KR100262105B1 - 연마 패드 및 반도체 웨이퍼를 연마하는 장치 - Google Patents

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Abstract

반도체 웨이퍼를 연마하는 장치는 반도체 웨이퍼와 접촉하는 연마 패드; 연마 패드를 회전시키는 턴테이블; 및 턴테이블과 연마 패드 사이에 배열된 탄성 부재를 구비한다. 연마 패드는 슬러리를 유지하는데 양호한 특성을 갖는 물질로 이루어진 연마층; 및 연마층이 느슨해지는 것을 방지하기 위하여 최적의 두께를 갖는 강성 물질로 이루어진 지지층을 구비한다. 연마 패드는 접착제없이 스트레치 홀딩 (stretch-holding) 법에 의해 턴테이블에 부착된다.

Description

연마 패드 및 반도체 웨이퍼를 연마하는 장치
본 발명은 반도체 웨이퍼 등의 평평한 플레이트 대상물을 연마하기 위한 연마 패드 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 연마 패드가 접착제없이 스트레치 홀딩 (stretch-holding) 법으로 턴테이블에 부착된, 반도체 웨이퍼를 연마하기 위한 연마 패드 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 집적 회로 (IC) 는 반도체 기판상에 형성된 트랜지스터, 저항기, 및 다른 IC 성분을 함께 배선하기 위한 도전 접속부의 정교한 시스템에 의존하여 제조된다. 이들 접속부를 형성하기 위한 기술은 매우 복잡하고 본 기술에 숙련된 자에게는 이미 알려진 것이다. 일반적인 IC 장치 제조 공정에 있어서, 많은 접속층이 반도체 기판상에 형성되고, 각각의 층은 유전층을 삽입함으로써 인접하는 층으로부터 전기적으로 절연된다. 접속부의 적절한 형성 및 접속 성능을 저하시키는 광 이미지 및 단차 유효 범위와 결합된 문제들을 가능한한 피하도록, 삽입된 이들 유전층의 표면은 평탄하거나 또는 평면적이어야 한다.
결과적으로, IC 장치 제조 산업을 유지하기 위하여 많은 평탄화 기술이 적용되어 왔다. 이러한 기술중의 하나를 화학 기계적 연마 또는 평탄화 (CMP) 라 한다. CMP 는 랩핑 기구 및 다른 화학 기계적 평탄화 방법을 사용하여 유전층 등의 층표면을 부드럽게 하여 평면을 형성한다. 이것은 연마 패드 등의 연마재로 표면을 러빙 (rubbing) 하여 표면의 거친 부분을 물리적으로 에칭함으로써 성취된다. 표면의 러빙은 표면을 화학적으로 에칭할 수 있는 임의의 화학 제품으로서 수행될 수 있다. CMP 에 의해 유전층이 충분히 부드러워진 후에, 그 결과의 평면상에 정확하고 신뢰성있는 접속부가 형성될 수 있다.
배선 패턴이 웨이퍼 상에 형성된 후, 절연층이 전체 표면상에 형성될 때, 몇 개의 영역은 배선 패턴상에 위치하고 나머지 영역은 배선 패턴상에 위치하지 않으므로, 절연층은 돌출부 (표면 지형) 를 가질 수 있다. 절연층의 연마 공정에 있어서, 절연층의 돌출부는 균일하게 평평해진다. 이 공정에서, 연마 패드는 웨이퍼의 편차 (전체적인 기복)에 순응하여 웨이퍼상의 국부 지형을 연마하여 웨이퍼의 표면을 균일하게 평탄화할 필요가 있다.
예를 들어, 소프트 연마 패드가 사용되면, 연마 패드 자체가 탄성적으로 변형되므로, 패드는 절연층의 국부 지형에서도 순응한다. 결과적으로, 연마 패드는 돌출 부분 뿐만 아니라 오목 부분을 연마한다. 이것은 절연층상의 국부 지형을 평탄화하는 것이 어렵다는 것을 의미한다.
반면에, 강한 연마 패드를 사용하면, 패드는 웨이퍼의 전체 편차의 돌출 부분 뿐만 아니라 균일한 국부 지형까지 연마하게 된다. 결과적으로, 절연층의 전체 범위를 균일하게 연마하는 것이 어렵다.
따라서, 연마 패드가 웨이퍼의 편차 (전체적인 기복) 에 순응하여 국부 지형을 잘 평탄화하기 위하여, 개선된 연마 장치가 다양하게 제안되어 왔다. 예를 들어, 미국 특허, 제 5212910 호에 개선된 연마 장치가 개시되어 있다. 이 장치는 제 1 층, 제 2 층, 및 제 3 층을 포함한다. 제 1 층은 스폰지 고무 또는 발포 고무 등의 탄성재로 이루어지고 턴테이블에 부착되어 있다. 제 2 층은 그루브에 의해 각각의 부분으로 분할된 에폭시 등의 강성 물질로 이루어진다. 제 2 층은 제 1 층에 부착된다. 제 3 층은 Rodel SUBA500 (제품 번호) 등의 양호한 슬러리 전송율을 갖는 다공성 물질로 이루어진다. 제 3 층은 연마하기 위하여 실리콘 웨이퍼와 접촉한다.
종래의 장치에 있어서, 강성 물질 (제 2 층) 의 각 세그먼트부 제 1 층의 탄성 물질에 의해 완충되는 동안 수직으로 이동하여 연마 패드 (제 3 층) 는 웨이퍼 표면의 전체 편차에 순응한다. 제 2 층의 각 세그먼트부는 변형되지 않아 연마 패드는 웨이퍼상의 국부 돌출부와 평탄하게 접촉한다. 결과적으로, 연마 패드는 웨이퍼의 전체 편차에 순응하고 동시에 국부 돌출부를 연마한다.
이러한 연마 장치에 있어서, 연마 패드는 2 가지 방법 (기술) 로 턴테이블에 접착될 수 있다. 그 기술중의 하나는 연마 패드의 전체 표면이 턴테이블에 접착하는 것으로, 이하, "접착법" 이라 한다. 그 기술중의 다른 하나는 연마 패드가 소정의 인장으로 뻗어 접착제없이 턴테이블상에 유지되는 것으로, 이하 "스트레치 홀딩법" 이라 한다.
접착법에 의하면, 연마 패드가 예를 들어 양면 테이프로 턴테이블에 접착되므로, 연마 패드가 부착되는 공정 동안 턴테이블과 연마 패드 사이의 공간으로 약간의 기포가 들어갈 수 있다. 기포가 턴테이블에 들어가면, 연마 패드는 국부적으로 돌출된다. 돌출된 부분에서의 연마 속도가 국부적으로 커지게 되어 웨이퍼는 균일하게 연마되지 않는다. 이 때문에, 접착 정확성은 연마 패드를 장착하는 오퍼레이터에 의해 변화하므로, 경험이 많은 오퍼레이터가 턴테이블에 연마 패드를 접착해야 한다.
일반적으로, 연마 패드는 새로운 것을 빈번히 교환되므로, 연마 패드의 접착 정확성은 안정되지 않고, 연마 공정을 정확하게 수행하는 것이 어렵다. 결과적으로, 연마 장치의 작업이 항상 잘 수행하지 않고 장치의 동작 효율은 감소한다. 더욱이, 연마 패드가 턴테이블로부터 제거되면, 양면 테이프의 일부가 턴테이블에 잔존하게 되는 경우가 발생할 수 있다. 그러므로, 양면 테이프가 잔존하지 않도록 제거하는 것이 필요하다.
반면에, 연마 패드가 스트레치 홀딩법에 의해 턴테이블에 부착되면, 연마 패드와 턴테이블 사이의 공간에 기포가 용이하게 들어가지 않는다. 약간의 기포가 그 공간으로 들어간다 하더라도, 이들 기포는 용이하게 제거된다. 그러므로, 경험이 부족한 오퍼레이터가 용이하게 연마 패드를 턴테이블에 부착할 수 있다. 연마 패드를 부착하는 오퍼레이터와 무관하게 연마 패드의 접착 정확성이 안정되므로, 연마 품질이 높게 유지된다. 따라서, 연마 패드는 웨이퍼의 전체 편차에 순응하고, 동시에 웨이퍼의 국부 돌출부를 잘 연마할 수 있다.
일본 특개평 제 5-285825 의 연마 장치는 턴테이블 및 연마 패드 사이에 탄성 부재를 포함한다. 연마 패드는 스트레치 홀딩법에 의해 턴테이블에 부착된다. 이 장치에 있어서, 탄성 부재는 연마 패드와 턴테이블 사이에 배열되므로, 연마 패드는 웨이퍼의 전체 편차에 순응한다. 연마 패드는 강성 물질로 이루어져 웨이퍼상의 국부 돌출부는 잘 연마되고 평탄화된다. 연마 패드가 스트레치 홀딩법에 의해 턴테이블에 부착되어, 이 장치는 접착법에 의해 발생되는 문제점을 가지지 않는다.
이 장치에서, 연마 패드는 탄성 부재에 부착되어 있지 않지만, 소정의 장력을 갖는 채로 유지된다. 연마 패드는 강성 물질로 이루어지고 웰은 연마 슬러리를 잘 유지한다. 연마 슬러리를 유지하는 물질은 팽창도가 높은 발포 물질로 이루어져 연마 슬러리를 흡수할 때 연마 패드가 팽창하고 변형된다. 연마 패드가 팽창하면, 연마 패드와 턴테이블 사이의 부착은 느슨해진다.
더욱이, 연마 공정이 여러번 반복되면, 전단 응력이 연마 패드상의 전단 방향 (연마 패드와 평평한 플레이트가 러빙되는 방향) 으로 주름을 만든다. 연마 패드상에 주름이 발생하면, 웨이퍼의 일부가 국부적으로 연마되어 웨이퍼의 전체 표면이 균일하게 연마되지 않는다. 연마 패드의 드레싱 (dressing) 공정을 수행하는 장치에 있어서, 주름이 형성된 부분에서 연마 패드가 국부적으로 드레싱되어 웨이퍼의 전체 표면은 균일하게 연마되지 않는다. 즉, 연마 패드의 특정 영역은 국부적으로 분할되어 연마 패드는 장시간동안 사용될 수 없다.
본 발명의 목적은 연마 패드가 주름을 가지지 않으며 반도체 웨이퍼가 장시간동안 균일하게 연마될 수 있는 반도체 웨이퍼를 연마하는 연마 패드 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적, 이점, 및 신규한 특징은 다음의 설명으로부터 본 기술에 숙련된 자에게 명백한 것이다. 본 발명의 목적 및 이점은 첨부된 청구항에서 특히 지적된 기구 및 조합에 의해 실현될 수 있다.
도 1 은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 의한 연마 장치를 개념적으로 나타내는 (부분 단면) 측면도.
도 2 는 도 1 에 나타낸 연마 장치에 사용되는 웨이퍼 턴테이블을 나타내는 평면도.
도 3 은 도 1 에 도시한 연마 장치에 구비된 연마 패드를 개념적으로 나타내는 단면도.
도 4 는 도 1 에 도시한 장치의 턴테이블에 연마 패드를 부착하기 위하여 스트레치 홀딩법의 제조 방법을 개념적으로 나타내는 (부분 단면) 측면도.
도 5 은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 의한 연마 장치에 구비된 연마 패드를 개념적으로 나타내는 단면도.
도 6 은 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 의한 연마 장치에 구비된 연마 패드를 개념적으로 나타내는 단면도.
도 7a 는 도 6 에 도시한 연마 패드에 포함된 탄성 부재의 그루브 패턴을 개념적으로 나타내는 평면도.
도 7b 는 도 6 에 도시한 연마 패드에 포함된 탄성 부재의 다른 그루브 패턴을 개념적으로 나타내는 평면도.
도 8 은 본 발명의 바람직한 제 4 실시예에 의한 연마 장치에 구비된 연마 패드를 개념적으로 나타내는 단면도.
도 9 는 도 8 에 도시한 연마 패드에 포함된 연마층의 그루브 패턴을 개념적으로 나타내는 평면도.
도 10 은 본 발명의 바람직한 제 5 실시예에 의한 연마 장치를 개념적으로 나타내는 (부분 단면) 측면도.
도 11a 는 도 10 에 도시한 장치에 사용되는 볼록 부재를 개념적으로 나타내는 평면도.
도 11b 는 도 11a 에 도시한 볼록 부재를 개념적으로 나타내는 단면도.
도 12 는 본 발명에 의한 웨이퍼의 균일성 및 연마 속도의 변화를 나타내는 그래프.
도 13 은 도 6 에 도시한 바람직한 제 3 실시예에 의한 연마 장치의 탄성 부재내에 발생된 응력의 분포를 개념적으로 나타낸 단면도.
도 14 는 종래의 탄성 부재내에 발생된 응력의 분포를 개념적으로 나타낸 단면도.
도 15 는 도 6 에 도시한 바람직한 제 3 실시예에 의한 연마 장치의 탄성 부재내에 발생된 응력의 분포를 개념적으로 나타내는 단면도.
도 16 은 종래의 다른 연마 장치의 탄성 부재내에 발생된 응력의 분포를 개념적으로 나타낸 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
14: 탄성 부재 10: 연마 패드
21: 턴테이블 100: 실리콘 웨이퍼
134: 주변 링 136: 내부 링
142: 웨이퍼 스테이지 143: 리테이너
본 발명의 제 1 형태에 의하면, 반도체 웨이퍼를 연마하는 장치는 반도체 웨이퍼와 접촉하는 연마 패드; 연마 패드를 회전시키는 턴테이블; 및 턴테이블과 연마 패드 사이에 배열된 탄성 부재를 포함한다. 연마 패드는 슬러리를 유지하는데 양호한 특성을 갖는 물질로 이루어진 연마층과; 연마층이 느슨해지는 것을 방지하기 위하여 최적의 두께를 갖는 강성 물질로 이루어진 지지층을 포함한다. 연마 패드는 접착제없이 스트레치 홀딩법에 의해 턴테이블에 부착된다.
본 발명의 제 2 형태에 의하면, 접착제없이 스트레치 홀딩법에 의해 턴테이블에 부착된 연마 패드는, 슬러리를 유지하는데 양호한 특성을 갖는 물질로 이루어지고 반도체 웨이퍼를 연마하기 위하여 반도체 웨이퍼와 접촉하는 연마층; 및 연마층이 느슨해지는 것을 방지하기 위하여 최적의 두께를 갖는 강성 물질로 이루어진 지지층을 포함한다.
도 1 은 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 의한 실리콘 웨이퍼 (100)를 연마하기 위한 장치를 나타낸다. 이 장치는 턴테이블 (21) 과, 턴테이블 (21) 에 부착된 연마 패드 (10) 와, 턴테이블 (21) 및 연마 패드 (10) 사이에 끼워진 탄성 부재 (14) 와, 웨이퍼 (100)를 유지하는 웨이퍼 스테이지 (142) 및 리테이너 (143)를 포함한다.
탄성 부재 (14) 는 중심홀을 갖는 링형상으로 형성되고 양면 테이프 등으로 턴테이블 (21) 에 고정된다. 탄성 부재 (14)를 조심스럽게 턴테이블에 부착하여 기포가 그들 사이의 공간으로 들어가지 않도록 한다. 기본적으로, 일단 탄성 부재 (14) 가 턴테이블 (21) 에 부착되면, 탄성 부재 (14) 는 새로운 것으로 자주 교환되지 않는다. 연마 패드 (10) 는 또한 링형상으로 형성되고 내부 링 (136) 와 주변 링 (134) 및 볼트 (137, 135) 로 턴테이블 (21) 의 하부에 부착된다. 웨이퍼 스테이지 (142) 는 웨이퍼 턴테이블 (141) 상에 회전가능하게 장착된다. 리테이너 (143) 는 웨이퍼 스테이지 (142) 상에 고정된다.
턴테이블 (21), 웨이퍼 턴테이블 (141) 및 웨이퍼 스테이지 (142) 는 각각 축 (A-A', B-B', C-C')을 회전하도록 설계된다. 다이아몬드가 전착법에 의해 리테이너 (143) 에 장착된다. 연마 패드 (10) 는 연마 공정동안 리테이너 (143) 로 드레싱된다. 연마 슬러리가 턴테이블 (21) 의 중심을 통해 수직으로 연장하는 슬러리 공급홀 (138) 로부터 공급된다.
도 4 에 도시한 바와 같이, 다음과 같이 연마 패드 (10) 가 턴테이블 (21) 에 부착된다. 먼저, 연마 패드는 내부 및 주변 에지에서 내부 링 (136) 과 주변 링 (134) 에 각각 고정된다. 다음으로, 연마 패드 (10) 는 턴테이블 (21) 아래에 위치한다. 그후, 내부 링 (136) 과 주변 링 (134) 은 각각 볼트 (135, 137) 로 턴테이블에 고정되어 턴테이블 (21) 에 연마 패드 (10)를 스트레칭하고 유지한다.
다음은, 상술한 연마 장치를 사용하여 실리콘 웨이퍼 (100) 상에 형성된 절연층을 연마하는 단계를 설명한다. 먼저, 실리콘 웨이퍼 (100) 가 웨이퍼 스테이지 (142) 상에 놓인다. 그후, 턴테이블 (21) 은 A-A' 의 축으로 회전하고, 웨이퍼 턴테이블 (141) 은 B-B' 의 축으로 회전하고, 웨이퍼 스테이지 (142) 가 축 (C-C') 으로 회전한다. 슬러리 공급홀 (138) 로부터 연마 슬러리를 공급하는 동안, 턴테이블 (21) 은 웨이퍼 (100)를 향하여 하강하고 연마 패드 (10) 는 웨이퍼 (100) 에 대하여 압축되어 소정의 부하로 웨이퍼 (100)를 연마한다.
연마 장치에는 상술한 연마 패드 (10) 와 탄성 부재 (14) 가 설치되어 실리콘 웨이퍼상의 절연층은 장시간동안 균일하게 연마될 수 있다.
도 3 은 연마층 (11) 및 지지층 (12)을 포함하는 연마 패드 (10) 의 내부 구조를 나타낸다. 지지층 (12) 은 턴테이블 (21) 에 고정된 탄성 부재 (14) 에 (접착제없이) 부착된다. 즉, 탄성 부재 (14) 는 턴테이블 (21) 과 지지층 (12) 사이에 삽입된다.
연마층 (11) 은 바람직하게 다공성 우레탄 또는 우레탄 수지가 주입된 폴리에스테르 섬유로 이루어져 다공성을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어 Rodel IC1000, IC1400, SUBA800 등이 연마층 (11) 으로서 사용될 수 있다. 연마층 (11) 은 1 ㎜ 내지 2 ㎜ 로 설계되는 것이 바람직하다. 연마층 (11) 과 실리콘 웨이퍼 (100) 사이의 연마 슬러리의 전송율을 개선하기 위하여, 연마층 (11) 에는 후술하는 그루브가 설치될 수 있다.
지지층 (12) 은 용이하게 구부러지지만 탄성이 없고 연마 슬러리에 대하여 팽창이 적은 물질로 이루어진다. 즉, 지지층 (12) 은 탄성 부재 (14) 에 순응하도록 가요성을 가지며 주름이 발생하지 않도록 수평 강도를 가지며 연마 슬러리로의 팽창이 적도록 설계된다. 예를 들어, 폴리에틸렌 시이트, 초고분자 폴리에틸렌 시이트, 아크릴 시이트, 테프론 시이트, 폴리프로필렌 시이트, 폴리우레탄 시이트, 폴리에스테르 시이트 등이 지지층 (12) 으로 사용될 수 있다. 지지층 (12) 은 0.05 내지 1 ㎜ 의 두께를 갖도록 설계되는 것이 바람직하다. 그러나, 두께는 물질에 의존한다.
연마층 (11) 및 지지층 (12) 은 양면 테이프 또는 접착제의 열접촉법에 의해 서로 전체적으로 부착되어 있다.
탄성 부재 (14) 는 시간에 따라 변하지 않고, 연마 슬러리로 팽창하는 정도가 적은 것으로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 니트릴 고무, 네오프렌 고무, 클로로프렌 고무, 실리콘 고무, 플로오르 고무 등이 탄성 부재 (14) 로서 사용될 수 있다. 탄성 부재 (14) 는 1 내지 10 ㎜ 의 두께를 갖도록 설계되는 것이 바람직하다.
연마 장치에 의하면, 연마층 (11) 이 연마 슬러리를 흡수하고 팽창하고 변형되어도, 연마 공정동안 지지층 (12) 은 연마층 (11) 이 전단 방향으로 느슨해지는 것을 방지하므로, 연마층 (11) 에 주름이 발생하는 것을 방지한다. 결과적으로, 실리콘 웨이퍼 (100) 상의 연마 속도 분포는 균일하게 된다.
도 5 는 연마층 (24) 및 지지층 (25)을 포함하는 바람직한 제 2 실시예에 의한 연마 장치에 장착된 연마 패드를 나타낸다. 본 실시예에 있어서, 상술한 제 1 실시예와 동일하거나 대응하는 소자는 동일 참조 부호를 사용하였다. 중복을 피하기 위하여 동일한 설명은 생략한다. 연마 패드 (24, 25) 는 도 1 에 도시한 제 1 실시예의 장치에 적용될 수 있다. 제 1 실시예와의 차이점은 연마층 (24) 과 지지층 (25) 이 동일 물질로부터 일체적으로 형성된다는 점이다. 좀더 상세히 말하면, 연마층 (24) 과 지지층 (25) 은 양호한 슬러리 전송율을 갖는 물질로 이루어진다. 지지층 (25) 은 연마층 (24) 의 일부로서 최적의 두께를 갖도록 설계된다.
예를 들어, 연마층 (24) 은 다공성 우레탄 또는 우레탄 수지가 주입된 폴리에스테르 섬유로 이루어져 그 내부에 다공성을 갖는다. 예를 들어, Rodel IC1000, IC1400, SUBA800 등이 연마층 (24) 으로서 사용될 수 있다. 높은 점성을 갖는 우레탄 수지는 연마층 (24) 의 후면으로부터 소정 깊이로 주입된다. 고점성을 갖는 우레탄 수지는 연마 패드 (24, 25) 의 전체 두께의 3분의 1이 되는 점으로 이동하지만 고점성 때문에 연마 패드를 통과하지는 않는다.
고점성 우레탄 수지가 연마층 (24) 으로 주입되는 동안, 우레탄 수지는 10,000 cP 내지 12,000 cP 사이의 점성을 갖도록 에테르계 용매에 용해된다. 그후, 용매는 100 ℃ 내지 150 ℃ 의 분위기에서 롤러로 연마층의 후면에 러빙될 수 있다.
이렇게 제조된 연마 패드 (24, 25) 에 있어서, 우레탄 수지가 주입되지 않은 부분은 높은 슬러리 전송율을 가지며, 우레탄 수지가 주입된 다른 부분은 다공이 수지로 충전되어 있으므로 낮은 슬러리 전송율 (팽창도)를 가지며 탄력성이 없다. 따라서, 연마층 (24) 과 강성 지지층 (25) 은 동일한 물질로부터 일체로 형성된다.
제 1 실시예와 동일한 방법으로, 연마층 (24) 에는 후술하는 그루브가 설치되어 실리콘 웨이퍼 (100) 와 연마 패드 (24, 25) 사이의 슬러리 전송율을 개선시킬 수 있다.
제 2 실시예에 의한 연마 패드 (24, 25) 에 의하면, 연마층 (24) 은 주름이 발생하는 것을 방지하여, 실리콘 웨이퍼 (100) 상의 연마 속도 분포가 균일하게 될 수 있다. 또한, 연마층 (24) 과 지지층 (25) 은 용이하게 일체로 형성될 수 있다.
도 6 은 본 발명의 제 3 실시예에 의한 연마 장치에 장착된 연마 패드를 나타낸다. 본 실시예에서, 상술한 다른 실시예와 동일하거나 대응하는 소자는 동일 참조 부호를 사용하였다. 그리고, 중복을 피하기 위하여 동일한 설명은 생략한다. 본 실시예의 특징은 특정한 형상을 갖는 탄성 부재 (29)를 포함하는 것이다. 제 1 실시예와 다른 점은, 탄성 부재 (29) 가 분리 그루브 (30)를 갖는 하부면에 설치되어 각각의 세그먼트부 (29a) 로 분할된다는 점이다. 이 장치는 제 1 실시예와 동일한 연마 패드 (11, 12)를 포함하며, 도 1 에 도시한 제 1 실시예의 장치에도 적용될 수 있다.
도 7a 는 탄성 부재 (29) 의 분리 그루브 (30) 의 패턴예를 나타낸다. 분리 그루브 (30) 는 탄성 부재 (29) 의 하부면을 다수의 사각부로 분할한다.
도 7b 는 탄성 부재 (29) 의 분리 그루브 (30) 의 다른 패턴예를 나타낸다. 분리 그루브 (30) 는 탄성 부재 (29) 의 하부면을 다수의 삼각부로 분할한다.
분리 그루브 (30) 는 적당한 폭을 갖도록 설계되며, 따라서 각각의 세그먼트부는 개별적으로 변형되지도 "압력-리바운드 효과" 에 의해 변형되지도 않는다. 압력-리바운드 효과는 탄성 부재 (29) 가 수직 압력에 응답하여 압축될 때, 압축된 영역의 이웃 영역이 돌출하여 압축된 영역에 대응하는 체적을 갖는 것을 의미한다. 압력-리바운드 효과가 발생하면, 실리콘 웨이퍼 (100) 는 큰 압력을 갖는 연마 패드의 돌출 부분에 의해 압축되어, 실리콘 웨이퍼 (100) 에 대한 압력 분포는 균일하게 되지 않는다.
예를 들어, 분리 그루브 (30) 는 0.5 내지 2 ㎜ 의 폭을 갖는다. 반도체 칩 패턴을 실리콘 웨이퍼 (100) 상에 적절하게 형성하기 위하여, 분리 그루브 (30) 는 인접하는 그루브로부터 적당한 공간을 갖도록 설계된다. 예를 들어, 공간은 10 ㎜ 내지 30 ㎜ 일 수 있다. 각각의 분리 그루브 (30) 는 0.5 내지 8 ㎜ 의 깊이를 갖는 것이 바람직하다. 그루브 패턴의 임의의 형상은 탄성 부재 (29) 에 적용가능하다.
탄성 부재 (29) 에는 그루브 (30) 가 설치되어, 압력 리바운드 효과에 의해 연마 패드 (11, 12) 가 변형되는 것을 방지한다. 그러므로, 실리콘 웨이퍼 (100) 는 연마 속도의 균일한 분포로 연마될 수 있다.
도 8 은 본 발명의 제 4 실시예에 의한 연마 장치에 사용되는 단일 연마 패드 (12, 32) 와 탄성 부재 (29) 를 나타낸다. 본 실시예에서, 상술한 다른 실시예와 동일하거나 대응하는 소자는 동일 참조 부호를 사용하였다. 또한, 중복을 피하기 위하여 동일한 설명은 생략한다. 연마 패드는 그루브 (35)를 갖는 하부면에 설치된 연마층 (32)을 포함하여 웨이퍼 (100) 와 연마 패드 (12, 32) 사이의 슬러리 전송율을 개선한다. 탄성 부재 (29) 와 연마 패드 (12, 32) 는 도 1 에 도시한 장치에 적용될 수 있다.
도 9 는 연마층 (32) 상에 형성된 그루브 (35) 의 예시적인 패턴을 나타낸다. 연마층 (32) 은 그루브 (35) 에 의해 복수의 사각부 (32a) 로 분할된다. 그루브 (35) 는 예를 들어 1 내지 5 ㎜ 의 폭, 0.5 내지 0.8 ㎜ 의 깊이, 및 10 내지 30 ㎜ 의 공간을 갖도록 설계된다.
도 10 은 본 발명의 제 5 실시예에 의한 연마 장치를 나타낸다. 제 1 내지 제 4 실시예의 상술한 탄성 부재와 연마 패드는 도 10 에 도시한 장치에 적용될 수 있다. 본 실시예에서, 상술한 다른 실시예와 동일하거나 대응하는 소자는 동일 참조 부호를 사용하였다. 또한, 중복을 피하기 위하여 동일한 설명은 생략한다. 이 장치가 도 1 에 도시한 장치와 다른 점은, 탄성 부재 (14) 와 턴테이블 (21) 사이에 볼록 부재 (151)를 포함한다는 점이다.
도 11a 및 11b 는 링형상으로 형성된 볼록 부재 (151)를 나타낸다. 볼록 부재 (151) 는, 턴테이블 (21) 에 대하여 평평한 면이 압축되고, 연마 패드 (10) 에 대하여 볼록면이 압축되도록 설계된다. 예를 들어, 볼록 부재 (151) 는 약 10 ㎜ 의 기본 두께를 갖고 가장 두꺼운 중앙부 (151b) 와 가장 얇은 주변부 (151a) 사이의 차가 20 ㎛ 내지 1 ㎜를 갖도록 설계된다. 볼록 부재 (151) 는 폴리비닐 클로라이드 (PVC) 또는 아크릴 또는 얇은 스테인레스 스틸 막으로 이루어질 수 있다.
볼록 부재 (151) 는 양면 테이프 등으로 탄성 부재에 접착 고정된다. 결합된 볼록 부재 (151) 와 탄성 부재 (14) 는 턴테이블 (21) 의 하부면에 접착 고정된다. 상술한 실시예와 동일한 방법으로, 연마 패드 (10) 가 스트레치 홀딩법에 의해 턴테이블에 부착된다. 본 실시예에서, 연마 패드 (10) 가 실리콘 웨이퍼 (100) 에 대하여 압축될 때, 압력은 실리콘 웨이퍼 (100) 의 중앙에서보다 크고 주변부에서보다 작도록 조절된다. 결과적으로, 실리콘 웨이퍼 (100) 상의 연마 속도의 분포 균일성은 좀더 개선될 수 있다. 탄성 부재 (14) 와 볼록 부재 (151) 는 서로 고정되므로, 제조된 구조물 (14, 151) 은 턴테이블 (21) 에 용이하게 장착될 수 있다.
성능 테스트
이하, 본 발명의 성능 테스트 결과를 설명한다. 이 테스트에 있어서, 도 10 에 도시한 연마 장치, 및 도 8 에 도시한 연마 패드와 탄성 부재가 사용된다.
연마 패드의 연마층 (32) 은 Rodel IC1000 이다. 지지층 (12) 으로서 폴리에틸렌 시이트가 사용된다. 연마층 (32) 과 지지층 (12) 은 각각 1.3 ㎜ 내지 0.05 ㎜ 의 두께를 갖도록 설계된다. 연마층 (32) 에는 폭이 3 ㎜ 이고 깊이가 0.5 ㎜ 인 그루브 (35) 가 설치된다. 그루브 (35) 는 10 ㎜ 의 공간을 가지고 종방향 및 횡방향으로 배열된다. 연마층 (32) 과 지지층 (12) 은 양면 테이프로 서로 접착되어 있다.
탄성 부재 (29) 는 니트릴 고무로 이루어진다. 탄성 부재 (29) 는 10 ㎜ 의 두께를 갖는 평평한 링으로 형성된다. 탄성 부재 (29) 에는 폭이 1 ㎜ 이고 깊이가 7 ㎜ 인 그루브 (30) 가 설치된다. 그루브 (30) 는 인접하는 그루브로부터의 20 ㎜ 의 공간을 가지고 종방향 및 횡방향으로 배열된다.
볼록 부재 (151) 는 약 10 ㎜의 기본 두께와 중앙의 가장 두꺼운 부분 (151b) 와 주변부에서의 가장 얇은 부분 (151a) 사이의 차가 400 ㎛ 가 되도록 폴리비닐 클로라이드로 이루어진다. 볼록 부재 (151) 는 양면 테이프 등으로 탄성 부재 (29) 에 부착된다. 그러므로 볼록 부재 (151) 와 탄성 부재의 결합된 구조는 양면 테이프 등으로 턴테이블 (21) 의 하부면에 부착된다.
연마 패드 (12, 32) 는 다음과 같이 턴테이블 (21) 에 부착된다. 먼저, 연마 패드 (12, 32) 가 각각 내부 및 주변 에지에서 내부 링 (36) 및 주변 링 (34) 에 고정된다. 다음으로, 연마 패드 (12, 32) 가 턴테이블 (21) 의 아래에 위치된다 그후, 내부 링 (36) 과 주변 링 (34) 은 각각 볼트 (35, 37) 로 턴테이블 (21) 에 고정되어 연마 패드 (12, 32)를 턴테이블 (21) 에 스트레칭하고 유지한다.
테스트시, 8 인치 실리콘 웨이퍼의 백개의 배치 (batch) (500 개의 피이스(piece)) 상에 형성된 열산화층을 연마하여 연마 속도의 변화를 측정한다. 연마 슬러리는 실리카 (SiO2) 가 현탁된 KOH 용액으로 이루어져 있다.
도 10 은 웨이퍼의 100 개의 배치중에서 연마 속도와 연마 균일성의 변화를 포함하는 테스트의 결과를 나타낸다. 그래프에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 연마 균일성 및 연마 속도 (20 ㎚/min) 의 각각의 변화는 100 개의 배치 (500 개의 피이스) 에 대응하는 장시간 동안 5% 미만으로 유지된다. 따라서, 종래 장치의 문제점인 연마 속도의 불균일성은 본 발명의 의해 해결되었음이 명백하다.
도 13 은 도 6 에 도시한 제 3 실시예에 의한 탄성 부재 (29) 내에 발생된 응력의 분포를 나타낸다. 도 14 는 종래의 연마 장치에 의한 탄성 부재 (200) 내에 발생된 응력의 분포를 나타낸다. 연마 패드 (202) 는 탄성 부재 (200) 에 부착된다.
도 14 에 도시한 바와 같이, 종래 장치에 의하면, 탄성 부재 (200) 가 압력 (P1) 에 응답하여 압축되면, 압축된 영역의 이웃 영역은 돌출 (이하 "리바운드 돌출" 이라 한다) 하여 압축된 영역에 대응하는 체적을 갖는다. 결과적으로, 웨이퍼는 큰 압력으로 연마 패드의 리바운드 돌출부 (204) 에 의해 국부적으로 압축된다. 결과적으로, 연마 패드 (202) 로부터 웨이퍼로 인가된 압력의 분포는 균일하지 않게 되어 웨이퍼상의 연마 속도 분포는 균일하지 않을 수 있다.
반대로, 도 13 에 도시한 제 3 실시예의 연마 장치에 의하면, 탄성 부재 (29) 에 그루브 (30) 가 설치되므로, 이러한 리바운드 돌출부는 방지된다. 결과적으로, 웨이퍼는 균일한 연마 속도 분포로 연마될 수 있다.
도 15 는 도 6 에 도시한 제 3 실시예에 의한 탄성 부재 (29) 내에 발생된 응력의 분포를 나타낸다. 도 16 은 종래의 또다른 연마 장치에 의한 탄성 부재 (212) 내에 발생된 응력의 분포를 나타낸다. 탄성 부재 (210) 는 연마 패드 (212) 와 부착된다. 연마 패드 (212) 와 탄성 부재 (210) 에는 연마 패드 (212)를 통해 탄성 부재 (210) 의 중간으로 수직으로 연장하는 그루브 (214) 가 설치된다.
종래의 연마 장치에 의하면, 전단 응력 (P2) 이 연마 공정동안 발생하여 탄성 부재 (210) 에 직접 인가된다. 그러므로, 탄성 부재 (210) 는 수평적으로 변형된다. 이 경우, 탄성 부재 (210) 는 충분한 완충 효과를 제공하지 않으므로, 연마 패드 (212) 는 웨이퍼 표면의 전체적인 기복에 순응하지 않는다. 결과적으로, 연마 속도 분포는 웨이퍼상에서 균일하지 않다.
반대로, 도 5 에 도시한 제 3 실시예의 연마 장치에 의하면, 지지층 (12) 은 (그루브에 의해 분리되지 않고) 통합적으로 형성되고, 전단 응력에 대하여 팽창하지 않는다. 종래의 경우, 전단 응력은 기본 탄성 부재에 의해 지지된다. 이 종래의 경우, 전단 응력은 내부 및 주변 링 (136, 134) 에 의해 지지된다. 탄성 부재 (29) 는 압축되어 측면으로 변형됨으로써 완충 효과를 제공하고, 연마 패드 (11, 12) 는 웨이퍼 표면의 전체적인 기복에 순응할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 연마 패드에 주름이 발생하는 것을 방지하여 실리콘 웨이퍼는 장시간동안 균일하게 연마될 수 있다.
본 발명의 상술한 설명은 다양한 변형과 변경이 가능하며, 동등물은 첨부된 도면의 범위내에서 이해가능하다.

Claims (20)

  1. 반도체 웨이퍼와 접촉하는 연마 패드;
    연마 패드를 회전시키는 턴테이블; 및
    턴테이블과 연마 패드 사이에 배열된 탄성 부재를 구비하고;
    상기 연마 패드는 슬러리를 유지하는데 양호한 특성을 갖는 물질로 이루어진 연마층; 및 연마층이 느슨해지는 것을 방지하기 위하여 최적의 두께를 갖는 강성 물질로 이루어진 지지층을 구비하며, 상기 연마 패드는 접착제없이 스트레치 홀딩법에 의해 턴테이블에 부착된 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼를 연마하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성 부재는 그루브를 갖는 표면에 설치되어 상기 표면을 각각의 부분으로 분할하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연마층은 그루브를 갖는 표면에 설치되어 상기 표면을 각각의 부분으로 분할하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지층은 분할되지 않은 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지층은 폴리에틸렌, 초고분자 폴리에틸렌, 아크릴, 테프론, 폴리프로필렌, 폴리우레탄 및 폴리에스테르로부터 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 연마 패드가 압력의 최적 분포로 반도체 웨이퍼로 압축되도록 턴테이블 및 탄성 부재 사이에 배열된 볼록 부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지층은 상기 연마층보다 얇은 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 연마층과 상기 지지층은 동일 물질로부터 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 지지층은 수지를 연마층에 주입함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 수지는 높은 점성을 갖는 우레탄 수지인 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 수지는 상기 연마층의 두께의 약 3 분의 1 의 깊이로 주입되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 연마 공정동안 회전하는 턴테이블;
    접착제 없이 스트레치 홀딩법에 의해 턴테이블에 부착되고 반도체 웨이퍼와 접촉하는 연마 패드;
    상기 턴테이블과 상기 연마 패드 사이에 배열되고 그루브를 갖는 표면에 설치되어 상기 표면을 각각의 부분으로 분할하는 탄성 부재; 및
    상기 연마 패드가 압력의 최적의 분포로 반도체 웨이퍼로 압축되도록 상기 턴테이블과 상기 탄성 부재 사이에 설치된 볼록 부재를 구비하는 반도체 웨이퍼 연마 장치로서;
    상기 연마 패드는,
    (1) 슬러리를 유지하는데 양호한 특성을 갖는 물질로 이루어지고 그루브를 갖는 표면에 설치되어 상기 표면을 각각의 부분으로 분할하는 연마층; 및
    (2) 상기 연마층이 느슨해지는 것을 방지하기 위하여 최적의 두께를 갖는 강성 물질로 이루어지고 연마층보다 얇게 형성된 지지층
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 웨이퍼를 연마하는 장치.
  13. 슬러리를 유지하는데 양호한 특성을 갖는 물질로 이루어지고 반도체 웨이퍼와 접촉하여 반도체 웨이퍼를 연마하는 연마층; 및
    상기 연마층이 느슨해지는 것을 방지하기 위하여 최적의 두께를 갖는 강성 물질로 이루어진 지지층
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 접착제없이 스트레치 홀딩법에 의해 턴테이블에 부착된 연마 패드.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 연마층은 그루브를 갖는 표면에 설치되어 상기 표면을 각각의 부분으로 분할하고, 지지층은 분할되지 않은 것을 특징으로 하는 연마 패드.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 지지층은 폴리에틸렌, 초고분자 폴리에틸렌, 아크릴, 테프론, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리에스테르로부터 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 연마 패드.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 지지층은 상기 연마층보다 얇은 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 연마 패드.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 연마층과 상기 지지층은 동일 물질로부터 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 연마 패드.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 지지층은 수지를 상기 연마층으로 주입함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 연마 패드.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 수지는 높은 점성을 갖는 우레탄 수지인 것을 특징으로 하는 연마 패드.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 수지는 상기 연마층의 두께의 약 3 분의 1 의 깊이로 주입되는 것을 특징으로 하는 연마 패드.
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