KR102362916B1 - 화학 기계적 연마 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치에 관한 것으로, 상면에 연마 패드가 입혀지고 자전하는 연마 정반과; 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 연마 패드에 상기 웨이퍼를 가압하면서 회전시키는 캐리어 헤드와; 상기 연마 정반에 고정되어 상기 연마 정반과 함께 회전하면서, 상기 웨이퍼가 차지하는 영역에 대응하는 센서 설치 영역에 다수로 분포되어, 상기 웨이퍼의 하측을 통과할 때에 상기 웨이퍼의 연마층 두께 정보를 갖는 수신 신호를 수신하는 다수의 센서를; 포함하여 구성되어, 연마 패드 상에서 웨이퍼가 차지하는 영역에 대응하는 센서 설치 영역에 분포되어, 웨이퍼의 하측을 통과할 때에 웨이퍼의 연마층 두께 정보를 갖는 수신 신호를 센서에서 수신하여, 웨이퍼의 판면에 대한 연마층 두께 분포를 하나의 시각에 대하여 얻을 수 있는 화학 기계적 연마 장치를 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 장치 {CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS}
본 발명은 화학 기계적 연마 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화학 기계적 연마 공정 중에 자전하는 연마 패드 상에서 자전하는 웨이퍼의 2차원의 두께 분포를 얻을 수 있는 화학 기계적 연마 장치에 관한 것이다.
일반적으로 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정은 회전하는 연마 정반 상에 웨이퍼 등의 기판이 접촉한 상태로 회전 시키면서 기계적인 연마를 행하여 미리 정해진 두께에 이르도록 기판의 표면을 평탄하게 하는 공정이다.
이를 위하여, 도1에 도시된 바와 같이 화학 기계적 연마 장치(9)는 연마 정반(10)에 연마 패드(11)를 그 위에 입힌 상태로 자전시키면서, 캐리어 헤드(20)로 웨이퍼(W)를 연마 패드(11)의 표면에 가압하면서 회전시켜, 웨이퍼(W)의 표면을 평탄하게 연마한다. 이를 위하여, 연마 패드(11)의 표면이 일정한 상태로 유지되도록 선회 운동(30d)을 하면서 컨디셔닝 디스크(31)를 가압과 회전(30r)을 동시에 행하면서 연마 패드(11)를 개질시키는 컨디셔너(30)가 구비되고, 연마 패드(11)의 표면에 화학적 연마를 수행하는 슬러리가 슬러리 공급부(40)를 통해 공급된다.
화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼(W)의 연마층 두께를 감시하여 타겟 두께에 도달할 때까지 웨이퍼(W)의 연마층 두께 분포를 균일하게 하면서, 타겟 두께에 도달하면 화학 기계적 연마 공정을 종료하는 것이 필요하다. 이를 위하여, 연마 패드(11) 상에는 웨이퍼(W)의 연마층 두께를 측정하는 센서(50)가 설치된다.
이에 따라, 연마 패드(11)가 한 바퀴 회전(11d)하면서 센서(50)가 웨이퍼(W)의 하측을 통과할 때마다, 센서(50)는 웨이퍼(W)의 연마층 두께 정보가 담긴 신호를 수신한다. 센서(50)는 광을 조사하였다가 웨이퍼 연마층에서 반사된 반사광을 수신하는 광 센서일 수도 있고, 웨이퍼 연마층이 도전성 연마층인 경우에는 와전류를 인가하여 와전류 신호의 임피던스, 리액턴스, 인덕턴스, 위상차 중 어느 하나 이상의 변동량으로부터 웨이퍼 연마층의 두께를 감지하는 와전류 센서일 수도 있다.
그런데, 화학 기계적 연마 공정 중에는 연마 패드(11)가 회전(11d)할 뿐만 아니라, 웨이퍼(W)도 캐리어 헤드(20)에 의하여 자전하므로, 센서(50)가 웨이퍼(W)의 하측을 통과할 때에 수신하는 수신 신호는 웨이퍼(W)의 일정한 위치에서 수신하지 못하므로, 웨이퍼(W)의 평면 상에서의 연마층 두께를 얻을 수 없는 한계가 있었다.
더욱이, 웨이퍼(W)의 연마층 두께는 반경 방향 성분에 대하여 균일하다고 알려져 있어서 종래에는 웨이퍼(W)의 중심으로부터 일측 반경 방향에 대한 영역(Mz)에만 센서(50)가 설치되지만, 도2에 도시된 바와 같이, 화학 기계적 연마 공정이 행해진 웨이퍼(W)의 연마층(Le)의 두께 분포는 일측에서의 두께(h1)가 타측에서의 두께(h2)에 비하여 더 크게 측정되는 경우가 발생된다. 이는, 웨이퍼의 기재(Wo) 상에 연마층(Le)이 최초 증착될 당시에 두께 분포가 균일하지 않는 경우도 있고, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼(W)의 자전 속도와 연마 패드(11)의 자전 속도의 차이에 의하여 연마량이 웨이퍼(W)의 판면에 대해 균일하지 않게 연마되는 경우도 발생된다.
따라서, 웨이퍼(W)의 중심으로부터 반경 방향의 길이가 일정하더라도 연마층 두께 편차가 발생되므로, 웨이퍼의 판면 전체에 걸쳐 연마층의 두께 분포를 정확하게 구할 필요성이 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 화학 기계적 연마 공정 중에 자전하는 연마 패드 상에서 자전하는 웨이퍼의 판면에 대한 연마층 두께 분포를 하나의 시각에 한꺼번에 얻을 수 있는 화학 기계적 연마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 연마층 두께를 2차원 상에 대한 값으로 얻게 되어, 웨이퍼의 좌우 방향에 대한 연마층 두께 편차를 해소하는 것을 목적으로 한다.
이를 통해, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 연마층 두께 분포를 2차원 판면에 대하여 균일하게 조절하여 연마 품질을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 웨이퍼의 화학 기계적 연마 장치로서, 상면에 연마 패드가 입혀지고 자전하는 연마 정반과; 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 연마 패드에 상기 웨이퍼를 가압하면서 회전시키는 캐리어 헤드와; 상기 연마 정반에 고정되어 상기 연마 정반과 함께 회전하면서, 상기 웨이퍼가 차지하는 영역에 대응하는 센서 설치 영역에 다수로 분포되어, 상기 웨이퍼의 하측을 통과할 때에 상기 웨이퍼의 연마층 두께 정보를 갖는 수신 신호를 수신하는 다수의 센서를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치를 제공한다.
이와 같이, 연마 패드 상에서 웨이퍼가 차지하는 영역에 대응하는 센서 설치 영역에 분포되어, 웨이퍼의 하측을 통과할 때에 웨이퍼의 연마층 두께 정보를 갖는 수신 신호를 센서에서 수신하여, 웨이퍼의 판면에 대한 연마층 두께 분포를 하나의 시각에 대하여 얻을 수 있는 잇점이 얻어진다.
센서 설치 영역에 배치된 다수의 센서가 웨이퍼의 전체 판면에 대한 두께 분포를 구할 수 있도록, 센서 설치 영역은 웨이퍼의 판면과 동일하거나 보다 큰 크기와 형태로 정해지는 것이 바람직하다. 즉, 캐리어 헤드와 연마 정반 중 어느 것도 화학 기계적 연마 공정 중에 왕복 오실레이션 운동을 하지 않는 경우에는, 웨이퍼의 면적과 동일한 센서 설치 영역에만 센서가 배치되면 충분하다. 그러나, 화학 기계적 연마 공정 중에 캐리어 헤드와 연마 정반 중 어느 하나 이상이 정해진 스트로크만큼 왕복 오실레이션 운동을 하는 경우에는, 웨이퍼의 면적에 비하여 스트로크에 해당하는 길이만큼 더 큰 센서 설치 영역에 센서가 설치된다.
이에 따라, 센서 설치 영역이 웨이퍼가 차지하고 있는 영역과 일치한 순간의 제1시각(時刻)에, 상기 다수의 센서가 동시에 웨이퍼 연마층으로부터 수신 신호를 수신하여, 하나의 시각(時刻)에서 얻고자 하는 다수의 위치에서 웨이퍼의 연마층 두께 분포를 얻을 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
여기서, 센서 설치 영역은 웨이퍼의 판면 전체에 대하여 다수 분포되어, 한번에 웨이퍼 판면 전체의 연마층 두께를 제1시각에 얻을 수 있다.
무엇보다도, 웨이퍼의 연마층 두께 분포는 중심으로부터 반경 길이가 동일하더라도 연마층 두께가 상이할 수 있으므로, 센서 설치 영역 내의 상기 센서의 일부 이상은 상기 센서 설치 영역의 중심으로부터 서로 다른 반경 방향을 따라 배치되는 것이 좋다. 대체로, 웨이퍼의 연마층 두께는 좌우 방향 또는 전후 방향으로 높이 편차가 나타나는 경우가 많으므로, 예를 들어, 센서 설치 영역의 중심으로부터 서로 반대 방향의 반경 방향으로 센서의 일부 이상이 대칭으로 배치될 수 있다.
그리고, 웨이퍼의 가장자리 영역에서의 연마층 두께를 보다 정확하게 감지하기 위하여, 상기 센서의 일부 이상은 상기 센서 설치 영역의 가장자리를 따라 원주 방향으로 배치될 수 있다. 그리고, 원주 방향으로의 연마층 두께를 정확하게 감지하기 위하여, 반경 방향으로 2개 이상씩 원주 방향으로 배열될 수 있다.
그리고, 상기 센서는 광센서와 와류 센서 중 어느 하나 이상으로 설치될 수 있다.
한편, 상기 연마층 두께는 상기 웨이퍼의 상기 연마층의 절대적인 두께값을 포함할 뿐만 아니라, 상기 연마층의 두께 변동값을 포함한다.
상기와 같이, 하나의 시각에서 웨이퍼 판면에 대한 웨이퍼 연마층의 분포가 얻어지면, 캐리어 헤드에 의하여 웨이퍼를 가압하는 압력 챔버에 의해 웨이퍼의 연마층 두께 편차를 보상한다. 이를 위하여, 상기 캐리어 헤드에는 상기 웨이퍼를 가압하는 압력 챔버가 다수로 분할되게 형성되되, 상기 웨이퍼의 원주 방향을 따라 상기 압력 챔버가 구획되어, 원주 방향에 대하여 서로 다른 가압력이 인가된다.
그리고, 상기 센서에 의하여 상기 웨이퍼의 두께가 크게 측정된 부분을 가압하는 압력 챔버는 상기 웨이퍼의 두께가 작게 측정된 부분을 가압하는 압력 챔버에 비하여 보다 높은 압력이 인가됨으로써, 웨이퍼의 원주 방향으로의 두께 편차를 제거할 수 있게 된다.
한편, 본 발명은, 상기 연마 정반에 고정된 상기 센서의 회전 위치를 감지하는 센서위치감지수단을; 더 포함하여, 상기 센서 설치 영역이 상기 웨이퍼의 하측에 위치하는 시점을 센서위치 감지수단에 의해 감지하여, 센서설치영역의 다수의 센서가 정확히 예정된 위치에서 상기 웨이퍼의 연마층 두께를 측정할 수 있다.
예를 들어, 상기 센서위치 감지수단은 엔코더일 수도 있으며, 연마 정반에 장착된 표식을 감지하는 위치 센서일 수도 있다.
한편, 본 발명은, 외부 구동력에 의하여 회전 구동하는 본체부와; 상기 본체부에 고정되고 상기 본체부와의 사이에 압력 챔버를 형성하되, 중심으로부터 동일한 반경 길이에 위치하더라도 서로 다른 가압력이 인가되게 상기 웨이퍼의 원주 방향을 따라 상기 압력 챔버를 구획하는 격벽이 형성된 멤브레인을; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드를 제공한다.
본 명세서 및 도면에서 사용된 센서 설치 영역이라는 용어는 웨이퍼의 연마층 두께 분포를 얻기 위한 센서가 배치된 영역을 지칭하는 것으로, 화학 기계적 연마 공정 중에 캐리어 헤드와 연마 정반 중 어느 것도 왕복 오실레이션 운동을 하지 않는 경우에 비하여, 화학 기계적 연마 공정 중에 캐리어 헤드와 연마 정반 중 어느 것도 왕복 오실레이션 운동을 하는 경우에는 보다 큰 영역으로 정해진다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은, 연마 패드 상에서 웨이퍼가 차지하는 영역에 대응하는 센서 설치 영역에 웨이퍼의 연마층 두께를 측정하는 센서가 다수 분포되어, 센서 설치 영역이 웨이퍼의 하측에 위치한 상태에서 다수의 센서에 의하여 하나의 시각에 웨이퍼의 연마층 두께를 측정함으로써, 화학 기계적 연마 공정이 행해지고 있는 공정 중에 웨이퍼의 판면에 대한 연마층 두께 분포를 하나의 시각에 대하여 얻을 수 있는 유리한 효과가 있다.
이를 통해, 본 발명은 웨이퍼의 연마층 증착 공정에서 발생되는 연마층 두께 편차를 화학 기계적 연마 공정 중에 보상할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 중심으로부터 동일한 반경 길이에 대해서도 서로 다른 가압력을 인가하는 캐리어 헤드를 제공하여, 웨이퍼의 원주 방향으로의 연마층 두께 편차를 보상할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이를 통해, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 연마층 두께 분포를 2차원 판면에 대하여 균일하게 조절하여 연마 품질을 향상시키는 효과가 있다.
도1은 종래의 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 평면도,
도2는 화학 기계적 연마 장치에 의해 연마된 웨이퍼의 단면도,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 정면도,
도4는 도3의 평면도,
도5a 및 도5b는 도3의 화학 기계적 연마 장치를 이용하여 웨이퍼의 판면 전체의 연마층 두께 분포를 얻는 방법을 설명하기 위한 도면,
도6a 및 도6b는 웨이퍼의 x축 및 y축 방향으로 측정된 연마층 두께 분포를 예시한 측정 그래프,
도7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 평면도로서, 캐리어 헤드와 연마 정반 중 어느 하나 이상이 왕복 오실레이션 운동을 하는 경우의 센서의 배치 형태를 도시한 도면,
도8은 도3의 캐리어 헤드의 종단면도,
도9는 도8의 캐리어 헤드의 멤브레인의 저면을 도시한 도면,
도10은 도3의 화학 기계적 연마 장치의 제어 방법을 순차적으로 도시한 순서도,
도11은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 화학 기계적 연마 장치의 평면도,
도12는 도6a 및 도6b의 x축과 y축 방향을 표시한 도면,이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치(1)를 상술한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치(1)는, 웨이퍼(W)의 연마면이 연마되도록 접촉하는 연마 패드(11)가 입혀진 연마 정반(100)과, 웨이퍼(W)를 저면에 위치한 상태로 가압하면서 웨이퍼(W)를 자전시키는 캐리어 헤드(200)와, 웨이퍼(W)의 화학적 연마를 위하여 연마 패드(11)의 표면에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부(40)와, 연마 패드(11)에 공급된 슬러리가 웨이퍼(W)의 연마층으로 원활하게 유입되도록 컨디셔닝 디스크가 연마 패드(11)를 가압하면서 미소 절삭을 행하여 연마 패드(11)의 표면 개질을 행하는 컨디셔너(30)와, 연마 정반(10)의 정해진 센서 설치 영역(As)에 위치 고정되어 연마 패드(11)와 함께 회전하면서 웨이퍼(W)의 하측을 통과할 때에 웨이퍼(W)의 연마층 두께 정보를 포함하는 신호를 수신하는 다수의 센서(50)와, 연마 정반(10)에 장착된 표식(19)을 감지하여 센서 설치 영역(As)이 웨이퍼(W)의 하측에 위치한 순간을 감지하는 센서위치 감지부(60)와, 센서위치 감지부(60)에서 센서 설치 영역(As)이 웨이퍼(W)의 하측에 위치한 것으로 감지되면 센서(50)에 수신된 웨이퍼 연마층 두께 정보가 담긴 신호를 전송받아 웨이퍼(W)의 판면에 대한 연마층 두께 분포를 산출하는 제어부(70)로 구성된다.
상기 연마 정반(10)은 상면에 연마 패드(11)가 입혀진 상태로 구동 모터 등에 의하여 회전 구동된다. 연마 정반(10)에는 웨이퍼 연마층의 두께를 감지하기 위한 센서(50)가 다수 고정 설치되어, 연마 정반(10)과 함께 회전한다. 그리고, 연마 정반(10)에는 표식(19)이 고정되어, 센서위치 감지부(60)에서 센서(50)가 정해진 위치에 도달한 것을 감지한다.
도면에 도시되지 않았지만, 연마 정반(10)의 회전각을 감지하는 엔코더가 설치되어, 엔코더에 의하여 센서(50)가 정해진 위치에 도달한 것인지를 감지할 수도 있다.
상기 캐리어 헤드(200)는 외부로부터 회전 구동력이 전달되어 하측에 위치한 웨이퍼(W)를 회전 구동시키고, 내부에 구비된 압력 챔버의 압력이 조절되는 것에 의하여 웨이퍼(W)를 연마 패드(11)로 가압하여, 웨이퍼(W)의 기계적 연마 공정이 이루어지도록 한다.
이를 위하여, 캐리어 헤드(200)는 외부의 회전 구동력에 의해 회전 구동되는 본체(210)와, 본체(210)에 연결되어 본체(210)의 구동력에 의해 본체(210)와 함께 회전하는 베이스(220)와, 베이스(220)에 격벽(133)의 끝단이 고정되어 베이스(220)와의 사이에 다수의 압력 챔버(C1, C2, C3)를 형성하고 가요성 소재로 형성되는 멤브레인(230)과, 압력 챔버(C1, C2, C3)에 공압 공급관(255)을 통해 정압이나 부압을 인가하는 압력 제어부(250)로 이루어진다. 여기서, 본체(210)와 베이스(220)는 본체부를 형성한다.
특히, 캐리어 헤드(200)의 멤브레인(230)은 도8에 도시된 바와 같이 중심(Oc)에 대하여 동심원으로 형성되어 반경 방향으로 구획하는 제1격벽(133a)에 의하여, 웨이퍼(W)의 반경 길이에 대하여 서로 다른 가압력을 인가하는 압력 챔버(C1, C2, C3)들로 구획된다. 이와 동시에, 중앙부의 제1압력 챔버(C1)의 반경 외측에 위치한 제2압력챔버(C2) 및 제3압력챔버(C3)는 원주 방향으로 구획하는 제2격벽(133b)에 의하여, 웨이퍼(W)의 원주 방향의 길이에 대하여 서로 다른 가압력을 인가하는 압력 챔버(C21, C22, C23, C24, C25, C26; C31, C32, C33, C34, C35, C36)로 구획된다.
따라서, 압력 조절부(250)로부터 각각의 압력 챔버들(C1, C21-C26, C31-C36)에 공급되는 공압에 의하여, 웨이퍼(W)의 반경 방향으로의 압력 편차를 두고 가압력을 인가할 수 있을 뿐만 아니라, 웨이퍼(W)의 원주 방향으로도 압력 편차를 두고 가압력을 인가할 수 있다. 더욱이, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼(W)를 가압하는 멤브레인 바닥판이 웨이퍼(W)와 밀착된 상태를 유지하여 이들간의 슬립이 거의 발생되지 않으므로, 웨이퍼(W)의 원주 방향으로 가압력을 서로 다르게 인가함으로써, 웨이퍼(W)의 원주 방향으로의 연마층 두께 편차를 제거할 수 있다.
도면에는 제1압력챔버(C1)에 대해서는 원주 방향으로 구획하는 제2격벽(133b)이 형성되지 않은 구성이 예시되었지만, 본 발명은 이에 국한되지 아니하며, 제1압력챔버(C1) 내지 제3압력 챔버(C3) 중 어느 하나 이상에 대하여 원주 방향으로 구획하는 제2격벽(133b)이 형성되는 모든 구성을 포함한다.
상기 센서(50)는 연마 정반(10)에 위치 고정되어 연마 정반(10)과 함께 회전하며, 웨이퍼(W)의 하측을 통과할 때에 웨이퍼 연마층의 두께 데이터를 갖고 있는 제1수신신호를 수신하여, 제어부(70)로 제1수신신호를 전송한다.
여기서, 센서(50)는 하나 이상의 파장을 갖는 광을 조사하였다가 웨이퍼 연마층에서 반사된 반사광을 제1수신신호로 수신하는 광 센서로 형성될 수도 있고, 센서코일이 구비되어 웨이퍼 연마층에 와전류 신호를 인가하였다가 웨이퍼 연마층의 두께 변화에 따라 변화하는 리액턴스 값과 저항값과 위상차 중 어느 하나 이상을 제1수신신호로 수신하는 와전류 센서로 형성될 수 있다.
센서(50)가 광센서로 형성되는 경우에는 웨이퍼 연마층이 비도전성막인 경우와 도전성 막에 대하여 모두 적용할 수 있는 장점이 있는 대신에, 웨이퍼 연마층과 센서(50)의 사이에는 개방된 상태로 유지되어야 한다. 센서(50)가 와전류 센서로 형성되는 경우에는 웨이퍼 연마층이 도전성 막에만 적용할 수 있지만, 웨이퍼 연마층과 센서(50)의 사이에 비전도체인 연마 패드나 유리 등이 개재되어도 연마층 두께를 측정할 수 있는 장점이 있다.
무엇보다도, 센서(50)는 웨이퍼(W)와 동일한 형태와 동일한 크기인 센서 설치 영역(As) 내에 배치된다. 여기서, 센서 설치 영역(As)은 연마 패드(11)의 회전 중에 웨이퍼(W)의 하측에 정확히 위치하도록, 연마 패드(11)의 중심(O)으로부터 반경 방향(rw)으로 이격된 위치로 정해진다. 따라서, 화학 기계적 연마 공정 중에 자전하는 연마 패드(11)에 의하여, 도5b에 도시된 바와 같이, 센서 설치 영역(As)은 정확하게 웨이퍼(W)의 하측에 위치하는 순간이 존재하게 된다.
따라서, 센서 설치 영역(As)이 웨이퍼(W)의 판면에 정확하게 위치하는 순간에, 센서 설치 영역(As) 내의 센서(50)들은 동시에 웨이퍼 연마층으로부터 연마층 두께 정보를 포함하는 제1수신신호를 수신하여 제어부(70)로 전송하고, 제어부(70)는 어느 하나의 제1시각(時刻)에 수신한 다수의 제1수신신호들로부터 각 센서의 배치 위치에서의 웨이퍼(W)의 연마층 두께를 산출할 수 있게 된다.
이를 통해, 웨이퍼(W)의 판면에 대한 연마층 두께 정보는 어느 하나의 시점(時點)에 일괄적으로 얻을 수 있게 된다. 따라서, 화학 기계적 연마 공정의 오류나 설비의 한계에 의하여 불가피하게 발생되거나, 웨이퍼(W)의 연마층(Le)을 증착하는 과정에서 발생된, 웨이퍼(W)의 원주 방향으로의 두께 편차를 정확하게 감지할 수 있다.
이 때, 센서(50)들의 제1신호들로부터 웨이퍼(W)의 원주 방향으로의 두께 편차를 구할 수 있도록, 센서 설치 영역(As)에 배치되는 센서(50)들은 2개 이상 반경 방향(rw)으로 연장되는 위치(R1, R2, R3, R4)에 배치된다. 대체로, 원주 방향으로의 두께 편차가 웨이퍼(W)의 연마층(Le)에 있는 경우에는, 도2, 도6a 및 도6b에 도시된 바와 같이 어느 일측의 연마층의 두께(h1)가 크면 웨이퍼 중심(Ow)을 기준으로 그 반대측의 연마층의 두께(h2)가 작으므로, (즉, h1이 최대이면, y축 방향의 h3, h4는 h1보다 작고 h2보다 큰 값이 됨) 반경 방향으로 열을 형성하면서 배치(R1, R2, R3, R4)되는 센서들(50)은 웨이퍼 중심(Ow)을 기준으로 서로 반대 방향을 향하여 연장되게 배치되는 것이 바람직하다.
그리고, 웨이퍼(W)의 가장자리 영역은 웨이퍼(W)에 의해 제조되는 디바이스가 많이 분포하므로 정교하게 연마층 두께를 감시할 필요가 있다. 따라서, 도4에 도시된 바와 같이, 웨이퍼의 가장자리를 따르는 영역(E1, E2, E3, E4)에도 센서들(50)이 열을 형성하면서 배치되는 것이 좋다.
한편, 화학 기계적 연마 공정 중에 캐리어 헤드(200)와 연마 정반(10) 중 어느 하나 이상이 정해진 스트로크 만큼 왕복 오실레이션 운동(99)을 하는 경우에는, 도7에 도시된 바와 같이, 웨이퍼의 크기에 대응하는 영역(As)에 비하여 스트로크만큼 더 큰 영역에 대하여 센서 설치 영역(As')이 정해지고, 원주 방향을 따르는 영역에서도 웨이퍼의 크기에 대응하는 영역(As)과 그 바깥 영역(As'와 As의 사잇 영역)에 함께 센서(50)가 배치된다. 즉, 센서(50)는 원주 방향을 따라 2열 이상으로 배치된다.
이 영역(E1, E2, E3, E4)에서 측정된 웨이퍼 연마층의 두께 분포에 기초하여, 캐리어 헤드(200)의 최외측 압력 챔버(C3)에 의하여 도입되는 가압력을 조절하여, 웨이퍼(W)의 가장자리 영역에서도 연마층의 두께를 원하는 두께로 정확하게 조절하여 연마할 수 있다.
한편, 도11에 도시된 바와 같이, 센서 설치 영역(As, As') 내에 가득차게 센서(50)들이 배치되어, 웨이퍼의 판면 전체에 대하여 한번에 웨이퍼 연마층의 두께를 측정할 수도 있다. 이 때, 센서 설치 영역(As, As') 내에는 센서(50)들이 무작위로 가득차게 배치될 수도 있지만, 센서 설치 영역(As, As')의 중심에 배치된 중심센서(50A)를 중심으로 방사상으로 가득차게 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 변형 실시 형태로서, 도4에 도시된 바와 같이, 센서 설치 영역(As)의 바깥에도 센서(55, 56)가 구비될 수 있다. 이 센서(55, 56)는 웨이퍼(W)의 연마층 두께를 측정하기 위한 것이라기 보다는, 연마 패드(11) 상의 센서 설치 영역(As)이 웨이퍼(W)의 하측에 정확히 위치하였는지를 감지하는 데 사용된다.
즉, 연마 패드(11)의 회전 방향을 기준으로 센서 설치 영역(As)에 인접한 전방에 위치한 제1센서(55)에 수신되는 수신신호가 null 상태에서 웨이퍼(W)의 하측을 통과하면서 소정의 제2수신신호가 수신되고, 이와 유사하게 연마 패드(11)의 회전 방향을 기준으로 센서 설치 영역(As)에 인접한 후방에 위치한 제2센서(56)에 수신되는 수신신호가 null상태에서 웨이퍼(W)의 하측을 통과하기 시작하면서 소정의 제3수신신호가 수신되는 데, 센서 설치 영역(As)이 웨이퍼(W)의 하측에 위치하는 제1시각은 제1센서(55)로부터의 수신신호가 제2수신신호에서 null로 변환되면서, 동시에 제2센서(56)로부터의 수신신호가 null인 상태를 유지하는 순간이 된다. 여기서, null 신호는 센서의 상측에 대기가 존재하여 웨이퍼의 연마층 두께와 무관한 신호로 정의한다.
이를 통해, 센서 설치 영역(As)이 웨이퍼(W)의 하측에 위치한 상태를 정확히 감지할 수 있다. 즉, 제1센서(55)와 제2센서(56)는 센서 설치 영역(As)이 웨이퍼(W)의 하측에 위치한 순간인지를 감지하는 센서위치 감지부의 역할을 한다. 이는, 캐리어 헤드(200)가 일정한 스트로크만큼 왕복 오실레이션 운동을 하는 경우에도 정확하게 감지할 수 있는 잇점이 있다.
이와 유사하게, 도7에 도시된 바와 같이, 캐리어 헤드(200)와 연마 정반(10) 중 어느 하나 이상이 화학 기계적 연마 공정 중에 왕복 오실레이션 운동(99)을 하는 경우에는, 왕복 오실레이션 운동(99)의 방향의 바깥에 각각 제3센서(53)와 제4센서(54)가 배치될 수 있다. 이 센서(53, 54)들도 웨이퍼(W)의 연마층 두께를 측정하기 위한 것이라기 보다는, 연마 패드(11) 상의 센서 설치 영역(As')이 웨이퍼(W)의 하측에 정확히 위치하였는지를 감지하는 데 사용된다.
즉, 연마 정반(10)의 오실레이션 왕복 운동(99) 방향을 기준으로 센서 설치 영역(As')의 바깥에 위치한 제3센서(53) 및 제4센서(54) 중 어느 하나의 수신신호가 null 상태에서 웨이퍼(W)의 하측을 통과하면서 소정의 제2수신신호가 수신되고, 반대로 이들(53, 54) 중 다른 하나의 수신 신호가 제2수신신호 상태에서 null 상태가 된다. 센서 설치 영역(As')이 웨이퍼(W)의 하측에 위치하는 제1시각은 제3센서(53)와 제4센서(54) 중 어느 하나로부터의 수신신호가 제2수신신호에서 null로 변환되면서, 동시에 제3센서(53)와 제4센서(54) 중 다른 하나로부터의 수신신호가 null인 상태를 유지하는 순간이 된다. 여기서, null 신호는 센서의 상측에 대기가 존재하여 웨이퍼의 연마층 두께와 무관한 신호로 정의한다.
이를 통해, 제1센서(55), 제2센서(56)에 부가하여, 제3센서(53) 및 제4센서(54)의 감지 신호에 기초하여, 오실레이션 왕복 운동(99)의 경우에 센서 설치 영역(As')이 웨이퍼(W)의 하측에 위치한 상태를 보다 정확하게 감지할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 형태로서, 제2센서(56)없이 제1센서(55)만으로도 센서 설치 영역(As)이 웨이퍼(W)의 하측에 위치하였는지를 감지할 수도 있다.
본 발명의 다른 실시 형태로서, 상기 센서위치 감지부는 연마 정반(10)의 회전 위치를 감지하는 엔코더에 의해 구성될 수 있다. 즉, 웨이퍼(W)의 위치는 정해진 범위 내에 있으므로, 자전하는 연마 정반(10)이 정해진 각에 이르면, 센서 설치 영역(As)이 웨이퍼(W)의 하측에 위치한 것임을 감지할 수 있다.다만, 캐리어 헤드(200)와 연마 정반(10) 중 어느 하나 이상이 가 일정한 스트로크만큼 왕복 오실레이션 운동(99)을 하는 경우에는, 센서 설치 영역(As)의 중심에 배치된 중심센서(50A)를 기준으로 스트로크 변위에 따른 웨이퍼의 위치를 계산하고, 이를 기준으로 나머지 센서들(50)에서 감지되는 값의 위치를 간단히 추적할 수 있다.
이와 같이, 캐리어 헤드(200)와 연마 정반(10) 중 어느 하나 이상이 정해진 스트로크 만큼 왕복 오실레이션 운동(99)을 하는 경우에는, 각각의 센서(50)는 센서 설치 영역(As)에 비하여 오실레이션 스트로크에 해당하는 길이만큼 센서 설치 영역(As)의 바깥에 추가적으로 배치됨으로써, 오실레이션 스트로크 위치에 무관하게 웨이퍼(W)의 판면 전체에 대한 두께 분포를 하나의 시각(時刻)에 구할 수 있다.
또 다른 본 발명의 실시 형태로서, 상기 센서 위치 감지부는 연마 정반(10)에 표식(19)을 고정시키고, 표식을 감지하는 센서(60)에 의하여 센서 설치 영역(As)이 웨이퍼(W)의 하측에 위치한 것임을 감지할 수 있다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 화학 기계적 연마 장치(1)의 작동 원리를 상술한다.
단계 1: 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드(11)는 계속하여 회전(11d)하고, 웨이퍼(W)도 캐리어 헤드(200)에 의하여 회전한다. 이에 따라, 센서 설치 영역(As)은 도5a에 도시된 바와 같이, 연마 패드(11)와 함께 회전하면서 웨이퍼(W)를 향하여 이동한다.
단계 2: 그리고 나서, 연마 패드(11)가 도5a에 도시된 상태에서 추가로 회전하면, 센서 설치 영역(As)이 웨이퍼(W)의 하측에 위치하는 순간이 생기게 된다. 이를, 전술한 센서 위치 감지부에 의하여 감지한다(S110). 즉, 엔코더나, 도5b에 도시된 감지 센서(60)나, 도4에 도시된 제1센서(55)와 제2센서(56)에 의하여 센서 설치 영역(As)이 웨이퍼(W)의 하측에 도달한 시점을 감지할 수 있다.
단계 3: 센서 설치 영역(As)이 웨이퍼(W)의 하측에 위치하게 되는 제1시각(時刻)에서, 센서 설치 영역(As)에 배치된 센서들(50)에 수신된 제1수신신호는 제1시각에서의 웨이퍼 판면에 대한 연마층 두께 분포를 구하는 데 사용된다.
여기서, 센서 설치 영역(As)에 설치된 센서들(50)은 제1시각에만 웨이퍼의 연마층 두께를 측정할 수 있다(S120). 그러나, 본 발명의 다른 실시예에서는, 센서 위치 감지부에 의해 센서 설치 영역(As)이 웨이퍼의 하측에 위치한 순간을 산출하는 데 소요되는 시간에 의하여, 정확한 제1시각에 제1수신신호만을 추출하는 것이 곤란할 수도 있으므로, 센서 설치 영역(As)의 센서들(50)들은 화학 기계적 연마 공정 중에 수신 신호를 지속적으로 수신하여 제어부(70)에 전송하고(S120), 제어부(70)는 센서(50)의 신호 데이터와 센서 위치 감지부의 신호 데이터를 동일 시간 축에 맵핑하는 것에 의해, 센서 설치 영역(As)이 웨이퍼(W)의 하측에 위치하게 되는 제1시각(時刻)에서만의 웨이퍼 두께 분포를 구할 수 있다(S130).
이 때, 웨이퍼(W)는 화학 기계적 연마 공정 중에 자전하고 있으므로, 센서 설치 영역(As) 내의 센서(50)들에 의해 측정된 연마층 두께 분포와 웨이퍼(W)의 위치를 매칭시키기 위해서는, 캐리어 헤드(200)의 정해진 하나의 지점을 기준점(Po)으로 삼고, 센서 설치 영역(As)이 웨이퍼(W)의 하측에 위치하는 순간에 기준점(Po)의 회전 위치를 감지한다. 이에 의해, 센서 설치 영역(As)의 센서들(50)에 의하여 웨이퍼(W)의 연마층 두께 분포를 판면에 2차원적으로 구하고, 구해진 연마층의 두께 분포를 웨이퍼(W)의 기준 위치(Po)를 중심으로 매칭시키는 것에 의해, 웨이퍼(W)의 기준위치(Po)를 기준 좌표로 삼아 웨이퍼의 연마층 두께 분포를 얻을 수 있다. 여기서, 캐리어 헤드(200)의 기준 위치(Po)는 소프트 웨어 방식으로 미리 정해진 좌표가 되며, 캐리어 헤드(200)의 기준 위치(Po)의 회전각(회전 위치)는 캐리어 헤드(200)를 회전 구동하는 구동부에 엔코더를 설치하거나 별도의 감지 센서를 두는 것에 의해 얻어질 수 있다.
이를 통해, 연마 패드(11)가 1회전할때마다 웨이퍼(W)의 판면에 대한 연마층 두께 분포를 하나의 시점에 대하여 얻을 수 있다.
단계 4: 이와 같이, 연마 패드(11)가 1회전 할때마다 웨이퍼(W)의 전체 판면에 대한 연마층 두께 분포를 얻은 상태에서, 웨이퍼 연마층의 두께가 더 크게 측정된 영역에 대해서는 웨이퍼 연마층의 두께가 더 작게 측정된 영역에 비하여, 캐리어 헤드(200)의 다수의 압력 챔버(C1, C2, C3)에 인가하는 가압력을 더 크게 조절하여, 웨이퍼(W)의 연마층 두께를 전체적으로 원하는 분포 형상으로 정확하게 조절할 수 있게 된다.
즉, 캐리어 헤드(200)의 압력 챔버(C1-C3)는 반경 방향을 따라 격벽(133a)에 의해 구획되어 있을 뿐만 아니라, 원주 방향을 따라서도 격벽(133b)에 의해 구획되어 있으므로, 웨이퍼(W)에 증착될 시점에서부터 연마층 두께가 불균일하더라도, 화학 기계적 연마 공정이 종료되는 시점에서는 원하는 두께 분포(예를 들어, 전체적으로 균일한 두께 분포이거나, 중앙부가 가장자리에 비하여 더 두껍거나 얇은 두께 분포)로 조절할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 연마층 두께 분포를 2차원 판면에 대하여 균일하게 조절하여, 원하는 연마층 두께 분포에 맞게 연마 공정을 행할 수 있게 되어 연마 품질을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구 범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
1: 화학 기계적 연마 장치 10: 연마 정반
11: 연마 패드 30: 컨디셔너
40: 슬러리 공급부 50: 연마층 두께 센서
60: 센서 위치 감지 센서 70: 제어부
200: 캐리어 헤드 210: 본체
220: 베이스 230: 멤브레인
250: 압력 조절부 133: 격벽
133a: 제1격벽 133b: 제2격벽
C1: 제1압력챔버
C2, C21, C22, C23, C24, C25, C26: 제2압력챔버
C3, C31, C32, C33, C34, C35, C36: 제2압력챔버
As: 센서 설치 영역 W: 웨이퍼
19: 표식 Le: 연마층

Claims (20)

  1. 웨이퍼의 화학 기계적 연마 장치로서,
    상면에 연마 패드가 입혀지고 자전하는 연마 정반과;
    화학 기계적 연마 공정 중에 상기 연마 패드에 상기 웨이퍼를 가압하면서 회전시키는 캐리어 헤드와;
    상기 연마 정반에 고정되어 상기 연마 정반과 함께 회전하면서, 상기 웨이퍼가 차지하는 영역에 대응하는 센서 설치 영역에 다수로 분포되되, 상기 센서 설치 영역의 중심으로부터 서로 다른 반경 방향으로 복수개가 이격되게 배치되어 반경 방향으로의 열을 형성하고, 상기 센서 설치 영역 내에서 원주 방향으로 복수개가 이격되게 배치되어 원주 방향으로의 열을 형성하는 다수의 센서와;
    상기 연마 정반에 고정된 상기 센서의 회전 위치를 감지하는 센서위치감지수단과;
    포함하여 구성되어, 상기 센서위치감지수단에 의해 상기 웨이퍼의 하측이 상기 센서 설치 영역을 통과하는 하나의 시각(時刻)에, 상기 센서 설치 영역에 배치된 상기 다수의 센서가 동시에 웨이퍼의 연마층 두께 정보를 갖는 수신 신호를 수신하여 상기 하나의 시각에서의 웨이퍼의 반경 방향 및 원주 방향의 두께 분포를 동시에 얻는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  2. 삭제
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  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 원주 방향의 열을 이루는 상기 센서의 일부 이상은 상기 센서 설치 영역의 가장자리를 따라 원주 방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
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  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 캐리어 헤드에는 상기 웨이퍼를 가압하는 압력 챔버가 다수로 분할되게 형성되고, 상기 웨이퍼의 원주 방향을 따라 상기 압력 챔버가 구획되어, 원주 방향에 대하여 서로 다른 가압력이 인가되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  14. 삭제
  15. 삭제
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  17. 제 1항에 있어서,
    상기 센서위치 감지수단은 연마 정반에 장착된 표식을 감지하는 감지 센서인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 센서위치 감지수단은 상기 센서 설치 영역의 전방부에 배치된 제1센서로 구성되어, 상기 제1센서가 상기 웨이퍼로부터 제2수신신호를 수신하였다가 null신호로 되는 때를 상기 센서 설치 영역이 상기 웨이퍼의 하측에 위치한 것으로 감지하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 센서위치 감지수단은 상기 캐리어 헤드와 상기 연마 정반 중 어느 하나의 오실레이션 방향으로 상기 센서 설치 영역의 바깥에 배치된 제3센서 및 제4센서를 포함하여, 상기 제3센서와 상기 제4센서 중 어느 하나가 상기 웨이퍼로부터 제2수신신호를 수신하였다가 null신호로 되는 때를 상기 센서 설치 영역이 상기 웨이퍼의 하측에 위치한 것으로 감지하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.

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