KR20070024735A - 폴리싱장치 및 폴리싱방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 폴리싱장치는 폴리싱면(40)을 구비한 폴리싱테이블(18) 및 기판 상의 복수의 영역(C1-C4)에 인가되는 가압력을 독립적으로 제어하면서, 상기 폴리싱면(40)에 대해 기판을 가압하기 위한 톱링(20)을 구비한다. 상기 폴리싱장치는 상기 기판 상의 복수의 측정점의 기판 상태를 모니터링하기 위한 센서(52), 모니터신호를 발생시키기 위하여 상기 센서(52)로부터의 신호에 대해 소정의 산술처리를 수행하기 위한 모니터유닛(53), 및 상기 측정점의 모니터신호가 상기 기준신호에 수렴하도록, 상기 측정점의 모니터신호를 상기 기준신호와 비교하여 상기 톱링(20)의 가압력을 제어하기 위한 제어장치(54)를 구비한다.

Description

폴리싱장치 및 폴리싱방법{POLISHING APPARATUS AND POLISHING METHOD}

본 발명은 기판처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체웨이퍼와 같은 기판을 폴리싱 및 평탄화(planarizing)하기 위한 폴리싱장치 및 폴리싱방법에 관한 것이다.

반도체웨이퍼와 같은 기판을 폴리싱 및 평탄화하기 위한 일부 폴리싱장치는 캐리어헤드(carrier head)에서 챔버의 압력을 조정할 수 있다. 이러한 폴리싱장치는 기판의 막두께에 관한 물리량을 측정하여, 상기 물리량을 토대로 막두께 프로파일을 계산한다. 그 후, 상기 폴리싱장치는 계산된 막두께 프로파일과 원하는 막두께 프로파일간의 비교를 토대로 캐리어헤드에서 챔버의 압력을 조정한다.

하지만, 종래의 폴리싱장치는 캐리어헤드에서의 챔버의 압력이 폴리싱하는 동안에 계속해서 조정되는 실시간 제어를 수행하지 못한다. 당연히, 원하는 두께 프로파일에 보다 근접한 폴리싱 결과들을 얻기 위해서는 실시간 제어가 예상된다. 실시간 제어가 종래의 폴리싱장치의 압력조정방법에 적용되어야 하는 경우, 웨이퍼의 표면 상의 막두께 또는 상기 막두께에 대체로 비례하는 데이터가 인시튜(in situ)로 측정되어야 한다. 이에 따라, 실시간 제어는 응용분야에 있어서 웨이퍼 상의 막들의 유형이나 측정 방법들에 따라 상당히 제한된다.

또한, 원하는 두께 프로파일이 순간순간 변한다면, 복잡한 프로세스들이 필요하게 된다. 원하는 막두께 프로파일이 폴리싱된 프로파일로 고정된다면, 초기 막두께가 원하는 두께 프로파일과 크게 다른 경우에 특히 조작 변수(manipulated variable)들이 지나치거나 불안정하게 된다.

본 발명은 상기 단점들의 관점에서 고안되었다. 그러므로, 본 발명의 첫번째 목적은 기판의 폴리싱 프로파일, 폴리싱 시간 또는 폴리싱율을 정확하게 제어할 수 있는 실제적인 폴리싱장치 및 폴리싱방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 두번째 목적은 기판 상에 형성된 막의 프로파일, 처리 시간 또는 처리율을 정확하게 제어할 수 있는 실제적인 기판처리방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제1실시형태에 따르면, 폴리싱면을 구비한 폴리싱테이블 및 기판 상의 1이상의 영역에 인가되는 가압력을 제어하면서, 상기 폴리싱면에 대해 상기 기판을 가압하기 위한 톱링(top ring)을 구비한 폴리싱장치가 제공된다. 상기 폴리싱장치는 상기 기판 상의 1이상의 측정점의 기판 상태를 모니터링하기 위한 센서, 모니터신호를 발생시키기 위하여 상기 센서로부터의 신호에 대해 소정의 산술처리를 수행하기 위한 모니터유닛, 및 상기 모니터신호용 기준값과 시간간의 관계를 나타내는 기준신호를 저장하기 위한 기억장치를 구비한다. 상기 폴리싱장치는 상기 측정점의 모니터신호가 상기 기준신호에 수렴하도록, 상기 측정점의 모니터신호를 상기 기준신호와 비교하여 상기 톱링의 가압력을 제어하기 위한 제어장치를 포함한다.

상기 톱링은 상기 기판 상의 복수의 영역에 인가되는 가압력을 독립적으로 제어하도록 구성될 수도 있다. 상기 센서는 상기 기판 상의 복수의 측정점의 기판 상태를 모니터링하도록 작동가능할 수도 있다. 상기 톱링은 상기 기판 상의 복수의 영역에 가압력을 독립적으로 인가하기 위한 복수의 압력챔버를 포함하여 이루어질 수도 있다.

상기 제어장치는 폴리싱 개시 시에 상기 복수의 측정점의 모니터신호들의 평균값을 계산하고, 상기 폴리싱 개시 시의 기준신호가 상기 평균값과 같게 되도록 상기 기준신호를 시계열(time series)에 대해 평행 이동(translate in parallel)하도록 작동가능할 수도 있다.

상기 제어장치는 원하는 시점의 폴리싱 공정에서의 상기 복수의 측정점의 모니터신호들의 평균값을 계산하고, 상기 원하는 시점에서의 기준신호가 상기 평균값과 같게 되도록 상기 원하는 시점 이후의 기준신호를 시계열에 대해 평행 이동하도록 작동가능할 수도 있다.

상기 제어장치는, 상기 폴리싱 개시 시의 기준신호가 상기 폴리싱 개시 시의 상기 기판 상의 소정의 측정점의 모니터신호와 같게 되도록 상기 기준신호를 시계열에 대해 평행 이동하도록 작동가능할 수도 있다.

상기 제어장치는, 상기 원하는 시점에서의 기준신호가 상기 원하는 시점에서의 상기 기판 상의 소정의 측정점의 모니터신호와 같게 되도록 상기 원하는 시점의 폴리싱공정 이후의 기준신호를 시계열에 대해 평행 이동하도록 작동가능할 수도 있다.

상기 제어장치는, 폴리싱 시간이 소정의 시간주기가 되도록 상기 폴리싱 개시 시에 상기 기준신호를 시계열에 대해 평행 이동하도록 작동가능할 수도 있다.

상기 제어장치는, 원하는 시점의 폴리싱공정에서 상기 모니터신호와 같게 되는 기준신호의 시점을 계산하고, 상기 기준신호가 상기 모니터신호와 같게 되는 시점으로부터 상기 기준신호가 소정의 값이 되는 기준시점까지의 시간주기를 계산하도록 작동가능할 수도 있다.

상기 기준신호는, 상기 기판 상에 형성된 막의 유형, 적층구조체(laminated structure), 배선구조체(interconnection structure), 폴리싱액의 물리적 성질, 상기 폴리싱면의 온도, 상기 기판의 온도, 상기 폴리싱면을 형성하는 폴리싱툴의 두께 중 적어도 하나가 파라미터로서 설정되는 신호일 수도 있다.

또한, 현재 폴리싱공정에 사용되는 폴리싱면을 이용하여 과거 폴리싱공정 동안에 얻어진 모니터신호, 또는 이미 교체된 또다른 폴리싱면을 이용하여 과거 폴리싱공정의 초기 스테이지에서 얻어진 모니터신호가 상기 기준신호로서 사용될 수도 있다.

상기 제어장치는 예측제어를 이용하여 상기 톱링의 가압력을 제어하도록 작동가능할 수도 있다. 이 경우, 상기 제어장치의 제어주기는 1초 내지 10초의 범위 이내에 있을 수도 있다.

상기 모니터유닛은 상기 기판의 주변에지부에서의 측정점의 모니터신호를 배제하도록 작동가능할 수도 있다. 대안적으로는, 상기 모니터유닛은 상기 기판의 주변에지부에서의 측정점의 모니터신호를 보정하도록 작동가능할 수도 있다.

상기 센서는 와류센서, 광학센서, 및 마이크로파센서 중 하나 이상을 포함하여 이루어질 수도 있다. 상기 센서는 상기 기판의 표면 상의 막두께를 측정하도록 작동가능한 것이 좋다.

상기 폴리싱장치는 상기 폴리싱테이블과 상기 톱링간의 상대운동을 제공하기 위한 액추에이터를 더 포함하여 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 센서는 상기 폴리싱테이블 내에 배치될 수도 있다. 상기 액추에이터는 상기 폴리싱테이블을 회전시키기 위한 모터를 포함하여 이루어질 수도 있다.

상기 제어장치는 폴리싱공정 시에 간헐적으로 상기 제어를 차단하도록 작동가능할 수도 있다. 상기 제어장치는 폴리싱 종점 이전에 상기 제어를 마무리하고, 그 때까지의 폴리싱 조건을 상기 폴리싱 종점까지 유지하도록 작동가능할 수도 있다. 상기 제어장치는, 하나의 기판의 폴리싱공정이 종료되는 시점에서의 폴리싱 조건을 또 다른 기판의 폴리싱공정을 위한 초기 폴리싱 조건으로서 채택하도록 작동가능할 수도 있다. 상기 제어장치는 상기 모니터유닛의 신호를 토대로 폴리싱 종점을 검출하도록 작동가능할 수도 있다.

본 발명의 제2실시형태에 따르면, 폴리싱면을 구비한 폴리싱테이블 및 기판 상의 복수의 영역에 인가되는 가압력을 독립적으로 제어하면서, 상기 폴리싱면에 대해 상기 기판을 가압하기 위한 톱링을 구비한 폴리싱장치가 제공된다. 상기 폴리싱장치는 상기 기판 상의 복수의 측정점의 기판 상태들을 모니터링하기 위한 센서, 모니터신호를 발생시키기 위하여 상기 센서로부터의 신호에 대해 소정의 산술처리를 수행하기 위한 모니터유닛, 및 상기 모니터신호를 토대로 상기 톱링의 가압력들을 제어하기 위한 제어장치를 구비한다. 상기 제어장치는, 상기 복수의 영역 중 하나 이상에 인가되는 가압력이 소정의 범위를 초과할 때, 상기 영역 모두에 인가되는 가압력이 소정의 범위 이내에 있도록 상기 복수의 영역에 인가되는 가압력들 또는 상기 가압력들의 변량들을 스케일링(scale)하도록 작동가능하다.

본 발명의 제3실시형태에 따르면, 폴리싱면을 구비한 폴리싱테이블 및 기판 상의 복수의 영역에 인가되는 가압력을 독립적으로 제어하면서, 상기 폴리싱면에 대해 상기 기판을 가압하기 위한 톱링을 구비한 폴리싱장치가 제공된다. 상기 폴리싱장치는 상기 기판 상의 복수의 측정점의 기판 상태들을 모니터링하기 위한 센서, 모니터신호를 발생시키기 위하여 상기 센서로부터의 신호에 대해 소정의 산술처리를 수행하기 위한 모니터유닛, 및 상기 모니터신호가 극값을 가질 때의 시점을 토대로 상기 톱링의 가압력들을 제어하기 위한 제어장치를 구비한다. 이 경우, 상기 기판의 표면 상에는 비금속막이 형성될 수도 있다.

본 발명의 제4실시형태에 따르면, 폴리싱면을 구비한 폴리싱테이블 및 기판 상의 복수의 영역에 인가되는 가압력을 독립적으로 제어하면서, 상기 폴리싱면에 대해 상기 기판을 가압하기 위한 톱링을 구비한 폴리싱장치가 제공된다. 상기 폴리싱장치는 상기 기판 상의 복수의 측정점의 기판 상태들을 모니터링하기 위한 센서, 모니터신호를 발생시키기 위하여 상기 센서로부터의 신호에 대해 소정의 산술처리를 수행하기 위한 모니터유닛, 및 상기 기판을 폴리싱하는 동안 상기 복수의 영역에 인가되는 가압력들의 민감성(sensitivity)을 조정하기 위하여, 상기 모니터신호를 토대로 상기 톱링의 가압력들을 제어하기 위한 제어장치를 구비한다.

본 발명의 제5실시형태에 따르면, 기판을 폴리싱하는 방법이 제공된다. 이 방법에 있어서, 기판 상의 1이상의 측정점의 기판 상태는 센서에 의해 모니터링된다. 모니터신호를 발생시키기 위하여 상기 센서로부터의 신호에 대해 소정의 산술처리가 수행된다. 상기 모니터신호용 기준값과 시간간의 관계를 나타내는 기준신호와 상기 측정점의 모니터신호가 비교된다. 상기 측정점의 모니터신호가 상기 기준신호에 수렴하도록, 상기 기판 상의 1이상의 영역에 인가되는 가압력을 제어하면서 상기 기판을 폴리싱하기 위해 상기 기판이 폴리싱면에 대해 가압된다.

본 발명의 제6실시형태에 따르면, 기판을 처리하는 방법이 제공된다. 이 방법에 있어서, 기판 상의 1이상의 측정점의 기판 상태가 센서에 의해 모니터링된다. 모니터신호를 발생시키기 위하여 상기 센서로부터의 신호에 대해 소정의 산술처리가 수행된다. 상기 모니터신호용 기준값과 시간간의 관계를 나타내는 기준신호와 상기 측정점의 모니터신호가 비교된다. 상기 측정점의 모니터신호가 상기 기준신호에 수렴하도록, 상기 기판의 기판 상태를 제어하면서 상기 기판 상에 막이 형성된다.

본 발명에 따르면, 기판의 폴리싱 프로파일, 폴리싱 시간 및 폴리싱율을 정확하게 제어하는 것이 가능하다.

본 발명의 상기 목적과 기타 목적, 특징 및 장점들은 예시의 방법을 통해 본 발명의 바람직한 실시예들을 예시하는 첨부 도면들과 연계하여 후술하는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리싱장치를 도시한 평면도;

도 2는 도 1에 도시된 폴리싱장치의 폴리싱유닛의 일부분을 도시한 개략도;

도 3은 도 2에 도시된 폴리싱유닛의 톱링을 도시한 수직단면도;

도 4는 도 2에 도시된 폴리싱유닛의 톱링을 도시한 저면도;

도 5는 도 2에 도시된 폴리싱유닛의 반도체웨이퍼와 폴리싱테이블간의 관계를 도시한 평면도;

도 6은 도 2에 도시된 폴리싱유닛의 센서가 반도체웨이퍼를 스캔하는 트레이스라인(trace lines)을 도시한 평면도;

도 7은 도 6에 도시된 반도체웨이퍼 상의 측정점들 가운데 모니터링될 측정점들이 선택되는 일 례를 도시한 평면도;

도 8은 웨이퍼의 금속막이 폴리싱될 때의 모니터신호들의 변화들을 도시한 그래프;

도 9는 본 발명의 폴리싱방법에 따른 모니터신호들의 변화들을 도시한 그래프;

도 10은 본 발명에 따른 기준신호를 결정하는 프로세스들을 도시한 흐름도;

도 11은 도 2에 도시된 센서의 유효 측정 범위들을 도시한 평면도;

도 12는 본 발명에 따른 기준신호의 일 적용예를 도시한 그래프;

도 13은 본 발명에 따른 기준신호의 또다른 적용예를 도시한 그래프;

도 14는 본 발명에 따른 기준신호의 또다른 적용예를 도시한 그래프;

도 15는 본 발명에 따른 기준신호의 또다른 적용예를 도시한 그래프;

도 16은 본 발명의 폴리싱방법에 따른 모니터신호들의 변화를 도시한 그래프;

도 17은 본 발명에 따른 모니터신호와 기준신호를 변환하는 방법의 일 례를 도시한 그래프;

도 18은 광학센서를 구비한 폴리싱유닛을 도시한 개략도;

도 19는 마이크로파센서를 구비한 폴리싱유닛을 도시한 개략도;

도 20은 도 19에 도시된 마이크로파센서를 도시한 개략도;

도 21은 본 발명에 따른 기준신호의 일 적용예를 설명하는 그래프;

도 22는 본 발명에 따른 제어산술방법을 설명하는 그래프;

도 23은 본 발명에 따른 예측제어를 설명하는 개략도;

도 24는 본 발명에 따른 예측제어를 위한 퍼지룰(fuzzy rules)의 일 례를 도시한 표;

도 25는 본 발명에 따른 예측제어를 위한 퍼지룰의 또다른 일 례를 도시한 표;

도 26은 도 24 및 도 25의 전항 변수(antecedent variables)의 멤버십 함수(membership function)들을 도시한 개념도;

도 27은 도 24 및 도 25의 후항 변수(consequent variables)의 멤버십 함수들을 도시한 개념도;

도 28은 본 발명에 따른 가압력들의 스케일링방법(scaling method)을 설명하 는 그래프;

도 29는 본 발명에 따른 가압력들의 스케일링방법을 설명하는 그래프;

도 30a 및 도 30b는 본 발명에 따른 폴리싱방법의 시뮬레이션 결과들을 도시한 그래프;

도 31은 본 발명에 따른 폴리싱방법이 복수의 스테이지를 구비한 폴리싱공정에 적용되는 일 례를 도시한 개략도;

도 32는 본 발명이 적용가능한 도금장치의 일 례를 도시한 수직단면도;

도 33은 도 32에 도시된 도금장치의 애노드의 평면도;

도 34는 본 발명이 적용가능한 CVD 장치의 일 례를 도시한 수직단면도; 및

도 35는 본 발명이 적용가능한 CVD 장치의 또다른 일 례를 도시한 수직단면도이다.

이하, 본 발명의 실시예들에 따른 폴리싱장치를 도 1 내지 도 35를 참조하여 설명하기로 한다. 동일하거나 대응하는 부분들은 도 1 내지 도 35에서 동일하거나 대응하는 도면번호로 표시되어 있으므로, 아래에 반복해서 설명하지는 않을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리싱장치를 도시한 평면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 폴리싱장치는 수많은 반도체웨이퍼들을 저장하기 위한 웨이퍼카세트(1)가 배치되는 4개의 로딩/언로딩스테이지(2)를 구비한다. 상기 로딩/언로딩스테이지(2)의 어레이를 따라 이동기구(traveling mechanism; 3)가 제공된 다. 두 핸드를 구비한 제1이송로봇(4)이 상기 이동기구(3) 상에 배치되어 있다. 상기 제1이송로봇(4)의 핸드는 상기 로딩/언로딩스테이지(2) 상의 각각의 웨이퍼카세트(1)에 접근가능하다.

두 세정및건조유닛(5, 6)은 상기 웨이퍼카세트(1)에 대해 제1이송로봇(4)의 이동기구(3)의 대향하는 쪽에 배치되어 있다. 상기 제1이송로봇(4)의 핸드들은 또한 상기 세정및건조유닛(5, 6)에 접근가능하다. 각각의 세정및건조유닛(5, 6)은 고속으로 웨이퍼를 회전시켜 웨이퍼를 건조시키는 스핀-건조기능을 가진다. 4개의 반도체웨이퍼용 배치스테이지(placement stages; 7, 8, 9, 10)를 구비한 웨이퍼스테이션(11)은 상기 두 세정및건조유닛(5, 6) 사이에 배치되어 있다. 상기 제1이송로봇(4)의 핸드들은 상기 웨이퍼스테이션(11)에 접근가능하다.

두 핸드를 구비한 제2이송로봇(12)은 상기 세정및건조유닛(5) 및 세 배치스테이지(7, 9, 10)에 접근가능한 위치에 배치되어 있다. 두 핸드를 구비한 제3이송로봇(13)은 상기 세정및건조유닛(6) 및 세 배치스테이지(8, 9, 10)에 접근가능한 위치에 배치되어 있다. 상기 배치스테이지(7)는 상기 제1이송로봇(4)과 상기 제2이송로봇(12) 사이에서 반도체웨이퍼를 이송하는데 사용된다. 상기 배치스테이지(8)는 상기 제1이송로봇(4)과 상기 제3이송로봇(13) 사이에서 반도체웨이퍼를 이송하는데 사용된다. 상기 배치스테이지(9)는 상기 제2이송로봇(12)으로부터 상기 제3이송로봇(13)으로 반도체웨이퍼를 이송하는데 사용된다. 상기 배치스테이지(10)는 상기 제3이송로봇(13)으로부터 상기 제2이송로봇(12)으로 반도체웨이퍼를 이송하는데 사용된다. 상기 배치스테이지(9)는 상기 배치스테이지(10) 위쪽에 위치한다.

폴리싱된 웨이퍼를 세정하기 위한 세정유닛(14)은 상기 제2이송로봇(12)의 핸드들이 접근가능한 위치에서 상기 세정및건조유닛(5)에 인접하여 배치되어 있다. 폴리싱된 웨이퍼를 세정하기 위한 세정유닛(15)은 상기 제3이송로봇(13)의 핸드들이 접근가능한 위치에서 상기 세정및건조유닛(6)에 인접하여 배치되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 폴리싱장치는 두 폴리싱유닛(16, 17)을 구비한다. 각각의 폴리싱유닛(16, 17)은 두 폴리싱테이블과 웨이퍼를 유지하고 상기 폴리싱테이블에 대해 웨이퍼를 가압하여 웨이퍼를 폴리싱하기 위한 하나의 톱링을 구비한다. 구체적으로는, 상기 폴리싱유닛(16)은 제1폴리싱테이블(18), 제2폴리싱테이블(19), 톱링(20), 폴리싱액을 제1폴리싱테이블(18)에 공급하기 위한 폴리싱액공급노즐(21), 제1폴리싱테이블(18)을 드레싱하기 위한 드레서(22), 및 제2폴리싱테이블(19)을 드레싱하기 위한 드레서(23)를 포함한다. 또한, 상기 폴리싱유닛(17)은 제1폴리싱테이블(24), 제2폴리싱테이블(25), 톱링(26), 폴리싱액을 제1폴리싱테이블(24)에 공급하기 위한 폴리싱액공급노즐(27), 제1폴리싱테이블(24)을 드레싱하기 위한 드레서(28), 및 제2폴리싱테이블(25)을 드레싱하기 위한 드레서(29)를 포함한다.

반도체웨이퍼를 뒤집기 위한 반전기계(30)는 제2이송로봇(12)의 핸드들이 폴리싱유닛(16)에서 접근가능한 위치에 제공된다. 상기 제2이송로봇(12)은 반도체웨이퍼를 반전기계(30)로 이송한다. 이와 유사하게, 반도체웨이퍼를 뒤집기 위한 반전기계(31)는 제3이송로봇(13)의 핸드들이 폴리싱유닛(17)에서 접근가능한 위치에 제공된다. 상기 제3이송로봇(13)은 반도체웨이퍼를 반전기계(31)로 이송한다.

상기 반전기계(30, 31) 및 톱링(20, 26) 사이에서 웨이퍼를 이송하기 위한 회전식운송장치(rotary transporter; 32)는 상기 반전기계(30, 31) 및 톱링(20, 26) 아래쪽에 배치되어 있다. 상기 회전식운송장치(32)는 웨이퍼가 같은 간격으로 배치되는 4개의 스테이지를 구비한다. 따라서, 복수의 웨이퍼들이 상기 회전식운송장치(32) 상에 동시에 장착될 수 있다. 웨이퍼가 반전기계(30 또는 31)로 이송되면, 상기 반전기계(30 또는 31)에 의해 척킹된 웨이퍼의 중심은 상기 회전식운송장치(32)에서의 스테이지의 중심과 정렬되고, 상기 회전식운송장치(32) 아래쪽에 제공된 리프터(lifter; 33 또는 34)가 상승되어 상기 웨이퍼를 상기 회전식운송장치(32) 상으로 이송시키게 된다.

상기 톱링(20 또는 26)으로 이송된 웨이퍼는 상기 톱링(20 또는 26)의 진공흡입기구에 의해 흡인된다. 웨이퍼가 진공흡인기구에 의해 흡인되는 동안, 상기 폴리싱테이블(18 또는 24)로 웨이퍼가 이송된다. 그 후, 폴리싱테이블(18 또는 24) 상에 부착된 폴리싱패드 또는 그라인딩휠(grinding wheel)과 같은 폴리싱면에 의해 웨이퍼가 폴리싱된다. 각각의 제2폴리싱테이블(19, 25)은 톱링(20 또는 26)이 접근가능한 위치에 배치되어 있다. 따라서, 웨이퍼가 제1폴리싱테이블(18 또는 24)에 의해 폴리싱된 후, 상기 웨이퍼는 제2폴리싱테이블(19 또는 25)에 의해 폴리싱될 수 있다. 폴리싱된 웨이퍼는 상술된 바와 같이 동일한 경로를 통해 상기 반전기계(30 또는 31)로 되돌아간다.

상기 반전기계(30 또는 31)로 되돌아간 웨이퍼는 제2이송로봇(12) 또는 제3이송로봇(13)에 의해 세정유닛(14 또는 15)으로 이송되어 그곳에서 세정된다. 상기 세정유닛(14 또는 15)에서 세정된 웨이퍼는 제2이송로봇(12) 또는 제3이송로봇(13)에 의해 세정유닛(5 또는 6)으로 이송되어 그곳에서 세정 및 건조된다. 세정유닛(5 또는 6)에서 세정된 웨이퍼는 제2이송로봇(12) 또는 제3이송로봇(13)에 의해 배치스테이지(7 또는 8) 상에 배치되어, 제1이송로봇(4)에 의해 로딩/언로딩스테이지(2) 상의 웨이퍼카세트(1) 안으로 복귀한다.

이하, 상술된 폴리싱유닛들을 상세히 설명하기로 한다. 폴리싱유닛(16) 및 폴리싱유닛(17)은 동일한 구조를 가지기 때문에, 폴리싱유닛(16)의 구조만 후술하기로 한다. 아래의 상세한 설명은 폴리싱유닛(17)에도 적용가능하다.

도 2는 도 1에 도시된 폴리싱유닛(16)의 일부분을 도시한 개략도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 폴리싱패드(40)가 부착되는 상부면을 갖는 폴리싱테이블(18)은 톱링(20) 아래쪽에 제공된다. 상기 폴리싱테이블(18) 위쪽에는 폴리싱액공급노즐(21)이 제공된다. 상기 폴리싱액공급노즐(21)로부터 상기 폴리싱테이블(18) 상의 폴리싱패드(40)로 폴리싱액(Q)이 공급된다. 상기 폴리싱테이블(18)은, 폴리싱테이블(18)과 톱링(20)간의 상대운동을 제공하기 위한 구동기구로서의 역할을 하는 모터(도시안됨)에 결합되어 있다. 따라서, 상기 폴리싱테이블(18)은 회전가능하게 구성되어 있다.

각종 폴리싱패드들이 상용화되어 있다. 예를 들면, Rodel사에서 제조한 SUBA800, IC-1000, 및 IC-1000/SUBA400(2층포) 및 Fujimi사에서 제조한 Surfin xxx-5 및 Surfin 000 을 들 수 있다. SUBA800, Surfin xxx-5 및 Surfin 000 은 우레탄수지로 본딩된 부직포이고, IC-1000 은 견고한 폴리우레탄 폼(단층)으로 만들 어진다. 폴리우레탄 폼은 다공성이고, 그 표면에 형성된 수많은 미세 리세스 또는 구멍들을 가진다.

상기 톱링(20)은 유니버설조인트(universal joint; 41)를 통해 톱링샤프트(42)에 연결되고, 상기 톱링샤프트(42)는 톱링헤드(43)에 고정된 톱링에어실린더(44)에 결합된다. 상기 톱링(20)은 거의 디스크 형태인 톱링바디(60) 및 상기 톱링바디(60)의 주변부에 배치된 리테이너링(retainer ring; 61)을 구비한다. 상기 톱링바디(60)는 상기 톱링샤프트(42)의 하단부에 결합된다.

상기 톱링에어실린더(44)는 레귤레이터(RE1)를 통해 압력조정유닛(45)에 연결된다. 상기 압력조정유닛(45)은 압축공기원으로부터 가압공기와 같은 가압유체를 공급하거나 또는 펌프 등으로 배기시켜 압력을 조정하는 역할을 한다. 톱링에어실린더(44)로 공급될 가압공기의 기압은 상기 압력조정유닛(45)에 의하여 레귤레이터(RE1)를 통해 조정된다. 상기 톱링에어실린더(44)는 전체 톱링(20)을 승강시키도록 상기 톱링샤프트(42)를 수직방향으로 이동시키고, 상기 톱링바디(60)에 부착된 리테이너링(61)을 소정의 가압력 하에 상기 폴리싱테이블(18)에 대해 가압시킨다.

상기 톱링샤프트(42)는 키(도시안됨)에 의해 로터리슬리브(rotary sleeve; 46)에 결합된다. 상기 로터리슬리브(46)는 그 주변부에 배치된 타이밍풀리(47)를 구비한다. 폴리싱테이블(18)과 톱링(20)간의 상대운동을 제공하기 위한 구동기구로서의 역할을 하는 톱링모터(48)는 톱링헤드(43)에 고정되어 있다. 상기 타이밍풀리(47)는 타이밍벨트(49)를 통해 톱링모터(48) 상에 장착된 타이밍풀리(50)에 연결된다. 이에 따라, 톱링모터(48)가 회전을 위해 활성화되면, 상기 로터리슬리브(46) 및 톱링샤프트(42)가 타이밍풀리(50), 타이밍벨트(49) 및 타이밍풀리(47)를 통해 서로 일체되어 회전됨으로써, 상기 톱링(20)을 회전시키게 된다. 상기 톱링헤드(43)는 프레임(도시안됨) 상에 회전가능하게 지지된 톱링헤드샤프트(51) 상에 지지되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 폴리싱되고 있는 반도체웨이퍼의 막두께를 포함하는 기판 상태들을 모니터링(검출)하기 위한 센서(52)가 폴리싱테이블(18)에 매입(embed)되어 있다. 상기 센서(52)는 모니터유닛(53) 및 제어장치(54)에 연결되어 있다. 상기 센서(52)의 출력 신호들은 모니터유닛(53)으로 전송되어, 여기서 상기 센서(52)의 출력신호들에 대해 필요한 변환 및 연산(산술처리)이 행해져 모니터신호들을 생성하게 된다. 상기 모니터유닛(53)은 상기 모니터신호들에 기초한 산술 제어를 수행하기 위한 제어장치(53a)를 구비한다. 상기 제어장치(53a)는 상기 모니터신호들을 토대로 웨이퍼를 가압하기 위한 톱링(20)에 대한 힘(가압력)을 결정하고, 상기 가압력을 제어장치(54)로 전송한다. 예를 들면, 와류센서가 상기 센서(52)로서 사용된다. 상기 모니터유닛(53)의 외부에 제공된 제어장치(54)는 상기 톱링(20)에 의해 가압력을 변경하기 위하여 압력조정유닛(45)에 지령들을 전송한다. 상기 모니터유닛(53) 내의 제어장치(53a) 및 제어장치(54)는 단일 제어장치를 형성하기 위하여 통합될 수도 있다.

도 3은 도 2에 도시된 톱링(20)을 보여주는 수직단면도이고, 도 4는 도 2에 도시된 톱링(20)의 저면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 톱링(20)은 리셉터클 공간이 내부에 형성된 원통형 하우징의 형태인 톱링바디(60) 및 상기 톱링바디 (60)의 하단부에 고정된 리테이너링(61)을 구비한다. 상기 리테이너링(61)은 방사상 안쪽으로 돌출되어 있는 하부를 구비한다. 상기 톱링바디(60)는 금속 또는 세라믹과 같은 강도와 견고성이 높은 재료로 만들어진다. 상기 리테이너링(61)은 고도로 견고한 수지, 세라믹 등으로 만들어진다. 상기 리테이너링(61)은 상기 톱링바디(60)와 일체형으로 형성될 수도 있다.

상기 톱링샤프트(42)는 상기 톱링바디(60)의 중앙부 위쪽에 배치되고, 상기 톱링바디(60)는 유니버설조인트(41)에 의해 상기 톱링샤프트(42)에 결합되어 있다. 상기 유니버설조인트(41)는 상기 톱링바디(60) 및 톱링샤프트(42)가 서로에 대해 틸팅가능한 구형베어링기구 및 상기 톱링샤프트(42)의 상기 톱링바디(60)에 대한 회전을 전달하기 위한 회전전달기구를 구비한다. 상기 구형베어링기구 및 회전전달기구는 상기 톱링샤프트(42)로부터 상기 톱링바디(60)로 가압력 및 회전력을 전달하는 한편, 상기 톱링바디(60) 및 상기 톱링샤프트(42)가 서로에 대해 틸팅되도록 한다.

상기 구형베어링기구는 상기 톱링샤프트(42)의 하부면에서 중심방향으로 형성된 반구형 리세스(42a), 상기 톱링바디(60)의 상부면에서 중심방향으로 형성된 반구형 리세스(60a), 및 세라믹과 같은 고도로 경성인 재료로 만들어져 상기 리세스(42a, 60a) 사이에 개재된 베어링볼(62)을 포함한다. 한편, 상기 회전전달기구는 상기 톱링샤프트(42)에 고정된 구동핀(도시안됨) 및 상기 톱링바디(60)에 고정된 피구동핀(도시안됨)을 포함한다. 톱링바디(60)가 톱링샤프트(42)에 대하여 틸팅되더라도, 상기 구동핀과 피구동핀들은 서로 맞물린 상태로 유지되는 한편, 상기 구 동핀과 피구동핀은 서로 수직방향으로 이동가능하기 때문에 접촉점들이 변위된다. 따라서, 상기 회전전달기구는 상기 톱링샤프트(42)의 회전토크를 상기 톱링바디(60)로 신뢰성 있게 전달한다.

상기 톱링바디(60) 및 리테이너링(61)은 그 내부에 형성된 공간을 구비하는데, 이는 탄성패드(63)를 지지하기 위한 거의 디스크 형태의 척킹판(65), 환형홀더링(64) 및 톱링(20)에 의해 유지되는 반도체웨이퍼(W)와 접촉하게 되는 상기 탄성패드(63)를 그 내부에 수용한다. 상기 탄성패드(63)는 홀더링(64)과 척킹판(65) 사이에 클램핑된 방사상 외측 에지를 구비하고, 상기 척킹판(65)의 하부면을 커버하기 위해 방사상 안쪽으로 연장된다. 따라서, 상기 탄성패드(63)와 상기 척킹판(65) 사이에는 공간이 형성된다.

상기 척킹판(65)은 금속으로 만들어질 수도 있다. 하지만, 반도체웨이퍼(W) 상에 형성된 박막의 두께를 측정하기 위한 센서(52)로서 와류센서가 사용되는 경우에는, 상기 척킹판(65)이 비자성 재료, 예컨대 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 플루오르화수지 또는 SiC(silicon carbide), Al₂O₃(alumina) 등의 세라믹과 같은 절연재로 만들어져야 바람직하다.

탄성멤브레인으로 이루어지는 가압시트(66)는 홀더링(64)과 톱링바디(60) 사이에 연장되어 있다. 상기 톱링바디(60), 척킹판(65), 홀더링(64) 및 가압시트(66)는 함께 상기 톱링바디(60)에 압력챔버(71)를 형성한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 튜브와 커넥터로 이루어지는 유체통로(81)는 압력챔버(71)와 연통되는데, 이는 상 기 유체통로(81) 상에 제공된 레귤레이터(RE2)(도 2 참조)를 통해 압력조정유닛(45)에 연결된다. 상기 가압시트(66)는 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM), 폴리우레탄 고무 또는 실리콘 고무와 같은 고도로 강하고 내구성이 있는 고무 재료로 만들어진다.

상기 탄성패드(63)와 접촉하게 되는 중앙백(90) 및 링튜브(91)는 상기 탄성패드(63)와 상기 척킹판(65) 사이에 형성된 공간 내에 장착된다. 본 실시예에서는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 중앙백(90)이 상기 척킹판(65)의 하부면 상에 중심방향으로 배치되고, 상기 링튜크(91)는 상기 중앙백(90)의 방사상 바깥쪽으로 그것에 대해 둘러싸는 관계로 배치되어 있다. 상기 가압시트(66)에서와 같이, 각각의 탄성패드(63), 중앙백(90) 및 링튜브(91)는 에틸렌 프로필렌 고무(EPDM), 폴리우레탄 고무 또는 실리콘 고무와 같은 고도로 강하고 내구성이 있는 고무 재료로 만들어진다.

상기 척킹판(65)과 탄성패드(63) 사이에 형성된 공간은 상기 중앙백(90) 및 상기 링튜브(91)에 의하여 복수의 공간들로 분할된다. 따라서, 상기 중앙백(90)과 링튜브(91) 사이에는 압력챔버(72)가 형성되고, 상기 링튜브(91)의 방사상 바깥쪽에는 압력챔버(73)가 형성된다.

상기 중앙백(90)은 상기 탄성패드(63)의 상부면과 접촉하게 되는 탄성멤브레인(90a) 및 상기 탄성멤브레인(90a)을 제자리에 탈착가능하게 유지시키기 위한 중앙백홀더(90b)를 포함한다. 상기 중앙백(90)은 상기 탄성멤브레인(90a) 및 중앙백홀더(90b)에 의해 그 내부에 형성된 중앙압력챔버(74)를 구비한다. 이와 유사하게, 상기 링튜브(91)는 상기 탄성패드(63)의 상부면과 접촉하게 되는 탄성멤브레인(91a) 및 상기 탄성멤브레인(91a)을 제자리에 탈착가능하게 유지시키기 위한 링튜브홀더(91b)를 포함한다. 상기 링튜브(91)는 상기 탄성멤브레인(91a) 및 링튜브홀더(91b)에 의해 그 내부에 형성된 중간압력챔버(75)를 구비한다.

튜브 및 커넥터로 이루어지는 유체통로(82, 83, 84, 85)는 각각 압력챔버(72, 73, 74, 75)와 연통된다. 상기 압력챔버(72-75)는 상기 유체통로(82-85)에 각각 연결된 각각의 레귤레이터(RE3-RE6)를 통해 압력조정유닛(45)에 연결되어 있다. 상기 유체통로(81-85)는 상기 톱링샤프트(42)의 상단부 상에 장착된 로터리조인트(도시안됨)를 통해 각각의 레귤레이터(RE2-RE6)에 연결되어 있다.

상기 척킹판(65) 위쪽의 압력챔버(71) 및 압력챔버(72-75)에는, 각각의 압력챔버에 연결된 유체통로(81-85)를 통해 가압공기와 같은 가압유체가 공급되거나 배기된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 압력챔버(71-75)의 유체통로(81-85)에 연결된 레귤레이터(RE2-RE6)는 각각의 압력챔버에 공급될 가압유체의 압력들을 각각 조절할 수 있다. 따라서, 상기 압력챔버(71-75) 내의 압력을 독립적으로 제어하거나 또는 대기 또는 진공을 상기 압력챔버(71-75) 내로 독립적으로 도입시키는 것이 가능하다. 이러한 방식으로, 상기 압력챔버(71-75) 내의 압력들은 상기 레귤레이터(RE2-RE6)에 의해 독립적으로 변경되어, 반도체웨이퍼(W)를 탄성패드(63)를 통해 폴리싱패드(40)에 대해 가압하기 위한 가압력들이 상기 반도체웨이퍼(W)의 로컬 영역(분할된 영역)들에서 조정될 수 있게 된다. 일부 적용예들에서는, 상기 압력챔버(71-75)들이 진공원(55)에 연결될 수도 있다(도 2 참조).

이 경우, 상기 압력챔버(72-75)에 공급되는 유체들은 그 온도가 독립적으로 제어될 수도 있다. 이러한 구성에 의하면, 반도체웨이퍼와 같은 기판의 온도를 폴리싱될 표면의 뒷면으로부터 직접 제어하는 것이 가능하다. 특히, 각각의 압력챔버들의 온도가 독립적으로 제어되는 경우에는, 화학반응의 속도가 CMP의 화학적 폴리싱공정으로 제어될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 탄성패드(63)는 복수의 개구부(92)를 구비한다. 상기 중앙백(90)과 링튜브(91) 사이에 위치하는 각각의 개구부(92)를 통해 노출되도록 하기 위하여 상기 척킹판(65)으로부터 아래쪽으로 내측 흡입부(93)들이 돌출되어 있다. 상기 링튜브(91)의 방사상 바깥쪽에 위치하는 각각의 개구부(92)를 통해 노출되도록 하기 위하여 상기 척킹판(65)으로부터 아래쪽으로 외측 흡입부(94)들이 돌출되어 있다. 상기 실시예에서는, 탄성패드(63)가 8개의 개구부(92)를 구비하고, 상기 흡입부(93, 94)들은 이들 개구부(92)를 통해 노출된다.

상기 흡입부(61, 62)들은 각각 유체통로(86, 87)와 연통되어 있는 연통구멍(93a, 94a)을 구비한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 흡입부(93, 94)들은 밸브(V1, V2) 및 상기 유체통로(86, 87)를 통해 진공펌프와 같은 진공원(55)에 연결되어 있다. 상기 흡입부(93, 94)들의 연통구멍(93a, 94a)이 진공원(55)에 연결되면, 상기 흡입부(93, 94)들의 하단부에 반도체웨이퍼(W)를 흡인하도록 상기 연통구멍(93a, 94a)의 개구부 하단부에 부압이 조성된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 반도체웨이퍼(W)가 폴리싱되는 동안, 상기 흡입부(93, 94)는 상기 탄성패드(63)의 하부면 위쪽에 위치되므로, 상기 탄성패드(63)의 하부면으로부터 돌출되지 않는다. 반도체웨이퍼(W)를 흡인하면, 상기 흡입부(93, 94)의 하단면들이 상기 탄성패드(63)의 하부면과 거의 동일한 평면에 위치하게 된다.

상기 탄성패드(63)의 외주면과 상기 리테이너링(61)의 내주면 사이에는 작은 갭(G)이 있으므로, 상기 홀더링(64), 척킹판(65) 및 상기 척킹판(65)에 부착된 탄성패드(63)는 상기 톱링바디(60) 및 상기 리테이너링(61)에 대해 수직방향으로 이동될 수 있고, 이에 따라 상기 톱링바디(60) 및 상기 리테이너링(61)에 대해 플로팅 구조(floating structure)를 가진다. 상기 홀더링(64)은 홀더링(64)의 하부의 외주에지로부터 방사상 바깥쪽으로 돌출되어 있는 복수의 돌출부(64a)를 구비한다. 상기 홀더링(64)을 포함하는 부재들의 하류 이동은 상기 리테이너링(61)의 방사상 안쪽으로 돌출되어 있는 부분의 상부면과 상기 돌출부(64a)가 맞물리게 함으로써 소정의 범위로 제한된다.

상기 톱링바디(60)의 외주에지에는 유체통로(88)가 형성되어 있다. 상기 유체통로(88)를 통해 상기 탄성패드(63)의 외주면과 상기 리테이너링(61)의 내주면 사이의 갭(G) 안으로 세정액(순수)이 공급된다.

이렇게 구성된 폴리싱장치에서는, 반도체웨이퍼(W)가 톱링(20)에 의해 유지되어야 하는 경우, 상기 흡입부(93, 94)의 연통구멍(93a, 94a)이 상기 유체통로(86, 87)를 통해 진공원(55)으로 연결된다. 따라서, 상기 연통구멍(93a, 94a)의 흡입 효과에 의하여 상기 반도체웨이퍼(W)가 진공 하에 상기 흡입부(93, 94)의 하단부로 흡인된다. 톱링(20)에 흡인된 반도체웨이퍼(W)에 의하면, 전체 톱링(20)이 폴 리싱면(폴리싱패드(40)) 위쪽의 위치로 이동된다. 상기 반도체웨이퍼(W)의 외주에지는 상기 리테이너링(61)에 의해 유지되어, 반도체웨이퍼(W)가 상기 톱링(20)으로부터 분리되지 않도록 한다.

반도체웨이퍼를 폴리싱하기 위해서는, 상기 흡입부(93, 94)에 의한 반도체웨이퍼(W)의 흡인이 해제되고, 상기 반도체웨이퍼(W)는 상기 톱링(20)의 하부면 상에 유지된다. 이와 동시에, 소정의 압력 하에 폴리싱테이블(18) 상의 폴리싱패드(40)에 대해 상기 톱링(20)의 하단부에 고정된 리테이너링(61)을 가압하도록 톱링에어실린더(44)가 작동된다. 이러한 상태에서, 가압유체가 각각 각각의 압력 하에 압력챔버(72-75)로 공급되어, 상기 반도체웨이퍼(W)를 상기 폴리싱테이블(18) 상의 폴리싱면에 대해 가압시킨다. 상기 폴리싱액공급노즐(21)은 폴리싱액(Q)을 폴리싱패드(40) 상으로 공급하여, 상기 폴리싱액(Q)이 상기 폴리싱패드(40) 상에 유지되도록 한다. 따라서, 폴리싱패드(40)와 반도체웨이퍼(W)의 폴리싱될 (하부)면 사이에 폴리싱액(Q)이 존재하면서 상기 반도체웨이퍼(W)가 폴리싱된다.

압력챔버(72, 73) 밑에 위치한 반도체웨이퍼(W)의 로컬 영역들은 상기 압력챔버(72, 73)로 공급되는 가압유체의 압력 하에 상기 폴리싱면에 대해 가압된다. 중앙 압력챔버(74) 밑에 위치한 반도체웨이퍼(W)의 로컬 영역은, 상기 중앙 압력챔버(74)로 공급되는 가압유체의 압력 하에 상기 폴리싱면에 대해 상기 탄성패드(63) 및 상기 중앙백(90)의 탄성멤브레인(90a)을 통해 가압된다. 상기 압력챔버(75) 밑에 위치한 반도체웨이퍼(W)의 로컬 영역은, 상기 압력챔버(75)로 공급되는 가압유체의 압력 하에 상기 폴리싱면에 대해 상기 탄성패드(63) 및 상기 링튜브(91)의 탄 성멤브레인(91a)을 통해 가압된다.

그러므로, 반도체웨이퍼(W)의 각각의 로컬 영역들에 작용하는 폴리싱 압력(가압력)들은 각각의 압력챔버(72-75)로 공급되는 가압유체의 압력들을 제어하여 반경방향으로 독립적으로 조정될 수 있다. 구체적으로는, 제어장치(54)(도 2 참조)가 상기 센서(52)의 출력을 토대로 각각의 레귤레이터(RE3-RE6)를 통해 상기 압력챔버(72-75)로 공급되는 가압유체의 압력들을 독립적으로 조절함으로써, 폴리싱테이블(18) 상의 폴리싱패드(40)에 대해 반도체웨이퍼(W)의 로컬 영역들을 가압하도록 인가되는 가압력들을 조절하게 된다. 원하는 값들로 독립적으로 조정되는 반도체웨이퍼(W)의 각각의 로컬 영역들 상의 폴리싱 압력들에 의하여, 회전되고 있는 폴리싱테이블(18)의 상부면 상의 폴리싱패드(40)에 대해 상기 반도체웨이퍼(W)가 가압된다. 이와 유사하게, 상기 톱링에어실린더(44)로 공급되는 가압유체의 압력은 상기 레귤레이터(RE1)에 의해 조절될 수 있어, 상기 리테이너링(61)에 대한 가압력을 변경시켜, 상기 폴리싱패드(40)를 가압하게 된다.

따라서, 반도체웨이퍼(W)가 폴리싱되고 있는 동안, 폴리싱패드(40)를 가압하기 위한 리테이너링(61)에 대한 가압력과 상기 폴리싱패드(40)에 대해 반도체웨이퍼(W)를 가압하기 위한 가압력이 적절하게 조정될 수 있어, 폴리싱 압력들을 원하는 압력 분포로 중앙 영역(도 4의 C1), 상기 중앙 영역과 중간 영역 사이의 영역(C2), 외부 영역(C3), 반도체웨이퍼(W)의 주변 영역(C4) 및 상기 반도체웨이퍼(W)의 외부에 위치한 리테이너링(61)의 주변부에 인가되게 된다.

상기 압력챔버(72, 73) 밑에 위치한 반도체웨이퍼(W)의 부분은 두 영역을 포 함한다. 그들 중 하나는 가압유체에 의하여 탄성패드(64)를 통해 가압된다. 그들 중 나머지 다른 하나, 예컨대 개구부(92) 주위의 영역은 가압유체에 의하여 직접 가압된다. 이들 두 영역들은 동일한 가압력 하에 또는 각각의 원하는 압력 하에 가압될 수도 있다. 탄성패드(63)는 개구부(92) 주위의 반도체웨이퍼(W)의 뒷면과 근접하여 유지되므로, 상기 압력챔버(72, 73) 내의 가압유체가 상기 압력챔버(72, 73)의 바깥으로 거의 누설되지 않는다.

반도체웨이퍼(W)의 폴리싱이 종료되면, 상기 반도체웨이퍼(W)는 상술된 것과 동일한 방식으로 진공 하에 상기 흡입부(93, 94)의 하단부들로 흡인된다. 이 때, 폴리싱면에 대해 반도체웨이퍼(W)를 가압하도록 상기 압력챔버(72-75) 안으로 가압유체가 공급되는 것이 중단되고, 상기 압력챔버(72-75)가 분위기로 통기(vent)된다. 이에 따라, 상기 흡입부(93, 94)의 하단부들이 반도체웨이퍼(W)와 접촉하게 된다. 상기 압력챔버(71)는 분위기로 통기되거나 또는 배기되어 그 내부에 부압을 조성하게 된다. 만일 압력챔버(71)가 고압으로 유지된다면, 반도체웨이퍼(W)는 상기 흡입부(93, 94)와 접촉하게 되는 영역들에서만 폴리싱면에 대해 강하게 가압된다. 그러므로, 압력챔버(71) 내의 압력을 즉시 감소시킬 필요가 있다. 이에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이, 압력챔버(71)로부터 톱링바디(60)를 관통하고 있는 릴리프포트(relief port; 67)가 상기 압력챔버(71) 내의 압력을 즉시 감소시키기 위해 제공될 수도 있다. 이 경우, 압력챔버(71)가 가압되면, 가압유체를 유체통로(81)를 통해 압력챔버(71) 안으로 계속해서 공급해야 한다. 상기 릴리프포트(67)는, 부압이 압력챔버(71) 내에 조성될 때에 외부 공기가 상기 압력챔버(71) 안으로 유동하는 것을 방지하기 위한 체크밸브를 구비한다.

반도체웨이퍼(W)의 흡인 후, 전체 톱링(20)은 상기 반도체웨이퍼가 이송될 위치로 이동된 다음, 상기 톱링(20)으로부터 반도체웨이퍼(W)를 해제시키기 위해 상기 흡입부(93, 94)의 연통구멍(93a, 94a)을 통해 상기 반도체웨이퍼(W)로 유체(예컨대, 압축공기 또는 질소와 순수의 혼합물)가 분사된다.

도 5는 도 2에 도시된 폴리싱유닛(16)에서의 반도체웨이퍼(W)와 폴리싱테이블(18)간의 관계를 도시한 평면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 폴리싱 시에 상기 톱링(20)에 의해 유지되는 반도체웨이퍼(W)의 중앙(Cw)을 통과하는 위치에 센서(52)가 제공된다. 기준 문자(C_T)는 폴리싱테이블(18)의 회전중심을 나타낸다. 예를 들어, 상기 센서(52)는 센서(52)가 반도체웨이퍼(W) 아래를 지나가는 동안 통로트랙(스캐닝라인) 상의 막두께의 변화 또는 상기 반도체웨이퍼(W)의 Cu 층과 같은 도전막의 막두께에 따라 증가하거나 감소하는 양을 계속해서 검출할 수 있다.

도 6은 센서(52)가 반도체웨이퍼(W)를 스캔하는 트랙라인을 보여준다. 구체적으로는, 폴리싱테이블(18)이 하나의 회전을 만들 때마다 상기 센서(52)가 상기 웨이퍼의 표면(피폴리싱면)을 스캔한다. 폴리싱테이블(18)이 회전되면, 상기 센서는 웨이퍼(W)의 중심(Cw)(톱링축(42)의 중심) 부근을 지나가는 트랙을 따라, 상기 웨이퍼(W)의 표면을 스캔한다. 상기 톱링(20)의 회전속도는 대체로 상기 폴리싱테이블(18)의 회전속도와 다르기 때문에, 상기 센서(52)의 트랙들은 도 6의 스캐닝라인(SL₁, SL₂, SL₃, ...)으로 도시된 바와 같이 상기 폴리싱테이블(18)의 회전에 따 라 상기 웨이퍼(W) 상에서 변한다. 하지만, 상술된 바와 같이, 센서(52)는 웨이퍼(W)의 중심(Cw)을 통과하는 위치에 위치하므로, 상기 센서(52)의 트랙들이 매 회전 시에 상기 웨이퍼(W)의 중심(Cw)을 통과한다. 본 실시예에서는, 센서(52)에 의한 측정 타이밍이 조정되어, 상기 웨이퍼(W)의 중심(Cw)이 매 회전 시에 상기 센서(52)에 의해 항상 측정되도록 한다.

또한, 폴리싱된 웨이퍼(W)의 표면의 프로파일은 대체로 웨이퍼(W)의 표면에 수직인 축선에 대해 선대칭(axisymmetric)이고, 상기 웨이퍼(W)의 중심(Cw)을 통해 연장된다는 사실이 알려져 있다. 이에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이, m번째 스캐닝라인(SL_m) 상의 n번째 측정점이 MP_m-n 으로 표시되면, 각각의 스캐닝라인 상의 n번째 측정점(MP_1-n, MP_2-n, ... , MP_m-n)의 모니터 신호들을 트랙킹함으로써 n번째 측정점들의 방사상 위치에서 상기 웨이퍼(W)의 막두께의 전이가 모니터링될 수 있다.

도 6에는, 간략화를 위하여, 측정점의 수가 한 스캐닝에서 15 개이다. 하지만, 측정점의 수는 도시된 예로 국한되는 것은 아니며, 폴리싱테이블(18)의 회전속도 및 측정 주기에 따라 다양한 값들을 가질 수도 있다. 와류센서가 센서(52)로서 사용되면, 대체로 한 스캐닝라인 상에는 100개 이상의 측정점들이 있게 된다. 수많은 측정점들이 있는 경우, 상기 측정점들 중 어느 하나는 웨이퍼(W)의 중심(Cw)과 거의 일치한다. 이에 따라, 상기 웨이퍼(W)의 중심(Cw)에 대한 타이밍의 상술된 조정이 필요하지 않게 된다.

도 7은 모니터유닛(53)에 의해 모니터링될 측정점들이 도 6에 도시된 반도체 웨이퍼(W) 상의 측정점들 가운데 선택되는 일 례를 도시한 평면도이다. 도 7에 도시된 예시에 있어서, 상기 모니터유닛(53)은 도 4와 연계하여 기술된 바와 같이 가압력에 있어 독립적으로 제어되는 영역(C1, C2, C3, C4)들의 경계선들과 중심 부근에 위치한 측정점(MP_m-1, MP_m-2, MP_m-3, MP_m-4, MP_m51, MP_m-6, MP_m-8, MP_m-10, MP_m-11, MP_m-12, MP_m-13, MP_m-14, MP_m-15)들을 모니터링한다. 도 6에 도시된 예시와는 달리, 상기 측정점(MP_m-i 및 MP_m-(i+1)) 사이에는 또다른 측정점이 제공될 수도 있따. 모니터링될 측정점들의 선택은 도 7에 도시된 예시로 국한되지는 않는다. 제어의 관점에서 모니터링될 점들은 폴리싱될 웨이퍼(W)의 표면 상에서 모니터링될 측정점들로서 임의로 선택될 수 있다.

상기 모니터유닛(53)은 모니터신호들을 생성하도록 상기 센서(52)로부터 출력되는 선택된 측정점들의 출력신호(감지신호)들에 대한 소정의 산술처리를 수행하고, 상기 모니터신호들을 상기 제어장치(53a)(도 2 참조)에 제공한다. 상기 제어장치(53a)는, 후술하는 기준신호 및 상기 제공된 모니터신호들을 토대로, 상기 웨이퍼(W)의 영역(C1, C2, C3, C4)들에 대응하는 톱링(20)에서의 압력챔버(74, 72, 75, 73)들의 압력설정값들을 결정하고, 상기 압력설정값들을 제어장치(54)(도 2 참조)로 전송한다. 따라서, 상기 웨이퍼(W)의 영역(C1, C2, C3, C4)들에 대해 가압력들이 조정된다.

원활한 데이터를 얻도록 노이즈의 악영향을 제거하기 위하여, 이웃하는 측정점들의 모니터신호들이 평균화될 수도 있다. 대안적으로는, 상기 웨이퍼(W)의 표면 이 웨이퍼(W)의 중심(Cw)으로부터의 반경을 토대로 복수의 영역들로 동심으로 분할될 수도 있다. 각각의 영역들의 측정점에서의 모니터신호들의 평균값 또는 대표값들이 계산될 수도 있고, 제어를 위한 새로운 모니터신호들로 사용될 수도 있다. 이러한 구성예는 복수의 센서들이 폴리싱테이블(18)의 반경방향으로 배열되어 있는 경우나 또는 톱링(20)이 폴리싱 시에 톱링헤드축(51)을 중심으로 선회되는 경우에 효과적이다.

도 8은 웨이퍼(W)의 영역(C1, C2, C3, C4)들에 대한 가압력들이 일정한 값들로 유지되면서, 상기 웨이퍼(W)의 금속막이 폴리싱될 때의 모니터신호들의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 8은 측정점(MP_m-1, MP_m-15)(웨이퍼에지부)에 대응하는 모니터신호(MS_A), 측정점(MP_m-5, MP_m-11)(웨이퍼중간부)에 대응하는 모니터신호(MS_B), 및 측정점(MP_m-8)(웨이퍼센터)에 대응하는 모니터신호(MS_C)를 보여준다.

도 8에 도시된 예시에 있어서, 각각의 모니터신호들은 폴리싱의 초기 스테이지에서 천천히 감소한다. 그 후, 감소하는 기울기가 커지게 된다. 각각의 모니터신호들은 폴리싱 종점에서 거의 일정하게 된다(금속막의 제거). 초기 막두께들이 웨이퍼(W)의 로컬지점들에서 상이하다고 가정하면, 도 8에 도시된 바와 같이, 로컬지점들이 동일한 폴리싱율로 폴리싱되더라도, 상기 모니터신호값들과 폴리싱 종점들의 타이밍이 측정점들에 따라 상이하다. 본 실시예에서는, 신호들을 모니터링하는 기준값들과 시간간의 관계를 나타내는 소정의 기준신호가 준비되고, 상기 모니터신호들은 상기 기준신호로 수렴하도록 제어된다.

도 9는 상술된 제어방법이 웨이퍼(W)를 폴리싱하도록 채택될 때의 모니터신호들의 변화를 도시한 그래프이다. 폴리싱 시, 웨이퍼(W)의 영역(C1, C2, C3, C4)에 대한 가압력들은, 상기 로컬지점들의 모니터신호(MS_A, MS_B, MS_C)들과 도시되지 않은 여타의 점들의 모니터신호들이 상기 기준신호(RS)에 수렴하도록 제어된다. 이에 따라, 상기 로컬지점들의 모니터신호(MS_A, MS_B, MS_C)들은 동일한 변동 곡선에 근사적으로 수렴하고, 폴리싱 종점들은 모든 로컬지점들에서 서로 일치한다. 그러므로, 폴리싱패드(40)와 같은 본 장치의 조건들에 관계없이, 웨이퍼(W)의 반경방향에 대한 막두께의 균일성(이하, 웨이퍼내 균일성(within wafer uniformity)이라 함)이 높은 폴리싱공정을 달성할 수 있게 된다.

폴리싱율들은 피폴리싱막의 물리적 성질, 폴리싱액(슬러리)의 유형, 폴리싱패드(40)의 두께, 상기 폴리싱패드(40) 또는 웨이퍼(W)의 온도, 피폴리싱막의 적층구조체 또는 배선구조체 등에 따라 달라진다. 이에 따라, 기준신호 또한 상술된 조건들에 따라 변한다. 상기 제어장치(54) 또는 모니터유닛(53)은 피폴리싱막의 물리적 성질, 폴리싱액(슬러리)의 유형, 폴리싱패드(40)의 두께, 상기 폴리싱패드(40) 또는 웨이퍼(W)의 온도, 피폴리싱막의 적층구조체 또는 배선구조체 등에 대응하는 기준신호들의 데이터베이스를 포함한다. 조작자가 폴리싱될 웨이퍼에 적합한 조건들을 입력하면, 최적의 기준신호가 판독된다. 대안적으로는, 웨이퍼(W)가 동일한 스펙(specification)을 가지는 경우, 폴리싱테이블(18)과 톱링(20)의 회전속도, 폴리싱액과 폴리싱패드(40)의 유형 등과 같은 폴리싱 조건들은 대체로 고정되어 있 다. 그러므로, 동일한 스펙을 갖는 샘플 웨이퍼들이 기준신호를 얻도록 폴리싱될 수도 있다.

도 10은 기준신호를 결정하는 방법의 일 례를 도시한 흐름도이다. 도 10에 도시된 예시에 있어서, 기준신호의 결정은 웨이퍼(W)의 폴리싱공정을 개시하기 전에 수행된다. 우선, 원하는 스펙을 갖는 톱링(20), 드레서(22), 폴리싱패드(40), 폴리싱액 등이 본 장치의 초기 셋업에서 설정된다. 센서(52)에 의한 측정 타이밍은 상술된 바와 같이 조정된다(단계 1).

그 후, 폴리싱 조건들이 폴리싱될 웨이퍼(W)에 대해 결정되는 임시방편(provisional recipe)이 경험 등을 토대로 생성된다(단계 2). 이러한 임시방편에 있어서는, 영역(C1, C2, C3, C4)에 대한 가압력과 리테이너링(61)의 압력 뿐만 아니라 폴리싱테이블(18)과 톱링(20)의 회전속도가 일정하게 이루어진다. 상기 웨이퍼(W)는 도 8에 도시된 바와 같이 모니터신호들을 얻기 위하여 임시방편을 토대로 폴리싱된다(단계 3).

웨이퍼(W)의 폴리싱율 또는 폴리싱시간이 적절한 지의 여부를 판정한다(단계 4). 만일 폴리싱율 또는 폴리싱시간이 원하는 값과 크게 상이하다면, 임시방편이 수정되고, 폴리싱공정이 반복된다. 웨이퍼(W)가 원하는 시간 주기 이내로 폴리싱되면, 모니터신호들은 반복성, 노이즈 등의 관점에서 적절한 지의 여부를 판정한다(단계 5). 만일 모니터신호들이 적절하다면, 적절한 지점들의 신호들이 추출되어 기준신호를 생성하게 된다. 상기 기준신호는 하드디스크와 같은 기억장치(도시안됨) 내에 기록된다(단계 6). 상기 모니터신호들이 문제점을 내포한다면, 상기 문제의 원인이 제거된 이후에 폴리싱공정이 재시도된다.

이 때, 폴리싱될 기판의 상의 막두께가 동일하다면, 센서(52)의 출력신호들은 상기 센서(52)와 웨이퍼(W)간의 거리에 관계없이 거의 일정한 것이 좋다. 대안적으로는, 센서(52)의 출력신호들로부터 모니터신호들을 계산하도록 산술처리가 결정되어, 상기 모니터신호들이 상기 센서(52)와 웨이퍼(W)간의 거리에 관계없이 거의 일정하도록 하는 것이 좋다. 하지만, 센서(52)의 출력신호들과 모니터신호들이 센서(52)와 웨이퍼(W)간의 거리, 즉 폴리싱패드(40)의 마모에 따라, 그 영향을 무시할 수 없을 정도까지 변하는 경우에는, 상기 기준신호가 다음과 같이 설정될 수도 있다. 폴리싱패드가 교체된 직후 또는 짧은 시간 이후, 동일한 스펙을 갖는 폴리싱패드가 교체된 직후나 짧은 시간 이후에 폴리싱된 동일한 스펙을 갖는 웨이퍼 상의 적절한 지점들의 모니터신호들이 기준신호들로 설정된다. 폴리싱패드가 교체된 이후 소정 개수의 웨이퍼들이 폴리싱된 경우에는, 사용되고 있는 동일한 폴리싱패드에 의해 바로 폴리싱되었거나 약간 전에 폴리싱된 웨이퍼 상의 적절한 지점들의 모니터신호들이 기준신호들로 설정된다.

기준신호로서 모니터신호를 획득하는데 사용되는 웨이퍼 상의 지점들에 관해서는, 불필요한 조작 변수가 제어 시에 줄어들 수 있기 때문에, 인가되는 가압력의 변화가 덜한 지점들을 채택하는 것이 좋다.

도 11은 각각의 측정점에서의 센서의 유효 측정 범위들을 도시한 평면도이다. 예를 들어, 와류센서의 경우, 웨이퍼 상의 유효 측정 범위는 센서 내의 코일의 크기, 유효 범위의 발산 각도(divergence angle), 및 센서(52)로부터 웨이퍼(W)까 지의 거리에 의해 결정된다. 도 11의 작은 원(100)으로 도시된 범위들 내에서의 정보는 각각의 측정점들에서 얻어진다. 이에 따라, 웨이퍼(W)의 외주에지 부근이 측정되어야 하는 경우, 상기 센서의 유효 측정 범위의 일부분이 폴리싱될 웨이퍼(W)의 표면 바깥쪽에 위치하게 된다(도 11의 측정점(MP_m-1 및 MP_m-15) 참조). 예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이, 웨이퍼에지부에서의 측정점(MP_m-1, MP_m-15)들에 대응하는 모니터신호(MS_A1)는 여타의 지점들의 모니터신호(MS_B, MS_C)보다 작게 된다. 따라서, 폴리싱될 막의 막두께가 낮게 어림된다(underestimate). 후술되는 기타 유형의 센서들에 관해서는, 동일한 조건 하에 유사한 현상이 발생할 수도 있다.

이러한 경우에는, 정확한 모니터신호들이 얻어질 수 없는 측정점들이 제어 시에 배제된다. 도 11에 도시된 예시에서는, 웨이퍼(W)의 에지부들에서의 측정점(MP_m-1, MP_m-15)들이 제어 시에 배제된다. 구체적으로는, 이들 측정점들의 모니터신호들이 제어된 시스템으로부터 배제된다. 상기 막두께의 균일성이 웨이퍼(W)의 외주에지에서는 보장되지 않더라도, 상기 막두께의 균일성은 상기 웨이퍼(W)의 여타의 영역들에서 개선될 수 있다.

대안적으로, 이 경우에는, 웨이퍼에지부들의 모니터신호들이 아래의 수학식 1에 의해 보정될 수도 있다.

y(r, y_raw) = c(r, y_raw)·(y_raw - y₀) + y₀

상기 수학식 1에서, y(r, y_raw)는 보정된 모니터신호값, r은 웨이퍼의 중심(Cw)으로부터 측정점까지의 거리, y_raw 는 보정될 모니터신호값, c(r, y_raw)는 보정계수, 및 y₀ 는 막두께가 0 일 때의 모니터신호값을 나타낸다. 보정계수 c(r, y_raw)는 변환될 모니터신호(y_raw)와 반경(r)의 대표값들에 대해 실험적으로 계산된 보정계수에 기초한 보간법(interpolation)에 의해 결정된다. 따라서, 모니터신호들은 도 12에 MS_A2로 도시된 바와 같이 보정된다. 이에 따라, 정확한 모니터신호들이 웨이퍼에지부들에서 얻어질 수 없더라도, 상기 웨이퍼에지부들을 포함하는 웨이퍼내 균일성이 개선될 수 있다.

상기 구조를 갖는 센서 이외에도, 예컨대 온도로 인한 폴리싱율의 변화를 고려하여, 연마포가 웨이퍼와 슬라이딩 접촉하게 된 직후에 상기 연마포의 지점들의 온도를 측정하도록 비접촉 온도계가 제공될 수도 있다.

도 13은 기준신호의 일 적용예를 도시한 그래프이다. 도 13에서는, 폴리싱공정 또는 제어공정의 개시 시, 기준신호(RS₁)가 새로운 기준신호(RS₂)를 생성하도록 시계열을 따라 평행 이동되어, 폴리싱 종점까지의 폴리싱 시간이 원하는 값을 가지게 된다. 만일 기준신호(RS₁)가 폴리싱공정 또는 제어공정 개시 시에 폴리싱 종점까지 원하는 폴리싱 시간을 가진다면, 평행이동량이 0 이 될 수도 있다.

그 후, 기준신호(RS₂)는 시계열에 대하여 고정된다. 상기 모니터신호(MS_A, MS_B, MS_C) 및 도시되지 않은 여타의 지점들의 모니터신호들은 기준신호(RS₂)로 수렴하도록 제어된다. 이러한 방식으로, 웨이퍼내 균일성이 초기 막두께 프로파일에 관계없이 개선될 수 있게 된다. 이와 동시에, 웨이퍼들이 초기 막두께의 변량들을 가지거나 또는 상기 장치가 폴리싱패드와 같은 조건들의 변량들을 가지는 경우에도, 폴리싱 종점까지의 시간 주기는 소정의 값이 될 것으로 예상된다. 따라서, 폴리싱시간이 일정하게 이루어질 수 있다면, 폴리싱장치에서 예상될 수 있는 거의 일정한 주기로 웨이퍼들이 이송될 수 있다. 이에 따라, 긴 폴리싱시간을 갖는 웨이퍼에 의한 이송이 지연되지 않으므로, 스루풋이 개선될 수 있게 된다.

도 14는 기준신호의 또다른 적용예를 도시한 그래프이다. 도 14에서, 기준신호(RS₃)는 새로운 기준신호(RS₄)를 생성하도록 시계열을 따라 평행 이동되어, 로컬지점에서의 모니터신호값들의 평균값(av)이 기준신호와 같게 되도록 한다. 웨이퍼를 폴리싱하는 진행과정을 나타내는 값을 얻을 수 있는 한, 모니터신호값들의 평균값을 얻기 위해 여하한의 방법이 채택될 수 있다. 예를 들면, 산술평균 또는 가중평균을 계산하는 방법, 중앙값을 얻는 방법 또는 모니터신호값들을 소정의 방식으로 변환하여 상기 변환된 값들을 평균화하는 방법을 채택할 수도 있다.

그 후, 기준신호(RS₄)는 시계열에 대하여 고정된다. 상기 모니터신호(MS_A, MS_B, MS_C) 및 도시되지 않은 여타의 지점들의 모니터신호들은 기준신호(RS₄)로 수렴하도록 제어된다. 이러한 방식으로, 도 13에 도시된 예시와는 달리, 웨이퍼(W)의 영역(C1-C4)에 인가되는 가압력과 같은 조작 변수를 과도하게 변경할 필요가 없게 된다. 따라서, 안정된 폴리싱이 예상된다. 또한, 폴리싱공정 또는 제어공정의 개시 이후의 폴리싱시간은, 기준신호를 생성하도록 막두께가 동일한 웨이퍼가 폴리싱될 때의 폴리싱시간과 같게 될 것으로 예상된다. 웨이퍼내 균일성은 초기 막두께 프로파일에 관계없이 개선될 수 있다. 이와 동시에, 폴리싱패드와 같은 상기 장치의 조건들에 관계없이, 평균화된 폴리싱율이 성취될 수 있다.

도 15는 기준신호의 또다른 적용예를 도시한 그래프이다. 도 15에서, 기준신호(RS₅)는 소정의 주기로 시계열을 따라 평행 이동되어, 로컬지점에서의 모니터신호들의 평균값이 기준신호와 같게 되도록 한다. 예를 들어, 기준신호(RS₅)는 모니터신호들의 평균값(av₁, av₂, av₃)과 같게 되도록 평행 이동되어, 새로운 기준신호(RS₆, RS₇, RS₈)를 각각 생성하게 된다. 그 후, 웨이퍼 등의 영역(C1-C4)에 인가되는 가압력은, 순간 이동에 의해 생성되는 기준신호들로 수렴하도록 제어된다. 이러한 방식으로, 웨이퍼의 영역(C1-C4)에 인가되는 초기 가압력들이 거의 합리적인 범위 이내에 있는 경우, 소정의 영역에 대한 가압력이 소정의 시점에서 증가하는 경향이 있다면, 또다른 영역에 대한 가압력은 감소하는 경향이 있다. 이에 따라, 본 실시예는 폴리싱시간 또는 폴리싱율을 조정하는 기능을 가지는 것이 아니라, 조작 변수의 작은 변량들에 의한 안정된 폴리싱을 성취할 수 있다. 또한, 우수한 웨이퍼내 균일성이 초기 막두께 프로파일에 관계없이 달성될 수 있다.

도 14 및 도 15에서는, 모니터신호들의 평균값들과 같게 되도록 소정의 주기로 또는 폴리싱공정의 개시 시에 기준신호가 평행 이동된다. 하지만, 기준신호는 모니터신호들의 평균값 이외의 여하한의 값을 토대로 평행 이동될 수도 있다. 예를 들면, 웨이퍼 상의 소정 지점의 모니터신호를 토대로 기준신호가 평행 이동될 수도 있다. 구체적으로는, 기준신호가 폴리싱공정의 개시 시에 평행 이동될 수도 있어, 이 때 소정 지점의 모니터신호와 같게 되도록 할 수도 있다. 기준신호는 폴리싱공정 시에 평행 이동될 수도 있어, 이 때 소정 지점의 모니터신호와 같게 되도록 할 수도 있다.

상기 예시에 있어서, 모니터신호들은 폴리싱될 웨이퍼의 표면의 막두께를 직접 나타내지 못한다. 당연히, 폴리싱될 웨이퍼의 표면의 막두께를 표현하는 신호들이 모니터신호들로 사용될 수도 있음은 물론이다. 이러한 경우에, 모니터신호들의 시간 변량들이 도 16에 도시되어 있다. 이 경우, 웨이퍼 상의 로컬지점들의 모니터신호(MS_A, MS_B, MS_C)들과 상기 웨이퍼 상의 도시되지 않은 여타의 지점들의 모니터신호들은 상기 지점들에서의 막두께에 비례한다. 도 16에 도시된 바와 같이, 모니터신호값(MS_A, MS_B, MS_C) 등과 기준신호(RS₉)는 대체로 폴리싱시간에 따라 거의 선형으로 감소한다. 이에 따라, 현재 신호값 및 시간변량의 기울기(차이)를 토대로 소정의 시간 주기 이후에 예측값들을 계산할 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 양호한 제어능력이 선형 계산을 토대로 용이하게 얻어질 수 있다.

도 17은 기준신호(RS₁₀) 및 직선(L)을 토대로, 웨이퍼 상의 소정 지점의 모니터신호(MS₁)를 새로운 모니터신호(MS₂)로 변환하는 방법을 도시한 그래프이다. 상 기 직선(L)은 기준신호(RS₁₀)의 폴리싱 종점을 통과하고, -1 의 기울기를 가진다. 예를 들어, 도 17에 도시된 바와 같이, 시간 t₁에서 모니터신호(MS₁)의 값(v₁)이 제공되면, 동일한 값을 갖는 점(P)이 상기 기준신호(RS₁₀) 상에서 계산된다. 그 후, 기준신호(RS₁₀)의 폴리싱 종점까지의 남아 있는 시간(T)은 상기 점(P)의 시간으로부터 계산된다. 도 17에서 알 수 있듯이, 남아 있는 시간(T)은 직선(L)을 기준으로 계산될 수 있다. 새로운 모니터신호(MS₂) 상의 시간 t₁에서의 신호값(v₂)은 상기 계산된 시간(T)를 토대로 설정된다. 예를 들면, 신호값(v₂)은 v₂ = T 가 되도록 설정된다. 대안적으로는, 신호값(v₂)이 v₂ = T/T₀ 가 되도록 기준신호 상의 폴리싱 개시로부터 폴리싱 종점까지의 시간(T₀)에 의해 정규화될 수도 있다. 이 때, 상기 직선(L)은 시간 0 에서 1의 값을 가지고, -1/T₀ 의 기울기를 가진다.

유사한 프로세스가 기준신호(RS₁₀)에 적용되면, 상술된 직선(L)이 변환된 새로운 기준신호로 간주될 수 있다. 새로운 기준신호(직선(L))는 상기 기준신호(RS₁₀) 상의 각각의 점으로부터 폴리싱 종점까지의 남아 있는 시간을 나타내므로, 시계열에 대해 선형인 단조로운 감소 함수(monotone decreasing function)가 된다. 따라서, 산술 제어가 촉진된다.

또한, 대부분의 경우에는, 변환된 새로운 모니터신호(MS₂)가 폴리싱될 웨이 퍼의 표면의 막두께에 근사적으로 비례하므로, 선형으로 변한다. 이에 따라, 폴리싱될 웨이퍼의 표면의 막두께값이 폴리싱액, 상기 웨이퍼 표면 상의 배선 패턴, 언더라인층(underlying layer)의 영향 등으로 인해 측정될 수 없더라도, 양호한 제어 성능이 선형 계산에 의해 달성될 수 있다. 도 17에 도시된 예시에 있어서는, 기준신호(RS₁₀) 상의 폴리싱 종점이 기준시간으로 사용된다. 하지만, 기준신호(RS₁₀) 상의 기준시간이 상기 폴리싱 종점으로 제한되는 것을 아니다. 예컨대, 기준신호(RS₁₀)가 소정값을 갖는 시간이 기준시간으로 사용될 수도 있다. 따라서, 기준시간은 경우에 따라 설정될 수 있다. 변환된 새로운 모니터신호의 값들은, 모니터신호값들이 폴리싱시간에 따라 변하지 않는 간격 내에서 미정(indeterminate)이 된다.

상기 예시들은 주로 센서(52)가 와류센서를 포함하여 이루어지는 경우를 설명하였다. 하지만, 상기 센서(52)는 웨이퍼의 상태들을 검출할 수 있는 한 여하한의 센서를 포함하여 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 광학센서, 마이크로파센서 또는 여타의 동작 원리에 기초한 센서들이 상기 센서(52)로 사용될 수도 있다.

도 18은 광학센서를 구비한 폴리싱유닛을 도시한 개략도이다. 도 18에 도시된 바와 같이, 상기 폴리싱유닛은, 폴리싱 시에 폴리싱 상태들을 모니터링하기 위하여 폴리싱될 반도체웨이퍼(W)의 표면 상에 형성된 금속막 또는 절연막의 틴트(tint) 혹은 막두께와 같은 특성값들을 측정하기 위해 그 내부에 매입된 센서유닛(152)을 구비한다. 상기 센서유닛(152)은 폴리싱 시에 실시간으로 웨이퍼(W)의 표면의 폴리싱 상태(예컨대, 남아 있는 막의 두께 또는 상태)를 계속해서 모니터링하 는 역할을 한다.

센서유닛(152)으로부터 광을 통과시키기 위한 투광부재(light-transmissive member; 160)가 상기 폴리싱패드(40)에 장착된다. 상기 투광부재(160)는 고투과율을 갖는 재료, 예컨대 비발포형(non-foamed) 폴리우레탄으로 형성된다. 대안적으로는, 상기 폴리싱패드(40)에 관통구명이 제공될 수도 있다. 관통구멍이 반도체웨이퍼(W)에 의해 커버되면서, 상기 투광부재(160)를 형성하기 위하여 상기 관통구멍의 하부로부터 투명한 액체가 공급될 수도 있다. 상기 투광부재(160)는 톱링(20)에 의해 유지되는 반도체웨이퍼(W)의 표면을 통과하는 폴리싱테이블(18) 상의 여하한의 위치에 배치될 수 있다. 하지만, 상술된 바와 같이, 반도체웨이퍼(W)의 중심을 통과하는 위치에 상기 투광부재(160)를 배치하는 것도 좋다.

도 18에 도시된 바와 같이, 상기 센서유닛(152)은 광원(161), 상기 광원(161)으로부터 폴리싱될 반도체웨이퍼(W)의 표면으로 발광하기 위한 발광부로서의 발광용 광섬유(162), 폴리싱될 표면으로부터 반사되는 광을 수용하기 위한 수광부로서의 수광용 광섬유(163), 상기 수광용 광섬유(163)에 의해 수용되는 광을 분산하기 위한 분광기와 전기 데이터로서 상기 분광기에 의해 분산되는 광을 저장하기 위한 복수의 수광소자들을 포함하는 분광유닛(164), 상기 광원(161)을 턴온 및 턴오프하는 타이밍을 제어하거나 또는 상기 분광유닛(164) 내의 수광소자들을 판독하기 시작하기 위한 제어장치(165), 및 상기 제어장치(165)에 전력을 공급하기 위한 전원(166)을 구비한다. 상기 광원(161) 및 분광유닛(164)에는 상기 제어장치(165)를 통해 전력이 공급된다.

발광용 광섬유(162)의 발광단부와 수광용 광섬유(163)의 수광단부는 폴리싱될 반도체웨이퍼(W)의 표면에 거의 수직이 되도록 구성되어 있다. 또한, 상기 발광용 광섬유(162)와 수광용 광섬유(163)는, 상기 폴리싱패드(40)의 교체를 위한 작업성 및 상기 수광용 광섬유(163)에 의해 수용되는 광량을 고려하여, 상기 폴리싱테이블(18)의 폴리싱면으로부터 위쪽으로 돌출되지 않도록 배치된다. 예를 들어, 분광유닛(164) 내의 수광소자로는 128개의 소자들을 구비한 포토다이오드 어레이가 사용될 수도 있다.

상기 분광유닛(164)은 케이블(167)을 통해 제어장치(165)로 연결된다. 상기 분광유닛(164) 내의 수광소자로부터의 정보는 상기 케이블(167)을 통해 제어장치(165)로 전달되어, 수용되는 광의 스펙트럼 데이터가 상기 전달된 정보를 토대로 생성된다. 구체적으로는, 본 실시예에 있어서, 상기 제어장치(165)는, 상기 수광소자들에 저장된 전기 데이터를 판독하여, 상기 수용된 광의 스펙트럼 데이터를 생성하기 위한 스펙트럼데이터제너레이터를 형성한다. 상기 케이블(168)은 상기 제어장치(165)로부터 폴리싱테이블(18)을 통해 상술된 모니터유닛으로 연장되어 있다. 따라서, 상기 제어장치(165) 내의 스펙트럼데이터제너레이터에 의해 생성되는 스펙트럼 데이터는 상기 케이블(168)을 통해 상기 모니터유닛(53)(도 2 참조)으로 전달된다.

상기 모니터유닛(53)은 상기 제어장치(165)로부터 수신되는 스펙트럼 데이터를 토대로 상기 웨이퍼(W)의 표면의 막두께 또는 틴트와 같은 특성값들을 계산하고, 상기 특성값을 모니터신호로서 상술된 제어장치(53a)(도 2 참조)에 제공한다.

도 18에 도시된 바와 같이, 폴리싱테이블(18)의 주변부의 하부면 상에는 근접센서(proximity sensor; 170)가 장착되어 있다. 상기 근접센서(170)에 대응하기 위하여 상기 폴리싱테이블(18)의 외부에는 센서타겟(171)이 제공된다. 상기 근접센서(170)는, 폴리싱테이블(18)이 한 번의 회전을 할 때마다 상기 센서타겟(171)을 검출한 다음, 상기 폴리싱테이블(18)의 회전각을 검출하도록 작동가능하다.

도 19는 마이크로파센서를 구비한 폴리싱유닛을 도시한 개략도이다. 도 19에 도시된 바와 같이, 폴리싱유닛 내의 폴리싱테이블(18)은 그 내부에 매입되어 폴리싱될 반도체웨이퍼(W)의 표면에 마이크로파를 제공하기 위한 안테나(252)를 구비한다. 상기 안테나(252)는 톱링(20)에 의해 유지되는 반도체웨이퍼(W)의 중앙부를 향하도록 배치되고, 도파관(253)을 통해 센서바디(254)에 연결된다. 상기 도파관(253)은 길이가 짧은 것이 좋다. 상기 안테나(252) 및 센서바디(254)는 서로 통합될 수도 있다.

도 20은 도 19에 도시된 안테나(252) 및 센서바디(254)를 도시한 개략도이다. 상기 센서바디(254)는, 마이크로파를 생성하여 상기 마이크로파를 안테나(252)에 공급하기 위한 마이크로파원(255), 상기 마이크로파원(255)에 의해 발생되는 마이크로파(입사파)와 상기 반도체웨이퍼(W)의 표면으로부터 반사되는 마이크로파(반사파)를 분리시키기 위한 분리장치(256), 상기 세퍼레이터(256)에 의해 분리되는 반사파를 수용하여 상기 반사파의 진폭과 위상을 검출하기 위한 검출장치(257), 및 상기 검출장치(257)에 의해 검출되는 반사파의 진폭과 위상을 토대로, 상기 반도체웨이퍼(W)의 구조를 분석하기 위한 모니터유닛(258)을 구비한다. 상기 분리장치 (256)로는 방향성커플러(directional coupler)가 적절하게 사용될 수도 있다.

상기 안테나(252)는 상기 도파관(253)을 통해 상기 분리장치(256)에 연결되어 있다. 상기 마이크로파원(255)은 상기 분리장치(256)에 연결되어 있다. 상기 마이크로파원(255)에 의해 생성되는 마이크로파는 상기 분리장치(256) 및 상기 도파관(253)을 통해 상기 안테나(252)로 공급된다. 상기 마이크로파는 상기 안테나(252)로부터 상기 반도체웨이퍼(W)로 제공되어, 상기 폴리싱패드(40)를 투과(관통)하여 상기 반도체웨이퍼(W)에 도달하게 된다. 상기 반도체웨이퍼(W)로부터의 반사파는 상기 폴리싱패드(40)를 다시 투과한 다음, 상기 안테나(252)에 의해 수신된다.

상기 반사파는 안테나(252)로부터 도파관(253)을 통해 입사파와 반사파를 분리하는 분리장치(256)로 전송된다. 상기 분리장치(256)는 검출장치(257)에 연결되어 있다. 상기 분리장치(256)에 의해 분리되는 반사파는 상기 검출장치(257)로 전달된다. 상기 검출장치(257)는 반사파의 진폭과 위상을 검출한다. 상기 반사파의 진폭은 전력(dbm 또는 W) 또는 전압(V)의 값으로 검출된다. 상기 반사파의 위상은 상기 검출장치(257)에 통합된 위상측정장치(도시안됨)에 의해 검출된다. 상기 위상측정장치없이 상기 검출장치에 의해 반사파의 진폭만이 검출될 수도 있다. 대안적으로는, 상기 위상측정장치에 의해 반사파의 위상만이 검출될 수도 있다.

상기 모니터유닛(258)에 있어서, 반도체웨이퍼(W) 상에 증착된 금속막 또는 비금속막의 막두께는 상기 검출장치(257)에 의해 검출되는 반사파의 진폭과 위상을 토대로 분석된다. 상기 모니터유닛(258)은 상기 제어장치(254)에 연결되어 있다. 상기 모니터유닛(258)에서 얻어진 막두께의 값은 모니터신호로서 상기 제어장치(54)로 전송된다.

도 21은 산화막과 같은 광투과성막이 상술된 광학센서를 이용하여 측정될 때의 모니터신호의 변화들을 보여주는 그래프이다. 이 경우, 모니터신호들은 시계열에 대해 사인파의 형태로 변한다. 이에 따라, 모니터신호의 값이 제공되는 경우에도, 기준신호의 대응하는 점이 유일하게 결정될 수 없다. 하지만, 초기 막두께는 대체로 제한된 범위를 가진다. 따라서, 상기 신호의 증가와 감소 또는 상기 신호의 극값들에 의해 상기 기준신호의 시계열에서 간격들이 한정되는 경우, 어떤 간격이 초기 막두께에 대응하는 지를 판정하는 것이 가능하다. 따라서, 모니터신호값들이 상기 기준신호에 대응될 수 있다.

예를 들어, 도 21에서는, 기준신호(RS₁₁)의 상대적인 최대값들 사이에 두 간격이 각각 한정되어 있다. 하나의 상대적인 최대값에서의 막두께와 상대적인 후속 최대값의 막두께간의 차이(△d)는 △d = λ/2n 으로 표시되며, 여기서 λ는 광의 파장이고, n은 상기 막의 굴절율이다. 만일 초기 막두께가 두 간격 사이, 예컨대 간격 VIII와 간격 IX 사이 또는 간격 IX와 간격 X 사이의 범위 이내에 있다면, 상기 기준신호(RS₁₁) 상의 어떤 위치가 상기 초기 막두께에 대응하는 지를 특정하는 것이 가능하게 된다.

초기 막두께가 이렇게 특정된 후, 모니터신호(MS₃)는 상기 기준신호(RS₁₁)로 수렴하도록 제어된다. 따라서, 웨이퍼 상에 남아 있는 막의 양을 제어하는 것이 가 능하다. 또한, 상기 모니터신호(MS₃)는 도 17과 연계하여 설명된 바와 동일한 방식으로 직선(L)을 이용하여 거의 선형으로 감소하는 새로운 모니터신호(MS₄)로 변환될 수 있다. 따라서, 양호한 제어능력을 손쉽게 얻을 수 있다.

도 17의 초기 간격에서 그리고 도 21의 상대적인 최대값 및 상대적인 최소값들 주위에서는, 상기 기준신호가 0 에 가까운 기울기를 가지며, 노이즈 등의 영향으로 인하여 비교적 불안정하게 될 수도 있다. 따라서, 모니터신호들의 값들에 대응하는 점들이 상기 기준신호 상에서 정확하게 계산될 수 없다. 이러한 경우, 새로운 모니터신호를 미정으로 설정하고, 상기 제어를 상기 간격으로 중단하며, 가압력과 같은 조작 변수의 최후값들을 계속해서 사용하는 것이 좋다. 기준신호는 상기 방법에 따라 모든 간격들로 변환될 수 있기 때문에, 상기 제어가 중단되어야 하는 간격들은 새로운 모니터신호가 미정이거나 그 부근값인 간격들로 제한된다. 이에 따라, 모니터신호가 도 21에 도시된 폴리싱시간에 따라 증가하거나 감소하는 경우에도, 동작 타이밍이 적절하게 설정될 때 양호한 제어성능이 예상된다.

대안적으로는, 웨이퍼의 로컬지점(영역)들에 인가되는 가압력들은, 반복되는 모니터신호에서 나타나는 상대적인 최대값 또는 상대적인 최소값들이 증가 및 감소하는 시점의 관점에서 결정될 수도 있다. 구체적으로는, 목표점들의 모니터신호들이 상대적인 최대값 또는 상대적인 최소값에 도달하는 시점들이 각각의 목표점에 대해 측정된다. 여타의 지점들의 도달시간보다 이른 도달시간을 갖는 지점들에 대응하는 로컬영역들에 인가되는 가압력들은, 여타의 지점들의 도달시간보다 늦은 도 달시간을 갖는 지점들에 대응하는 로컬영역들에 인가되는 가압력들이 커지는 동안 작아지게 된다. 동일한 막두께에 대한 모니터신호들이 웨이퍼의 표면 상의 패턴들의 영향으로 인하여 변하더라도, 양호한 제어성능이 예상된다. 이 경우, 모니터신호가 상대적인 최대값 또는 상대적인 최소값에 도달하는 시점이 늦은 지 혹은 이른 지의 여부는, 기준신호가 상대적인 최대값 또는 상대적인 최소값에 도달하는 시점을 토대로 판정될 수도 있다. 하지만, 로컬지점의 모니터신호가 상대적인 최대값 또는 상대적인 최소값에 도달하는 시점의 상대관계를 토대로 기준신호를 설정하지 않고도 가압력들이 조정될 수도 있다. 따라서, 웨이퍼내 균일성을 개선할 수 있게 된다.

도 22는 본 발명에 따른 산술제어방법을 설명하는 그래프이다. 도 17 및 도 21과 연계하여 기술된 모니터신호들의 변환방법이 도 22에 적용된다. 폴리싱 개시 이후의 시간 t 에서의 새로운 기준신호 y_s(t)는 다음의 수학식 2로 표현된다.

y_s(t) = T₀ - t

수학식 2에서, T₀ 는 기준신호에 대한 폴리싱 개시로부터 폴리싱 종점까지의 시간 주기를 나타낸다.

나아가, T₀ 는 상기 예시에 있어서 상술된 3가지 방법(도 13 및 도 14 참조) 중 전자인 2가지 가운데 어느 한 가지 방법에 의하여 시계열을 따라 평행이동된 기준신호와 관련이 있다. 대안적으로는, 기준신호가 도 15에 도시된 방법에 의해 시 계열에 따라 평행이동된다면, 수학식의 우변은 그 때의 로컬지점들에서의 모니터신호들의 평균값일 것이다. 이 때에는, 모든 경우에 있어서, 소정의 시간 주기 t₀ 가 시간 t 로부터 경과한 이후의 로컬지점에서의 모니터신호의 예측값 y_p(t, t₀)은 아래의 수학식 3으로 표현된다.

y_p(t, t₀) = y(t) + t₀·{y(t) - y(t-△t_m)}/△t_m

수학식 3에서, y(t)는 시간 t에서의 모니터신호를 나타내고, △t_m 은 시간 변화에 대해 기울기를 계산하기 위한 소정의 시간 주기를 나타낸다.

이 때, 시간 t₀ 가 시간 t로부터 기준신호까지 경과한 이후의 모니터신호의 예측값의 디스코던스(discordance) D(t,t₀)가 아래의 수학식 4로 정의된다.

D(t,t₀) = -{y_p(t,t₀) - y_s(t + t₀)}/t₀

수학식 4로 표현된 디스코던스(D)가 양(positive)이면, 모니터신호는 기준신호 이전으로 앞서는 경향이 있다. 음의 디스코던스는 모니터신호가 기준신호 이후로 지연되는 경향이 있다는 것을 의미한다.

도 22에 도시된 바와 같이, 모니터신호의 예측값들이 주기(사이클) △t의 시간 t에서의 기준신호와 항상 같다면, 상기 모니터신호는 점근적으로 상기 기준신호에 수렴할 것으로 예상된다. 예를 들면, 도 23에 도시된 바와 같이, D3은 가압력 (u3)이 인가되는 뒷면을 갖는 웨이퍼의 영역(C3)의 디스코던스로서 정의되고, D2 및 D4는 각각 상기 영역(C3)에 인접한 웨이퍼의 영역(C2, C4)의 디스코던스로서 정의된다. 가압력(u3)의 변량(△u3)은 다음과 같이 결정된다. 도 24는 상기 가압력(u3)의 변량(△u3)을 결정하기 위한 퍼지룰의 일 례를 보여준다. 도 25는 도 24에 도시된 퍼지룰 이외에, 웨이퍼와의 슬라이딩접촉 직후에 폴리싱패드의 로컬지점의 온도(T_p)를 고려한 퍼지룰의 일 례를 보여준다. 도 24 및 도 25에서, "S"는 로우(low)를 의미하고, "B"는 하이(high)를 의미한다. 또한, "PB"는 크게 증가될 것을 의미하고, "PS"는 약간 증가될 것을 의미하며, "ZR"은 고정될 것을 의미하고, "NS"는 약간 감소될 것을 의미하며, "NB"는 크게 감소될 것을 의미한다.

도 24의 퍼지룰에 도시된 바와 같이, 가압력의 변량(△u3)은 상기 대응하는 영역(C3)의 디스코던스(D3)가 낮아지거나 상기 가압력(u3)이 보다 작아짐에 따라 더욱 커지게 된다. 또한, 인접한 영역(C3, C4)의 디스코던스(D2, D4)가 낮아질 때에 증가하게 되도록 변량(△u3)이 조정된다. 퍼지룰은 여타의 독립적인 영역들에 인가되는 가압력, 상기 영역들의 디스코던스, 및 상기 가압력들의 변량들에 대해 유사한 방식으로 결정될 수 있다. 따라서, 가압력들은 모든 디스코던스가 0 으로 수렴하도록 하는 과도하게 크거나 작은 값들이 없이 제어될 수 있다.

대부분의 경우에는, 폴리싱패드가 보다 높은 온도를 가짐에 따라, 폴리싱율이 증가되어, 상기 폴리싱패드의 온도가 증가되는 경향이 있게 된다. 이에 따라, 도 25에 도시된 바와 같이, 가압력(u3)의 변량(△u3)은 상기 폴리싱패드의 온도(T_p) 가 낮아질 때에 더욱 크게 설정된다. 상기 가압력(u3)의 변량(△u3)은 상기 폴리싱패드의 온도(T_p)가 높아질 때에 더욱 작게 설정된다.

도 26은 도 24 및 도 25의 전항 변수(D2-D4, u3, Tp 등)의 멤버십 함수들을 도시한 그래프이다. 도 27은 후항 변수(△u3 등)의 멤버십 함수들을 도시한 그래프이다. 도 26의 전항변수축 상의 점(S1, S2)들을 변경함으로써, 상기 변수들의 높음과 낮음의 기준을 변경하는 것이 가능하다. 또한, 도 27의 후항변수축 상의 점(S3)을 변경함으로써, 조작 변수(△u3)(전항 변수들이 서로 같을 때의 조작 변수의 크기)의 민감성을 조정하는 것이 가능하다.

본 발명에 적용될 수 있는 퍼지룰은 도 24 및 도 25에 도시된 예시들로 국한되지는 아니한다. 퍼지룰은 필요에 따라 시스템의 특성들에 의해 정의될 수 있다. 또한, 전항 변수 및 후항 변수의 멤버십 함수들도 필요에 따라 정의될 수 있다. 논리곱셈법, 함축법(implication method), 집합법(aggregation method) 및 비퍼지화법(defuzzification method)과 같은 여하한의 추론 방법(inference method)들이 필요에 따라 선택될 수 있다.

상기 예시들에는, 디스코던스의 예측값들이 추론을 위해 계산되는 예측퍼지제어(predictive fuzzy control)가 채택된다. 센서의 출력값들이 완전히 변경되도록 폴리싱 조건들을 변경하기 위하여, 센서가 웨이퍼의 표면의 정보를 캡처할 때의 시간으로부터 실제 가압력이 새로운 값들로 완전히 교체될 때의 시간까지 수많은 단계들이 필요하다. 예를 들면, 센서로부터 모니터유닛으로의 출력신호의 트랜스 퍼, 모니터신호로의 변환 및 모니터신호의 평활, 가압력의 계산, 제어장치(54)로의 트랜스퍼, 압력조정유닛(45)(도 2 참조)으로의 지령, 및 가압기구(압력챔버)의 작동을 포함하는 수많은 단계들이 요구된다. 이에 따라, 신호파들이 조작 변수들의 변화를 완전히 반영할 때까지 1 또는 2초 내지 10초 정도가 필요하다. 따라서, 상기 예측제어는 응답 지연의 영향을 줄이면서 효과적인 제어를 수행하는데 효과적이다.

예를 들어, 적절한 수학적 모델을 정의하는 예측모델제어가 상술된 퍼지제어 이외에 예측제어방법으로 사용될 수도 있다. 상기 응답 지연을 포함하여 모델링이 행해지면, 제어성능을 추가로 개선하는 것이 예상된다. 이러한 시스템에서는, 제어 주기가 짧은 경우, 모니터신호가 조작 변수의 변화를 완전히 반영하기 전에, 후속 작업이 무의미하게 행해질 수도 있다. 또한, 조작 변수의 불필요한 변경 및 상기 신호들의 변동들이 유발될 수도 있다. 폴리싱 시간은 대체로 수십초 정도에서 수백초 정도이다. 이에 따라, 제어 주기가 과도하게 길면, 원하는 웨이퍼내 균일성이 달성되기 전에 폴리싱 종점이 성취된다. 그러므로, 상기 제어 주기는 1초 내지 10초의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.

예측제어방법으로서 예측모델제어가 채택되면, 로컬영역들에 인가되는 가압력들은 각각의 제어 주기에서의 다음과 같은 조건들 하에 현재 단계에서의 조작 변수로서 결정된다.

J = ∥Y_R - Y_P∥² + λ²∥△U_Q∥²

상기 첫번째 항은 차기 단계로부터 P번째 단계까지의 기준궤적(Y_R)과 예측응답(Y_P)간의 차이에 해당된다. 상기 두번째 항은 현재 단계로부터 Q번째 단계까지의 조작 변수의 변량(증분)에 해당된다. 두번째 항의 계수 λ² 이 크면, 조작 변수의 증분에 대한 가중치가 커지게 되어, 상기 조작 변수의 변량을 감소시키게 된다. 이와는 대조적으로, 상기 계수 λ² 이 작으면, 조작 변수의 변량이 커지게 된다. 구체적으로는 1/λ² 이 조작 변수의 민감도로서 간주될 수 있다.

도 28 및 도 29는 웨이퍼의 로컬영역들에서의 가압력의 변량들이 산술제어에 의해 계산되고, 상기 로컬영역들에서의 가압력들(= 현재값 + 변량) 중 여하한의 것이 소정의 상한 및 하한을 초과할 때에 행해지는 스케일링을 설명하는 그래프들이다.

본 발명의 제어에 따른 웨이퍼의 웨이퍼내 균일성에 관심이 끌리기 때문에, 단순히 가압력이 상한 또는 하한을 초과하는 영역에서만 가압력이 조정되어 상기 상한 및 하한 이내에 있게 된다면, 상기 영역들간의 평형을 잃게 되므로, 양호한 제어성능이 예상될 수 없게 된다. 이에 따라, 도 28에 도시된 예시에서는, 기준값이 가압력에 대해 설정된다. 가압력(= 현재값 + 변량)들과 기준값(도 28에 화살표로 도시됨) 사이의 각각의 영역들에서의 차이의 비율이 스케일링 이후에 유지되도록 변량들이 조정된다. 상기 기준값은 상기 상한 및 하한의 평균값 또는 소정의 표준값일 수도 있다. 이러한 스케일링은 로컬영역들에서의 가압력의 분포가 산술제어 에 의해 계산된 소정의 분포와 거의 같게 할 수 있다.

도 29에 도시된 일 례에서는, (도 29에 화살표들로 도시된) 각각의 영역들에서의 변량들의 비율이 스케일링 이후에 유지되도록 현재 가압력들로부터의 변량들의 관점에서 변량들이 조정된다. 상기 제어가 지금까지는 근사적으로 양호하게 수행되었다고 가정하면, 가압력들의 스케일링 변량들에 의해 양호한 제어가 달성될 수 있다. 도 28 및 도 29에서, 상한 및 하한은 상기 영역(C1-C4)에서 같다. 하지만, 상기 상한 및 하한은 각각의 영역들에서 상이한 값들로 설정될 수도 있다.

지금까지 상한 및 하한들이 각각의 영역들에서의 가압력들에 대해 설정되는 스케일링 방법이 기술되었다. 하지만, 상한이 인접한 영역들에서의 가압력들간의 차이에 대해 설정되거나 또는 상한 및 하한이 각각의 영역들에서의 가압력들의 변량(증분)들에 대해 설정되더라도, 가압력들은 상술된 것과 동일한 방식으로 스케일링될 수 있다. 또한, 상한 및 하한이 가압력의 변량들에 대해 설정되면, 조작 변수의 민감도(S3 또는 1/λ²)는 상기 가압력의 변량들에 대한 산술제어값이 상한 또는 하한을 초과할 때마다 더욱 작게 조정될 수도 있으므로, 상기 변량들이 상기 제한 이내의 범위에 있을 때까지 산술제어가 반복되게 된다.

도 30a 및 도 30b는 웨이퍼의 가압력들이 상술된 제어방법에 따라 제어될 때의 시뮬레이션 결과들을 보여준다. 도 30a에서, 모니터신호들은 1의 초기값(최대값) 및 0의 최후값(최소값)을 갖도록 정규화된다. 도 30a 및 도 30b에 도시된 예시에서는, 로컬지점들의 모니터신호값들이 폴리싱 개시 이후에 대략 50초 정도 수렴 하고, 상기 웨이퍼의 각각의 영역들에서의 가압력들은 상수값으로 근사화된다. 또한, 상기 가압력들은 폴리싱 개시 이후에 대략 80초 정도 완전히 수렴한다. 상기 모니터신호들은 0으로 되어, 폴리싱 개시 이후 대략 95초 정도의 폴리싱 종점을 보여준 다음 상수값을 갖게 된다.

따라서, 이렇게 만족스럽게 제어가 수행되는 경우에는, 로컬영역들의 가압력들이 상수값으로 수렴할 것이 예상된다. 이에 따라, 모니터신호들에 대한 임계값이 제공될 수 있다. 상기 제어는 각각의 영역들의 가압력들이 유지되도록 폴리싱 종점 이전에 소정의 시점에서 상기 임계값을 이용하여 중단된다. 따라서, 폴리싱 종점 부근의 가압력들의 변화없이 안정된 폴리싱이 보장되고, 디싱(dishing)과 같은 문제점들이 소거될 수 있다.

또한, 각각의 영역들에서의 가압력의 값은 폴리싱 이후에 기억장치에 저장된다. 가압력의 저장값들은 동일한 스펙을 갖는 웨이퍼가 폴리싱될 때에 사용될 수 있다. 따라서, 보통의 가압력들이 초기 폴리싱 동안에 인가될 수 있고, 폴리싱 시에 가압력들의 불필요한 변동들이 방지될 수 있다. 특히, 웨이퍼가 폴리싱 이전에 높은 웨이퍼내 균일성을 갖는 경우, 가압력들이 폴리싱 시에 거의 변하지 않으면서도 현저하게 안정한 폴리싱이 달성될 수 있다.

대안적으로는, 웨이퍼내 균일성이 초기에 높은 경우, 이러한 제어의 특성들이 초기 폴리싱 조건들을 결정하는데 사용될 수 있다. 종래에는, 프로세스 엔지니어가 독립하여 조작이 가능한 측정장치를 이용하여 웨이퍼의 폴리싱 및 막두께 분포의 측정을 반복하고, 시행착오에 의해 리테이너링 또는 웨이퍼의 로컬영역들에 인가되는 가압력과 같은 폴리싱조건들을 결정하여, 해결방안(recipe)을 만들어낸다. 이에 따라, 수많은 프로세스들이 요구되며, 시도를 위해 수많은 웨이퍼도 필요하다. 본 발명에 따른 폴리싱방법이 이러한 프로세스 초기화에 적용되면, 안정성의 관점에서 프로덕트 웨이퍼들의 폴리싱 시 폴리싱 조건들이 동적으로 변경될 수 없는 경우에도, 가압력과 같은 폴리싱 조건이 바로 결정될 수 있다. 따라서, 프로세스 엔지니어의 부담이 줄어들 수 있으며, 시도용 웨이퍼들이 절약될 수 있다.

프로덕트 웨이퍼들이 폴리싱되면, 모니터신호들은 상술된 것과 동일한 센서에 의해 얻어지는 감지신호들을 토대로 생성될 수도 있으므로, 상기 모니터신호들을 토대로 종점이 검출될 수 있게 된다. 상기 모니터신호들은 상술된 제어에서 사용되는 모니터신호들을 포함하여 이루어질 수도 있고 또는 여타의 변환방법들에 의해 생성될 수도 있다. 도 30a에 도시된 예시에서와 같이, 각각의 영역들의 모니터신호들은 폴리싱 종점 부근에서 거의 동일한 값을 가지며, 웨이퍼내 균일성은 상기 폴리싱 종점 부근에서 높다. 이에 따라, 오버폴리싱 시간이 단축되더라도, 금속막의 폴리싱 잔재가 전혀 보장되지 못한다. 따라서, 오버폴리싱에 기인하는 부식 또는 디싱과 같은 문제점들을 피할 수 있게 된다. 이와 유사하게, 광투과성 중간층 유전체(light-transmissive interlayer dielectric)의 경우, 웨이퍼내 균일성이 개선되면서도, 폴리싱 공정이 소정의 막두께로 정확하게 중단될 수 있다. 또한, 새로운 하드웨어가 필요하지 않기 때문에, 본 발명은 경제적이다.

본 발명에 따른 폴리싱방법은 복수의 스테이지를 포함하는 폴리싱 공정에 적용가능하다. 도 31은 하나의 웨이퍼가 N 스테이지를 포함하는 폴리싱 공정에 제공 되는 시스템 흐름을 도시한 블럭도이다. 폴리싱면의 드레싱과 같은 폴리싱 작업 이외의 작업들은 각각의 스테이지에 포함될 수도 있다. 또한, 폴리싱 조건들(폴리싱테이블 및 톱링의 회전속도, 폴리싱액, 톱링에 의한 가압력 등)이 각각의 스테이지에서 독립적으로 설정될 수도 있다. 또한, 본 발명에 따른 폴리싱방법은 폴리싱 공정에서의 모든 스테이지에 적용가능하다. 대안적으로는, 본 발명에 따른 폴리싱방법이 단지 필요한 스테이지에만 적용될 수도 있다.

모니터유닛(53) 내의 제어장치(53a)는 보통 정지상태(stopped state)에 있다. 폴리싱될 웨이퍼가 톱링 내에 로딩된 후에 폴리싱 준비가 완료되어 폴리싱테이블 위쪽으로 이동되면, 상기 제어장치(54)는 작동 지령을 내려, 상기 제어장치(53a)는 하드디스크와 같은 기억장치로부터 웨이퍼의 기준신호 또는 제어 파라미터와 같은 필수 정보를 판독하고, 상기 정지상태를 휴지상태(dormant state)로 시프트하게 된다.

폴리싱의 제1스테이지가 개시되면, 상기 제어장치(54)는 초기화 지령을 모니터유닛(53)으로 전송한다. 상기 제어장치(53a)는 폴리싱의 제1스테이지에 필요한 정보를 산술처리순서로 전달하고, 상기 산술처리순서에서 메모리를 초기화하며, 상기 휴지상태를 실행상태(running state)로 시프트시킨다.

그 후, 상기 산술처리순서는 모니터링부(53b)에 의해 센서의 출력신호를 토대로 생성되는 모니터신호(MS)에 대한 산술처리를 수행하기 위하여 상기 모니터유닛(53)의 제어장치(53a)에서 소정의 타이밍으로 연산됨으로써, 웨이퍼 등의 가압력을 계산하게 된다. 계산된 가압력은 제어장치(54)를 통해 톱링의 가압력을 조정하 는 압력조정유닛(45)으로 전달된다. 그 후, 폴리싱의 제1스테이지가 종료되면, 상기 제어장치(54)는 차단 지령을 모니터유닛(53)으로 전송하고, 상기 제어장치(53a)는 실행상태를 휴지상태로 시프트시킨다. 상술된 바와 같이, 종점 검출을 위한 모니터링 또는 계산 뿐만 아니라, 산술제어도 상기 모니터유닛(53)에서 수행된다. 이에 따라, CMP 장치로의 데이터 전송량이 적은 시스템이 여하한의 하드웨어를 추가하지 않고도 구성될 수 있다.

그 후, 본 발명에 따른 폴리싱방법이 적용되는 각각의 스테이지에서는, 실행상태로부터 휴지상태로의 유사한 프로세스들이 반복된다. 폴리싱의 최후 스테이지가 종료되면, 제어장치(54)는 완료 지령을 모니터유닛(53)으로 전송하고, 제어장치(53a)는 휴지상태를 정지상태로 시프트시킨다. 상기 예시들에서는, 톱링의 가압력들이 제어된다. 상기 톱링의 가압력 이외에도 리테이너링의 가압력들이 제어될 수도 있다.

폴리싱장치의 일 례가 상기 실시예에 기술되어 있다. 하지만, 본 발명은 여타의 기판처리장치에도 적용가능하다. 예를 들면, 본 발명은 도금장치 또는 화학기상성장(CVD)장치에도 적용될 수 있다.

도 32는 본 발명이 적용가능한 도금장치의 일 례를 도시한 단면도이고, 도 33은 도 32에 도시된 도금장치에서의 애노드를 도시한 평면도이다. 도 32 및 도 33에 도시된 바와 같이, 상기 도금장치는 스윙아암(300), 상기 스윙아암(300)의 자유단에 볼베어링(302)을 통해 연결된 하우징(304), 및 상기 하우징(304)의 하단부에서 개구부를 커버하도록 배치된 주입부재(impregnation member; 306)를 구비한다. 상기 주입부재(306)는 수잔자성(water retentivity)을 갖는 재료로 이루어진다.

상기 하우징(304)은 하우징(304)의 하부에 위치하는 내향돌출부(304a)를 구비한다. 상기 주입부재(306)는 주입부재(306)의 상부에 위치하는 플랜지부(306a)를 구비한다. 상기 주입부재(306)의 플랜지부(306a)는 상기 하우징(304)의 내향돌출부(304a)와 맞물리는 한편, 상기 플랜지부(306a)의 상부면 상에는 스페이서(308)가 위치하고 있다. 이러한 방식으로, 상기 주입부재(306)는 상기 하우징(304)에 유지되어 있다. 따라서, 도금용액챔버(310)가 상기 하우징(304) 내에 형성된다.

상기 스윙아암(300)은 서보모터를 포함하여 이루어지는 수직이동모터(312) 및 볼스크루(314)를 통해 수직방향으로 이동가능하도록 구성되어 있다. 이러한 수직이동기구는 공기 액추에이터(pneumatic actuator)를 포함하여 이루어질 수도 있다. 웨이퍼홀더(316)에 의해 웨이퍼(W)가 유지되어, 시일부재(318) 및 캐소드전극(320)들이 상기 웨이퍼(W)의 주변부와 접촉하게 된다.

상기 주입부재(306)는 알루미나, SiC, 멀라이트, 지르코니아, 티타니아 또는 코디어라이트와 같은 다공성 세라믹, 폴리프로필렌 혹은 폴리에틸렌의 소결된 컴팩트와 같은 경질 다공성 부재, 또는 이들 재료, 직포나 부직포의 착물로 형성된다. 예를 들어, 포어 직경이 30 내지 200 ㎛인 알루미나 세라믹 또는 포어 직경이 30 ㎛ 이하인 SiC가 채택되는 것이 바람직하다. 상기 주입부재(306)는 20 내지 95%의 다공성, 대략 1 내지 20 mm 정도의 두께, 바람직하게는 대략 5 내지 20 mm 정도의 두께, 더욱 바람직하게는 대략 8 내지 15 mm 정도의 두께를 가지는 것이 좋다. 예를 들어, 상기 주입부재(306)는 다공성이 30%이고 평균 포어 직경이 100 ㎛인 알루 미나로 만들어진 다공성 세라믹판으로 형성된다. 상기 주입부재(306)에는 도금용액의 전기전도도보다 낮은 전기전도도를 갖도록 하기 위하여 도금용액이 주입된다. 구체적으로는, 다공성 세라믹판이 그 자체로 절연부재이지만, 두께방향으로 상당히 긴 경로를 갖도록 하기 위하여 다공성 세라믹판 내로 도금용액이 복잡하게 도입된다. 따라서, 상기 주입부재(306)는 도금용액의 전기전도도보다 낮은 전기전도도를 갖도록 구성된다.

따라서, 상기 주입부재(306)는 상기 도금용액챔버(310) 내에 배치되어, 상기 주입부재(306)에 의해 고저항이 제공되도록 한다. 시드층과 같은 웨이퍼의 표면의 시트 저항(sheet resistance)이 무시할 정도로 감소되므로, 상기 웨이퍼의 표면의 시트 저항에 기인하는 상기 웨이퍼 상의 전류밀도의 차이가 감소되어, 도금막의 웨이퍼내 균일성을 개선할 수 있게 된다.

상기 도금용액챔버(310)에는 도금용액도입관(322)이 배치되고, 상기 도금용액도입관(322)의 하부면에는 애노드(324)가 부착되어 있다. 상기 도금용액도입관(322)은 도금용액공급원(도시안됨)에 연결된 도금용액도입구(322a)를 구비한다. 상기 하우징(304)은 하우징(304)의 상부면 상에 제공된 도금용액배출구(304b)를 구비한다.

상기 도금용액도입관(322)은 도금될 표면에 도금용액을 균일하게 공급하기 위하여 매니폴드 구조(manifold structure)를 가진다. 구체적으로는, 수많은 세관(tubules; 도시안됨)이 종방향으로 소정의 위치들에 연결되어, 상기 도금용액도입관(322)의 내부와 연통되어 있다. 상기 애노드(324) 및 주입부재(306)는 상기 세관 들에 대응하는 위치들에 형성된 미세한 구멍들을 구비한다. 상기 세관들은 상기 미세한 구멍들을 통하여 상기 주입부재(306)의 하부면 또는 그 근처로 하향 연장된다.

상기 도금용액도입관(322)으로부터 도입되는 도금용액은 상기 세관들을 통과하여, 상기 주입부재(306)의 하부에 도달한다. 따라서, 상기 도금용액은 상기 주입부재(306)의 내부를 통과한다. 또한, 상기 도금용액챔버(310)에는 도금용액이 충전되어, 상기 도금용액 내에 애노드(324)를 침지시키게 된다. 나아가, 상기 도금용액은 상기 도금용액배출구(304b)를 통해 배수될 수 있다. 상기 애노드(324)는, 상기 도금용액챔버(310) 안으로 도입되는 도금용액이 관통구멍들을 통하여 상기 주입부재(306) 안으로 흐르도록, 상기 애노드(324)를 수직방향으로 관통하는 수많은 관통구멍들을 포함할 수도 있다.

상기 애노드(324)는 일반적으로 슬라임(slime)의 생성을 방지하기 위하여 0.03% 내지 0.05% 포스포러스를 함유하는 구리로 만들어진다. 예컨대, 상기 실시예에서는, 백금 등으로 도금된 금속을 구비한 불용성 전극 또는 백금이나 티탄과 같은 불용성 금속을 포함하는 불용성 애노드가 상기 애노드(324)로서 채택된다. 불용성 애노드가 애노드(324)로 채택되기 때문에, 용해로 인하여 애노드(324)의 형상이 변하는 것이 방지된다. 이에 따라, 애노드(324)의 교체없이 일정한 방전상태가 계속해서 유지될 수 있다.

도 33에 도시된 바와 같이, 상기 애노드(324)는 상기 예시에서 동심으로 분할된 4개의 애노드(324a 내지 324d)를 포함한다. 상기 분할된 애노드(324a 내지 324d)의 인접한 분할된 표면들 사이에는 환형절연부재(326a 내지 326d)가 개재된다. 구체적으로는, 상기 애노드(324)는 애노드(324)의 중앙 영역에 위치한 고체원판의 형태인 제1분할애노드(324a), 상기 제1분할애노드(324a)를 둘러싸고 있는 환형의 제2분할애노드(324b), 상기 제2분할애노드(324b)를 둘러싸고 있는 환형의 제3분할애노드(324c), 및 상기 제3분할애노드(324c)를 둘러싸고 있는 환형의 제4분할애노드(324d)를 포함한다. 상기 제1분할애노드(324a)와 제2분할애노드(324b) 사이, 상기 제2분할애노드(324b)와 제3분할애노드(324c) 사이, 및 제3분할애노드(324c)와 제4분할애노드(324d) 사이에는 각각 환형절연부재(326a 내지 326c)가 개재된다. 상기 분할애노드(324a 내지 324d) 및 환형절연부재(326a 내지 326c)는 동일한 평면 상에 배치된다.

도 32에 도시된 바와 같이, 상기 캐소드전극(320)은 도금전원(328)의 애노드에 전기적으로 연결되고, 상기 애노드(324)는 상기 도금전원(328)의 캐소드에 전기적으로 연결된다. 상기 도금전원(328)에는 정류장치(330)가 연결되어 있다. 상기 정류장치(330)는 필요에 따라 흐르는 전류의 방향을 변경하고, 상기 제1분할애노드(324a)와 도금될 웨이퍼의 표면 사이, 제2분할애노드(324b)와 도금될 웨이퍼의 표면 사이, 제3분할애노드(324c)와 도금될 웨이퍼의 표면 사이, 및 제4분할애노드(324d)와 도금될 웨이퍼의 표면 사이에서 공급되는 개별적인 전압 또는 전류를 필요에 따라 조정할 수 있다.

예를 들어, 전류밀도가 초기 도금공정 시에 조정되어, 애노드(324)의 중앙부가 상기 애노드(324)의 주변부의 전류밀도보다 높은 전류밀도를 갖도록 한다(제4분 할애노드(324d) < 제3분할애노드(324c) < 제2분할애노드(324b) < 제1분할애노드(324a)). 따라서, 도금 전류 또한 웨이퍼(W)의 중앙부를 통해 흐른다. 또한, 도금용액을 그 내부에 유지하는 주입부재(306)에 고저항이 생성되어, 웨이퍼의 표면의 시트 저항이 무시할 정도로 감소되도록 한다. 웨이퍼가 보다 높은 시트 저항을 가지더라도, 이들 효과들은 상기 웨이퍼의 표면의 시트 저항에 기인하는 상기 웨이퍼 상의 전류밀도의 차이를 협력하여 감소시킨다. 따라서, 균일한 두께를 갖는 도금막이 신뢰성 있게 형성될 수 있다.

도 32에 도시된 바와 같이, 상기 주입부재(306)는 상기 웨이퍼의 표면 상의 막두께를 측정하기 위하여 상기 분할애노드(324a 내지 324d)에 대응하는 위치들에 배치된 센서(352)들을 포함한다. 와류센서 또는 광학센서를 포함하는 각종 센서들이 상기 센서(352)로서 사용될 수 있다. 상기 웨이퍼의 표면 상의 막두께는 상기 센서(352)들에 의해 측정된다. 상기 분할애노드(324a 내지 324d)에 인가되는 전압들은, 상기 막두께가 상술된 기준신호로 수렴하도록 제어된다.

도 34는 본 발명이 적용가능한 CVD 장치의 일 례를 도시한 수직단면도이다. 도 34에 도시된 바와 같이, 상기 CVD 장치는 증착챔버(400), 상기 증착챔버(400)의 상부에 배치된 가스분사헤드(402), 및 상기 증착챔버(400) 내에 배치된 열판(404)을 구비한다. 상기 열판(404)은 그 내에 히터(406) 및 웨이퍼 배치부 바로 밑 부분의 온도를 측정하기 위한 온도센서(408)를 하우징한다.

상기 증착챔버(400)는 웨이퍼(W)를 증착챔버(400)로 이송하고, 상기 증착챔버(400)로부터 웨이퍼(W)를 이송하기 위한 이송부(400a), 및 상기 증착챔버(400)의 내부로부터 공기를 배출하기 위한 배출부(400b)를 포함한다. 상기 이송부(400a)는 상기 증착챔버(400)의 내부를 상기 배출부(400b)를 통해 13.33 Pa(0.1 Torr) 이하의 저압으로 유지시키기 위한 게이트(410)를 구비한다.

상기 가스분사헤드(402)는 수많은 가스분사구멍(402a)을 포함하는 판형노즐판(402b), 라디칼 또는 원 가스와 같은 처리가스를 도입하기 위한 가스도입구(402c) 및 상기 가스를 교체하기 위한 가스배출구(402d)를 구비한다.

상기 열판(404)과 가스분사헤드(402) 사이에는 고주파 전원(412)에 의하여 고주파 전압(예컨대, 13.5 MHz 또는 60 MHz)가 인가될 수도 있다. 따라서, 상기 열판(404)과 가스분사헤드(402) 사이의 공간에는 플라즈마가 생성되어, 부착물을 세정하기 위해 사용될 수도 있다.

이렇게 구성된 가스분사헤드(402)에 있어서, 헤드챔버(402e)로 도입되는 처리가스는 상기 노즐판(402b) 내의 수많은 가스분사구멍(402a)으로부터 웨이퍼(W)를 향해 분사된다. 상기 가스분사구멍(402a)으로부터 분사되는 처리가스의 유동을 정류하여, 상기 유동을 감속하기 위한 확산기부재(diffuser members; 402f)가 상기 노즐판(402b)의 하부면 상에 장착된다. 각각의 확산기부재(402f)는 충분히 긴 길이를 가지므로, 상기 가스분사구멍(402a)으로부터 분사되는 처리가스가 상기 확산기부재(402f)를 떠난 직후에 균일한 유동이 되어, 상기 웨이퍼(W)의 표면에 도달하게 된다. 상기 확산기부재(402f)는 필요에 따라 확산기부재(402f)의 각도들을 조정하도록 액추에이터(도시안됨)에 결합되어 있다.

웨이퍼의 표면 상의 막두께를 측정하기 위한 센서(452)들이 상기 확산기부재 (402f)의 선단부에 부착된다. 이들 센서(452)들은 와류센서 및 광학센서를 포함하는 각종 센서들을 포함하여 이루어질 수도 있다. 상기 웨이퍼의 표면 상의 막두께는 상기 센서(452)들에 의해 측정된다. 각각의 확산기부재(402f)의 각도 및 처리가스의 유량은 상기 막두께가 상술된 기준신호로 수렴하도록 제어된다.

도 35는 본 발명이 적용가능한 CVD 장치의 가스분사헤드(500)를 도시한 수직단면도이다. 도 35에 도시된 바와 같이, 상기 가스분사헤드(500)는 2개의 가스분사노즐바디(501, 502)를 구비한다. 상기 2개의 가스분사노즐바디(501, 502)는 화살표 C로 도시된 바와 같이, 증착챔버(도시안됨)에 배치된 서셉터(susceptor; 504) 상에 놓여진 하나의 웨이퍼(W) 위쪽에서 왕복운동한다. 각각의 가스분사노즐바디(501, 502)는 그 저부 상에 형성된 수많은 가스분사구멍을 구비한다. 상기 가스분사노즐바디(501, 502)에 소정의 처리가스(G)가 공급되어, 상기 처리가스를 상기 가스분사구멍들로부터 웨이퍼(W)의 표면으로 분사시키게 된다.

상기 증착챔버의 내부는 저압(예컨대, 13.33 Pa(0.1 Torr) 이하)으로 유지된다. 상기 가스분사노즐바디(501)에는 수소 또는 수소 라디칼들이 공급되고, 상기 가스분사노즐바디(502)에는 Cu 유기금속재료용 가스가 공급된다. 상기 두 가스분사노즐바디(501, 502)는 일체형으로 왕복운동하거나 변경된 속도로 왕복운동한다. 또한, 공급되는 가스들은 첫번째 절반의 왕복운동이 완료될 때에 전환된다. 구체적으로는, Cu 유기금속재료용 가스가 가스분사노즐바디(501)로 공급되고, 수소 또는 수소 라디칼들이 가스분사노즐바디(502)로 공급된다. 그 후, 두번째 절반 왕복운동이 개시된다. 이들 동작들이 반복된다(또는 단 한번만 수행될 수도 있다). 따라서, Cu 박막이 상기 웨이퍼(W)의 상부면 상에 형성된다.

상기 가스분사노즐바디(501, 502)에는 웨이퍼의 표면 상의 막두께를 측정하기 위한 센서(552)들이 부착된다. 이들 센서(552)들은 와류센서 및 광학센서를 포함하는 각종 센서들을 포함하여 이루어질 수도 있다. 상기 가스분사노즐바디(501, 502) 양자 모두는 센서들을 구비하지 않을 수도 있고, 상기 가스분사노즐바디(501, 502) 중 하나가 센서를 구비할 수도 있다. 상기 가스분사노즐바디(501, 502)가 웨이퍼 상에서 왕복운동하면, 막두께 정보는 상기 웨이퍼(W)의 반경방향으로 얻어질 수 있다. 상기 가스분사노즐바디(501, 502)로부터 공급될 가스량(G)은 상기 막두께가 상술된 기준신호에 수렴하도록 제어된다. 예를 들어, 기준신호를 토대로 웨이퍼(W)의 전체 표면에 걸쳐 균일한 막두께가 달성되어야 하는 경우에는, 상기 가스들의 유량이 상기 가스분사노즐바디(501, 502)의 왕복운동과 동기되어 제어된다.

지금까지 본 발명의 소정의 바람직한 실시예들을 상세히 기술하였지만, 본 발명이 상기 실시예들로 국한되는 것은 아니다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 다양한 변형예 및 수정예들이 가능하다는 것은 자명한 사실이다.

본 발명은 반도체웨이퍼와 같은 기판을 폴리싱 및 평탄화하기 위한 폴리싱장치에 사용하기에 적합하다.

Claims (29)

1. 폴리싱장치에 있어서,

   폴리싱면을 구비한 폴리싱테이블;

   기판 상의 1이상의 영역에 인가되는 가압력을 제어하면서, 상기 폴리싱면에 대해 상기 기판을 가압하기 위한 톱링;

   상기 기판 상의 1이상의 측정점의 기판 상태를 모니터링하기 위한 센서;

   모니터신호를 발생시키기 위하여 상기 센서로부터의 신호에 대해 소정의 산술처리를 수행하기 위한 모니터유닛;

   상기 모니터신호용 기준값과 시간간의 관계를 나타내는 기준신호를 저장하기 위한 기억장치; 및

   상기 측정점의 모니터신호가 상기 기준신호에 수렴하도록, 상기 측정점의 모니터신호를 상기 기준신호와 비교하여 상기 톱링의 가압력을 제어하기 위한 제어장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 톱링은 상기 기판 상의 복수의 영역에 인가되는 가압력을 독립적으로 제어하도록 구성되며,

   상기 센서는 상기 기판 상의 복수의 측정점의 기판 상태를 모니터링하도록 작동가능한 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 톱링은 상기 기판 상의 복수의 영역에 가압력을 독립적으로 인가하기 위한 복수의 압력챔버를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 제어장치는 폴리싱 개시 시에 상기 복수의 측정점의 모니터신호들의 평균값을 계산하고, 상기 폴리싱 개시 시의 기준신호가 상기 평균값과 같게 되도록 상기 기준신호를 시계열(time series)에 대해 평행 이동하도록 작동가능한 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
5. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 제어장치는 원하는 시점의 폴리싱 공정에서의 상기 복수의 측정점의 모니터신호들의 평균값을 계산하고, 상기 원하는 시점에서의 기준신호가 상기 평균값과 같게 되도록 상기 원하는 시점 이후의 기준신호를 시계열에 대해 평행 이동하도록 작동가능한 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제어장치는, 상기 폴리싱 개시 시의 기준신호가 상기 폴리싱 개시 시의 상기 기판 상의 소정의 측정점의 모니터신호와 같게 되도록 상기 기준신호를 시계 열에 대해 평행 이동하도록 작동가능한 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제어장치는, 상기 원하는 시점에서의 기준신호가 상기 원하는 시점에서의 상기 기판 상의 소정의 측정점의 모니터신호와 같게 되도록 상기 원하는 시점의 폴리싱공정 이후의 기준신호를 시계열에 대해 평행 이동하도록 작동가능한 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제어장치는, 폴리싱 시간이 소정의 시간주기가 되도록 상기 폴리싱 개시 시에 상기 기준신호를 시계열에 대해 평행 이동하도록 작동가능한 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제어장치는, 원하는 시점의 폴리싱공정에서 상기 모니터신호와 같게 되는 기준신호의 시점을 계산하고, 상기 기준신호가 상기 모니터신호와 같게 되는 시점으로부터 상기 기준신호가 소정의 값이 되는 기준시점까지의 시간주기를 계산하도록 작동가능한 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 기준신호는, 상기 기판 상에 형성된 막의 유형, 적층구조체(laminated structure), 배선구조체(interconnection structure), 폴리싱액의 물리적 성질, 상기 폴리싱면의 온도, 상기 기판의 온도, 상기 폴리싱면을 형성하는 폴리싱툴의 두께 중 적어도 하나가 파라미터로서 설정되는 신호인 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

    현재 폴리싱공정에 사용되는 폴리싱면을 이용하여 과거 폴리싱공정 동안에 얻어진 모니터신호, 또는 이미 교체된 또다른 폴리싱면을 이용하여 과거 폴리싱공정의 초기 스테이지에서 얻어진 모니터신호가 상기 기준신호로서 사용되는 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 제어장치는 예측제어를 이용하여 상기 톱링의 가압력을 제어하도록 작동가능한 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
13. 제12항에 있어서,

    상기 제어장치의 제어주기는 1초 내지 10초의 범위 이내에 있는 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 모니터유닛은 상기 기판의 주변에지부에서의 측정점의 모니터신호를 배제하도록 작동가능한 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
15. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 모니터유닛은 상기 기판의 주변에지부에서의 측정점의 모니터신호를 보정하도록 작동가능한 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
16. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 센서는 와류센서, 광학센서, 및 마이크로파센서 중 하나 이상을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
17. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 센서는 상기 기판의 표면 상의 막두께를 측정하도록 작동가능한 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
18. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 폴리싱테이블과 상기 톱링간의 상대운동을 제공하기 위한 액추에이터를 더 포함하여 이루어지고,

    상기 센서는 상기 폴리싱테이블 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 폴리싱장 치.
19. 제18항에 있어서,

    상기 액추에이터는 상기 폴리싱테이블을 회전시키기 위한 모터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
20. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 제어장치는 폴리싱공정 시에 간헐적으로 상기 제어를 차단하도록 작동가능한 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
21. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 제어장치는 폴리싱 종점 이전에 상기 제어를 마무리하고, 그 때까지의 폴리싱 조건을 상기 폴리싱 종점까지 유지하도록 작동가능한 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
22. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 제어장치는, 하나의 기판의 폴리싱공정이 종료되는 시점에서의 폴리싱 조건을 또다른 기판의 폴리싱공정을 위한 초기 폴리싱 조건으로서 채택하도록 작동가능한 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
23. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 제어장치는 상기 모니터유닛의 신호를 토대로 폴리싱 종점을 검출하도록 작동가능한 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
24. 폴리싱장치에 있어서,

    폴리싱면을 구비한 폴리싱테이블;

    기판 상의 복수의 영역에 인가되는 가압력을 독립적으로 제어하면서, 상기 폴리싱면에 대해 상기 기판을 가압하기 위한 톱링;

    상기 기판 상의 복수의 측정점의 기판 상태들을 모니터링하기 위한 센서;

    모니터신호를 발생시키기 위하여 상기 센서로부터의 신호에 대해 소정의 산술처리를 수행하기 위한 모니터유닛; 및

    상기 모니터신호를 토대로 상기 톱링의 가압력들을 제어하기 위한 제어장치를 포함하여 이루어지고,

    상기 제어장치는, 상기 복수의 영역 중 하나 이상에 인가되는 가압력이 소정의 범위를 초과할 때, 상기 영역 모두에 인가되는 가압력이 소정의 범위 이내에 있도록 상기 복수의 영역에 인가되는 가압력들 또는 상기 가압력들의 변량들을 스케일링(scale)하도록 작동가능한 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
25. 폴리싱장치에 있어서,

    폴리싱면을 구비한 폴리싱테이블;

    기판 상의 복수의 영역에 인가되는 가압력을 독립적으로 제어하면서, 상기 폴리싱면에 대해 상기 기판을 가압하기 위한 톱링;

    상기 기판 상의 복수의 측정점의 기판 상태들을 모니터링하기 위한 센서;

    모니터신호를 발생시키기 위하여 상기 센서로부터의 신호에 대해 소정의 산술처리를 수행하기 위한 모니터유닛; 및

    상기 모니터신호가 극값(extreme)을 가질 때의 시점을 토대로 상기 톱링의 가압력들을 제어하기 위한 제어장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
26. 제25항에 있어서,

    상기 기판의 표면 상에는 비금속막이 형성되는 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
27. 폴리싱장치에 있어서,

    폴리싱면을 구비한 폴리싱테이블;

    기판 상의 복수의 영역에 인가되는 가압력을 독립적으로 제어하면서, 상기 폴리싱면에 대해 상기 기판을 가압하기 위한 톱링;

    상기 기판 상의 복수의 측정점의 기판 상태들을 모니터링하기 위한 센서;

    모니터신호를 발생시키기 위하여 상기 센서로부터의 신호에 대해 소정의 산술처리를 수행하기 위한 모니터유닛; 및

    상기 기판을 폴리싱하는 동안 상기 복수의 영역에 인가되는 가압력들의 감도를 조정하기 위하여, 상기 모니터신호를 토대로 상기 톱링의 가압력들을 제어하기 위한 제어장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
28. 폴리싱방법에 있어서,

    센서에 의해 기판 상의 1이상의 측정점의 기판 상태를 모니터링하는 단계;

    모니터신호를 발생시키기 위하여 상기 센서로부터의 신호에 대해 소정의 산술처리를 수행하는 단계;

    상기 모니터신호용 기준값과 시간간의 관계를 나타내는 기준신호와, 상기 측정점의 모니터신호를 비교하는 단계; 및

    상기 측정점의 모니터신호가 상기 기준신호에 수렴하도록, 상기 기판 상의 1이상의 영역에 인가되는 가압력을 제어하면서 상기 기판을 폴리싱하기 위해 상기 기판을 폴리싱면에 대해 가압하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리싱방법.
29. 폴리싱방법에 있어서,

    센서에 의해 기판 상의 1이상의 측정점의 기판 상태를 모니터링하는 단계;

    모니터신호를 발생시키기 위하여 상기 센서로부터의 신호에 대해 소정의 산술처리를 수행하는 단계;

    상기 모니터신호용 기준값과 시간간의 관계를 나타내는 기준신호와, 상기 측 정점의 모니터신호를 비교하는 단계; 및

    상기 측정점의 모니터신호가 상기 기준신호에 수렴하도록, 상기 기판의 기판 상태를 제어하면서 상기 기판 상에 막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폴리싱방법.

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