KR100576822B1

KR100576822B1 - 화학적ㆍ기계적 연마장치

Info

Publication number: KR100576822B1
Application number: KR1020030061911A
Authority: KR
Inventors: 홍덕호; 이종원; 권영백; 하상록; 손홍성
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2003-09-04
Publication date: 2006-05-10
Also published as: KR20050024100A

Abstract

본 발명은 화학적ㆍ기계적 연마장치를 제공한다. 상기 화학적·기계적 연마장치는 연마패드가 마련되며 회전가능한 플래튼과, 상기 플래튼의 상측에 회전가능하게 설치되되, 내부에 에어공급 및 진공흡입되는 다수개의 홀이 형성된 척을 구비하는 캐리어헤드 본체와, 상기 캐리어헤드 본체의 저면에 설치되되, 상기 홀을 노출시키는 개구부가 형성되고, 그 저면에 흡착 고정되는 웨이퍼를 완충하는 멤브레인 및 상기 멤브레인 저면에 설치되어 상기 흡착 고정되는 웨이퍼와의 마찰을 방지하는 멤브레인 보호막을 포함하되, 상기 멤브레인 보호막은 내화학성 및 내마모성을 갖는 물질로 제작되어 웨이퍼의 배면과 접촉되는 멤브레인 일면에 코팅되며, 결정성 물질로 된 연마물질을 함유한다.

Description

화학적ㆍ기계적 연마장치 { CHEMICAL MECHANICAL POLISHING APPARATUS }

도 1은 본 발명에 따른 역압방지유닛을 갖는 연마장치를 도시한 도면,

도 2는 본 발명에 따른 연마장치의 다른 실시예를 도시한 도면,

도 3은 도 2에 설치된 멤브레인을 도시한 도면이다.

* 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 *

11: 플래튼 13 : 연마패드

20 : 본체 21 : 척

23 : 리테이너 링 25 : 멤브레인

27 : 멤브레인 보호막 30 : 연마장치

W : 웨이퍼

본 발명은 화학적ㆍ기계적 연마장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연마 공정이 진행될 때 웨이퍼와 접촉되는 멤브레인(Membrane)을 개선하여 반도체 생산수율을 향상시키는 화학적ㆍ기계적 연마장치에 관한 것이다.

최근 들어 반도체 디바이스(Device)의 고밀도화, 미세화 및 배선구조의 다층 화에 따라 반도체 디바이스의 표면 단차가 점차 증가되고 있는 실정이다.

이에 따라 반도체 디바이스의 표면을 평탄화 하기 위해 여러가지 장치들이 개발되고 있으며,상기 반도체 디바이스를 평탄화 하는 기술로는 리플로우, 전면 식각방법 등 다양하게 있으나, 반도체 디바이스의 고집적화에 따라 미세 패턴을 형성하기 위해서는 화학적 연마와 기계적 연마를 한꺼번에 수행하여 반도체 디바이스의 표면을 평탄화하는 화학적ㆍ기계적 연마장치(이하, "연마장치"라 칭함)가 널리 사용되고 있다.

상기 연마장치는 회전운동 및 요동운동을 하는 헤드부에 흡착된 웨이퍼가 회전운동을 하는 연마패드 위에 소정 압력으로 접촉한 상태에서 연마액(이하, "슬러리(Slurry)"라 칭함)을 공급하여 웨이퍼를 연마한다. 이때, 웨이퍼는 슬러리 및 헤드부와 연마패드의 상호운동에 의해 화학적 및 기계적으로 동시에 연마된다.

여기서, 상기 헤드부는 내부 공간을 형성하는 본체와 상기 본체와 결합되거나 일체형으로 제작되어 웨이퍼 바깥쪽 폴리싱 면을 가압하는 리테이너 링과 웨이퍼를 가압하거나 흡착시키기 위한 홀이 형성된 척 및 상기 척의 하부면을 덮되, 상기 홀을 노출시키는 개구부를 갖는 멤브레인을 포함한다.

그런데, 이러한 종래의 연마장치는 회전운동 및 요동운동을 하는 헤드부와 회전운동을 하는 연마패드에 의해 웨이퍼를 흡착하거나 가압하는 멤브레인의 일면과 웨이퍼의 배면이 마찰됨에 따라, 멤브레인의 일면이 마모되거나, 슬러리와 접촉한 멤브레인이 부식되어 표면 재질의 조각들이 떨어져 나와 파티클을 발생시키는 문제점이 있다.

또한, 상기 파티클은 연마과정에서 연마패드로 이동하여 웨이퍼의 상면에 달라붙게 되므로 웨이퍼의 생산 수율을 저하시키는 문제점을 유발한다.

그리고, 상기 웨이퍼에 달라붙은 파티클을 제거하기 위해 웨이퍼의 상면을 털어주는 버핑(Buffing)공정을 추가로 진행해야 하는 번거로움이 발생한다.

한편, 상기 멤브레인이 존 구분형 멤브레인일 경우, 상기 멤브레인은 각 존(Zone)별로 나뉘어 구성되므로 각각 다른 압력을 구분하여 가압할 수 있는데 이때, 일부 존의 경우 각각의 존에 가해지는 압력의 간섭을 방지하기 위해 재질의 두께를 두껍게 구성하므로 실제로 웨이퍼에 가해지는 압력이 제대로 전달되지 않는 문제점이 발생한다.

따라서, 존별로 연마 속도가 달라져 연마공정의 균일성이 떨어지는 문제점이 발생한다.

따라서, 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 웨이퍼의 배면과 접촉하는 멤브레인의 일면에 멤브레인 보호막을 설치하여 멤브레인의 마모에 따른 파티클 발생을 방지하는 화학적ㆍ기계적 연마장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 상기 멤브레인의 보호막을 각 존별로 다른 물질로 각각 구분하여 구성함에 따라 연마공정의 균일성을 향상시키는 화학적ㆍ기계적 연마장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연마패드가 마련되며 회전가능한 플래튼과, 상기 플래튼의 상측에 회전가능하게 설치되되, 내부에 에어공급 및 진공흡입되는 다수개의 홀이 형성된 척을 구비하는 캐리어헤드 본체와, 상기 캐리어헤드 본체의 저면에 설치되되, 상기 홀을 노출시키는 개구부가 형성되고, 그 저면에 흡착 고정되는 웨이퍼를 완충하는 멤브레인 및 상기 멤브레인 저면에 설치되어 상기 흡착 고정되는 웨이퍼와의 마찰을 방지하는 멤브레인 보호막을 포함하되, 상기 멤브레인 보호막은 내화학성 및 내마모성을 갖는 물질로 제작되어 웨이퍼의 배면과 접촉되는 멤브레인 일면에 코팅되며, 결정성 물질로 된 연마물질을 함유한다.
여기서, 상기 내화학성 및 내마모성을 갖는 물질은 실리콘, 알루미나, 탄화규소, 폴리에스테르, 폴리텍스, 폴리우레탄 중 어느 하나이거나 이들의 혼합물인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 연마물질은 알루미나, 실리카, 세리아 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한, 상기 캐리어헤드 본체는 내부에 복수개로 구획되어 서로 다른 가압영역을 이루며, 상기 멤브레인은 상기 가압영역에 따라 서로 다른 두께로 형성되고, 상기 멤브레인 보호막은 상기 가압영역에 따라 각각 탄성계수가 다른 재질로 이루어질 수 있다.

삭제

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 역압방지유닛을 갖는 연마장치를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 연마장치의 다른 실시예를 도시한 도면이며, 도 3은 도 2에 설치된 멤브레인을 도시한 도면이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 연마장치(30)는 전체적으로 보아 캐리어헤드 본체(20)와 연마테이블부(10), 슬러리를 공급해주는 슬러리 공급부(미도시)로 구성 된다.

연마테이블부(10)는 후술될 상기 캐리어헤드 본체(20)의 하부에 대응되게 위치하며 그 상면에 웨이퍼(W)의 일면과 접촉할 수 있는 연마패드(13)가 마련된 플래튼(11)으로 구성된다.

상기 캐리어헤드 본체(20)는 상측에 도시되지 않은 구동유닛에 의해 구동되는 회전축(29)이 설치되어 웨이퍼(W)의 일면이 아래를 향하도록 하여 웨이퍼(W)를 적재할 수 있는 공간을 형성하며 회전 및 요동 가능하다.

상기 캐리어헤드 본체(20) 내부에는 웨이퍼(W)를 가압하기 위해 에어를 공급하거나 흡착하기 위해 진공흡입 가능하도록 다수개의 홀(21a)을 형성하는 척(21)을 설치하고, 상기 척(21)의 하부에는 상기 척(21)의 하부면을 덮되, 상기 홀(21a)을 노출시키는 개구부(25a)가 형성되며 탄성을 갖는 재질로 형성된 멤브레인(25)이 설치되며, 상기 멤브레인(25)의 하부에는 상기 척(21)의 홀(21a)을 통해 가압되거나 흡착되는 웨이퍼(W)가 설치된다.

여기서, 상기 웨이퍼(W)의 배면과 접촉하는 상기 멤브레인(25)의 일면에는 멤브레인 보호막(27)이 설치된다.

상기 멤브레인 보호막(27)은 상기 웨이퍼(W)의 배면과 접촉하는 멤브레인(25)의 일면에 코팅하는 것으로서, 연마에 사용되는 슬러리에 강하고, 장시간 마찰에도 견딜 수 있도록 내화학성 및 내마모성을 갖는 재질로 코팅되는 것이 바람직하며, 상기 내화학성 및 내마모성을 갖는 물질은 실리콘, 알루미나, SiC, 폴리에스테르, 폴리텍스, 폴리우레탄 등 고순도 세라믹 재료중 어느 하나이거나 이들 의 혼합물인 것이 바람직하다.

또한, 상기 멤브레인 보호막(27)을 구성하는 코팅에는 ALUMINA(알루미나), SILICA(실리카), CERIA(세리아,CeO₂) 등의 결정성 물질로 된 연마물질을 추가로 함유시켜 제작하는 것이 바람직하다.
한편, 도 1 및 도 2에 도시된 미설명부호 23은 리테이너 링이다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 존구분형인 멤브레인(25’)인 경우, 상기 멤브레인 보호막(27’)은 각 존(Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6)별로 서로 다른 특성을 갖는 재질로 구성되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 각 존(Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6)은 상기 서로 다른 가압영역인 것이 바람직하다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 각 존(Z2, Z4, Z6)에서의 경우, 각 존(Z1, Z3, Z5)에서의 멤브레인(25’)의 두께(t)보다 두꺼운 두께(t’)를 이루므로, 상기 각 존(Z2, Z4, Z6)의 멤브레인 보호막(27’)은 내화학성 및 내마모성과 아울러 탄성이 강화된 재질로 구성되되, 각각의 존(Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6)에 가해지는 압력을 전달할 수 있는 탄성계수를 갖는 재질로 제작되는 것이 바람직하다.

즉, 상기 멤브레인 보호막(27’)은 상기 각 존(Z2, Z4, Z6)에서는 탄성계수가 높은 재질로 형성하고, 각 존(Z1, Z3, Z5)에서는 탄성계수가 낮은 재질로 형성할 수 있다.
이하에서는 이러한 구성에 의하여, 본 발명에 따른 화학적ㆍ기계적 연마장치의 일실시예를 통해 작용 및 효과를 설명한다

먼저, 웨이퍼(W)는 캐리어헤드 본체(20)에 내설되어 진공펌핑되는 척(21)의 홀(21a)을 통해 멤브레인(25)에 흡착되어 연마테이블부(10)의 플래튼(11)에 설치된 연마패드(13) 상면으로 이송되면, 진공펌핑은 중단되고, 척(21)의 홀(21a)을 통해 에어를 공급하여 멤브레인(25)을 가압하므로 웨이퍼(W)는 일정한 압력을 받으며 연마패드(13)와 접촉하게 된다.

상기 본체(20)와 플래튼(11)이 작동하여 회전 및 요동운동을 시작하면, 웨이퍼(W)의 상면은 연마패드(13) 위에 소정의 압력으로 접촉한 상태에서 슬러리가 공 급되어 캐리어헤드 본체(20)와 플래튼(11)의 상호 회전에 의해 웨이퍼(W)가 연마된다.

이때, 상기 웨이퍼(W)의 배면과 접촉하는 멤브레인(25)의 일면에 설치된 내화학성, 내마모성 그리고, 연마물질이 함유된 재질로 코팅된 멤브레인 보호막(27)에 의해 웨이퍼(W)와 접촉하는 멤브레인(25)의 일면이 마모되거나 슬러리에 의해 부식되는 것이 방지되고, 웨이퍼(W)의 배면에 파티클이 유입되더라도, 상기 멤브레인 보호막(27)에 함유된 연마물질에 의해 제거된다.

여기서, 도 2에 도시된 바와 같이, 멤브레인(25’)이 서로 다른 가압영역에 따른 존 구분형일 경우에 있어서, 존(Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6)별로 서로 다른 압력이 가해지는 경우에, 각 존(Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6)별로 멤브레인(25’)의 두께(t,t’)를 고려하여 각각 다른 탄성계수를 갖도록 설치된 상기 멤브레인 보호막(27’)은 상기 멤브레인(25’)을 통해 가해지는 서로 다른 압력이 웨이퍼(W)로 원활하게, 즉 균일한 압력으로 전달되므로, 웨이퍼(W)는 그 중심부나 에지부나 균일하게 연마된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 기계적ㆍ화학적 연마장치는 멤브레인에 내화학성과 내마모성을 가진 재질로 멤브레인 보호막을 마련함에 따라 멤브레인의 마모 및 부식에 따른 파티클 생성을 방지하는 효과가 있다.

또한, 파티클 유발을 방지하여 버핑공정을 진행하지 않아도 되므로 생산성이 향상되는 효과가 있다.

그리고, 멤브레인의 각 영역별로 다른 재질을 사용함에 따라 웨이퍼에 각 영역별로 적정한 압력이 가해지므로 연마공정의 균일성을 향상시키는 효과가 있다.

Claims

연마패드가 마련되며 회전가능한 플래튼;

상기 플래튼의 상측에 회전가능하게 설치되되, 내부에 에어공급 및 진공흡입되는 다수개의 홀이 형성된 척을 구비하는 캐리어헤드 본체;

상기 캐리어헤드 본체의 저면에 설치되되, 상기 홀을 노출시키는 개구부가 형성되고, 그 저면에 흡착 고정되는 웨이퍼를 완충하는 멤브레인; 및

상기 멤브레인 저면에 설치되어 상기 흡착 고정되는 웨이퍼와의 마찰을 방지하는 멤브레인 보호막을 포함하되, 상기 멤브레인 보호막은 내화학성 및 내마모성을 갖는 물질로 제작되어 웨이퍼의 배면과 접촉되는 멤브레인 일면에 코팅되며, 결정성 물질로 된 연마물질을 함유하는 것을 특징으로 하는 화학적ㆍ기계적 연마장치.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 내화학성 및 내마모성을 갖는 물질은 실리콘, 알루미나, 탄화규소, 폴리에스테르, 폴리텍스, 폴리우레탄 중 어느 하나이거나 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 화학적ㆍ기계적 연마장치.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 연마물질은 알루미나, 실리카, 세리아 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 화학적ㆍ기계적 연마장치.
제 1항에 있어서,

상기 캐리어헤드 본체는 내부에 복수개로 구획되어 서로 다른 가압영역을 이루며, 상기 멤브레인은 상기 가압영역에 따라 서로 다른 두께로 형성되고, 상기 멤브레인 보호막은 상기 가압영역에 따라 각각 탄성계수가 다른 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 화학적ㆍ기계적 연마장치.