KR100501961B1

KR100501961B1 - 화학기계연마용플래튼코팅구조및방법

Info

Publication number: KR100501961B1
Application number: KR1019970066581A
Authority: KR
Inventors: 제임스에프. 배널
Original assignee: 프리스케일 세미컨덕터, 인크.
Priority date: 1996-12-02
Filing date: 1997-12-02
Publication date: 2005-10-06
Also published as: EP0850725A3; TW351835B; CN1184019A; US5743788A; EP0850725B1; KR19980063880A; CN1161211C; EP0850725A2; DE69716866D1; DE69716866T2; JPH10156709A

Abstract

화학 기계 연마(CMP: Chemical Mechanical Polishing) 장치 콤포넌트들을 부식으로부터 보호하기 위한 구조는 플래튼(32)의 표면들 상에 형성된 내열성 금속산화 코팅층(refractory metal oxide coating layer; 33)을 포함한다. 양호한 실시예에 있어서, 내열성 금속 산화 코팅층(33)은 플라즈마-플레임 스프레이형(plasma-flame sprayed) 크롬-산화층이다. 다른 실시예에 있어서, 부가의 보호를 위해 봉입제층(sealer layer;42)이 내열성 금속 산화 코팅층(33)의 세공들(41) 내에 적어도 배치된다. 내열성 금속 산화 코팅층(33)은 또한 부식하기 쉬운 다른 CMP 장치 콤포넌트들을 보호하기에 적합하다.

Description

화학 기계 연마용 플래튼 코팅 구조 및 방법

본원 발명은 일반적으로 반도체 공정에 관한 것이며, 특히 재료들을 연마 또는 평탄화(planarizing)하는 구조들 및 방법들에 관한 것이다.

화학 기계 연마(CMP: Chemical Mechanical Polishing)는 후속층을 침착하기 전에 반도체 기판 상에 형성된 재료층(또는 층들)을 평탄화하기 위해 반도체 제작시 흔히 이용되는 기술이다. 재료층을 평탄화하기 위해, 반도체 기판은 CMP 장치상에 배치되며, 상기 CMP 장치는 플래튼, 상기 플래튼 상에 장착된 연마 패드, 및 상기 플래튼이 이동하는 동안 반도체 기판을 연마 패드 상에서 홀딩, 이동, 및 회전시키는 연마 암(polishing arm)을 포함한다. 슬러리(slurry)가 연마 패드 상에 침착되어, 플래튼 이동(예를 들면, 회전, 궤도 운동, 또는 병진 이동) 속도, 압력, 및 온도와 함께 반도체 기판으로부터 재료를 화학적 및 기계적으로 제거하도록 작용한다.

현재 이용 중인 슬러리들은 CMP 장치의 콤포넌트들과 반응하는 경향이 있으며, 그에 의해 부식이 발생하게 한다. 이것은 콤포넌트들의 실제 수명을 감소시킨다. 또한, 부식은 공정 오염과 바람직하지 않은 공정 변화(variation)를 유발한다. 반도체 제조업자들이 새로운 재료들을 반도체 제조 공정들 내에 이용함에 따라, 기존의 슬러리 화학 재료들보다 더 부식하기 쉬울 수 있는 새로운 슬러리 화학 재료들이 개발되고 있다.

따라서, 공정 관련 부식에 대한 CMP 장치 콤포넌트의 민감성을 감소시키는 방법들 및 구조들이 필요하다. 이러한 방법들 및 구조들은 신뢰할 만하고, 비용 효율적이어야 하며, 변화 및 오염을 CMP 공정에 도입해서는 안된다.

CMP 공정에 있어서, 플래튼 구조가 평평하고 정확한 기하(geometry)를 갖는 것이 중요하다. 그렇지 않을 경우, 처리 중인 기판은 높은 평탄도로 연마 또는 평탄화되지 않을 것이다. 게다가, 플래튼 구조는 기판을 연마 또는 평탄화하는데 이용되는 화학 재료들에 저항성을 갖는 것이 중요하다. 일반적으로, 본원 발명은, 플래튼 구조들과 같은 CMP 장치 콤포넌트들이 평탄화 공정 환경에 보다 잘 적응하도록 상기 콤포넌트들의 표면들 상에 형성되는 코팅들에 관한 것이다.

도 1 은 플래튼(즉, 이동 지지 부재(12)) 및 연마 패드(13)를 포함하는 종래기술의 CMP 장치(11)의 간단한 사시도이다. 연마 헤드(즉, 캐리어 어셈블리(17); 외부 일부를 잘라낸 형태로 도시됨)를 구비한 연마 암(14)은 정해진 힘 하에서 반도체 기판, 웨이퍼, 기판, 또는 워크 피스(work piece)(18)를 연마 패드(13)에 대해 홀딩한다. 기판(18)은 제거될 재료층을 포함한다. 대안적으로, 기판(18) 자체가 연마된다.

CMP 장치(11)는 또한 슬러리를 연마 패드(13) 상에 침착하는 슬러리 공급 디바이스(21), 및 연마 패드(13)를 조절하는 조절 어셈블리(conditioning assembly; 22)를 포함한다. CMP 장치(11)와 같은 CMP 제품들은 애리조나, 피닉스의 IPEC/Planar와, 애리조나, 챈들러의 Speedfam과, 캘리포니아, 산타 클라라의 Applied Materials, 및 캘리포니아, 산 루이스 오비스포의 Strabaugh와 같은 회사들로부터 입수 가능하다.

연마 공정 동안, 플래튼(12) 및 연마 패드(13)가 화살표(26)(또는 그 반대 방향)에 따라 회전되며, 연마 헤드(17) 및 웨이퍼(18)가 화살표(27)(또는 그 반대 방향)에 따라 회전한다. 더욱이, 연마 암(14)은 연마 패드(13)를 횡단하여 전후로 발진(oscillate)한다. 연마 슬러리가 슬러리 공급 디바이스(21)로부터 공급되며, 재료(들)가 잘 알려진 화학 및 기계 수단에 의해 기판(18)으로부터 제거된다.

플래튼(12)은 통상적으로 알루미늄 또는 스테인레스 스틸로 이루어진다. 알루미늄은, 스테인레스 스틸보다 비교적 부피가 작고, 보다 양호한 열 전달 특성들을 가지며, 덜 비싸므로 양호하다. 그러나, 알루미늄은 양성적(amphoteric)이므로, 산성 및 알칼리성의 슬러리 혼합물들에 의해 부식하기 쉽다.

부식은 통상적으로 플래튼(12)의 외부 에지(15)로부터 안쪽으로 발생한다. 이것은 플래튼(12)의 평탄도를 파괴하여, 패드(13) 및 플래튼(12)의 외부(16) 상에서의 연마를 회피하도록 반도체 제조업자들이 공정을 조정하게 한다. 이것은 또한 연마 시간을 증가시킨다. 또한, 부식은 플래튼(12)의 사용 수명을 감소시키며, 그에 의해 처리 비용들을 증가시키고, 처리 다운 시간(process down time)을 증가시킨다. 더욱이, 부식은 기판(18) 연마 동안 기판(18)을 손상시킬 수 있는 입자들을 발생한다.

양극 처리(anodizing)는 알루미늄 플래튼들을 보호하기 위해 이용된 한 기술이다. 그러나, 반도체 제조업자들은 연마 패드(13)를 플래튼(12)에 부착시키고, 일치하도록 패드를 트리밍시킬 때, 상기 패드(13)를 트리밍시키는 기구는 종종 양극처리 코팅을 손상시킨다. 결과적으로, 손상된 영역들 내에서 부식이 발생하기 시작할 수 있으며, 부식의 시작 시점들에 대한 양극 코팅 하에서 퍼져, 결국 양극화된 코팅 전체를 제거한다. 알루미늄 베이스 금속은 그후 심각한 화학적 공격을 받기 쉽다.

대안적인 방식에 있어서, 프런트 엔드 도구 제조업자들은 추가의 보호를 위해 플래튼(12) 상에 폴리머 재료들(예를 들면, 에폭시 수지 재료들)을 배치시킨다. 폴리머 재료들에 따른 한 단점은 이들 재료가 불량한 표면 경도를 가지며 특히 패드 트리밍 공정 동안 쉽게 손상된다는 점이다. 또한, 폴리머 코팅들은 연마 공정에 나쁜 층격을 줄 수 있는 불량한 열 전달 특성들을 갖는다. 플래튼(12)은 통상적으로 연마 공정 동안 발생된 열을 제거하도록 물로 냉각된다. 폴리머 막들은 플래튼(12)으로부터 패드(13)를 절연하도록 작용하며, 그에 의해 패드(13)로부터 열을 제거하는 플래튼(12)의 성능을 감소시킨다.

스테인레스 스틸 플래튼들이 몇몇 슬러리 화학 재료들에서 알루미늄 플래튼들보다 부식에 덜 민감할 지라도, 그들은 여전히 다른 슬러리 화학 재료들에서 영향을 받는다. 또한, 스테인레스 스틸 플래튼들은 알루미늄 플래튼들보다 훨씬 더 비싸다. 더욱이, 스테인레스 스틸 플래튼들은, 이들 무게로 인해, 보다 강력한 구동 모터들을 필요로 하며, 이는 설비 및 동작 비용을 부가한다. 또한, 스테인레스 스틸 플래튼들은 불량한 열 전달 특성들을 가지며, 그에 의해 과도한 열 형성을 회피하도록 제거 속도를 저감시키는 것과 같이 공정을 수정할 것을 반도체 제조업자들에게 요구한다. 이것은 공정 처리량을 감소시킨다. 스테인레스 스틸 플래튼들은 또한 패드 트리밍 공정 동안 손상되기 쉽다.

도 2는 본원 발명에 따른 플래튼(즉, 지지 부재(32))의 부분에 대한 횡단면도이다. 플래튼(32)은 알루미늄, 스테인레스 스틸 등을 포함하는 것이 바람직하다. 플래튼(32)은 플래튼(32)의 주표면(36) 상에 또는 주표면(36)에 걸쳐 형성 또는 침착된 코팅(즉, 보호층(33))을 포함한다. 주표면(36)은 도 1에 종래 기술의 플래튼(12)과 함께 도시된 패드(13) 및 기판(18)을 지지한다.

바람직하게, 코팅(33)은 도 2에 도시된 플래튼(32)의 외측면(37) 상에 형성된다. 코팅(33)은 슬러리 재료들에 노출된 플래튼(32)의 모든 표면들 상에 형성되는 것이 바람직하다. 대안적 실시예에 있어서, 플래튼(32)의 하부 표면은 CMP 장치상의 그 위치로 인해 통상적으로 슬러리 재료들로부터 보호되더라도, 코팅(33)은 또한 플래튼(32)의 하부 표면 상에 형성된다.

양호한 실시예에 있어서, 챔퍼(chamfer) 즉 베벌(bevel: 38)이 플래튼(32)의 상부 외부 에지(39)에 형성된다. 챔퍼(38)는, 특히, 코팅(33)으로 덮기 어려울 수 있는 모난 에지들을 제거하기 위해 선호된다. 이것은 또한, 아래에 있는 플래튼을 노출시켜 부식시킬 수 있는 에지 칩핑(edge chipping)에 대한 가능성을 감소시킨다.

본 발명에 따라, 코팅(33)은 내열성 금속 산화 재료 또는 산화 세라믹 재료를 포함한다. 바람직하게도, 코팅(33)은 크롬-산화물층 등을 포함한다. 코팅(33)은 플라즈마-플레임 스프레이, 열 스프레이, 화학 증착(CVD), 또는 페인트-온(paint-on) 기법들을 이용하여 형성된다. 바람직하게도, 코팅(33)은 약 0.125 mm 내지 약 0.500 mm(약 5 mils 내지 20mils)의 범위의 두께를 갖는다.

다음은 플래튼(32) 상에 코팅(33)을 형성하기 위한 양호한 공정 시퀀스이다. 챔퍼(38)는 플래튼(32)의 상부 외부 에지(39)에 먼저 형성된다. 플래튼(32)이 알루미늄을 포함할 경우, 모든 기존의 양극화된 층은 제거된다. 코팅될 플래튼(32)의 표면들이 그후 플래튼(32)을 거칠게 하고(roughen) 세정하도록 그리트 블래스팅(grit blasted)(예를 들면, 가닛(garnet)을 이용함)된다. 다음, 코팅(33)이 플래튼(32) 상에 침착된다. 아르곤 보호막(shield)에서 플라즈마-플레임 스프레이 공정은, 침착에 대한 불활성 환경(inert ambient)을 제공하기 때문에, 코팅(33)을 침착하는 하나의 양호한 기법이다. 이것은 자연 산화물 형성을 감소시켜 막 접착력을 향상시킨다.

플라즈마-플레임 스프레이 기법을 이용할 때, 플래튼(32)이 섭씨 약 120 ℃ 내지 약 150 ℃ 의 온도에서 유지되는 것이 바람직하다. METCO P106 크롬-산화물 또는 그의 등가물(예를 들면, NORTON 328)과 같은 크롬-산화물 소스가 적절하다. METCO P106 크롬-산화물은 뉴욕, 웨스트버리의 METCO로부터 입수 가능하다. 공정동안, 플라즈마-플레임 스프레이 공정에 이용된 노즐을 자주 변경하고 청결을 유지하여, 바람직하지 않은 코팅 불규칙성들(예를 들면, 범프들)의 형성을 회피하는 것이 바람직하다. 플라즈마-플레임 스프레이 공정 서비스들이 애리조나, 템프의 AMTI(Advanced Materials Technologies Incorporated)로부터 입수 가능하다.

코팅(33)을 형성한 후, 플래튼(32)이 초음파 배쓰 안에서 순수한 아세톤을 이용하여 세정된다. 다음, 도 3 에 도시된 바와 같이, 봉입제층(42)이 부가의 보호를 제공하기 위해 코팅(33) 내에 존재하는 임의의 세공들(41)을 적어도 채우도록 코팅(33) 상에 형성되는 것이 바람직하다. 바람직하게도, 봉입제층(42)은 METCO로부터 이용 가능한 METCO 185 봉입제와 같은 파라핀 왁스를 포함한다. 봉입제층(42)을 인가하기 위해, 플래튼(32)은 적절한 온도(METCO 185 봉입제에 대해 대략 95 ℃)로 가열되며, 그 후 상기 봉입제는 세공들(41)이 채워질 때(통상적으로 봉입제가 사라지지 않고 세공들 위에 축적되기 시작할 때)까지 코팅(33) 상에서 러빙(rubbed)된다. 바람직하게도, 소형의 챔퍼들은 그 후, 플래튼의 하부 주위와, 플래튼 내의 중앙 홀 주위와, 플래튼의 측면에 존재하는 임의의 키 홀들 주위에서 형성된다. 이들 챔퍼들이 부가될 때, 플래튼(32)은 이들 영역 내에서 봉입제층(42)으로 재봉입된다. 대안적으로, 이들 부가적 챔퍼들은 코팅(33)이 침착되기 전에 형성된다.

일단 봉입되면, 플래튼(32)이 냉각 고정물(cooling fixture)들을 부착하도록 재조립된 후 CMP 장치 상에 배치된다. 플래튼(32)은, 일단 CMP 장치 상에 배치된 후 약 24 시간 동안 탈이온수 내에서 계속적으로 세정되는 것이 바람직하다.

코팅(33)에 대한 한 주된 요구 조건은 이 코팅(33)이 플래튼(32)에 잘 접착되어야만 한다는 것이다. 이것은 패드(13)가 통상적으로 압력 감도 접착제(PSA: Pressure Sensitive Adhesive) 또는 동등한 수단을 이용하여 플래튼(32)에 부착되기 때문이다. 대체해야 할 마모된 패드를 제거하는 데 상당한 힘이 요구된다. 이 힘은 보호 코팅의 박리(delamination)를 가져올 수 있다. 접착 테스트가 상기 공정을 이용하여 형성된 플라즈마-플레임 스프레이형 크롬-산화 샘플들 상에서 수행되었다. CR Politex 패드 재료가 CMP 공정에 적합한 PSA 재료를 이용하여 상기 샘플들에 부착되었다. 결과는 중간 박리 테스트에 대해 평균 25.5 ounces/half inch(1.85의 표준 편차를 가짐)와, 코팅의 형성 후 24 시간 경과한 시점에서 박리 테스트에 대해 평균 30.5 oz/half inch(1.5의 표준 편차를 가짐)와, 슬러리에 18시간 동안 침지(submerge)한 후 박리 테스트에 대해 평균 19.0 oz/half inch(0.45의 표준 편차를 가짐)를 보여주었다. 이들 결과들은 코팅(33)이 플래튼(32)에 잘 부착하였음을 보여주었다.

또한, 플라즈마-플레임 스프레이형 크롬-산화 코팅 및 파라핀 왁스 봉입제가 우수한 열 전달 특성을 제공한다는 것을 알았다. 이것은 내열성 금속 산화물들과 같은 산화 세라믹 재료들의 절연 성질로 인해 예상되지 않았다. 또한, 플라즈마-플레임 스프레이형 크롬 산화 코팅은 사실상 슬러리 화학 재료들에 존재하는 모든 요소들에 대해 저항한다. 게다가, 코팅은 패드 트리밍 공정으로부터의 손상에 저항하는 높은 표면 경도를 갖는다. 더욱이, 손상이 코팅(33)에 발생하지 않을 경우, 플래튼(32)은 전체 코팅을 벗겨내지 않고 플라즈마-플레임 스프레이 공정을 이용하여 재작업될 수 있음을 알았다. 이것은 재-공정 비용을 절감한다.

도 4 는 본원 발명에 따른 CMP 장치의 콤포넌트의 확대된 횡단면도이다. 콤포넌트(52)는 알루미늄, 스테인레스 스틸 등과 같은 금속을 포함한다. 콤포넌트(52)의 예들은 캐리어 장치(도 1에 도시된 장치), 조절 장치(도 1에 도시된 장치) 등의 장치를 포함한다. 코팅(33)은 공정 동안 슬러리에 노출될 표면들을 보호하기 위해 콤포넌트(52) 상에 침착된다. 코팅(33)은 상술된 기법들을 이용하여 형성된다.

이제까지, 금속 CMP 장치 콤포넌트들에 잘 접착하고, 슬러리 화학 재료들 내에 존재하는 실질적으로 모든 요소들에 저항하고, 양호한 열 전달 특성들을 제공하며, 높은 표면 경도를 가진 내열성 금속 산화 코팅이 제공되었음이 인지되어야 한다. 더욱이, 플라즈마-플레임 스프레이 기법들을 이용하는 코팅의 응용은 비용 효과적이다.

도 1 은 종래 기술에 따른 CMP 장치의 사시도.

도 2 는 본원 발명에 따른 플래튼 구조의 부분에 대한 횡단면도.

도 3 은 본원 발명에 따른 플래튼 구조의 부분에 대한 다른 실시예를 도시한 도면.

도 4 는 본원 발명에 따른 CMP 장치의 부분에 대한 또 다른 실시예를 도시한 도면.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※

32: 플래튼 33: 코팅층 또는 보호층

36: 주표면 39: 플래튼의 상부 외부 에지

41: 세공 42: 봉입제층

Claims

기판 평탄화 장치에 있어서,

평탄화 동안 상기 기판을 홀딩하는 캐리어 구조;

평탄화 동안, 상기 기판에 지지를 제공하는 제 1 주표면을 갖는 플래튼;

상기 제 1 주표면 상에 형성된 코팅으로서, 내열성 금속 산화물 또는 산화 세라믹을 포함하는 상기 코팅; 및

상기 코팅 내의 세공들(pores)을 채우기 위해 상기 코팅에 인가된 봉입제를 포함하는, 기판 평탄화 장치.
기판으로부터 재료를 제거하는 방법에 있어서,

기판(18)을 제공하는 단계;

상기 기판을, 플래튼(32)을 구비한 CMP 장치 상에 배치하는 단계로서, 상기 플래튼은 주표면(36), 및 상기 주표면(36) 상에 형성된 산화 세라믹 코팅(33) 또는 내열성 금속 산화 코팅(33)을 포함하고, 또한 상기 플래튼의 상기 산화 세라믹 코팅(33) 또는 상기 내열성 금속 산화 코팅(33) 내의 세공들을 채우기 위해 상기 플래튼에 인가되는 봉입제를 포함하는, 상기 기판 배치 단계: 및

상기 기판(18)으로부터 재료를 상기 CMP 장치로 제거하는 단계를 포함하는, 재료 제거 방법.
워크 피스로부터 재료를 제거하는 방법에 있어서,

제 1 재료를 포함하는 워크 피스(18)를 제공하는 단계;

상기 워크 피스를, 지지 부재(32)를 가진 연마 장치 상에 배치하는 단계로서, 상기 지지 부재(32)는 연마 동안 상기 워크 피스(18)를 지지하기 위한 주표면(36)을 포함하고, 상기 지지 부재(32)는 상기 주표면(36) 상에 형성된 침착 내열성 금속 산화물층(33) 또는 산화 세라믹층(33)을 포함하고, 또한, 상기 침착 내열성 금속 산화물층(33) 또는 산화 세라믹층(33) 내의 세공들을 채우기 위해 상기 침착 내열성 금속 산화물층(33) 또는 산화 세라믹층(33)에 인가되는 봉입제를 포함하는, 상기 워크 피스(18) 배치 단계; 및

상기 워크 피스(18)로부터 상기 제 1 재료의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함하는, 재료 제거 방법.
CMP(Chemical Mechanical Polishing) 장치에 있어서,

연마 슬러리에 노출될 때 부식되기 쉬운 표면을 구비한 금속 콤포넌트(52),

상기 표면 상에 형성된 내열성 금속 산화물 또는 산화 세라믹 보호층(33); 및

상기 내열성 금속 산화물 또는 산화 세라믹 보호층(33) 내의 세공들을 채우기 위해 상기 내열성 금속 산화물 또는 산화 세라믹 보호층(33)에 인가되는 봉입제를 포함하는, CMP장치.
기판을 연마하는 방법에 있어서,

상기 기판을 제공하는 단계;

내열성 금속 코팅 또는 산화 세라믹 코팅을 갖는 콤포넌트를 표면 상에 포함하고, 또한 상기 콤포넌트 내의 세공들을 채우기 위해 상기 콤포넌트에 인가되는 봉입제를 가지는 CMP 장치 상에 상기 기판을 배치하는 단계; 및

상기 기판으로부터 재료를 상기 CMP 장치로 제거하는 단계를 포함하는, 기판 연마 방법.