KR100630754B1

KR100630754B1 - 슬러리 유막 두께 변화량을 이용한 연마패드의 마모 및마찰 측정방법 및 장치

Info

Publication number: KR100630754B1
Application number: KR1020050064181A
Authority: KR
Inventors: 신성호
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2006-10-02
Also published as: US20070184761A1; US7220163B2; US7278901B2; US20070015442A1

Abstract

CMP 공정중 슬러리 유막 두께의 변화량을 이용하여 연마 패드의 마모 및 마찰을 측정하는 방법 및 장치를 개시한다. 연마패드의 마모 및 마찰 측정방법은 초기상태에서 연마 패드에 대한 웨이퍼의 변위를 측정한다. 연마 패드의 마모에 따른 교체시기를 결정하기 위한, 상기 연마 패드의 표면과 웨이퍼의 표면의 계면사이의 슬러리의 기준 유막 두께범위를 설정하거나 또는 연마패드 컨디셔닝조건을 설정한다. 상기 연마 패드로 상기 웨이퍼의 상기 표면을 연마하는 도중 상기 연마패드에 대한 상기 웨이퍼의 변위를 측정한다. 연마도중 상기 측정된 웨이퍼의 변위를 초기상태에서의 웨이퍼의 변위와 비교하여 상기 연마패드와 상기 웨이퍼의 계면에서의 슬러리 유막두께의 변화량을 산출한다. 상기 유막두께 변화량이 상기 기준 유막 두께범위를 벗어난 경우에는 연마패드를 교체하고, 상기 유막두께 변화량이 컨디셔닝 조건을 벗어난 경우 상기 연마패드의 표면을 컨디셔닝한다.

Description

슬러리 유막 두께 변화량을 이용한 연마패드의 마모 및 마찰 측정방법 및 장치{Method and apparatus for measuring polishing pad wear and pad friction using slurry film thickness variation}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연마장치의 단면도를 도시한 것이다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 연마장치의 연마 패드의 단면도이다.

도 3은 CMP 공정시 연마패드의 홈의 깊이에 대한 슬러리 유막 두께와의 관계를 도시한 것이다.

도 4는 CMP 공정시 상대속도에 대한 슬러리 유막 두께와의 관계를 도시한 것이다.

도 5는 CMP 공정시 연마 시간에 대한 슬러리 유막 두께와의 관계를 도시한 것이다.

도 6은 CMP 공정시 연마 패드의 마모량에 대한 슬러리 유막 두께와의 관계를 도시한 것이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연마 장치의 슬러리 유막 두께 측정부의 일 예를 도시한 단면도이다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 연마 장치의 슬러리 유막 두께 측정부의 다 른 예를 도시한 단면도이다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 연마 장치의 제어부의 블록 구성도이다.

도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 슬러리 유막 두께 변화량을 이용하여 연마장치의 연마 패드의 마모를 측정하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 슬러리 유막 두께 변화량을 이용하여 연마장치의 연마 패드의 마찰을 측정하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 12는 본 발명의 제3실시예에 따른 슬러리 유막 두께 변화량을 이용하여 연마장치의 연마 패드에 공급되는 슬러리양을 조절하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 13은 본 발명의 제4실시예에 따른 슬러리 유막 두께 변화량을 이용하여 화학적 기계적 연마하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 연마 패드 200 : 웨이퍼

300 : 슬러리 400 : 컨디셔닝소자

430 : 슬러리 유막 두께 측정부 500 : 제어부

본 발명은 반도체 웨이퍼공정에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 화학 기계적 연마공정중 슬러리 유막 두께의 변화량을 이용하여 연마패드의 마모 및 마찰 을 측정할 수 있는 화학 기계적 연마방법 및 장치에 관한 것이다.

반도체소자를 제조하기 위해서는 반도체 웨이퍼의 표면상에 다양한 막질이 증착되고 패턴화되어 회로를 구성하게 된다. 이러한 적층구조에서 서로 다른 층에 형성된 배선층은 비어와 콘택노드를 통해 전기적으로 서로 연결된다. 이러한 배선층 구조는 하부배선층 상부에 중간막을 증착시킨 다음 평탄화하고 그위에 상부배선층을 형성하거나 중간막을 평탄화시켜 하부배선층을 노출시킨 다음 상부 배선층을 형성한다. 이와 같이 하부막을 평탄화시키기 위하여 통상적으로 화학 기계적 평탄화(CMP, chemical mechanical polishing) 공정을 수행한다.

상기 CMP 공정은 연마장치(polisher)에 의해 수행되는데, 연마장치는 연마되는 반도체 웨이퍼와 연마패드의 접촉면에 압력을 발생하고 기계적 상대운동을 발생하면서 웨이퍼와 연마패드의 계면에 연마제(abrasive)를 포함하는 연마액(slurry)을 공급한다. 상기 웨이퍼와 연마 패드의 상대운동은 일반적으로 연마패드의 표면에 수평한 방향으로 발생하는 연마 패드의 벨트식 직선운동 또는 원판식 회전운동과 함께 웨이퍼의 회전운동으로부터 얻어지거나 또는 회전운동과 직선운동의 조합으로 얻어진다.

CMP 공정시 웨이퍼의 표면을 연마하는 연마 패드는 연마장치가 가하는 하중과 웨이퍼와의 상대운동으로 웨이퍼의 표면과의 접촉면에 마찰을 발생시키고 또한 연마제가 첨가된 연마액(slurry)을 상기 접촉면으로 공급하여 웨이퍼의 막질을 효과적으로 제거하는 역할을 한다. 상기 연마패드는 패드와 웨이퍼가 상대운동으로 마찰할 때 필요한 양의 마찰력을 발생시키고 계면으로 연마액의 공급을 원활히 하 기 위해서 적당한 표면 거칠기를 가져야 한다. 연마 패드의 표면상태는 웨이퍼로부터 제거되는 막의 연마율(polishing rate) 및 연마 균일도(polishing uniformity)에 영향을 미치게 되므로, 연마 패드가 일정이상의 공정능력을 갖기 위해서는 일정범위내의 표면 거칠기가 유지되어야 한다.

연마 패드의 표면 거칠기를 유지하기 위하여 패드 컨디셔닝(conditioning) 공정이 수행되는데, 패드 컨디셔닝공정은 CMP 공정중 또는 CMP 공정후에 지속적으로 또는 간헐적으로 연마 패드의 표면을 기계적으로 마모(abrasion)시켜 주는 것이다. 이러한 연마 패드에 대한 컨디셔닝공정은 일정한 표면 거칠기를 유지하여 연마능력을 향상시켜 주지만, 연마 패드가 마모되어 두께를 감소시키고, 이로 인해 연마패드의 수명이 단축된다. 연마 패드의 마모에 따라 연마 패드에 형성된 홈의 깊이가 감소하게 된다. 연마패드의 홈이 일정이하의 깊이를 갖게 되면, 일차적으로 홈을 따라서 슬러리가 제대로 유입되지 않고, 이차적으로는 일정 압력조건하에서 연마 패드와 웨이퍼의 계면에 존재하는 슬러리 유막의 평균 두께가 변화된다. 슬러리 유막의 두께 변화는 연마 패드와 웨이퍼의 접촉면의 압력과 마찰력을 변화시켜 연마공정의 막질 제거능력을 저하시키는 결과를 초래한다.

그러므로, 연마패드의 두께 감소에 따라 연마능력이 변화하거나 또는 저하되므로, 연마 패드의 마모량이 일정 이상이 되면 연마 패드를 교체하여야 한다. 종래에는 CMP공정에서의 연마 패드의 누적사용시간을 측정하여 연마 패드의 교체시기를 결정하고 있다. 그러나, 상기 방법은 CMP 공정의 산포 관리를 위해 정해진 안전율에 의거해 패드를 교체해야 하는 누적사용시간을 계산하므로 연마패드를 효율적으 로 사용하기 어렵다.

연마패드 교체 시기를 최적화하기 위한 다양한 방법이 제안되었다. 미국특허 5,934,974호에는 레이저 센서를 이용한 비접촉 방식으로 상기 레이저 센서로부터 패드 표면까지의 거리를 직접 측정하여 마모량을 산출하는 방법이 제안되었다. 또한, 미국특허 6,045,434호에는 초음파 또는 전자기 방사 송신기를 패드 표면으로부터 일정거리만큼 이격시켜 배열하고, 상기 송신기를 이용하여 패드표면까지의 거리를 직접 측정하여 연마 패드의 마모량과 마모 프로파일을 모니터링하는 방법이 제안되었다. 그러나, 상기 패드 마모량을 검출하는 방법은 연마패드가 물과 연마액으로 항상 젖어 있기 때문에, 상기 센서들을 이용하여 연마공정중 웨이퍼 표면과 연마 패드간의 거리를 직접 측정하는 어렵다. 한편, 미국특허 5,743,784호에는 컨디셔닝공정중에 연마패드의 표면 마찰상태를 측정하여 패드 컨디셔닝의 종료점(end point)을 결정하는 방법이 제안되었다. 상기 방법은 연마패드의 표면상에 원판형 헤드를 접착 및 고정시키고, 힘측정용 셀(load cell)을 이용하여 상기 원판형 헤드와 연마 패드간의 마찰력을 측정하여 패드 컨디셔닝의 종료점을 결정한다. 그러나 상기 방법은 원판형 헤드와 연마패드간의 계면 마찰력의 변화는 패드의 마모정도가 일정수준에 도달하기 전까지는 패드의 컨디셔닝정도에 크게 의존하기 때문에, 연마 패드의 마모상태를 모니터링하는 방법으로는 적합하지 않다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 슬러리의 유막 두께 변화량을 측정하여 연마 패드의 마모량을 측정할 수 있는 연마패드의 마모 측정방법 및 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 기술적 과제는 연마 패드의 표면 거칠기에 따른 슬러리의 유막 두께의 변화를 모니터링하여 연마 패드의 컨디셔닝량을 최적화할 수 있는 연마 패드의 마찰 측정방법 및 장치를 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 연마패드의 마모 측정방법은 먼저, 초기상태에서 연마 패드에 대한 웨이퍼의 변위를 측정한다. 연마패드의 교체시기를 결정하기 위한 기준 유막두께 범위를 설정한다. 상기 연마 패드로 상기 웨이퍼의 표면을 연마하는 도중, 상기 연마 패드에 대한 상기 웨이퍼의 변위를 측정한다. 상기 연마도중 측정된 상기 웨이퍼의 변위를 상기 초기상태에서의 상기 웨이퍼의 변위와 비교하여 상기 웨이퍼와 상기 연마패드의 계면에서의 슬러리 유막두께의 변화량을 산출한다. 상기 유막두께 변화량이 상기 기준 유막 두께범위를 벗어난 경우에는 상기 연마 패드를 교체한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 CMP공정중 슬러리양을 조절하는 방법은 먼저, 초기상태에서 연마 패드에 대한 웨이퍼의 변위를 측정한다. 슬러리 공급량을 조절하기 위한 기준 유막두께 범위를 설정한다. 상기 연마 패드로 상기 웨이퍼의 상기 표면을 연마하는 도중, 상기 연마 패드에 대한 상기 웨이퍼의 변위를 측정한다. 상기 연마도중 측정된 상기 웨이퍼의 변위를 상기 초기상태에서의 상기 웨이퍼의 변위와 비교하여 상기 웨이퍼와 상기 연마패드의 계면에서의 슬러리 유막두께의 변화량을 산출한다. 상기 유막두께 변화량이 상기 기준 유막 두께범위를 벗어난 경 우에는 상기 연마 패드로 공급되는 상기 슬러리의 양을 증가 또는 감소시켜 준다.

또한, 본 발명의 또 다른 견지에 따르면, 연마패드의 마칠 측정방법은 초기상태에서 연마 패드에 대한 웨이퍼의 변위를 측정한다. 상기 연마패드의 컨디셔닝조건을 설정한다. 상기 연마 패드로 상기 웨이퍼의 상기 표면을 연마하는 도중, 상기 연마 패드에 대한 상기 웨이퍼의 변위를 측정한다. 상기 연마도중 측정된 상기 웨이퍼의 변위를 상기 초기상태에서의 상기 웨이퍼의 변위와 비교하여 상기 웨이퍼와 상기 연마패드의 계면에서의 슬러리 유막두께의 변화량을 산출한다. 상기 유막두께 변화량에 대응하는 상기 연마패드의 표면이 컨디셔닝이 필요한 경우, 상기 연마패드의 표면을 컨디셔닝한다.

컨디셔닝공정이 수행된 다음 필요에 따라 연마패드의 마모상태에 따라 컨디셔닝조건을 가변시켜 준 다음 연마공정을 수행하는 것도 가능하다. 이로써, 컨디셔닝 헤드의 회전속도 및 컨디셔닝헤드에 가해지는 힘 등을 실시간으로 조절하므로써, 연마패드의 마모량을 최소화하여 컨디셔닝공정을 최적화시켜 준다.

또한 상기 유막두께 변화량에 대응하는 상기 연마패드의 표면이 컨디셔닝이 충분한 경우, 상기 연마패드 표면의 컨디셔닝을 중지한다.

상기 초기상태는 상기 연마 패드와 웨이퍼가 이들의 상기 계면사이의 슬러리 유막 두께가 일정하게 유지되는 조건으로 상대운동하는 상태이고, 상기 연마공정은 상기 연마 패드와 상기 웨이퍼가 이들의 상기 계면사이의 상기 슬러리 유막 두께가 변하게 되는 조건으로 상대운동을 하는 상태이다.

본 발명의 실시예에 따른 연마 장치는 테이블에 의해 지지되고, 웨이퍼의 표 면과 접촉되는 표면을 갖으며, 상기 표면에 일정 깊이의 홈을 구비하는 연마 패드를 구비한다. 웨이퍼 운반체는 상기 웨이퍼를 이동 및 유지한다. 슬러리 유막 두께 측정부는 상기 웨이퍼와 상기 연마 패드의 상기 표면의 계면사이의 슬러리 유막 두께를 측정한다. 제어부는 상기 슬러리 유막 두께 측정부에서 측정된 상기 슬러리 유막 두께의 변화량에 따라 상기 슬러리 유막 두께 측정부 및 상기 연마 패드를 제어한다. 본 발명의 연마 장치는 상기 연마패드의 상기 표면을 연마시켜 상기 표면에 거칠기를 제공하기 위한 컨디셔닝 소자를 더 구비한다.

상기 제어부는 신호분석부, 제1 및 제2모니터링부 및 콘트롤러를 구비한다. 신호분석부는 상기 센서의 출력신호를 입력하여 상기 슬러리 유막 두께 측정부로부터 측정된 상기 연마패드에 대한 상기 웨이퍼의 변위를 산출한다. 제1모니터링부는 상기 신호 분석부로부터 제공되는 상기 웨이퍼의 변위를 입력하여 상기 연마패드와 상기 웨이퍼의 계면에서의 슬러리 유막두께의 변화량을 모니터링하고, 유막두께의 변화량이 상기 연마 패드의 컨디셔닝조건을 벗어나는 경우 컨디셔닝을 요구하는 제어신호를 발생한다. 제2모니터링부는 상기 신호 분석부로부터 제공되는 상기 웨이퍼의 변위를 입력하여 상기 슬러리 유막두께의 변화량을 모니터링하고, 상기 유막두께의 변화량이 연마교체를 결정하기 위하여 설정된 값을 벗어나는 경우 연마패드의 교체를 요구하는 제어신호를 발생하고, 또한 상기 유막두께의 변화량이 슬러리 공급량을 조절하기 위하여 설정된 값을 벗어나는 경우에는 슬러리 공급량을 조절하기 위한 제어신호를 발생한다. 상기 콘트롤러는 상기 제어신호들을 입력하여 상기 연마패드, 컨디셔닝소자 및 슬러리용기를 콘트롤하기 위한 제어신호를 발생한다.

이하 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 연마장치의 개략적인 구성도를 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 연마장치(10)는 테이블(platen, 110) 및 상기 테이블(110)에 의해 지지되는 연마 패드(100)를 구비한다. 상기 테이블(110)은 중심축(111)에 대하여 연마 패드(100)와 함께 회전한다. 상기 연마장치(10)는 상기 연마 패드(100)의 표면을 연마시켜 주기 위한 컨디셔닝 소자(400)를 더 구비한다. 상기 연마 장치(10)는 상기 연마 패드(100)의 표면과 웨이퍼(100)의 표면의 계면사이에서 슬러리(300)의 유막 두께의 변화량을 측정하기 위한 슬러리 유막 두께 측정부(430)를 구비한다.

상기 컨디셔닝 소자(400)는 상기 테이블(110)에 의해 지지되어, 중심축(401)에 대하여 회전하는 컨디셔닝 헤드(130)를 구비한다. 상기 연마 패드(100)와 접하는 상기 컨디셔닝 헤드(130)의 표면에는 상기 연마 패드(100)의 표면에 거칠기를 제공하기 위한 다이아몬드 연마제 층(diamond abrasive layer, 140)이 형성된다. 상기 컨디셔닝 헤드(130)는 이동수단(도면상에는 도시되지 않음.)에 의해 상기 연 마 패드(100)의 표면을 이동하게 된다. 본 발명의 실시예에서는, 연마 패드(100)의 표면에 거칠기를 제공하기 위한 컨디셔닝 소자(400)가 상기 컨디셔닝 헤드(130)를 구비하는 것을 예시하였으나, 이에 반드시 한정되는 것이 아니라 컨디셔닝 디스크 등과 같은 다양한 형태의 컨디셔닝 소자가 사용될 수 있다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 연마 패드(100)의 단면구조를 도시한 것이다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 연마 패드(100)는 표면에 일정 폭(w)과 일정 깊이(d1)의 홈(21)을 구비한다. 상기 연마 패드(100)상에 CMP 슬러리(300)가 슬러리 용기(310)로부터 투하되면, 연마되는 반도체 웨이퍼(200)의 표면과 연마 패드(100)의 표면의 계면사이에 일정한 유막 두께(T1)를 갖는 슬러리(300)를 사이에 두고 상대운동을 한다. 이때, 상대속도 및 반도체 웨이퍼(200)와 연마 패드(100)의 계면의 압력이 일정할 때, 상기 슬러리(300)의 유막 두께(T1)가 비교적 일정하게 유지되는 성질을 갖는다.

한편, 상기 연마 패드(100)의 표면이 마모되면, 홈(21)의 깊이(d2)가 감소하게 된다. 상기와 같이 상대속도가 일정하고, 상기 웨이퍼(200)와 연마패드(100)의 계면사이에 압력이 일정한 상태에서, 상기 홈(21)의 깊이가 d1에서 d2 로 작아지게 되면, 슬러리의 흐름량을 유지하려는 성질에 의해 슬러리(300)는 유막 두께가 T2로 증가하게 된다. 이러한 슬러리(300)의 유막 두께는 도 3에 도시된 바와 같이 홈(21)의 깊이(d)에 따라 변화된다.

도 3은 상기 연마 패드(100)의 홈(21)과 유막 두께 변화량과의 관계를 나타낸 것으로서, 깊이(d)는 좌측에서 우측으로 갈수록 감소하고, 유막 두께 변화량은 상측으로 갈수록 증가한다. 도 3으로부터, 연마 패드(100)의 홈(21)의 깊이가 작아지면 작아질수록 슬러리(300)의 유막 두께의 변화량(T)이 증가함을 알 수 있다. 도 6은 패드 마모량과 슬러리 유막 두께의 변화량과의 관계를 도시한 것이다. 도 6으로부터, 연마 패드(100)의 마모량이 증가함에 따라 상기 슬러리 유막 두께의 변화량이 증가함을 알 수 있다. 그러므로, 상기 연마 패드(100)가 마모 됨에 따라 상기 홈(21)의 깊이가 감소하고, 이에 따라 상기 슬러리 유막 두께가 증가함을 알 수 있다.

도 4는 상대속도와 슬러리 유막 두께의 변화량과의 관계를 나타낸 것이다. 도 4를 참조하면, 상기 슬러리(300)의 유막 두께의 변화량은 상대속도가 증가함에 따라 증가함을 알 수 있으며, 슬러리의 점도에 따라 상기 슬러리의 유막 두께의 변화량이 변화됨을 알 수 있다. 도 5는 상기 연마 패드(100)의 연마 시간에 대한 슬러리의 유막 두께의 변화량을 나타낸 것이다. 상기 연마 패드(100)를 이용하여 상기 웨이퍼(200)의 표면을 CMP 할 때, 컨디셔닝공정없이 180초 단위로 슬러리의 유막 두께를 측정한 것이다. 도 5로부터 소정의 연마 시간까지는 연마시간이 증가함에 따라 슬러리(300)의 유막 두께의 변화량이 증가함을 알 수 있다. 이는 상기 연마 패드(100)의 연마 시간이 증가함에 따라 홈(21)의 깊이가 감소하게 되고, 이로 인해 상기 슬러리(300)의 유막 두께의 변화량이 증가되는 것이다.

상기 연마 패드(100)는 상기 연마 패드(100)와 웨이퍼(200)가 상대운동으로 마찰할 때 필요한 양의 마찰력을 발생시키고 이들 계면으로 슬러리의 공급을 원활하게 하기 위해 적당한 표면 거칠기를 갖는 것이 바람직하며, 연마 패드 자체의 표 면 거칠기는 대략 10㎛ 이내의 범위를 갖는다. 상기 연마 패드(100)는 연마 패드(100)와 웨이퍼(200)의 계면으로 슬러리를 원할하게 공급해 주도록 표면에 홈(groove, 21)이 형성되는데, 상기 홈(21)은 최대 500㎛ 의 깊이를 갖는다. 또한, 상기 연마 패드(100)는 내부에 공동(pore)을 구비한다. 상기 공동(25)은 컨디셔닝공정에 의해 상기 연마 패드의 표면이 연마될 때, 상기 연마패드(100)의 표면에 거칠기를 제공하는데, 상기 공동(25)은 대략 80㎛ 이내의 크기를 갖는 것이 바람직하다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연마장치의 슬러리 유막 두께 측정부의 일 예에 대한 단면구조를 도시한 것이다. 도 7은 참조하면, 상기 슬러리 유막 두께 측정부(430)는 상기 웨이퍼(200)를 이동 및 유지시켜 주는 웨이퍼 운반체(carrier, 210) 및 상기 웨이퍼 운반체(210)에 하향 압력(down pressure)과 회전운동을 전달하는 상부 컬럼(222)을 구비한다. 상기 슬러리 유막 두께 측정부(430)는 상기 상부컬럼(222)과 상기 웨이퍼 운반체(210)사이의 수평을 유지시켜 주는 수단으로서, 스프링(225) 및 회전축(226)을 구비한다. 상기 슬러리 유막 두께 측정부(430)는 상기 상부 컬럼(222)과 상부 프레임(223)사이에 완충작용을 하며, 힘을 전달하는 서스펜션 스프링(224)을 더 구비한다. 상기 상부 프레임(223)은 외부 지지수단(도면상에는 도시되지 않음)에 의해 고정되어 상기 상부 컬럼(224)의 상대운동의 기준이 된다.

또한, 상기 슬러리 유막 두께 측정부(430)는 상기 웨이퍼(200)와 연마 패드(100)사이의 슬러리(300)의 유막 두께의 변화량을 측정하기 위한 센서(230)를 더 구비한다. 상기 센서(230)는 접촉식 센서로서, 상기 상부 프레임(223)에 대한 상기 상부 컬럼(222)의 상대 변위를 측정하는 센서이다. 상기 상대 변위는 상기 슬러리(300)의 유막 두께의 변화량에 따른, 상기 상부 프레임(223)에 대한 상기 상부 컬럼(222)의 상대적인 이동 거리를 의미한다. 결과적으로, 상기 상대변위는 상기 연마패드(100)와 상기 웨이퍼(200)의 계면에 수직한 방향에서, 상기 연마패드(100)에 대한 상기 웨이퍼(200)의 변위를 나타낸다. 상기 센서(230)가 상기 상부 컬럼(222)에 장착되는 것을 예시하였으나, 이에 반드시 한정되는 것은 아니며, 상기 상부 프레임(223)에 장착될 수도 있다.

본 발명의 실시예에서는, 상기 연마패드에 대한 상기 웨이퍼의 상대 변위가 상기 상부 프레임(223)에 대한 상기 상부 컬럼(222)의 이동거리로 표현되는 것으로 설명하였으나, 이에 반드시 한정되지 않으며, 상기 상부 프레임(223)에 대한 상기 웨이퍼 운반체(210) 또는 상부 컬럼(224)의 상대 변위를 기어 또는 베어링 등의 회전량으로도 표현할 수 있다. 따라서, 상기 센서(230)는 상기 상부 프레임(223)에 대한 상기 상부 컬럼(222)의 상대 변위시 발생하는 전압 또는 저항을 측정하거나 또는 거리를 측정하여 상기 슬러리(300)의 유막 두께의 변화량을 측정할 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 연마장치의 슬러리 유막 두께 측정부의 다른 예에 대한 단면구조를 도시한 것이다. 도 8을 참조하면, 상기 슬러리 유막 두께 측정부(430)는 상기 웨이퍼(200)를 이동 및 유지시켜 주는 웨이퍼 운반체(carrier, 210) 및 상기 웨이퍼 운반체(210)에 하향 압력(down pressure)과 회전운동을 전달하는 상부 컬럼(241) 그리고 상기 상부컬럼(241)과 상기 웨이퍼 운반체(210)사이에 서 완충작용을 하는 서스펜션 스프링(242)을 구비한다.

또한, 상기 슬러리 유막 두께 측정부(430)는 상기 웨이퍼(200)와 연마 패드(100)사이의 슬러리(300)의 유막 두께의 변화량을 측정하기 위한 센서(250)를 더 구비한다. 상기 센서(250)는 비접촉식 센서로서, 상기 슬러리(300)의 유막 두께의 변화량에 따른 상기 연마패드(100)에 대한 상기 웨이퍼(200)의 상대변위를 상기 상부 컬럼(241)과 상기 웨이퍼 운반체(210)간의 거리로서 측정하는 변위센서이다. 상기 센서(250)는 광, 레이저, 초음파, 전자기 방사를 이용하여 상기 상부 프레임(241)과 상기 웨이퍼 운반체(210)간의 거리를 측정하거나 또는 상기 센서(250)는 광, 레이저, 초음파, 전자기 방사의 송신기 및 수신기로 구성되어 상기 상부 컬럼(241)과 상기 웨이퍼 운반체(210)간의 거리를 측정한다. 상기 센서(250)는 상기 상부 프레임(241)에 장착되었으나, 이에 반드시 한정되는 것은 아니다.

상기 연마장치(10)는 상기 슬러리 유막 두께 측정부(430)의 센서(230)로부터 상기 슬러리(300)의 유막 두께의 변화량에 대한 데이터를 입력하여 상기 컨디셔닝소자(400) 및 상기 슬러리 유막 두께 측정부(430)를 제어하는 제어부(500)를 더 포함한다. 상기 제어부(500)는 도 9를 참조하면, 신호분석부(510), 제1모니터링부(520), 제2모니터링부(530), 콘트롤러(540) 및 표시부(550)를 구비하다.

상기 신호분석부(510)는 상기 센서(230, 250)의 출력신호를 입력하여 상기 연마패드(100)에 대한 상기 웨이퍼(200)의 상대변위를 산출하여 상기 제1모니터링부(520) 및 제2모니터링부(530)로 제공한다. 상기 제1모니터링부(520)는 상기 신호 분석부(510)로부터 제공되는 상기 연마패드(100)에 대한 상기 웨이퍼(200)의 상대 변위를 입력하여 상기 연마패드(100)와 상기 웨이퍼(200)의 계면에서의 슬러리 유막 두께의 변화량을 모니터링한다. 상기 제1모니터링부(520)는 모니터링결과 상기 연마 패드(100)의 표면 거칠기 감소에 따라 상기 슬러리(300)의 유막 두께가 증가하는 것으로 판별되면 상기 콘트롤러(540)로 제어신호(SPC)를 발생한다. 상기 제2모니터링부(530)는 상기 신호 분석부(510)로부터 제공되는 상기 연마패드(100)에 대한 상기 웨이퍼(200)의 상대변위를 입력하여 상기 연마패드(100)와 상기 웨이퍼(200)의 계면에서의 슬러리 유막 두께의 변화량을 모니터링한다. 상기 제2모니터링부(530)는 상기 연마 패드(100)의 마모에 따른 홈(21)의 깊이 감소로 인해 상기 슬러리(300)의 유막 두께가 증가하는 것으로 판별되면 상기 콘트롤러(540)로 제어신호(SPW)와 (SPS)를 발생한다.

상기 콘트롤러(540)는 상기 제1모니터링부(520)로부터 상기 제어신호(SPC)가 입력되면, 연마 패드(100)의 표면을 연마시켜 주기 위한 제어신호(CSPC)를 상기 컨디셔닝소자(400)로 제공하여 상기 컨디셔닝소자(400)가 상기 연마 패드(100)의 표면을 연마하여 표면 거칠기를 제공하도록 한다. 또한, 상기 콘트롤러(540)는 상기 제2모니터링부(520)로부터 상기 제어신호(SPW)가 제공되면, 상기 연마 패드(100)를 교체시켜 주기 위한 제어신호(CSPW)를 상기 연마패드(100)로 발생함과 동시에 연마 패드(100)의 교체를 표시하도록 상기 표시부(550)로 제어신호(CSPP)를 발생한다. 상기 표시부(550)는 상기 콘트롤러(540)로부터 제어신호(CSPP)를 입력하여 사용자에게 연마 패드(100)의 교체시기가 되었음을 표시한다. 상기 표시부(550)는 경보 표시를 하거나 또는 경보음 등을 발생하여 사용자에게 알려준다. 또한, 상기 콘트 롤러(540)는 상기 모니터링부(520)로부터 상기 제어신호(SPS)를 입력하여 상기 슬러리용기(310)로부터 상기 연마패드(100)의 표면으로 공급되는 슬러리(300)의 양을 감소시켜 준다.

도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 슬러리 유막 두께를 이용하여 연마장치의 연마 패드의 마모상태를 측정하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 10을 참조하면, 먼저, 초기상태에서의 연마패드(100)에 대한 웨이퍼(200)의 변위를 상기 센서(230 또는 250)를 측정한다(S601). CMP 공정은 상기 웨이퍼(200)를 대략 수초 동안 상기 연마 패드(100)에 대하여 약한 하향 압력과 낮은 상대속도로 회전시켜 주는 램프업(ramp-up) 단계와 일정크기이상의 하향 압력을 제공하면서 높은 상대속도로 상기 웨이퍼(200)를 회전시켜 상기 웨이퍼의 표면을 연마하는 연마(polishing)단계로 분류된다.

여기에서, 초기상태라 함은 상기 연마 패드(100)의 표면과 상기 웨이퍼(200)의 표면이 상기 슬러리(300)를 사이에 두고 접촉된 상태에서 상대운동을 하지 않는 경우 또는 상기 연마 패드(100)의 표면과 상기 웨이퍼(200)의 표면이 상기 슬러리(300)를 사이에 두고 접촉된 상태에서 저속으로 상대운동을 하는 램프업(ramp-up) 단계를 의미한다. 이때, 상기 저속의 상대운동이란 상대속도가 낮아서 상기 슬러리(300)의 유막 두께가 변화되지 않는 상태를 말하는데, 이는 슬러리(300)의 종류 및 특성에 따라 달라진다. 예를 들어, 도 4에서, Ceria 의 경우 상대속도가 대략 0.37 m/s 인 경우에는 슬러리(300)의 유막 크게 두께가 변화하지 않음을 알 수 있다. 상기 상대속도는 슬러리의 종류 및 특성 그리고 연마패드와 웨이퍼간의 계면특성 등 에 의해 달라질 수 있으므로, 상기 초기상태의 상대속도는 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 초기상태에서 상기 연마패드(100)에 대한 상기 웨이퍼(200)의 변위는 상기 연마 패드(100)와 웨이퍼(200)의 접촉 면에 대하여 수직한 방향의 변위를 측정하므로써 얻어진다. 도 7을 참조하면, 상기 웨이퍼 운반체(210)에 의해 지지되는 웨이퍼(200)의 표면과 상기 연마 패드(100)의 표면이 상기 슬러리(30)를 사이에 두고 접촉된 상태에서, 상기 상부 프레임(223)에 대한 상기 상부 컬럼(222)의 변위를 센서(230)를 통해 측정한다. 이때, 상기 변위는 상기 웨이퍼(200)와 상기 연마패드(100)의 표면이 접촉된 상태에서의 슬러리(300)의 유막 두께에 대응하는 상기 상부 프레임(223)과 상기 컬럼(222)간의 거리를 의미한다. 한편, 도 8을 참조하면, 초기상태에서 상기 웨이퍼 운반체(210)와 상기 상부 컬럼(241)간의 거리를 센서(250)를 통해 측정한다. 이때, 상기 변위는 상기 웨이퍼(200)와 상기 연마패드(100)의 표면이 접촉된 상태에서 상기 접촉면에 수직한 방향에서의 슬러리(300)의 유막 두께에 대응하는 상기 상부 컬럼(241)과 상기 웨이퍼 운반체(210)간의 거리를 의미한다.

상기 슬러리 유막 두께 측정부(430)의 센서(230 또는 250)의 출력신호는 상기 제어부(500)의 신호 분석부(510)로 제공된다. 상기 신호분석부(510)는 상기 센서(230 또는 250)의 출력신호를 분석하여 초기상태에서의 상기 연마패드(100)에 대한 상기 웨이퍼(200)의 변위를 산출하여 제2모니터링부(530)로 제공한다. 상기 제2모니터링부(530)는 상기 연마 패드(100)의 교체시기를 결정하기 위한 상기 슬러리(300)의 기준 유막 두께범위를 설정한다(S602). 상기 센서(230 또는 250)를 이용 하여 상기 초기상태에서의 웨이퍼의 변위를 측정하는 동작과 슬러리(300)의 기준 유막 두께범위를 설정하는 동작은 순서가 서로 변경될 수도 있다.

이어서, 연마(polishing) 단계를 수행하는데, 상기 웨이퍼(200)와 상기 연마패드(100)의 표면이 슬러리(300)를 사이에 두고 접촉된 상태에서 상기 웨이퍼(200)와 상기 연마패드(100)가 고속으로 상대운동을 한다. 연마 공정중 상기 연마패드(100)에 대한 상기 웨이퍼(200)의 변위를 상기 센서(230 또는 250)을 이용하여 측정한다(S603). 상기 웨이퍼(200)의 변위는 상기 웨이퍼(200)와 상기 연마 패드(100)사이의 슬러리(300)의 유막 두께 변화에 대한 변위를 나타낸다. 도 7을 참조하면, 연마공정중 상기 슬러리(300)의 유막 두께의 변화량은 상기 연마패드(200)와 상기 웨이퍼의 접촉면에 대하여 수직한 방향에서 상기 상부 프레임에 대한 상기 상부 컬럼(222)의 변위로 나타난다. 연마 공정을 수행하게 되면 상기 연마패드(100)의 홈(21)의 깊이가 감소하게 되고, 상기 홈(21)의 깊이 감소로 상기 슬러리(300)의 유막 두께(T)는 증가하게 된다. 이러한 슬러리(300)의 유막 두께의 증가는 상기 상부 프레임(223)에 대한 상기 상부 컬럼(222)의 거리를 변화시켜 준다. 한편, 도 8을 참조하면, 상기 슬러리(300)의 유막 두께의 변화량은 상기 상부 컬럼(241)과 상기 웨이퍼 운반체(210)간의 거리를 변화시켜 준다. 따라서, 연마패드(100)의 마모에 따른 홈(21)의 깊이 감소로 상기 웨이퍼(200)와 상기 연마패드(100)사이의 슬러리(300)의 유막 두께가 변화되고, 유막 두께의 변화량은 상기 상부 컬럼(241)과 상기 웨이퍼 운반체(210)간의 변위로 나타난다.

상기 연마공정중 측정된 상기 연마패드(100)에 대한 상기 웨이퍼(200)의 변 위와 상기 초기상태에서의 상기 웨이퍼(200)의 변위를 비교하여 슬러리(300)의 유막두께의 변화량을 산출한다(S604). 산출된 유막 두께의 변화량이 상기 설정된 기준 유막 두께 범위를 벗어났는가를 판별한다(S605). 판별결과(S605), 산출된 유막두께의 변화량이 기준 유막 두께범위를 벗어난 경우에는 제2모니터링부(530)는 상기 콘트롤러(540)로 상기 측정된 슬러리 유막 두께의 변화량이 기준 유막 두께범위를 벗어났음을 나타내는 제어신호(SPW)를 발생한다. 따라서, 콘트롤러(540)는 상기 표시부(550)에 연마 패드(100)의 교체시기를 알리는 제어신호(CSPP)와 상기 연마 패드(100)로 연마정지를 위한 제어신호(SCPW)를 발생한다. 따라서, 표시부(550)는 연마 패드의 교체시기를 사용자에게 경고 표시 또는 경고음 등을 이용하여 표시하고(S606), 상기 연마 패드(100)는 연마동작을 정지하여 사용자가 연마 패드(100)를 교체하게 된다(S607).

한편, 판별결과(S606), 상기 슬러리(300)의 산출된 유막 두께의 변화량이 기준 유막 두께범위를 벗어나지 않은 경우에는 S603 단계로 가서 계속하여 상기 연마패드(100)와 상기 웨이퍼(200)의 계면에서의 슬러리의 유막두께 변화량을 계속 측정하게 된다. 상기한 바와같은 본 발명의 슬러리의 유막 두께 변화량을 이용하여 상기 연마패드의 마모를 측정하는 방법은 웨이퍼 1매의 매 CMP 공정마다 수행되는데, 램프업 단계에서 슬러리의 초기 유막두께를 측정한 다음 연마단계에서 슬러리의 유막 두께의 변화량을 측정하고, 측정된 유막 두께 변화량을 이용하여 연마패드의 마모정도를 판별하여 연마패드의 교체시기를 결정하는 것이다.

도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 슬러리 유막두께의 변화량을 이용하여 연마패드의 마찰을 측정하는 방법을 설명하기 위한 공정도이다. 도 11을 참조하면, 먼저, 초기상태에서의 연마패드(100)에 대한 웨이퍼(200)의 변위를 측정한다(S701). 도 7에 도시된 센서(230) 또는 도 8에 도시된 센서(250)를 이용하여 상기 연마 패드(100)와 웨이퍼(200)의 접촉 면에 대하여 수직한 방향에서 상기 연나패드(100)에 대한 웨이퍼(200)의 변위를 측정한다. 상기 신호 분석부(510)는 상기 센서(230 또는 250)의 출력신호를 입력하여 초기상태에서의 상기 웨이퍼(200)의 변위를 산출하여 상기 제1모니터링부(520)로 제공한다. 상기 제1모니터링부(520)는 상기 연마 패드(100)의 표면에 일정한 표면 거칠기를 제공하기 위한 연마 패드(100)의 컨디셔닝 조건을 설정한다(S702). 상기 센서(230 또는 250)를 이용하여 상기 초기상태에서의 웨이퍼의 변위를 측정하는 동작과 컨디셔닝조건을 설정하는 동작은 순서가 서로 변경될 수도 있다.

이어서, 연마(polishing) 단계에서, 상기 웨이퍼(200)와 상기 연마패드(100)의 표면이 슬러리(300)를 사이에 두고 접촉된 상태에서 상기 웨이퍼(200)와 상기 연마패드(100)가 고속으로 상대운동을 한다. 연마 공정중 상기 웨이퍼(200)와 상기 연마 패드(100)사이의 슬러리(300)의 유막 두께에 따른 상기 연마패드(100)에 대한 상기 웨이퍼(200)의 변위를 상기 센서(230 또는 250)를 이용하여 측정한다(S703). 상기 센서(230 또는 250)의 출력은 신호분석부(510)를 통해 분석되어 상기 제1모니터링부(520)로 제공된다. 상기 제1모니터링부(520)는 상기 연마공정중 측정된 웨이퍼의 상대변위를 상기 초기상태에서의 웨이퍼의 변위와 비교하여 유막두께의 변화량을 산출한다(S704). 제1모니터링부(520)는 상기 산출된 유막 두께 변화량으로부 터 연마패드(100)의 표면이 컨디셔닝이 필요한 상태인가를 판별한다(S705).

705 단계에서 판별결과, 연마패드(100)의 표면이 컨디셔닝이 필요한 상태인 경우에는 즉, 상기 유막두께의 변화량이 상기 컨디셔닝조건을 벗어난 경우에는, 연마패드의 컨디셔닝을 요구하는 제어신호(SPC)를 발생한다. 따라서, 상기 콘트롤러(540)는 상기 제1모니터링부(520)로부터 제공되는 제어신호(SPC)를 입력하여 상기 컨디셔닝소자(400)를 제어하기 위한 제어신호(CSPC)를 발생한다. 따라서, 상기 켠디셔닝소자(400)는 상기 제어신호(CSPC)에 응답하여 상기 연마패드(100)의 표면을 연마하여 표면 거칠기를 형성하도록 한다(S706). 705단계에서 판별결과 연마패드(100)의 표면이 컨디셔닝이 필요한 상태가 아니거나 또는 S706의 컨디셔닝단계를 수행한 다음에는 다시 S703 단계로 가서 연마단계에서의 슬러리 유막두께를 측정한다.

연마패드(100)는 표면 거칠기가 감소하면 마찰력이 감소하고, 그에 따라 웨이퍼의 막질 제거능력이 저하되는데, 본 발명에서는 CMP 공정중 슬러리 유막 두께 변화량을 측정하고, 측정된 변화량을 이용하여 연마패드의 컨디셔닝공정을 수행하므로써, 컨디셔닝시간을 최소화하고 컨디셔닝공정의 시작 및 종료를 최적화시켜 줄 수 있다. 상기에서는 컨디셔닝조건이 램프업단계에서 설정되면, 연마공정이 완료될 때까지 변화하지 않는 것으로 예시하였으나, 컨디셔닝공정이 수행된 다음 필요에 따라 단계 S702로 가서 연마패드의 마찰상태에 따라 컨디셔닝공정을 중단하거나 컨디셔닝조건을 가변시키면서 연마공정을 수행하는 것도 가능하다. 이로써, 컨디셔닝 헤드의 회전속도 및 컨디셔닝헤드에 가해지는 힘 등을 실시간으로 조절하므로써, 연마패드의 마모량을 최소화하여 컨디셔닝공정을 최적화시켜 준다.

도 12는 본 발명의 제3실시예에 따른 슬러리 유막두께 변화량을 이용하여 CMP 공정에서 공급되는 슬러리량을 콘트롤하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 12는 연마 패드의 마모상태에 따른 슬러리 유막 두께의 변화량을 측정하고, 측정된 변화량에 따라 슬러리 용기(310)로부터 연마패드(100)의 표면으로 공급되는 슬러리(300)의 양을 콘트롤하기 위한 방법이다. 도 12를 참조하면, 먼저, 초기상태에서의 연마패드(100)에 대한 웨이퍼(200)의 변위를 측정한다(S801). 상기 슬러리 유막 두께 측정부(430)의 센서(230 또는 250)의 출력신호는 상기 제어부(500)의 신호 분석부(510)로 제공된다. 상기 신호 분석부(510)는 상기 센서(230 또는 250)의 출력신호를 분석하여 초기상태에서의 슬러리 유막 두께에 상응하는 상기 연마패드(100)에 대한 상기 웨이퍼(200)의 변위를 산출하여 제2모니터링부(530)로 제공한다. 상기 제2모니터링부(530)는 상기 슬러리(300)의 기준 유막 두께범위를 설정한다(S802). 상기 기준 유막 두께범위는 상기 슬러리용기(310)로부터 연마 패드(100)의 표면으로 공급되는 슬러리양을 조절하기 위한 값이다. 상기 센서(230 또는 250)를 이용하여 상기 초기상태에서의 웨이퍼의 변위를 측정하는 동작과 슬러리(300)의 기준 유막 두께범위를 설정하는 동작은 순서가 서로 변경될 수도 있다.

이어서, 연마(polishing)에서 상기 웨이퍼(200)와 상기 연마패드(100)의 표면이 슬러리(300)를 사이에 두고 접촉된 상태에서 상기 웨이퍼(200)와 상기 연마패드(100)가 고속으로 상대운동을 한다. 연마 공정중 상기 웨이퍼(200)와 상기 연마 패드(100)사이의 슬러리(300)의 유막 두께에 상응하는, 상기 연마패드(100)에 대한 상기 웨이퍼(200)의 변위를 상기 센서(230 또는 250)를 이용하여 측정한다(S803). 상기 연마공정중 측정된 웨이퍼의 변위와 초기상태에서의 웨이퍼의 변위를 비교하여 유막두께의 변화량을 산출한다(S804). 산출된 유막 두께의 변화량을 상기 설정된 기준 유막 두께 범위를 벗어났는가를 판별한다(S805).

S805단계에서 판별결과, 산출된 유막두께의 변화량이 기준 유막 두께범위를 벗어난 경우에는 제2모니터링부(530)는 상기 콘트롤러(540)로 상기 측정된 슬러리 유막 두께의 변화량이 슬러리 공급을 위한 기준 유막 두께범위를 벗어났음을 나타내는 제어신호(SPS)를 발생한다. 따라서, 콘트롤러(540)는 상기 슬러리용기(310)로 슬러리(300)의 공급량을 감소시키기 위한 제어신호(SCPS)를 발생한다. 따라서, 슬러리용기(310)로부터 상기 연마패드(100)의 표면으로 공급되는 슬러리(300)의 양은 감소된다. S805단계에서 판별결과, 산출된 유막두께의 변화량이 기준 유막 두께범위를 벗어나지 않은 경우에는 상기 슬러리용기(310)로부터 연마패드(100)의 표면으로 공급되는 슬러리(300)의 양은 그대로 유지되고, S803단계로 가서 연마공정중의 슬러리 유막 두께를 측정하게 된다.

본 발명의 실시예에서는 슬러리 유막 두께의 변화량을 측정하여 연마패드(100)와 웨이퍼(200)의 계면에 존재하는 슬러리(300)의 양이 과다한 경우에는 연마패드(100)로 공급되는 슬러리의 양을 조절하여 줌으로써, CMP 공정에서 소모되는 슬러리의 양을 최소화시켜 줄 수 있다. 한편, 유막두께 변화량에 따라 슬러리양을 감소시켜 주는 것만 예시하였으나, 상기 기준두께 유막범위를 다양하게 설정하여 유막 두께 변화량에 따라 슬러리양을 증감시켜 주는 것도 가능하다.

도 13은 명의 제4실시예에 따른 슬러리 유막 두께의 변화량을 이용하여 연마패드의 마모 및 컨디셔닝상태 그리고 슬러리량의 조절을 일괄적으로 수행하는 CMP 방법을 설명하기 위한 공정순서도이다. 도 13을 참조하면, 초기상태에서의 연마패드(100)에 대한 웨이퍼(200)의 변위를 센서(230 또는 250)을 이용하여 측정하고, 상기 신호분석부(510)는 상기 센서(230 또는 250)의 출력신호를 입력하여 초기상태에서의 웨이퍼의 변위를 산출한다(S901). 제2모니터링부(530)는 연마패드 교체를 위한 제1기준 유막 두께범위를 설정하고(S902), 연마패드(100)로 공급되는 슬러리(300)의 양을 콘트롤하기 위한 제2기준 유막두께 범위를 설정한다(S903). 한편, 제1모니터링부(520는 컨디셔닝조건을 설정한다(S904).

상기 웨이퍼(200)와 상기 연마패드(100)의 표면이 슬러리(300)를 사이에 두고 접촉된 상태에서 상기 웨이퍼(220)와 상기 연마패드(100)가 고속으로 상대운동을 하여 연마공정을 수행한다. 연마공정중 상기 웨이퍼(200)와 상기 연마 패드(100)사이의 슬러리(300)의 유막 두께에 상응하는 상기 웨이퍼의 변위를 상기 센서(230 또는 250)을 이용하여 측정한다(S905). 상기 연마공정중 측정된 웨이퍼의 변위와 상기 초기상태에서의 웨이퍼의 변위를 비교하여 연마패드(100)의 마모에 따른 유막두께 변화량을 산출한다(S906). 상기 산출된 유막 두께 변화량이 연마패드의 교체시기를 결정하는 제1기준 유막 두께 범위를 벗어났는가를 판별한다(S907). S907 단계에서 판별결과, 측정된 유막 두께의 변화량이 제1기준 유막 두께범위를 벗어난 경우에는 제2모니터링부(530)는 상기 콘트롤러(540)로 상기 측정된 유막 두께 변화량이 제1기준 유막 두께 범위를 벗어났음을 나타내는 제어신호(SPW)를 발생 한다. 따라서, 콘트롤러(540)는 상기 표시부(550)에 연마 패드(100)의 교체시기를 알리는 제어신호(CSPP)와 상기 연마 패드(100)로 연마정지를 위한 제어신호(SCPW)를 발생한다. 따라서, 표시부(550)는 연마 패드의 교체시기를 사용자에게 경고 표시 또는 경고음등을 이용하여 표시하고(S908), 상기 연마 패드(100)는 연마동작을 정지하여 사용자가 연마 패드(100)를 교체하게 된다(S909).

한편, S907단계에서 판별결과, 측정된 유막 두께 변화량이 제1기준 유막 두께 범위를 벗어나지 않은 경우에는 유막 두께 변화량에 대응하는 연마패드(100)의 표면이 컨디셔닝이 필요한 상태인가를 판별한다(S910). 단계 910에서 판별결과, 연마패드의 표면이 컨디셔닝이 필요한 상태인 경우에는 제1모니터링부(520)는 상기 콘트롤러(540)로 상기 연마 패드(100)의 표면에 대한 컨디셔닝을 요구하는 제어신호(SPC)를 콘트롤러(540)로 출력한다. 상기 콘트롤러(540)는 상기 컨디셔닝소자(400)로 제어신호(CSPC)를 발생하여 상기 연마패드(100)를 연마하여 표면 거칠기를 형성하도록 한다(S911).

상기 S910 단계에서 판별결과, 연마패드(100)의 표면이 컨디셔닝이 상태가 아닌 경우에는, 측정된 유막 두께 변화량이 슬러리 공급량을 조절하기 위한 제2기준 유막 두께범위내에 있는가를 판별한다(S912). S912단계에서 판별결과, 상기 측정된 유막 두께 변화량이 제2기준 유막 두께범위를 벗어난 경우에는 상기 슬러리 용기(310)로부터 상기 연마패드(100)의 표면으로 공급되는 상기 슬러리(300)의 양을 감소시켜 준다(S913). 상기 S912단계에서 판별결과, 상기 측정된 유막 두께 변화량이 제2기준 유막 두께범위내에 있는 경우에는 S905단계로 가서 연마패드(100) 와 웨이퍼(200)간의 슬러리(300)의 유막 두께를 다시 측정하게 된다.

본 발명의 실시예에서는, 연마패드의 마모상태, 연마패드의 컨디셔닝상태 그리고 슬러리량을 판별하는 단계로 진행되었으나, 이에 반드시 한정되는 것은 아니다. 또한 본 발명은 슬러리 유막 두께의 변화량을 이용하여 연마 패드의 마모를 측정하는 방법, 연마패드의 마찰을 측정하는 방법 및 슬러리의 공급량을 조절하는 방법이 별개로 수행되거나 또는 동시에 수행되는 것을 예시하였으나, 이에 반드시 한정되는 것은 아니다. 상기 3가지 방법중 임의 2가지 방법을 조합하여 실시하는 것도 가능하다.

이상에서 자세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 CMP공정에서 지속적으로 진행되는 연마패드의 마모상태를 슬러리의 유막 두께의 변화량을 측정하여 모니터링하여 교체시켜 줌으로써, 정확한 연마패드의 교체 필요시점을 알 수 있어 연마 공정의 결과 산포를 개선할 수 있다. 또한 사용주기동안 지속적으로 진행되는 연마패드의 마모를 모니터링하여 공정을 안정화시키고 또한 연마패드를 효율적으로 사용할 수 있다.

한편, 연마패드의 표면 거칠기에 대한 슬러리 유막 두께의 변화량을 검출하여 컨디셔닝 공정을 제어함으로써, 컨디셔닝공정을 최적화하고, 연마패드의 마모를 감소시켜 줄 수 있다. 또한, 슬러리 유막 두께의 변화량을 측정하여 연마패드와 웨이퍼의 계면에 존재하는 슬러리의 양을 콘트롤하므로써, CMP 공정중에 소모되는 슬러리의 양을 최소화할 수 있다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형이 가능하다.

Claims

초기상태에서 웨이퍼와 연마 패드의 계면에서의 슬러리의 유막 두께에 상응하는, 상기 연마 패드에 대한 상기 웨이퍼의 변위를 측정하는 단계;

상기 연마패드의 교체시기를 결정하기 위한 기준 유막두께 범위를 설정하는 단계;

상기 연마 패드로 상기 웨이퍼의 표면을 연마하는 도중, 상기 웨이퍼와 상기 연마 패드의 계면에서의 슬러리의 유막 두께에 상응하는, 상기 연마패드에 대한 상기 웨이퍼의 변위를 측정하는 단계;

상기 연마도중 상기 측정된 웨이퍼의 변위와 상기 초기상태에서의 상기 웨이퍼의 변위를 비교하여, 상기 슬러리의 유막두께 변화량을 산출하는 단계; 및

상기 유막두께 변화량이 상기 기준 유막 두께범위를 벗어난 경우에는 상기 연마 패드를 교체하는 단계를 포함하는 연마 패드의 마모 측정방법.
제1항에 있어서, 상기 초기상태는 상기 연마 패드와 웨이퍼가 이들의 상기 계면사이의 슬러리 유막 두께가 일정하게 유지되는 조건으로 상대운동하는 상태이고,

상기 연마공정은 상기 연마 패드와 상기 웨이퍼가 이들의 상기 계면사이의 상기 슬러리 유막 두께가 변하게 되는 조건으로 상대운동을 하는 상태인 것을 특징으로 하는 연마 패드의 마모 측정방법.
제1항에 있어서, 상기 초기상태에서의 상기 웨이퍼의 변위는 접촉식 또는 비접촉식으로 측정하고, 상기 연마공정 도중 상기 웨이퍼의 변위는 접촉식 또는 비접촉식으로 측정하는 것을 특징으로 하는 연마 패드의 마모 측정방법.
초기상태에서 웨이퍼와 연마 패드의 계면에서의 슬러리의 유막 두께에 상응하는, 상기 연마 패드에 대한 상기 웨이퍼의 변위를 측정하는 단계;

상기 슬러리의 공급량을 조절하기 위한 기준 유막두께 범위를 설정하는 단계;

상기 연마 패드로 상기 웨이퍼의 표면을 연마하는 도중, 상기 웨이퍼와 상기 연마 패드의 계면에서의 슬러리의 유막 두께에 상응하는, 상기 연마패드에 대한 상기 웨이퍼의 변위를 측정하는 단계;

상기 연마도중 상기 측정된 웨이퍼의 변위와 상기 초기상태에서의 상기 웨이퍼의 변위를 비교하여, 유막두께 변화량을 산출하는 단계; 및

상기 유막두께 변화량이 상기 기준 유막 두께범위를 벗어난 경우에는 상기 연마 패드로 공급되는 상기 슬러리의 양을 조절하는 단계를 포함하는 화학 기계적 연마공정중 슬러리 양 조절방법.
제4항에 있어서, 상기 초기상태는 상기 연마 패드와 웨이퍼가 이들의 상기 계면사이의 슬러리 유막 두께가 일정하게 유지되는 조건으로 상대운동하는 상태이 고,

상기 연마공정은 상기 연마 패드와 상기 웨이퍼가 이들의 상기 계면사이의 상기 슬러리 유막 두께가 변하게 되는 조건으로 상대운동을 하는 상태인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마공정중 슬러리 양 조절방법.
제4항에 있어서, 상기 초기상태에서의 상기 웨이퍼의 변위는 접촉식 또는 비접촉식으로 측정하고, 상기 연마공정 도중 상기 웨이퍼의 변위는 접촉식 또는 비접촉식으로 측정하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마공정중 슬러리 양 조절방법.
초기상태에서 웨이퍼와 연마 패드의 계면에서의 슬러리의 유막 두께에 상응하는, 상기 연마 패드에 대한 상기 웨이퍼의 변위를 측정하는 단계;

상기 연마패드의 컨디셔닝조건을 설정하는 단계;

상기 연마 패드로 상기 웨이퍼의 표면을 연마하는 도중, 상기 웨이퍼와 상기 연마 패드의 계면에서의 슬러리의 유막 두께에 상응하는, 상기 연마패드에 대한 상기 웨이퍼의 변위를 측정하는 단계;

상기 연마도중 상기 측정된 웨이퍼의 변위와 상기 초기상태에서의 상기 웨이퍼의 변위를 비교하여, 유막두께 변화량을 산출하는 단계; 및

상기 유막두께 변화량에 대응하는 상기 연마패드의 표면이 상기 컨디셔닝조건을 벗어난 경우, 상기 연마패드의 표면을 컨디셔닝하는 단계를 포함하는 연마 패 드의 마찰 측정방법.
제7항에 있어서, 상기 유막두께 변화량에 대응하여 실시간으로 상기 연마패드의 표면의 컨디셔닝 조건을 가변시키며 컨디셔닝을 실행하는 단계를 포함하는 연마 패드의 마찰 측정방법.
제7항에 있어서, 상기 유막두께 변화량이 상기 컨디셔닝조건을 벗어난 경우에는 상기 연마 패드로 공급되는 상기 슬러리의 양을 증가 또는 감소시키는 단계를 포함하는 연마 패드의 마찰 측정방법.
제7항에 있어서, 상기 초기상태는 상기 연마 패드와 웨이퍼가 이들의 상기 계면사이의 슬러리 유막 두께가 일정하게 유지되는 조건으로 상대운동하는 상태이고,

상기 연마공정은 상기 연마 패드와 상기 웨이퍼가 이들의 상기 계면사이의 상기 슬러리 유막 두께가 변하게 되는 조건으로 상대운동을 하는 상태인 것을 특징으로 하는 연마 패드의 마찰 측정방법.
제7항에 있어서, 상기 초기상태에서의 상기 웨이퍼의 변위는 접촉식 또는 비접촉식으로 측정하고, 상기 연마공정 도중 상기 웨이퍼의 변위는 접촉식 또는 비접촉식으로 측정하는 것을 특징으로 하는 연마 패드의 마찰 측정방법.
초기상태에서 웨이퍼와 연마 패드의 계면에서의 슬러리의 유막 두께에 상응하는, 상기 연마 패드에 대한 상기 웨이퍼의 변위를 측정하는 단계;

상기 연마패드의 교체시기를 결정하기 위한 제1기준 유막두께 범위를 설정하는 단계;

상기 슬러리의 공급량을 조절하기 위한 제2기준 유막두께 범위를 설정하는 단계;

상기 연마패드의 컨디셔닝조건을 설정하는 단계;

상기 연마 패드로 상기 웨이퍼의 표면을 연마하는 도중, 상기 웨이퍼와 상기 연마 패드의 계면에서의 슬러리의 유막 두께에 상응하는, 상기 연마패드에 대한 상기 웨이퍼의 변위를 측정하는 단계;

상기 연마도중 상기 측정된 웨이퍼의 변위와 상기 초기상태에서의 상기 웨이퍼의 변위를 비교하여, 유막두께 변화량을 산출하는 단계;

상기 유막두께 변화량이 상기 제1기준 유막 두께범위를 벗어난 경우에는 상기 연마패드를 교체하는 단계;

상기 유막두께 변화량에 대응하는 상기 연마패드의 표면이 상기 컨디셔닝조건을 벗어나는 경우에는 상기 연마패드의 표면을 컨디셔닝하는 단계; 및

상기 유막두께 변화량이 상기 제2기준 유막 두께범위를 벗어난 경우에는 상기 연마 패드로 공급되는 상기 슬러리의 양을 조절하는 단계를 포함하는 화학 기계적 연마방법.
제12항에 있어서, 상기 초기상태는 상기 연마 패드와 웨이퍼가 이들의 상기 계면사이의 슬러리 유막 두께가 일정하게 유지되는 조건으로 상대운동하는 상태이고,

상기 연마공정은 상기 연마 패드와 상기 웨이퍼가 이들의 상기 계면사이의 상기 슬러리 유막 두께가 변하게 되는 조건으로 상대운동을 하는 상태인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마방법.
제12항에 있어서, 상기 초기상태에서의 상기 웨이퍼의 변위는 접촉식 또는 비접촉식으로 측정하고, 상기 연마공정 도중 상기 웨이퍼의 변위는 접촉식 또는 비접촉식으로 측정하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마방법.
제14항에 있어서, 상기 유막두께 변화량에 대응하여 실시간으로 상기 연마패드의 표면의 컨디셔닝 조건을 가변시키며 컨디셔닝을 실행하는 단계를 포함하는 연마 패드의 마찰 측정방법.
제14항에 있어서, 상기 유막두께 변화량이 상기 컨디셔닝조건을 벗어난 경우에는 상기 연마 패드로 공급되는 상기 슬러리의 양을 증가 또는 감소시키는 단계를 포함하는 연마 패드의 마찰 측정방법.
테이블에 의해 지지되고, 웨이퍼의 표면과 접촉되는 표면을 갖으며, 상기 표면에 일정 깊이의 홈을 구비하는 연마 패드;

상기 웨이퍼를 이동 및 유지하는 웨이퍼 운반체;

상기 웨이퍼와 상기 연마 패드의 상기 표면의 계면사이의 슬러리 유막 두께의 변화량을 측정하기 위한 슬러리 유막 두께 측정부;

상기 연마패드의 상기 표면을 연마시켜 상기 표면에 거칠기를 제공하기 위한 컨디셔닝 소자; 및

상기 슬러리 유막 두께 측정부에 측정된 상기 슬러리 유막 두께의 변화량에 응답하여, 상기 슬러리 유막 두께 측정부, 상기 컨디셔닝소자 및 상기 연마패드를 제어하는 제어부를 포함하는 반도체 웨이퍼 연마 장치.
제17항에 있어서, 상기 슬러리 유막 두께 측정부는

고정 프레임;

상기 고정 프레임에 대해, 상기 웨이퍼와 상기 연마 패드의 상기 계면에서의 상기 슬러리 유막 두께에 따른 변위를 발생하는 상부 컬럼;

상기 고정 프레임과 상기 상부 컬럼간의 힘을 전달하는 서스펜션 스프링;

고정 프레임에 대한 상기 상부 컬럼의 변위를 측정하여 상기 슬러리 유막 두께 변화량을 측정하는 센서; 및

상기 상부컬럼과 상기 웨이퍼 운반체사이의 수평을 유지시켜 주는 스프링 및 회전축을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 연마장치.
제18항에 있어서, 상기 센서는 접촉식 센서로서, 상기 상부 컬럼 또는 상기 고정 프레임에 장착되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 연마장치.
제17항에 있어서, 상기 슬러리 유막 두께 측정부는

상부 컬럼;

상기 상부 컬럼과 상기 반도체 운반체사이를 완충시키는 서스펜션 스프링; 및

상기 상부컬럼과 상기 웨이퍼 운반체간의 거리를 측정하여 상기 슬러리 유막 두께 변화량을 측정하는 센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 연마장치.
제20항에 있어서, 상기 센서는 비접촉식 센서를 포함하며, 상기 상부 컬럼에 장착되는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 연마장치.
제17항에 있어서, 상기 제어부는

상기 슬러리 유막 두께 측정부의 출력신호를 입력하여, 상기 연마패드에 대한 상기 웨이퍼의 변위를 분석하는 신호 분석부;

상기 신호 분석부의 출력신호를 모니터링하여 상기 연마패드의 컨디셔닝을 제어하기 위한 제1신호를 발생하는 제1모니터링부;

상기 신호 분석부의 출력신호를 모니터링하여 상기 연마패드의 교체를 제어하기 위한 제2신호와 슬러리 용기로부터 상기 연마패드로 공급되는 상기 슬러리의 량을 제어하기 위한 제3신호를 발생하는 제2모니터링부;

상기 연마 패드의 교체시기를 표시하는 표시부; 및

상기 제1모니터링부로부터 상기 제1신호를 입력하여 상기 컨디셔닝소자를 제어하는 제1제어신호를 출력하고, 상기 제2모니터링부로부터 제2신호를 입력하여 상기 연마 패드를 제어하기 위한 제2제어신호 및 상기 표시부를 제어하기 위한 제3제어신호 그리고 상기 슬러리 용기를 제어하는 제4제어신호를 콘트롤러를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼 연마 장치.