KR100350290B1

KR100350290B1 - 멀티-웨이퍼 폴리싱 장치

Info

Publication number: KR100350290B1
Application number: KR1019990050254A
Authority: KR
Inventors: 로파로마이클에프.
Original assignee: 인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
Priority date: 1998-12-04
Filing date: 1999-11-12
Publication date: 2002-08-28
Also published as: CA2288621A1; US6478665B2; US20010005669A1; US6186877B1; JP3111068B2; TW415874B; KR20000047629A; JP2000173960A

Abstract

본 발명은 중앙 플래튼 축(central platen axis)을 중심으로 회전하는 폴리싱 플래튼(polishing platen)을 포함하고, 웨이퍼가 회전하는 동안 상기 웨이퍼 표면의 일부분이 상기 플래튼의 폴리싱 면에 간헐적으로만 접촉하도록 해주는 회전 운동을 하도록 상기 웨이퍼를 지지하는 웨이퍼 캐리어(wafer carrier)를 포함하는 웨이퍼 폴리싱 장치를 개시한다. 상기 폴리싱 장치는 중앙 플래튼 축을 중심으로 회전하고 수직으로 적층된 복수의 폴리싱 플래튼, 및 적층된 복수의 웨이퍼 캐리어―여기서 각 캐리어는 웨이퍼가 회전 운동, 및 상기 폴리싱 플래튼 중 어느 하나에 접촉시키기 위한 수직 운동을 하도록 웨이퍼를 지지함―을 포함할 수 있다. 폴리싱이 이루어지는 동안, 상기 캐리어 팩은 웨이퍼가 상기 웨이퍼의 전체 표면보다 적은 면적에 걸쳐 상기 플래튼과 계속 접촉하도록 유지한다.

Description

멀티-웨이퍼 폴리싱 장치 {MULTI-WAFER POLISHING TOOL}

본 발명은 반도체 소자의 제조에 사용되는 장비, 보다 구체적으로는 반도체 웨이퍼(semiconductor wafers)에 대해 화학 기계적 폴리싱(chemical mechanical polishing; CMP)을 수행하는 장비에 관한 것이다.

화학 기계적 폴리싱(CMP)은 집적 회로(integrated circuit; IC) 소자의 제조에 있어서 필수 불가결한 단계이다. IC 제조 공정의 몇몇 단계에서는, 먼저 형성된 층(layer)이 평탄면(planar surface)이 되지 않으면 반도체 기판(substrate)에 후속 층이 형성될 수 없다. 이들 층을 평탄화(planarize) 하기 위해 CMP 공정이 사용된다. 제조 공정의 단계에서, 산화층(oxide layer) 상에서 평탄면을 얻는 것이 요구될 수 있다. 또는, 반도체 소자를 제조하는 다른 단계에서는, 금속의 정합층(conformal layer)이 유전층 내의 비아(via) 내부를 채우기 위해 유전층(dielectric layer) 전체를 덮는 방식으로 증착된다. 이 후, 블랭킷 금속층(blanket metal layer)은 CMP 공정에 의해 상기 유전층의 표면까지 폴리싱된다. 이러한 CMP 공정에서는, 상기 비아 내부의 금속이 과도하게 디싱되어(dished), 즉 상기 유전층의 상부 표면 아래가 과도하게 제거되거나 상기 유전층이 과도하게 얇게되어, 나중에 불량이 되는 일이 없도록 상기 유전층에서 폴리싱을 중단시키기 위해 상기 금속 및 유전성 소재의 제거 비율(removal rate)은 유사하지 않도록 되는 것이 중요하다.

일반적으로, 슬러리(slurry)의 화학적 조성은 평탄화 되어야 할 특정 층의 조성 및 특정 층 내의 특성에 따라 제거 비율을 조절하도록 선정된다. 상기 CMP 장치(tool)에 제공되는 슬러리의 화학적 조성은 별개로 하고, 두 가지의 기계적 파라미터(parameter)가 상기 제거 비율을 결정하는데 중요한 역할을 한다. 상기 파라미터는 상기 웨이퍼와 상기 폴리싱 패드 사이의 회전 속도, 및 상기 폴리싱 패드에 대하여 상기 웨이퍼를 누르도록 아래쪽으로 작용하는 힘(이하 '하향력(下向力)'이라 함)이다. 상기 회전 속도 또는 하향력을 증가시키면 제거 비율이 보다 높게 된다. 반대로, 상기 회전 속도 또는 하향력을 감소시키면 제거 비율이 보다 낮게 된다.

일반적으로 사용되는 CMP 폴리싱 장치는 단지 한 번에 하나의 웨이퍼 또는 많아야 몇 개의 웨이퍼 밖에 처리하지 못한다. 종래의 CMP 폴리싱 장치에서는 각 웨이퍼의 전체 표면이 상기 폴리싱 패드에 접촉되어 놓여야 하므로 한 번에 폴리싱 될 수 있는 웨이퍼의 개수가 제한된다. 200mm 지름의 일반적인 웨이퍼에서, 기존의 몇몇 CMP 장치는 일반적으로 많아야 두 개의 웨이퍼를 동시에 폴리싱한다. 아주 대형의 CMP 폴리싱 장치는 단일 대형 디스크 형상의 폴리싱 패드 상에서 한 번에 200mm 웨이퍼 다섯 개만큼을 폴리싱 할 수 있다.

도 14를 참조하면, CMP는 일반적으로 대략 지름이 60cm의 디스크 모양인 대형 회전 플래튼(platen; 118)을 갖는 장치 상에서 작업된다. 웨이퍼(114)는 캐리어(116)에 의해 회전 플래튼(118)을 덮고 있는 패드(119) 상으로 표면이 아래로 향하게 지지된다. 웨이퍼(114)는 디스크 외주(outer perimeter; 121)와 중심(125)으로부터 반지름 R로 정해지는 내측 원(123) 사이에 배치된다. 플래튼(118)의 회전 속도는 상기 플래튼의 내측 원(123)에서보다 외주(121) 근처에서 더 높으므로, 상기 웨이퍼는 위치에 따른 속도 차이―여기서 속도 차이는 위치 차이에 따라 상기 웨이퍼 표면의 폴리싱 비율이 달라지는 결과가 될 수 있음―를 줄이기 위해 폴리싱이 이루어지는 동안 회전된다. 그러나, 상기 시도에도 불구하고, 상기 웨이퍼의 외주와 상기 웨이퍼 중심에 가까운 지점 사이에는 여전히 회전 속도의 차이가 존재한다. 결과적으로, 상기 웨이퍼의 외주와 내측 면 사이에서 균일한 폴리싱 비율이 얻어지지 않는다.

상이한 웨이퍼 위치에서의 상기 회전 속도 차이 때문에, 140rpm을 초과하는 회전 속도에서의 CMP 작업은 바람직하지 않은 것으로 간주된다. 종래의 CMP 폴리싱 장치에서, 상기 디스크 플래튼의 회전 속도는 대개 10에서 140rpm 사이의 범위 내에서 유지된다.

종래의 10 내지 140rpm 사이의 플래튼 회전 속도에서는, 웨이퍼 처리의 한계 비율조차 얻는 CMP를 수행할 수 있도록 상기 웨이퍼를 플래튼(118)쪽으로 누르도록 적어도 5 내지 9 psi까지의 힘(하향력)이 가해져야 한다. 5 내지 9 psi의 하향력을 가하는 것은 원하는 처리 작업량을 얻기 위한 일반적인 일이다. 공지된 상기 웨이퍼/플래튼 경계 영역(interface)에서 보다 큰 하향력의 결과는 상이한 조성의 형태(feature)에서 상기 제거 비율의 차이를 증가시키는 경향이 있다. 보다 큰 하향력은 산화층 내의 금속 형태에 디싱을 증가시키고, 궁극적으로 상이한 조성의 형태 또는 상이한 패턴의 밀도를 갖는 형태를 포함하는 층들을 폴리싱하는 경우에 평탄성이 감소되는 결과를 가져온다.

웨이퍼의 처리량은 CMP 장치의 성능에 있어서 하나의 척도이다. 또한 다른 척도도 있다. 바람직하게는, CMP 장치는 구입 및 운전 비용이 저렴하여야 하고, 반도체 공장 내에서 작은 공간을 차지하여야 하며, 전체적 균일성은 물론 국부적 평탄도가 적절하고 일관되도록 폴리싱 하여야 하며, 높고 일관된 처리량을 제공하여야 한다.

종래의 CMP 폴리싱 장치는 필요 이상으로 대형이고 고가이며, 다음에서 개시되는 본 발명의 다단 폴리싱 장치(multi-level polishing tool)에 의해 처리될 수 있는 양보다 훨씬 낮은 처리량이 제공된다.

따라서 본 발명의 목적은 종래의 CMP 폴리싱 장치보다 훨씬 많은 처리량을 제공하는 CMP 폴리싱 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 종래의 CMP 폴리싱 장치보다 소형의 CMP 폴리싱장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 구입 및 작동이 종래의 CMP 폴리싱 장치보다 저렴한 CMP 폴리싱 장치를 제공하는 것이다.

그리고 본 발명의 또 다른 목적은 웨이퍼를 일관되고, 높은 품질로 처리하는 CMP 폴리싱 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 종래의 CMP 폴리싱 장치에 의해 제공되는 것보다 우수한 평탄도로 폴리싱하는 CMP 폴리싱 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 추가적인 목적은 웨이퍼의 세정과 건조 작업 및 후 측정(post measurement)과 단부점(endpoint) 감지가 동일한 위치에서 수행되는 완전히 통합된 CMP 폴리싱 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 좌우 웨이퍼 캐리어 팩(carrier pack; 12)이 측면에 위치된 플래튼 어셈블리(platen assembly; 10)를 도시하는 본 발명의 웨이퍼 폴리싱 장치의 평면도.

도 2는 본 발명의 웨이퍼 폴리싱 장치의 측면도.

도 3은 웨이퍼가 플래튼 어셈블리(10)의 폴리싱 패드(polishing pad; 16)와 접촉하여 폴리싱되도록 상방향으로 회전력을 가하기 위해 본 발명의 제1 실시예에 따라 구성되는 메커니즘의 상세도.

도 4A 및 도 4B는 중앙 플래튼 어셈블리(10) 및 좌우 캐리어 팩(12)을 구동하는 모터를 포함하는 하우징(80)의 평면도 및 측면도.

도 5는 대안적인 제1 선회형 결합 메커니즘을 도시하는 웨이퍼 캐리어 팩 및 폴리싱 플래튼 어셈블리의 평면도.

도 6은 대안적인 제2 슬라이드형 결합 메커니즘을 도시하는 웨이퍼 캐리어 팩 및 폴리싱 플래튼 어셈블리의 평면도.

도 7은 웨이퍼를 회전시키기 위해 구동 샤프트 및 구동 풀리가 사용되는 실시예에서의 3단 웨이퍼 캐리어 팩의 측면도.

도 8은 도 7에 도시된 실시예에 사용되는 웨이퍼 캐리어(22)의 평면도.

도 9는 도 8에서 선 9' - 9'를 통해 도시하는 단면도.

도 10은 도 9의 부분 확대도.

도 11은 웨이퍼를 회전시키기 위해 구동 기어가 사용되는 실시예에서 사용되고, 상부 및 바닥 베이스 부재(24a, 24b)를 포함하는 웨이퍼 캐리어(22)의 평면도.

도 12는 도 11에서 선 12' -12'를 통해 도시하는 단면도.

도 13은 도 12의 부분 확대도.

도 14는 종래의 기술인 CMP 폴리싱 장치(polisher)의 사시도.

본 발명의 상기 목적 및 또 다른 목적은 본 발명에 따른 상기 웨이퍼 폴리싱 장치에 의해 제공된다. 본 발명의 첫 번째 특징에서, 상기 웨이퍼 폴리싱 장치는중앙 플래튼 축(central platen axis)을 중심으로 회전가능한 폴리싱 플래튼, 및 상기 웨이퍼가 회전할 때 상기 웨이퍼의 표면 부분이 상기 플래튼의 폴리싱 면에 간헐적으로만 접촉하도록 웨이퍼를 지지해주는 웨이퍼 캐리어를 포함한다.

본 발명의 두 번째 특징에 따르면, 웨이퍼 폴리싱 장치는 중앙 플래튼 축을 중심으로 회전가능한 폴리싱 플래튼, 및 웨이퍼의 회전 운동과 상기 웨이퍼의 전체 표면보다 적은 면적에 걸쳐서 상기 플래튼과 계속적인 접촉을 지지해주는 웨이퍼 캐리어를 포함하는 것으로 제공된다.

본 발명의 다른 관점에 따르면, 웨이퍼 폴리싱 장치는 중앙 플래튼 축을 중심으로 회전가능하고 수직으로 적층된 복수의 폴리싱 플래튼, 및 각 캐리어가 회전 운동, 및 상기 폴리싱 플래튼 중 어느 하나에 접촉시키기 위해 수직 운동을 하는 적층된 복수의 웨이퍼 캐리어를 포함하는 것으로 제공된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 웨이퍼 폴리싱 장치는 중앙 플래튼 축을 중심으로 회전가능하고 수직으로 적층된 복수의 폴리싱 플래튼, 및 복수의 웨이퍼가 회전 운동을 하도록 해주는 캐리어 팩(carrier pack)―여기서 캐리어 팩은 웨이퍼가 전체 표면보다 적게 상기 플래튼 위에 계속적으로 접촉하도록 상기 웨이퍼를 유지함―을 포함한다.

본 발명의 보다 바람직한 실시예가 다음과 같이 본 명세서에 개시된다.

도 1은 좌우 웨이퍼 캐리어 팩(12)이 측면에 위치된 플래튼 어셈블리(10)를 도시하는 본 발명에 따른 웨이퍼 폴리싱 장치의 평면도이다. 상기 도면의 측면도인 도 2를 참조하면, 플래튼 어셈블리(10)는 각각의 밑면에 폴리싱 패드(16)가 부착된 복수의 폴리싱 플래튼(14)을 포함한다. 각 폴리싱 플래튼은 플래튼 어셈블리(10)의 중앙 구동 샤프트(18)에 결합되도록 중앙 개구부를 갖는 단단하고 평탄한 디스크이다. 플래튼(14)은 중앙 샤프트(18)에 부착되는 하나 이상의 스페이서(spacer; 20)에 의해 다른 플래튼(14)에 대하여 수직으로 이격되도록 고정되어 설치된다. 상기 플래튼은 샤프트(18) 및 스페이서(20)에 대하여 안정적인 회전 운동을 위한 회전 관성을 제공하기 위해 대체로 견고하고 충분한 매스(mass)로 구성되는 것이 바람직하다. 양호한 관성 특성을 가지고 분당 수백에서 수천 회전수로 상기 플래튼을 회전시킬 수 있는 안정된 시스템이 필수적이다. 본 발명의 개발 과정에서 연구된 상기 회전 시스템의 하나가 IBM사에서 제조되는 모델 번호 제3380호의 멀티-디스크 직접 액세스 저장 장치(multi-disk direct access storage device; DASD) 드라이브이다.

도 2를 참조하면, 웨이퍼 캐리어 팩(12) 각각은 복수의 웨이퍼 캐리어(22)를 포함한다. 각 웨이퍼 캐리어(22)는 웨이퍼를 지지하고 상기 웨이퍼의 회전을 유발시키거나 허용하는 내부 부품―상기 내부 부품은 다음에 기술될 것임―을 갖는 베이스(24)를 포함한다. 각 웨이퍼 캐리어(22)는 상기 웨이퍼 및 플래튼(14)의 회전에도 불구하고 상기 웨이퍼가 제자리를 유지하도록 상기 웨이퍼 주위의 대부분을 포함하여 상기 웨이퍼의 외주를 에워싸는 링(26)을 포함한다. 도 1에 도시되는 바와 같이, 링(26)의 단부(28)는 링(26)에 의해 에워싸이는 웨이퍼 베드(38)의 대략 중앙과 동일한 면에 배치된다. 도 1을 참조하면, 캐리어 팩(12)은 고정된 레일(68)을 따라 플래튼 어셈블리(10)의 방향으로 향하거나 플래튼 어셈블리(10)로부터 멀어지는 방향으로 이동할 수 있다. 폴리싱이 이루어지는 동안, 캐리어 팩(12)은 레일(68)을 따라 왕복하여, 각 웨이퍼의 표면이 대체로 상기 웨이퍼 표면 상의 특정한 위치에서 시간에 관계없이 동일한 양으로 폴리싱된다.

도 1을 또한 참조하면, 캐리어 팩(12)의 각 웨이퍼 위에는 광학식 단부점 감지 메커니즘(optical endpoint detection mechanism; 21), 스트로브 라이트(strobe light; 23), 및 세정용 브러시(25)가 설치된다. 상기 광학적 측정 및 단부점 감지 메커니즘(21)의 목적은 상기 웨이퍼가 웨이퍼 캐리어(22)에 탑재되어 있거나 폴리싱이 이루어지는 동안에도 본래의 단부점 감지를 허용하기 위함이다. 스트로브 라이트(23)는 광학적 측정 및 단부점 감지 메커니즘(21) 내의 영상 렌즈(imaging lens)에 의한 포착을 위해 정위치에서 가동 웨이퍼의 영상을 고정시킨다. 이 후, 측정 및 감지 메커니즘(21)은 상기 폴리싱 공정의 단계를 정확하게 측정하고 피드백(feedback)을 위한 데이터를 상기 폴리싱 공정을 담당하는 조작자 및/또는 자동 제어 장치에 제공한다. 브러시(25)는 클리닝 효과를 최대화하기 위해 웨이퍼 회전 방향과 반대로 구동되는 것이 바람직하다.

도 3은 웨이퍼가 플래튼 어셈블리의 폴리싱 패드(16)와 접촉하여 폴리싱되도록 상향 회전력을 가하기 위해 본 발명의 제1 실시예에 따라 구성되는 메커니즘의 상세도이다. 웨이퍼 캐리어(22)의 상향 이동은 리프팅 슬리브(lifting sleeve; 29)에 작용하는 수직 상승력(vertical lifting force)에 의해 부여된다. 리프팅 슬리브(29)는 웨이퍼 캐리어(22)의 최하부 베이스(nearest base; 32)에서 서로 링크되고, 교대로 수직 운동하는 리프트 샤프트(33)―여기서 리프트 샤프트는 작용되는 수직력의 크기 및 타이밍을 정밀하게 제어하는 음성 코일 모터(voice coil motor; 88)(도 4B 참조)에 의해 움직이는 것이 바람직함―에 링크된다. 리프팅 슬리브(29)는 지지 샤프트(support shaft; 31)를 에워싸고 웨이퍼 캐리어(22)를 캐리어 팩(12) 내에서 보다 높은 곳으로 이동시키기 위해 상기 상승력을 수직으로 전달한다.

도 3에 또한 도시되는 바와 같이, 캐리어 어셈블리(12)는 자신의 베이스(32)로부터 복수의 웨이퍼 캐리어(22)를 거쳐 자신의 최상부(34)로 연장되는 구동 샤프트(30)와 함께 제공된다. 구동 샤프트(30)는 웨이퍼 캐리어(22)에 각각 결합되는 2차 구동 기어(42)와 결합되기 위해 설치되는 복수의 구동 기어(36)와 함께 제공된다.

도 11은 상부 및 바닥 베이스 부재(24a, 24b), 웨이퍼 베드(38), 2차 구동 기어(42) 및 가이드 기어(46)를 포함하는 웨이퍼 캐리어(22)의 평면도이다. 웨이퍼 캐리어(22)는 웨이퍼 캐리어 팩(12)의 구동 샤프트(30)에 설치된 구동 기어(36)로부터 2차 구동 기어(42)를 통해 회전력을 받을 수 있도록 결합될 수 있다. 교대로 회전하는 2차 구동 기어(42)는 웨이퍼 베드(38)에 고정된 기어(40)를 회전시킨다. 가이드 기어(46)는 2차 구동 기어(42)에 응답하여 웨이퍼 베드(38)의 운동을 가이드 하기 위해 기어(40)의 외주(periphery)를 따라 제공된다.

도 11에 따르면, 웨이퍼 베드(38) 및 여기에 결합되는 기어(40)는 가이드 기어(46)에 의해 측방향으로 적당하게 유지된다. 도 12는 도 11에서 선 12' -12'를 통해 도시되는 단면도이다. 도 13은 도 12를 부분적으로 확대하여 도시한다. 도 12 및 도 13에 도시되는 바와 같이, 웨이퍼 베드(38)를 가이드하기 위해 베이스(24)의 상부 및 하부 베이스 부재(24a, 24b) 내에 정해지는 오목부(concavity; 48) 내에는 볼 베어링(44)이 제공되는 것이 바람직하다. 볼 베어링(44)은 웨이퍼 베드(38) 내에 배치되는 그루브(groove; 도시되지 않음) 내에서 활주된다. 또는, 볼 베어링 세트(44)를 수용하는 레이스(race; 도시되지 않음)가 하부 부재(24b) 및 웨이퍼 베드(38) 내의 대응하는 그루브 내에 고정되는 볼 베어링의 제2 레이스와 함께 상부 부재(24a) 및 웨이퍼 베드(38) 내의 대응하는 그루브내에 고정될 수 있다.

도 4A 및 도 4B는 중앙 플래튼 어셈블리(10) 및 좌우 캐리어 팩(12) 구동용 모터를 포함하는 하우징의 평면도 및 측면도를 각각 도시한다. 도 4A에 도시되는 바와 같이, 하우징(80)은 플래튼 구동 샤프트(18)에 장착된 풀리(84)를 벨트로 구동시키는 1차 모터(82)를 포함한다. 회전력을 부여하는 웨이퍼 캐리어 구동 모터(86) 및 상기 기술된 바와 같이 웨이퍼 캐리어(22)에 상승력을 부여하는 음성 코일 모터(88)가 또한 근접한 위치에 도시된다.

도 11 내지 도 13과 관련하여 상기 도시 및 기술된 바와 같이, 회전 구동 메커니즘의 대안이 도 7 내지 도 10과 관련하여 기술될 것이다. 상기 실시예에서, 수직 상승 메커니즘은 대체로 도 3 및 도 11 내지 도 13과 관련하여 도시되는 바와 동일하며 추가로 기술될 필요는 없다. 도 7은 세 개의 각 웨이퍼 캐리어를 위한 베이스(24) 아래에 고정되는 구동 샤프트(31) 및 여기에 장착되는 구동 풀리(52)를 갖는 3단 웨이퍼 캐리어 팩의 측면도이다. 각 구동 풀리(52)는 웨이퍼 캐리어(22)의 웨이퍼 베드(38)에 장착된 웨이퍼 베드 풀리(54)와 구동 벨트(56)에 의해 링크된다.

도 8은 상부 및 하부 베이스 부재(24a, 24b), 웨이퍼 베드(38) 및 가이드 롤러(58)를 포함하는 상기 구동 메커니즘의 본 실시예에 대한 웨이퍼 캐리어(22)의 평면도이다. 웨이퍼 베드(38)는 여기에 장착된 웨이퍼 베드 풀리(54)에 의해 회전된다. 웨이퍼 베드(38)의 외주를 따라 제공되는 가이드 롤러(58)는 웨이퍼 베드 풀리(54)의 회전에 응답하여 웨이퍼 베드(38)의 운동을 가이드한다.

도 9는 도 8에서 선 9' - 9'를 통해 도시되는 단면도이다. 도 10은 도 9를 부분적으로 확대하여 도시한다. 도 11 내지 도 13과 관련한 실시예에 기술되는 바와 같이, 웨이퍼 베드(38)의 회전을 가이드하기 위해 볼 베어링(44)이 제공된다. 그러나, 볼 베어링(44)은 베이스(24)의 상부 및 하부 베이스 부재(24a, 24b) 내의 비대칭(asymmetric) 위치에 배치되는 오목부(60) 내에 제공되는 것이 바람직하다. 이러한 방식에서는, 힘이 웨이퍼 베드(38)의 원주 상에 보다 균일하게 분포되고, 이것은 원하는 하드웨어를 보다 간단하게 제조할 수 있으며/있거나 베어링이 보다 적게 사용되는 경우, 웨이퍼 베드(38)의 외주를 따르는 매스가 감소될 수 있으므로 회전 안정성이 증가된다.

도 5 및 도 6은 웨이퍼 캐리어 팩(12)을 플래튼 어셈블리(10)가 있는 위치로 이송시켜 웨이퍼가 폴리싱 될 수 있도록 하는 체결 메커니즘(engaging mechanism)의 실시예를 각각 도시한다. 도 5는 상기에서 캐리어 팩(12)이 플래튼 어셈블리(10)에 접근 및 이격되도록 대개 원호(arc; 64)를 따라 고정핀(62)에 대하여 선회하는 하나의 실시예에서의 캐리어 팩(12)과 플래튼 어셈블리(10)와의 관계를 도시한다. 상기 방법에서, 일단 웨이퍼가 캐리어 팩(12)에 탑재되는 경우, 전체 캐리어 팩(12)은 개별의 웨이퍼가 각각의 플래튼(14)에 의해 폴리싱 될 수 있는 위치로 선회된다. 폴리싱이 이루어지는 동안, 캐리어 팩(12)은 앞서 도 1을 참조하여 실시예에서 기술된 바와 같이, 상기 전체 웨이퍼 표면의 균일한 폴리싱을 제공하기 위해 자신의 선회점을 중심으로 가볍게 진동 운동한다.

도 6은 캐리어 팩(12)과 플래튼 어셈블리(10)와의 관계를 도시하고, 상기에서 캐리어 팩(12)은 플래튼 어셈블리(10)의 방향으로 향하거나 플래튼 어셈블리(10)로부터 멀어지는 방향으로 이동하도록 고정 레일(68)을 따라 이동된다. 상기 실시예에서, 캐리어 팩(12)은, 축(72)방향으로는 고정되도록 결합되어 캐리어 팩(12)을 지지하는 복수의 레일 가이드(70)를 포함한다. 도 6에 도시되는 바와 같이 일단 웨이퍼가 캐리어 팩(12)에 탑재되는 경우, 캐리어 팩(12) 전체는 개별의 웨이퍼가 각각의 플래튼(14)에 의해 폴리싱 될 수 있는 위치로 레일(68)을 따라 이동된다.

작동 중에, 웨이퍼 캐리어 팩(12)은 레일(68)을 따르는 이동(도 6 참조) 또는 선회 샤프트(62)를 중심으로 하는 이동에 의해 플래튼 어셈블리(10)로부터 체결이 해제된다. 이 후, 수동 또는 자동 수단에 의해 웨이퍼가 캐리어 팩(12)의 캐리어(22)에 탑재된다. 바람직한 자동 로더(loader)는 쌍을 이루는 다수의(multiple pairs) 웨이퍼 펜슬(pencils: 로봇 팔의 손가락)을 갖고, 상기 각 쌍의 펜슬은 웨이퍼를 집어 로봇 팔의 한번 훑는 동작으로 여러 개의 웨이퍼가 웨이퍼 카세트로부터 캐리어(22)에 탑재되도록 한다. 또한, 웨이퍼는 진공 핑거(vacuum finger)의 흡입력(vacuum)에 의해 픽업(pick-up)되고 유지될 수 있으며 상기 로봇에 의해 웨이퍼 캐리어(22)에 놓여진다.

웨이퍼가 탑재된 후, 웨이퍼 캐리어 팩(12)은 슬라이드(도 6 참조)되거나 선회(도 5 참조)되고 플래튼 어셈블리의 관련 위치(도 1 및 도 2 참조)에 체결된다. 구동 모터(82, 86) 각각을 통해 플래튼(14) 및 웨이퍼 베드(38)에 회전 운동이 부여되고, 다음에 웨이퍼 캐리어(22)는 자신과 결합된 리프팅 슬리브(29)에 링크되는 수직 구동 모터(88)에 의해 폴리싱 위치로 상승된다. 음성 코일 모터가 바람직한 수직 구동 모터에 제공되는 적절한 신호에 의해, 플래튼에 대한 웨이퍼의 폴리싱 압력은 미세하게 제어되고, 특정한 폴리싱 목적에 부합되기 위해 폴리싱 되는 동안 상이한 레벨을 통해 증가, 감소 또는 순환될 수 있다. 또한, 상기 음성 코일 모터에 작용되는 수직력을 보다 미세하게 제어하기 위해 웨이퍼 캐리어에 장착된 수직력 변환기로부터의 피드백 신호가 상기 음성 코일 모터에 제공될 수 있다.

본 발명의 회전 구동 메커니즘은 웨이퍼를 분당 수백에서 수천 회전(rpm) 및 이제까지보다 훨씬 높은 플래튼 회전 속도로 허용하므로, 바람직한 제거 비율이 여전히 유지되는 동시에 웨이퍼의 폴리싱 압력은 매우 감소될 수 있다. 상기 방법으로, 폴리싱이 이루어지는 동안 보다 양호한 평탄성을 얻을 수 있고, 디싱을 훨씬 적게 할 수 있다.

폴리싱이 이루어지는 동안, 폴리싱 슬러리는 플래튼 어셈블리(10)와 연관되는 다공성(예를 들어 스폰지같은)의 애플리케이터(applicator)를 통해 웨이퍼, 또는 대안으로서, 폴리싱 패드(16)의 아래쪽에 제공된다. 브러시(25)는 폴리싱이 이루어지는 동안 긁히는 것을 감소시키고 보다 양호한 폴리싱 제어를 제공하기 위해 웨이퍼로부터 연마재(abrasive materials)를 제거한다. 웨이퍼의 표면 전체에 폴리싱 균일성을 제공하기 위해, 레일(68; 도 6 참조)의 방향으로 또는 선회 샤프트(62; 도 5 참조)에 대하여 플래튼 어셈블리(10)의 방향으로 향하거나 플래튼 어셈블리(10)로부터 멀어지는 방향으로 진동 운동이 제공된다.

캐리어 팩(12)이 플래튼 어셈블리(10)와 체결되는 동안 또는 폴리싱 되는 동안, 스트로브 라이트(23)에 의해 상기 웨이퍼 표면 위에 제공되는 측정 및 감지 시스템(21)은 감시 또는 단부점 감지 목적을 위해 실시간 측정을 한다. 단부점 감지 신호는 추측 또는 샘플에 의존하기보다 오히려 폴리싱이 실행되는 동안 폴리싱되고 있는 웨이퍼로부터 직접 제공된다.

본 발명은 바람직한 특정 실시예에 따라 본 명세서에 기술되었으나, 당업자는 첨부된 특허청구범위에 명시되는 본 발명의 진정한 범위와 정신을 벗어나지 않고 많은 변경 및 향상이 이루어질 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

본 발명의 웨이퍼 폴리싱 장치에 따르면, 종래의 CMP 폴리싱 장치보다 훨씬 많은 처리량을 제공하고, 소형이며, 저렴하고, 웨이퍼를 일관되고 높은 품질로 처리하며, 우수한 평탄도로 폴리싱하는, 완전히 통합된 CMP 폴리싱 장치를 통한 웨이퍼 폴리싱이 가능하다.

Claims

중앙 플래튼 축을 중심으로 회전하는 폴리싱 플래튼; 및

웨이퍼가 회전할 때 상기 웨이퍼 표면의 일부분이 상기 플래튼의 폴리싱 면에 간헐적으로만 접촉하도록 해주는 회전 운동을 하도록 상기 웨이퍼를 지지하는 복수의 웨이퍼 캐리어

를 포함하는 웨이퍼 폴리싱 장치.
제1항에 있어서,

상기 간헐적으로 접촉되는 상기 웨이퍼 표면의 부분이 상기 웨이퍼의 외주(outer perimeter)를 포함하는 웨이퍼 폴리싱 장치.
중앙 플래튼 축을 중심으로 회전하는 폴리싱 플래튼; 및

회전 운동 및 상기 웨이퍼의 전체 표면보다 적은 면적에 걸쳐 상기 플래튼과 계속 접촉하는 상기 웨이퍼를 지지하는 복수의 웨이퍼 캐리어

를 포함하는 웨이퍼 폴리싱 장치.
제3항에 있어서,

상기 웨이퍼 캐리어는 상기 웨이퍼 직경의 대략 절반이 상기 플래튼과 계속 접촉하도록 유지하는 웨이퍼 폴리싱 장치.
중앙 플래튼 축을 중심으로 회전하고, 수직으로 적층되는 복수의 폴리싱 플래튼; 및

수직으로 적층된 복수의 웨이퍼 캐리어―여기서 각 웨이퍼 캐리어는 웨이퍼가 회전 운동, 및 상기 폴리싱 플래튼 중 어느 하나에 접촉시키기 위한 수직 운동을 하도록 웨이퍼를 지지함―을 포함하는

웨이퍼 폴리싱 장치.
중앙 플래튼 축을 중심으로 회전가능하고, 수직으로 적층되는 복수의 폴리싱 플래튼; 및

복수의 웨이퍼가 회전 운동을 하도록 해주는 웨이퍼 캐리어 팩―여기서 캐리어 팩은 웨이퍼가 전체 표면보다 적은 면적에 걸쳐 상기 플래튼과 계속 접촉하도록 상기 웨이퍼를 유지함―

을 포함하는 웨이퍼 폴리싱 장치.
제6항에 있어서,

상기 웨이퍼 캐리어 팩이 복수의 웨이퍼 캐리어―여기서 복수의 웨이퍼 캐리어는 각각 평행한 평면, 및 플래튼과의 체결 위치와 플래튼과 의 체결이 해제되는 위치 사이의 이동을 허용하기 위한 적어도 한 쌍의 레일 각각에서 웨이퍼를 지지함 ―를 추가로 포함하는 웨이퍼 폴리싱 장치.
제7항에 있어서,

상기 웨이퍼 캐리어 팩은 상기 웨이퍼가 상기 폴리싱 플래튼의 방향과 상기 폴리싱 플래튼으로부터 멀어지는 방향으로 진동 운동을 하도록 해주는 웨이퍼 폴리싱 장치.
제6항에 있어서,

상기 웨이퍼 캐리어들이 상기 웨이퍼 외주의 외측에 있는 여러 점에서 서로 고정되는 웨이퍼 폴리싱 장치.
제6항에 있어서,

상기 웨이퍼 캐리어 팩에 수직력을 가하기 위해 결합되는 음성 코일 모터를 추가로 포함하는 웨이퍼 폴리싱 장치.
제6항에 있어서,

상기 음성 코일 모터에 피드백 입력을 제공하기 위해 상기 웨이퍼 캐리어 팩에 위치되는 수직력 변환기를 추가로 포함하는 웨이퍼 폴리싱 장치.
제6항에 있어서,

상기 웨이퍼 캐리어 팩이 선회 가능한 프레임 부재 및 선택적으로 체결 가능한 프레임 부재―여기서 선회 가능한 프레임 부재 및 선택적으로 체결가능한 프레임 부재는 플래튼과의 체결 위치와 플래튼과의 체결이 해제되는 위치 사이에서 상기 웨이퍼 캐리어 팩이 선회하는 것을 허용함―를 추가로 포함하는 웨이퍼 폴리싱 장치.
제12항에 있어서,

상기 캐리어 팩은 상기 웨이퍼가 상기 선회 가능한 프레임 부재에 대한 방향으로 진동 운동을 하도록 해주는 웨이퍼 폴리싱 장치.
제6항에 있어서,

상기 폴리싱 장치는 상기 웨이퍼의 폴리싱되는 면의 일부분이 상기 플래튼에 접촉할 때 상기 면의 다른 부분에 접촉하도록 배치되는 브러시를 추가로 포함하는 웨이퍼 폴리싱 장치.
제6항에 있어서,

상기 웨이퍼 캐리어는 표면이 위로 향하는 상기 웨이퍼를 지지하고 상기 표면이 위로 향하는 웨이퍼 표면을 향해 상기 회전하는 플래튼의 폴리싱 패드 면이 아래쪽으로 대향하는 웨이퍼 폴리싱 장치.
제15항에 있어서,

폴리싱 사이클 동안 상기 플래튼의 폴리싱 면과의 접촉을 유지하는 다공성 소재의 슬러리 애플리케이터(slurry applicator)를 추가로 포함하는 웨이퍼 폴리싱 장치.
제15항에 있어서,

폴리싱이 이루어지는 동안 표면이 위로 향하는 상기 웨이퍼에 접촉하도록 설치되는 브러시를 추가로 포함하는 웨이퍼 폴리싱 장치.
제6항에 있어서,

상기 웨이퍼 캐리어는 표면이 아래쪽 방향인 상기 웨이퍼를 지지하고 상기 표면이 아래로 향하는 웨이퍼를 향해 상기 회전가능한 플래튼의 폴리싱 패드 면이 위쪽으로 대향하는 웨이퍼 폴리싱 장치.
제6항에 있어서,

상기 웨이퍼 캐리어 팩이 상기 플래튼 어셈블리에 체결되어 있는 동안, 상기 웨이퍼의 폴리싱된 면으로부터 공정 감시 정보를 얻기 위해 설치되는 공정 모니터를 추가로 포함하는 웨이퍼 폴리싱 장치.
제6항에 있어서,

상기 웨이퍼 캐리어 팩이 중앙에서 구동되는(center-driven) 복수의 웨이퍼캐리어를 포함하는 웨이퍼 폴리싱 장치.
제20항에 있어서,

상기 중앙에서 구동되는 웨이퍼 캐리어가 모터로부터 회전력을 전달하기 위해 웨이퍼 베드에 고정된 풀리에 체결되는 벨트 구동 메커니즘을 포함하는 웨이퍼 폴리싱 장치.
제6항에 있어서,

상기 웨이퍼 캐리어 팩이 에지에서 구동되는(edge-driven) 복수의 웨이퍼 캐리어를 포함하는 웨이퍼 폴리싱 장치.
제22항에 있어서,

상기 에지에서 구동되는 웨이퍼 캐리어가 대략 상기 웨이퍼의 에지에 위치되는 외주를 갖는 웨이퍼 베드 기어를 포함하는 웨이퍼 폴리싱 장치.
제23항에 있어서,

상기 웨이퍼 캐리어 팩이 상기 웨이퍼 베드 기어와 구동 가능한 관계로 상기 웨이퍼 에지 근처에 배치되는 구동 기어를 추가로 포함하는 웨이퍼 폴리싱 장치.