KR101406710B1 - 화학 기계적 연마 장치 및 이의 컨디셔닝 방법 - Google Patents

화학 기계적 연마 장치 및 이의 컨디셔닝 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치 및 컨디셔닝 방법에 관한 것으로, 연마 패드의 회전 중심으로부터 반경 방향으로 서로 다른 거리만큼 이격된 다수의 위치에서 가압력을 측정하도록 상기 연마 패드에 설치된 다수의 하중 센서와; 상기 연마 패드의 반경 방향 성분을 갖는 경로로 컨디셔닝 디스크가 왕복 이동하면서 상기 연마 패드의 표면을 개질하는 컨디셔너와; 상기 컨디셔닝 디스크로 가압하는 가압력을 일정하게 유지한 상태에서 상기 하중 센서로부터 측정된 가압력을 수신하여, 측정 가압력이 크게 측정된 위치에서 보다 큰 가압력으로 상기 컨디셔너가 가압하도록 제어하는 제어부를; 포함하여 구성되어, 연마 패드의 반경 방향으로의 높이 편차에 대응하여 컨디셔닝 디스크가 연마 패드를 가압하면서 미소 절삭하는 절삭량을 조절함으로써, 연마 패드의 전체 표면이 동일한 높이를 유지하면서 연마 패드를 미소 절삭할 수 있게 되어, 연마 패드에 공급되는 슬러리를 웨이퍼에 항상 균일하게 공급할 수 있는 화학 기계적 연마 장치 및 그 컨디셔닝 방법을 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 장치 및 이의 컨디셔닝 방법 {CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS AND METHOD OF CONDITIONING USING SAME}
본 발명은 화학 기계식 연마 장치 및 이의 컨디셔닝 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 연마 패드의 불균일한 마모에 의하여 연마 패드의 개질 상태가 일정하지 않아 연마 품질이 저하되는 것을 방지하는 화학 기계식 연마 장치의 컨디셔너 및 그 컨디셔닝 방법에 관한 것이다.
일반적으로 화학 기계식 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정은 연마층이 구비된 반도체 제작을 위한 웨이퍼 등의 웨이퍼과 연마 정반 사이에 상대 회전 시킴으로써 웨이퍼의 표면을 연마하는 표준 공정으로 알려져 있다.
도1은 종래의 화학 기계식 연마 장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 도1에 도시된 바와 같이, 상면에 연마 패드(11)가 부착된 연마 정반(10)과, 연마하고자 하는 웨이퍼(W)를 장착하여 연마 패드(11)의 상면에 접촉하면서 회전하는 연마 헤드(20)와, 연마 패드(11)의 표면을 미리 정해진 가압력으로 가압하여 미세하게 절삭하여 연마 패드(11)의 표면에 형성된 미공이 표면에 나오도록 하는 컨디셔너(30)로 구성된다.
연마 정반(10)은 웨이퍼(W)가 연마되는 폴리텍스 재질의 연마 패드(11)가 부착되고, 회전축(12)이 회전 구동되어 회전 운동한다.
연마 헤드(20)는 연마 정반(10)의 연마 패드(11)의 상면에 위치하여 웨이퍼(W)를 파지하는 캐리어 헤드(21)와, 캐리어 헤드(21)를 회전 구동하면서 일정한 진폭만큼 왕복 운동을 행하는 연마 아암(22)으로 구성된다.
컨디셔너(30)는 연마 패드(11)의 표면에 연마제와 화학 물질이 혼합된 슬러리를 담아두는 역할을 하는 수많은 발포 미공들이 막히지 않도록 연마 패드(11)의 표면을 미세하게 절삭하여, 연마 패드(11)의 발포 기공에 채워졌던 슬러리가 캐리어 헤드(21)에 파지된 웨이퍼(W)에 원활하게 공급하도록 한다.
이를 위하여, 컨디셔너(30)는 컨디셔닝 공정 중에 연마 패드(11)에 접촉하는 컨디셔닝 디스크(31)를 홀더(32)로 파지한 상태에서, 홀더(32)와 연결된 회전축(33)을 회전시키도록 하우징(34) 내부에 모터 및 기어박스 등이 내장된다. 그리고, 회전축(33)을 중심으로 선회 회전하는 아암(35)의 끝단에 위치한 컨디셔닝 디스크(31)를 하방(31p)으로 가압하기 위하여, 하우징(34)의 내부에는 공압에 의하여 하방(31p)으로 가압하는 실린더가 설치되고, 하우징(34)으로부터 연장된 아암(35)이 왕복 선회 운동을 행하여, 연마 패드(11)의 넓은 면적에 걸쳐 발포 기공에 대한 미소 절삭을 행한다 한편, 컨디셔닝 디스크(31)는 연마 패드(11)의 미소 절삭을 위하여 연마 패드(11)와 접촉하는 면에 다이아몬드 입자가 부착될 수도 있다. 또한, 회전축(33)은 하우징(34) 이외에 설치된 구동 모터(미도시)에 의해 회전 구동될 수도 있다.
이와 같이 구성된 종래의 화학 기계식 연마 장치는 연마하고자 하는 웨이퍼(W)를 캐리어 헤드(21)에 진공으로 흡착하여 웨이퍼(W)가 연마 패드(11)에 가압되면서 회전 구동되고, 동시에 연마 패드(11)가 회전하도록 작동한다. 이 때, 슬러리 공급부(40)의 공급구(42)로부터 공급된 슬러리는 연마 패드(11)에 형성되어 있는 수많은 발포 기공에 담겨진 상태로 연마 헤드(20)에 고정된 상태로 회전하는 웨이퍼(W)에 공급된다. 이 때, 연마 패드(11)는 지속적으로 가압되므로 발포 기공의 개구부가 점점 막히게 되어 웨이퍼(W)에 슬러리가 원활히 공급되지 못하는 현상이 발생된다.
이와 같은 문제를 해소하기 위하여, 컨디셔너(30)는 연마 패드(11)를 향하여 가압하는 실린더를 구비하여, 다이아몬드 입자와 같이 경도가 높은 입자가 부착된 컨디셔닝 디스크(31)를 가압하면서 회전시키고, 동시에 왕복 선회 운동을 행함으로써,연마 패드(11)의 전체 면적에 걸쳐 분포된 발포 기공의 개구부를 지속적으로 미세 절삭하여, 연마 패드(11)상의 발포 기공에 담겨진 슬러리가 원활하게 웨이퍼(W)에 공급되도록 한다.
이 때, 컨디셔너(30)의 컨디셔닝 디스크(31)가 충분한 힘으로 가압하지 않으면 연마 패드(11)의 발포 기공의 개구부를 개방하지 못하여 슬러리가 웨이퍼(W)에 원활히 공급하지 못하는 문제점이 발생되며, 컨디셔닝 디스크(31)가 과도한 힘으로 가압하면 연마 패드(11)의 개구부를 개방시키기는 하지만 연마 패드(11)의 사용 수명이 짧아져 경제성이 악화되는 문제가 있다.
한편, 컨디셔닝 디스크(31)의 수직 방향으로 가해지는 힘은 미리 정해진만큼의 힘이 가압되도록 실린더가 제어되지만, 캐리어 헤드(20)에 의하여 웨이퍼(W)를 가압하는 힘의 편차 등의 원인에 의하여, 도3에 도시된 바와 같이 연마 패드(11)의 표면 높이(79)는 반경 방향으로의 마모가 불균일하여 반경 방향에 걸쳐 불균일한 현상이 발생된다. 이로 인하여, 컨디셔닝 디스크(31)에 의하여 균일한 힘이 가압되더라도, 연마 패드(11)의 개질 상태가 국부적으로 불균일해지므로, 연마 패드(11)의 수많은 발포 기공에 담겨진 슬러리가 웨이퍼로 원활하게 전달되지 못하게 되는 문제가 야기되었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 연마 패드의 불균일한 마모에 의하여 연마 패드의 개질 상태가 일정하지 않아 연마 품질이 저하되는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 연마 패드의 마모 상태에 따라 가압력이 가변하여 도입함으로써, 연마 패드가 균일한 높이로 유지되도록 하여, 연마 패드 상에 도포되는 슬러리가 원활하게 웨이퍼에 전달되어 화학적 연마가 의도한 대로 이루어지도록 하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 연마 패드의 마모 높이를 별도로 측정하지 않더라도 연마 패드 상의 높이를 보정함으로써, 컨디셔너에 의하여 연마 패드가 전체적으로 일정하게 미소 절삭되어 연마 패드의 수명을 충분히 확보하면서도 웨이퍼에 슬러리를 원활하게 공급하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 웨이퍼가 연마 패드에 접촉한 상태로 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 화학 기계적 연마 장치로서, 상기 연마 패드의 회전 중심으로부터 반경 방향으로 서로 다른 거리만큼 이격된 다수의 위치에서 가압력을 측정하도록 상기 연마 패드에 설치된 다수의 하중 센서와; 상기 연마 패드의 반경 방향 성분을 갖는 경로로 컨디셔닝 디스크가 왕복 이동하면서 상기 연마 패드의 표면을 개질하는 컨디셔너와; 상기 컨디셔닝 디스크로 가압하는 가압력을 일정하게 유지한 상태에서 상기 하중 센서로부터 측정된 가압력을 수신하여, 측정 가압력이 크게 측정된 위치에서 보다 큰 가압력으로 상기 컨디셔너가 가압하도록 제어하는 제어부를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치를 제공한다.
이는, 연마 패드의 회전 중심으로부터 서로 다른 거리만큼 이격된 다수의 위치에서 하중 센서로 하중값을 측정하는 것에 의하여, 컨디셔닝 디스크로 연마 패드를 가압하는 힘의 분포를 산출하여, 동일한 힘으로 가압할 경우에 연마 패드의 표면 높이가 높은 지점에서 보다 큰 하중이 작용하므로, 연마 패드의 표면 높이가 높을수록 높은 하중이 검출되므로, 높은 하중으로 감지된 위치에서 컨디셔닝 가압력을 크게 함으로써, 연마 패드가 균일한 높이로 보정되어 연마 패드 상에 도포되는 슬러리가 원활하게 웨이퍼에 전달되어 화학적 연마가 의도한 대로 이루어지도록 하기 위함이다.
또한, 상기와 같은 구성에 의하여 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드가 평탄하게 유지됨으로써, 연마 패드의 불균일한 마모에 의하여 연마 패드의 개질 상태가 일정하지 않아 연마 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 연마 패드의 마모 높이를 별도로 측정하지 않더라도 연마 패드 상의 높이를 보정함으로써, 컨디셔너에 의하여 연마 패드가 전체적으로 일정하게 미소 절삭되어 연마 패드의 수명을 충분히 확보할 수 있다.
한편, 하중 센서는 연마 패드에 설치되는 대신에 컨디셔너에 장착될 수도 있지만, 컨디셔너에 장착되면 평탄하지 않은 연마 패드의 표면을 가로질러 가는 동안에 컨디셔닝 디스크가 연마 패드의 표면과 접촉하면서 기울어짐이 발생되어 정확한 가압력을 측정하지 못하는 문제가 있다. 그러나, 상기와 같이 하중 센서가 연마 패드 상에 설치될 경우에는 컨디셔닝 디스크가 연마 패드를 실제로 가압하는 힘을 정확히 측정할 수 있으므로, 이로부터 연마 패드의 높이 편차를 정확하게 파악할 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.
이 때, 상기 하중 센서는 반경 방향 성분을 갖도록 2열 이상 배열된 것이 좋다. 이를 통해, 컨디셔닝 디스크가 어느 하나의 하중 센서를 가압하지 않고 지나치는 경우에는, 이와 인접하거나 이격된 다른 열의 하중 센서가 컨디셔닝 디스크의 가압력을 측정할 수 있다.
상기 하중 센서는 컨디셔닝 디스크의 가압력을 전기로 변환시키는 압전 센서로 형성될 수도 있고, 스트레인 게이지가 부착된 플레이트가 양단 지지되는 형태로 설치된 형태일 수도 있다.
그리고, 연마 패드의 반경 방향으로의 높이 편차를 정교하게 감지하기 위하여, 상기 하중 센서는 상기 연마 패드의 반경 방향으로 서로 다른 위치에 5개 이상, 바람직하게는 10개 내지 15개가 배열되는 것이 좋다.
한편, 발명의 다른 분야에 따르면, 본 발명은, 웨이퍼가 연마 패드에 접촉한 상태로 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 화학 기계적 연마 방법으로서, 상기 연마 패드의 반경 방향 성분을 갖는 경로로 컨디셔닝 디스크의 예비 가압력을 일정하게 유지하면서 왕복 이동시키는 예비컨디셔닝 단계와; 상기 연마 패드의 회전 중심으로부터 반경 방향으로 서로 다른 거리만큼 떨어진 다수의 연마 패드 상의 위치에 설치된 하중 센서로 예비 가압력을 측정하는 예비가압력 측정단계와; 상기 예비가압력 측정단계에서 측정 가압력이 높게 얻어진 상기 연마 패드의 위치에서는, 상기 컨디셔닝 디스크에 의하여 보다 높은 가압력으로 상기 연마 패드가 가압되도록 컨디셔너를 작동시키는 컨디셔닝 단계를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 컨디셔닝 방법을 제공한다.
이와 같이, 컨디셔닝 디스크로 가압하는 힘을 일정하게 하는 예비 컨디셔닝 단계를 행하면서, 반경 방향으로의 연마 패드를 가압하는 힘을 직접 측정함으로써, 연마 패드의 상대적인 돌출 부분을 정확하게 감지하여, 웨이퍼를 연마하는 컨디셔닝 공정에서는 연마 패드의 표면 높이가 높은 지점에서 보다 높은 힘으로 가압하고 연마 패드의 표면 높이가 낮은 지점에서는 보다 낮은 힘으로 가압하여, 연마 패드의 평탄도를 일정하게 유지할 수 있게 된다.
그리고, 상기 공정은 화학 기계적 연마 공정이 행해지기 이전에만 행해질 수도 있지만, 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 도중에, 즉, 상기 컨디셔닝 단계를 진행하는 도중에, 상기 예비컨디셔닝 단계와 상기 예비가압력측정단계를 행하여, 상기 컨디셔닝 디스크에 의해 도입되는 가압력이 재조정되도록 구성된다. 이를 통해, 하나의 웨이퍼에 대한 화학 기계적 연마 공정이 행해지고 있는 동안에도 지속적으로 컨디셔닝 디스크의 가압력이 위치에 따라 달라지게 조절됨으로써, 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 동안 내내 연마 패드의 높이가 전체적으로 균일해지도록 할 수 있다.
한편, 상기 컨디셔닝 디스크는 소정의 면적을 갖고 연마 패드를 가압하므로, 하중 센서 중 어느 하나에서 측정되는 가압력은 순간적으로 가해지는 힘을 측정하는 것이 아니라 컨디셔닝 디스크가 통과하는 시간 동안에 가해지는 힘을 측정하게 된다.
따라서, 상기 측정 가압력은 상기 각각의 위치에서 상기 하중 센서에 가압력이 인가되는 인가 시간 동안 측정된 가압력을 상기 인가 시간에 대하여 평균화한 값(예들 들어, 평균값과 제곱근 평균값(RMS)을 모두 포함함)이거나 최대값일 수 있다.
그리고, 컨디셔닝 디스크의 왕복 선회 운동 중에 컨디셔닝 디스크가 상기 하중 센서의 상측을 지나야, 하중 센서에 가해지는 가압력을 측정할 수 있으므로, 상기 하중 센서는 반경 방향 성분을 갖도록 2열 이상 배열된 상태에서 예비 가압력을 측정하도록 할 수 있다. 이 때, 상기 하중 센서가 배열되는 각 열은 사잇각이 60도 이상 이격된 형태로 2열 이상으로 배열될 수도 있고, 2열 이상으로 나란히 배열된 하중 센서의 군이 60도 내지 180도 간격으로 이격되어 2개 이상의 군으로 배열될 수도 있다. 즉, 회전 중심으로부터 동일한 거리만큼 이격된 위치에 2개 이상의 하중 센서가 배열될 수 있다.
이 경우에, 컨디셔닝 디스크는 왕복 선회 운동을 하면서 연마 패드를 가압하므로, 회전 중심으로부터 동일한 거리만큼 떨어진 2개 이상의 하중 센서 중 어느 일부에서는 가압력을 전혀 측정하지 못하고 다른 일부에서 가압력을 측정할 수 있다. 따라서, 회전 중심으로부터 동일한 거리만큼 떨어진 2개 이상의 하중 센서에서 측정된 측정 가압력들 중 가장 큰 값을 보인 하중 센서의 측정값으로 상기 측정 가압력이 정해지는 것이 바람직하다.
본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 "연마 패드의 반경 방향으로의 표면 높이값", "연마 패드의 반경 방향으로의 패드 높이" 및 이와 유사한 용어는 '연마 패드의 바닥면으로부터 표면까지의 절대적인 높이'를 당연히 포함할 뿐만 아니라, '연마 패드의 표면 높이의 편차'로서 상대적인 높이를 포함하는 것으로 정의하기로 한다.
본 발명에 따르면, 연마 패드의 회전 중심으로부터 서로 다른 거리만큼 이격된 다수의 위치에서 일정한 가압력으로 컨디셔닝 공정을 행하고 있는 컨디셔닝 디스크의 예비 가압력을 측정하여, 측정 가압력이 높은 위치에서는 컨디셔닝 가압력을 크게 하고, 측정 가압력이 낮은 높이에서는 컨디셔닝 가압력을 작게 함으로써, 연마 패드의 높이 편차가 있더라도 이를 전체적으로 평탄하게 보정함으로써, 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정이 균일하게 이루어지면서 연마 패드 상에 도포되는 슬러리를 항상 균일하게 웨이퍼에 유입되도록 하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
즉, 본 발명은 컨디셔너에 의한 연마 패드의 표면 전체에 개질 효과가 균일해짐에 따라, 보다 우수한 품질로 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정을 행할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명은, 연마 패드의 마모 높이를 별도로 측정하지 않더라도 연마 패드 상의 높이를 보정함으로써, 컨디셔너에 의하여 연마 패드가 전체적으로 일정하게 미소 절삭되어 연마 패드의 수명을 충분히 확보할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도1은 일반적인 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 평면도,
도2는 도1의 정면도,
도3은 도2의 절단선 3-3에 따른 연마 패드의 표면 높이의 분포도,
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 컨디셔너 및 하중 센서의 구성을 도시한 사시도,
도5는 도4의 절단선 X-X에 따른 컨디셔너의 단면도,
도6은 도4의 'A'부분의 확대 단면도,
도7a는 도4의 컨디셔닝 디스크의 위치에 따른 하중 센서의 측정 원리를 설명하기 위한 연마패드의 높이 분포도,
도7b는 도4의 하중 센서에서 측정된 가압력의 시간에 따른 분포도,
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 컨디셔닝 방법을 순차적으로 도시한 순서도,
도9는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 연마 패드 상의 하중 센서의 분포도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마장치(100)를 상술한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해서는 동일 또는 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마장치(100)는, 상면에 연마 패드(11)가 입혀진 상태로 회전 구동되는 연마 정반(10)과, 연마 패드(11)의 회전 중심(O)으로부터 반경 방향으로 서로 다른 거리만큼 이격된 다수의 위치에 설치된 하중 센서(110)와, 연마 패드(11)의 반경 방향 성분을 갖는 경로로 컨디셔닝 디스크(121)가 연마 패드(11)를 가압하면서 왕복 선회 운동을 행하는 컨디셔너(120)와, 컨디셔닝 디스크(121)를 하방으로 가압하는 힘을 발생시키는 액츄에이터와, 컨디셔너(120)에 의해 도입되는 가압력(Fc)이 일정해지도록 컨디셔너(120)를 제어하는 제어부(160)를 포함하여 구성된다.
상기 하중 센서(110)는 연마 패드(11) 상에 설치되어 컨디셔닝 디스크(121)에 의해 가압되는 실제 힘을 측정한다. 화학 기계적 연마 공정은 연마 패드(11)가 자전하면서 행해지므로, 연마 패드(11)의 높이 편차(도3의 79)는 원주 방향으로는 거의 발생되지 않으며 반경 방향으로 발생된다. 따라서, 하중 센서(110)는 연마 패드(11)의 회전 중심(O)으로부터 반경 방향으로 서로 다른 거리만큼 떨어진 다수의 위치에 설치되어, 연마 패드(11)를 누르는 가압력을 직접 측정한다.
예를 들어, 하중 센서(110)는 도4에 도시된 바와 같이 연마 패드(11)의 반경 방향으로의 경로(97, 98, 99)를 따라 다수 배열되는 형태로 배치될 수 있다. 이 때, 연마 패드(11)의 자전 속도와 컨디셔너(120)의 왕복 선회 운동(120d)에도 하중 센서(110)에서 컨디셔닝 디스크(121)의 가압력을 측정할 수 있도록, 120도 간격으로 배열된 각 경로(97, 98, 99)마다 1열씩의 하중 센서(110A, 110B, 110C; 110)가 배치된다. 그리고, 각 열의 하중 센서들(110A, 110B, 110C)은 10개 이상으로 배치되어(도면에는 적은 수로 하중 센서가 배열되는 형태로 간략히 도시됨), 연마 패드(11)의 반경 방향으로의 하중값을 조밀한 간격으로 측정한다.
한편, 도9에 도시된 바와 같이, 하중 센서(110)는 약 120도 간격으로 각각의 군(210A, 210B, 210C, 群)이 배열되게 배치될 수도 있다. 그리고, 각각의 군(210A, 210B, 210C)마다 다수의 열(97', 98', 99')이 배열되고, 열 마다 다수의 하중 센서(210)가 10개 이상이 설치된다. 그리고, 각 열의 하중 센서(210)의 위치는 연마 패드(11)의 회전 중심(O)으로부터 서로 다른 위치에 엇갈리게 배열될 수도 있지만, 연마 패드(11)의 회전 중심(O)으로부터 서로 동일한 위치에 배열될 수 있다. 즉, 각 군(210A, 210B, 210C)마다 3개의 열(97', 98', 99')에는 회전 중심(O)으로부터의 직선 거리가 모두 동일하게 10여개씩 배치될 수 있다.
이를 통해, 컨디셔닝 디스크(211)의 왕복 선회 운동(120d)에 의하여 항상 특정한 하중 센서(110)를 가압하지 못하더라도, 회전 중심(O)으로부터의 직선 거리가 모두 동일한 위치에 하중 센서(210)가 설치됨으로써, 어느 하나의 열에서의 하중 센서가 가압력을 측정한 후, 측정한 하중 센서와 반경 방향으로 인접한 다른 하중 센서가 가압력을 측정하지 못하더라도, 인접한 다른 열에 위치하면서 반경 방향으로 인접한 또 다른 하중 센서가 가압력을 측정할 수 있게 되어, 컨디셔닝 디스크(121)에 의하여 가압되는 힘을 연속적으로 측정할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 하중 센서(210)가 배열되는 각 열(97', 98', 99')은 직선 형태로 배열되지 않고 곡선 형태로 배열됨에 따라, 컨디셔닝 디스크(211)의 왕복 선회 운동(120d)과 연마 패드(11)의 자전(11d) 운동에도 불구하고, 왕복 선회 속도와 자전 속도에 따라 다소 달라질 수 있지만, 컨디셔닝 디스크(211)의 가압력이 가능한 하나의 열을 따라 배열된 하중 센서에 의해 측정될 가능성을 높일 수 있다.
한편, 하중 센서(110)는 힘을 받으면 전압을 출력하는 압전 소자 형태의 하중 센서가 적용되는 것이 바람직하다. 또는, 도6에 도시된 바와 같이 힘을 받으면 전기 저항이 발생되는 스트레인 게이지(110x)가 휨 변형되는 플레이트(112)에 부착되고, 스트레인 게이지(110x)로부터의 신호선(115)이 휘스톤 브리지 회로(118)에 연결되어 브리지 회로를 형성하여, 연마 패드(11)에 가압되는 가압력을 측정할 수도 있다. 한편, 하중 센서(110)가 설치되는 연마 패드(11)의 다수의 위치에는 하중 센서(110)가 수용되는 홈(11z)이 형성되어, 연마 패드(11)에 의한 화학 기계적 연마 공정이 원활히 이루어지면서, 연마패드(11)를 가압하는 가압력을 하중 센서(110)로 측정할 수 있도록 한다.
하중 센서(110, 210)에 의하여 측정된 가압력은 제어부(160)로 전송되어, 제어부(160)가 컨디셔닝 디스크(121)를 가압하는 가압력을 조절한다.
상기 컨디셔너(120)는 웨이퍼(W)가 가압하는 연마 패드(11)의 표면을 왕복 선회 운동(120d)을 하면서 개질하는 컨디셔닝 디스크(121)와, 컨디셔닝 디스크(121)를 고정시킨 상태로 상하 이동하는 디스크 홀더(122)와, 디스크 홀더(122)와의 사잇 공간에 가압 챔버(C1)를 형성하면서 회전 구동되는 회전축(123)과, 회전축(123)의 둘레를 감싸고 아암(127)에 고정된 고정 부재(124)와, 회전축(123)을 회전 구동하는 구동 모터(125)와, 회전 중심축(120a)을 중심으로 소정의 회전각으로 왕복 회전하여 컨디셔닝 디스크(121)를 왕복 선회 운동시키는 아암(127)으로 이루어진다.
여기서, 회전축(123)의 하단부에는 하방으로 돌출된 돌기(123a)가 형성되고, 디스크 홀더(122)의 상측에는 돌기(123a)를 수용하는 요홈부(122x)가 형성되어, 디스크 홀더(122)는 돌기(123a)와 요홈부(122x)에 의하여 안내(s)되면서 회전축(123)에 대하여 상하 방향으로 왕복 이동할 수 있게 된다.
이와 동시에, 회전축(123)과 디스크 홀더(122)의 사잇 공간은 밀폐된 가압 챔버(C1)가 형성되고, 회전축(123)에 형성된 관로(130p1)를 통해 압력 조절부(150)로부터 공압이 공급(150d1)되면서, 디스크 홀더(122)를 하방으로 밀어내는 가압력(Fc)을 발현시킬 수 있게 구성된다. 즉, 도면에 도시된 실시예에서는 디스크 홀더(122)를 하방으로 밀어내어 가압력(Fc)을 발현하는 액츄에이터는 공압 설비로 형성된다. 다만, 본 발명의 다른 실시 형태에서는 전기를 동력원으로 하는 가압 액츄에이터가 사용될 수도 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치(100)는 컨디셔닝 디스크(121)가 연마 패드(11) 상을 왕복 선회 운동(120d)을 행하는 동안에 연마 패드(11)에 설치된 하중 센서(110, 210)에 의하여 실시간으로 직접 가해지는 가압력을 측정하여 제어부(160)로 전송한다.
즉, 도7a에 도시된 바와 같은 연마 패드(11)의 표면 높이(79)가 형성되고 편의상 반경 방향으로 7개의 하중 센서(110, 210)가 배치된 경우를 예로 들면, 컨디셔닝 디스크(121)가 제1위치(121P1)에 있는 상태에서는, 컨디셔닝 디스크가 제1하중센서(110A1), 제2하중센서(110A2) 및 제3하중센서(110A3)에 걸쳐 위치하여, 이들 3개의 하중센서(110A1, 110A2, 110A3) 중 가운데에 낮게 위치한 제2하중센서(110A2)에는 하중이 감지되지 않고, 양측의 제1하중센서(110A1)와 제2하중센서(110A2)에서 높은 하중이 감지된다.
이와 유사하게, 컨디셔닝 디스크(121)가 제2위치(121P2)에 있는 상태에서는, 컨디셔닝 디스크가 제4하중센서(110A4)와 제5하중센서(110A5)에 걸쳐 위치하지만, 제4하중센서(110A4)가 더 높게 위치하므로 제4하중센서(110A4)에서의 가압력 측정값은 높아진다.
즉, 연마 패드(11)의 높이가 높은 지점에서는 주변의 낮은 지점에 비하여 보다 높은 가압력이 작용하는 것을 하중 센서(110, 210)에 의하여 감지할 수 있다.
그리고, 컨디셔닝 디스크(121)는 소정의 면적을 갖고 이동하기 때문에, 하중 센서(110, 210)에 인가하는 가압력은 한순간 가하는 것으로 그치지 않고, 컨디셔닝 디스크(121)가 지나가는 시간 동안 가압력이 작용하므로 일정 시간 동안에 측정 가압력이 파형을 형성하며, 동시에 어느 하나의 지점에서 작용하는 가압력의 크기는 그 지점과 인접한 지점에서의 패드 높이에 따라 달라진다.
예를 들어, 도7b에 도시된 바와 같이, 컨디셔닝 디스크(121)가 반경 바깥 방향으로 이동하는 경우에, 시간의 경과에 따라 제3하중센서(110A3)에 의하여 측정되는 가압력(110M3)은 제4하중센서(110A4)에 의하여 측정되는 가압력(110M4)에 비하여 시간적으로 먼저 측정되며, 보다 높은 패드 위치에 있는 제3하중센서(110A3)에서의 측정 피크값이 보다 낮은 높이에 있는 제4하중센서(110A4)에 비하여 더 높게 나타난다.
상기와 같이 각각의 하중 센서(110, 210)에서 측정된 데이터는 제어부(160)로 전송되고, 제어부(160)는 측정된 가압력으로부터 연마 패드(11)의 어느 위치가 다른 인접한 위치에 비하여 더 높은 상태인지를 실시간으로 감지한다.
이하, 상기와 같이 구성된 화학 기계적 연마 장치(100)를 이용한 컨디셔닝 방법(S100)을 상술한다.
단계 1: 컨디셔닝 디스크(121)가 연마패드(11)를 가압하는 힘이 변동되는 상태에서는, 하중 센서(110, 210)에 의하여 측정된 가압력으로부터 연마 패드(11)의 표면 높이 편차를 산출하기가 어려우므로, 컨디셔닝 디스크(121)에 도입하는 가압력의 크기가 일정해지도록 압력 조절부(150)에서 일정한 공압을 공급(150d1)하면서, 예비 컨디셔닝 공정을 행한다(S110).
즉, 예비 컨디셔닝 공정(S110)은 화학 기계적 연마 공정이 행해지기 시작할 때에 행할 수도 있고, 화학 기계적 연마 공정이 행해지기 이전에 행할 수도 있으며, 화학 기계적 연마 공정이 행해지고 있는 동안에도 행해질 수 있다.
단계 2: 예비 컨디셔닝 공정이 행해지고 있는 동안에, 컨디셔닝 디스크(121)가 연마 패드(11)를 가압하는 예비 가압력(Fp)을 연마 패드(11)에 배치되어 있는 하중 센서(110, 210)가 측정한다(S120).
컨디셔닝 디스크(121)가 왕복 선회 운동(120d)을 하고, 연마 패드(11)가 자전하고 있으므로, 특정한 하중 센서(110, 210)가 예비 가압력(Fp)을 측정하는 것이 어렵다. 따라서, 연마 패드(11)에는 회전 중심(O)으로부터의 직선 거리가 동일한 위치에 2개 이상의 하중 센서(110, 210)가 배치되어, 회전 중심(O)으로부터의 직선 거리가 동일한 위치의 하중 센서(110, 210)들 중 측정값이 최대인 것을 해당 위치에서의 예비 가압력의 측정값으로 정한다. 이는, 컨디셔닝 디스크(121)에 가압되는 위치에 있지 않은 하중 센서들의 측정값을 배제하기 위함이다.
이와 같은 방식으로, 도7b에 도시된 것과 유사하게, 연마패드(11)의 회전 중심(O)으로부터 직선거리별로 측정 가압력이 정해진 시간(컨디셔닝 디스크가 하중 센서의 상측을 지나가는 시간) 동안의 파형으로 얻어진다. 그리고, 제어부(160)는 각 위치에서 측정 가압력의 시간 파형의 피크값이나 평균화된 값(산술평균값이나 제곱근평균값 등)을 기초로 연마 패드의 표면높이편차를 제거할 수 있는 컨디셔닝 디스크(121)의 위치별 가압력(Fc)을 산출한다.
단계 3: 그리고 나서, 제어부(160)는 컨디셔닝 디스크(121)의 위치별 가압력(Fc)을 산출한 결과를 토대로, 왕복 선회 운동(120d)을 행하는 컨디셔닝 디스크(121)의 위치에 따른 가압력(Fc)을 가하면서 컨디셔닝 공정을 화학 기계적 연마 공정 중에 행하도록 한다(S130).
이를 통해, 연마 패드(11)의 표면 높이 편차는 화학 기계적 연마 공정 중에 제거되어, 연마 패드(11)의 전체 표면이 동일한 높이로 유지되면서 연마 패드를 미소 절삭할 수 있게 된다.
단계 4: 한편, 예비 컨디셔닝 공정(S110)을 1회만 행할 수도 있지만, 컨디셔닝 공정(S130)이 행해지고 있는 화학 기계적 연마 공정 중에도, 주기적으로 또는 간헐적으로 다시 예비 컨디셔닝 공정(S110)을 행하여, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드(11)의 높이 편차가 발생되는 것을 수시로 확인하면서, 연마 패드의 표면 높이를 보정하는 공정을 반복한다.
상기와 같은 구성을 통하여, 본 발명은 연마 패드(11)의 회전 중심으로부터 서로 다른 직선 거리만큼 이격된 다수의 위치에서 일정한 가압력(Fp)으로 예비 컨디셔닝 공정을 행하고 있는 컨디셔닝 디스크(121)의 예비 가압력(Fp)을 측정하여, 측정 가압력이 높은 위치에서는 컨디셔닝 가압력(Fc)을 크게 하고, 측정 가압력이 낮은 높이에서는 컨디셔닝 가압력(Fc)을 작게 함으로써, 연마 패드(11)의 높이 편차가 있더라도 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드(11)의 표면높이편차를 지속적으로 평탄하게 보정함으로써, 컨디셔너(120)에 의한 연마 패드(11)의 표면 전체에 개질 효과가 균일해짐에 따라, 보다 우수한 품질로 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정을 행할 수 있도록 하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
즉, 본 발명은 연마 패드(11)의 반경 방향으로의 편마모 상태에 따라 연마 패드 (11)상에 가변되는 가압력(Fc)이 정확하게 도입되도록 보정함으로써, 컨디셔너(100)에 의하여 연마 패드(11)가 전체적으로 일정하게 미소 절삭되어 연마 패드(11)의 수명을 충분히 확보하면서도 화학 기계적 연마 공정이 행해지고 있는 웨이퍼(W)에 슬러리를 원활하게 공급할 수 있도록 한다.
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.
W: 웨이퍼 Fc: 도입 가압력
Fp: 예비 가압력 100: 화학 기계적 연마 장치
110, 210: 하중 센서 120: 컨디셔너
121: 컨디셔닝 디스크 212: 디스크 홀더
127: 아암 150: 압력 조절부
160: 제어부

Claims (16)

  1. 웨이퍼가 연마 패드에 접촉한 상태로 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 화학 기계적 연마 장치로서,
    상기 연마 패드의 회전 중심으로부터 반경 방향으로 서로 다른 거리만큼 이격된 다수의 위치에서 가압력을 측정하도록 상기 연마 패드에 설치된 다수의 하중 센서와;
    상기 연마 패드의 반경 방향 성분을 갖는 경로로 컨디셔닝 디스크가 왕복 이동하면서 상기 연마 패드의 표면을 개질하는 컨디셔너와;
    상기 컨디셔닝 디스크로 가압하는 예비 가압력을 일정하게 유지한 상태에서 컨디셔닝을 행하는 예비 컨디셔닝 공정 중에 상기 하중 센서로부터 측정된 예비 가압력의 측정값을 수신한 후, 상기 예비 가압력의 측정값이 크게 측정된 위치에서 상기 예비 가압력의 측정값이 작게 측정된 위치에 비하여 보다 큰 가압력으로 상기 컨디셔너가 가압하도록 컨디셔닝 공정을 제어하는 제어부를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연마 패드의 회전 중심으로부터 반경 바깥 방향 성분을 따라 상기 하중 센서가 배열된 열이 2개 이상인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 하중 센서는 압전 센서인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 하중 센서가 설치된 위치에는 스트레인 게이지가 부착된 플레이트가 양단 지지되는 형태로 설치되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  5. 제 1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하중 센서는 상기 연마 패드의 중심으로부터 반경 방향으로 서로 다른 거리만큼 이격된 10개 이상의 위치에 설치된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는, 화학 기계적 연마 공정이 진행되고 있는 동안에, 상기 예비 컨디셔닝 공정이 행해지는 동안에 상기 하중 센서에서 상기 예비 가압력을 측정한 후, 상기 예비 가압력의 측정값이 높게 얻어진 위치에서 상기 예비 가압력의 측정값이 낮게 얻어진 위치에 비하여 보다 높은 가압력이 되도록, 상기 컨디셔닝 공정에서 상기 연마 패드를 가압하는 가압력을 재조정하는 것을 반복하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 예비 가압력의 측정값은, 상기 하중 센서가 설치된 각각의 위치에서 상기 하중 센서에 가압력이 인가되는 인가 시간 동안 상기 예비 가압력을 측정하여 상기 인가 시간에 대하여 평균화한 값인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 예비 가압력을 상기 하중 센서가 측정하는 것은 상기 연마 패드의 회전 중심으로부터 반경 방향으로 동일한 거리만큼 떨어진 2개 이상의 위치에서 측정하고, 각 위치에서의 하중 센서에서 상기 예비 가압력의 측정값들 중 가장 큰 값을 보인 하중 센서의 측정값으로 상기 측정 가압력이 정해지는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.

  10. 웨이퍼가 연마 패드에 접촉한 상태로 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 화학 기계적 연마 방법으로서,
    상기 연마 패드의 반경 방향 성분을 갖는 경로로 컨디셔닝 디스크의 예비 가압력을 일정하게 유지하면서 왕복 이동시키는 예비컨디셔닝 단계와;
    상기 연마 패드의 회전 중심으로부터 반경 방향으로 서로 다른 거리만큼 떨어진 다수의 연마 패드 상의 위치에 설치된 하중 센서로 예비 가압력을 측정하는 예비가압력 측정단계와;
    상기 예비가압력 측정단계에서 상기 예비 가압력의 측정값이 크게 얻어진 상기 연마 패드의 위치에서는, 상기 예비가압력 측정단계에서 상기 예비 가압력의 측정값이 낮게 얻어진 상기 연마 패드의 위치에 비하여, 상기 컨디셔닝 디스크에 의하여 보다 큰 가압력으로 상기 연마 패드가 가압되도록 컨디셔너를 작동시키는 컨디셔닝 단계를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 컨디셔닝 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 컨디셔닝 단계를 진행하는 도중에, 상기 예비컨디셔닝 단계와 상기 예비가압력측정단계를 행하여, 상기 컨디셔닝 디스크에 의해 도입되는 가압력이 재조정되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 컨디셔닝 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 측정 가압력은, 상기 하중 센서가 설치된 각각의 위치에서 상기 하중 센서에 상기 예비 가압력이 인가되는 인가 시간 동안 상기 예비 가압력의 측정값을 상기 인가 시간에 대하여 평균화한 값인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 컨디셔닝 방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 예비 가압력 측정단계는, 상기 연마 패드의 회전 중심으로부터 반경 바깥 방향 성분을 따라 상기 하중 센서가 배열된 열이 2개 이상이고, 상기 2열 이상의 상기 하중 센서로 가압력을 측정하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 컨디셔닝 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 예비가압력 측정단계는 상기 연마 패드의 회전 중심으로부터 반경 방향으로 동일한 거리만큼 떨어진 위치에 2개 이상의 하중 센서가 배열되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 컨디셔닝 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    회전 중심으로부터 동일한 직선 거리만큼 떨어진 2개 이상의 하중 센서에서 상기 예비 가압력의 측정값들 중 가장 큰 값을 보인 하중 센서의 측정값으로 상기 예비 가압력의 측정값이 정해지는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 컨디셔닝 방법.
  16. 제 11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 예비 가압력 측정단계는, 상기 연마 패드의 중심으로부터 반경 방향으로 서로 다른 거리만큼 이격된 10개 이상의 위치에 설치된 상기 하중 센서에 의해 상기 연마 패드를 가압하는 상기 예비 가압력을 측정하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 컨디셔닝 방법.
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