KR100258101B1 - 반도체 웨이퍼 연마 장치 및 방법 - Google Patents

반도체 웨이퍼 연마 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 웨이퍼를 캐리어 어셈블리에 설치하는 것을 포함하는 개선된 반도체 웨이퍼 연마 장치 및 방법(apparatus and method for polishing a semiconductor wafer)에 관한 것이다. 웨이퍼 캐리어 어셈블리는 두 플레이트(plate)로 나누어지며, 이들 두 플레이트의 외주는 스프링에 의해 결합된다. 웨이퍼 캐리어 어셈블리는 통상적으로 클리닝(cleaning) 동안 웨이퍼 캐리어 어셈블리를 회전시키는 회전 샤프트(rotation shaft) 상에 설치된다. 조정 나사는 하측 플레이트에 대해 상측 플레이트를 경사지게 한다. 조정 나사는 회전 샤프트 둘레의 원상에서 어떠한 사전설정된 지점에도 배치될 수 있다. 하측 플레이트는 연마 패드와의 접촉에 의해 비교적 평탄하게 되기 때문에 웨이퍼 캐리어 어셈블리의 순수한 효과로서 나사 아래의 웨이퍼 에지에 증가된 압력이 인가된다. 따라서, 웨이퍼 표면상의 불균일한 방사상 연마 작용을 보상하는 균일한 연마 작용이 제공된다.

Description

반도체 웨이퍼 연마 장치 및 방법{FLEXIBLE TILTED WAFER CARRIER}
본 발명은 작업편(workpiece)의 표면을 연마(polishing)하기 위한 연마 장치에 관한 것이다. 본 발명은 작업편과 연마(또는 클리닝(cleaning)) 패드(pad)를 상호 압축시키면서 그들을 상대적으로 운동시키는 것을 이용한다. 특히 본 발명은 실리콘 웨이퍼 또는 다른 얇은 고도의 가공처리된 재료를 높은 정밀도로 연마하기 위한 연마 장치에 관한 것이다.
반도체 장치 집적의 급속한 발전으로 액티브 구역들(active areas)을 상호 접속하는 점점 더 작은 와이어링 패턴(wiring patterns) 또는 상호 접속부(interconnctions)가 필요하다. 그 결과 이들 처리에서 이용된 반도체 웨이퍼의 평탄도 또는 평면도에 관한 공차는 점점 더 작아진다. 반도체 웨이퍼의 표면을 평탄하게 하는 한가지 관례적인 방식은 반도체 표면을 연마 장치로 연마하는 것이다.
그러한 연마 장치는 연마 패드와 접촉하는 회전 웨이퍼 캐리어 어셈블리를 구비한다. 연마 패드는 외부 구동력에 의해 구동되는 회전 턴테이블 위에 설치된다. 연마 장치는 연마제를 분산하는 동안 얇은 반도체 웨이퍼의 밑면과 연마 패드간의 연마 또는 마찰 운동을 야기한다. 연마제는 연마제를 포함하여, 얇은 반도체 웨이퍼의 표면이 화학 기계적 연마(CMP) 작용(기계적 연마와 화학적 연마의 조합)에 근거하여 고정밀도로 연마되게 한다.
웨이퍼 캐리어 어셈블리의 선단 에지(leading edge)는 연마 패드의 큰 연마 표면이 웨이퍼 표면과 만나는 곳에 있다. 웨이퍼 캐리어 어셈블리의 후단 에지(trailing edge)는 웨이퍼 캐리어 어셈블리 상의 선단 에지의 반대측 위에 위치한다. 웨이퍼 캐리어 어셈블리는 축을 중심으로 짐벌(gimbal)되거나 또는 평형을 이루어, 웨이퍼 캐리어 어셈블리의 선단 에지가 연마 패드의 윤곽을 추종해서 연마 패드와 수평으로 웨이퍼 클리닝 표면을 유지한다.
웨이퍼 캐리어 어셈블리의 한 예는 1992년 1월 21일 다나까(Tanaka) 등에게 허여되고 신에쯔 한도타이 컴퍼니 리미티드(Shin-Etsu Handotai Co., Ltd.)에 양도된 미국 특허 제5,081,795호에 개시되고 있다. 이 특허는 웨이퍼 캐리어 어셈블리를 짐벌하고 얇은 두 홀딩 수단을 이용하여 캐리어 어셈블리를 보유 지지하는 복잡한 웨이퍼 캐리어 설계를 개시한다. 그러나 이러한 유형의 웨이퍼 캐리어 어셈블리는 정확한 수행을 위해 많은 엔지니어링 주의가 필요하며 공차는 거의 정확해야 한다. 이로써 상기 기술은 본 명세서에서 인용된다.
웨이퍼 캐리어 어셈블리가 짐벌된다고 할 지라도 여전히 불균일한 연마의 문제가 있다는 것을 알았다. 웨이퍼의 밑면과 연마 패드 사이의 마찰 저항으로 인해 웨이퍼 캐리어 어셈블리가 그의 선단 에지에서 하향으로 경사질 수 있다. 그 결과 웨이퍼 캐리어 어셈블리는 연마 패드로 활강하는 것이 아니라 연마 패드로 파고들어가게 된다. 전체적인 영향으로서, 웨이퍼가 연마 패드 상에서 평평하게 유지되지 않아 적절한 압력이 웨이퍼의 선단 에지 대 후단 에지에 적용되지 않게 된다. 이로 인해 웨이퍼 에지(edge)에서의 제거가 중심에서의 제거와 다르게 될 수 있다.
고성능을 보장하기 위해서는 웨이퍼 캐리어 어셈블리가 축 지점에서 짐벌할 수 있을 뿐만 아니라 셋 공격각(set attack angle)에서도 명백히 짐벌할 수 있어야 하는 것이 중요함을 알았다. 마찰력, 연마 패드의 불안정, 불균일 연마 패드 상태, 베어링과 짐벌 마모로 인한 문제점을 극복하기 위해서는, 조작자가 웨이퍼 캐리어 어셈블리의 후단 에지 측에(또는 극복할 문제점에 따라 웨이퍼 캐리어 어셈블리의 다른 에지에) 조정가능한 하향력을 적용할 필요가 있음을 알았다.
본 발명은 아주 작은 표면 변위까지도 용이하게 추종할 수 있는 연마 작업을 실행할 수 있되 패드 아래의 마찰력 증강도 방지할 작업편(workpiece) 표면 연마용 연마 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면 작업편을 제 1 플레이트(plate)의 하측 표면에 보유 지지하기 위한 제 1 플레이트와, 제 1 플레이트의 상측 표면을 제 2 플레이트의 하측 표면에 연결하는 진동 감쇠 장치(또는 시스템)와, 만능 회전가능 샤프트(shaft)에 피봇적으로 설치된 제 2 플레이트와, 제 1 플레이트에 대해 상대적으로 제 2 플레이트를 경사지게 하기 위한 수단을 포함하는 작업편 표면 연마용 연마 장치가 제공된다. 진동 감쇠 장치는 스프링이나 또는 다른 충격 흡수 재질을 포함할 수 있다. 경사 수단은 조정 나사일 수도 있다.
상술한 바에 따르면 본 발명의 장점은 웨이퍼 표면의 불균일한 연마를 방지하는 연마 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 장점은 웨이퍼 캐리어 어셈블리의 공격 각도(angle of attack)가 간단하고 신뢰성있게 조정될 수 있는 연마 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 장점은 진동 감쇠 장치가 웨이퍼 캐리어 어셈블리의 외주 상이나 또는 다른 장소에 제공될 수도 있는 웨이퍼 캐리어를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 장점은 조정 나사가 수동으로 조정될 수 있다는 것이다.
본 발명의 또다른 장점은 조정 나사가 압력계에 의해 모니터 될 수 있다는 것이다.
본 발명의 또다른 장점은 조정 나사가 컴퓨터에 접속된 피드백 루프에 의해 제어될 수 있다는 것이다.
본 발명의 또다른 장점은 제 2 플레이트가 회전가능한 샤프트에 만능적으로 설치된다는 것이다.
본 발명의 또다른 장점은 조정 나사의 위치가 회전 샤프트 주변으로 360도에 걸쳐 어떤 지점으로도 변경될 수 있다는 것이다.
본 발명의 또다른 장점은 조정 나사의 밑면에 부착된 선회 휠을 구비하는 것이다.
본 발명의 또다른 장점은 신뢰할 수 있고 쉽게 유지할 수 있는 연마 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 장점은 값싸고 쉽게 회전할 수 있는 연마 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 기타 다른 목적, 특징, 장점은 첨부 도면에 도시된 바와 같은 본 발명의 양호한 실시예에 대한 다음의 상세한 설명에 의해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 연마 장치의 일부를 도시한 도면
도 2는 또다른 조정 장치에 접속된 웨이퍼 캐리어 어셈블리를 도시하는 본 발명의 또다른 실시예를 도시한 도면
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 연마 패드 12 : 웨이퍼
14 : 웨이퍼 캐리어 어셈블리 16 : 하측 제 1 플레이트
18 : 상측 제 2 플레이트 20a, 20b : 진동 감쇠 장치
22 : 회전 샤프트 24 : 샤프트 단부
26 : 회전 베어링 어셈블리 30 : 선단 에지
32 : 후단 에지 34 : 조정 나사 칼라
36 : 선회 휠
본 발명의 특정의 양호한 실시예가 도시되고 상세히 설명된다고 할 지라도 첨부된 청구 범위에서 벗어나지 않고서 여러 가지 변경과 수정이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 본 발명의 범위는 구성 요소의 크기, 그 재질, 그 모양, 그 상대적 배열 등에 제한되지 않고 단순히 실시예로서 설명된다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연마 장치 또는 기계의 필수 부분에 대한 구조체를 도시한 것이다. 도면 부호(10)는 도시되지 않은 회전 턴테이블 표면에 부착된 연마 패드를 표시한다. 연마 패드(10)는 연마 슬러리(slurry)로 덮혀진다. 도면 부호(12)는 반도체 웨이퍼와 같은 연마될 작업편의 한 예를 도시한 것이다.
웨이퍼 캐리어 어셈블리(14)는 연마 패드(10) 위에 지지될 수 있는 최소 하나의 웨이퍼 캐리어 어셈블리에 대한 예이다. 캐리어 어셈블리(14)는 하측 제 1 플레이트(plate)(16)와 상측 제 2 플레이트(18)로 나누어진다. 웨이퍼(12)는 제 1 플레이트(16)의 하측 표면에 부착된다. 두 플레이트는 진동 감쇠 장치 또는 시스템에 의해 상호 접속된다. 진동 감쇠 장치(20a, 20b)는 플레이트 사이에서 연장된다. 이들 진동 감쇠 장치(20a, 20b)는 스프링이거나 또는 다른 충격 흡수형 재료일 수 있다. 도 1이 두 스프링을 도시하고 있지만 어떤 수의 스프링이라도 이용될 수 있음을 알아야 한다. 진동 감쇠 장치는 플레이트의 외주에 설치된 것으로 도시되지만 위치 상으로 플레이트의 그 부분에 한정되지는 않는다.
상측 제 2 플레이트(18)는 캐리어 어셈블리(14)를 높은 회전 속도로 회전시키는 회전 샤프트(22)에 부착된다. 캐리어 어셈블리(14)는 통상적으로 짐벌 지점으로서 작용하는 볼을 형성하는 회전 샤프트 단부(24) 상에 통상적으로 설치된다. 회전 샤프트(22)는 회전 샤프트(22)에서 조정 나사(28)로 연장되는 회전 베어링 어셈블리(26)로 둘러싸인다. 조정 나사(28)에 결합되는 회전 베어링 어셈블리(26)의 섹션은 조정 나사 칼라(collar)(34)로서 지칭된다. 회전 베어링 어셈블리(26)가 회전 샤프트(22)를 둘러싸고는 있지만 회전 샤프트(22)에 의해 회전되지 않는다. 회전 베어링 어셈블리(26)의 위치는 운전자가 독립적으로 조정할 수 있다.
조정 나사(28)는 하측 제 1 플레이트(16)에 대해 상대적으로 상측 제 2 플레이트(18)를 경사지게 하기 위한 수단을 제공한다. 조정 나사(28)는 하향 힘을 상측 제 2 플레이트(18) 상에 인가하고 제 2 플레이트는 그 다음에 힘을 스프링(20b) 상에 인가한다. 스프링(20b)은 하향 힘을 후단 에지(32) 상의 제 1 플레이트(18)에 인가한다. 하측 제 1 플레이트(16)는 연마 패드(10)와의 접촉에 의해 상대적으로 평평하게 되므로, 순수한(net) 효과로서 조정 나사(28) 아래의 웨이퍼 에지에 대한 인가 압력이 증대된다. 조정 나사(28)는 웨이퍼 캐리어 어셈블리(14)가 연마 패드(10)로 파고 들어가도록 하는 마찰력에 대항하는 하향 힘을 웨이퍼(12)의 후단 에지 측면 상에 제공한다. 조정 나사(28)는 상측 제 2 플레이트(18) 상의 압력을 증가 또는 감소시킴으로써 회전 연마 패드(10)에 대한 회전 웨이퍼 캐리어 어셈블리(14)의 사전설정된 공격각(angle of attack)(또는 연마각(polishing angle))을 설정할 수 있게 한다. 따라서 조정 나사(28)는 웨이퍼 캐리어 어셈블리(14)가 수평을 유지하여 연마 패드(10)의 윤곽을 따를 수 있게 하면서, 조작자로 하여금 웨이퍼 캐리어 어셈블리(14)가 패드(10)로 파고들어 가도록 하는 마찰력의 증강을 보상할 수 있게 할 것이다. 전체적인 효과로서, 상대적 연마 패드 회전과 관련하여 웨이퍼(12)의 선단 에지(30) 대 후단 에지(32)에 적절한 압력이 인가되어 웨이퍼 표면의 균일한 클리닝이 얻어진다.
조정 나사(28)는 웨이퍼 캐리어 어셈블리(14)의 후단 에지에 힘을 가하도록 하는데 이용될 수 있지만, 상측 제 2 플레이트(18)의 표면상의 어떠한 사전설정된 지점에서도 웨이퍼 캐리어 어셈블리(14) 상에 하향 힘을 가하여 웨이퍼 캐리어 어셈블리(10)의 한 에지의 상향 이동을 방지하는데에도 이용될 수 있다. 조정 나사 칼라(collar)(34)는 베어링 어셈블리(26)에 설치되어, 웨이퍼(12)를 선단 에지(30)와 후단 에지(32) 사이의 어떤 지점에서도 반경 방향으로 경사지게 하여, 연마 패드(10)와 웨이퍼(12) 회전으로 인해 반경 방향으로 유도된 변형에 대해 고려하게 된다. 조정 나사(28)의 위치는 회전 샤프트(22) 외주의 360도에서 어떤 지점으로도 변경될 수 있으며 하향 힘을 그 원 상의 어떠한 사전설정된 지점에도 인가할 수도 있다. 이러한 이동을 용이하게 하기 위하여 조정 나사(28)는 밑면에 부착되어 제 2 플레이트(18)의 상측 표면과 접촉하는 선회 휠(swivel wheel)(36)을 포함할 수도 있다.
도 1에는 원하는 공격각을 위해 조작자에 의해 수동으로 조절되는 단순한 핸드(hand) 나사인 조정 나사(28)가 도시된다. 조정 나사(28)는 또다른 조정 장치(도 2에서 38로 지정됨)에 의해 조정될 수 있었다. 예를 들면 또다른 조정 나사는 컴퓨터에 접속된 압력계 또는 피드백 루프(a pressure gauge or a feedback loop)를 이용하여 조정 나사를 모니터 또는 제어하는 시스템을 포함할 수도 있다.
본 발명의 반도체 웨이퍼 연마 장치 및 방법에 따르면, 웨이퍼 표면에 대한 불균일한 방사상 연마 작용을 보상하는 균일한 연마 작용이 제공된다.

Claims (23)

  1. 작업편의 표면을 연마하기 위한 연마 장치(A polishing apparatus for polishing a surface of a workpiece)에 있어서,
    ① 회전 샤프트(rotation shaft)에 피봇적으로(pivotally) 설치되는 캐리어 어셈블리와,
    ② 상기 캐리어 어셈블리상의 사전설정된 지점에 압력을 가함으로써 상기 캐리어 어셈블리의 연마 각을 설정하며, 상기 회전 샤프트 주변에 360°회전적으로 위치될 수 있는 경사 수단(tilting means)
    을 포함하는 연마 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 경사 수단은 상기 캐리어 어셈블리의 에지(edge)의 상향 이동을 제한하는 연마 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 경사 수단은 상기 회전 샤프트를 둘러싸는 베어링에 결합되는 연마 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 경사 수단은 조정 나사를 포함하는 연마 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 조정 나사는 그에 부착된 선회 휠(swivel wheel)을 구비하는 연마 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐리어 어셈블리는 제 1 하측 플레이트와, 진동 감쇠 장치와 접속된 제 2 상측 플레이트를 포함하는 연마 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 진동 감쇠 장치는 다수의 스프링을 포함하는 연마 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 조정 나사는 핸드(hand) 나사인 연마 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 경사 수단은 압력계에 의해 제어되는 연마 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 경사 수단은 피드백 루프에 의해 제어되는 연마 장치.
  11. 작업편의 표면을 연마 하기 위한 연마 장치에 있어서,
    ① 상기 작업편이 보유 지지될 수도 있는 하측 표면을 갖춘 제 1 플레이트와 상기 제 1 플레이트 위에 배치된 제 2 플레이트를 포함하는 캐리어 어셈블리와,
    ② 회전가능한 샤프트 ― 상기 제 2 플레이트가 상기 회전가능한 샤프트에 피봇적으로 설치됨 ― 와,
    ③ 상기 제 1 플레이트의 상측 표면을 상기 제 2 플레이트의 하측 표면에 연결하는 진동 감쇠 시스템과,
    ④ 상기 제 1 플레이트에 대해 상기 제 2 플레이트를 경사지게 하기 위한 수단 ― 상기 경사지게 하기 위한 수단은 상기 회전가능한 샤프트에 회전적으로 설치됨 ―
    을 포함하는 연마 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 진동 감쇠 시스템은 다수의 스프링을 포함하는 연마 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 경사 수단은 조정 나사를 포함하는 연마 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 작업편은 반도체 웨이퍼인 연마 장치.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 다수의 스프링은 상기 제 1 및 제 2 플레이트 상의 주변에 배치되는 연마 장치.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 조정 나사는 핸드 나사인 연마 장치.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 경사 수단은 압력계에 의해 제어되는 연마 장치.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 경사 수단은 피드백 루프에 의해 제어되는 연마 장치.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 회전가능한 샤프트를 둘러싸며 상기 조정 나사 둘레에 결합되는 베어링을 포함하는 연마 장치.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 조정 나사에 부착된 선회 휠을 더 포함하는 연마 장치.
  21. 캐리어 어셈블리, 상기 캐리어 어셈블리를 경사지게 하기 위한 장치, 회전 샤프트를 구비하는 연마 장치를 이용하여 작업편의 표면을 연마하는 방법 ― 상기 캐리어 어셈블리는 상기 회전 샤프트에 피봇적으로 설치되고, 상기 경사 장치는 상기 회전 샤프트 주변에 회전적으로 위치될 수 있음 ― 에 있어서,
    a)상기 작업편을 상기 캐리어 어셈블리의 하측 표면에 설치하는 단계와,
    b)상기 경사 장치를 상기 캐리어 어셈블리의 상측 표면상의 사전설정된 위치에 배치하는 단계와,
    c)상기 경사 장치를 조정하여 상기 캐리어 어셈블리의 사전설정된 공격각(angle of attack)을 설정하는 단계와,
    d)상기 작업편을 회전 연마 패드와 회전가능하게 접촉시켜 상기 작업편에 대한 연마 작용을 유발하는 단계
    를 포함하는 연마 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 경사 장치는 조정 나사를 포함하는 연마 방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 캐리어 어셈블리는 하측 제 1 플레이트와 이것에 진동 감쇠 시스템을 통하여 상호 연결된 상측 제 2 플레이트를 포함하는 연마 방법.
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