KR100512179B1 - 반도체 소자를 제조하기 위한 화학적 기계적 연마장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자를 제조하기 위한 화학적 기계적 연마장치에 관한 것으로, 반도체 소자를 제조하기 위한 연마장치에 있어서, 상부면 상에 연마패드가 부착된 복수의 플레이튼을 갖는 연마스테이션과, 상기 연마스테이션 상부에 위치하며 웨이퍼를 흡착하는 멤브레인이 장착된 복수의 폴리싱 헤드와, 상기 폴리싱 헤드를 회전시키는 구동부와 그리고, 상기 연마스테이션에 배치되며 웨이퍼를 상기 폴리싱 헤드로/로부터 로딩/언로딩하는 전달스테이지부를 구비하되, 상기 전달스테이지부는 복수개의 회전이송부를 구비한다.

이로인해, 본 발명은 연마공정의 전공정과 후속공정으로 웨이퍼가 이동되는 공정을 동시에 진행할 수 있으므로 공정의 진행속도를 절반정도 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

반도체 소자를 제조하기 위한 화학적 기계적 연마장치{chemical and mechanical polishing apparatus for manufacturing a semiconductor}

본 발명은 반도체 웨이퍼를 제조하는 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 반도체 웨이퍼의 표면을 화학적 기계적으로 연마하는 연마장치(chemical mechanical polishing)에 관한 것이다.

반도체 디바이스의 고밀도와, 미세화 및 배선 구조의 다층화에 따라 단차가 증가하게 되었고, 표면 단차를 평탄화하기 위해 스핀 온 글래스(Spin On Glass), 에치-백(Etch-back), 리플로우(Reflow) 등의 평탄화 방법이 개발되어 공정에 이용되어 왔지만, 많은 문제점으로 인해 완전 평탄화를 위해 화학적 기계적 평탄화(이하 'CMP'라 한다.)기술의 널리 사용되고 있다.

CMP란 화학적 기계적인 반응을 통하여 웨이퍼 표면을 평탄화하는 기술이다. 그 원리는 웨이퍼를 연마패드 표면에 접촉하도록 한 상태에서 연마액을 공급하여 웨이퍼 표면을 화학적으로 반응시키면서 플레이튼과 웨이퍼 캐리어(또는 웨이퍼 홀더)를 상대 운동시켜 물리적으로 웨이퍼 표면의 요철부분을 평탄화하는 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 CMP 장비의 사시도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 CMP 장비의 진행공정을 도시한 개략도이다.

첨부된 도 1과 도 2를 참조하면, CMP 장비는 4개의 헤드(60)를 갖고 있으며, 헤드들(60)은 구동 수단(70)과 기계적으로 연결되어 있고 구동 수단(70)에 의해 각각의 단계로 이동하게 된다.

상기 헤드(60)는 헤드 몸체와 멤브레인(membrane)을 포함하며, 헤드(60) 내부는 진공 펌프(도시 안됨)와 연결되어 있어 헤드 상면에 있는 멤브레인을 흡착한다. 이 멤브레인에 웨이퍼가 삽입되고 진공 흡착되게 된다.

그리고, 헤드(60)들의 하부에는 하나의 헤드 컵 로딩 언로딩(40 ; Head Cup Loading Unloading; 이하 HCLU라 한다)과 3개의 플레이튼(10, 20, 30 ; Platen)이 위치한다.

상기 HCLU(40)는 구동 장치(도시 안됨)와 기계적으로 연결되어 있으며, 상기 HCLU(40)에 인접한 위치에는 반송로봇(80)이 배치되어 있다. 상기 반송로봇(80)은 전공정에서 웨이퍼를 인계받는 인입부(90)과 연마공정을 마친 후 HCLU(40)에서 웨이퍼를 후속공정으로 인계하는 인출부(90')으로 구성된다.

상기 인입부(90)에서 이송되어온 웨이퍼를 반송로봇(80)이 HCLU에 안착시키고, HCLU(40)와 연결된 구동장치의 의해서 헤드의 멤브레인까지 이동시키며, 폴리싱 작업이 끝난 다른 웨이퍼를 헤드의 멤브레인에서 받아 내는 역할을 한다.

상술한 바와 같이, 종래 또는 일반적인 HCUL(40)은 하나로 구성되어 웨이퍼를 헤드의 멤브레인까지 이동하고, 폴리싱 작업이 끝난 웨이퍼를 헤드의 멤브레인에서 받아내는 두가지 작업을 병행해야만 했다.

또한, 전공정에서 웨이퍼가 인입되는 인입부(90)과 공정이 끝난 웨이퍼를 후속공정으로 인계하는 인출부(90')로 구성되어 있으며, 연마공정을 위해 인입부(90)에서 웨이퍼를 상기 HCLU(40)에 인계하는 작업과, 공정이 끝난 웨이퍼를 HCLU(40)에서 받아내는 반송로봇(80)을 갖는 복잡한 구조로 구성되어 있다.

즉, 인입부(90)에서부터 웨이퍼를 헤드의 멤브레인까지 이동시키는 작업 시간과, 연마공정을 마친 웨이퍼를 헤드의 멤브레인에서 받아낸 후 인출부(90')까지 웨이퍼를 이동시키는 시간이 매우 많이 소요되었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 반도체 소자를 제조하는 폴리싱 장비의 연마 공정 시간을 단축하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 안출한 본 발명은 반도체 소자를 제조하기 위한 연마장치에 있어서, 상부면 상에 연마패드가 부착된 복수의 플레이튼을 갖는 연마스테이션, 상기 연마스테이션 상부에 위치하며 웨이퍼를 흡착하는 멤브레인이 장착된 복수의 폴리싱 헤드, 상기 폴리싱 헤드를 회전시키는 구동부 그리고, 상기 연마스테이션에 배치되며 웨이퍼를 상기 폴리싱 헤드로/로부터 로딩/언로딩하는 전달스테이지부를 구비하며, 상기 전달스테이지부는 복수개의 회전이송부를 구비한다.

또한, 상기 회전이송부는 이송축, 상기 이송축 상부에 배치되어 상기 웨이퍼가 놓여지는 받침부 그리고, 상기 받침부에 적어도 하나의 분사부 노즐을 포함하되, 상기 받침부와 인접하는 위치에 적어도 하나의 세정액 노즐이 구비된다.

상기 각각의 회전이송부는 승,하강될 수 있도록 실린더가 설치되며, 웨이퍼가 상기 헤드에 진공흡착된 유무를 감지하기 위한 센서가 장착되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기에 앞서, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어 지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연마 테이블을 갖는 CMP 장치의 개략적인 도면이다.

도 3을 참조하면, CMP장치는 연마스테이션(100)과 폴리싱 헤드 어셈블리(200)로 크게 구분된다.

먼저, 상기 폴리싱 헤드 어셈블리(200)는 상기 연마스테이션(100) 상부에 위치설정되어 있으며, 중심부에는 상부포스트(210)가 배치되어 후술되는 하부포스트(110)에 지지된다.

상기 상부포스트(210)는 헤드지지판(220)과 결합되어 있고, 상기 헤드지지판(220)은 몸체(230)와도 결합되어진다.

상기 헤드지지판(220)은 그 중심부에서 동일한 이격거리를 갖고, 균일한 각도로 배치되는 4개의 슬롯(222)이 형성된다. 이 슬롯(222)들의 길이방향은 상기 헤드지지판(220)의 중심부에서 방사방향으로 형성되어 있다.

상기 몸체(230) 내부에는 웨이퍼(W)를 가압하는 폴리싱 헤드(300a,300b,300c,300d)들과 연결된 구동축(240), 그리고 상기 폴리싱 헤드(300a,300b,300c,300d)를 상기 구동축(240)에 대해 연마패드(144)의 회전방향과 동일방향 또는 반대방향으로 회전시키는 구동부(242)가 장착된다. 또한 상기 몸체(230)는 도면과 같이 4개의 커버(232)가 각각 독립적으로 해체될 수도 있으며, 하나의 몸체(230)에 그 상부 개방부가 개폐되는 커버(232)를 갖는다.

상기 폴리싱 헤드(300a,300b,300c,300d)에는 웨이퍼(W)를 흡착, 또는 가압하는 멤브레인(미도시)을 포함하는데, 상기 멤브레인은 원형의 얇은 고무막으로 형성되어 있다.

한편, 상기 연마스테이션(100)은 중심부에 하부포스트(112)가 설치되는 테이블(110)과, 상기 테이블(110)의 일측에 결합되는 전달스테이지부(120)와, 그리고 폴리싱 스테이션(140)을 포함한다.

상기 각각의 폴리싱 스테이션(140)은 회전 가능한 플레이튼(142a,142b,142c)들을 구비하며, 그 상부에 연마패드(144)가 배치된다. 이들 플레이튼(142a,142b,142c)은 상기 테이블(110) 내부에 위치된 구동부(미도시)와 연결될 수 있다. 또한, 연마패드(144)의 연마조건을 유지하기 위해 패드 조절 장치(146)를 더 구비할 수도 있으며, 슬러리를 연마패드(144)의 표면에 공급하기 위한 슬러리 공급관(148)을 갖는다.

상기 전달스테이지부(120)는 베이스(120)와, 상기 베이스(120) 상에 배치되어 웨이퍼(W)를 이동하고, 상기 폴리싱 헤드로/로부터 로딩/언로딩 하는 복수개의 회전이송부(130a,130b,130c)(전술한 종래기술의 'HCLU')를 구비한다.

도 4는 본 발명인 회전이송부의 일부를 도시한 평면도이며, 도 5는 도 4에 도시된 A-A단면도이다.

상기 베이스(120) 내부에는 실린더(124)가 장착되며, 이 실린더(124)는 이송축(126)과 연결된다. 상기 베이스(120)의 상부에는 복수개의 원형 지지판(127)이 배치되고, 상기 지지판(127)의 외측 가장자리에는 원주 둘레를 따라 상부로 돌출된 커버(128)가 형성되며, 상기 지지판 중심부에는 관통홀(129)이 형성되어 상기 이송축(126)이 위치된다.

상기 이송축(126)은 받침부(132)와 결합되고, 상기 받침부(132)는 원형으로 구성될 수 있으나, 첨부된 도면과 같이 등각을 갖는 복수개의 아암(132')으로 구성된다.

상기 받침부(132)에는 웨이퍼(W)가 안착되는 부분으로 그 외측 둘레에는 웨이퍼(W)가 이탈되지 않도록 높이는 갖는 가이드(134)가 형성된다.

상기 받침부(132)와 인접하는 곳에는 바람직하게 6개의 분사노즐(136)이 형성되며, 또한 상기 커버(128)와 인접하는 곳에는 또 다른 분사노즐(136')이 배치되어진다.

상기 분사노즐(136)은 폴리싱 헤드(300a,300b,300c,300d) 부분에 분사되고, 또 다른 상기 분사노즐(136')은 웨이퍼(W)에 분사되는데, 상기 분사노즐(136,136')은 연마공정 진행 전과 진행 후에 각각 분사되는 것으로, 반복되는 연마공정으로 인해 폴리싱 헤드(300a,300b,300c,300d)가 회전하여 상기 받침부(132)에 로딩/언로딩할 때, 상기 폴리싱헤드(300a,300b,300c,300d) 부분과 웨이퍼(W)에 잔존하는 슬러리를 제거하여 원활한 연마가 될 수 있도록 하는 것이다.

도 6은 본 발명에 따라 연마공정을 진행하는 순서를 개략적으로 도시한 순서도이다.

진행공정에 따라 웨이퍼(W1)가 회전이송부(130a)에 놓여지면, 상기 전달스테이지(130)는 일방향으로 회전하게 되며, 상기 폴리싱 헤드 어셈블리(200)도 회전하게 된다. 상기 회전이송부(130a)가 상기 전달스테이지(130)에서 정위치에 정지된 후, 상기 폴리싱 헤드 어셈블리(200)의 폴리싱 헤드(300a)가 상기 회전이송부(130a)에 놓인 웨이퍼(W1)를 로딩(웨이퍼를 로딩/언로딩하는 것은 공지된 기술이므로 자세한 설명은 생략함)한다.

상기 폴리싱 헤드 어셈블리(200)가 회전하여 플레이튼(142a,142b.142c) 상에서 연마를 하게된다. 연마공정의 구체적인 설명에 앞서, 상기 폴리싱 헤드(300b,300c,300d)들에는 웨이퍼(W2,W3,W4)가 흡착되어 연마가 진행된 공정 이후부터 설명한다.

첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면, 도 6a에서 보는바와 같이 제 1플레이튼(142a)에는 제 2폴리싱 헤드(300b)가 놓여지고, 제 2플레이튼(142b)에는 제 3폴리싱 헤드(300c), 그리고 제 3플레이튼(142c)에는 제 4폴리싱 헤드(300d)가 각각 연마공정을 수행한다.

제 2폴리싱 헤드(300b)와 제 3폴리싱 헤드(300c), 그리고 제 4폴리싱 헤드(300d)는 연마 공정을 진행하고 있으며, 제 1폴리싱 헤드(300a)는 연마공정을 마친 후 제 1회전이송부(130a)에 웨이퍼(W1)를 언로딩 한다.

이후, 도 6b와 같이 연마 공정을 마친 웨이퍼(W1)가 제 1회전이송부재(130a)에 언로딩됨과 동시에 웨이퍼(W5)를 연마하기 전 공정을 마친 웨이퍼(W5)는 제 2회전이송부(130b)에 놓여진다.

이후, 전달스테이지(130)가 회전되어 제 1회전이송부(130a)에 놓여진 웨이퍼(W1)는 후속 공정으로 인계되고, 제 2회전이송부(130b)에 놓여진 웨이퍼(W5)는 상기 제 1폴리싱 헤드(300a)가 흡착한다. 이때, 연마 공정중인 폴리싱 헤드(300b,300c,300d)가 공정을 마칠때 까지 상기 전달스테이지(130)는 대기상태를 유지한다.

상기 제 2폴리싱 헤드(300b)와 상기 제 3폴리싱 헤드(300c), 그리고 상기 제 4폴리싱 헤드(300d)에서 연마공정을 마친 후, 첨부된 도 6c와 같이 상기 폴리싱 헤드 어셈블리(200)는 일방향으로 회전된다. 이후, 첨부된 도 6d에서 보는 바와 같이 제 1플레이튼(142a)에는 제 3폴리싱 헤드(300c)가 놓여지고, 제 2플레이튼(142b)에는 제 4폴리싱 헤드(300d), 제 3플레이튼(142c)에는 제 1폴리싱 헤드(300a)가 각각 연마공정을 수행한다. 그리고, 연마공정을 마친 제 2폴리싱 헤드(300b)는 대기중인 제 2회전이송부재(130b)에 웨이퍼(W2)를 언로딩하고, 각각의 플레이튼(142a,142b,142c)에서는 제 3폴리싱 헤드(300c)와 제 4폴리싱 헤드(300d), 그리고 제 1폴리싱 헤드(300a)가 연마공정을 수행한다.

한편, 전술한 바과 같이, 각각의 플레이튼(142a,142b,142c)에서 각각의 웨이퍼(W)가 1차, 2차, 3차의 진행과정을 거쳐 연마시간을 분할하여 연마가 이루어지고, 연마를 마친 웨이퍼(W)가 회전이송부재(130a,130b,130c)에/에서 로딩/언로딩될 수 있지만, 상기 회전이송부재(130a,130b,130c)에서 상기 각각의 폴리싱 헤드(300a,300b,300c,300d)가 연속적으로 웨이퍼(W)를 로딩/언로딩하여, 각각 플레이튼(142a,142b,142c)에서 폴리싱 헤드(300a,300b,300c,300d)들이 동시에 연마를 진행하여 순차적으로 로딩/언로딩 될수도 있다.

이와 같은 반복적인 공정을 수행하게 되는데, 회전이송부재(130a,130b,130c)는 연마공정의 전공정에서 웨이퍼(W)를 인계받고, 각각의 폴리싱 헤드(300a,300b,300c,300d)에 상기 웨이퍼(W)를 순차적으로 로딩하며, 각각의 폴리싱 헤드(300a,300b,300c,300d)로부터 언로딩되고, 연마공정을 마친 웨이퍼(W)를 후속공정을 위해 전달해주는 복수의 다기능을 갖는다.

이상과 같이 본 발명인 반도체 소자를 제조하기 위한 화학적 기계적 연마장치로 인해 다음과 같은 효과가 있다.

폴리싱 헤드로 웨이퍼를 로딩하고, 공정을 마친 폴리싱 헤드로부터 웨이퍼를 언로딩 하는 전달스테이지부가 회전되는 복수개의 회전이송부로 구비되어 연마공정의 전공정과 후속공정으로 웨이퍼가 이동되는 공정을 동시에 진행할 수 있으므로 공정의 진행속도를 절반정도 줄일 수 있다

도 1은 종래 기술에 따른 CMP 장비의 사시도이고;

도 2는 종래 기술에 따른 CMP 장비의 진행공정을 도시한 개략도이며;

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연마 테이블을 갖는 CMP장치의 개략적인 도면이고;

도 4 본 발명인 회전이송부의 일부를 도시한 평면도이며;

도 5는 도 4의 A-A단면도이고;

도 6a 내지 도 6d는 본 발명에 따라 연마공정을 진행하는 순서를 개략적으로 보여주는 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 연마스테이션 110 : 테이블

112 : 하부포스트 120 : 베이스

124 : 실린더 126 : 이송축

127 : 지지판 128 : 커버

129 : 관통홀 130 : 전달스테이지

130a,130b,130c : 회전이송부 132 : 받침부

132' : 아암 134 : 가이드

136,136' : 분사노즐 140 : 폴리싱 스테이션

142a,142b,142c : 플레이튼 144 : 연마패드

146 : 패드조절장치 148 : 슬러리공급관

200 : 폴리싱 헤드 어셈블리 210 : 상부포스트

220 : 헤드지지판 222 : 슬롯

230 : 몸체 232 : 커버

240 : 구동축 242 : 구동부

300a,300b,300c,300d : 폴리싱 헤드 W : 웨이퍼

Claims (5)

1. 반도체 소자를 제조하기 위한 연마장치에 있어서,

   상부면 상에 연마패드가 부착된 복수의 플레이튼을 갖는 연마스테이션과;

   상기 연마스테이션 상부에 위치하며, 웨이퍼를 흡착하는 멤브레인이 장착된 복수의 폴리싱 헤드와;

   상기 폴리싱 헤드를 회전시키는 구동부와; 그리고,

   상기 연마스테이션에 배치되며 웨이퍼를 상기 폴리싱 헤드로/로부터 로딩/언로딩하는 전달스테이지부를 구비하되;

   상기 전달스테이지부는 복수개의 회전이송부를 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 소자를 제조하기 위한 화학적 기계적 연마장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 회전이송부는;

   이송축과;

   상기 이송축 상부에 배치되어 상기 웨이퍼가 놓여지는 받침부와;

   상기 받침부와 인접하는 위치에 적어도 하나의 분사 노즐이 구비된 것을 특징으로 하는 반도체 소자를 제조하기 위한 화학적 기계적 연마장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 각각의 회전이송부는 승,하강될 수 있도록 실린더가 설치되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자를 제조하기 위한 화학적 기계적 연마장치.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 각각의 회전이송부에는 상기 웨이퍼가 상기 헤드에 진공흡착된 유무를 감지하기 위한 센서가 장착되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자를 제조하기 위한 화학적 기계적 연마장치.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 받침부에는 웨이퍼가 이탈되지 않도록 웨이퍼 가이드가 형성된 것을 특징으로 한느 반도체 소자를 제조하기 위한 화학적 기계적 연마장치.