KR102091419B1

KR102091419B1 - 광투과성 연마층을 갖는 기판 연마 시스템

Info

Publication number: KR102091419B1
Application number: KR1020180083777A
Authority: KR
Inventors: 이성구
Original assignee: 주식회사 케이씨텍
Priority date: 2018-07-19
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2020-03-20
Anticipated expiration: 2038-07-19
Also published as: CN110732965A; KR20200009424A; CN110732965B

Abstract

본 발명은 기판의 연마 시스템에 관한 것으로, 연마 공정 중인 기판의 연마층에서 반사된 반사광으로부터 특징점들을 검출하고, 기준 파장에 대한 기준 위치나 특징점으로부터 다른 선택 파장의 특징점들까지의 특징 벡터의 값들로부터 연마 공정 중의 연마층 두께를 감지하게 구성되어, 연산량을 최소화하면서 연마 공정 중에 연마층 두께를 정확하게 얻는 효과가 있다.

Description

광투과성 연마층을 갖는 기판 연마 시스템{SYSTEM OF POLISHING SUBSTRATE WITH LIGHT TRANSMITTING LAYER}

본 발명은 광투과성 연마층을 갖는 기판 연마 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 광투과성 연마층의 연마 두께를 연마 공정 중에 정확하게 감지하면서 데이터 처리 속도를 향상시키는 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.

도1는 일반적인 화학 기계적 연마 시스템(9)의 개략도이다. 도1에 도시된 바와 같이, 화학 기계적 연마 시스템(9)은 회전(11d)하는 연마 정반(10)의 연마 패드(11) 상에 연마 헤드(20)에 의해 기판(W)이 가압되면서 연마가 이루어지고, 동시에 연마 패드(11) 상에 슬러리 공급부(미도시)로부터 슬러리가 공급되면서 습식 연마가 이루어진다. 그리고, 이 과정에서 컨디셔너(40)가 회전(40d)운동과 선회 운동을 하면서 컨디셔닝 디스크가 연마 패드(11)를 표면 개질하여, 연마 패드(11)의 미세 홈을 통해 슬러리가 기판(W)에 원활히 공급되게 한다.

한편, 반도체 소자의 집적화에 따라 기판(W)의 연마층은 정교하게 두께가 연마되는 것이 필요하다. 이를 위하여, 종래에는 미국등록특허공보 제6190234호에 개시된 바와 같이, 연마 공정을 행하는 과정에서, 광원(55)으로부터 전달받은 조사광(Li)을 발광부(50)가 기판(W)의 연마층에 조사하고, 연마층에서의 반사된 반사광(Lo)을 수광부(60)에서 수신하고, 수신된 반사광을 스펙트로미터(65)에 의해 도2a 및 도2b에 도시된 바와 같이 파장에 따른 광간섭 신호의 스펙트럼을 얻은 후에, 사전에 미리 저장하고 있는 두께에 따른 광간섭 스펙트럼과 대비하여, 연마층의 두께를 파악하는 방식으로 연마층 두께를 연마 공정 중에 검출하고자 하였다.

즉, 도1의 발광부(50)로부터 다수의 파장을 포함하는 조사광(Li)을 광원(55)으로부터 공급받아 기판(W)의 연마층에 조사하면, 수광부(60)에서 수신된 반사광(Lo)도 다수의 파장이 합쳐진 형태가 된다. 이에 따라, 반사광(Lo)을 스펙트로미터(65)에 의해 분광시켜 파장 별로 광간섭 신호의 광강도 분포는, 연마층의 두께가 충분히 두꺼우면 도2a에 도시된 바와 같이 간격(Xi)이 조밀해지고, 연마층 두께가 얇아질수록 도2b에 도시된 바와 같이 간격(Xo)이 넓어지게 된다.

이와 같은 파장에 따른 스펙트럼 분포는 연마층 두께 변동에 따라 미리 정해진 형태를 추종하므로, 기판의 연마층의 재질에 따라 미리 메모리에 저장되어 있는 스펙트럼의 분포 데이터와 스펙트로미터(65)에 의해 얻어지는 스펙트럼과 대비하는 방식에 의해, 연마 공정 중에 연마층의 두께를 감지하였다.

그러나, 이와 같은 방식은 사실상 연속적인 파장값에 대한 광간섭 신호 데이터를 필요로 하므로, 스펙트로미터(65)에서 파장에 따른 광간섭 신호를 실시간으로 산출하고, 연마 공정 중에 산출된 스펙트럼을 메모리에 미리 라이브러리 형태로 저장되어 있는 스펙트럼의 분포 데이터와 대비하는 데 오랜 연산 시간이 소요되는 문제가 있었다. 이에 따라, 빠른 연산을 위한 연산 설비(예를 들어, 컴퓨터)가 대용량으로 필요하여 연마 시스템이 고가로 되는 문제가 있을 뿐만 아니라, 연속한 파장에 대한 스펙트럼을 얻는 데에 처리 시간이 오래 소요되어 실시간으로 연마층 두께를 얻는 데 한계가 있었다.

또한, 사전에 실험한 데이터의 스펙트럼을 라이브러리로 저장해야 하므로, 사전에 다양한 실험을 통해 데이터를 수집하는 과정이 필요하고, 수집된 데이터의 품질에 따라 검출의 정확도가 달라지는 문제도 있었다. 더욱이, 연마층의 패턴이나 하부 박막의 구조가 다르면, 별도로 라이브러리를 만들어야 하는 불편함도 있었다.

한편, 미국 등록특허공보 제6190234호에 따르면, 서로 다른 2개의 파장에 대한 두께 변동에 따른 광간섭 신호를 이용하여 기판의 연마층의 연마 종료 시점을 감지하는 구성이 개시되어 있다. 즉, 2개의 파장에 대한 광간섭 신호는 정해진 연마층 재질에 따라 두께가 얇아질 수록 변동하는 패턴이 미리 정해져 있으므로, 상기 미국 등록특허공보의 칼럼 11의 표3에 나타난 바와 같이, 미리 변동하는 패턴의 데이터를 미리 저장하여 두고, 연마 공정 중에 2개의 파장에서의 광간섭 신호의 측정값의 변동을 추적하여 이들의 값이 정해진 값에 도달하면 연마 공정을 종료하는 방식이다.

그러나, 상기 미국 등록특허공보에 개시된 구성으로는, 2개의 파장이 서로 허용 오차 범위(예를 들어 50Å이하) 내에서 일치하는 값(N=4, N=15)에서만 연마층의 두께를 각각 35704Å, 10002Å으로 알 수 있을 뿐 그 사이 구간에서는 연마층의 절대 두께를 전혀 알지 못하는 한계가 있었다. 더욱이, 기판의 연마층 두께가 연마 공정 이전에 35000Å 이하인 경우에는, 연마층의 절대 두께값을 알 수 있는 지점이 오로지 1개의 지점(N=4)이므로, N=4에 도달한 때에 10002Å인지 35704Å인지도 알 수 없는 상태가 된다.

이렇듯, 종래에 2개 이상의 파장을 이용하여 시간의 변동에 따른 광간섭 신호(intensity)를 추종하는 형태이더라도, 연마 공정 중에 연마층의 두께의 절대값을 알기 어려우며, 최종적인 연마 종료 시점만을 감지할 수 있을 뿐이어서, 연마 공정 중의 연마층 두께가 연마가 종료되는 타겟 두께에 근접한 것인지 아니면 타겟 두께로부터 충분히 여유가 있는지를 알지 못하여, 숙련된 작업자가 아니면 연마 종료 시점에 정확히 연마 공정을 종료하는 것이 어려운 문제도 있었다.

이에 따라, 기판의 연마 시스템에서 처리 시간을 단축하면서 높은 사양의 연산 설비를 필요로 하지 아니하고, 연마 공정 중에 연마층 절대적인 두께를 감지하는 방법의 필요성이 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명은, 연마 공정 중에 연마층의 절대 두께를 얻는 것을 목적으로 한다.

이와 동시에, 본 발명은 연산을 최소화하여 낮은 사양의 연산 설비로도 연마 공정 중에 연마층 두께를 얻는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명은, 실험 데이터에 의존하지 않고 이론적인 예측값만을 이용하여 연마층의 절대 두께를 검출하는 것을 목적으로 한다.

그리고, 본 발명은 기판의 연마층의 두께를 연마 공정 중에 얻기 위한 라이브러리를 미리 메모리에 저장하지 않고 상대적으로 적은 계산량으로 연마층의 절대 두께를 얻는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 연마 공정 중인 기판의 연마층에서 반사된 반사광으로부터 특징점들을 검출하고, 기준 파장에 대한 기준 위치나 특징점으로부터 다른 선택 파장의 특징점들까지의 특징 벡터의 값들로부터 연마 공정 중의 연마층 두께를 감지한다.

본 발명에 따르면, 광투과성 연마층이 구비된 기판의 연마 공정 중에 연마층의 절대 두께를 얻는 효과가 있다.

이와 동시에, 본 발명은, 연마층 두께을 얻기 위한 연산량을 최소화하여 빠른 연산 시간 내에 낮은 용량의 설비로도 연마 공정 중에 연마층 두께를 정확하게 얻는 효과가 있다.

즉, 본 발명은, 실험 데이터에 의존하지 않고 이론적인 예측값만을 이용하여 연마층의 절대 두께를 검출하므로, 연마 공정 이전에 연마층의 패턴이나 하부 구조 등의 사양에 따른 다양한 실험 데이터를 필요로 하지 아니하여, 미리 얻은 실험 데이터의 품질에 따라 검출 정확도에 오차가 발생되는 문제를 해결한 효과가 얻어진다.

도1은 일반적인 기판의 연마 시스템의 구성을 도시한 도면,
도2a는 연마 초기의 파장에 따른 광간섭 신호 데이터를 도시한 그래프,
도2b는 연마 말기의 파장에 따른 광간섭 신호 데이터를 도시한 그래프,
도3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 연마 시스템의 구성을 도시한 정면도,
도3b는 도3a의 평면도,
도3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판 연마 시스템의 구성을 도시한 정면도,
도4는 도3의 연마 시스템의 작동 원리를 설명하기 위한 순서도,
도5는 기판의 연마층에서의 광간섭 신호의 발생 원리를 설명하기 위한 도면,
도6a 및 도6b는 연마 초기 및 연마 말기의 파장에 따른 광간섭 신호 데이터를 도시한 그래프로서, 정해진 파장에 대하여 연마층 두께 변동에 따른 광간섭 신호의 변동을 설명하기 위한 도면,
도7은 정해진 다수의 파장에 대한 기판 연마층의 두께 변화에 따른 광간섭 신호 데이터를 도시한 도면,
도8은 도7의 제1파장에 대한 기판 연마층의 연마 공정 진행에 따른 광간섭 신호 데이터를 도시한 도면,
도9a는 제1기준파장에 대한 이론 광간섭 신호의 이론 특징 벡터를 설명하기 위한 도면,
도9b는 제1기준파장에 대한 이론 광간섭 신호의 다른 이론 특징 벡터를 설명하기 위한 도면,
도9c는 제2기준파장에 대한 이론 광간섭 신호의 이론 특징 벡터를 설명하기 위한 도면,
도10은 측정 광간섭 신호의 측정 특징 벡터를 설명하기 위한 도면,
도11은 본 발명에 따라 연마 공정 중에 두께 산출한 결과를 도시한 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 저면에 형성된 연마층(f)을 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(W)의 연마층(f) 두께를 측정하기 위하여 조사광(Li)을 조사하는 발광부와 연마층(f)에서 반사된 반사광(Li)을 수신하는 수광부가 구비된 광센서(100, 100')와, 광센서(100, 100')의 수광부에서 수신된 반사광으로부터 연마 공정 중의 기판 연마층(f)의 두께를 얻는 제어부(200)를 포함하여 구성된다.

상기 연마 정반(10)과 연마 패드(11)에는 투명창(111a)이 형성되어, 연마 정반(10)의 하측으로부터 연마 공정을 행하고 있는 기판(W)의 연마면에 광센서(100)의 발광부로부터 광(Li)이 조사되고, 기판(W)의 연마층(f)에서 반사된 반사광(Lo)을 광센서(100)의 수광부에서 수신하는 것이 가능해진다. 이 경우에는, 광센서(100)의 수광부는 연마 패드(11)에 대하여 일정한 위치에 고정되어 있으므로, 기판(W)의 오실레이션 운동을 무시하면, 기판(W)의 일정한 궤적을 따르는 반사광(Lo) 신호를 수신한다. 도면에는 편의상 발광부와 수광부가 하나의 몸체로 형성된 구성이 예시되어 있지만, 발광부와 수광부가 별개의 몸체로 형성될 수도 있다.

한편, 광센서(100)는 연마 정반(10)과 연마 패드(11)를 함께 관통하는 투명창(11a)의 하측에 배치되어, 광센서(100)로부터의 조사광이 투명창(11a)을 관통하여 기판에 도달하고, 기판 연마층에서 반사된 반사광이 투명창을 관통하여 광센서에 수신되게 배치될 수 있다. 이와 병행하거나 그 대신에, 연마 패드(11)를 관통하면서 연마 정반(10)의 상면에 요홈부를 형성하거나, 연마 패드(11)의 일부를 관통하는 요홈부를 형성하고, 이 요홈부에 광센서(100')를 배치시켜, 광센서(100')로부터 조사된 조사광을 기판 연마층(f)에 조사하고, 기판 연마층(f)에서 반사된 반사광을 수신하도록 구성될 수도 있다. 이 경우에는, 광센서(100')의 수광부는 기판(W)의 하측을 통과하는 연마 패드(11)의 회전 궤적을 따라 기판(W)으로부터 반사광(Lo)을 수신한다.

이하에서는, 편의상 발광부와 수광부가 하나의 몸체로 형성된 광센서를 예로 들어, 광센서의 발광부에서 광(Li)을 조사하고 광센서의 수광부(130)에서 반사광(Lo)을 수신하는 구성에 대해 설명한다.

상기 기판(W)는 반도체 소자를 제조하는 과정에서 연마층(f)이 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, 연마층(f)은 산화물층으로 형성될 수 있으며, 이에 따라 도5에 도시된 바와 같이, 조사되는 조사광(Li)의 일부는 연마층(f)의 표면에서 반사된 반사광(Loe)이 되고, 조사광(Li)의 다른 일부는 연마층(f)을 투과하여 불투과층(wo)의 표면에서 반사된 반사광(Loi)이 된다.

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.

예를 들어, 각각의 광센서(100, 100')의 수광부는 발광부로부터 조사된 조사광이 조사되는 기판(W)의 연마층(f)의 위치에서 반사된 반사광(Lo)을 각각 수신하는데, 수신된 반사광을 이용하여, 반사광(Li)이 반사된 기판 연마층(f)의 위치별로 기판(W)의 연마층 두께를 연마 공정 중에 얻게 되면, 압력 조절부는, 연마층 두께가 상대적으로 높은 것으로 감지된 기판 위치의 상측 압력 챔버를 보다 높은 압력으로 조절하여 기판에 대한 가압력을 높여 단위시간당 연마율(Removal Rate)을 높이고, 연마층 두께가 상대적으로 낮은 것으로 감지된 기판 위치의 상측 압력 챔버를 보다 낮은 압력으로 조절하여 기판에 대한 가압력을 낮춰 단위시간당 연마율을 낮추도록 제어할 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.

상기 광센서(100)는 기판(W)의 연마층(f)을 향하여 조사광(Li)을 조사하는 발광부와, 연마층(f)에서 반사된 반사광(Lo)을 수신하는 수광부로 이루어진다. 도5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 발광부가 기판 연마층(f)에 경사지게 조사광(Li)을 조사하고, 수광부가 기판 연마층(f)에서 경사지게 반사된 반사광(Lo)을 수신하는 구성을 포함한다. 그러나, 도3b에 도시된 바와 같이, 조사광(Li)과 반사광(Lo)의 입사각과 반사각에 의한 계산의 복잡성을 없애기 위해, 광센서(100)의 발광부는 조사광(Li)을 기판 연마층(f)에 수직으로 조사하고, 광센서(100)의 수광부는 기판 연마층(f)에서 수직으로 반사된 반사광(Lo)을 수신하도록 구성된 것이 바람직하다.

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 광센서(100)의 발광부에 조사되는 조사광(Li)의 광원(105)은 엘이디(LED)로 사용될 수 있다. 조사광(Li)이 백색광인 경우에는, 후술하는 바와 같이, 연속하는 다수의 파장들 중에 2개 이상의 복수의 선택 파장을 선별하여, 선택 파장에 대한 광간섭 신호를 처리하는 것에 의해 연마 공정 중에 기판 연마층의 절대적인 두께를 얻을 수 있다.

연마 공정 중에 시간 지연없이 연마층의 절대적인 두께를 얻기 위해서는 선택 파장의 개수는 많을 수록 유리하지만, 대체로 선택 파장은 5개 내지 15개로 정해질 수 있으며, 선택 파장이 10개 정도로 정해지면 거의 실시간으로 연마층의 절대 두께를 거의 연속적으로 얻을 수 있다. 그리고, 상기 선택 파장은 4000Å 내지 7000Å의 파장 대역에서 선택될 수 있으며, 상기 선택 파장들은 서로 균일한 간격(예를 들어, 100~700Å)을 두고 선택될 수 있으며, 예를 들어 400Å 간격으로 정해지는 경우에는, 상호간의 파장 간격인 400Å의 20%인 80Å의 오차 범위 내에서 균일한 간격(즉, 320Å~480Å의 파장 간격을 두고) 정해지는 것이 바람직하다.

한편, 기판의 연마층(f)에 조사되는 조사광(Li)은, 연속하는 다수의 파장을 갖는 백색광을 출력하는 광원(105)으로부터 광센서(100)의 발광부를 통해 기판 연마층(f)에 조사되며, 다수의 파장을 갖는 반사광이 광센서(100)의 수광부를 통해 수신된다.

여기서, 도3a에 도시된 바와 같이, 광원(105)에서 생성된 조사광(Li)은 광원(105)으로부터 광센서(100)까지 연장된 메인 광섬유(101)를 조사광 경로로 전달되어 기판 연마층에 조사되며, 기판 연마층(f)에서 반사된 반사광(Lo)은 수광부에서 수신되어 메인 광섬유를 통해 전달되다가 메인 광섬유에서 Y자 형태로 분기(103)된 전달용 광섬유(102)를 따라 전달되어 제어부(200)에 수신된다.

한편, 도3c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, Y자 형태의 분기(103)를 사용하는 대신에, 광원(105)과 스펙트로미터(230)의 사이에 하프 미러(half mirror, 104)가 배치되어, 광원(105)으로부터 조사된 조사광(Li)이 하프 미러(104)에 반사되어 기판의 연마층(f)에 도달하고, 기판 연마층(f)에서 반사된 반사광(Lo)은 하프 미러(104)를 관통하여 스펙트로미터(130)로 전달되게 구성될 수도 있다.

상기 제어부(200)는 기판의 연마 시스템(1)의 제어 장치로서, 기판(W)의 연마층(f)의 재질에 따른 굴절율(n)을 이용하여 연마층 두께에 대한 복수의 선택 파장에 대한 이론 광간섭 신호를 계산하는 연산부(210)와, 광센서(100)의 수광부로부터 수신된 반사광(Lo)이 일정한 광강도에서 기판 연마층의 두께를 얻도록 정규화(normalize)시키는 정규화 모듈(220)과, 광센서(100)의 수광부로부터 수신된 반사광(Lo)을 파장별로 광간섭 신호로 생성하는 스펙트로미터(230)와, 스펙트로미터(230)에 의해 생성된 광간섭 신호를 기초로 연마 공정 중의 기판 연마층의 두께를 감지하는 두께 산출부(240)를 포함하여 구성된다.

상기 연산부(210)는, 기판(W)의 연마층(f)의 재질에 따른 굴절율(n)을 고려하여, 미리 정해진 선택 파장에 따른 이론 광간섭 신호 데이터를 계산한다(S10). 여기서, 이론 광간섭 신호 데이터는 연마층의 재질에 따라 연마층의 두께에 따른 광간섭 신호의 파형과, 파장별 파형의 특징값의 위치 정보를 특징 벡터 형태로 얻는 것을 말한다.

다시 말하면, 기판의 연마층의 재질이 정해지면, 연마층의 굴절율이 정해지며, 이에 따라 연마층의 두께의 주기는 (λ/2n)으로 정해지므로(여기서, λ는 광의 파장이고, n은 굴절율임), 광의 파장(λ)에 따른 연마층 두께의 주기를 얻을 수 있고, 이를 통해 기판(W)의 연마층(f)의 두께가 0인 지점으로부터 증가하는 이론 광간섭 신호(광강도, Intensity)의 변화 데이터를 얻을 수 있다.

보다 구체적으로는, 광투과성 연마층에서 반사되는 반사광의 광간섭 신호의 광강도 신호는, 연마(polishing)에 의하여 연마층의 두께가 변동하면, 연마층에서 반사하는 광의 세기는 연마층의 남은 두께에 따라 주기적으로 변화하고, 변화하는 주기는 광의 파장(λ)과 박막의 굴절율(n)에 의해 정해진다.

여기서, 광강도(Intensity)는 cos(4π*n/λ*t)에 비례한다. 여기서, t는 연마층 두께를 의미하고, n은 연마층의 굴절율이며, λ는 광의 파장이다. 이로부터, 연마층 두께 주기는 (λ/2n)으로 정해져 λ/2n마다 동일한 패턴의 광간섭 신호가 반복되고, 연마층 두께의 1주기에 소요되는 시간 주기(T1)는 (λ/(2n*RR))로 정해진다. 여기서, RR은 단위시간당 연마율(removal rate)이다. 또한, 박막의 두께가 0인 경계면에서의 반사광의 위상은 0이 되고, 이 때의 광강도는 1로 최대가 된다.

이와 같은 광투과성 연마층(f)에서의 광간섭에 따른 광강도(광간섭신호)의 특성에 따라, 연산부(210)는, 단위시간당 연마율(RR)을 미리 알 수는 없더라도, 연마층 두께 변화에 대한 광간섭에 따른 광강도(광간섭신호)를 파장별로 얻을 수 있다.

본 발명의 일실시 형태에 따르면, 광원(105)으로서 백색광을 적용하여 연속하는 무수한 파장광이 반사광(Lo)에 포함되어 있으므로, 연산부(210)는, 미리 정해진 복수의 선택 파장들(λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6)에 대하여 연마층 재질에 따라 달라지는 굴절율(n)을 고려하여 연마층 두께(t)에 대한 이론 광간섭 신호를 도7에 도시된 바와 같이 계산한다.

여기서, 연마 공정 중의 연마층 두께를 얻기 위하여 미리 연산부(210)에 의해 계산되는 연마층 두께에 따른 광간섭 신호 데이터는, 전술한 바와 같이, 4000Å 내지 7000Å의 파장 대역에서 미리 선택된 5개 ~ 15개 정도의 선택 파장(λ1, λ2, λ3, λ4, ....)에 대해서만 계산되어도 충분하다. 그리고, 미리 선택된 선택 파장은 대체로 균일한 간격(예를 들어, 100~700Å)을 두고 선택될 수 있다.

참고로, 도7은, 설명의 편의상, 서로 균일하지 않은 간격을 갖는 제1파장(λ1), 제2파장(λ2), 제x파장(λx), 제y파장(λy)을 선택 파장으로 선택하여 연산부(210)에서 연산되어 얻어진 '이론 광간섭 신호'의 데이터를 연마층 두께에 따라 표시한 것이다.

즉, 본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '이론 광간섭 신호' 및 이와 유사한 용어는 제어부(200)의 연산부(210)에서 계산되어 얻어진 선택 파장에 대한 연마층 두께에 따른 광간섭 신호 및 이와 연관된 데이터로 정의한다.

한편, 연산부(210)가 선택 파장들에 대한 이론 광간섭 신호는 연마층의 굴절율(n)을 알고 있으면 간단한 계산에 의하여 매우 짧은 시간 내에 연산되므로, 메모리에 라이브러리 형태로 미리 저장해둘 필요가 없으며, 기판(W)이 연마 헤드(20)에 공급되어 연마 공정이 행해지기 이전에 연산부(210)에 의해 이론 강관섭 신호를 미리 계산하면 충분하다. 또는, 기판(W)의 연마 공정이 시작된 이후에 연산부(210)에 의해 이론 광간섭 신호를 실시간으로 계산하면서, 수광부에 수신된 반사광(Lo)으로부터 추출된 측정 광간섭신호와 대비하더라도 무방하다.

이와 같은 방식으로, 복수의 미리 선택된 선택 파장에 관하여, '이론 특징 벡터(theoretical feature vector)'를 미리 계산해둔다. 여기서, 이론 특징 벡터는 이론 광간섭 신호의 피크값(peak value)과 밸리값(valley value)과 같은 특징값(feature value)의 위치 데이터로서, 선택 파장들 중에 기준 파장의 특징값으로부터 다른 선택 파장들의 특징값까지의 상대 거리 및 방향에 관한 벡터를 의미한다.

이하에서는 설명의 편의상 4개의 선택 파장들을 미리 정하여, 이로부터 연마층의 절대 두께값을 얻는 방법을 상술한다.

예를 들어, 도9a를 참조하면, 제1파장(λ1)을 기준 파장으로 하고, 제1파장(λ1)의 이론 광간섭 신호의 제1피크값(P1a, 즉 청구범위에 기재된 제1특징값)에 도달하는 연마층이 t1의 두께가 되는 위치를 기준위치로 하여, 이로부터 다른 선택 파장들(λ2, λx, λy)의 주변 밸리값(P2, Px, Py)까지의 방향과 거리에 관한 벡터로서, 이론 특징 벡터는 각각 [e2, ex, ey]로 정해진다. (이하에서는, 편의상 [ ] 로 표시된 것은 벡터를 표시한 것이다.) 여기서, ex와 ey, e2는 서로 다른 방향이므로 상대 위치로 변환하면, (e2, ey, -ex)로 표시될 수 있다.

이 뿐만 아니라, 제1파장(λ)을 기준파장으로 하고, 제1파장(λ1)의 이론 광간섭 신호의 제1피크값(P1a, 즉 청구범위에 기재된 제1특징값)에 도달하는 연마층이 t1의 두께가 되는 위치를 기준 위치로 하여, 이로부터 다른 선택 파장들(λ2, λx, λy)의 주변 피크값(P2', Px', Py')까지의 방향과 거리에 관한 벡터로서, 이론 특징 벡터는 각각 [e2', ex', ey']로 정해진다. 여기서, ex, ey, e2는 서로 동일한 방향이므로 상대 위치로 변환하면, (e2, ey, ex)로 표시될 수 있다.

한편, 도9b를 참조하면, 제1파장(λ1)을 기준 파장으로 하고, 제1파장(λ1)의 이론 광간섭 신호의 제1피크값(P1a)과 제1밸리값(V1a)의 중간값(기준위치, R1, 즉 청구범위의 제1중간값)에 도달하는 연마층이 t2의 두께가 되는 위치를 기준 위치로 하여, 이로부터 다른 선택 파장들(λ2, λx, λy)의 주변 밸리값(P2, Px, Py)까지의 방향과 거리에 관한 벡터로서 이론 특성 백터는 [E2, Ex, Ey]로 정해진다. 여기서, E2, Ex, Ey는 모두 동일한 방향이므로 상대 위치로 변환하면 (E2, Ex, Ey)로 표시될 수 있다.

마찬가지로, 제1파장(λ1)을 기준 파장으로 하고, 제1파장(λ1)의 이론 광간섭 신호의 제1피크값(P1a)과 제1밸리값(V1a)의 중간값(기준위치, R1, 즉 청구범위의 제1중간값)에 도달하는 연마층이 t2의 두께가 되는 위치를 기준 위치로 하여, 이로부터 다른 선택 파장들(λ2, λx, λy)의 주변 피크값(P2', Px', Py')까지의 방향과 거리에 관한 벡터로서, 이론 특징 벡터는 각각 [E2', Ex', Ey']로 정해진다. 여기서, E2, Ex, Ey는 모두 동일한 방향이므로 상대 위치로 변환하면 (E2', Ex', Ey')로 표시될 수 있다. 이와 같이, 기준 위치를 피크값과 밸리값의 중간값으로 정하면, 기준 파장 이외의 다른 선택 파장의 광간섭 신호의 피크값과 밸리값까지의 거리가 짧아지고 대체로 특징 벡터의 방향도 일정하므로, 연마 공정 중에 측정된 측정 광간섭 신호의 측정 특징 벡터와 대비하는 것에 오류를 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

중간값을 기준 위치로 하는 경우에도, 특징값을 기준 위치로 하는 것과 유사하게, 제1파장 이외의 다른 선택 파장들 중에 다른 하나(예를 들어, 제2파장 등) 이상을 기준 파장으로 하여 이론 특징 벡터를 얻을 수 있다.

한편, 기준 파장은 하나로 국한될 필요가 없으며, 도9c에 도시된 바와 같이, 제2파장(λ2)을 또 다른 기준 파장으로 하고, 제2파장(λ2)의 이론 광간섭 신호의 제2밸리(P2, 즉 청구범위에 기재된 제2특징값)에 도달하는 연마층이 t3의 두께가 되는 위치를 기준 위치로 하여, 이로부터 다른 선택 파장들(λ1, λx, λy)의 주변 밸리값(V1a, Px, Py)까지의 방향과 거리에 관한 벡터로서, 이론 특징 벡터는 각각 [f1, fx, fy]로 정해진다. 여기서, f1과 fx, fy는 서로 다른 방향이므로 상대 위치로 변환하면 (f1, -fx, -fy)로 표시될 수 있다.

이와 같이, 연산부(210)는 4개의 선택 파장들(λ1, λx, λy, λz)에 대하여 제1파장(λ1)과, 제2파장(λ2)과, 제x파장(λx)과, 제y파장(λy)을 각각 기준 파장으로 하고, 각각에 대하여 피크값, 밸리값 등의 특징값이나 이들의 중간값을 기준 위치로 하여 이에 근접한 다른 선택 파장들의 피크값, 밸리값 등의 특징값까지의 이론 특징 벡터를 [e2, ex, ey], [e2', ex', ey'], [f1, fx, fy], [E2, Ex, Ey], [E2', Ex', Ey'], .... 로 구하며, 각각의 이론 특징 벡터에서는 기판 연마층(f)의 절대두께값을 각각 t1, t2, t3,... 등으로 미리 알 수 있는 상태가 된다.

즉, 선택 파장(λ1, λ2, λx, λy)들의 측정 광간섭 신호의 특징값들 사이의 방향과 상대 거리를 나타내는 측정 특징 벡터들이 이론 광간섭 신호의 특징값들 사이의 방향과 상대 거리를 나타내는 이론 특징 벡터들과 허용 오차 이하로 일치되는 이론 특징 벡터를 찾으면, 이론 특징 벡터는 각각 이미 알고 있는 연마층의 절대적인 두께값에 대해 얻어진 것이므로, 찾아진 이론 특징 벡터에 해당하는 연마층의 두께값(예를 들어, 도9a에 도시된 [e2, ex, ey], [e2', ex', ey']의 이론 특징 벡터는 연마층 두께가 t1에 해당하고, 도9b에 도시된 [Ee2, Ex, Ey], [E2', Ex', Ey']라는 이론 특징 벡터는 연마층 두께가 t2에 해당하며, 도9c에 도시된 [f1, fx, fy]라는 이론 특징 벡터는 연마층 두께가 t3에 해당함)을 상기 연마층의 절대 두께값으로 연마 공정 중에 얻을 수 있다.

여기서, 기판 연마층(f)의 하나의 두께값인 t1에 대하여, [e2, ex, ey], [e2', ex', ey']로 양측 방향으로 2개씩의 이론 특징 벡터를 얻을 수 있다. 그리고, 선택 파장의 개수를 보다 더 늘리면, 연마층의 절대 두께값(t1, t2, t3,...)을 보다 더 많이 알 수 있게 하는 정보를 이론 특징 벡터의 형태로 얻을 수 있게 된다.

상기 정규화 모듈(220)은, 연마 공정이 시작되어 진행되는 중에 광센서(100)의 수광부에서 수신한 반사광(Lo)에 대하여 반사광 강도(Intensity)의 평균값이 일정해지도록 정규화시킨다. 이는, 기판 연마층(f)에서 반사된 반사광(Lo)은 광원(105)인 LED에서 생성되는 광의 강도나 주변 광의 강도 등에 따라 다소 변동될 수 있고, 개별 파장 대역에서 오류에 의한 변동이 있을 수 있지만, 광원(105)의 광강도나 주변 광의 강도에 의한 변동은 기판 연마층(f)의 두께와 무관하므로, 기판 연마층(f)의 두께에 대해서만 반사광 강도가 표시되도록 반사광 세기(강도)의 평균값이 일정해지도록 정규화시킨다.

정규화 모듈(220)은 광센서(100)의 수광부에서 수신한 반사광(Lo)이 스펙트로 미터(230)에 전달되기 이전에, 반사광의 직전 평균값과 동일한 평균값을 갖도록 반사광을 정규화시킬 수 있다. 예를 들어, 도6a에 도시된 연마 초기의 파장에 따른 광간섭 신호를 적분한 전체 강도(그래프의 면적)와 연마 말기의 파장에 따른 광간섭 신호를 적분한 전체 강도는 일정하게 유지되도록 신호 처리를 할 수 있다.

한편, 정규화 모듈(200)은, 광센서(100)의 수광부에서 수신한 반사광(Lo)이 스펙트로미터(230)에 전달되고, 스펙트로미터(230)에서 선택 파장에 대하여 분광된 광간섭신호에 대하여 정규화시킬 수도 있다. 여기서, 스펙트로미터(230)는 선택 파장에 대하여 광간섭 신호를 산출하므로, 전체 파장에 대한 광간섭 신호를 적분하는 대신에, 선택 파장에 대하여 얻어진 광간섭 신호의 세기(광강도, intensity)의 합이 직전(直前)에 얻어진 광간섭신호의 세기의 합과 동일하도록 전체 광간섭신호의 세기를 비율대로 조절한다. 즉, 스펙트로미터(230)에서 분광된 광간섭신호를 정규화하는 것은, 산출된 광간섭신호의 합계를 일정하게 조절하는 것에 의해, 스펙트로미터(230)에서 분광하기 이전에 정규화하는 광간섭신호의 적분 원리와 동일하게 행해진다.

이에 의해, 반사광(Lo)이 주변의 밝기 또는 광원(105)에서 생성된 백색광의 광강도의 편차에 의해 기판 연마층 두께를 알 수 있게 하는 반사광 신호가 왜곡되는 것을 방지할 수 있다.

상기 정규화 모듈(220)은 별도의 외부 장치를 구성할 수도 있으며, 상기 제어부(또는 제어장치)의 일부로서 신호처리를 위한 소프트웨어로 구성될 수도 있다. 한편, 정규화 모듈(220)은 기판의 연마층(f)의 두께를 보다 신뢰성있게 얻기 위한 것으로서, 필요에 따라 본 발명의 구성으로부터 제외될 수도 있다.

상기 스펙트로미터(230)는, 광센서(100)의 수광부에 수신된 반사광(Lo)을 파장별 광간섭 신호로 분광시킨다.

보다 구체적으로는, 편의상 조사광(Li)과 반사광(Lo)이 경사진 형태로 도시된 도5를 참조하면, 기판(W)의 연마면은 광이 투과할 수 있는 산화물층(f)과 광이 투과할 수 없는 불투과층(Wo)으로 이루어져 있으므로, 발광부(120)로부터 조사된 광(Li)의 일부는 산화물층(f)의 표면(Sx)에서 반사(Loe)되고, 발광부(120)로부터 조사된 광(Li)의 일부는 산화물층(f)을 통과하여 불투과층(Wo)에서 반사(Loi)된다. 따라서, 수광부(130)에서 수신되는 반사광(Lo)은 산화물층(f)의 표면에서 반사된 반사광(Loe)과 산화물층(f)을 통과하여 불투과층(Wo)에서 반사된 반사광(Loi)을 포함하며, 이들 반사광(Loe, Loi)이 미세한 간격(d)을 두고 산화물층(f)의 두께에 비례하는 만큼 광경로 차이가 있으므로, 서로 간섭되면서 싸인파 형태와 유사한 광 간섭신호(X)를 파장별로 반사광(Lo)에 포함하게 된다. 즉, 광간섭신호는 불투과층(Wo)에서 반사된 반사광(Loi)과 연마층(f)의 표면(Sx)에서 반사된 반사광(Loe)이 합쳐진 반사광(Lo)의 파장별 광강도(intensity)를 말한다.

그리고, 스펙트로미터(230)는 반사광(Lo)에 포함되어 있는 파장별 광간섭 신호(X)를 분광시킨다. 즉, 기판의 연마층(f)의 두께(t)가 충분히 두꺼운 초기 두께(to)에서는 파장에 따른 광간섭 신호가 도6a에 도시된 형태이지만, 기판의 연마층(f)의 두께(t)가 점점 얇아져 연마 종료 시점에서는 파장에 따른 광간섭신호는 도6b에 도시된 형태가 된다.

그리고, 도6a 및 도6b에 도시된 각 파장(λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6)에서의 광간섭신호는 연마층(f)의 두께 변동에 따라 각각 위아래로 변동하는 추세를 가지며, 도7에 도시된 바와 같이, 어느 하나의 파장(λ1)에 대한 광간섭신호의 하나의 점(S1)은 연마층 두께의 변동에 따라 싸인파와 유사한 파형을 형성하며, 이에 따라, 도8에 도시된 바와 같이, 연마 시간의 경과에 따른 광간섭신호는 싸인파와 유사한 파형을 형성한다. 여기서, 싸인 파형의 광간섭신호의 기울기(as)는 단위시간당 연마율(removal rate)에 따라 변동된다.

이렇듯, 스펙트로미터(230)는 광센서(100)의 수광부에서 수신한 반사광(Lo)으로부터 다수의 파장(λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6, ...)에 따른 광간섭신호를 분리시킨다. 본 발명의 일 실시 형태에 따른 기판의 연마 시스템(1)은 백색광을 광원(105)으로 하고, 미리 정해진 복수의 선택 파장들의 측정 광간섭 신호와 이론 광간섭 신호를 대비하므로, 스펙트로미터(230)에 의해 분광되는 파장광은 미리 선택된 선택 파장들에 대해서만 얻어지더라도 무방하며, 수광부에서 수신된 반사광(Lo)으로부터 미리 정해진 선택 파장(도7에서는 λ1, λx, λy, λ2)에 대하여 분광되어 얻어진 광간섭 신호를 '측정 광간섭 신호'로 추출한다.

즉, 본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '측정 광간섭 신호' 및 이와 유사한 용어는 수광부에서 수신된 반사광(Lo)으로부터 스펙트로미터 등에 의하여 분광된 선택 파장에 대한 광간섭 신호로 정의한다.

한편, 스펙트로미터(230)에 의해 측정 광간섭 신호를 추출하기 이전에 정규화 모듈(220)에 의해 반사광의 세기(강도)를 정규화하면, 광원으로부터 발생된 광량이 연마 공정 중에 예기치않게 변동하거나 연마 공정이 행해지는 주변의 밝기에 따른 편차를 사전에 필터링하는 결과이어서, 보다 정확한 측정 광간섭 신호 데이터를 얻을 수 있다. 즉, 도9에 도시된 바와 같이, 측정 광간섭 신호는 최대값이 1이고 최소값이 -1이며, 피크값과 밸리값의 중간값이 0인 값을 얻을 수 있게 된다.

상기 두께 산출부(240)는, 기판의 연마 공정이 행해지기 시작하고(S20), 광센서의 발광부로부터 조사된 조사광(Li)이 기판의 연마층(f)에서 반사된 반사광(Lo)을 수광부에서 수신하고(S30), 필요에 따라 정규화 모듈(220)에 의해 현재 수신한 반사광(Lo)의 세기를 직전의 반사광 세기의 평균값(예를 들어, 도6a의 광간섭 신호의 적분값)과 동일하게 정규화시킨 후, 수광부로부터 전달된 반사광(Lo)이 스펙트로미터(230)에 의해 적어도 선택 파장들에 대한 측정 광간섭 신호를 추출하면(S40), 스펙트로미터(230)로부터 수신된 측정 광간섭 신호를 연산부(210)에서 계산한 이론 광간섭 신호와 대비하여 연마층의 절대 두께를 연마 공정 중에 산출한다(S50).

보다 구체적으로는, 두께 산출부(240)는 선택 파장값들의 측정 광간섭 신호로부터 각 파장값의 피크값, 밸리값 등의 특징값을 검출한다. 여기서, 측정 광간섭 신호는 시간에 대하여 표시된다.

스펙트로미터(230)로부터 수신된 신호는 선택 파장들의 측정 광간섭 신호들을 동시에 포함하고 있으므로, 도9에 도시된 바와 같이, 두께 산출부(240)는 선택 파장으로 미리 정해진 개수의 측정 광간섭 신호를 연마 시간의 경과에 따라 얻게 된다.

그러면, 두께 산출부(240)는, 도10에 도시된 바와 같이, 연속적으로 얻어지는 선택 파장들(λ1, λ2, λx, λy)에 대한 광간섭 신호로부터, 실시간으로 피크값과 밸리값을 포함하는 특징값을 얻는다. 그리고, 이와 동시에 특징값 또는 중간값으로부터 다른 특징값까지의 거리와 방향에 관한 '측정 특징 벡터(measured feature vector)'를 구한다.

예를 들어, 기준 파장을 제1파장(λ1)으로 하고, 피크값과 밸리값의 중간값을 기준 위치(Rm1)로 하면, 이로부터 다른 선택 파장(λ2, λx, λy)의 인접한 피크값까지의 측정 특징 벡터를 [r2, rx, ry]로 얻는다. 도면에 도시되지 않았지만, 이와 유사하게 피크값과 밸리값의 중간값을 기준 위치(Rm1)로 하여, 이로부터 다른 선택 파장의 인접한 밸리값까지의 벡터를 측정 특징 벡터로 얻을 수 있다. 또한 측정 특징 벡터는 피크값과 밸리값의 중간값을 기준 위치로 하여 얻어질 수도 있으며, 이론 특징 벡터와 마찬가지로 피크값이나 밸리값 등의 특징값을 기준 위치로 하여 다른 선택 파장의 피크값 또는 밸리값까지의 벡터로 얻어질 수도 있다.

즉, 측정 특징 벡터는, 이론 특징 벡터와 동일한 방식으로, 선택 파장들 중 하나를 제1기준 파장으로 하고, 제1기준파장의 광간섭 신호가 어느 하나의 제1특징값에 도달한 상태에서, 제1특징값을 기준 위치로 하여 제1기준 파장을 제외한 다른 선택 파장들에 대한 광간섭 신호의 특징값까지의 벡터(vector)로 정해질 수 있다. 또한, 측정 특징 벡터는, 이론 특징 벡터와 동일한 방식으로, 선택 파장들 중 상기 제1기준파장을 제외한 다른 하나를 제2기준 파장으로 하고, 제2기준파장의 광간섭 신호가 어느 하나의 제2특징값에 도달한 상태에서, 제2특징값을 기준 위치로 하여 제2기준 파장을 제외한 다른 선택 파장들에 대한 광간섭 신호의 특징값까지의 벡터(vector)로 정해질 수 있다.

다만, 본 발명의 이론 특징 벡터 및 측정 특징 벡터는, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면 위와 같이 구해진 벡터를 모두 특징 벡터로 하는 것이 바람직하지만, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면 위와 같이 구해진 벡터들 중의 일부 벡터를 제외한 벡터를 특징 벡터로 할 수도 있다.

그리고, 두께 산출부(240)는 연산부(210)에서 계산한 '이론 특징 벡터'들인 [e2, ex, ey], [e2', ex', ey'], [f1, fx, fy], [E2, Ex, Ey], [E2', Ex', Ey'], .... 과, 연마 공정 중에 직전에 얻어진 측정 특징 벡터인 [r2, rx, ry]를 대비하여, 이론 특징 벡터와 측정 특징 벡터가 허용 오차 범위 이내에서 만족하는 이론 특징 벡터를 찾는다. 바람직하게는, 연마 공정 중에 직전에 얻어진 측정 특징 벡터와 연마부(210)에서 미리 계산해둔 이론 특징 벡터들의 편차가 최소가 되는 이론 특징 벡터를 찾는다.

이 때, 이론 특징 벡터들은 기판 연마층(f)의 두께(t)를 미리 t1, t2, t3,...로 알고 있으므로, 측정 특징 벡터와 가장 편차가 최소인 이론 특징 벡터를 찾는 것에 의하여, 기판 연마층(f)의 절대 두께를 연마 공정 중에 얻을 수 있다. 이와 같이 얻어진 기판 연마층(f)의 절대 두께값(Tm)은 도11에 나타나 있다.

특히, 이론 특징 벡터들은 이미 알고 있는 기판 연마층(f)의 하나의 두께에 관하여 밸리값과 피크값을 향하는 각각의 방향에 대하여 2개씩 구비되므로, 연마 공정 중에 실시간으로 기판 연마층의 절대 두께값을 구하고, 후속적으로 얻어지는 측정 특징 벡터의 값으로부터 이미 구한 연마층의 절대 두께값이 맞는지 여부를 검증할 수도 있다.

그리고, 도면을 참조하여 예시한 구성은 4개의 선택 파장에 대한 광간섭 신호를 이론치와 측정치를 대비함에 따라, 연마층 두께의 변동에 따라 이미 알고 있는 연마층 두께 데이터의 이격 거리가 상대적으로 크지만, 대략 10개의 선택 파장으로 미리 정하는 경우에는, 10개의 선택파장의 각각을 기준 파장으로 하고, 10개 선택 파장의 광간섭 신호의 특징값과 중간값을 기준으로 연마층 두께를 이론 특징 벡터를 통해 알 수 있으므로, 50Å~100Å의 두께 변동을 실시간으로 연마 공정 중에 알 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

더욱이, 본 발명은 선택된 개수의 선택 파장에 관한 연산만을 필요로 하므로, 수백개 내지 수천개의 파장에 관한 신호 처리를 필요로 해야만 연마층의 절대 두께값을 알 수 있었던 종래 기술에 비하여 연산 속도가 훨씬 빠르고 정확하게 연마층의 절대 두께값을 알 수 있으며, 연산을 위한 컴퓨터 등의 설비를 보다 낮은 사양으로 저렴하게 구성할 수 있는 이점도 얻을 수 있다.

그리고, 상기와 같은 방식에 의하여 연마층의 절대 두께값을 연마 공정 중에 신뢰성있게 얻을 수 있으므로, 연마 종료시점을 종래에 비하여 미리 예측하여 연마 종료시점을 놓치지 않으며, 기판의 연마층 위치에 따른 편차를 실시간으로 정확히 감지하여, 연마 헤드 등의 제어에 활용할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

한편, 연마 공정 중에 단위 시간당 연마율(RR)이 일정하게 유지되는 경우에는 이론 특징 벡터와 측정 특징 벡터의 편차가 거의 일정 비율로만 발생되므로, 상기와 같은 방식에 의해 연마 공정 중의 연마층의 절대 두께값을 정확하게 구할 수 있다.

그러나, 연마 공정 중에 연마 헤드의 가압력이나 컨디셔너의 스윕 위치별 가압력이 변동하는 경우에는, 단위 시간당 연마율(RR)의 변동에 따라 이론 특징 벡터와 측정 특징 벡터의 편차가 발생될 수 있다.

따라서, 두께 산출부(240)는 상기와 같이 얻어진 연마층의 두께 데이터로부터 단위시간당 연마율(RR)을 계산한다. 여기서, 연마층 두께 주기는 (λ/2n)으로 정해져 λ/2n마다 동일한 패턴의 광간섭 신호가 반복되고, 연마층 두께의 1주기에 소요되는 시간 주기(T1)는 (λ/(2n*RR))로 정해지므로, 단위시간당 연마율(RR)은 측정된 시간 주기(T1) = λ/(2n*RR) 의 수식으로부터 얻어질 수 있다.

그리고, 두께 산출부(240)는, 이와 같이 연마 공정의 시간 경과에 따라 산출되는 단위 시간당 연마율(RR)과, 시간 경과에 따라 얻어지는 연마층의 절대 두께값(Tm)으로부터, 도11에 도시된 바와 같이 곡선 맞춤(curve fitting)을 하여, 연마층 절대두께값의 변이 곡선(Tr, thickness fitting curve)을 생성한다.

여기서, 연마층 절대두께값의 변이 곡선에서의 기울기는 단위 시간당 연마율(RR)을 나타내며, 이로부터 타겟두께(Te)까지 남은 시간을 연산할 수 있다. 그리고, 두께 산출부(240)에 의해 시간 경과에 따라 얻어지는 기판 연마층의 절대 두께값(Tm)은 도11에 표시되면서, 연마층 절대두께값의 변이 곡선(Tr)은 새롭게 표시된 절대 두께값(Tm)이 반영되면서 연마 공정의 진행 경과에 따라 지속적으로 보정된다.

이 때, 상기와 같이 얻어진 절대 두께값들 중에 절대 두께값의 변이곡선(Tr)으로부터 멀리 이격된 절대 두께값 데이터(Ei)는 잘못된 측정 두께값으로 간주하여 버린다. 그리고, 연마층 절대두께값 변이곡선(Tr)으로부터 연마층의 타겟 두께까지 남은 시간을 계산하여 표시한다.

연마층의 타겟 두께에 근접한 값으로 연마층의 절대 두께값이 얻어지고, 타겟 두께에 이르는 데 남은 시간이 허용 오차보다 작으면 연마 공정을 종료하여, 타겟 두께(Te)에 도달하도록 한다. 여기서, 타겟 두께(Te)는 특징값이나 중간값이 아닐 수도 있으며, 이 경우에는 이론 특징 벡터가 타겟 두께(Te)에서는 존재하지 않으므로, 타겟 두께(Te)에 가장 근접한 연마층 두께값에 도달한 것으로 감지되면, 계산된 남은 시간 만큼만 연마 공정을 지속한 이후에 연마 공정을 종료한다.

이와 같은 방식에 의하여 연마 공정을 행하면, 연마 공정 중에 연마층의 단위 시간당 연마율(RR)이 변동하더라도, 정확하게 기판 연마층(f)의 두께값을 실시간으로 알 수 있으며, 이를 통해 연마 종료 시점을 정확하게 감지하는 것은 물론, 연마 공정 중에 기판 연마층의 연마량 편차가 발생되는 경우에도, 연마 헤드의 가압력을 기판 영역별로 가압하는 가압력을 조절하거나 컨디셔너의 가압력을 조절하여, 연마층의 연마 프로파일을 의도한 형태로 보다 정확하게 제어할 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 f: 산화물층
Li: 조사광 Lo: 반사광
d: 반사광의 간격 t: 산화물층 두께
X: 광간섭 신호 20: 연마 헤드
30: 컨디셔너 40: 컨디셔너
1: 연마 시스템 100, 100': 광센서
105: 광원 200: 제어부
210: 연산부 220: 정규화 모듈
230: 스펙트로미터 240: 두께 산출부

Claims

저면에 광투과성 재질의 연마층이 형성된 기판의 연마 시스템으로서,
연마 패드에 상기 기판의 상기 연마층이 접촉한 상태로 상기 기판을 위치시키는 연마 헤드와;
상기 연마층에 복수의 파장을 갖는 조사광을 조사하는 발광부와;
상기 연마층에서 반사된 반사광을 수신하는 수광부와;
미리 정해진 복수의 선택 파장들에 대하여 상기 연마층 재질에 따라 상기 연마층의 두께에 대한 이론 광간섭 신호를 계산하고, 상기 수광부에서 수신한 상기 반사광으로부터 상기 선택 파장들에 대한 측정 광간섭 신호를 추출하여, 상기 선택 파장들의 상기 측정 광간섭 신호의 특징값들 사이의 방향과 상대 거리를 나타내는 측정 특징 벡터들이 상기 이론 광간섭 신호의 특징값들 사이의 방향과 상대 거리를 나타내는 이론 특징 벡터들과 허용 오차 이하인 이론 특징 벡터를 찾아, 찾아진 이론 특징 벡터에 대해 이미 얻어져 알고 있는 연마층의 두께값을 상기 연마층의 절대 두께값으로 연마 공정 중에 얻는 제어부를;
포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 기판의 상기 연마 공정을 행하기 이전에 상기 이론 광간섭 신호 데이터를 미리 계산하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 기판의 상기 연마 공정 중에 동시에 상기 이론 광간섭 신호 데이터를 계산하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 선택 파장은 5개 내지 15개로 정해지는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 4항에 있어서,
상기 선택 파장은 4000Å 내지 7000Å의 파장 대역에서 선택되는 것을 특징으로 하는 기판 연마 시스템.
제 4항에 있어서,
상기 선택 파장들은 상호 간의 파장 간격이 20%의 오차 범위 내에서 균일한 간격으로 정해지는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템
제 1항에 있어서,
상기 조사광은 백색광인 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 7항에 있어서,
상기 조사광의 광원은 LED인 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 8항에 있어서,
발광부와 상기 수광부는 상기 연마층에 수직으로 상기 조사광을 조사하고, 상기 반사광을 수직으로 수신하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 9항에 있어서,
상기 발광부와 상기 수광부는 하나의 몸체로 형성되고;
상기 광원으로부터 상기 발광부까지 연장된 조사광 경로를 형성하는 메인 광섬유에는 상기 제어부를 향하여 분기되어 연장된 반사광 전달용 광섬유가 형성된 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 9항에 있어서,
상기 연마 패드에는 투명창이 구비되고, 상기 발광부와 상기 수광부는 상기 투명창의 하측에 배치되는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 9항에 있어서,
상기 연마 패드의 일부 이상을 관통하여 상기 기판과 접촉하지 않는 요홈부가 마련되고, 상기 발광부와 상기 수광부는 상기 요홈부에 배치되는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 연마층은 산화물층인 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 반사광으로부터 상기 선택 파장에 대한 광간섭 신호를 추출하는 스펙트로미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 14항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 수광부에서 수신된 상기 반사광에 대하여 반사광 세기의 평균값이 일정해지도록 정규화시키는 정규화 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 15항에 있어서,
상기 정규화 모듈에 의한 상기 반사광의 정규화는 상기 반사광이 상기 스펙트로미터로 전달되기 이전에 행해지는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 15항에 있어서,
상기 정규화 모듈에 의한 상기 반사광의 정규화는 상기 반사광이 상기 스펙트로미터에서 분광된 상기 선택 파장의 광간섭 신호에 대하여 행해지는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 특징값은 피크(peak)값과 밸리(valley)값 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 측정 특징 벡터에 대한 연마층의 절대 두께값을 얻는 것은, 상기 측정 특징 벡터와 이론 특징 벡터들의 편차가 최소가 되는 이론 특징 벡터를 찾는 것에 의하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 이론 특징 벡터는,
상기 이론 광간섭 신호의 상기 선택 파장들 중 하나를 제1기준 파장으로 하고, 상기 제1기준파장의 광간섭 신호가 어느 하나의 제1특징값에 도달한 상태에서, 상기 제1특징값을 기준 위치로 하여 상기 제1기준 파장을 제외한 다른 선택 파장들에 대한 광간섭 신호의 특징값까지의 벡터(vector)로 정해지고;
상기 측정 특징 벡터는,
상기 수광부에서 수신한 상기 반사광에 대하여, 상기 제1기준파장의 광간섭 신호가 어느 하나의 상기 제1특징값에 도달한 상태에서, 상기 제1특징값을 기준 위치로 하여 상기 제1기준 파장을 제외한 다른 상기 선택 파장들에 대한 광간섭 신호의 특징값까지의 벡터(vector)로 정해지는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 21항에 있어서,
상기 이론 특징 벡터는,
상기 이론 광간섭 신호의 상기 선택 파장들 중 상기 제1기준파장을 제외한 다른 하나를 제2기준 파장으로 하고, 상기 제2기준파장의 광간섭 신호가 어느 하나의 제2특징값에 도달한 상태에서, 상기 제2특징값을 기준 위치로 하여 상기 제2기준 파장을 제외한 다른 선택 파장들에 대한 광간섭 신호의 특징값까지의 벡터(vector)로 정해지고;
상기 측정 특징 벡터는,
상기 수광부에서 수신한 상기 반사광에 대하여, 상기 제2기준파장의 광간섭 신호가 어느 하나의 상기 제2특징값에 도달한 상태에서, 상기 제2특징값을 기준 위치로 하여 상기 제2기준 파장을 제외한 다른 선택 파장들에 대한 광간섭 신호의 특징값까지의 벡터(vector)로 정해지는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 선택 파장들의 상기 측정 광간섭 신호의 피크값과 밸리값의 중간값으로부터 특징값들까지의 방향과 상대 거리를 나타내는 측정 특징 벡터들이 상기 이론 광간섭 신호의 피크값과 밸리값의 중간값으로부터 특징값들까지의 방향과 상대 거리를 나타내는 이론 특징 벡터들과 허용 오차 이하인 이론 특징 벡터를 찾아, 찾아진 이론 특징 벡터에 해당하는 연마층의 두께값을 상기 연마층의 두께의 절대 두께값으로 연마 공정 중에 얻는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 23항에 있어서,
상기 특징값은 피크(peak)값과 밸리(valley)값 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 23항에 있어서,
상기 측정 특징 벡터에 대한 연마층의 절대 두께값을 얻는 것은, 상기 측정 벡터와 이론 특징 벡터들의 편차가 최소가 되는 이론 특징 벡터를 찾는 것에 의하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 23항에 있어서,
상기 이론 특징 벡터는,
상기 이론 광간섭 신호의 상기 선택 파장들 중 하나를 제1기준 파장으로 하고, 상기 제1기준파장의 광간섭 신호가 서로 인접한 밸리값과 피크값의 제1중간값에 도달한 상태에서, 상기 제1중간값을 기준 위치로 하여 상기 제1기준 파장을 제외한 다른 선택 파장들에 대한 광간섭 신호의 특징값까지의 벡터(vector)로 정해지고;
상기 측정 특징 벡터는,
상기 수광부에서 수신한 상기 반사광에 대하여, 상기 제1기준파장의 광간섭 신호가 서로 인접한 밸리값과 피크값의 제1중간값에 도달한 상태에서, 상기 제1중간값을 기준 위치로 하여 상기 제1기준 파장을 제외한 다른 선택 파장들에 대한 광간섭 신호의 특징값까지의 벡터(vector)로 정해지고;
는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 26항에 있어서,
상기 이론 특징 벡터는,
상기 이론 광간섭 신호의 상기 선택 파장들 중 상기 제1기준파장을 제외한 다른 하나를 제2기준 파장으로 하고, 상기 제2기준파장의 광간섭 신호가 서로 인접한 밸리값과 피크값의 제2중간값에 도달한 상태에서, 상기 제2중간값을 기준 위치로 하여 상기 제2기준 파장을 제외한 다른 선택 파장들에 대한 광간섭 신호의 특징값까지의 벡터(vector)로 정해지고;
상기 측정 특징 벡터는,
상기 수광부에서 수신한 상기 반사광에 대하여, 상기 제2기준파장의 광간섭 신호가 서로 인접한 밸리값과 피크값의 상기 제2중간값에 도달한 상태에서, 상기 제2중간값을 기준 위치로 하여 상기 제2기준 파장을 제외한 다른 선택 파장들에 대한 광간섭 신호의 특징값까지의 벡터(vector)로 정해지는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 1항 내지 제17항 중 어느 한 항 또는 제19항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 반사광의 광간섭 신호의 주기로부터 단위 시간당 연마율(RR)을 연마 공정 중에 얻는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 28항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 단위 시간당 연마율(RR)과 상기 연마층의 두께값을 기초로 시간 경과에 따른 곡선 맞춤(curve fitting) 방식으로 연마층 절대두께값의 변이 곡선(Tr)을 생성하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 29항에 있어서,
상기 측정 두께값으로 얻어진 값이 상기 연마층 절대두께값의 변이곡선(Tr)과 미리 정해진 범위를 벗어나면 잘못된 측정 두께값으로 간주하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 29항에 있어서,
상기 제어부는 상기 연마층 절대두께값의 변이곡선(Tr)과 타겟 두께까지의 단위 시간당 연마율을 고려하여 남은 시간을 산출하여 표시하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
제 29항에 있어서,
상기 제어부는 상기 연마층 절대두께값의 변이곡선(Tr)과 타겟 두께까지의 단위 시간당 연마율을 고려하여 남은 시간 동안에 상기 연마 절대두께값이 얻어지지 않더라도 상기 남은 시간이 경과하면 상기 연마 공정을 종료하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템.
광투과성 재질의 연마층이 형성된 기판의 연마 공정에 사용되는 제어 장치로서,
상기 연마층에서 반사되어 수광부에서 수신된 반사광의 미리 정해진 복수의 선택 파장들에 대하여 상기 연마층 재질에 따라 상기 연마층의 두께에 대한 이론 광간섭 신호를 미리 계산하는 연산부와;
상기 연마층에서 반사되어 수신된 상기 반사광으로부터 상기 선택 파장들에 대한 측정 광간섭 신호를 추출하는 스펙트로미터와;
상기 선택 파장들의 상기 측정 광간섭 신호의 특징값들 사이의 방향과 상대 거리를 나타내는 측정 특징 벡터들이 상기 이론 광간섭 신호의 특징값들 사이의 방향과 상대 거리를 나타내는 이론 특징 벡터들과 허용 오차 이하인 이론 특징 벡터를 찾아, 찾아진 이론 특징 벡터에 대해 이미 얻어져 알고 있는 연마층의 두께값을 상기 연마층의 절대 두께값으로 연마 공정 중에 얻는 두께 산출부를;
포함하는 것을 특징으로 하는 기판 연마 시스템의 제어 장치.
제 33항에 있어서,
상기 수광부에서 수신된 상기 반사광에 대하여 반사광 세기의 평균값이 일정해지도록 정규화시키는 정규화 모듈을;
더 포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템의 제어 장치.
제 34항에 있어서,
상기 정규화 모듈에 의한 상기 반사광의 정규화는 상기 반사광이 상기 스펙트로미터로 전달되기 이전에 행해지는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템의 제어 장치.
제 34항에 있어서,
상기 정규화 모듈은 상기 반사광이 상기 스펙트로미터에서 분광된 상기 선택 파장의 광간섭 신호에 대하여 행해지는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템의 제어 장치.
제 33항에 있어서,
상기 두께 산출부는, 상기 선택 파장들의 상기 측정 광간섭 신호의 측정 특징값(feature value)들 사이의 특징 벡터들과 상기 이론 광간섭 신호의 이론 특징값들 사이의 특징 벡터들이 허용 오차 이하인 두께값을 찾아 상기 연마층의 두께를 측정 두께값으로 연마 공정 중에 얻는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템의 제어 장치.
제 33항에 있어서,
상기 반사광의 광간섭 신호의 주기로부터 단위 시간당 연마율(RR)을 연마 공정 중에 얻어, 상기 단위 시간당 연마율(RR)과 상기 연마층의 두께값을 기초로 시간 경과에 따른 곡선 맞춤(curve fitting) 방식으로 연마층 절대두께값의 변이 곡선(Tr)을 생성하는 제어부를;
포함하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템의 제어 장치.
제 33항에 있어서,
상기 연마층 절대두께값의 변이곡선(Tr)과 타겟 두께까지의 단위 시간당 연마율을 고려하여 남은 시간을 산출하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템의 제어 장치.
제 38항에 있어서,
상기 연마층 절대두께값의 변이곡선(Tr)과 타겟 두께까지의 단위 시간당 연마율을 고려하여 남은 시간 동안에 상기 연마 절대두께값이 얻어지지 않더라도 상기 남은 시간이 경과하면 상기 연마 공정을 종료하는 것을 특징으로 하는 기판의 연마 시스템의 제어 장치.