KR100577470B1 - 다수의 투과창을 갖는 연마 패드 - Google Patents

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Abstract

화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing) 공정 중 피삭체의 연마량을 보다 신속, 정밀하게 모니터링하기 위한 연마 패드에 관한 것으로, 다수의 투과 창(window)이 도입되어 기존의 단일의 투과창 구조보다 피삭체의 연마량을 신속하면서도 정밀하게 제어할 수 있으며, 상기 투과창이 연마 패드의 나머지 부분(연마부)과 동일한 재료로 일체형으로 구성되어 있어, 패드에 별도로 삽입된 투과창을 갖는 기존의 패드보다 정밀한 연마 공정이 가능하며, 내구성이 우수한 장점을 가지고 있다.
다수의 투과창, 연마부, CMP, 일체형, 연마공정

Description

다수의 투과창을 갖는 연마 패드 {Polishing pad having multi-windows}
도 1은 연마 종점을 검출하기 위한 종래의 화학적 기계적 연마(CMP) 장치를 나타내고;
도 2는 본 발명에 따라 홀 및/또는 홈이 형성된 연마 패드의 표면을 보여주는 SEM(Scanning Electron Microscopy) 사진이며;
도 3은 본 발명에 따라 다수의 투과창이 형성된 연마 패드를 나타낸다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 ---- 연마 패드 2 --- 연마부
3 ---- 투과창 10 --- 패드
11 --- 커버층 12 --- 백층
20 --- 정반 30 --- 홀
40 --- 웨이퍼 50 --- 레이저 간섭계
60 --- 레이저 빔 70 --- 폴리싱 헤드
80 --- 폴리싱 헤드의 중심축 90 --- 정반의 중심축
본 발명은 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; 이하 "CMP"라 칭함) 공정 중 피삭체의 연마량을 보다 신속, 정확하게 측정하기 위한 연마 패드에 관한 것이다. 보다 상세하게는 다수의 투과창이 형성되어 있고, 투과창과 연마부를 포함한 연마 패드 전체가 동일한 재료로써 일체형으로 되어 있어 정밀한 연마 공정이 가능하고 구조적으로 월등한 내구성을 갖는 연마 패드에 관한 것이다.
CMP 공정은 반도체 소자 제조 공정에서 글로벌(global) 평탄화를 목적으로 이용되는 초 정밀/경면 연삭의 한 방법으로, 연마액(slurry)을 연마패드와 피삭체 (wafer) 사이에 투입시켜 화학적(chemical)으로 표면을 부식시키고 그 부식된 면을 기계적(mechanical)으로 연마(polishing)하는 가공 방법이다.
반도체 기술이 발전함에 따라, 배선의 스케일이 점점 작아지고 있으며, 서브-마이크로미터(sub-micrometer)의 배선을 도입하게 되었다. 서브-마이크로미터의 배선을 도입하기 위해서는 배선이 도입되는 표면을 nm 스케일의 거칠기로 연마시켜주어야 한다. 이에 따라 CMP 공정은 nm 단위의 연마 조절 능력이 요구되어지고 있다. 특히, 연마 종점을 정확히 찾아내어 작업하지 않을 경우, 절연막을 필요 이상으로 연마하는 오버-폴리싱(over-polishing)이나 덜 연마하는 언더-폴리싱(under-polishing)이 일어나게 되어, 반도체 소자의 불량을 야기하게 된다.
연마 중 발생하는 이러한 가공 불량을 제거하기 위해 CMP 분야에서는 연마종점을 정확히 찾아내기 위한 연구가 활발히 진행되었다. 이러한 연구 중 연마 종점을 정확히 찾아내기 위해 고안된 미국 특허 제 5,893,796호는 패드 내에 투명창을 삽입하여 연마공정 중에 피삭체의 연마 상태를 레이저를 이용하여 검출하는 방법에 대해 서술하고 있다.
미국 Applied Material사의 Mirra CMP 장치는 상기 미국 특허를 이용하여 연마 종점을 검출하고 있는데, 그 기계 장치를 살펴보면, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 연마 패드(10) 하부의 레이저 간섭계(50)로부터 발진된 레이저 빔(60)이 패드 내에 형성된 홀(30: 투과창)을 통해 상부의 웨이퍼(40)에 반사된 뒤 다시 정반(20)에 있는 레이저 센서에 감지되어 레이저의 발진시 세기와 반사 후 세기의 차이를 비교, 분석하여 웨이퍼(40) 막의 두께를 계산하는데, 정반(20)이 그 중심축(90)을 기준으로 한 바퀴 회전할 때마다 폴리싱 헤드(70)에 고정되어 있는 그 중심축(80)을 기준으로 회전하는 웨이퍼(40)의 두께를 체크하여 잔류한 막의 두께를 통해 연마 종점을 검출하게 된다.
이러한 투과창을 삽입한 패드의 경우 투과창이 삽입된 결합부분을 통해 슬러리가 스며들어 패드의 내구성을 약화시키는 문제점을 가지고 있고, 슬러리로 인해 웨이퍼 상에 불량을 야기할 가능성도 있다. 또한 오랜 시간 연마시 투과창과 연마 패드의 서로 다른 기계적 성질로 인해 마모되는 양에 있어서 차이가 발생하여 패드 두께의 불균일이 초래되는데, 패드 두께가 불균일할 경우 웨이퍼가 접촉하는 면이 고르지 않게 되어 평탄한 연마면을 얻을 수 없는 단점이 있다.
본 발명은 단일창이 도입된 기존의 패드보다 정확한 연마량 조절이 가능하도록 CMP 연마 패드에 다수의 창을 도입함으로써 정반(20)이 회전하면서 레이저를 통해 피삭체의 잔류 막 두께 측정 주기를 혁신적으로 단축시켜 기존의 방법에 비해 잔류막의 두께를 빠른 주기로 정밀하게 모니터링(monitoring)할 수 있다. 잔류막의 두께를 보다 빠른 주기로 측정할 수 있는 패드가 도입됨에 따라 연마 종점 제어가 보다 정밀하게 되어 향후 nm 규모의 CMP 공정의 연마 종점 확인에도 적용될 수 있는 방법을 제시하고자 한다.
또한 투과창을 연마 패드에 삽입함으로써 발생했던 기존 패드의 상술한 문제점들을 해결하기 위하여 본 발명에서는 연마 종점 감지를 위한 투과창과 연마부를 동일한 재료를 이용하여 일체형으로 가공함으로써 슬러리 연마액이 투과창이 삽입된 부위로 스며 나가는 문제점을 근본적으로 해결하며, 컨디셔너에 의한 패드 마모를 동일하게 함으로써 투과창과 연마부의 두께 편차를 최소화할 수 있다.
본 발명에 따른 연마 패드는 레이저가 투과되는 창이 다수 존재하고 연마부와 투과창이 동일한 재료로 된 일체형으로 구성되어 있다.
연마 패드의 재질은 본질적으로 레이저가 관통되는 투명한 재료로 이루어져 있으며 폴리우레탄, 폴리에스테르, PVC, 인조 가죽, 및 고무로 이루어진 그룹으로 부터 선택된 적어도 하나로부터 제조될 수 있다. 연마패드는 CMP 공정 중 슬러리 연마액이 원활하게 피삭체와 패드 사이에 유동할 수 있도록 패드 표면에 100~1,000 micro-meter의 폭을 갖는 홈(groove) 또는 100~250 micro-meter의 직경을 갖는 마이크로홀(micro-hole) 등이 가공될 수 있으며, 투과창을 형성시키기 위해 투과창 부위에는 이러한 표면 가공을 행하지 않는다. 본 발명에 따른 연마 패드의 연마부에 형성된 마이크로 홀과 홈(groove)의 실예를 도 2의 SEM(Scanning Electon Microscopy) 이미지를 통해 도시하였다.
본 발명에서 투과창(3)은 2-10개 형성시키는 것이 바람직한데, 투과창의 크기는 2cm*5cm 가 적합하다. 그 구체적인 예로써 도 3과 같이 투과창(3)을 4개 형성하되, 각각의 투과창이 패드의 중심을 기준으로 90도 간격을 이루며 배치시킴으로써 패드(1)가 CMP 기구 위에서 1바퀴 회전할 때마다 네 개의 투과창을 통해 피삭체를 4회 관찰할 수 있게 된다. 따라서 기존의 단일 투과창을 형성시킨 패드와 비교할 때 피삭체의 잔류막 측정 주기가 1/4로 단축되게 되며, 이에 따라 CMP 공정을 제어하는 통제 장치에 기존의 연마 패드보다 4배 빠른 정보를 보낼 수 있다. 즉, 4개의 창을 형성함으로써 CMP 공정 중 연마 제어량을 기존에 비해 1/4로 제어할 수 있다.
이와 같은 4개의 투과창이 형성된 패드를 적용하였을 때의 효과를 살펴보면 다음과 같다. 통상적인 조건 하에서 기존의 패드를 이용하여 연마할 경우 패드가 1바퀴 회전할 때마다 피삭체를 60Å씩 연마한다. 따라서 기존의 창이 하나 도입된 패드를 이용할 경우 모니터링 하고 공정을 제어할 수 있는 최소 단위는 60Å이다. 하지만, 만약 창이 네 개 도입된 패드를 이용할 경우 1/4 바퀴마다 모니터링 할 수 있으므로, 모니터링 할 수 있는 최소 단위는 60Å의 1/4인 15Å으로 감소하게 되며 이에 따라 연마 공정의 정밀도를 15Å 단위로 조절할 수 있다. 이와 같이 다수의 창을 도입함에 따라, 창의 개수에 반비례하여 잔류막 측정 주기를 줄일 수 있으며, 따라서 보다 정밀한 가공 제어가 가능하게 된다.
다수의 투과창이 도입됨으로써 잔류막 측정 주기의 변화를 살펴보면 식 1과 같다. 투과창의 수(n)과 투과창을 통해 잔류막의 두께를 측정하는 주기(??)는 반비례 관계에 있으며 정반이 회전하는 한 바퀴당 투과창을 통해 관측하는 회수(f)는 비례하는 관계를 가지고 있다.
Figure 112003049285612-pat00001
패드가 1회전 할 때마다 피삭체가 연마되는 양을 M이라고 하면, n개의 창이 도입되었을 때 정반이 1/n 바퀴마다 피삭체의 연마량을 측정하므로, 1/n 바퀴마다 측정되는 연마량 최소 단위(m)는 M/n이다.
Figure 112003049285612-pat00002
따라서 다수의 창이 도입됨에 따라 수식에서 n이 증가하므로, 1/n 바퀴마다 측정할 수 있는 연마량 최소 단위(m)이 감소하여, n이 증가할수록 보다 미세한 단위의 연마량 측정이 가능해진다. 기존의 투과창이 하나가 도입되어 있는 패드를 이용할 경우 n=1 이므로 관측할 수 있는 1회 측정시 관찰할 수 있는 최소 단위(m)는 M이다. 만일 n=4인 다수의 투과창이 도입된 패드의 경우 정반이 1회전 할 때마다 4번의 관측 기회가 있으므로 1회 측정시 관찰할 수 있는 최소 단위 m은 M/4으로써 기존의 패드를 적용할 때보다 25% 수준으로 4배의 정밀성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 제조되는 패드는 패드가 본질적으로 투명하며 패드의 연마면과 투과창이 일체형으로 구성되어 있기 때문에 종래에 투과창이 별도로 삽입된 패드와는 다르게 연마부(2)와 투과창(3) 사이로 슬러리 연마액이 새거나 분리되는 문제가 원천적으로 발생되지 않아 패드의 내구성을 높일 수 있으며, 패드의 재료 물성이 연마면과 투과창이 동일하여 패드 전면에 걸쳐 균일한 두께를 CMP 공정 중에 유지할 수 있다.
투과창을 형성하기 위하여, 패드에 마이크로홀 및/또는 홈을 가공하기 전, 패드의 상면에 투과창의 위치가 될 곳에 투과창의 형상과 크기와 동일한 보호커버를 부착하여, 마이크로홀 및/또는 홈의 가공시 표면이 가공 되지 않도록 하여 투과창을 형성시킨다.
다수의 투과창이 형성되어 있고, 다수의 투과창과 연마부가 동일한 재료로 일체형으로 구성되어 있는 본 발명에 의한 패드는 단일창이 별도로 패드에 삽입된 종래의 패드보다 정밀한 연마 공정이 가능하며, 구조적으로 월등한 내구성을 가지고 있다. 따라서,
(1) 기존의 단일창을 갖는 패드에 비해 정밀한 연마량 측정/제어를 통해 연마 종점 측정 정밀도를 향상시켜, 피삭체의 오버-폴리싱(over-polishing) 또는 언더-폴리싱(under-polishing)을 방지할 수 있고;
(2) 연마부와 투과창 부위의 재질이 동일하여 연마공정에 따른 패드의 두께편차를 최소화 할 수 있으며,
(3) 투과창과 연마부가 일체형으로 되어 있기 때문에, 연마액이 패드로 누수되는 현상을 막을 수 있다.

Claims (3)

  1. 연마부; 및
    상기 연마부와 동일한 재질로서 일체형으로 구성된, 연마시 가공 종점을 찾아내기 위한 다수의 투과창;
    을 포함하되,
    상기 연마부는 투명한 연마패드 상의 투과창이 위치할 곳에 상기 투과창과 동일한 형상 및 크기를 갖는 보호커버를 부착한 후 가공함으로써 상기 투과창을 제외한 부분에 다수의 홈과 마이크로 홀이 형성되며,
    상기 다수의 투과창은 상기 보호커버로 인해 마이크로 홀 및 홈이 가공되지 않는 것을 특징으로 하는 다수의 투과창을 포함하는 연마패드.
  2. 제 1항에 있어서, 가공 종점을 찾아내기 위한 투과창은 연마 패드 내에 2-10개 존재하는 것을 특징으로 하는 연마 패드.
  3. 제 1항에 있어서, 연마부와 투과창은 폴리우레탄, 폴리에스테르, PVC, 인조 가죽 및 고무로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로부터 제조된 것임을 특징으로 하는 연마 패드.
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