KR100356755B1 - 씨엠피장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연마선 또는 연마 벨트를 이용한 가공을 통해 웨이퍼 가공면의 균일도 및 평탄도를 증진시키고, 연마선의 교체 주기를 연장시킴으로써 CMP 공정의 재현성을 증진시킬 수 있도록 한다는 것으로, 이를 위하여 본 발명은, 웨이퍼의 직경보다 적어도 큰 직경을 갖는 원형의 연마포를 회전 운동시킴으로서 웨이퍼의 표면을 연마하는 종래 장치와는 달리, 웨이퍼 표면에 접촉하는 복수의 연마선의 왕복 직선 운동을 이용하여 웨이퍼의 표면을 연마하기 때문에, 웨이퍼의 표면에 인가되는 압력이 국부적으로 다르고 웨이퍼의 가장자리와 중심 부분간의 속도차가 필연적으로 수반될 수밖에 없어 균일도 및 평탄도가 저하될 수밖에 없었던 전술한 종래 CMP 장치와는 달리, 웨이퍼 표면 전면에 걸쳐 일정한 연마 속도 및 압력을 제공할 수 있어 안정적인 균일도 및 평탄도를 얻을 수 있기 때문에 반도체 소자의 신뢰도를 향상시킬 수 있으며 이를 통해 제조 원가의 절감을 도모할 수 있는 것이다.

Description

CMP 장치

본 발명은 평탄화를 위한 화학 기계적 연마(CMP : Chemical Mechanical Polishing) 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 소자를 제조할 때 웨이퍼 표면을 연마하여 평탄화하는데 적합한 화학 기계적 연마(CMP) 장치에 관한 것이다.

최근 들어, 반도체 제조 기술의 발달로 인해 반도체 소자의 고집적화가 이루어지고 있는데, 반도체 소자의 고집적화를 이루기 위해서는 사진 공정의 마진(Margin) 확보 내지 배선 길이를 최소화하기 위한 하부막 평탄화 기술이 요구되고 있으며, 이러한 요구에 의해 최근 하부막을 평탄화하기 위한 방법으로 CMP 공정이 도입되고 있다.

CMP 공정은 반도체 소자의 제조 공정 중 전 공정에서 웨이퍼 표면에 형성된 막, 즉 하부막을 전면 평탄화하는 공정인 것으로, 미세 입자를 포함하는 화학 용액인 슬러리에 의해 웨이퍼 표면과 화학 반응하며, 슬러리와 화학 반응된 웨이퍼 표면을 연마포에 의해 물리적으로 연마하는 공정이다.

잘 알려진 바와 같이, 슬러리와 연마포를 이용하여 웨이퍼의 표면을 연마하는 CMP 공정에 사용되는 종래의 CMP 장치는 연마포를 회전 구동시키는 연마포 장치, 연마포 장치의 연마포 표면에 연마하고자 하는 웨이퍼의 표면이 접하도록 지지하는 웨이퍼 홀더 및 웨이퍼 표면을 화학 반응시키기 위한 슬러리를 주입시키기 위한 장치를 포함한다.

여기에서, 연마포 장치에 탑재되는 연마포는 연마하고자 하는 웨이퍼의 직경보다 적어도 큰 직경을 갖는 대략 원형의 형상을 가지고 회전 구동되는 것으로, 연마포가 회전 구동될 때 웨이퍼의 표면을 연마포에 접착함으로써 표면의 가공이 행해진다.

그러나, 상술한 바와 같은 구조를 갖는 종래의 CMP 장치는 연마 작업을 수행할 때 웨이퍼 표면에 인가되는 압력이 국부적으로 다르고, 웨이퍼의 가장자리와 중심 부근의 연마 속도가 다르기 때문에 웨이퍼 가공면의 균일도가 저하된다는 문제가 있으며, 이러한 문제는 웨이퍼의 평탄도를 저하시켜 신뢰도를 떨어뜨리는 요인으로 작용하고 있는 실정이다.

또한, 종래의 CMP 장치는 웨이퍼의 표면과 연마포의 압력에 의한 연마포의 변형으로 평탄도가 저하되는 디싱(Dishing) 현상이 발생하게 되는 단점을 가지며, 이러한 단점을 보완하기 위해서는 연마포를 자주 교체해 주어야 하는데, 이 경우 설비 가동율이 떨어질 뿐만 아니라 연마포의 빈번한 교체로 인해 CMP 공정 기준의 재현성이 떨어지는 또 다른 문제를 갖는다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 연마선 또는 연마 벨트를 이용한 가공을 통해 웨이퍼 가공면의 균일도 및 평탄도를 증진시킬 수 있는 CMP 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 연마선 또는 연마 벨트를 이용한 가공을 통해 연마선의 교체 주기를 연장시킴으로써 CMP 공정의 재현성을 증진시킬 수 있는 CMP 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 반도체 소자용 웨이퍼의 표면 평탄화를 위해 표면을 연마하는 CMP 장치에 있어서, 연마하고자 하는 웨이퍼를 지지하며, 소정 방향으로 회전 운동하는 웨이퍼 홀더; 상기 웨이퍼의 표면을 가공하기 위한 연마선; 상기 연마선이 소정 간격으로 감겨지며, 회전 운동하는 제 1 로울러; 상기 연마선이 소정 간격을 가지고 상기 제 1 로울러와 대향하도록 감겨짐으로써상기 제 1 로울러와의 사이에 복수의 연마선으로 된 연마선 그룹을 형성하며, 회전 운동하는 제 2 로울러; 및 상기 연마선의 일측 및 타측이 각각 고정되며, 상기 제 1 및 제 2 로울러에 감겨진 상기 연마선에 소정의 장력이 가해지도록 각각 안내하는 제 1 및 제 2 가이드 로울러를 구비하고, 상기 연마선 그룹은 상기 제 1 및 제 2 로울러와 제 1 및 제 2 가이드 로울러의 회전 운동에 연동하는 직선 왕복 운동을 통해 상기 웨이퍼의 표면을 연마하는 것을 특징으로 하는 CMP 장치를 제공한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 CMP 장치의 사시도,

도 2는 도 1에 도시된 CMP 장치의 정면도,

도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 CMP 장치의 사시도,

도 4a는 도 3에 도시된 CMP 장치의 정면도,

도 4b는 도 3에 도시된 CMP 장치의 평면도,

도 5는 제 2 실시 예의 변형 실시 예에 따른 CMP 장치의 정면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 회전관 20 : 웨이퍼 홀더

30, 60 : 연마선 41, 42 : 로울러

43, 44 : 가이드 로울러 72, 73 : 보조 로울러

본 발명의 상기 및 기타 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술되는 본 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명의 핵심 기술요지는, 연마하고자 하는 웨이퍼의 직경보다 적어도 큰 직경을 갖는 대략 원형의 연마포를 이용하여 웨이퍼의 표면(즉, 가공면)을 연마하는 종래 장치와는 달리, 복수개의 연마선을 배치하고, 이 배치된 연마선을 양방향(좌측 및 우측 방향)으로 직선 왕복 운동 또는 한 방향으로 직선 운동시킴으로써 웨이퍼의 표면을 평탄하게 연마한다는 것으로, 이러한 기술적 수단을 통해 본 발명에서 목적으로 하는 바를 쉽게 달성할 수 있다.

[실시 예1]

도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 CMP 장치의 사시도로서, 본 실시 예의 CMP 장치는 웨이퍼 홀더(20), 연마선(30), 제 1 및 제 2 로울러(41, 42), 제 1 및 제 2 가이드 로울러(43, 44) 및 제 1 및 제 2 높이 조절 부재(51, 52)를 포함한다.

도 1을 참조하면, 웨이퍼 홀더(20)는 연마하고자 하는 웨이퍼(21)를 지지(예를 들면, 흡착 지지)하며, 도시 생략된 회전 구동 수단으로부터 제공되는 동력에 의거하여 시계 또는 반시계 방향으로 회전 운동이 가능하도록 설치되는데, CMP 공정중에 연마를 목적으로 하는 웨이퍼(21)의 표면이 연마될 수 있도록, 도 1에 도시된 CMP 장치의 정면도를 보여 주는 도 2에 도시된 바와 같이, 흡착 지지한 웨이퍼(21)의 표면(가공면)을 연마선(30)에 접촉시킨다.

먼저, 연마선(30)은, 예를 들면 제 1 가이드 로울러(43)에 일측이 고정되며, 제 1 및 제 2 로울러(41, 42)에 여러회 감겨진 후 소정의 장력이 가해지도록 하여 제 2 가이드 로울러(44)에 타측이 고정되도록 설치된다.

이러한 연마선(30)으로는 교체 주기 등을 고려할 때 견고하고 내성이 강한 재질, 예를 들면 금속선, 나이론선, 비닐, 테프론, 폴리우레탄, 금속선에 폴리우레탄이 코팅된 재질 등을 사용하는 것이 바람직하며, 그 형상으로는 원형, 띠형, 기타줄 형상 등을 채용할 수 있다. 또한, 연마선(30)의 수 및 굵기는 연마하고자 하는 웨이퍼의 구경에 비례하여 선택적으로 결정할 수 있다.

여기에서, 대략 원통형의 막대 모양을 갖는 제 1 및 제 2 로울러(41, 42)와 제 1 및 제 2 가이드 로울러(43, 44)는, CMP 공정 중에 도시 생략된 구동 수단으로 부터 제공되는 동력에 따라 좌측 또는 우측으로 회전 운동하는 것으로, 이들 로울러 및 가이드 로울러는 서로 평행하게 설치된다.

또한, 제 1 및 제 2 가이드 로울러(43, 44)는, 도 1 및 도 2에서의 도시는 생략되었으나, 원형의 외곽을 따라 균일하고 일정한 간격(예를 들면, 0.1 mm - 0.5 cm의 간격 등)으로 미세한 홈이 형성되어 있으며, 이와 같이 형성된 홈에는 연마선(30)이 삽입된다. 이와 같이 홈을 형성하여 연마선(30)을 삽입하는 것은 연마 공정을 수행하는 중에 연마선이 기설정해 둔 간격(즉, 연마선간의 간격)을 벗어나지 않도록 하기 위해서이다.

따라서, 상기한 바와 같은 구조로 설치된 제 1 및 제 2 로울러(41, 42)와 제 1 및 제 2 가이드 로울러(43, 44)가 동력을 받아 회전 운동을 하면, 이에 연동하여 연마선(30)은 제 1 및 제 2 로울러(41, 42)간을 직선 왕복 운동, 즉 각 로울러의 반시계 또는 시계 방향의 회전 운동에 따라 직선 왕복 운동을 하며, 이러한 직선 왕복 운동을 통해 연마선(30)에 접속된 웨이퍼(21)의 표면이 연마된다. 물론, 본 발명의 핵심 기술요지와 무관하여 도 1 및 도 2에서의 도시는 생략하였으나, 본 실시 예에 따른 CMP 장치에는 슬러리를 공급하는 슬러리 공급 장치가 장착되는데, 연마 공정중에 이러한 슬러리 공급 장치를 통해 슬러리가 공급된다.

이때, 연마선(30)의 직선 운동 속도와 장력을 높이면 웨이퍼 표면의 연마 속도가 높아지게 되고, 반대로 직선 운동 속도와 장력을 낮추면 웨이퍼 표면의 연마속도는 낮아지게 된다. 따라서, 본 실시 예에 따른 CMP 장치는 연마선(30)의 직선운동 속도와 장력 조절을 통해 웨이퍼 표면의 연마 속도를 조절할 수 있다.

즉, 본 실시 예에 따른 CMP 장치는, 웨이퍼의 직경보다 적어도 큰 직경을 갖는 원형의 연마포를 회전 운동시킴으로써 웨이퍼의 표면을 연마하는 전술한 종래장치와는 달리, 웨이퍼 표면에 접촉하는 복수의 연마선의 왕복 직선 운동을 이용하여 웨이퍼의 표면을 연마하기 때문에, 웨이퍼의 표면에 인가되는 압력이 국부적으로 다르고 웨이퍼의 가장자리와 중심 부분간의 속도차가 필연적으로 수반될 수밖에 없어 균일도 및 평탄도가 저하될 수밖에 없었던 전술한 종래 CMP 장치와는 달리, 웨이퍼 표면 전면에 걸쳐 일정한 연마 속도 및 압력을 제공할 수 있어 안정적인 균일도 및 평탄도를 얻을 수 있다.

또한, 본 실시 예에 따른 CMP 장치에 따르면, 연마선(30)이 전체적으로 동일한 장력과 직선 운동 속도를 갖기 때문에, 국부적인 압력차 및 연마 속도차로 인해 변형이 야기되던 종래 장치와는 달리, 변형 등의 우려를 확실하게 차단할 수 있어, 연마선(30)을 장시간 동안 사용할 수 있으므로 연마선의 잦은 교체에 기인하는 CMP 공정의 재현성 저하를 효과적으로 방지할 수 있다.

한편, 본 실시 예에 따른 CMP 장치에는 제 1 로울러(41)와 제 2 로울러(42)사이에 연마선(30)의 높이를 조절할 수 있는 수단, 극 탄성 재질로 된 제 1 및 제 2 높이 조절 부재(51, 52)가 설치되어 있으며, 이러한 구조의 제 1 및 제 1 높이 조절 부재(51, 52)는 도시 생략된 압력 제공 수단을 통해 양 측면에 압력을 가하여 활처럼 휘게 함으로써 일열로 정렬된 연마선들의 높이를 조절할 수 있다.

즉, 양 측면에 소정의 압력을 가하여 제 1 및 제 2 높이 조절 부재(51, 52)의 대략 중간 부분이 상측 방향으로 휘게 함으로써, 제 1 및 제 2 로울러(41, 42)에 감겨 있는 연마선들 중 대략 가운데 부근의 연마선들이 가장자리 부근의 연마선들에 비해 상측 방향으로 돌출되도록 제어할 수 있다. 이와 같은 높이 조절 부재는 웨이퍼의 연마 속도를 높이고자 할 때, 즉 보다 빠른 고속 연마를 실현하고자 할 때 유용하게 사용될 수 있다. 즉, CMP를 위해 웨이퍼(21)를 동일한 힘으로 연마선(30)에 접촉시킨다고 가정할 때, 연마선들을 일정한 높이로 배치하여 직선 운동시키는 것에 비해, 대략 중심 부근에 위치하는 연마선들이 약간 돌출되도록 배치하여 직선 운동시키면 보다 빠른 연마 속도를 얻을 수 있다.

다른 한편, 본 실시 예에 따른 CMP 장치에 채용되는 가이드 로울러들(43, 44)에는 원형의 외곽을 따라 균일하고 일정한 간격(예를 들면, 0.1 mm - 0.5 cm의 간격 등)으로 미세한 홈이 형성되는데, 본 발명에서는 이러한 미세 홈을 이용하여 연마선(30)의 간격을 조절, 즉 미세한 홈을 하나 또는 n개씩 건너뛰는 방식으로 배치하여 연마선의 간격을 조절할 수 있다.

따라서, 본 실시 예에 따른 CMP 장치는 연마선의 간격 조절을 이용하여 웨이퍼의 연마 속도를 조절하거나 혹은 연마 밀도를 부분적으로 조절할 수 있다.

한편, 본 실시 예에 따른 CMP 장치는, 미세 홈을 건너뛰어 연마선을 배치시키는 상기한 방식과는 달리, 원형의 외곽을 따라 형성된 미세 홈의 간격이 각각 다른 다수개의 가이드 로울러를 구비하여, 연마선의 간격 조절이 필요할 때마다 가이드 로울러를 교체해 주는 방식으로 연마선 간격 조절을 실현할 수도 있다.

[실시 예2]

도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 CMP 장치의 사시도이다.

도 3을 참조하면, 본 실시 예에 따른 CMP 장치는, 연마선(30)의 하단 부분에연마하고자 하는 웨이퍼(21)의 직경보다 적어도 큰 직경을 갖는 회전판(10)을 웨이퍼(21)에 대응하도록 설치한다는 점이, 전술한 실시 예1의 CMP 장치와 다를 뿐 나머지 구성 부재들은 실시 예1의 그것들과 실질적으로 동일하다. 따라서, 불필요한 중복 기재를 피하기 위하여 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 구성 부재들의 구조 및 동작에 대해서는 그 설명을 생략한다.

여기에서, 회전판(10)은 도시 생략된 회전 구동 수단으로부터 제공되는 동력에 의해 시계 또는 반시계 방향으로 회전 운동하는데, 여기에서의 회전 방향은 웨이퍼(21)의 회전 방향과 반대 방향, 즉 연마 공정 중에 웨이퍼가 시계 방향(또는 반시계 방향)으로 회전할 때 반시계 방향(또는 시계 방향)으로 회전한다.

따라서, 본 실시 예에 따른 CMP 장치는, 정면을 보여주는 도 4a와 그 평면을 보여주는 4b에 일 예로서 도시한 바와 같이, 연마선(30)의 하단 부분에 웨이퍼(21)에 마주 대하도록 설치되어 웨이퍼(21)의 회전 방향과 반대 방향으로 회전 운동하는 회전판(10)을 구비함으로써, 연마 속도 및 연마 균일도를 향상시킬 수 있다.

도 4b를 참조하면, 본 실시 예에 따른 CMP 장치는 회전판(10)이 화살표 A방향으로 회전할 때 웨이퍼 홀더(20) 화살표 B방향으로 회전하면서 화살표 C방향으로 직선 왕복 운동을 하게 된다.

즉, 본 실시 예에 따른 CMP 장치는, 전술한 실시 예1에서 얻어지는 결과와 동일한 결과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 전술한 실시 예1에 비해 연마 속도 및 연마 균일도를 더욱 증진시킬 수 있다.

[변형 실시 예]

도 5는 제 2 실시 예의 변형 실시 예에 따른 CMP 장치의 정면도이다.

도 5를 참조하면, 본 변형 실시 예에 따른 CMP 장치는, 무한 궤도 형상을 한 연마선(60)을 다수의 로울러(41, 42, 43, 44, 72, 73)를 이용하여 단일한 방향(시계 또는 반시계 방향)으로 회전시켜 가면서 웨이퍼(21)를 연마한다. 전술한 실시 예에 기재된 참조번호와 동일한 참조번호를 동일한 기능을 수행하는 동일 구성 부재이므로, 불필요한 중복 기재를 피하기 위하여 여기에서의 설명은 생략한다.

즉, 본 변형 실시 예에 따른 CMP 장치는 각 로울러(41, 42, 43, 44, 72, 73)의 회전 방향을 변경함이 없이 단일한 방향으로 회전시킴으로써, 웨이퍼(21)의 연마 공정을 수행할 수 있다.

따라서, 본 변형 실시 예에 따른 CMP 장치는 무한 궤도 형상을 한 연마선을 단일한 방향으로 회전시켜 연마 공정을 수행하기 때문에, 연마선을 직선 왕복 운동시켜 연마 공정을 수행하는 전술한 실시 예들과 비교해 볼 때, CMP 장치의 구동 제어를 보다 손쉽게 실현할 수 있으며, 이를 통해 CMP 공정의 재현성 증진을 도모할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 웨이퍼의 직경보다 적어도 큰 직경을 갗는 원형의 연마포를 회전 운동시킴으로서 웨이퍼의 표면을 연마하는 종래장치와는 달리, 웨이퍼 표면에 접촉하는 복수의 연마선의 왕복 직선 운동을 이용하여 웨이퍼의 표면을 연마하기 때문에, 웨이퍼의 표면에 인가되는 압력이 국부적으로 다르고 웨이퍼의 가장자리와 중심 부분간의 속도차가 필연적으로 수반될 수밖에 없어 균일도 및 평탄도가 저하될 수밖에 없었던 전술한 종래 CMP 장치와는 달리, 웨이퍼 표면 전면에 걸쳐 일정한 연마 속도 및 압력을 제공할 수 있어 안정적인 균일도 및 평탄도를 얻을 수 있기 때문에 반도체 소자의 신뢰도를 향상시킬 수 있으며 이를 통해 제조 원가의 절감을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명의 CMP 장치는, 연마선이 전체적으로 동일한 장력과 직선 운동 속도를 갖기 때문에, 국부적인 압력차 및 연마 속도차로 인해 변형이 야기되던 종래 장치와는 달리, 변형 등의 우려를 확실하게 차단할 수 있어, 연마선을 장시간 동안 사용할 수 있으므로 연마선의 잦은 교체에 기인하는 CMP 공정의 재현성 저하를 효과적으로 방지할 수 있다.

Claims (7)

1. 반도체 소자용 웨이퍼의 표면 평탄화를 위해 표면을 연마하는 CMP 장치에 있어서,

   연마하고자 하는 웨이퍼를 지지하며, 소정 방향으로 회전 운동하는 웨이퍼 홀더;

   상기 웨이퍼의 표면을 가공하기 위한 연마선;

   상기 연마선이 소정 간격으로 감겨지며, 회전 운동하는 제 1 로울러;

   상기 연마선이 소정 간격을 가지고 상기 제 1 로울러와 대향하도록 감겨짐으로써 상기 제 1 로울러와의 사이에 복수의 연마선으로 된 연마선 그룹을 형성하며, 회전 운동하는 제 2 로울러; 및

   상기 연마선의 일측 및 타측이 각각 고정되며, 상기 제 1 및 제 2 로울러에 감겨진 상기 연마선에 소정의 장력이 가해지도록 각각 안내하는 제 1 및 제 2 가이드 로울러를 구비하고,

   상기 연마선 그룹은 상기 제 1 및 제 2 로울러와 제 1 및 제 2 가이드 로울러의 회전 운동에 연동하는 직선 왕복 운동을 통해 상기 웨이퍼의 포면을 연마하는 것을 특징으로 하는 CMP 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 연마선은, 원형, 띠형, 기타줄 형상 중 어느 한 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 CMP 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 연마선은, 금속선, 나이론선, 비닐, 테프론, 폴리우레탄, 금속선이 폴리우레탄에 코팅된 재질 중 어느 한 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 CMP 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 장치는:

   상기 제 1 로울러 측으로부터 신장되는 각 연마선의 높이를 조절할 수 있는 제 1 높이 조절 부재; 및

   상기 제 2 로울러 측으로부터 신장되는 각 연마선의 높이를 조절할 수 있는 제 2 높이 조절 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 높이 조절 부재는 탄성 재질로 구성되며, 탄성 재질의 탄성력을 이용하여 상기 연마선 그룹을 형성하는 각 연마선의 높이를 국부적으로 조절하는 것을 특징으로 하는 CMP 장치.
6. 제 1 항에 있어서. 상기 장치는, 상기 연마선 그룹의 하단부에서 상기 웨이퍼 홀더와 마주 대하도록 설치되어 상기 웨이퍼 홀더 회전 방향의 반대 방향으로 회전운동하는 회전판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CMP 장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 가이드 로울러에는 상기 연마선이 삽입되어 감기는 다수의 미세 홈이 일정한 간격으로 형성되며, 상기 미세 홈을 하나 또는 n개씩 건너뛰는 방식으로 상기 연마선 그룹내의 연마선 간격을 조절하는 것을 특징으로 하는 CMP 장치.