KR20010015202A - 화학 기계적 폴리싱 시스템에서 웨이퍼 폴리싱의 폐-루프제어 - Google Patents

화학 기계적 폴리싱 시스템에서 웨이퍼 폴리싱의 폐-루프제어 Download PDF

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조셉 제이. 스위니
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Abstract

웨이퍼(10) 폴리싱 기술에는 폐-루프 제어가 있다. 웨이퍼는 웨이퍼에 하향력을 가하도록 압력이 제어되는 적어도 하나의 챔버를 갖는 캐리어 헤드(100)에 의해 유지될 수 있다. 웨이퍼의 두께 측정은 폴리중에 수행될 수 있으며 웨이퍼에 대한 두께 프로파일은 상기 두께 측정에 기초하여 계산된다. 적어도 하나의 캐리어 헤드 챔버내의 압력은 비교결과에 기초하여 조절된다. 캐리어 헤드 챔버의 압력은 폴리싱 중에 웨이퍼에 가해진 하향력 크기의 제어 및/또는 웨이퍼에 하향력이 가해지는 로딩영역 크기의 제어를 위해 조절될 수 있다.

Description

화학 기계적 폴리싱 시스템에서 웨이퍼 폴리싱의 폐-루프 제어 {CLOSED-LOOP CONTROL OF WAFER POLISHING IN A CHEMICAL MECHANICAL POLISHING SYSTEM}
본 발명은 기판의 화학 기계적 폴리싱에 관한 것이며, 보다 상세하게는 화학 기계적 폴리싱 시스템에서 웨이퍼 폴리싱을 폐-루프 제어하는 것에 관한 것이다.
통상적으로, 집적회로는 전도체, 반도체 또는 절연체 층의 순차적인 증착에 의해 기판, 특히 실리콘 웨이퍼 상에 형성된다. 각각의 층이 증착된 후에는 회로 미세구조물(feature)을 형성하도록 에칭된다. 일련의 층들이 순차적으로 증착되고 에칭되므로, 기판의 외측 또는 최상면, 즉 기판의 노출면은 비평탄도가 증가하게 된다. 이러한 비평탄 표면은 집적회로 제조공정의 사진 평판단계에 문제점들을 유발한다. 그러므로, 기판 표면을 주기적으로 평탄화할 필요가 있다.
화학 기계적 폴리싱(CMP)은 평탄화를 수행할 수 있는 하나의 방법이다. 이러한 평탄화 방법에 있어서는 통상적으로 기판이 캐리어 또는 폴리싱 헤드 상에 장착되어야 한다. 기판의 노출면은 회전 폴리싱 패드에 놓여져야 한다. CMP 공정의 효과는 폴리싱 비율 및 웨이퍼 표면의 최종 다듬질 정도(미세한 거친 표면이 없을 때) 및 평탄도(커다란 토포그래피가 없을 때)에 의해 측정될 수 있다. 폴리싱 비율, 다듬질 정도, 및 평탄도는 패드와 슬러리의 조합, 웨이퍼와 패드 사이의 상대속도, 및 패드에 대한 웨이퍼의 압착력에 의해 결정된다.
CMP에 있어서, 재발되는 문제점은 "에지-효과", 환언하면 웨이퍼 에지가 웨이퍼 중심에 비해 상이한 속도로 폴리싱되는 경향이 있다는 점이다. 상기 에지효과는 통상적으로 웨이퍼 주변의 불균일한 폴리싱을 유발한다(예를들어, 200㎜ 웨이퍼의 3 내지 4㎜). 다른 문제점은 "센터 슬로우 효과", 환언하면 웨이퍼의 중심이 언더폴리싱되는 경향이 있다는 점이다.
또한, 다른 요인들이 CMP 공정에 있어서의 불균일함에 관여한다. 예를들어, CMP 공정은 상이한 로트, 슬러리 배치 내의 편차, 및 오버타임을 발생하게 하는 공정 편차(process drift)에 기인한 폴리싱 패드 사이의 차이점에 민감하다. 또한, CMP 공정은 온도와 같은 환경요인에 따라 변화할 수 있다. 또한, 웨이퍼의 특정 상태 및 웨이퍼에 증착된 필름도 CMP 공정에 있어서의 편차에 관여한다. 유사하게, CMP 시스템의 기계적 변화도 CMP 공정의 균일도에 영향을 끼친다. CMP 공정에 있어서의 편차들은 예를들어, 폴리싱 패드에 대한 마모의 결과로서 오버타임을 늦게 발생시킨다. 기타 편차들이 새로운 슬러리 배치 또는 새로운 폴리싱 패드의 사용할 때와 같은 갑작스런 변경의 결과로서 발생될 수 있다.
현대 기술에 의해서는 웨이퍼 두께의 역학을 제어하기 위한 CMP 공정에서의 전술한 편차를 보상하는 것이 어렵다. 특히, 웨이퍼 표면에 대한 소정의 평탄도 또는 포토그래피를 얻기 위해 CMP 공정을 제어하는 것이 어려웠다. 또한, 오랜기간에 걸쳐 다수의 웨이퍼에 대한 동일한 결과를 얻기위해 CMP 공정을 제어하는 것이 어려웠다. 따라서, 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점들을 해결하고자 하는 것이다.
도 1은 화학 기계적 폴리싱 장치의 분해 사시도.
도 2는 본 발명에 사용되는 광학 간섭계를 갖춘 예시적인 화학 기계적 폴리싱 장치의 측면도.
도 3은 본 발명에 사용되는 예시적인 캐리어 헤드의 개략적인 횡단면도.
도 4는 캐리어 헤드 내부에 있는 박막의 접촉 직경크기가 캐리어 헤드 챔버중의 하나에서 압력에 따라 어떻게 변화하는지를 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 폐-루프 제어식 웨이퍼 폴리싱 시스템를 나타내는 블록선도.
도 6은 본 발명에 따른 폐-루프 제어식 웨이퍼 폴리싱 방법의 흐름도.
도 7은 캐리어 헤드의 여러 직경을 나타내는 도면.
도 8은 웨이퍼상의 예시 영역을 나타내는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 웨이퍼 20 : 폴리싱 장치
22 : 폴리싱 스테이션 23 : 이송 스테이션
24 : 회전판 30 : 폴리싱 패드
48 : 컴퓨터 100 : 캐리어 헤드
116 : 가요성 박막 134 : 하부 챔버
136 : 상부 챔버
일반적으로, 웨이퍼를 폴리싱하는 방법은 폐-루프 제어방식을 사용한다. 웨이퍼는 웨이퍼에 하향력을 가하도록 압력이 제어되는 하나 이상의 챔버를 갖춘 캐리어 헤드에 의해 고정될 수 있다. 상기 방법은 웨이퍼의 두께를 측정하는 단계와, 상기 두께 측정에 기초하여 웨이퍼에 대한 두께 프로파일을 계산하는 단계를 포함한다. 계산된 두께 프로파일은 목표 두께 프로파일과 비교된다. 적어도 하나의 캐리어 헤드챔버의 압력은 상기 비교결과에 기초하여 조절된다.
다른 실시예에 있어서, 폴리싱 방법은 독립적으로 변화될 수 있는 압력을 웨이퍼의 다중영역에 가할 수 있는 다중 챔버를 갖춘 캐리어 헤드에 의해 고정되는 웨이퍼에 사용될 수 있다. 상기 방법은 폴리싱중에 웨이퍼의 두께를 측정하는 단계 및 상기 두께 측정에 기초하여 웨이퍼의 특정영역과 관련된 캐리어 헤드 챔버 중에 하나의 압력을 조절하는 단계를 포함한다.
또한, 화학 기계적 폴리싱 시스템도 설명되어 있다. 상기 시스템은 웨이퍼 폴리싱 표면 및 웨이퍼를 유지하기 위한 캐리어 헤드를 포함한다. 캐리어 헤드는 폴리싱 표면에 대해 폴리싱될 때 웨이퍼에 하향력을 가하도록 제어될 수 있는 적어도 하나의 챔버를 포함한다. 또한, 상기 시스템은 폴리싱중 웨이퍼의 두께 측정을 위한 모니터 및 목표 두께 프로파일을 저장하는 메모리를 포함한다. 프로세서는 (가) 모니터에 의해 얻어진 두께-관련 프로파일에 기초하여 웨이퍼에 대한 두께 프로파일을 계산하고, (나) 계산된 두께 프로파일을 목표 두께 프로파일과 비교하고, (다) 비교결과에 기초하여 적어도 하나의 캐리어 헤드의 압력을 조절하도록 구성된다.
일반적으로, 챔버압력은 특정 웨이퍼가 폴리싱되는 실시간에 조절될 수 있다. 따라서, 두께 측정은 웨이퍼의 폴리싱과 동시에 얻어질 수 있으며, 챔버 압력은 웨이퍼를 폴리싱 면으로부터 제거하지 않고도 조절될 수 있다. 다른 실시예에서, 샘플 웨이퍼의 두께-관련 측정이 수행되고 목표 프로파일과 비교되어서 챔버 압력에 대한 조절이 다른 웨이퍼의 폴리싱 중에 또는 그 이전에 수행될 수 있다.
다른 실시예에서는 다음과 같은 하나 이상의 특징을 얻을 수 있다. 캐리어 헤드 챔버압력을 조절하는 것은 웨이퍼와 폴리싱면 사이의 압력 분배를 변경할 수 있다. 캐리어 헤드는 압력을 제어가능한 로딩영역에 있는 웨이퍼에 제공하여 챔버 압력의 조절에 의해 로딩영역내에 있는 웨이퍼에 가해진 압력을 조절할 수 있게 하는 가요성 박막을 포함한다. 예를들어, 계산된 두께 프로파일을 목표 두께 프로파일에 비교하여 웨이퍼 중심영역이 언더폴리싱되었다고 판단되면, 캐리어 헤드 챔버중의 하나의 압력이 로딩영역의 크기를 감소시키도록 조절된다.
유사하게, 캐리어 헤드 압력의 조절에 의해 폴리싱 표면에 웨이퍼를 압착시키는 하향력의 변화를 초래할 수 있다.
웨이퍼의 두께-관련 측정을 수행하는 것에는 웨이퍼상의 다중 샘플영역으로부터 반사된 방사량의 세기를 측정하는 단계도 포함한다. 목표 두께 프로파일은 예를들어, 폴리싱 공정에 있어서 특정시간 동안의 예상된 두께 프로파일 또는 이상적인 두께 프로파일을 나타낼 수 있다.
또한, 두께-관련 측정, 두께 프로파일의 계산, 계산된 두께 프로파일을 목표 두께 프로파일과의 비교, 및 캐리어 헤드 챔버중의 적어도 하나의 압력을 조절하는 단계들은 특정 웨이퍼의 처리공정 중에 여러 시간에 걸쳐 반복적으로 수행될 수 있다.
다양한 실시예들은 하나 이상의 다음 장점들을 포함할 수 있다. 환경 편차, 웨이퍼 및 슬러리 편차, 및 CMP 장비 자체의 편차와 같은 웨이퍼 처리공정에 있어서의 편차들은 더욱 균일하고 더욱 평탄한 표면을 제공하도록 보상될 수 있다. 유사하게, 웨이퍼의 상이한 영역들이 폴리싱되는 비율에 있어서의 편차는 더욱 용이하게 조절될 수 있다. 실질적으로 평탄한 표면을 얻기 위해 그러한 편차들을 보상하는 것이 때때로 바람직하지만, 몇몇 경우에 있어서는 웨이퍼의 상이한 영역들이 상이한 두께로 폴리싱되도록 캐리어 헤드 챔버의 압력을 변경하는 것이 바람직할 수도 있다.
본 발명의 다른 특징 및 장점들은 상세한 설명, 도면 및 청구범위로부터 보다 분명해 진다.
도 1에 도시한 바와 같이, 다중 반도체 웨이퍼(10)가 화학 기계적 폴리싱(CMP) 장치(20)에 의해 폴리싱된다. 각각의 웨이퍼(10)는 하나 이상의 미리 형성된 필름 층을 가질 수 있다. 폴리싱 장치(20)는 일련의 폴리싱 스테이션(22) 및 이송 스테이션(23)을 포함한다. 상기 이송 스테이션(23)은 로딩 장치(도시않음)로부터 각각의 웨이퍼(10)를 수용하고, 웨이퍼를 세척하고, 웨이퍼를 캐리어 헤드내에 로딩하고, 웨이퍼를 캐리어 헤드로부터 수용하고, 웨이퍼를 다시 세척하고, 또한 웨이퍼를 로딩장치로 다시 이송하는 등의 다중기능을 수행한다.
각각의 폴리싱 스테이션은 상부에 폴리싱 패드(30)가 놓여지는 회전판(24)을 포함한다. 폴리싱 패드(30)는 배면층(32) 및 커버층(34)을 포함한다(도 2). 각각의 회전판(24)은 평탄한 구동모터(도시않음)에 연결될 수 있다. 대부분의 폴리싱 공정을 위하여, 구동모터는 더 높거나 낮은 회전수가 사용될 수 있지만, 분당 30 내지 200 회전수로 회전판(24)을 회전시킨다. 각각의 폴리싱 스테이션도 웨이퍼를 효율적으로 폴리싱하도록 폴리싱 패드의 상태를 유지하는 패드 조절장치(28)를 포함한다. 조합식 슬러리/린스 아암(39)은 폴리싱 패드(30)의 표면에 슬러리를 공급한다.
회전가능한 다중 헤드 카로우젤(60)은 중앙기둥(62)에 의해 지지되어 카로우젤 모터 조립체(도시않음)에 의해 카로우젤 축선(64)을 중심으로 하여 회전된다. 카로우젤(60)은 4 개의 캐리어 헤드 시스템(70)을 포함한다. 중앙기둥(62)은 카로우젤 모터가 카로우젤 지지판(66)을 회전시키고 카로우젤 축선(64) 주위에 부착된 웨이퍼와 캐리어 헤드 시스템을 회전시킨다. 캐리어 헤드 시스템의 3 개는 웨이퍼를 수용하고 지지하며 웨이퍼를 폴리싱 패드에 압착시킴으로써 폴리싱한다. 그러는 동안에 캐리어 헤드 시스템중의 하나는 이송 스테이션(23)으로부터 웨이퍼를 수용하고 웨이퍼를 분배한다.
스테이션중에 적어도 하나는 CMP 공정중에 웨이퍼 관련 테이타를 얻고 두께-관련 정보를 계산할 수 있는 정상 비율의 모니터를 포함한다. 두께 측정기술중에 하나는 1998년 11월 2일자로 출원되어 본 발명의 양수인에게 양도된 미국 특허 출원번호 09/184,775호에 설명되어 있다. 웨이퍼의 두께-관련 측정에 있어서 반경 프로파일 또는 직경 스캔을 제공하는데 사용될 수 있는 실시간 측정장치 및 기술들이 설명되어 있는 상기 출원은 본 발명에 참조되었다. 후술하는 바와 같이, 원위치 두께 측정 모니터에 의해 얻어진 웨이퍼 두께-관련 테이타는 CMP 제어시스템용 피이드백 데이타로서 사용된다.
두께 측정 모니터(50)의 일례가 도 2에 도시되어 있다. 상기 회전판(24)내에는 구멍(26)이 형성되어 있으며 투명 창이 구멍위에 놓이는 폴리싱 패드(30)의 일부분에 형성되어 있다. 광학 모니터 시스템(40)은 구멍(26) 아래의 회전판(24)에 고정되며 회전판과 함께 회전한다. 간섭계를 사용할 수 있는 광학 모니터 시스템(40)은 레이저와 같은 광원(44) 및 검출기(46)를 포함한다. 광원(44)은 웨이퍼(10)의 노출면에 충돌하도록 투명 창(36) 및 슬러리(38)를 통해 전파되는 광 비임(42)을 발생시킨다. 광 차단기와 같은 위치 센서(160)가 투명창(36)이 웨이퍼(10) 근처에 있을 때를 감지하는데 사용될 수 있다. 분광 광도계를 포함하는 다른 기술들이 웨이퍼의 두께-관련 측정을 수행하는데 사용될 수 있다.
작동시, CMP 장치(20)는 웨이퍼(10)의 표면으로부터 제거된 재료의 양, 박막 층의 잔여 두께, 또는 웨이퍼 표면 전반의 두께 범위를 결정하도록 두께 모니터(50)를 사용할 수 있다. 상기 장치(20)는 또한 웨이퍼의 불균일도 범위, 환언하면 제거된 두께를 제거된 평균 두께로 나눠 100%를 곱한 표준 편차를 결정할 수 있다. 또한, 상기 장치(20)는 표면이 평탄화된 때를 결정한다.
일반 용도의 프로그램가능한 디지털 컴퓨터(48)는 레이저(44), 검출기(46) 및 위치 센서(160)에 연결된다. 상기 컴퓨터(48)는 웨이퍼가 일반적으로 투명 창(36)위에 놓일 때 레이저를 작동시키고, 검출기로부터의 세기 측정을 저장하고, 출력장치(49)상에 세기 측정을 표시하고, 초기 두께를 계산하고, 초기 두께, 폴리싱 비율, 상기 세기 측정에 기초하여 제거된 양 및 나머지 두께를 계산하고, 폴리싱 종점을 결정하도록 프로그램된다. 또한, 상세히 후술하는 바와 같이, 상기 컴퓨터(48)는 폴리싱 중에 웨이퍼(10)의 배면에 가해진 압력을 조절하기 위해 광학 모니터 시스템(40)으로부터 얻은 피이드백 데이터를 사용하도록 프로그램된다.
웨이퍼가 폴리싱될 때 박막 층의 두께가 시간에 따라 변화되기 때문에, 검출기(46)로부터 출력되는 신호도 시간에 따라 변화된다. 검출기(46)의 시간변화 출력은 원 반사 측정 트레이스(in-situ reflectance measurement trace)라 지칭되며 웨이퍼 층의 두께를 결정하는데 사용될 수 있다.
일반적으로, 광학 모니터 시스템(40)은 웨이퍼(10)상의 다중 샘플링 영역으로부터 반사된 방사세기를 측정한다. 각각의 샘플링 영역의 반경위치가 계산되고 세기 측정이 반경범위로 분류된다. 충분한 수의 세기 측정이 특정 반경범위에 대해 축적되면 모델 함수가 상기 범위에 대한 세기측정으로부터 계산된다. 상기 모델 함수는 초기 두께, 잔여 두께, 및 제거된 양을 계산하는데 사용될 수 있다. 또한, 웨이퍼 상에 증착된 필름의 평탄도도 계산될 수 있다. 더욱 세부적인 사항은 전술한 미국 특허 출원번호 09/184,775호에 설명되어 있다. 다른 기술도 웨이퍼 두께의 반경 프로파일을 얻는데 사용될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 각각의 캐리어 헤드 시스템은 캐리어 헤드(100)를 포함한다. 캐리어 구동축(74)은 캐리어 헤드 회전모터(76)를 각각의 캐리어 헤드(100)에 연결하여 각각의 캐리어 헤드가 자신의 축선상에서 독립적으로 회전할 수 있게 한다. 각각의 캐리어 헤드는 관련 캐리어 구동축 및 모터를 가진다. 캐리어 헤드(100)는 여러 기계적 기능을 수행한다. 일반적으로, 캐리어 헤드는 폴리싱 패드에 대해 기판을 유지하고, 기판 배면의 전반에 걸쳐서 하향력을 분배하고, 구동축으로부터의 토오크를 기판으로 전달하며, 폴리싱 중에 기판이 캐리어 헤드 아래로부터 미끄러지지 않게 한다.
또한, 각각의 캐리어 헤드(100)는 웨이퍼 배면에 가해진 하향력이 변화될 수 있게 하는 제어가능한 압력 및 로딩영역을 가진다. 적합한 캐리어 헤드가 1999년 12월 23일자로 출원되어 본 발명의 양수인에게 양도된 미국 특허 출원번호 09/470,820호에 설명되어 있다. 상기 출원은 본 발명에 참조되었다.
도 3에 도시되고 전술한 특허 출원에 설명되어 있는 바와 같이, 예시적인 캐리어 헤드(100)는 하우징(102), 베이스 조립체(104), 짐벌기구(106), 로딩 챔버(108), 유지 링(110), 및 부상식 상부챔버(136), 부상식 하부챔버(134) 및 외측 챔버(138)와 같은 3 개의 가압 챔버를 갖춘 기판 소성화 조립체(112)를 포함한다.
상기 로딩 챔버(108)는 하중, 환언하면 하향 압력 또는 중량을 베이스 조립체(104)에 가하도록 하우징(102)과 베이스 조립체(104) 사이에 위치된다. 제 1 압력 조절기(도시않음)는 베이스 조립체(104)의 수직위치와 로딩 챔버내의 압력을 제어하도록 통행기(132)에 의해 로딩 챔버(108)에 유체 연결된다.
웨이퍼 소성화 조립체(112)는 가요성 내측 박막(116), 가요성 외측 박막(118), 내측지지 구조물(120), 외측지지 구조물(130), 내측 스페이서 링(122) 및 외측 스페이서 링(132)을 포함한다. 상기 가요성 내측 박막(116)은 압력을 제어가능한 영역내에 있는 웨이퍼(10)에 가하는 중앙부를 포함한다. 내측 플랩(144)에 의해 밀봉되는 상기 베이스 조립체(104)와 내측 박막(116) 사이의 체적은 가압가능한 부상식 하부챔버(134)를 제공한다. 내측 플랩(144) 및 외측 플랩(146)에 의해 밀봉되는 상기 베이스 조립체(104)와 내측 박막 사이의 환형 체적은 가압가능한 상부챔버(136)를 제공한다.
제 2 가압 조절기(도시않음)는 가스와 같은 유체를 부상식 상부챔버(136)로 또는 챔버로 지향시키도록 연결된다. 유사하게, 제 3 압력 조절기(도시않음)는 유체를 부상식 하부챔버(134)로 또는 챔버로 지향시키도록 연결된다. 상기 제 2 압력 조절기는 상부 챔버의 압력 및 하부 챔버의 수직 위치를 제어하며 제 3 압력 조절기는 하부 챔버(134)의 압력을 제어한다. 부상식 상부챔버(136)내의 압력은 외측 박막의 상부면에 대한 내측 박막(116)의 접촉영역을 제어한다. 따라서, 상기 제 2 및 제 3 압력 조절기는 압력이 가해지는 웨이퍼 영역, 환언하면 로딩영역 및 로딩영역내에서의 기판상의 하향력을 제어한다.
내측 박막(116)과 외측 박막(118) 사이의 밀봉된 체적은 가압가능한 외측 챔버(138)를 한정한다. 제 4 압력 조절기(도시않음)는 가스와 같은 유체를 부상식 상부챔버(138)로 또는 챔버로 지향시키는 통로(140)에 연결될 수 있다. 제 4 압력 조절기는 외측 챔버(138)내의 압력을 제어한다.
작동시, 유체는 부상식 하부챔버로 또는 하부챔버로부터 펌프되어 외측 박막(118)에 대한, 그래서 결국 웨이퍼(10)에 대한 내측 박막(116)의 하향 압력을 제어한다. 유체는 부상식 상부챔버로 또는 상부챔버로부터 펌프되어 외측 박막(118)에 대한 내측 박막(116)의 접촉영역을 제어한다. 따라서, 캐리어 헤드(100)는 웨이퍼(10)에 가해지는 압력 및 로딩영역을 제어할 수 있다. 도 4는 부상식 상부챔버(136)내의 압력(P3)과 외측 박막(118)에 대한 내측 박막(116)의 접촉영역 사이의 관계를 그래프로 나타낸다. 도 4에서, 외측 챔버(138)내의 외측 박막압력(P1)은 4psi이다. 상기 그래프는 부상식 하부챔버(134)내의 내측 박막압력(P2)의 다수의 값에 대한 접촉영역에서의 압력범위가 5 내지 6.6psi임을 나타낸다.
CMP 공정중의 웨이퍼 폴리싱의 폐-루프 제어가 도 5 및 도 6에 도시되어 있다. 웨이퍼(10)는 캐리어 헤드(100) 중에 하나에 의해 고정되어 내부 변수를 갖는 예정된 CMP 공정을 사용하여 스테이션(22)에서 폴리싱된다. 내부변수에는 챔버(108,134,136,138)내의 압력이 포함된다. 전술한 바와 같이, 예를들어 폴리싱 패드 및 슬러리와 관련된 소모 편차를 포함하는 다른 요인들이 CMP 공정의 역학에 영향을 끼친다. 유사하게, CMP 시스템내의 편차, 환경상의 편차, 및 웨이퍼 내의 편차들도 CMP 공정의 역학에 영향을 끼쳐 웨이퍼 표면으로부터 제거된 재료의 양에 영향을 끼친다. 통상적으로, 그러한 편차들은 시스템 내측으로 고의적으로 도입되어 제어하기 어렵게 된다.
웨이퍼(10)가 폴리싱될 때, 특정 반경방향 두께의 프로파일이 초래된다. 공정중의 예정지점, 예를들어 폴리싱 시작의 예정시점에서, 두께 모니터(50)는 두께 관련 측정을 컴퓨터(48)에 제공한다. 컴퓨터(48)는 두께 모니터 모니터(50)로부터 얻은 측정에 기초하여 웨이퍼(10)에 대한 반경방향 두께 프로파일을 계산한다(154). 환언하면, 웨이퍼 중심으로부터 웨이퍼 에지로의 다중 지점에서 웨이퍼 두께가 계산된다. 몇몇 경우에, 계산된 웨이퍼 두께는 각각의 반경방향 위치에 대한 평균 두께를 제시할 수 있다.
다음에, 계산된 두께 프로파일은 목표 두께 프로파일과 비교된다(156). 목표 두께 프로파일은 메모리, 예를들어 EEPROM에 저장되며(170), CMP 공정에 있어서의 예정된 지점에서 바람직한 이상적인 웨이퍼 두께 프로파일을 나타낼 수 있다. 이와는 달리, 목표 두께 프로파일은 CMP 공정에 있어서의 상기 지점에서 예상되는 두께 프로파일을 나타낼 수 있다. 일 실시예에 따라서, 목표 프로파일과 계산된 프로파일은 각각의 두께 프로파일에 대한 대응하는 두께 값들 사이의 차이를 계산함으로써 비교된다. 예를들어, 특정 반경방향 위치에 대한 목표 프로파일에 있어서의 두께 값은 동일한 반경방향 위치에 대한 계산된 두께 프로파일에서 대응하는 두께 값으로부터 감산된다. 그 결과는 각각이 웨이퍼(10)상의 반경방향 위치에 대응하고 웨이퍼 상의 특정 반경방향 위치에서 계산된 두께와 목표 두께 사이의 불일치를 각각 나타내는 일련의 차이값이다. 두 프로파일의 비교는 소프트웨어의 어느 하나의 하드웨어에서 수행되고 예를들어 컴퓨터(48)에 의해 수행될 수 있다.
목표 두께와 계산된 두께 사이의 비교결과는 제어기(175)로 제공된다. 제어기(175)가 컴퓨터(48)와 별도로 도시되어 있지만, 제어기와 컴퓨터는 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 포함할 수 있는 단일 컴퓨터 시스템의 일부일 수 있다. 그러한 컴퓨터 시스템은 컴퓨터(48) 및 제어기(175)의 기능을 수행하도록 구성된 하나 이상의 일반목적 또는 특적 목적용 프로세서를 포함할 수 있다. 컴퓨터 시스템이 상기 기능들을 수행할 수 있게 하는 명령들은 판독용 메모리(ROM)와 같은 저장매체에 저장될 수 있다.
비교 결과치의 수용에 응답하여, 제어기(175)는 그 결과치를 캐리어 헤드(100)의 하나 이상의 챔버(108,134,136,138)내의 압력을 조절하는데 사용한다. 전술한 바와 같이, 압력은 웨이퍼에 가해진 캐리어 헤드(100)의 하향력을 변경 및/또는 로딩영역을 변경하도록 조절될 수 있다. 예를들어, 상기 압력은 웨이퍼 에지가 웨이퍼 중심보다 상이한 비율로 폴리싱되거나 웨이퍼 중심이 언더폴리싱될 때 조절될 필요가 있다. 특히, 웨이퍼 중심이 언더폴리싱 되면 챔버 압력은 로딩영역의 반경을 감소시키도록 조절될 수 있다. 환언하면, 압력 생성 및 웨이퍼 중심에서의 폴리싱 시간은 웨이퍼 에지 근처의 영역보다 켜서 언더폴리싱을 보상하여야 한다. 챔버 압력을 조절한 후에, 웨이퍼(10)의 폴리싱은 웨이퍼가 실질적으로 평탄화되었음을 두께 모니터가 나타낼 때까지 또는 몇몇 다른 CMP 종점에 도달할 때까지 계속된다(160).
전술한 상기 폐-루프 피이드백 제어는 특정 웨이퍼의 CMP 폴리싱 중에 한번 이상 수행된다. 환언하면, 캐리어 헤드 챔버내의 압력은 CMP 공정중에 한번 이상 두께 관련 측정에 기초하여 조절될 수 있다. 예를들어, 챔버 압력에 대한 폐-루프 조절은 CMP 공정중에 매번 15와 같은 시간간격으로 수행될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 폴리싱될 때의 각각의 웨이퍼에 대한 폐-루프 제어를 수행하는 것이 바람직하다. 다른 환경하에서는 하나 이상의 테스트 웨이퍼에 대한 폐-루프 제어를 수행하는 것으로 충분하다. 테스트 웨이퍼에 대해 얻은 캐리어 헤드챔버 압력에 대한 조절은 웨이퍼의 전체 배치의 CMP 공정중에 계속적으로 사용될 수 있다.
두께 프로파일은 소정량의 재료가 제어되었는지를 결정하기 위해 시간(T(n)) 주기후에 얻어질 수 있다. 소정량의 재료가 웨이퍼로부터 제거되었다면, 폴리싱 시간은 1초와 같은 소정의 시간단위 만큼 연장될 수 있다. 상기 공정은 소정량의 재료가 제거될 때까지 반복될 수 있다.
일 실시예에서, 샘플 웨이퍼는 부상식 챔버(134,136)가 가압되고, 외측 챔버(138)가 균일한 압력을 웨이퍼 후면의 전반에 가하도록 가압되는 표준 작동모드로 폴리싱된다. 샘플 웨이퍼는 폴리싱되고 소정의 시간주기 후에, 샘플 웨이퍼의 다중 반경영역의 두께 관련 측정이 얻어져 반경방향 두께 프로파일로 변환된다. 두께 프로파일은 목표 프로파일, 예를들어 실질적으로 평탄한 프로파일과 비교되며, 상이한 두께(△tn)가 웨이퍼 상의 각각의 반경영역(n)에 대해 얻어진다. 각각의 상이한 두께(△tn)는 측정된 두께와 n차 영역에 대한 목표 두께 사이의 차이를 나타낸다.
웨이퍼의 측정된 두께에 기초하여 Å/psi/초의 단위로 표시되고 웨이퍼로부터 제거되는 재료의 평균비율을 나타내는 제거인자(RF)가 얻어진다. 챔버(138)내의 외측 박막압력(P1)과 챔버(134)내의 내측 박막 압력(P2) 사이의 압력차와 동일한 차등 압력(△P)이 선택된다. 차등압력(△P)의 통상적인 예는 약 1 내지 여러 psi의 범위이내이다. 웨이퍼 상의 반경영역을 N이라고 가정하고 제 1 영역(n=1)이 웨이퍼 중심에 근접해 있고 Nth영역 이 웨이퍼 에지에 근접해 있다고 가정하면, 순차적인 웨이퍼의 다수 영역이 특정 압력 차이값(△Pn)을 사용하여 폴리싱됨으로써 두께 프로파일을 보정하는 동안의 기간(Tn)은 다음과 같이 계산될 수 있다.
Tn= [△tn/(△Pn·RF)] - [(T(n+1)·△P(n+1)/△P(n)) + (T(n+2)·△P(n+2)/△P(n)) + ... +(T(N))·△P(N)/△P(n))].
압력 차이가 일정한 상황에 있어서, 전술한 방정식은 다음과 같이 감소된다.
Tn= [△tn/(△Pn·RF)] - (T(n+1)+T(n+2)+ ... + T(N)).
예를들어, 도 8과 관련하여 4 개의 영역이 존재한다고 하면,
T4= [△t4/(△P4·RF)],
T3= [△t3/(△P3·RF)] - T(4),
T2= [△t2/(△P2·RF)] - T(3)+ T(4), 및
T1= [△t1/(△P1·RF)] - T(2)+ T(3)+ T(4).
다음에 부상식 상부 챔버(136)내의 압력(P3)이 선택되어 로딩영역은 기간(T1) 중에 웨이퍼 중심으로부터 제 1 영역(n = 1)의 반경방향 위치로 연장하며, 로딩영역은 기간(T2) 중에 웨이퍼의 중심으로부터 제 1 영역(n = 2)의 반경방향 위치로 연장하며, 로딩영역은 기간(T3) 중에 웨이퍼의 중심으로부터 제 1 영역(n = 3)의 반경방향 위치로 연장하며, 로딩영역은 기간(T4) 중에 웨이퍼의 중심으로부터 제 1 영역(n = 4)의 반경방향 위치로 연장한다. 부상식 상부챔버(136)내의 압력(P3)은 다음과 같이 대략적으로 계산될 수 있다.
P3 = ((P2-P1)Ac + P1A1- P2A2)/A3,
여기서 로딩영역 Ac= π(dc)2/4, 및 A1= π(d1)2/4, A2= π(d2)2/4, A3= π(d3)2/4. 도 7에 도시한 바와 같이, d1, d2, d3,는 외측챔버(138), 부상식 하부챔버(134) 및 부상식 상부챔버에 각각 대응하는 직경이다. 새로운 압력 및 폴리싱 시간을 사용하여 더욱 평탄한 표면을 얻을 수 있다.
몇몇 실시예에서, 캐리어 헤드는 독립적으로 변화될 수 있는 압력을 웨이퍼의 다중 동심영역에 가할 수 있는 다중 동심영역을 포함할 수 있다. 그러한 캐리어 헤드는 본 발명에 전체적으로 구현되어 있는 미국 특허 5,964,653호에 설명되어 있다. 폴리싱 중에, 각 챔버내의 압력은 측정된 폴리싱 비율 또는 상기 챔버와 관련된 반경방향 영역내에서 제거된 양에 기초하여 조절될 수 있다. 예를들어, 웨이퍼의 에지가 기판 중심보다 더 빠르게 폴리싱됨을 광학 모니터 시스템이 결정하면, 캐리어 헤드의 최외각 챔버로의 압력은 폴리싱 작동 중에 감소될 수 있다. 전술한 기술들은 목표 두께 프로파일과 측정 두께와의 비교를 기초로 하여 하나 이상의 캐리어 헤드챔버 내의 압력을 조절하고 필름 두께를 모니터하는데 사용될 수 있다. 이는 폴리싱 균일도를 현저히 개선시킬 수 있다.
본 발명은 다수의 실시예에 의해 설명하였다. 그러나, 본 발명은 설명하고 도시한 실시예에 한정되지 않는다. 다른 실시예들도 다음 특허청구범위의 사상내에 포함된다.
본 발명에 따라, 웨이퍼 두께의 역학을 제어하기 위한 CMP 공정에서 편차를 보상할 수 있으며, 특히, 웨이퍼 표면에 대한 소정의 평탄도 또는 포토그래피를 얻기 위한 CMP 공정을 제어할 수 있다. 또한, 오랜기간에 걸쳐 다수의 웨이퍼에 대한 동일한 결과를 얻기위한 CMP 공정을 제어할 수 있다.

Claims (23)

  1. 웨이퍼상에 하향력을 가하도록 압력이 제어될 수 있는 하나 이상의 챔버를 갖춘 캐리어 헤드에 의해 유지된 웨이퍼의 폴리싱 방법으로서,
    폴리싱 중에 웨이퍼의 두께-관련 측정을 수행하는 단계와,
    상기 두께-관련 측정에 기초하여 웨이퍼에 대한 두께 프로파일을 계산하는 단계와,
    계산된 두께 프로파일을 목표 두께 프로파일과 비교하는 단계, 및
    상기 비교의 결과에 기초하여 하나 이상의 캐리어 헤드 챔버내의 압력을 조절하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 폴리싱 면에 대해 웨이퍼를 유지하는 단계를 더 포함하며, 상기 압력 조절에 의해 폴리싱 중에 웨이퍼와 폴리싱 표면 사이의 압력분포가 변경되는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 폴리싱 면에 대해 웨이퍼를 유지하는 단계를 더 포함하며, 상기 압력 조절에 의해 폴리싱 중에 폴리싱 표면에 대해 가압되는 하향력이 변경되는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 캐리어 헤드는 압력을 제어가능한 로딩영역에 제공하는 가요성 박막을 포함하며, 상기 압력 조절단계는 로딩영역내의 웨이퍼에 가해진 압력을 제어하도록 압력 조절가능한 챔버내의 압력을 조절하는 것을 포함하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 캐리어 헤드는 압력을 제어가능한 로딩영역에 제공하는 가요성 박막을 포함하며, 상기 압력 조절단계는 폴리싱 표면에 웨이퍼가 압착되게 하는 하향력을 제어하도록 압력 조절가능한 챔버내의 압력을 조절하는 것을 포함하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 두께 관련 측정을 수행하고, 두께 프로파일을 계산하고, 계산된 두께 프로파일을 목표 두께 프로파일과 비교하고, 캐리어 헤드의 하나 이상의 챔버를 웨이퍼에 대해 조절하는 반복적인 단계를 더 포함하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 캐리어 헤드는 제어가능한 로딩영역 내에 있는 웨이퍼에 압력을 제공하는 박막을 포함하며, 계산된 두께 프로파일을 목표 두께 프로파일과 비교한 결과 웨이퍼의 중심영역이 언더폴리싱되고 있음을 나타내는 경우에 하나 이상의 캐리어 헤드 챔버내의 압력이 로딩영역의 크기를 감소시키도록 조절되는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 웨이퍼의 두께 관련 측정을 수행하는 단계는 웨이퍼의 복수의 샘플 영역으로부터 관련 방사선의 세기를 측정하는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 목표 두께 프로파일은 폴리싱 공정에 있어서 특정 시간 동안의 이상적인 두께 프로파일을 제시하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 목표 두께 프로파일은 폴리싱 공정에 있어서 특정 시간 동안의 예상 두께 프로파일을 제시하는 방법.
  11. 웨이퍼상에 하향력을 가하도록 압력이 제어될 수 있는 하나 이상의 챔버를 갖춘 캐리어 헤드에 의해 유지된 웨이퍼의 폴리싱 방법으로서,
    웨이퍼의 두께-관련 측정을 수행하는 단계와,
    상기 두께-관련 측정에 기초하여 웨이퍼에 대한 두께 프로파일을 계산하는 단계와,
    계산된 두께 프로파일을 목표 두께 프로파일과 비교하는 단계, 및
    하향력이 가해지는 웨이퍼 영역의 크기를 변경시키도록 상기 비교의 결과에 기초하여 하나 이상의 캐리어 헤드 챔버내의 압력을 조절하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 웨이퍼상에 하향력을 가하도록 압력이 제어될 수 있는 하나 이상의 챔버를 갖춘 캐리어 헤드에 의해 유지된 웨이퍼의 폴리싱 방법으로서,
    제 1 웨이퍼를 캐리어 헤드내에 유지시키고 제 1 웨이퍼를 폴리싱 표면에 압착하는 단계와,
    폴리싱 중에 웨이퍼의 두께-관련 측정을 수행하는 단계와,
    상기 두께-관련 측정에 기초하여 웨이퍼에 대한 두께 프로파일을 계산하는 단계와,
    계산된 두께 프로파일을 목표 두께 프로파일과 비교하는 단계, 및
    폴리싱 중에 하향력이 가해지는 순차적으로 폴리싱되는 웨이퍼의 영역의 크기에 영향을 끼치도록 상기 비교의 결과에 기초하여 하나 이상의 캐리어 헤드 챔버내의 압력을 조절하는 단계를 포함하는 방법.
  13. 웨이퍼상에 하향력을 가하도록 압력이 제어될 수 있는 하나 이상의 챔버를 갖춘 캐리어 헤드에 의해 유지된 웨이퍼의 폴리싱 방법으로서,
    폴리싱 중에 웨이퍼의 두께-관련 측정을 수행하는 단계, 및
    상기 두께-관련 측정에 기초하여 웨이퍼의 특정영역과 관련된 캐리어 헤드 챔버중의 하나의 압력을 조절하는 단계를 포함하는 방법.
  14. 화학 기계적 폴리싱 시스템으로서,
    웨이퍼 폴리싱 표면과,
    폴리싱 표면에 대해 폴리싱되면서 웨이퍼 상에 하향 압력을 가하도록 압력이 제어될 수 있는 하나 이상의 챔버를 가지고 웨이퍼를 유지하는 캐리어 헤드와,
    폴리싱 중에 웨이퍼에 대한 두께 관련 측정을 수행하는 모니터와,
    목표 두께 프로파일을 저장하는 메모리, 및
    (가) 상기 두께-관련 측정에 기초하여 웨이퍼에 대한 두께 프로파일을 계산하고,
    (나) 계산된 두께 프로파일을 목표 두께 프로파일과 비교하고,
    (다) 상기 비교의 결과에 기초하여 하나 이상의 캐리어 헤드 챔버내의 압력을 조절하도록 구성된 프로세서를 포함하는 화학 기계적 폴리싱 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 캐리어 헤드는 압력을 제어가능한 로딩영역에 제공하는 가요성 박막을 포함하며, 상기 프로세서는 상기 비교결과를 기초로 하여 로딩영역내의 웨이퍼에 가해진 압력을 제어하도록 압력 조절가능한 챔버내의 압력을 조절하는 폴리싱 시스템.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 캐리어 헤드는 압력을 제어가능한 로딩영역에 제공하는 박막을 포함하며, 상기 프로세서는 상기 비교결과를 기초로 하여 로딩영역의 크기를 압력 제어가능한 챔버내의 압력을 조절하도록 구성되는 폴리싱 시스템.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 메모리내에 저장된 목표 두께 프로파일은 폴리싱 공정에 있어서 특정 시간 동안의 이상적인 두께 프로파일을 제시하는 폴리싱 시스템.
  18. 제 14 항에 있어서, 상기 메모리내에 저장된 목표 두께 프로파일은 폴리싱 공정에 있어서 특정 시간 동안의 예상 두께 프로파일을 제시하는 폴리싱 시스템.
  19. 제 14 항에 있어서, 상기 모니터는 폴리싱 중에 웨이퍼의 복수의 샘플 영역으로부터 반사된 방사선의 측정을 수행하도록 배열되는 폴리싱 시스템.
  20. 컴퓨터 시스템이,
    폴리싱 중에 웨이퍼의 두께-관련 측정을 수행하고,
    상기 두께-관련 측정에 기초하여 웨이퍼에 대한 두께 프로파일을 계산하고,
    계산된 두께 프로파일을 목표 두께 프로파일과 비교하고,
    폴리싱중 웨이퍼에 대한 하향력을 조절하도록 상기 비교의 결과에 기초하여 하나 이상의 캐리어 헤드 챔버내의 압력을 조절할 수 있게 하는 컴퓨터-실행가능한 지시를 저장하는 컴퓨터 판독가능한 매체를 포함하는 물품.
  21. 제 20 항에 있어서, 컴퓨터 시스템이 제어가능한 로딩영역내에 있는 웨이퍼에 가요성 박막에 의해 가해지는 압력을 제어하도록 압력 제어가능한 챔버내의 압력을 조절할 수 있게 하는 지시를 포함하는 물품.
  22. 제 20 항에 있어서, 컴퓨터 시스템이 반복적으로,
    폴리싱 중에 웨이퍼의 두께-관련 측정을 수행하고,
    상기 두께-관련 측정에 기초하여 두께 프로파일을 계산하고,
    계산된 두께 프로파일을 목표 두께 프로파일과 비교하고,
    상기 비교의 결과에 기초하여 챔버내의 압력을 조절할 수 있게 하는 지시를 포함하는 물품.
  23. 컴퓨터 시스템이,
    웨이퍼의 다중 영역에 독립적으로 변화할 수 있는 압력을 가할 수 있는 다중 챔버를 갖춘 캐리어 헤드에 의해 유지된 웨이퍼의 폴리싱 중에 두께-관련 측정을 수행하고,
    상기 두께-관련 측정에 기초하여 웨이퍼의 특정 영역과 관련된 캐리어 헤드 챔버중의 하나의 압력을 조절할 수 있게 하는 컴퓨터-실행가능한 지시를 저장하는 컴퓨터 판독가능한 매체를 포함하는 물품.
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