KR20200026396A - 화학적 기계적 연마 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치는, 연마 헤드 본체, 상기 연마 헤드 본체의 하부에 부착된 멤브레인 및 상기 연마 헤드 본체와 상기 멤브레인 사이에 배치된 반사판을 포함하는 연마 헤드, 윈도우를 포함하는 플래튼, 상기 플래튼의 상기 윈도우 아래에 배치되고 테라헤르츠파를 방출하는 발진기, 상기 플래튼의 상기 윈도우 아래에 배치되고 상기 발진기로부터 방출된 상기 테라헤르츠파를 수신하는 검출기, 및 상기 검출기로부터 전달받은 상기 테라헤르츠파의 전기적 신호를 분석하고 연마 종료 시점을 결정하는 분석 장치;를 포함한다.

Description

화학적 기계적 연마 장치{CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS}
본 발명은 화학적 기계적 연마 장치에 관한 것이다.
화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP) 공정은 연마제에 의한 기계적인 폴리싱 효과와 산 또는 염기 용액에 의한 화학적 반응 효과를 결합하여 기판의 표면을 평탄화(planarization)하는 공정이다.
이와 같은 CMP 공정은 STI(Shallow trench isolation) 및 ILD(Interlayer dielectric)의 절연물질, 텅스텐 플러그 및 구리 배선의 금속 물질 등을 평탄화하는 목적으로 사용되고 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, CMP 공정에서 정확한 연마 종료 시점(end point)를 감지할 수 있는 CMP 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치는 연마 헤드 본체, 상기 연마 헤드 본체의 하부에 부착된 멤브레인 및 상기 연마 헤드 본체와 상기 멤브레인 사이에 배치된 반사판을 포함하는 연마 헤드, 윈도우를 포함하는 플래튼, 상기 플래튼의 상기 윈도우 아래에 배치되고 테라헤르츠파를 방출하는 발진기, 상기 플래튼의 상기 윈도우 아래에 배치되고 상기 발진기로부터 방출된 상기 테라헤르츠파를 수신하는 검출기, 및 상기 검출기로부터 전달받은 상기 테라헤르츠파의 전기적 신호를 분석하고 연마 종료 시점을 결정하는 분석 장치;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치는 윈도우를 포함하는 플래튼, 상기 플래튼 상에 배치되고 기판을 지지하는 연마 헤드, 상기 윈도우 아래에 배치되고, 테라헤르츠파를 상기 기판에 조사하는 발진기, 및 상기 발진기에 인접 배치되고, 상기 기판을 투과한 상기 테라헤르츠파를 수신하는 검출기를 포함한다. 여기서, 상기 연마 헤드는 상기 기판을 투과한 상기 테라헤르츠파를 반사시키는 반사판을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치는 반사판을 포함하고, 기판을 지지하는 연마 헤드, 상기 연마 헤드 아래에 배치되고, 테라헤르츠파를 상기 기판에 조사하는 발진기, 및 상기 발진기에 인접 배치되고, 상기 기판을 투과한 후 상기 반사판에서 반사된 상기 테라헤르츠파를 수신하는 검출기를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 테라헤르츠파를 이용하여 CMP 공정에서 정확한 연마 종료 시점(end point)를 감지할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치를 나타내는 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연마헤드의 일부를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사판을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치에서 연마 공정 중에 인시츄 두께 모니터링 과정을 나타낸다.
도 6은 연마 공정 중 플래튼이 1회전하는 동안에 인시츄 두께 모니터링이 이루어진 기판의 지점들을 나타낸다.
도 7은 예시적인 기준 시간 영역 파형 및 측정된 시간 영역(time domain) 파형을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치에서 연마 종료시점을 판단하는 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사판을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 다음과 같이 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 화학적 기계적 연마 장치(10)는 플래튼들(platens)(20), 연마 헤드들(30), 슬러리 공급부들(40), 및 콘디셔너들(50)을 포함할 수 있다. 화학적 기계적 연마 장치(10)는 멀티 헤드 캐루셀(carousel)(36), 익스체인저(15), 로드/언로드 유닛(17) 및 로봇(R)을 더 포함할 수 있다.
플래튼들(20)은 윈도우(26)를 포함할 수 있다. 플래튼들(20) 상에는 연마 패드가 장착될 수 있다. 상기 연마 패드는 윈도우(26)를 덮지 않도록 배치될 수 있다. 연마 공정은 플래튼들(20)에서 순차적으로 진행되거나 일부 플래튼(20)에서만 진행될 수 있다. 윈도우(26)는 테라헤르츠파를 투과시킬 수 있다. 후술하겠지만, 윈도우(26) 아래에는 테라헤르츠파를 방출하는 발진기와 테라헤르츠파를 수신하는 검출기가 장착될 수 있다.
플래튼(20)의 일측에는 상기 연마 패드 상에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부(40)가 배치될 수 있다.
연마 헤드들(30)은 회전 가능한 멀티 헤드 캐루셀(36)에 부착되어 플래튼들(20) 및 로드/언로드 유닛(17) 상으로 이동될 수 있다. 연마 헤드들(30)은 승강 동작과 회전 동작이 각각 독립적으로 가능하도록 구성될 수 있다. 익스체인저(15)는 연마가 진행되어야 하는 기판을 로드/언로드 유닛(17)으로 이송하거나, 연마가 완료된 기판을 로드/언로드 유닛(17)로부터 반출할 수 있다. 로봇(R)은 카세트로부터 연마될 기판을 반출하여 익스체인저(15)에 이송하거나, 연마가 끝난 기판을 익스체인저(15)로부터 반출하여 상기 카세트에 반입시킬 수 있다.
콘디셔너(50)는 상기 연마 패드의 상태를 조절하여 일정한 연마율을 유지할 수 있게 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치를 나타내는 측면도이다.
도 2를 참조하면, 연마 패드(21)가 표면에 장착된 플래튼(platen)(20) 제1 회전축(22)에 연결되어 회전할 수 있다. 연마 패드(21) 상에는 CMP 공정이 적용될 기판(W)을 지지하는 연마 헤드(30)가 배치될 수 있다. 연마 헤드(30)는 제2 회전축(32)에 연결되어 회전할 수 있다. 연마 패드(21)의 일 영역에는 슬러리 공급부(40)로부터 슬러리(S)가 공급될 수 있다. 회전하는 연마 패드(21) 상에 슬러리(S)가 공급된 후, 연마 헤드(30)가 하강하여 연마 패드(21)에 기판(W)을 밀착시킨 상태로 회전함으로써, 슬러리(S)에 의해 기판(W)의 연마 대상막이 연마될 수 있다. 상기 연마 대상막은 STI(Shallow trench isolation)를 형성하기 위한 절연막 또는 게이트 패턴들이나 금속 배선들을 덮는 ILD(Interlayer dielectric)막일 수 있다.
연마 헤드(30)는 제2 회전축(32)과 결합되는 연마 헤드 본체(31), 연마 헤드 본체(31)의 하부에 부착된 멤브레인(44), 연마 헤드 본체(31)와 멤브레인(44) 사이에 배치된 반사판(42)을 포함할 수 있다. 멤브레인(44)은 기판(W)을 흡착하여 지지할 수 있다. 멤브레인(44) 및 반사판(42)에 대해서는 도 3 및 도 4를 참조하여 후술한다.
플래튼(20)은 윈도우(26)가 장착되는 홀(24)을 포함할 수 있다. 플래튼(20)의 윈도우(26) 아래에는 테라헤르츠파를 기판(W)에 조사하는 발진기(61)와 기판(W)을 투과한 테라헤르츠파를 수신하는 검출기(64)가 인접 배치될 수 있다. 테라헤르츠파란 3mm ~ 30μm의 파장을 가지는 전자기파를 말한다. 발진기(61)는 펨토초 레이저를 여기 광원으로 이용하는 광전도 안테나 소자를 포함할 수 있다.
발진기(61)와 검출기(64)는 플래튼(20)에 결합되어 플래튼(20)과 함께 회전할 수 있다. CMP 공정이 진행되는 동안에 발진기(61)는 윈도우(26)를 통해 펄스 형태의 테라헤르츠파(62)를 기판(W)에 조사할 수 있다. 검출기(64)는 기판(W)을 투과한 후 반사판(42)에 의해 반사된 테라헤르츠파(63)를 윈도우(26)를 통해 수신할 수 있다. 검출기(64)는 수신된 테라헤르츠파(63)를 시간에 따른 파형을 가지는 전기적 신호, 즉, 시간 영역(time-domain) 파형의 전기적 신호로 변환할 수 있다.
플래튼(20)에 결합된 발진기(61) 및 검출기(64)에 의해 연마 공정이 진행되는 동안에 기판(W) 상의 연마 대상막의 두께 변화를 인시츄로 모니터링 할 수 있고, 최종적으로 연마 종결 시점을 결정할 수 있다.
발진기(61)와 검출기(64)는 분석 장치(71)에 연결될 수 있다. 분석 장치(71)는 발진기(61)의 동작을 제어하고, 검출기(64)로부터 전달된 시간에 따른 파형을 가지는 전기적 신호 즉, 시간 영역(time-domain) 파형의 전기적 신호를 분석하여 연마 종료 시점을 결정할 수 있다.
분석 장치(71)는 표시 장치(73)에 연결되고, 표시 장치(73)는 사용자에게 분석 장치(71)에서 처리되는 정보들을 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연마헤드의 일부를 나타내는 단면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사판을 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연마 헤드는 연마 헤드 본체(31)의 하부에 배치되어 기판(W)을 지지하는 멤브레인(44) 및 멤브레인(44)이 고정되는 멤브레인 클램프(46)를 포함할 수 있다. 반사판(42)은 멤브레인 클램프(46)에 결합되고, 멤브레인 클램프(46)와 멤브레인(44) 사이에 배치될 수 있다.
멤브레인 클램프(46)는 가스 통로들(34a, 34b, 34c)을 포함할 수 있다. 가스 통로들(34a, 34b, 34c)을 통해 공기가 주입하거나 흡입될 수 있다. 멤브레인(44)은 플레서블한 재질로 이루어질 수 있고, 예를 들어, 실리콘(silicone)으로 이루어질 수 있다. 멤브레인(44)은 별도로 내부 압력이 조절될 수 있는 3개의 영역들로 분할될 수 있다. CMP 공정 시에 3개의 영역들의 내부 압력을 적절히 조절하여 연마 공정의 균일성을 높일 수 있다. 멤브레인(44)의 구조에 맞춰 멤브레인 클램프(46)의 하면은 서로 이격된 링 형태의 3개의 영역들을 포함할 수 있다. 예시적으로, 멤브레인(44)이 3개의 영역들로 분할되는 것을 도시하였으나, 내부 압력이 조절될 수 있는 영역들의 개수는 변할 수 있다.
반사판(42)은 서로 이격된 링 형태의 3개의 반사 영역들(42a, 42b, 42c)을 포함할 수 있다. 반사판(42)은 지지체(42s)와 지지체(42s)의 표면에 코팅된 금속층(42r)을 포함할 수 있다. 지지체(42s)는 멤브레인 클램프(46)의 하면에 접촉할 수 있다. 금속층(42r)은 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al) 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 금속층(42r)은 단일층 또는 다층으로 이루어질 수 있다.
반사판(42)의 반사 영역들(42a, 42b, 42c)은 서로 동일한 반경 방향의 폭들을 가질 수 있다. 제1 반사 영역(42a)은 제1 폭(W1)을 가지고, 제2 반사 영역(42b)은 제2 폭(W2)을 가지고, 제3 반사 영역(42c)은 제3 폭(W3)을 가진다. 제1 폭(W1), 제2 폭(W2) 및 제3 폭(W3)은 서로 동일한 값을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 제1 폭(W1), 제2 폭(W2) 및 제3 폭(W3) 중 적어도 일부는 다른 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 반사 영역(42b)의 제2 폭(W2)이 가장 넓을 수 있다. 또는 제1 반사 영역(42a)의 제1 폭(W1)이 가장 넓고, 제3 반사 영역(42c)의 제3 폭(W3)이 가장 좁을 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치에서 연마 공정 중에 인시츄 두께 모니터링 과정을 나타낸다.
발진기(61, 도2 참조)로부터 방출된 테라헤르츠파(62)는 플래튼(20)의 홀(24) 내에 배치된 윈도우(26)를 투과하고, 슬러리(S)를 투과하고, 연마 대상막(TM)이 도포된 기판(W)을 투과하고, 멤브레인(44)을 투과한 후, 반사판(42)의 금속층(42r)에서 반사된다. 반사된 테라헤르츠파(63)는 다시 멤브레인(44)를 투과하고, 기판(W)을 투과하고, 슬러리(S)를 투과하고, 윈도우(26)를 투과하여 검출기(64, 도2 참조)에 의해 수신된다.
검출기(64)는 수신된 테라헤르츠파(63)를 시간에 따른 파형을 갖는 전기적 신호, 즉, 시간 영역(time domain) 파형을 갖는 전기적 신호로 변환할 수 있다.
도 6은 연마 공정 중 플래튼이 1회전하는 동안에 인시츄 두께 모니터링이 이루어진 기판의 지점들을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 플래튼(20, 도 2 참조)이 1회전하는 동안 기판(W)의 복수의 측정 지점들에서 테라헤르츠파를 이용한 두께 모니터링이 인시츄로 수행될 수 있다. 도 6의 화살표는 플래튼(20)의 회전 방향을 나타낸다. 예시적으로 8개의 지점들을 도시하였으나, 플래튼(20)의 회전 속도 등의 변수에 따라 측정 지점들의 개수는 변할 수 있다. 각 측정 지점마다 도 5를 참조하여 설명한 일련의 과정들이 이루어진다.
도 7은 예시적인 기준 시그널 및 측정 시그널을 시간 영역(time domain) 파형으로 나타낸 것이다.
연마 공정이 진행되는 동안에 측정된 측정 시그널에서 최대 진폭(d2)은 기준 시그널에서 최대 진폭(d1)보다 작고, 측정 시그널에서 최대 진폭(d2)의 시간 지연값(t2)은 기준 시그널에서 최대 진폭(d1)의 타켓 시간 지연값(t1)보다 크다. 연마 공정이 계속 진행되어 기판(W)의 연마 대상막의 두께가 감소함에 따라 측정 시그널에서 최대 진폭(d2) 및 시간 지연값(t2)은 기준 시그널에서의 최대 진폭(d1) 및 타겟 시간 지연값(t1)에 가까워진다.
측정 시그널의 시간 지연값(t2)이 기준 시그널의 타겟 시간 지연값(t1)과 일치하게 되는 시점이 연마 종료 시점(end point)이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학적 기계적 연마 장치에서 연마 종료시점을 판단하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 연마 대상막(예를 들어, 절연막)을 가지는 기판을 연마 헤드에 장착하고 연마 패드에 밀착시킴으로써, 연마 공정을 시작한다(S10).
플래튼이 1회전하는 동안 기판(W)에 대해 테라헤르츠파를 이용한 두께 측정을 수행하여 측정 시그널을 획득한다(S20). 도 6에서 설명한 바와 같이, 플래튼이 1회전하는 동안에 기판(W)의 복수의 측정 지점들로부터 측정 시그널들이 검출기에 의해 수신되는 데, 여기서, 상기 측정 시그널은 복수의 측정 지점들로부터 수신된 측정 시그널들의 평균값을 의미할 수 있다. 또는 상기 측정 시그널은 복수의 측정 지점들로부터 수신된 측정 시그널들의 일부의 평균값을 의미할 수 있다. 또는, 상기 측정 시그널은 각각의 측정 지점으로부터 얻어진 측정 시그널을 의미할 수 있다.
분석 장치는 상기 검출기로부터 전달된 측정 시그널로부터 최대 진폭의 시간 지연값을 추출한다(S30). 그리고, 상기 분석 장치는 기설정된 타겟 시간 지연값과 비교한다(S40). 측정 시그널의 시간 지연값이 타겟 시간 지연값과 일치하면 연마 종료 조건이 만족하는 것이므로, 연마 공정을 종료한다(S60). 그러나, 측정 시그널의 시간 지연값이 타겟 시간 지연값보다 크다면, 연마 공정은 계속 진행되고 S20, S30, S40, 및 S50 단계들을 수행한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사판을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 반사판(42')의 2개의 반사 영역들(42a', 42b')을 포함할 수 있다. 제1 반사 영역(42a’)은 제1 폭(W1')을 가지고, 제2 반사 영역(42b’)은 제2 폭(W2')을 가진다. 제1 폭(W1')이 제2 폭(W2')보다 클 수 있다. 이와 달리, 일 실시예에서, 제2 폭(W2')이 제1 폭(W1')보다 클 수 있다.
반사판(42')의 구조에 대응하여, 멤브레인(44) 및 멤브레인 클램프(46)의 구조도 변경될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
10: 화학적 기계적 연마 장치, 20: 플래튼, 26: 윈도우, 30: 연마 헤드, 40: 슬러리 공급부, 42: 반사판, 44: 멤브레인, 46: 멤브레인 클램프, 50: 콘디셔너, 61: 발진기, 64: 검출기, 71: 분석 장치, 73: 표시 장치

Claims (10)

  1. 연마 헤드 본체, 상기 연마 헤드 본체의 하부에 부착된 멤브레인, 상기 연마 헤드 본체와 상기 멤브레인 사이에 배치된 반사판을 포함하는 연마 헤드;
    윈도우를 포함하는 플래튼;
    상기 플래튼의 상기 윈도우 아래에 배치되고 테라헤르츠파를 방출하는 발진기;
    상기 플래튼의 상기 윈도우 아래에 배치되고 상기 발진기로부터 방출된 상기 테라헤르츠파를 수신하는 검출기; 및
    상기 검출기로부터 전달받은 상기 테라헤르츠파의 전기적 신호를 분석하고 연마 종료 시점을 결정하는 분석 장치;를 포함하는 화학적 기계적 연마 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 반사판은 링 형태의 복수의 반사 영역들을 포함하는 화학적 기계적 연마 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 복수의 반사 영역들은 서로 이격되어 배치되는 화학적 기계적 연마 장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 복수의 반사 영역들은 서로 동일한 반경 방향의 폭들을 가지는 화학적 기계적 연마 장치.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 복수의 반사 영역들 중 적어도 일부의 반사 영역은 반경 방향의 폭이 나머지 반사 영역과 다른 화학적 기계적 연마 장치.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 연마 헤드는 상기 연마 헤드 본체의 하부에 배치되고 상기 멤브레인이 고정되는 멤브레인 클램프를 더 포함하고,
    상기 반사판은 상기 멤브레인 클램프에 결합되고, 상기 멤브레인 클램프와 상기 멤브레인 사이에 배치되는 화학적 기계적 연마 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 반사판은 지지체와 상기 지지체의 표면에 코팅된 금속층을 포함하고,
    상기 지지체는 상기 멤브레인 클램프에 접촉하는 화학적 기계적 연마 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 금속층은 금, 은, 알루미늄 또는 이들의 조합으로 이루어진 화학적 기계적 연마 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 검출기는 연마되는 기판을 투과한 후 상기 반사판에서 반사된 상기 테라헤르츠파를 시간에 따른 파형을 갖는 전기적 신호로 변환하고,
    상기 분석 장치는 상기 검출기로부터 전달된 상기 전기적인 신호의 최대 진폭 의 시간 지연값을 기설정된 타겟 시간 지연값과 비교하여, 상기 연마 종료 시점을 결정하는 화학적 기계적 연마 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 발진기와 상기 검출기는 상기 플래튼에 결합되어 상기 플래튼과 함께 회전하는 화학적 기계적 연마 장치.
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