KR20030077537A - 연마 장치 및 반도체 디바이스의 제조 방법 - Google Patents

연마 장치 및 반도체 디바이스의 제조 방법 Download PDF

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KR20030077537A
KR20030077537A KR10-2003-7005959A KR20037005959A KR20030077537A KR 20030077537 A KR20030077537 A KR 20030077537A KR 20037005959 A KR20037005959 A KR 20037005959A KR 20030077537 A KR20030077537 A KR 20030077537A
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KR10-2003-7005959A
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마츠카와에이지
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가부시키가이샤 니콘
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Abstract

연마 장치(1)는 카세트 인덱스부(100), 세정부(200), 연마부(300), 연마 장치의 전체 제어를 행하는 제어 장치로 이루어지고, 카세트 인덱스부에 세트된 카세트로부터 미가공 웨이퍼를 순차 연마부(300)로 반송하여 연마 아암(311) 하단의 연마 패드를 이용하여 연마 가공을 행하며, 연마 가공이 종료된 웨이퍼를 반송 로봇(60, 150) 등에 의해 반송하여 카세트(C4)에 수납시킨다. 제어 장치는 연마 패드의 드레싱이 행해지고 있는 동안에, 웨이퍼 표면 상태 측정기(50a)로 하여금 웨이퍼의 미세한 표면 상태 계측을 행하게 하고, 그 계측 데이터에 기초하여 연마 조건의 보정을 행한다. 이에 따라, 연마 장치의 스루풋을 열화시키지 않고 기판의 연마 상태를 계측하여 정밀도가 높은 연마 가공을 높은 수율로 달성할 수 있다.

Description

연마 장치 및 반도체 디바이스의 제조 방법{POLISHING DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE}
척으로 유지된 기판을 연마 부재를 이용하여 연마 가공하는 연마 장치는 유리 기판이나 석영 기판, 또는 실리콘이나 갈륨 비소 등의 반도체 기판(반도체 웨이퍼) 등의 기판 표면을 연마 가공하는 가공 장치로서 이용되고 있고, 그 일례로서 CMP 장치가 있다. CMP 장치는 반도체 웨이퍼 표면에 형성된 금속막이나 층간 절연막 등의 미소한 요철을 화학 기계 연마법(Chemical Mechanical Polishing: CMP법)에 의해 웨이퍼 전면에 걸쳐 정밀하게 평탄 연마하는 연마 장치로서, 다적층 기판의 평탄화 기술로서 큰 주목을 모으고 있는 연마 장치이다.
이러한 CMP 장치에는 가공 제품의 수율을 향상시키기 위해서 연마 가공 중(in-situ)에 가공 종료점을 검지하여 연마 가공을 종료시키는 종점 검출기를 구비하는 것이 있다. 종점 검출기에는, 예컨대 웨이퍼를 유지하는 척이나 연마 패드가 붙여진 연마 헤드를 회전 구동하는 모터의 부하 상태를 감시하고 그 변화점을 검출하여 가공 종료점을 간접적으로 검출하는 검출기, 회전하는 웨이퍼에 프로브광을 투광하여 반사광을 감시하며 그 휘도 변화나 분광 특성의 변화 등으로부터 가공 종료점을 직접적으로 검출하는 검출기, 또는 연마 가공 후에 정지된 웨이퍼의 특정 위치에 프로브광을 투광하여 그 반사광으로부터 해당 위치의 연마 상태를 검출하는 검출기 등이 이용되고 있다.
한편, CMP 장치의 연마 조건을 웨이퍼의 성막 상황이나 연마 패드의 상태 등에 따라 적합한 값으로 설정하기 위해서는 연마후 웨이퍼의 미세한 연마 상태를 판정해야 하고, 그러기 위해서는 연마후 웨이퍼 표면을 직접 복수 지점 또는 2차원적으로 주사하여 측정하고, 그 프로파일(연마 상태 분포)을 취득할 필요가 있다.
그런데, 종점 검출기는 웨이퍼 단위로 가공 종료점을 검출하는 것을 목적으로 하고 있기 때문에, 검출되는 정보는 웨이퍼 전체의 평균화된 거시적인 상태량 또는 국소적인 연마 상태로 한정되어 있고, 이것을 직접 피드백하여도 양호한 조건 설정을 할 수 없다.
이 때문에, 연마 가공후 웨이퍼의 미세한 표면 상태를 계측하고 그 계측 정보에 기초하여 보다 정밀하게 연마 조건을 설정하고자 하는 요망이 있었다. 이러한 웨이퍼 표면의 프로파일을 취득하기 위한 계측 장치로서, 종래부터 이용되고 있는 막 두께 측정기나, 백색광을 투광하여 그 반사광의 스펙트럼 분포로부터 층간 절연막의 막 두께나 금속층의 잔존 상태를 계측하는 표면 상태 측정기 등이 알려져 있다.
그러나, 상기와 같은 측정기를 CMP 장치에 내장 또는 접속하고, 연마 가공 후 웨이퍼를 해당 측정기까지 반송하여 계측한다면, 종래의 CMP 장치의 반송, 연마가공, 세정 등의 기존의 각 공정에 새롭게 계측 공정이 직렬적으로 부가되게 되고, CMP 장치로 단위 시간당 연마 가공할 수 있는 웨이퍼 처리량(스루풋)을 열화시키는 요인이 된다고 하는 문제가 있었다. 한편, 연마 가공이 종료되어 CMP 장치로부터 반출된 웨이퍼를 장치 밖에서 계측한다면, CMP 장치의 스루풋의 열화는 피할 수 있지만, 프로파일이 취득된 후 그 데이터가 피드백될 때까지 상당한 시간이 필요하고, 수율을 향상시키는 효과를 기대할 수 없다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은 척으로 유지된 기판을 연마 부재를 이용하여 연마 가공하는 연마 장치 및 이 연마 장치를 사용한 반도체 디바이스의 제조 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 연마 장치의 일 실시예인 CMP 장치의 전체 구성을 도시하는 평면도.
도 2는 본 발명에 이용하는 웨이퍼 표면 상태 측정기의 구성예를 도시하는 블록도.
도 3은 상기 CMP 장치를 작동시켰을 때의 웨이퍼의 흐름을 도시하는 설명도.
도 4는 본 발명에 따른 연마 장치의 제1 실시 형태의 실시예를 도시하는 CMP 장치의 부분 평면도.
도 5는 본 발명에 따른 연마 장치의 제2 실시 형태의 실시예를 도시하는 CMP 장치의 부분 평면도.
도 6은 본 발명에 따른 연마 장치의 제3 내지 제7 실시 형태의 실시예를 도시하는 CMP 장치의 측면도.
도 7은 본 발명에 따른 연마 장치의 제3 실시 형태의 실시예를 도시하는 CMP 장치의 부분 평면도.
도 8은 본 발명에 따른 연마 장치의 제4 실시 형태의 실시예를 도시하는 CMP 장치의 부분 평면도.
도 9는 본 발명에 따른 연마 장치의 제8 실시 형태의 실시예를 도시하는 CMP 장치의 평면도.
도 10은 본 발명에 따른 반도체 디바이스 제조 방법의 일 실시예로서 도시된 반도체 제조 프로세스의 흐름도.
본 발명은 상기와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 연마 장치의 스루풋을 열화시키지 않고, 현(現) 연마 가공 상태에 기초한 정밀한 연마 조건의 설정을 가능하게 하며, 이에 따라 가공 정밀도나 수율을 향상시킨 연마 장치 및 이 연마 장치를 이용한 반도체 디바이스의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적 달성을 위해, 본 발명에서는, 기판을 유지하는 척과, 이 기판을 연마하는 연마 부재를 포함하며, 연마 부재를 이용하여 척으로 유지된 기판의 표면을 연마 가공하는 연마 장치에 있어서, 기판의 표면 상태를 계측하는 표면 상태 측정 수단과, 연마 장치의 작동을 미리 설정된 제어 시퀀스에 기초하여 제어하는 제어 장치를 구비하고, 이 제어 장치는 제어 시퀀스의 간극 시간에 표면 상태 측정 수단으로 하여금 기판의 복수 위치의 표면 상태를 계측하게 하도록 연마 장치를 구성한다(이하, 「제1 연마 장치」라고 함).
여기서, 본 명세서 및 청구 범위에서 「기판의 표면 상태」란 전술한 바와 같은 기판의 미세한 표면 상태를 말하고, 이것을 복수 위치에 대해서 계측함으로써기판 표면의 프로파일을 취득할 수 있다. 또한, 기판 표면을 계측하는 표면 상태 측정 수단으로는, 이미 공지되어 있는 다양한 방식의 측정기기를 이용할 수 있고, 예컨대 전술한 바와 같은 막 두께 측정기, 백색의 프로브광을 기판 표면에 투광하여 그 반사광을 분광 분석하고 층간 절연막의 막 두께를 계측하는 표면 상태 측정기, 레이저광의 간섭 작용을 이용하여 동일한 계측을 행하는 표면 상태 측정기, 또는 연화 X선 와전류를 이용하여 금속층의 막 두께를 계측하는 표면 상태 측정기 등을 이용하여 구성할 수 있다.
또한, 본 명세서 및 청구 범위에서 말하는 "간극 시간" 이란, 연마 장치의 스루풋을 열화시키지 않고 기판 표면의 프로파일을 계측할 수 있는 시간 영역을 말하며, 구체적으로는 연마 패드의 드레싱 작동시와 같이 연마 장치 내에서 기판이 대기 상태가 되는 대기 시간, 연마 장치 내에서 기판이 반송 내지 이동되고 있는 이동 시간, 기판을 유지하는 척과 반송 장치와의 사이나 반송 장치 상호간에서 기판을 교환하는 교환 시간, 또는 연마 장치 내에서 복수의 공정이 평행하게 진행하고 있는 경우에 하나의 공정이 완료될 때까지 다른 공정에 여유가 생기는 경우의 여유 시간 등을 말한다.
따라서, 본 발명의 연마 장치는, 기판의 표면 상태를 계측하는 표면 상태 측정 수단을 구비하며, 제어 장치는 상기와 같은 간극 시간에 표면 상태 측정 수단으로 하여금 기판의 복수 위치의 표면 상태를 계측하게 하기 때문에, 연마 장치의 스루풋을 열화시키지 않고 연마 가공 전후의 기판의 표면 상태를 고정밀도로 계측할 수 있다.
또한, 제1 연마 장치의 표면 상태 측정 수단은, 척으로 유지된 기판의 표면 상태를 계측하도록 연마 장치를 구성하는 것이 바람직하다(이하, 「제2 연마 장치」라고 함). 이러한 연마 장치에서는, 척으로 유지된 기판의 표면 상태를 계측하기 때문에, 예컨대 연마 가공 직후 기판 표면의 상태를 고정밀도로 계측하고 그 계측 정보에 기초한 연마 조건의 설정이 가능하며, 연마 가공에 앞서 계측을 행함으로써 척상의 개개의 기판마다 보다 세세한 조건 설정을 행할 수 있다.
제2 연마 장치는 연마 부재의 연마면을 드레싱하는 드레싱 유닛을 구비하고, 표면 상태 측정 수단은 연마 부재가 드레싱 유닛에 의해 드레싱되고 있는 간극 시간에 척으로 유지된 기판의 표면 상태를 계측하도록 연마 장치를 구성하여도 좋다.
제2 연마 장치는, 척을 복수개 구비하여 소정의 각도 위치마다 회동 정지시키는 인덱스 테이블을 포함하며, 표면 상태 측정 수단은 인덱스 테이블이 회동되고 있는 간극 시간에 척으로 유지된 기판의 표면 상태를 계측하도록 연마 장치를 구성하여도 좋다. 이러한 구성의 연마 장치에서는, 예컨대 표면 상태 측정 수단의 검출부를 인덱스 테이블의 회동에 따라 이동하는 기판의 이동 경로 상에 고정 배치함으로써, 새로운 주사 수단을 설치하지 않고, 또한 종래의 공정과 동일한 흐름 속에서 기판 표면을 주사하여 계측할 수 있다.
제2 연마 장치는, 척이 복수개 마련된 테이블을 소정의 각도 위치마다 회동 정지시키는 인덱스 테이블과, 이 인덱스 테이블의 정지 위치에 대응하게 구성되어 척으로 유지된 기판의 연마 가공을 행하는 연마 스테이지, 그리고 기판을 척으로 반입, 반출하는 반송 스테이지를 구비하고, 표면 상태 측정 수단은 연마 스테이지에 있어서 연마 가공이 행해지고 있는 간극 시간에 반송 스테이지에 위치 결정된 기판의 표면 상태를 계측하도록 연마 장치를 구성하여도 좋다.
또한, 제1 연마 장치의 표면 상태 측정 수단은, 연마 가공 공정을 마친 기판이 척으로부터 다음 공정을 향해 반출되는 연마 장치 내부의 이동 경로에 있어서, 기판의 표면 상태를 계측하도록 연마 장치를 구성할 수도 있다(이하, 「제3 연마 장치」라고 함).
또한, 제1 연마 장치의 표면 상태 측정 수단은, 연마 가공 공정을 마친 기판이 척으로부터 다음 공정을 향해 반출되는 연마 장치 내부의 이동 경로에 있어서, 반송 이동 중인 기판의 표면 상태를 계측하도록 구성할 수도 있다(이하, 「제4 연마 장치」라고 함). 이러한 구성에서는, 예컨대 기판이 반송되는 이동 경로 상에 표면 상태 측정 수단의 검출부를 고정 배치함으로써, 새로운 주사 수단을 설치하지 않고 종래의 공정과 동일한 흐름 속에서 기판 표면을 주사하여 계측할 수 있다.
또한, 제1, 제3 또는 제4 연마 장치는 연마 가공 공정을 마친 기판을 세정하는 세정부를 구비하고, 표면 상태 측정 수단은 세정부에서 세정된 기판의 표면 상태를 계측하도록 연마 장치를 구성하는 것도 바람직하다(이하, 「제5 연마 장치」라고 함). 이러한 구성에서 표면 상태 측정 수단은 슬러리 등이 세정 제거되어 깨끗한 상태의 기판의 표면 상태를 계측할 수 있으므로, 고정밀도의 표면 상태 계측을 행할 수 있다.
제5 연마 장치는, 세정부에서의 세정 공정을 마친 기판을 소정 방향으로 배향시키는 얼라이너(aligner) 기구를 포함하며, 표면 상태 측정 수단은 얼라이너 기구에 의해 소정 방향으로 배향된 기판의 표면 상태를 계측하도록 연마 장치를 구성하여도 좋다. 이러한 구성에 따르면 표면 상태 측정 수단은 기판 상의 계측 위치를 특정하여(예컨대, 기판 상의 특정한 번지의 디바이스나, 더 구체적으로는 디바이스 상의 패턴 위치) 표면 상태를 계측할 수 있어, 매우 높은 정밀도의 표면 상태 계측을 행할 수 있다.
또한, 기판을 유지하는 척과, 이 기판을 연마하는 연마 부재를 포함하며, 연마 부재를 이용하여 척으로 유지된 기판의 표면을 연마 가공하는 연마 장치에 있어서, 척으로 유지된 기판의 표면 상태를 계측하는 표면 상태 측정 수단과, 표면 상태 측정 수단과 척으로 유지된 기판을 상대 이동시키는 이동 수단과, 연마 장치의 작동을 미리 설정된 제어 시퀀스에 기초하여 제어하는 제어 장치를 구비하고, 제어 장치는 연마 가공 중에 표면 상태 측정 수단으로 하여금 연마 가공의 진행 상태를 감시하게 하여 소정의 종점에 도달했다고 판단될 때에 연마 가공을 정지시키고, 이동 수단을 이용하여 표면 상태 측정 수단과 기판을 상대 이동시켜 기판의 복수 위치의 표면 상태를 계측하도록 연마 장치를 구성하는 것도 바람직하다.
기판의 표면 상태를 검출하는 표면 상태 측정 수단은, 기판의 미세한 표면 상태를 검출할 수 있는 검출 수단이지만, 기판이 고속 회전하고 있을 때에는 동일 반경 상에 존재하는 디바이스 패턴으로부터의 평균적인(거시적인) 정보를 통해 표면 상태를 검출한다. 그리고, 이 평균적인 정보를 적절하게 연산 처리함으로써 연마 가공의 종료점을 검출하는 종점 검출기로서 이용하는 것이 가능하다(예컨대, 본 출원인 명의의 특허 공개 2000-40680호 참조).
이 때문에, 1대의 표면 상태 측정 수단이 연마 가공 중에는 가공 상태를 감시하여 가공의 종료점을 검출하는 종점 검출기로서 이용되고, 연마 가공 후에는 이동 수단을 이용하여 표면 상태 측정 수단과 기판을 상대 이동시켜 기판의 프로파일을 계측하는 측정 장치로서 기능할 수 있다. 또한, 이동 수단은 기판과 표면 상태 측정 수단을 상대적으로 이동 제어할 수 있는 것이면 좋고, 예컨대 표면 상태 측정 수단의 검출부를 위치 결정된 기판에 대하여 직선 이동, 요동 이동시키는 것, 표면 상태 측정 수단의 검출부를 직선 이동시키는 동시에 기판을 회전시키는 것, 또는 표면 상태 측정 수단의 검출부와 기판을 함께 고정한 상태로 인덱스 테이블을 회전시킴으로써 기판 표면을 주사하는 것 등이어도 좋다. 따라서, 이러한 연마 장치에 따르면, 종점 검출기와 표면 상태 측정기를 별도로 설치하지 않고 간편한 장치 구성으로 연마 가공 전후의 기판의 표면 상태를 고정밀도로 계측할 수 있다.
또한, 기판을 유지하는 척과, 기판을 연마하는 연마 부재를 포함하고, 연마 부재를 이용하여 척으로 유지된 기판의 표면을 연마 가공하는 연마 장치에 있어서, 기판의 표면 상태를 계측하는 표면 상태 측정 수단과, 척을 복수개 구비하여 소정의 각도 위치마다 회동 정지시키는 인덱스 테이블과, 연마 장치의 작동을 제어하는 제어 장치를 구비하고, 제어 장치는 기판이 척으로 유지되어 있는 상태로 기판의 복수 위치의 표면 상태를 표면 상태 측정 수단으로 하여금 계측하게 하도록 연마 장치를 구성하여도 좋다. 이러한 연마 장치에서는, 기판이 척으로 유지되어 있는 상태로 그 표면 상태가 계측되기 때문에, 예컨대 연마 가공 직후의 기판의 표면 상태를 고정밀도로 계측하여 그 계측 정보에 기초한 연마 조건의 설정이 가능한 동시에, 연마 가공에 앞서 계측을 행함으로써 척 상의 개개의 기판마다 보다 세세한 조건 설정을 행할 수 있다.
또한, 상기 제어 장치는 인덱스 테이블이 회동하고 있는 동안에 복수 위치의 표면 상태를 표면 상태 측정 수단으로 하여금 계측하게 하도록 연마 장치를 구성하는 것도 바람직하다. 이러한 구성의 연마 장치에서는, 예컨대 표면 상태 측정 수단의 검출부를 인덱스 테이블의 회동에 따라 이동하는 기판의 이동 경로 상에 고정 배치함으로써, 새로운 주사 수단을 설치하지 않고, 종래의 공정과 동일한 흐름 속에서 기판 표면을 주사하여 계측할 수 있다.
또한, 기판을 유지하는 척과, 기판을 연마하는 연마 부재를 포함하고, 연마 부재를 이용하여 척으로 유지된 기판의 표면을 연마 가공하는 연마 장치에 있어서, 기판의 표면 상태를 계측하는 표면 상태 측정 수단과, 연마 장치의 작동을 제어하는 제어 장치를 구비하고, 제어 장치는 연마 부재의 드레싱 중에 기판의 복수 위치의 표면 상태를 표면 상태 측정 수단으로 하여금 계측하게 하도록 연마 장치를 구성하여도 좋다.
또는, 기판을 유지하는 척과, 기판을 연마하는 연마 부재를 포함하고, 연마 부재를 이용하여 척으로 유지된 기판의 표면을 연마 가공하는 연마 장치에 있어서, 기판의 표면 상태를 계측하는 표면 상태 측정 수단과, 연마 부재의 연마면을 드레싱하는 드레싱 유닛과, 연마 장치의 작동을 제어하는 제어 장치를 구비하고, 제어 장치는 연마 부재가 드레싱 유닛에 의해 드레싱되고 있는 동안에 기판의 복수 위치의 표면 상태를 표면 상태 측정 수단으로 하여금 계측하게 하도록 연마 장치를 구성하여도 좋다.
또한, 기판을 유지하는 척과, 기판을 연마하는 연마 부재를 포함하고, 연마 부재를 이용하여 척으로 유지된 기판의 표면을 연마 가공하는 연마 장치에 있어서, 기판의 표면 상태를 계측하는 표면 상태 측정 수단과, 기판을 반송하는 반송 장치와, 연마 장치의 작동을 제어하는 제어 장치를 구비하고, 제어 장치는 기판이 반송 장치에 의해 반송되고 있는 동안에 기판의 복수 위치의 표면 상태를 표면 상태 측정 수단으로 하여금 계측하게 하도록 연마 장치를 구성하여도 좋다. 이러한 구성에서는, 예컨대 기판이 반송되는 이동 경로 상에 표면 상태 측정 수단의 검출부를 고정 배치함으로써, 새로운 주사 수단을 설치하지 않고 종래의 공정과 동일한 흐름 속에서 기판 표면을 주사하여 계측할 수 있다.
이상의 각 발명에 있어서의 표면 상태 측정 수단은, 기판의 표면 상태를 광학적으로 계측하는 표면 상태 측정 수단, 기판의 표면 상태를 형광 X선으로 계측하는 표면 상태 측정 수단, 또는 기판의 표면 상태를 와전류로 계측하는 표면 상태 측정 수단을 이용하여 연마 장치를 구성하여도 좋다. 이러한 구성의 연마 장치에 따르면, 층간 절연막과 같이 광 투과성이 있는 절연층을 평탄 가공하는 절연막 CMP로부터, 금속막과 같이 광 투과성이 없는 배선층을 평탄 가공하는 메탈 CMP에 이르기까지, CMP 프로세스에 대응하는 표면 상태 측정 수단을 이용하여 연마 장치를 구성할 수 있고, 연마 대상에 상관없이 높은 스루풋을 달성할 수 있는 연마 장치를 얻을 수 있다.
또한, 이상의 각 발명에 있어서의 제어 장치는, 표면 상태 측정 수단에 의해계측된 기판의 표면 상태에 기초하여 연마 가공의 가공 조건을 변화시키도록 연마 장치를 구성하는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 따르면, 표면 상태 측정기에 의해 고정밀도로 계측된 기판의 표면 상태가 즉시 연마 조건에 피드백되어, 현 연마 가공 상태에 기초한 정밀한 연마 조건이 설정된다. 이에 따라 가공 정밀도나 수율을 향상시킨 연마 장치를 제공할 수 있다.
또한, 이상과 같이 구성되는 연마 장치를 반도체 웨이퍼(기판)의 표면을 연마 가공하는 공정에 이용하여 반도체 디바이스 제조 방법을 구성하여도 좋다. 이러한 제조 방법에 따르면, 고정밀도의 반도체 디바이스를 높은 스루풋과 높은 수율로 제조할 수 있기 때문에, 저비용으로 양질의 반도체 디바이스를 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 형태 중 가장 바람직하다고 생각되는 것으로서, 반도체 웨이퍼를 3 스테이지의 연마 공정으로 정밀하게 평탄 연마하는 CMP 장치에 적용한 예에 대해서 설명한다. 이 연마 장치(1)의 전체 구성은, 도 1의 평면도에 도시된 바와 같이, 크게 카세트 인덱스부(100)와, 웨이퍼 세정부(200)와, 연마부(300), 그리고 이 연마 장치의 작동을 제어하는 제어 장치(400; 도 2 참조)로 이루어지고, 장치 전체가 일체의 크린 챔버를 구성하는 동시에 각 부분이 작은 방으로 구획되어 구성되어 있다.
카세트 인덱스부(100)에는, 여러 장의 웨이퍼가 유지되어 있는 카세트(캐리어라고도 함) C1∼C4를 적재하는 웨이퍼 적재 테이블(120)와, 웨이퍼의 노치 또는오리엔탈 플랫을 일정 방향으로 배향시키는 얼라이너 기구(130), 그리고 카세트 내의 미가공 웨이퍼를 취출하여 세정부(200)의 세정기 가적재대(211)로 반입하고 세정부(200)에서 세정된 가공을 마친 웨이퍼를 카세트에 수납하는 제1 반송 로봇(150) 등이 마련되어 있다.
제1 반송 로봇(150)은 2개의 다관절 아암을 갖는 다관절 아암형 로봇으로서, 수평 선회 및 승강 작동이 자유롭게 베이스(151) 상에 부착된 선회대(152)와, 이 선회대(152)에 굴신(屈伸) 작동이 자유롭게 부착된 2개의 다관절 아암(153a, 153b)과, 각 아암의 선단부에 신축이 자유롭게 부착된 A 아암(155a) 및 B 아암(155b)[B 아암(155b)은 A 아암(155a)의 하방에 오프셋 배치되고, 도 1에 있어서 상하로 겹쳐 위치함) 등으로 구성되어 있다. A 아암(155a)과 B 아암(155b)의 선단부에는, 웨이퍼를 이면측으로부터 지지하여 흡착 유지하는 유지부가 형성되어 있다. 베이스(151)에는, 바닥면에 배치된 선형 가이드(160)를 따라 자유롭게 수평 이동하도록 구성되어 있는 직선 이동 장치가 설치되어 있다.
웨이퍼 세정부(200)는 제1 세정실(210), 제2 세정실(220), 제3 세정실(230) 및 건조실(240)의 4실 구성으로 이루어지고, 연마 가공을 마친 웨이퍼가 제1 세정실(210)→제2 세정실(220)→제3 세정실(230)→건조실(240)과 같이 순차 이송되어 연마 가공부(300)에서 부착된 슬러리, 연마 가공액, 또는 연마 마모 가루 등의 제거 세정이 행해진다.
각 세정실은 다양한 공지의 수법을 이용하여 구성할 수 있지만, 본 실시예의 제1 세정실에서는 거친 세정으로서 회전 브러시에 의한 양면 세정을, 제2 세정실에서는 중간 세정으로서 초음파 가진 상태에서 표면 펜슬 세정을, 제3 세정실에서는 마무리 세정으로서 순수(純水)에 의한 스피너 세정을, 건조실에서는 질소 분위기 하에서 건조 처리를 행하도록 구성되어 있다. 또한, 세정 공정은 연마 가공된 웨이퍼에 대해서 행해지고, 미가공 웨이퍼는 세정 공정을 거치지 않고서 카세트 인덱스부(100)로부터 세정기 가적재대(211)를 통해 웨이퍼 세정부를 지나 연마부(300)로 반입된다.
연마부(300)는 연마 가공을 행하는 영역으로서, 중앙에 원반형 인덱스 테이블(340)이 설치되어 있다. 인덱스 테이블(340)은 90°로 4구획 등분할되고, 각 구획마다 웨이퍼를 흡착 유지하는 척(V1, V2, V3, V4)이 설치되며, 내장된 스테핑 모터의 작동에 의해 테이블 전체가 90°씩 회동 이송된다. 인덱스 테이블(340) 주위에는, 이 테이블의 위치 결정 정지 위치에 대응하게 외주로부터 둘러싸도록 제1 연마 스테이지(310), 제2 연마 스테이지(320), 제3 연마 스테이지(330)의 3개의 연마 스테이지와, 척에 미가공 웨이퍼를 반입하고 연마 가공이 종료된 가공을 마친 웨이퍼를 척으로부터 취출하여 반출하는 반송 스테이지(350)가 형성되어 있다.
인덱스 테이블(340)에 설치된 척(V1∼V1)에는, 웨이퍼를 이면으로부터 진공 흡착하여 유지하는 유지 기구, 흡착 유지한 웨이퍼를 인덱스 테이블(340)에 대하여 수평면 내에서 고속 회전시키는 척 구동 장치, 연마 가공 시에 사용하는 슬러리가 건조 고착하지 않도록 척에 순수를 공급하여 씻어 없애는 척 세정 기구 등이 설치되어 있다. 척(V1∼V4)의 직경은 웨이퍼 직경보다도 약간 작게 형성되어 있고, 척상으로의 웨이퍼의 반입이나 척으로부터의 반출 시에 웨이퍼의 외주 단부를 파지할 수 있도록 구성되어 있다. 이 때문에, 웨이퍼를 척 상으로 반입하여 흡착 유지시키고 척 구동 장치에 의해 고속 회전 및 정지 유지시키는 것이 자유롭게 구성되어 있다.
제1 연마 스테이지(310), 제2 연마 스테이지(320), 제3 연마 스테이지(330)의 3개의 연마 스테이지에는, 각각 인덱스 테이블(340)에 대하여 수평 방향으로 요동이 자유롭게 수직 방향으로 상하 이동이 자유로운 연마 아암(311, 321, 331)이 마련되어 있다. 각 연마 아암의 선단부에는 연마 아암으로부터 수직 하강하여 수평면에서 자유롭게 고속 회전하는 연마 헤드가 부착되어 있고, 그 하단면에는 웨이퍼와의 상대 회전에 의해 웨이퍼 표면을 평탄 연마하는 연마 패드가 마련되어 있다.
이 때문에, 예컨대 제1 연마 스테이지(310)에서 연마 가공을 행할 때에는 연마 아암(311)을 요동시켜 연마 헤드를 척(V4) 상으로 이동시키고, 연마 헤드 및 척을 상대 회전시키는 동시에 연마 아암(311)을 강하시켜 연마 패드를 웨이퍼상에 압압시키며, 연마 패드 중심부로부터 슬러리를 공급하면서 연마 아암을 요동 왕복시킴으로써 척 상에 흡착 유지된 웨이퍼 표면을 평탄하게 연마 가공할 수 있다.
각 연마 스테이지(310, 320, 330)에는 연마 가공 중인 웨이퍼의 가공 상태를 검출하는 종점 검출기가 부착되어 있고, 연마 가공 중인 웨이퍼 표면으로부터의 반사 정보가 실시간으로 검출되고 있다. 본 발명의 제1 실시예 내지 제4 실시예에서는, 가공 종점의 검출뿐만 아니라 웨이퍼 표면의 표면 상태를 계측할 수 있는 웨이퍼 표면 상태 측정기(50)를 종점 검출기와 겸용하여 이용하고 있고, 그 검출 정보가 제어 장치(400)로 출력되고 있다.
도 2에 도시된 개요 구성과 같이, 웨이퍼 표면 상태 측정기(50)는 조명 광원(51), 검출 헤드(53), 분광부(55), 제어 유닛(56), 조명 광원(51)으로부터의 빛을 검출 헤드(53)로 유도하는 투광측 광섬유(52), 검출 헤드(53)에 수광된 빛을 분광부(55)로 유도하는 수광측 광섬유(54) 등으로 구성되어 있다. 조명 광원(51)은, 예컨대 크세논 램프나 할로겐 램프, 수은 램프 등의 백색 광원이며, 적절한 광학계를 이용하여 투광측 광섬유(52)에 조명광을 도입한다. 투광측 광섬유(52)에 의해 검출 헤드(53)로 유도된 조명광은 검출 헤드(53)에 설치된 조준 렌즈, 빔 분할기, 또는 집광 렌즈 등의 광학계를 통해 웨이퍼 표면에 조사된다.
웨이퍼 표면으로부터의 반사광은 검출 헤드(53)에 수광되고, 검출 헤드 내부의 빔 분할기에 의해 조명광과 분리되어 수광측 광섬유(54)에 입사되며, 분광부(55)로 유도된다. 분광부에는 회절 격자가 설치되어 있고, 웨이퍼 표면의 막의 재질이나 막 두께에 따라 변화되는 반사광의 스펙트럼 성분을 주파수(파장)에 따라 다른 방향으로 반사시켜 파장 분해한다. 파장 분해된 반사광은 광 다이오드형 선형 센서 등에 의해 검출되어, 반사광의 스펙트럼 분포가 계측된다.
검출된 신호는 제어 유닛(56)에 입력되고, 디바이스 패턴에 따라 미리 설정된 종점 패턴이나 잔존 막 두께와의 상관 관계 등과 비교되어, 가공 종료점의 검출이나 웨이퍼의 미세한 표면 상태 등의 계측치가 판정된다. 종점 검출 정보나 웨이퍼 표면의 계측 정보는 제어 유닛(56)으로부터 제어 장치(400)로 출력되고, 제어 장치(400)는 이들 정보에 기초하여 연마 가공을 제어한다.
후술하는 각 실시 형태에서는, 상기 구성의 웨이퍼 표면 상태 검출기(50)가 다른 위치에 배치되어 CMP 장치가 구성된다. 그래서, 이후에서는 동일 기능을 갖는 구성 부재에 대해서 실시 형태마다 부호 a(제1 실시 형태)∼부호 h(제8 실시 형태)를 붙여, 웨이퍼 표면 상태 검출기(50a), 검출 헤드(53h)와 같이 표기하고, 중복 설명을 생략한다.
(제1 실시 형태)
제1 실시 형태의 연마 장치에 있어서, 검출 헤드(53a)는 인덱스 테이블(340)에 대하여 수평 요동이 자유롭게 검출 아암(61)의 선단부에 부착되어 있고, 이 아암(61)의 기단부에 부착된 스테핑 모터(62) 및 검출 아암의 요동각을 검출하는 로터리 인코더(63)의 작동에 의해 척으로 유지된 웨이퍼 표면을 반경 방향으로 주사하여 계측할 수 있도록 구성되어 있다.
또한, 각 연마 스테이지(310, 320, 330)에는, 연마 패드의 요동 궤적 상에 연마 패드의 표면(연마 가공면)을 드레스 업(dress up)하는 패드 드레서(317, 327, 337)가 설치되어 있다. 패드 드레서는 웨이퍼를 연마 가공함으로써 연마 패드의 표면에 생기는 눈의 막힘이나 눈의 불일치를 수정(드레싱, 고르게 함)하는 장치로서, 표면에 다이아몬드 연삭 입자가 고착되어 있고 회전이 자유로운 디스크와, 드레싱 후 연마 패드의 표면에 순수를 분사하여 연마 패드 표면을 순수로 세정하는 노즐을 구비하도록 구성되어 있다. 연마 패드의 드레싱은, 연마 아암(311, 321,331)을 요동시켜 연마 패드를 패드 드레서 상으로 이동시키고, 연마 패드와 디스크를 상대 회전시키면서 압압함으로써 행해진다.
반송 스테이지(350)에는, 웨이퍼의 반송을 행하는 제2 반송 로봇(360), 제3 반송 로봇(370), 이들 반송 로봇 사이에서 웨이퍼의 교환을 중개하는 A 가적재대(381) 및 B 가적재대(382)가 배치되어 있다. 제2 반송 로봇(360)은 전술한 제1 반송 로봇(150)과 같은 다관절 아암형 로봇으로서, 수평 선회 및 승강 작동이 자유로운 선회대(362) 상에 요동이 자유롭게 부착된 2개의 다관절 아암(363a, 363b)과, 각 다관절 아암의 선단부에 신축이 자유롭게 부착된 A 아암(365a) 및 B 아암(365b)으로 구성되어 있다. A 아암(365a)과 B 아암(365b)은 상하로 오프셋되어 배치되는 동시에, 양 아암의 선단부에는 웨이퍼를 이면측으로부터 지지하여 흡착 유지하는 유지부가 형성되어 있다.
제3 반송 로봇(370)은, 인덱스 테이블(340)에 대하여 수평 방향으로 요동이 자유롭고 수직 방향으로 상하 이동이 자유로운 요동 아암(371)과, 이 요동아암의 선단부에 요동 아암에 대하여 수평 선회 가능하게 부착된 회동 아암(372), 그리고 회동 아암(372)의 양단부에 현수되어 웨이퍼의 외주 단부를 파지하는 A 클램프(375a) 및 B 클램프(375b) 등으로 구성되어 있다. A 클램프(375a)와 B 클램프(375b)는 회동 아암(372)의 회동 중심으로부터 동일 거리의 회동 아암 단부에 배치되어 있다. 도 1에 도시된 상태는 제3 반송 로봇의 대기 자세를 나타내고 있고, 도면에서 A 클램프(375a)와 B 클램프(375b)의 하방에 각각 미가공의 웨이퍼를 적재하는 A 가적재대(381)와, 연마 가공을 마친 웨이퍼를 적재하는 B 가적재대(382)가설치되어 있다.
이 때문에, 제3 반송 로봇(370)의 요동 아암(371)을 요동 작동시키고 회동 아암(372)을 선회 작동시킴으로써, A 클램프(375a) 또는 B 클램프(375b) 중 어느 하나를 인덱스 테이블(340)의 척(V1) 상으로 이동시킬 수 있고, 해당 위치에서 요동 아암(371)을 하강시켜, A 클램프(375a) 또는 B 클램프(375b)로 척 상의 웨이퍼를 외주에서 클램핑하여 수취하거나 또는 척상에 새로운 웨이퍼를 적재 유지시킬 수 있다.
또한, 연마 가공후의 웨이퍼에는 슬러리를 포함한 연마 가공액이 부착되어 있기 때문에, 연마 장치(1)에서는 연마 가공 전의 웨이퍼를 반입하는 아암 및 클램프와, 연마 가공후의 웨이퍼를 반출하는 아암 및 클램프를 구별하여 이용하고 있다. 즉, 상하로 오프셋된 A 아암과 B 아암 중 상방에 위치하는 A 아암(365a)을 미가공 웨이퍼의 반입용 아암, 하방에 위치하는 B 아암(365b)을 반출용 아암으로, 또한 A 클램프(375a)를 반입용 클램프, B 클램프(375b)를 반출용 클램프로서 규정하여 작동시키고 있다.
제어 장치(400)는 이상과 같이 구성되는 연마 장치(1)의 작동을 미리 설정된 제어 프로그램에 기초하여 제어한다. 이하, 제어 장치가 연마 장치(1)를 어떻게 제어하여 작동시키는지에 대해서 웨이퍼의 흐름에 따라 설명한다. 또한, 제1 연마 스테이지(310), 제2 연마 스테이지(320), 제3 연마 스테이지(330)에서 순차적으로 행해지는 제1차 연마 가공, 제2차 연마 가공, 제3차 연마 가공의 내용은 대상웨이퍼의 디바이스 패턴에 따라 달라지지만, 본 실시예에서는 전 스테이지에서 종점 검출을 행하는 경우에 대해서 설명한다.
도 3은, 카세트(C1)에 수납된 미가공 웨이퍼(Wd)가 카세트 인덱스부(100)의 카세트 적재 테이블(120)의 소정 위치에 세트되고 나서, 연마부(300)에서 순차적으로 연마 처리되어 가공을 마친 웨이퍼(Wp)가 되고, 웨이퍼 세정부(200)에서 세정 처리되어 카세트 인덱스부(100)에 의해 카세트(C4)에 수납되기까지의 웨이퍼의 흐름을 점선과 화살표를 붙여 보여주는 것이다. 또한, 도 3에서는 제1 및 제2 연마 스테이지(310, 320)에 관해서는 연마 가공 중인 연마 아암 자세를 나타내고, 제3 연마 스테이지(330)에 관해서는 드레싱 중인 연마 아암의 자세를 예시하고 있다.
우선, 연마 장치(1)가 기동되어 처리 공정이 개시되면, 제1 반송 로봇(150)이 카세트(C1)의 위치로 이동하고, 선회대(152)를 수평 선회 및 승강 작동시켜 B 아암(155b)을 목표로 웨이퍼의 슬롯 높이로 이동시키며, 다관절 아암(153b)과 B 아암(155b)을 신장 작동시켜 B 아암(155b) 선단의 유지부로 슬롯 내의 미가공 웨이퍼(Wd)를 하면으로부터 지지하여 흡착 유지하고 양 아암을 수축 작동시켜 인출한다. 그리고, 선회대(152)를 180°선회 작동시켜 웨이퍼 세정부(200)로 향하게 하고, 이 세정부(200)에 설치된 세정기 가적재대(211) 상에 미가공 웨이퍼(Wd)를 적재한다.
웨이퍼 세정실(200)을 사이에 두고 대치하는 반송 스테이지(350)의 제2 반송 로봇(360)은, 미가공 웨이퍼(Wd)가 가적재대(211)에 적재되면, 선회대(362)를 선회작동 및 승강 작동시키는 동시에, 다관절 아암(363a) 및 A 아암(365a)을 신장 작동시켜 아암 선단의 유지부에서 세정기 가적재대(211) 상의 미가공 웨이퍼를 지지하여 흡착 유지한다. 그리고, 다관절 아암(363a) 및 A 아암(365a)을 수축 작동시킴과 동시에 선회대(362)를 선회 작동시켜 반전시키고, 다시 다관절 아암(363a) 및 A 아암(365a)을 신장 작동시켜 미가공 웨이퍼를 A 가적재대(381) 상에 적재한다.
미가공 웨이퍼(Wd)가 A 가적재대(381) 상에 적재되면, 제3 반송 로봇(370)이 하강 작동하여 A 클램프(375a)로 미가공 웨이퍼(Wd)를 파지하고, 파지 후 소정 높이까지 상승 작동하여 대기 위치에서 인덱스 테이블(340)의 위치 결정이 완료될 때까지 대기한다(대기 자세). 인덱스 테이블(340)의 위치 결정이 정지하면 요동 아암(371) 및 회동 아암(372)을 요동 작동 및 회동 작동시켜 미가공 웨이퍼를 척(V1) 상에 적재하여 흡착 유지시킨다. 그리고, 제3 반송 로봇(370)은 클램프 해제 후 상승하고, 요동 아암(371) 및 회동 아암(372)을 요동 작동 및 회동 작동시켜 다음 미가공 웨이퍼를 A 클램프(375a)로 파지하며, 소정 높이의 대기 위치에서 다음 인덱스 작동까지 대기한다.
이후, 연마부(300)에서의 연마 가공이 시작된다. 미가공 웨이퍼(Wd)가 척(V1) 상에 흡착 유지되고 제3 반송 로봇이 상승 작동하면, 제어 장치는 인덱스 테이블(340)을 우회전(시계 방향)으로 90°회동 작동시켜, 미가공 웨이퍼를 제1 연마 스테이지(310)(도면의 V4위치)에 위치 결정시킨다. 이와 동시에, 연마 아암(311)을 요동 작동시켜 연마 헤드를 미가공 웨이퍼 상으로 이동시킨다.
인덱스 테이블(340)의 위치 결정이 정지하면, 연마 헤드와 척(V1)을, 예컨대 반대 방향으로 고속 회전시키는 동시에, 연마 아암(311)을 하강시키고 연마 헤드 하단의 연마 패드를 미가공 웨이퍼 상에 압압시켜, 제1차 연마 가공을 행하게 한다. 연마 가공 중에는 연마 헤드의 축심으로부터 슬러리를 공급하면서, 연마 패드가 웨이퍼의 회전 중심과 외주 단부 사이를 왕복 운동하도록 미소 범위로 연마 아암(311)을 요동 작동시켜, 웨이퍼를 균일하게 평탄 연마한다. 반송 스테이지(350)에서는, 상기 제1차 연마 가공 중에 새로운 미가공 웨이퍼가 제3 반송 로봇(370)에 의해 척(V2) 상으로 반입된다.
제1 연마 스테이지(310)에서 제1차 연마 가공이 시작되면, 제어 장치(400)는 웨이퍼 표면 상태 측정기(50a)의 제어 유닛(56a)에 종점 검출의 작동 지령 신호를 출력하고, 제어 유닛(56a)은 이 지령 신호에 기초하여 종점 검출 프로그램을 실행한다. 그리고, 제어 유닛(56a)은 제1차 연마 가공의 가공 종점이 검출되었을 때에 제1 연마 스테이지의 종점 검출 신호(이하「제1 종점 검출 신호」라고 함, 다른 연마 스테이지에서 동일)를 제어 장치(400)에 출력한다.
제어 장치(400)는 제1 종점 검출 신호가 입력되면, 연마 아암(311)을 상승시키는 동시에 연마 헤드의 회전이나 슬러리의 공급 및 척의 회전을 정지시키고, 제1 연마 스테이지의 연마 가공을 정지시킨다. 그리고, 연마 헤드(311)를 요동 작동시켜 연마 패드를 드레싱 유닛(317) 상으로 이동시키고, 연마 패드의 드레싱을 시작하게 한다.
이 때, 제어 장치(400)는 제어 유닛(56a)에 웨이퍼 표면의 계측 작동 지령 신호를 출력하고, 제어 유닛(56a)은 이 지령 신호에 기초하여 웨이퍼 표면 상태의 계측 프로그램을 실행한다. 제어 유닛(56a)은, 도 4에 도시된 바와 같이 검출 아암(61)을 요동 작동시키고 아암 선단부의 검출 헤드(53a)를 기판의 중심을 지나는 반경 방향으로 주사시켜, 검출 아암(61)의 요동 각도 위치에 대한 반사광의 스펙트럼 분포, 즉 웨이퍼 표면의 반경 방향의 프로파일을 계측한다. 제어 유닛(56a)은 제1 연마 스테이지의 계측 데이터(이하 "제1 계측 데이터" 라고 함, 다른 연마 스테이지에서 동일)를 제어 장치(400)에 출력하고, 제어 장치는 이 제1 계측 데이터에 기초하여 제1차 연마 가공의 연마 조건이 적합한 가를 판단하고, 필요하다고 판단되는 경우에는 연마 조건을 수정한다.
웨이퍼 표면 상태 측정기(50a)에 의한 웨이퍼 표면 상태의 계측이 종료되면, 제어 장치(400)는 인덱스 테이블(340)을 우회전 방향으로 90°회동 작동시켜, 제1차 연마 가공이 종료된 웨이퍼를 제2 연마 스테이지(320)(도면의 V3위치)로, 반송 스테이지(350)에서 척(V3) 상에 반입된 새로운 미가공 웨이퍼를 제1 연마 스테이지(310)(도면의 V4위치)로 이동시킨다.
또한, 웨이퍼 표면 상태 측정기(50a)에 의한 웨이퍼의 표면 상태 계측에 필요한 시간(2∼3초 정도)은, 연마 패드의 드레싱이 행해지는 시간(통상 10초 정도)에 비하여 충분히 짧고, 계측 시간에 인덱스 테이블(340)의 회동 위치 결정 시간(2∼3초 정도)을 부가하여도 연마 패드의 드레싱 시간 내에 완료된다. 따라서, 웨이퍼의 표면 상태 계측은 연마 패드가 드레싱되고 있는 시간 내, 즉 웨이퍼 자체에 대해서는 어떤 구체적인 처리도 행해지고 있지 않은 간극 시간 내에 행해진다.
연마 패드의 드레싱이 종료되면, 제어 장치는 연마 아암(311)을 요동 작동시켜 새롭게 제1 연마 스테이지에 위치 결정된 척(V2)의 웨이퍼 상으로 연마 패드를 이동시키고, 이 웨이퍼의 제1차 연마 가공을 시작하게 한다. 또한, 제2 연마 스테이지(320)에서는, 연마 아암(321)을 요동 작동시켜 제1차 연마 가공을 종료하여 제2 연마 스테이지로 반입된 척(V1)의 웨이퍼 상으로 연마 패드를 이동시키며, 이 웨이퍼의 제2차 연마 가공을 시작하게 한다. 제1차 연마 가공과 제2차 연마 가공은 동시 병행하여 행해지고, 이 사이에 반송 스테이지(350)에서는 척(V3) 상으로 새로운 미가공 웨이퍼가 반입된다.
제2 연마 스테이지(320)에서의 제2차 연마 가공 및 제1 연마 스테이지에서의 제1차 연마 가공이 시작되면, 제어 장치(400)는 제1 및 제2 연마 스테이지의 각 웨이퍼 표면 상태 측정기(50a)의 제어 유닛(56a)에 종점 검출의 작동 지령 신호를 출력하고, 각 제어 유닛(56a)은 이 지령 신호에 기초하여 제1 연마 스테이지 및 제2 연마 스테이지에서 종점 검출 프로그램을 실행한다. 그리고, 제1차 연마 가공의 가공 종점이 검출되었을 때에 제1 종점 검출 신호를 제어 장치(400)에 출력하고, 제2차 연마 가공의 가공 종점이 검출되었을 때에 제2 종점 검출 신호를 제어 장치(400)에 출력한다.
제어 장치(400)는 이들 종점 검출 신호가 입력되면, 종점 검출 신호에 대응하여 연마 스테이지의 연마 아암(311 또는 321)을 상승시키는 동시에 연마 헤드의 회전이나 슬러리의 공급 및 척의 회전을 정지시키고, 가공 종점에 도달한 연마 스테이지의 연마 가공을 정지시킨다. 그리고, 연마 가공을 정지한 연마 스테이지 마다 연마 헤드(311, 321)를 요동 작동시켜 연마 패드를 드레싱 유닛(317, 327) 상으로 이동시키고, 각 연마 패드의 드레싱을 행하게 한다.
그리고, 제1 및 제2 연마 스테이지(310, 320)에서 연마 패드의 드레싱이 행해지고 있는 간극 시간에, 전술한 바와 마찬가지로 각 웨이퍼 표면 상태 측정기(50a)로 웨이퍼 표면의 반경 방향의 프로파일을 계측하고, 제1 계측 데이터에 기초하여 제1차 연마 가공의 연마 조건이 적합한 가를, 제2 계측 데이터에 기초하여 제2차 연마 가공의 연마 조건이 적합한 가를 판단하며, 필요하다고 판단되는 경우에 해당 연마 스테이지의 연마 조건을 수정한다.
제어 장치(400)는, 2개의 계측 데이터가 입력되면 인덱스 테이블(340)을 우회전 방향으로 90°회동 작동시켜, 제2차 연마 가공이 종료된 웨이퍼를 제3 연마 스테이지(330)로, 제1차 연마 가공이 종료된 웨이퍼를 제2 연마 스테이지(320)로, 반송 스테이지(350)에 새롭게 척 상으로 반입된 미가공 웨이퍼를 제1 연마 스테이지(310)로 이동시킨다.
그리고, 전술한 바와 마찬가지로 제1, 제2, 제3의 각 연마 스테이지에서 동시에 제1차 연마 가공, 제2차 연마 가공, 제3차 연마 가공을 병행하고, 제어 장치(400)는 각 연마 스테이지의 종점 검출 신호에 기초하여 연마 스테이지마다 연마 가공을 정지시켜, 각 연마 패드의 드레싱 중에 계측되는 계측 데이터에 기초하여 각 연마 스테이지의 연마 조건의 판단 및 수정을 행한다.
제1, 제2, 제3 연마 스테이지의 연마 가공이 수시 종료되고, 3개의 계측 데이터가 입력되면, 제어 장치(400)는 인덱스 테이블(340)을 다시 우회전 방향으로 90°(또는 좌회전 방향으로 270°) 회동 작동시켜, 제3차 연마 가공이 종료된 웨이퍼를 반송 스테이지(350)로, 제2차 연마 가공이 종료된 웨이퍼를 제3 연마 스테이지(330)로, 제1차 연마 가공이 종료된 웨이퍼를 제2 연마 스테이지(320)로, 반송 스테이지(350)에 새롭게 반입된 미가공 웨이퍼를 제1 연마 스테이지(310)로 이동시킨다. 그 후, 제1, 제2, 제3의 각 연마 스테이지에서는, 인덱스 테이블(340)이 회동 정지될 때마다 전술한 바와 동일한 연마 가공이 반복하여 행해진다.
반송 스테이지(350)에서는, 제3 반송 로봇(370)이 제3차 연마 가공이 종료된 가공을 마친 웨이퍼의 반출 및 새로운 미가공 웨이퍼의 반입을 행한다. 즉, 제어 장치는 제3 반송 로봇(370)의 요동 아암(371) 및 회동 아암(372)을 요동 작동 및 회동 작동시켜 B 클램프(375b)를 반송 스테이지에 위치 결정된 가공을 마친 웨이퍼 상으로 이동시키고, 하강 작동시켜 가공을 마친 웨이퍼의 외주를 클램핑한 후 일단 상승하고, 그 자리에서 회동 아암(372)을 180도 수평 선회시켜 이미 A 클램프(375a)로 파지하고 있는 미가공 웨이퍼를 척 상방으로 이동시키고, 하강 작동시켜 미가공 웨이퍼를 척(V1)에 흡착 유지시킨다.
계속해서 A 클램프(375a)를 개방하여 상승시키고, 요동 아암(371) 및 회동아암(372)을 요동 작동 및 회동 작동시켜, B 클램프(375b)에 파지된 가공을 마친 웨이퍼를 B 가적재대(382) 상방으로 이동시키며, 하강 작동시켜 가공을 마친 웨이퍼를 B 가적재대(382) 상에 적재한다.
또한, 반송 스테이지(350)에는 척(V1∼V4)을 세정하는 척 세정 장치(도시 생략)가 마련되어 있고, 가공을 마친 웨이퍼를 B 클램프(375b)에 의해 반출한 후, 미가공 웨이퍼를 A 클램프(375a)에 의해 반입할 때까지의 동안에, 척을 순수로 세정한다.
가공을 마친 웨이퍼를 B 가적재대(382)에 적재하고 제3 반송 로봇(370)이 상승하여 대기 위치에서 정지하면, 제어 장치는 제2 반송 로봇(360)의 선회대(362),다관절 아암(363b) 및 B 아암(365b)을 작동시켜 B 아암 선단의 유지부로 B 가적재대(382) 상의 가공을 마친 웨이퍼를 흡착 유지하고, 선회대(362)를 선회 작동, 다관절 아암(363b) 및 B 아암(365b)을 신장 작동시켜 세정부(200)의 세정기 입구(216)에 가공을 마친 웨이퍼를 적재한다.
세정부(200)의 제1 세정실(210)에서는 회전 브러시에 의한 양면 세정이, 제2 세정실(220)에서는 초음파 가진 상태에서의 표면 펜슬 세정이, 제3 세정실(230)에서는 순수에 의한 스피너 세정이, 건조실(240)에서는 질소 분위기 하에서의 건조 처리가 행해진다. 그리고, 이와 같이 세정된 완성품 웨이퍼는 카세트 인덱스부(100)에 있어서의 제1 반송 로봇(150)의 A 아암(155a)에 의해 세정부(200)로부터 추출되고, 얼라이너 기구(130)를 통해 일정 방향으로 배향된 후, 미리 설정된 카세트(C4)의 지정 슬롯에 수납된다.
이와 같이, 이상 설명한 연마 장치에 따르면, 제1, 제2, 제3의 각 연마 스테이지(310, 320, 330)에는 종점 검출기를 겸한 웨이퍼 표면 상태 측정기(50a)가 각각 설치되어 있고, 각 연마 스테이지에서의 연마 가공이 종료된 직후에 가공 후 웨이퍼의 표면 상태가 계측되며, 그 계측치에 기초하여 필요한 연마 조건의 보정이 각 연마 스테이지마다 바로 행해진다. 웨이퍼의 표면 상태의 계측은 연마 패드가 드레싱되고 있는 시간 내에 행해지고, 연마 장치의 웨이퍼 처리 능력에 어떤 영향도 미치지 않는다. 이에 따라, 높은 스루풋을 유지하면서, 높은 연마 정밀도를 실현하여 수율을 향상시킨 연마 장치를 구성할 수 있다.
또한, 이상의 실시예에서는, 검출 헤드(53a)가 부착된 검출 아암(61)을 요동 작동시켜, 웨이퍼의 반경 방향에 대해서 라인형 프로파일을 계측하는 예를 개시하였지만, 검출 아암(61)의 요동 작동과 척의 회전 작동을 동기 제어하여 계측하고 연산 처리함으로써 웨이퍼 전면의 프로파일을 얻는 것도 가능하다.
또한, 실시예에서는 웨이퍼 표면 상태 측정기로 취득한 계측 데이터를 다음 연마 가공의 가공 조건에 피드백하는 예를 개시하였지만, 필요에 따라 계측한 해당 웨이퍼를 추가 연마하도록 구성하여도 좋다. 또한, 실시예에서는 모든 연마 스테이지에 웨이퍼 표면 상태 측정기(50a)를 설치한 예를 개시하였지만, 반드시 모든 연마 스테이지에 설치할 필요는 없고, 연마 가공의 대상이 되는 디바이스 패턴에 따라 적절하게 설치 스테이지를 선택하여도 좋다.
예컨대, 제1차 연마 가공과 제2차 연마 가공이 예비적 가공으로서 종점 검출을 행할 필요가 없는 경우(시간 설정으로 규정하는 경우)에는, 제3 스테이지에만 웨이퍼 표면 상태 측정기(50a)를 설치하여도 좋다.
(제2 실시 형태)
다음에, 본 발명에 따른 연마 장치의 제2 실시 형태에 대해서 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5는 대표예로서 제1 연마 스테이지(310)의 일부분만을 나타내고 있고, 전술한 제1 실시 형태의 연마 장치와 동일한 구성에서, 검출 아암(61)을 비롯한 검출 헤드 요동 기구를 설치하지 않고, 웨이퍼 표면 상태 측정기의 검출 헤드(53)를 연마 아암(311)의 선단부에 부착한 것이다. 검출 헤드(53b)는 연마 아암(311)을 요동시켰을 때에 웨이퍼의 중심을 지나는 요동 궤적 상에 부착되어 있고, 연마 아암(311)을 요동 작동시킴으로써, 제1 실시 형태의 실시예와 마찬가지로 검출 헤드(53b)를 웨이퍼의 회전 중심을 지나는 반경 방향으로 주사시킨다.
이 때문에, 연마 가공 중에 종점 검출을 행할 수 있고, 연마 가공이 정지된 후 연마 아암(311)을 요동시켜 연마 패드를 드레싱 유닛(317)으로 이동시킬 때(간극 시간)에, 그 요동 작동을 이용하여 검출 헤드(53b)를 웨이퍼 표면상에서 이동 주사시킬 수 있다. 그리고, 이 때에 웨이퍼 표면 상태 측정기(50b)로 하여금 웨이퍼 표면 상태를 계측하게 함으로써, 웨이퍼의 회전 중심을 지나는 반경 방향의 프로파일을 취득할 수 있다. 따라서 이러한 구성에 따르면, 특별한 주사 구동 장치를 설치할 필요가 없고, 간단한 구성으로 높은 연마 정밀도를 실현하며, 계측 데이터를 즉각 피드백하여 수율을 향상시킨 연마 장치를 구성할 수 있다.
다음에, 도 6에서 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 연마 장치의 제3 실시 형태에서 제7 실시 형태에 관해서 설명한다. 도 6은 지금까지 설명한 연마 장치를 도 3의 VI 화살표 방향에서 본 측면도를 모식도로서 나타내고 있고, 웨이퍼 표면 상태 측정기(50)의 배치 위치가 다른 제3 실시 형태에서 제7 실시 형태 전부를 50c∼50g로서 병기하고 있다.
(제3 실시 형태)
도 7은 본 발명의 연마 장치의 제3 실시 형태를 도시하고 있고, 제2 실시 형태와 같이 대표예로서 제1 연마 스테이지(310)의 일부분만을 도시하고 있다. 이 실시예에서 웨이퍼 표면 상태 측정기(50c)의 검출 헤드(53c)는, 위치 결정이 정지된 인덱스 테이블(340)의 척 상방에 천정부로부터 수직 하강하여 배치되어 있고, 인덱스 테이블에 대하여 직교하는 2방향으로 직선 이동이 자유로운 X-Y 스테이지(66c)를 통해 부착되어 있다(도 6 참조). X-Y 스테이지(66c)는 웨이퍼 표면 상태 측정기(50c)의 제어 유닛(56c)에 의해 작동 제어되고, 검출 헤드(53c)를 웨이퍼 상의 임의 위치로 이동시켜, 종점 검출 및 웨이퍼 표면 상태 계측을 행할 수 있다.
이 때문에, 연마 가공 중에 제어 장치를 통해 종점이 검출될 수 있고, 연마 가공이 종료되어 연마 아암(311)이 요동 작동되고 연마 패드가 드레싱 유닛(317)으로 드레싱되고 있는 사이(간극 시간)에, X-Y 스테이지(66c)를 작동시켜 원하는 라인 또는 웨이퍼 전면의 프로파일을 취득할 수 있다. 따라서, 이러한 구성에 따르면, 연마 대상에 따라 임의의 위치에서 종점 검출이나 원하는 형태의 프로파일 계측을 할 수 있고, 높은 연마 정밀도를 실현하는 동시에, 계측 데이터를 즉시 피드백하여 수율을 향상시킨 연마 장치를 얻을 수 있다.
(제4 실시 형태)
도 8은 본 발명의 연마 장치의 제4 실시 형태를 나타내고 있고, 전술한 바와 마찬가지로 제1 연마 스테이지(310)의 일부분만을 대표예로서 나타내고 있다. 이 실시예에서 웨이퍼 표면 상태 측정기(50d)의 검출 헤드(53d)는, 위치 결정이 정지된 인덱스 테이블(340)의 척 상방에 천정부로부터 수직 하강하여 고정 배치되어 있고, 그 고정 위치는 연마 가공 중에는 웨이퍼 상방에 있으며, 인덱스 테이블을 회동 작동시켰을 때에는 웨이퍼의 중심이 통과하는 회동 반경 상방에 있다.
이 때문에, 연마 가공 중에 종점 검출을 행할 수 있고, 각 연마 스테이지의 연마 가공이 종료되어 인덱스 테이블(340)이 회동 작동되고 있을 때(간극 시간)에, 그 회전 작동을 이용하여 검출 헤드(53d)를 웨이퍼 표면 상에서 상대적으로 이동 주사시킬 수 있다. 그리고, 이 때에 웨이퍼 표면 상태 측정기(50d)로 하여금 웨이퍼 표면 상태를 계측하게 함으로써, 웨이퍼의 회전 중심을 지나는 반경 방향의 프로파일을 취득할 수 있다. 따라서 이러한 구성에 따르면, 주사 구동 장치를 설치하지 않고, 간단한 구성으로 높은 연마 정밀도를 실현하는 동시에, 계측 데이터를 즉시 피드백하여 수율을 향상시킨 연마 장치를 얻을 수 있다.
(제5 실시 형태)
도 6 중에 50e를 붙여 도시하는 실시예는, 본 발명의 연마 장치의 제5 실시 형태를 나타내고 있고, 이 실시예에서 웨이퍼 표면 상태 측정기(50e)의 검출헤드(53e)는, 가적재대(382)의 상방에 천정부로부터 수직 하강하여 배치되어 있고, 이 가적재대(382)에 대하여 직교하는 2방향으로 직선 이동이 자유로운 X-Y 스테이지(66e)를 통해 부착되어 있다. X-Y 스테이지(66e)는 웨이퍼 표면 상태 측정기(50e)의 제어 유닛(56e)에 의해 작동 제어되고, 검출 헤드(53e)를 가적재대에 적재된 가공을 마친 웨이퍼의 임의 위치에 이동시켜, 웨이퍼 표면 상태를 계측할 수 있다.
이 때문에, 연마 가공이 종료되어 가공을 마친 웨이퍼가 제3 반송 로봇(370)에 의해 가적재대(382)에 적재되고, 제3 반송 로봇(370)과 제2 반송 로봇(360) 사이에서 가공을 마친 웨이퍼의 교환이 행해지는 사이(간극 시간)에, X-Y 스테이지(66e)를 작동시켜 원하는 라인 또는 웨이퍼 전면의 프로파일을 취득할 수 있다. 따라서, 이러한 구성에 따르면, 연마 대상에 따라 원하는 형태의 프로파일 계측을 할 수 있고, 높은 연마 정밀도를 실현하여 수율을 향상시킨 연마 장치를 얻을 수 있다.
(제6 실시 형태)
도 6 중에 50f를 붙여 도시하는 실시예는, 본 발명의 연마 장치의 제6 실시 형태를 나타내고 있고, 이 실시예에서 웨이퍼 표면 상태 측정기(50f)의 검출 헤드(53f)는, 연마부(300)와 세정부(200)의 경계 근방의 천정부로부터 수직 하강하여 고정 배치되어 있다. 검출 헤드(53f)의 고정 위치는, 제2 반송 로봇(360)이 가공을 마친 웨이퍼를 흡착 유지하여 세정부의 세정기 입구(216)로 반송하는 경우 가공을 마친 웨이퍼의 이동 경로 상에 있고(도 3 참조), 가공을 마친 웨이퍼의 표면이 상향으로 통과하는 경로의 바로 위에 있다.
이 때문에, 가공을 마친 웨이퍼가 연마부(300)로부터 세정부(200)로 반송되는 이동 시간(간극 시간)에, 그 이동 과정을 이용하여 검출 헤드(53f)를 웨이퍼 표면 상에서 상대적으로 이동 주사시킬 수 있다. 그리고, 이 때에 웨이퍼 표면 상태 측정기(50f)로 하여금 웨이퍼 표면 상태를 계측하게 함으로써, 웨이퍼의 중심을 지나는 직선형의 프로파일을 취득할 수 있다. 따라서 이러한 구성에 따르면, 주사 구동 장치를 설치하지 않고, 간단한 구성으로 높은 연마 정밀도를 실현하여 수율을 향상시킨 연마 장치를 얻을 수 있다.
또한, 상기 반송 시간이 연마 가공 시간 등과 같은 다른 공정과의 관계로 시간적으로 여유가 있는(간극 시간이 있는) 경우에는, 검출 헤드(53f)는 1축 내지 2축 방향으로 이동하는 이동 스테이지를 통해 천정부에 부착되고, 가공을 마친 웨이퍼를 반송할 때에 검출 헤드(53f) 바로 아래에서 일단 정지시켜 웨이퍼 표면의 프로파일을 계측하도록 구성할 수도 있다.
(제7 실시 형태)
도 6 중에 50g를 붙여 도시하는 실시예는, 본 발명의 연마 장치의 제7 실시 형태를 나타내고 있고, 이 실시예에서 웨이퍼 표면 상태 측정기(50g)의 검출 헤드(53g)는, 세정부(200)와 카세트 인덱스부(100)의 경계 근방의 천정부로부터 수직 하강되어 고정 배치되어 있다. 검출 헤드(53g)의 고정 위치는, 제1 반송 로봇(150)이 세정 및 건조 처리가 완료된 완성품 웨이퍼를 세정부(200)로부터 흡착 유지하고 인출하여 반송할 때의 완성품 웨이퍼의 이동 경로 상에 있고(도 3 참조),완성품 웨이퍼의 표면이 상향으로 통과하는 경로의 바로 위에 있다.
이 때문에, 완성품 웨이퍼를 세정부(200)로부터 취출하는 이동 시간(간극 시간)에, 그 이동 과정을 이용하여 상대적으로 연마 헤드(53g)를 웨이퍼 표면상에서 이동 주사시킬 수 있다. 그리고, 이 때에 웨이퍼 표면 상태 측정기(50g)로 하여금 웨이퍼 표면 상태를 계측하게 함으로써, 웨이퍼의 중심을 지나는 직선형의 프로파일을 취득할 수 있다. 따라서, 이러한 구성에 따르면, 세정 공정을 거쳐 슬러리 등의 외란 성분이 제거된 깨끗한 웨이퍼 표면을 계측할 수 있으므로 높은 정밀도로 프로파일 계측을 할 수 있으며, 주사 구동 장치를 설치하지 않고, 간단한 구성으로 높은 연마 정밀도를 실현하여 수율을 향상시킨 연마 장치를 얻을 수 있다.
또한, 상기 제6 실시 형태와 마찬가지로, 상기 반송 공정에서도 다른 공정과의 관계로 시간적으로 여유가 있는(간극 시간이 있는) 경우에는, 검출 헤드(53g)는 1축 내지 2축 방향으로 이동시키는 이동 스테이지를 통해 천정부에 부착되고, 가공을 마친 웨이퍼를 반송할 때에 검출 헤드(53g) 바로 아래에서 일단 정지시켜 웨이퍼 표면의 프로파일을 계측하도록 구성할 수도 있다.
(제8 실시 형태)
다음에, 도 9는 본 발명에 따른 연마 장치의 제8 실시 형태를 나타내고 있고, 세정부(200)에서 세정된 완성품 웨이퍼를 카세트에 수납하는 웨이퍼의 이동 경로에 웨이퍼 표면 상태 측정기(50h)를 설치한 실시예이다. 본 실시예에서는 얼라이너 기구(130)가 카세트 인덱스부(100)의 측방에 배치되어 있고, 웨이퍼 표면 상태 측정기(50h)는 이 얼라이너 기구에 설치되어 있다. 검출 헤드(53h)는 얼라이너기구 상의 웨이퍼에 대하여 직교하는 2방향으로 직선 이동이 자유로운 구동 장치를 통해 웨이퍼 표면을 향해 부착되어 있고, 제어 유닛(56h)의 작동 제어에 의해 웨이퍼 표면의 임의 위치로 이동하여 웨이퍼 표면 상태를 계측할 수 있도록 구성되어 있다.
제어 장치(400)는, 세정 공정이 종료된 완성품 웨이퍼를 제1 반송 로봇(150)을 이용해 얼라이너 기구(130)에 반송시키고, 얼라이너 기구(130)를 이용해 상기 웨이퍼의 배향 방향을 일정 방향(예컨대, 완성품 웨이퍼를 카세트에 수납했을 때에 웨이퍼의 노치가 카세트 안에 배치되는 방향 등)으로 배향시킨다. 얼라이너 기구(130)에 의한 배향 작동이 완료되면, 제어 장치(400)는 제어 유닛(56h)에 지령 신호를 출력하여 웨이퍼의 표면 상태를 계측한다.
이 때문에, 완성품 웨이퍼를 세정부(200)로부터 취출하여 카세트(C4)에 수납하는 이동 시간(간극 시간)에, 세정 공정을 거쳐 청정화되고 얼라이너 기구에 의해 일정 방향으로 배향된 웨이퍼의 표면 상태를 원하는 형태(복수 위치, 라인형, 전면)로 프로파일 계측할 수 있다. 또한, 이러한 구성에 따르면, 웨이퍼의 배향 방향이 특정되기 때문에, 웨이퍼 상의 위치(디바이스의 번지)나 웨이퍼에 대한 주사 방향 등을 특정하여 계측할 수 있고, 또한 웨이퍼 상의 임의 번지의 디바이스에 대해서, 보다 미세한 디바이스 패턴을 특정(예컨대 특정한 도체층의 라인 등)하여 그 표면 상태를 계측하는 것도 가능하다. 따라서, 이러한 구성에 따르면, 매우 높은 정밀도로 프로파일 계측을 행할 수 있기 때문에, 높은 연마 정밀도를 실현하여 수율을 향상시킨 연마 장치를 얻을 수 있다.
또한, 상기 제8 실시 형태의 실시예에서는 검출 헤드(53h)를 직교하는 2방향으로 직선 이동시켜 웨이퍼의 표면 상태 계측을 행하는 예를 예시하였지만, 검출 헤드(53h)의 이동축의 1축은 웨이퍼의 반경 방향으로 이동하는 축으로 하고, 다른 1축은 얼라이너 기구(130)의 회전축을 이용하여 구성하는 것도 가능하다. 또한, 얼라이너 기구(130) 대신에(또는 얼라이너 기구와 함께) 웨이퍼의 배향 방향을 광학적으로 검출하고 그 검출 정보에 기초하여 검출 헤드의 주사 방향이나 위치를 제어하도록 구성하는 것도 가능하다. 또한, 제1 내지 제8 실시 형태에서, 세정된 완성품 웨이퍼는 카세트(C1)에 수납되어도 좋다. 또한, 제1 내지 제8 실시 형태에 있어서, 연마 패드와 웨이퍼의 상하 위치는 반대이어도 좋다.
이상의 각 실시 형태에서는, 표면 상태 측정 수단으로서 광학적인 측정 수단, 즉 웨이퍼 표면에 조명광을 조사하여 그 반사광의 스펙트럼 분포로부터 막 두께를 계측하는 수법에 대해서 예시하였지만, 두께를 갖는 금속 도체층을 연마 가공하는 메탈 CMP 프로세스에 있어서는, 일반적으로는 조명광이 금속층 막의 하부까지 투과되지 않기 때문에, 직접적으로 정확한 잔존 막 두께를 계측하는 것이 곤란하다. 본 발명의 연마 장치에서는, 이러한 메탈 CMP 프로세스에 적합한 다른 표면 상태 계측 수단으로서, X선 형광 계측, 또는 와전류 계측을 이용한 표면 상태 측정 수단을 이용할 수도 있다. 이하 이들 계측 수법을 이용한 실시 형태에 대해서 간단히 설명한다.
(제9 실시 형태)
X선 형광 계측을 이용한 표면 상태 측정 수단은, 대상이 되는 금속막에 10[keV] 정도의 에너지의 연화 X선을 조사하고, 발생하는 2차광으로부터 막의 조성과 두께를 계측한다. 2차광인 형광은 발생 원소 특유의 피크 파장을 갖는 스펙트럼 분포가 되고, 그 피크 강도는 조사 영역에 존재하는 해당 원소의 질량에 비례한다. 따라서, 형광을 수광하여 적절히 분광 분석함으로써, 금속막의 조성 정보를 분리하고 대상 금속막의 막 두께를 계측할 수 있다. 또한, 실제로는 기준 샘플(계측하는 금속막과 동일 조성·동일 성막 조건으로 구성된 교정용 샘플이 바람직함)을 이용하여 검량 교정을 행하고, 형광 강도를 막 두께로 환산한다. 따라서, 지금까지 설명한 각 실시 형태와 동일한 구성 수단을 이용해 웨이퍼면 상을 스캔 등을 함으로써 금속 막 두께의 분포를 직접적으로 계측할 수 있다.
(제10 실시 형태)
와전류 계측을 이용한 표면 상태 측정 수단은, 전자적 상호 유도 작용을 이용하여 금속층 내에 와전류를 발생시키고, 와전류에 의해 발생되는 자계의 강도를 측정하거나, 또는 자기 저항의 변화를 임피던스 변화로서 측정함으로써 금속막 두께를 계측한다. 구체적으로는, 계측 대상이 되는 금속막에 대향하여 프로브 코일을 배치하고, 이 프로브 코일에 수 MHz의 고주파 전류를 흐르게 하여 금속막에 와전류를 발생시킨다. 와전류는 프로브 코일에서의 자계 방향과 반대 방향의 자계를 발생시키고, 이 자계는 프로브 코일의 자기 저항을 변화시킨다.
이 때문에, 와전류에 의한 자계의 강도를 측정하거나, 또는 자기 저항 변화를 임피던스 변화로서 측정함으로써 와전류의 크기를 계측할 수 있다. 와전류는 전기적으로 폐회로를 형성하는 금속층에서만 발생하고, 그 크기는 금속층의 두께를 반영하기 때문에, 연마 대상인 최상층 금속막의 막 두께를 계측하는 것이 가능하게 된다. 또한, 이 경우에도, 프로브 코일을 각 실시 형태와 같은 구성 수단으로 스캔 등을 함으로써 웨이퍼면의 금속 막두께의 분포를 얻을 수 있다.
따라서, 제9 실시 형태 또는 제10 실시 형태에 설명한 표면 상태 계측 수단을 이용한 연마 장치에 따르면, 금속막과 같이 광 투과성이 없는 배선층을 평탄 가공하는 메탈 CMP에 대해서도, 지금까지 설명한 제1 내지 제8 실시 형태와 마찬가지로 적용할 수 있고, 동일한 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 이상 각 실시예의 연마 장치를 이용함으로써 CMP 프로세스에 따라 적절한 연마 장치를 구성할 수 있고, 연마 대상에 상관없이 높은 스루풋을 달성할 수 있는 연마 장치를 얻을 수 있다.
다음에, 본 발명에 따른 반도체 디바이스의 제조 방법의 실시 형태에 대해서 설명한다. 도 10은 반도체 디바이스의 제조 프로세스를 도시하는 흐름도이다. 반도체 제조 프로세스를 개시하면, 우선 단계 S200에서 다음에 예를 드는 단계 S201∼S204 중에서 적절한 처리 공정을 선택하여 어느 하나의 단계로 진행한다.
여기서, 단계 S201은 웨이퍼의 표면을 산화시키는 산화 공정이다. 단계 S202는 CVD 등에 의해 웨이퍼 표면에 절연막이나 유전체막을 형성하는 CVD 공정이다. 단계 S203은 증착 등에 의해 웨이퍼에 전극을 형성하는 전극 형성 공정이다. 단계 S204는 웨이퍼에 이온을 주입하는 이온 주입 공정이다.
CVD 공정(S202) 또는 전극 형성 공정(S203) 후에, 단계 S205로 진행한다.단계 S205는 CMP 공정이다. CMP 공정에서는 본 발명에 따른 연마 장치에 의해 층간 절연막의 평탄화나, 반도체 디바이스 표면의 금속막의 연마, 유전체막의 연마에 의한 상감(damascene)의 형성 등이 행해진다.
CMP 공정(S205) 또는 산화 공정(S201) 후에 단계 S206으로 진행한다. 단계 S206은 포토리소그래피 공정이다. 이 공정에서는 웨이퍼에 레지스트 도포, 노광 장치를 이용한 노광에 의한 웨이퍼에의 회로 패턴의 베이킹, 노광한 웨이퍼의 현상이 행해진다. 또한, 다음 단계 S207에서는 현상한 레지스트상 이외의 부분을 에칭에 의해 깍아내고, 그 후 레지스트 박리가 행해지며, 에칭이 끝나 불필요하게 된 레지스트를 제거하는 에칭 공정이다.
다음에, 단계 S208에서 필요한 전공정이 완료되었는지를 판단하고, 완료되지 않으면 단계 S200으로 되돌아가, 이전의 단계를 반복하여 웨이퍼 상에 회로 패턴이 형성된다. 단계 S208에서 전 공정이 완료되었다고 판단되면 종료된다.
본 발명에 의한 반도체 디바이스의 제조 방법에서는, CMP 공정에 있어서 본 발명에 따른 연마 장치를 이용하고 있기 때문에, CMP 공정의 스루풋이 향상된다. 이에 따라, 종래의 반도체 디바이스의 제조 방법에 비하여 저비용으로 반도체 디바이스를 제조할 수 있다고 하는 효과가 있다. 또한, 상기 반도체 디바이스 제조 프로세스 이외의 반도체 디바이스 제조 프로세스의 CMP 공정에 본 발명에 의한 연마 장치를 이용하여도 좋다. 또한, 본 발명에 따른 반도체 디바이스 제조 방법에 의해 제조된 반도체 디바이스는, 높은 스루풋으로 제조되기 때문에, 저비용의 반도체 디바이스가 된다.
본 발명의 연마 장치는 반도체 디바이스의 제조 프로세스 등에 있어서, 웨이퍼의 연마 등을 행하기 위해서 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 반도체 디바이스의 제조 방법은 집적도가 높은 반도체 디바이스를 제조하기 위해서 이용할 수 있다.

Claims (18)

  1. 기판을 유지하는 척과, 상기 기판을 연마하는 연마 부재를 포함하고, 상기 연마 부재를 이용하여 상기 척으로 유지된 상기 기판의 표면을 연마 가공하는 연마 장치에 있어서,
    상기 기판의 표면 상태를 계측하는 표면 상태 측정 수단과,
    상기 연마 장치의 작동을 미리 설정된 제어 시퀀스에 기초하여 제어하는 제어 장치
    를 구비하고, 상기 제어 장치는 상기 제어 시퀀스의 간극 시간에 상기 표면 상태 측정 수단으로 하여금 상기 기판의 복수 위치의 표면 상태를 계측하게 하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 표면 상태 측정 수단은 상기 척으로 유지된 상기 기판의 표면 상태를 계측하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 연마 부재의 연마면을 드레싱하는 드레싱 유닛을 포함하고,
    상기 표면 상태 측정 수단은 상기 연마 부재가 상기 드레싱 유닛에 의해 드레싱되고 있는 간극 시간에 상기 척으로 유지된 상기 기판의 표면 상태를 계측하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 연마 장치는, 상기 척을 복수개 구비하여 소정의 각도 위치마다 회동 정지시키는 인덱스 테이블을 포함하고,
    상기 표면 상태 측정 수단은 상기 인덱스 테이블이 회동되는 간극 시간에 상기 척으로 유지된 상기 기판의 표면 상태를 계측하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 연마 장치는, 상기 척을 복수개 구비하여 소정의 각도 위치마다 회동 정지시키는 인덱스 테이블과,
    이 인덱스 테이블의 정지 위치에 대응하게 구성되어 상기 척으로 유지된 기판의 연마 가공을 행하는 연마 스테이지, 그리고
    상기 기판을 상기 척에 반입, 반출하는 반송 스테이지
    를 포함하고, 상기 표면 상태 측정 수단은 상기 연마 스테이지에서 연마 가공이 행해지고 있는 간극 시간에 상기 반송 스테이지에 위치 결정된 상기 기판의 표면 상태를 계측하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 표면 상태 측정 수단은 상기 연마 가공 공정을 마친 상기 기판이 상기 척으로부터 다음 공정을 향해 반출되는 상기 연마 장치 내부의 이동 경로에 있어서, 상기 기판의 표면 상태를 계측하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 표면 상태 측정 수단은 상기 연마 가공 공정을 마친 상기 기판이 상기 척으로부터 다음 공정을 향해 반출되는 상기 연마 장치 내부의 이동 경로에 있어서, 반송 이동 중인 상기 기판의 표면 상태를 계측하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  8. 제1항, 제6항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연마 장치는, 상기 연마 가공 공정을 마친 상기 기판을 세정하는 세정부를 포함하고,
    상기 표면 상태 측정 수단은 상기 세정부에서 세정된 상기 기판의 표면 상태를 계측하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 연마 장치는, 상기 세정부에서의 세정 공정을 마친 상기 기판을 소정 방향으로 배향시키는 얼라이너 기구를 포함하고,
    상기 표면 상태 측정 수단은 상기 얼라이너 기구에 의해 소정 방향으로 배향된 상기 기판의 표면 상태를 계측하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  10. 기판을 유지하는 척과, 상기 기판을 연마하는 연마 부재를 포함하고, 상기 연마 부재를 이용하여 상기 척으로 유지된 상기 기판의 표면을 연마 가공하는 연마 장치에 있어서,
    상기 척으로 유지된 상기 기판의 표면 상태를 계측하는 표면 상태 측정 수단과,
    상기 표면 상태 측정 수단과 상기 척으로 유지된 상기 기판을 상대 이동시키는 이동 수단과,
    상기 연마 장치의 작동을 미리 설정된 제어 시퀀스에 기초하여 제어하는 제어 장치
    를 구비하고, 상기 제어 장치는 상기 연마 가공 중에 상기 표면 상태 측정 수단으로 하여금 상기 연마 가공의 진행 상태를 감시하게 하여 소정의 종점에 도달했다고 판단될 때에 상기 연마 가공을 정지시키고, 상기 이동 수단으로 하여금 상기 표면 상태 측정 수단과 상기 기판을 상대 이동하게 하여 상기 기판의 복수 위치의 표면 상태를 상기 표면 상태 측정 수단으로 하여금 계측하게 하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  11. 기판을 유지하는 척과, 상기 기판을 연마하는 연마 부재를 포함하고, 상기 연마 부재를 이용하여 상기 척으로 유지된 상기 기판의 표면을 연마 가공하는 연마 장치에 있어서,
    상기 기판의 표면 상태를 계측하는 표면 상태 측정 수단과,
    상기 척을 복수개 구비하여 소정의 각도 위치마다 회동 정지시키는 인덱스 테이블과,
    상기 연마 장치의 작동을 제어하는 제어 장치
    를 구비하고, 상기 제어 장치는 상기 기판이 상기 척으로 유지되어 있는 상태로 상기 기판의 복수 위치의 표면 상태를 상기 표면 상태 측정 수단으로 하여금 계측하게 하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 인덱스 테이블이 회동하고 있는 동안에 상기 복수 위치의 표면 상태를 상기 표면 상태 측정 수단으로 하여금 계측하게 하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  13. 기판을 유지하는 척과, 상기 기판을 연마하는 연마 부재를 포함하고, 상기 연마 부재를 이용하여 상기 척으로 유지된 상기 기판의 표면을 연마 가공하는 연마 장치에 있어서,
    상기 기판의 표면 상태를 계측하는 표면 상태 측정 수단과,
    상기 연마 장치의 작동을 제어하는 제어 장치
    를 구비하고, 상기 제어 장치는 상기 연마 부재의 드레싱 중에 상기 기판의 복수 위치의 표면 상태를 상기 표면 상태 측정 수단으로 하여금 계측하게 하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  14. 기판을 유지하는 척과, 상기 기판을 연마하는 연마 부재를 포함하고, 상기 연마 부재를 이용하여 상기 척으로 유지된 상기 기판의 표면을 연마 가공하는 연마 장치에 있어서,
    상기 기판의 표면 상태를 계측하는 표면 상태 측정 수단과,
    상기 연마 부재의 연마면을 드레싱하는 드레싱 유닛과,
    상기 연마 장치의 작동을 제어하는 제어 장치
    를 구비하고, 상기 제어 장치는 상기 연마 부재가 상기 드레싱 유닛에 의해 드레싱되고 있는 동안에 상기 기판의 복수 위치의 표면 상태를 상기 표면 상태 측정 수단으로 하여금 계측하게 하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  15. 기판을 유지하는 척과, 상기 기판을 연마하는 연마 부재를 포함하고, 상기 연마 부재를 이용하여 상기 척으로 유지된 상기 기판의 표면을 연마 가공하는 연마 장치에 있어서,
    상기 기판의 표면 상태를 계측하는 표면 상태 측정 수단과,
    상기 기판을 반송하는 반송 장치와,
    상기 연마 장치의 작동을 제어하는 제어 장치
    를 구비하고, 상기 제어 장치는 상기 기판이 상기 반송 장치에 의해 반송되고 있는 동안에 상기 기판의 복수 위치의 표면 상태를 상기 표면 상태 측정 수단으로 하여금 계측하게 하는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  16. 제1항 내지 제7항 또는 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표면 상태 측정 수단은 상기 기판의 표면 상태를 광학적으로 계측하는 표면 상태 측정 수단, 상기 기판의 표면 상태를 형광 X선으로 계측하는 표면 상태 측정 수단, 또는 상기 기판의 표면 상태를 와전류로 계측하는 표면 상태 측정 수단인 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  17. 제1항 내지 제7항 또는 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 표면 상태 측정 수단에 의해 계측된 상기 기판의 복수 위치의 표면 상태에 기초하여 상기 연마 가공의 가공 조건을 변화시키는 것을 특징으로 하는 연마 장치.
  18. 상기 기판은 반도체 웨이퍼이며, 제1항 내지 제7항 또는 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항의 연마 장치를 이용하여 상기 반도체 웨이퍼의 표면을 연마 가공하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스의 제조 방법.
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