KR20170030745A - 화학 기계적 연마 장치 및 컨디셔닝 디스크의 교체시기 감지방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 화학 기계적 연마 장치에 관한 것으로, 웨이퍼의 연마층을 연마하는 화학 기계적 연마 장치로서, 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 웨이퍼의 연마면과 마찰 접촉하고 회전하는 연마 패드와; 상기 연마 패드를 가압한 상태로 회전 접촉하면서 상기 연마 패드의 표면을 개질하는 컨디셔닝 디스크와; 서로 다른 제1시점과 제2시점에서 각각 상기 연마 패드의 표면 높이 변동값을 측정하는 패드 높이 센서와; 상기 패드 높이 센서로부터 수신한 상기 표면 높이 변동값이 정해진 제1값에 도달하지 않으면, 상기 컨디셔닝 디스크의 교체 시기를 알리는 알람을 출력하는 제어부를; 포함하여 구성되어, 본 발명은, CMP 공정 중에 컨디셔닝 디스크에 의하여 연마 패드의 개질 작용이 정상적으로 행해지고 있는지 여부를 모니터링할 수 있을 뿐 아니라, 일률적으로 컨디셔닝 디스크의 수명을 사용 횟수나 사용 기간에 의해 정하지 않고, CMP 공정의 변수나 구성 요소들의 변동 등을 고려하여 실제로 컨디셔닝 디스크의 교체가 필요한 시점에 도달하였는지를 정확하게 감지하는 화학 기계적 연마 장치를 제공한다.
Description
본 발명은 화학 기계적 연마 장치 및 컨디셔닝 디스크의 교체시기 감지방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 컨디셔닝 디스크의 동작 상태를 정확하게 감지하여 연마 패드의 개질 신뢰성을 향상시키는 화학 기계적 연마 장치에 관한 것이다.
일반적으로 화학 기계적 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.
도1 및 도2는 종래의 화학 기계적 연마 장치를 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)와, 연마 패드(11)에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부(40)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.
슬러리 공급부(40)는 연마 패드(11)에 슬러리를 공급하여, 연마 패드(11)에 형성된 미공(11a)을 통해 슬러리가 웨이퍼(W)로 전달되어, 웨이퍼(W)의 화학적 연마가 행해지게 한다.
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 선회하는 아암(35)의 끝단에 위치한 컨디셔닝 디스크(31)를 하방(31p)으로 가압하기 위하여, 하우징(34)의 내부에는 공압에 의하여 하방(31p)으로 가압하는 실린더 등의 가압 수단이 설치되고, 회전 중심으로부터 하우징(34)에 이르도록 연장된 아암(35)이 스윕(sweep) 운동(30d)을 행하여, 연마 패드(11)의 넓은 면적에 걸쳐 발포 기공에 대한 미소 절삭을 하면서 연마 패드(11)의 표면을 개질한다 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, 컨디셔닝 디스크(31)는 연마 패드(11)를 가압한 상태로 회전 구동되어 연마 패드(11)의 표면을 개질하며, 이 과정에서 컨디셔닝 디스크(31)도 마모가 발생되면서 점점 두께가 얇아진다. 컨디셔닝 디스크(31)의 두께가 정해진 값보다 더 얇아지면, 컨디셔닝 디스크(31)에 의한 연마 패드(11)의 표면 개질 효과가 저하되어 화학 기계적 연마 공정 중에 화학적 연마가 제대로 이루어지지 않는다. 따라서, 컨디셔닝 디스크(31)에 의한 연마 패드(11)의 표면 개질 효과를 담보하기 위하여, 컨디셔닝 디스크(31)는 정해진 수명 기간동안 사용하고 교체된다.
그러나, 컨디셔닝 디스크(31)의 마모율은 항상 일정하지 아니하며, 연마 패드(11)의 경도나 화학 기계적 연마 공정 중의 컨디셔닝 디스크(31)의 가압력 및 화학 기계적 연마 공정 중에 사용되는 슬러리의 종류 등에 따라 변동된다. 이와 같은 문제를 해소하기 위하여, 컨디셔닝 디스크(31)의 수명에 도달하기 이전에 컨디셔닝 디스크(31)를 교체할 경우에는, 고가의 컨디셔닝 디스크(31)를 낭비하는 문제가 야기된다.
특히, 컨디셔너(30)의 오작동에 의하여 컨디셔닝 디스크(31)의 판면이 불균일하게 연마 패드(11)를 가압하는 경우에는, 컨디셔닝 디스크(31)의 편마모로 인하여 연마 패드(11)를 올바로 개질하지 못하는 문제가 야기된다.
이에 따라, 컨디셔닝 디스크(31)에 의한 연마 패드(11)의 표면 개질 효과가 정상적으로 이루어지고 있는 지를 감시할 필요가 대두되고 있다. 또한, 화학 기계적 연마 공정에 사용되는 구성 요소 및 공정 변수에 의하여 변동되는 컨디셔닝 디스크의 수명을 일률적으로 정하는 대신에, 컨디셔닝 디스크(31)가 정상적으로 연마 패드(11)의 표면을 개질하지 못하는 때를 교체 시기로 삼아, 컨디셔닝 디스크(31)의 사용 기간을 최대로 늘릴 수 있는 방안의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 컨디셔닝 디스크에 의하여 연마 패드의 개질 작용이 정상적으로 행해지고 있는지 여부를 모니터링하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 연마 패드를 개질하는 컨디셔닝 디스크의 교체 시기를 일률적으로 정하는 대신에, 컨디셔닝 디스크에 의한 연마 패드의 개질 작용이 비정상적인 경우에 컨디셔닝 디스크를 교체하여 컨디셔닝 디스크의 실질적인 수명 기간 을 모두 사용할 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.
이를 통해, 본 발명은, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드의 표면 개질의 품질을 보장할 수 있게 되어 슬러리에 의한 화학적 연마 공정의 신뢰성을 확보하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 웨이퍼의 연마층을 연마하는 화학 기계적 연마 장치로서, 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 웨이퍼의 연마면과 마찰 접촉하고 회전하는 연마 패드와; 상기 연마 패드를 가압한 상태로 회전 접촉하면서 상기 연마 패드의 표면을 개질하는 컨디셔닝 디스크와; 서로 다른 제1시점과 제2시점에서 각각 상기 연마 패드의 표면 높이 변동값을 측정하는 패드 높이 센서와; 상기 패드 높이 센서로부터 수신한 상기 표면 높이 변동값이 정해진 제1값에 도달하지 않으면, 상기 컨디셔닝 디스크의 교체 시기를 알리는 알람을 출력하는 제어부를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치를 제공한다.
이는, 화학 기계적 연마 공정 중에 컨디셔너에 의하여 연마 패드의 표면이 개질되는 과정에서, 컨디셔닝 디스크의 두께가 기준치보다 더 얇아지면 연마 패드의 표면 개질 효율이 저하되어 연마 패드의 마모량이 작아진다는 새로운 관점에 입각한 것이다. 즉, 본 발명은, 제1시점과 제2시점에서 패드 높이 센서에 의하여 연마 패드의 표면 높이 변동값을 측정하고, 제1시점과 제2시점 동안에 연마 패드의 마모량에 의한 표면 높이 변동값이 정상적인 CMP 공정 중에 발생되는 표면 높이 변동값과의 편차가 정해진 제1값에 미달할 경우에는, 연마 패드의 표면 개질 작용이 정상적으로 이루어지지 않아 컨디셔닝 디스크의 교체 시기에 도달한 것으로 감지한다.
이를 통해, 본 발명은, CMP 공정 중에 컨디셔닝 디스크에 의하여 연마 패드의 개질 작용이 정상적으로 행해지고 있는지 여부를 모니터링할 수 있을 뿐 아니라, 일률적으로 컨디셔닝 디스크의 수명을 사용 횟수나 사용 기간에 의해 정하지 않고, CMP 공정의 변수나 구성 요소들의 변동 등을 고려하여 실제로 컨디셔닝 디스크의 교체가 필요한 시점에 도달하였는지를 감지할 수 있다.
따라서, 본 발명은, 컨디셔닝 디스크의 수명이 남아 있음에도 불구하고 불필요하게 새로운 컨디셔닝 디스크로 교체하거나, 컨디셔닝 디스크의 표면 개질 효과가 저하되었음에도 예정된 사용 기간이 더 남아 연마 패드의 개질 품질이 저하된 상태로 방치하였던 종래의 문제점을 일거에 해결할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
이를 위하여, 상기 제1값은 정상적인 조건 하에서 반복 실험에 의해 얻어져 메모리에 저장되어 있고, 상기 제어부는 상기 메모리로부터 상기 제1값을 불러들여 상기 표면 높이 변동값과 비교하는 것에 의하여 이루어진다.
그리고, 상기 제1값은 상기 연마 패드, 상기 컨디셔닝 디스크의 사양에 따라 서로 다른 값이 상기 메모리에 저장되어, 진행 중인 CMP 공정 조건과 구성 요소의 사양에 따른 값을 호출하여 비교할 수 있다.
그리고, 상기 패드 높이 센서는 상기 연마 패드의 중심으로부터 서로 다른 반경 길이만큼 이격된 다수의 위치에서의 패드 높이 변동값을 측정하여, 연마 패드의 표면 높이 변동값이 국부적으로 크게 변동될 경우에 컨디셔닝 디스크의 개질 작용이 정상적인지 여부를 평가하는 데 오류가 생기는 것을 방지한다.
예를 들어, 상기 제어부는 상기 다수의 위치에서 측정된 상기 패드 높이 변동값들의 평균값과 상기 제1값을 비교하는 것에 의해 이루어질 수도 있다. 여기서, 평균은 산술 평균값에 국한되지 않으며, 기하 평균값을 포함하고, 특정 지점에서의 값에 가중치를 부여한 평균값도 포함한다.
한편, 상기 제1시점과 상기 제2시점은 하나의 화학 기계적 공정 중으로 정해질 수도 있다. 다만, 이 경우에도 제1시점과 제2시점의 시간 간격은 일정하게 유지되는 것이 좋다. 이 경우에는, 상기 제어부는 화학 기계적 연마 공정 중에 알람을 출력할 수 있다.
이와 달리, 상기 제1시점은 상기 화학 기계적 연마 공정이 행해지기 이전이고, 상기 제2시점은 상기 화학 기계적 연마 공정이 행해진 이후로 정해질 수 있다. 이는, 1회의 CMP 공정을 전후로 컨디셔닝 디스크에 의해 마모되는 연마 패드의 양을 기준으로 컨디셔닝 디스크의 정상 작동 유무를 판별하므로, 컨디셔닝 디스크의 정상 작동 유무를 보다 용이하고 정확하게 판별할 수 있는 잇점이 있다.
한편, 상기 컨디셔닝 디스크에 의하여 상기 연마 패드를 가압하는 가압력을 측정하는 컨디셔닝 가압력 센서를; 더 포함하여 구성되고, 상기 제어부는 상기 가압력 센서로부터 수신된 가압력 측정값이 허용 오차 범위 내에 있는지를 감지하여, 상기 가압 측정값이 상기 허용 오차 범위 내에 있지 않은 경우에만 알람을 출력하도록 구성될 수도 있다.
이는, CMP 공정 중에 컨디셔닝 디스크에 의하여 연마 패드의 마모에 따른 표면 높이 변동값은 컨디셔닝 디스크의 두께 이외에, 컨디셔닝 디스크를 가압하는 가압력에 의해서도 정해지기 때문이다. 따라서, 연마 패드의 마모에 따른 표면 높이 변동값이 정해진 제1값에 미달하더라도, 컨디셔닝 디스크를 하방 가압하는 가압력이 정상적으로 작동하는지 여부를 추가적으로 검증함으로써, 컨디셔닝 디스크 자체에 의한 표면 개질 오류인지 여부를 보다 정확하게 판별할 수 있다.
상기 컨디셔닝 가압력 센서는 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 컨디셔닝 디스크에 의해 상기 연마 패드를 가압하는 가압력을 측정하도록 구성될 수 있다. CMP 공정 중에 컨디셔닝 디스크는 연마 패드에 대하여 왕복 스윕 운동을 행하고 있으므로, 이 경우에는, 컨디셔닝 가압력 센서는 컨디셔너에 장착되어 가압력을 실시간 감지한다.
한편, 상기 컨디셔닝 가압력 센서는 화학 기계적 연마 공정이 행해지지 않는 때에 정해진 입력값에 대하여 상기 컨디셔닝 디스크에 의해 도입되는 가압력을 측정할 수도 있다. 이는, 컨디셔닝 디스크가 정지된 상태에서 정해진 입력값에 대한 실제 작용하는 가압력을 측정하므로, 컨디셔닝 디스크에 입력되는 가압력과 실제로 도입되는 가압력의 편차를 정확하게 파악하기 위함이다. 이를 통해, 컨디셔닝 디스크를 가압하는 가압력이 정상적으로 작동하는지를 알 수 있다.
한편, 발명의 다른 분야에 따르면, 본 발명은, 웨이퍼의 연마층이 연마 패드와 마찰 접촉하면서 화학 기계적 연마 공정이 행해지기 이전인 제1시점과, 상기 화학 기계적 연마 공정이 종료된 제2시점에서 각각 상기 연마 패드의 표면 높이 변동값을 패드 높이 센서로 측정하는 패드높이 측정단계와; 상기 패드 높이 센서에서 측정된 표면 높이 변동값이 미리 정해진 제1값에 도달하였는지를 비교하는 패드변동값 비교단계와; 상기 패드변동값 비교단계에서 상기 제1값에 도달하지 아니하면, 상기 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 연마 패드의 표면을 개질하는 컨디셔닝 디스크의 교체 시기를 알리는 알람을 출력하는 알람 출력 단계를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 컨디셔닝 디스크의 교체 시기 감지 방법을 제공한다.
이 때, 제 12항에 있어서, 상기 알람 출력 단계는, 상기 컨디셔닝 디스크에 도입된 가압력이 정상 범위에 속하는지를 감지하는 가압력 감지단계를 포함하고, 상기 가압력 감지단계에서 상기 컨디셔닝 디스크에 도입된 가압력이 정상 범위에 속하는 경우에만, 알람을 출력하게 구성될 수도 있다.
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. 따라서, 본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '표면 높이 변동값'을 구하기 위해서는 연마 패드의 상대적인 높이만을 측정하더라도 무방하다.
본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '측정 지점'은 연마 패드의 중심으로부터 반경 길이가 동일한 지점을 지칭하는 것으로 정의한다. 따라서, 본 명세서 및 특허청구범위에서 '하나의 측정지점'이라는 것은 연마 패드 상에서 하나의 점(point)을 지칭하지 아니하며, 연마 패드의 중심으로부터 동일한 반경 길이만큼 이격된 원 궤적에 있는 점들을 지칭한다.
본 발명에 따르면, 제1시점과 제2시점에서 패드 높이 센서에 의하여 연마 패드의 표면 높이 변동값을 측정하고, 제1시점과 제2시점 동안에 연마 패드의 마모량에 의한 표면 높이 변동값이 정상적인 CMP 공정 중에 발생되는 표면 높이 변동값과의 편차가 정해진 제1값에 미달하는지 여부를 감시하여, CMP 공정 중에 컨디셔닝 디스크에 의하여 연마 패드의 개질 작용이 정상적으로 행해지고 있는지 여부를 실시간으로 모니터링하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은, 컨디셔닝 디스크의 수명을 사용 횟수나 사용 기간을 기준으로 일률적으로 정하는 것이 아니라, CMP 공정의 변수나 구성 요소들의 변동 등을 반영하여, 컨디셔닝 디스크에 의해 가압되면서 개질되는 연마 패드의 두께 변동값을 기초로 감지함으로써, 컨디셔닝 디스크의 정상적인 작동이 보장되는 기간 동안 모두 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 컨디셔닝 디스크의 오작동이 발견되는 즉시 교체할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
더욱이, 본 발명은, 컨디셔닝 디스크에 의하여 도입되는 가압력의 오류를 감시하여 컨디셔닝 디스크의 교체 시기를 정함에 따라, 컨디셔닝 디스크의 수명이 다하였는지를 보다 정확하게 감지할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이를 통해, 본 발명은, 화학 기계적 연마 공정 중에 컨디셔닝 디스크에 의하여 연마 패드가 정확하게 개질되는 것을 신뢰성있게 담보할 수 있을 뿐만 아니라, 동시에 컨디셔닝 디스크의 수명의 전부를 실제로 사용할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도1은 일반적인 화학 기계적 연마 장치의 구성을 도시한 정면도,
도2는 도1의 평면도,
도3은 도1의 'A'부분의 확대 종단면도,
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 컨디셔닝 디스크의 교체시기 감지방법을 순차적으로 도시한 순서도,
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 평면도,
도6은 화학 기계적 연마 공정 중에 컨디셔닝 공정을 도시한 구성을 도시한 사시도,
도7은 화학 기계적 연마 공정을 마친 후에 컨디셔닝 하중을 측정하는 구성을 도시한 사시도,
도8은 도6의 'B'부분의 확대 종단면도,
도9는 도6의 절단선 Ⅸ-Ⅸ에 따른 단면도이다.
도2는 도1의 평면도,
도3은 도1의 'A'부분의 확대 종단면도,
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 컨디셔닝 디스크의 교체시기 감지방법을 순차적으로 도시한 순서도,
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치의 평면도,
도6은 화학 기계적 연마 공정 중에 컨디셔닝 공정을 도시한 구성을 도시한 사시도,
도7은 화학 기계적 연마 공정을 마친 후에 컨디셔닝 하중을 측정하는 구성을 도시한 사시도,
도8은 도6의 'B'부분의 확대 종단면도,
도9는 도6의 절단선 Ⅸ-Ⅸ에 따른 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마장치(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.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마장치는, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼의 연마면이 접촉하는 연마 패드(11)가 입혀지고 자전하는 연마 정반(10)과, 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼(W)를 연마 패드(11)를 향하여 하방 가압하면서 회전시키는 연마 헤드(20)와, 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드(11)의 표면을 개질하는 컨디셔너(130)와, 연마 패드(11)에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부(40)와, 연마 패드(11)의 표면 높이값을 측정하는 패드 높이 센서(110)와, 컨디셔닝 디스크(131)의 하방 가압력을 측정하는 가압력 측정센서(150)와, 패드 높이 센서(110)와 가압력 측정 센서(150)로부터의 측정값을 수신하여 알람을 출력하는 제어부(160)와, 화학 기계적 연마 공정의 변수나 연마 패드(11) 등의 사양에 따른 연마패드 마모량 등의 데이터를 저장하고 있는 메모리(170)를 포함하여 구성된다.
상기 연마 정반(10)은 웨이퍼(W)가 연마되는 폴리텍스 재질의 연마 패드(11)가 부착되어 회전 구동된다. 연마 패드(11)는 화학 기계적 연마 공정 중에 웨이퍼(W)와 마찰 접촉하면서 마모되고, 동시에 컨디셔너(130)의 컨디셔닝 디스크(131)와 접촉하면서 표면이 개질되고 동시에 마모된다.
상기 연마 헤드(20)는 웨이퍼(W)의 연마층이 연마 정반(10)의 연마 패드(11)에 가압하면서 접촉한 상태로 회전 구동시킨다.
상기 슬러리 공급부(40)는 연마 패드(11)에 슬러리를 공급하여, 연마 패드(11)에 형성된 미공(11a)을 통해 슬러리가 웨이퍼(W)로 전달되어, 웨이퍼(W)의 화학적 연마가 행해지게 한다.
상기 컨디셔너(100)는, 도6 및 도9에 도시된 바와 같이, 웨이퍼(W)가 가압하는 연마 패드(11)의 표면을 왕복 선회 운동(130d)을 하면서 개질하는 컨디셔닝 유닛(131, 132)과, 컨디셔닝 유닛(131, 132)을 일단부에 설치한 상태로 선회축(130a)의 회전에 따라 왕복 회전 운동을 하는 아암(134)과, 아암(134)의 끝단에서 구동 모터(M)에 의하여 회전 구동되어 회전 구동력을 컨디셔닝 유닛(131, 132)에 전달하는 회전축(133)과, 회전축(133)의 둘레를 감싸는 형태로 상기 아암(134)에 위치 고정되는 고정 부재(138)와, 가압 챔버(C)에 공압을 인가하는 압력 조절부(135)로 이루어진다.
그리고, 컨디셔닝 유닛(131, 132)은 연마 패드(11)에 접촉하면서 회전하는 컨디셔닝 디스크(131)와, 컨디셔닝 디스크(131)를 고정하고 있는 디스크 홀더(132)로 이루어진다.
디스크 홀더(132)는 회전축(133)의 중앙 수용부에 삽입되게 배치되고, 회전축(133)의 중앙 수용부와 디스크 홀더(132)는 비원형 단면으로 형성되어, 회전축(133)의 회전 구동에 따라 디스크 홀더(132)도 함께 회전 구동된다. 그리고, 회전축(133)의 중앙 수용부와 디스크 홀더(132)의 사이에 형성된 가압 챔버(C)에 인가되는 공압에 의하여, 디스크 홀더(132)를 하방으로 밀어내는 가압력(130F)이 형성된다.
이를 통해, 컨디셔너(130)의 컨디셔닝 디스크(131)는 압력 조절부(135)로부터 인가되는 공압에 의하여 정해지는 가압력(130F)으로 연마 패드(11)를 가압하고, 동시에 구동 모터(M)에 의해 회전 구동되는 회전축(133)과 연동하여 함께 회전 구동된다.
컨디셔닝 디스크(131)는 화학 기계적 연마 공정 중에 연마 패드(11)를 가압(130F)하면서 회전 접촉함에 따라, 사용 시간이 증가할 수록 그 두께(131T)는 마모에 의하여 점진적으로 감소한다. 그리고, 컨디셔닝 디스크(131)의 두께(131T)가 임계치에 도달하면, 연마 패드(11)의 표면을 개질하는 작용이 저하되어, 연마 패드(11)의 미세 기공(11a)이 유지되지 못하여 슬러리를 웨이퍼(W)에 골고루 공급하는 것이 어려워진다.
상기 패드 높이 센서(110)는 연마 패드(11)의 반경 방향으로의 표면 높이를 측정한다. 이 때, 패드 높이 센서(110)에 의하여 얻어지는 표면 높이는 연마 패드(11)의 바닥면으로부터 표면까지의 절대적인 높이를 포함하지만, 연마 패드(11)의 표면 높이의 편차로서 상대적인 높이를 포함한다.
예를 들어, 패드 높이 센서(110)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 높이의 분포를 비접촉 방식으로 구할 수 있다. 이 때, 패드 높이 센서(110)는 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 동안 지속적이고 실시간으로 반경 방향으로의 패드 높이값을 측정하여, 이를 제어부(160)로 전송한다.
도면에 도시되지 않았지만, 패드 높이 센서는 컨디셔너(100)의 디스크 홀더(120)에 탄성 지지되는 핀 형태로 구성되어, 다이얼 게이지와 유사하게 아암(104)의 끝단부의 선회 회전 운동(120d)에 따른 연마 패드(11)의 표면 높이값을 접촉식으로 구할 수 있다. 마찬가지로, 접촉 방식의 패드 높이 센서에 의하여 화학 기계적 연마 공정이 행해지는 동안 지속적이로 실시간으로 반경 방향으로의 패드 높이값을 측정하여, 이를 제어부(160)로 전송한다.
또한, 패드 높이 센서(110)는 연마 패드(11)의 표면 높이값을 화학 기계적 연마 공정이 행해지기 이전과 이후에도 측정한다. 즉, 패드 높이 센서(110)는 정해진 시간 간격을 두고 제1시점과 제2시점에서 2개 이상의 지점에서 연마 패드(11)의 표면 높이값을 측정한다. 여기서, 제1시점과 제2시점은 화학 기계적 연마 공정이 행해지기 이전과 이후의 시점으로 각각 정해질 수도 있고, 화학 기계적 연마 공정 이 행해지는 도중에 정해진 시간 만큼 차이를 둔 시점으로 각각 정해질 수도 있다.
따라서, 제어부(160)는 제1시점과 제2시점에서 연마 패드(11)의 패드 높이 변동값이 정해진 제1값에 도달하였는지를 감지한다. 즉, 컨디셔닝 디스크(131)에 의하여 정상적으로 연마 패드(11)의 개질 공정이 행해지면, 연마 패드(11)의 개질 공정 중에 연마 패드(11)의 마모량이 정해진 제1값만큼 마모되므로, 제1시점과 제2시점에서의 연마 패드(11)의 패드 높이 변동값이 제1값에 도달하였는지를 비교한다.
여기서, 제1값은 현재 CMP 공정과 동일한 조건 하에서 정상적인 컨디셔닝 공정이 행해지는 경우에 반복 실험을 통해 얻어진 값으로, 메모리(170)에 저장되어 있다가 제어부(160)에 의해 호출된다. 따라서, 제1시점과 제2시점에서의 연마 패드(11)의 패드 높이 변동값이 제1값에 미달하면, 현재 CMP 공정에서 컨디셔닝 공정이 정상적으로 행해지지 않은 것이므로, 제어부(160)는 제어 화면에 팝업창을 띄우거나, 사이렌, 램프의 점등 등의 알람(alarm) 신호를 출력한다.
한편, 제1값은 하나의 값(value)로 정해질 수도 있지만, 수치 범위로 정해질 수도 있다. 수치 범위로 정해지는 경우에는, 제1시점과 제2시점에서의 연마 패드(11)의 패드 높이 변동값이 제1값의 범위에 미달하는 정도에 따라 단계적인 알람 신호를 출력할 수 있다.
상기 가압력 측정센서(150, 150')는 컨디셔닝 디스크(131)에 의하여 도입되는 가압력을 측정한다. 가압력 측정센서(150, 150')는 도7에 도시된 바와 같이, 컨디셔너(130)의 아암(134)이 회전하여 컨디셔닝 디스크(131)가 도달할 수 있는 연마 정반(10) 외측의 지지대(158) 상에 위치할 수도 있고, 도9에 도시된 바와 같이 컨디셔닝 디스크(131)와 디스크 홀더(132)의 사이에 개재되어 컨디셔닝 디스크(131)에 의해 인가되는 가압력에 대한 반력을 측정할 수도 있다.
여기서, 지지대(158)는 CMP 공정이 행해지지 않는 동안에 컨디셔닝 디스크(131)를 대기시키는 용도로 활용될 수 있다.
즉, 컨디셔닝 디스크(131)에 도입되는 가압력(130F)은 압력 조절부(135)로부터 가압 챔버(C)에 공급되는 공압의 크기에 따라 정해지므로, 정해진 제1공압을 인가할 때에 예정된 제1가압력이 출력되는지 여부를 가압력 측정 센서(150, 150')에 의하여 감지할 수 있다.
여기서, 예정된 제1가압력은 컨디셔너(130)가 정상적인 상태에서 가압 챔버(C)에 정해진 제1공압을 인가할 때에 출력되는 컨디셔닝 하중(130F)값으로서 반복 실험에 의해 얻어진 값이다. 그리고, 다양한 제1공압의 크기에 따라 제1가압력의 값이 메모리(170)에 저장되어 있다가, 제어부(160)에 의해 호출된다.
따라서, 제어부(160)는, 제어부(160)에서 압력 조절부(135)에 전송한 제어 신호에 따라 압력 조절부(135)로부터 가압 챔버(C)에 공급한 입력값인 공압 크기와, 가압력 측정센서(150, 150')에서 측정된 측정 가압력을 제어부(160)에서 비교하여, 측정 가압력이 예정된 제1가압력과의 편차가 오차 범위를 벗어날 경우에는, 제어부(160)는 알람을 출력하여, 작업자로 하여금 입력되는 공압에 대한 출력 가압력이 올바르게 작용하도록 유지 보수 한다.
이를 통해, 제어부(160)는 화학 기계적 연마 공정 중에 또는 화학 기계적 연마 공정의 전후에 컨디셔닝 하중(130F)이 정상적으로 도입되고 있는지 여부를 모니터링할 수 있다.
이하, 첨부된 도4를 참조하여, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 화학 기계적 연마 장치(100)를 이용한 컨디셔닝 디스크(131)의 교체 시기의 감지 방법(S100)에 대하여 상술한다.
단계 1: CMP 공정이 시작되기 이전이나 CMP 공정 중의 제1시점(時點)에 패드높이 측정센서(110)에 의하여 연마 패드(11)의 높이를 측정한다(S110). 이 때, 패드높이 측정센서(110)에 의해 측정되는 측정 지점은 연마 패드(11)의 중심으로부터 서로 다른 반경 길이에 위치한 2개 이상의 지점으로 정해진다.
패드높이 측정센서(110)에 의해 측정된 패드 표면 높이 데이터는 제어부(160)로 전송된다.
단계 2: 그리고 나서, 웨이퍼(W)의 CMP 공정을 진행한다(S120).
단계 3: 제1시점(時點)으로부터 정해진 시간이 경과하거나 CMP 공정이 종료된 제2시점(時點)이 되면, 패드높이 측정센서(11)에 의하여 연마 패드(11)의 표면 높이를 다시 측정한다(S130)
여기서, 제2시점(時點)에서의 측정 지점은 제1시점(時點)에서의 측정 지점과 동일하여, 연마 패드(11)의 표면 높이 변동값을 정확히 산출할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
단계 4: 제어부(160)는 패드높이 측정센서(110)로부터 2개 이상의 지점에서 얻어진 패드 높이값을 수신하여, 제1시점과 제2시점에서의 패드 높이값의 차를 통해 연마 패드(11)의 표면높이 변동값을 산출한다. 이 때, 2개 이상의 지점에서 수신된 연마 패드(11)의 표면 높이값은 각 측정값의 산술 평균, 기하 평균 또는 특정한 위치에서의 측정값에 가중치를 부여한 평균값 등의 방법으로 표면높이 변동값을 구할 수 있다.
그리고, 제어부(160)는 단계 2에서 행해진 CMP 공정과 동일한 조건(슬러리의 종류, 연마 패드의 종류, 웨이퍼의 가압력, 컨디셔닝 디스크의 가압력, 연마 패드의 회전 속도 등) 하에서 제1시점과 제2시점의 사이의 시간 동안에 정상적인 컨디셔닝 공정이 행해졌더라면 연마 패드(11)가 마모에 의하여 감소하는 제1값을 메모리(170)로부터 호출한다.
그 다음, 제어부(160)는, 측정에 의해 얻어진 연마 패드(11)의 표면높이 변동값이 메모리(170)로부터 호출한 제1값에 미달하는지 여부를 비교한다. 이 때, 측정에 의해 얻어진 표면높이 변동값이 제1값에 미달하면, 컨디셔닝 디스크(131)가 장시간 동안 사용되면서 두께가 기준치 이하로 얇아져 충분한 개질 작업이 행해지지 않았을 가능성이 있으므로, 낮은 경계 표시로서의 알람 신호를 팝업창, 사이렌, 점등 등으로 출력할 수도 있다.
단계 5: 단계 4에서 측정에 의해 얻어진 연마 패드(11)의 표면높이 변동값이 메모리(170)로부터 호출한 제1값에 미달할 경우에도, 컨디셔닝 가압력(130F)이 기준치보다 낮게 되면 컨디셔닝 디스크(131)는 정상일 수도 있다.
이로부터, 단계 4에서 알람 신호를 출력하는 것은 컨디셔닝 가압력(130F)이 기준치에 항상 부합하는 것으로 신뢰되는 경우로 국한하는 것이 바람직하다. 즉, 수회의 CMP 공정 마다 컨디셔닝 가압력(130F)의 보정(calibration) 공정을 행하는 등과 같이, 컨디셔닝 가압력(130F)이 기준치에 항상 부합하는 것으로 신뢰되는 경우에는, 곧바로 단계 4에서 컨디셔닝 디스크(131)의 교체 신호를 알람 신호로 출력한다.
한편, CMP 공정 마다 컨디셔닝 가압력(130F)의 보정(calibration) 공정을 행하는 등의 사정이 없다면, 컨디셔닝 디스크(131)의 수명이 다한 것인지를 보다 확실하게 검증하기 위하여, 컨디셔닝 디스크(131)에 의해 인가되는 출력 가압력이 정상적인지 검사한다(S150).
출력 가압력의 검사 공정은 CMP 공정 중에 행해질 수도 있고, CMP 공정 사이의 대기 시간 중에도 행해질 수 있다. CMP 공정 중에 컨디셔너(130)의 출력 가압력(130F)의 검사를 하고자 하는 경우에는, 도9에 도시된 바와 같이, 컨디셔닝 디스크(131)와 디스크 홀더(132) 사이의 가압력 측정센서(150')에 의하여 가압 챔버(C)에 공급되는 공압의 크기에 따른 실제 출력되는 가압력(130F)을 측정하는 것에 의해 이루어진다. CMP 공정이 종료된 이후에 컨디셔너(130)의 출력 가압력(130F)의 검사를 하고자 하는 경우에는, 도7에 도시된 바와 같이, 컨디셔닝 디스크(131)가 대기 지지대(158)에 거치된 상태에서 가압 챔버(C)에 정해진 제1공압을 인가하여 이에 따른 출력 가압력을 측정하는 것에 의해 이루어진다.
CMP 공정 중이나 공정 사이에 컨디셔너(130)의 출력 가압력을 검사하는 것이 모두 가능하지만, 보다 높은 정확성을 얻기 위해서는 CMP 공정이 종료된 이후에 컨디셔너(130)가 정지된 상태에서 출력 가압력(130F)을 검사하는 것이 보다 바람직하다.
이 때에도, 입력되는 공압의 크기에 따른 출력 가압력(130F)의 데이터는 미리 반복 실험에 의하여 얻어져 메모리(170)에 저장되어 있다. 따라서, 제어부(160)는 시험하고자 하는 입력 공압에 대한 컨디셔닝 하중(130F)의 출력치 값을 메모리(170)로부터 호출하여 비교한다.
단계 6: 단계 5에서 컨디셔너(130)의 가압 챔버(C)에 공급되는 공압에 따른 컨디셔닝 하중(130F)이 비정상적인 경우에는, 컨디셔닝 디스크(131)의 수명이 다하지 않았을 가능성이 있으므로, 먼저 압력 조절부(135) 등의 컨디셔닝 가압유닛의 보수가 필요하다는 알람신호를 출력한다(S170).
상기와 같이, 본 발명은 서로 다른 제1시점과 제2시점에서 연마 패드(11)의 표면 높이값을 측정하여 정해진 시간이나 CMP 공정 중의 연마 패드의 높이 변동값을 얻고, 제1시점과 제2시점의 사이에 정상적인 CMP 공정에 의해 마모에 의해 발생되는 표준 높이 변동값(제1값)에 미달하는지 여부를 감시하여, CMP 공정 중에 컨디셔닝 디스크에 의하여 연마 패드의 개질 작용이 정상적으로 행해지고 있는지를 감시할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
이를 통해, 본 발명은, 컨디셔닝 디스크의 수명이 다하는 것을 일률적인 시간의 경과에 의하지 않고 CMP 공정에서의 컨디셔닝 효율(패드 높이 변동량)을 통해 알 수 있게 되므로, CMP 공정 중의 컨디셔닝 공정의 신뢰성을 높일 수 있고 컨디셔닝 디스크의 보다 긴 수명 동안의 안정적인 사용을 담보할 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
11: 연마 패드
110: 패드 높이 센서 130: 컨디셔너
130F: 컨디셔닝 하중(가압력) 131: 컨디셔닝 디스크
132: 디스크 홀더 133: 회전축
150: 가압력 측정센서 158: 대기 지지대
160: 제어부 170: 메모리
C: 가압 챔버
110: 패드 높이 센서 130: 컨디셔너
130F: 컨디셔닝 하중(가압력) 131: 컨디셔닝 디스크
132: 디스크 홀더 133: 회전축
150: 가압력 측정센서 158: 대기 지지대
160: 제어부 170: 메모리
C: 가압 챔버
Claims (13)
- 웨이퍼의 연마층을 연마하는 화학 기계적 연마 장치로서,
화학 기계적 연마 공정 중에 상기 웨이퍼의 연마면과 마찰 접촉하고 회전하는 연마 패드와;
상기 연마 패드를 가압한 상태로 회전 접촉하면서 상기 연마 패드의 표면을 개질하는 컨디셔닝 디스크와;
서로 다른 제1시점과 제2시점에서 각각 상기 연마 패드의 표면 높이 변동값을 측정하는 패드 높이 센서와;
상기 패드 높이 센서로부터 수신한 상기 표면 높이 변동값이 정해진 제1값에 도달하지 않으면, 상기 컨디셔닝 디스크의 교체 시기를 알리는 알람을 출력하는 제어부를;
포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 제1값은 반복 실험에 의해 얻어져 메모리에 저장되어 있고, 상기 제어부는 상기 메모리로부터 상기 제1값을 불러들여 상기 표면 높이 변동값과 비교하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
- 제 2항에 있어서,
상기 제1값은 상기 연마 패드, 상기 컨디셔닝 디스크의 사양에 따라 서로 다른 값이 상기 메모리에 저장되어 있는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 패드 높이 센서는 상기 연마 패드의 중심으로부터 서로 다른 반경 길이만큼 이격된 다수의 위치에서의 패드 높이 변동값을 측정하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
- 제 4항에 있어서,
상기 제어부는 상기 다수의 위치에서 측정된 상기 패드 높이 변동값들의 평균값과 상기 제1값을 비교하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 제1시점과 상기 제2시점은 하나의 화학 기계적 공정 중인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
- 제 6항에 있어서,
상기 제어부는 화학 기계적 연마 공정 중에 알람을 출력하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 제1시점은 상기 화학 기계적 연마 공정이 행해지기 이전이고, 상기 제2시점은 상기 화학 기계적 연마 공정이 행히진 이후인 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
- 제 1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 컨디셔닝 디스크에 의하여 상기 연마 패드를 가압하는 가압력을 측정하는 컨디셔닝 가압력 센서를;
더 포함하여 구성되고, 상기 제어부는 상기 가압력 센서로부터 수신된 가압력 측정값이 허용 오차 범위 내에 있는지를 감지하여, 상기 가압 측정값이 상기 허용 오차 범위 내에 있지 않은 경우에만 알람을 출력하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
- 제 9항에 있어서,
상기 컨디셔닝 가압력 센서는 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 컨디셔닝 디스크에 의해 상기 연마 패드를 가압하는 가압력을 측정하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
- 제 9항에 있어서,
상기 컨디셔닝 가압력 센서는 화학 기계적 연마 공정이 행해지지 않는 때에 정해진 입력값에 대하여 상기 컨디셔닝 디스크에 의해 도입되는 가압력을 측정하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치.
- 웨이퍼의 연마층이 연마 패드와 마찰 접촉하면서 화학 기계적 연마 공정이 행해지기 이전인 제1시점과, 상기 화학 기계적 연마 공정이 종료된 제2시점에서 각각 상기 연마 패드의 표면 높이 변동값을 패드 높이 센서로 측정하는 패드높이 측정단계와;
상기 패드 높이 센서에서 측정된 표면 높이 변동값이 미리 정해진 제1값에 도달하였는지를 비교하는 패드변동값 비교단계와;
상기 패드변동값 비교단계에서 상기 제1값에 도달하지 아니하면, 상기 화학 기계적 연마 공정 중에 상기 연마 패드의 표면을 개질하는 컨디셔닝 디스크의 교체 시기를 알리는 알람을 출력하는 알람 출력 단계를;
포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 컨디셔닝 디스크의 교체 시기 감지 방법.
- 제 12항에 있어서, 상기 알람 출력 단계는,
상기 컨디셔닝 디스크에 도입된 가압력이 정상 범위에 속하는지를 감지하는 가압력 감지단계를 포함하고,
상기 가압력 감지단계에서 상기 컨디셔닝 디스크에 도입된 가압력이 정상 범위에 속하는 경우에만, 알람을 출력하는 것을 특징으로 하는 화학 기계적 연마 장치의 컨디셔닝 디스크의 교체시기 감지방법.
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