KR100562306B1 - 화학기계적 연마장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 멤브레인을 사용하는 화학기계적 연마(CMP)장치에 관한 것으로, 특히 연마 작업시에 원형 띠형상의 불균일한 연마 부분이 발생하는 것을 방지할 수 있는 화학기계적 연마장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치는, 연마 패드를 구비하는 연마 스테이션; 웨이퍼를 연마 패드쪽으로 가압하기 위한 가스압을 발생하는 가스 공급부; 압력 라인을 통해 상기 가스 공급부에 연결된 미세 홀들을 구비하는 판상 부재와, 상기 미세 홀들에 작용하는 가스압에 따라 웨이퍼를 연마 패드쪽으로 가압하는 멤브레인을 포함하는 연마 헤드 어셈블리;를 포함하며, 상기 각각의 미세 홀들은 판상 부재의 회전시에 서로 다른 반경의 회전 궤적을 따라 회전하도록 배치된다. 바람직하게, 상기 미세 홀들은 판상 부재의 중심으로부터 바람개비 또는 나선형상의 규칙적인 배열 형태로 배열되거나, 불규칙적인 배열 형태로 배열된다.
CMP, 연마 헤드, 금속판, 고무판, 멤브레인, 진공, 홀,

Description

화학기계적 연마장치{CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS}
도 1은 일반적인 화학기계적 연마장치의 개략적인 구성도이고,
도 2는 종래 기술에 따른 연마 헤드의 개략적인 구성도이며,
도 3은 도 2의 판상 부재의 평면도이고,
도 4는 원형 띠형상부가 발생된 상태를 나타내는 웨이퍼의 평면도이며,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 판상 부재의 평면도이고,
도 6a 및 도 6b는 도 5의 변형 실시예이며,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 판상 부재의 평면도이다.
본 발명은 멤브레인을 사용하는 화학기계적 연마(CMP)장치에 관한 것으로, 특히 연마 작업시에 원형 띠형상의 불균일한 연마 부분이 발생하는 것을 방지할 수 있는 화학기계적 연마장치에 관한 것이다.
최근 반도체 소자는 고집적화에 따라 그 구조가 다층화되고 있다. 이에 따라 반도체 소자의 제조 공정 중에는 반도체 웨이퍼의 각 층을 평탄화하기 위한 연마 공정이 필수적으로 포함된다. 이러한 연마 공정에서는 주로 화학기계적 연마 (Chemical Mechanical Polishing :이하, 'CMP'라 한다) 공정이 적용되고 있다.
상기한 CMP 공정은 텅스텐이나 산화물 등이 입혀진 웨이퍼의 표면을 기계적 마찰에 의해 연마시킴과 동시에 화학적 연마제에 의해 연마시키는 공정으로서, 기계적 연마는 연마 헤드에 고정된 웨이퍼를 회전하는 연마 패드에 가압시킨 상태에서 회전시킴으로써 연마 패드와 웨이퍼 표면간의 마찰에 의해 웨이퍼 표면의 연마가 이루어지게 하는 것이고, 화학적 연마는 연마 패드와 웨이퍼 사이에 공급되는 화학적 연마제로서의 슬러리에 의해 웨이퍼 표면의 연마가 이루어지게 하는 것이다.
이 공정에 의하면, 좁은 영역 뿐만 아니라 넓은 영역의 평탄화에 있어서도 우수한 평탄도(planarity)를 얻을 수 있으므로, 상기한 CMP 공정은 웨이퍼가 대구경화되어 가는 추세에 특히 적합하다.
상기한 CMP 공정을 수행하는 CMP 장치는 도 1에 도시한 바와 같이, 연마 스테이션(110)과 연마 헤드(120)를 포함하며, 상기 연마 스테이션(110)은 연마 패드(112)가 설치된 턴테이블(114)을 구비하고, 연마 헤드(120)는 도 2에 도시한 바와 같이 판상 부재(122)와 보호대(124) 및 멤브레인(126)을 구비한다.
상기 판상 부재(122)에는 다수개, 예를 들어 28개의 미세 홀(122')들이 구비되는데, 이때 상기 미세 홀(122')들은 도시한 바와 같이 동심원상에 여러개가 배치된다. 그리고, 상기 미세 홀(122')들은 웨이퍼(W)를 로딩하기 위한 진공압을 발생하는 진공 발생기(130)와, 웨이퍼(W)를 연마하는 동안 가스압, 예를 들어 질소 가스를 공급하는 가스 공급기(140)에 유압 라인(150)을 통해 각각 연결된다.
도 1에서, 미설명 도면부호 152는 연마 헤드에 연결되는 아암을 나타내며, 도면부호 154는 슬러리 공급부를 나타낸다.
이러한 구성의 화학기계적 연마장치는 진공 발생기(130)에서 발생된 진공압에 의해 웨이퍼(W)를 로딩하며, 웨이퍼 연마시에는 가스 공급기(140)에서 공급되는 가스압에 의해 멤브레인(126)이 부풀어오르면서 웨이퍼(W)를 연마 패드(112) 쪽으로 가압하여 연마 작업을 진행한다.
그런데, 상기한 화학기계적 연마장치를 사용하여 웨이퍼를 연마한 후 웨이퍼를 관찰하면, 상기 웨이퍼에는 도 4에 도시한 바와 같이 원형 띠형상의 불균일한 연마 부분(이하, '원형 띠형상부'라 한다)(D)이 형성된다.
상기 원형 띠형상부(D)는 다른 부분에 비해 연마가 과도하게 이루어지기 때문에 발생되는데, 이는 상기 멤브레인(126)이 부풀어오르면서 웨이퍼(W)를 가압할 때 도 3에 도시한 바와 같이 미세 홀(122')들이 동심원상으로 배치되어 있는 부분에서의 공기압이 다른 부분보다 미세하게 크기 때문이다.
따라서, 상기 원형 띠형상부(D)는 미세 홀(122')들이 동심원상으로 제공된 형태와 동일한 위치에 형성되며, 원형 띠형상부(D) 발생으로 인한 연마 균일도 저하는 소자의 정상적인 작동을 불가능하게 하는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 제거하기 위해서는 웨이퍼에 압력을 가하지 않고 연마제 만으로 연마 작업을 진행해야 하는데, 이 경우에는 연마 속도가 저하되어 생산성이 낮은 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 연마 작업시에 원형 띠형상의 불균일한 연마 부분이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 화학기계적 연마장치를 제공함에 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
연마 패드를 구비하는 연마 스테이션;
웨이퍼를 연마 패드쪽으로 가압하기 위한 가스압을 발생하는 가스 공급부;
압력 라인을 통해 상기 가스 공급부에 연결된 미세 홀들을 구비하는 판상 부재와, 상기 미세 홀들에 작용하는 가스압에 따라 웨이퍼를 연마 패드쪽으로 가압하는 멤브레인을 포함하는 연마 헤드 어셈블리;
를 포함하며, 상기 각각의 미세 홀들은 판상 부재의 회전시에 서로 다른 반경의 회전 궤적을 따라 회전하도록 배치되는 화학기계적 연마장치를 제공한다.
바람직한 실시예에 의하면, 상기한 미세 홀들은 판상 부재의 중심으로부터 바람개비 또는 나선형상의 규칙적인 배열 형태 또는 일정한 규칙이 없는 불규칙적인 배열 형태로 배열된다.
그리고, 상기 미세 홀들은 원형 또는 원형 이외의 다양한 형상으로 형성이 가능하며, 또한 2가지 이상의 서로 다른 크기로 형성이 가능하다.
물론, 상기 미세 홀들을 두가지 이상의 서로 다른 형상 및 2가지 이상의 서로 다른 크기로 형성할 수도 있다. 그리고, 상기한 각각의 미세 홀들을 등간격 또는 비등간격으로 형성하는 것도 가능하다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 화학기계적 연마장치에 있어서, 미세 홀들이 형성되는 판상 부재의 평면도를 도시한 것이다.
도 1 및 도 5에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 판상 부재(22)에는 다수개의 미세 홀(22')들이 구비되는데, 상기 미세 홀(22')들은 도시한 바와 같이 전체적으로 나선형상으로 배열된다.
상기한 나선형상으로 배열된 미세 홀(22')들은 판상 부재(22)가 회전할 때 서로 다른 반경의 회전 궤적을 그리게 되는데, 이러한 구성에 의하면 연마 진행을 위해 가스 공급기(140)에서 가스압을 공급할 때 미세 홀(22')들이 배치된 부분에서의 압력이 다른 부분의 압력보다 미세하게 크게 작용하더라도 상기한 압력 차로 인해 웨이퍼의 연마면이 불균일하게 연마되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 종래와 동일한 연마 속도로 연마가 가능하므로 생산성 저하를 방지할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 전술한 도 5의 변형 실시예들을 도시한 것으로, 도 6a의 변형 실시예는 미세 홀(22')들의 직경을 서로 다르게 형성한 것이다. 도 6a에서는 판상 부재(22)의 외곽으로 갈수록 미세 홀(22')들의 직경을 점차적으로 증가시켰지만, 이와 반대의 경우도 가능하다.
또한, 도시하지는 않았지만, 판상 부재(22)의 중심 영역에는 소직경의 미세 홀들을 형성하고, 외곽 영역에는 상기 소직경보다 큰 직경의 대직경의 미세 홀들을 형성하는 것도 가능하다.
도 6b의 변형 실시예는 상기한 미세 홀(22')들을 4각형상으로 형성한 것으로, 이외에도 상기 미세 홀(22')들의 형상은 다양한 형태로 변형이 가능하다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 판상 부재의 평면도를 도시한 것으로, 본 실시예의 판상 부재(22)에 구비되는 다수개의 미세 홀(22')들은 전체적으로 바람개비 형상으로 배열된다.
이해를 돕기 위해, 상기 도 7의 미세 홀(22')들에 1 내지 31의 번호를 부여하였다. 이와 같이, 바람개비 형상으로 배열된 미세 홀(22')들도 전술한 실시예에서와 마찬가지로 원형 띠형상의 불균일 연마 부분이 발생되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 도시하지는 않았지만, 도 7의 실시예도 전술한 도 6a 및 6b의 변형 실시예들과 마찬가지로 미세 홀(22')들의 직경 및 형상을 다양한 형태로 변형할 수 있음은 자명하다.
또한, 상기에서는 미세 홀들을 나선 형상 또는 바람개비 형상과 같이 특정한 패턴으로 형성한 것을 예로 들어 설명하였지만, 상기한 미세 홀들을 특정한 패턴이 없는 불규칙한 패턴으로 형성하는 것도 가능하다. 그리고, 각 미세 홀들간의 간격을 비등간격으로 형성하는 것도 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 가스압을 멤브레인에 공급하는 미세 홀들이 서로 다른 직경의 회전 궤적을 따라 회전하도록 나선형상 또는 바람개비 형상으로 배열되므로, 상기한 미세 홀들을 통과하는 가스압으로 인해 웨이퍼의 연마 면이 불균일하게 연마되는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 불균일 연마로 인한 소자 수율 저하를 방지할 수 있으며, 웨이퍼 처리 속도를 양호하게 유지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 연마 패드를 구비하는 연마 스테이션;
    웨이퍼를 연마 패드쪽으로 가압하기 위한 가스압을 발생하는 가스 공급부;
    압력 라인을 통해 상기 가스 공급부에 연결된 미세 홀들을 구비하는 판상 부재와, 상기 미세 홀들에 작용하는 가스압에 따라 웨이퍼를 연마 패드쪽으로 가압하는 멤브레인을 포함하는 연마 헤드 어셈블리;
    를 포함하며, 상기 각각의 미세 홀들은 판상 부재의 회전시에 서로 다른 반경의 회전 궤적을 따라 회전하도록 배치되는 화학기계적 연마장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기한 미세 홀들은 판상 부재의 중심으로부터 바람개비 또는 나선형상의 규칙적인 배열 형태로 배열되는 화학기계적 연마장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기한 미세 홀들은 불규칙적인 배열 형태로 배열되는 화학기계적 연마장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미세 홀들은 원형 또는 다각형상으로 형성되는 화학기계적 연마장치.
  5. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미세 홀들은 2가지 이상의 서로 다른 크기로 형성되는 화학기계적 연마장치.
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