KR20160052221A - 화학 기계적 연마 장치 및 이를 이용한 웨이퍼 연마층 두께 측정 방법 - Google Patents

화학 기계적 연마 장치 및 이를 이용한 웨이퍼 연마층 두께 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치 및 이를 이용한 웨이퍼 연마층 두께 측정 방법에 관한 것으로, 웨이퍼의 화학 기계적 연마 장치로서, 상면에 연마 패드가 입혀지고 자전하는 연마 정반과; 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 연마 패드에 상기 웨이퍼를 가압하면서 회전시키고, 상기 연마 패드의 반경 방향 성분을 갖는 방향으로 왕복 이동하는 연마 헤드와; 상기 연마 정반에 고정되어 연마 정반과 함께 회전하면서, 상기 웨이퍼의 연마층 두께 정보를 갖는 수신 신호를 수신하는 센서와; 상기 연마 정반에 고정된 상기 센서의 회전 위치를 감지하는 센서위치감지수단과; 상기 센서가 상기 웨이퍼의 저면으로 위치하기 시작하면서 수신하는 제1수신신호의 발생 위치로부터 상기 연마 패드 상에서의 상기 웨이퍼의 위치를 감지하여, 상기 웨이퍼의 감지 위치로부터 상기 센서로부터 수신되는 상기 제1수신신호에 해당하는 상기 웨이퍼에 대한 감지 궤적을 감지하고, 상기 감지 궤적에서의 상기 웨이퍼의 연마층 두께를 측정하는 제어부를; 포함하여 구성되어, 웨이퍼가 화학 기계적 연마 공정 중에 규칙적으로 또는 불규칙적으로 왕복 이동하더라도, 웨이퍼의 연마층 두께 분포를 실시간으로 정확하게 측정하여 정교한 웨이퍼 연마층의 두께를 조절할 수 있는 화학 기계적 연마 장치 및 이를 이용한 웨이퍼 연마층 두께 측정 방법을 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 장치 및 이를 이용한 웨이퍼 연마층 두께 측정 방법 {DEVICE OF MEASURING WAFER METAL LAYER THICKNESS IN CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS AND METHOD THEREOF}
본 발명은 화학 기계적 연마 장비 및 이를 이용한 웨이퍼 막두께 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 웨이퍼가 왕복 이동하면서 화학 기계적 연마 공정이 행해지더라도 웨이퍼의 막두께의 측정 위치를 정확하게 검출할 수 있는 화학 기계적 연마 장비 및 이를 이용한 웨이퍼 막두께 측정 방법에 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 장비(1)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 공급관(40)을 통해 공급된다.
그리고, 캐리어 헤드(20)는 웨이퍼(W)를 저면에 위치시킨 상태에서 웨이퍼(W)를 가압하면서 회전(20r)시킨다. 동시에 캐리어 헤드(20)는 저면에 웨이퍼(W)를 위치시킨 상태로 정해진 거리만큼 왕복 이동(20d)을 하여, 웨이퍼(W)와 접촉하는 연마 패드(11)의 부위를 변동시켜, 연마 패드(11)의 마모 편차에 따른 불균일한 연마를 방지한다.
이와 동시에, 연마 정반(10)에 고정되어 연마 패드(11)의 회전(11r)과 함께 회전(50r)하면서, 웨이퍼(W)의 저면을 통과하는 동안에 웨이퍼(W)의 연마층 두께를 측정하는 센서(50)가 구비된다. 센서(50)는 연마 정반(10)에 위치 고정된 상태로 회전하므로, 일정한 경로(P)를 따라 회전하게 된다. 그런데, 웨이퍼(W)는 화학 기계적 연마 공정 중에 반경 방향 성분을 갖는 방향으로 왕복 이동(20d)을 하므로, 일정한 경로(P)를 따라 이동하는 센서(50)는 웨이퍼(W)에 대하여 서로 다른 궤적(P1, P2, P3)을 통과하게 된다.
따라서, 연마 정반(10)에 위치 고정된 센서(50)에 의해서는 웨이퍼(W)의 왕복 이동(20d)에 의해 웨이퍼(W)에 대한 측정 궤적(P1, P2, P3)이 매번 상이해지므로, 웨이퍼(W) 연마층의 두께 분포를 정확하게 측정할 수 없는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 웨이퍼가 왕복 이동하면서 화학 기계적 연마 공정이 행해지더라도 웨이퍼의 막두께의 측정 위치를 정확하게 검출할 수 있는 화학 기계적 연마 장비 및 이를 이용한 웨이퍼 막두께 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
더욱이, 본 발명은 웨이퍼(W)의 위치를 별도로 측정하지 않더라도, 연마 정반과 일체로 함께 회전하는 센서가 통과하는 궤적을 정확하게 파악하여, 웨이퍼의 연마층 두께 분포를 정확하게 측정하는 것을 목적으로 한다.
이를 통하여, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 전체 표면에 걸쳐 연마층 두께를 정확하게 감지하여, 웨이퍼의 연마층 두께를 정교하게 제어할 수 있도록 하는 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 회전시키고, 상기 연마 패드의 반경 방향 성분을 갖는 방향으로 왕복 이동하는 연마 헤드와; 상기 연마 정반에 고정되어 연마 정반과 함께 회전하면서, 상기 웨이퍼의 연마층 두께 정보를 갖는 수신 신호를 수신하는 센서와; 상기 연마 정반에 고정된 상기 센서의 회전 위치를 감지하는 센서위치감지수단과; 상기 센서가 상기 웨이퍼의 저면으로 위치하기 시작하면서 수신하는 제1수신신호의 발생 위치로부터 상기 연마 패드 상에서의 상기 웨이퍼의 위치를 감지하여, 상기 웨이퍼의 감지 위치로부터 상기 센서로부터 수신되는 상기 제1수신신호에 해당하는 상기 웨이퍼에 대한 감지 궤적을 감지하고, 상기 감지 궤적에서의 상기 웨이퍼의 연마층 두께를 측정하는 제어부를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치를 제공한다.
이는, 센서가 웨이퍼의 바깥에 위치한 상태에서는 수신 신호가 수신되지 아니하고, 센서가 웨이퍼의 저면에 위치한 상태에서만 웨이퍼 연마층으로부터 수신 신호를 수신하므로, 센서위치 감지수단에 의하여 연마 정반에 위치 고정된 센서의 회전 위치를 감지하고 있다가, 센서로부터 수신 신호가 수신되는 순간의 센서의 위치가 웨이퍼의 가장자리 끝단이 위치한 것으로 감지함으로써, 감지된 웨이퍼 가장자리 끝단으로부터 센서의 정해진 회전 경로를 따르는 것으로 웨이퍼에 대하여 센서가 감지하는 궤적이라는 것을 파악할 수 있다.
이 때, 센서가 웨이퍼의 가장자리 끝단에 진입하기 시작하는 순간의 웨이퍼 의 가장자리 위치를 파악할 경우에, 웨이퍼의 중심(Ow)을 기준으로 반경 중심의 내측과 외측으로의 2개의 감지 궤적이 이론적으로 도출 가능하지만, 통상적으로 연마 패드 반경의 1/2 이상의 크기로 웨이퍼의 직경이 형성되고 연마 패드의 가장자리와 중심의 중간부에 웨이퍼가 배치되므로, 실질적으로 하나의 감지 궤적으로 특정될 수 있다.
이 때, 상기 센서위치 감지수단은 다양한 공지된 수단으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 엔코더로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 센서는 웨이퍼의 연마층 두께 정보를 포함하는 다양한 센서가 적용될 수 있으며, 웨이퍼 연마층에 광을 조사하였다가 반사광을 수신하는 광센서와 연마층이 도전층(electrically conductive layer)으로 형성되어 와전류 신호를 인가하여 수신 신호를 받은 와류 센서 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 센서는 연마 패드의 중심으로부터 반경 방향으로 서로 다른 거리만큼 이격된 위치에 고정 설치될 수 있다.상기 연마층 두께는 상기 웨이퍼 연마층의 절대적인 두께값을 지칭할 뿐만 아니라, 상기 연마층의 두께 변동값을 포함한다.
그리고, 상기 센서는 연마 정반의 회전 중심으로부터 반경 방향으로 서로 다른 거리만큼 이격된 위치에 다수 배치될 수 있다.
즉, 상기 감지 궤적은, 상기 센서가 연마 패드와 함께 1바퀴를 도는 동안에, 상기 웨이퍼의 저면으로 위치하기 시작하면서 제1수신신호를 처음으로 수신하는 제1위치와, 상기 센서가 상기 웨이퍼의 저면 바깥으로 이탈하면서 제1수신신호를 마지막으로 수신하는 제2위치를 잇는 형태로 정해지되, 상기 연마 정반에 고정된 상기 센서의 이동 곡률이 반영되어 정해진다. 이를 통해, 화학 기계적 연마 공정 중에 오실레이션 형태로 왕복 이동하는 웨이퍼의 위치를 실시간으로 감시하지 않고서도, 상기 센서에 의하여 측정되고 있는 웨이퍼 연마층의 궤적을 정확하게 특정하여, 웨이퍼의 연마층에서의 두께 분포 또는 두께 변화량 분포를 정확하게 얻을 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '회전 위치'라는 용어는 연마 패드와 함께 회전하는 센서의 원주 방향으로의 위치로 정의한다.
한편, 본 발명은, 웨이퍼가 왕복 이동하면서 행해지는 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 웨이퍼의 연마층 두께를 감지하는 방법으로서, 연마 패드에 위치 고정되어 상기 연마 패드와 함께 회전하는 센서의 회전 위치를 감지하는 센서위치 감지단계와; 상기 센서가 상기 웨이퍼의 저면으로 진입하면서 수신하는 제1수신신호의 발생 위치로부터 상기 연마 패드 상에서의 상기 웨이퍼의 위치를 감지하는 웨이퍼위치 감지단계와; 상기 웨이퍼위치 감지단계에서 얻어진 상기 웨이퍼의 위치를 기초로 상기 센서에 수신되는 상기 제1수신신호가 상기 웨이퍼의 어느 위치를 통과하는 궤적인지를 감지하는 감지궤적 감지단계를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 공정의 웨이퍼의 연마층 두께 측정 방법을 제공한다.
이와 같이, 웨이퍼가 반경 방향 성분을 갖는 방향으로 왕복 이동하면서 화학 기계적 연마 공정이 행해짐에 따라, 연마 패드에 위치 고정되어 웨이퍼의 저면을 통과하는 센서의 궤적이 매 회전마다 달라지더라도, 센서의 회전 위치를 감시하여, 웨이퍼 연마층의 두께 정보를 포함하는 제1수신신호가 센서에 수신되는 동안의 센서의 회전 위치를 특정할 수 있고, 이에 따른 웨이퍼의 위치도 특정할 수 있으므로, 센서가 통과하는 웨이퍼의 저면 궤적(감지 궤적)을 파악할 수 있게 된다.
보다 구체적으로는, 연마 패드와 함께 회전하는 센서가 웨이퍼의 저면으로 들어가기 시작하면서 제1수신신호를 처음으로 수신하는 제1위치와, 센서가 상기 웨이퍼의 저면 바깥으로 빠져나오면서 제1수신신호를 마지막으로 수신하는 제2위치를 잇는 형태로 정해진다. 이 때, 센서는 연마 정반에 고정된 상태로 연마 정반과 함께 회전하므로, 센서의 이동 곡률을 고려하여 제1위치와 제2위치를 잇는 형태로 왕복 이동 중인 웨이퍼의 저면에 대하여 센서가 감지하는 궤적을 알 수 있다.
마찬가지로, 상기 센서는 웨이퍼 연마층 두께를 감지할 수 있는 다양한 종류의 센서가 적용될 수 있다. 예를 들어, 광센서와 와류 센서 중 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
그리고 나서, 상기 감지궤적 감지단계에서 얻어진 상기 감지 궤적에서의 상기 연마층 두께를 감지하는 연마층두께 감지단계를 더 포함하여 구성되어, 반경 방향 성분을 갖는 방향으로 왕복 이동하면서 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 웨이퍼의 연마층의 판면에 대한 두께 분포를 정확하게 얻는 것이 가능해진다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼가 무작위로 또는 정해진 스트로크만큼 반경 방향 성분을 갖는 방향으로 왕복 이동하고 있어서, 연마 정반에 고정되어 함께 회전하는 센서가 웨이퍼의 저면을 통과하는 경로가 매번 달라지더라도, 센서가 웨이퍼의 저면에 위치한 상태에서만 웨이퍼 연마층으로부터 수신 신호를 수신하므로, 센서가 연마 정반과 함께 1바퀴를 회전하면서 센서가 웨이퍼의 저면 하측에 위치하기 시작하는 순간에 제1수신신호를 수신한 제1위치와, 센서가 웨이퍼의 저면 하측에 위치하다가 바깥으로 빠져나가는 순간에 제1수신신호를 수신한 제2위치를 잇는 경로를 센서의 이동 경로의 곡률을 반영하여 잇는 것에 의해 센서가 웨이퍼의 하측을 통과하는 정확한 경로를 얻을 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이를 통해, 본 발명은 웨이퍼가 화학 기계적 연마 공정 중에 규칙적으로 또는 불규칙적으로 왕복 이동하더라도, 웨이퍼의 연마층 두께 분포를 실시간으로 정확하게 측정하여 정교한 웨이퍼 연마층의 두께를 조절할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도1은 종래의 화학 기계적 연마 장비의 구성을 도시한 정면도,
도2는 도1의 평면도,
도3은 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 왕복 이동에 따른 하나의 센서가 웨이퍼 저면을 통과하는 다양한 경로를 도시한 도면,
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 평면도,
도5는 도4의 화학 기계적 연마 장치에서 제1수신신호의 발생위치로부터 웨이퍼의 위치를 감지하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도6은 도5에 따라 웨이퍼의 위치를 감지하는 데 보충적으로 설명하기 위한 도면,
도7은 도4의 화학 기계적 연마 장치에서 센서가 웨이퍼의 저면에 진입한 상태에서 웨이퍼의 이동에 따른 경로를 추적하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도8은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 센서위치 감지부의 구성을 도시한 도면,
도9는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 연마층의 두께 측정 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장비(100)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 장비(100)는, 웨이퍼(W)의 연마면이 연마되도록 접촉하는 연마 패드(111)가 입혀진 연마 정반(100)과, 웨이퍼(W)를 저면에 위치한 상태로 가압하면서 웨이퍼(W)를 자전시키는 캐리어 헤드(120)와, 웨이퍼(W)의 화학적 연마를 위하여 연마 패드(111)의 표면에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부(40)와, 연마 패드(111)에 공급된 슬러리가 웨이퍼(W)의 연마층으로 원활하게 유입되도록 컨디셔닝 디스크가 연마 패드(111)를 가압하면서 미소 절삭을 행하여 연마 패드(111)의 표면 개질을 행하는 컨디셔너(30)와, 연마 정반(110)에 위치 고정되어 연마 패드(111)와 함께 회전하면서 웨이퍼(W)의 하측을 통과하면서 수신하는 제1수신신호로부터 웨이퍼(W)의 연마층 두께를 측정하는 센서(150)와, 연마 정반(110)과 함께 회전하는 센서(150)의 회전 위치를 감지하는 센서위치 감지부(160)와, 센서위치 감지부(160)로부터 실시간으로 감지되는 센서(150)의 회전 위치와 센서(150)로부터 수신하는 수신신호를 전송받아 웨이퍼(W)의 연마층 두께분포를 산출하는 제어부(170)로 구성된다.
상기 연마 정반(10)은 상면에 연마 패드(11)가 입혀진 상태로 구동 모터(M1) 등에 의하여 회전 구동된다.
상기 캐리어 헤드(120)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(111)로 가압하여, 웨이퍼(W)의 기계적 연마 공정이 이루어지도록 한다.
이 때, 연마 패드(111)는 화학 기계적 연마 공정 중에 전체 표면에 걸쳐 균일한 높이로 유지되지 못하고 웨이퍼의 반경 길이에 따라 서로 다른 높이인 경우가 많으므로, 연마 패드(111)의 표면 높이 편차에 의하여 웨이퍼(W)의 연마층 두께가 정교하게 제어하지 못할 수 있다. 따라서,캐리어 헤드(120)는 화학 기계적 연마 공정 중에 구동 수단(M2)에 의하여 연마 정반(110)의 반경 방향 성분을 갖는 방향(연마 패드(111)의 중심(O)으로부터 반경 방향에 국한하지 않으며, 반경 방향에 대하여 경사진 방향을 포함함)으로 왕복 이동되어, 웨이퍼(W)의 연마층이 연마 패드(111)의 중심(O)으로부터 서로 다른 거리만큼 이격된 위치에서 접촉하면서, 연마 패드(111)의 높이 편차에 의해 웨이퍼 연마층의 연마 두께가 덜 의존하도록 하여, 웨이퍼 연마층의 두께를 보다 정교하게 조절할 수 있게 한다.
상기 센서(150)는 연마 정반(110)에 위치 고정되어 연마 정반(110)과 함께 회전하며, 웨이퍼(W)의 하측을 통과할 때에 웨이퍼 연마층의 두께 데이터를 갖고 있는 제1수신신호를 수신하여, 제어부(170)로 제1수신신호를 전송한다.
여기서, 센서(150)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 저항값 중 어느 하나 이상을 제1수신신호로 수신하는 와전류 센서로 형성될 수 있다.
센서(150)가 광센서로 형성되는 경우에는 웨이퍼 연마층이 비도전성막인 경우와 도전성 막에 대하여 모두 적용할 수 있는 장점이 있는 대신에, 웨이퍼 연마층과 센서(150)의 사이에는 개방된 상태로 유지되어야 한다. 센서(150)가 와전류 센서로 형성되는 경우에는 웨이퍼 연마층이 도전성 막에만 적용할 수 있지만, 웨이퍼 연마층과 센서(150)의 사이에 비전도체인 연마 패드나 유리 등이 개재되어도 연마층 두께를 측정할 수 있는 장점이 있다.
캐리어 헤드(120)의 왕복 이동(120d)에 따른 스트로크를 고려하여, 센서(150)는 연마 패드(111)의 중심(O)으로부터 서로 다른 이격 거리에 다수(150') 배치되는 것이 바람직하다.
상기 센서위치 감지부(160)는 연마 패드(111)와 함께 회전하는 센서(150)의 위치를 정교하게 감지한다. 이를 위하여, 연마 패드(111) 상의 센서(150)의 초기 위치를 기억해두고, 연마 정반(110)을 회전 구동하는 구동 모터(M1)의 회전각을 엔코더로 측정한 후, 연마 정반(110)의 회전각과 센서(150)의 위치를 맵핑시키는 것에 의하여 센서(150)의 회전 위치를 정확하게 감지할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 도8에 도시된 바와 같이 센서(150)가 웨이퍼(W)의 가장자리 하측 경계를 통과하는 위치(A1, A2)에서만 센서(150)의 위치를 정확하게 파악하면 충분하므로, 웨이퍼(W)의 왕복 이동(120d) 경로가 연마 패드(111)의 반경 성분만으로 이루어진 경우에는, 연마 패드의 중심으로부터 센서(150)를 통과하게 연장된 가상선(81) 반경 끝단부에 표식(115)을 해두고, 동시에 웨이퍼(W)의 가장자리와 접하도록 연장된 제1가상선(82i) 및 제2가상선(82o)의 반경 끝단부에서 표식(115)이 통과하는 것을 감지하는 제1감지부(165i) 및 제2감지부(165o)가 센서위치 감지부(160)로 구성될 수도 있다.
따라서, 연마 패드(111)와 함께 회전하는 센서(150)가 회전하면서 표식(115)이 제1감지부(165i)에 감지되면 센서(150)가 웨이퍼 가장자리를 통과하면서 웨이퍼(W)의 하측으로 진입하기 시작하는 제1위치(A1)이고, 표식(115)이 제2감지부(165o)에 감지되면 센서(150)가 웨이퍼 가장자리를 통과하면서 웨이퍼(W)의 바깥으로 이탈하기 시작하는 제2위치(A2)라는 것을 감지할 수 있다.
이와 같이, 센서위치 감지부(160)는 다양한 방법에 의해 연마 패드(111)와 함께 회전하는 센서(150)의 위치를 감지한다.
상기 제어부(170)는 센서위치 감지부(160)로부터 센서(160)의 위치 정보를 전송받고, 동시에 센서(160)가 웨이퍼 연마층의 하측을 통과하는 동안에 수신하는 웨이퍼 연마층의 두께 정보를 포함하는 제1수신신호를 센서(150)로부터 전송받는다.
이 때, 센서(150)가 광 센서인 경우에는, 센서(150)가 웨이퍼의 하측에 위치하지 않은 위치(Ao)에서는, 센서(150)로부터 조사된 광이 반사된 반사광으로 이루어진 제1수신신호를 센서(150)에서 수신하지 못한다. 또한, 센서(150)가 와전류 센서인 경우에도, 센서(150)가 웨이퍼의 하측에 위치하지 않은 위치(Ao)에서는 제1수신신호를 수신하지 못한다.
그러다가, 센서(150)가 1바퀴 회전하는 것을 기준으로, 연마 패드(111)와 함께 회전(50r)하는 센서(150)가 웨이퍼의 하측에 진입하는 순간의 제1위치(A1)가 되면, 웨이퍼 연마층으로부터 제1수신신호를 센서(150)가 수신하기 시작하고, 센서(150)는 연마 패드(111)의 중심(O)으로부터 정해진 거리(R)만큼 이격되어 회전함에 따라 센서(150)의 회전 경로(P)는 정해져 있으므로, 센서위치 감지부(160)에 의하여 센서(150)에 제1수신신호가 수신되기 시작하는 제1위치(A1)를 연마 패드(111)의 평면 상에서 정확하게 특정할 수 있다.
이 때, 도5에 도시된 바와 같이, 센서(150)에 제1수신신호가 수신되기 시작하는 제1위치(A1)는 웨이퍼(W)가 반경 방향 성분을 갖는 방향(Lw)으로 왕복 이동(120d)함에 따라 매번 다르지만, 즉, 웨이퍼(W)가 연마 패드(111)의 중심(O)에 근접할수록 제1위치(A11, A12, A13; A1)와 연마 패드(111)의 중심(O)이 이루는 각도(T1, T2, T3)는 점점 커지지만, 웨이퍼(W)의 왕복 이동축(Lw)의 방향에 관계없이 제1위치(A1)를 연마 패드(111) 상에서 어느 위치인지 파악할 수 있다. 이를 통해, 센서(150)에 의해 제1수신신호가 수신되기 시작하는 제1위치(A1)에 웨이퍼(W)의 가장자리가 위치한 상태라는 것을 감지할 수 있다.
이론적으로는, 도6에 도시된 바와 같이, 센서(150)가 제1위치(A1)인 상태에서 웨이퍼(W)의 가장자리가 제1위치(A1)에 위치하는 조건은 2가지(Wo, Wx)가 존재하지만, 웨이퍼(W)의 직경은 연마 패드(111)의 반경보다 조금 작은 상태이므로, Wx로 표시된 웨이퍼(Wx)의 다른 가장자리 위치가 연마 패드(111)의 중심(O)을 벗어나는 것이어서 실제로 구현 불가능한 위치이어서, 센서(150)가 제1위치(A1)인 상태에서의 웨이퍼(W)의 위치는 Wo로 표시된 빗금 원 형태로 특정될 수 있다.
센서(150)에 제1수신신호가 수신되기 시작하는 제1위치(A1)로부터 센서(150)가 웨이퍼(W)의 하측을 통과하고 있는 동안의 영역(As)에서는, 센서(150)는 웨이퍼 연마층의 두께 정보를 포함하는 제1수신신호를 정상적으로 수신하므로, 제어부(170)는 센서(150)로부터 수신된 제1수신신호를 전송받는다.
그리고, 센서(150)가 1바퀴 회전하는 것을 기준으로, 센서(150)로부터 제1수신신호의 수신이 마지막으로 수신된 시점에서의 센서 위치인 제2위치(A2)도 센서위치 감지부(160)로부터 연마 패드(111)의 평면 상에 정확한 위치로 감지할 수 있다. 이 역시도 웨이퍼(W)의 왕복 이동 방향(Lw)에 무관하게 감지할 수 있다.
이 때, 센서(150)가 웨이퍼(W)의 하측을 통과하는 동안에 웨이퍼(W)가 위치 고정된 상태이거나 웨이퍼(W)의 이동(120d) 속도가 센서(150)의 속도에 비하여 현저히 작다면, 센서(150)가 이동하는 경로(P', 도7의 빗금)는 웨이퍼의 중앙부를 기준으로 대칭으로 하는 제2위치(A2x)와 연결되는 경로가 될 것이다. 그러나, 웨이퍼(W)의 왕복 이동(120d)하는 속도가 무시할 수 있는 정도의 크기가 아니라면, 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드(120)와 함께 왕복 이동축(Lw)을 따라 이동(120d)하여 웨이퍼(W)의 중심이 Owi에서 Owo로 이동(do)하므로, 도7에 도시된 바와 같이, 센서(150)가 웨이퍼 하측을 통과하는 이동 경로(Po)는 웨이퍼(W)의 중앙부를 기준으로 대칭이 아닌 형태가 된다.
따라서, 제어부(170)는 센서위치 감지부(160)에서 얻은 제1위치(A1)와 제2위치(A2)를 잇는 경로들 중에 센서(150)의 반경 위치(R)를 고려한 경로(P)의 곡률을 고려하여, 실제로 센서(150)가 웨이퍼(W)의 하측을 통과하면서 두께를 감지하는 감지 궤적(Po)을 정확하게 감지할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치를 이용한 웨이퍼의 연마층의 두께 측정 방법(S1)을 상술한다.
단계 1: 먼저, 웨이퍼(W)를 캐리어 헤드(120)의 하측에 위치시킨 상태에서, 연마 정반(110)을 자전시키면서 캐리어 헤드(120)도 함께 자전하고, 캐리어 헤드(120)의 압력 챔버에 인가되는 압력에 의해 웨이퍼(W)의 연마층이 연마 패드(111)에 가압되도록 한 상태로, 웨이퍼(W)의 연마면에 대하여 화학 기계적 연마 공정을 행한다(S110).
단계 2: 화학 기계적 연마 공정을 행하는 도중에, 연마 정반(110)에 위치 고정된 센서(150)의 위치가 실시간으로 감시된다(S120). 센서(150)의 위치는 센서위치 감지부(160)에 의하여 감지되는 데, 도4에 도시된 바와 같이 연마 정반(110)의 회전각을 감지하는 엔코더에 의할 수도 있고, 웨이퍼(W)가 반경 방향의 축(Lw')을 따라 왕복 이동하는 경우에는 도8에 도시된 바와 같이 회전하는 연마 정반(110)의 표식(115)을 제1감지부(165i) 및 제2감지부(165o)가 감지하는 것에 의할 수도 있다.
단계 3: 한편, 센서(150)는 광센서 또는 와전류 센서 중 어느 것을 사용하여 웨이퍼의 연마층 두께를 측정할 수 있는데, 센서(150)가 연마 패드(111)와 함께 회전하면서 웨이퍼(W)의 하측에 위치하지 않는 영역(Ao)에는 제1수신신호를 수신하지 않고, 웨이퍼(W)의 하측에서 제1수신신호를 수신하여, 제1수신신호를 수신하기 시작하는 시점과 센서위치 감지부(160)와 대비하는 것에 의하여 센서(150)가 웨이퍼 하측에 진입하는 제1위치(A1)와, 센서(150)가 웨이퍼 하측으로부터 바깥으로 이탈하는 제2위치(A2)를 감지할 수 있다(S130).
여기서, 센서(150)가 컨디셔닝 디스크의 하측을 통과하는 동안에도 수신 신호가 수신되지만, 제어부(170)는 센서(150)가 연마 패드(111)와 함께 회전하면서 한번씩 번갈아가면서 컨디셔닝 디스크의 하측과 웨이퍼의 하측을 통과하므로, 센서(150)가 웨이퍼의 하측을 통과하는 시점을 파악하여 센서(150)가 웨이퍼의 가장자리를 통과하는 제1위치(A1)와 제2위치(A2)를 정확하게 감지할 수 있다.
단계 4 : 이와 같이, 제어부(170)는 웨이퍼의 이동 경로에 관계없이 센서(150)가 웨이퍼(W)의 하측에 진입하기 시작하는 제1위치(A1)와 웨이퍼(W)로부터 빠져나가는 제2위치(A2)를 특정할 수 있고, 연마 패드(111)의 중심(O)으로부터 R만큼 이격된 센서(150)의 이동 경로(P)의 곡률에 비추어, 센서(150)의 1회전 중에 센서(150)가 웨이퍼 하측을 통과하는 감지 궤적(Po)을 특정할 수 있게 된다(S140).
단계 5: 따라서, 센서(150)가 1회전 할 때마다 서로 다른 감지 궤적(Po)을 따라 이동하지만, 제어부(170)는 센서(150)가 통과하는 웨이퍼 하측의 경로인 감지 궤적(Po)에 따른 웨이퍼 연마층의 두께 및/또는 두께 변동량을 센서(150)로부터 수신되는 제1수신신호로부터 감지 및 측정할 수 있게 된다.(S150)
이와 같이, 제어부(170)는 센서(150)로부터 수신되는 제1수신신호와 센서(150)가 통과하는 감지 궤적(Po)으로부터 웨이퍼의 위치별 두께 분포를 측정한다. 특히, 도4에 도시된 바와 같이 센서(150)가 연마 패드(111)의 중심(O)으로부터 서로 다른 거리에 다수 이격되게 배치(150')됨에 따라, 연마 패드(111)의 1회전 마다 다수의 감지 궤적(Po)에서의 웨이퍼의 두께를 측정하므로, 웨이퍼(W)가 정지한 상태에서 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 것과 다름없이, 실시간으로 웨이퍼(W)의 연마층 두께 분포를 얻을 수 있다.
상기와 같이, 본 발명은, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼가 무작위로 또는 정해진 스트로크만큼 반경 방향 성분을 갖는 방향(Lw) 또는 반경 방향(Lw')으로 왕복 이동하고 있어서, 연마 정반에 고정되어 함께 회전하는 센서(150)가 웨이퍼(W)의 하측을 통과하는 경로(P)가 매번 달라지더라도, 센서(150)가 웨이퍼(W)의 하측에 위치한 상태에서만 웨이퍼 연마층으로부터 수신하는 제1수신 신호를 기초로 하여, 센서(150)가 연마 정반(110)과 함께 1바퀴를 회전하면서 센서(150)가 웨이퍼(W)의 저면 하측에 위치하기 시작하는 순간에 제1수신신호를 수신한 제1위치(A1)와, 센서(150)가 웨이퍼(W)의 저면 하측에 위치하다가 바깥으로 빠져나가는 순간에 제1수신신호를 수신한 제2위치(A2)를 잇는 경로들 중에 센서(W)의 이동 경로(P)의 곡률을 반영하여 잇는 것에 의해 센서가 웨이퍼의 하측을 통과하는 정확한 감지 궤적(Po)을 얻을 수 있게 되어, 웨이퍼의 연마층 두께 분포를 실시간으로 정확하게 측정하여 정교한 웨이퍼 연마층의 두께를 조절할 수 있는 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. 즉, 전술한 실시예에서는 웨이퍼가 화학 기계적 연마 공정 중에 반경 방향의 축(Lw') 또는 반경 방향 성분을 갖는 방향의 축(Lw)을 따라 왕복 이동하는 구성에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 국한되지 않으며 웨이퍼(W)가 다양한 경로로 이동하는 경우에도 센서(150)에 의하여 제1위치(A1) 및 제2위치(A2)를 감지하여, 센서(150)가 웨이퍼 하측을 통과하는 궤적을 정확하게 산출하여, 웨이퍼의 두께 분포를 정확하게 얻을 수 있다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
110: 연마 정반 111: 연마 패드
150: 센서 160: 센서위치 감지부
170: 제어부 A1 : 제1위치
A2: 제2위치

Claims (11)

  1. 웨이퍼의 화학 기계적 연마 장치로서,
    상면에 연마 패드가 입혀지고 자전하는 연마 정반과;
    화학 기계적 연마 공정 중에 상기 연마 패드에 상기 웨이퍼를 가압하면서 회전시키고, 상기 연마 패드의 반경 방향 성분을 갖는 방향으로 이동하는 연마 헤드와;
    상기 연마 정반에 고정되어 연마 정반과 함께 회전하면서, 상기 웨이퍼의 연마층 두께 정보를 갖는 수신 신호를 수신하는 센서와;
    상기 연마 정반에 고정된 상기 센서의 회전 위치를 감지하는 센서위치감지수단과;
    상기 센서가 상기 웨이퍼의 저면으로 위치하기 시작하면서 수신하는 제1수신신호의 발생 위치로부터 상기 연마 패드 상에서의 상기 웨이퍼의 위치를 감지하여, 상기 웨이퍼의 감지 위치로부터 상기 센서로부터 수신되는 상기 제1수신신호에 해당하는 상기 웨이퍼에 대한 감지 궤적을 감지하고, 상기 감지 궤적에서의 상기 웨이퍼의 연마층 두께를 측정하는 제어부를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 센서위치 감지수단은 엔코더인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 센서는 광센서와 와류 센서 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 센서는 연마 패드의 중심으로부터 반경 방향으로 서로 다른 거리만큼 이격된 위치에 다수로 고정 설치된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 연마층 두께는 상기 웨이퍼의 상기 연마층의 두께 변동값을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 센서는 상기 연마 정반의 회전 중심으로부터 반경 방향으로 서로 다른 거리만큼 이격된 위치에 다수 배치되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  7. 제 1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감지 궤적은, 상기 센서가 상기 연마 패드와 함께 1바퀴를 도는 동안에, 상기 웨이퍼의 저면으로 위치하기 시작하면서 상기 제1수신신호를 처음으로 수신하는 제1위치와, 상기 센서가 상기 웨이퍼의 저면 바깥으로 이탈하면서 상기 제1수신신호를 마지막으로 수신하는 제2위치를 잇는 형태로 정해지되, 상기 연마 정반에 고정된 상기 센서의 이동 곡률이 반영되어 정해지는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  8. 웨이퍼가 이동하면서 행해지는 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 웨이퍼의 연마층 두께를 감지하는 방법으로서,
    연마 패드에 위치 고정되어 상기 연마 패드와 함께 회전하는 센서의 회전 위치를 감지하는 센서위치 감지단계와;
    상기 센서가 상기 웨이퍼의 저면으로 진입하면서 수신하는 제1수신신호의 발생 위치로부터 상기 연마 패드 상에서의 상기 웨이퍼의 위치를 감지하는 웨이퍼위치 감지단계와;
    상기 웨이퍼위치 감지단계에서 얻어진 상기 웨이퍼의 위치를 기초로 상기 센서에 수신되는 상기 제1수신신호가 상기 웨이퍼의 어느 위치를 통과하는 궤적인지를 감지하는 감지궤적 감지단계를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 공정의 웨이퍼의 연마층 두께 측정 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 감지궤적 감지단계는,
    상기 센서가 상기 연마 패드와 함께 1바퀴를 도는 동안에, 상기 웨이퍼의 저면으로 위치하기 시작하면서 제1수신신호를 처음으로 수신하는 제1위치와, 상기 센서가 상기 웨이퍼의 저면 바깥으로 이탈하면서 제1수신신호를 마지막으로 수신하는 제2위치를 잇는 형태로 정해지되, 상기 연마 정반에 고정된 상기 센서의 이동 곡률이 반영되어 정해지는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 공정의 웨이퍼의 연마층 두께 측정 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 센서는 광센서와 와류 센서 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 공정의 웨이퍼의 연마층 두께 측정 방법.
  11. 제 8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감지궤적 감지단계에서 얻어진 상기 감지 궤적에서의 상기 연마층 두께를 감지하는 연마층두께 감지단계를;
    더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 공정의 웨이퍼의 연마층 두께 측정 방법.




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