KR102045094B1 - 개선된 마찰 측정을 이용한 기판 연마 종료점 검출을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

기판을 연마하기 위한 방법, 장치 및 시스템이 개시된다. 장치는 상부 플래튼; 상부 플래튼에 연결된 토크/스트레인 측정 계기; 및 토크/스트레인 측정 계기에 연결되고 토크/스트레인 측정 계기를 통해 회전하도록 상부 플래튼을 구동하도록 구성된 하부 플래튼을 포함한다. 다른 실시예들에서, 장치는 제1 캐리지; 제1 캐리지에 연결된 측력 또는 측변위 측정 계기; 및 측력 또는 측변위 측정 계기에 연결된 제2 캐리지를 포함하고, 제1 캐리지 및 제2 캐리지 중 하나는 연마 헤드를 지지하도록 구성된다. 다수의 추가적인 양태가 개시된다.

Description

개선된 마찰 측정을 이용한 기판 연마 종료점 검출을 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR SUBSTRATE POLISHING END POINT DETECTION USING IMPROVED FRICTION MEASUREMENT}

<관련 출원>

본 발명은 2011년 11월 16일에 출원되고 발명의 명칭이 "개선된 마찰 측정을 이용한 기판 연마 종료점 검출을 위한 시스템 및 방법(SYSTEMS AND METHODS FOR SUBSTRATE POLISHING END POINT DETECTION USING IMPROVED FRICTION MEASUREMENT)"인 미국 가출원 제61/560,793호, 및 2012년 4월 28일에 출원되고 발명의 명칭이 "개선된 마찰 측정을 이용한 기판 연마 종료점 검출을 위한 시스템 및 방법(SYSTEMS AND METHODS FOR SUBSTRATE POLISHING END POINT DETECTION USING IMPROVED FRICTION MEASUREMENT)"인 미국 특허 출원 제13/459,079호에 관련되고, 그들의 우선권을 주장하며, 그들 각각의 전체 내용이 참조에 의해 여기에 포함된다.

<기술분야>

본 발명은 일반적으로 전자 디바이스 제조에 관한 것이고, 더 구체적으로는 반도체 기판 연마 시스템 및 방법에 관한 것이다.

기판 연마 종료점 검출 방법은 충분한 기판 재료가 제거된 때를 결정하기 위해, 연마 헤드 내에 유지되어 있는 기판에 대하여 연마 패드를 회전시키는 데에 요구되는 토크(torque)의 추정치를 이용할 수 있다. 기존의 기판 연마 시스템들은 전형적으로 기판에 대하여 패드를 회전시키는 데에 요구되는 토크의 양을 추정하기 위해, 액추에이터로부터의 전기 신호(예를 들어, 모터 전류)를 이용한다. 본 발명의 발명자들은, 일부 상황들에서는 그러한 방법이 종료점에 도달한 때를 일관되게 결정할 정도로 충분히 정확하지 않을 수 있다고 판단하였다. 따라서, 기판 연마 종료점 검출 분야에서 개선이 필요하다.

제1 실시예에서, 기판을 연마하기 위한 장치가 제공된다. 장치는 제1 캐리지(carriage); 제1 캐리지에 연결된 측력 측정 계기(side force measurement instrument); 및 측력 측정 계기에 연결된 제2 캐리지를 포함하고, 제1 캐리지 및 제2 캐리지 중 하나는 연마 헤드를 지지하도록 구성된다.

일부 다른 실시예들에서, 기판의 화학-기계적 평탄화를 위한 시스템이 제공된다. 시스템은 기판을 유지하도록 구성된 연마 헤드 어셈블리; 및 연마 헤드 내에 유지된 기판에 대하여 연마 패드를 유지하고 회전시키도록 구성된 연마 패드 지지체를 포함하고, 연마 헤드 어셈블리는, 제1 캐리지, 제1 캐리지에 연결된 측력 측정 계기, 측력 측정 계기에 연결된 제2 캐리지, 및 제1 캐리지 및 제2 캐리지 중 하나에 연결되고 기판을 유지하도록 구성된 연마 헤드를 포함한다.

또 다른 실시예들에서, 기판을 연마하는 방법이 제공된다. 방법은 연마 패드를 지지하는 플래튼(platen)을 회전시키는 단계; 측력 측정 계기를 통해 제1 캐리지를 제2 캐리지에 연결하는 단계 - 제1 캐리지 및 제2 캐리지 중 하나는 기판을 유지하도록 구성된 연마 헤드를 지지하도록 구성됨 - ; 기판을 유지하고 있는 연마 헤드를 플래튼 상의 연마 패드에 적용(apply)하는 단계; 및 기판이 연마될 때 기판 상의 측력의 양을 측정하는 단계를 포함한다.

다른 실시예들에서, 기판을 연마하기 위한 장치가 제공된다. 장치는 제1 캐리지, 제1 캐리지에 연결된 변위 측정 계기(displacement measurement instrument); 및 변위 측정 계기에 연결된 제2 캐리지를 포함하고, 제1 캐리지 및 제2 캐리지 중 하나는 연마 헤드를 지지하도록 구성된다.

또 다른 실시예들에서, 기판의 화학-기계적 평탄화를 위한 시스템이 제공된다. 시스템은 기판을 유지하도록 구성된 연마 헤드 어셈블리 - 연마 헤드 어셈블리는, 제1 캐리지, 제1 캐리지에 유연하게(flexibly) 연결된 제2 캐리지, 제1 캐리지와 제2 캐리지 사이의 측변위(side displacement)를 측정하도록 구성된 측변위 측정 계기(side displacement measurement instrument), 및 제1 캐리지 및 제2 캐리지 중 하나에 연결되고 기판을 유지하도록 구성된 연마 헤드를 포함함 - ; 및 연마 헤드 내에 유지된 기판에 대하여 연마 패드를 유지하고 회전시키도록 구성된 연마 패드 지지체를 포함한다.

또 다른 실시예들에서, 기판을 연마하는 방법이 제공된다. 방법은 연마 패드를 지지하는 플래튼을 회전시키는 단계; 제1 캐리지를 제2 캐리지에 유연하게 연결하는 단계 - 제1 캐리지 및 제2 캐리지 중 하나는 기판을 유지하는 연마 헤드를 지지하도록 구성됨 - ; 기판을 유지하는 연마 헤드를 플래튼 상의 연마 패드에 적용하는 단계; 및 기판이 연마될 때, 측변위 측정 계기를 통해, 제1 캐리지와 제2 캐리지 기판 사이의 측변위의 양을 측정하는 단계를 포함한다. 다수의 다른 양태가 제공된다. 본 발명의 다른 특징 및 양태들은 이하의 상세한 설명, 첨부된 청구항들 및 첨부 도면들로부터 더 완전하게 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기판 연마 시스템의 플래튼 회전 부분의 측부 정면도이다.
도 2a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 기판 연마 시스템의 플래튼 회전 부분의 일부분의 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 기판 연마 시스템의 플래튼 회전 부분의 일부분의 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 기판 연마 시스템의 플래튼 회전 부분의 일부분의 단면도이다.
도 3b는 본 발명의 제4 실시예에 따른 기판 연마 시스템의 플래튼 회전 부분의 일부분의 단면도이다.
도 3c는 본 발명의 제5 실시예에 따른 기판 연마 시스템의 플래튼 회전 부분의 일부분의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3, 제4 및 제5 실시예에 따른 굴곡부들(flexures)에 의해 지지되는 상부 플래튼의 상면도이다.
도 5는 본 발명의 제3, 제4 및 제5 실시예에 따른 굴곡부의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따라 기판을 연마하는 예시적인 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 기판 연마 시스템의 실시예를 이용하여 기판이 연마될 때, 시간에 따라 토크를 측정한 것의 실험 결과들의 그래프이다.
도 8a는 본 발명의 측력 측정 실시예들에 따른 기판 연마 시스템의 예시적인 연마 헤드 어셈블리의 측부 정면도이다.
도 8b는 연마 동안 연마 패드 상에 위치되는 기판의 상면도로서, 본 발명의 실시예들에 따라 기판 상의 측력 및 패드의 회전을 보여준다.
도 9a는 본 발명의 실시예들에 따른 대안적인 기판 연마 시스템의 예시적인 연마 헤드 부분의 측부 정면도이다.
도 9b는 연마 동안 연마 패드 상에 위치되는 2개의 기판의 상면도로서, 본 발명의 실시예들에 따라 기판 상의 측력 및 패드의 회전을 보여준다.
도 10a는 본 발명의 제2 측력 측정 실시예에 따른 기판 연마 시스템의 연마 헤드 어셈블리의 단면도이다.
도 10b는 본 발명의 제3 측력 측정 실시예에 따른 기판 연마 시스템의 연마 헤드 어셈블리의 단면도이다.
도 10c는 본 발명의 제4 측력 측정 실시예에 따른 기판 연마 시스템의 연마 헤드 어셈블리의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일부 실시예들에 따라 기판을 연마하는 대안적인 예시적인 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 측변위 측정 실시예에 따른 기판 연마 시스템의 연마 헤드 어셈블리의 측단면도이다.

연마 패드 지지 플래튼을 구동하기 위해 이용되는 모터로부터 취해지는 전기 신호들(예를 들어, 전류, 전압, 전력 등)을 이용하여, 연마 헤드 내에 유지되어 있는 기판에 대하여 연마 패드를 회전시키는 데에 요구되는 토크의 양을 추정하는 기존의 기판 연마 시스템(예를 들어, 화학-기계적 평탄화(CMP) 시스템)은 다수의 에러 소스로 인해 일부 상황들에서는 부정확할 수 있다. 이러한 에러 소스들 중 일부는 액추에이터 고유 특성 변동(예를 들어, 권수(windings) 및 자석에 있어서의 변동), 전송 컴포넌트 허용오차(transmission component tolerances)(예를 들어, 기어박스, 벨트, 풀리(pulleys) 등), 베어링 마찰, 및 온도 변동을 포함한다.

본 발명의 실시예들은 연마 시스템 내의 연마 헤드 내에 유지되는 기판에 대하여 연마 패드를 회전시키는 동안 겪게 되는 마찰을 정확하게 결정하기 위한 개선된 방법 및 장치를 제공한다. 다른 양태에서, 본 발명의 실시예들은 연마 패드를 지지하는 플래튼과 인-라인으로 및/또는 인접하여 직접적인 토크 및/또는 스트레인(strain) 측정 계기를 추가함으로써, 상술한 에러 소스들을 최소화하거나 회피하는 방법들을 제공한다. 인-라인 토크/스트레인 측정 계기는 연마 헤드 내에 유지된 기판에 대하여 연마 패드를 회전시키는 데에 필요한 물리량(예를 들어, 회전력의 양)을 직접 측정한다. 측정 지점을 연마 패드 지지 플래튼에 직접 인-라인으로 및/또는 인접하여 이동시키면, 드라이브 트레인(drive train) 내의 컴포넌트들로부터의 에러가 최소화된다.

일부 실시예들에서, 하부 플래튼(예를 들어, 액추에이터에 견고하게 연결된 구동 컴포넌트) 및 상부 플래튼(예를 들어, 연마 패드를 유지하는 구동 컴포넌트)를 연결하는 하나 이상의 지지체가 추가된다. 이러한 지지체들은 상부 플래튼을 구동하기 위해 하부 플래튼을 회전시킴으로써 생성되는 추력(thrust), 방사상(radial) 및 모멘트(moment) 로드를 견디면서도, 상부 플래튼이 하부 플래튼에 대하여 이동하기 위한 하나의 자유도(예를 들어, 회전)만을 허용하도록 구성된다. 액추에이터의 구동 토크는 (하부 플래튼을 구동하는 것으로부터) 토크/스트레인 측정 계기를 지나 상부 플래튼에 전달된다. 연마 헤드의 로드가 상부 플래튼에 유지되어 있는 연마 패드에 적용될 때, 토크/스트레인 측정 계기는 연마 헤드 로드를 극복하고 상부 플래튼의 회전을 유지하는 데에 필요한 추가 토크를 측정하기 위해 이용될 수 있다.

지지체는 또한 상부 플래튼 및 하부 플래튼에 적용될 수 있는 차동 토크 량(differential amount of torque)을 제한함으로써 스트레인 측정 디바이스에 대한 보호의 역할을 한다. 일부 실시예들에서, 지지체는 예를 들어 이하의 유형들의 베어링: 에어 베어링, 유체 베어링, 자기 베어링, 딥 그루브 베어링(deep groove bearing), 앵귤러 컨택트 베어링(angular contact bearing), 롤러 베어링(roller bearing) 및/또는 테이퍼드 크로스-롤러 베어링(tapered cross-roller bearing)의 임의의 조합일 수 있다. 일부 실시예들에서, 지지체는 대안적으로는 예를 들어 굴곡부(flexure)로 이루어진 피벗(pivot)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 스트레인 측정 디바이스는 예를 들어 피벗/굴곡부 상의 토크 센서, 인-라인 로드 엔드 로드 셀(in-line rod end load cell), 또는 스트레인 게이지일 수 있다. 일반적으로, 임의의 적절하고 실현가능한 지지체 및/또는 스트레인 측정 디바이스가 이용될 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들은 연마 패드를 지지하는 플래튼에 인-라인으로 및/또는 인접하여 토크 및/또는 스트레인을 측정하는 대신에, 연마 헤드 내의 기판에 인가되는 측력을 측정하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 측력 측정 계기는 연마 헤드를 지지하는 상부 및 하부 캐리지 사이에 배치될 수 있다. 여기에서 이용될 때, 제1 캐리지는 상부 캐리지 또는 하부 캐리지 중 처음 것을 지칭하고, 제2 캐리지는 상부 캐리지와 하부 캐리지 중 다른 것을 지칭한다. 연마 패드가 연마 헤드 내의 기판을 밀 때, 측력 측정 계기는 기판과 연마 패드 사이의 마찰에 비례하는 힘을 직접 측정할 수 있다. 종래의 실시예들에서와 마찬가지로, 기판을 회전하는 연마 패드 내로 누름으로써 생성되는 추력, 방사상 및 모멘트 로드들을 견디기 위해, 한 방향으로만 제한된 움직임을 허용하는 지지체들이 이용될 수 있다. 또한, 지지체들은 측방향 이동의 양을 제한함으로써 측력 측정 계기를 보호할 수 있다.

종래의 실시예들과 마찬가지로, 측력 측정 실시예를 위한 지지체는 예를 들어 이하의 유형들의 베어링: 에어 베어링, 유체 베어링, 자기 베어링, 딥 그루브 베어링, 앵귤러 컨택트 베어링, 롤러 베어링 및/또는 테이퍼드 크로스-롤러 베어링의 임의의 조합일 수 있다. 일부 실시예들에서, 지지체는 대안적으로는 예를 들어 굴곡부(flexure)로 이루어진 피벗(pivot)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 스트레인 측정 디바이스는 예를 들어 피벗들/굴곡부들 상의 스트레인 게이지들, 토크 센서, 또는 인-라인 로드 엔드 로드 셀(in-line rod end load cell)일 수 있다.

일부 실시예들에서, 연마 동안 제1 캐리지와 제2 캐리지 사이에서 변위가 측정될 수 있는 장치, 시스템 및 방법이 제공된다. 측변위 측정 계기는 제1 캐리지와 제2 캐리지 사이에 배치될 수 있으며, 제1 캐리지 및 제2 캐리지 중 하나가 연마 헤드를 지지한다. 연마 패드가 연마 헤드 내의 기판을 밀 때, 측변위 측정 계기는 기판과 연마 패드 사이의 마찰에 비례하는 캐리지들 간의 변위를 직접 측정할 수 있다. 종래의 실시예들에서와 마찬가지로, 기판을 회전하는 연마 패드 내로 누름으로써 생성되는 추력, 방사상 및 모멘트 로드들을 견디기 위해, 한 방향으로만 제한된 움직임을 허용하는 지지체들이 이용될 수 있다. 또한, 지지체는 측방향 이동의 양을 제한함으로써 측력 측정 계기를 보호할 수 있다. 지지체는 굴곡부일 수 있다. 일반적으로, 임의의 적절하고 실현가능한 지지체 및/또는 힘, 스트레인 및 변위 측정 디바이스가 이용될 수 있다.

연마 헤드 내의 기판 상의 측력을 측정하고 모니터링하는 것은, 연마 종료점과 같은 하나 이상의 연마 스테이지를 결정하기 위해 이용될 수 있다. 상대적인 마찰량에서의 변화에 기초하여 측력 또는 변위를 모니터링하는 것은, 연마 패드를 지지하는 플래튼들 내의 토크를 모니터링하는 것에 비해 유리할 수 있다. 예를 들어, 하나의 연마 패드를 이용하여 상이한 연마 헤드들 내의 둘 이상의 기판을 동시에 연마하는 CMP 시스템에서, 각각의 기판 상의 측력을 모니터링하면, (예를 들어, 연마 종료점이 도달된 때와 같이) 하나 이상의 연마 스테이지의 독립적인 결정이 가능해진다.

도 1을 보면, 기판 연마 시스템(100)의 플래튼 회전 부분이 도시되어 있다. 상부 플래튼(102)은 CMP 처리 동안 회전되면서 연마 패드(101)를 지지하도록 구성된다. 상부 플래튼(102)은 처리 동안 연마 패드(101)를 견고하게 유지하기 위해 척(chuck), 접착제, 또는 다른 메커니즘을 포함할 수 있다. 상부 플래튼(102)은 베이스 플레이트(106)에 의해 지지되는 하부 플래튼(104)에 유연하게 연결되고 그것에 의해 구동된다. 베이스 플레이트(106)는 또한 이하에 논의되는 시스템(100)의 다른 부분들을 지지한다. 풀리(pulley)(108A)는 벨트(110)를 통해 하부 플래튼(104) 및 풀리(108B)에 연결된다. 풀리(108B)는 베이스 플레이트(106)에 연결되고 그에 의해 지지되는 브래킷(114)에 의해 지지되는 기어 박스(112)에 연결된다. 액추에이터(116)(예를 들어, 모터)도 기어 박스(112)에 연결된다. 액추에이터(116)는 제어기(118)에 전기 연결된다. 따라서, 하부 플래튼(104)은 기어 박스(112), 풀리(108A, 108B) 및 벨트(110)를 통해 액추에이터(116)에 연결되어, 액추에이터(116)가 제어기(118)의 제어 하에서 시스템(100)을 구동할 수 있게 된다. 일부 실시예들에서, 액추에이터(116), 및 기판(122)을 유지하는 연마 헤드(120)(팬텀으로 도시됨)는 프로그래밍된 범용 컴퓨터 프로세서 및/또는 전용 내장형 제어기일 수 있는 제어기(118)의 제어 하에서 동작하고 기능할 수 있다.

통상의 지식을 가진 자는, 액추에이터(116)와 하부 플래튼(104) 사이에 보여진 연결(linkage)이 예시에 지나지 않음을 알아차릴 것이다. 다수의 상이한 구성이 도시된 컴포넌트들을 대체할 수 있다. 예를 들어, 액추에이터(116)는 하부 플래튼(104)에 직접 연결된 직접 구동 모터(direct drive motor)일 수 있다. 기어 박스(112)는 풀리(108B)가 액추에이터(116)에 의해 회전되는 속도(예를 들어, RPM(revolutions per minute))를 CMP 프로세스를 위한 적절한 속도로 조절하는 데에 유용하지만, 일부 실시예들에서는 적절한 속도에서 동작하도록 미리 구성되어 있는 액추에이터가 선택될 수 있다. 따라서, 하부 플래튼(104)을 구동하는 임의의 실현가능한 수단이 이용될 수 있다.

동작 시에, 액추에이터(116)는 시스템 관리자(예를 들어, 소프트웨어 명령어를 실행하는 제어기(118), 컴퓨터 프로세서 등)의 제어 하에서 하부 플래튼(104)을 구동하여, CMP 프로세스에 적합한 요구되는 속도에서 회전시킨다. 이하에 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 상부 플래튼과 하부 플래튼 사이의 유연한 연결로 인해, 하부 플래튼(104)의 회전은 상부 플래튼(102)의 회전을 유도한다. 상부 플래튼(102) 상의 연마 패드(101)는 연마 패드(101) 상에 하향력(downward force)을 인가하는 연마 헤드(120)(점선으로 도시됨) 내에 유지된 기판(122)에 대하여 회전된다. 연마 헤드(120)의 하향력은 상부 플래튼(102)의 회전에 대한 저항을 만들어낸다. 그 저항은 하부 플래튼(104)을 회전시키는 액추에이터(116)에 의해 극복된다. 연마 헤드(120)에 의해 유도되는 저항을 극복하는 데에 요구되는 토크의 양은 토크/스트레인 측정 계기(도 1에는 보이지 않지만, 도 2를 참조)를 이용하여 측정된다. 기판(122)이 연마되고 재료가 제거됨에 따라, 회전에 대한 저항의 양이 변화한다. 상이한 재료들은 상이한 마찰 계수들을 가질 수 있으며, 연마되는 재료 층에 따라, 플래튼들(102, 104)을 회전시키는 데에 요구되는 토크의 양이 달라질 수 있다. 연마가 중지되는 종료점은 미리 정의된 양의 토크 또는 토크의 변화에 대응할 수 있으며, 이것은 토크/스트레인 측정 계기에서 측정된다. 일부 실시예들에서, 플래튼들(102, 104)을 회전시키는 데에 요구되는 토크의 양에 있어서의 임계 변화량은 연마 프로세스의 종료점을 표현할 수 있다. 재료에 따라, 종료점 임계 변화량은 요구되는 토크량의 감소 또는 토크량의 증가 중 하나일 수 있음에 유의해야 한다. 시간의 함수로서의 토크 변화의 예가 이하에서 도 7을 참조하여 설명된다.

도 2a를 보면, 기판 연마 시스템(200A)의 실시예의 일부분의 단면도가 도시되어 있다. 상부 플래튼(102)은 지지체들(202)에 의해 하부 플래튼(104) 위에 지지된다. 상부 플래튼(102)도 커플링(coupling)(204)을 통해 토크 센서(206)에 연결되는데, 이것은 도 2a의 실시예에서 토크/스트레인 측정 계기의 역할을 한다. 하부 플래튼(104)은 베이스 플레이트(106) 상의 베어링들(208)에 의해 지지되며, 그 위에서 회전하도록 구성된다. 풀리(108A)는 베이스 플레이트(106)를 통해 연장하는 샤프트(210)를 통해 하부 플래튼(104)에 연결된다. 일부 실시예들에서, 지지체들(202) 및 베어링들(208)은 에어 베어링, 유체 베어링, 자기 베어링, 딥 그루브 베어링, 앵귤러 컨택트 베어링, 롤러 베어링, 및/또는 크로스-롤러 베어링의 임의의 실현가능한 조합으로서 구현될 수 있다. 예를 들어, 일본 도쿄의 THK Co., LTD.에 의해 제조된 RB 시리즈 크로스-롤러 타입의 베어링(RB series cross-roller type bearings)이 이용될 수 있다. 미시건 주 앤 아버의 NSK Corporation은 이용될 수 있는 더블 테이퍼드 롤러 베어링(double tapered roller bearings)을 제조한다. 독일 Herzogenaurach의 Schaeffler Technologies GmbH & Co. KG에 의해 브랜드명 INA 하에서 제조된 XSU 시리즈 크로스 롤러-타입 베어링(XSU Series cross roller-type bearings)이 이용될 수 있다. 임의의 적절하고 실현가능한 베어링이 이용될 수 있다.

동작 시에, 지지체들(202)은 기판/캐리어와 패드/상부 플래튼 사이의 동적 상호작용에 의해 생성되는 추력, 방사상 및 오버행잉 모멘트(over-hanging moment) 로드를 견디면서도, 상부 플래튼(102)이 하부 플래튼(104)에 대하여 움직이기 위한 하나의 자유도(예를 들어, 회전)만을 허용하도록 구성된다. 액추에이터(116)(도 1)의 구동 토크는 토크/스트레인 측정 계기(이 경우에서는 토크 센서(206))를 지나 상부 플래튼(102)에 전달된다. 토크 센서(206)는 연마 헤드의 로드가 상부 플래튼(102) 상의 연마 패드에 적용될 때, 연마 헤드 로드를 극복하고 상부 플래튼(102)을 구동하는 데에 요구되는 추가 토크를 측정하도록 구성된다.

도 2b를 보면, 기판 연마 시스템(200B)의 제2 실시예의 일부분의 단면도가 도시되어 있다. 본 실시예는 커플링(204) 및 토크 센서(206)를 대신하여, 상부 플래튼(102)과 하부 플래튼(104)을 연결하는 동시에 토크/스트레인 측정 계기의 역할을 하기 위해 로드 셀(212)이 이용된다는 점을 제외하고는, 도 2a의 시스템(200A)과 유사하다. 상용화되어 있고 일부 실시예들에서 이용될 수 있는 로드 셀(212)의 예들은 오하이오주 컬럼버스의 Honeywell Inc.에 의해 제조되는 In-Line Load Cell 모델이다. 다른 실현가능한 로드 셀들이 이용될 수 있다. 예를 들어, 로드 셀 어레이가 일부 실시예들에서 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 플래튼들(102, 104) 사이에 배치된 복수의 로드 셀(212)이 이용될 수 있다.

도 3a를 보면, 기판 연마 시스템(300A)의 제3의 대안적인 실시예의 플래튼 회전 부분의 단면도가 도시되어 있다. 상부 플래튼(102)은 지지체들(예를 들어, 굴곡부들(302))에 의해 하부 플래튼(104) 위에 지지된다. 상부 플래튼(102)도 커플링(204)을 통해 토크 센서(206)에 연결되는데, 이것은 하부 플래튼(104)에 연결되고 도 3a의 실시예에서의 토크/스트레인 측정 계기의 역할을 한다. 일부 실시예들에서, 지지체들은 예를 들어 굴곡부(302)로 이루어진 피벗으로서 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 굴곡부들(302)이 이하에서 도 4 및 도 5와 관련하여 상세하게 설명된다.

도 3b를 보면, 기판 연마 시스템(300B)의 제4의 대안적인 실시예의 플래튼 회전 부분의 단면도가 도시되어 있다. 상부 플래튼(102)은 지지체들(예를 들어, 굴곡부들(302))에 의해 하부 플래튼(104) 위에 지지되고 그에 연결된다. 그러나, 도 3b의 실시예에서는, 토크 센서(206)를 대신하여, 지지체들(예를 들어, 굴곡부들(302))에 연결된 스트레인 게이지들(304)이 토크/스트레인 측정 계기의 역할을 한다. 일부 실시예들에서 이용될 수 있는 상용화되어 있는 스트레인 게이지(304)의 예는 코네티컷주 스템포드의 Omega에 의해 제조되는 KFG 시리즈 스트레인 게이지이다. 다른 실현가능한 스트레인 게이지들이 이용될 수 있다. 도 3a의 실시예에서와 같이, 일부 실시예들에서, 지지체들은 예를 들어 굴곡부(302)로 만들어진 피벗으로서 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 굴곡부들(302)이 이하에서 도 4 및 도 5와 관련하여 상세하게 설명된다.

도 3c를 보면, 기판 연마 시스템(300C)의 제5의 대안적인 실시예의 플래튼 회전 부분의 단면도가 도시되어 있다. 상부 플래튼(102)은 지지체들(예를 들어, 굴곡부들(302))에 의해 하부 플래튼(104) 위에 지지되고 그에 연결된다. 그러나, 도 3c의 실시예에서는, 스트레인 게이지들(304)을 대신하여, 플래튼들(102, 104)에 연결된 로드 셀(212)이 토크/스트레인 측정 계기의 역할을 한다. 위에서와 같이, 일부 실시예들에서 이용될 수 있는 상용화되어 있는 로드 셀(212)의 예들은 오하이오주 컬럼버스의 Honeywell Inc.에 의해 제조되는 In-Line Load Cell이다. 일부 실시예들에서, 로드 셀 어레이가 이용될 수 있다. 다른 실현가능한 로드 셀들이 이용될 수 있다. 도 3a의 실시예에서와 같이, 일부 실시예들에서, 지지체들은 예를 들어 굴곡부(302)로 만들어진 피벗으로서 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 굴곡부들(302)이 이하에서 도 4 및 도 5와 관련하여 상세하게 설명된다.

도 4를 보면, 상부 플래튼(102)의 상면도가 도시되어 있으며, 팬텀으로 도시된 예시적인 4개의 굴곡부(302)의 배열이 상부 플래튼(102)을 아래로부터 지지하고 있다. 굴곡부들은 각각 종축이 상부 플래튼(102)의 회전 중심에서 교차하도록 정렬되어 배치되어 있음에 유의해야 한다. 4개의 굴곡부(302)가 도시되어 있지만, 더 적거나(예를 들어, 3개) 더 많이(예를 들어, 5, 6, 7개 등) 이용될 수 있음에 더 유의해야 한다.

도 5를 보면, 굴곡부(302)의 예시적인 실시예가 사시도로 도시되어 있다. 예시적인 굴곡부(302)의 단면은 I-빔 형상(I-beam shape)을 갖는다. 굴곡부(302)의 상대적으로 넓은(X차원) 최상부 및 바닥은 각각 상부 플래튼(102) 및 하부 플래튼(104)에의 부착을 위한 클램핑(clamping) 또는 파스닝(fastening) 메커니즘을 포함할 수 있다. 더 일반적으로, 본 발명과 함께 이용하기에 적합한 굴곡부는 한 방향 또는 차원으로는 유연하지만 모든 다른 방향 또는 차원에서는 강성(rigid)인 소정 길이의 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 I-빔 형상의 굴곡부(302)는 더 넓은 최상부 영역과 바닥 영역 사이의 얇은 높이 차원(Z 차원)을 따라서는 구부러질 수 있지만, 다른 모든 차원에서 유연하지 않을 수 있다. 즉, 굴곡부는 (데카르트식 기준 프레임에 의해 나타낼 때) X 및 -X 방향으로는 구부러질 수 있지만, Y, -Y, Z 또는 -Z 방향에서는 구부러지지 못할 수 있다.

각각의 굴곡부(302)는 유연한 차원이 플래튼들(102, 104)의 회전 방향에 접선 방향으로(즉, 반경에 수직하게) 정렬되도록 배치될 수 있다. 즉, 굴곡부(302)의 종축 차원(예를 들어, Y축을 따름)은 도 5에 도시된 것과 같이 플래튼들(102, 104)의 회전 축에서 교차하도록 정렬된다. 따라서, 플래튼들(102, 104)을 함께 연결하는 굴곡부들(302)은, 굴곡부들(302)이 구부러지는 범위까지 플래튼들(102, 104)이 서로에 대해 약간 이동하는 것을 허용한다.

일부 실시예들에서, 굴곡부들(302)은 스테인레스 스틸, 또는 변형(deforming) 없이 굴곡될 수 있는 임의의 실현가능한 재료로 만들어질 수 있다. 적합한 굴곡부(302)를 위한 예시적인 치수들은 중앙의 얇은 영역에서는, 높이(Z 차원)에 있어서 약 0.2cm 내지 약 10cm, 길이(Y 차원)에 있어서 약 1cm 내지 약 30cm, 폭(X 차원)에 있어서 약 0.1cm 내지 약 2cm일 수 있고, 최상부 및 바닥의 두꺼운 영역에서는, 폭(X 차원)에 있어서 약 0.1cm 내지 약 5cm일 수 있다. 일부 실시예들에서, 굴곡부들(302)은 도 5에 도시된 것과 같은 굴곡부들의 넓은 차원과 좁은 차원 사이에 방사상(radiused) 또는 둥근(rounded) 접합부들(305)을 포함할 수 있다. 이러한 방사상 접합부들(305)은 굴곡부들(302)이 접합부들(305)에서의 피로로 인한 고장을 회피하는 것을 허용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 접합부들(305)의 반경은 약 0.1cm 내지 약 2cm일 수 있다. 다른 굴곡부 재료들 및/또는 치수들이 이용될 수 있다.

위에서 나타내어진 바와 같이, 일부 실시예들에서, 스트레인 게이지(304)는 굴곡부들(302) 중 하나 이상의 위에 놓여질 수 있으며, 플래튼들(102, 104) 사이의 토크 로드는 토크 센서/로드 셀 구성을 통하는 것에 더하여, 또는 그를 대신하여, 굴곡부들(302)을 이용하여 측정될 수 있다. 그러한 실시예에서, 상부 플래튼(102)과 하부 플래튼(104) 사이의 유일한 연결부는 굴곡부들(302)일 수 있다.

일부 실시예들에서, 피벗은 대안적으로 상부 플래튼(102)과 하부 플래튼(104)을 함께 연결하는 탄성 폼(foam) 또는 접착제를 이용하여 구현될 수 있다.

도 3a-3c로 되돌아가면, 동작 시에, 굴곡부들(302)을 지지체들로서 이용하면, 굴곡부들(302)은 상부 플래튼(102)을 구동하기 위해 하부 플래튼(104)을 회전시킴으로써 생성되는 추력, 방사상 및 모멘트 로드를 견디면서도, 상부 플래튼(102)이 하부 플래튼(104)에 대하여 이동하기 위한 하나의 자유도(예를 들어, 회전)만을 허용하도록 구성된다. 위에서 설명된 바와 같이, 하나의 자유도는 굴곡부들(302)에 의해 제한될 수 있음에 유의해야 한다. 액추에이터(116)(도 1)의 구동 토크는 토크/스트레인 측정 계기(도 3a에서는 토크 센서(206); 도 3b에서는 스트레인 게이지(304); 도 3c에서는 로드 셀(212))를 지나 상부 플래튼(102)에 전달된다. 연마 헤드의 로드가 상부 플래튼(102) 상의 연마 패드에 적용될 때, 토크/스트레인 측정 계기(도 3a에서는 토크 센서(206); 도 3b에서는 스트레인 게이지(304); 도 3c에서는 로드 셀(212))는 연마 헤드 로드를 극복하고 상부 플래튼(102)의 회전을 유지하는 데에 요구되는 추가의 토크를 측정하도록 구성된다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일부 실시예들에 따라 기판을 연마하는 예시적인 방법(600)을 도시하는 흐름도가 제공된다. 이하에 설명되는 예시적인 방법(600)은 컴퓨터 프로세서 또는 제어기(118)의 제어 하에서, 위에서 설명된 CMP 시스템의 실시예들 중 임의의 것을 이용하여 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어기 또는 일반적인 컴퓨터 프로세서 상에서 실행되는 소프트웨어 명령어들이 이하의 방법(600)에서 설명되는 로직을 구현하기 위해 이용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 방법(600)의 로직은 전적으로 하드웨어로 구현될 수 있다.

단계(602)에서, 액추에이터(116)는 기판을 연마하기 위한 연마 패드를 유지하고 있는 상부 플래튼(102)을 구동하기 위해 하부 플래튼(104)을 회전시킨다. 단계(604)에서, 기판을 유지하고 있는 연마 헤드가 상부 플래튼(102) 상의 연마 패드에 적용된다. 연마 패드를 이용한 재료의 제거 동안, 기판을 유지하고 있는 연마 헤드의 하향력은 플래튼들(102, 104)의 회전에 대한 저항을 생성한다. 단계(606)에서, 액추에이터(116)는 저항을 극복하기 위한 추가의 토크를 인가하고, 플래튼들(102, 104)은 서로에 대한 정상 상태 회전(steady state rotation)에 도달한다. 단계(608)에서, 토크/스트레인 측정 계기를 이용하여 추가의 토크가 측정된다. 예를 들어, 굴곡부들(302)이 지지체로서 이용되는 일부 실시예들에서, 인가되는 추가 토크의 표지로서 상대적 회전 또는 선형 변위가 측정될 수 있다. 판정 단계(610)에서, 토크 변화 임계치가 측정된 토크와 비교된다. 시간에 따라 측정된 토크의 양이 토크 변화 임계치보다 작게 변화하는 경우, 시스템(100)은 연마/재료 제거를 계속하고, 흐름은 토크가 다시 측정되는 단계(608)로 되돌아간다. 시간에 따라 측정된 토크 변화의 양이 토크 변화 임계치와 동일하거나 그보다 큰 경우, 시스템(100)은 연마 종료점이 도달되었다고 판정한다. 일부 실시예들에서, 연마 헤드 내의 기판은 상부 플래튼(102) 상의 연마 패드로부터 들어 올려진다. 일부 실시예들에서, 검출된 종료점은 단순히 하나의 재료층으로부터 제2의 재료층으로의 전이를 나타낼 수 있고, 단계(612)에서 최종 종료점이 도달될 때까지 연마가 계속될 수 있다.

도 7을 보면, 연마 프로세스 동안의 시간의 함수로서 플로팅된 토크의 예시적인 그래프(700)가 제공된다. 그래프는 본 발명의 실시예를 이용하여 달성된 실험 결과들을 나타낸다. 특정 형상이 도시되어 있지만, 그 형상은 예시에 지나지 않으며, 어떤 방식으로든 본 발명의 범위를 제한하도록 의도된 것이 아니다.

예시적인 연마 프로세스 동안, 연마 헤드 로드가 상부 플래튼(102) 상의 연마 패드에 적용된다. 하부 플래튼(104)은 로드의 저항을 극복하도록 상부 플래튼(102)을 구동한다. 연마 동안, 제1 재료가 기판으로부터 끊임없이 제거되고, 플래튼(104)을 구동하는 데에 요구되는 토크의 트렌드(trend)는 비교적 일정하게 남아있는다. 제1 재료가 소거(clear)되고, 제1 재료 아래의 제2 재료의 연마가 시작할 때, 상부 플래튼을 회전시키는 데에 요구되는 토크의 트렌드에 있어서 비교적 급작스러운 변화(702)가 검출된다. 제1 재료를 소거하는 동안의 토크의 트렌드에 있어서의 변화의 크기는 제1 및 제2 재료의 상대 경도 및/또는 밀도, 및/또는 슬러리와의 화학 반응 등과 같은 다수의 요인에 의존할 수 있으며; 제2 재료를 연마하는 동안 요구되는 토크는 제1 재료의 연마 동안 요구되는 토크보다 작을 수도 있고 클 수도 있다. 시스템(100)은 기판 상의 제1 재료와 제2 재료 사이의 전이로서, 상부 플래튼(104)을 회전시키는 데에 요구되는 토크의 변화(702)를 식별할 수 있고, (제1 재료를 제거하고 제2 재료를 남겨두는 것이 목표인 경우) 연마가 중단될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 상이한 재료 층들 사이의 소거 동안의 예시적인 토크 값들 또는 변화들의 데이터베이스가 테스트 기판들에 대해 측정될 수 있고, 제조 처리 동안의 참조를 위해 제어기(118) 내에 저장될 수 있다.

이제 도 8a 및 도 8b를 보면, 본 발명의 대안적인 실시예들에 따른 기판 연마 시스템(800)의 예시적인 연마 헤드 어셈블리가 도시되어 있다. 도 8b는 연마 동안 연마 패드(101) 상에 위치되는 기판(122)의 상면도로서, 기판(122) 상에서의 측력(814)과 패드(101)의 회전(812)을 보여주고 있다. 도 8a에 보여진 것과 같이, 연마 패드(101)는 기판(122)을 유지하는 연마 헤드(120) 아래에서 플래튼들(102, 104)에 의해 지지되고 회전된다. 연마 헤드(120)는 제1 캐리지(804)(예를 들어, 하부 캐리지)에 연결된 스핀들(spindle)(802)에 의해 지지된다. 제1 캐리지(804)는 지지체들(808)에 의해 제2(상부) 캐리지(806)에 연결된다.

일부 실시예들에서, 지지체들(808)은 굴곡부(302)(도 5) 또는 다양한 유형의 베어링(예를 들어, 롤링 요소 베어링(rolling element bearings)과 같은 선형 베어링, 유체 베어링, 자기 베어링 등)을 이용하여 구현될 수 있다. 제1 및 제2 캐리지(804, 806)는 측력 측정 계기(810), 예를 들어 로드 셀, 또는 피드백 회로를 구비한 액추에이터로 함께 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 변위 측정 계기(도 12)가 측력 측정 계기(810)를 대신하여(또는 그에 추가하여) 이용될 수 있다. 변위 측정 계기는 용량성 거리 센서, 유도성 거리 센서, 와전류 거리 센서, 레이저 거리 센서, 선형 전압 차동 변압기(LVDT: linear voltage differential transformer), 전위차계(potentiometer) 및 홀 효과 센서(Hall effect sensor) 등과 같은 임의의 유형의 거리 센서를 포함할 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 캐리지(804, 806)는 서로에 대한 상대적 움직임을 한 방향으로(예를 들어, 1 자유도) 허용하도록 유연하게 연결된다. 예를 들어, 지지체들(808)은 기판(122)이 연마 패드(101) 쪽으로 아래로 밀어질 때, 도 8b의 측력(814)의 방향으로 약간의 움직임을 허용하도록 배열될 수 있다. 그러므로, 기판(122)이 연마 패드(101) 쪽으로 밀어질 때 연마 패드(101)의 회전(812)에 의해 연마 헤드(120) 내에 유지되는 기판(122)에 인가되는 힘은 측력 측정 계기(810)에 의해 측정될 수 있다(또는 변위 측정 계기를 이용하여 결정될 수 있다).

일부 실시예들에서, 제1 및 제2 캐리지(804, 806)에 연결된 액추에이터(예를 들어, 선형 액추에이터)는 기판(122)을 연마 패드(101) 쪽으로 아래로 미는 것에 의해 생성되는 측력에 반작용하도록 구성될 수 있다. 위에서 논의된 센서들로부터의 변위, 로드 또는 스트레인 신호를 모니터링하기 위한 피드백 회로를 이용하여, 캐리지들(804, 806)의 상대적인 위치들을 유지하기 위해 액추에이터에 의해 소비되는 에너지는 임의의 주어진 순간에 인가되는 측력의 양을 결정하는 데에 이용될 수 있다. 패드와 기판 간의 마찰이 변화함에 따라, 캐리지들의 상대적 위치들을 유지하는 데에 요구되는 에너지가 변화한다. 액추에이터로부터의 피드백 신호(예를 들어, 캐리지들의 상대적 위치들을 유지하기 위해 소모되는 전류의 양)를 이용하여, 소비되는 에너지가 결정될 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 측력 측정 계기(810) 또는 변위 측정 계기 대신에, 기판과 연마 패드 사이의 마찰의 양을 결정하기 위해, 피드백 회로 및 기본 센서들을 갖는 액추에이터가 이용될 수 있다.

또한, 상부 플래튼과 하부 플래튼 사이의 토크를 측정하는 실시예들(예를 들어, 도 2a 내지 도 3c)에서, 플래튼들 사이에 연결된 피드백 회로를 갖는 액추에이터(예를 들어, 회전 액추에이터)가 토크 측정 디바이스를 대신하여 이용될 수 있다. 플래튼들의 상대적인 위치들을 유지하기 위해 액추에이터 및 피드백 회로가 이용될 수 있고, 그와 같이 하기 위해 쓰이는 에너지는 기판과 연마 패드 간의 마찰의 양을 결정하기 위해 이용될 수 있다.

마찬가지로, 상부 플래튼과 하부 플래튼 사이의 토크를 측정하는 실시예들(예를 들어, 도 2a 내지 도 3c)에서, 토크 측정치를 대신하여, 또는 그에 더하여, 상대적 변위가 측정될 수 있다. 캐리지들 간의 변위를 측정하는 실시예에서와 마찬가지로, 플래튼들 간의 변위를 측정하는 계기는 용량성 거리 센서, 유도성 거리 센서, 와전류 거리 센서, 레이저 거리 센서 등과 같은 임의의 유형의 거리 센서를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 진동을 감소시키기 위해 제동 모듈(dampening module)이 이용될 수 있다. 제동 모듈은 본 발명의 (캐리지들 간의) 측력 측정 실시예 및 (플래튼들 간의) 토크 측정 실시예 둘 다에서 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 감지/측정 계기를 보호하고 구조적 안전을 제공하기 위해 캐리지들 간의(그리고 플래튼들 간의) 상대적 움직임의 범위를 제한하는 하드 스탑(hard stops)이 이용될 수 있다.

연마 헤드(120) 상에서의 측력(814) 또는 측변위의 변화를 모니터링함으로써 연마 종료점 또는 다른 연마 스테이지를 결정하는 것은 플래튼들(102, 104) 상에서의 토크의 변화를 측정하는 것에 대한 바람직한 대안일 수 있다. 이것은 도 9a 및 도 9b에 도시된 것과 동일한 연마 패드(101) 상에서 동시에 둘 이상의 연마 헤드를 이용하는 CMP 시스템(800')에 관련하여 특히 그러할 수 있다. 예를 들어, 동시에 연마되는 2개의 기판(122, 122')은 다를 수 있고, 따라서 동일한 CMP 시스템(800')에서조차도 상이한 속도로 연마될 수 있으므로, (예를 들어, 하나 이상의 스테이지에서와 같이, 변화하는 마찰과 관련하여) 각각의 기판(122, 122')의 연마 진행을 따로따로 모니터링할 수 있는 것이 바람직하다.

이제, 도 10a, 도 10b 및 도 10c를 보면, 측력 측정을 이용하는 연마 헤드 어셈블리(1000, 1010, 1020)의 3가지의 추가의 대안적인 실시예가 도시되어 있다. 각각의 실시예에서, 측력 측정 계기를 대신하여 변위 측정 계기가 이용될 수 있다. 도 10a에서, 도 5에 도시된 것과 유사한 3개의 굴곡부(302)를 이용하여 지지체들이 구현된다. 더 많거나 더 적은 굴곡부(302)가 이용될 수 있다. 본 실시예에서, 측력 측정 계기는 굴곡부(302)에 탑재된 스트레인 게이지(1002)를 이용하여 구현된다. 도 10a에서, 각각의 굴곡부(302)마다 하나씩, 3개의 스트레인 게이지(1002)가 이용된다. 더 적은 수의 스트레인 게이지(1002)가 이용될 수 있음에 유의해야 한다.

도 10b에서, 3개의 베어링(1004)(예를 들어, 막대(rod) 상의 선형 볼 부싱 베어링(linear ball bushing bearing))을 이용하여 지지체들이 구현된다. 더 많거나 더 적은 베어링(1004)이 이용될 수 있다. 본 실시예에서, 측력 측정 계기는 베어링(1004)에 탑재된 스트레인 게이지(1002)를 이용하여 구현된다. 도 10b에서, 각각의 베어링(1004)마다 하나씩, 3개의 스트레인 게이지(1002)가 이용된다. 더 적은 수의 스트레인 게이지(1002)가 이용될 수 있음에 유의해야 한다.

도 10c에서, 3개의 베어링(1004)(예를 들어, 막대 상의 선형 볼 부싱 베어링)을 이용하여 지지체들이 구현된다. 더 많거나 더 적은 수의 베어링(1004)이 이용될 수 있다. 본 실시예에서, 측력 측정 계기는 제1 및 제2 캐리지들(804, 806) 사이에 탑재된 로드 셀(1006)을 이용하여 구현된다. 도 10c의 실시예에서는, 하나의 로드 셀(1006)이 이용된다. 더 많은 로드 셀(1006)이 이용될 수 있음에 유의해야 한다. 상용화되어 있고 일부 실시예들에서 이용될 수 있는 로드 셀(1006)의 예들은 오하이오주 컬럼버스의 Honeywell Inc.에 의해 제조되는 In-Line Load Cell 모델이다. 다른 실현가능한 로드 셀들이 이용될 수 있다. 예를 들어, 로드 셀 어레이가 일부 실시예들에서 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 복수의 로드 셀(1006)이 캐리지들(804, 806) 사이에 배치될 수 있다. 상술한 실시예들에서, 이하의 유형들의 베어링: 에어 베어링, 유체 베어링, 자기 베어링, 딥 그루브 베어링, 앵귤러 컨택트 베어링, 롤러 베어링, 선형 베어링 및/또는 테이퍼드 크로스-롤러 베어링의 임의의 조합이 이용될 수 있음에 유의해야 한다. 추가로 또는 대안적으로, 임의의 다른 실현가능한 유형의 베어링이 이용될 수 있다.

도 11을 참조하면, 본 발명의 일부 실시예들에 따라 기판을 연마하는 예시적인 방법(1100)을 도시하는 흐름도가 제공된다. 이하에 설명되는 예시적인 방법(1100)은 컴퓨터 프로세서 또는 제어기(118)의 제어 하에서, 위에서 설명된 CMP 시스템의 실시예들 중 임의의 것을 이용하여 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어기 또는 일반적인 컴퓨터 프로세서 상에서 실행되는 소프트웨어 명령어들이 이하의 방법(1100)에서 설명되는 로직을 구현하기 위해 이용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 방법(1100)의 로직은 전적으로 하드웨어로 구현될 수 있다.

단계(1102)에서, 액추에이터는 기판을 연마하기 위한 연마 패드를 유지하고 있는 플래튼을 회전시킨다. 단계(1104)에서, 기판을 유지하고 있는 연마 헤드가 플래튼 상의 연마 패드에 적용된다. 연마 패드를 이용한 재료의 제거 동안, 기판을 유지하고 있는 연마 헤드의 하향력은 플래튼의 회전에 대한 저항(예를 들어, 마찰)을 생성한다. 단계(1106)에서, 액추에이터는 저항을 극복하기 위한 추가의 토크를 인가하고, 시스템은 정상 상태 회전에 도달한다. 단계(1108)에서, 제1 캐리지와 제2 캐리지 사이(예를 들어, 상부 캐리지와 하부 캐리지 사이)에 배치된 측력 측정 계기를 이용하여, 측력에 관하여 마찰이 측정된다. 예를 들어, 굴곡부들이 지지체로서 이용되는 일부 실시예들에서, 인가되는 측력의 표지로서 상대적 변위가 측정될 수 있다. 예를 들어, 방법(1100)은 시간에 따른 변위 측정치들을 모니터링함으로써, 재료 제거량과 같은 하나 이상의 연마 스테이지를 검출하는 것을 용이하게 할 수 있다. 판정 단계(1110)에서, 측력 변화 임계치는 측정된 측력과 비교된다. 시간에 따라 측정된 측력의 양이 측력 변화 임계치보다 적게 변화하는 경우, 시스템은 연마/재료 제거를 계속하고, 흐름은 단계(1108)로 되돌아가서, 측력이 다시 측정된다. 시간에 따라 측정된 측력 변화의 양이 측력 변화 임계치와 동일하거나 그보다 큰 경우, 시스템은 단계(1112)에서 연마 종료점이 도달되었다고 판정한다. 다른 연마 스테이지들이 결정될 수 있다. 더욱이, 일부 실시예들에서는, 측변위가 측변위 측정 계기로 모니터링될 수 있다.

일부 실시예들에서, 단계(1112)에서 종료점이 도달되고 나면, 연마 헤드 내의 기판은 플래튼 상의 연마 패드로부터 들어 올려진다. 일부 실시예들에서, 검출된 종료점은 단순히 하나의 재료층으로부터 제2의 재료층으로의 전이를 나타낼 수 있고, 최종 종료점이 도달될 때까지 연마가 계속될 수 있다. 복수의 연마 헤드를 이용하는 일부 실시예들에서, 상술한 단계들(1104-1112)은 동시에 실행될 수 있지만, 상이한 연마 헤드들에 의해 독립적으로 실행될 수 있다. 즉, 제1 연마 헤드가 종료점에 도달하여 새로운 기판을 로딩할 수 있는 한편, 제2 연마 헤드는 변화 임계치에 도달하기를 기다리면서 측력 모니터링을 계속한다.

도 12를 참조하면, 기판의 화학-기계적 평탄화를 위한 시스템(1200)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 시스템(1200)은 기판(122)을 유지하도록 구성된 연마 헤드(120)를 포함한다. 연마 헤드(120)는 제1(예를 들어, 상부) 캐리지(1204), 및 제1 캐리지(1204)에 유연하게 연결된 제2(예를 들어, 하부) 캐리지(1206)를 포함한다. 유연한 연결은 제1 캐리지(1204)와 제2 캐리지(1206) 사이에 연결된 (예를 들어, 도 5의 굴곡부들(302)과 같은) 굴곡부들(1202)에 의해 달성될 수 있다. 제1 캐리지(1204)와 제2 캐리지(1206) 사이의 상대적 측변위를 측정하도록 구성된 측변위 측정 계기(1210)가 제공될 수 있다. 측변위 측정 계기(1210)는 위에서 언급된 임의의 유형의 거리 센서일 수 있다. 도시된 실시예에서, 연마 헤드(120)는 제1 캐리지(1204)에 연결되고 기판(122)을 유지하도록 구성된다. 본 실시예에서, 연마 헤드(120)에 연결되어 그것을 지지하는 스핀들(1212)은 예를 들어 제2 캐리지(1206) 내의 경로(점선으로 도시됨)를 지나간다. 연마 헤드(120) 내에 유지된 기판(122)에 대하여 연마 패드(101)를 유지하고 회전시키도록 플래튼(120)이 제공된다.

이와 같이, 본 발명이 바람직한 실시예들에 관련하여 개시되었지만, 다른 실시예들은 이하의 청구항들에 의해 정의되는 것과 같은 본 발명의 범위 내에 포함될 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (18)

1. 기판을 연마하기 위한 장치로서,
   상부 캐리지(carriage);
   상기 상부 캐리지에 연결된 측력 측정 계기(side force measurement instrument); 및
   상기 측력 측정 계기에 연결되며, 연마 헤드를 지지하도록 구성된 하부 캐리지
   를 포함하고,
   상기 측력 측정 계기는 복수의 굴곡부(flexure)의 배열을 포함하고, 적어도 하나의 굴곡부는 그에 연결된 스트레인 게이지를 포함하며, 상기 복수의 굴곡부는 상기 캐리지들의 회전 축에서 교차하도록 정렬된 종축 차원을 갖도록 배치되는, 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 하부 캐리지를 상기 연마 헤드에 연결하도록 구성된 스핀들(spindle)을 더 포함하는 장치.
3. 기판들의 화학-기계적 평탄화 처리(chemical-mechanical planarization processing)를 위한 시스템으로서,
   기판을 유지(hold)하도록 구성된 연마 헤드 어셈블리; 및
   상기 연마 헤드 어셈블리에 유지된 상기 기판에 대하여 연마 패드를 유지하고 회전시키도록 구성된 연마 패드 지지체
   를 포함하고,
   상기 연마 헤드 어셈블리는,
   상부 캐리지,
   상기 상부 캐리지에 연결된 측력 측정 계기,
   상기 측력 측정 계기에 연결된 하부 캐리지, 및
   상기 하부 캐리지에 연결되고, 상기 기판을 유지하도록 구성된 연마 헤드
   를 포함하며,
   상기 측력 측정 계기는 복수의 굴곡부의 배열을 포함하고, 적어도 하나의 굴곡부는 그에 연결된 스트레인 게이지를 포함하며, 상기 복수의 굴곡부는 상기 캐리지들의 회전 축에서 교차하도록 정렬된 종축 차원을 갖도록 배치되는,
   시스템.
4. 제3항에 있어서, 상기 하부 캐리지를 상기 연마 헤드에 연결하도록 구성된 스핀들을 더 포함하는 시스템.
5. 기판을 연마하는 방법으로서,
   연마 패드를 지지하는 플래튼(platen)을 회전시키는 단계;
   측력 측정 계기를 통해 상부 캐리지를 하부 캐리지에 연결하는 단계 - 상기 하부 캐리지는 기판을 유지하도록 구성된 연마 헤드를 지지하도록 구성되고, 상기 측력 측정 계기는 복수의 굴곡부의 배열을 포함하며, 적어도 하나의 굴곡부는 그에 연결된 스트레인 게이지를 포함하고, 상기 복수의 굴곡부는 상기 캐리지들의 회전 축에서 교차하도록 정렬된 종축 차원을 갖도록 배치됨 - ;
   기판을 유지하는 상기 연마 헤드를 상기 플래튼 상의 상기 연마 패드에 적용(apply)하는 단계; 및
   상기 기판이 연마될 때, 상기 기판 상의 측력의 양을 측정하는 단계
   를 포함하는 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 측정된 측력의 양의 변화를 임계치에 대하여 검출하는 것에 기초하여 연마 종료점을 검출하는 단계
   를 더 포함하는 방법.
7. 제5항에 있어서,
   상기 굴곡부들의 배열을 이용하여 상기 상부 캐리지로부터 상기 하부 캐리지를 지지하는 단계를 더 포함하고,
   상기 굴곡부들 각각은 유연한 차원(flexible dimension)을 가지며, 상기 배열은 상기 유연한 차원이 상기 캐리지들의 회전 방향에 접하도록(tangentially) 정렬되게 하는, 방법.
8. 기판을 연마하기 위한 장치로서,
   상부 캐리지;
   상기 상부 캐리지에 연결된 변위 측정 계기(displacement measurement instrument);
   상기 변위 측정 계기에 연결되며, 연마 헤드를 지지하도록 구성된 하부 캐리지; 및
   상기 캐리지들 사이에 연결되며 상기 캐리지들의 회전 축에서 교차하도록 정렬된 종축 차원을 갖도록 배치된 복수의 굴곡부의 배열
   을 포함하는 장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 하부 캐리지를 상기 연마 헤드에 연결하도록 구성된 스핀들을 더 포함하는 장치.
10. 제8항에 있어서,
    상기 변위 측정 계기는 거리 센서를 포함하는, 장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 거리 센서는 용량성 거리 센서, 유도성 거리 센서, 와전류 거리 센서, 및 레이저 거리 센서 중 적어도 하나인, 장치.
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