KR102083607B1 - 화학 기계적 연마 장치 - Google Patents

화학 기계적 연마 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 웨이퍼가 연마 패드에 접촉한 상태로 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 화학 기계적 연마 장치로서, 상기 연마 패드가 상면에 입혀진 연마 정반과; 상기 연마 패드의 온도를 측정하는 온도 센서와; 상기 온도 센서에서 측정된 온도로부터 상기 연마 패드의 수명이 다한 것으로 감지되면 알람을 출력하는 제어부를; 포함하여 구성되어, 연마 패드의 수명을 화학 기계적 연마 공정에서 발생되는 열이 연마 패드 두께를 관통하면서 전달되는 열전도 계수의 값이 정해진 값을 초과하면 연마 패드의 교체 시점이라는 것을 감지함으로써, 화학 기계적 연마 공정의 변수에 관계없이 정확하게 연마 패드의 교체 시점을 감지할 수 있는 화학 기계적 연마 장치를 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 장치 {CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS}
본 발명은 화학 기계적 연마장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 연마면과 접촉하면서 웨이퍼 연마면을 마모시키는 연마 패드의 교체 시기를 정확하게 감지할 수 있는 화학 기계적 연마 장치에 관한 것이다.
일반적으로 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정은 연마층이 구비된 반도체 제작을 위한 웨이퍼 등의 웨이퍼과 연마 정반 사이에 상대 회전 시킴으로써 웨이퍼의 표면을 연마하는 표준 공정으로 알려져 있다.
도1은 종래의 화학 기계적 연마 장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 도1에 도시된 바와 같이, 상면에 연마 패드(11)가 부착된 연마 정반(10)과, 연마하고자 하는 웨이퍼(W)를 장착하여 연마 패드(11)의 상면에 접촉하면서 회전하는 연마 헤드(20)와, 연마 패드(11)의 표면을 미리 정해진 가압력으로 가압하여 미세하게 절삭하여 연마 패드(11)의 표면에 형성된 미공(11a)이 표면에 지속적으로 유지되게 개질하는 컨디셔너(30)와, 연마 패드(11) 상에 슬러리를 공급하여 웨이퍼(W)의 화학적 연마가 행해지게 하는 슬러리 공급부(40)로 구성된다.
연마 정반(10)은 웨이퍼(W)가 연마되는 폴리텍스 재질의 연마 패드(11)가 부착되고, 회전축(15)이 회전 구동되어 회전 운동한다.
연마 헤드(20)는 연마 정반(10)의 연마 패드(11)의 상면에 위치하여 웨이퍼(W)를 캐리어 헤드(21)의 하측에 위치시킨 상태로 가압(23d)하면서 회전시킨다. 이에 의하여, 웨이퍼(W) 연마면의 기계적 연마가 행해진다.
컨디셔너(30)는 컨디셔닝 디스크(31)의 저면이 연마 패드(11)와 접촉한 상태로 가압되게 하고 회전시킴으로써, 연마 패드(11)의 표면에 연마제와 화학 물질이 혼합된 슬러리를 담아두는 역할을 하는 수많은 발포된 미세 발포 기공(11a)들이 막히지 않도록 연마 패드(11)의 표면을 미세하게 절삭하여, 연마 패드(11)의 미세 기공(11a)에 채워졌던 슬러리(41)가 캐리어 헤드(21)에 파지된 웨이퍼(W)에 원활하게 공급하도록 한다.
이를 위하여, 컨디셔너(30)는 컨디셔닝 공정 중에 연마 패드(11)에 접촉하는 컨디셔닝 디스크(31)를 아암의 끝단에 위치시키고, 컨디셔닝 디스크(31)의 회전축과 함께 회전시킨다. 이와 동시에, 아암이 정해진 각도만큼 왕복 회전 운동을 함으로써, 컨디셔닝 디스크(31)가 연마 패드 상에서 선회 운동을 하여, 연마 패드(11)의 전체 표면이 개질되게 한다.
이와 같은 상태로 화학 기계적 연마 공정이 장시간에 걸쳐 행해지면, 연마 패드(11)는 두께(11T)가 얇아지면서 교체되어야 한다. 즉, 연마 패드(11)는 화학 기계적 연마 공정에 사용되는 소모품이다. 종래에는 연마 패드(11)를 정해진 시간 동안 사용하면, 연마 패드(11)의 수명이 다한 것으로 보고 새로운 연마 패드(11)로 교체하였다.
그러나, 화학 기계적 연마 공정 중에 사용되는 슬러리(41)와 연마 헤드(20)에 의한 가압력은 웨이퍼의 연마층을 형성하는 재질이나 두께에 따라 달라지고, 최근에는 컨디셔닝 디스크(31)의 가압력과 연마 헤드의 가압력이 화학 기계적 연마 공정 중에 변동되게 제어되는 시도가 행해짐에 따라, 연마 패드(11)의 예상 수명 시간 동안 사용하더라도, 어떤 연마 패드(11)는 수명에 비하여 더 많이 마모된 상태가 되기도 하고, 다른 연마 패드(11)는 예상 수명 시간 동안 사용한 상태에서도 앞으로 더 사용할 수 있는 상태가 되기도 한다.
따라서, 종래에는 연마 패드(11)의 교체 시점을 정확하게 인식하지 못하여, 사용 가능한 연마 패드를 폐기하여 공정을 중단하여 공정 효율이 낮아지는 문제가 있었으며, 사용할 수 없는 연마 패드로 화학 기계적 연마 공정을 행하여 웨이퍼의 연마 품질이 저하되는 문제도 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드의 수명이 다한 것을 정확하게 감지하여, 연마 패드의 교체가 필요한 때에만 정확하게 교체할 수 있게 하는 화학 기계적 연마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 통해, 본 발명은 사용 가능한 연마 패드를 불필요하게 교체하여 자원의 낭비를 막고, 동시에 연마 패드의 교체 주기를 과도하게 앞당겨 연마 패드 교체에 따른 화학 기계적 연마 공정을 중단해야 하는 시간을 줄여 공정 효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 사용해서는 안되는 연마 패드의 사용으로 인하여 화학 기계적 연마 품질이 저하되는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 웨이퍼가 연마 패드에 접촉한 상태로 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 화학 기계적 연마 장치로서, 상기 연마 패드가 상면에 입혀진 연마 정반과; 상기 연마 패드의 온도를 측정하는 온도 센서와; 상기 온도 센서에서 측정된 온도로부터 상기 연마 패드의 수명이 다한 것으로 감지되면 알람을 출력하는 제어부를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치를 제공한다.
이는, 연마 패드의 저면에 접촉한 상태로 온도 센서를 배치함으로써, 연마 패드의 수명을 화학 기계적 연마 공정에서 발생되는 열에 의한 온도 상승분을 통해 감지하여 연마 패드의 두께를 연마 패드의 열전도 계수로부터 간접적으로 추론함으로써, 사용 시간 만으로 연마 패드를 교체하는 것에 비하여 훨씬 정확하게 연마 패드의 수명이 다했다는 것을 알 수 있도록 하기 위함이다.
즉, 연마 패드의 수명은 연마 패드의 두께 및 미세 기공이 차지하는 공간 크기가 반영되어 결정되는 데, 연마 패드의 두께 방향으로의 열전도 계수도 역시 연마 패드의 두께와 미세 기공이 차지하는 공간 크기가 반영되어 결정된다. 또한, 물리적으로 연마 패드의 두께를 정확하게 측정하는 것이 어렵고, 미세 기공이 차지하는 공간이 줄어들수록 열전달이 원활해져 온도 변화가 쉽게 일어나므로, 온도 센서에서 감지되는 온도 편차와 일정 시간 동안의 온도 변화량을 통해 연마 패드의 수명이 다했는지 여부를 감지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은, 화학 기계적 연마 공정 중에 발생되는 발열량이 연마 패드의 두께를 관통하여 전달되는 열전도 계수를 기초로 연마 패드의 수명을 감지함으로써, 하나의 연마 패드에 대하여 장시간 동안 어떠한 조건 하에서 화학 기계적 연마 공정을 행하였는지에 무관하게, 연마 패드의 수명이 다한 것을 정확하게 감지할 수 있으며, 이를 통해, 본 발명은 사용 가능한 연마 패드를 불필요하게 교체하여 자원의 낭비를 막고, 연마 패드의 교체 시기를 과도하게 앞당겨 연마 패드 교체에 따른 화학 기계적 연마 공정을 중단해야 하는 공정 시간을 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 사용해서는 안되는 연마 패드의 사용으로 인하여 화학 기계적 연마 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
상기 제어부는 화학 기계적 연마 공정이 종료된 상태에서 상기 온도 센서로부터의 온도 측정값을 수신하여, 화학 기계적 연마 공정이 종료된 상태에서의 연마 패드의 온도를 측정하여 연마 패드의 수명이 다했는지를 감지할 수 있다. 이는, 화학 기계적 연마 공정 중에는 웨이퍼와 연마 패드의 마찰에 의한 발열량 뿐만 아니라 슬러리에 의하여 냉각되므로 정확하게 감지하기 어렵지만, 화학 기계적 연마 공정이 종료되어 냉각되는 동안에는 연마 패드를 통해 전달되는 열량이 일정하게 유지되므로, 화학 기계적 연마 공정이 종료된 상태에서 온도를 측정하는 것이 보다 정확하게 연마 패드의 두께를 파악할 수 있다.
보다 바람직하게는, 상기 제어부는 화학 기계적 연마 공정이 종료된 이후에 정해진 시간이 경과한 일정한 시각에 상기 온도 센서로부터의 온도 측정값을 수신하여, 화학 기계적 연마 공정이 종료된 상태에서의 연마 패드의 온도를 측정하는 것이 좋다.
그리고, 상기 온도 센서는 상기 연마 패드 상에 중심으로부터 반경 거리가 서로 다른 길이에 다수 분포되고, 상기 제어부는 다수의 상기 온도 센서로부터 측정된 값을 취합하여 상기 연마 패드의 수명을 감지하여, 국부적인 온도의 증감에 의하여 측정 온도가 왜곡되는 것을 방지한다.
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본 발명에 따르면, 연마 패드의 저면에 접촉한 상태로 온도 센서를 배치함으로써, 연마 패드의 수명을 화학 기계적 연마 공정에서 발생되는 열이 연마 패드를 관통하여 전달되는 정도에 관한 열전도 계수로부터 간접적으로 추론함으로써, 사용 시간 만으로 연마 패드를 교체하는 것에 비하여 훨씬 정확하게 연마 패드의 수명이 종료된 것인지 여부를 감지할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은, 화학 기계적 연마 공정 중에 발생되는 발열량을 기초로 연마 패드의 수명을 감지함으로써, 하나의 연마 패드에 대하여 장시간 동안 어떠한 조건 하에서 화학 기계적 연마 공정을 행하였는지에 무관하게, 연마 패드의 수명이 다한 것을 정확하게 감지할 수 있다.
이를 통해, 본 발명은 사용 가능한 연마 패드를 불필요하게 교체하여 자원의 낭비를 막고, 연마 패드의 교체 시기를 과도하게 앞당겨 연마 패드 교체에 따른 화학 기계적 연마 공정을 중단해야 하는 공정 시간을 줄일 수 있으며, 이미 수명이 다한 연마 패드로 웨이퍼의 연마 공정을 행하여 웨이퍼의 연마 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도1은 일반적인 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 개략도,
도2는 도1의 'A'부분의 확대도,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 개략도,
도4a 및 도4b은 도2의 'B'부분의 확대도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마장치(100)를 상술한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해서는 동일 또는 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마장치(100)는, 구동 모터(M) 등에 의하여 회전 구동되는 연마 정반(110)과, 연마 정반 상에서 웨이퍼(W)를 가압하면서 자전시키는 연마 헤드(20)와, 웨이퍼(W)의 화학적 연마를 위하여 슬러리(31)를 공급하는 슬러리 공급부(30)와, 웨이퍼(W)가 접촉하고 있는 연마 패드(111)의 표면을 개질하는 컨디셔너(미도시)와, 연마 패드(111)의 온도를 측정하는 온도 센서(160, 190)와, 온도 센서 중 연마 패드(111)의 저면에 설치되는 제1온도센서(160)로부터의 신호를 전달받아 연마 패드(111)의 수명이 다한 것으로 감지되면 알람을 출력하는 제어부(170)와, 회전하는 연마 정반(110) 상에 설치되는 제1온도센서(160)와 비회전 상태인 제어부(170)를 접속한 상태로 연결시키는 슬립링(180)을 포함하여 구성된다.
상기 연마 정반(110)은 상면에는 웨이퍼(W)의 연마층을 연마하기 위하여 적절한 경도를 갖는 연마 패드(111)가 입혀지고, 연마 정반(110)의 중앙부에는 하방으로 회전축(115)이 연장되어, 화학 기계적 연마 공정 중에 구동 모터(M)에 의하여 회전 구동된다.
연마 패드(111)의 저면에 제1온도센서(160)가 설치되기 위하여, 도4a에 도시된 바와 같이, 연마 패드(111)의 저면에 제1온도센서(160)를 수용하는 홈이 형성될 수 있으며, 도4b에 도시된 바와 같이 연마 정반(110)의 상면에 제1온도센서(160)를 수용하는 홈이 형성될 수도 있고, 평평한 연마 패드(111)와 연마 정반(110)의 사이에 제1온도센서(160)를 끼어 넣어 설치될 수도 있다.
상기 온도 센서(160, 190)는 연마 패드(111)의 저면의 온도를 측정하는 제1온도센서(160)와, 연마 패드(111)의 상면의 온도를 측정하는 제2온도센서(190)가 있다.
제1온도센서(160)는 연마 패드(111)의 상면의 높은 온도가 전달된 연마 패드(111)의 저면의 온도(Ti)를 측정한다. 예를 들어, 열전대(thermocouple)로 설치될 수 있다. 열전대는 별도의 전원을 공급하지 않더라도 온도에 따른 저항값이 변화하므로, 열전대로부터의 전위차 신호는 슬립링(180)을 거쳐 제어부(170)로 직접 전송된다.
도면에 도시되지 않았지만, 제1온도센서(160)의 측정온도를 나타내는 전위차 신호는 매우 작으므로, 슬립링을 거치기 이전에 증폭기에 의하여 증폭된 상태로 슬립링을 통과하여 제어부(170)로 전송되는 것이 좋다. 이를 통해, 슬립링(180)을 통과하면서 발생되는 잡음들이 제1온도센서(160)로부터의 증폭된 출력 신호(전위차 신호)에 비하여 작게 되어, 제어부(170)에서 제1온도센서(160)에서의 온도를 정확하게 측정할 수 있다.
제2온도센서(190)는 연마 패드(111)의 상면의 온도(To)를 측정한다. 연마 패드(111)의 상면은 화학 기계적 연마 공정이 진행되는 동안이나 화학 기계적 연마 공정이 완료된 상태에서 슬러리 등의 이물질이 많으므로, 광을 조사하여 측정하는 비접촉 온도센서로 이루어지는 것이 좋다. 제2온도센서(190)에 의해 측정된 온도값도 제어부(170)로 전송된다.
본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 대체로 상면의 온도는 정해져 있으므로, 제2온도센서(190)를 구비하지 않고, 제1온도센서(170)의 온도 측정값을 기초로 연마 패드(111)의 두께와 조밀성(미세 기공이 막힌 정도)을 간접적으로 파악하여, 연마 패드(111)의 교체 시점을 감지할 수도 있다.
한편, 온도 센서(160, 190)는 연마 패드(111)의 저면과 상면에 각각 1개씩만 배치되어도 무방하지만, 국부적으로 발열량이 높아 측정 온도값을 왜곡할 수 있으므로, 연마 패드(111)의 회전 중심으로부터 반경 방향으로 이격된 거리가 서로 다른 3개 이상의 지점에 온도 센서(160, 190)가 배치되는 것이 바람직하다.
상기 제어부(170)는 제1온도센서(160)와 제2온도센서(190)로부터 측정 온도값(Ti, To)을 수신하여, 이들 온도의 편차(To-Ti)가 정해진 값에 이르면, 연마 패드(111)의 교체 시기를 알리는 알람을 출력한다. 이 때, 알람은 청각을 자극하는 소리일 수도 있고, 시각적으로 제어기의 화면에 팝업 창을 띄우는 것일 수도 있으며, 작업자에게 이메일을 발송하는 것도 포함하며, 작업자가 인지할 수 있는 모든 것이 '알람'의 범주에 포함된다.
즉, 화학 기계적 연마 공정 중에는 웨이퍼(W)가 연마 패드(111)에 가압된 상태로 회전하면서 연마가 이루어지므로, 연마 패드(111)의 상면에는 열이 많이 발생된다. 그리고, 웨이퍼(W)의 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드(111)의 상면에서 발생된 열은 곧바로 연마 패드(111)의 상면 온도(To)에 영향을 미치며, 연마 패드(111)의 상면에 잔류하는 열(Hw)은 연마 패드(111)의 두께를 가로질러 연마 패드(111)의 저면에 위치한 제1온도센서(160)에 도달하게 된다.
그런데, 연마 패드(111)의 사용초기에는 연마 패드(111)의 높이(55T)는 상대적으로 높고, 미세 기공(111a)이 차지하는 공간(111v)도 상대적으로 크므로, 열전도계수가 낮아 연마 패드(111)의 상면으로부터 저면까지 원활히 열(Hw)이 전달되지 않는다. 그러나, 연마 패드(111)의 사용 기간이 길어지면, 마모에 의하여 연마 패드(111)의 두께(55T)는 점점 얇아지고, 미세 기공(111a)도 주변의 재료가 침투하면서 점점 공간(111v)이 작아지게 된다. 따라서, 연마 패드(111) 내에 공기층이 차지하는 공간이 줄어들고 동시에 두께(55T)도 얇아지므로, 연마패드(111)의 상면의 열이 연마 패드(111)의 저면까지 전달되는 것이 보다 용이해진다.
따라서, 연마 패드(111)의 상면의 온도(To)와 저면의 온도(Ti)의 편차에 반비례하는 열전도 계수가 정해진 값보다 커지면, 연마 패드(111)의 교체 시기가 도래하였다는 것을 확실하게 알 수 있다.
한편, 연마 패드(111)의 교체 시기가 도래하였는지 여부를 감지하기 위한 온도 측정 시점은 화학 기계적 연마 공정 중에도 행해질 수 있다. 그러나, 화학 기계적 연마 공정 중에는 연마 패드(111)의 일부 영역에 과도한 열이 집중되므로, 온도 측정값의 왜곡이 발생될 수 있다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 화학 기계적 연마 공정이 종료된 이후에 온도 센서(160, 190)에서의 온도를 측정하여 연마 패드(111)의 교체 시기가 도래하였는지 여부를 감지할 수 있다. 보다 바람직하게는, 화학 기계적 연마 공정이 종료하고 약 20초 내지 3분이 경과한 시점에서, 온도 센서(160, 190)에서의 온도를 측정하여 연마 패드(111)의 교체 시기가 도래하였는지 여부를 감지하는 것이 좋다.
화학 기계적 연마 공정이 종료된 상태에서 온도를 측정하면, 연마 정반(111)이 회전하지 않으므로, 슬립링(180)에서 발생되는 잡음을 크게 낮출 수 있으므로, 보다 정확한 온도를 측정할 수 있고, 연마 패드의 상면과 저면의 온도차(To-Ti)로부터 연마 패드(111)의 두께 방향으로의 열전도 계수를 구할 수 있는데, 이는 결국 온도차(To-Ti)의 역수에 비례하는 값이므로, 연마 패드의 상면과 저면의 온도차(To-Ti)가 정해진 값보다 작아지면(즉, 열전도 계수가 정해진 값보다 커지면) 연마 패드(111)의 교체 시점이라는 것을 알 수 있다.
이렇듯, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 화학 기계적 연마 장치(100)는, 연마 패드의 저면에 접촉한 상태로 온도 센서를 배치하여, 연마 패드(111)의 두께를 관통하여 전달되는 열의 열전도 계수를 측정하여, 측정된 열전도 계수(즉, 상면과 저면의 온도차의 역수)가 정해진 값을 초과하면 연마 패드의 수명이 다한 것으로 감지하여, 하나의 연마 패드에 대하여 장시간 동안 어떠한 조건 하에서 화학 기계적 연마 공정을 행하였는지에 무관하게, 연마 패드의 수명이 다한 것을 정확하게 감지할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이를 통해, 본 발명은 사용 가능한 연마 패드를 불필요하게 교체하여 자원의 낭비를 막고, 연마 패드의 교체 시기를 과도하게 앞당겨 연마 패드 교체에 따른 화학 기계적 연마 공정을 중단해야 하는 공정 시간을 줄일 수 있으며, 과도하게 앞당겨 연마 패드 교체에 따른 화학 기계적 연마 공정을 중단해야 하는 공정 시간을 줄일 수 있으며, 이미 수명이 다한 연마 패드로 웨이퍼의 연마 공정을 행하여 웨이퍼의 연마 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있는 잇점이 얻어진다.
이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.
W: 웨이퍼 20: 연마 헤드
30: 슬러리 공급부 100: 화학 기계적 연마 장치
110: 연마 정반 115: 회전축
160: 제1온도센서 170: 제어부
190: 제2온도센서

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  7. 웨이퍼가 연마 패드에 접촉한 상태로 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 화학 기계적 연마 장치로서,
    상기 연마 패드가 상면에 입혀진 연마 정반과;
    상기 연마 패드의 온도를 측정하는 온도 센서와;
    상기 온도 센서에서 측정된 온도로부터 상기 연마 패드의 수명이 다한 것으로 감지하되, 화학 기계적 연마 공정이 종료된 상태에서 상기 온도 센서로부터의 온도 측정값을 수신하여, 화학 기계적 연마 공정이 종료된 상태에서의 연마 패드의 온도를 측정하는 제어부를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제어부는 화학 기계적 연마 공정이 종료되고 정해진 시간이 경과한 시각에 상기 온도 센서로부터의 온도 측정값을 수신하여, 화학 기계적 연마 공정이 종료된 상태에서의 연마 패드의 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.






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