KR20150047180A - 화학 기계적 연마 시스템의 저압 컨디셔너 - Google Patents

화학 기계적 연마 시스템의 저압 컨디셔너 Download PDF

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KR20150047180A KR1020130126917A KR20130126917A KR20150047180A KR 20150047180 A KR20150047180 A KR 20150047180A KR 1020130126917 A KR1020130126917 A KR 1020130126917A KR 20130126917 A KR20130126917 A KR 20130126917A KR 20150047180 A KR20150047180 A KR 20150047180A
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Abstract

본 발명은 화학 기계적 연마 시스템의 컨디셔너에 관한 것으로, 회전하는 연마 패드 상에서 웨이퍼을 연마하는 화학 기계식 연마 시스템의 컨디셔너로서, 회전 중심으로부터 연장되어 왕복 회전 운동하는 아암과; 상기 아암의 끝단부에 위치하여 상기 아암의 왕복 회전 운동에 따른 선회운동을 하는 표면 개질부와; 상기 아암의 끝단에서 회전 가능하게 설치되어, 상기 연마 패드와 접촉하여 상기 연마 패드의 표면을 미소 절삭하는 컨디셔닝 디스크와; 상기 회전 중심에 위치하여 상기 아암을 왕복 회전 운동하도록 구동하는 회전 구동부가 구비되고, 상기 아암을 상하로 이동시켜 상기 컨디셔닝 디스크를 통해 상기 컨디셔닝 디스크와 상기 아암의 자중보다 더 작은 가압력으로 상기 연마 패드를 가압할 수 있는 액츄에이터가 설치된 선회 중심체를; 포함하여 구성되어, 표면 개질부의 자중을 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 아암 끝단의 표면 개질부를 연마 패드로부터 멀어지는 상측으로 들어올리는 힘을 도입하는 것에 의하여, 디스크 홀더의 자중보다 작은 저압으로 연마 패드를 정교하게 제어하면서 가압하면서 개질할 수 있는 화학 기계적 연마 시스템의 컨디셔너를 제공한다.

Description

화학 기계적 연마 시스템의 저압 컨디셔너 {LOW PRESSURISED CONDITIONER OF CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS}
본 발명은 화학 기계식 연마시스템의 저압 컨디셔너에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 화학 기계적 연마 공정 중에 컨디셔닝 디스크를 고정하고 있는 디스크 홀더의 자중보다 더 낮은 가압력으로 가압하면서 연마 패드를 개질할 수 있는 화학 기계식 연마시스템의 저압 컨디셔너에 관한 것이다.
일반적으로 화학 기계식 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정은 연마층이 구비된 반도체 제작을 위한 웨이퍼 등의 웨이퍼과 연마 정반 사이에 상대 회전 시킴으로써 웨이퍼의 표면을 연마하는 표준 공정으로 알려져 있다.
도1은 종래의 화학 기계식 연마 시스템를 개략적으로 도시한 도면이다. 도1에 도시된 바와 같이, 상면에 연마 패드(11)가 부착된 연마 정반(10)과, 연마하고자 하는 웨이퍼(W)를 장착하여 연마 패드(11)의 상면에 접촉하면서 회전하는 연마 헤드(20)와, 연마 패드(11)의 표면을 미리 정해진 가압력으로 가압하여 미세하게 절삭하여 연마 패드(11)의 표면에 형성된 미공이 표면에 나오도록 하는 컨디셔너(30)로 구성된다.
연마 정반(10)은 웨이퍼(W)가 연마되는 폴리텍스 재질의 연마 패드(11)가 부착되고, 회전축(12)이 회전 구동되어 회전 운동한다.
연마 헤드(20)는 연마 정반(10)의 연마 패드(11)의 상면에 위치하여 웨이퍼(W)를 파지하는 캐리어 헤드(21)와, 캐리어 헤드(21)를 회전 구동하면서 일정한 진폭만큼 왕복 운동을 행하는 연마 아암(22)으로 구성된다.
컨디셔너(30)는 연마 패드(11)의 표면에 연마제와 화학 물질이 혼합된 슬러리를 담아두는 역할을 하는 수많은 발포 미공들이 막히지 않도록 연마 패드(11)의 표면을 미세하게 절삭하여, 연마 패드(11)의 발포 기공에 채워졌던 슬러리가 캐리어 헤드(21)에 파지된 웨이퍼(W)에 원활하게 공급하도록 한다.
이를 위하여, 컨디셔너(30)는 컨디셔닝 공정 중에 연마 패드(11)에 접촉하는 컨디셔닝 디스크(31)를 하우징(34)로 파지하고, 컨디셔닝 디스크(31)의 회전축(33)을 회전시키도록 하우징(34) 내부에 모터 및 기어박스 등이 내장된다. 그리고, 회전축(33)을 중심으로 선회(30d)하는 아암(35)의 끝단에 위치한 컨디셔닝 디스크(31)를 하방(31p)으로 가압하기 위하여, 하우징(34)의 내부에는 공압에 의하여 하방(31p)으로 가압하는 실린더가 설치되고, 회전 중심으로부터 하우징(34)에 이르도록 연장된 아암(35)이 스윕(sweep) 운동을 행하여, 연마 패드(11)의 넓은 면적에 걸쳐 발포 기공에 대한 미소 절삭을 행한다 한편, 컨디셔닝 디스크(31)는 연마 패드(11)의 미소 절삭을 위하여 연마 패드(11)와 접촉하는 면에 다이아몬드 입자가 부착될 수도 있다.
이와 같이 구성된 종래의 화학 기계식 연마 시스템는 연마하고자 하는 웨이퍼(W)를 캐리어 헤드(21)에 진공으로 흡착하여 웨이퍼(W)가 연마 패드(11)에 가압되면서 회전 구동되고, 동시에 연마 패드(11)가 회전하도록 작동한다. 이 때, 슬러리 공급부(40)의 공급구(42)로부터 공급된 슬러리는 연마 패드(11)에 형성되어 있는 수많은 발포 기공에 담겨진 상태로 연마 헤드(20)에 고정된 상태로 회전하는 웨이퍼(W)에 공급된다. 이 때, 연마 패드(11)는 지속적으로 가압되므로 발포 기공의 개구부가 점점 막히게 되어 웨이퍼(W)에 슬러리가 원활히 공급되지 못하는 현상이 발생된다.
이와 같은 문제를 해소하기 위하여, 컨디셔너(30)는 연마 패드(11)를 향하여 가압하는 실린더를 구비하여, 다이아몬드 입자와 같이 경도가 높은 입자가 부착된 컨디셔닝 디스크(31)를 가압하면서 회전시키고, 동시에 스윕 운동을 행함으로써,연마 패드(11)의 전체 면적에 걸쳐 분포된 발포 기공의 개구부를 지속적으로 미세 절삭하여, 연마 패드(11)상의 발포 기공에 담겨진 슬러리가 원활하게 웨이퍼(W)에 공급되도록 한다.
이 때, 컨디셔너(30)의 컨디셔닝 디스크(31)가 충분한 힘으로 가압하지 않으면 연마 패드(11)의 발포 기공의 개구부를 개방하지 못하여 슬러리가 웨이퍼(W)에 원활히 공급하지 못하는 문제점이 발생되며, 컨디셔닝 디스크(31)가 과도한 힘으로 가압하면 연마 패드(11)의 개구부를 개방시키기는 하지만 연마 패드(11)의 사용 수명이 짧아져 경제성이 악화되는 문제가 있다.
더욱이, 도1에 도시된 컨디셔너(30)는 컨디셔닝 디스크(31)를 가압하는 실린더가 아암(35)의 끝단부에 위치한 하우징(34)에 배치되고, 컨디셔닝 디스크(31)를 회전시키는 회전 모터도 하우징(34)에 배치되어, 하우징(34)의 자중이 매우 커지는 문제가 있다. 이는, 컨디셔닝 디스크(31)에 의해 연마 패드(11)를 높은 가압력으로 가압하는 경우에는 문제되지 않지만, 컨디셔닝 디스크(31)에 의해 연마 패드(11)를 낮은 가압력으로 가압하고자 할 경우에는, 하우징(34)의 자중에 의하여 연마 패드(11)를 낮은 가압력으로 가압하는 것 자체가 불가능해지는 문제를 야기한다.
따라서, 컨디셔닝 디스크(31)를 낮은 가압력으로 연마 패드(11)에 가압하면서 미세하게 연마 패드(11)를 개질할 수 있는 컨디셔너의 필요성이 절실히 대두되고 있다.
한편, 컨디셔닝 디스크(31)의 수직 방향으로 가해지는 힘은 미리 정해진만큼의 힘이 가압되도록 실린더가 제어되지만, 캐리어 헤드(20)에 의하여 웨이퍼(W)를 가압하는 힘의 편차 등의 원인에 의하여, 도3에 도시된 바와 같이 연마 패드(11)의 표면 높이(79)는 반경 방향으로의 마모량이 불균일하여 반경 방향에 걸쳐 불균일해지는 현상이 발생된다. 이로 인하여, 컨디셔닝 디스크(31)에 의하여 균일한 힘이 가압되더라도, 연마 패드(11)의 상태가 국부적으로 불균일한 상태가 그대로 유지되므로, 연마 패드(11)의 수많은 발포 기공에 담겨진 슬러리가 웨이퍼로 원활하게 전달되지 못하게 되는 문제가 야기되었다.
따라서, 연마 패드의 불균일한 마모 상태를 해소할 수 있는 컨디셔너의 필요성도 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 선회 운동을 하는 아암의 끝단에 위치한 표면 개질부의 자중 보다 낮은 가압력을 연마 패드를 가압하면서 개질할 수 있는 화학 기계적 연마 장치용 저압 컨디셔너를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드가 웨이퍼와의 마찰에 의하여 불균일하게 마모되더라도, 연마 패드의 표면 높이를 일정하게 유지하여 웨이퍼의 연마 품질을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 연마 패드의 마모 상태에 따라 가압력이 가변하여 도입함으로써, 연마 패드가 균일한 높이로 유지되도록 하여, 연마 패드 상에 도포되는 슬러리가 원활하게 웨이퍼에 전달되어 화학적 연마가 의도한 대로 이루어지도록 하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 연마 패드의 마모 상태에 따라 연마 패드 상에 가변되는 가압력이 정확하게 도입되도록 보정함으로써, 컨디셔너에 의하여 연마 패드가 전체적으로 일정하게 미소 절삭되어 연마 패드의 수명을 충분히 확보하면서도 웨이퍼에 슬러리를 원활하게 공급하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 회전하는 연마 패드 상에서 웨이퍼을 연마하는 화학 기계식 연마 시스템의 컨디셔너로서, 회전 중심으로부터 연장되어 왕복 회전 운동하는 아암과; 상기 아암의 끝단부에 위치하여 상기 아암의 왕복 회전 운동에 따른 선회운동을 하는 표면 개질부와; 상기 아암의 끝단에서 회전 가능하게 설치되어, 상기 연마 패드와 접촉하여 상기 연마 패드의 표면을 미소 절삭하는 컨디셔닝 디스크와; 상기 회전 중심에 위치하여 상기 아암을 왕복 회전 운동하도록 구동하는 회전 구동부가 구비되고, 상기 아암을 상하로 이동시켜 상기 컨디셔닝 디스크를 통해 상기 컨디셔닝 디스크와 상기 아암의 자중보다 더 작은 가압력으로 상기 연마 패드를 가압할 수 있는 액츄에이터가 설치된 선회 중심체를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템의 컨디셔너를 제공한다.
이는, 연마 패드를 가압하는 액츄에이터가 컨디셔닝 디스크의 상측에 위치하지 않고 아암의 회전 중심인 선회 중심체에 위치하여 아암을 매개로 컨디셔닝 디스크를 상하로 이동시키면서 가압력을 인가하도록 구성됨에 따라, 표면 개질부의 자중을 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 액츄에이터에 의하여 표면 개질부를 연마 패드의 상측으로 들어 올리는 것이 가능해지므로, 표면 개질부의 자중보다 작은 가압력으로 연마 패드를 가압하면서 개질시킬 수 있도록 하기 위함이다.
여기서, 상기 액츄에이터는 연직 방향으로 상기 아암을 이동시키는 것에 의하여, 컨디셔닝 디스크를 통해 연직 방향으로 가압력을 연마 패드 상에 가할 수 있다.
그리고, 상기 표면 개질부에는, 상기 컨디셔닝 디스크가 이탈하지 않게 고정하고 상기 컨디셔닝 디스크와 함께 회전하는 디스크 홀더와; 상기 디스크 홀더에 상기 가압력을 전달하는 피스톤 로드와; 디스크 홀더에 상기 가압력을 전달하는 피스톤 로드와; 상기 피스톤 로드가 상기 디스크 홀더에 도입하는 가압력을 받도록 설치되어 상기 가압력을 측정하는 하중 센서를; 더 포함하여, 상기 가압력이 실시간으로 측정됨으로써, 연마 패드의 반경 방향으로의 높이 편차에 부합하는 가압력이 도입되는 지를 실시간으로 감시할 수 있다.
그리고, 상기 컨디셔너에는, 상기 연마 패드의 높이 편차를 감지하는 높이편차 감지부를; 더 포함하여 구성되어, 상기 높이편차 감지부에 의하여 감지된 상기 연마 패드의 표면높이 분포에 따라, 상기 연마 패드의 높이가 높을수록 보다 높은 가압력이 도입된다.
이와 같이, 컨디셔닝 디스크에서 균일한 가압력으로 연마 패드의 표면을 미소 절삭하더라도, 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정을 위하여 연마 패드에 가압되는 힘의 분포가 균일하지 않게 되면, 연마 패드의 표면 높이가 반경 방향을 따라 불균일해지는 현상이 발생되므로, 연마 패드의 반경 방향으로의 높이 편차에 대응하여 컨디셔닝 디스크가 연마 패드를 가압하면서 미소 절삭하는 절삭량을 조절함으로써, 웨이퍼의 연마 공정 중에 연마 패드의 반경 방향으로의 힘의 편차가 존재하더라도, 연마 패드의 전체 표면이 동일한 높이를 유지하면서 슬러리를 웨이퍼에 균일하게 공급할 수 있게 된다. 이를 통해, 컨디셔너에 의한 연마 패드의 표면 전체에 개질 효과가 균일해지므로, 웨이퍼로 유입되는 슬러리의 양이 국부적으로 차이가 생기지 않아, 보다 우수한 품질로 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정을 행할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
여기서, 상기 연마 패드의 반경 방향으로의 표면 높이 편차는 상기 연마 패드의 상측에 위치한 비접촉 센서에 의해 감지될 수도 있고, 상기 표면 개질부에는 상기 연마 패드와 접촉하는 접촉 센서가 구비되어, 접촉 센서에 의해 감지될 수도 있다.
한편, 상기 피스톤 로드는 상기 컨디셔닝 디스크의 회전 중심과 동축상에 위치하여 가압력을 전달하는 것이 가장 효과적이다. 그리고, 상기 하중 센서는 상기 피스톤 로드와 컨디셔닝 디스크 사이에 개재됨으로써, 피스톤 로드가 하중 센서를 통하여 컨디셔닝 디스크에 가압력을 전달함으로써, 컨디셔닝 디스크에 가해지는 가압력을 직접 측정할 수 있다.
무엇보다도, 상기 연마 패드의 표면 높이의 측정은 화학 기계적 연마 공정 중에 실시간으로 행해지고, 상기 컨디셔닝 디스크에 가해지는 상기 가압력은 실시간으로 측정되는 상기 연마 패드의 표면 높이 측정값에 따라 실시간으로 변동된다.
그리고, 상기 하중 센서에 의해 측정된 측정 가압력이 상기 표면 높이에 따라 도입하고자 하는 가압력과 차이가 있으면, 상기 피스톤 로드에 인가하는 가압력을 보정하는 제어부를; 더 포함하여 구성되어, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드의 표면 높이가 불균일해지는 조건이 발생되더라도, 컨디셔너 디스크에 의해 가압되는 가압력이 연마 패드의 표면 높이 변화에 부합하게 변동되면서 연마 패드의 표면을 평탄하게 유지할 수 있도록 한다.
본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 "연마 패드의 반경 방향으로의 표면 높이값", "연마 패드의 반경 방향으로의 패드 높이" 및 이와 유사한 용어는 '연마 패드의 바닥면으로부터 표면까지의 절대적인 높이'를 당연히 포함할 뿐만 아니라, '연마 패드의 표면 높이의 편차'로서 상대적인 높이를 포함하는 것으로 정의하기로 한다.
본 발명에 따르면, 연마 패드를 가압하는 액츄에이터가 아암의 회전 중심인 선회 중심체에 위치하여 아암을 매개로 컨디셔닝 디스크를 상하로 이동시키면서 가압력을 컨디셔닝 디스크에 인가하도록 구성됨에 따라, 표면 개질부의 자중을 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 아암 끝단의 표면 개질부를 연마 패드로부터 멀어지는 상측으로 들어올리는 힘을 도입하는 것에 의하여, 디스크 홀더의 자중보다 작은 저압으로 정교하게 제어하면서 연마 패드를 개질할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은, 연마 패드의 반경 방향으로의 높이 편차에 대응하여 컨디셔닝 디스크의 가압력을 조절함으로써, 연마 패드의 전체 표면이 동일한 높이를 유지하도록 컨디셔너가 연마 패드를 미소 절삭하므로, 연마 패드에 공급되는 슬러리를 웨이퍼에 항상 균일하게 공급할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이를 통해, 본 발명은, 컨디셔너에 의한 연마 패드의 표면 전체에 개질 효과가 균일해짐에 따라, 보다 우수한 품질로 웨이퍼의 화학 기계적 연마 공정을 행할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도1은 일반적인 화학 기계적 연마 시스템의 구성을 도시한 평면도,
도2는 도1의 정면도,
도3은 도2의 절단선 3-3에 따른 연마 패드의 표면 높이의 분포도,
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 시스템의 컨디셔너의 구성을 도시한 사시도,
도5는 도4의 표면 개질부의 확대 측면도,
도6은 도5의 'A'부분의 확대도,
도7은 도4의 선회 중심체의 확대 종단면도,
도8은 도4의 표면 개질부의 하중 센서 및 피스톤 로드의 구성의 확대 사시도,
도9는 연마 패드의 측정된 표면 높이값에 따른 가압력을 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마장치의 컨디셔너(100)를 상술한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해서는 동일 또는 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 시스템의 컨디셔너의 구성을 도시한 사시도, 도5는 도4의 표면 개질부의 확대 측면도, 도6은 도5의 'A'부분의 확대도, 도7은 도4의 선회 중심체의 확대 종단면도, 도8은 도4의 표면 개질부의 하중 센서 및 피스톤 로드의 구성의 확대 사시도, 도9는 연마 패드의 측정된 표면 높이값에 따른 가압력을 도시한 그래프이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마장치의 컨디셔너(100)는, 웨이퍼(W)가 가압하는 연마 패드(11)의 표면을 왕복 선회 운동(120d)을 하면서 개질하는 표면 개질부(110)와, 표면 개질부(110)를 일단부에 설치한 상태로 회전축(122)의 회전에 따라 왕복 회전 운동을 하는 아암(120)과, 아암(120)의 타단부에 설치되어 아암(120)의 회전 중심이 되는 선회 중심체(170)와, 아암(120)의 타단부에 설치되어 아암(120)을 연직 방향(120y)으로 들어올리거나 내리는 것에 의하여 아암(120)의 일단부에 설치된 컨디셔닝 디스크(111)의 가압력을 조절하는 액츄에이터(130)와, 컨디셔닝 디스크(111)가 연마 패드(11)를 가압하는 가압력을 측정하는 하중 센서(140)와, 컨디셔닝 디스크(111)를 회전(110d)시키는 구동 모터(150)와, 연마 패드(11)의 반경 방향으로의 표면 높이를 측정하는 패드높이 측정부(90, 190)와, 패드높이 측정부(90, 190)로부터 측정된 연마 패드(11)의 높이 편차에 따라 엑츄에이터(130)의 가압력을 조절하는 제어부(160)로 구성된다.
상기 표면 개질부(111)는 연마 정반(10) 상의 연마 패드(11)의 표면에 접촉한 상태로 소정의 각도 범위 내에서 선회 회전 경로를 따라 이동하면서 연마 패드(11)의 표면을 미소 절삭하는 컨디셔닝 디스크(111)와, 컨디셔닝 디스크(111)가 이탈하지 않게 고정하고 컨디셔닝 디스크(111)와 함께 회전하는 디스크 홀더(112)와, 액츄에이터(130)에서 발생된 수직력(130y)을 디스크 홀더(112)에 전달하는 피스톤 로드(113)로 구성된다. 컨디셔닝 디스크(111)의 표면은 연마 패드(11)의 재질에 따라 미소 절삭할 수 있는 재질로 형성된다.
상기 아암(120)은 소정의 각도 범위로 회전하는 회전축(122)에 연동되어 120d로 표시된 방향으로 회전 운동을 한다. 이에 따라, 표면 개질부(110)는 아암(120)의 일단에서 선회 운동을 하게 된다.
상기 선회 중심체(170)는 아암(120)의 회전 중심에 위치하여, 컨디셔닝 디스크(111)가 연마 패드(11)의 반경 길이만큼 왕복 선회 운동을 할 수 있도록, 정해진 회전각만큼 아암(120)을 왕복 회전 운동(20d)을 시킨다. 이를 위하여, 선회 중심체(170)에는 선회 모터(175)가 설치되어, 아암(120)을 회전(120r)시킨다. 이 때, 선회 모터(175)는 다양한 형태로 설치될 수 있지만, 도7에 예시된 바와 같이, 중앙부에 고정자(175s)가 배치되고 이를 둘러싸는 외주면에 회전자(175s)가 배치되는 아우터 모터로 설치될 수도 있다.
그리고, 선회 중심체(170)의 상단 외주면(170z)은 아암(120)의 일단부 하단 내주면(120z)과 상대 회전 운동이 가능하지만, 이들(120z, 170z) 사이는 유격이 거의 없도록 엄격한 공차로 조립된다. 이에 따라, 선회 중심체(170)는 위치 고정되어 있으면서, 액츄에이터(130)의 플런저(133)에 고정자(175s)가 고정된 선회 모터(175)에 의하여, 이들(120z, 170z) 사이의 공차에 따른 처짐없이 아암(120)이 왕복 회전 운동을 할 수 있게 된다.
상기 액츄에이터(130)는 선회 중심체(170)의 수용 공간(170a)에 몸체(131)가 설치되고, 몸체(131)로부터 플런저(133)가 인입되거나 인출되는 것(130y)에 의해 아암(120)을 들어올리거나 들어내리는 작용(120y)을 구현한다. 이에 따라, 아암(120)을 매개로 하여 하방(130y)으로 가압하는 가압력(Fr)을 컨디셔닝 디스크(111)에 인가하여, 컨디셔닝 디스크(111)를 통해 연마 패드(11)를 가압하여 연마 패드(11)의 표면이 개질되도록 한다.
상기 하중 센서(140)는 도5에 도시된 바와 같이 디스크 홀더(112)와 피스톤 로드(113)의 사이에 개재된다. 이에 따라, 액츄에이터(130)에서 발생된 수직력(130y)이 아암(120)과 피스톤 로드(113)를 통해 컨디셔닝 디스크(111)에 수직력(130y')으로 전달되면, 피스톤 로드(113)와 컨디셔닝 디스크(111)의 사이에서 연마 패드(11)를 가압하는 가압력(Fr)를 직접 측정할 수 있게 된다..
하중 센서(140)는 로드셀과 같이 하나의 몸체로 구성될 수도 있으며, 회전축의 회전각에 따라 다수로 분절되어 회전각에서의 가압력을 측정할 수도 있다. 이를 위하여, 하중 센서(140)는 디스크 홀더(112) 및 피스톤(113)과 함께 회전하지 않도록 설치되는 것이 좋다.
즉, 디스크 홀더(112)의 회전축(112a)에 형성된 돌기(112p')는 하중 센서(140)가 설치된 상태에서는 하중 센서(140)와 상대 회전이 가능하도록 저면으로부터 이격된 위치에만 돌출된다. 그리고 하중 센서(140)의 상면과 저면에는 도면에 도시되지 않았지만 축력을 수용하면서 상대 변위를 허용하는 스러스트 베어링이 설치된다. 그리고, 도면에 도시되지 않았지만, 하중 센서(140)의 각 외주면은 디스크 홀더(112)를 감싸는 하우징에 고정되어 절대 회전 변위가 구속되고, 하우징을 통해 신호선이 제어부(160)로 연결될 수도 있다.
따라서, 하중 센서(140)의 각 분절 모듈(140a, 140b, 140c, 140d)은 회전하지 않은 상태로 디스크 홀더(112)에 가해지는 가압력(Fr) 성분을 회전각에 따라 각각 측정한다. 이를 통해, 컨디셔닝 디스크(111)가 회전하는 동안 어느 일측으로 치우쳐 편하중이 크게 작용하는지 여부를 감지할 수 있다. 이와 같이 편하중이 작용하는 것으로 감지된 경우에는, 피스톤 로드(113)가 분절된 경우에는 각 피스톤 로드(113)에 인가되는 수직력의 편차를 조절하여, 컨디셔닝 디스크(111)에 의해 가해지는 수직력(130y)을 전체 면적에 걸쳐 균일하게 되도록 할 수 있다.
한편, 하중 센서(140)는 로드셀로 구성될 수도 있지만, 도9에 도시된 바와 같이 압축 변위 또는 휨 변위(도면에서는 압축 변위가 발생되는 것으로 예를 들었지만, 휨 변위가 유발되도록 하중 센서의 형상이나 배치를 구성할 수도 있음)에 따른 변형량을 스트레인 게이지(145x)로 검출하여, 이로부터 디스크 홀더(112)에 도입되는 수직력(130y)을 측정할 수도 있다. 이 때, 스트레인 게이지(145x)는 쿼터 브리지 형태의 휘스톤 브리지(145)를 구성하여 수직력(130y)을 측정할 수도 있지만, 측정 민감도를 높이고 방향에 따른 편차를 보상하기 위하여 하프 브리지 또는 풀 브리지로 구성할 수도 있다. 도면 중 미설명 부호인 E는 휘스톤 브리지(145)에 공급하는 브리지 전압이고, R은 전기 저항이며, G는 검류계이다.
그리고, 분절 형태의 하중 센서(140')로 설치되지 않는 경우에는, 하중 센서(140)는 피스톤 로드(113)는 디스크 홀더(112)와 함께 회전하도록 구성될 수 있다. 이 때, 디스크 홀더(112)의 상방으로 뻗은 회전축(112a)에는 회전 토크를 전달받은 돌기(112p)가 형성되고, 하중 센서(140) 및 피스톤 로드(113)에는 이 돌기(112p) 및 축(112a)이 관통하는 구멍(113a) 및 홈(140x, 113h)이 형성된다. 즉, 하중 센서(140)를 지지하는 스러스트 베어링이 설치되지 않고, 하우징에 하중 센서(140)가 고정되지 않아, 하중 센서(140)는 디스크 홀더(112) 및 피스톤 로드(113)와 함께 회전하며, 하중 센서(140)로부터의 신호선은 도면에 도시되지 않았지만 슬립링을 통해 외부의 신호처리 기기에 연결될 수도 있다.
상기 구동 모터(150)는, 아암(120)의 일단부에 설치되어 피스톤 로드(113) 및 이와 맞물린 디스크 홀더(112)를 통해 컨디셔닝 디스크(111)를 회전 구동시킨다. 즉, 컨디셔닝 디스크(111)는 구동 모터(115)에 의해 회전 구동되면서, 액츄에이터(130)로부터의 수직력(130y)을 전달받아 연마 패드(11)의 표면을 가압한다.
상기 패드높이 측정부(90, 190)는 연마 패드(11)의 반경 방향으로의 표면 높이를 측정한다. 이 때, 패드높이 측정부(90, 190)에 의하여 얻어지는 표면 높이는 연마 패드(11)의 바닥면으로부터 표면까지의 절대적인 높이를 포함하지만, 연마 패드(11)의 표면 높이의 편차로서 상대적인 높이를 포함한다.
도4에 도시된 바와 같이, 패드높이 측정부(90)는 연마 패드(11)의 중심부로부터 반경 바깥쪽을 향하는 경로(99)로 광을 조사하고, 연마 패드(11)로부터 수신되는 광으로부터, 반경 방향을 따르는 연마 패드(11)의 표면 높이(79)의 분포를 비접촉 방식으로 구할 수 있다. 이 때, 패드 높이 측정부(90)는 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 동안 지속적이고 실시간으로 반경 방향으로의 패드 높이값을 측정하여, 이를 제어부(160)로 전송한다.
도6에 도시된 바와 같이, 패드높이 측정부(190)는 컨디셔너(100)의 디스크 홀더(112)에 탄성 지지되는 핀 형태로 구성되어, 다이얼 게이지와 유사하게 아암(120)의 끝단부의 선회 회전 운동(120d)에 따른 연마 패드(11)의 표면 높이값을 접촉식으로 구할 수 있다. 마찬가지로, 패드 높이 측정부(190)는 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 동안 실시간으로 반경 방향으로의 패드 높이값을 측정하여, 이 값을 제어부(160)로 전송한다.
이를 위하여, 패드 높이 측정부(190)는 컨디셔닝 디스크(111)와 간섭되지 않는 위치의 디스크 홀더(112)에 설치된다. 패드 높이 측정부(190)는, 스프링(192)에 의해 탄성 지지되어 연마 패드(11)의 표면에 접촉된 상태를 유지하는 접촉핀(191)을 구비하여, 아암(120)의 끝단부에 위치한 디스크 홀더(112)가 선회 회전 운동(120d)에 따라 이동하면서, 접촉핀(191)이 연마 패드(11)의 표면 높이의 변동에 따라 상하 이동하게 된다. 이 때, 접촉핀(191)으로부터 일체로 연장된 연장부(191a)도 상하 이동하므로, 접촉핀(191)의 높이 변동값(190d)을 감지하는 센서(112)에 의해, 컨디셔닝 디스크(111)의 이동 경로에 따른 패드 표면의 높이 편차를 얻을 수 있다.
비접촉식 또는 접촉식 패드 높이 측정부(90, 190)를 통해 측정된 패드 높이값(79)은 연마 패드(11)의 반경 방향을 따라 변동하는 경향이 있다.
도면에 도시된 실시예에서는, 패드 높이 측정부(90, 190)가 비접촉식과 접촉식이 모두 설치된 구성을 예로 들었지만, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 패드 높이 측정부는 접촉식과 비접촉식 중 어느 하나만을 구비할 수도 있다.
상기 제어부(160)는 패드 높이 측정부(90, 190)로부터 수신되는 반경 방향으로의 패드 높이 측정값 또는 패드 높이 편차값을 기초로 하여, 연마 패드(11)의 반경 방향을 가로질러 선회 회전 운동을 하는 컨디셔닝 디스크(111)에 가압하는 가압력(Fc)을 패드 높이값에 비례하도록 산출하고, 산출된 가압력(Fc)이 액츄에이터(130)의 수직력(130y)으로 출력되도록 액츄에이터(130)를 제어한다. 이와 동시에, 제어부(160)는 하중 센서(140, 140')로부터 컨디셔닝 디스크(111)가 실제로 가압하는 가압력(Fr)을 수신받아, 수신된 실제 가압력(Fr)이 산출된 가압력(Fc)과 차이가 있으면, 현실적으로 가압하는 실제 가압력(Fr)이 산출된 가압력(Fc)이 되도록 액츄에이터(130)의 출력치인 수직력(130y)을 조절한다.
이를 통해, 웨이퍼(W)의 연마를 위해 연마 패드(11) 상에 가압되는 힘의 편차가 발생되어, 연마 패드(11)에 반경 방향으로의 표면 높이 편차(79)가 존재하게 되더라도, 표면 높이 편차(79)가 큰 지점에서는 액츄에이터(130)로부터 큰 수직력(130y)이 전달되어 큰 가압력(Fr)으로 보정하여 연마 패드를 개질하고, 표면 높이 편차(79)가 작은 지점에서는 액츄에이터(130)로부터 보다 작은 수직력(130y)이 전달되어 작은 가압력(Fr)으로 보정하여 연마 패드를 개질함으로써(도8의 도면부호 99는 보정된 컨디셔닝 가압력을 나타낸다), 컨디셔너(100)의 컨디셔닝 디스크(111)의 제어된 가압력(Fr)으로 연마 패드(11)의 표면 높이 편차(79)를 상쇄시켜 연마 패드(11)의 평탄하게 유지시키므로, 웨이퍼(W)의 화학 기계적 연마 품질이 우수해지는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 연마 패드(11)를 가압하는 액츄에이터(130)가 아암(120)의 회전 중심인 선회 중심체(110)에 위치하여 아암(120)을 매개로 컨디셔닝 디스크(111)를 상하로 이동시키면서 가압력(Fr)을 컨디셔닝 디스크에 인가하도록 구성됨에 따라, 표면 개질부(110)의 자중을 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 아암(120) 끝단의 표면 개질부(110)를 연마 패드(11)로부터 멀어지는 상측으로 들어올리는 힘을 도입하는 것에 의하여, 표면 개질부(110)의 자중보다도 작은 미세한 가압력(Fr)으로 제어하면서 연마 패드(11)를 표면 개질할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.
W: 웨이퍼 Fc: 가압력
Fr: 실제 가압력 90: 비접촉식 표면높이 측정부
190: 접촉식 표면높이 측정부 100: 컨디셔너
111: 컨디셔닝 디스크 112: 디스크 홀더
113: 피스톤 로드 120: 아암
130: 액츄에이터 140, 140': 하중 센서
150: 구동 모터 160: 제어부
170: 선회 중심체

Claims (9)

  1. 회전하는 연마 패드 상에서 웨이퍼을 연마하는 화학 기계식 연마 시스템의 컨디셔너로서,
    회전 중심으로부터 연장되어 왕복 회전 운동하는 아암과;
    상기 아암의 끝단부에 위치하여 상기 아암의 왕복 회전 운동에 따른 선회운동을 하는 표면 개질부와;
    상기 아암의 끝단에서 회전 가능하게 설치되어, 상기 연마 패드와 접촉하여 상기 연마 패드의 표면을 미소 절삭하는 컨디셔닝 디스크와;
    상기 회전 중심에 위치하여 상기 아암을 왕복 회전 운동하도록 구동하는 회전 구동부가 구비되고, 상기 아암을 상하로 이동시켜 상기 컨디셔닝 디스크를 통해 상기 컨디셔닝 디스크와 상기 아암의 자중보다 더 작은 가압력으로 상기 연마 패드를 가압할 수 있는 액츄에이터가 설치된 선회 중심체를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템의 컨디셔너.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 액츄에이터는 연직 방향으로 상기 아암을 이동시키는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템의 컨디셔너.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 표면 개질부에는,
    상기 컨디셔닝 디스크가 이탈하지 않게 고정하고 상기 컨디셔닝 디스크와 함께 회전하는 디스크 홀더와;
    상기 디스크 홀더에 상기 가압력을 전달하는 피스톤 로드와;
    상기 피스톤 로드가 상기 디스크 홀더에 도입하는 가압력을 받도록 설치되어 상기 가압력을 측정하는 하중 센서를;
    더 포함하여, 상기 가압력이 실시간으로 측정되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템의 컨디셔너.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 연마 패드의 높이 편차를 감지하는 높이편차 감지부를;
    더 포함하여 구성되어, 상기 높이편차 감지부에 의하여 감지된 상기 연마 패드의 표면높이 분포에 따라, 상기 연마 패드의 높이가 높을수록 보다 높은 가압력이 도입되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템의 컨디셔너.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 연마 패드의 반경 방향으로의 표면 높이 편차는 상기 연마 패드의 상측에 위치한 비접촉 센서에 의해 감지되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템의 컨디셔너.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 디스크 홀더에는 상기 연마 패드와 접촉하는 접촉 센서가 구비되어, 상기 연마 패드의 반경 방향으로의 표면 높이 편차는 상기 접촉 센서에 의해 감지되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템의 컨디셔너.
  7. 제 3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피스톤 로드는 상기 컨디셔닝 디스크의 회전 중심과 동축상에 위치하고, 상기 하중 센서는 상기 피스톤 로드와 상기 컨디셔너 디스크 사이에 개재된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템의 컨디셔너.
  8. 제 3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연마 패드의 표면 높이의 측정은 화학 기계적 연마 공정 중에 실시간으로 행해지고, 상기 컨디셔닝 디스크에 가해지는 상기 가압력은 실시간으로 측정되는 상기 연마 패드의 표면 높이 측정값에 따라 실시간으로 변동되는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템의 컨디셔너.
  9. 제 3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하중 센서에 의해 측정된 측정 가압력이 상기 표면 높이에 따라 도입하고자 하는 가압력과 차이가 있으면, 상기 피스톤 로드에 인가하는 가압력을 보정하는 제어부를;
    더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 시스템의 컨디셔너.
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