KR20160139619A - 화학 기계적 기판 연마장치 - Google Patents

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Abstract

연마패드의 온도를 조절하고, 기판의 연마 품질을 일정하게 유지시킬 수 있는 연마패드의 온도 조절 방법 및 기판 연마장치가 개시된다. 화학 기계적 기판 연마장치는, 기판의 연마를 위한 연마패드를 구비하는 연마정반, 상기 연마패드에 접촉되도록 상기 기판을 파지하는 멤브레인을 구비하고, 내부에 복수의 압력 챔버가 형성된 기판 캐리어, 상기 연마패드의 온도를 측정하는 온도 측정부 및 상기 온도 측정부에서 측정된 온도를 이용하여 상기 복수의 압력 챔버의 압력을 조절하는 압력 제어부를 포함하여 구성된다.

Description

화학 기계적 기판 연마장치{CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS FOR SUBSTRATE}
본 발명은 기판의 화학기계적 연마장치에 관한 것으로, 연마패드의 온도를 측정하여 기판 캐리어의 압력을 조절함으로써 연마면의 균일도를 향상시킬 수 있는 화학 기계적 기판 연마장치에 관한 것이다.
최근 컴퓨터와 같은 정보 매체의 급속한 보급에 따라 반도체 장치도 비약적으로 발전하고 있다. 그 기능 면에 있어서, 반도체 장치는 고속으로 동작하는 동시에 대용량의 저장 능력을 가질 것이 요구된다. 이러한 요구에 부응하여, 반도체 장치는 집적도, 신뢰도 및 응답 속도 등을 향상시키는 방향으로 반도체 공정 기술이 발전되고 있다.
반도체 소자 제조용 재료로서 광범위하게 사용되고 있는 실리콘 기판은 다결정의 실리콘을 원재료로 하여 만들어진 단결정 실리콘 박판을 말한다. 기판을 제조하는 공정은 성장된 실리콘 단결정 잉곳(ingot)을 박판으로 자르는 슬라이싱(slicing) 공정, 기판의 두께를 균일화하고 평면화하는 래핑(lapping) 공정, 슬라이싱 공정 및 래핑 공정에서 발생한 데미지를 제거 또는 완화하는 에칭(etching) 공정, 기판 표면을 경면화하는 연마(polishing) 공정 및 연마가 완료된 기판을 세척하고 표면에 부착된 이물질을 제거하는 세정(cleaning) 공정으로 이루어진다.
여기서, 연마 공정은 기판의 표면 변질층을 제거하고 두께 균일도를 개선시키는 스톡(stock) 연마와 기판의 표면을 경면으로 가공하는 파이널(final) 연마로 나뉜다.
파이널 연마 공정은 기판에 일정한 압력을 가하여 고정시키는 연마헤드(polishing head)와 연마포가 부착된 테이블인 정반이 회전하면서 작용하는 기계적 반응과 콜로이달 실리카로 구성된 연마 슬러리에 의한 화학적인 반응에 의해 연마되는 화학기계적 연마(chemical mechanical polishing, CMP) 장치가 사용된다.
이러한 CMP 장치는, 기판을 파지하는 장치로서 기판 캐리어가 사용되는데, 기판 캐리어는, 기판을 직접 및 간접적으로 진공 흡착하여 파지하며, 멤브레인(membrane) 타입이 주로 사용되고 있다. 또한, 기판의 표면에 단순히 균일한 압력을 가하여 연마하는 단계를 넘어서, 하나의 기판에 국부적으로 다른 압력을 가하여 기판의 연마 프로파일을 다양하게 조절할 수 있는 다중영역분할 연마식의 기판 캐리어가 제안된 바 있다.
대체적으로, 연마환경에 따른 압력변화에 직접적으로 온도가 제어되게 하여 일정한 열적 연마환경을 제공함으로써, 연마온도를 일정온도 범위 내로 유지시킬 수가 있다. 연마환경의 온도를 적시에 일정 범위 내로 제어하면, 열적, 기계적인 만곡량을 줄일 수 있다. 따라서 기판의 연마 품질, 즉 연마 후 기판의 표면 거칠기와 평활도는 기판의 온도 제어가 중요한 역할을 한다.
여기서, 기판이 연마되는 동안 기판과 연마패드 사이에서 발생하는 마찰열로 인해 연마패드의 온도가 상승하게 되는데, 연마패드의 온도가 상승하면 슬러리의 화학적 작용을 증가시키게 되어 결과적으로 연마속도를 증가시키게 된다.
한편, 최근에는 보다 빠른 연마속도를 필요로 하는데, 이를 위해서는 더 큰 압력을 요구하게 된다. 그리고 증가된 연마속도와 높은 연마압력은 기판 및 연마패드의 온도를 증가시키므로, 연마패드의 온도가 연마시 필요한 온도 이상으로 과열될 수 있다. 또한, 기판이 점차 대형화됨에 따라 기판의 중심 부분과 가장자리 부분에서의 연마율이 다르게 나타날 수 있다. 즉, 기판의 중심 부분에서 좀더 온도가 높고 압력이 크게 작용하기 때문에 연마율이 높고, 반대로 기판의 가장자리 부분에서는 연마율이 낮아지게 되므로, 연마된 기판의 프로파일이 가장자리에서 중심으로 갈수록 기울어진 형태가 된다. 이러한 기판의 중심 부분과 가장자리 부분에서의 연마율의 차이는 기판의 크기가 커짐에 따라 더욱 증가하게 된다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 연마패드의 온도를 제어할 수 있고, 기판의 연마 균일도를 향상시킬 수 있는 화학 기계적 기판 연마장치가 개시된다.
본 발명이 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따르면, 화학 기계적 기판 연마장치는, 기판의 연마를 위한 연마패드를 구비하는 연마정반, 상기 연마패드에 접촉되도록 상기 기판을 파지하는 멤브레인을 구비하고, 내부에 복수의 압력 챔버가 형성된 기판 캐리어, 상기 연마패드의 온도를 측정하는 온도 측정부 및 상기 온도 측정부에서 측정된 온도를 이용하여 상기 복수의 압력 챔버의 압력을 조절하는 압력 제어부를 포함하여 구성된다.
일 측에 따르면, 상기 압력 제어부는 상기 복수의 압력 챔버에 서로 다른 크기의 압력을 인가할 수 있다. 또한, 상기 압력 제어부는 상기 연마패드의 온도가 기준 온도보다 높으면 상기 압력 챔버의 압력을 낮추고, 기준 온도보다 낮으면 상기 압력 챔버의 압력을 높이도록 할 수 있다. 또한, 상기 압력 제어부는 상기 기판의 중심 부분과 상기 기판의 가장자리 부분에 대응되는 압력 챔버에 서로 다른 크기의 압력을 인가할 수 있다. 또한, 상기 압력 제어부는 상기 복수의 압력 챔버에 인가되는 압력차가 기준 범위 이내의 압력으로 제어할 수 있다. 그리고 상기 압력 제어부는 상기 연마패드의 온도차가 일정 범위 이내가 되도록 상기 복수의 압력 챔버의 압력을 제어할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 온도측정부는 상기 연마패드 상부에서 상기 연마패드와 이격된 위치에 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 온도 측정부는 복수의 위치에서 온도를 측정할 수 있도록 복수개가 구비될 수 있다. 또한, 상기 온도 측정부는 상기 기판 캐리어 또는 상기 컨디셔너 중 어느 일측 또는 양측에 구비될 수 있다. 일 예로, 상기 온도 측정부는 상기 컨디셔너에 구비되고, 상기 온도 측정부는 상기 연마패드에 접촉 또는 비접촉되어서 상기 연마패드의 온도를 측정할 수 있다. 또는, 상기 온도 측정부는 상기 기판 캐리어에 구비되고, 상기 온도 측정부는 상기 연마패드에 접촉 또는 비접촉되어서 상기 연마패드의 온도를 측정할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 아래의 효과 중 하나 이상을 가질 수 있다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 기판 캐리어의 압력을 조절함으로써 연마패드의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있으며, 기판의 연마 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 복수의 압력 챔버에 서로 다른 압력으로 인가함으로써 기판에 대해서 서로 다른 압력을 적용시킬 수 있고, 이에 따라 부분적으로 온도를 조절할 수 있어서, 보다 효과적으로 연마패드의 온도 조절 및 유지에 효과적이다.
또한, 연마패드의 온도를 조절하고 일정하게 유지시킴으로써 연마속도와 연마율 및 기판의 평탄도를 조절할 수 있다.
또한, 기판에 부분적으로 서로 다른 압력을 가함으로써 기판의 평탄도 및 프로파일을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 기판 연마장치 및 세정 공정을 행하는 배치 구조를 도시한 평면도이다.
도 2는 도 1의 기판 연마장치의 배치 구조를 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 연마장치의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 캐리어의 단면도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 기판 캐리어(100)의 압력을 조절하여 연마패드(PP)의 온도를 조절 및 일정하게 유지할 수 있는 화학 기계적 기판 연마장치(1)에 대해서 상세하게 설명한다. 참고적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 기판 연마장치(1) 및 세정 공정을 행하는 배치 구조를 도시한 평면도이고, 도 2는 도 1의 기판 연마장치(1)의 배치 구조를 도시한 평면도이다. 그리고 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 연마장치(1)의 측면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 캐리어(100)의 단면도이다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 기판 연마장치(1)는, 기판(W)의 화학 기계적 연마가 수행되는 화학 기계적 연마 모듈(X1)과, 세정 공정이 수행되는 세정 모듈(X2)로 이루어진다. 화학 기계적 연마 모듈(X1)은 다수의 기판(W)에 대해서 동시 또는 순차적으로 연마공정을 수행할 수 있도록 다수의 연마정반(P1, P2, P3, P4: P)이 구비되고, 상기 다수의 연마정반(P1, P2, P3, P4: P)을 연결하는 순환 경로를 형성하도록 가이드 레일(G1, G2, G3; G)이 구비될 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 다수의 연마정반(P1, P2, P3, P4: P) 중에서 일부의 연마정반에서만 연마공정이 수행되는 것도 가능하다. 마찬가지로, 연마정반(P1, P2, P3, P4: P)은 순환 경로를 따라 배열되는데, 도면에 도시한 일부의 연마정반만 순환 경로를 따라 배치될 수 있다. 그리고, 다수의 연마정반(P)이 아니라 하나의 연마정반이 구비되는 것도 가능하다.
상세하게는, 기판 연마장치(1)는, 기판(W)을 보유한 상태로 이동하는 기판 캐리어(100)와, 제1 연마정반(P1)과 제2 연마정반(P2)을 통과하도록 배열되고 기판 캐리어(100)가 이동할 수 있게 설치된 제1 가이드 레일(G1)과, 제3 연마정반(P3)과 제4 연마정반(P4)을 통과하게 배열되어 기판 캐리어(100)가 이동할 수 있게 설치된 제2 가이드 레일(G2)과, 제1 가이드 레일(G1)과 제2 가이드 레일(G2) 사이에 배열되어 기판 캐리어(100)가 이동하는 제3 가이드 레일(G3)과, 제1 가이드 레일(G1)의 일단과 이격된 제1 위치(S4)와 제2 가이드 레일(G2)의 일단과 이격된 제2 위치(S4')를 연결하는 제1 연결 레일(CR1)과, 제1 가이드 레일(G1)의 타단과 이격된 제3 위치(S1)와 제2 가이드 레일(G2)의 타단과 이격된 제4 위치(S1')를 연결하는 제2 연결 레일(CR2)과, 제1 연결 레일(CR1)을 따라 이동하면서 기판 캐리어(100)를 수용할 수 있는 제1 캐리어 홀더(H1) 및 제2 캐리어 홀더(H2)와, 제2 연결 레일(CR2)을 따라 이동하면서 기판 캐리어(100)를 수용할 수 있는 제3 캐리어 홀더(H3) 및 제4 캐리어 홀더(H4)를 포함하여 구성된다.
기판 캐리어(100)는 가이드 레일(G1, G2, G3; G)에서는 단독으로 이동하며, 연결 레일(CR1, CR2; CR)에서는 캐리어 홀더(H1, H2, H3, H4; H)에 수용된 상태로 캐리어 홀더(H)의 이동에 의해 이동한다. 도 1 및 도 2의 배치도에서 다수의 수직선으로 형성된 직사각형 형태가 기판 캐리어(100)를 단순화하여 표시한 것이다.
제1 가이드 레일(G1)은 기판 캐리어(100)가 보유하고 있는 기판(W)을 제1 연마정반(P1)과 제2 연마정반(P2)에서 각각 화학 기계적 연마공정을 할 수 있도록 배치된다. 마찬가지로, 제2 가이드 레일(G2)은 기판 캐리어(100)가 보유하고 있는 기판(W)를 제3 연마정반(P3)과 제4 연마정반(P4)에서 각각 화학 기계적 연마공정을 할 수 있도록 배치된다. 제3 가이드 레일(G3)에는 연마정반이 배치되지 않고, 기판 캐리어(100)가 이동하는 경로를 형성한다. 다만, 연결 레일(CR)에는 각각 2개씩의 캐리어 홀더(H)가 배치되므로, 연결 레일(CR)의 끝단(S1, S4)에서 다른 끝단(S1', S4')으로 이동하기 위해서는 한번에 이동할 수 없으므로, 제3 가이드 레일(G3)이 배열되는 임의의 위치에서 기판 캐리어(100)가 캐리어 홀더(H)를 갈아타기 위한 임시 적재소(TS)의 역할을 한다.
연결 레일(CR)은 가이드 레일(G)과 이격된 상태를 유지하며, 상하 높이 차이를 두고 배치될 수도 있다.
캐리어 홀더(H)는 기판 캐리어(100)를 수용하기 위한 홀더 레일(HR)이 형성되고, 연결 레일(CR)의 배치와 무관하게 가이드 레일(G)을 따라 이동하는 기판 캐리어(100)를 수용할 수 있게 구성된다. 캐리어 홀더(H)는 하나의 연결 레일(CR)마다 2개씩 배치된다. 제1 연결 레일(CR1)에 대해서는 제1 캐리어 홀더(H1)와 제2 캐리어 홀더(H2)가 설치되어 제1 연결 레일(CR1)을 따라 이동할 수 있다. 그리고 제2 연결 레일(CR2)에 대해서는 제3 캐리어 홀더(H3)와 제4 캐리어 홀더(H4)가 설치되어 제2 연결 레일(CR2)을 따라 이동할 수 있다.
제1 캐리어 홀더(H1)는 제1 가이드 레일(G1)과 제3 가이드 레일(G3) 중 어느 하나에 위치한 기판 캐리어(100)를 수용할 수 있고, 기판 캐리어(100)를 수용한 상태로 제1 연결 레일(CR1)을 따라 왕복 이동 가능하며, 제1 연결 레일(CR1)을 따라 왕복 이동하다가 수용하고 있던 기판 캐리어(100)가 제 1가이드 레일(G1)과 제3 가이드 레일(G3) 중 어느 하나로 이동할 수 있는 위치로 이동한다. 이와 유사하게, 제2 캐리어 홀더(H2)는 제3 가이드 레일(G3)과 제2 가이드 레일(G2) 중 어느 하나에 위치한 기판 캐리어(100)를 수용할 수 있고, 기판 캐리어(100)를 수용한 상태로 제1 연결 레일(CR1)을 따라 왕복 이동 가능하며, 제1 연결 레일(CR1)을 따라 왕복 이동하다가 수용하고 있던 기판 캐리어(100)가 제3 가이드 레일(G3)과 제2 가이드 레일(G2) 중 어느 하나로 이동할 수 있는 위치로 이동한다. 또한, 제3 캐리어 홀더(H3)는 제1 가이드 레일(G1)과 제3 가이드 레일(G3) 중 어느 하나에 위치한 기판 캐리어(100)를 수용할 수 있고, 기판 캐리어(100)를 수용한 상태로 제2 연결 레일(CR2)을 따라 왕복 이동 가능하며, 제2 연결 레일(CR2)을 따라 왕복 이동하다가 수용하고 있던 기판 캐리어(100)가 제1 가이드 레일(G1)과 제3 가이드 레일(G3) 중 어느 하나로 이동할 수 있는 위치로 이동한다. 이와 유사하게, 제4 캐리어 홀더(H4)는 제3 가이드 레일(G3)과 제2 가이드 레일(G2) 중 어느 하나에 위치한 기판 캐리어(100)를 수용할 수 있고, 기판 캐리어(100)를 수용한 상태로 제2 연결 레일(CR2)을 따라 왕복 이동 가능하며, 제2 연결 레일(CR2)을 따라 왕복 이동하다가 수용하고 있던 기판 캐리어(100)가 제3 가이드 레일(G3)과 제2 가이드 레일(G2) 중 어느 하나로 이동할 수 있는 위치로 이동한다.
기판 캐리어(100)는 제3 캐리어 홀더(H3)나 제4 캐리어 홀더(H4)에 수용된 상태로 제2 연결 레일(CR2)을 따라 이동하면서, 화학 기계적 연마공정이 수행될 예정인 새로운 기판(W)을 로딩 유닛(20)에서 공급받는다. 로딩 유닛(20)과 예비 세정부(30) 및 언로딩 유닛(10)은 제3 캐리어 홀더(H3) 및 제4 캐리어 홀더(H4)의 이동 영역에 각각 배치된다.
화학 기계적 연마공정을 완료한 기판(W)은 예비 세정부(30)에서 예비 세정되며, 예비 세정된 기판(W)은 언로딩 유닛(10)에서 반전기(미도시)에 의하여 180° 뒤집힌 상태로 세정부(C1, C2; C1', C2')로 이송된다. 예비 세정부(30)는 기판 캐리어(100)에 탑재되어 있는 기판(W)의 연마면에 높은 수압으로 세정액을 분사하는 세정 노즐(미도시)이 구비되고, 세정 노즐이 이동하면서 기판(W)의 연마면 전체에 세정액을 고압 분사함으로써, 기판(W) 연마면의 슬러리나 연마 입자 등의 큰 이물질을 제거한다. 그리고 예비 세정부(30)에 의하여 기판(W)의 연마면에서 이물질을 제거함으로써, 기판 캐리어(100)가 그 다음으로 이동하는 언로딩 유닛(10)에서 반전기가 기판(W)을 연마면이 상측으로 위치하도록 180° 뒤집는 공정에서, 기판(W)이 반전기의 암에 의해 오염되는 것을 방지할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 기판 연마장치(1)를 이용하여 기판(W)의 화학 기계적 연마공정을 행하는 일 실시형태를 상술한다.
우선, 2개의 로딩 유닛(20)에 새로운 제1 기판(W1)과 제2 기판(W2)이 각각 공급되면, 제1 기판(W1)은 제3 캐리어 홀더(H3)의 기판 캐리어(100)에 탑재되고, 제2 기판(W2)은 제4 캐리어 홀더(H4)의 기판 캐리어(100)에 탑재된다.
다음으로, 제3 캐리어 홀더(H3)와 제4 캐리어 홀더(H4)는 각각 이동하여 제3 위치(S1) 및 제4 위치(S1')로 이동한 후, 제3 캐리어 홀더(H3)로부터 기판 캐리어(100)는 제1 가이드 레일(G1)로 이동하고, 제4 캐리어 홀더(H4)로부터 기판 캐리어(100)는 제3 가이드 레일(G3)로 이동한다. 여기서, 제1 가이드 레일(G1)을 따라 이동하는 기판 캐리어(100)는 제1 연마정반(P1) 상에서 제1 기판(W1)에 대한 제1 화학 기계적 연마공정이 수행되고, 제1 화학 기계적 연마공정을 마친 후에는 다시 제1 가이드 레일(G1)을 따라 S2 위치로 이동하여 제2 연마정반(P2) 상에서 제1 기판(W1)에 대한 제2 화학 기계적 연마공정이 수행된다.
다음으로, 기판 캐리어(100)는 S3 위치에서 제1 연결 레일(CR1)을 따라 이동하는 제1 캐리어 홀더(H1)로 옮겨져 제1 캐리어 홀더(H1)가 제1 연결 레일(CR1)을 따라 이동함과 함께 이동하였다가, 제1 분기위치(S5)에서 다시 제3 가이드 레일(G3)의 S6 위치로 넘어와 제3 가이드 레일(G3)을 따라 이동한 후, 제2 분기위치(S7)에서 제3 캐리어 홀더(H1)로 옮겨진 이후에, 예비 세정부(30)로 이동한다. 즉, 도면 상에서 표시된 경로를 따라 이동하면서 2단계의 화학 기계적 연마공정이 행해진다.
그리고 나서, 2단계의 화학 기계적 연마공정이 행해진 제1 기판(W1)의 연마면을 세정하고, 언로딩 유닛(10)으로 이송되어 반전기에 옮겨진 이후에 180° 반전된 상태로 메인 세정 공정으로 이송된다.
이와 유사하게, 제2 가이드 레일(G2)을 따라 이동하는 기판 캐리어(100)는 제4 연마정반(P4) 상에서 제2 기판(W2)에 대한 제1 화학 기계적 연마공정을 행하고, 제1 화학 기계적 연마공정을 마친 후에는 다시 제2 가이드 레일(G2)을 따라 이동(S2)하여 제3 연마정반(P3) 상에서 제2 기판(W2)에 대한 제2 화학 기계적 연마공정을 행한다.
그 다음으로, 기판 캐리어(100)는 S3 위치에서 제1 연결 레일(CR1)을 따라 이동하는 제2 캐리어 홀더(H2)로 옮겨져 제2 캐리어 홀더(H2)가 제1 연결 레일(CR1)을 따라 이동함과 함께 이동하였다가, S5위치에서 다시 제3 가이드 레일(G3)의 S6 위치로 넘어와 제3 가이드 레일(G3)을 따라 이동한 후, S7위치에서 제3 캐리어 홀더(H1)로 옮겨진 이후에, 예비 세정부(30)로 이동한다. 즉, 표시된 경로를 따라 이동하면서 2단계의 화학 기계적 연마공정이 행해진다.
다음으로, 2단계의 화학 기계적 연마공정이 행해진 제2 기판(W2)의 연마면을 세정하고, 언로딩 유닛(10)으로 이송되어 반전기(50)에 옮겨진 이후에 180° 반전된 상태로 메인 세정 공정으로 이송된다.
이와 같이, 상기와 같이 구성된 화학 기계적 기판 연마장치(1)를 이용하여 서로 다른 2개의 기판(W1, W2)에 대한 2단계의 화학 기계적 연마공정을 동시에 수행할 수 있다.
이상과 같이 복수의 연마정반(P)에서 복수의 기판(W)에 대해서 화학 기계적 연마공정이 수행되는데, 이하의 설명에서는 1개의 연마정반(P)에 대해서만 설명을 하며, 해당 실시예들은 복수의 연마정반(P)에 대해서 동일하게 적용될 수 있다. 연마공정 동안 기판(W)을 고정하는 기판 캐리어(100)는, 기판(W)의 연마면이 연마패드(PP)와 마주한 상태로 기판(W)을 연마패드(PP)에 대해서 가압한다. 그리고 기판 캐리어(100)는 연마공정이 완료되면 기판(W)을 직접 또는 간접적으로 파지한 상태로 다음 공정으로 이동하는 역할을 한다.
연마정반(P) 표면에는 기판(W)이 접촉되어 기판(W)을 연마하기 위한 연마패드(PP)가 구비되고, 연마정반(P) 하부에는 연마정반(P)의 회전을 위한 구동력을 제공하는 구동부(미도시)에 회전축이 연결된다. 기판 연마장치(1)는, 연마패드(PP)에 기판(W)이 가압 접촉된 상태에서 기판 캐리어(100)와 연마정반(P)이 각각 소정 속도로 회전함에 따라 기판(W)이 연마된다.
기판 캐리어(100)는 외부에서의 회전 구동력을 받아 회전하고, 하부에 기판(W)에 접촉되어 기판(W)을 파지하는 멤브레인(103) 및 기판 캐리어(100)를 둘러싸는 링 형태로 형성되어서 멤브레인(103)을 고정시키는 캐리어 링(101)을 포함하여 구성된다. 그리고 기판 캐리어(100)는 내부에 기판(W)에 압력을 가하기 위해서 압력 챔버(105)가 구비되며, 압력 챔버(105) 내부에 공기를 주입하거나 배출시킴으로써 멤브레인(103) 및 기판(W)에 압력을 가한다. 또한, 기판 캐리어(100)는 복수의 압력 챔버(105)에 서로 다른 압력을 인가함으로써 기판(W)에 국부적으로 서로 다른 압력을 가하여 기판(W)의 연마 프로파일을 다양하게 조절할 수 있다.
여기서, 기판 캐리어(100)에서 기판(W) 및 연마패드(PP)에 대해서 압력이 가해지면, 연마패드(PP)와 기판(W)의 마찰력이 변화되면서 온도가 달라진다. 본 실시예에서는 기판 캐리어(100)에서 가해지는 압력을 조절함으로써 연마패드(PP)의 온도를 조절할 수 있다. 본 실시예에서는 연마패드(PP)의 온도를 측정하는 온도 측정부(123)가 구비되고, 온도 측정부(123)에서 측정된 온도에 따라 압력 제어부(125)가 기판 캐리어(100)의 압력을 조절하며, 복수의 압력 챔버(105)에 서로 다른 압력을 인가함으로써 연마패드(PP)의 온도를 다양하게 조절할 수 있다.
기판 연마장치(1)의 일측에는 연마패드(PP)의 온도를 측정하는 온도 측정부(123)가 구비된다. 일 예로, 온도 측정부(123)는 연마패드(PP) 상부에 구비되어서 연마패드(PP)와 비접촉된 상태로 온도를 측정하는 센서부(121)일 수 있다. 예를 들어, 온도 측정부(123)는 연마패드(PP) 표면을 촬영하여 연마패드(PP)의 온도를 측정하는 카메라일 수 있다. 여기서, 온도 측정부(123)는 하나 또는 복수의 위치에서 연마패드(PP)의 온도를 측정하도록 구비될 수 있다.
그러나 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 온도 측정부(123)는 연마패드(PP)의 온도를 직접 또는 간접적으로 측정할 수 있는 다양한 센서부(121)가 사용될 수 있다. 예를 들어, 센서부(121)는 연마패드(PP) 상부에 구비되되 직접적으로 연마패드(PP)의 온도를 측정하는 온도 센서가 사용될 수 있다. 또는, 온도 측정부(123)는 연마패드(PP) 또는 연마정반(P) 일측에 구비된 온도 센서를 포함할 수 있다. 또는, 온도 측정부(123)는 기판 캐리어(100)와 컨디셔너(미도시) 중 어느 일측 또는 양측 모두에 구비되어서 연마패드(PP)의 온도를 측정하는 온도 센서를 포함하고, 센서부(121)는 연마패드(PP)에 접촉되어서 연마패드(PP)의 온도를 측정하거나, 비접촉된 상태에서 온도를 측정할 수 있다. 또한, 온도 측정부(123)는 하나 또는 복수의 센서부(121)가 기판 캐리어(100) 및/또는 컨디셔너에 구비될 수 있다.
압력 제어부(125)는 기판 캐리어(100) 일측에 연결되어서, 기판 캐리어(100) 내부의 압력 챔버(105)의 압력을 조절한다. 기판 캐리어(100)에는 도시하지 않은 실린더 또는 펌프 등의 압력 공급 수단이 구비되어서 압력 챔버(105) 내부로 공기가 주입되거나 배출된다. 압력 제어부(125)는 이와 같은 압력 공급 수단(미도시)의 작동을 제어함으로써 압력 챔버(105)에 공기를 주입하거나 배출시켜서 압력 챔버(105) 및 멤브레인(103)의 압력을 조절한다. 또한, 압력 제어부(125)는 복수의 압력 챔버(105)에 대해서 동일한 압력을 인가하거나, 온도에 따라 복수의 압력 챔버(105)에 대해서 서로 다른 압력을 인가할 수 있다.
압력 제어부(125)는 온도 측정부(123)에서 측정된 연마패드(PP)의 온도에 따라서 압력 챔버(105)의 압력을 조절한다. 즉, 압력 제어부(125)는 연마패드(PP)의 온도가 소정의 기준 온도보다 높아지면 압력 챔버(105)의 압력을 낮춰서 연마패드(PP)의 온도를 낮추고, 기준 온도보다 낮은 경우에는 압력 챔버(105)의 압력을 높여서 연마패드(PP)의 온도를 높이게 된다.
또한, 기판(W)의 크기가 커짐에 따라 기판(W)의 중심 부분과 가장자리 부분에서의 온도 차이와 이로 인한 연마율의 차이가 발생한다. 압력 제어부(125)는 복수의 압력 챔버(105)에 서로 다른 크기의 압력을 인가함으로써 기판(W)의 중심 부분과 가장자리 부분에서의 온도 차이를 해소하고, 기판(W) 전면에 대해서 균일한 온도를 유지시킬 수 있다.
압력 제어부(125)는 복수의 압력 챔버(105)에 서로 다른 크기의 압력을 인가할 때, 인가되는 압력차가 소정의 범위 이내가 되도록 한다. 또한, 압력 제어부(125)는 연마패드(PP)의 온도차가 일정 범위 이내가 되도록 압력 챔버(105)의 인가 압력을 제어하게 된다.
본 실시예들에 따르면, 기판 캐리어(100)에 인가되는 압력을 조절하여 연마패드(PP)의 온도를 조절하고 일정하게 유지시킬 수 있다. 또한, 복수의 압력 챔버(105)에 서로 다른 크기의 압력을 인가함으로써 기판(W) 및 연마패드(PP)에 서로 다른 온도로 조절할 수 있고, 부분적으로 온도를 조절할 수 있다. 또한, 연마패드(PP)의 온도를 조절함으로써 연마패드(PP)의 온도를 일정하게 유지시키고 연마속도와 연마율 및 기판(W)의 평탄도를 조절하고 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
1: 기판 연마장치
10: 로딩 유닛
20: 언로딩 유닛
30: 예비 세정 장치
100: 기판 캐리어
101: 캐리어 링
103: 멤브레인
105: 압력 챔버
120: 제어부
121: 센서부
123: 온도 측정부
125: 압력 제어부
CR: 연결 레일
C1, C2, C1', C2': 세정 유닛
D: 도킹 유닛
G: 가이드 레일
H: 캐리어 홀더
P: 연마정반
PP: 연마패드
R: 캐리어 링
W: 기판

Claims (11)

  1. 기판의 연마를 위한 연마패드를 구비하는 연마정반;
    상기 연마패드에 접촉되도록 상기 기판을 파지하는 멤브레인을 구비하고, 내부에 복수의 압력 챔버가 형성된 기판 캐리어;
    상기 연마패드의 온도를 측정하는 온도 측정부; 및
    상기 온도 측정부에서 측정된 온도를 이용하여 상기 복수의 압력 챔버의 압력을 조절하는 압력 제어부;
    를 포함하는 화학 기계적 기판 연마장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압력 제어부는 상기 복수의 압력 챔버에 서로 다른 크기의 압력을 인가하는 화학 기계적 기판 연마장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 압력 제어부는 상기 연마패드의 온도가 기준 온도보다 높으면 상기 압력 챔버의 압력을 낮추고, 기준 온도보다 낮으면 상기 압력 챔버의 압력을 높이는 화학 기계적 기판 연마장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 압력 제어부는 상기 기판의 중심 부분과 상기 기판의 가장자리 부분에 대응되는 압력 챔버에 서로 다른 크기의 압력을 인가하는 화학 기계적 기판 연마장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 압력 제어부는 상기 복수의 압력 챔버에 인가되는 압력차가 기준 범위 이내의 압력으로 제어하는 화학 기계적 기판 연마장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 압력 제어부는 상기 연마패드의 온도차가 일정 범위 이내가 되도록 상기 복수의 압력 챔버의 압력을 제어하는 화학 기계적 기판 연마장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 온도측정부는 상기 연마패드 상부에서 상기 연마패드와 이격된 위치에 구비되는 화학 기계적 기판 연마장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 온도 측정부는 복수의 위치에서 온도를 측정할 수 있도록 복수개가 구비되는 화학 기계적 기판 연마장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 온도 측정부는 상기 기판 캐리어 또는 상기 컨디셔너 중 어느 일측 또는 양측에 구비되는 화학 기계적 기판 연마장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 온도 측정부는 상기 컨디셔너에 구비되고,
    상기 온도 측정부는 상기 연마패드에 접촉 또는 비접촉되어서 상기 연마패드의 온도를 측정하는 화학 기계적 기판 연마장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 온도 측정부는 상기 기판 캐리어에 구비되고,
    상기 온도 측정부는 상기 연마패드에 접촉 또는 비접촉되어서 상기 연마패드의 온도를 측정하는 화학 기계적 기판 연마장치.
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