(57)【要約】本発明は、バスとカッププレート及びローディングプレートを備えるローディングカップと、前記ローディングカップを研磨装置部のプラテンとスピンドルとの間で旋回及び昇降させる駆動装置部及び駆動軸と、前記ローディングカップと駆動軸との間を連結するアームとを含む構成において、前記バスとカッププレート及びローディングプレートの相互対応する位置には、１つ以上の通孔がそれぞれ貫通形成され、前記各通孔には、研磨されたウェーハ該当地点での膜質研磨厚さを測定するためのプローブ組立体がそれぞれ挿入設置され、前記アームの内部には、光源を含む通常の厚さ検出装置部と前記各プローブ組立体との間を連結する光ファイバケーブルが配置されてなる。【選択図】図１
2009510760.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カップ形状のバスと、前記バス内に設置されたカッププレートと、前記カッププレート上で緩衝可能な状態に支持され、ウェーハを安着させるローディングプレートとを備えてなるローディングカップと、
前記ローディングカップを化学機械的研磨装置部のプラテンとスピンドルとの間で左右旋回及び昇降運動させる駆動装置部及び駆動軸と、
前記ローディングカップと駆動軸との間を連結するアームと、を含む半導体ウェーハの化学機械的研磨装置用ローディングデバイスであって、
前記ローディングカップのバスとカッププレート及びローディングプレートの相互対応する位置には、少なくとも１つ以上の通孔がそれぞれ貫通形成され、
前記ローディングカップの対応位置上の各通孔には、研磨されたウェーハの該当地点での研磨厚さを光学的に検出するための探針組立体がそれぞれ挿入設置され、
前記駆動装置部の一側には、ウェーハ表面の膜層に光を照射して反射分光波長を検出すると共に、その検出された反射分光波長間の分光干渉信号から抽出された物理量の変化によりウェーハ膜質の厚さを感知することができるように構成された通常の光学式厚さ検出装置部が備えられ、
前記アームの内部には、前記各探針組立体と前記厚さ検出装置部との間を連結する光ファイバケーブルが配置されることを特徴とする、
半導体ウェーハの化学機械的研磨装置用ローディングデバイス。
【請求項２】
前記研磨装置部は、１つのウェーハに形成された膜層に対して１回以上の多段階研磨が可能な少なくとも一対以上のポリッシングキャリア及びプラテンから構成され、そのプラテンの間に少なくとも１つ以上配置され、先行投入ウェーハの研磨完了後に後続投入ウェーハの研磨工程直前時点または先行投入ウェーハの後続研磨工程実行前の中間時点でのウェーハ膜質厚さ情報を抽出することができるように構成されることを特徴とする、請求項１に記載の半導体ウェーハの化学機械的研磨装置用ローディングデバイス。
【請求項３】
前記探針組立体は、前記厚さ検出装置部の光源から連結される光ファイバケーブルと、前記光ファイバケーブルを取り囲むフェルールと、前記ローディングプレートの通孔側に挿入された前記光ファイバケーブル及びフェルールの先端部に結合される透光窓としての透光性保護キャップと、前記光ファイバケーブル及び透光性保護キャップの先端部の位置を上下方向に微細調節するための探針先端位置調節装置部とを備えてなることを特徴とする、請求項１に記載の半導体ウェーハの化学機械的研磨装置用ローディングデバイス。
【請求項４】
前記探針先端位置調節装置部は、前記ローディングプレートの底面と近接する位置のフェルールの外周面上に密着固定されたインサートリングと、前記ローディングプレートの通孔内の段差周りと前記インサートリングの上面との間に介在及び両端に支持され、前記光ファイバケーブル及びフェルールとともに前記インサートリングを同時下降させようとする性向の弾力を持続的に発揮する圧縮弾性体と、前記光ファイバケーブル及びフェルールを接触なしに収容することができるように長さ方向に沿って内側に貫通孔を形成した管体であって、この管体が前記カッププレートの通孔内に収容され、前記通孔内に形成された螺線とねじ結合されることができるように前記管体の外周面上に対応する螺線が形成され、前記管体の上端部が前記インサートリングの底面まわりに接触し、これを上向き支持するように構成される位置調節ねじ管とを備えてなることを特徴とする、請求項３に記載の半導体ウェーハの化学機械的研磨装置用ローディングデバイス。
【請求項５】
前記研磨装置部は、１つのウェーハに形成された膜層に対して１回以上の多段階研磨が可能な少なくとも一対以上のポリッシングキャリア及びプラテンから構成され、そのプラテンの間に少なくとも１つ以上配置され、先行投入ウェーハの研磨完了後に後続投入ウェーハの研磨工程直前時点または先行投入ウェーハの後続研磨工程実行前の中間時点でのウェーハ膜質厚さ情報を抽出することができるように構成されることを特徴とする、請求項３に記載の半導体ウェーハの化学機械的研磨装置用ローディングデバイス。
【請求項６】
前記ローディングカップのローディングプレート上面には、研磨過程でのスラリー残存物による汚染から探針を保護すると共に、正確な反射光を検出することができるように透光性保護膜がさらに形成されることを特徴とする、請求項１に記載の半導体ウェーハの化学機械的研磨装置用ローディングデバイス。
【請求項７】
前記研磨装置部は、１つのウェーハに形成された膜層に対して１回以上の多段階研磨が可能な少なくとも一対以上のポリッシングキャリア及びプラテンから構成され、そのプラテンの間に少なくとも１つ以上配置され、先行投入ウェーハの研磨完了後に後続投入ウェーハの研磨工程直前時点または先行投入ウェーハの後続研磨工程実行前の中間時点でのウェーハ膜質厚さ情報を抽出することができるように構成されることを特徴とする、請求項６に記載の半導体ウェーハの化学機械的研磨装置用ローディングデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェーハの化学機械的研磨装置用ローディングデバイスに関し、特に単一または多段階研磨工程用研磨装置内に設置された少なくとも１つ以上のローディングデバイスによって、先行投入ウェーハの研磨完了後に後続投入ウェーハの研磨工程直前時点または先行投入ウェーハの後続研磨工程実行前の中間時点でのウェーハ膜質厚さをその都度に直ちに測定することができるようにすることによって、後続ウェーハの研磨のための有用な情報を一層迅速に伝達及び反映することができ、ウェーハの研磨正確性を向上させることができると共に、装置規模の簡素化を具現することができる半導体ウェーハの化学機械的研磨装置用ローディングデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、化学機械的研磨装置（ＣＭＰ装備）は、ウェーハの表面研磨工程に適用される主要半導体設備であって、上面に研磨パッドが取り付けられたプラテンと、前記研磨パッド上に化学的研磨のためのスラリーを供給するためのスラリー供給部と、前記研磨パッド上でポリッシングキャリアによってウェーハを把持し、前記研磨パッドと接触された状態で回転させることによって、物理的な研磨を加えるスピンドルなどからなる研磨装置部と、前記ポリッシングキャリアのヘッド部にウェーハをローディング及びアンロディングさせることができるようにウェーハカセットからロボッアームによって運搬されたウェーハをポリッシングキャリアヘッド部の位置まで伝達するローディングデバイスと、を含む構成となっている。
【０００３】
半導体工程を行うにあたって、ウェーハなど対象物の研磨工程などのような工程進行程度を実時間で監視し、適切な時点で終了させることができるように制御することが重要であるが、これを工程終点または研磨終点検出（End Point Detection）と言い、このように研磨終点を感知した後、その信号をプロセスモジュールコントローラー（Process Module Controller）に送出し、工程が完了するようにする装置をエンドポイント検出装置（ＥＰＤ；End Point Detector）と言う。
【０００４】
特に、前記ＣＭＰ装備を利用した化学機械的研磨工程（ＣＭＰ Process）においては、研磨前後時点でのウェーハの厚さを測定して研磨終点を感知するためのものとして、光学装置を利用した直列計測学（In-line Metrology）的厚さ測定方法が通常的に適用されている。上記の直列計測学的厚さ測定による半導体ウェーハ表面研磨工程のエンドポイント検出方法及びその装置は、光源から光を送って研磨前後時点でのウェーハの表面に反射させ、その反射光を光検出器（探針組立体）（Photodetector）が受光し、光の干渉変化をそれぞれ測定することによって行うことができる。これは、後続のウェーハを研磨する時、その研磨速度に対する情報を得ることができるので、一層正確な研磨制御が可能であるという長所がある。
【０００５】
このようなウェーハの研磨工程は、ローディングデバイスによって移送されたウェーハを研磨装置部の単一プラテン上で１回研磨することだけで完了する場合もあるが、大部分の場合、前記研磨装置部の適所にそれぞれ設置された多数のローディングデバイスによってウェーハを連鎖的に移送させながら多数個の隣接配列されたそれぞれのプラテン上で順次に行われる多段階の研磨工程を通じて完了することが一般的である。
【０００６】
前述したような半導体ウェーハの光学的厚さ測定方式を適用したエンドポイント検出方法及び装置と関連した具体的な先行技術の例として、本発明の出願人によって提案された韓国特許出願第１０−２００３−００１８５２２号及び同第１０−２００３−００２７０４３号が挙げられる。
【０００７】
韓国特許出願第１０−２００３−００１８５２２号は、ウェーハ表面の膜層を所定の厚さで研磨する時、その研磨工程の終了時点を光学的な方式によって検出するにあたって、従来の場合のように、光の反射強度に依存せずに、光の干渉現象自体を利用してウェーハの膜厚さの変化を感知することによって、研磨工程中の正確なエンドポイントを検出することができるようにした技術を開示している。
【０００８】
韓国特許出願第１０−２００３−００２７０４３号は、ウェーハ表面の研磨中にその研磨情報を実時間で認知可能にするために、探針組立体の先端部がウェーハの研磨表面に近接することができるように前記探針組立体をＣＭＰ装備のプラテン内に設置した技術的構成を開示している。
【０００９】
その具体的な実施例は、前記先行特許出願の明細書に開示されたように、研磨パッドに孔を穿設し、透光性保護キャップを被覆した透光窓を形成し、この透光窓を通じてウェーハの表面に光を直接照射し、反射光の特性変化により膜質厚さの変化を感知することである。すなわち、前記先行技術によるエンドポイント検出方法は、光センサー（探針）を通じて得られたデジタルデータを多段階補正処理する過程で特異な変化が感知された時、その時点を研磨終点として判断し、研磨工程を中止する方式である。
【００１０】
すなわち、前述したような２つの先行技術を総合して見れば、研磨装置のプラテン内に光感知用探針組立体が装着され、研磨工程を行うと同時に、ウェーハ膜質の研磨厚さの変化に対する実時間追跡を可能にすることで、その研磨終点を検出することができるようになされたものであって、ウェーハ上の定められた複数の地点に実時間で光を照射し、そのウェーハ厚さによる反射光の波形信号を分析することによって、厚さ情報を得ることができる。すなわち、前記反射光波形の特定番目の谷や頂部で研磨工程を停止させるような命令体系を備えることで、ウェーハの研磨終点を指示することができるようになる。
【００１１】
ところが、前述したような研磨終点検出方法及びこれに適用される装置には、次のような問題点があり得る。
【００１２】
第一に、ＣＭＰ装備によってウェーハの表面（パターン面）を化学的で且つ機械的な方法で研磨するので、前記ウェーハ表面を感知して得られたデータの中には、多量の雑音と不要なデータが混在されていて、過去のエンドポイント検出方法に比べて複雑ながらも多量のデータを処理しなければならないし、パターンの類型によってはむしろエンドポイントの検出正確度が低下し得るという問題点がある。
【００１３】
第二に、研磨パッドに透光窓を形成した構造によれば、表面研磨工程中にウェーハと探針（Spectrometer Probe）の先端部との間に存在する水またはスラリーによって光が屈折されるなどの反射特性変化（歪曲現象）を誘発したり、ウェーハの研磨中に前記研磨パッドに形成された透光窓（透光性保護キャップ）がポリッシングキャリア及びコンディショナーと物理的に摩擦されながら透光窓の表面を損傷させて光の透過及び反射性能の低下を誘発することによって、その結果、エンドポイントの検出正確度が低下することができ、これとは異なって、前記透光窓によってウェーハ表面が損傷（Scratch）されるか、その研磨厚さが部分的に不均一になることによって、ウェーハ不良を誘発することができると共に、研磨パッド自体の寿命も減少させることができるなどのさまざまな問題点がある。
【００１４】
第三に、エンドポイント検出のための測定時にウェーハと探針間の距離が一定でないか、または前記探針を保護することができるようにその端部に被覆された探針プロテクター（透光性保護キャップ）の表面状態によって光透過率の差異を示すことによって、測定誤差が発生することができ、これを報償するためには、別途の自動利得調節（ＡＧＣ；Automatic Gain Control）過程を必要とするので、このような追加過程に起因して全体研磨工程が複雑になるという問題点がある。
【００１５】
第四に、ウェーハの表面研磨過程で前記ウェーハと探針組立体が共に回転されるにつれて、これらの両構成要素間の同期化が必ず先行されなければならないので、装備運用における単純便宜性を阻害することができるという問題点がある。
【００１６】
一方、前述したようなエンドポイント検出方法及び装置によって制御されて特定の研磨終点に至るまで研磨されたウェーハは、その研磨前または研磨完了後の時点で、前記研磨装置部の一側に別に設置されたウェーハステーション内に移送され、ウェーハ膜質の研磨前の状態が正常であるか否か、または所望の適正な厚さに研磨されたか否かを測定し、ウェーハの加工不良可否に対する判別検査を行うようになる。これは、多数のウェーハに対する連続的単一研磨工程の場合において先行投入ウェーハの研磨情報を抽出し、後投入されるべきウェーハの研磨工程に反映することができる情報を提供したり、または単一ウェーハに対する多段階研磨工程の場合において前記ウェーハに対する後続研磨工程に反映することができる情報を提供するための厚さ測定検出方式を意味するものであって、その装置としては、上記したエンドポイント検出装置と類似した光学式の直列計測学的厚さ測定検出装置が適用されている。
【００１７】
つまり、従来の直列計測学的ウェーハ膜質の厚さ測定方式は、研磨装置のウェーハステーション内で行われるものであって、研磨工程の投入前に、または研磨及び洗浄工程を終えたウェーハを対象にして行うことが一般的であり、ウェーハ上の定められた複数の地点にそれぞれ光を照射し、その反射光の波形信号と厚さ間の相関関係を分析及び情報化することによって、膜質の厚さ情報を得ることができることは勿論であり、かくして工程を終えたウェーハが正常に研磨されたか否かを判断することができるものと言える。
【００１８】
しかし、このような従来の直列計測学的ウェーハ膜質の厚さ測定方式は、ウェーハの厚さなど研磨速度に対する情報を先行投入ウェーハのすべての研磨工程が終わった後に得ることができる方法及び装置的特性に起因して、その分、研磨工程に対する情報獲得が遅延され、これにより、その獲得された情報の価値及び有用性が低下し、光学装置部の位置までウェーハが移送された後、ウェーハ膜質厚さ測定のための別途のウェーハステーション内で厚さを測定することができるようになり、これにより、全体研磨工程が遅延されることができ、また、前記ウェーハステーションの構成によって装置規模が増大し、その配置及び空間活用性を低下させるようになるという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明の目的は、定められたプログラムによって一定時間の間に単一または多段階のウェーハ表面研磨工程を行う過程で、前記単一または多段階研磨工程用研磨装置内に設置された少なくとも１つ以上のローディングデバイスによってウェーハを移送すると共に、その研磨程度をウェーハ研磨工程と分離された前記ローディングデバイス内で表面損傷なしに直ちに測定することができるようにすることによって、定められた光透過率を維持して測定誤差がほとんどない正確な膜質厚さ変化を検出することができ、別途の自動利得調節による補償過程が不要であることは勿論、データ処理過程と全体研磨工程及び装置規模を簡素化することができ、装備運用に対する単純便宜性を図ることができると共に、特に多段階研磨工程中にもウェーハの後続研磨段階のための有用な情報をその都度に直ちに獲得し、一層迅速に伝達及び反映することができるので、ウェーハ膜質の厚さ変化に対する測定所要時間を顕著に短縮することができるように構成された半導体ウェーハの化学機械的研磨装置用ローディングデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体ウェーハの化学機械的研磨装置用ローディングデバイスは、カップ形状のバスと、前記バス内に設置されたカッププレートと、前記カッププレート上で緩衝可能な状態に支持され、ウェーハを安着させるローディングプレートとを備えてなるローディングカップと、前記ローディングカップを化学機械的研磨装置部のプラテンとスピンドルとの間で左右旋回及び昇降運動させる駆動装置部及び駆動軸と、前記ローディングカップと駆動軸との間を連結するアームと、を含む半導体ウェーハの化学機械的研磨装置用ローディングデバイスであって、前記ローディングカップのバスとカッププレート及びローディングプレートの相互対応する位置には、少なくとも１つ以上の通孔がそれぞれ貫通形成され、前記ローディングカップの対応位置上の各通孔には、研磨されたウェーハの該当地点での研磨厚さを光学的に検出するための探針組立体がそれぞれ挿入設置され、前記駆動装置部の一側には、ウェーハ表面の膜層に光を照射して反射分光波長を検出すると共に、その検出された反射分光波長間の分光干渉信号から抽出された物理量の変化によりウェーハ膜質の厚さを感知することができるように構成された通常の光学式厚さ検出装置部が備えられ、前記アームの内部には、前記各探針組立体と前記厚さ検出装置部との間を連結する光ファイバケーブルを含む。
また、前記探針組立体は、前記厚さ検出装置部の光源から連結される光ファイバケーブルと、前記光ファイバケーブルを取り囲むフェルールと、前記ローディングプレートの通孔側に挿入された前記光ファイバケーブル及びフェルールの先端部に結合される透光窓としての透光性保護キャップと、前記光ファイバケーブル及び透光性保護キャップの先端部の位置を上下方向に微細調節するための探針先端位置調節装置部とを含むことができる。
また、前記探針先端位置調節装置部は、前記ローディングプレートの底面と近接する位置のフェルールの外周面上に密着固定されたインサートリングと、前記ローディングプレートの通孔内の段差周りと前記インサートリングの上面との間に介在及び両端に支持され、前記光ファイバケーブル及びフェルールとともに前記インサートリングを同時下降させようとする性向の弾力を持続的に発揮する圧縮弾性体と、前記光ファイバケーブル及びフェルールを接触なしに収容することができるように長さ方向に沿って内側に貫通孔を形成した管体であって、この管体が前記カッププレートの通孔内に収容され、前記通孔内に形成された螺線とねじ結合されることができるように前記管体の外周面上に対応する螺線が形成され、前記管体の上端部が前記インサートリングの底面まわりに接触し、これを上向き支持するように構成される位置調節ねじ管とを含むことができる。
また、前記ローディングカップのローディングプレート上面には、研磨過程でのスラリー残存物による汚染から探針を保護すると共に、正確な反射光を検出することができるように透光性保護膜をさらに含むことができる。
また、前記研磨装置部は、１つのウェーハに形成された膜層に対して１回以上の多段階研磨が可能な少なくとも一対以上のポリッシングキャリア及びプラテンから構成され、そのプラテンの間に少なくとも１つ以上配置され、先行投入ウェーハの研磨完了後に後続投入ウェーハの研磨工程直前時点または先行投入ウェーハの後続研磨工程実行前の中間時点でのウェーハ膜質厚さ情報を抽出することができるように構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の好ましい実施例に係る半導体ウェーハの化学機械的研磨装置用ローディングデバイスを添付の図面に基づいて詳しく説明する。
【実施例】
【００２２】
図１乃至図４は、本発明による半導体ウェーハの化学機械的研磨装置に適用されるウェーハ膜質厚さ検出のためのシステムの構成を示す図であって、図１は、本発明による半導体ウェーハの化学機械的研磨装置用ローディングデバイスの構造を示す概路図であり、図２は、本発明による探針組立体Ｐが内蔵されたローディングカップＣの構造を示す縦断面図であり、図３は、本発明のローディングカップＣに適用された探針組立体Ｐの詳細構造を示す部分拡大断面図であり、図４は、本発明に適用される厚さ検出装置部の各部構成を示すブロック図である。
【００２３】
本発明の装置的構成を説明するに先立って、本発明は、絶縁膜、伝導性膜、半伝導性膜、シリコン膜、ガリウム膜、酸化膜、タングステン膜またはアルミニウム膜などのような多様な機能及び形態の膜をウェーハ表面に形成する被膜工程において広範囲に適用されることができることをあらかじめ明らかにしておく。
【００２４】
また、本発明は、従来の直列計測学的測定方式を応用した技術であって、通常のエンドポイント検出方式のようにウェーハ膜質厚さ変化に対する研磨中の実時間測定は不可能であるが、先行投入後に研磨されたウェーハの膜質厚さに対する絶対数値的情報をローディングデバイス側で迅速に抽出し、そのウェーハの後続研磨工程または後続投入ウェーハの研磨工程に反映することによって、ウェーハの研磨正確性を向上させることができるようにしたものである。すなわち、従来の光学装置を利用した直列計測学的厚さ測定方法を適用するが、前記光源１００及び光検出器（探針組立体）Ｐを含む光学的厚さ検出装置部がローディングカップＣの下部に配置された構造を有することによって、単一研磨工程前後または多段階研磨工程中の後続研磨工程のための移送過程にあるウェーハ１に対するローディング及びアンロディング時点でこれと同時にウェーハ１の厚さを迅速で且つ正確に測定することができるようにしたものである。この時、前記光源１００としては、スペクトロメーター（Spectrometer）による複数の波長の光を使用することによって、ウェーハ表面上の複数の位置で光の干渉変化を測定することができ、前記光学装置部（分光強度データ検出装置部）１２０には、プロセスモジュールコントローラー（中央処理処置部、ＣＰＵ）１３０が備えられ、ウェーハ１の厚さ変化による研磨速度及び工程完了時点などを制御することができるようになっていることは勿論である。
【００２５】
言い換えれば、本発明による研磨装置用ローディングデバイスは、先行段階のウェーハ研磨処理方法によって所望の研磨形態の膜質厚さをどれほどよく具現することができるかを判断した後、その結果、理想的な研磨処理方法であると判別されれば、そのデータを後続投入ウェーハの研磨工程または先行投入ウェーハの後続研磨工程のためのウェーハの研磨処理方法に反映しようとする新しい構成を提供するものと言える。
【００２６】
前述したような汎用性及び光学式厚さ測定方式の適用のための本発明による半導体ウェーハの化学機械的研磨装置用ローディングデバイスは、図１及び図２に示されたように、ウェーハ１が安着されるローディングカップＣと、前記ローディングカップＣを研磨装置部のプラテンとスピンドルのポリッシングキャリアヘッド部（不図示）との間で左右旋回及び昇降運動させる駆動装置部１０及び駆動軸１１と、前記ローディングカップＣと駆動軸１１との間を連結するアーム１２とを含む構成となっている。
【００２７】
通常、前記ローディングカップＣ上部の前記駆動装置部１０の一側には、前記ローディングカップＣ内にウェーハ１が安着されたか否かを感知することができるウェーハ感知センサー１３が装着されることができ、前記アーム１２を介して、洗浄液供給部（不図示）が配置され、前記ローディングカップＣ内部に装着された純粋ノズル２７と連結されている。
【００２８】
前記ローディングカップＣは、カップ形状のバス（Bath）２０内にカッププレート２１が設置され、前記カッププレート２１上には、ウェーハ１を安着させることができるローディングプレート２２が載置される。前記カッププレート２１とローディングプレート２２との間には、前記ローディングプレート２２を鉛直方向に揺動するようにして緩衝させる多数の鉛直方向緩衝器２３と、前記ローディングプレート２２を放射状の水平方向に揺動するようにすることによって、前記ポリッシングキャリアヘッド部の位置に前記ローディングプレート２２の位置を能動的に補正し、定常状態にセンタリング（Centering）させる多数の水平方向緩衝器２４がそれぞれ介在された構造となっている。
【００２９】
ここで、前記鉛直方向緩衝器２３は、ローディングプレート２２の底面を支持し、前記ローディングプレート２２に安着されているウェーハ１をポリッシングキャリアヘッド部側に真空吸着させるか、又は、前記ポリッシングキャリアヘッド部に真空吸着されたウェーハ１を前記ローディングプレート２２上に脱去させる時、前記ポリッシングキャリアヘッド部の底面とローディングプレート２２の上面との間にウェーハ１が安定的に接触されることができるようにティルティング（Tilting）作用を行うための手段である。また、前記水平方向緩衝器２４は、前記ローディングプレート２２の中心からその底面に沿って放射状方向に一定の挟角をもって多数配置され、その両端が前記カッププレート２１とローディングプレート２２にそれぞれ固定された構造を有することによって、スピンドルに装着されたポリッシングキャリアヘッド部と前記ローディングプレート２２との間にウェーハローディング及びアンロディン時に所定の駆動誤差範囲内でこれら相互間の位置ばらつきによって前記ローディングプレート２２が放射状の水平方向に微細搖動し、前記ポリッシングキャリアヘッド部とローディングプレート２２が正常位置に補正されたまま着脱されることができるようにする手段である。
【００３０】
前記ポリッシングキャリアヘッド部の周りに装着されたリテーナリング（不図示）と内接する前記ローディングプレート２２の端部は、前記ローディングプレート２２の内周側に沿って等間隔でそれぞれ中心を指向し、多数のガイドローラ２５が突出設置された構造を成すようになるが、これは、前記リテーナリングとローディングプレート２２との間の接触による摩擦を最小化するためのものである。そして、前記ローディングプレート２２には、所定の位置に１つ以上のストッパホール（図面符号不図示）が原点対称で貫通形成され、前記ストッパホールには、前記ローディングプレート２２が前記カッププレート２１及びバス２０から離脱されることを防止することができるように、所定の余裕幅をもって前記ストッパホールを介して締結されるストッパ２６が備えられている。
【００３１】
そして、前記ローディングカップＣのローディングプレート２２上面には、光を透過させることができる透明または半透明材質の透光性保護膜３７を形成することもできる。その材質として、塩化ビニル、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）またはウレタンなどが選択的に適用されることができ、このように前記ローディングプレート２２上に透光性保護膜３７を形成する場合、スラリー残存物などによる汚染から探針３０を保護することができると共に、反射光検出正確度をさらに向上させることができる。
【００３２】
一方、前記探針組立体Ｐは、図３に示されたように、白色光源など所定の光源１００（図４参照）から連結される光ファイバケーブル（Optical fiber cable）３１と、前記光ファイバケーブル３１を取り囲むフェルール（Ferrule）３２と、前記光ファイバケーブル３１及びフェルール３２のローディングプレート２２の通孔２２ａ側の先端部に結合される透光窓としての透光性保護キャップ３６と、前記光ファイバケーブル３１及び透光性保護キャップ３６の先端部位置を上下方向に微細調節するための探針先端位置調節装置部とを含む構成となっている。
ここで、前記フェルール３２は、前記ローディングプレート２２の通孔２２ａ内に挿入収容される光ファイバケーブル３１の端部を保護すると共に、堅固に支持することができるように、前記光ファイバケーブル３１の外周に一体に密着結合された管体である。
【００３３】
そして、前記透光性保護キャップ３６は、前記フェルール３２が結合された光ファイバケーブル３１の先端部を密封及び保護することができるように、その先端部に密着されて被覆されると共に、前記ローディングプレート２２の通孔２２ａ内に安定的に収容されることができるようにする手段であって、前記透光性保護膜３７の場合と同様に、ウェーハ１の表面膜層に比べて相対的に小さい硬度を有する軟性の半透明材質、すなわち塩化ビニル、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）またはウレタンなどの材質が選択的に適用されることができる。
【００３４】
また、前記探針先端位置調節装置部は、前記ローディングプレート２２の底面と近接した位置のフェルール３２の外周面上に密着固定されたインサートリング３４と、前記ローディングプレート２２の通孔２２ａ内の段差周りと前記インサートリング３４の上面との間に介在及び両端支持され、前記探針３０と一緒に前記インサートリング３４を同時下降させようとする性向の弾力を持続的に発揮する圧縮弾性体３５と、前記光ファイバケーブル３１及びフェルール３２を接触なしに収容することができるように長さ方向に沿って内側に貫通孔を形成した管体であって、この管体が前記カッププレート２１の通孔２１ａ内に収容され、前記通孔２１ａ内に形成された螺線とねじ結合されることができるように前記管体の外周面上に対応する螺線が形成され、前記管体の上端部が前記インサートリング３４の底面周りに接触し、これを上向き支持することができるようにした位置調節ねじ管３３とから構成される。
【００３５】
ここで言う前記圧縮弾性体５３としては、圧縮コイルスプリングを適用することが一般的であるが、これ以外にも、これと同一の機能を行うことができるゴムリングなどの代替手段を適用することも可能である。
【００３６】
前述したような構造を有する本発明による探針組立体Ｐは、前記透光性保護キャップ３６上面の高低程度を微細調整しようとする場合において、前記透光性保護キャップ３６を上昇させようとする時は、前記位置調節ねじ管３３を所望分だけ正方向（ねじ締結方向）に回転させればよく、前記透光性保護キャップ３６を下降させようとする時は、前記位置調節ねじ管３３を所望分だけ逆方向（ねじ解除方向）に回転させればよい。すなわち、位置調節ねじ管３３の正方向回転操作時には、圧縮弾性体３５を加圧しながらその端部がインサートリング３４を強制的に押し上げることによって、その力がフェルール３２及び光ファイバケーブル３１に伝達され、透光性保護キャップ３６を上昇させるようになる。前記位置調節ねじ管３３の逆方向回転操作時には、その端部の下降変位だけ前記圧縮弾性体３５が自体弾力で前記インサートリング３４を下向き加圧することによって、その力がフェルール３２及び光ファイバケーブル３１に伝達され、透光性保護キャップ３６を下降させるようになる。
【００３７】
このような探針組立体Ｐをローディングデバイスに適用するにあたって、前記ローディングデバイスのローディングカップＣを成すバス２０とカッププレート２１及びローディングプレート２２の相互一致する地点上に通孔を形成した後、その通孔に前記探針組立体Ｐを組立てる過程のみを行うとよいので、その具現が非常に簡便で且つ容易である。また、探針３０の先端部とウェーハ１の表面が当接するようになるなどの場合のように、前記探針３０の先端部位置を調節しなければならない必要性がある時、厚さ検出装置部全体を分解する必要なく、前記位置調節ねじ管３３を左右方向に回転させて探針３０が昇降されるようにする操作だけで前記透光性保護キャップ３６の位置を簡単に微細調節することができるので、装置の補修維持及び管理作業を非常に迅速で且つ簡便に行うことができる。
【００３８】
一方、本発明のウェーハ膜質厚さ変化検出工程は、スペクトロメーターを通じて光の反射強度を測定する段階と、各波長別反射強度を測定してデータ化し、そのデータを全体波長領域に対して分析して膜質厚さを計算した後、反射された分光干渉信号波形の頂部（Ridge）または谷（Furrow）のような特定基準点に該当する波長値を測定する各過程を通じて反射強度信号を処理する段階などに大別することができる。
【００３９】
前記先行技術でも開示されているように、図４は、本発明に適用されるウェーハ膜質厚さ検出装置部の各部構成をブロック図で簡単に示すものである。同図に示されたように、本発明に適用されるウェーハ膜質厚さ検出装置部は、広いスペクトル領域を有する光源１００と、前記光源１００から照射される光をローディングプレート２２の通孔２２ａ側に発散させることができるように前記光源１００から引き出された光ファイバケーブル３１及びその端部に形成され、前記通孔２２ａに隣接配置された探針３０と、別途の光ファイバケーブル３１によって前記探針３０に連結され、ウェーハ１表面から反射される反射光を許容光量以上負荷しないように適正光量に低減させて前記反射光を伝達する光減衰器１１０と、前記反射光を電気信号に変換して所定の光信号を抽出する分光強度データ検出装置部１２０と、前記光信号を比較演算処理して厚さ変化を検出すると共に、その検出データによって研磨装置部（ＣＭＰ装置部）の研磨速度を制御する中央処理処置部１３０と、研磨工程の初期条件と既設定データなどを前記中央処理処置部１３０に入力するための入力装置部１４０と、前記中央処理処置部１３０から検出されたデータ及び信号処理プログラムなどを格納することができる外部記憶装置部１５０とから構成されている。
【００４０】
前記分光強度データ検出装置部１２０は、前記探針３０を介して流入され、光減衰器１１０によって低減された反射光を収集し、電気的な光信号に変換させる分光器１２１と、前記分光器１２１から伝達されるアナログ光信号をデジタル光信号に変換させるＡ／Ｄ変換器１２２と、前記Ａ／Ｄ変換器１２２から伝達されるデジタル光信号に対して光の波長別光量差異を除去して光量を補正する干渉信号調整器１２３と、前記干渉信号調整器１２３から伝達される光量補正分光干渉信号に対して雑音を除去し、光量補正雑音消去分光干渉信号を抽出するための雑音信号除去機１２４とを含む構成となっている。
【００４１】
前記光源１００として、ゼノンランプ、ハロゲンランプ及びタングステンランプの中からいずれか１つが選択的に使用されることができ、本発明の実施例では、ゼノンランプを使用した。そして、前記光ファイバケーブル３１は、直径が１００〜１，０００μｍである光ファイバが内蔵されたケーブルを使用した。前記分光器１２１には、２，０４８個の電荷結合素子（ＣＣＤ；Charge Coupled Device）が内蔵され、２，０４８個のアナログ値をデジタル値に変換することができるようになっている。
【００４２】
前記入力装置部１４０は、キーボードやマウスなどで構成され、前記外部記憶装置部１５０は、ハードディスクドライブ、フロッピー（登録商標）ドライブ及びＣＤ−ＲＯＭドライブなどで構成される。
【００４３】
前記厚さ検出装置部の構成によって、ローディングデバイスから伝達されたウェーハ１が研磨装置部の研磨ヘッドに把持され、研磨パッド上に載置される場合、あらかじめ定められたプログラムによって一定時間の間に前記研磨装置部のスピンドルが回転作動しながらウェーハ表面研磨工程を行うようになり、このように一定時間の間に研磨されたウェーハ１は、透光窓２２ａが形成された前記ローディングデバイスによって移送され、そのローディングカップＣ内でウェーハ研磨工程と分離されたまま、前記ウェーハ１の研磨程度を表面損傷なしに直ちに測定することができる。すなわち、光源１００を発光させて光を発するようになり、前記光源１００から発散される光は、光ファイバケーブル３１に沿って照射され、ローディングプレート２２の透光窓２２ａ及び透光性保護膜３７を介してウェーハ１表面の膜層にぶつかった後、前記探針３０側に反射される。反射された干渉信号光は、前記探針３０と連結された反射光受光用の光ファイバケーブル３１に沿って光減衰器１１０に伝達され、適正光量に低減された後、分光器１２１に流入される。この分光器１２１を介して分光された干渉信号光は、電気的分光干渉信号に変換された後、Ａ／Ｄ変換器１２２を経りながらデジタル形態の分光干渉信号に変換される。前記分光干渉信号は、干渉信号調整器１２３と雑音信号除去機１２４を経りながら光量補正雑音消去分光干渉信号に転換された後、その分光干渉信号が中央処理処置部１３０に送り出され、前記分光干渉信号波形の特定基準点位置に対する波長値を抽出する。ここで得られる波長値の比較によって研磨前後のウェーハ膜質に対する厚さ変化を知ることができ、後続研磨対象のウェーハ１または前記ウェーハ１の後続研磨工程のための研磨装置部にその研磨情報を提供することによって、一層迅速で且つ正確なウェーハ膜質の研磨工程を行うことができるようになる。
【００４４】
本発明によるローディングデバイスによるウェーハ膜質厚さ測定方式は、以上で説明したようなＣＭＰ工程以外にも、イオンエッチングなどの除去工程や、金属電極または絶縁層などの膜層形成のための化学気相蒸着（ＣＶＤ）工程、またはスパッタリング工程などのような膜形成工程において厚さ変化を検出するにも幅広く適用されることができることを明らかにしておく。
【００４５】
以上で説明したように、本発明は、単一または多段階研磨工程用研磨装置内に設置された少なくとも１つ以上のローディングデバイスによって、先行投入ウェーハの研磨完了後に後続投入ウェーハの研磨工程直前時点または先行投入ウェーハの後続研磨工程実行前の中間時点でのウェーハ膜質厚さ情報を抽出することができるので、連続的な研磨工程の実行時に、別途のウェーハステーション内に設置され、研磨工程の投入前または研磨及び洗浄工程の完了後にウェーハの膜質厚さを測定した従来の直列計測学的ウェーハ厚さ測定方式に比べて、後続ウェーハの研磨のための有用な情報を一層迅速に伝達及び反映することができるようになる。
【００４６】
したがって、本発明は、従来のエンドポイント検出装置と直列計測学的厚さ測定方式の問題点を改善することができるので、装置を簡素化することができ、ウェーハに対する研磨前後の厚さ測定を迅速で且つ正確に処理することができる。これは、厚さ測定のフィードバックを迅速に行い、後続投入ウェーハまたは研磨中のウェーハの後続段階研磨時にさまざまな研磨変数を制御することができる情報を提供するようになることで可能である。特に、このような迅速なフィードバック処理によれば、不安定な環境下で実施される先行研磨ウェーハのエンドポイント（In-situ End Point）検出及び厚さ測定時に比べて後続投入研磨対象のウェーハに対する膜質の厚さ変化を一層正確に検出することができるので、装置の信頼性を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上説明したような本発明によるローディングデバイスによれば、従来の問題点を解消するために、定められたプログラムによって一定時間の間に単一または多段階のウェーハ表面研磨工程を行う過程で、前記単一または多段階研磨工程用研磨装置内に設置された少なくとも１つ以上のローディングデバイスによってウェーハを移送すると共に、その研磨程度をウェーハ研磨工程と分離された前記ローディングデバイス内で透光窓による表面損傷なしに直ちに測定することができるようにすることによって、パターンの形態に関係なく定められた光透過率を維持し、測定誤差がほとんどない正確な膜質厚さ変化を検出することができる。
【００４８】
また、独立的なウェーハ膜質厚さ測定が可能なので、別途の自動利得調節による補償過程が不要であり、また、雑音が顕著に除去された有効データの確保が可能なので、そのデータ処理過程及び全体研磨工程を簡素化することができる。
【００４９】
そして、ウェーハと光センサー間の同期化が不要なので、装備運用に対する単純便宜性を図ることができ、特に多段階研磨工程中にもウェーハの後続研磨段階のための有用な情報をその都度に直ちに獲得し、一層迅速に伝達及び反映することができるので、ウェーハ膜質の厚さ変化に対する測定所要時間を顕著に短縮させることができる。
【００５０】
さらに、ウェーハ膜質厚さ測定のための別途のウェーハステーションを設置する必要がなく、従来のローディングデバイス内に所定の構造を具現することによって、装置規模を簡素化することができるので、その配置及び空間活用性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明による半導体ウェーハの化学機械的研磨装置用ローディングデバイスの構造を示す概路図である。
【図２】本発明による探針組立体が内蔵されたローディングカップの構造を示す縦断面図である。
【図３】本発明のローディングカップに適用された探針組立体の詳細構造を示す部分拡大断面図である。
【図４】本発明に適用される厚さ検出装置部の各部構成を示すブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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