KR20200099665A

KR20200099665A - 기판 연마 시스템

Info

Publication number: KR20200099665A
Application number: KR1020190017532A
Authority: KR
Inventors: 우상정
Original assignee: 주식회사 케이씨텍
Priority date: 2019-02-15
Filing date: 2019-02-15
Publication date: 2020-08-25
Also published as: CN111571423B; CN111571423A

Abstract

본 발명은 기판의 연마 시스템에 관한 것으로, 연마 공정 중인 기판의 연마층으로부터 얻은 수신 데이터로부터 예측 피팅 함수를 산출하고, 연마 공정이 진행되면서 예측 피팅 함수를 업데이트하여 연마 공정의 진행에 따른 연마 두께 등의 정보 변동 추이를 예측하여 연마 종료 시점을 정확하게 미리 예측하는 기판 연마 시스템을 제공한다.

Description

기판 연마 시스템{SUBSTRATE POLISHING SYSTEM}

본 발명은 기판 연마 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 기판 연마층의 연마 공정 중에 실시간으로 연마 두께를 측정하면서 연마량 추이를 예측하여 시간 지연을 최소화하면서 연마 종료 시점을 정확하게 감지하는 기판 연마 시스템에 관한 것이다.

화학기계적 연마(CMP) 시스템은 반도체소자 제조과정 중 마스킹, 에칭 및 배선공정 등을 반복 수행하면서 생성되는 기판 표면의 요철로 인한 셀 지역과 주변 회로지역간 높이 차를 제거하는 광역 평탄화와, 회로 형성용 콘택/배선막 분리 및 고집적 소자화에 따른 기판 표면 거칠기 향상 등을 도모하기 위하여, 기판의 표면을 정밀 연마 가공하는데 사용되는 시스템이다.

이러한 CMP 시스템에 있어서, 연마 헤드는 연마공정 전후에 기판의 연마면이 연마 패드와 마주보게 한 상태로 상기 기판을 가압하여 연마 공정을 행하도록 하고, 동시에 연마 공정이 종료되면 기판을 직접 및 간접적으로 진공 흡착하여 파지한 상태로 그 다음 공정으로 이동한다.

기판 연마 시스템은 회전하는 연마 패드에 기판이 가압되면서 연마 공정이 행해지며, 필요에 따라 슬러리 등의 연마제를 공급하여 화학적 연마가 병행된다. 기판의 연마층은 광이 투과하는 광투과성 재질로 형성될 수도 있고, 텅스텐 등의 금속 재질로 형성될 수도 있다.

금속 재질의 연마층을 갖는 기판의 연마 공정을 살펴보면, 연마 종료 시점을 감지하기 위하여 금속층에 와전류를 인가하는 와전류 센서에 의해 연마층의 두께를 감지한다. 예를 들어, 대한민국 등록특허공보 제10-1655074호에 개시된 바와 같이, 연마 패드가 입혀진 연마 정반을 자전시키면서, 연마 헤드에 의해 기판을 연마 패드에 가압하면서 연마 공정이 행해지는 과정에서, 기판의 금속층에 와전류를 발생시키고 금속층에서의 임피던스 변화를 측정하는 것에 의해 기판 연마층의 두께를 감지하는 기술이 개시되어 있다.

금속층을 연마하는 경우에는, 금속층의 두께가 클수록 임피던스 값이 크게 나타나므로, 임피던스 측정값에 비례하여 연마층 두께를 감지한다. 즉, 도1에 도시된 바와 같이, 연마 공정을 진행함에 따라 와전류 센서에 의해 측정된 측정값(M)들이 수신 데이터로 얻어진다. 도면에는 측정값(M)이 수십개로 간략히 표시되어 있지만, 실제로 연마 공정을 행하는 동안에는 수천개 내지 수만개의 측정값을 수신데이터로 수신한다.

연마 공정 중에 수신된 수신 데이터에는 노이즈가 발생되는 것이 불가피하고, 노이즈에 의해 연마층 두께 또는 임피던스값을 정확히 감지하는 것이 매우 중요하다. 이로 인하여, 종래에는 수신 데이터의 측정값(M)들 중에 소정 구간(N)의 측정 데이터를 필터링 처리하고 평균화하는 등의 신호처리된 값(P)을 연마층 두께 또는 임피던스 값으로 얻는 방식을 채택하고 있었다.

그러나, 도1에서 임의의 시각 tx로부터 ty에 이르는 영역(N)의 수신 데이터의 측정값(M)으로부터 하나의 연마 두께값(Pi)을 얻는 종래 방법은, 와전류 센서로부터 연마 두께 정보를 포함하는 데이터를 임피던스 형태로 수신하고, 수신된 데이터로부터 주변의 전원이나 주기에 대응하는 노이즈를 제거한 후, N 영역의 데이터에 대한 소정의 신호처리를 하여 하나의 연마 두께값(Pi)을 얻는 방식이었다. 이와 같은 신호 처리 공정에는 3초 내지 7초의 소요 시간이 소요되어, 시각 ty에서의 연마 두께값(Pi, 또는 임피던스값)을 연산 처리하여 얻어진 시각(tz)까지 3초 내지 7초의 시간 지연(△ts)이 발생되는 문제가 있었다.

이에 따라, 연마 공정 중에 연마층 두께를 실시간으로 정확히 측정하지 못하는 한계가 있었다. 무엇보다도, 연마 공정에 의해 기판 연마층이 타겟 두께에 도달하는 시점(to)을 실시간으로 파악할 수 없게 되어, 지연 시간(△ts)이 경과한 시점(te')에서 연마를 종료하게 되는 치명적인 문제를 안고 있었다.

도면 중 미설명 부호인 Thr은 연마층 두께의 실제 변동 곡선이다.

본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명은, 연마 공정 중에 실시간으로 연마층의 두께 변동 추이를 얻는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명은 연마 공정 중에 기판 연마층의 두께값을 시간 지연을 최소화하면서 얻는 것을 목적으로 한다.

무엇보다도, 본 발명은 연마 공정 중에 기판 연마층의 두께 변동 추이를 예측하여, 연마 종료 시점을 미리 예측하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 연마 공정 중인 기판의 연마층으로부터 얻은 수신 데이터로부터 예측 피팅 함수를 산출하고, 연마 공정이 진행되면서 예측 피팅 함수를 업데이트하여 연마 공정의 진행에 따른 연마 두께 등의 정보 변동 추이를 예측하여 연마 공정의 효율성을 향상시킨다.

본 발명에 따르면, 연마 공정 중에 연마층 두께 등의 정보를 시간 지연을 최소화하면서 얻는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따르면, 연마 공정 중에 연마층 두께를 실시간으로 체크하는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따르면, 연마 공정 중에 연마층의 두께 변이를 예측하는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따르면, 기판의 연마층이 타겟 두께에 도달하는 시점을 미리 예측하여 정확한 타겟 두께에서 연마 종료하는 효과를 얻을 수 있다.

도1은 종래의 연마 공정 중에 기판 연마층 두께를 산출하는 방법을 설명하기 위한 그래프.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 연마 시스템을 도시한 도면,
도3은 도2의 기판 연마 시스템의 작동 순서에 따른 구성을 순차적으로 도시한 순서도,
도4는 도3의 예측 피팅 함수의 산출 방법을 설명하기 위한 구성을 순차적으로 도시한 순서도,
도5a 내지 도5c는 연마 공정의 진행에 따라 예측 피팅 함수를 얻기 위한 구성을 설명하기 위한 그래프,
도6은 도5a의 'A'부분의 확대도,
도7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 연마 시스템을 도시한 도면,
도8a 내지 도8c는 연마 공정의 진행에 따라 예측 피팅 함수를 얻기 위한 구성을 설명하기 위한 그래프이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 연마 시스템(1)은 기판(W)의 연마층을 평탄 연마하기 위한 것으로, 상면에 연마 패드(11)가 입혀지고 자전(11d)하는 연마 정반(10)과, 연마 패드(11) 상에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부(미도시)와, 연마 공정 중에 기판(W)를 하측에 위치시킨 상태로 기판(W)를 가압하는 연마 헤드(20)와, 연마 공정 중에 회전(40d)하면서 연마 패드(11)를 가압하면서 개질하는 컨디셔너(40)와, 기판 연마층의 화학적 연마를 위해 연마 패드 상에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급부(미도시)와, 기판(W)의 연마 공정 중에 와전류를 기판 연마층에 인가하여 연마층 두께 정보를 갖는 수신 데이터를 수신하는 와전류 센서(50)와, 와전류 센서(50)에서 수신한 수신 데이터를 신호 처리하여 연마층 두께의 변이를 예측하고 연마층 두께를 얻는 제어부(501)를 포함하여 구성된다.

상기 기판(W)에는 다양한 재질의 연마층이 형성될 수 있다. 텅스텐 등의 금속층인 경우에는, 기판(W)의 연마층에 와전류를 인가하여 연마층에서의 임피던스 변화를 측정하여 기판 연마층의 두께를 얻는다.

이를 위하여, 상기 연마 정반(10)과 연마 패드(11)에는 투명창이 형성되어, 연마 정반(10)의 하측으로부터 연마 공정을 행하고 있는 기판(W)의 연마면에 대하여, 와전류 인가부(51)로부터 와전류 센서(50)를 통해 와전류를 인가하고, 기판 연마층에 형성되는 임피던스를 와전류 센서(50)에서 감지하여 수신 데이터로 수신한다. 와전류 센서(50)에서 감지된 수신 데이터는 제어부(501)로 전송되어 신호 처리된다.

예를 들어, 와전류 인가부(51)는 와전류를 발생시키는 구동 코일로 형성되고, 와전류 센서(50)는 와전류에 의한 임피던스를 측정하는 센서 코일로 형성될 수 있다.

상기 연마 헤드(20)는, 공지된 다양한 형태나 구조로 형성될 수 있으며, 연마 공정 중에 기판(W)을 하측에 위치시킨 상태로 기판(W)의 연마면이 연마 패드(11)에 지속적으로 접촉한 상태를 유지하는 역할을 한다.

예를 들어, 연마 헤드(20)는, 외부로부터 회전 구동력을 전달받아 회전하는 본체와, 본체와 연동하여 함께 회전하는 베이스와, 기판(W)의 형상대로 원판 형태의 바닥판이 형성되고 베이스에 고정된 가요성 재질의 멤브레인과, 기판(W)의 둘레를 감싸는 링 형태로 형성되어 연마 공정 중에 연마 패드에 밀착 상태를 유지하여 연마 공정 중에 기판(W)이 연마 헤드(20)의 바깥으로 밀려나는 것을 억제하는 리테이너 링을 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 멤브레인은, 가요성 재질의 바닥판으로부터 상방 연장된 링 형태의 고정 플랩의 끝단이 베이스에 고정되어, 멤브레인 바닥판과 베이스의 사이에 다수의 압력 챔버가 형성된다. 그리고, 연마 헤드의 각각의 압력 챔버는 압력 조절부로부터 공압을 공급받아 독립적으로 압력이 조절됨에 따라, 멤브레인 바닥판의 하측에 위치한 기판(W)에 압력 챔버별로 서로 다른 가압력으로 연마 공정 중에 가압되면서 연마될 수 있다.

상기 컨디셔너(40)는 컨디셔닝 디스크가 연마 패드(11)에 접촉한 상태로, 연마 패드(11)의 반경 방향 성분을 갖도록 가로질러 왕복 스윕 운동을 행한다. 이 때, 컨디셔닝 디스크의 가압력은 일정하게 유지될 수도 있지만, 기판의 연마층 두께 정보에 따라, 기판의 연마층 두께가 상대적으로 높은 것으로 감지된 기판 위치를 통과하는 연마 패드(11)에 대해서는 가압력을 낮춰 연마 패드의 높이를 높게 조절하고, 기판의 연마층 두께가 상대적으로 낮은 것으로 감지된 기판 위치를 통과하는 연마 패드(11)에 대해서는 가압력을 높여 연마 패드의 높이를 낮게 조절하는 등, 연마 패드(11)의 높이를 의도적으로 편차가 있도록 조절할 수도 있다.

이하, 상기와 같이 구성된 기판 연마 시스템의 작동 원리를 상술한다.

단계 1: 연마 헤드(20)의 저면에 기판(W)이 장착된 상태로, 기판(W)의 연마층이 연마 정반(10)에 입혀진 연마 패드(11)에 접촉하도록 위치시킨다. 그리고, 기판(W)은 연마 헤드(20)에 의해 하방 가압된 상태가 되고, 연마 헤드(20)의 자전(20d)에 의해 기판(W)을 자전시킨다. 이와 동시에 연마 정반(10)도 자전(11d)하여, 기판(W)의 연마층은 연마 패드(11)와의 마찰에 의해 기계적 연마 공정이 행해진다.

선택적으로, 슬러리가 연마 패드(11)에 공급되어 기판(W)의 연마면으로 흘러들어가도록 슬러리를 공급할 수 있다. 이에 의해, 기판(W)의 연마층은 슬러리에 의한 화학적 연마 공정이 동시에 행해질 수 있다.

이를 통해, 기판의 연마층은 화학 기계적 연마 공정이 행해진다(S110).

단계 2: 연마 공정이 시작되면, 와전류 센서(50)는 연마층의 두께 정보를 포함하는 수신 데이터를 수신하고, 수신 데이터를 제어부로 전송한다(S120).

여기서, 수신 데이터는 금속 재질의 연마층에 인가된 와전류의 임피던스 신호일 수 있다. 연마층 두께에 따라 와전류의 임피던스 값이 변동하므로, 임피던스 신호로부터 연마층 두께를 산출할 수 있다.

단계 3: 먼저, 제어부(501)는 연마 공정이 시작되면서 와전류 센서(50)로부터 수신된 수신데이터로부터 1차 피팅 함수(FF1)를 산출한다.

도5a를 참조하여 구체적으로 살펴보면, 연마 공정이 시작하고 나서 t1시각에 도달하면, 제1시간(△T1)동안 수집된 수신 데이터의 측정값(M)들로부터 회귀분석(regression)에 의해 1차 피팅 함수(FF1)를 산출한다. 여기서, t1시각은 1차 피팅 함수(FF1)를 얻는데 충분한 개수의 측정값(M)을 수신 데이터로 얻어지는 시각으로 정해지며, 예를 들어, 0.1초 내지 1초의 시간으로 정해질 수 있다.

도5a에 도시된 바와 같이, 제어부(501)는 와전류 센서(50)로부터 수신한 수신 데이터의 측정값(M)들을 토대로 1차 피팅 함수(FF1)를 산출한다. 여기서, 1차 피팅 함수(FF1)는 연마 공정을 시작한 이후에 최초로 얻어진 피팅 함수이므로, 1차 피팅 함수(FF1)는 예측 피팅 함수(FFo)로 된다(S130)..

여기서, 피팅 함수의 형식은 다양하게 정해질 수 있다. 예를 들어, 피팅 함수의 형식은 지수함수, 로그함수, 다항식 등 다양하게 정해지며, 연마 재료와 수신 데이터의 특성을 고려하여 정해질 수 있다. 금속층의 연마 공정에 따른 연마층의 두께 추이(Thr)는, 도5a에 도시된 바와 같이, 초기에는 변화율이 완만하지만 점점 단위 시간당 연마율(Removal Rate)가 증가하면서 타겟 두께에 도달하는 추세를 갖는다.

이와 같은 금속 재질의 연마층인 경우에는 아래와 같은 다항식 형식의 피팅 함수를 이용하여 연마 공정의 진행에 따른 연마층 두께를 함수로 표시할 수 있다.

FF = a + b*t + c*t² + d*t³+ e*t⁴+ ...

여기서, a, b, c, d, e는 수신 데이터의 측정값(M)들의 회귀(regression) 분석에 따라 정해지는 상수이고, t는 연마 경과 시간을 나타낸다. 바람직하게는, 다항식 형식의 피팅 함수는 상수항과 짝수차항(t, t², t³, t⁴,...)으로 이루어진 다항식으로 정해질 수도 있다.

그리고, 피팅 함수는 연마층의 두께값, 연마층의 단위시간당 연마율, 수신 데이터(예를 들어, 와전류 임피던스) 중 어느 하나 이상의 결과값을 얻기 위한 함수이며, 대체로 연마 시간(t)에 따른 변이 함수로 정해진다. 즉, 피팅 함수는 연마 공정 중의 기판의 연마 상태를 모니터링하는 인자를 얻기 위한 실험식 역할을 하게 된다.

단계 4: 한편, 1차 피팅 함수(FF1)는 연마 공정의 초기에 얻어진 수신 데이터를 토대로 산출된 것이어서, 연마층 두께의 실제 변동 곡선(Thr)을 정확히 추종하는 데 한계가 있다. 이에 따라, 도5a에 도시된 바와 같이, 최초로 얻어진 1차 피팅 함수(FF1)는 실제의 연마층 두께값(또는 수신 데이터인 와전류 임피던스 값)과 큰 차이가 있다.

따라서, 연마 공정이 진행되면서, 추가적인 측정값(M)들이 수신 데이터로 수집되어 제어부(501)로 전송된다(S140). 그리고, 제어부(501)는 전송받은 수신 데이터의 측정값들(M)을 기초로 예측 피팅 함수(FFo)를 업데이트하여, 연마 공정 중의 기판의 연마 상태를 모니터링하는 실험식의 정확성을 지속적으로 높인다(S150).

보다 구체적으로는, 연마 공정은 연속적으로 진행되므로, 1차 피팅 함수(FF1)를 산출하는 동안에도 수신 데이터는 수신되어 제어부(501)로 전송된다(S151).

그리고, 와전류 센서(50)에 얻어져 제어부(501)로 전송된 수신 데이터의 측정값들이 예측 피팅 함수의 예측값(여기서, '예측값'은 예측 피팅 함수의 수식의 독립 변수(t)에 특정한 연마 시간을 넣었을 때에 도출되는 FFo(t)의 값을 나타낸다)과 허용 편차 범위에 있는지를 판정한다(S152). 즉, 특정 시각에 예측 피팅 함수(FFo)의 예측값이 수신 데이터의 측정값(M)과 허용 편차 범위에 있는 경우에는 예측 피팅 함수를 업데이트하지 않아도 무방하며, 특정 시각에 예측 피팅 함수(FFo)의 예측값이 수신 데이터의 측정값(M)과 허용 편차 범위를 벗어난 경우에는 수신 데이터의 측정값(M)을 반영하여 예측 피팅 함수(FFo)를 업데이트한다.

이를 위하여, 도5b에 도시된 바와 같이, 제1시간(△T1)의 종료 시각(t1)에 비하여 더 늦은 종료 시각(t2)을 갖는 제2시간(△T2) 동안의 수신 데이터를 토대로 제2시간(△T2)의 2차 피팅 함수(FF2)를 산출한다(S153).

여기서, 제2시간(△T2)은 제1시간(△T1)과 중복되게 정해질 수도 있고, 제1시간(△T1)과 중복되지 않게 정해질 수도 있다. 그리고, 최초로 1차 피팅 함수(FF1)를 산출하기 위한 제1시간(△T1)은 그 이후의 피팅 함수(FF2,...)를 산출하기 위한 제2시간(△T2) 등에 비해 더 길게 정해지는 것이 일반적이지만, 제1시간(△T1)과 그 이후의 제2시간(△T2) 등과 모두 동일하게 정해질 수도 있다. 이는, 최초의 1차 피팅 함수(FF1)를 산출하는 제1시간(△T1)과 그 다음의 2차 피팅 함수(FF2)를 산출하기 위한 제2시간(△T2)에 국한되지 않으며, 연마 공정 중에 피팅 함수를 산출하기 위한 시간 구간은 모두 동일하게 정해질 수도 있고, 피팅 함수를 산출하기 위한 시간 구간은 연마 공정의 진행에 따라 변동되게 정해질 수도 있다.

2차 피팅 함수(FF2)는 제1시간(△T1)에 비하여 보다 최신의 수신 데이터(M)를 기초로 피팅 함수가 산출되므로, 제2시간(△T2)에서의 연마층 두께 변이를 포함하게 된다. 그리고, 제1시간(△T1)과 제2시간(△T2)의 변이 추이는 연속적으로 변화하므로, 제1시간(△T1)에 대해 산출된 1차 피팅 함수와 제2시간(△T2)에 대해 산출된 2차 피팅 함수를 중첩하여 예측 피팅 함수(FFo)를 생성한다.

이에 따라, 예측 피팅 함수(FFo)는 제1시간(△T1)과 제2시간(△T2)에서의 연마층 두께(또는 수신 데이터의 측정값)의 변이 추이가 모두 반영된 피팅 함수가 된다. 이 때, 제1시간(△T1)과 제2시간(△T2)의 길이에 비례한 가중치를 부여하여 1차 피팅 함수(FF1)와 2차 피팅 함수(FF2)를 중첩하여 예측 피팅 함수(FFo)를 생성할 수도 있다.

상기와 같이, 예측 피팅 함수(FFo)는 새로운 수신 데이터를 기초로 산출된 2차 피팅 함수(FF2)를 그 이전에 얻어진 예측 피팅 함수(FFo)와 중첩하여 생성된다.

한편, 연마층 두께가 급작스럽게 증감하는 등 현실적으로 발생될 수 없는 경우가 측정값으로 얻어진 경우에는, 즉, 미리 정해진 범위를 초과한 수신 데이터(M)의 측정값이 얻어진 경우에는, 과도한 노이즈로 인해 잘못 취득된 측정값으로 보고 예측 피팅 함수(FFo)를 업데이트 하는 데 배제시킨다.

예를 들어, 도6에 도시된 바와 같이, 2차 피팅 함수(FF2)를 얻기 이전에, 예측 피팅 함수인 1차 피팅 함수(FF1)가 얻어진 상태에서, 1차 피팅 함수(FF1)의 예측값(C1)으로부터 미리 정해진 범위(예를 들어, 20%~1000%)를 초과하는 편차(e1)를 갖는 측정데이터의 제1측정값(M1)을 배제시키고, 1차 피팅 함수(FF1)의 예측값(C2, C3)으로부터 미리 정해진 범위 내의 편차(e2, e3)를 갖는 측정 데이터의 측정값(M2, M3,...)들에 기초하여 제2시간(△T2) 동안의 2차 피팅 함수(FF2)를 산출한다.

그리고, 1차 피팅 함수(FF1)와 2차 피팅 함수(FF2)를 정해진 가중치를 부여하여 예측 피팅 함수(FFo)를 산출하는 것에 의해, 제2시간(△T2)이 경과한 시점에서 예측 피팅 함수(FFo)를 새롭게 얻는다. 이와 같은 방식으로 예측 피팅 함수(FFo)는 연마 공정 중에 지속적으로 업데이트된다.

상기와 같이 연마 공정 중의 임의의 시점(tx)에서의 예측 피팅 함수(FFo)를 산출하는 방법을 상술한다. 도5c를 참조하면, 임의의 시점(tx)을 종료 시각으로 하는 제tx시간(△Tx)동안의 수신 데이터의 측정값(M)을 이용하여 x차 피팅 함수(FFx)를 구한다.

x차 피팅 함수(FFx)를 구하기 이전에, 제Tx시간(△Tx)의 종료시각(tx)보다 빠른 시각까지 시간 구간 별로 얻어진 피팅 함수들을 중첩하여 예측 피팅 함수(FFy)가 구해져 있다. 도5c에는 편의상 'tx' 시각이 도달하기 이전에 얻어진 예측 피팅 함수를 'FFy'로 표시하고, 설명의 편의상 이미 얻어진 예측 피팅 함수를 '기존 예측 피팅 함수'라고 칭하기로 한다.

여기서, 기존 예측 피팅 함수(FFy)는, 도5a의 제1시간(△T1) 동안의 수신 데이터를 토대로 산출된 1차 피팅 함수(FF1)와, 제1시간(△T1)의 종료 시각보다 늦고 상기 제tx시간(△tx)의 종료시간보다 이른 하나 이상의 제2시간(△T2) 동안의 수신 데이터를 토대로 산출된 2차 피팅 함수(FF2)를 중첩하여 얻어진다. 즉, 도5b에는 하나의 제2시간(△T2) 동안의 수신 데이터를 토대로 산출된 2차 피팅 함수(FF2)를 예시하고 있지만, 연마 공정의 진행에 따라 제2-1시간, 제2-2시간, 제2-3시간,... 동안의 각각의 수신 데이터를 토대로 각각 산출된 2-1차 피팅 함수, 2-2차 피팅 함수, 2-3차 피팅 함수,... 등이 상기 '하나 이상'의 2차 피팅 함수를 의미한다.

제Tx시간(△Tx) 동안의 수신 데이터의 측정값들을 기존 예측 피팅 함수(FFy)의 예측값들과 대비하고, 수신 데이터들 중에 기존 예측 피팅 함수(FFy)의 예측값에 비하여 미리 정해진 범위(예를 들어 예측값의 ±30% 이하의 범위)를 초과하는 측정값들을 배제시키고 나머지 측정값들을 기초로 x차 피팅 함수(FFx)를 산출한다. 여기서, 제Tx시간(△Tx)은 이전에 피팅 함수를 산출하였던 제1시간(△T1)이나 제2시간(△T2) 등과 동일한 지속 시간(time duration)으로 정해질 수도 있고, 이들과 다른 지속 시간으로 정해질 수 있다. 예를 들어, 0.1초 내지 2초 등으로 정해질 수 있다.

그리고 나서, x차 피팅 함수(FFx)와 기존 예측 피팅 함수(FFy)를 중첩하여 새로운 예측 피팅 함수(FFo, Revised prediction fitting function)를 생성한다(S154). 즉, 기존 예측 피팅 함수(FFy)는 새로운 예측 피팅 함수(FFo)로 업데이트 된다. 예측 피팅 함수의 업데이트 과정은 연마 공정 중에 지속적으로 행해질 수 있다. 그리고, 예측 피팅 함수의 업데이트 과정이 기존 피팅 함수를 기초로 행해지므로 결과를 예측할 수 있는 범위 내에서 x차 피팅 함수가 얻어지므로, 연산에 소요되는 시간을 단축하여 종래의 지연 시간을 크게 단축할 수 있다.

여기서, 제Tx시간(△Tx) 동안의 수신 데이터의 측정값(M)에 기초하여 얻어진 x차 피팅 함수(FFx)와 기존 예측 피팅 함수(FFy)를 중첩하여 새로운 예측 피팅 함수(FFo)로 업데이트 시키는 과정에서, x차 피팅 함수(FFx)와 기존 예측 피팅 함수(FFy)를 1:1로 동일한 비율로 중첩할 수도 있지만, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 서로 다른 비율의 가중치를 부여하여 중첩할 수도 있다.

즉, 가중치는, x차 피팅 함수를 얻는 데 사용된 수신 데이터의 측정값(M)의 개수와 기존 예측 피팅 함수(FFy)를 얻는 데 사용되었던 수신 데이터의 측정값(M)의 개수를 가중치 비율로 반영할 수도 있다. 또는, 연마 초기에는 수신 데이터는 불안정하고 연마 중반 이후의 수신 데이터는 안정적이므로 연마 중반 이후에 대하여 보다 더 큰 가중치를 부여할 수도 있다. 그리고, 기존 예측 함수(FFy)로부터 얻은 예측값과 x차 피팅 함수의 산출 근거가 된 수신 데이터(M)와의 편차에 따라 가중치가 변경될 수도 있다. 예를 들어, x차 피팅 함수(FFx)와 기존 예측 피팅 함수(FFy)는 0.01:1 ~ 100:1 의 비율의 가중치를 각각 부여하여 중첩될 수 있다.

한편, 도5a 및 도5b에 도시된 바와 같이, 연마 초기에 구해진 예측 피팅 함수(FFo, 도6)는 충분한 수신 데이터의 측정값(M)들에 기초하여 산출된 것이 아니므로, 연마 초기의 예측 피팅 함수(FFo)는 실제 연마층 두께값(Thr)과의 편차가 크다. 그러나, 연마 공정이 진행됨에 따라, 도5c에 도시된 바와 같이, 연마 공정의 중간 공정에 이르면, 예측 피팅 함수(FFo)는 실제 연마층 두께(Thr)를 매우 정확하게 추종하는 수식으로 표현될 수 있게 된다.

특히, 기판의 연마층이 금속층인 경우에는, 연마 초기에는 단위 시간당 연마율이 낮지만, 연마 공정의 진행에 따라 단위 시간당 연마율이 점진적으로 높아지는 경향을 갖게 되므로, 기판 연마층이 연마패드와의 접촉 상태가 안정화되는 측정 데이터가 예측 피팅 함수(FFo)에 반영되면, 예측 피팅 함수(FFo)에 연마 시간(t)을 반영한 예측값을 통해 연마층의 두께 변이를 정확하게 예측할 수 있게 된다. 이를 통해, 예측 피팅 함수(FFo)가 연마층 두께를 나타내는 함수인 경우에, 예측 피팅 함수(FFo)의 예측값을 타겟 두께(예를 들어, 0Å)을 대입하면, 연마 공정 중에도 연마 종료 시점(te)을 미리 예측하는 것이 가능해진다.

이와 같이, 예측 피팅 함수(FFo)는 연마 초기에는 수신 데이터(M)가 불안정하여 도5a 및 도5b에 도시된 바와 같이 변동폭이 크지만, 연마 중기 이후에는 연마층의 단위 시간당 연마율이 일정한 패턴을 따라 변동하게 되어, 확정적인 예측 피팅 함수(FFo)를 얻을 수 있게 된다.

따라서, 연마 공정의 진행에 따라 예측 피팅 함수(FFo)는 더이상 업데이트될 필요가 없게 되는 시기가 발생될 수 있다. 즉, 예측 피팅 함수(FFo)에 연마 시간(t)을 넣은 예측값과 와전류 센서(50)로부터 취득된 수신 데이터의 측정값(M)의 편차가 미리 정해진 범위(예를 들어, 예측값의 1% ~ 7% 이하)를 초과하는 경우에만 수신 데이터의 새로운 측정값에 기초한 x차 피팅 함수(FFx)를 이용하여 기존 피팅 함수(FFy)를 새로운 피팅 함수(FFo)로 업데이트하고, 그렇지 않은 경우에는 기존 d예측 피팅 함수(FFy)를 업데이트하지 아니하고 기존 예측 피팅 함수(FFy)를 새로운 예측 피팅 함수(FFo)로 그대로 사용할 수도 있다.

따라서, 연마 중기 이후에는 예측 피팅 함수(FFo)의 업데이트가 거의 이루어지지 않거나 매우 적은 범위 내에서 업데이트가 이루어지면서, 연산에 소요되는 시간을 대폭적으로 줄일 수 있고, 이에 따라 연마 공정 중의 연마층의 두께 변화를 실시간으로 관찰할 수 있으며, 예측 피팅 함수(FFo)의 예측값이 타겟 두께에 도달하는 시점을 연마 종료 시점으로 미리 예측하는 정확성도 높아진다.

상기와 같은 S150 단계의 공정은 기판의 연마층 두께가 타겟 두께에 도달한 시각(te)까지 지속되어, 기판 연마층 두께가 타겟 두께에 도달한 상태에서 정확히 연마 공정을 종료하는 것이 가능해진다.

이하, 도7을 참조하여 본 발명의 제2실시예에 따른 기판 연마 시스템(9)을 상술한다.

본 발명의 제2실시예에 따른 기판 연마 시스템(9)은 기판(W)의 연마층이 광투과성 재질로 형성되어 광간섭 신호로부터 연마층의 두께와 연마 종료 시점을 감지한다는 점에서 전술한 제1실시예와 차이가 있다. 따라서, 전술한 본 발명의 제1실시예의 구성 및 작용과 동일하거나 유사한 것에 대해서는 이에 대한 설명을 생략하기로 한다.

기판의 연마층이 산화물 재료 등으로 이루어져 광이 일부 이상 투과하는 재질로 형성된 경우에는, 기판 연마층의 두께 정보를 얻기 위하여 도7에 도시된 바와 같이 광원(55)으로부터 조사광(Li)을 발광부(60a)로부터 연마층에 조사하고, 연마층에서 반사된 반사광(Lo)을 수광부(60b)에서 수신하여, 스펙트로미터(65)를 거쳐 광간섭 신호를 제어부(502)에 전송하도록 구성된다.

여기서, 광 센서(60a, 60b)는 연마 정반(10)과 연마 패드(11)를 함께 관통하는 투명창(11a)의 하측에 배치되어, 광 센서(60a, 60b)로부터의 조사광(Li)이 투명창(11a)을 관통하여 기판에 도달하고, 기판 연마층에서 반사된 반사광이 투명창을 관통하여 광센서에 수신되게 배치될 수 있다. 도면에는 편의상 발광부와 수광부가 하나의 몸체로 형성된 구성이 예시되어 있지만, 발광부와 수광부가 별개의 몸체로 광 센서(60a, 60b)가 형성될 수도 있다.

상기 기판(W)는 반도체 소자를 제조하는 과정에서 연마층이 광이 투과하는 광투과성 재질로 형성된다. 여기서, '광투과성 재질'은 발광부에서 조사되는 조사광(Li)의 전부가 투과되는 것을 포함할 뿐만 아니라, 발광부(120)로부터 조사되는 광(Li)의 1% 이상의 일부만 투과되는 것을 모두 포함한다. 예를 들어, 연마층은 산화물층으로 형성될 수 있으며, 이에 따라 조사되는 조사광(Li)의 일부는 연마층의 표면에서 반사되고, 조사광(Li)의 다른 일부는 연마층을 투과하여 불투과층의 표면에서 반사되며, 이들이 서로 간섭되면서 광간섭 신호를 형성한다.

상기 광 센서(60a, 60b)는 기판(W)의 연마층을 향하여 조사광(Li)을 조사하는 발광부와, 연마층에서 반사된 반사광(Lo)을 수신하는 수광부로 이루어진다. 여기서, 발광부에 의해 조사되는 조사광(Li)은 2개 이상의 파장을 포함하는 광으로 정해지며, 바람직하게는 5개 내지 15개 정도의 파장을 포함하는 광일 수 있다. 이런 측면에서, 조사광(Li)은 연속하는 다수의 파장의 광이 합쳐진 백색광일 수 있으며, 이를 위하여 광 센서(50)의 발광부에 조사되는 조사광(Li)의 광원(105)은 엘이디(LED)로 사용될 수 있다. 조사광(Li)이 다파장 광인 경우에는, 후술하는 바와 같이, 스펙트로미터(65)를 거치면서 연속하는 다수의 파장들 중에 선택 파장을 선별하여, 선택 파장에 대한 광간섭 신호를 처리하여 연마 공정 중에 기판 연마층의 두께값을 얻을 수 있다.

본 발명의 제2실시예에 따른 기판 연마 시스템(9)의 작동 원리는 전술한 제1실시예(1)와 매우 유사하다. 즉, 전술한 제1실시예에서는 수신 데이터가 와전류 센서의 임피던스 값이거나 이를 연마층 두께값으로 환산한 것이었지만, 본 발명의 제2실시예는 제어부(502)에 전송된 수신 데이터는 광간섭 신호이다. 이하에서는, 이에 대하여 상술한다.

도8a에 도시된 바와 같이, 기판 연마층의 두께가 연마 공정의 진행에 따라 점점 얇아질수록 광간섭 신호(Thr)는 싸인 파형과 유사한 형태로 변동한다.

단계 1: 제1실시예와 마찬가지로, 연마 헤드(20)의 저면에 기판(W)이 장착된 상태로 연마 정반(10)에 공급하여, 기판의 화학 기계적 연마 공정이 행해진다(S110).

단계 2: 연마 공정이 시작되면, 광 센서(60a, 60b)는 연마층의 두께 정보를 포함하는 수신 데이터를 반사광(Lo) 형태로 수신하고, 광 센서(60a, 60b)의 수광부(60b)에서 수신한 반사광(Lo)을 스펙트로미터(65)에 의해 분광된 상태로 제어부에 전송된다(S120).

여기서, 수신 데이터는 파장별 광간섭 신호이며, 제어부(502)는 수신된 광간섭 신호들 중에 미리 선택된 파장에 대한 신호를 예측 피팅 함수(FFo)를 얻는 데 활용한다. 여기서, 미리 선택된 파장은 1개일 수도 있고 복수일 수도 있다.

단계 3: 전술한 제1실시에와 마찬가지로, 도8a에 도시된 바와 같이 제어부(502)는 연마 공정이 시작되면서 스펙트로미터(65)로부터 수신된 제1시간(△t1)동안의 수신데이터의 측정값(M)에 기초하여 1차 피팅 함수(FF1)를 산출한다. 그리고, 최초로 산출된 1차 피팅 함수(FF1)는 그대로 예측 피팅 함수(FFo)가 된다(S130).

마찬가지로, 피팅 함수의 형식은 지수함수, 로그함수, 다항식 등 다양하게 정해질 수 있다.

단계 4: 그다음, 연마 공정이 진행되면서, 추가적인 측정값(M)들이 수신 데이터로 수집되어 제어부(501)로 전송된다(S140).

그리고, 제어부(501)는 전송받은 수신 데이터의 측정값들(M)을 기초로 예측 피팅 함수(FFo)를 업데이트하여, 연마 공정 중의 기판의 연마 상태를 모니터링하는 실험식의 정확성을 지속적으로 높인다(S150).

보다 구체적으로는, 연마 공정은 연속적으로 진행되므로, 1차 피팅 함수(FF1)를 산출하는 동안에도 수신 데이터는 수신되어 제어부(501)로 전송되므로, 도8b에 도시된 바와 같이, 제1시간(△T1)의 종료 시각(t1)에 비하여 더 늦은 종료 시각(t2)을 갖는 제2시간(△T2) 동안의 수신 데이터를 토대로 제2시간(△T2)의 2차 피팅 함수(FF2)를 산출한다.

그리고, 1차 피팅 함수(FF1)와 2차 피팅 함수(FF2)를 적절한 가중치를 주어 중첩하여, 기존 예측 피팅 함수를 새로운 예측 피팅 함수로 업데이트 시킨다. 이 과정은 연마 공정이 진행하는 동안 지속적으로 반복되며, 도8c에 도시된 바와 같이, tx 시각에 도달한 상태에서 x차 피팅 함수(FFx)를 구하여 그 이전까지 중첩하여 형성된 기존 예측 피팅 함수를 업데이트 시킨다.

이를 통해, 기판의 연마층이 광투과성 재질로 형성되어 수신 데이터가 광간섭 신호인 경우에도, 정해진 시간 동안 피팅 함수를 구하고, 중첩으로 누적된 기존 예측 피팅 함수를 업데이트 시키는 것에 의해, 기판 연마층의 두께 변이 추세를 연마 공정 중에 적은 연산으로 미리 예측할 수 있으며, 이를 통해 연마 종료 시점(te)을 연마 공정 중에 정확히 미리 알 수 있게 되어 타겟 두께에 도달한 시점에 정확히 연마 종료를 할 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: 기판 FF: 피팅 함수
FFo: 예측 피팅 함수 FF: 제1피팅 함수
FF2: 제2피팅 함수 Thr: 실제 연마층 두께
M: 수신 데이터 C: 예측 값
1: 연마 시스템 50: 와전류 센서
55: 광원 65: 스펙트로미터
501, 502: 제어부

Claims

기판의 연마층을 연마하는 기판 연마 시스템으로서,
상기 기판의 연마 공정 중에 상기 연마층의 두께 정보를 갖는 수신 데이터를 수신하는 수신부와;
상기 연마 공정이 시작한 이후에 수신한 상기 수신 데이터를 이용하여 상기 수신 데이터의 변동 추이에 관한 예측 피팅 함수(predict fitting function)를 얻 어 상기 연마층의 두께 변이를 예측하는 제어부를;
포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 기판 연마 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 예측 피팅 함수의 결과값은, 상기 연마층의 두께값, 상기 연마층의 단위시간당 연마율, 상기 수신 데이터 중 어느 하나 이상에 관한 함수인 것을 특징으로 하는 기판 연마 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 예측 피팅 함수로부터 상기 연마층이 타겟 두께에 도달하는 연마종료시점을 연마 공정 중에 미리 예측하는 것을 특징으로 하는 기판 연마 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 예측 피팅 함수는, 상기 연마 공정의 진행에 따라 추가로 얻어진 수신 데이터를 이용하여 업데이트되는 것을 특징으로 하는 기판 연마 시스템.
제 4항에 있어서,
상기 예측 피팅 함수는, 제1시간(△T1) 동안의 수신 데이터를 토대로 산출된 1차 피팅 함수를 반영한 기존 예측 피팅 함수(FFy)와, 상기 제1시간(△T1)의 종료 시각에 비해 더 늦은 종료 시각을 갖는 제Tx시간(△tx) 동안의 수신 데이터를 토대로 산출된 x차 피팅 함수를 중첩하여 업데이트되는 것을 특징으로 하는 기판 연마 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 기존 피팅 함수와 상기 x차 피팅 함수는 1:100 내지 100:1의 비율로 가중치를 부여하여 중첩하는 것에 의해 상기 예측 피팅 함수를 얻는 것을 특징으로 하는 기판 연마 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 제1시간(△T1)과 상기 제Tx시간(△tx)은 서로 중복되는 시간을 일부 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 연마 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 기존 예측 피팅 함수는, 상기 제1시간(△T1) 동안의 수신 데이터를 토대로 산출된 상기 1차 피팅 함수와, 상기 제1시간(△T1)의 종료 시각보다 늦고 상기 제tx시간(△tx)의 종료시간보다 이른 하나 이상의 제2시간(△T2) 동안의 수신 데이터를 토대로 산출된 2차 피팅 함수를 중첩하여 얻어진 것을 특징으로 하는 기판 연마 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 제1시간(△T1)과 상기 제Tx시간(△Tx)은 동일한 지속 시간(time duration)인 것을 특징으로 하는 기판 연마 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 제1시간(△T1)과 상기 제Tx시간(△Tx)은 서로 다른 지속 시간(time duration)인 것을 특징으로 하는 기판 연마 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 x차 피팅 함수를 얻는 과정에서, 상기 기존 예측 피팅 함수에 의해 예측된 예측값과 상기 수신 데이터에서 얻어진 측정값의 편차가 미리 정해진 것보다 크면, 상기 기존 예측 피팅 함수를 업데이트하는 데 미리 정해진 범위를 초과하는 측정값을 배제시키는 것을 특징으로 하는 기판 연마 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 기존 예측 피팅 함수로부터 예측된 예측값이 상기 수신데이터에서 얻어진 측정값과의 편차가 미리 정해진 것보다 작으면, 상기 예측 피팅 함수의 업데이트가 이루어지지 않는 것을 특징으로 하는 기판 연마 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 예측 피팅 함수는 상기 연마층의 두께에 관한 함수이고, 상기 예측 피팅 함수의 값이 타겟 두께가 되는 시점을 연마 종료 시점으로 예측하는 것을 특징으로 하는 기판 연마 시스템.
제 1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 예측 피팅 함수의 형식은 상기 연마층의 재질에 따라 미리 정해지는 것을 특징으로 하는 기판 연마 시스템.
제 14항에 있어서,
상기 연마층은 금속층이고, 상기 수신 데이터는 와전류 신호인 것을 특징으로 하는 기판 연마 시스템.
제 14항에 있어서,
상기 예측 피팅 함수의 형식은 다항식인 것을 특징으로 하는 기판 연마 시스템.
제 1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연마층은 광투과성 재질이고, 상기 수신 데이터는 광간섭 신호인 것을 특징으로 하는 기판 연마 시스템.
제 1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연마 공정은 화학 기계적 연마 공정인 것을 특징으로 하는 기판 연마 시스템.