KR101653536B1 - 화학 기계적 연마 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 장치에 관한 것으로, 상면에 연마 패드가 입혀지고 자전하는 연마 정반과; 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 연마 패드에 상기 웨이퍼를 가압하면서 회전시키는 연마 헤드와; 상기 연마 정반과 함께 회전하면서, 상기 웨이퍼의 하측을 통과할 때에 상기 웨이퍼의 연마층 두께 정보를 갖는 수신 신호를 수신하는 제1센서와; 상기 연마 정반이 상기 웨이퍼의 제1영역을 통과할 때마다 수신된 제1수신신호로부터 상기 제1영역에서의 연마층 두께 변화율을 감지하는 제어부를; 포함하여 구성되어, 웨이퍼 연마층의 원주 방향 성분에 대한 두께 편차를 산출하여 원주 방향의 연마층 두께 편차를 보상하는 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 자전하는 연마 패드 상에 설치되어 연마 패드와 함께 회전하는 센서에 의하여 웨이퍼의 정해진 위치에서의 단위 시간당 연마량을 정확하게 구할 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(9)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 회전시켜, 웨이퍼(W)의 표면을 평탄하게 연마한다. 이를 위하여, 연마 패드(11)의 표면이 일정한 상태로 유지되도록 선회 운동(30d)을 하면서 컨디셔닝 디스크(31)를 가압과 회전을 동시에 행하면서 연마 패드(11)를 개질시키는 컨디셔너(30)가 구비되고, 연마 패드(11)의 표면에 화학적 연마를 수행하는 슬러리가 슬러리 공급관(40)을 통해 공급된다.
화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼(W)의 연마층 두께를 감시하여 타겟 두께에 도달할 때까지 웨이퍼(W)의 연마층 두께 분포를 균일하게 하면서, 타겟 두께에 도달하면 화학 기계적 연마 공정을 종료하는 것이 필요하다. 이를 위하여, 연마 패드(11) 상에는 웨이퍼(W)의 연마층 두께를 측정하는 센서(50)가 설치된다.
이에 따라, 연마 패드(11)가 한 바퀴 회전(11d)하면서 센서(50)가 웨이퍼(W)의 하측을 통과할 때마다, 센서(50)는 웨이퍼(W)의 연마층 두께 정보가 담긴 신호를 수신한다. 센서(50)는 광을 조사하였다가 웨이퍼 연마층에서 반사된 반사광을 수신하는 광 센서일 수도 있고, 웨이퍼 연마층이 도전성 연마층인 경우에는 와전류를 인가하여 와전류 신호의 임피던스, 리액턴스, 인덕턴스, 위상차 중 어느 하나 이상의 변동량으로부터 웨이퍼 연마층의 두께를 감지하는 와전류 센서일 수도 있다.
그런데, 화학 기계적 연마 공정 중에는 연마 패드(11)가 회전(11d)할 뿐만 아니라, 웨이퍼(W)도 캐리어 헤드(20)에 의하여 자전하므로, 센서(50)가 웨이퍼(W)의 하측을 통과하는 궤적(P1, P2, P3; P1', P2', P3')이 달라지게 되어, 센서(50)에서는 웨이퍼(W)의 일정한 위치에서 수신하지 못하므로, 웨이퍼(W)의 평면 상에서의 연마층 두께를 얻을 수 없는 한계가 있었다.
이에 따라, 종래에는 웨이퍼(W)가 화학 기계적 연마 공정 중에 자전하므로, 웨이퍼의 중심으로부터 반경 방향으로의 길이가 동일하면 연마층의 두께가 일정한 것으로 인지하였으나, 웨이퍼(W)의 기재(Wo)에 증착되는 연마층의 두께가 초기에 편차가 있는 경우에는, 웨이퍼(W) 연마층이 원주 방향으로 두께 편차가 발생되는 것이 불가피하다.
이에 따라, 웨이퍼(W)의 연마층 두께는 반경 방향 성분에 대하여 균일하다고 알려져 있어서 종래에는 웨이퍼(W)의 중심으로부터 일측 반경 방향에 대한 영역(Mz)에만 센서(50)가 설치되었지만, 도2에 도시된 바와 같이, 화학 기계적 연마 공정이 행해진 웨이퍼(W)의 연마층(Le)의 두께 분포는 일측에서의 두께(h1)가 타측에서의 두께(h2)에 비하여 더 크게 측정되는 경우가 발생된다. 이는, 웨이퍼의 기재(Wo) 상에 연마층(Le)이 최초 증착될 당시에 두께 분포가 균일하지 않거나, 화학 기계적 연마 공정의 변수가 잘못 제어되는 경우에 발생될 수 있다.
이와 같이, 웨이퍼(W)의 중심으로부터 반경 방향의 길이가 일정하더라도 연마층 두께 편차가 발생되므로, 웨이퍼의 원주 방향에 대해서도 연마층의 두께 분포를 정확하게 얻어야 할 필요성이 절실히 요구되고 있다. 또한, 웨이퍼의 한 지점에서의 두께를 측정할 뿐만 아니라, 지속적으로 이 지점에서의 두께를 감시하여, 웨이퍼의 단위 시간당 연마율을 화학 기계적 연마 공정 중에 감지할 필요도 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 화학 기계적 연마 공정 중에 자전하는 연마 패드 상에서, 자전하는 웨이퍼의 원주 방향으로의 연마층 두께 분포를 얻을 수 있는 화학 기계적 연마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 하나의 지점에서의 연마층 두께 변화를 감시하여, 단위 시간당 연마율을 웨이퍼의 위치 별로 얻는 것을 목적으로 한다.
이를 통해, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정 중에 얻어진 웨이퍼의 연마층 두께 분포를 이용하여, 연마 헤드에 의해 웨이퍼의 연마면 두께를 원주 방향 성분을 갖는 방향에 대해서도 정교하게 조절하여 연마 품질을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 웨이퍼의 화학 기계적 연마 장치로서, 상면에 연마 패드가 입혀지고 자전하는 연마 정반과; 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 연마 패드에 상기 웨이퍼를 가압하면서 회전시키는 연마 헤드와; 상기 연마 정반과 함께 회전하면서, 상기 웨이퍼의 하측을 통과할 때에 상기 웨이퍼의 연마층 두께 정보를 갖는 수신 신호를 수신하는 제1센서와; 상기 제1센서가 상기 웨이퍼의 제1영역을 통과할 때마다 수신된 제1수신신호로부터 상기 제1영역에서의 연마층 두께를 감지하고, 상기 제1센서가 상기 웨이퍼의 제2영역을 통과할 때마다 수신된 제2수신신호로부터 상기 제2영역에서의 연마층 두께를 감지하는 제어부를; 포함하여 구성된 화학 기계적 연마 장치를 제공한다.
이는, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 정반과 함께 회전하는 제1센서가 웨이퍼의 제1영역을 통과할 때에 수신되는 제1수신신호에 의하여, 제1영역에서의 연마층 두께를 감지할 수 있는 원리를 이용한 것이다.
다시 말하면, 연마 헤드에 의하여 가압되는 웨이퍼의 자전 속도가 서로 동일한 경우에는, 제1센서가 항상 웨이퍼의 일정한 궤적을 통과하므로, 웨이퍼의 하나의 위치에서의 연마층 두께를 화학 기계적 연마 공정 내내 감시할 수 있다.
한편, 상기 연마 정반의 자전 속도와 상기 연마 헤드의 자전 속도는 서로 다르게 정해지는 경우에는, 연마 정반의 자전 속도와 연마 헤드의 자전 속도 차이에 비례하여, 연마 정반이 1바퀴 돌 때마다 제1센서가 웨이퍼를 통과하는 궤적의 경로차이가 커지게 된다.
즉, 제1센서가 웨이퍼를 첫번째 통과하는 제1궤적과, 제1센서가 웨이퍼를 그 다음 2번째 통과하는 제2궤적은, 웨이퍼 중심을 기준으로 일정한 각도만큼 회전한 궤적이 된다. 이렇듯, 연마 정반의 자전 속도와 연마 헤드의 자전 속도가 화학 기계적 연마 공정 중에 일정하게 유지되면, 연마 정반의 회전수에 따라, 제1센서가 웨이퍼를 통과하는 궤적은 일정한 각도만큼씩 웨이퍼 중심을 기준으로 회전한 경로로 이동하게 된다. 그리고, 제1센서가 웨이퍼를 첫번째로 통과한 궤적은 연마 정반이 n번 회전한 이후에 다시 동일하거나 그 근방의 궤적을 통과하게 된다.
따라서, 제1센서가 정해진 제1영역을 통과할 때마다 제1센서에 수신되는 수신 신호로부터 제1영역에서 웨이퍼의 연마층 두께를 정확하게 감지할 수 있다. 이와 마찬가지로, 제1센서가 연마 정반의 회전에 따라 웨이퍼 중심으로부터 일정한 회전각만큼씩 이동하면, 이동한 제2영역에서도 웨이퍼의 연마층 두께를 감지할 수 있다. 이와 같이, 웨이퍼의 원주 방향으로 이격된 제1영역과 제2영역을 통과하는 제1센서의 궤도상에서의 웨이퍼 연마층의 두께를 얻을 수 있으며, 이를 통해 웨이퍼의 전체 표면에 대해서도 웨이퍼 연마층 분포를 얻을 수 있다.
또한, 연마 정반이 n+1바퀴 돌때마다 제1영역에서의 연마층 두께를 측정할 수 있으므로, 웨이퍼의 각 영역에서 단위 시간당 연마량을 구할 수 있다. 즉 상기 제어부는, 상기 제1센서가 상기 제1영역을 통과할 때마다 측정된 상기 제1영역에서의 연마층 두께값 변화로부터 연마층 두께 변화율을 감지한다.
여기서, 상기 연마 정반의 자전 속도와 상기 연마 헤드의 자전 속도는 20% 이하의 속도차이를 갖게 정해져, 연마 정반이 4회 내지 20회 회전할 때마다 동일한 영역에 제1센서로부터 측정되는 궤적이 형성될 수 있다.
한편, 상기 제1영역은 하나의 점으로 정해질 수 있지만, 웨이퍼의 연마층 두께가 완만하게 편차를 가지므로, 반경 길이가 동일한 원주 방향으로 10도 이하인 영역으로 정해지는 것이 바람직하다.
상기와 같이 얻어진 웨이퍼의 원주 방향으로의 연마층 두께 분포값에 기초하여, 상기 연마 헤드에는 상기 웨이퍼를 가압하는 압력 챔버가 다수로 분할되게 형성되고, 상기 웨이퍼의 원주 방향을 따라 상기 압력 챔버가 구획되어, 원주 방향에 대하여 서로 다른 가압력을 인가함으로써, 웨이퍼의 원주 방향으로의 연마층 두께 편차를 상쇄시켜 보정할 수 있다.
이를 위하여, 상기 센서에 의하여 상기 웨이퍼의 두께가 크게 측정된 부분을 가압하는 압력 챔버는 상기 웨이퍼의 두께가 작게 측정된 부분을 가압하는 압력 챔버에 비하여 보다 높은 압력이 인가된다.
본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '회전 위치'라는 용어는 연마 패드와 함께 회전하는 센서의 원주 방향으로의 위치로 정의한다.
또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '회전 속도' 및 '자전 속도'는 '회전 각속도'를 지칭하는 것으로 정의한다. 한편, 회전체의 선속도에 대해서는 '선속도'라고 다르게 기재하기로 한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은, 연마 정반과 함께 회전하는 제1센서가 원주 방향으로 정해진 웨이퍼의 제1영역을 통과할 때마다 수신되는 제1수신신호로부터 제1영역에서의 웨이퍼의 연마층 두께를 측정하고, 제1센서가 제1영역과 원주 방향으로 이격된 제2영역을 통과할 때마다 수신되는 제2수신신호로부터 제2영역에서의 웨이퍼의 연마층 두께를 측정하여, 웨이퍼의 원주 방향으로의 두께 분포를 소프트웨어적으로 간편하게 구할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 제1센서가 통과하는 제1영역과 제2영역을 포함하는 다수의 웨이퍼 위치에서 연마층 두께를 측정함에 따라, 막연히 웨이퍼의 반경 방향 성분으로의 1차원적인 연마층 두께 분포가 아니라, 웨이퍼 판면의 2차원 평면적인 연마층 두께 분포를 화학 기계적 연마 공정 중에 얻을 수 있는 유리한 효과가 있다.
이를 통해, 본 발명은 웨이퍼의 각 지점에서 단위 시간당 연마량을 알 수 있는 효과도 얻어진다.
또한, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 중심으로부터 동일한 반경 길이에 대해서도 서로 다른 가압력을 인가하는 연마 헤드를 제공하여, 웨이퍼의 원주 방향으로의 연마층 두께 편차를 보상할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이를 통해, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 연마층 두께 분포를 2차원 판면에 대하여 균일하게 조절하여 연마 품질을 향상시키는 효과가 있다.
도1은 종래의 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 평면도,
도2는 화학 기계적 연마 장치에 의해 연마된 웨이퍼의 단면도,
도3은 연마 정반의 회전에 따라 웨이퍼의 하측을 통과하는 연마층 두께감지 센서의 궤적을 도시한 도면,
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 정면도,
도5는 도4의 평면도,
도6a 내지 도6e는 도3의 화학 기계적 연마 장치를 이용하여 웨이퍼의 판면 전체의 연마층 두께 분포를 얻는 방법을 설명하기 위하여 웨이퍼를 통과하는 센서의 궤적을 도시한 도면,
도7은 제1영역과 제2영역에서의 시간 경과에 따른 연마층 두께를 측정한 값을 도시한 그래프
도8은 도3의 연마 헤드의 종단면도,
도9는 도8의 연마 헤드의 멤브레인의 저면을 도시한 도면,
도10은 도3의 화학 기계적 연마 장치의 제어 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치(1)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(1)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 연마 헤드(200)와, 웨이퍼(W)의 화학적 연마를 위하여 연마 패드(11)의 표면에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부(40)와, 연마 패드(11)에 공급된 슬러리가 웨이퍼(W)의 연마층으로 원활하게 유입되도록 컨디셔닝 디스크가 연마 패드(11)를 가압하면서 미소 절삭을 행하여 연마 패드(11)의 표면 개질을 행하는 컨디셔너(30)와, 연마 정반(10)에 위치 고정되어 연마 패드(11)와 함께 회전하면서 웨이퍼(W)의 하측을 통과할 때에 웨이퍼(W)의 연마층 두께 정보를 포함하는 신호를 수신하는 센서(50)와, 센서(50)로부터의 수신 신호를 전송받아 센서(50)가 통과하는 궤적(P1, P2, P3)에서의 연마층 두께를 산출하고 산출된 연마층 두께 분포에 기초하여 연마 헤드(200)를 제어하는 제어부(70)로 구성된다.
상기 연마 정반(10)은 상면에 연마 패드(11)가 입혀진 상태로 구동 모터 등에 의하여 회전 구동된다. 연마 정반(10)에는 웨이퍼 연마층의 두께를 감지하기 위한 센서(50)가 고정 설치되어, 연마 정반(10)과 함께 회전한다. 센서(50)는 연마 정반(10)에 하나만 설치될 수도 있지만, 동시에 여러 위치에서 웨이퍼의 연마층 두께를 측정할 수 있도록 다수(51, 52, 53)에 배치될 수 있다.
상기 연마 헤드(200)는 외부로부터 회전 구동력이 전달되어 하측에 위치한 웨이퍼(W)를 회전 구동시키고, 내부에 구비된 압력 챔버의 압력이 조절되는 것에 의하여 웨이퍼(W)를 연마 패드(11)로 가압하여, 웨이퍼(W)의 기계적 연마 공정이 이루어지도록 한다.
이를 위하여, 연마 헤드(200)는 외부의 회전 구동력에 의해 회전 구동되는 본체(210)와, 본체(210)에 연결되어 본체(210)의 구동력에 의해 본체(210)와 함께 회전하는 베이스(220)와, 베이스(220)에 격벽(133)의 끝단이 고정되어 베이스(220)와의 사이에 다수의 압력 챔버(C1, C2, C3)를 형성하고 가요성 소재로 형성되는 멤브레인(230)과, 압력 챔버(C1, C2, C3)에 공압 공급관(255)을 통해 정압이나 부압을 인가하는 압력 제어부(250)로 이루어진다. 여기서, 본체(210)와 베이스(220)는 본체부를 형성한다.
특히, 연마 헤드(200)의 멤브레인(230)은 도8에 도시된 바와 같이 중심(Oc)에 대하여 동심원으로 형성되어 반경 방향으로 구획하는 제1격벽(133a)에 의하여, 웨이퍼(W)의 반경 길이에 대하여 서로 다른 가압력을 인가하는 압력 챔버(C1, C2, C3)들로 구획된다. 이와 동시에, 중앙부의 제1압력 챔버(C1)의 반경 외측에 위치한 제2압력챔버(C2) 및 제3압력챔버(C3)는 원주 방향으로 구획하는 제2격벽(133b)에 의하여, 웨이퍼(W)의 원주 방향의 길이에 대하여 서로 다른 가압력을 인가하는 압력 챔버(C21, C22, C23, C24, C25, C26; C31, C32, C33, C34, C35, C36)로 구획된다.
따라서, 압력 조절부(250)로부터 각각의 압력 챔버들(C1, C21-C26, C31-C36)에 공급되는 공압에 의하여, 웨이퍼(W)의 반경 방향으로의 압력 편차를 두고 가압력을 인가할 수 있을 뿐만 아니라, 웨이퍼(W)의 원주 방향으로도 압력 편차를 두고 가압력을 인가할 수 있다. 더욱이, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼(W)를 가압하는 멤브레인 바닥판이 웨이퍼(W)와 밀착된 상태를 유지하여 이들간의 슬립이 거의 발생되지 않으므로, 웨이퍼(W)의 원주 방향으로 가압력을 서로 다르게 인가함으로써, 웨이퍼(W)의 원주 방향으로의 연마층 두께 편차를 제거할 수 있다.
도면에는 제1압력챔버(C1)에 대해서는 원주 방향으로 구획하는 제2격벽(133b)이 형성되지 않은 구성이 예시되었지만, 본 발명은 이에 국한되지 아니하며, 제1압력챔버(C1) 내지 제3압력 챔버(C3) 중 어느 하나 이상에 대하여 원주 방향으로 구획하는 제2격벽(133b)이 형성되는 모든 구성을 포함한다.
상기 센서(50)는 연마 정반(10)에 위치 고정되어 연마 정반(10)과 함께 회전하며, 웨이퍼(W)의 하측을 통과할 때에 웨이퍼 연마층의 두께 데이터를 갖고 있는 수신신호를 수신하여, 제어부(70)로 수신신호를 전송한다.
여기서, 센서(50)는 하나 이상의 파장을 갖는 광을 조사하였다가 웨이퍼 연마층에서 반사된 반사광을 수신신호로 수신하는 광 센서로 형성될 수도 있고, 센서코일이 구비되어 웨이퍼 연마층에 와전류 신호를 인가하였다가 웨이퍼 연마층의 두께 변화에 따라 변화하는 리액턴스 값과 저항값과 위상차 중 어느 하나 이상을 수신신호로 수신하는 와전류 센서로 형성될 수 있다.
센서(50)가 광센서로 형성되는 경우에는 웨이퍼 연마층이 비도전성막인 경우와 도전성 막에 대하여 모두 적용할 수 있는 장점이 있는 대신에, 웨이퍼 연마층과 센서(50)의 사이에는 개방된 상태로 유지되어야 한다. 센서(50)가 와전류 센서로 형성되는 경우에는 웨이퍼 연마층이 도전성 막에만 적용할 수 있지만, 웨이퍼 연마층과 센서(50)의 사이에 비전도체인 연마 패드나 유리 등이 개재되어도 연마층 두께를 측정할 수 있는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도6a 내지 도6e를 참조하여 연마 정반에 위치 고정된 센서(50)를 이용하여 웨이퍼(W)의 판면에서의 연마층 분포를 측정하는 방법을 설명한다. 참고로, 도면에 예시된 바와 같이 3개의 연마층 두께 센서(51, 52, 53; 50)가 연마 정반(10)에 위치 고정된 구성을 예로 들어 설명하지만, 본 발명은 센서의 개수 및 위치에 제한되지 않는다.
단계 1 : 화학 기계적 연마 공정 중에 센서(50)들은 연마 정반(10)과 함께 회전하므로, 연마 정반(10)이 첫번째로 회전하면, 도6a에 도시된 바와 같이 연마 정반(10)에 고정된 3개의 센서(51, 52, 53)는 웨이퍼(W)에 대하여 도6a에 도시된 궤적(P1, P2, P3)으로 통과하면서, 이 궤적(P1, P2, P3)에서의 연마층 두께를 수신한다.
편의상, 제1센서(51)가 통과하는 궤적을 제1궤적(P1)이라고 하고, 웨이퍼(W)로부터 처음 시작되는 제1궤적(P1)의 지점을 제1지점(X11)이라고 한다. 그리고, 제2센서(52)가 통과하는 궤적을 제2궤적(P2)이라고 하고, 웨이퍼(W)로부터 처음 시작되는 제2궤적(P2)의 지점을 제2지점(X21)이라고 한다. 그리고, 제3센서(53)가 통과하는 궤적을 제3궤적(P3)이라고 하고, 웨이퍼(W)로부터 처음 시작되는 제3궤적(P3)의 지점을 제3지점(X31)이라고 한다.
단계 2: 그리고 나서, 연마 정반(10)의 자전 속도가 웨이퍼(W)의 자전 속도에 비하여 약간 빠른 경우에는, 연마 정반(10)이 2번째로 회전하면, 도6b에 도시된 바와 같이, 연마 정반(10)과 웨이퍼(W)의 자전 속도의 차이로 인하여, 각각의 궤적(P1, P2, P3)은 첫번째 연마 정반(10)의 회전시에 통과하였던 궤적(점선)에서 d1, d2, d3로 표시된 각도만큼 시계 방향으로 이동(99)한 궤적(실선)이 된다.
따라서, 2번째 연마 정반의 회전 시에, 제1센서(51)가 웨이퍼(W) 하측을 통과하는 제1궤적(P1)에서 웨이퍼(W)와 처음 시작되는 제1시작점은 제1영역(A1)인 X11에서 제2영역(A2)인 X12로 시계 방향으로 이동하고, 제2센서(52)가 웨이퍼(W) 하측을 통과하는 제2궤적(P2)에서 웨이퍼(W)와 처음 시작되는 제2시작점은 X21에서 X22로 시계 방향으로 이동하고, 제3센서(53)가 웨이퍼(W) 하측을 통과하는 제3궤적(P3)에서 웨이퍼(W)와 처음 시작되는 제3시작점은 X31에서 X32로 시계 방향으로 이동한다.
다만, 연마 정반(10)의 자전 속도와 웨이퍼(W)의 자전 속도가 일정한 경우에는, 센서(50)가 통과하는 궤적(P1, P2, P3)은 항상 웨이퍼의 일정한 위치를 잇는 궤적이 되므로, 웨이퍼의 판면에 대한 2차원적인 두께 분포를 얻을 수 없지만, 웨이퍼의 하나의 시작점에서 연마 시간에 따른 연마층 두께 변동량은 정확하게 감지할 수 있다.
한편, 연마 정반(10)의 자전 속도가 웨이퍼(W)의 자전속도에 비하여 약간 느린 경우에는, 각각의 센서(51, 52, 53)가 통과하는 궤적(P1, P2, P3)은 웨이퍼 중심(Ow)을 기준으로 반시계 방향으로 회전하는 궤적이 된다.
이 때, 연마 정반(10)의 자전 속도와 웨이퍼의 자전 속도의 차이가 큰 경우에는, 센서(51, 52, 53)가 연마 정반(10)의 첫번째 회전 시에 통과하였던 시작점들(X11, X21, X31)로부터 2번째 회전 시에 통과하는 시작점들(X12, X22, X32)까지의 이동 거리(정확하게는, 웨이퍼의 중심을 기준으로 한 회전 변위)가 커지므로, 연산이 다소 복잡해질 수 있다. 따라서, 연마 정반(10)의 자전 속도와 웨이퍼(W)의 자전 속도의 차이는 20% 이하로 유지되는 것이 좋다.
단계 3: 이하에서는, 다수의 센서(51, 52, 53)들 중 하나인 제1센서(51)에 의해 얻어지는 연마층 두께 분포 궤적(P1)의 이동 방향을 살펴본다.
제1센서(51)가 연마 정반(10)의 회전수가 증가할수록, 도6c에 도시된 바와 같이, 제1센서(51)의 제1궤적(P1)은 웨이퍼 중심(Ow)을 기준으로 정해진 각도(△th)만큼씩 시계 방향으로 이동한다.
이에 따라, 제1궤적(P1)이 웨이퍼(W)와 만나기 시작하는 제1시작점은 X11, X12, X13, X14,...로 시계 방향으로 정해진 각도(△th)만큼씩 이동한다. 즉, 연마 정반(10)의 회전수가 증가할 수록, 제1궤적(P1)의 시작점(X11)은 제1영역(A1)에서, 제2영역(A2), 제3영역(A3),...으로 시계 방향으로 점진적으로 이동하게 된다.
여기서, 연마 정반(10)의 자전 속도와 웨이퍼(W)의 자전 속도의 차이를 20% 이하로 유지되면, 연마 정반(10)의 회전수가 증가할수록 제1궤적(P1)이 웨이퍼(W)와 만나기 시작하는 제1시작점의 이동 거리(d1)와 증분 각도(△th)가 5도 내지 30도의 범위로 적당히 유지된다. 이와 같이, 센서(50)가 웨이퍼(W)를 통과하는 궤적(P1, P2, P3)이 점진적으로 회전하면서 연마층 두께를 산출함으로써, 웨이퍼(W)의 판면 전체에 대한 연마층 두께 분포를 얻는 것이 가능해진다.
즉, 연마 정반(10)의 자전 속도와 웨이퍼(W)의 자전 속도의 차이를 작게 유지할수록, 웨이퍼(W)의 판면 전체에 대하여 조밀한 각 시작점에서의 연마층 두께 분포를 얻을 수 있지만, 웨이퍼 판면 전체에 대한 연마층 두께 분포를 얻기까지는 연마정반(10)의 회전수가 많아져야 한다. 반대로, 연마 정반(10)의 자전 속도와 웨이퍼(W)의 자전 속도의 차이가 커질수록, 웨이퍼(W)의 판면 전체에 대하여 성하게 이격된 각 시작점에서의 연마층 두께 분포를 얻을 수 있지만, 웨이퍼 판면 전체에 ㄷ대한 연마층 두께 분포를 얻기까지 연마 정반(10)의 회전수를 줄일 수 있는 잇점이 얻어진다.
단계 4: 그리고, 연마 정반(10)의 회전수가 보다 더 증가하여 n번에 이르면, 도6d에 도시된 바와 같이, 제1궤적(P1)의 시작점(X1n)은 제1센서(51)가 웨이퍼(W)를 첫번째로 통과하였던 시작점(X11)에 △th 이하의 각도만큼 이격되게 근접한 상태가 된다.
따라서, 연마 정반(10)의 회전수가 n+1번이 되면, 제1궤적(P1)의 시작점(Y11)은 제1센서(51)가 웨이퍼(W)를 첫번째로 통과하였던 시작점(X11)과 일치하거나 시작점(X11)에 근접한 상태가 된다.
무엇보다도, 연마 정반(10)의 회전 속도와 웨이퍼(W)의 회전 속도를 적절히 정하는 것에 의하여, 연마 정반(10)의 회전수가 n+1번이 되면, 제1궤적(P1)의 시작점(Y11)은 제1센서(51)가 웨이퍼(W)를 첫번째로 통과하였던 시작점(X11)과 일치시키는 것이 매우 좋다.
이 경우에는, 연마 정반(10)의 회전수가 1, n+1, 2n+1,..번째가 되면, 제1센서(51)가 웨이퍼(W)의 하측을 통과하는 제1궤적(P1)의 시작점은 도6e에 도시된 바와 같이 X11, Y11, Z11,...으로 일치한다. 또한, 연마 정반(10)의 회전수가 2, n+2, 2n+2,..번째가 되면, 제1센서(51)가 웨이퍼(W)의 하측을 통과하는 제1궤적(P1)의 시작점은 도6e에 도시된 바와 같이 X12, Y12, Z12,...으로 일치하고, 연마 정반(10)의 회전수가 3, n+3, 2n+3,..번째가 되면, 제1센서(51)가 웨이퍼(W)의 하측을 통과하는 제1궤적(P1)의 시작점은 X13, Y13, Z13,...으로 일치하게 된다.
이와 같이, 연마 정반(10)이 n번째를 초과하여 회전하면, 제1센서(51)가 웨이퍼(W)의 하측을 통과하는 제1궤적(P1)은 항상 n번째 이전에 통과하였던 경로를 그대로 지나면서 웨이퍼 연마층 두께 분포를 측정하므로, 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 동안에, 웨이퍼의 정해진 궤적에서만 웨이퍼 연마층 두께 분포를 측정하게 된다. 이를 도식화하면 도7에 예시된 그래프로 표시될 수 있다. 이를 통해, 웨이퍼를 통과하는 각 궤적에서의 단위 시간당 연마층 두께 변화량(RR)을 정확하게 파악할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 연마 정반(10)의 회전 속도와 웨이퍼(W)의 회전 속도의 조절에 의하여, 연마 정반(10)의 회전수가 n+1번이 되면, 제1궤적(P1)의 시작점(Y11)은 제1센서(51)가 웨이퍼(W)를 첫번째로 통과하였던 시작점(X11)과 일치시키지 못하는 경우도 있을 수 있다.
이 경우에는, 연마 정반(10)의 회전수가 1, n+1, 2n+1,..번째가 되면, 제1센서(51)가 웨이퍼(W)의 하측을 통과하는 제1궤적(P1)의 시작점인 X11, Y11, Z11,...는 일치하지는 않지만, 이전에 통과했던 시작점과 정해진 간격 이내에 속하게 된다. 즉, 연마 정반(10)의 회전수가 1, n+1번째에서의 시작점 X11, Y11,..은 제1영역(A1)내에 위치하며, 연마 정반(10)의 회전수가 2, n+2,..번째에서의 시작점 X12, Y12,..은 제2영역(A2)내에 위치하며, 연마 정반(10)의 회전수가 3, n+3,... 번째에서의 시작점 X13, Y13,..은 제3영역(A3)내에 위치하게 된다. 그 다음 턴에서도 마찬가지로, 연마 정반(10)의 회전수가 n+1, 2n+1번째에서의 시작점 Y11, Z11..은 제1영역(A1)내에 위치하며, 연마 정반(10)의 회전수가 n+2, 2n+2..번째에서의 시작점 Y12, Z12,..은 제2영역(A2)내에 위치하며, 연마 정반(10)의 회전수가 n+3, 2n+3... 번째에서의 시작점 Y13, Z13,..은 제3영역(A3)내에 위치하게 된다. 여기서, 연마 정반의 회전수가 1~n번째와 n+1 ~ 2n번째의 시작점의 위치 편차가 속하는 각 영역은 연마 정반의 회전수가 n+1 ~ 2n번째와 2n+1 ~ 3n번째의 시작점의 위치 편차가 속하는 각 영역과 절대값은 다르지만, 그 간격은 일정하다.
이와 같이, 연마 정반(10)이 n번째를 초과하여 회전하면, 제1센서(51)가 웨이퍼(W)의 하측을 통과하는 제1궤적(P1)의 시작점이 정해진 간격차이를 두고 진행하므로, 연마 정반(10)의 회전수가 n+1번째가 되면 제1궤적(P1)의 시작점(Y11)이 제1센서(51)가 웨이퍼(W)를 첫번째로 통과하였던 시작점(X11)과 일치시키는 경우에 비하여 연산이 복잡하지만, 웨이퍼를 통과하는 각 궤적에서의 단위 시간당 연마층 두께 변화량을 근사하게 파악할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
단계 1 내지 단계 4를 통해, 연마 정반(10)에 고정된 센서(51, 52, 53)에 의하여 웨이퍼(W)의 반경 방향으로의 연마층 두께 분포와 원주 방향으로의 연마층 두께 분포를 얻을 수 있으며, 동시에 웨이퍼의 각 지점들에서 단위 시간당 연마량도 얻을 수 있다(S120).
단계 5: 이와 같이, 웨이퍼(W)의 전체 판면에 대한 연마층 두께 분포를 얻은 상태에서, 웨이퍼 연마층의 두께가 더 크게 측정된 영역에 대해서는 웨이퍼 연마층의 두께가 더 작게 측정된 영역에 비하여, 연마 헤드(200)의 다수의 압력 챔버(C1, C2, C3)에 인가하는 가압력을 더 크게 조절하여, 웨이퍼(W)의 연마층 두께를 전체적으로 원하는 분포 형상으로 정확하게 조절할 수 있게 된다(S140).
즉, 연마 헤드(200)의 압력 챔버(C1-C3)는 반경 방향을 따라 격벽(133a)에 의해 구획되어 있을 뿐만 아니라, 원주 방향을 따라서도 격벽(133b)에 의해 구획되어 있으므로, 웨이퍼(W)에 증착될 시점에서부터 연마층 두께가 불균일하더라도, 화학 기계적 연마 공정이 종료되는 시점에서는 원하는 두께 분포(예를 들어, 전체적으로 균일한 두께 분포이거나, 중앙부가 가장자리에 비하여 더 두껍거나 얇은 두께 분포)로 조절할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 연마층 두께 분포를 2차원 판면에 대하여 균일하게 조절하여, 원하는 연마층 두께 분포에 맞게 연마 공정을 행할 수 있게 되어 연마 품질을 향상시키는 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 **
1: 화학 기계적 연마 장치 10: 연마 정반
11: 연마 패드 30: 컨디셔너
40: 슬러리 공급부 50: 연마층 두께 센서
200: 연마 헤드 210: 본체
220: 베이스 230: 멤브레인
250: 압력 조절부 133: 격벽
133a: 제1격벽 133b: 제2격벽
C1: 제1압력챔버 W: 웨이퍼
C2, C21, C22, C23, C24, C25, C26: 제2압력챔버
C3, C31, C32, C33, C34, C35, C36: 제2압력챔버

Claims (9)

  1. 웨이퍼의 화학 기계적 연마 장치로서,
    상면에 연마 패드가 입혀지고 자전하는 연마 정반과;
    화학 기계적 연마 공정 중에 상기 연마 패드에 상기 웨이퍼를 가압하면서 상기 연마 정반의 자전 속도와 다른 자전 속도로 회전시키는 연마 헤드와;
    상기 연마 정반과 함께 회전하면서, 상기 웨이퍼의 하측을 통과할 때에 상기 웨이퍼의 연마층 두께 정보를 갖는 수신 신호를 수신하는 제1센서와;
    상기 제1센서가 상기 웨이퍼의 제1영역을 통과할 때마다 수신된 제1수신신호로부터 상기 제1영역에서의 연마층 두께를 측정하고, 상기 제1센서가 상기 제1영역에 대하여 상기 웨이퍼의 원주 방향으로 이격된 상기 웨이퍼의 제2영역을 통과할 때마다 수신된 제2수신신호로부터 상기 제2영역에서의 연마층 두께를 측정하여, 상기 웨이퍼의 원주 방향을 따른 상기 웨이퍼의 연마층 두께 분포를 감지하는 제어부를; 포함하고,
    상기 연마 헤드에는 상기 웨이퍼를 가압하는 압력 챔버가 상기 웨이퍼의 원주 방향을 따라 분할되게 복수개가 형성되며, 상기 웨이퍼의 원주 방향을 따른 상기 웨이퍼의 연마층 두께 분포에 따라 복수개의 상기 압력 챔버에는 서로 다른 가압력이 인가되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 연마 정반의 자전 속도와 상기 연마 헤드의 자전 속도는 20% 이하의 속도차이를 갖는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1영역은 상기 웨이퍼의 반경 길이가 동일하고 원주 방향으로 10도 이하인 영역인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 제1센서가 상기 제1영역을 통과할 때마다 측정된 상기 제1영역에서의 연마층 두께값 변화로부터 상기 제1영역에서의 연마층 두께 변화율을 감지하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1센서에 의하여 상기 웨이퍼의 두께가 크게 측정된 부분을 가압하는 압력 챔버는 상기 웨이퍼의 두께가 작게 측정된 부분을 가압하는 압력 챔버에 비하여 보다 높은 압력이 인가되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  8. 상면에 연마 패드가 입혀지고 자전하는 연마 정반과; 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 연마 패드에 웨이퍼를 가압하면서 상기 연마 정반의 자전 속도와 다른 자전 속도로 회전시키되, 상기 웨이퍼의 원주 방향을 따라 복수개로 분할되어 상기 웨이퍼를 가압하는 복수개의 압력 챔버를 포함하는 연마 헤드와; 상기 연마 정반과 함께 회전하면서, 상기 웨이퍼의 하측을 통과할 때에 상기 웨이퍼의 연마층 두께 정보를 갖는 수신 신호를 수신하는 제1센서와; 상기 제1센서가 상기 웨이퍼의 제1영역을 통과할 때마다 수신된 제1수신신호로부터 상기 제1영역에서의 연마층 두께를 측정하고, 상기 제1센서가 상기 제1영역에 대하여 상기 웨이퍼의 원주 방향으로 이격된 상기 웨이퍼의 제2영역을 통과할 때마다 수신된 제2수신신호로부터 상기 제2영역에서의 연마층 두께를 측정하여, 상기 웨이퍼의 원주 방향을 따른 상기 웨이퍼의 연마층 두께 분포를 감지하는 제어부를; 포함하는 화학 기계적 연마 장치의 제어방법으로서,
    상기 제1영역에서의 연마층 두께 및 상기 제2영역에서의 연마층 두께를 측정하여 상기 웨이퍼의 원주 방향을 따른 상기 웨이퍼의 연마층 두께 분포를 감지하는 두께 분포 감지단계와;
    상기 두께 분포 감지단계에서 감지된 상기 웨이퍼의 원주 방향을 따른 상기 웨이퍼의 연마층 두께 분포에 따라 복수개의 상기 압력 챔버에 서로 다른 가압력을 인가하는 가압력 인가 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 제어방법.
  9. 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드에 웨이퍼를 가압하면서 회전시키는 연마 헤드에 있어서,
    상기 웨이퍼의 원주 방향을 따라 복수개로 분할되며, 상기 웨이퍼를 가압하는 복수개의 압력 챔버를 포함하되,
    상기 웨이퍼의 원주 방향을 따른 상기 웨이퍼의 연마층 두께 분포에 따라 복수개의 상기 압력 챔버에는 서로 다른 가압력이 인가되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 연마 헤드.
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