KR101637540B1 - 화학 기계적 연마 장치 - Google Patents

화학 기계적 연마 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치 및 이에 사용되는 캐리어 헤드에 관한 것으로, 웨이퍼의 판면이 자전하는 연마 패드 상에 접촉하면서 상기 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 데 사용되는 캐리어 헤드로서, 상기 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 웨이퍼의 판면에 접촉하여 가압하는 멤브레인 바닥판을 포함하는 멤브레인과; 서로 다른 높이를 갖는 제1단턱면과 제2단턱면이 형성되고 도전성 소재로 형성된 링 형태의 제1부재와, 상기 제1부재의 하측에 비도전성 부재로 적층 형성되어 상기 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 연마 패드에 접촉하는 제2부재를 포함하고, 상기 멤브레인의 둘레에 링 형태로 배치된 리테이너 링을; 포함하여 구성되어, 제1단턱면과 제2단턱면에서의 2개의 출력 신호로부터 미리 알고 있는 제1단턱면과 제2단턱면의 높이차이를 이용하여 연마 패드의 두께 변동량을 측정한 후, 웨이퍼의 도전층에서의 와전류 출력 신호로부터 산출된 웨이퍼의 도전층 두께에 연마 패드의 두께 변동량을 반영함으로써, 연마 패드의 마모량을 고려한 웨이퍼의 도전층 두께를 정확하게 측정할 수 있는 화학 기계적 연마 장치를 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 장치 {CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS}
본 발명은 화학 기계적 연마 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드의 마모량에 따라 연마 패드의 두께를 고려하여 웨이퍼의 막두께를 정확하게 검출할 수 있는 화학 기계적 연마 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, 도1에 도시된 바와 같이 화학 기계적 연마 장치(1)는 연마 정반(12)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, 연마 패드(11)의 표면이 일정한 상태로 유지되도록 회전(30r)하면서 개질시키는 컨디셔너(30)가 구비되고, 연마 패드(11)의 표면에 화학적 연마를 수행하는 슬러리가 슬러리 공급관(40)을 통해 공급된다.
이 때, 캐리어 헤드(20)는 도3에 도시된 바와 같이, 회전 구동되는 베이스(22')를 포함하는 본체부(22)와, 베이스(22')와의 사이에 압력 챔버(C)를 위치시킨 상태로 베이스(22')에 고정되는 멤브레인(21)과, 멤브레인(21)의 바닥판 둘레를 감싸는 리테이너 링(23)으로 구성되어, 멤브레인 바닥판의 저면에 웨이퍼(W)를 위치시킨 상태로 압력 챔버(C)의 압력을 조절하면서 웨이퍼(W)를 연마 패드(11)를 향하여 가압하면서 회전시킨다. 여기서, 리테이너 링(23)은 웨이퍼(W)가 캐리어 헤드(20)의 바깥으로 이탈하는 것을 방지하기 위하여, 저면이 연마 패드(11)에 가압된 상태로 접촉한 상태로 유지된다.
한편, 화학 기계적 연마 공정에 의해 연마되는 웨이퍼(W)의 막 두께는 정확하게 조절되어야 한다. 이를 위하여, 대한민국 공개특허공보 제2001-93678호 등에 개시된 종래의 기술에 따르면, 연마 정반(10)과 연마 패드(11)에 투명창을 형성하는 관통부(10a)를 웨이퍼(W)가 위치하는 영역(20a)의 하측에 구비하고, 웨이퍼(W)의 연마층이 금속막인 경우에, 구리 등의 도전층에 인접하게 센서 코일이 구비된 와전류 센서(60)에 교류 전류를 인가하여 와전류 센서(60)로부터 와전류 신호(Si)를 웨이퍼 도전층에 인가하고, 도전층에서의 리액턴스 성분과 저항성분을 포함하는 출력 신호(So)를 와전류 센서(60)에서 검출하여, 합성 임피던스의 변화량으로부터 도전층의 층두께 변화를 검출하는 구성이 종래에 사용되고 있다.
그러나, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼(W)의 도전층이 연마되고 있을 뿐만 아니라, 동시에 연마 패드(11)의 표면도 마모되고 있으므로, 연마 패드(11)의 표면 마모량만큼 도전층의 막두께의 검출에 오차를 안고 있는 문제가 있었다. 따라서, 연마 패드의 두께 변동을 반영하여 정확하게 웨이퍼(W)의 도전층의 두께를 검출할 수 있는 방안의 필요성이 절실히 요구되고 있다.
특히, 연마 패드(11)의 마모량은 화학 기계적 연마 공정이 진행됨에 따라 선형적으로 변동하지 않고 비선형적으로 불규칙하게 변동하므로, 연마 패드(11)의 마모량에 따라 웨이퍼(W)의 도전층 두께의 검출에 오차를 야기할 수 밖에 없었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드의 마모량을 반영하여 웨이퍼의 도전층 막두께를 정확하게 검출하는 것을 목적으로 한다.
이를 통하여, 본 발명은 웨이퍼의 연마 종료 시점을 정확하게 검출하여, 웨이퍼의 연마두께를 정확하게 제어하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 화학 기계적 연마 장치용 캐리어 헤드의 리테이너 링의 조립을 보다 용이하게 할 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 웨이퍼의 판면이 자전하는 연마 패드 상에 접촉하면서 상기 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 데 사용되는 캐리어 헤드로서, 상기 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 웨이퍼의 판면에 접촉하여 가압하는 멤브레인 바닥판을 포함하는 멤브레인과; 서로 다른 높이를 갖는 제1단턱면과 제2단턱면이 형성되고 도전성 소재로 형성된 링 형태의 제1부재와, 상기 제1부재의 하측에 비도전성 부재로 적층 형성되어 상기 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 연마 패드에 접촉하는 제2부재를 포함하고, 상기 멤브레인의 둘레에 링 형태로 배치된 리테이너 링을; 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드를 제공한다.
이와 같이, 도전성 부재로 제1단턱면과 제2단턱면을 갖도록 형성된 제1부재와, 비도전성 부재로 제1부재의 하측에 형성된 제2부재로 리테이너 링이 형성됨에 따라, 연마 패드에 가압되면서 마모되는 것은 비도전성 소재인 제2부재에 의해 이루어지고, 서로 다른 높이로 제1단턱면과 제2단턱면이 도전성 부재로 형성됨에 따라 제1단턱면과 제2단턱면에서의 2개의 출력 신호로부터 미리 알고 있는 제1단턱면과 제2단턱면의 높이차이를 이용하여 연마 패드의 두께 변동량을 측정할 수 있게 된다.
따라서, 웨이퍼의 도전층에서의 와전류 출력 신호로부터 산출된 웨이퍼의 도전층 두께에 연마 패드의 두께 변동량을 반영함으로써, 연마 패드의 마모량을 고려한 웨이퍼의 도전층 두께를 정확하게 측정할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이 때, 상기 제1단턱면과 상기 제2단턱면은 각각 수평한 평탄면으로 형성됨으로써, 회전하는 리테이너 링의 각 단턱면에서의 와전류 출력신호를 균일하게 얻을 수 있다.
또한, 상기 제1단턱면과 상기 제2단턱면의 높이 편차는 원주 방향 전체에 걸쳐 일정하게 유지되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제1단턱면과 상기 제2단턱면은 각각 링 형태로 형성되어 중심으로부터 반경 방향으로 서로 다른 길이에 분포됨으로써, 회전하는 리테이너 링의 각 단턱면에서 와전류 출력신호를 균일하게 얻을 수 있다.
한편, 상기 제1부재는 금속 소재로 형성되고, 상기 제2부재는 수지, 플라스틱 중 어느 하나 이상의 소재로 형성될 수 있다. 이를 통해, 인가되는 전류가 제2부재를 관통하여 도전성 금속 소재의 제1부재에서 와전류가 생성됨으로써, 제1단턱면과 제2단턱면에서 와전류 출력신호를 얻을 수 있다.
한편, 본 발명은, 웨이퍼의 판면이 자전하는 연마 패드 상에 접촉하면서 상기 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 화학 기계적 연마 장치로서, 상기 연마 패드가 상측에 입혀지고, 상기 연마 패드를 관통 형성하는 위치에 투명창이 구비된 연마 정반과; 전술한 구성의 캐리어 헤드와; 상기 투명창의 하측에서 와전류를 인가하고, 인가된 와전류의 출력 신호를 수신하되, 상기 웨이퍼와 상기 제1단턱면과 상기 제2단턱면에서의 출력 신호를 수신하는 감지 센서를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치를 제공한다.
여기서, 상기 감지 센서는 3개 이상 배치되어, 상기 웨이퍼와 상기 제1단턱면과 상기 제2단턱면에서의 출력 신호를 각각 수신한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼를 저면에 위치시킨 상태에서 가압하는 캐리어 헤드의 리테이너 링을 구성함에 있어서, 도전성 부재로 제1단턱면과 제2단턱면을 갖도록 형성된 제1부재와, 비도전성 부재로 제1부재의 하측에 적층 형성된 제2부재로 리테이너 링이 형성됨에 따라, 연마 패드에 가압되면서 마모되는 것은 비도전성 소재인 제2부재에 의해 이루어져 원활하게 가압된 상태를 유지할 수 있으면서, 서로 다른 높이로 제1단턱면과 제2단턱면이 도전성 부재로 형성됨에 따라 제1단턱면과 제2단턱면에서의 2개의 출력 신호로부터 미리 알고 있는 제1단턱면과 제2단턱면의 높이차이를 이용하여 연마 패드의 두께 변동량을 실시간으로 측정할 수 있게 된다.
이를 통해, 본 발명은, 웨이퍼의 도전층에서의 와전류 출력 신호로부터 산출된 웨이퍼의 도전층 두께에 리테이너 링의 단턱면에서의 와전류 출력 신호로부터 얻어진 연마 패드의 두께 변동량을 반영함으로써, 연마 패드의 마모량을 고려한 웨이퍼의 도전층 두께를 정확하게 측정할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도1은 종래의 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 정면도,
도2는 도1의 평면도,
도3은 도1에 사용되는 캐리어 헤드의 반단면도,
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 캐리어 헤드의 반단면도,
도5는 도4의 'A'부분의 확대도로서 웨이퍼 도전층의 두께검출구성을 도시한 도면,
도6은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 캐리어 헤드의 일부 구성을 도시한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치(100) 및 이에 사용되는 캐리어 헤드(120)를 상술한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치(100)는, 웨이퍼(W)의 연마면이 연마되도록 접촉하는 연마 패드(11)가 입혀진 연마 정반(10)과, 웨이퍼(W)를 저면에 위치한 상태로 가압하면서 웨이퍼(W)를 자전시키는 캐리어 헤드(120)와, 웨이퍼(W)의 도전층의 두께를 감지하도록 와전류를 인가하고 도전층으로부터의 출력 신호를 수신하는 와전류 센서(130)와, 와전류 센서(130)에 교류 전류를 인가하고 와전류 센서(130)에 수신된 출력 신호로부터 웨이퍼(W)의 도전층 두께를 감지하는 제어부(140)로 구성된다.
상기 연마 정반(10)은 상면에 연마 패드(11)가 입혀진 상태로 회전 구동된다. 연마 정반(10)에는 도1 및 도2에 도시된 바와 같이 와전류 신호가 인가되는 관통공(10a)이 구비될 수도 있지만, 와전류 센서(130)로부터의 신호가 도전체를 통과하지 않도록 배치된다면 관통공(10a)이 형성되지 않을 수도 있다. 즉, 와전류 센서(130)가 연마 패드(11)의 하측에만 위치하면, 와전류 센서(130)는 연마 정반(10)에 매립되는 형태로 설치되게 구성될 수도 있다.
상기 캐리어 헤드(120)는 도4에 도시된 바와 같이, 외부로부터 회전 구동되는 베이스(122')를 포함하는 본체부(122)와, 베이스(122')와의 사이에 압력 챔버(C)를 위치시킨 상태로 베이스(122')에 고정되는 멤브레인(121)과, 멤브레인(121)의 바닥판 둘레를 감싸는 리테이너 링(123)으로 구성된다.
여기서, 멤브레인(121)과 베이스(122')의 사이에 형성되는 압력 챔버(C)는 멤브레인 바닥판으로부터 링 형태로 돌출된 플랩에 의하여 다수로 분할된 압력 챔버를 형성한다. 그리고, 압력 챔버(C)마다 독립적으로 공압이 공급되어 압력 챔버(C)의 압력이 조절되며, 압력 챔버(C)에 공압이 공급되면서 멤브레인 바닥판을 하방으로 밀어, 멤브레인 바닥판의 하측에 위치한 웨이퍼(W)를 연마 패드(11)를 향하여 가압한다.
이와 동시에, 본체부(122)가 회전함에 따라 멤브레인(121)도 함께 회전하며, 따라서 멤브레인(121)의 바닥판 저면에 위치한 웨이퍼(W)도 함께 회전하면서 화학 기계적 연마 공정이 이루어진다.
그리고, 리테이너 링(123)은 화학 기계적 연마 공정 중인 웨이퍼(W)의 둘레를 감싸는 링 형태로 형성되며, 화학 기계적 연마 공정 중에 저면(123s)이 연마 패드(11)에 가압된 상태를 유지한다. 이에 따라, 리테이너 링(123)은 연마 패드(11)와 접하는 저면(123s)을 포함하는 제2부재(1232)는 마모가 이루어질 수 있는 소모성 소재로 형성된다.
즉, 리테이너 링(123)은 연마 패드(11)와 접촉하는 제2부재(1232)와, 제2부재(1232)의 상측에 적층된 제1부재(1231)로 이루어진다. 제1부재(1231)와 제2부재(1232)가 맞닿는 경계면에는 서로 다른 높이를 갖는 제1단턱면(123s1)과 제2단턱면(123s2)이 형성된다. 이 때, 제1부재(1231)는 예를 들어 금속 등의 도전성 소재로 형성되어 와전류가 발생될 수 있게 된다. 그리고, 제2부재는 예를 들어, 플라스틱이나 수지 등의 비도전성 소재로 형성되어 와전류 센서(131, 132)로부터 인가되는 입력 신호가 통과하여 제1부재(1231)에서 와전류가 생성되게 한다.
이 때, 제1단턱면(123s1)과 제2단턱면(123s2)은 수평한 평탄면으로 이루어지고, 멤브레인(121)의 중심으로부터 서로 다른 반경 방향의 길이에서 링 형태로 분포되게 형성된다. 이에 따라, 제1단턱면(123s1)에 와전류를 생성시키는 제1와전류 센서(131)와, 제2단턱면(123s2)에 와전류를 생성시키는 제2와전류 센서(132)는 리테이너 링(123)이 화학 기계적 연마 공정 중에 지속적으로 회전하더라도, 일정한 와전류를 각 단턱면(123s1, 123s2)에 생성시킬 수 있게 되어, 리테이너 링(123)의 각 단턱면(123s1, 123s2)에서 와전류 출력신호(So1, So2)를 균일하게 얻을 수 있다.
또한, 리테이너 링(123)의 제1단턱면(123s1)과 제2단턱면(123s2)의 높이 편차(y)는 원주 방향 전체에 걸쳐 일정하게 형성되어, 원주 방향으로의 어느 위치에서도 와전류 출력신호(So1, So2)를 일정하게 얻을 수 있는 잇점이 있다. 그리고, 도면에 도시된 바와 같이 제1단턱면(123s1)과 제2단턱면(123s2)은 각각 링 형태로 형성되어, 멤브레인 바닥판의 중심으로부터 반경 방향으로 서로 다른 길이에 분포된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 헤드(120)는, 리테이너 링(123)이 도전성 소재인 제1부재(1231)와 비도전성 소재인 제2부재(1232)가 서로 다른 높이의 단턱면(123s1, 123s2)을 갖게 형성되어, 와전류 센서(131, 132)로부터 인가되는 입력 신호(Si1, Si2)에 의하여 제2부재(1232)의 각 단턱면(123s1, 123s2)에서 와전류가 유도되어, 단턱면(123s1, 123s2)에서의 와전류에 의한 출력 신호(So1, So2; 예를 들어, 공진 주파수이거나 합성 임피던스)를 와전류 센서(131, 132)에서 수신할 수 있게 된다.
이 때, 각 단턱면(123s1, 123s2) 사이의 높이 편차(y)는 이미 알고 있으므로, 서로 다른 단턱면(123s1, 123s2)에서의 출력 신호(So1, So2)를 실시간으로 수신하여 얻어진 서로 다른 2개의 출력 신호(So1, So2)로부터, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드(11)의 마모에 따른 두께 감소량을 실시간으로 검출할 수 있는 잇점이 얻어진다.
이 뿐만 아니라, 상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 헤드(120)는, 리테이너 링(123)이 제1부재(1231)와 제2부재(1232)가 서로 단턱을 두고 적층 형성됨에 따라, 이들의 조립이 보다 용이해지는 유리한 효과도 얻을 수 있다. 한편, 도6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 제1부재(1231')와 제2부재(1232') 중 어느 하나는 다른 하나의 링형 홈에 요입되는 링형 돌기 형태로 단턱면이 형성될 수도 있다. 이에 의해서도, 제1부재(1231')와 제2부재(1232')를 정확한 위치에 조립할 수 있는 잇점이 얻어진다.
상기 와전류 센서(130)는 n번 감긴 중공 나선의 형상인 센서 코일(미도시)이 구비되어 제어부(140)로부터 교류 전류를 인가받아, 센서 코일로부터 입력 신호(Si1, Si2, Si3; Si)를 자속 형태로 인가하여, 도전체에 와전류를 인가하며, 도전체의 두께가 변동하거나 도전체와의 거리가 변동될 경우에, 도전체에서 발생되는 와전류에 의한 공진주파수 또는 합성임피던스를 출력 신호(So1, So2, So3; So)로 수신하여 출력 신호(So)의 변화로부터 도전체의 두께 변화나 도전체까지의 거리를 검출하는 데 사용된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 와전류 센서(130)는, 리테이너 링(123)의 제1단턱면(123s1)에 와전류를 발생시켜 출력 신호(So1)를 수신하는 제1와전류 센서(131)와, 리테이너 링(123)의 제2단턱면(123s2)에 와전류를 발생시켜 출력 신호(So2)를 수신하는 제2와전류 센서(132)와, 웨이퍼(W)의 도전층에 와전류를 발생시켜 출력 신호(So3)를 수신하는 제3와전류 센서(133)로 이루어진다. 도면에는 3개의 와전류 센서(131, 132, 133; 130)가 별개로 설치되어 있지만, 3개의 위치에서 신호를 발진하고 수신할 수 있는 하나의 와전류 센서로 구성될 수도 있다.
상기 제어부(140)는 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 동안에 와전류 센서(130)에 교류 전류를 인가하여 센서 코일을 통하여 고주파 전류가 흐르면서, 제1단턱면(123s1)과 제2단턱면(123s2)과 웨이퍼(W)의 도전층에서 와전류를 발생시킨다. 그리고, 제어부(140)는 각각의 와전류 센서(131, 132, 133; 130)에서 검출된 제1단턱면(123s1)과 제2단턱면(123s2) 및 웨이퍼(W)의 도전층으로부터의 출력 신호(So)로부터, 와류 센서(131, 132)로부터 제1단턱면(123s1)과 제2단턱면(123s2) 까지의 거리 및 웨이퍼(W)의 도전층의 두께 변화를 감지한다.
이와 같은 감지 원리는 대한민국 공개특허공보 제2001-93678호 및 제2002-31079호에 개시된 구성을 채용할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치(100)는, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼를 저면에 위치시킨 상태에서 가압하는 캐리어 헤드(120)의 리테이너 링(123)을 구성함에 있어서, 도전성 부재로 제1단턱면(123s1)과 제2단턱면(123s2)을 갖도록 형성된 제1부재(1231)와, 비도전성 부재로 제1부재(1231)의 하측에 적층 형성된 제2부재(1232)로 리테이너 링(123)을 구성함에 따라, 연마 패드(11)에 접촉하면서 비도전성 소재인 제2부재(1232)에 의해 이루어지고, 제1와전류 센서(131) 및 제2와전류 센서(132)로부터 인가되는 입력 신호(Si)에 의하여 도전성 소재인 제1부재(1231)의 제1단턱면(123s1)과 제2단턱면(123s2)으로부터의 2개의 출력 신호(So1, So2)와 미리 알고 있는 제1단턱면(123s1)과 제2단턱면(123s2)의 높이차이(y)를 용하여 연마 패드(11)의 두께 변동량을 실시간으로 측정할 수 있게 되므로, 제3와전류 센서(133)에 의하여 웨이퍼(W)의 도전층에서의 와전류 출력 신호(So3)로부터 산출된 웨이퍼(W)의 도전층 두께에 리테이너 링(123)의 단턱면(123s1, 123s2)에서의 와전류 출력 신호(So1, So2)로부터 얻어진 연마 패드(11)의 두께 변동량을 반영함으로써, 연마 패드(11)의 마모량이 반영된 웨이퍼(W)의 도전층 두께를 정확하게 검출할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 공정 중의 웨이퍼의 도전층의 막두께 검출 방법은, 먼저, 웨이퍼(W)를 캐리어 헤드(120)의 멤브레인 바닥판에 위치시킨 상태에서, 연마 정반(10)을 자전시키면서 캐리어 헤드(120)도 함께 자전하고, 캐리어 헤드(120)의 압력 챔버(C)에 정압을 인가하여 웨이퍼(W)의 연마면이 연마 패드(11)에 가압되도록 한 상태로, 웨이퍼(W)의 연마면에 대하여 화학 기계적 연마 공정을 행한다.
그 다음, 화학 기계적 연마 공정을 행하는 도중에, 제1와전류 센서(131)와 제2와전류 센서(132)에 고주파 교류 전류를 인가하여, 제1와전류 센서(131)와 제2와전류 센서(132)로부터 도전성 소재로 형성된 리테이너 링(123)의 제1단턱면(123s1)과 제2단턱면(123s2)에 와전류가 발생하도록 자속의 형태인 입력 신호(Si)를 인가한다. 이 때, 캐리어 헤드(120)의 리테이너 링(123)의 제2부재(1232)는 플라스틱, 수지 등의 비도전성 소재로 형성되므로, 제1와전류 센서(131)와 제2와전류 센서(132)로부터 인가되는 자속에 의하여 와전류가 발생되지 않는다. 그 대신, 제2부재(1232)를 관통한 자속(magnetic flux)은 제1부재(1231)의 제1단턱면(123s1) 및 제2단턱면(123s2)에서 와전류가 발생된다.
그리고 나서, 화학 기계적 연마 공정은 웨이퍼(W)가 연마 패드(11)에 가압되면서 연마되는 것에 의하여 이루어지지만, 웨이퍼(W)의 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드(11)의 표면도 마모되어 점점 얇아지는 현상이 발생된다.
따라서, 제1와전류 센서(131) 및 제2와전류 센서(132)에서는 제1단턱면(123s1)과 제2단턱면(123s2)에서 발생된 와전류로부터 공진주파수나 리액턴스 성분과 저항성분을 포함하는 합성 임피던스를 출력 신호(So1, So2)로 와전류 센서(131, 132)에서 수신하고, 제어부(140)는 수신된 출력 신호(So1, So2)를 전송받아 연마 패드(11)의 마모에 따른 제1단턱면(123s1)과 제2단턱면(123s2)의 이동량을 출력 신호(So1, So2)로부터 산출한다. 이 때, 제1단턱면(123s1)과 제2단턱면(123s2)의 높이 편차(y)를 미리 알고 있으므로, 수신된 출력 신호(So1, So2)로부터 실시간으로 연마 패드(11)의 마모량을 검출할 수 있다.
그리고 나서, 제3와전류 센서(133)로부터 웨이퍼(W)에 입력 신호(Si3)를 자속 형태로 인가하여, 웨이퍼(W)의 도전층에 와전류를 발생시킨다. 그리고, 마찬가지로 제3와전류 센서(133)에서 연마 공정에 따른 도전층의 두께 변화가 반영된 출력 신호(So3)를 수신한다. 즉, 제3와전류 센서(133)에서 수신되는 출력 신호(So3)는 공진 주파수이거나 합성 임피던스일 수 있으며, 이에 의하여 도전층의 두께 변화를 검출할 수 있다.
이 때, 제3와전류 센서(133)에서 수신된 출력신호(So3)에 의해 웨이퍼(W)의 두께 변화는 검출할 수 있지만, 여기에는 연마 패드(11)의 두께 변화에 해당하는 만큼의 오차를 포함하고 있다. 따라서, 단계 3에서 구한 연마 패드(11)의 두께 변화량을 제3와전류 센서(133)에서 검출된 웨이퍼(W)의 도전층의 막두께에 반영하여, 웨이퍼(W)의 도전층 두께를 산출한다.
상기와 같이, 본 발명은,캐리어 헤드(120)의 리테이너 링(123)을 도전성 소재의 제1부재(1231)와 비도전성 소재의 제2부재(1232)로 적층하여 형성하되, 제1부재(1231)와 제2부재(1232)의 경계면에 서로 다른 높이의 단턱면(123s1, 123s2)을 구비하여, 서로 다른 2개의 단턱면(123s1, 123s2)에서 유도된 와전류의 출력 신호(So1, So2)로부터 연마 패드(11)의 두께 변화량을 산출하고, 웨이퍼(W)의 도전층 두께를 도전층에서 유도된 와전류의 출력 신호(So3)로부터 산출한 값에 산출된 연마 패드(11)의 두께 변화량을 반영하여 구함으로써, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드(11)의 마모량을 고려한 웨이퍼의 도전층 두께를 정확하게 측정할 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.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
10: 연마 정반 11: 연마 패드
120: 캐리어 헤드 121: 멤브레인
122: 본체부 123: 리테이너 링
123s1: 제1단턱면 123s2: 제2단턱면
130: 와전류 센서 140: 제어부

Claims (8)

  1. 웨이퍼의 판면이 자전하는 연마 패드 상에 접촉하면서 상기 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 화학 기계적 연마 장치로서,
    상기 연마 패드가 상측에 입혀지고, 상기 연마 패드를 관통 형성하는 위치에 투명창이 구비된 연마 정반과;
    상기 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 웨이퍼의 판면을 하측에 위치시키고 자전하는 연마 패드 상에 상기 웨이퍼를 접촉시키는 캐리어 헤드와;
    상기 투명창의 하측에서 와전류를 인가하고, 인가된 와전류의 출력 신호를 수신하는 감지 센서를;
    포함하되,
    상기 캐리어 헤드는, 상기 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 웨이퍼의 판면에 접촉하여 가압하는 멤브레인 바닥판을 구비한 멤브레인과; 서로 다른 높이를 갖는 제1단턱면과 제2단턱면이 형성되고 도전성 소재로 형성된 링 형태의 제1부재와, 상기 제1부재의 하측에 비도전성 부재로 적층 형성되어 상기 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 연마 패드에 접촉하는 제2부재를 포함하고, 상기 멤브레인의 둘레에 링 형태로 배치된 리테이너 링을; 구비하고;
    상기 감지 센서에 의해 상기 제1단턱면과 상기 제2단턱면에서의 제2출력신호(So2)로부터 상기 연마 패드의 두께 변동량 정보를 얻고, 상기 감지 센서에 의해 상기 웨이퍼의 연마층으로부터의 제3출력신호(So3)를 얻어, 상기 제3출력신호로부터 상기 연마 패드의 두께 변동량 정보를 반영하여 상기 웨이퍼 연마층의 두께를 얻는 제어부를; 포함하되,
    상기 연마 패드의 두께 변동량은 상기 제1단턱면과 상기 제2단턱면에서부터 수신된 상기 제2출력신호에서 상기 제1단턱면과 상기 제2단턱면의 미리 정해진 높이 차이를 이용하여 상기 제2부재의 마모량을 제외하고 산출되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1단턱면과 상기 제2단턱면은 각각 수평한 평탄면으로 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1단턱면과 상기 제2단턱면의 높이 편차는 원주 방향 전체에 걸쳐 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1단턱면과 상기 제2단턱면은 각각 링 형태로 형성되어 중심으로부터 반경 방향으로 서로 다른 길이에 분포된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1부재는 금속 소재로 형성되고, 상기 제2부재는 수지, 플라스틱 중 어느 하나 이상의 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 감지 센서는 3개 이상 배치되어, 상기 웨이퍼와 상기 제1단턱면과 상기 제2단턱면에서의 출력 신호를 각각 수신하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.


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