KR20070020413A - 원위치 내 처리 공정을 이용한 화학 기계적 연마 공정 제어 - Google Patents

원위치 내 처리 공정을 이용한 화학 기계적 연마 공정 제어 Download PDF

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KR20070020413A
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Abstract

CMP 시스템에서 공정을 제어하기 위한 시스템 및 방법에 따르면, 웨이퍼 연마 패드를 처리하기 위한 진공 보조의 설비를 이용하여, 처리 공정으로부터의 폐수(즉, 웨이퍼 파편, 연마 슬러리, 화학 물질, 또는 다른 부산물)는, 폐기물 스트림이 전환되고, 대신 후속의 처리를 위한 분석 모듈로 도입될 수 있다. 상기 분석 모듈은, 상기 폐수 내의 적어도 하나의 파라미터를 결정하여, 상기 분석에 근거하여 공정 제어 신호를 생성하는 역할을 한다. 그 후, 상기 공정 제어 신호는, 평탄화 공정으로 피드백되어, 연마 슬러리 성분, 온도, 유동 속도, 등과 같은 다양한 파라미터를 제어가능하게 한다. 또한 상기 공정 제어 신호는, 처리 공정의 제어 및/또는 상기 평탄화 공정 자체의 종료점을 결정하는 데에 사용될 수 있다.
CMP 시스템, 웨이퍼, 연마 패드, 폐수, 공정 제어 신호

Description

원위치 내 처리 공정을 이용한 화학 기계적 연마 공정 제어{Chemical mechanical planarization process control utilizing in-situ conditioning process}
-관련 출원에 대한 상호 참조-
본 출원은 미국 예비출원 60/539,163 (출원일: 2004년 1월 26일)에 기초한다.
본 발명은 화학 기계적 연마(CMP)에 관한 것으로, 특히 평탄화 공정 제어 및 종료점 탐지를 위한 CMP 처리 공정에서 생성되는 폐수의 분석에 관한 것이다.
전자 산업은, 신뢰성 및 경제성을 향상시키면서 고기능성 소자를 구현하기 위하여, 반도체 제조 기술의 진보에 의존해 오고 있다. 많은 응용들에서, 그러한 소자의 제조는 복잡하며, 품질을 유지 또는 향상시키는 동시에 비용 효율적인 제조 공정을 유지한다는 것은 달성하기 어려운 일이다. 소자의 성능 및 비용에 대한 요구가 증대됨에 따라, 성공적인 제조 과정의 실행은 더욱 어렵게 되었다.
실제로, 회로의 집적도가 높아짐에 따라, 실리콘 기반 웨이퍼(silicon starting wafer)상에 더 많은 층들이 적층될 필요가 있다. 복합 층들의 사용은 표면의 비평탄도에 관련된 문제를 가져오고, 수율 및 칩 성능에 영향을 끼치게 되었 다. 실제로, 오늘날 가장 중요한 공정 단계 중 하나는, 최종 웨이퍼 구조물이 개별 구성 요소들로 다이싱(dicing)되기 전에 평탄화/연마하는 것뿐만 아니라, 각 층의 형성 단계 사이에서 웨이퍼 평면을 복원하는 것이다. 최종 평탄화 공정에 이르러서는, 웨이퍼를 균일한 실리콘 판으로부터 복잡한 전자 회로로 전환하는 데에 상당량의 시간과 비용이 투자되기 때문에, 이러한 평탄화 공정 중에는 극도의 주의를 기울여야 한다.
지난 십여 년 동안 화학 기계적 평탄화(chemical mechanical planarization)로 알려진 공정은, 웨이퍼 표면을 평탄화하기 위한 기술로서 선호되어 발전하여 왔다. CMP는, 연마 테이블에 부착되는 연마 패드 및 회전하는 연마 패드상에 실리콘 웨이퍼를 그 표면이 아래를 향하도록 (face-down) 탑재하기 위한 별도의 홀더를 사용한다. 침식 미립자 및 화학 첨가제가 포함된 연마 슬러리(polishing slurry)는, 상기 연마 패드의 표면상에 도포되어, 웨이퍼의 표면의 요철을 조심스럽게 제거하는 데에 사용된다. 침식 미립자는 평탄화 공정의 "기계적" 측면을 제공하는 한편, 특정 화학 첨가제는 웨이퍼 표면으로부터 비평면 물질을 선택적으로 산화시키거나 에칭하는 데에 사용된다. 예를 들어, 웨이퍼의 표면층이 유전 물질인 경우, 수산화 칼륨 또는 다른 염기 산화제가 화학 첨가제로 사용될 수 있다. 웨이퍼의 표면층이 구리를 포함하는 경우(후술되는 바와 같이, 금속 CMP가 더 일반화되고 있다), 화학 첨가제는 과산화 수소를 포함할 수 있다. 어느 경우에든, 연마 슬러리에 침식 미립자 및 화학 첨가제(들)를 조합하여, 웨이퍼 표면이 연마 패드에서 이동할 때 상기 웨이퍼 표면을 평탄화하게 된다.
CMP 공정에 있어서 한 가지 중요한 부분은, 시간의 경과에 따라 연마 패드에 일어나는 변화이다. 즉, 연마 패드가 일정한 방식으로 세정되지 않으면, 패드의 표면에는 다 쓴 연마 슬러리의 연마 미립자, 제거된 웨이퍼 물질 및 화학 물질 또는 연마 공정의 다른 부산물들이 축적되기 시작한다. 이렇게 채워진 파편들은, 연마로 인한 가열 효과와 결합하여, 연마 패드의 광택을 감소시키고, 마모를 불균일하게 만든다(당 기술분야에서는 글레이징 효과(glazing effect)라고 칭한다). 따라서, 연마 패드 표면을 연속된 연마에 적합한 상태로 회복시킬 필요가 있다.
"패드 처리" 또는 "패드 드레싱"은 연마 패드의 표면을 회복시키고, 패드로부터 미립자 및 다 쓴 연마 슬러리를 이탈시킴으로써 글레이징(glazing)을 제거하기 위해 사용하는 공지된 공정이다. 패드 처리은 또한 패드 물질을 선택적으로 제거하여 패드를 평탄화하고, 연마 패드의 표면을 거칠게 한다. 패드 처리은 "원위치 외(ex-situ)"(예를 들어, 웨이퍼 연마 주기 사이에 연마패드 처리을 수행) 또는 "원위치 내(in-situ)"(예를 들어, 웨이퍼 연마 주기와 동시에, 또는 웨이퍼 연마 주기 동안 수행)로 수행될 수 있다. 일반적인 종래의 원위치 내 패드 처리 공정에서, 소량의 패드 물질 및 파편들을 제거하는 일정한 연마제가 패드 표면에 도포되어, 연마 슬러리가 자유롭게 흐를 수 있도록 하는 새로운 요철을 생성한다. 그러한 후에, 제거된 패드 물질 및 파편들은 연마 공정으로부터 슬러리 유동 스트림과 결합하고, 전형적인 슬러리 운송 메커니즘에 의해, 연마중인 패드 및 웨이퍼로부터 수동적으로 운반된다. 결국, 이러한 물질들은 최종 연마 주기에 헹굼수로 헹구어지고, 연마기의 중앙 배수로에 수집된다.
종래의 CMP 공정에서, 표면 물질의 제거 속도는, 평탄화될 웨이퍼의 표면에 잔존하는 물질의 양뿐만 아니라, 인가된 압력, 회전 속도, 연마 슬러리의 유동 속도, 연마 슬러리의 온도, 연마 슬러리 내 미립자의 크기 및/또는 농도, 및 연마 슬러리의 화학 물질을 포함한(그러나 이에 한정되지는 않는) 다양한 요소들의 작용에 따라 변화한다. 때로는, 평탄화 공정의 제어가 어려워서 "오버폴리싱(overpolishing)"("디싱(dishing)"이라고 칭함) 또는 "언더폴리싱(undepolishing)"(층 전체를 세정하지 않는 것)이 발생하지 않는다. 종래 기술에 따른 한 설비는, CMP 장치 내에서 다수개의 연마 스테이션을 이용하여 평탄화 공정의 제어를 시도한다. 특히, 제1 스테이션은, 가능하면 개략적인(rough) 평탄화 공정을 정지할 시기를 결정하기 위한 특정 시간 주기에 따라, 불필요한 벌크 물질을 제거하기 위한 "개략적인" 평탄화를 수행하는 데에 사용할 수 있다. 다음으로 제2 스테이션은, 가능하면 불필요한 물질이 적정량 제거되는 시기를 결정하기 위한 소정의 "종료점 탐지" 수단을 포함하여, "더 세밀한" 평탄화 단계를 수행하는 데에 사용할 수 있다. 마지막으로 제3 스테이션은, 웨이퍼에 최종 연마를 적용하기 위한 "완충" 스테이션으로서 사용될 수 있다. 그 후 이러한 각 단계는 총 공정에 대하여 최상의 주의를 제공하기 위해 독립적으로 제어될 수 있다. 금속 CMP 공정을 수행할 때, 서로 다른 연마 스테이션들이 사용되어, 웨이퍼 표면으로부터 여러 가지 유형의 물질들을 선택적으로 제거할 수 있다. 예를 들어, 제1 스테이션은 과도한 구리를 제거하기 위하여, 제2 스테이션은 배리어 금속(예를 들어, 탄탈륨)을 제거하기 위하여, 그리고 제3 스테이션은 최종적인 평탄성(final planarity)을 성취하고 부 식으로부터 구리를 보호하기 위하여 사용될 수 있다.
연마 슬러리, 연마 패드 및 웨이퍼와 관련된 다른 다양한 파라미터들이 이러한 각 스테이션에 영향을 낄 것이므로, 어떠한 유형의 멀티 스텝 CMP 공정에서라도 평탄화 공정을 정확하게 그리고 효율적으로 제어하는 것은 여전히 어려움으로 남아 있다.
본 발명은 상기와 같은 선행 기술의 다양한 요구 사항을 감안한 것으로, (종료점 탐지를 포함하나, 이에 제한되지 않는) 평탄화 작업에서 다양한 단계를 제어하기 위한 처리 중 제거되는 파편 또는 폐수의 일부를 이용하는 CMP 웨이퍼 연마를 위한 처리 공정에 관한 것이다.
본 발명에 따른 CMP 시스템은, 연마 패드 표면으로부터 파편을 이탈시키고, 처리 디스크를 통해 진공력을 인가함으로써 홀이 형성된 표면을 통해 상기 이탈된 파편을 비워내는 데에 사용되는, 홀/개구부 구조를 가진 연마 처리 디스크를 포함한다. 따라서, 연마 공정시 파편이 생성되자마자 처리 디스크를 통해 흡입되어, 분석 시스템으로 비워진다. 다양한 헹굼제(초순수(UPW: ultrapure water) 또는 특정 화학 물질을 포함하는 액체)가 처리 장치를 통해 연마 패드 표면상으로 도포되어, 파편 제거 공정을 보조할 수 있다. 비워내진 파편(또는 이하 "폐수"라고 칭함)은, 가능하면 각 성분의 농도에 관하여, 폐수 내에 존재하는 다양한 물질들(또는 이러한 물질들의 구체적은 특성들)을 결정할 수 있는 분석기로 향한다. 이러한 정보는, 연마 슬러리 운반 장치, 기계적 연마 제어기(polisher mechanical controller), 및/또는 처리 시스템으로 피드백되어, 평탄화 공정을 제어하는 데에 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 평탄화 공정으로 피드백된 정보는, 폐수에서 분석된 다양한 물질들의 측정된 농도의 함수로서의 물질 제거 속도를 변경하는 데에 사용될 수 있다. 예를 들면, 처리 공정 폐수의 특정 농도가 원하는 정도보다 더 낮다면, 연마 슬러리 운반 장치로 피드백된 제어 신호는 연마 슬러리의 유동 속도, 연마 슬러리의 온도, 연마 미립자의 농도/크기, 등을 조절하기 위해 사용될 수 있다. 실제로, 본 발명에 따른 CMP 공정 제어를 위해 이용될 수 있는 평탄화 공정 및/또는 처리 공정 파라미터는 아주 다양하게 변화할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 평탄화 공정으로 피드백된 정보는, 평탄화 공정 자체의 종료점을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 구리 CMP에 사용되는 경우, 처리 폐수의 구리 이온 농도는 "종료점"에 다다를 때 급격히 감소하게 된다. 따라서, 구리 농도(또는 폐수의 도전성)를 모니터링함으로써, 소정의 "종료점 농도" 또는 다른 적절한 파라미터가 획득되었을 때 평탄화 공정을 정지할 수 있다.
비워낸 처리 폐수에 대한 분석을 수행하기 위하여 다양한 설비를 사용할 수 있다. 예를 들면, 폐수의 도성전을 측정하여 피드백 신호로 사용할 수 있다. 처리 폐수의 pH를 측정하여 또 다른 설비에서 사용할 수 있다. 더욱 정교한 시스템에서, 폐수 내의 다양한 성분의 농도를 분석하기 위하여, 라만 분광학(Raman spectroscopy)을 사용할 수 있다. 금속 CMP 공정에서 금속이 제거되었을 때, 금속의 이온 농도를 결정하기 위하여, 대안적으로 전기 화학적 셀을 사용할 수 있다. 다양한 폐수 성분의 일정한 특성에 대한 이해를 도출하여, 평탄화 공정 제어를 위한 CMP 시스템으로 사용할 수 있는 한, 폐수 분석의 특정한 방법은 중요하지 않다.
실제로, 본 발명의 또 다른 측면들은, 다음의 도면들을 참조한 상세한 설명을 통해 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 평탄화 공정을 제어하기 위한 처리 장치의 피드백 설비를 포함하는 CMP 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 장치를 위에서 내려다 본 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예 따른 평탄화 공정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 1은 본 발명에 따른 원위치 내 처리 및 평탄화 공정 제어를 수행하는 데에 사용될 수 있는 CMP 시스템(10)을 도시하고 있다. CMP 시스템(10)은 테이블(13)에 고정된 연마 패드(12)를 포함하여 구성된다. 여기에서, 테이블(13)은 원형인 것으로 도시되어 있지만, 다른 시스템에서는 직선형 테이블, 궤도형 테이블, 또는 반도체 웨이퍼 표면에 평탄화 공정을 수행하기에 적합한 다른 어떠한 구조를 사용할 수도 있다. 웨이퍼 운반기(미도시)는 연마 패드(12)상에 표면이 아래를 향하도록 하여(face-down) 연마될 웨이퍼(11)를 고정하기 위해 사용된다. 기계적 연마 제어기(20)는, 웨이퍼(11)상에 제어된 하향력을 인가하여, 필요할 경우 연마 패드(12)의 표면(12A)에 대하여 웨이퍼(11)의 표면(11A)에 의해 인가된 압력을 조절하는 데에 사용된다. 분배 설비(14)로부터 연마 슬러리가 연마 패드(12)의 표면(12A)상에 도포된다.
본 발명에 따른 처리 장치(15)는, 연마 패드 표면(12A)으로부터 파편, 연마 슬러리, 및 처리 작용제(이하, 처리 공정 폐수라고 칭함)를 비워내고, 처리 공정 폐수의 적어도 일부를 분석하여, 분배 설비(14), 기계적 연마 제어기(20), 및/또는 처리 장치(15) 중 적어도 하나로 보내지는 피드백 신호를 생성하는 데에 사용된다. 상기 피드백 신호는 평탄화 공정을 제어하기 위해 사용된다. 본 발명의 출원인에게 양도되었으며 함께 계류중인 출원 10/447,373(출원일: 2003년 5월 29일)에 기재된 바와 같이, 처리 장치(15) 내의 처리 디스크는 연마제 물질로 형성되며, 상기 디스크를 관통하는 다수의 홀/개구부를 포함한다. 연마제 물질은 연마 패드 표면(12A) 상에서 파편을 수집하면서 이탈시키는 역할을 한다. (특별히 선택된 화학 물질들을 포함하는) 초순수(UPW) 또는 다른 헹굼액, 가스 또는 다른 유형의 고형 컨디셔너들과 같은 처리 작용제는, 분배 설비(14)로부터 처리 장치(15)를 통해 연마 패드 표면(12A)상으로 도포되어, 파편 제거 공정을 도울 수 있다
도 2를 참조하면, 본 발명의 CMP 시스템(10)은 모터로 구동되는 이펙터 암(16)을 이용하여, 처리 디스크에 소정의 하향력과 회전 운동을 제공하면서, 수집된 파편이 이탈되도록 연마 패드(12)의 표면을 가로질러 처리 장치(15)를 쓸어내린다. 이러한 실시예에서는, 모터(17)가 사용되어 호 AB에 걸쳐 있는 단 이펙터 암(16)으로 하여금 고정축(18)을 중심으로 회전하도록(또는 다른 적절한 병진 운동을 하도록) 하는데, 처리 디스크에 회전 운동을 제공하는 동시에 하향력을 가한다. 또는 처리 장치(15) 내의 패드 컨디셔너는 전체 패드 반경을 덮도록 형성될 수 있으며, 교차 패드 처리을 제공하기 위하여 모터 또는 단 이펙터 암의 피봇을 사용하 지 않아도 된다. 후술되는 바와 같이, 본 발명의 분석 유닛으로부터의 "기계적 시스템" 피드백 신호는, 처리 장치(15), 기계적 연마 제어기(20), 테이블(13), 또는 CMP 시스템(10)의 다른 장치들과 같은 다양한 구성 요소에 적용되어, 연마 및 처리 공정들의 인가된 하향력, 회전 운동, 병진 운동, 및 다른 다양한 기계적 특성들을 제어할 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 호스(21)가 처리 장치(15)의 진공 배출구(22)에 부착됨으로써, 진공력이 제1 호스(21)를 통해 인가되어, 연마 패드 표면(12A)으로부터 처리 공정 폐수를 흡입하는 데에 사용될 수 있다. 처리 장치(15)의 유입구(19)에 부착된 제2 호스(23)는, 분배 설비(14)에 연결되어, 헹굼액, UPW, 또는 다른 처리 작용제를 연마 패드 표면(12A)상에 도포하는 데에 사용될 수 있다. 다음으로, 제1 호스(21)를 통해 이동하는 수집된 폐수는 분석 유닛(30)으로 향하는데, 상기 분석 유닛(30)은 본 발명에 따라 폐수의 소정 특성을 제거하는 데에 (예를 들어, 처리 공정 폐수 내의 하나 이상의 성분의 농도를 결정할 때) 사용된다. 다음으로, 전기석 피드백 신호 형태의 분석 유닛(30)의 출력은, 제어 유닛(32)의 입력으로서 인가되는데, 여기에서 제어 유닛(32)은, CMP 시스템(10)의 하나 이상의 구성 요소의 동작을 조절하는 데에 사용되는 적어도 하나의 제어 신호를 발생시킨다. 예를 들어, 제1 제어 신호는 분배 설비(14)로 보내져, 다양한 연마 슬러리 및/또는 처리 작용제의 선택 제어, 도포된 물질의 유동 속도 제어, 도포된 물질의 온도 제어 등에 사용될 수 있다. 제2 제어 신호는 처리 장치(15)로 보내지고, 가능하면 처리 장치(15)의 모터(17)로의 입력으로 인가되어, 인가된 하향력, 연마 디스크 의 회전 속도, 이펙터 암(16)의 병진 속도 등과 같은 처리 공정의 기계적 특성을 제어할 수 있다. 상술한 바와 같이, 다른 제어 신호들도, 위에 언급된 바와 같이, 테이블(13) 및/또는 기계적 연마 제어기(20)에 인가될 수 있다.
따라서 일반적으로, 처리 폐수의 분석으로부터의 피드백 신호(들)는, 연마 슬러리 및/또는 처리 작용제를 연마 패드의 표면으로 운반하는 것과 관련된 하나 이상의 화학적 파라미터를 변경함으로써, 및/또는 회전 속도, 컨디셔너 또는 웨이퍼에 의해 인가된 압력, 처리 디스크를 통한 진공 흡입 등과 같은 하나 이상의 기계적 파라미터를 변경함으로써, 제어 유닛(32)에 의해 실질적인 평탄화 공정을 조절하는 데에 사용된다. 예를 들어, 연마 슬러리(또는 산화제와 같은 2차적 구성 요소)의 유동 속도는 제어 신호에 따라 변경될 수 있다. 또는(또는 부가적으로), 슬러리의 온도가 조절되고, 연마 미립자의 농도(및/또는 실질적인 미립자 물질의 크기)가 변경되고, 처리 장치(15)에 인가된 진공 압력 및/또는 연마 패드(12)에 대해 웨이퍼(11)에 의해 인가된 하향력이 변경될 수 있다. 표면(12A)에서 안정된 온도를 유지하기 위하여, 적용된 처리 유동체의 온도는 제어 유닛(32)에 의해 수신된 신호에 따라 변경될 수 있다. 또는, 분석된 폐수의 화학 물질과 관련된 제어 신호는, 선행하여 적용된 연마 슬러리와 관련된 반응을 극복하기 위한 중화제의 응용을 제어하기 위하여, 제어 유닛(32) 및 분배 설비(14)에 의해 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 중요한 측면은, 처리 공정 폐수의 농도 측정이 평탄화 공정의 종료점 탐지를 수행하고 실질적으로 평탄화 공정을 종료시키는 데에 사용될 수 있다는 점이다. 도 3은 구리 CMP 공정중 폐수의 도전성의 측정으로 종료 점 탐지를 수행하는 평탄화 공정을 예시적으로 보여주는 그래프이다. 도시된 바와 같이, 대략 60초의 웨이퍼 연마 후 도전성은 제1 피크 C (first peak C) (대략 350 μS의 도전성)를 나타낸다. 그 후 폐수의 도전성은 약간 떨어졌다가, 약 150초의 웨이퍼 연마 후에, 제2 피크 D(대략 508 μS의 도전성)에 도달한다. 이러한 제2 피크 후에, 도전성은 급격히 감소하는 것으로 나타나는데, 이는 과다 구리가 제거되었으며, 구리 평탄화 공정의 "종료점"에 도달되었음을 나타낸다.
상술한 바와 같이, 제어 유닛(32)으로부터의 출력 신호는 처리 장치(15)의 모터(17)에 인가되어 연마 패드 표면(12A)의 처리 디스크에 의해 인가된 하향력을 변경할 수 있다. 실제로, 이러한 특정 제어 신호는, 예시적인 폐수 성분의 측정된 도전성 또는 농도가 너무 높을 경우, 연마 디스크를 처리 공정으로부터 제거할 것을 (즉, "제로 하향력") 요청할 수 있다. 또는, 재생된 폐수 내의 특정 성분의 농도를 (원하는 대로) 증가시키거나 또는 감소시키기 위하여, 연마 디스크의 회전 속도 및/또는 이펙터 암(16)의 병진 운동이 제어될 수 있다. 테이블(13)에 인가된 또 다른 제어 신호는, 연마중인 웨이퍼에 관련하여 테이블(13)의 회전 속도를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 연마 공정 자체의 기계적인 측면(예를 들어, 연마 패드에 대한 웨이퍼의 하향력, 웨이퍼의 회전 속도, 등)은 또한 기계적 연마 제어기(20)에 인가된 신호를 통해 제어될 수도 있다.
평탄화 공정 및 처리 공정을 위한 이러한 포텐셜(potential) 공정 제어의 다양한 예들은 단지 예시적일 뿐이라는 것을 명백히 해야할 것이다. 본 발명의 사상에 따라, 처리 공정에 의해 수집된 폐수를 연구함으로써 얼마든지 공정의 변화가 이루어질 수 있다.
추가적으로, 분석 유닛(30)을 실행하기 위하여 다양한 설비가 사용될 수 있다. 한 가지 경우, 폐수의 pH 측정을 위한 설비가 사용될 수 있다. 예를 들면, 유전층의 평탄화를 수행할 때, 슬러리의 화학 첨가제로서 수산화 칼륨이 사용될 수 있는데, 여기에서 수산화물은 평탄화 공정의 산화 단계의 부산물로서 물을 생성하게 된다. 과잉의 물은 폐수의 pH에 영향을 미치므로, pH 측정은 웨이퍼상의 유전층의 평탄화시, 제어되고 균일한 산화-환원이 이루어질 수 있도록, 적절한 수산화물 사용량을 결정하기 위하여 이용될 수 있다. 또는, 처리 공정 폐수의 산화 전위(potential)가 측정되어 피드백 신호를 생성하는 데에 사용될 수 있다. 또 다른 예에서는, 폐수 내의 입자 크기가 측정되어 처리 장치(15)에 의해 인가되는 진공력 또는 압력을 조절하기 위한 피드백 신호를 생성하는 데에 사용될 수 있다.
금속 CMP 시스템에서 본 발명의 CMP 제어 공정을 이용할 때, (예를 들어) 분석 유닛(30)으로 전기 화학 분석기가 사용될 수 있다. 전기 화학 분석기는 소정의 환원-산화 전위에 따라 폐수에 잔존하는 성분으로부터 중요한 금속 이온을 구분하며, 그 후, 소정의 캘리브레이션 곡선(calibration curve)에 기초하여 산환 환원 반응의 전위 및 금속 이온 농도를 정량화한다. 특히, 평탄화 공정이 시작됨에 따라, 폐수의 금속 이온의 양은 급격히 증가하여, 플래토(plateau) 값에 도달하게 된다. 후속하는 (불필요한 금속의 마지막 흔적을 제거하도록 고안된) "소프트 랜딩" 연마 단계에서, 폐수 내 금속 이온의 농도는 적어도 그 크기가 감소하게 된다. 불필요한 금속이 웨이퍼 표면으로부터 완전히 제거된 시점에서, 농도는 다시 급격히 감소하게 된다. 따라서, 이러한 농도 변화가 일어나는 시기가 측정 가능함으로써, 본 발명의 설비는 평탄화 공정의 "종료점"을 정확하게 결정할 수 있다. 그 후, 분석 유닛(30)으로부터의 적절한 피드백 신호는 제어 유닛(32)에 인가되며, 평탄화 공정을 정지하고 웨이퍼 표면으로의 오버 폴리싱 및 디싱의 가능성을 줄이기 위한 "정지" 신호를 생성하는 데에 사용될 수 있다. 이러한 "정지" 제어 신호는, 예를 들어 분배 설비(14), 기계적 연마 제어기(20), 또는 둘 다에 인가될 수 있다.
반도체 웨이퍼의 표면층이 하나 이상의 (예를 들어, 연결 금속(예를 들어, 구리) 및 배리어 금속(예를 들어, 탄탈륨)과 같은) 물질을 포함하는 경우, 이러한 각 물질들의 평탄화를 제어하고 모니터링하기 위하여, 본 발명의 특정 실시예가 사용될 수 있다. 특히, 폐수 내 각 물질의 농도를 확인하기 위한 분석 유닛(30)으로 라만 분광계(Raman spectrometer)를 사용할 수 있다. 평탄화 공정중, 두 금속의 상대적 농도는 시간에 대한 함수로 변하게 된다. 예를 들면, 공정 초기에, 다량의 구리가 웨이퍼 표면으로부터 제거되기 시작하여, 웨이퍼 파편에 탄탈륨이 거의 존재하지 않게 된다. 따라서, 비워내진 폐수 내 구리의 농도는 상대적으로 높아지고, 본질적으로 탄탈륨은 탐지되지 않게 된다. 공정이 계속됨에 따라, 탄탈륨이 드러나기 시작하고, 수집된 폐수의 구리 및 탄탈륨의 상대적인 농도는 그에 따라 변하게 된다. 그 후, 상술한 바와 같이, 연마 패드에 대하 웨이퍼에 의해 인가된 하향 압력을 조절하거나, 또는 구리가 제거되자마자 슬러리의 화학 물질을 변경하고, 연마 슬러리의 유동 속도, 온도, 연마 미립자 형태, 등을 변경하는 등의 시스템 조절을 수행하기 위한 제어 신호들을 발생하기 위하여, 제어 유닛(32)에 의해 라만 분광계 로부터의 피드백 출력이 사용될 수 있다. 또는, 수집된 폐수의 도전성이 측정되어 피드백 신호로 사용될 수 있다. 어느 경우에든, 실시간으로 발생하는 폐수를 (그리고 일반적인 폐기물 스트림으로 들어가기 전에) 수집함으로써, 폐수의 다양한 물질들의 농도가 상대적으로 높아진다(폐기물 스트림의 잔여물과 결합되는 경우보다 더 많은 20~80 배). 이러한 더 높은 농도로 인해, 종래의 다른 폐수 분석 시스템에 비해 훨씬 향상된 신호 대 잡음 비로 더 정밀하게 파편을 분석할 수 있다.
수집된 처리 공정 폐수 기반의 제어 경로의 실행에 대하여 바람직한 실시예를 통해 설명하였으나, 본 발명의 범주 내에서 숙련된 당업자에 의해 다양한 변형이 가능함이 명백할 것이다. 예를 들어, 처리 공정 폐수를 분석하고 평탄화 공정을 제어하기 위한 다른 다양한 기술들이 사용될 수 있다. 또한, 처리 공정 자체로의 피드백으로 제어 신호가 사용되어, 처리 작용제, 진공력, 연마 처리 디스크의 하향력, 등과 같은 파라미터를 변경할 수 있다. 이러한 모든 변형들은 해당 분야에 속하는 것으로 간주되며, 본 발명의 사상은 첨부된 특허 청구의 범위에 의해 한정되어야 할 것이다.

Claims (27)

  1. CMP 연마 패드의 표면으로부터 다 쓴 연마 슬러리, 웨이퍼 파편, 및/또는 처리 작용제(집합적으로 "폐수")를 이탈시키기 위한 연마 처리 디스크 및 상기 연마 패드 근처로부터 상기 폐수를 비워내기 위한 진공 배출 경로를 포함하는 처리 장치;
    상기 처리 장치에 연결되어, 처리 작업중 상기 연마 패드 표면으로부터 비워내진 상기 폐수의 적어도 일부를 수집하고, 상기 폐수 내의 적어도 한 성분의 값을 구하여 평탄화 공정 제어 신호를 발생시키는 분석 유닛; 및
    CMP 공정중 연마 패드의 표면상에 적어도 하나의 연마 슬러리를 도포하기 위한 것이며, 상기 폐수 내의 값을 구한 성분에 따라 상기 평탄화 공정을 변경하기 위한 상기 평탄화 공정 제어 신호에 반응하는 연마 슬러리 운반 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마(CMP: chemical mechenical planarization) 시스템의 공정 제어를 위한 설비.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분석 유닛은, 하나 이상의 폐수 성분의 화학물질을 분석하고, 평탄화 공정 제어 신호를 발생시키기 위한 화학적 분석 유닛인 것을 특징으로 하는 CMP 시스템의 공정 제어를 위한 설비.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 처리 장치는, 또한 처리 작업의 보조를 위해 처리 작용제를 도포하는 것을 특징으로 하는 CMP 시스템의 공정 제어를 위한 설비.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 처리 작용제는, CMP 연마 패드의 표면으로부터 다 쓴 슬러리 및 웨이퍼 파편을 헹구기 위한 초순수(UPW: ultra pure water)를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 시스템의 공정 제어를 위한 설비.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 처리 작용제는, 상기 평탄화 공정의 화학적 부산물을 중화하기 위한 화학 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 시스템의 공정 제어를 위한 설비.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 처리 작용제는, 상기 폐수와 반응하는 복합제(complexing agent)로서의 역할을 하는 화학 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 시스템의 공정 제어를 위한 설비.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분석 유닛은, 상기 폐수의 도전성을 측정하고, 상기 측정된 도전성 레 벨에 기초한 평탄화 공정 제어 신호를 제공하기 위한 설비를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 시스템의 공정 제어를 위한 설비.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 분석 유닛은, 상기 폐수의 pH를 측정하고, 상기 측정된 pH값에 기초한 평탄화 공정 제어 신호를 제공하기 위한 설비를 포함하는 것을 특징으로 하는CMP 시스템의 공정 제어를 위한 설비.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 분석 유닛은, 상기 폐수의 적어도 하나의 선택된 성분의 이온 농도를 측정하고, 상기 측정된 이온 농도에 기초한 평탄화 공정 제어 신호를 제공하기 위한 전기 화학적 분석 설비를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 시스템의 공정 제어를 위한 설비.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 분석 유닛은, 상기 폐수 내의 다양한 성분들의 상대적 농도를 측정하고, 상기 측정된 상대적 농도들에 기초한 평탄화 공정 제어 신호를 제공하기 위한 라만 분광계(Raman spectrometer)를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 시스템의 공정 제어를 위한 설비.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 분석 유닛은, 상기 평탄화 공정의 화학 물질과 관련된 하나 이상의 파라미터를 변경하기 위한 화학적 공정 제어 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 CMP 시스템의 공정 제어를 위한 설비.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 분석 유닛으로부터의 상기 화학적 공정 제어 신호는, 연마 슬러리 유동 속도, 연마 슬러리 온도, 연마 슬러리 농도, 미립자 크기, 미립자 농도, 및 연마 슬러리 화학 물질로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 파라미터를 변경하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 CMP 시스템의 공정 제어를 위한 설비.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 CMP 시스템은, 상기 분석 유닛으로부터의 상기 평탄화 공정 제어신호를 이용하여, 상기 평탄화 공정의 종료점을 결정하는 것을 특징으로 하는 CMP 시스템의 공정 제어를 위한 설비.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 분석 유닛은, 상기 폐수의 구해진 값에 따라 기계적 공정 제어 신호를 더 발생시키는 것을 특징으로 하는 CMP 시스템의 공정 제어를 위한 설비.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 기계적 공정 제어 신호는 상기 처리 장치에 입력으로서 인가되는 것을 특징으로 하는 CMP 시스템의 공정 제어를 위한 설비.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 처리 장치는, 인가된 처리 하향력, 처리 디스크 회전 속도, 처리 디스크 병진 운동, 및 상기 처리 장치를 통한 진공 흡입으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 파라미터를 변경함으로써, 상기 처리 공정을 변경하는 것을 특징으로 하는 CMP 시스템의 공정 제어를 위한 설비.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 설비는 기계적 연마 제어기(polisher mechanical controller)를 더 포함하며, 상기 기계적 공정 제어 신호는 상기 기계적 연마 제어기로의 입력으로서 인가되는 것을 특징으로 하는 CMP 시스템의 공정 제어를 위한 설비.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 기계적 연마 제어기는, 인가된 웨이퍼 하향력 및 회전 웨이퍼 속도로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 파라미터를 변경함으로써 상기 평탄화 공정을 변경하는 것을 특징으로 하는 CMP 시스템의 공정 제어를 위한 설비.
  19. a) 진공 보조 처리 장치를 통해, 다 쓴 연마 슬러리, 웨이퍼 파편, 및/또는 처리 작용제(집합적으로 "폐수")를 비워내는 단계;
    b) 비워낸 폐수의 적어도 일부를 수집하는 단계;
    c) 상기 수집된, 비워낸 폐수 내의 적어도 하나의 성분의 적어도 하나의 특성에 대한 값을 구하는 단계;
    d) 상기 값을 구한 폐수 특성에 기초하여 평탄화 공정 제어 신호를 발생시키는 단계; 및
    e) 연마 장치로의 입력으로서 상기 평탄화 공정 제어 신호를 제공하여 상기 평탄화 공정을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 시스템의 평탄화 공정 제어 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    단계 e)에서 제공된 상기 평탄화 공정 제어 신호는, 상기 평탄화 공정의 적어도 하나의 화학적 측면과 관련된 "화학적" 제어 신호인 것을 특징으로 하는 CMP 시스템의 평탄화 공정 제어 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 화학적 제어 신호는, 연마 슬러리 유동 속도, 연마 슬러리 온도, 연마 슬러리 농도, 미립자 크기, 미립자 농도 및 연마 슬러리 화학 물질, 적용된 처리 작용제의 화학 물질, 및 적용된 처리 작용제의 온도로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 평탄화 파라미터를 제어하기 위하여 사용되는 것을 특징으로 하는 CMP 시스템의 평탄화 공정 제어 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 제공된 평탄화 공정 제어 신호는, 상기 평탄화 공정의 종료점을 탐지하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 CMP 시스템의 평탄화 공정 제어 방법.
  23. 제19항에 있어서,
    단계 e)에서 제공된 상기 평탄화 공정 제어 신호는, 상기 평탄화 공정의 적어도 하나의 기계적 측면에 관련된 "기계적" 제어 신호인 것을 특징으로 하는 CMP 시스템의 평탄화 공정 제어 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 제공된 기계적 제어 신호는, 인가된 처리 하향력, 처리 디스크 회전 속도, 처리 디스크 병진 운동, 인가된 웨이퍼 하향력, 및 웨이퍼 회전 속도로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 기계적 파라미터를 제어하기 위하여 사용되는 것을 특징으로 하는 CMP 시스템의 평탄화 공정 제어 방법.
  25. a) 진공 보조 처리 장치를 통해, 다 쓴 연마 슬러리, 웨이퍼 파편, 및/또는 처리 작용제(집합적으로 "폐수")를 비워내는 단계;
    b) 비워낸 폐수의 적어도 일부를 수집하는 단계;
    c) 상기 수집된, 비워낸 폐수 내의 적어도 하나의 성분의 적어도 하나의 특성에 대한 값을 구하는 단계;
    d) 상기 값을 구한 폐수 특성에 기초하여 처리 공정 제어 신호를 발생시키는 단계; 및
    e) 상기 처리 장치로의 입력으로서 상기 처리 공정 제어 신호를 제공하여 상기 처리 공정을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 시스템의 처리 공정 제어 방법.
  26. 제20항에 있어서,
    단계 e)를 수행할 때, 상기 제공된 처리 공정 제어 신호는, 인가된 처리 하향력, 처리 디스크 회전 속도, 처리 디스크 병진 운동, 적용된 처리 작용제의 화학 물질, 및 적용된 처리 작용제의 온도로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 처리 파라미터를 제어하기 위하여 사용되는 것을 특징으로 하는 CMP 시스템의 처리 공정 제어 방법.
  27. a) 진공 보조 처리 장치를 통해, 다 쓴 연마 슬러리, 웨이퍼 파편, 및/또는 처리 작용제(집합적으로 "폐수")를 비워내는 단계;
    b) 비워낸 폐수의 적어도 일부를 수집하는 단계;
    c) 상기 수집된, 비워낸 폐수 내의 적어도 하나의 성분의 적어도 하나의 특 성에 대한 값을 구하는 단계;
    d) 상기 값을 구한 폐수 특성에 기초하여 공정 제어 신호를 발생시키는 단계; 및
    e) 상기 CMP 시스템의 구성 요소로의 입력으로서 상기 공정 제어 신호를 제공하여, 연마 및/또는 처리 공정의 하나 이상의 측면을 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 시스템의 처리 공정 제어 방법.
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