KR101088031B1

KR101088031B1 - 화학 기계적 연마 장치

Info

Publication number: KR101088031B1
Application number: KR1020050012346A
Authority: KR
Inventors: 김선중
Original assignee: 삼성코닝정밀소재 주식회사
Priority date: 2005-02-15
Filing date: 2005-02-15
Publication date: 2011-11-29
Also published as: KR20060091458A

Abstract

차지하는 공간이 적으며, 컨시셔닝 디스크를 원활하게 교체할 수 있는 화학 기계적 연마 장치가 제공된다. 화학 기계적 연마 장치는, 연마 패드가 놓여지는 턴 테이블과, 연마 패드에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급 장치와, 몸체와, 몸체의 일면에 형성되어 웨이퍼를 고정 지지하는 웨이퍼 캐리어와, 몸체의 타면에 형성되여 컨디셔닝 디스크를 고정 지지하는 디스크 캐리어를 구비하는 연마 및 컨디셔닝 겸용 헤드를 포함한다.

CMP, 패드 컨디셔너, 연마, 웨이퍼 캐리어

Description

화학 기계적 연마 장치{Chemical mechanical polishing apparatus}

도 1은 종래의 화학 기계적 연마 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도이다.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한 화학 기계적 연마 장치가 웨이퍼를 연마하는 상태를 설명하기 위한 도면이다.

도 2b는 본 발명의 일 실시예에 의한 화학 기계적 연마 장치가 연마 패드를 컨디셔닝하는 상태를 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 도 2a의 A 부분을 확대한 부분 확대 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)

200: 화학 기계적 연마 장치 210: 턴 테이브

212: 회전축 215: 연마 패드

220: 슬러리 공급장치 225: 슬러리

250: 연마 및 컨디셔닝 겸용 헤드 252: 웨이퍼

254: 리테이닝 링 256: 웨이퍼 캐리어

260: 몸체 262: 회전 구동부

270: 컨디셔닝 디스크 272: 자석

274: 디스크 캐리어 280: 지지축

282: 회전부 284: 천공부

본 발명은 반도체 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, CMP) 장치에 관한 것이다.

화학 기계적 연마란 연마제에 의한 기계적인 폴리싱 효과와 산 또는 염기 용액에 의한 화학적 반응 효과를 결합하여 웨이퍼 표면을 평탄화 해주는 공정을 말한다. 즉, 화학 기계적 연마는 웨이퍼 표면의 돌출된 부분을 제거하는 평탄화 공정으로, 보다 효과적인 다층 배선 반도체 소자 제작을 위해, 혹은 기존 건식 식각(dry etching)이 어려운 구리(Cu) 등과 같은 물질을 패터닝(patterning)하는 공정을 말한다.

도 1은 종래의 화학 기계적 연마 장치의 구성을 개략적으로 보여주고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 종래의 화학 기계적 연마 장치(100)는 신축성 있는 연마 패드(110), 웨이퍼(120)가 장착되며 웨이퍼(120)에 압력을 가하여 주는 웨이퍼 캐리어(wafer carrier)(130), 사용된 연마 패드(110)를 재조절하고 본래의 연마 조건과 상태로 회복시키는 패드 컨디셔너(pad conditioner)(140) 및 연마 패드(110)에 연마 용액인 슬러리(slurry)를 공급해 주는 슬러리 공급 장치(150)로 구성된다.

여기서, 슬러리 공급 장치(150)는 화학 용액에 미세한 연마 입자가 첨가된 슬러리를 웨이퍼(120)와 연마 패드(110) 사이에 공급하고, 웨이퍼 캐리어(130)는 저면에 장착된 웨이퍼(120)를 가압 및 회전시켜 웨이퍼(120)의 표면을 연마한다.

연마 패드(110)의 표면에는 슬러리를 담아두는 수많은 미공들이 형성되어 연마 패드(110)와 닿는 웨이퍼(120) 표면이 연마된다.

연마 패드(110)의 회전속도, 웨이퍼 캐리어(130)의 회전속도 및 웨이퍼 캐리어(130)가 웨이퍼(120)를 누르는 힘 등에 의해 웨이퍼(120)는 일정한 연마 속도로 연마될 수 있다.

아울러 연마가 진행될수록 연마 패드(110) 표면이 맨질맨질(glazing) 해지고, 그로 인해 웨이퍼(120)와 연마 패드(110)의 접촉면적이 넓어져서 연마 균일도와 평탄도가 나쁘게 되는데, 패드 컨디셔너(140)는 이러한 연마 패드(110)의 상태를 개선한다. 패드 컨디셔너(140)는 연마 패드(110)의 오래된 부분을 깎아내고 새로운 표면을 드러나게 함으로써, 연마 패드(110)에 형성된 미공의 막힘을 방지하고 연마 패드(110)의 수명과 성능을 유지시키는 역할을 한다.

그러나, 이러한 종래 기술에 의한 화학 기계적 연마 장치(100)의 경우, 웨이퍼 캐리어(130)와 패드 컨디셔너(140)가 별개의 장치로 구분되어 있기 때문에 전체 연마 시스템 내에서 많은 공간을 차지한다. 일반적으로, 패드 컨디셔너(140)에 의해 연마 패드(110)를 컨디셔닝(conditioning)한 후 웨이퍼 캐리어(130)에 의해 연마 공정이 진행되기 때문에 이와 같이 별개의 장치로 구분된 웨이퍼 캐리어(130)와 패드 컨디셔너(140)는 제조 비용을 상승시키는 요인이 된다.

또한, 패드 컨디셔너(140)에 사용되는 컨디셔닝 디스크는, 소모품으로서 지 속적으로 교체할 필요가 있으나, 종래 기술에 의한 패드 컨디셔너(140)의 다이아몬드 디스크의 경우 연마 패드(110)와 대향하게 장착되어 있어서 교체하기가 어렵다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전체 연마 시스템이 차지하는 공간을 줄이고, 원활하게 컨디셔닝 디스크를 교체할 수 있는 화학 기계적 연마 장치를 제공함에 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 기계적 연마 장치는, 연마 패드가 놓여지는 턴 테이블과, 상기 연마 패드에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급 장치와, 몸체와, 상기 몸체의 일면에 형성되어 웨이퍼를 고정 지지하는 웨이퍼 캐리어와, 상기 몸체의 타면에 형성되여 컨디셔닝 디스크를 고정 지지하는 디스크 캐리어를 구비하는 연마 및 컨디셔닝 겸용 헤드를 포함한다.

기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발 명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시에에 따른 화학 기계적 연마 장치를 나타내는 단면도들이다. 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 의한 화학 기계적 연마 장치가 웨이퍼를 연마하는 상태를 설명하기 위한 도면이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 의한 화학 기계적 연마 장치가 연마 패드를 컨디셔닝하는 상태를 설명하기 위한 도면이다.

도 2a 및 도 2b에 도시된 화학 기계적 연마 장치(200)는 연마 패드(215), 슬러리 공급장치(220), 연마 및 컨디셔닝 겸용 헤드(250) 및 지지축(280)을 포함한다.

본 발명의 화학 기계적 연마 장치(200)는 웨이퍼(252)를 연마 패드(215) 상에서 연마하기 위해 제공된다. 본 명에서에서 설명된 개념을 사용하여 연마될 수 있는 웨이퍼(252)의 일례로는, 실리콘, 텅스텐, 알루미늄, 동, BPSG, USG, 열산화물, 실리콘계 막 및 낮은 k 유전체 및 그 혼합물을 포함하지만, 이것들에 한정되지는 않는다.

연마 패드(215)는 거친 연마 표면을 갖는 탄력성 재료로 이루어지고, 연마 공정을 돕도록 텍스쳐를 갖는 경우도 있다. 연마 패드(215)는 압력 감응 부착층 등 에 의해 턴 테이블(210)에 부착될 수 있다. 연마 패드(215)는 턴 테이블(210) 상에서 소정 속도로 회전한다.

턴 테이블(210)은 회전축(212)에 의해 구동 모터(미도시)에 연결된 회전성 알루미늄판 또는 스테인리스강판일 수 있다. 대부분 연마 공정에서 고속 또는 저속의 회전 속도가 이용되며, 예를 들어 구동 모터는 약 30 내지 200 rpm에서 턴 테이블(210)을 회전시킬 수 있다.

화학 기계적 연마 장치(200)는 연마 패드(215)의 반경을 횡단하여 연장되는 슬러리 공급장치(220)을 포함한다. 슬러리 공급장치(220)는 화학 기계적 연마 공정에 필요한 슬러리(225)를 연마 패드(215)에 공급해 주는 장치이다.

화학 기계적 연마 장치(200)를 구성하는 연마 및 컨디셔닝 겸용 헤드(250)는, 디스크(disk) 형상의 몸체(body)(260)와, 몸체(260)의 내부에 배치된 회전 구동부(262)와, 몸체(260)의 일면에 형성되어 회전 구동부(262)와 연결되어 회전 구동부(262)로부터의 회전력을 웨이퍼(252)에 전달하는 웨이퍼 캐리어(wafer carrier)(256)와, 몸체(260)의 타면에 형성되어 회전 구동부(262)와 연결되어 회전 구동부(262)로부터의 회전력을 컨디셔닝 디스크(conditioning disk)(270)에 전달하는 디스크 캐리어(disk carrier)(274)를 포함한다.

여기서, 웨이퍼 캐리어(256)는 웨이퍼(252)를 고정 지지하여 이송하며, 웨이퍼(252)를 연마 패드(215) 상에 놓는다. 즉, 웨이퍼(252)는 웨이퍼 캐리어(256)의 바닥부에 진공으로 척킹(chucking)되어, 웨이퍼(252)는 웨이퍼 캐리어(256)에 의해 연마 패드(215) 상에 제자리에 보유된다. 웨이퍼(252)의 하면은 연마 패드(215)에 대향하도록 위치한다. 웨이퍼(252)의 상면은 웨이퍼 캐리어(256)의 하면에 대향하도록 위치한다. 연마 패드(215)가 회전함에 따라, 웨이퍼 캐리어(256)는 소정 속도로 웨이퍼(252)를 회전시켜 연마한다.

웨이퍼 캐리어(256)는 웨이퍼(252)를 연마 패드(215)에 대해 고정시키며 웨이퍼(252)에 대하여 하강 압력을 균일하게 가한다. 웨이퍼 캐리어(256)는 회전 구동부(262)로부터 웨이퍼(252)까지 토오크(torque)를 전달하며 웨이퍼(252)가 연마 중에 웨이퍼 캐리어(256)로부터 이탈하지 않도록 한다.

웨이퍼 캐리어(256)로부터 웨이퍼(252)가 이탈하는 것을 방지하기 위해, 웨이퍼 캐리어(256)의 바닥부에는 리테이닝 링(retaining ring)(254)이 형성될 수 있다. 리테이닝 링(254)은 편평한 바닥면을 갖는 환형의 링이다. 웨이퍼 캐리어(256)가 웨이퍼(252)를 척킹한 후 하강시킬 때, 리테이닝 링(254)은 연마 패드(215)와 접하게 되어, 웨이퍼(252)가 연마 중에 이탈하는 것을 방지할 수 있다. 리테이닝 링(254)은 경질의 플라스틱 또는 세라믹 재료로 제조될 수 있다. 리테이닝 링(254)은 볼트 등에 의해 웨이퍼 캐리어(256)에 체결될 수 있다.

디스크 캐리어(274)는 컨디셔닝 디스크(270)를 고정 지지하며 컨디셔닝 디스크(270)에 회전력을 전달한다.

연마 패드(215)는 시간이 지남에 따라 그 거칠기(roughness)와 탄성도(elasticity) 및 그에 따른 원하는 제거율(연마율)을 유지하기 위한 능력을 잃어버리게 된다. 이러한 감소된 제거율은 웨이퍼(252)로부터 재료의 원하는 제거율을 회복하기 위하여, 계속 증가하는 컨디셔닝 파라미터, 예를 들면 하향력 및/또는 컨디 셔닝 각속도(angular velocity) 및/또는 커디셔닝 시간을 필요로 한다. 따라서, 연마 패드(215)는 연마 사이클 사이에서 컨디셔닝 디스크(270)에 의해 컨디셔닝되어야 한다. 이러한 컨디셔닝 디스크(270)는 디스크 캐리어(274)에 의해 연마 패드(215) 상에 위치하게 된다. 연마 패드(215)가 회전함에 따라, 컨디셔닝 디스크(270)도 회전한다. 이와 같이 연마 패드(215)의 표면을 거칠게 함으로써, 그 본래의 재료 제거율을 회복한다.

컨디셔닝 디스크(270)는 다이아몬드 디스크를 사용할 수 있으며, 연마 패드(215) 상에 합침(含浸)된 연마제와 오염된 슬러리를 제거하고 연마 패드(215)의 본래의 연마 상태로 회복시키기 위해 사용될 수 있다.

컨디셔닝 디스크(270)가 디스크 캐리어(274)에 탈부착이 용이하도록 하기 위해, 디스크 캐리어(274)에 대향하는 컨디셔닝 디스크(270)의 일면은 자석(272)으로 형성할 수 있다.

몸체(260)의 양쪽 측면에는 지지축(280)이 삽입되어, 연마 및 컨디셔닝 겸용 헤드(250)는 지지축(280)을 중심으로 상하 회전 운동을 할 수 있다. 따라서, 도 2a에 도시된 바와 같이 웨이퍼(252)를 연마하고자 할 때는 연마 및 컨디셔닝 겸용 헤드(250)를 회전시켜 웨이퍼 캐리어(256)가 연마 패드(215)를 대향하도록 하고, 도 2b에 도시된 바와 같이 연마 패드(215)를 컨디셔닝하고자 할 때는 연마 및 컨디셔닝 겸용 헤드(250)를 회전시켜 디스크 캐리어(274)가 연마 패드(215)를 대향하도록 한다.

이와 같이, 하나의 연마 및 컨디셔닝 겸용 헤드(250)에 웨이퍼 캐리어(256) 와 디스크 캐리어(274)를 동시에 배치함으로써 전체 연마 시스템이 차지하는 공간을 줄일 수 있다.

이하, 도 3은 도 2a의 A 부분을 확대한 부분 확대 단면도로서, 지지축(280)을 중심으로 상하 회전하는 연마 및 컨디셔닝 겸용 헤드(250)에 대하여 상세히 설명한다.

도 3을 참조하면, 몸체(260)의 양쪽 측면에는 소정의 깊이를 가진 천공부(284)가 형성되고, 지지축(280)의 일단에는 천공부(284)에 삽입되어 몸체(260)와 결합되고 지지축(280)에 대하여 몸체(260)가 상대적으로 회전운동을 하게 하는 회전부(282)가 형성된다.

즉, 회전부(282)는 지지축(280)의 일단과 결합되어 있고, 회전부(282)는 몸체(260)의 천공부(284)의 내벽과 결합되어 있어서, 몸체(260)는 지지축(280)과 일정한 위치에 배치되면서 지지축(280)을 중심으로 자유로이 회전할 수 있게 된다. 이러한 회전부(282)로는 베어링을 사용할 수 있다.

지지축(280)은 상하로 이동할 수 있으며, 웨이퍼(252) 연마 공정에서 패드 컨디셔닝 공정으로(또는 그 역방향으로) 전환할 때 연마 및 컨디셔닝 겸용 헤드(250)가 원활하게 상하 회전을 할 수 있도록 연마 및 컨디셔닝 겸용 헤드(250)를 들어 올리는 역할을 할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 화학 기계적 연마 장치에 의하면, 전체 연마 시스템이 차지하는 공간을 줄어들어 제조원가가 절감되고, 원활하게 컨디셔닝 디스크를 교체할 수 있게 된다.

Claims

연마 패드가 놓여지는 턴 테이블;

상기 연마 패드에 슬러리를 공급하는 슬러리 공급 장치; 및

몸체와, 상기 몸체의 일면에 형성되어 웨이퍼를 고정 지지하는 웨이퍼 캐리어와, 상기 몸체의 타면에 형성되여 컨디셔닝 디스크를 고정 지지하는 디스크 캐리어를 구비하는 연마 및 컨디셔닝 겸용 헤드를 포함하고,

상기 몸체는 그 양측면에 천공부가 형성되고,

상기 천공부에 삽입되어 상기 몸체의 상하 회전 운동시 회전 중심축 역할을 수행하는 지지축을 포함하는 화학 기계적 연마 장치.
제1 항에 있어서,

상기 컨디셔닝 디스크는 상기 디스크 캐리어와 대향하는 일면이 자석으로 형성된 화학 기계적 연마 장치.
삭제
제1 항에 있어서,

상기 몸체와 상기 지지축은 베이링 결합을 하는 화학 기계적 연마 장치.
제1 항에 있어서,

상기 몸체 내에 형성되어, 상기 웨이퍼 캐리어 및 상기 컨디셔닝 디스크에 회전력을 전달하는 회전 구동부를 더 포함하는 화학 기계적 연마 장치.