KR101107837B1 - 기판 표면에 대해 차분 제거율을 적용하는 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

반도체 프로세싱 시스템이 제공된다. 본 시스템은 기판 표면 상에 배치된 막의 두께를 나타내는 신호를 검출하도록 구성된 센서를 포함한다. 연마 패드 표면으로 제1 유체를 공급하도록 구성된 제1 노즐이 포함된다. 또한 이 제1 노즐로부터의 상류에 위치한 유체 제한 장치가 제공된다. 유체 제한 장치는 연마 패드 표면 위에 슬러리를 고르게 분포시키도록 구성된다. 이 유체 제한 장치로부터의 상류에 위치한 제2 노즐이 포함된다. 제 2 노즐은 고르게 분포된 슬러리에 제2 유체를 공급하도록 구성된다. 기판의 표면에 차분 제거율을 적용하기 위한 CMP 시스템 및 방법이 또한 제공된다.
차분 제거율, 평탄화, CMP 시스템, 기판, 반도체, 막 두께, 노즐, 유체 제한 장치, 연마 패드.

Description

기판 표면에 대해 차분 제거율을 적용하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR APPLYING DIFFERENTIAL REMOVAL RATES TO A SURFACE OF A SUBSTRATE}
본 발명은 일반적으로 반도체 제조에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 웨이퍼 프로세싱 과정 중의 프로세스 제어를 위한 인라인 측정 기술(in-line metrology)에 관한 것이다.
반도체 제조 공정 중에 프로세싱 동작들 중에 있는 기판의 피쳐 (feature) 를 측정할 많은 기회가 존재한다. 이와 같은 기판의 대부분의 피쳐는 피쳐를 나타내는 신호를 획득함으로써 결정될 수 있다. 예를 들어서, 레이저 간섭계 (laser interferometry), 광 방출 (optical emission) 등을 이용하는 다양한 종단점 (end point) 결정 방법들이 이용가능하다. 그러나, 피쳐들의 사이즈, 특히 반도체의 제조에 사용되는 막(film)의 두께가 감소됨에 따라, 피쳐를 나타내는 신호들이 어떤 상황에서는 검출 불가능하게 된다. 예를 들어서, 와전류 (eddy current) 센서가 흔히 변위, 근접도 및 막 두께 측정을 위해 사용된다. 여기서, 와전류 센서는 측정하고자 하는 대상에 근접한 테스트 코일의 변동하는 전자장에 의한 시료에서의 전류의 유도에 기초한다. 전자장의 변화는 코일을 통해 흐르는 교류 전류의 통과의 결과로서 형성된다. 전자장의 변화는 와전류를 발생시키고, 발생된 와전류는 인가한 전자장을 교란시키고 코일의 인덕턴스(inductance)를 변화시키게 된다.
도1은 와전류 센서가 작동하는 원리를 간략히 설명하는 도면이다. 도전체(102)에 근접한 코일(100)을 통해 교류 전류가 흐르게 된다. 코일에 발생하는 전자장은 도전체(102)에 와전류(104)를 유기하게 된다. 그 결과, 와전류의 크기와 위상은 코일에 부하 효과(loading effect)를 발생시키게 된다. 따라서, 코일의 임피던스(impedance)가 와전류에 의해 영향을 받게 된다. 이와 같은 와전류의 영향은 도전체(102)의 근접 정도 뿐만 아니라 도전체(102)의 두께를 감지하기 위해 측정된다. 거리(106)가 코일(100)에 대한 와전류(104)의 효과에 영향을 미치고, 따라서, 만일 도전체(102)가 움직이는 경우, 코일(100)에 대한 와전류의 영향을 모니터하는 센서로부터의 신호 또한 변화할 것이다.
막의 두께를 측정하는데 와전류 센서를 사용하고자 하는 시도는 제한된 성공을 가져왔었다. 와전류 센서로부터의 신호는 막의 두께와, 기판의 센서까지의 거리에 민감하기 때문에 해결되어야 할 두 가지 문제가 있다. 도2a는 화학 기계적 평탄화(chemical mechanical planarization; CMP) 공정 중에 웨이퍼의 두께를 측정하기 위하여 와전류 센서를 구비하고 있는 웨이퍼 캐리어를 나타낸 개략도이다. 웨이퍼 캐리어(108)는 와전류 센서(110)를 구비하고 있다. CMP 공정 중에 캐리어(108)의 캐리어 막(112)에 의해 지지되는 웨이퍼(114)는 웨이퍼의 표면을 평탄화하기 위하여 패드(116)에 맞대어져 가압된다. 패드(116)는 스테인레스 스틸 후방판(stainless steel backing; 118)에 의해 지지된다.
삭제
도2a에 도시된 종래 기술의 단점 중 하나는 캐리어 막의 두께 변동인데, 예컨데 0.020 인치 두께의 캐리어 막은 시료에 따라 0.006 인치까지의 오차를 낼 수 있다. 프로세스 조건, 특히 웨이퍼 하중으로 인한 캐리어 막의 압축(compression)은 센서와 메탈 층 사이의 거리에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 캐리어 막의 두께 편차 및 프로세스 조건의 변동 등은 웨이퍼와 센서 사이의 거리에 있어서 실질적인 변동을 유발하게 된다. 따라서, 웨이퍼와 센서 사이의 거리에 영향을 미치는 모든 변수를 교정(calibration)하기가 상당히 어려워지고, 이는 결국 센서의 두께 측정에 영향을 미친다. 종래 기술의 또 다른 단점은 흔히 제3 객체 효과(third body effect)라 부르는 소위 측정되는 도전 물질로부터 떨어져 있는 또 다른 도전 물질의 존재로 인한 영향이다. 만일 도전층의 두께가 소위 표피 깊이(skin depth)보다 작을 경우, 코일에서 발생되는 전자장은 충분히 내부로 투과 흡수되지 못하고 그 일부가 도2a의 패드(116)의 스테인레스 스틸 후방판(118)을 통과하게 된다. 그러면, 전자장은 스테인레스 스틸 벨트 내에 와전류를 추가로 발생시키게 될 것이고, 그 결과 와전류 센서로부터의 전체 신호에 기여하는 효과가 발생한다.
더욱이, 패드는 사용함에 따라 마모되거나 부식되므로, 스테인레스 스틸 후방판과 와전류 센서 사이의 거리에 변동을 주게 되어서, 결국 와전류 센서의 신호에 대한 적절한 기여에 영향을 주게 된다. 따라서, 웨이퍼가 계속해서 가공됨에 따른 마모율(wear factor) 역시 고려되어야 한다. 이상에서 살펴 본 바와 같이, 두께 측정에 영향을 미치는 여러 가지 다양한 변동 요인으로 인하여, 오차 범위는 수용할 수 없을 정도로 높게 되고 심지어는 예측 불가능하게 된다. 더욱이, 현재 당업계에서 적용되는 제거율(removal rate)의 균일성(uniformity)에 대한 초점이 잘못 맞춰져 있다. 즉, 균일한 제거율을 보이는 경우에 반드시 나타나는 결과는 아니지만, 최종 사용자의 관점에서 볼 때에, 반도체 기판의 표면에 균일한 종단층(end layer)을 확보하는 것이 필요하다. 예를 들어, 만일 평탄화 공정 이전에 처리한 웨이퍼의 표면이 균일한 두께를 보이지 않는 경우에는, 처리 중인 웨이퍼에 균일한 제거율을 적용한다 하더라도 웨이퍼 표면이 균일하게 가공될 리가 없다.
도2b는 종래 기술에 따라 실리콘 기판의 표면에 균일한 제거율을 적용한 결과를 간략히 나타내는 단면도이다. 도면을 살펴보면, 기판(109)에 균일 제거율로 연마를 수행한 경우에도 불균일한 두께를 갖는, 즉 기판(111) 중심부의 두께가 기판의 외측 가장자리의 두께보다 얇은 기판(111)을 얻는 결과가 초래됨을 알 수 있으며, 이는 평탄화 공정 이전의 기판(109)의 형태와 유사함을 알 수 있다. 그 결과, 기판(111)의 중심이 특히 구리 세정 프로세스와 관련하여서 과도하게 연마되어질 수도 있게 된다.
또한, 반도체 프로세싱을 위해 필요한 얇은 막 두께를 처리할 만큼 충분히 민감한 일부 시스템의 경우, 오히려 제3의 객체(third body)에 의해 교란된 신호를 감지하는 경우가 발생할 수도 있다. 예를 들어, 감지 영역 부근에 다른 기타 도전체가 존재함으로 인하여 신호가 영향을 받게 될 수도 있다. 더욱이, 그 영향은 항시 일정하지 않을 수도 있지만, 금속 막의 두께에 의존하며, 그에 의해 감지 신호로부터 두께를 직접 산출하는 일이 불가능하게 된다.
이상에서 살펴 본 바와 같이, 웨이퍼에 대해 목표된 잔류 층 두께를 균일하게 제어하기 위하여 균일한 제거율보다는 균일한 두께를 보장할 수 있는 방법과 장치를 제공하는 것이 필요함을 알 수 있었다. 더욱이, 가공되는 반도체 웨이퍼의 남아 있는 두께를 실시간 차분 폐루프 제어(real time differential closed loop control)하는 기술이 필요하다.
넓게 개괄적으로 설명해서, 본 발명은 CMP 공정 중에 웨이퍼에 적용하는 제거율을 차분 제어(differential control)할 수 있도록 하는 요구를 충족한다. 본 발명은 장치, 시스템, 소자 또는 방법 등 다양한 방식들로 구현될 수 있음을 인식하여야 한다. 본 발명에 따른 몇 가지 독창적인 실시예가 이하에서 상술된다.
본 발명에 따른 일 실시예로서, CMP 시스템이 제공된다. 이 CMP 시스템은 연마 패드(polishing pad) 위에 배치된 웨이퍼 캐리어(wafer carrier)를 포함한다. 웨이퍼 캐리어는 평탄화 프로세스 중에 웨이퍼를 지지하도록 구성된다. 웨이퍼 캐리어는 막의 두께를 나타내는 신호를 검출하도록 구성된 센서를 포함한다. 막의 두께를 나타내는 신호는 제3 객체 효과도 포함한다. 상기 센서와 통신을 하는 일반 범용 컴퓨터가 제공될 수 있다. 이러한 일반 범용 컴퓨터는 센서로부터 보내오는 막 두께에 대한 정보를 나타내는 신호를 조정하여 CMP 시스템에 의해 도입되는 제3 객체 효과와 기판 두께 성분 양자 모두를 실질적으로 제거하도록 구성된다. 연마 패드 상으로 실질적으로 균일한 슬러리 층을 제공하도록 슬러리 전달 시스템(slurry delivery system)이 구성된다. 이 슬러리 전달 시스템은 제1 측면과 제2 측면을 구비한 유체 제한 장치(fluid restraining device)를 포함한다. 유체 제한 장치는 그 제1 측면 후방에 위치한 연마 패드 위에 슬러리 풀(slurry pool)을 형성하도록 구성된다. 유체 제한 장치는 또한 제2 측면을 따라 연마 패드 위에 실질적으로 균일한 슬러리 층을 제공하도록 구성된다.
본 발명의 다른 실시예로서, CMP 공정 진행 중에 실시간으로 막의 두께를 결정할 수 있는 시스템이 제공된다. 본 시스템은 한 세트의 센서를 갖는 CMP 모듈을 포함하는데, 상기 세트를 구성하는 각각의 센서는, 그 CMP 모듈과 관련하여서 도전성 물체들이 존재하는 경우, 웨이퍼의 대응 지점의 두께를 나타내는 신호를 검출하도록 구성된다. 상기 CMP 모듈은, 연마 패드의 일 영역 위에 실질적으로 균일한 슬러리 층을 형성할 수 있는 유체 제한 장치를 구비하고 있으며, 또한 상기 유체 제한 장치와 웨이퍼 캐리어 사이에 위치한 노즐을 구비하고 있다. 여기서, 노즐은 연마 패드의 상기 영역의 일부분에 유체를 공급할 수 있도록 구성된다. 상기 센서 세트 및 CMP 모듈 외측에 설치된 다른 한 셋트의 센서 양자 모두와 통신을 하는 일반 범용 컴퓨터가 포함되어 있다. 상기 범용 컴퓨터는 CMP 모듈 외측에 설치된 센서 세트에 의해 제공되는 데이터로부터 웨이퍼의 대응 지점에 대한 교정 계수(calibration coefficient)를 계산하도록 구성된다. 그 교정 계수는 웨이퍼의 막 두께를 나타내는 신호의 일부분을 분리하기 위하여 두께를 나타내는 신호를 조정하도록 구성되어 있으며, 범용 컴퓨터는 웨이퍼의 대응 지점에서 국부적으로 제거율을 조정하기 위하여 유체를 공급하는 노즐을 작동시키도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 실시예로서, 반도체 프로세싱 시스템이 제공된다. 본 시스템은 기판의 일 표면 상에 형성된 막의 두께를 나타내는 신호를 검출하도록 구성된 센서를 포함한다. 연마 패드의 표면에 제1 유체를 공급하도록 구성된 제1 노즐이 포함된다. 상기 제1 노즐로부터 상류 측에는 유체 제한 장치가 제공된다. 이 유체 제한 장치는 연마 패드의 상기 표면 상에 슬러리를 균일하게 분포시키도록 구성된다. 이 유체 제한 장치로부터 상류 측에 위치된 제2 노즐이 포함된다. 이 제2 노즐은 균일하게 분포된 슬러리에 제2 유체를 공급하도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 실시예로서, 막이 위에 배치된 기판의 표면에 차분 제거율을 적용하는 방법이 제공된다. 본 방법은, 프로세싱 공정을 수행하기에 앞서 웨이퍼의 두께 지도(thickness map)를 생성하면서 시작된다. 웨이퍼는 프로세싱 스테이션(processing station)으로 이송된다. 그 다음, 프로세싱 진행 중에 있는 웨이퍼 상의 일 지점에 대응하는 두께 데이터가 검출된다. 그 다음, 프로세싱이 진행되는 동안 웨이퍼의 상기 지점에 대한 조정된 두께 데이터가 생성된다. 그 다음, 웨이퍼 상의 상기 지점과 연관된 한 위치에서의 슬러리 분포가 조정되어, 상기 지점에서의 제거율이 국부적으로 조정된다.
본 발명의 또 다른 실시예로서, 기판 표면에 적용되는 제거율을 차분 제어할 수 있는 방법이 제공된다. 본 방법은 프로세싱 공정을 수행하기에 앞서 기판의 두께 지도를 생성하면서 시작된다. 그 후에, 생성된 두께 지도의 좌표가 프로세싱 공정에서 이용되는 센서와 연관지어지게 된다. 그 다음, 상기 센서와 연관된 기판 표면의 한 위치에서의 제거율이 두께 지도에 의해 제공된 데이터에 기초하여 조정된다.
본 발명의 또 다른 실시예로서, 반도체 프로세싱 모듈이 제공된다. 본 반도체 프로세싱 모듈은 연마 패드를 포함한다. 또한 유체 제한 장치가 포함된다. 이 유체 제한 장치는, 연마 패드가 이동할 때 연마 패드의 상부 표면 상에 배치된 유체를 방해하여 연마 패드의 상부 표면 상에 실질적으로 균일한 유체 층을 형성하도록 구성된다. 상기 반도체 프로세싱 모듈에는 또한 유체 전달 시스템(fluid delivery system)이 제공된다. 이 유체 전달 시스템은 실질적으로 균일한 유체 층의 일 영역을 선택적으로 교란(disturb)시키도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 실시예로서, 차분 폐루프 제어 방식의 반도체 웨이퍼 프로세싱 시스템이 제공된다. 본 시스템은 제1 감지 장치와 제2 감지 장치를 구비한 시그널링 시스템(signaling system)을 포함한다. 상기 제1 감지 장치는 프로세스 조건 하에서 막 두께 종속 신호를 모니터하도록 구성된다. 상기 제2 감지 장치는 외부 객체로부터의 영향을 최소화한 상태에서 막 두께에 대한 신호만을 분리시켜 그 막 두께를 측정하도록 구성된다. 원하는 평탄화 사양을 획득하기 위해 국부적인 제거율을 차분 보정하도록 구성된 실행 시스템(executive system)이 포함된다. 또한, 상기 시그널링 시스템 및 실행 시스템 모두와 통신하는 제어기가 제공된다. 상기 제어기는 제1 감지 장치로부터 전송된 신호를 조정하여, 상기 제2 감지 장치에 의해 포착된 데이터를 통해 실행 시스템에 의해 도입된 제3 객체 효과 및 기판 두께 성분을 실질적으로 제거하도록 구성된다.
이상의 개괄적인 설명 내용 및 이하의 상세한 설명은 단지 예시적이고 설명적으로 이루어진 것으로서, 청구의 범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아님을 이해할 수 있을 것이다.
본 명세서에 합체되어 그 일부를 구성하고 있는 첨부 도면은, 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸 것으로서, 이하의 설명 내용과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 데에 사용된다.
도1은 와전류 센서가 작동하는 원리를 간략히 나타낸 도면이다.
도2a는 CMP 공정이 이루어지는 동안의 웨이퍼의 두께를 측정하기 위해 와전류 센서를 구비한 웨이퍼 캐리어를 간략히 나타낸 도면이다.
도2b는 실리콘 기판의 일 표면에 균일한 제거율을 적용한 결과를 간략히 나타낸 단면도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 유입 웨이퍼의 두께를 측정하기 위한 결합 센서를 간략히 나타낸 도면이다.
도4는 도3에 도시된 바와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른, 결합 와전류 센서의 신호를 나타낸 그래프이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 유입 웨이퍼 또는 막의 두께를 측정하기 위한 결합 센서의 변형예의 구성을 간략히 나타낸 도면이다.
도6a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 유입 웨이퍼의 두께를 측정하기 위한 결합 센서의 다른 변형예의 구성을 간략히 나타낸 도면이다.
도6b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 막 두께를 검출하기 위해 그래프의 한쪽에 도시된 바와 같은 와전류 센서 클러스터를 사용하는 경우의 평균 신호의 안정성을 나타낸 그래프이다.
도7a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 하류 부분의 CMP 프로세스 두께 센서에 결합된 유입 두께 센서를 간략히 나타낸 도면이다.
도7b는 하류 부분의 CMP 프로세스 두께 센서에 결합된 유입 두께 센서의 변형예를 간략히 나타낸 도면이다.
도8a 및 도8b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 막 두께 감지를 위한 와전류 센서로부터 전송된 신호와 표준 저항률(standard resistivity) 막 두께 측정 장치로부터 전송된 신호 사이의 상관성을 나타낸 그래프이다.
도9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 구리 막 두께를 측정하기 위한 와전류 센서의 교정 곡선을 나타낸 그래프이다.
도10은 본 발명의 일 실시예에 따른, 기판 상의 구리 박막의 CMP 공정 수행 중의 두개의 와전류 센서의 출력 신호를 나타낸 그래프이다.
도11a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 시간 경과 시의 연마 벨트의 온도를 측정하는 적외선(IR) 센서의 신호를 나타낸 그래프이다.
도11b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 시간 경과 시의 웨이퍼의 온도를 나타내는 적외선 신호를 나타낸 그래프이다.
도12는 본 발명의 일 실시예에 따른, 웨이퍼 캐리어 내의 와전류 센서에 의해 측정된 구리 막의 제거를 나타내는, CMP 프로세스의 30초 동안의 타임 시퀀스 T1 내지 T9을 간략히 나타낸 도면이다.
도13은 본 발명의 일 실시예에 따른, CMP 시스템의 높은 레벨의 모식도이다.
도14는 본 발명의 일 실시예에 따른, 일체형 센서 클러스터(sensor cluster)를 구비한 웨이퍼 정렬기(aligner)를 간략히 나타낸 단면도이다.
도15는 본 발명의 일 실시예에 따른, 복수 개의 센서 클러스터를 포함하는 센서 배열(array)을 보다 상세히 도시한 측면도이다.
도16은 본 발명의 일 실시예에 따른, 도15의 복수개의 클러스터 형 센서를 포함하는 센서 배열을 나타낸 상면도이다.
도17a는 본 발명의 일 실시예에 따른, CMP 공정용의 실시간 차분 폐루프 제어를 제공할 수 있는 시스템을 간략히 나타낸 도면이다.
도17b는 도17a에 도시된 CMP 시스템의 변형예를 나타낸 도면이다.
도17c는 도17a에 도시된 실시예의 또 다른 변형예를 나타낸 도면이다.
도18은 본 발명의 일 실시예에 따른, CMP 시스템용 제어기의 구성을 간략히 나타낸 도면이다.
도19는 본 발명의 일 실시예에 따른, 슬러리 풀 (pool) 의 형성 및 유체 제한 장치를 간략히 나타낸 도면이다.
도20은 본원에 개시된 실시예를 통해 달성 가능한 차분 제거율의 영향의 예시적인 결과를 나타낸 그래프이다.
도21은 본 발명의 일 실시예에 따른, 유체 제한 장치 뒤쪽으로 연마 패드의 표면에 분산된 탈이온수와 같은 화학 물질이 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.
도22a 및 도22b는 본 발명의 일 실시예에 따른, CMP 공정 동안 연마 패드의 다양한 영역들에 슬러리를 추가한 결과를 나타낸 그래프이다.
도23은 본 발명의 일 실시예에 따른, 실시간으로 기판 상의 막 두께를 모니터하기 위한 방법을 설명하는 순서도이다.
도24는 본 발명의 일 실시예에 따른, 기판 표면에 적용된 제거율의 차분 제어를 제공하기 위한 방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명의 몇몇 예시적인 실시예가 첨부 도면을 참조하여 이하에 상세히 기술된다. 후술하는 설명 내용에 있어서 다수의 특정한 세부 사항들은 본 발명의 완전한 이해를 돕기 위한 목적으로 채용된 것이다. 당업자라면 본 발명이 그러한 특정한 세부 사항 중 일부 또는 그 모두를 필요로 하지 않고서도 실시될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 다른 견지에서, 널리 알려진 프로세싱 공정에 대해서는 본 발명이 불필요하게 불명료해지는 것을 방지하기 위하여 그 자세한 설명을 생략하기로 한다. 한편, 도1, 도2a 및 도2b에 대해서는 "발명의 배경" 부분과 관련하여 앞부분에 설명되고 있다.
와전류 센서(eddy current sensor; ECS)는 반도체 제조 공정에 보통 사용되고 있는 전체 두께 범위 가운데 금속 박막의 두께를 무접촉 방식으로 측정할 수 있는 센서이다. 알려진 바에 따르면, 이러한 와전류 센서(ECS)는 통상의 장전 로봇 속도 하에 이동하는 웨이퍼에 대하여 충분히 빠른 속도로 대응이 가능한 센서이다. 따라서, 프로세스 처리량에 영향을 미치는 일이 없이 "즉석 현장(on-the-fly)" 측정 기법으로 두께를 측정할 수 있다. 더욱이, 이동하는 웨이퍼는 클러스터를 구성하는 제한된 개수의 센서를 이용하여 두께 프로파일(profile)을 생성할 수 있는 장점이 취해질 수 있다. 예를 들어서, 이와 같은 웨이퍼의 이동은 웨이퍼 정렬기(wafer aligner)에 의해 회전 방향으로의 이동 또는 선형적으로 반경 방향으로 즉 방사 방향으로의 이동이 이루어질 수 있다. 따라서, 웨이퍼가 일반적인 자동화된 웨이퍼 핸들링 방식에 따라 이동되는 동안 센서들로 이루어진 클러스터에 의해 웨이퍼의 두께 프로파일을 획득할 수 있다. 일 실시예로서, 각각의 웨이퍼마다 두께 프로파일이 생성되어 후속 프로세스의 진행 처방전(recipe)이 그 두께 프로파일에 맞춰 최적화될 수 있다.
도면들은 이하에서 처음에 이상적으로 교란 없는(non-disturbing) 조건, 예를 들어 프로세스가 진행되지 않는 조건 하에서 웨이퍼로부터 전송된 막 두께 종속 신호를 측정하는 유입 센서 또는 센서 클러스터의 구성이 도시되어 있다. 이와 같이 해서 구해진 두께 값은 저장되거나 및/또는 다른 장치에 전달되어 금속 박막을 처리하기 위한 제조 공정의 후속 프로세스에 활용된다. 즉, 제조 공정의 후속 프로세스에 사용되는 유사한 두께 측정 장치에 상기 유입 두께에 대한 정보가 제공될 수 있다. 이와 같이 제조 공정의 후속 프로세스와 연관된 센서는 그 후, 관련성이 없는 프로세스 조건으로부터 발생하는 미지수 또는 변수를 구하기 위하여 상기 구해진 유입 두께를 이용하여 교정(calibration)될 수 있다. 여기서, 센서 클러스터는 신규한 측정학적 특성을 정의하도록 조합된 두개 또는 세 개의 센서를 일컫는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명에 따른 일 실시예로서, 이러한 센서들은 거리에 대한 민감성을 제거하기 위해 클러스터들로 서로 연결된다. 또한, 본 발명은 이와 같은 센서 구성 요소에 의해 수집된 데이터로 이루어진 시료 결과 값들을 제공한다. 본원에서 사용되고 있는 바와 같은 센서 배열은 웨이퍼의 보다 광범위한 부위를 커버하도록, 다시 말해 그러한 광범위한 부위의 지도를 작성하기 위하여, 서로 연결된 센서들로 이루어진 두 개 이상의 클러스터를 포함한다. 또한, 세 개의 센서가 웨이퍼의 같은 쪽 측면 상에 위치하고 있는 경우 이를 하나의 배열로 간주할 수 있다.
이와 같이 클러스터를 이루고 있는 센서를 기존의 스테이션에 통합하는 경우, 후속 프로세싱 공정에 사용되도록 웨이퍼의 두께 지도가 작성되어 저장될 수 있다. 또한, 웨이퍼를 프로세싱 챔버로부터 퇴장시킬 때에 그 처리된 웨이퍼의 두께가 스캔(scan)되어, 프로세싱 공정의 결과 값에 관한 품질 제어 궤환(feedback)이 이루어질 수 있다. 따라서, 그와 같은 귀환에 기초하여 공정의 진행 방법이 조절될 수 있다. 물론, 또 다른 프로세싱 공정에 그와 같이 프로세스의 후처리 결과 값이 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예로서, 웨이퍼의 남아 있는 두께를 차분 폐루프 제어할 수 있는 CMP 시스템이 제공된다. 이 시스템은 연마 패드 위에 배치된 웨이퍼 캐리어를 포함한다. 상기 웨이퍼 캐리어는 평탄화 프로세스가 진행되는 동안 웨이퍼를 지지하는 역할을 한다. 또한, 웨이퍼 캐리어에는 막의 두께를 나타내는 신호를 검출하도록 구성된 센서가 제공되어 있다. 상기 막의 두께를 나타내는 신호에는 제3 객체 효과가 반영되어 있다. 일반 범용 컴퓨터가 상기 센서와 통신하도록 제공되어 있다. 여기서, 일반 범용 컴퓨터는 센서로부터 전송된 막의 두께를 나타내는 신호를 조절함으로써 CMP 시스템에 의해 야기된 제3 객체 효과 및 기판 두께 성분 모두를 실질적으로 제거하는 역할을 한다. 신호, 예를 들어 와전류 신호와 간섭할 수도 있는 제3 객체가 없는 경우에는 상기 기판 두께 성분은 프로세싱 공정을 수행하기 이전에 결정된다. 연마 패드 상에 실질적으로 균일한 슬러리 층을 제공하도록 슬러리 전달 시스템이 구성된다. 이 슬러리 전달 시스템은 제1 측면과 제2 측면을 구비한 유체 제한 장치를 포함한다. 상기 유체 제한 장치는 패드가 이동할 때에 패드 상에서의 슬러리의 흐름을 억제함으로써 그 제1 측면 후방에 위치한 연마 패드 위에 슬러리 풀(slurry pool)을 형성하도록 구성된다. 또한, 유체 제한 장치는 제2 측면에 후속하고 있는 연마 패드 위에 실질적으로 균일한 슬러리 층을 제공하도록 구성된다. 유체 제한 장치로부터 하류 부분은, 제거율을 차분 제어하기 위해 상기 균일한 슬러리 층에 슬러리 부족 영역(slurry deficient region) 또는 슬러리 증대 영역(slurry augmented region)을 형성하도록 구성된 메커니즘이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유입 웨이퍼의 두께를 측정하기 위한 결합 센서를 간략히 나타낸 도면이다. 측정 센서로는 상측 센서(130)와 하측 센서(132)가 마련되어, 웨이퍼(138)의 두께를 나타내는 신호를 제공하고 있다. 본 발명의 일 실시예로서, 이들 센서(130, 132)는 와전류 센서이다. 웨이퍼(138)는 기판(142)과 금속 층(140)으로 이루어져 있다. 상기 상하측 센서는, 상측 센서(130)의 축선(134)이 하측 센서(132)의 축선(136)과 어긋나도록 오프셋(offset)되어 배치되어 있다. 당업자라면, 이와 같이 와전류 센서로서의 상측 센서(130)와 하측 센서(132)를 오프셋 배치함으로써, 센서(130, 132)에 의해 생성되는 전자장 간의 간섭 발생이 없도록, 다시 말해 전자장간의 상호 간섭을 억제할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 주파수가 동일하고 축선(134)이 축선(136)과 정렬되어 있는 경우에는, 경우에 따라 신호 억압(signal suppression)이 발생할 수 있으나, 후술하겠지만 그러한 신호 억압을 방지하기 위한 조절 방법이 물론 있다. 제어기(controller; 144)가 센서(130, 132)와 통신한다. 본 발명에 따른 일 실시예로서, 그러한 제어기(144)는 센서(130, 132)로부터의 신호를 수신하여 웨이퍼(138)의 두께를 판정하는 역할을 한다. 제어기(144)는 센서(130, 132)로부터의 신호의 평균을 구하여 웨이퍼의 두께를 나타내는 하나의 신호가 구해지도록 할 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 상측 센서(130)와 하측 센서(132)를 제공함으로써, 그 상측 센서와 웨이퍼(138)의 상면 사이의 거리(146) 또는 하측 센서와 웨이퍼(138)의 하부면 사이의 거리(148)가 변화되더라도 그로 인한 영향을 상쇄시킬 수 있다. 즉, 양 센서가 정지 상태에 있는 경우, 그 어느 하나의 센서와 웨이퍼 사이의 거리의 변화는 판독치의 평균을 구함으로써 상쇄되며, 그 결과 신호는 두께와 근접 정도가 아닌 두께만의 함수가 된다. 다른 실시예로서 제어기(144)는 산출된 두께를 CMP 장비와 같은 후속 장비에 통보함으로써, 웨이퍼의 유입 두께에 기초하여 아래로 인가되는 힘의 압력 및 벨트 속도와 같은 후속 프로세스의 프로세스 설정치가 최적화될 수 있도록 한다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따라, 도3에 도시된 바와 같이 구성된 결합 와전류 센서로부터의 신호를 설명하는 그래프이다. 이 그래프(150)는 와전류 센서의 출력을 시간 축에 대해 볼트 단위로 그 크기를 수직 축에 나타내고 있다. 표시된 도면부호 152로 타나낸 선은 도3의 하측 센서(132)와 같이 웨이퍼 하방에 위치한 센서로부터 전송된 신호를 나타내는 것이다. 도면부호 154로 나타낸 선은 도3의 상측 센서(130)와 같이 웨이퍼 상방에 위치한 센서로부터 전송된 신호를 나타낸 것이다. 도면부호 152 및 154로 나타낸 이들 두개의 선의 평균치가 도면부호 156의 굵은 선으로 나타내어져 있다. 당업자라면, 도면부호 156으로 나타낸 굵은 선이 실질적으로 일정 신호를 제공함을 알 수 있을 것이다. 즉, 상측 센서로부터 전송된 신호와 하측 센서로부터 전송된 신호를 조합함으로써 센서의 거리에 따른 신호 의존성을 제거할 수 있다. 예를 들어, 도3의 웨이퍼(138)가 상측 센서(130)에 가깝게 이동하게 되면 신호가 커지게 된다. 이와 같이 상측 센서에 더 가까운 웨이퍼의 이동이 영역(158)에 예시되어 있다. 이와 같은 이동의 결과, 영역(158) 내의 도면부호 152로 나타낸 선으로 도시된 바와 같이, 상측 센서로부터 전송되는 신호의 강도가 커지게 된다. 동시에, 웨이퍼는 하측 센서로부터 멀어져서 이동하게 된다. 따라서, 하측 센서로부터 전송되는 신호의 강도는, 영역(158) 내의 도면부호 154로 나타낸 선으로 도시된 바와 같이, 상측 센서로부터의 신호 강도 증가와 유사한 정도로 감소하게 된다. 결과적으로, 상하측 센서의 신호 강도의 평균치는 일정한 수준에 머무르게 된다. 신호의 강도가 센서로부터 객체까지의 거리에 따라 선형적으로 변하므로, 제1 정지 센서를 향해 객체가 이동할 때에 유발되는 신호 강도의 변동은 제2 정지 센서로부터 멀어지는 방향으로 객체가 이동할 때에 유발되는 신호 강도 변동의 정반대가 되어 상쇄된다. 결국, 신호의 강도가 거리에 민감하게 반응하지 않게 되며, 평균 신호는, 막의 두께를 고려하여 교정되면서, 거리와 무관한 독립적인 박막 측정 능력을 제공하게 된다.
따라서, CMP 장치의 웨이퍼 캐리어 내에 내장된 센서와 같이, 소정의 작업 조건 하에서 작동하는 센서를, 일 센서와 또는 복수의 센서 클러스터와 조합하여 센서 클러스터를 구성함으로써, 그와 같이 소정 작업 조건 하에서 작동하는 센서가 제거율 및 프로세스 종단점에 관한 보다 정확한 정보를 제공하도록 교정될 수 있다. 즉, 유입 막의 두께 또는 웨이퍼 두께가 정확하게 측정될 수 있어, 교정 설정을 이용함으로써 프로세스 조건 하에서 발생될 수 있는 부정확성이 보상될 수 있게 된다. 또한, 웨이퍼의 두께 프로파일에 대한 지도(map)가 제1 센서 또는 센서 클러스터에 의해 작성되고 그 두께 프로파일이 프로세스 기구의 제어기로 다운로딩 되어 CMP 프로세스와 같은 프로세스에서 공정 런(run)이 진행될 때마다 맞춤형 진행이 가능하게 되어, 정확한 양의 막 두께가 식각될 수 있어서 상기 센서 클러스터는 매번 공정 런이 진행될 때마다 맞춤형으로 적용되는 런투런(run-to-run) 프로세스 제어로 활용될 수 있다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따라, 유입 웨이퍼 또는 막의 두께를 측정하기 위한 결합 센서(coupled sensor)의 변형예의 구성을 간략히 나타낸 도면이다. 이 경우에는, 상측 센서(130)와 하측 센서(132)가 동일한 수직 축선(160)을 공유하고 있다. 따라서, 상측 센서와 하측 센서 사이의 신호 간섭 또는 억압을 방지하기 위하여, 개개의 센서에 서로 다른 주파수가 인가될 수 있다. 또한, 두 센서의 위상이 서로 겹치지 않도록 위상 천이(phase shift)가 적용될 수 있다. 즉, 하나의 센서의 신호파를 180°만큼 위상차를 갖게 함으로써 신호의 억압을 방지할 수 있도록 되어 있다. 전술한 바와 마찬가지로 본 실시예에서도 거리가 변수로서 작용하지는 않으므로, 신호의 강도는 오직 두께의 함수이다. 이는 아래의 수학식에 잘 나타나 있다.
Figure 112008044975775-pct00001
여기서, S는 신호의 강도이며, k는 민감 계수이고, THK는 두께이다. 일 실시예로서, 상기 수학식에서 신호의 강도 및 민감 계수를 알고 있는 경우, 두께는 교정 곡선을 통해 결정될 수 있다. 이와 같이 결정된 두께는 도8a 및 도8b, 그리고 도9를 참조하여 후속하여 진행되는 CMP 장비와 같은 반도체 제조 프로세스 중에 금속 막을 다루는 후속 프로세스 장비에 제공될 수 있다.
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도6a는 본 발명의 일 실시예에 따라 유입 웨이퍼의 두께를 측정하기 위한 결합 센서의 다른 변형 실시예의 구성을 간략히 나타낸 도면이다. 본 실시예에서는 센서 클러스터가 상측 센서(130)의 축선(162)을 따라 웨이퍼(138)의 두께를 결정하도록 구성되어 있다. 하측 센서(132a, 132b)는 각각의 센서로부터 축선(162)까지의 거리가 같도록 배치되어 있다. 이에 따라, 센서(132a, 132b)로부터의 신호의 평균치를 구함으로써, 신호 즉 축선(162)을 따른 웨이퍼의 두께가 결정될 수 있다. 이 경우에, 상측 센서와 하측 센서 사이에 신호 간섭이나 신호 억압은 발생하지 않는데, 이는 하측 센서(132a, 132b)가 상측 센서(130)의 축선으로부터 어긋나게 오프셋 배치되어 있기 때문이다. 영역(164, 166, 168, 170, 172)은 웨이퍼가 상측 센서(130)와 하측 센서(132a, 132b) 사이에 정의된 공간을 통과할 때의 그 웨이퍼(138)의 이동을 나타낸다. 이들 영역의 중요성에 대해서는 이하에 도6b를 참조하여 더 상세히 기술되고 있다.
도6b는 본 발명의 일 실시예에 따라 막 두께를 검출하기 위해 그래프의 한쪽에 도시된 바와 같은 와전류 센서를 사용하는 경우의 평균 신호의 안정성을 나타낸 그래프이다. 본 실시예의 구성에 있어서, 와전류 센서 클러스터는 하나의 상측 센서(130)와 두개의 하측 센서(132a, 132b)로 이루어져 있다. 웨이퍼(138)는 상측 센서(130)와 하측 센서(132a, 132b) 사이를 이동하도록 되어 있다. 그래프(171)는 볼트(volt)로 나타내어진 와전류 센서의 판독치 대비 밀리 초 단위의 시간의 관계를 보여주고 있다. 도시된 도면 부호 169로 나타낸 선은 센서(132a)의 판독치를 나타낸 것이며, 도시된 도면 부호 173으로 나타낸 선은 센서(132b)의 판독치를 나타낸 것이다. 또한, 도시된 도면 부호 175로 나타낸 선은 상측 센서(130)의 판독치를 나타낸 것이다. 일 실시예로서, 우선 센서(132a, 132b)로부터 전송된 신호의 평균치가 구해진다. 그 결과가 다시 센서(130)로부터 전송된 신호와 평균이 내어진다. 최종적으로 평균화된 신호가 도면 부호 177로 나타낸 선으로 나타내어진다. 도면 부호 171로 나타낸 그래프는 웨이퍼가 센서 클러스터를 통과하여 이동할 때에 웨이퍼(138)의 다양한 위치를 보여주고 있다. 예를 들어, 웨이퍼(138)가 센서 클러스터 내로 들어가는 위치가 그래프에 영역(164)으로 나타내어져 있다. 11 볼트로 나타낸 와전류 센서(ECS)의 판독치는 웨이퍼의 측정이 이루어지지 않은, 두께 영(zero)에 대응하는 시작 지점에 해당함을 이해하여야 한다. 웨이퍼의 가장자리가 센서 클러스터를 통과하면서 신호가 안정된다. 그 후, 웨이퍼는 도면 부호 166으로 나타낸 영역에서와 같이, 중간 이동 경로(midpoint travel path)를 따라 계속해서 이동하게 된다. 도6b에 도시된 바와 같이, 도면 부호 177의 선으로 나타내어진 평균 판독치는 비교적 안정된 상태로 유지된다.
이어서, 웨이퍼가 0.020 인치 상향 이동된다. 이 경우에, 상측 센서(130)로부터 전송된 신호의 강도, 즉 웨이퍼의 두께가 제로인 지점에서의 기준 신호와 측정 신호 사이의 차이는 더 강해지는 반면, 하측 센서(132a, 132b)로부터 전송되는 신호의 강도는 더 약해진다. 그러나, 도면 부호 177로 나타낸 선으로 도시된 평균치는 비교적 일정한 채로 남아 있다. 그 후, 웨이퍼는 중간 이동 경로로부터 0.020 인치 하향 이동된다. 그 결과, 상측 센서(130)로부터의 신호의 강도는 더 약해지는 반면, 하측 센서(132a, 132b)로부터의 신호의 강도는 더 강해진다. 이와 같이, 상측 센서의 신호와 하측 센서의 신호 사이의 평균치는 실제로는 변함이 없으며, 다시 말해 비교적 일정하게 유지된다. 따라서, 전술한 바와 같이, 상측 및 하측 센서로부터의 신호 평균치가 웨이퍼 이동에 따른 변동성 또는 심지어는 웨이퍼의 뒤틀림 발생시의 웨이퍼로부터의 신호 변동을 상쇄시키게 됨에 따라, 센서로부터 웨이퍼까지의 거리가 상관이 없이, 센서 클러스터는 거리에 대해 독립적인 안정된 신호를 제공하게 된다. 그 후, 웨이퍼(138)는 도면 부호 172로 나타낸 영역에 도시된 바와 같이 센서 클러스터를 벗어나게 되며, 웨이퍼 퇴장 시에 센서가 웨이퍼의 가장자리에 오면 신호가 변하게 된다. 도6a의 영역(164 내지 172)은 도6b와 관련하여 기술된 바와 유사한 이동 패턴을 도시한 것임을 이해하여야 한다. 도6a의 웨이퍼 이동 상태를 보여주는 그래프는 도6b에 도시된 바와 같은 실질적으로 일정한 평균 신호를 산출하게 된다. 당업자라면, 센서는 웨이퍼의 이동을 상쇄시켜 그 안정적인 판독치를 유지할 수 있도록, 하나의 하측 센서와 하나의 상측 센서, 또는 하나의 상측 센서와 두개의 하측 센서, 또는 기타 적당한 형태로 구성될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
도7a는 본 발명의 일 실시예에 따라 하류 CMP 프로세스 두께 센서에 결합된 유입 두께 센서를 간략히 나타낸 도면이다. 이 경우에, 유입 두께 센서(130a)는 웨이퍼의 두께 및/또는 웨이퍼(138)의 기판(142) 상의 박막(140)의 두께를 판정하는 역할을 한다. 이 판정된 두께를 나타내는 신호는 제어기(144)로 전달된다. 제어기(144)는 다시 그 신호를 CMP 프로세스용의 웨이퍼 캐리어(174) 내에 설치된 센서(130b)로 전송한다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 이들 센서(130a, 130b)는 와전류 센서이다. 다른 실시예로서 상기 센서(130a, 130b)는 적외선 센서일 수도 있다. 센서(130b)에 유입 웨이퍼(138)의 두께 정보를 제공함으로써, 센서와 웨이퍼 사이의 거리 민감성을 실질적으로 제거하기 위한 교정이 수행될 수 있음을 이해하여야 한다. 센서(130b)와 웨이퍼(138) 사이의 거리는 변할 수 있는데, 이는 소정 조건의 작업이 수행되는 동안 캐리어 막(176)이 압축됨에 따라 야기될 수도 있고, 또는 ±3 mm 정도로 두꺼울 수도 있는 캐리어 막의 본연의 두께 가변성에 단지 기인할 수도 있다. 또한, 연마 패드(178)의 상면과 스테인레스 스틸 후방판(180) 사이의 거리가 센서(130b)로부터 전송되는 신호에 영향을 미칠 수도 있다. 다시 말해, 연마 패드(178)의 상부와 스테인레스 스틸 후방판(180) 사이의 거리에 영향을 미치는 패드 부식과 연마 패드 허용 오차에 의해 야기되는 변동을 실질적으로 제거하기 위해, 유입되는 웨이퍼(138)의 두께를 나타내는 신호가 센서(130b)를 교정하는데 사용될 수 있다.
도7b는 하류 CMP 프로세스 두께 센서에 결합된 유입 두께 센서의 변형 실시예를 간략히 나타낸 도면이다. 도7b에서, 상측 센서(130a)와 하측 센서(132a, 132b)로 이루어진 센서 클러스터는 제어기(144)와 통신 가능하게 연결되어 있다. 여기서, 도6a 및 도6b의 센서 클러스터와 같은 적당한 센서 클러스터가 제공되어, 유입 웨이퍼(138) 또는 웨이퍼 막(140)의 두께를 판정하게 된다. 당업자라면, 도3 및 도5를 참조하여 기술된 센서 클러스터 또한 웨이퍼(138)의 두께를 판정하는데 사용될 수 있는 적당한 센서 클러스터임을 알 수 있을 것이다. 일 실시예로서 제어기(144)는 하측 센서(132a, 132b)로부터의 신호의 평균치를 구하여 웨이퍼를 관통하는 상측 센서(130a)의 축선을 따라 측정된 웨이퍼(138)의 두께를 나타내는 두께 신호를 결정한다. 그 후, 하측 센서의 평균 신호는 상측 센서(130a)로부터의 신호값과 평균이 구해져 웨이퍼(138) 또는 박막(140)의 두께를 결정하도록 사용된다. 이 결정된 두께는 내장 센서(130b)로 전달된다. 도7a를 참조하여 전술한 바와 같이, 센서와 웨이퍼(138) 사이의 거리 민감도 및 연마 패드(178)의 상면과 스테인레스 스틸 후방판(180) 사이의 거리 민감도가 실질적으로 배제되는 경우에는 센서(130b)의 자동 교정이 수행될 수 있다. 즉, CMP 캐리어 대 플레이트 사이의 기계적인 변위에 의한 패드 마모 또는 기타 기계적인 편차 문제로 인해 센서의 근접 정도가 변화함에 따라 와전류 센서(ECS)의 판독을 조절하기 위한 자동 교정이 실시간으로 수행될 수 있다.
도7b에 도시된 바를 보면, 센서(130b)가 스페이서(spacer; 175) 상방에 배치되어 있다. 이 스페이서(175)는 웨이퍼 캐리어(174)의 저면에 정렬된다. 스페이서(175)는 임의의 비도전성의 적당한 재료로 구성된다. 일 실시예로서, 스페이서(175)는 폴리머(polymer)일 수 있다. 또 다른 실시예에서 스페이서(175)의 두께가 약 1 mm 내지 약 1.5 mm 사이일 수 있다. 스페이서(175)는 센서(130b)를 위한 창(window)을 제공함으로써, 웨이퍼 또는 웨이퍼 상의 막의 두께 및 근접 정도를 나타내는 신호를 송수신하는 통로 역할을 함을 이해하여야 한다.
도7a 및 도7b의 실시예가 CMP 프로세스의 전처리 과정에 사용되는 센서 또는 센서 클러스터를 설명하고 있는 반면, CMP 프로세스의 후처리에 사용되어 런투런 방식의 프로세스 제어 특성을 개선하도록 구성된 정보를 제공하도록 추가의 센서 또는 센서 클러스터가 마련될 수 있다. 유입 두께는, 유입 막 두께에 대해 보상하기 위해 프로세스 장비 스테이션으로 다운로드되는 특정 처방전을 허용하는 반면, CMP 프로세스 후처리 두께는, CMP 후처리 두께 균일성 측정에서 결정된 임의의 검출된 프로세스 변동의 보정을 허용한다. 즉, CMP 후처리 두께 균일성 측정은 센서(130b)가 정확한 종단점을 획득하기 위해 교정 설정을 더욱 정교하게 조정할 수 있도록, 센서(130b)에 대한 귀환으로서 제공된다. 본 발명의 일 실시예로서, 제어기(144)는 CMP 후처리 센서 클러스터로부터 센서(130b)로의 피드백을 제공한다. 본 발명의 또 다른 실시예로서, 선크스 주식회사(SUNX Limited)에 의해 시판되고 있는 아날로그 방식의 GP-A 시리즈의 변위 측정 센서와 같은 와전류 센서가 통상적으로 사용될 수도 있다. 본 발명의 또 다른 실시예로서, 다수 개의 센서가 도7a 및 도7b의 웨이퍼 캐리어 내에 설치될 수도 있다. 이 경우, 그 다수 개의 센서는 웨이퍼의 근접 정도 및 금속 막의 두께를 검출하도록 함께 연결될 수 있다. 예를 들어, 용량 센서(capacitance sensor) 가 웨이퍼 캐리어 내에 포함되어 웨이퍼와 와전류 센서 사이의 거리를 판정하도록 사용될 수 있다. 이러한 용량 센서가 와전류 센서에 연결됨으로써 거리가 와전류 센서에 제공될 수 있다.
도8a 및 도8b는 본 발명의 일 실시예에 따라, 막 두께 감지를 위한 와전류 센서로부터 전송된 신호와 표준 저항률 막 두께 측정 장치로부터 전송된 신호 사이의 상관성을 나타낸 그래프이다. 도8a의 도면부호 190으로 나타낸 선은 통상의 저항 센서로부터 전송된 신호를 나타낸 것이다. 도면부호 192로 나타낸 선은 웨이퍼의 중심으로부터 서로 다른 거리의 지점에 CMP 장비의 연마 패드 또는 벨트의 스테인레스 스틸 후방판과 같은 제3의 금속체, 웨이퍼 캐리어, 공기 베어링 압반(air bearing platen) 등이 존재하는 경우에 와전류 센서로부터의 신호를 나타낸 것이다. 도면부호 194a로 나타낸 선은 제3의 금속체가 존재하지 않는 경우의 와전류 센서로부터의 신호를 나타낸 것이다. 따라서, 와전류 센서는 네 개의 기준점을 이용한 표준 저항 측정 방법에 따라 전송된 신호와 밀접하게 연관을 짓는다. 또한, 퍼센트로 나타낸 편차는 도면에서 삼각형(196)으로 도시된 바와 같이 ±5% 이내로, 이 경우에 그러한 각각의 삼각형은 그 위쪽의 선들 상의 각각의 점들 사이의 차이에 대응한다.
마찬가지로, 도8b는 통상의 저항 센서를 이용한 방법에 따른 신호와 상관된 와전류 센서를 이용한 측정을 간략히 나타낸 것이다. 여기서, 도면부호 190b로 나타낸 선은 통상의 저항 센서를 이용한 방법에 따른 신호를 나타내는 반면, 도면부호 194b로 나타낸 선은 제3의 금속체가 없는 경우의 와전류 센서로부터의 신호를 나타내고 있다. 도8a에서 측정한 웨이퍼는 도8b에서 측정한 웨이퍼와 상이함을 이해하여야 한다. 이 경우에 와전류 센서의 신호(194b)는 저항 센서(RS75)의 신호와 밀접하게 연관되어 있다. 즉, 신호 사이의 편차율은 삼각형(196)으로 도시된 바와 같이 대체로 ±5% 이내이다. 당업자라면 그 개개의 선의 끝에 위치한 점은 막의 가장자리, 즉 웨이퍼의 가장자리에 대응하는 것으로 연관성이 없음을 알 수 있을 것이다.
도9는 본 발명의 일 실시예에 따라 구리 막 두께를 측정하기 위한 와전류 센서의 교정 곡선을 나타낸 그래프이다. 도면부호 198로 나타낸 선은 제3의 금속체가 없는 경우의 구리 막의 두께 및 그 구리 막 두께와 연관된 와전류 센서(ECS)의 전압 판독치를 나타낸 것이다. 도면부호 200으로 나타낸 선은 제3의 금속체가 있는 경우의 구리 막의 두께 및 그 구리 막 두께와 연관된 와전류 센서(ECS)의 전압 판독치를 나타낸 것이다. 당업자라면 도시된 교정 곡선이 도3, 도5, 도6a, 도6b, 도7a 및 도7b를 참조하여 전술된 바와 같은 센서에 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 임의의 도전성 막 층에 대해서 이러한 교정 곡선이 생성될 수 있으며, 전술한 바와 같은 물질 구리는 단지 예시를 위한 것으로서, 이에만 한정되는 것은 아니다.
도10은 본 발명의 일 실시예에 따른, 기판 상의 구리 박막에 대하여 CMP 공정 수행 중에, 두개의 와전류 센서가 내는 출력 신호를 나타낸 그래프이다. 도면부호 210으로 나타낸 선은 CMP 공정이 진행되는 동안에 웨이퍼의 전단 가장자리(leading edge)에서의 시간 경과에 따른 와전류 센서(ECS)로부터의 신호를 나타낸 것이다. 도면부호 212로 나타낸 선은 CMP 공정이 진행되는 동안에 웨이퍼의 후단 가장자리(trailing edge)에서의 시간 경과에 따른 와전류 센서(ECS)로부터의 신호를 나타낸 것이다. 도면부호 214로 나타낸 선과 도면부호 216으로 나타낸 선의 사이에 정의된 영역은 웨이퍼의 토포그래피(topography)를 식각하고 있음을 의미하고, 도면부호 216으로 나타낸 선 이후의 영역은 웨이퍼로부터 잉여 구리 막에 대한 식각이 진행되고 있음을 의미하는 것으로 이해하여야 한다. 도면부호 210-1로 나타낸 점은 웨이퍼의 전단 가장자리의 종단점, 즉 잉여 구리 막의 제거를 나타낸 것이다. 도면부호 212-1로 나타낸 점은 웨이퍼의 후단 가장자리의 종단점을 나타낸 것이다. 당업자라면 웨이퍼 캐리어 내에 내장된 와전류 센서(ECS)로부터 수집된 정보로부터 제거율을 결정하기 위한 연속적인 데이터를 산출할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 전단 가장자리와 후단 가장자리 사이의 제거율 변화를 관찰할 수 있다. 센서가 웨이퍼 캐리어 내에 내장되어 있는 경우, 센서는 측정 웨이퍼 또는 웨이퍼 상의 막의 두께에 대한 연속적인 실시간 데이터를 제공할 수 있다. 즉, 불연속적인 측정을 제공하는 센서, 즉 연마 벨트 또는 패드의 일회전 당 한 번의 측정 데이터를 취하는 센서의 경우에는 창이 마련되지 않는다. 여기에서 개시하고 있는 실시예들은 연속적인 측정 및 연속적인 두께 모니터링에 관한 것이다.
도11a는 본 발명의 일 실시예에 따라 연마 벨트의 온도를 측정하는 적외선(IR) 센서의 신호를 시간 축에 대해 나타낸 그래프이다. 당업자라면 실리콘 기판이 적외선 신호에 대해 투명하여서, 적외선 신호가 연마 패드의 표면에 의해 평탄화 처리되는 웨이퍼의 막의 온도를 검출할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 도11a의 그래프에 도시된 선은 오퍼레이터를 기준으로 할 때에 상대적으로 벨트의 중앙 전면 또는 후면 등과 같은 여러 위치에서 적외선 신호를 모니터한 결과를 나타낸 것이다.
도11b는 본 발명의 일 실시예에 따라 웨이퍼의 온도를 나타내는 적외선 신호를 시간 축에 대해 나타낸 그래프이다. 여기서, 웨이퍼의 온도는 CMP 프로세스가 진행되는 동안의 온도 변화를 모니터하기 위해 모니터링되고 있다. 도11a 및 도11b의 각각의 실시예의 경우에, 도면부호 218로 나타낸 선 및 도면부호 220으로 나타낸 선은 그래프의 응답 곡선과 관련 프로세스의 종단점에서 교차하고 있다. 즉, 벨트의 온도와 웨이퍼의 온도가 종단점에서 감소하기 시작하며, 종단점이 상기 곡선들의 굴곡점(inflection point)이 된다. 일 실시예에서, 프로세스가 진행되는 동안 웨이퍼의 온도는 약 20℃ 정도 변화하며, 벨트의 온도는 약 10℃ 정도 변화한다.
도12는 본 발명의 일 실시예에 따라 CMP 공정 진행 중에 웨이퍼 캐리어 내의 와전류 센서에 의해 측정된 구리 막의 식각 두께를, 30초 동안의 타임 시퀀스 T1 내지 T9에 대해 간략히 나타낸 도면이다. 이 각각의 타임 시퀀스 T1 내지 T9은 그 x-축선은 초 단위의 시간 간격을, y-축선은 볼트 단위로 나타내어진 와전류 센서의 신호를 나타낸 것이다. 타임 시퀀스 T1은 프로세스의 개시 순간을 나타낸 것인 한편, 타임 시퀀스 T2는 구리 막의 식각 시작부분을 나타낸 것이다. 즉, 타임 시퀀스 T2에서 479Å의 재료가 식각된다. 타임 시퀀스 T3 내지 T8은 대략 30초의 기간과 이 기간 동안에 식각된 재료의 양을 나타낸 것이다. 타임 시퀀스 T9은 종단점 조건의 발생을 나타낸다.
도13은 본 발명의 일 실시예에 따라 구성한 CMP 시스템의 하이 레벨 모식도이다. 후술하는 바와 같이, 센서 클러스터 또는 센서 클러스터 배열이 CMP 프로세싱 시스템의 전단부에 합체되어, 프로세싱 모듈로 전달되거나 프로세싱 모듈로부터 수신되는 웨이퍼의 두께 프로파일을 제공할 수 있다. 처리될 및/또는 처리된 웨이퍼는 장전 포트 모듈(load port module; 230a, 230b, 230c)로 공급된다. 로봇(240)이 장전 포트 모듈(230a, 230b, 230c)에 접근하도록 마련되어, 건조 버퍼(dry buffer; 208) 또는 정렬기(234)와 같은 다른 스테이션으로 웨이퍼를 이송하는 역할을 한다. 또한, 로봇(236)이 제공되어 웨이퍼를 CMP 프로세싱 모듈 내외로 이송하는 역할을 한다. 영역(232)은 스핀(spin), 린스(rinse) 및 건조(dry) 등 SRD 모듈을 나타낸 것이다. 도7a 및 도7b를 참조하여 논의한 센서 클러스터 등과 같은 적당한 센서 클러스터가 도13의 일 실시예의 전단부 시스템에 합체될 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 센서 클러스터 또는 심지어 복수의 센서 클러스터로 이루어진 센서 클러스터 배열이 정렬기(234)와 일체로 형성될 수 있다. 따라서, 정렬기(234)가 웨이퍼를 회전시킬 때에, 센서 클러스터에 의해 웨이퍼의 두께 프로파일이 검출될 수 있다. 따라서, 추가 공간은 필요치 않으며, 다시 말해 시스템의 배치도에는 영향이 미치지 않으며, 웨이퍼의 이동 경로를 정보 획득을 위해 변경하거나 하지 않아도 된다. 상기 센서 클러스터가 CMP 장비와 관련하여 기술되어 있긴 하지만, 이러한 센서 클러스터는 금속 막을 사용하고 또한 웨이퍼 정렬기를 사용하는 임의의 장비와 일체로 형성될 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 단일 센서 클러스터가 전술한 실시예들로 통합될 수 있고, 또는 대안적으로, 보다 광범위한 영역을 포괄하여 웨이퍼의 보다 완벽한 두께 프로파일을 얻을 수 있도록 복수의 센서 클러스터로 이루어진 배열이 통합될 수도 있다.
도14는 본 발명의 일 실시예에 따라 일체형의 센서 클러스터를 구비한 웨이퍼 정렬기를 간략히 나타낸 단면도이다. 웨이퍼 정렬기(234)는 웨이퍼(138)를 회전시킬 수 있도록 구성된 스핀들(spindle; 244)을 포함한다. 일 실시예에서, 웨이퍼(138)는 그 저면에 인가된 진공 흡입력을 이용하여 스핀들(244)에 유지되도록 할 수 있다. 상측 센서 배열(242a)과 하측 센서 배열(242b)은 각 열에 복수 개의 클러스터를 이루고 있는 센서를 포함하고 있다. 각각의 배열의 이와 같은 클러스터형 센서는 웨이퍼(138) 상의 금속 막의 두께를 나타내는 신호를 검출하도록 구성되어 있다. 본 발명에 따른 센서 클러스터의 적합한 실시예로서, 도6b 및 도7b를 참조하여 전술한 와전류 센서 클러스터가 사용될 수 있다. 상측 센서 배열(242a)은 정렬기(234)의 상측 부위에 고정되어 있는 반면, 하측 센서 배열(242b)은 정렬기의 하측 부위에 고정되어 있다. 상측 센서 배열(242a)과 하측 센서 배열(242b)이 웨이퍼의 중심으로부터 어긋나게 오프셋 배치되어 있는 것으로 도시되어 있긴 하지만, 센서 배열 및 그 배열을 구성하는 센서 클러스터가 웨이퍼 상측으로 임의의 수의 적절한 위치에 배치될 수 있음을 이해하여야 한다. 일 실시예에서 상측 센서 배열(242a)과 하측 센서 배열(242b)에 포함된 센서 클러스터는 도3, 도6a 및 도6b를 참조하여 도시된 바와 같이, 클러스터의 상하측 센서 사이에 서로 어긋나게 오프셋 배치된다. 본 발명의 또 다른 실시예로서, 도5를 참조하여 설명된 바와 같이, 상측 배열(242a)의 센서 클러스터의 상측 센서의 축은 대응하는 하측 센서의 축과 동일한 축선을 가진다.
도14에 도시한 배열을 구성하는 각각의 센서 클러스터는 제어기(144)와 통신 가능하다. 전술한 바와 같이, 제어기(144)는 센서 클러스터로부터의 신호의 평균을 내어 웨이퍼의 두께를 결정하는 역할을 한다. 일 실시예로서, 각각의 상측 센서 배열(242a)과 하측 센서 배열(242b)에 복수 개의 센서가 포함될 수 있다. 따라서, 웨이퍼(138)가 정렬 프로세스를 위해 회전하는 동안, 센서 배열(sensor array)은 그 내부에 포함된 센서 클러스터를 통해 웨이퍼의 두께 프로파일에 대한 지도(map)를 구축할 수 있다. 일 실시예로서, 제어기(144)는 웨이퍼(138)의 공급 프로세싱 공정을 제어하는 컴퓨터이다. 여기서, 컴퓨터는 두께 프로파일을 저장하여, 웨이퍼(138)가 프로세싱 공정 진행 하에 있는 동안 프로세스 작업 지시 처방전(process recipe)을 조정할 수 있다. 즉, 센서 배열의 센서 클러스터는, 프로세싱 시스템의 전단부에 제공된 경우, 각각의 웨이퍼의 맞춤형 프로세스가 가능하도록 한다. 예를 들어서, CMP 공정을 위한 작업 지시 처방전에서의 프로세스 변수, 즉 압력, 벨트 속도 등이 특정 웨이퍼마다 그 웨이퍼에 맞도록 맞춤 조절될 수 있다. 다시 말해, 각각의 프로세싱 공정 조건이 특정 웨이퍼마다 맞춤형 방식으로 이루어질 수 있게 된다. 당업자라면 제어기(144)가 프로세싱 공정을 제어하는 다른 제어기 또는 다른 컴퓨터와 통신 가능하도록 되어서, 상기 다른 제어기 또는 컴퓨터에 두께 프로파일을 제공할 수 있음을 알 수 있을 것이다.
도15는 본 발명의 일 실시예에 따라 복수 개의 센서 클러스터를 포함하는 센서 배열을 보다 상세히 도시한 측면도이다. 여기서, 상측 센서 배열(242a)은 상측 센서(242a-1, 242a-2, 242a-3)를 포함한다. 하측 센서 배열(242b)은 하측 센서(242b-1, 242b-2, 242b-3)를 포함한다. 일 실시예로서 각각의 센서는 와전류 센서이다. 도15의 실시예에 있어서, 상측 와전류 센서는 클러스터를 이루고 있는 센서 세트의 대응하는 하측 와전류 센서와 어긋나게 오프셋 배치되어 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 상측 및 하측 와전류 센서가 그 상하측 센서 사이에 위상차를 적용함으로써 또는 상이한 주파수를 사용하는 방식으로 공통의 축선을 공유할 수 있다.
도16은 본 발명의 일 실시예에 따라 도15의 복수개의 클러스터형 센서를 포함하는 센서 배열을 나타낸 상면도이다. 본 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 상측 센서 배열(242a)은 상측 센서(242a-1, 242a-2, 242a-3)를 포함한다. 하측 센서 배열(242b)은 하측 센서(242b-1, 242b-2, 242b-3, 242c-1, 242c-2, 242c-3)를 포함한다. 따라서, 센서 배열의 센서 클러스터는 도6b 및 도 7b를 참조하여 설명된 바와 같이 구성된다. 웨이퍼(138)가 화살표(250) 방향으로 정렬기 내에서 회전할 때에 센서가 웨이퍼의 두께를 나타내는 신호를 감지함으로써 웨이퍼(138)의 두께 프로파일을 생성하게 된다. 또한, 센서는 웨이퍼가 정렬기와 정렬되어 화살표(252)의 방향으로 선형 경로를 따라 이동할 때에 웨이퍼의 두께를 모니터할 수 있다. 두께 프로파일의 지도를 작성하기에 적당한 패턴으로 센서 배열이 임의 개수의 센서 클러스터로 이루어질 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 센서가 웨이퍼 위에 반드시 고르게 배치될 필요는 없다. 일 실시예로서, 대응하는 상측 센서 및 하측 센서, 즉 센서 클러스터가 비대칭적으로 배치됨으로써 웨이퍼(138)의 두께 프로파일에 대한 보다 상세한 지도 작성이 가능해질 수도 있다.
도17a는 본 발명의 일 실시예에 따라 CMP 공정용 실시간 차분 폐루프 제어를 제공할 수 있는 시스템을 간략히 나타낸 도면이다. 웨이퍼(138)를 지지하고 있는 웨이퍼 캐리어로부터 웨이퍼로 하향 힘이 가해지면서 웨이퍼가 연마 패드(272)에 맞대어져 회전된다. 또한, 댐(dam)으로도 일컬어지는 유체 흐름 제한 장치(262)가 연마 패드(272)에 맞대어져 가압되도록 배치되어 있다. 이 유체 흐름 제한 장치(262)의 가장자리는 연마 패드(272)를 가압하여 유체 제한 장치를 기준으로 상단에 슬러리 레이크(slurry lake;264)를 형성하도록 되어 있다. 노즐(266)을 통해 슬러리가 연마 패드(272)로 공급된다. 슬러리 공급원(268)이 연마 패드(272)로 공급될 슬러리를 제공하는 역할을 한다. 예를 들어, 슬러리 공급원(268)은 슬러리 저장조(slurry reservoir) 및 슬러리를 공급하기에 적당한 펌프로 구성될 수도 있다. 노즐(260)이 유체 흐름 제한 장치(262)로부터 하류로 유체를 공급하도록 준비된다. 유체 공급원(270)이 노즐(260)로 유체를 공급한다. 여기서, 유체는 CMP 공정용의 슬러리와, 탈이온수(DI water) 또는 기타 적당한 화학 물질을 포함할 수도 있다. 일 실시예로서 유체 공급원(270)은 펌프, 또는 가압 기기와 같은 몇몇 다른 적당한 공급 기구를 포함할 수도 있다. 따라서, 노즐(260)과 유체 흐름 제한 장치(262)를 기준으로 상류 측에 노즐(266)이 위치함에 따라, CMP 공정 동안 웨이퍼(138)에 적용되는 제거율의 차분 제어가 가능해진다. 유체 흐름 제한 장치(262)는 그 하류로 슬러리가 균일하게 분포될 수 있도록 한다. 즉, 유체 흐름 제한 장치(262) 아래를 지나는 슬러리 레이크(264)로부터의 슬러리의 양을 계량함으로써, 연마 패드(272) 위에 슬러리 층을 균일하게 형성할 수 있다. 펌프, 공기 압축기(air pressure) 등과 같은 임의의 적당한 수단을 사용하여 유체 공급원(270)으로부터 노즐(260)로 유체를 공급할 수 있음을 이해하여야 한다. 마찬가지로, 슬러리 공급원(268)으로부터 노즐(266)로 임의의 적당한 수단을 사용하여 슬러리가 공급될 수 있다. 유체 흐름 제한 장치(262)에 의해 연마 패드(272) 위에 슬러리가 균일하게 분포할 수 있게 됨으로써, 노즐(266)로의 슬러리 공급 수단이 연마 패드에 슬러리를 정확하게 분포시키는 역할까지 할 필요가 없게 된다. 예를 들어, 유체가 슬러리 레이크(264)에 모아진 다음 유체 흐름 제한 장치(262)를 통해 균일하게 분포되므로, 노즐(266)에 슬러리를 공급하기 위해서는 연동 펌프(peristaltic pump)가 사용될 수도 있다.
일 실시예로서, 유체 흐름 제한 장치(262)는 새로 공급된 유체 슬러리가 웨이퍼(138)의 중앙에 도달할 수 있도록 하는 도면부호 265로 나타낸 선으로 표시된 궤도를 통해 더 많은 슬러리를 공급하는 역할을 한다. 연마 패드(272)의 선속도와 함께 웨이퍼(138)의 회전 속도로 인해, 웨이퍼(138)의 중앙으로 안내되는 유체가 옆으로 밀리는 현상이 발생할 수 있음을 이해하여야 한다. 그러한 현상이 발생할 경우에는, 예를 들어 슬러리가 연마 패드 상으로 낙하하는 경우에, 웨이퍼(138)의 중앙에서 이용 가능한 슬러리의 양이 적어져 웨이퍼(138)의 중앙에서의 제거율이 낮아지게 된다. 본 발명에 따른 일 실시예로서 웨이퍼(138) 표면의 개개의 부분에 차분 제거율을 적용하기 위하여 노즐(260)이 유체 흐름 제한 장치(262)로부터 하류로 추가로 슬러리를 공급할 수도 있다. 이러한 구성에 있어서는, 도19에 도시한 바와 같이, 노즐(260)이 연마 패드(272)의 폭에 걸쳐 뻗어있는 암(arm)을 따라 이동할 수도 있다. 상기 암은 슬러리, 탈이온수(deionized water) 또는 다른 적당한 유체를 유체 흐름 제한 장치(262) 하류의 연마 패드(272)의 표면 상에 공급하여 웨이퍼(138)에 적용되는 제거율을 조절할 수 있도록 하기 위하여 스텝 모터(step motor), 서보 모터(servo motor) 등과 같은 임의의 적당한 수단에 의해 제어될 수도 있다. 선형 벨트를 이용한 CMP 시스템의 경우, 웨이퍼(138)가 그 축선을 중심으로 회전하는 동안 벨트가 웨이퍼(138)를 향해 선형 방향으로 이동한다. 따라서, 웨이퍼(138)의 회전 사이클 동안 웨이퍼(138)의 상측 부위(138a)가 경험하게 되는 상대 회전 속도가 하측 부위(138b)가 경험하게 되는 상대 회전 속도보다 빠르다. 그 결과, 벨트(272)의 상측 절반부에서 발생하는 연마 찌꺼기 잔유물의 양이 보다 많기 때문에, 보다 빠른 상대 속도를 경험하게 되는 부위에서 패드(272)의 훼손이 보다 두드러지게 나타나는 경향이 있다. 따라서, 유체 흐름 제한 장치(262)의 기능 중 하나는, 패드(272)의 대체로 한 부위에서 연마 찌꺼기 잔유물을 재순환시키기 보다는 상기 찌꺼기를 수집하여 보다 균일하게 분포시킴으로써, 패드의 수명을 연장하고 보다 균일한 마모 패턴을 달성하는 것이다.
본 발명에 기술된 슬러리 또는 유체 구속 장치로도 또한 불리기도 하는 유체 흐름 제한 장치(262)의 또 다른 장점을 들자면, 슬러리 분배 모드를 신중히 선정함으로써 돌이킬 수 없는 패드의 표면 변형을 방지할 수 있다는 점이다. 즉, 본 발명에 따른 유체 흐름 제한 장치(262)를 사용함으로써 소위 지브라 효과(zebra effect)를 방지할 수 있다. 당업자라면 이와 같은 지브라 효과가 불균일한 슬러리 분포, 즉 낙하 공급 시스템으로부터 공급되는 슬러리가 높은 부위와 낮은 부위가 발생함으로 인해 초래되고, 이러한 불균일한 슬러리 분포는 국부적으로 상이한 온도, 마찰 계수, 화학 조성, 연마 작용 등을 야기한다. 여기서, 슬러리 분배 방법은 본 발명에 따른 유체 흐름 제한 장치(262)로 인해서 전혀 영향을 주지 않는다. 즉, 유체 흐름 제한 장치(262)는 슬러리를 공급하는 공급 펌프 또는 공급 기구의 펌프속도를 조작하지 아니 하면서 웨이퍼로 운반되는 슬러리의 양을 제어한다. 이에 따라, 슬러리의 공급 속도가 분당 30 큐빅 센티미터(cc) 정도로 느려지며, 이와 같이 슬러리 공급 속도가 느릴수록 본 발명에 개시된 실시예들에 있어서 슬러리의 소비를 최소화할 수 있다. 보다 상세히 후술되는 바와 같이, 유체 흐름 제한 장치(262) 뒤쪽으로, 그러나 웨이퍼(138)와 연마 패드(272)가 맞닿아 있는 부위 앞쪽으로, 얇은 슬러리 막이 국부적으로 결핍되거나 증강되도록 하는 방식으로, 프로세스 모니터를 하라는 시스템의 요청이 있을 때마다 국부적으로 제거율을 조정할 수 있게 된다. 또한, 연마 패드(272)의 선형 방향에 대해 유체 흐름 제한 장치(262)가 이루고 있는 각도, 유체 제한 장치와 연마 패드 사이의 간극, 그리고 연마 패드에 대한 유체 제한 장치의 정합 곡률을 조정함으로써, 어느 정도 융통성 있게 선택적으로 제거율에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 유체 흐름 제한 장치(262)가 후술하는 바와 같은 다수의 부위로 구성될 수도 있다.
도17b는 도17a에 도시된 CMP 시스템의 변형 실시예를 나타낸 도면이다. 여기서, 유체 흐름 제한 장치(262)는 연마 패드(272)의 선형 방향과 실질적으로 직교하게 배향되어 있는 것으로 도시되어 있다. 또한, 노즐(260-1, 260-2, 260-3)은 웨이퍼(138)와 연마 패드(272)의 특정 부분이 맞닿고 있는 부분 앞쪽으로 연마 패드(272) 의 특정 부분에 슬러리 증대 영역을 생성하거나 슬러리 부족 영역을 형성하는 역할을 한다. 도17a를 참조하여 전술한 바와 같이, 노즐(260-1, 260-2, 260-3)은 패드(272)에 평행한 평면 및/또는 패드와 직교하는 평면 내에서 이동될 수도 있다. 다른 실시예로서, 웨이퍼(138)를 지지하는 웨이퍼 캐리어, 즉 도7a 및 도7b의 웨이퍼 캐리어(174)는 노즐(260-1, 260-2, 260-3) 중 적어도 하나와 정렬된 적어도 하나의 센서를 포함한다. 따라서, 실시간으로 신호를 검출하여 구해진 판독 값은 상기 국부적으로 슬러리 부족 영역 또는 국부적으로 슬러리 증대 영역을 형성하여, 웨이퍼(138) 상의 특정 영역의 제거율을 조정하도록 사용될 수도 있다. 즉, 웨이퍼(138)의 특정 영역의 두께가 웨이퍼(138)의 다른 영역의 두께보다 얇은 것으로 검출되는 경우, 노즐(260-1, 260-2, 260-3)을 통해 탈이온수를 분무함으로써 그 보다 두께가 얇은 영역에 슬러리 부족 영역이 생성되어 그 부위의 제거율이 감소되도록 할 수 있다. 그러한 슬러리 부족 영역은 탈이온수 또는 CMP 공정에 사용 가능한 몇몇 다른 적당한 유체를 추가함으로써 생성될 수도 있음을 이해하여야 한다. 노즐(260-1, 260-2, 260-3)을 통해 공급된 유체는 노즐 하방의 연마 패드(272)의 해당 부위에서 슬러리 중 일부 또는 실질적으로 전부와 치환된다. 결과적으로, 그러한 슬러리 부족 영역은 웨이퍼(138)의 해당 부위의 제거율을 감소시킨다. 슬러리 증대 영역이 생성된 경우에는, 이 슬러리 증대 영역과 접촉한 웨이퍼의 해당 부위의 제거율이 마찬가지로 증가함을 이해하여야 한다.
당업자라면 유체 공급원(270)이 펌프 또는 몇몇 다른 적당한 공급 기구를 포함할 수도 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 슬러리와 같은 부유액의 처리 시에, 유체 공급원(270)으로부터 노즐(260-1, 260-2, 260-3)로의 유체 공급 라인은 부유액을 유지하기 위하여 사용하지 않는 동안에는 슬러리를 재순환시키도록 구성될 수도 있다. 일 실시예로서 슬러리는 연동 펌프를 통해 노즐(266)로 공급될 수도 있다. 여기서, 유체 흐름 제한 장치(262)는, 펌프 속도와는 상관없이 연마 패드(272) 상에 분산된 슬러리의 양을 제어하므로, 연동 펌프의 맥동(pulsating) 현상이 평탄화 공정에 영향을 미치는 일은 없을 것이다. 당업자라면 유체 흐름 제한 장치(262)가 연마 패드(272) 위에 뻗은 암에 클립을 이용하여 고정되거나 다른 적당한 수단을 이용하여 부착될 수도 있음을 알 수 있을 것이다. 연마 패드(272) 위에서 연장하는 그러한 암은 연마 패드(272)에 대한 상대 각도 및 간극을 변경할 수 있도록 그 수직 및/또는 수평 위치가 조정 가능하다. 일 실시예로서 유체 제한 장치는 연마 패드(272)와 동일한 재료, 즉 폴리우레탄으로 구성된다. 그러나, 유체 흐름 제한 장치(262)가 CMP 공정에 사용 가능한 다른 재료로 구성될 수도 있으며, 이러한 재료는 슬러리 레이크(264)에 대해 하류로 슬러리가 균일하게 분포될 수 있도록 하면서 슬러리 레이크(264)를 형성할 수 있음을 이해하여야 한다.
도17c는 도17a에 도시된 실시예의 또 다른 변형 실시예를 나타낸 도면이다. 여기서, 유체 흐름 제한 장치(262)는 연마 패드(272)에 대해 약간의 각도로 경사지게 구성되어 있다. 즉, 유체 흐름 제한 장치(262)는 그 하측 부위로부터 연마 패드(272)의 후단까지의 거리에 비해 그 상측 부위로부터 연마 패드(272)의 후단까지의 거리가 보다 짧도록 배향되어 있다. 또한, 유체 흐름 제한 장치(262)는 연마 패드(272)의 전체 길이에 걸쳐 연장하는 것으로 도시되어 있다. 본 실시예에서, 슬러리는 슬러리 레이크(264)로부터 연마 패드(272) 측면 위로 낙하할 수도 있음을 이해하여야 한다. 일 실시예로서 연마 패드(272)의 측면 위로 낙하한 과잉 슬러리는 회수되어 재순환될 수도 있다. 센서(130-1, 130-2, 130-3)가 웨이퍼 캐리어(174)에 포함되어 있다. 전술한 바와 같이, 각각의 센서(130-1, 130-2, 130-3)는 노즐과 정렬될 수도 있다. 예를 들어, 각각의 센서(130-1, 130-2, 130-3)가 노즐(260-1, 260-2, 260-3)과 일 대 일로 정렬될 수도 있다. 도17a를 참조하여 전술한 바와 같이, 웨이퍼 중앙의 두께를 감지하도록 배치된 센서에 대응하여, 상기 센서는 웨이퍼 중앙을 관통하는 궤도 선으로부터 약간 어긋나도록 오프셋 되게 배치되어 프로세싱 공정 중의 웨이퍼의 회전 속도를 고려하도록 할 수도 있다. 일 실시예로서 이들 센서(130-1, 130-2, 130-3)가 와전류 센서로서 형성될 수도 있다. 다른 실시예로서 유체 흐름 제한 장치(262)가 각각 독립적으로 제어 가능한 복수 개의 부위로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 각각의 부위에 하방으로 인가된 힘은 패드(272) 위에 서로 다른 두께의 슬러리 층을 형성하도록 사용될 수도 있다. 그러한 서로 다른 두께의 슬러리 층은 다시 평탄화 공정이 진행되는 동안 대응하는 웨이퍼에 서로 다른 제거율이 적용되도록 할 수 있다.
도18은 본 발명의 일 실시예에 따른 CMP 시스템용의 제어기의 구성을 간략히 나타낸 도면이다. 제어기의 역할을 하는 일반 범용 컴퓨터(144)가 제공되어 CMP 시스템을 다양한 방식으로 적절하게 제어하도록 사용된다. 지도 생성기(mapper; 271)가 상기 일반 범용 컴퓨터(144)와 통신 가능하게 연결되어 있다. 지도 생성기(271)는 정렬 스테이션, 예를 들어 도14 내지 도16을 참조하여 기술된 바와 같은 정렬기를 포함할 수도 있다. 일 실시예로서 지도 생성기(271)는 웨이퍼의 두께 지도를 작성하기 위하여 평탄화 공정에 앞서 웨이퍼(138)의 표면을 스캔하도록 구성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 두께 지도는 와전류 센서 클러스터로 이루어진 배열을 사용함으로써 생성될 수도 있다. 이어서, 두께 지도에 대응하는 신호가 일반 범용 컴퓨터(144)로 통보되어, 컴퓨터의 하드 디스크 드라이브 또는 기타 적당한 저장 매체에 저장될 수도 있다. 일 실시예로서 본 명세서에 설명되고 있는 시스템이 세 개의 구성요소로 이루어질 수도 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 그 세 개의 성분은 감지 장치, 즉 와전류 센서를 포함하는 시그널링 시스템과, 유체 흐름 제한 장치를 구비한 CMP 유닛을 포함하는 실행 시스템, 그리고 전술한 바와 같은 제어기를 포함한다.
웨이퍼 캐리어(174)는 연마 패드(272) 위의 웨이퍼(138)를 지지하는 역할을 한다. 도7a, 도7b 및 도7C를 참조하여 설명되고 있는 바와 같이, 웨이퍼 캐리어(174)는 평탄화가 이루어지는 동안 웨이퍼(138) 상의 막의 두께를 감지하도록 구성된 하나 이상의 센서를 포함할 수도 있다. 또한, 지도 생성기(271)에 의해 생성된 두께 지도를 통해 산출 가능한 상관 계수가 센서(130)에 의해 검출된 신호에 적용되어 센서(130)에 의해 검출된 임의의 제3 객체 효과 및 기판 성분을 실질적으로 제거하도록 사용될 수도 있다. 예를 들어, 센서(130)가 와전류 센서인 경우, 다른 도전성 표면이 센서(130)에 의해 검출된 신호에 영향을 주게 된다. 그러한 다른 도전체에는, 연마 패드(272)의 스테인레스 스틸 후방판, 그리고 센서(130)의 검출 영역 내부의 CMP 시스템과 연관된 공통적으로 사용되는 기타 도전 재료가 있다. 센서(130)에 의해 발생된 교정 신호는 일반 범용 컴퓨터(144)로 전달된다. 선택적으로, 센서(130)에 의해 발생된 신호가 일반 범용 컴퓨터(144)로 통보되어 그 상관 계수(들)가 원시 신호 데이터(raw signal data)에 적용될 수도 있다.
상기와 같이 조절된 신호 값에 따라, 탈이온수 또는 기타 화학 물질 공급 모듈(270), 댐 제어 모듈(267), 그리고 슬러리 공급 모듈(268)용의 제어 신호가 발생될 수도 있다. 따라서, 센서(130)에 의해 발생된 신호가 제거율이 너무 낮음을 나타내는 경우, 즉 웨이퍼(138)의 대응 위치의 두께가 비교적 두꺼운 경우, 센서(130)에 대응하는 웨이퍼(138)의 영역에서 경험하게 되는 제거율을 높이기 위하여, 일반 범용 컴퓨터(144)는 탈이온수 또는 기타 화학 물질 공급 모듈(270)에 신호를 전송함으로써 연마 패드(272) 상으로 노즐(260)을 통해 슬러리가 분배될 수 있도록 한다. 마찬가지로, 센서(130)에 의해 발생된 신호가 제거율이 너무 높음을 나타내는 경우, 즉 센서(130)에 대응하는 웨이퍼(138)의 소정 위치의 두께가 비교적 얇은 경우에는, 웨이퍼(138) 상의 대응 지점에서 경험하게 되는 제거율을 높이기 위하여 탈이온수 또는 기타 적당한 치환 화학 물질이 노즐(260)을 통해 분배될 수도 있다.
도18에 단일 센서(130) 및 단일 노즐(260)이 도시되어 있기는 하지만, 웨이퍼(138)와 연마 패드(272) 사이의 계면의 여러 부위에서 국부적으로 차분 방식의 제거율 조정이 가능하도록 개개의 노즐에 일 대 일로 대응하는 복수 개의 센서가 사용될 수도 있다. 또한, 일반 범용 컴퓨터(144)는 패드(272)에 대해 상대적으로 유체 흐름 제한 장치(262)에 적용되는 곡률 각도 또는 하방으로 가해지는 힘에 영향을 미치는 댐 제어 모듈(267)로 전송되는 신호를 발생시킬 수도 있다. 따라서, 유체 흐름 제한 장치(262) 하류의 연마 패드(272) 위에 분포되는 슬러리의 두께를 댐 제어 모듈(267)을 이용하여 조정할 수 있다. 일반 범용 컴퓨터(144)는 또한, 연마 패드(272)로의 슬러리 공급을 증가 또는 감소시킬 수 있도록 슬러리 공급 모듈(268)에 신호를 전송하도록 구성되어 있다. 따라서, 유체 흐름 제한 장치(262)를 조작하면서 동시에 연마 패드(272)로 슬러리를 공급하여 슬러리 풀(264)의 형성에 영향을 미치게 된다.
도19는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 풀의 형성 방법과 유체 제한 장치를 간략히 나타낸 도면이다. 여기서, 슬러리 공급 라인(269)은 연마 패드(272)에 슬러리를 공급하기 위하여 복수 개의 노즐과 유체 연통 가능한 노즐 또는 매니폴드(manifold)로 슬러리를 공급하는 역할을 한다. 유체 흐름 제한 장치(262)는 암(261)에 고정되어 있다. 일 실시예로서 유체 흐름 제한 장치(262)는 암(261)에 용이하게 탈부착될 수 있도록, 예를 들어 클립을 이용하여 고정된다. 전술한 바와 같이, 암(261)은 유체 흐름 제한 장치(262)의 곡률 및 각도에 영향을 줄 수 있도록 연마 패드(272)에 대해 수평 및 수직 방향으로 이동 가능하다. 예를 들어, 하방으로 인가되는 힘을 조정함으로써 연마 패드(272)의 상면에 대한 유체 제한 장치에 의해 정의되는 각도가 조절될 수도 있다. 또한, 연마 패드에 평행한 평면 내의 축선 주위로 암을 회전시킴으로써 유동 방향에 대해 유체 제한 장치가 이루고 있는 각도를 조절할 수 있다.
도20은 본원에 개시된 바와 같은 실시예를 통해 달성 가능한 차분 제거율이 미치는 영향의 예시적인 결과를 나타낸 그래프이다. 도20의 그래프에서, y-축선은 구리 두께를 나타내고 있으며, x-축선은 시간을 나타내고 있다. 여기서, 구리 두께란 기판 위에 남아 있는 구리 막의 두께를 나타내는 것이다. 이와 같은 잔류 구리 두께는 전술한 바와 같은 실시예들에서와 같이 와전류 센서에 의해 검출되는 신호를 통해 결정된다. 여기서, 도면부호 274-1로 나타낸 선 및 도면부호 276-1로 나타낸 선은 실질적으로 일정하게 유지되고 있는 제거율을 나타낸다. 따라서, 임의의 시간대에서, 잔류 구리 두께는 상이하다. 그러나, 평탄화되는 웨이퍼의 어떤 영역에 차분 제어 방식으로 제거율을 적용하는 전술한 실시예들을 채용함으로써, 그 추적선(trace; 274-1, 276-1)이 추적선(274-2, 276-2)으로 각기 변환되며, 이들은 추적선(278)으로 수렴되고 있다. 즉, 추적선(274-2, 276-2)이 추적선(278)으로 도시된 목표 제거율로 수렴된다. 추적선(278)으로 도시된 제거율은 웨이퍼 캐리어 내의 일 센서와 연관된 웨이퍼의 해당 영역에 적용된 제거율일 수도 있는 반면, 도면부호 274-2로 나타낸 선, 도면부호 276-2로 나타낸 선으로 나타내어진 추적선은 다른 단일 센서와 각각 연관된 제거율을 나타내는 것일 수도 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 도17c에 도시된 센서는 각기 도면부호 274-2로 나타낸 선, 도면부호 276-2로 나타낸 선 및 도면부호 278로 나타낸 선으로 나타내어진 세 개의 추적선 중 하나와 연관될 수도 있다. 기판 표면에 적용된 차분 제어 방식의 제거율은 평탄화 프로세스 동안 기판 위에 남아 있는 막 층의 두께를 보다 균일하게 제어할 수 있도록 한다. 도20에 도시된 바와 같이, 대략 2500Å 이후부터는 신호(274-2, 276-2, 278)로 나타내어진 바와 같이 다양한 영역에 적용되는 제거율은 모두 균일하다. 따라서, 남아 있는 막 층의 두께가 제로에서부터 2500Å 사이가 되는 임의의 시간에서 프로세스를 중단할 경우 기판 표면에 걸쳐 보다 균일한 두께의 막 층을 얻을 수 있다.
도21은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 제한 장치 뒤쪽으로 연마 패드의 표면에 분산된 탈이온수와 같은 화학 물질이 미치는 영향을 나타낸 그래프이다. 여기서, 도면부호 280으로 나타낸 선은 평탄화되는 웨이퍼의 중앙 영역으로부터의 거리 대비 제거율을 추적선으로 나타낸 것이다. 도면부호 282로 나타낸 선은 마찬가지로 웨이퍼가 평탄화되는 동안 웨이퍼의 표면에 걸쳐 이루어진 제거율을 나타낸 것이다. 도면부호 280으로 나타낸 선은 기판의 가장자리 영역으로 탈이온수를 분산시킬 때의 상태를 나타내는 것인 반면, 도면부호 282로 나타낸 선은 평탄화되는 웨이퍼의 중앙 영역에 탈이온수 또는 유사 치환제(displacement agent)를 분산시켰을 때의 상태를 나타낸 것이다. 따라서, 탈이온수 또는 치환제는 제거율이 감소하는 슬러리 부족 영역을 발생시키게 된다. 예를 들어, 도면부호 280로 나타낸 선과 관련하여 설명하자면, 도면부호 282로 나타낸 선과 비교하여 웨이퍼의 가장자리 영역에서의 제거율이 감소되고 있다. 그러나, 도면부호 282로 나타낸 선으로 표시된 중앙 영역에서의 제거율은 해당 부위에 도면부호 280으로 나타낸 선으로 표시된 제거율에 비해 떨어진다. 즉, 치환제가 그 평탄화되는 웨이퍼의 중앙 영역에 대응하는 연마 패드의 슬러리 부족 영역을 생성하게 된다. 본원에서 설명된 실시예들을 통해 웨이퍼의 중앙 영역 및 가장자리 영역 모두를 보다 꼼꼼하게 제어할 수 있음을 이해하여야 한다. 전술한 바와 같이, 웨이퍼의 중앙의 제거율을 감소시키기 위하여, 슬러리 부족 영역을 생성하는 노즐은 웨이퍼의 회전 속도로 인해 웨이퍼 중앙으로부터 약간 어긋나게 오프셋되게 배치할 수도 있다.
도22a 및 도22b는 본 발명의 일 실시예에 따라 CMP 공정 동안의 연마 패드의 다양한 영역에 슬러리를 추가하였을 때의 효과를 나타낸 그래프이다. 도22a는 평탄화되는 웨이퍼의 중앙에 대응하는 연마 패드의 중앙 영역에 대한 슬러리 추가 효과를 나타낸 그래프이다. 도면부호 284로 나타낸 선은 유체 제한 장치가 슬러리를 그 하류에서 추가로 공급할 필요 없이 연마 패드를 가로질러 슬러리를 분포시키도록 사용되는 경우의 웨이퍼 중앙으로부터의 거리 대비 제거율을 추적선으로 나타낸 것이다. 도면부호 286으로 나타낸 선은 평탄화되는 웨이퍼의 중앙 영역에 의해 종국적으로 보이게 될 연마 패드 상의 위치에 대해 유체 제한 장치의 후방에 슬러리를 추가하는 경우에 달성되는 결과를 나타내고 있다. 여기서, 유체 제한 장치의 하류의 노즐은 유체 제한 장치에 의해 형성되는 균일한 슬러리 층의 일부의 슬러리 양을 증대시키는 역할을 한다. 따라서, 중앙 영역에 슬러리가 추가될 경우 도면부호 286으로 나타낸 선으로 도시된 바와 같은 제거율 증가가 초래된다.
도22b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 패드의 가장자리 영역 또는 연마 패드의 중앙 영역 중 어느 한곳에 슬러리를 추가한 경우에 해당하는 추적선을 나타낸 것이다. 도면부호 290으로 나타낸 선은 슬러리가 연마 패드의 중앙 영역에 추가된 경우의 제거율을 나타낸 추적선이고, 도면부호 288로 나타낸 선은 슬러리가 연마 패드의 가장자리 영역에 추가된 경우의 제거율을 나타낸 추적선이다. 예를 들어, 도17b를 참조하면, 노즐(260-1, 260-3)이 연마 패드의 가장자리 영역에 슬러리를 공급하도록 사용될 수도 있고, 노즐(260-2)이 중앙 영역에 탈이온수를 공급하도록 사용될 수도 있다. 도22b에 도시된 바와 같이, 중앙 영역에 슬러리를 추가할 경우에는 도면부호 288로 나타낸 선에 대비하여 중앙 영역에서 도면부호 290으로 나타낸 선의 제거율이 증가된다. 동시에, 가장자리 영역에 슬러리를 추가할 경우에는 도면부호 290으로 나타낸 선에 대비하여 가장자리 영역에서 도면부호 288로 나타낸 선의 제거율이 증가된다. 당업자라면 본원에 설명된 실시예들이 웨이퍼 캐리어 내에 한개 또는 세 개의 센서 및 관련 노즐을 포함하는 것으로 기술하고 있지만, 임의의 적당한 개수의 센서 및 노즐이 사용될 수도 있음을 알 수 있을 것이다.
도23은 본 발명의 일 실시예에 따른, 실시간으로 기판 상에 노출되는 막 두께를 모니터하기 위한 방법의 일련의 동작 단계를 보여주는 순서도이다. 본 방법은 제3 객체의 부재 시의 두께 데이터를 얻기 위하여, 웨이퍼의 표면을 스캔 하는 동작 단계(300)로 시작된다. 여기서, 웨이퍼의 표면을 스캔하기 위해 정렬기 또는 몇몇 다른 이송 스테이션이 사용되어 전술한 바와 같은 두께 지도를 생성할 수 있다. 웨이퍼와 스캐닝 기구만이 두께 지도를 생성하도록 사용되기 때문에, 제3 객체, 즉 도전성 표면은 여기서 존재하지 않는다. 그 다음, 본 방법은 두께 데이터의 기판 성분 및 두께 데이터의 막 성분을 식별하는 동작 단계(302)로 진행된다. 여기서, 웨이퍼의 표면을 스캔하여 얻은 신호가 기판 성분과 막 성분으로 분할된다. 예를 들어, 와전류 신호가 두 개의 성분으로 갈라질 수도 있다. 이러한 성분 데이터로부터 교정 계수가 발생될 수도 있는데, 보다 정확한 두께 판정이 이루어질 수 있도록 이들 계수가 공정 하류에서의 두께 측정을 위해, 즉 웨이퍼 캐리어에 내장된 센서에 이어서 적용될 수도 있다. 그 다음, 본 방법은 웨이퍼가 프로세싱 스테이션으로 이송되는 동작 단계(304)로 진행한다. 일 실시예로서 프로세싱 스테이션은 CMP 시스템이다. 물론, 웨이퍼를 프로세싱 스테이션으로 이송하기 위해 임의의 적합한 로봇 수단이 이용될 수도 있다. 본 방법은 그 후, 제3 객체가 존재하는 경우 웨이퍼 상의 일 지점에 대응하는 두께 데이터를 검출하는 동작 단계(306)로 진행된다. 여기서, 도7a 및 도7b를 참조하여 전술한 바와 같은 웨이퍼 캐리어 내에 내장된 센서가 두께 데이터를 검출하기 위해 사용될 수도 있다. 일 실시예로서, 이와 같은 검출을 위해 와전류 센서가 사용된다. 본 방법은 이어서, 웨이퍼 상의 상기 지점에 대응하는 두께 데이터가 기판 성분 및 제3 객체 효과 모두를 실질적으로 제거하도록 조정되는 동작 단계(308)로 진행한다. 즉, 제3 객체가 존재하지 않는 경우 결정된 교정 계수가 웨이퍼 상의 막에 관한 두께 데이터를 분리시키도록 사용된다. 보다 상세히 후술하는 바와 같이, 이와 같이 분리된 두께 데이터는 그 후, 웨이퍼 표면에 걸친 보다 균일한 평탄화 공정을 달성하기 위하여 차분 제어 방식으로 평탄화 공정을 제어하도록 사용될 수도 있다.
도24는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 표면에 적용된 제거율의 차분 제어를 달성하기 위한 방법의 일련의 동작 단계를 나타낸 순서도이다. 본 발명의 방법은 프로세싱 공정을 시작하기에 앞서 기판의 두께 지도를 생성하는 동작 단계(310)로 시작된다. 두께 지도는 도23을 참조하여 전술한 바와 같이 생성될 수도 있다. 본 방법은 이어서, 두께 지도의 좌표를 프로세싱 공정에 사용되는 센서와 연계시키는 동작 단계(312)로 진행한다. 여기서, 웨이퍼 캐리어 내에 내장된 센서와 연관된 영역에서 평탄화 프로세스의 제어가 이루어질 수도 있도록 두께 지도상의 해당 지점을 웨이퍼 캐리어 내에 내장된 센서와 연관시킬 수도 있다. 전술한 바와 같이 일반 범용 컴퓨터 또는 제어기가 이러한 연관성을 구축하는데 필요한 계산을 제공할 수도 있다. 본 방법은 그 후, 센서와 연관된 기판 표면의 일 위치에 적용된 제거율을 두께 지도에 의해 제공되는 데이터에 기초하여 조절하는 단계(314)로 진행한다. 여기서, 제거율은 도17a 내지 도22b를 참조하여 전술한 바와 같이, 댐 즉 유체 제한 장치 하류의 연마 패드 표면 상에 슬러리 부족 영역 또는 슬러리 증대 영역을 형성함으로써 조정될 수도 있다.
요약하면, 본 발명은 막이 위에 제공되어 있는 웨이퍼 표면에 차분 제거율이 적용될 수 있도록 한다. 따라서, CMP 프로세스와 같은 반도체 제조 프로세스의 종단점이 시간시간에 기초하여 결정될 수 있게 된다. 즉, 균일한 막 두께를 갖는 기판을 얻을 수 있도록 차분 제거율이 적용될 수도 있다. 따라서, 소정 시간이 지난 후 또는 소정 두께가 검출된 후, 공정이 종단점에 도달했음을 나타내는 신호가 발생되어 공정을 중지하도록 될 수도 있다. 클러스터형 센서는 프로세스가 진행되지 않은 조건 하에서 웨이퍼 상의 막의 두께를 초기에 결정함으로써 종단점 및 관련 제거율 또는 증착율이 결정될 수 있도록 한다. 결정된 두께 값은, 두께 측정에 오차를 야기하는 프로세스 조건으로부터 발생하는 변수(제3 객체 효과)를 실질적으로 제거하도록 센서를 교정하기 위하여, 프로세싱 공정과 연관된 제2 센서에 제공된다. 예를 들어, 프로세스가 진행되지 않는 조건 하에서, 즉 검출 영역에 제3 객체가 없는 경우에 결정된 교정 계수가 프로세싱 모듈에 의해 도입된 제3 객체 효과를 실질적으로 제거하기 위해 제2 센서의 신호에 적용될 수도 있다. 또한, 웨이퍼의 두께 지도가 생성되는데, 이 두께 지도의 데이터는 막 두께 성분 및 기판 성분으로 분할되어 막 두께 성분만이 분리되어 측정될 수 있도록 된다. 전술한 바와 같이, 두께 지도는 프로세스가 진행되지 않는 조건 하에서 결정된 것이다.
본 발명의 실시예들이 CMP 프로세스의 관점에서 기술되어 있긴 하지만, 클러스터형 센서 또는 이러한 클러스터형 센서를 포함하는 배열이 CMP 프로세스용만으로 제한되는 것이 아님을 이해하여야 한다. 예를 들어, 이들 센서는 식각, 증착(deposition) 및 포토레지스트 박리(photoresist stripping) 프로세스와 같은, 기판 상의 층 또는 막의 제거 또는 증착을 위한 임의의 반도체 프로세스에 사용될 수 있다. 또한, 전술한 실시예들은 벨트 유형의 CMP 시스템뿐만 아니라 회전형이나 궤도형의 CMP 시스템에 적용될 수도 있다.
또한, 본 발명은 웨이퍼의 두께 프로파일에 대한 지도가 작성될 수 있도록 하여, 프로세스의 공정이 유입 웨이퍼의 두께에 맞춰 프로세스 변수를 최적화하도록 그러한 정보를 사용할 수 있도록 하고 있다. 당업자라면 프로세싱 공정 완료시에 웨이퍼의 두께를 모니터할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 예시적인 CMP 공정이 전술한 바와 같이 사용된 후, 웨이퍼가 장전 모듈로 다시 보내질 때에 웨이퍼의 두께를 모니터할 수 있다. 이와 같은 후처리 모니터링 값은 프로세싱 파라미터를 더욱 최적화하기 위해 피드백을 제공하기 위해 이용될 수 있다. 선택적으로, 그러한 후처리 모니터링은 값은, 웨이퍼의 그러한 두께 프로파일이 유용하게 사용될 수 있는 후속 프로세스에 사용될 수 있다.
또한, 와전류 센서 클러스터가 본 발명의 일 실시예의 정렬기와 일체형으로 구성됨이 기술되어 있다. 웨이퍼를 부분적으로 또는 완전히 회전시키는 임의의 기구가 센서 클러스터와 함께 두께 프로파일을 생성하는 데에 효과적으로 사용될 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 센서 클러스터는 로봇이 웨이퍼를 그 센서 클러스터 또는 센서 클러스터 배열(array) 사이를 관통하여 통과시킬 수 있도록 웨이퍼 경로를 따라 사용될 수 있다. 센서 클러스터 사이에서의 웨이퍼의 선형적인 반경 방향 이동으로부터 두께 프로파일이 검출된다. 따라서, 통상의 로봇을 이용한 장전/방출 속도로 두께 측정이 즉석 현장 방식으로 이루어질 수 있다. 즉, 시스템의 처리량에는 영향을 미치지 않게 된다. 일 실시예로서, 와전류 센서의 검출 영역 내에 강자성(ferromagnetic) 또는 상자성(paramagnetic) 슬러그를 배치함으로써 와전류 센서의 민감성이 강화될 수도 있다. 즉, 강자성 또는 상자성 슬러그로 인해 자장이 강화되고, 이는 다시 센서에 의해 검출되는 신호 증강을 야기한다. 따라서, 센서의 민감도 및 신호 대 노이즈 비율이 자장 강화에 의해 증가하게 된다. 일 실시예로서 자장은 센서로부터 떨어져 배치된 장치, 즉 외부의 증강 요소에 의해 강화됨을 이해하여야 한다. 그와 같이 증강된 민감도는 센서로 하여금 이전에는 검출 불가능하였던 신호를 검출할 수 있도록 한다. 따라서, 자장을 증강시키는 요소와 센서 사이의 검출 공간 내에 배치된 도전성 객체의 저항 기반 특성이 정량화될 수도 있다. 더욱이, 전술한 실시예를 참조하여 설명된 바와 같이 신호가 강화됨로써 이전에는 검출이 불가능하였던 신호가 측정될 수 있게 된다. 예를 들어, 자장 증강 요소와 함께 사용된 와전류 센서에 의해 2500Å 미만의 막 두께가 측정될 수 있다.
일 실시예로서 위와 같은 자장 증강 요소는 강자성 또는 상자성 슬러그이다. 다른 실시예로서, 자장 증강 요소로 제2 센서가 사용될 수도 있다. 이와 같이 자장 증강 요소로 제2 센서가 사용되는 경우에는, 두개의 센서의 위상이 서로 차이가 나도록 위상차가 적용된다. 여기서, 제2 센서에 의해 발생된 자장의 위상은 제1 센서의 자장 위상과 180°위상차가 발생하여 그 사이에 억압 효과가 야기되지 않도록 된다. 즉,신호의 억압을 제거하기 위해 일 센서의 신호파는 다른 센서의 신호파에 대해 180°위상차가 생기도록 한다. 전술한 실시예들은 특별히 와전류 센서가 막의 두께를 측정하도록 사용되는 것으로 설명하고 있긴 하지만, 임의의 저항 기반 특성이 측정될 수도 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명은 CMP, 플라즈마 에칭, 층 증착 및 특정 기판의 층의 두께를 파악해야 할 필요가 있는 기타 프로세스에 적용하기 위한 수많은 반도체 프로세싱 기구에 적용될 수 있다. 이러한 프로세싱 기구의 범위 내에서, 자장/와전류 증강 요소가 용이하게 통합될 수 있다. 예를 들어, 식각 및 증착 기구와 관련하여, 기판 지지체 즉 척(chuck)이 자장 증강 특성을 갖는 재료로 구성될 수 있으며 또는 이러한 특성을 갖는 삽입물을 포함할 수도 있다. 당업자라면 상기 척이 정전 척(electrostatic chuck), 진공 척(vacuum chuck), 기계 척(mechanical chuck) 등 다양한 유형일 수도 있음을 알 수 있을 것이다.
그러나, 전술한 바와 같이, 본 발명은 도전성 객체의 임의의 적합한 저항 기반 특성을 결정하도록 확장될 수 있다. 즉, 기판 상의 막 두께 또는 기판 자체의 두께를 결정하는 것 외에도, 본 발명의 실시예들은 도펀트(dopant) 농도의 결정, 막 스택의 조성, 금속 박막의 무결성(integrity), 표면 거칠기(surface roughness), 불순물 분포, 그레인 사이즈(grain size) 분포 등을 식별하는데 이용될 수 있다. 기본적으로, 자장/와전류 증강 요소를 사용함으로써, 센서 검출 공간 내에 배치된 도전성 물체에 대해 광범위한 저항 기반 특성들을 확인하는 것이 가능하다. 본원에 설명된 일부 실시예들이 반도체 제조 용례에 관하여 기술되고 있긴 하지만, 본 발명의 실시형태들은 이들 용례로만 한정되는 것은 아니다. 저항 특성에 의해 제공되는 정보를 필요로 하는 임의의 용례의 경우에는 본원에 설명된 민감도 강화 실시예들을 활용할 수 있을 것이다.
전술한 본 발명의 일 실시예에서는 자장 강화 요소로서 퍼멀로이(permalloy)가 사용된다. 당업자라면, 이러한 퍼멀로이가 일반적으로 NixFey의 조성식을 갖는 니켈과 철로 이루어진 높은 투자율(magnetic permeability)을 갖는 합금 군을 일컫는 것임을 알 수 있을 것이다. 일 실시예로서 철과 니켈이 퍼멀로이 조성의 약 40% 내지 약 80% 사이로 설명될 수 있다. 다른 실시예에서는 퍼멀로이가 몰리브덴, 구리, 크롬 또는 텅스턴과 같은 다른 원소를 미량 포함하고 있다.
전술한 실시예는 또한 웨이퍼의 소정 영역에 적용되는 제거율을 차분 제어하도록 구성된 CMP 평탄화 시스템을 제공한다. 이러한 차분 제어를 통해 균일한 제거율에 반대되는 개념으로서의 균일한 두께 달성이 가능하다. 레이크를 형성하는 유체 제한 장치를 사용함으로써, 균일한 슬러리 층이 정의된다. 균일한 슬러리 층은 또한 전술한 바와 같이 웨이퍼의 표면에 차분 제거율을 적용하도록 교란될 수도 있다.
본 발명이 몇몇 예시적인 실시형태의 관점에서 설명되었다. 그외 다른 실시형태들 또한 당업자에게 있어서는 본 발명의 명세서 및 실시로부터 자명할 것이다. 전술한 바와 같은 실시예 및 바람직한 특징은 단지 예시적인 것으로서, 본 발명은 첨부된 청구의 범위에 기재된 바에 의해 정의된다.

Claims (26)

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  6. 연마 패드;
    상기 연마 패드가 이동할 때 상기 연마 패드의 최상부 표면 상에 배치된 유체를 상기 연마 패드에 대해 압착(press)하고 방해하여 상기 연마 패드의 상기 최상부 표면 위에 균일한 유체 층을 생성하도록 구성되는 유체 제한 장치(fluid restraining device); 및
    상기 균일한 유체 층의 일 영역을 선택적으로 교란시키도록 구성되는 유체 전달 시스템(fluid delivery system)을 포함하는,
    반도체 프로세싱 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유체 전달 시스템과 통신하는 센서 클러스터를 더 포함하며,
    상기 센서 클러스터는, 상기 센서 클러스터에 의해 검출된 웨이퍼의 두께에 기초하여 상기 영역을 교란시키도록 상기 유체 전달 시스템을 트리거(trigger)할 수 있는, 반도체 프로세싱 모듈.
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  21. 제 7 항에 있어서,
    상기 센서 클러스터는:
    상기 웨이퍼 및 상기 웨이퍼 위에 배치된 막의 두께를 측정하도록 구성되는 최상부 센서 어레이;
    상기 웨이퍼의 두께를 측정하도록 구성되는 최하부 센서 어레이; 및
    웨이퍼 및 상기 웨이퍼 위에 배치된 상기 막 중 하나 또는 모두의 두께를 결정하기 위하여 상기 최상부 및 최하부 센서 어레이들로부터 수신되는 신호를 평균내도록 구성되는 제어기
    를 더 포함하는,
    반도체 프로세싱 모듈.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 최상부 센서 어레이는 상기 최하부 센서 어레이의 축으로부터 오프셋된,
    반도체 프로세싱 모듈.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 최상부 센서 어레이는 대응하는 최하부 센서 어레이와 공통의 축을 공유하는,
    반도체 프로세싱 모듈.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 최상부 센서 어레이는 상기 웨이퍼의 표면을 가로질러 스캔하도록 정렬되는,
    반도체 프로세싱 모듈.
  25. 제 21 항에 있어서,
    상기 최상부 센서 어레이의 각각의 센서는 상기 최하부 센서 어레이의 각각의 대응하는 센서와 180도 만큼 위상이 다른,
    반도체 프로세싱 모듈.
  26. 제21항에 있어서,
    상기 최상부 및 최하부 센서 어레이들은 와전류 센서(eddy current sensor)들인, 반도체 프로세싱 모듈.
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