KR102144854B1 - 기판 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판 처리 장치에 관한 것으로, 기판 처리 장치는, 기판의 연마층을 연마하는 연마패드와, 기판의 상면에 접촉하는 멤브레인을 구비하며 기판을 연마패드에 가압하는 캐리어 헤드와, 멤브레인의 온도 정보를 측정하는 온도측정부와, 멤브레인의 온도 정보에 기초하여 기판의 연마 종료 시점을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

기판 처리 장치{SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 기판 처리 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 기판의 연마 두께를 정확하게 제어하고, 연마 효율을 향상시킬 수 있는 기판 처리 장치에 관한 것이다.
일반적으로 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정은 회전하는 연마 정반 상에 웨이퍼 등의 기판이 접촉한 상태로 회전시키면서 기계적인 연마를 행하여 미리 정해진 두께에 이르도록 기판의 표면을 평탄하게 하는 공정이다.
이를 위하여, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 화학 기계적 연마 장치(1)는 연마 정반(10)에 연마패드(11)를 그 위에 입힌 상태로 자전시키면서, 캐리어 헤드(20)로 기판(W)를 연마패드(11)의 표면에 가압하면서 회전시켜, 기판(W)의 표면을 평탄하게 연마한다. 이를 위하여, 연마패드(11)의 표면이 일정한 상태로 유지되도록 선회 운동을 하면서 컨디셔닝 디스크(31)를 가압과 회전을 동시에 행하면서 연마패드(11)를 개질시키는 컨디셔너(30)가 구비되고, 연마패드(11)의 표면에 화학적 연마를 수행하는 슬러리가 슬러리 공급관(40)을 통해 공급된다.
화학 기계적 연마 공정에서는 기판(W)의 연마층 두께를 감시하여 타겟 두께에 도달할 때까지 기판(W)의 연마층 두께 분포를 균일하게 하면서, 타겟 두께에 도달하면 화학 기계적 연마 공정을 종료하는 것이 필요하다.
기존에 알려진 기판의 연마 종료 시점을 결정하는 방식 중 하나로서, 기판(W)의 연마층 두께를 센서(50)를 이용하여 측정하고, 센서(50)에서 측정된 신호에 기초하여 기판의 연마 종료 시점을 결정하는 방식이 있다. 센서(50)는 연마패드(11) 상에 설치되어, 연마패드(11)가 한 바퀴 회전(11d)하면서 센서(50)가 기판(W)의 하측을 통과할 때마다, 센서(50)는 기판(W)의 연마층 두께 정보가 담긴 신호를 수신한다.
일 예로, 기판(W)의 연마층이 도전성 재질인 텅스텐 등의 금속 재질로 형성된 경우, 센서(50)로서는 와전류를 인가하여 와전류 신호의 임피던스, 리액턴스, 인덕턴스, 위상차 중 어느 하나 이상의 변동량으로부터 기판(W)의 연마층의 두께를 감지하는 와전류 센서가 사용될 수 있다.
그런데, 와전류 센서에서 측정된 신호를 이용하여 기판의 연마 종료 시점을 결정하는 방식은, 와전류 센서에서 측정된 신호를 연산하는 과정이 매우 복잡할 뿐만 아니라, 연산 과정이 행해지는데 많은 시간이 소요되고, 연마패드의 두께 변동에 따른 와전류 신호의 오차에 의하여, 기판 연마층의 두께 분포 및 연마 종료 시점이 잘못 인지될 가능성이 큰 문제점이 있다.
기존에 알려진 기판의 연마 종료 시점을 결정하는 방식 중 다른 하나로서, 기판(W)를 연마패드(11)의 표면에 가압하면서 회전시키는 캐리어 헤드(20)의 토크 변화를 검출하여 기판의 연마 종료 시점을 결정하는 방식이 있다.
그러나, 캐리어 헤드(20)의 토크 변화는, 기판(W)의 연마층의 재질 뿐만 아니라 기판에 인가되는 가압력 등과 여러 인자에 의해 발생할 수 있으므로, 캐리어 헤드(20)의 토크 변화에 기초하여서는 기판(W)의 연마 종료 시점을 정확하게 결정하기 어려운 문제점이 있다. 특히, 짧은 시간 내에 캐리어 헤드(20)의 토크 변화를 측정하고, 측정된 결과에 따라 기판(W)의 연마 종료 시점을 결정하는 것이 실질적으로 매우 어려운 문제점이 있다.
이를 위해, 최근에는 기판의 연마 두께를 정확하게 검출하고, 연마 종료 시점을 정확하게 제어하기 위한 다양한 검토가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 기판의 연마 두께를 정확하게 제어하고, 연마 효율을 향상시킬 수 있는 기판 처리 장치을 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 기판의 연마 종료 시점을 신속하고 정확하게 제어할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 기판의 연마 효율을 높이고, 연마 품질을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 기판의 연마 제어를 간소화하고, 제어 효율을 높일 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 기판의 연마층을 연마하는 연마패드와, 기판의 상면에 접촉하는 멤브레인을 구비하며 기판을 연마패드에 가압하는 캐리어 헤드와, 멤브레인의 온도 정보를 측정하는 온도측정부와, 멤브레인의 온도 정보에 기초하여 기판의 연마 종료 시점을 제어하는 제어부를 포함하는 기판 처리 장치를 제공한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 기판의 연마 두께를 정확하게 제어하고, 연마 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명에 따르면, 멤브레인의 온도 정보에 기초하여 기판의 연마 종료 시점을 제어하는 것에 의하여, 기판의 연마 두께를 정확하게 제어하고, 기판의 연마 종료 시점을 신속하고 정확하게 제어하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 복잡하고 번거로운 연산 과정을 거치지 않고도, 멤브레인의 온도 정보만으로 기판의 연마 종료 시점을 제어할 수 있으므로, 기판의 처리 공정을 간소화하고 처리 시간을 단축하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 연마 효율을 향상시킬 수 있으며, 기판을 의도한 정확한 두께로 편차없이 연마하고, 연마 품질을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 기판의 연마 제어를 간소화하고, 제어 효율을 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 생산성 및 수율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 종래의 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 평면도,
도 2는 종래의 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 측면도,
도 3은 본 발명에 따른 기판 처리 장치를 도시한 평면도,
도 4는 본 발명에 따른 기판 처리 장치를 도시한 측면도,
도 5는 본 발명에 따른 기판 처리 장치로서, 온도측정부를 설명하기 위한 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 기판 처리 장치로서, 온도측정부를 설명하기 위한 저면도,
도 7은 본 발명에 따른 기판 처리 장치로서, 멤브레인의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 기판 처리 장치로서, 기판의 가압력 조절 과정을 설명하기 위한 도면,
도 9은 본 발명에 따른 기판 처리 장치로서, 기판의 연마 시간별 멤브레인의 온도 변화를 설명하기 위한 도면,
도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 기판 처리 장치로서, 열전도패드를 설명하기 위한 도면,
도 12은 본 발명에 따른 기판 처리 장치로서, 열전도패드의 다른 장착예를 설명하기 위한 도면,
도 13은 본 발명에 따른 기판 처리 장치로서, 열전도패드의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면,
도 14는 본 발명에 따른 기판 처리 방법을 설명하기 위한 블록도이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 기판 처리 장치를 도시한 평면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 기판 처리 장치를 도시한 측면도이다. 또한, 도 5는 본 발명에 따른 기판 처리 장치로서, 온도측정부를 설명하기 위한 단면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 기판 처리 장치로서, 온도측정부를 설명하기 위한 저면도이며, 도 7은 본 발명에 따른 기판 처리 장치로서, 멤브레인의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 그리고, 도 8은 본 발명에 따른 기판 처리 장치로서, 기판의 가압력 조절 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 9은 본 발명에 따른 기판 처리 장치로서, 기판의 연마 시간별 멤브레인의 온도 변화를 설명하기 위한 도면이다. 한편, 도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 기판 처리 장치로서, 열전도패드를 설명하기 위한 도면이고, 도 12은 본 발명에 따른 기판 처리 장치로서, 열전도패드의 다른 장착예를 설명하기 위한 도면이며, 도 13은 본 발명에 따른 기판 처리 장치로서, 열전도패드의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 13을 참조하면, 본 발명에 따른 기판 처리 장치(10)는, 기판의 연마층을 연마하는 연마패드(111)와, 기판(W)의 상면에 접촉하는 멤브레인(126)을 구비하며 기판을 연마패드(111)에 가압하는 캐리어 헤드(120)와, 멤브레인(126)의 온도 정보를 측정하는 온도측정부(150)와, 멤브레인(126)의 온도 정보에 기초하여 기판(W)의 연마 종료 시점을 제어하는 제어부(160)를 포함한다.
이는, 기판(W)의 연마 두께를 정확하게 제어하고, 기판(W)의 연마 종료 시점을 신속하고 정확하게 제어하기 위함이다.
무엇보다도, 본 발명은 멤브레인(126)의 온도 정보를 기초하여 기판(W)의 연마 종료 시점을 제어하는 것에 의하여, 기판(W)의 연마 두께를 정확하게 제어하고, 기판(W)의 연마 종료 시점을 신속하고 정확하게 제어하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
다시 말해서, 본 발명은 복잡하고 번거로운 연산 과정을 거치지 않고도, 단순히 멤브레인(126)의 온도 정보만으로 기판(W)의 연마 종료 시점을 신속하고 정확하게 제어할 수 있다.
예를 들어, 기판의 연마층의 표면이 울퉁불퉁한 상태(예를 들어, 연마층이 증착된 최초 상태)에서와, 연마층의 표면이 매끄러운 상태에서는, 기판 연마층과 연마패드 간의 접촉면적이 서로 다름으로 인해 기판 연마층과 연마패드의 접촉에 따른 마찰열이 각각 다르게 발생(또는 슬러리에 의한 화학 반응 정도가 다르게 발생)하게 되며, 기판 연마층의 연마량에 따라 기판 온도가 변화하게 되므로, 기판의 온도 변화 정도를 알면 기판의 연마 정도를 알 수 있게 된다. 특히, 기판의 연마층이 단일막이 아닌 이종막으로 형성되는 경우에는 기판의 온도 변화를 측정하여 연마층의 연마 정도를 보다 정확하게 검출할 수 있다.
이와 같이, 기판의 온도 변화를 측정하여 기판의 연마 정도를 알 수 있으나, 연마 공정 중에 기판의 온도 변화를 측정하기 위해서는, 기판의 온도를 측정하는 온도측정부가 기판과 접촉되는 멤브레인 또는 연마패드에 장착되어야 한다.
그러나, 연마패드의 상면에 온도측정부가 장착되면, 온도측정부(150)가 접촉되는 기판 부위에서 연마량 편차가 발생하여 기판의 연마 균일도가 저하되는 문제점이 있다.
또한, 기판의 온도를 측정하기 위하여 기판이 접촉되는 멤브레인의 저면에 온도측정부를 장착하는 것도 가능하다. 그런데, 멤브레인의 저면에 온도측정부를 장착하면, 멤브레인의 저면으로 노출되는 온도측정부에 의하여 멤브레인의 저면 평탄도 저하되고, 온도측정부가 배치된 위치에서는 멤브레인이 의도한 대로 정확하게 신축될 수 없으므로, 멤브레인에 의한 가압력이 기판이 정확하게 인가되지 못하는 문제점이 있다.
이에 본 발명은, 멤브레인(126)의 저면 또는 연마패드(111)의 상면에 온도측정부(150)를 노출시키지 않고도, 연마 공정 중에 기판의 온도 변화를 알 수 있도록 한 것이다.
즉, 기판(W)의 온도가 변화하게 되면, 기판(W)으로부터 기판과 접촉하는 멤브레인(126)으로 전도되는 전도열에 의하여, 멤브레인(126)의 온도 역시 기판(W)의 온도 변화에 비례하여 변화하게 된다. 따라서, 멤브레인(126)의 온도 변화 정도를 알면, 기판(W)의 온도 변화를 알 수 있으며, 이를 통해 기판(W)의 연마 정도를 검출할 수 있다.
무엇보다도, 본 발명은 기판(W)이 접촉하지 않는 멤브레인(126)의 상부에 온도측정부(150)를 배치하고 멤브레인(126)의 상면 온도를 측정하는 것에 의하여, 기판(W)이 접촉되는 멤브레인(126)의 저면의 평탄도를 유지할 수 있으므로, 멤브레인(126)의 신축에 의한 가압력을 기판에 정확하게 인가하면서, 멤브레인(126)의 온도 변화를 정확하게 검출하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
참고로, 본 발명에서 기판(W)이라 함은 연마패드(111) 상에서 연마될 수 있는 연마대상물로 이해될 수 있으며, 기판(W)의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 기판(W)으로서는 웨이퍼가 사용될 수 있다.
연마패드(111)는 기판(W)에 대해 화학 기계적 연마(CMP) 공정을 수행하도록 연마 파트(미도시)에 마련된다.
연마 파트는 기판(W)에 대한 화학 기계적 연마 공정을 수행 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 연마 파트의 구조 및 레이아웃(lay out)에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
보다 구체적으로, 연마 파트에는 복수개의 연마정반(110)이 제공될 수 있고, 각 연마정반(110)의 상면에는 연마패드(111)가 부착될 수 있으며, 캐리어 헤드(120)는 기판(W)을 연마패드(111)에 가압하도록 마련된다.
연마정반(110)은 연마 파트 상에 회전 가능하게 마련되며, 연마정반(110)의 상면에는 기판(W)을 연마하기 위한 연마패드(111)가 배치된다.
슬러리 공급부(140)에 의해 연마패드(111)의 상면에 슬러리가 공급되는 상태에서 캐리어 헤드(120)가 기판(W)을 연마패드(111)의 상면에 가압함으로써, 기판(W)에 대한 화학 기계적 연마 공정이 수행된다.
연마패드(111)는 원형 디스크 형태를 갖도록 형성될 수 있으며, 연마패드(111)의 형상 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
연마패드(111)는 기판(W)에 대한 기계적 연마에 적합한 재질로 형성된다. 예를 들어, 연마패드(111)는 폴리우레탄, 폴리유레아(polyurea), 폴리에스테르, 폴리에테르, 에폭시, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 플루오르중합체, 비닐 중합체, 아크릴 및 메타아크릴릭 중합체, 실리콘, 라텍스, 질화 고무, 이소프렌 고무, 부타디엔 고무, 및 스티렌, 부타디엔 및 아크릴로니트릴의 다양한 공중합체를 이용하여 형성될 수 있으며, 연마패드(111)의 재질 및 특성은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
또한, 연마패드(111)의 상면에는 소정 깊이를 갖는 복수개의 그루브 패턴(groove pattern)(미도시)이 요철 형태로 형성된다. 그루브 패턴은 직선, 곡선, 원형 형태 중 적어도 어느 하나의 형태로 형성될 수 있다. 이하에서는 연마패드(111)의 상면에 연마패드(111)의 중심을 기준으로 동심원 형태를 갖는 복수개의 그루브 패턴이 형성되며, 각 그루브 패턴이 동일한 폭을 가지며 동일한 간격으로 이격되게 형성된 예를 들어 설명하기로 한다. 경우에 따라서는 그루브 패턴이 서로 다른 형태를 가지거나 서로 다른 폭 및 이격으로 형성되는 것도 가능하며, 그루브 패턴의 형상 및 배열에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
캐리어 헤드(120)는 연마 파트 영역 상에서 기설정된 순환 경로를 따라 이동하도록 구성되며, 로딩 유닛(미도시)에 공급된 기판(W)(로딩 위치에 공급된 기판)은 캐리어 헤드(120)에 탑재된 상태로 캐리어 헤드(120)에 의해 이송된다.
도 5를 참조하면, 캐리어 헤드(120)는 구동 샤프트(미도시)와 연결되어 회전하는 본체(122)와, 본체(122)와 연결되어 함께 회전하는 베이스(124)와, 베이스(124)에 고정되며 복수개의 압력 챔버(C1~C3)를 형성하는 탄성 가요성 소재(예를 들어, 우레탄)의 멤브레인(126)과, 압력 챔버(C1~C3)에 공압을 공급하여 압력을 조절하는 압력 제어부(미도시)를 포함한다.
본체(122)는 도면에 도시되지 않은 구동 샤프트에 상단이 결합되어 회전 구동된다. 본체(122)는 하나의 몸체로 형성될 수도 있지만, 2개 이상의 부재(미도시)가 서로 결합된 구조로 이루어질 수도 있다.
베이스(124)는 본체(122)에 대하여 동축 상에 정렬되게 배치되며, 본체(122)와 함께 회전하도록 연결 결합되어, 본체(122)와 함께 회전한다.
멤브레인(126)은 신축 가능한 가요성 소재로 형성되며, 캐리어 헤드(120) 본체(105)의 저면에 장착되어, 기판(W)에 접촉된 상태로 기판(W)을 연마패드(111)에 가압하도록 구성된다.
보다 구체적으로, 멤브레인(126)은, 기판에 접촉하는 바닥판(126a)과, 바닥판(126a)의 상면에 연장 형성되며 복수개의 압력 챔버를 형성하는 격벽(126b)을 포함한다. 이때, 바닥판(126a)은 멤브레인(126)의 반경 방향을 따라 복수개의 분할판(126a')으로 분할되고, 복수개의 압력 챔버(C1~C3)는 복수개의 분할판(126a')에 독립적으로 가압력을 인가한다.
일 예로, 캐리어 헤드(120)의 멤브레인(126)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 바닥판(126a)의 중심에 대하여 동심원으로 형성되어 반경 방향으로 구획하는 격벽(126b)에 의하여, 기판(W)의 반경 길이에 대하여 독립적으로 가압력을 인가하는 압력 챔버(C1, C2, C3)들로 구획된다.
다른 일 예로, 도 7을 참조하면, 캐리어 헤드(120)의 멤브레인(126)은, 바닥판(126a)의 중심에 대하여 동심원으로 형성되어 반경 방향으로 구획하는 제1격벽(126b")에 의하여, 기판(W)의 반경 길이에 대하여 독립적으로 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(126b')에 의하여, 기판(W)의 원주 방향의 길이에 대하여 독립적으로 가압력을 인가하는 압력 챔버(C21, C22, C23, C24, C25, C26; C31, C32, C33, C34, C35, C36)로 구획된다.
따라서, 압력제어부로부터 각각의 압력 챔버들(C1, C21~C26, C31~C36)에 공급되는 공압에 의하여, 기판(W)의 반경 방향으로의 압력 편차를 두고 가압력을 인가할 수 있을 뿐만 아니라, 기판(W)의 원주 방향으로도 압력 편차를 두고 가압력을 인가할 수 있다. 더욱이, 화학 기계적 연마 공정 중에 기판(W)을 가압하는 멤브레인(126) 바닥판(126a)이 기판(W)과 밀착된 상태를 유지하여 이들 간의 슬립이 거의 발생되지 않으므로, 기판(W)의 원주 방향으로 가압력을 서로 다르게 인가함으로써, 기판(W)의 원주 방향으로의 연마층의 두께 편차를 제거할 수 있다.
참고로, 도 7에는 제1압력 챔버(C1)에 대해서는 원주 방향으로 구획하는 제2격벽이 형성되지 않은 구성이 예시되었지만, 본 발명은 이에 국한되지 아니하며, 제1압력챔버(C1) 내지 제3압력 챔버(C3) 중 어느 하나 이상에 대하여 원주 방향으로 구획하는 제2격벽이 형성되는 모든 구성을 포함한다.
따라서, 기판(W)의 전체 판면에 대한 연마층 두께 분포를 얻은 상태에서, 기판(W) 연마층의 두께가 더 크게 측정된 영역에 대해서는 기판(W) 연마층의 두께가 더 작게 측정된 영역에 비하여, 캐리어 헤드(120)의 압력 챔버에 인가하는 가압력을 더 크게 조절하여, 기판(W) 연마층 두께를 전체적으로 원하는 분포 형상으로 정확하게 조절할 수 있다.
즉, 캐리어 헤드(120)의 압력 챔버(C1~C3)는 반경 방향을 따라 제1격벽(126b")에 의해 구획되어 있을 뿐만 아니라, 원주 방향을 따라서도 제2격벽(126b')에 의해 구획되어 있으므로, 기판(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, 화학 기계적 연마 공정 중에 기판(W) 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.
참고로, 본 발명의 실시예에서는 멤브레인(126)의 상부에 독립적으로 분할된 복수개의 압력 챔버(C1~C3)가 형성된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 멤브레인의 상부에 통합된 단 하나의 압력 챔버를 형성하는 것도 가능하다.
바람직하게, 멤브레인(126)의 저면은 제1열전도율을 갖고, 멤브레인(126)의 상면은 제1열전도율보다 높은 제2열전도율을 갖도록 형성된다.
이와 같이, 멤브레인(126)의 저면보다 멤브레인(126)의 상면이 높은 열전도율을 갖도록 하는 것에 의하여, 멤브레인(126)으로 전달된 열을 멤브레인(126)의 상면으로 집중시킬 수 있으므로, 멤브레인(126)의 상부에서 멤브레인(126)의 상면 온도를 측정하는 온도측정부(150)의 측정 정확도를 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이때, 저면과 상면의 열 전도율이 다른 멤브레인(126)은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 형성될 수 있다. 일 예로, 멤브레인(126)은 서로 다른 열전도율을 갖는 이종 재질을 적층(예를 들어, 접착 또는 사출)하여 형성될 수 있다. 가령, 제1열전도율을 갖는 제1부재의 상부에 제1열전도율보다 높은 제2열전도율을 갖는 제2부재를 적층(예를 들어, 접착 또는 사출)하는 것에 의하여, 멤브레인(126)의 저면보다 멤브레인(126)의 상면이 높은 열전도율을 갖도록 할 수 있다.
일 예로, 멤브레인(126)을 높은 열전도율을 갖는 이종 재질로 형성하는 것에 의하여, 멤브레인(126)의 상부에서 멤브레인(126)의 상면 온도를 측정하는 온도측정부(150)의 측정 정확도를 높이는 것도 가능하다.
바람직하게, 멤브레인(126)은 0.02 W/mk보다 큰 열전도율을 갖도록 형성된다.
일반적으로 멤브레인(126)의 소재로 사용되는 우레탄은 열전도율이 0.02 W/mk 정도로 매우 낮으므로, 연마 공정시 기판(W)에서 발생된 열이 멤브레인(126)으로 충분하게 전달되기 어렵다.
하지만, 멤브레인(126)을 0.02 W/mk보다 큰 열전도율을 갖는 소재로 형성하면, 연마 공정시 기판(W)에서 발생된 열이 멤브레인(126)으로 충분하게 전달될 수 있으므로, 온도측정부(150)의 측정 정확도를 높일 수 있다.
예를 들어, 멤브레인(126)은 열전도율이 높은 소재를 포함하는 이종 재질로 형성될 수 있다. 가령, 멤브레인(126)은 수천 W/mk 이상의 열전도율을 갖는 그래핀(graphene)을 우레탄에 그라프트(grafted)하여 형성될 수 있다.
참고로, 멤브레인(126)은 압력 챔버(C1~C3)의 압력에 따라 신축되며 기판(W)을 가압하므로 높은 신축성을 가질 수 있어야 한다. 이에 본 발명은, 우레탄과 그래핀을 이용하여 멤브레인(126)을 형성하는 것에 의하여, 멤브레인(126)의 신축성을 보장하면서 멤브레인(126)의 열전도율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
다르게는, 열전도율이 높은 다이아몬드, 탄소나노튜브 등을 이용하여 멤브레인(126)을 형성하는 것도 가능하다. 이외에도, 높은 신축성을 보장하면서 열전도율을 높일 수 있는 여타 다른 소재를 이용하여 멤브레인(126)을 형성하는 것도 가능하며, 멤브레인(126)의 재질은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 멤브레인(126)을 열전도율이 높은 단일 소재(예를 들어, 그래핀 또는 탄소나노튜브 등)로 형성하는 것도 가능하다.
컨디셔너(130)는 연마패드(111)의 상부에 마련되며, 연마패드(111)의 표면을 개질한다.
즉, 컨디셔너(130)는 연마패드(111)의 표면에 연마제와 화학 물질이 혼합된 슬러리를 담아두는 역할을 하는 수많은 발포 미공들이 막히지 않도록 연마패드(111)의 표면을 미세하게 절삭하여, 연마패드(111)의 발포 기공에 채워졌던 슬러리가 캐리어 헤드(120)에 파지된 기판(W)에 원활하게 공급될 수 있게 한다.
컨디셔너(130)는 연마패드(111)의 표면을 개질 가능한 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 컨디셔너(130)의 종류 및 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
일 예로, 컨디셔너(130)는, 소정 각도 범위로 선회 운동(스윙)하는 컨디셔너 아암에 장착되는 컨디셔너 아암(미도시)과, 컨디셔너 아암에 상하 방향을 따라 이동 가능하게 결합되는 디스크 홀더(미도시)와, 디스크 홀더의 저면에 배치되는 컨디셔닝 디스크(미도시)를 포함하며, 선회 경로를 따라 연마패드(111)에 대해 선회 이동하도록 구성된다.
디스크 홀더는 컨디셔너 아암 상에 회전 가능하게 장착되는 회전축(미도시)에 의해 회전하도록 구성될 수 있으며, 회전축의 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
디스크 홀더는 회전축에 대해 상하 방향을 따라 이동 가능하게 제공되어, 회전축과 함께 회전함과 아울러 회전축에 대해 상하 방향으로 이동할 수 있으며, 디스크 홀더의 하부에는 연마패드(111)를 개질하기 위한 컨디셔닝 디스크가 결합된다.
바람직하게, 컨디셔너(130)는 기판(W)이 접촉되는 연마패드(111)의 높이를 기판(W)의 영역별로 서로 다르게 개질할 수 있도록 구성된다.
보다 구체적으로, 컨디셔너(130)는, 기판(W)의 영역 중 제1영역이 접촉되는 연마패드(111)의 제1접촉영역은 제1높이로 컨디셔닝하고, 기판(W)의 영역 중 제1영역과 두께가 다른 제2영역이 접촉되는 연마패드(111)의 제2접촉영역은 제1높이와 다른 제2높이로 컨디셔닝하도록 구성된다.
즉, 기판(W)이 접촉되는 연마패드(111)의 제1접촉영역과 연마패드(111)의 제2접촉영역은, 컨디셔너(130)의 가압력을 서로 다르게 제어하는 것에 의하여, 예를 들어, 연마패드(111)의 제1접촉영역에서 컨디셔너(130)의 가압력을 크게 하고, 연마패드(111)의 제2접촉영역에서 컨디셔너(130)의 가압력을 작게 하는 것에 의하여, 연마패드(111)의 제1접촉영역과 연마패드(111)의 제2접촉영역은 서로 다른 높이로 개질될 수 있다.
이와 같이, 연마패드(111)의 영역 별로 컨디셔너(130)의 가압력을 제어하는 것에 의하여, 연마패드(111)의 표면 높이 편차를 줄이는 것(평탄화)도 가능하지만, 의도적으로 연마패드(111)의 표면 높이 편차를 형성하여, 기판(W)의 영역별로 단위 시간당 연마량을 서로 다르게 제어하는 것도 가능하다. 다시 말해서, 연마패드(111)의 표면 높이가 높은 부위에 접촉되는 기판(W)의 영역에서는 단위 시간당 연마량이 높아질 수 있고, 반대로, 연마패드(111)의 표면 높이가 낮은 부위에 접촉되는 기판(W)의 영역에서는 단위 시간당 연마량이 낮아질 수 있다.
또한, 슬러리 공급부(140)는 기판(W)에 대한 기계적 연마가 행해지는 동안 화학적 연마를 위한 슬러리(S)를 공급한다.
슬러리 공급부(140)는 슬러리 저장부(170)로부터 슬러리(S)를 공급받아 연마패드(111)상에 공급한다. 바람직하게, 슬러리 공급부(140)는 연마패드(111)의 다수의 위치에서 슬러리를 공급하도록 구성된다.
일 예로, 슬러리 공급부(140)는 연마패드(111)의 중심을 향하는 방향으로 뻗은 아암(미도시)과, 아암을 따라 왕복 이동하는 슬라이더(미도시)를 포함하며, 슬라이더에는 슬러리(S)가 공급되는 슬러리 공급구(140c)가 형성된다. 이와 같이, 슬라이더가 아암을 따라 이동하도록 함으로써, 연마패드(111)의 반경 방향을 따른 다수의 위치에 슬러리(S)를 공급할 수 있다.
이때, 슬라이더의 슬라이드 이동은 공지된 다양한 구동 수단에 의해 이루어질 수 있다. 바람직하게, 아암에는 N극과 S극의 영구 자석(미도시)을 교대로 배치하고, 슬라이더에는 코일을 장착할 수 있으며, 코일에 인가되는 전류를 제어하는 것에 의하여, 리니어 모터의 원리로 슬라이더가 아암을 따라 이동하도록 구성할 수 있다. 이를 통해, 슬라이더의 위치를 정교하게 조절하면서도 아암을 따라 슬라이더를 이동시키는데 필요한 공간을 최소화하여 콤팩트한 구성을 구현할 수 있다. 경우에 따라서는 슬라이더가 구동모터에 구동력에 의해 회전하는 리드스크류 또는 여타 다른 통상의 직선운동시스템(Linear Motion System)에 의해 직선 이동하도록 구성하는 것도 가능하다.
참고로, 본 발명의 실시예에서는 아암이 연마패드(111)의 중심을 향하여 직선 형태로 배열된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면 아암은 완만한 곡선 형태로 형성될 수도 있다. 다르게는 아암을 연마패드(111)의 원주 방향을 따라 형성하고, 아암을 따라 슬라이더가 연마패드(111)의 원주 방향을 따라 이동하도록 하는 것에 의하여, 연마패드(111)의 원주 방향을 위치 다수의 위치에서 슬러리를 공급하는 것도 가능하다.
이와 같이, 기판(W) 연마층의 화학적 연마를 위하여 연마패드(111) 상에 공급되는 슬러리가 연마패드(111)의 중심으로부터 반경 방향을 따라 이격된 다수의 위치에서 공급되도록 하는 것에 의하여, 기판(W)의 전체 연마면에 골고루 슬러리를 공급할 수 있으므로, 기판(W)의 영역별로 화학적 연마가 의도하지 않게 편차가 발생되는 것을 방지할 수 있고, 슬러리의 점도가 높아지더라도 기판(W)의 연마층에 골고루 슬러리를 원하는 분량만큼씩 공급하는 것이 가능해져, 기판(W)의 화학적 연마 효과를 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 슬러리 공급부(140)는 기판(W)의 영역별로 슬러리의 공급량을 서로 다르게 조절할 수 있도록 구성된다.
이와 같이, 기판(W)의 두께 분포에 따라 슬러리(S)가 공급되는 위치별로 슬러리의 공급량을 달리하는 것에 의하여, 기판(W)의 영역별로 단위 시간당 연마량을 서로 다르게 제어하는 것도 가능하다. 예를 들어, 기판(W)의 회전 중심 부위에서의 화학적 연마량을 늘리고자 할 경우에는, 기판(W)의 회전 중심 부위에서의 슬러리 공급량을 보다 증가시킴으로써, 기판(W)의 회전 중심 부위의 화학적 연마량을 증가시킬 수 있다.
다르게는, 기판(W)의 두께 분포에 따라 슬라이더의 이동 속도를 달리하는 것에 의하여, 기판(W)의 영역별로 단위 시간당 연마량을 서로 다르게 제어하는 것도 가능하다. 예를 들어, 기판(W)의 회전 중심 부위로 갈수록 화학적 연마량을 늘리고자 할 경우에는, 기판(W)의 가장자리에서 회전 중심 부위로 갈수록 슬라이더의 이동 속도를 낮추어 슬러리 공급량을 보다 증가시킴으로써, 기판(W)의 회전 중심 부위로 갈수록 화학적 연마량을 증가시킬 수 있다.
또한, 슬러리 공급부(140)는 연마패드(111)의 영역별로 슬러리의 분사 조건을 서로 다르게 조절하는 것에 의하여, 연마패드(111)의 영역별로 슬러리의 공급량(단위 면적당 슬러리 공급량)을 서로 다르게 조절할 수 있으며, 기판(W)의 영역 별로 서로 다른 단위 시간당 연마량으로 기판(W)을 연마하는 것도 가능하다.
슬러리 공급부(140)는 연마패드(111)의 영역 별로 서로 다른 분사 면적 조건으로 슬러리를 공급할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있다.
일 예로, 슬러리 공급부(140)는 제1슬러리 분사부(미도시)와 제2슬러리 분사부(미도시)를 포함할 수 있으며, 제1슬러리 분사부와 제2슬러리 분사부는 서로 다른 넓은 분사 면적으로 슬러리를 공급하도록 구성될 수 있다. 가령, 제2슬러리 분사부가 제1슬러리 분사부보다 상대적으로 넓은 분사 면적으로 슬러리를 공급하도록 구성될 수 있다. 경우에 따라서는 제1슬러리 공급부가 제2슬러리 공급부보다 넓은 분사 면적으로 슬러리를 공급하도록 구성되는 것도 가능하다.
제1슬러리 분사부와 제2슬러리 분사부에 의한 분사 조건(분사 면적)은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 조절될 수 있다. 일 예로, 제1슬러리 분사부는 소정 간격을 두고 이격되게 배치되는 복수개의 제1분사노즐(미도시)을 포함하여 구성될 수 있고, 제2슬러리 분사부는 제1분사노즐 간의 이격 간격보다 상대적으로 좁은 이격 간격으로 이격되게 배치되는 복수개의 제2분사노즐(미도시)을 포함할 수 있다. 참고로, 제2분사노즐은 제1분사노즐보다 좁은 이격 간격으로 배치되기 때문에, 동일한 길이를 갖는 구간에서는 제2분사노즐의 개수가 제1분사노즐의 개수보다 많게 된다.
다른 일 예로, 슬러리 공급부(140)는 연마패드(111)의 영역별로 슬러리의 분사높이를 서로 다르게 조절하는 것에 의하여, 연마패드(111)의 영역별로 슬러리의 공급량(단위 면적당 슬러리 공급량)을 서로 다르게 조절할 수 있으며, 기판(W)의 영역 별로 서로 다른 단위 시간당 연마량으로 기판(W)을 연마하는 것도 가능하다.
온도측정부(150)는 멤브레인(126)의 온도 정보를 측정하도록 마련된다. 바람직하게 온도측정부(150)는 기판(W)에 대한 연마가 행해지는 중에 멤브레인(126)의 온도 정보를 실시간으로 측정한다.
온도측정부(150)는 멤브레인(126)의 온도 정보를 측정 가능한 다양한 구조 및 방식으로 구성될 수 있으며, 온도측정부(150)의 구조 및 온도 측정 방식에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 온도측정부(150)는 멤브레인(126)의 온도 정보를 비접촉식으로 측정하는 비접촉식 센서를 포함하여 구성될 수 있다. 비접촉 센서로서는 연마패드(111)의 표면 온도를 비접촉식으로 측정 가능한 통상의 온도 센서가 사용될 수 있으며, 비접촉 센서의 종류에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 가령, 비접촉 센서로서는 적외선(IR) 온도센서가 사용될 수 있다. 다르게는, 온도측정부(150)가 멤브레인(126)의 온도 정보를 접촉식으로 측정하는 접촉식 센서를 포함하여 구성되는 것도 가능하다.
바람직하게, 온도측정부(150)는 멤브레인(126)의 상부에 구비되며, 멤브레인(126)의 상면 온도를 측정한다.
여기서, 온도측정부(150)가 멤브레인(126)의 상부에 구비된다 함은, 온도측정부(150)가 멤브레인(126)의 상면에 밀착되게 배치되거나, 온도측정부(150)가 멤브레인(126)의 상면으로부터 이격되게 배치되는 것을 모두 포함하는 것으로 정의된다.
더욱 바람직하게, 온도측정부(150)는 멤브레인(126)의 온도를 복수회 측정한 측정값을 평균화하여 온도 정보를 산출한다. 이와 같이, 멤브레인(126)의 온도를 복수회 측정한 측정값을 평균화하여 온도 정보를 산출하는 것에 의하여, 멤브레인(126)의 온도 측정 정확도와 신뢰성을 높일 수 있으며, 비정상적인 측정 신호에 의한 오류를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 경우에 따라서는 온도측정부가 멤브레인의 온도를 단 1회만 측정하여 온도 정보를 산출하는 것도 가능하다.
제어부(160)는 멤브레인(126)의 온도 정보에 기초하여 기판(W)의 연마 종료 시점을 제어하도록 마련된다.
여기서, 멤브레인(126)의 온도 정보에 기초하여 기판(W)의 연마 종료 시점을 제어한다 함은, 멤브레인(126)의 온도 정보를 토대로 기판(W)에 대한 연마가 종료되는 시점을 결정하는 것으로 정의된다. 다시 말해서, 멤브레인(126)의 온도 정보에 기초하여 기판의 온도 변화를 알 수 있고, 이를 통해 기판(W)이 타겟 두께에 도달하였는지 여부를 알 수 있고, 기판(W)이 타겟 두께에 도달하면 기판(W)에 대한 연마가 종료된다.
바람직하게, 기판 처리 장치(10)는 기판의 연마 시간에 따른 멤브레인(126)의 기준 온도 정보가 저장되는 저장부(170)를 포함하고, 제어부(160)는 온도측정부(150)에서 측정된 멤브레인(126)의 측정 온도 정보와 저장부(170)에 저장된 기준 온도 정보를 비교하여 기판(W)의 연마 종료 시점을 제어한다.
참고로, 저장부(170)에는 기판의 연마 시간에 따른 멤브레인(126)의 기준 온도 정보가 저장된다. 여기서, 기판의 연마 시간에 따른 멤브레인(126)의 기준 온도 정보라 함은, 기판(W)에 대한 연마가 행해지는 시간(또는 순서)에 따라 기판으로부터 열전도된 멤브레인(126)의 온도 변화에 관한 데이터로 정의된다.
가령, 멤브레인(126)의 기준 온도 정보는 기판의 연마 시간에 따라 룩업테이블(Lookup Table)에 미리 저장되며, 룩업테이블에 미리 저장된 정보(기준 온도 정보)와 멤브레인(126)의 측정 온도 정보를 비교하여 기판의 연마 정도를 빠르게 검출할 수 있다.
이는, 멤브레인(126)의 온도 변화를 알면 기판(W)의 연마량(또는 연마 상태)을 알 수 있다는 것에 기인한 것이다.
예를 들어, 연마층의 표면이 울퉁불퉁한 상태(예를 들어, 연마층이 증착된 최초 상태)에서와, 연마층의 표면이 매끄러운 상태에서는 기판(W) 연마층과 연마패드(111) 간의 접촉면적이 서로 다름으로 인해 기판 연마층과 연마패드(111)가 접촉됨에 따른 마찰열이 각각 다르게 발생(또는 슬러리에 의한 화학 반응 정도가 다르게 발생)하게 되며, 기판 연마층의 연마량에 따라 기판의 온도가 변화하게 된다. 따라서, 기판의 온도 변화 정도를 알면 기판 연마층의 연마 정도를 알 수 있게 된다.
이와 같이, 기판의 온도 변화를 측정하여 기판의 연마 정도를 알 수 있으나, 연마 공정 중에 기판의 온도 변화를 측정하기 위해서는, 기판의 온도를 측정하는 온도측정부가 기판과 접촉되는 멤브레인 또는 연마패드에 장착되어야 한다.
그러나, 연마패드의 상면에 온도측정부가 장착되면, 온도측정부가 접촉되는 기판 부위에서 연마량 편차가 발생하여 기판의 연마 균일도가 저하되는 문제점이 있다.
또한, 기판의 온도를 측정하기 위하여 기판이 접촉되는 멤브레인의 저면에 온도측정부를 장착하는 것도 가능하다. 그런데, 멤브레인의 저면에 온도측정부를 장착하면, 멤브레인의 저면으로 노출되는 온도측정부에 의하여 멤브레인의 저면 평탄도 저하되고, 온도측정부가 배치된 위치에서는 멤브레인이 의도한 대로 정확하게 신축될 수 없으므로, 멤브레인에 의한 가압력이 기판이 정확하게 인가되지 못하는 문제점이 있다.
이에 본 발명은, 멤브레인(126)의 저면 또는 연마패드(111)의 상면에 온도측정부(150)를 노출시키지 않고도, 연마 공정 중에 기판(W)의 온도 변화를 측정할 수 있도록 한 것이다.
즉, 기판(W)의 온도가 변화하게 되면, 기판(W)으로부터 기판(W)과 접촉하는 멤브레인(126)으로 전도되는 전도열에 의하여, 멤브레인(126)의 온도 역시 기판(W)의 온도 변화에 비례하여 변화하게 된다. 따라서, 멤브레인(126)의 온도 변화 정도를 알면, 기판(W)의 온도 변화를 알 수 있으며, 이를 통해 기판(W)의 연마 정도를 검출할 수 있다.
무엇보다도, 본 발명은 기판(W)이 접촉하지 않는 멤브레인(126)의 상부에 온도측정부(150)를 배치하고 멤브레인(126)의 상면 온도를 측정하는 것에 의하여, 기판(W)이 접촉되는 멤브레인(126)의 저면의 평탄도를 유지할 수 있으므로, 멤브레인(126)의 신축에 의한 가압력을 기판(W)에 정확하게 인가하면서, 멤브레인(126)의 온도 변화를 정확하게 검출하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
일 예로, 기판(W)의 연마층은, 갭 패턴이 형성된 제1막층(미도시)과, 제1막층과 다른 재질로 형성되되 갭 패턴에 채워지며 제1막층을 덮도록 형성되는 제2막층(미도시)을 포함하고, 온도측정부(150)는 제1막층의 표면이 연마패드(111)로 노출됨에 따른 멤브레인(126)의 온도 변화를 측정한다.
제1막층의 갭 패턴은 배선 설계 및 요구되는 조건에 따라 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 갭 패턴의 형태 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
제2막층은 갭 패턴의 내부에 채워지면서 제1막층의 상면을 덮도록 형성(예를 들어, 증착)된다.
연마층에 대한 연마 공정이 행해지면, 제1막층의 상부에 형성된 제2막층만이 연마패드(111)에 접촉되면서 제2막층이 먼저 연마된다. 제2막층이 일정 이상 연마되면, 제1막층이 외부로 노출(제1막층의 상면이 노출)되면서 제2막층과 제1막층이 연마패드(111)에 함께 접촉하게 된다.
연마패드(111)에 제2막층만이 접촉하는 상태(이하, 제1연마공정이라 함)에서의 제1마찰열과, 연마패드(111)에 제2막층과 제1막층이 함께 접촉하는 상태(이하, 제2연마공정이라 함)에서의 제2마찰열은 서로 다르기 때문에, 제1연마공정 중에 기판으로부터 열전도되는 멤브레인(126)의 온도와, 제2연마공정 중에 기판으로부터 열전도되는 멤브레인(126)의 온도가 서로 다르게 된다. 또한, 멤브레인(126)의 온도 변화는, 제1연마공정 중에 슬러리에 의한 제1반응열과, 제2연마공정 중에 슬러리에 의한 제2반응열의 차이에 의해서도 발생하게 된다. 따라서, 멤브레인(126)의 온도 변화를 측정하는 것에 의하여, 제1막층이 노출되는 시점을 알 수 있게 된다.
일 예로, 멤브레인(126)에서 측정된 측정 온도 정보가 기준 온도 정보에 도달하면, 제어부(160)는 제1막층이 노출된 것으로 판단하여 기판(W)에 대한 연마를 종료할 수 있다. 경우에 따라서는 멤브레인의 측정 온도 정보가 기준 온도 정보보다 낮아지거나 높아지는 경우에 기판에 대한 연마를 종료하는 것도 가능하다.
일반적으로, 연마층이 이종막으로 형성된 경우에는 제1막층이 외부로 노출되는 시점이 연마 종료 시점으로 정의된다. 이와 같이, 제1막층이 외부로 노출된 이후에 얼마만큼 신속하게 연마가 종료되는지에 따라 연마 품질 및 연마 효율이 결정되므로, 제1막층이 외부로 노출되는 상태를 최대한 신속하게 검출하고 연마를 종료하는 것이 중요하다.
이에 본 발명은, 멤브레인(126)의 온도 정도에 기초하여 제1막층의 노출 상태를 감지하고, 연마 종료 시점을 제어할 수 있도록 하는 것에 의하여, 제1막층이 외부로 노출되는 상태를 최대한 신속하게 검출하고 보다 빠른 시간 내에 연마를 종료하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
제1막층과 제2막층은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 재질로 형성될 수 있다.
일 예로, 제1막층은 비금속 재질로 형성될 수 있고, 제2막층은 금속 재질로 형성될 수 있다. 이하에서는 제1막층이 옥사이드(SiO2) 또는 나이트라이드(SiN)로 형성되고, 제2막층이 텅스텐(W)으로 형성된 예를 들어 설명하기로 한다. 경우에 따라서는, 제1막층을 금속 재질로 형성하고, 제2막층은 비금속 재질로 형성하는 것도 가능하다. 다르게는 제1막층과 제2막층을 모두 금속 또는 비금속 재질로 형성하는 것도 가능하다.
제어부(160)는 멤브레인(126)의 측정 온도 정보가 미리 저장된 기준 온도 정보에 도달하면, 기판(W)에 대한 연마를 종료하도록 구성된다. 이는, 기판(W)의 연마 종료 시점이 되면 멤브레인(126)의 측정 온도 정보가 기준 온도 정보에 도달한다는 것에 기인한 것으로, 멤브레인(126)의 측정 온도 정보가 미리 저장된 기준 온도 정보에 도달한 것으로 검출되면, 기판(W)이 타겟 두께에 도달(제1막층이 노출)하였음을 알 수 있다.
바람직하게, 제어부(160)는 기판(W)의 연마 시간이 미리 정의된 기준 시간을 경과한 이후에 기판(W)의 연마 종료 시점을 제어하도록 구성된다. 이는, 기판(W)의 초기 연마시에는 연마층의 표면이 매끄러운 정도와 다른 공정 오차 등에 의해 측정 온도 정보가 정확하게 측정되지 않을 수 있다는 것에 기인한 것으로, 기판(W)의 연마 시간이 미리 정의된 기준 시간을 경과한 이후에 기판(W)의 연마 종료 시점을 제어하도록 하는 것에 의하여, 기판(W) 연마 종료 시점의 정확도를 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
참고로, 제2막층이 텅스텐(W)으로 형성되고 제1막층이 옥사이드(SiO2)로 형성된 경우와, 제2막층이 텅스텐(W)으로 형성되고 제1막층이 나이트라이드(SiN)로 형성된 경우에서 모두, 제1막층이 연마패드(111)에 노출됨에 따른 마찰력 저하(및/또는 반응열 저하)에 의해 멤브레인(126)의 측정 온도가 낮아지게 된다.
또한, 제어부(160)는 멤브레인(126)의 온도 정보에 기초하여 기판(W)의 연마 파라미터를 조절할 수 있다.
여기서, 기판(W)의 연마 파라미터라 함은, 기판(W)의 연마에 영향을 미치는 파라미터를 모두 포함하는 것으로 정의된다.
일 예로, 기판(W)의 연마 파라미터는, 기판(W)을 연마패드(111)에 가압하는 캐리어 헤드(120)의 가압력, 가압시간, 회전속도 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 다른 일 예로, 기판(W)의 연마 파라미터는, 연마패드(111)를 컨디셔닝하는 컨디셔너의 가압력, 가압시간, 회전속도, 선회 이동 속도 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 다른 일 예로, 기판(W)의 연마 파라미터는, 연마패드(111)에 공급되는 슬러리의 종류, 공급량, 공급 시간, 공급 속도, 공급 온도 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(160)는 온도측정부(150)에서 측정된 멤브레인(126)의 온도 정보에 기초하여, 기판(W)의 두께 분포가 목적된 타겟 두께로 정확하게 연마되고 있는지에 대한 두께 편차 정보를 알 수 있으며, 기판(W)의 연마가 완료되기 전에 연마 조건(예를 들어, 기판(W)의 영역별 단위 시간당 연마량)이 제어될 수 있게 한다. 바람직하게, 제어부(160)는 기판(W)이 연마되는 중에 연마 파라미터를 실시간으로 조절한다.
즉, 기판(W)의 연마시에는, 두께 센서 오차, 온도 변화에 따른 오차 등과 같은 연마 환경 변수에 의해 기판(W)이 목적된 타겟 두께로 정확하게 연마되기 어렵다. 예를 들어, 기판(W)은 연마중 두께가 20Å(타겟 두께 정보)이 되어야 하지만, 실제 연마중에 두께를 측정해보니, 기판(W)의 두께가 22Å(연마후 두께 정보)으로 나타날 수 있다. 이와 같은 두께 차이(2Å, 두께 편차 정보)는, 기판(W)의 연마전 두께를 측정하는 센서 오차나, 온도 변화에 따른 연마량 오차 등에 따라 발생하게 된다.
이에 본 발명은, 멤브레인(126)의 온도 정보에 기초하여 알 수 있는 기판(W)의 두께 편차 정보에 기초하여 기판(W)의 연마가 완료되기 전에 기판(W)의 연마 파라미터를 조절하여 기판(W)의 단위 시간당 연마량을 제어한다. 보다 구체적으로, 기판(W)에 대한 연마가 행해지는 중에 기판(W)의 두께 정보에 두께 편차 정보(기판의 목적된 타겟 두께 정보와 연마중 두께 정보 간의 차이)를 반영한 연마 파라미터에 기초하여 기판(W)을 연마하는 것에 의하여, 기판(W)을 의도한 정확한 두께로 편차없이 연마하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
여기서, 제어부(160)가 기판(W)의 두께 정보에 대응하여 연마 파라미터를 조절한다 함은, 기판(W)의 두께 정보에 기초하여, 캐리어 헤드(120), 컨디셔너(130), 슬러리 공급부(140) 중 적어도 하나 이상의 가동 변수를 조절하는 것으로 정의된다.
더욱 바람직하게, 제어부(160)는 기판(W)을 연마패드(111)에 가압하는 캐리어 헤드(120)와 관련된 캐리어 헤드(120) 연마 파라미터(예를 들어, 복수개의 분할판에 독립적으로 인가되는 가압력, 가압시간, 회전속도)와, 연마패드(111)를 개질하는 컨디셔너(130)와 관련된 컨디셔너 연마 파라미터(예를 들어, 컨디셔너의 가압력, 가압시간, 회전속도, 선회 이동 속도)와, 기판(W)에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부(140)와 관련된 슬러리 공급부 연마 파라미터(예를 들어, 슬러리의 종류, 공급량, 공급 시간, 공급 속도, 공급 온도)를 한꺼번에 조절한다. 이와 같이, 각 연마 파라미터를 한꺼번에 조절하는 것에 의하여, 기판(W)의 연마 조건을 최대한 신속하게 최적화하고, 연마 정확도를 보다 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
일 예로, 멤브레인(126)의 상부에는 독립적으로 분할된 복수개의 압력 챔버(C1~C3)가 형성되고, 제어부(160)는 멤브레인(126)의 상기 온도 정보에 기초하여 복수개의 압력 챔버(C1~C3)의 압력을 독립적으로 제어한다.
여기서, 제어부(160)는 멤브레인(126)의 상기 온도 정보에 기초하여 복수개의 압력 챔버(C1~C3)의 압력을 독립적으로 제어한다 함은, 멤브레인(126)의 온도 정보에 기초하여 복수개의 압력 챔버(C1~C3)의 압력을 모두 제어하거나, 멤브레인(126)의 온도 정보에 기초하여 복수개의 압력 챔버(C1~C3) 중 일부(하나 또는 2개 이상)의 압력을 제어하는 것으로 정의된다. 또한, 온도측정부(150)는 복수개의 압력 챔버(C1~C3) 중 하나 이상에서 멤브레인(126)의 복수의 지점에 대한 온도 정보를 측정하는 것도 가능하다.
보다 구체적으로, 일 예로, 기판(W)의 전체 판면에 대한 연마층 두께 분포를 얻은 상태(멤브레인 온도 측정 상태)에서, 기판(W) 연마층의 두께가 더 큰 것으로 측정되면, 캐리어 헤드(120)의 압력 챔버에 인가하는 가압력을 더 크게 조절하여, 기판(W) 연마층의 두께를 원하는 두께로 정확하게 조절할 수 있다.
가령, 제어부(160)는, 분할판(126a')의 온도가 증가하면 분할판(126a')에 인가되는 가압력을 낮추고, 분할판(126a')의 온도가 감소하면 분할판(126a')에 인가되는 가압력을 높이도록 구성된다.
다른 일 예로, 기판(W)의 전체 판면에 대한 연마층 두께 분포를 얻은 상태에서, 기판(W) 연마층의 두께가 더 크게 측정되면, 기판(W)이 접촉되는 연마패드(111)의 표면 높이를 높게 하여(예를 들어, 컨디셔너의 가압력을 작게 하여), 기판(W) 연마층 두께를 원하는 두께로 조절할 수 있다.
또 다른 일 예로, 기판(W)의 전체 판면에 대한 연마층 두께 분포를 얻은 상태에서, 기판(W) 연마층의 두께가 더 크게 측정되면, 슬러리 공급량을 더 증가시켜, 기판(W) 연마층 두께를 원하는 두께로 조절할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 멤브레인(126)의 온도 정보에 기인한 기판(W)의 두께 편차 정보에 기초하여 기판(W)의 연마 파라미터를 조절하는 것에 의하여, 기판(W)을 의도된 두께로 정확하게 연마할 수 있으며, 기판(W)의 두께 편차를 제거하고, 기판(W)의 연마 균일도를 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 멤브레인(126)의 측정 온도 정보와 기준 온도 정보를 비교하여 기판(W)에 대한 연마가 정상적으로 행해지고 있는지 여부를 검출할 수 있다.
가령, 기판(W)이 로딩되지 않은 상태로 캐리어 유닛이 회전하거나, 설비 이상 등의 문제로 슬러리가 공급되지 않은 상태로 연마가 행해지면 멤브레인(126)의 측정 온도 정보가 기준 온도 정보와 다르게 나타날 수 있다. 이와 같이, 멤브레인(126)의 온도 변화를 감지하는 것에 의하여 연마 공정 이상 상황을 인지하는 것이 가능하다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 멤브레인(126)의 상면에 열전도패드(128)를 구비하고, 온도측정부(150)가 멤브레인(126)으로부터 열전도된 열전도패드(128)의 온도를 측정하도록 구성하는 것도 가능하다.
도 10 내지 13을 참조하면, 멤브레인(126)의 상면에는 열전도패드(128)가 구비된다.
바람직하게, 열전도패드(128)는 멤브레인(126)보다 높은 열전도율을 갖는 재질로 형성된다. 일 예로, 열전도패드(128)는 멤브레인(126)(예를 들어, 우리탄 재질)보다 높은 열전도율을 갖는 금속 재질로 형성될 수 있다. 경우에 따라서는, 열전도패드를 그래핀 또는 탄소나노튜브로 형성하는 것도 가능하다.
이와 같이, 멤브레인(126)의 상면에 멤브레인(126)보다 높은 열전도율을 갖는 열전도패드(128)를 마련하는 것에 의하여, 기판(W)으로부터 멤브레인(126)으로 전달된 열(Q)을 열전도패드(128)에 집중시킬 수 있으므로, 열전도패드(128)의 온도를 측정하는 온도측정부(150)의 측정 정확도를 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
일 예로, 도 10을 참조하면, 열전도패드(128)는 접착층(128a)을 매개로 멤브레인(126)의 상면에 접착될 수 있다. 이때, 접착층(128a)은 열전도패드(128)와 마찬가지로 높은 열전도율을 갖는 재질로 형성된다.
바람직하게, 접착층(128a)은 멤브레인(126)의 신축에 대응하여 휘어질 수 있는 가요성 접착제로 형성된다. 이와 같이, 접착층(128a)이 가요성을 갖도록 하는 것에 의하여, 멤브레인(126)이 신축이 신축되더라도 열전도패드(128)와 멤브레인(126)의 접촉 상태를 안정적으로 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
다른 일 예로, 도 12를 참조하면, 멤브레인(126)의 상면에 수용홈(128a')을 형성하고, 열전도패드(128)가 수용홈(128a')의 내부에 안착된다.
또 다른 일 예로, 도 13을 참조하면, 멤브레인(126)의 상면에 수용홈(128a')이 형성되고, 수용홈(128a')의 내부에는 열전도패드(128')가 안착되되, 열전도패드(128')와 수용홈(128a')은 역삼각형 형태로 형성된다.
보다 구체적으로, 열전도패드(128')는 양단에 비해 중앙부가 두꺼운 역삼각형 형태로 형성되며, 온도측정부(150)는 열전도패드(128')의 꼭지점 부위에서 열전도패드(128')의 온도를 측정한다.
이와 같이, 열전도패드(128')를 역삼각형 형태로 형성하는 것에 의하여, 멤브레인(126)의 신축성을 보장하면서 기판(W)으로부터 멤브레인(126)으로 전달된 열이 열전도패드(128')를 거쳐 멤브레인(126)의 상면(바닥판의 상면)으로 보다 빠르게 전달될 수 있다.
즉, 열전도패드(128')는 멤브레인(126)보다 높은 열전도율을 가지므로, 멤브레인(126)의 두께(t2)가 두껍고 멤브레인의(126)의 두께(t1)가 얇을수록 기판(W)으로부터 멤브레인(126)으로 전달된 열이 열전도패드(128')를 거쳐 멤브레인(126)의 상면으로 보다 빠르게 전달될 수 있지만, 열전도패드(128')의 두께가 두꺼워질수록 멤브레인(126)의 신축성이 저하되는 문제점이 있다. 예를 들어, 열전도패드를 전체적으로 일정한 두께(중앙부와 양단이 동일한 두께)로 형성하는 것도 가능하나, 열전도패드의 두께가 전체적으로 일정하면 열전도패드에 의해 멤브레인의 신축성이 저하될 수 있다.
하지만, 본 발명은 열전도패드(128')를 역삼각형 형태로 형성하는 것에 의하여, 열전도패드(128')의 양단부에서는 멤브레인(126)의 신축성 저하를 최소화하면서, 열전도패드(128')의 중앙부에서는 기판(W)으로부터 멤브레인(126)의 바닥판(126a)으로 전달된 열이 열전도패드(128')를 거쳐 멤브레인(126)의 상면으로 보다 빠르게 전달(QV2 〉QV1)되게 하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 열전도패드(128)는 멤브레인(126)보다 열용량이 작은 재질로 형성된다. 이와 같이, 열전도패드(128)를 멤브레인(126)보다 열용량이 작은 재질로 형성하는 것에 의하여, 멤브레인(126)으로부터 열전도패드(128)로 전달된 열이 열전도패드(128)에 머무르지 않고 열전도패드(128)의 외측으로 신속히 빠져나가도록 할 수 있으므로, 멤브레인(126)으로부터 열전도패드(128)로 전달된 열을 보다 정확하게 측정하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
열전도패드(128)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 형태로 형성될 수 있다.
바람직하게, 도 11을 참조하면, 열전도패드(128)는 온도측정부(150)가 멤브레인(126)의 온도를 측정하는 부위에 대응하는 스팟(spot) 형태(예를 들어, 사각형 점 또는 원형 점 형태)로 형성되어, 멤브레인(126)의 상면에서 매우 작은 영역을 덮도록 배치된다.
이와 같이, 열전도패드(128)를 매우 작은 사이즈를 가지며 비연속적인 스팟 형태로 형성하는 것에 의하여, 열전도패드(128)에 의한 멤브레인(126)의 신축성 저하를 최소화하면서, 기판으로부터 멤브레인(126)으로 전달된 열(Q)을 열전도패드(128)에 집중시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
더욱 바람직하게, 열전도패드(128)는 멤브레인(126)의 바닥판(126a)을 형성하는 복수개의 분할판(126a')의 상면에 각각 독립적으로 구비된다.
온도측정부(150)는 분할판(126a') 별로 온도 정보를 독립적으로 측정하고, 제어부(160)는 온도 정보에 기초하여 복수개의 분할판(126a')에 인가되는 가압력을 독립적으로 조절한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 열전도패드를 멤브레인의 원주 방향을 따라 연속적인 링 형태로 형성하거나, 여타 다른 형태로 형성할 수 있으며, 열전도패드의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 본 발명에 따른 기판 처리 방법을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 14는 본 발명에 따른 기판 처리 방법을 설명하기 위한 블록도이다. 아울러, 전술한 구성과 동일 및 동일 상당 부분에 대해서는 동일 또는 동일 상당한 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 기판 처리 방법은, 캐리어 헤드(120)의 멤브레인(126)으로 기판(W)을 연마패드(111)에 가압하여 연마하는 연마 단계(S10)와, 멤브레인(126)의 온도 정보를 측정하는 측정 단계(S20)와, 멤브레인(126)의 온도 정보에 기초하여 기판(W)의 연마 종료 시점을 제어하는 제어 단계(S40)를 포함한다.
단계 1 :
먼저, 연마패드(111)에 기판(W)을 접촉시킨 상태로 캐리어 헤드(120)의 멤브레인(126)으로 기판을 가압하여 기판(W)을 연마한다.(S10)
연마 단계(S10)에서는 기판(W)의 연마층을 연마한다. 일 예로, 연마 단계(S10)에서, 기판(W)은 캐리어 헤드(120)에 탑재된 상태로 연마패드(111)에 가압되며 연마될 수 있고, 연마패드(111)의 표면은 컨디셔너(130)에 의해 개질될 수 있으며, 기판(W)이 연마되는 동안 연마패드(111)의 상면에서는 슬러리가 공급될 수 있다.
바람직하게, 연마 단계(S10)에서는 기판(W)의 연마전 두께 정보에 기초하여, 기판(W)의 영역 별로 서로 다른 단위 시간당 연마량으로 기판(W)을 연마한다.
이와 같이, 기판(W)의 연마전 두께 정보(두께 분포)에 기초하여, 기판(W)의 영역별로 서로 다른 단위 시간당 연마량으로 기판(W)을 연마하는 것에 의하여, 기판(W)에 대한 연마가 시작됨과 동시에 기판(W)의 영역별로 연마량을 서로 다르게 조절할 수 있으므로, 기판(W)의 두께 편차를 빠르게 제거하여 기판(W)의 두께 프로파일을 전체적으로 균일하게 조절할 수 있으며, 기판(W)의 연마 품질을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
일 예로, 연마 단계(S10)에서는 연마패드(111)에 접촉되는 기판(W)의 영역별로 서로 다른 가압력을 인가하는 것에 의하여, 기판(W)의 영역별로 서로 다른 단위 시간당 연마량으로 연마가 행해질 수 있다.
다른 일 예로, 연마 단계(S10)에서는, 컨디셔너(130)로 연마패드(111)의 표면 높이 편차를 형성하거나, 기판(W)의 영역별로 슬러리의 공급량을 서로 다르게 조절하는 것에 의하여, 기판(W)의 영역별로 서로 다른 단위 시간당 연마량으로 연마가 행해질 수 있다.
단계 2 :
다음, 기판(W)에 대한 연마가 행해지는 중에 멤브레인(126)의 온도 정보를 측정한다.(S20)
연마 공정 중에 기판의 온도가 변화하게 되면, 기판으로부터 기판과 접촉하는 멤브레인(126)으로 전도되는 전도열에 의하여, 멤브레인(126)의 온도 역시 기판의 온도 변화에 비례하여 변화하게 된다. 따라서, 멤브레인(126)의 온도 변화 정도를 알면, 기판의 온도 변화를 알 수 있다.
측정 단계(S20)에서는 멤브레인(126)의 온도 정보를 측정 한다. 바람직하게, 측정 단계(S20)에서는 캐리어 헤드(120)의 내부에서 멤브레인(126)의 상면 온도를 측정한다. 더욱 바람직하게, 측정 단계(S20)에서는 기판(W)이 연마되는 중에 멤브레인(126)의 온도 정보를 실시간으로 측정한다.
측정 단계(S20)에서 멤브레인(126)의 온도 정보를 비접촉식으로 측정하거나, 접촉식으로 측정할 수 있으며, 온도 측정 방식에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 멤브레인(126)은, 반경 방향을 따라 분할되는 복수개의 분할판(126a')을 포함하는 바닥판(126a)과, 바닥판(126a)의 상면에 연장 형성되며 분할판의 상부에 독립적으로 분할된 복수개의 압력 챔버를 형성하는 격벽(126b)을 포함하고, 측정 단계(S20)에서는 분할판(126a') 별로 온도 정보를 독립적으로 측정한다.
단계 3 :
다음, 멤브레인(126)의 온도 정보에 기초하여 기판(W)의 연마 파라미터를 조절한다.
조절 단계에서 기판(W)의 연마 파라미터를 조절한다 함은, 기판(W)의 연마에 영향을 미치는 변수를 조절하는 것으로 정의된다.
일 예로, 조절 단계에서는 멤브레인(126)의 온도 정보에 기초하여 복수개의 분할판(126a')에 인가되는 가압력을 독립적으로 조절할 수 있다.(S30) 다른 일 예로, 조절 단계에서는 기판(W)을 연마패드(111)에 가압하는 캐리어 헤드(120)와 관련된 캐리어 헤드(120) 연마 파라미터(예를 들어, 캐리어 헤드(120)의 가압시간, 회전속도)와, 연마패드(111)를 개질하는 컨디셔너(130)와 관련된 컨디셔너 연마 파라미터(예를 들어, 컨디셔너의 가압력, 가압시간, 회전속도, 선회 이동 속도)와, 기판(W)에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부(140)와 관련된 슬러리 공급부 연마 파라미터(예를 들어, 슬러리의 종류, 공급량, 공급 시간, 공급 속도, 공급 온도) 중 어느 하나 이상을 조절할 수 있다.
일 예로, 기판(W)의 전체 판면에 대한 연마층 두께 분포를 얻은 상태(측정 상태)에서, 기판(W) 연마층의 두께가 더 크게 측정되면, 캐리어 헤드(120)의 압력 챔버에 인가하는 가압력을 더 크게 조절하여, 기판(W) 연마층의 두께를 원하는 두께로 정확하게 조절할 수 있다.
다른 일 예로, 기판(W)의 전체 판면에 대한 연마층 두께 분포를 얻은 상태에서, 기판(W) 연마층의 두께가 더 크게 측정되면, 기판(W)이 접촉되는 연마패드(111)의 표면 높이를 높게 하여(예를 들어, 컨디셔너의 가압력을 작게 하여), 기판(W) 연마층 두께를 원하는 두께로 조절할 수 있다.
또 다른 일 예로, 기판(W)의 전체 판면에 대한 연마층 두께 분포를 얻은 상태에서, 기판(W) 연마층의 두께가 더 크게 측정되면, 슬러리 공급량을 더 증가시켜, 기판(W) 연마층 두께를 원하는 두께로 조절할 수 있다.
단계 4 :
다음, 다음, 멤브레인(126)의 온도 정보에 기초하여 기판(W)의 연마 종료 시점을 제어한다.(S40)
제어 단계(S40)에서는 멤브레인(126)의 온도 정보를 토대로 기판(W)에 대한 연마가 종료되는 시점을 결정한다. 다시 말해서, 멤브레인(126)의 온도 정보를 통해 기판의 온도 정보를 알 수 있으며, 이에 기초하여 기판(W)이 타겟 두께에 도달하였는지 여부를 알 수 있고, 기판(W)이 타겟 두께에 도달하면 기판(W)에 대한 연마가 종료된다.
바람직하게, 제어 단계(S40)에서는 연마패드(111)의 사용 시간에 따른 멤브레인(126)의 기준 온도 정보와, 온도측정부(150)에서 측정된 상기 멤브레인(126)의 측정 온도 정보 간의 온도 기울기 편차에 기초하여, 기판(W)의 연마 종료 시점을 제어한다.
멤브레인(126)의 기준 온도 정보는 기판의 연마 시간에 따라 룩업테이블(Lookup Table)에 미리 저장되며, 룩업테이블에 미리 저장된 정보(기준 온도 정보)와 멤브레인(126)의 측정 온도 정보를 비교하여 기판의 연마 정도를 빠르게 검출할 수 있다.
이는, 기판의 온도가 변화하게 되면, 기판으로부터 기판과 접촉하는 멤브레인(126)으로 전도되는 전도열에 의하여, 멤브레인(126)의 온도 역시 기판의 온도 변화에 비례하여 변화하게 된다. 따라서, 멤브레인(126)의 온도 변화 정도를 알면, 기판의 온도 변화를 알 수 있으며, 이를 통해 기판의 연마 정도를 검출할 수 있다는 것에 기인한 것이다.
보다 구체적으로, 기판(W)의 연마층은, 갭 패턴이 형성된 제1막층과, 제1막층과 다른 재질로 형성되되 갭 패턴에 채워지며 제1막층을 덮도록 형성되는 제2막층을 포함하고, 측정 단계(S20)에서는 제1막층의 표면이 연마패드(111)로 노출됨에 따른 멤브레인(126)의 온도 변화를 측정한다.
연마층에 대한 연마 공정이 행해지면, 제1막층의 상부에 형성된 제2막층만이 연마패드(111)에 접촉되면서 제2막층이 먼저 연마된다. 제2막층이 일정 이상 연마되면, 제1막층이 외부로 노출(제1막층의 상면이 노출)되면서 제2막층과 제1막층이 연마패드(111)에 함께 접촉하게 된다.
연마패드(111)에 제2막층만이 접촉하는 상태(이하, 제1연마공정이라 함)에서의 제1마찰열과, 연마패드(111)에 제2막층과 제1막층이 함께 접촉하는 상태(이하, 제2연마공정이라 함)에서의 제2마찰열은 서로 다르기 때문에, 제1연마공정 중에 멤브레인(126)의 온도와, 제2연마공정 중에 멤브레인(126)의 온도가 서로 다르게 된다. 또한, 멤브레인(126)의 온도 변화는, 제1연마공정 중에 슬러리에 의한 제1반응열과, 제2연마공정 중에 슬러리에 의한 제2반응열의 차이에 의해서도 발생하게 된다. 따라서, 멤브레인(126)의 온도 변화를 측정하는 것에 의하여, 제1막층이 노출되는 시점을 알 수 있게 된다.
일 예로, 멤브레인(126)에서 측정된 측정 온도 정보가 기준 온도 정보에 도달하면, 제어 단계(S40)에서는 제1막층이 노출된 것으로 판단하여 기판(W)에 대한 연마를 종료할 수 있다. 경우에 따라서는 측정 온도 정보가 기준 온도 정보보다 낮아지거나 높아지는 경우에 기판에 대한 연마를 종료하는 것도 가능하다.
일반적으로, 연마층이 이종막으로 형성된 경우에는 하부에 형성된 제1막층이 외부로 노출되는 시점이 연마 종료 시점으로 정의된다. 이와 같이, 제1막층이 외부로 노출된 이후에 얼마만큼 신속하게 연마가 종료되는지에 따라 연마 품질 및 연마 효율이 결정되므로, 제1막층이 외부로 노출되는 상태를 최대한 신속하게 검출하고 연마를 종료하는 것이 중요하다.
이에 본 발명은, 멤브레인(126)의 온도 정도에 기초하여 제1막층의 노출 상태를 감지하고, 연마 종료 시점을 제어할 수 있도록 하는 것에 의하여, 제1막층이 외부로 노출되는 상태를 최대한 신속하게 검출하고 보다 빠른 시간 내에 연마를 종료하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 제어 단계(S40)에서는 기판(W)의 연마 시간이 미리 정의된 기준 시간을 경과한 이후에 기판(W)의 연마 종료 시점을 제어한다.(S50)
이는, 기판(W)의 초기 연마시에는 제2막층의 표면이 울퉁불퉁하면, 멤브레인(126)의 측정 온도 정보가 기준 온도 정보보다 낮게 나타날 수 있다는 것에 기인한 것으로, 기판(W)의 연마 시간이 미리 정의된 기준 시간을 경과한 이후에 기판(W)의 연마 종료 시점을 제어하도록 하는 것에 의하여, 기판(W) 연마 종료 시점의 정확도를 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
단계 5 :
다음, 기판(W)이 타겟 두께에 도달하면(예를 들어, 멤브레인의 측정 온도 정보가 기준 온도 정보에 도달한 것으로 나타나면) 기판(W)에 대한 연마를 종료한다.
이와 같이, 기판(W)에 대한 연마가 행해지는 동안 멤브레인(126)의 온도 정보에 기초하여 기판(W)의 연마 종료 시점이 제어되도록 하는 것에 의하여, 기판(W)의 연마 두께를 정확하게 제어하고, 기판(W)의 연마 종료 시점을 신속하고 정확하게 제어하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
참고로, 캐리어 헤드(120)의 토크 변화를 검출하여 기판(W)의 연마 종료 시점을 결정하는 방식의 경우에는 기판(W)의 연마를 종료하는데 소요되는 시간이 75초이고, 기판 연마층으로부터 획득되는 와전류 신호를 연산하여 기판(W)의 연마 종료 시점을 결정하는 방식의 경우에는 기판(W)의 연마를 종료하는데 소요되는 시간이 65초인데 반하여, 멤브레인(126)의 온도 정보에 기초하여 기판(W)의 연마를 종료하는데 소요되는 시간은 62초이다. 이로부터 알 수 있듯이, 멤브레인(126)의 온도 정보에 기초하여 기판(W)의 연마 종료 시점을 제어하는 방식이 연마 종료 시점의 감지가 가장 빠르다는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 기판 처리 장치 110 : 연마정반
111 : 연마패드 120 : 캐리어 헤드
122 : 본체 124 : 베이스
126 : 멤브레인 126a : 바닥판
126b : 격벽 128 : 열전도패드
128a : 접착층 128a' : 수용홈
130 : 컨디셔너 140 : 슬러리 공급부
150 : 온도측정부 160 : 제어부
170 : 저장부

Claims (39)

  1. 기판 처리 장치로서,
    기판의 연마층을 연마하는 연마패드와;
    상기 기판의 상면에 접촉하는 멤브레인을 구비하며, 상기 기판을 상기 연마패드에 가압하는 캐리어 헤드와;
    상기 멤브레인에 비하여 열전도율이 우수한 재질로 형성되어 상기 멤브레인의 상면에 구비되는 열전도패드와;
    상기 멤브레인으로부터 열전도된 상기 열전도패드의 온도를 측정하는 것에 의해 상기 멤브레인의 온도 정보를 측정하는 온도 측정부와;
    상기 멤브레인의 상기 온도 정보에 기초하여 상기 기판의 연마 종료 시점을 제어하는 제어부를;
    포함하고, 상기 열전도패드는 상기 온도측정부가 상기 멤브레인의 온도를 측정하는 부위에 대응하는 스팟 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 멤브레인의 상부에는 독립적으로 분할된 복수개의 압력 챔버가 형성되고,
    상기 멤브레인은 상기 압력 챔버의 압력에 대응하여 신축 가능한 가요성 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 멤브레인의 상부에는 독립적으로 분할된 복수개의 압력 챔버가 형성되고,
    상기 제어부는 상기 멤브레인의 상기 온도 정보에 기초하여 상기 복수개의 압력 챔버의 압력을 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 온도측정부는 상기 복수개의 압력 챔버 중 하나 이상에서 상기 멤브레인의 복수의 지점에 대한 상기 온도 정보를 측정하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 멤브레인은,
    상기 기판에 접촉하는 바닥판과;
    상기 바닥판의 상면에 연장 형성되며, 상기 복수개의 압력 챔버를 형성하는 격벽을;
    포함하고, 상기 바닥판은 복수개의 분할판으로 분할되고, 상기 온도측정부는 상기 분할판에서 상기 온도 정보를 측정하고, 상기 제어부는 상기 온도 정보에 기초하여 상기 복수개의 분할판에 인가되는 가압력을 독립적으로 조절하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 분할판의 온도가 증가하면 상기 분할판에 인가되는 가압력을 낮추고,
    상기 분할판의 온도가 감소하면 상기 분할판에 인가되는 가압력을 높이는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 연마 시간에 따른 상기 멤브레인의 기준 온도 정보가 저장되는 저장부를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 온도측정부에서 측정된 상기 멤브레인의 측정 온도 정보와 상기 기준 온도 정보를 비교하여 상기 기판의 연마 종료 시점을 제어하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 측정 온도 정보가 상기 기준 온도 정보에 도달하면, 상기 기판에 대한 연마를 종료하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 기판의 연마 시간이 미리 정의된 기준 시간을 경과한 이후에 상기 기판의 연마 종료 시점을 제어하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 온도측정부는 상기 멤브레인의 온도를 복수회 측정한 측정값을 평균화하여 상기 온도 정보를 산출하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도측정부는 상기 기판에 대한 연마가 행해지는 중에 상기 멤브레인의 상기 온도 정보를 실시간으로 측정하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도측정부는 상기 멤브레인의 상기 온도 정보를 비접촉식으로 측정하는 비접촉식 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  13. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도측정부는 상기 멤브레인의 상기 온도 정보를 접촉식으로 측정하는 접촉식 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  14. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열전도패드는 금속으로 형성된 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  15. 기판 처리 장치로서,
    기판의 연마층을 연마하는 연마패드와;
    상기 기판의 상면에 접촉하는 멤브레인을 구비하며, 상기 기판을 상기 연마패드에 가압하는 캐리어 헤드와;
    상기 멤브레인에 비하여 열전도율이 우수한 재질로 형성되어 상기 멤브레인의 상면에 구비되는 열전도패드와;
    상기 멤브레인으로부터 열전도된 상기 열전도패드의 온도를 측정하는 것에 의해 상기 멤브레인의 온도 정보를 측정하는 온도 측정부와;
    상기 멤브레인의 상기 온도 정보에 기초하여 상기 기판의 연마 종료 시점을 제어하는 제어부를;
    포함하고, 상기 열전도패드는 그래핀으로 형성된 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  16. 기판 처리 장치로서,
    기판의 연마층을 연마하는 연마패드와;
    상기 기판의 상면에 접촉하는 멤브레인을 구비하며, 상기 기판을 상기 연마패드에 가압하는 캐리어 헤드와;
    상기 멤브레인에 비하여 열전도율이 우수한 재질로 형성되어 상기 멤브레인의 상면에 구비되는 열전도패드와;
    상기 멤브레인으로부터 열전도된 상기 열전도패드의 온도를 측정하는 것에 의해 상기 멤브레인의 온도 정보를 측정하는 온도 측정부와;
    상기 멤브레인의 상기 온도 정보에 기초하여 상기 기판의 연마 종료 시점을 제어하는 제어부를;
    포함하고, 상기 열전도패드는 탄소나노튜브로 형성된 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  17. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멤브레인의 상면에는 상기 열전도패드가 수용되는 수용홈이 형성된 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  18. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열전도패드는 역삼각형 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  19. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열전도패드는 접착층을 매개로 상기 멤브레인의 상면에 접착된 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 접착층은 상기 멤브레인의 신축에 대응하여 휘어질 수 있는 가요성 접착제로 형성된 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.

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