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Gebiet der vorliegenden Offenbarung
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Im
Allgemeinen betrifft der hierin offenbarte Gegenstand das Gebiet
der Herstellung integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere
CMP(chemisch-mechanische Polier-)Prozesse, die zur Einebnung von
Prozessschichten, etwa von Metallisierungsstrukturen, verwendet
werden, wenn das überschüssige Metall
unter Anwendung eines Polierprozesses abgetragen wird.
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Beschreibung des Stands der
Technik
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Typischerweise
erfordert die Herstellung moderner integrierter Schaltungen eine
große
Anzahl einzelner Prozessschritte, wobei eine typische Prozesssequenz
das Abscheiden leitender, halbleitender oder isolierender Schichten
auf einen geeigneten Substrat umfasst. Nach dem Abscheiden der entsprechenden
Schicht werden Bauteilstrukturelemente hergestellt, indem die entsprechende
Schicht durch gut bekannte Mittel strukturiert wird, etwa durch
Photolithographie und Ätzen.
Folglich wird durch Strukturieren einer abgeschiedenen Schicht eine
gewisse Topographie erzeugt, die auch das Abscheiden und das Strukturieren
nachfolgender Schichten beeinflusst. Da modernste integrierte Schaltungen
die Herstellung einer Vielzahl gestapelter Schichten erfordern,
ist es üblich,
die Oberfläche des
Substrats regelmäßig einzuebnen,
um damit gut definierte Bedingungen für das Abscheiden und Strukturieren
nachfolgender Materialschichten zu schaffen. Dies gilt insbesondere
für sogenannte
Metallisierungsschichten, in denen Metallverbindungsstrukturen hergestellt
werden, um die einzelnen Bauteilstrukturelemente, etwa Transistoren,
Kondensatoren, Widerstände
und dergleichen, elektrisch zu verbinden, wodurch die durch den
Schaltungsaufbau erforderliche Funktion erreicht wird.
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In
dieser Hinsicht hat sich CMP als eine häufig eingesetzte Prozesstechnik
entwickelt, um „Unregelmäßigkeiten” in der
Substrattopographie zu verringern, die durch vorhergehende Prozesse
geschaffen wurden, um damit verbesserte Bedingungen für den nachfolgenden
Prozess, etwa die Photolithographie, und dergleichen zu erzeugen.
Der Polierprozess erzeugt selbst mechanische Schäden an der polierten Oberfläche, jedoch
in einem sehr ge ringem Maße,
d. h. auf atomarer Ebene, wobei dies von den Prozessbedingungen
abhängt.
CMP-Prozesse besitzen auch eine Reihe von Nebeneffekten, die es
zu berücksichtigen
gilt, um für
Prozesse anwendbar zu sein, die für die Herstellung modernster
Halbleiterbauelemente erforderlich sind.
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Beispielsweise
wurde in jüngerer
Vergangenheit die sogenannte Damaszener- oder Einlegetechnik ein
bevorzugtes Verfahren bei der Herstellung von Metallisierungsschichten,
wobei eine dielektrische Schicht abgeschieden und strukturiert wird, um
Gräben
und Kontaktöffnungen
zu erhalten, die nachfolgend mit einem geeigneten Metall, etwa Aluminium,
Kupfer, Kupferlegierungen, Silber, Wolfram und dergleichen gefüllt werden.
Da der Vorgang des Bereitstellens des Metalls als ein ganzflächiger Abscheideprozess
auf der Grundlage von beispielsweise elektrochemischen Abscheideverfahren
ausgeführt
wird, erfordert das entsprechende Strukturmuster der dielektrischen
Materialschicht ein merkliches Abscheiden im Übermaß, um zuverlässig schmale Öffnungen
und weite Gebiete oder Gräben
in einem gemeinsamen Abscheideprozess zu füllen. Das überschüssige Metall wird dann entfernt
und die resultierende Oberfläche
wird eingeebnet, indem eine Prozesssequenz ausgeführt wird,
die einen oder mehrere mechanische Polierprozesse enthält, wobei auch
eine chemische Komponente enthalten ist. Das chemisch-mechanische
Polieren oder im Allgemeinen das Einebnen (CMP) hat sich als eine
zuverlässige
Technik erwiesen, um das überschüssige Metall zu
entfernen und die resultierende Oberfläche einzuebnen, um damit Metallgräben und
Kontaktdurchführungen
zurückzulassen,
die im Wesentlichen voneinander isoliert sind, wie dies durch das
entsprechende Schaltungskonzept erforderlich ist. Das chemisch-mechanische
Polieren erfordert typischerweise, dass das Substrat auf einem Träger befestigt wird,
einem sogenannten Polierkopf, so dass die einzuebnende Substratoberfläche frei
liegt und gegen ein Polierkissen gedrückt werden kann. Der Polierkopf
und das Polierkissen werden relativ zueinander in Bewegung versetzt,
indem für
gewöhnlich
jeweils der Polierkopf und das Polierkissen bewegt werden. Typischerweise
werden der Kopf und das Kissen relativ zueinander in Drehung versetzt,
wobei die Relativbewegung so gesteuert wird, dass lokal eine Sollmaterialabtragsrate
für eine
gegebene chemische Reaktionsrate erreicht wird, die im Wesentlichen durch
die Zusammensetzung des Schleifmittels und die Eigenschaften des
bzw. der Materialien, die zu entfernen sind, abhängt.
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Ein
Problem beim chemisch-mechanischen Polieren von Substraten sind
die sehr unterschiedlichen Abtragsraten der unterschiedlichen Materialien, etwa
von Metall und einem dielektrischen Material, von welchem das überschüssige Metall
zu entfernen ist. Beispielsweise wird in einem Polierzustand, in welchem
das dielektrische Material und das Metall gleichzeitig bearbeitet
werden, d. h. nachdem der wesentliche Teil des Metalls bereits entfernt
ist, die Abtragsrate für
das Metall deutlich höher
sein als die Abtragsrate für
das dielektrische Material. Dies kann zu einem gewissen Grade wünschenswert
sein, da somit das gesamte Metall zuverlässig von allen isolierenden
Oberflächen
abgetragen wird, wodurch die erforderliche elektrische Isolierung
gewährleistet
ist. Andererseits kann ein deutlicher Materialabtrag in den Gräben und
Kontaktdurchführungen
zu einem Graben oder Kontaktloch führen, das einen erhöhten elektrischen
Widerstand auf Grund der geringeren Querschnittsfläche aufweist.
Ferner kann die lokale Abtragsrate deutlich von der lokalen Struktur,
d. h. von der lokalen Musterdichte der Bauteilstrukturelemente in
einem speziellen Chipbereich abhängen, was
zu einem lokal variierenden Grad an Erosion des dielektrischen Materials
in einem abschließenden Stadium
des Polierprozesses führen
kann. Um einen typischen CMP-Prozess im Zusammenhang mit einem Damaszener-Prozess
deutlicher darzustellen, wird auf die 1a bis 1f Bezug
genommen.
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1a bis 1c zeigen
schematisch Querschnittsansichten einer Halbleiterstruktur 150 während diverser
Phasen bei der Herstellung einer Metallisierungsschicht gemäß einer
typischen Damaszener-Prozesssequenz.
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In 1a umfasst
die Halbleiterstruktur 150 ein Substrat 151, das
Schaltungselemente (nicht gezeigt) und eine isolierende Deckschicht
aufweist, auf der Metallleitungen auszubilden sind. Eine strukturierte
dielektrische Schicht 152 ist über dem Substrat 151 gebildet
und enthält Öffnungen,
beispielsweise in Form schmaler Gräben 153 und breiter
Gräben 154. Die
dielektrische Schicht 152 kann ferner dichtliegende Öffnungen 159 aufweisen.
Die Öffnungen
für die Gräben 153, 159 und 154 werden
entsprechend den Entwurfsregeln strukturiert, um damit Metallleitungen zu
erhalten, die die erforderlichen elektrischen Eigenschaften im Hinblick
auf die Funktion und die Leitfähigkeit
besitzen. Die Öffnungen 153, 154 und 159 repräsentieren
Bauteilgebiete mit unterschiedlicher Musterdichte, d. h. die Anzahl
der Bauteilstrukturelemente, etwa der in den Öffnungen 153, 155, 159 zu bildenden
Metallleitungen, pro Einheitsfläche
der Gebiete, die im Wesentlichen durch die jeweiligen Öffnungen 153, 154, 149 festgelegt
sind, ist unterschiedlich. Beispielsweise kann die Öffnung 154,
die einen breiten Graben repräsentiert,
als ein Gebiet mit geringerer Musterdichte bezeichnet werden im
Vergleich zu dem Gebiet, das die Gräben 159 enthält. Das
Abscheiden des dielektrischen Materials 152 sowie das Strukturieren
der Gräben 153, 159 und 154 wird
durch gut bekannte Abscheide-, Ätz-
und Photolithographieverfahren erreicht.
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1b zeigt
schematisch die Halbleiterstruktur 150 nach dem Abscheiden
einer Metallschicht 155, beispielsweise einer Kupferschicht, wenn
modernste integrierte Schaltungen betrachtet werden. Wie aus 1b hervorgeht,
ist die Topographie der Metallschicht 155 durch das darunter
liegende Muster der dielektrischen Schicht 152 beeinflusst. Die
Metallschicht 155 kann durch chemische Dampfabscheidung,
Sputter-Abscheidung oder, wie dies für Kupfer bevorzugt wird, durch
Elektroplattieren mit einem vorhergehenden Sputter-Abscheideschritt
für eine
entsprechende Kupfersaatschicht aufgebracht. Obwohl die genaue Form
des Oberflächenprofils
der Metallschicht 155 von der verwendeten Abscheidetechnik
abhängt,
wird im Prinzip eine Oberflächenform
erhalten, wie sie in 1b gezeigt ist.
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Danach
wird die Halbleiterstruktur 150 dem chemisch-mechanischen
Polieren unterzogen, in welchem wie zuvor erläutert ist, das Schleifmittel
und das Polierkissen so ausgewählt
sind, dass das überschüssige Metall
in der Metallschicht 155 effizient entfernt wird. Während des
chemisch-mechanischen Polierens wird das überschüssige Metall entfernt und schließlich werden
zunehmend Oberflächenbereiche 158 des
dielektrischen Materials 152 freigelegt, wobei es notwendig
ist, den Poliervorgang für
eine gewisse Nachpolierzeit fortzusetzen, um das Entfernen des Metalls
von allen isolierenden Oberflächen
sicherzustellen, um damit elektrische Kurzschlüsse oder Leckstrompfade zwischen
benachbarten Metallleitungen zu vermeiden. Wie zuvor erläutert ist,
können
sich die Abtragsrate des dielektrischen Materials und des Metalls
deutlich voneinander unterscheiden, so dass beim Nachpolieren der
Halbleiterstruktur 150 das Kupfer in den Gräben 153, 159 und 154 abgesenkt
wird.
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1c zeigt
schematisch ein typisches Ergebnis des chemisch-mechanischen Polierens
der in 1b gezeigten Struktur. Wie aus 1c ersichtlich
ist, werden während
des Nachpolierens der Halbleiterstruktur 150 unterschiedliche
Materialien gleichzeitig mit unterschiedlichen Abtragsraten poliert.
Die Abtragsrate ist ebenfalls zu einem gewissen Grade von dem darunter
liegenden Muster abhängig.
Beispielsweise werden das Vertiefen der Metallleitungen während der
Nachpolierzeit, was auch als Einkerbung bezeichnet wird, sowie das
Entfernen des dielektrischen Materials, das auch als Erosion bezeichnet
wird, merklich von der Art des zu polierenden Strukturmusters beeinflusst.
In 1c sind die Einkerbung und die Erosion an den
breiten Gräben 154, wie
dies durch 157 und 156 entsprechend angegeben
ist, relativ moderat, wohingegen an den schmalen Leitungen 153 die
Einkerbung 157 und die Erosion 156 deutlich ausgeprägter sind.
Um eine erforderliche elektrische Leitfähigkeit beizubehalten, müssen Schaltungsentwurfsingenieure
ein gewisses Maß an Einkerbung
und Erosion berücksichtigen,
was unter Umständen
in modernsten Bauelementen nicht verträglich mit dem Gesamtentwurf
ist.
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Daher
werden komplexe Steuerungsstrategien typischerweise in modernen
CMP-Anlagen eingesetzt, um Vorort Messdaten zu erzeugen, um einen geeigneten
Endpunkt des Polierprozesses abzuschätzen und/oder die Gleichmäßigkeit
des Polierprozesses zu steuern. Beispielsweise wird ein Messsignal,
das die mittlere Schichtdicke angibt, überwacht, um die mittlere Abtragsrate
während
des Prozesses zu bestimmen und/oder einen geeigneten Zeitpunkt zum
Beenden des Prozesses zu ermitteln. Dazu werden optische Messtechniken,
etwa spektroskopische Ellipsometrie oder andere Reflektivitätsmesstechniken
eingesetzt. Da die optische Sondierung der Substratoberfläche auf
Grund der Natur des Polierprozesses schwierig ist, müssen große Anstrengungen
unternommen werden, um geeignete CMP-Anlagen mit den optischen Messeigenschaften bereitzustellen.
Zu diesem Zweck wurden geeignete Polierkissen und Teller entwickelt,
die optischen Zugang zur Substratoberfläche während des Polierens ermöglichen.
Dies kann erreicht werden, indem entsprechende durchsichtige Fenster
in dem Kissen vorgesehen werden. Entsprechende optische Messdaten
werden daher für
eine Vielzahl dielektrischer Materialien und sehr dünne Metallschichten
während des
Polierens ermittelt, wodurch eine effiziente Steuerung und Endpunkterkennungsstrategien
möglich sind.
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1d zeigt
schematisch eine Draufsicht einer CMP-Anlage 100 mit einem
Rahmengestellt 110, das ausgebildet ist, einen Polierteller 120,
einem Polierkopf 130 und einem Kissenkonditionierer 160 sowie
entsprechende mechanische, elektrische und andere Komponenten zum
Betreiben der Komponenten 120, 130 und 160 aufzunehmen.
Es sollte beachtet werden, dass der Teller 120 drehbar
mittels einer geeigneten Antriebseinheit (nicht gezeigt) gehalten wird,
die wiederum ausgebildet ist, eine steuerbare Drehung des Tellers 120 gemäß den Prozessparametern
zu ermöglichen.
In ähnlicher
Weise ist der Polierkopf 130 in Verbindung mit geeigneten
mechanischen, elektrischen, hydraulischen, pneumatischen und anderen
Komponenten ausgebildet, ein Substrat zu empfangen, etwa das Halbleitersub strat 151,
und das Substrat relativ zu dem Polierteller 120 gemäß den spezifizierten
Prozessparametern in Drehung zu versetzen, wobei auch eine spezielle
Andruckskraft auf das Substrat ausgeübt wird, um die gewünschte Wechselwirkung
mit einem entsprechenden Polierkissen (in 1d nicht
gezeigt) in Verbindung mit einem geeigneten Schleifmittel, etwa
einer chemischen Komponente und dergleichen, zu erreichen. In ähnlicher
Weise ist der Kissenkonditionierer 160 mit einer geeigneten
Antriebseinrichtung verbunden, um damit die gewünschte Positionierung einer
entsprechenden konditionierenden Oberfläche (nicht gezeigt), über dem
Polierteller 120 zu ermöglichen,
wodurch ein effizientes Aufbereiten der entsprechenden Kissenoberfläche möglich ist,
um damit die Gleichmäßigkeit
der Prozessbedingungen während
der Bearbeitung einer Vielzahl von Substraten zu verbessern. Die
Polieranlage 100 umfasst ferner ein Fenster 121,
das in dem Polierteller 120 ausgebildet ist, wobei darin
ein optisch transparentes Material vorgesehen ist, um einen optischen
Zugriff auf eine während des
Betriebs der Polieranlage 100 zu behandelnden Oberfläche zu ermöglichen.
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1e zeigt
schematisch die Polieranlage 100 in einer schematischen
Querschnittsansicht, wobei ein optisches Messsystem 140 unter
dem Fensterbereich 121 angeordnet ist. Das optische System 140 ist
an einem Halteelemente 141 angebracht, das wiederum mechanisch
mit einer Antriebsanordnung 122 verbunden ist, die ausgebildet
ist, den Polierteller 120 in Drehung zu versetzen. Das
optische System 140 umfasst eine Lichtquelle 142,
die ausgebildet ist, einen Lichtstrahl zu senden und diesen auf
die Oberfläche
des Substrats 151 zu richten, das aktuell bearbeitet wird.
Des weiteren umfasst das optische System 140 einen Detektor 143,
der ausgebildet und angeordnet ist, einen von der Oberfläche des
Substrats 151 reflektierten Lichtstrahls zu empfangen.
Die jeweiligen Lichtstrahlen werden über ein im Wesentlichen transparentes
Material empfangen, das in dem Fensterbereich 121 vorgesehen
ist, wie dies zuvor erläutert
ist. Die Lichtquelle 142 und der Detektor 143 sind
mit einer CMP-Steuereinheit 101 verbunden, die ausgebildet
ist, das von dem Sensor 143 erhaltene Signal zu bewerten
und bei Bedarf die Lichtquelle 142 in geeigneter Weise
anzusteuern. Die Steuereinheit 101 ist ferner ausgebildet,
die Antriebsanordnung 122, die mit dem Polierteller 120 verbunden
ist, und auch eine Antriebsanordnung 123, die mit dem Polierkopf 130 verbunden
ist, zu steuern. Die Steuereinheit 101 kann auch die Bewegung
des Kissenkonditionierers 160 steuern.
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Während des
Betriebs der Polieranlage 100 wird das Substrat 151 auf
den Polierkopf 120 auf der Grundlage gut bekannter Komponenten,
etwa Roboter und dergleichen, aufgebracht, wobei der Polierkopf 130 selbst
ausgebildet sein kann, um die entsprechenden Substrathantierungs-
und Transportaktivitäten
innerhalb der Polieranlage 100 auszuführen. Das Substrat 151,
das in dem Polierkopf 140 eingeladen ist, wird in eine
entsprechende Betriebsposition gebracht und es wird daraufhin die
entsprechende Relativbewegung zwischen dem Polierteller, d. h. einem
entsprechenden Kissen 124, das darauf angebracht ist, und
dem Polierkopf 130 auf der Grundlage der Antriebsanordnungen 122 und 123 hervorgerufen.
Vor und/oder während
der Relativbewegung wird eine geeignete Schleifmittelsubstanz (nicht
gezeigt) auf die Oberfläche
des Kissens 124 aufgebracht, wobei das Schleifmittelmaterial
ein chemisches Mittel oder eine andere Komponente enthalten kann,
um die Gesamtabtragsrate zu erhöhen,
oder für
verbesserte Oberflächenbedingungen
während
des entsprechenden Polierprozesses zu sorgen. Der Kissenkonditionierer 160 (siehe 1g) kann ständig oder zeitweilig mit der
entsprechenden Polieroberfläche
des Kissens 121 in Kontakt sein, um die entsprechende Oberflächenstruktur „wieder
aufzubereiten”. Während des
Betriebs der Polieranlage 100 überstreicht der Fensterbereich 121 die
Substratoberfläche,
wodurch ein optisches Antwortsignal auf einen Dichtstrahl bereitgestellt
wird, der von der Lichtquelle 142 erzeugt wird, und der
von dem Detektor 143 empfangen wird, der ein Messsignal
an die Steuereinheit 101 liefert, das die Reflektivität des von
der Lichtquelle 142 belichteten Oberflächenbereichs angibt. Wenn beispielsweise
Material der Schicht 155 entfernt wird, ist eine anfängliche
Reflektivität
der Schicht 155 relativ hoch auf Grund der optischen Eigenschaften
des Materials der Schicht 155 und auf Grund einer moderat
ausgeprägten
Gesamtoberflächentopographie,
die nach dem Abscheiden der Schicht 155 erhalten wird,
wie dies zuvor erläutert
ist. Beim Entfernen von Material der Schicht 155 wird die anfängliche
Oberflächentopographie
zunehmend reduziert, wodurch die Intensität des reflektierten Lichtstrahls
verbessert wird, die dann im Wesentlichen stabil bleibt, solange
die gesamte Substratoberfläche von
dem gut reflektierenden Material der Schicht 155 bedeckt
ist. In einer abschließenden
Phase des Polierprozesses werden Oberflächenbereiche des Substrats 151 zunehmend
freigelegt, wodurch typischerweise die durchschnittliche Reflektivität auf Grund der
anderen optischen Eigenschaften des Materials 152 (siehe 1a bis 1c)
im Vergleich zu dem Material 155 verringert wird. Somit
kann die Verringerung der Reflektivität als Anzeichen des Status
des Polierprozesses verwendet werden.
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1f zeigt
schematisch die zeitliche Änderung
eines Messsignals, das von dem optischen Sensorsystem 140 während einer
Endphase des Polierprozesses erhalten wird. Wie gezeigt, repräsentiert die
horizontale Achse die Polierzeit, während die vertikale Achse die
mittlere Reflektivität,
beispielsweise die Intensität
des von dem Detektor 143 empfangenen reflektierten Lichtstrahls
angibt. Die Kurve A repräsentiert
die Reflektivitätswerte
im Laufe der Zeit, wobei bei einem Zeitintervall t1 die Reflektivität deutlich
abzufallen beginnt, wodurch angegeben wird, dass Bereiche der dielektrischen
Schicht 152 zunehmend freigelegt werden. Somit wird während des
Zeitintervalls 12 ein merklicher Abfall der mittleren Reflektivität beobachtet,
was schließlich
zu einem Kurvenendbereich der Kurve A führt, der einem Intervall t3
entspricht und eine deutlich geringere Steigung aufweist, wodurch
lediglich geringe Änderungen
in den optischen Oberflächeneigenschaften
der Schicht 152 in Verbindung mit den Resten der Metallschicht 155 angezeigt
wird. Während
des Zeitintervalls t3 kann jedoch ein deutliches Ausmaß an Einkerbung und
Erosion, wie es durch 156, 157 in 1c gezeigt ist,
auftreten, während
andere Bauteilbereiche weiterhin einen Materialabtrag erfordern,
um damit für
im Wesentlichen elektrisch isolierte Strukturelemente zu sorgen,
wie dies zuvor erläutert
ist. Somit wird innerhalb des Zeitintervalls t3 ein geeigneter Zeitpunkt
te ermittelt, der als das Ende des Polierprozesses
betrachtet werden kann, wodurch die gewünschte elektrische Isolierung
der Metallstrukturelemente erhalten wird, während auch versucht wird, das
Bauelement 150 nicht zu stark zu polieren. Die Definition des
Endpunkts des Polierprozesses muss daher das gesamte Prozessfenster
des betrachteten Polierprozesses „abdecken”, um im Wesentlichen unerwünschte Leckströme, die
durch nicht entfernte Metallreste hervorgerufen würden, zu
vermeiden, wobei auch Bauteilungleichmäßigkeiten auf einem geringen Niveau
gehalten werden, die durch Erosion und Einkerbungseffekte hervorgerufen
werden. Jedoch ist eine geeignete Bestimmung des Endpunkts, beispielsweise
in Kombination mit geeigneten Prozessparametern in der abschließenden Phase
des Polierprozesses schwer durchzuführen, insbesondere, wenn die
Musterdichte über
die Chipgebiete hinweg eine große
Bandbreite aufweist, wie dies beispielsweise im Hinblick auf den
breiten Graben 154 und die schmalen Leitungen und Metallgebiete 156, 159 gezeigt
ist. Obwohl die optische Endpunkterkennung eine verbesserte Prozesssteuerung
ermöglicht,
führen
dennoch anspruchsvolle Bauteilgeometrien zu einer weniger ausgeprägten Angabe
des Freilegens des gesamten Substrats, wodurch möglicherweise zusätzliche
Nachpolierzeiten erforderlich sind, die zu Ungleichmäßigkeiten
der Metallleitungen im Hinblick auf den elektrischen Widerstand
und die Oberflächenebenheit
führen
können.
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Angesichts
der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Offenbarung
Verfahren und Polieranlagen, um die Prozesssteuerung zu verbessern,
wobei eines oder mehrere der oben genannten Probleme vermindert
oder in der Auswirkung reduziert werden.
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Überblick über die vorliegende Offenbarung
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Offenbarung Polieranlagen und
Techniken zur Verbesserung der Prozesssteuerung während des
Abtrags von Material auf der Grundlage eines Polierprozesses unter
Anwendung eines Messsignals, das Information über den Abtragungszustand über eine
gewisse radiale Distanz hinweg bietet, wodurch die Bewertung des
Materialabtrags an unterschiedlichen radialen Positionen der zu
behandelnden Oberfläche möglich ist.
Beispielsweise wird in einigen anschaulichen hierin offenbarten
Aspekten ein geeignetes Messsignal, beispielsweise in Form eines
optischen Messsignals, eines elektrischen Signals und dergleichen über ein
Chipgebiet hinweg erhalten oder in anderen anschaulichen Ausführungsformen, über eine wesentliche
Strecke des Substratdurchmessers hinweg erhalten, wodurch die Bestimmung
eines Endpunkts des Abtragungsprozesses mit erhöhter Genauigkeit möglich ist,
selbst für
anspruchsvolle Oberflächentopographien,
wodurch die Notwendigkeit verringert wird, zusätzliche Nachpolierzeiten vorzusehen,
während
gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit verringert wird, die Bauteileigenschaften
durch verbleibende Materialrest zu beeinflussen, beispielsweise
im Hinblick auf Leckströme
zwischen benachbarten Metallstrukturelemente, wenn überschüssiges Metall
einer Metallschicht oder ein anderes leitendes Material zu entfernen
ist.
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Ein
anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Ausführen eines
Abtragungsprozesses zum Entfernen von Material einer Materialschicht,
die über
einem Substrat ausgebildet ist, durch Bewegen des Substrats relativ
zu einem Polierkissen, wobei das Substrat mehrere Chipgebiete aufweist.
Das Verfahren umfasst ferner das Erhalten eines Messsignals für jede von
mehreren Messpositionen, die lateral über das Substrat hinweg verteilt sind,
während
des Abtragungsprozesses, wobei die mehreren Messpositionen sich
in einer lateralen Richtung gemäß einer
Messdistanz erstrecken, die zumindest einer lateralen Abmessung
eines der mehreren Chipgebiete entspricht. Das Verfahren umfasst
ferner das Bestimmen eines Endpunkts des Abtragungsprozesses auf
der Grundlage einer Änderung
des Messsignals von jeder der mehreren Messpositionen.
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Ein
weiteres anschauliches hierin offenbartes Verfahren betrifft das
Bestimmen eines Endpunkts eines Polierprozesses. Das Verfahren umfasst
das Bestimmen einer Antwort von einem Substrat auf ein Sondierungssignal
für mehrere
radial unterschiedliche Messpositionen. Des weiteren umfasst das
Verfahren das Bestimmen einer zeitlichen Änderung der Antwort und das
Angeben des Endpunktes, wenn die zeitliche Änderung der Antwort kleiner
ist als ein vorbestimmter Schwellwert.
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Ein
anschauliches hierin offenbartes Poliersystem umfasst eine Polieranlage
mit einem Polierkopf zum Empfangen eines Substrats und einem Polierteller,
wobei die Polieranlage ausgebildet ist, eine Relativbewegung zwischen
dem Polierkopf und dem Polierteller zu erzeugen. Das Poliersystem
umfasst ferner ein Erkennungssystem, das ausgebildet ist, ein Sondierungssignal
bereitzustellen und eine Antwort auf das Sondierungssignal während der
Relativbewegung zu empfangen. Des weiteren umfasst das Poliersystem
eine Steuereinheit, die funktionsmäßig mit der Polieranlage und
dem Erkennungssystem verbunden und ausgebildet ist, die Polieranlage
und das Erkennungssystem so zu steuern, dass die Antwort auf das
Sondierungssignal für
eine Vielzahl radial unterschiedlicher Messpositionen erhalten wird. Des
weiteren ist die Steuereinheit ausgebildet, eine zeitliche Änderung
der Antwort für
die mehreren Messpositionen zu überwachen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Aspekte der vorliegenden Offenbarung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert
und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert
wird, in denen:
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1a bis 1c schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser
Fertigungsphasen bei der Herstellung einer modernen Metallisierungsstruktur
unter Anwendung eines CMP-Prozesses zum Entfernen von überschüssigem Material
zeigen;
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1d und 1e schematisch
eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht einer konventionellen
Polieranlage mit einem optischen Endpunkterkennungssystem zeigen,
um eine gemittelte Reflektivitätskurve
zu erhalten, die für
die Freilegung einer zu behandelnden Oberfläche gemäß konventioneller Strategien
zu erkennen;
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1f schematisch
ein entsprechendes Messsignal zeigt, das die Reflektivität einer
Metalloberfläche
während
einer Endphase eines Polierprozesses zeigt, um einen geeigneten
Endpunkt gemäß konventioneller
Techniken zu bestimmen;
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2a schematisch
eine Querschnittsansicht eines Teils einer Polieranlage mit einem
Erkennungssystem zum Erhalten eines positionsabhängigen Messsignals zum Abschätzen des
Ausmaßes
an Materialabtrag in unterschiedlichen radialen Positionen gemäß anschaulicher
Ausführungsformen;
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2b schematisch
eine Draufsicht eines Halbleitersubstrats mit mehreren Chipgebieten,
wobei mehrere radial unterschiedliche Messpositionen während eines
Polierprozesses gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
bewertet werden;
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2c schematisch
mehrere Messsignal, die während
unterschiedlicher Phasen eines Polierprozesses erhalten werden,
wobei jedes Messsignal eine Kombination aus Messwerten repräsentiert,
die von der radial unterschiedlichen Messpositionen gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
gewonnen werden;
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2d und 2e schematisch
diverse Konfigurationen einer Steuereinheit zeigen, die in der in 2a gezeigten
Polieranlage verwendet wird, um einen geeigneten Endpunkt für einen
Polierprozess gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
zu bestimmen;
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2f schematisch
ein kombiniertes Messsignal während
diverser Phasen des Polierprozesses zeigt, wobei jedes kombinierte
Messsignal eine positionsabhängige
Information im Hinblick auf eine Vielzahl radial unterschiedlicher
Messpositionen in Form eines Fouriertransformierten Messsignals
gemäß noch weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
enthält;
und
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2g schematisch
die Polierlage gemäß noch weiterer
anschaulicher Ausführungsformen zeigt,
in denen zusätzlich
oder alternativ zu einem optischen Erkennungssystem ein Erkennungssystem vorgesehen
ist, in welchem eine induktive und/oder kapazitive Kopplung zu der
zu behandelnden Oberfläche
verwendet wird.
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Detaillierte Beschreibung
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Es
ist zu beachten, dass obwohl die vorliegende Offenbarung mit Bezug
zu den Ausführungsformen
beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung
sowie in den begleitenden Zeichnungen dargelegt sind, die detaillierte
Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen, den hierin
offenbarten Gegenstand auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen
einzuschränken, sondern
die beschriebenen Ausführungsformen
stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekt der vorliegenden
Offenbarung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist.
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Der
hierin offenbarte Gegenstand richtet sich an die Problematik einer
erhöhten
Bauteilungleichmäßigkeit
und/oder einer Leistungseinbuße,
die durch modernste CMP-Prozesse hervorgerufen werden, in denen
eine fortschrittliche in-situ-Prozessüberwachung auf der Grundlage
eines Messsignals ausgeführt
wird, wodurch eine erhöhte
Zuverlässigkeit
beim Erkennen eines Endpunkts des Abtragungsprozesses geschaffen
werden soll. Wie zuvor erläutert
ist, erfordern komplexe Polierprozesse zum Entfernen von überschüssigem Material
und zum Einebnen der Oberflächentopographie
eine präzise Steuerung
des Status des Abtragungsprozesses, insbesondere in der Endphase,
um damit eine gewünschte
im Wesentlichen vollständige
Entfernung eines nicht gewünschten
Materials zu erreichen, während
gleichzeitig eine unerwünschte
zu starke Polierung von Bauteilgebieten zu vermeiden ist, in denen
das Material bereits auf Grund eines Unterschiedes in der Oberflächentopographie,
auf Grund von Ungleichmäßigkeiten
eines vorhergehenden Abscheideprozesses, und dergleichen bereits
entfernt ist. Beispielsweise ist während des Abtragens von überschüssigem Metall,
etwa von Kupfer, in modernsten Metallisierungssystemen eines Halbleiterbauelements
ein zuverlässiges Überwachen
des restlichen Anteils an Kupfermaterial in der Endphase des Abtragungsprozesses
wichtig, um damit eine zuverlässige
Endpunkterkennungsangabe ohne unerwünschte Ungleichmäßigkeit
der resultierenden Metallstrukturelemente wichtig, wobei gleichzeitig
Leckströme
zwischen benachbarten Metallstrukturelementen auf einem geringen
Niveau gehalten werden. Zu diesem Zweck wird ein geeignetes Endpunkterkennungssignal,
etwa ein optisches Signal, ein elektrisches Signal und dergleichen,
von mehreren lateral unterschiedlichen Messpositionen gewonnen,
so dass Information im Hinblick auf den Status des Abtragungsprozesses
erhalten und bewertet werden kann, wodurch eine zuverlässigere
Angabe eines im Wesentlichen vollständigen Freilegens der betrachteten
Oberfläche
ermöglicht
wird. Beispielsweise kann durch das Erhalten eines geeigneten Messsignals
von mehreren Messpositionen, die über eine laterale Dimension
eines Chipgebiets verteilt sind, das im Wesentlichen vollständige Freilegen
des Chipgebiets zuverlässiger
abgeschätzt
werden, da die diversen Bereiche des Chipgebiets individuell bewertet werden
können,
wodurch somit die geeignete Bestimmung eines entsprechenden Entpunktes
möglich ist,
beispielsweise durch Überwachen
der zeitlichen Änderung
des Signals oder von Signalbereichen, die mit den jeweiligen lateral
unterschiedlichen Messpositionen in Beziehung stehen. In anderen
anschaulichen Ausführungsformen
wird ein wesentlicher Teil der lateralen Ausdehnung des Substrats
auf diese Weise überwacht,
beispielsweise über
einen Radius oder den gesamten Durchmesser des Substrats hinweg,
wobei dies von der Gesamtmessstrategie abhängt, wodurch die Bestimmung
eines geeigneten Endpunktsignals im Hinblick auf substratüberspannende
Ungleichmäßigkeiten
möglich
ist, die von vorhergehenden Prozessen oder von Abtragungsprozessen
selbst herrühren.
D. h., beim Überwachen
der Endpunktsignale an diversen radialen Positionen über einen
wesentlichen Teil des Substratdurchmessers hinweg, können Ungleichmäßigkeiten
der anfänglichen
Schichtdicke und/oder lokal variierende Abtragsraten über dem
Substratdurchmesser hinweg erkannt werden und somit können die
Endpunkterkennungssignale verwendet werden, um einen geeigneten
Endpunkt des Abtragungsprozesses zu definieren, wobei ein zu starkes
Polieren entsprechender Bauteilgebiete relativ unwahrscheinlich
ist. Ferner kann in einigen anschaulichen Ausführungsformen das lokal aufgelöste Endpunkterkennungssignal zum
Anpassen von Prozessparametern während
des Bearbeitens nachfolgender Substrate verwendet werden, beispielsweise
durch Einstellen der lokalen Abtragsrate auf der Grundlage des zuvor
gewonnenen räumlich
aufgelösten
Endpunkterkennungssignals. D. h., wenn die lokal aufgelösten Endpunkterkennungssignale
ein frühres
Freilegen des Substratmittelpunkts für Substrate anzeigt, die noch
zu bearbeiten sind, kann ein vorhergehender Abscheideprozess und/oder
der Abtragungsprozess so gesteuert werden, dass eine erhöhte Gleichmäßigkeit
erhalten wird, d. h., die anfängliche
Abscheidedicke kann im Substratmittelpunkt erhöht werden und/oder die lokale
Abtragsrate kann im Substratmittelpunkt auf der Grundlage der lokal
aufgelösten
Endpunkterkennungssignale verringert werden. Somit können die hierin
offenbarten Endpunkterkennungstechniken eine bessere Steuerung jedes
einzelnen Polierprozesses ermöglichen
und bieten auch eine verbesserte Gesamtprozess- und Bauteilgleichmäßigkeit durch Bereitstellen
von Rückkopplungsmessdaten
für die Bearbeitung
weiterer noch zu bearbeiteter Substrate, beispielsweise durch Abscheiden
einer Materialschicht und Entfernen von überschüssigem Material mittels eines
Abtragungsprozesses, etwa CMP, Elektro-CMP und dergleichen.
-
Es
sollte beachtet werden, dass der hierin offenbarte Gegenstand auf
Polieranlagen, etwa (elektro) chemisch-mechanische Polieranlagen
und dergleichen angewendet werden kann, die für die Herstellung sehr komplexer
Halbleiterbauelemente, etwa CPU's,
Speicherchips, und dergleichen eingesetzt werden, in denen die Oberflächentopographie
regelmäßig eingeebnet
wird, um die erforderlichen Oberflächenbedingungen für nachfolgende
Prozesse zu schaffen, etwa für
Photolithographieprozesse und dergleichen. In anschaulichen Ausführungsformen werden
aufwendige Metallisierungsstrukturen hergestellt, wie dies beispielsweise
mit Bezug zu den 1a bis 1c beschrieben
ist, um Schaltungselemente, etwa Transistoren und dergleichen, die
kritische Abmessungen von ungefähr
50 nm oder weniger aufweisen, elektrisch miteinander zu verbinden. Folglich
werden in diesem Falle anspruchsvolle Bauteilgeometrien angetroffen,
in denen die Musterdichte über
ein Chipgebiet hinweg deutlich variieren kann, wobei auch auf Grund
der Herstellung von Substraten mit größerem Durchmesser, etwa 300 mm,
450 mm und dergleichen, substratumspannende Ungleichmäßigkeiten
auftreten können.
Der hierin offenbarte Gegenstand kann auch auf eine beliebige Situation
angewendet werden, in der Polieranlagen zumindest zeitweilig für das Entfernen
von Materialien, etwa leitendenden Materialien, isolierenden Materialien
und dergleichen von entsprechenden Substratoberflächen Verwendung
finden, wobei unerwünschte
Nachpolierzeiten zu unterdrücken
sind, wobei gleichzeitig ein zuverlässiges Entfernen unerwünschter
Teile des betrachteten Materials entfernt werden. Sofern dies als
nicht speziell in der Beschreibung oder den angefügten Patentansprüchen dargestellt
ist, sollte der hierin offenbarte Gegenstand nicht als auf Polierprozesse
zur Herstellung von Metallisierungsschichten eingeschränkt erachtet
werden.
-
Mit
Bezug zu den 2a bis 2f werden nunmehr
weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter
beschrieben.
-
2a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Teils einer Polieranlage 200,
die eine CMP-Anlage, eine Elektro-CMP-Anlage oder eine andere Polieranlage
und dergleichen repräsentiert. Die
Polieranlage 200 umfasst ein Rahmengestell, mehrere Antriebsanordnungen
und dergleichen, wie dies auch in ähnlicher Weise mit Bezug zu
der Polieranlage 100 erläutert ist. Die Polieranlage 200,
wie sie gezeigt ist, umfasst einen Polierkopf 230, der
ausgebildet ist, ein Substrat 251 aufzunehmen, das eine
zu polierende Oberfläche
aufweist, wie dies beispielsweise zuvor beschrieben ist, und wie
dies auch mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 150 erläutert ist. Des
weiteren umfasst ein Polierteller 220 ein Polierkissen 224,
das in der gezeigten Ausführungsform
einen Fensterbereich 221 aufweist, der ausgebildet ist, optischen
Zugriff auf einen Teil der Oberfläche des Substrats 251 mittels
eines Erkennungssystems 240 zu ermöglichen. Somit umfasst in der
gezeigten Ausführungsform
das Erkennungssystem 240 eine Lichtquelle 242,
die als eine geeignete Strahlungsquelle zu verstehen ist, um damit
elektromagnetische Strahlung bereitzustellen, die sich über den
sichtbaren Bereich hinauserstrecken kann, abhängig von den Gesamtprozesserfordernissen.
Somit liefert die Lichtquelle 242 einen geeigneten Strahl 242a mit
den gewünschten
Eigenschaften, beispielsweise im Hinblick auf die Wellenlänge, Divergenz
und Konvergenz, Polarisierung und dergleichen. Des weiteren umfasst das
Erkennungssystem 240 einen Detektor oder Empfänger 243,
der ausgebildet ist, ein Antwortsignal 243a, beispielsweise
in Form eines optischen Signals und dergleichen, zu erhalten. Das
Erkennungssystems 240 ist ausgebildet, im Zusammenwirken
mit der Gesamtkonfiguration der Polieranlage 200, beispielsweise
dem Fensterbereich 221 und der Steuereinheit 201 zum
Erhalten der Antwort 243a in einer räumlich aufgelösten Weise
zu erzeugen, um damit das Erkennen einer Antwort eines freigelegten
Oberflächenbereichs
des Substrats 251 auf das Sondierungssignal 242a zu
erhalten, wie dies nachfolgend auch detaillierter erläutert ist.
-
Das
Erkennungssystem 240 umfasst ferner eine Steuereinheit 245,
die ausgebildet ist, zumindest ein Signal 243b zu empfangen,
das von dem Detektor 243 empfangene Antwortsignal 243a kennzeichnet.
Beispielsweise repräsentiert
das Signal 243b ein elektrisches Signal, das zumindest
einer Eigenschaft des Messsignals 243a entspricht, etwa
einer Intensität
eines spezifizierten Wellenlängenbereichs
oder eines speziellen polarisierten Bereichs und dergleichen. Wie
nachfolgend detaillierter erläutert
ist, umfasst das Erkennungssystems 240 ggf. zusätzlich oder
alternativ zu optischen Komponenten zum Sondieren eines freigelegten
Bereichs des Substrats 251 mittels eines optischen Sondierungssignals
andere Komponenten, etwa Komponenten zum Bestimmen einer induktiven
und/oder kapazitiven Kopplung in räumlich aufgelöster Weise,
die durch den aktuellen Status der zu behandelnden Substratoberfläche hervorgerufen
werden. Die Steuereinheit 245 kann ferner ausgebildet sein,
das Signal 243b zu empfangen und Information im Hinblick
auf den Polierstatus des Substrats 251 für mindestens
einige graduell unterschiedliche Messpositionen herauszulösen. Des
weiteren ist die Steuereinheit 245 ausgebildet, die zeitliche Änderung
der positionsabhängigen
Information, wie aus dem Signal 243b herausgelöst wurde,
abzuschätzen,
um damit das Erkennen eines geeigneten Endpunkts eines Polierprozesses zu
ermöglichen,
der dann der Steuereinheit 201 mittels eines Endpunkterkennungssignals 245a signalisiert
wird. Dazu kann die Steuereinheit 245 eine Zeitänderungsabschätzeinheit 246 aufweisen,
die ausgebildet ist, den Verlauf mindestens einer Eigenschaft der
Information für
jede der unterschiedlichen graduellen Messpositionen im zeitlichen
Verlauf zu überwachen,
um einen Zustand zu erkennen, in welchem die Zeitänderung
kleiner ist als ein vorbestimmter Schwellwert, wodurch ein im Wesentlichen
stabiler Zustand der jeweiligen Messposition angezeigt wird.
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2b zeigt
schematisch ein Bauelement 250, das ein beliebiges geeignetes
Substrat 251 in Verbindung mit mehreren Chipgebieten 250a repräsentieren
kann, die Funktionseinheiten repräsentieren, die in einer späteren Fertigungsphase
vereinzelt werden. Beispielsweise repräsentieren die Chipgebiete 250a integrierte
Schaltungen oder andere Mikrostrukturelemente, wozu aufwendige Einzelelemente,
etwa Schaltungselemente und dergleichen gehören. Beispielsweise repräsentiert
das Bauelement 250 das Bauelement 150, wie es
zuvor erläutert ist,
in welchem die Chipgebiete 250a eine Materialschicht auf
der Grundlage einer ausgeprägten
Oberflächentopographie
erhalten, die dann eingeebnet wird, indem überschüssiges Material der Materialschicht
auf der Grundlage der Polieranlage 200 entfernt wird. In
einigen anschaulichen Ausführungsformen
repräsentiert
das Bauelement 250 ein Halbleiterbauelement, das eine Metallisierungsstruktur
erhält,
wie dies auch mit Bezug zu den 1a bis 1c beschrieben
ist. D. h., das Substrat 251 kann darauf ausgebildet die
Materialschicht 152 mit entsprechenden Öffnungen, etwa die Öffnungen 154, 153, 159 aufweisen,
woran sich eine Metallschicht, etwa die Schicht 255 anschließt. In anderen
Fällen sind
andere geeignete Materialschichten in den Chipgebieten 250a gemäß den spezifizierten
Entwurfsregeln für
das Bauelement 250 ausgebildet. Typischerweise sind die
Chipgebiete 250a gemäß einem
spezifizierten Gitter angeordnet, wobei die Anzahl der einzelnen
Chipgebiete 250a von der Größe des Substrats 251 und
der erforderlichen Größe für jedes
der Chipgebiete 250a abhängt.
-
Beim
Betrieb der Polieranlage 200 wird das Substrat 251 an
dem Polierkopf 230 angebracht, so dass die Chipgebiete 250a mit
der darauf ausgebildeten Materialschicht, etwa der Schicht 155,
mit dem Polierkissen 224 in Kontakt kommen. Des weiteren werden
geeignet Polierparameter, etwa die Relativgeschwindigkeit zwischen
dem Kissen 224 und dem Substrat 251, und eine
Andruckskraft in Verbindung mit den Eigenschaften eines Schleifmittelmaterials entsprechend
den Prozesserfordernissen ausgewählt,
wie dies zuvor erläutert
ist. Abhängig
von der Gesamtkonfiguration der Polieranlage 200, d. h.
das Erkennungssystem 240 kann an dem Zähler 220 angebracht
sein oder kann eine stationäre
Konfiguration repräsentieren,
wird das Sondierungssignal 242a in geeigneter Weise erzeugt,
um damit ein Abtasten mehrerer radial unterschiedlicher Positionen über das
Substrat 251 hinweg zu ermöglichen. Wie beispielsweise
in 2b gezeigt ist, liefert das Erkennungssystem 240 das
Sondierungssignal 242a, um damit mehrere Positionen 244 über eine
ausgedehnte Strecke 244a entlang einer radialen Richtung
des Substrats 251 hinweg zu „sondieren”. Es sollte beachtet werden,
dass die mehreren radial unterschiedlichen Messpositionen 244 nicht
notwendigerweise entlang einer im Wesentlichen geraden Linie angeordnet
sind, wie dies in 2b gezeigt ist, sondern dass
tatsächlich
eine beliebige radiale Position repräsentieren können, die auch eine Mittlung
von Positionen entlang einem Kreis oder einem Kreisabschnitt enthalten
können,
der der jeweiligen betrachteten radialen Strecke entspricht. D.
h., abhängig
von der Gesamtabtaststrategie beim Erhalten der Antwort 243a von
den mehreren Messpositionen 244, kann der radiale Abstand
eingestellt werden, indem beispielsweise die Position des Polierkopfes 230 geeignet
variiert wird, wie dies durch den Pfeil 230a angedeutet
ist, während
die radiale Position 230a für eine gewisse Zeitdauer beibehalten
wird, wodurch die Antwort 243a entlang eines Kreisabschnitts
auf Grund der Drehbewegung des Tellers 220 erhalten wird.
Bei Bedarf kann durch Vorsehen von ausreichend kurzen Zeitintervallen
zum Ermitteln der Antwort 243a an einer speziellen radialen
Position eine im Wesentlichen „punktartige” Messposition
definiert werden, wenn das Zeitintervall zum Erzeugen der Antwort 243a deutlich
kleiner ist als die entsprechende Umfangsgeschwindigkeit des betrachteten „Messpunkts”. Beispielsweise
kann durch das Berücksichtigen
der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Substrat 251 und
dem Teller 220 bei Bedarf eine im Wesentlichen gerade Linie
radial unterschiedlicher Messpositionen 244 erhalten werden.
D. h., die Häufigkeit
des Erhaltens einer Antwort innerhalb eines kurzen Zeitintervalls
für eine
spezielle radiale Position kann mit einer Häufigkeit in Übereinstimmung
gebracht werden, mit der ein spezifiziertes Chipgebiet durch den
Fensterbereich 221 freigelegt ist.
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In
einer anschaulichen Ausführungsform
erstreckt sich die Messdistanz bzw. Strecke 244a zumindest über ein
Chipgebiet 250a, wodurch das Erkennen des Polierstatus über zumindest
das einzelne Chipgebiet 250a hinweg möglich ist, wodurch das Angeben
eines geeigneten Endpunkts des Polierprozesses für das entsprechende Chipgebiet 250a möglich ist.
Beispielsweise kann ein entsprechendes Chipgebiet 250a im
Voraus gewählt
werden, das ein geeignetes Endpunkterkennungssignal liefert, das ebenfalls
für andere
Chipgebiete 250a repräsentativ ist,
wenn Ungleichmäßigkeiten über das
Substrat hinweg als weniger relevant erachtet werden. In anderen
anschaulichen Ausführungsformen
erstreckt sich die Messstrecke 244a über mehrere Chipgebiete 250a und
in einigen anschaulichen Ausführungsformen überspannt
sie zumindest den Radius des Substrats 251. Dies kann vorteilhaft
sein, um entsprechende Informationen über das gesamte Substrat hinweg 251 zu
erhalten, wenn die individuellen Messpositionen 244 über eine
im Wesentlichen vollständige
Drehung des Substrats 251 hinweg gemittelt werden, da in
diesem Falle jede der Positionen 244 den gemittelten Status
eines vollständigen
Kreises repräsentiert,
dessen Radius der betrachteten lateralen Position entspricht. In
anderen anschaulichen Ausführungsformen
ist das Zeitintervall zum Nehmen der Antwort 243a deutlich
kleiner im Vergleich zur Relativdrehgeschwindigkeit des Substrats 251 und
in diesem Falle werden geeignete Messpositionen 244 über den
gesamten Durchmesser des Substrats 251 hinweg erhalten.
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2c zeigt
schematisch mehrere Antworten 243b, die durch jeweilige
Kurven A, ..., D repräsentiert
sind, wovon jede somit eine kombinierte Antwort für die mehreren
lateral unterschiedlichen Messpositionen 244 repräsentiert.
D. h., jede der Kurven A, ..., D repräsentiert eine Eigenschaft,
die den aktuellen Status des Abtragungsprozesses für jede der mehreren
Messpositionen 244 angibt. In der in 2c gezeigten
Ausführungsform
erstrecken sich die mehreren Messpositionen 244 im Wesentlichen über den
gesamten Substratdurchmesser hinweg und werden mit hoher räumlicher
Auflösung
bereitgestellt, was als eine im Wesentlichen kontinuierliche Verteilung
der jeweiligen Eigenschaft gegenüber
der radialen Position dargestellt ist. Beispielsweise repräsentiert
jede der Kurven A, ..., D die Reflektivität der entsprechenden radialen
Messposition 244 für
einen eintreffenden optischen Strahl, etwa dem Sondierungsstrahl 242a,
wobei bei Bedarf die Reflektivität
auf Grundlage der Intensität
für einen
spezifizierten Wellenlängenbereich,
für eine
spezifizierte Polarisierung und dergleichen bestimmt werden kann. Somit
repräsentieren
die mehreren Kurven A, ..., D den zeitlichen Verlauf der Antwort 243b,
so dass die Kurve A die räumlich
aufgelöste
Antwort für
einen gewissen „Zeitpunkt” repräsentiert,
während
die Kurve B die Antwort zu einem späteren „Zeitpunkt” repräsentiert. Es sollte beachtet
werden, dass „Zeitpunkt” als ein
Zeitintervall zu verstehen ist, das zum Erhalten der Antworten für jede der
mehreren lateral unterschiedlichen Messpositionen 244 erforderlich
ist. D. h., jede der Kurven A, ..., D repräsentiert eine kombinierte Antwort
mit der Positionsinformation der Antwort innerhalb eines Zeitintervalls,
die als kurz im Vergleich zur Gesamtpolierzeit und auch im Vergleich
zur Ge samtpolierzeit und auch im Vergleich zur abschließenden Phase
des Polierprozesses betrachtet wird. Auf Grund der verbesserten
räumlichen Auflösung der
Antworten 243b kann eine Änderung des Abtragungsverhaltens
in der abschließenden Phase
des Polierprozesses im Hinblick auf das Substrat 251 als
Ganzes erkannt werden, wenn ein wesentlicher Teil der lateralen
Abmessung durch die Messstrecke 244a abgedeckt ist, und
auch der einzelnen Chipgebiete 250a, wenn zumindest mehrere Messpunkte 244 innerhalb
der lateralen Abmessungen der einzelnen Chipgebiete 250a liegen.
Wie beispielsweise durch die Kurven A, B, C angegeben ist, wird,
wenn die Reflektivität
zunehmend auf Grund des ansteigenden Grades an Freilegung geringer wird,
wie dies zuvor mit Bezug zu den Schichten 155 und 152 (siehe 1b und 1c)
erläutert
ist, erkannt, dass die Reflektivität in Substratmittelpunkt kleiner
ist im Vergleich zum Substratrand, wodurch angezeigt wird, dass
im Allgemeinen mehr freigelegte Bereiche in Substratmittelpunkt
enthalten sind. Dies kann durch eine anfängliche Ungleichmäßigkeit der
abgeschiedenen Schicht und/oder durch eine spezielle Ungleichmäßigkeit
des Polierprozesses selbst hervorgerufen werden. Andererseits zeigt
Kurve D, die die Antwort 243b während einer späten Phase
des Polierprozesses repräsentiert,
dass ein im Wesentlichen gleichmäßiges Reflektionsverhalten auf
globale Skala des Substrats 251 gegeben ist, wobei auch
ein gewisses Maß an
Feinstruktur enthalten sein kann, die einen Unterschied in der Musterdichte innerhalb
der einzelnen Chipgebiete 250a entsprechen kann, wie dies
zuvor erläutert
ist. Folglich kann durch das Überwachen
der zeitlichen Änderung
der Antwort 243b der aktuelle Status des Polierprozesses
abgeschätzt
und ein geeigneter Endpunkt erkannt werden, indem beispielsweise
ein sich im Wesentlichen nicht änderndes
Verhalten des Musters innerhalb der Kurven A, ... bestimmt wird,
das damit angibt, dass ein zeitlich variierender Anteil der räumlich variierenden
Reflektivität
zu Ende ist. D. h., das Muster, d. h. die diversen Spitzenwerte
und Minima in der Antwort 243b für ein freigelegtes Substrat,
können
eine konstante Verteilung aufweisen, die durch das Gitter und die
Musterstruktur innerhalb der einzelnen Chips und durch die Relativbewegung
zwischen dem Teller 220 und dem Substrat 251 gegeben ist.
Vor dem eigentlichen Freilegen der betrachteten Oberfläche kann
jedoch eine zeitabhängige
Verteilung der im Wesentlichen konstanten Verteilung überlagert
sein auf Grund des zunehmenden Grades an Materialfreiheit, der an
den unterschiedlichen lateralen Positionen unterschiedlich sein
kann, wie dies zuvor erläutert
ist. Somit kann durch Erkennen eines im Wesentlichen konstanten
Musters oder einer Verteilung der Antwort 243b ein geeigneter
Zeitpunkt ermittelt werden, an welchem ein gewünschter Grad an Materialfreiheit
erreicht ist, während
zu sätzliche Nachpolierzeiten
vermieden werden, die in konventionellen Strategien erforderlich
sind, wie dies zuvor erläutert
ist.
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In
einer anschaulichen Ausführungsform
wir die zeitliche Änderung
der Antwort 243b überwacht, indem
zumindest einige Intervalle ausgewählt werden, die den Spitzenwerten
und dergleichen entsprechen, und durch Überwachen der zeitlichen Änderung
dieser Intervalle, wobei ein Endpunkt bestimmt werden kann, wenn
die zeitliche Änderung
für jedes der
ausgewählten
Intervalle kleiner ist als ein vorbestimmter Schwellwert. Beispielsweise
werden mehrere Spitzenwerte in den Kurven A, B, C ermittelt für eine Vielzahl
unterschiedlicher Substratpositionen und die zeitliche Änderung
dieser Spitzenwerte wird verwendet, um ein im Wesentlichen zeit-invariantes Verhalten
jedes der jeweiligen Intervalle oder Spitzenwerte zu erkennen.
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2d zeigt
schematisch die Steuereinheit 245 gemäß einer anschaulichen Ausführungsform,
in der der oben beschriebene Mechanismus eingerichtet ist. Wie gezeigt,
umfasst die Steuereinheit 245 einen Abschnitt 245b,
um die Antwort 243b in einem geeigneten Format zu empfangen
und um ein positionsabhängiges
Signal oder eine Verteilung, beispielsweise in Form der Kurven A,
..., D bereitzustellen, wie dies zuvor mit Bezug zu 2c dargestellt ist.
Der Abschnitt 245b ist mit einer Positionsverifiziereinheit 245c verbunden,
die positionsabhängige Information
empfängt,
beispielsweise von der Steuereinheit 201, die auch die
Relativbewegung zwischen dem Substrat 251 und dem Teller 220 steuert. Beispielsweise
wird die Antwort 243b als ein im Wesentlichen kontinuierliches
Signal vorgesehen, wobei der Abschnitt 245c eine entsprechende
variable Position, die mit einem speziellen Wert oder Wertebereich
der Antwort 243b verknüpft
ist, bereitstellt, wodurch die positionsabhängige Information in dem Abschnitt 245b zur
Verfügung
gestellt wird. Die in dem Abschnitt 245b erzeugte Information
wird dem Abschnitt 245a zugeführt, der ausgebildet ist, die
zeitliche Änderung
der positionsabhängigen
Information, die von dem Abschnitt 245 geliefert wird,
zu bestimmen. Wie beispielsweise zuvor erläutert ist, kann eine Zeitableitung
für spezielle
Intervalle der positionsabhängigen
Information bestimmt werden, beispielsweise für entsprechende Spitzenwerte
der Kurven A, ..., D. D. h., für
eine spezielle radiale Position werden die jeweiligen Werte, die
mit dieser Position verknüpft
sind, etwa die Reflektivitätswerte
und dergleichen, überwacht
und es wird eine Ableitung der entsprechenden „Zeitfunktion” bestimmt.
Dies kann für
mehrere Spitzenwerte ausgeführt
werden, wodurch die Erkennung eines im Wesentlichen stabilen Verhaltens
ermöglicht
wird, wie dies zuvor an gegeben ist. Beispielsweise wird ein Komparator 254d vorgesehen,
der die jeweiligen zeitabhängigen
Werte, etwa Ableitungen, mit einem speziellen Schwellwert vergleicht,
um damit eine „stabile” Konfiguration zu
bestimmen.
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2e zeigt
schematisch die Steuereinheit 245 gemäß noch weiterer anschaulicher
Ausführungsformen,
in denen die positionsabhängige
Information, die von dem Abschnitt 245b bereitgestellt wird,
einem Fourier-Transformationsabschnitt 245e zugeleitet,
der eine „Frequenzverteilung” der positionsabhängigen Information
bereitstellt. D. h., der Fourier-Transformationsabschnitt 245e liefert
die „räumlichen” Frequenzen,
die in er positionsabhängigen
Information enthalten sind, wobei die jeweiligen Frequenzverteilungen
zu unterschiedlichen Zeiten in dem Komparator 245d verglichen
werden, um ein im Wesentlichen stabiles Verhalten der räumlichen
Frequenzkomponenten zu bestimmen, die in der positionsabhängigen Information
enthalten sind. Das Vorsehen des Fourier-Transformationsabschnitts 245e ermöglicht ein
verbessertes Erkennen räumlicher Frequenzkomponenten,
wodurch ebenfalls eine verbesserte Überwachung des Zeitverlaufs
dieser Frequenzkomponenten möglich
ist. D. h., bei Beginn der abschließenden Phase können weiterhin
mehrere Frequenzkomponenten in der Antwort vorhanden sein, die „verschwinden”, wenn
ein im Wesentlichen stabiler Grad an Materialfreiheit erreicht ist.
Somit kann durch das Überwachen
der Gesamffrequenzverteilung und durch Ermittlung einer im Wesentlichen
stabilen Form davon der Endpunkt des Abtragungsprozesses mit hoher
Genauigkeit erkannt werden.
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2f zeigt
schematisch entsprechende Frequenzverteilungen, die von dem Fourier-Transformationsabschnitt 245 während diverser
Zeitpunkte geliefert werden. Auf der linken Seite von 2f ist ein
typisches Endpunkterkennungssignal S gemäß einer konventionellen Strategie
dargestellt, wie sie auch mit Bezug zu 1e erläutert ist,
während
auf der rechten Seite eine Frequenzverteilung A entsprechend einem
Zeitpunkt gemäß dem Kreis
im Graphen der linken Darstellung des konventionellen Endpunkterkennungssignals
darstellt. Somit können in
dieser Phase mehrere räumliche
Frequenzkomponenten, die durch A1, A2, A3, gekennzeichnet sind,
in dem Signal vorhanden sein, die zunehmend kleiner werden und schließlich während einer
späteren
Zeit verschwinden, wie dies durch die Kurve D repräsentiert
ist. Somit repräsentiert
die Kurve D die im Wesentlichen vollständig freigelegte Substratoberfläche und
kann daher einen geeigneten Endpunkt des Polierprozesses angeben.
Es sollte beachtet werden, dass eine entsprechende Kurve D durch
Ausfüh ren von
Experimenten und Bereitstellen einer „geglätteten Verteilung” erhalten
werden kann, um damit die Erkennung eines geeigneten Zeitpunkts
auf der Grundlage des Vergleichs des Referenzsignals mit entsprechenden
gemessenen Signalen zu verbessern, wie sie durch die Kurve A gezeigt
sind. in anderen Fällen
wird eine spezielle Differenz zwischen nachfolgenden Frequenzverteilungen
bestimmt und mit einem Schwellwert verglichen, um damit ein ausreichendes
Maß an
Stabilität
der entsprechenden Frequenzverteilung zu definieren, wodurch ein
geeigneter Endpunkt des Polierprozesses angegeben wird.
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In
einigen anschaulichen Ausführungsformen
wird die positionsabhängige
Information, die beispielsweise durch die Frequenzverteilungen A,
D repräsentiert
ist, auch verwendet, um Eigenschaften des betrachteten Abtragungsprozesses
abzuschätzen.
Beispielsweise wird unter Anwendung eines oder mehrerer der Intervalle
A1, A2, A3 eine musterabhängige
Abtragsrate bestimmt, während
durch Definieren entsprechender Intervalle in der positionsabhängigen Verteilung,
wie sie beispielsweise in 2c gezeigt
ist, eine lokale Abtragsrate bestimmt werden kann, wodurch ebenfalls
Information über
die Eigenschaften des Abtragungsprozesses erhalten wird. Wie beispielsweise
zuvor erläutert
ist, kann eine entsprechende positionsabhängige Abtragsrate angewendet
werden, um den Polierprozess zu steuern, während auch eine musterabhängige Abtragsrate oder
eine andere aus den Antworten 243b ermittelte Eigenschaft
angewendet werden kann, um einen oder mehrere Prozessparameter,
etwa die Andruckskraft, die Relativgeschwindigkeit, und dergleichen
zu steuern. Des weiteren kann die Wiederaufbereitung des Kissens 224 möglicherweise
in Verbindung mit der Überwachung
der Eigenschaften des Schleifmaterials auf der Grundlage entsprechender
Information bewerkstelligt werden, die durch die positionsabhängige Antwort 243b erhalten
wird. Beispielsweise kann eine Erkennung einer deutlichen Änderung
der musterabhängigen
Abtragsrate, beispielsweise eine Zunahme der Abtragsrate über Bauteilgebieten
mit einer ausgeprägteren
Musterdichte, angewendet werden, um eine Änderung der Gesamtprozessbedingungen
zu erkennen, beispielsweise im Hinblick auf die konditionierende
Wirkung des Polierkissens 224 und/oder der Zusammensetzung
des Schleifmaterials, dessen Temperatur und dergleichen.
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Es
sollte beachtet werden, dass die positionsabhängige Antwort 243b auf
der Grundlage einer Anlagenkonfiguration erhalten wird, wie sie
auch in konventionellen Strategien eingesetzt werden kann, wobei
zusätzlich
die Antwort 243b, die von dem Erkennungssystem 240 erhalten
wird, mit der aktuellen graduellen Position über dem Substrat 251 verknüpft wird, wie
dies zuvor erläutert
ist. In anderen Fällen
ist das Erkennungssystem 240 in geeigneter Weise ausgebildet,
um das Ermitteln der Information, die mit den unterschiedlichen
radialen Positionen verknüpft ist,
zu ermöglichen,
beispielsweise durch Verwenden geeigneter Abtastschemata, Verwendung
zusätzlicher
Fensterbereiche, geeignetes Abtasten des Sondierungssignals 242a und
dergleichen.
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2g zeigt
schematisch die Polieranlage 200 gemäß noch weiterer anschaulicher
Ausführungsformen,
in denen zusätzlich
oder alternativ zur Lichtquelle 242 und dem Detektor 243 das
Erkennungssystem 240 ein System 246 aufweist,
um eine induktive und/oder kapazitive Kopplung zwischen dem Substrat 251 und
dem Sensor 247 zu ermöglichen.
In einer anschaulichen Ausführungsform
umfasst das System 246 eine Anregungskomponente zum Erzeugen
von Wirbelströmen
in einem Oberflächenbereich
des Substrats 251, wobei die Größe der Wirbelströme von der
Menge des leitenden Materials abhängt, das in der Nähe des Sensorelements 247 vorhanden
ist. Somit enthält
in diesem Falle die Antwort 243c zusätzlich oder alternativ Information über den
Grad der induktiven und/oder kapazitiven Kopplung zu der zu behandelnden
Oberfläche,
die ebenfalls in Form einer positionsabhängigen Information bereitgestellt
wird, wie dies zuvor erläutert
ist. Zu diesem Zweck wird die Messung des Sensors 247 mit einer
entsprechenden Positionsinformation verknüpft, die mit der aktuellen
Position des Substrats 251 in Bezug auf den Teller 222 und
somit den Sensor 247 in Beziehung steht. Danach wird die
Signalverarbeitung in der Steuereinheit 245 in ähnlicher Weise
ausgeführt,
wie dies zuvor für
die Antwort 243b erläutert
ist. Es sollte beachtet werden, dass wenn im Wesentlichen dielektrisches
Material während
des Abtragungsprozesses zu behandeln ist, eine kapazitive Kopplung
gemessen werden kann, die in Abhängigkeit
von der Menge des dielektrischen Materials variiert, das in der
Nähe des
Sensorelements 247 vorhanden ist. Auch in diesem Falle
kann eine entsprechende Signalbewertung ausgeführt werden, um einen geeigneten
Endpunkt zu bestimmen. Wie gezeigt, ist in einigen anschaulichen
Ausführungsformen
eine optische Antwort in Kombination mit einer Antwort verwendet,
die durch induktive und/oder kapazitive Kopplung erhalten wird,
um damit die Gesamtzuverlässigkeit
der entsprechenden Endpunkterkennung noch weiter zu verbessern.
-
Es
gilt also: Der hierin offenbarte Gegenstand stellt Polieranlage
und entsprechende Verfahren zum Betreiben der Anlagen bereit, wobei
eine Antwort auf ein Sondierungssignal mit erhöhter räumlicher Auflösung erhalten
wird, wodurch eine zuverlässigere
Erkennung eines Endpunktes ermöglicht
wird. Zu diesem Zweck wird die Antwort unterschiedlicher radialer
Messpunkte im Hinblick auf eine zeitliche Änderung bewertet, um damit
das Ende des Abtragungsprozesses für eine Vielzahl unterschiedlicher
Positionen zu bestimmen, wodurch ein im Wesentlichen vollständiges Entfernen
von unerwünschtem
Material ermöglicht
wird, ohne andere Bauteilgebiete zu stark zu polieren. Die hierin
offenbarten Techniken können
vorteilhaft auf die Herstellung aufwendiger Metallisierungssysteme
angewendet werden und auch für
das Bewerten des Abtragungsmechanismus herangezogen werden. Die
positionsabhängige
Information kann ferner verwendet werden, um den Abtragungsprozess
und/oder einen vorhergehenden Abscheideprozess zu steuern, um damit die
Gesamtprozessungleichmäßigkeiten
zu verringern, indem beispielsweise ein positionsabhängiger Zeitpunkt
des Freilegens der jeweiligen Bauteilgebiete erkannt wird, was dann
für das
geeignete Einstellen der lokalen Abtragsrate und/oder der lokalen
Abscheiderate verwendet werden kann.
-
Weitere
Modifizierungen und Variationen und der vorliegenden Offenbarung
werden für
den Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist
diese Beschreibung als lediglich anschaulich und für die Zwecke
gedacht, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der
hierin offenbarten Prinzipien zu vermitteln. Selbstverständlich sind
die hierin gezeigten und beschriebenen Formen als die gegenwärtig bevorzugten
Ausführungsformen
zu betrachten.