KR100636431B1 - 웨이브 형태의 그루브가 형성된 화학적 기계적 연마패드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학적 기계적 연마패드에 관한 것으로, 연마패드 상에 소정의 깊이, 너비 및 형태를 갖고, 서로 다른 반경 및 동일한 형태를 갖는 다수의 동심 웨이브 형태의 그루브가 형성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따라, 연마공정시 슬러리의 유동을 효과적으로 제어할 수 있고, 연마율을 안정하게 유지하면서 웨이퍼의 평탄도를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

연마패드, 홀, 그루브, 조합, 동심원, 슬러리

Description

웨이브 형태의 그루브가 형성된 화학적 기계적 연마패드{CHEMICAL MECHANICAL POLISHING PAD HAVING WAVE GROOVES}

도 1은 일반적인 CMP 장치의 구조 및 연마방법을 나타내는 개략도.

도 2는 화학적 기계적 연마 공정의 개념을 나타내는 개략도.

도 3a은 종래의 동심원 형태의 그루브가 형성된 연마패드의 개략도.

도 3b는 6b의 A-A선에 따른 절단면도.

도 4a은 종래의 격자형 그루브가 형성된 연마패드의 개략도.

도 4b는 도 4a의 격자형 그루브의 단면도.

도 5 및 6은 본 발명에서 채용되는 다수의 동심 웨이브 형태의 그루브를 설명하기 위한 연마패드의 개략도.

도 7 및 8은 본 발명의 구체적인 실시형태에 따른 연마패드의 개략도.

도 9는 도 7의 실시예에 홀로 구성되는 서로 다른 반경을 갖는 다수의 동심원이 더 포함된 연마패드의 개략도.

도 10은 다수의 동심 웨이브 형태의 그루브에 홀로 구성되는 서로 다른 반경을 갖는 다수의 동심원 및 직경방향의 직선이 더 포함된 연마패드의 개략도.

※도면의 부호에 대한 설명※

1: CMP 연마장치 10: CMP 연마패드

20: 정반 30: 웨이퍼

32: 리테이너 링 34: 헤드

40: 슬러리 공급수단 42: 슬러리

50: 컨디셔너

본 발명은 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, 이하 "CMP"라 함)에 사용되는 연마패드(polishing pad)에 관한 것으로, 특히, 연마패드 상에 소정의 깊이, 너비 및 형태를 갖고 서로 다른 반경의 다수의 동심 웨이브 형태의 그루브가 형성되는 연마패드에 관한 것이다.

일반적으로 CMP는 반도체 소자 제조 공정에서 글로벌 평탄화(global planarization)를 이루기 위해 사용되는 초 정밀/경면 연마방법의 하나로서, 슬러리(연마액, slurry)를 연마패드와 웨이퍼(wafer) 사이에 투입하여 화학적으로 표면을 부식시킨 후 부식된 면을 기계적으로 연마하는 화학적 기계적 연마방법이다.

통상적인 CMP 장치(1)의 개략도 및 CMP 장치(1)에 의한 화학적 기계적 연마 공정의 모식도가 도 1 및 2에 도시되어 있다. CMP의 연마과정은 CMP 장치(1)의 연마패드(10) 상에서 이루어지는 화학적 부식반응과 기계적 연마공정을 포함한다. 화학적 부식반응은 슬러리(42)를 통하여 이루어지는데, 슬러리(42)는 웨이퍼(30)의 표면을 화학적으로 반응시킴으로써 후속되는 기계적인 연마공정이 용이하게 되도록 해주는 역할을 한다. CMP 연마과정에서, CMP 연마패드(10)는 정반(platen)(20)에 고정되어 회전하고, 웨이퍼(30)는 리테이너 링(retainer Ring)(32)에 의해 고정되어 자전함과 동시에 진동(oscillation) 운동을 한다. 이 때 슬러리 공급수단(40)에 의해 연마패드 위로 공급된 슬러리의 연마입자는 CMP 연마패드(10)와 웨이퍼(30) 사이로 유입되며 유입된 연마입자는 웨이퍼(30)와 연마패드(10)의 상대속도의 차이에 의해 웨이퍼(30)와 마찰하게 되어 기계적인 연마작용을 수행하게 된다. 슬러리(42)는 미세 크기의 연마입자를 함유한 콜로이드(colloidal) 형태의 액체로서, 연마공정 중에 CMP 연마패드(10) 위에 뿌려진다. 연마패드 상에 공급된 슬러리는 패드의 회전으로 인한 원심력에 의하여 연마패드의 원주 밖으로 배출되게 된다. 연마율을 높이기 위해서는 CMP 연마패드 상면에 다수의 연마입자가 존재하여 연마과정에 참여할 수 있어야 한다. 즉, CMP 연마패드는 공급되는 슬러리를 CMP 연마패드 표면에 가능한 오랜 시간 동안 잡아둘 수 있어야 한다.

CMP 연마패드가 회전할 때, 연마패드의 외주로 갈수록 원심력(centrifugal force)이 커지게 된다. 이러한 원심력의 차이에 의해 슬러리는 외부로 갈수록 배출속도가 빨라지고 슬러리는 연마패드의 반경에 따라 불균일하게 분포된다. 이러한 슬러리의 불균일한 분포때문에 웨이퍼의 연마율은 그 위치에 따라 변화하게 된다. 연마율의 변화는 결국 웨이퍼의 평탄도에 영향을 끼치게 되고, 연마패드의 중심부와 외주면의 연마정도가 상이하게 되는 결과를 일으킨다. 따라서, 슬러리의 유동을 제어함으로써 슬러리가 연마패드 상에서 일정하게 분포하도록 할 필요가 있다.

또한, 연마공정 중에 웨이퍼는 연마입자와의 마찰을 위해 연마패드를 일정한 압력으로 누르게 되는데, 이 압력에 의해 유동되는 슬러리가 웨이퍼의 중심부까지 잘 흘러들어가지 못하게 되어, 웨이퍼의 중심부의 슬러리의 분포가 웨이퍼의 외주면에 비해 상대적으로 적게 된다. 따라서, 웨이퍼의 중심부와 외주면의 연마정도가 불균일하게 된다.

종래에 이러한 문제점들을 극복하기 위하여, CMP 연마패드 상에 소정의 폭과 깊이 및 형상을 갖는 홀 또는 그루브를 형성시키는 방법이 제안되었다. 이러한 홀 또는 그루브는 연마공정에서 계속적으로 공급되는 슬러리의 유동 및 분포를 결정하는 주요 요인으로 작용하게 된다.

종래에 연마패드 상에 형성된 홀 또는 그루브를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 3a는 종래의 동심원 형태의 그루브가 형성된 연마패드의 개략도이며, 도 3b는 도 3a의 A-A선에 따른 단면도이다. 도 3a에 도시된 연마패드에는 서로 다른 직경을 갖는 복수개의 동심원 형태 그루브가 일정한 간격을 이루며 형성되어 있다. 연마패드에 지속적으로 공급되는 슬러리는 연마패드가 회전함에 따라 원심력에 의해 바깥쪽으로 힘을 받게 되고, 슬러리는 연마공정 중에 각각의 동심원 형태 그루브에 고였다가 바깥쪽으로 빠져나가게 된다. 이러한, 동심원 형태의 그루브의 예가 미국특허 제5,984,769호에 개시되어 있다.

도 4a은 종래의 격자형 그루브가 형성된 연마패드의 개략도이며, 도 4b는 도 4a의 격자형 그루브의 단면도이다. 도 4a에 도시된 연마패드에는 X축과 Y축에 따라 형성되어 서로 교차하는 다수의 격자형 그루브가 형성되어 있다. 이러한 격자형 그루브 또한 연속적으로 공급되는 슬러리가 고이도록 하고, 원심력에 의한 슬러리의 유출속도를 지연시키는 기능을 수행한다.

종래의 등간격으로 배치된 그루브는 연마패드와 웨이퍼가 접촉하고 있는 영역에서는 슬러리가 웨이퍼의 중심부로 흘러들어가는 것이 방해받기 때문에 중심부의 연마율이 떨어지는 단점이 있다.

또한, 격자형 그루브의 경우에는 그루브가 폐쇄되어 있지 않고 개방되어 원주까지 이어지기 때문에 슬러리의 배출이 용이하여 동심원 그루브에 비해 슬러리의 소모량이 증가하게 되며, 홀의 경우에는 슬러리가 저장되는 단면적의 감소로 인해 격자형 그루브보다 슬러리 소모량이 많은 것으로 보고되고 있다. 동심원형 그루브의 경우에는 그루브가 폐쇄되어 있는 형태를 가지며 원심력에 대해 수직으로 그루브 벽이 형성되어 있기 때문에 가장 높은 슬러리 저장능력을 갖고 있지만 그루브의 두께가 연마패드의 두께의 1/4로 작다는 단점을 가지고 있다.

이와 같이 연마패드 상에 그루브를 형성하는 종래의 방식은 선반 또는 밀링 등의 기계적 절삭이기 때문에, 그루브의 가공형상은 동심원 또는 격자로 정형화되어서 슬러리의 유동을 제어하기 위한 효과적인 그루브의 패턴을 만들어 내기가 어렵다.

따라서, 이러한 문제점들을 개선하기 위해서는 그루브의 형태, 밀도, 분포 등을 원심력과 웨이퍼의 위치 등 연마공정의 조건을 고려하여 설계하여야 할 필요성이 있다.

본 발명은 화학적 기계적 연마 공정에 사용되는 연마패드에 슬러리의 배출 속도를 지연시키고 슬러리가 연마면에 균일하게 분포되도록 하는 웨이브 형태의 그루브가 형성되고, 연마공정시 슬러리의 유동을 효과적으로 제어할 수 있는 다양한 패턴을 갖는 연마패드를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

연마패드 상면은 반경을 따라 복수의 영역으로 구분되며, 각 영역 내에는 3 내지 1,000의 진동수를 갖는 사인곡선으로 이루어진 동심 웨이브 형태의 그루브가 형성되고, 동일 영역 내의 상기 그루브는 동일한 간격을 가지며, 상기 복수의 영역 중 내부영역보다 그 외부 영역에서 상기 그루브의 간격이 좁아지는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마패드를 제공한다.

바람직하게, 상기 그루브의 너비는 10 ㎛ 내지 10 ㎜일 수 있으며, 한편 상기 그루브 사이의 간격은 10 ㎛ 내지 100 ㎜일 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서는, 동일 영역 내의 상기 그루브는 동일한 깊이 및 너비를 가지며, 다른 영역 사이에서는 그루브의 깊이 및 너비 중 적어도 하나가 서로 다르게 형성될 수 있다. 이와 별도로 또는 이와 결합하여, 상기 연마패드 상에는 홀의 조합으로 구성된 서로 다른 반경을 갖는 다수의 동심원이 추가적으로 형 성되거나, 그루브, 홀 또는 그 조합으로 구성된 하나 또는 그 이상의 직선이 추가적으로 형성될 수 있다.

상기 직선형태의 그루브 및/또는 직선으로 배열된 홀은 여러 직선구조로 형성되며, 특히 서로 일정한 간격으로 직교하도록 배치된 격자구조를 이룰 수 있다. 바람직하게는, 상기 직선구조는 동심에서 교차하여 직경방향으로 대칭이 되도록 형성될 수 있다.

본 발명에서 채용되는 여러 유형의 그루브 또는 홀은 레이저를 이용하여 보다 용이하게 가공/형성될 수 있다.

이하, 본 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 기본 구성요소 중 하나로 채용되는 그루브는 연마패드 상에 소정의 깊이, 너비 및 형태를 갖고, 서로 다른 반경 및 동일한 형태를 갖는 다수의 동심 웨이브 형태의 그루브이다.

본 발명에 채용가능한 웨이브 형태의 그루브는 소정의 진동수 및 진폭을 갖는 사인곡선의 형태가 동심원을 이루도록 형성되며, 도 5 내지 10에 구체적으로 도시되어 있다. 이러한 동심 웨이브 형태는 사인 곡선의 진동수 또는 진폭의 크기에 따라 다양한 형태를 갖는다. 사인곡선은 3 내지 1,000의 진동수를 갖는다. 사인곡선의 진동수 및 진폭의 크기에 따라 웨이브 형태의 그루브는 불가사리 모양 등과 같은 다양한 형태를 이룰 수 있다. 또한, 연마조건에 따라 사인곡선의 진동수 및 진폭을 조절하여 그루브의 형태를 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 도 5 및 7에는 진 동수 12를 갖는 사인곡선으로 이루어지는 동심 웨이브 형태의 그루브가 도시되어 있고, 도 6 및 8에는 진동수 6을 갖는 사인곡선으로 이루어지는 동심 웨이브 형태의 그루브가 도시되어 있다.

이와 같이, 동일한 형태의 다수의 동심 웨이브 형태의 그루브가 연마패드 상에 소정의 간격으로 형성된다. 본 발명에 따른 그루브의 너비는 10㎛ 내지 10㎜로 하며, 또한 그루브 사이의 간격은 10 ㎛ 내지 100 ㎜의 범위로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는 그루브 사이의 간격은 그 반경에 따라 다르게 구성할 수 있다. 특히, 본 발명에서는, 연마패드 상면을 반경에 따라 복수의 영역에 따라 분할하고, 동일 영역 내에는 웨이브형 그루브의 간격을 동일하게 배열하되, 상기 복수의 영역 중 외부영역의 그루브 간격이 그 내부영역의 그루브의 간격보다 좁게 배치하는 방식을 채용한다. 상술된 본 발명의 다양한 실시형태는 도 7 내지 도 8에 도시되어 있다.

우선, 도 7 및 8을 참조하면, 본 발명에 따른 연마패드는 반경 r₀를 중심으로 내부영역(r〈r₀)과 외부영역(r〉r₀)으로 나누어지고, 내부영역 및 외부영역 각각의 동일영역 내에서는 그루브 사이의 간격이 동일하게 형성되고, 반면에 내부영역은 외부영역보다 큰 간격을 갖도록 형성되어 있다.

이러한 웨이브 형 그루브의 간격조정은 연마공정시 원심력의 차이에 의해 발 생하는 슬러리의 불균일을 최소화하여 슬러리 유동을 효과적으로 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 그 영역마다 가공공정의 용이하게 구현할 수 있다. 이러한 효과는, 외부영역의 그루브 간격이 내부영역의 그루브 간격보다 큰 경우에는 기대하기 어렵다.

또한, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 연마패드는 그루브, 홀 또는 그 조합으로 구성된 동심원 또는 직선구조를 추가적으로 포함할 수 있다. 이러한 실시형태는 도 9에 도시되어 있다.

도 9에 도시된 연마패드는 그 상면에 도7과 유사한 2개의 분할된 영역과 각 영역에 다른 간격으로 형성된 웨이브 형태의 그루브를 갖는다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이, 다수의 홀로 구성된 동심원이 다른 반경으로 추가적으로 형성된다. 또한, 도시된 바와 같이, 여기에서, 동심원 사이의 간격은 동일하거나 또는 서로 다르게 형성할 수 있으며, 그 반경에 따라 점차로 변화하도록 형성할 수 있다.

본 발명에 따른 연마패드에는 도 9에 도시된 바와 같이 다수의 홀로 구성된 동심원 외에도 홀, 그루브 또는 이들의 조합으로 구성된 동심원 또는 직선을 더 형성할 수 있다. 추가적으로 형성된 가능한 홀, 그루브 또는 이들의 조합으로 구성된 동심원 또는 직선이 도 10에 예시되어 있다.

도 10에 도시되어 있는 연마패드는 상술한 바와 같은 다수의 동심 웨이브 형태의 그루브에 홀로 구성된 서로 다른 반경을 갖는 다수의 동심원 및 홀로 구성되며 직경방향으로 형성된 4개의 직선이 더 형성되어 있다. 이와 같이, 연마패드에 형성되는 직선은 직경방향으로 대칭이 되도록 형성되는 것이 바람직하나, 이외에도, 격자모양(▦), 사선모양(▨)을 갖는 직선이 형성될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 동일한 형태 및 서로 다른 반경을 갖는 동심 웨이브 형태의 그루브가 형성된 연마패드에 관한 것으로서, 웨이브의 형태, 그루브의 너비, 깊이 또는 간격을 변화시키면서 다양한 패턴의 그루브를 형성할 수 있고, 그루브, 홀 또는 이들의 조합으로 구성되는 다수의 동심원 또는 직선을 더 포함하여 더욱 다양한 패턴의 연마패드를 제공한다.

또한, 본 발명은 연마공정 중에 웨이퍼의 중심부로 슬러리가 잘 유입될 수 있도록 하기 위해 웨이퍼의 중심부가 가장 많이 접촉하는 연마패드 부분의 그루브의 간격, 너비 또는 깊이를 조절할 수 있다.

본 발명에 따라 형성되는 그루브 또는 홀은 레이저 가공방법을 사용하는 것이 바람직하다. 레이저를 이용한 가공방법은 복잡한 형태를 정밀하게 가공할 수 있고, 가공된 그루브의 표면이 매끈하며, 그루브의 형태, 크기, 깊이 등을 용이하게 조절할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명에 따라 동일한 형태의 서로 다른 반경을 갖는 동심 웨이브 형태의 그루브가 형성된 연마패드는 연마공정 조건에 최적화할 수 있는 다양한 패턴의 그루브 및 홀을 다양하게 변형시키면서 형성할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따라 화학적 기계적 연마 공정에 사용되는 연마패드에 웨이브 형태의 그루브를 형성시킴으로써 슬러리가 밖으로 배출되기 전에 거치게 되는 그루브의 선 면적이 동심원의 그루브일 때보다 증가함에 따라 슬러리의 배출 속도를 지연시키고 웨이브 형태의 그루브를 다양한 너비와 간격으로 배치시켜 연마공정시 슬러리의 유동을 효과적으로 제어할 수 있는 다양한 형태, 크기 및 패턴을 갖는 동심원 웨이브 형태의 그루브가 형성되는 연마패드를 제공함으로써, 연마율을 안정하게 유지하면서 평탄도를 증가시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 웨이브 형태의 그루브가 형성된 연마패드에 관한 것으로, 당업자는 본 발명을 고려하여 충분히 변경, 변환, 치환 및 대체할 수 있을 것이고, 상술한 것에만 한정되지 않는다.

Claims (8)

1. 연마패드 상면에 웨이브 형태의 그루브로 형성된 복수의 동심원을 가지며,

   상기 각각의 동심원은 서로 다른 반경 및 3 내지 1000의 진동수를 갖는 사인곡선으로 형성되며,

   상기 복수의 웨이브 형태의 동심 그루브는 연마조건에 따라 사인 곡선의 진동수를 조절하여 형성되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마패드.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 그루브의 너비는 10 ㎛ 내지 10 ㎜인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마패드.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 그루브 사이의 간격은 10 ㎛ 내지 100 ㎜인 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마패드.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 연마패드 상에는 홀의 조합으로 구성된 서로 다른 반경을 갖는 다수의 동심원이 추가적으로 형성된 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마패드.
5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 연마패드 상에는 그루브, 홀 또는 그 조합으로 구성된 하나 또는 그 이상의 직선이 추가적으로 형성된 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마패드.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 직선은 다수의 직선이 일정한 간격으로 직교하도록 배치된 격자구조를 이루는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마패드.
7. 제 5항에 있어서,

   상기 직선은 동심에서 교차하여 직경방향으로 대칭이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마패드.
8. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 웨이브 형태의 그루브는 레이저를 이용하여 가공하는 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마패드.

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