KR100404434B1 - 폴리싱장치 - Google Patents

Abstract

반도체와 같은 웨이퍼상에 편평한 경면 폴리싱되게 하는 드럼형 폴리싱장치에는 웨이퍼에 관련하여 드럼부재의 세가지 이동자유도가 제공되어 있다. 이 상대이동은 드럼축선에 대해 직각으로, 웨이퍼의 표면에 평행하게, 그리고 원하는 각도 방위 방향으로 연속적으로 또는 동시에 행해지게 된다. 폴리싱동안에 웨이퍼에 인가된 가압력의 불균일을 자동보상하기 위한 종동 장치가 결합되어 있어, 본 발명의 폴리싱장치는 직경이 긴 웨이퍼에 대해서도 폴리싱품질의 균일성 및 생산성이 우수하게 되며, 시설공간 및 장비비용면에서 비교적 우수하게 되는 효과가 있다.

Description

폴리싱장치{POLISHING APPARATUS}

본 발명은 일반적으로 폴리싱장치에 관한 것으로서, 특히 반도체웨이퍼와 같은 폴리싱대상물에 편평한 경면식폴리싱(flat and mirror polish)을 제공하도록 폴리싱패드가 장착되어 있는 회전드럼을 구비하는 폴리싱장치에 관한 것이다.

최근의 고밀도 집적 반도체장치는 더욱 정밀한 마이크로회로를 필요로 하며, 또한 라인간 공간(Interline spacing)은 꾸준히 감소하는 경향을 나타낸다. 0.5 마이크로미터 보다 작은 라인간 공간에 의거한 광 리소그래피(lithography)작업을 위하여, 초점심도는 얕으며 스테퍼의 초점면과 일치해야 하는 폴리싱대상물에 고정밀 편평도가 요구된다. 이러한 요구는, 반도체웨이퍼표면은 극히 편평하게 만들어져야 하며, 이렇게 정밀한 편평도를 얻기 위한 첫 단계는 폴리싱장치로 폴리싱하는 적절한 표면준비부터 시작되어야 하는 것을 의미한다.

제 12도는 턴테이블(30), 턴테이블(30)상에 특정한 압력을 가하는 탑링(top ring, 31) 및 이들 사이에 배치된 반도체웨이퍼와 같은 폴리싱대상물(32)을 포함하는 종래의 폴리싱장치의 일 실시예를 도시한다. 폴리싱패드(34)는 폴리싱대상물이 회전되는 턴테이블(30)의 상부면에 배치되어 편평한 경면식 폴리싱표면을 제공한다. 배출노즐(33)은 폴리싱액(Q)을 보유하도록 작동하는 폴리싱패드(34)상에 폴리싱액(Q)을 공급하도록 사용된다. 대체로, 폴리싱은 탑링(31) 아래에 폴리싱대상물(32)을 유지함으로써 실행되어 폴리싱되어질 표면이 폴리싱패드(34)와 마주하게 한다. 폴리싱장치의 이러한 배치에서, 폴리싱되는 표면 및 폴리싱패드(34) 사이에 충분한 상대회전속도를 제공하기 위하여, 탑링과 턴테이블의 중심축선은 오프셋되는데, 즉, 폴리싱패드에 대하여 웨이피의 충분한 회전변위를 제공하기 위하여, 동심으로 만들어지지 않는다. 이러한 배치법은, 턴테이블의외부직경이 반도체웨이퍼대상물의 외부직경보다 몇 배 더 큰 구성을 필요로 한다. 또한, 폴리싱처리를 방해하는 회전하는 턴테이블의 해로운 진동발생을 예방하기 위하여, 턴테이블의 수평배열을 유지하면서, 턴테이블 및 테이블프레임에 대한 충분한 강도 및 세기를 제공해야할 필요가 있다. 제 12도에 도시된 타입의 폴리싱장치에서, 이러한 설계요구는 거대한 폴리싱장치를 수용하는 거대한 설비영역을 구비해야 하는 필요성을 필연적으로 도출한다.

더욱이, 대상물이 탑링(31)상에 유지되는 상기 타입의 폴리싱장치에서, 폴리싱되는 반도체웨이퍼(32)의 표면은 턴테이블상에서 폴리싱패드(34)에 대하여 가압되며, 폴리싱동작중에 웨이퍼표면의 상태를 관찰하는 것은 불가능하다. 그 결과 어떤 방식으로 웨이퍼를 동요시키지 않으면서 웨이퍼상에서 제거되거나 머무르는 표면물질(표면산화막과 같은)의 양을 결정하는 것이 어렵다. 제거되거나 머무르는 필름물질의 양을 결정하는 방법은, 예를 들어, 폴리싱중에 턴테이블로부터 웨이퍼가 제거되는 것에 관한 미국특허 제 5,089,716호에 기술되어 있다. 미국특허 제 5,196,353호에 따른 다른 방법은 폴리싱의 경과시간을 결정하는 웨이퍼의 온도변화 측정에 의거한다. 그러나, 이러한 방법들은 장치를 복잡하게 하는데, 특히, 비록 이 두 방법들에 의해 표면상태를 다소 관찰할 수 있게 되더라도, 전자는 폴리싱시 표면의 간헐적인 조사에 의지하는 한편, 후자는 웨이퍼의 온도변화에 의거한 간접적인 방법에 의지하므로, 어느 경우나 만족할만한 수준의 측정결과를 얻기 어렵다.

한편, 일본국 특허공개 제 H2-269552호는 회전드럼을 구비한 폴리싱장치를 나타낸다. 이러한 폴리싱 방법은 회전하는 원통형상의 회전드럼을 수반하여 웨이퍼표면을 그 원주상의 가장자리면과 접촉시킴으로써 폴리싱되어질 표면을 폴리싱한다. 드럼 및 웨이퍼표면 사이의 접촉인터페이스는 본질적으로 폴리싱되어지는 표면상의 선형영역을 따르며, 폴리싱액이 접촉영역에 공급되면서 어떤 상대적인 선행운동이 드럼축선에 대하여 적절하게 향하는 경로를 따라서 제공된다.

이러한 회전드럼을 갖는 폴리싱장치는 제 12도에 도시된 타입의 장치에 필요한 큰 직경의 턴테이블을 필요로 하지 않으며, 따라서, 드럼식 장치는 소형 및 경량으로 만들어질 수 있다. 또한, 이러한 타입의 장치의 중요한 이점은, 조작자가 폴리싱되는 반도체대상물의 표면을 관찰가능하게 해주고, 폴리싱되었거나 아직 웨이퍼상에 머무르는 필름두께의 정확한 측정을 가능하게 해준다는 것이다.

그러나, 상기 일본국 특허공개 제 H2-269552호에 기재된 방법 및 장치에 따르면, 폴리싱동작은 회전드럼 및 폴리싱대상물 사이의 선형접촉영역에서만 발생한다. 따라서, 반도체웨이퍼와 같은 원형대상물을 폴리싱하는 경우, 폴리싱되어질 웨이퍼의 외측 가장자리영역이 웨이퍼의 중심부보다 높은 가압력으로 가압되는 경향이 있으며, 대상물의 가장자리영역에서 더 높은 비율로 물질이 제거되므로, 이에 의해 소위 "주변열화"("peripheral degeneration")현상이 발생한다. 더욱이, 폴리싱동작이 선형접촉영역에서 발생하므로, 폴리싱대상물의 전체 표면을 가로질러 동일한 압력을 가하는 것이 어렵다. 예를 들면, 만일, 어떠한 이유로 인하여, 국부영역의 폴리싱시 대상물에 불충분한 가압력이 가해지는 경우, 폴리싱에서의 국부적인 불균일성을 나타내는 폴리싱표면상의 파형이 발생하는 경향이 있으며, 잠정적으로 불량품을 생성하게 된다.

본 발명의 목적은 폴리싱대상물의 전체표면에 균일한 가압력을 가하게 하여 웨이퍼의 폴리싱되는 전체표면상에 균일한 폴리싱을 제공하는 한편 회전드럼식 장치에 의해 제공되는 이점들을 완전히 보유하는 폴리싱장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 폴리싱장치는: 폴리싱 패드가 외주 표면상에 장착되어 있는 회전드럼과; 상기 폴리싱대상물이 상기 시트부재의 상부면상에 배치되어 있는 시트부재와; 상기 폴리싱대상물의 폴리싱면상에 상기 드럼을 가압하는 가압수단과; 상기 드럼을 회전시키는 회전수단과; 상기 드럼과 상기 시트부재중 하나를 이동시켜 상기 드럼이 상기 폴리싱면 전체에 접촉되게 하는 이동수단과; 미세 입자를 함유하는 폴리싱용액을 상기 폴리싱 패드에 공급하여 상기 폴리싱 패드에 보유된 상기 폴리싱용액을 이용하여 폴리싱작용을 하게 하는 폴리싱용액공급수단을 포함하여 이루어지고, 상기 이동수단은, 드럼축선에 직교하는 방향 및 상기 폴리싱면과 선택된 방위결정용 방향에 평행한 방향으로 상기 드럼에 대한 상기 폴리싱대상물의 상대적인 이동을 연속적으로 또는 동시에 발생되게 하는 것을 특징으로 한다.

상기 장치에 따라, 선형운동에 있어서의 두 이동자유도에 부가하여, 웨이퍼상의 기복있는 폴리싱패턴의 형성을 방지함으로써 각도방위운동이 제공되어 대상물 및 드럼상에 장착된 폴리싱패드 사이에 가압력이 부분적으로 부족 또는 초과하더라도 폴리싱의 질이 더욱 향상된다. 따라서, 큰 직경의 웨이퍼라도, 웨이퍼의 전체 표면에 걸쳐 매우 균일한 폴리싱을 이룰 수 있다.

상기 장치의 다른 특징은, 폴리싱대상물의 외주상에 희생부재(sacrificialmember)가 배치되어 있어 상기 희생부재의 폴리싱면이 상기 폴리싱대상물의 상기 폴리싱면과 공동평면상에 있는 것이다.

폴리싱대상물에 관하여 희생부재를 이렇게 설치함으로써, 웨이퍼의 주변부에 가해지는 가압력은 웨이퍼의 중심부와 동일하게 만들어지며, 이에 의해 웨이퍼의 주변영역상에 증가된 압력이 적용되는 문제를 방지하고 주변열화의 문제를 피할 수 있다.

상기 장치의 다른 특징은, 탄성부재가 희생부재 및 시트부재 사이에 삽입되는 것이다.

요충지역에 탄성부재를 제공함으로써, 이러한 탄성부재의 완충효과로 인해 폴리싱표면을 가로질러 웨이퍼의 두께상에 변화가 있더라도 희생부재의 표면 및 대상물의 완전한 매칭이 통상적으로 이루어지지 않는 경우이더라도 균일한 폴리싱이 가능해진다.

상기 장치의 다른 특징은, 상기 시트부재아래에 상기 시트부재를 지지하는 로드형상 지지부재로 이루어지는 종동수단(follower means)이 설치되어 있어, 상기 폴리싱면과 상기 폴리싱 패드의 접촉면사이의 인터페이스 접촉영역에서 종동 작용되도록 상기 지지부재의 축선이 드럼축선에 수직하고 상기 시트부재의 상기 상부표면에 평행하게 배치되어, 상기 인터페이스접촉영역을 통해 균형된 가압력을 제공하게 되는 것이다.

로드형 지지부재를 갖는 종동장치의 이러한 설치에 따라, 지지부재의 회전이 드럼축선에 대하여 대상물의 폴리싱표면을 자동적으로 조절가능하게하여 대상물의전체표면에 걸친 균일한 폴리싱을 제공한다.

상기 장치의 다른 특징은, 가압장치는 시트부재 또는 드럼에 고정된 다이어프램부재, 폴리싱되어질 표면 및 폴리싱패드의 접촉표면 사이의 인터페이스접촉영역에 종동작동을 생성하도록 다이어프램부재에 균일한 압력을 제공하는 공기 쿠션수단을 포함하여, 인터페이스접촉영역을 가로질러 동일화된 가압력을 제공하는 것이다.

이렇게 설치된 가압장치에 따라, 다이어프램 및 공기쿠션의 결합효과는 폴리싱대상물의 전체표면에 걸쳐 주목할만하게 균일한 폴리싱을 생성한다.

상기 장치의 다른 특징은, 가압수단이 폴리싱패드 및 폴리싱되어질 표면 사이의 본질적인 선형접촉영역의 인터페이스접촉길이에 비례하는 가압력을 제공하도록 하는 제어수단이 제공되는 것이다.

이렇게 설치된 제어장치에 따라, 폴리싱대상물의 전체표면에 걸쳐 균일한 폴리싱을 생성하는 한편, 변화하는 접촉길이에 대한 자동보정에 의해 드럼의 회전속도를 일정하게 유지하여 인터페이스접촉의 길이에 관계없이 일정한 압력을 생성하는 것이 가능하며, 이에 의해 폴리싱에 의해 제거되는 물질의 양이 웨이퍼의 가장자리영역 근처에서 증가되는 문제를 방지할 수 있다.

상기 장치의 다른 특징은, 드럼의 회전속도를 제어하는 제어수단이 제공되어 폴리싱패드 및 폴리싱되어질 표면 사이의 본질적인 선형접촉영역의 인터페이스접촉 길이가 변화하더라도 일정한 폴리싱속도를 제공하는 것이다.

이렇게 설치된 제어장치에 따라, 변화하는 접촉길이에 대한 자동보정에 의해인티페이스접촉의 길이에 관계없는 일정한 압력을 생성함으로써 폴리싱속도는 인터페이스접촉의 길이에 관계없는 상수로 유지가능하며, 이에 의해 폴리싱에 의해 제거되는 물질의 양이 웨이퍼의 가장자리영역 근처에서 증가하는 문제를 방지한다.

상기 장치의 다른 특징은, 드럼 및 폴리싱대상물 사이의 상대운동속도가 폴리싱패드 및 폴리싱되어질 표면 사이의 본질적인 선형접촉영역의 인터페이스접촉길이에 역비례하여 변화하도록 제어되는 것이다.

이렇게 설치된 제어장치에 따라, 폴리싱되어질 대상물의 본질에 의거하여, 전술한 바와 반대의 변수관계식을 사용하여 접촉인터페이스의 길이에 관계없이 폴리싱속도상수를 유지할 필요도 있으며, 이에 의해 변화하는 접촉길이에 대한 자동보정을 실행하여 접촉인터페이스의 길이에 관계없는 압력상수를 생성하며, 폴리싱에 의해 제거되는 물질의 양이 웨이퍼의 가장자리영역에서 증가되는 문제점을 방지한다.

본 발명에 따른 폴리싱장치의 바람직한 실시예가 첨부도면을 참조하여 설명된다. 다양한 도면들에서 공통적이거나 동일한 부분들은 동일한 참조부호로 주어진다.

제 1도는 측면도이며, 제 2도는 본 발명에 따른 폴리싱장치의 정면도이다.

본 폴리싱장치는 외측가장자리면에 장착되어 미세한 입자들을 포함하는 폴리싱액을 보유하는 폴리싱패드(16)를 갖는 회전드럼(3)을 구비한다. 드럼(3)은 드럼헤드(2)내에서 베어링(4, 5)으로 축에 지지되며, 드럼모터(6)에 의해 구동된다. 드럼헤드(2)는 지주(1)에 의해 기저부(13)에 고정된다. 폴리싱대상물인반도체웨이퍼(9)는 진공흡입에 의해 시트부재(8)의 상부면에 유지된다. 시트부재(8)는 종동장치(follower device; 10)를 통하여 Y-테이블(11)에 고정된다. 제 2도를 참조하면, Y-테이블(11)은 폴리싱대상물(9)인 반도체웨이퍼를 (드럼축과 일치하는) Y-방향으로 측면으로 진동하게 하는 장치이다. 기저부(13)에 고정된 X-테이블(12)은 폴리싱대상물(9)의 전체길이치수를 거쳐 폴리싱대상물(9)을 (드럼축에 수직인) X-방향으로 이동가능하게 하는 장치이다. 기저부(13)는 수평조절장치(14)를 통하여 설비바닥에 단단히 고정된다. 수평조절장치(14)는 반도체웨이퍼(9)의 폴리싱면의 수평배향을 조절하는 장치이다. 미세한 입자들을 포함하는 폴리싱액(Q)는 공급노즐(15)을 통하여 드럼(3)의 외측 가장자리면에 장착된 폴리싱패드(16)의 표면에 전달된다. 폴리싱은 반도체웨이퍼(9) 및 미세한 입자들을 포함하는 폴리싱액을 보유하는 폴리싱패드(16)의 회전동작 사이의 접촉인터페이스에서 실행된다.

제 3도는 제 2도의 A-A부를 통하여 바라본 도면이고, 제 4A도는 제 2도의 C방향에서 바라본 도면이며, 제 5도는 제 1도의 B-B부를 통하여 바라본 단면도이다. 제 4B도 및 제 4C도는 제 4A도에 도시된 중심부의 단면도를 도시한다.

제 4A도 및 제 5도에 도시된 바와 같이, 폴리싱장치는 이 경우 링의 형상으로 형성되어 폴리싱대상물의 주변열화를 방지하는 희생부재(18)를 구비한다.

드럼식 폴리싱장치를 사용하여 반도체웨이퍼(9)와 같은 원형대상물을 폴리싱하는 경우, 웨이퍼(9)의 외측에서 내측방향으로의 이동시, 폴리싱패드(16)는 웨이퍼(9)의 가장자리 영역에서 웨이퍼(9)의 두께에 의해 생성된 단차(step)와 마주친다. 폴리싱대상물의 가장자리영역의 주변열화는 웨이퍼(9)의 모서리부에 의해 폴리싱패드(16)에 가해지는 국부적인 압력작용으로 인한 것으로, 폴리싱패드(16)내에 통상적으로 보유된 폴리싱액 및 미세입자들로부터의 압착 및/또는 폴리싱패드(16)의 표면특성상의 변화와 같은 비정상적인 동작을 일으킨다. 이러한 비정상적인 상태는 폴리싱패드(16)의 폴리싱수행에 불균일성을 초래하여, 소위 주변열화인, 웨이퍼(9)의 위쪽 모서리부의 국부마모를 일으켜 위쪽 모서리부 근처를 편평하지 않게한다.

희생부재인 희생링(sacrificial ring; 18)은 시트부재(8)상에 배치된 폴리싱대상물(9)의 외측 가장자리상에 그 높이가 대체로 폴리싱대상물의 높이와 동일하거나 약간 낮게 제공된다. 희생링(18)은 미세한 세라믹, 유리질탄소 또는 스테인레스스틸과 같은 단단한 물질로 만들어진다. 웨이퍼(9)가 폴리싱되는 경우, 희생링(18)은 폴리싱패드(16)로부터 압축력을 받으며, 희생링(18)의 표면은 전술한 바와 같은 국부적인 폴리싱작용을 받는 동시에, 희생링(18)의 국부마멸이 초래되지만 웨이퍼(9)의 코너부의 모습은 보존된다. 이것은 국부적으로 웨이퍼(9)의 외측 가장자리영역으로부터 물질을 과도하게 제거하는 문제점을 해결해준다. 희생링(18)상의 역효과를 예방하기 위하여, 희생링(18)의 치수는 제 4A도에 도시된 폴리싱패드(16)의 전체 운동범위(16A)에 걸쳐 연장하도록 선택하는 것이 바람직하다.

희생링(18)은 다양하게 설치가능하다. 예를 들어, 제 4B도는 희생링(18)과 웨이퍼(9)를 시트부재(8)상의 동일면에 장착한 경우를 도시한다. 만일 희생링(18)이 강도가 낮고 파손될 위험이 있는 물질로 만들어진다면, 플라스틱과 같은 물질로만들어진 보강부재(63)가 제 4C도에 도시된 바와 같이 희생링(18) 아래에 배치될 수 있다.

제 4B도 및 제 4C도의 단면도에 도시된 바와 같이, 고무 또는 지지막(backing film)으로 만들어진 약 0.6mm 두께의 탄성부재(62)는 시트부재(8)와 웨이퍼(9) 및 희생링(18)[또는 보강부재(63)]과 시트부재(8) 사이에 제공된다. 웨이퍼(9) 자체의 두께는 수십 마이크로미터에 걸쳐서 다양하며, 희생링(18) 및 웨이퍼(9)의 폴리싱면의 높이레벨을 완벽하게 맞추는 것은 불가능하다. 희생링과 웨이퍼의 높이치수의 이러한 작은 차이에 의해 초래된 단차의 높이는, 희생링 및 웨이퍼가 시트부재(8)상에 직접 배치되어 편평한 표면이 얻어질 수 없는 경우 폴리싱패드에 충분히 역효과를 미칠 수 있다. 이것은 생산성을 증대하기 위해 폴리싱도중에 가압력을 증가시키는 경우 특히 그러하다.

시트부재와 대상물 및 희생부재 사이에 탄성부재(62)를 삽입함으로써, 높이차이에 의해 초래된 단차의 영향은 크게 완화되어 폴리싱에 의해 획득가능한 편평도를 향상시킨다.

제 6A도는 희생링없이 폴리싱이 실행되는 경우 어떻게 주변열화가 발생되는지를 도시한다. 웨이퍼(9)의 주면부(A)는 폴리싱패드(16)와 마주치는 경우 국부적인 압축력을 받게 된다. 제 6B도는 웨이퍼(9)의 외부 가장자리를 둘러싸며 이 경우 링형부재인 희생부재(18)를 구비한 경우를 도시한다. 이러한 설치에서, 희생링(18)의 폴리싱면(18A) 및 웨이퍼(9)의 폴리싱면(9A)은 대략 동일한 높이이다. 드럼(3)의 압축부하는 폴리싱면(9A, 18A)에 걸쳐 거의 동일하게 분포되어 폴리싱패드(16)상의 스트레스집중을 방지한다.

웨이퍼(9)는 폴리싱시 제 5도에 도시된 진공/압력파이프(17)에 의해 시트부재(8)상에 유지되거나 분리되며, 웨이퍼(9)는 진공흡입에 의해 유지되며, 폴리싱이 완료될 때, 웨이퍼(9)는 강제급기에 의해 분리된다. 웨이퍼(9)를 분리하려는 경우, 웨이퍼 누름핀(40)상에 고정된 누름링(41)이 공기압실린더(42)에 의해 작동되어 시트부재(8)에 안전하게 유지되어 있는 웨이퍼를 분리한다.

시트부재(8)는 회전조인트(43)를 통하여 자유롭게 회전가능하게 만들어져 회전구동장치(미도시된)에 의해 회전축선에 대해 웨이퍼(9)를 회전시킨다.

폴리싱장치는 두 종류의 종동장치를 구비하여, 웨이퍼가 웨이퍼 및 회전드럼 사이의 접촉인터페이스에 대하여 가압되게 한다. 제 1종동장치는 제 5도에 도시되며, 시트부재(8)를 아래로부터 지지하는 막대형 지지부재(20)를 포함하며, 드럼축선에 직교하며 시트부재(8)의 면에 평행하게 배치된다. 종동장치(20)는 드럼축선 및 웨이퍼(9) 사이의 평행도가 폴리싱시에 어떤 이유로 방해되는 경우에 작동하며, 약간 회전하여 웨이퍼(9)를 드럼축선에 평행하게 재편성하는 막대형 지지부재(20)의 자기평형작동에 의거하여, 웨이퍼(9)상에 균일한 가압력이 가해지도록 한다. 따라서, 드럼과의 전체 접촉인터페이스에 걸친 웨이퍼(9)의 폴리싱면은 회전드럼에 대하여 균형있는 가압력을 받게되며, 이에 의해 폴리싱되는 표면상에서 폴리싱된 균일한 편평한 경면을 얻는데 중요한 요소를 제공한다. 구성부재(44)는 지지부재(20)의 이탈을 방지하는데 사용된다.

제 2종동장치는 승강시트(21)의 저부가 고정되는 다이어프램(22) 및 다이어프램을 지지하는 공기쿠션을 포함한다. 승강시트(21)는 안내로드(25)를 따라 길이방향으로 자유롭게 이동가능하다. 승강시트(21)의 저면은 결합부(26)를 통하여 다이어프램(22)에 고정된다. 다이어프램(22)의 저부공간(23)은 급기파이프(24)로부터 전달된 압축공기로 공기쿠션을 형성한다. 공기쿠션은 다이어프램(22)의 전체영역 상에 승강시트(21)을 통하여 균일한 압력을 제공하여, 드럼(3) 및 웨이퍼(9) 사이의 접촉인터페이스에 균일한 압력을 제공한다. 이것은 웨이퍼(9)상에 평평한 경면 폴리싱을 제공하는 다른 중요한 요소이다. 제 1종동장치는 원형부재의 축을 통하여 선형지지를 제공하는 반면 제 2종동장치는 다이어프램의 전체영역에 걸친 영역 지지를 제공하며, 두 장치들의 결합은 폴리싱대상물에 매우 향상된 균일한 압력을 제공한다.

승강 시트(21)는 에어실린더(도시생략)을 이용하여 상승 및 하강 이동될 수 있다. 웨이퍼(9) 등의 교환을 위한 수직이동은 공기쿠션(23)을 조정하여 다이어프램(22)을 상승 또는 하강시킴으로써 실행된다. 유지보수작업을 위한 그 이상의 이동은 에어실린더(도시생략)을 이용하여 승강시트(21)를 상승 또는 하강시켜 실행된다.

제 7A 내지 7C도는 폴리싱장치의 기본적인 작용을 설명하고 있다. 제 7A 및 7B도에서 나타내고 있는 바와 같이, 폴리싱패드(16)을 가지는 드럼(3)은 폴리싱되는 웨이퍼(9)의 표면에 대하여 회전되게 된다. 제 7C도에서 나타낸 바와 같이, 접촉인터페이스 C는 실질적으로 선접촉이다. 웨이퍼(9)가 장착되어 있는 시트부재(8)를, 축선이 Y방향으로 이동가능한 드럼(3)에 대해 X방향으로 이동시킴으로써 웨이퍼(9)의 표면 전체 영역에 대해 폴리싱을 전반적으로 행하게 할 수 있다.

상기 제시된 특성을 가지는 폴리싱장치는 제 12도에서 나타낸 바와 같은 종래의 폴리싱장치와 비교하여 장치의 전체크기를 감소시킬수 있는데, 이는 작업영역이 시트부재에 장착되어 있는 웨이퍼(9)를 이동시키는 회전기구 및 시트이동기구를 수용할 만큼의 크기이면 되기 때문이다. 더욱이, 상기 폴리싱 대상물 위로부터 폴리싱되고 있는 표면의 관측이 가능하므로, 폴리싱작업동안에 연속적으로 제거되거나 남은 필름두께를 확인할 수가 있게 된다.

제 8A 내지 8C도는 웨이퍼가 장착되어 있는 시트부재를 이동시키는 이동기구의 작업방식을 나타내고 있다. 드럼축선은 일정 위치에 고정되어 있고 시트부재는 한 방향(X방향)으로만 이동될 때, 불균일한 웨이퍼의 영역은 불균일하게 폴리싱되게 되어 웨이퍼상의 폴리싱패턴에 기복이 생기게 된다. 제 8A도는 측면방향(X방향) 및 수직방향(Y방향)의 양쪽의 방향으로 시트부재를 이동시키는 경우를 나타내고 있다. 이 실시예에서, 웨이퍼(9)의 전체길이에 걸쳐 X방향으로 X테이블(12)의 진동이동에 부가하여, Y테이블(11)은 더 짧은 기간에 Y방향으로 진동되게 되어, 측면이동과 직교이동하여 웨이퍼상의 불균일한 폴리싱패턴의 발생을 방지할 수 있다. 비록, 이 실시예에서는 시트부재가 진동되는 경우이나, 드럼(3)의 드럼헤드(2)를 이동시켜 장치의 드럼측을 이동시키는 것도 동일한 효과를 얻을 수 있다는 것에 주의하여야 한다.

제 8B도는 시트부재(8)상에 장착되어 있는 웨이퍼(9)와 희생링(18)과 같은 회전부품의 진동회전의 경우를 나타내고 있다. 시트부재(8)의 회전부품은 회전조인트(43)을 이용하여 회전가능하게 되고, 시트부재(8)에 신속한 진동회전이동을 제공할 수 있게 된다. X방향으로 X테이블(12)의 이동과 결합된 시트부재(8)의 회전이동은 웨이퍼(9)의 전체 표면에 걸쳐 완전하게 폴리싱되게 하여 웨이퍼(9)상의 폴리싱패턴에 기복이 생기게 하는 것을 방지할 수 있다.

제 8C도는 드럼회전축선(Y축선)과 시트부재에 대한 측면이동축선(X축선)사이에서 상대적인 교차각도를 90˚ 에서 벗어나도록 변경시키는 경우를 나타내고 있다. 도면에서, Y'축선은 웨이퍼표면상에서 드럼회전축선(Y축선)의 투영선을 말한다. 드럼회전에 의해 또한 웨이퍼이동에 의해 발생된 폴리싱패턴의 배열을 엇갈리게함으로써, 불균일한 폴리싱패턴의 발생을 제거할 수가 있다.

제 9A 내지 9C도는 드럼과 웨이퍼의 상대적인 이동의 다른 예를 나타내고 있다. 제 9A도는 X방향으로 시트부재(8)를 이동시키고, 웨이퍼(9)와 희생링(18)를 포함하는 회전부재를 회전시켜 폴리싱되게 하는 경우를 나타내고 있다. 웨이퍼표면에 대한 드럼의 상대적인 속도가 폴리싱 전과정에 걸쳐 일정하게 유지된다고 해도, 웨이퍼의 폴리싱 방향은 일정하게 유지되지 않으므로, 불균일한 폴리싱패턴의 발생을 방지할 수 있다.

제 9B 및 9C도는 X방향으로만 시트부재를 이동시키고, 폴리싱공정 중반에 웨이퍼의 방향을 변경시키게 하여 불균일한 폴리싱의 형성을 방지하도록 하는 경우를 나타내고 있다. 더 상세히 말하면, 제 5도에 나타낸 장치는 X방향, 즉 임의의 시간동안 방위결정 편평면(제 9B도의 OF)에 수직인 방향으로 먼저 시트부재(8)을 이동시켜 웨이퍼를 폴리싱하는 데에 이용된다. 이후에, 웨이퍼(9)는 드럼(3)에서 분리되고 시트부재(8)의 이동이 정지된다. 웨이퍼(9)과 희생링(18)을 포함하는 회전 부품은 90도 회전하고, 시트부재는 다시 X방향으로 진동되게 되어 OF마크에 평행한 방향으로 폴리싱되게 한다. 제 9B도는 회전하기 전의 웨이퍼의 위치를, 제 9C도는 회전이후의 웨이퍼의 위치를 나타내고있다. 회전 각도는 0 또는 180도 또는 이에 가깝지 않는 각도이기만 하면 반드시 90도에 제한될 필요는 없다. 폴리싱동안에 웨이퍼의 방향을 변경시키는 단계는 단 한 번이 아니라 필요한 대로 두번 또는 그 이상 자주 실행될 수 있다.

이 때에, 폴리싱장치의 실행과 폴리싱에 의해 제거되는 물질량이 검사된다. 일반적으로, 폴리싱에 의해 제거된 물질량(G)은 드럼과 폴리싱대상물사이의 인터페이스에 존재하는 압력(P), 폴리싱패드와 폴리싱대상물사이의 상대적속도(V)(또는 드럼의 회전속도), 및 폴리싱시간(T)에 따라 달라진다. 이들 파라미터는 다음의 식에 관련된다.

여기에서 α는 비례상수이다.

드럼형 폴리싱장치에서, 폴리싱은 드럼상에 장착되어 있는 폴리싱패드와 폴리싱대상물사이의 선접촉 인터페이스에서 실행되게 되므로, 폴리싱장치가 반도체 웨이퍼와 같은 원형의 대상물을 폴리싱할 때, 인터페이스의 길이(L)는 드럼이 웨이퍼의 표면을 관통하여 이동함에 따라 변경되게 된다. 따라서, 가압력이 일정하게 유지될 때, 인터페이스접촉영역이 변경되고 웨이퍼상에 가해지는 압력(P)가 변경되어, 웨이퍼의 여러 영역에서 폴리싱속도는 달라지게 된다.

이것은 웨이퍼의 표면을 통한 폴리싱을 불균일하게 하는 결과를 낳는다.

더 상세하게, 인터페이스 접촉길이(L)는 웨이퍼의 중심영역에서는 길지만, 웨이퍼의 외주영역근처에서는 더 짧게 된다. 따라서, 가압력이 일정하게 유지될 때 가압력(P)은 외주영역에서 높아지게 되어, 웨이퍼의 중심영역에서와 비교하면 제거되는 물질량(G)이 높게 된다.

이 효과를 억제하기 위해서는 가압력(P) 또는 인터페이스접촉길이(L)의 변경에 의해 유도된 드럼과 대상물사이의 상대속도(V)의 변경을 보상할 필요가 있다. 제 10A도에서 나타낸 바와 같이, 반경(R)의 웨이퍼에 대한 인터페이스접촉길이(L)는 다음과 같은 삼각형 공식으로 주어진다.

여기에서 X는 X테이블(12)의 이동량으로부터 얻는다. 인터페이스접촉길이(L)와 X사이의 관계는 제 10B도에서 나타내고 있다.

가압력S는 다음과 같이 주어진다.

여기에서 β는 비례상수이므로,

여기에서 γ는 다른 비례상수이다. 가압력(S)을 제어하여 상기 식에 일치시키도록 제어함으로써, 웨이퍼의 전체 표면에 걸친 가압력(P)은 인터페이스접촉길이(L)에 상관없이 만들어질 수 있어, 웨이퍼의 전체표면에 걸쳐 균일하게 폴리싱되게 할 수 있다.

따라서, 피드백제어시스템은 제 11도에서 나타낸 바와 같이 구성되어 있어 가변성 가압력(S)을 제공할 수 있다. X테이블(12)의 이동량은 인터페이스접촉길이(L)를 연산하도록 제어기(51)에 입력되어 다이어프램(22)의 저부공간(23)내로 공급된 압축 공기가 조절장치(50)에 의해 적절히 조절되어 다음의 식을 만족하게 된다.

여기에서 δ는 최종 비례상수이다. 가압력(S)을 조절하여 상기 식에 일치하게 함으로써, 일정한 가압력(P)이 발생되어 인터페이스접촉길이(L)에 상관 없이 폴리싱이 균일하게 된다.

드럼(3)의 회전속도(V)는 제어기(51)에 적당한 신호를 제공함으로써 제어되어 드럼구동모터(53)을 구동할 수가 있게 된다. 따라서, 가압력(S)이 일정하게 유지되고 있는 동안에, 드럼의 회전속도(V)가 다음의 식에 따라 변경될 수 있어 폴리싱이 균일하게 행해질 수 있다.

상술한 식으로부터, G = αPVT이고, P = βS/L이고, 인터페이스접촉길이(L)에 상관 없이, 일정한 제거물질량이 성취될 수가 있게 된다. 제 11도에서, 이 작업모드는 드럼구동모터(53)의 피드백제어를 통해 제어기(51)에 의해 실행될 수 있다.

제 11도에서 나타낸 X테이블 구동모터(55)의 피드백제어에 의해 웨이퍼(9)의 인터페이스길이(L)를 통한 X테이블(12)의 이동 속도를 제어하는 것이 또한 가능하게 된다. 길이(L)에 반비례하게 X테이블(12)의 이동속도를 제어하여 웨이퍼의 전체표면을 통한 폴리싱이 균일하게 성취될 수 있게 하는 것도 가능하다.

폴리싱된 물질에 따라, 가압력이 일정하게 유지될 때에도, 최적의 폴리싱속도가 인터페이스접촉길이(L)에 비례하지 않는 경우가 있다. 예를 들어, 최적의 폴리싱속도가 인터페이스접촉길이(L)에 반비례하면, 이전의 경우와는 반대로, 웨이퍼의 전체표면을 통한 폴리싱을 균일하게 성취하기 위해서는 드럼의 회전속도(V)를 길이(L)와 반대로 조정하는 것이 필요하다.

더욱이, 상기 제시된 실시예에서는, 드럼(3)의 위치는 고정되어 있고, 웨이퍼 이동은 장치의 시트측[폴리싱대상물이 장착되어 있는 시트부재(8)]을 이동시켜 성취된다. 그러나, 웨이퍼상의 균일한 폴리싱을 얻기 위한 동일한 목적은 장치의 시트측을 고정하면서 장치의 드럼측을 이동시켜 성취될 수도 있다. 유사하게, 장치의 드럼측상에 종동장치를 제공하는 것도 가능하다. 폴리싱대상물의 균일한 폴리싱이 선접촉폴리싱장치의 연산파라미터를 현명하게 선택하여 제공될 수 있게 하는 본 발명의 기본 원리내에서 본 발명에 기술되어 있는 여러 특성을 조합하면 다양한 변형 및 수정이 가능하게 된다.

본 발명의 폴리싱장치의 특성을 요약하면, 이 장치는 종래의 디스크형 폴리싱 장치와 비교하여 더욱 소형이고 경량인 구성을 제공하면서 폴리싱동안에 대상물의 표면이 관측될 수 있게 하는 이점을 얻을 수 있다. 대상물 주변에 희생부재를 제공하여 외주의 품질저하가 방지되어 균일한 가압력을 제공하고 우수한 고 품질의 폴리싱된 대상물를 결과적으로 생산되게 할 수 있다. 웨이퍼와 같은 원형 대상물를 폴리싱할 때 인터페이스접촉길이를 변경하는 데에 내재적으로 따르게 되는 문제는 폴리싱 변수를 일체적으로 제어하여 폴리싱대상물의 물리적 및 기계적 특성과 일치하게 하여 해결될 수 있다.

제 1도는 본 발명에 따른 폴리싱장치의 일 실시예의 측면도,

제 2도는 제 1도에 도시된 장치의 정면도,

제 3도는 제 2도에 표시된 A-A부에서 바라본 도면,

제 4A도는 제 2도에 표시된 폴리싱표면 C의 방향에서 바라본 도면,

제 4B도는 제 4A도에 도시된 장치의 측단면도,

제 4C도는 제 4A도에 도시된 장치의 측단면도,

제 5도는 제 1도의 B-B부에서 바라본 단면도,

제 6A도는 희생 판상부재를 사용하지 않는 폴리싱동작을 도시한 도면,

제 6B도는 희생 링부재를 사용하는 폴리싱동작을 도시한 도면,

제 7A도는 본 발명에 따른 회전드럼식 폴리싱장치의 동작을 도시한 폴리싱장치의 사시도,

제 7B도는 본 발명에 따른 회전드럼식 폴리싱장치의 동작을 도시한 폴리싱장치의 단면도,

제 7C도는 본 발명에 따른 회전드럼식 폴리싱장치의 동작을 도시한 폴리싱표면 C의 사시도,

제 8A도는 드럼의 측면운동 및 직교운동을 겸하는 폴리싱동작을 도시한 도면,

제 8B도는 드럼의 측면운동 및 회전진동운동을 겸하는 폴리싱동작을 도시한 도면,

제 8C도는 드럼회전축선에서 측면운동 및 시프트운동을 겸하는 폴리싱동작을 도시한 도면,

제 9A도는 측면운동 및 회전운동을 겸하는 폴리싱동작을 도시한 도면,

제 9B도는 폴리싱동작시 웨이퍼표면의 측면폴리싱 및 회전이동을 겸하는 폴리싱동작을 도시한 도면,

제 9C도는 폴리싱동작시 웨이퍼표면의 측면폴리싱 및 회전이동을 겸하는 폴리싱동작을 도시한 도면,

제 10A도는 드럼 및 폴리싱대상물 사이의 접촉영역의 접촉길이(L)의 효과를 도시한 도면,

제 10B도는 접촉영역의 위치(X) 및 접촉길이(L)의 효과를 도시한 도면,

제 11도는 접촉길이(L)의 변동효과를 보정하는 제어부의 동작을 도시한 도면,

제 12도는 종래의 폴리싱장치의 부분단면을 도시한 도면이다.

Claims (8)

1. 폴리싱대상물을 균일하게 경면 폴리싱되게 하는 폴리싱장치에 있어서,

   폴리싱 패드가 그 외주 표면상에 장착되어 있는 회전드럼과;

   상기 폴리싱대상물이 그 상부면상에 배치되어 있는 시트부재와;

   상기 폴리싱대상물의 폴리싱면상에 상기 드럼을 가압하는 가압수단과;

   상기 드럼을 회전시키는 회전수단과;

   상기 드럼과 상기 시트부재중 하나를 이동시켜 상기 드럼이 상기 폴리싱면 전체에 접촉되게 하는 이동수단과;

   미세 입자를 함유하는 폴리싱용액을 상기 폴리싱 패드에 공급하여 상기 폴리싱 패드에 보유된 상기 폴리싱용액을 이용하여 폴리싱작용을 하게 하는 폴리싱용액 공급수단을 포함하여 이루어지며,

   상기 이동수단은, 드럼축선에 직교하는 2이상의 방향 및 상기 폴리싱면에 평행한 방향으로 상기 드럼에 대한 상기 폴리싱대상물의 상대적인 이동을 연속적으로 또는 동시에 발생되게 하는 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 폴리싱대상물의 외주상에 희생부재가 배치되어 있어 상기 희생부재의 폴리싱면이 상기 폴리싱대상물의 상기 폴리싱면과 공통평면상에 있는 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 희생부재와 상기 시트부재사이에 탄성 지지부재가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 시트부재아래에 상기 시트부재를 지지하는 로드형상 지지부재로 이루어지는 종동수단이 설치되어 있어, 상기 폴리싱면과 상기 폴리싱 패드의 접촉면사이의 인터페이스접촉영역에서 종동 작용되도록 상기 지지부재의 축선이 드럼축선에 수직하고 상기 시트부재의 상기 상부표면에 평행하게 배치되어, 상기 인터페이스접촉영역을 통해 균등한 가압력을 제공하게 되는 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 가압수단은, 상기 시트부재와 상기 드럼중 하나에 고정된 다이아프램부재와; 상기 다이아프램부재에 균일한 압력을 제공하여 상기 폴리싱표면과 상기 폴리싱 패드의 접촉면사이의 인터페이스접촉면에서 종동작용하게 되는 공기압축식 쿠션수단을 포함하고 있어, 상기 인터페이스접촉영역을 통해 균등한 가압력을 제공하게 되는 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 가압수단이 상기 폴리싱 패드와 상기 폴리싱면사이의 선접촉영역의 인터페이스접촉길이에 비례하는 가압력을 제공하게 하는 제어수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 폴리싱 패드와 상기 폴리싱면사이의 선접촉영역의 인터페이스접촉길이가 변화하는 경우에도 일정한 폴리싱속도를 제공하도록 상기 드럼의 회전속도를 제어하는 제어수단이 더욱 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 드럼과 상기 폴리싱대상물사이의 상대 이동속도는 상기 폴리싱 패드와 상기 폴리싱면상이의 선접촉영역의 인터페이스접촉길이에 역비례하여 변경되게 제어되는 것을 특징으로 하는 폴리싱장치.