KR101592211B1 - 화학 기계적 연마 시스템의 웨이퍼 막두께 모니터링 장치 - Google Patents

화학 기계적 연마 시스템의 웨이퍼 막두께 모니터링 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학 기계식 연마 장치의 웨이퍼 막두께 모니터링 장치에 관한 것으로, 연마 패드와 연마 정반을 관통 형성한 위치에 투명창이 구비되고, 웨이퍼의 판면이 자전하는 연마 패드 상에 캐리어 헤드에 의해 접촉하면서 상기 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 화학 기계적 연마 시스템에 사용되는 웨이퍼 막두께 모니터링 장치로서, 상기 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 연마 패드의 마모량을 감지하는 마모량 감지부와; 상기 투명창을 통하여 상기 웨이퍼의 판면으로부터 반사되는 수광 신호를 수신하여 상기 웨이퍼의 연마 두께를 감지하는 광센서와; 상기 마모량 감지부에 의하여 상기 연마 패드의 마모량에 따라 상기 광센서의 위치를 조정하는 센서높이 조정유닛을; 포함하여 구성되어, 상기 센서높이 조정유닛에 의해 상기 광센서의 수광면과 상기 웨이퍼의 판면까지의 거리를 일정하게 유지시켜, 웨이퍼의 연마면 두께를 보다 정확하게 감지하여 모니터링할 수 있는 화학 기계연마 장치의 웨이퍼 막두께 모니터링 장치를 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 시스템의 웨이퍼 막두께 모니터링 장치 {DEVICE OF MONITORING WAFER METAL LAYER THICKNESS IN CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS AND METHOD THEREOF}
본 발명은 화학 기계적 연마 시스템의 웨이퍼 막두께 모니터링 장치 관한 것으로, 보다 상세하게는, 웨이퍼의 연마층 두께를 보다 정확하게 측정하여 모니터링할 수 있는 화학 기계적 연마 시스템의 웨이퍼 막두께 모니터링 장치에 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 시스템(1)은 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 회전시켜, 웨이퍼(W)의 표면을 평탄하게 연마한다. 이를 위하여, 회전(30r)하면서 연마 패드(11)를 개질시켜 연마 패드(11)의 표면이 일정한 상태로 유지시키는 컨디셔너(30)가 구비되고, 연마 패드(11)의 표면에 화학적 연마를 수행하는 슬러리가 슬러리 공급관(40)을 통해 공급된다.
화학 기계적 연마 공정에 의해 연마되는 웨이퍼(W)의 연마층 두께는 정확하게 조절되어야 한다. 이를 위하여, 도1 및 도2에 도시된 바와 같이 연마 정반(10)과 연마 패드(11)를 관통하는 광투과부(10a)가 형성되고, 웨이퍼(W)가 위치하는 영역(20a)의 하측에 광 센서(50)가 구비된다. 그리고, 광 센서(50)는 광조사부(51)를 통해 광(L)을 조사하고, 광(L)이 웨이퍼(W)의 막에 반사된 반사광(L')을 수광부(52)에서 수신하여, 수광 데이터를 제어부(60)에 전송한다. 이에 따라, 제어부(60)는 광 센서(50)로부터 수신된 수광 데이터로부터 웨이퍼(W)의 막두께를 감지한다.
한편, 웨이퍼(W)의 연마층이 도전층으로 이루어진 경우에는, 대한민국 공개특허공보 제2011-104107호에 기재된 바와 같이 와류 센서를 사용하여 웨이퍼의 연마층 두께를 감지하여 CMP 공정의 종료점을 판단할 수 있다. 즉, 고주파 전류를 상기 와류 센서의 센서 코일에 인가하여 웨이퍼(W)의 연마층에 와류를 발생시키면, 와류 센서와 웨이퍼(W)는 상호 인덕턴스에 의하여 자기적으로 커플링된다. 이 상태에서, 와류 센서의 센서 회로와 반도체 웨이퍼(W) 도전층의 합성 임피던스는 와류 센서(110) 내의 발진 회로의 공진 주파수의 기능을 하기 때문에, 상기 공진 주파수가 모니터링됨으로써, 웨이퍼(W)의 연마층 두께를 감지하면서 연마 공정의 종료점을 검출할 수 있다.
그러나, 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 동안에 연마 패드(11)의 두께는 점점 얇아지는 데, 광센서 또는 와류 센서와 같은 두께감지센서의 위치는 변동되지 않으므로, 웨이퍼(W)까지의 거리(d) 변동에 따라 웨이퍼(W)의 연마층의 두께 측정에 오차가 발생되는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 화학 기계적 연마 공정에 의하여 연마 패드의 마모량에 따른 웨이퍼 연마층까지의 거리 변동을 반영하여, 웨이퍼의 연마층 두께를 보다 정확하게 측정하여 모니터링할 수 있는 화학 기계적 연마 시스템의 웨이퍼 막두께 모니터링 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 연마 패드와 연마 정반을 관통 형성한 위치에 투명창이 구비되고, 웨이퍼의 판면이 자전하는 연마 패드 상에 캐리어 헤드에 의해 접촉하면서 상기 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 화학 기계적 연마 시스템에 사용되는 웨이퍼 막두께 모니터링 장치로서, 상기 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 연마 패드의 반경 방향으로의 표면 높이 편차를 산출하여 마모량을 감지하는 마모량 감지부와; 상기 투명창을 통하여 상기 웨이퍼의 연마면으로부터 상기 연마면의 두께 정보를 갖는 신호를 수신하는 두께감지센서와; 상기 마모량 감지부에 의하여 상기 연마 패드의 마모량에 따른 상기 웨이퍼의 이동 거리만큼 상기 두께감지센서의 위치를 조정하는 센서높이 조정유닛을; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계연마 장치의 웨이퍼 막두께 모니터링 장치를 제공한다.
이는, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드의 마모에 따라 웨이퍼의 연마면과 두께감지센서 사이의 거리가 지속적으로 변동되므로, 마모량 감지부에 의하여 연마 패드의 마모량을 감지하여, 연마 패드의 마모량에 따라 두께감지센서의 위치를 조정함에 따라, 웨이퍼의 연마층과 두께감지센서 사이의 간격이 항상 일정하게 유지되므로, 웨이퍼의 연마면 두께를 보다 정확하게 감지할 수 있도록 하기 위함이다.
이 때, 상기 두께감지센서는 상기 웨이퍼의 연마면으로 광을 조사하고, 상기 웨이퍼의 연마면에서 반사된 반사광을 수신하는 옵틱 형식의 광 센서일 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 상기 웨이퍼의 연마면은 도전층으로 이루어지고, 상기 두께감지센서는 상기 웨이퍼의 연마면에 와전류를 인가하여 상기 웨이퍼의 연마면 두께를 감지하는 와류 센서(또는 와전류 센서)일 수도 있다.
그리고, 상기 두께감지센서로부터 취득하는 신호 데이터를 처리하여 상기 웨이퍼의 판면 두께를 검출하는 제어부를; 더 포함하여 구성된다.
한편, 본 발명은, 연마 패드와 연마 정반을 관통 형성한 위치에 투명창이 구비되고, 웨이퍼의 판면이 자전하는 연마 패드 상에 캐리어 헤드에 의해 접촉하면서 상기 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 화학 기계적 연마 시스템에 사용되는 웨이퍼 막두께 모니터링 장치로서, 상기 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 연마 패드의 마모량을 감지하는 마모량 감지부와; 상기 투명창을 통하여 상기 웨이퍼의 연마면으로부터 상기 연마면의 두께 정보를 갖는 신호를 수신하는 두께감지센서와; 상기 두께감지센서에서 상기 웨이퍼의 연마면으로부터 수신한 신호 데이터를 처리하여 상기 웨이퍼의 판면 두께를 검출하되, 상기 마모량 감지부에 의하여 감지된 상기 연마 패드의 마모량에 따른 상기 웨이퍼의 이동 거리만큼 상기 두께감지센서가 하측으로 이동한 위치에서 상기 웨이퍼의 판면으로부터 수신한 신호 데이터를 수신한 것으로 보정하여 상기 웨이퍼의 판면 두께를 검출하는 제어부를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계연마 장치의 웨이퍼 막두께 모니터링 장치를 제공한다.
이는, 연마 패드의 마모량 변동이 매우 작은 범위에서 이루어지므로, 마모량 감지부에 의해 감지된 마모량에 해당하는 높이만큼 미세하게 두께감지센서를 하측 방향으로 이동시키는 것이 곤란한 경우에, 상기 제어부에서 연마 패드의 마모량에 해당하는 만큼 두께감지센서의 위치를 하측에 실시간으로 위치한 것으로 가정하여, 소프트웨어 연산 방식에서의 수신 데이터를 보정하여 보다 정확한 웨이퍼의 연마층 두께를 모니터링할 수 있도록 하기 위함이다.
예를 들어, 두께감지센서가 옵틱(optic) 형태로 광을 조사하고 반사광을 수신하는 광센서인 경우에는, 광조사부가 이동된 위치에서 광을 조사하고 광센서의 수광부에서 반사광을 수신하는 것으로 산출하는 것에 의하여 소프트웨어 연산 방식에서의 보정을 할 수 있다. 또한, 웨이퍼의 연마층이 전기가 통하는 도전층으로 형성되고, 두께감지센서가 와류 센서인 경우에는, 마모량 감지부에 의하여 연마 패드의 마모 두께를 실시간으로 측정하여, 웨이퍼의 연마면과 두께감지센서의 거리가 가까와짐에 따른 공진 주파수의 변동폭을 보정하여 웨이퍼의 연마층 두께를 감지한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드의 마모에 따라 웨이퍼의 연마면과 두께감지센서 사이의 거리가 지속적으로 변동되므로, 마모량 감지부에 의하여 연마 패드의 마모량을 감지하여, 연마 패드의 마모량에 따라 두께감지센서의 위치를 조정함에 따라, 웨이퍼의 연마층과 두께감지센서 사이의 간격이 항상 일정하게 유지되므로, 웨이퍼의 연마면 두께를 보다 정확하게 감지하여 모니터링할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 본 발명은, 제어부에서 연마 패드의 마모량에 해당하는 만큼 두께감지센서의 광조사부를 직접 이동하는 대신, 실제 두께감지센서의 위치에 비하여 연마 패드의 마모량에 해당하는 두께만큼 하방 이동한 것으로 가정하여, 소프트웨어적으로 두께감지센서가 수신한 데이터를 보정하여 웨이퍼의 연마층 두께를 보다 정확하게 모니터링할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도1은 종래의 화학 기계적 연마 시스템의 구성을 도시한 도면,
도2는 도1의 연마 패드를 위에서 바라본 평면도,
도3은 도1의 'A'부분의 확대도,
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모니터링 장치가 구비된 화학 기계적 연마 시스템의 구성을 도시한 도면,
도5는 도4의 사시도,
도6은 도4의 접촉식 연마량 감지부의 구성을 도시한 도면,
도7a 및 도7b는 광 센서의 상하 이동에 의해 연마 패드의 연마량이 보정되는 구성을 도시한 도면,
도8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모니터링 장치의 구성을 도시한 개략 확대도,
도9a 및 도9b는 소프트웨어적으로 연마 패드의 연마량이 보정되는 구성을 도시한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 공정 중에 인 시츄 방식으로 웨이퍼의 막두께를 모니터링하는 장치(100)에 관하여 상술한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼의 막두께 모니터링 장치(100)가 장착된 화학 기계적 연마 시스템은, 표면에 연마 패드(11)가 입혀진 상태로 자전(10d)하며 연마 패드(11)에 이르기까지 관통 형성된 관통부(10a)가 형성된 연마 정반(10)과, 연마 정반(10)의 표면에 입혀진 연마 패드(11)에 웨이퍼(W)를 가압하면서 회전(20d)시키는 캐리어 헤드(20)와, 연마 패드(11)의 표면을 개질시키는 컨디셔너(30)와, 연마 패드(11)의 표면에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급관(40)과, 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 웨이퍼(W)의 막의 두께를 실시간으로 측정하는 웨이퍼의 막두께 모니터링장치(100)로 구성된다.
상기 연마 정반(10)은 구동 모터의 회전에 의해 회전(10d) 구동되며, 그 위에 입혀진 연마 패드(11)와 함께 자전한다.
상기 연마 패드(11)는 공지되어 있는 폴리우레탄 등의 다양한 재질로 형성될 수 있다. 도4에 도시된 바와 같이, 연마 정반(10)과 연마 패드(11)의 관통부에는 투명창이 광투과부(10a')로서 형성된다. 광투과부(10a')는 강화 유리 등의 투명 재질로 형성된다.
상기 캐리어 헤드(20)는 저면에 웨이퍼(W)를 위치시킨 상태로 회전하면서, 자전하는 연마 패드(11)에 웨이퍼(W)가 접촉하면서 연마 공정이 행해지도록 한다.
상기 웨이퍼의 막두께 모니터링 장치(100, 200)는 웨이퍼의 연마층 두께를 모니터링하기 위하여 연마층으로부터 신호 데이터를 수신하는 두께감지센서를 포함하여 구성된다. 두께감지센서는, 웨이퍼(W)의 연마층에 광을 조사한 후에 연마면에서 반사된 반사광을 수신하여 수광 데이터로부터 연마층의 두께를 산출하는 옵틱 형식의 광 센서(110)로 형성될 수도 있고, 웨이퍼(W)의 연마층에 와전류가 발생되도록 하여 이로부터 수신되는 신호를 통해 웨이퍼(W)의 연마층 두께를 감지하는 와류 센서(eddy current sensor, 210)로 형성될 수도 있다.
먼저, 도4 및 도7a에 도시된 바와 같이, 두께감지센서가 광 센서(110)로 형성된 실시 형태를 설명한다. 웨이퍼의 막두께 모니터링 장치(100)는, 연마 패드(11)에 형성된 투명창(10a)을 통하여 웨이퍼(W)의 판면으로부터 반사되는 수광 신호를 수신하여 웨이퍼(W)의 연마 두께를 감지하는 광센서(110)와; 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드(11)의 마모량을 감지하는 마모량 감지부(130)와, 마모량 감지부(130)에 의하여 연마 패드(11)의 마모량에 따라 광센서(110)의 높이를 조정하는 센서높이 조정유닛(120)을 포함하여 구성된다.
상기 광 센서(110)는 화학 기계적 연마 공정이 행해지고 있는 캐리어 헤드(20)의 하측에 설치되어, 투명창(10a)이 광센서(110)의 상측을 통과할 때에, 투명창(10a)을 통해 웨이퍼(W)의 연마면에서 반사되는 반사광(L')을 수광면에서 수신하여, 제어부(140)로 수광 데이터를 전송한다.
이를 위하여, 광 센서(110)는, 광(L)을 조사하는 광조사부(111)와, 조사된 광(L)이 웨이퍼(W)의 연마면에서 반사된 반사광(L')을 수신하는 수광부(112)를 구비한다.
상기 마모량 감지부(130, 230)는 연마 패드(11)의 반경 방향으로의 표면 높이를 측정한다. 이 때, 마모량 감지부(130)에 의하여 얻어지는 표면 높이는 연마 패드(11)의 바닥면으로부터 표면까지의 절대적인 높이를 포함하지만, 연마 패드(11)의 표면 높이의 변화량을 포함한다.
도5에 도시된 바와 같이 마모량 감지부(130)는 연마 패드(11)의 중심부로부터 반경 바깥쪽을 향하는 경로(139)로 광을 조사하고, 연마 패드(11)로부터 수신되는 광으로부터, 반경 방향을 따르는 연마 패드(11)의 표면 높이를 비접촉 방식으로 구할 수 있다. 이 때, 마모량 감지부(130)는 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 동안 지속적이고 실시간으로 연마 패드의 표면 높이를 측정하여, 이를 제어부(140)로 전송한다.
한편, 도6에 도시된 바와 같이, 마모랑 감지부(230)는 컨디셔너(30) 또는 캐리어 헤드(20)에 탄성 지지되는 핀 형태로 구성되어, 다이얼 게이지와 유사하게 연마 패드(11)의 표면 높이값을 접촉식으로 구할 수도 있다. 마찬가지로, 마모량 감지부(130)는 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 동안 실시간으로 연마 패드의 표면 높이를 측정하여, 측정된 표면 높이값을 제어부(140)로 전송한다.
이를 위하여, 마모랑 감지부(230)는 컨디셔닝 디스크(31)와 간섭되지 않는 위치의 컨디셔너(30)의 디스크 홀더(32)에 설치된다. 마모랑 감지부(130)는, 스프링(232)에 의해 탄성 지지되어 연마 패드(11)의 표면에 접촉된 상태를 유지하는 접촉핀(231)을 구비하여, 컨디셔너의 아암의 끝단부에 위치한 디스크 홀더(32)가 선회 회전 운동(30d)에 따라 이동하면서, 접촉핀(231)이 연마 패드(11)의 표면 높이의 변동에 따라 상하 이동하게 된다. 이 때, 접촉핀(231)으로부터 일체로 연장된 연장부(231a)도 상하 이동하므로, 접촉핀(231)의 높이 변동(230d)을 감지하는 센서(236)에 의해, 컨디셔닝 디스크(111)의 이동 경로에 따른 패드 표면의 높이를 얻을 수 있다.
비접촉식 또는 접촉식 마모량 감지부(130, 230)를 통해 측정된 연마 패드(11)의 높이값은 제어부(140)로 전송되어, 광 센서(110)의 위치를 보정하는 데이터로 사용된다. 한편, 연마 패드(11)의 마모량은 반경 방향의 경로(139)를 따라 서로 다른 양만큼으로 마모되는 경향이 있으므로, 마모량 감지부(130, 230)는 반경 방향으로의 연마 패드(11)의 높이 편차를 함께 측정할 수 있다.
도면에 도시된 실시예에서는, 마모량 감지부(130, 230)가 비접촉식과 접촉식이 모두 설치된 구성을 예로 들었지만, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 패드 높이 측정부는 접촉식과 비접촉식 중 어느 하나만을 구비할 수도 있다.
상기 센서높이 조정유닛(120)은 마모량 감지부(130, 230)로부터 측정된 연마 패드(11)의 표면 높이의 변동값에 기초하여 광 센서(110)의 높이를 상하 방향(110d)으로 미세 조절한다. 다시 말하면, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드(11)는 지속적으로 마모되면서 두께가 점점 감소하고, 연마 패드(11)의 마모량에 해당하는 만큼 웨이퍼(W)와 광 센서(110) 사이의 거리가 점점 가까워지므로, 연마 패드(11)의 마모에 따라 웨이퍼(W)가 하방으로 이동하는 높이만큼, 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 동안에 광 센서(110)의 위치를 하방으로 미세 이동시킨다.
이를 위하여, 도면에 도시되지 않았지만, 광 센서(110)는 상하로 이동하는 것을 안내하는 가이드 레일이 설치되고, 가이드 레일에 영구 자석이 교대로 배열되고, 광 센서(110)를 고정하는 고정 카트에 코일이 설치되어, 코일에 인가하는 전류를 제어하는 것에 의하여 리니어 모터의 원리로 광 센서(110)를 상하 방향으로 미세 조절할 수 있다. 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면 광 센서(110)를 상하 방향(110d)으로 미세 조절할 수 있는 공지된 다른 구동 수단을 이용하여 광 센서(110)의 높이를 조절할 수 있다.
한편, 연마 패드(11)의 반경 방향으로의 높이 편차가 큰 경우에는, 연마 패드(11)의 마모량과 동일한 만큼 웨이퍼(W)가 하방으로 위치 이동하지 않는 경우가 발생될 수 있다. 예를 들어, 웨이퍼(W)의 중앙부에만 연마 패드(11)의 마모량이 큰 경우에는, 웨이퍼(W)의 중앙부에 해당하는 연마 패드(11)의 반경 방향으로의 위치에서의 마모량은 크지만, 웨이퍼(W)는 하방으로 위치이동하지 않게 된다. 따라서, 제어부(140)는 연마 패드(11)의 반경 방향으로의 표면 높이를 측정하되, 다음식에 기초하여 웨이퍼(W)의 양단부의 위치에 대응하는 연마 패드의 표면 높이에 가중치를 높이고 웨이퍼(W)의 중앙부 위치에 대응하는 연마 패드의 표면 높이에는 가중치를 낮추어, 가중치를 반영하여 연마 패드의 연마량에 따른 웨이퍼(W)의 상하 방향으로의 이동 거리를 산출하고, 이 산출량에 기초하여 광 센서(110)를 하측으로 이동시킨다.
웨이퍼의 이동거리 = (제1지점의 측정표면높이 * 가중치 1 + 제2지점의 측정표면높이 * 가중치2 + 제3지점의 측정표면높이 * 가중치 3+...) / (측정 개소)
위 수식에서, 측정지점이 웨이퍼의 중심으로부터 이격될 수록 가중치의 값이 더 커지고, 측정지점이 웨이퍼의 중심에 가까울수록 가중치의 값이 더 작아진다. 예를 들어, 제1지점이 웨이퍼의 중심이면 가중치 1은 0.3의 값을 갖고, 제2지점이 웨이퍼의 중심으로부터 반경 80% 이상만큼 이격되면 가중치 2는 1.3의 값을 갖는다. 이를 통해, 연마 패드(11)의 연마량이 반경 방향으로 차이가 있더라도, 연마량 편차에 따른 웨이퍼의 휨이나 편측 기울어짐을 반영하여, 웨이퍼의 연마면과 광 센서의 수광면 사이의 간격을 보다 정확하게 제어함으로써, 웨이퍼의 연마 두께를 보다 정확하게 얻을 수 있다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이퍼 막두께 모니터링 장치(100)의 작동 원리를 상술한다. 도7a에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(W)의 화학 기계적 연마 공정의 초기에는 연마 패드(11)의 두께가 to이고, 화학 기계적 연마 공정이 진행되는 동안에 마모량 감지부(130, 230)는 연마 패드(11)의 반경 방향에 따른 경로(139)에 대한 표면 높이를 측정하여, 측정 데이터를 제어부(140)로 전송한다.
제어부(140)는, 연마 패드(11)의 반경 방향에 따른 연마 패드(11)의 두께 편차가 작은 경우에는, 연마 패드(11)의 표면 높이를 측정한 다수의 지점에서 얻어진 표면 높이값의 평균값만큼 웨이퍼(W)가 연마 패드(11)의 마모에 의해 하측으로 이동한 것으로 보고, 상기 센서높이 조정유닛(120)으로 하여금 평균값만큼 광 센서(110)를 하측으로 미세 이동시켜가면서 수광 데이터를 수신하도록 한다. 즉, 도7b에 도시된 바와 같이, 연마 패드(11)의 표면 높이가 t1으로 줄어들면, 센서높이 조정유닛(120)은 광센서(110)를 (t0-t1)에 해당하는 거리만큼 하측으로 이동된 위치에서, 웨이퍼의 연마면에서 반사된 반사광(L')을 수신하여, 이를 수광 데이터로 하여 제어부(140)에 의해 웨이퍼 연마 두께를 산출하는 데 사용한다. 따라서, 연마 패드(11)의 두께가 t1으로 감소된 상태에서도 웨이퍼(W)의 연마면과 광 센서(110) 사이의 간격(d')은 초기의 간격(d)과 동일하게 유지된다.
한편, 도8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 웨이퍼의 막두께 모니터링 장치(200)는, 웨이퍼(W)의 연마층이 알루미늄이나 구리 등과 같이 전기가 통하는 도전층으로 형성된 경우에는, 웨이퍼(W)의 연마층에 와전류를 발생시키는 와류 센서가 투명창(10a)의 하측에 코일이 형성된 와류 센서(210)로 웨이퍼(W)의 연마층을 감지하는데 사용될 수 있다.
이 경우에는, 와류 센서(210)의 센서 코일에 고주파 전류를 인가하여 웨이퍼(W)의 연마층에 자기장(M)을 작용시키면서 와류를 발생시켜, 와류 센서(210)와 웨이퍼(W)가 상호 인덕턴스에 의하여 자기적으로 커플링된 상태에서, 와류 센서(210)의 센서 회로와 반도체 웨이퍼(W) 도전층의 합성 임피던스가 와류 센서(210) 내의 발진 회로의 공진 주파수의 기능을 하므로, 이 공진 주파수를 모니터링하는 것에 의하여 웨이퍼(W)의 연마층 두께를 산출하거나 연마 공정의 종료점을 검출할 수 있다.
이 때, 와류 센서(210)는 센서높이 조절유닛(120)에 의하여 상하로 이동 가능하게 설치되어, 마모량 감지부(130, 230)에서 감지된 연마 패드(11)의 마모 두께(여기서, 마모 두께는 위 수식에 따라 교정된 수치인 것도 포함한다)만큼, 화학 기계적 연마 공정 중에 실시간으로 하측으로 이동하여, 와류 센서(210)와 웨이퍼(W)의 연마면까지의 거리(d)를 일정하게 유지시킨다. 이를 통해, 와류 센서(210)에서 모니터링하는 공진 주파수가 왜곡될 가능성을 사전에 차단함으로써, 보다 정확하게 연마 종료 시점을 감지할 수 있게 된다.
또 한편, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 연마 패드(11)의 마모량 변동이 매우 작은 범위에서 이루어져 마모량 감지부(130, 230)에 의해 감지된 양만큼 미세하게 광 센서(110)를 상하 방향(110d)으로 이동시키는 것이 곤란한 경우에, 도9a 및 도9b에 도시된 바와 같이, 연마 패드(11)의 두께가 to에서 t1으로 얇아진 경우에도, 광센서(110)의 위치는 변동하지 않고 위치가 유지된다.
그리고, 제어부(140)는 마모량 감지부(130, 230)에서 감지된 연마 패드(11)의 마모량에 해당하는 만큼, 광센서(110)의 광조사부가 보다 하측에서 이동된 위치(도9b의 점선)에서 광을 조사하고, 광센서(110)의 수광부가 보다 하측에서 반사광(L')을 수신하는 것으로 소프트웨어적으로 보정하여 산출함으로써, 웨이퍼(W)의 연마면과 광 센서(110) 사이의 간격(d)이 항상 일정하게 유지되면서 웨이퍼(W)의 연마면 두께를 정확하게 산출할 수 있도록 한다.
이 때, 제어부(140)의 위치 보정은 조사하는 광의 파장과 반사광의 파장을 이미 실험적으로 알고 있고, 마모량 감지부(130, 230)의 측정값으로부터 웨이퍼(W)의 이동 거리를 파악하고 있으므로, 수광부(112) 및 광조사부(111)의 수광면과 조사면의 위치와 파장 등의 광특성을 고려하여 행하는 것이 가능하다.
이를 통해, 연마 패드의 마모량에 따른 웨이퍼(W)의 위치를 고려하여 웨이퍼 연마층 두께를 산출하므로, 종래에 연마 패드(11)의 마모량에 따른 오차가 없는 정확한 연마층 두께를 산출하는 것이 가능해진다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 화학 기계적 연마 시스템의 웨이퍼 막두께 모니터링 장치(100)는, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드(11)의 마모에 따라 웨이퍼의 연마면과 광센서 사이의 거리가 지속적으로 변동되는 것을 광센서(110)를 직접 이동시키거나 소프트웨어적으로 조사면과 수광면의 위치를 보정함에 따라, 연마 패드(11)의 마모에 따라 변동되는 웨이퍼(W)의 위치에 영향을 받지 않고, 웨이퍼 연마면 두께를 보다 정확하게 감지하여 모니터링할 수 있는 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. 예를 들어, 도면에 도시된 실시예에서는 광조사부(111)와 수광부(112)가 일체로 형성된 광센서(110)를 예로 들었지만, 광조사부(111)와 수광부(112)가 분리된 형태의 광센서가 적용될 수도 있다.
또한, 특허청구범위 및 명세서에 기재된 본 발명은, 광조사부(111)와 수광부(112) 중 어느 하나의 위치를 보정하는 것도 광센서의 위치를 보정하는 것으로 정의하기로 한다. 따라서, 수광부(112)의 위치만 보정하여 보다 높은 정밀도로 웨이퍼의 연마면 두께를 산출하는 구성도 본 발명의 범주에 속하는 것이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
10: 연마 정반 11: 연마 패드
20: 캐리어 헤드 30: 컨디셔너
40: 슬러리 공급관 100: 웨이퍼 막두께 모니터링장치
110: 광 센서 111: 광조사부
112: 수광부 120: 센서높이 조정유닛
130, 230: 마모량 감지부 140: 제어부
210: 와류 센서 W: 웨이퍼

Claims (11)

  1. 연마 패드와 연마 정반을 관통 형성한 위치에 투명창이 구비되고, 웨이퍼의 판면이 자전하는 연마 패드 상에 캐리어 헤드에 의해 접촉하면서 상기 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 화학 기계적 연마 시스템에 사용되는 웨이퍼 막두께 모니터링 장치로서,
    상기 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 연마 패드의 반경 방향으로의 표면 높이 편차를 산출하여 마모량을 감지하는 마모량 감지부와;
    상기 투명창을 통하여 상기 웨이퍼의 연마면으로부터 상기 연마면의 두께 정보를 갖는 신호를 수신하는 두께감지센서와;
    상기 웨이퍼의 중심에 근접할 수록 상기 마모량 감지부에 의하여 측정된 상기 높이 편차에 작은 가중치를 곱하고, 상기 웨이퍼의 중심으로부터 멀리 떨어질수록 상기 마모량 감지부에 의하여 측정된 상기 높이 편차에 높은 가중치를 곱하여 상기 웨이퍼의 하방으로의 이동 거리를 산출한 후, 산출된 상기 웨이퍼의 상기 이동 거리만큼 상기 두께감지센서의 위치를 하방으로 조정하는 센서높이 조정유닛을;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계연마 장치의 웨이퍼 막두께 모니터링 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 센서높이 조정유닛은 상기 두께감지센서와 상기 웨이퍼의 연마면까지의 거리를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 웨이퍼 막두께 모니터링 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 두께감지센서로부터 취득하는 수광 신호 데이터를 처리하여 상기 웨이퍼의 판면 두께를 검출하는 제어부를;
    더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 웨이퍼 막두께 모니터링 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 마모량 감지부는 접촉식 또는 비접촉식으로 상기 연마 패드의 마모량을 감지하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 웨이퍼 막두께 모니터링 장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두께감지센서는 상기 웨이퍼의 연마면으로 광을 조사하고, 상기 웨이퍼의 연마면에서 반사된 반사광을 수신하는 광 센서인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 웨이퍼 막두께 모니터링 장치.
  6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨이퍼의 연마면은 도전층으로 이루어지고, 상기 두께감지센서는 상기 웨이퍼의 연마면에 와전류를 인가하여 상기 웨이퍼의 연마면 두께를 감지하는 와류 센서인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 웨이퍼 막두께 모니터링 장치.
  7. 연마 패드와 연마 정반을 관통 형성한 위치에 투명창이 구비되고, 웨이퍼의 판면이 자전하는 연마 패드 상에 캐리어 헤드에 의해 접촉하면서 상기 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 화학 기계적 연마 시스템에 사용되는 웨이퍼 막두께 모니터링 장치로서,
    상기 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 연마 패드의 반경 방향으로의 표면 높이 편차를 산출하여 마모량을 감지하는 마모량 감지부와;
    상기 투명창을 통하여 상기 웨이퍼의 연마면으로부터 상기 연마면의 두께 정보를 갖는 신호를 수신하는 두께감지센서와;
    상기 웨이퍼의 중심에 근접할 수록 상기 마모량 감지부에 의하여 측정된 상기 높이 편차에 작은 가중치를 곱하고, 상기 웨이퍼의 중심으로부터 멀리 떨어질수록 상기 마모량 감지부에 의하여 측정된 상기 높이 편차에 높은 가중치를 곱하여 상기 웨이퍼의 하방으로의 이동 거리를 산출한 후, 상기 두께감지센서에서 상기 웨이퍼의 연마면으로부터 수신한 신호 데이터를 처리하여 상기 웨이퍼의 판면 두께를 검출하되, 상기 웨이퍼의 하방으로의 상기 이동 거리만큼 상기 두께감지센서가 하측으로 이동한 위치에서 상기 웨이퍼의 판면으로부터 수신한 신호 데이터를 수신한 것으로 보정하여 상기 웨이퍼의 판면 두께를 검출하는 제어부를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계연마 장치의 웨이퍼 막두께 모니터링 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 두께감지센서는 상기 웨이퍼의 연마면으로 광을 조사하고, 상기 웨이퍼의 연마면에서 반사된 반사광을 수신하는 광 센서인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 웨이퍼 막두께 모니터링 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 웨이퍼의 연마면은 도전층으로 이루어지고, 상기 두께감지센서는 상기 웨이퍼의 연마면에 와전류를 인가하여 상기 웨이퍼의 연마면 두께를 감지하는 와류 센서인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 웨이퍼 막두께 모니터링 장치.

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