化学机械抛光装置的制作方法

本发明涉及一种化学机械抛光装置，更详细地，涉及一种在化学机械抛光工序中补偿对晶片抛光层的厚度进行测定的涡流传感器的偏移偏差，从而可以更加准确地获得晶片抛光层的厚度的化学机械抛光装置。

背景技术：

一般情况下，化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing；CMP)工序是指以在进行旋转的抛光平板上接触晶片等基板的状态进行旋转，并执行机械抛光来使基板的表面变得平坦，以达到预先指定的厚度的工序。

为此，如图1所示，化学机械抛光装置1一边以使抛光垫11覆盖抛光平板12的上方的状态进行自转，一边利用抛光头20向抛光垫11的表面加压晶片W并进行旋转，从而对晶片W的表面平坦地进行抛光。为此，具有调节器30，其使抛光垫11的表面按规定的状态得到维持的方式进行旋转30r，并实施改性，通过浆料供给管40来向抛光垫11的表面供给用于执行化学抛光的浆料。

与此同时，在抛光垫11设置有用于测定晶片W的抛光层厚度的厚度传感器50，来与抛光垫11一同进行旋转，并从一边经过晶片W的下侧，一边接收的接收信号中测定晶片W的抛光层厚度。根据不同的情况，在晶片W的下侧设置有用于贯通抛光垫11和抛光平板11的透明窗，并在透明窗的下部接收来自晶片W的包含抛光层厚度信息的输出信号，来测定晶片W的抛光层厚度。

在此，测定抛光层厚度包括仅仅监测抛光层的厚度是否达到目标厚度。

晶片W的抛光层在由作为导电材料的钨等金属材质形成的情况下，厚度传感器50具有以相邻的方式配置于铜等抛光层的传感线圈，通过施加交流电流Si来射出在晶片抛光层形成涡流的涡流输入信号，从而如图3所示，从在导电性抛光层中引导的涡流50E的合成阻抗及相位差的变化值中检测晶片W的抛光层厚度。

但是，每当测定传感器本身的偏移时，厚度传感器50都具有差异。即，如图4所示，根据使用于化学机械抛光工序的厚度传感器50的种类和环境，即使相对于没有导电材料的区域S50e中的信号，具有导电材料的抛光层区域S50c中的信号恒定，在由导电材料形成的晶片抛光层中接收到的输出信号Sox1、Sox2、Sox3的各个偏移值off2、off3也具有差异。

因此，若在化学机械抛光工序中并未考虑因厚度传感器50的特性或抛光垫等周边环境因素而变得不同的偏移值的差异的情况下测定晶片W的抛光层厚度，则由于包括抛光层厚度的测定误差，而存在无法准确地测定晶片W的抛光层厚度的问题。

技术实现要素：

解决的技术问题

本发明为了解决如上所述的问题而提出，本发明的目的在于，在化学机械抛光工序中补偿对晶片抛光层的厚度进行测定的涡流传感器的偏移偏差，从而可以更加准确地获得晶片抛光层的厚度。

并且，本发明的目的在于，在化学机械抛光工序中检测基于抛光垫的磨损的厚度变化量，并以此为基准来对测定的晶片抛光层的厚度进行补偿，从而在化学机械抛光工序中更加准确地获得晶片抛光层的厚度。

由此，本发明的目的在于，准确地检测晶片的抛光结束时间点，来准确地控制晶片的抛光厚度。

技术方案

为了实现如上所述的目的，本发明提供化学机械抛光装置，作为晶片的化学机械抛光装置，其中，包括：抛光平板，上表面被抛光垫覆盖，并进行自转；抛光头，在化学机械抛光工序中，与上述晶片的板表面相接触来进行加压；厚度传感器，向上述晶片施加信号，来获得上述晶片的厚度信息；控制部，在上述晶片不位于上述隔膜的底板的状态下，接收来自上述厚度传感器的第一输出信号之后，在使上述晶片位于上述隔膜的底板的状态下进行化学机械抛光工序的过程中，从上述厚度传感器接收第二输出信号，从而从上述第二输出信号减去上述第一输出信号的信号来获得上述晶片的厚度分布。

这是为了在晶片位于抛光头的下侧之前，在抛光头以相同的方式位于抛光垫上的状态下，从厚度传感器中接收作为空信号的第一输出信号，并在预先掌握传感器本身的偏移值的情况下，在以使晶片位于抛光头的下侧的状态执行化学机械抛光工序的期间内，从晶片接收具有抛光层厚度信息的第二输出信号后，从第二输出信号减去第一输出信号的校正信号中计算晶片抛光层的厚度，从而可以通过厚度传感器的偏移特性来准确地获得并未歪曲的晶片抛光层的厚度。

这种本发明的结构还可以适用于由厚度传感器照射光，之后在晶片抛光层中接收受光信号的光传感器中，但尤其可以更加有效地适用于在上述晶片上形成有导电材料的抛光层，从而在上述化学机械抛光工序中对上述金属材质的抛光层进行抛光的情况下使用为厚度传感器的涡流传感器。

另一方面，可在上述抛光头设置有挡圈，上述挡圈配置于上述隔膜的周围，并包括第一部件和第二部件，上述第一部件由导电材料形成，并沿着上述晶片的周围形成具有互不相同的高度的第一台阶面和第二台阶面，上述第二部件在上述第一部件的下侧由非导电性部件层叠而成，并在上述化学机械抛光工序中与上述抛光垫相接触。

像这样，随着由第一部件和第二部件形成挡圈，上述第一部件由导电性部件，以具有第一台阶面和第二台阶面的方式形成，上述第二部件由非导电性部件，形成于第一部件的下侧，因非导电材料的第二部件而发生朝向抛光垫进行加压并磨损的情况，而随着第一台阶面和第二台阶面以互不相同的高度由导电性部件形成，可以利用预先掌握的第一台阶面和第二台阶面的高度差异，从第一台阶面和第二台阶面中的两个输出信号中测定抛光垫的厚度变化量。

因此，在从晶片抛光层中的涡流输出信号中计算出的晶片抛光层的厚度反映抛光垫的厚度变化量，从而可以获得能够准确地测定出考虑到抛光垫的磨损量的晶片抛光层的厚度的有益效果。

此时，上述第一台阶面和上述第二台阶面分别形成为水平的平坦面，从而可以均衡地获得进行旋转的挡圈的各台阶面中的涡流输出信号。

并且，优选地，上述第一台阶面和上述第二台阶面的高度偏差在整个圆周方向保持恒定值。

而且，上述第一台阶面和上述第二台阶面分别呈环形，并分布在从中心沿着半径方向互不相同的长度上，从而可以均衡地获得进行旋转的挡圈的各台阶面中的涡流输出信号。

另一方面，上述第一部件可以由金属材料形成，上述第二部件可以由树脂、塑料中的任意一种以上的材料形成。由此，所施加的电流贯通第二部件来在导电性金属材料的第一部件中生成涡流，从而可以在第一台阶面和第二台阶面中获得涡流输出信号。

在这种情况下，上述厚度传感器配置有三个以上，用于分别接收来自上述晶片、上述第一台阶面及上述第二台阶面中的输出信号。由此，可以从第一台阶面和第二台阶面中的输出信号中计算出抛光垫的厚度变化值，并从晶片中的输出信号中获得晶片的厚度数据。

另一方面，上述第一部件呈环形，从而可以容易地安装于抛光头，并且，随着沿着包围晶片的整个圆弧来形成台阶面，即使抛光头在化学机械抛光工序中进行自转，也可以借助传感器来从第一台阶面和第二台阶面中接收输出信号并实时检测抛光垫的厚度变化量。

而且，上述第二部件即使不呈环形也无妨，但随着呈环形，可以恒定维持与抛光垫相接触的面，并可以无损伤地维持抛光垫的稳定的接触状态。

另一方面，根据本发明的另一实施方式，本发明提供化学机械抛光方法，作为晶片的化学机械抛光方法，上述化学机械抛光方法包括：晶片抛光步骤，在使上述晶片位于下侧的状态下，利用具有挡圈的抛光头来朝向抛光垫进行加压并进行抛光，上述挡圈包括第一部件和第二部件，上述第一部件由导电材料形成于上述晶片的周围，上述第一部件的厚度大于上述抛光层的厚度，上述第二部件由非导电性部件形成于上述第一部件的下侧，并与上述抛光垫相接触；第一输出信号接收步骤，在上述晶片不位于上述隔膜的底板的状态下，接收来自上述厚度传感器的第一输出信号；第二输出信号接收步骤，在使上述晶片位于上述隔膜的底板的状态下进行的化学机械抛光工序中，从上述厚度传感器接收第二输出信号；以及抛光层厚度计算步骤，从上述第二输出信号减去上述第一输出信号的信号中获得上述晶片的厚度分布。

发明效果

如上所述，本发明可以获得如下的有益效果：在晶片位于抛光头的下侧之前，从厚度传感器中接收作为空信号的第一输出信号，并预先掌握传感器本身的偏移值，在以使晶片位于抛光头的下侧的状态执行化学机械抛光工序的期间内，从晶片接收具有抛光层厚度信息的第二输出信号后，从第二输出信号减去第一输出信号的校正信号中计算晶片抛光层的厚度，从而可以通过厚度传感器的偏移特性来准确地获得不歪曲的晶片抛光层的厚度。

并且，本发明可以获得如下的有益效果：在构成化学机械抛光工序中使晶片位于底面的状态下进行加压的抛光头的挡圈的工序中，随着由第一部件和第二部件形成挡圈，上述第一部件作为导电性部件，以具有第一台阶面和第二台阶面的方式形成，上述第二部件由非导电性部件，形成于第一部件的下侧，因非导电材料的第二部件而发生朝向抛光垫进行加压并磨损的情况，从而可以维持顺畅地进行加压的状态，而随着第一台阶面和第二台阶面以互不相同的高度由导电性部件形成，可以利用预先掌握的第一台阶面和第二台阶面的高度差异来从第一台阶面和第二台阶面中的两个输出信号中测定抛光垫的厚度变化量，从而在从晶片抛光层中的涡流输出信号中计算出的晶片抛光层的厚度反映从挡圈的台阶面中的涡流输出信号获得的抛光垫的厚度变化量，由此可以准确地测定出考虑到抛光垫的磨损量的晶片抛光层的厚度。

附图说明

图1为示出以往的化学机械抛光装置结构的主视图。

图2为图1的俯视图。

图3为使用于图1的抛光头的半剖视图。

图4为示出针对相同的晶片来测定的涡流输出信号的图。

图5为示出本发明的一实施例的化学机械抛光装置的工作顺序的顺序图。

图6a为示出在未设置晶片的状态下由厚度传感器接收的第一输出信号的一形态的图。

图6b为示出利用图5的化学机械抛光装置来执行化学机械抛光工序的结构图。

图6c为示出在图6b的化学机械抛光工序中由厚度传感器接收的第二输出信号的一形态的图。

图6d为用于对图6a及图6c所示的输出信号中计算出校正输出信号的控制部的原理进行说明的图。

图6e及图6f为用于利用抛光头的挡圈的台阶面来计算出抛光头的厚度的图6a的“B”部分的放大图。

图7为用于对计算出图6e及图6f的抛光垫的厚度的原理进行说明的顺序图。

符号说明

10：抛光平板 11：抛光垫

100：抛光头 121：隔膜

122：本体部 123：挡圈

123s1：第一台阶面 123s2：第二台阶面

50、500：涡流传感器 90：控制部

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的一实施例的化学机械抛光装置9及使用于上述化学机械抛光装置9的抛光头100进行详述。只不过，在对本发明进行说明的工序中，为了明确本发明的要旨，将省略对公知的功能或结构的具体说明。

本发明的一实施例的化学机械抛光装置9包括：抛光平板10，被抛光垫11覆盖，晶片W的抛光面以进行抛光的方式与上述抛光垫11相接触；抛光头100，以使晶片W位于底面的状态进行加压，并使晶片W进行自转；涡流传感器50，施加涡流，并从抛光层接收输出信号，以检测晶片W的抛光层的厚度；以及控制部90，向涡流传感器50施加交流电流，并在从涡流传感器50接收到的输出信号中检测晶片W的抛光层厚度。

上述抛光平板10以上表面被抛光垫11覆盖的状态进行旋转驱动。如图6b所示，在抛光平板10设置有用于施加涡流信号的贯通孔10a，因而能够从配置于贯通孔10a的下侧的厚度传感器500向晶片W和挡圈123施加涡流。

另一方面，如图6b所示，厚度传感器50可以固定于抛光平板10，因此，能够使厚度传感器50与进行旋转的抛光垫11一同进行旋转，并沿着经过晶片W的轨迹来接收涡流输出信号。

虽然附图中一同例示出了厚度传感器50、500固定于贯通孔10a的下侧和抛光平板10的结构，但根据本发明的另一实施方式，厚度传感器50、500可以仅设置于贯通孔10a的下侧和抛光平板10中的一个。

如图4所示，上述抛光头100包括：本体部122，从外部进行旋转驱动；隔膜121，在与本体部122之间设置有压力腔室C的状态下固定于本体部122；以及挡圈123，包围隔膜121的底板周围。

在此，形成于隔膜121和本体部122之间的压力腔室C通过从隔膜的底板以环形突出的扁平物(flap)来形成为被分割成多个的压力腔室。而且，从压力调节部125起，通过气压供给管125a来向每个压力腔室C供给气压，用于调节压力腔室C的压力，并在向压力腔室C供给气压时，向下方推动隔膜的底板，从而朝向抛光垫11加压位于隔膜的底板的下侧的晶片W。

与此同时，随着本体部122旋转，隔膜121也一同旋转，因此，位于隔膜121的底板的底部的晶片W也一同旋转，并实现化学机械抛光工序。

而且，挡圈123呈包围在化学机械抛光工序中的晶片W的周围的环形，调节位于挡圈123上侧的保持室123C的气压，并在如图6e所示的化学机械抛光工序中，维持底面123s被抛光垫11加压的状态。由此，在挡圈123中，包括与抛光垫11相接触的底面123s的第二部件1232由可以形成磨损的树脂、塑料之类的消耗性材料形成。

即，挡圈123包括与抛光垫11相接触的第二部件1232和层叠于第二部件1232的上侧的第一部件1231。在由第一部件1231和第二部件1232相接触的边界面形成具有互不相同的高度的第一台阶面123s1和第二台阶面123s2。此时，第一部件1231可由例如金属等导电材料形成，来生成涡流。而且，第二部件由例如塑料或树脂等非导电材料形成，用于使从涡流传感器51、52施加的输入信号经过，并在第一部件1231生成涡流。

此时，第一台阶面123s1和第二台阶面123s2形成为水平的平坦面，并以从隔膜121的中心朝向互不相同的半径方向的长度中以环形分布而成。由此，即使挡圈123在化学机械抛光工序中持续旋转，用于在第一台阶面123s1生成涡流的第一厚度传感器51和用于在第二台阶面123s2生成涡流的第二厚度传感器52也可以在各台阶面123s1、123s2生成规定的涡流，从而可以在挡圈123的各台阶面123s1、123s2中获得均匀的涡流输出信号Sos1、Sos2。

而且，第一部件1231只要形成为包围晶片W的周围的形态(包括沿着圆周方向以相互隔开的方式配置的形态)就足够，但形成为以作为闭曲线的环形包围晶片W的周围的形态，从而在化学机械抛光工序中，即使挡圈123与抛光头100一同进行自转，来自厚度传感器52的涡流也始终到达各台阶面123s1、123s2。

并且，第二部件1232同样也只要为了防止晶片W的脱离而形成为包围晶片W的周围的形态(包括沿着圆周方向以相互隔开的方式配置的形态)就足够，但优选地，为了与抛光垫11维持规定的接触面而呈环形。

另一方面，挡圈123的第一台阶面123s1和第二台阶面123s2的高度偏差y在整个圆周方向恒定形成，从而具有在圆周方向的任何位置都可以恒定地获得涡流输出信号Sos1、Sos2的优点。而且，如图所示，第一台阶面123s1和第二台阶面123s2分别呈环形，从而分布在从隔膜的底板的中心沿着半径方向互不相同的长度上。

在以如上所述的方式构成的本发明的一实施例的抛光头100中，挡圈123中的作为导电材料的第一部件1231和作为非导电材料的第二部件1232以具有互不相同的高度的台阶面123s1、123s2的方式形成，并借助从涡流传感器51、52施加的输入信号Si 1、Si2来在第二部件1232的各台阶面123s1、123s2引导涡流，从而可以在涡流传感器51、52接收台阶面123s1、123s2中的基于涡流的输出信号(例如，共振频率或合成阻抗)Sos1、Sos2。

此时，由于已经掌握各台阶面123s1、123s2之间的高度偏差y，因而具有如下优点：可以从实时接收互不相同的台阶面123s1、123s2中的输出信号Sos1、Sos2来获得的互不相同的两个输出信号Sos1、Sos2中实时检测在化学机械抛光工序中由抛光垫11的磨损引起的厚度减少量。

另一方面，如图6f所示的挡圈123’，形成于挡圈123的第一部件1231的底面的第一台阶面123s1和第二台阶面123s2可以形成为相互插入的凹凸形态。由此，可以获得可以在指定的位置中防止错开而更加准确且容易地使第一部件1231和第二部件1232相结合的优点。

上述涡流传感器50具有呈缠绕n次的中空螺旋形状的传感线圈(未图示)，从而从控制部90接收交流电流来以磁通量形态从传感线圈施加输入信号Si(Si1、Si2、Si3)，并向导电体施加涡流，由此，在导电体的厚度发生变化或与导电体之间的距离发生变化的情况下，接收在导电体发生的涡流所引起的共振频率或合成阻抗作为输出信号So(So1、So2、So3)，从而使用于从输出信号So的变化中检测导电体的厚度变化或至导电体为止的距离。

根据本发明的一实施例，涡流传感器50在抛光头100的外部位置Pe生成涡流来接收输出信号，在挡圈123的第一台阶面123s1的下侧位置Pr生成涡流来接收第三-一输出信号So31(为了方便，在附图中标注为附图标记51)，在挡圈123的第二台阶面123s2的下侧位置Pr生成涡流来接收第三-二输出信号So32(为了方便，在附图中标注为附图标记52)，并在晶片W的抛光层的下侧Pc生成涡流来接收第二输出信号So2。在附图中，虽然单独设置有三个涡流传感器50(51、52、53)，但厚度传感器50可以由可在三给位置中发出并接收信号的一个涡流传感器构成。

在没有导电性材料的情况下，涡流传感器50、500所接收到的输出信号因没有合成阻抗的减少量而在原则上被测定为基准值(default)或零(0)，在具有导电性材料的情况下，涡流传感器50、500所接收到的输出信号因合成阻抗的减少量而以从基准值或零减去与合成阻抗的减少量相对应的大小输出。例如，涡流传感器50、500的输出值可以被显示为电压(voltage)。

在执行化学机械抛光工序的期间内，上述控制部90向涡流传感器50施加交流电流，从而使高频率电流通过传感线圈来流动，并从晶片抛光层Le所接收的输出信号So中计算出晶片抛光层Le的厚度。

为此，首先，如图6a所示，不在抛光头100的隔膜121的底板下侧设置晶片W的状态下，厚度传感器50经过抛光头100的下侧来接收第一输出信号So1(S110)。

在此，在经过抛光头100的期间内，由于第一输出信号So1没有导电材料，涡流只在抛光头100的挡圈123的第一部件1231中得到引导，并且因基于此的合成阻抗的减少而使第一输出信号So1只有在挡圈123的下侧中的各台阶面123s1、123s2中具有低的值Sos1、Sos2。

而且，如图6a所示，在除挡圈123的下侧位置Pr之外的区域中由厚度传感器50接收的第一输出信号So1呈扁平的形态，并出现通过与厚度传感器50及除此之外的周边结构要素之间的组合来呈现的偏移值off。向控制部90传输厚度传感器50所获得的第一输出信号So1。

若借助各个厚度传感器50并通过第一输出信号So1来获得各传感器50的偏移值off，则如图6b所示，在将晶片W设置于抛光头100的隔膜121的下侧的状态下，执行化学机械抛光工序(S120)。

在执行化学机械抛光工序的期间内，多个厚度传感器50、500要么位于挡圈123的第一台阶面123s1和第二台阶面123s2的下侧，要么经过挡圈123的第一台阶面123s1和第二台阶面123s2的下侧，或者位于晶片W的下侧或经过晶片W的下侧。在这一过程中，厚度传感器50、500接收第二输出信号So2(S130)。

如图6c所示，在厚度传感器50的上侧中的没有导电材料的位置Pe中，上述第二输出信号So2成为与偏移值off相对应的信号，在厚度传感器50的上侧中具有第一部件1231或像晶片抛光层Le一样具有导电材料的位置Pr、Pc中，上述第二输出信号So2成为包含导电材料的厚度信息的信号值Sow。

而且，向控制部90传输厚度传感器50、500所接收到的第二输出信号So2。

因此，在从厚度传感器50、500接收到第一输出信号So1和第二输出信号So2之后，控制部90为了只抽取晶片抛光层Le的厚度信息而在第二输出信号So2减去第一输出信号So1，来排除偏移值off，并生成只含有晶片抛光层Le的厚度信息的补偿输出信号SoC。

而且，借助控制部90从补偿输出信号SoC获得晶片抛光层Le的厚度te(S140)。

另一方面，虽然图6d以第一输出信号So1和第二输出信号So2的挡圈123区域的信号大小相同的方式进行简化来显示，但在执行化学机械抛光工序的工序中，通过由抛光垫11的磨损引起的厚度减少，在挡圈123所处的区域中，第二输出信号So2的值和第一输出信号So1的值产生差异。

换言之，在执行化学机械抛光工序的工序中(S120)，若向位于挡圈123的下侧或经过挡圈123的下侧的厚度传感器50(以下，为了方便而分别命名为第一厚度传感器51和第二厚度传感器52)施加交流电流，则以生成涡流的方式从第一厚度传感器51和第二厚度传感器52向由导电材料形成的挡圈123的第一台阶面123s1和第二台阶面123s2施加磁通量形态的输入信号Si(S151)。

此时，由于抛光头100的挡圈123的第二部件1232由塑料、树脂等非导电材料形成，因此，原因从第一厚度传感器51和第二厚度传感器52施加的磁通量而不会生成涡流。但是，贯通第二部件1232的磁通量(magnetic flux)在第一部件1231的第一台阶面123s1及第二台阶面123s2中生成涡流。

而且，随着晶片W被抛光垫11加压并得到抛光，并进行化学机械抛光工序，但在晶片W的化学机械抛光工序中发生抛光垫11的表面也被磨损而逐渐变薄的现象。因此，在执行步骤S151的同时，在第一厚度传感器51及第二厚度传感器52中，将在第一台阶面123s1和第二台阶面123s2发生的涡流中的共振频率或包含电抗成分和电阻成分的合成阻抗作为第三-一输出信号So31和第三-二输出信号So32来被涡流传感器51、52接收，而控制部90接收缩接收到的输出信号So31、So32来从输出信号So31、So32中计算由抛光垫1的磨损引起的第一台阶面123s1和第二台阶面123s2的移动量。此时，由于已经掌握第一台阶面123s1和第二台阶面123s2的高度偏差y，因而可以从所接收到的输出信号So1、So2中实时检测抛光垫11的磨损量(S152)。

因此，本发明可以获得如下的有益效果：控制部90可以通过S152从挡圈123的各台阶面123s1、123s2的输出信号So31、So32中实时获得抛光垫11的厚度变化值，因而可以对在S140中获得的晶片抛光层Le的厚度值进行校正，从而可以获得抛光垫11的厚度变化值、传感器50、500及周边结构要素的偏移值off均得到校正的准确的晶片抛光层Le的厚度值(S160)。

以上，虽然以例示性的方式对本发明的优选实施例进行了说明，但本发明的范围并不局限于这种特定的实施例，而是可以在专利保护范围所记载的范畴内进行适当的变更。