KR20110013896A - 기판 연마 장치 및 그의 처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공정 사고를 검출하기 위한 기판 연마 장치 및 그의 처리 방법에 관한 것이다. 기판 연마 장치는 스핀 헤드에 고정 지지된 웨이퍼의 표면에 접촉하여 기판을 평탄화하는 연마 헤드를 구비한다. 연마 헤드는 설정된 연마량에 대응되는 토크량에 의해 회전된다. 기판 연마 장치는 연마 공정 시, 연마 헤드의 토크량을 실시간으로 모니터링한다. 기판 연마 장치는 연마 헤드의 모니터링된 토크량이 설정된 토크량의 허용 범위 내에서 변동되면, 정상 동작으로 판별한다. 그러나 연마 헤드의 모니터링된 토크량이 설정된 토크량의 허용 범위 이외로 변동되면, 연마 헤드에 의해 발생 가능한 웨이퍼 슬립, 과부하, 이상 구동 및 정지 상태 등의 공정 사고로 판별한다. 본 발명에 의하면, 연마 공정 시, 연마 헤드의 토크량의 변화를 모니터링하여 공정 사고를 검출할 수 있다.

기판 연마 장치, CMP, 연마 헤드, 토크량, 모니터링, 웨이퍼 슬립

Description

기판 연마 장치 및 그의 처리 방법{SUBSTRATE POLISHING APPARATUS AND METHOD FOR TREATING THEREOF}

본 발명은 기판 처리 장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 매엽식 기판 연마 장치 및 그의 연마 헤드의 토크량을 모니터링하여 공정 사고를 검출하는 처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 소자의 제조 공정은 박막의 형성 및 적층을 위해 증착 공정, 사진 공정, 식각 공정 등 다수의 단위 공정들을 반복 수행해야만 한다. 웨이퍼 상에 요구되는 회로 패턴이 형성될 때까지 이들 공정은 반복되며, 회로 패턴이 형성된 후 웨이퍼의 표면에는 많은 굴곡이 생기게 된다. 최근 반도체 소자는 고집적화에 따라 그 구조가 다층화되며, 웨이퍼 표면의 굴곡의 수와 이들 사이의 단차가 증가하고 있다. 웨이퍼 표면의 비평탄화는 사진 공정에서 디포커스(Defocus) 등의 문제를 발생시키므로 웨이퍼의 표면을 평탄화하기 위해 주기적으로 웨이퍼 표면을 연마하여야 한다.

웨이퍼의 표면을 평탄화하기 위해 다양한 표면 평탄화 기술이 있으나 이 중 좁은 영역뿐만 아니라 넓은 영역의 평탄화에 있어서도 우수한 평탄도를 얻을 수 있 는 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing : CMP) 장치가 주로 사용된다. 화학적 기계적 연마 장치는 텅스텐이나 산화물 등이 입혀진 웨이퍼의 표면을 기계적 마찰에 의해 연마시킴과 동시에 화학적 연마재에 의해 연마시키는 장치로서, 아주 미세한 연마를 가능하게 한다.

일반적인 화학적 기계적 연마 장치는 연마 패드와 웨이퍼를 접촉하고 회전시켜서 웨이퍼 표면을 평탄화한다. 이 때, 화학적 기계적 연마 장치는 연마 패드와 웨이퍼가 접촉되는 부위에 슬러리 등의 처리액(연마재)을 공급한다. 그러나 이러한 화학적 기계적 연마 장치는 연마 공정 중에 웨이퍼가 슬립되거나 연마 패드의 회전을 위한 이상 구동 또는 하드웨어의 이상 등으로 인해 공정 사고가 빈번하게 발생되는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 공정 사고를 검출하기 위한 기판 연마 장치 및 그의 처리 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 매엽식 기판 연마 장치의 토크량을 모니터링하여 공정 사고의 원인을 보다 정확하게 검출하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적들을 달성하기 위한, 본 발명의 기판 연마 장치는 연마 공정 시, 연마 헤드의 토크량을 실시간으로 모니터링하는데 그 한 특징이 있다. 이와 같은 기판 연마 장치는 다양한 공정 사고를 검출 가능하게 한다.

이 특징에 따른 본 발명의 기판 연마 장치는, 기판을 고정하여 회전시키는 스핀 헤드와; 상기 스핀 헤드에 고정된 기판의 표면과 접촉하고, 회전되어 기판의 표면을 연마하는 연마 헤드와; 연마량에 대응하는 설정 토크량으로 상기 연마 패드를 회전시키는 구동 모터 및; 상기 설정 토크량으로 상기 연마 헤드가 회전되도록 상기 구동 모터를 제어하고, 상기 구동 모터의 토크량을 실시간으로 모니터링하고, 모니터링된 토크량이 상기 설정 토크량의 허용 범위에 적합한지를 검출하는 제어부를 포함한다.

한 실시예에 있어서, 상기 기판 연마 장치는; 상기 구동 모터를 상기 설정 토크량으로 구동시키고, 상기 구동 모터로부터 아날로그 신호의 상기 토크량을 실시간으로 감지하는 드라이브 및; 상기 드라이브로부터 모니터링된 아날로그 신호의 상기 토크량을 디지털 신호의 상기 토크량으로 변환하여 상기 제어부로 제공하는 컨버터를 더 포함한다.

다른 실시예에 있어서, 상기 연마 헤드는; 상기 스핀 헤드의 상부에 위치하고, 상기 기판 보다 작은 크기의 연마 패드를 구비하여 상기 기판의 표면을 국부적으로 연마한다.

또 다른 실시예에 있어서, 상기 연마 헤드는; 상기 스핀 헤드에 고정된 기판의 에지와 중심 영역 간에 스윙 이동 가능하다.

또 다른 실시예에 있어서, 상기 제어부는; 상기 토크량이 상기 설정 토크량의 허용 범위 미만으로 변동되면, 기판이 상기 스핀 헤드로부터 슬립(slip) 되었음을 검출하여 인터락을 처리한다.

또 다른 실시예에 있어서, 상기 제어부는; 상기 토크량이 상기 설정 토크량의 허용 범위를 초과되게 변동되면, 상기 연마 헤드가 정지되거나 과부하가 걸린 상태를 나타내는 인터락을 처리한다.

본 발명의 다른 특징의 기판 연마 장치는 스핀 헤드 및 연마 헤드를 각각 구동시키는 구동 모터들의 토크량을 실시간으로 모니터링한다.

이 특징에 따른 본 발명의 기판 연마 장치는, 기판을 고정하여 회전시키는 스핀 헤드와; 상기 스핀 헤드에 고정된 기판의 표면과 접촉하고, 회전되어 기판의 표면을 연마하는 연마 헤드와; 연마량에 대응하는 제 1 설정 토크량으로 상기 연마 패드를 회전시키는 제 1의 구동 모터와; 제 2 설정 토크량으로 상기 스핀 헤드를 회전시키는 제 2의 구동 모터 및; 상기 제 1 설정 토크량으로 상기 연마 헤드가 회 전되도록 상기 제 1의 구동 모터를 제어하고, 상기 제 2 설정 토크량으로 상기 스핀 헤드가 회전되도록 상기 제 2의 구동 모터를 제어하고, 상기 제 1 및 상기 제 2의 구동 모터 각각의 제 1 및 제 2 토크량을 실시간으로 모니터링하고, 모니터링된 상기 제 1 및 상기 제 2 토크량 각각이 상기 제 1 및 상기 제 2 설정 토크량 각각의 허용 범위에 적합한지를 검출하는 제어부를 포함한다.

한 실시예에 있어서, 상기 기판 연마 장치는; 상기 제 1의 구동 모터를 상기 제 1 설정 토크량으로 구동시키고, 상기 제 1의 구동 모터로부터 아날로그 신호의 상기 제 1 토크량을 실시간으로 감지하는 제 1 드라이브와; 상기 제 2의 구동 모터를 상기 제 2 설정 토크량으로 구동시키고, 상기 제 2의 구동 모터로부터 아날로그 신호의 상기 제 2 토크량을 실시간으로 감지하는 제 2 드라이브 및; 상기 제 1 및 상기 제 2 드라이브로부터 모니터링된 아날로그 신호의 상기 제 1 및 상기 제 2 토크량 각각을 디지털 신호의 상기 제 1 및 상기 제 2 토크량으로 각각 변환하여 상기 제어부로 제공하는 컨버터를 더 포함한다.

다른 실시예에 있어서, 상기 연마 헤드는; 상기 스핀 헤드의 상부에 위치하고, 상기 스핀 헤드에 지지된 기판의 에지와 중심 영역 간에 스윙 이동 가능하다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 기판 연마 장치의 처리 방법이 제공된다.

이 방법은, 상기 기판 연마 장치의 스핀 헤드 상에 기판을 고정하고, 상기 스핀 헤드의 상부에 연마 헤드를 제공하며, 상기 연마 헤드를 상기 기판 상에서 이동시켜서 상기 기판을 연마한다. 이 때, 상기 스핀 헤드 상에서 기판의 슬립 여부는 상기 스핀 헤드를 회전시키는 구동 모터 또는 상기 연마 헤드를 회전시키는 구 동 모터의 토크량을 모니터링하여 검출한다.

한 실시예에 있어서, 상기 연마 헤드를 상기 기판 상에서 이동시키는 것은; 상기 스핀 헤드에 고정된 상기 기판의 에지와 중심 영역 간을 스윙 이동시킨다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 기판을 고정하여 회전시키는 스핀 헤드와, 상기 스핀 헤드에 고정된 기판의 표면과 접촉하고, 회전되어 기판의 표면을 평탄화하는 연마 헤드 및 상기 연마 헤드를 회전시키는 구동 모터를 포함하는 기판 연마 장치의 처리 방법이 제공된다.

이 방법에 따르면, 연마 공정 레시피에 대응하여 상기 구동 모터의 설정 토크량을 설정한다. 연마 공정 시, 상기 구동 모터의 토크량을 실시간으로 모니터링한다. 이어서 상기 토크량의 변화가 상기 설정 토크량에 적합한 범위 이내에 있는지를 판별하여, 상기 기판 연마 장치의 오동작을 검출한다.

한 실시예에 있어서, 상기 검출하는 것은; 상기 토크량의 변화가 상기 설정 토크량의 허용 범위 미만으로 변동되면, 기판이 상기 스핀 헤드로부터 슬립 되었음을 검출하고, 상기 토크량의 변화가 상기 설정 토크량의 허용 범위를 초과되게 변동되면, 상기 연마 헤드가 정지되거나 과부하가 걸린 상태를 검출한다.

다른 실시예에 있어서, 상기 처리 방법은; 상기 오동작이 검출되면, 상기 기판 연마 장치의 인터락을 발생하는 것을 더 포함한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 기판 연마 장치는 스핀 헤드 및 연마 헤드 중 적어도 하나에 대한 토크량을 실시간으로 모니터링하여, 공정 사고를 신속하고 정 확하게 검출할 수 있다.

본 발명의 기판 연마 장치는 스핀 헤드 및 연마 헤드의 토크량을 실시간으로 모니터링하여, 공정 사고의 원인 예를 들어, 웨이퍼 슬립, 과부하, 이상 구동 및 정지 상태 등을 보다 정확하게 검출할 수 있다.

또 본 발명의 기판 연마 장치는 스핀 헤드 및 연마 헤드의 토크량을 실시간으로 모니터링하여, 토크량의 변동에 이상이 발생되면, 인터락을 제어하여 공정 사고를 최소화할 수 있다.

본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 서술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 구성 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.

이하 첨부된 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기판 연마 장치의 구성을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 기판 연마 장치(100)는 매엽식으로 기판(예를 들어, 웨이퍼)을 처리하는 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing : CMP) 장치로, 로딩/언로딩부(10), 인덱스 로봇(Index Robot)(20), 버퍼부(30), 메인 이송 로봇(Main Transfer Robot)(50), 다수의 기판 연마부(110) 및 제어부(102) 를 포함한다.

로딩/언로딩부(10)는 다수의 로드 포트(11a ~ 11d)를 포함한다. 이 실시예에 서 로딩/언로딩부(10)는 네 개의 로드 포트(11a ~ 11d)를 구비하나, 로드 포트(11a ~ 11d)의 개수는 기판 연마 장치(100)의 공정 효율 및 풋 프린트에 따라 증가하거나 감소될 수 있다.

로드 포트(11a ~ 11d)들 각각에는 웨이퍼들이 수납되는 캐리어 예를 들어, 풉(Front Open Unified Pod : FOUP)(12a ~ 12d)이 안착된다. 각 풉(12a ~ 12d)은 웨이퍼들을 지면에 대해 수평하게 배치한 상태로 수납한다. 풉(12a ~ 12d)에는 각 기판 연마부(110)에서 처리 완료된 웨이퍼들 또는 각 기판 연마부(110)에 투입할 웨이퍼들을 수납한다.

로딩/언로딩부(11)와 버퍼부(30) 사이에는 제 1 이송 통로(40)가 형성되고, 제 1 이송 통로(40)에는 제 1 이송 레일(42)이 설치된다. 인덱스 로봇(20)은 제 1 이송 레일(42)을 따라 이동하면서 로딩/언로딩부(10)와 버퍼부(30) 간에 웨이퍼들을 이송한다.

버퍼부(30)는 제 1 이송 통로(40)의 일측에 설치된다. 버퍼부(30)는 인덱스 로봇(20)에 의해 이송된 웨이퍼들을 수납하고, 기판 연마부(110)들에서 처리된 웨이퍼들을 수납한다.

메인 이송 로봇(50)은 제 2 이송 통로(60)에 설치된다. 제 2 이송 통로(60)에는 제 2 이송 레일(62)이 구비되고, 제 2 이송 레일(62)에는 메인 이송 로봇(50)이 설치된다. 메인 이송 로봇(50)은 제 2 이송 레일(62)을 따라 이동하면서, 버퍼 부(30)와 기판 연마부(110)들 간에 웨이퍼를 이송한다.

제 2 이송 통로(60)의 양측에는 복수 개의 기판 연마부(110)들이 배치되고, 각 기판 연마부(110)는 웨이퍼를 연마 및 세정 공정 처리한다. 기판 연마부(110)들은 적어도 두 개 이상의 기판 연마부(110)가 제 2 이송 통로(60)를 사이에 두고 서로 마주하게 배치된다. 또한 기판 연마부(110)들은 다층으로 배치될 수 있다. 이 실시예에서 기판 연마부(110)들은 평면상에서 볼 때 제 2 이송 통로(60) 양측에 각각 두 개씩, 제 2 이송 통로(60)를 따라 병렬 배치된다. 또 기판 연마부(110)들은 한 층에 두 개씩 두 개의 층으로 적층된다. 물론, 기판 연마부(110)들의 개수와 배치 구조는 기판 연마 장치(100)의 공정 효율 및 풋 프린트에 따라 다양하게 변형 가능하다.

따라서 기판 연마 장치(100)는 기판 연마부(110)들이 다수의 층 및 다수의 열로 배치되므로, 동시에 다수의 웨이퍼를 연마 및 세정할 수 있다.

한편, 각 기판 연마부(110)는 기판 연마 장치(100)의 제반 동작을 제어하는 제어부(102)와 전기적으로 연결되고, 제어부(102)의 제어에 따라 웨이퍼를 연마 및 세정한다. 즉, 제어부(102)는 기판 연마부(110)에 의한 웨이퍼의 연마량이 국부적으로 조절되도록 기판 연마부(110)를 제어하여 연마 균일도를 향상시킨다.

구체적으로 도 2 내지 도 5를 참조하여 기판 연마부(110)의 구성을 상세히 설명한다.

도 2는 도 1에 도시된 기판 연마부를 나타낸 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 기판 지지 유닛 및 용기 유닛의 일부 구성을 구체적으로 나타낸 부분 사시도 이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 기판 연마 장치(100)는 웨이퍼(W)의 상면을 연마하는 연마 공정 및 연마 공정 후 웨이퍼(W)의 표면을 세정하는 세정 공정을 하나의 기판 연마부(110) 내에서 순차적으로 처리한다.

기판 연마부(110)는 용기 유닛(bowl unit)(112), 기판 지지 유닛(120), 연마 유닛(130), 제 1 및 제 2 처리액 공급 유닛(140, 150), 브러쉬 유닛(160), 에어로졸 유닛(170) 및 패드 컨디셔닝 유닛(180) 등을 포함한다.

기판 지지 유닛(120)은 용기 유닛(112) 내부에 수용된다. 기판 지지 유닛(120)은 메인 이송 로봇(50)으로부터 이송된 웨이퍼(W)가 안착된다. 기판 지지 유닛(120)은 웨이퍼(W)의 연마 공정과 세정 공정이 이루어지는 동안 웨이퍼(W)를 지지 및 고정시킨다. 기판 지지 유닛(120)은 웨이퍼(W)가 안착되는 스핀 헤드(122)와, 스핀 헤드(122)와 결합되어 스핀 헤드(122)를 회전시키는 스핀축(124) 및, 스핀축(124)을 회전시키는 제 1 구동부(126)를 포함한다. 스핀축(124)은 스핀 헤드(122)의 하단 중앙에 결합된다. 스핀축(124)은 대체로 원기둥 형상을 가지며, 연마 공정 및 세정 공정이 진행되는 동안, 스핀 헤드(122)를 회전시킨다. 제 1 구동부(126)는 예컨대, 제 1 구동 모터로 구비되고, 연마 공정 및 세정 공정 시, 제어부(102)에 설정된 토크량에 대응하여 스핀 헤드(122)를 회전시킨다. 여기서 토크량은 공정 레시피에 따른 연마량에 대응하여 그 크기를 달리하여 설정된다.

용기 유닛(112)은 기판 지지 유닛(120)을 둘러싸고, 웨이퍼(W)의 연마 공정 및 세정 공정이 이루어지는 공정 공간을 제공한다. 용기 유닛(112)은 상부가 개방 되며, 개방된 상부를 통해 스핀 헤드(120)가 노출된다. 예를 들어, 용기 유닛(112)은 연마 및 세정 공정을 각각 처리하기 위한 제 1 및 제 2 처리 용기(bowl)를 포함한다. 용기 유닛(112)은 제 1 및 제 2 처리 용기에 대응하여 연마 및 세정 공정에서 사용된 처리액을 각각 회수하는 제 1 및 제 2 회수통(미도시됨) 및, 연마 및 세정 공정시, 각 공정에 따라 스핀 헤드(120)와 용기 유닛(112) 간의 수직 위치가 조절되도록 제 1 및 제 2 처리 용기를 상하로 이동시키는 승강 부재(미도시됨) 등을 포함한다.

한편, 용기 유닛(112)의 외측에는 연마 유닛(130), 제 1 및 제 2 처리액 공급 유닛(140, 150), 브러쉬 유닛(160), 에어로졸 유닛(170) 및, 패드 컨디셔닝 유닛(180)이 설치된다.

연마 유닛(130)은 기판 지지 유닛(120)에 고정된 웨이퍼(W)의 표면을 화학적 기계적으로 연마하여 웨이퍼(W)의 표면을 평탄화한다.

구체적으로 연마 유닛(130)은 도 4에 도시된 바와 같이, 연마 헤드(131), 유체 공급부(138), 회전부(swing part)(132) 및 제 2 구동부(134)를 포함한다.

연마 헤드(131)는 웨이퍼(W)와 접촉하여 표면을 연마하는 연마 패드가 구비되고, 연마 공정 시 스핀 헤드(122)에 고정된 웨이퍼(W)의 상부에 배치된다. 연마 헤드(131)는 웨이퍼(W)를 연마하는 처리액(CL)을 분사하면서 웨이퍼(W)에 접촉된 상태로 회전하여 웨이퍼(W)를 연마한다. 이 때, 연마 헤드(131)는 스핀 헤드(122)에 고정된 기판(W)의 에지와 중심 영역 사이를 스윙 이동된다. 연마 헤드(131)의 상부에는 유체 공급부(138)가 구비된다.

유체 공급부(138)는 연마 헤드(131)에 처리액(CL)을 제공하고, 제 2 구동부(134)로부터의 회전력을 회전부(132)를 통해 전달받아 연마 헤드(131)와 함께 회전한다. 예를 들어, 유체 공급부(138)는 웨이퍼(W)를 연마하기 위한 슬러리(slurry) 등의 처리액(CL)를 연마 헤드(131)로 공급한다. 유체 공급부(138)의 상부에는 회전부(132)가 설치된다.

회전부(138)는 막대 형상의 케이스 내부에 설치되어 제 2 구동부(134)로부터 제공되는 회전력을 유체 공급부(138) 및 연마 헤드(131)로 전달하는 벨트-풀리 어셈블리(132a ~ 132c)를 포함한다. 회전부(132)는 일측이 유체 공급부(138)에 결합되며, 타측이 제 2 구동부(134)에 결합된다.

제 2 구동부(134)는 회전부(132), 유체 공급부(138) 및 연마 헤드(131)를 회전시키는 적어도 하나의 구동 모터(136)를 구비한다. 예를 들어, 구동 모터(136)는 유체 공급부(138) 및 연마 헤드(131)를 자전 회전시키는 제 2 구동 모터(136a)와, 회전부(132)를 스윙 회전시키는 제3 구동 모터(136b) 및, 연마 헤드(131)의 수직 위치를 조절하는 제4 구동 모터(136c)를 포함한다.

제 2 구동 모터(136a)는 제3 구동 모터(136b)의 하단에 설치된다. 제3 구동 모터(136a)는 회전부(132)의 벨트-풀리 어셈블리(132a ~ 132c)에 회전력을 제공하고, 벨트-풀리 어셈블리(132a ~ 132c)는 제 2 구동 모터(136a)의 회전력을 유체 공급부(138) 및 연마 헤드(131)에 제공한다. 벨트-풀리 어셈블리(132a ~ 132c)는 구동 풀리(132a), 종동 풀리(132c) 및 벨트(132b)를 포함한다. 따라서 제 2 구동 모터(136a)의 회전력은 구동 풀리(132a), 벨트(132b) 및 종동 풀리(132c) 순으로 전 달되어, 유체 공급부(138) 및 연마 헤드(131)를 회전시킨다. 이를 위해 제어부(102)는 설정된 토크량에 대응하여 유체 공급부(138) 및 연마 헤드(131)를 회전시킨다. 여기서도 토크량은 공정 레시피에 따른 연마량에 대응하여 그 크기를 달리하여 설정되며, 제 1 구동 모터(126)의 설정된 토크량과 상호 작용하여 연마량이 조절 가능하다.

제3 구동 모터(136b)는 회전부(132)에 결합되고, 회전부(132)에 회전력을 제공한다. 제3 구동 모터(136b)는 시계 방향과 반시계 방향의 회전력을 교대로 반복적으로 제공한다. 이에 따라, 회전부(132)는 제 2 구동부(134)에 결합된 부분을 중심축으로하여 제 2 구동부(134)에 의해 스윙한다. 따라서 연마 공정 시, 연마 헤드(131)는 회전부(132)의 스윙 동작에 의해 웨이퍼(W)의 상부에서 원호 형태로 수평 왕복 이동할 수 있다.

제4 구동 모터(136c)는 시계 방향 및 반시계 방향의 회전력에 따라 상부에 배치되는 제 2 및 제3 구동 모터(136a, 136b)와 회전부(132)가 상하 이동하고, 이에 따라, 유체 공급부(138) 및 연마 헤드(131)가 상하 이동한다.

그리고 연마 헤드(131)는 플레이트 형상을 갖고, 대체로 원형의 링 형상을 갖는 연마 패드를 구비한다. 연마 헤드(131)는 연마 패드가 웨이퍼(W)의 표면을 가압하면서 회전하여 웨이퍼(W)의 표면을 연마한다. 연마 헤드(131)는 회전부(132)의 스윙 동작에 의해 웨이퍼(W)의 상부에서 수평 왕복 이동하고, 제 2 구동 모터(136a)에 의해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전한다.

즉, 연마 공정 시, 연마 헤드(131)는 웨이퍼(W)와 동일한 방향으로 회전할 수도 있고, 서로 다른 방향으로 회전할 수도 있다. 예컨대, 도 5a에 도시된 바와 같이, 연마 헤드(131) 및 웨이퍼(W)가 모두 반시계 방향으로 회전할 수 있다. 또는 도 5b에 도시된 바와 같이, 연마 헤드(131)는 시계 방향으로 회전하고, 웨이퍼(W)는 반시계 방향으로 회전할 수도 있다.

연마 헤드(131)는 연마 공정 시, 연마 패드의 하면을 웨이퍼(W)의 상면에 접촉시킨 상태에서 회전하여 웨이퍼(W)를 연마한다. 연마 패드는 웨이퍼(W) 보다 작은 크기의 지름을 갖고, 연마 공정 시 제 2 구동부(134)에 의해 스윙하면서 웨이퍼(W)를 연마한다. 이러한 연마 패드는 웨이퍼(W)보다 작은 크기를 가지므로 웨이퍼(W)를 국부적으로 연마할 수 있어, 특정 영역에서의 과연마를 방지할 수 있다.

다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 제 1 및 제 2 처리액 공급 유닛(140, 150)은 웨이퍼(W)의 연마 공정 및 세정 공정에 필요한 처리액을 기판 지지 유닛(120)에 고정된 웨이퍼(W)에 분사한다.

제 1 처리액 공급 유닛(140)은 용기 유닛(112)을 사이에 두고 연마 유닛(130)과 마주하게 설치되며, 용기 유닛(112)의 외측벽에 고정 설치된다. 연마 공정 또는 세정 공정 시, 제 1 처리액 공급 유닛(140)은 스핀 헤드(122)에 고정된 웨이퍼(W)에 처리액을 분사하여 웨이퍼(W)를 세정한다. 제 1 처리액 공급 유닛(140)은 용기 유닛(112)의 측벽 상단에 고정된 다수의 분사 노즐들을 구비하여, 웨이퍼(W)로 처리액을 분사한다. 분사 노즐들에서 분사되는 처리액은 웨이퍼(W)의 세정 또는 건조를 위한 처리액일 수도 있고, 건조를 위한 건조 가스일 수도 있다.

제 2 처리액 공급 유닛(150)은 용기 유닛(112) 및 제 1 처리액 공급 유 닛(140)을 사이에 두고 연마 유닛(130)과 마주하게 설치된다. 제 2 처리액 공급 유닛(150)은 처리액을 분사하는 약액 노즐을 구비하고, 세정 공정 시 스핀 헤드(122)에 고정된 웨이퍼(W)에 처리액을 분사하여 웨이퍼(W)를 세정한다. 제 2 처리액 공급 유닛(150)은 스윙이 가능하며, 세정 공정시 스윙 동작을 통해 약액 노즐을 스핀 헤드(122)의 상부에 배치시킨 상태에서 처리액을 분사한다.

브러쉬 유닛(160)은 연마 공정 후 웨이퍼(W) 표면의 이물질을 물리적으로 제거한다. 브러쉬 유닛(160)은 웨이퍼(W)에 표면에 접촉되어 웨이퍼(W) 표면의 이물질을 물리적으로 닦아 내는 브러쉬 패드를 구비하고, 스윙이 가능하다. 세정 공정시, 브러쉬 유닛(160)은 스윙 동작을 통해 브러쉬 패드를 스핀 헤드(122)의 상부에 배치시킨 상태에서 브러쉬 패드를 회전시켜 스핀 헤드(122)에 고정된 웨이퍼(W)를 세정한다. 브러쉬 유닛(160)의 일측에는 에어로졸 유닛(170)이 배치된다.

에어로졸 유닛(170)은 스핀 헤드(122)에 고정된 웨이퍼(W)에 처리액을 미세 입자 형태로 고압 분무하여 웨이퍼(W) 표면의 이물질을 제거한다. 예를 들어, 에어로졸 유닛(170)은 초음파를 이용하여 처리액을 미세 입자 형태로 분무한다. 그러므로 브러쉬 유닛(160)은 비교적 큰 입자의 이물질을 제거하는 데 사용되며, 에어로졸 유닛(170)은 브러쉬 유닛(160)에 비해 비교적으로 작은 입자의 이물질을 제거하는 데 사용된다.

그리고 패드 컨디셔닝 유닛(180)은 연마 유닛(130)이 홈 포트(home port)에서 대기 중일 때, 연마 유닛(130)을 세정 및 재생시킨다.

상술한 바와 같이, 기판 연마 장치(100)는 각 기판 연마부(110)에서 웨이 퍼(W)의 연마 공정 및 세정 공정이 모두 이루어지므로, 연마 공정 후 세정 공정용 챔버로 웨이퍼를 이송할 필요가 없고, 별도의 세정 공정용 챔버를 구비할 필요가 없다. 이에 따라, 기판 연마 시스템(100)은 웨이퍼(W)의 이송 시간 및 공정 시간을 단축시키고, 생산성을 향상시키며, 풋 프린트를 감소시킬 수 있다.

다음에는 본 발명에 따른 기판 연마 장치(100)의 스핀 헤드(122) 및 연마 헤드(131)의 토크량을 모니터링하여 이상 여부를 검출하기 위한 구성 및 동작을 설명한다.

도 6은 도 1에 도시된 기판 연마 장치의 토크 변화량을 모니터링하기 위한 구성을 도시한 블럭도이다.

도 6을 참조하면, 기판 연마 장치(100)는 스핀 헤드(122)를 회전시키는 제 1 구동 모터(126), 연마 헤드(131)를 회전시키는 제 2 구동 모터(136a), 제 1 구동 모터(126)를 구동하는 제 1 드라이브(106), 제 2 구동 모터(136a)를 구동하는 제 2 드라이브(108), 제어부(102)와 제 1 또는 제 2 드라이브(106, 108) 간의 신호 전송을 위한 아날로그-디지털 컨버터(AD/DA convertor)(104) 및, 설정된 각각의 토크량으로 제 1 및 제 2 구동 모터(126, 136a)를 제어하는 제어부(102)를 포함한다.

제 1 구동 모터(126)는 제어부(102)에 의해 설정된 토크량에 대응하여 스핀 헤드(122)를 회전시킨다. 제 1 구동 모터(126)는 스핀 헤드(122)를 회전시킬 때, 아날로그 펄스 신호를 제 1 드라이브(106)로 제공한다. 제 2 구동 모터(136a)는 제어부(102)에 의해 설정된 토크량에 대응하여 연마 헤드(131)를 회전시킨다. 제 2 구동 모터(136a) 또한 연마 헤드(131)를 회전시킬 때 발생되는 아날로그 펄스 신호 를 제 2 드라이브(108)로 제공한다.

제 1 및 제 2 드라이브(106, 108) 각각은 제 1 및 제 2 구동 모터(126, 136a) 각각으로부터 제공되는 아날로그 펄스 신호를 받아서 제어부(102)가 각각의 토크량을 실시간으로 모니터링할 수 있도록 아날로그 토크량을 출력한다.

아날로그-디지털 컨버터(104)는 제어부(102)로부터 설정된 토크량에 대응되는 디지털 제어 신호를 받아서 아날로그 제어 신호로 변환하고, 변환된 아날로그 제어 신호를 제 1 및 제 2 드라이브(106, 108)로 제공한다. 또 아날로그-디지털 컨버터(104)는 제 1 및 제 2 드라이브(106, 108) 각각으로부터 스핀 헤드(122) 및 연마 헤드(131)의 회전시 발생되는 아날로그 토크량을 받아서 디지털 토크량으로 변환하여 제어부(102)로 제공한다.

그리고 제어부(102)는 프로그램어블 로직 컨트롤러(PLC), 컨트롤러 및 컴퓨터 등으로 구비되고, 연마 및 세정 공정(예컨대, 공정 레시피)에 대응하여 제 1 및 제 2 구동부(126, 134)를 제어한다. 특히, 제어부(102)는 연마 공정 시, 공정 레시피에 설정된 연마량을 조절하기 위하여, 제 1 및 제 2 구동 모터(126, 136a)의 회전량을 제어한다. 이는 기판 연마 장치(100)의 연마량은 스핀 헤드(122)의 회전량과 연마 헤드(131)의 회전량이 상호 작용될 수 있기 때문이다.

즉, 제어부(102)는 스핀 헤드(122)와 연마 헤드(131)를 각각 회전시키는 제 1 및 제 2 구동 모터(126, 136a)의 토크량을 설정, 저장한다. 제어부(102)는 설정된 토크량에 대응하는 디지털 제어 신호를 아날로그-디지털 컨버터(104)로 제공한다. 제어부(102)는 아날로그-디지털 컨버터(104)로부터 실시간으로 디지털 토크량 을 받아서 제 1 및 제 2 구동 모터(126, 136a)의 토크량을 모니터링한다. 이를 통해 제어부(102)는 연마 공정이 진행되면, 실시간으로 스핀 헤드(122) 및 연마 헤드(131)의 회전량을 모니터링하여 토크량의 변동을 파악한다. 예를 들어, 제어부(102)는 모니터링된 토크량의 변동을 검출하여 웨이퍼가 슬립(slip)되거나 과부화, 이상 구동 및 정지 상태 등의 오동작을 판별한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 기판 연마 장치의 토크량 모니터링을 위한 처리 수순을 나타내는 플로우챠트이다. 이 수순은 제어부(102)가 처리하는 프로그램으로, 이 프로그램은 제어부(102)의 메모리 장치(미도시됨)에 저장된다.

도 7을 참조하면, 제어부(102)는 단계 S200에서 연마 공정에 대응하여 스핀 헤드(122) 및 연마 헤드(131)의 토크량을 설정, 저장한다. 즉, 제어부(102)는 연마량을 조절하기 위해, 공정 레시피에 제 1 및 제 2 구동 모터(126, 136a)의 토크량을 각각 설정한다.

단계 S202에서 웨이퍼(W)를 스핀 헤드(122)에 안착시킨다. 기판 연마 장치(100)는 메인 이송 로봇(50)이 버퍼부(30)로부터 웨이퍼(W)를 인출하여 기판 지지 유닛(120)의 스핀 헤드(122) 상에 웨이퍼(W)를 안착, 고정시킨다.

단계 S204에서 연마 헤드(131)를 웨이퍼(W) 상부로 이동시킨다. 연마 유닛(130)의 제 2 구동부(134)는 연마 헤드(131)를 웨이퍼(W)의 상부로 이동하고, 웨이퍼(W)와 인접하게 위치시킨다.

단계 S206에서 제 1 및 제 2 구동 모터(126, 136a) 각각을 설정된 토크량으로 제어하여 스핀 헤드(122) 및 연마 헤드(131)를 회전시켜서 연마 공정을 진행한 다. 이 때, 연마 유닛(130)은 처리액(CL)을 웨이퍼(W)에 분사하고, 이와 동시에 연마 헤드(131)를 웨이퍼(W)의 표면에 접촉시킨 상태에서 연마 헤드(131)의 중심축을 중심으로 회전시켜 웨이퍼(W)를 연마한다. 연마 공정시, 처리액(CL)은 연마 헤드(131)의 유체 공급부(138)에서 분사되며, 연마 헤드(131)는 자전과 동시에 스윙한다. 이 때, 연마 헤드(131)는 웨이퍼(W)와 동일한 방향으로 회전할 수 있고, 서로 다른 방향으로 회전할 수도 있다.

단계 S208에서 제 1 및 제 2 구동 모터(126, 136a)의 토크량을 실시간으로 모니터링한다. 즉, 제어부(102)는 아날로그-디지털 컨버터(104)로부터 실시간으로 토크량을 받아서 제 1 및 제 2 구동 모터(126, 136a)의 토크량을 모니터링한다. 이를 통해 제어부(102)는 연마 공정이 진행되면, 실시간으로 스핀 헤드(122) 및 연마 헤드(131)의 토크량의 변동을 파악한다.

단계 S210에서 토크 변화량이 정상 구간(도 8a 내지 도 8c의 ΔT) 내에 존재하는지를 판별한다. 여기서 정상 구간은 설정 토크량(도 8a 내지 도 8c의 T)에 의한 연마량이 공정 레시피에 설정된 연마량에 대응되는 허용 가능한 토크 변화량을 의미한다.

판별 결과, 토크 변화량이 정상 구간(ΔT) 내에서 모니터링되면, 이 수순은 단계 S206으로 진행하여 연마 공정을 계속 처리한다. 그러나 토크 변화량이 정상 구간(ΔT) 이외에서 모니터링되면, 이 수순은 단계 S212으로 진행하여 기판 연마 장치(100)의 인터락을 발생시킨다.

여기서는 기판 연마 장치가 연마 유닛(130)에 의한 웨이퍼(W)의 연마 공정이 완료된 다음의 후속 공정 즉, 세정 공정에 대한 설명을 생략하였으나, 도 2에 도시된 바와 같이, 브러쉬 유닛(160), 에어로졸 유닛(170), 제 1 및 제 2 처리액 공급 유닛(140, 150) 등을 이용하여 연마 공정 후, 웨이퍼를 세정, 린스 및 건조함은 당업자에게는 자명하다 하겠다.

계속해서, 도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 실시예에 따른 제 2 구동 모터(136a)의 토크 변화량을 모니터링한 파형도들이다. 이 실시예는 연마 헤드(131)를 모니터링하기 위한 것으로, 여기서 설정 토크량(T)은 연마 헤드(131)를 회전시키는 제 2 구동 모터(136a)의 토크량이다. 이 설정 토크량(T)은 제어부(102)에 설정, 저장된다.

즉, 도 8a를 참조하면, 이 파형(220)은 연마 공정 구간(t1 ~ t2)에서 제 2 구동 모터(136a)로부터 모니터링된 토크량의 변화를 나타낸다. 그러므로 모니터링된 토크량(220)이 설정 토크량(T) 및 공정 레시피에서 허용 가능한 범위인 정상 구간(ΔT) 이내에 존재한다. 즉, 이 파형(220)은 연마 공정 구간(t1 ~ t2) 내에서 정상적으로 처리되고 있음을 알 수 있다.

그러나 도 8b 및 도 8c를 참조하면, 연마 공정 구간(t1 ~ t2)에서 토크량이 갑자기 하강되거나 상승되는 시점(t3, t4)이 발생되었는데, 이는 각각 웨이퍼가 슬립(222)되어 스핀 헤드(122)로부터 이탈되거나, 과부하가 발생되어 연마 헤드(131)가 정지된 상태(224)를 나타낸다.

그러므로 제어부(102)는 토크량의 변화가 도 8b 또는 도 8c과 같이 모니터링되면, 기판 연마 장치의 설비 인터락을 발생시킨다. 이 때, 제어부(102)는 웨이퍼 슬립, 연마 헤드의 과부하, 구동 장치의 불량 등으로 정지 상태 등 이상 발생 요인에 대한 판별이 가능하다.

따라서 본 발명의 기판 연마 장치(100)는 연마 공정 중에 스핀 헤드(122) 및 연마 헤드(131)의 회전을 위한 토크량을 실시간으로 모니터링하여, 웨이퍼 슬립, 이상 구동 및 하드웨어 이상 등의 검출이 가능하다.

이상에서, 본 발명에 따른 기판 연마 장치의 구성 및 작용을 상세한 설명과 도면에 따라 도시하였지만, 이는 실시예를 들어 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기판 연마 장치의 구성을 도시한 도면;

도 2는 도 1에 도시된 기판 연마부의 구성을 도시한 사시도;

도 3은 도 2에 도시된 기판 연마부의 일부 구성을 도시한 도면;

도 4는 도 3에 도시된 연마 유닛의 구성을 도시한 사시도;

도 5a 및 도 5b는 도 2에 도시된 연마 유닛과 기판 지지 유닛의 동작 상태를 나타내는 도면들;

도 6은 도 1에 도시된 기판 연마 장치의 토크 변화량을 모니터링하기 위한 구성을 도시한 블럭도;

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 기판 연마 장치의 처리 수순을 나타내는 플로우챠트; 그리고

도 8a 내지 도 8c는 본 발명에 따른 토크 변화량을 모니터링한 파형도들이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

100 : 기판 연마 장치 110 : 기판 연마부

122 : 스핀 헤드 126, 136 : 구동 모터

130 : 연마 유닛 131 : 연마 헤드

Claims (14)

1. 기판 연마 장치에 있어서:

   기판을 고정하여 회전시키는 스핀 헤드와;

   상기 스핀 헤드에 고정된 기판의 표면과 접촉하고, 회전되어 기판의 표면을 연마하는 연마 헤드와;

   연마량에 대응하는 설정 토크량으로 상기 연마 패드를 회전시키는 구동 모터 및;

   상기 설정 토크량으로 상기 연마 헤드가 회전되도록 상기 구동 모터를 제어하고, 상기 구동 모터의 토크량을 실시간으로 모니터링하고, 모니터링된 토크량이 상기 설정 토크량의 허용 범위에 적합한지를 검출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 연마 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기판 연마 장치는;

   상기 구동 모터를 상기 설정 토크량으로 구동시키고, 상기 구동 모터로부터 아날로그 신호의 상기 토크량을 실시간으로 감지하는 드라이브 및;

   상기 드라이브로부터 모니터링된 아날로그 신호의 상기 토크량을 디지털 신호의 상기 토크량으로 변환하여 상기 제어부로 제공하는 컨버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 연마 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 연마 헤드는;

   상기 스핀 헤드의 상부에 위치하고, 상기 기판 보다 작은 크기의 연마 패드를 구비하여 상기 기판의 표면을 국부적으로 연마하는 것을 특징으로 하는 기판 연마 장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 연마 헤드는;

   상기 스핀 헤드에 고정된 기판의 에지와 중심 영역 간에 스윙 이동 가능한 것을 특징으로 하는 기판 연마 장치.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 제어부는;

   상기 토크량이 상기 설정 토크량의 허용 범위 미만으로 변동되면, 기판이 상기 스핀 헤드로부터 슬립(slip) 되었음을 검출하여 인터락을 처리하는 것을 특징으로 하는 기판 연마 장치.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 제어부는;

   상기 토크량이 상기 설정 토크량의 허용 범위를 초과되게 변동되면, 상기 연마 헤드가 정지되거나 과부하가 걸린 상태를 나타내는 인터락을 처리하는 것을 특징으로 하는 기판 연마 장치.
7. 기판 연마 장치에 있어서:

   기판을 고정하여 회전시키는 스핀 헤드와;

   상기 스핀 헤드에 고정된 기판의 표면과 접촉하고, 회전되어 기판의 표면을 연마하는 연마 헤드와;

   연마량에 대응하는 제 1 설정 토크량으로 상기 연마 패드를 회전시키는 제 1의 구동 모터와;

   제 2 설정 토크량으로 상기 스핀 헤드를 회전시키는 제 2의 구동 모터 및;

   상기 제 1 설정 토크량으로 상기 연마 헤드가 회전되도록 상기 제 1의 구동 모터를 제어하고, 상기 제 2 설정 토크량으로 상기 스핀 헤드가 회전되도록 상기 제 2의 구동 모터를 제어하고, 상기 제 1 및 상기 제 2의 구동 모터 각각의 제 1 및 제 2 토크량을 실시간으로 모니터링하고, 모니터링된 상기 제 1 및 상기 제 2 토크량 각각이 상기 제 1 및 상기 제 2 설정 토크량 각각의 허용 범위에 적합한지를 검출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 연마 장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 기판 연마 장치는;

   상기 제 1의 구동 모터를 상기 제 1 설정 토크량으로 구동시키고, 상기 제 1의 구동 모터로부터 아날로그 신호의 상기 제 1 토크량을 실시간으로 감지하는 제 1 드라이브와;

   상기 제 2의 구동 모터를 상기 제 2 설정 토크량으로 구동시키고, 상기 제 2의 구동 모터로부터 아날로그 신호의 상기 제 2 토크량을 실시간으로 감지하는 제 2 드라이브 및;

   상기 제 1 및 상기 제 2 드라이브로부터 모니터링된 아날로그 신호의 상기 제 1 및 상기 제 2 토크량 각각을 디지털 신호의 상기 제 1 및 상기 제 2 토크량으로 각각 변환하여 상기 제어부로 제공하는 컨버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 연마 장치.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,

   상기 연마 헤드는;

   상기 스핀 헤드의 상부에 위치하고, 상기 스핀 헤드에 지지된 기판의 에지와 중심 영역 간에 스윙 이동 가능한 것을 특징으로 하는 기판 연마 장치.
10. 기판 연마 장치의 처리 방법에 있어서:

    상기 기판 연마 장치의 스핀 헤드 상에 기판을 고정하고, 상기 스핀 헤드의 상부에 연마 헤드를 제공하며, 상기 연마 헤드를 상기 기판 상에서 이동시켜서 상기 기판을 연마하되;

    상기 스핀 헤드 상에서 기판의 슬립 여부는 상기 스핀 헤드를 회전시키는 구동 모터 또는 상기 연마 헤드를 회전시키는 구동 모터의 토크량을 모니터링하여 검출하는 것을 특징으로 하는 기판 연마 장치의 처리 방법.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 연마 헤드를 상기 기판 상에서 이동시키는 것은;

    상기 스핀 헤드에 고정된 상기 기판의 에지와 중심 영역 간을 스윙 이동시키는 것을 특징으로 하는 기판 연마 장치.
12. 기판을 고정하여 회전시키는 스핀 헤드와, 상기 스핀 헤드에 고정된 기판의 표면과 접촉하고, 회전되어 기판의 표면을 연마하는 연마 헤드 및 상기 연마 헤드를 회전시키는 구동 모터를 포함하는 기판 연마 장치의 처리 방법에 있어서:

    연마 공정 레시피에 대응하여 상기 구동 모터의 설정 토크량을 설정하고, 연마 공정 시, 상기 구동 모터의 토크량을 실시간으로 모니터링하고, 이어서 상기 토크량의 변화가 상기 설정 토크량에 적합한 범위 이내에 있는지를 판별하여, 상기 기판 연마 장치의 오동작을 검출하는 것을 특징으로 하는 기판 연마 장치의 처리 방법.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 검출하는 것은;

    상기 토크량의 변화가 상기 설정 토크량의 허용 범위 미만으로 변동되면, 기판이 상기 스핀 헤드로부터 슬립 되었음을 검출하고, 상기 토크량의 변화가 상기 설정 토크량의 허용 범위를 초과되게 변동되면, 상기 연마 헤드가 정지되거나 과부하가 걸린 상태를 검출하는 것을 특징으로 하는 기판 연마 장치의 처리 방법.
14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,

    상기 처리 방법은;

    상기 오동작이 검출되면, 상기 기판 연마 장치의 인터락을 발생하는 것을 더 포함하는 기판 연마 장치의 처리 방법.

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