KR100259410B1 - 공작물의 평면화 장치 및 공작물의 평면화방법 - Google Patents

공작물의 평면화 장치 및 공작물의 평면화방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 평면화 시스템은 반도체 웨이퍼 또는 이것에 비교되는 다른 공작물의 면을 가로질러 표면 재료의 비균일한 제거와 관련된 문제점을 상당히 감소시킨다. 본 발명은 웨이퍼의 선단 에지가 연마 패드와 접촉되지 않도록 함과 아울러, 연마 패드와 웨이퍼의 인터페이스에서 슬러리의 침투 및 분배를 부수적으로 향상시키는 평면화 장치를 포함한다. 이러한 결과는 가요성 연마 패드가 회전하면서 웨이퍼 아래를 통과할 때 가요성 연마 패드의 일부분을 상방으로 편향시켜서 융기된 연마 패드 영역을 형성하기 위한 수단과, 웨이퍼 선단 에지가 평면화 공정 동안에 융기된 연마 패드 영역의 전방 에지위에 돌출하도록 웨이퍼를 위치설정하기 위한 수단을 조합함으로써 성취된다. 또한, 본 발명은 평면화 장치를 사용하여 웨이퍼의 면을 가로질러서 표면 재료를 균일하게 제거하는 방법을 포함한다.

Description

공작물의 평면화 장치 및 공작물의 평면화 방법
본 발명은 반도체 웨이퍼 표면과 같은 공작물 표면을 가로질러 제거율의 균일성을 향상시키기 위한 평면화 장치(a planarizing apparatus) 및 그 이용 방법에 관한 것이다.
집적 회로 반도체 장치의 제조에 있어서, 일련의 웨이퍼 마스킹 및 프로세싱 단계는 웨이퍼의 연마된 표면상에 각 집적 회로를 제조하는데 사용된다. 이들 마스킹 및 프로세싱 단계는 종종 웨이퍼 표면상에서의 "계단형상(steps)"과 같은 기하학적 요철(topographical irregularities)의 형성을 발생시킨다. 이러한 기하학적 요철이 웨이퍼 표면상에서 집적 회로의 후속 공정 동안에 잔류한다면 심각한 문제를 야기시킬 수 있다. 예를 들면, 계단형상의 형성은 광학 석판인쇄 동안에 집속 문제를 야기시킬 수 있으며, 표면 평면화가 부족하면 차후의 금속 상호접속층을 형성하기가 어려울 수 있다. 따라서, 종래에는 이러한 문제를 회피하기 위해서, 금속화 또는 다른 단계후의 웨이퍼 표면상에 잔류하는 물결모양 표면층, 예를 들면 유전체 층을 평면화하는 것이 반도체 장치 제조시에 실행되었다.
평면화하기 위한 하나의 일반적인 종래의 기법으로는 화학적 및 기계적 평면화(chemical- mechanical planarizing ; CMP) 기법이 있다. 일반적으로, CMP 방법은 제어된 압력과 온도하에서 연마 표면에 대해 반도체 재료의 얇은 웨이퍼를 유지 및 회전시키는 단계를 포함하며, 그 동안에 연마 표면과 웨이퍼의 인터페이스는 연마제 슬러리로 연속적으로 습윤된다. 일반적으로, 반도체 웨이퍼의 평면화를 실행하기 위해 사용되는 CMP 장비는 회전가능한 플래튼(platen)상에 지지된 연마 패드와, 웨이퍼에 제어된 하방 압력을 가하여 상기 연마 패드의 상부 표면에 대해서 웨이퍼를 가압할 수 있는 회전가능한 웨이퍼 홀더(holder)를 포함한다. 평면화 및 연마 동안에, 전형적으로 연마 패드 및 웨이퍼는 동일한 방향으로 회전된다. 웨이퍼 및 연마 패드가 회전하는 동안에, 웨이퍼는 또한 연마 패드의 표면을 가로질러 웨이퍼 홀더에 의해 전후로 병진이동된다. 이러한 진동 운동은 진동 범위로서 지칭되는 선형 거리를 커버한다. 작동 동안에, 콜로이드상 실리카의 슬러리 또는 다른 적당한 연마제가 웨이퍼의 외부 표면과 연마 패드사이에 도입된다. 부식액(an etchant)은 슬러리와 혼합되어 웨이퍼로부터 표면 재료를 화학적으로 제거하는 데에 도움을 줄 수 있다. 연마 운동하에서 유전체 층과 같은 웨이퍼 표면 층과 슬러리간의 반응은 웨이퍼 표면 재료를 화학적 및 기계적으로 제거하게 한다. CMP 장치의 연마 패드, 웨이퍼 홀더 및 슬러리 특징의 기본적인 종래 기술의 대표적인 예는 미국 특허 제 5,177,908 호 및 제 5,234,867 호에 기술되어 있다. 이상적으로, 웨이퍼 표면 토포그래피(wafer surface topography)는 CMP 방법에 의해 균일하게 평면화해야 한다.
그러나, CMP 방법에서 야기되는 지속적인 문제는 반도체 표면이 비균일하게 제거되는 것이다. 특히, 제거율이 웨이퍼의 중앙부에서 보다 웨이퍼 에지에서 높게되는 경향이 있는데, 그 이유는 웨이퍼 에지가 웨이퍼 중앙부 보다 높은 속도로 회전하기 때문이다. 이러한 현상은 "선단 에지 효과(leading edge effect)"라고 한다. 비균일한 제거의 문제의 원인이 되는 다른 요인은 비균일한 웨이퍼 압력과, 불균일한 슬러리의 분배를 포함한다.
종래 기술은 연마 패드 자체를 변경하여 비균일한 평면화 및 연마의 문제를 제거하는 것을 제안하였다. 예를 들면, 패턴 또는 특정 형상이 예를 들어 미국 특허 제 5,177,908 호, 제 5,234,867 호 및 제 5,435,772 호에 기술된 바와 같이 연마 패드의 형상으로 형성되게 한 것이 있다.
특히, 미국 특허 제 5,435,772 호에는 반도체 웨이퍼를 연마하기 위한 다양한 연마 패드가 개시되어 있는데, 그 연마 패드 자체는 연마 균일성을 개선하기 위한 상기한 목적을 위해 다양한 높이 또는 다양한 압축성을 갖도록 구성되어 있다. 미국 특허 제 5,435,772 호에 기술된 이중 높이 연마 패드 장치에 있어서, 연마 패드의 표면은 내부 원형 단면을 제공하도록 윤곽이 형성되어 있는데, 상기 내부 원형 단면은 보다 두꺼우며, 그에 따라 패드의 둘러싸는 동심 영역을 지나 돌출한다. 웨이퍼 선단 에지는 연마 동안에 패드의 하부 부분위로 돌출할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 웨이퍼 선단 에지가 패드의 하부 부분위로 돌출하도록 상이한 압축성의 인접한 영역이 제공되는 것을 제외하고는 균일한 표면을 구비한다. 미국 특허 제 5,435,772 호에서, 양 웨이퍼 및 연마 패드의 회전 방향은 웨이퍼의 선단 에지의 윤곽과 융기된 패드 부분의 돌출된 외부 에지의 윤곽에 대해 대체로 접선방향으로 연장된다.
그러나, 미국 특허 제 5,435,772 호의 패드 및 웨이퍼의 기하학적 구조는 연마제 슬러리가 패드와 웨이퍼의 인터페이스의 근처로부터 밀어지고 그리고 웨이퍼 선단 에지의 돌출부(overhang) 아래로부터 외측으로 밀려지게 하는 경향을 야기시키는 것을 예측할 수 있다. 일단 슬러리가 외측으로 밀려나가면, 이 슬러리는 필요하게 되는 연마 패드와 웨이퍼의 인터페이스로부터 방출(sling)될 것이다. 연마 패드와 웨이퍼의 인터페이스에서 연마제 슬러리의 공급의 결과적인 방해 또는 균일의 분열은 평면화 공정의 결과에 악영향을 미칠수 있다.
본 발명의 목적은 반도체 웨이퍼 또는 이것에 비교되는 다른 공작물의 면을 가로질러 표면 재료의 비균일한 제거와 관련된 문제점을 상당히 감소시키는 평면화 장치를 제공하는 것이다.
이들 및 다른 목적, 장점 및 이점은 웨이퍼의 선단 에지가 연마 패드와 접촉되지 않도록 함과 아울러, 연마 패드와 웨이퍼의 인터페이스에서 슬러리 침투 및 분배를 부수적으로 향상시키는 평면화 장치를 포함하는 본 발명에 의해 성취된다.
이러한 결과는 가요성 연마 패드가 회전하면서 웨이퍼 아래를 통과할 때 가요성 연마 패드의 일부분을 상방으로 편향시켜서 융기된 연마 패드 영역을 형성하기 위한 수단과, 웨이퍼 선단 에지가 평면화 공정 동안에 융기된 연마 패드 영역의 전방 에지위에 돌출하도록 웨이퍼를 위치설정하기 위한 수단을 조합하는 본 발명에 의해 성취된다.
하나의 바람직한 실시예에서, 회전하는 연마 패드는 이 패드가 하부 고정 플래튼(platen)의 표면내에 형성된 개별 비연속적인 "범프(bump)"위를 통과할 때 상방으로 구부러지게 된다. 패드의 임의의 주어진 부분의 이러한 편향은 일시적인 상태에 있는 것이며, 패드의 융기된 부분이 일단 하부 고정 범프를 통과하게 되면, 상기 패드의 융기된 부분은 그 본래 형상으로 다시 복귀하게 된다. 그러나, 패드의 회전은 패드 표면 영역을 범프위로 연속적으로 공급하여, 패드 영역이 범프의 후방 에지를 지나면 신속히 범프의 전방 에지에서 패드 부분을 효율적으로 계속제공한다. 이러한 현상은 연마 패드는 평면화 공정 동안에 회전 중심축을 중심으로 연속 회전하도록 설정되는 반면에, 범프는 일정 위치에 고정되기 때문에 발생한다. 따라서, 패드의 부분은 연속적으로 하부 고정 범프 위로 및 아래로 진행되며, 다음에 일회 회전한 후에 다시 하부 고정 범프로 복귀할 것이다. 따라서, 융기된 개별 부분이 고정 위치에서 연마 패드 표면내에 형성된다.
또한, 웨이퍼는 측방향 웨이퍼 변위기구에 의해 위치설정되어, 웨이퍼 선단 에지는 융기된 연마 패드 영역위에 돌출되지만, 웨이퍼의 모든 표면 영역이 융기된 연마 패드 영역에 접촉 및 직접 중첩되지 않도록 한다. 웨이퍼 또는 융기된 연마 패드 영역과 관련해서 사용한 용어 "선단 에지(leading edge)"는 연마 패드와 웨이퍼의 인터페이스로 공급되는 분출된 연마제 슬러리와 처음에 접촉되는 에지를 의미한다. 이러한 본 발명의 평면화 장치 및 그 사용 방법은 연마제 슬러리가 패드와 웨이퍼의 인터페이스를 침투하고 그리고 웨이퍼의 주 면과 융기된 연마 패드의 접촉 부분상으로 그 자체를 균일하게 분배될 수 있게 한다.
본 발명은 종래 기술의 CMP 방법 및 장비와 관련된 선단 에지 영향 문제를 효과적으로 해소한다. 웨이퍼의 외부 에지로부터 그 내부까지 성취된 일정한 평면화율은 균일한 막 두께가 후속 공정에서 웨이퍼의 표면상에 형성될 수 있게 한다.
본 발명의 이들 및 다른 목적 및 특징은 바람직한 실시예의 여러 도면 및 설명으로 더욱 명료해질 것이다.
도 1은 도 2a에 도시된 A-A 방향에서 취한 본 발명의 평면화 장치의 횡단면도,
도 2a는 도 1에 도시된 평면화 장치의 평면도,
도 2b는 도 2a에 도시된 융기된 연마 패드 영역 및 웨이퍼 요소를 도시하는 부분확대 측면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
11 : 융기된 패드 부분 또는 영역12 : 연마 패드
13 : 웨이퍼14 : 고정 블럭
15 : 융기된 블럭 부분 또는 영역16 : 패드 캐리어 링
20 : 시트 층21 : 스테인레스강 시트 층
22 : 접착제 배킹25 : 연마 헤드 조립체
26 : 웨이퍼 홀더 또는 연마 헤드 28 : 연마 헤드 변위기구
31 : 슬러리 분배기
이제 도면, 특히 도 1을 참조하면, 본 발명의 화학적 및 기계적 평면화 장치(10)(a chemical- mechanical planarizing apparatus)가 도시되어 있다. 본 발명의 본질적인 특징은 연마 패드 또는 연마 패드 층(12)의 융기된 패드 부분 또는 영역(11)을 제공하는 것과, 웨이퍼(13)가 상기 융기된 패드 부분(11)과 접촉하여 웨이퍼 돌출부(wafer overhang)(13')를 형성하는 것을 제어하는 것이다. 웨이퍼 돌출부(13')는 도 2a 및 도 2b에 명료하게 도시되어 있다. 도 1은 단순히 구성 요소의 도시를 용이하게 하도록 웨이퍼(13)와 비접촉한 모드에서의 연마 패드(12)를 도시한 것이다.
연마 패드(12)는 회전하고 그리고 웨이퍼(13) 아래에서 상승한 다음에, 융기된 패드 부분(11)을 지난 후에 다시 하강하도록 구성되어 있다. 융기된 패드 부분(11)은 연마 패드(12)의 일부분을 상승시킬 수 있는 융기 수단(an uplifting means)에 의해 형성된다. 도 1에 도시한 바와 같이, 고정 TEFLONTM(폴리테트라플루오로에틸렌) 블럭(14)은 패드 융기 수단과 같은 개별 비연속적인 융기된 블럭 부분 또는 영역(15)을 구비하도록 제조, 예를 들면 성형되며, 상기 융기된 부분(15)은 블럭(14)의 표면에 형성된다. 융기된 부분(15)은 블럭(14)과 일체로 되어 있다. 도 2a에 도시한 바와 같이, 융기된 블럭 영역(15)은 융기된 패드 영역(11)에 복제될 윤곽 형상을 제공하도록 평탄하게 표면화되어 있다. 도면에 절두형 웨지(truncated wedge) 또는 사다리꼴 형상으로 도시되어 있을 지라도, 소망하는 정도의 웨이퍼 돌출부가 설정되고 유지될 수 있는 조건에 부합하고 그리고 웨이퍼 진동 범위를 수용하는 임의의 융기된 블럭 부분(15) 및 대응하는 융기된 패드 영역(11)의 기하학적 구조도 실시될 수 있다.
상기에서는 블럭(14)과 일체로 형성된 정지 상태의 융기된 블럭 부분(15)으로 예시되었지만, 융기 수단은 정지 구조체로 해야 할 필요는 없다. 예를 들면, 융기된 패드 영역(11)을 형성하는데 사용되는 패드 융기 수단은 패드(12) 아래의 고정된 위치에 배치되어, (이하에서 설명되는 그 하부 층을 통해) 패드(12)의 하부 표면상에 압력을 가할 수 있는 롤러, 롤러 핀 또는 다른 유사한 동적 구조체일 수도 있다. 예를 들면, 융기 수단은 롤러 핀 구조체일 수 있으며, 이 구조체의 롤은 패드 하부측에 대해 접선방향으로 배향된 롤 표면과 함께 자유롭게 회전할 수 있으며, 반면에 지지 핀은 패드(12) 아래에 롤의 위치를 고정하도록 블럭(14()에 부착된다.
다시 도 1을 참조하면, 블럭(14)은 저마찰계수의 재료로 형성된다. 블럭(14) 및 그 융기된 블럭 부분(15)은 고정 상태로 되어 있다. 블럭(14)은 위에서 볼때 원형의 윤곽으로 되어 있고, 그에 따라 원형 외주부를 갖고 있다. 회전가능한 패드 캐리어 링(a rotatable pad carrier ring)(16)은 블럭(14)의 전체 외주부 둘레에 위치되며, 베어링(17)은 고정 블럭(14)에 대해 패드 캐리어 링(16)의 독립적인 운동을 허용한다. 구동 기어(19)와 관련된 모터(18) 또는 다른 구동 수단은 패드 캐리어 링(16)을 선택된 회전 방향(y)으로 회전시킨다.
연마 패드를 패드 캐리어 링(16)의 상부 표면에 체결하기 위해서, TEFLONTM재료 또는 저마찰계수의 다른 재료의 시트(층)(20)가 고정 블럭(14)의 상부 표면(23)상에 순응가능하게 설치된다. 얇은 스테인레스강 시트(층)(21)가 TEFLONTM시트 층(20)의 상부에 배치된다. 시트 층(20) 및 스테인레스강 시트 층(21)은 나사, 볼트, 리벳 등과 같은 종래의 기계적 부착 수단에 의해 패드 캐리어 링(16)의 상부 평면(24)을 가로질러 직접 체결된다. 시트 층(20)의 하부 표면은 패드 캐리어 링(16)에만 부착되고 블럭(14)에는 부착되지 않으며, 그에 따라 시트 층(20) 및 그 위에 부착된 층은 패드(12)가 회전으로 설정되는 경우 고정 블럭(14)의 상부 표면(23)상에서 자유롭게 활주할 수 있다. 접착제 배킹(an adhesive backing)을 갖는 연마 패드(12)는 접착제 배킹(22)에 의해 스테인레스강 시트 층(21)의 상부상에 부착된다. 접착제 배킹(22)은 압력 감지 접착제(PSA)일 수 있다. 연마 패드(12)는 폴리우레탄 재료와 같은 다공성 및 내구성의 탄성 재료로 제조될 수도 있으며, 비교적 균일한 두께를 갖는다. 패드(12)의 두께는 계단형상 또는 융기된 영역이 그 내에 부여될 수 있기에 충분하게 얇아야 하는 것을 제외하고는 제한되지 않는다. 폴리우레탄 패드는 약 50밀(약 0.06㎜)의 두께와, 약 3 내지 약 400미크론의 평균 세공 사이즈를 가질 수 있다. 평면화 동안에, 연마 패드(12)는 회전하고, 또 웨이퍼 홀더(wafer holder) 또는 연마 헤드(26)상에 작용된 하방 압력(P)[화살표(38)로 표시됨]에 의해 웨이퍼(13)와 접촉하도록 가압되므로, 반도체 웨이퍼(13)의 표면(13')은 그 표면(13')의 평면화 또는 연마를 용이하게 하는 방법으로 패드(12)와 접촉한다.
시트 층(20), 스테인레스강 시트 층(21) 및 패드(12)는 모두 원형이고, 동일한 직경을 갖는다. 이들 층(20, 21, 12)의 직경은 융기된 블럭 영역(15)을 포함한 블럭(14)의 표면(23)에 걸쳐 있기에 충분해야 하며, 이 층들을 패드 캐리어 링(16)의 상부 평면(24)에 부착할 수 있기에 충분해야 한다. TEFLONTM시트 층(20) 및 스테인레스강 시트 층(21)의 두께는 고정 TEFLONTM블럭(14)의 융기된 블럭 부분(15)에 의해 편향될 수 있도록 선택된다. 바람직하게, TEFLONTM시트 층(20)은 가능한한 얇지만, 너무 급속히 마모되지 않도록 적당한 물리적 내구성을 갖는 것으로 선택된다. 시트 층(20)의 두께는 약 4/100인치 내지 약 25/100인치(약 1.0㎜ 내지 약 6.4㎜)의 범위일 수 있으며, 바람직하게는 약 6/100인치(약1.5 ㎜)일 수 있다. 또한, 스테인레스강 시트 층(21)은 가능한한 얇지만 균열되지 않도록 선택되는 것이 바람직하다. 시트 층(21)의 두께는 약 1/100인치 내지 약 6/100인치(약 0.25㎜ 내지 약 1.5㎜)의 범위일 수 있으며, 바람직하게는 약 2/100인치(약 0.5㎜)일 수 있다.
또한, 평면화 장치(10)는 본 기술분야에서 공지된 임의의 종래의 수단에 의해 웨이퍼(13)를 지지하는 연마 헤드(26), 모터(27) 및 연마 헤드 변위기구(28)를 구비하는 연마 헤드 조립체(25)를 포함한다. 연마 헤드(26)는 연마 패드(12)의 융기된 패드 영역(11)에 대해 병렬위치에서 반도체 웨이퍼(13)의 표면(13')을 지지한다. 모터(27) 또는 다른 구동 수단은 연마 헤드(26) 및 웨이퍼(13)를 패드 캐리어 링(16)이 모터(18)에 의해 회전되는 방향과 동일한 회전 방향인 선택된 회전 방향(y)으로 회전시킨다.
연마 헤드 변위기구(28)는 적어도 두개의 기본 기능을 실행한다. 먼저, 이 연마 헤드 변위기구는 패드(12) 및 웨이퍼(13)가 회전하여 평면화하는 동안에 웨이퍼(13)를 화살표(29, 30)로 표시한 바와 같이 패드(12)의 융기된 패드 영역(11)을 가로질러 진동속도로 측방향 전후로 이동시킨다. 바람직하게, 진동 범위는 도 2a에 도시한 바와 같이 웨이퍼(13)가 융기된 패드 영역(12)의 양 측면 에지(11b 또는 11d)위로 돌출하는 것을 방지하도록 적절하게 제어된다. 연마 헤드 변위기구(28)의 다른 기능은 웨이퍼(13)를 패드(12)상의 소정 위치로 측방으로 이동시켜서, 웨이퍼(13)가 도 2a에 도시한 바와 같이 패드의 융기된 패드 영역(11)의 전방 에지(11c)위에 돌출부(overhang)(13')로서 돌출되도록 한다.
웨이퍼(13) 또는 다른 유형의 공작물은 대칭이 되도록 그리고 융기된 패드 영역(11)상에서 대상물의 중심설정을 용이하게 하기 위해서 도 2a에 도시한 바와 같이 원형 외주부를 갖는 것이 바람직하다. 웨이퍼(13)는 웨이퍼 홀더(26)내에 지지되기 때문에, 웨이퍼의 중심점("c")에 보다 가깝게 반경방향으로 위치된 내부 웨이퍼 부분(37)에 대해 외부 웨이퍼 부분(36)에서의 웨이퍼 재료 제거율을 일정하게 하는 효과를 실현하기 위해서는 단지 수 밀리미터(즉, 1 내지 5㎜)의 돌출부가 필요하지만, 웨이퍼 돌출부를 크게 하는 것도 가능하다. 도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이, 소망하는 정도의 웨이퍼 돌출부(13')는 평면화 절차가 개시되기 전에 변위기구(28)에 의해 설정되어야 한다. 제공된 웨이퍼 돌출부(13')의 양은 웨이퍼(13)의 외부 반경방향 부분에서의 제거율을 웨이퍼(13)의 내부 중앙 영역에서 관찰되는 제거율과 동일하게 하기에 충분한 양으로 되는것 외에는 특별히 제한되지 않는다.
융기된 패드 영역(11)의 전방(선단) 에지(11c)와 후방(후단) 에지(11a)사이의 횡단 거리는 웨이퍼(13)의 비돌출 부분(13") 전체를 수용하고 이것과 접촉하는 융기된 패드 영역을 제공하기에 충분히 큰 것이 바람직하다. 그러나, 이러한 것이 요구되는 공정에서, 웨이퍼(13)의 후단 에지는 또한 융기된 패드 영역(11)의 후방 에지(11a)위에 돌출하도록 위치될 수도 있으며, 이 경우 전방 돌출부 및 후방 돌출부는 융기된 패드 영역(11)에 대해 웨이퍼(13)내에 형성된다. 웨이퍼(13)의 중심점은 융기된 패드 영역(11)상에 항상 위치되어야 한다.
패드(12)의 캐리어의 정상(비편향된) 부분(12')과 융기된 패드 부분(11)사이의 높이의 전체 차이는 융기된 패드 영역(11)내에서 웨이퍼(13) 아래에 위치되어 압축될 때 패드 영역의 비편향된 패드 표면(12')과 상부 표면(11')사이에 약 1 내지 2 밀리미터 수직 차이를 제공해야 할 필요가 있다. 융기된 패드 영역(11)의 선단 에지(11c)는 비편향된 패드 표면(12')에 대해 실제로 수직일 수 있거나 또는 약 10 내지 50 밀리미터 위로 상승한 경사를 가질 수도 있다. 바람직하게, 비편향된 패드 표면(12')과 융기된 패드 영역(11)의 선단 에지(11c)사이에 형성된 경사 각도는 약 15°내지 약 75°일 수 있으며, 바람직하게는 약 30°일 수 있다.
도 1에 도시된 슬러리 분배기(slurry dispenser)(31)는 융기된 패드 부분(11)의 웨이퍼 돌출 전방 에지(11c)의 선단 에지의 상류에 직접 위치될 것이다. 화학약품 공급 시스템(33)은 화학약품 저장소(32)와, 슬러리를 화학약품 저장소(32)로부터 슬러리 분배기(31)로 이송하기 위한 도관(34)을 포함한다. 필요하면, 알칼리 또는 산성 화학 부식액을 연마제 용액내에 포함시킬 수 있다. 바람직하게는, 연마제 슬러리는 콜로이드상 실리카 또는 알루미나를 포함한 용액으로 형성된다. 화학적 및 기계적 평면화 동안에, 분출된 연마제 슬러리는 웨이퍼 표면 포토그래피(potography)를 편평하게 해야 하지만, 분출된 연마제 슬러리는 어떠한 언더컷(undercuts)도 야기시키지 않아야 한다. 슬러리 분배기(31)가 단일 관 구조체라면, 이 슬러리 분배기(31)는 웨이퍼의 선단 에지의 전방에서 대략 20 내지 30㎝에 위치될 수 있으며, 원심력은 슬러리가 웨이퍼 선단 에지에 도달할 때까지 슬러리를 일정한 스프레이(spray)로 분산시킬 것이다. 선택적으로, 슬러리 분배기(31)는 웨이퍼 선단 에지에 보다 근접하게 위치되는 다중천공된 편평한 또는 호형 분배 헤드일 수 있다. 배수구(drain)(35)는 사용된 슬러리를 수집하기 위해 제공된다. 연마제 슬러리는 수집되어 평면화 작업 동안에 재사용을 위해 재생이용될 수도 있다.
본 발명은 상방으로 융기된 연마 패드 영역에 접촉하는 웨이퍼의 표면 부분을 습윤시키는 슬러리의 우수한 유체 침투 및 분배를 제공한다. 본 발명의 평면화 기구 장치는 분출된 연마제 슬러리가 웨이퍼 선단 에지의 돌출부 아래에 위치된 상방으로 융기된 패드 부분의 전방 에지에 직각인 방향으로 전진 및 이동되게 하여, 슬러리가 연마 패드와 웨이퍼의 병열배치된 면의 인터페이스내로 침투하는 것을 조장하고 또한 슬러리로 습윤될 때 이들 표면상에 슬러리를 일정하게 분산하는 것을 촉진한다. 따라서, 우수한 평면화율이 성취된다. 더우기, 슬러리의 축적(build-up)이 웨이퍼 돌출부와 상방으로 융기된 패드 부분사이에 [어떤 종류의 보강재(back stop)로서] 형성된 요부내에서 웨이퍼의 선단 에지에 형성되고 유지되어, 평면화 작업 동안에 슬러리가 패드와 웨이퍼의 인터페이스내로 균일하고 일정하게 공급되는 것을 보장한다. 따라서, 본 발명에 의해 고안되어 개발된 이들 우수한 유체 역학으로 인해서 웨이퍼 표면 전체에서 보다 균일한 평면화율이 성취된다.
본 발명은 본 명세서에 예시된 실시예 또는 재료에 의해 제한되는 것으로 해석되어서는 안된다. 예를 들면, 본 발명은 연마되거나 또는 평면화된 기판으로서 반도체 웨이퍼를 포함하는 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 또한 광학 재료(예를 들면, 유리, 폴리카보네이트)와 같은 거시적으로 편평한 표면을 가진 다른 유형의 기판 및 공작물의 연마 또는 평면화에도 적용할 수 있음을 인식할 수 있을 것이다. 본 발명에 의해 평면화될 수 있는 반도체 웨이퍼 공작물은 예를 들면 실리콘, 게르마늄, 갈륨 아세나이드 및 다른 III-V족 반도체를 포함한다.
또한, 상방으로 융기된 블럭 영역과 같은 단일 융기 수단을 예시하였지만, 다수의 개별 고정 범프(bump)와 같은 하나 이상의 융기 수단이 공간이 허용되는 한 고정 블럭에 제공되어, 중첩하는 연마 패드에 다수의 상방으로 융기된 개별 영역을 형성하여 하나 이상의 웨이퍼가 장치상에서 동시에 평면화될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 웨지형 범프와 같은 융기 수단은, 웨이퍼 자체의 물리적 치수 및 그들의 대응하는 상방으로 융기된 패드 부분의 물리적 치수, 각 웨이퍼의 진동 범위를 수용하고 그리고 개별 슬러리 분배기가 각 웨이퍼에 대해 설치되고 작동할 수 있는 공간을 허용하도록 충분히 멀리 이격되어야 한다.
더우기, 본 발명의 평면화 기구는 반도체 기판상에서 실행되는 화학적 및 기계적 평면화, 미러-연마 및/또는 랩핑(lapping) 작업의 어떠한 것에도 사용할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예에 의거하여 설명하였지만, 본 기술 분야에 숙련된 자들은 본 발명이 첨부한 특허청구범위의 정신 및 범위를 벗어남이 없이 변경되어 실시될 수 있음을 인식할 수 있을 것이다.
본 발명의 평면화 장치 및 방법에 의하면, 공작물, 예를 들어 웨이퍼의 선단 에지가 연마 패드와 접촉되지 않도록 하는 것에 의하여, 웨이퍼의 면을 균일하게 평면화할 수 있으며, 또 연마 패드와 웨이퍼의 인터페이스에서 슬러리 침투 및 분배를 향상시킬 수 있다.

Claims (15)

  1. 내부 부분 및 외부 부분을 갖는 공작물을 평면화하기 위한 평면화 장치(a planarizing apparatus)에 있어서,
    ① 상부 표면을 갖는 연마 패드(a polishing pad)와,
    ② 상기 연마 패드를 회전시키기 위한 구동 수단과,
    ③ 공작물의 내부 부분을 접촉시키기 위해 상기 연마 패드의 상기 상부 표면의 일부분을 상승시키기 위한 융기 수단(uplifting means) ― 상기 융기된 패드 부분은 선단 에지(a leading edge)를 구비함 ― 과,
    ④ 상기 선단 에지에 대해 상기 공작물의 외부 부분의 위치를 조절하기 위한 조절 수단을 포함하는 공작물의 평면화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 융기 수단은 블럭 상부 표면과 원형 외주부를 구비한 원형 고정 블럭을 포함하며, 상기 블럭 상부 표면은 상기 연마 패드의 상기 상부 표면의 상기 부분을 상방으로 편향시킬 수 있는 상방으로 융기된 일체형 돌출부(an integral upward raised projection)를 포함하는 공작물의 평면화 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 융기된 일체형 돌출부는 사다리꼴 형상인 공작물의 평면화 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 연마 패드를 회전시키기 위한 상기 구동 수단은 상기 고정 블럭의 원형 외주부 둘레에서 동심으로 설치된 상부 평면을 가진 회전가능한 패드 캐리어 링(a rotatable pad carrier ring)을 포함하며, 상기 연마 패드는 상기 패드 캐리어 링의 상기 상부 평면에 부착되어 있고, 또 상기 연마 패드는 상기 고정 블럭에 대해 독립적으로 회전 이동할 수 있는 공작물의 평면화 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 패드 캐리어 링상에 편향가능한 폴리테트라플루오로에틸렌 층, 편향가능한 스테인레스강 층 및 접착제 층을 차례로 더 포함하여, 상기 연마 패드를 상기 패드 캐리어 링의 상기 상부 평면에 부착하고 그리고 상기 고정 블럭에 대해 상기 연마 패드의 독립적인 회전 운동을 촉진시키기 위한 수단을 제공하는 공작물의 평면화 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 고정 블럭은 폴리테트라플루오로에틸렌으로 형성되는 공작물의 평면화 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연마 패드는 편평한 주 표면을 갖는 폴리우레탄 재료를 포함하는 공작물의 평면화 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 조절 수단은 웨이퍼 홀더(wafer holder) 및 측방향 변위기구를 포함하며, 상기 측방향 변위기구는 상기 상부 패드 표면을 가로질러 상기 웨이퍼를 측방향으로 이동시킬 수 있는 공작물의 평면화 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    연마제 슬러리를 상기 융기된 패드 부분의 상기 선단 에지로 공급할 수 있는 슬러리 분배기(a slurry dispenser)를 더 포함하는 공작물의 평면화 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 융기 수단은 롤러 수단을 포함하는 공작물의 평면화 장치.
  11. 중앙 지점, 내부 부분 및 외부 부분을 갖는 공작물을 평면화하기 위한 방법에 있어서,
    ① 상부 표면을 갖는 연마 패드를 제공하는 단계와,
    ② 상기 연마 패드의 상기 상부 표면의 일부분을 상승시키기 위한 융기 수단을 제공하는 단계 ― 상기 융기된 패드 부분은 선단 에지를 구비함 ― 와,
    ③ 상기 연마 패드의 상기 융기된 패드 부분에 대해 공작물의 표면을 병렬로 지지하는 단계와,
    ④ 상기 융기된 패드 부분이 상기 공작물의 내부 부분에 접촉하는 동안에 상기 공작물의 외부 부분을 상기 융기된 패드 부분의 상기 선단 에지를 지나는 위치로 이동시켜 그것을 상기 융기된 패드 부분의 상기 선단 에지위로 돌출시키는 단계와,
    ⑤ 상기 공작물을 회전시키고 그리고 상기 연마 패드를 회전시켜 표면 재료를 상기 공작물로부터 효과적으로 제거하는 단계를 포함하는 공작물의 평면화 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 공작물 및 연마 패드의 상기 회전 동안에 상기 연마 패드 및 상기 공작물에 의해 형성된 인터페이스에 연마제 슬러리를 분배하는 단계를 더 포함하는 평면화 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 공작물은 반도체 기판인 평면화 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 공작물은 광학 재료인 평면화 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 연마 패드는 편평한 주 표면을 갖는 폴리우레탄 재료인 평면화 방법.
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