KR101399837B1

KR101399837B1 - 화학 기계적 연마 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101399837B1
Application number: KR1020120151959A
Authority: KR
Inventors: 손병철
Original assignee: 주식회사 케이씨텍
Priority date: 2012-12-24
Filing date: 2012-12-24
Publication date: 2014-05-29

Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치 및 방법에 관한 것으로, 연마 패드가 상면에 입혀진 상태로 자전하는 연마 정반과; 상기 연마 패드에 웨이퍼의 판면을 가압하면서 상기 웨이퍼를 회전시키는 캐리어 헤드와; 상기 웨이퍼가 접촉하는 영역의 상기 연마 패드의 저면에 상기 웨이퍼에 의해 가압되는 압력을 측정하는 압력 센서를; 포함하여 구성되어, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼가 전체 표면에 걸쳐 균일하게 밀착되어 가압되면서 연마되고 있는지 여부를 압력 센서의 출력 신호에 기초하여 실시간으로 모니터링함으로써, 웨이퍼의 들뜸 현상을 곧바로 감지하여 이를 해결할 수 있도록 함으로써,화학 기계적 연마 공정 중에 캐리어 헤드의 틸팅에 의하여 웨이퍼가 불균일하게 연마되는 것을 방지할 수 있는 화학 기계적 연마 장치및 방법을 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 장치 및 방법 {CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS AND POLISHING METHOD THEREOF}

본 발명은 화학 기계적 연마 장치 및 방법에 관한 것으로, 웨이퍼를 자전하는 연마 패드 상에 가압하면서 화학 기계적 연마 공정을 행하는 동안에 웨이퍼와 연마 패드 사이의 마찰에 의하여 캐리어 헤드의 일부가 들려 웨이퍼를 균일하게 가압하지 못하는 것을 감지할 수 있는 화학 기계적 연마 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정은 회전하는 연마 정반 상에 웨이퍼 등의 기판이 접촉한 상태로 회전 시키면서 기계적인 연마를 행하여 미리 정해진 두께에 이르도록 기판의 표면을 평탄하게 하는 공정이다.

이를 위하여, 화학 기계적 연마 장치(1)는 연마 정반(10)에 연마 패드(11)를 그 위에 입힌 상태로 자전시키면서, 캐리어 헤드(20)로 웨이퍼(W)를 연마 패드(11)의 표면에 가압하면서 회전(20d)시켜, 웨이퍼(W)의 표면을 평탄하게 연마한다. 이를 위하여, 연마 패드(11)의 표면이 일정한 상태로 유지되도록 회전 막대(41)에 의해 선회 운동(41d)을 하면서 회전(40d)하여 연마 패드(11)의 표면을 개질시키는 컨디셔너(40)가 구비되고, 연마 패드(11)의 표면에 화학적 연마를 수행하는 슬러리가 슬러리 공급관(32)을 통해 공급된다. 도면중 미설명 부호인 30은 슬러리 공급관(32)의 토출구가 연마 패드(11)의 중앙부에 위치하도록 연장된 케이싱이다.

화학 기계적 연마 공정에 의해 연마되는 웨이퍼(W)의 연마에 의한 막 두께는 정확하게 조절되어야 하는데, 웨이퍼(W)는 캐리어 헤드(20)에 의하여 연마 패드(11)에 가압되면서 회전함에 따라, 연마 패드(11)와 웨이퍼(W) 사이에는 물리적 마찰력이 수반된다. 이 때, 캐리어 헤드(20)가 웨이퍼(W)를 가압하는 자세에 균형을 잃게 되면, 도2에 과장하여 도시된 바와 같이 도면부호 20'로 표시된 바와 같이 캐리어 헤드가 미세하게 틸팅되면서, 웨이퍼(W)와 연마 패드와 일측에서 접촉하는 압력(P1)이 타측에서의 압력(P2)에 비하여 작아지는 현상이 야기되어, 웨이퍼(W)의 표면이 균일하게 연마되지 못하는 불량이 야기된다.

이와 같이, 웨이퍼(W)의 표면이 균일하게 연마되지 않는 현상은 시각적으로 드러나지 않으므로 종래의 화학 기계적 연마 공정에서 인지하지 못하고, 웨이퍼로 반도체 소자를 제조한 이후에 불량이 발견되므로 수율이 낮아지는 원인이 된다. 따라서, 캐리어 헤드(20)에 의하여 웨이퍼(W)를 연마 패드(11)에 균일하게 가압하지 못하여 발생되는 불균일한 연마 문제를 해소할 필요성이 크게 대두되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 연마 패드 상에 가압하면서 화학 기계적 연마 공정을 행하는 동안에 웨이퍼와 연마 패드 사이의 마찰에 의하여 캐리어 헤드의 일부가 들려 웨이퍼를 균일하게 가압하지 못하는 것을 감지할 수 있는 화학 기계적 연마 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이를 통해, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정 중에도 웨이퍼의 불균일한 연마 상태를 감지하여, 즉시 잘못된 상태의 연마 공정을 중단하거나 수정하여, 웨이퍼의 불균일한 연마를 방지함으로써 반도체 소자의 수율을 보다 높이는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 연마 패드가 상면에 입혀진 상태로 자전하는 연마 정반과; 상기 연마 패드에 웨이퍼의 판면을 가압하면서 상기 웨이퍼를 회전시키는 캐리어 헤드와; 상기 웨이퍼가 접촉하는 영역의 상기 연마 패드의 저면에 상기 웨이퍼에 의해 가압되는 압력을 측정하는 압력 센서를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치를 제공한다.

이는, 웨이퍼가 접촉하는 영역의 연마 패드의 저면에 압력 센서를 배치시켜 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼를 의도한 압력으로 가압하고 있는지 여부와, 웨이퍼가 연마 패드에 가압되는 것이 균일하게 가압되고 있는지 여부를 압력 센서의 출력 신호로부터 실시간으로 감시하기 위함이다.

이를 통해, 웨이퍼에 가해지는 압력이 표면에 걸쳐 불균일한 경우에는, 캐리어 헤드에 의해 웨이퍼를 가압하는 가압력을 완화시켜 웨이퍼와 연마 패드 사이의 마찰에 의한 들뜸 현상을 완화한 후, 웨이퍼에 가해지는 압력이 균일해지면 다시 정상적인 가압력을 도입하거나, 화학 기계적 연마 공정을 중단시켜 캐리어 헤드 등의 부품을 정비하여, 웨이퍼의 불균일한 연마에 의한 불량이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

압력 센서로부터의 출력 신호는 캐리어 헤드에 의해 가해지는 가압력과 대비될 수 있다. 본 출원인의 대한민국 등록특허공보 제10-1196651호 및 제10-1196652호에 개시된 바와 같이, 웨이퍼는 캐리어 헤드의 멤브레인에 의하여 가압되어 연마 패드에 밀착한 상태가 되는데, 웨이퍼의 전체 표면이 연마 패드의 표면에 균일하게 밀착되어 연마되는 경우에는, 캐리어 헤드에 의해 가압되는 압력값과 연마 패드 저면에 배치된 압력 센서에서 감지되는 압력값의 차이는 실질적으로 동일하다. 그러나, 웨이퍼와 연마 패드 사이에 마찰 등에 의한 들뜸현상이 미세하게라도 발생되면, 캐리어 헤드가 웨이퍼의 전체 표면을 연마 패드에 균일하게 밀착시키지 못한 상태이므로, 압력 센서로부터의 출력치는 캐리어 헤드에 의해 가압되는 압력값과 소정치 이상의 차이가 발생된다. 따라서, 상기 압력 센서의 출력 신호에 의한 측정압력값과 캐리어 헤드에 의해 가압되는 압력값을 대비함으로써, 캐리어 헤드가 웨이퍼를 연마 패드에 균일하게 밀착시켜 가압하고 있는지를 실시간으로 모니터링할 수 있다. 이는, 압력 센서의 개수가 하나인 경우에도 적용 가능하며, 다수로 배열된 경우에도 적용 가능하다. 예를 들어, 상기 압력 센서로부터 수신된 출력 신호가 웨이퍼의 가압력에 상응하는 미리 정해진 값보다 작아지면, 상기 웨이퍼 연마 단계를 중단시키거나 웨이퍼의 가압력을 줄이도록 제어될 수 있다.

한편, 압력 센서가 다수로 배치된 경우에는, 캐리어 헤드에 의해 가압되는 웨이퍼의 전체 표면이 연마 패드와 균일하게 밀착되지 않으면, 웨이퍼의 들뜸 현상에 의하여 위치에 따른 압력값에 차이가 생긴다. 따라서, 다수의 압력 센서에 의해 출력되는 출력신호(압력, 힘, 볼트 신호, 전류 신호를 모두 포함한다)의 차이가 미리 정해진 값보다 더 커지면, 캐리어 헤드에 틸팅 변위가 발생되었다는 것을 감지할 수 있다. 예를 들어, 다수의 압력 센서로부터 수신된 출력신호의 편차가 미리 정해진 값 이상이 되면 상기 웨이퍼 연마단계를 중단시키거나 웨이퍼의 가압력을 줄이도록 제어될 수 있다.

이와 같이 캐리어 헤드에 틸팅 변위가 발생되면, 웨이퍼의 전체 표면이 연마 패드에 밀착하지 못하고 일부가 들뜨거나 일부의 압력이 충분히 전달되지 못하게 되어 웨이퍼의 연마에 불량이 발생되므로, 웨이퍼와 연마 패드의 마찰을 줄여주기 위하여 캐리어 헤드에 의해 웨이퍼에 도입되는 가압력의 크기를 완화하여, 캐리어 헤드의 틸팅 변위가 해소된 이후에 다시 정상적인 가압력을 가하도록 작용된다. 또는, 캐리어 헤드에 틸팅 변위가 발생되면, 캐리어 헤드의 가압력을 줄여 틸팅 변위가 해소되지 않는 경우에는 연마 공정을 중단시켜, 웨이퍼의 전체 표면이 연마 패드에 밀착되어 정해진 압력이 가해지도록 조절한다.

이 때, 상기 압력 센서는 상기 웨이퍼의 중심으로부터 이격되고 원주 방향으로 이격된 다수의 위치에 배열될 수 있다. 이를 통해, 반경 방향으로 격벽이 동심원 형태로 형성되어 서로 다른 압력으로 웨이퍼를 가압하는 구성(본 출원인의 대한민국 등록특허공보 제10-1196651호 및 제10-1196652호 참조)이더라도, 웨이퍼의 중심으로부터 동일한 반경 방향으로의 거리를 가지면서 원주 방향으로 이격된 다수의 압력 센서의 출력 신호로부터, 캐리어 헤드의 틸팅 여부를 정확하게 파악할 수 있다. 예를 들어, 상기 압력 센서는 상기 웨이퍼의 외주면을 따라 배열되면, 캐리어 헤드의 틸팅 상태를 보다 정확하게 감지할 수 있다.

한편, 상기 압력 센서는 상기 웨이퍼가 접촉하는 영역의 상기 연마 패드의 저면에 종횡으로의 간격을 두고 다수 배열될 수도 있다. 이와 같이 종방향과 횡방향으로 다수의 압력 센서가 배열됨에 따라, 웨이퍼의 전체 표면에 걸쳐 압력값을 보다 상세하게 파악할 수 있다.

여기서, 상기 압력 센서는 상기 연마 패드와 상기 연마 정반의 사이에 설치되어, 단단한 연마 정반에 지지되면서 상대적으로 부드러운 연마 패드를 통해 웨이퍼가 가압하는 압력값을 정확하게 측정하면서 견고하게 위치 고정시킬 수 있다는 측면에서 바람직하다. 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 연마 패드는 2겹으로 형성되어, 상기 압력 센서가 2겹의 연마 패드의 사이에 위치할 수도 있다.

상기 압력 센서는 압력값에 따라 전압을 출력하는 압전 소자로 형성되면, 전압 등의 전기 신호로 압력 센서의 출력 신호가 출력되므로, 캐리어 헤드의 틸팅 여부를 출력 신호 자체로부터 쉽게 파악할 수 있다.

한편, 발명의 다른 분야에 따르면, 본 발명은, 웨이퍼의 화학 기계적 연마 방법에 있어서, 연마 정반의 상면에 입혀진 연마 패드에 웨이퍼의 판면을 가압하면서 회전시켜 상기 웨이퍼의 연마를 행하는 웨이퍼 연마단계와; 상기 웨이퍼에 의해 가압되는 영역에서 상기 연마 패드의 저면에 설치된 다수의 압력 센서로부터 출력되는 출력신호를 수신하는 출력신호 수신단계와; 상기 다수의 압력 센서로부터 수신된 출력신호를 대비하여, 상기 출력 신호의 편차가 미리 정해진 값 이상이 되면 상기 웨이퍼 연마단계를 중단시키는 단계를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은, 웨이퍼의 화학 기계적 연마 방법에 있어서, 연마 정반의 상면에 입혀진 연마 패드에 웨이퍼의 판면을 가압하면서 회전시켜 상기 웨이퍼의 연마를 행하는 웨이퍼 연마단계와; 상기 웨이퍼에 의해 가압되는 영역에서 상기 연마 패드의 저면에 설치된 다수의 압력 센서로부터 출력되는 출력신호를 수신하는 출력신호 수신단계와; 상기 다수의 압력 센서로부터 수신된 출력신호를 대비하여, 상기 출력 신호의 편차가 미리 정해진 값 이상이 되면 상기 캐리어 헤드의 가압력을 완화하는 단계를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법을 제공한다.

그리고, 본 발명은, 웨이퍼의 화학 기계적 연마 방법에 있어서, 연마 정반의 상면에 입혀진 연마 패드에 웨이퍼의 판면을 가압하면서 회전시켜 상기 웨이퍼의 연마를 행하는 웨이퍼 연마단계와; 상기 웨이퍼에 의해 가압되는 영역에서 상기 연마 패드의 저면에 설치된 압력 센서로부터 출력되는 출력신호를 수신하는 출력신호 수신단계와; 상기 다수의 압력 센서로부터 수신된 출력신호가 미리 정해진 값 이하가 되면 상기 웨이퍼 연마단계를 중단시키는 단계를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법을 제공한다.

한편, 본 발명은, 웨이퍼의 화학 기계적 연마 방법에 있어서, 연마 정반의 상면에 입혀진 연마 패드에 웨이퍼의 판면을 가압하면서 회전시켜 상기 웨이퍼의 연마를 행하는 웨이퍼 연마단계와; 상기 웨이퍼에 의해 가압되는 영역에서 상기 연마 패드의 저면에 설치된 압력 센서로부터 출력되는 출력신호를 수신하는 출력신호 수신단계와; 상기 다수의 압력 센서로부터 수신된 출력신호가 미리 정해진 값 이하가 되면 상기 캐리어 헤드의 가압력을 완화하는 단계를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법을 제공한다.

여기서, 상기 출력신호 수신단계는, 상기 출력 신호는 상기 웨이퍼의 중심으로부터 이격되고 원주 방향으로 이격된 다수의 위치로부터 수신될 수 있다.

또는, 상기 출력신호 수신단계는, 상기 출력 신호는 상기 웨이퍼가 접촉하는 영역의 상기 연마 패드의 저면에 종횡으로의 간격을 두고 다수 배열된 위치로부터 수신될 수 있다.

본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '웨이퍼의 들뜸 현상' 및 이와 유사한 "들뜬"이라는 용어는 캐리어 헤드가 정상적으로 웨이퍼의 전체 표면을 연마 패드에 균일하게 밀착시켜 가압시키는 상태로부터 벗어나, "캐리어 헤드가 가압하는 웨이퍼의 일부 표면이 연마 패드로부터 물리적으로 접촉하지 않는 상태" 뿐만 아니라 "캐리어 헤드가 틸팅된 상태", "캐리어 헤드가 가압하는 웨이퍼의 일부 표면이 다른 일부의 표면에 비하여 비정상적으로 낮은 압력으로 가압되는 상태"를 모두 포함하는 것으로 정의한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은, 화학 기계적 연마 장치의 연마 패드 저면에 웨이퍼에 의해 가압되는 압력을 측정하는 압력 센서를 포함하여 구성되어, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼가 전체 표면에 걸쳐 균일하게 밀착되어 가압되면서 연마되고 있는지 여부를 압력 센서의 출력 신호에 기초하여 실시간으로 모니터링함으로써, 웨이퍼의 들뜸 현상을 곧바로 감지하여 이를 해결할 수 있도록 함으로써,화학 기계적 연마 공정 중에 캐리어 헤드의 틸팅에 의하여 웨이퍼가 불균일하게 연마되는 것을 방지할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

즉, 본 발명은, 웨이퍼에 가해지는 압력이 캐리어 헤드의 틸팅에 의해 불균일하게 작용하는 경우, 캐리어 헤드에 의해 웨이퍼를 가압하는 가압력을 완화시켜 웨이퍼와 연마 패드 사이의 마찰에 의한 들뜸 현상을 완화한 후, 웨이퍼에 가해지는 압력이 균일해지면 다시 정상적인 가압력을 도입하거나, 화학 기계적 연마 공정을 중단시켜 캐리어 헤드 등의 부품을 정비함으로써, 웨이퍼의 불균일한 연마에 의한 불량이 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있다

이와 같이, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정 중에도 웨이퍼의 불균일한 연마 상태를 감지하여, 즉시 잘못된 상태의 연마 공정을 중단하거나 수정하여, 웨이퍼의 불균일한 연마를 방지함으로써 반도체 소자의 수율을 보다 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

도1은 종래의 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 평면도
도2는 캐리어 헤드의 틸팅 상태가 도시된 도1의 정면도
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 정면도
도4는 도3의 'A' 부분의 확대도
도5는 도3을 위에서 바라본 구성을 개략적으로 도시한 평면도
도6a는 정상적인 화학 기계적 연마 공정 시의 압력 센서로부터의 출력 신호를 도시한 도면
도6b는 캐리어 헤드가 틸팅된 상태에서 정상 상태에 비하여 높은 압력이 작용하는 지점의 압력 센서로부터의 출력 신호를 도시한 도면
도6c는 캐리어 헤드가 틸팅된 상태에서 정상 상태에 비하여 높은 압력이 작용하는 지점의 압력 센서로부터의 출력 신호를 도시한 도면
도7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 구성을 개략적으로 도시한 평면도
도8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 구성을 개략적으로 도시한 평면도
도9는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 방법의 구성을 순차적으로 도시한 순서도

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치(100)를 상술한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도3 내지 도5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치(100)는, 연마 패드(11)가 상면에 입혀진 상태로 자전하는 연마 정반(10)과, 연마 패드(11)에 웨이퍼(W)의 판면을 가압하면서 웨이퍼(W)를 회전시키는 캐리어 헤드(20)와, 웨이퍼(W)가 접촉하는 영역의 연마 패드(11)의 저면에 웨이퍼(W)에 의해 가압되는 압력을 측정하는 압력 센서(90)를 포함하여 구성된다.

상기 캐리어 헤드(20)는 등록특허공보 제10-1196651호 및 제10-1196652호에 개시된 바와 같이 저면에 웨이퍼(W)를 가압하는 멤브레인이 형성되고, 멤브레인 상측의 압력 챔버가 형성되어, 압력 챔버의 압력에 따라 웨이퍼(W)를 가압하는 압력이 조절된다.

상기 압력 센서(90)는 도3 및 도4에 도시된 바와 같이 연마 패드(11)와 연마 정반(10)의 사이에 설치되며, 필요에 따라 연마 정반(10)에 형성된 요입 홈에 안착되어 압력 센서(90)의 센싱부만 돌출되고 나머지 부분이 수용되도록 요입 홈이 형성될 수도 있다. 도5에 도시된 바와 같이 압력 센서(90)는 웨이퍼 중심(O')으로부터 이격되고 웨이퍼(W)의 외주에 근접하여 원주 방향으로 서로 이격되게 다수 배치된다. 이를 통해, 웨이퍼(W)의 일부분이 조금이라도 들뜬 상태가 되면, 들뜬 위치의 압력 센서의 출력 신호의 값으로부터 이를 감지할 수 있다.

즉, 들뜬 위치의 압력 센서에서 측정된 압력값이 캐리어 헤드(20)를 통해 가압하는 압력값에 비하여 낮아지면, 해당 위치에서 들뜬 상태라는 것을 감지할 수 있다. 이를 위하여, 압력 센서(90)는 원주 방향을 따라 120도 이상 180도 이하의 각도 범위(u)에 배열되는 것이 바람직하다.

이 뿐만 아니라, 웨이퍼(W)의 일부분이 들뜨게 되면, 웨이퍼의 반대편은 보다 높은 압력으로 가압되게 된다. 즉, 웨이퍼(W)의 전체 표면이 균일하게 연마 패드(11)에 밀착하여 연마되는 동안에는, 도6a에 도시된 바와 같이 압력 센서(90)로부터 측정되는 압력값은 Po로 (약간의 요동이 있더라도) 거의 균일하게 유지된다. 그러나, 웨이퍼(W)와 연마 패드(11)의 마찰 상태 등의 원인에 의하여, 예를 들어 연마 패드(11)의 중심(O)에 근접한 웨이퍼(W)의 일부 표면이 들뜬 상태가 되면, 들뜬 위치에 있는 압력 센서(90c)에서는 도6c에 도시된 바와 같이 정상 상태의 압력(Po)에 비하여 Eo로 표시된 만큼 요동하면서 낮아지고, 들뜬 위치의 반대편에 위치한 압력 센서(90e)에서는 도6b에 도시된 바와 같이 정상 상태의 압력(Po)에 비하여 E1으로 표시된 만큼 요동하면서 높은 압력값으로 출력 신호가 출력된다. 따라서, 원주 방향으로 분포된 다수의 압력 센서(90)의 출력 신호의 차이로부터 캐리어 헤드(20)의 틸팅 상태를 실시간으로 감지할 수 있다.

한편, 압력 센서(90')는 도7에 도시된 바와 같이 직선형태로도 적용할 수 있으며, 이 경우에도 웨이퍼(W)의 중심(O')으로부터 이격된 위치에서 원주 방향으로 길게 배열되는 형태로 배치되는 것이 바람직하다. 직선 형태로 압력 센서(90')가 형성되는 경우에는 연속적으로 압력값을 측정할 수 있다는 장점이 있다. 이를 통해서도 연마 패드(11)의 중심(O)에 인접한 웨이퍼(W)의 일부가 들뜨게 되면, 압력 센서(90')의 내측끝단부(90c')에서의 출력 신호값이 외측 끝단(90e')에서의 출력 신호값에 비하여 낮아지므로, 전술한 방식으로 웨이퍼(W)의 들뜬 상태를 실시간으로 감지할 수 있다.

또한, 도8에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(W)의 저면에 종방향과 횡방향으로 다수의 압력 센서(90")가 배열될 수 있다. 이를 통해, 웨이퍼(W) 저면의 압력 상태를 모니터링하여 웨이퍼(W)의 들뜬 상태를 실시간으로 감지할 수 있다.

이하, 도9를 참조하여 상기와 같이 구성된 화학 기계적 연마 장치(100)를 이용한 웨이퍼(W)의 연마 방법(S110)을 상술한다.

단계 1: 먼저, 웨이퍼(W)가 연마 공정 중에 접촉하는 연마 패드(11)의 저면에 압력을 측정할 수 있는 압력 센서(90, 90', 90")를 도5, 도7, 도8에 도시된 형태 중 어느 하나로 배열 설치한다.

단계 2: 그리고 나서, 웨이퍼(W)가 연마 패드(11)의 표면에 전체 표면이 균일하게 접촉한 상태가 되도록 캐리어 헤드(20)를 이동시킨 후, 웨이퍼(W)의 표면을 연마 패드(11)에 가압하면서 회전(20d)시키고, 연마 패드(11)도 연마 정반(10)과 함께 회전(11d)하면서, 웨이퍼(W)의 표면을 연마한다(S110).

단계 3: 웨이퍼(W)의 연마 공정을 행하는 동안에, 연마 패드(11)의 저면에 위치한 압력 센서(90, 90', 90")로부터의 출력 신호는 제어부(99)로 전송된다(S120).

제어부(99)는 캐리어 헤드(20)에 의해 웨이퍼(W)를 가압하는 압력과 압력 센서(90, 90', 90")를 비교하여, 압력 센서(90, 90', 90")로부터의 출력 신호가 정해진 차이 이상으로 압력이 낮은지를 판별한다. 이를 통해, 웨이퍼(W)의 일부분이 연마 패드(11)에 들뜬 상태인지를 감지한다.

이와 동시에, 제어부(99)는 다수의 압력 센서(90, 90', 90")로부터의 출력 신호의 차이가 정해진 값만큼 벌어진 경우에는, 웨이퍼(W)의 표면에 의해 가압되는 연마 패드(11)의 압력 차이가 크다는 것이고, 이는 웨이퍼(W)의 일부분이 균일하지 않게 가압된 것을 의미하므로, 이를 통해서도 웨이퍼(W)의 일부가 연마 패드(11)에 들뜬 상태인지를 감지한다.

단계 4: 제어부(99)에 의해 웨이퍼(W)가 들뜬 상태인 경우에는, 웨이퍼(W)와 연마 패드(11) 사이의 마찰에 의하여 캐리어 헤드(20)에 틸팅이 발생될 가능성이 높으므로, 캐리어 헤드(20)에 의해 웨이퍼(W)를 가압하는 압력을 줄여, 웨이퍼(W)와 연마 패드(11) 사이의 마찰을 줄여 웨이퍼(W)의 전체 표면이 연마 패드(11)에 밀착되도록 유도한다.

이와 같이 행한 경우에도 불구하고, 다수의 압력 센서(90, 90', 90")로부터의 출력 신호로부터 웨이퍼(W) 표면의 일부가 다른 일부에 비하여 들뜬 상태로 감지되는 경우에는, 화학 기계적 연마 공정을 중단하여 고가의 웨이퍼(W)가 잘못 연마되는 것을 방지한다(S130). 그리고, 화학 기계적 연마 장치의 각 구성 부품을 점검하여, 웨이퍼(W)의 들뜬 상태가 되는 원인을 바로잡은 후에, 화학 기계적 연마 공정을 재개한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계식 연마 장치 및 연마 방법은, 화학 기계적 연마 장치(100)의 연마 패드(11) 저면에 웨이퍼(W)에 의해 가압되는 압력을 측정하는 압력 센서(90, 90', 90")가 구비되어, 웨이퍼(W)가 전체 표면에 걸쳐 균일하게 밀착되어 가압되면서 연마되고 있는지 여부를 압력 센서(90, 90'. 90")의 출력 신호에 기초하여 실시간으로 모니터링함으로써, 웨이퍼의 들뜸 현상을 실시간으로 감지하여, 캐리어 헤드(20)에 의해 가해지는 압력을 조정하거나 유지 점검 공정을 통해 해결할 수 있도록 함으로써, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼가 불균일하게 연마되는 것을 방지할 수 있는 유리한 효과가 얻어진다.

이와 같이, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정 중에도 웨이퍼(W)의 불균일한 연마 상태를 감지하여, 즉시 잘못된 상태의 연마 공정을 중단하거나 수정하여, 웨이퍼(W)의 불균일한 연마를 방지함으로써, 반도체 소자의 수율을 보다 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구 범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
10: 연마 정반 11: 연마 패드
20: 캐리어 헤드 90, 90', 90": 압력 센서
99: 제어부 W: 제어부
O: 연마 패드 중심 O': 웨이퍼 중심

Claims

연마 패드가 상면에 입혀진 상태로 자전하는 연마 정반과;
상기 연마 패드에 웨이퍼의 판면을 가압하면서 상기 웨이퍼를 회전시켜 상기 웨이퍼의 연마를 행하게 하는 캐리어 헤드와;
상기 웨이퍼가 가압되는 영역에서 상기 연마 패드의 저면에 상기 웨이퍼에 의해 가압되는 압력을 측정하는 다수의 압력 센서와;
상기 연마 패드의 저면에 설치된 다수의 압력 센서로부터 출력되는 출력신호를 수신하여, 상기 연마 패드의 저면에 설치된 상기 다수의 압력 센서로부터 수신된 출력신호를 대비하여, 상기 출력 신호의 편차가 미리 정해진 값 이상이 되면 상기 웨이퍼 연마단계를 중단시키는 제어부를;
포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
연마 패드가 상면에 입혀진 상태로 자전하는 연마 정반과;
상기 연마 패드에 웨이퍼의 판면을 가압하면서 상기 웨이퍼를 회전시켜 상기 웨이퍼의 연마를 행하게 하는 캐리어 헤드와;
상기 웨이퍼가 가압되는 영역에서 상기 연마 패드의 저면에 상기 웨이퍼에 의해 가압되는 압력을 측정하는 다수의 압력 센서와;
상기 연마 패드의 저면에 설치된 다수의 압력 센서로부터 출력되는 출력신호를 수신하여, 상기 다수의 압력 센서로부터 수신된 출력신호를 대비하여, 상기 출력 신호의 편차가 미리 정해진 값 이상이 되면 상기 캐리어 헤드의 가압력을 완화하는 제어부를;
포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
연마 패드가 상면에 입혀진 상태로 자전하는 연마 정반과;
상기 연마 패드에 웨이퍼의 판면을 가압하면서 상기 웨이퍼를 회전시켜 상기 웨이퍼의 연마를 행하게 하는 캐리어 헤드와;
상기 웨이퍼가 가압되는 영역에서 상기 연마 패드의 저면에 상기 웨이퍼에 의해 가압되는 압력을 측정하는 다수의 압력 센서와;
상기 연마 패드의 저면에 설치된 다수의 압력 센서로부터 출력되는 출력신호를 수신하여, 상기 연마 패드의 저면에 설치된 상기 다수의 압력 센서로부터 수신된 출력신호가 미리 정해진 값 이하가 되면 상기 웨이퍼 연마단계를 중단시키는 제어부를;
포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
연마 패드가 상면에 입혀진 상태로 자전하는 연마 정반과;
상기 연마 패드에 웨이퍼의 판면을 가압하면서 상기 웨이퍼를 회전시켜 상기 웨이퍼의 연마를 행하게 하는 캐리어 헤드와;
상기 웨이퍼가 가압되는 영역에서 상기 연마 패드의 저면에 상기 웨이퍼에 의해 가압되는 압력을 측정하는 다수의 압력 센서와;
상기 연마 패드의 저면에 설치된 다수의 압력 센서로부터 출력되는 출력신호를 수신하여, 상기 연마 패드의 저면에 설치된 상기 다수의 압력 센서로부터 수신된 출력신호가 미리 정해진 값 이하가 되면 상기 캐리어 헤드의 가압력을 완화하는 제어부를;
포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
제 1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압력 센서는 상기 웨이퍼의 중심으로부터 이격되고 원주 방향으로 이격된 다수의 위치에 배열된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
제 1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압력 센서는 상기 웨이퍼가 접촉하는 영역의 상기 연마 패드의 저면에 종횡으로의 간격을 두고 다수 배열된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
제 1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압력 센서는 상기 웨이퍼의 외주면을 따라 배열된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
제 1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압력 센서는 상기 연마 패드와 상기 연마 정반의 사이에 설치된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
웨이퍼의 화학 기계적 연마 방법에 있어서,
연마 정반의 상면에 입혀진 연마 패드에 웨이퍼의 판면을 가압하면서 회전시켜 상기 웨이퍼의 연마를 행하는 웨이퍼 연마단계와;
상기 웨이퍼에 의해 가압되는 영역에서 상기 연마 패드의 저면에 설치된 다수의 압력 센서로부터 출력되는 출력신호를 수신하는 출력신호 수신단계와;
상기 연마 패드의 저면에 설치된 상기 다수의 압력 센서로부터 수신된 출력신호를 대비하여, 상기 출력 신호의 편차가 미리 정해진 값 이상이 되면 상기 웨이퍼 연마단계를 중단시키는 단계를;
포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
웨이퍼의 화학 기계적 연마 방법에 있어서,
연마 정반의 상면에 입혀진 연마 패드에 웨이퍼의 판면을 캐리어 헤드에 의하여 가압하면서 회전시켜 상기 웨이퍼의 연마를 행하는 웨이퍼 연마단계와;
상기 웨이퍼에 의해 가압되는 영역에서 상기 연마 패드의 저면에 설치된 다수의 압력 센서로부터 출력되는 출력신호를 수신하는 출력신호 수신단계와;
상기 연마 패드의 저면에 설치된 상기 다수의 압력 센서로부터 수신된 출력신호를 대비하여, 상기 출력 신호의 편차가 미리 정해진 값 이상이 되면 상기 캐리어 헤드의 가압력을 완화하는 단계를;
포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
웨이퍼의 화학 기계적 연마 방법에 있어서,
연마 정반의 상면에 입혀진 연마 패드에 웨이퍼의 판면을 캐리어 헤드에 의하여 가압하면서 회전시켜 상기 웨이퍼의 연마를 행하는 웨이퍼 연마단계와;
상기 웨이퍼에 의해 가압되는 영역에서 상기 연마 패드의 저면에 설치된 다수의 압력 센서로부터 출력되는 출력신호를 수신하는 출력신호 수신단계와;
상기 연마 패드의 저면에 설치된 상기 다수의 압력 센서로부터 수신된 출력신호가 미리 정해진 값 이하가 되면 상기 웨이퍼 연마단계를 중단시키는 단계를;
포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
웨이퍼의 화학 기계적 연마 방법에 있어서,
연마 정반의 상면에 입혀진 연마 패드에 웨이퍼의 판면을 캐리어 헤드에 의하여 가압하면서 회전시켜 상기 웨이퍼의 연마를 행하는 웨이퍼 연마단계와;
상기 웨이퍼에 의해 가압되는 영역에서 상기 연마 패드의 저면에 설치된 다수의 압력 센서로부터 출력되는 출력신호를 수신하는 출력신호 수신단계와;
상기 연마 패드의 저면에 설치된 상기 다수의 압력 센서로부터 수신된 출력신호가 미리 정해진 값 이하가 되면 상기 캐리어 헤드의 가압력을 완화하는 단계를;
포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
제 9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출력신호 수신단계는,
상기 출력 신호는 상기 웨이퍼의 중심으로부터 이격되고 원주 방향으로 이격된 다수의 위치로부터 수신되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
제 9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출력신호 수신단계는,
상기 출력 신호는 상기 웨이퍼가 접촉하는 영역의 상기 연마 패드의 저면에 종횡으로의 간격을 두고 다수 배열된 위치로부터 수신되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.