KR100304158B1 - 박막 검사 장치 - Google Patents

Abstract

회전하는 동안에 두께 및 기타의 변화를 일으키는 박막을 검사하고 측정하기 위한 방법 및 장치가 개시된다. 하나의 광신호가 검사되는 영역으로부터 회전축을 통하여 진행하여, 검사되는 회전 영역으로부터 분리된다. 상기 신호는 그 후 편평화 공정의 종결점을 결정하기 위하여 분석될 수 있다. 본 발명은, 반도체 또는 여러 가지 광학 장치의 제조에 있어서의 CMP 평탄화 공정의 실시간 종결점 제어를 위한, 간섭 및 스펙트럼 광학 측정 방법을 이용한다.

Description

박막 검사 장치{Apparatus for monitoring thickness change in a film on substrate}

본 발명은 회전 하는 표면을 광학적으로 검사하고 측정하기 위한 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회전을 함과 동시에 치수에 변화를 일으키는 박막의 실시간(real-time) 검사를 위한 장치에 관한 것이다.

극소 전자 장치(microelectronic device)의 크기가 계속하여 작아짐에 따라, 패턴 작업의 문제점들로 인하여 집적 회로 및 반도체 장치의 제조는 곤란하여 진다. 반도체 장치의 제조를 위해서는 흔히 극도로 편평한 표면과 정밀한 두께를 갖는 박막이 필요하다. 반도체 장치에서 평탄성 및 두께의 제어가 요구되는 표면은 반도체 물질의 표면 위에 유전 물질(예:SiO2)로 이루어진 영역이나 층(layer) 및 기타 장치 패턴 층을 구비한다. 상기 절연성의 유전층 및 기타 장치 층의 표면 형상이 불규칙하고 거친 경우에는 뎃쓰 어브 포커스 버짓(depth of focus budget, 이하, DOF) 제조 시에 문제가 발생하므로, 상기 층은 극도로 평탄할 필요가 있다. 표면이 불규칙할 경우 광학 시스템과 웨이퍼의 사이의 특정 거리에서 표면의 일부의 초점이 맞지 않게 되므로, 패턴 형성에 있어 오류가 발생할 수 있다. 또한, 두께의 변화는 상기 층 및 인접한 장치의 패턴의 전기적 성질, 특히 전자 장치 각각의 층 사이에 있는 연결부가 갖는 전기적 성질에 영향을 줄 수 있으므로, 층의 두께는 정밀하게 제어될 필요가 있다.

층 두께의 정밀한 제어는, 또한 반도체의 제조에 있어서 중요하다. VLSI 기술에 있어서, 일반적으로, 다층 장치(multi-layer device)의 몇몇 층들은 서로 전기적으로 연결된다. 상기 층들은 또한 일반적으로 SiO2와 같은 절연물질의 박층(thin layer)에 의하여 다양한 레벨(level)로부터 절연된다. 장치의 층들을 서로 연결하기 위하여, 흔히 상기 층들 사이에서 전기적 접근수단(access)을 제공하는 접촉 구멍이 절연 층에 흔히 형성된다. 절연층이 지나치게 두꺼우면, 상기 층들이 서로 연결되지 않게 되며, 상기 층이 지나치게 얇으면, 접촉 구멍의 형성 과정에서 장치의 저부층이 손상을 입을 수 있다.

스핀 온 글래스(spin-on-glass)와 에치 백(etch back)과 같은 여타(餘他)의 평탄화 방법의 부적당성으로 인하여, 화학적 및/또는 기계적 폴리싱(Chemical/Mechanical Polishing, 이하, CMP) 평탄화 기계 및 기타의 래핑(lapping) 기계가 반도체 장치의 제조용의 평탄한 표면을 제공하기 위하여 개발되어 사용되고 있다. 일반적으로, CMP는 회전 테이블에 부착된 폴리싱 패드(polishing pad)를 사용함으로써 웨이퍼를 평탄하게 만드는 기술이다. 웨이퍼는 스핀들 위에서 회전하는 폴리싱 패드의 위에서 척(chuck)에 의하여 고정된다. 웨이퍼는 폴리싱 패드에 대항하여 아래 방향으로 압력이 가해진다. 회전하는 패드의 보풀(nap)이 막층(film layer)의 뾰족한 부분들(bits)을 제거하며, 따라서 표면이 평탄하게 된다.

슬러리(slurry)라 불리는 pH조절 유체와 콜로이드 실리카 입자의 용액은, 폴리싱 영역으로부터 물질을 제거하고 웨이퍼 표면의 평탄화를 향상시키기 위하여 패드와 웨이퍼의 사이에서 유동한다.

CMP 및 래핑 기계의 종결점(endpoint)을 결정하는 일반적인 방법은 표준 웨이퍼를 평탄화하는 데 필요한 시간을 측정하여, 나머지 웨이퍼에 대하여 유사한 시간 동안 공정을 가하는 것이다. 실제적으로는, 폴리싱 상태와 폴리싱 패드는 시간의 경과에 따라 변화함에 따라, 정확한 막 분리율(rate of film removal)을 결정하기가 매우 어려우므로, 이러한 공정은 매우 비효율적이다. 그 결과, 흔히 평탄화 후에 웨이퍼를 개별적으로 검사하는 것이 필요하며, 이러한 검사는 시간과 비용이 많이 소모된다. 이와 같이, CMP 공정은 실시간 측정 및 제어 시스템의 도입에 의하여 중대하게 개선될 수 있다. CMP 공정을 검사 및 제어하는 직접 또는 간접적인 방법이 여러 기술에 의하여 제시되어 왔다. 이러한 방법 중의 하나는 커패시턴스의 측정에 기초를 두고 있다(미합중국 특허 제 5,081,421호). 이 방법의 배경이 되는 이론은 웨이퍼의 표면이 평탄화 됨에 따라 웨이퍼의 전기적 커패시턴스가 변화한다는 것이다. 이러한 방법이 안고 있는 중대한 단점 두 가지는 제한된 정밀도와 패턴 의존성이다. 그 정밀도는 또한 전체 시스템(entire system)의 커패시턴스에 영향을 줄 수 있는 저부층의 패턴에 의하여 손상될 수 있다.

폴리싱 패드에서 돌출하는 웨이퍼의 일부의 폴리싱된 면(전방면) 위에서 간섭계 판독(interferometric reading)을 위하여 레이저 광선을 이용하는 직접적인 방법이 제안되었다(미합중국 특허 제 5,081,796호). 이 시스템의 단점은, 웨이퍼의 일부가 폴리싱 패드의 가장자리부에서 돌출해야만 하므로 폴리싱에 있어서의 균일성 문제를 야기하며, 회전하고 있는 웨이퍼의 검사 지점(monitored spot)은 웨이퍼 돌출부 아래에 있는 장치와 높이가 또한 같게 조절되어야 하므로, 종래의 CMP 폴리싱 패드에 실제적으로 변형을 요구한다는 점이다.

웨이퍼와 폴리싱 표면 사이의 마찰 변화를 감지하는 간접적인 CMP 검사 방법이 개발되어 있다(미합중국 특허 제 5,036,015호). 상기 마찰 변화는, 예를 들면, 웨이퍼의 산화물 코팅이 제거되고 더 경한 재료(harder material)가 폴리싱 패드와 접촉할 때 발생한다. 이 방법에서는 패드의 상태가 변화함에 따라 정밀도가 달라진다. 또한, 다른 재료에 의하여 발생하는 마찰을 감지해야 하는 필요가 있기 때문에 이 방법은 이용상의 제한이 가해질 수 있다.

폴리싱하는 동안에 슬러리의 전도성을 이용하는, 또 다른 간접적인 CMP 검사 방법이 개발되어 있다(미합중국 특허 제 4,793,895). 금속층이 CMP 공정 중에 노출되면, 웨이퍼의 표면 위에 노출되는 금속으로 인하여 슬러리와 웨이퍼의 전기저항이 변한다. 이 방법의 명백한 단점은 검사를 위하여 검사표면이 노출될 필요가 있다는 것이다. 이 것은 대부분의 폴리싱 환경에 있어서 불가능하다.

평탄화 도중에 패드로부터 떨어지는 폐기 슬러리(waste slurry)를 이용하는,또 다른 간접적인 CMP 검사 방법이 개발되어 있다(미합중국 특허 제 4,879,258호).

어떤 재료는 유전층에 묻혀 있으며, 평탄화되고 폴리싱 패드로부터 이탈할 때 검사된다. 이 방법의 명백한 단점은 평탄화와 슬러리가 패드의 가장자리부에 도달하는 시간 사이에 존재하는 시간지연(약 30초로 추정됨), 낮은 감지도(sensitivity), 선행 웨이퍼로부터의 재료에 의한 신호 노이즈를 포함한다는 점이다. 이 방법은 실효성이 있는 실시간 방법은 아니다.

상기 및 기타의 종결점 검출 방법들은 실시간 방식에 의하여 CMP 공정의 효율적이며 정확한 제어를 제공할 수 없다. 상기의 방법들은 종결점 검출의 정밀도를 손상하고/손상하거나 CMP 공정에 있어서 중대한 변형을 요구한다.

본 발명의 목적은, 두께에 변화가 있는 기판 위의 막 영역을 검사하는 것을 가능하게 함으로써 상기 언급된 문제점들을 피하여, 실시간 방식에 의한 종결점 검사를 가능하게 하는 것이다. 더욱이, 검사 영역이 충분히 작으면, 웨이퍼 상의 한 지점(spot)이 종결점을 결정하는 목적에 부합될 수 있다. 상기 제공된 종결점 지점은 층의 형상, 패턴, 및 복수 막층(multiple film layer)과 관련된 신호상의 문제점들을 제거할 수 있다.

제 1도는 반도체 재료의 기판 위에 장치 패턴을 가지며, 상기 패턴 및 기판 위에 두껍고, 평탄화가 되지 않은 유전층을 갖는, 대표적인 반도체 장치를 도시하는 측면도이다.

제 2도는 유전층이 CMP 평탄화 공정을 마친 후의 제 1도의 반도체 장치를 도시한다.

제 3도는 광섬유 케이블이 끼워 넣어지는 회전하는 커플러(이하, 회전 커플러)를 도시하는 측면도이다.

제 4도는 CMP 조립체와 일체화된 본 발명에 따른 광섬유의 실시예를 도시하는 측면도이다.

제 5도는 웨이퍼 방향으로 광선을 전송하는 광원(light source)을 이용하는 본 발명에 따른 또 다른 실시예를 도시하며,

상기 광선은 웨이퍼의 표면에서 반사되며, 상기 반사된 광신호를 전기신호로 변환시키는 광 검출기에 의하여 검사된다. 상기 전기 신호는 전기 슬립링(slip ring)을 통과한 후에 분석기에 중계된다.

제 6도는 제 4도의 웨이퍼 고정척을 도시하며, 구멍이 위치하는 웨이퍼의 후방에 가해지는 압력의 손실을 보상하기 위하여 웨이퍼 위의 공동(cavity) 내로 공기가 펌핑된다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 유전층 2 : 장치 패턴

3 : 기판 4, 6 : 광섬유 케이블

5 : 회전 커플러 10 : 테이블 베이스

11 : 웨이퍼 15 : 슬립링

따라서, 본 발명은 광 조사(illumination) 및 박막층 상의 치수의 변화가 있는 부분의 검사를 하기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 광원으로부터 조사된 광선은, 바람직하게는 기판의 후방을 통하여, 층 위의 검사 영역으로 전송되어, 분석기에 다시 중계되며, 상기 분석기는 간섭의 변화, 스펙트럼 변화, 및/또는 흡수 변화를 기초로 하여 기판의 두께 변화를 계산한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 광신호는 바람직하게 기판의 후방측으로부터 측정되며, 따라서 공정 중에 웨이퍼의 검사 영역과 검사 장치가 서로 시간 조정되거나 높이가 동일하게 조정될 필요가 없으므로, 그 실시가 용이해진다.

일 실시예에서, 본 발명은, 기판의 후방측을 통하여 막의 일부를 조사하는 단계, 조사된 영역으로부터 회귀하는 광신호를 측정하는 단계, 및 측정된 광신호를 기초로 하여 기판 위의 막의 두께 변화를 결정하는 단계를 포함하는 기판상 막의 두께 변화 검사 방법을 제공한다. 두께 변화는 분석기에 의하여 결정될 수 있으며, 분석기는 측정된 광신호에서의 간섭 변화, 스펙트럼 변화, 흡수 변화, 및/또는 기타 광학적 변화를 분석한다. 선택적으로, 만약 기판이 회전을 하면, 본 방법은 상기 신호를 분석기에 연결시키는 회전 커플러에 광신호를 중계하는 단계를 또한 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예는 기판의 전방측(즉, 폴리싱된 면)으로부터 막의 일부에 조사하는 단계, 상기 조사된 부위로부터 회귀하는 광신호를 측정하는 단계, 및 분석기에 연결되는 회전 커플러에 광신호를 중계하는 단계를 포함하는 기판 위의 막의 두께 변화를 검사하는 방법 및 측정된 광신호의 간섭 변화, 스펙트럼 변화, 흡수 변화, 및/또는 기타 광학적 변화를 분석하는 분석기로써 두께 변화를 검사하는 방법이다.

본 발명의 또 다른 실시예는 광신호를 발생시키기 위하여 기판의 전방측 또는 후방측으로부터 막의 일부 영역을 조사하는 광원, 상기 광신호를 검출하기 위한 수단, 상기 광신호를 분석하기 위한 수단 및 상기 광신호를 조사되는 영역으로부터 상기 광신호를 분석하기 위한 수단으로 중계하기 위한 회전 커플러를 포함하는, 기판 위의 막의 두께 변화를 검사하기 위한 장치이다. 본 장치는 하나 또는 그 이상의 초점 조절 렌즈를 선택적으로 포함할 수 있다.

바람직하게, 본 장치는:

(ⅰ) 하나의 공통 다리부와 이분(二分)된 두 개의 다리부(이하, 이분기 다리부)를 갖는 이분된 광섬유 케이블(이하, 이분기 광섬유 케이블), (ⅱ) 두 개의 단부를 가지며 회전하는 광섬유 케이블(이하, 회전 광섬유 케이블), (ⅲ) 광원, (ⅳ) 광신호를 분석하기 위한 수단, 및 (ⅴ) 정지 단부 및 회전 단부를 갖는 회전 커플러를 포함한다.

본 장치에서, 이분기 광섬유 케이블의 제 1이분기 다리부는 광원에 연결되며, 제 2이분기 다리부는 광신호를 분석하기 위한 수단에 연결되며, 또한 공통부는 회전 커플러의 정지 단부에 연결된다.

또한, 본 장치에서, 회전 광섬유의 일단은 회전 커플러의 회전 단부에 연결되며, 타단은 공정 중인 기판 위의 막에 매우 근접(close proximity)하여 유지된다.

“매우 근접”라 함은, 막의 검사 영역을 효과적으로 조사하고 회귀하는 광신호를 효과적으로 수신하는 것을 가능하게 할 수 있을 정도로 근접한, 회전 광섬유 케이블의 단부와 기판 위의 막 사이의 임의의 거리를 포함한다. 바람직한 거리는 약 1㎝ 또는 그 이하이다.

회전 광섬유 케이블은 광원으로부터 광선을 조사되는 부분으로 전송하고, 조사부로부터 회귀하는 광신호를 전송하는 작용을 한다. 광원으로부터 조사된 광선은 이분기 광섬유 케이블의 제 1이분기 다리부를 따라 아래로 이동하고, 기판 위의 막을 조사하기 위하여 회전 커플러를 통하여 회전 광섬유 케이블을 따라 아래로 이동한다. 또한, 기판 위의 막의 하나 이상의 영역을 하나 이상의 회전 커플러를 통과하는 회전 광섬유 케이블의 다수의 다리부(multiple leg)를 이용하여 동시에 검사할 수 있다.

바람직하게, 광섬유 케이블은 함께 다발을 이루는 다수의 광섬유를 포함한다. 하지만, 광섬유 케이블은 단일의 섬유를 포함할 수도 있다. 또한, 상기 섬유는 함께 다발을 이루는 다수의 광섬유 케이블과 단일 광섬유 케이블의 조합일 수도 있다. 또한 상기 섬유는 함께 다발을 이루는 다수의 광섬유 케이블일 수도 있다.

용어 “기판”은 본 기술분야에 공지되어 있는 절연성 및 전도성을 갖는 임의의 반도체를 포함한다. 바람직한 기판은 실리콘 웨이퍼, 갈륨-비소 웨이퍼, 및 SOI(silicon on insulator) 웨이퍼와 같은 웨이퍼이다.

용어 “기판 위의 막”은 SiO2와 같은 본 기술분야에 공지되어 있는 여러 가지 유전층, 텅스텐과 알루미늄과 같은 금속층, 및 상기 정의된 바와 같이 기판 위에 존재하는 실리콘 막과 같은 기타 여러 가지 막을 포함한다. 상기 막은 레지스트 층(resist layers)을 또한 포함한다.

두께가 변화하는 막은, 예를 들면, CMP 공정, 화학 증착(chemical vapordeposition) 공정, 레지스트 현상(resist development) 공정, 후-노광 베이크(post-exposure bake)공정, 스핀 코팅(spin coating) 공정, 또는 플라즈마 에칭(plasma etching) 공정에서의 기판 위의 막이 될 수 있다. 본 CMP 실시예에서, 막은 기판과 폴리싱 패드의 사이(interface)에 위치한다.

용어“광원”은 파장이 약 200 내지 약 11,000 ㎚(나노미터)인 범위에서 기판 위의 막을 조사할 수 있는 임의의 광원을 포함한다. 광신호가 기판의 후방측으로부터 측정되는 경우에는, 파장은 약 1,000 내지 약 11,000 ㎚가 바람직하다. 바람직한 후방측의 파장은 1,300 ㎚이다. 광신호가 전방측으로부터 측정되는 경우에는, 파장은 약 200 내지 약 11,000 ㎚가 바람직하다. 바람직한 하나의 전방측 파장은 632.8 ㎚이다. 바람직하게, 비록 조사가 시간 간격을 두고 행하여지더라도, 기판 위의 막 부분은 광원에 의하여 계속하여 조사된다.

광신호를 분석하기 위한 적절한 수단, 즉 “분석기”는 광 검출기, 간섭계, 분광 광도계, 및 간섭 변화, 스펙트럼 변화, 흡수 변화, 및/또는 기타 광학적 변화를 분석하기 위한 본 기술분야의 기타 장치를 구비한다.

적절한 회전 부재는 광선이 회전 부재와 비회전 부재의 단부 사이로 통과할 경우 상기 회전 부재와 비회전 부재를 연결하기 위한 임의의 커플러를 구비한다. 이러한 커플러는, 예를 들면, 미합중국 특허 제 4,398,791호 및 제 4,436,367호에 개시되어 있다. 바람직하게, 회전 광섬유 케이블을 회전하지 않는 이분기 광섬유 케이블에 연결하기 위한 수단은 회전 광섬유 케이블의 일단을 부착하는 회전 부재를 포함한다. 회전 부재는 이분기 광섬유 케이블의 공통 다리부에 부착되는 회전커플러의 정지 부재에 삽입된다. 상기 커플러는 회전 광섬유 케이블의 단부가 이분기 광섬유 케이블의 공통부에 매우 근접하게, 바람직하게 1㎝ 이하로, 유지되도록 설계되어, 광선이 상기 두 개의 단부 사이로 통과할 수 있게 한다. 선택적으로, 케이블 단부는 신호의 전송을 향상시키기 위하여 초점 조절 렌즈와 조정될 수 있다.

회전 커플러, 축에서 벗어난 광섬유 커플러, 전기적 슬립 링, 또는 상기 언급된 커플러의 조합을 구비하는 기타 종류의 커플러, 또는 다른 단일의 회전 분리 수단으로써 대체될 수 있다.

본 발명의 장치가 사용될 수 있는, 일반적인 CMP 기계는 캘리포니아주의 샌 루이스 오비스포 소재의 아알. 하워드 스트라스바우사(R. Howard Strasbaugh, Inc.), 아리조나주의 피닉스 소재의 웨스테크 시스템즈(Westech Systems, Inc.) 및 캘리포니아주의 멘로 파크 소재의 사이베그 시스템즈사(Cybeg Systems)에 의하여 생산되는 제품들이다.

제 1도 및 제 2도는 반도체 장치 웨이퍼의 CMP 평탄화를 도시한다. 제 1도는 실리콘 웨이퍼 기판(3)의 위에 형성되는 장치 패턴(2)의 표면 위에 퇴적되는, SiO2와 같은 유전층(1)을 도시한다. 상기 유전층은 산화물의 화학 증착(CVD), 스핀-온- 글래스, 또는 다른 수단과 같은 방식으로 형성될 수 있다.

제 2도는 CMP 후에 유전층(1)이 미리 선택된 두께로 평탄화된 상태의 제 1도의 웨이퍼를 도시한다. 장치 패턴(2)과 웨이퍼 기판(3)은 이 공정에서 상대적으로 변화하지 않는다.

제 3도는 광학적 회전 커플러 장치의 바람직한 실시예 중의 하나를 나타내는 측면도이다. 제 3도는, 그 이분기 다리부 중의 하나가 광원(7)에 연결되고, 그 이분기 다리부 중의 다른 하나가 광 검출기(8)에 연결되는, 이분기 광섬유 케이블(4)을 도시하며, 상기 광검출기(8)는 (도시되지 않은) 신호 검사 전자 장치와 컴퓨터 프로세싱 및 제어 시스템에 연결된다.

이분기 광섬유 케이블(4)의 공통 다리부는 광학적 회전 커플러에 연결된다. 회전 광섬유 케이블(6)은 회전 커플러로부터 웨이퍼 기판의 검사 영역으로 연장한다. 광섬유 케이블(4, 6)은 단일 섬유 또는 다발을 이루는 섬유 형태가 모두 가능하다. 또한, 하나의 케이블 또는 섬유 대신에 몇 개의 케이블이나 섬유를 사용하는 것도 가능하다. 또한, 예를 들면, 케이블(4)은 단일 섬유이고 케이블(6)은 다발을 이루는 케이블인 경우와 같은, 혼합 방식의 단일 섬유 및 다발을 이루는 섬유 케이블 실시예를 구현하는 것이 가능하다. 초점 조절 렌즈는, 견고하게 또한 케이블이 웨이퍼 기판의 검사 영역에 충분히 근접하게 고정되면, 케이블의 검사 단부에서 필수적이지는 않다. 케이블의 단부와 웨이퍼의 기판 사이의 거리는 1㎝ 이하가 바람직하다.

제 4도는 제 3도에 도시된 장치에 적합한, 일반적인 평탄화 기계 또는 래핑 기계를 도시하는 측면도이다. 본 장치는 부호(4, 5, 6)를 가지고 후방측 접근으로부터 또는 부호(4′, 5′, 6′)를 가지고 전방측 접근으로부터 평탄화 기계에 설치될 수 있다. 효율적인 검사를 위하여는, 전방측 또는 후방측의 접근 중의 오직 하나만이 임의의 어떤 시간에 요구된다. 제 4도에서는, 웨이퍼 고정 척 및스핀들(12)이 후방측 접근을 위하여 회전 커플러(5)와 일체화되어 도시된다. 제 3도에 도시된 바와 같이, 이분기 광섬유 케이블(4)은 스핀들 내로 보내어지며 회전 커플러(5)의 정지부에 연결된다. 회전 광섬유 케이블(6)은 스핀들을 따라서 웨이퍼(11)의 검사 영역까지 보내어지며, 상기 검사 영역은 선택적으로 패턴이 없는 영역이거나 패턴을 갖는 영역이다. 웨이퍼(11)는 화학 접착제에 의하여 척에 일반적으로 부착되는 장착 패드, 즉 고착물(fixture)에 의하여 고정된다. 상기 고착물은 흔히 폴리우레탄 표면 층에 의하여 함께 고정되는 베이스 메트릭스(base matrix)로 구성된다. 웨이퍼의 후방에 대항하여 고정되며 가압되는 외면은 웨이퍼를 잡아 죄며, 또한 웨이퍼용 균일 지지대를 제공한다.

제 4도에 도시된 다른 실시예에서는, 폴리싱 패드를 고정하는, 회전 테이블 베이스(10) 및 플래튼(platen)(9)이 웨이퍼로의 전방측 접근을 위하여 회전 커플러(5′)와 일체화되어 도시되어 있다. 이분기 광섬유 케이블(4′)은 회전 테이블 베이스(10)로 보내어져, 회전 커플러(5′)의 정지부에 연결된다. 회전 커플러(5′)의 회전축에 연결되는 회전 광섬유 케이블(6′)은 웨이퍼의 검사 영역에 인접하다. 플래튼(9)에 부착되는 폴리싱 패드는 일반적으로 구멍이 뚫려 있으므로, 광섬유 케이블(6′)의 단부가 구멍 중의 하나를 통하여 끼워 넣어 질 수 있다. 반투명의 슬러리 용액은 폴리싱 패드와 웨이퍼의 사이로 유동하여, 대부분의 가시광선 파장을 분산시킨다. 선택적으로, 신호 증폭 수단이 각각의 파장들의 슬러리 분산 효과를 보상하기 위하여 사용될 수 있다.

본 바람직한 실시예에서, 전방측 방법용 광원은 632.8㎚의 파장을 갖는 광선이며, 그 파장은 슬러리를 통한 광신호 전송에 대한 관심 문제와 또한 측정 정밀도를 충족시킨다. 폴리싱 패드에 끼워지는 회전 광섬유 케이블(6′)은, 웨이퍼(11)의 검사 영역 위에 위치할 때, 간섭 신호를 송신하고 수신하여야 한다. 이 것은 본 기술분야의 일반적인 기술을 이용하여 웨이퍼 상의 검사 영역 위로 검사 광선이 지나가도록 조정한다.

제 5도는 전기 슬립 링 조립체를 도시한다. 광원(14)은 웨이퍼(11) 위의 한 점에 광선을 보내며, 따라서 상기 광선이 광 검출기 또는 기타 광 검사 전자장치(13)의 방향으로 반사되게 하며, 또한 따라서 상기 광 신호는 전기 신호로 변환된다. 이 전기 신호는 그 후에 분석기(12) 위를 통과하여, 최종적으로 전기 슬립 링(15)을 통과하게 되며, 이 전기 신호는 회전으로부터 분리되어 CMP의 진행 상황을 검사하는 다른 분석기 위를 통과한다.

제6도는 웨이퍼 고정 척 및 스핀들(12)을 도시하며, 본 도면에서 회전 광섬유 케이블(6)은 웨이퍼 고정 척(12)을 통하여 커플러(5)로부터 웨이퍼(11) 뒤의 한 점으로의 루트를 갖는다. 만약 웨이퍼를 고정하는 패드, 즉 고착물로 인하여 광선이 투과되지 못하면, 웨이퍼로의 광학적 접근을 제공하기 위하여 상기 패드에 구멍을 낼 수 있다. 광학적 접근이 이루어지는 지점에서의 웨이퍼에 대항하는 압력 손실을 보상하기 위하여, 웨이퍼에 대항하여 가압하고 압력 손실을 보상하기 위하여 선택적으로 공동 내로 공기가 펌핑될 수 있다. 또한, 만약 상기 고착물이 광선을 투과시킬 수 있는 경우에는, 광학적 접근용 구멍을 낼 필요가 없다.

본 발명은 반도체와 집적회로의 제조에 있어 바람직한 극도의 편평성(flatness)과 균일성(uniformity)을 갖는 웨이퍼(wafer)를 제조하기 위한 웨이퍼의 평탄화 공정 분야에 특히 유용하다.

본 발명이 그 특정 실시예를 참조하여 상세히 기술되었으나, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변화 및 변형이 가능하다는 것은 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다.

Claims (68)

1. 기판 위의 막을 평탄화 하기 위한 화학적 기계적 평탄화기에 있어서,

   광검출기에 수신되는 적어도 하나의 반사되는 광신호를 만들기 위해 기판 상의 적어도 한 부분에 조사하기 위한 적어도 하나의 광원과, 반사되는 광신호에 매우 근접하여 위치되어 반사되는 광신호를 전기적 신호로 변환하고, 전기적 신호를 전기적 슬립링으로 보내는 광검출기, 회전으로부터 전기신호를 분리하고 사용 가능케 분석기에 연결되는 슬립링과, 평탄화 진행을 측정하기 위한 전기적 신호를 분석하는 분석기를 포함하는 것을 특징으로 하는 평탄화기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원은 상기 기판을 통하여 빛을 보내고, 상기 적어도 하나의 반사되는 광신호는 약 1,000nm과 약 11,000nm 사이의 적어도 하나의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 평탄화기.
3. 제 1항에 있어서, 전용의 측정 영역인 오직 일 부분에만 빛이 조사되는 것을 특징으로 하는 평탄화기.
4. 제 1항에 있어서, 한 부분보다 많은 부분에 빛이 조사되는 것을 특징으로 하는 평탄화기.
5. 두 측면을 갖는 기판의 일측면 상의 막 두께의 변화를 검사하기 위한 장치에 있어서,

   반사되는 광신호를 만들기 위해 기판 일측면 상의 막의 일 부분에 조사하기 위한 광원과, 회전으로부터 반사되는 광신호를 분리하고 반사되는 광신호를 기초로 두께 변화를 검사하기 위한 수단에 사용 가능케 연결되는 분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 막 두께 변화 검사 장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 광원은 막이 없는 기판의 일측으로부터 기판을 통과하여 빛을 보내는 것을 특징으로 하는 막 두께 변화 검사 장치.
7. 제 5항에 있어서, 상기 광원은 막이 있는 기판의 일측으로부터 검사되는 막의 각 부분으로 빛을 보내는 것을 특징으로 하는 막 두께 변화 검사 장치.
8. 제 5항에 있어서, 상기 분리기는 전기적 슬립링 또는 광섬유 회전분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 막 두께 변화 검사 장치.
9. 제 5항에 있어서, 상기 반사되는 광신호를 기초로 한 두께 변화를 검사하기 위한 수단은 간섭계 또는 분광광도계에 연결되는 광검출기로 이루어진 것을 특징으로 하는 막 두께 변화 검사 장치.
10. 두 측면을 갖는 기판의 일측면 상의 막의 두께 변화를 검사하기 위한 장치에 있어서,

    적어도 하나의 반사되는 광신호를 발생시키기 위해 기판 상의 막의 적어도 일 부분에 빛을 조사하기 위한 적어도 하나의 광원과, 수신되는 반사 광신호를 회전으로부터 분리하고 반사되는 광신호를 기초로 두께 변화를 검사하는 적어도 하나의 장치에 반사되는 광신호를 보내는 분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 막 두께 변화 검사 장치.
11. 제 10항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원은 막이 없는 기판의 일측면으로부터 상기 기판을 통과하여 빛을 보내는 것을 특징으로 하는 막 두께 변화 검사 장치.
12. 제 10항에 있어서, 각 검사 부분은 신호상의 문제를 제거하기 위해 그 크기가 최소화된 것을 특징으로 하는 막 두께 변화 검사 장치.
13. 제 10항에 있어서, 전용의 측정 영역 일 부분에만 빛이 조사되는 것을 특징으로 하는 막 두께 변화 검사 장치.
14. 제 10항에 있어서, 한 부분보다 많은 부분에 빛이 조사되는 것을 특징으로 하는 막 두께 변화 검사 장치.
15. 제 10항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원은 막이 있는 기판의 측면으로부터 조사되는 막의 각 부분으로 빛을 보내는 것을 특징으로 하는 막 두께 변화 검사 장치.
16. 제 10항에 있어서, 상기 회전으로부터 반사되는 광신호를 분리하는 적어도 하나의 분리기는 전기적 슬립 링 또는 광섬유 회전 분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 막 두께 변화 검사 장치.
17. 제 10항에 있어서, 상기 반사되는 광신호를 기초로 두께 변화를 검사하는 장치는 간섭계 또는 분광광도계에 연결된 광검출기를 구비하는 것을 특징으로 하는 막 두께 변화 검사 장치.
18. 웨이퍼의 화학적 기계적 평탄화를 위한 장치에 있어서,

    (a) 연마액에 젖은 평탄화 패드가 깔려있는 회전 가능한 평탄화 플래튼;

    (b) 산화물층 아래의 반도체 기판을 포함하는 웨이퍼를 잡고 상기 평탄화 패드에 대항하여 회전 가능한 척;

    (c) (c1) 상기 웨이퍼를 향하는 레이저 빔을 발생하고 상기 웨이퍼에서 반사되는 빛을 감지할 수 있는 레이저 광간섭계와,

    (c2) 상기 웨이퍼의 일 부분 상에 위치할 때 상기 레이저빔이 웨이퍼일 부분에서 반사될 수 있도록 허용하는 상기 플래튼과 평탄화 패드에 형성된 홀을 구비하는 종결점 탐지기를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼의 화학적 기계적 평탄화 장치.
19. 제 18항에 있어서, 상기 홀은 광섬유 케이블의 한 부분에 의해 채워져 있는 것을 특징으로 하는 웨이퍼의 화학적 기계적 평탄화 장치.
20. 제 18항에 있어서, 상기 홀의 위치에서 레이저빔의 발생을 조정하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼의 화학적 기계적 평탄화 장치.
21. 기판 ``상의 막을 연마하기 위한 화학적 기계적 평탄화 장치에 있어서,

    회전 가능한 평탄화 패드를 통과하여 상기 막으로 빛을 보낼 수 있는 적어도 하나의 광원;

    상기 평탄화 패드를 통과하여 상기 막에 빛을 입사했을 때 발생되는 반사광에서 광간섭 변화를 감지하기 위한 적어도 하나의 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
22. 제 21항에 있어서, 상기 광간섭 변화를 감지하기 위한 적어도 하나의 장치는 상기 광간섭 변화를 감지하기 위한 감지기와 상기 감지된 광간섭 변화에 대응하여 상기 화학적 기계적 평탄화 장치를 제어하기 위한 분석기를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
23. 제 22항에 있어서, 상기 분석기는 막의 치수의 변화를 결정하기 위해 반사되는 빛의 광간섭 변화를 분석하는 것임을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
24. 제 23항에 있어서, 상기 분석기는 한 파장에 대한 간섭측정을 이용하여 반사되는 빛의 광간섭 변화를 분석하는 것임을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
25. 제 23항에 있어서, 상기 분석기는 일련의 연속적인 영역의 파장에 대한 분광광도를 이용하여 반사되는 빛의 광간섭 변화를 분석하는 것임을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
26. 제 23항에 있어서, 상기 분석기는 상기 막의 평탄도와 두께의 변화를 결정하기 위해 반사되는 빛의 광간섭 변화를 분석하는 것임을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
27. 제 21항에 있어서, 입사되는 빛과 반사되는 빛은 상기 평탄화 패드 아래의 회전하는 테이블에 박힌 화전하는 광섬유를 통해 전송되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
28. 제 21항에 있어서, 상기 입사되는 빛은 상기 막의 한 부분으로 전송되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
29. 제 21항에 있어서, 상기 입사되는 빛은 상기 막의 한 부분보다 많은 부분으로 보내지는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
30. 제 21항에 있어서, 상기 광원은 200nm와 11,000nm 사이의 적어도 하나의 파장을 갖는 빛을 발생하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
31. 제 21항에 있어서, 상기 광원은 레이저 빛을 발생하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
32. 기판을 덮는 막의 평탄화를 위한 화학적 기계적 평탄화장치에 있어서,

    상기 막의 적어도 한 부분에 대해 평탄화 패드를 통과하여 빛을 보낼 때 발생되는 반사되는 빛의 광간섭 변화를 감지하기 위한 목적으로 상기 막의 한 부분으로 빛을 통과시켜 보낼 수 있도록 해주는 적어도 하나의 광통로를 갖는 평탄화 패드를 포함하는 것을 특징으로 하는 평탄화 장치.
33. 제 32항에 있어서, 상기 평탄화 패드에 형성된 적어도 하나의 광통로는 200nm와 11,000nm 사이의 적어도 하나의 파장을 포함하는 빛을 통과시키는 것을 특징으로 하는 평탄화 장치.
34. 제 33항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광통로는 광섬유 케이블의 한 부분인 것을 특징으로 하는 평탄화 장치.
35. 제 34항에 있어서, 상기 평탄화 패드와 상기 기판 상의 막 사이를 통과하는 빛의 진행을 강화시키기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평탄화 장치.
36. 제 35항에 있어서, 상기 빛의 진행을 강화시키기 위한 수단은 포커싱 렌즈(focusing lens)인 것을 특징으로 하는 평탄화 장치.
37. 두 측면을 갖는 기판의 일측면 상의 막을 평탄화하기 위한 화학적 기계적 평탄화 장치에 있어서,

    상기 기판의 막이 없는 일측면으로부터 기판을 통과하여 막의 적어도 한 부분으로 빛을 보내고, 그에 따라 반사되는 광신호를 기초로 두께변화를 검사하기 위한 적어도 하나의 수단으로 수신되는 반사되는 광신호를 발생할 수 있도록 해주는 적어도 하나의 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
38. 제 37항에 있어서, 상기 반사되는 빛을 기초로 두께변화를 검사하기 위한 적어도 하나의 수단은 광간섭계 또는 분광광도계에 연결된 광검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
39. 제 37항에 있어서, 각 검사되는 부분은 신호문제를 없애기 위해 최소화되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
40. 제 37항에 있어서, 측정 전용 영역의 오직 한 부분에 빛이 조사되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
41. 제 37항에 있어서, 한 부분보다 많은 부분에 빛이 조사되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
42. 두 측면을 갖는 기판의 일측면 상의 막을 평탄화하기 위한 화학적 기계적 평탄화 장치에 있어서,

    상기 기판의 막이 없는 일측면으로부터 기판을 통과하여 막의 적어도 한 부분으로 빛을 보내 반사되는 광신호를 기초로 치수변화를 검사하기 위한 적어도 하나의 장치로 수신되는 반사되는 광신호를 발생할 수 있도록 해주는 적어도 하나의 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
43. 제 42항에 있어서, 상기 적어도 하나의 장치는 기판에 대해 상기 광원과 동일 측면에 위치하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
44. 제 42항에 있어서, 각 검사되는 부분은 신호상의 문제를 제거하기 위해 최소화되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
45. 제 42항에 있어서, 전용의 측정 영역인 오직 한 부분에만 빛이 조사되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
46. 제 42항에 있어서, 한 부분보다 많은 부분에 빛이 조사되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
47. 두 측면을 갖는 기판의 일측면 상의 막을 평탄화하기 위한 화학적 기계적 평탄화 장치에 있어서,

    상기 기판의 막이 있는 일측면으로부터 막의 적어도 한 부분으로 빛을 보내 반사되는 광신호를 기초로 치수변화를 검사하기 위한 적어도 하나의 장치로 수신되는 반사되는 광신호를 발생할 수 있도록 해주는 적어도 하나의 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
48. 제 47항에 있어서, 상기 적어도 하나의 장치는 기판에 대해 상기 광원과 동일 측면에 위치하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
49. 제 47항에 있어서, 각 검사되는 부분은 신호상의 문제를 제거하기 위해 최소화되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
50. 제 47항에 있어서, 전용의 측정 영역인 오직 한 부분에만 빛이 조사되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
51. 제 47항에 있어서, 한 부분보다 많은 부분에 빛이 조사되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
52. 두 측면을 갖는 기판의 일측면 상의 막을 평탄화하기 위한 화학적 기계적 평탄화 장치에 있어서,

    상기 기판의 막이 있는 일측면으로부터 상기 막의 적어도 한 부분으로 빛을 보내고, 그에 따라 반사되는 광신호를 기초로 두께변화를 검사하기 위한 적어도 하나의 수단으로 수신되는 적어도 하나의 반사되는 광신호를 발생할 수 있도록 해주는 적어도 하나의 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
53. 제 52항에 있어서, 상기 반사되는 빛을 기초로 두께변화를 검사하기 위한 적어도 하나의 수단은 광간섭계 또는 분광광도계에 연결된 광검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
54. 제 52항에 있어서, 각 검사되는 부분은 신호상의 문제를 없애기 위해 최소화되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
55. 제 52항에 있어서, 측정 전용 영역의 오직 한 부분에 빛이 조사되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.
56. 평탄화 슬러리가 제공되는 회전하는 평탄화 테이블을 갖는 평탄화 기계에서 작업편이 평탄화 되는 동안 평탄화 과정을 검사하기 위한 복합의 화학적 기계적 평탄화 과정 감시장치에 있어서,

    a) 평탄화 과정 동안 감시통로를 횡단하고, 감시통로와 함께 탐지영역을 횡단하여 평탄화 동안 평탄화 테이블의 하측으로부터 작업편 표면의 연마를 더 감시할 수 있도록 해주는 평탄화 테이블에 묻힌 창; 및

    b) 상기 평탄화 테이블의 저면에서 상기 창에 결합되고 평탄화 과정의 미리 규정된 조건에 대응하는 복합 반사율의 반사율 신호 표본을 제공하는 반사율 측정수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 평탄화 과정 감시장치.
57. 제 56항에 있어서, 상기 창의 상부 표면은 상기 테이블의 상부표면과 동일높이로 상기 테이블에 묻혀 있는 것을 특징으로 하는 평탄화 과정 감시장치.
58. 제 56항에 있어서,

    c) 상기 복합 반사율의 미리 규정된 변화의 탐지를 나타내는 출력신호를 제공하고, 실시간으로 복합 반사율의 미리 규정된 변화를 탐지하기 위해 반사율 신호에 반응하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평탄화 과정 감시장치.
59. 제 58항에 있어서, 상기 창의 상부 표면은 상기 테이블의 상부표면과 동일높이로 상기 테이블에 묻혀 있는 것을 특징으로 하는 평탄화 과정 감시장치.
60. 연마 슬러리가 제공되는 회전하는 평탄화 테이블 상의 작업편의 평탄화 동안 평탄화 과정을 조정하는 복합 평탄화 과정 감시장치를 갖는 평탄화 기계에 있어서,

    a) 평탄화 과정 동안 감시통로를 횡단하고, 감시통로와 함께 탐지영역을 횡단하여 평탄화 동안 평탄화 테이블의 하측으로부터 작업편 표면의 연마를 더 감시할 수 있도록 해주는 평탄화 테이블에 묻힌 창; 및

    b) 상기 평탄화 테이블의 저면에서 상기 창에 결합되고 평탄화 과정의 미리 규정된 조건에 대응하는 복합 반사율의 반사율 신호 표본을 제공하는 반사율 측정수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 평탄화 기계.
61. 제 60항에 있어서, 상기 창의 상부 표면은 상기 테이블의 상부표면과 동일높이로 상기 테이블에 묻혀 있는 것을 특징으로 하는 평탄화 기계.
62. 제 60항에 있어서,

    c) 상기 복합 반사율의 미리 규정된 변화의 탐지를 나타내는 출력신호를 제공하고, 실시간으로 복합 반사율의 미리 규정된 변화를 탐지하기 위해 반사율 신호에 반응하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평탄화 기계.
63. 제 62항에 있어서, 상기 창의 상부 표면은 상기 테이블의 상부표면과 동일높이로 상기 테이블에 묻혀 있는 것을 특징으로 하는 평탄화 기계.
64. 제 62항에 있어서, 상기 탐지 수단은 평탄화 과정을 조정하기 위해 상기 출력신호에 반응하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평탄화 기계.
65. 제 64항에 있어서, 상기 창의 상부 표면은 상기 테이블의 상부표면과 동일높이로 상기 테이블에 묻혀 있는 것을 특징으로 하는 평탄화 기계.
66. 제 64항에 있어서, 상기 탐지수단은 상기 복합 반사율의 미리 규정된 변화에 반응하여 평탄화 종결점을 탐지하고, 평탄화 종결점의 탐지에 반응하여 작업편의 평탄화를 끝내기 위해 평탄화 과정을 조정하는 것을 특징으로 하는 평탄화 기계.
67. 제 64항에 있어서, 상기 탐지수단은 상기 복합 반사율의 미리 규정된 변화에 대응하여 비균등 평탄화를 탐지하고, 비균등 평탄화에 반응하여 작업편의 평탄화를 끝내기 위해 평탄화 과정을 조정하는 것을 특징으로 하는 평탄화 기계.
68. 기판의 막을 평탄화하기 위한 화학적 기계적 평탄화 장치에 있어서,

    상기 막에 대해 상대적으로 움직일 수 있는 평탄화 패드를 통과하여 빛을 보낼 수 있는 적어도 하나의 광원; 및

    빛이 평탄화 패드를 통과하여 상기 막으로 보내질 때 발생되는 반사되는 빛의 광간섭 변화를 탐지하는 적어도 하나의 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 평탄화 장치.