KR100548555B1 - 화학적기계연마 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학적기계연마(Chemical Mechanical Polishing) 장치를 개시한다. 개시된 본 발명의 화학적기계연마 장치는, 웨이퍼가 놓여지는 플래튼과, 상기 플래튼 표면에 부착된 연마패드와, 상기 플래튼 보다 조금 작은 직경을 가지면서 플래튼 상에 놓여지는 웨이퍼를 눌러 지지하는 연마헤드와, 상기 플래튼의 밑면에 배치되어 연마패드 내에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급노즐을 포함하며, 상기 연마헤드의 하단 외주면에는 연마패드의 표면을 재생하기 위한 부품으로서, 다이아몬드 링과, 상기 다이아몬드 링을 잡고 상하 이동이 가능하도록 구성된 다이아몬드 링 홀더와, 상기 다이아몬드 링 홀더에 대해 각각 하방향 및 상방향으로 작용하는 힘을 발생시키는 제1 및 제2구동원으로 구성되어 연마공정 중에도 연마패드에 대한 컨디셔닝이 가능하도록 한 연마패드 컨디셔너가 설치된 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 연마 공정중에 연마패드에 대한 컨디셔닝을 수행할 수 있으므로, 여러장의 웨이퍼를 연속해서 연마하는 경우에도 연마패드의 표면 조건을 일정하게 유지시킬 수 있으며, 이에 따라, 연마 균일도를 높일 수 있다.

Description

화학적기계연마 장치{Chemical mechanical polishing apparatus}

도 1은 종래의 화학적기계연마 장치를 도시한 사시도.

도 2는 종래의 다른 화학적기계연마 장치를 도시한 사시도.

도 3은 연마공정 진행에 따른 연마량 저하 경향을 도시한 그래프.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 화학적기계연마 장치를 도시한 사시도.

도 5는 본 발명에 따른 화학적기계연마 장치에서의 연마패드 컨디셔너를 도시한 단면도.

도 6은 본 발명에 따른 연마패드 컨디셔너의 제어 블록다이어그램.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

41 : 플래튼 42 : 연마패드

43 : 연마헤드 47 : 슬러리

46 : 연마패드 컨디셔너 50 : 웨이퍼

52 : 다이아몬드 링 54 : 다이아몬드 링 홀더

55 : 공압 56 : 전자석코일

57 : 전자석힘 58 : 코일자속

62 : 상하 프로파일 생성기 64 : 컨디셔너 제어기

66 : 컨디셔너 구동기

본 발명은 화학적기계연마 장치에 관한 것으로, 특히, 연마패드 면을 재생시키기 위한 연마패드 컨디셔너(polishing pad conditioner)에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 화학적기계연마(Chemical Mechanical Polishing : 이하, CMP) 공정은 슬러리(slurry)에 의한 화학 반응과 연마패드(polishing pad)에 의한 기계적 가공이 동시에 이루어지는 평탄화 공정이다.

이러한 CMP 공정은 표면 평탄화를 위해 이용되어져 왔던 리플로우(reflow) 또는 에치-백(etch-back) 공정 등과 비교해서 글로벌(global) 평탄화를 얻을 수 있으며, 그리고, 저온에서 수행 가능하다는 잇점을 갖는다.

또한, 상기 CMP 공정은 표면 평탄화를 위해 제안된 것이지만, 반도체 소자의 고집적화에 따라 최근에는 STI(Shallown Trench Isolation) 공정에서의 트렌치 매립 산화막 식각, 자기정렬콘택(self-aligned contact) 공정에서의 폴리실리콘막 식각 및 금속배선 공정에서의 금속막 식각 공정 등에 이용되고 있으며, 점차 그 이용 분야가 확대되고 있는 추세이다.

이하에서는 CMP 공정용 장치(이하, CMP 장치)에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 종래의 CMP 장치를 도시한 사시도이다. 종래의 CMP 장치는 표면 상에 연마패드(2)가 부착된 플래튼(platen : 1)과, 상기 플래튼(1) 상에 놓여지는 웨이퍼(10)를 소정 압력으로 눌러 연마가 이루어지도록 하는 연마헤드(3)와, 상기 플래 튼(1)에 슬러리(7)를 뿌려주는 슬러리 공급노즐(4)과, 연마패드 면을 재생하기 위한 부품으로서 다이아몬드 디스크(5)를 구비한 연마패드 컨디셔너(polishing pad conditioner : 6)로 구성된다.

이와 같은 CMP 장치에 따르면, 웨이퍼(10)가 연마헤드(3)에 의해 누려진 상태로 플래튼(1) 상에 배치된 후, 슬러리 공급노즐(4)로부터 플래튼(1), 보다 정확하게는, 연마패드(2)에 슬러리(7)가 뿌려지게 되며, 이러한 상태에서 연마헤드(3)의 회전에 따라 웨이퍼(10)가 회전되고, 동시에, 플래튼(1)이 회전되면서 상기 웨이퍼(10)에 대한 연마가 행해진다.

또한, 상기 연마패드 컨디셔너(6)는 연마공정 전, 또는, 연마공정 중에 연마패드(2)의 반경방향을 따라 주기운동을 하면서 연마패드 면에 대한 재생, 즉, 컨디셔닝(conditioning)을 행하게 된다.

그러나, 전술한 CMP 장치는 컨디셔너의 주기운동을 위한 공간확보를 위채 플래튼의 직경을 크게 설계해야 하는 바, 전체 장치의 부피가 커지게 되는 단점을 갖는다.

이에, 장치 부피로 인한 곤란함 상의 문제를 해결하고자 작은 부피의 CMP 장치가 제안되었고, 이를 도 2에 도시하였다.

도 2에 도시된 바와 같이, 작은 부피의 CMP 장치는 연마패드(12)를 구비한 플래튼(11)이 웨이퍼(10) 보다 조금 더 큰 직경을 갖도록 구비된다. 아울러, 연마패드(12)에 슬러리(17)를 공급하기 위한 슬러리 공급노즐은, 도시되지 않았으나, 플래튼(11) 밑에 설치된다. 도면부호 13은 연마헤드를 나타낸다.

또한, 연마패드 면을 재생하기 위한 연마패드 컨디셔너(16)은 전후좌우로 수평 이동 가능한 회전축(15a)과 상기 회전축(15a)에 회전 가능하도록 결속된 다이아몬드 바(diamond bar : 15)로 구성되며, 플래튼(11)의 외측에 배치된다.

이와 같은 연마패드 컨디셔너(16)는 연마공정 전에 플래튼(11)의 외측으로부터 상기 플래튼(11) 상으로 이동한 후, 상기 다이아몬드 바(15b)가 회전축(15a)을 중심으로 좌우 회전운동하는 것을 통해 연마패드(12)에 대한 컨디셔닝을 행하게 된다. 아울러, 상기 연마패드 컨디셔너(16)는 연마패드(12)에 대한 컨디셔닝이 완료된 후에는 다시 플래튼(11)의 외측으로 돌아가게 된다.

그러나, 전술한 작은 부피의 CMP 장치는 전체 장치 부피를 줄일 수 있어 유용하기는 하지만, 연마중에 연마패드에 대한 컨디셔닝을 수행할 수 없는 바, 여러장의 웨이퍼를 연속해서 연마하게 되는 경우에, 도 3에 도시된 바와 같이, 연마패드의 표면 조건이 나빠져 연마량이 점차 감소하는 현상이 발생되며, 이 결과, 웨이퍼에 대한 연마 불량을 유발하게 된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 연마 공정중에도 연마패드에 대한 컨디셔닝이 이루어지도록 한 CMP 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 여러장의 웨이퍼를 연속해서 연마하는 경우에도 연마패드의 표면 조건을 균일하게 유지하여 연마 불량을 방지할 수 있는 CMP 장치를 제공함에 그 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 웨이퍼가 놓여지는 플래튼과, 상기 플래튼 표면에 부착된 연마패드와, 상기 플래튼 보다 조금 작은 직경을 가지면서 플래튼 상에 놓여지는 웨이퍼를 눌러 지지하는 연마헤드와, 상기 플래튼의 밑면에 배치되어 연마패드 내에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급노즐을 포함하며, 상기 연마헤드의 하단 외주면에는 연마패드의 표면을 재생하기 위한 부품으로서, 다이아몬드 링과, 상기 다이아몬드 링을 잡고 상하 이동이 가능하도록 구성된 다이아몬드 링 홀더와, 상기 다이아몬드 링 홀더에 대해 각각 하방향 및 상방향으로 작용하는 힘을 발생시키는 제1 및 제2구동원으로 구성되어 연마공정 중에도 연마패드에 대한 컨디셔닝이 가능하도록 한 연마패드 컨디셔너가 설치된 것을 특징으로 하는 CMP 장치를 제공한다.

여기서, 상기 하방향의 힘을 발생시키는 제1구동원은 제어응답속도가 빠르지 않은 공압이며, 상기 상방향의 힘을 발생시키는 제2구동원은 제어응답속도가 빠른 전자석힘이고, 상기 전자석힘은 전자석코일 또는 코일스프링에 전류를 인가하여 발생시킨 코일자속의 경로에 의해 발생된다.

삭제

상기 다이아몬드 링 홀더의 상하 이동은 하방향의 힘에서 상방향의 힘을 뺀 힘의 프로파일에 따라 제어된다.

본 발명에 따르면, 연마 공정중에 연마패드에 대한 컨디셔닝을 수행할 수 있으므로, 여러장의 웨이퍼를 연속해서 연마하는 경우에도 연마패드의 표면 조건을 일정하게 유지시킬 수 있으며, 이에 따라, 연마 균일도를 높일 수 있다.

(실시예)

이하, 첨부된 도면에 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.

도 4는 본 발명에 따른 CMP 장치를 도시한 단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 CMP 장치에서의 연마패드 컨디셔너를 도시한 단면도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 CMP 장치는 웨이퍼(50)가 놓여지는 플래튼(41)과, 상기 플래튼(41) 표면에 부착된 연마패드(42)와, 상기 플래튼(41) 보다 조금 작은 직경을 가지면서 상기 플래튼(41) 상에 놓여지는 웨이퍼(50)를 눌러 지지하는 연마헤드(43)와, 상기 플래튼(41)의 밑면에 배치되어 상기 연마패드(42) 내에 슬러리(47)를 공급하는 슬러리 공급노즐(도시안됨)과, 상기 연마패드(42)의 표면을 재생하기 위해 상기 연마헤드(43)의 하단 외주면에 설치된 연마패드 컨디셔너(46)로 구성된다.

상기 연마패드 컨디셔너(46)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 연마패드 표면을 연마하기 위한 실질적인 연마부품인 다이아몬드 링(52)과, 상기 다이아몬드 링(52)를 잡고 하방향의 공압(55)과 상방향의 전자석힘(57)에 의해 상하 이동이 가능하도록 구성된 다이아몬드 링 홀더(54)와, 상기 상방향 힘을 발생하기 위한 수단의 하나인 전자석코일(56)을 포함한다. 이때, 상기 전자석힘(57)은 전자석코일(56)에 전 류를 인가함에 따라 발생되는 코일자속(58)의 경로에 의해 발생되며, 이를 위해, 상기 다이아몬드 링 홀더(54)는 자성재료로 구성함이 바람직하다.

여기서, 본 발명의 실시예에서는 하방향 및 상방향으로 작용하는 힘을 발생시키는 구동원들로서 각각 제어응답속도가 빠르지 않은 공압과 제어응답속도가 빠른 전자석힘을 이용하였지만, 상기 전자석코일(56) 이외에 코일스프링 등 임의의 구동기를 사용할 수 있다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 CMP 장치에 따르면, 상기 연마패드 컨디셔너(46)에 구비된 다이아몬드 링(52)은 상하 이동 수단에 의해 컨디셔닝 동안에는 밑으로 내려져 연마패드(42)와의 마찰을 통해 상기 연마패드(42)를 컨디셔닝하게 되며, 반면, 컨디셔닝이 불필요한 경우에는 위로 올려져 연마패드(42)와의 마찰이 없도록 제어된다. 이때, 상기 다이아몬드 링(52)의 상하 이동 수단, 즉, 다이아몬드 링 홀더(54)의 상하 이동은 하방향의 공압에서 상방향의 전자석힘을 뺀 힘의 프로파일(profile)에 따라 제어된다.

따라서, 본 발명의 CMP 장치는 상기와 같은 연마패드 컨디셔너(46)를 구비함에 따라 작은 반경의 플래튼(41) 및 연마패드(42)를 사용하면서도 연마공정 전 뿐만 아니라 연마공정 중에도 연마패드(42)에 대한 컨디셔닝을 수행할 수 있다.

또한, 연마패드 컨디셔닝은 웨이퍼 연마공정과 동시에 수행하거나 웨이퍼 연마공정 전에 수행하는 것이 모두 가능하며, 아울러, 연마공정 중에도 다이아몬드 링 홀더(54)에 상방향의 전자석힘(57)을 인가함으로써 다이아몬드 링(52)을 위로 올려 컨디셔닝의 실행시간을 국부적으로 제어하는 것도 가능하다.

도 6은 본 발명에 따른 연마패드 컨디셔너의 제어 블록다이어그램으로서, 상하 프로파일(profile) 생성기(62)에 연마공정 조건이 입력되면, 상기 상하 프로파일 생성기(62)로부터 컨디셔닝의 실행 프로파일이 생성되고, 이 프로파일에 따르도록 컨디셔너 제어기(64)에 의해 제어값이 출력되며, 이렇게 출력된 제어값이 컨디셔너 구동기(66)에 입력되어 상기 컨디셔너 구동기(66)에 의해 연마패드 컨디셔너에 의한 컨디셔닝이 실행 또는 정지된다. 이때, 상하 프로파일 생성기(62)로부터 생성된 컨디셔닝의 실행 프로파일이 길거나 짧음에 따라, 즉, 연마패드 컨디셔너가 아래로 내려와 컨디셔닝을 하게 되는 시간이 길거나 짧음에 따라 상기 컨디셔너 구동기(66)에 의한 컨디셔닝 시간이 제어된다.
여기서, 상기 상하 프로파일이란 연마패드 컨디셔너, 보다 정확하게는, 다이아몬드 링 홀더가 아래로 내려와 컨디셔닝을 실행할 때와 상기 다이아몬드 링 홀더가 위로 올라가 컨디셔닝을 실행하지 않을 때를 미리 설정해 놓은 것는 것을 의미하며, 전술한 바와 같이, 입력된 연마공정 조건에 따라 결정된다.
또한, 상기 다이아몬드 링 홀더가 아래로 내려오거나, 또는, 위로 올라가는 경우의 힘의 프로파일은, 전술한 바와 같이, 하방향의 공압에서 상방향의 전자석힘을 뺀 힘에 의해 결정되는 것으로, 이러한 힘의 프로파일은 여러가지 연마공정 조건들에 따라 변할 수 있다.

결과적으로, 본 발명의 CMP 장치는 연마패드 컨디셔너를 연마헤드의 외주면에 설치하면서 상하 이동 가능하도록 하고, 아울러, 상기 연마패드 컨디셔너의 실행시간이 제어되도록 함으로써, 연마공정 전은 물론 연마공정 중에도 연마패드에 대한 컨디셔닝이 가능하도록 구성된다.

이에 따라, 본 발명의 CMP 장치를 이용하는 경우, 여러장의 웨이퍼를 연속해서 연마하더라도 연마패드의 표면 조건을 일정하게 유지시킬 수 있는 바, 모든 웨이퍼에 대해 동일한 연마가 이루어지도록 할 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명은 연마공정 중에도 연마패드에 대한 컨디셔닝을 수행할 수 있도록 컨디셔너를 구성함으로써, 여러장의 웨이퍼를 연속해서 연마하는 경우에도 연마패드의 표면 조건을 일정하게 유지시킬 수 있으며, 이에 따라, 웨이퍼에 대한 연마 균일도를 높일 수 있다.

또한, 본 발명은 작은 부피의 CMP 장치를 사용하면서도 연마 균일도를 확보할 수 있으므로, 전체 장치 크기와 관련된 잇점을 얻을 수 있음은 물론, 소모성 부 품인 연마패드의 크기를 줄일 수 있어서 비용절감의 효과 또한 부수적으로 얻을 수 있다.

한편, 전술한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이므로, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가 등이 가능할 것이며, 따라서, 이러한 수정 및 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (6)

1. 웨이퍼가 놓여지는 플래튼과, 상기 플래튼 표면에 부착된 연마패드와, 상기 플래튼 보다 조금 작은 직경을 가지면서 플래튼 상에 놓여지는 웨이퍼를 눌러 지지하는 연마헤드와, 상기 플래튼의 밑면에 배치되어 연마패드 내에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급노즐을 포함하며,

   상기 연마헤드의 하단 외주면에는 연마패드의 표면을 재생하기 위한 부품으로서, 다이아몬드 링과, 상기 다이아몬드 링을 잡고 상하 이동이 가능하도록 구성된 다이아몬드 링 홀더와, 상기 다이아몬드 링 홀더에 대해 각각 하방향 및 상방향으로 작용하는 힘을 발생시키는 제1 및 제2구동원으로 구성되어 연마공정 중에도 연마패드에 대한 컨디셔닝이 가능하도록 한 연마패드 컨디셔너가 설치된 것을 특징으로 하는 화학적기계연마 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 하방향의 힘을 발생시키는 제1구동원은 제어응답속도가 빠르지 않은 공압인 것을 특징으로 하는 화학적기계연마 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 상방향의 힘을 발생시키는 제2구동원은 제어응답속도가 빠른 전자석힘인 것을 특징으로 하는 화학적기계연마 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 전자석힘은 전자석코일 또는 코일스프링에 전류를 인가하여 발생시킨 코일자속의 경로에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 화학적기계연마 장치.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서, 상기 다이아몬드 링 홀더의 상하 이동은 하방향의 힘에서 상방향의 힘을 뺀 힘의 프로파일에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 화학적기계연마 장치.

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