KR101684842B1 - 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 웨이퍼의 판면에 접촉하여 가압하는 연마 헤드와; 상기 웨이퍼에 신호를 인가하여 상기 웨이퍼의 두께 정보를 얻는 두께 센서와; 상기 웨이퍼가 상기 멤브레인 바닥판에 위치하지 않은 상태에서 상기 두께 센서로부터의 제1출력신호를 수신한 후, 상기 웨이퍼가 상기 멤브레인 바닥판에 위치한 상태에서 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 두께 센서로부터 제2출력신호를 수신하여, 상기 제2출력신호로부터 상기 제1출력신호를 차감한 신호로부터 상기 웨이퍼의 두께 분포를 얻는 제어부를; 포함하여 구성되어, 두께 센서의 오프셋 특성에 의하여 왜곡되지 않은 웨이퍼 연마층의 두께를 정확하게 얻을 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 웨이퍼의 연마층 두께를 측정하는 와전류 센서의 오프셋 편차를 보상하여 웨이퍼의 연마층 두께를 보다 정확하게 얻을 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, 연마 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.
이와 동시에, 연마 패드(11)에는 웨이퍼(W)의 연마층 두께를 측정하는 두께 센서(50)가 설치되어, 연마 패드(11)와 함께 회전하면서, 웨이퍼(W)의 하측을 통과하면서 수신한 수신 신호로부터 웨이퍼(W)의 연마층 두께를 측정한다. 경우에 따라서는, 웨이퍼(W)의 하측에 연마 패드(11)와 연마 정반(11)을 관통하는 투명창을 설치하고, 투명창의 하부에서 웨이퍼(W)로부터 연마층 두께 정보를 포함하는 출력 신호를 수신하여 웨이퍼(W)의 연마층 두께를 측정한다.
여기서, 연마층 두께를 측정한다는 것은 연마층의 두께가 타겟 두께에 도달하는지 여부만을 모니터링하는 것도 포함한다.
웨이퍼(W)의 연마층이 도전성 재질인 텅스텐 등의 금속 재질로 형성된 경우에는, 두께 센서(50)는 구리 등의 연마층에 인접 배치된 센서 코일이 구비되어, 교류 전류를 인가(Si)하는 것에 의해 웨이퍼 연마층에 와전류를 형성하는 와전류 입력 신호를 출사하여, 도3에 도시된 바와 같이 도전성 연마층에서 유도된 와전류(50E)의 합성 임피던스 및 위상차의 변동값으로부터 웨이퍼(W)의 연마층 두께를 감지한다.
그런데, 두께 센서(50)는 센서 자체의 오프셋이 측정시마다 차이가 있다. 즉, 도4에 도시된 바와 같이, 화학 기계적 연마 공정에 사용되는 두께 센서(50)의 종류와 환경에 따라, 도전성 재질로 이루어진 웨이퍼의 연마층으로부터 수신되는 출력 신호(Sox1, Sox2, Sox3)는 도전성 재질이 없는 영역(S50e)에서의 신호에 대한 도전성 재질이 있는 연마층 영역(S50c)에서의 신호가 일정하더라도, 각각의 오프셋값(off2, off3)이 차이가 생긴다.
따라서, 화학 기계적 연마 공정 중에 두께 센서(50)의 특성이나 연마 패드 등의 주변 환경 요인에 의하여 달라지는 오프셋값의 차이를 고려하지 않고 웨이퍼(W)의 연마층 두께를 측정할 경우에는, 연마층 두께의 측정 오차가 포함되어 있어서 웨이퍼(W)의 연마층 두께를 정확하게 측정하지 못하는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 연마층 두께를 측정하는 와전류 센서의 오프셋 편차를 보상하여 웨이퍼의 연마층 두께를 보다 정확하게 얻을 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드의 마모에 따른 두께 변동량을 감지하여, 이를 기준으로 측정되는 웨이퍼의 연마층 두께를 보상하여, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼 연마층의 두께를 보다 정확하게 얻는 것을 목적으로 한다.
이를 통하여, 본 발명은 웨이퍼의 연마 종료 시점을 정확하게 검출하여, 웨이퍼의 연마두께를 정확하게 제어하는 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 웨이퍼의 판면에 접촉하여 가압하는 연마 헤드와; 상기 웨이퍼에 신호를 인가하여 상기 웨이퍼의 두께 정보를 얻는 두께 센서와; 상기 웨이퍼가 상기 멤브레인 바닥판에 위치하지 않은 상태에서 상기 두께 센서로부터의 제1출력신호를 수신한 후, 상기 웨이퍼가 상기 멤브레인 바닥판에 위치한 상태에서 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 두께 센서로부터 제2출력신호를 수신하여, 상기 제2출력신호로부터 상기 제1출력신호를 차감한 신호로부터 상기 웨이퍼의 두께 분포를 얻는 제어부를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치를 제공한다.
이는, 웨이퍼가 연마 헤드의 하측에 위치하기 이전에, 연마 헤드가 동일하게 연마 패드 상에 위치한 상태에서 두께 센서로부터 공(空) 신호인 제1출력신호를 수신하여 센서 자체의 오프셋값을 미리 파악한 상태에서, 연마 헤드의 하측에 웨이퍼를 위치시킨 상태로 화학 기계적 연마 공정을 행하는 동안에 웨이퍼로부터 연마층 두께 정보를 갖고 있는 제2출력신호를 수신한 후, 제2출력신호로부터 제1출력신호를 차감한 보정 신호로부터 웨이퍼 연마층의 두께를 산출함으로써, 센서의 오프셋 특성에 의하여 왜곡되지 않은 웨이퍼 연마층의 두께를 정확하게 얻을 수 있도록 하기 위함이다.
이와 같은 본 발명의 구성은 두께 센서가 광을 조사하였다가 웨이퍼 연마층에서 수광 신호를 수신하는 광 센서에도 적용될 수 있지만, 특히 상기 웨이퍼에 도전성 재질의 연마층이 형성되어, 상기 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 금속 재질의 연마층이 연마되는 경우에 두께 센서로 사용되는 와전류 센서에 대하여 보다 효과적으로 적용될 수 있다.
한편, 상기 연마 헤드에는, 상기 웨이퍼의 주위에 서로 다른 높이를 갖는 제1단턱면과 제2단턱면이 형성되고 도전성 소재로 형성된 제1부재와, 상기 제1부재의 하측에 비도전성 부재로 적층 형성되어 상기 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 연마 패드에 접촉하는 제2부재를 포함하여 이루어지고, 상기 멤브레인의 둘레에 배치된 리테이너 링을 구비할 수 있다.
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 연마층에서의 와전류 출력 신호로부터 산출된 웨이퍼의 연마층 두께에 연마 패드의 두께 변동량을 반영함으로써, 연마 패드의 마모량을 고려한 웨이퍼의 연마층 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.
이 경우에는, 상기 두께 센서는 3개 이상 배치되어, 상기 웨이퍼와 상기 제1단턱면과 상기 제2단턱면에서의 출력 신호를 각각 수신하도록 구성된다. 이에 따라, 제1단턱면과 제2단턱면에서의 출력 신호로부터 연마 패드의 두께 변동치를 산출하고, 웨이퍼에서의 출력 신호로부터 웨이퍼의 두께 데이터를 얻을 수 있다.
한편, 상기 제1부재는 링 형태로 형성되어 연마 헤드에 장착하기가 용이하면서도, 웨이퍼를 둘러싸는 전체 원호를 따라 단턱면이 형성됨에 따라, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 헤드가 자전하고 있더라도, 센서에 의하여 제1단턱면과 제2단턱면으로부터 출력 신호를 수신받아 연마 패드의 두께 변동량을 실시간으로 감지할 수 있다.
그리고, 상기 제2부재는 반드시 링 형태로 형성되지 않더라도 무방하지만, 링 형태로 형성됨으로써 연마 패드와 접촉하는 면이 항상 일정하게 유지되면서, 연마 패드의 손상없이 안정적인 접촉 상태를 유지할 수 있다.
한편, 발명의 다른 분야에 따르면, 본 발명은, 웨이퍼의 화학 기계적 연마 방법으로서, 상기 웨이퍼의 주위에 도전성 소재로 형성되고 상기 연마층에 비하여 보다 두껍게 형성된 제1부재와, 상기 제1부재의 하측에 비도전성 부재로 형성되어 상기 연마 패드에 접촉하는 제2부재를 포함하는 리테이너 링을 구비한 연마 헤드로 상기 웨이퍼를 하측에 위치시킨 상태로 연마 패드를 향하여 가압하면서 연마하는 웨이퍼 연마 단계와; 상기 웨이퍼가 상기 멤브레인 바닥판에 위치하지 않은 상태에서 상기 두께 센서로부터의 제1출력신호를 수신하는 제1출력신호 수신단계와; 상기 웨이퍼가 상기 멤브레인 바닥판에 위치한 상태에서 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 두께 센서로부터 제2출력신호를 수신하는 제2출력신호 수신단계와; 상기 제2출력신호로부터 상기 제1출력신호를 차감한 신호로부터 상기 웨이퍼의 두께 분포를 얻는 연마층 두께산출단계를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법을 제공한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은, 웨이퍼가 연마 헤드의 하측에 위치하기 이전에 두께 센서로부터 공(空) 신호인 제1출력신호를 수신하여 센서 자체의 오프셋값을 미리 파악하고, 연마 헤드의 하측에 웨이퍼를 위치시킨 상태로 화학 기계적 연마 공정을 행하는 동안에 웨이퍼로부터 연마층 두께 정보를 갖고 있는 제2출력신호를 수신한 후, 제2출력신호로부터 제1출력신호를 차감한 보정 신호로부터 웨이퍼 연마층의 두께를 산출함으로써, 화학 기계적 연마 공정 중에 센서의 오프셋 특성에 의하여 왜곡되지 않고 웨이퍼 연마층의 두께를 정확하게 얻을 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼를 저면에 위치시킨 상태에서 가압하는 연마 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 측정함으로써, 웨이퍼의 연마층에서의 와전류 출력 신호로부터 산출된 웨이퍼의 연마층 두께에 리테이너 링의 단턱면에서의 와전류 출력 신호로부터 얻어진 연마 패드의 두께 변동량을 반영함으로써, 연마 패드의 마모량을 고려한 웨이퍼의 연마층 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 연마 헤드의 반단면도,
도4는 동일한 웨이퍼에 대하여 측정되는 와전류 출력신호를 도시한 도면,
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 작동 순서를 도시한 순서도,
도6a는 웨이퍼를 위치시키지 않은 상태에서 두께 센서에 수신되는 제1출력 신호의 일 형태를 도시한 도면,
도6b는 도5의 장치를 이용하여 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 구성을 도시한 도면,
도6c는 도6b의 화학 기계적 연마 공정 중에 두께 센서에 수신되는 제2출력 신호의 일 형태를 도시한 도면,
도6d는 도6a 및 도6c에 도시된 바에 따른 출력 신호로부터 보정 출력 신호를 산출하는 제어부의 원리를 설명하기 위한 도면,
도6e 및 도6f는 연마 헤드의 리테이너 링의 단턱면을 이용하여 연마 패드의 두께를 산출하기 위한 도6a의 'B' 부분의 확대도,
도7은 도6e 및 도6f의 연마 패드의 두께를 산출하는 원리를 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치(9) 및 이에 사용되는 연마 헤드(100)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(9)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(100)와, 웨이퍼(W)의 연마층의 두께를 감지하도록 와전류를 인가하고 연마층으로부터의 출력 신호를 수신하는 와전류 센서(50)와, 와전류 센서(50)에 교류 전류를 인가하고 와전류 센서(50)에 수신된 출력 신호로부터 웨이퍼(W)의 연마층 두께를 감지하는 제어부(90)로 구성된다.
상기 연마 정반(10)은 상면에 연마 패드(11)가 입혀진 상태로 회전 구동된다. 연마 정반(10)에는 도6b에 도시된 바와 같이 와전류 신호가 인가되는 관통공(10a)이 구비되어, 관통공(10a)의 하측에 배치된 두께 센서(500)로부터 웨이퍼(W)와 리테이너 링(123)에 와전류를 인가할 수 있도록 구성될 수 있다.
한편, 도6b에 도시된 바와 같이, 연마 정반(10)에는 두께 센서(50)가 위치 고정되어, 회전하는 연마 패드(11)와 함께 두께 센서(50)가 회전하면서, 웨이퍼(W)를 통과하는 궤적을 따라 와전류 출력 신호를 수신하도록 구성될 수도 있다.
도면에는 두께 센서(50, 500)가 관통공(10a)의 하측과 연마 정반(10)에 위치 고정된 구성을 모두 예시하고 있지만, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면 두께 센서(50, 500)는 관통공(10a)의 하측과 연마 정반(10) 중 어느 하나에만 설치될 수도 있다.
상기 연마 헤드(100)는 도6a에 도시된 바와 같이, 외부로부터 회전 구동되는 본체부(122)와, 본체부(122)와의 사이에 압력 챔버(C)를 위치시킨 상태로 본체부(122)에 고정되는 멤브레인(121)과, 멤브레인(121)의 바닥판 둘레를 감싸는 리테이너 링(123)으로 구성된다.
여기서, 멤브레인(121)과 본체부(122)의 사이에 형성되는 압력 챔버(C)는 멤브레인 바닥판으로부터 링 형태로 돌출된 플랩에 의하여 다수로 분할된 압력 챔버를 형성한다. 그리고, 압력 조절부(125)로부터 공압 공급관(125a)을 통해 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, 리테이너 링(123)의 상측에 위치한 리테이너 챔버(123C)의 공압이 조절되면서, 도6e에 도시된 바와 같이 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 수지, 플라스틱 등과 같은 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(51, 52)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 제1두께센서(51)와, 제2단턱면(123s2)에 와전류를 생성시키는 제2두께센서(52)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(Sos1, Sos2)를 균일하게 얻을 수 있다.
그리고, 제1부재(1231)는 웨이퍼(W)의 둘레를 감싸는 형태(원주 방향을 따라 서로 이격 배치된 형태를 포함함)로 형성되면 충분하지만, 웨이퍼(W)의 둘레를 폐곡선인 링 형태로 둘러싸는 형태로 형성됨으로써, 화학 기계적 연마 공정 중에 리테이너 링(123)이 연마 헤드(100)와 함께 자전하더라도, 두께 센서(52)로부터의 와전류가 항상 각 단턱면(123s1, 123s2)에 도달하게 된다.
또한, 제2부재(1232)도 웨이퍼(W)의 이탈을 방지하기 위하여 웨이퍼(W)의 둘레를 감싸는 형태(원주 방향을 따라 서로 이격 배치된 형태를 포함함)로 형성되면 충분하지만, 연마 패드(11)와의 일정한 접촉면을 유지하기 위하여 링 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 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(Sos1, Sos2)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 연마 헤드(100)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(51, 52)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(Sos1, Sos2; 예를 들어, 공진 주파수이거나 합성 임피던스)를 와전류 센서(51, 52)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(Sos1, Sos2)를 실시간으로 수신하여 얻어진 서로 다른 2개의 출력 신호(Sos1, Sos2)로부터, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드(11)의 마모에 따른 두께 감소량을 실시간으로 검출할 수 있는 잇점이 얻어진다.
한편, 리테이너 링(123)의 제1부재(1231)의 저면에 형성되는 제1단턱면(123s1)과 제2단턱면(123s2)은 도6f에 도시된 리테이너 링(123')에서와 같이, 서로 끼워지는 요철 형태로 형성될 수 있다. 이를 통해, 제1부재(1231)와 제2부재(1232)의 결합을 정해진 위치에서 틀어지지 않고 보다 정확하고 용이하게 할 수 있는 잇점을 얻을 수 있다.
상기 와전류 센서(50)는 n번 감긴 중공 나선의 형상인 센서 코일(미도시)이 구비되어 제어부(90)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(50)는, 연마 헤드(100)의 바깥 위치(Pe)에서 와전류를 발생시켜 출력 신호를 수신하고, 리테이너 링(123)의 제1단턱면(123s1)의 하측 위치(Pr)에서 와전류를 발생시켜 제3-1출력 신호(So31)를 수신하고(도면에는 편의상 도면부호 51로 표시됨), 리테이너 링(123)의 제2단턱면(123s2)의 하측 위치(Pr)에서 와전류를 발생시켜 제3-2출력 신호(So32)를 수신하며(도면에는 편의상 도면부호 52로 표시됨), 웨이퍼(W)의 연마층 하측(Pc)에서 와전류를 발생시켜 제2출력 신호(So2)를 수신한다. 도면에는 3개의 와전류 센서(51, 52, 53; 50)가 별개로 설치되어 있지만, 하나의 두께 센서(50)가 각각의 3개의 위치에서 신호를 발진하고 수신할 수 있는 하나의 와전류 센서로 구성될 수도 있다.
와전류 센서(50, 500)에서 수신되는 출력 신호는 도전성 재료가 없는 경우에는 합성 임피던스의 감소분이 없으므로 원칙적으로 기준값(default) 또는 제로(0)로 측정되며, 도전성 재료가 있는 경우에는 합성 임피던스의 감소분에 의해 기준값 또는 제로로부터 합성 임피던스 감소분 만큼 줄어든 크기로 출력된다. 예를 들어, 와전류 센서(50, 500)의 출력값은 전압(voltage)로 표시될 수 있다.
상기 제어부(90)는 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 동안에 와전류 센서(50)에 교류 전류를 인가하여 센서 코일을 통하여 고주파 전류가 흐르면서, 웨이퍼 연마층(Le)에서 수신한 출력 신호(So)로부터 웨이퍼 연마층(Le)의 두께를 산출한다.
이를 위하여, 먼저 도6a에 도시된 바와 같이, 연마 헤드(100)의 멤브레인(121) 바닥판 하측에 웨이퍼(W)를 위치시키지 않은 상태로, 두께 센서(50)가 연마 헤드(100)의 하측을 통과하여 제1출력신호(So1)를 수신한다(S110).
여기서, 제1출력신호(So1)는 연마 헤드(100)를 통과하는 동안에 도전성 재질이 없으므로, 연마 헤드(100)의 리테이너 링(123)의 제1부재(1231)에서만 와전류가 유도되면서, 이에 따른 합성 임피던스의 감소로 인하여 리테이너 링(123)의 하측에만 제1출력신호(So1)가 각 단턱면(123s1, 123s2)에서 낮은 값(Sos1, Sos2)을 갖게 된다.
그리고, 리테이너 링(123)의 하측 위치(Pr) 이외의 영역에서 두께 센서(50)에 수신된 제1출력신호(So1)는 도6a에 도시된 바와 같이 편평한 형태로 나타나고, 두께 센서(50) 및 그 밖의 주변 구성 요소들과의 조합에 의해 나타나는 오프셋값(off)이 나타나게 된다. 두께 센서(50)에서 얻어진 제1출력신호(So1)는 제어부(90)로 전송된다.
각각의 두께 센서(50)에 의하여 제1출력신호(So1)를 통해 각 센서(50)의 오프셋값(off)이 얻어지면, 연마 헤드(100)의 멤브레인(121)의 하측에 웨이퍼(W)를 위치시킨 상태로, 도6b에 도시된 바와 같이 화학 기계적 연마 공정이 행해진다(S120).
화학 기계적 연마 공정이 행해지는 동안에, 다수의 두께 센서(50, 500)는 리테이너 링(123)의 제1단턱면(123s1)과 제2단턱면(123s2)의 하측에 위치하거나 하측을 통과하고, 웨이퍼(W)의 하측에 위치하거나 하측을 통과한다. 이 과정에서, 두께 센서(50, 500)에서는 제2출력신호(So2)를 수신하게 된다(S130).
도6c에 도시된 바와 같이, 상기 제2출력신호(So2)는 두께 센서(50)의 상측에 도전성 소재가 없는 위치(Pe)에서는 오프셋값(off)에 대응하는 신호가 되고, 상측에 제1부재(1231)나 웨이퍼의 연마층(Le)과 같이 도전성 소재가 있는 위치(Pr, Pc)에서는 도전성 소재의 두께 정보를 담은 신호값(Sow)으로 된다.
그리고, 두께 센서(50, 500)에서 수신된 제2출력신호(So2)는 제어부(90)로 전송된다.
따라서, 제어부(90)는 제1출력신호(So1)와 제2출력신호(So2)를 두께 센서(50, 500)로부터 수신한 후에, 웨이퍼 연마층(Le)의 두께 정보만을 추출하기 위하여, 제2출력신호(So2)로부터 제1출력신호(So1)를 차감하여 오프셋값(off)을 배제하고 웨이퍼 연마층(Le)의 두께 정보만을 함유한 보상 출력 신호(SoC)를 생성한다.
그리고, 보상출력신호(SoC)로부터 웨이퍼 연마층(Le)의 두께(te)가 제어부(90)에 의해 얻어진다(S140).
한편, 도6d에는 제1출력신호(So1)와 제2출력신호(So2)의 리테이너 링(123) 영역의 신호 크기가 동일한 것으로 단순화되어 표시되었지만, 화학 기계적 연마 공정이 행해지면서, 연마 패드(11)의 마모에 따른 두께 감소에 의하여, 리테이너 링(123)이 위치한 영역에서 제2출력신호(So2)의 값은 제1출력신호(So1)의 값과 차이가 생기게 된다.
다시 말하면, 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 동안(S120)에, 리테이너 링(123)의 하측에 위치하거나 하측을 통과하는 두께 센서(50, 이하에서 편의상 각각 제1두께센서(51)와 제2두께센서(52)로 명명함)에 교류 전류를 인가하면, 제1두께센서(51)와 제2두께센서(52)로부터 도전성 소재로 형성된 리테이너 링(123)의 제1단턱면(123s1)과 제2단턱면(123s2)에 와전류가 발생하도록 자속의 형태인 입력 신호(Si)가 인가된다(S151).
이 때, 연마 헤드(100)의 리테이너 링(123)의 제2부재(1232)는 플라스틱, 수지 등의 비도전성 소재로 형성되므로, 제1두께센서(51)와 제2두께센서(52)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, 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, 단계 S151과 동시에, 제1두께센서(51) 및 제2두께센서(52)에서는 제1단턱면(123s1)과 제2단턱면(123s2)에서 발생된 와전류로부터 공진주파수나 리액턴스 성분과 저항성분을 포함하는 합성 임피던스를 제3-1출력 신호(So31)와 제3-2출력신호(So32)로 와전류 센서(51, 52)에서 수신하고, 제어부(90)는 수신된 출력 신호(So31, So32)를 전송받아 연마 패드(11)의 마모에 따른 제1단턱면(123s1)과 제2단턱면(123s2)의 이동량을 출력 신호(So31, So32)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(S152).
따라서, 제어부(90)는 리테이너 링(123)의 각 단턱면(123s1, 123s2)으로부터의 출력 신호(So31, So32)로부터 연마 패드(11)의 두께 변동치를 S152에 의하여 실시간으로 얻을 수 있으므로, S140에서 얻어진 웨이퍼 연마층(Le)의 두께값을 보정하여, 연마 패드(11)의 두께 변동치와 센서(50, 500) 및 주변 구성 요소에 따른 오프셋값(off)이 모두 보정된 정확한 웨이퍼 연마층(Le)의 두께값을 얻을 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다(S160).
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
100: 연마 헤드 121: 멤브레인
122: 본체부 123: 리테이너 링
123s1: 제1단턱면 123s2: 제2단턱면
50, 500: 와전류 센서 90: 제어부

Claims (14)

  1. 도전성 재질의 연마층이 형성된 웨이퍼의 화학 기계적 연마 장치로서,
    상면에 연마 패드가 입혀지고 자전하는 연마 정반과;
    화학 기계적 연마 공정 중에 상기 웨이퍼의 판면에 접촉하여 가압하는 연마 헤드와;
    상기 웨이퍼에 와전류 신호를 인가하여 상기 웨이퍼의 두께 정보를 얻는 두께 센서와;
    상기 웨이퍼가 상기 연마헤드에 장착되지 아니한 화학 기계적 공정이 행해지기 이전 상태에서 상기 두께 센서에 의하여 상기 연마 헤드의 저면으로부터 제1출력신호를 수신한 후, 상기 웨이퍼가 상기 연마헤드에 장착되어 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 상태에서 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 두께 센서로부터 제2출력신호를 수신하여, 상기 제2출력신호로부터 상기 제1출력신호를 차감한 신호로부터 상기 웨이퍼의 두께 분포를 얻는 제어부를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 연마 헤드에는,
    상기 웨이퍼의 주위에 서로 다른 높이를 갖는 제1단턱면과 제2단턱면이 형성되고 도전성 소재로 형성된 제1부재와, 상기 제1부재의 하측에 비도전성 부재로 적층 형성되어 상기 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 연마 패드에 접촉하는 제2부재를 포함하여 이루어지고, 멤브레인의 둘레에 배치된 리테이너 링을 구비한 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1단턱면과 상기 제2단턱면은 각각 수평한 평탄면으로 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제1단턱면과 상기 제2단턱면의 높이 편차는 원주 방향 전체에 걸쳐 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 제1단턱면과 상기 제2단턱면은 각각 링 형태로 형성되어 중심으로부터 반경 방향으로 서로 다른 길이에 분포된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 제1부재는 금속 소재로 형성되고, 상기 제2부재는 수지, 플라스틱 중 어느 하나 이상의 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  9. 제 4항에 있어서,
    상기 두께 센서는 3개 이상 배치되어, 상기 웨이퍼와 상기 제1단턱면과 상기 제2단턱면에서의 출력 신호를 각각 수신하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  10. 제 4항에 있어서,
    상기 제1부재는 링 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2부재는 링 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치
  12. 도전성 재질의 연마층이 형성된 웨이퍼의 화학 기계적 연마 방법으로서,
    상기 웨이퍼의 주위에 도전성 소재로 형성되고 상기 연마층에 비하여 보다 두껍게 형성된 제1부재와, 상기 제1부재의 하측에 비도전성 부재로 형성되어 연마 패드에 접촉하는 제2부재를 포함하는 리테이너 링을 구비한 연마 헤드로 상기 웨이퍼를 하측에 위치시킨 상태로 연마 패드를 향하여 가압하면서 연마하는 웨이퍼 연마 단계와;
    상기 웨이퍼가 상기 연마헤드에 장착되지 아니한 화학 기계적 공정이 행해지기 이전 상태에서, 상기 연마헤드의 저면으로부터 상기 웨이퍼의 두께 정보를 얻는 두께 센서로부터 제1출력신호를 수신하는 제1출력신호 수신단계와;
    상기 웨이퍼가 상기 연마헤드에 장착되어 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 상태에서, 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 두께 센서로부터 제2출력신호를 수신하는 제2출력신호 수신단계와;
    상기 제2출력신호로부터 상기 제1출력신호를 차감한 신호로부터 상기 웨이퍼의 두께 분포를 얻는 연마층 두께산출단계를; 포함하되,
    상기 두께 센서는 상기 연마층에 와전류를 인가하는 와전류 센서인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
  13. 삭제
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 제1부재는 상기 웨이퍼의 주위에 서로 다른 높이를 갖는 제1단턱면과 제2단턱면이 형성되고 도전성 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 방법.
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