KR100851505B1 - 화학적 기계적 연마 장비의 패드 컨디셔너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학적 기계적 연마 장비의 패드 컨디셔너에 관한 것으로, 보다 자세하게는 화학적 기계적 연마 공정에서 패드 컨디셔너의 모양을 변경하여 효과를 높이기 위한 패드 컨디셔너에 관한 것이다.

본 발명의 화학적 기계적 연마 장비의 패드 컨디셔너는 패드 컨디셔너의 동력을 전달하는 구동부; 상기 구동부로부터 동력을 전달받아 회전하게 되는 회전판 및 상기 회전판에 결합되고, 각각의 축이 패드와 밀착되도록 하여 회전판과 축의 패드부분이 서로 교차되게 하여 화학적 기계적 연마를 수행하는 컨디셔너 엔드 이펙터로 이루어지는 기술적 특징이 있다.

따라서, 본 발명의 화학적 기계적 연마 장비의 패드 컨디셔너는 종래의 원판 모양의 패드 컨디셔너를 서로 교차하도록 변경하여 패드의 텐션이 작용하여 고르게 프로파일링함으로써, 패드의 수명이 증가하는 장점이 있으며, 원가 절감과 웨이퍼의 레인지도 감소하면서 비-평탄도가 개선되는 효과가 있다.

패드, 컨디셔너, 엔드 이펙터, 다이아몬드

Description

화학적 기계적 연마 장비의 패드 컨디셔너{Pad conditioner of chemical mechanical polishing equipment}

도 1은 종래의 화학적 기계적 연마 장치를 나타내는 개략도이다.

도 2는 종래의 패드 컨디셔닝 장치의 작동예를 나타내는 개략도이다.

도 3은 종래의 다이아몬드 패드 컨디셔너의 엔드 이펙트의 구성을 나타내는 개략도이다.

도 4는 본 발명에 따른 다이아몬드 패드 컨디셔너의 구성을 나타내는 개략도이다.

본 발명은 화학적 기계적 연마 장비의 패드 컨디셔너에 관한 것으로, 보다 자세하게는 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing : CMP) 공정에서 패드 컨디셔너의 모양을 변경하여 효과를 높이기 위한 패드 컨디셔너에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 공정기술의 진보는 반도체 소자의 고집적 및 고기능화를 가능하게 하였는데, 특히 층간유전막(Inter Layer Dielectric; ILD) 형성 공정, 차세대 고집적 소자의 분리방법인 쉘로우 트렌지 분리방법 (Shallow Trench Isolation; STI) 등의 공정에서 평탄화의 유력한 방법으로, 최근 화학적 기계적 연마 기술이 도입되고 있으며, 상기 기술은 화학적 기계적 연마 장치를 이용한 웨이퍼 연마공정에서 실현되고 있다.

도 1은 종래의 화학적 기계적 연마 장치를 나타내는 개략도이다. 도 1을 살펴보면, 하부에는 일측방향으로 회전하도록 된 회전테이블(10)이 구비되고, 상기 회전테이블(10)의 상면에는 웨이퍼의 일면을 연마하기 위한 패드(20)가 부착되어 있다. 상기 패드(20)는 통상 부직포에 발포 우레탄을 함침시킨 우레탄 패드로 제작되는 바, 이러한 패드(20)의 표면에는 다수의 미소공(21)이 존재하여 그 미세공(21) 내로 슬러리(Slurry)(2)가 함입되어 웨이퍼의 화학적, 기계적 연마작용을 유도하게 된다.

또한, 상기 패드(20)의 일측 상부에는 패드(20) 표면에 슬러리(2)를 분사하도록 된 슬러리 공급수단(30)이 구비되고, 상기 패드(20)의 상측 주연부에는 진공압을 이용하여 웨이퍼를 파지하도록 된 다수의 캐리어수단(40)이 구비된다. 또한, 상기 패드(20)의 다른 일측 상부에는 웨이퍼 연마공정이 완료된 이후, 패드(20)의 상면이 평탄하게 되도록 연마하는 패드 컨디셔너(50)가 구비된다.

일반적으로, 웨이퍼 연마공정은 웨이퍼 표면에 증착된 증착막을 패드(20)와 마찰시키면서 화학, 기계적 작용을 일으켜 일정 두께로 연마하는 공정으로서, 상기 화학적 기계적 연마 장치를 이용하여 웨이퍼를 연마하는 공정을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 상기 각 캐리어헤드(44)의 저면에 웨이퍼가 진공 압착된 상태에서 상기 슬러리 공급수단(30)에 의해 패드(20) 표면에 슬러리(2)가 분사된다. 이후, 상기 회전테이블(10)이 회전하게 되고, 이와 동시에 모터(42)의 구동에 상기 각 캐리어 헤드(44)도 회전하면서 회전테이블(10) 측으로 이동하여 패드(20)의 상면을 향한 하강이 이루어지게 된다.

한편, 패드(20) 표면에 분사된 상기 슬러리(2)는 패드(20)가 회전하게 되면서 원심력에 의해 패드(20) 전면으로 퍼져 균일하게 도포하게 되는데, 상기 과정에서 슬러리(2)는 패드(20) 표면의 미세공(21) 내부로 흘러 들어가게 된다. 상기 상태에서 상기 캐리어 헤드(44)가 하강하여 캐리어 헤드(44) 저면에 부착된 웨이퍼의 일면이 상기 패드(20)의 상면에 가압 또는 밀착되면서 패드(20)와 웨이퍼 간에 마찰이 발생하여 상기 웨이퍼 표면에 형성된 증착막을 평평하게 연마하게 된다.

한편, 상기 패드(20) 표면의 미세공(21) 내부로 흘러들어간 슬러리(2)는 일 예로 수십∼수백 mm 입경의 퓸드 실리카(Fumed Silica)를 웨이퍼에 대한 부식성이 우수한 수산화칼륨(KOH) 등의 알칼리성 수용액에 현탁시킨 조성으로서, 패드(20)와 웨이퍼 간에 윤활작용을 수행함과 아울러, 웨이퍼의 가압으로 인해 겔(Gel) 상태의 콜로이달 실리카로 된 후, 수평방향의 상대운동에 의해 산화규소(SiO₂)의 응착, 박리작용으로 웨이퍼의 표면을 화학, 기계적으로 미소 제거하는 연마작용을 수행한 다.

상기와 같이 화학적 기계적 연마 장치를 이용한 웨이퍼의 연마시에는 연마가 진행됨에 따라 웨이퍼로부터 패드(20)를 향해 가해지는 압력 등에 의해서 패드(20) 표면의 샤프 포인트(Sharp Points)가 마모되어 쓰러지거나 피가공물인 웨이퍼의 마모 입자와 슬러리의 혼합물(3)이 패드(20) 표면의 미세공(21)을 막게 되는 이른바 눈막힘(Glazing)이 발생하게 되는데, 패드(20) 표면의 샤프 포인트가 마모되거나 눈막힘이 발생되는 경우에는 패드(20)가 슬러리(2)를 더 이상 잡아주지 못하게 됨에 따라 웨이퍼의 연마효율 및 가공면의 평탄도를 저하시키게 된다.

따라서, 화학적 기계적 연마 장치에서는 웨이퍼 연마공정에서 패드(20)에 발생되는 눈막힘 등을 제거해 내고 새로운 패드면이 드러나게 하는 패드 컨디셔닝(Pad Conditioning)이 요구되었다. 상기 패드 컨디셔닝을 위한 컨디셔너(50)는 사용되는 패드(20)의 종류 및 공정조건에 따라 여러가지 재료 또는 모양이 있다.

도 2는 종래의 패드 컨디셔닝 장치의 작동예를 나타내는 개략도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 패드 컨디셔너(50)는 구동부(52), 상기 구동부(52)로부터 동력을 전달받아 회전하게 되는 회전판(54) 및 상기 회전판(54)에 결합된 상태로 회전하면서 패드(20)를 최적화시키도록 된 연마정반(56)으로 구성되어 있다. 또한, 상기 연마정반(56)의 일면에는 패드(20)를 최적화하기 위해 하부에 다이아몬드 입자(56a)가 형성된 구조를 이루고 있다.

상기 구조를 갖는 종래의 패드 컨디셔너(50)는 패드(20) 표면에 대한 연삭을 수행하며 패드(20) 표면층을 제거함으로써 새로운 패드면을 생성시켜 그 새로운 패드면 상에서 웨이퍼의 가공이 계속적으로 이루어지도록 하고 있다.

그러나, 상기 패드 컨디셔너(50)에서는 표면에 다이아몬드 입자(56a)를 구비하고 이를 가압하여 컨디셔닝을 수행하게 되므로, 패드(20)를 빨리 마모시켜 패드(20)의 수명을 단축시키는 문제점이 있었으며, 아울러 웨이퍼 가공 중 다이아몬드 입자(56a)가 탈락되어 웨이퍼의 표면에 스크래치를 일으킴으로 인해 반도체의 수율을 떨어뜨리게 되는 문제점이 있었다.

도 3은 종래의 다이아몬드 패드 컨디셔너의 엔드 이펙트의 구성을 나타내는 개략도이다. 도 3을 살펴보면, 다이아몬드 엔드 이펙터(60)는 공정마다 필요한 크기의 엔드 이펙터(60)를 가지고 있으며 전착, 융착, 신터드(Sintered) 방식이 있다. 짐볼(Gimball), 텐션, 스프링 및 압력(70)은 상기 컨디셔너에서 나오는 압력을 패드에 전달할 때 여러가지 형태로 패드에 전달하는 역할을 하고, 홀더(80)는 컨디셔너에 엔드 이펙터를 연결해 주며, 패드(90)는 엔드 이펙터에 의해서 프로파일링된다.

종래의 화학적 기계적 연마 장치에서는 원판 모양을 하고 있는 엔드 이펙터를 사용하고 있는데 도 3과 같이 패드를 프로파일링한다. 종래에는 패드나 패턴의 레벨이 틀린 경우에는 패드를 고르게 프로파일링하지 못하고, 계속 회전을 하게 되어 닿는 면적도 고르게 닿지 못하고 일부의 극소 부분만 패드에 닿기 때문에 고른 프로파일링 효과는 떨어져 패드의 수명이나 비-평탄도(Non Uniformity)가 불안정하게 발생되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 화학적 기계적 연마 장비의 패드 컨디셔너의 다이아몬드 엔드 이펙터(End Effector)는 원판 모양을 하고 있는데 종래의 모양을 서로 교차하도록 변경하여 십자 모양 사이의 홈으로 패드의 텐션(Tension)이 작용하여 고르게 프로파일링(Profiling)을 할 수 있는 패드 컨디셔너를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 패드 컨디셔너의 동력을 전달하는 구동부; 상기 구동부로부터 동력을 전달받아 회전하게 되는 회전판 및 상기 회전판에 결합되고, 각각의 축이 패드와 밀착되도록 하여 회전판과 축의 패드부분이 서로 교차되게 하여 화학적 기계적 연마를 수행하는 컨디셔너 엔드 이펙터를 포함하여 구성된 화학적 기계적 연마 장비의 패드 컨디셔너에 의해 달성된다.

본 발명은 연마기(Polisher)에서 컨디셔너가 차지하는 비중에 비해 상기 컨디셔너가 패드를 고르게 프로파일링할 수 있는 것으로, 십자 모양의 컨디셔너 엔드 이펙터는 중심부의 짐볼 기능과 함께 십자모양 사이의 홈으로 패드의 텐션이 작용하여 고르게 프로파일링할 수 있다.

본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 다이아몬드 패드 컨디셔너의 구성을 나타내는 개략도이다. 도 4(가)와 도 4(나)를 살펴보면, 십자 모양의 컨디셔너 엔드 이펙터는 다이아몬드 입자(100)가 격자 배열로 되어 있고, 상기 다이아몬드(100)의 입자와 입자의 간격(110)이 따로 떨어져 있는데 이는 슬러리의 흐름을 회전하는 방향으로 제거하는 것이다.

본 발명에 따른 패드 컨디셔너는 패드 컨디셔너의 동력을 전달하는 구동부와 상기 구동부로부터 동력을 전달받아 회전하게 되는 회전판 및 상기 회전판에 결합된 상태로 회전하면서 컨디셔너 패드를 최적화시키는 엔드 이펙터로 구성되어 있다.

웨이퍼를 직접 접촉하여 연마가 수행되는 패드를 구비하여 회전 구동하고, 연마하고자 하는 웨이퍼는 연마 헤드에 흡착되고, 상기 연마 헤드는 회전 구동을 패드로 압력을 가한다. 이때 슬러리를 주입하여 웨이퍼의 표면을 연마한다. 상기 연마는 웨이퍼를 직접적으로 접촉하면서 슬러리를 사용하여 수행하므로 스크레치와 같은 불량이 유발될 가능성이 크다. 상기 스크레치는 다양한 원인에 의해 발생하지만, 상기 패드에 형성되어 있는 결함, 이물질, 편평도의 저하 등에 의한 원인이 가장 크므로 상기 연마의 수행 전후에는 패드의 불균일한 표면 상태를 양호하게 하기 위한 컨디셔닝이 수행된다. 상기 컨디셔닝은 연마 패드 컨디셔너의 다이아몬드 입자가 부착되어 있는 부분을 패드 상에서 접촉한 다음 가압하여 수행한다.

도 4(다)에서와 같이 패드와 패턴이 돌아가는 방향에서 4군데의 포인트가 각기 별도로 패드와 접촉되는 포인트이다. 즉, 상하좌우로 움직이는 부분이 있어서 상기 패드의 표면을 따라서 프로파일링한다.

따라서, 본 발명은 종래의 방식과 달리 입자와 입자의 간격이 따로 떨어져 있기 때문에 슬러리의 흐름이 원활하고 각각 4군데 포인트에서 패드를 프로파일링해 주어 결국 패드가 고르게 된다. 결국 비-평탄도의 향상으로 인해 패드의 수명이 증가되고 원가 절감 및 웨이퍼 대 웨이퍼의 레인지(Range)가 향상된다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명의 화학적 기계적 연마 장비의 패드 컨디셔너는 종래의 원판 모양의 패드 컨디셔너를 서로 교차하도록 변경하여 패드의 텐션이 작용하여 고르게 프로파일링함으로써, 패드의 수명이 증가하는 장점이 있으며, 원가 절감과 웨이퍼의 레인지도 감소하면서 비-평탄도가 개선되는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 화학적 기계적 연마 장비의 패드 컨디셔너에 있어서,

   패드 컨디셔너의 동력을 전달하는 구동부;

   상기 구동부로부터 동력을 전달받아 회전하게 되는 회전판; 및

   상기 회전판에 결합되고, 다수의 축이 교차된 형태로서 패드와의 접촉 포인트가 각각의 축에서 균형을 이루도록 하여 화학적 기계적 연마를 수행하고, 상기 패드와의 접촉면에 격자 구조를 이루는 다수의 다이아몬드 입자가 형성된 컨디셔너 엔드 이펙터를 포함하며,

   상기 다이아몬드 입자는 단위 그룹을 이루고, 상기 단위 그룹은 다시 격자 구조를 이루어 이격됨으로써 슬러리의 흐름 통로가 형성된 것을 특징으로 하는 화학적 기계적 연마 장비의 패드 컨디셔너.
2. 삭제
3. 삭제

Images