KR101448442B1 - 화학 기계적 연마 시스템의 웨이퍼 이탈 감지 장치 - Google Patents

화학 기계적 연마 시스템의 웨이퍼 이탈 감지 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 시스템의 웨이퍼 이탈 감지 장치에 관한 것으로, 캐리어 헤드의 멤브레인에는 웨이퍼에 직접 부압이나 정압을 가하는 통로가 형성되고, 상기 멤브레인의 상측에 압력 챔버가 형성되어 상기 멤브레인의 하측에 위치하는 웨이퍼를 연마 패드에 가압하면서 가압하면서 화학 기계적 연마 공정을 행하고 있는 화학 기계적 연마 시스템에서 상기 웨이퍼의 이탈 감지 장치로서, 상기 화학 기계적 연마 공정을 행하는 중에 상기 통로의 압력을 실시간으로 측정하는 통로압력 감지부와; 상기 통로 압력이 정해진 범위를 벗어나 변동하면 상기 웨이퍼가 상기 멤브레인의 하측으로부터 위치가 변동되거나 이탈한 것으로 감지하는 제어부를; 포함하여 구성되어, 웨이퍼와 연통하는 통로의 압력 변동으로부터 웨이퍼의 위치가 변동되거나 이탈된 것을 감지하는 화학 기계적 연마 시스템의 웨이퍼 이탈 감지 장치를 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 시스템의 웨이퍼 이탈 감지 장치 {APPARATUS OF DETECTING SLIP-OUT OF WAFER IN CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS}
본 발명은 화학 기계적 연마 시스템의 웨이퍼 이탈 감지 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화학 기계적 연마 공정이 행해지고 있는 동안에 캐리어 헤드에 의하여 가압되는 웨이퍼가 바깥으로 약간 틀어지거나 완전히 이탈하는 것을 정확하게 감지할 수 있는 화학 기계적 연마 시스템의 웨이퍼 이탈 감지 장치 및 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(W)가 가압되면서 맞닿는 연마 패드(11)가 연마 정반(10)과 함께 회전(11d)하도록 설치되어, 화학적 연마를 위해 슬러리 공급 유닛(30)의 슬러리 공급구(32)를 통해 슬러리가 공급되면서, 마찰에 의한 기계적 연마를 웨이퍼(W)에 행한다. 이 때, 웨이퍼(W)는 캐리어 헤드(20)에 의해 정해진 위치에서 회전(20d)하여 정밀하게 평탄화시키는 연마 공정이 행해진다.
그리고, 도면부호 40d로 표시된 방향으로 회전하면서 아암(41)이 41d로 표시된 방향으로 선회 운동을 하는 컨디셔너(40)에 의하여, 연마 패드(11)의 표면에 도포된 슬러리는 연마 패드(11) 상에서 골고루 퍼지면서 웨이퍼(W)에 유입되며, 연마 패드(11)를 지속적으로 개질시킨다.
이 때, 웨이퍼(W)는 캐리어 헤드(20)에 의하여 가압되면서 자전(20d)하고, 동시에 연마 패드(11)도 회전(11d)하고 있으므로, 캐리어 헤드(20)의 리테이러링(21)이 웨이퍼(W)의 둘레를 감싸고 있더라도, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼(W)는 지속적으로 캐리어 헤드(20)의 저면으로부터 바깥(88)으로 이탈하려는 힘을 받는다. 그리고, 경우에 따라서는 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드(20)의 저면으로부터 바깥으로 이탈하는 경우가 발생된다.
따라서, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드(20)의 저면에 위치하고 있는지, 아니면 캐리어 헤드(20)의 바깥으로 이탈했는지를 지속적으로 감시하여, 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드(20)의 바깥으로 이탈하면 진행중이던 화학 기계적 연마 공정을 중단시키고, 이탈된 웨이퍼(W)를 다시 캐리어 헤드(20)의 저면에 위치시키는 공정이 필요하다.
이를 위하여, 종래에는 도2에 도시된 바와 같이, 광조사부(50)로부터 캐리어 헤드(20)의 바깥 주변의 연마 패드(21) 상의 위치에 조사광(50L)을 조사하고, 조사광(50L)의 반사광(60L)을 수신하는 수광부(60)를 광조사 반대 방향에 위치시켜, 수광부(60)에서 반사광(60L)을 수신하는지 여부로 상기 위치에 웨이퍼(W)가 이탈하였는지 여부를 검사하였다.
보다 구체적으로는, 도3a에 도시된 바와 같이, 연마 패드(11)는 그 표면(11s)이 거칠기 때문에, 광조사부(50)로부터 조사된 조사광(50L)은 연마 패드(11)의 표면(11s)에서 난반사(60s)가 발생되므로, 수광부(60)에서는 광이 수신되지 않게 된다. 따라서, 제어부(70)는 수광부(60)에 반사광이 수신되지 않으므로, 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드(20)의 저면으로부터 바깥으로 이탈하지 않아 광조사부(50)로부터의 조사광(50L)이 반사되어 수광부(60)에 수신되지 않은 것으로 보고, 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드(20)의 저면에 위치하고 있는 것으로 감지한다.
그리고, 도3b에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드(20)의 바깥으로 이탈하여, 광조사부(50)로부터 조사된 조사광(50L)을 지나치거나 조사광(50L)에 위치하면, 웨이퍼(W)의 표면이 매끄러우므로, 웨이퍼(W)의 표면에서는 거의 전반사가 발생되어 웨이퍼(W)의 표면에서 반사된 반사광(60L1)이 수광부(60)에 도달하게 된다. 따라서, 제어부(70)는 수광부(60)에 반사광(60L1)이 수신되므로, 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드(20)의 저면으로부터 바깥으로 이탈(88)하여, 광조사부(50)로부터의 조사광(50L)이 웨이퍼(W)의 표면에서 반사되어 수광부(60)에 반사광(60L)으로 수신된 것으로 보고, 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드(20)의 바깥으로 이탈한 것으로 감지한다.
그러나, 상기와 같은 웨이퍼의 이탈 감지 방법은, 웨이퍼(W)의 색상이나 웨이퍼의 표면에 잔류하는 액체 등에 의하여 잘못 감지되는 오류가 발생되는 문제가 있었다. 즉, 도3c에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(W')의 색상이 은색이 아니라 청색 등 빛을 흡수하는 계열의 색상(예를 들어, 청색 웨이퍼)인 경우에는, 광조사부(50)로부터 조사된 조사광(50L)의 일부는 반사(60L2)되지만 일부는 웨이퍼(W')에 흡수됨에 따라, 수광부(60)에 반사광(60L2)의 광량이 낮아 수광부(60)에서 반사광(60L2)을 감지하지 못하는 오류가 발생되는 경우가 발생된다. 이는, 웨이퍼(W')의 색상이 어두운 색에 근접할수록 오류 발생 가능성이 높아진다.
또한, 도3d에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(W)의 위에 순수(De-Ionized Water) 나 슬러리에 의하여 액체층(L)이 형성된 경우에는, 광조사부(50)로부터 조사된 조사광(50L)의 일부는 액체층(L)의 수면에서 반사되고, 다른 일부는 액체층(L)에서 굴절되어 웨이퍼(W)의 표면에서 굴절되므로, 반사광(60L3)의 일부만 수광부(60)를 향하게 되어, 웨이퍼(W)의 이탈(88)에도 불구하고 이를 감지하지 못하는 경우가 종종 발생되었다. 이에 따라, 웨이퍼(W)의 이탈 사실을 모르고 화학 기계적 공정을 행함에 따라, 캐리어 헤드(20)의 멤브레인 등이 손상되기도 하고, CMP 공정이 공전(空轉)되는 문제도 있었다.
이 뿐만 아니라, 종래의 웨이퍼 이탈 감지 장치는 광조사부(50)와 수광부(60)가 반대편에 위치해야 하므로, 이들의 광경로를 확보하기 위한 설치 공간의 제약이 야기되었고, 설치도 까다로운 문제점이 있었다. 이 때문에, 웨이퍼 이탈을 감지하는 영역 이외의 방향으로 웨이퍼가 캐리어 헤드의 바깥으로 이탈되는 경우에는 웨이퍼의 이탈을 감지하지 못하는 문제가 야기된다.
또한, 종래의 웨이퍼 이탈 감지 장치는, 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드(20)의 바깥으로 튀어 나오는 경우에 한하여 웨이퍼(W)가 이탈된 것을 감지할 수 있으므로, 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드(20)의 하측에서 회전하면서 연마하는 동안에, 웨이퍼(W)에 작용하는 마찰력에 의하여 웨이퍼(W)의 중심과 캐리어 헤드(20)의 중심이 틀어지는 것을 감지할 수 없는 한계가 있었다. 이로 인하여, 웨이퍼(W)의 중심과 캐리어 헤드(20)의 중심이 틀어지는 경우에는 웨이퍼(W)에 인가되는 가압력이 웨이퍼(W)의 표면 전체에 걸쳐 고르게 분산되지 못하여 웨이퍼(W)의 연마 상태에 불량이 발생되는 문제가 있었다.
본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 화학 기계적 연마 공정이 행해지고 있는 동안에 캐리어 헤드에 의하여 가압되는 웨이퍼가 웨이퍼 캐리어의 저면에서 위치가 틀어지거나 바깥으로 이탈하는 것을 정확하게 감지할 수 있는 화학 기계적 연마 시스템의 웨이퍼 이탈 감지 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
무엇보다도, 본 발명은 웨이퍼를 직접 진공 방식으로 홀 형태의 통로를 통해 웨이퍼를 흡입 파지하거나 가압하는 경우에, 화학 기계적 연마 공정이 행해지고 있는 동안에 웨이퍼가 슬립 아웃되는 이탈 현상에 의한 통로의 압력 변동으로 웨이퍼의 위치를 감지하여, 웨이퍼의 위치 상태를 확실하게 감지할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
이를 통해, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 위치가 정상 위치로부터 조금이라도 벗어났는지 여부를 정확하게 감지하여, 캐리어 헤드가 웨이퍼 없이 연마 패드 상에 가압되면서 멤브레인 등이 손상되거나, 고가의 웨이퍼가 연마 공정 중에 불량이 발생되는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 웨이퍼의 이탈 감지 장치의 광경로가 다른 구성 부품과 간섭되는 것을 최소화하여, 화학 기계적 연마 시스템의 설치 및 관리를 용이하게 하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 캐리어 헤드의 멤브레인에는 웨이퍼에 직접 부압이나 정압을 가하는 통로가 형성되고, 상기 멤브레인의 상측에 압력 챔버가 형성되어 상기 멤브레인의 하측에 위치하는 웨이퍼를 연마 패드에 가압하면서 가압하면서 화학 기계적 연마 공정을 행하고 있는 화학 기계적 연마 시스템에서 상기 웨이퍼의 이탈 감지 장치로서, 상기 화학 기계적 연마 공정을 행하는 중에 상기 통로의 압력을 실시간으로 측정하는 통로압력 감지부와; 상기 통로 압력이 정해진 범위를 벗어나 변동하면 상기 웨이퍼가 상기 멤브레인의 하측으로부터 위치가 변동되거나 이탈한 것으로 감지하는 제어부를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템의 웨이퍼 이탈 감지 장치를 제공한다.
이와 같이, 관통공 등의 형태로 형성된 상기 통로를 통하여 웨이퍼에 직접 정압 또는 부압을 작용하는 캐리어 헤드인 경우에, 화학 기계적 연마 공정 중에 통로를 통하여 인가되고 있는 정압 또는 부압의 압력 변동치를 통로압력 감지부를 통하여 실시간으로 감시함으로써, 통로 압력의 변동폭이 정해진 범위를 벗어나면 웨이퍼가 캐리어 헤드의 멤브레인 하측에서 위치가 변동되거나 이탈한 것으로 감지할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 캐리어 헤드의 주변에 광을 조사하여 웨이퍼의 이탈 유무를 감지하는 종래의 구성과 달리, 캐리어 헤드의 바깥으로 웨이퍼가 벗어나지 않더라도, 통로 압력의 변동에 의하여 웨이퍼의 위치가 캐리어 헤드의 중심과 정렬하지 않게 변동되는 것을 실시간으로 감지하여, 웨이퍼가 불량인 상태로 연마되는 것을 방지할 수 있다.
이 때, 상기 통로는 상기 멤브레인의 중심부에 형성되는 것이 바람직하다. 이는 멤브레인을 가압하거나 흡입하는 통로 압력을 충분히 크게 유지하더라도 웨이퍼가 불균일하게 연마되는 것을 방지할 수 있고, 이를 통하여 통로 압력의 변동을 쉽게 감지하여 웨이퍼의 위치를 실시간으로 보다 정확하게 감지할 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.
한편, 캐리어 헤드의 통로 압력의 변동에 의하여 웨이퍼의 이탈 유무를 감지하는 상기 구성과 병행하여, 상기 캐리어 헤드 바깥의 상기 연마 패드 상의 제1위치에 조사광을 경사지게 조사하는 광조사부와; 상기 연마 패드에 조사된 광의 조사 방향에 위치하여, 상기 조사광의 산란광을 수신하는 수광부를; 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 수광부에서 광이 수신되면, 상기 웨이퍼가 상기 제1위치로 이탈하지 않은 것으로 감지하고, 상기 수광부에서 광이 수신되지 않게 되면 상기 웨이퍼가 상기 제1위치로 이탈한 것으로 감지하도록 구성될 수 있다.
이는, 수광부에 반사광이 수신되어야 웨이퍼가 있는 것(캐리어 헤드로부터 이탈한 것)으로 감지하던 종래의 방식과 달리, 수광부에 산란광이 수신되지 않아야 웨이퍼가 캐리어 헤드로부터 이탈한 것으로 감지하도록 함으로써, 웨이퍼가 조사광의 일부를 흡수하거나 웨이퍼의 표면에 액체 층이 잔류하는 경우에도, 정확하게 웨이퍼의 이탈 유무를 감지할 수 있도록 하기 위함이다.
즉, 본 발명은, 광조사부로부터 조사된 조사광이 반사된 반사광을 이용하는 것이 아니라, 광조사부로부터 조사된 조사광의 산란광을 이용한다는 점에 특징이 있고, 또한, 수광부에 광이 수신되는 때에 웨이퍼가 제1위치에 있는 것이 아니라, 수광부에 광이 수신되지 않아야 웨이퍼가 제1위치에 있는 것으로 감지한다. 이를 통해, 광조사부로부터 조사되는 조사광이 연마 패드의 불균일한 표면에서 산란되면, 산란된 광이 수광부에 수신되고, 이 때에는 제1위치에 웨이퍼가 존재하지 않으므로 웨이퍼가 캐리어 헤드로부터 이탈하지 않은 것으로 감지한다.
그러나, 제1위치에 어떠한 색깔의 웨이퍼가 위치하게 되면, 웨이퍼의 표면이 매끄러우므로 그 표면에서 난반사가 발생되지 않게 되어, 산란광이 수광부에 유입될 가능성이 없게 된다. 따라서, 조사광의 전부가 웨이퍼의 표면에서 반사되든지, 아니면 조사광의 일부가 웨이퍼의 색깔로 인해 일부 흡수되어 일부만 반사되든지, 아니면 웨이퍼의 표면에 액체 층이 존재하여 일부 굴절되든지 관계없이, 광조사부로부터 조사된 조사광에 난반사가 발생되지 않아 광조사부와 같은 측에 위치하는 수광부에 광(반사광은 입사각의 반대편으로 그 경로가 정해지므로 광조사부와 같은 측에 위치하는 수광부에 도달할 여지가 없고, 산란광은 조사광에 난반사가 발생되어야 하는데 웨이퍼의 표면이 매끄러우므로 난반사가 발생되지 않으므로 산란광도 수광부에 도달하지 않는다)이 도달하지 못하게 되어, 웨이퍼가 제1위치에 있어서 캐리어 헤드로부터 이탈한 것으로 감지된다.
이와 같이, 광조사부로부터 조사된 조사광의 산란광을 광조사부와 같은 측에 배열한 수광부에서 감지하는지 여부에 따라, 연마 패드 상의 제1위치에 웨이퍼가 존재하는지를 감지함에 따라, 웨이퍼의 색깔이나 액체층이 있는지 여부 등에 무관하게, 종래에 비하여 정확하게 웨이퍼의 이탈 여부를 감지할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기와 같이 광조사부와 수광부를 조사되는 측에 함께 위치시키는 것이 가능해지므로, 화학 기계적 연마 시스템의 구성 부품이 광 경로에 간섭되지 않도록 하는 것이 훨씬 쉬워지고, 설치도 용이해지는 잇점이 얻어진다.
상기 제1위치는 상기 캐리어 헤드의 주변에 3개 이상 배치되어, 다수의 상기 제1위치 중 어느 하나에서라도 상기 산란광 수신단계에서 광이 수신되지 않으면 상기 웨이퍼가 상기 캐리어 헤드의 바깥으로 이탈한 것으로 감지할 수 있다.
상기 광조사부와 광수신부는 하나의 몸체(one body)로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제1위치는 상기 캐리어 헤드의 주변에 3개 이상 배치되어, 다수의 상기 제1위치 중 어느 하나에서라도 상기 수광부에서 광이 수신되지 않으면 상기 웨이퍼가 상기 캐리어 헤드의 바깥으로 이탈한 것으로 감지할 수 있다. 이를 통해, 웨이퍼가 어느 방향으로 이탈하더라도 웨이퍼의 이탈 유무를 정확하게 감지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 관통공 등의 형태로 형성된 상기 통로를 통하여 웨이퍼에 직접 정압 또는 부압을 작용하는 캐리어 헤드인 경우에, 화학 기계적 연마 공정 중에 통로를 통하여 인가되고 있는 정압 또는 부압의 압력 변동치를 통로압력 감지부를 통하여 실시간으로 감시함으로써, 통로 압력의 변동폭이 정해진 범위를 벗어나면 웨이퍼가 캐리어 헤드의 멤브레인 하측에서 위치가 변동되거나 이탈한 것으로 감지할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명은 캐리어 헤드의 바깥으로 웨이퍼가 벗어나지 않더라도, 통로 압력의 변동에 의하여 웨이퍼의 위치가 캐리어 헤드의 중심과 정렬하지 않게 변동되는 것을 실시간으로 감지하여, 웨이퍼가 불량인 상태로 연마되는 것을 방지할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은, 광조사부와 나란히 배열되는 수광부에서 조사광의 산란광을 수신하지 못하게 되면, 조사광이 조사하고 있던 제1위치에 웨이퍼가 존재하는 것으로 감지함으로써, 웨이퍼의 색상이나 웨이퍼에 묻은 슬러리 등의 액체층에도 불구하고, 정확하게 웨이퍼의 존재 여부를 감지할 수 있게 되어, 캐리어 헤드로부터 웨이퍼가 이탈하였는지 여부를 종래보다 정확하게 감지할 수 있다.
이를 통해, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 종류나 상태에 관계없이, 웨이퍼가 캐리어 헤드의 바깥으로 이탈하기 이전에 웨이퍼의 중심과 캐리어 헤드의 중심이 서로 어긋나는 것을 정확하게 감지할 수 있게 되어, 웨이퍼의 불량 연마를 방지할 수 있고, 동시에 캐리어 헤드가 웨이퍼 없이 연마 패드 상에 가압하는 오작동을 근본적으로 방지하여, 캐리어 헤드의 멤브레인이 손상되거나 웨이퍼의 연마 공정을 보다 지연시키는 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 광조사부와 수광부는 경사지게 조사하는 광조사부의 일측에 위치하고, 조사광의 산란광을 수광부에서 수신하는 원리로 작동하므로, 광조사부로부터 조사된 조사광이 반사된 이후의 경로에 다른 구성 부품을 위치시키는 것이 가능해져, 웨이퍼 이탈 감지 장치의 설치가 보다 용이해지는 잇점을 얻을 수 있다.
도1은 일반적인 화학 기계적 연마 시스템의 구성을 도시한 평면도,
도2는 종래의 웨이퍼 이탈 감지 장치가 구비된 화학 기계적 연마 시스템의 구성을 도시한 정면도,
도3a 내지 도3d는 종래의 웨이퍼 이탈 감지 장치의 작동 원리 및 오류 원리를 설명하기 위한 도면,
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 시스템의 웨이퍼 이탈 감지 방법을 순차적으로 도시한 순서도,
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 이탈 감지 장치가 장착된 화학 기계적 연마 시스템의 구성을 도시한 도면,
도6은 도5의 관통공 형태로 부압 또는 정압을 인가하는 통로가 형성된 캐리어 헤드의 구성을 도시한 반단면도,
도7a 내지 도7d는 도5의 웨이퍼 이탈 감지 장치의 작동 원리를 설명하기 위한 도면,
도8은 도5의 연마 패드 상에 분포되는 제1위치를 도시한 평면도,
도9는 통로의 압력 변동 상태를 도시한 측정값 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 시스템의 웨이퍼 이탈 감지 장치를 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 연마 시스템의 웨이퍼의 이탈 감지 장치(100)는 웨이퍼(W)에 직접 정압이나 부압을 인가하는 캐리어 헤드(200)에 적용되는 것으로서, 화학 기계적 연마 공정 중에 캐리어 헤드(200)의 저면에 위치하는 웨이퍼(W) 주변의 연마 패드(11) 상의 제1위치(P)에 조사광(100L)을 경사지게 조사하는 광조사부(110)와, 조사광(100L)이 조사되는 쪽에 위치하여 산란광을 선택적으로 수신하는 수광부(120)와, 수광부(120)에 수신되는 광의 유무에 따라 웨이퍼의 이탈 여부를 감지하는 제어부(130)와, 캐리어 헤드(200)의 관통공 형태의 통로(77)에 정압 또는 부압을 인가하는 압력 공급부(140)와, 통로(77)의 압력을 실시간으로 측정하는 통로압력 감지부(150)로 구성된다.
상기 캐리어 헤드(200)는, 도6에 도시된 바와 같이, 외부의 구동 수단에 의하여 회전 구동되는 본체부(240)와, 본체부(240)와 연동하여 회전하는 베이스(220)와, 베이스(220)와 플립의 끝단이 결합하여 베이스(220)와의 사이 공간에 다수의 압력 챔버(C)를 형성하고 저면에 웨이퍼(W)를 연마 패드(11) 상에 가압하는 멤브레인(250)과, 웨이퍼(W)의 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼(W)의 둘레를 감싸면서 연마 패드(11)에 접촉한 상태를 유지하는 리테이너 링(210)으로 구성된다. 도6에는 반단면도가 도시된 것이며, 도6에 도시된 형태를 중심축을 중심으로 회전한 형상으로 구성된다.
여기서, 캐리어 헤드(200)의 중앙부에는 관통공 형태의 통로(77)가 형성되어, 멤브레인(250)의 저면에 위치하는 웨이퍼(W)에 압력 공급부(140)로부터 정압이나 부압이 웨이퍼(W)에 작용하여 전달된다. 경우에 따라서는 화학 기계적 연마 공정 중에 정압이 통로(77)를 통해 작용되어 웨이퍼(W)의 중심이 연마 패드(11)에 가압되는 힘을 보다 크게 할 수 있고, 경우에 따라서는 화학 기계적 연마 공정 중에 부압이 통로(77)를 통해 작용되어 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드(200)의 멤브레인(250)에 밀착시키는 힘을 보다 크게 할 수도 있다. 도면에는 통로(77)가 캐리어 헤드(200)의 중심 위치에 관통 형성되는 구성을 예시하였지만, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면 통로(77)는 캐리어 헤드(200)의 중심으로부터 반경 방향으로 이격된 위치에 선택적으로 또는 부가적으로 다수 형성될 수도 있다.
한편, 멤브레인(250)의 플립 끝단이 베이스(220)에 보다 용이하게 위치 고정하도록, 멤브레인(250)의 플립 끝단을 사이에 두고 베이스(220)에 고정되는 고정 부재(222)가 구비된다.
상기 압력 공급부(140)는 캐리어 헤드(200)의 중앙부에 위치한 통로(77)를 통해 도면부호 140p로 표시된 경로를 따라 웨이퍼(W)의 중앙부에 직접 부압 또는 정압을 작용시킨다. 그리고 도면에 도시되지 않았지만, 다수의 압력 챔버(C)에 독립적으로 제어된 압력을 공급하여, 압력 챔버(C)의 압력을 개별적으로 조절하여 멤브레인(250)의 저면에 위치한 웨이퍼(W)를 가압한다. 압력 공급부(140)에 의하여 통로(77) 및 압력 챔버(C)로 공급되는 정압 또는 부압의 크기는 제어부(130)에 의하여 제어되거나, 연마 공정에 따라 미리 정해진 값으로 정해진다.
상기 통로압력 감지부(150)는 캐리어 헤드(200)의 중앙부에 위치한 통로(77)를 통하여 웨이퍼(W)에 공급되는 압력을 실시간으로 측정하여, 측정된 압력값을 제어부(130)로 전송한다. 그리고, 제어부(130)는 통로압력 감지부(150)의 측정 압력값의 변동으로부터 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드(200)의 멤브레인(250) 저면에서 위치 정렬된 초기 셋팅 위치(웨이퍼(W)의 중심과 멤브레인(250)의 중심이 일치하는 상태)에서 벗어나는지 여부를 감지한다.
구체적으로는, 통로압력 감지부(150)로부터 측정되는 통로(77)의 압력값은 실시간으로 측정(S110)하여 제어부(130)로 전송된다. 예를 들어, 도9에 도시된 바와 같이, 정상적으로 웨이퍼(W)의 연마 공정이 진행되고 있는 동안에는 통로(77)의 압력은 압력 공급부(140)로부터 공급되는 공급 압력(Po)을 유지한다. 이 때, 공급 압력(Po)은 정압(+)일 수도 있고 부압(-)일 수도 있으며, 도9에 도시된 공급 압력(Po)은 정압 또는 부압의 절대치를 도시한 것이다.
정상적인 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 시간(A1) 동안에는 압력 공급부(140)로부터 공급되는 압력은 일정한 값(Po)을 유지한다. 그러나, 웨이퍼(W)가 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드(11)와의 마찰력에 의하여 초기 셋팅 위치로부터 벗어나는 방향으로 이동하면, 웨이퍼(W)의 상면에 의하여 통로(77) 내의 공간이 밀폐되어 있다가 순간적으로 개방되어, 통로(77)의 압력값이 순간적으로 하락(절대치가 하락)하는 변동(99x)이 발생된다(A2). 이를 통해, 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드(200)의 중심과 정렬하는 초기 셋팅 위치로부터 편측으로 치우쳐 이동하였는지를 감지한다(S140).
이와 같은 통로(77)의 순간적인 압력 강하가 발생된 이후에, 웨이퍼(W)가 연마 패드(11)와의 마찰에 의하여 살짝 위치가 틀어진 경우에는, 도9의 도면부호 992에 표시된 바와 같이, 통로(77)의 하단이 다시 웨이퍼(W)에 밀착되면서 밀폐되어, 통로(77)의 압력은 다시 공급 압력(Po)으로 회복한다. 그러나, 웨이퍼(W)의 중심이 멤브레인(250)과 캐리어 헤드(200)의 중심과 틀어진 상태이어서, 웨이퍼(W)의 일부분은 충분한 연마가 행해지지 않아 일부 불량이 발생된다. 따라서, 도면부호 992로 표시된 형태의 압력 측정값이 통로압력 감지부(150)에 의하여 감지된 경우에는, 제어부(130)는 화학 기계적 연마 공정을 중단하고 웨이퍼(W)를 캐리어 헤드(200)와 정렬시키도록 한다.
한편, 통로(77)의 순간적인 압력 강하가 발생된 이후에, 웨이퍼(W)가 연마 패드(11)와의 큰 마찰력에 의하여 캐리어 헤드(200)의 바깥으로 튀어 나간 경우에는, 도9의 도면부호 991에 표시된 바와 같이, 통로(77)의 하단에 위치하였던 웨이퍼(W)가 완전히 없어진 상태가 되므로, 통로(77)의 하단으로 공급 압력(Po)이 누설된다. 이 경우에는 멤브레인(250)이 직접 연마 패드(11) 상에 닿은 상태로 회전하여 멤브레인(250) 등이 손상되므로, 이 경우에도 제어부(130)는 화학 기계적 연마 공정을 중단시킨다.
상기와 같이, 웨이퍼(W)에 직접 부압 또는 정압을 공급하는 통로(77)의 압력을 실시간으로 측정하여, 통로(77)의 압력 변동으로부터 웨이퍼(W)가 화학 기계적 연마 공정 중에 캐리어 헤드(200)의 멤브레인(250) 저면에 정렬된 상태를 유지하는지 또는 위치가 틀어지거나 벗어났는지를 정확하게 감지할 수 있다.
한편, 압력 공급부(140)로부터 웨이퍼(W)의 상면에 통로(77)를 통해 공급되는 공급 압력(Po)은 도9에는 평탄한 직선으로 표시되었지만 미세하게 변동될 수 있다. 따라서, 제어부(130)는 압력 공급부(140)로부터 공급되는 압력의 변동폭보다 통로 압력 감지부(150)에서 측정된 통로(77)의 압력 측정값이 더 크게 변동하면, 웨이퍼(W)가 초기 셋팅 위치로부터 벗어난 것으로 감지할 수도 있다. 이를 통해, 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드의 바깥으로 벗어나지 않고 조그만 변위로 위치 변동되는 것을 확실하게 감지할 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.
상기와 같이 캐리어 헤드(200)의 통로(77)의 압력 변동에 의하여 1차적으로 웨이퍼(W)의 위치가 틀어지거나 이탈 여부를 감지한다. 그리고, 이와 더불어, 캐리어 헤드(200)의 바깥에 위치한 광 감지 방식으로 웨이퍼(W)의 이탈 여부를 감지할 수 있다.
이를 위하여, 상기 광조사부(110)는 화학 기계적 공정 중인 캐리어 헤드(200)의 주변의 제1위치(P)에 레이저 등 직진성을 갖는 조사광(110L)을 조사한다. 이 때, 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드(200)로부터 이탈되는 특정 방향이 있는 경우에는, 조사광(110L)이 조사되는 제1위치(P)는 하나로 정해질 수 있지만, 웨이퍼(W)가 모든 방향으로 이탈(88)하는 것을 정확하게 검출하고자 하는 경우에는, 조사광(110L)이 조사되는 제1위치(P)는 일정 영역을 움직이는 형태로 정해질 수도 있고, 도8에 도시된 바와 같이 화학 기계적 연마 공정이 행해지고 있는 웨이퍼(W)의 주변이 120도 간격으로 3개 또는 그 이상이 배열될 수 있다. 이 경우에 광조사부(110)는 각각의 제1위치(P)마다 조사광(110L)을 조사하기 위하여 다수 배치된다.
그리고, 상기 수광부(120)는 광조사부(110)와 인접하게 위치하거나, 케이싱(99) 내에 광조사부(110)와 함께 위치하는 일체형일 수 있다. 이에 따라, 수광부(120)는 광조사부(110)로부터 연마 패드(11)를 향하여 경사지게 조사하는 조사광(110L)이나, 조사광(110L)에 대칭으로 반사되는 반사광을 수신하는 것이 불가능하며, 연마 패드(11)의 울퉁불퉁한 표면(11s)에서 발생되는 난반사에 의해 산란되는 산란광(120L)을 선택적으로 수신한다.
또한, 상기 제어부(130)는 수광부(120)에서 광이 수신되는 지에 따라, 제1위치(P)에 웨이퍼(W)가 이탈하여 위치하고 있는지 여부를 판단하여, 웨이퍼(W)가 이탈한 것으로 감지되면 알람 신호를 출력한다.
상기와 같이 구성된 광조사부(110) 및 수광부(120)를 이용하여, 화학 기계적 연마 공정 중에 캐리어 헤드(200)의 저면에 위치하는 웨이퍼(W) 주변의 연마 패드(11) 상의 제1위치(P)에 광조사부(110)로부터 조사광(100L)을 경사지게 조사한다(S120).
그리고, 상기 조사광(100L)이 조사되는 쪽에 위치한 수광부(120)에서 조사광(110L)의 산란광을 선택적으로 수신한다(S130). 즉, 광조사 단계(S110)에서 수신된 조사광(110L)이 제1위치(P)에서 난반사에 의해 산란되면 산란광을 수신하고, 제1위치(P)에서 정상적으로 반사되면 광을 수신하지 못하게 된다.
그리고, 제어부(130)는 수광부(120)에 광이 수신되는지 여부에 따라, 하나 이상의 제1위치(P) 중에 모든 제1위치(P)에서 웨이퍼가 없다고 감지된 경우에는 정상적으로 웨이퍼가 화학 기계적 연마 공정을 행하고 있다고 판단하고, 하나 이상의 제1위치(P) 중에 어느 하나 이상의 제1위치(P)에서 웨이퍼가 있다고 감지된 경우에는 비정상적으로 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드(200)로부터 이탈한 것으로 판단한다.
보다 구체적으로는, 제1위치(P)에 웨이퍼(W)가 위치하지 않는 경우에는, 도7a에 도시된 바와 같이 광조사부(110)로부터 조사되는 조사광(110L)이 울퉁불퉁한 연마 패드(11)의 표면(11s)에서 난반사되는 산란광(120s)을 수광부(120)에서 수신한다. 이와 같이, 수광부(120)에서 산란광(120s)을 수신하면, 제1위치(P)에 웨이퍼(W)가 없고 연마 패드(11)에 의해 난반사되고 있다는 것이므로, 제어부(130)는 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드(200)의 저면에 위치하고 있고 캐리어 헤드(200)의 바깥으로 이탈하지 않은 상태(OFF 판정)로 판정한다.
그리고, 제1위치(P)에 웨이퍼가 위치한 경우에는, 도7b에 도시된 바와 같이, 광조사부(110)로부터 조사되는 조사광(110L)이 매끄러운 은빛 웨이퍼(W)의 표면에서 반사(120L1)되므로, 난반사가 발생되지 않는다. 따라서 수광부(120)에서는 광이 수신되지 않게 되며, 제어부(130)는 캐리어 헤드(200)로부터 이탈한 웨이퍼(W)가 제1위치(P)에 존재하는 이탈 상태(ON 판정)로 판정한다.
한편, 웨이퍼(W')의 색상이 은빛 이외의 유색(예를 들어, 청색)이어서 광의 일부를 흡수한다고 하더라도, 도7c에 도시된 바와 같이, 광조사부(110)로부터 조사되는 조사광(110L)이 매끄러운 유색 웨이퍼(W')의 표면에서 일부는 흡수되고 일부는 반사(120L2)되므로, 난반사가 발생되지 않는다. 따라서 수광부(120)에서는 광이 수신되지 않게 되며, 제어부(130)는 캐리어 헤드(200)로부터 이탈한 웨이퍼(W')가 제1위치(P)에 존재하는 이탈 상태(ON 판정)로 판정한다. 즉, 수광부(120)에 수신되던 산란광(120s)이 유색 웨이퍼(W')에 의해 수광부(120)에 도달하지 않게 되는 것으로, 제1위치(P)에 웨이퍼(W')가 존재하는 것을 정확하게 감지할 수 있게 된다.
또한, 웨이퍼(W)의 표면에 슬러리나 순수 등의 액체층(L)이 있는 경우에는, 도7d에 도시된 바와 같이, 광조사부(110)로부터 조사되는 조사광(110L)이 일부는 액체층(L)의 표면에서 반사(120L3)되고, 일부는 액체층(L)에서 굴절된 이후에 반사(120L3)되고, 일부는 액체층(L)에 흡수되더라도, 웨이퍼(W)의 표면은 매끄러우므로 난반사가 발생되지 않는다. 따라서 수광부(120)에서는 광이 수신되지 않게 되며, 제어부(130)는 캐리어 헤드(200)로부터 이탈한 웨이퍼(W)가 제1위치(P)에 존재하는 이탈 상태(ON 판정)로 판정한다. 즉, 웨이퍼 캐리어(20)로부터 이탈되어 제1위치에 존재하게 된 웨이퍼(W)의 표면 및 그 위의 액체층(L)의 표면에서 조사광(110L)이 반사되거나 일부 흡수되어, 수광부(120)에 수신되던 산란광(120s)은 더이상 도달하지 않게 되므로, 수광부(120)에 수신되던 광이 끊기는 것으로부터 제1위치(P)에 웨이퍼(W)가 존재하는 것을 정확하게 감지할 수 있게 된다.
도면에 도시되지 않았지만, 연마 패드(11) 상에 액체층이 형성되고 웨이퍼(W)가 이탈하지 않은 경우에는, 액체층에 의해 조사광(110L)이 굴절되더라도, 액체층에서 조사광(110L)이 굴절된 이후에 여전히 연마 패드(11)의 표면에서 난반사가 일어나 수광부(120)에 산란광(120s)이 수신되므로, 연마 패드(11)에 슬러리나 순수 등이 혼재되어 있더라도, 웨이퍼(W)가 이탈하지 않았다는 것을 정확히 감지할 수 있다.
그리고 연마 패드(11)의 거친 표면(11s)에서는 난반사가 발생되어, 난반사되는 산란광(120s)이 광조사부(110)와 나란히 배치된 수광부(120)에 수신되면 제1위치(P)에 연마 패드(11)가 드러나 있는 것이어서, 웨이퍼(W)가 제1위치(P)로 빠져나오지 않았다는 것을 감지할 수 있다. 동시에, 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드(200헤드(200 빠져나와 제1위치(P) 상에서 연마 패드(11)를 가리게 되면, 조사광(110L)이 매끄러운 웨이퍼 표면에서는 난반사되지 않게 되어 수광부(120)에 광이 수신되지 않으므로, 웨이퍼(W)가 제1위치(P)로 빠져나왔다는 것을 감지할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 화학 기계적 연마 시스템의 웨이퍼 이탈 감지 장치(100)는, 통로(77)를 통하여 웨이퍼(W)에 직접 정압 또는 부압을 작용하는 캐리어 헤드(200)인 경우에, 화학 기계적 연마 공정 중에 통로를 통하여 인가되고 있는 정압 또는 부압의 압력 변동치를 통로압력 감지부(150)를 통하여 실시간으로 감시함으로써, 통로 압력의 변동폭이 정해진 범위를 벗어나면 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드의 멤브레인 하측에서 위치가 변동되거나 이탈한 것으로 정확하게 감지할 수 있으며, 나아가 웨이퍼(W)가 화학 기계적 연마 공정 중에 캐리어 헤드(200)의 바깥으로 웨이퍼가 완전히 벗어나지 않더라도, 통로(77)의 압력 변동에 의하여 웨이퍼(77)의 위치가 틀어지는 것까지도 정확하게 감지하여, 웨이퍼가 불량인 상태로 연마되는 것을 사전에 미리 방지할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은, 광조사부와 나란히 배열되는 수광부에서 조사광의 산란광을 수신하지 못하게 되면, 조사광이 조사하고 있던 제1위치에 웨이퍼가 존재하는 것으로 감지함으로써, 웨이퍼의 색상이나 웨이퍼에 묻은 슬러리 등의 액체층의 유무에 관계없이 캐리어 헤드의 바깥으로 이탈한 웨이퍼의 존재를 정확하게 감지할 수 있는 잇점이 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.
W, W': 웨이퍼 L: 액체층
11: 연마 패드 11s: 연마패드 표면
100: 웨이퍼의 이탈 감지 장치 110: 광조사부
110L: 조사광 120: 수광부
120s: 산란광 130: 제어부
140: 압력 공급부 150: 통로압력 감지부
99x: 압력 변동

Claims (7)

  1. 캐리어 헤드의 멤브레인에는 웨이퍼에 직접 부압이나 정압을 가하는 통로가 형성되고, 상기 멤브레인의 상측에 압력 챔버가 형성되어 상기 멤브레인의 하측에 위치하는 웨이퍼를 연마 패드에 가압하면서 가압하면서 화학 기계적 연마 공정을 행하고 있는 화학 기계적 연마 시스템에서의 웨이퍼 이탈 감지 장치로서,
    상기 화학 기계적 연마 공정을 행하는 중에 상기 통로의 압력을 실시간으로 측정하는 통로압력 감지부와;
    상기 캐리어 헤드 바깥의 상기 연마 패드 상의 제1위치에 조사광을 경사지게 조사하는 광조사부와;
    상기 연마 패드에 조사된 광의 조사 방향에 위치하여, 상기 조사광의 산란광을 수신하는 수광부와;
    상기 통로의 압력 측정값의 변동으로부터 상기 웨이퍼가 상기 멤브레인의 하측으로부터 위치가 변동되거나 이탈한 것으로 감지하고, 상기 수광부에서 광이 수신되면, 상기 웨이퍼가 상기 제1위치로 이탈하지 않은 것으로 감지하고, 상기 수광부에서 광이 수신되지 않게 되면 상기 웨이퍼가 상기 제1위치로 이탈한 것으로 감지하는 제어부를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템의 웨이퍼 이탈 감지 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 통로는 상기 멤브레인의 중심부에 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템의 웨이퍼 이탈 감지 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 통로의 압력 측정값의 변동폭이 상기 통로를 통하여 화학 기계적 연마 공정 중에 작용시키는 공급 압력의 변동폭보다 더 큰 경우에, 상기 제어부는 상기 웨이퍼의 위치가 변동된 것으로 감지하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템의 웨이퍼 이탈 감지 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 웨이퍼가 상기 멤브레인의 하측으로부터 위치가 변동되거나 이탈한 것으로 감지하면, 상기 화학 기계적 연마 공정을 중단시키는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템의 웨이퍼 이탈 감지 장치.
  5. 제 1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 통로는 상기 캐리어 헤드를 관통하는 관통공 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템의 웨이퍼 이탈 감지 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1위치는 상기 캐리어 헤드의 주변에 3개 이상 배치되어, 다수의 상기 제1위치 중 어느 하나에서라도 상기 수광부에서 광이 수신되지 않으면 상기 웨이퍼가 상기 캐리어 헤드의 바깥으로 이탈한 것으로 감지하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템의 웨이퍼 이탈 감지 장치.

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