KR20220068510A - 기판 연마 장치 - Google Patents

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KR20220068510A
KR20220068510A KR1020200155370A KR20200155370A KR20220068510A KR 20220068510 A KR20220068510 A KR 20220068510A KR 1020200155370 A KR1020200155370 A KR 1020200155370A KR 20200155370 A KR20200155370 A KR 20200155370A KR 20220068510 A KR20220068510 A KR 20220068510A
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우상정
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Abstract

기판 연마 장치를 개시한다. 일 실시 예에 따른 금속 박막층을 포함하는 기판을 연마하는 기판 연마 장치는 표면에 상기 기판이 접촉되고, 상기 기판의 연마가 수행되는 연마패드; 상기 기판에 대향되는 상기 연마패드의 이면으로 광을 조사하는 광원과, 상기 연마패드의 이면에서 반사되는 광을 수광하는 수광부를 포함하는 광검출부; 및 상기 광검출부가 수광한 광의 강도 변화를 분석하여, 상기 기판의 연마 종점 도달을 분석하는 모니터링부를 포함할 수 있다.

Description

기판 연마 장치{WAFER POLISHING APPARATUS}
아래의 설명은 금속 박막을 포함하는 기판을 연마하는 장치에 관한 것이다.
반도체소자의 제조에는, 연마와 버핑(buffing) 및 세정을 포함하는 CMP(chemical mechanical polishing) 작업이 필요하다. 반도체 소자는, 다층 구조의 형태로 되어 있으며, 기판층에는 확산영역을 갖춘 트랜지스터 소자가 형성된다. 기판층에서, 연결금속선이 패턴화되고 기능성 소자를 형성하는 트랜지스터 소자에 전기 연결된다. 공지된 바와 같이, 패턴화된 전도층은 이산화규소와 같은 절연재로 다른 전도층과 절연된다. 더 많은 금속층과 이에 연관된 절연층이 형성되므로, 절연재를 편평하게 할 필요성이 증가한다. 편평화가 되지 않으면, 표면형태에서의 많은 변동 때문에 추가적인 금속층의 제조가 실질적으로 더욱 어려워진다. 또한, 금속선패턴은 절연재로 형성되어, 금속 CMP 작업이 과잉금속물을 제거하게 된다.
반도체 제조 공정은, 기판의 표면을 연마패드에 접촉시켜 연마하는 연마 과정을 포함하게 된다. 이 경우, 기판의 표면 상태가 목표 프로파일에 적합한 상태에서 기판의 연마를 종료하는 연마 종점을 정확하게 검출할 필요가 있다. 기판의 연마 종점 검출은 광, 모터의 부하, 전자기력의 검출 등 다양한 방식을 통해 수행될 수 있다. 일반적으로 광을 통한 연마종점 검출은, 연마패드에 형성된 투명 윈도우창을 통해 기판 표면으로 직접 광을 조사하는 방식으로 수행된다. 그러나, 이러한 방식은 연마패드의 유지보수성이 저하되고, 패드의 제조 복잡성이 증대된다는 문제점이 있다.
전술한 배경기술로서 설명된 내용은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 인정하는 것이라고 할 수는 없다.
실시 예의 목적은 광 투과성 윈도우가 구비되지 않은 연마패드를 통해 기판의 금속박막 제거 여부를 판별하는 기판 연마 장치를 제공하는 것이다.
실시 예의 목적은 광투과성 윈도우를 사용하지 않으면서도, 광을 통한 연마 종점 검출이 가능한 기판 연마 장치를 제공하는 것이다.
실시 예에서 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 실시 예에 따른 금속 박막층을 포함하는 기판을 연마하는 기판 연마 장치는 표면에 상기 기판이 접촉되고, 상기 기판의 연마가 수행되는 연마패드; 상기 기판에 대향되는 상기 연마패드의 이면으로 광을 조사하는 광원과, 상기 연마패드의 이면에서 반사되는 광을 수광하는 수광부를 포함하는 광검출부; 및 상기 광검출부가 수광한 광의 강도 변화를 분석하여, 상기 기판의 연마 종점 도달을 분석하는 모니터링부를 포함할 수 있다.
상기 연마패드는 상기 기판과 접촉되는 면을 바라본 상태를 기준으로, 상기 광검출부를 통한 광 검출이 수행되는 검출 영역과, 상기 검출 영역을 제외한 비 검출 영역으로 구분되고, 상기 검출부는 상기 검출 영역의 하측에 배치될 수 있다.
상기 연마패드의 검출 영역 및 비 검출 영역은 동일한 광 투과도를 가질 수 있다.
상기 연마패드는 전체 면에 걸쳐 반투명한 재질로 형성될 수 있다.
상기 연마패드는 광이 투과되는 패드 윈도우를 포함하지 않는다.
상기 모니터링부는 상기 기판의 연마가 수행되는 과정에서, 상기 연마패드에서 반사되는 광의 실시간 강도(intensity)를 검출하고, 상기 검출된 강도가 설정 범위를 벗어나는 경우 상기 기판으로부터 상기 금속 박막이 제거된 것으로 판단할 수 있다.
상기 모니터링부는 상기 기판의 연마 과정에서, 상기 검출부가 수광한 광의 시간 대비 강도 변화율을 실시간으로 검출하고, 상기 강도 변화율이 설정된 기울기를 벗어나는 경우 상기 기판의 금속 박막 제거가 완료된 것으로 판단할 수 있다.
일 실시 예에 따른 기판 연마 장치는 금속 박막을 포함하는 기판을 파지하는 캐리어 헤드; 상기 기판의 표면을 연마하기 위한 연마패드가 상부에 부착되는 연마정반; 상기 기판의 연마 과정에서 상기 기판의 와전류 변화를 검출하는 와전류 검출부; 상기 기판의 연마 과정에서, 상기 연마패드의 하면으로부터 반사되는 광의 강도 변화를 검출하는 광 검출부; 및 상기 와전류 검출부 및 광 검출부의 검출 결과에 기초하여, 상기 기판의 연마 종점을 결정하는 모니터링부를 포함할 수 있다.
상기 모니터링부는 상기 와전류 검출부의 검출 결과에 기초하여 상기 기판의 금속 박막 두께 변화를 분석하고, 상기 광 검출부의 검출 결과에 기초하여 상기 기판의 금속 박막 제거 여부를 분석할 수 있다.
상기 모니터링부는 상기 기판의 연마가 수행되는 과정에서, 상기 연마패드에서 반사되는 광의 실시간 강도(intensity)를 검출하고, 상기 검출된 강도가 설정 범위를 벗어나는 경우 상기 기판으로부터 상기 금속 박막이 제거된 것으로 판단할 수 있다.
상기 광 검출부는 상기 연마패드의 하부에 설치되고, 상기 연마패드의 하면으로 광을 조사하는 광원 및, 상기 연마패드의 하면에서 반사되는 광을 수광하는 수광부를 포함하고, 상기 광이 조사되는 상기 연마패드 부위는 광이 투과하지 않는 반투명 재질로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따른 기판 연마 장치는 광 투과성 윈도우가 구비되지 않은 연마패드를 통해 기판의 금속박막 제거 여부를 판별할 수 있다.
일 실시 예에 따른 기판 연마 장치는 광투과성 윈도우를 사용하지 않으면서도, 광을 통한 연마 종점 검출이 가능할 수 있다.
일 실시예에 따른 기판 연마 장치의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 일 실시예에 따른 기판 연마 장치의 모식도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 기판 연마 장치의 모식도이다.
도 3은 금속박막을 포함하는 기판 연마 과정에서 검출되는 광도에 대한 그래프이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, 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.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 기판 연마 장치의 모식도이고, 도 2는 일 실시 예에 따른 기판 연마 장치의 모식도이며, 도 3은 금속박막을 포함하는 기판 연마 과정에서 검출되는 광도에 대한 그래프이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 일 실시 예에 따른 기판 연마 장치는 기판(W)을 연마하는데 사용될 수 있다. 기판 연마 장치는 기판(W)의 연마 과정 중, 기판(W)의 연마 상태를 실시간으로 모니터링함으로써, 기판(W)의 연마 종점을 효과적으로 검출할 수 있다.
기판 연마 장치가 연마하는 기판(W)은 반도체 기판(W)이 되는 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)일 수 있다. 기판(W)은 원반 형태로 형성될 수 있으며, 표면에 복수의 반도체 소자가 형성되기 위한 패턴(pattern)이 형성될 수 있다. 기판(W)은 다층 레이어로 구성될 수 있으며, 금속을 포함하는 금속 박막(m)층을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 기판 연마 장치는 기판(W)을 연마하는 과정에서, 금속 박막(m)층의 두께 변화 및 제거 여부를 실시간으로 검출할 수 있다. 일 실시 예에 따른 기판 연마 장치는 캐리어 헤드(11), 연마정반(10), 와전류 검출부(13), 광 검출부(12) 및 모니터링부(14)를 포함할 수 있다.
캐리어 헤드(11)는 기판(W)을 파지할 수 있다. 캐리어 헤드(11)는 기판(W)을 파지한 상태로, 후술하는 연마패드(101)에 가압하여 기판(W)의 표면을 연마할 수 있다. 캐리어 헤드(11)는 기판(W)을 파지한 상태로, 지면에 대한 높이가 조절되거나 지면에 평행한 평면상에서 이동할 수 있다. 캐리어 헤드(11)의 이동에 따라, 파지된 기판(W)은 연마패드(101)의 상부로 이동되거나, 연마패드(101)로부터 이탈될 수 있다. 캐리어 헤드(11)는 중심축을 중심으로 자전할 수 있다. 캐리어 헤드(11)의 회전에 따라, 파지된 기판(W)은 연마패드(101)에 대해 접촉한 상태로 회전할 수 있다.
연마정반(10)은 지면상에 배치될 수 있다. 연마정반(10)은 회전 테이블(102)과, 회전테이블의 상부에 위치하는 연마패드(101)를 포함할 수 있다. 연마패드(101)는 회전 테이블(102)의 상부에 교체 가능하게 부착될 수 있다. 연마패드(101)는 표면에 연마 대상 기판(W)이 접촉되고, 기판(W)의 표면과 마찰되면서 기판(W)을 연마할 수 있다. 이 경우, 연마패드(101)는 복수의 기판(W)을 연속적으로 연마하는 과정에서 표면이 마모되기 때문에, 주기적으로 교체되어야 할 필요가 있다.
연마패드(101)에는 후술하는 광 검출부(12)를 통한 광 검출이 수행될 수 있다. 이 경우, 광 검출이 수행되는 연마패드(101) 영역을 검출 영역이라 지칭하고, 검출 영역을 제외한 연마패드(101) 영역을 비 검출 영역이라 지칭하도록 한다. 즉, 연마패드(101) 영역은 광이 조사되는 부위를 기준으로 검출 영역 및 비 검출 영역으로 구분될 수 있다.
연마패드(101)는 전체 면이 동일한 광 투과도를 가지도록 일체가 동일한 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 연마패드(101)의 전체 면은 반투명한 재질, 즉, 비투과성 재질로 형성될 수 있다.
와전류 검출부(13)는 기판(W)에 대한 와전류 신호를 검출할 수 있다. 기판(W)에 대한 와전류 신호는 기판(W)의 금속박막(m) 두께에 의존하기 때문에, 와전류 검출부(13)가 검출한 신호에 따라 금속박막(m)의 연마 정도를 검출할 수 있다. 와전류 검출부(13)에는 널리 알려진 다양한 와전류 검출 방식이 적용될 수 있다.
광 검출부(12)는 기판(W)의 금속 박막(m) 제거 여부를 검출할 수 있다. 광 검출부(12)는 기판(W)의 연마 과정동안 기판(W)과 접촉한 연마패드(101)의 하면으로 광을 조사하고, 반사되는 광의 강도 변화를 검출할 수 있다. 광 검출부(12)는 연마패드(101)의 하측에 위치하도록 회전 테이블(102) 상에 매립될 수 있다. 이 경우, 광 검출부(12)는 검출 영역의 하측에 배치될 수 있다. 광 검출부(12)는 기판(W)에 대향되는 연마패드(101) 이면으로 광을 조사하는 광원(121)과, 연마패드(101)의 이면에서 반사되는 광을 수광하는 수광부(122)를 포함할 수 있다.
일반적으로, 광 검출을 통해 기판(W)의 연마 상태를 모니터링 하는 경우 연마패드(101)에 구비된 투명 윈도우를 통해 기판(W) 면에 광을 조사하게 되는데, 일 실시 예에 따른 기판 연마 장치의 경우 기판(W)이 아닌 연마패드(101)로부터 반사된 광을 수광하기 때문에 연마패드(101)에 별도의 윈도우 부분을 구비하지 않을 수 있다. 따라서, 연마패드(101)는 전체가 동일한 재질로 형성되기 때문에 기판(W)을 보다 효과적으로 연마할 수 있는 동시에, 연마패드(101) 자체의 교체 주기를 늘리고, 유지 보수성을 향상시킬 수 있다.
모니터링부(14)는 와전류 검출부(13) 및 광검출부가 검출한 정보에 기초하여, 기판(W)의 연마 상태를 모니터링 할 수 있다. 예를 들어, 모니터링부(14)는 와전류 검출부(13)가 검출한 와전류 신호의 변화에 기초하여, 기판(W)의 금속 박막(m) 층의 두께 변화를 분석할 수 있다. 또한, 모니터링부(14)는 광검출부가 검출한 신호에 기초하여 기판(W)의 금속 박막(m) 층 제거 여부를 판별하여, 기판(W)의 연마 종점을 검출할 수 있다.
모니터링부(14)는 광 검출부(12)가 수광한 광의 강도 변화를 분석할 수 있다. 광 검출부(12)는 기판(W)이 아닌 연마패드(101)로부터 반사된 광을 수광할 수 있다. 이 경우, 연마패드(101)에서 반사된 광의 강도는 기판(W)의 금속박막(m) 층에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 금속박막(m) 층의 두께가 변화함에 따라 연마패드(101)에서 반사된 광의 강도는 큰 변화를 가지지 않으나, 금속박막(m) 층이 제거되게 되면 연마패드(101)에서 반사된 광의 강도는 도 3과 같이 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 모니터링부(14)는 기판(W)의 연마가 수행되는 과정에서, 연마패드(101)에서 반사되는 광의 실시간 강도(intensity)를 검출하고, 검출된 강도가 설정 범위를 벗어나는 경우 기판(W)에서 금속 박막(m)이 제거된 것으로 판단할 수 있다.
예를 들어, 모니터링부(14)는 검출부가 수광한 광의 시간 대비 강도 변화율을 실시간으로 검출하고, 강도 변화율이 설정된 기울기를 벗어나는 경우 기판(W)의 금속 박막(m) 제거가 완료된 것으로 판단하고 기판(W) 연마 공정을 중단할 수 있다.
이와 같은 구조에 의하면, 기판 연마 장치는 금속 박막(m)을 포함하는 기판(W)을 연마하는 과정에서, 와전류 검출부(13)의 검출 정보를 통해 금속 박막(m)의 연마가 목표 프로파일에 근접했는지 여부를 우선적으로 판단하여 기판(W)의 연마속도를 감소시키고, 이후 광 검출부(12)를 통해 검출된 신호의 변화를 통해 금속 박막(m)의 제거가 완료되었는지 여부를 판단하여 기판(W)의 연마 종점을 결정할 수 있다.
이러한 방식에 의하면, 기판(W)의 금속 박막(m)을 연마하는 공정에서, 연마패드(101)에 별도의 윈도우 패드를 구비할 필요가 없기 때문에, 기판(W)의 연마도를 향상시키면서, 연마패드(101)의 유지보수성을 높일 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시예들이 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 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
W: 기판
10: 연마정반
11: 캐리어 헤드
12: 광 검출부

Claims (11)

  1. 금속 박막층을 포함하는 기판을 연마하는 기판 연마 장치에 있어서,
    상기 기판의 연마가 수행되고, 광투과성 부분을 포함하지 않는 연마패드;
    상기 기판에 대향되는 상기 연마패드의 이면으로 광을 조사하는 광원과, 상기 연마패드의 이면에서 반사되는 광을 수광하는 수광부를 포함하는 광검출부; 및
    상기 광검출부가 수광한 광의 강도 변화를 분석하여, 상기 기판의 연마 종점 도달을 분석하는 모니터링부를 포함하는, 기판 연마 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연마패드는,
    상기 기판과 접촉되는 면을 바라본 상태를 기준으로,
    상기 광검출부를 통한 광 검출이 수행되는 검출 영역과, 상기 검출 영역을 제외한 비 검출 영역으로 구분되고,
    상기 광 검출부는 상기 검출 영역의 하측에 배치되는, 기판 연마 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연마패드의 검출 영역 및 비 검출 영역은 동일한 광 투과도를 가지는, 기판 연마 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연마패드는 전체 면에 걸쳐 반투명한 재질로 형성되는, 기판 연마 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연마패드는 광이 투과되는 패드 윈도우를 포함하지 않는, 기판 연마 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 모니터링부는,
    상기 기판의 연마가 수행되는 과정에서, 상기 연마패드에서 반사되는 광의 실시간 강도(intensity)를 검출하고, 상기 검출된 강도가 설정 범위를 벗어나는 경우 상기 기판으로부터 상기 금속 박막이 제거된 것으로 판단하는, 기판 연마 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 모니터링부는,
    상기 기판의 연마 과정에서, 상기 검출부가 수광한 광의 시간 대비 강도 변화율을 실시간으로 검출하고, 상기 강도 변화율이 설정된 기울기를 벗어나는 경우 상기 기판의 금속 박막 제거가 완료된 것으로 판단하는, 기판 연마 장치.
  8. 금속 박막을 포함하는 기판을 파지하는 캐리어 헤드;
    상기 기판의 표면을 연마하기 위한 연마패드가 상부에 부착되는 연마정반;
    상기 기판의 연마 과정에서 상기 기판의 와전류 변화를 검출하는 와전류 검출부;
    상기 기판의 연마 과정에서, 상기 연마패드의 하면으로부터 반사되는 광의 강도 변화를 검출하는 광 검출부; 및
    상기 와전류 검출부 및 광 검출부의 검출 결과에 기초하여, 상기 기판의 연마 종점을 결정하는 모니터링부를 포함하는, 기판 연마 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 모니터링부는,
    상기 와전류 검출부의 검출 결과에 기초하여 상기 기판의 금속 박막 두께 변화를 분석하고,
    상기 광 검출부의 검출 결과에 기초하여 상기 기판의 금속 박막 제거 여부를 분석하는, 기판 연마 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 모니터링부는,
    상기 기판의 연마가 수행되는 과정에서, 상기 연마패드에서 반사되는 광의 실시간 강도(intensity)를 검출하고, 상기 검출된 강도가 설정 범위를 벗어나는 경우 상기 기판으로부터 상기 금속 박막이 제거된 것으로 판단하는, 기판 연마 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 광 검출부는,
    상기 연마패드의 하부에 설치되고, 상기 연마패드의 하면으로 광을 조사하는 광원 및, 상기 연마패드의 하면에서 반사되는 광을 수광하는 수광부를 포함하고,
    상기 광이 조사되는 상기 연마패드 부위는 반투명 재질로 형성되는, 기판 연마 장치.

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