KR102525737B1 - 화학 기계적 연마장치 및 그 제어방법 - Google Patents

화학 기계적 연마장치 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 연마층이 형성된 기판을 연마하는 화학 기계적 연마장치는, 기판이 접촉되는 연마패드와, 연마패드에 접촉되며 연마 공정 중에 미리 정해진 두께가 유지되는 레퍼런스 기판과, 연마패드 하부에 배치되며 연마층의 두께 정보를 포함하는 제1신호와 레퍼런스 기판의 레퍼런스 연마층의 두께를 정보를 포함하는 제2신호를 측정하는 측정부와, 제1신호와 제2신호를 비교하여 산출된 오차를 제1신호에 반영하여 연마층의 두께를 검출하는 두께검출부를 포함하며, 레퍼런스 연마층으로부터 측정되는 제2신호의 편차를 연마층으로부터 측정되는 제1신호에 보상하여 연마층의 두께를 정확하게 검출하는 효과를 얻을 수 있다.

Description

화학 기계적 연마장치 및 그 제어방법{CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 화학 기계적 연마장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 웨이퍼의 연마층 두께를 정확하게 측정할 수 있는 화학 기계적 연마장치 및 그 제어방법에 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, 도 1에 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, 도 3에 도시된 바와 같이 도전성 연마층에서 유도된 와전류(50E)의 합성 임피던스 및 위상차의 변동값으로부터 웨이퍼(W)의 연마층 두께를 감지한다.
그런데, 화학 기계적 연마 공정 중에 두께 센서(50)에서 측정되는 와전류 측정 신호는, 웨이퍼 연마층(Le)의 두께 변화(연마량)에 따라 변화하기도 하지만, 두께 센서(50)와 웨이퍼 연마층(Le)의 사이 거리(50d) 변화에 따라서도 변화된다. 특히, 웨이퍼 연마층(Le)의 타겟 두께 조절의 허용 오차가 수십Å 내지 수백Å의 매우 작으므로, 연마 패드(11)의 두께 변동에 따른 와전류 신호의 오차에 의하여 웨이퍼 연마층(Le)의 두께 분포 및 연마 종료 시점이 잘못 인지될 가능성이 큰 문제가 있다.
따라서, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼(W)의 연마층 두께를 실시간으로 감지함과 동시에, 연마 패드(11)의 두께 변동도 실시간으로 감지할 필요성이 크게 대두되고 있다.
본 발명은 화학 기계적 연마 공정 중에 기판 연마층의 두께를 정확하게 측정할 수 있는 화학 기계적 연마장치 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 미리 두께 정보를 알고 있는 레퍼런스 기판으로부터 측정된 레퍼런스 신호를 이용하여 산출된 연마 환경 변수에 따른 오차를 보상하여 연마층의 두께 변화를 정확하게 측정할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 연마층과 레퍼런스 연마층 간의 온도 편차에 따른 측정 오차와, 연마패드의 제1두께 변동량(연마층)과 연마패드의 제2두께 변동량(레퍼런스 연마층)의 차이에 따른 오차를 반영하여 연마층 두께를 보다 정확하게 측정할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 연마층의 두께 정보를 측정하는 지점과 동일한 지점에서 연마층의 온도와 연마패드의 두께 변동량 함께 측정하여 연마층 두께의 측정 신뢰성을 높일 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연마층이 형성된 기판을 연마하는 화학 기계적 연마장치는, 연마층이 형성된 기판을 연마하는 화학 기계적 연마장치는, 기판이 접촉되는 연마패드와, 연마패드에 접촉되며 연마 공정 중에 미리 정해진 두께가 유지되는 레퍼런스 기판과, 연마패드 하부에 배치되며 연마층의 두께 정보를 포함하는 제1신호와 레퍼런스 기판의 레퍼런스 연마층의 두께를 정보를 포함하는 제2신호를 측정하는 측정부와, 제1신호와 제2신호를 비교하여 산출된 오차를 제1신호에 반영하여 연마층의 두께를 검출하는 두께검출부를 포함한다.
이는, 기판 연마층의 두께 정보를 포함하는 신호를 측정하여 연마층의 두께를 검출하는데 있어서, 연마 환경 변수(예를 들어, 센서 노이즈, 온도 변화, 연마패드 두께 변화)에 따른 오차를 보상하여 연마층의 두께를 보다 정확하게 측정할 수 있도록 하기 위함이다.
즉, 측정부에서 측정된 제1신호만으로 연마층의 두께를 검출하면, 제1신호에 포함된 연마 환경 변수에 따른 오차에 의해 기판 연마층의 두께를 정확하게 측정하기 어렵다. 다시 말해서, 측정부에서 측정된 제1신호가, 연마층의 마모에 의한 것인지, 센서 자체의 노이즈에 따른 오차에 의한 것인지, 온도 변화에 따른 오차에 의한 것인지, 연마패드의 두께 변화에 따른 오차에 의한 것인지, 아니면 연마층의 마모와 이 모든 연마 환경 변수(예를 들어, 센서 노이즈 오차, 온도 변화에 따른 오차, 연마패드 두께 변에 따른 오차)를 포함하는 총 오차에 의한 것인지를 알기 어렵기 때문에, 제1신호만으로는 기판 연마층의 두께를 정확하게 측정하기 어렵다.
이에 본 발명은, 레퍼런스 기판으로부터 검출된 제2신호를 통해 연마 환경 변수에 따른 오차를 검출하고, 이 오차를 제1신호에 반영하는 것에 의하여, 기판 연마층의 두께를 정확하게 검출하는 효과를 얻을 수 있다.
다시 말해서, 본 발명은 연마 공정 중에 미리 정해진 두께가 유지되는 비마모성 레퍼런스 연마층이 형성된 레퍼런스 기판을 이용하여 제2신호를 검출하고, 제2신호에 포함된 오차(센서 자체의 노이즈, 온도 변화에 따른 오차, 연마패드의 두께 변동량에 따른 오차)가 정확하게 얼마인지를 산출하여 제1신호에 반영함으로써, 연마층의 두께를 정확하게 검출하는 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 레퍼런스 연마층의 두께를 미리 알고 있기 때문에, 레퍼런스 연마층으로부터 측정되는 제2신호를 통해 센서 자체의 노이즈, 온도 변화, 연마패드의 두께 변동량 등 제2신호에 포함될 수 있는 모든 오차를 알 수 있고, 이러한 모든 오차는 기판의 연마층에도 동일하게 적용되기 때문에, 단순히 제1신호와 제2신호를 직접 비교하는 것에 의하여 오차에 의해 왜곡되지 않은 연마층의 두께를 정확하게 검출하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
더욱이, 제2신호 포함된 특정 오차, 예를 들어, 온도 변화에 따른 오차를 산출하기 위해 복잡한 수식에 의한 오차 산출 과정을 거칠 필요가 없기 때문에, 연마층의 두께 감지 과정을 간소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게 기판과 레퍼런스 기판은 서로 동일한 연마 조건을 이루도록 연마패드에 접촉한다.
구체적으로, 기판과 레퍼런스 기판이 연마패드에 접촉되는 동안, 기판과 연마패드 사이의 발열량과, 레퍼런스 기판과 연마패드 사이의 발열량은 서로 동일한 범위를 가진다.
이와 같이, 기판과 레퍼런스 기판이 서로 동일한 연마 조건(연마패드에 대한 동일한 발열량)으로 연마패드에 접촉되도록 하는 것에 의하여, 연마 조건에 따른 왜곡없이 제2신호를 보다 정확하게 측정하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
제1신호와 제2신호는 하나의 측정부에 의해 측정되거나, 각각 별도의 측정부에 의해 측정될 수 있다. 일 예로, 측정부는, 연마패드의 하부에 배치되며 제1신호를 측정하는 제1측정부와, 연마패드의 하부에 배치되며 제2신호를 측정하는 제2측정부를 포함한다.
또한, 기판과 레퍼런스 기판은 연마패드의 원주 방향을 따라 180도 이격되게 배치되고, 제1측정부와 제2측정부는 연마패드의 원주 방향을 따라 180도 이격되게 배치되며, 제1신호와 제2신호는 동시에 측정되도록 하는 것에 의하여, 제1신호에서 연마 환경 변수에 따른 오차와 제2신호에서 연마 환경 변수에 따른 오차 간의 편차를 최대한 줄이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 레퍼런스 연마층의 저면에 연마층보다 낮은 마모율을 가지며 연마패드에 접촉되는 보호층을 형성하는 것에 의하여, 레퍼런스 연마층은 연마 공정 중에 미리 정해진 두께가 유지되는 비마모성을 가지게 된다. 바람직하게 보호층은 연마층의 마모율의 1/100~1/1000 정도의 마모율을 갖는 재질로 형성될 수 있다.
그리고, 제1측정부와 제2측정부로서는 와전류 신호를 측정하는 와전류 센서와, 광 신호를 측정하는 광 센서 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
또한, 연마층의 온도를 측정하는 제1온도센서와, 레퍼런스 연마층의 온도를 측정하는 제2온도센서를 포함할 수 있으며, 두께검출부는 연마층과 레퍼런스 연마층의 온도 차이에 따른 측정 오차를 제1신호에 반영하여 연마층의 두께를 검출할 수 있다. 이를 통해, 연마층 온도와 레퍼런스 연마층 온도의 차이에 따른 오차를 제1신호에 함께 반영함으로써, 연마층의 두께를 보다 정확하게 검출하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
아울러, 제1측정부와 연마층의 사이 거리를 측정하는 제1거리센서와, 제2측정부와 레퍼런스 연마층의 사이 거리를 측정하는 제2거리센서를 포함할 수 있으며, 두께검출부는, 제1거리센서에 의해 획득한 연마패드의 제1두께 변동량과, 제2거리센서에 의해 획득한 연마패드의 제2두께 변동량 간의 차이를 제1신호에 반영하여 연마층의 두께를 검출할 수 있다. 이를 통해, 제1거리센서에 의해 획득한 연마패드의 제1두께 변동량과 제2거리센서에 의해 획득한 연마패드의 제2두께 변동량 간의 차이에 따른 오차를 제1신호에 함께 반영함으로써, 연마층의 두께를 보다 정확하게 검출하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 화학 기계적 연마 장치는, 기판이 접촉되는 연마패드와; 연마패드에 접촉되며, 연마 공정 중에 미리 정해진 두께가 유지되는 비마모성 레퍼런스 연마층이 형성된 레퍼런스 기판과; 연마패드의 하부에 배치되며 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 제1신호를 측정하는 제1측정부와, 연마층의 온도를 측정하는 제1온도센서와, 제1측정부와 연마층의 사이 거리를 측정하는 제1거리센서를 포함하는 제1측정모듈과; 연마패드의 하부에 배치되며 레퍼런스 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 제2신호를 측정하는 제2측정부와, 레퍼런스 연마층의 온도를 측정하는 제2온도센서와, 제2측정부와 레퍼런스 연마층의 사이 거리를 측정하는 제2거리센서를 포함하는 제2측정모듈과; 제1신호와 제2신호를 비교하여 산출된 오차와, 연마층과 레퍼런스 연마층의 온도 차이에 따른 측정 오차와, 제1거리센서에 의해 획득한 연마패드의 제1두께 변동량과 제2거리센서에 의해 획득한 연마패드의 제2두께 변동량 간의 차이를 제1신호에 반영하여 연마층의 두께를 검출하는 두께검출부를; 포함한다.
이와 같이, 본 발명은 연마 공정 중에 미리 정해진 두께가 유지되는 비마모성 레퍼런스 연마층이 형성된 레퍼런스 기판을 이용하여 제2신호를 검출하고, 제2신호에 포함된 오차(센서 자체의 노이즈, 온도 변화에 따른 오차, 연마패드의 두께 변동량에 따른 오차)가 정확하게 얼마인지를 산출하여 제1신호에 반영하는 것에 의하여, 연마층의 두께를 정확하게 검출하는 효과를 얻을 수 있다.
더욱이, 본 발명은 연마층 온도와 레퍼런스 연마층 온도의 차이에 따른 오차를 제1신호에 반영함과 아울러, 제1거리센서에 의해 획득한 연마패드의 제1두께 변동량과 제2거리센서에 의해 획득한 연마패드의 제2두께 변동량 간의 차이에 따른 오차를 제1신호에 함께 반영하는 것에 의하여, 연마층의 두께를 보다 정확하게 검출하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 분야에 따르면, 화학 기계적 연마장치의 제어방법은, 연마층이 형성된 기판을 연마패드에 접촉시켜 연마하는 연마단계와, 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 제1신호를 측정하는 제1측정단계와, 연마 공정 중에 미리 정해진 두께가 유지되는 비마모성 레퍼런스 연마층이 형성된 레퍼런스 기판을 연마패드에 접촉시키는 레퍼런스 기판 접촉단계와, 레퍼런스 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 제2신호를 측정하는 제2측정단계와, 제1신호와 제2신호를 비교하여 산출된 오차를 제1신호에 반영하여 연마층의 두께를 검출하는 두께 검출단계를 포함한다.
이와 같이, 레퍼런스 기판으로부터 검출된 제2신호를 통해 연마 환경 변수에 따른 오차를 검출하고, 이 오차를 제1신호에 반영하는 것에 의하여, 기판 연마층의 두께를 정확하게 검출하는 효과를 얻을 수 있다.
다시 말해서, 본 발명은 연마 공정 중에 미리 정해진 두께가 유지되는 비마모성 레퍼런스 연마층이 형성된 레퍼런스 기판을 이용하여 제2신호를 검출하고, 제2신호에 포함된 오차(센서 자체의 노이즈, 온도 변화에 따른 오차, 연마패드의 두께 변동량에 따른 오차)가 정확하게 얼마인지를 산출하여 제1신호에 반영함으로써, 연마층의 두께를 정확하게 검출하는 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 레퍼런스 연마층의 두께를 미리 알고 있기 때문에, 레퍼런스 연마층으로부터 측정되는 제2신호를 통해 센서 자체의 노이즈, 온도 변화, 연마패드의 두께 변동량 등 제2신호에 포함될 수 있는 모든 오차를 알 수 있고, 이러한 모든 오차는 기판의 연마층에도 동일하게 적용되기 때문에, 단순히 제1신호와 제2신호를 직접 비교하는 것에 의하여 오차에 의해 왜곡되지 않은 연마층의 두께를 정확하게 검출하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
더욱이, 제2신호 포함된 특정 오차, 예를 들어, 온도 변화에 따른 오차를 산출하기 위해 복잡한 수식에 의한 오차 산출 과정을 거칠 필요가 없기 때문에, 연마층의 두께 감지 과정을 간소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 연마단계와 레퍼런스 기판 접촉단계에서, 기판과 레퍼런스 기판은 서로 동일한 연마 조건을 이루도록 연마패드에 접촉하고, 제1측정단계와 제2측정단계에서 제1신호와 제2신호는 동시에 측정되도록 하는 것에 의하여, 제1신호에서 연마 환경 변수에 따른 오차와 제2신호에서 연마 환경 변수에 따른 오차 간의 편차를 최대한 줄이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
구체적으로, 제1신호와 제2신호가 측정되는 동안, 기판과 연마패드 사이의 발열량과, 래퍼런스 기판과 연마패드 사이의 발열량은 서로 동일한 범위에 있게 하는 것에 의하여, 발열량의 차이에 따른 왜곡없이 제2신호를 보다 정확하게 측정하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 연마층의 온도를 측정하는 제1온도 측정단계와, 레퍼런스 연마층의 온도를 측정하는 제2온도 측정단계를 포함하고, 두께 검출단계에서는, 연마층과 레퍼런스 연마층의 온도 차이에 따른 측정 오차를 제1신호에 반영하여 연마층의 두께를 검출하는 것에 의하여, 연마층 온도와 레퍼런스 연마층 온도의 차이에 따른 왜곡없이, 연마층의 두께를 보다 정확하게 검출하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
아울러, 연마층에 대한 연마패드의 두께 변동량을 측정하는 제1두께 변동량 측정단계와, 레퍼런스 연마층에 대한 연마패드의 두께 변동량을 측정하는 제2두께 변동량 측정단계를 포함하며, 두께 검출단계에서는, 제1두께 변동량 측정단계에서 획득한 연마패드의 제1두께 변동량과, 제2두께 변동량 측정단계에서 획득한 연마패드의 제2두께 변동량 간의 차이를 제1신호에 반영하여 상기 연마층의 두께를 검출하는 것에 의하여, 제1두께 변동량과 제2두께 변동량의 차이에 따른 왜곡없이 연마층의 두께를 보다 정확하게 검출하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 또 다른 분야에 따르면, 화학 기계적 연마장치의 제어방법은, 연마층이 형성된 기판을 연마패드에 접촉시켜 연마하는 연마단계와, 연마 공정 중에 미리 정해진 두께가 유지되는 비마모성 레퍼런스 연마층이 형성된 레퍼런스 기판을 연마패드에 접촉시키는 레퍼런스 기판 접촉단계와, 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 제1신호를 측정하는 제1측정단계와, 연마층의 온도를 측정하는 제1온도 측정단계와, 연마층에 대한 연마패드의 두께 변동량을 측정하는 제1두께 변동량 측정단계와, 레퍼런스 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 제2신호를 측정하는 제2측정단계와, 레퍼런스 연마층의 온도를 측정하는 제2온도 측정단계와, 레퍼런스 연마층에 대한 연마패드의 두께 변동량을 측정하는 제2두께 변동량 측정단계와, 제1신호와 제2신호를 비교하여 산출된 오차와, 연마층과 레퍼런스 연마층의 온도 차이에 따른 측정 오차와, 제1두께 변동량 측정단계에서 획득한 연마패드의 제1두께 변동량과 제2두께 변동량 측정단계에서 획득한 연마패드의 제2두께 변동량 간의 차이를 제1신호에 반영하여 연마층의 두께를 검출하는 두께 검출단계를 포함한다.
이와 같이, 레퍼런스 기판으로부터 검출된 제2신호를 통해 검출된 센서 자체의 노이즈, 온도 변화에 따른 오차, 연마패드의 두께 변동량에 따른 총 오차를 제1신호에 반영하여 보상함과 동시에, 제1온도 측정단계와 제2온도 측정단계에서 검출된 연마층과 레퍼런스 연마층의 온도 차이에 따른 측정 오차를 제1신호에 반영하고, 제1두께 변동량 측정단계와 제2두께 변동량 측정단계에서 획득한 연마패드의 제1두께 변동량과 연마패드의 제2두께 변동량 간의 차이를 제1신호에 반영하여, 연마층의 두께를 검출하는 것에 의하여, 연마층 온도와 레퍼런스 연마층 온도의 차이에 따른 오차와, 연마패드의 두께 차이에 따른 오차없이 연마층의 두께를 정확하게 검출하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 연마 환경 변수에 따른 측정 오차를 보상하여 연마층의 두께를 보다 정확하게 측정하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명에 따르면 연마 공정 중에 미리 정해진 두께가 유지되는 비마모성 레퍼런스 연마층이 형성된 레퍼런스 기판을 이용하여 제2신호를 검출하고, 제2신호에 포함된 오차(센서 자체의 노이즈, 온도 변화에 따른 오차, 연마패드의 두께 변동량에 따른 오차)가 정확하게 얼마인지를 산출하여 제1신호에 반영함으로써, 연마층의 두께를 정확하게 검출하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 레퍼런스 연마층의 두께를 미리 알고 있기 때문에, 레퍼런스 연마층으로부터 측정되는 제2신호를 통해 센서 자체의 노이즈, 온도 변화, 연마패드의 두께 변동량 등 제2신호에 포함될 수 있는 모든 오차를 알 수 있고, 이러한 모든 오차는 기판의 연마층에도 동일하게 적용되기 때문에, 단순히 제1신호와 제2신호를 직접 비교하는 것에 의하여 오차에 의해 왜곡되지 않은 연마층의 두께를 정확하게 검출하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 제2신호 포함된 특정 오차, 예를 들어, 온도 변화에 따른 오차를 산출하기 위해 복잡한 수식에 의한 오차 산출 과정을 거칠 필요가 없기 때문에, 연마층의 두께 감지 과정을 간소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 레퍼런스 기판으로부터 검출된 연마 환경 변수에 따른 오차와, 연마층 온도와 레퍼런스 연마층 온도의 차이에 따른 오차를 제1신호에 함께 반영함으로써, 연마층의 두께를 보다 정확하게 검출하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 레퍼런스 기판으로부터 검출된 연마 환경 변수에 따른 오차와 함께, 제1거리센서에 의해 획득한 연마패드의 제1두께 변동량과 제2거리센서에 의해 획득한 연마패드의 제2두께 변동량 간의 차이에 따른 오차를 제1신호에 함께 반영함으로써, 연마층의 두께를 보다 정확하게 검출하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이를 통해, 본 발명은 기판의 연마 종료 시점을 정확하게 검출하여, 기판의 연마두께를 정확하게 제어하는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 종래의 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 정면도,
도 2는 도 1의 평면도,
도 3은 도 1에 사용되는 연마 헤드의 반단면도,
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 화학 기계적 연마 장치를 설명하기 위한 도면,
도 6 및 도 7은 도 4의 화학 기계적 연마 장치에 의한 연마층 두께 측정 과정을 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치를 설명하기 위한 도면,
도 9 내지 도 12는 도 8의 화학 기계적 연마 장치에 의한 연마층 두께 측정 과정을 설명하기 위한 도면,
도 13은 본 발명에 따른 화학 기계적 연마장치의 제어방법을 설명하기 위한 블록도,
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 화학 기계적 연마장치의 제어방법을 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 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치(10)는 기판(12)이 접촉되는 연마패드(110)와, 연마 공정 중에 미리 정해진 두께가 유지되는 비마모성 레퍼런스 연마층(22a)이 형성되며 연마패드(110)에 접촉되는 레퍼런스 기판(22)과, 연마패드(110)의 하부에 배치되며 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 제1신호를 측정하는 제1측정부(310)와, 연마패드(110)의 하부에 배치되며 레퍼런스 연마층(22a)으로부터 두께 정보를 포함하는 제2신호를 측정하는 제2측정부(320)와, 제1신호와 제2신호를 비교하여 산출된 오차를 제1신호에 반영하여 연마층의 두께를 검출하는 두께검출부(330)를 포함한다.
연마패드(110)는 원형 디스크 형태를 갖도록 형성될 수 있으며, 회전하는 연마정반(100)의 상면에 제공된다.
연마패드(110)의 상면에 후술할 슬러리 공급부(200)로부터 슬러리가 공급되는 상태에서 제1캐리어헤드(120)에 의해 기판(12)을 연마패드(110)의 상면에 가압함으로써 화학 기계적 연마 공정이 수행될 수 있으며, 연마패드(110) 및 슬러리를 이용한 화학 기계적 연마 공정이 끝난 후에는 기판(12)을 세정 장치로 이송할 수 있다.
참고로, 본 발명에 기판(12)이라 함은, 도전성 재질의 연마층(또는 비도전성 재질의 연마층)이 형성되며 연마패드(110) 상에 연마될 수 있는 연마대상물로 이해될 수 있으며, 기판(12)의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 이하에서는 기판(12)으로서 도전성 연마층이 형성된 웨이퍼가 사용된 예를 들어 설명하기로 한다.
제1캐리어헤드(120)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조로 제공될 수 있다. 일 예로, 제1캐리어헤드(120)는 회전 가능하게 제공되는 베이스부, 베이스부의 저면에 제공되는 탄성 멤브레인을 포함하여 제공될 수 있다.
탄성 멤브레인은 중앙부에 개구부가 형성되며, 탄성 멤브레인의 중앙부에 인접한 내측단은 베이스부에 고정될 수 있고, 탄성 멤브레인의 외측단은 베이스부(122)의 엣지부에 결합되는 리테이너링에 의해 베이스부에 고정될 수 있다.
탄성 멤브레인은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조로 제공될 수 있다. 일 예로, 탄성 멤브레인에는 복수개의 플립(예를 들어, 링 형태의 플립)이 형성될 수 있으며, 복수개의 플립에 의해 베이스부와 탄성 멤브레인의 사이에는 베이스부의 반경 방향을 따라 구획된 복수개의 압력챔버가 제공될 수 있다.
베이스부와 탄성 멤브레인의 사이 각 압력챔버에는 각각 압력을 측정하기 위한 압력센서가 제공될 수 있다. 각 압력챔버의 압력은 압력챔버 조절부에 의한 제어에 의해 개별적으로 조절될 수 있으며, 각 압력챕버의 압력을 조절하여 기판(12)이 가압되는 압력을 개별적으로 조절할 수 있다.
또한, 연마패드(110)의 상면 다른 일측에는 연마패드(110)의 표면을 개질하기 위한(일정한 연마면을 유지하기 위한) 컨디셔너(미도시)가 배치될 수 있고, 연마패드(110)의 상면 또 다른 일측에는 연마패드(110)의 표면에 슬러리(CMP slurry)를 공급하는 슬러리 공급부(미도시)가 배치될 수 있다.
레퍼런스 기판(22)(reference substrate)은 비마모성을 갖는 레퍼런스 연마층(22a)을 구비하여 연마패드(110)에 접촉하도록 마련되며, 기판(12) 연마층의 연마 두께를 정확하게 검출하는데 필요한 레퍼런스 신호(또는 기준신호)를 측정하기 위해 사용된다.
레퍼런스 기판(22)의 레퍼런스 연마층(22a)은 기판(12)의 연마층과 동일 또는 유사한 재질로 형성될 수 있다. 일 예로, 레퍼런스 연마층(22a)은 도전성 재질로 형성될 수 있다. 경우에 따라서는 레퍼런스 연마층이 비도전성 재질로 형성되는 것도 가능하다.
아울러, 레퍼런스 연마층(22a)이 비마모성을 가진다 함은, 레퍼런스 기판(22)이 회전하는 연마패드(110)에 접촉하더라도 레퍼런스 연마층(22a)이 마모되지 않음을, 다시 말해서, 레퍼런스 연마층(22a)의 두께가 변화하지 않음을 의미한다.
이를 위해, 레퍼런스 연마층(22a)의 저면에는, 연마층보다 낮은 마모율을 가지는 보호층(22b)이 형성되며, 실질적으로 레퍼런스 기판(22)과 연마패드(110) 간의 접촉은 보호층(22b)에 의해 이루어지기 때문에, 레퍼런스 기판(22)이 연마패드(110)에 접촉되는 동안에는 레퍼런스 연마층(22a)의 두께가 변화하지 않게 된다.
일 예로, 보호층(22b)은 연마층의 마모율보다 매우 낮은 마모율을 갖도록 형성될 수 있으며, 레퍼런스 기판(22)이 연마패드(110)에 접촉되는 동안에는 보호층(22b)의 두께 변화가 발생하지 않거나, 두께 측정에 영향을 주지 않는 정도의 매우 미세한 두께 변화만이 발생할 수 있다. 바람직하게 보호층(22b)은 연마층의 마모율의 1/100~1/1000 정도의 마모율을 갖는 재질로 형성될 수 있다.
기판(12)이 연마패드(110)에 연마되는 동안, 레퍼런스 기판(22)은 제2캐리어헤드(220)에 의해 연마패드(110)의 상면에 가압된다.
제2캐리어헤드(220)로서는 제1캐리어헤드(120)와 동일 또는 유사한 캐리어헤드가 사용될 수 있으며, 제2캐리어헤드(220)의 종류에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 레퍼런스 기판(22)은 기판(12)과 서로 동일한 연마 조건을 이루도록 연마패드(110)에 접촉된다.
여기서, 레퍼런스 기판(22)과 기판(12)이 서로 동일한 연마 조건을 이루도록 연마패드(110)에 접촉된다 함은, 기판(12)이 연마패드(110)에 접촉되는 동안 발생되는 연마 환경 변화(예를 들어, 온도)와, 레퍼런스 기판(22)이 연마패드(110)에 접촉되는 동안 발생되는 연마 환경 변화가 동일 또는 유사한 것으로 이해된다.
바람직하게, 기판(12)과 레퍼런스 기판(22)이 연마패드(110)에 접촉되는 동안, 기판(12)과 연마패드(110) 사이의 발열량과, 레퍼런스 기판(22)과 연마패드(110) 사이의 발열량은 서로 동일한 범위를 가진다.
참고로, 기판(12)과 연마패드(110) 사이의 발열량은, 기판(12) 연마층의 재질과, 기판(12)을 가압하는 가압력(제1캐리어헤드의 가압력)에 의해 결정될 수 있다. 또한, 레퍼런스 기판(22)과 연마패드(110) 사이의 발명량은, 레퍼런스 기판(22)의 보호층(22b)의 재질과, 레퍼런스 기판(22)을 가압하는 가압력(제2캐리어헤드의 가압력)에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 레퍼런스 기판(22)의 보호층(22b)의 재질(기판(12) 연마층과 다른 재질)을 고려하여 레퍼런스 기판(22)을 가압하는 가압력(제2캐리어헤드의 가압력)을 조절함으로써, 기판(12)과 연마패드(110) 사이의 발열량과, 레퍼런스 기판(22)과 연마패드(110) 사이의 발열량이 서로 동일한 범위로 형성되게 할 수 있다.
레퍼런스 기판(22)은 기판(12)에 대해 연마패드(110)의 원주 방향을 따라 180도 이격되게 배치될 수 있다. 경우에 따라서는 2개 이상의 레퍼런스 기판이 사용되는 것도 가능하다. 아울러, 본 발명의 실시예에서는 기판(12)과 레퍼런스 기판(22)이 동일한 사이즈로 형성된 예를 들어 설명하고 있지만, 경우에 따라서는 레퍼런스 기판이 기판과 다른 사이즈(예를 들어, 작은 사이즈)로 형성되는 것도 가능하다.
제1측정부(310)는 연마패드(110)의 하부에 배치되며, 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 제1신호를 측정한다.
여기서, 제1측정부(310)가 연마패드(110)의 하부에 배치된다 함은, 제1측정부(310)가 연마정반(100)에 장착되어 연마정반(100)과 함께 회전하는 구조와, 제1측정부(310)가 연마정반(100)에 형성된 관통부의 하부에 배치되어 연마정반(100)과 함께 회전하지 않는 구조를 모두 포함하는 개념으로 이해된다.
제1측정부(310)로서는 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 와전류 신호를 측정하는 와전류 센서와, 두께 정보를 포함하는 광 신호를 측정하는 광 센서 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
이하에서는, 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 제1신호를 측정하는 제1측정부(310)로서 와전류 센서가 사용된 예를 들어 설명하기로 한다.
와전류 센서는 기판(12)의 연마층의 두께를 감지하도록 와전류를 인가하고 연마층으로부터의 출력 신호(예를 들어, 공진 주파수이거나 합성 임피던스)를 수신한다.
와전류 센서는 n번 감긴 중공 나선의 형상인 센서 코일(미도시)을 포함하며, 제어부로부터 교류 전류를 인가받아, 센서 코일로부터 입력 신호를 자속 형태로 인가하여, 도전체(도전성 재질의 연마층)에 와전류를 인가하고, 도전체의 두께가 변동하거나 도전체와의 거리가 변동될 경우에, 도전체에서 발생되는 와전류에 의한 공진주파수 또는 합성임피던스를 출력 신호로 수신하여 출력 신호의 변화로부터 도전체의 두께 변화나 도전체까지의 거리를 검출한다.
참고로, 와전류 센서에 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. 와전류 센서의 출력값은 전압(voltage)로 표시될 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예에서는 단 하나의 제1측정부(310)가 구비된 예를 들어 설명하고 있지만, 경우에 따라서는 연마패드의 반경 방향을 따라 소정 간격을 두고 이격되게 복수개의 제1측정부가 배치될 수 있으며, 제1측정부의 개수 및 배치 간격은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 적절하게 변경될 수 있다.
제2측정부(320)는 연마패드(110)의 하부에 배치되며, 레퍼런스 연마층(22a)으로부터 두께 정보를 포함하는 제2신호를 측정한다.
여기서, 제2측정부(320)가 연마패드(110)의 하부에 배치된다 함은, 제2측정부(320)가 연마정반(100)에 장착되어 연마정반(100)과 함께 회전하는 구조와, 제2측정부(320)가 연마정반(100)에 형성된 관통부의 하부에 배치되어 연마정반(100)과 함께 회전하지 않는 구조를 모두 포함하는 개념으로 이해된다.
제2측정부(320)로서는 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 와전류 신호를 측정하는 와전류 센서와, 두께 정보를 포함하는 광 신호를 측정하는 광 센서 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
이하에서는, 레퍼런스 연마층(22a)으로부터 두께 정보를 포함하는 제2신호를 측정하는 제2측정부(320)로서 와전류 센서가 사용된 예를 들어 설명하기로 한다.
와전류 센서는 레퍼런스 연마층(22a)의 두께를 감지하도록 와전류를 인가하고 레퍼런스 연마층(22a)으로부터의 출력 신호(예를 들어, 공진 주파수이거나 합성 임피던스)를 수신한다.
와전류 센서는 n번 감긴 중공 나선의 형상인 센서 코일(미도시)을 포함하며, 제어부로부터 교류 전류를 인가받아, 센서 코일로부터 입력 신호를 자속 형태로 인가하여, 도전체(레퍼런스 연마층)에 와전류를 인가하고, 도전체의 두께가 변동하거나 도전체와의 거리(제2측정부(320)와 연마패드(110)의 사이 거리)가 변동될 경우에, 도전체에서 발생되는 와전류에 의한 공진주파수 또는 합성임피던스를 출력 신호로 수신하여 출력 신호의 변화로부터 도전체의 두께 변화나 도전체까지의 거리를 검출한다.
참고로, 와전류 센서에 수신되는 출력 신호는 도전성 재료(레퍼런스 연마층)가 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. 와전류 센서의 출력값은 전압(voltage)로 표시될 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예에서는 단 하나의 제2측정부(320)가 구비된 예를 들어 설명하고 있지만, 경우에 따라서는 연마패드의 반경 방향을 따라 소정 간격을 두고 이격되게 복수개의 제2측정부가 배치될 수 있으며, 제2측정부의 개수 및 배치 간격은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 적절하게 변경될 수 있다.
참고로, 레퍼런스 연마층(22a)은 연마 공정 중에 미리 정해진 두께가 유지되기 때문에, 다시 말해서, 레퍼런스 연마층(22a)의 두께는 미리 알고 있기 때문에, 제2측정부(320)에서 측정되는 제2신호를 통해 연마 환경 변수(예를 들어, 연마층 온도, 와전류 센서와 연마층의 사이 거리)에 따른 오차가 얼마만큼 발생되었는지를 알 수 있다.
일 예로, 온도가 1℃씩 높아질수록(또는 낮아질수록) 측정대상체(기판의 연마층 또는 레퍼런스 기판의 레퍼런스 연마층)로부터 측정된 와전류 신호는 0.07%씩 오차가 발생한다고 알려져 있다. 따라서, 레퍼런스 연마층(22a)의 두께를 미리 알면, 제2측정부(320)에서 측정되는 제2신호에서 온도에 따른 오차가 얼마만큼 인지를 알 수 있다.
이와 같은 방식으로, 레퍼런스 연마층(22a)의 두께를 미리 알면, 제2측정부(320)에서 측정되는 제2신호에서 센서 자체의 노이즈, 온도 변화에 따른 오차, 연마패드(110)의 두께 변동량에 따른 총 오차가 얼마인지를 알 수 있다.
바람직하게, 기판(12)과 레퍼런스 기판(22)은 연마패드(110)의 원주 방향을 따라 180도 이격되게 배치될 수 있고, 제1측정부(310)와 제2측정부(320)는 연마패드(110)의 원주 방향을 따라 180도 이격되게 배치될 수 있으며, 제1측정부(310)와 제2측정부(320)에서는 동시에 제1신호와 제2신호를 측정할 수 있다.
이와 같이, 제1신호와 제2신호를 동시에 측정하도록 하는 것에 의하여, 제1신호에서 연마 환경 변수에 따른 오차와 제2신호에서 연마 환경 변수에 따른 오차 간의 편차를 최대한 줄이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
참고로, 전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 제1측정부에 의해 제1신호가 측정되고, 제2측정부에 의해 제2신호가 측정되는 예를 들어 설명하고 있지만, 경우에 따라서는 제1신호와 제2신호가 하나의 측정부에 의해 측정되도록 구성하는 것도 가능하다.
두께검출부(330)는 제1신호와 제2신호를 비교하여 산출된 오차를 제1신호에 반영하여 연마층의 두께를 검출한다.
제1측정부(310)에서 측정된 제1신호만으로 연마층의 두께를 검출하면, 제1신호에 포함된 연마 환경 변수에 따른 오차에 의해 기판(12) 연마층의 두께를 정확하게 측정하기 어렵다. 다시 말해서, 제1측정부(310)에서 측정된 제1신호가, 연마층의 마모에 의한 것인지, 센서 자체의 노이즈에 따른 오차에 의한 것인지, 온도 변화에 따른 오차에 의한 것인지, 연마패드(110)의 두께 변화에 따른 오차에 의한 것인지, 아니면 연마층의 마모와 이 모든 연마 환경 변수(예를 들어, 센서 노이즈 오차, 온도 변화에 따른 오차, 연마패드(110) 두께 변에 따른 오차)를 포함하는 총 오차에 의한 것인지를 알기 어렵기 때문에, 제1신호만으로는 기판(12) 연마층의 두께를 정확하게 측정하기 어렵다.
이에 본 발명은, 레퍼런스 기판(22)으로부터 검출된 제2신호를 통해 연마 환경 변수에 따른 오차를 검출하고, 이 오차를 제1신호에 반영하는 것에 의하여, 기판(12) 연마층의 두께를 정확하게 검출하는 효과를 얻을 수 있다.
다시 말해서, 두께검출부(330)는 레퍼런스 기판(22)으로부터 검출된 제2신호를 통해 검출된 센서 자체의 노이즈, 온도 변화에 따른 오차, 연마패드(110)의 두께 변동량에 따른 총 오차를 제1신호에 반영하여 보상함으로써, 기판(12) 연마층의 두께를 정확하게 검출할 수 있다.
예를 들어, 제1측정부(310)에서 측정된 제1신호(S1)는 도 6과 같이 나타날 수 있다.
이때, 제1측정부(310)에서 측정된 제1신호(S1)는 연마 환경 변수(예를 들어, 센서 노이즈 오차, 온도 변화에 따른 오차, 연마패드 두께 변화에 따른 오차)에 의해 왜곡된 신호일 수 있다. 따라서, 도 7과 같이, 두께검출부(330)는 레퍼런스 기판(22)으로부터 검출된 제2신호를 통해 검출된 연마 환경 변수에 따른 오차(E)를 반영하여 보정 신호(S2)를 생성하고, 보정 신호(S2)를 통해 연마층의 두께를 검출하는 것에 의하여, 연마 환경 변수(예를 들어, 센서 노이즈 오차, 온도 변화에 따른 오차, 연마패드 두께 변화에 따른 오차)에 의하여 왜곡되지 않은 순수한 기판(12) 연마층의 두께를 검출할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치를 설명하기 위한 도면이고, 도 9 내지 도 12는 도 8의 화학 기계적 연마 장치에 의한 연마층 두께 측정 과정을 설명하기 위한 도면이다. 아울러, 전술한 구성과 동일 및 동일 상당 부분에 대해서는 동일 또는 동일 상당한 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치는, 기판(12)이 접촉되는 연마패드(110)와; 연마패드(110)에 접촉되며, 연마 공정 중에 미리 정해진 두께가 유지되는 비마모성 레퍼런스 연마층(22a)이 형성된 레퍼런스 기판(22)과; 연마패드(110)의 하부에 배치되며 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 제1신호를 측정하는 제1측정부(310)와, 연마층의 온도를 측정하는 제1온도센서(312)와, 제1측정부(310)와 연마층의 사이 거리를 측정하는 제1거리센서(314)를 포함하는 제1측정모듈(301)과; 연마패드(110)의 하부에 배치되며 레퍼런스 연마층(22a)으로부터 두께 정보를 포함하는 제2신호를 측정하는 제2측정부(320)와, 레퍼런스 연마층(22a)의 온도를 측정하는 제2온도센서(322)와, 제2측정부(320)와 레퍼런스 연마층(22a)의 사이 거리를 측정하는 제2거리센서(324)를 포함하는 제2측정모듈(302)과; 제1신호와 제2신호를 비교하여 산출된 오차와, 연마층과 레퍼런스 연마층(22a)의 온도 차이에 따른 측정 오차와, 제1거리센서(314)에 의해 획득한 연마패드(110)의 제1두께 변동량과 제2거리센서(324)에 의해 획득한 연마패드(110)의 제2두께 변동량 간의 차이를 제1신호에 반영하여 연마층의 두께를 검출하는 두께검출부(330)를; 포함한다.
기판(12)은 도전성 재질의 연마층(또는 비도전성 재질의 연마층)을 포함하며, 제1캐리어헤드(120)에 의해 연마패드(110)의 상면에 가압된다.
제1캐리어헤드(120)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조로 제공될 수 있다. 일 예로, 제1캐리어헤드(120)는 회전 가능하게 제공되는 베이스부, 베이스부의 저면에 제공되는 탄성 멤브레인을 포함하여 제공될 수 있다.
레퍼런스 기판(22)(reference substrate)은 비마모성을 갖는 레퍼런스 연마층(22a)을 구비하여 연마패드(110)에 접촉하도록 마련되며, 기판(12) 연마층의 연마 두께를 정확하게 검출하는데 필요한 레퍼런스 신호(또는 기준신호)를 측정하기 위해 사용된다.
레퍼런스 기판(22)의 레퍼런스 연마층(22a)은 기판(12)의 연마층과 동일 또는 유사한 재질로 형성될 수 있다. 일 예로, 레퍼런스 연마층(22a)은 도전성 재질로 형성될 수 있다. 경우에 따라서는 레퍼런스 연마층이 비도전성 재질로 형성되는 것도 가능하다.
아울러, 레퍼런스 연마층(22a)이 비마모성을 가진다 함은, 레퍼런스 기판(22)이 회전하는 연마패드(110)에 접촉하더라도 레퍼런스 연마층(22a)이 마모되지 않음을, 다시 말해서, 레퍼런스 연마층(22a)의 두께가 변화하지 않음을 의미한다.
이를 위해, 레퍼런스 연마층(22a)의 저면에는, 연마층보다 낮은 마모율을 가지는 보호층(22b)이 형성되며, 실질적으로 레퍼런스 기판(22)과 연마패드(110) 간의 접촉은 보호층(22b)에 의해 이루어지기 때문에, 레퍼런스 기판(22)이 연마패드(110)에 접촉되는 동안에는 레퍼런스 연마층(22a)의 두께가 변화하지 않게 된다.
일 예로, 보호층(22b)은 연마층의 마모율보다 매우 낮은 마모율을 갖도록 형성될 수 있으며, 레퍼런스 기판(22)이 연마패드(110)에 접촉되는 동안에는 보호층(22b)의 두께 변화가 발생하지 않거나, 두께 측정에 영향을 주지 않는 정도의 매우 미세한 두께 변화만이 발생할 수 있다. 바람직하게 보호층(22b)은 연마층의 마모율의 1/100~1/1000 정도의 마모율을 갖는 재질로 형성될 수 있다.
기판(12)이 연마패드(110)에 연마되는 동안, 레퍼런스 기판(22)은 제2캐리어헤드(220)에 의해 연마패드(110)의 상면에 가압된다.
제2캐리어헤드(220)로서는 제1캐리어헤드(120)와 동일 또는 유사한 캐리어헤드가 사용될 수 있으며, 제2캐리어헤드(220)의 종류에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 레퍼런스 기판(22)은 기판(12)과 서로 동일한 연마 조건을 이루도록 연마패드(110)에 접촉된다.
여기서, 레퍼런스 기판(22)과 기판(12)이 서로 동일한 연마 조건을 이루도록 연마패드(110)에 접촉된다 함은, 기판(12)이 연마패드(110)에 접촉되는 동안 발생되는 연마 환경 변화(예를 들어, 온도)와, 레퍼런스 기판(22)이 연마패드(110)에 접촉되는 동안 발생되는 연마 환경 변화가 동일 또는 유사한 것으로 이해된다.
바람직하게, 기판(12)과 레퍼런스 기판(22)이 연마패드(110)에 접촉되는 동안, 기판(12)과 연마패드(110) 사이의 발열량과, 레퍼런스 기판(22)과 연마패드(110) 사이의 발열량은 서로 동일한 범위를 가진다.
참고로, 기판(12)과 연마패드(110) 사이의 발열량은, 기판(12) 연마층의 재질과, 기판(12)을 가압하는 가압력(제1캐리어헤드(120)의 가압력)에 의해 결정될 수 있다. 또한, 레퍼런스 기판(22)과 연마패드(110) 사이의 발명량은, 레퍼런스 기판(22)의 보호층(22b)의 재질과, 레퍼런스 기판(22)을 가압하는 가압력(제2캐리어헤드(220)의 가압력)에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 레퍼런스 기판(22)의 보호층(22b)의 재질(기판(12) 연마층과 다른 재질)을 고려하여 레퍼런스 기판(22)을 가압하는 가압력(제2캐리어헤드(220)의 가압력)을 조절함으로써, 기판(12)과 연마패드(110) 사이의 발열량과, 레퍼런스 기판(22)과 연마패드(110) 사이의 발열량이 서로 동일한 범위로 형성되게 할 수 있다.
레퍼런스 기판(22)은 기판(12)에 대해 연마패드(110)의 원주 방향을 따라 180도 이격되게 배치될 수 있다. 경우에 따라서는 2개 이상의 레퍼런스 기판이 사용되는 것도 가능하다.
제1측정모듈(301)은 연마패드(110)의 하부에 배치되며, 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 제1신호를 측정하는 제1측정부(310)와, 연마층의 온도를 측정하는 제1온도센서(312)와 제1측정부(310)와 연마층의 사이 거리를 측정하는 제1거리센서(314)를 포함한다.
여기서, 제1측정모듈(301)이 연마패드(110)의 하부에 배치된다 함은, 제1측정모듈(301)이 연마정반(100)에 장착되어 연마정반(100)과 함께 회전하는 구조와, 제1측정모듈(301)이 연마정반(100)에 형성된 관통부의 하부에 배치되어 연마정반(100)과 함께 회전하지 않는 구조를 모두 포함하는 개념으로 이해된다.
제1측정부(310)로서는 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 와전류 신호를 측정하는 와전류 센서와, 두께 정보를 포함하는 광 신호를 측정하는 광 센서 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
이하에서는, 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 제1신호를 측정하는 제1측정부(310)로서 와전류 센서가 사용된 예를 들어 설명하기로 한다. 와전류 센서는 기판(12)의 연마층의 두께를 감지하도록 와전류를 인가하고 연마층으로부터의 출력 신호(예를 들어, 공진 주파수이거나 합성 임피던스)를 수신한다.
아울러, 본 발명의 실시예에서는 단 하나의 제1측정부(310)가 구비된 예를 들어 설명하고 있지만, 경우에 따라서는 연마패드의 반경 방향을 따라 소정 간격을 두고 이격되게 복수개의 제1측정부가 배치될 수 있으며, 제1측정부의 개수 및 배치 간격은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 적절하게 변경될 수 있다.
제1온도센서(312)는 기판(12) 연마층의 온도를 측정하도록 마련된다.
제1온도센서(312)로서는 기판(12) 연마층의 온도를 측정 가능한 통상의 온도센서가 사용될 수 있다. 일 예로, 제1온도센서(312)로서는 적외선(IR) 온도센서가 사용될 수 있다. 경우에 따라서는 제1온도센서로서 여타 다른 비접촉 온도 센서를 사용하는 것이 가능하다. 다르게는, 제1온도센서를 접촉식 온도센서로 구성하는 것이 가능하고, 연마층이 접촉되는 연마패드의 온도를 측정함으로써 연마층의 온도를 간접적으로 측정하는 것도 가능하다.
제1거리센서(314)는 제1측정부(310)와 동일한 높이에 배치된다. 아울러, 제1거리센서(314)로서는 제1측정부(310)와 연마층의 사이 거리를 측정할 수 있는 다양한 거리센서가 사용될 수 있다. 일 예로, 제1거리센서(314)는, 연마패드(110)의 하부에 배치되며 연마패드(110)의 상부 방향으로 초음파를 발생시키는 초음파센서와, 연마층의 저면에서 하부 방향으로 반사되는 초음파 반사신호를 감지하여 제1측정부(310)와 연마층의 사이 거리를 측정하는 디텍터를 포함하여 구성될 수 있다. 경우에 따라서는 거리측정부가 광센서 또는 여타 다른 근접센서를 포함하여 구성되는 것도 가능하다.
초음파센서로서는 초음파를 발생시킬 수 있는 통상의 초음파 발생수단이 사용될 수 있으며, 초음파센서의 종류에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
디텍터는 초음파센서에서 발생된 후 매질 경계면(연마층의 저면)에서 되돌아온 초음파 반사신호를 감지한다.
따라서, 초음파센서에서 발생된 초음파의 속도와 초음파 반사신호가 디텍터에 감지되는 시간을 이용하여 제1측정부(310)와 연마층의 사이 거리를 검출(거리 = 시간(t)×속도(v))할 수 있다.
이와 같이, 연마패드(110)의 하부에서부터 초음파를 발생시키고 기판(12)의 연마층의 저면에서 반사되는 초음파 반사신호를 감지하여, 제1측정부(310)와 연마층의 사이 거리를 검출하는 것에 의하여, 연마층과 제1거리센서(314)의 사이에 잔존하는 액상 유체에 의한 신호 간섭(신호 왜곡)없이 제1측정부(310)와 연마층의 사이 거리를 정확히 검출하는 효과를 얻을 수 있다.
아울러, 제1측정부(310)와, 제1온도센서(312)와, 제1거리센서(314)는 하나의 조(group)를 이루도록 모듈화된다. 일 예로, 제1측정부(310)와, 제1온도센서(312)와, 제1거리센서(314)를 튜브형 연결부재의 내부에 모듈화될 수 있다.
이와 같이, 제1측정부(310)와, 제1온도센서(312)와, 제1거리센서(314)를 일체로 모듈화하고, 제1측정부(310)와, 제1온도센서(312)와, 제1거리센서(314)가 서로 동일한 지점을 동시에 측정하도록 하는 것에 의하여, 실제 두께 측정 지점에서의 연마 환경 변수(예를 들어, 연마층 온도, 와전류 센서와 연마층의 사이 거리)에 따른 오차를 실제 측정값에 반영하여 실제 측정 지점에서 연마층의 두께를 보다 정확하게 검출하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
제2측정모듈(302)은 연마패드(110)의 하부에 배치되며, 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 제2신호를 측정하는 제2측정부(320)와, 연마층의 온도를 측정하는 제2온도센서(322)와 제2측정부(320)와 연마층의 사이 거리를 측정하는 제2거리센서(324)를 포함한다.
여기서, 제2측정모듈(302)이 연마패드(110)의 하부에 배치된다 함은, 제2측정모듈(302)이 연마정반(100)에 장착되어 연마정반(100)과 함께 회전하는 구조와, 제2측정모듈(302)이 연마정반(100)에 형성된 관통부의 하부에 배치되어 연마정반(100)과 함께 회전하지 않는 구조를 모두 포함하는 개념으로 이해된다.
제2측정부(320)로서는 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 와전류 신호를 측정하는 와전류 센서와, 두께 정보를 포함하는 광 신호를 측정하는 광 센서 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
이하에서는, 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 제2신호를 측정하는 제2측정부(320)로서 와전류 센서가 사용된 예를 들어 설명하기로 한다. 와전류 센서는 기판(12)의 연마층의 두께를 감지하도록 와전류를 인가하고 연마층으로부터의 출력 신호(예를 들어, 공진 주파수이거나 합성 임피던스)를 수신한다.
아울러, 본 발명의 실시예에서는 단 하나의 제2측정부(320)가 구비된 예를 들어 설명하고 있지만, 경우에 따라서는 연마패드의 반경 방향을 따라 소정 간격을 두고 이격되게 복수개의 제2측정부가 배치될 수 있으며, 제2측정부의 개수 및 배치 간격은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 적절하게 변경될 수 있다.
참고로, 레퍼런스 연마층(22a)은 연마 공정 중에 미리 정해진 두께가 유지되기 때문에, 다시 말해서, 레퍼런스 연마층(22a)의 두께는 미리 알고 있기 때문에, 제2측정부(320)에서 측정되는 제2신호를 통해 연마 환경 변수(예를 들어, 연마층 온도, 와전류 센서와 연마층의 사이 거리)에 따른 오차가 얼마만큼 발생되었는지를 알 수 있다.
일 예로, 온도가 1℃씩 높아질수록(또는 낮아질수록) 측정대상체(기판의 연마층 또는 레퍼런스 기판의 레퍼런스 연마층)로부터 측정된 와전류 신호는 0.07%씩 오차가 발생한다고 알려져 있다. 따라서, 레퍼런스 연마층(22a)의 두께를 미리 알면, 제2측정부(320)에서 측정되는 제2신호에서 온도에 따른 오차가 얼마만큼 인지를 알 수 있다.
이와 같은 방식으로, 레퍼런스 연마층(22a)의 두께를 미리 알면, 제2측정부(320)에서 측정되는 제2신호에서 센서 자체의 노이즈, 온도 변화에 따른 오차, 연마패드(110)의 두께 변동량에 따른 총 오차가 얼마인지를 알 수 있다.
바람직하게, 기판(12)과 레퍼런스 기판(22)은 연마패드(110)의 원주 방향을 따라 180도 이격되게 배치될 수 있고, 제1측정부(310)와 제2측정부(320)는 연마패드(110)의 원주 방향을 따라 180도 이격되게 배치될 수 있으며, 제1측정부(310)와 제2측정부(320)에서는 동시에 제1신호와 제2신호를 측정할 수 있다.
이와 같이, 제1신호와 제2신호를 동시에 측정하도록 하는 것에 의하여, 제1신호에서 연마 환경 변수에 따른 오차와 제2신호에서 연마 환경 변수에 따른 오차 간의 편차를 최대한 줄이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
제2온도센서(322)는 레퍼런스 연마층(22a)의 온도를 측정하도록 마련된다.
제2온도센서(322)로서는 레퍼런스 연마층(22a)의 온도를 측정 가능한 통상의 온도센서가 사용될 수 있다. 일 예로, 제2온도센서(322)로서는 적외선(IR) 온도센서가 사용될 수 있다. 경우에 따라서는 제2온도센서로서 여타 다른 비접촉 온도 센서를 사용하는 것이 가능하다. 다르게는, 제1온도센서를 접촉식 온도센서로 구성하는 것이 가능하고, 레퍼런스 연마층이 접촉되는 연마패드의 온도를 측정함으로써 레퍼런스 연마층의 온도를 간접적으로 측정하는 것도 가능하다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 제1온도센서와 제2온도센서로 이루어진 온도 측정부가 연마층의 온도와 레퍼런스 연마층의 온도를 측정하는 예를 들어 설명하고 있지만, 경우에 따라서는 단일 센서로 이루어진 온도 측정부가 연마층의 온도와 레퍼런스 연마층의 온도를 측정하도록 구성하는 것도 가능하다.
제2거리센서(324)는 제2측정부(320)와 동일한 높이에 배치된다. 아울러, 제2거리센서(324)로서는 제2측정부(320)와 레퍼런스 연마층(22a)의 사이 거리를 측정할 수 있는 다양한 거리센서가 사용될 수 있다. 일 예로, 제2거리센서(324)는, 연마패드(110)의 하부에 배치되며 연마패드(110)의 상부 방향으로 초음파를 발생시키는 초음파센서와, 레퍼런스 연마층(22a)의 저면에서 하부 방향으로 반사되는 초음파 반사신호를 감지하여 제2측정부(320)와 연마층의 사이 거리를 측정하는 디텍터를 포함하여 구성될 수 있다. 경우에 따라서는 거리측정부가 광센서 또는 여타 다른 근접센서를 포함하여 구성되는 것도 가능하다.
초음파센서로서는 초음파를 발생시킬 수 있는 통상의 초음파 발생수단이 사용될 수 있으며, 초음파센서의 종류에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
디텍터는 초음파센서에서 발생된 후 매질 경계면(연마층의 저면)에서 되돌아온 초음파 반사신호를 감지한다.
따라서, 초음파센서에서 발생된 초음파의 속도와 초음파 반사신호가 디텍터에 감지되는 시간을 이용하여 제2측정부(320)와 레퍼런스 연마층(22a)의 사이 거리를 검출(거리 = 시간(t)×속도(v))할 수 있다.
아울러, 제2측정부(320)와, 제2온도센서(322)와, 제2거리센서(324)는 하나의 조(group)를 이루도록 모듈화된다. 일 예로, 제2측정부(320)와, 제2온도센서(322)와, 제2거리센서(324)를 튜브형 연결부재의 내부에 모듈화될 수 있다.
이와 같이, 제2측정부(320)와, 제2온도센서(322)와, 제2거리센서(324)를 일체로 모듈화하고, 제2측정부(320)와, 제2온도센서(322)와, 제2거리센서(324)가 서로 동일한 지점을 동시에 측정하도록 하는 것에 의하여, 실제 두께 측정 지점에서의 연마 환경 변수(예를 들어, 연마층 온도, 와전류 센서와 연마층의 사이 거리)에 따른 오차를 실제 측정값에 반영하여 실제 측정 지점에서 연마층의 두께를 보다 정확하게 검출하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
두께검출부(330)는 제1신호와 제2신호를 비교하여 산출된 오차와, 연마층과 레퍼런스 연마층(22a)의 온도 차이에 따른 측정 오차와, 제1거리센서(314)에 의해 획득한 연마패드(110)의 제1두께 변동량과 제2거리센서(324)에 의해 획득한 연마패드(110)의 제2두께 변동량 간의 차이를 제1신호에 반영하여 기판(12) 연마층의 두께를 검출한다.
즉, 제1측정부(310)에서 측정된 제1신호만으로 연마층의 두께를 검출하면, 제1신호에 포함된 연마 환경 변수에 따른 오차에 의해 기판(12) 연마층의 두께를 정확하게 측정하기 어렵다. 다시 말해서, 제1측정부(310)에서 측정된 제1신호가, 연마층의 마모에 의한 것인지, 센서 자체의 노이즈에 따른 오차에 의한 것인지, 온도 변화에 따른 오차에 의한 것인지, 연마패드(110)의 두께 변화에 따른 오차에 의한 것인지, 아니면 연마층의 마모와 이 모든 연마 환경 변수(예를 들어, 센서 노이즈 오차, 온도 변화에 따른 오차, 연마패드(110) 두께 변에 따른 오차)를 포함하는 총 오차에 의한 것인지를 알기 어렵기 때문에, 제1신호만으로는 기판(12) 연마층의 두께를 정확하게 측정하기 어렵다.
이에 본 발명은, 레퍼런스 기판(22)으로부터 검출된 제2신호를 통해 연마 환경 변수에 따른 오차를 검출하고, 이 오차를 제1신호에 반영하는 것에 의하여, 기판(12) 연마층의 두께를 정확하게 검출하는 효과를 얻을 수 있다.
다시 말해서, 두께검출부(330)는 레퍼런스 기판(22)으로부터 검출된 제2신호를 통해 검출된 센서 자체의 노이즈, 온도 변화에 따른 오차, 연마패드(110)의 두께 변동량에 따른 총 오차를 제1신호에 반영하여 보상함으로써, 기판(12) 연마층의 두께를 정확하게 검출할 수 있다.
또한, 연마 공정 중에는 연마패드(110)의 온도 편차에 의해, 연마층 온도와 레퍼런스 연마층(22a) 온도 간에 편차가 발생할 수 있다. 이와 같이, 연마층 온도와 레퍼런스 연마층(22a) 온도가 서로 다르면, 레퍼런스 기판(22)으로부터 검출된 연마 환경 변수에 따른 오차를 제1신호에 반영하더라도 기판(12) 연마층의 두께를 정확하게 측정하기 어렵다.
다시 말해서, 기준 신호(제2신호)와 측정 신호(제1신호)가 측정되는 지점의 온도가 서로 다르면, 기준 신호(제2신호)와 측정 신호(제1신호)가 측정되는 지점의 온도 차이에 따른 오차에 의해, 기준 신호를 통해 검출된 보정값이 정확하지 않을 수 있기 때문에, 기판(12) 연마층의 두께를 정확하게 측정하기 어렵다.
이에 본 발명은, 레퍼런스 기판(22)으로부터 검출된 연마 환경 변수에 따른 오차와, 연마층 온도와 레퍼런스 연마층(22a) 온도의 차이에 따른 오차를 제1신호에 함께 반영함으로써, 연마층의 두께를 보다 정확하게 검출하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
더욱이, 연마 공정 중에는 제1거리센서(314)에 의해 획득한 연마패드(110)의 제1두께 변동량(제1신호가 측정되는 지점에서의 연마패드(110)의 두께 변동량)과, 제2거리센서(324)에 의해 획득한 상기 연마패드(110)의 제2두께 변동량(제2신호가 측정되는 지점에서의 연마패드(110)의 두께 변동량)의 편차가 발생할 수 있다. 이와 같이, 연마패드(110)의 제1두께 변동량과 연마패드(110)의 제2두께 변동량이 서로 다르면, 레퍼런스 기판(22)으로부터 검출된 연마 환경 변수에 따른 오차를 제1신호에 반영하더라도 기판(12) 연마층의 두께를 정확하게 측정하기 어렵다.
다시 말해서, 기준 신호(제2신호)가 측정되는 지점과 측정 신호(제1신호)가 측정되는 지점에서의 연마패드(110)의 두께가 서로 다르면, 연마패드(110)의 두께 차이에 따른 오차에 의해, 기준 신호를 통해 검출된 보정값이 정확하지 않을 수 있기 때문에, 기판(12) 연마층의 두께를 정확하게 측정하기 어렵다.
이에 본 발명은, 레퍼런스 기판(22)으로부터 검출된 연마 환경 변수에 따른 오차와, 제1거리센서(314)에 의해 획득한 연마패드(110)의 제1두께 변동량과 제2거리센서(324)에 의해 획득한 연마패드(110)의 제2두께 변동량 간의 차이에 따른 오차를 제1신호에 함께 반영함으로써, 연마층의 두께를 보다 정확하게 검출하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
예를 들어, 제1측정부(310)에서 측정된 제1신호(S1')는 도 9과 같이 나타날 수 있다.
이때, 제1측정부(310)에서 측정된 제1신호(S1')는 연마 환경 변수(예를 들어, 센서 노이즈 오차, 온도 변화에 따른 오차, 연마패드(110) 두께 변화에 따른 오차)에 의해 왜곡된 신호일 수 있다. 따라서, 도 10과 같이, 두께검출부(330)는 레퍼런스 기판(22)으로부터 검출된 제2신호를 통해 검출된 연마 환경 변수에 따른 오차(E)를 반영하여 제1보정 신호(S2')를 생성할 수 있다.
아울러, 제1보정 신호(S2')는 연마층 온도와 레퍼런스 연마층(22a) 온도의 차이에 따라 왜곡된 신호일 수 있다. 따라서, 도 11과 같이, 두께검출부(330)는 제1보정 신호(S2')에 연마층 온도와 레퍼런스 연마층(22a) 온도의 차이에 따른 측정 오차(TE)를 반영하여 제2보정 신호(S3')를 생성할 수 있다.
또한, 제2보정 신호(S3')는 제1거리센서(314)에 의해 획득한 연마패드(110)의 제1두께 변동량과 제2거리센서(324)에 의해 획득한 연마패드(110)의 제2두께 변동량 간의 차이에 따라 왜곡된 신호일 수 있다. 따라서, 도 12와 같이, 두께검출부(330)는 제2보정 신호(S3')에, 제1거리센서(314)에 의해 획득한 연마패드(110)의 제1두께 변동량과 제2거리센서(324)에 의해 획득한 연마패드(110)의 제2두께 변동량 간의 차이에 따른 오차(LE)를 반영하여 제3보정 신호(S4')를 생성할 수 있다.
최종적으로, 두께검출부(330)는 제3보정 신호(S4')를 통해 연마층의 두께를 검출하는 것에 의하여, 연마 환경 변수(예를 들어, 센서 노이즈 오차, 온도 변화에 따른 오차와, 연마패드(110) 두께 변화에 따른 오차)와, 연마층과 레퍼런스 연마층(22a) 간의 환경 편차(온도, 연마패드(110)의 두께 변동량)에 의하여 왜곡되지 않은 순수한 기판(12) 연마층의 두께를 검출할 수 있다.
참고로, 본 발명의 실시예에서는 제1신호(S1')에 제2신호를 통해 검출된 연마 환경 변수에 따른 오차(E)를 반영하고, 그 다음 연마층 온도와 레퍼런스 연마층(22a) 온도의 차이에 따른 측정 오차(TE)와, 제1거리센서(314)에 의해 획득한 연마패드(110)의 제1두께 변동량과 제2거리센서(324)에 의해 획득한 연마패드(110)의 제2두께 변동량 간의 차이에 따른 오차(LE)를 순차적으로 적용한 예를 들어 설명하고 있지만, 경우에 따라서는, 연마층 온도와 레퍼런스 연마층 온도의 차이에 따른 측정 오차(TE)와, 제1거리센서에 의해 획득한 연마패드의 제1두께 변동량과 제2거리센서에 의해 획득한 연마패드의 제2두께 변동량 간의 차이에 따른 오차(LE)를 제1신호(S1')에 먼저 반영하고, 그 다음 제2신호를 통해 검출된 연마 환경 변수에 따른 오차(E)를 반영하는 것도 가능하다.
아울러, 전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는, 온도센서(312,322)와 거리센서(314,324)가 연마층과 레퍼런스 연마층의 온도 차이와, 연마패드의 두께 변동량(제1두께 변동량, 제2두께 변동량) 차이를 측정하기 위해 사용된 예를 들어 설명하고 있지만, 경우에 따라서는 온도센서와 거리센서가 기판과 연마패드 사이의 발열량과, 래퍼런스 기판과 연마패드 사이의 발열량을 서로 동일한 범위로 제어하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 온도센서에서 측정된 온도를 기반으로 제2캐리어헤드의 가압력을 조절함으로써, 레퍼런스 기판과 연마패드 사이의 발열량을 제어할 수 있다.
한편, 도 13은 본 발명에 따른 화학 기계적 연마장치의 제어방법을 설명하기 위한 블록도이고, 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 화학 기계적 연마장치의 제어방법을 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 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 화학 기계적 연마장치의 제어방법은, 연마층이 형성된 기판(12)을 연마패드(110)에 접촉시켜 연마하는 연마단계(S10)와, 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 제1신호를 측정하는 제1측정단계(S12)와, 연마 공정 중에 미리 정해진 두께가 유지되는 비마모성 레퍼런스 연마층(22a)이 형성된 레퍼런스 기판(22)을 연마패드(110)에 접촉시키는 레퍼런스 기판(22) 접촉단계(S20)와, 레퍼런스 연마층(22a)으로부터 두께 정보를 포함하는 제2신호를 측정하는 제2측정단계(S22)와, 제1신호와 제2신호를 비교하여 산출된 오차를 제1신호에 반영하여 연마층의 두께를 검출하는 두께 검출단계(S30)를 포함한다.
단계 1:
먼저, 연마층이 형성된 기판(12)을 연마패드(110)에 접촉시켜 연마한다.(S10)
연마단계(S10)에서 사용되는 기판(12)은 도전성 재질의 연마층(또는 비도전성 재질의 연마층)을 포함하며, 제1캐리어헤드(120)에 의해 연마패드(110)의 상면에 가압될 수 있다. 일 예로, 기판(12)으로서는 도전성 연마층이 형성된 웨이퍼가 사용될 수 있다.
단계 2:
다음, 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 제1신호를 측정한다.(S12)
제1측정단계(S12)에서는 연마패드(110)의 하부에 배치되는 제1측정부(310)를 이용하여 연마층의 두께 정보를 포함하는 제1신호를 측정한다.
일 예로, 제1측정단계(S12)에서 제1측정부(310)는 기판(12)의 연마층에 와전류를 인가하고 연마층으로부터의 제1신호(와전류 신호)를 수신한다.
단계 3:
다음, 연마 공정 중에 미리 정해진 두께가 유지되는 비마모성 레퍼런스 연마층(22a)이 형성된 레퍼런스 기판(22)을 연마패드(110)에 접촉시킨다.(S20)
레퍼런스 기판(22) 접촉단계(S20)에서 사용되는 레퍼런스 기판(22)(reference substrate)은 비마모성을 갖는 레퍼런스 연마층(22a)을 구비하여 제2캐리어헤드(220)에 의해 연마패드(110)의 상면에 가압되며, 기판(12) 연마층의 연마 두께를 정확하게 검출하는데 필요한 레퍼런스 신호(또는 기준신호)를 측정하기 위해 사용된다.
레퍼런스 기판(22)의 레퍼런스 연마층(22a)은 기판(12)의 연마층과 동일 또는 유사한 재질로 형성될 수 있다. 일 예로, 레퍼런스 연마층(22a)은 도전성 재질로 형성될 수 있다.
아울러, 레퍼런스 연마층(22a)이 비마모성을 가진다 함은, 레퍼런스 기판(22)이 회전하는 연마패드(110)에 접촉하더라도 레퍼런스 연마층(22a)이 마모되지 않음을, 다시 말해서, 레퍼런스 연마층(22a)의 두께가 변화하지 않음을 의미한다.
이를 위해, 레퍼런스 연마층(22a)의 저면에는, 연마층보다 낮은 마모율을 가지는 보호층(22b)이 형성되며, 실질적으로 레퍼런스 기판(22)과 연마패드(110) 간의 접촉은 보호층(22b)에 의해 이루어지기 때문에, 레퍼런스 기판(22)이 연마패드(110)에 접촉되는 동안에는 레퍼런스 연마층(22a)의 두께가 변화하지 않게 된다. 일 예로, 보호층(22b)은 연마층의 마모율보다 매우 낮은 마모율을 갖도록 형성될 수 있으며, 레퍼런스 기판(22)이 연마패드(110)에 접촉되는 동안에는 보호층(22b)의 두께 변화가 발생하지 않거나, 두께 측정에 영향을 주지 않는 정도의 매우 미세한 두께 변화만이 발생할 수 있다. 바람직하게 보호층(22b)은 연마층의 마모율의 1/100~1/1000 정도의 마모율을 갖는 재질로 형성될 수 있다.
바람직하게, 레퍼런스 기판(22) 접촉단계(S20)에서 레퍼런스 기판(22)은 기판(12)과 서로 동일한 연마 조건을 이루도록 연마패드(110)에 접촉된다.
여기서, 레퍼런스 기판(22)과 기판(12)이 서로 동일한 연마 조건을 이루도록 연마패드(110)에 접촉된다 함은, 기판(12)이 연마패드(110)에 접촉되는 동안 발생되는 연마 환경 변화(예를 들어, 온도)와, 레퍼런스 기판(22)이 연마패드(110)에 접촉되는 동안 발생되는 연마 환경 변화가 동일 또는 유사한 것으로 이해된다.
바람직하게, 기판(12)과 레퍼런스 기판(22)이 연마패드(110)에 접촉되는 동안, 기판(12)과 연마패드(110) 사이의 발열량과, 레퍼런스 기판(22)과 연마패드(110) 사이의 발열량은 서로 동일한 범위를 가진다.
참고로, 기판(12)과 연마패드(110) 사이의 발열량은, 기판(12) 연마층의 재질과, 기판(12)을 가압하는 가압력(제1캐리어헤드(120)의 가압력)에 의해 결정될 수 있다. 또한, 레퍼런스 기판(22)과 연마패드(110) 사이의 발명량은, 레퍼런스 기판(22)의 보호층(22b)의 재질과, 레퍼런스 기판(22)을 가압하는 가압력(제2캐리어헤드(220)의 가압력)에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 레퍼런스 기판(22)의 보호층(22b)의 재질(기판(12) 연마층과 다른 재질)을 고려하여 레퍼런스 기판(22)을 가압하는 가압력(제2캐리어헤드(220)의 가압력)을 조절함으로써, 기판(12)과 연마패드(110) 사이의 발열량과, 레퍼런스 기판(22)과 연마패드(110) 사이의 발열량이 서로 동일한 범위로 형성되게 할 수 있다.
레퍼런스 기판(22)은 기판(12)에 대해 연마패드(110)의 원주 방향을 따라 180도 이격되게 배치될 수 있다. 경우에 따라서는 2개 이상의 레퍼런스 기판이 사용되는 것도 가능하다.
단계 4:
다음, 레퍼런스 연마층(22a)으로부터 두께 정보를 포함하는 제2신호를 측정한다.(S22)
제2측정단계(S22)에서는 연마패드(110)의 하부에 배치되는 제2측정부(320)를 이용하여 레퍼런스 연마층(22a)의 두께 정보를 포함하는 제2신호를 측정한다.
일 예로, 제2측정단계(S22)에서 제2측정부(320)는 레퍼런스 연마층(22a)에 와전류를 인가하고 레퍼런스 연마층(22a)으로부터의 제2신호(와전류 신호)를 수신한다.
이때, 레퍼런스 연마층(22a)은 연마 공정 중에 미리 정해진 두께가 유지되기 때문에, 다시 말해서, 레퍼런스 연마층(22a)의 두께는 미리 알고 있기 때문에, 제2측정단계(S22)에서 측정되는 제2신호를 통해 연마 환경 변수(예를 들어, 연마층 온도, 와전류 센서와 연마층의 사이 거리)에 따른 오차가 얼마만큼 발생되었는지를 알 수 있다.
일 예로, 온도가 1℃씩 높아질수록(또는 낮아질수록) 측정대상체(기판의 연마층 또는 레퍼런스 기판의 레퍼런스 연마층)로부터 측정된 와전류 신호는 0.07%씩 오차가 발생한다고 알려져 있다. 따라서, 레퍼런스 연마층(22a)의 두께를 미리 알면, 제2측정단계(S22)에서 측정되는 제2신호에서 온도에 따른 오차가 얼마만큼 인지를 알 수 있다.
이와 같은 방식으로, 레퍼런스 연마층(22a)의 두께를 미리 알면, 제2측정단계(S22)에서 측정되는 제2신호에서 센서 자체의 노이즈, 온도 변화에 따른 오차, 연마패드(110)의 두께 변동량에 따른 총 오차가 얼마인지를 알 수 있다.
바람직하게, 제1측정단계와 제2측정단계에서 제1신호와 상기 제2신호를 동시에 측정하는 것에 의하여, 제1신호에서 연마 환경 변수에 따른 오차와 제2신호에서 연마 환경 변수에 따른 오차 간의 편차를 최대한 줄이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
단계 5:
다음, 제1신호와 제2신호를 비교하여 산출된 오차를 제1신호에 반영하여 연마층의 두께를 검출한다.(S30)
두께 검출단계(S30)에서는 레퍼런스 기판(22)으로부터 검출된 제2신호를 통해 연마 환경 변수에 따른 오차를 검출하고, 이 오차를 제1신호에 반영하는 것에 의하여, 기판(12) 연마층의 두께를 정확하게 검출하는 효과를 얻을 수 있다.
즉, 제1측정부(310)에서 측정된 제1신호만으로 연마층의 두께를 검출하면, 제1신호에 포함된 연마 환경 변수에 따른 오차에 의해 기판(12) 연마층의 두께를 정확하게 측정하기 어렵다. 다시 말해서, 제1측정부(310)에서 측정된 제1신호가, 연마층의 마모에 의한 것인지, 센서 자체의 노이즈에 따른 오차에 의한 것인지, 온도 변화에 따른 오차에 의한 것인지, 연마패드(110)의 두께 변화에 따른 오차에 의한 것인지, 아니면 연마층의 마모와 이 모든 연마 환경 변수(예를 들어, 센서 노이즈 오차, 온도 변화에 따른 오차, 연마패드(110) 두께 변에 따른 오차)를 포함하는 총 오차에 의한 것인지를 알기 어렵기 때문에, 제1신호만으로는 기판(12) 연마층의 두께를 정확하게 측정하기 어렵다.
반면, 본 발명은, 두께 검출단계(S30)에서, 레퍼런스 기판(22)으로부터 검출된 제2신호를 통해 검출된 센서 자체의 노이즈, 온도 변화에 따른 오차, 연마패드(110)의 두께 변동량에 따른 총 오차를 제1신호에 반영하여 보상함으로써, 기판(12) 연마층의 두께를 정확하게 검출할 수 있다.
보다 구체적으로, 제1측정단계(S12)에서 측정된 제1신호(S1)는 도 6과 같이 나타날 수 있다.
이때, 제1측정단계(S12)에서 측정된 제1신호(S1)는 연마 환경 변수(예를 들어, 센서 노이즈 오차, 온도 변화에 따른 오차, 연마패드(110) 두께 변화에 따른 오차)에 의해 왜곡된 신호일 수 있다. 따라서, 도 7과 같이, 두께 검출단계(S30)에서는 레퍼런스 기판(22)으로부터 검출된 제2신호를 통해 검출된 연마 환경 변수에 따른 오차(E)를 반영하여 보정 신호(S2)를 생성하고, 보정 신호(S2)를 통해 연마층의 두께를 검출하는 것에 의하여, 연마 환경 변수(예를 들어, 센서 노이즈 오차, 온도 변화에 따른 오차, 연마패드(110) 두께 변화에 따른 오차)에 의하여 왜곡되지 않은 순수한 기판(12) 연마층의 두께를 검출할 수 있다.
아울러, 연마층의 온도를 측정하는 제1온도 측정단계와, 레퍼런스 연마층(22a)의 온도를 측정하는 제2온도 측정단계를 더 포함하고, 두께 검출단계에서는, 연마층과 레퍼런스 연마층(22a)의 온도 차이에 따른 측정 오차를 제1신호에 반영하여 연마층의 두께를 검출하는 것에 의하여, 연마층 온도와 레퍼런스 연마층(22a) 온도의 차이에 따른 오차없이 연마층의 두께를 보다 정확하게 검출하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 연마층에 대한 연마패드(110)의 두께 변동량을 측정하는 제1두께 변동량 측정단계와, 레퍼런스 연마층(22a)에 대한 연마패드(110)의 두께 변동량을 측정하는 제2두께 변동량 측정단계를 더 포함하고, 두께 검출단계에서는, 제1두께 변동량 측정단계에서 획득한 연마패드(110)의 제1두께 변동량과, 제2두께 변동량 측정단계에서 획득한 연마패드(110)의 제2두께 변동량 간의 차이를 제1신호에 반영하여 연마층의 두께를 검출하는 것에 의하여, 연마패드(110)의 두께 차이(제1두께 변동량≠제2두께 변동량)에 따른 오차없이 연마층의 두께를 보다 정확하게 검출하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 화학 기계적 연마장치의 제어방법은, 연마층이 형성된 기판(12)을 연마패드(110)에 접촉시켜 연마하는 연마단계(S10)와, 연마 공정 중에 미리 정해진 두께가 유지되는 비마모성 레퍼런스 연마층(22a)이 형성된 레퍼런스 기판(22)을 연마패드(110)에 접촉시키는 레퍼런스 기판(22) 접촉단계(S20)와, 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 제1신호를 측정하는 제1측정단계(S12)와, 연마층의 온도를 측정하는 제1온도 측정단계(S14)와, 연마층에 대한 연마패드(110)의 두께 변동량을 측정하는 제1두께 변동량 측정단계(S16)와, 레퍼런스 연마층(22a)으로부터 두께 정보를 포함하는 제2신호를 측정하는 제2측정단계(S22)와, 레퍼런스 연마층(22a)의 온도를 측정하는 제2온도 측정단계(S24)와, 레퍼런스 연마층(22a)에 대한 연마패드(110)의 두께 변동량을 측정하는 제2두께 변동량 측정단계(S26)와, 제1신호와 제2신호를 비교하여 산출된 오차와, 연마층과 레퍼런스 연마층(22a)의 온도 차이에 따른 측정 오차와, 제1두께 변동량 측정단계에서 획득한 연마패드(110)의 제1두께 변동량과 제2두께 변동량 측정단계에서 획득한 연마패드(110)의 제2두께 변동량 간의 차이를 제1신호에 반영하여 연마층의 두께를 검출하는 두께 검출단계(S30)를 포함한다.
단계 1:
먼저, 연마층이 형성된 기판(12)을 연마패드(110)에 접촉시켜 연마한다.(S10)
연마단계(S10)에서 사용되는 기판(12)은 도전성 재질의 연마층(또는 비도전성 재질의 연마층)을 포함하며, 제1캐리어헤드(120)에 의해 연마패드(110)의 상면에 가압될 수 있다. 일 예로, 기판(12)으로서는 도전성 연마층이 형성된 웨이퍼가 사용될 수 있다.
단계 2:
다음, 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 제1신호를 측정한다.(S12)
제1측정단계(S12)에서는 연마패드(110)의 하부에 배치되는 제1측정부(310)를 이용하여 연마층의 두께 정보를 포함하는 제1신호를 측정한다.
일 예로, 제1측정단계(S12)에서 제1측정부(310)는 기판(12)의 연마층에 와전류를 인가하고 연마층으로부터의 제1신호(와전류 신호)를 수신한다.
단계 3:
다음, 연마층의 온도를 측정한다.(S14)
제1온도 측정단계(S14)에서는 연마패드(110)의 하부에 배치되는 제1온도센서(312)를 이용하여, 제1신호를 측정한 지점과 동일한 지점에서의 연마층 온도를 측정한다.
단계 4:
다음, 연마층에 대한 연마패드(110)의 두께 변동량을 측정한다.(S16)
제1두께 변동량 측정단계(S16)에서는 연마패드(110)의 하부에 배치되는 제1거리센서(314)를 이용하여 제1측정부(310)와 연마층의 사이 거리를 측정함으로써, 연마패드(110)의 제1두께 변동량을 측정한다.
단계 5:
다음, 연마 공정 중에 미리 정해진 두께가 유지되는 비마모성 레퍼런스 연마층(22a)이 형성된 레퍼런스 기판(22)을 연마패드(110)에 접촉시킨다.(S20)
레퍼런스 기판(22) 접촉단계(S20)에서 사용되는 레퍼런스 기판(22)(reference substrate)은 비마모성을 갖는 레퍼런스 연마층(22a)을 구비하여 제2캐리어헤드(220)에 의해 연마패드(110)의 상면에 가압되며, 기판(12) 연마층의 연마 두께를 정확하게 검출하는데 필요한 레퍼런스 신호(또는 기준신호)를 측정하기 위해 사용된다.
레퍼런스 기판(22)의 레퍼런스 연마층(22a)은 기판(12)의 연마층과 동일 또는 유사한 재질로 형성될 수 있다. 일 예로, 레퍼런스 연마층(22a)은 도전성 재질로 형성될 수 있다.
아울러, 레퍼런스 연마층(22a)이 비마모성을 가진다 함은, 레퍼런스 기판(22)이 회전하는 연마패드(110)에 접촉하더라도 레퍼런스 연마층(22a)이 마모되지 않음을, 다시 말해서, 레퍼런스 연마층(22a)의 두께가 변화하지 않음을 의미한다.
이를 위해, 레퍼런스 연마층(22a)의 저면에는, 연마층보다 낮은 마모율을 가지는 보호층(22b)이 형성되며, 실질적으로 레퍼런스 기판(22)과 연마패드(110) 간의 접촉은 보호층(22b)에 의해 이루어지기 때문에, 레퍼런스 기판(22)이 연마패드(110)에 접촉되는 동안에는 레퍼런스 연마층(22a)의 두께가 변화하지 않게 된다. 일 예로, 보호층(22b)은 연마층의 마모율보다 매우 낮은 마모율을 갖도록 형성될 수 있으며, 레퍼런스 기판(22)이 연마패드(110)에 접촉되는 동안에는 보호층(22b)의 두께 변화가 발생하지 않거나, 두께 측정에 영향을 주지 않는 정도의 매우 미세한 두께 변화만이 발생할 수 있다. 바람직하게 보호층(22b)은 연마층의 마모율의 1/100~1/1000 정도의 마모율을 갖는 재질로 형성될 수 있다.
바람직하게, 레퍼런스 기판(22) 접촉단계(S20)에서 레퍼런스 기판(22)은 기판(12)과 서로 동일한 연마 조건을 이루도록 연마패드(110)에 접촉된다.
여기서, 레퍼런스 기판(22)과 기판(12)이 서로 동일한 연마 조건을 이루도록 연마패드(110)에 접촉된다 함은, 기판(12)이 연마패드(110)에 접촉되는 동안 발생되는 연마 환경 변화(예를 들어, 온도)와, 레퍼런스 기판(22)이 연마패드(110)에 접촉되는 동안 발생되는 연마 환경 변화가 동일 또는 유사한 것으로 이해된다.
바람직하게, 기판(12)과 레퍼런스 기판(22)이 연마패드(110)에 접촉되는 동안, 기판(12)과 연마패드(110) 사이의 발열량과, 레퍼런스 기판(22)과 연마패드(110) 사이의 발열량은 서로 동일한 범위를 가진다.
참고로, 기판(12)과 연마패드(110) 사이의 발열량은, 기판(12) 연마층의 재질과, 기판(12)을 가압하는 가압력(제1캐리어헤드(120)의 가압력)에 의해 결정될 수 있다. 또한, 레퍼런스 기판(22)과 연마패드(110) 사이의 발명량은, 레퍼런스 기판(22)의 보호층(22b)의 재질과, 레퍼런스 기판(22)을 가압하는 가압력(제2캐리어헤드(220)의 가압력)에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 레퍼런스 기판(22)의 보호층(22b)의 재질(기판(12) 연마층과 다른 재질)을 고려하여 레퍼런스 기판(22)을 가압하는 가압력(제2캐리어헤드(220)의 가압력)을 조절함으로써, 기판(12)과 연마패드(110) 사이의 발열량과, 레퍼런스 기판(22)과 연마패드(110) 사이의 발열량이 서로 동일한 범위로 형성되게 할 수 있다.
레퍼런스 기판(22)은 기판(12)에 대해 연마패드(110)의 원주 방향을 따라 180도 이격되게 배치될 수 있다. 경우에 따라서는 2개 이상의 레퍼런스 기판이 사용되는 것도 가능하다.
단계 6:
다음, 레퍼런스 연마층(22a)으로부터 두께 정보를 포함하는 제2신호를 측정한다.(S22)
제2측정단계(S22)에서는 연마패드(110)의 하부에 배치되는 제2측정부(320)를 이용하여 레퍼런스 연마층(22a)의 두께 정보를 포함하는 제2신호를 측정한다.
일 예로, 제2측정단계(S22)에서 제2측정부(320)는 레퍼런스 연마층(22a)에 와전류를 인가하고 레퍼런스 연마층(22a)으로부터의 제2신호(와전류 신호)를 수신한다.
이때, 레퍼런스 연마층(22a)은 연마 공정 중에 미리 정해진 두께가 유지되기 때문에, 다시 말해서, 레퍼런스 연마층(22a)의 두께는 미리 알고 있기 때문에, 제2측정단계(S22)에서 측정되는 제2신호를 통해 연마 환경 변수(예를 들어, 연마층 온도, 와전류 센서와 연마층의 사이 거리)에 따른 오차가 얼마만큼 발생되었는지를 알 수 있다.
일 예로, 온도가 1℃씩 높아질수록(또는 낮아질수록) 측정대상체(기판의 연마층 또는 레퍼런스 기판의 레퍼런스 연마층)로부터 측정된 와전류 신호는 0.07%씩 오차가 발생한다고 알려져 있다. 따라서, 레퍼런스 연마층(22a)의 두께를 미리 알면, 제2측정단계(S22)에서 측정되는 제2신호에서 온도에 따른 오차가 얼마만큼 인지를 알 수 있다.
이와 같은 방식으로, 레퍼런스 연마층(22a)의 두께를 미리 알면, 제2측정단계(S22)에서 측정되는 제2신호에서 센서 자체의 노이즈, 온도 변화에 따른 오차, 연마패드(110)의 두께 변동량에 따른 총 오차가 얼마인지를 알 수 있다.
바람직하게, 제1측정단계와 제2측정단계에서 제1신호와 상기 제2신호를 동시에 측정하는 것에 의하여, 제1신호에서 연마 환경 변수에 따른 오차와 제2신호에서 연마 환경 변수에 따른 오차 간의 편차를 최대한 줄이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
단계 7:
다음, 레퍼런스 연마층(22a)의 온도를 측정한다.(S24)
제1온도 측정단계(S14)에서는 연마패드(110)의 하부에 배치되는 제2온도센서(322)를 이용하여, 제2신호를 측정한 지점과 동일한 지점에서의 레퍼런스 연마층(22a) 온도를 측정한다.
단계 8:
다음, 레퍼런스 연마층(22a)에 대한 연마패드(110)의 두께 변동량을 측정한다.(S26)
제2두께 변동량 측정단계(S26)에서는 연마패드(110)의 하부에 배치되는 제2거리센서(324)를 이용하여 제2측정부(320)와 레퍼런스 연마층(22a)의 사이 거리를 측정함으로써, 연마패드(110)의 제2두께 변동량을 측정한다.
단계 9:
다음, 제1신호와 제2신호를 비교하여 산출된 오차를 제1신호에 반영하여 연마층의 두께를 검출한다.(S30)
두께 검출단계(S30)에서는, 레퍼런스 기판(22)으로부터 검출된 제2신호를 통해 연마 환경 변수에 따른 오차를 검출하고, 이 오차를 제1신호에 반영하는 것에 의하여, 기판(12) 연마층의 두께를 정확하게 검출하는 효과를 얻을 수 있다.
즉, 제1측정부(310)에서 측정된 제1신호만으로 연마층의 두께를 검출하면, 제1신호에 포함된 연마 환경 변수에 따른 오차에 의해 기판(12) 연마층의 두께를 정확하게 측정하기 어렵다. 다시 말해서, 제1측정부(310)에서 측정된 제1신호가, 연마층의 마모에 의한 것인지, 센서 자체의 노이즈에 따른 오차에 의한 것인지, 온도 변화에 따른 오차에 의한 것인지, 연마패드(110)의 두께 변화에 따른 오차에 의한 것인지, 아니면 연마층의 마모와 이 모든 연마 환경 변수(예를 들어, 센서 노이즈 오차, 온도 변화에 따른 오차, 연마패드(110) 두께 변에 따른 오차)를 포함하는 총 오차에 의한 것인지를 알기 어렵기 때문에, 제1신호만으로는 기판(12) 연마층의 두께를 정확하게 측정하기 어렵다.
반면, 본 발명은, 두께 검출단계(S30)에서, 레퍼런스 기판(22)으로부터 검출된 제2신호를 통해 검출된 센서 자체의 노이즈, 온도 변화에 따른 오차, 연마패드(110)의 두께 변동량에 따른 총 오차를 제1신호에 반영하여 보상함으로써, 기판(12) 연마층의 두께를 정확하게 검출할 수 있다.
이와 동시에, 본 발명은 두께 검출단계(S30)에서, 제1온도 측정단계(S14)와 제2온도 측정단계(S24)에서 검출된 연마층과 레퍼런스 연마층(22a)의 온도 차이에 따른 측정 오차를 제1신호에 반영하고, 제1두께 변동량 측정단계(S16)와 제2두께 변동량 측정단계(S26)에서 획득한 연마패드(110)의 제1두께 변동량과 연마패드(110)의 제2두께 변동량 간의 차이를 제1신호에 반영하여, 연마층의 두께를 검출하는 것에 의하여, 연마층 온도와 레퍼런스 연마층(22a) 온도의 차이에 따른 오차와, 연마패드(110)의 두께 차이(제1두께 변동량≠제2두께 변동량)에 따른 오차없이 연마층의 두께를 보다 정확하게 검출하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
보다 구체적으로, 제1측정단계(S12)에서 측정된 제1신호(S1')는 도 9과 같이 나타날 수 있다.
이때, 제1측정단계(S12)에서 측정된 제1신호(S1')는 연마 환경 변수(예를 들어, 센서 노이즈 오차, 온도 변화에 따른 오차, 연마패드(110) 두께 변화에 따른 오차)에 의해 왜곡된 신호일 수 있다. 따라서, 도 10과 같이, 두께 검출단계(S30)에서는 레퍼런스 기판(22)으로부터 검출된 제2신호를 통해 검출된 연마 환경 변수에 따른 오차(E)를 반영하여 제1보정 신호(S2')를 생성할 수 있다.
아울러, 제1보정 신호(S2')는 연마층 온도와 레퍼런스 연마층(22a) 온도의 차이에 따라 왜곡된 신호일 수 있다. 따라서, 도 11과 같이, 두께 검출단계(S30)에서는 제1보정 신호(S2')에 연마층 온도와 레퍼런스 연마층(22a) 온도의 차이에 따른 측정 오차(TE)를 반영하여 제2보정 신호(S3')를 생성할 수 있다.
또한, 제2보정 신호(S3')는 제1거리센서(314)에 의해 획득한 연마패드(110)의 제1두께 변동량과 제2거리센서(324)에 의해 획득한 연마패드(110)의 제2두께 변동량 간의 차이에 따라 왜곡된 신호일 수 있다. 따라서, 도 12와 같이, 두께 검출단계(S30)에서는 제2보정 신호(S3')에, 제1거리센서(314)에 의해 획득한 연마패드(110)의 제1두께 변동량과 제2거리센서(324)에 의해 획득한 연마패드(110)의 제2두께 변동량 간의 차이에 따른 오차(LE)를 반영하여 제3보정 신호(S4')를 생성할 수 있다.
최종적으로, 두께 검출단계(S30)에서는 제3보정 신호(S4')를 통해 연마층의 두께를 검출하는 것에 의하여, 연마 환경 변수(예를 들어, 센서 노이즈 오차, 온도 변화에 따른 오차와, 연마패드(110) 두께 변화에 따른 오차)와, 연마층과 레퍼런스 연마층(22a) 간의 환경 편차(온도, 연마패드(110)의 두께 변동량)에 의하여 왜곡되지 않은 순수한 기판(12) 연마층의 두께를 검출할 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.
12 : 기판 22 : 레퍼런스 기판
22a : 레퍼런스 연마층 22b : 보호층
100 : 연마정반 110 : 연마패드
120 : 제1캐리어헤드 220 : 제2캐리어헤드
301 : 제1측정모듈 302 : 제2측정모듈
310 : 제1측정부 320 : 제2측정부
330 : 두께검출부

Claims (28)

  1. 연마층이 형성된 기판을 연마하는 화학 기계적 연마장치에 있어서,
    상기 기판이 접촉되는 연마패드와;
    상기 연마패드에 접촉되며, 연마 공정 중에 미리 정해진 두께가 유지되는 레퍼런스 기판과;
    상기 연마패드 하부에 배치되며, 상기 연마층의 두께 정보를 포함하는 제1신호와, 상기 레퍼런스 기판의 레퍼런스 연마층의 두께 정보를 포함하는 제2신호를 측정하는 측정부와;
    상기 제1신호와 상기 제2신호를 비교하여 산출된 오차를 상기 제1신호에 반영하여 상기 연마층의 두께를 검출하는 두께검출부를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 레퍼런스 기판은 서로 동일한 연마 조건을 이루도록 상기 연마패드에 접촉하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1신호와 상기 제2신호가 측정되는 동안, 상기 기판과 상기 연마패드 사이의 발열량과, 상기 래퍼런스 기판과 상기 연마패드 사이의 발열량은 서로 동일한 범위에 있는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레퍼런스 연마층의 저면에는, 상기 연마층보다 낮은 마모율을 가지며 상기 연마패드에 접촉되는 보호층이 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레퍼런스 기판에는 비마모성 레퍼런스 연마층이 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 측정부는, 와전류 신호를 측정하는 와전류 센서와, 광 신호를 측정하는 광 센서 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연마층의 온도와 상기 레퍼런스 연마층의 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함하며,
    상기 두께검출부는 상기 연마층과 상기 레퍼런스 연마층의 온도 차이에 따른 측정 오차를 상기 제1신호에 반영하여 상기 연마층의 두께를 검출하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 온도 측정부는, 상기 연마층의 온도를 측정하는 제1온도센서와, 상기 레퍼런스 연마층의 온도를 측정하는 제2온도센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정부는,
    상기 연마패드의 하부에 배치되며, 상기 제1신호를 측정하는 제1측정부와;
    상기 연마패드의 하부에 배치되며, 상기 제2신호를 측정하는 제2측정부를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기판과 상기 레퍼런스 기판은 상기 연마패드의 원주 방향을 따라 180도 이격되게 배치되고,
    상기 제1측정부와 상기 제2측정부는 상기 연마패드의 원주 방향을 따라 180도 이격되게 배치되며,
    상기 제1신호와 상기 제2신호는 동시에 측정되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1측정부와 상기 연마층의 사이 거리를 측정하는 제1거리센서와, 상기 제2측정부와 상기 레퍼런스 연마층의 사이 거리를 측정하는 제2거리센서를 더 포함하며,
    상기 두께검출부는, 상기 제1거리센서에 의해 획득한 상기 연마패드의 제1두께 변동량과, 상기 제2거리센서에 의해 획득한 상기 연마패드의 제2두께 변동량 간의 차이를 상기 제1신호에 반영하여 상기 연마층의 두께를 검출하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
  12. 연마층이 형성된 기판을 연마하는 화학 기계적 연마장치에 있어서,
    상기 기판이 접촉되는 연마패드와;
    상기 연마패드에 접촉되며, 연마 공정 중에 미리 정해진 두께가 유지되는 레퍼런스 기판과;
    상기 연마패드의 하부에 배치되며 상기 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 제1신호를 측정하는 제1측정부와, 상기 연마층의 온도를 측정하는 제1온도센서와, 상기 제1측정부와 상기 연마층의 사이 거리를 측정하는 제1거리센서를 포함하는 제1측정모듈과;
    상기 연마패드의 하부에 배치되며 상기 레퍼런스 기판의 레퍼런스 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 제2신호를 측정하는 제2측정부와, 상기 레퍼런스 연마층의 온도를 측정하는 제2온도센서와, 상기 제2측정부와 상기 레퍼런스 연마층의 사이 거리를 측정하는 제2거리센서를 포함하는 제2측정모듈과;
    상기 제1신호와 상기 제2신호를 비교하여 산출된 오차와, 상기 연마층과 상기 레퍼런스 연마층의 온도 차이에 따른 측정 오차와, 상기 제1거리센서에 의해 획득한 상기 연마패드의 제1두께 변동량과 상기 제2거리센서에 의해 획득한 상기 연마패드의 제2두께 변동량 간의 차이를 상기 제1신호에 반영하여 상기 연마층의 두께를 검출하는 두께검출부를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1측정부와, 상기 제1온도센서와, 상기 제1거리센서는 하나의 조(group)를 이루며 서로 동일한 지점을 측정하고,
    상기 제2측정부와, 상기 제2온도센서와, 상기 제2거리센서는 하나의 조(group)를 이루며 서로 동일한 지점을 측정하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1신호와 상기 제2신호는 동시에 측정되며, 상기 제1신호와 상기 제2신호가 측정되는 동안, 상기 기판과 상기 연마패드 사이의 발열량과, 상기 래퍼런스 기판과 상기 연마패드 사이의 발열량은 서로 동일한 범위에 있는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 기판과 상기 레퍼런스 기판은 상기 연마패드의 원주 방향을 따라 180도 이격되게 배치되고,
    상기 제1측정부와 상기 제2측정부는 상기 연마패드의 원주 방향을 따라 180도 이격되게 배치되며,
    상기 제1신호와 상기 제2신호는 동시에 측정되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 레퍼런스 연마층의 저면에는, 상기 연마층보다 낮은 마모율을 가지며 상기 연마패드에 접촉되는 보호층이 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치.
  17. 삭제
  18. 화학 기계적 연마장치의 제어방법에 있어서,
    연마층이 형성된 기판을 연마패드에 접촉시켜 연마하는 연마단계와;
    상기 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 제1신호를 측정하는 제1측정단계와;
    연마 공정 중에 미리 정해진 두께가 유지되는 레퍼런스 기판을 상기 연마패드에 접촉시키는 레퍼런스 기판 접촉단계와;
    상기 레퍼런스 기판의 레퍼런스 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 제2신호를 측정하는 제2측정단계와;
    상기 제1신호와 상기 제2신호를 비교하여 산출된 오차를 상기 제1신호에 반영하여 상기 연마층의 두께를 검출하는 두께 검출단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치의 제어방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 연마단계와 상기 레퍼런스 기판 접촉단계에서, 상기 기판과 상기 레퍼런스 기판은 서로 동일한 연마 조건을 이루도록 상기 연마패드에 접촉하고,
    상기 제1측정단계와 상기 제2측정단계에서 상기 제1신호와 상기 제2신호는 동시에 측정되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치의 제어방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제1신호와 상기 제2신호가 측정되는 동안, 상기 기판과 상기 연마패드 사이의 발열량과, 상기 래퍼런스 기판과 상기 연마패드 사이의 발열량은 서로 동일한 범위에 있는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치의 제어방법.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 레퍼런스 기판에는 비마모성 레퍼런스 연마층이 형성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 제어방법.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 레퍼런스 연마층의 저면은, 상기 연마층보다 낮은 마모율을 갖는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 제어방법.
  23. 제18항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연마층의 온도를 측정하는 제1온도 측정단계와;
    상기 레퍼런스 연마층의 온도를 측정하는 제2온도 측정단계를; 더 포함하고,
    상기 두께 검출단계에서는, 상기 연마층과 상기 레퍼런스 연마층의 온도 차이에 따른 측정 오차를 상기 제1신호에 반영하여 상기 연마층의 두께를 검출하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치의 제어방법.
  24. 제18항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연마층에 대한 상기 연마패드의 두께 변동량을 측정하는 제1두께 변동량 측정단계와;
    상기 레퍼런스 연마층에 대한 상기 연마패드의 두께 변동량을 측정하는 제2두께 변동량 측정단계를; 더 포함하며,
    상기 두께 검출단계에서는, 상기 제1두께 변동량 측정단계에서 획득한 상기 연마패드의 제1두께 변동량과, 상기 제2두께 변동량 측정단계에서 획득한 상기 연마패드의 제2두께 변동량 간의 차이를 상기 제1신호에 반영하여 상기 연마층의 두께를 검출하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치의 제어방법.
  25. 화학 기계적 연마장치의 제어방법에 있어서,
    연마층이 형성된 기판을 연마패드에 접촉시켜 연마하는 연마단계와;
    상기 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 제1신호를 측정하는 제1측정단계와;
    상기 연마층의 온도를 측정하는 제1온도 측정단계와;
    상기 연마층에 대한 상기 연마패드의 두께 변동량을 측정하는 제1두께 변동량 측정단계와;
    연마 공정 중에 미리 정해진 두께가 유지되는 비마모성 레퍼런스 연마층이 형성된 레퍼런스 기판을 상기 연마패드에 접촉시키는 레퍼런스 기판 접촉단계와;
    상기 레퍼런스 연마층으로부터 두께 정보를 포함하는 제2신호를 측정하는 제2측정단계와;
    상기 레퍼런스 연마층의 온도를 측정하는 제2온도 측정단계와;
    상기 레퍼런스 연마층에 대한 상기 연마패드의 두께 변동량을 측정하는 제2두께 변동량 측정단계와;
    상기 제1신호와 상기 제2신호를 비교하여 산출된 오차와, 상기 연마층과 상기 레퍼런스 연마층의 온도 차이에 따른 측정 오차와, 상기 제1두께 변동량 측정단계에서 획득한 상기 연마패드의 제1두께 변동량과 상기 제2두께 변동량 측정단계에서 획득한 상기 연마패드의 제2두께 변동량 간의 차이를 상기 제1신호에 반영하여 상기 연마층의 두께를 검출하는 두께 검출단계를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치의 제어방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 연마단계와 상기 레퍼런스 기판 접촉단계에서, 상기 기판과 상기 레퍼런스 기판은 서로 동일한 연마 조건을 이루도록 상기 연마패드에 접촉하고,
    상기 제1측정단계와 상기 제2측정단계에서 상기 제1신호와 상기 제2신호는 동시에 측정되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치의 제어방법.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 제1신호와 상기 제2신호가 측정되는 동안, 상기 기판과 상기 연마패드 사이의 발열량과, 상기 래퍼런스 기판과 상기 연마패드 사이의 발열량은 서로 동일한 범위에 있는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치의 제어방법.
  28. 제25항에 있어서,
    상기 제1측정단계와, 상기 제1온도 측정단계와, 상기 제1두께 변동량 측정단계는 상기 연마층의 서로 동일한 지점에서 동시에 측정되고,
    상기 제2측정단계와, 상기 제2온도 측정단계와, 상기 제2두께 변동량 측정단계는 상기 래퍼런스 연마층의 서로 동일한 지점에서 동시에 측정되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마장치의 제어방법.
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