气嘴主体501和502上。这些传感器552可以包括各种的传感器，包括涡流传感器和光学传感器。喷气嘴主体501和502两者均可以不具有传感器，并且喷气嘴主体501和502中的任意一个可以具有传感器。当喷气嘴主体501和502在晶片上往复运动时，薄膜厚度信息可以沿晶片W的径向方向获得。从喷气嘴主体501和502供给的气体G的数量被控制，从而使得薄膜厚度趋同于上述参考信号。例如，当根据参考信号将在晶片W的整个表面上实现均匀薄膜厚度时，气体流速与喷气嘴主体501和502的往复运动同步地被控制。
尽管已经对本发明的特定优选实施例进行了详细描述，但是本发明不局限于上述实施例。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下可以进行各种变型和改进。
工业实用性本发明适于在用于抛光和平整化例如半导体晶片的衬底的抛光设备中使用。
权利要求
1.一种抛光设备，包括具有抛光表面的抛光台；顶圈，其用于在控制施加到衬底上的至少一个区域上的压紧力的同时将衬底压靠在所述抛光表面上；传感器，其用于监测衬底上的至少一个测量点的衬底状况；监测单元，其用于对来自所述传感器的信号执行预定的运算处理，以产生监测信号；存储装置，其用于存储参考信号，所述参考信号表示用于监测信号的参考值和时间之间的关系；以及控制器，其用于使测量点的监测信号与参考信号进行比较并且控制所述顶圈的压紧力，以使得测量点的监测信号趋同于参考信号。
2.如权利要求1所述的抛光设备，其特征在于，所述顶圈被配置为独立地控制施加到衬底上的多个区域上的压紧力，所述传感器是可操作的，以监测衬底上的多个测量点的衬底状况。
3.如权利要求2所述的抛光设备，其特征在于，所述顶圈包括多个压力室，以用于向衬底上的所述多个区域独立地施加压紧力。
4.如权利要求2或3所述的抛光设备，其特征在于，所述控制器是可操作的，以计算抛光开始时所述多个测量点的监测信号的平均值，并且相对于时间序列平移该参考信号，以使得抛光开始时的参考信号等于所述平均值。
5.如权利要求2或3所述的抛光设备，其特征在于，所述控制器是可操作的，以计算抛光过程的期望时间点处的所述多个测量点的监测信号的平均值，并且在所述期望时间点后相对于时间序列平移该参考信号，以使得所述期望时间点处的参考信号等于所述平均值。
6.如权利要求1-3中任意一项所述的抛光设备，其特征在于，所述控制器是可操作的，以相对于时间序列平移该参考信号，从而使得抛光开始时的参考信号等于抛光开始时衬底上的预定测量点的监测信号。
7.如权利要求1-3中任意一项所述的抛光设备，其特征在于，所述控制器是可操作的，以在抛光过程的期望时间点后相对于时间序列平移该参考信号，从而使得所述期望时间点处的参考信号等于该期望时间点处该衬底上的预定测量点的监测信号。
8.如权利要求1-3中任意一项所述的抛光设备，其特征在于，所述控制器是可操作的，以在抛光开始时相对于时间序列平移该参考信号，从而使得抛光时间变为期望的时间段。
9.如权利要求1-3中任意一项所述的抛光设备，其特征在于，所述控制器是可操作的，以计算等于抛光过程的期望时间点处的监测信号的参考信号的时间点，并且计算从参考信号等于监测信号的时间点到参考信号变为预定值的参考时间点的时间段。
10.如权利要求1-3中任意一项所述的抛光设备，其特征在于，所述参考信号为这样的信号，其中形成于衬底上的薄膜类型、层状结构、互连结构、抛光液的物理性能、所述抛光表面的温度、衬底温度、形成所述抛光表面的抛光工具的厚度中的至少一个被设定为参数。
11.如权利要求1-3中任意一项所述的抛光设备，其特征在于，在使用了当前抛光过程中所用的抛光表面的此前抛光过程中所获得的监测信号或者在使用了已经被替换的另一抛光表面的此前抛光过程的初始阶段所获得的监测信号被用作该参考信号。
12.如权利要求1-3中任意一项所述的抛光设备，其特征在于，所述控制器是可操作的，以通过利用预测控制对所述顶圈的压紧力进行控制。
13.如权利要求12所述的抛光设备，其特征在于，所述控制器的控制周期在1秒至10秒的范围内。
14.如权利要求1-3中任意一项所述的抛光设备，其特征在于，所述监测单元是可操作的，以排除衬底的周边部分处的测量点的监测信号。
15.如权利要求1-3中任意一项所述的抛光设备，其特征在于，所述监测单元是可操作的，以修正衬底的周边部分处的测量点的监测信号。
16.如权利要求1-3中任意一项所述的抛光设备，其特征在于，所述传感器包括涡流传感器、光学传感器和微波传感器中的至少一个。
17.如权利要求1-3中任意一项所述的抛光设备，其特征在于，所述传感器是可操作的，以测量衬底的表面上的薄膜厚度。
18.如权利要求1-3中任意一项所述的抛光设备，其特征在于，还包括用于提供所述抛光台和所述顶圈之间的相对运动的致动器，其中所述传感器设置在所述抛光台中。
19.如权利要求18所述的抛光设备，其特征在于，所述致动器包括用于旋转所述抛光台的电动机。
20.如权利要求1-3中任意一项所述的抛光设备，其特征在于，所述控制器是可操作的，以在抛光过程中间歇地中断所述控制。
21.如权利要求1-3中任意一项所述的抛光设备，其特征在于，所述控制器是可操作的，以在抛光结束之前完成控制并保持此时的抛光条件，直到抛光结束为止。
22.如权利要求1-3中任意一项所述的抛光设备，其特征在于，所述控制器是可操作的，以利用一个衬底的抛光过程结束时的时间点处的抛光条件作为另一个衬底的抛光过程的初始抛光条件。
23.如权利要求1-3中任意一项所述的抛光设备，其特征在于，所述控制器是可操作的，以根据所述监测单元的信号检测抛光终点。
24.一种抛光设备，包括具有抛光表面的抛光台；顶圈，其用于在独立地控制施加到衬底上的多个区域上的压紧力的同时将衬底压靠在所述抛光表面上；传感器，其用于监测衬底上的多个测量点的衬底状况；监测单元，其用于对来自所述传感器的信号执行预定的运算处理，以产生监测信号；以及控制器，其用于根据该监测信号控制所述顶圈的压紧力，其中所述控制器是可操作的，以在施加到所述多个区域的至少一个上的压紧力超出预定范围时按比例调节施加到所述多个区域上的压紧力或该压紧力的变化量，从而使得施加到所有区域上的压紧力处于预定范围内。
25.一种抛光设备，包括具有抛光表面的抛光台；顶圈，其用于在独立地控制施加到衬底上的多个区域上的压紧力的同时将衬底压靠在所述抛光表面上；传感器，其用于监测衬底上的多个测量点的衬底状况；监测单元，其用于对来自所述传感器的信号执行预定的运算处理，以产生监测信号；以及控制器，其用于根据监测信号具有极限值时的时间点控制所述顶圈的压紧力。
26.如权利要求25所述的抛光设备，其特征在于，非金属薄膜被形成于该衬底的表面上。
27.一种抛光设备，包括具有抛光表面的抛光台；顶圈，其用于在独立地控制施加到衬底上的多个区域上的压紧力的同时将衬底压靠在所述抛光表面上；传感器，其用于监测衬底上的多个测量点的衬底状况；监测单元，其用于对来自所述传感器的信号执行预定的运算处理，以产生监测信号；以及控制器，其用于根据所述监测信号控制所述顶圈的压紧力，从而在抛光该衬底期间调节施加到所述多个区域上的压紧力的灵敏度。
28.一种抛光方法，包括通过传感器监测衬底上的至少一个测量点的衬底状况；对来自该传感器的信号执行预定的运算处理，以产生监测信号；将该测量点的监测信号与参考信号进行比较，所述参考信号表示用于监测信号的参考值和时间之间的关系；以及将所述衬底压靠在抛光表面上，以抛光该衬底，同时控制施加到衬底上的至少一个区域上的压紧力，从而使得该测量点的监测信号趋同于该参考信号。
29.一种加工方法，包括通过传感器监测衬底上的至少一个测量点的衬底状况；对来自该传感器的信号执行预定的运算处理，以产生监测信号；将该测量点的监测信号与参考信号进行比较，所述参考信号表示用于监测信号的参考值和时间之间的关系；以及在控制该衬底的衬底状况以使该测量点的监测信号趋同于该参考信号的同时在该衬底上形成薄膜。
全文摘要
一种抛光设备，其具有抛光台(18)和顶圈(20)，所述抛光台具有抛光表面(40)，所述顶圈用于在独立地控制施加于衬底上的多个区域(C1－C4)上的压紧力的同时将衬底压靠在抛光表面(40)上。该抛光设备具有传感器(52)、监测单元(53)和控制器(54)，所述传感器(52)用于监测衬底上的多个测量点的衬底状况，所述监测单元(53)用于对来自传感器(52)的信号执行预定的运算处理，以产生监测信号，所述控制器(54)用于将测量点的监测信号与参考信号进行比较，并且控制顶圈(20)的压紧力，从而使得测量点的监测信号趋同于参考信号。
文档编号B24B49/10GK1972780SQ20058002037
公开日2007年5月30日 申请日期2005年6月20日 优先权日2004年6月21日
发明者小林洋一, 广尾康正, 大桥刚 申请人:株式会社荏原制作所