KR100562292B1 - 종점 검출 시스템을 갖는 화학기계적 연마장치 및 이의제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 웨이퍼의 표면을 기계적 마찰에 의해 연마시킴과 동시에 화학적 연마제에 의해 연마시키는 웨이퍼의 표면을 기계적 마찰에 의해 연마시킴과 동시에 화학적 연마제에 의해 연마시키는 화학기계적 연마장치에 관한 것으로, 본 발명의 화학기계적 연마장치는, 고정 또는 회전하는 플래튼 및 상기 플래튼의 상부에 마련되는 연마 패드를 구비하며, 상기 연마 패드에는 투광성 윈도우가 마련되는 연마 스테이션과; 웨이퍼를 흡착하는 연마 헤드를 구비하는 연마 헤드 어셈블리와; 상기 웨이퍼의 연마 대상면을 연마하는 동안 연마 종점을 검출하는 종점 검출 시스템;을 포함하며, 상기 종점 검출 시스템은, 레이저 광을 발생시키는 광원과, 상기 윈도우를 투과하여 웨이퍼에 입사된 후 반사되는 반사광을 감지하는 수광 센서와, 상기 광원과 웨이퍼 사이의 광 경로상에 설치되어 상기 웨이퍼로 입사되는 레이저 광의 광도를 측정하는 광도 측정 수단과, 상기 광도 측정 수단에서 측정된 광도를 기준값과 비교한 후, 상기 측정 광도가 기준값을 벗어나는 경우 이를 표시 또는 경고하는 제어 수단을 포함한다.

레이저, 광도, 윈도우, EPD, 엔드포인트, 종점, 연마,

Description

종점 검출 시스템을 갖는 화학기계적 연마장치 및 이의 제어 방법{CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS WITH ENDPOINT DETECTING SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLING THE SAME}

도 1은 종래 기술에 따른 화학기계적 연마장치의 개략적인 구성도이고,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 화학기계적 연마장치의 개략적인 구성도이다.

본 발명은 화학기계적 연마장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연마 종점 검출을 위한 레이저 광의 광도 저하 또는 불안정으로 인해 발생되는 연마 산포를 감소시킬 수 있는 종점 검출 시스템을 갖는 화학기계적 연마장치 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.

반도체 소자는 반도체 기판상에 배치된 다양한 구조의 단위 소자와 이들을 전기적으로 절연시키는 절연막 및 단위 소자들을 전기적으로 접속시켜 회로를 구성하는 배선 구조로 이루어지며, 증착 공정, 사진 공정, 이온 주입 공정, 식각 공정 등의 복잡한 단위 공정들의 조합에 의해 제조된다.

이들 반도체 제조 공정 중 층간 절연막의 평탄화, 소자 분리막(STI) 형성, 텅스텐 플러그 형성 및 구리, 폴리막에 대한 다마신 공정에 화학기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing: 이하, 'CMP'라 한다) 공정이 적용된다.

CMP 공정은 슬러리가 함유된 연마 패드에 웨이퍼의 연마 대상면을 접촉시킨 후 일정한 압력을 가해주고, 연마 패드 및 웨이퍼를 소정의 속도로 회전시킴으로써 화학적 식각과 물리적 식각을 동시에 실시한다. 상기 CMP 공정에서 해결해야 할 과제 중 하나는 웨이퍼를 연마하는 동안 연마 대상면이 어느 정도 연마되고, 언제 연마 공정을 종료해야 하는지 측정할 수 있는가 하는 것이다.

종래에는 공정 시간을 적용하여 연마 공정을 실시하고 연마 대상면을 검사하였기 때문에 연마 대상면이 과도하게 연마되거나, 연마 공정을 추가로 실시해야 했다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에는 연마 공정중에서 막두께 등을 직접 측정하는 연마 종점 검출 시스템을 연마장치에 포함시켜, 웨이퍼마다 알맞은 종점을 검출하여 산포 개선은 물론 설비의 안정성 및 효율을 크게 향상시켰다.

상기한 연마 종점 검출 방법으로는 연마 도중의 웨이퍼의 두께를 두께 측정계로 측정하여 연마 종점을 검출하는 방법과, 연마 도중의 플래튼 및 웨이퍼 캐리어의 모터 부하전류, 전압, 저항 변화로부터 연마 종점을 검출하는 방법, 및 연마중의 웨이퍼에 레이저 광을 조사하여 그 반사광으로부터 연마 종점을 검출하는 광학 센서를 사용하는 방법 등이 있다.

이 중에서 광학 센서를 사용하는 종래의 연마 종점 검출 시스템은 도 1에 도시한 바와 같이, 레이저 광(B)을 발생시키는 광원(100)과, 상기 레이저 광(B)을 웨 이퍼(W)를 향해 반사시키는 반사 미러(102)와, 상기 웨이퍼(W)에서 반사된 반사광을 감지하는 수광 센서(104)를 포함한다. 그리고, 웨이퍼(W)를 연마하는 연마 패드(110) 및 이 패드(110)가 설치되는 플래튼(112)에는 상기한 레이저 광(B)을 투과시키는 윈도우(114)가 구비된다.

이하, 상기한 종래의 연마 종점 검출 시스템을 사용한 종점 검출 방법을 설명한다.

광원(100)에서 발사된 레이저 광(B)은 반사 미러(102)에서 반사된 후 윈도우(114)를 투과하여 웨이퍼(W)의 연마 대상면으로 입사되고, 이후, 상기 연마 대상면에서 반사된 반사광(B')은 윈도우(W)를 투과하여 수광 센서(104)로 입사된다. 그리고, 제어 수단(106)은 수광 센서(104)에 입사되는 광을 분석하여 모니터(108)에 표시한다.

이때, 상기 모니터(108)에 표시되는 신호 파형은 연마를 계속 진행하게 되면서 막질이 바뀌는 경우에 기존의 막에서 반사되어 나오던 신호 파형과 다른 형태의 신호 파형이 표시된다.

일례로, TEOS막의 연마가 완료된 후 질화막이 노출되는 순간, 즉 모니터(108)의 A지점으로부터는 급격한 경사를 갖는 신호 파형이 표시된다. 이후, 신호 파형이 다시 곡선을 이루면서 하강하는 순간, 즉 B지점을 장비상에서는 연마가 완료되는 시점으로 인식한다. 이후, C지점까지 추가 연마를 실시하여 웨이퍼(W)의 연마 대상면을 전체적으로 평평하게 한 후 연마 공정을 완료한다.

그런데, 상기한 종래의 연마 종점 검출 시스템 및 방법에 의하면 다음과 같 은 문제점이 있다.

광학 센서를 이용한 종래의 연마 종점 검출 방법은 광원에서 발생되는 레이저 광의 밝기가 동일하다고 가정한 상태에서 연마 종점을 검출하도록 구성되어 있다.

따라서, 상기한 광원의 수명이 다하여 레이저 광의 밝기가 감소되는 경우에는 웨이퍼의 연마 대상면에서 반사되어 수광 센서로 입사되는 반사광의 양도 줄어들게 되고, 상기 레이저 광의 밝기 감소로 인해 반사광의 양이 줄어든 경우에는 연마 종점을 정확하게 검출할 수 없어 연마 공정이 부족하게 진행되거나 과도하게 진행되는바, 이로 인해 웨이퍼 로스(loss)가 발생되거나, 또는 재작업(rework)을 진행해야 하는 문제점이 있다.

또한, 상기한 문제점은 레이저 광의 밝기가 불안정한(unstable) 경우에도 발생된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 연마 종점 검출을 위한 레이저 광의 광도 저하 또는 불안정으로 인해 발생하는 연마 산포를 감소시킬 수 있는 종점 검출 시스템을 갖는 화학기계적 연마장치 및 이의 제어 방법을 제공함에 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 화학기계적 연마장치는,

고정 또는 회전하는 플래튼 및 상기 플래튼의 상부에 마련되는 연마 패드를 구비하는 연마 스테이션과;

웨이퍼를 흡착하는 연마 헤드를 구비하는 연마 헤드 어셈블리와;

상기 웨이퍼의 연마 대상면을 연마하는 동안 연마 종점을 검출하는 종점 검출 시스템;

을 포함하며, 상기 종점 검출 시스템은, 레이저 광을 발생시키는 광원과, 상기 레이저 광이 웨이퍼에서 반사된 반사광을 감지하는 수광 센서와, 상기 광원과 웨이퍼 사이의 광 경로상에 설치되어 상기 웨이퍼로 입사되는 레이저 광의 광도를 측정하는 광도 측정 수단과, 상기 광도 측정 수단에서 측정된 광도를 기준값과 비교한 후, 상기 측정 광도가 기준값을 벗어나는 경우 이를 표시 또는 경고하거나 연마 공정을 강제로 종료시키는 제어 수단을 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 종점 검출 시스템은 광원에서 발생된 레이저 광을 웨이퍼의 연마 대상면으로 반사하기 위한 반사 수단을 더욱 구비하며, 광도 측정 수단은 광원과 반사부재 사이의 광 경로상에 설치된다.

이러한 구성의 연마 종점 검출 시스템을 갖는 화학기계적 연마장치는 광도 측정 수단에서 측정된 광도가 기준값을 벗어나는 경우에는 연마 공정을 강제적으로 종료시키거나, 작업자에게 상기한 상황을 인지시켜 상기 작업자가 광원 교체 등의 후속 조치를 취할 수 있도록 함으로써, 레이저 광의 광도 저하 또는 불안정으로 인해 연마 산포가 증가되는 것을 방지할 수 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연마 종점 검출 시스템을 갖는 화학기계적 연마장치의 개략 구성도를 도시한 것이다.

도시한 바와 같이, 화학기계적 연마장치는 연마 헤드 어셈블리(10)와 연마 스테이션(20)과, 종점 검출 시스템(30)을 포함한다.

상기 연마 헤드 어셈블리(10)는 웨이퍼(W)를 고정하는 연마 헤드(12)와, 연마 헤드(12)에 연결된 아암(14)을 포함하며, 상기 연마 스테이션(20)은 고정 또는 회전하는 플래튼(22)과, 상기 플래튼(22)의 상부에 설치되어 웨이퍼를 연마하는 연마 패드(24)와, 연마 패드(24)에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급 수단(26)을 포함한다.

본 실시예의 상기 연마 종점 검출 시스템(30)은 광원(32)과, 반사 미러(34)와, 수광 센서(36)와, 광도 측정 수단(38)과, 제어 수단(40)을 포함한다.

반사 미러(34)는 광원(32)에서 발생된 레이저 광(B)을 웨이퍼(W)의 연마 대상면으로 반사하는 작용을 하고, 수광 센서(36)는 웨이퍼(W)로 입사된 레이저 광(B)이 상기 웨이퍼(W)로부터 반사되어 나오는 반사광(B')을 감지하는 작용을 한다.

그리고, 광도 측정 수단(38)은 광원(32)과 반사 미러(34) 사이의 광 경로상에 설치되어 상기 웨이퍼(W)로 입사되는 레이저 광(B)의 광도를 측정하는 작용을 하며, 제어 수단(40)은 광도 측정 수단(38)에서 측정된 광도를 기준값과 비교한 후, 상기 측정 광도가 기준값을 벗어나는 경우 이를 모니터(42) 또는 스피커(44)를 통해 경고하거나, 연마 공정을 강제 종료시키는 작용을 한다.

한편, 상기 플래튼(22)과 연마 패드(24)에는 반사 미러(34)에서 반사된 레이저 광(B)이 웨이퍼(W)의 연마 대상면에 입사되는 것이 가능하도록 윈도우(28)가 제공된다.

이에 따라, 연마 헤드(12)가 회전하면서 연마 패드(24) 상부에 일정한 압력으로 접촉하면, 상기 연마 헤드(12)에 장착된 웨이퍼(W)의 연마 대상면은 회전력 및 압력에 의한 마찰력을 받음과 동시에 슬러리에 의한 식각 작용을 받아 표면이 연마된다.

이러한 연마 공중 중에 있어서, 상기한 광원(32)에서 발생된 레이저 광(B)은 반사 미러(34)에서 반사된 후 윈도우(28)를 통해 웨이퍼(W)의 연마 대상면에 입사되고, 이후, 상기 연마 대상면에서 반사된 반사광(B')이 수광 센서(36)에 입사되며, 수광 센서(36)의 전기적인 신호는 제어 수단(40)에 입력된다. 이와 같이, 수광 센서(36)로부터의 신호가 입력되면, 제어 수단(40)은 이 신호를 분석하여 모니터(42)에 특정한 형태의 신호 파형을 표시하게 된다.

그리고, 상기 제어 수단(40)에는 광원(32)과 반사 미러(34) 사이의 광 경로상에 설치된 광도 측정 수단(38)에 의해 측정된 레이저 광의 광도가 실시간으로 측정되어 입력되는바, 상기 제어 수단(40)은 광도 측정 수단(38)으로부터의 신호를 분석하여 광원(32)에서 발생된 레이저 광(B)의 광도가 기준값의 범위 내에 포함되는가를 판단하고, 상기 광도가 기준값의 범위 내에 포함되는 경우에는 종점 검출 프로세스를 지속하며, 상기 광도가 기준값의 범위를 벗어나는 경우에는 연마 공정을 강제로 종료시키거나, 모니터(42)를 통해 이를 표시하는 한편, 스피커(44)를 통 해서도 경고음을 출력한다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 의하면, 광도 측정 수단에서 측정된 광도가 기준값의 범위를 벗어나는 경우, 작업자가 이를 바로 인지할 수 있으므로, 광원 교체 등의 후속 조치를 곧바로 취할 수 있다.

따라서, 오랜 사용 기간이 경과되어 레이저 광의 광도가 저하되거나, 또는 레이저 광의 광도가 불안정함으로 인해 연마 산포가 증가되고, 이로 인해 웨이퍼 로스 및 재작업이 발생되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 고정 또는 회전하는 플래튼 및 상기 플래튼의 상부에 마련되는 연마 패드를 구비하며, 상기 연마 패드에는 투광성 윈도우가 마련되는 연마 스테이션과,

   웨이퍼를 흡착하는 연마 헤드를 구비하는 연마 헤드 어셈블리와,

   상기 웨이퍼의 연마 대상면을 연마하는 동안 연마 종점을 검출하는 종점 검출 시스템을 포함하며,

   상기 종점 검출 시스템은, 레이저 광을 발생시키는 광원과, 상기 광원에서 발생된 레이저 광을 웨이퍼의 연마 대상면으로 반사하기 위한 반사 수단과, 상기 윈도우를 투과하여 웨이퍼에 입사된 후 반사되는 반사광을 감지하는 수광 센서와, 상기 광원과 반사 수단 사이의 광 경로상에 설치되어 상기 웨이퍼로 입사되는 레이저 광의 광도를 측정하는 광도 측정 수단과, 상기 광도 측정 수단에서 측정된 광도를 기준값과 비교한 후 상기 측정 광도가 기준값을 벗어나는 경우 이를 표시 또는 경고하는 제어 수단을 포함하는 화학기계적 연마장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 화학기계적 연마장치의 종점 검출 시스템 제어 방법으로서,

   광원에서 발생된 레이저 빔의 광도를 측정하는 단계와,

   상기 측정 광도가 기준값의 범위를 벗어나는가를 판단하는 단계와,

   상기 측정 광도가 기준값의 범위를 벗어나는 경우에는 디스플레이 수단 또는 스피커를 통해 경고 신호를 출력하거나, 연마 공정을 강제로 종료하는 단계

   를 포함하는 화학기계적 연마장치의 제어 방법.

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