KR101219547B1 - 화학 기계적 연마 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

화학 기계적 연마 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전하는 플래튼 패드 상에서 회전하는 웨이퍼의 표면이 정밀 연마되는 화학 기계적 연마 장치및 그 제어 방법에 관한 것으로, 상기 플래튼 패드의 상측의 세정 위치와 상기 플래튼 패드의 상측으로부터 벗어난 대기 위치로 이동 가능하게 설치되고, 상기 세정 위치에서 상기 플래튼 패드를 향하여 고압의 세정액을 분사하는 다수의 세정액 공급노즐이 장착된 노즐 몸체와; 상기 플래튼 패드의 표면에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급구와; 상기 슬러리를 상기 플래튼 패드의 표면에 분산시키는 컨디셔너와; 상기 노즐 몸체가 상기 대기 위치로 이동한 상태에서만 새롭게 연마할 웨이퍼을 장착하여 상기 플래튼 패드 상으로 이동하는 캐리어 헤드를; 포함하여 구성되어, 노즐 몸체가 플래튼 패드로부터 완전히 벗어난 상태에서 캐리어 헤드가 플래튼 패드의 상측으로부터 바깥으로 왕복 이동함으로써, 캐리어 헤드가 플래튼 패드를 가로질러 이동하는 경로가 보다 넓게 확보되어, 다수의 기구물이 조밀하게 배열되고 다수의 플래튼 패드가 조밀하게 배치된 화학 기계적 연마 장치에서 캐리어 헤드가 보다 신속하게 충돌 가능성없이 이동할 수 있는 화학 기계적 연마 장치 및 그 제어 방법을 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 장치 및 그 제어 방법 {CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 화학 기계적 연마 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 조밀하게 배치된 화학 기계적 연마 장치에서 웨이퍼를 교체하기 위하여 웨이퍼를 탑재한 캐리어 헤드가 왕복 이동하는 과정에서 보다 빠른 속도로 이동하더라도 주변의 기구물들과 충돌할 가능성을 배제할 수 있는 화학 기계적 연마 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다
반도체 소자는 미세한 회로선이 고밀도로 집적되어 제조됨에 따라, 이에 상응하는 정밀 연마가 웨이퍼 표면에 행해진다. 웨이퍼의 연마를 보다 정밀하게 행하기 위해서는 기계적인 연마 뿐만 아니라 화학적 연마가 병행되는 화학 기계적 연마 공정(CMP공정)이 도1 및 도2에 도시된 바와 같이 행해진다.
즉, 연마 정반(10)의 상면에는 웨이퍼(S)가 가압되면서 맞닿는 플래튼 패드(11)가 연마 정반(10)과 함께 회전(11d)하도록 설치되어, 마찰에 의한 기계적 연마를 웨이퍼(S)에 행한다. 이 때, 웨이퍼(S)는 캐리어 헤드(20)에 의해 정해진 위치에서 회전(20d)하여 정밀 연마가 행해진다.
한편, 플래튼 패드(11)의 표면에는 웨이퍼(S)의 화학적 연마를 위해 공급 유닛(30)의 슬러리 공급구(32)를 통해 슬러리가 공급된다. 그리고, 플래튼 패드(11)의 표면에 도포된 슬러리는 도면부호 40d로 표시된 방향으로 회전하면서 아암(41)이 41d로 표시된 방향으로 선회 운동을 하는 컨디셔너(40)에 의해 플래튼 패드(11) 상에서 골고루 퍼지면서 웨이퍼(S)에 유입되도록 한다. 이를 통해, 웨이퍼(S)에는 기계적 연마 뿐만 아니라 화학적 연마도 행해진다.
이와 같은 화학 기계적 정밀 연마 공정은 웨이퍼(S)의 연마 공정과 플래튼 패드(11)의 세정 공정을 반복하면서 행해진다. 웨이퍼(S)의 연마 공정이 완료되면, 도2에 도시된 바와 같이 노즐 몸체(31)에 일렬로 배열된 다수의 세정액 분사노즐(33)로 세정액(33w)을 플래튼 패드(11)상에 고압으로 분사하여, 플래튼 패드(11)의 미세 홈에 남아 있는 연마 입자 및 슬러리를 제거한다.
이 때, 그리고 나서, 캐리어 헤드(40)에 탑재되어 연마가 종료된 웨이퍼(S)는 플래튼 패드(11)의 바깥으로 이동하고, 연마 공정을 거칠 새로운 웨이퍼(S)가 캐리어 헤드(40)에 탑재되어 플래튼 패드(11)의 표면 상측으로 이동한다.
도면에는 하나의 플래튼 패드(11)에서 화학 기계적 연마 공정이 이루어지는 구성이 도시되어 있지만, 일반적으로 여러 플래튼 패드(11)가 종횡으로 배열된 상태에서 화학 기계적 연마 공정이 이루어진다. 따라서, 캐리어 헤드(40)에 탑재된 웨이퍼(S)를 새로운 기판으로 교체하기 위하여 플래튼 패드를 가로질러 왕래하는 과정에서, 세정액 노즐이 장착된 노즐 몸체(31) 등과 부딪히는 문제가 발생할 가능성이 상존하는 문제점이 있다.
이를 위하여, 종래에는 캐리어 헤드(40)의 이동 속도를 줄이면서 천천히 이동시키는 방법 등을 사용하였으나, 조밀하게 배열된 화학 기계적 연마 장치(1)의 캐리어 헤드(40)가 웨이퍼(S)를 교체하기 위하여 왕복 이동하는 과정에서 충돌이 발생될 가능성을 줄이고자 하는 시도가 있어왔다.
그러나, 조밀하게 배열된 화학 기계적 연마 장치(1)의 캐리어 헤드(40)가 웨이퍼(S)를 교체하도록 왕복 이동하는 과정에서 충돌을 방지하기 위하여 지나치게 느린 속도로 이동하여 공정의 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
더욱이, 일반적으로 화학 기계적 연마 장치는 다수의 플래튼 패드가 나란이 다수 배열되어 캐리어 헤드가 새로운 웨이퍼로 교체하고 되돌아오는 데 인접한 플래튼 패드 상에 배치된 노즐 몸체, 컨디셔너에 의해 경로의 많은 제약이 발생되었다. 따라서, 캐리어 헤드의 이동 경로가 크게 제한됨에 따라 공정의 효율이 더욱 더 낮아지는 문제점이 심화되었다.
본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 조밀하게 배치된 화학 기계적 연마 장치에서 웨이퍼를 교체하기 위하여 웨이퍼를 탑재한 캐리어 헤드가 왕복 이동하는 과정에서 보다 빠른 속도로 이동하더라도 주변의 기구물들과 충돌할 가능성을 배제할 수 있는 화학 기계적 연마 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 통해, 본 발명은 CMP공정을 보다 신속하게 진행하여 공정 효율을 향상시키면서 충돌에 의한 파손이 발생하는 것을 미연에 방지하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 회전하는 플래튼 패드 상에서 회전하는 웨이퍼의 표면이 정밀 연마되는 화학 기계적 연마 장치에 있어서, 상기 플래튼 패드의 상측의 세정 위치와 상기 플래튼 패드의 상측으로부터 벗어난 대기 위치로 이동 가능하게 설치되고, 상기 세정 위치에서 상기 플래튼 패드를 향하여 고압의 세정액을 분사하는 다수의 세정액 공급노즐이 장착된 노즐 몸체와; 상기 플래튼 패드의 표면에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급구와; 상기 슬러리를 상기 플래튼 패드의 표면에 분산시키는 컨디셔너와; 상기 노즐 몸체가 상기 대기 위치로 이동한 상태에서만 새롭게 연마할 웨이퍼을 장착하여 상기 플래튼 패드 상으로 이동하는 캐리어 헤드를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치를 제공한다.
이를 통해, 노즐 몸체가 플래튼 패드로부터 완전히 벗어난 상태에서 캐리어 헤드가 플래튼 패드의 상측으로부터 바깥으로 왕복 이동함으로써, 캐리어 헤드가 플래튼 패드를 가로질러 이동하는 경로가 보다 넓게 확보되어, 다수의 기구물이 조밀하게 배열되고 다수의 플래튼 패드가 조밀하게 배치된 화학 기계적 연마 장치에서 캐리어 헤드가 보다 신속하게 충돌 가능성없이 이동할 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.
이와 동시에, 상기 컨디셔너가 플래튼 패드로부터 완전히 벗어난 상태에서 캐리어 헤드가 플래튼 패드의 상측으로부터 바깥으로 왕복 이동하도록 구동될 수 있다. 이에 의하여, 연마 대상이 되는 플래튼 패드 뿐만 아니라 인접한 플래튼 패드를 가로지르는 방향으로 캐리어 헤드가 이동하는 동안에도 충돌없이 빠른 속도로 이동할 수 있게 된다.
이 때, 상기 노즐 몸체와 상기 컨디셔너 중 어느 하나 이상이 각각의 대기 위치에 있는 것을 감지하는 감지 센서를; 추가적으로 포함하여, 감지 센서에 의해 상기 노즐 몸체가 대기 위치에 있는 경우에만 상기 캐리어 헤드가 상기 플래튼 패드 상으로 이동할 수 있다. 이에 의하여, 캐리어 헤드가 이동하는 통로가 보다 넓게 확보된 것을 확인하고 나서 캐리어 헤드가 이동 제어되므로, 오작동에 의한 캐리어 헤드의 충돌 가능성을 훨씬 낮출 수 있다.
한편, 상기 노즐 몸체가 대기 위치에 위치하면, 상기 노즐 몸체는 상기 대기 위치에 위치한 잠금부에 의해 간섭되어 상기 잠금부의 해제 이전에는 상기 노즐 몸체가 상기 세정 위치로 이동하는 것이 물리적으로 제한되도록 구성된다. 이는, 노즐 몸체를 회전 이동시키는 구동부가 오작동에 의해 다시 플래튼 패드의 상측으로 복귀하는 오작동이 발생되는 것을 근본적으로 방지하기 위함이다. 이와 같이, 잠금부를 별도의 구동 수단에 의해 제어하여 잠금부가 노즐 몸체의 이동을 물리적인 간섭으로 제한하는 상태를 해제할 때까지 노즐 몸체의 이동이 억제됨으로써, 노즐 몸체의 오작동에 의해 캐리어 헤드와 노즐 몸체의 충돌을 방지할 수 있다.
마찬가지로, 상기 컨디셔너가 대기 위치에 위치하면, 상기 컨디셔너는 대기 위치에 위치한 잠금 수단에 의해 간섭되어 상기 잠금 수단이 해제시키기 이전에는 상기 컨디셔너가 플래튼 패드의 상측으로 이동하는 것이 제한되도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기 잠금부는, 상기 노즐 몸체와 상기 대기 위치의 주변 구조물 중 어느 하나에 형성된 걸림 돌기와; 상기 노즐 몸체와 상기 대기 위치의 주변 구조물 중 다른 하나에 상기 걸림 돌기를 수용하는 수용부와; 상기 수용부에 상기 걸림 돌기의 일부 이상이 삽입되면 상기 걸림돌기가 상기 수용부로부터 빠져나가는 것을 간섭하는 간섭 부재를; 포함하여 구성되어, 노즐 몸체의 오작동에 의해 플래튼 패드의 상측으로 회귀하여 캐리어 헤드가 이동하는 경로에서 서로 충돌하는 것을 보다 신뢰성있게 방지할 수 있다.
따라서, 상기 잠금부는 상기 간섭 부재가 상기 걸림 돌기와 간섭되는 것을 해제하는 간섭해제 구동부를 추가적으로 포함하여, 상호 독립적으로 제어되는 간섭해제 구동부에 의해 간섭 부재를 해제한 상태에서야 비로소 노즐 몸체가 플래튼 패드의 상측으로 복귀할 수 있게 되므로, 노즐 몸체와 캐리어 헤드의 경로가 중복되어 상호 충돌할 가능성을 완전히 배제할 수 있게 된다.
이와 같은 노즐 몸체는 세정액을 분사하는 세정액 노즐 이외에도 슬러리를 공급하는 슬러리 공급구가 구비되므로, 상기와 같이 노즐 몸체의 이동 제어 방식은 캐리어 헤드와 충돌될 가능성을 실질적으로 완전히 배제할 수 있으며, 캐리어 헤드의 이동 속도를 보다 빠르게 할 수 있다는 점에서, 화학 기계적 연마 장치의 신뢰성있는 작동과 공정 효율의 향상을 동시에 도모한다는 점에서 유리한 효과를 얻을 수 있다.
마찬가지로, 컨디셔너에 대해서도 동일 또는 유사한 잠금부의 구성에 의해 컨디셔너의 작동을 별도의 독립적인 해제 구동부에 의해 구속 상태를 풀어주도록 구성됨으로써, 컨디셔너와 캐리어 헤드와 충돌될 가능성을 실질적으로 완전히 배제할 수 있게 되므로, 화학 기계적 연마 장치의 조밀한 구성 부품 간에 충돌없이 신뢰성있는 작동을 구현할 뿐만 아니라, 캐리어 헤드의 보다 빠른 이동을 가능하게 한다는 점에서 공정 효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 발명의 다른 분야에 따르면, 본 발명은, 회전하는 플래튼 패드 상에서 회전하는 웨이퍼의 표면이 정밀 연마되는 화학 기계적 연마 장치의 제어 방법으로서, 고압의 세정액을 분사하는 다수의 세정액 노즐을 구비하고, 플래튼 패드의 표면에 슬러리를 도포하는 슬러리 공급구를 구비한 노즐 몸체를 플래튼 패드의 상측에 위치시키는 단계와; 상기 슬러리 공급구로부터 슬러리를 플래튼 패드의 상측에 도포하면서, 플래튼 패드에 도포된 슬러리를 컨디셔너로 분포시키는 단계와; 플래튼 패드의 상측에 캐리어 헤드에 의해 웨이퍼을 정밀 연마하는 단계와; 상기 웨이퍼의 정밀 연마 공정이 종료된 이후에, 상기 연마된 웨이퍼을 탑재한 캐리어 헤드를 상기 플래튼 패드의 바깥으로 이동시키는 단계와; 상기 세정액 노즐로부터 고압 세정액을 분사하여 상기 플래튼 패드의 표면을 세정하는 단계와; 상기 세정 공정이 완료되면, 상기 노즐 몸체는 상기 플래튼 패드의 바깥에 위치한 대기 위치로 이동하는 노즐몸체 이동단계와; 상기 노즐 몸체가 상기 대기 위치에 도달하면, 상기 캐리어 헤드는 그 다음 공정에서 연마를 행할 새로운 웨이퍼을 탑재하여 상기 플래튼 패드의 상측으로 이동하는 웨이퍼 장입 단계와; 상기 웨이퍼 장입 단계 이후에 상기 노즐 몸체가 상기 플래튼 패드의 상측으로 복귀하는 노즐몸체 복귀단계를; 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 제어 방법을 제공한다.
이 때, 상기 노즐몸체 이동단계와 상기 웨이퍼장입단계의 사이에, 상기 노즐 몸체가 대기 위치로 이동한 것을 감지 센서로 감지하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다. 이에 의해, 노즐 몸체의 위치를 실시간으로 지속하여 감시하여, 그 감지된 위치를 기초로 캐리어 헤드의 이동을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 상기 노즐 몸체가 대기 위치에 위치하면, 상기 노즐 몸체의 이동을 잠금부에 의해 물리적으로 제한하는 단계를; 추가적으로 포함할 수 있다. 이에 의해, 노즐 몸체를 제어하는 제어 오류가 발생되더라도, 노즐 몸체가 플래튼 패드의 상측으로 복귀하는 것이 잠금부에 의해 물리적으로 제한되므로, 노즐 몸체가 제어 오류에 의해 플래튼 패드로 이동하여 이동 중인 캐리어 헤드와 충돌하는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 상기 웨이퍼장입단계와 상기 노즐몸체 복귀단계의 사이에, 상기 잠금부에 의해 상기 노즐 몸체의 이동을 제한하는 것을 해제시키는 단계를 추가적으로 포함할 수도 있다.
한편, 본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 "대기 위치" 및 이와 유사한 용어는 노즐 몸체가 회전하거나 직선 이동하여 플래튼 패드의 상측으로부터 1/2이상 바깥에 있는 위치로 정의하기로 한다. 그리고, 본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 "고압 세정액"은 세정액을 분사하는 압력이 대기압보다 높은 압력으로 분사하는 것으로 정의한다. 한편, 본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 "기판" 및 이와 유사한 용어는 웨이퍼 등의 CMP공정에서의 연마 대상물을 통칭하는 것으로 정의한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 노즐 몸체, 컨디셔너, 캐리어 헤드가 조밀하게 배치되어 플래튼 패드 상에서 웨이퍼를 연마하는 화학 기계적 연마 장치에 있어서, 노즐 몸체와 컨디셔너 중 어느 하나 이상이 플래튼 패드의 바깥의 대기 위치로 이동한 상태에서 캐리어 헤드가 웨이퍼를 교체하도록 빠른 속도로 이동하더라도 주변의 기구물들과 충돌할 가능성을 배제할 수 있으므로 보다 신뢰성있는 CMP공정을 보장할 수 있는 유리한 효과가 얻어진다.
더욱이, 일반적으로 화학 기계적 연마 장치는 다수의 플래튼 패드가 나란이 다수 배열되어 캐리어 헤드가 새로운 웨이퍼로 교체하고 되돌아오는 데 인접한 플래튼 패드 상에 배치된 노즐 몸체, 컨디셔너에 의해 경로의 많은 제약이 발생되었지만, 본 발명은 상기와 같이 플래튼 패드의 상측을 가로질러 캐리어 헤드가 자유롭게 이동할 수 있도록 제어됨에 따라 웨이퍼 교체를 위한 캐리어 헤드의 이동이 보다 넓은 공간 내에서 이루어져 보다 신속한 왕복 이동을 가능하게 하는 잇점도 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명은 감지 센서에 의해 노즐 몸체 및 컨디셔너가 플래튼 패드의 바깥에 위치한 대기 위치에 있는 것을 감지한 이후에 전기 제어 방식으로 캐리어 헤드를 이동시킬 뿐만 아니라, 노즐 몸체 및 컨디셔너가 플래튼 패드 바깥의 대기 위치에 있는 상태를 잠금부에 의해 물리적으로 구속시킨 후 캐리어 헤드를 이동시킴으로써, 전기 제어 오류가 발생되더라도 캐리어 헤드가 주변의 구성 부품과 충돌없이 이동하여 웨이퍼의 교체 공정을 보다 안전하고 신속하게 행할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도1은 종래의 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 평면도
도2는 도1의 측면도
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 평면도
도4는 도3의 측면도
도5는 도4의 V-V에 따른 방향에서 바라본 노즐 몸체의 저면도
도6은 도4의 'A'부분의 확대도
도7a 내지 도7e는 도3의 노즐 몸체를 대기 위치에서 물리적으로 구속시키는 잠금부의 작동 원리를 도시한 도면
도8은 도3의 화학 기계적 연마 장치의 제어 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치(1')를 상술한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 평면도, 도4는 도3의 측면도, 도5는 도4의 V-V에 따른 방향에서 바라본 노즐 몸체의 저면도, 도6은 도4의 'A'부분의 확대도, 도7a 내지 도7e는 도3의 노즐 몸체를 대기 위치에서 물리적으로 구속시키는 잠금부의 작동 원리를 도시한 도면, 도8은 도3의 화학 기계적 연마 장치의 제어 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치(1')는 상측에 플래튼 패드(11)가 설치되어 구동 수단에 의해 회전(10d)하는 연마 정반(10)과, 연마 정반(10)의 플래튼 패드(11)에 웨이퍼(S)를 가압하면서 회전(20d)시키는 캐리어 헤드(20)와, 웨이퍼(S)의 화학적 연마를 위해 플래튼 패드(11)의 표면에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급구(120)와, 슬러리 공급구(120)로부터 공급된 슬러리를 플래튼 패드(11)의 표면에 분포시키는 컨디셔너(40)와, 화학 기계적 정밀연마 공정이 마친후 플래튼 패드(11)상에 잔류하는 연마 입자 및 슬러리 등을 제거하도록 세정액(130w)을 분사하는 세정액 노즐(130)과, 슬러리 공급구(120)와 세정액 노즐(130)이 장착되어 회전(112) 가능하게 설치된 노즐 몸체(112)와, 노즐 몸체(122)가 플래튼 패드(11)의 바깥의 대기 위치(M1)에서 노즐 몸체(122)의 위치를 감지하고 노즐 몸체(122)의 이동을 구속하는 잠금부(140)로 구성된다.
상기 연마 정반(10)은 스핀들에 의해 회전(10d) 구동되며, 그 표면에는 다수의 미세 홈이 형성된 플래튼 패드(11)가 설치된다.
상기 캐리어 헤드(20)는 정밀 연마를 하고자 하는 웨이퍼(S)를 탑재하여 연마 정판(10)의 플래튼 패드(11) 상에서 웨이퍼(S)를가압하면서 회전(20d)하여 정밀 연마시킨다. 탑재한 웨이퍼(S)의 연마 공정이 종료되면, CMP 공정에 의한 정밀 연마를 행할 새로운 웨이퍼(S)로 교체하기 위하여 캐리어 헤드(20)는 웨이퍼 카세트가 위치한 곳을 왕복 이동한다.
상기 슬러리 공급구(120)는 세정 기구(100)의 노즐 몸체(112)의 끝단에 장착되어, 슬러리를 플래튼 패드(11)의 표면에 공급한다.
상기 컨디셔너(40)는 슬러리 공급구(120)를 통해 플래튼 패드(11)의 표면에 공급된 슬러리를 플래튼 패드(11)의 표면에 골고루 퍼지도록 하여, 캐리어 헤드(20)에 의해 플래튼 패드(11)의 표면에 가압되면서 회전하는 웨이퍼(S)의 표면에 일정량의 슬러리가 공급되도록 한다. 이에 의해 웨이퍼(S)의 화학적 연마 공정이 이루어진다.
상기 세정 기구(100)는 세정 몸체(110)와, 세정 몸체(110)의 노즐 몸체(112)의 끝단에서 슬러리를 플래튼 패드(11)상에 공급하는 슬러리 공급구(120)와, 노즐 몸체(112)의 저면에 2개의 열로 설치된 세정액 공급노즐(130)로 이루어진다.
세정 몸체(110)는 연마 정반(10)으로부터 이격된 위치에 설치된 기둥(111)과, 기둥(111)에 힌지 결합되어 기둥(111)에 대하여 회전(112d) 가능한 노즐 몸체(112)로 구성된다. 노즐 몸체(112)가 기둥(111)에 대하여 회전하도록 구성되어, 웨이퍼(S)를 교체할 때에 노즐 몸체(112)가 플래튼 패드(111)의 상측으로부터 이탈한 위치로 회전 이동하여, 캐리어 헤드(20)와 세정 몸체(110)가 충돌하는 것을 미연에 방지한다. 한편, 노즐 몸체(112)가 회전(112d)하는 구성은 기둥(111) 자체가 회전(111d)하는 구성으로 대체되거나 부가될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태에 따르면 슬러리 공급구(120)는 노즐 몸체(112)에 위치하지 않고 별도의 공급구가 구비될 수도 있다. 슬러기 공급구(120)는 플래튼 패드(111)의 중앙부에 슬러리를 공급하며, 플래튼 패드(111)의 회전에 따른 원심력과 컨디셔너에 작동에 의해 플래튼 패드(11)에 골고루 퍼져 웨이퍼(S)의 표면에 미리 정해진 양이 지속적으로 유입된다. 이 때, 플래튼 패드(11)의 표면에는 미세한 홈이 형성되어 슬러리가 플래튼 패드(11)의 미세홈에 유입되어 연마 공정에 따라 조금씩 웨이퍼(S)에 공급된다.
세정액 공급노즐(130)은 노즐 구멍으로부터 고압 세정액(130w1, 130w2)이 점점 넓어지는 형태로 플래튼 패드(11)의 표면에 분사하여, 플래튼 패드(11)의 표면에 잔류하는 연마 입자 및 슬러리 등의 이물질을 플래튼 패드(11)의 표면으로부터 제거한다. 따라서, 세정액은 고압으로 분사되는 것이 필요하다.
이를 위하여, 세정액 공급관(135a)으로부터 공급되는 세정액은 고압 가스 공급관(135b)으로부터 공급되는 고압 가스와 혼합 챔버에서 혼합된 상태로 세정액 공급노즐(130)로 공급되어, 고압 세정액(130w1, 130w2)의 형태로 플래튼 패드(11)의 표면에 분사된다.
이 때, 세정액 공급노즐(130)은 도5에 도시된 바와 같이 제1열(L1)에는 다수의 제1노즐(130a)이 배열되고, 제1열(L1)에 대하여 플래튼 패드(11)의 원주 방향으로 이격된 제2열(L2)에는 다수의 제2노즐(130b)이 배열된다. 여기서, 제1열(L1)과 제2열(L2)은 도면에 도시된 바와 같이 직선 형태로 형성되고, 서로 평행하게 배열될 수도 있지만, 제1노즐(130a)과 제2노즐(130b)이 배열되는 제1열과 제2열 중 어느 하나 이상은 곡선 형태로 형성될 수도 있으며 서로 평행하게 배열되지 않을 수도 있다.
그리고, 다수의 제1노즐(130a)과 다수의 제2노즐은 플래튼 패드(11)의 반경 방향으로 서로 다른 위치에 위치한다. 보다 바람직하게는, 도5에 도시된 바와 같이, 플래튼 패드(11)의 반경 방향으로 제1노즐(130a)의 사이마다 제2노즐(130b)이 위치한다. 그리고, 제1노즐(130a)과 제2노즐(130b)은 거의 연직 방향으로 고압 세정액(130w1, 130w2)을 분사하여, 도6b에 도시된 바와 같이 플래튼 패드(11)의 표면에는 제1노즐(130a)에 의해 분사된 고압 세정액(130w1)이 도달하는 위치는 제2노즐(130b)에 의해 분사된 고압 세정액(130w2)이 도달하는 위치에 대하여 원주 방향으로 이격된다.
따라서, 플래튼 패드(11)와 노즐 몸체(112)의 상대 회전 방향(11d)에 대하여 제1열(L1)의 제1노즐(130a)로부터 분사되는 고압 세정액(130w1)이 먼저 플래튼 패드(11)의 표면에 닿아 표면의 이물질을 제거하고, 곧바로 제1노즐(130a)에 후행하는 다수의 제2노즐(130b)이 제1노즐(130a)로부터 분사된 고압 세정액(130w1)이 접촉하지 않는 영역(S1)을 중심으로 도면부호 d로 표시된 넓이만큼 플래튼 패드(11)의 반경 방향으로 넓어지는 형태로 고압 세정액(130w2)으로 분사하여 제1노즐(130a)로부터 분사된 고압세정액(130w1)이 세정하지 못한 플래튼 패드(11)의 표면 영역을 완전히 세정할 수 있다.
이 때, 제1노즐(130a)과 제2노즐(130b)에 의해 분사되는 고압 세정액(130w1, 130w2)의 간극(z)은 상호 간섭되지 않는 범위에서 좁게 설정된다. 예를 들어, 1mm 내지 30mm 정도로 설정된다. 이를 통해, 제1노즐(130a)로부터 분사된 고압 세정액(130w1)이 도달하지 않거나 상호 간섭되어 낮은 압력으로 플래튼 패드(11)에 접촉하여 이물질이 남아 있는 영역을 곧바로 제2노즐(130b)로부터 분사된 고압 세정액(130w2)으로 씻어 없앰으로써 세정 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
한편, 노즐 몸체(112)가 플래튼 패드(11)의 상측에서 슬러리를 공급하거나 세정액을 분사하는 세정 위치(M2)로부터 플래튼 패드(11)의 바깥의 대기 위치(M1)로 회전(112d)하여 이동하면, 대기 위치(M1)의 주변 구조물에 설치된 감지 센서(150)에 의해 노즐 몸체(112)가 대기 위치(M1)에 위치한 것을 전자적으로 감지한다. 여기서, 감지 센서(150)는 레이저 빔 등을 이용한 공지된 다양한 형태의 비접촉식 센서를 적용할 수 있으며, 노즐 몸체(112)가 감지 센서(150)에 접촉하여 감지하는 센서를 적용할 수도 있다. 도면에는 노즐 몸체(112)가 회전에 의해 세정 위치(M2)와 대기 위치(M1)를 왕복 이동하는 구성을 예로 들었지만, 노즐 몸체(112)가 직선 또는 곡선 이동하여 이들 위치(M1, M2)를 왕복 이동할 수도 있다.
이와 동시에, 노즐 몸체(112)가 대기 위치(M1)에 도달하면, 도7a에 도시된 바와 같이 노즐 몸체(112)는 잠금부(140)에 의해 노즐 몸체(112)가 세정 위치(M2)로 복귀하는 것을 물리적으로 제한한다. 즉, 노즐 몸체(112)에 돌출된 걸림 돌기(115)가 주변 구조물에 형성된 수용부(140a)에 일부 이상이 삽입되면, 주변 구조물(55)의 내측에 위치한 간섭 부재(141)에 의해 노즐 몸체(112)가 세정 위치(M2)로 복귀하는 것을 억제된다. 이를 위하여, 걸림 돌기(115)의 머리부(115y) 직경은 수용부(140a) 직경(55c)에 비해 더 작게 형성되지만, 힌지(141a)에 의해 회전하는 간섭 부재(141)가 오무린 상태에서의 간극(141c)은 걸림 돌기(115)의 머리부(115y)의 직경보다 더 작게 형성된다. 그리고, 간섭 부재(141)는 주변 구조물(55)과 탄성체(142)로 연결되어, 간섭 부재(141)가 항상 주변 구조물(55)을 향하여 이동하려는 탄성 복원력이 작용한다.
그리고, 도면에 도시되지 않았지만 탄성 복원력을 극복하고 간섭 부재(141)의 끝단이 도7a를 기준으로 상측으로 이동하는 방향으로 회전 구동하는 간섭해제 구동부(미도시)가 설치된다. 간섭 해제 구동부는 모터 등의 동력 수단으로 힌지(141a)를 중심으로 간섭 부재(141)를 회전시킨다.
도면에는 노즐 몸체(112)에 걸림 돌기(115)가 형성되고 대기 위치의 주변 구조물(55)에 수용부(140a)가 형성된 것을 예로 들었으나, 노즐 몸체(112)에 수용부가 형성되고 대기 위치의 주변 구조물(55)에 걸림 돌기(115)가 형성되어 동일한 작용 효과를 구현할 수도 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 장치(1')의 제어 방법을 상술한다.
단계 1: 먼저, 세정액 노즐(130)과 슬러리 공급구(120)를 구비한 노즐 몸체(112)를 플래튼 패드(11) 상측에 위치시킨다.
단계 2: 그리고 나서, 슬러리 공급구(120)로부터 슬러리를 플래튼 패드(11)의 표면에 도포하면서 컨디셔너(40)로 도포된 슬러리를 골고루 분산시켜, 캐리어 헤드(20)에 의해 파지되어 회전하는 웨이퍼(S)에 도달하도록 한다. 캐리어 헤드(20)에 파지된 웨이퍼(S)는 캐리어 헤드(20)의 로터리 유니언 등의 공압 수단에 의해 플래튼 패드(11)에 가압되면서 회전 구동됨에 따라 기계적 연마가 이루어지고, 슬러리가 일정량씩 웨이퍼(S)에 공급되면서 화학적 연마가 이루어진다.
단계 3: 화학 기계적 연마 공정이 종료되면, 노즐 몸체(112)와 컨디셔너(40) 는 플래튼 패드(11)로부터 바깥에 위치한 대기 위치(M1)로 이동한다. 필요에 따라 이들(112, 40) 중 어느 하나만 대기 위치(M1)로 이동할 수도 있다(S110).
노즐 몸체(112)가 대기 위치(M1)로 이동하면, 도7a에 도시된 바와 같이 노즐 몸체(112)의 측면에 돌출된 걸림 돌기(115)는 대기 위치(M1)의 주변 구조물(55)의 수용부(140a)에 삽입된다. 노즐 몸체(112)가 추가적으로 더 회전(112d)하면, 걸림 돌기(115)의 머리부(115y)는 수용부(140a)의 입구를 지나 간섭 부재(141)에 접촉한 후 간섭 부재(141)를 도7b를 기준으로 하방(142y)으로 잡아당기는 탄성 복원력을 극복하고 간섭 부재(141)를 밀어낸다.
그 다음, 도7c에 도시된 바와 같이 걸림 돌기(115)의 머리부(115y)가 간섭 부재(141)를 추가적으로 밀면, 간섭 부재(141)가 밀려 회전하다가 머리부(115y)의 양측 지점(115x)을 지나는 순간 탄성체(142)의 탄성 복원력에 의해 도7c의 하방으로 이동한다. 이에 의해, 걸림 돌기(115)의 머리부(115y)는 간섭 부재(141)에 의해 도면부호 66x로 표시된 길이 만큼 물리적으로 간섭되어 간섭 부재(141)로부터 66y로 표시된 거리만큼 이격된 위치에 있게 된다. 그리고, 노즐 몸체(112)를 플래튼 패드(11)의 상측으로 이동시키려고 힘을 가하더라도, 간섭 부재(141)와의 물리적 간섭에 의해 복귀할 수 없는 구속 상태가 된다(S120).
이와 동시에, 주변 구조물(55)에 설치된 감지 센서(150)는 노즐 몸체(120)가 대기 위치(M1)에 있는 것을 감지하여, 노즐 몸체(112)의 제어부가 노즐 몸체(112)의 이동(112d')을 제한한다. 그러나, 감지 센서(150)의 고장이나 노즐 몸체(112)를 구동하는 제어부의 오작동에 의해 노즐 몸체(112)가 플래튼 패드(11)의 상측으로 복귀하려고 하더라도, 노즐 몸체(112)는 잠금부(140)에 의해 물리적으로 간섭되어 복귀할 수 없는 구속 상태에 있으므로, 노즐 몸체(112)는 어떠한 경우에도 대기 위치(M1)에 있게 된다.
한편, 도면에 도시되지 않았지만, 노즐 몸체(112)가 대기 위치(M1)에 위치한 상태를 잠금부(140)에 의해 물리적으로 위치 고정되고, 감지 센서에 의해 전자 제어적으로 위치 고정되는 것과 마찬가지로, 컨디셔너(40)도 역시 대기 위치에서 잠금부 및 감지 센서에 의해 물리적으로 그리고 전자 제어적으로 위치가 견고하게 고정된다.
이에 의해, 플래튼 패드(11)의 상측에는 노즐 몸체(112) 및 컨디셔너(40)가 거의 위치하지 않으므로, 캐리어 헤드(20)는 넓은 경로로 이동할 수 있게 된다.
단계 4: 그 다음, 캐리어 헤드(20)는 CMP공정에 의해 정밀 연마가 완료된 웨이퍼(S)를 탑재한 상태로, 정밀 연마가 완료된 웨이퍼를 언로딩하고 그다음 CMP공정을 행할 웨이퍼를 로딩하는 언로딩/로딩부(미도시)로 이동한다. 그리고, 캐리어 헤드(20)가 플래튼 패드(11)의 상측에 위치하지 않은 것을 제2감지 센서(160)에 의해 감지되어 제어부로 전송한다.
단계 5: 제2감지센서(160)에 의해 캐리어 헤드(20)가 플래튼 패드(11)상에 위치하지 않는 것을 확인하고 나서, 도7d에 도시된 바와 같이 간섭해제 구동부로 간섭 부재(141)를 도면부호 141d'로 표시된 방향으로 회전시킨다. 이에 의해, 노즐 몸체(112)가 112d"로 표시된 방향으로 일정 깊이만큼 수용부(140a)내로 더 삽입되었다가, 간섭 부재(141)는 걸림 돌기(115)의 머리부(115y)의 최대 단면부(115x)를 지나는 순간 탄성체(142)의 탄성 복원력에 의해 노즐 몸체(112)를 플래튼 패드(11)의 상측으로 112d'로 표시된 방향으로 밀어낸다.
이와 동시에 제어부에 의해서도 노즐 몸체(112)는 플래튼 패드(11)의 상측으로 이동하도록 구동된다.
단계 6: 노즐 몸체(112)의 세정액 노즐(130)로부터 고압의 세정액이 분사되어 플래튼 패드(11) 상의 연마 입자 및 슬러리를 모두 제거한다. 그리고 나서, 노즐 몸체(112)는 다시 대기 위치(M1)로 이동한다. 마찬가지로, 노즐 몸체(112)는 대기 위치(M1)에서 잠금부(140)에 의해 물리적으로 구속된 상태이면서, 전기 제어적으로도 이동이 제한되는 상태가 된다.
단계 7: 감지 센서(150)에 의해 노즐 몸체(112) 및 컨디셔너(40)가 대기 위치(M1)에 있는 것이 확인되면, 캐리어 헤드(20)는 그 다음 CMP공정을 행할 웨이퍼(S)를 탑재하여 플래튼 패드(11) 상으로 로딩시킨다(S140).
단계 8: 그리고, 단계 5의 과정과 유사하게 노즐 몸체(112)와 컨디셔너(40)는 플래튼 패드(11)의 상측으로 복귀한다.
그리고 나서, 단계 1 내지 단계 8을 반복하여 다수의 웨이퍼(S)를 종횡으로 배열된 각각의 플래튼 패드(11) 상에서 순차적으로 CMP 정밀 연마 공정을 행한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 화학 기계적 연마 장치(1')는 노즐 몸체(112), 컨디셔너(40), 캐리어 헤드(20)가 조밀하게 배치되어 플래튼 패드(11) 상에서, 노즐 몸체(112)와 컨디셔너(40)가 플래튼 패드(11) 바깥의 대기 위치(M1)로 이동한 상태에서만 캐리어 헤드(20)가 로딩/언로딩부로 이동함으로써, 플래튼 패드(11)의 상측을 가로지르는 보다 넓은 경로로 캐리어 헤드(20)를 이동시킬 수 있으므로, 캐리어 헤드(20)의 이동 제어가 보다 용이해지며, 캐리어 헤드(20)가 종래보다 빠른 속도로 이동하더라도 주변의 구성들과 충돌할 가능성을 최소화할 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.
이를 통해, 종래에는 캐리어 헤드(20)의 이동 경로를 플래튼 패드(11)의 주변에만 형성함에 따라, CMP장비가 전체적으로 과대해지는 문제가 있었지만, 본 발명에 의해 보다 콤팩트하게 다수의 연마 정반(10)을 배열시킬 수 있는 잇점이 얻어진다.
무엇보다도, 본 발명은 감지 센서(140, 160)에 의해 노즐 몸체(112) 및 컨디셔너(40)가 플래튼 패드(11) 바깥의 대기 위치(M1)에 있는 것을 전자적으로 감지한 결과를 토대로 캐리어 헤드(20)를 이동제어할 뿐만 아니라, 대기 위치에 있는 노즐 몸체(112) 및 컨디셔너(40)가 잠금부(140)에 의해 물리적으로 이동이 구속된 상태가 되므로, 제어 오류가 발생되더라도 캐리어 헤드(20)가 웨이퍼 교체를 위해 이동하는 과정에서 다른 구성과 충돌하는 것을 사실상 완전히 배제할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
1': 화학 기계적 연마 장치 11: 플래튼 패드
20: 캐리어 헤드
55: 주변 구조물 100: 세정 기구
112: 노즐 몸체 115: 걸림 돌기
120: 슬러리 공급구 130: 세정액 노즐
130a: 제1노즐 130b:제2노즐
140: 잠금부 140a: 수용부
141: 간섭 부재 141a: 힌지
142: 탄성체

Claims (13)

  1. 회전하는 플래튼 패드 상에서 회전하는 웨이퍼의 표면이 정밀 연마되는 화학 기계적 연마 장치에 있어서,
    상기 플래튼 패드의 상측의 세정 위치와 상기 플래튼 패드의 상측으로부터 벗어난 대기 위치로 이동 가능하게 설치되고, 상기 세정 위치에서 상기 플래튼 패드를 향하여 고압의 세정액을 분사하는 다수의 세정액 공급노즐이 장착된 노즐 몸체와;
    상기 플래튼 패드의 표면에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급구와;
    상기 슬러리를 상기 플래튼 패드의 표면에 분산시키는 컨디셔너와;
    상기 노즐 몸체가 상기 대기 위치로 이동한 상태에서만 이동하는 캐리어 헤드를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 컨디셔너가 상기 플래튼 패드의 바깥에 위치한 대기 위치에 위치하면, 상기 컨디셔너가 상기 플래튼 패드의 바깥에 위치한 상태에서만 상기 캐리어 헤드가 이동하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 컨디셔너가 상기 대기 위치에 있는지를 감지하는 감지 센서를;
    추가적으로 포함하는 화학 기계적 연마 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 노즐 몸체에는 슬러리를 상기 플래튼 패드의 표면에 공급하는 슬러리 공급구가 위치한 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 노즐 몸체가 대기 위치에 있는 것을 감지하는 감지 센서를;
    추가적으로 포함하여, 감지 센서에 의해 상기 노즐 몸체가 대기 위치에 있는 경우에만 상기 캐리어 헤드가 상기 플래튼 패드 상으로 이동하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  6. 제 1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐 몸체가 대기 위치에 위치하면, 상기 노즐 몸체는 상기 대기 위치에 위치한 잠금부에 의해 간섭되어 상기 잠금부의 해제 이전에는 상기 노즐 몸체가 상기 세정 위치로 이동하는 것이 제한되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 잠금부는,
    상기 노즐 몸체와 상기 대기 위치의 주변 구조물 중 어느 하나에 형성된 걸림 돌기와;
    상기 노즐 몸체와 상기 대기 위치의 주변 구조물 중 다른 하나에 상기 걸림 돌기를 수용하는 수용부와;
    상기 걸림 돌기가 미리 정해진 위치만큼 이동하면 상기 걸림돌기가 상기 대기 위치로부터 벗어나는 것을 간섭에 의해 제한하는 간섭 부재를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 잠금부는,
    상기 간섭 부재가 상기 걸림 돌기와 간섭되는 것을 해제하는 간섭해제 구동부를;
    추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  9. 회전하는 플래튼 패드 상에서 회전하는 웨이퍼의 표면이 정밀 연마되는 화학 기계적 연마 장치의 제어 방법으로서,
    고압의 세정액을 분사하는 다수의 세정액 노즐을 구비하고, 플래튼 패드의 표면에 슬러리를 도포하는 슬러리 공급구를 구비한 노즐 몸체를 플래튼 패드의 상측에 위치시키는 단계와;
    상기 슬러리 공급구로부터 슬러리를 플래튼 패드의 상측에 도포하면서, 플래튼 패드에 도포된 슬러리를 컨디셔너로 분포시키는 단계와;
    플래튼 패드의 상측에 캐리어 헤드에 의해 웨이퍼을 정밀 연마하는 단계와;
    상기 웨이퍼의 정밀 연마 공정이 종료된 이후에, 상기 노즐 몸체를 상기 플래튼 패드의 바깥에 위치한 대기 위치로 이동시키는 노즐몸체 이동단계와;
    상기 노즐 몸체가 상기 대기 위치에 도달하면, 상기 연마된 웨이퍼을 탑재한 캐리어 헤드를 상기 플래튼 패드의 바깥으로 이동시켜, 그 다음 공정에서 연마를 행할 새로운 웨이퍼을 탑재하여 상기 플래튼 패드의 상측으로 이동하는 웨이퍼 장입 단계와;
    상기 웨이퍼 장입 단계 이후에 상기 노즐 몸체가 상기 플래튼 패드의 상측으로 복귀하는 노즐몸체 복귀단계를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 제어 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 노즐몸체 이동단계와 상기 웨이퍼장입단계의 사이에,
    상기 노즐 몸체가 상기 플래튼 패드의 상측으로 이동하여 세정하는 단계를;
    추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 제어 방법.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 노즐몸체 이동단계와 상기 웨이퍼장입단계의 사이에,
    상기 노즐 몸체가 대기 위치로 이동한 것을 감지 센서로 감지하는 단계를;
    추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 제어 방법.
  12. 제 9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐몸체 이동단계에 의하여 상기 노즐 몸체가 대기 위치에 위치하면, 상기 웨이퍼 장입단계가 행해지는 동안에 상기 노즐 몸체의 이동을 잠금부에 의해 제한하는 단계를;
    추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 제어 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 웨이퍼장입단계와 상기 노즐몸체 복귀단계의 사이에,
    상기 잠금부에 의해 상기 노즐 몸체의 이동을 제한하는 것을 해제시키는 단계를;
    추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 제어 방법.
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