KR20050103358A - 화학적 기계적 연마 장치의 플래튼 - Google Patents

화학적 기계적 연마 장치의 플래튼 Download PDF

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Abstract

반도체 기판의 화학적 기계적 연마에 사용되는 플래튼이 개시되어 있다. 상기 플래튼은 상부면에 반도체 기판을 연마하기 위한 연마 패드가 부착되며, 내부에 소정의 공간을 가지고, 회전 가능한 몸체를 포함한다. 종말점 검출창은 상기 공간에 구비되는 연마 종점 검출부에서 조사되는 광을 투과시키기 위해 상기 몸체의 상부면에 형성된다. 개폐창은 상기 연마 종점 검출부의 설치 및 교환을 위해 상기 몸체의 측면 부위에 투명 재질로 구비된다. 상기 개폐창은 밀봉 처리되어 상기 반도체 기판의 연마시 슬러리나 탈이온수가 상기 플래튼의 내부로 침투하는 것을 방지한다. 또한 상기 개폐창을 통하여 상기 연마 종점 검출부의 확인이 용이하고 이상 발생시 상기 연마 종점 검출부의 교환이 용이하다.

Description

화학적 기계적 연마 장치의 플래튼{Platen of chemical and mechanical polishing apparatus}
본 발명은 화학적 기계적 연마(chemical and mechanical polishing ; CMP) 공정에서 연마 종점 검출(endpoint detection ; EPD) 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 기판 상에 형성된 막을 평탄화시키는 화학적 기계적 연마 공정에서 광을 사용하여 연마 종점을 검출하는 장치에 관한 것이다.
최근, 반도체 장치의 제조 기술은 소비자의 다양한 욕구를 충족시키기 위해 집적도, 신뢰도, 응답속도 등을 향상시키는 방향으로 발전하고 있다. 일반적으로, 반도체 장치는 반도체 기판으로 사용되는 실리콘웨이퍼 상에 소정의 막을 형성하고, 상기 막을 전기적 특성을 갖는 패턴으로 형성함으로서 제조된다.
상기 패턴은 막 형성을 위한 증착, 포토리소그래피, 식각, 이온 주입, 연마, 세정, 건조 등의 다양한 단위 공정들의 순차적 또는 반복적인 공정에 의해 형성된다. 상기와 같은 단위 공정들 중에서 연마 공정은 반도체 장치의 집적도를 향상시키고, 반도체 장치의 구조적, 전기적 신뢰도를 향상시키기 위한 중요한 공정 기술로 대두되고 있다. 최근에는 슬러리(slurry)와 반도체 기판 상에 형성된 막의 화학적 반응 및 연마 패드와 반도체 기판 상에 형성된 막 사이의 기계적인 마찰력에 의해 반도체 기판을 평탄화시키는 화학적 기계적 연마 공정이 주로 사용되고 있다.
상기 화학적 기계적 연마 공정을 수행하기 위한 장치는 일반적으로 회전 테이블 상에 부착된 연마 패드, 반도체 기판을 파지하고 회전시키는 연마 헤드, 연마 패드와 반도체 기판 사이에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부, 연마 패드의 표면 상태를 개선시키기 위한 패드 컨디셔너 등을 구비한다. 또한, 화학적 기계적 연마 공정이 수행되는 도중에 연마 종료 시점을 결정하기 위한 연마 종말점 검출 장치를 구비한다.
일반적인 연마 종말점 검출 장치는 반도체 기판 표면과 관련된 변수를 측정하고, 상기 변수가 갑자기 변경될 때 연마 종말점을 검출하는 방식을 사용한다. 예를 들면, 절연층 또는 유전층이 하부에 구비되는 금속층을 노출시키기 위해 연마되는 경우, 연마 종말점은 금속층이 노출될 때 반도체 기판의 온도, 마찰 계수 또는 반도체 기판의 연마면으로부터 반사된 광의 특성이 갑자기 변경되는 시점이 된다.
상기 연마 종말점 검출 장치의 일 예로서, 미합중국 특허 제5,893,796호(issued to Birang et al.), 제6,045,439호(issued to Birang et al.) 및 제6,280,290호(issued to Birang et al.)에는 홀이 형성된 플래튼과, 투명 윈도우가 형성된 연마 패드와 연마 종말점을 검출하기 위한 레이저 간섭계를 포함하는 연마 종말점 검출 장치 및 상기 투명 윈도우를 형성하는 방법이 개시되어 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 화학적 기계적 연마 장치의 플래튼을 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.
도 1을 참조하면, 플래튼은 상부 몸체(10), 하부 몸체(20) 및 종말점 검출창(30)을 포함한다. 플래튼은 상부 몸체(20)가 하부 몸체(10)의 외부에 끼워지면서 내부에 연마 종점 검출부(40)를 배치하기 위한 공간을 형성한다. 상부 몸체(20)와 하부 몸체(10)는 볼트에 의해 고정된다.
종말점 검출창(30)은 상부 몸체(20)의 상부면에 구비되어 연마 종점 검출부(40)에서 반도체 기판의 연마 종말점을 검출하기 위해 조사되는 광을 투과시킨다. 종말점 검출창(30)은 반도체 기판의 연마 공정시 슬러리나 탈이온수의 침투를 방지하기 위해 상부 몸체(20)와 일체로 형성되는 것이 바람직하다.
그러나 상기 플래튼은 상부 몸체(10)와 하부 몸체(20)가 분리되는 구조이므로 반도체 기판의 연마시 슬러리나 탈이온수가 상부 몸체(10)와 하부 몸체(20)의 결합 부위를 통해 연마 종점 검출부(40)가 구비된 상기 공간으로 스며들게 된다. 이 경우 상기 슬러리나 탈이온수에 의해 연마 종점 검출부(40)가 손상되는 문제점이 발생한다.
또한 연마 종점 검출부(40)의 손상시, 상부 몸체(10)와 하부 몸체(20)를 분리한 상태에서 교체해야 하므로 교체 시간이 지연되고 교체 작업도 복잡하다. 그리고 연마 종점 검출부(40)를 설치하거나 교체시 상부 몸체(10)와 하부 몸체(20)를 볼트로 고정한 후 상부 몸체(20)가 정확하게 수평을 이루는지 수평 레벨을 점검해야하는 번거로움이 존재한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 반도체 기판의 연마 공정 중에 내부로 슬러리나 탈이온수의 침투를 방지하고 연마 종점 검출부의 교체가 용이한 플래튼을 제공하는데 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 상부면에 반도체 기판을 연마하기 위한 연마 패드가 부착되고, 내부에 소정의 공간을 가지며, 회전 가능하도록 구비되는 몸체와, 상기 몸체의 상부면 일측에 형성되고, 상기 공간 내부에 구비되는 연마 종점 검출부에서 조사되는 광을 투과시키기 위한 종말점 검출창 및 상기 몸체의 일측 측면에 형성되고, 상기 연마 종점 검출부의 설치 및 교환을 위한 개폐창을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치의 플래튼을 제공한다.
상기 플래튼은 상기 몸체와 개폐창 사이를 실링하기 위한 밀봉 부재를 더 포함하고, 상기 밀봉 부재로는 고무 패킹이 사용된다.
또한 상기 종말점 검출창은 상기 몸체와 일체로 형성되며, 상기 개폐창은 상기 플래튼 내부에 구비되는 상기 연마 연마 종점 검출부의 상태를 용이하게 확인하도록 투명 재질로 형성된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 플래튼은 상기 반도체 기판의 연마시 슬러리나 탈이온수가 상기 몸체의 내부로 침투되는 것이 방지된다. 따라서 상기 몸체의 내부에 구비된 상기 연마 종점 검출부가 상기 슬러리나 탈이온수에 의해 손상되지 않는다.
또한 상기 플래튼은 상기 개폐창을 통하여 상기 연마 종점 검출부를 용이하게 설치하거나 교체할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치의 플래튼에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 플래튼을 포함하는 화학적 기계적 연마 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2를 참조하면, 화학적 기계적 연마 장치(200)는 플래튼(100), 연마 종점 검출부(210), 연마 패드(220), 연마 헤드(230), 패드 컨디셔너(240) 및 슬러리 공급부(250)를 포함한다.
구체적으로 설명하면, 플래튼(100)은 몸체(110), 종말점 검출창(120), 개폐창(130) 및 밀봉 부재(140)를 포함한다.
몸체(110)는 원반 형태로 상부면에 반도체 기판(260)을 연마하기 위한 연마 패드(220)가 부착된다. 몸체(110)의 하부면에는 몸체(110)를 회전시키기 위한 회전력을 전달하는 회전축(112)이 연결된다. 몸체(110)의 내부에는 반도체 기판(260)의 연마 종말점을 검출하기 위한 연마 종점 검출부(210)를 구비하기 위한 소정의 공간이 형성된다.
종말점 검출창(120)은 몸체(110)의 상부면 일측에 형성된다. 종말점 검출창(120)은 몸체(110)와 일체로 형성된다. 따라서 종말점 검출창(120)과 몸체(110) 사이의 틈을 통해 슬러리(252)나 탈이온수의 침투를 방지할 수 있다. 종말점 검출창(120)은 몸체(110)의 공간(114)에 구비되는 연마 종점 검출부(210)에서 종말점을 검출하기 위해 반도체 기판(260)의 연마면(262)으로 조사되는 광을 투과시킨다. 여기서, 종말점 검출창(120)은 실질적으로 광을 투과시킬 수 있는 폴리우레탄 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
개폐창(130)은 몸체(110)의 일측 측면에 개폐 가능하도록 구비된다. 개폐창(130)을 개방하여 공간(114)을 외부와 연통시키고, 개폐창(130)을 차단하여 공간(114)을 폐쇄시킨다. 개폐창(130)을 이용하여 연마 종점 검출부(210)를 몸체(110)의 공간(114)에 용이하게 설치할 수 있다. 또한 개폐창(130)을 이용하여 연마 종점 검출부(210)가 손상된 경우에도 용이하게 교환할 수 있다. 개폐창(130)은 몸체(110)의 공간(114)에 구비되는 연마 종점 검출부(210)의 상태를 육안으로 확인할 수 있도록 투명 재질로 형성된다.
밀봉 부재(140)는 몸체(110)와 개폐창(130) 사이에 구비된다. 밀봉 부재(140)는 몸체(110)와 개폐창(130) 사이로 침투되는 슬러리(252)나 탈이온수의 침투를 방지하여 슬러리(252)나 탈이온수에 의해 연마 종점 검출부(210)가 손상되는 것을 방지한다. 밀봉 부재(140)로는 구체적으로 고무 패킹이 사용되는 것이 바람직하다.
연마 헤드(230)는 반도체 기판(260)의 연마면(262)이 연마 패드(220)와 마주보도록 파지하고, 반도체 기판(260)의 연마 공정 도중에 반도체 기판(260)의 연마면(262)이 연마 패드(220)와 접촉되도록 한다. 즉, 연마 헤드(230)는 반도체 기판(260)의 후면을 진공을 사용하여 흡착하고, 상하 왕복 운동한다. 또한, 연마 헤드(230)는 반도체 기판(260)의 균일한 연마를 위해 반도체 기판(260)을 연마 패드(220)에 접촉시킨 상태에서 회전 운동한다.
연마 패드(220)는 플래튼(100)의 상부면에 부착되고, 반도체 기판(260)을 연마하여 반도체 기판(260)의 표면으로부터 반응물을 제거하며, 슬러리(252)의 유동을 원활하게 한다. 연마 패드(220)는 경질 폴리우레탄이나 상기 폴리 우레탄이 함침 혹은 코팅된 부직 폴리에스테르 펠트 재질로 형성된다. 연마 패드(220)의 상부면에는 슬리리(252)의 보다 원활하게 하기 위해 동심원 형태를 갖는 그루브가 형성되는 것이 바람직하다.
몸체(110)의 내부에 형성되는 공간(114)에는 연마 종점을 검출하기 위한 연마 종점 검출부(210)가 구비된다. 연마 종점 검출부(210)는 반도체 기판(260)의 연마면(262)으로 제공하기 위한 광을 발생시키는 광원(212)과, 광원(212)으로부터 제공되는 광을 반도체 기판(260)의 연마면(262)으로 제공하기 위한 스플리터(214, splitter)와, 반도체 기판(260)의 연마면(262)으로부터 반사된 광을 측정하는 광 측정부(216), 광 측정부(216)에 의해 측정된 광 신호를 분석하여 연마 종점을 검출하는 프로세서(218)를 포함한다.
광원(212)은 레이저빔(laser beam)과 같은 광을 발생시키며, 바람직하게는 적색 레이저빔을 발생시킨다. 스플리터(214)는 광원(212)의 일측에 구비되고, 광원(212)으로부터 발생된 광이 반도체 기판(260)의 연마면(262)으로 향하도록 상기 광의 경로를 변경시킨다. 스플리터(214)에 의해 경로가 변경된 광은 반도체 기판(260)의 연마면(262)으로 제공된다. 이때, 플래튼(100)에는 경로가 변경된 광이 통과하는 종말점 검출창(120)이 형성되어 있고, 연마 패드(220)는 실질적으로 광을 투과할 수 있는 재질로 형성되어 있다. 스플리터(214)에 의해 경로가 변경된 광은 종말점 검출창(120)과 연마 패드(220)를 통과하여 반도체 기판(260)의 연마면(262)으로 제공되고, 반도체 기판(260)으로부터 반사된 광은 광 측정부(216)에 의해 측정된다. 여기서, 광 측정부(216)는 반도체 기판(260)으로부터 반사된 광의 간섭 신호 또는 반도체 기판(260)의 반사율에 따라 변화되는 반사된 광의 세기를 측정한다.
프로세서(218)는 반도체 기판(260)의 연마면(262)으로부터 반사된 광의 세기를 분석하여 연마 종점을 검출할 수 있으며, 또한 측정된 광 신호의 간섭 신호로부터 연마 종점을 검출할 수도 있다. 예를 들면, 반도체 기판(260) 상에 금속층과 절연층이 형성되어 있는 경우, 절연층의 연마에 의해 금속층이 노출되면, 광 반사율 차이에 의해 광 측정부(216)에서 측정되는 반사된 광의 세기가 급격하게 변화되고, 프로세서(218)는 반사된 광의 세기가 급격하게 변화되는 시점을 연마 종점으로 검출하게 된다. 한편, 반사된 광의 간섭 신호를 이용하는 경우, 반사된 광은 절연층으로부터 반사되는 제1반사광과 금속층으로부터 반사되는 제2반사광으로 이루어지고, 프로세서(218)는 제1반사광과 제2반사광의 위상 차이에 따라 연마 종점을 검출하게 된다.
또한 화학적 기계적 연마 장치(200)는 연마 패드(220)의 상태를 개선시키기 위한 패드 컨디셔너(240) 및 반도체 기판(260)과 연마 패드(220) 사이에 슬러리(252)를 공급하는 슬러리 공급부(250)를 포함한다.
패드 컨디셔너(240)는 연마 부산물을 제거하여 일정한 연마 효율 및 연마 균일도를 얻기 위해 연마 패드(220)의 상태를 일정하게 유지시키는 위한 것으로, 연마 패드(220) 상에 구비된다. 패드 컨디셔너(240)는 연마 패드(220)의 상부에서 공압 실린더(도시되지 않음)에 의해 상하 구동되고, 상기 공압 실린더와 연결되는 원통 형상을 갖는 몸체와 상기 몸체의 외주면을 둘러싸도록 설치되는 다이아몬드 디스크(Diamond Disk)로 구성된다. 다이아몬드 디스크의 외주면이 연마 패드(220)의 상부에 접촉되어 연마 공정 중에 연마 패드(220)로부터 연마 부산물을 제거한다.
슬러리 공급부(250)는 연마 패드(220)의 상부에 구비되며, 연마에 사용되는 슬러리(252)를 연마 패드(220)로 공급한다. 슬러리 공급부(250)는 반도체 기판(260)의 표면으로 슬러리(252)를 공급하고, 반도체 기판(260)의 연마면(262)에 고르게 슬러리(252)가 공급되도록 한다. 반도체 기판(260)의 연마면(262)으로 공급되는 슬러리(252)는 연마면(262)과 화학 반응을 일으키고, 플래튼(100)의 회전에 따라 연마 패드(220)와 반도체 기판(260)의 연마면(262)의 접촉 부위로 이동하게 된다
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치의 플래튼은 종말점 검출창이 몸체와 일체로 형성되고, 개폐창은 밀봉 부재로 밀봉되므로 화학적 기계적 연마시 슬러리나 탈이온수가 상기 몸체 내부의 공간으로 침투하지 못한다. 따라서 상기 공간에 구비된 연마 종점 검출부가 상기 슬러리나 탈이온수에 의해 손상되지 않는다.
또한 상기 개폐창을 이용하여 상기 공간에 상기 연마 종점 검출부를 용이하게 설치할 수 있고, 상기 연마 종점 검출부에 이상이 있는 경우 상기 연마 종점 검출부의 교체가 용이하다. 상기 연마 종점 검출부의 설치 및 교체 시간을 줄일 수 있으므로 반도체 장치 제조의 생산성을 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 화학적 기계적 연마 장치의 플래튼을 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 플래튼을 포함하는 화학적 기계적 연마 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 플래튼 110 : 몸체
112 : 회전축 114 : 공간
120 : 종말점 검출창 130 : 개폐창
140 : 실링 부재 200 : 화학적 기계적 연마장치
210 : 연마 종점 검출부 212 : 광원
214 : 스플리터 216 : 광측정부
218 : 프로세서 220 : 연마패드
230 : 연마헤드 240 : 패드 컨디셔너
250 : 슬러리 공급부 252 : 슬러리
260 : 반도체 기판 262 : 연마면

Claims (5)

  1. 상부면에 반도체 기판을 연마하기 위한 연마 패드가 부착되고, 내부에 소정의 공간을 가지며, 회전 가능하도록 구비되는 몸체;
    상기 몸체의 상부면 일측에 형성되고, 상기 공간 내부에 구비되는 연마 종점 검출부에서 조사되는 광을 투과시키기 위한 종말점 검출창; 및
    상기 몸체의 일측 측면에 형성되고, 상기 연마 종점 검출부의 설치 및 교환을 위한 개폐창을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치의 플래튼.
  2. 제1항에 있어서, 상기 몸체와 개폐창 사이를 실링하기 위한 밀봉 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치의 플래튼.
  3. 제2항에 있어서, 상기 밀봉 부재는 고무 패킹인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치의 플래튼.
  4. 제1항에 있어서, 상기 종말점 검출창은 상기 몸체와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치의 플래튼.
  5. 제1항에 있어서, 상기 개폐창은 투명 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장치의 플래튼.
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